WO2017051887A1 - エンジン - Google Patents

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WO2017051887A1
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fuel
fuel injection
combustion chamber
piston
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孝幸 疋田
正尚 山川
漆原　友則
和弘 長津
藤川　竜也
養祖　隆
高皓 長野
佑紀 川井
早水　俊文
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マツダ株式会社
株式会社デンソー
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an engine, and in particular, to an engine that injects fuel directly into a combustion chamber in a cylinder during a predetermined operating range from the latter half of a compression stroke to the first half of an expansion stroke, and performs ignition after compression top dead center. .
  • a spark ignition system that uses a spark plug to ignite is widely adopted in an engine using gasoline or fuel mainly composed of gasoline.
  • a high compression ratio for example, 14 or more
  • gasoline or fuel containing gasoline as a main component is used.
  • has developed a technique for performing compression self-ignition specifically, premixed compression self-ignition called HCCI (Homogeneous-Charge Compression) Ignition).
  • Patent Document 1 An engine combustion chamber structure configured to perform such compression self-ignition is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • Patent Document 1 discloses a technique for improving the charging efficiency by configuring the combustion chamber structure applied to the high compression ratio engine so as to sufficiently scavenge the inside of the cavity formed in the central portion of the upper surface of the piston. It is disclosed.
  • pre-ignition in order to suppress so-called pre-ignition (pre-ignition), it is between the latter half of the compression stroke and the first half of the expansion stroke. It is necessary to inject fuel from a plurality of nozzle holes of the fuel injection valve, perform forced ignition with a spark plug after compression top dead center, and complete combustion in a short period of time.
  • the volume of the combustion chamber in the direction in which each nozzle injects fuel is uneven, and the fuel is injected. Due to the short time from ignition to ignition, there is a tendency that a rich portion and a thin portion of the air-fuel mixture are generated in the combustion chamber at the time of spark ignition, that is, the homogeneity of the air-fuel mixture in the combustion chamber tends not to be ensured. In this way, if the homogeneity of the air-fuel mixture is not ensured, the air-fuel mixture containing fuel is discharged without burning, or combustion (afterburning) occurs after the timing to burn, resulting in poor fuel consumption. turn into. In addition, smoke is generated and emissions are also deteriorated.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems.
  • an engine that injects fuel between the latter half of the compression stroke and the first half of the expansion stroke and performs ignition after the compression top dead center the combustion at the ignition timing is performed.
  • An object of the present invention is to provide an engine capable of appropriately ensuring the homogeneity of an air-fuel mixture in a room.
  • an engine according to the present invention directly injects fuel into a combustion chamber in a cylinder from the latter half of the compression stroke to the first half of the expansion stroke in a predetermined operating region, and after the compression top dead center.
  • An engine that performs ignition a piston having a cavity recessed downward in the center of the upper surface, a cylinder head configured to form a pent roof-shaped combustion chamber, and a position corresponding to the center of the piston
  • the fuel injection valve is disposed in the cylinder head and injects fuel so as to enter the cavity of the piston between the second half of the compression stroke and the first half of the expansion stroke, and the central portion of the piston corresponding to the position where the fuel injection valve is provided
  • a spark plug disposed in the cylinder head at a position radially outside and above the cavity of the piston, and a fuel
  • the injection valve has a plurality of injection holes arranged in a circumferential direction surrounding the longitudinal axis of the fuel injection valve, and each injection port has a combustion chamber at the compression top dead center that
  • the volume of the fuel injection region positioned in the injection direction of each injection port is larger
  • the opening area of the nozzle hole is formed to be large.
  • the plurality of injection holes arranged in the circumferential direction surrounding the longitudinal axis of the fuel injection valve are arranged so that the combustion chamber at the compression top dead center is adjacent to each other from the longitudinal axis of the fuel injection valve.
  • the volume of the fuel injection region positioned in the injection direction of each injection port is larger Since the opening area of the nozzle hole is formed so that the combustion chamber of the engine is formed in a pent roof shape, etc., even if the volume of the fuel injection region located in the injection direction of each nozzle hole is different, An amount of fuel corresponding to the volume of each fuel injection region can be injected from each injection port, whereby the homogeneity of the air-fuel mixture in the combustion chamber at the ignition timing can be ensured.
  • each nozzle hole is formed such that the opening area ratio of each nozzle hole and the volume ratio of each fuel injection region located in the injection direction of each nozzle hole coincide.
  • the amount of fuel injected from each injection port can be proportional to the volume of each fuel injection region located in the injection direction of each injection port. Even if the volumes differ, the concentration of the air-fuel mixture in each fuel injection region can be made uniform, and the homogeneity of the air-fuel mixture in the combustion chamber at the ignition timing can be reliably ensured.
