JP5584673B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内に燃料を直接、噴射し、燃料と空気との混合気を火花点火によって着火させ、燃焼させる筒内直噴式の内燃機関に関する。

従来、筒内直噴式の内燃機関として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この内燃機関は、気筒内に上方から臨む点火プラグと、気筒内を往復動するピストンと、気筒内に斜め上方から燃料を噴射する燃料噴射弁などを備えている。

このピストンの頂面には、ピストンの中心付近から燃料噴射弁の噴射口付近までの部位に、キャビティが形成されている。このキャビティは、平面的に見て、燃料噴射弁の軸線方向と直交する方向に横長の楕円形状のものであり、楕円形状の平らな底面と、この底面を取り囲むように形成されたガイド壁面とを備えている。このガイド壁面は、底面から外側に向かって斜め上方に直線的に延びている。

一方、燃料噴射弁は、その噴射口から燃料の噴霧として、主噴霧および副噴霧を互いに異なる所定の角度で噴射するように構成されている。これらの噴霧はいずれも、側方から見て扁平状で、平面的に見て扇状の形状を有している。主噴霧は、燃料噴射弁に近い側に向かって鉛直に近い角度で噴射され、副噴霧は、燃料噴射弁から遠い側のガイド壁面に向かって水平に近い角度で噴射される。

この内燃機関では、燃焼モードとして低負荷低回転時などには成層燃焼モードが実行され、この成層燃焼モードでは、圧縮行程の後期に、燃料噴射弁から燃料が噴射される。その際、特許文献１の図６に示すように、噴射された主噴霧の大部分は、キャビティの底面に衝突した後、燃料噴射弁に近い側のガイド壁面に沿って上方に案内され、副噴霧の大部分は、燃料噴射弁から遠い側のガイド壁面に衝突した後、このガイド壁面に沿って上方に案内される。それにより、高濃度の混合気が燃焼室内の点火プラグ付近に集められ、その周囲を低濃度の混合気が取り囲む状態で、層状の混合気が生成される。すなわち、成層混合気が生成される。

特許第４０５４２２３号公報

特許文献１の内燃機関によれば、成層混合気を生成する場合、主噴霧および副噴霧をいずれもキャビティ内に噴射しなければならないので、燃料噴射時の燃料噴射弁とピストンとの位置関係の制約が大きく、それに起因して、燃料噴射弁の噴射タイミングの自由度が低いという問題がある。そのため、製品間のばらつきや経年変化などに起因して、複数の気筒間で、燃料噴射弁の噴射タイミングがばらついた場合、気筒間での成層混合気の生成状態がばらついてしまい、それにより、成層混合気の燃焼状態の安定性が低下し、燃焼効率の低下や燃費の悪化を招いてしまう。

また、この内燃機関の場合、主噴霧および副噴霧はいずれも、側方から見て扁平状で平面的に見て扇状の形状になるように、燃料噴射弁から噴射された後、円弧状のガイド壁面で上方に案内されるように構成されているので、噴霧の拡散を生じやすく、高濃度の混合気を点火プラグ付近に効率よく集めることができず、それにより、成層混合気の生成効率および燃焼効率がさらに低下し、燃費がさらに悪化するおそれがある。さらに、副噴霧が燃料噴射弁から遠い側のガイド壁面に向かって水平に近い角度で噴射されるとともに、このガイド壁面が斜め上方に直線的に延びる形状であるので、副噴霧のペネトレーションに起因して、副噴霧がガイド壁面上で液滴化し、デポジットが発生するおそれがある。その場合には、成層混合気の生成効率および燃焼効率がより一層、低下し、燃費がより一層、悪化するおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、成層混合気を生成する場合において、燃料噴射タイミングの自由度の向上およびデポジットの抑制を実現することができ、それにより、成層混合気の生成効率、燃焼効率および燃費をいずれも向上させることができる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、気筒３内に燃料を直接、噴射するとともに、噴射された燃料と気筒３に吸入された空気との混合気を火花点火によって着火させ、燃焼させる筒内直噴式の内燃機関１であって、気筒３内を往復動するピストン１０と、気筒３内に臨むように設けられ、気筒３内の混合気を火花点火する点火プラグ５と、燃料をピストン１０の頂面に対して斜めに噴射するとともに、燃料を互いに異なる方向に噴射する複数の噴射口（第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４）を有する燃料噴射装置（燃料噴射弁４）と、を備え、複数の噴射口は、燃料噴霧の中心軸が最も点火プラグ５寄りに設定された第１噴射口Ｈ１を有し、ピストン１０は、頂面の所定部位に突出する案内壁１６と、頂面の案内壁１６よりも燃料噴射装置側の位置に形成された傾斜面部（傾斜面１５）と、頂面の傾斜面部よりも燃料噴射装置側の位置に形成されたキャビティ１１とを有しており、傾斜面部（傾斜面１５）は、ピストン１０が圧縮行程中の第１所定位置に位置する第１所定タイミングで燃料噴射装置の第１噴射口Ｈ１から噴射された燃料の噴霧を受け止めて案内壁１６側に案内し、案内壁１６は、傾斜面部によって案内された燃料の噴霧を点火プラグ５に向かって案内するガイド面（傾斜面１６ａ）を有し、キャビティ１１は、第１所定タイミングからピストン１０が圧縮行程中の第１所定位置よりも上死点側の第２所定位置に位置する第２所定タイミングまでの間のタイミングで燃料噴射装置の第１噴射口Ｈ１から噴射された燃料の噴霧を点火プラグ５に向かって案内するガイド壁部（側壁部１１ｂ、湾曲壁部１１ｃ、傾斜壁部１１ｄ）を有することを特徴とする。

