JP2010150971A - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの特定運転時において、圧縮上死点以降に点火しても着火安定性、燃焼安定性に優れ、エンジンの温度や触媒の温度を速やかに高めることができ、排気ガスの浄化性能に優れた火花点火式直噴エンジンを提供する。
【解決手段】マルチホールインジェクタ７や点火プラグ６を備え、流量制御弁３５の制御によって燃焼室１５にスワール流が形成される火花点火式直噴エンジン１である。ピストン４の頂面１４はペントルーフ形状に形成されている。エンジン１の特定運転時において、吸気工程と圧縮工程後半とで燃料が２回噴射され、圧縮上死点以降に点火が行われるように制御されている。その圧縮工程後半に第２噴口２８ｂから噴射される燃料が頂面１４の第１斜面（斜面）４２に衝突した後、スワール流に流されて点火プラグ６周りに移送されるように、噴霧がスワール流の上流側の斜面に衝突するようにその噴口の向きが設定されている。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、燃焼室の周縁部に配設されたインジェクタと、燃焼室の略中央上部に配設された点火プラグとを備え、燃焼室内にスワール流が形成される火花点火式直噴エンジンに関する。

本発明に関し、ペントルーフ型の燃焼室が形成され、その燃焼室に６つの噴口を有するインジェクタから直接燃料を噴射するとともに、燃焼室内にスワール流を形成するスワール弁や、ピストンの頂面に凹設された比較的大きなキャビティなどを備え、圧縮工程で燃料を分割噴射して成層燃焼を行う成層燃焼運転領域と、吸気工程で燃料を分割噴射して均一燃焼を行う均一燃焼運転領域とに切り替え可能なエンジンが知られている（特許文献１）。

このエンジンでは、キャビティがスワール流を保持するように構成されていて、そのキャビティ内にピストン側に向けて噴射される燃料の噴霧を受容することで、上記のような広い運転領域であっても良好な燃焼特性が発揮できるようになっている。
特開２００７−９２６９３号公報

ところで、近年では環境問題に対する関心の高まりなどから自動車の排ガス規制が厳しくなっており、自動車の開発において、排気ガスの浄化性能の向上は燃費の向上等とともに重要な関心事となっている。

通常、自動車の排気経路には排気ガスを浄化するために触媒が配設されていて、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯなどの成分がこの触媒の酸化還元作用によって浄化されるようになっている。

しかしながら、この触媒を活性化させて適正な酸化還元作用が発揮されるようにするには、例えば２００℃以上の温度が必要なため、エンジンの冷間始動直後や、エンジンの温間時であっても減速燃料カットが長く続いた時など、温度が低くて触媒が活性化していない場合には、その温度をいかにして速やかに高めるかが課題となっており、その対策の一つとして、点火時期をできるだけ遅らして高い熱量をもった排気ガスを排出させ、その熱によって触媒の温度を高めることが検討されている。

ところが、点火時期を遅らして、混合気が断熱膨張する圧縮上死点以降の膨張行程で点火するような状態になると、点火時期が遅れれば遅れるほど燃焼室内の温度や圧力が低下していくため、着火が難しくなって着火安定性の確保が困難になる。さらに、着火できても火炎が伝播し難くなるため、燃焼安定性の確保もまた困難になるという問題がある。

更に、エンジン始動直後のエンジン冷間時には気筒内も温まっておらず温度も低いため、噴射された燃料が気筒の内壁等に付着すると、燃焼不良やエンジンオイルへの混入などの弊害を招くおそれがある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、圧縮上死点以降に点火しても着火安定性、燃焼安定性に優れ、エンジンの温度や触媒の温度を速やかに高めることができ、排気ガスの浄化性能に優れた火花点火式直噴エンジンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、エンジンの特定運転時において、圧縮工程後半で終了するタイミングでピストンの頂面に向けて噴射される燃料が、スワール流の流れをうまく利用することによって点火プラグ周りに移送されるようにして、スワール流による燃料の気化霧化の促進作用を活かしつつ、点火プラグ周りに比較的リッチな混合気の塊を安定して形成できるようにした。

