JP2020101140A - 圧縮着火エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンにおいて、燃料噴射時期を変更しても、上下キャビティに燃料噴霧が分配されるようにする。【解決手段】ピストンの冠面５０に備えられるキャビティ５Ｃは、径方向中心領域に配置された第１キャビティ部５１と、その外周側に配置された第２キャビティ部５２と、第１、第２キャビティ部５１、５２を繋ぐリップ５３とを含む。インジェクタ１８の複数の噴孔は、シリンダ軸方向Ａにおいてピストン寄りを指向する複数の第１噴孔３１が環状に配列された第１噴孔群３０と、燃焼室天井面６Ｕ寄りを指向する複数の第２噴孔４１が環状に配列された第２噴孔群４０とを含む。第１噴孔群３０及び第２噴孔群４０は、同時にリップ５３に向けて燃料を噴射することが可能な位置に配置されている。【選択図】図５

Description

本発明は、キャビティを備えるピストンによって燃焼室の一部が形成される直噴式の圧縮着火エンジンに関する。

自動車などの車両用エンジンの燃焼室は、シリンダの内壁面、シリンダヘッドの底面（燃焼室天井面）及びピストンの冠面によって区画されている。直噴式の圧縮着火エンジンでは、燃焼室天井面の径方向中央部に配置された燃料噴射弁から燃焼室に燃料が供給される。前記ピストンの冠面にキャビティを配置し、このキャビティに向けて燃料噴射弁から燃料を噴射させるエンジンが知られている。また、前記キャビティが上側キャビティと下側キャビティとの２段構造とされ、両キャビティの中間に位置するリップに燃料を噴射させるエンジンも知られている（特許文献１）。さらに、実際に燃料を噴射する噴孔を、シリンダ軸方向において上下２列に配置し、時間差をもって噴孔を開閉させるようにした燃料噴射装置が知られている（特許文献２）。

特開２００７−２１１６４４号公報 特許第５９６２７９５号公報

燃焼室での燃焼の理想的の態様は、当該燃焼室内に存在する空気を使い切った燃焼を行わせることである。上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンでは、前記リップに燃料を噴射させ、上側キャビティ及び下側キャビティの双方に燃料噴霧を分配させることが肝要となる。

一方、燃料噴射弁からの燃料噴射時期は、良好な燃焼の確保のため、運転状態等に応じて進角又は遅角させねばならないことがある。燃料噴射時期の変更によって、前記リップに向けて噴射されて上下キャビティに分配されるべき燃料噴霧が、前記進角又は遅角の分だけ、いずれか一方のキャビティに偏って流入することがある。この場合、一方のキャビティでは酸素が十分に活用されず、他方のキャビティでは燃料の未燃が生じるという不具合が発生する。

本発明は、上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンにおいて、燃料噴射時期を変更しても、各キャビティに燃料噴霧を良好に分配させることが可能な圧縮着火エンジンを提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る圧縮着火エンジンは、シリンダ、ピストンの冠面及び天井面により形成される燃焼室と、前記天井面の径方向中心部にシリンダ軸に沿って配設され、前記燃焼室内に燃料を噴射する複数の噴孔を備えた燃料噴射弁と、を有する直噴式の圧縮着火エンジンであって、前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、前記キャビティは、前記冠面の径方向中心領域に配置され、前記冠面からシリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い第２の深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐリップと、を含み、前記燃料噴射弁の複数の噴孔は、前記シリンダ軸方向において前記ピストン寄りを指向する複数の第１噴孔が環状に配列された第１噴孔群と、前記シリンダ軸方向において前記天井面寄りを指向する複数の第２噴孔が環状に配列された第２噴孔群と、を含み、前記第１噴孔群及び前記第２噴孔群は、同時に前記リップに向けて燃料を噴射することが可能な位置に配置されていることを特徴とする。

この圧縮着火エンジンによれば、前記燃料噴射弁の複数の噴孔として、ピストン寄りを指向する第１噴孔群と、燃焼室の天井面寄りを指向する第２噴孔群とが備えられる。これら第１、第２噴孔群は、同時に前記リップに向けて燃料を噴射する。これにより、前記燃料噴射弁の噴孔角（シリンダ軸に対して噴孔軸がなす角）に拡がりを持たせることができる。従って、燃料噴射時期をある程度進角又は遅角させた場合でも、燃料噴霧を前記リップに噴き当てて、前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とに分配させることができる。このため、いずれか一方のキャビティに偏って燃料噴霧が流入することはなく、燃焼室内の酸素を有効活用することができると共に、良好な燃焼を行わせてスモークの発生を抑止することができる。なお、噴孔出口を大径化することによっても噴孔角を拡げることは可能であるが、この場合、ペネトレーションの確保のためには燃料噴射弁の大型化が要請されるので好ましくない。

上記の圧縮着火エンジンにおいて、前記複数の第１噴孔の各噴孔出口は、前記シリンダ軸方向において同一高さ位置に環状に配列され、前記複数の第２噴孔の各噴孔出口は、前記シリンダ軸方向において同一高さ位置に環状に配列され、且つ、前記第１噴孔の各噴孔出口に対してオフセットした高さ位置に配置されていることが望ましい。

この圧縮着火エンジンによれば、前記オフセットによって、周方向において噴孔出口間に所要の間隔を確保した状態で、前記第１及び第２噴孔の各噴孔出口を配置することができる。従って、前記燃料噴射弁における噴孔の配列部分のサイズを、噴孔を一列（オフセット無し）で配列する場合に比べて小さくすることができ、前記燃料噴射弁の大型化を抑制することができる。なお、前記サイズを維持したまま噴孔を一列で配列した場合、噴孔出口間隔が小さすぎて、周方向において互いに隣接する噴孔出口から噴射された噴霧が干渉し、部分的にリッチな混合気が生成される不具合が生じ得る。

上記の圧縮着火エンジンにおいて、前記複数の第１噴孔及び前記複数の第２噴孔の各噴孔出口は、それぞれ等間隔で環状に配列されており、且つ、一方の噴孔群の互いに隣接する噴孔出口間の中間位置に、他方の噴孔群の１つの噴孔出口が位置するように、前記第１噴孔群及び前記第２噴孔群の各噴孔出口が配列されていることが望ましい。

この圧縮着火エンジンによれば、前記第１又は第２噴孔群の各々において、互いに隣接する噴孔出口から噴射される噴霧同士の干渉を抑制することができる。また、前記第１噴孔群と第２噴孔群との間において、互いに隣接する噴孔出口から噴射される噴霧同士の干渉も抑制することができる。

上記の圧縮着火エンジンにおいて、前記燃料噴射弁は、前記燃焼室内に配置される先端部分に、燃料が充填されるサック部と、このサック部を区画するサック壁とを備え、前記第１噴孔群の各第１噴孔と前記第２噴孔群の各第２噴孔とは、共に前記サック壁に穿孔され、且つ、噴孔径が同一であることが望ましい。

この圧縮着火エンジンによれば、共通のサック部に充填された燃料が、前記第１及び第２噴孔群の各噴孔から噴射される。そして、前記第１噴孔群の各噴孔の噴孔径と前記第２噴孔群の各噴孔の噴孔径とが同一であるので、両噴孔群のいずれか一方の噴孔から偏って燃料が噴射されることを防止することができる。

本発明によれば、上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンにおいて、燃料噴射時期を変更しても、各キャビティに燃料噴霧を良好に分配させることが可能な圧縮着火エンジンを提供することができる。