この内燃機関によれば、燃料噴射装置によって、燃料が気筒の頂面に対して斜めに噴射され、混合気が気筒内に生成されるとともに、点火プラグによって、その混合気が火花点火される。また、ピストンは、頂面の所定部位に突出する案内壁と、頂面の案内壁よりも燃料噴射装置側の位置に形成されたキャビティとを有しており、ピストンが圧縮行程中の第１所定位置に位置する第１所定タイミングで燃料噴射装置の第１噴射口から噴射された燃料の噴霧は、傾斜面部によって受け止められて案内壁側に案内された後、案内壁のガイド面によって点火プラグに向かって案内される。さらに、第１所定タイミングからピストンが圧縮行程中の第１所定位置よりも上死点側の第２所定位置に位置する第２所定タイミングまでの間のタイミングで燃料噴射装置の第１噴射口から噴射された燃料の噴霧は、頂面の案内壁よりも燃料噴射装置側の位置に形成されたキャビティのガイド壁部によって、点火プラグに向かって案内される。

したがって、圧縮行程中、燃料の噴霧は、燃料が第１所定タイミングで噴射されたときには、案内壁のガイド面およびキャビティのガイド壁部の双方によって案内され、燃料が第１所定タイミングと第２所定タイミングとの間のタイミングで噴射されたときには、案内壁のガイド面およびキャビティのガイド壁部、またはキャビティのガイド壁部によって案内されるとともに、燃料が第２所定タイミングで噴射されたときには、キャビティのガイド壁部によって案内されることになる。以上のように、圧縮行程中の第１所定タイミングから第２所定タイミングまでの間のいずれのタイミングにおいても、燃料噴射装置から噴射された燃料の噴霧を、案内壁およびキャビティ、またはキャビティによって点火プラグ側に適切に案内することができ、成層混合気を生成する場合において、燃料噴射タイミングの自由度を向上させることができる。その結果、製品間のばらつきや経年変化などに起因して、燃料噴射装置の噴射タイミングが複数の気筒間でばらついたときでも、従来と異なり、成層混合気の生成効率、燃焼効率および燃費をいずれも向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関１において、ガイド壁部は、案内壁１６に近づくにつれて、互いの間隔がより広くなるように延びる一対の側壁部１１ｂ，１１ｂと、一対の側壁部の案内壁１６側の端部から中央側に湾曲する一対の湾曲壁部１１ｃ，１１ｃと、一対の湾曲壁部に連続して延び、点火プラグ５側に向かって傾斜した傾斜壁部１１ｄとを有しており、複数の噴射口は、燃料噴霧の中心軸が第１噴射口Ｈ１の燃料噴霧の中心軸に対して所定角度（所定値θ１＋θ３）分、点火プラグ５と反対側に傾いた状態に設定され、第１所定タイミングから第２所定タイミングまでの間のタイミングで燃料を噴射したときに、燃料の噴霧がキャビティ１１の傾斜壁部１１ｄよりも燃料噴射装置側の底面１１ａに達するように構成された第３噴射口Ｈ３をさらに有することを特徴とする。
この内燃機関によれば、ガイド壁部は、案内壁に近づくにつれて、互いの間隔がより広くなるように延びる一対の側壁部と、一対の側壁部の案内壁側の端部から中央側に湾曲する一対の湾曲壁部と、一対の湾曲壁部に連続して延び、点火プラグ側に向かって傾斜した傾斜壁部とを有しており、燃料噴射装置は、燃料を互いに異なる方向に噴射する複数の噴射口を有しているとともに、複数の噴射口は、第１および第３噴射口を有している。そのため、まず、第１所定タイミングで燃料を噴射した場合、第１噴射口から噴射された燃料の噴霧（以下「第１噴霧」という）は、案内壁のガイド面に達し、このガイド面によって、点火プラグに向かって案内される。また、第３噴射口から噴射された燃料の噴霧（以下「第３噴霧」という）は、キャビティの傾斜壁部よりも燃料噴射装置側の底面に向かって噴射されることにより、キャビティの底面に衝突し、底面から若干、浮き上がった状態で傾斜壁部に向かって流れた後、点火プラグ側に流れる。その結果、第１および第３噴霧がいずれも点火プラグに到達する。
また、第２所定タイミングで燃料を噴射した場合、第１噴霧はそのままガイド壁部の傾斜壁部に達し、第３噴霧も、上述したように、キャビティの底面に衝突し、底面から若干、浮き上がった状態で傾斜壁部に向かって流れ、第１噴霧の流れを傾斜壁部の点火プラグ側の端部から外方に押し出し、それにより、第１噴霧の流れとともに、点火プラグ側に流れる。その結果、第１および第３噴霧がいずれも点火プラグに到達する。
以上のように、燃料噴射装置による燃料の噴射が、第１所定タイミングから第２所定タイミングまでの間のいずれのタイミングで実行された場合でも、燃料の噴霧を、案内壁およびキャビティ、またはキャビティによって、噴霧の拡散を抑制しながら点火プラグ側に適切かつ効率よく案内することができる。それにより、成層混合気の生成効率、燃焼効率および燃費をさらに向上させることができる。また、そのような内燃機関を、一対の側壁部、一対の湾曲壁部および傾斜壁部を有するキャビティと、案内壁とを備えたピストンと、第１および第３噴射口を有する燃料噴射装置という比較的簡易な構成を組み合わせることによって実現することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関１において、ガイド壁部は、案内壁１６に近づくにつれて、互いの間隔がより広くなるように延びる一対の側壁部１１ｂ，１１ｂと、一対の側壁部の案内壁１６側の端部から中央側に湾曲する一対の湾曲壁部１１ｃ，１１ｃと、一対の湾曲壁部に連続して延び、点火プラグ５側に向かって傾斜した傾斜壁部１１ｄとを有しており、複数の噴射口は、燃料噴霧の中心軸が第１噴射口Ｈ１の燃料噴霧の中心軸に対して他の所定角度（所定値θ１＋θ２）分、点火プラグ５と反対側に傾いた状態に設定され、第１所定タイミングから第２所定タイミングまでの間のタイミングで燃料を噴射したときに、燃料の噴霧が一対の側壁部１１ｂ，１１ｂにそれぞれ沿って流れるように構成された一対の第２噴射口Ｈ２，Ｈ２をさらに有することを特徴とする。
この内燃機関によれば、ガイド壁部は、案内壁に近づくにつれて、互いの間隔がより広くなるように延びる一対の側壁部と、一対の側壁部の案内壁側の端部から中央側に湾曲する一対の湾曲壁部と、一対の湾曲壁部に連続して延び、点火プラグ側に向かって傾斜した傾斜壁部とを有しており、燃料噴射装置は、燃料を互いに異なる方向に噴射する複数の噴射口を有しているとともに、複数の噴射口は、第１および第２噴射口を有している。そのため、まず、第１所定タイミングで燃料を噴射した場合、第１噴射口から噴射された燃料の噴霧（以下「第１噴霧」という）は、案内壁のガイド面に達し、このガイド面によって、点火プラグに向かって案内される。また、一対の第２噴射口から噴射された燃料の噴霧（以下「第２噴霧」という）は、一対の側壁部にそれぞれ沿って流れた後、これらの側壁部から中央側に湾曲する一対の湾曲壁部によって、減速させられながら中央側に寄せられる。そして、一対の第２噴霧の流れは、傾斜壁部の中央付近で互いに衝突し、合流した後、点火プラグ側に流れる。その結果、第１および第２噴霧がいずれも点火プラグに到達する。

