JP4048937B2

JP4048937B2 - 筒内直接噴射式内燃機関

Info

Publication number: JP4048937B2
Application number: JP2002357452A
Authority: JP
Inventors: 章彦角方; 康治平谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: JP2004190530A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備え、ピストン冠面に外側キャビティ及び内側キャビティが凹設された筒内直接噴射式内燃機関の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接噴射式内燃機関として、例えば特許文献１や特許文献２が挙げられる。特許文献１には、燃焼室上方のシリンダ中心線上に燃料噴射弁が配置されたセンターインジェクション型の筒内直接噴射式内燃機関であって、この燃料噴射弁よりも排気側寄りの位置に点火プラグが配置されている。ピストン冠面には、ボウル状の１つの成層用キャビティが凹設されている。このキャビティの湾曲する底面は、点火プラグ側が深くなるように設定されている。従って、キャビティの内部、特に点火プラグ寄りの部分で燃料を比較的長期に渡って保持することが可能となり、幅広い運転領域で成層燃焼が可能となる、と記載されている。
【０００３】
特許文献２では、シリンダ中心線上に燃料噴射弁を配置し、その近傍に点火プラグを配置したセンターインジェクション型の筒内直接噴射式内燃機関において、ピストン冠面に、シリンダ中心線に対してほぼ軸対称形状をなす深皿部（内側キャビティ）が凹設されるとともに、この深皿部の周囲に複数の浅皿部（外側キャビティ）が周方向に間欠的に凹設されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３４９２５公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２０００−２６５８４１公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１のように、ピストンキャビティが１つしかない場合、幅広い機関負荷域にわたって良好な成層燃焼を行うことが困難である。例えば、機関負荷が比較的高い領域で成層燃焼を行う場合に、キャビティ内およびキャビティ上空に形成される混合気が例えば理論空燃比近傍の適切な濃度となるように、キャビティの大きさや形状を設計した場合、負荷の低い場合に良好な混合気塊を得ることができず、燃焼・着火の安定性の低下が懸念される。
【０００７】
特許文献２のように、ピストン冠面に複数のキャビティ（深皿部及び浅皿部）を凹設した場合には、機関負荷に応じてキャビティを使い分けることにより、機関負荷に応じて混合気塊の大きさを変えることができ、幅広い運転域で成層燃焼が可能となる。
【０００８】
しかしながら、特許文献２では、浅皿部が吸・排気弁との干渉を回避するバルブリセス形状をなしており、シリンダ中心線に対して軸対称形状となっていない。つまり、浅皿部がシリンダ軸方向視で燃料噴射弁を中心とした円形となっていない。このため、浅皿部を利用して成層燃焼を行う場合に、浅皿部へ噴射された燃料噴霧が隣り合う浅皿部の間からこぼれ、燃費の悪化や未燃ＨＣの増加などを招くおそれがある。また、深皿部を利用して成層燃焼を行う場合にも、深皿部の側壁がなだらかに浅皿部へ連なっているため、深皿部へ噴射された燃料噴霧が深皿部から浅皿部へこぼれ易く、やはり燃費の悪化や未燃ＨＣの増加などが懸念される。
【０００９】
また、特許文献２では、深皿部が燃料噴射弁の噴射中心線（シリンダ中心線）を中心とした対称形状・回転体形状をなしているため、低負荷域、特にアイドル等の極低負荷域において、深皿部を利用して得られるコンパクトな燃料混合気塊が、燃焼室中央付近に形成される傾向にある。これに対し、点火プラグは、燃料噴射弁との干渉を回避するために、例えば排気弁側にオフセットして配置されている。従って、点火プラグ、より詳しくはその発火位置である電極部つまりギャップを、シリンダ中心線の付近まで突き出さない限り、混合気塊の形成位置と点火プラグの位置とが離れたり、混合気塊と空気層との境界付近に点火プラグのギャップが位置することとなり、安定した着火が困難となるおそれがある。