  • the engine of the present invention in the engine that injects fuel during the second half of the compression stroke to the first half of the expansion stroke and ignites after the compression top dead center, it is possible to appropriately ensure the homogeneity of the air-fuel mixture in the combustion chamber. it can.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a piston, a cylinder head, and the like according to an embodiment of the present invention, viewed along III-III in FIG. It is the top view which looked at the front-end
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a tip portion of a fuel injection valve according to an embodiment of the present invention, taken along line VV in FIG. 4.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of one cylinder of an engine according to an embodiment of the present invention as viewed from below in the cylinder axial direction, and a plurality of fuel injection regions located in the injection direction of each injection port of the fuel injection valve according to the embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 7 is a partial cross-sectional view of a piston, a cylinder head, etc. according to an embodiment of the present invention, viewed along VII-VII in FIG. 6, and shows fuel injected from each injection port of a fuel injection valve according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows a spray conveyance path
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view of a piston and a cylinder head, etc.
  • An engine according to an embodiment of the present invention operates at a high compression ratio having a geometric compression ratio of, for example, 14 or more (preferably 18 to 20), and in a predetermined low load region, is premixed called HCCI. It performs compression self-ignition.
  • the engine according to the embodiment of the present invention injects fuel from the second half of the compression stroke to the first half of the expansion stroke from the viewpoint of suppressing pre-ignition and the like in a predetermined operation region (for example, low rotation / high load region) ( (Retarded injection) and ignition is performed after compression top dead center.
  • a predetermined operation region for example, low rotation / high load region
  • FIG. 1 is a schematic plan view of one cylinder of an engine according to an embodiment of the present invention viewed from below in the cylinder axial direction
  • FIG. 2 is a piston according to the embodiment of the present invention viewed from above in the cylinder axial direction
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a piston, a cylinder head, and the like according to an embodiment of the present invention, viewed along III-III in FIG.
  • FIG. 3 shows a view when the piston is located at the compression top dead center.
  • the symbol Z indicates a cylinder axis extending in the direction perpendicular to the paper surface
  • the symbol Y is a line segment corresponding to the crank axis extending in the vertical direction on the paper surface.
  • a combustion chamber is used in which the combustion chamber ceiling on the cylinder head side is formed in a gable roof shape (pent roof shape) (see also FIG. 3).
  • the line segment indicated by the symbol Y corresponds to a pent roof-shaped ridge line constituting the combustion chamber (hereinafter referred to as “pent roof ridge line” as appropriate).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a part of a piston, a cylinder head, and the like, cut along a plane along a line segment X orthogonal to the pent roof ridge line Y.
  • two cylinders are provided with two intake valves 1 in a region on one side (left side in the figure) across the pent roof ridge line Y.
  • the two intake valves 1 are arranged side by side in the pent roof ridgeline Y direction.
  • Reference numeral 5 in FIG. 1 indicates an intake port that is opened and closed by the intake valve 1.
  • two exhaust valves 2 are disposed in one cylinder on the other side (right side in the drawing) across the pent roof ridge line Y.
  • the two exhaust valves 2 are arranged side by side in the pent roof ridgeline Y direction.
  • Reference numeral 6 in FIG. 1 denotes an exhaust port that is opened and closed by the exhaust valve 2.
  • a single fuel injection valve 3 is disposed on the cylinder axis Z.
  • two spark plugs 4 are disposed between the two intake valves 1 and the two exhaust valves 2.
  • a cavity 11 recessed downward is formed in the center of the upper surface of the piston 10 (see also FIG. 3).
  • the cavity 11 is formed so as to be substantially circular when viewed from the cylinder axis Z direction, and a mountain-shaped protrusion 11a is formed at the center, and the diameter of the protrusion 11a.
  • a recessed portion 11b having a height lower than that of the protruding portion 11a is formed on the outer side in the direction so as to surround the protruding portion 11a.
  • the fuel injection valve 3 is disposed directly above the protruding portion 11a of the cavity 11, and two spark plugs 4 are disposed in the recess 11b of the cavity 11 (FIGS. 1 and 3). See also).
  • annular portion 13 that extends from the outer edge of the cavity 11 to the outer edge of the upper surface of the piston 10 and surrounds the radially outer side of the cavity 11 is provided on the upper portion of the piston 10.
  • the annular portion 13 is provided with four valve recesses 15 that are recessed downward, for example, about 1 mm.
  • the four valve recesses 15 are provided at positions corresponding to the two intake valves 1 and positions corresponding to the two exhaust valves 2, respectively.
  • the portion 17 between each of the four valve recesses 15 is not recessed (that is, the height is higher than the valve recess 15), and is substantially flat.
  • the portion 17 between each of the four valve recesses 15 is appropriately referred to as a “piston upper surface portion 17”.
  • the fuel injection valve 3 is provided at a location on the cylinder head 40 corresponding to the central portion of the piston 10.
  • the longitudinal axis of the fuel injection valve 3 is the cylinder described above.
  • the fuel injection valve 3 has a plurality of injection holes 27, and sprays fuel from these injection holes 27 in an umbrella shape about the cylinder axis Z in an axisymmetric manner.
  • fuel injected from the latter half of the compression stroke to the first half of the expansion stroke enters the cavity 11 of the piston 10 under the control of the ECU described above.
  • the injection angle ⁇ of the fuel from each nozzle 27 is set so as not to collide with the annular portion 13 of the piston 10 or the cylinder side wall (for example, a cylinder liner). Further, in the fuel injection valve 3, the spray collision distance from the fuel injection position to the position where the fuel collides with the cavity 11 is larger than the length (division length) from the fuel injection position to the position where the initial fuel split occurs.