また、第２所定タイミングで燃料を噴射した場合、第１噴霧はそのままガイド壁部の傾斜壁部に達し、一対の第２噴霧の流れは、上述したように、一対の側壁部および一対の湾曲壁部に沿って流れることにより、傾斜壁部の中央付近で互いに合流すると同時に、第１噴霧の流れとも合流し、第１および第２噴霧がいずれも点火プラグに到達する。この場合、一対の第２噴霧は、第１所定タイミングで噴射されたときでも、第２所定タイミングで噴射されたときでも、一対の側壁部に沿ってそれぞれ流れることで、側壁部を乗り越えて拡散するのを抑制できるとともに、一対の湾曲壁部によって減速させられながら中央側に寄せられるので、一対の湾曲壁部を乗り越えて拡散するのも抑制することができる。それにより、第２噴霧を効率よく傾斜壁部の中央付近に集めることができ、第２噴霧を効率よく点火プラグに到達させることができる。

以上のように、燃料噴射装置による燃料の噴射が、第１所定タイミングから第２所定タイミングまでの間のいずれのタイミングで実行された場合でも、燃料の噴霧を、案内壁およびキャビティ、またはキャビティによって、噴霧の拡散を抑制しながら点火プラグ側に適切かつ効率よく案内することができる。それにより、成層混合気の生成効率、燃焼効率および燃費をさらに向上させることができる。また、そのような内燃機関を、一対の側壁部、一対の湾曲壁部および傾斜壁部を有するキャビティと、案内壁とを備えたピストンと、第１〜第２噴射口を有する燃料噴射装置という比較的簡易な構成を組み合わせることによって実現することができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の内燃機関１において、複数の噴射口は、一対の第２噴射口Ｈ２，Ｈ２の噴射方向よりも外側に向かって燃料をそれぞれ噴射する一対の第４噴射口Ｈ４，Ｈ４をさらに有し、ピストン１０は、頂面のキャビティ１１の一対の側壁部１１ｂ，１１ｂの外側にそれぞれ形成され、ピストン１０の中心側に向かうほど、点火プラグ５により近づくように傾斜した一対の案内斜面１２，１２をさらに有しており、第１所定タイミングから第２所定タイミングまでの間のタイミングで一対の第４噴射口Ｈ４，Ｈ４から噴射された燃料の噴霧はそれぞれ、一対の案内斜面１２，１２に沿って流れることを特徴とする。

この内燃機関によれば、第１所定タイミングから第２所定タイミングまでの間のタイミングで第４噴射口から噴射された燃料の噴霧（以下「第４噴霧」という）はそれぞれ、ピストンの中心側に向かうほど、点火プラグにより近づくように傾斜した一対の案内斜面に沿って流れることにより、燃焼室側に案内される。それにより、この第４噴霧によって、第１〜第３噴霧よって気筒内に生成された混合気の空燃比を燃焼に適した値に調整することができ、燃焼効率および燃費をより一層、向上させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項２に記載の内燃機関１において、キャビティ１１の底面１１ａおよび傾斜壁部１１ｄは、互いに連続する複数の傾斜面（第１〜第３傾斜面Ｓ１〜Ｓ３）を構成しており、複数の傾斜面は、燃料噴射装置（燃料噴射弁４）から離間するほど、勾配が段階的に大きくなるように構成されていることを特徴とする。