具体的には、本発明は、天井面がペントルーフ形状に形成された燃焼室を有し、該燃焼室の周縁部に配設され、複数の噴口を有するインジェクタと、上記燃焼室の略中央上部に配設された点火プラグとを備え、上記燃焼室内にスワール流が形成される火花点火式直噴エンジンであって、上記燃焼室の下側を区画するピストンの頂面は、上記燃焼室の天井面に沿うようにして上記インジェクタ側に臨む斜面が形成されるとともに、上記点火プラグの下方の部位に凹状のキャビティを有し、エンジンの特定運転時において、圧縮工程の３／４の期間が経過した圧縮工程後半に終了するタイミングで噴射される燃料の噴霧の少なくとも一部が、上記斜面及びキャビティに衝突するように設定され、圧縮上死点以降に点火が行われるように制御されていて、上記斜面に衝突する噴霧が、インジェクタの軸線方向をその基端側から先端側に見て、スワール流の上流側の斜面に衝突するように上記インジェクタの噴口の向きが設定されていることを特徴とするものである。

すなわち本発明では、例えば、触媒の温度が低くて排気ガスの浄化がうまくできない状態にあるエンジンの冷間始動時に、圧縮工程後半に噴霧が終了するタイミングで燃料を噴射して圧縮上死点以降に点火し、できるだけ熱量をもった排気ガスを排出させて触媒の温度を速やかに上昇させるようにしている。

その際、噴射された燃料の一部は、キャビティに衝突してその上方に位置する点火プラグ周りに移送され、また、他の燃料の一部は、ピストンの頂面に形成された斜面に衝突して点火プラグ周りに移送されるように、インジェクタの噴口の向きと燃料噴射時期とが設定されている。

このうち、斜面に衝突する燃料は、衝突後にその噴霧の勢いが弱まるため、直接点火プラグ周りに移送されるように噴口の向きを設定した場合には、スワール流の勢いが強いと容易にその下流側に流されてしまい、点火プラグ周りに安定して移送できなくなってしまう。

それに対し本発明では、スワール流の上流側の斜面に衝突するようにその噴口の向きが設定されているので、そこから噴射された燃料はピストンの頂面のスワール流の上流側から流されることとなり、その下流寄りに位置する点火プラグ周りに安定して移送させることができる。

そうした上で、エンジンの特定運転時において、スワール流を強化するスワール強化手段を備えるようにするのが好ましい。

そうすれば、点火プラグから離れた燃焼室の周辺部に比較的勢いの強いスワール流が形成され、噴射した燃料の気化霧化を促進させることができるので、燃焼が不安定な膨張行程においても火炎伝播が安定するようになり、燃焼安定性を高めることができる。また、燃料の液滴が気筒内壁に付着するのを効果的に防ぐこともできる。

また、エンジンの特定運転時においては、吸気工程と圧縮工程後半とで燃料の噴射を複数回に分けて行うのが好ましい。

例えば、各工程で１回ずつ燃料を噴射するとすれば、吸気工程で噴射される燃料は、相対的に容積の大きな燃焼室内で比較的長い時間、スワール流の作用を受けて気化霧化が促進されるため、燃焼室内、特にその周辺部に比較的均一な混合気を形成させることができる。一方、圧縮工程後半では、燃焼室は相対的に小さな容積となって内圧が上昇しているため、噴射される燃料はその貫徹力が弱まって大きく分散することなく容易に移送させることができ、点火プラグ周りに比較的リッチな混合気の塊を形成させることができる。

また、上記ピストンの頂面の外周部分に、シリンダヘッドの下面と略平行な平坦面を形成し、この平坦面にのみ吸気弁リセスを設けるようにしてもよい。

そうすれば、吸気弁リセスの分だけ上死点における燃焼室の容積をより小さくすることができ、エンジンの圧縮効率を高めることができる。そして、ピストンの頂面の外周部分を平坦にしたことで、そこを流れるスワール流の勢いを大きく減衰させずに済み、気化霧化を促進して均一な混合気を形成することができ、また、気筒内壁への燃料の付着を軽減することができる。特に気筒内壁の温度が高まっていない冷間時に効果的なものとなる。

更に具体的には、上記インジェクタは、その軸線方向をその基端側から先端側に見て、先端部の最も上側に位置するとともに、左右方向の略中心を通る縦基準線上に位置する一つの第１噴口と、この第１噴口に続いてその下側に位置するとともに、噴霧の向きが上記スワール流の上流側となるように、上記縦基準線から外れて左右のいずれか一方に位置する一つの第２噴口と、この第２噴口に続いてその下側に位置するとともに、上記縦基準線から外れて左右に位置する２つの第３噴口とを備えているものとすることができる。

この場合、第２噴口を左右のいずれか一方にのみ位置させたところに工夫がある。すなわち、このような多噴口型のインジェクタの場合、燃料を燃焼室内に効率よく分散させるために、第２噴口も左右にそれぞれバランスよく設けるのが一般的である。

