JPWO2007066565A1 - エンジン - Google Patents

Abstract

燃焼室（４）内に燃料を直接噴射するインジェクタ（３）を１気筒当たり２本備える。これらのインジェクタ（３，３）は、クランク軸の軸線方向から見て吸気ポートの下側でクランク軸の軸線方向に互いに重なるような位置と、平面視において吸気ポート間でシリンダの軸線方向に互いに重なるような位置とのうち何れか一方に位置して、互いに近接して１気筒当たり２本設けられ、平面視において吸気ポート（７）の吸気口（７ａ）に近接する燃焼室周縁部からシリンダの略中央方向へ燃料を噴射する。これら２本のインジェクタ（３，３）から１回の燃焼サイクルにおいて必要な燃料を分配して供給した。

Description

本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを備えたエンジンに関するものである。

従来、エンジンとしては、例えば特開２００３−２６９１７６号公報（以下、単に特許文献１という）に開示されているように、燃費の向上と排ガスの清浄化とを達成するために、燃焼室内に燃料をインジェクタによって直接噴射し、点火プラグの周辺近傍に燃料を集める構成のものがある。
特許文献１に記載されている従来のエンジンは、頂部にキャビティが設けられたピストンと、キャビティに向けて燃料を噴射するインジェクタとを備えている。

インジェクタは、１気筒当たり１本装備され、シリンダヘッドにおける燃焼室の中央部または周縁部を形成する部位に装着されている。
ピストンのキャビティは、インジェクタから噴射された燃料を点火プラグ側へ跳ね返すように機能する。

すなわち、この従来のエンジンにおいては、インジェクタから噴射された燃料がピストンのキャビティに当たった後に点火プラグ側へ跳ね返されて、点火プラグの周辺近傍に集められる。この結果、このエンジンによれば、いわゆる燃料混合気の成層化が図られ、燃料の噴射量が少なくても確実に着火するようになる。

特許文献１に示された従来のエンジンにおいては、ピストンの頂部へ燃料が噴射されるために、頂部に燃料からなる液状の膜が形成され易い。このため、このエンジンでは、膜状の燃料が不完全燃焼を起こすことに起因してカーボンが発生し易くなるという問題があった。

また、上述した従来のエンジンのようにインジェクタによって燃焼室内に燃料を直接噴射する構成を採る場合、高回転高出力運転時などで燃料噴射量が増大すると、噴射された燃料が特にインジェクタと対向するシリンダの周壁に当たり付着し易くなる。このようにシリンダの周壁に燃料が付着すると、この周壁に付着しているオイルが燃料によって洗い流されるようにして失われたり、燃料が周壁とピストンとの間の隙間からクランク室内に流下し、クランク室内のオイルを希釈してしまうおそれがある。

本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、ピストンにキャビティを設けることなく燃料を所定の部位に集めることができ、しかも、燃料噴射量が増大しても燃料がシリンダの周壁に付着することがないエンジンを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係るエンジンは、シリンダヘッドとシリンダとピストン頂面とによって形成された燃焼室と、シリンダヘッドに形成され、燃焼室に連通された吸気ポートおよび排気ポートと、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタとを備えたエンジンにおいて、インジェクタは、クランク軸の軸線方向から見て吸気ポートの下側でクランク軸の軸線方向に互いに重なるような位置と、平面視において吸気ポート間でシリンダの軸線方向に互いに重なるような位置とのうち何れか一方に位置して、互いに近接して１気筒当たり２本設けられ、かつ平面視において吸気ポートの吸気口に近接する燃焼室周縁部からシリンダの略中央方向へ燃料を噴射するように構成され、１回の燃焼サイクルにおいて必要な燃料は、これら２本のインジェクタから分配して供給されるものである。

本発明によれば、１回の燃焼サイクルにおいて必要な燃料が２本のインジェクタから分配して供給されるので、インジェクタを１気筒当たり１本しか装備せず、必要な燃料の全量を１本のインジェクタから供給する従来のエンジンに較べて、インジェクタ１本当たりの燃料噴射量が低減される。したがって、各インジェクタからの燃料噴射時間が短縮され、インジェクタから噴射された燃料の到達距離が相対的に短くなる。

したがって、本発明によれば、インジェクタから所定の距離だけ離間した部位に燃料を集めることができ、従来のようにピストンにキャビティを形成して燃料を集める必要はなくなる。このため、ピストンのキャビティに向けて燃料を噴射する構成の従来のエンジンに較べてピストンに付着する燃料の量を低減でき、カーボンが発生することを防ぐことができる。

また、本発明によれば、インジェクタから噴射された燃料の到達距離が短くなることから燃料がシリンダの周壁に付着し難くなる。このため、シリンダの周壁に付着しているオイルが燃料によって洗い流されることが抑制され、シリンダの周壁をオイルによって確実に潤滑できる。

