JP2017061906A - エンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して圧縮上死点後に点火を行う場合に、燃焼室内の混合気の均質性を確保することができるエンジンを提供する。
【解決手段】エンジンは、キャビティ(11)が形成されたピストン(10)と、ペントルーフ形状の燃焼室(30)を形成するように構成されたシリンダヘッド(40)と、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間において燃料を噴射する燃料噴射弁(3)と、ピストンのキャビティの上方に対応する位置に配置された点火プラグ(4)とを有し、燃料噴射弁の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口(27)は、圧縮上死点における燃焼室を、燃料噴射弁の長手軸線から互いに隣接する各噴口の中間を通って気筒の径方向に延びる垂直面により、各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口の開口面積が大きくなるように形成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、エンジンに係わり、特に、所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を気筒内の燃焼室に直接噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンに関する。
一般的には、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いるエンジンでは、点火プラグによって着火する火花点火方式が広く採用されている。近年では、燃費の向上を図る観点などから、エンジンの幾何学的圧縮比として高圧縮比（例えば１４以上）を適用して、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いつつ、所定の運転領域において、圧縮自己着火（具体的にはＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition）と呼ばれる予混合圧縮自己着火）を行う技術が開発されている。
このような圧縮自己着火を行うようにしたエンジンの燃焼室構造が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、高圧縮比エンジンに適用される燃焼室構造に関して、ピストン上面の中央部に形成されたキャビティ内を十分に掃気するように構成して、充填効率の向上を図った技術が開示されている。
特開２０１４−４３７８２号公報
上記のような高圧縮比エンジンにおいては、所定の運転領域（例えば低回転・高負荷域）では、いわゆるプリイグニッション（過早着火）を抑制すべく、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料噴射弁の複数の噴口から燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火プラグによる強制点火を行い、短期間で燃焼を完了させる必要がある。
しかしながら、例えばエンジンの燃焼室天井が切妻型の屋根状（ペントルーフ形状）に形成されている場合、各噴口が燃料を噴射する方向における燃焼室の容積が不均等であり、且つ、燃料を噴射してから点火するまでの時間が短いことにより、火花点火時において燃焼室内に混合気の濃い部分と薄い部分とが生じる傾向にある、つまり燃焼室内の混合気の均質性が確保されない傾向にある。このように混合気の均質性が確保されなかった場合には、燃料を含む混合気が燃えずに排出されたり、燃焼すべきタイミングの後に燃焼（後燃え）が生じたりして、燃費が悪くなってしまう。加えて、スモークが発生して、エミッションも悪化してしまう。
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して圧縮上死点後に点火を行うエンジンにおいて、点火時期における燃焼室内の混合気の均質性を適切に確保することができるエンジンを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明によるエンジンは、所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を気筒内の燃焼室に直接噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンであって、上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成されたピストンと、ペントルーフ形状の燃焼室を形成するように構成されたシリンダヘッドと、ピストンの中央部に対応する位置においてシリンダヘッドに配置され、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間においてピストンのキャビティ内に入るように燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁が設けられた位置に対応するピストンの中央部よりも径方向外側で、且つピストンのキャビティの上方に対応する位置においてシリンダヘッドに配置された点火プラグと、を有し、燃料噴射弁は、その燃料噴射弁の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口を有し、各噴口は、圧縮上死点における燃焼室を、燃料噴射弁の長手軸線から互いに隣接する各噴口の中間を通って気筒の径方向に延びる垂直面により、各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口の開口面積が大きくなるように形成されている、ことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、燃料噴射弁の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口は、圧縮上死点における燃焼室を、燃料噴射弁の長手軸線から互いに隣接する各噴口の中間を通って気筒の径方向に延びる垂直面により、各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口の開口面積が大きくなるように形成されているので、エンジンの燃焼室がペントルーフ形状に形成されていること等により各噴口の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が異なっていても、各燃料噴射領域の容積に応じた量の燃料を各噴口から噴射させることができ、これにより、点火時期における燃焼室内の混合気の均質性を確保することができる。
また、本発明において、好ましくは、各噴口は、各噴口の開口面積比と、各噴口の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積比とが一致するように形成されている。
このように構成された本発明においては、各噴口から噴射される燃料の量を、各噴口の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積と比例させることができ、これにより、各燃料噴射領域の容積が異なっていても、各燃料噴射領域における混合気の濃度を揃えることができ、点火時期における燃焼室内の混合気の均質性を確実に確保することができる。
本発明のエンジンによれば、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して圧縮上死点後に点火を行うエンジンにおいて、燃焼室内の混合気の均質性を適切に確保することができる。
本発明の実施形態によるエンジンの１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図である。 本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図である。 図１中のIII−IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部をその長手軸線方向の下方から見た平面図である。 図４中のV−Vに沿って見た、本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部の部分断面図である。 本発明の実施形態によるエンジンの１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁の各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域を示す図である。 図6中のVII−VIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁の各噴口から噴射された燃料の噴霧輸送経路を示す図である。 図6中のVIII−VIIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁の各噴口から噴射された燃料の噴霧輸送経路を示す図である。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の各噴口の噴口径及び噴射角を示す表である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンを説明する。
まず、本発明の実施形態の内容を説明する前に、本発明の実施形態によるエンジンの前提構成について簡単に説明する。本発明の実施形態によるエンジンは、幾何学的圧縮比が例えば１４以上（好適には１８〜２０）である高圧縮比にて運転を行うと共に、所定の低負荷領域において、ＨＣＣＩと呼ばれる予混合圧縮自己着火を行うものである。また、本発明の実施形態によるエンジンは、所定の運転領域（例えば低回転・高負荷域）において、プリイグニッションなどを抑制する観点から、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射（リタード噴射）して、圧縮上死点後に点火を行うものである。このようなエンジンに係る前提構成は、車両内のＥＣＵ（Electronic Control Unit）による制御によって実現される。
次に、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造について具体的に説明する。
図１は、本発明の実施形態によるエンジンの１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図であり、図２は、本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図であり、図３は、図１中のIII−IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。なお、図３は、ピストンが圧縮上死点に位置するときの図を示している。
図１において、符合Ｚは紙面直角方向に伸びるシリンダ軸線を示し、符合Ｙは、紙面上下方向に伸びる、クランク軸線に対応する線分である。本実施形態によるエンジンでは、シリンダヘッド側の燃焼室天井が切妻型の屋根状（ペントルーフ形状）に形成された燃焼室が適用されている（図３も参照）。上記した符合Ｙで示す線分は、燃焼室を構成するペントルーフ形状の稜線（以下では適宜「ペントルーフ稜線」と呼ぶ。）に相当する。また、符号Ｘは、燃焼室の中心を通り、つまりシリンダの中心軸線を通り、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分を示す。なお、図３は、このようなペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘに沿った面で切断した、ピストン及びシリンダヘッドなどの一部分の断面図である。