ところが、そうした場合に上記のタイミングで燃料を噴射すると、一方の噴口から噴射される燃料はスワール流の下流側の斜面に衝突した後、スワール流によって流されて点火プラグ周りから離れて分布し易い。それに対し、スワール流の上流側に向く第２噴口だけにすることで、そこから噴射される燃料を上述したように点火プラグ周りに燃料を効率よく移送させることができ、点火プラグ周りへの燃料の滞留性を高めることができる。また、単位時間当たりの燃料噴射量を変えずに噴口数を減すことは、それだけ噴口径が大きくなるため、噴射される燃料の貫徹力が弱まって大きく分散せずに移送できるようになる利点もある。

なお、上記エンジンの特定運転時とは、点火時期を圧縮上死点以降に設定したいエンジンの運転時であって、エンジンが比較的温まっている状態であっても触媒が未活性状態の時のエンジン運転時や、エンジン冷間時のエンジン運転時である。

このようなエンジン運転時においては、圧縮上死点以降の点火であっても、着火安定性、燃焼安定性が確保されるため、圧縮上死点以降の点火によって、排気ガス温度の速やかな上昇、ないし、エンジン本体の燃焼熱の受熱容量が高められ、燃焼性、触媒の浄化性能が高められて、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、燃焼室内に多少強力なスワール流が形成されていても、圧縮工程後半で終了するタイミングでピストンの頂面に向けて噴射される燃料は、点火プラグの周りに効率よく移送されるため、スワール流はそのまま活かしつつ、点火プラグ周りに比較的リッチな混合気の塊を安定して形成することができる。

そうして、エンジンの特定運転時には、スワール流によって、燃焼室内の周辺部の気化霧化を促進でき、気筒内壁への燃料の付着が軽減できる上、燃焼室内の中心部に混合気の塊を形成することによって、点火時期を遅らして圧縮上死点以降に点火しても着火安定性、燃焼安定性に優れるので、触媒の温度やエンジンの温度を速やかに高めることができ、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。

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、本実施形態における火花点火式直噴エンジン１（単にエンジン１ともいう）の全体構成を示している。このエンジン１は、車両に搭載される多気筒のガソリンエンジンである。尚、各気筒の主な構成は同様であるため、同図では一つの気筒について表してある。

このエンジン１には、シリンダブロック２やシリンダヘッド３、ピストン４、クランク軸５、点火プラグ６、インジェクタ７、吸気システム８、排気システム９、エンジンコントロールユニット１０（ＥＣＵ１０ともいう）などが備えられていて、例えば圧縮比１４程度の比較的高圧縮比の下で燃焼が行われるように構成されている。そして、通常の運転状態では、低負荷運転領域から高負荷運転領域にわたって混合気を均一化して燃焼が行われ（均一燃焼）、エンジンおよび触媒が温まっていないエンジンの始動直後の冷間時（以下、冷間始動時という）には、混合気を弱成層化して燃焼が行われるように設定されている（弱成層燃焼）。

まず、シリンダブロック２について説明すると、その内部には複数の気筒１１，１１，・・・が設けられていて、シリンダブロック２の上部に配設されるシリンダヘッド３によって各気筒１１の上部が塞がれている。各気筒１１内には、図２に詳しく示すように、その軸Ｚに沿って往復動するようにピストン４が収容されている。各ピストン４は、コネクティングロッドを介してクランク軸５に連結されていて、これらの往復動によってクランク軸５が回転駆動されるようになっている。クランク軸５の一端には、クランク角度を検出するためのクランク角センサ１２が配設されている。そして、これら各気筒１１の上部に、シリンダヘッド３の底面に形成された天井部１３と各ピストン４の頂面とで上下が区画されることによって燃焼室１５が形成されている。

燃焼室１５は、天井部１３が三角屋根形状をしたペントルーフ型をしており、天井部１３の一対の斜面は、それぞれ吸気システム８が設けられた吸気側と排気システム９が設けられた排気側とに臨んでいる。そして、この天井部１３に対応するように（沿うように）、ピストン４の頂面１４はペントルーフ形状に形成されていて、その略中央部分には、キャビティ１６が形成されている。尚、ピストン４の頂面１４については別途後述する。

天井部１３の吸気側の斜面には、図３に示すように、各々吸気弁１８で開閉される２つの開口部１９ａ，１９ｂが並列して開口しており、これら開口部１９ａ，１９ｂに２つの吸気ポート１９，１９の一端がそれぞれ接続されている。各吸気ポート１９は燃焼室１５から斜め上方に延びて、シリンダヘッド３の一側面に形成された開口部に接続されている。

