JP2017057816A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均質燃焼時の性能を確保しつつ成層燃焼時の着火性及び燃焼安定性を向上した燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】シリンダ中心に配置された点火栓２１０と、点火栓を挟んで配置された吸排気ポートを備えるエンジンの燃料噴射装置を、点火栓に対して吸気ポート側にオフセットして配置されピストン１の冠面１００に向けて燃料噴霧を噴射するインジェクタ２２０と、エンジンの運転状態に応じてインジェクタに噴射を行わせる噴射制御手段とを備え、ピストンは、冠面の中央部を凹ませて形成した第１の凹部１５０、及び、第１の凹部における吸気ポート側の一部の領域をさらに凹ませて形成した第２の凹部１６０を有し、インジェクタは、エンジンの圧縮行程において、燃料噴射最終回の燃料の５０％以上を第２の凹部に噴射するとともに、燃料噴射最終回の燃料の一部を第１の凹部の第２の凹部以外の領域に噴射する構成とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、火花点火式の筒内燃料噴射エンジンの燃料噴射装置に関し、特には均質燃焼時の性能を確保しつつ成層燃焼時の着火性及び燃焼安定性を向上したものに関する。

例えば自動車の走行用動力源として用いられる火花点火式の筒内燃料噴射（直噴）エンジンにおいては、混合気の着火性及び燃焼安定性を向上するため、点火時に点火栓の周囲に混合気がリッチな領域を形成して、良好な成層燃焼を可能とすることが求められる。
従来このような混合気リッチな領域（層）を形成するため、ピストンの冠面に所定の凹凸形状を設けて、インジェクタから冠面に向けて噴射される燃料噴霧を巻き上げ、点火栓側へ誘導する手法が各種提案されている。

例えば特許文献１には、成層燃焼性能と均一燃焼性能とを両立するため、吸排気各２弁を有するペントルーフ型燃焼室に組み合わせられるピストンにおいて、一対の吸気バルブリセスの中央部に、実質的に真円形のキャビティ燃焼室を形成することが記載されている。
特許文献２には、成層燃焼が行われる運転領域を拡大するため、ピストンの冠面の中央部に、燃料噴霧軸線と直交するピストン直径線に沿って延在するボウルを形成し、インジェクタ側からボウルへかけて、ボウルよりさらに凹んだ凹部を形成することが記載されている。
特許文献３には、成層燃焼時に着火可能な期間を増大させるため、ピストンの冠面の中央部に凹部を形成するとともに、凹部のインジェクタとは反対側の一部に深さを浅くした棚部を形成することが記載されている。
特許文献４には、低負荷領域での着火性等を改善するため、ピストンの冠面に、シリンダ軸線方向から見た形状が実質的に卵型となる凹部を形成することが記載されている。
特許文献５には、ピストンに深いキャビティを設けることなく点火リタード時の燃焼安定化等を図るため、冠面の点火プラグ下に吸気側が低く、排気側が高くなっている第一の段差と、第一の段差の側方に設けられシリンダ外周側が高くなる第二の段差を設けることが記載されている。
特許文献６には、冠面の中央部からインジェクタ近傍のピストン外周面にかけて延在し、ピストン中央部に近づくに応じて深くなる溝状の凹部を形成することが記載されている。
特許文献７には、インジェクタ側からピストン中央部側にかけて幅が徐々に狭まる台形状のキャビティを形成することが記載されている。
特許文献８には、インジェクタ側からピストン中央部側にかけて幅が徐々に広がる台形状のキャビティを形成することが記載されている。

特開平１０−３１７９７３号公報 特開２０００−１３０１７１号公報 特開２００２−２９５２６１号公報 特開２００６−２５７９４３号公報 特開２００８−１５１０２０号公報 特開２０１０− ９６０８８号公報 特開２０１３−１１３１１９号公報 特開２０１３−１１３１２０号公報

