JP4465848B2 - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射してピストン頂部のキャビティ内にトラップし成層燃焼させる火花点火式直噴エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストン頂部に点火プラグを包囲する配置で凹陥状のキャビティを設けるとともに、該キャビティに向けてシリンダ内に直接燃料を噴射するよう燃料噴射弁を配設し、低回転低負荷側の所定運転域においてシリンダ内にスワールを生成するとともに、燃料を圧縮上死点前に噴射してピストン頂部のキャビティ内にトラップし、燃料噴霧をスワールによって点火プラグの周りに移送して、プラグ周りに可燃混合気を形成し、点火し成層燃焼させる火花点火式直噴エンジン（直噴ガソリンエンジンあるいは筒内噴射型火花点火式エンジンとも云う。）が従来から知られている。
【０００３】
そして、そうした火花点火式直噴エンジンに関して、例えば特開平１１−４４２１５号公報に、吸気弁や排気弁の開閉時期等を可変制御する可変バルブタイミング機構を用いる場合に、上死点における吸排気弁とピストンとの干渉を回避するために、ピストン頂面にバルブリセスを凹設することが記載されている。
【０００４】
また、特公平６−９４８０８号公報には、上記火花点火式直噴エンジンであって、吸気側のスキッシュクリアランスを排気側のスキッシュクリアランスより相対的に大きい設定としたものが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
火花点火式直噴エンジン（以下、適宜直噴ガソリンエンジンと云う。）は、低回転低負荷の所定運転域（成層燃焼領域）では圧縮上死点近傍（例えばクランク角で上死点前６０゜）で燃料を噴くため、点火タイミング（例えば上死点前２０゜）までの時間が少なく、そのため、吸排気のオーバーラップにより残量ガスによる内部ＥＧＲ効果を高めて燃料の気化・霧化を促進したいという要求がある。そして、好都合なことに、直噴エンジンでは成層燃焼領域で圧縮上死点近傍でシリンダ内に直接燃料を噴くため、吸排気のオーバーラップを広げても、通路内またはポート内噴射の場合のような排気側への燃料の吹き抜けは生じない。
【０００６】
そこで、吸排気のオーバーラップを通常よりも大きくする動弁機構を採用し、あるいは可変バルブタイミング機構（以下、適宜ＶＶＴという。）を採用して、成層燃焼領域において吸排気のオーバーラップを拡大し、内部ＥＧＲ効果を高めるようにすることが考えられる。
【０００７】
しかしながら、吸排気のオーバーラップを拡大するために吸気弁の開タイミングを上死点より前に大きく進め、あるいは排気弁の閉タイミングを上死点より後に大きく遅らせると、上死点近傍において開状態のそれら吸気弁あるいは排気弁とピストンとの干渉の問題が生ずる。
【０００８】
直噴ガソリンエンジンの場合、吸気通路ないしは吸気ポートに噴射する通常の噴射式ガソリンエンジンに比べて耐ノッキング性に優れ、圧縮比を大きくできるという特性があって、吸気通路内に噴射する通常のガソリンエンジンに比べて圧縮比が大きくされ、ピストンの上死点位置が高くなって、シリンダヘッドとの間隙が小さくなる傾向にある。そのため、吸気弁の開タイミングを進め、あるいは排気弁の閉タイミングを遅らせることによる吸排気弁とピストンとの干渉の問題は不可避である。
【０００９】
そこで、上記特開平１１−４４２１５号にも開示されているように、ピストン頂面にバルブリセスを凹設することにより吸排気弁とピストンとの干渉を回避することが必要となる。
【００１０】
ところで、このようにシリンダ内に直接燃料を噴射してピストン頂部のキャビティ内にトラップし成層燃焼させる直噴ガソリンエンジンは、具体的構成として、シリンダヘッドの下面にクランク軸方向の稜線部分を挟んで吸気側および排気側に傾斜面を構成するペントルーフ形状の燃焼室凹部が形成され、該燃焼室凹部の例えば略シリンダ軸線上の位置に点火プラグが配設されるとともに、吸気側および排気側の傾斜面に吸気ポートおよび排気ポートが形成されて、それら吸気ポートおよび排気ポートに吸気弁および排気弁がそれぞれ配設され、ピストン冠面がシリンダヘッドの燃焼室凹部に沿ったペントルーフ形状に形成され、該ペントルーフ形状のピストン冠面（すなわち頂面）に凹陥状のキャビティが設けられ、燃焼室凹部の周縁にキャビティに向けて直接燃料を噴射するよう燃料噴射弁が配設され、スワールによって燃料噴射弁からの燃料噴霧がキャビティ内の点火プラグの周りに移送され、該点火プラグ周りに混合気が偏在し成層化するよう構成されるのが普通である。その場合、燃料噴射弁は、排気側では排気弁による熱の影響やカーボンの付着等があって信頼性に問題があるため、吸気側に配設される。また、キャビティは、燃料噴射弁からの燃料噴霧がスワールに乗って略シリンダ軸線上の点火プラグの近傍に運ばれるよう、シリンダ軸線近傍の点火プラグを囲んで吸気側にオフセット（偏位）して配設され、周縁部に弁軸方向から見た吸気弁の投影面が跨がる大きさとされるのが普通である。
【００１１】
このように吸気側にオフセットしてキャビティを設ける直噴ガソリンエンジンにおいてピストン頂面にバルブリセスを設けようとすると、特に吸気弁の開タイミングを進める場合のピストン頂面との干渉を回避するよう吸気弁に対するバルブリセスをピストン頂面に設ける場合には、バルブリセスが一部キャビティに重なる配置となることによってバルブリセスを含めた実質的なキャビティの周縁形状が歪なものとなり、それがキャビティ外への燃料流出の要因となる。そして、バルブリセスを介してキャビティ外に燃料噴霧が流出することにより混合気の成層度が低下してリーン限界が低下する。また、キャビティ外に流出した燃料はピストン冠面とシリンダヘッドとの間の狭い空間に入り込むことになって空気利用率が悪くなり、そのため、未燃燃料が増加しスモークが発生してエミッションが悪化する。
【００１２】
吸排気のオーバーラップを拡大する手段としては、排気弁の閉タイミングを遅らせる方法もある。直噴ガソリンエンジンにおいて例えばＶＶＴを採用して所定の運転域で吸排気のオーバーラップを拡大する場合に、排気弁を遅く閉じて排気ガスをシリンダ内へ導入することによる内部ＥＧＲ以上に、吸気弁を早く開いて残留ガスを吸気管内に導入する方が、点火タイミング直前に吸気側から噴射される燃料の気化・霧化促進の効果が期待できる。
【００１３】
図１０は、横軸にエンジン負荷、縦軸にＨＣ排出量をとって、バルブリセスの全くない場合（丸プロット）と、吸気側にバルブリセスを設けた場合（四角プロット）と、排気側にバルブリセスを設けた場合（菱形プロット）とのＨＣ排出量特性の比較を示し、また、図１１は、横軸にエンジン負荷、縦軸に燃費をとって、バルブリセスの全くない場合（丸プロット）と、吸気側にバルブリセスを設けた場合（四角プロット）と、排気側にバルブリセスを設けた場合（菱形プロット）との燃費特性の比較を示している。バルブリセスは、ペントルーフ形状の吸気側傾斜面あるいは排気側傾斜面を噴射口近傍を除いてキャビティより浅い所定深さに凹陥させ、キャビティ周縁に跨がる凹陥状のリセスとしたものである。これらのデータからも明らかなように、排気側にバルブリセスを設けた場合（菱形プロット）はバルブリセスを全く設けない場合（丸プロット）とでは、ＨＣ排出量、燃費共大差なく、吸気側にバルブリセスを設けた場合（四角プロット）にＨＣ排出量特性及び燃費特性共改善される。
【００１４】