一方、天井部１３の排気側の斜面には、各々排気弁２０で開閉される２つの開口部２１ａ，２１ａが並列して開口しており、これら開口部２１ａ，２１ａに２つの排気ポート２１，２１の一端がそれぞれ接続されている。各排気ポート２１は途中で一つに合流して燃焼室１５から略水平に延びてシリンダヘッド３の他側面に形成された開口部に接続されている。

吸気弁１８及び排気弁２０は、それぞれクランク軸５によって回転駆動される吸気カム軸２２及び排気カム軸２３により、各気筒１１ごとに所定のタイミングで開口部１９ａ，１９ｂ，２１ａを開閉するようになっている。吸気カム軸２２には、クランク軸５に対する回転位相を所定の角度範囲で連続的に変化させることのできる可変動弁機構２５が付設されていて、この可変動弁機構２５の作動によって吸気弁１８の開閉時期は変更制御可能となっている。

点火プラグ６は、燃焼室１５の上部の略中央に位置するようにシリンダヘッド３に配設されていて、その先端部に設けられた電極６ａが、吸排気弁１８，２０で囲まれた天井部１３の略中央部分から燃焼室１５内に突出している。一方、点火プラグ６の基端部には、点火回路２６が接続されていて、各気筒１１ごとに所定の点火タイミングで点火プラグ６に通電が行われる。

インジェクタ７は、燃焼室１５の周縁部における２つの吸気ポート１９，１９の間の下方の部位に配設されていて、燃焼室１５内に燃料を直接噴射できるように、噴口２８の設けられたその先端部が２つの吸気弁１８，１８の間から燃焼室１５内に臨んでいる。このインジェクタ７は、複数の噴口２８を有する多噴口型のインジェクタ７であり、本実施形態では、５つの噴口２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，・・・（単に噴口２８ともいう）が設けられている。尚、これら噴口２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，・・・の向きについては別途後述する。

各インジェクタ７には、各気筒１１共通の燃料分配管３０が接続されていて、所定のタイミングで燃料供給システム３１から所定の圧力に調整された燃料が分配供給されるようになっている。

吸気システム８は、吸気通路３２やサージタンク３３、エアクリーナなどで構成されている。吸気通路３２は吸気ポート１９とサージタンク３３との間に設けられていて、エアクリーナ（図示せず）でろ過された空気がサージタンク３３、吸気通路３２、吸気ポート１９を順に経て各気筒１１の燃焼室１５に送給されるようになっている。

吸気通路３２には、図３に示すように、途中で二股に分岐した一対の分岐通路３２ａ，３２ｂが設けられていて、これら分岐通路３２ａ，３２ｂが各々の吸気ポート１９，１９に接続されている。そして、一方の分岐通路３２ａには、燃焼室１５内にスワール流を形成させるために、送給される空気の流量を変化させる流量制御弁３５が配設されている。

この流量制御弁３５は、分岐通路３２ａの流路を塞ぐ弁体を有し、その弁体が分岐通路３２ａ内に傾動可能に支持されていて、閉じ方向に傾動制御されると流路が絞られ、２つの吸気ポート１９，１９から燃焼室１５内に導入される吸気は相対的に勢いが強まって片寄るようになる。そうなると、図３の矢印線で示すように、燃焼室１５内には、その周方向に渦巻くスワール流が形成される。本実施形態のように、気筒軸Ｚ方向をその上方から見て、時計回りの進行側に位置する開口部１９ｂから勢いのある吸気が導入される場合には、時計回りに渦巻くスワール流が形成されることになる。

排気システム９は、排気マニホールド３６や触媒コンバータ３７、排気管３８、マフラーなどで構成されている。排気マニホールド３６は、各気筒１１の排気ポート２１に接続されていて、その下流側に、触媒コンバータ３７、排気管３８、マフラー（図示せず）がそれぞれ順に接続されている。

触媒コンバータ３７には、ＨＣやＣＯなどの排気ガス中の成分を酸化還元作用により浄化する触媒が設けられている。ただし、この触媒は、温度の低い不活性状態ではその浄化機能が発揮されないため、例えば２００℃以上の所定温度にして活性化させることが必要となる。

ＥＣＵ１０には、エンジン１を運転制御するために、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどのハードウエアと、各種制御プログラムなどのソフトウエアとが備えられている。