請求項２記載の発明によれば、燃料が噴射される範囲をシリンダの軸線方向においてエンジンのボア−ストローク比に対応させて設定することができる。このため、この発明によれば、インジェクタとして噴霧形状が単純なものを使用しながら、シリンダ内の適正な範囲に燃料を噴射することができるから、ピストンやシリンダの周壁に燃料が付着することをより一層確実に防ぐことができる。

請求項３記載の発明によれば、１本のインジェクタを２段階に噴射させて弱成層混合気を形成する従来の手法と比較して、より広範囲の運転条件にて良好な弱成層混合気を形成することが可能であり、安定燃焼、排ガス低減効果が得られる。

請求項４記載の発明によれば、２本のインジェクタを使用していることから噴霧（燃料）の到達距離を短くでき、その上、２つの噴霧の組合わせを変えることによって、燃料が供給される範囲の形状の自由度を高くすることができる。このため、この発明によれば、ピストンキャビティによる筒内流動に頼らずに、燃料が１箇所に集められた良好な混合気を燃焼室内で形成することがき、圧縮行程でいわゆる燃料の成層化を容易に図ることができる。

したがって、この発明によれば、シリンダ内に空気を大量に供給するリーンバーン運転あるいは大量ＥＧＲ運転を行う場合であっても燃焼が安定し、しかも、過給機を使用してリーンバーン運転あるいは大量ＥＧＲ運転を行うことも可能になる。特に、この発明によるエンジンにおいては、リーンバーン運転時に吸気量の増大を図れることから、低速運転時にもスロットル弁を開けておくことができるようになり、いわゆるノンスロットル化が実現されてポンピングロスを低減することができる。

また、前述のように燃料が供給される範囲の形状（成層混合気形状）の自由度が高くなるので、噴霧形状の自由度が高いマルチホールインジェクタを使用する場合はもとより、従来からよく使われているスワールインジェクタを使用する場合であっても噴霧形状による成層化を達成できる。

さらに、この発明に係るエンジンは、低回転低負荷運転時においては上述したように筒内流動に頼らずに燃料の成層化が可能であるから、吸気ポートの形状の設計上の自由度が高くなる。このため、このエンジンの吸気ポートの構造としては、シリンダ内にタンブルを発生させるタンブルポートや、シリンダ内にスワールを発生させるスワールポートや、高流量を流すハイフローポートなどの種々のポート形状を採ることができる。

請求項５記載の発明によれば、インジェクタから噴射された燃料の到達距離が短かく、いわゆる噴霧貫徹力が低く抑えられた燃料が吸気行程で噴射される。このため、燃料が吸気流に乗り易くなるから、シリンダの周壁に燃料が付着することを、吸気に燃料を乗せることによって防ぐことができる。この結果、この発明によれば、シリンダの周壁のオイルによる潤滑を損なうようなことがない。

また、この発明によれば、上述したように燃料が吸気流に乗り易いことから、燃料を燃焼室内に直接噴射する構成を採っているにもかかわらず、吸気管内に燃料を噴射するエンジンと同等もしくはそれ以上に吸気中に燃料を均等に分布させることができる。この結果、この発明に係るエンジンは、高回転高負荷運転時において燃焼改善による熱効率の向上が可能となり、大出力を容易に得ることができる。

請求項６記載の発明によれば、１回の燃焼サイクルにおいて、第１のインジェクタから噴射された燃料の層と、第２のインジェクタから噴射された燃料の層とがシリンダの軸線方向に二層に重なるように形成される。この場合、先に噴射された燃料の層内の温度は気化潜熱により低下する。この後に第２のインジェクタから燃料が噴射される。この燃料の層内においても温度が低下するが、燃料の気化時間が短く限定されるため、先の燃料の層ほど温度は低下しない。このため、二つの燃料の層のうち、後から噴射された燃料の層の温度は、先に噴射された燃料の層の温度より高くなる。

このため、この発明によれば、層をなす燃料の温度差を利用して燃焼を制御することが可能になる。この請求項６記載の発明は、いわゆる予混合圧縮自己着火燃焼{ＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression-Ignition combustion）}エンジンに適用することができ、このエンジンにおいて上記のように温度差のある複数の燃料層を設けることにより、燃焼速度を緩慢にするなど燃焼を制御することが可能になる。

請求項７記載の発明によれば、高回転高負荷運転時は両方のインジェクタに燃料を同時噴射させ、低回転低負荷運転時では第１のインジェクタと第２のインジェクタとを１サイクル毎に交互に噴射させる。なお、一般的に、エンジンの運転域が低回転低負荷運転域にあるときは、インジェクタ先端部の熱負荷が小さくなるから、上述したように１回の燃焼サイクル毎に交互に燃料を噴射させても、インジェクタ先端部を燃料によって充分に冷却し、インジェクタ先端部の焼損を防ぐことができる。

一般的に低回転低負荷運転時には、１回の燃焼サイクルにおいて必要な燃料の量は極少量となる。もし、そのような運転時にも２本のインジェクタから同時に噴射させると、１本当たりの燃料噴射量がさらに少量となってしまい、そのような極少量を正確に噴射量（噴射時間）制御することは困難である。しかし、この発明によれば、２本のインジェクタは、低回転低負荷運転時には、同時ではなく、１回の燃焼サイクル毎に交互に噴射するようにしているので、各インジェクタからの噴射量は従来の１本のみのインジェクタの場合と同等にでき、よって噴射量（噴射時間）制御が容易となる。このため、低回転低負荷運転域におけるインジェクタの低流量側のダイナミックレンジを確保することが容易となる。一方、高回転高負荷運転時は、両方のインジェクタによって燃料を充分に供給することができる。

この結果、この発明によれば、従来のエンジンに用いる１本のみのインジェクタに較べて、２本のインジェクタによる実質的なダイナミックレンジ（最大噴射量と最小噴射量との比）を拡げることができるから、ピストンや周壁への燃料の付着を防ぎながら、低回転域から高回転域に至るまで燃料を適正な噴射量をもって噴射することができる。特に、この発明においては、高回転高負荷運転時に要求最大噴射量・要求噴射率が増大したとしても、従来のエンジンでは不可能であったような高過給圧による過給や、高回転での運転が可能になる。

図１は、本発明に係るエンジンの要部を拡大して示す断面図である。 図２は、図１に示したエンジンにおけるインジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。 図３は、吸気行程で燃料が噴射されている状態を示すエンジンの断面図である。 図４は、マルチホールインジェクタを使用したエンジンの断面図である。 図５は、エンジンの要部を拡大して示す断面図である。 図６は、図５に示したエンジンにおけるインジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。 図７は、エンジンの要部を拡大して示す断面図である。 図８は、インジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。 図９は、エンジンの要部を拡大して示す断面図である。 図１０は、インジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。 図１１は、エンジンの要部を拡大して示す断面図である。 図１２は、エンジンの要部を拡大して示す断面図である。 図１３Ａは、インジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図で、同図は両方のインジェクタが燃料を同時に噴射している状態を示す。 図１３Ｂは、インジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図で、同図は第１のインジェクタが燃料を噴射している状態を示す。 図１３Ｃは、インジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図で、同図は第２のインジェクタが燃料を噴射している状態を示す。 図１４は、エンジンの要部を拡大して示す断面図である。 図１５は、インジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。 図１６は、他の例のエンジンの要部を拡大して示す断面図である。 図１７は、インジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係るエンジンの一実施の形態を図１ないし図４によって詳細に説明する。
図１は本発明に係るエンジンの要部を拡大して示す断面図、図２は図１に示したエンジンにおけるインジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図、図３は吸気行程で燃料が噴射されている状態を示すエンジンの断面図、図４はマルチホールインジェクタを使用したエンジンの断面図である。

これらの図において、符号１で示すものは、この実施の形態によるエンジンを示す。このエンジン１は、シリンダヘッド２に設けられたインジェクタ３によって燃焼室４内に燃料を直接噴射する水冷式ＤＯＨＣ型４サイクルエンジンである。このエンジン１は、図示していないクランクケースの上に設けられたシリンダボディ５と、このシリンダボディ５の上端部に取付けられたシリンダヘッド２と、シリンダボディ５内に嵌挿されたピストン６などを備えている。シリンダボディ５によって、本発明でいうシリンダが構成されている。ピストン６の頂部は、前述した従来のエンジンのピストンに設けられているようなキャビティは形成されておらず略平坦に形成されている。なお、ピストン６の頂部の形状は、略平坦に限定されることはなく、筒内流動や火炎伝播を考慮した形状とすることができる。

クランクケースの内部には、ピストン６によって燃焼室４とは画成されたクランク室が形成されている。このクランクケースの下部には、オイルを貯留するためのオイルパン（図示せず）が設けられている。
シリンダヘッド２には、燃焼室４から図１において右方に延びる一対の独立吸気ポート７と、燃焼室４から左方に延びる一対の独立排気ポート８とが形成されている。また、シリンダヘッド２は、各ポート７，８の燃焼室への一対の吸・排気口７ａ，７ａ，８ａ，８ａに１気筒当たり２本ずつの吸気弁９と排気弁１０とを備えている。これらの吸・排気弁９，１０は、図示していない吸気カム軸と排気カム軸とによって所定の時期に開閉される。

このシリンダヘッド２における４本の吸・排気弁９，１０によって囲まれた部位であって、燃焼室４の中央部には、点火プラグ１１が取付けられている。
吸気ポート７は、この実施の形態では吸気弁９毎にそれぞれ独立して形成されている。なお、吸気ポート７としては、従来からよく知られているように、上流側は一つになっていて下流側端部が吸気弁９毎に分岐される断面Ｙ字状のサイアミーズタイプに形成することもできる。

インジェクタ３は、図１に示すように、クランク軸（図示せず）の軸線方向から見てシリンダヘッド２における吸気ポート７とシリンダボディ５とによって挟まれるような一端部に吸気ポート７に沿うような状態で取付けられている。また、このインジェクタ３は、図２に示すように、１気筒当たり２本設けられている。これら２本のインジェクタ３は、クランク軸の軸線方向から見て（図１参照）クランク軸の軸線方向に互いに重なるとともに、シリンダの軸線方向から見て（図２参照）その軸線が互いに平行になるようにシリンダヘッド２に取付けられている。

