JP4415497B2 - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内の燃焼室に燃料を直接噴射して、混合気を点火プラグの電極周りに成層化させた状態で点火するようにした火花点火式直噴エンジンに関し、特に、燃焼室のタンブル流を有効に利用して、混合気の適切な成層化を促す噴霧の挙動制御の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の火花点火式直噴エンジンでは、気筒内の燃焼室に臨むように高圧の燃料噴射弁を配設するとともに、ピストンの冠面に所定形状のキャビティを形成し、前記燃料噴射弁から噴射させた燃料を一旦、対向するキャビティの内壁面や底面に衝突させた上で、このキャビティ内に混合気を閉じこめて、点火プラグの電極周りに成層化させるようにしている。
【０００３】
また、燃焼室のスワールやタンブル等の吸気流動を利用して、混合気をキャビティ内に集めたり、点火プラグの電極付近に輸送するようにしたものもある。例えば、特開平１１−１４１３３８号公報に開示される筒内噴射式エンジンでは、燃料の噴射方向をタンブル流と逆向きにして、このタンブル流により、キャビティから溢れようとする混合気を押し戻して閉じ込めるとともに、燃料液滴の気化や空気との混合を促しながら、キャビティ内において混合気を点火プラグの電極付近に輸送するようにしている。
【０００４】
或いは、特開平１１−２００８６６号公報に開示される筒内噴射式火花点火機関のように、キャビティをピストン冠面の略中央部に形成しかつその形状を球面状としてタンブル流の保存性を高めるとともに、燃料噴射弁からの噴霧の拡がり角を例えば７０°〜９０°と広角化して、燃料噴霧の貫徹力を弱めることにより、ピストン冠面への燃料の付着を抑えながら、一旦、キャビティ内に飛散させた燃料をタンブル流に乗せて点火プラグ側に輸送するようにしたものもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来例のエンジンにおいては、いずれも負荷状態や回転速度の異なる広い運転領域に亘って混合気を適切に成層化しているとは言い難く、エンジンの全運転領域に亘って見た場合には、成層燃焼運転による燃費改善等の効果を高める余地がかなり残されている。すなわち、前者の従来例（特開平１１−１４１３３８号）のように、混合気をキャビティ内に閉じこめることを前提としたものでは、混合気を適切に成層化できる運転領域がキャビティの寸法形状により厳しい制約を受け、エンジンを成層運転できる領域が実際には低負荷低回転側の狭い領域に限られることから、燃費の改善効果もあまり大きくはなり得ない。
【０００６】
しかも、このような直噴エンジンでは、一般的に燃料噴射弁からの燃料噴霧を衝突させるキャビティの内壁面が気筒の中心線付近に位置することになり、この内壁面によって燃焼初期の火炎核の成長が阻害されたり、火炎の伝播性が低下したりすることが避けられないので、このことによって燃焼性が低下するという実状がある。加えて、このものでは、前記のように燃料噴霧をキャビティの内壁面や底面に衝突させるようにしているので、該壁面等への燃料の付着量が多くなり、このことが燃費悪化や排気中の未燃炭化水素（ＨＣ）の増大を招くという不具合もある。
【０００７】
例えば、図３５は、キャビティの形状の異なる複数のピストンを用意して、直噴化によるエンジンの燃費改善率と出力改善率とをそれぞれ実験的に求め、その結果を対比して示したものである。同図によれば、燃費の改善と出力の改善との間にはいわゆるトレードオフ関係があり、前記前者の従来例のような深皿型のキャビティを設けたものでは（図示の点Ａ）、燃料噴霧を適切に閉じこめて成層化できることから、低負荷低回転域での燃費改善効果が高い一方で、特に高回転側において燃焼性が低下してしまい、出力の改善効果が低くなっている。
【０００８】
一方、冠面を凹面形状としただけのいわゆるフラットピストンでは（点Ｃ）、高回転側における出力改善効果は高いものの、低負荷域で混合気を適切に成層化することが難しいので、燃費の改善効果は低くならざるを得ない。そして、それらの中間的なものとして、燃料噴射弁に対向するキャビティの内壁面を大きく傾斜させたものでは（点Ｂ）、燃費及び出力の両方について大幅な改善は見込めないものである。
【０００９】
続いて、後者の従来例（特開１１−２００８６６号）について見ると、このものでも、キャビティの大きさが小さいときには前記前者の従来例と同様の不具合が発生すると考えられ、一方、キャビティを大きくすれば、前記フラットピストンと同様に混合気の適切な成層化が困難になってしまう。すなわち、このものではキャビティ内に飛散させた燃料をタンブル流に乗せて点火プラグ側に輸送しようとしているが、キャビティが大きくなればそのように飛散した燃料を集めること自体が難しくなる上に、たとえ燃料を集めることができたとしても、この燃料はタンブル流に乗って移動し、点火プラグの電極付近を通過してしまうので、該点火プラグによって混合気に着火可能な期間は極めて短く、混合気の適切な成層化を実現しているとは言えない。
【００１０】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主たる目的とするところは、火花点火式直噴エンジンにより成層燃焼運転を行う場合に、該エンジンの広い運転領域に亘って混合気を適切に成層化し得るように、燃焼室における燃料噴霧の挙動を制御して、燃焼性の改善や成層燃焼領域の拡大により、燃費及び出力の改善を図ることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の解決手段では、エンジンの成層燃焼運転時に気筒の圧縮行程において点火プラグの電極付近から燃料噴射弁に向かって流れるようにタンブル流を生成し、このタンブル流に向かって逆行するように燃料を適切な貫徹力でもって噴射させて、ちょうど気筒の点火時期において前記点火プラグの電極付近に可燃混合気が滞留するようにした。
【００１２】
具体的に、請求項１の発明では、気筒内でピストンの冠面に対向する燃焼室の天井部に点火プラグを配設するとともに、該燃焼室にその周縁部から燃料を噴射するように燃料噴射弁を配設し、成層燃焼運転時には前記燃料噴射弁から噴射させた燃料を前記点火プラグの電極の周りに成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンを前提とする。このものにおいて、気筒の圧縮行程において前記点火プラグの電極とピストンの冠面との間を前記燃料噴射弁に向かうように流れるタンブル流を生成可能なタンブル流生成手段と、前記燃料噴射弁からの燃料噴霧が前記タンブル流に対し逆行して、前記点火プラグによる点火時点で可燃混合気となって該点火プラグの電極付近に滞留するように、気筒の点火時期に対応づけて前記燃料噴射弁により燃料を噴射させるとともに、該燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力を、この燃料噴霧に対向するタンブル流の流速に対応するように調節する、燃料噴射制御手段とを備える構成とする。
【００１３】
前記の構成により、エンジンの成層燃焼運転時には、タンブル流生成手段により生成されたタンブル流が気筒の圧縮行程において燃料噴射弁に向かって流れるようになり、この状態で、燃料噴射制御手段により気筒の点火時期に対応づけて前記燃料噴射弁の作動制御が行われることで、該燃料噴射弁から燃料が前記タンブル流に向かって衝突するように噴射される。この燃料噴霧は、タンブル流に衝突して燃料の微粒化や分散、或いは周囲の空気との混合が促進されるとともに、該タンブル流に逆行しながら移動速度が徐々に低下し、ちょうど気筒の点火時期に適切な濃度状態の可燃混合気になって、前記点火プラグの電極付近に滞留するようになる。
【００１４】
つまり、タンブル流により燃料噴霧の挙動を制御して、点火プラグの電極周りに混合気を適切に成層化させることができる。しかも、エンジンの運転状態の変化によって気筒内燃焼室におけるタンブル流の流速が変化しても、これに対応するように燃料噴霧の貫徹力が調節され、前記のように可燃混合気を点火プラグの電極付近に滞留させることができる。よって、エンジンの運転状態が変化しても、前記の如き良好な成層燃焼を安定的に実現できる。
【００１５】
このような混合気の成層化においては燃料噴霧をピストン冠面に衝突させる必要がないことから、燃料の付着量を大幅に低減でき、また、必ずしも従来例（特開平１１−１４１３３８号）のようなキャビティが必要ないことから、キャビティの内壁面に因る燃焼の阻害を解消することが可能になる。よって、燃焼性の改善による燃費及び出力性能の向上が図られる。
【００１６】
さらに、前記従来例のようなキャビティの寸法形状の制約がなくなって、より高回転域まで良好な成層燃焼状態とすることができ、このことによって、エンジンの全運転領域について見たときに大幅な燃費改善が可能になる。また、前記の如く、気筒の点火時期において点火プラグの電極付近に適度な濃度状態の混合気が滞留するようになるので、該混合気に安定して着火可能な期間が極めて長くなり、気筒の点火時期制御の自由度が高まることによって、燃費及び出力の改善が可能になる。
【００１７】
請求項２の発明では、請求項１の発明における燃料噴射制御手段は、燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力をクランク軸の回転速度に応じて調節するものとする。すなわち、一般に、気筒内燃焼室におけるタンブル流の流速はエンジンのクランク軸の回転速度（以下、エンジンの回転速度ともいう）に応じて変化するものなので、これに対応するように燃料噴霧の貫徹力を調節することで、燃料噴霧の貫徹力をタンブル流の流速に対応するように調節できる。
【００１８】
請求項３の発明では、請求項１の発明において、燃料噴射弁による燃料の噴射圧力を調節する噴射圧調節手段を設け、燃料噴射制御手段は、燃料噴霧の貫徹力を大きくするときには前記噴射圧調節手段により燃料噴射圧力を高める一方、燃料噴霧の貫徹力を小さくするときには燃料噴射圧力を低下させる構成とする。
【００１９】
このことで、噴射圧調節手段によって燃料噴射弁からの燃料の噴射圧力を変更することで、燃料噴霧の貫徹力を確実に調節できる。また、燃料噴射圧力の調整は制御性及び応答性に優れるものなので、エンジンの運転状態の変化に対する追従性も高い。
【００２０】
請求項４の発明では、請求項３の発明における燃料噴射制御手段は、燃料噴射量やクランク軸の回転速度が略同一であっても、燃焼室の温度状態に応じて高温側ほど燃料の噴射圧力が高くなるように、噴射圧調節手段の作動を補正制御する構成とする。
【００２１】
すなわち、燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力は、燃焼室の温度状態によって変化するものであるが、この燃焼室の温度状態は、燃料噴射量（エンジンの負荷）やクランク軸の回転速度（エンジン回転速度）が相異すればそれぞれ異なり、また、エンジンの暖機状態や排気還流の有無等によっても変化する。一例を挙げれば、エンジン暖機後には暖機完了前に比べて燃焼室に吸入される吸気の温度状態が高くなり、燃焼温度も上昇して、燃焼室の温度状態が高くなる。さらには燃焼温度の上昇によって排気温度も高くなり、排気還流時には該高温の排気の影響によって、吸気温度が高められることになる。その結果、燃料の気化が促進され、噴霧貫徹力が小さくなる傾向がある。
【００２２】
そこで、この発明では、エンジン回転数やエンジンの負荷状態が同じであっても、燃焼室の温度状態に応じて燃料噴射圧力を補正することにより、噴霧貫徹力の変動を防止して、燃料噴霧の挙動を安定的に制御することができる。
【００２３】
請求項５の発明では、請求項１の発明における燃料噴射弁に、燃料噴霧の拡がり角を調節する噴霧角可変機構を設け、燃料噴射制御手段は、燃料噴霧の貫徹力を大きくするときには前記噴霧角可変機構により噴霧拡がり角を減少させる一方、燃料噴霧の貫徹力を小さくするときには噴霧拡がり角を増大させる構成とする。このことで、噴霧角可変機構によって燃料噴射弁による燃料噴霧の拡がり角を変更することで、燃料噴霧の貫徹力を確実に調節できる。
【００２４】
請求項６の発明では、請求項１の発明における燃料噴射制御手段は、燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力を、クランク軸の回転速度が設定値になるまでは該回転速度の上昇に対応するように増大させる一方、クランク軸の回転速度が前記設定値以上になれば貫徹力の増大を抑制するものとする。また、タンブル流の流速を可変とするタンブル流速可変手段と、クランク軸の回転速度が前記設定値以上になったとき、該回転速度の上昇に対応するタンブル流速の増大を抑えるように、前記タンブル流速可変手段を作動させるタンブル流速制御手段とを設ける構成とする。
【００２５】
すなわち、エンジンのクランク軸の回転速度が高くなってタンブル流の流速が所定以上に高くなったときには、これに対応するように燃料の貫徹力を高めると、燃料噴霧とタンブル流との衝突が激しくなり過ぎる結果、混合気が周囲に拡がって成層度が低下してしまうという不具合がある。そこで、この発明では前記のように衝突の激しくなるような回転速度を予め実験的に求めて設定し、エンジンの回転速度が該設定値以上になれば、タンブル流速及び噴霧貫徹力の双方の増大を抑えることで、前記のような混合気の過拡散を防止することができる。
【００２６】
請求項７の発明では、請求項６の発明におけるタンブル流速可変手段は、燃焼室へ流入する吸気の流動状態を変更する吸気流動調節弁を備えるものとする。このことで、吸気流動調節弁により燃焼室への吸気の流動状態を変更することで、該燃焼室におけるタンブル流の流速を確実に調節できる。
【００２７】
請求項８の発明では、請求項６の発明におけるタンブル流速可変手段を、吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉作動時期を変更する可変動弁機構とする。このことで、可変動弁機構により吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉作動時期を変更することで、該燃焼室におけるタンブル流の流速を確実に調節できる。
