JP3840823B2

JP3840823B2 - 筒内噴射式エンジン

Info

Publication number: JP3840823B2
Application number: JP35187598A
Authority: JP
Inventors: 剛彦安岡; 博之山本; 徹白石; 洋幸山下
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: KR20000047962A; EP1008734B1; US6311665B1; EP1008734A1; DE69940661D1; JP2000170537A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、低回転低負荷等の運転領域において圧縮行程で上記インジェクタから燃料を噴射することにより成層燃焼を行うようにした筒内噴射式エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ピストンの上面に形成された凹状のキャビティと、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、上記キャビティの近傍に配置された点火プラグとを備え、低負荷低回転等の運転領域において、圧縮行程で上記インジェクタからキャビティへ向けて燃料を噴射することにより、上記点火プラグ周りに混合気を偏在させた状態とし、成層燃焼を行わせるようにした筒内噴射式エンジンは一般に知られている。この筒内噴射式エンジンによると、成層燃焼により平均空燃比を大幅にリーン化することができ、これによって燃費が改善される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記筒内噴射式エンジンにおいては、燃費改善効果を高めるべく成層燃焼を行う運転領域をできるだけ拡大することが望まれるが、この場合、成層燃焼領域のうち比較的高負荷側の領域等で燃料噴射量が多くなった場合、点火プラグ周りの混合気が過濃となるという問題がある。
【０００４】
すなわち、圧縮行程で上記インジェクタから噴射された燃料の噴霧は上記キャビティでトラップされ、点火プラグ周りに集められ混合気が形成されるので、燃料噴射量が少ないときに点火プラグ周りに適度の空燃比の混合気が偏在する状態が得られるが、燃料噴射量が増加すると点火プラグ周りに燃料が集中しすぎて、点火プラグ周りの混合気が濃くなりすぎる。これにより、燃費改善効果が阻害されたり、エミッションが悪化したりする。
【０００５】
このため、例えば特開平８−３５４２９号公報に示されるように、ピストン上面に形成した凹状のキャビティと、点火プラグと、インジェクタと、上記キャビティ内にスワールを生じさせる手段とを備えたエンジンにおいて、予めインジェクタの噴口をインジェクタ中心線方向に対して傾いた方向に開口させて、燃料噴射方向が点火プラグ方向に対してスワールの上流側を指向するように構成したものが提案されている。
【０００６】
このエンジンによると、インジェクタから噴射された燃料の噴霧が点火プラグ方向に対してスワールの上流側のキャビティ壁面区間に達した後、スワールによりある程度拡散されて可燃空燃比を形成しつつ下流側に流れて点火プラグ付近を通過するようになるので、点火プラグ周りに燃料が集中するようなものと比べ、混合気の過濃をある程度は抑制することができて、成層燃焼可能な運転領域を拡大することかできる。
【０００７】