【００１０】
他の課題として、燃料噴射弁の改良により混合気の早期の均質化が可能となっても、シリンダヘッド下面とピストン冠面とによって圧縮行程後半に生起されるスキッシュ流れによって、点火プラグのギャップ近傍の流れが乱されて、過度の拡散による希薄化、または高速のガス流によって点火の吹き消え等を招き、成層燃焼の安定性を阻害するおそれがある。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、幅広い機関負荷域で成層燃焼を安定して行うことができる新規な筒内直接噴射式内燃機関を提供することを主たる目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関は、ピストンの上方に形成された燃焼室へ燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、上記燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグと、上記ピストンの冠面に凹設された外側キャビティと、この外側キャビティの底面に凹設された内側キャビティと、を有している。
【００１３】
そして本発明は、上記内側キャビティの底面と直交して燃焼室側へ延びる法線を、上記燃料噴射弁の噴射中心線に対し、上記点火プラグ側へ傾けるとともに、成層低負荷域では圧縮行程後半に１回のみ燃料を噴射し、少なくとも上記成層低負荷域よりも負荷の高い成層高負荷域では、圧縮行程中に２回に分けて燃料を噴射するとともに、１回目に噴射された燃料が外側キャビティへ入るように１回目の噴射時期を設定し、２回目に噴射された燃料が内側キャビティへ入るように２回目の噴射時期を設定することを特徴としている。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、機関負荷等に応じて内側キャビティと外側キャビティとを使い分けることにより、幅広い機関負荷域で良好な成層燃焼を行うことができる。内側キャビティを利用して形成される混合気塊は外側キャビティを利用して形成される混合気塊よりも小さいため、内側キャビティを利用して成層燃焼を行う場合、混合気塊と点火プラグとの位置がずれ易い。しかしながら本発明では、内側キャビティの底面又はその法線を適宜に傾けているため、内側キャビティを利用して成層燃焼を行う場合に、燃料噴射弁から噴射された燃料を内側キャビティの底面を経由して点火プラグへ良好に向かわせることができ、点火プラグの周りに良好な混合気塊を形成して、安定した成層燃焼を実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関を簡略的に示している。シリンダブロック３には複数のシリンダ３ａ（図では１つのみを示している）が形成され、各シリンダ３ａにはピストン４が摺動可能に嵌合している。ピストン４の上方には燃焼室１が形成されている。詳しくは、燃焼室１は、ピストン４の冠面と、シリンダブロック３の上部に固定されるシリンダヘッド２の下面と、シリンダ３ａの内壁面つまりシリンダボアと、により画成されている。シリンダヘッド２には燃焼室１へ開口する吸気ポート５及び排気ポート６が形成されている。シリンダヘッド２には、各シリンダ毎に吸気ポート５を開閉する一対の吸気弁７及び排気ポート６を開閉する一対の排気弁８が設けられている。これら吸・排気弁はそれぞれ周知のカム等により駆動される。
【００１７】