【００２８】
請求項９の発明では、請求項６の発明におけるタンブル流速制御手段を、燃料噴射量やクランク軸の回転速度が略同一であっても、燃焼室の温度状態に応じて高温側ほどタンブル流速が低下するように、タンブル流速可変手段の作動を補正制御するものとする。
【００２９】
すなわち、燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力は、燃焼室の温度状態によって変化するものであるが、この燃焼室の温度状態は、燃料噴射量（エンジンの負荷）やクランク軸の回転速度（エンジン回転速度）が相異すればそれぞれ異なり、また、エンジンの暖機状態や排気還流の有無等によっても変化する。一例を挙げれば、エンジン暖機後には暖機完了前に比べて燃焼室に吸入される吸気の温度状態が高くなり、燃焼温度も上昇して、燃焼室の温度状態が高くなる。さらには燃焼温度の上昇によって排気温度も高くなり、排気還流時には該高温の排気の影響によって、吸気温度が高められることになる。その結果、燃料の気化が促進され、噴霧貫徹力が小さくなる傾向がある。
【００３０】
そこで、この発明では、エンジン回転数やエンジンの負荷状態が同じであっても、前記噴霧貫徹力に均衡させるタンブル流の流速を燃焼室の温度状態に応じて補正することで、前記のように噴霧貫徹力が変動しても、そのことによる悪影響を解消して燃料噴霧の挙動を安定的に制御することができる。
【００３１】
請求項１０の発明では、燃料噴射弁は、気筒の圧縮行程における燃料噴霧の拡がり角が略２０°〜略６０°の範囲の値になるものとする。
【００３２】
すなわち、燃料噴射弁による燃料噴霧の拡がり角が大きいと、タンブル流との衝突によって燃料噴霧が拡散し、混合気が希薄になるという傾向がある。一方、噴霧拡がり角が小さ過ぎると、燃料液滴の気化霧化や空気との混合が十分に行われなくなって、混合気が過度にリッチな状態になる虞れがある。そこで、この発明では、気筒の圧縮行程における燃料噴霧の拡がり角を略２０°〜略６０°の範囲の値とすることで、点火プラグの電極付近に滞留する混合気の濃度状態を適切なものとし、良好な着火安定性を確保できる。
【００３３】
請求項１１の発明では、燃料噴射弁を、気筒の圧縮行程においてピストン冠面に沿って流れるタンブル流に対し、燃料噴霧が略正対して衝突するように配置するものとする。
【００３４】
このことで、燃料噴射弁からの燃料噴霧がタンブル流に略正対して衝突するようになるので、該タンブル流により燃料噴霧の移動速度を精度良く調節して、可燃混合気を点火プラグの電極付近に確実に滞留させることができる。また、燃料噴霧とタンブル流との相対速度が大きくなるので、燃料の気化霧化も促進できる。
【００３５】
請求項１２の発明では、ピストンの冠面に、気筒中心線に沿って見て、燃料噴霧の中心線の延びる方向に長い凹部を形成し、この凹部を、燃焼室天井部との間の気筒中心線方向の距離が該気筒中心線に対応する位置で最大となるような形状とした。
【００３６】
このことで、タンブル流は、ピストン冠面の凹部に沿って燃料噴霧に向かうように流れることになり、このタンブル流を燃料噴霧に対し安定して衝突させることができる。また、点火プラグ電極の近傍において燃焼室容積を確保できるので、ここに混合気が滞留し易くなる。
【００３７】
請求項１３の発明では、請求項１２の発明における凹部の最深部を、気筒中心線に対応するように位置付けるものとする。このことで、タンブル流が凹部に沿ってスムーズに流れるようになり、気筒の圧縮行程後期までタンブル流を崩壊させずに維持することができる。
【００３８】
請求項１４の発明では、請求項１２の発明における凹部の最深部を、気筒中心線に対応する位置よりも吸気側に位置づけるものとする。すなわち、一般的に、燃焼室のタンブル流が弱いときには、流れがピストン冠面に向かう燃焼室の排気側においてピストン上昇の影響を受けて減衰し、タンブル流の渦の中心が徐々に排気側に移動するという現象が起きる。この結果、タンブル流を燃料噴霧に安定して衝突させることが難しくなり、また、タンブル流の崩壊が早まるという不具合を生じる。
【００３９】
これに対し、この発明では、ピストン冠面の凹部をその最深部が気筒中心線に対応する位置よりも吸気側に位置するように形成したので、燃焼室の吸気側における容積を排気側よりも大きくして、燃焼室吸気側における渦の保存性を高めることができ、これにより、渦中心の排気側への移動を抑制して、前記の不具合を未然に防止することができる。
【００４０】
請求項１５の発明では、ピストンの冠面に、気筒中心線に沿って見て点火プラグの電極を含むように凹部を形成するとともに、該凹部を除いたピストン冠面の外周側の部分には、気筒中心線に沿って見て、燃料噴霧の中心線に直交する左右方向から少なくとも点火プラグの電極を挟む左右両側の部位において、対向する燃焼室の天井部と共同して前記凹部内に向かうスキッシュ流を生成するスキッシュエリア部を形成するものとする。
【００４１】
このことで、気筒の圧縮行程中期以降に、ピストン冠面の外周側部分において少なくとも点火プラグ電極を挟む左右両側のスキッシュエリア部とこれに対向する燃焼室天井部との間がスキッシュエリアとなり、ここから凹部内に向かうようにスキッシュ流が生成される。そして、このスキッシュ流により前記点火プラグの電極付近に滞留する可燃混合気の左右方向への拡散が抑えられることで、コンパクトな可燃混合気層を形成することができ、着火安定性や燃焼性が向上して、燃費も改善される。
【００４２】
請求項１６の発明では、請求項１５の発明において、気筒中心線に沿って見て凹部の左右方向の開口幅を、点火プラグの電極付近において最大とする。こうすれば、凹部の左右両側壁面を点火プラグの電極からできるだけ離して、該電極付近で生成された火炎核の成長が該側壁面により阻害されることや、或いは火炎の伝播性が低下することを回避できる。
【００４３】
請求項１７の発明では、請求項１６において、気筒中心線に沿って見て、点火プラグの電極付近における凹部の左右方向の開口幅を、気筒の圧縮行程における燃料噴射弁からの幾何学的な燃料噴霧エリアを含むように設定する。こうすることで、凹部の左右方向の開口幅を十分に大きくして、請求項１６の発明による作用効果を確実に得ることができる。
【００４４】
請求項１８の発明では、請求項１６の発明における燃焼室の天井部に、一対の吸気ポートがそれぞれ開口されており、気筒中心線に沿って見て、点火プラグの電極付近における凹部の左右方向の開口幅を、前記一対の吸気ポート開口部の中心間距離以上とするものとする。こうすれば、凹部の左右方向の開口幅が十分に大きくなって、請求項１６の発明による作用効果が確実に得られる。
【００４５】
請求項１９の発明では、請求項１５の発明におけるスキッシュエリア部を、ピストン冠面の外周側部分において、点火プラグ電極を挟む左右両側の部位から排気側に連続するように設けるものとする。
【００４６】
このことで、ピストン冠面の外周側部分において点火プラグ電極の左右両側だけでなく、より広い範囲に亘ってスキッシュエリアが形成されるので、このスキッシュエリアから凹部内に向かうスキッシュ流を、混合気の流れやタンブル流を全体として包み込むようなものとして、点火プラグの電極付近に可燃混合気層をコンパクトに形成することができる。これにより、請求項１２の発明の作用効果を一層、高めることができる。
【００４７】
請求項２０の発明では、ピストンの冠面に、燃料噴霧の中心線に沿って見て、点火プラグの電極付近に滞留する可燃混合気層の形状が燃焼室の天井部に近い側ですぼんだものとなるように、該燃焼室天井部と共同してスキッシュ流を生成するスキッシュエリア部を形成するものとする。
【００４８】
このものでは、気筒の圧縮行程中期以降に、ピストン冠面のスキッシュエリア部とこれに対向する燃焼室天井部との間がスキッシュエリアとなり、ここから凹部内に向かうようにスキッシュ流が生成される。そして、このスキッシュ流により、燃料噴霧の中心線に沿って見て、点火プラグの電極付近に滞留する可燃混合気層の形状が該燃焼室天井部に近い側ですぼんだものとされる。つまり、スキッシュ流により混合気を点火プラグの電極付近に集めて、コンパクトな可燃混合気層を形成することができ、これにより、請求項１２の発明と同様に着火安定性や燃焼性を向上できる。
【００４９】
請求項２１の発明では、請求項２０の発明におけるピストンの冠面に、気筒中心線に沿って見て、点火プラグの電極及びその付近に滞留する可燃混合気層を含むように凹部を形成し、スキッシュ流は、前記可燃混合気層の輪郭が凹部の側壁面から離間しかつその間隔が燃焼室天井部に近づくほど大きくなるように、該可燃混合気層の拡散を抑えるものとする。
【００５０】
このことで、前記した請求項２０の発明による作用効果に加えて、点火プラグの電極付近に滞留する可燃混合気層の輪郭が凹部の側壁面から離間していることで、該側壁面への燃料の付着が防止され、燃料付着に因る燃費悪化や排気中の未燃ＨＣの増大を抑制することができる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００５２】
（実施形態１）
図２は、本発明の実施形態１に係る火花点火式直噴エンジン１の全体的な構成を示す。このエンジン１は、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）が直列に設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配置されたシリンダヘッド４とを有し、該各気筒２内にピストン５が図の上下方向に往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン５とシリンダヘッド４との間の気筒２内に燃焼室６が区画されたものである。一方、前記ピストン５よりも下方のシリンダブロック３内にはクランク軸７が回転自在に支持されていて、このクランク軸７及びピストン５がコネクティングロッド８により連結されている。また、クランク軸７の一端側にはその回転角度を検出する電磁式のクランク角センサ９が配設されている。
【００５３】
前記各気筒２の天井部には、図３に拡大して示すように、略中央部からシリンダヘッド４の下端面付近まで延びる２つの傾斜面が形成されており、それらの傾斜面が互いに差し掛けられた屋根のような形状をなすいわゆるペントルーフ型燃焼室６となっている。そして、該２つの傾斜面に吸気ポート１０及び排気ポート１１がそれぞれ２つずつ開口していて、その各ポート開口端に吸気及び排気弁１２，１２，１３，１３が配置されている。前記２つの吸気ポート１０，１０はそれぞれ燃焼室６から斜め上方に向かって直線的に延びていて、エンジン１の一側面（図２の右側面）に互いに独立して開口しており、一方、前記２つの排気ポート１１，１１は途中で１つに合流して略水平に延び、エンジン１の他側面（図２の左側面）に開口している。
【００５４】
前記吸気弁１２及び排気弁１３は、シリンダヘッド４の内部に軸支された２本のカム軸（図示省略）により弁軸方向に押圧されて開作動されるもので、該２本のカム軸がそれぞれタイミングベルトにより前記クランク軸７に同期して回転されることで、吸気弁１２及び排気弁１３がそれぞれ各気筒２毎に所定のタイミングで開閉作動されるようになっている。また、前記２本のカム軸にはそれぞれクランク軸７に対する回転位相を所定の角度範囲において連続的に変化させる公知の可変動弁機構１４，１４が付設されていて、この可変動弁機構１４，１４により前記吸気弁１２及び排気弁１３の開閉作動時期がそれぞれ独立して変更されるようになっている。
【００５５】
また、前記図３に示すように、燃焼室６の上方には前記４つの吸排気弁１２，１３に取り囲まれるように、点火プラグ１６が配設されている。この点火プラグ１６の先端の電極は燃焼室６の天井部から所定距離だけ突出した位置にあり、一方、該点火プラグ１６の基端部には点火回路１７（図２にのみ示す）が接続されていて、各気筒２毎に所定の点火タイミングで点火プラグ１６に通電するようになっている。また、前記燃焼室６の底部となるピストン５の冠面は対向する燃焼室６の天井部に沿うような形状とされ、その中央部にレモン型の凹部５ａが設けられている。
【００５６】
前記燃焼室６の周縁部には、２つの吸気ポート１０，１０の下方に挟まれるように、インジェクタ（燃料噴射弁）１８が配設されている。このインジェクタ１８は、先端部の噴孔から燃料を旋回流として噴出させて、インジェクタ１８の軸心の延びる方向に沿うようにホローコーン状に噴射する公知のスワールインジェクタである。このスワールインジェクタ１８では、燃料の噴射圧力を高めると、この圧力の上昇に応じて燃料噴霧の貫徹力が高まるようになる。また、図４に一例を示すように、噴霧の拡がり角を大きくするほど噴霧の貫徹力が小さくなる傾向があり、反対に噴霧拡がり角を小さくすれば貫徹力は大きくなる。尚、前記インジェクタ１８に、燃料の旋回流成分の強さを可変とする可変機構（噴霧角可変機構）を設け、この可変機構の作動により燃料の旋回流成分を調節して、燃料噴霧の拡がり角を変更するようにしてもよい。
【００５７】
前記インジェクタ１８の基端部には、全気筒２，２，…に共通の燃料分配管１９が接続されていて、燃料供給系２０から供給される高圧の燃料を各気筒２に分配するようになっている。詳しくは、該燃料供給系２０は例えば図５(a)に示すように構成され、燃料分配管１９と燃料タンク２１とを連通する燃料通路２２の上流側から下流側に向かって、低圧燃料ポンプ２３、低圧レギュレータ２４、燃料フィルタ２５、高圧燃料ポンプ２６及び高圧レギュレータ２７が順に配設されている。
【００５８】
そして、前記低圧燃料ポンプ２３により燃料タンク２１から吸い上げた燃料を低圧レギュレータ２４により調圧し、燃料フィルタ２５により濾過して、高圧燃料ポンプ２６に圧送する。この高圧燃料ポンプ２６及び高圧レギュレータ２７はそれぞれリターン通路２９により燃料タンク２１側に接続されており、高圧燃料ポンプ２６によって昇圧した燃料の一部を高圧レギュレータ２７により流量調節しながら、リターン通路２９によって燃料タンク２１側に戻すことで、燃料分配管１９へ供給する燃料の圧力状態を適正に（例えば略３ＭＰａ〜略１３ＭＰａ、好ましくは成層燃焼運転時において４ＭＰａ〜７ＭＰａくらいに）調節するようになっている。また、前記リターン通路２９には、燃料タンク２１側に戻す燃料の圧力状態を整える低圧レギュレータ２８が配設されている。前記燃料供給系２０において、前記高圧燃料ポンプ２６及び高圧レギュレータ２７が、インジェクタ１８による燃料の噴射圧力を調節する噴射圧調節手段を構成ている。
