JP2010024922A - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、エンジン冷間時における触媒活性化促進を図る火花点火式直噴エンジンにおいて、エンジンの圧縮比を高い状態で維持しつつ、キャビティ内に多くの噴霧を確実に入れて滞留させるようにして、エンジン冷間時の燃焼状態を安定させて、さらに、排気時の掃気性能も確保することができる火花点火式直噴エンジンを提供することを目的とする。
【解決手段】吸気ポート９の投影面内に重なるように、一段低い受け面３７を形成している。この受け面３７を、吸気ポート９の投影面内に重なるように設定することで、吸気ポート９から筒内（４）に入ってくる新しい空気を入れ易くなり、凹状キャビティ３４を通じて排気ポート１０側に新しい空気を流し易くなる。
【選択図】図１６

Description

この発明は、火花点火式直噴エンジンに関し、特に、エンジン冷間時における触媒活性化促進を図る火花点火式直噴エンジンに関する。

従来より、燃費向上を図る等のため、燃料を直接筒内に噴射する直噴エンジンが採用されている。こうした直噴エンジンによると、圧縮比を高くでき、エンジン効率を高めることができる。また、吸入吸気量に関わらず燃料噴射量を自由に調整できる。

一方で、近年では、排気ガスのエミッション規制も強化されており、触媒の早期活性化を図ることも求められている。こうした触媒の早期活性化のためには、排気ガス温度を早期に昇温させることが必要であり、点火タイミングをできるだけ遅角することで、排気ガス温度を高めることが考えられる。

しかし、点火タイミングを大幅に遅角させると、燃焼安定性が悪化してしまうため、この燃焼安定化を確保した上で、点火タイミングを遅角する技術が求められていた。

そこで、下記特許文献１では、燃料噴射を、上死点を跨ぐタイミングで行なう主噴射と、吸気行程等のタイミングで行なう早期噴射の、前後二回に分けて行い、点火タイミングを上死点よりも大幅に遅角して、燃焼を行なわせるエンジン装置が提案されている。

このように、燃料噴射を予め吸気行程等のタイミングで行うことで、噴射された燃料を、主噴射の噴射前に筒内に拡散させておけるため、主噴射の噴霧に点火されて、燃焼が開始したときには、筒内全体に相対的に緩慢な燃焼を生じさせることができ、燃焼を安定的に生じさせることができる。

すなわち、筒内の状態を、点火プラグ周りに濃い混合気を位置させてその周囲には空気だけとする、いわゆる「成層状態」から、その周囲にも薄い混合気を位置させる、いわゆる「弱成層状態」にすることで、エンジンの燃焼状態を安定させるのである。

なお、この特許文献１にも記載されているように、燃料を噴射するインジェクタは、マルチホール型インジェクタを用いることが考えられる。

また、特許文献２には、エンジン冠面の凹部を、点火プラグの点火点を中心とした球曲面に形成したものが開示されている。このように凹部を球曲面にすることで、燃焼室を略球面形状とすることができ、常に均一かつ良好な燃焼状態を維持することができる。
特開２００６−２５００５０号公報 特開２００７−１５４８２７号公報

ところで、燃費向上を図るためには、エンジン効率を高めるように、圧縮比を高めることが行われる。この圧縮比を高める方法としては、ピストン冠面に、燃焼室のペントルーフ形状に沿うような、ペントルーフ形状の斜面を有する隆起部を設けることが考えられる。

もっとも、特許文献１のエンジン装置のようにエンジン冷間時の触媒の早期活性化を考慮すると、点火タイミングの時期に、点火プラグ周りに濃い混合気を滞留させる必要があるため、この隆起部の点火プラグに対応する位置に、特許文献２と同様に、凹状のキャビティを形成することで、このキャビティを燃焼空間とすることが考えられる。

ここで、特許文献１のエンジン装置においては、燃料の主噴射を点火プラグに向かって噴射するように構成しているが、噴霧タイミングの時期から点火タイミングの時期までの時間が少しでもズレると、着火性が悪化して、安定した燃焼状態を得られないおそれがある。

そこで、凹状のキャビティに向かって燃料を噴射して、少しの期間、噴霧を滞留させることで、できるだけ長期間、点火プラグ周りに噴霧（濃い混合気）を位置させることが考えられる。

しかし、マルチホール型インジェクタを用いた場合には、噴射される噴霧が複数あり、様々な方向に向って噴射されるため、どのように、これらの噴霧を効果的にキャビティ内に入れるかが問題となる。

ここで、例えば、上方に位置する第１噴口から噴射される第１噴霧を、キャビティに直接噴射すると共に、その下方に位置する第２噴口から噴射される第２噴霧を、キャビティの手前の隆起部の斜面に衝突させて、その衝突後に、第１噴霧の通過によって生じた負圧を利用して、第２噴霧をキャビティ内に引き込むことが考えられる。こうすることで、第１噴霧のみならず第２噴霧もキャビティに入れることが可能となる。

もっとも、このように、第１噴霧の通過によって生じた負圧を利用して、第２噴霧をキャビティ内に引き込むとしても、発生する負圧の状態が一定でないため、第２噴霧が確実にキャビティ内に引き込まれない可能性もある。

また、燃焼終了後の排気行程においては、吸気弁の開放期間と排気行程の開放期間をオーバーラップさせて、筒内に入ってくる吸気を利用して筒内の排気ガスを完全に掃気することが多く行なわれるが、前述のように高圧縮比を得るために隆起部を設けた場合には、吸気の流れを阻害して、この掃気作用を十分に行なえないという問題もある。