この内燃機関によれば、キャビティの底面および傾斜壁部によって、互いに連続する複数の傾斜面が構成されているとともに、これらの複数の傾斜面は、燃料噴射装置から離間するほど、勾配が段階的に大きくなるように構成されているので、第３噴霧がこれらの複数の傾斜面に沿って流れる際、第３噴霧のペネトレーションを段階的に減衰させることができ、それにより、第３噴霧が複数の傾斜面上で液滴化するのを抑制でき、デポジットの発生を抑制することができる。その結果、成層混合気の生成効率、燃焼効率および燃費をさらに向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の気筒およびシリンダヘッド周辺の構成を示す断面図である。 燃料噴射弁における６つの噴射口の噴射角度を示す図である。 ピストンの構成を示す平面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面を示す図である。 ピストンの上端部の構成を示す斜視図である。 図４のキャビティの傾斜壁部の周辺を拡大した図である。 図３のＢ−Ｂ線に沿う断面を示す図である。 燃料噴射を第１所定タイミングで実行したときの燃料の噴霧状態を示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。 燃料噴射を第１所定タイミングで実行したときの燃料噴霧の流れを示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。 燃料噴射を第２所定タイミングで実行したときの燃料の噴霧状態を示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。 燃料噴射を第２所定タイミングで実行したときの燃料噴霧の流れを示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関について説明する。本実施形態の内燃機関（以下「エンジン」という）は、図示しない車両に動力源として搭載されたＶ型６気筒のガソリンエンジンタイプのものであり、互いにＶ字状に配置され、３つの気筒からなる気筒列を有する２つのバンクを備えている。このエンジン１は、その燃焼モードを、均一混合気を燃焼させる均一燃焼モードと、成層混合気を燃焼させる成層燃焼モードとに切り換えて運転可能に構成されている。

図１に示すように、このエンジン１は、６組（１組のみ図示）の気筒３およびピストン１０と、気筒３ごとに設けられた燃料噴射弁４および点火プラグ５などを備えている。なお、図１は、エンジン１の断面構成を気筒３の軸線方向が上下方向に沿うように示したものであり、以下の説明では、便宜上、図１の手前側を「前」、奥側を「後ろ」、上側を「上」、下側を「下」という。このエンジン１では、吸気ポート６および排気ポート７がシリンダヘッド８内に形成されており、吸気行程では、空気が吸気ポート６を介して気筒３内に吸入される。また、排気行程では、既燃ガスが排気ポート７を介して気筒３内から排出される。

燃料噴射弁４は、吸気ポート６の下側に設けられ、その噴射口側の先端部が燃焼室８ａ内に臨むように傾斜した状態でシリンダヘッド８に固定されている。また、燃料噴射弁４は、平面的に見て、その中心軸線がピストン１０の中心を通るように配置されている（図９（ａ）、図１１（ａ）参照）。燃料噴射弁４は、図示しない燃料供給装置に接続されており、燃料供給装置から加圧状態の燃料が供給される。

また、燃料噴射弁４は、図示しない制御装置に電気的に接続されており、制御入力信号が制御装置から供給されたときに、その制御入力信号に対応する開弁タイミングおよび開弁時間で開弁し、それにより、燃料を気筒３内に噴射する。この場合、後述する理由により、エンジン１の成層燃焼モード中における燃料噴射弁４の開弁タイミングすなわち噴射開始タイミングは、圧縮行程中の、ピストン１０が第１所定位置（例えばクランク角のＢＴＤＣ数十度の位置、図１、図８（ｂ）および図９（ｂ）参照）に位置する第１所定タイミングから、ピストン１０が第１所定位置よりもクランク角十数度分、ＴＤＣ側の第２所定位置（図１０（ｂ）、図１１（ｂ）参照）に位置する第２所定タイミングまでの間に設定される。

この燃料噴射弁４は、図２に示すように、噴射口として、第１噴射口Ｈ１、一対の第２噴射口Ｈ２，Ｈ２、第３噴射口Ｈ３および一対の第４噴射口Ｈ４，Ｈ４を備えている。同図は、６つの噴射口における燃料の噴射角度（燃料の噴霧の中心軸の角度）を、燃料噴射弁４の中心軸線に直交する平面上において、燃料噴射弁４の中心軸線が通る位置を原点（０゜）とする直交座標系で表したものであり、各噴射口を示す円の中心の位置が噴射角度の座標を表している。

同図に示すように、第１噴射口Ｈ１の噴射角度は、θ１を正の所定値としたときに、燃料噴射弁４の中心軸線に対して所定値θ１分、ｙ軸方向に傾いた角度、すなわち燃料噴射弁４の中心軸線よりも若干上向きの角度に設定されている。また、一対の第２噴射口Ｈ２，Ｈ２の噴射角度はそれぞれ、θ２，θ２’をθ２＞θ１，θ２’＞０が成立する所定値としたときに、燃料噴射弁４の中心軸線に対して、所定値−θ２分、ｙ軸方向に傾き、かつ所定値±θ２’分、ｘ軸方向に傾いた角度に設定されている。すなわち、一対の第２噴射口Ｈ２，Ｈ２の噴射角度は、燃料噴射弁４の中心軸線に対して、下向きでかつ前後に開いた角度に設定されている。

