JP5070854B2 - Direct injection internal combustion engine - Google Patents

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Description

本発明は、火花点火方式の直接噴射式内燃機関に関するものである。   The present invention relates to a spark ignition direct injection internal combustion engine.

従来から成層燃焼による希薄空燃比運転を行うようにした筒内直接噴射式内燃機関は知られている(特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, a direct injection internal combustion engine that performs lean air-fuel ratio operation by stratified combustion is known (see Patent Document 1).

これは、燃焼室上面の略中心に燃料噴射弁と点火プラグを配し、ピストン冠面の中央に深皿部をその周囲にバルブリセスとなる円形の浅皿部を配列したボウルを形成し、燃料噴射弁からボウルに向けて中空噴霧を噴射することで、燃焼室内に混合気塊を保持させることにより成層状態を形成して希薄空燃比運転を行うものである。   This consists of a fuel injection valve and a spark plug at the approximate center of the upper surface of the combustion chamber, a bowl in which a deep pan portion is arranged at the center of the piston crown surface and a circular shallow pan portion around which a valve recess is arranged. By injecting the hollow spray from the injection valve toward the bowl, the air-fuel mixture is held in the combustion chamber to form a stratified state and perform a lean air-fuel ratio operation.

そして、中低速域では燃料噴霧をピストン深皿部にあて、高速域では浅皿部に向けて噴射することで、深皿部とその上空に強成層混合気を形成する場合と、浅皿部および深皿部とその上空に弱成層混合気を形成する場合を切換えて、運転領域に応じて噴射燃料の成層状態を変えるようにしている。
特開2000−265841号公報
And, in the middle and low speed range, fuel spray is applied to the piston deep dish part, and in the high speed range, it is injected toward the shallow dish part to form a strong stratified mixture in the deep dish part and above, and the shallow dish part In addition, the stratified state of the injected fuel is changed according to the operation region by switching the case where the weakly stratified air-fuel mixture is formed in the deep dish portion and the sky.
JP 2000-265841 A

しかしながら、上記従来例では、ボウルを構成する円形の浅皿部は中央の深皿部の周囲にバルブリセスとなるよう配列されており、噴射弁を中心とする円形には形成されていない。このため、噴射された燃料噴霧が浅皿部同士の間から外側にこぼれ、浅皿部には充分に受け止めら無い虞があり、燃費の悪化や未燃HCの増加が懸念される。   However, in the above-described conventional example, the circular shallow dish portion constituting the bowl is arranged to be a valve recess around the central deep dish portion, and is not formed in a circular shape centering on the injection valve. For this reason, there is a possibility that the injected fuel spray spills out from between the shallow plate parts and is not sufficiently received by the shallow plate part, and there is a concern that fuel consumption deteriorates and unburned HC increases.

また、上記従来例では、中央の深皿部と外側の浅皿部との境界が一様に形成されているため、弱い成層状態を得るために、圧縮行程のピストンの低い位置で噴射されると噴射コーンは広がって浅皿部に当り半径方向外側へと向かい、この浅皿部を経由して形成された混合気は、その中央部の点火プラグ近傍において、着火不能な希薄な混合気となる可能性が大きく、また、強い成層状態を形成するために、ピストンの高い位置で噴射されると、噴射コーンは中央の深皿部に全て受け止められて混合気が形成され、点火プラグ近傍に形成される混合気の濃度が過濃となる虞がある。   Further, in the above conventional example, since the boundary between the central deep dish part and the outer shallow dish part is uniformly formed, in order to obtain a weak stratification state, injection is performed at a low position of the piston in the compression stroke. The spray cone spreads out and hits the shallow plate part toward the outside in the radial direction, and the air-fuel mixture formed via this shallow plate part is a non-ignitable lean mixture near the spark plug in the center. In order to form a strong stratified state, when the piston is injected at a high position, the injection cone is completely received by the central basin, and an air-fuel mixture is formed, near the spark plug. There is a possibility that the concentration of the air-fuel mixture formed will be excessive.

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、機関負荷の変化に対応して適切な成層混合気塊を形成するに好適な直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a direct injection internal combustion engine suitable for forming an appropriate stratified air-fuel mixture corresponding to changes in engine load.

本発明は、ピストン冠面の略中心付近に設けた内側キャビティと内側キャビティの外周を取り巻くよう設けた外側キャビティとにより構成したキャビティを備え、前記ピストン冠面のキャビティに向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するよう、燃焼室上部の点火プラグに近接させて設けた燃料噴射弁と備え、前記内側キャビィの外周域を形成するよう内側キャビティの外周側の全周域において、内側キャビティの底面に対する外側キャビティの底面の高さを、燃料が噴射される円錐面に沿った放射方向夫々の領域において相違させて形成した。 The present invention includes a cavity constituted by an inner cavity provided near the center of the piston crown surface and an outer cavity provided so as to surround the outer periphery of the inner cavity, and fuel is set in advance toward the cavity of the piston crown surface. A fuel injection valve provided close to the spark plug at the upper part of the combustion chamber so as to supply the fuel radially along the conical surface, and in the entire peripheral region on the outer peripheral side of the inner cavity so as to form the outer peripheral region of the inner cavity The height of the bottom surface of the outer cavity with respect to the bottom surface of the inner cavity is made different in each region in the radial direction along the conical surface where the fuel is injected.

したがって、本発明では、ピストン冠面に設けるキャビティを、ピストン冠面の略中心付近に設けた内側キャビティと内側キャビティの外周を取り巻くよう設けた外側キャビティとにより構成すると共に、前記内側キャビィの外周域を形成するよう内側キャビティの外周側の全周域において、内側キャビティの底面に対する外側キャビティの底面の高さを、燃料が噴射される円錐面に沿った放射方向夫々の領域において相違させて形成した。このため、成層運転域内での機関負荷状態に応じて圧縮行程における燃料噴射開始時期を進角させて燃料噴射量を増加させるようにすると、燃料噴射弁から噴射される燃料の供給範囲が、低負荷状態では圧縮行程の終期のピストンキャビティと燃料噴射弁とが近接した距離で行われて内側キャビティのみとでき、負荷の上昇に応じて噴射開始時期の進角に対応して前記距離が大きくなり分割された側壁の高さの低い一部の外側キャビティへ拡大され、更なる負荷上昇に応じて前記距離が順次大きくなり順次側壁の高さが高い外側キャビティへと拡大される。このため、機関負荷の変化に対応して適切な大きさの成層混合気塊を形成することができ、幅広い運転条件で安定的に成層燃焼を実現し、燃費の向上を図ることができる。 Therefore, in the present invention, the cavity provided on the piston crown surface is constituted by an inner cavity provided near the center of the piston crown surface and an outer cavity provided so as to surround the outer periphery of the inner cavity, and the outer peripheral region of the inner cavity. The height of the bottom surface of the outer cavity with respect to the bottom surface of the inner cavity is made different in each radial region along the conical surface where the fuel is injected. . Therefore, if the fuel injection amount is increased by advancing the fuel injection start timing in the compression stroke according to the engine load state in the stratified operation region, the supply range of fuel injected from the fuel injection valve is reduced. In the load state, the piston cavity and the fuel injection valve at the end of the compression stroke are performed at a close distance, and only the inner cavity can be formed, and the distance increases corresponding to the advance angle of the injection start timing as the load increases. The divided side walls are expanded to a part of the outer cavities having a low height, and the distance is gradually increased as the load is further increased, so that the side walls are sequentially increased to a high height. For this reason, it is possible to form a stratified air-fuel mixture having an appropriate size corresponding to changes in the engine load, stably realizing stratified combustion under a wide range of operating conditions, and improving fuel efficiency.