  • the injection angle ⁇ is set so that The injection angle ⁇ corresponds to the inclination angle of the fuel injection direction from each injection port 27, which is defined with reference to the longitudinal axis of the fuel injection valve 3 (that is, the cylinder axis Z). Fuel is supplied to the fuel injection valve 3 at a relatively high fuel pressure (for example, 40 MPa to 120 MPa).
  • the two spark plugs 4 are respectively provided at locations on the cylinder head 40 that are radially outward from the central portion of the piston 10 and above the cavity 11 of the piston 10. That is, the spark plug 4 is provided at a position such that the electrode 4a at the tip thereof is included in the cavity 11 in the radial direction. Further, the spark plug 4 is disposed so that the electrode 4a is along the combustion chamber ceiling 30a (in other words, the lower surface of the cylinder head 40; the same applies hereinafter). Specifically, the spark plug 4 is provided on the cylinder head 40 so that the electrode 4a portion is inclined to the combustion chamber ceiling 30a while suppressing the protrusion of the electrode 4a to the combustion chamber 30 as much as possible.
  • symbol SA has shown the squish area which is the space formed in the clearance gap between the piston upper surface part 17 and the combustion chamber ceiling 30a.
  • a squish area SA is not only the clearance between the piston upper surface portion 17 and the combustion chamber ceiling 30a, but also the upper surface of the valve recess 15 (see FIG. 2) provided at a position corresponding to the intake valve 1 and the exhaust valve 2. It is also formed in a gap with the room ceiling 30a.
  • FIG. 4 is a plan view of the front end portion of the fuel injection valve 3 according to the embodiment of the present invention as viewed from below in the longitudinal axis direction
  • FIG. 5 is a view taken along line VV in FIG. It is a fragmentary sectional view of the front-end
  • the fuel injection valve 3 includes a bottomed cylindrical valve body extending in the longitudinal axis direction of the fuel injection valve 3, and the fuel injection valve 3 is provided inside the valve body 19.
  • a cylindrical needle 21 extending in the longitudinal axis direction is disposed.
  • the needle 21 is driven up and down along the longitudinal axis of the fuel injection valve 3 by a highly responsive solenoid (not shown).
  • the bottom surface of the valve body 19 is formed in a concave spherical shape that is recessed downward, and a seat portion 23 is formed on the outer peripheral portion of the bottom surface to which the tip of the needle 21 moved downward by a highly responsive solenoid is pressed.
  • a space between the inner peripheral surface of the valve body 19 and the outer peripheral surface of the needle 21 is a fuel passage 25.
  • a plurality of injection holes 27 are formed on the bottom surface of the valve body on the tip side of the seat portion 23.
  • Each injection port 27 is arranged in a circumferential direction surrounding the longitudinal axis of the fuel injection valve 3 and is formed so as to inject fuel in a direction inclined by a predetermined injection angle ⁇ from the longitudinal axis.
  • ten injection holes 27 are arranged in the fuel injection valve 3 at equal angular intervals (that is, 36 ° intervals) in the circumferential direction surrounding the longitudinal axis of the fuel injection valve 3. Yes.
  • each nozzle hole 27 is formed such that the angle formed by the central axis thereof and the longitudinal axis of the fuel injection valve 3 is ⁇ .
  • FIG. 6 is a schematic plan view of one cylinder of the engine according to the embodiment of the present invention viewed from below in the cylinder axial direction, and is positioned in the injection direction of each nozzle 27 of the fuel injection valve 3 according to the embodiment of the present invention. It is a figure which shows the some fuel-injection area
  • the combustion chamber 30 at the compression top dead center passes through the middle of each nozzle hole 27 adjacent to each other from the longitudinal axis of the fuel injection valve 3.
  • the ten injection holes 27 of the fuel injection valve 3 are represented by symbols A to J, respectively, and the direction in which each injection hole 27 is directed is indicated by a one-dot chain line. That is, the nozzle 27 that is directed upward in FIG.
  • a virtual vertical plane P AB extending in the radial direction of the cylinder from the longitudinal axis of the fuel injection valve 3 (that is, the cylinder axis Z) through the middle of the adjacent nozzle holes A and B, and the adjacent nozzle holes J
  • a hypothetical vertical plane P JA extending in the radial direction of the cylinder through the middle of the nozzle A and the fuel injection region V A positioned in the injection direction of the nozzle A is divided.
  • fuel injection regions V B to V J positioned in the injection direction of the nozzles B to J are divided. As shown in FIG. 6, each of these fuel injection regions is formed in a fan shape in plan view, and is disposed in the circumferential direction surrounding the longitudinal axis of the fuel injection valve 3.
  • each injection hole 27 has a larger volume of the fuel injection area located in the injection direction of each injection hole 27.
  • the opening area is formed to be large. More preferably, each nozzle hole 27 is formed such that the opening area ratio of each nozzle hole 27 matches the volume ratio of each fuel injection region located in the injection direction of each nozzle hole 27.
  • each fuel injection region is divided so as to extend in the pent roof ridge line Y direction in which the height of the fuel injection region (that is, the distance between the upper surface of the piston 10 and the combustion chamber ceiling 30a) is the highest. is the largest volume of the fuel injection region V a and V F, the volume of the pent roof ridge Y segment so as to extend in the direction closest to the line segment X which is perpendicular to the fuel injection region V C, V D, V H , V I Is the smallest. As shown in FIG.