さらに、第３噴射口Ｈ３の噴射角度は、θ３をθ３＞θ２が成立する所定値としたときに、燃料噴射弁４の中心軸線に対して、所定値−θ３分、ｙ軸方向に傾いた角度すなわち第２噴射口Ｈ２よりも下向きの角度に設定されている。また、一対の第４噴射口Ｈ４，Ｈ４の噴射角度はそれぞれ、θ４，θ４’をθ４＞θ３，θ４’＞θ２’が成立する所定値としたときに、燃料噴射弁４の中心軸線に対して、所定値−θ４分、ｙ軸方向に傾き、かつ所定値±θ４’分、ｘ軸方向に傾いた角度に設定されている。すなわち、一対の第４噴射口Ｈ４，Ｈ４の噴射角度は、燃料噴射弁４の中心軸線に対して、第３噴射口Ｈ３の噴射角度よりも下向きで、第２噴射口Ｈ２，Ｈ２の噴射角度よりも前後に開いた角度に設定されている。

燃料噴射弁４の第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４の噴射角度は、以上のように設定されており、それにより、第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４から噴射された燃料の噴霧はいずれも、燃料噴射弁４の中心軸線から離間しかつ互いに離間するように流れる（図８，１０参照）。

また、点火プラグ５は、傾斜した状態でシリンダヘッド８に固定されており、この点火プラグ５の傾斜角度は、後述する理由により、ピストン１０のキャビティ１１の傾斜壁部１１ｄの傾斜角度とほぼ同じ値に設定されている。また、点火プラグ５は、中心電極５ａおよび接地電極５ｂを有しており、これらの電極５ａ，５ｂは、燃焼室８ａ内に臨むとともに、平面的に見て気筒３の中心付近に配置されている。さらに、点火プラグ５は、図示しない点火コイルに電気的に接続されており、点火コイルから高電圧が印可されたときに、電極間での放電によって火花を発生させ、それにより、燃焼室８ａ内の混合気を燃焼させる。

次に、図３〜７を参照しながら、ピストン１０について説明する。このピストン１０は、図示しないクランクシャフトに機械的に連結されており、クランクシャフトの回転に従って、ＴＤＣ位置とＢＤＣ位置との間で気筒３内を往復動する。図３および図９（ａ）などに示すように、ピストン１０の頂面は、平面的に見て、燃料噴射弁４の中心軸線に対して線対称に構成されており、その吸気側の部位には、キャビティ１１が形成されている。

このキャビティ１１は、平らな底面１１ａと、この底面１１ａを取り囲むガイド壁部を備えており、このガイド壁部は、一対の側壁部１１ｂ，１１ｂ、一対の湾曲壁部１１ｃ，１１ｃおよび傾斜壁部１１ｄで構成されている。一対の側壁部１１ｂ，１１ｂは、底面１１ａの前後の端部に連続しており、両者の間隔が上方に向うほど広くなるように傾斜しているとともに、両者の幅が吸気側から排気側に向かうほど広くなる形状を有している。また、一対の側壁部１１ｂ，１１ｂの延設方向は、平面的に見て、一対の第２噴射口Ｈ２，Ｈ２の噴射軸線とほぼ平行になるように設定されている（図８（ａ）、図１０（ａ）参照）。

また、一対の湾曲壁部１１ｃ，１１ｃはそれぞれ、一対の側壁部１１ｂ，１１ｂの排気側の端部から中央側に湾曲しており、傾斜壁部１１ｄは、これらの湾曲壁部１１ｃ，１１ｃに連続している。図６に示すように、この傾斜壁部１１ｄは、底面１１ａとともに、互いに連続する３つの傾斜面Ｓ１〜Ｓ３を構成しており、これらの傾斜面Ｓ１〜Ｓ３は、吸気側から排気側に向かうほど、勾配が段階的に大きくなるように設定されている。その理由については後述する。

一方、キャビティ１１の一対の側壁部１１ｂ，１１ｂの外側には、一対の案内斜面１２，１２が設けられており、これらの案内斜面１２，１２は、ピストン１０の中心に向かって上り勾配に形成されている。また、案内斜面１２，１２の外側には、これらに連続する周壁１３，１３が設けられており、この周壁１３，１３は、ピストン１０の外縁に沿って延びている。

さらに、ピストン１０の頂面の中央部は、平面的に見て、円の一部を切り欠いた形状の平面１４になっており、この平面１４は、傾斜壁部１１ｄに連続している。また、ピストン１０の頂面の排気側の部位には、排気側に向かって下がり勾配の傾斜面１５と、この傾斜面１５の排気側端部に連続する案内壁１６とが設けられている。この案内壁１６は、ピストン１０の外縁に沿って延びており、その中央部は上り勾配の傾斜面１６ａ（ガイド面）になっている。この場合、上述した傾斜壁部１１ｄおよび傾斜面１６ａは、平面的に見て、その中心が燃料噴射弁４の中心軸線上に位置するように配置されている。

次に、以上のように構成された内燃機関１において、成層燃焼モード中に成層混合気を生成するときの動作を、図８〜１１を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、第１噴射口Ｈ１、第２噴射口Ｈ２、第３噴射口Ｈ３および第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４からそれぞれ噴射された燃料の噴霧を、「第１噴霧Ｆ１」、「第２噴霧Ｆ２」、「第３噴霧Ｆ３」および「第４噴霧Ｆ４」という。

まず、圧縮行程中、ピストン１０が前述した第１所定位置まで上昇した第１所定タイミングで、燃料が燃料噴射弁４から噴射された場合、第１〜第４噴霧Ｆ１〜Ｆ４は、図８（ａ），（ｂ）に示す状態でピストン１０の頂面に到達（衝突）するとともに、それ以降、図９（ａ），（ｂ）に示すように流れる。なお、図８（ｂ）においては、理解の容易化のために、第４噴霧Ｆ４の図示が省略されている。