以下、本発明の直接噴射式内燃機関の一実施形態に基づいて説明する。図1〜図5は、本発明を適用した直接噴射式内燃機関の第1実施例を示し、図1は本発明を適用した直接噴射式内燃機関の燃焼室を含む概略構成図、図2はピストンの冠面を示す平面図、図3はピストン冠面の内外ボウルの展開図、図4は燃料噴射弁よりの噴霧状態を示す側面図および平面図、図5は燃料噴射弁よりの噴霧とピストン冠面の内外ボウルとの関係を示す平面図である。   Hereinafter, it demonstrates based on one Embodiment of the direct injection type internal combustion engine of this invention. 1 to 5 show a first embodiment of a direct injection internal combustion engine to which the present invention is applied, FIG. 1 is a schematic configuration diagram including a combustion chamber of a direct injection internal combustion engine to which the present invention is applied, and FIG. FIG. 3 is a developed view of the inner and outer bowls of the piston crown surface, FIG. 4 is a side view and a plan view showing a spray state from the fuel injection valve, and FIG. 5 is a spray view from the fuel injection valve. It is a top view which shows the relationship with the inner and outer bowl of a piston crown surface.

本実施形態の直接噴射式内燃機関は、シリンダブロック1とシリンダヘッド2とピストン3で画成される燃焼室4が形成され、燃焼室4を構成するシリンダヘッド2側には、吸気弁5を介して吸気ポート6が、また、排気弁7を介して排気ポート8が、夫々連通されている。前記吸気弁5と排気弁7とは、夫々図示していない吸気弁用カムと排気弁用カムとによって開閉駆動される。シリンダヘッド2で形成する燃焼室4の上面の略中央付近には、燃料噴射弁9と点火プラグ10とが配置されており、機関コントロールユニット11からの駆動信号に基づいて、夫々燃料噴射および点火が実行される。12は吸入空気量センサ、13はアクセル開度センサ、14はクランク角センサ、15は冷却水温センサ、16は排気酸素センサである。   In the direct injection internal combustion engine of this embodiment, a combustion chamber 4 defined by a cylinder block 1, a cylinder head 2 and a piston 3 is formed, and an intake valve 5 is provided on the cylinder head 2 side constituting the combustion chamber 4. The intake port 6 is communicated with the exhaust port 8 and the exhaust port 8 is communicated with the exhaust valve 7. The intake valve 5 and the exhaust valve 7 are driven to open and close by an intake valve cam and an exhaust valve cam (not shown), respectively. A fuel injection valve 9 and a spark plug 10 are arranged near the center of the upper surface of the combustion chamber 4 formed by the cylinder head 2, and fuel injection and ignition are performed based on a drive signal from the engine control unit 11, respectively. Is executed. 12 is an intake air amount sensor, 13 is an accelerator opening sensor, 14 is a crank angle sensor, 15 is a coolant temperature sensor, and 16 is an exhaust oxygen sensor.

前記燃焼室4の上面を形成するシリンダヘッド2は、燃料噴射弁9および点火プラグ10が配置された中央部分を頂点とし、給排気弁5、7が着座するバルブシート5A、7Aを形成する部分が夫々傾斜した斜面を構成するペントルーフ型の燃焼室4を構成している。そして、前記ピストン冠面3Aも、気筒列方向の左右において、前記傾斜した斜面に沿ってスキッシュ域を形成する傾斜した斜面3Bと、この左右斜面の頂部に連ねて平坦な頂部3Cを備える凸状に形成されている。従って、ピストン3が上死点位置に上昇した際には、ピストン3の平坦な頂部3Cとシリンダヘッド2とにより、概ね三角柱の断面形状となるペントルーフ型燃焼室4を形成する。   The cylinder head 2 that forms the upper surface of the combustion chamber 4 has valve seats 5A and 7A on which the intake and exhaust valves 5 and 7 are seated, with the central portion where the fuel injection valve 9 and the spark plug 10 are disposed at the top. Constitutes a pent roof type combustion chamber 4 that constitutes an inclined slope. The piston crown surface 3A is also a convex shape having an inclined slope 3B that forms a squish area along the inclined slope on the left and right in the cylinder row direction, and a flat top 3C that continues to the top of the left and right slopes. Is formed. Therefore, when the piston 3 rises to the top dead center position, the flat top portion 3C of the piston 3 and the cylinder head 2 form a pent roof type combustion chamber 4 having a substantially triangular cross section.

前記ピストン冠面3Aには、図2に示すように、その略中央付近に、比較的深く形成された円形の深皿からなる内側キャビティ18と、この内側キャビティ18を略同心円状に取囲んでその外周部に内側キャビティ18より浅く形成された環状の外側キャビティ20と、が設けられている。前記内側キャビティ18はその外周側壁19(以下では「側壁」という)の上端の縁が、それを取囲む外側キャビティ20の底部21に連なり、外側キャビティ20の底部21外周に設けた外周側壁22(以下では「外壁」という)の上端の縁が、夫々ピストン冠面3Aの平坦な頂部3Cおよび左右斜面3Bに連なるよう形成されている。前記外側キャビティ20の外壁22の上端の縁は、ピストン冠面3Aの平坦な頂部3Cに連なる範囲で高く位置し、ピストン冠面3Aの左右斜面3Bに連なる範囲で、斜面と円筒との交差により、その中央部分の位置が低くなっている。   As shown in FIG. 2, the piston crown surface 3 </ b> A surrounds an inner cavity 18 made of a circular deep dish formed relatively deeply in the vicinity of the center thereof, and surrounds the inner cavity 18 substantially concentrically. An annular outer cavity 20 formed shallower than the inner cavity 18 is provided on the outer periphery. The inner cavity 18 has an outer peripheral side wall 19 (hereinafter referred to as “side wall”) whose upper edge is connected to the bottom 21 of the outer cavity 20 that surrounds the outer peripheral side wall 22. In the following, the upper edge of the outer wall is formed so as to be connected to the flat top 3C and the left and right inclined surfaces 3B of the piston crown surface 3A. The upper edge of the outer wall 22 of the outer cavity 20 is located higher in a range connected to the flat top portion 3C of the piston crown surface 3A, and is in a range connected to the left and right slopes 3B of the piston crown surface 3A. The position of the central part is low.

前記外側キャビティ20は円周方向において複数の領域に分割されており、夫々の領域においてその深さ(内側キャビティ18を構成する側壁19の高さ)を相違させて配列されている。図示例では、左右斜面3Bに臨む2つの領域Aと平坦な頂部に臨む4つの領域B、Cとの6個の領域に分割している。そして、左右斜面3Bに臨む2つの領域Aの底部21の高さ寸法(内側キャビティ18を構成する側壁19の高さ寸法)を最も小さく設定して、外側キャビティ20を構成する外壁22の高さ寸法がある程度確保されるようにしている。また、平坦な頂部3Cに臨む4つの領域B、Cの底部21の高さ寸法(内側キャビティ18を構成する側壁19の高さ寸法)は、前記領域Aよりも大きく且つ領域Aに対して階段状となるよう2種類の高さ寸法に設定されている。   The outer cavity 20 is divided into a plurality of regions in the circumferential direction, and the respective regions are arranged with different depths (height of the side walls 19 constituting the inner cavity 18). In the example of illustration, it divides | segments into 6 area | regions, 2 area | region A which faces the left-right slope 3B, and 4 area | regions B and C which face a flat top part. And the height dimension of the bottom part 21 (height dimension of the side wall 19 which comprises the inner side cavity 18) of the two area | regions A which faces the right-and-left slope 3B is set to the smallest, and the height of the outer wall 22 which comprises the outer side cavity 20 The dimensions are ensured to some extent. Further, the height dimension of the bottom portion 21 of each of the four regions B and C facing the flat top 3C (the height dimension of the side wall 19 constituting the inner cavity 18) is larger than the region A and is stepped with respect to the region A. Two types of height dimensions are set so as to form a shape.