したがって、シリンダ内に直接燃料を噴射してピストン頂面のキャビティ内にトラップし成層燃焼させる火花点火式直噴エンジンにおいて、バルブタイミングの自由度拡大のためピストン頂面にバルブリセスを付加しても成層度が損なわれないようにすることが課題である。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決し、吸気側にバルブリセスを設けることによりバルブタイミングの自由度を高めて内部ＥＧＲ効果による燃料の気化・霧化促進を可能としつつ、キャビティ外への燃料噴霧の流出による成層度の低下を防止して、燃費及びエミッション性能を高めることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリンダヘッド下面にペントルーフ形状の燃焼室凹部を有し、燃焼室凹部に沿ったペントルーフ形状のピストン冠面に吸気側に偏位したキャビティを有し、吸気側からキャビティに向けて直接燃料を噴射し、スワールによって燃料噴霧を点火プラグの周りに移送し、成層燃焼させるよう構成した火花点火式直噴エンジンの場合に、バルブタイミングの自由度を高めるためのバルブリセスを特に吸気側に設けることが、内部ＥＧＲ効果による燃料の気化・霧化の促進に有利で、それによりリーン限界が高められて燃費性能が向上するとともに、未燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）の排出量が低減されることを見い出し、吸気弁に対するバルブリセスを設けることを前提として、次の構成によりバルブリセスを介するキャビティ外への燃料噴霧の流出防止を実現したものである。
【００１７】
請求項１に係る発明は、シリンダヘッドの下面にクランク軸方向の稜線部分を挟んで吸気側および排気側のシリンダボア周縁近傍に達する傾斜面を成すペントルーフ形状の燃焼室凹部が形成され、該燃焼室凹部の略シリンダ軸線上の位置に点火プラグが配設されるとともに、吸気側および排気側の傾斜面に吸気ポートおよび排気ポートが形成され、上記吸気ポートは二つで、それら吸気ポートおよび排気ポートに吸気弁および排気弁がそれぞれ配設され、ピストン冠面が上記シリンダヘッドの燃焼室凹部に沿ったペントルーフ形状に形成され、該ペントルーフ形状のピストン冠面にシリンダ軸線に対し吸気側に偏位して各弁軸方向から見た上記二つの吸気弁の各投影面が跨がる位置まで拡がるとともにシリンダ軸線近傍で上記点火プラグよりも排気側まで拡がる凹陥状のキャビティが設けられ、上記燃焼室凹部の吸気側に上記キャビティに向けて直接燃料を噴射するよう燃料噴射弁が配設され、シリンダ内にスワールを生成するスワール生成手段が設けられ、該スワール生成手段により生成されたスワールによって上記燃料噴射弁からの燃料噴霧が上記キャビティ内の点火プラグの周りに移送され、該点火プラグ周りに混合気が偏在し成層化するよう構成された火花点火式直噴エンジンにおいて、上記二つの吸気弁に対し、それら吸気弁の上記投影面を包含するピストン冠面の所定位置にそれら吸気弁のリフトを逃げるための円形で内側が上記キャビティに包含される形状のバルブリセスを弁軸方向に上記キャビティより浅い所定量の深さでそれぞれ設けることを前提とする。
【００１８】
そして、上記二つの吸気弁に対するバルブリセスの円形部の双方の周縁に接する一つの円弧よりキャビティ内方側のピストン冠面にそれぞれのバルブリセスの延長として各バルブリセスと同じ深さの切り欠き部をそれぞれ設け、それら双方の切り欠き部の間で上記キャビティの排気側周縁の形状を上記一つの円弧により形成する。
【００１９】
この場合、バルブリセス円形部の周縁とキャビティ排気側周縁とに接する接線方向のガイド壁が形成され、このガイド壁によって、スワールに乗りキャビティ内壁に沿って点火プラグへ運ばれる途中でバルブリセスにはみ出そうとする燃料噴霧が滑らかにリセス周壁に向けてガイドされ、リセス周壁に沿って速やかにキャビティ内に戻り、キャビティ内のスワールに乗った燃料噴霧の流れに合流する。そして、着火時に燃料噴霧がキャビティ内に留まり成層度が確保され、それによってリーン限界が向上し、空気利用率が向上し、また、吸気弁の開弁特性の自由度が高まり、吸気弁の開タイミングを進める内部ＥＧＲ効果を高めて燃料の気化・霧化を促進することが可能となり、相乗的に燃費及びエミッション性能が向上する。
【００２０】
請求項２に係る発明は、請求項１の構成を前提として、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧エリアがキャビティ内で点火プラグよりスワール上流において燃料噴射弁の噴口中心と弁軸方向から見た吸気弁の軸心とを結ぶ線に対し近接してキャビティ内方側に形成されるよう、燃料噴射弁の噴口軸線および噴霧角とスワール強度を設定するものである。
【００２１】
こうすることにより、キャビティ外への燃料噴霧の流出を一層確実に防止できる。
【００２２】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２の構成を前提とし、少なくとも一部の運転域において吸気弁の開期間と排気弁の開期間とのオーバーラップ期間が、上死点の前後に跨がるとともに、吸気弁が開いてから上死点までのクランク角が上死点から排気弁が閉じるまでのクランク角よりも大きい設定とするものである。
【００２３】
バルブタイミングをこのような設定とすることにより、内部ＥＧＲ効果によって短時間での燃料の気化・霧化促進が可能となるとともに、ピストン上昇時に掻き上げられた未燃焼燃料成分（ＨＣ）が排気弁が閉じる瞬間に吸気ポート側へ押し出され、それが再度シリンダ内に吸い込まれことになって、ＨＣ排出量低減に寄与する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は本発明の実施の形態に係る火花点火式直噴エンジンの燃焼室部分の構造を吸排気弁軸を通るシリンダ軸線方向の縦断面で示す。このエンジンは直列多気筒で、複数のシリンダ１を構成するシリンダブロック２を有し、そのシリンダブロック２の上端にシリンダヘッド３が組み付けられている。そして、各シリンダ１に上下方向すなわちシリンダ軸線４方向に往復動可能にピストン５が嵌装されている。ピストン５は、連結棒（図示せず）を介してクランク軸（図示せず）に連結される。
【００２６】
シリンダヘッド３の下面には、シリンダ軸線４近傍を前後方向すなわちクランク軸方向に延びる稜線部分６ａを挟んで左側（吸気側）及び右側（排気側）がそれぞれ傾斜しシリンダボアの周縁近傍に達する吸気側傾斜面６ｂと排気側傾斜面６ｃとを構成する所謂ペントルーフ形状の燃焼室凹部６が形成されている。そして、その燃焼室凹部６の略シリンダ軸線４上で僅かに排気側にオフセット（偏位）した位置に点火プラグ７が配設され、吸気側傾斜面６ｂには図１において前後に略重なる位置に二つの吸気ポート８ａ、８ｂが、また、排気側傾斜面６ｃにはやはり前後に略重なる位置に二つの排気ポート９ａ、９ｂが形成され、それら各吸気ポート８ａ、８ｂ及び各排気ポート９ａ、９ｂに吸気弁１０ａ、１０ｂ及び排気弁１１ａ、１１ｂがそれぞれ配設されている。吸気弁１０ａ、１０ｂ及び排気弁１１ａ、１１ｂは、シリンダヘッド３の上部に配設される吸気用カム軸（図示せず）及び排気用カム軸（図示せず）によってそれぞれ開閉駆動されるもので、そのうち、吸気用カム軸にクランク軸からの駆動力を伝達する伝達経路には、吸気弁１０ａ、１０ｂのバルブタイミングを可変とするよう、ＶＶＴすなわち可変バルブタイミング機構（図示せず）が配設されている。
【００２７】
ピストン５の頂面（ピストン冠面）は、上記シリンダヘッド３下面の燃焼室凹部６に沿った中高のペントルーフ形状を基本とし、稜線部分１２ａと吸気側傾斜面１２ｂと排気側傾斜面１２ｃがシリンダヘッド３側の稜線部分６ａ、吸気側傾斜面６ｂ、排気側傾斜面６ｃとの間隙が略均一となるよう形状のものである。そして、そのペントルーフ形状のピストン冠面に、シリンダ軸線４に対し吸気側にオフセット（偏位）して、凹陥状のキャビティ１３が設けられている。
【００２８】