  • the nozzle diameter is set so that Specifically, as shown in FIG. 9, the nozzle diameters of the nozzles C, D, H, and I are 0.095 mm, the nozzle diameters of the nozzles B, E, G, and J are 0.100 mm, and the nozzles of the nozzles A and F The aperture is set to 1.3 mm.
  • the spray transport path length which is the length of the path until the fuel injected from each nozzle 27 reaches the combustion chamber ceiling 30 a via the cavity 11, is specified.
  • the spray transport path length is determined based on the distance from the nozzle 27 of the fuel injection valve 3 to the position where the fuel injected at the injection angle ⁇ collides with the surface of the cavity 11 and the position where the fuel collides with the surface of the cavity 11. It is calculated as the sum of the distance traveled to reach the combustion chamber ceiling 30a via the recess 11b. In the example of FIG.
  • the spray transport path length L C of the nozzle C is the distance L C1 from the nozzle C to the position where the fuel injected at the injection angle ⁇ C collides with the surface of the cavity 11, and the fuel of the cavity 11. It is the sum of the travel distance L C2 from the position where it collides with the surface to the combustion chamber ceiling 30a via the recess 11b of the cavity 11, and the spray transport path length L H of the nozzle H is the injection angle from the nozzle H
  • the distance L H1 to the position where the fuel injected at ⁇ H collides with the surface of the cavity 11 and the position where the fuel collides with the surface of the cavity 11 reach the combustion chamber ceiling 30a via the recess 11b of the cavity 11. It is the sum with the movement distance LH2 .
  • the spray transport path length L A of the nozzle A is a distance L A1 from the nozzle A to the position where the fuel injected at the injection angle ⁇ A collides with the surface of the cavity 11, and the fuel is in the cavity.
  • 11 is the sum of the travel distance L A2 from the position of collision with the surface of 11 to the combustion chamber ceiling 30a via the recess 11b of the cavity 11, and the spray transport path length L F of the nozzle F is from the nozzle H
  • the distance L F1 to the position where the fuel injected at the injection angle ⁇ F collides with the surface of the cavity 11 and the position where the fuel collides with the surface of the cavity 11 enter the combustion chamber ceiling 30a via the recess 11b of the cavity 11. This is the sum of the movement distance L F2 to reach.
  • the height of the combustion chamber ceiling 30a at the position corresponding to the edge part 11d of the cavity 11 in the injection direction of each injection hole 27 increases (that is, the edge part of the cavity 11).
  • the spray transport path length becomes shorter as the injection angle ⁇ of the nozzle 27 increases.
  • the injection angle of each nozzle hole 27 increases as the height of the combustion chamber ceiling 30a at the position corresponding to the edge 11d of the cavity 11 in the injection direction of each nozzle hole 27 increases.
  • the spray transport path length of each nozzle 27 is made equal.
  • the edge 11 d of the cavity 11 in the injection direction of the injection holes C, D, H, and I oriented in the direction closest to the line segment X orthogonal to the pent roof ridge line Y in each of the injection holes 27.
  • the height of the combustion chamber ceiling 30a at the corresponding position is the lowest, and the height of the combustion chamber ceiling 30a at the position corresponding to the edge 11d of the cavity 11 in the injection direction of the nozzles A and F directed in the pent roof ridge line Y direction. Is the highest. For example, as shown in FIGS.
  • the height of the combustion chamber ceiling 30a at the position corresponding to the edge 11d of the cavity 11 in the injection direction of the nozzle C is h C
  • the cavity 11 in the injection direction of the nozzle H The height of the combustion chamber ceiling 30a at the position corresponding to the edge end 11d of the combustion chamber is equal to h H , but the height of the combustion chamber ceiling 30a at the position corresponding to the edge end 11d of the cavity 11 in the injection direction of the injection hole A is the h a and the height h F of the combustion chamber ceiling 30a of the position corresponding to the edge portion 11d of the cavity 11 in the injection direction of the injection port F is higher than h C respectively.
  • the spray transport path lengths of the nozzles A, C, F, and H are made equal.
  • H and h I are set to 0 mm
  • the heights h B , h E , h G of the combustion chamber ceiling 30a at positions corresponding to the edge 11d of the cavity 11 in the injection direction of the nozzles B, E, G, J h J is 0.90 mm
  • the heights h A and h F of the combustion chamber ceiling 30a at the position corresponding to the edge 11d of the cavity 11 in the injection direction of the nozzles A and F are 2.80 mm.
  • the spray transport path lengths L C , L D when the injection angles ⁇ C , ⁇ D , ⁇ H , ⁇ I of the nozzle holes C, D, H, I having the lowest height of the combustion chamber ceiling 30a are 50 °.
  • L H and L I are 40 mm.
  • the spray transport path length of each nozzle hole 27 is 40 mm, and the spray transport path lengths of all the nozzle holes 27 are equal.
  • an engine in which the combustion chamber 30 is formed in a pent roof shape is shown (see FIG. 3 and the like).