また、これらのインジェクタ３，３は、図２に示すように、平面視で吸気ポート７の吸気口７ａに近接する燃焼室４の周縁部からシリンダの略中央方向へ燃料Ｆを噴射するように構成されている。これらのインジェクタ３，３は、図１、図２に示すように、燃料Ｆを円錐状に噴射する構造のスワールインジェクタが用いられている。

さらに、これらのインジェクタ３，３は、一つの気筒の１回の燃焼サイクル（吸気→圧縮→膨張→排出）において必要な燃料が分配して供給されるように構成されている。すなわち、この実施の形態による２本のインジェクタ３，３は、常に互いに等しい量または不等量の燃料を噴射することになる。なお、これらのインジェクタ３，３としては、図４に示すように、燃料Ｆを放射状に噴射するマルチホールインジェクタを用いることもできる。

この実施の形態による２本のインジェクタ３，３は、エンジン１の運転域が低回転低負荷運転域にあるときは、図１に示すように、圧縮行程において燃料を噴射し、エンジン１の運転域が高回転高負荷運転域にあるときは、図３に示すように、吸気行程において燃料を噴射する構成が採られている。

上述したように１気筒当たり２本のインジェクタ３，３を備えたエンジン１においては、１気筒当たり１本のインジェクタを装備している従来のエンジンに較べて、インジェクタ１本当たりの燃料噴射量を低減している。このようにインジェクタ３の燃料噴射量を低減すると、燃料を噴射する時間が短縮され、インジェクタ３から噴射された燃料の到達距離は、従来のエンジンにおける燃料の到達距離と較べて相対的に短くなる。

すなわち、この実施の形態によるエンジン１においては、１本のインジェクタによって燃料が全量供給される従来のエンジンに較べて、１回の燃焼サイクルにおける燃料供給量を同一とした場合、燃料の到達距離が短縮する。
したがって、この実施の形態によるエンジン１によれば、図２に示すように、噴霧Ｆは、２本のインジェクタ３，３からシリンダの軸線Ｃの近傍、言い換えれば点火プラグ１１の周辺近傍に噴射され、燃焼室４内におけるシリンダヘッド側の中央部に集められるようになる。しかも、図２に示すように、２つの噴霧Ｆは、互いに平行かつ到達距離が短いことによって、噴霧Ｆどうしが激しく衝突することがなく、したがって衝突によって燃料粒子が大型化したり噴霧が乱されることもない。

この結果、このエンジン１においては、ピストン６にキャビティを形成して燃料を集める必要はなく、ピストンに向けて燃料を噴射する構成の従来のエンジンに較べてピストン６に付着する燃料の量を低減でき、カーボンの発生を防ぐことができる。
また、この実施の形態によるエンジン１においては、上述したようにインジェクタ３から噴射された燃料の到達距離が短くなることから、燃料がシリンダの周壁１２に付着し難くなる。このため、周壁１２を潤滑しているオイルが燃料によって流されてしまうようなことはなく、ピストン６とシリンダの周壁１２との摺動部の潤滑を損なうようなことはない。

この実施の形態によるエンジン１は、運転域が低回転低負荷運転域にあるときは圧縮行程において上記のように燃料が噴射される。このため、圧縮行程において燃料の噴霧形状と噴霧（燃料）の到達距離によって点火プラグ１１の周辺近傍に濃度の高い混合気の層が形成され、いわゆる成層化を図ることができる。すなわち、このエンジン１によれば、筒内流動に頼らずに燃料が１箇所（点火プラグ１１の周辺近傍）に集められた良好な混合気を圧縮行程において燃焼室４内で形成することができる。

したがって、このエンジン１によれば、空気をシリンダ内に大量に供給するリーンバーン運転あるいは大量ＥＧＲ運転を行う場合であっても燃焼が安定し、しかも、過給機（図示せず）を使用してリーンバーン運転あるいは大量ＥＧＲ運転を行うことも可能になる。特に、このエンジン１においては、リーンバーン運転時に吸気量を従来のエンジンに較べて増大させることができるから、低速運転時にもスロットル弁を開けておくことができるようになり、いわゆるノンスロットル化が実現されてポンピングロスを低減することができる。

また、このエンジン１においては、２本のインジェクタを使用しているから噴霧（燃料）の到達距離（燃料を短くでき、その上２つの噴霧の組合せを変えることによって、燃料が供給される範囲の形状（成層混合気形状）の自由度が高くなる。よって噴霧形状の自由度が高いマルチホールインジェクタはもとより、従来からよく使われているスワールインジェクタでも噴霧形状による成層化が達成できる。