前記外側キャビティ20の領域の分割数は、燃料噴射弁9から噴射される燃料噴霧の数に対応するよう好適に設定されている。即ち、燃料噴射弁9として、図4に示すように、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、中空で且つ指向性の強いマルチホール噴射弁を用い、複数の噴霧を、シリンダ軸と平行であり且つピストン冠面3Aに形成した前記内側キャビティ18および外側キャビティ20の中心軸と一致した軸心を備える円錐面に沿って拡がりながら斜め下方に向かうように噴射される。そして、噴射された複数の噴霧は、図5に示すように、外側キャビティ20の分割された領域の夫々の中央位置に向かうよう、外側キャビティ20の各分割された領域と燃料噴射弁9のマルチホールの方向とが一致するよう設定している。   The number of divisions of the region of the outer cavity 20 is preferably set so as to correspond to the number of fuel sprays injected from the fuel injection valve 9. That is, as shown in FIG. 4, as the fuel injection valve 9, a multi-hole injection valve that has a small change in the spray shape even when the in-cylinder pressure rises in the latter half of the compression stroke, is hollow, and has a strong directivity is used. Injected in an obliquely downward direction while expanding along a conical surface having an axis that is parallel to the cylinder axis and coincides with the central axes of the inner cavity 18 and the outer cavity 20 formed on the piston crown surface 3A. Then, as shown in FIG. 5, the plurality of sprays injected are directed to the respective central positions of the divided regions of the outer cavity 20, and the divided regions of the outer cavity 20 and the multiple fuel injection valves 9. The direction of the hole is set to match.

そして、燃料噴射弁9から噴射された噴霧(ここでは、ピストン3の上昇行程の途中から上死点近傍までの全範囲で噴霧しているものとして説明する)は、ピストン3との距離が大きい場合(圧縮行程におけるピストン位置)には、外側キャビティ20の各領域に衝突される。噴射された噴霧は全体として円錐状となっているため、ピストン位置の上昇に連れて、先ず、外側キャビティ20の底部21の高さ寸法(内側キャビティ18を構成する側壁19の高さ寸法)が最も大きい領域の側壁19の縁が噴霧を横切り、次いで、外側キャビティ20の底部21の高さ寸法(内側キャビティ18を構成する側壁19の高さ寸法)が次に大きい領域の側壁19の縁が噴霧を横切り、そして、外側キャビティ20の底部21の高さ寸法(内側キャビティ18を構成する側壁19の高さ寸法)が次に大きい領域の側壁19の縁が噴霧を横切ることになる。   Further, the spray injected from the fuel injection valve 9 (here, described as spraying in the entire range from the middle of the upward stroke of the piston 3 to the vicinity of the top dead center) has a large distance from the piston 3. In the case (piston position in the compression stroke), it collides with each region of the outer cavity 20. Since the spray sprayed has a conical shape as a whole, the height dimension of the bottom 21 of the outer cavity 20 (the height dimension of the side wall 19 constituting the inner cavity 18) is first increased as the piston position rises. The edge of the side wall 19 in the largest area crosses the spray, and then the edge of the side wall 19 in the area where the height dimension of the bottom 21 of the outer cavity 20 (the height dimension of the side wall 19 constituting the inner cavity 18) is the next. The edge of the side wall 19 in the region where the height dimension of the bottom 21 of the outer cavity 20 (the height dimension of the side wall 19 constituting the inner cavity 18) is the next largest will cross the spray.

したがって、前記噴霧がその領域の側壁19の縁を横切るまでは、その領域の外側キャビティ20へ噴霧が衝突し外側キャビティ20の外壁22との間で気化され、その領域の側壁19の縁を横切るまでピストン3が上昇されると、その領域の外側キャビティ20へは噴霧が衝突せず、縁を介して下方へ連なる側壁19に噴霧が衝突して内側キャビティ18へ流入して噴霧が気化されることとなる。前記側壁19の高さは各領域で階段状に差異を持たせているため、ピストン3の上昇位置に応じて、各噴霧は外周の外側キャビティ20から内周の内側キャビティ18に順次衝突位置を移行させる結果となる。   Therefore, until the spray crosses the edge of the side wall 19 of the region, the spray collides with the outer cavity 20 of the region and is vaporized between the outer wall 22 of the outer cavity 20 and crosses the edge of the side wall 19 of the region. When the piston 3 is lifted up, the spray does not collide with the outer cavity 20 in that region, but the spray collides with the side wall 19 that continues downward through the edge and flows into the inner cavity 18 to vaporize the spray. It will be. Since the height of the side wall 19 has a stepwise difference in each region, each spray sequentially has a collision position from the outer outer cavity 20 to the inner inner cavity 18 according to the rising position of the piston 3. This will result in a transition.

本実施形態においては、機関コントロールユニット11により演算された機関の負荷および回転速度が所定値以上の場合(高負荷高回転領域)には、燃料噴射開始時期を吸気行程中に開始され且つ終了するよう設定して、いわゆる均質燃焼が行われる。燃料噴射開始時期および終了時期はクランク角センサ14よりの信号に基づいて制御される。また、前記高負荷高回転領域よりも機関の負荷状態および/または回転状態が低い場合には、前記燃料噴射弁9による燃料噴射の噴射開始時期を、機関の負荷状態および/または回転状態に応じて変化させて、機関の負荷状態および/または回転状態に応じた成層混合気を形成するように制御する。   In the present embodiment, when the engine load and the rotation speed calculated by the engine control unit 11 are equal to or higher than a predetermined value (high load high rotation region), the fuel injection start timing is started and ended during the intake stroke. In this way, so-called homogeneous combustion is performed. The fuel injection start timing and end timing are controlled based on a signal from the crank angle sensor 14. In addition, when the engine load state and / or rotation state is lower than the high load high rotation region, the fuel injection start timing of the fuel injection valve 9 depends on the engine load state and / or rotation state. And control so as to form a stratified air-fuel mixture corresponding to the load state and / or rotational state of the engine.

図6〜図9は、本実施形態における成層燃焼を行う場合における、機関負荷毎の燃料噴霧とピストン位置の関係および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明するものである。   FIGS. 6 to 9 schematically illustrate the relationship between the fuel spray and the piston position for each engine load and the mixture distribution in the vicinity of the ignition timing when stratified combustion is performed in the present embodiment.