  • the combustion chamber 30 is not in a pent roof shape (for example, a hemispherical shape or a bathtub shape). It can also be applied to the engine formed in the above.
  • the fuel injection valve 3 having ten injection holes 27 is shown.
  • the present invention is also applicable to an engine having a fuel injection valve 3 having a plurality of different injection holes 27. Is possible.
  • the plurality of nozzle holes 27 arranged in the circumferential direction surrounding the longitudinal axis of the fuel injection valve 3 pass through the combustion chamber 30 at the compression top dead center between the nozzle holes 27 adjacent to each other from the longitudinal axis of the fuel injection valve 3.
  • the larger the volume of the fuel injection region located in the injection direction of each injection port 27, the larger the injection port. 27 is formed so that the opening area of the fuel injection chamber 27 is large, even if the volume of the fuel injection region located in the injection direction of each injection hole 27 is different due to the combustion chamber 30 of the engine being formed in a pent roof shape or the like.
  • an amount of fuel corresponding to the volume of each fuel injection region can be injected from each injection port 27, thereby ensuring the homogeneity of the air-fuel mixture in the combustion chamber 30 at the ignition timing. That.
  • each nozzle hole 27 is formed so that the opening area ratio of each nozzle hole 27 and the volume ratio of each fuel injection region located in the injection direction of each nozzle hole 27 coincide with each other. Therefore, even if the volume of each fuel injection region is different, the air-fuel mixture in each fuel injection region can be made proportional to the volume of each fuel injection region located in the injection direction of each nozzle 27. Therefore, the homogeneity of the air-fuel mixture in the combustion chamber 30 at the ignition timing can be reliably ensured.
  • a plurality of injection holes 27 that are arranged in a circumferential direction surrounding the longitudinal axis of the fuel injection valve 3 and inject fuel in a direction inclined by a predetermined injection angle from the longitudinal axis are provided in the cavity 11 in the injection direction of each injection hole 27.
  • the edge part of the cavity 11 in the injection direction of each injection hole 27 The increase in the spray transport path length due to the high ceiling height of the combustion chamber 30 at the position corresponding to 11d can be suppressed by increasing the injection angle of the injection holes 27, whereby the fuel injected from each injection hole 27 Can reach the combustion chamber ceiling 30a, and the homogeneity of the air-fuel mixture in the combustion chamber 30 at the ignition timing can be reliably ensured.
  • the injection angle of each injection hole 27 is such that the spray transport path length, which is the length of the fuel until the fuel injected from each injection hole 27 reaches the ceiling of the combustion chamber 30 via the cavity 11, is applied to the spark plug 4. Since it is set to be equal to the spray transport path length of the nearest nozzle hole 27, the time when the fuel injected from each nozzle hole 27 reaches the combustion chamber ceiling 30 a is injected from the nozzle hole 27 closest to the spark plug 4. Therefore, it is possible to align the air-fuel mixture containing the fuel to the vicinity of the spark plug 4, thereby ensuring the homogeneity of the air-fuel mixture in the combustion chamber 30 at the ignition timing and also ensuring that the ignition plug 4 is ignitable. Can be secured.