具体的には、ＥＣＵ１０には、点火プラグ６の点火時期を制御する点火制御部１０ａやインジェクタ７の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御部１０ｂ、流量制御弁３５の傾動量を制御する吸気流量制御部１０ｃなどの制御プログラムが備えられていて、ＥＣＵ１０は、エンジン１の各所に取り付けられたクランク角センサ１２やアクセルセンサ、ブレーキセンサ、温度センサなどの各種装置から入力される信号に基づいてエンジン１の運転状態を判定し、可変動弁機構２５や点火回路２６、インジェクタ７、流量制御弁３５などを制御する。

次に、このＥＣＵ１０が主体となって行われる本エンジン１の制御について説明する。

このエンジン１では、排気システム９中の触媒コンバータ３７が適正に機能している通常の運転時には、その運転状態にかかわらず、吸気工程、特にその前半部分でインジェクタ７を作動させて、燃焼室１５全体の空燃比が所定の値になるように混合気の均一化が行われ、吸気工程の後半に点火して燃焼が行われる。この場合、吸気ポート１９の流量制御弁３５は、エンジン１の負荷状態に応じて傾動制御され、燃焼室１５内にはタンブル流やスワール流などが形成されるようになっており、これら吸気の流動を利用して燃料の気化霧化が促進されるようにしている。

一方、温度が低くて触媒が不活性状態にある冷間始動時には、排出される排気ガスの熱量を高めて触媒を速やかに活性化させるために、燃焼室１５内に弱成層化した混合気を形成させ、圧縮上死点以降（例えば−１５°ＢＴＤＣ）に点火して燃焼が行われる。

すなわち、図４に示すように、吸気工程と圧縮工程の後半とにおいて燃料の噴射が複数回に分けて行われる。尚、本実施形態では燃料の噴射は２回行われ、図中、斜線領域がその燃料噴射タイミングを示している。

１回目の燃焼噴射（第１噴射）では、燃料の気化霧化を促進させるために吸気工程の前半において燃料を噴射し、比較的均一な混合気を形成させる。そして、２回目の燃料噴射（第２噴射）では、噴射された燃料をできるだけそのまま点火プラグ６の電極６ａの周り（単に電極６ａ周りともいう）に移送させるために、圧縮工程の３／４の期間が経過した後に噴射が終了するタイミング（例えば３５°ＢＴＤＣ）で燃料を噴射し、電極６ａ周りに比較的リッチな混合気の塊を形成させる。

この場合、吸気ポート１９の流量制御弁３５は、ＥＣＵ１０の吸気流量制御部１０ｃによって流路を完全に塞ぐなど閉じ方向に大きく傾動制御されて、燃焼室１５内には比較的勢いの強いスワール流が形成されるようになっており（スワール流強化手段）、スワール流が強化されることにより、第１噴射の燃料の気化霧化が促進され、また、第２噴射の燃料の気筒内壁への付着が効果的に防止できるようになっている。

このように圧縮上死点以降の膨張行程で点火する場合には、燃焼室１５の容積が増加して混合気の温度や圧力が低下するため、着火や燃焼が不安定になるが、電極６ａ周りに比較的リッチな混合気の塊を形成することで、着火安定性に優れ、また、その周りに比較的均一な混合気を形成することで、火炎伝播し易くなって燃焼安定性にも優れることとなる。

そうして、所定時間の経過や、温度センサで計測される触媒の温度が所定温度に達するなど、所定の条件が満たされると、ＥＣＵ１０の制御によって先の通常の運転時の設定に切り替わるように構成されている。

ところで、インジェクタ７の噴口２８の向きであるが、上述の通りこのエンジン１では、通常の運転時には均一燃焼が行われ、そして冷間始動時には弱成層燃焼が行われるため、これらの燃焼形態にバランスよく対応するように設定されている。

例えば図５は、燃料を噴射しているインジェクタ７の先端部を前方から見た図を模式的に示したものであるが、同図に示すように、各噴口２８は、インジェクタ７の先端部の左右方向の略中心を通って上下方向に延びる縦基準線Ｈに対して線対称状に形成されていて、最も上側には、縦基準線Ｈ上に位置する一つの第１噴口２８ａが設けられ、第１噴口２８ａの直ぐ下側には、縦基準線Ｈから左右いずれか一方に比較的大きく離れて位置する１つの第２噴口２８ｂが設けられ、この第２噴口２８ｂの直ぐ下側には、縦基準線Ｈから両側に第２噴口２８ｂよりも僅かに大きく縦基準線Ｈから両側に離れて線対称状に位置する２つの第３噴口２８ｃ，２８ｃが設けられ、これら第３噴口２８ｃ，２８ｃの直ぐ下側には、縦基準線Ｈ上に位置する一つの第４噴口２８ｄが設けられている。尚、図中の矢印線は上下等の方向を表している。