そこで、本発明は、エンジン冷間時における触媒活性化促進を図る火花点火式直噴エンジンにおいて、エンジンの圧縮比を高い状態で維持しつつ、キャビティ内に多くの噴霧を確実に入れて滞留させるようにして、エンジン冷間時の燃焼状態を安定させて、さらに、排気時の掃気性能も確保することができる火花点火式直噴エンジンを提供することを目的とする。

この発明の火花点火式直噴エンジンは、燃焼室天井壁の周縁の吸気ポート開口の間に、斜め下方に複数の噴霧を噴射する多噴口を設けたインジェクタを備え、燃焼室天井壁の中央部に点火プラグを備えた火花点火式直噴エンジンであって、ピストン冠面には、ペントルーフ状の隆起部を形成する共に、前記点火プラグに対応するように凹状のキャビティを形成して、前記インジェクタには、正面視で上側に位置する第１噴霧を噴射する第１噴口と、第１噴霧の下側に位置する２つの第２噴霧を噴射する２つの第２噴口とを備えており、前記第１噴口の噴射方向を、平面視で第１噴霧がキャビティを指向するように設定して、前記２つの第２噴口の噴射方向を、平面視で２つの第２噴霧が前記第１噴霧の左右両側にそれぞれ位置するように設定して、前記隆起部のインジェクタ側の基本斜面には、平面視で前記吸気ポートの投影面と重なり、前記２つの第２噴霧が衝突する一段低い第２の斜面を形成して、該第２の斜面が前記キャビティに繋がるように形成する共に、圧縮行程後半の所定時期に燃料を噴射することで、第１噴霧がキャビティに入るように、第２噴霧が第２の斜面に衝突するように設定したものである。

上記構成によれば、ピストン冠面にペントルーフ状の隆起部を形成することで、エンジンの圧縮比を高めることができる。また、エンジン冷間時には、第１噴霧がキャビティに向かって噴射されて、２つの第２噴霧が第２の斜面に衝突するように噴射されることで、２つの第２噴霧が第１噴霧の通過によって発生した負圧によってキャビティ内に引き込まれる。さらに、第２の斜面がペントルーフ状の斜面よりも一段低く吸気ポートの投影面と重なって形成されているため、この第２の斜面を利用して、掃気する吸気を排気側に流し易くできる。
このため、エンジンの圧縮比を高めることができつつも、エンジン冷間時には、第１噴霧のみならず、第２の斜面に衝突した２つの第２噴霧も、キャビティ内に確実に入れることができる。また、この第２の斜面を利用して、エンジンの排気行程における掃気性能も向上することができる。

この発明の一実施態様においては、前記第２の斜面を形成することで、キャビティ周縁部の高さを、インジェクタ側を反インジェクタ側よりも低く設定したものである。
上記構成によれば、キャビティ周縁部の高さが、インジェクタ側を反インジェクタ側よりも低くなっているため、第１噴霧と第２噴霧が、キャビティ内に入り易く、且つ出にくいようになる。
このため、第２の斜面を利用して第２噴霧をキャビティ内に入れ易くしつつも、多くの噴霧をキャビティ内に留めることができる。
よって、より多くの濃い混合気を、確実に点火プラグ周りに位置させることができる。

この発明の一実施態様においては、前記第２の斜面には、平面視における左右２つの第２噴霧が衝突する部位の外側に前記基本斜面との段差によって形成されて、衝突後の第２噴霧をキャビティ中央側に案内するガイド壁を設けたものである。
上記構成によれば、第２の斜面に、衝突後の第２噴霧をキャビティ中央側に案内するガイド壁を設けたことで、左右２つの第２噴霧を、キャビティ中央側に案内することができる。
よって、左右に位置する２つの第２噴霧を、確実にキャビティ内に案内することができ、より多くの噴霧をキャビティ内に入れることができる。

この発明の一実施態様においては、正面視で第２噴霧の下側に位置する第３噴霧を噴射する第３噴口を設け、圧縮行程後半の前期所定時期に燃料を噴射して、第３噴霧が第２の斜面に衝突するように設定したものである。
上記構成によれば、第３噴口から噴射した第３噴霧を、第２の斜面に衝突させることで、第３噴霧に対してもガイド壁でキャビティの中央側に案内することができる。
よって、さらに多くの噴霧を、キャビティ内に案内することができ、より多くの濃い混合気を点火プラグ周りに位置させることができる。

この発明の一実施態様においては、所定時期の燃料噴射終了時期を、圧縮行程の３／４以降に設定すると共に、前記点火プラグの点火時期を、上死点後に設定したものである。
上記構成によれば、ピストンが上死点近傍に位置するときに、燃料を噴射することで、ピストン冠面に正確に噴霧を衝突させることができ、第１噴霧と第２噴霧等をより正確にキャビティ内に入れることができる。このため、点火プラグの点火時期を上死点後に設定して、点火タイミングを遅らせたとしても、点火プラグ周りに濃い混合気を滞留させることができるため、エンジンの燃焼性を確保することができる。
よって、点火タイミングを遅角して燃焼させることが可能となり、排気ガス温度を昇温することができる。