この実施の形態によるエンジン１は、上述したように低回転低負荷運転時においては筒内流動に頼らずに成層化が可能なので、吸気ポート７の形状の設計上の自由度を高めることができる。このため、このエンジン１の吸気ポート７の構造としては、シリンダ内にタンブルを発生させるタンブルポートや、シリンダ内にスワールを発生させるスワールポートあるいはハイフローポート（高流量ポート）などの種々のポート形状を採ることができる。

加えて、この実施の形態によるエンジン１は、運転域が高回転高負荷運転域にあるときは吸気行程において燃料が噴射されるから、燃料の到達距離が短くなる（噴霧貫徹力が小さくなる）ことと相俟って燃料が吸気に乗り易くなる。このため、このエンジン１によれば、高回転高負荷運転時において、シリンダの周壁１２に燃料が付着することを吸気に燃料を乗せることによって防ぐことができる。この結果、このエンジン１によれば、シリンダの周壁１２をオイルによって確実に潤滑することができる

また、この実施の形態によるエンジン１においては、上述したようにインジェクタ３から噴射された燃料が吸気流に乗り易くなる。このため、このエンジン１によれば、燃料を燃焼室４内に直接噴射する構成を採っているにもかかわらず、吸気管内に燃料を噴射するエンジンと同等もしくはそれ以上に吸気中に燃料を均等に分布させることができる。この結果、この実施の形態によるエンジン１は、高回転高負荷運転時において燃焼改善による熱効率の向上が可能となり、大出力を容易に得ることができる。なお、２本のインジェクタ３，３をエンジン１に装備するに当っては、下記の第２ないし第４の実施の形態を採ることができ、これらの実施の形態を採ることによっても第１の実施の形態を採るときと同等の効果が期待できる。

（第２の実施の形態）
請求項２に記載した発明に係るエンジンを図５および図６によって詳細に説明する。
図５はエンジンの要部を拡大して示す断面図、図６は図５に示したエンジンにおけるインジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。これらの図において、図１〜図４によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明は適宜省略する。

図５および図６に示すエンジン１の２本のインジェクタ３は、第１のインジェクタ３Ａと第２のインジェクタ３Ｂとから構成されている。第１のインジェクタ３Ａは、燃料の噴射方向が燃焼室４内における点火プラグ１１に近接する部位を指向するように構成されている。第２のインジェクタ３Ｂは、燃料の噴射方向が第１のインジェクタ３の噴射方向とはシリンダの軸線方向に異なる部位を指向するように構成されている。この第２のインジェクタ３Ｂの噴射方向は、図５に示すように、第１のインジェクタ３Ａから噴射された燃料Ｆ１よりピストン６側にずれた部位に燃料Ｆ２が噴射される方向を指向している。そして、第１の実施形態と同様にその到達距離は短い。したがって、このエンジン１によれば、２つの噴霧Ｆ１，Ｆ２どうしが激しく衝突することがなく、燃料粒子の大型化や噴霧の乱れが防止される。

また、これら第１および第２のインジェクタ３Ａ，３Ｂの噴射方向は、図６に示すように、シリンダの軸線方向から見て点火プラグ１１を指向する方向に設定されている。なお、第１および第２のインジェクタ３Ａ，３Ｂは、同時噴射であるが、燃料を噴射する時期は、吸気行程と圧縮行程とのいずれか一方のみとする他に、吸気行程と圧縮行程の両方とすることができる。

この実施の形態に示すエンジン１においては、２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂによって燃料が噴射される範囲をシリンダの軸線方向に広くとることができる。このため、このエンジン１によれば、第１、第２のインジェクタ３Ａ，３Ｂとしてそれぞれ噴霧開き角度や噴射方向の異なるものを取付けることによって、シリンダのボア−ストローク比に対応した最適な範囲に燃料を噴射することができる。

したがって、この実施の形態によるエンジン１においては、ボア−ストローク比を設計する上で制約を受けることはなく、しかも、インジェクタ３としてスワールインジェクタのような噴霧形状が単純なものを使用しながら、シリンダ内の適正な範囲に燃料を噴射することができる。

（第３の実施の形態）
請求項３に記載した発明に係るエンジンを図７ないし図１０によって詳細に説明する。
図７はエンジンの要部を拡大して示す断面図、図８は図７に示したエンジンにおけるインジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図、図９はエンジンの要部を拡大して示す断面図、図１０は図９に示したエンジンにおけるインジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。これらの図において、図１〜図４によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明は適宜省略する。

図７〜図１０に示すエンジン１のインジェクタ３は、燃料を燃焼室４内の相対的に広い範囲に拡散するように噴射する第１のインジェクタ３Ａと、燃料を点火プラグ１１の周辺近傍に集まるように噴射する第２のインジェクタ３Ｂとから構成されている。このエンジン１においては、両インジェクタ３Ａ，３Ｂからの噴霧Ｆ１，Ｆ２の到達距離も短い。この実施の形態においては、両インジェクタ３Ａ，３Ｂは、燃料を中空円錐状に噴射するスワールインジェクタが用いられている。