シリンダヘッド２には、燃焼室１内へ燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁１１と、燃焼室１内の混合気を火花点火する点火プラグ１２とが、燃焼室１に臨ませた状態で、シリンダ中心線１４上又はその近傍に、互いに近接して取り付けられている。ここでは特に、燃料噴射弁１１の噴射中心線（中空円錐形状をなす噴霧の中心線）がシリンダ中心線１４と一致するように燃料噴射弁１１が配置されたセンターインジェクション式となっている。このように噴射中心線１４をシリンダ中心線と一致させているため、燃料噴射時期（噴射が行われるときのピストン位置）にかかわらず、噴射燃料がシリンダボアに直接的に衝突することなく、キャビティ１６，１７の底面を含むピストン冠面に確実に受け止められる。
【００１８】
この燃料噴射弁１１に近接して点火プラグ１２が配置されている。点火プラグ１２は、比較的スペースに余裕のある排気弁側（図の左側）、詳しくは一対の排気弁８の間に配置されている。燃料噴射弁１１の燃料噴射量及び噴射時期や、点火プラグ１２の点火時期等は、ＣＰＵやメモリを備えた周知のコントロールユニットにより制御される。
【００１９】
図２を参照して、ピストン冠面１５は、シリンダヘッド２の下面と同様、上に凸な（仮想）三角錐状すなわちペントルーフ形状をなしている。このピストン冠面１５には、その中央部を切り欠くように、外側キャビティ１６が凹設され、この外側キャビティ１６の底面１６ａに、その中央部を切り欠くように、更に内側キャビティ１７が凹設されている。即ち、ピストン冠面１５に２つのキャビティ１６，１７が形成された二重キャビティ構造をなしている。
【００２０】
外側キャビティ１６は、底面１６ａと、この底面１６ａの周縁から上方へ向かって立ち上がる湾曲した外側面１６ｂと、により構成され、全体としてシリンダ中心線（ピストン中心線）１４に対してほぼ軸回転体形状（軸対称形状，トロイダル形状）のほぼ薄皿型をなしている。底面１６ａは、ここでは僅かに上に凸な偏平円錐形状をなしているが、平坦面又は湾曲面であってもよい。外壁面１６ｂは、燃料を良好に封じ込めるように、上側が内側へ傾斜するリエントラント形状をなしている。
【００２１】
内側キャビティ１７は、平坦な底面１７ａと、この底面１７ａの周縁から上方へ向かって立ち上がる湾曲した外壁面１７ｂと、により構成され、全体として噴射中心線１４に対して傾いたほぼ薄皿型をなしている。底面１７ａは、噴射中心線１４と直交する基準面１８に対して傾斜している。この傾きについては後述する。外壁面１７ｂは、燃料を適切に封じ込めるように、上側が内側へ傾斜するリエントラント形状をなしている。
【００２２】
図３に示すように、ピストン４を上から見たシリンダ軸方向視で、外側キャビティ１６の開口部１６ｋ及び内側キャビティ１７の開口部１７ｋともに、噴射燃料が良好に導入されるように、シリンダ中心線（噴射中心線）１４を中心とするほぼ真円形をなしている。但し、ピストン冠面１５がペントルーフ形状であることなどに起因して、必ずしも真円形ではない。
【００２３】
再び図２を参照して、内側キャビティ１７の底面１７ａの傾きは、燃料噴射弁１１から内側キャビティ１７へ向けて噴射された燃料が底面１７ａを経由して点火プラグ１２の発火位置である電極部つまりギャップ１２ａへ良好に向かうように設定されている。具体的には、内側キャビティ１７の底面１７ａは、噴射中心線１４と直交する基準面１８に対し、点火プラグに対応する側、ここでは排気側（図２の左側）が深くなるように所定角度（鋭角）αだけ傾けられている。つまり、内側キャビティ底面１７ａと直交して燃焼室１側へ延びる法線１９が、噴射中心線１４に対し、点火プラグ側へ所定角度αだけ傾けられている。この内側キャビティ１７は、上記の法線１９を中心とした軸回転体形状であってもよく、あるいは、噴射中心線１４に対する軸回転体形状の底部を排気側が深くなるように切り欠いた形状であってもよい。いずれにしても、噴射燃料が良好に導入されるように、その開口部１６ｋは噴射中心線１４を中心とする円形であることが望ましい。
【００２４】
更に言えば、圧縮行程後半の所定時期に、上記の法線１９に対し、噴射中心線１４と、この噴射中心線１４と内側キャビティ底面１７ａとが交わる交点２０と点火プラグ１２のギャップ１２ａとを結ぶ線２１と、がほぼ対称に配置されるようになっている。つまり、法線１９に対して、噴射中心線１４と上記の線２１とが互いに異なる方向へほぼ同じ角度α，βだけ傾いている。