この発明の一実施態様においては、前記圧縮行程の燃料噴射に加えて、吸気行程でも燃料噴射を行なうものである。
上記構成によれば、吸気行程でも燃料噴射を行なって、二分割噴射とすることにより、筒内をいわゆる弱成層化することができる。
よって、点火タイミングを遅角して燃焼させる場合の燃焼安定性を高めることができ、より確実に排気ガス温度を昇温することができる。

この発明によれば、エンジンの圧縮比を高めることができつつも、エンジン冷間時には、第１噴霧のみならず、第２の斜面に衝突した２つの第２噴霧も、キャビティ内に確実に入れることができる。また、この第２の斜面を利用して、エンジンの排気行程における掃気性能も向上することができる。
よって、本発明は、エンジン冷間時における触媒活性化促進を図る火花点火式直噴エンジンにおいて、エンジンの圧縮比を高い状態で維持しつつ、キャビティ内に多くの噴霧を確実に入れて滞留させるようにして、エンジン冷間時の燃焼状態を安定させて、さらに、排気時の掃気性能も確保することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳述する。
図１は本発明を採用した実施形態の火花点火式直噴エンジンの概略構成図である。
この図１に示すように、このエンジンＥは、いわゆる４サイクルのレシプロエンジンであり、クランクシャフト１を回転自在に支持するシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に配置されたシリンダヘッド３とで一体的に構成している。またこのシリンダブロック２とシリンダヘッド３には、複数の気筒４を設けている。

各気筒４には、コンロッド５を介してクランクシャフト１に連結されたピストン６と、ピストン上方に形成される燃焼室７とを設けている。

シリンダヘッド３の下面には、気筒４毎に燃焼室７の天井壁部８を形成している。この天井壁部８は、中央部分からシリンダヘッド３下端まで延びる２つの対向する傾斜面８ａ，８ｂを有する、いわゆるペントルーフ型となっている。

前記燃焼室７の天井壁部８には、各々独立した２つの吸気ポート９と排気ポート１０が設けられ、吸気２弁１６、排気２弁１７の４弁構成としている。

燃焼室７の側縁部には、燃料供給システムに接続されているマルチホール型インジェクタ１１が斜め下方を向いて設置されている。このマルチホール型インジェクタ１１は、燃料供給システム１２がコントロールユニット１３からの燃料噴射パルスを受けることにより、このパルス幅に対応する燃料を燃焼室７に噴射するように構成されている。
なお、このマルチホール型インジェクタ１１の詳細構造については、後述する。

また、各気筒４には、シリンダヘッド３に固定されて、燃焼室７内に電極を臨ませて配置される点火プラグ１４を設けている。この点火プラグ１４は、燃焼室７の略中央位置に配置している。点火プラグ１４には、電子制御による点火タイミングのコントロール可能な点火回路１５が接続されており、この点火回路１５によって制御されるようになっている。

各気筒４の吸気弁１６及び排気弁１７には、それぞれタペットユニット１８，１９が設けられている。このタペットユニット１８，１９は、シリンダヘッド３に設けられた動弁機構のカム軸のカム２０，２１によって、周期的に駆動されるように構成している。

エンジンＥの吸気ポート９には、インテークマニホールドの分岐吸気管２２が接続されている。分岐吸気管２２は気筒毎に設けられており、それぞれがインテークマニホールドに等長の吸気経路を形成した状態で接続されている。

次に、排気ポート１０には、各気筒に２つ一組で形成された二股状の分岐排気管２３が接続されている。各分岐排気管２３の下流側には、排気ガスの浄化を行なう触媒コンバータ２４を設置している。この触媒コンバータ２４には、触媒温度を検出する触媒温度センサ２５を設けており、活性化温度まで触媒が昇温したか否かを検出するようにしている。

コントロールユニット１３は、ＣＰＵ等で構成しており、図示しない入力センサ（クランク角センサ等）や前述の触媒温度センサ２５等の入力要素と、前述した燃料供給システム１２や点火回路１５等の出力要素と接続することにより、エンジンの運転状態を制御するように構成している。

図２はマルチホール型インジェクタとピストンと点火プラグの詳細構造を示した斜視図であり、図３は（ａ）ピストン冠面の平面図と（ｂ）ピストン冠面のＡ−Ａ線矢視断面図である。
図２に示すように、マルチホール型インジェクタ１１は、先端の噴射面１１ａが斜め下方に向くように設置しており、ピストン６の冠面３０側に向けて複数の噴霧Ｇを噴射するように構成している。

このマルチホール型インジェクタ１１の噴射面１１ａには、６つの噴口４０…を設けている。具体的には、噴射面詳細図に示すように、上段中央に第一噴口４０ａを、二段目左右両側に第二噴口４０ｂと第三噴口４０ｃを、三段目左右両端に第四噴口４０ｄと第五噴口４０ｅを、下段中央に第六噴口４０ｆを、それぞれ並ぶように設けている。

このように、各噴口４０…を設けることで、各噴口４０から噴射される噴霧Ｇは、斜め下方に向かって、筒内に満遍なく均等に噴射される。このため、通常運転時の均質燃焼時には、全筒内全てに燃料が行き渡り、効率的に燃焼させることができる。

また、後述するように、エンジン冷間時には、噴射タイミングを適切に制御することで、弱成層状態を筒内（４）に生成することができる。
ここで、弱成層状態とは、点火プラグ周りの混合気の濃度を濃くして、その周囲の混合気を薄くなるように、筒内（４）の混合気比率を設定した状態をいう。