まず、機関負荷が高い場合には、図6(A)に示すように、燃料噴射開始時期が圧縮行程後半の比較的早い時期(ピストン上昇位置A1)に設定される。噴射開始時期を早めた場合、ピストン3は燃料噴射弁9から離れた位置で燃料噴霧と衝突するため、円錐状に噴射された燃料は広がりながら進行して、全て外壁22内の全領域の外側キャビティ20の領域A〜Cで受け止めることができる。機関負荷が高い場合、低負荷時に比べ噴射期間も長くなり、その間にもピストン3が上昇しており、噴射期間後半に噴射された燃料は内側キャビティ18で受け止められるようになり、ピストン上昇位置A2で燃料噴射が終了される。   First, when the engine load is high, as shown in FIG. 6A, the fuel injection start timing is set to a relatively early timing (piston lift position A1) in the latter half of the compression stroke. When the injection start timing is advanced, the piston 3 collides with the fuel spray at a position away from the fuel injection valve 9, so that the fuel injected in a conical shape travels while spreading, and all outside the entire region in the outer wall 22. It can be received in the areas A to C of the cavity 20. When the engine load is high, the injection period is longer than when the engine load is low, and the piston 3 rises during that period, so that the fuel injected in the latter half of the injection period can be received by the inner cavity 18, and the piston rising position A2 Then, the fuel injection is finished.

噴射された燃料は、図6(B)および図6(C)に示すように、内側キャビティ18および外側キャビティ20全体に略均質に広がる。そして、噴射された燃料の密度は、ピストン3の上昇に連れてピストン3に衝突するサークルが小さくなることにより、周辺部で薄く、中央部に移行するに連れて濃くなる。これにより負荷が高い場合でも、均質な成層混合気塊を形成することが可能となり、排気性能を悪化させることなく成層燃焼を行うことができる。   The injected fuel spreads substantially uniformly throughout the inner cavity 18 and the outer cavity 20, as shown in FIGS. 6B and 6C. And the density of the injected fuel becomes thin as it moves to the center part as it becomes thinner at the peripheral part by decreasing the circle that collides with the piston 3 as the piston 3 rises. Thereby, even when the load is high, it becomes possible to form a homogeneous stratified air-fuel mixture, and stratified combustion can be performed without deteriorating the exhaust performance.

機関負荷が低くなると、図7(A)に示すように、噴射開始時期A1が遅角される。噴射開始時期A1の遅角によって、ピストン3が燃料噴射弁9に近づくため、噴射された燃料がピストン3に衝突開始する位置が、相対的にピストン中心寄りに移動する。   When the engine load becomes low, the injection start timing A1 is retarded as shown in FIG. Since the piston 3 approaches the fuel injection valve 9 due to the delay of the injection start timing A1, the position at which the injected fuel starts to collide with the piston 3 moves relatively closer to the piston center.

このとき、内側キャビティ18の側壁19の高さが外側キャビティ20の領域によって異なるように階段状に設定されている。このため、燃料噴霧がピストン3の側壁19の上端と外側キャビティ20の底部21との境界付近に衝突するとき、側壁19が低い領域Aの外側キャビティ20に対しては、噴射初期に外側キャビティ20によって燃料が受け止められる。側壁19が高い領域Cの外側キャビティ20に対しては、噴射初期においても、外側キャビティ20には燃料噴霧が到達せずに側壁19に受け止められる。   At this time, the height of the side wall 19 of the inner cavity 18 is set to be stepped so as to vary depending on the region of the outer cavity 20. For this reason, when the fuel spray collides with the vicinity of the boundary between the upper end of the side wall 19 of the piston 3 and the bottom 21 of the outer cavity 20, the outer cavity 20 is injected into the outer cavity 20 in the region A where the side wall 19 is low at the beginning of injection. The fuel is received. For the outer cavity 20 in the region C where the side wall 19 is high, the fuel spray does not reach the outer cavity 20 and is received by the side wall 19 even in the initial stage of injection.

よって適切な燃料噴射時期A1に設定すれば、図7(B)および図7(C)に示すように、側壁19高さが低い若しくは中間高さの外側キャビティ20にのみ燃料を拡散させて受け止めさせることが可能となり、外側キャビティ20での燃料の過剰なリーン化を抑制することができる。そして、噴射された燃料の密度は、ピストン3の上昇に連れてピストン3に衝突するサークルが小さくなることにより、周辺部で薄く、中央部に移行するに連れて濃くなる成層状態となっている。つまり、高負荷運転と低負荷運転の途中の負荷で燃焼を悪化させることがない。なお、この場合においても、燃料噴射の終了時期A2は、図6に示す場合と同様のタイミングで設定される。図7(C)において、中間高さの側壁19を備える領域Bにおいて、一方は燃料噴霧が拡散し、他方においては燃料噴霧が拡散されていない状態となっているが、これは一方の側壁19の高さが他方より低く設定することで実現できる。   Therefore, if an appropriate fuel injection timing A1 is set, as shown in FIGS. 7B and 7C, the fuel is diffused and received only in the outer cavity 20 having a low side wall 19 or an intermediate height. Therefore, excessive leaning of fuel in the outer cavity 20 can be suppressed. And the density of the injected fuel is in a stratified state where the circle that collides with the piston 3 becomes smaller as the piston 3 rises, so that it becomes thinner at the peripheral part and becomes thicker as it moves to the central part. . That is, combustion is not deteriorated by a load in the middle of high load operation and low load operation. Also in this case, the fuel injection end timing A2 is set at the same timing as that shown in FIG. In FIG. 7C, in the region B including the side wall 19 having an intermediate height, the fuel spray is diffused on one side and the fuel spray is not diffused on the other side. This can be realized by setting the height of the lower than the other.

機関負荷がより低い場合および低回転の場合には、図8(A)に示すように、外側キャビティ20の1部の領域Aのみに燃料が広がるように、燃料噴射の開始時期A1を遅らせる。なお、この場合においても、燃料噴射の終了時期A2は、図6に示す場合と同様のタイミングで設定される。この場合においても、図8(B)および図8(C)に示すように、一つの領域Aの外側キャビティ20への噴霧による周辺部の濃度が薄く、内側キャビティ18への噴霧による中央領域において濃い成層状態の混合気塊を得ることができ、燃焼を悪化させることがない。   When the engine load is lower and when the engine speed is low, the fuel injection start timing A1 is delayed so that the fuel spreads only in a part of the region A of the outer cavity 20, as shown in FIG. Also in this case, the fuel injection end timing A2 is set at the same timing as that shown in FIG. Also in this case, as shown in FIGS. 8B and 8C, the concentration of the peripheral portion due to the spraying to the outer cavity 20 in one region A is thin, and in the central region due to the spraying to the inner cavity 18. A dense stratified air-fuel mixture can be obtained, and combustion is not deteriorated.

また、アイドル運転のように機関負荷が最も低いような場合、図9(A)に示すように、内側キャビティ18でのみ燃料が受け止められるように、噴射時期A1を遅角することで、図9(B)および図9(C)に示すように、コンパクトな混合気塊の形成を実現できる。   Further, when the engine load is the lowest as in the idling operation, as shown in FIG. 9A, the injection timing A1 is retarded so that the fuel can be received only in the inner cavity 18 as shown in FIG. As shown in FIG. 9B and FIG. 9C, formation of a compact air-fuel mixture can be realized.