Abstract

エンジンは、キャビティ(11)が形成されたピストン(10)と、ペントルーフ形状の燃焼室(30)を形成するように構成されたシリンダヘッド(40)と、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間において燃料を噴射する燃料噴射弁(3)と、ピストンのキャビティの上方に対応する位置に配置された点火プラグ(4)とを有し、燃料噴射弁の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口(27)は、圧縮上死点における燃焼室を、燃料噴射弁の長手軸線から互いに隣接する各噴口の中間を通って気筒の径方向に延びる垂直面により、各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口の開口面積が大きくなるように形成されている。

Description

エンジン
　本発明は、エンジンに係わり、特に、所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を気筒内の燃焼室に直接噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンに関する。
　一般的には、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いるエンジンでは、点火プラグによって着火する火花点火方式が広く採用されている。近年では、燃費の向上を図る観点などから、エンジンの幾何学的圧縮比として高圧縮比（例えば１４以上）を適用して、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いつつ、所定の運転領域において、圧縮自己着火（具体的にはＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition）と呼ばれる予混合圧縮自己着火）を行う技術が開発されている。
　このような圧縮自己着火を行うようにしたエンジンの燃焼室構造が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、高圧縮比エンジンに適用される燃焼室構造に関して、ピストン上面の中央部に形成されたキャビティ内を十分に掃気するように構成して、充填効率の向上を図った技術が開示されている。
特開２０１４－４３７８２号公報
　上記のような高圧縮比エンジンにおいては、所定の運転領域（例えば低回転・高負荷域）では、いわゆるプリイグニッション（過早着火）を抑制すべく、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料噴射弁の複数の噴口から燃料を噴射して、圧縮上死点後に点火プラグによる強制点火を行い、短期間で燃焼を完了させる必要がある。
　しかしながら、例えばエンジンの燃焼室天井が切妻型の屋根状（ペントルーフ形状）に形成されている場合、各噴口が燃料を噴射する方向における燃焼室の容積が不均等であり、且つ、燃料を噴射してから点火するまでの時間が短いことにより、火花点火時において燃焼室内に混合気の濃い部分と薄い部分とが生じる傾向にある、つまり燃焼室内の混合気の均質性が確保されない傾向にある。このように混合気の均質性が確保されなかった場合には、燃料を含む混合気が燃えずに排出されたり、燃焼すべきタイミングの後に燃焼（後燃え）が生じたりして、燃費が悪くなってしまう。加えて、スモークが発生して、エミッションも悪化してしまう。
　本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して圧縮上死点後に点火を行うエンジンにおいて、点火時期における燃焼室内の混合気の均質性を適切に確保することができるエンジンを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明によるエンジンは、所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を気筒内の燃焼室に直接噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンであって、上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成されたピストンと、ペントルーフ形状の燃焼室を形成するように構成されたシリンダヘッドと、ピストンの中央部に対応する位置においてシリンダヘッドに配置され、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間においてピストンのキャビティ内に入るように燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁が設けられた位置に対応するピストンの中央部よりも径方向外側で、且つピストンのキャビティの上方に対応する位置においてシリンダヘッドに配置された点火プラグと、を有し、燃料噴射弁は、その燃料噴射弁の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口を有し、各噴口は、圧縮上死点における燃焼室を、燃料噴射弁の長手軸線から互いに隣接する各噴口の中間を通って気筒の径方向に延びる垂直面により、各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口の開口面積が大きくなるように形成されている、ことを特徴とする。
　このように構成された本発明においては、燃料噴射弁の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口は、圧縮上死点における燃焼室を、燃料噴射弁の長手軸線から互いに隣接する各噴口の中間を通って気筒の径方向に延びる垂直面により、各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口の開口面積が大きくなるように形成されているので、エンジンの燃焼室がペントルーフ形状に形成されていること等により各噴口の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が異なっていても、各燃料噴射領域の容積に応じた量の燃料を各噴口から噴射させることができ、これにより、点火時期における燃焼室内の混合気の均質性を確保することができる。
　また、本発明において、好ましくは、各噴口は、各噴口の開口面積比と、各噴口の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積比とが一致するように形成されている。
　このように構成された本発明においては、各噴口から噴射される燃料の量を、各噴口の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積と比例させることができ、これにより、各燃料噴射領域の容積が異なっていても、各燃料噴射領域における混合気の濃度を揃えることができ、点火時期における燃焼室内の混合気の均質性を確実に確保することができる。
　本発明のエンジンによれば、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射して圧縮上死点後に点火を行うエンジンにおいて、燃焼室内の混合気の均質性を適切に確保することができる。