すなわち、第１噴霧Ｆ１は、平面１４および傾斜面１５に到達した後、図９（ａ），（ｂ）の矢印Ｙ１で示すように、傾斜面１５に沿って流れ、案内壁１６の傾斜面１６ａによって上向きに案内される。その後、第１噴霧Ｆ１は、燃焼室８ａの内壁面に沿って点火プラグ５側に流れる。

また、第２噴霧Ｆ２，Ｆ２はそれぞれ、側壁部１１ｂ，１１ｂに到達した後、図９（ａ）の矢印Ｙ２，Ｙ２で示すように、側壁部１１ｂ，１１ｂに沿って流れる。この場合、前述したように、側壁部１１ｂ，１１ｂの延設方向は、平面的に見て、第２噴射口Ｈ２，Ｈ２の噴射軸線とほぼ平行になるように設定されているので、第２噴霧Ｆ２，Ｆ２はそれぞれ、側壁部１１ｂ，１１ｂを乗り越えて拡散することなく、これらに沿って流れた後、これらの側壁部１１ｂ，１１ｂから中央側に湾曲する湾曲壁部１１ｃ，１１ｃによって、中央側に寄せられる。そして、第２噴霧Ｆ２，Ｆ２の流れは、矢印Ｙ２，Ｙ２で示すように、傾斜壁部１１ｄの中央付近で互いに衝突し、合流する。その際、第２噴霧Ｆ２，Ｆ２は、湾曲壁部１１ｃ，１１ｃによって、減速させられながら、中央側に寄せられるので、湾曲壁部１１ｃ，１１ｃを乗り越えて拡散することなく、中央側に寄せられる。それにより、第２噴霧Ｆ２，Ｆ２の流れを効率よく傾斜壁部１１ｄの中央付近に集め、合流させることができる。

一方、第３噴霧Ｆ３は、キャビティ１１の底面１１ａに到達した後、図９（ａ），（ｂ）の矢印Ｙ３で示すように、底面１１ａに沿って傾斜壁部１１ｄ側に流れる。その際、前述したように、底面１１ａおよび傾斜壁部１１ｄが互いに連続する３つの傾斜面Ｓ１〜Ｓ３を構成しており、これらの３つの傾斜面Ｓ１〜Ｓ３は、吸気側から排気側に向かうほど、勾配が段階的に大きくなるように設定されているので、第３噴霧Ｆ３のペネトレーションを段階的に減衰させることができる。それにより、第３噴霧Ｆ３が傾斜面Ｓ１〜Ｓ３上で液滴化するのを抑制でき、デポジットの発生を抑制することができる。

そして、第３噴霧Ｆ３は、傾斜壁部１１ｄの中央付近で合流した一対の第２噴霧Ｆ２の流れに衝突し、合流する。その際、第３噴霧Ｆ３は、そのペネトレーションによって、これらの第２噴霧Ｆ２の流れを上方に押し出すように作用する。それにより、互いに合流した第２噴霧Ｆ２および第３噴霧Ｆ３は、図９（ａ），（ｂ）の矢印Ｙ３’で示すように、傾斜壁部１１ｄに沿って点火プラグ５側に流れ、点火プラグ５の電極５ａ，５ｂ付近に到達する。この場合、前述したように、傾斜壁部１１ｄの傾斜角度が、点火プラグ５の傾斜角度とほぼ同じ値に設定されているので、第２噴霧Ｆ２および第３噴霧Ｆ３を効率よく電極５ａ，５ｂ付近に到達させることができる。

なお、図９（ｂ）においては、理解の容易化のために、第３噴霧Ｆ３の流れを表す矢印Ｙ３は、実際の噴霧の流れの中心よりも底面１１ａに近い位置に示されており、第２噴霧Ｆ２および第３噴霧Ｆ３の合流後の流れを表す矢印Ｙ３’も、実際の噴霧の流れの中心よりも傾斜壁部１１ｄに近い位置に示されている。

また、第４噴霧Ｆ４，Ｆ４はそれぞれ、キャビティ１１の外側の案内斜面１２，１２に到達した後、図９（ａ）の矢印Ｙ４，Ｙ４で示すように、案内斜面１２，１２および周壁１３，１３に沿って上方に案内される。それにより、第１〜第３噴霧Ｆ１〜３によって点火プラグ５の電極５ａ，５ｂ付近に集められた濃い混合気の周囲を取り囲む混合気の空燃比を、この第４噴霧Ｆ４によって成層燃焼に適した値に調整することができる。以上により、濃い混合気が点火プラグ５の電極５ａ，５ｂ付近に集中し、その周囲を比較的、薄い混合気が取り囲む状態で、成層混合気を生成することができる。すなわち成層燃焼させるのに最適な状態で、成層混合気を生成することができる。

一方、圧縮行程中、ピストン１０が前述した第２所定位置まで上昇した第２所定タイミングで、燃料噴射弁４から燃料を噴射した場合、第１〜第４噴霧Ｆ１〜Ｆ４は、図１０（ａ），（ｂ）に示す状態でピストン１０の頂面に到達（衝突）するとともに、それ以降、図１１（ａ），（ｂ）に示すように流れる。なお、図１０（ｂ）においては、理解の容易化のために、第４噴霧Ｆ４の図示が省略されている。

すなわち、第１噴霧Ｆ１は、図１１（ｂ）の矢印Ｙ１ｂで示すように、気筒３内を流れ、そのまま傾斜壁部１１ｄに到達する。また、第２噴霧Ｆ２，Ｆ２はそれぞれ、底面１１ａに到達した後、図１１（ａ）の矢印Ｙ２ｂ，Ｙ２ｂで示すように、側壁部１１ｂ，１１ｂに沿って流れ、さらに湾曲壁部１１ｃ，１１ｃによって、減速させられながら中央側に寄せられた後、傾斜壁部１１ｄの中央付近で互いに衝突すると同時、第１噴霧Ｆ１とも衝突し、それにより、第１噴霧Ｆ１の流れおよび第２噴霧Ｆ２の流れは、互いに合流する。