しかし、上記のように常に点火プラグ方向に対してスワールの上流側に向けて燃料を噴射するだけでは、燃料噴射量がある程度以上増加したときに混合気の拡散が不充分となって局所的に過濃となる場合があり、成層燃焼可能な運転領域をさらに拡大するためには改善の余地がある。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑み、インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射させて成層燃焼を行わせさるようにしつつ、燃料噴射量が多いときに適度に混合気を拡散させて局所的な混合気の過濃を抑制する作用を高めることにより、従来のエンジンと比べて成層燃焼可能な領域をより拡大することができる筒内噴射式エンジンを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、ピストンの上面に形成された凹状のキャビティと、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、上記キャビティの近傍で、かつ平面視でインジェクタに対向する位置に配置された点火プラグとを備え、圧縮行程で上記インジェクタから上記キャビティへ向けて燃料を噴射して、上記点火プラグ周りに混合気を偏在させるようにした筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼室内にスワールを生成するスワール生成手段を備え、かつ、圧縮行程中にスワールがインジェクタの噴口の近傍を通って燃焼室内を一定方向に旋回するとともにキャビティ内にも流入して旋回しつつ点火プラグ付近を通る気流を生じるように燃焼室を構成するとともに、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記インジェクタから噴射される燃料噴霧が点火プラグから外れて上記キャビティ内の点火プラグ付近を通る気流の下流側に向かい、筒内圧力が高くなるにつれ、インジェクタの噴口の近傍を通るスワールにより上記燃料噴霧の方向が変えられて点火プラグに指向するように、インジェクタの燃料噴射方向、燃料貫徹力及びスワール比を設定したものである。
【００１０】
この構成によると、圧縮行程において筒内圧力が比較的低くインジェクタから噴射された燃料の貫徹力が大きい状態にある燃料噴射開始直後は、燃料噴霧が点火プラグから外れた方向に向かうが、燃料噴射開始後に圧縮行程の進行につれて筒内圧力が上昇することにより燃料の貫徹力が低下し、それに応じ、スワールにより燃料噴霧の方向が点火プラグに向かうように変えられる。従って、点火プラグ周りを含む適度の範囲に混合気が分散され、局所的な混合気の過濃を抑制する作用が良好に得られる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る筒内噴射式エンジンの主要部の構造を示している。このエンジンは、複数のシリンダ２を有するシリンダブロック１と、このシリンダブロック１上に設けられたシリンダヘッド３とを備えている。上記シリンダ２内にはピストン４が上下方向（シリンダ軸線方向）に往復動可能に嵌挿されており、このピストン４の上面４ａとシリンダヘッド３の下面３ａとの間に燃焼室５が形成されている。
【００１３】
上記燃焼室５の天井部分を構成するシリンダヘッド３の下面３ａはペントルーフ形状とされている。ピストン４の上面４ａの概略形状もシリンダヘッド３の下面３ａに対応したペントルーフ形状となっており、さらにこのピストン４の上面４ａには、後に詳述する凹状のキャビティ２０が形成されている。
【００１４】
シリンダヘッド３には、図３にも示すように、燃焼室５に開口する２つの吸気ポート７ａ，７ｂ及び２つの排気ポート８ａ，８ｂが形成され、これら吸気ポート７ａ，７ｂ及び排気ポート８ａ，８ｂをそれぞれ開閉する吸気弁９及び排気弁１０が設けられている。さらにシリンダヘッド３には、燃焼室５の周辺部に位置して燃料を燃焼室５内に直接噴射するインジェクタ１１と、燃焼室５の中央部に位置する点火プラグ１２とが配設されている。
【００１５】
上記両吸気ポート７ａ，７ｂのうちの一方にはスワール制御弁１３が設けられ、両吸気ポート７ａ，７ｂ及びスワール制御弁１３により、燃焼室５内にスワールＳ（横渦）を生成するスワール生成手段が構成されている。すなわち、上記スワール制御弁１３により一方の吸気ポート７ａの吸気流動が遮断または制限されると、他方の吸気ポート７ｂから燃焼室５内に流入する吸気流により燃焼室５内に一定方向に旋回するスワールＳが生成され、図示の例では平面視で反時計方向にスワールＳが生成される。そして、上記スワール制御弁１３が全閉状態のときスワールＳが最も強くなり、このときのスワール比は３〜４程度に設定されている。