【００５９】
尚、燃料供給系２０の構成は、前記図５(a)に示すものには限られず、例えば同図(b)に示す燃料供給系２０′のように高圧レギュレータ２７を省略することも可能である。この場合には、燃料の吐出量を広い範囲に亘って変更することのできる電動高圧ポンプ２９を使用し、この電動高圧ポンプ２９から燃料分配管１９への燃料の吐出量を可変調節することによって、該燃料の圧力状態を制御することができる。
【００６０】
前記図２に示すように、エンジン１の一側面には、各気筒２の吸気ポート１０，１０にそれぞれ連通する吸気通路３０が接続されている。この吸気通路３０は、エンジン１の燃焼室６に対し図外のエアクリーナで濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から下流側に向かって順に、エンジン１に吸入される吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ３１と、吸気通路２６を絞る電気式スロットル弁３２と、サージタンク３３とがそれぞれ配設されている。前記電気式スロットル弁３２は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されておらず、図示しない電動式駆動モータにより駆動されて開閉するようになっている。
【００６１】
また、前記サージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされていて、該各独立通路の下流端部がさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポート１０，１０に連通している。この２つの吸気ポート１０，１０の双方の上流側には、前記図３にも示すように、燃焼室６におけるタンブル流の流速を調節するための吸気流動調節弁３４が配設され、例えばステッピングモータ３５（図３にのみ示す）によって開閉作動されるようになっている。この吸気流動調節弁３４，３４はいずれも円形のバタフライバルブの一部を切り欠いたもので、この実施形態では弁軸３４ａよりも下側の部分を切り欠いている。そして、吸気流動調節弁３４が閉じられたときには吸気が前記の切り欠き部分のみから下流側に流れて、燃焼室６に強いタンブル流を生成する。一方、吸気流動調節弁３４が開かれるに従い、吸気は該切り欠き部分以外からも流通するようになり、タンブル流の強度は徐々に弱められる。
【００６２】
前記吸気ポート１０，１０により、燃焼室６にタンブル流を生成するタンブル流生成手段が構成され、このタンブル流生成手段は後述の如く気筒２の圧縮行程において点火プラグ１６の電極とピストン５の冠面との間をインジェクタ１８に向かうように流れるタンブル流Ｔを生成可能なものである。また、前記吸気流動調節弁３４とステッピングモータ３５とにより、タンブル流の流速を可変とするタンブル流速可変手段が構成されている。尚、前記吸気ポート１０や吸気流動調節弁３４の形状は上述したものに限られず、例えば、吸気ポートは上流側で１つに合流するいわゆるコモンポートであってもよい。この場合、吸気流動調節弁はコモンポートの断面形状に対応する形状のバタフライバルブをベースとして、前記したものと同様に該バタフライバルブの一部分を切り欠いた形状とすればよい。
【００６３】
一方、エンジン１の他側面には、燃焼室６から既燃ガス（排気）を排出する排気通路３６が接続されている。この排気通路３６の上流端部は、各気筒２毎に分岐して排気ポート１１に連通する排気マニホルド３７であり、該排気マニホルド３７の集合部には排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ３８が配設されている。このリニアＯ2センサ３８は排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるもので、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲において酸素濃度に対しリニアな出力が得られるようになっている。
【００６４】
また、前記排気マニホルド３７の集合部には、排気管３９の上流端が接続されており、一方、この排気管３９の下流端には排気を浄化するための触媒４０が接続されている。この触媒４０は、排気中の酸素濃度の高い雰囲気でＮＯｘを吸収する一方、酸素濃度の低下によって吸収したＮＯｘを放出しかつ還元浄化するＮＯｘ吸収還元タイプのものであり、特に理論空燃比近傍ではいわゆる三元触媒と同様の高い排気浄化性能を発揮する。また、触媒４０の下流側には該触媒４０の劣化状態を判定するために、出力が理論空燃比を境にステップ状に反転する公知のラムダＯ2センサ４１が配設されている。尚、前記ＮＯｘ吸収還元タイプの触媒４０に加えて、これと直列に三元触媒を配置するようにしてもよい。
【００６５】
さらに、前記排気管３９の上流側には、排気通路３６を流れる排気の一部を吸気通路３０に還流させるＥＧＲ通路４３の上流端が分岐接続されている。このＥＧＲ通路４３の下流端は前記スロットル弁３２とサージタンク３３との間の吸気通路３０に接続され、その近傍には開度調節可能な電気式のＥＧＲ弁４４が配設されていて、ＥＧＲ通路４３による排気の還流量を調節できるようになっている。
【００６６】
前記可変動弁機構１４、点火プラグ１６の点火回路１７、インジェクタ１８、燃料供給系２０の高圧レギュレータ２７、電気式スロットル弁３２、吸気流動調節弁３４、電気式ＥＧＲ弁４４等は、いずれもエンジンコントロールユニット５０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御される。一方、このＥＣＵ５０には、少なくとも、前記クランク角センサ９、エアフローセンサ３１、リニアＯ2センサ３８、ラムダＯ2センサ４１等からの各出力信号が入力され、加えて、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ５１からの出力信号と、エンジン１の回転速度（クランク軸７の回転速度）を検出する回転速度センサ５２からの出力信号とが入力されるようになっている。
【００６７】
そして、前記ＥＣＵ５０は、各センサから入力される信号に基づいて、吸排気弁１２，１３の開閉作動時期、インジェクタ１８による燃料噴射量、噴射時期及び噴射圧力、スロットル弁３２により調節される吸入空気量、吸気流動調節弁３４により調節されるタンブル流の強さ、ＥＧＲ弁４４により調節される排気の還流割合等をそれぞれエンジン１の運転状態に応じて制御する。
【００６８】
具体的には例えば図６に一例を示すように、エンジン１の温間状態では低負荷かつ低回転側の設定運転領域（イ）が成層燃焼領域とされ、インジェクタ１８により気筒２の圧縮行程における所定時期（例えば、成層燃焼運転時において圧縮上死点前（BTDC）４０°〜１４０°の範囲）に燃料を噴射させて、点火プラグ１６の近傍に混合気が層状に偏在する状態で燃焼させる成層燃焼モードになる。この成層燃焼状態ではエンジン１の吸気損失を低減するためにスロットル弁３２の開度を相対的に大きくするようにしており、このときの燃焼室６の平均的な空燃比は理論空燃比よりもリーンな状態（例えばＡ/Ｆ＞２５）になる。
【００６９】
一方、前記成層燃料領域以外の領域（ロ）は、均一燃焼領域とされており、インジェクタ１７により気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて吸気と十分に混合し、燃焼室６に均一な混合気を形成した上で燃焼させる燃焼状態になる。この均一燃焼状態では、大部分の運転領域において混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ/Ｆ≒１４．７）になるように、燃料噴射量やスロットル開度等が制御されるが、特に全負荷運転状態では、空燃比を理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ/Ｆ＝１３くらい）に制御して、高負荷に対応した大出力を得られるようにしている。
【００７０】
さらに、エンジン１の温間時には同図に斜線を入れて示す領域では、ＥＧＲ弁４４を開弁させて、ＥＧＲ通路４３により排気の一部を吸気通路３０に還流させるようにしている。この際、該ＥＧＲ弁４４の開度をエンジン１の負荷状態及び回転速度に応じて、少なくとも高負荷側ほど排気の還流割合（以下、ＥＧＲ率ともいう）が小さくなるように調節する。このことで、エンジン１の燃焼安定性を損なうことなく、排気の還流によりＮＯｘの生成を抑制することができる。また、エンジン冷間時には燃焼安定性の確保を最優先とし、エンジン１の全ての運転領域で均一燃焼状態とするとともに、ＥＧＲ弁４４は全閉とするようにしている。
【００７１】
尚、前記ＥＧＲ率としては、例えば、前記ＥＧＲ通路４３により吸気通路３０に還流される排気還流量の新気量に対する割合を用いればよい。ここで、新気というのは気筒２に吸入される気体のうちから前記の還流排気や燃料ガス等を除いた外気のことである。
【００７２】
本願発明の特徴は、上述の如くエンジン１を成層燃焼状態で運転するときに、燃焼室６におけるタンブル流を最大限に利用し、このタンブル流によって燃料噴霧の挙動を制御して、混合気の適切な成層化を図るようにしたことにある。すなわち、エンジン１が成層燃焼領域（イ）にあるときには、各気筒２の吸気行程で生成されるタンブル流を当該気筒２の圧縮行程後期まで保持させるとともに、このタンブル流に対し略正対する方向から適切な貫徹力でもって衝突するように、燃料を噴射させる。こうすることで、燃料噴霧はタンブル流により徐々に減速されながら点火プラグ１６側に移動し、その間に燃料液滴の気化霧化や空気との混合が促進されて、当該気筒２の点火時期において図１に斜線を入れて示すように可燃混合気となって、点火プラグ１６の電極付近に滞留するようになる。
【００７３】
言い換えると、インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力をタンブル流の流速に対応するように調節し、かつ気筒２の点火時期から逆算した所定のタイミングで該インジェクタ１８を作動させて、燃料を噴射させるようにしている。このようなインジェクタ１８の作動制御は上述の如くＥＣＵ５０により所定の制御プログラムに従って行われるものであり、従って、該ＥＣＵ５０は、前記インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力をタンブル流の流速に対応するように調節し、該燃料噴霧が前記タンブル流に対し逆行して、点火プラグ１６による点火時点で可燃混合気となって該点火プラグ１６の電極付近に滞留するように、気筒２の点火時期に対応づけて、前記インジェクタ１８により燃料を噴射させる燃料噴射制御手段に対応している。
【００７４】
具体的に、この実施形態では、1)ピストン５の冠面の形状、2)インジェクタ１８による燃料噴霧の方向及び噴霧拡がり角、並びに3)点火プラグ１６の電極の位置を互いに関連づけて最適に設定し、その上で、4)該インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力を、対向するタンブル流の流速に応じて調節することによって、前記の如き混合気の適切な成層化を実現したものである。以下、前記1)〜4)の特徴点についてそれぞれ具体的に説明する。
【００７５】
（ピストン冠面の形状）
まず、第１に、図７及び図８並びに前記図１及び図３にも示すように、ピストン５の冠面には気筒中心線ｚに沿って見たときに、インジェクタ１８による燃料の噴射方向（燃料噴霧の中心線の延びる方向）について長いレモン型の凹部５ａが形成されている。また、この凹部５ａの幅方向寸法は、前記図８に示すように、全体としてインジェクタ１８からの燃料噴霧（同図に斜線を入れて示す）を包含するような大きさとされている。
【００７６】
詳しくは、前記凹部５ａは、長さ方向の略中央部において最も広く、そこから両端部に向かって徐々に狭くなっていて、その開口幅ｗは、前記図８に示すように気筒中心線ｚに沿って見たときに、点火プラグ１６の電極付近において最大になっている。この部分の開口幅ｗは、図示の如くインジェクタ１８からの燃料噴霧が気筒中心線の近傍にまで到達したと仮定して、この燃料噴霧の幾何学的な噴霧エリアを含むように設定されており、この結果として、開口幅ｗは、燃焼室６の天井部における吸気ポート１０，１０の中心間距離ｘ以上になっている。つまり、凹部５ａの幅方向両側の側壁面は点火プラグ１６の電極から十分に離れており、このため、該側壁面によって火炎核の成長が阻害されたり、火炎の伝播性が低下したりすることはない。尚、前記燃料噴霧の幾何学的な噴霧エリアについては、後述する。
【００７７】
一方、前記凹部５ａの底面は、前記図７(b)に示すように気筒中心線ｚに直交する方向から見ると、略円弧状になっていて、その最深部が気筒中心線ｚに対応する位置、即ち気筒２の断面略中心部に位置し、凹部５ａの底面と燃焼室６の天井部との間の気筒中心線ｚ方向の距離は、該気筒中心線ｚに対応する位置において最大となっている。また、同図(c)に示すように、前記凹部５ａの幅方向両側の側壁面は前記底面から緩やかに立ち上がって上方に延びており、該側壁面の高さは、凹部５ａの長さ方向の略中央部において最も高くなっている。
【００７８】
さらに、前記凹部５ａを除いたピストン５冠面の外周側部分は、対向する燃焼室６天井部の傾斜面に略平行に沿うような形状とされていて、図３６に示すように、気筒２の圧縮上死点前の所定期間（例えば、BTDC４０°CA〜TDC）において該ピストン５冠面の外周側部分と燃焼室６の天井部（図に仮想線で示す）とにより挟まれる間隙が、凹部５ａに向かうスキッシュ流を生成するスキッシュエリアＳＡとなる。尚、前記燃焼室６の天井部というのは、吸気及び排気弁１２，１３が閉じられているときには、シリンダヘッド４の傾斜面に沿う吸気及び排気弁１２，１３の下面を含むものとする。