なお、内側キャビティ18と外側キャビティ20の境界の側壁19を低く設定すると、内側キャビティ18で受け止めた燃料が側壁19を越えて外側キャビティ20へと向かい過剰に燃料が拡散してしまう恐れがある。しかしながら、燃料噴射弁9の側方に点火プラグ10を設置することで、総燃料噴射量の少ない、大幅なリーン運転を行うアイドル運転または低負荷運転時には、燃料噴霧終了時期付近で火花点火を行ない、燃料が拡散する前に燃焼させる方式(スプレーガイド式成層燃焼)を採用することが可能である。この場合でも、燃料が拡散、混合しつつ燃焼が進行するため、過剰に拡散しないように内側キャビティ18に相当する燃料受け止め用のガイドが必要となるが、速やかに燃焼が行われるため、側壁19が低くなることによる弊害はない。   If the side wall 19 at the boundary between the inner cavity 18 and the outer cavity 20 is set low, the fuel received by the inner cavity 18 may exceed the side wall 19 toward the outer cavity 20 and the fuel may be excessively diffused. However, by installing the spark plug 10 on the side of the fuel injection valve 9, spark ignition is performed near the end of fuel spraying during idle operation or low load operation with a small total fuel injection amount and a large lean operation. It is possible to adopt a method (spray guide type stratified combustion) in which fuel is burned before it diffuses. Even in this case, combustion proceeds while the fuel diffuses and mixes. Therefore, a fuel receiving guide corresponding to the inner cavity 18 is necessary so that the fuel does not diffuse excessively. There is no harmful effect of lowering.

図10は、本実施形態の第2実施例のピストン冠面3Aの形状を示すものである。本実施例においては、内側キャビティ18と外側キャビティ20の境界である内側キャビティ18の側壁19の高さのみを第1実施例と同様に夫々高さが異なるように設定し、外側キャビティ20の底部21の高さは、例えば、最も低い領域Aの外側キャビティ20の底部21の高さと同一となるようにしたものである。   FIG. 10 shows the shape of the piston crown surface 3A of the second example of the present embodiment. In the present embodiment, only the height of the side wall 19 of the inner cavity 18 that is the boundary between the inner cavity 18 and the outer cavity 20 is set to be different from each other in the same manner as in the first embodiment, and the bottom of the outer cavity 20 is set. For example, the height of 21 is the same as the height of the bottom 21 of the outer cavity 20 in the lowest region A.

本実施例においては、複数の燃料噴霧の夫々が外側キャビティ20で受け止められる時期を異ならせることが可能となる点では、第1実施例と同じである。しかしながら、外側キャビティ20の底部21の高さが一定であるため、外側キャビティ20の底部21の高さを内側キャビティ18の側壁19とは無関係に任意・最適に設定することができる。   The present embodiment is the same as the first embodiment in that it is possible to vary the timing at which each of the plurality of fuel sprays is received by the outer cavity 20. However, since the height of the bottom 21 of the outer cavity 20 is constant, the height of the bottom 21 of the outer cavity 20 can be set arbitrarily and optimally regardless of the side wall 19 of the inner cavity 18.

つまり、外側キャビティ20の底部21高さを異ならせる場合には、外側キャビティ20の底部21の最も高い箇所では外側の外壁22からその外(スキッシュ域)への燃料こぼれが懸念される。この第2実施例に示す構成では、外側キャビティ20には夫々高い外壁22が形成されることとなり、外部のスキッシュ域3Bやピストン3の平坦な頂部3C等へのこぼれがなく、燃焼室4の燃料が拡散する表面積の増大を抑制することができ、冷却損失、未燃HCを増大させることを防止できる。   That is, when the height of the bottom 21 of the outer cavity 20 is made different, there is a concern that fuel spills from the outer outer wall 22 to the outside (squish area) at the highest portion of the bottom 21 of the outer cavity 20. In the configuration shown in the second embodiment, the outer cavities 20 are each formed with a high outer wall 22, and there is no spillage to the external squish area 3 </ b> B, the flat top 3 </ b> C of the piston 3, etc. An increase in the surface area through which the fuel diffuses can be suppressed, and an increase in cooling loss and unburned HC can be prevented.

ただ、本構成においては、内側キャビティ18の側壁19高さのみが異なるため、外側キャビティ20内で受け止められた燃料が各領域を超えて円周方向に拡散するのを抑制する作用がない。このため、内側キャビティ18の直径および外側キャビティ20の外壁22の直径の設定や燃料噴射弁9の噴口角度(噴霧傘角度)、噴口数によって内側キャビティ18外周の側壁19高さと外側キャビティ20の底部21の高さを最適化することが望ましい。   However, in this configuration, since only the height of the side wall 19 of the inner cavity 18 is different, there is no action of suppressing the fuel received in the outer cavity 20 from diffusing in the circumferential direction beyond each region. For this reason, the height of the side wall 19 on the outer periphery of the inner cavity 18 and the bottom of the outer cavity 20 depend on the setting of the diameter of the inner cavity 18 and the outer wall 22 of the outer cavity 20, the nozzle angle (spray umbrella angle) of the fuel injection valve 9, and the number of nozzles. It is desirable to optimize the height of 21.

図11は、本実施形態の第3実施例のピストン冠面3Aの形状を示すものである。本実施例では、内側キャビティ18と外側キャビティ20の境界である側壁19の高さを円周方向において、階段状でなく、連続的に変化するように設定したものである。この実施例では、内側キャビティ18の側壁19の高さ(外側キャビティ20の底部21の高さ)を円周方向で連続的に変化させるように設定されている。   FIG. 11 shows the shape of the piston crown surface 3A of the third example of the present embodiment. In the present embodiment, the height of the side wall 19 that is the boundary between the inner cavity 18 and the outer cavity 20 is set so as to change continuously in the circumferential direction, not in a staircase pattern. In this embodiment, the height of the side wall 19 of the inner cavity 18 (the height of the bottom 21 of the outer cavity 20) is set to continuously change in the circumferential direction.

本構成においては、複数の燃料噴霧の夫々が、外側キャビティ20で受け止められる時期を異ならせることが可能となる点では、第1、第2実施例と同じであるが、側壁19と外側キャビティ20の底部21との高さに明確な段差を設けないことにより、燃焼室S/V比(燃焼室4の表面積S/燃焼室の容積Vの比)の悪化(増加)を抑制している。これにより、冷却損失や燃焼室壁面近傍での消炎による未燃HCを増大させることなく、成層燃焼を達成することができる。   This configuration is the same as the first and second embodiments in that each of the plurality of fuel sprays can be received by the outer cavity 20 at different times, but the side wall 19 and the outer cavity 20 are the same. By not providing a clear step in the height of the bottom portion 21, deterioration (increase) of the combustion chamber S / V ratio (ratio of the surface area S of the combustion chamber 4 to the volume V of the combustion chamber) is suppressed. As a result, stratified combustion can be achieved without increasing unburned HC due to cooling loss and extinguishing of flame near the combustion chamber wall surface.

ただ、本実施例においては、外側キャビティ20の底部21の高さが連続的に変化していることから、前記した第2実施例と同様に、外側キャビティ20の底部21で受け止められた燃料が円周方向に拡散するのを抑制する作用がない。このため、内側キャビティ18の直径および外側キャビティ20外壁22の径の設定や燃料噴射弁9の噴口角度(噴霧傘角度)、噴口数によって側壁19高さと外側キャビティ20底部21の高さの連続性、境界の滑らかさを最適化することが望ましい。   However, in the present embodiment, since the height of the bottom 21 of the outer cavity 20 continuously changes, the fuel received at the bottom 21 of the outer cavity 20 is similar to the second embodiment described above. There is no effect of suppressing diffusion in the circumferential direction. For this reason, the continuity of the height of the side wall 19 and the height of the bottom 21 of the outer cavity 20 depends on the setting of the diameter of the inner cavity 18 and the outer wall 20 of the outer cavity 20, the nozzle angle (spray umbrella angle) of the fuel injection valve 9, and the number of nozzles. It is desirable to optimize the smoothness of the boundary.