【００２５】
上記の所定時期は、後述する内側キャビティ１７を利用して成層燃焼を行う成層低負荷域Ｒ２に内側キャビティ１７へ向けて燃料を噴射する圧縮行程後半から点火プラグ１２により点火を行う圧縮上死点近傍までの間の期間内で、かつ、噴射された燃料噴霧が内側キャビティ１７の内部に良好に拡散したとき（噴霧の広がり径と内側キャビティ１７径がほぼ等しくなるとき）に相当している。
【００２６】
このように内側キャビティ１７の底面１７ａの傾きが規定されているために、内側キャビティ１７へ向けて燃料が噴射される成層低負荷域Ｒ２において、噴射中心線１４から排気側へ偏心した点火プラグ１２のギャップ１２ａの周囲に混合気塊を良好に形成することができ、安定した成層燃焼を実現することができる。
【００２７】
図４は、機関負荷に応じた燃料噴射時期を示している。機関負荷が第１しきい値Ｔ１よりも低い低・中負荷域では成層燃焼を行い、第１しきい値Ｔ１よりも高い均質高負荷域Ｒ１では均質燃焼を行う。また、機関負荷が第２しきい値Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）よりも低い成層低負荷域Ｒ２では、内側キャビティ１７へ向けて１回のみ燃料を噴射する。機関負荷が第２しきい値Ｔ２よりも高く第１しきい値Ｔ１よりも低い成層高負荷域Ｒ３では、内側キャビティ１７へ向けた１回の噴射では燃料噴霧を内側キャビティ１７で良好に受け止められないので、外側キャビティ１６へ向けた１回目の噴射と内側キャビティ１７へ向けた２回目の噴射の２回に分けて燃料を噴射する分割噴射を行う。
【００２８】
なお、機関負荷に応じて燃料噴射期間（噴射量）を調整する場合、この実施形態では、噴射終了時期を変えることなく、噴射開始時期を進角・遅角させている。例えば、負荷が上昇すれば噴射開始時期を進角させていく。但し、これに限定されるものではなく、負荷に応じて終了時期を変えたり、開始時期と終了時期の双方を変更してもよい。
【００２９】
均質燃焼を行う均質高負荷域Ｒ１では、燃料が外側キャビティ１６よりも外側のピストン冠面１５へ向けて噴射されるように、吸気行程中に燃料噴射を行い、十分な混合時間を確保することにより、噴射された燃料はキャビティ１６，１７に溜まることなく燃焼室１全体に良好に拡散される。
【００３０】
成層低負荷域Ｒ２では、噴射された燃料が内側キャビティ１７へ向けて噴射される。つまり、噴射燃料が内側キャビティ１７内で良好に受け止められるように、燃料噴射開始・終了時期が圧縮上死点後半に設定される。
【００３１】
成層高負荷域Ｒ３では、上述したように燃料噴射を２回に分けて行う。１回目の燃料噴射時期は、噴射された燃料が外側キャビティ１６へ導入されるように圧縮行程の前半〜中盤に設定されており、２回目の噴射時期は、噴射された燃料が内側キャビティ１７へ導入されるように、上記成層低負荷域Ｒ２と同じように圧縮行程後半に設定されている。この成層高負荷域Ｒ３では、機関負荷に応じて１回目の噴射量を調整しており、２回目の燃料噴射量は、負荷にかかわらず成層低負荷域Ｒ２の燃料噴射量よりも低い一定の値に固定されている。２回目の噴射終了時期は、成層低負荷域Ｒ２での噴射終了時期とほぼ同時期である。
【００３２】
仮に成層低負荷域Ｒ２で分割噴射を行うと、必要以上に希薄な混合気が形成され、失火を招いたり、着火が行われても未燃ＨＣとして排出される燃料が増えることが懸念される。また、仮に成層高負荷域Ｒ３で内側キャビティ１７へ向けた１回のみの燃料噴射を行うと、点火プラグ近傍に形成される混合気の濃度が過濃となったり、噴射された燃料が内側キャビティで受け止めきれずに外側キャビティへはみ出してしまい、良好な混合気塊を形成できずに、未燃ＨＣの増加等を招くおそれがある。
【００３３】