【００１６】
ここで、上記スワール比とは、吸気流動方向角速度をバルブリフト毎に測定して積分した値をエンジン角速度で除した値のことであり、上記流動方向角速度は図４に示す測定装置３０により求められるものである。すなわち、この測定装置３０は、基台３１にシリンダヘッド３を上下反転して設置し、吸気ポート７を図外の吸気供給装置に接続する一方、そのシリンダヘッド３上にシリンダ３２を設置し、そのシリンダ３２の上端に、下側にハニカム状ロータ３３を有するインパルスメータ３４を接続してなる。なお、シリンダヘッド３の上面とインパルスメータ３４の下面との距離は、シリンダ径の１．７５倍に設定されている。そして、上記吸気供給装置からの吸気供給に応じてシリンダ３２内に生じるスワールによりハニカム状ロータ３３に作用するトルクをインパルスメータ３４で計測し、この計測値に基づいて吸気流動方向角速度が求められるようになっている。
【００１７】
また、上記インジェクタ１１は、燃焼室５の周辺部における両吸気ポート７ａ，７ｂ間に配置され、その燃料噴射軸線はインジェクタ１１自体の中心線と略一致している。そして、インジェクタ１１から斜め下方に向けて燃料が噴射され、平面視では燃焼室中央部に向けて燃料が噴射されるように、インジェクタ１１の配置が設定されている。
【００１８】
キャビティ２０は、ピストン４の上面において点火プラグ１２に近接する中央頂部とインジェクタ１１に近い片側斜面部とにわたる範囲内に凹状に形成されている。図１の断面図に示すようにこのキャビティ２０の底面２１は略平坦水平状であり、この底面２１から曲面部分２２を介して上方に立ち上がる周壁２３がピストン４の上面に達している。平面視でキャビティ２０は、インジェクタ１１と点火プラグ１２とを結ぶ直線と直交する方向を長軸とする楕円形状となっている。
【００１９】
そして、例えばエンジンの低負荷低回転の運転領域において、圧縮行程で上記インジェクタ１１の噴口から上記キャビティ２０に向けて燃料を噴射して点火プラグ１２周りに混合気を偏在させ、その点火プラグ１２の点火により成層燃焼を行うように構成されている。
【００２０】
とくに本発明のエンジンの特徴として上記インジェクタ１１から噴射された燃料噴霧の方向が燃料噴射期間中に変わるように構成され、当実施形態では圧縮行程の進行につれて燃料貫徹力が低下するに伴いスワールＳで噴霧の方向が変えられるようになっている。
【００２１】
なお、図 2 および後述の図 8 は燃料噴射方向等についての参考例を示し、この参考例では、インジェクタ１１から噴射された燃料の貫徹力は筒内圧力に影響され、かつ、相対的に燃料貫徹力が弱くてスワールＳが強いときはそのスワールＳの影響で燃料噴霧が曲げられることから、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは燃料噴霧が点火プラグ方向を指向し、筒内圧力が高くなるにつれスワールＳにより点火プラグ１２から外れた方向に向けられるように、インジェクタ１１の燃料噴射方向、燃料貫徹力及びスワール比が設定されている。
【００２２】
より具体的に説明すると、上記スワールＳは、吸気行程で吸気ポート７ｂから燃焼室５に流入する気流により生じて圧縮行程でも持続し、インジェクタ１１の噴口近傍を通って燃焼室５内を一定方向（例えば図３中の矢印のように平面視で反時計方向）に旋回する。このスワールＳは上記キャビティ２０内にも流入し、燃焼室中央部側では、キャビティ周壁２３に沿って点火プラグ１２の先端部付近を通過する気流Ｓａが生じる（図２参照）。
【００２３】