なお、上記実施形態において、燃料噴射弁9として、マルチホール噴射弁を用いるものについて説明したが、図示はしないが、ピストン冠面3Aのキャビティ18、20に向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するものであってもよい。   In the above-described embodiment, the fuel injection valve 9 using a multi-hole injection valve has been described. However, although not illustrated, the fuel is set in a conical surface set in advance toward the cavities 18 and 20 of the piston crown surface 3A. It may be one that is jetted and fed radially.

また、上記第1実施例において、外側キャビティ20として、階段状のものについて説明したが、図示はしないが、交互に高低を繰返しながら階段状になるものであってもよい。   In the first embodiment, the outer cavity 20 has been described as having a stepped shape. However, although not illustrated, the outer cavity 20 may have a stepped shape while alternately repeating the height.

また、上記第2実施例において、側壁19として、階段状に段階的に高さが変化するものについて説明したが、図示はしないが、連続的に高さが変化するものであってもよい。   In the second embodiment, the side wall 19 whose height changes stepwise in a stepwise manner has been described. However, although not shown, the side wall 19 may change in height continuously.

また、上記実施形態において、機関の成層燃焼における負荷状態として、高負荷時、中負荷時、低負荷時、極低負荷時の4段階について説明したが、図示はしないが、2〜3段階若しくは5段階以上の負荷状態に対応するものであってもよい。   In the above embodiment, four stages of high load, medium load, low load, and extremely low load have been described as the load state in the stratified combustion of the engine. It may correspond to a load state of five or more stages.

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。   In the present embodiment, the following effects can be achieved.

(ア)ピストン冠面3Aの略中心付近に設けた内側キャビティ18と内側キャビティ18の外周を取り巻くよう設けた外側キャビティ20とにより構成したキャビティを備え、前記ピストン冠面3Aのキャビティに向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するよう、燃焼室4上部の点火プラグ10に近接させて設けた燃料噴射弁9と備え、前記内側キャビィ18を形成し且つ内側キャビティ18と外側キャビティ20とを隔てる側壁19の高さを円周方向夫々の領域において相違させるようにした。このため、成層運転域内での機関負荷状態に応じて、圧縮行程における燃料噴射開始時期を進角させて燃料噴射量を増加させるようにすると、燃料噴射弁9から円錐面状に噴射する燃料の供給範囲が、低負荷状態では圧縮行程の終期においてピストンキャビティ18、20と燃料噴射弁9とが近接した状態で内側キャビティ18のみであり、負荷の上昇に応じて噴射開始時期の進角に対応して前記距離が拡がり分割された側壁19の高さの低い一部の外側キャビティ20へと拡大され、更なる負荷上昇に応じて前記距離が順次大きくなり順次側壁19の高さが高い外側キャビティ20へと供給範囲が順次拡大される。このため、機関負荷の変化に対応して適切な大きさの成層混合気塊を形成することができ、幅広い運転条件で安定的に成層燃焼を実現し、燃費の向上を図ることができる。   (A) A cavity comprising an inner cavity 18 provided near the approximate center of the piston crown surface 3A and an outer cavity 20 provided so as to surround the outer periphery of the inner cavity 18 is provided, and fuel is directed toward the cavity of the piston crown surface 3A. Is provided with a fuel injection valve 9 provided in the vicinity of the spark plug 10 at the upper part of the combustion chamber 4 so as to be injected radially along a predetermined conical surface, forming the inner cavity 18 and the inner cavity 18 and the outer side. The height of the side wall 19 separating the cavity 20 is made different in each region in the circumferential direction. Therefore, if the fuel injection amount is increased by advancing the fuel injection start timing in the compression stroke according to the engine load state in the stratified operation region, the amount of fuel injected from the fuel injection valve 9 in a conical surface shape is increased. When the supply range is low, the piston cavities 18 and 20 and the fuel injection valve 9 are close to each other at the end of the compression stroke, and only the inner cavity 18 responds to the advance of the injection start timing as the load increases. Then, the distance is expanded and divided into a part of the outer cavities 20 having a low height of the side wall 19, and the distance is gradually increased as the load is further increased, and the side wall 19 is successively increased in height. The supply range is gradually expanded to 20. For this reason, it is possible to form a stratified air-fuel mixture having an appropriate size corresponding to changes in the engine load, stably realizing stratified combustion under a wide range of operating conditions, and improving fuel efficiency.

(イ)第1実施例のように、外側キャビティ20を円周方向において複数の領域に分割し、それぞれの領域の底部21の高さを相違させることで内側キャビティ18を形成する側壁19の高さを相違させる場合には、外側キャビティ20で受け止められた燃料の円周方向への拡散を抑制して意図する成層混合気塊を形成することができる。   (A) As in the first embodiment, the outer cavity 20 is divided into a plurality of regions in the circumferential direction, and the height of the side wall 19 that forms the inner cavity 18 by making the height of the bottom 21 of each region different. When the heights are different from each other, the intended stratified air-fuel mixture can be formed by suppressing the diffusion of the fuel received in the outer cavity 20 in the circumferential direction.

(ウ)第2実施例のように、側壁19を円周方向において複数の領域に分割し、それぞれの領域における高さを相違させる場合には、外側キャビティ20の底部21の高さや外壁22の高さを任意の高さに設定することができ、外側キャビティ20に受け止められた燃料のキャビティ外への飛散を抑制することができる。   (C) As in the second embodiment, when the side wall 19 is divided into a plurality of regions in the circumferential direction and the heights in the respective regions are different, the height of the bottom 21 of the outer cavity 20 and the outer wall 22 The height can be set to an arbitrary height, and scattering of the fuel received by the outer cavity 20 to the outside of the cavity can be suppressed.

(エ)円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ20の底部21の高さまたは前記側壁19の高さは、円周方向の対向する領域において低く、その領域に挟まれる領域において前記対向する領域より高く形成されていることにより、形成される成層混合気塊の成層度を高めることができる。   (D) The height of the bottom 21 of the outer cavity 20 or the height of the side wall 19 in each of the regions divided in the circumferential direction is low in the regions facing each other in the circumferential direction, and the regions facing each other in the region sandwiched between the regions. By being formed higher than the region to be formed, the degree of stratification of the stratified air-fuel mixture formed can be increased.

(オ)円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ20の底部21の高さまたは前記側壁19の高さは、すべての領域において相違させることにより、機関負荷状態に対して木目細かく成層混合気塊を形成することができる。   (E) The height of the bottom 21 of the outer cavity 20 or the height of the side wall 19 in each of the regions divided in the circumferential direction is made different in all regions, thereby finely stratified mixing with respect to the engine load condition. Air mass can be formed.

(カ)円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ20の底部21の高さまたは前記側壁19の高さは、円周方向に隣り合う領域に対して、高低が交互に配列若しくは円周方向に階段状に相違されていることにより、外側キャビティ20で受け止めた燃料が円周方向に過剰に広がるのを抑制することができる。   (F) The height of the bottom 21 of the outer cavity 20 or the height of the side wall 19 of each of the regions divided in the circumferential direction is alternately arranged or circumferential with respect to the regions adjacent in the circumferential direction. By being stepwise different in the direction, it is possible to prevent the fuel received by the outer cavity 20 from spreading excessively in the circumferential direction.