キャビティ１３は二つの吸気弁１０ａ、１０ｂのそれぞれの弁軸方向から見た投影面が跨がる位置まで拡がるとともに、シリンダ軸線４近傍で点火プラグ７よりも排気側まで拡がるもので、図２の参考例に示すように平面視にてクランク軸方向にやや長い略長円形状とされている。
【００２９】
そして、シリンダヘッド３には、燃焼室凹部６の吸気側周縁に臨む位置に、ピストン冠面の上記キャビティ１３に向けて直接燃料を噴射するよう噴口軸線がシリンダ軸線４と交差し斜め下方に所定の設置角（シリンダヘッド３下面に対し例えば４２゜の角度）をなす設定で燃料噴射弁１４が配設されている。
【００３０】
また、図２に示す参考例では、ピストン５の頂面には、二つの吸気弁１０ａ、１０ｂのそれぞれの弁軸方向から見た投影面を包含しそれら投影面よりやや大きい範囲に、各吸気弁１０ａ、１０ｂのリフトを逃げるための円形で内側が上記キャビティ１３に包含される形状の二つのバルブリセス１５ａ、１５ｂが、それぞれ弁軸方向に上記キャビティ１３より浅い所定量の深さでそれぞれ設けられている。
【００３１】
そして、各バルブリセス１５ａ、１５ｂのキャビティ１３の外に位置する各円形部の周縁とキャビティ１３の排気側周縁とに接する各接線１６ａ、１６ｂよりキャビティ１３内方側のピストン冠面に、各バルブリセス１５ａ、１５ｂの延長としてそれらバルブリセス１５ａ、１５ｂと同じ深さの切り欠き部１７ａ、１７ｂが設けられている。
【００３２】
この実施の形態では、ピストン５の頂面を図３に示すように形成している。この場合、ピストン５の頂面にはやはり二つの吸気弁１０ａ、１０ｂのそれぞれの弁軸方向から見た投影面を包含しそれら投影面よりやや大きい範囲に、各吸気弁１０ａ、１０ｂのリフトを逃げるための円形で内側が上記キャビティ１３に包含される形状の二つのバルブリセス１５ａ、１５ｂを、それぞれ弁軸方向に上記キャビティ１３より浅い所定量の深さでそれぞれ設ける。そして、それら二つの吸気弁１０ａ、１０ｂに対するバルブリセス１５ａ、１５ｂの円形部の双方の周縁に接する一つの円弧１８よりキャビティ１３内方側のピストン冠面にそれぞれのバルブリセス１５ａ、１５ｂの延長として各バルブリセス１５ａ、１５ｂと同じ深さの切り欠き部１９ａ、１９ｂをそれぞれ設け、それら双方の切り欠き部１９ａ、１９ｂの間で上記キャビティ１３の排気側周縁の形状を上記一つの円弧１８により形成されたものとする。
【００３３】
二つの吸気ポート８ａ、８ｂは、各気筒毎の独立吸気通路（図示せず）から二つに分岐した通路部分のそれぞれに接続され、それら二つの通路部分の一方（図１において背面側の吸気ポート８ｂにつながる通路部分）に通路面積を制御する制御弁（図示せず）が設けられて、この一方の通路部分の制御弁を閉制御することにより、他方（図１において表面側）の通路部分につながる吸気ポート８ａからの吸気流動によりシリンダ１内に図２（参考例）及び図３において反時計周り（矢印で示す方向）のスワール（横渦）が生成されるようになっている。つまり、二つの吸気ポート８ａ、８ｂと、上記各通路部分及び上記制御弁とでスワール生成手段が構成されている。そして、上記制御弁の開度によってスワール強度が制御可能である。
【００３４】
以上の構成からなるエンジンは、低回転低負荷側の所定運転域を成層燃焼領域とし、それより高回転高負荷の運転域を均一燃焼領域とする。
【００３５】
そして、成層燃焼領域では、上記制御弁を閉制御して、シリンダ１内に例えばスワール比２．５〜３．０のスワールを生起させるとともに、ＶＶＴ制御により吸気弁８ａ、８ｂの開タイミングを進めて例えばＢＴＤＣ（上死点前）４１゜とし、圧縮上死点手前近傍の例えばＢＴＤＣ５０〜６０゜で燃料を噴射し、例えばＢＴＤＣ２０゜で点火する。燃料圧力は例えば８ＭＰａ、噴霧角は例えば６０゜（燃料圧力８ＭＰａ時）である。
【００３６】
燃料噴射弁１４の噴口軸線および噴霧角とスワール強度（スワール比）は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料の噴霧エリアが、図２（参考例）及び図３に示すようにキャビティ１３内で点火プラグ７よりスワール上流において燃料噴射弁１４の噴口２０中心と弁軸方向から見た吸気弁の軸心２１とを結ぶ線に対し近接してキャビティ１３内方側に形成されるよう設定されたものである。
【００３７】
図４にＶＶＴによるバルブタイミングの制御例を示す。均一燃焼領域と成層燃焼領域との吸気カムの位相差は例えば４０゜で、成層燃焼領域での開弁期間は図４に点線で示す均一燃焼領域での設定から実線で示す設定へと全体が４０゜変化する。そして、成層燃焼領域での吸気弁１０ａ、１０ｂの開タイミング（Ｉ.Ｏ.）が上述のように例えばＢＴＤＣ（上死点前）４１゜となる。この場合、図４に示すように成層燃焼領域における吸気弁１０ａ、１０ｂの開期間と排気弁１１ａ、１１ｂの開期間とのオーバーラップ期間は、上死点（ＴＤＣ）の前後に跨がり、且つ、吸気弁１０ａ、１０ｂの開タイミング（Ｉ.Ｏ.）から上死点（ＴＤＣ）までのクランク角が、上死点（ＴＤＣ）から排気弁１１ａ、１１ｂの閉タイミング（Ｅ.Ｃ.）までのクランク角よりも大きい。
【００３８】
こうした設定とすることにより、成層燃焼領域において圧縮上死点手前近傍の例えばＢＴＤＣ５０〜６０゜で燃料噴射弁１４から噴射された燃料は噴霧となってキャビティ１３内でスワールにより点火プラグ７の周りに移送され、点火プラグ７の周りに混合気が偏在し成層化する。
【００３９】
そして、図２（参考例）に示すピストン形状の場合、切り欠き部１７ａ、１７ｂの周壁がガイド壁となり、特に点火プラグ７に対しスワール上流側で且つ燃料噴射弁１４に対しスワール下流側となる切り欠き１７ａの周壁がガイド壁となって、スワールに乗りキャビティ１３内壁に沿い点火プラグ７へ運ばれる途中でバルブリセス１５ａにはみ出そうとする燃料噴霧が滑らかにガイドされ、速やかにキャビティ１３内に戻され、キャビティ１３内のスワールに乗った燃料噴霧の流れに合流する。
【００４０】
また、図３に示すピストン形状の場合、切り欠き部１９ａ、１９ｂとキャビティ１３の排気側周縁部分の円弧１８からなる周壁がガイド壁となり、特に点火プラグ７に対しスワール上流側で且つ燃料噴射弁１４に対しスワール下流側となる切り欠き部１９ａの周壁がガイド壁となって、スワールに乗りキャビティ１３内壁に沿い点火プラグ７へ運ばれる途中でバルブリセス１５ａにはみ出そうとする燃料噴霧が滑らかにガイドされ、速やかにキャビティ１３内に戻され、キャビティ１３内のスワールに乗った燃料噴霧の流れに合流する。
【００４１】
こうして着火時に燃料噴霧がキャビティ１３内に留まり、成層度が確保されることにより、リーン限界が向上し、空気利用率が向上する。また、吸気ＶＶＴによる内部ＥＧＲ効果が高まり、燃料の気化・霧化が促進される。そして、相乗的に燃費及びエミッション性能が向上する。また、吸気弁１０ａ、１０ｂの開タイミング（Ｉ.Ｏ.）から上死点（ＴＤＣ）までのクランク角が、上死点（ＴＤＣ）から排気弁１１ａ、１１ｂの閉タイミング（Ｅ.Ｃ.）までのクランク角よりも大きいことにより、ピストン上昇時に掻き上げられた未燃焼燃料成分（ＨＣ）が排気弁１１ａ、１１ｂが閉じる瞬間に吸気ポート８ａ、８ｂ側へ押し出され、それが再度シリンダ内に吸い込まれて燃焼することになり、ＨＣ排出量が一層低減される。
【００４２】
成層燃焼領域では上述のようにスワール比を２．５〜３．０とする。ここで、スワール比とは、一般に気筒内の混合気（吸入空気）の横渦の旋回数をエンジン回転数で割った値で定義されるものである。そして、混合気の横渦の旋回数は、例えば図５に示すようにエンジンのボア径がＤであるとして、シリンダヘッド下面Ｆ1から距離１．７５Ｄだけ下方の位置Ｆ2にインパルススワールメータ３０を設置し、このインパルススワールメータ３０に作用するトルク（インパルススワールメータトルク）を検出し、このインパルススワールメータトルクに基づいてよく知られた手法で算出する。なお、図５においてＦ3は下死点位置にあるピストン頂面を示している。