図１に示すように、１つの気筒（シリンダ）には、ペントルーフ稜線Ｙを挟んで一方側（図中左側）の領域に、２つの吸気バルブ１が配設されている。この２つの吸気バルブ１は、ペントルーフ稜線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号５は、吸気バルブ１により開閉される吸気ポートを示している。また、１つの気筒には、ペントルーフ稜線Ｙを挟んで他方側（図中右側）の領域に、２つの排気バルブ２が配設されている。２つの排気バルブ２は、ペントルーフ稜線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号６は、排気バルブ２により開閉される排気ポートを示している。また、シリンダ軸線Ｚ上に、１つの燃料噴射弁３が配設されている。加えて、２つの吸気バルブ１及び２つの排気バルブ２のそれぞれの間に、２つの点火プラグ４が配設されている。
次に、図２に示すように、ピストン１０の上面の中央部には、下方に凹んだキャビティ１１が形成されている（図３も参照）。具体的には、キャビティ１１は、シリンダ軸線Ｚ方向から見たときにほぼ円形となるように形成されており、中央部に、山形の突起部１１ａが形成され、且つ、この突起部１１ａの径方向外側に、突起部１１ａよりも高さが低い凹部１１ｂが突起部１１ａを取り囲むように形成されている。このようなキャビティ１１の突起部１１ａの真上に、燃料噴射弁３が配置されており、また、キャビティ１１の凹部１１ｂ内に、２つの点火プラグ４が配置されている（図１及び図３も参照）。
更に、ピストン１０の上部には、キャビティ１１の外縁からピストン１０の上面の外縁まで延び、キャビティ１１の径方向外側を取り囲む環状部１３が設けられている。この環状部１３には、例えば１ｍｍ程度、下方に凹んだ４つのバルブリセス１５が設けられている。４つのバルブリセス１５は、それぞれ、２つの吸気バルブ１に対応する位置及び２つの排気バルブ２に対応する位置に設けられている。また、４つのバルブリセス１５のそれぞれの間の部分１７は、凹んでおらず（つまりバルブリセス１５よりも高さが高くなっている）、ほぼ平坦となっている。以下では、４つのバルブリセス１５のそれぞれの間の部分１７を適宜「ピストン上面部１７」と呼ぶ。
次に、図３に示すように、燃料噴射弁３は、ピストン１０の中央部に対応するシリンダヘッド４０上の箇所に設けられ、具体的には当該燃料噴射弁３の長手軸線が上記したシリンダ軸線Ｚに沿うように設けられ、燃焼室３０内に燃料を直接噴射する。燃料噴射弁３は、複数の噴口２７を有しており、これらの噴口２７からシリンダ軸線Ｚについて軸対称に傘状に燃料を噴霧する。この場合、燃料噴射弁３は、前述したＥＣＵによる制御の下で圧縮行程後半から膨張行程前半までの間（例えば上死点前６０°）に噴射した燃料が、ピストン１０のキャビティ１１内に入るように（図３の矢印参照）、言い換えるとピストン１０の環状部１３やシリンダ側壁（例えばシリンダライナなど）に衝突しないように、各噴口２７からの燃料の噴射角θが設定されている。また、燃料噴射弁３は、燃料噴射位置からキャビティ１１に燃料が衝突する位置までの噴霧衝突距離が、燃料噴射位置から燃料の初期分裂が生じる位置までの長さ（分裂長さ）よりも大きくなるように、噴射角θが設定されている。
なお、噴射角θは、燃料噴射弁３の長手軸線（即ちシリンダ軸線Ｚ）を基準にして規定された、各噴口２７からの燃料の噴射方向の傾斜角に相当する。また、燃料噴射弁３には、比較的高い燃圧（例えば４０ＭＰａ〜１２０ＭＰａ）にて燃料が供給される。
更に、２つの点火プラグ４は、それぞれ、ピストン１０の中央部よりも径方向外側で、且つピストン１０のキャビティ１１の上方に対応するシリンダヘッド４０上の箇所に設けられている。つまり、点火プラグ４は、その先端部の電極４ａが径方向においてキャビティ１１内に含まれるような位置に設けられている。また、点火プラグ４は、電極４ａが燃焼室天井３０ａ（言い換えるとシリンダヘッド４０の下面である。以下同様とする。）に沿うように配置されている。詳しくは、点火プラグ４は、燃焼室３０への電極４ａの突出をできるだけ抑えつつ、電極４ａ部分の傾斜方向が燃焼室天井３０ａの傾斜に沿うように、シリンダヘッド４０に設けられている。
なお、図３において、符号ＳＡを付したエリアは、ピストン上面部１７と燃焼室天井３０ａとの隙間に形成される空間である、スキッシュエリアを示している。このようなスキッシュエリアＳＡは、ピストン上面部１７と燃焼室天井３０ａとの隙間だけでなく、吸気バルブ１及び排気バルブ２に対応する位置に設けられたバルブリセス１５（図２参照）の上面と燃焼室天井３０ａとの隙間にも形成される。
次に、図４及び図５により、本発明の実施形態による燃料噴射弁３について詳細に説明する。図４は、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の先端部をその長手軸線方向の下方から見た平面図であり、図５は、図４中のV−Vに沿って見た、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の先端部の部分断面図である。
図４及び図５に示すように、燃料噴射弁３は、燃料噴射弁３の長手軸線方向に延びる有底円筒状のバルブボディを備えており、このバルブボディ１９の内部に、燃料噴射弁３の長手軸線方向に延びる円柱状のニードル２１が配置されている。ニードル２１は、高応答性ソレノイド（図示せず）により、燃料噴射弁３の長手軸線に沿って上下に駆動される。バルブボディ１９の底面は下方に凹んだ凹球面状に形成され、この底面の外周部分には、高応答性ソレノイドにより下方に移動したニードル２１の先端部が押接されるシート部２３が形成されている。また、バルブボディ１９の内周面とニードル２１の外周面との間の空間は、燃料通路２５となっている。更に、バルブボディの底面において、シート部２３よりも先端側には、複数の噴口２７が形成されている。