点火栓を燃焼室の中央部に配置し、吸気側にオフセットして配置されたインジェクタから筒内噴射を行う直噴エンジンにおいて、例えば冷間状態からの始動直後のファストアイドル時のように、混合気の着火性や燃焼安定性が重視される場合には、ピストンの冠面に所定形状の凹部（ステップ）を形成し、インジェクタから凹部内に燃料を噴射して点火栓側へ巻き上げさせることによって、リッチな混合気を点火栓周囲に形成し、成層燃焼を行なわせることが好ましい。
一方で、暖気終了後の通常走行時や、スロットル全開時等の高負荷領域においては、シリンダ内のガス流動が活発となり、いわゆる均質燃焼が主に行われるため、部分的にリーンとなって燃焼が不安定となる領域が生じないようシリンダ内の空燃比を極力均一化することが望ましい。
本発明の課題は、均質燃焼時の性能を確保しつつ成層燃焼時の着火性及び燃焼安定性を向上した燃料噴射装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、ピストンと、前記ピストンが挿入されるシリンダと、前記シリンダの中心軸付近に配置された点火栓と、前記点火栓を挟んで配置された吸気ポート及び排気ポートとを備えるエンジンに設けられる燃料噴射装置であって、前記点火栓に対して前記吸気ポート側にオフセットして配置され前記ピストンの冠面に向けて燃料噴霧を噴射するインジェクタと、前記エンジンの運転状態に応じて設定される燃料噴射量及び燃料噴射時期に応じて前記インジェクタに噴射を行わせる噴射制御手段とを備え、前記ピストンは、冠面の中央部を凹ませて形成した第１の凹部、及び、前記第１の凹部における前記インジェクタ側の一部の領域を前記第１の凹部に対してさらに凹ませて形成した第２の凹部を有し、前記インジェクタは、前記エンジンの圧縮行程において、燃料噴射最終回の燃料の５０％以上を前記第２の凹部に向けて噴射するとともに、前記燃料噴射最終回の燃料の一部を前記第１の凹部における前記第２の凹部以外の領域に向けて噴射することを特徴とする燃料噴射装置である。
なお、明細書及び特許請求の範囲において、「燃料噴射最終回」とは、１燃焼サイクルあたり複数回の燃料噴射が行われる場合には、一連の噴射のなかで最後に行われる噴射を意味するものとし、１燃焼あたり１回の燃料噴射が行われる場合には、当該噴射を意味するものとする。
これによれば、燃料噴射最終回の燃料の５０％以上を第２の凹部に向けて噴射することによって、この燃料噴霧の流れを第２の凹部において点火栓側へ偏向させ、点火栓の周囲に十分リッチな混合気を形成し、成層燃焼時における着火性、燃焼安定性を向上することができる。
一方、燃料噴射最終回の一部の燃料を第１の凹部に噴射することによって、エンジンの通常運転時や高負荷運転時に行われる均質燃焼での混合気の均質性を向上することができる。
また、第２の凹部以外に噴射される燃料が第１の凹部に向けて噴射されることによって、シリンダ壁面への燃料付着を低減し、排ガス中のＨＣ等の増加や、オイルの燃料による希釈を防止することができる。

請求項２に係る発明は、前記インジェクタは、燃料噴霧からなり放射状に進行する複数のビームを形成するマルチホールインジェクタであり、前記エンジンの圧縮行程で行われる前記燃料噴射最終回において、前記複数のビームのうち半数以上のビームを前記第２の凹部に向けて噴射するとともに、少なくとも１つのビームを前記第１の凹部における前記第２の凹部以外の領域に向けて噴射することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置である。
請求項３に係る発明は、前記インジェクタは、前記エンジンの圧縮行程で行われる前記燃料噴射最終回において、前記インジェクタと前記点火栓とを結ぶ直線及び前記シリンダの中心軸を含む平面に沿って進行する少なくとも１本のビームと、前記平面に対して実質的に対称に進行する少なくとも１対のビームを、前記第２の凹部に向けて噴射することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射装置である。
これらの各発明によれば、上述した効果を確実に得ることができる。

請求項４に係る発明は、前記第２の凹部の外周縁部は、全周にわたって前記冠面の他の部分に対して段差が設けられるとともに、シリンダ軸線方向から見たときに前記インジェクタと前記点火栓を結ぶ直線と実質的に平行となるようにストレートに形成された一対の側辺部を有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料噴射装置である。
これによれば、インジェクタから噴射された燃料噴霧（時間経過とともに燃料が気化して空燃比リッチな混合気の層となる）は、ピストン冠面に衝突した後、側辺部がストレートに形成された凹部によって点火栓側に直進状に案内され、その後シリンダヘッド側に巻き上げられ、点火栓の周囲に効率よく集められる。
また、凹部の外周縁部に全周にわたって段部が形成されることによって、凹部の外周縁部から燃料噴霧が漏れ出し、点火栓から遠ざかる方向に逃げることが抑制される。
これらの効果によって、点火栓の周囲の空燃比をリッチ化して着火性を向上することができ、また、点火栓周囲の空燃比がリッチな領域を拡大して燃焼安定性を向上することができる。