【００７９】
より詳しくは、前記図３６及び図７(a)にも示すように、前記ピストン５の冠面の外周側部分において、凹部５ａの長さ方向の略中央部に対応する部位、即ち点火プラグ１６の電極を凹部５ａの幅方向両側から挟む部位には、燃焼室６の天井部との間にスキッシュエリアＳＡを構成する中央スキッシュエリア部５ｂが形成されている。また、ピストン冠面の外周側部分において該中央スキッシュエリア部５ｂの吸気側（図の右側）及び排気側（図の左側）にそれぞれ連続するように、吸気側及び排気側スキッシュエリア部５ｃ，５ｄが設けられている。
【００８０】
そうして、前記のようなピストン５冠面の構造により、まず、このピストン５冠面に形成された凹部５ａに沿ってタンブル流がスムーズに流れるようになり、このことで、気筒２の吸気行程で生成されたタンブル流Ｔ（図３０参照）が当該気筒２の圧縮行程後期まであまり減衰せずに、確実に保持されるようになる。そして、前記図８に示すようにインジェクタ１８により燃料が噴射されると、凹部５ａの内壁面に沿って流れるタンブル流Ｔ，Ｔは、燃料噴霧の拡散を抑えながら該燃料噴霧を徐々に減速させて、可燃混合気層を燃焼室６の中央に滞留させる。
【００８１】
また、気筒２の圧縮行程後期から圧縮上死点近傍では、前記の如くピストン冠面の外周側部分と燃焼室６の天井部との間のスキッシュエリアＳＡから気筒中心線ｚに向かうように流れる強いスキッシュ流が生成される。すなわち、中央スキッシュエリア部５ｂを中心として、排気側及び吸気側に広がるスキッシュエリアＳＡから気筒中心に向かうようにスキッシュ流が生成され、このスキッシュ流によって混合気の拡散が抑制される。しかも、このスキッシュ流とタンブル流Ｔとが一体となって可燃混合気層を包み込むような流れ場を形成し、この流れ場によって、点火プラグの電極付近に着火性に優れた可燃混合気の塊が生成される。
【００８２】
つまり、この実施形態では、後述するインジェクタ１８からの燃料噴霧の特性（貫徹力と拡がり角との特性）を考慮して、点火プラグ１６の電極付近に滞留する燃料噴霧の拡散をスキッシュ流により抑えるべく、ピストン５冠面の適切な範囲にスキッシュエリア部を形成しつつ、一方では点火後の火炎面の伝播を凹部５ａの側壁面により阻害しないように、該凹部５ａの開口幅ｗを大き過ぎずかつ小さ過ぎない最適な寸法に設定している。
【００８３】
ここで、図３７及び図３８は、気筒２の点火時期近傍（例えば、BTDC２０°CA以降）における燃焼室６の流れ場をＣＦＤ（数値流体力学）の適用により解析したものであり、同図には前記スキッシュ流の効果が具体的に示されている。すなわち、同図において矢印の長さは流れの方向を表していて、強さを表すものではないが、前記の如く、全体として可燃混合気層を燃焼室６の中央部に包み込むような流れ場が見て取れる。詳しくは、前記図３７は、気筒中心線ｚに沿って見て、該気筒中心線ｚに直交しかつ点火プラグ１６の電極を含む気筒２の横断面における流れ場を表していて、同図によれば、インジェクタ１８からの燃料噴霧流、この噴霧流に励起された空気流、タンブル流及びスキッシュ流（流れの傾向を白抜きの矢印で図示する）が一体となって、気筒中心に混合気を滞留させるような流れ場を形成していることが分かる。
【００８４】
また、前記図３８は、インジェクタ１８の側から気筒中心を見て、該気筒中心線ｚを含む気筒２の縦断面における流れ場を表しており、図に白抜きの矢印で示すように、左右両側のスキッシュエリアＳＡから凹部５ａ内に向かう強いスキッシュ流が生成されることが分かる。この左右両側からのスキッシュ流は中央で衝突して燃焼室天井部から凹部５ａの底面側（図の下側）に向かい、反対に凹部５ａの底面から燃焼室天井部側（図の上側）に向かおうとする混合気の流れを減衰させている。
【００８５】
そして、そのような流れ場の作用により、後述の図１８(a)(b)にそれぞれ示すように、点火プラグ１６の電極付近に着火性に優れたコンパクトな可燃混合気の塊を形成させることができる。この可燃混合気層の形状は、同図(b)に示すようにインジェクタ１８側から見て、焼室６の天井部に近い側ですぼんだものとなり、後述の図１７(b)に示すものと比較した場合、特に凹部５ａの幅方向への燃料噴霧の拡散がスキッシュ流によって抑えられていることが分かる。このように、点火プラグ１６の電極付近に混合気を集めて、可燃混合気層における混合気濃度を適切なものとすることにより、エンジンの広い運転領域に亘って、混合気の安定した着火性及び良好な燃焼性が得られるのである。
【００８６】
（インジェクタの配置構成）
続いて、第２に、インジェクタ１８の配置や燃料噴霧の拡がり角について、図９〜図１８を参照しながら説明する。まず、図９に示すように、インジェクタ１８はその軸心（この実施形態では燃料噴霧の中心線Ｆに一致）が気筒中心線ｚに直交する仮想平面に対して略３０°の傾斜角度δをなすように配置されている。また、該インジェクタ１８による燃料噴霧の拡がり角θは一般的に燃焼室６の圧力状態によって変化するものであるが、この実施形態では、気筒２の圧縮行程における噴霧拡がり角θを、θ＝略２０°〜略６０°の範囲に収めるようにしている。
【００８７】
ここで、本明細書における燃料噴霧についての定義を図１０に基づいて説明する。同図(a)に示すように、インジェクタ１８の噴孔部Ａ点から２０ｍｍ下流の位置において、噴霧中心線Ｆの通る仮想平面と燃料噴霧の輪郭とが交差する２点Ｂ，Ｃを決定し、∠ＢＡＣをもって噴霧拡がり角θを定義する（θ＝∠ＢＡＣ）。また、同図(b)に示すように、噴霧中心線Ｆの通る仮想平面上において、燃料噴霧の先端側でいわゆる先走り噴霧（初期噴霧）を除いた主噴霧（燃料液滴のエリア）の最先端部をそれぞれＢ点、Ｃ点とし、インジェクタ１８の噴孔部Ａ点から前記Ｂ点までの噴霧中心線Ｆに沿った距離をＬ1とし、同じくＡ点からＣ点までの距離をＬ2として、それらの平均距離をもって噴霧貫徹力Ｌを定義する（Ｌ＝（Ｌ1＋Ｌ2）/２）。
【００８８】
前記の噴霧拡がり角θ及び噴霧貫徹力Ｌの実際の計測方法としては、例えばレーザシート法を用いればよい。すなわち、まず、インジェクタにより噴射させる流体として燃料性状相当のドライソルベントなる試料を用い、この試料の圧力を常温下において実際に使用される燃料圧力の範囲内の所定値（例えば７ＭＰａ）に設定する。また、雰囲気圧力としては、噴霧の撮影が可能なレーザ通過窓と計測用窓とを備えた圧力容器内を例えば０．２５ＭＰａに加圧する。そして、常温下において、１パルス当たりの噴射量が９mm^３/strokeになるように、インジェクタ１８に所定パルス幅の駆動パルス信号を入力して燃料を噴射させる。この際、燃料噴霧に対しその噴霧中心線を通るように厚さ５ｍｍのレーザシート光を照射しておいて、このレーザシート光面に対して直交する方向から高速度カメラにて噴霧画像を撮影する。そして、前記駆動パルス信号の入力時期から１．５６ミリ秒後の撮影画面に基づいて、前記の定義に従って噴霧の拡がり角θ及び貫徹力Ｌを決定する。
【００８９】
尚、前記撮影画像における噴霧の輪郭というのは、液滴状の試料粒子のエリアの輪郭であり、試料粒子のエリアはレーザシート光によって明るくなるため、撮影画像において輝度の変化している部分から噴霧の輪郭を割り出すようにしている。
【００９０】
そうして、前記したようなインジェクタ１８の配置構成により、即ち噴霧中心線Ｆの傾斜角度δと噴霧拡がり角θとをそれぞれ前記のように最適に設定することにより、この実施形態のエンジン１では、図１１に示す燃料噴射時点においてピストン５冠面の凹部５ａに沿って流れるタンブル流Ｔに対し、燃料噴霧をその中心部分（噴霧中心線Ｆを囲む所定範囲）が略正対するように効果的に衝突させることができるものである。
【００９１】
より具体的に、例えば、噴霧中心線Ｆの傾斜角度δを略２５°よりも小さくした場合（図１２に一点鎖線Ｆ1として示す）、インジェクタ１８からの燃料噴霧の多くが燃焼室６の天井部に沿って流れるタンブル流（タンブル順流Ｔｓ）によって、点火プラグ１６の側に輸送されるとともに、残りの燃料はピストン５冠面の凹部５ａに沿って流れるタンブル流（タンブル正流Ｔｍ）に衝突し、その後、該タンブル正流Ｔｍに乗って燃焼室６の天井部側に移動するようになる。この結果、図１３に一点鎖線で示すように、点火プラグ１６の電極付近の局所空燃比はタンブル流Ｔｓ，Ｔｍにより輸送される混合気の到着時に一時的に可燃範囲に入るものの、直ぐに過度のリッチ状態になり、さらに、極めて短時間で可燃範囲よりもリーンな状態に戻ってしまう。つまり、点火プラグ１６の電極付近の局所空燃比は激しく変動するようになる。
【００９２】
一方、前記図１２において二点鎖線Ｆ2によって示すように、噴霧中心線Ｆの傾斜角度δを略４０°よりも大きくした場合、同図に破線で示すように、インジェクタ１８からの燃料噴霧の多くがピストン５の冠面に衝突して、ここに付着してしまうので、前記図１３に二点鎖線で示すように、点火プラグ１６の電極付近の局所空燃比は可燃範囲に入ることがなく、点火不能に陥ってしまう。このようなピストン５冠面への燃料付着量と噴霧中心線Ｆの傾斜角度δ、即ちインジェクタ１８の設置角との間には、例えば図１４に示すような関係があり、同図によれば、インジェクタ１８の設置角が４０°を超えると、燃料の付着量が急激に増大することが分かる。
【００９３】
要するに、混合気の濃度状態を安定的に可燃範囲に保つためには噴霧中心線Ｆの傾斜角度δを、δ＝略２５〜略４０°の範囲の値とするのが好ましいということができる。例えば、この実施形態のようにインジェクタ１８による燃料噴霧中心線Ｆの傾斜角度δが略３０°であれば、該インジェクタ１８からの燃料噴霧はタンブル流Ｔに対して略正対して効果的に衝突するようになるので、該タンブル流Ｔによって燃料噴霧の移動速度を精度良く調節することができ、これにより、混合気を点火プラグ１６の電極付近に安定的に滞留させることができる。すなわち、前記図１３に実線で示すように、点火プラグ１６の電極付近の局所空燃比は相対的に長い間、可燃範囲内に留まるようになり、着火安定性は極めて高くなる。しかも、このことにより点火時期制御の自由度が向上し（例えば、成層燃焼運転時に気筒２の圧縮上死点前(BTDC)４０°〜圧縮上死点(TDC)までの範囲に設定可能）、これにより、さらなる燃費改善も可能になる。尚、前記図１３のグラフは、いずれも燃料噴霧の拡がり角θを、θ＝略４５°として試験を行ったものである。
【００９４】
続いて、前記インジェクタ１８による燃料噴霧の拡がり角θについて検討すると、この噴霧拡がり角θが大きくなれば自ずと燃料噴霧が拡散して、混合気が希薄化しやすくなる一方、噴霧拡がり角θが小さ過ぎると、燃料液滴の気化霧化や空気との混合が十分に行われなくなって、点火プラグ１６の電極付近の混合気が過度にリッチな状態になる虞れがある。具体的に図１６〜図１８は、噴霧拡がり角θを略２０°又は略６０°として点火プラグ１６の電極付近における可燃混合気層の状態を観察した結果を示し、各図(a)は気筒中心線ｚに沿って燃焼室６の天井部側から見たものであり、また、各図(b)は、気筒中心線ｚに直交する方向のインジェクタ１８側から見たものである。尚、各図において気筒外周側の黒い部分の空燃比Ａ/Ｆは、Ａ/Ｆ≧６０である。
【００９５】
前記図１６及び図１７は、この実施形態とは異なり、冠面全体に球面状の凹部を形成したピストン（図３３参照）を用いて試験を行った結果を示すもので、この試験結果によれば、噴霧拡がり角θ＝略２０°のときには、気筒の点火時点において混合気が点火プラグの電極（図に＋印で示す）付近に適切に成層化されているが、θ＝略６０°のときには混合気は大きく拡がってしまい、点火プラグ電極付近の局所空燃比の低下によって着火安定性が損なわれる虞れがある。
【００９６】
一方、この実施形態のようにピストン冠面にレモン型の凹部を設け、また、この凹部を除いた冠面外周側にスキッシュエリア部を設けた試験結果によれば、前記図１８に示すように噴霧拡がり角θをθ＝略６０°としても、混合気の拡散が抑えられ、図１６に示すθ＝略２０°のときと同様に混合気が適切に成層化されることが分かる。これは、上述したが、ピストン冠面のレモン型凹部によってタンブル流の向きが燃料噴霧に向かうように導かれ、このタンブル流との衝突によって燃料噴霧の進行方向への拡散が抑えられるとともに、ピストン冠面と燃焼室天井部との間のスキッシュエリアから凹部内へ向かうスキッシュ流によって、特に該凹部の幅方向への燃料噴霧の拡散が抑えられたことによると考えられる。
【００９７】
しかも、前記図１８(b)によれば、可燃混合気層はスキッシュ流の作用によって燃焼室天井部側（図の上側）に近づくほど、すぼんだ形状とされ、その輪郭が凹部の側壁面から離間している。このため、該側壁面への燃料の付着が防止され、燃費悪化や排気中の未燃ＨＣの増大が抑制される。
【００９８】
以上より、図１５に示すように、この実施形態においてはインジェクタ１８からの燃料噴霧の拡がり角θをθ＝略２０°〜略６０°の範囲に設定することで、点火プラグ１６の電極付近の局所空燃比を安定的に可燃範囲内の値とすることができるものである。尚、前記したように噴霧拡がり角θは燃焼室６の圧力状態によっても変化するものであるが、この実施形態のエンジン１においては、成層燃焼運転時の噴霧拡がり角θをθ＝略４０°〜略４５°の範囲の値とすることがより好ましい。
【００９９】
（点火プラグの電極位置）
上述の如く、この実施形態ではインジェクタ１８による燃料噴霧の挙動を主にタンブル流Ｔにより制御して、燃焼室６の中央に適度な濃度状態の可燃混合気を滞留させることができるものである。そして、そのように滞留する混合気に対し確実に点火するために、前記図９及び図１９にも示すように、点火プラグ１６はその電極が気筒中心線ｚに沿って燃焼室６の天井部から突出するように配置されている。すなわち、点火プラグ１６の電極は、両図に示すように気筒中心線ｚに直交する方向から見たとき、インジェクタ１８からの燃料噴霧中心線Ｆよりも上方（燃焼室６の天井部に近い方）に位置している。言い換えると、前記噴霧中心線Ｆに沿って見て、点火プラグ１６の電極は、該噴霧中心線Ｆに対しピストン５の冠面よりも燃焼室６の天井部に近い側に位置している。
