JP2009228579A - 筒内直接噴射火花点火式内燃機関及びその燃料噴射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の噴射でタンブル流がより強化されるようにして燃焼室内における混合気の均一分散化をより促進させる。
【解決手段】マルチホールインジェクタ１５が燃焼室５に直接燃料を噴射するように配設されている。燃焼室５内にタンブル流が生じるように、吸気口６から吸気が燃焼室５内に導入される。ピストン３の頂面３ａには、排気側に偏在するキャビティ３ｄが凹設されている。吸気行程ではピストンの下降中に燃料噴射が終了し、その燃料噴射の終了時である吸気工程における上死点後１４０度のクランク角度のときに、最も下向きの下方噴霧２３ｆが排気側の端部よりも吸気側でキャビティ３ｄに衝突する。最も上向きの噴霧２１ｆは、点火プラグ１３に接触しないようになっている。
【選択図】 図７

Description

本発明は、多噴口型の燃料噴射弁が燃焼室に直接燃料を噴射するように配設されている筒内直接噴射火花点火式内燃機関およびその燃料噴射方法に関し、特に、混合気の均一性を向上させる技術に関する。

従来より、燃焼室に直接燃料を噴射する火花点火式内燃機関（直噴エンジンともいう）に、複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁（マルチホールインジェクタともいう）を備えたものがある。

例えば、特許文献１には、成層燃焼を実現するために、燃焼室の吸気側上部にマルチホールインジェクタを備え、そのマルチホールインジェクタからピストンの頂面に形成されたキャビティに向けて燃料の一部を噴射し、その燃料の一部がキャビティによって点火プラグの近傍に案内されるようにした直噴エンジンが開示されている。

そこでのキャビティは、ピストンの頂面において、その中央部から吸気側にわたって大きく形成されていて、上記燃料の一部は、そのキャビティの吸気側の部位に向けて噴射されている。このような成層燃焼においては、通常、安定した成層化を実現するために、圧縮行程において燃料噴射が行われる。

また、成層燃焼とは別に、燃焼室全体に概ね均一な混合気を分散させた上で燃焼させる均一燃焼を行う場合がある。

その場合には、一般に、燃焼室に吸気を導入する吸気行程において燃料を噴射し、その際に発生する燃焼室内の吸気の流動を利用して燃焼室全体に均一に分散された混合気が形成されるようにしている。中でも、吸気側から排気側に向かって縦方向に渦巻く比較的強い吸気の流動（タンブル流ともいう）が効果的に活用されている。
特開２００７−１７０２０６号公報

先の特許文献１のマルチホールインジェクタによれば、ピストンのキャビティに向けて燃料を噴射しているので、気筒の壁面に燃料が付着するのを軽減でき、燃焼不良等をよく防止できる点で有利である。

しかし、その燃料の噴射方向が真下近くまで大きく下に向いているため、均一燃焼を行った場合には、タンブル流による吸気の流動と衝突してその勢いを弱めてしまい、混合気を均一に分散する効率を損なうおそれがある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料の噴射により、タンブル流を強化できるようにして燃焼室内における混合気の均一分散化をより促進させることにある。

上記目的を達成するために、本発明では、タンブル流が燃料噴射によって強化できるように、最も下向きな噴口の噴射方向を設定した。

具体的には、先端部に複数の噴口を有する燃料噴射弁が気筒内の燃焼室に直接燃料を噴射するように配設されている筒内直接噴射火花点火式内燃機関であって、上記燃焼室は、シリンダヘッドに形成された天井壁によってその上面が区画される一方、その下面はピストンの頂面によって区画されていて、上記天井壁には、各々吸気弁によって開閉される２つの吸気口が設けられ、燃焼室内の上方を吸気側から排気側に向かう吸気の流動が生じるように、上記吸気口から吸気が燃焼室内に導入されるようになっていて、上記燃料噴射弁の先端部は、上記天井壁の周縁部における隣り合った２つの吸気口の間から燃焼室内に臨んでおり、上記ピストンの頂面には、その略中央部から排気側に偏在するようにキャビティが凹設されていて、複数の噴口の中で最も下向きに燃料を噴射する下方噴射噴口からの下方噴霧が、吸気行程における上死点後１４０度のクランク角度のときに、上記キャビティにその排気側の端部よりも吸気側で衝突する構成とする。

この構成によれば、まず、燃焼室の天井壁において、各々吸気弁によって開閉される２つの吸気口が設けられ、これら吸気口から燃焼室内の上方を吸気側から排気側に向かう吸気の流動が生じるように吸気が燃焼室に導入される。