図１は、本発明に係る圧縮着火エンジンの一実施形態に係るディーゼルエンジンの、シリンダ軸方向の概略断面図である。 図２（Ａ）は、図１に示されたディーゼルエンジンのピストンの、冠面部分の斜視図、図２（Ｂ）は、前記ピストンの断面付きの斜視図である。 図３は、図２（Ｂ）に示すピストン断面の拡大図である。 図４は、第１、第２キャビティ部及びリップの曲面形状を説明するための図である。 図５（Ａ）は、実施形態に係るインジェクタ（燃料噴射弁）の先端部の概略断面図、図５（Ｂ）は、前記先端部のシリンダ軸方向から見た平面図である。 図６は、上記インジェクタの燃料噴霧状態を示す模式図であって、図６（Ａ）はシリンダ軸方向視の図、図６（Ｂ）はシリンダ軸に沿った断面視の図である。 図７は、前記ピストンの冠面とインジェクタによる燃料の噴孔軸との関係を説明するための、ピストンの断面図である。 図８は、ピストンの上面図であって、第１、第２キャビティ部への燃料噴霧の分配状況を示す図である。 図９は、燃料噴射のタイミング及び熱発生率を示すタイムチャートである。 図１０は、メイン噴射時における燃焼室内での混合気の生成状況を模式的に示す図である。 図１１は、リップへの燃料の噴射状態を示す図であって、図１１（Ａ）は、上下二段の噴孔群の噴孔軸が平行である比較例のケースを示す図、図１１（Ｂ）は、本実施形態のケースを示す図である。 図１２は、燃料噴霧の分配状況を示す図であって、図１２（Ａ）は比較例を、図１２（Ｂ）は本実施形態を各々示す。 図１３（Ａ）〜（Ｅ）は、第１噴孔群と第２噴孔群とを上下にオフセットした配置する場合における、各種の噴孔配置パターンを示す模式図である。 図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、第１噴孔群と第２噴孔群とを一列に配列する場合における、噴孔配置パターン例を示す模式図である。

［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る圧縮着火エンジンについて詳細に説明する。図１は、本発明の圧縮着火エンジンの一実施形態に係る直噴式のディーゼルエンジンエンジンを示す概略断面図である。本実施形態に係るディーゼルエンジンは、シリンダ及びピストンを含み、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として前記車両に搭載される多気筒エンジンである。エンジンは、エンジン本体１と、これに組付けられた図外の吸排気マニホールド及び各種ポンプ等の補機とを含む。

エンジン本体１は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、図１の紙面に垂直な方向に並ぶ複数のシリンダ若しくはシリンダライナ（以下、単に「シリンダ２」という。図中ではそのうちの１つのみを示す）を有している。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられ、シリンダ２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、各シリンダ２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。ピストン５の往復運動に応じて、クランク軸７はその中心軸回りに回転する。ピストン５の構造については、後記で詳述する。

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の底面は燃焼室天井面６Ｕであり、この燃焼室天井面６Ｕは、水平方向に延びるフラットな形状を有している。燃焼室天井面６Ｕには、吸気ポート９の下流端である吸気側開口部４Ａと、排気ポート１０の上流端である排気側開口部４Ｂとが形成されている。シリンダヘッド４には、吸気側開口部４Ａを開閉する吸気バルブ１Ａと、排気側開口部４Ｂを開閉する排気バルブ１２とが組み付けられている。

吸気バルブ１１及び排気バルブ１２は、いわゆるポペットバルブである。吸気バルブ１１は、吸気側開口部４Ａを開閉する傘状の弁体と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。同様に、排気バルブ１２は、排気側開口部４Ｂを開閉する傘状の弁体と、この弁体から垂直に延びるステムとを含む。吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の前記弁体の各々は、燃焼室６に臨むバルブ面を有する。

本実施形態において、燃焼室６を区画する燃焼室壁面は、シリンダ２の内壁面、ピストン５の上面（＋Ｚ側の面）である冠面５０、シリンダヘッド４の底面からなる燃焼室天井面６Ｕ（天井面）、吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の各バルブ面からなる。

シリンダヘッド４には、吸気バルブ１１、排気バルブ１２を各々駆動する吸気側動弁機構１３、排気側動弁機構１４が配設されている。これら動弁機構１３、１４によりクランク軸７の回転に連動して、各吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が駆動される。これら吸気バルブ１１及び排気バルブ１２の駆動により、吸気バルブ１１の弁体が吸気側開口部４Ａを開閉し、排気バルブ１２の弁体が排気側開口部４Ｂを開閉する。

吸気側動弁機構１３には、吸気側可変バルブタイミング機構（吸気側ＶＶＴ）１５が組み込まれている。吸気側ＶＶＴ１５は、吸気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、クランク軸７に対する吸気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、吸気バルブ１１の開閉タイミングを変更する。同様に、排気側動弁機構１４には、排気側可変バルブタイミング機構（排気側ＶＶＴ）１６が組み込まれている。排気側ＶＶＴ１６は、排気カム軸に設けられた電動式のＶＶＴであり、クランク軸７に対する排気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、排気バルブ１２の開閉タイミングを変更する。

シリンダヘッド４（燃焼室天井面６Ｕ）には、先端部から燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１８（燃料噴射弁）が、各シリンダ２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１８には燃料供給管１９が接続されている。インジェクタ１８は、燃料供給管１９を通して供給された燃料を燃焼室６に直接噴射する。本実施形態では、インジェクタ１８は、燃焼室６の径方向中心部においてシリンダ軸方向Ａに沿うようにシリンダヘッド４に組み付けられ、ピストン５の冠面５０に形成された後述のキャビティ５Ｃ（図２〜図４）に向けて燃料を噴射する。インジェクタ１８の詳細構造については、後記で詳述する。

燃料供給管１９の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプ（図示せず）が接続されている。この高圧燃料ポンプと燃料供給管１９との間には、全シリンダ２に共通の蓄圧用のコモンレール（図示せず）が設けられている。このコモンレール内で蓄圧された燃料が各シリンダ２のインジェクタ１８に供給されることにより、各インジェクタ１８からは、高い圧力の燃料が燃焼室６内に噴射される。

［ピストンの詳細構造］
続いて、ピストン５の構造、とりわけ冠面５０の構造について詳細に説明する。図２（Ａ）は、ピストン５の上方部分を主に示す斜視図である。ピストン５は、上方側のピストンヘッドと、下方側に位置するスカート部とを備えるが、図２（Ａ）では、冠面５０を頂面に有する前記ピストンヘッド部分を示している。図２（Ｂ）は、ピストン５の径方向断面付きの斜視図である。図３は、図２（Ｂ）に示す径方向断面の拡大図である。なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）において、シリンダ軸方向Ａ及び燃焼室の径方向Ｂを矢印で示している。

ピストン５は、キャビティ５Ｃ、スキッシュエリア５５及び側周面５６を含む。上述の通り、燃焼室６を区画する燃焼室壁面の一部（底面）は、ピストン５の冠面５０で形成されており、キャビティ５Ｃは、この冠面５０に備えられている。キャビティ５Ｃは、シリンダ軸方向Ａにおいて冠面５０が下方に凹没された部分であり、インジェクタ１８から燃料の噴射を受ける部分である。スキッシュエリア５５は、冠面５０において径方向Ｂの外周縁付近の領域に配置された環状の平面部である。キャビティ５Ｃは、スキッシュエリア５５を除く冠面５０の径方向Ｂの中央領域に配置されている。側周面５６は、シリンダ２の内壁面と摺接する面であり、図略のピストンリングが嵌め込まれるリング溝が複数備えられている。

キャビティ５Ｃは、第１キャビティ部５１、第２キャビティ部５２、リップ５３及び山部５４を含む。第１キャビティ部５１は、冠面５０の径方向Ｂの中心領域に配置された凹部である。第２キャビティ部５２は、冠面５０における第１キャビティ部５１の外周側に配置された、環状の凹部である。リップ５３は、第１キャビティ部５１と第２キャビティ部５２とを径方向Ｂに繋ぐ部分である。山部５４は、冠面５０（第１キャビティ部５１）の径方向Ｂの中心位置に配置された山型の凸部である。山部５４は、インジェクタ１８のノズル１８１の直下の位置に凸設されている（図７）。