一方、インジェクタ１１から点火プラグ方向（正確には上記キャビティ２０内で点火プラグ１２下方の位置に向かう方向）に燃料が噴射され、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは燃料貫徹力が強くて燃料噴霧が殆ど曲がらずに点火プラグに指向するが、後に詳述するように、圧縮行程の進行により筒内圧力が高くなるにつれ、燃料貫徹力が低下することにより、インジェクタ１１の噴口近傍を通るスワールＳにより燃料噴霧の方向が変えられて、点火プラグ１２に対し気流Ｓａの上流側に燃料噴霧が指向するように燃料噴射方向、燃料貫徹力及びスワール比が設定されている。
【００２４】
圧縮行程後期に上記スワールＳを強化するため、上記キャビティ２０の周辺のピストン上面４ａには、ピストン上死点でシリンダヘッド下面３ａと近接するスキッシュエリア２５が設けられている。
【００２５】
また、上記のように平面視で楕円形状とされたキャビティ２０の周壁２３のうちで、インジェクタ１１に対向するピストン中央部側の部分２４の壁面は、平面視で一定曲率の円弧状に形成されている。この一定曲率の円弧状とされる範囲は、圧縮行程中の筒内圧力の変化に応じて燃料噴霧の指向位置が変化する範囲に対応するように設定されている。つまり、上記のように圧縮行程の進行につれて燃料噴霧の方向が変えられるが、平面視でインジェクタ１１と点火プラグ１２とを結ぶ直線２６（以下、この直線を噴射基準線２６と呼ぶ）に対して燃料噴霧が最も大きく曲ったときの曲り角度をθとすると、噴射基準線２６を中心としてその両側に上記曲り角度θに対応する範囲にわたり、一定曲率の円弧状とされている。
【００２６】
さらに、筒内圧力が高くなることに応じて燃料貫徹力が低下するに伴い、燃料噴霧の曲りが大きくなるとともに燃料到達距離が短くなることから、それに見合うように、キャビティ周壁のうちで上記部分２４は、上記噴射基準線２６上の位置から離れるにつれてインジェクタ１１からの距離が短くされ、つまりインジェクタ１１の噴口よりも所定量だけ燃焼室中央寄りの位置を曲率中心Ｏとする一定曲率の円弧状に形成されている。
【００２７】
以上のような筒内噴射式エンジンの作用を、次に説明する。
【００２８】
図５は横軸をクランク角として圧縮行程における上死点前１２０度（−１２０degATDC）から上死点（０degATDC）までの間における筒内圧力の変化を示すとともに、圧縮行程噴射による成層燃焼が行われるときのインジェクタ１１からの燃料噴射のタイミング及び噴射期間、点火タイミング等を示している。この図のように、低回転低負荷領域等で成層燃焼が行われるときは、インジェクタ１１からの燃料噴射が圧縮行程後期に行われ、かつ、運転状態に応じた要求燃料噴射量が選られるように噴射期間が調整されつつ、点火タイミングよりも所定クランク角だけ前に燃料噴射が終了するように噴射タイミングが調整される。
【００２９】
そして、筒内圧力は、噴射期間の初期には比較的低いが、圧縮行程の進行に応じて次第に上昇し、噴射期間の終期にはかなり高くなる。
【００３０】
図６は圧縮行程の筒内圧力に相当する雰囲気圧とインジェクタ１１から噴射される燃料の貫徹力（ペネトレーション）との関係について調べたデータを示し、貫徹力は噴射から一定時間後の噴霧１５の到達距離Ｌ（図７参照）をもって表している。図６のように、雰囲気圧（筒内圧力）が高くなるにつれ、空気抵抗が増大することで燃料の貫徹力は低くなる。
【００３１】
また、図８は圧縮行程でインジェクタから噴射された燃料噴霧や混合気の状態の時間的変化についての参考例を示すものであって、同図（ａ）は噴射期間初期（図５中のＴａ時点）における状態、同図（ｂ）は噴射期間中期（図５中のＴｂ時点）における状態、同図（ｃ）は噴射期間終期（図５中のＴｃ時点）における状態、同図（ｄ）は点火時期（図５中のＴｄ時点）における状態をそれぞれ示している。これらの図において、比較的密にドットを付した部分はインジェクタ１１からの燃料噴霧１５を示し、粗くドットを付した部分は燃料噴霧がキャビティ２０内の気流中の空気と混合した混合気１６を示している。
【００３２】