さらに、第３噴霧Ｆ３は、キャビティ１１の底面１１ａに到達した後、図１１（ａ），（ｂ）の矢印Ｙ３ｂに示すように、底面１１ａに沿って傾斜壁部１１ｄ側に流れる。その後、傾斜壁部１１ｄの中央付近で互いに合流した第１噴霧Ｆ１の流れおよび第２噴霧Ｆ２の流れに衝突し、合流する。その際、第３噴霧Ｆ３は、そのペネトレーションによって、互いに合流した第１噴霧Ｆ１および第２噴霧Ｆ２の流れを上方に押し出すように作用する。それにより、互いに合流した第１〜第３噴霧Ｆ１〜Ｆ３は、矢印Ｙ３ｂ’で示すように、傾斜壁部１１ｄに沿って点火プラグ５側に流れ、点火プラグ５の電極５ａ，５ｂ付近に到達する。

その場合、前述したように、第３噴霧Ｆ３は、３つの傾斜面Ｓ１〜Ｓ３を流れることにより、そのペネトレーションが段階的に減衰されるので、第３噴霧Ｆ３が３つの傾斜面Ｓ１〜Ｓ３上で液滴化するのを抑制でき、デポジットの発生を抑制することができる。さらに、傾斜壁部１１ｄの傾斜角度が、点火プラグ５の傾斜角度とほぼ同じ値に設定されているので、第１〜第３噴霧Ｆ１〜Ｆ３を効率よく電極５ａ，５ｂ付近に到達させることができる。

なお、図１１（ｂ）においては、理解の容易化のために、第３噴霧Ｆ３の流れを示す矢印Ｙ３ｂは、実際の噴霧の流れの中心よりも底面１１ａに近い位置に示されており、第１〜第３噴霧Ｆ１〜Ｆ３の合流後の流れを示す矢印Ｙ３ｂ’も、実際の噴霧の流れの中心よりも傾斜壁部１１ｄに近い位置に示されている。

また、第４噴霧Ｆ４，Ｆ４はそれぞれ、キャビティ１１の底面１１ａに到達した後、図１１（ａ）の矢印Ｙ４ｂで示すように、案内斜面１２，１２および周壁１３，１３に沿って上方に案内される。それにより、前述したように、第１〜第３噴霧Ｆ１〜３によって点火プラグ５の電極５ａ，５ｂ付近に集められた濃い混合気の周囲を取り囲む混合気の空燃比を、この第４噴霧Ｆ４によって成層燃焼に適した値に調整することができる。以上により、濃い混合気が点火プラグ５の電極５ａ，５ｂ付近に集中し、その周囲を比較的、薄い混合気が取り囲む状態で、成層混合気を生成することができる。すなわち成層燃焼させるのに最適な状態で、成層混合気を生成することができる。

また、圧縮行程中、ピストン１０が第１所定位置と第２所定位置との間にあるタイミング、すなわち第１所定タイミングと第２所定タイミングの間のタイミングで、燃料噴射弁４から燃料を噴射した場合、第１噴霧Ｆ１は、その一部が傾斜面１５に沿って流れ、案内壁１６の傾斜面１６ａによって上向きに案内される。また、第１噴霧Ｆ１の残りの部分は、傾斜壁部１１ｄに衝突するとともに、その位置で第２噴霧Ｆ２および第３噴霧Ｆ３と合流する。そして、互いに合流した第１〜第３噴霧Ｆ１〜Ｆ３は、第３噴霧Ｆ３のペネトレーションによって、傾斜壁部１１ｄに沿って点火プラグ５側に流れる。一方、第４噴霧Ｆ４は、第２所定タイミングに近い状態で流れる。以上により、第１所定タイミングおよび第２所定タイミングの中間で燃料を噴射した場合でも、成層燃焼させるのに最適な状態で、成層混合気を生成することができる。

以上のように、本実施形態のエンジン１によれば、成層燃焼モードの圧縮行程中、燃料噴射弁４により、第１所定タイミングから第２所定タイミングまでの間のいずれのタイミングで、燃料噴射を実行した場合でも、成層燃焼させるのに最適な状態で、成層混合気を生成することができ、燃料噴射タイミングの自由度を向上させることができる。その結果、製品間のばらつきや経年変化などに起因して、燃料噴射弁４の噴射タイミングが４つの気筒３間でばらついたときでも、従来と異なり、成層混合気の生成効率、燃焼効率および燃費をいずれも向上させることができる。

また、そのようなエンジン１を、側壁部１１ｂ、湾曲壁部１１ｃおよび傾斜壁部１１ｄを有するキャビティ１１と、案内壁１６とを備えたピストン１０と、第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４を有する燃料噴射弁４という比較的簡易な構成を組み合わせることによって実現することができる。

さらに、第３噴霧Ｆ３が案内される３つの傾斜面Ｓ１〜Ｓ３は、吸気側から排気側に向かうほど、勾配が段階的に大きくなるように設定されているので、第３噴霧Ｆ３のペネトレーションを段階的に減衰させることができ、それにより、第３噴霧Ｆ３が傾斜面Ｓ１〜Ｓ３上で液滴化するのを抑制でき、デポジットの発生を抑制することができる。その結果、成層混合気の生成効率、燃焼効率および燃費をさらに向上させることができる。