すなわち、燃焼室に導入される吸気は、吸気口のうち、主として天井壁の中央寄りの部位から燃焼室に流れ込む。そして、排気側の気筒の内周面に沿うように下方に向かった後、ピストンの頂面に沿って吸気側に向かい、吸気側の気筒の内周面に沿うように上方に向かって流れ、燃焼室の全体にわたって大きく縦方向に旋回するようになる。

従って、吸気弁が開かれて燃焼室に吸気が導入される吸気行程での燃焼室には、排気側では下方に向かい、吸気側では上方に向かうように縦方向に渦巻く、所謂タンブル流が形成される。

そして、複数の噴口が設けられている燃料噴射弁の先端部は、天井壁の周縁部における吸気側から燃焼室内に臨んでいて、ピストンの頂面には排気側に偏在するようにキャビティが凹設されている。

従って、キャビティに向けて燃料を噴射した場合には、燃焼室内を比較的緩やかな角度でもって斜め下方に延びるように噴霧が形成され、燃料液滴が燃焼室を比較的大きく移動するため、キャビティに衝突するまでの間に分散し易い。

そうして、吸気行程における上死点後１４０度のクランク角度のときに、下方噴射噴口からの下方噴霧が、排気側の端部よりも吸気側でキャビティに衝突する。

吸気行程における上死点後１４０度のクランク角度では、ピストンは下降過程にあってその頂面は気筒内の比較的下方に位置しており、その位置関係の下で、複数の噴霧の中で最も下方に向いている下方噴霧が、排気側の端部よりも吸気側でキャビティに衝突する。

そうすると、下方噴射噴口から噴射される燃料はキャビティを含むピストンの頂面に衝突して跳ね返されるようになるため、燃料が気筒の周壁に付着するのが軽減でき、燃焼不良等をよく防止できる。

しかも、下方噴霧は、吸気側では上方に向かうタンブル流と真正面から衝突しないので、燃料噴射の勢いでタンブル流を弱めずに済む。更に、吸気側から排気側に向かう噴霧の流動が燃焼室の吸気側を上向きに流れる吸気の流動を巻き込んで、タンブル流の循環を導くようになるので、混合気の均一分散化が促進される。

更に、吸気行程における上記クランク角度のときには、上記下方噴霧がキャビティにその吸気側の端部よりも排気側で衝突するのが好ましい。そうすれば、下方噴霧の多くがキャビティに衝突することとなるため、燃料が気筒の周壁に付着するのがよりいっそう軽減でき、更に混合気の均一分散化が促進される。

また、キャビティは、その周側面の少なくとも一部に傾斜面を有しているものとすることができる。そうすれば、傾斜面に衝突した燃料液滴はその傾斜面によって燃焼室の中央側に跳ね返されて巻き上げられるようになるので、より確実に周壁への燃料の付着が軽減でき、排気側に濃い混合気分布の偏りも軽減される。

下方噴霧の中心線は、気筒の軸線と交差し、その下方噴霧の上方に隣接して位置する他の噴霧の中心線は、該下方噴霧の中心線の側方を通っているようにしておくのが好ましい。そうすれば、比較的狭い燃焼室であっても、複数の燃料の噴霧を干渉せずに近接配置することができる。

特に、上記燃焼室の天井壁の略中央部に点火プラグが配置されている場合には、上記複数の噴口の中で最も上向きに噴射する上方噴射噴口の噴霧が、点火プラグに接触しないようにしておくとよい。そうすれば、燃料液滴が点火プラグの電極に付着して、燃焼時にくすぶるのをうまく回避できる。

具体的には、上記上方噴射噴口の噴霧の中心線が、この上方噴射噴口を含み気筒の軸線に垂直な面よりも下向きに延びているようにすればよい。上方噴射噴口の噴霧の流動もタンブル流の流動方向に向くため、更にタンブル流を強化して混合気の均一分散化を促進することができる。また、下方噴射噴口の噴霧の巻き込み作用と合わさって、更にタンブル流が円滑に循環するようにもなる。

更に、上記複数の噴口は、噴霧が互いに衝突しないように配設するのが好ましい。そうすれば、異なる噴口から噴射された燃料液滴どうしがぶつかって一体化し、燃料液滴が大きくなって気化し難くなることを回避できるので、混合気の分散均一化を促進することができる。