【０１００】
また、前記点火プラグ１６の電極は、インジェクタ１８により燃料を斜め下方のピストン５冠面側に噴射させるこの実施形態においては、該インジェクタ１８の噴孔よりも下方（気筒中心線ｚの延びる方向についてピストン５の冠面に近い方）に位置している。そして、前記したように点火プラグ１６の電極が燃焼室６の天井部から離れていることで、火炎の伝播性がさらに良好なものになり、このことによっても燃焼状態の改善が図られる。
【０１０１】
具体的には、図１９に示す気筒２の点火時期（例えば、エンジン１が所定の低負荷運転状態にあって、点火時期がBTDC３０°CAのとき）において、燃焼室６の天井部からピストン５の冠面までの気筒中心線ｚ上の距離をｄとしたとき、即ち、燃焼室６の天井部の略最上位置からピストン５の凹部５ａの最深部までの距離をｄとしたときに、該燃焼室６天井部の最上位置から点火プラグ１６の電極までの気筒中心線ｚ上の距離ｅ（突出量）は、略１/３ｄ〜略２/３ｄの範囲の値に設定されている。このことで、当該気筒２の圧縮行程においてピストン５の冠面に沿って流れるタンブル流をタンブル正流Ｔｍとし、一方、燃焼室６の天井部に沿って流れるタンブル流をタンブル順流Ｔｓとしたときに、インジェクタ１８による燃料の噴射開始の後で、その噴射燃料との衝突によってタンブル正流Ｔｍの流速が大きく減衰する当該気筒の点火時期までの時点において、点火プラグ１６の電極が該タンブル正流Ｔｍとタンブル順流Ｔｓとの間に位置している。
【０１０２】
そして、その後の点火時点においてはタンブル正流Ｔｍが著しく減衰していることもあって、点火プラグ１６の電極はタンブル正流Ｔｍ及びタンブル順流Ｔｓのいずれの流れの影響も受け難い状態になる。つまり、点火プラグ１６の電極はタンブル順流Ｔｓの主流の生成域から離れていて、気筒２の燃料噴射時期以降でかつ点火時期以前の期間、タンブル流Ｔの渦の中心側に位置し、該点火時期において混合気の滞留し易い状態に保たれている。
【０１０３】
また、点火プラグ１６の電極はインジェクタ１８からの燃料噴霧の幾何学的な噴霧エリアの噴霧中心線Ｆに対し上方（噴霧エリア外も含む）に位置している（図９参照）。ここで、幾何学的な噴霧エリアというのは、燃焼室６におけるタンブルやスワールの影響が仮に無いとした場合の燃料噴霧の液滴のエリアのことであり、上述したレーザシート法により撮影した画像に基づいて、決定されるものである。そして、前記したように点火プラグ１６の電極を燃料噴霧の幾何学的な噴霧エリアの噴霧中心線Ｆに対し上方に配置させることによって、インジェクタ１８からの初期噴霧に含まれる粗大な燃料液滴が点火プラグ１６の電極に付着することを回避して、該点火プラグ１６のくすぶりを未然に防止することができる。
【０１０４】
図２０は、前記点火プラグ１６の電極の突出量ｅを変化させながら、その電極の位置で気筒２のBTDC５５°CA近傍における燃料噴射直前のタンブル流Ｔの流速を測定したものである。同図によれば、タンブル流Ｔの流速は、突出量ｅがｅ＝１/２ｄ近傍で最小となり、突出量ｅがそれよりも小さくても或いは大きくても、該突出量ｅの変化とともにタンブル流Ｔの流速が徐々に大きくなっている。このことは、BTDC５５°CA近傍では、突出量ｅ＝１/２ｄの付近において、点火プラグ１６の電極がタンブル流Ｔの渦の中心付近に位置することを意味している。
【０１０５】
また、図２１は、そのように点火プラグ１６の電極の突出量ｅを変化させたときのエンジン１の図示平均有効圧力（Ｐｉ）の変動率（燃焼変動の大きさを表す指標）の変化を示したものである。同図によれば、このＰｉ変動率は突出量ｅ＜０．２ｄのときに所定の基準ライン（例えば５％くらい）を超えてしまい、この状態では点火プラグ１６の電極付近の局所空燃比がリーンになっていて、燃焼性が低下していることが分かる。一方、突出量ｅ≧０．２ｄであれば、該突出量ｅが大きいほど、点火プラグ１６の電極はピストン５の冠面に近づくことになり、該電極付近の局所空燃比がリッチになるので、燃焼変動率は小さくなる。しかしながら、このように突出量ｅを０．５ｄを超えて大きくしていくと、今度は点火プラグ１６の電極が燃料噴霧の幾何学的な噴霧エリア内の噴霧中心線Ｆに接して、初期噴霧の粗大な燃料液滴の付着による不具合の発生する虞れがある。
【０１０６】
要するに、点火プラグ１６の電極の突出量ｅには、混合気の滞留し易さ、該混合気への着火性、粗大な燃料液滴の付着の防止等の点から見て、最適な範囲があり、この範囲は、前記図２１に示すBTDC５５°CA近傍においては同図に矢印で示すように、ｅ＝略０．２ｄ〜略０．５ｄの範囲となる。
【０１０７】
ここで、一般に、気筒２の圧縮行程において燃焼室６の天井部からピストン５の冠面までの気筒中心線ｚ上の距離ｄは、ピストン５の上昇とともに幾何学的に小さくなるので、点火プラグ１６電極の突出量ｅが一定であるとすれば、それらの割合ｅ/ｄは図２２に示すように変化する。そこで、この実施形態では前記の突出量の割合ｅ/ｄの値が同図に示す２つのグラフの間に挟まれた領域の値となるように、突出量ｅの値を設定している。同図によれば、例えば、成層燃焼領域において最も進角側の噴射開始時期（クランク角位置）であるBTDC１４０°CAでは、ｅ/ｄ＝略１０％〜略２０％である。
【０１０８】
また、成層燃焼領域の比較的低回転域における噴射開始時期（クランク角位置）であるBTDC５５°CAでは、ｅ/ｄ＝略２０％〜略５０％である。さらに、略アイドル域の噴射開始時期（クランク角位置）であるBTDC４０°CAでは、ｅ/ｄ＝略２５％〜略６０％であり、また、気筒２の圧縮上死点(TDC)においては、点火プラグ電極の突出割合ｅ/ｄは、ｅ/ｄ＝略４０％〜略９５％になっている。尚、この実施形態における成層燃焼領域での各気筒２の点火時期は、略BTDC４０°CA〜略TDCの範囲に設定されている。
【０１０９】
（タンブル流速及び噴霧貫徹力の調節）
最後に、この実施形態では、インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力を、タンブル流の流速に応じて調節することで、エンジン１の運転状態が変化しても安定した混合気形成が行えるようにしている。以下、この点について詳細に説明する。
【０１１０】
まず、図２３は、インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力をタンブル流の流速に対応するように調節して、気筒２の点火時期近傍における燃焼室６の流れ場をＣＦＤ（数値流体力学）の適用により解析したものである。同図に太い矢印で示すように、タンブル流及び噴霧流は図の左右両側からそれぞれピストン冠面に沿って中央側に向かうように流れていて、それらの衝突地点Ａは、図に＋印で表す点火プラグの電極の近傍になっている。これにより、例えば図２４(a)に示すように、当該気筒２の点火時期近傍において適切な濃度状態の可燃混合気塊を点火プラグ１６の電極（図に＋印で示す）付近に滞留させることが可能になる。
【０１１１】
ここで、一般に、燃焼室におけるタンブル流の流速はエンジンの回転速度（クランク軸７の回転速度）に応じて変化するものなので、広い運転領域に亘って混合気を適切に成層化させようとすれば、インジェクタによる燃料噴霧の貫徹力をエンジンの運転状態に応じて調節する必要があり、このために、例えばインジェクタによる燃料噴射圧力を変更調節することが考えられる。この際、例えばエンジンのアイドル運転時等にはタンブル流の流速が低くなり過ぎるので、これに対応するように燃料の噴射圧を下げようとすると、燃料の微粒化特性等が低下する虞れがある。反対に、例えばエンジンの中高回転域においてタンブル流の流速が所定の上限値を超えたときには、これに対応するように燃料の噴射圧を高めると、該燃料噴霧とタンブル流との衝突が激しくなり過ぎるという不具合がある。この場合には、混合気は点火プラグ１６の電極付近に滞留するものの、例えば図２４(b)に示すように大きく拡がって、成層度が低下してしまい、該混合気への着火安定性が損なわれる虞れがある。
【０１１２】
これに対し、この実施形態では主にエンジン１の回転速度の変化に応じて、各気筒２の吸気ポート１０に配設した吸気流動調節弁３４（図３参照）の開度を調節し、燃焼室６におけるタンブル流Ｔの流速を変更するとともに、これに対応するようにインジェクタ１８による燃料の噴射圧力も調節することで、成層燃焼領域（イ）（図６参照）の全てにおいて、混合気の適切な成層化を実現したものである。
【０１１３】
具体的には図２５(a)に示すように、エンジン１が成層燃焼領域にありかつその回転速度が第１設定値ne1（例えば２５００ｒｐｍ）以下のときには、吸気流動調節弁３４を全閉状態とする。こうすることで、該吸気流動調節弁３４が開いている状態（同図に仮想線で示す）に比べてタンブル流の流速が高められる。次に、エンジン回転速度が該第１設定値ne1を超えて、タンブル流の流速が所定の上限値に達すれば、エンジン回転速度が高くなってもタンブル流Ｔの流速がそれ以上は大きくならないように、吸気流動調節弁３４をエンジン回転速度の増大に応じて徐々に開作動させる。そして、エンジン回転速度が第２設定値ne2（例えば３５００ｒｐｍ）を超えて、エンジン１が均一燃焼領域に移行すれば、それ以降は吸気流動調節弁３４を全開状態として、吸入空気量を確保するようにしている。
【０１１４】
このような吸気流動調節弁３４の作動制御はＥＣＵ５０により所定の制御プログラムに従って行われるものであり、従って、該ＥＣＵ５０は、エンジン１の回転速度が設定値以上になったとき、該回転速度の上昇に対応するタンブル流速の増大を抑えるように前記吸気流動調節弁３４を作動させるタンブル流速制御手段に対応している。
【０１１５】
そして、前記のようなタンブル流速の変化に対応するように、インジェクタ１８による燃料噴射圧力を変更して、同図(b)に示すように燃料噴霧の貫徹力を変化させるようにしている。すなわち、エンジン１が成層燃焼領域にありかつその回転速度が前記第１設定値ne1以下のときには、該回転速度の上昇に応じて燃料噴霧の貫徹力を高める。一方、エンジン回転速度が前記第１設定値ne1を超えてから第２設定値ne2になるまでは、燃料噴霧の貫徹力は略一定に維持する。さらに、回転速度が第２設定値ne2を超えて、エンジン１が均一燃焼領域に移行すれば、それ以降は燃料の噴射量と噴射可能な時間間隔とのバランスに応じて燃料噴射圧力を決定するようにしている。
【０１１６】
このような噴霧貫徹力の調節は、ＥＣＵ５０により所定の制御プログラムに従って燃料供給系２０の高圧レギュレータ２７が作動されることで、インジェクタ１８へ供給される燃料圧力（燃圧）が変更されることによる。この燃料圧力と噴霧貫徹力との間には図２６に示すような相関関係があるので、実際の制御手順としては同図の関係を考慮した上で、エンジン回転速度と噴霧貫徹力との関係が前記図２５(b)に示すものになるように、燃料噴射圧力を調節することになる。従って、前記ＥＣＵ５０は、インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力をエンジン回転速度が設定値になるまでは該回転速度の上昇に応じて増大させる一方、エンジン回転速度が前記設定値以上になれば貫徹力の増大を抑制するという燃料噴射制御手段の構成にも対応している。
【０１１７】
尚、変形例として、タンブル流速及び噴霧貫徹力の調節は例えば図２７に示すようにしてもよい。すなわち、エンジン１の回転速度が第２設定値ne2以下の間、吸気流動調節弁３４をエンジン回転速度の増大に応じて徐々に開作動させることにより、同図(a)に示すように、タンブル流Ｔの流速を上限値以下の範囲で徐々に高めるようにし、これに対応して、同図(b)に示すように、燃料噴霧の貫徹力をエンジン回転速度に応じて徐々に高めるようにすればよい。
【０１１８】
また、２番目の変形例として、例えば、エンジン１が成層燃焼領域（イ）にあるときには吸気流動調節弁３４を全閉状態に維持し、燃料噴射圧力のみを制御するようにしてもよい。このようにすれば、例えば図３９(a)に示すように、エンジン１の回転速度が第２設定値ne2以下の間、このエンジン回転速度の上昇とともにタンブル流Ｔの流速が徐々に大きくなり、その後、エンジン回転速度が第２設定値ne2を超えると、吸気流動調節弁３４が開かれて一旦、タンブル流速が落ちた後に、再び増大するようになる。そして、そのようなタンブル流速の変化に対応するように、インジェクタ１８による燃料噴射圧力を調整することで、同図(b)に示すように燃料噴霧の貫徹力が変化する。
【０１１９】
このように、吸気流動調節弁３４は動かさずに、燃料噴射圧力だけを調整するようにした場合、この燃料噴射圧力の調整が応答性に優れるものであることから、例えば過渡状態のようにエンジン１の運転状態が急速に変化するときであっても、その変化に対し遅れずに追従することができ、このことで、定常状態は勿論、過渡状態であってもエンジン１の燃焼性を極めて良好なものとすることができる。また、このような制御は、燃焼室６や吸気系の構造によって、図示の如く回転速度が増大してもこれに伴うタンブル流速の増大が相対的に小さいようなエンジンにおいて特に好適なものである。
【０１２０】
さて、前記したように、この実施形態の直噴エンジン１においては点火プラグ１６の電極付近で対流する混合気が大きく拡散して希薄化することのないように、吸気流動調節弁３４の開度を制御して、燃焼室６におけるタンブル流Ｔの流速が上限値を超えないように調節するようにしているが、このことは、エンジン１の成層燃焼領域において燃焼室６のタンブル比が所定範囲の値になるということを意味する。すなわち、この実施形態では燃焼室６のタンブル比が略１．１〜略２．３の範囲の値になるように、前記タンブル流速の上限値を設定し、これに対応するようにエンジン１の回転速度ne1を設定しているということができる。ここで、タンブル比というのは、気筒内燃焼室におけるタンブル流の強さの目安となるもので、具体的には、気筒内の吸気流動の縦方向角速度を吸気弁のバルブリフト毎に測定して積分し、その上で該積分値をエンジン角速度で除した値として定義される。従って、タンブル比が一定であれば、エンジン回転速度が大きいほど気筒内のタンブル流の流速も大きくなる。
【０１２１】