(キ)第3実施例のように、円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ20の底部21の高さまたは前記側壁19の高さは、円周方向に連続的に相違させることにより、燃焼室SV比の悪化を抑制することができる。   (G) As in the third embodiment, the height of the bottom 21 of the outer cavity 20 or the height of the side wall 19 in each of the regions divided in the circumferential direction is continuously made different in the circumferential direction. The deterioration of the combustion chamber SV ratio can be suppressed.

(ク)燃料噴射弁9は複数の噴孔を備え、各噴孔から噴射される噴霧の指向方向は前記外側キャビティ20若しくは側壁19の分割された夫々の領域と円周方向角度が一致していることにより、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、中空で且つ指向性の強い燃料噴霧により、成層度の高い成層混合気塊を形成することができる。   (H) The fuel injection valve 9 is provided with a plurality of injection holes, and the direction of the spray injected from each injection hole coincides with the respective divided regions of the outer cavity 20 or the side wall 19 in the circumferential direction angle. Therefore, a change in the spray shape is small even when the in-cylinder pressure rises in the latter half of the compression stroke, and a stratified air-fuel mixture having a high stratification degree can be formed by a hollow and highly directional fuel spray.

(ケ)円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ20の底部21の高さは、外側キャビティ20の外壁22上端が連なるピストン冠面3Aの高さが最も低い箇所に臨む領域において他の領域より低く設定されていることにより、外側キャビティ20で受け止めた燃料が外側キャビティ20よりさらに外に食み出して拡散することを防ぐことができる。   (K) The height of the bottom 21 of the outer cavity 20 in each of the regions divided in the circumferential direction is different from that in the region facing the lowest position of the piston crown surface 3A where the upper end of the outer wall 22 of the outer cavity 20 is continuous. By being set lower than the region, it is possible to prevent the fuel received in the outer cavity 20 from protruding further out of the outer cavity 20 and diffusing.

(コ)円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティ20の底部21の高さは、外側キャビティ20の外壁22上端が連なるピストン冠面3Aの高さが最も高い箇所に臨む領域において他の領域より高く設定されていることにより、高負荷領域での成層混合気塊の大きさを大きくすることができる。   (G) The height of the bottom 21 of the outer cavity 20 in each of the regions divided in the circumferential direction is different from that in the region facing the highest point of the piston crown surface 3A where the upper end of the outer wall 22 of the outer cavity 20 is continuous. By setting it higher than the region, the size of the stratified mixture in the high load region can be increased.

(サ)点火プラグ10の点火プラグギャップは内側キャビティ18の中心からオフセットして配置され、前記オフセット方向に位置する領域の外側キャビティ20の底部21は隣接する領域より高く設定されていることにより、内側キャビティ18のみで燃料を受け止めるアイドル運転等の極小負荷でも、点火プラグ10とピストン冠面3Aが近くなり、点火プラグ10近傍が過度に薄くなることを防ぎ、燃料を受け止め十分に混合を図って燃焼を行うことができる。   (S) The spark plug gap of the spark plug 10 is arranged offset from the center of the inner cavity 18, and the bottom 21 of the outer cavity 20 in the region located in the offset direction is set higher than the adjacent region, Even with a minimal load such as idle operation where the fuel is received only by the inner cavity 18, the spark plug 10 and the piston crown surface 3A are close to each other, and the vicinity of the spark plug 10 is prevented from becoming too thin, and the fuel is received and mixed sufficiently. Combustion can be performed.

(シ)成層運転域内での機関負荷状態に応じて、圧縮行程における燃料噴射開始時期を早めることで燃料噴射量を増加させるよう制御することにより、負荷状態に応じた成層混合気塊の大きさを変化させることができる。   (B) The size of the stratified air-fuel mixture corresponding to the load condition by controlling the fuel injection amount to be increased by advancing the fuel injection start timing in the compression stroke according to the engine load condition in the stratified operation region Can be changed.

本発明の一実施形態を示す直接噴射式内燃機関の概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a direct injection internal combustion engine showing an embodiment of the present invention. 同じくピストンの冠面を示す平面図。The top view which similarly shows the crown surface of a piston. ピストン冠面の内外ボウルの展開図。The development view of the inner and outer bowls on the piston crown surface. 燃料噴射弁よりの噴霧状態を示す側面図(A)および平面図(B)。The side view (A) and top view (B) which show the spraying state from a fuel injection valve. 燃料噴射弁よりの噴霧とピストン冠面の内外ボウルとの関係を示す平面図。The top view which shows the relationship between the spray from a fuel injection valve, and the inner and outer bowl of a piston crown surface. 成層燃焼される高負荷時における燃料噴霧とピストン位置の関係(A)および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明する説明図(B)、(C)。Explanatory views (B) and (C) for schematically explaining the relationship (A) between the fuel spray and the piston position at the time of high load subjected to stratified combustion and the air-fuel mixture distribution in the vicinity of the ignition timing. 成層燃焼される中負荷時における燃料噴霧とピストン位置の関係(A)および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明する説明図(B)、(C)。Explanatory views (B) and (C) for schematically explaining the relationship (A) between the fuel spray and the piston position at the middle load during stratified combustion and the air-fuel mixture distribution in the vicinity of the ignition timing. 成層燃焼される低負荷時における燃料噴霧とピストン位置の関係(A)および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明する説明図(B)、(C)。Explanatory views (B) and (C) for schematically explaining the relationship (A) between the fuel spray and the piston position at the time of low load subjected to stratified combustion and the air-fuel mixture distribution in the vicinity of the ignition timing. 成層燃焼される極低負荷時における燃料噴霧とピストン位置の関係(A)および点火時期近傍における混合気分布について模式的に説明する説明図(B)、(C)。Explanatory views (B) and (C) for schematically explaining the relationship (A) between the fuel spray and the piston position at the time of extremely low load subjected to stratified combustion and the air-fuel mixture distribution in the vicinity of the ignition timing. 本実施形態の第2実施例のピストン冠面の形状を示す平面図および円周方向展開図。The top view which shows the shape of the piston crown surface of 2nd Example of this embodiment, and the circumferential direction expanded view. 本実施形態の第3実施例のピストン冠面の形状を示す平面図および円周方向展開図。The top view which shows the shape of the piston crown surface of 3rd Example of this embodiment, and the circumferential direction expanded view.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリンダブロック
2 シリンダヘッド
3 ピストン
4 燃焼室
5 吸気弁
6 吸気ポート
7 排気弁
8 排気ポート
9 燃料噴射弁
10 点火プラグ
11 機関コントロールユニット
18 内側キャビティ
19 側壁
20 外側キャビティ
21 底部
22 外壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder block 2 Cylinder head 3 Piston 4 Combustion chamber 5 Intake valve 6 Intake valve 7 Exhaust valve 8 Exhaust port 9 Fuel injection valve 10 Spark plug 11 Engine control unit 18 Inner cavity 19 Side wall 20 Outer cavity 21 Bottom 22 Outer wall

Claims (13)