また、上記目的は、次の燃料噴射方法によっても達成することができる。

すなわち、火花点火式内燃機関の燃焼室内に、複数の方向に向けて直接燃料を噴射する燃料噴射方法であって、上記燃焼室内の上方を吸気側から排気側に向かう吸気の流動が生じるように、上記燃焼室の天井壁に設けられた２つの吸気口から燃焼室に吸気を導入する吸気行程において、上記天井壁の周縁部における隣り合った２つの吸気口の間の部位から燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射工程を含み、上記燃料噴射工程では、ピストンの下降中に燃料噴射が終了し、その燃料噴射の終了時において、最も下向きな下方噴霧が、上記ピストンの頂面の略中央部から排気側に偏在するように凹設されたキャビティに、その排気側の端部よりも吸気側で衝突する構成する。

かかる構成によれば、まず、吸気行程において所謂タンブル流が形成される。そして、その吸気行程において燃料を噴射する燃料噴射工程では、ピストンが下降している燃料噴射の終了時に、最も下向きな下方噴霧が、ピストンのキャビティとその排気側の端部よりも吸気側で衝突するようになっている。

そうすると、下方噴霧に含まれる燃料は、噴射期間中は常に、キャビティを含むピストンの頂面に衝突することとなるので、燃料が気筒の周壁に付着するのを軽減できる。

更に、下方噴霧がタンブル流と真正面から衝突しないので、燃料噴射の勢いでタンブル流を弱めずに済む。そして、噴射による燃料の流動がタンブル流を巻き込んで、その循環を導くようになるので、混合気の均一分散化が促進されることとなる。

尚、ここでいう燃料噴射の終了時には、クランク角度の異なる燃料噴射の終了時も含まれ、ピストンの下降中には、ピストンが下死点にあるときも含まれる。

更には、上記燃料噴射工程では、燃料噴射の終了時において、上記下方噴霧が、上記キャビティにその吸気側の端部よりも排気側で衝突するようにするのが好ましい。そうすれば、下方噴霧の多くがキャビティに衝突して、より混合気の均一分散化が促進される。

以上説明したように、本発明によれば燃料の噴射によってタンブル流をより強化することができるため、燃焼室内における混合気の均一分散化をより促進させることができ、燃費や出力の向上、燃焼不良の改善等の効果を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（全体構成）
図１は、本発明の直噴エンジン１の概略図を示している。この直噴エンジン１は、シリンダブロック１ａと、このシリンダブロック１ａ上に配置されるシリンダヘッド１ｂとを備えている。これらシリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂの内部には、４つの気筒２，２，２，２が配設されていて、各気筒２内にはピストン３が上下方向に往復動可能に嵌挿されている。これらピストン３，３，・・は、シリンダブロック１ａの下方に回転自在に支持されたクランク軸４とコネクティングロッドを介して連結されていて、クランク軸４が延びる方向に直列状に並んでいる（図１では１つの気筒２に関する構成のみ開示）。

そして、図２に詳しく示すように、これら各気筒２内の上部に燃焼室５が形成されるようになっていて、その燃焼室５は、上面がシリンダヘッド１ｂに設けられた天井壁５ａによって区画され、側面がシリンダヘッド１ｂ乃至シリンダブロック１ａに設けられた周壁５ｂによって区画され、下面がピストン３上部の頂面３ａによって区画されている。燃焼室５の天井壁５ａは２つの傾斜面からなる三角屋根形状をしていて、この燃焼室５は所謂ペントルーフ型となっている。

シリンダヘッド１ｂには、燃焼室５に吸気を導入する吸気ポート６と、燃焼室５から既燃ガスを排出する排気ポート７とがそれぞれ２つずつ形成されている。

これら２つの吸気ポート６，６は、各気筒２の天井壁５ａにおける傾斜面の一方に横並びに開口し、燃焼室５に臨む吸気口６ａを各々の一端に有している。一方、その各他端側は、燃焼室５から斜め上方に延びて、シリンダヘッド１ｂの一側面（図１中、右側面）に互いに独立して開口している。各吸気ポート６の吸気口６ａには、それぞれ所定のタイミングで開閉する吸気弁８が設けられている。

２つの排気ポート７，７は、各気筒２の天井壁５ａにおける傾斜面の他方に横並びに開口し、燃焼室５に臨む排気口７ａを各々の一端に有している。一方、その各他端側は、途中で１つに合流した後、略水平に延びてシリンダヘッド１ｂの他端面（図１中、左側面）に開口している。各排気ポート１１の排気口７ａには、それぞれ所定のタイミングで開閉する排気弁９が設けられている。