また、前記吸気流動縦方向角速度の計測は、例えば図２８に示すような構成の装置８０によって行われる。すなわち、同図において符号４はエンジンのシリンダヘッドを示し、このシリンダヘッド４はリグ装置８０に横向きに設置されていて、所定気筒の吸気ポート１０，１０の上流端に、吸気供給通路８１により測定のための吸気を供給するが吸気供給装置８２が接続されている。一方、該吸気ポート１０，１０の下流端は接続管８３によって測定用チューブ８４の略中央部に接続されている。前記吸気供給装置８２はブロワ８５から供給される空気を、前記吸気ポート１０，１０と測定用チューブ８４との差圧がスロットル全開時の大気圧に近い状態になるように調節しながら、該吸気ポート１０，１０に送給するものである。
【０１２２】
さらに、前記測定用チューブ８４は、直径が例えば気筒の直径と同じで長さがその約１０倍の円筒からなり、図の上側の端部にはハニカム状のロータ８６を備えたインパルスメータ８７が接続される一方、図の下側の端部には、前記ロータ８６と同じ回転抵抗を有するダミーロータ８８が接続されている。尚、前記測定用チューブ８４の長さをその直径の約１０倍としているのは、測定の精度及び安定性を確保するためであり、同様の理由で、前記接続管８３はその長さｈが短く（例えば２ｃｍくらい）かつ直径が気筒の直径と同じにされている。
【０１２３】
そうして、前記吸気供給通路８１によりブロワ８５からの空気が吸気ポート１０，１０に送給されると、この吸気流は吸気ポート１０，１０を通って測定用チューブ８３の内部に流入し、周方向に旋回する旋回流となって該測定用チューブ８４の両端側に移動し、この旋回流によりロータ８６に回転力が加えられる。この回転力がインパルスメータ８７のトルクアーム８９を介して測定され、この測定値に基づいて吸気流縦方向角速度が求められる。
【０１２４】
ところで、一般的にインジェクタ１８からの燃料噴霧の貫徹力は、エンジン１の燃焼室６の温度状態によって変化するものであるが、この燃焼室６の温度状態は、そのときのエンジン１の負荷状態や回転速度に対応して異なるものであり、また、エンジン１の暖機状態や排気還流（ＥＧＲ）の有無等によっても変化するものである。一例を挙げれば、エンジン暖機後には暖機完了前に比べて燃焼室６に吸入される吸気の温度状態が高くなり、燃焼温度も上昇して、燃焼室６の温度状態は高くなる。さらには燃焼温度の上昇によって排気温度も高くなるので、ＥＧＲ通路４３による排気の還流時には該高温の排気の影響によって吸気温度が高められることになる。その結果、例えば図２９(a)に実線で示すように、燃焼室６の温度状態が高くなると、燃料の気化が促進されて、同図に破線で示すように噴霧貫徹力が低下する傾向がある。
【０１２５】
これに対し、上述の如き混合気の適切な成層化のためには、タンブル流の強さと燃料噴霧の貫徹力とを均衡させることが極めて重要であるから、この実施形態では、インジェクタ１８による燃料の噴射圧力を燃料噴射量やエンジン回転速度に応じて設定した上で、さらに、前記のような燃焼室６の温度状態に応じて補正するようにしている。具体的には、前記図２９(b)に実線で示すように、燃料の噴射圧力（燃圧）は、エンジン１の負荷状態や回転速度、エンジン水温、ＥＧＲ弁４４による排気還流の有無等に基づいて、該エンジン１の温度状態が高いと推定されるときほど、燃料噴射圧力も高くなるように補正され、これにより、同図に破線で示すように噴霧貫徹力が増大する。つまり、気筒２内燃焼室６の温度状態が上昇して噴霧貫徹力が低下しても、その分、噴射圧力を高めて噴霧貫徹力を一定に保つことにより、点火プラグ１６の電極付近の混合気の濃度状態が変動することを抑制できるようになっている。
【０１２６】
（作用効果）
次に、本願発明の火花点火式直噴エンジン１の成層燃焼時の動作及び作用効果について説明する。
【０１２７】
このエンジン１が成層燃焼領域（イ）にあるときには、図３０に示す気筒２の吸気行程においてピストン５が上死点位置から下降すると、開状態の吸気弁１２の傘部と吸気ポート１０の開口端との間隙から吸気が燃焼室６へ流入し、同図に矢印で示すようにタンブル流Ｔが生成される。詳しくは、ピストン５の下降によって燃焼室６へ吸い込まれる吸気は、主に吸気ポート１０の開口端の点火プラグ１６寄りの部位から燃焼室６へ流れ込む。そして、ピストン５のさらなる下降に伴い、排気側（図の左側）の気筒内周面に沿うように下方に向かい、その後、ピストン５の冠面に沿って吸気側（図の右側）へ曲げられて、そこからさらに上方に向かって流れて、燃焼室６の全体に亘って大きく縦方向に旋回するタンブル流Ｔとなる。
【０１２８】
続いて、当該気筒２が圧縮行程に移行して、ピストン５が下死点位置から上昇すると、このピストン５の上昇に伴う燃焼室６容積の減少により、タンブル流Ｔは潰されてコンパクトになり、その流速は徐々に低下するものの、タンブル流Ｔは崩壊することはなく、当該気筒２の圧縮行程中期以降まで保持されるようになる。また、当該気筒２の圧縮行程中期以降においても、ペントルーフ型の燃焼室６天井部とピストン５冠面の凹部５ａとの間に適切な形状の燃焼室空間が残されているため、該燃焼室６におけるタンブル流Ｔの保存性が向上している。このとき、ピストン５の冠面に沿って排気側から吸気側（図の左側から右側）に流れるタンブル流Ｔ（タンブル正流）はインジェクタ１８の噴孔の付近で折り返し、今度は燃焼室６の天井部に沿って吸気側から排気側へ流れるようになるが、特に前記タンブル正流Ｔは、ピストン５冠面の凹部５ａにより案内されて、インジェクタ１８の噴孔に向かうように流れることになる。
【０１２９】
このため、前記図１１に示すように、インジェクタ１８により燃料が噴射されると、この燃料噴霧の大部分は、ピストン５冠面の凹部５ａに沿って流れるタンブル流Ｔの流れの強いところに略正対するように衝突することになる。これにより、燃料液滴の気化霧化や周囲の空気との混合が促進されるとともに、該燃料噴霧はタンブル流Ｔを押し退けるように進みながら、徐々に減速されて、図１に示す当該気筒２の点火時期において適切な濃度状態の可燃混合気層を形成し、この可燃混合気層が燃焼室６中央の点火プラグ１６の電極周りに滞留するようになる。しかも、前記凹部５ａの外方から気筒中心に向かうように流れるスキッシュ流が前記可燃混合気の拡散を抑制して、点火プラグ１６の電極周りの滞留精度を高める。そして、この状態で該点火プラグ１６に通電されることよって前記可燃混合気層に着火されて、良好な成層燃焼が行われる。
【０１３０】
つまり、気筒２の圧縮行程においてタンブル流Ｔをピストン５冠面の凹部５ａにより案内して、燃焼室６の中央部からインジェクタ１８の噴孔に向かうように流すとともに、このタンブル流Ｔに対し燃料噴霧を適切な方向からかつ適切な貫徹力及び拡がり状態でもって効果的に衝突させることにより、燃焼室６の中央に混合気を適切に成層化しかつ滞留させることができるものである。
【０１３１】
その際、吸気ポート１０に設けられた吸気流動調節弁３４の開度がエンジン１の運転状態に応じて制御されて、タンブル流Ｔの流速が最適な範囲に収まるように調節されるとともに、同様にインジェクタ１８からの燃料噴射圧力が制御されて、燃料噴霧の貫徹力が前記タンブル流Ｔの流速に見合った最適な範囲に収まるように調節される。このことで、エンジン１の運転状態が成層燃焼領域（イ）においてアイドル領域から中負荷中回転領域まで変化しても、その運転状態の変化にかかわらず、タンブル流の強さと燃料噴霧の貫徹力とがそれぞれ強過ぎずかつ弱過ぎない最適な範囲で均衡し、よって、前記の如く燃焼室６の中央に最適な濃度状態の可燃混合気を滞留させることができる。
【０１３２】
したがって、この実施形態に係る火花点火式直噴エンジン１によると、成層燃焼領域（イ）の全域に亘って、気筒２の燃焼室６におけるタンブル流Ｔ等により燃料噴霧の挙動を適切に制御して、運転状態の変化に依らず混合気の最適な成層化を達成し、これによる良好な成層燃焼の実現によって燃費及び出力を改善することができる。しかも、そのような混合気の形成方法により、従来よりも高負荷ないし高回転域まで良好な成層燃焼状態を実現することが可能になるので、成層燃焼領域の拡大によって、エンジン１の運転領域全体として、一層高い燃費改善効果を得ることができる。
【０１３３】
その上さらに、前記したように、気筒２の点火時期に点火プラグ１６の電極付近に適度な濃度状態の混合気を滞留させることができるので、該混合気に安定して着火可能な期間が極めて長くなり、気筒２の点火時期制御の自由度が高まることによっても、燃費及び出力の改善が図られる。
【０１３４】
また、従来例（特開平１１−１４１３３８号）の如く、インジェクタ１８に対向するキャビティ内壁面が点火プラグの電極の付近に位置して、燃焼初期の火炎核の成長を阻害したり、火炎の伝播性を低下させたりすることがなく、加えて、ピストン冠面への燃料の付着も低減できるので、このことによっても、燃費及び出力をさらに高めることができるとともに、排気中の未燃ＨＣの濃度を低減することができる。
【０１３５】
具体的に、図３１及び図３２は、この実施形態の火花点火式直噴エンジン１の燃費改善及び排気清浄化の効果を前記従来例の如き直噴エンジンと対比して示したものである。すなわち、図３１は、エンジン１の低回転運転時（例えば１５００ｒｐｍ）におけるエンジンの燃費改善率、燃費率及びＨＣ排出率を、それぞれ、吸気ポートに燃料を噴射するようにしたいわゆるポート噴射式のエンジンを基準として示したものである。同図に実線で示すように、本願発明の直噴エンジン１では、低回転域においても、同図に破線で示す従来型の直噴エンジンに対し燃費が改善しており、しかも、未燃ＨＣの排出を大幅に低減できることが分かる。これは、ピストンの冠面に対する燃料の付着量を低減できることによると考えられる。
【０１３６】
また、図３２は、エンジン１の中回転運転時（例えば２５００ｒｐｍ）における同様の試験結果を示し、同図に実線で示す本願発明のものでは特に高負荷側において燃費の改善効果や未燃ＨＣの排出低減効果の大きいことが見て取れる。これは、従来型の直噴エンジンでは燃料噴霧をピストンのキャビティ内に捉えきれないような運転領域においても、本願発明の直噴エンジン１では、混合気を点火プラグの電極周りに適切に成層化して、良好な成層燃焼を実現できるからである。
【０１３７】
（実施形態２）
図３３は、本願発明の実施形態２に係る火花点火式直噴エンジン１のピストン５を示す。同図から明らかなように、この実施形態２のものはピストン５の冠面に、実施形態１のようなレモン型の凹部５ａに代えて、該ピストン５の冠面全体に亘るような球面形状の凹部５ａを設けたものである。尚、この実施形態２のエンジン１の構成は、前記凹部５ａの形状以外は前記実施形態１のものと同様なので、以下、同一部材には同一の符号を付してその説明は省略する。
【０１３８】
同図(a)，(b)にそれぞれ示すように、ピストン５の冠面における吸気側（両図の右側）には、インジェクタ１８からの燃料噴霧との干渉を避けるために、球面状の凹部５ａに繋がるように相対的に小さく浅い凹部５ｅが形成されている。また、それら２つの凹部５ａ，５ｅを合わせた容積は、気筒２の圧縮比に基づいて決定されている。尚、同図(a)の如く気筒中心線に沿って見たときに、凹部５ａは図の上下方向に長く見えるが、これは、ピストン５冠面の全体的な形状が前記実施形態１のものと同じく、エンジン１の燃焼室６の天井部に対応する形状とされているからである。
【０１３９】
そして、そのような凹部５ａの形状により、実施形態２のエンジン１では、インジェクタ１８からの燃料噴霧が噴霧中心線Ｆに沿って見て左右両側に拡がりやすいという傾向がある。すなわち、前記実施形態１のものでは、レモン型の凹部５ａの側壁面によりタンブル流Ｔを燃料噴霧に衝突するよう案内するとともに、該凹部５ａの外方からのスキッシュ流により燃料噴霧の拡散を抑えるようにしており、このことで、燃料噴霧の拡がり角θをθ＝略６０°とやや大きめにしても、前記図１８に示されるように混合気は適切に成層化される。一方、この実施形態２ではそのようなスキッシュ流の作用が弱まるので、混合気を適切に成層化するために、前記実施形態１に比べてインジェクタ１８による燃料噴霧の拡がり角θを相対的に小さく設定している。このようにすれば、前記図１６に示すように、燃焼室６の中央に適切な濃度状態の可燃混合気を滞留させることができる。
【０１４０】
すなわち、この実施形態ではインジェクタ１８による燃料噴霧の拡がり角θが、例えばθ＝略２０°〜略５０°の範囲の値になるように、該インジェクタ１８の可変機構により燃料噴霧の拡がり角θを調節する。この場合、前記図４に示すように、噴霧拡がり角θを小さくするほど噴霧貫徹力が大きくなるという傾向があるので、その分、燃料噴射圧力を下げて、噴霧貫徹力の変化を相殺するようにすればよい。また、例えば特開平９−１３３０６１号公報に開示される公知のインジェクタのように、燃料の噴射特性と噴霧の拡がり角とをそれぞれ変更できるようにしたものを用いてもよく、或いは、圧縮空気により燃料噴霧の貫徹力や噴霧拡がり角を調節可能なエアアシストタイプのインジェクタを用いてもよい。このようにすれば、インジェクタからの燃料噴霧の拡がり角θを適切なものとしながら、燃料噴射圧力や噴霧貫徹力もそれぞれ最適化することができる。
【０１４１】
したがって、この実施形態２によれば、前記実施形態１と同様にエンジン１の広い運転領域に亘って混合気の最適な成層化が図られ、燃焼性の改善によって燃費及び出力性能の向上が図られるとともに、排気のさらなる清浄化も達成され、その上さらに、前記したピストン５の凹部５ａの形状によって燃焼室６のＳ/Ｖ比（サーフェースボリューム比）が小さくなることや、気筒中心線ｚに沿って見て上下左右のあらゆる方向について火炎の伝播が均等になるといった理由により、燃費及び出力のさらなる改善が図られる。
【０１４２】
（実施形態３）
図４０は、本願発明の実施形態３に係る火花点火式直噴エンジン１のピストン５を示す。この実施形態３のエンジンは、ピストン５と気筒２内周壁との摺動抵抗を減少させるために、実施形態１のものよりも圧縮高さｈ（ピストン５のピン穴中心から冠面の頂部までの高さ）を低くするとともに、該ピストン５冠面の凹部５ａの底面を燃焼室６の吸気側に傾斜した形状としたものである。尚、それ以外のエンジン１の構成は前記実施形態１，２のものと同様なので、以下、同一部材には同一の符号を付してその説明は省略する。