図５は、成層低負荷域Ｒ２における燃料噴霧の挙動を示している。（ａ）に示すように、圧縮行程後半に内側キャビティ１７へ向けて中空円錐状に噴射された燃料Ｆ０は、先ず内側キャビティ底面１７ａへ衝突する。その後、（ｂ）に示すように、燃料噴霧は、適宜に傾斜する内側キャビティ１７の底面１７ａ及び外壁面１７ｂに沿うように案内されて、内側キャビティ１７の上空へと向かう。このとき、上述したように内側キャビティの底面１７ａの傾きが規定され、燃料噴霧が点火プラグ１２へ向かうように設定されているため、この燃料噴霧がピストンの上昇に伴って内側キャビティ１７の上空をうずのように旋回しつつ周囲の空気を巻き込むことにより、（ｃ）に示すように、点火プラグ近傍のキャビティ上空に均質な混合気塊Ｆ０’が生成される。つまり、混合気塊Ｆ０’は、噴射中心線１４よりやや排気側寄りにオフセットした点火プラグ１２の近傍を中心として形成される。従って、混合気塊Ｆ０’が内側キャビティ１７の大きさに応じた比較的コンパクトなものでありながら、点火プラグのギャップ１２ａが混合気塊Ｆ０’のほぼ中央部に位置するように、この混合気塊Ｆ０’を生成することができ、安定した良好な成層燃焼を実現できる。
【００３４】
図６は、成層高負荷域Ｒ３での燃料噴霧の挙動を示している。（ａ）に示すように、外側キャビティ１６へ向けて略中空円錐状に噴射された１回目の噴射燃料Ｆ１は、先ず外側キャビティの底面１６ａに衝突する。その後、（ｂ）に示すように、燃料噴霧が外側キャビティ１６の底面１６ａ及び外壁面１６ｂに沿うように案内されて外側キャビティ１６の上方へ向かい、周辺空気を巻き込みつつ、（ｃ），（ｄ）に示すように、この外側キャビティ１６の上空に混合気塊Ｆ１’を形成する。この混合気塊Ｆ１’は、外側キャビティ１６の大きさに応じた比較的大きなものであり、かつ、外側キャビティ１６がシリンダ中心線１４に対してほぼ軸回転体形状をなしているため、シリンダ中心線１４を中心とする燃焼室のほぼ中央部に形成される。また、この混合気塊Ｆ１’は、分割噴射により１回の燃料噴射量が比較的少ないため、中央部が希薄なほぼドーナツ状の混合気分布となる。
【００３５】
更に、圧縮行程の後半には内側キャビティ１７へ向けて２回目の燃料噴射Ｆ２が行われる。この２回目の燃料噴射Ｆ２は、１回目の燃料噴射と同じ噴射角度であるが、ピストンが高い位置にある圧縮行程後半に行われるために、外側キャビティ１６へこぼれることなく内側キャビティ１７に確実に受け止められる。この２回目の燃料噴射により、成層低負荷域Ｒ２の場合と同様、点火プラグ１２の周囲に相対的に小さな混合気塊が形成され、この混合気塊が１回目の燃料噴射によって形成された略ドーナツ状の混合気塊Ｆ１’の空洞部分を埋めるようにして、（ｅ）に示すように、外側キャビティ１６の内部から上空にかけてほぼ均質な混合気塊が生成される。従って、良好な成層燃焼を安定して行うことができる。
【００３６】
上述したように、幅広い負荷範囲において良好な成層燃焼を実現するためには、噴射時期つまり筒内圧力にかかわらず、外側キャビティ１６や内側キャビティ１７へ向けて正確な方向及び噴射量の燃料噴射を行う必要がある。また、キャビティへの噴射量が過剰とならないように、燃料噴霧は中空形状、より好ましくは中空円錐形状であることが望まれる。
【００３７】
従って、燃料噴射弁１１としては、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく指向性の強いもの、例えば図７に示すようなマルチホール型噴射弁１１Ａや、図８に示すようなスワールノズル型噴射弁１１Ｂが用いられる。
【００３８】
マルチホール型噴射弁１１Ａは、周知のように、多数の噴孔２２が中空円錐状に沿って周方向に間欠的に形成されている。従って、噴射される噴霧２３は、全体として中空円錐形状に沿う周方向に間欠的な噴霧となり、噴射背圧によって燃料噴射角度が殆ど変化することはない。
【００３９】
スワールノズル型噴射弁１１Ｂは、特開２０００−３２９０３６号公報にも開示されているように、燃料に旋回成分を付与するためのスワラー２４と、段差２５が形成された噴孔部２６と、を備えている。噴孔部２６の段差２５により、噴射される燃料噴霧２７は、中空円錐形状の周方向一部２８が希薄なものとなる。このスワールノズル型噴射弁１１Ｂを用いた場合、噴射背圧によって燃料噴霧角度が変化することのない中空円錐形状の燃料噴射が可能となる。
【００４０】