【００４３】
インパルススワールメータトルクは、次のような手順で測定される。すなわち、上記Ｆ2位置にインパルススワールメータ３０を配置し、ピストン頂面に作用するスワールのエネルギをインパルススワールメータ３０で再現させることによって、通常時においてピストン頂面付近にどの程度の旋回エネルギが存在するかを測定する。インパルススワールメータ３０は多数のハニカムを備えていて、インパルススワールメータ３０にスワールが作用すると、各ハニカムに夫々スワール流れ方向の力が作用し、各ハニカムにかかる力を積算することによって全体に作用するインパルススワールメータトルクを算出する。
【００４４】
また、噴霧角は上述のように例えば６０゜（燃料圧力８ＭＰａ時）とするが、その噴霧角の定義は次のとおりである。すなわち、図６の（ｂ）に示すように、噴霧の軸中心線を通る厚さ５ｍｍのレーザシート光を照射し、このレーザシート光面に対し垂直面上に高速度カメラにて撮影した噴霧画像において噴霧角を定義する。
【００４５】
その際、燃料圧力を所定圧力設定し、噴霧撮影か可能なレーザー通過窓と観測用窓を備えた圧力容器を用いて雰囲気圧力を０．２５Ｐａに加圧する。そして、噴射量が９ｍｍ3／strokeになるよう所定パルス幅の駆動パルスを入力し、図６の（ａ）に示すように噴射開始時期（パルス立ち上がり）から１．５６ｍsec後を計測時期として、その時点の画像を用いる。
【００４６】
そして、図６の（ｂ）に示すように、噴射弁噴口部Ａから２０ｍｍ下流位置での噴霧の両端をＢ、Ｃとして、∠ＢＡＣの挟角を噴霧角と定義する。
【００４７】
図７は、上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンの燃費性能に係る実験データを示している。四角プロットは本発明による吸気リセス（吸気弁に対するバルブリセス）付きのピストン冠面形状（図３の例）を採用した場合のデータ、菱形プロットはバルブリセスが全くない場合のデータである。本発明による吸気リセス付きのピストン冠面形状を採用することにより、バルブリセスが全くない場合に比べて燃費特性が明らかに向上している。
【００４８】
図８は、上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンの低圧ＰＶ線図を示している。太線が本発明による吸気リセス（吸気弁に対するバルブリセス）付きのピストン冠面形状（図３の例）を採用し、成層燃焼領域で吸気ＶＶＴにより吸気弁の開タイミングを進めた場合であり、細線は吸気ＶＶＴを採用しない場合である。これらの比較から、吸気ＶＶＴの採用によりポンピングロスが低減されることが明らかである。
【００４９】
図９は、上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンのＰｉ（図示平均有効圧）変動率特性に係る実験データを示している。丸プロットは本発明による吸気リセス（吸気弁に対するバルブリセス）付きでリセスを延長した切り欠き部と排気側キャビティ周縁を一つの円弧で形成したピストン冠面形状（図３の例）の場合のデータ、四角プロットは吸気弁の投影面の部分にバルブリセスを設けただけの場合のデータである。本発明による吸気リセス付きのピストン冠面形状の採用により、空燃比（Ａ／Ｆ）のリミット限界が上昇することがこのデータから明らかである。
【００５０】
以上、実施の形態の一例を説明したが、この発明は上記図示の例に限定されるものではなく、請求項１、２あるいは３に記載の範囲で適宜変更して実施できることは勿論である。
【００５１】
上記図示の例は吸気ポートと排気ポートが共に二つの場合であるが、この発明は例えば排気ポートが一つの場合にも適用できる。
【００５２】
また、上記実施の形態で説明した例は、ＶＶＴを採用したエンジンの場合であるが、本発明はそれに限定されるものではなく、バルブタイミング固定式で、吸気弁の開タイミングを上死点前に大きく進める設定のエンジンに対しても有効である。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、シリンダ内に直接燃料を噴射してピストン頂面のキャビティ内にトラップし成層燃焼させる火花点火式直噴エンジンにおいて、吸気側にバルブリセスを設けることによりバルブタイミングの自由度を高めて内部ＥＧＲ効果による燃料の気化・霧化促進を可能としつつ、キャビティ外への燃料噴霧の流出による成層度の低下を防止して、燃費及びエミッション性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る火花点火式直噴エンジンの燃焼室部分の吸排気弁軸を通るシリンダ軸線方向の縦断面図である。
【図２】 上記実施の形態の参考例に係るピストンの平面図である。
【図３】 上記実施の形態の一例のピストンの平面図である。
【図４】 上記実施の形態における吸気ＶＶＴのバルブタイミング図である。
【図５】 スワール比の定義を示す図である。
【図６】 噴射角の定義を示す図である。
【図７】 上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンの燃費性能を示す実験データのグラフである。
【図８】 上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンのポンピングロス低減効果を示す低圧ＰＶ線図である。
【図９】 上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンのＰｉ変動率特性を示す実験データのグラフである。
【図１０】 ＨＣ排出量特性の比較を示す実験データのグラフである。
【図１１】 燃費特性の比較を示す実験データのグラフである。
【符号の説明】
１ シリンダ
３ シリンダヘッド
４ シリンダ軸線
５ ピストン
６ 燃焼室凹部
７ 点火プラグ
１０ａ、１０ｂ 吸気弁
１１ａ、１１ｂ 排気弁
１２ａ 稜線部分
１２ｂ 吸気側傾斜面
１２ｃ 排気側傾斜面
１３ キャビティ
１４ 燃料噴射弁
１５ａ、１５ｂ バルブリセス
１６ａ、１６ｂ 接線
１７ａ、１７ｂ 切り欠き部
１８ 円弧
１９ａ、１９ｂ 切り欠き部
２０ 噴口中心
２１ 吸気弁の軸心
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射してピストン頂部のキャビティ内にトラップし成層燃焼させる火花点火式直噴エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストン頂部に点火プラグを包囲する配置で凹陥状のキャビティを設けるとともに、該キャビティに向けてシリンダ内に直接燃料を噴射するよう燃料噴射弁を配設し、低回転低負荷側の所定運転域においてシリンダ内にスワールを生成するとともに、燃料を圧縮上死点前に噴射してピストン頂部のキャビティ内にトラップし、燃料噴霧をスワールによって点火プラグの周りに移送して、プラグ周りに可燃混合気を形成し、点火し成層燃焼させる火花点火式直噴エンジン（直噴ガソリンエンジンあるいは筒内噴射型火花点火式エンジンとも云う。）が従来から知られている。
【０００３】
そして、そうした火花点火式直噴エンジンに関して、例えば特開平１１−４４２１５号公報に、吸気弁や排気弁の開閉時期等を可変制御する可変バルブタイミング機構を用いる場合に、上死点における吸排気弁とピストンとの干渉を回避するために、ピストン頂面にバルブリセスを凹設することが記載されている。
【０００４】
また、特公平６−９４８０８号公報には、上記火花点火式直噴エンジンであって、吸気側のスキッシュクリアランスを排気側のスキッシュクリアランスより相対的に大きい設定としたものが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