【０１４３】
具体的に、この実施形態３のピストン５の冠面には、図４０(a)に示すように気筒中心線ｚに沿って見て、前記実施形態１のものと同様のレモン型の凹部５ａが形成されている。この凹部５ａの底面は、同図(b)に示すように、図の右側である吸気側において反対側の排気側よりも深くなるように傾斜していて、気筒中心線ｚと交差する中央の部分がフラットな傾斜面とされている。つまり、凹部５ａの最深部は、気筒中心線ｚに対応する位置よりも吸気側にある。また、前記傾斜面の傾斜角度（気筒２の横断面に対する傾斜角度）は、燃焼室６の天井部をなす傾斜面の傾斜角度よりも小さいので、この凹部５ａにおいても、底面と燃焼室天井部との間の気筒中心線ｚ方向の距離が最大になるのは気筒中心線ｚに対応する位置になる。
【０１４４】
そして、そのように凹部５ａを吸気側ほど深くなるような形状としたことで、この実施形態３のエンジン１は、前記実施形態１のエンジン１に比べて燃焼室６のタンブル流Ｔが全体的に弱い場合でも、このタンブル流Ｔの保存性を高めることができるものである。すなわち、一般的に、気筒２の吸気行程において燃焼室６に形成されたタンブル流Ｔは、当該気筒２が圧縮行程に移行してピストン５が下死点位置から上昇すると、このピストン５の上昇に伴う燃焼室容積の減少により潰されて、その流速が徐々に低下するとともに、特にその流れがピストン５の冠面に向かう燃焼室６の排気側において該ピストン５の上昇の影響を受けて、相対的に早く減衰することになる。
【０１４５】
このため、燃焼室６のタンブル流Ｔが全体的に弱いときには、図４１に模式的に示すように、燃焼室６の吸気側（図の右側：ＩＮ）においてタンブル流Ｔが強められる一方、排気側（図の左側：ＥＸ）では流れが急速に減衰し、気筒２の圧縮行程前期から中期にかけて、図に黒丸で示すタンブル流Ｔの渦の中心が徐々に排気側に移動するとともに、全体としてタンブル流Ｔの保存性が低下するという現象が起きる。図４２は、このような燃焼室６内のタンブル流Ｔの変化をＣＦＤ（数値流体力学）の適用により解析した結果を示し、ここには前記したような流動状態の変化が現れている。そして、このようにタンブル流Ｔの保存性が低下すると、インジェクタ１８からの燃料噴霧に対してタンブル流Ｔを狙い通りにかつ安定して衝突させることが困難になる。
【０１４６】
これに対し、この実施形態３のエンジン１では、前記の如くピストン５冠面の凹部５ａを吸気側において排気側よりも深くなるように形成し、この凹部５ａの底面を排気側から吸気側に向かって深くなるように傾斜させている。このため、図４３に模式的に示すように、燃焼室６の排気側（図の左側：ＥＸ）においてピストン５の冠面に向かうタンブル流Ｔは、凹部５ａの傾斜した底面により吸気側（図の右側：ＩＮ）に向けられることになり、しかも、燃焼室６の容積が吸気側において排気側よりも大きくなることから、タンブル流Ｔの渦中心は燃焼室６の吸気側に偏り易くなり、これらの相乗的な効果によって、上述した渦中心の排気側への移動を抑制して、タンブル流Ｔの保存性を十分に確保することができるのである。
【０１４７】
また、そのようにピストン５の冠面に凹部５ａを形成する場合、図(b)に示すように気筒中心線ｚに直交する方向から見れば明らかであるが、ピストン５の圧縮高さｈをできるだけ小さくしようとすると、この方向から見て、凹部５ａの底面を円弧状にすることはできない。すなわち、ピストン５の圧縮高さｈが小さいということは、ピン穴が相対的に上方に位置するということであり、これに対して凹部５ａの底面を円弧状にしようとすると、コネクティングロッドの小端部の配置スペースと干渉することになるので、結局、この実施形態のように、凹部５ａの底面は、その最深部が気筒中心線ｚからずれていて、中央寄りの部位にフラットな傾斜面を有するものとなるのである。
【０１４８】
尚、前記図４０に示す符号５ｅは、インジェクタ１８からの燃料噴霧がピストン５の凹部５ａの周縁部に干渉しないように形成した噴霧リセスであり、この噴霧リセス５ｅを除いた凹部５ａの形状は、同図（ａ）に示すように気筒中心線ｚに沿って見れば、長さ方向及び幅方向のいずれについても線対称のものである。
【０１４９】
したがって、この実施形態３によれば、ピストン５の圧縮高さｈを可及的に低くして機械抵抗を減少させながら、そのピストン５の冠面に所要の形状の凹部５ａを形成することができ、このことで、燃焼室６のタンブル流Ｔが相対的に弱い場合であっても、このタンブル流Ｔの強さを当該気筒２の圧縮行程中期以降まで維持して、前記実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１５０】
（他の実施形態）
本発明は前記実施形態１〜３に限定されるものではなく、その他の種々の実施形態を包含するものである。すなわち、前記各実施形態では、ピストン５の冠面にそれぞれ図７、図３３、図４０に示すような凹部５ａを設けているが、この凹部は設けなくてもよく、例えばピストン５の冠面を全体的にフラットな形状としてもよい。また、前記実施形態１のようなレモン形の凹部５ａを設ける場合に、前記実施形態３の如くピストンの圧縮高さを低減するために、例えば図４４に示すように、凹部５ａの底面を全体としてフラットな形状とすることもできる。
【０１５１】
また、前記各実施形態では、点火プラグ１６の電極を気筒中心線の付近に位置させているが、これに限らず、点火プラグ１６の電極を吸気弁側或いは排気弁側にずらして位置させることも可能である。但し、この場合にも、該点火プラグ１６の電極付近に気筒２の点火時期において混合気を滞留させる必要があるので、該点火プラグ１６の電極位置に応じて、タンブル流Ｔの流速と燃料噴霧の貫徹力との均衡関係や点火時期と燃料噴射時期との関係をそれぞれ変更することが必要になる。
【０１５２】
また、点火プラグ１６は１つに限るものではなく、例えば前記図３３において仮想線で示すように、２つの点火プラグ１６，１６を並べて配置するようにしてもよい。この場合には、気筒中心線に沿って見て、２つの点火プラグ１６，１６の電極がいずれもピストン５の凹部５ａの範囲内に位置することが好ましく、このようにすれば、燃料噴霧がより広く拡散する状態でも安定した着火を行える時間が長くなる。
【０１５３】
さらに、前記各実施形態では、インジェクタ１８による燃料噴射圧力の制御によって燃料噴霧の貫徹力を調節するようにしているが、これに限らず、例えばインジェクタ１８の可変機構の作動によって噴霧貫徹力を調節することも可能である。具体的には、前記インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力と噴霧拡がり角との間には、図４に示すような関係があるので、噴霧拡がり角を大きくすれば、噴霧貫徹力を低下させることができ、一方、噴霧拡がり角を小さくすれば、噴霧貫徹力を増大させることができる。
【０１５４】
さらにまた、前記各実施形態では、吸気ポート１０の吸気流動調節弁３４の開度を変更することで、燃焼室６のタンブル流Ｔの流速を調節するようにしているが、これに限らず、例えば可変動弁機構１４により吸気弁１２ないし排気弁１３の開閉作動時期を変更することによって、タンブル流Ｔの流速を調節するようにしてもよい。すなわち、図３４(a)に実線で示すように、排気弁１３の閉作動時期（バルブタイミング）を遅角させれば、同図に仮想線で示す通常の場合に比べて、排気側から燃焼室６に逆流する既燃ガスの量が増え、これにより、燃焼室６へ吸入される吸気の流速ないし流量が減少して、タンブル流Ｔの流速が低下するようになる。しかも、この既燃ガスの逆流によって燃焼室６の温度状態が高められるので、前記のタンブル流速の低下に対応するように燃料の噴射圧力を低下させても、該燃料の気化霧化特性が悪化することはない。
【０１５５】
また、同図(b)に実線で示すように、吸気弁１２及び排気弁１３の開閉作動時期を両方共に遅角させるようにすれば、前記の作用に加えて、吸気効率が低くなることによってタンブル流Ｔの流速が低下する。このようにすれば、吸気弁１２や排気弁１３の開閉作動時期の変更量を相対的に少なく抑えて、このことによるエンジン１の運転状態の変動を抑制することができる。或いは、図示しないが、吸気弁１２の開閉作動時期のみを遅角させることによっても、タンブル流Ｔの流速を低下させることができる。
【０１５６】
加えて、前記実施形態１、２では、ピストン５の冠面に形成した凹部５ａの最深部が気筒中心線ｚに対応する位置にあり、また、実施形態３では、該最深部が気筒中心線ｚに対応する位置よりも吸気側にあるが、これに限るものではなく、例えば前記実施形態１又は２において、火炎伝播速度を均一化すべく、凹部５ａの排気弁側の容積を吸気弁側よりも大きくしてもよい。この場合には、凹部５ａの最深部は気筒中心線ｚに対応する位置よりも排気弁側に位置することになる。
【０１５７】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係る火花点火式直噴エンジンによると、成層燃焼運転時には気筒の圧縮行程において燃料噴射弁により噴射させた燃料をピストンのキャビティ等に閉じ込めることなく、該燃料噴霧の挙動をタンブル流により制御することで、エンジンの運転状態にかかわらず、点火プラグ周りに混合気を適切に成層化させることができ、燃焼性の向上によって燃費及び出力性能が向上するとともに、成層燃焼領域を拡大して、エンジンの全運転領域について見たときに大幅な燃費改善が可能になる。加えて、前記混合気を点火プラグの電極付近に滞留させることができるので、点火時期制御の自由度が高まり、このことによっても燃費及び出力性能を向上できる。
【０１５８】
しかも、燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力を対向するタンブル流の流速に対応するように調節することで、エンジンの運転状態が変化しても、前記タンブル流により燃料噴霧の挙動を制御して、混合気を適切に成層化させることができる。
【０１５９】
請求項２の発明によると、燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力をクランク軸の回転速度に応じて調節することで、燃料噴霧の貫徹力をタンブル流の流速に対応するように調節できる。
【０１６０】
請求項３の発明によると、噴射圧調節手段によって燃料噴射弁からの燃料の噴射圧力を変更することで、燃料噴霧の貫徹力を確実に調節できる。
【０１６１】
請求項４の発明によると、燃焼室の温度状態に応じて燃料噴射圧力を補正することで、該燃焼室の温度状態が変化しても燃料噴霧の挙動を安定的に制御することができる。
【０１６２】
請求項５の発明によると、噴霧角可変機構によって燃料噴射弁による燃料噴霧の拡がり角を変更することで、燃料噴霧の貫徹力を確実に調節できる。
【０１６３】
請求項６の発明によると、燃料噴霧とタンブル流との衝突が過度に激しくなる前に、タンブル流速及び噴霧貫徹力の双方の増大を抑えて、混合気の過拡散を防止することができる。
【０１６４】
請求項７の発明によると、吸気流動調節弁により燃焼室への吸気の流動状態を変更することで、該燃焼室におけるタンブル流の流速を確実に調節できる。
【０１６５】
請求項８の発明によると、可変動弁機構により吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉作動時期を変更することで、該燃焼室におけるタンブル流の流速を確実に調節できる。
【０１６６】
請求項９の発明によると、燃料噴霧の貫徹力に均衡させるタンブル流の流速を燃焼室の温度状態に応じて補正することで、該燃焼室の温度状態が変化してもそのことによる噴霧貫徹力の変動を相殺して、燃料噴霧の挙動を安定的に制御することができる。
【０１６７】
請求項１０の発明によると、燃料噴射弁による燃料噴霧の拡がり角を最適化することによって、点火プラグの電極付近における混合気の濃度状態を最適化でき、これにより、請求項１の発明の効果を十分に得ることができる。
【０１６８】
請求項１１の発明によると、燃料噴射弁による燃料の噴霧方向を最適化することによって、燃料噴霧の気化霧化を促進しながら、該燃料噴霧の挙動をタンブル流によって効果的に制御することができ、よって、請求項１の発明の効果を十分に得ることができる。
【０１６９】
請求項１２の発明によると、ピストンの冠面に適切な形状の凹部を設けたことにより、タンブル流を燃料噴霧に対し安定的に衝突させることができるとともに、点火プラグ電極の近傍に混合気を滞留させやすくなり、このことで請求項１の発明の効果を十分に得ることができる。
【０１７０】
請求項１３の発明によると、凹部の断面形状を適切なものとして、タンブル流の保存性を高めることができる。
【０１７１】
請求項１４の発明によると、相対的に燃焼室のタンブル流が弱いときでも、ピストン上昇の影響を緩和して、タンブル流の保存性を高めることができる。
【０１７２】
請求項１５の発明によると、燃料噴霧の中心線に対し左右両側から点火プラグの電極に向かうように流れるスキッシュ流によって、該点火プラグの電極付近に滞留する可燃混合気の拡散を抑えて、着火安定性や燃焼性を向上できる。
【０１７３】
請求項１６ないし請求項１８の発明によると、凹部の内壁面を点火プラグの電極からできるだけ離すことで、火炎核の成長の阻害や火炎伝播性の低下を回避できる。
【０１７４】
請求項１９の発明によると、スキッシュエリアから凹部内に向かって混合気の流れ等を包み込むように流れるスキッシュ流により、点火プラグの電極付近にコンパクトな可燃混合気層を形成でき、このことで、請求項１５の発明の効果を一層、高めることができる。
【０１７５】
請求項２０の発明によると、スキッシュ流により点火プラグの電極付近において燃焼室天井部に近い側がすぼんだコンパクトな可燃混合気層を形成することができ、よって、請求項１５の発明と同様に着火安定性や燃焼性を向上できる。
【０１７６】
請求項２１の発明によると、請求項２０の発明による効果に加えて、ピストン冠面に設けた凹部の側壁面への燃料の付着を防止して、燃費悪化や排気中の未燃ＨＣの増大を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１に係る火花点火式直噴エンジンの気筒の点火時期において、点火プラグの電極付近に滞留する混合気の様子を示す説明図である。