また、各噴口４０…は、極小の径（例えば、０．１ｍｍ程度）で形成されており、この径や向き等によって、各噴口４０…からの噴射量や指向方向が決定される。

この各噴口４０…の指向方向は、各噴口４０…の位置に対応して設定されており、第一噴口４０ａからの第一噴霧Ｇａが最も上方を指向して、第二噴口４０ｂからの第二噴霧Ｇｂと、第三噴口４０ｃからの第三噴霧Ｇｃがその下方で左右方向を指向して、第四噴口４０ｄからの第四噴霧Ｇｄと、第五噴口４０ｅからの第五噴霧Ｇｅが、さらにその下方で左右外方側を指向して、第六噴口４０ｆからの第六噴霧Ｇｆが最も下方で中央を指向するように設定されている。なお、第一噴霧Ｇａは、図２にも示すように、点火プラグ１４の電極１４ａに燃料が付着しないように、電極１４ａよりも下方位置を指向するように設定されている。

この実施形態のピストン６は、ピストン冠面３０にクランク軸方向に沿って対向する一対の傾斜面３１ａ，３１ｂを有する隆起部３１を形成している。この隆起部３１の傾斜面３１ａ，３１ｂは、前述した燃焼室７のペントルーフ型の天井壁部８に沿うように、ペントルーフ形状で傾斜するように形成している。

また、隆起部３１の両側方には、ピストン冠面３０の基準面となる水平面部３２，３３をそれぞれ設けている。そして、この水平面部３２，３３には、吸気弁１６と排気弁１７にそれぞれ対応するように、吸気弁リセス３２ａと排気弁リセス３３ａを形成している。

この隆起部３１の中央には、平面視略円形の凹状キャビティ３４を形成している。この凹状キャビティ３４は、略半球面状に形成された内周面３５と、略水平面状に形成された平底面３６とを備えており、ピストン６が上死点に位置した際には、点火プラグ１４の電極１４ａを中心とした略球状の燃焼空間を構成するようにしている。

このように、凹状キャビティ３４を形成して、略球面状の燃焼空間を構成することで、圧縮比が極めて高いエンジンにすることができ、エンジン効率を高めることができる。

図３（ａ）に示すように、吸気側の傾斜面３１ａには、噴霧を受ける受け面３７を形成している。この受け面３７は、一段凹んだ平面視略ひょうたん形状の凹部で形成している。

この受け面３７の上部の一部を、凹状キャビティ３４にかかるように形成することで、図３（ｂ）に示すように、凹状キャビティ３４のインジェクタ側上縁端３４ａが、反インジェクタ側上縁端３４ｂよりも低くなるように形成している。
このため、後述するように、インジェクタ１１から噴射された噴霧（Ｇａ）が、凹状キャビティ３４内に、入り易く、且つ出にくいようになる。

なお、図３（ａ）に示すように、隆起部３１の凹状キャビティ３４の両側の頂部分には上面部３８，３８を形成している。この上面部３８，３８は、外側端をやや下げた傾斜面で構成している。こうすることで、後述するように、ピストン６が上死点にある場合でも、筒内（４）上部に、吸気側と排気側を連通する連通空間を形成することができる。

次に、図４、図５、図６により、エンジン冷間時におけるエンジン運転状態（燃料噴射状態）を説明する。図４はエンジン冷間時の燃料噴射タイミングと点火タイミングのタイムチャートであり、図５は吸気行程での燃料噴射状態を示す側面図であり、図６は圧縮行程での燃料噴射状態を示す側面図である。

コントロールユニット１３で制御されるマルチホール型インジェクタ１１と点火プラグ１４は、エンジン冷間時には、図４のタイムチャートに示すように制御される。

すなわち、触媒温度センサ２５等でエンジン冷間状態を検出した際には、燃料噴射タイミングが吸気行程で１回、圧縮行程で１回の合計２回に設定され、１サイクル当りの燃料噴射が２分割で行われる。

具体的には、例えば、クランク角度８０度（以下、「°ＣＡ」とする）に一回目の燃料噴射Ｆ１が終了して、３２５°ＣＡに二回目の燃料噴射Ｆ２が終了するように設定している。なお、各噴射パルスの幅ｗ１，ｗ２は、各噴射タイミングにおける燃料噴射量に比例するように設定しており、この二回の燃料噴射量の合計が、ほぼ理論空燃比となるような燃料噴射量に設定している。

このように、二分割で燃料を噴射することにより、まず、一回目の燃料噴射Ｆ１によって、燃料を早期に筒内で気化霧化でき、その後、二回目の燃料噴射Ｆ２で、点火プラグ１４周りに、混合気の濃いリッチな層を形成できる。すなわち、このような二分割の噴射タイミングによって、筒内をいわゆる弱成層化することができるのである。

そして、その後、上死点（ＴＤＣ）を経過した後、３８０°ＣＡ（＝排気行程の２０°ＣＡ）で点火プラグ１４を点火している。すなわち、排気行程に入る時期まで点火タイミングＳを遅角しているのである。

このように、点火タイミングＳを遅角することで、エンジンＥの燃焼エネルギーが熱エネルギーに多く使われることになり、排気ガス温度が高いまま、排気ガスが排気側に排出されることになる。

このため、触媒コンデンサ２４には、温度の高い排気ガスが供給されて、早期に触媒コンデンサ２４の温度を上昇させることができ、触媒を活性化することができる。
よって、エンジン始動時等に早期に排気ガスを浄化することができる。