火花点火式直噴エンジン（以下、適宜直噴ガソリンエンジンと云う。）は、低回転低負荷の所定運転域（成層燃焼領域）では圧縮上死点近傍（例えばクランク角で上死点前６０゜）で燃料を噴くため、点火タイミング（例えば上死点前２０゜）までの時間が少なく、そのため、吸排気のオーバーラップにより残量ガスによる内部ＥＧＲ効果を高めて燃料の気化・霧化を促進したいという要求がある。そして、好都合なことに、直噴エンジンでは成層燃焼領域で圧縮上死点近傍でシリンダ内に直接燃料を噴くため、吸排気のオーバーラップを広げても、通路内またはポート内噴射の場合のような排気側への燃料の吹き抜けは生じない。
【０００６】
そこで、吸排気のオーバーラップを通常よりも大きくする動弁機構を採用し、あるいは可変バルブタイミング機構（以下、適宜ＶＶＴという。）を採用して、成層燃焼領域において吸排気のオーバーラップを拡大し、内部ＥＧＲ効果を高めるようにすることが考えられる。
【０００７】
しかしながら、吸排気のオーバーラップを拡大するために吸気弁の開タイミングを上死点より前に大きく進め、あるいは排気弁の閉タイミングを上死点より後に大きく遅らせると、上死点近傍において開状態のそれら吸気弁あるいは排気弁とピストンとの干渉の問題が生ずる。
【０００８】
直噴ガソリンエンジンの場合、吸気通路ないしは吸気ポートに噴射する通常の噴射式ガソリンエンジンに比べて耐ノッキング性に優れ、圧縮比を大きくできるという特性があって、吸気通路内に噴射する通常のガソリンエンジンに比べて圧縮比が大きくされ、ピストンの上死点位置が高くなって、シリンダヘッドとの間隙が小さくなる傾向にある。そのため、吸気弁の開タイミングを進め、あるいは排気弁の閉タイミングを遅らせることによる吸排気弁とピストンとの干渉の問題は不可避である。
【０００９】
そこで、上記特開平１１−４４２１５号にも開示されているように、ピストン頂面にバルブリセスを凹設することにより吸排気弁とピストンとの干渉を回避することが必要となる。
【００１０】
ところで、このようにシリンダ内に直接燃料を噴射してピストン頂部のキャビティ内にトラップし成層燃焼させる直噴ガソリンエンジンは、具体的構成として、シリンダヘッドの下面にクランク軸方向の稜線部分を挟んで吸気側および排気側に傾斜面を構成するペントルーフ形状の燃焼室凹部が形成され、該燃焼室凹部の例えば略シリンダ軸線上の位置に点火プラグが配設されるとともに、吸気側および排気側の傾斜面に吸気ポートおよび排気ポートが形成されて、それら吸気ポートおよび排気ポートに吸気弁および排気弁がそれぞれ配設され、ピストン冠面がシリンダヘッドの燃焼室凹部に沿ったペントルーフ形状に形成され、該ペントルーフ形状のピストン冠面（すなわち頂面）に凹陥状のキャビティが設けられ、燃焼室凹部の周縁にキャビティに向けて直接燃料を噴射するよう燃料噴射弁が配設され、スワールによって燃料噴射弁からの燃料噴霧がキャビティ内の点火プラグの周りに移送され、該点火プラグ周りに混合気が偏在し成層化するよう構成されるのが普通である。その場合、燃料噴射弁は、排気側では排気弁による熱の影響やカーボンの付着等があって信頼性に問題があるため、吸気側に配設される。また、キャビティは、燃料噴射弁からの燃料噴霧がスワールに乗って略シリンダ軸線上の点火プラグの近傍に運ばれるよう、シリンダ軸線近傍の点火プラグを囲んで吸気側にオフセット（偏位）して配設され、周縁部に弁軸方向から見た吸気弁の投影面が跨がる大きさとされるのが普通である。
【００１１】
このように吸気側にオフセットしてキャビティを設ける直噴ガソリンエンジンにおいてピストン頂面にバルブリセスを設けようとすると、特に吸気弁の開タイミングを進める場合のピストン頂面との干渉を回避するよう吸気弁に対するバルブリセスをピストン頂面に設ける場合には、バルブリセスが一部キャビティに重なる配置となることによってバルブリセスを含めた実質的なキャビティの周縁形状が歪なものとなり、それがキャビティ外への燃料流出の要因となる。そして、バルブリセスを介してキャビティ外に燃料噴霧が流出することにより混合気の成層度が低下してリーン限界が低下する。また、キャビティ外に流出した燃料はピストン冠面とシリンダヘッドとの間の狭い空間に入り込むことになって空気利用率が悪くなり、そのため、未燃燃料が増加しスモークが発生してエミッションが悪化する。
【００１２】
吸排気のオーバーラップを拡大する手段としては、排気弁の閉タイミングを遅らせる方法もある。直噴ガソリンエンジンにおいて例えばＶＶＴを採用して所定の運転域で吸排気のオーバーラップを拡大する場合に、排気弁を遅く閉じて排気ガスをシリンダ内へ導入することによる内部ＥＧＲ以上に、吸気弁を早く開いて残留ガスを吸気管内に導入する方が、点火タイミング直前に吸気側から噴射される燃料の気化・霧化促進の効果が期待できる。
【００１３】
図１０は、横軸にエンジン負荷、縦軸にＨＣ排出量をとって、バルブリセスの全くない場合（丸プロット）と、吸気側にバルブリセスを設けた場合（四角プロット）と、排気側にバルブリセスを設けた場合（菱形プロット）とのＨＣ排出量特性の比較を示し、また、図１１は、横軸にエンジン負荷、縦軸に燃費をとって、バルブリセスの全くない場合（丸プロット）と、吸気側にバルブリセスを設けた場合（四角プロット）と、排気側にバルブリセスを設けた場合（菱形プロット）との燃費特性の比較を示している。バルブリセスは、ペントルーフ形状の吸気側傾斜面あるいは排気側傾斜面を噴射口近傍を除いてキャビティより浅い所定深さに凹陥させ、キャビティ周縁に跨がる凹陥状のリセスとしたものである。これらのデータからも明らかなように、排気側にバルブリセスを設けた場合（菱形プロット）はバルブリセスを全く設けない場合（丸プロット）とでは、ＨＣ排出量、燃費共大差なく、吸気側にバルブリセスを設けた場合（四角プロット）にＨＣ排出量特性及び燃費特性共改善される。
【００１４】
したがって、シリンダ内に直接燃料を噴射してピストン頂面のキャビティ内にトラップし成層燃焼させる火花点火式直噴エンジンにおいて、バルブタイミングの自由度拡大のためピストン頂面にバルブリセスを付加しても成層度が損なわれないようにすることが課題である。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決し、吸気側にバルブリセスを設けることによりバルブタイミングの自由度を高めて内部ＥＧＲ効果による燃料の気化・霧化促進を可能としつつ、キャビティ外への燃料噴霧の流出による成層度の低下を防止して、燃費及びエミッション性能を高めることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリンダヘッド下面にペントルーフ形状の燃焼室凹部を有し、燃焼室凹部に沿ったペントルーフ形状のピストン冠面に吸気側に偏位したキャビティを有し、吸気側からキャビティに向けて直接燃料を噴射し、スワールによって燃料噴霧を点火プラグの周りに移送し、成層燃焼させるよう構成した火花点火式直噴エンジンの場合に、バルブタイミングの自由度を高めるためのバルブリセスを特に吸気側に設けることが、内部ＥＧＲ効果による燃料の気化・霧化の促進に有利で、それによりリーン限界が高められて燃費性能が向上するとともに、未燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）の排出量が低減されることを見い出し、吸気弁に対するバルブリセスを設けることを前提として、次の構成によりバルブリセスを介するキャビティ外への燃料噴霧の流出防止を実現したものである。
【００１７】