上記の図５〜図８に示すように、噴射期間初期には筒内圧力が低く、このときにはインジェクタ１１から噴射された燃料の貫徹力が大きいために燃料噴霧１５は殆ど曲らずに点火プラグ１２の方向へ向かう。この時点より圧縮行程が進行するとそれにつれて筒内圧力は次第に上昇し、それに応じて燃料の貫徹力が小さくなることから、相対的にスワールの影響を受け易くなり、インジェクタ１１の噴口の近傍を通るスワールＳにより燃料噴霧１５が曲げられる。つまり、図９にも示すように、噴射開始後の時間経過に応じ、噴射基準線２６に対する噴射方向角度（スワールＳによる燃料噴霧１５の曲り）が大きくなる。
【００３３】
この場合、上記キャビティ２０の周辺にスキッシュエリア２５が形成されていることにより、ピストン４が上死点に近づくと上記スキッシュエリア２５でスキッシュが生じ、このスキッシュによってスワールが増速され、もしくはスワールの減衰が抑制され、燃料噴霧を曲げる作用が有効に発揮される。
【００３４】
図２，図８によって参考例の場合の噴霧１５の曲り方を具体的に説明すると、これらの図に示す例では燃焼室５の左側に位置するインジェクタ１１から右方へ燃料が噴射されるとともにスワールＳが反時計方向に旋回し、インジェクタ１１の噴口の近傍を通るスワールＳにより図の下側の方向に噴霧１５が曲げられ、キャビティ２０内のインジェクタ１１に対向する壁面に沿った部分２４ではキャビティ２０内に流入したスワールによる気流Ｓａが図の下側から上側に向かう流れとなるので、上記のように曲げられた噴霧１５は点火プラグ１２に対し気流Ｓａの上流側に指向するようになる。
【００３５】
そして、噴霧１５の先端側では燃料がキャビティ壁面に沿った気流Ｓａによりミキシングされて気化、霧化しつつ空気と混合し、その混合気１６が上記気流Ｓａで点火プラグ１２の上流側から下流側へ流れる。
【００３６】
従って、燃料噴射期間中には噴射開始後の時間経過に伴って図８（ｂ），（ｃ）のように、燃料噴霧１５が次第に大きく曲げられて、その指向する位置が点火プラグ１２に対して気流Ｓａの上流側へ変位していくとともに、噴霧１５の先端側の混合気は次第に気流の下流側へ流れる。つまり、燃料噴射期間の初期に噴射された燃料による混合気は気流Ｓａで点火プラグ下流側に流され、燃料噴射が遅いものほど気流Ｓａの上流側に分布する状態となり、点火時期には図８（ｄ）のように点火プラグ１２の下流から上流にわたる範囲に適度の空燃比の混合気が分布する状態となる。
【００３７】
このようにして、混合気が適度に分散して局部的な混合気のオーバーリッチ（過濃）が抑制されるため、着火性及び燃焼性が向上される。
【００３８】
とくに当実施形態では、上記キャビティ２０が、平面視で噴射基準線２６と直交する方向に長径を有する楕円形状とされ、かつ、このキャビティ２０においてインジェクタ１１に対向する部分２４の壁面が、圧縮行程中の筒内圧力の変化に応じて燃料噴霧の指向位置が変化する範囲にわたり、平面視で一定曲率の円弧状とされていることにより、噴射開始後の燃料噴霧が到達する位置が変化する範囲にわたり、キャビティ２０内での気流Ｓａが一定曲率の円弧状壁面に沿ってスムーズに旋回する。
【００３９】
さらに、このインジェクタ１１に対向する部分２４の円弧状壁面の曲率中心Ｏがインジェクタ１１の噴口よりも所定量だけ燃焼室中央寄りとなるように形成されていることにより、良好な燃料分布状態が得られる。すなわち、燃料噴射開始後の時間経過に伴い筒内圧力の上昇に応じた燃料貫徹力の低下により燃料噴霧が曲げられるとともにその到達距離が短くなるが、それに見合うように噴射基準線２６に対する角度が大きくなるにつれてインジェクタ１１の噴口から壁面までの距離が短くなることにより、燃料噴霧１５が壁面に沿った気流Ｓａに到達してこの気流Ｓａでミキシングされつつ下流側に流される状態が確保される。従って、気流Ｓａに沿って点火プラグ１２の下流側から上流側にまでわたり適度の空燃比の混合気が分布する状態が良好に得られる。
【００４０】