各噴口２７は、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に配置され、長手軸線から所定の噴射角θ傾斜した方向へ向けて燃料を噴射するように形成されている。本実施形態では、図４に示すように、燃料噴射弁３には１０個の噴口２７が、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に等角度間隔（即ち３６°間隔）で配置されている。また、図５に示すように、各噴口２７は、その中心軸線と燃料噴射弁３の長手軸線との成す角がθとなるように形成される。
次に、図６乃至図９を参照して、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の噴口２７の大きさ及び噴射角について説明する。
図６は、本発明の実施形態によるエンジンの１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の各噴口２７の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域を示す図である。また、図７及び図８は、それぞれ、図6中のVII−VII及びVIII−VIIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン１０及びシリンダヘッド４０などの部分断面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の各噴口２７から噴射された燃料の噴霧輸送経路を示す図である。また、図９は、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の各噴口２７の噴口径及び噴射角を示す表である。
まず、図６に示すように、各噴口２７の大きさを決定するため、圧縮上死点における燃焼室３０を、燃料噴射弁３の長手軸線から互いに隣接する各噴口２７の中間を通って気筒の径方向に延びる仮想的な垂直面により、複数の燃料噴射領域に区分する。
図６の例では、燃料噴射弁３の１０個の噴口２７を、それぞれ記号Ａ乃至Ｊで表すと共に、各噴口２７が向けられた方向を一点鎖線で示している。即ち、気筒をシリンダ軸線方向の下方から見てペントルーフ稜線Ｙ方向に沿って図６の紙面上方に向けられた噴口２７をＡとし、他の噴口２７を時計回りにＢ乃至Ｊとしている。
そして、燃料噴射弁３の長手軸線（即ちシリンダ軸線Ｚ）から互いに隣接する噴口Ａと噴口Ｂとの中間を通って気筒の径方向に延びる仮想的な垂直面ＰABと、互いに隣接する噴口Ｊと噴口Ａとの中間を通って気筒の径方向に延びる仮想的な垂直面ＰJAとにより、噴口Ａの噴射方向に位置する燃料噴射領域ＶAが区分される。同様に、各噴口Ｂ乃至Ｊの噴射方向に位置する燃料噴射領域ＶB乃至ＶJが区分される。図６に示すように、これらの各燃料噴射領域は平面視で扇形に形成され、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に配置されている。
上述のように燃焼室３０を各噴口２７に対応する複数の燃料噴射領域に区分した場合において、各噴口２７は、各噴口２７の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口２７の開口面積が大きくなるように形成されている。より好ましくは、各噴口２７は、各噴口２７の開口面積比と、各噴口２７の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積比とが一致するように形成される。
図６の例では、各燃料噴射領域の中で、燃料噴射領域の高さ（即ちピストン１０の上面と燃焼室天井３０ａとの距離）が最も高くなるペントルーフ稜線Ｙ方向に延びるように区分された燃料噴射領域ＶA及びＶFの容積が最も大きく、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘに最も近い方向に延びるように区分された燃料噴射領域ＶC、ＶD、ＶH、ＶIの容積が最も小さい。図９に示すように、本実施形態では、最も小さい燃料噴射領域ＶC、ＶD、ＶH、ＶIの容積を１とした場合、各燃料噴射領域の容積比は、（ＶC、ＶD、ＶH、ＶI）：（ＶB、ＶE、ＶG、ＶJ）：（ＶA、ＶF）＝１：１．１：１．３となっている。
本実施形態では、各噴口２７は、各噴口２７の開口面積比が、各噴口２７の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積比と一致するように、即ち、（Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉ）：（Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｊ）：（Ａ、Ｆ）＝１：１．１：１．３となるように、且つ、円形の各噴口２７の噴口径の平均値が０．１００ｍｍとなるように噴口径を設定している。具体的には、図９に示すように、噴口Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉの噴口径が０．０９５ｍｍ、噴口Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｊの噴口径が０．１００ｍｍ、噴口Ａ、Ｆの噴口径が１．３ｍｍに設定されている。
また、各噴口２７の噴射角を決定するため、各噴口２７から噴射された燃料がキャビティ１１を介して燃焼室天井３０ａに到達するまでの経路の長さである噴霧輸送経路長を特定する。