請求項１に係る発明は、シリンダヘッドの下面にクランク軸方向の稜線部分を挟んで吸気側および排気側のシリンダボア周縁近傍に達する傾斜面を成すペントルーフ形状の燃焼室凹部が形成され、該燃焼室凹部の略シリンダ軸線上の位置に点火プラグが配設されるとともに、吸気側および排気側の傾斜面に吸気ポートおよび排気ポートが形成され、上記吸気ポートは二つで、それら吸気ポートおよび排気ポートに吸気弁および排気弁がそれぞれ配設され、ピストン冠面が上記シリンダヘッドの燃焼室凹部に沿ったペントルーフ形状に形成され、該ペントルーフ形状のピストン冠面にシリンダ軸線に対し吸気側に偏位して各弁軸方向から見た上記二つの吸気弁の各投影面が跨がる位置まで拡がるとともにシリンダ軸線近傍で上記点火プラグよりも排気側まで拡がる凹陥状のキャビティが設けられ、上記燃焼室凹部の吸気側に上記キャビティに向けて直接燃料を噴射するよう燃料噴射弁が配設され、シリンダ内にスワールを生成するスワール生成手段が設けられ、該スワール生成手段により生成されたスワールによって上記燃料噴射弁からの燃料噴霧が上記キャビティ内の点火プラグの周りに移送され、該点火プラグ周りに混合気が偏在し成層化するよう構成された火花点火式直噴エンジンにおいて、上記二つの吸気弁に対し、それら吸気弁の上記投影面を包含するピストン冠面の所定位置にそれら吸気弁のリフトを逃げるための円形で内側が上記キャビティに包含される形状のバルブリセスを弁軸方向に上記キャビティより浅い所定量の深さでそれぞれ設けることを前提とする。
【００１８】
そして、上記二つの吸気弁に対するバルブリセスの円形部の双方の周縁に接する一つの円弧よりキャビティ内方側のピストン冠面にそれぞれのバルブリセスの延長として各バルブリセスと同じ深さの切り欠き部をそれぞれ設け、それら双方の切り欠き部の間で上記キャビティの排気側周縁の形状を上記一つの円弧により形成する。
【００１９】
この場合、バルブリセス円形部の周縁とキャビティ排気側周縁とに接する接線方向のガイド壁が形成され、このガイド壁によって、スワールに乗りキャビティ内壁に沿って点火プラグへ運ばれる途中でバルブリセスにはみ出そうとする燃料噴霧が滑らかにリセス周壁に向けてガイドされ、リセス周壁に沿って速やかにキャビティ内に戻り、キャビティ内のスワールに乗った燃料噴霧の流れに合流する。そして、着火時に燃料噴霧がキャビティ内に留まり成層度が確保され、それによってリーン限界が向上し、空気利用率が向上し、また、吸気弁の開弁特性の自由度が高まり、吸気弁の開タイミングを進める内部ＥＧＲ効果を高めて燃料の気化・霧化を促進することが可能となり、相乗的に燃費及びエミッション性能が向上する。
【００２０】
請求項２に係る発明は、請求項１の構成を前提として、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧エリアがキャビティ内で点火プラグよりスワール上流において燃料噴射弁の噴口中心と弁軸方向から見た吸気弁の軸心とを結ぶ線に対し近接してキャビティ内方側に形成されるよう、燃料噴射弁の噴口軸線および噴霧角とスワール強度を設定するものである。
【００２１】
こうすることにより、キャビティ外への燃料噴霧の流出を一層確実に防止できる。
【００２２】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２の構成を前提とし、少なくとも一部の運転域において吸気弁の開期間と排気弁の開期間とのオーバーラップ期間が、上死点の前後に跨がるとともに、吸気弁が開いてから上死点までのクランク角が上死点から排気弁が閉じるまでのクランク角よりも大きい設定とするものである。
【００２３】
バルブタイミングをこのような設定とすることにより、内部ＥＧＲ効果によって短時間での燃料の気化・霧化促進が可能となるとともに、ピストン上昇時に掻き上げられた未燃焼燃料成分（ＨＣ）が排気弁が閉じる瞬間に吸気ポート側へ押し出され、それが再度シリンダ内に吸い込まれことになって、ＨＣ排出量低減に寄与する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は本発明の実施の形態に係る火花点火式直噴エンジンの燃焼室部分の構造を吸排気弁軸を通るシリンダ軸線方向の縦断面で示す。このエンジンは直列多気筒で、複数のシリンダ１を構成するシリンダブロック２を有し、そのシリンダブロック２の上端にシリンダヘッド３が組み付けられている。そして、各シリンダ１に上下方向すなわちシリンダ軸線４方向に往復動可能にピストン５が嵌装されている。ピストン５は、連結棒（図示せず）を介してクランク軸（図示せず）に連結される。
【００２６】
シリンダヘッド３の下面には、シリンダ軸線４近傍を前後方向すなわちクランク軸方向に延びる稜線部分６ａを挟んで左側（吸気側）及び右側（排気側）がそれぞれ傾斜しシリンダボアの周縁近傍に達する吸気側傾斜面６ｂと排気側傾斜面６ｃとを構成する所謂ペントルーフ形状の燃焼室凹部６が形成されている。そして、その燃焼室凹部６の略シリンダ軸線４上で僅かに排気側にオフセット（偏位）した位置に点火プラグ７が配設され、吸気側傾斜面６ｂには図１において前後に略重なる位置に二つの吸気ポート８ａ、８ｂが、また、排気側傾斜面６ｃにはやはり前後に略重なる位置に二つの排気ポート９ａ、９ｂが形成され、それら各吸気ポート８ａ、８ｂ及び各排気ポート９ａ、９ｂに吸気弁１０ａ、１０ｂ及び排気弁１１ａ、１１ｂがそれぞれ配設されている。吸気弁１０ａ、１０ｂ及び排気弁１１ａ、１１ｂは、シリンダヘッド３の上部に配設される吸気用カム軸（図示せず）及び排気用カム軸（図示せず）によってそれぞれ開閉駆動されるもので、そのうち、吸気用カム軸にクランク軸からの駆動力を伝達する伝達経路には、吸気弁１０ａ、１０ｂのバルブタイミングを可変とするよう、ＶＶＴすなわち可変バルブタイミング機構（図示せず）が配設されている。
【００２７】
ピストン５の頂面（ピストン冠面）は、上記シリンダヘッド３下面の燃焼室凹部６に沿った中高のペントルーフ形状を基本とし、稜線部分１２ａと吸気側傾斜面１２ｂと排気側傾斜面１２ｃがシリンダヘッド３側の稜線部分６ａ、吸気側傾斜面６ｂ、排気側傾斜面６ｃとの間隙が略均一となるよう形状のものである。そして、そのペントルーフ形状のピストン冠面に、シリンダ軸線４に対し吸気側にオフセット（偏位）して、凹陥状のキャビティ１３が設けられている。
【００２８】
キャビティ１３は二つの吸気弁１０ａ、１０ｂのそれぞれの弁軸方向から見た投影面が跨がる位置まで拡がるとともに、シリンダ軸線４近傍で点火プラグ７よりも排気側まで拡がるもので、図２の参考例に示すように平面視にてクランク軸方向にやや長い略長円形状とされている。
【００２９】
そして、シリンダヘッド３には、燃焼室凹部６の吸気側周縁に臨む位置に、ピストン冠面の上記キャビティ１３に向けて直接燃料を噴射するよう噴口軸線がシリンダ軸線４と交差し斜め下方に所定の設置角（シリンダヘッド３下面に対し例えば４２゜の角度）をなす設定で燃料噴射弁１４が配設されている。
【００３０】
また、図２に示す参考例では、ピストン５の頂面には、二つの吸気弁１０ａ、１０ｂのそれぞれの弁軸方向から見た投影面を包含しそれら投影面よりやや大きい範囲に、各吸気弁１０ａ、１０ｂのリフトを逃げるための円形で内側が上記キャビティ１３に包含される形状の二つのバルブリセス１５ａ、１５ｂが、それぞれ弁軸方向に上記キャビティ１３より浅い所定量の深さでそれぞれ設けられている。
【００３１】
そして、各バルブリセス１５ａ、１５ｂのキャビティ１３の外に位置する各円形部の周縁とキャビティ１３の排気側周縁とに接する各接線１６ａ、１６ｂよりキャビティ１３内方側のピストン冠面に、各バルブリセス１５ａ、１５ｂの延長としてそれらバルブリセス１５ａ、１５ｂと同じ深さの切り欠き部１７ａ、１７ｂが設けられている。
【００３２】