第１キャビティ部５１は、第１上端部５１１、第１底部５１２及び第１内側端部５１３を含む。第１上端部５１１は、第１キャビティ部５１において最も高い位置にあり、リップ５３に連なっている。第１底部５１２は、第１キャビティ部５１において最も凹没した、上面視で環状の領域である。キャビティ５Ｃ全体としても、この第１底部５１２は最深部であって、第１キャビティ部５１は、第１底部５１２においてシリンダ軸方向Ａに所定の深さ（第１の深さ）を有している。上面視において、第１底部５１２は、リップ５３に対して径方向Ｂの内側に近接した位置にある。

第１上端部５１１と第１底部５１２との間は、径方向Ｂの外側に湾曲した径方向窪み部５１４で繋がれている。径方向窪み部５１４は、リップ５３よりも径方向Ｂの外側に窪んだ部分を有している。第１内側端部５１３は、第１キャビティ部５１において最も径方向内側の位置にあり、山部５４の下端に連なっている。第１内側端部５１３と第１底部５１２との間は、裾野状に緩やかに湾曲した曲面で繋がれている。

第２キャビティ部５２は、第２内側端部５２１、第２底部５２２、第２上端部５２３、テーパ領域５２４及び立ち壁領域５２５を含む。第２内側端部５２１は、第２キャビティ部５２において最も径方向内側の位置にあり、リップ５３に連なっている。第２底部５２２は、第２キャビティ部５２において最も凹没した領域である。第２キャビティ部５２は、第２底部５２２においてシリンダ軸方向Ａに第１底部５１２よりも浅い深さ（第２の深さ）を備えている。つまり、第２キャビティ部５２は、第１キャビティ部５１よりもシリンダ軸方向Ａにおいて上側に位置する凹部である。第２上端部５２３は、第２キャビティ部５２において最も高い位置であって最も径方向外側に位置し、スキッシュエリア５５に連なっている。

テーパ領域５２４は、第２内側端部５２１から第２底部５２２に向けて延び、径方向外側へ先下がりに傾斜した面形状を有する部分である。図３に示されているように、テーパ領域５２４は、径方向Ｂに延びる水平ラインＬ１に対して傾き角αで交差する傾斜ラインＬ２に沿った傾きを有している。立ち壁領域５２５は、第２底部５２２よりも径方向外側において、比較的急峻に立ち上がるように形成された壁面である。径方向Ｂの断面形状において、第２底部５２２から第２上端部５２３にかけて、第２キャビティ部５２の壁面が水平方向から上方向へ向かうように湾曲された曲面とされている。この曲面のうち、第２上端部５２３の近傍において垂直壁に近い壁面とされている部分が、立ち壁領域５２５である。

リップ５３は、径方向Ｂの断面形状において、下側に位置する第１キャビティ部５１と上側に位置する第２キャビティ部５２との間で、径方向内側にコブ状に突出する形状を有している。リップ５３は、下端部５３１及び第３上端部５３２（シリンダ軸方向の上端部）と、これらの間の中央に位置する中央部５３３とを有している。下端部５３１は、第１キャビティ部５１の第１上端部５１１に対する連設部分である。第３上端部５３２は、第２キャビティ部５２の第２内側端部５２１に対する連設部分である。

シリンダ軸方向Ａにおいて、下端部５３１はリップ５３の最も下方に位置する部分、第３上端部５３２は最も上方に位置する部分である。上述のテーパ領域５２４は、第３上端部５３２から第２底部５２２に向けて延びる領域でもある。第２底部５２２は、第３上端部５３２よりも下方に位置している。つまり、本実施形態の第２キャビティ部５２は、第３上端部５３２から径方向Ｂの外側に水平に延びる底面を有しているのではなく、換言すると、第３上端部５３２からスキッシュエリア５５までが水平面で繋がっているのではなく、第３上端部５３２よりも下方に窪んだ第２底部５２２を有している。

山部５４は、上方に向けて突出しているが、その突出高さはリップ５３の第３上端部５３２の高さと同一であり、スキッシュエリア５５よりは窪んだ位置にある。山部５４は、上面視で円形の第１キャビティ部５１の中心に位置しており、これにより第１キャビティ部５１は山部５４の周囲に形成された環状溝の態様となっている。

［キャビティ部の曲面形状について］
図４は、第１、第２キャビティ部５１、５２及びリップ５３の曲面形状を説明するための、シリンダ軸方向Ａに沿った断面図である。第１キャビティ部５１は、シリンダ軸を含む断面において、デカルトの卵型楕円曲線に沿った面形状（以下、エッグシェープ形状という）を備えている。具体的には、第１キャビティ部５１は、インジェクタ１８の噴孔から最も遠い円弧状の第１部分Ｃ１と、第１部分Ｃ１とリップ５３との間に位置する第２部分Ｃ２と、第１部分Ｃ１から径方向Ｂの内側に延びる第３部分Ｃ３とを含む。上掲の図３の形状に当て嵌めると、第１部分Ｃ１は、径方向窪み部５１４の中央領域に、第２部分Ｃ２は、径方向窪み部５１４から第１上端部５１１へ至る領域に、第３部分Ｃ３は、径方向窪み部５１４から第１底部５１２へ至る領域に各々相当する。

図４では、インジェクタ１８から噴射される燃料の噴孔軸ＡＸが、インジェクタ１８から最も遠い第１部分Ｃ１と交差している状態を示している。第１キャビティ部５１が備えるエッグシェープ形状は、このような第１部分Ｃ１の半径ｒ１が最も小さく、第１部分Ｃ１から第２部分Ｃ２方向側に向かうに連れ、並びに第１部分Ｃ１から第３部分Ｃ３方向側に向かうに連れ、連続的に半径が大きくなる円弧形状である。

すなわち、第２部分Ｃ２の半径ｒ２は、図４の断面において、第１部分Ｃ１から反時計方向に離れるほど大きくなる。また、第３部分Ｃ３の半径ｒ３は、第１部分Ｃ１から時計方向に離れるほど、第２部分Ｃ２の半径ｒ２を同じ割合で大きくなる（ｒ２＝ｒ３）。リップ５３を起点として前記エッグシェープ形状を表すと、第２部分Ｃ２から第１部分Ｃ１にかけて円弧の半径が小さくなり、第１部分Ｃ１から第３部分Ｃ３にかけて円弧の半径が大きくなる円弧形状を有している。

リップ５３は、下端部５３１（第１上端部５１１）から第３上端部５３２（第２内側端部５２１）にかけて、所定の半径ｒ４を有する曲面からなる凸面形状を有している。第２キャビティ部５２は、第２底部５２２から立ち壁領域５２５にかけて、所定の半径ｒ５を有する曲面からなる凹面形状を有している。第２上端部５２３は、所定の半径ｒ６を有する曲面からなる凸面形状を有している。半径ｒ４の中心点と半径ｒ５の中心点との間のシリンダ軸方向Ａの距離を第１距離Ｓｖ、半径ｒ５の中心点と半径ｒ６の中心点との間の径方向Ｂの距離を第２距離Ｓｈとするとき、
ｒ４＋ｒ５＞Ｓｖ
ｒ５＋ｒ６≦Ｓｈ
の関係を満たすように、半径ｒ４、ｒ５、ｒ６の数値が選ばれる。

第２キャビティ部５２において、第２底部５２２から立ち壁領域５２５の上端位置Ｃ４に至る部分は、半径ｒ５のおおよそ１／４円弧によって形成されている。そして、立ち壁領域５２５の上端位置Ｃ４は、半径ｒ６のおおよそ１／４円弧からなる第２上端部５２３の下端位置に連なっている。なお、第２上端部５２３の上端は、スキッシュエリア５５に連なっている。