なお、点火プラグ１４の点火タイミングＳを遅角すると、燃焼状態が不安定になり、燃焼が確実に生じないおそれがある。しかし、本実施形態では、筒内（４）を確実に弱成層化しているため、点火タイミングＳが大幅に遅角したとしても、安定した燃焼状態を得ることができる。

図５に示すように、吸気行程での燃料噴射（一回目の燃料噴射Ｆ１）では、最下部の第六噴口４０ｆから噴射された第六噴霧Ｇｆが、ピストン冠面３０の凹状キャビティ３４に入るように設定されている。すなわち、最も下方に指向する第六噴霧Ｇｆが、筒内４の側壁面４ａ（ライナー）に到達（付着）することなく、ピストン冠面３０に指向するように噴射されるのである。

このように、第六噴霧Ｇｆがピストン冠面３０を指向するように、燃料が噴射されることで、筒内４で最も温度が低い側壁面４ａ（ライナー）の下部４ａ１に、燃料が付着することがなく、吸気行程での燃料の気化霧化を促進することができる。このため、排気ガスに未燃ガスであるＨＣが含有されることを防ぐことができる。

また、９０°ＣＡ近傍で燃料を噴射することで、ピストンスピードが最も速く、筒内流動が最も大きい時期に、燃料を噴射することになるため、気化霧化をより促進することができる。

図６に示すように、圧縮行程での燃料噴射（二回目の燃料噴射Ｆ２）では、最上部の第一噴口４０ａから噴射された第一噴霧Ｇａがピストン冠面３０の凹状キャビティ３４を指向するように設定されている。すなわち、最も上方に指向する第一噴霧Ｇａが、凹状キャビティ３４の内周面３５に指向するように設定されているのである。

一方、第二噴霧Ｇｂや第三噴霧Ｇｃは、凹状キャビティ３４手前の傾斜面３１ａ（具体的には受け面３７）に指向するように設定されている。もっとも、このように、第二噴霧Ｇｂ、第三噴霧Ｇｃが受け面３７に指向しても、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃは凹状キャビティ３４内に入ることになる。すなわち、受け面３７に衝突して勢いが弱まった第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃは、第一噴霧Ｇａが通過した後に発生する負圧によって、凹状キャビティ３４内に引き込まれるのである。

この引き込み挙動について、図７の模式図を利用して説明する。図７の（ａ）は噴射直後の側面模試図、（ｂ）はその後の側面模式図である。

（ａ）に示すように、第一噴霧Ｇａは、凹状キャビティ３４の略半球面状の内周面３５に、指向するように噴射される。
このため、第一噴霧Ｇａは、（ｂ）に示すように、内周面３５の円弧状傾斜面３５ａに案内されて、上方にスムーズに反転して、点火プラグ１４側（天井壁部８側）に向かうことになる。

一方、（ａ）に示すように、第二噴霧Ｇｂ（第三噴霧Ｇｃ）は、受け面３７に指向するように噴射される。
このため、第二噴霧Ｇｂ（第三噴霧Ｇｃ）は、受け面３７に衝突して勢いが弱まり、受け面３７の上方を漂うことになる。しかし、（ｂ）に示すように、第一噴霧Ｇａが通過した後には、凹状キャビティ３４内に引き込む負圧が発生しているため、第二噴霧Ｇｂ（第三噴霧Ｇｃ）は、この負圧によって、凹状キャビティ３４内に引き込まれるのである。

このように、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃが凹状キャビティ３４に引き込まれることで、点火プラグ１４周りに、濃い混合気を多く位置させることができる。

そして、第一噴霧Ｇａだけでなく、第二噴霧Ｇｂや第三噴霧Ｇｃも、凹状キャビティ３４内に引き込むことで、より多くの混合気を点火プラグ１４周りに位置させることができる。

また、図８の噴射状態を示した平面図にも示すように、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃは、傾斜面３１ａから一段凹んだ受け面３７に噴射されるため、側方側（ライナー側）に漏れることがなく、確実に凹状キャビティ３４内に案内されることになる。

すなわち、受け面３７と傾斜面３１ａとの間には、段差によって形成されたガイド壁３７ａ，３７ｂを、キャビティ中央側を向いて傾斜（インジェクタ軸線に対する傾斜角α）するように設けているため、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃが凹状キャビティ３４内に案内されるのである。

さらに、この受け面３７には、第四噴霧Ｇｄと第五噴霧Ｇｅも衝突するように噴射している。このため、第四噴霧Ｇｄも第五噴霧Ｇｅも、ガイド壁３７ａ，３７ｂによって、凹状キャビティ３４に案内されることになる。

特に、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃについて、その指向方向（延長線を一点鎖線で示す）を、平面視で凹状キャビティ３４に重なるように設定しているため、前述の負圧による引き込み効果をより生じ易くしている。

図９〜図１２は、この実施形態の噴射状態のシミュレーション図である。図９は３２５°ＣＡのシミュレーション図、図１０は３４０°ＣＡのシミュレーション図、図１１は３５０°ＣＡのシミュレーション図、図１２は３６０°ＣＡのシミュレーション図である。また、各図において、（ａ）が第一噴霧の噴射状態、（ｂ）が第二噴霧と第三噴霧の噴射状態、（ｃ）が第一噴霧の噴霧状態と第二噴霧と第三噴霧の噴霧状態を組み合わせたものである。そして、上段が平面図、下端が側面図である。また、各ドッドが噴霧の液滴である。