この実施の形態では、ピストン５の頂面を図３に示すように形成している。この場合、ピストン５の頂面にはやはり二つの吸気弁１０ａ、１０ｂのそれぞれの弁軸方向から見た投影面を包含しそれら投影面よりやや大きい範囲に、各吸気弁１０ａ、１０ｂのリフトを逃げるための円形で内側が上記キャビティ１３に包含される形状の二つのバルブリセス１５ａ、１５ｂを、それぞれ弁軸方向に上記キャビティ１３より浅い所定量の深さでそれぞれ設ける。そして、それら二つの吸気弁１０ａ、１０ｂに対するバルブリセス１５ａ、１５ｂの円形部の双方の周縁に接する一つの円弧１８よりキャビティ１３内方側のピストン冠面にそれぞれのバルブリセス１５ａ、１５ｂの延長として各バルブリセス１５ａ、１５ｂと同じ深さの切り欠き部１９ａ、１９ｂをそれぞれ設け、それら双方の切り欠き部１９ａ、１９ｂの間で上記キャビティ１３の排気側周縁の形状を上記一つの円弧１８により形成されたものとする。
【００３３】
二つの吸気ポート８ａ、８ｂは、各気筒毎の独立吸気通路（図示せず）から二つに分岐した通路部分のそれぞれに接続され、それら二つの通路部分の一方（図１において背面側の吸気ポート８ｂにつながる通路部分）に通路面積を制御する制御弁（図示せず）が設けられて、この一方の通路部分の制御弁を閉制御することにより、他方（図１において表面側）の通路部分につながる吸気ポート８ａからの吸気流動によりシリンダ１内に図２（参考例）及び図３において反時計周り（矢印で示す方向）のスワール（横渦）が生成されるようになっている。つまり、二つの吸気ポート８ａ、８ｂと、上記各通路部分及び上記制御弁とでスワール生成手段が構成されている。そして、上記制御弁の開度によってスワール強度が制御可能である。
【００３４】
以上の構成からなるエンジンは、低回転低負荷側の所定運転域を成層燃焼領域とし、それより高回転高負荷の運転域を均一燃焼領域とする。
【００３５】
そして、成層燃焼領域では、上記制御弁を閉制御して、シリンダ１内に例えばスワール比２．５〜３．０のスワールを生起させるとともに、ＶＶＴ制御により吸気弁８ａ、８ｂの開タイミングを進めて例えばＢＴＤＣ（上死点前）４１゜とし、圧縮上死点手前近傍の例えばＢＴＤＣ５０〜６０゜で燃料を噴射し、例えばＢＴＤＣ２０゜で点火する。燃料圧力は例えば８ＭＰａ、噴霧角は例えば６０゜（燃料圧力８ＭＰａ時）である。
【００３６】
燃料噴射弁１４の噴口軸線および噴霧角とスワール強度（スワール比）は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料の噴霧エリアが、図２（参考例）及び図３に示すようにキャビティ１３内で点火プラグ７よりスワール上流において燃料噴射弁１４の噴口２０中心と弁軸方向から見た吸気弁の軸心２１とを結ぶ線に対し近接してキャビティ１３内方側に形成されるよう設定されたものである。
【００３７】
図４にＶＶＴによるバルブタイミングの制御例を示す。均一燃焼領域と成層燃焼領域との吸気カムの位相差は例えば４０゜で、成層燃焼領域での開弁期間は図４に点線で示す均一燃焼領域での設定から実線で示す設定へと全体が４０゜変化する。そして、成層燃焼領域での吸気弁１０ａ、１０ｂの開タイミング（Ｉ.Ｏ.）が上述のように例えばＢＴＤＣ（上死点前）４１゜となる。この場合、図４に示すように成層燃焼領域における吸気弁１０ａ、１０ｂの開期間と排気弁１１ａ、１１ｂの開期間とのオーバーラップ期間は、上死点（ＴＤＣ）の前後に跨がり、且つ、吸気弁１０ａ、１０ｂの開タイミング（Ｉ.Ｏ.）から上死点（ＴＤＣ）までのクランク角が、上死点（ＴＤＣ）から排気弁１１ａ、１１ｂの閉タイミング（Ｅ.Ｃ.）までのクランク角よりも大きい。
【００３８】
こうした設定とすることにより、成層燃焼領域において圧縮上死点手前近傍の例えばＢＴＤＣ５０〜６０゜で燃料噴射弁１４から噴射された燃料は噴霧となってキャビティ１３内でスワールにより点火プラグ７の周りに移送され、点火プラグ７の周りに混合気が偏在し成層化する。
【００３９】
そして、図２（参考例）に示すピストン形状の場合、切り欠き部１７ａ、１７ｂの周壁がガイド壁となり、特に点火プラグ７に対しスワール上流側で且つ燃料噴射弁１４に対しスワール下流側となる切り欠き１７ａの周壁がガイド壁となって、スワールに乗りキャビティ１３内壁に沿い点火プラグ７へ運ばれる途中でバルブリセス１５ａにはみ出そうとする燃料噴霧が滑らかにガイドされ、速やかにキャビティ１３内に戻され、キャビティ１３内のスワールに乗った燃料噴霧の流れに合流する。
【００４０】
また、図３に示すピストン形状の場合、切り欠き部１９ａ、１９ｂとキャビティ１３の排気側周縁部分の円弧１８からなる周壁がガイド壁となり、特に点火プラグ７に対しスワール上流側で且つ燃料噴射弁１４に対しスワール下流側となる切り欠き部１９ａの周壁がガイド壁となって、スワールに乗りキャビティ１３内壁に沿い点火プラグ７へ運ばれる途中でバルブリセス１５ａにはみ出そうとする燃料噴霧が滑らかにガイドされ、速やかにキャビティ１３内に戻され、キャビティ１３内のスワールに乗った燃料噴霧の流れに合流する。
【００４１】
こうして着火時に燃料噴霧がキャビティ１３内に留まり、成層度が確保されることにより、リーン限界が向上し、空気利用率が向上する。また、吸気ＶＶＴによる内部ＥＧＲ効果が高まり、燃料の気化・霧化が促進される。そして、相乗的に燃費及びエミッション性能が向上する。また、吸気弁１０ａ、１０ｂの開タイミング（Ｉ.Ｏ.）から上死点（ＴＤＣ）までのクランク角が、上死点（ＴＤＣ）から排気弁１１ａ、１１ｂの閉タイミング（Ｅ.Ｃ.）までのクランク角よりも大きいことにより、ピストン上昇時に掻き上げられた未燃焼燃料成分（ＨＣ）が排気弁１１ａ、１１ｂが閉じる瞬間に吸気ポート８ａ、８ｂ側へ押し出され、それが再度シリンダ内に吸い込まれて燃焼することになり、ＨＣ排出量が一層低減される。
【００４２】
成層燃焼領域では上述のようにスワール比を２．５〜３．０とする。ここで、スワール比とは、一般に気筒内の混合気（吸入空気）の横渦の旋回数をエンジン回転数で割った値で定義されるものである。そして、混合気の横渦の旋回数は、例えば図５に示すようにエンジンのボア径がＤであるとして、シリンダヘッド下面Ｆ1から距離１．７５Ｄだけ下方の位置Ｆ2にインパルススワールメータ３０を設置し、このインパルススワールメータ３０に作用するトルク（インパルススワールメータトルク）を検出し、このインパルススワールメータトルクに基づいてよく知られた手法で算出する。なお、図５においてＦ3は下死点位置にあるピストン頂面を示している。
【００４３】
インパルススワールメータトルクは、次のような手順で測定される。すなわち、上記Ｆ2位置にインパルススワールメータ３０を配置し、ピストン頂面に作用するスワールのエネルギをインパルススワールメータ３０で再現させることによって、通常時においてピストン頂面付近にどの程度の旋回エネルギが存在するかを測定する。インパルススワールメータ３０は多数のハニカムを備えていて、インパルススワールメータ３０にスワールが作用すると、各ハニカムに夫々スワール流れ方向の力が作用し、各ハニカムにかかる力を積算することによって全体に作用するインパルススワールメータトルクを算出する。
【００４４】
また、噴霧角は上述のように例えば６０゜（燃料圧力８ＭＰａ時）とするが、その噴霧角の定義は次のとおりである。すなわち、図６の（ｂ）に示すように、噴霧の軸中心線を通る厚さ５ｍｍのレーザシート光を照射し、このレーザシート光面に対し垂直面上に高速度カメラにて撮影した噴霧画像において噴霧角を定義する。
【００４５】
その際、燃料圧力を所定圧力設定し、噴霧撮影か可能なレーザー通過窓と観測用窓を備えた圧力容器を用いて雰囲気圧力を０．２５Ｐａに加圧する。そして、噴射量が９ｍｍ3／strokeになるよう所定パルス幅の駆動パルスを入力し、図６の（ａ）に示すように噴射開始時期（パルス立ち上がり）から１．５６ｍsec後を計測時期として、その時点の画像を用いる。