第１のインジェクタ３Ａの噴射方向は、図７に示すように、クランク軸の軸線方向から見て後述する第２のインジェクタ３Ｂが指向する部位より下方であって、図８に示すように、平面視において点火プラグ１１を指向する方向に設定されている。第１のインジェクタ３Ａによって噴射された燃料を図７および図８において二点鎖線Ｆ１で示す。この第１のインジェクタ３Ａの噴霧形状は、第２のインジェクタ３Ｂの噴霧形状に較べて円錐の頂点の角度（噴霧開き角度）が大きくなるように形成されている。この第１のインジェクタ３Ａは、主に吸気行程で主に均質用の噴霧を噴射するように構成されている。ここでいう均質用の噴霧とは、燃料にむらがない噴霧であって、燃料が噴射された範囲内のどの部位においても燃料の粒が略均等に分布しているような噴霧のことをいう。

第２のインジェクタ３Ｂの噴射方向は、図９に示すように、クランク軸の軸線方向から見て点火プラグ１１の下方近傍を指向する方向であって、図１０に示すように、平面視において点火プラグ１１を指向する方向に設定されている。この第２のインジェクタ３Ｂは、主に圧縮行程で主に成層用の噴霧を噴射するように構成されている。第２のインジェクタ３Ｂによって噴射された燃料を図９および図１０において二点鎖線Ｆ２で示す。

そして、吸気行程で第１のインジェクタ３Ａによって燃料を噴射し、続く圧縮行程で第２のインジェクタ３Ｂによって燃料を噴射することにより弱成層混合気を形成できる。さらに各々のインジェクタの噴射時期と噴射量（割合）を変更することによって、運転条件に適した弱成層混合気形成の自由度が増す。

（第４の実施の形態）
請求項６に記載した発明に係るエンジン１を図１１および図１２によって詳細に説明する。
図１１および図１２はエンジンの要部を拡大して示す断面図である。これらの図において、図１〜図４によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明は適宜省略する。

図１１に示すエンジン１の２本のインジェクタ３は、噴射時期が相対的に早くなるように設定された第１のインジェクタ３Ａと、噴射時期が相対的に遅くなるように設定された第２のインジェクタ３Ｂとから構成されている。
第１のインジェクタ３Ａは、図１１および図１２において二点鎖線Ｆ１で示すように、圧縮行程の相対的に早い時期において、燃焼室４内における相対的にピストン６に近接する部位に燃料を噴射するように構成されている。

第２のインジェクタ３Ｂは、図１１および図１２において、二点鎖線Ｆ２で示すように、同一圧縮行程の相対的に遅い時期において、燃焼室４内における相対的に点火プラグ１１に近接する部位に燃料を噴射するように構成されている。すなわち、これらの２本のインジェクタ３，３は、１回の燃焼サイクルにおける圧縮行程において燃料を噴射する時期と噴霧位置とを異ならせている。

なお、第１、第２のインジェクタ３Ａ，３Ｂの燃料を噴射する時期は、一方のインジェクタにおいて１回の燃焼サイクルにおける吸気行程の早期に燃料を噴射し、他方のインジェクタにおいて同じ燃焼サイクルの吸気行程の後期に燃料を噴射するように設定することができる。また、第１、第２のインジェクタ３Ａ，３Ｂの燃料を噴射する時期は、一方のインジェクタにおいて１回の燃焼サイクルにおける吸気行程の後期に燃料を噴射し、他方のインジェクタにおいて同じ燃焼サイクルの圧縮行程の中期に燃料を噴射するように設定することができる。

図１１に示す２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂは、第１の実施の形態で示したインジェクタ３と同様に、平面視において軸線方向が互いに平行になり、クランク軸の軸線方向から見て吸気ポート７に沿うような状態でクランク軸の軸線方向に互いに重なるような位置に設けられている。

図１２に示す２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂは、平面視においてシリンダの軸線方向に互いに重なるような位置に設けられるとともに、クランク軸の軸線方向から見た状態での角度が互いに異なるようにシリンダヘッド２に取付けられている。図１２に示す第１のインジェクタ３Ａの軸線は、吸気ポート７に沿うように設けられた第２のインジェクタ３Ｂに較べてシリンダの軸線Ｃとのなす角度が小さくなる（図１２において起立する）ように設定されている。この第１のインジェクタ３Ａの一部は、２つの吸気ポート７，７の間に配置されている。

この実施の形態によるエンジン１によれば、１回の燃焼サイクルにおいて第１のインジェクタ３Ａから噴射された燃料Ｆ１の層と、第２のインジェクタ３Ｂから噴射された燃料Ｆ２の層とがシリンダの軸線方向に二層に重なるように形成される。一般的に、燃焼室内にインジェクタによって燃料が噴射されると、気化潜熱により噴霧内の温度は低下する。すなわち、この実施の形態によるエンジン１において、噴霧Ｆ１内の温度は、第１のインジェクタ３Ａから燃料が噴射され気化することによって低下する。この後に第２のインジェクタ３Ｂから新たに噴射される噴霧Ｆ２内においても温度が低下するが、燃料の気化時間が短く限定されるため噴霧Ｆ１ほど温度は低くはならない。