各噴口２８からは、１０°〜２０°程度の広がりをもった円錐形状の噴霧が形成されるようになっていて、通常の運転時や冷間始動時の第１噴射時には、ピストン４が下降していて相対的に容積の大きい燃焼室１５に燃料が噴射されるため、噴射される燃料が気筒１１内全体に広く分散するように、各噴霧が互いに重複することなく放射状に拡がるように各噴口２８の向きが設定されている。

そして、冷間始動時の第２噴射時には、図２に示すように、ピストン４が上昇していて相対的に容積の小さい燃焼室１５に燃料が噴射されるため、ピストン４の頂面１４をうまく活用して電極６ａ周りに燃料が移送されるようにしている。

詳しくは、第１噴口２８ａは、図２に示すように、そこから噴射される燃料がキャビティ１６の内壁面に衝突し、その内壁面に案内されて電極６ａ周りへ移送されるように向きが設定されている。第２噴口２８ｂ及び第３噴口２８ｃは、ピストン４の吸気側（インジェクタ７側）に吸気側に臨む斜面（後述する第１斜面４２）に衝突し、その第１斜面４２に沿うように流れて電極６ａ周りへ移送されるように向きが設定されている。

例えば図６の（ａ）〜（ｄ）は、第２噴口２８ｂから噴射される燃料の液滴の変位を示したものであるが、第２噴射時には圧縮されて燃焼室１５の内圧が高まっていることから、その噴霧の貫徹力は相対的に弱くなっており、（ａ）のように噴射された燃料は、（ｂ）のように第１斜面４２に衝突すると、噴射時の勢いが減少して大きく跳ね返ることなく（ｃ）や（ｄ）のように、その表面近傍を沿うようにして流れていき、ピストン４の頂面１４の中央付近、つまりは電極６ａ周りに移送されるようになる。

ところが、燃焼室１５内には、図７の（ａ）や（ｂ）に示すように、時計回りに渦巻く比較的強いスワール流が形成されているため、（ａ）のように第２噴口２８ｂから噴射された燃料は、第１斜面４２に衝突した後、（ｂ）の太矢印線が示すようにスワール流の下流側に流されてしまい、電極６ａ周りに安定して移送できないことが確認された。尚、ここでは、図８に示すように、縦基準線Ｈの左右両側に線対称状に一つずつ第２噴口２８ｂが形成された一般的な６噴口のインジェクタ７での第２噴口２８ｂ，２８ｂの噴霧の状態を示している。

その中でも、特にスワール流の下流側に向けて噴射された噴霧は、元々電極６ａ周りのスワール流の下流側に分布する傾向にあるところに、更にスワール流によって流されてしまうため、電極６ａ周りから離れて分布する傾向が確認された。

スワール流を弱めてその影響を軽減させることも考えられるが、そうすると、圧縮上死点以降に点火する場合、火炎伝播が不安定になって燃焼安定性を確保できないおそれがあり、好ましくない。

そこで、本発明者らが検討を重ねたところ、先に示したように、インジェクタ７の噴口から、スワール流の下流側に向く第２噴口２８ｂを無くして５噴口にし、残した第２噴口２８ｂを更にスワール流の上流側に向けることで、スワール流全体としての勢いは弱めることなく、第２噴口２８ｂから噴射した燃料を安定して電極６ａ周りに移送できることを見い出した。

（要部構成）
次にその本発明の特徴部分について詳しく説明する。

図９はピストン４を示したものであるが、円筒状のピストン４の頂面１４は、燃焼室１５の天井部１３に対応するようにペントルーフ形状に形成されていて、筒軸（気筒軸Ｚ）に直交する平坦なベース面４１と、このベース面４１からそれぞれ斜め上向きに拡がる第１斜面４２及び第２斜面４３と、これら第１斜面４２及び第２斜面４３の上端縁に連なる尾根面４４とを備えている。このピストン４は、第１斜面４２がインジェクタ７の設けられた吸気側に、第２斜面４３が排気側にそれぞれ臨むように気筒１１内に配設される。