【００４６】
そして、図６の（ｂ）に示すように、噴射弁噴口部Ａから２０ｍｍ下流位置での噴霧の両端をＢ、Ｃとして、∠ＢＡＣの挟角を噴霧角と定義する。
【００４７】
図７は、上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンの燃費性能に係る実験データを示している。四角プロットは本発明による吸気リセス（吸気弁に対するバルブリセス）付きのピストン冠面形状（図３の例）を採用した場合のデータ、菱形プロットはバルブリセスが全くない場合のデータである。本発明による吸気リセス付きのピストン冠面形状を採用することにより、バルブリセスが全くない場合に比べて燃費特性が明らかに向上している。
【００４８】
図８は、上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンの低圧ＰＶ線図を示している。太線が本発明による吸気リセス（吸気弁に対するバルブリセス）付きのピストン冠面形状（図３の例）を採用し、成層燃焼領域で吸気ＶＶＴにより吸気弁の開タイミングを進めた場合であり、細線は吸気ＶＶＴを採用しない場合である。これらの比較から、吸気ＶＶＴの採用によりポンピングロスが低減されることが明らかである。
【００４９】
図９は、上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンのＰｉ（図示平均有効圧）変動率特性に係る実験データを示している。丸プロットは本発明による吸気リセス（吸気弁に対するバルブリセス）付きでリセスを延長した切り欠き部と排気側キャビティ周縁を一つの円弧で形成したピストン冠面形状（図３の例）の場合のデータ、四角プロットは吸気弁の投影面の部分にバルブリセスを設けただけの場合のデータである。本発明による吸気リセス付きのピストン冠面形状の採用により、空燃比（Ａ／Ｆ）のリミット限界が上昇することがこのデータから明らかである。
【００５０】
以上、実施の形態の一例を説明したが、この発明は上記図示の例に限定されるものではなく、請求項１、２あるいは３に記載の範囲で適宜変更して実施できることは勿論である。
【００５１】
上記図示の例は吸気ポートと排気ポートが共に二つの場合であるが、この発明は例えば排気ポートが一つの場合にも適用できる。
【００５２】
また、上記実施の形態で説明した例は、ＶＶＴを採用したエンジンの場合であるが、本発明はそれに限定されるものではなく、バルブタイミング固定式で、吸気弁の開タイミングを上死点前に大きく進める設定のエンジンに対しても有効である。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、シリンダ内に直接燃料を噴射してピストン頂面のキャビティ内にトラップし成層燃焼させる火花点火式直噴エンジンにおいて、吸気側にバルブリセスを設けることによりバルブタイミングの自由度を高めて内部ＥＧＲ効果による燃料の気化・霧化促進を可能としつつ、キャビティ外への燃料噴霧の流出による成層度の低下を防止して、燃費及びエミッション性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る火花点火式直噴エンジンの燃焼室部分の吸排気弁軸を通るシリンダ軸線方向の縦断面図である。
【図２】 上記実施の形態の参考例に係るピストンの平面図である。
【図３】 上記実施の形態の一例のピストンの平面図である。
【図４】 上記実施の形態における吸気ＶＶＴのバルブタイミング図である。
【図５】 スワール比の定義を示す図である。
【図６】 噴射角の定義を示す図である。
【図７】 上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンの燃費性能を示す実験データのグラフである。
【図８】 上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンのポンピングロス低減効果を示す低圧ＰＶ線図である。
【図９】 上記実施の形態のピストン形状を有するエンジンのＰｉ変動率特性を示す実験データのグラフである。
【図１０】 ＨＣ排出量特性の比較を示す実験データのグラフである。
【図１１】 燃費特性の比較を示す実験データのグラフである。
【符号の説明】
１ シリンダ
３ シリンダヘッド
４ シリンダ軸線
５ ピストン
６ 燃焼室凹部
７ 点火プラグ
１０ａ、１０ｂ 吸気弁
１１ａ、１１ｂ 排気弁
１２ａ 稜線部分
１２ｂ 吸気側傾斜面
１２ｃ 排気側傾斜面
１３ キャビティ
１４ 燃料噴射弁
１５ａ、１５ｂ バルブリセス
１６ａ、１６ｂ 接線
１７ａ、１７ｂ 切り欠き部
１８ 円弧
１９ａ、１９ｂ 切り欠き部
２０ 噴口中心
２１ 吸気弁の軸心
Claims (3)
- シリンダヘッドの下面にクランク軸方向の稜線部分を挟んで吸気側および排気側のシリンダボア周縁近傍に達する傾斜面を成すペントルーフ形状の燃焼室凹部が形成され、該燃焼室凹部の略シリンダ軸線上の位置に点火プラグが配設されるとともに、吸気側および排気側の傾斜面に吸気ポートおよび排気ポートが形成され、上記吸気ポートは二つで、それら吸気ポートおよび排気ポートに吸気弁および排気弁がそれぞれ配設され、
ピストン冠面が上記シリンダヘッドの燃焼室凹部に沿ったペントルーフ形状に形成され、該ペントルーフ形状のピストン冠面にシリンダ軸線に対し吸気側に偏位して各弁軸方向から見た上記二つの吸気弁の各投影面が跨がる位置まで拡がるとともにシリンダ軸線近傍で上記点火プラグよりも排気側まで拡がる凹陥状のキャビティが設けられ、
上記燃焼室凹部の吸気側に上記キャビティに向けて直接燃料を噴射するよう燃料噴射弁が配設され、
シリンダ内にスワールを生成するスワール生成手段が設けられ、該スワール生成手段により生成されたスワールによって上記燃料噴射弁からの燃料噴霧が上記キャビティ内の点火プラグの周りに移送され、該点火プラグ周りに混合気が偏在し成層化するよう構成された火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記二つの吸気弁に対し、それら吸気弁の上記投影面を包含するピストン冠面の所定位置にそれら吸気弁のリフトを逃げるための円形で内側が上記キャビティに包含される形状のバルブリセスを弁軸方向に上記キャビティより浅い所定量の深さでそれぞれ設けるとともに、
上記二つの吸気弁に対するバルブリセスの円形部の双方の周縁に接する一つの円弧よりキャビティ内方側のピストン冠面にそれぞれのバルブリセスの延長として各バルブリセスと同じ深さの切り欠き部をそれぞれ設け、それら双方の切り欠き部の間で上記キャビティの排気側周縁の形状を上記一つの円弧により形成したことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。 - 上記燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧エリアが上記キャビティ内で点火プラグよりスワール上流において上記燃料噴射弁の噴口中心と弁軸方向から見た吸気弁の軸心とを結ぶ線に対し近接してキャビティ内方側に形成されるよう、上記燃料噴射弁の噴口軸線および噴霧角とスワール強度が設定されていることを特徴とする請求項１記載の火花点火式直噴エンジン。
- 少なくとも一部の運転域において吸気弁の開期間と排気弁の開期間とのオーバーラップ期間が、上死点の前後に跨がるとともに、吸気弁が開いてから上死点までのクランク角が上死点から排気弁が閉じるまでのクランク角よりも大きい設定とされていることを特徴とする請求項１又は２記載の火花点火式直噴エンジン。
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