以上説明したように、本発明によれば、均質燃焼時の性能を確保しつつ成層燃焼時の着火性及び燃焼安定性を向上した燃料噴射装置を提供することができる。

本発明を適用した燃料噴射装置の実施例１が設けられるエンジンのピストンの外観斜視図である。 図１のピストンの冠面をシリンダ軸線方向から見た図である。 図２のIII−III部矢視断面図である。 図２のIV−IV部矢視断面図である。 図２のＶ−Ｖ部矢視断面図である。 実施例１における混合気の挙動シミュレーション結果を時系列に示す図である。 本発明の実施例１、実施例２、及び、比較例の燃料噴射装置において、燃料噴霧（ビーム）がピストン冠面に衝突する位置を示す図である。 実施例１、実施例２、及び、比較例の燃料噴射装置を有するエンジンにおける点火栓周りの空燃比を示すグラフである。

本発明は、均質燃焼時の性能を確保しつつ成層燃焼時の着火性及び燃焼安定性を向上した燃料噴射装置を提供する課題を、ピストン１の冠面１１０にガス流動を強化する機能を有する第１の凹部（キャビティ）１５０、及び、燃料を点火栓２１０側に巻き上げて点火栓周囲にリッチな混合気を形成する機能を有する第２の凹部（ステップ）１６０が形成されたエンジンに設けられる燃料噴射装置において、燃料噴射最終回に噴射される燃料量の５０％以上をステップ内に噴射するとともに、一部の燃料をキャビティ内に噴射することによって解決した。

以下、本発明を適用した燃料噴射装置の実施例１について説明する。
実施例１の燃料噴射装置は、例えば、乗用車等の自動車の走行用動力源として用いられるガソリン筒内燃料噴射（直噴）エンジンに用いられるものである。
エンジンは、気筒あたり吸気２バルブ、排気２バルブを所定のバルブ挟角で配列して構成されたペントルーフ型の燃焼室２００（図６等参照）を有する。
燃焼室２００は、その中央部（シリンダボア軸心付近）に点火栓（スパークプラグ）２１０を有する。

また、燃焼室２００は、一対の吸気ポートの間隔から、ノズル部が燃焼室２００内に挿入されたマルチホールのインジェクタ２２０を有する。
インジェクタ２２０は、圧縮行程の後期にあるピストン１の冠面１００に向けて、複数の燃料噴霧（ビーム）を噴射するものである。
インジェクタ２２０は、例えば６本のビームを、各ビームの燃料量が実質的に同じとなるように噴射する。
インジェクタ２２０は、エンジン及びその補機類を統括的に制御する図示しないエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）がエンジンの回転数、負荷状態、暖機状態等に基づいて設定する燃料噴射量及び燃料噴射時期に応じて、ＥＣＵから開弁信号を供給され、燃料噴射を行う。
１サイクルあたりの燃料噴射が複数回行われる場合には、ＥＣＵにより、各回の噴射についてそれぞれ燃料噴射量及び燃料噴射時期が設定される。
ＥＣＵは、本発明にいう噴射制御手段として機能する。

図１は、実施例１の燃料噴射装置が設けられるエンジンのピストンの外観斜視図である。
図２は、図１のピストンの冠面をシリンダ軸線方向から見た図である。
図３は、図２のIII−III部矢視断面図である。
図４は、図２のIV−IV部矢視断面図である。
図５は、図２のＶ−Ｖ部矢視断面図である。
ピストン１は、例えばアルミニウム系合金を鋳造又は鍛造して概ねの形状を形成した後に、所定の機械加工及び表面処理を施して形成されている。
ピストン１は、実質的に円筒外面状に形成された外周面１０、及び、シリンダヘッド側の端面である冠面１００等を有して構成されている。
外周面１０は、シリンダの内周面と対向して配置され、これと摺動する面部であって、図示しないピストンリング、オイルリング等が嵌め込まれる周方向溝が形成される。