噴霧輸送経路長は、燃料噴射弁３の噴口２７から噴射角θで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離との和として求められる。
図７の例では、噴口Ｃの噴霧輸送経路長ＬCは、噴口Ｃから噴射角θCで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離ＬC1と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離ＬC2との和であり、噴口Ｈの噴霧輸送経路長ＬHは、噴口Ｈから噴射角θHで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離ＬH1と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離ＬH2との和である。
また、図８の例では、噴口Ａの噴霧輸送経路長ＬAは、噴口Ａから噴射角θAで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離ＬA1と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離ＬA2との和であり、噴口Ｆの噴霧輸送経路長ＬFは、噴口Ｈから噴射角θFで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離ＬF1と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離ＬF2との和である。
ここで、噴口２７の噴射角が同一の場合、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが高いほど（即ちキャビティ１１の縁端部１１ｄから燃焼室天井３０ａまでの距離が長いほど）、噴霧輸送経路長は長くなる。また、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが同一の場合には、噴口２７の噴射角θが大きいほど噴霧輸送経路長が短くなる。
そこで、本実施形態では、各噴口２７を、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが高いほどその噴口２７の噴射角が大きくなるように形成することで、各噴口２７の噴霧輸送経路長が等しくなるようにしている。
図６の例では、各噴口２７の中で、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘに最も近い方向に向けられた噴口Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが最も低く、ペントルーフ稜線Ｙ方向に向けられた噴口Ａ、Ｆの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが最も高い。
例えば、図７及び図８に示すように、噴口Ｃの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さをｈCと、噴口Ｈの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さをｈHとは等しいが、噴口Ａの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さをｈA及び噴口Ｆの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さをｈFは、それぞれｈCよりも高い。そこで、噴口Ｃの噴射角θCと噴口Ｈの噴射角θHを等しくし、噴口Ａの噴射角θA及び噴口Ｈの噴射角θFを、噴口Ｃの噴射角θCよりも大きくすることで、噴口Ａ、Ｃ、Ｆ及びＨの噴霧輸送経路長が等しくなるようにしている。
本実施形態では、図９に示すように、噴口Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さｈC、ｈD、ｈH、ｈIを０ｍｍとした場合、噴口Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｊの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さｈB、ｈE、ｈG、ｈJは０．９０ｍｍ、噴口Ａ、Ｆの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さｈA、ｈFは２．８０ｍｍとなっている。
また、燃焼室天井３０ａの高さが最も低い噴口Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉの噴射角θC、θD、θH、θIを５０°としたときの噴霧輸送経路長ＬC、ＬD、ＬH、ＬIは４０ｍｍである。
この場合、噴口Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｊの噴射角θB、θE、θG、θJを５２°とし、噴口Ａ、Ｆの噴射角θA、θFを５５°とすることにより、各噴口２７の噴霧輸送経路長が４０ｍｍとなり、全ての噴口２７の噴霧輸送経路長が等しくなる。
次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
上記した実施形態では、燃焼室３０がペントルーフ形状に形成されたエンジンを示したが（図３等参照）、本発明は、燃焼室３０がペントルーフ形状ではない形状（例えば半球型やバスタブ型など）に形成されたエンジンにも適用可能である。
また、上記した実施形態では、１０個の噴口２７を備えた燃料噴射弁３を示したが、本発明は、これとは異なる複数の噴口２７を備えた燃料噴射弁３を有するエンジンにも適用可能である。
次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるエンジンの作用効果を説明する。