なお、図８は燃料噴射量が比較的多い場合について示しているが、例えば燃料噴射量が変わっても噴射終了時期が略一定となるように噴射タイミングを調整すれば、燃料噴射量が少ない場合は、燃料噴射量が多い場合と比べて燃料噴射開始時期が遅くなることにより気流Ｓａの下流側への混合気の分散が抑制され、点火プラグ周りには適度の空燃比の混合気が分布する状態が確保されて、オーバーリーンになることがない。従って、燃料噴射量が少ない低負荷時にも、良好に成層燃焼が行われる。
【００４１】
ここで、上記のような参考例のエンジンと前述の特開平８−３５４２９号公報に示されるような従来のエンジンとの作用効果上の差異を、図１０によって説明する。図１０は、圧縮行程における燃料噴射開始後の点火プラグ位置での局所空燃比の変化を、横軸をクランク角として示すものであって、Ａは上記従来のエンジンによる場合、Ｂは当実施形態のエンジンによる場合を示している。
【００４２】
この図のように、参考例のエンジンによると、燃料噴射期間の初期には点火プラグ方向に燃料が噴射されるので、燃料噴射開始時点から点火プラグに対し上流側に向けて燃料が噴射されるようになっている上記従来のエンジンによる場合と比べ、点火プラグ周りに燃料が達して点火プラグ位置が可燃空燃比となる時期は早くなる。そして、参考例のエンジンでは燃料噴射開始後に噴霧の方向が次第に点火プラグの上流側に向くように変えられ、燃料噴射期間の終期に噴霧の方向の傾きが上記従来のエンジンによる場合と同程度とすると、噴射後に点火プラグ位置の空燃比が可燃空燃比よりリーンとなる時期は同じであるため、可燃範囲にある期間が従来のエンジンによる場合よりも長くなる。
【００４３】
このように可燃範囲にある期間が長くなると、可燃空燃比の混合気の分布範囲が広がり、その分だけ局部的な混合気のオーバーリッチが避けられることとなる。つまり、上記従来のエンジンと比べ、燃料噴射量が多い領域で局部的な混合気のオーバーリッチを抑制する作用が高められ、適正な成層燃焼を維持し得る運転領域をより高負荷側まで拡大することができる。
【００４４】
ところで、上記参考例では、スワールを利用してインジェクタからの噴霧の方向を燃料噴射期間中に変更するものであって、圧縮行程において筒内圧力が低いときは燃料噴霧が点火プラグに指向し、筒内圧力が高くなるにつれて点火プラグから外れた方向に向けられるようになっているが、図１１は本発明の実施形態として、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記インジェクタから噴射される燃料噴霧が点火プラグから気流Ｓａの下流側へ外れた方向に向かい、筒内圧力が高くなるにつれスワールにより上記燃料噴霧の方向が変えられて点火プラグ１２に指向するようになっている。
【００４５】
すなわち、図１１に示す例では、予めインジェクタ１１自体の燃料噴射方向が点火プラグ１２に向かう方向から外れて、これよりも気流Ｓａの下流側に向くように設定されている。そして、圧縮行程において筒内圧力が比較的低い燃料噴射期間初期には、図１１（ａ）のように、燃料噴霧がスワールＳで曲げられずに上記の予め設定された燃料噴射方向に向くが、筒内圧力が上昇すると燃料貫徹力が弱くなってスワールＳにより噴霧が曲げられるため、燃料噴射期間の中期、後期へと移行するにつれ、図１１（ｂ），（ｃ）のように、燃料噴霧が指向する位置が次第に気流Ｓａの上流側へずれて、燃料噴射期間の後期にはほぼ点火プラグ１２に指向することとなるように、燃料貫徹力及びスワール比等が設定されている。
【００４６】
このようにした場合も、燃料噴射期間中にスワールによって燃料噴霧の方向が変更されることにより、混合気が適度に分散されて局部的なオーバーリッチが防止され、かつ、燃料噴射期間後期には燃料噴霧がほぼ点火プラグ１２に指向するため点火プラグ周りに適度の空燃比の混合気が存在する状態が確保され、着火性及び燃焼性が向上される。
【００４７】
図１２は別の参考例を示しており、この参考例では燃焼室内にタンブルを生成するタンブル生成手段を備えるとともに、燃料噴射期間中に上記タンブルにより燃料噴霧の方向が変えられるようになっている。
【００４８】