本発明の実施形態によるエンジンの１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図である。 本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図である。 図１中のIII－IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部をその長手軸線方向の下方から見た平面図である。 図４中のV－Vに沿って見た、本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部の部分断面図である。 本発明の実施形態によるエンジンの１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁の各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域を示す図である。 図6中のVII－VIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁の各噴口から噴射された燃料の噴霧輸送経路を示す図である。 図6中のVIII－VIIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁の各噴口から噴射された燃料の噴霧輸送経路を示す図である。 本発明の実施形態による燃料噴射弁の各噴口の噴口径及び噴射角を示す表である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンを説明する。
　まず、本発明の実施形態の内容を説明する前に、本発明の実施形態によるエンジンの前提構成について簡単に説明する。本発明の実施形態によるエンジンは、幾何学的圧縮比が例えば１４以上（好適には１８～２０）である高圧縮比にて運転を行うと共に、所定の低負荷領域において、ＨＣＣＩと呼ばれる予混合圧縮自己着火を行うものである。また、本発明の実施形態によるエンジンは、所定の運転領域（例えば低回転・高負荷域）において、プリイグニッションなどを抑制する観点から、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を噴射（リタード噴射）して、圧縮上死点後に点火を行うものである。このようなエンジンに係る前提構成は、車両内のＥＣＵ（Electronic Control Unit）による制御によって実現される。
　次に、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造について具体的に説明する。
　図１は、本発明の実施形態によるエンジンの１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図であり、図２は、本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図であり、図３は、図１中のIII－IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。なお、図３は、ピストンが圧縮上死点に位置するときの図を示している。
　図１において、符合Ｚは紙面直角方向に伸びるシリンダ軸線を示し、符合Ｙは、紙面上下方向に伸びる、クランク軸線に対応する線分である。本実施形態によるエンジンでは、シリンダヘッド側の燃焼室天井が切妻型の屋根状（ペントルーフ形状）に形成された燃焼室が適用されている（図３も参照）。上記した符合Ｙで示す線分は、燃焼室を構成するペントルーフ形状の稜線（以下では適宜「ペントルーフ稜線」と呼ぶ。）に相当する。また、符号Ｘは、燃焼室の中心を通り、つまりシリンダの中心軸線を通り、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分を示す。なお、図３は、このようなペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘに沿った面で切断した、ピストン及びシリンダヘッドなどの一部分の断面図である。
　図１に示すように、１つの気筒（シリンダ）には、ペントルーフ稜線Ｙを挟んで一方側（図中左側）の領域に、２つの吸気バルブ１が配設されている。この２つの吸気バルブ１は、ペントルーフ稜線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号５は、吸気バルブ１により開閉される吸気ポートを示している。また、１つの気筒には、ペントルーフ稜線Ｙを挟んで他方側（図中右側）の領域に、２つの排気バルブ２が配設されている。２つの排気バルブ２は、ペントルーフ稜線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号６は、排気バルブ２により開閉される排気ポートを示している。また、シリンダ軸線Ｚ上に、１つの燃料噴射弁３が配設されている。加えて、２つの吸気バルブ１及び２つの排気バルブ２のそれぞれの間に、２つの点火プラグ４が配設されている。
　次に、図２に示すように、ピストン１０の上面の中央部には、下方に凹んだキャビティ１１が形成されている（図３も参照）。具体的には、キャビティ１１は、シリンダ軸線Ｚ方向から見たときにほぼ円形となるように形成されており、中央部に、山形の突起部１１ａが形成され、且つ、この突起部１１ａの径方向外側に、突起部１１ａよりも高さが低い凹部１１ｂが突起部１１ａを取り囲むように形成されている。このようなキャビティ１１の突起部１１ａの真上に、燃料噴射弁３が配置されており、また、キャビティ１１の凹部１１ｂ内に、２つの点火プラグ４が配置されている（図１及び図３も参照）。
　更に、ピストン１０の上部には、キャビティ１１の外縁からピストン１０の上面の外縁まで延び、キャビティ１１の径方向外側を取り囲む環状部１３が設けられている。この環状部１３には、例えば１ｍｍ程度、下方に凹んだ４つのバルブリセス１５が設けられている。４つのバルブリセス１５は、それぞれ、２つの吸気バルブ１に対応する位置及び２つの排気バルブ２に対応する位置に設けられている。また、４つのバルブリセス１５のそれぞれの間の部分１７は、凹んでおらず（つまりバルブリセス１５よりも高さが高くなっている）、ほぼ平坦となっている。以下では、４つのバルブリセス１５のそれぞれの間の部分１７を適宜「ピストン上面部１７」と呼ぶ。
　次に、図３に示すように、燃料噴射弁３は、ピストン１０の中央部に対応するシリンダヘッド４０上の箇所に設けられ、具体的には当該燃料噴射弁３の長手軸線が上記したシリンダ軸線Ｚに沿うように設けられ、燃焼室３０内に燃料を直接噴射する。燃料噴射弁３は、複数の噴口２７を有しており、これらの噴口２７からシリンダ軸線Ｚについて軸対称に傘状に燃料を噴霧する。この場合、燃料噴射弁３は、前述したＥＣＵによる制御の下で圧縮行程後半から膨張行程前半までの間（例えば上死点前６０°）に噴射した燃料が、ピストン１０のキャビティ１１内に入るように（図３の矢印参照）、言い換えるとピストン１０の環状部１３やシリンダ側壁（例えばシリンダライナなど）に衝突しないように、各噴口２７からの燃料の噴射角θが設定されている。また、燃料噴射弁３は、燃料噴射位置からキャビティ１１に燃料が衝突する位置までの噴霧衝突距離が、燃料噴射位置から燃料の初期分裂が生じる位置までの長さ（分裂長さ）よりも大きくなるように、噴射角θが設定されている。
　なお、噴射角θは、燃料噴射弁３の長手軸線（即ちシリンダ軸線Ｚ）を基準にして規定された、各噴口２７からの燃料の噴射方向の傾斜角に相当する。また、燃料噴射弁３には、比較的高い燃圧（例えば４０ＭＰａ～１２０ＭＰａ）にて燃料が供給される。