このような曲面形状とされている結果、立ち壁領域５２５の上端位置Ｃ４に対して立ち壁領域５２５の下方部分は、径方向Ｂの内側に位置している。つまり、立ち壁領域５２５には、第１キャビティ部５１の径方向窪み部５１４のように、径方向Ｂの外側に抉れた形状部分は存在していない。後記で詳述するが、立ち壁領域５２５がこのような円弧形状とされるのは、第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状と協働して、混合気が燃焼室６の径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにし、立ち壁領域５２５よりも径方向Ｂの外側に配置されているスキッシュエリア５５上の空間（スキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせるためである。

［インジェクタの詳細構造］
続いて、インジェクタ１８の構造について詳述する。図５（Ａ）は、インジェクタ１８の先端部２０の概略断面図、図５（Ｂ）は、先端部２０をシリンダ軸方向Ａの下方から見た平面図である。インジェクタ１８は、燃焼室６内に燃料を直噴するために、燃焼室天井面６Ｕから燃焼室６内に突出して配置される先端部２０を有する。先端部２０の下端には、燃焼室６内に燃料を噴射する複数の噴孔を備えたノズルヘッド２１が配置されている。ノズルヘッド２１は、先端部２０の下端から半球形に突出する形状を有する。先端部２０の内部には、噴射前の燃料が充填される空間であるサック部２２が設けられている。サック部２２は円錐型の空間であり、サック壁２３によって区画されている。

本実施形態では、ノズルヘッド２１に穿孔される複数の噴孔として、燃料噴射方向が互いに異なる第１噴孔群３０及び第２噴孔群４０が備えられている点に特徴を有する。第１噴孔群３０は、第１環状ラインＲ１に沿って環状に配列された複数の第１噴孔３１を含む。図５（Ｂ）では、５個の第１噴孔３１が等間隔で、第１環状ラインＲ１に沿って環状に配列されている例を示している。各第１噴孔３１は、サック壁２３を貫通してサック部２２と外部（燃焼室６）とを連通させる孔であり、サック部２２に向けて開口する噴孔入口３２と、ノズルヘッド２１の外表面に開口する噴孔出口３３とを備える。

第２噴孔群４０は、第１環状ラインＲ１よりも径方向外側の第２環状ラインＲ２に沿って環状に配列された複数の第２噴孔４１を含む。なお、図５（Ｂ）では、理解を容易にするために、環状ラインＲ１、Ｒ２間の間隔を実際の間隔よりも誇張して大きく図示している。同図では、５個の第２噴孔４１が等間隔で、環状ラインＲ２に沿って環状に配列されている例を示している。各第２噴孔４１もまた、サック壁２３を貫通してサック部２２と外部（燃焼室６）とを連通させる孔であり、サック部２２に向けて開口する噴孔入口４２と、ノズルヘッド２１の外表面に開口する噴孔出口４３とを備える。

第１、第２環状ラインＲ１、Ｒ２は、シリンダ軸方向Ａと直交するラインである。そして、第２環状ラインＲ２は、下方に突出する半球形のノズルヘッド２１において、第１環状ラインＲ１よりも上方に位置していることで、図５（Ｂ）の下方からの平面視では第１環状ラインＲ１よりも径方向外側に位置するラインである。これにより、第１環状ラインＲ１に沿って配列される５個の第１噴孔３１（噴孔出口３３）は、シリンダ軸方向Ａにおいて同一高さ位置に環状に配列されている。また、第２環状ラインＲ２に沿って配列される５個の第２噴孔４１（噴孔出口４３）は、シリンダ軸方向Ａにおいて同一高さ位置に環状に配列され、且つ、第１噴孔３１に対してシリンダ軸方向Ａの下方にオフセットした高さ位置に配置されている。

第１噴孔群３０の各第１噴孔３１と第２噴孔群４０の各第２噴孔４１とは、相対的に異なる方向を指向してそれぞれサック壁２３に穿孔されている。第１噴孔３１は、シリンダ軸方向Ａにおいて相対的にピストン５寄りを指向している。一方、第２噴孔４１は、シリンダ軸方向Ａにおいて相対的に燃焼室天井面６Ｕ寄りを指向している。但し、両者の指向角（噴孔角）の相違及びオフセットは僅かであり、第１噴孔群３０及び第２噴孔群４０は、同時にキャビティ５Ｃのリップ５３に向けて燃料を噴射することが可能な位置に配置されている。すなわち、あるクランク角においてインジェクタ１８に燃料噴射動作を実行させた場合、第１噴孔３１及び第２噴孔４１の双方からの燃料噴霧が共にリップ５３に吹き当たるように、第１噴孔３１及び第２噴孔４１が配置されている。

既述の通り、５個の第１噴孔３１及び５個の第２噴孔４１は、等間隔で環状に配列されている。さらに、本実施形態では、隣接する２つの第１噴孔３１（噴孔出口３３）の周方向中間位置に、１つの第２噴孔４１（噴孔出口４３）が位置するように、第１噴孔３１及び第２噴孔４１がノズルヘッド２１に設けられている。結果的に、配置位置が第１、第２環状ラインＲ２上であるという相違は存在するものの、概ね第１噴孔３１及び第２噴孔４１は交互に、周方向に均等ピッチでノズルヘッド２１に配置されている。このような実質的に均等ピッチによる噴孔配置と、上記のシリンダ軸方向Ａのオフセットとによって、各第１噴孔３１から噴射される燃料噴霧と各第２噴孔４１から噴射される燃料噴霧との相互干渉を抑制することが可能となる。

第１噴孔３１の噴孔径と第２噴孔４１の噴孔径とは、同一サイズに設定されている。すなわち、第１噴孔３１は、噴孔入口３２から噴孔出口３３まで同一内径を有する円筒型の孔であり、同様に、第２噴孔４１も噴孔入口４２から噴孔出口４３まで同一内径を有する円筒型の孔である。これら、第１噴孔３１及び第２噴孔４１が同一内径とされている。そして、両噴孔入口３２、４２は、共通のサック部２２に連通している。このため、サック部２２に充填された燃料が、両噴孔出口３３、４３から噴射されるが、両者の噴孔径が同一であるので、第１噴孔群３０又は第２噴孔群４０のいずれか一方の噴孔から偏って燃料が噴射されることはない。

図６は、インジェクタ１８の燃料噴霧状態を示す模式図であって、図６（Ａ）はシリンダ軸方向Ａから見た平面図、図６（Ｂ）はシリンダ軸方向Ａに沿った断面図である。図６（Ａ）、（Ｂ）には、第１噴孔群３０の各第１噴孔３１から噴射される第１燃料噴霧Ｅ１と、第２噴孔群４０の各第２噴孔４１から噴射される第２燃料噴霧Ｅ２とが示されている。また、第１、第２燃料噴霧Ｅ１、Ｅ２には、各噴霧の噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２が示されている。第１、第２燃料噴霧Ｅ１、Ｅ２は、噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２を中心として、所定の噴霧角で円錐形に拡散する。第１、第２燃料噴霧Ｅ１、Ｅ２は、各噴孔３１、４１から噴射された後、燃焼室６内の空気（酸素）と混合して混合気となる。

上述の通り、第１噴孔３１及び第２噴孔４１は、周方向に均等ピッチで交互配置されている。このため、図６（Ａ）の平面視では、ノズルヘッド２１を中心として第１燃料噴霧Ｅ１と第２燃料噴霧Ｅ２とが放射状に、周方向に均等間隔で並ぶことになる。

これに対し、図６（Ｂ）の断面視では、第１噴孔３１と第２噴孔４１との指向方向の差が、噴射方向の差に現れる。第１噴孔３１の噴孔軸ＡＸ１と第２噴孔４１の噴孔軸ＡＸ２との関係では、相対的に噴孔軸ＡＸ１はピストン５寄りに、噴孔軸ＡＸ２は燃焼室天井面６Ｕ寄りに、各々指向している。インジェクタ１８がシリンダ軸Ａ０に沿って配設されているとして、このシリンダ軸Ａ０に対して噴孔軸ＡＸ１がなす角を第１コーン角φ１、噴孔軸ＡＸ２がなす角を第２コーン角φ２とするとき、φ１＜φ２の関係となる。