頂面１４の略中央部分には、開口縁が略楕円形状をしたキャビティ１６が凹み形成されている。キャビティ１６の内壁面には、べース面４１と面一状に形成され、開口縁よりも小径の略円盤形状をした底面１６ａと、この底面１６ａの周縁と開口縁とに連なって外方に滑らかに湾曲する曲側面１６ｂとが設けられている。

本エンジン１では、圧縮比１４程度の比較的高圧縮比の下で燃焼が行われるため、点火が行われる上死点の近傍では天井部１３とピストン４の頂面１４との間の空間は従来に比べて相当小さくなるが、点火プラグ６の下方にキャビティ１６を位置させてその電極６ａ周りに空間を確保することで、着火安定性、燃焼安定性を向上させている。

そして、図１０に示すように、上記第２噴射時において第２噴口２８ｂから噴射される燃料が（図中、矢印線Ｆ２で示す）、インジェクタ７の軸線方向をその基端側から先端側に見て、第１斜面４２におけるスワール流の上流側の部位に衝突するように第２噴口２８ｂの向きが設定されている。

そうすることで、第２噴口２８ｂからの噴霧は、第１斜面４２に衝突するとその勢いを大きく失って第１斜面４２に沿ってキャビティ１６側に流れていくようになるが、そのとき、その噴霧の塊はスワール流の上流側に位置しているので、スワール流の作用によってその下流側に流されてキャビティ１６側、つまり電極６ａ周りに向かうようになる。

特に、単位時間当たりの噴射量を変えずに噴口数を減らしたことで、噴口の開口径が相対的に大きくなって噴霧の貫徹力が弱まっているため、燃料がばらつかずに効率よく電極６ａ周りに移送させることができる。この点からすれば、本実施形態の第２噴口２８ｂは、特に第２噴射時において電極６ａ周りに燃料を移送させることに主眼を置いて設けられたものともいえる。

またこのとき、第１噴口２８ａから噴射される燃料（図中、矢印線Ｆ１で示す）は、キャビティ１６の排気側の内壁面に衝突した後、上向きに案内されて電極６ａ周りに移送されるが、第１噴口２８ａの噴霧は第２噴口２８ｂの噴霧よりも速くキャビティ１６内に達するため、前者の噴霧は後者の噴霧を引っ張って電極６ａ周りに移送され易くしている。

このように、気筒１１の中心部では、安定して着火性に優れる混合気の塊が形成されるが、その一方で特に気筒内壁の近傍で比確的強いスワール流が保持されるようになっている。

すなわち、図９に示したように、ピストン４の頂面１４の外周部分には、スワール流が円滑に流れるようにベース面４１が環状に拡がっている（フランジ部４１ｂともいう）。このフランジ部４１ｂによって、気筒内壁に沿って形成されるスワール流は大きく減衰することなく保持されるので、通常の運転時や冷間始動時の第１噴射時に噴射された燃料は気化霧化が促進され、より均一な混合気を形成することができ、気筒内壁への燃料の付着を軽減することができる。

特に、第２噴射時に噴射された燃料の場合、気筒内壁の温度が高まっていないため、燃料が付着すると燃焼不良やエンジンオイルへの混入を招くおそれが強いが、このようにしておくことで気筒内壁への燃料を付着を効果的に軽減することができる。

以上説明したように、本発明によれば、エンジン１の始動直後の冷間時など、排気の温度やエンジン１の温度を速やかに上昇させる必要があるエンジンの特定運転時において、比較的強いスワール流を保持したままで、圧縮工程後半に燃料を噴射して点火プラグ６の電極６ａ周りに比較的リッチな混合気の塊を安定して形成することができ、圧縮上死点以降に点火して触媒の温度やエンジン１の温度を速やかに高めることができるので、排気ガスの浄化性能に優れた火花点火式直噴エンジン１を実現することができる。

なお、本発明にかかる火花点火式直噴エンジン１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、吸気弁１８との接触を避けるためにピストン４の頂面１４に吸気弁リセスを凹設してあってもよい。

具体的には、図１１に示すように、ピストン４の頂面１４の吸気側のベース面４１に、２つの吸気弁リセス４５，４５を並列に形成する。そうすることで、吸気弁リセス４５，４５の分だけ上死点における燃焼室１５の容積をより小さくすることができ、エンジン１の圧縮効率を高めることができる。また、第１斜面４２に影響しないように吸気弁リセス４５，４５をベース面４１にのみ形成したことで、第２噴口２８ｂからの噴霧の多くを第１斜面４２に受け止めることができるため、それだけ安定して電極６ａ周りに移送させることができるようになる。