冠面１００は、図示しないシリンダヘッド等と協働してエンジンの燃焼室を構成する円盤状の面部である。
冠面１００には、吸気側斜面１１０、排気側斜面１２０、吸気側スキッシュ部１３０、排気側スキッシュ部１４０、キャビティ１５０、ステップ１６０等が一体に形成されている。

吸気側斜面１１０、排気側斜面１２０は、それぞれ図示しない吸気バルブ、排気バルブの傘状の弁体と対向して配置される実質的に平面状の面部であって、クランク軸方向にほぼ沿って延在している。
吸気側斜面１１０、排気側斜面１２０は、ペントルーフ型の燃焼室２００の形状に適合するように、ボア中央側においてシリンダヘッド側に張り出すように、ボア中心軸と直交する平面に対して傾斜して配置されている。

吸気側斜面１１０の排気側斜面１２０とは反対側の端部には、吸気バルブリセス１１１が形成されている。
排気側斜面１２０の吸気側斜面１１０とは反対側の端部には、排気バルブリセス１２１が形成されている。
吸気バルブリセス１１１、排気バルブリセス１２１は、吸気バルブ及び排気バルブの冠面１００への干渉を避けるために形成された凹部であって、各バルブの配置に対応して、それぞれクランク軸線方向に沿って２箇所に配列されている。

吸気側スキッシュ部１３０、排気側スキッシュ部１４０は、ピストン１が上死点近傍にあるときに、シリンダヘッド側の面部と微小な間隔を隔てて対向するように形成された面部である。
各スキッシュ部１３０，１４０は、ピストン１が圧縮上死点に近づいた際に、燃焼室２００の中央側へ吹き出すスキッシュ流を形成し、ガス流動を活発化させるものである。
吸気側スキッシュ部１３０は、吸気バルブリセス１１１と隣接する領域から、冠面１００の外周縁部にかけて形成されている。
排気側スキッシュ部１４０は、排気バルブリセス１２１と隣接する領域から、冠面１００の外周縁部にかけて形成されている。
吸気側スキッシュ部１３０、排気側スキッシュ部１４０は、シリンダボア軸線と実質的に直交する平面状に形成されている。

キャビティ１５０は、冠面１００の中央部に設けられた面部である。
キャビティ１５０は、吸気側斜面１１０、排気側斜面１２０、吸気側スキッシュ部１３０、排気側スキッシュ部１４０等の冠面の他部に対して凹ませて形成されている。
キャビティ１５０の主要部分は、実質的にシリンダボア軸線と直交する平面に沿って形成されている。
キャビティ１５０は、吸気側斜面１１０及び排気側斜面１２０等によって形成されるペントルーフ型形状の中央部を凹ませて形成されている。

図２等に示すように、キャビティ１５０をシリンダボア軸線方向から見た平面形状は、実質的にクランク軸方向に沿った長軸方向を有する楕円状に形成されている。
キャビティ１５０は、吸気スキッシュ部１３０、排気スキッシュ部１４０に対してわずかにクランク側となるように奥まって配置されている。
キャビティ１５０の外周縁部は、緩やかな凹曲面を介して他の面部と接続されている。
キャビティ１５０は、本発明にいう第１の凹部であって、シリンダ内におけるガス流動を強化する機能を有する。

ステップ１６０は、冠面１００の中央部から、吸気スキッシュ部１３０にかけて、他の面部に対して凹ませて形成された部分である。
ステップ１６０は、図２等に示すように、シリンダボア軸線方向から見たときに、実質的にシリンダボア中央に配置された点火栓とインジェクタとを結ぶ方向に沿った長手方向を有する長円状に形成されている。
ステップ１６０は、本発明にいう第２の凹部であって、インジェクタ２２０から噴射された燃料噴霧の進行方向をシリンダヘッド側へ偏向させて点火栓２１０の周囲にリッチな混合気を形成する機能を有する。

ステップ１６０は、底面部１６１、中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４を有する。
底面部１６１は、ステップ１６０の最深部に形成される実質的に平坦な面部である。
底面部１６１は、シリンダボア軸線と直交する平面と実質的に平行な平面状に形成されている。
底面部１６１は、ステップ１６０の周囲のキャビティ１５０の主要部分に対して、所定寸法、クランク側に凹ませて形成されている。