尚、この直噴エンジン１には、クランク軸４に対する吸気弁８側のカム軸の位相を所定の角度範囲において連続的に変化させる公知の可変動弁機構１０（ＶＶＴ１０ともいう）が備えられていて、吸気弁８の開閉タイミングはこのＶＶＴ１０によって制御されるようになっている（図１にのみ示す）。

シリンダヘッド１ｂの吸気側の側面には、各気筒２の吸気ポート６にそれぞれ連通する吸気通路１１が接続されていて、この吸気通路１１を介して燃焼室５に吸気が供給されるようになっている。一方、シリンダヘッド１ｂの排気側の側面には、各気筒２毎に分岐して排気ポート７に連通する排気マニホールド１２が接続されていて、燃焼室５から既燃ガス（排気ガス）が排出されるようになっている。

燃焼サイクルにおける吸気行程においては、図２の仮想線で示すように、各吸気口６ａの吸気弁８が燃焼室５内に突出して吸気口６ａが開かれ、各吸気ポート６から燃焼室５内に吸気が導入される。その際、燃焼室５内には、その上方を吸気側から排気側に向かう比較的強い吸気の流動が生じて、同図の矢印線で示すような燃焼室５内を縦方向に渦巻く吸気の流動（タンブル流）が発生する。

詳しくは、燃焼室５に導入される吸気は、吸気口６ａのうち、主として天井壁５ａの中央寄りの部位から燃焼室５に流れ込み、燃焼室５内の上方を吸気側から排気側に向かって流れる。そして、排気側の周壁５ｂに沿うように下方に向かった後、ピストン３の頂面３ａに沿って、燃焼室５内の下方を排気側から吸気側に向かって流れる。その後、吸気側の周壁５ｂに沿うように上方に向かい、燃焼室の全体にわたって大きく縦方向に旋回するようになる。

このタンブル流を利用して燃料を均一に分散させ、燃焼室５全体に均一な混合気を形成するために、気筒の吸気行程で燃料が噴射される。燃料噴射の詳細については後述する。

シリンダヘッド１ｂの燃焼室５の上部には、気筒２の軸線Ｐに沿って延びるように点火プラグ１３が配設されていて、電極が設けられた点火プラグ１３の先端部１３ａは、４つの吸排気口６ａ，７ａ，・・に囲まれた天井壁５ａの略中心から燃焼室５内に所定距離だけ下方に突出している。一方、点火プラグ１３の基端部には点火回路１４（図１にのみ示す）が接続されており、各気筒２毎に所定のタイミングで点火プラグ１３に通電するようになっている。

シリンダヘッド１ｂの吸気側の側部には、２つの隣り合う吸気ポート６，６の下方を延びるようにマルチホールインジェクタ１５が配設されている。その先端部１５ａは、シリンダヘッド１ｂの天井壁５ａの周縁部における隣り合った２つの吸気口６ａ，６ａの間から燃焼室５内に臨んでおり、その基端部は、各気筒２に共通の燃料分配管１６（図１にのみ示す）に接続されている。

この燃料分配管１６は、図示しない高圧燃料ポンプや高圧レギュレータを有する燃料供給系に接続されていて、燃料タンクから吸い上げられて適正な圧力状態に調節された高圧の燃料が、この燃料供給系から各気筒２に分配供給され、吸気行程において各気筒２のマルチホールインジェクタ１５から噴射されるようになっている（燃料噴射工程）。

これらマルチホールインジェクタ１５の燃料の噴射タイミングや噴射圧力、点火プラグ１３の点火タイミング、吸気弁８及び排気弁９の開閉タイミングなどは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１７によって制御されている。

図３は、そのうち、燃料の噴射タイミングについて、ピストン３の気筒２内での位置との関係を示したものである。

図中、横軸はクランク角度を示しており、右端は圧縮行程における上死点（ＴＤＣ）、中央は吸気行程における下死点（ＢＤＣ）、左端は吸気行程における上死点（ＴＤＣ）である。ここでは、吸気行程における上死点を基準（０度）にクランク角度を規定しており（ＡＴＤＣ）、例えば、圧縮行程の上死点であれば、吸気行程における上死点後３６０度となる。