図９に示すように、噴射完了直後の３２５°ＣＡでは、（ａ）のように、第一噴霧Ｇａは、凹状キャビティ３４内に噴射される。また、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃは、（ｂ）のように受け面３７に反射して上方に漂うようになっている。このため、（ｃ）のように、インジェクタ側には、多くの液滴が位置することになる。

図１０に示すように、その後の３４０°ＣＡでは、（ａ）のように、第一噴霧Ｇａは、凹状キャビティ３４内の内周面３５に当接して上方に案内される。また、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃは、（ｂ）のように、第一噴霧Ｇａが通過した際に生じる負圧によって、凹状キャビティ３４内（図面では上方）に引き込まれる。このため、（ｃ）のように、点火プラグ１４の周りには、多くの液滴が位置することになる。

図１１に示すように、その後の３５０°ＣＡでは、（ａ）のように、第一噴霧Ｇａは、凹状キャビティ３４の一方側に偏る。また、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃは、（ｂ）のように、凹状キャビティ３４を中心に広がる。このため、（ｃ）のように、点火プラグ１４の周りには、液滴が位置することになる。なお、図１０よりも、液滴が減少しているのは、液滴が順調に蒸発（気化）しているからである。

図１２に示すように、上死点の位置である３６０°ＣＡでは、（ａ）に示すように、第一噴霧Ｇａは、凹状キャビティ３４の一方側に偏った状態で気化している。また、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃは、（ｂ）のように、全体に広がって気化する。このため、（ｃ）のように、液滴は、一部凹状キャビティ３４の一方側に偏った状態で位置するものの、ほとんど気化することになる。

図１３は、この３６０°ＣＡでの点火プラグ周りの混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）の分布状態を示した図である。この図で、Ｒの領域は最もリッチな領域、Ｌの領域は最もリーンな領域を示している。
この図に示すように、３６０°ＣＡにおいても、混合気の空燃比は、比較的バラついており、点火プラグ１４よりもインジェクタ側の方に、濃い混合気（Ｒ）が存在することになる。また、点火プラグ１４から離間した反インジェクタ側にも、濃い混合気（Ｒ）が存在する。そして、薄い混合気（Ｌ）が広い範囲に存在することになる。

一方、図１４は、点火タイミング直前の３８０°ＣＡでの点火プラグ周りの混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）の分布状態を示した図である。
この図に示すように、３８０°ＣＡになると、混合気の空燃比は、点火プラグ１４周りに多くのやや濃い混合気（Ｒ）が存在しつつも、全体的に混合気の空燃比は均等化されることになる。これによって、点火プラグ１４による着火性能を高めることができる。

以上のように、燃料を気化霧化して着火性能を高めているため、点火タイミングＳを遅らせたとしても、確実に混合気を燃焼させることができ、排気ガスの温度を高めることができる。

次に、図１５〜図１７により、エンジン排気時の掃気性能について説明する。図１５の（ａ）が排気時の掃気作用を説明する吸排気弁のバルブリフトタイミングを示したグラフ、（ｂ）が排気時の吸排気弁の作動状態断面図、図１６が吸排気ポート等も重ねて示したピストンの平面図、図１７の（ａ）が図１６のＢ−Ｂ線の矢視断面図、（ｂ）が図１６のＣ−Ｃ線の矢視断面図である。

エンジンの排気行程においては、燃焼ガスを筒内から完全に排出することで、次の吸気行程で多くの新しい空気を取り入れることが求められる。このため、この実施形態では、筒内に入ってくる吸気を使って燃焼ガスを完全に掃気する掃気作用を用いる。

具体的には、図１５（ａ）のグラフに示すように、排気弁の開放期間の後半と、吸気弁の開放期間の前半が重なる（ラップ）ように、各バルブリフトタイミングを設定することで、吸気弁開放時に入ってくる吸気を利用して、筒内に残る残留ガス（燃焼ガス）を排気側に排出している。

すなわち、図１５（ｂ）に示すように、吸気弁１６と排気弁１７が共に開放している状態では、吸気ポート９から筒内４に新しい空気が流入してくるため、この新しい空気を利用して、ピストン６上方の空気を排気側に流すことで、筒内（４）に残余している燃焼ガスを排気側に排出するのである。

もっとも、このとき、ピストン冠面３０には、圧縮比を高めるために隆起部３１を設けているため、吸気ポート９から流れ出た吸気が隆起部３１に阻害されて、排気ポート１０側に流れ難くなり、掃気作用が十分に行えないおそれがある。

そこで、本実施形態では、図１６に示すように、吸気ポート９の投影面内に重なるように、一段低い受け面３７を形成している。この受け面３７を、吸気ポート９の投影面内に重なるように設定することで、吸気ポート９から筒内（４）に入ってくる新しい空気を入れ易くなり、凹状キャビティ３４を通じて排気ポート１０側に新しい空気を流し易くなる。

具体的には、図１７の（ａ）に示すように、受け面３７が傾斜面３１ａよりも一段低く形成されているため、吸気ポート９の下方には、ピストン６との間に受け面３７分の隙間Ｗが形成されるため、この隙間Ｗから新しい空気を取り込むことができる。なお、この図で上方側に示しているのは、シリンダヘッド３の天井壁部８である。