中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４は、ステップ１６０の外周縁部に沿って、全周にわたり連続して形成された段状の部分である。
中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４は、底面部１６１からシリンダヘッド側へ立ち上げて形成され、底面部１６１との接続部は、凹曲面状に形成されている。
一方、中央側ステップ１６２、外径側ステップ１６３、ストレートガイドステップ１６４のシリンダヘッド側の端部は、他の面部との間で鋭利なエッジを形成するように接続されている。

中央側ステップ１６２は、ステップ１６０のボア中心側（点火栓２１０側）の端部を構成する。
中央側ステップ１６２は、キャビティ１５０の中央部に配置され、シリンダボア軸線方向から見た平面形は、実質的に排気側が凸となるよう配置された中心角１８０°の円弧状に形成されている。
中央側ステップ１６２は、シリンダボア軸線方向から見たときに、その内径側に点火栓２１０を包含するように配置されている。

外径側ステップ１６３は、ステップ１６０のボア外径側（インジェクタ２２０側）の端部を構成する。
外径側ステップ１６３は、吸気側斜面１１０及び吸気側スキッシュ部１３０にかけて形成され、シリンダボア軸線方向から見た平面形は、実質的に吸気側が凸となるように配置された中心角１８０°の円弧状に形成されている。

ストレートガイドステップ１６４は、中央側ステップ１６２の両端部と、外径側ステップ１６３の両端部との間を、それぞれ直線的に連結するよう、一対が平行に設けられている側辺部（各円弧の共通外接線）である。
ストレートガイドステップ１６４は、シリンダボア軸線方向から見たときに、点火栓２１０とインジェクタ２２０とを結んだ直線と実質的に平行に配置されている。

図２に、インジェクタ２２０が形成する燃料噴霧の冠面１００との衝突箇所Ｐ１〜４を、破線丸印で示す。
ここで、衝突箇所Ｐ１〜Ｐ４は、１燃焼サイクルあたり複数回の燃料噴射が行われる場合に、圧縮行程の後期において最後に行われる噴射（燃料噴射最終回）での衝突箇所を示している。
また、１燃焼サイクルあたり１回の燃料噴射によって成層燃焼又は弱成層燃焼（成層燃焼と均質燃焼との中間的な状態）を行う場合にも、同様の衝突箇所となる。
図２に示すように、インジェクタ２２０は、例えば、６本のビーム状の燃料噴霧を形成するマルチホールインジェクタであるが、そのうち５本の衝突箇所Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、ステップ１６０内に設定されている。

これら５本の燃料噴霧の衝突箇所Ｐ１〜３において、１本の衝突箇所Ｐ１は外径側ステップ１６３のボア外径側の端部に隣接する領域に設けられている。
また、一対の衝突箇所Ｐ２及び一対の衝突箇所Ｐ３は各ストレートガイドステップ１６４に隣接する領域に２箇所ずつ設定されている。
衝突箇所Ｐ２、Ｐ３は、インジェクタ２２０（噴孔部）と点火栓２１０（電極部）とを結ぶ直線と、シリンダの中心軸とを含む平面に対して実質的に面対称となるように一対ずつ配置されている。
インジェクタ２２０から衝突箇所Ｐ２、Ｐ３に至る燃料噴霧は、この平面に対して実質的に対称に進行する。
衝突箇所Ｐ２は、ストレートガイドステップ１６４の長手方向における衝突箇所Ｐ１に近い側（外径側ステップ１６３側）に配置されている。
衝突箇所Ｐ３は、ストレートガイドステップ１６４の長手方向における衝突箇所Ｐ１から遠い側（中央側ステップ１６２側）に配置されている。
また、他の１本の燃料噴霧の衝突箇所Ｐ４は、キャビティ１５０の内部であって中央側ステップ１６２から外径側に逸脱した箇所に設定されている。
衝突箇所Ｐ１、Ｐ４は、実質的にインジェクタ２２０と点火栓２１０とを結ぶ直線と、シリンダの中心軸とを含む平面上に配置されている。
インジェクタ２２０から衝突箇所Ｐ１、Ｐ４に至る燃料噴霧のビームは、この平面に実質的に沿って進行する。

このようにして、ステップ１６０の内部に噴き込まれた燃料噴霧は、ステップ１６０の内面に沿ってシリンダボア中央側へ案内され、中央側ステップ１６２の凹曲面によってシリンダヘッド側へ巻き上げられ、点火時期直前に点火栓２１０の周囲に空燃比がリッチな領域を形成する。