第１コーン角φ１及び第２コーン角φ２は、リップ５３に対する位置関係、並びに燃料噴射のタイミング、圧縮比等を考慮して設定される。例えば、圧縮上死点よりも前の噴射（後述のプレ噴射Ｐ１）においてリップ５３に向けた燃料噴射を行う場合について一例を挙げれば、第１コーン角φ１＝７６．０°、第２コーン角φ２＝７８．５°、φ２−φ１＝２．５°に設定することができる。φ２−φ１は、リップ５３のシリンダ軸方向Ａのサイズ及び径方向Ｂの位置等に応じて設定することができるが、概ねφ２−φ１＝１°〜４°の範囲から選択することができる。

なお、図４に示したキャビティ部のエッグシェープ形状は、１つの噴孔軸ＡＸを想定して定義している。本実施形態では、コーン角の異なる２つの噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２が存在する。前記エッグシェープ形状は、噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２のいずれか一方を、図４の「ＡＸ」と扱って設定しても良いし、或いは噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２の中間のコーン角を有する仮想噴孔軸を、図４の「噴孔軸ＡＸ」と扱って設定しても良い。

［燃料噴霧の空間的な分配について］
続いて、インジェクタ１８によるキャビティ５Ｃへの燃料噴射状況、及び噴射後の混合気の流れについて、図７に基づいて説明する。図７は、燃焼室６の簡略的な断面図であって、冠面５０（キャビティ５Ｃ）とインジェクタ１８から噴射される第１、第２燃料噴霧Ｅ１、Ｅ２の噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２との関係と、噴射後の混合気の流れを模式的に表す矢印Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ１３、Ｆ２１、Ｆ２２、Ｆ２３とが示されている。

図７では、インジェクタ１８が備える複数の噴孔のうち、第１噴孔群３０に属する１つの第１噴孔３１から燃料が噴射される様子を示している。第１噴孔３１から燃料は、図中の噴孔軸ＡＸ１に沿って噴霧される。噴霧された燃料は、噴霧角θをもって拡散する。図７には、噴孔軸ＡＸ１に対する上方向への拡散を示す上拡散軸ＡＸ１１と、下方向への拡散を示す下拡散軸ＡＸ１２とが示されている。噴霧角θは、上拡散軸ＡＸ１１と下拡散軸ＡＸ１２とがなす角である。つまり、噴孔軸ＡＸ１に沿って噴霧される第１燃料噴霧Ｅ１は、噴霧角θで円錐状に拡散しながら、リップ５３に向かう。図７には図示していないが、第２噴孔４１から噴孔軸ＡＸ２に沿って噴霧される第２燃料噴霧Ｅ２も、噴霧角θで円錐状に拡散しながら、リップ５３に向かう。

噴孔軸ＡＸ１及び噴孔軸ＡＸ２のいずれも、同時にキャビティ５Ｃのリップ５３を指向することが可能である。すなわち、第１噴孔３１及び第２噴孔４１は、同じタイミングでリップ５３に向けて燃料を噴射することが可能である。つまり、ピストン５の所定のクランク角においてインジェクタ１８に燃料噴射動作を行わせることで、第１噴孔３１及び第２噴孔４１の双方から、上記φ２−φ１のコーン角差を持たせつつ、いずれもリップ５３に向けて燃料を噴霧させることができる。図７では、前記所定のクランク角における噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２とキャビティ５Ｃとの位置関係を示している。第１噴孔３１及び第２噴孔４１から噴射された燃料（第１燃料噴霧Ｅ１及び第２燃料噴霧Ｅ２）は、燃焼室６の空気と混合されて混合気を形成しつつ、リップ５３に吹き当たることになる。

図７に示すように、噴孔軸ＡＸ１、ＡＸに沿ってリップ５３に向けて噴射された第１燃料噴霧Ｅ１及び第２燃料噴霧Ｅ２は、リップ５３に衝突し、その後、第１キャビティ部５１の方向（下方向）へ向かうもの（矢印Ｆ１１）と、第２キャビティ部５２の方向（上方向）へ向かうもの（矢印Ｆ２１）とに空間的に分配される。すなわち、リップ５３の中央部５３３を指向して噴射された燃料は、上下に分離され、その後は各々第１、第２キャビティ部５１、５２に存在する空気と混合して混合気を形成しながら、これらキャビティ部５１、５２の面形状に沿って流動する。

詳しくは、矢印Ｆ１１の方向（下方向）に向かう混合気は、リップ５３の下端部５３１から第１キャビティ部５１の径方向窪み部５１４へ入り込み、下方向に流れる。その後、混合気は、径方向窪み部５１４の湾曲形状によって流動方向を下方向から径方向Ｂの内側方向へ変え、矢印Ｆ１２で示すように、第１底部５１２を有する第１キャビティ部５１の底面形状に倣って流動する。この際、混合気は、第１キャビティ部５１の空気と混合して濃度を薄めて行く。山部５４が存在することによって、第１キャビティ部５１の底面は径方向中央に向けてせり上がる形状を有している。従って、矢印Ｆ１２方向に流動する混合気は上方に持ち上げられ、ついには矢印Ｆ１３で示すように、燃焼室天井面６Ｕから径方向外側へ向かうように流動する。このような流動の際にも、前記混合気は燃焼室６内に残存する空気と混合し、均質で薄い混合気となってゆく。

一方、矢印Ｆ２１の方向（上方向）に向かう混合気は、リップ５３の第３上端部５３２から第２キャビティ部５２のテーパ領域５２４に入り込み、テーパ領域５２４の傾きに沿って斜め下方に向かう。そして、矢印Ｆ２２で示すように、前記混合気は第２底部５２２に至る。ここで、テーパ領域５２４は噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２に沿う傾きを持つ面とされている。このため、前記混合気は径方向外側へスムースに流動することができる。つまり前記混合気は、テーパ領域５２４の存在、並びに、リップ５３の第３上端部５３２も下方に位置する第２底部５２２の存在によって、燃焼室６の径方向外側の奥深い位置まで到達することができる。

しかる後、前記混合気は、第２底部５２２から立ち壁領域５２５の間の立ち上がり曲面によって上方に持ち上げられ、燃焼室天井面６Ｕから径方向内側へ向かうように流動する。このような、矢印Ｆ２２で示す流動の際に、前記混合気は第２キャビティ部５２内の空気と混合し、均質で薄い混合気となって行く。ここで、第２底部５２２よりも径方向外側に、概ね上下方向に延びる立ち壁領域５２５が存在することで、噴射された燃料（混合気）がシリンダ２の内周壁（一般に、図略のライナーが存在する）に到達することが阻止される。つまり、前記混合気は、第２底部５２２の形成によって燃焼室６の径方向外側付近まで流動できるが、立ち壁領域５２５の存在によって、シリンダ２の内周壁との干渉は抑止される。このため、前記干渉による冷損の発生を抑制することができる。

ここで、立ち壁領域５２５は、その下方部分が、上端位置に対して径方向Ｂの内側に位置する形状を備えている。このため、矢印Ｆ２２で示す流動は過度に強くならず、混合気が径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにすることができる。矢印Ｆ２２の流動が強すぎると、一部燃焼している混合気が新たに噴射された燃料が十分に拡散する前に当該燃料と衝突し、均質な燃焼を阻害して煤などを発生させる。しかし、本実施形態の立ち壁領域５２５は、径方向外側に抉れた形状を備えておらず、矢印Ｆ２２の流動は抑制的となり、矢印Ｆ２３にて示す径方向Ｂの外側へ向かう流動も生成する。とりわけ、燃焼後期では逆スッキシュ流に牽引されることもあり、矢印Ｆ２３の流動が生じ易くなる。従って、立ち壁領域５２５よりも径方向外側の空間（スキッシュエリア５５上の空間）も有効に活用した燃焼を行わせることができる。従って、煤の発生などを抑止し、燃焼室空間の全体を有効活用した燃焼を実現させることができる。