なお、実施形態は、燃料噴射装置として、燃料噴射弁を用いた例であるが、本発明の燃料噴射装置はこれに限らず、燃料を所定タイミングで気筒内に噴射可能なものであればよい。

また、実施形態は、本発明の内燃機関を車両用のものに適用した例であるが、本発明の内燃機関は、これに限らず、船舶用のものや、他の産業機器用のものにも適用可能であることは言うまでもない。

さらに、実施形態は、内燃機関として、Ｖ型６気筒ガソリンエンジンタイプのものを用いたが、これに代えて、直列多気筒ガソリンエンジンや、水平対向多気筒ガソリンエンジンなどを用いてもよい。

１ 内燃機関
３ 気筒
４ 燃料噴射弁
Ｈ１ 第１噴射口
Ｈ２ 第２噴射口
Ｈ３ 第３噴射口
Ｈ４ 第４噴射口
５ 点火プラグ
１０ ピストン
１１ キャビティ
１１ａ 底面
１１ｂ 側壁部
１１ｃ 湾曲壁部
１１ｄ 傾斜壁部
１２ 案内斜面
１６ 案内壁
１６ａ 傾斜面（ガイド面）
Ｓ１ 第１傾斜面
Ｓ２ 第２傾斜面
Ｓ３ 第３傾斜面

Claims (5)

1. 気筒内に燃料を直接、噴射するとともに、当該噴射された燃料と前記気筒に吸入された空気との混合気を火花点火によって着火させ、燃焼させる筒内直噴式の内燃機関であって、
   前記気筒内を往復動するピストンと、
   前記気筒内に臨むように設けられ、当該気筒内の混合気を火花点火する点火プラグと、
   燃料を前記ピストンの頂面に対して斜めに噴射するとともに、燃料を互いに異なる方向に噴射する複数の噴射口を有する燃料噴射装置と、
   を備え、
   前記複数の噴射口は、燃料噴霧の中心軸が最も前記点火プラグ寄りに設定された第１噴射口を有し、
   前記ピストンは、頂面の所定部位に突出する案内壁と、当該頂面の当該案内壁よりも前記燃料噴射装置側の位置に形成された傾斜面部と、当該頂面の当該傾斜面部よりも前記燃料噴射装置側の位置に形成されたキャビティとを有しており、
   当該傾斜面部は、前記ピストンが圧縮行程中の第１所定位置に位置する第１所定タイミングで前記燃料噴射装置の前記第１噴射口から噴射された燃料の噴霧を受け止めて前記案内壁側に案内し、
   前記案内壁は、前記傾斜面部によって案内された燃料の噴霧を前記点火プラグに向かって案内するガイド面を有し、
   前記キャビティは、前記第１所定タイミングから前記ピストンが圧縮行程中の前記第１所定位置よりも上死点側の第２所定位置に位置する第２所定タイミングまでの間のタイミングで前記燃料噴射装置の前記第１噴射口から噴射された燃料の噴霧を前記点火プラグに向かって案内するガイド壁部を有することを特徴とする内燃機関。
2. 前記ガイド壁部は、前記案内壁に近づくにつれて、互いの間隔がより広くなるように延びる一対の側壁部と、当該一対の側壁部の前記案内壁側の端部から中央側に湾曲する一対の湾曲壁部と、当該一対の湾曲壁部に連続して延び、前記点火プラグ側に向かって傾斜した傾斜壁部とを有しており、
   前記複数の噴射口は、燃料噴霧の中心軸が前記第１噴射口の燃料噴霧の中心軸に対して所定角度分、前記点火プラグと反対側に傾いた状態に設定され、前記第１所定タイミングから前記第２所定タイミングまでの間のタイミングで燃料を噴射したときに、燃料の噴霧が前記キャビティの前記傾斜壁部よりも前記燃料噴射装置側の底面に達するように構成された第３噴射口をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記ガイド壁部は、前記案内壁に近づくにつれて、互いの間隔がより広くなるように延びる一対の側壁部と、当該一対の側壁部の前記案内壁側の端部から中央側に湾曲する一対の湾曲壁部と、当該一対の湾曲壁部に連続して延び、前記点火プラグ側に向かって傾斜した傾斜壁部とを有しており、
   前記複数の噴射口は、
   燃料噴霧の中心軸が前記第１噴射口の燃料噴霧の中心軸に対して他の所定角度分、前記点火プラグと反対側に傾いた状態に設定され、前記第１所定タイミングから前記第２所定タイミングまでの間のタイミングで燃料を噴射したときに、燃料の噴霧が前記一対の側壁部にそれぞれ沿って流れるように構成された一対の第２噴射口をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記複数の噴射口は、
   前記一対の第２噴射口の噴射方向よりも外側に向かって燃料をそれぞれ噴射する一対の第４噴射口をさらに有し、
   前記ピストンは、前記頂面の前記キャビティの前記一対の側壁部の外側にそれぞれ形成され、前記ピストンの中心側に向かうほど、前記点火プラグにより近づくように傾斜した一対の案内斜面をさらに有しており、
   前記第１所定タイミングから前記第２所定タイミングまでの間のタイミングで前記一対の第４噴射口から噴射された燃料の噴霧はそれぞれ、前記一対の案内斜面に沿って流れることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記キャビティの前記底面および前記傾斜壁部は、互いに連続する複数の傾斜面を構成しており、
   当該複数の傾斜面は、前記燃料噴射装置から離間するほど、勾配が段階的に大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。

Images