そして、下方の曲線がピストン３の気筒２内での位置を表しており、上方の帯状の領域が、エンジンの出力別での燃料の噴射期間を表している。

図に示すように、燃料噴射期間は、低速の低回転域（例えば１５００ｒｐｍ）では比較的短く、中回転域（例えば４０００ｒｐｍ）、高回転域（例えば６０００ｒｐｍ）と、速度が上がって回転数が大きくなるほど長くなっている。また、その噴射タイミングも、ＥＣＵ１７によって制御されていて、噴射開始時期や噴射終了時期もそれぞれ異なっている。ちなみに、本実施形態における低回転域での燃料噴射終了時のクランク角度は、吸気工程における上死点後１２０度となっている。

（要部構成）
次に、本発明の特徴であるマルチホールインジェクタ１５による燃料噴射の詳細について説明する。

図４に示すように、このマルチホールインジェクタ１５の先端部１５ａには、円錐状に燃料を噴霧する複数の噴口２１，２２，・・，２３（本実施形態では６つ）が備えられている。そして、図５の（ａ）に示すように、概ね燃焼室５内の排気側の空間を指向するように、これら噴口２１，２２，・・，２３の燃料噴射方向が設定されている。

具体的には、マルチホールインジェクタ１５の先端部１５ａの上側に位置する１つの噴口（上方噴射噴口）２１は、これら噴口２１，２２，・・，２３の中では最も上向きに噴射するように設定されている。この上方噴射噴口２１の下側を略水平方向に並ぶ一群（本実施形態では４つ）の噴口（側方噴射噴口）２２，２２，・・は、それぞれ、上方噴射噴口２１よりも所定の角度下向きに噴射するように、詳しくは、周壁５ｂの、マルチホールインジェクタ１５の先端部１５ａが対向している排気側の部位近傍を指向するように設定されている。この一群の側方噴射噴口２２，２２，・・の下側に位置する一つの噴口（下方噴射噴口）２３は、これら噴口２１，２２，・・，２３の中では最も下向きに噴射するように設定されている。

上方噴射噴口２１及び下方噴射噴口２３はマルチホールインジェクタ１５の先端部１５ａの中心を通る縦軸Ｔ上に配置され、側方噴射噴口２２，２２，・・はこの縦軸Ｔに対して左右対称状に配置されている。

そして、上方噴射噴口２１から噴射されて形成される噴霧２１ｆ（上方噴霧２１ｆともいう）及び、下方噴射噴口２３から噴射されて形成される噴霧２３ｆ（下方噴霧２３ｆともいう）は、図５の（ｂ）に示すように、その中心線２１ｓが気筒２の軸線Ｐと交差している。一方、側方噴射噴口２２から噴射されて形成される噴霧２２ｆ（側方噴霧２２ｆともいう）の各中心線２２ｓは、上方噴霧２１ｆ及び下方噴霧２３ｆの上下間において、これらの左右側方を通っている。

上方噴霧２１ｆは、図５の（ａ）に示すように、点火プラグ１３の先端部１３ａに接触しないように、詳しくは、この上方噴射噴口２１から下向きに延びるように、換言すれば上方噴霧２１ｆの中心線２１ｓが、上方噴射噴口２１を含み、気筒２の軸線Ｐと垂直な面Ｍよりも下側の方向に向かって延びるように構成されている。より詳しくは、その中心線２１ｓ及び気筒２の軸線線Ｐに直交する方向から見て、上方噴射噴口２１を通る、気筒２の軸線Ｐの垂線Ｌと、上方噴霧２１ｆの中心線２１ｓとのなす角度θ１が１０°〜１４°の範囲内にある。

従って、このマルチホールインジェクタ１５から噴射される燃料液滴が点火プラグの電極に付着し難くなるため、燃焼時にくすぶるのをうまく回避することができる。また、上方噴霧２１ｆの流動は吸気のタンブル流の流動方向に向くこととなるため、タンブル流が強化されて混合気の均一分散化が促進される。

各側方噴射噴口２２もまた、タンブル流を強化するように、効率よく分散配置されている。

まず、上方噴射噴口２１の下側に位置する２つの側方噴射噴口２２，２２（内側噴口２２ａともいう）の噴霧２２ｆ，２２ｆ（内側噴霧２２ａｆともいう）は、図６に示すように、これらの上下に隣接する上方噴霧２１ｆ及び下方噴霧２３ｆと燃焼室５内の空間において互いに衝突しないように近接配置されている。尚、図６中、符号Ｚ１で示す破線の領域は点火プラグ１３の先端部１３ａが存在するプラグ領域である。