図８は、ピストン５の上面図であって、第１、第２キャビティ部５１、５２への燃料噴霧の分配状況を模式的に示す図である。噴孔軸ＡＸ１に沿ってリップ５３に向けて噴射された第１燃料噴霧Ｅ１は、上述の空間的な分配作用によって、図８に示すように下段噴霧Ｅ１１と上段噴霧Ｅ１２とに分配される。同様に、噴孔軸ＡＸ２に沿ってリップ５３に向けて噴射された第２燃料噴霧Ｅ２は、下段噴霧Ｅ２１と上段噴霧Ｅ２２とに分配される。これにより、第１、第２キャビティ部５１、５２の空間に各々存在する酸素を有効活用して混合気を生成することができる。つまり、燃焼室６の空間を広く利用して均質で薄い混合気を形成でき、燃焼時に煤などの発生を抑制することができる。

［燃料噴射の時間的な分配について］
本実施形態では、上述した燃料噴霧の空間的な分配に加え、時間的にも分配して、より燃焼室６内の空気を有効活用する例を示す。図９は、インジェクタ１８からキャビティ５Ｃへの燃料噴射のタイミングの一例と、その時の熱発生率特性Ｈとを示すタイムチャートである。インジェクタ１８による燃料噴射の動作は、燃料噴射制御部１８Ａ（図１参照）によって制御される。燃料噴射制御部１８Ａは、１サイクル当たり、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３をインジェクタ１８に実行させる。

プレ噴射Ｐ１は、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側に位置する時期に実行される燃料噴射である。プレ噴射Ｐ１は、噴射した燃料を予混合燃焼させることを企図したものであり、筒内圧及び筒内温度がある程度高くなる圧縮行程後期に実行される。メイン噴射Ｐ２は、プレ噴射Ｐ１よりも遅角側であって、当該プレ噴射Ｐ１で噴射された燃料が予混合燃焼している期間中に開始される。つまり、メイン噴射Ｐ２は、予混合燃焼の熱を利用して噴射した燃料を拡散燃焼させることを企図したものであり、概ねピストン５がＴＤＣ付近に位置するタイミングに開始される燃料噴射である。中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との間の時期に実行される噴射である。中段噴射Ｐ３で噴射された燃料は、プレ噴射Ｐ１の燃焼とメイン噴射Ｐ２の燃焼との間に燃焼させることが企図されている。中段噴射Ｐ３も、概ね拡散燃焼となる。

図９では、クランク角−ＣＡ１６から−ＣＡ１２の期間にプレ噴射Ｐ１が実行される例を示している。燃料の噴射率ピーク値は、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２とで同一であるが、燃料噴射期間は前者の方が長く設定されている。また、図９では、クランク角−ＣＡ６ｄｅｇから中段噴射Ｐ３が開始される例を示している。中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２に比較して、少量の燃料噴射である。

図９には、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３の各燃焼によって熱発生率特性Ｈが示されている。熱発生率特性Ｈは、燃焼室６内の燃焼圧力の上昇率に関連深い特性であって、プレ噴射Ｐ１に伴う予混合燃焼によって生じる山部である前段燃焼部分ＨＡと、メイン噴射Ｐ２に伴う拡散燃焼によって生じる山部である後段燃焼部分ＨＢと、両燃焼部分ＨＡ、ＨＢの中間の中間燃焼部分ＨＣとを有する。すなわち、熱発生率特性Ｈには、時間的に分離して実行される比較的噴射量の多いプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の各燃焼に起因して、二段階で熱発生率のピークが発生する。中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の各燃焼に起因する熱発生率のピークを抑制するための噴射である。中段噴射Ｐ３は、このピーク抑制によって、燃焼騒音の低減に貢献する。

上述のリップ５３を指向した燃料噴霧は、プレ噴射Ｐ１の際に実行される。メイン噴射Ｐ２は、プレ噴射Ｐ１にて噴射された燃料（混合気）が、上述の通り下側の第１キャビティ部５１と上側の第２キャビティ部５２とに空間的に分配された後（図８の下段噴霧Ｅ１１、Ｅ２１と上段噴霧Ｅ１２、Ｅ２２参照）に、その分配された上下の混合気間に噴射される噴射である。この点を図１０に基づいて説明する。図１０は、メイン噴射Ｐ２が終了するタイミングにおける、燃焼室６での混合気の生成状況を模式的に示す図である。

プレ噴射Ｐ１の第１燃料噴霧Ｅ１は、燃焼室６内の空気と混合されて混合気となりつつ、リップ５３に吹き当たる。リップ５３への吹き当たりによって当該第１、第２燃料噴霧Ｅ１、Ｅ２は、図１０に示すように、第１キャビティ部５１へ向かう下段噴霧Ｅ１１、Ｅ２１と、第２キャビティ部５２へ向かう上段噴霧Ｅ１２、Ｅ２２とに分離される。これが上述した混合気の空間的分配である。メイン噴射Ｐ２は、プレ噴射Ｐ１にて噴射された燃料（混合気）が第１、第２キャビティ部５１、５２の空間に入り込んで空間的に分離された後に、その分離された２つの混合気間の空間に残存する空気を活用して新たな混合気を形成するべく実行される噴射である。

図１０に基づきさらに説明を加える。メイン噴射Ｐ２の実行タイミングではピストン５はほぼＴＤＣの位置にあるので、当該メイン噴射Ｐ２の燃料は、リップ５３のやや下方位置を指向して噴射されることになる。先に噴射されたプレ噴射Ｐ１の下段噴霧Ｅ１１、Ｅ２１及び上段噴霧Ｅ１２、Ｅ２２は、各々第１、第２キャビティ部５１、５２に入り込み、それぞれの空間の空気と混合して稀釈化が進行している。メイン噴射Ｐ２が開始される直前は、下段噴霧Ｅ１１、Ｅ２１と上段噴霧Ｅ１２、Ｅ２２との間に未使用の空気（燃料と混合していない空気）が存在する状態である。このような未使用空気層の形成に、第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状が貢献する。メイン噴射Ｐ２の噴射燃料は、下段噴霧Ｅ１１、Ｅ２１と上段噴霧Ｅ１２、Ｅ２２との間に入り込む形態となり、前記未使用の空気と混合されてメイン燃料噴霧Ｅ３となる。これが燃料噴霧の時間的な分配である。以上の通り、本実施形態では、燃料噴射の空間的、時間的な分配によって、燃焼室６に存在する空気を有効活用した燃焼を実現させることができる。

［マルチコーン角の利点］
本実施形態のインジェクタ１８は、相対的にピストン５寄りを指向する複数の第１噴孔３１を備えた第１噴孔群３０と、燃焼室天井面６Ｕ寄りを指向する複数の第２噴孔４１を備えた第２噴孔群４０とを含む。つまり、異なるコーン角の噴孔を備える言わばマルチコーン角タイプのインジェクタ１８である。このマルチコーン角タイプの利点について説明する。

図９に示すプレ噴射Ｐ１は、良好な燃焼の確保のため、運転状態等に応じて進角又は遅角させねばならないことがある。例えば、シリンダ２の壁面温度、筒内圧力及び筒内温度は、外気温や外気圧、エンジ冷却水温度等で変動する。このような環境要因の変動が生じた場合でも、所期の熱発生率特性Ｈ（前段・後段燃焼部分ＨＡ、ＨＢのピーク発生時期）を一定に維持するためには、プレ噴射Ｐ１の実行時期を操作する必要がある。具体的には、図９の最下段に示すように、プレ噴射Ｐ１の開始時期が、定常よりも進角した時期に設定するプレ噴射Ｐ１１、或いは、定常よりも遅角した時期に設定するプレ噴射Ｐ１２に変更される場合がある。