すなわち、この図に示すエンジンは、シリンダ２内のピストン４の上面にキャビティ２０´が形成されるとともに、燃焼室５に開口する吸気ポート７´及び排気ポート８と、これらのポート７´，８を開閉する吸気弁９及び排気弁１０と、燃焼室５の周辺部に位置するインジェクタ１１と、燃焼室５の中央部に位置する点火プラグ１２とが配設されている点は第１の実施形態と同様であるが、吸気ポート７´はタンブルＴを生成するように形成されている。また、キャビティ２０´は、タンブルＴをスムーズに旋回させることができるように縦断面が概略円弧状に形成されている。
【００４９】
上記タンブルＴは、吸気ポート７´からインジェクタ１１の噴口の近傍を通り、吸気ポート側のシリンダ壁に沿って下方に流れてから、ピストン４上面のキャビティ２０´で旋回して点火プラグ１２に向かうようになっている。
【００５０】
そして、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは図１２（ａ）のようにインジェクタ１１から噴射される燃料噴霧がキャビティ２０´内の点火プラグ１２に対応する位置（点火プラグ１２の直下方の位置）を指向し、筒内圧力が高くなるにつれ、図１２（ｂ）のようインジェクタ１１の噴口近傍を通るタンブルＴにより燃料噴霧が下方へ曲げられて、点火プラグ１２から外れた方向（キャビティ２０´から点火プラグ１２に向かう気流の上流側）に向けられるように、インジェクタ１１の燃料噴射方向、燃料貫徹力及びタンブル比が設定されている。
【００５１】
この参考例によっても、燃料噴射期間中に筒内圧力が高くなるに伴ってタンブルＴにより燃料噴霧の方向が変えられ、かつ、キャビティ２０´から点火プラグ１２へ向かう気流によって混合気が点火プラグ方向へ流されることにより、点火時期には図１２（ｃ）のように混合気が適度に分散する。
【００５２】
図１３は上記の図１２に示す参考例の変形例として、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記インジェクタから噴射される燃料噴霧が点火プラグから外れた方向に向かい、筒内圧力が高くなるにつれタンブルＴにより上記燃料噴霧の方向が変えられて点火プラグ１２に対応する位置に指向するようになっている。
【００５３】
すなわち、図１３に示す例では、予めインジェクタ１１自体の燃料噴射方向がキャビティ２０´内で点火プラグ１２の直下方の位置から離れた位置に向くように設定されている。また、タンブルＴは図１２に示す例とは逆方向に旋回する。つまり、吸気ポート７´から燃焼室５内の排気ポート側の空間を下方に向かって流れてから、ピストン４上面で旋回した後、吸気ポート側のシリンダ壁に沿って上方へ向かって流れるようなタンブルＴが生成され、そのタンブルＴがインジェクタ１１の噴口近傍を通過するように、吸気ポート及び燃焼室等の形状が設定されている。
【００５４】
そして、圧縮行程において筒内圧力が比較的低い燃料噴射期間初期には、図１３（ａ）のように、燃料噴霧がタンブルＴで曲げられずに上記の予め設定された燃料噴射方向に向くが、筒内圧力が上昇すると燃料貫徹力が弱くなってタンブルＴ噴霧が曲げられるため、燃料噴射期間の後期には図１３（ｂ）のように燃料噴霧が指向する位置が点火プラグ１２に近づくように、燃料貫徹力及びタンブル比等が設定されている。
【００５５】
このようにした場合も、燃料噴射期間中にタンブルＴによって燃料噴霧の方向が変更されることにより、混合気が適度に分散されて局部的なオーバーリッチが防止され、かつ、点火プラグ周りに適度の空燃比の混合気が存在する状態が確保され、着火性及び燃焼性が向上される。
【００５６】
【発明の効果】
以上のように本発明は、圧縮行程でインジェクタからピストン上面のキャビティへ向けて燃料を噴射して、キャビティの近傍に位置する点火プラグ周りに混合気を偏在させるようにしたものにおいて、インジェクタから噴射される燃料噴霧の方向を燃料噴射期間中に変更するようにしているため、燃料噴射量が多いときに適度に混合気を分散させて、局所的に混合気が過濃となることを防止する作用が従来と比べて高められる。従って、点火プラグ周りの混合気が過濃となることを防止しつつ適正に成層燃焼を行い得る領域を高負荷側へ拡大することができ、燃費改善効果を高めることができる。