そして、これら内側噴霧２２ａｆ，２２ａｆと、その両側にそれぞれ一つづつ位置する側方噴射噴口２２，２２（外側噴口２２ｂともいう）の各噴霧２２ｆ，２２ｆ（外側噴霧２２ｂｆともいう）の通過領域の上側には、吸気弁８が昇降する２つのリフト領域Ｚ２，Ｚ２が存在する。そのため、吸気弁８が最も下降する最大リフト位置において、各噴霧２２ｆ，２２ｆが吸気弁８に接触しないように構成されている。

詳しくは、図５の（ａ）に示すように、側方噴霧２２ｆの各中心線２２ｓ及び気筒２の軸線Ｐに直交する方向から見て、各側方噴射噴口２２を通る、気筒２の軸線Ｐの垂線Ｌと、各中心線２２ｓとのなす角度θ２，θ２’が２５°〜４０°の範囲内にある。

その上で、各側方噴霧２２ｆは、燃焼室５内の空間において互いに衝突しないように近接配置されている。詳しくは、図５の（ｂ）に示すように、側方噴霧２２ｆの中心線２２ｓのそれぞれが、気筒２の軸線Ｐが延びる方向から見て、所定の側方噴霧角度θ３内、詳しくは、気筒２の軸線Ｐを中心にして、左右対称状に１３５度の範囲内で周壁５ｂの壁面と交差するようにしてある。ちなみに、本実施形態では、周方向の最も外側に位置する両側の外側噴霧２２ｂｆ，２２ｂｆの中心線２２ｂｓ，２２ｂｓによる上記側方噴霧角度θ３は１３２度となっている。

そうすると、これら一群の側方噴霧２２ｆ，２２ｆ，・・は、全体的に燃料液滴が分散しながら、吸気のタンブル流の流動方向に噴射されることとなるため、タンブル流が強化されて混合気の均一分散化が促進される。

また、これら上方噴霧２１ｆ及び側方噴霧２２ｆは、周壁５ｂの壁面に至る前にタンブル流による吸気の流動層に遮られることから、燃料液滴が周壁５ｂの壁面に付着し難いという利点もある。

更に、下方噴射噴口２３についても、タンブル流が効果的に活用できるように、ピストン３の頂面３ａ、その中でも頂面３ａに凹設したキャビティ３ｄを指向するように配置されている。

具体的には、図７に示すように、ピストン３の頂面３ａには、２つの吸気口６ａ，６ａが並ぶ方向に沿った頂面３ａの中間部位、つまり、燃焼室５の天井壁５ａの給排気口６ａ，６ａ，７ａ，７ａの間の部分と対向する部位に、帯状に一段高くなった隆起面３ｂが形成されていて、その両側には、緩やかに下り傾斜する２つの傾斜面３ｃ，３ｃがそれぞれ連続して形成されている。そして、その隆起面３ｂの長手方向の略中央部には、球面状に凹むキャビティ３ｄが、排気側に偏在するように形成されている。

詳しくは、キャビティ３ｄは、その略中央に位置する底部と、底部と外周縁部との間の周側面３ｅとを有しており、その周側面３ｅは、衝突した燃料液滴が燃焼室５の中央側に跳ね返されるように、下方に湾曲しながら傾斜する傾斜面となっている。そして、キャビティ３ｄの中心は、ピストン３の頂面３ａの中心から排気側にずれて位置している。

一方、下方噴霧２３ｆは、側方噴霧２２ｆと燃焼室５内の空間において衝突しないように配置されるとともに、実験結果に基づいて、下方噴霧２３ｆの中心線２３ｓが、この中心線２３ｓ及び上記気筒２の軸線Ｐと直交する方向から見て、気筒２の軸線Ｐと平行な下方噴射噴口２３を通る基準線Ｈに対し、３５度以上の所定の角度θ４（下方噴霧角度θ４ともいう）となるように、下方噴射噴口２３が配置されている。

そのように配置すると、下方噴霧２３ｆは、燃焼室５の吸気側を上向きに流れるタンブル流と真正面から衝突しないようになるので、その噴射の勢いでタンブル流を弱めずに済む。

しかも、そうして噴射された燃料の流動は、吸気側の周壁５ｂに沿って上向きに流れる吸気を巻き込んで、吸気側から排気側に向かって燃焼室５の上方を流れるタンブル流の流動方向に導くようになるので、上方噴射噴口２１や側方噴射噴口２２の燃料噴射によるタンブル流の強化作用と相俟って、タンブル流の循環が強化され、混合気の均一分散化がよりいっそう促進される。