図１１は、リップ５３への燃料の噴射状態を示す図であって、図１１（Ａ）は比較例のノズルヘッド２１０が用いられるケースを、図１１（Ｂ）は本実施形態のノズルヘッド２１が用いられるケースを各々示す図である。比較例のノズルヘッド２１０は、本実施形態と同様に、シリンダ軸Ａ０方向にオフセットした第１噴孔３１０及び第２噴孔４１０を備えている。しかし、第１噴孔３１０の噴孔軸ＡＸ０１と第２噴孔４１０の噴孔軸ＡＸ０２とは、互いに平行である。つまり、シリンダ軸Ａ０を基準とする噴孔軸ＡＸ０１の第１コーン角φ１１と、噴孔軸ＡＸ０２の第２コーン角φ１２とは同一である（φ１１＝φ１２）。

図１１（Ａ）において、実線で示すリップ５３は、図９に示すプレ噴射Ｐ１の実行時期におけるリップ５３の高さ位置を示している。この場合、噴孔軸ＡＸ０１、ＡＸ０２は共にリップ５３を指向していることから、上述の燃料噴霧の空間的分配を良好に達成することができる。一方、点線で示すリップ５３は、遅角されたプレ噴射Ｐ１２の実行時期におけるリップ５３の高さ位置を示している。この場合、噴孔軸ＡＸ０１、ＡＸ０２は、共にリップ５３の下端付近若しくは第１キャビティ部５１の上端付近を指向することになる。従って、燃料噴霧は第１キャビティ部５１には多く、第２キャビティ部５２には少なく、偏って分配されるようになる。つまり、上述の良好な燃料噴霧の空間的分配を維持することができなくなる。この場合、第２キャビティ部５２では酸素が十分に活用されない一方で、第１キャビティ部５１では燃料の未燃が生じるという不具合が発生する。

これに対し、本実施形態のノズルヘッド２１を用いた場合には、遅角されたプレ噴射Ｐ１２（或いは進角されたプレ噴射Ｐ１１）であっても、良好な燃料噴霧の空間的分配を維持することができる。すなわち、ノズルヘッド２１では、第１噴孔３１の噴孔軸ＡＸ１が有する第１コーン角φ１と第２噴孔４１の噴孔軸ＡＸ２が有する第２コーン角φ２とは異なっている（φ１＜φ２）。このため、ペネトレーションが大きくなるほど、噴孔軸ＡＸ１と噴孔軸ＡＸ２との間の間隔は広くなる。これにより、インジェクタ１８の噴孔角に拡がりを持たせることができる。

従って、プレ噴射Ｐ１の実行時期におけるリップ５３の高さ位置（実線）において、当該リップ５３に向けた燃料噴霧を行わせることができると共に、遅角されたプレ噴射Ｐ１２の実行時期におけるリップ５３の高さ位置（点線）においても、当該リップ５３に向けた燃料噴霧を行わせることができる。このため、プレ噴射Ｐ１が遅角又は進角された場合でも、燃料噴霧を第１、第２キャビティ部５１、５２に偏りなく分配することができる。

なお、噴孔をマルチコーン角とすることに代えて、噴孔の出口径を大径化することによっても噴孔角を拡げることは可能である。しかし、噴孔角を拡大しつつ、ペネトレーションを確保するためには、サック部２２の容積を大型化する必要があり、これはインジェクタの大型化が要請されるので好ましくない。また、噴孔の大径化によって、サック部２２内に残留した燃料が噴霧後に液垂れし、デポジットが形成される懸念もあるので好ましくない。

［噴孔をオフセット配置する利点］
図５（Ｂ）に示したように、本実施形態のノズルヘッド２１では、第１噴孔３１（噴孔出口３３）と第２噴孔４１（噴孔出口４３）とがシリンダ軸方向Ａにオフセットされていると共に、隣接する２つの第１噴孔３１の周方向中間位置に、１つの第２噴孔４１が位置する配置（以下、千鳥配置という）とされている。かかる噴孔配置により、燃料噴霧との相互干渉を抑制することができ、一層まんべんなく燃料噴霧を燃焼室６内の空間に行き渡らせることができる。

図１２は、燃料噴霧の分配状況を示す図であって、図１２（Ａ）は比較例を、図１２（Ｂ）は本実施形態を各々示す。図１２（Ａ）の比較例は、１０個の噴孔が一つの環状ライン上に一列に配列され、且つ、噴孔角が同一であるノズルヘッドを用いた場合の、燃料噴霧の分配状況を示す図である。比較例では、第１キャビティ部５１に多くの燃料噴霧Ｅ３１が入り込んでいる一方で、第２キャビティ部５２には少ない燃料噴霧Ｅ３２しか入り込んでいないことが判る。また、燃料噴霧Ｅ３１は、第１キャビティ部５１内の中央領域まで回り込んでいないことも判る。これらのことから、燃焼室６内の酸素が有効活用されていないと言える。さらに、スキッシュエリア５５の奥深くまで燃料噴霧Ｅ３３が入り込み、シリンダ２の内壁面と接触していることが判る。これは、冷損をもたらすことになる。

このような不具合は、噴孔が一つの環状ライン上に配列されていることが大きな要因でもある。ノズルヘッドに噴孔を一列で環状に配列した場合、噴孔出口間隔が小さすぎて、周方向において互いに隣接する噴孔出口から噴射された燃料噴霧が干渉するようになる。このため、燃料噴霧の流動が阻害され、燃料噴霧Ｅ３１、Ｅ３２が第１、第２キャビティ部５１、５２に深く回り込み難くなる。また、燃料噴霧の干渉した部分にリッチな混合気が生成されてしまう不具合も生じ得る。

これに対し、図１２（Ｂ）の本実施形態では、第１キャビティ部５１には下段噴霧Ｅ１１、Ｅ２１が、第２キャビティ部５２には上段噴霧Ｅ１２、Ｅ２２が、それぞれ良好に分配されていることが判る。また、下段噴霧Ｅ１１、Ｅ２１は第１キャビティ部５１の径方向中央付近まで深く回り込み、また、上段噴霧Ｅ１２、Ｅ２２は第２キャビティ部５２の径方向外側まで深く回り込んでいることが判る。さらに、スキッシュエリア５５の奥深くまでは燃料噴霧Ｅ３０が入り込んでいないことも判る。

これらは、本実施形態では複数の第１噴孔３１及び第２噴孔４１の等間隔配置並びに上記の千鳥配置が採用されていること、さらに、第１噴孔３１及び第２噴孔４１の噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２が異なるコーン角φ１、φ２を具備することによる。これにより、第１噴孔３１及び第２噴孔４１の各々から噴射される燃料噴霧同士が干渉し難くなり、上記の燃料噴霧の深い回り込みが実現されるものである。

［噴孔の各種配置例］
続いて、指向方向が異なる第１噴孔３１及び第２噴孔４１の、ノズルヘッド２１への各種配置例について説明する。図１３（Ａ）に示すように、第１噴孔３１（噴孔出口３３）と第２噴孔４１（噴孔出口４３）とをオフセットした配置する場合には、図１３（Ｂ）〜（Ｅ）に示すような噴孔配列パターンを例示することができる。図１３（Ｂ）〜（Ｅ）では、実際には環状ラインＲ１、Ｒ２に沿って環状に配列される第１噴孔３１及び第２噴孔４１を、直線状に展開して示している。

図１３（Ｂ）は、先に図５（Ｂ）に示した、千鳥配置に相当するパターンである。第１噴孔３１は環状ラインＲ１上に、第２噴孔４１は環状ラインＲ１に対してオフセットした環状ラインＲ２上に各々等間隔で配置され、それぞれ第１噴孔群３０、第２噴孔群４０を形成している。そして、第２噴孔４１は、第１噴孔３１の配列ピッチに対して、半ピッチだけ位置ずれして配列されている。既述の通り、当該千鳥配置を採用することで、第１噴孔３１及び第２噴孔４１の噴孔軸ＡＸ１、ＡＸ２の相違と相俟って、これら第１噴孔３１及び第２噴孔４１から各々噴射される噴霧同士の干渉を抑止し、燃料噴霧を良好に第１、第２キャビティ部５１、５２に分配且つ行き渡らせることができる。