【００５７】
とくに、燃焼室内にスワールを生成するスワール生成手段を備え、かつ、圧縮行程中にスワールがインジェクタの噴口の近傍を通るとともにキャビティに流入して旋回しつつ点火プラグ付近を通る気流を生じるように燃焼室を構成するとともに、圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記インジェクタから噴射される燃料噴霧が点火プラグから外れて上記気流の下流側に向かい、筒内圧力が高くなるにつれスワールにより上記燃料噴霧の方向が変えられて点火プラグに指向するように、インジェクタの燃料噴射方向、燃料貫徹力及びスワール比を設定しているため、混合気を適度に分散させて局部的なオーバーリッチを防止し、かつ、燃料噴射期間後期に燃料噴霧がほぼ点火プラグに指向して、点火プラグ周りに適度の空燃比の混合気が存在する状態を確保し、着火性及び燃焼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの主要部を示す縦断面図である。
【図２】ピストンの上面部分の平面図である。
【図３】エンジンの吸気ポート及び排気ポート等を示す概略平面図である。
【図４】スワール比を測定するための計測装置を示す概略図である。
【図５】圧縮行程おける筒内圧力の変化を示すグラフである。
【図６】インジェクタから噴射される燃料の貫徹力（ペネトレーション）と雰囲気圧との関係を示すグラフである。
【図７】ペネトレーションの定め方についての説明図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は圧縮行程における燃料噴射開始後の各段階での燃料噴霧及び混合気の状態の参考例を示す概略平面図である。
【図９】圧縮行程における燃料噴射開始後の時間経過に応じた噴射方向角度の変化を示すグラフである。
【図１０】圧縮行程おける点火プラグ位置の空燃比の変化を示すグラフである。
【図１１】スワールによって燃料噴射期間中に噴霧の方向を変更する構造の変形例を示すものであって、（ａ）〜（ｃ）は圧縮行程における燃料噴射開始後の各段階での燃料噴霧及び混合気の状態を示す概略平面図である。
【図１２】別の参考例を示すものであって、（ａ）〜（ｃ）は圧縮行程における燃料噴射開始後の各段階でのエンジン主要部の縦断面図である。
【図１３】図１２に示す参考例の変形例を示すものであって、（ａ），（ｂ）は圧縮行程における燃料噴射開始後の各段階での燃料噴霧及び混合気の状態を示す概略平面図である。
【符号の説明】
４ピストン
５燃焼室
１１インジェクタ
１２点火プラグ
１３スワール制御弁
２０キャビティ
Ｓスワール
Ｔタンブル

Claims

ピストンの上面に形成された凹状のキャビティと、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、上記キャビティの近傍で、かつ平面視でインジェクタに対向する位置に配置された点火プラグとを備え、圧縮行程で上記インジェクタから上記キャビティへ向けて燃料を噴射して、上記点火プラグ周りに混合気を偏在させるようにした筒内噴射式エンジンにおいて、
燃焼室内にスワールを生成するスワール生成手段を備え、かつ、圧縮行程中にスワールがインジェクタの噴口の近傍を通って燃焼室内を一定方向に旋回するとともにキャビティ内にも流入して旋回しつつ点火プラグ付近を通る気流を生じるように燃焼室を構成するとともに、
圧縮行程の中で筒内圧力が低いときは上記インジェクタから噴射される燃料噴霧が点火プラグから外れて上記キャビティ内の点火プラグ付近を通る気流の下流側に向かい、筒内圧力が高くなるにつれ、インジェクタの噴口の近傍を通るスワールにより上記燃料噴霧の方向が変えられて点火プラグに指向するように、インジェクタの燃料噴射方向、燃料貫徹力及びスワール比を設定したことを特徴とする筒内噴射式エンジン。