また、これと同時に、図１７の（ｂ）に示すように、隆起部３１の上面部８を、外側を下方に傾斜させた傾斜面として構成しているため、シリンダヘッドの天井壁部８との間に、連通空間Ｘを構成している。

このため、この連通空間Ｘにおいても、新しい空気を吸気側から排気側に流すことが可能となり、掃気性能を高めることができる。

したがって、ピストン冠面３０に隆起部３１を形成しつつも、隆起部３１の傾斜面３１ａに受け面３７等を設けることで、エンジンの掃気性能も十分に確保することができる。

次に、このように構成した本実施形態の作用効果について説明する。
この実施形態では、マルチホール型インジェクタ１１に、第一噴口４０ａと第二噴口４０ｂ、第三噴口４０ｃとを備えており、隆起部３１のインジェクタ側の傾斜面３１ａには、平面視で吸気ポート９の投影面と重なり、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃが衝突する一段低い受け面３７を形成して、この受け面３７が凹状キャビティ３４に繋がるように形成する共に、圧縮行程後半に燃料を噴射して、第一噴霧Ｇａが凹状キャビティ３４に入るように、第二噴霧Ｇｂが受け面３７に衝突するようにしている。

これにより、ピストン冠面３０にペントルーフ状の隆起部３１を形成することで、エンジンの圧縮比を高めることができる。また、エンジン冷間時には、第一噴霧Ｇａが凹状キャビティ３４に向かって噴射されて、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃが受け面３７に衝突するように噴射されることで、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃが第一噴霧Ｇａの通過によって発生した負圧によって凹状キャビティ３４内に引き込まれる。さらに、受け面３７がペントルーフ状の傾斜面３１ａよりも一段低く吸気ポート９の投影面と重なって形成されているため、この受け面３７を利用して、掃気する吸気を排気側に流し易くできる。
このため、エンジンＥの圧縮比を高めることができつつも、エンジン冷間時には、第一噴霧Ｇａのみならず、受け面３７に衝突した第二噴霧Ｇｂ、第三噴霧Ｇｃも、凹状キャビティ３４内に確実に入れることができる。また、この受け面３７を利用して、排気行程における掃気性能も向上することができる。
よって、エンジン冷間時における触媒活性化促進を図る火花点火式直噴エンジンＥにおいて、エンジンＥの圧縮比を高い状態で維持しつつ、凹状キャビティ３４内に多くの噴霧を確実に入れて滞留させるようにして、エンジン冷間時の燃焼状態を安定させて、さらに、排気時の掃気性能も確保することができる。

また、この実施形態では、受け面３７を形成することで、凹状キャビティ３４の周縁の高さを、インジェクタ側上縁端３４ａを、反インジェクタ側上縁端３４ｂよりも低く設定している。
これにより、第一噴霧Ｇａと第二噴霧Ｇｂ等が、凹状キャビティ３４内に入り易く、且つ出にくいようになるため、多くの噴霧を凹状キャビティ３４内に留めることができる。
よって、より多くの濃い混合気を、確実に点火プラグ１４周りに位置させることができる。

また、この実施形態では、受け面３７には、段差によって形成されたガイド壁３７ａ，３７ｂを、キャビティ中央側を向いて傾斜するように設けている。

これにより、受け面３７に、衝突後の第二噴霧Ｇｂ、第三噴霧Ｇｃを、キャビティ中央側に案内するガイド壁３７ａ，３７ｂを設けたことで、左右の第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃを、凹状キャビティ３４の中央側に案内することができる。
よって、第二噴霧Ｇｂと第三噴霧Ｇｃを、確実に凹状キャビティ３４内に案内することができ、より多くの噴霧を、凹状キャビティ３４内に入れることができる。

また、この実施形態では、正面視で第二噴霧Ｇｂ、第三噴霧Ｇｃの下側に位置する第四噴霧Ｇｄ、第五噴霧Ｇｆを噴射する第四噴口４０ｄ、第五噴口４０ｆを設け、圧縮行程後半の前期所定時期に燃料を噴射して、第四噴霧Ｇｄ、第五噴霧Ｇｆが受け面３７に衝突するように設定している。
これにより、第四噴口４０ｄ、第五噴口４０ｆから噴射した第四噴霧Ｇｄ、第五噴霧Ｇｆを、受け面３７に衝突させて、ガイド壁３７ａ，３７ｂで凹状キャビティ３４の中央側に案内できるため、第三噴霧Ｇｃについても、凹状キャビティ３４内に入れることができる。
よって、さらに多くの噴霧を凹状キャビティ３４内に案内することができ、より多くの濃い混合気を点火プラグ１４周りに位置させることができる。

また、この実施形態では、燃料噴射終了時期を、噴射終了時点が３４５°ＣＡとなるように設定すると共に、点火プラグ１４の点火時期（Ｓ）を、上死点後に設定している。
これにより、ピストン６が上死点近傍に位置するときに、燃料を噴射することで、ピストン冠面３０に正確に噴霧を衝突させることができ、第一噴霧Ｇａと第二噴霧Ｇｂ等をより正確に凹状キャビティ３４内に入れることができる。そして、点火プラグ１４の点火時期を上死点後に設定して、点火タイミングＳを遅らせたとしても、点火プラグ１４周りに濃い混合気を滞留させることができるため、エンジンの燃焼性を確保することができる。
よって、点火タイミングを遅角して燃焼させることが可能となり、排気ガス温度を昇温することができる。