このため、二つの燃料の層のうち、後から噴射された燃料Ｆ２の層の温度は、先に噴射された燃料Ｆ１の層の温度より高くなる。すなわち、この実施の形態によるエンジン１によれば、上述したように燃焼室４内に温度の異なる二つの燃料の層が形成されることになる。この結果、このエンジン１によれば、層をなす燃料の温度差を利用して燃焼を制御することが可能になる。

このように温度差を利用して行う燃焼制御は、図１１，１２に示すエンジン１、すなわち点火プラグ１１によって点火させる一般的なガソリンエンジンの他に、いわゆる予混合圧縮自己着火燃焼{ＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression-Ignition combustion）}エンジンにも適用することができる。このＨＣＣＩエンジンは、点火プラグを用いることなく発火させるもので、この種のエンジンに上記燃焼制御を適用することによって、燃焼温度を緩慢にする等、燃焼パターンを制御することが可能になる。

（第５の実施の形態）
請求項７に記載した発明に係るエンジンを図１３Ａ〜図１３Ｃによって詳細に説明する。
図１３Ａ〜図１３Ｃはインジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。これらの図において、図１〜図４によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明は適宜省略する。

図１３Ａ〜図１３Ｃに示す第１のインジェクタ３Ａと第２のインジェクタ３Ｂの噴射時期は、これら二つのインジェクタ３Ａ，３Ｂが燃料をサイクル毎に交互に噴射するように設定されている。すなわち、図１３Ａに示すように、高回転高負荷運転時においては両方のインジェクタ３Ａ，３Ｂに燃料を同時噴射させ、低回転低負荷運転時では、図１３Ｂ、図１３Ｃに示すように、第１のインジェクタ３Ａと第２のインジェクタ３Ｂとを１燃焼サイクル毎に交互に燃料を噴射させる。図１３Ａ〜図１３Ｃにおいては、第１のインジェクタ３Ａによって噴射された燃料を二点鎖線Ｆ１によって示し、第２のインジェクタ３Ｂによって噴射された燃料を二点鎖線Ｆ２によって示す。

なお、一般的に、エンジンの運転域が低回転低負荷運転域にあるときは、インジェクタの先端部の熱負荷が小さくなる。このため、この実施の形態によれば、上述したように１回の燃焼サイクル毎に交互に燃料を噴射させても、インジェクタの先端部を燃料によって充分に冷却することができ、インジェクタの先端部の焼損を防ぐことができる。

また、一般的に低回転低負荷運転時には、１回の燃焼サイクルにおいて必要な燃料の量は極少量となる。もし、そのような運転時にも２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂから同時に噴射させると、１本当たりの燃料噴射量がさらに少量となってしまい、そのような極少量を正確に噴射量（噴射時間）制御することは困難である。しかし、この実施の形態によれば、インジェクタ３Ａ，３Ｂは図１３Ｂおよび図１３Ｃに示すように、低回転低負荷運転時には、同時ではなく、１回の燃焼サイクル毎に交互に噴射するようにしているので、各インジェクタからの噴射量は従来の１本のみのインジェクタの場合と同等にでき、よって噴射量（噴射時間）制御が容易となる。一方、高回転高負荷運転時は、両方のインジェクタ３Ａ，３Ｂによって燃料を充分に供給することができる。

この結果、この実施の形態によれば、従来のエンジンに用いる１本のみのインジェクタに較べて、２本のインジェクタによる実質的なダイナミックレンジ（最大噴射量と最小噴射量との比）を拡げることができる。このため、この実施の形態によれば、ピストン６や周壁１２への燃料の付着を防ぎながら、低回転域から高回転域に至るまで燃料を適正な噴射量をもって噴射することができる。特に、この実施の形態によるエンジン１においては、高回転高負荷運転時に要求最大噴射量・要求噴射率が増大したとしても、従来のエンジンでは不可能であったような高過給圧による過給や、高回転での運転が可能になる。

図１３Ａ〜図１３Ｃに示すエンジン１は、１気筒当たり２本の点火プラグ１１Ａ，１１Ｂが装備されている。これらの点火プラグ１１Ａ，１１Ｂは、クランク軸の軸線方向（図１３Ａ〜図１３Ｃにおいては上下方向）に並ぶように設けられている。図１３Ａ〜図１３Ｃに示す第１のインジェクタ３Ａは、一方の点火プラグ１１Ａと対応する部位に燃料を噴射し、第２のインジェクタ３Ｂは、他方の点火プラグ１１Ｂと対応する部位に燃料を噴射するように構成されている。

このように１気筒当たり２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂと２本の点火プラグ１１Ａ，１１Ｂとを装備することにより、図１３Ａ〜図１３Ｃに示したように２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂによって燃料を交互に噴射する場合であっても確実に点火するようになる。このため、このエンジン１においてリーンバーン運転を行うに当って、リーン限界を向上させることができる。また、２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂによって同時に燃料を噴射する場合は、このように２本点火プラグ１１Ａ，１１Ｂを使用することによって燃焼期間を短縮することができ、いわゆる図示平均有効圧力を向上させることができるから、出力向上と燃費低減とを図ることができる。