図９に示すように、圧縮行程後半には、外側キャビティ１６よりも外側のピストン冠面１５とシリンダヘッド２の下面との間隙３０によって、シリンダ中央へ向かうスキッシュ流れ３１が生成される。点火プラグ周りに生成された混合気塊３３がスキッシュ流れ３１により拡散されることのようないように、この実施形態では、外側キャビティ１６の外壁面１６ｂと点火プラグ１２との間に、上記の間隙３０よりも大きな空間（間隙）３５を設けている。従って、圧縮上死点付近における強いスキッシュ流れ３１は、矢印３１’に示すように上記の空間３５を通して外側キャビティ１６の内部へと逃がされることとなり、一旦点火プラグ近傍に形成された混合気塊３３がスキッシュ流れによって拡散されることはない。
【００４１】
上記スキッシュ流れ３１の影響をより確実に低減・回避するために、外側キャビティの外壁面１６ｂの上端１６ｃを、内側キャビティの外壁面１７ｂの上端１７ｃよりも高い位置に設定している。また、上記の間隙３０に比して、外側キャビティの深さ３６を大きく設定している。これらの設定により、内側キャビティ１７へ向けて燃料を噴射するために、比較的遅い時期、つまり圧縮行程後半に燃料噴射を開始した場合でも、内側キャビティ１７を経由して巻き上がった燃料を充分に混合させつつ、点火プラグ近傍に適度な濃度の混合気塊３３を形成することが可能となる。
【００４２】
上記スキッシュ流れの影響を低減・回避しつつ、幅広い機関負荷領域で安定した成層燃焼を可能とするために、点火プラグ１２のギャップ１２ａを外側キャビティ外壁面１６ｂより内側に配置するとともに、外側キャビティ外壁面１６ｂとギャップ１２ａとのシリンダ径方向距離を、内側キャビティ外壁面１７ｂとギャップ１２ａとのシリンダ径方向距離よりも大きく設定している。
【００４３】
以上のように本発明を具体的な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施形態では燃料噴射弁をシリンダ中心線上に配置し、点火プラグをシリンダ中心線に対して排気側へオフセットさせているが、点火プラグをシリンダ中心線上に配置し、燃料噴射弁をシリンダ中心線に対してオフセットさせても良い。
【００４４】
以下、本発明の技術的背景について図面を参照して詳述する。
【００４５】
図１０は、均質な混合気における当量比と燃焼性能との関係を示している。同図に示すように、当量比が１近傍の短い範囲４１でのみ、燃費性能及び排気性能の双方が高いレベルで両立する。成層燃焼の場合も同様であり、混合気分布に大きなばらつきがあると、燃焼性能は低下する。成層燃焼においても当量比が１近傍の均質な混合気を形成しようとすると、噴射された燃料を充分な時間を経て混合する必要がある。噴射された燃料の混合過程に点火を行うと、燃料噴射弁の特性に依存にした不均質な混合気塊に着火することになり、燃費・排気性能の低下を招いてしまう。従って、良好な成層燃焼を行おうとした場合、均質な混合気を形成する必要があり、機関負荷に応じて混合気塊の大きさを変化させることが望ましい。キャビティを利用して混合気塊を生成する場合、混合気塊の大きさは主としてキャビティの大きさに依存する。従って、ピストン冠面にキャビティが１つしか無い場合、最適な燃焼性能となる機関負荷がある一定の領域に限定される。
【００４６】
図１１は、キャビティ径とボア径の比率と、適切な燃焼を行い得る機関負荷と、の関係を示し、図１２は、キャビティ毎に適切な燃焼を行い得る負荷範囲を示している。これらの図からもわかるように、１つのキャビティ径では、幅広い負荷範囲で燃焼性能を向上することは困難である。
【００４７】
他の課題として、キャビティの径が大きくなると、このキャビティを利用して形成される混合気塊は、上述したように中心付近が希薄なドーナツ状の混合気分布となり易い。その一方で、ガソリン機関に代表される火花点火式の内燃機関では、全負荷性能を考慮すると、火炎伝播距離が等方的であることが望ましく、点火プラグは燃焼室の中央近傍に設置されることが望ましい。従って、上記ドーナツ状の混合気分布では燃焼室の中央近傍に設置した点火プラグにより良好に着火されないおそれがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る筒内直接噴射式内燃機関を示す断面対応図。