また、インジェクタ７の噴口数や配置は上記実施形態には限られない。噴霧回数も少なくとも１回以上あればよい。スワール強化手段として上記実施形態では流量制御弁３５を例示したが、それに限らず、例えば吸気弁１８のバルブリフト量の制御や吸気弁１８の停止制御などで構成することもできる。

実施形態におけるエンジンの全体構成を示す概略図である。 実施形態におけるエンジンの要部を示す概略断面図である。 実施形態におけるエンジンの要部を示す概略斜視図である。 燃料の噴射タイミングを説明するための図である。 インジェクタの噴口を説明するための図である。 噴射された燃料の液滴の経時的な状態変化をＣＦＤにより求めた図である。（ａ）は噴射終了時を、（ｂ）から（ｄ）はその後の状態を表している。 噴射された燃料の液滴の経時的な状態変化をＣＦＤにより求めた図である。２つの噴口から燃料が噴射された場合を示しており、（ａ）は噴射終了時を、（ｂ）はその後の状態を表している。 左右に２つの噴口が設けられている一般的なインジェクタの噴口を説明するための図である。 （ａ）はピストンの平面図、（ｂ）はピストンの正面図、（ｃ）はピストンの側面図である。 第２噴射時の状態を説明するための図である。 ピストンの別実施形態を示す平面図である。

符号の説明

１ エンジン
４ ピストン
６ 点火プラグ
６ａ 電極
７ インジェクタ
８ 吸気システム
９ 排気システム
１０ ＥＣＵ
１０ａ 点火制御部
１０ｂ 燃料噴射制御部
１０ｃ 吸気流量制御部
１１ 気筒
１３ 天井部
１４ 頂面
１５ 燃焼室
１６ キャビティ
１８ 吸気弁
１９ 吸気ポート
２０ 排気弁
２１ 排気ポート
２８ 噴口
３２ 吸気通路
３２ａ、３２ｂ 分岐通路
３５ 流量制御弁
３７ 触媒コンバータ
４１ ベース面
４２ 第１斜面（斜面）
４３ 第２斜面
４４ 尾根面
４５ 吸気弁リセス
Ｈ 縦基準線
Ｚ 気筒軸

Claims (7)

1. 天井面がペントルーフ形状に形成された燃焼室を有し、該燃焼室の周縁部に配設され、複数の噴口を有するインジェクタと、上記燃焼室の略中央上部に配設された点火プラグとを備え、上記燃焼室内にスワール流が形成される火花点火式直噴エンジンであって、
   上記燃焼室の下側を区画するピストンの頂面は、上記燃焼室の天井面に沿うようにして上記インジェクタ側に臨む斜面が形成されるとともに、上記点火プラグの下方の部位に凹状のキャビティを有し、
   エンジンの特定運転時において、圧縮工程の３／４の期間が経過した圧縮工程後半に終了するタイミングで噴射される燃料の噴霧の少なくとも一部が、上記斜面及びキャビティに衝突するように設定され、圧縮上死点以降に点火が行われるように制御されていて、
   上記斜面に衝突する噴霧が、インジェクタの軸線方向をその基端側から先端側に見て、スワール流の上流側の斜面に衝突するように上記インジェクタの噴口の向きが設定されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
2. 請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンであって、更に、
   エンジンの特定運転時において、スワール流を強化するスワール強化手段が備えられていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
3. 請求項１又は請求項２に記載の火花点火式直噴エンジンであって、更に、
   エンジンの特定運転時において、吸気工程と圧縮工程後半とで燃料の噴射が複数回に分けて行われることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
   上記ピストンの頂面の外周部分には、シリンダヘッドの下面と略平行な平坦面が形成され、この平坦面にのみ吸気弁リセスが設けられていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
   上記インジェクタは、その軸線方向をその基端側から先端側に見て、先端部の最も上側に位置するとともに、左右方向の略中心を通る縦基準線上に位置する一つの第１噴口と、この第１噴口に続いてその下側に位置するとともに、噴霧の向きが上記スワール流の上流側となるように、上記縦基準線から外れて左右のいずれか一方に位置する一つの第２噴口と、この第２噴口に続いてその下側に位置するとともに、上記縦基準線から外れて左右に位置する２つの第３噴口とを備えていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
   上記特定運転時とは、エンジンの排気経路に備えられた触媒が未活性状態の時の運転時であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
7. 請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
   上記特定運転時とは、エンジンの始動直後の冷間時の運転時であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。

Images