１気筒当たり２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂを装備するに当っては、シリンダヘッド２を図１４ないし図１７に示すように形成することができる。
図１４はエンジンの要部を拡大して示す断面図、図１５は図１４に示したエンジンにおけるインジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図、図１６は他の例のエンジンの要部を拡大して示す断面図、図１７は図１６に示したエンジンにおけるインジェクタおよび燃焼室側の各部材の位置を模式的に示す平面図である。これらの図において、図１〜図１３によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明は適宜省略する。

図１４および図１６に示すエンジン１のシリンダヘッド２には、シリンダの周壁１２の上端部１２ａが形成されている。言い換えれば、このシリンダヘッド２は、シリンダヘッド２とシリンダボディ５の合面位置を下げ、第１の実施の形態で示したシリンダヘッドに較べて、燃焼室４におけるシリンダヘッド２内に形成されている部分の容積が大きくなるように形成されている。

このようにシリンダヘッド２を形成することによって、シリンダボディ５と吸気ポート７との間の距離が長くなり、２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂを取付ける位置の自由度を高めることができる。すなわち、図１２、図１６および図１７に示すように、クランク軸の軸線とは直交する仮装平面上でシリンダの軸線方向に重なるように２本のインジェクタ３Ａ，３Ｂを配設することが可能になる。

また、この実施の形態を採ることにより、図１４および図１５に示すように、シリンダヘッド２におけるインジェクタ３Ａ，３Ｂの先端部の近傍に冷却水通路２１を形成することができ、先端部を充分に冷却することができる。このエンジン１によれば、インジェクタ３Ａ，３Ｂの先端部が充分に冷却されることにより、先端部にカーボンが堆積することを防ぐことができる。さらに、この実施の形態を採ることにより、吸・排気弁９，１０の弁体９ａ，１０ａの径を大きく形成することができるようになるから、出力向上をも図ることができる。

上記全ての実施の形態では、ピストンの頂部が平坦な例のみについて述べてきたが、必ずしもこの形態に特定されるものではなく、ピストンの頂部の形状は適宜変更することができる。

本発明に係るエンジンは、車両用エンジンや船舶用エンジンなどとして使用することができる。

Claims (7)

1. シリンダヘッドとシリンダとピストン頂面とによって形成された燃焼室と、
   シリンダヘッドに形成され、前記燃焼室に連通された吸気ポートおよび排気ポートと、
   前記燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタとを備えたエンジンにおいて、
   前記インジェクタは、クランク軸の軸線方向から見て吸気ポートの下側でクランク軸の軸線方向に互いに重なるような位置と、平面視において吸気ポート間でシリンダの軸線方向に互いに重なるような位置とのうち何れか一方に位置して、互いに近接して１気筒当たり２本設けられ、かつ平面視において吸気ポートの吸気口に近接する燃焼室周縁部からシリンダの略中央方向へ燃料を噴射するように構成され、
   １回の燃焼サイクルにおいて必要な燃料は、これら２本のインジェクタから分配して供給されることを特徴とするエンジン。
2. 請求項１記載のエンジンにおいて、
   燃焼室の中央部に臨む少なくとも１つの点火プラグを備え、
   ２本のインジェクタは、側面視において噴射方向が燃焼室内における点火プラグに近接する部位を指向する第１のインジェクタと、
   噴射方向が前記第１のインジェクタの噴射方向とはシリンダの軸線方向に異なる部位を指向する第２のインジェクタとから構成されていることを特徴とするエンジン。
3. 請求項１記載のエンジンにおいて、
   燃焼室の中央部に臨む少なくとも１つの点火プラグを備え、
   ２本のインジェクタは、
   １回の燃焼サイクルにおける吸気行程で燃料を燃焼室内の相対的に広い範囲に拡散するように噴射する第１のインジェクタと、
   圧縮行程で燃料を点火プラグの周辺近傍に集まるように噴射する第２のインジェクタとから構成されていることを特徴とするエンジン。
4. 請求項１記載のエンジンにおいて、
   ２本のインジェクタは、低回転低負荷運転時に圧縮行程において燃料を噴射することを特徴とするエンジン。
5. 請求項１記載のエンジンにおいて、
   ２本のインジェクタは、高回転高負荷運転時に吸気行程において燃料を噴射することを特徴とするエンジン。
6. 請求項１記載のエンジンにおいて、
   ２本のインジェクタは、１回の燃焼サイクルにおいて、燃料噴射時期と噴霧位置とがインジェクタ毎に異なっていることを特徴とするエンジン。
7. 請求項１記載のエンジンにおいて、
   ２本のインジェクタは、低回転低負荷運転時に１回の燃焼サイクル毎に交互に燃料を噴射することを特徴とするエンジン。

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