【図２】上記実施形態に係る内燃機関の要部を示す断面対応図。
【図３】本実施形態に係るピストンの冠面をシリンダ軸方向から見た上面図。
【図４】機関負荷に応じた燃料噴射時期を示す特性図。
【図５】成層低負荷域における燃焼室の様子を示す説明図。
【図６】成層高負荷域における燃焼室の様子を示す説明図。
【図７】マルチホール型燃料噴射弁に係る（ａ）側面対応図、及び（ｂ）噴霧断面図。
【図８】スワールノズル噴射弁に係る（ａ）断面図、（ｂ）側面図、及び（ｃ）噴霧断面図。
【図９】スキッシュ流れに関する作用説明図。
【図１０】当量比と燃焼性能の関係を示す特性図。
【図１１】キャビティの大きさと最適機関負荷との関係を示すグラフ。
【図１２】キャビティ径毎の最適負荷範囲を示す特性図。
【符号の説明】
１…燃焼室
４…ピストン
１１…燃料噴射弁
１２…点火プラグ
１２ａ…ギャップ
１４…シリンダ中心線（噴射中心線）
１５…ピストン冠面
１６…外側キャビティ
１７…内側キャビティ
１８…基準面
１９…法線
２０…交点
２１…線

Claims

ピストンの上方に形成された燃焼室へ燃料を直接的に噴射する燃料噴射弁と、
上記燃焼室内の混合気を火花点火する点火プラグと、
上記ピストンの冠面に凹設された外側キャビティと、
この外側キャビティの底面に凹設された内側キャビティと、を有する筒内直接噴射式内燃機関において、
上記内側キャビティの底面と直交して燃焼室側へ延びる法線を、上記燃料噴射弁の噴射中心線に対し、上記点火プラグ側へ傾けるとともに、
成層低負荷域では圧縮行程後半に１回のみ燃料を噴射し、
少なくとも上記成層低負荷域よりも負荷の高い成層高負荷域では、圧縮行程中に２回に分けて燃料を噴射するとともに、１回目に噴射された燃料が外側キャビティへ入るように１回目の噴射時期を設定し、２回目に噴射された燃料が内側キャビティへ入るように２回目の噴射時期を設定することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
上記成層低負荷域では、燃料が内側キャビティへ入るように燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
上記外側キャビティよりも外側のピストン冠面とシリンダヘッド下面との間隙により圧縮行程後半に生じるピストン中央方向へのスキッシュ流れを外側キャビティへ逃がすように、外側キャビティの外壁面と点火プラグとの間に所定の空間を確保したことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
圧縮行程後半では、外側キャビティの外壁面と点火プラグとの間の間隙が、ピストン冠面とシリンダヘッド下面との間隙よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
上記外側キャビティの深さが、圧縮行程後半でのピストン冠面とシリンダヘッド下面との間隙よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
上記点火プラグが外側キャビティの外壁面よりも内側に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
ピストン冠面から外側キャビティの底面までの距離が、外側キャビティの底面から内側キャビティの底面までの距離より長いことを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
上記燃料噴射弁の噴射中心線がシリンダ中心線とほぼ一致しており、
上記点火プラグがシリンダ中心線に対して排気側にオフセットしていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
圧縮行程後半の所定時期に、内側キャビティの底面と直交する法線に対し、上記噴射中心線と、この噴射中心線と内側キャビティの底面とが交わる交点と点火プラグとを結ぶ線と、がほぼ対称に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。