その一方で下方噴霧角度θ４を大きくしていくと、下方噴霧２３ｆはシリンダブロック１ａの周壁５ｂの排気側の下端部に衝突するようになる。そうなると、燃料が周壁５ｂに直接付着し易くなり、燃焼不良を招くおそれがある。

また、ピストン３の頂面３ａは、図３に示したように、燃料の噴射期間中も気筒２内を変位しているため、下方噴霧２３ｆのピストン３の頂面３ａに対する衝突位置は絶えず変化する。

そこで、そのピストン３の変位、燃料の噴射タイミングを考慮して、吸気行程における燃料噴射の終了時において、下方噴霧２３ｆがキャビティ３ｄの排気側の端部よりも吸気側でキャビティ３ｄに衝突するように、下方噴射噴口２３が設定されている。

具体的には、ピストン３が下降過程にある、吸気行程における上死点後１４０度のクランク角度のときに、少なくとも吸気行程における上死点後１２０度のクランク角度のときに、下方噴霧２３ｆが排気側の端部よりも吸気側でキャビティ３ｄに衝突するようになっている。そうすれば、タンブル流の作用が小さくなって混合気が比較的不均一になり易い低回転域においても、効果的に混合気の均一分散化を促進することができる。

尚、燃料噴射の終了時は、必ずしも上記クランク角度に限定されるものではなく、これと同様の作用効果が得られるのであれば、必要に応じて変更することができる。

この点詳しく説明すると、図８において実線で示すように、燃料の噴射開始時においてピストン３が上死点側に位置しているときには、下方噴霧２３ｆはピストン３の頂面３ａの吸気側に衝突する。ピストン３の頂面３ａには傾斜面３ｃが形成されているので、燃料液滴の多くはその傾斜面３ｃによって燃焼室５の中央側に跳ね返され、吸気工程初期の比較的強いタンブル流による分散作用と相俟って、周壁５ｂに付着することなく気化又は霧化する。

そして、図８において仮想線で示すように、ピストン３が下降して燃料の噴射終了時になると、頂面３ａとの下方噴霧２３ｆの衝突部位が、吸気側から排気側に移動して、ピストン３の頂面３ａの排気側の部位に衝突する。ピストン３の頂面３ａには、排気側に偏在してキャビティ３ｄが形成されているため、図７にも示すように、下方噴霧２３ｆはそのキャビティ３ｄによって受け止められる。

すなわち、下方噴霧２３ｆは、その燃料の噴射終了時において、キャビティ３ｄの排気側の端部よりも吸気側、そして、キャビティ３ｄの吸気側の端部よりも排気側でキャビティ３ｄと衝突し、下方噴霧２３ｆのほぼ全量がキャビティ３ｄに衝突するように設定されている。

そうすると、球面状に凹むキャビティ３ｄに衝突した燃料液滴の多くが、燃焼室５の中央側に向かって跳ね返されるようになり、周壁５ｂに燃料液滴が付着するのを効果的に防ぐことができるとともに、タンブル流の作用が多少小さくなっても、この跳ね返し効果との組み合わせによって混合気の均一分散化を促進することができる。ちなみに、本実施形態における下方噴霧角度θ４は約４０度に設定されている。

上記下方噴霧角度θ４等、各噴射噴口２１，２２，２３から噴射される燃料の噴霧状態は、いずれも燃焼室５内に吸気の流動がないと仮定した場合におけるものであり、燃焼室５の内圧や噴射圧等は使用状態に基づく。ちなみに、各噴口２１，２２，２３から噴射される噴霧２１ｆ，２２ｆ，２３ｆの噴霧角は、いずれも１０°〜１５°に設定されていて（本実施形態では約１２°）、噴射される燃料の少なくとも９０％以上がその範囲内に含まれるようになっている。尚、噴霧角等の計測方法としては、例えばレーザーシート法がある。

以上説明したように、本発明によれば、燃料の噴射によってタンブル流が強化されて、燃焼室５内における混合気の均一分散化が促進されるため、燃費や出力の向上、燃焼不良やノッキングの改善等の効果を得ることができる。

なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。例えば、キャビティ３ｄは、矩形状や不定形状など、必ずしも球面状でなくてもよい。要は、衝突する燃料が燃焼室５の中央側に跳ね返って、周壁５ｂに付着しないようになっていればよい。従って、キャビティ３ｄの傾斜面は、必ずしも周側面の全周にわたって形成する必要はなく、少なくとも排気側の部位に形成されていればよい。