【図２】 エンジンの全体構成図である。
【図３】 ピストン冠面、吸気ポート、点火プラグ及びインジェクタの配置構成を示す斜視図である。
【図４】 インジェクタからの燃料噴霧貫徹力と噴霧拡がり角との対応関係の一例を示すグラフ図である。
【図５】 燃料供給系の概略構成図である。
【図６】 エンジンを成層燃焼状態又は均一燃焼状態とする運転領域をそれぞれ設定した制御マップの一例を示す図である。
【図７】 ピストンの構造を示す上面図(a)、b-b 線における断面図(b)及び c-c 線における断面図(c)である。
【図８】 気筒中心線に沿って見て、ピストン冠面の凹部、タンブル流及び燃料噴霧の位置関係を示す説明図である。
【図９】 インジェクタからの燃料噴霧の幾何学的噴霧エリア、噴霧中心線及び噴霧拡がり角の一例を示す説明図である。
【図１０】 (a)噴霧拡がり角及び(b)噴霧貫徹力の説明図である。
【図１１】 気筒の燃料噴射時期における図１相当図である。
【図１２】 燃料噴霧中心線の変化に伴う噴霧の挙動変化を示す説明図である。
【図１３】 ＴＤＣ近傍における点火プラグの電極付近の局所空燃比の変化を、燃料噴霧中心線の変化に対応づけて示すグラフ図である。
【図１４】 燃料噴霧中心線の変化とピストン冠面への燃料付着量の変化との対応関係を示すグラフ図である。
【図１５】 点火プラグの電極付近の局所空燃比の変化と噴霧拡がり角の変化との対応関係を示すグラフ図である。
【図１６】 噴霧拡がり角が略２０°のときの混合気の状態を示す図である。
【図１７】 噴霧拡がり角が略６０°のときの図１６相当図である。
【図１８】 ピストン冠面にレモン型凹部を形成した場合の図１７相当図である。
【図１９】 点火プラグの電極位置を気筒の点火時期におけるタンブル流と対比して示す説明図である。
【図２０】 点火プラグ電極の突出量とタンブル流の流速との関係を示すグラフ図である。
【図２１】 点火プラグ電極の突出量と燃焼変動率との対応関係を示すグラフ図である。
【図２２】 点火プラグ電極の突出割合の範囲を、気筒の燃料噴射時期の変化に対応するように設定したグラフ図である。
【図２３】 燃焼室においてタンブル流と燃料噴霧流とが均衡するＣＦＤ解析の結果を示す図である。
【図２４】 (a)タンブル流と噴霧貫徹とが適度に衝突しているときと、(b)衝突が過度に激しいときのそれぞれについて混合気の状態を示す図である。
【図２５】 タンブル流速及び噴霧貫徹力のエンジン回転速度に応じた変化を示すマップ図である。
【図２６】 噴霧貫徹力と燃料噴射圧との対応関係を示すマップ図である。
【図２７】 変形例に係る図２５相当図である。
【図２８】 タンブル比を測定する装置の概略構成図である。
【図２９】 燃焼室の温度状態の変化と、(a)吸気温度及び噴霧貫徹力の変化と、(b)燃料噴射圧力の変更及びこれに伴う噴霧貫徹力の変化とを互いに対応付けて示したグラフ図である。
【図３０】 気筒の吸気行程における図１相当図である。
【図３１】 エンジンの低回転域における燃費改善率、燃費率及びＨＣ排出率とエンジン負荷との対応関係を従来型の直噴エンジンと対比して示すグラフ図である。
【図３２】 エンジン中回転域についての図３１相当図である。
【図３３】 本発明の実施形態２に係る図７相当図である。
【図３４】 バルブタイミングの変更によりタンブル流速を調節するようにした他の実施形態の説明図である。
【図３５】 従来例の直噴エンジンによる出力改善率と燃費改善率との間のトレードオフ関係を示すグラフ図である。
【図３６】 実施形態１において、ピストンの冠面と燃焼室天井部との間に形成されるスキッシュエリアを示す説明図である。
【図３７】 気筒中心線に沿って見た燃焼室の横断面において、当該気筒の点火時期近傍の流れ場をＣＦＤ解析した結果を示す図である。
【図３８】 インジェクタ側から見た燃焼室の縦断面における図３６相当図である。
【図３９】 実施形態１の２番目の変形例に係る図２５相当図である。
【図４０】 本発明の実施形態３に係る図７相当図である。
【図４１】 気筒の圧縮行程前期から中期にかけて、ピストンの上昇に伴いタンブル流の渦中心が移動する様子を模式的に示す説明図である。
【図４２】 気筒の圧縮行程前期から中期にかけての流れ場の変化をＣＦＤ解析した結果を示す図である。
【図４３】 実施形態３のピストンにおける図４１相当図である。
【図４４】 ピストン冠面の凹部底面をフラットにした他の実施形態に係る図７相当図である。
【符号の説明】
１ 火花点火式直噴エンジン
２ 気筒
５ ピストン
５ａ 凹部
５ｂ〜５ｄ スキッシュエリア部
６ 燃焼室
７ クランク軸
１０ 吸気ポート（タンブル流生成手段）
１１ 排気ポート
１４ 可変動弁機構（タンブル流可変手段）
１６ 点火プラグ
１８ インジェクタ（燃料噴射弁）
２６ 高圧燃料ポンプ（噴射圧調節手段）
２７ 高圧レギュレータ（噴射圧調節手段）
３９ 電動式高圧燃料ポンプ（噴射圧調節手段）
３４ 吸気流動調節弁（タンブル流可変手段）
３５ ステッピングモータ（タンブル流可変手段）
５０ ＥＣＵ（燃料噴射制御手段、タンブル流速制御手段）
Ｆ 燃料噴霧中心線
Ｔ タンブル流
Ｔｍ タンブル正流
Ｔｓ タンブル順流
ｚ 気筒中心線
θ 燃料噴霧拡がり角

Claims (21)

1. 気筒内でピストンの冠面に対向する燃焼室の天井部に点火プラグを配設するとともに、該燃焼室にその周縁部から燃料を噴射するように燃料噴射弁を配設し、成層燃焼運転時には前記燃料噴射弁から噴射させた燃料を前記点火プラグの電極の周りに成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンにおいて、
   気筒の圧縮行程において前記点火プラグの電極とピストンの冠面との間を前記燃料噴射弁に向かうように流れるタンブル流を生成可能なタンブル流生成手段と、
   前記燃料噴射弁からの燃料噴霧が前記タンブル流に対し逆行して、前記点火プラグによる点火時点で可燃混合気となって該点火プラグの電極付近に滞留するように、気筒の点火時期に対応づけて前記燃料噴射弁により燃料を噴射させるとともに、該燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力を、この燃料噴霧に対向するタンブル流の流速に対応するように調節する燃料噴射制御手段とを備えていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
2. 請求項１において、
   燃料噴射制御手段は、燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力をクランク軸の回転速度に応じて調節するように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
3. 請求項１において、
   燃料噴射弁による燃料の噴射圧力を調節する噴射圧調節手段が設けられ、
   燃料噴射制御手段は、燃料噴霧の貫徹力を大きくするときには前記噴射圧調節手段により燃料噴射圧力を高める一方、燃料噴霧の貫徹力を小さくするときには燃料噴射圧力を低下させるように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
4. 請求項３において、
   燃料噴射制御手段は、燃料噴射量やクランク軸の回転速度が略同一であっても、燃焼室の温度状態に応じて高温側ほど燃料噴射圧力が高くなるように、噴射圧調節手段の作動を補正制御するように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
5. 請求項１において、
   燃料噴射弁には、燃料噴霧の拡がり角を調節する噴霧角可変機構が設けられ、
   燃料噴射制御手段は、燃料噴霧の貫徹力を大きくするときには前記噴霧角可変機構により噴霧拡がり角を減少させる一方、燃料噴霧の貫徹力を小さくするときには噴霧拡がり角を増大させるように構成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
6. 請求項１において、
   燃料噴射制御手段は、燃料噴射弁による燃料噴霧の貫徹力を、クランク軸の回転速度が設定値になるまでは該回転速度の上昇に対応するように増大させる一方、クランク軸の回転速度が前記設定値以上になれば貫徹力の増大を抑制するものであり、
   タンブル流の流速を可変とするタンブル流速可変手段と、
   クランク軸の回転速度が前記設定値以上になったとき、該回転速度の上昇に対応するタンブル流速の増大を抑えるように、前記タンブル流速可変手段を作動させるタンブル流速制御手段とが設けられていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
7. 請求項６において、
   タンブル流速可変手段は、燃焼室へ流入する吸気の流動状態を変更する吸気流動調節弁を備えていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
8. 請求項６において、
   タンブル流速可変手段は、吸気弁又は排気弁の少なくとも一方の開閉作動時期を変更する可変動弁機構であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
9. 請求項６において、
   タンブル流速制御手段は、燃料噴射量やクランク軸の回転速度が略同一であっても、燃焼室の温度状態に応じて高温側ほどタンブル流速が低下するように、タンブル流速可変手段の作動を補正制御するものであることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
10. 請求項１において、
    燃料噴射弁は、気筒の圧縮行程における燃料噴霧の拡がり角が、略２０°〜略６０°の範囲の値になるものであることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
11. 請求項１において、
    燃料噴射弁は、気筒の圧縮行程においてピストン冠面に沿って流れるタンブル流に対し、燃料噴霧が略正対して衝突するように配置されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
12. 請求項１において、
    ピストンの冠面には、気筒中心線に沿って見て、燃料噴霧の中心線の延びる方向に長い凹部が形成され、
    前記凹部は、燃焼室天井部との間の気筒中心線方向の距離が該気筒中心線に対応する位置で最大となるような形状とされていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
13. 請求項１２において、
    凹部の最深部は気筒中心線に対応する位置にあることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
14. 請求項１２において、
    凹部の最深部は気筒中心線に対応する位置よりも吸気側にあることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
15. 請求項１において、
    ピストンの冠面には、気筒中心線に沿って見て、点火プラグの電極を含むように凹部が形成され、
    前記凹部を除いたピストン冠面の外周側の部分には、気筒中心線に沿って見て、燃料噴霧の中心線に直交する左右方向から少なくとも点火プラグの電極を挟む左右両側の部位において、対向する燃焼室の天井部と共同して前記凹部内に向かうスキッシュ流を生成するスキッシュエリア部が形成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
16. 請求項１５において、
    気筒中心線に沿って見て、凹部の左右方向の開口幅は点火プラグの電極付近において最大とされていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
17. 請求項１６において、
    気筒中心線に沿って見て、点火プラグの電極付近における凹部の左右方向の開口幅は、気筒の圧縮行程における燃料噴射弁からの幾何学的な燃料噴霧エリアを含むように設定されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
18. 請求項１６において、
    燃焼室の天井部には一対の吸気ポートがそれぞれ開口されており、
    気筒中心線に沿って見て、点火プラグの電極付近における凹部の左右方向の開口幅は、前記一対の吸気ポート開口部の中心間距離以上であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
19. 請求項１５において、
    スキッシュエリア部は、ピストン冠面の外周側部分において点火プラグ電極を挟む左右両側の部位から排気側に連続するように設けられていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
20. 請求項１において、
    ピストンの冠面には、燃料噴霧の中心線に沿って見て、点火プラグの電極付近に滞留する可燃混合気層の形状が燃焼室の天井部に近い側ですぼんだものとなるように、該燃焼室天井部と共同してスキッシュ流を生成するスキッシュエリア部が形成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
21. 請求項２０において、
    ピストンの冠面には、気筒中心線に沿って見て、点火プラグの電極及びその付近に滞留する可燃混合気層を含むように凹部が形成され、
    スキッシュ流は、前記可燃混合気層の輪郭が凹部の側壁面から離間しかつその間隔が燃焼室天井部に近づくほど大きくなるように、該可燃混合気層の拡散を抑えるものであることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。

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