図６（ａ）〜図６（ｃ）は、実施例１における混合気の挙動シミュレーション結果を時系列に示す図である。
図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、それぞれクランク角にして圧縮上死点前Ａ°、圧縮上死点前Ｂ°、圧縮上死点後Ｃ°（なお、Ａ°＞Ｂ°＞Ｃ°でＣ°は点火時期）における、クランクシャフト回転軸と直交するボア中心断面を示しており、図中濃色であるほど混合気がリッチであることを示している。
実施例１においては、ストレートガイドステップ１６４を設けることによって、燃料噴霧がステップ１６０の吸気側から漏れ出すことを抑制しつつ、効率よくシリンダボア中央側へ案内し、中央側ステップ１６２においてシリンダヘッド側へ巻き上げることができる。
その結果、図６（ｃ）に示すように、リッチな混合気の領域を点火栓２１０の周囲から吸気側にかけて連続して形成することができ、着火性及び燃焼安定性を向上することができる。

以下、上述した本発明の実施例１の燃料噴射装置の効果を、以下説明する本発明の実施例２の燃料噴射装置、及び、本発明の比較例である燃料噴射装置と比較しつつ説明する。
なお、実施例２、比較例に関しては、上述した実施例１と実質的に同様の箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図７は、実施例１、実施例２、及び、比較例の燃料噴射装置において、燃料噴霧（ビーム）がピストン冠面に衝突する位置を示す図である。
図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）は、それぞれ実施例１、実施例２、比較例における衝突箇所Ｐ１〜４をそれぞれ示している。

図７（ｂ）に示す実施例２は、一対の衝突箇所Ｐ２の間隔を実施例１に対してクランク軸方向（図７における水平方向）に広げ、衝突箇所Ｐ２を、ストレートガイドステップ１６４から逸脱させ、ステップ１６０の外側であってキャビティ１５０の内部に配置したものである。
図７（ｃ）に示す比較例は、衝突箇所Ｐ２，Ｐ３の間隔を実施例１に対してクランク軸方向に広げ、衝突箇所Ｐ２，Ｐ３を、ストレートガイドステップ１６４から逸脱させ、ともにステップＳ１６０の外側であってキャビティ１５０の内部に配置したものである。

図８は、実施例１、実施例２、及び、比較例の燃料噴射装置を有するエンジンにおける点火栓周りの空燃比（シミュレーション結果）を示すグラフである。
図８において、縦軸は点火時期直前における空燃比（Ａ／Ｆ）を示し、上方がリーン、下方がリッチであることを示している。
図８に示すように、ステップ１６０内に５／６本のビーム（燃料噴射最終回の噴射量の約８３％）を噴射する実施例１、及び、３／６本のビーム（燃料噴射最終回の噴射量の約５０％）を噴射する実施例２においては、燃焼安定性、着火性を確保可能である許容範囲内の空燃比を、点火栓２１０周囲で得ることができる。
このことから、少なくとも燃料噴射最終回の燃料噴射量の５０％以上の燃料をステップ１６０内に噴射すれば、点火栓２１０の周囲の混合気を十分にリッチ化できることがわかる。
一方、ステップ１６０内に１／６本のビーム（燃料噴射最終回の噴射量の約１７％）を噴射する比較例においては、成層化が不十分であって点火栓２１０周囲の空燃比が許容範囲に対してリーンであり、燃焼安定性、着火性の確保が困難であることがわかる。

以上説明したように、本発明の実施例１，２によれば、ストレートガイドステップ１６４を有するステップ１６０の内部に、燃料噴射最終回の燃料噴射量の５０％以上を噴射することによって、点火栓２１０の周囲に十分にリッチな混合気を形成することができ、混合気の着火性及び燃焼安定性を確保することができる。
また、一部の燃料を、シリンダ内のガス流動を強化するキャビティ１５０の内部であってステップ１６０の外部に噴射し、この燃料をシリンダ内に形成されキャビティ１５０において強化されるタンブル等のガス流動に同伴させることによって、エンジンの通常運転時や高負荷運転時に行われる均質燃焼においても、混合気の均質性を確保して良好な燃焼を行なわせることができる。
さらに、ステップ１６０以外に噴射される燃料がキャビティ１５０の内部に噴射されることによって、シリンダ壁面への燃料付着を抑制し、排ガス中のＨＣ等を抑制するとともに、燃料によるオイルの希釈を防止することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、ピストンの冠面の各部位の形状、寸法、配置等は、上述した実施例の構成に限らず、適宜変更することができる。
また、インジェクタが燃料を噴出する際のビーム数や配置も、特許請求の範囲に規定された事項の範囲内において、適宜変更することができる。
また、本発明は、ガソリンエンジンに限らず、液体燃料を燃焼室内に噴霧して混合気を形成し、火花点火を行う他の燃料のエンジンにも適用することが可能である。