図１３（Ｃ）に示す噴孔配列パターンは、第１噴孔３１と第２噴孔４１とを周方向の同じ位置に配置した例を示す。すなわち、第１噴孔群３０Ａの各第１噴孔３１と、第２噴孔群４０Ａの各第２噴孔４１とは、周方向に位置ずれしない状態で、各々環状ラインＲ１、Ｒ２に沿って環状に配列されている。この配列パターンでは、隣接する第１噴孔３１同士、及び第２噴孔４１同士間の周方向における燃料噴霧の干渉を一層抑制し易くなる。また、周方向の燃料噴霧の干渉が生じ難いことから、噴孔の配列部分のサイズを小さくすることが可能となり、これによりインジェクタ１８の小型化を図ることはが可能となる。

図１３（Ｄ）に示す噴孔配列パターンは、第１噴孔３１の個数と第２噴孔４１の個数とを相違させる例を示す。第１噴孔群３０Ｂは、７個の第１噴孔３１が環状ラインＲ１に沿って等間隔で配列されてなる一方、第２噴孔群４０Ｂは、５個の第２噴孔４１が環状ラインＲ２に沿って等間隔で配列されてなる。当然、配列ピッチは第１噴孔３１の方が狭くなる。この噴孔配列パターンは、例えばピストン５（第１キャビティ部５１）側に向けた燃料噴射量を相対的に多くさせたい場合に用いることができる。

図１３（Ｅ）に示す噴孔配列パターンは、第１噴孔３１と第２噴孔４１とを周方向に不等ピッチで配列した例を示す。第１噴孔群３０Ｃの各第１噴孔３１、及び第２噴孔群４０Ａの各第２噴孔４１は、各々環状ラインＲ１、Ｒ２に沿って、不等ピッチで環状に配列されている。このような噴孔配列パターンでも、燃料噴霧の干渉を抑制することができる。

さらに、図１４（Ａ）に示すように、第１噴孔３１（噴孔出口３３）と第２噴孔４１（噴孔出口４３）とをオフセットさせないで配列することも可能である。この配列では、第１噴孔３１と第２噴孔４１とは、ノズルヘッド２１において周方向に一列に並ぶことになる。この場合、図１４（Ｂ）、（Ｃ）に示すような噴孔配列パターンを例示することができる。

図１４（Ｂ）に示す噴孔配列パターンは、第１噴孔３１と第２噴孔４１とが、同じ高さ位置に設定された環状ラインＲ１、Ｒ２に沿って環状に配列されている。５個の第１噴孔３１が等間隔で配列されている。５個の第２噴孔４１は、第１噴孔３１の配列ピッチに対して半ピッチだけ位置ずれして配列されている。結果的に、交互に並ぶ１０個の第１噴孔３１及び第２噴孔４１が、同じ高さ位置にある環状ラインＲ１、Ｒ２に沿って等間隔に配列されている。このような配列パターンであっても、第１噴孔３１の噴孔軸ＡＸ１と第２噴孔４１の噴孔軸ＡＸ２との指向性が異なるので、第１、第２キャビティ部５１、５２への良好な燃料噴霧の分配を達成することができる。

図１４（Ｃ）に示す噴孔配列パターンは、第１噴孔３１と第２噴孔４１とが、同じ高さ位置に設定された環状ラインＲ１、Ｒ２に沿って、不等ピッチで環状に配列されている例を示す。５個の第１噴孔３１と５個の第２噴孔４１とが、交互に同じ高さ位置にある環状ラインＲ１、Ｒ２に沿って配列されているが、その配列ピッチは不等間隔である。但し、図１４（Ｃ）の噴孔配列パターンは、第１噴孔３１と第２噴孔４１との一対のペアが、環状ラインＲ１、Ｒ２に沿って等間隔で配置されているということもできる。

［作用効果］
以上説明した本実施形態の圧縮着火エンジンによれば、インジェクタ１８が備える複数の噴孔として、ピストン５寄りを指向する複数の第１噴孔３１が環状に配列された第１噴孔群３０と、燃焼室天井面６Ｕ寄りを指向する複数の第２噴孔４１が環状に配列された第２噴孔群４０とが備えられる。これら第１、第２噴孔群３０、４０は、同時にキャビティ５Ｃのリップ５３に向けて燃料を噴射する。これにより、インジェクタ１８から燃料を噴霧させる際の噴孔角に拡がりを持たせることができる。従って、プレ噴射Ｐ１の時期をある程度進角又は遅角させた場合でも、燃料噴霧をリップ５３に噴き当てて、第１キャビティ部５１と第２キャビティ部５２とに分配させることができる。このため、いずれか一方のキャビティに偏って燃料噴霧が流入することはなく、燃焼室６内の酸素を有効活用することができると共に、良好な燃焼を行わせてスモークの発生を抑止することができる。

１ エンジン本体（圧縮着火エンジン）
１８ インジェクタ１８（燃料噴射弁）
２ シリンダ
２０ 先端部
２２ サック部
２３ サック壁
３０ 第１噴孔群
３１ 第１噴孔（複数の噴孔）
３３ 噴孔出口
４０ 第２噴孔群
４１ 第２噴孔（複数の噴孔）
４３ 噴孔出口
５ ピストン
５０ 冠面
５Ｃ キャビティ
５１ 第１キャビティ部
５１２ 第１底部
５２ 第２キャビティ部
５２２ 第２底部
５３ リップ
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（天井面）
Ａ シリンダ軸方向
Ｂ 燃焼室の径方向

Claims (4)

1. シリンダ、ピストンの冠面及び天井面により形成される燃焼室と、
   前記天井面の径方向中心部にシリンダ軸に沿って配設され、前記燃焼室内に燃料を噴射する複数の噴孔を備えた燃料噴射弁と、を有する直噴式の圧縮着火エンジンであって、
   前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、前記キャビティは、
   前記冠面の径方向中心領域に配置され、前記冠面からシリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、
   前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い第２の深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、
   前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐリップと、を含み、
   前記燃料噴射弁の複数の噴孔は、前記シリンダ軸方向において前記ピストン寄りを指向する複数の第１噴孔が環状に配列された第１噴孔群と、前記シリンダ軸方向において前記天井面寄りを指向する複数の第２噴孔が環状に配列された第２噴孔群と、を含み、
   前記第１噴孔群及び前記第２噴孔群は、同時に前記リップに向けて燃料を噴射することが可能な位置に配置されている、圧縮着火エンジン。
2. 請求項１に記載の圧縮着火エンジンにおいて、
   前記複数の第１噴孔の各噴孔出口は、前記シリンダ軸方向において同一高さ位置に環状に配列され、
   前記複数の第２噴孔の各噴孔出口は、前記シリンダ軸方向において同一高さ位置に環状に配列され、且つ、前記第１噴孔の各噴孔出口に対してオフセットした高さ位置に配置されている、圧縮着火エンジン。
3. 請求項２に記載の圧縮着火エンジンにおいて、
   前記複数の第１噴孔及び前記複数の第２噴孔の各噴孔出口は、それぞれ等間隔で環状に配列されており、且つ、
   一方の噴孔群の互いに隣接する噴孔出口間の中間位置に、他方の噴孔群の１つの噴孔出口が位置するように、前記第１噴孔群及び前記第２噴孔群の各噴孔出口が配列されている、圧縮着火エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮着火エンジンにおいて、
   前記燃料噴射弁は、前記燃焼室内に配置される先端部分に、燃料が充填されるサック部と、このサック部を区画するサック壁とを備え、
   前記第１噴孔群の各第１噴孔と前記第２噴孔群の各第２噴孔とは、共に前記サック壁に穿孔され、且つ、噴孔径が同一である、圧縮着火エンジン。