ピストン冠面の略中心付近に設けた内側キャビティと内側キャビティの外周を取り巻くよう設けた外側キャビティとにより構成したキャビティを備え、前記ピストン冠面のキャビティに向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するよう、燃焼室上部の点火プラグに近接させて設けた燃料噴射弁と備える直接噴射式内燃機関において、
前記内側キャビィの外周域を形成するよう内側キャビティの外周側の全周域において、内側キャビティの底面に対する外側キャビティの底面の高さを、燃料が噴射される円錐面に沿った放射方向夫々の領域において相違させて形成したことを特徴とする直接噴射式内燃機関。
A cavity constituted by an inner cavity provided near the center of the piston crown surface and an outer cavity provided so as to surround the outer periphery of the inner cavity, along a conical surface in which fuel is set in advance toward the cavity of the piston crown surface In a direct injection internal combustion engine provided with a fuel injection valve provided close to the ignition plug at the upper part of the combustion chamber so as to supply the fuel radially,
The height of the bottom surface of the outer cavity with respect to the bottom surface of the inner cavity is set in the radial direction along the conical surface where the fuel is injected in the entire outer peripheral region of the inner cavity so as to form the outer peripheral region of the inner cavity. A direct injection internal combustion engine characterized by being formed differently.
前記外側キャビティは、円周方向において複数の領域に分割され、それぞれの領域の底部の高さを相違させることで、内側キャビティと外側キャビティとの段差により、内側キャビティの外周域を形成する側壁の高さを夫々の領域で相違させる
ことを特徴とする請求項1に記載の直接噴射式内燃機関。
The outer cavity is divided into a plurality of regions in the circumferential direction, and the heights of the bottoms of the respective regions are made different so that the side wall forming the outer peripheral region of the inner cavity is formed by the step between the inner cavity and the outer cavity. 2. The direct injection internal combustion engine according to claim 1, wherein the height is different in each region.
前記内側キャビティと外側キャビティとを隔てる境界となる環状の突起により形成された側壁を備え、当該側壁は円周方向において複数に分割されたそれぞれの領域における高さを相違させて形成したことを特徴とする請求項1に記載の直接噴射式内燃機関。 A side wall formed by an annular projection serving as a boundary separating the inner cavity and the outer cavity is provided, and the side wall is formed with different heights in respective regions divided in the circumferential direction. The direct injection internal combustion engine according to claim 1. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、円周方向の対向する領域において低く、その領域に挟まれる領域において前記対向する領域より高く形成されていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の直接噴射式内燃機関。   The height of the bottom of the outer cavity or the height of the side wall of each of the regions divided in the circumferential direction is low in the regions facing each other in the circumferential direction, and higher than the regions facing each other in the region sandwiched between the regions. The direct injection internal combustion engine according to claim 2 or 3, wherein the direct injection internal combustion engine is provided. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、すべての領域において夫々相違させることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。   The height of the bottom of the outer cavity or the height of the side wall of each of the regions divided in the circumferential direction is different in all regions, respectively. The direct injection internal combustion engine described in 1. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、円周方向に隣り合う領域に対して、高低が交互に配列されていることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。   The height of the bottom of the outer cavity or the height of the side wall of each of the regions divided in the circumferential direction is alternately arranged with respect to the regions adjacent in the circumferential direction. The direct injection internal combustion engine according to any one of claims 2 to 4. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、円周方向に階段状に相違させて形成したことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。   5. The height of the bottom of the outer cavity or the height of the side wall of each of the regions divided in the circumferential direction is formed to be stepwise different in the circumferential direction. The direct injection internal combustion engine according to any one of the above. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さまたは前記側壁の高さは、円周方向に連続的に相違させて形成したことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。   5. The height of the bottom of the outer cavity or the height of the side wall of each of the regions divided in the circumferential direction is formed to be continuously different in the circumferential direction. The direct injection internal combustion engine according to any one of the above. 前記燃料噴射弁は複数の噴孔を備え、各噴孔から噴射される噴霧の指向方向は前記外側キャビティ若しくは側壁の分割された夫々の領域と円周方向角度を一致させていることを特徴とする請求項2から請求項8のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。   The fuel injection valve includes a plurality of injection holes, and the direction of spray injected from each injection hole is equal to a circumferential angle of each of the divided areas of the outer cavity or the side wall. The direct injection internal combustion engine according to any one of claims 2 to 8. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さは、外側キャビティの外壁上端が連なるピストン冠面の高さが最も低い箇所に臨む領域において他の領域より低く設定されていることを特徴とする請求項2から請求項8のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。   The height of the bottom of the outer cavity in each of the circumferentially divided areas is set lower than the other areas in the area where the piston crown surface where the outer wall upper end of the outer cavity continues is the lowest. The direct injection type internal combustion engine according to any one of claims 2 to 8, wherein the direct injection type internal combustion engine is provided. 前記円周方向に分割された領域それぞれの外側キャビティの底部の高さは、外側キャビティの外壁上端が連なるピストン冠面の高さが最も高い箇所に臨む領域において他の領域より高く設定されていることを特徴とする請求項2から請求項8のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。   The height of the bottom of the outer cavity in each of the circumferentially divided regions is set higher than the other regions in the region facing the highest piston crown surface where the outer wall upper end of the outer cavity continues. The direct injection type internal combustion engine according to any one of claims 2 to 8, wherein the direct injection type internal combustion engine is provided. 前記点火プラグの点火プラグギャップは内側キャビティの中心からオフセットして配置され、前記オフセット方向に位置する領域の外側キャビティの底部は隣接する領域より高く設定されていることを特徴とする請求項2から請求項8のいずれか一つに記載の直接噴射式内燃機関。   The spark plug gap of the spark plug is disposed offset from the center of the inner cavity, and the bottom of the outer cavity in the region located in the offset direction is set higher than the adjacent region. The direct injection internal combustion engine according to claim 8. ピストン冠面の略中心付近に設けた内側キャビティと内側キャビティの外周を取り巻くよう設けた外側キャビティとにより構成したキャビティと、前記ピストン冠面のキャビティに向けて燃料を予め設定した円錐面に沿った放射状に噴射供給するよう、燃焼室上部の点火プラグに近接させて設けた燃料噴射弁と、機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、前記検出運転状態に基づいて前記燃料噴射弁による燃料噴射時期、燃料噴射量、および前記点火プラグによる点火時期を制御する制御装置と、を備え、
前記内側キャビィの外周域を形成するよう内側キャビティの外周側の全周域において、内側キャビティの底面に対する外側キャビティの底面の高さを、燃料が噴射される円錐面に沿った放射方向夫々の領域において異ならせて形成し、
前記制御装置は、所定の成層運転域内での機関負荷状態に応じて、圧縮行程における燃料噴射開始時期を早めることで燃料噴射量を増加させるよう制御することを特徴とする直接噴射式内燃機関。
A cavity composed of an inner cavity provided near the center of the piston crown surface and an outer cavity provided to surround the outer periphery of the inner cavity, and a conical surface in which fuel is set in advance toward the cavity of the piston crown surface A fuel injection valve provided close to the ignition plug at the top of the combustion chamber so as to supply the fuel radially, an operating state detecting device for detecting an engine operating state, and fuel injection by the fuel injection valve based on the detected operating state A control device for controlling the timing, fuel injection amount, and ignition timing by the spark plug,
The height of the bottom surface of the outer cavity with respect to the bottom surface of the inner cavity is set in the radial direction along the conical surface where the fuel is injected in the entire outer peripheral region of the inner cavity so as to form the outer peripheral region of the inner cavity. In different forms,
The direct injection type internal combustion engine, wherein the control device controls to increase a fuel injection amount by advancing a fuel injection start timing in a compression stroke according to an engine load state within a predetermined stratified operation region.
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