１ ピストン １０ 外周面
１００ 冠面 １１０ 吸気側斜面
１１１ 吸気バルブリセス １２０ 排気側斜面
１２１ 排気バルブリセス １３０ 吸気側スキッシュ部
１４０ 排気側スキッシュ部 １５０ キャビティ
１６０ ステップ １６１ 底面部
１６２ 中央側ステップ １６３ 外径側ステップ
１６４ ストレートガイドステップ
２００ 燃焼室 ２１０ 点火栓
２２０ インジェクタ Ｐ１〜４ 燃料噴霧の衝突箇所

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、ピストンと、前記ピストンが挿入されるシリンダと、前記シリンダの中心軸付近に配置された点火栓と、前記点火栓を挟んで配置された吸気ポート及び排気ポートとを備えるエンジンに設けられる燃料噴射装置であって、前記点火栓に対して前記吸気ポート側にオフセットして配置され前記ピストンの冠面に向けて燃料噴霧を噴射するインジェクタと、前記エンジンの運転状態に応じて設定される燃料噴射量及び燃料噴射時期に応じて前記インジェクタに噴射を行わせる噴射制御手段とを備え、前記ピストンは、冠面の中央部を凹ませて形成した第１の凹部、及び、前記第１の凹部における前記インジェクタ側の一部の領域を前記第１の凹部に対してさらに凹ませて形成した第２の凹部を有し、前記インジェクタは、前記エンジンの圧縮行程において、燃料噴射最終回の燃料の５０％以上を前記第２の凹部に向けて噴射するとともに、前記燃料噴射最終回の燃料の一部を前記第１の凹部における前記第２の凹部以外の領域に向けて噴射し、前記第２の凹部の外周縁部は、全周にわたって前記冠面の他の部分に対して段差が設けられるとともに、シリンダ軸線方向から見たときに前記インジェクタと前記点火栓を結ぶ直線と実質的に平行となるようにストレートに形成された一対の側辺部と、前記凹部のボア中心側の端部を構成しシリンダボア軸線方向から見た平面形が排気側が凸となる円弧状に形成された中央側ステップ部と、前記凹部のボア外径側の端部を構成しシリンダボア軸線方向から見た平面形が吸気側が凸となる円弧状に形成された外径側ステップ部とを有し、前記インジェクタは、燃料噴霧からなり放射状に進行する複数のビームを形成するマルチホールインジェクタであり、前記エンジンの圧縮行程で行われる前記燃料噴射最終回において、前記複数のビームのうち半数以上のビームを前記第２の凹部における前記側辺部に隣接する領域及び前記外径側ステップ部に隣接する領域に向けて噴射するとともに、少なくとも１つのビームを前記第１の凹部における前記第２の凹部以外の領域に向けて噴射することを特徴とする燃料噴射装置である。
なお、明細書及び特許請求の範囲において、「燃料噴射最終回」とは、１燃焼サイクルあたり複数回の燃料噴射が行われる場合には、一連の噴射のなかで最後に行われる噴射を意味するものとし、１燃焼あたり１回の燃料噴射が行われる場合には、当該噴射を意味するものとする。
これによれば、燃料噴射最終回の燃料の５０％以上を第２の凹部に向けて噴射することによって、この燃料噴霧の流れを第２の凹部において点火栓側へ偏向させ、点火栓の周囲に十分リッチな混合気を形成し、成層燃焼時における着火性、燃焼安定性を向上することができる。
一方、燃料噴射最終回の一部の燃料を第１の凹部に噴射することによって、エンジンの通常運転時や高負荷運転時に行われる均質燃焼での混合気の均質性を向上することができる。
また、第２の凹部以外に噴射される燃料が第１の凹部に向けて噴射されることによって、シリンダ壁面への燃料付着を低減し、排ガス中のＨＣ等の増加や、オイルの燃料による希釈を防止することができる。
また、インジェクタから噴射された燃料噴霧（時間経過とともに燃料が気化して空燃比リッチな混合気の層となる）は、ピストン冠面に衝突した後、側辺部がストレートに形成された凹部によって点火栓側に直進状に案内され、その後シリンダヘッド側に巻き上げられ、点火栓の周囲に効率よく集められる。
また、凹部の外周縁部に全周にわたって段部が形成されることによって、凹部の外周縁部から燃料噴霧が漏れ出し、点火栓から遠ざかる方向に逃げることが抑制される。
これらの効果によって、点火栓の周囲の空燃比をリッチ化して着火性を向上することができ、また、点火栓周囲の空燃比がリッチな領域を拡大して燃焼安定性を向上することができる。