まず、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口２７は、圧縮上死点における燃焼室３０を、燃料噴射弁３の長手軸線から互いに隣接する各噴口２７の中間を通って気筒の径方向に延びる垂直面により、各噴口２７の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口２７の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口２７の開口面積が大きくなるように形成されているので、エンジンの燃焼室３０がペントルーフ形状に形成されていること等により各噴口２７の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が異なっていても、各燃料噴射領域の容積に応じた量の燃料を各噴口２７から噴射させることができ、これにより、点火時期における燃焼室３０内の混合気の均質性を確保することができる。
特に、各噴口２７は、各噴口２７の開口面積比と、各噴口２７の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積比とが一致するように形成されているので、各噴口２７から噴射される燃料の量を、各噴口２７の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積と比例させることができ、これにより、各燃料噴射領域の容積が異なっていても、各燃料噴射領域における混合気の濃度を揃えることができ、点火時期における燃焼室３０内の混合気の均質性を確実に確保することができる。
また、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に配置され且つ長手軸線から所定の噴射角傾斜した方向へ向けて燃料を噴射する複数の噴口２７は、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室３０の天井高さが高いほど、その噴口２７の噴射角が大きくなるように形成されているので、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室３０の天井高さが高いことによる噴霧輸送経路長の増大を、噴口２７の噴射角の拡大により抑制することができ、これにより、各噴口２７から噴射された燃料が燃焼室天井３０ａに到達する時期を揃えることができ、点火時期における燃焼室３０内の混合気の均質性を確実に確保することができる。
特に、各噴口２７の噴射角は、各噴口２７から噴射された燃料がキャビティ１１を介して燃焼室３０の天井に到達するまでの経路の長さである噴霧輸送経路長が、点火プラグ４に最も近い噴口２７の噴霧輸送経路長と等しくなるように設定されているので、各噴口２７から噴射された燃料が燃焼室天井３０ａに到達する時期を、点火プラグ４に最も近い噴口２７から噴射された燃料を含む混合気が点火プラグ４周辺に到達する時期に揃えることができ、これにより、点火時期における燃焼室３０内の混合気の均質性を確保しつつ、点火プラグ４による着火性も適切に確保することができる。
１ 吸気バルブ
２ 排気バルブ
３ 燃料噴射弁
４ 点火プラグ
４ａ 電極
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
１０ ピストン
１１ キャビティ
１１ａ 突起部
１１ｂ 凹部
１１ｃ キャビティの曲面
１１ｄ キャビティの縁端部
１３ 環状部
１５ バルブリセス
１７ ピストン上面部
１９ バルブボディ
２１ ニードル
２３ シート部
２５ 燃料通路
２７ 噴口
３０ 燃焼室
３０ａ 燃焼室天井
４０ シリンダヘッド

Claims (2)

  1. 所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を気筒内の燃焼室に直接噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンであって、
    上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成されたピストンと、
    ペントルーフ形状の燃焼室を形成するように構成されたシリンダヘッドと、
    上記ピストンの中央部に対応する位置において上記シリンダヘッドに配置され、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間において上記ピストンのキャビティ内に入るように燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    上記燃料噴射弁が設けられた位置に対応する上記ピストンの中央部よりも径方向外側で、且つ上記ピストンのキャビティの上方に対応する位置において上記シリンダヘッドに配置された点火プラグと、を有し、
    上記燃料噴射弁は、その燃料噴射弁の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口を有し、
    上記各噴口は、圧縮上死点における上記燃焼室を、上記燃料噴射弁の長手軸線から互いに隣接する上記各噴口の中間を通って上記気筒の径方向に延びる垂直面により、上記各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口の噴射方向に位置する上記燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口の開口面積が大きくなるように形成されている、ことを特徴とするエンジン。
  2. 上記各噴口は、上記各噴口の開口面積比と、上記各噴口の噴射方向に位置する上記各燃料噴射領域の容積比とが一致するように形成されている、請求項１に記載のエンジン。
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