本発明の筒内直接噴射火花点火式内燃機関の概略図である。 燃焼室５の概略を示す縦断面図である。 燃料噴射タイミングを説明するための図である。 マルチホールインジェクタの先端部を示す図である。 燃料噴射の状態を説明するための図である。（ａ）は側方から見た図であり、（ｂ）は上方から見た図である。 排気側から見た燃料噴射の状態を説明するための図である。 下方噴霧の状態を示す斜視図である。 燃料噴射タイミングと下方噴霧との関係を説明するための図である。

符号の説明

１ 直噴エンジン（筒内直接噴射火花点火式内燃機関）
２ 気筒
３ ピストン
３ａ 頂面
３ｃ 傾斜面
３ｄ キャビティ
３ｅ 周側面
５ 燃焼室
５ａ 天井壁
５ｂ 周壁
６ 吸気ポート
６ａ 吸気口
７ 排気ポート
７ａ 排気口
８ 吸気弁
９ 排気弁
１３ 点火プラグ
１５ マルチホールインジェクタ（燃料噴射弁）
１５ａ 先端部
２１ 上方噴射噴口
２１ｆ 噴霧
２１ｓ 中心線
２２ 側方噴射噴口
２２ｆ 噴霧
２２ｓ 中心線
２３ 下方噴射噴口
２３ｆ 下方噴霧
２３ｓ 中心線
Ｈ 基準線
Ｐ 気筒の軸線

Claims (9)

1. 先端部に複数の噴口を有する燃料噴射弁が気筒内の燃焼室に直接燃料を噴射するように配設されている筒内直接噴射火花点火式内燃機関であって、
   上記燃焼室は、シリンダヘッドに形成された天井壁によってその上面が区画される一方、その下面はピストンの頂面によって区画されていて、
   上記天井壁には、各々吸気弁によって開閉される２つの吸気口が設けられ、燃焼室内の上方を吸気側から排気側に向かう吸気の流動が生じるように、上記吸気口から吸気が燃焼室内に導入されるようになっていて、
   上記燃料噴射弁の先端部は、上記天井壁の周縁部における隣り合った２つの吸気口の間から燃焼室内に臨んでおり、
   上記ピストンの頂面には、その略中央部から排気側に偏在するようにキャビティが凹設されていて、
   複数の噴口の中で最も下向きに燃料を噴射する下方噴射噴口からの下方噴霧が、吸気行程における上死点後１４０度のクランク角度のときに、上記キャビティにその排気側の端部よりも吸気側で衝突することを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
2. 請求項１に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、更に、
   吸気行程における上記クランク角度のときに、上記下方噴霧が、上記キャビティにその吸気側の端部よりも排気側で衝突することを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
3. 請求項１又は請求項２に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、
   上記キャビティは、その周側面の少なくとも一部に傾斜面を有していることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、
   上記下方噴霧の中心線は気筒の軸線と交差し、その下方噴霧の上方に隣接して位置する他の噴霧の中心線は、該下方噴霧の中心線の側方を通っていることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、
   上記燃焼室の天井壁の略中央部に点火プラグが配置され、
   上記複数の噴口の中で最も上向きに噴射する上方噴射噴口の噴霧が、上記点火プラグに接触しないように構成されていることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
6. 請求項５に記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、
   上記上方噴射噴口の噴霧の中心線が、この上方噴射噴口を含み気筒の軸線に垂直な面よりも下向きに延びていることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、
   噴射された噴霧が互いに衝突しないように、上記複数の噴口が配設されていることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関。
8. 火花点火式内燃機関の燃焼室内に、複数の方向に向けて直接燃料を噴射する燃料噴射方法であって、
   上記燃焼室内の上方を吸気側から排気側に向かう吸気の流動が生じるように、上記燃焼室の天井壁に設けられた２つの吸気口から燃焼室に吸気を導入する吸気行程において、上記天井壁の周縁部における隣り合った２つの吸気口の間の部位から燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射工程を含み、
   上記燃料噴射工程では、ピストンの下降中に燃料噴射が終了し、その燃料噴射の終了時において、最も下向きな下方噴霧が、上記ピストンの頂面の略中央部から排気側に偏在するように凹設されたキャビティに、その排気側の端部よりも吸気側で衝突することを特徴とする燃料噴射方法。
9. 請求項８に記載の燃料噴射方法において、更に、
   上記燃料噴射工程では、燃料噴射の終了時において、上記下方噴霧が、上記キャビティにその吸気側の端部よりも排気側で衝突することを特徴とする燃料噴射方法。

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