請求項２に係る発明は、前記インジェクタは、前記エンジンの圧縮行程で行われる前記燃料噴射最終回において、前記インジェクタと前記点火栓とを結ぶ直線及び前記シリンダの中心軸を含む平面に沿って進行する少なくとも１本のビームと、前記平面に対して実質的に対称に進行する少なくとも１対のビームを、前記第２の凹部に向けて噴射することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置である。
これによれば、上述した効果を確実に得ることができる。

図７（ｂ）に示す実施例２は、一対の衝突箇所Ｐ２の間隔を実施例１に対してクランク軸方向（図７における水平方向）に広げ、衝突箇所Ｐ２を、ストレートガイドステップ１６４から逸脱させ、ステップ１６０の外側であってキャビティ１５０の内部に配置したものである。
図７（ｃ）に示す比較例は、衝突箇所Ｐ２，Ｐ３の間隔を実施例１に対してクランク軸方向に広げ、衝突箇所Ｐ２，Ｐ３を、ストレートガイドステップ１６４から逸脱させ、ともにステップ１６０の外側であってキャビティ１５０の内部に配置したものである。

Claims (4)

1. ピストンと、
   前記ピストンが挿入されるシリンダと、
   前記シリンダの中心軸付近に配置された点火栓と、
   前記点火栓を挟んで配置された吸気ポート及び排気ポートと
   を備えるエンジンに設けられる燃料噴射装置であって、
   前記点火栓に対して前記吸気ポート側にオフセットして配置され前記ピストンの冠面に向けて燃料噴霧を噴射するインジェクタと、
   前記エンジンの運転状態に応じて設定される燃料噴射量及び燃料噴射時期に応じて前記インジェクタに噴射を行わせる噴射制御手段とを備え、
   前記ピストンは、冠面の中央部を凹ませて形成した第１の凹部、及び、前記第１の凹部における前記インジェクタ側の一部の領域を前記第１の凹部に対してさらに凹ませて形成した第２の凹部を有し、
   前記インジェクタは、前記エンジンの圧縮行程において、燃料噴射最終回の燃料の５０％以上を前記第２の凹部に向けて噴射するとともに、前記燃料噴射最終回の燃料の一部を前記第１の凹部における前記第２の凹部以外の領域に向けて噴射すること
   を特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記インジェクタは、燃料噴霧からなり放射状に進行する複数のビームを形成するマルチホールインジェクタであり、前記エンジンの圧縮行程で行われる前記燃料噴射最終回において、前記複数のビームのうち半数以上のビームを前記第２の凹部に向けて噴射するとともに、少なくとも１つのビームを前記第１の凹部における前記第２の凹部以外の領域に向けて噴射すること
   を特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記インジェクタは、前記エンジンの圧縮行程で行われる前記燃料噴射最終回において、前記インジェクタと前記点火栓とを結ぶ直線及び前記シリンダの中心軸を含む平面に沿って進行する少なくとも１本のビームと、前記平面に対して実質的に対称に進行する少なくとも１対のビームを、前記第２の凹部に向けて噴射すること
   を特徴とする請求項２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記第２の凹部の外周縁部は、全周にわたって前記冠面の他の部分に対して段差が設けられるとともに、シリンダ軸線方向から見たときに前記インジェクタと前記点火栓を結ぶ直線と実質的に平行となるようにストレートに形成された一対の側辺部を有すること
   を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料噴射装置。

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