また、この実施形態では、圧縮行程の燃料噴射（Ｆ２）に加えて、吸気行程でも燃料噴射（Ｆ１）を行なうようにしている。
これにより、燃料噴射を、吸気行程と圧縮行程で行なう二分割噴射（Ｆ１，Ｆ２）とすることにより、筒内（４）をいわゆる弱成層化することができる。
よって、点火タイミングを遅角して燃焼させる場合の燃焼安定性を高めることができ、より確実に排気ガス温度を昇温することができる。

したがって、より安定的な燃焼を得つつ、排気系の昇温を図ることができ、触媒の活性化を図ることができる。

以上、この発明の構成と前述の実施形態との対応において、
この発明のインジェクタは、実施形態のマルチホール型インジェクタ１１に対応して、
以下、同様に、
キャビティは、凹状キャビティ３４に対応し、
第１噴霧は、第一噴霧Ｇａに対応し、
第２噴霧は、第二噴霧Ｇｂ，第三噴霧Ｇｃに対応し、
第３噴霧は、第四噴霧Ｇｄ、第五噴霧Ｇｅに対応し、
基本斜面は、傾斜面３１ａに対応し、
第２の斜面は、受け面３７に対応するも、
この発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、あらゆる火花点火式直噴エンジンに適用する実施形態を含むものである。

本発明を採用した実施形態の火花点火式直噴エンジンの概略構成図。 マルチホール型インジェクタとピストンと点火プラグの詳細構造を示した斜視図。 （ａ）ピストン冠面の平面図と（ｂ）ピストン冠面のＡ−Ａ線矢視断面図。 エンジン冷間時の燃料噴射タイミングと点火タイミングのタイムチャート。 吸気行程での燃料噴射状態を示す側面図。 圧縮行程での燃料噴射状態を示す側面図。 （ａ）噴射直後の側面模試図、（ｂ）その後の側面模式図。 噴射状態を示した平面図。 ３２５°ＣＡのシミュレーション図。 ３４０°ＣＡのシミュレーション図。 ３５０°ＣＡのシミュレーション図。 ３６０°ＣＡのシミュレーション図。 ３６０°ＣＡでの点火プラグ周りの混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）の分布状態を示した図。 ３８０°ＣＡでの点火プラグ周りの混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）の分布状態を示した図。 （ａ）が排気時の掃気作用を説明する吸排気弁のバルブリフトタイミングを示したグラフ、（ｂ）が排気時の吸排気弁の作動状態断面図。 吸排気ポート等も重ねて示したピストンの平面図。 （ａ）が図１６のＢ−Ｂ線の矢視断面図、（ｂ）が図１６のＣ−Ｃ線の矢視断面図。

符号の説明

６…ピストン
１１…マルチホール型インジェクタ
１４…点火プラグ
３１…隆起部
３１ａ…傾斜面
３４…凹状キャビティ
３７…受け面
４０…噴口
Ｇ…噴霧

Claims (6)

1. 燃焼室天井壁の周縁の吸気ポート開口の間に、斜め下方に複数の噴霧を噴射する多噴口を設けたインジェクタを備え、燃焼室天井壁の中央部に点火プラグを備えた火花点火式直噴エンジンであって、
   ピストン冠面には、ペントルーフ状の隆起部を形成する共に、前記点火プラグに対応するように凹状のキャビティを形成して、
   前記インジェクタには、正面視で上側に位置する第１噴霧を噴射する第１噴口と、第１噴霧の下側に位置する２つの第２噴霧を噴射する２つの第２噴口とを備えており、
   前記第１噴口の噴射方向を、平面視で第１噴霧がキャビティを指向するように設定して、
   前記２つの第２噴口の噴射方向を、平面視で２つの第２噴霧が前記第１噴霧の左右両側にそれぞれ位置するように設定して、
   前記隆起部のインジェクタ側の基本斜面には、平面視で前記吸気ポートの投影面と重なり、前記２つの第２噴霧が衝突する一段低い第２の斜面を形成して、
   該第２の斜面が前記キャビティに繋がるように形成する共に、
   圧縮行程後半の所定時期に燃料を噴射することで、第１噴霧がキャビティに入るように、第２噴霧が第２の斜面に衝突するように設定した
   火花点火式直噴エンジン。
2. 前記第２の斜面を形成することで、キャビティ周縁部の高さを、インジェクタ側を反インジェクタ側よりも低く設定した
   請求項１記載の火花点火式直噴エンジン。
3. 前記第２の斜面には、平面視における左右２つの第２噴霧が衝突する部位の外側に前記基本斜面との段差によって形成されて、衝突後の第２噴霧をキャビティ中央側に案内するガイド壁を設けた
   請求項１又は２記載の火花点火式直噴エンジン。
4. 正面視で第２噴霧の下側に位置する第３噴霧を噴射する第３噴口を設け、
   圧縮行程後半の所定時期に燃料を噴射して、第３噴霧が第２の斜面に衝突するように設定した
   請求項３記載の火花点火式直噴エンジン。
5. 所定時期の燃料噴射終了時期を、圧縮行程の３／４以降に設定すると共に、
   前記点火プラグの点火時期を、上死点後に設定した
   請求項１〜４いずれか記載の火花点火式直噴エンジン。
6. 前記圧縮行程の燃料噴射に加えて、吸気行程でも燃料噴射を行なう
   請求項５記載の火花点火式直噴エンジン。

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