　更に、２つの点火プラグ４は、それぞれ、ピストン１０の中央部よりも径方向外側で、且つピストン１０のキャビティ１１の上方に対応するシリンダヘッド４０上の箇所に設けられている。つまり、点火プラグ４は、その先端部の電極４ａが径方向においてキャビティ１１内に含まれるような位置に設けられている。また、点火プラグ４は、電極４ａが燃焼室天井３０ａ（言い換えるとシリンダヘッド４０の下面である。以下同様とする。）に沿うように配置されている。詳しくは、点火プラグ４は、燃焼室３０への電極４ａの突出をできるだけ抑えつつ、電極４ａ部分の傾斜方向が燃焼室天井３０ａの傾斜に沿うように、シリンダヘッド４０に設けられている。
　なお、図３において、符号ＳＡを付したエリアは、ピストン上面部１７と燃焼室天井３０ａとの隙間に形成される空間である、スキッシュエリアを示している。このようなスキッシュエリアＳＡは、ピストン上面部１７と燃焼室天井３０ａとの隙間だけでなく、吸気バルブ１及び排気バルブ２に対応する位置に設けられたバルブリセス１５（図２参照）の上面と燃焼室天井３０ａとの隙間にも形成される。
　次に、図４及び図５により、本発明の実施形態による燃料噴射弁３について詳細に説明する。図４は、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の先端部をその長手軸線方向の下方から見た平面図であり、図５は、図４中のV－Vに沿って見た、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の先端部の部分断面図である。
　図４及び図５に示すように、燃料噴射弁３は、燃料噴射弁３の長手軸線方向に延びる有底円筒状のバルブボディを備えており、このバルブボディ１９の内部に、燃料噴射弁３の長手軸線方向に延びる円柱状のニードル２１が配置されている。ニードル２１は、高応答性ソレノイド（図示せず）により、燃料噴射弁３の長手軸線に沿って上下に駆動される。バルブボディ１９の底面は下方に凹んだ凹球面状に形成され、この底面の外周部分には、高応答性ソレノイドにより下方に移動したニードル２１の先端部が押接されるシート部２３が形成されている。また、バルブボディ１９の内周面とニードル２１の外周面との間の空間は、燃料通路２５となっている。更に、バルブボディの底面において、シート部２３よりも先端側には、複数の噴口２７が形成されている。
　各噴口２７は、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に配置され、長手軸線から所定の噴射角θ傾斜した方向へ向けて燃料を噴射するように形成されている。本実施形態では、図４に示すように、燃料噴射弁３には１０個の噴口２７が、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に等角度間隔（即ち３６°間隔）で配置されている。また、図５に示すように、各噴口２７は、その中心軸線と燃料噴射弁３の長手軸線との成す角がθとなるように形成される。
　次に、図６乃至図９を参照して、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の噴口２７の大きさ及び噴射角について説明する。
　図６は、本発明の実施形態によるエンジンの１つの気筒をシリンダ軸線方向の下方から見た概略平面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の各噴口２７の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域を示す図である。また、図７及び図８は、それぞれ、図6中のVII－VII及びVIII－VIIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン１０及びシリンダヘッド４０などの部分断面図であって、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の各噴口２７から噴射された燃料の噴霧輸送経路を示す図である。また、図９は、本発明の実施形態による燃料噴射弁３の各噴口２７の噴口径及び噴射角を示す表である。
　まず、図６に示すように、各噴口２７の大きさを決定するため、圧縮上死点における燃焼室３０を、燃料噴射弁３の長手軸線から互いに隣接する各噴口２７の中間を通って気筒の径方向に延びる仮想的な垂直面により、複数の燃料噴射領域に区分する。
　図６の例では、燃料噴射弁３の１０個の噴口２７を、それぞれ記号Ａ乃至Ｊで表すと共に、各噴口２７が向けられた方向を一点鎖線で示している。即ち、気筒をシリンダ軸線方向の下方から見てペントルーフ稜線Ｙ方向に沿って図６の紙面上方に向けられた噴口２７をＡとし、他の噴口２７を時計回りにＢ乃至Ｊとしている。
　そして、燃料噴射弁３の長手軸線（即ちシリンダ軸線Ｚ）から互いに隣接する噴口Ａと噴口Ｂとの中間を通って気筒の径方向に延びる仮想的な垂直面ＰABと、互いに隣接する噴口Ｊと噴口Ａとの中間を通って気筒の径方向に延びる仮想的な垂直面ＰJAとにより、噴口Ａの噴射方向に位置する燃料噴射領域ＶAが区分される。同様に、各噴口Ｂ乃至Ｊの噴射方向に位置する燃料噴射領域ＶB乃至ＶJが区分される。図６に示すように、これらの各燃料噴射領域は平面視で扇形に形成され、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に配置されている。
　上述のように燃焼室３０を各噴口２７に対応する複数の燃料噴射領域に区分した場合において、各噴口２７は、各噴口２７の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口２７の開口面積が大きくなるように形成されている。より好ましくは、各噴口２７は、各噴口２７の開口面積比と、各噴口２７の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積比とが一致するように形成される。
　図６の例では、各燃料噴射領域の中で、燃料噴射領域の高さ（即ちピストン１０の上面と燃焼室天井３０ａとの距離）が最も高くなるペントルーフ稜線Ｙ方向に延びるように区分された燃料噴射領域ＶA及びＶFの容積が最も大きく、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘに最も近い方向に延びるように区分された燃料噴射領域ＶC、ＶD、ＶH、ＶIの容積が最も小さい。図９に示すように、本実施形態では、最も小さい燃料噴射領域ＶC、ＶD、ＶH、ＶIの容積を１とした場合、各燃料噴射領域の容積比は、（ＶC、ＶD、ＶH、ＶI）：（ＶB、ＶE、ＶG、ＶJ）：（ＶA、ＶF）＝１：１．１：１．３となっている。
　本実施形態では、各噴口２７は、各噴口２７の開口面積比が、各噴口２７の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積比と一致するように、即ち、（Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉ）：（Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｊ）：（Ａ、Ｆ）＝１：１．１：１．３となるように、且つ、円形の各噴口２７の噴口径の平均値が０．１００ｍｍとなるように噴口径を設定している。具体的には、図９に示すように、噴口Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉの噴口径が０．０９５ｍｍ、噴口Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｊの噴口径が０．１００ｍｍ、噴口Ａ、Ｆの噴口径が１．３ｍｍに設定されている。
　また、各噴口２７の噴射角を決定するため、各噴口２７から噴射された燃料がキャビティ１１を介して燃焼室天井３０ａに到達するまでの経路の長さである噴霧輸送経路長を特定する。
　噴霧輸送経路長は、燃料噴射弁３の噴口２７から噴射角θで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離との和として求められる。
　図７の例では、噴口Ｃの噴霧輸送経路長ＬCは、噴口Ｃから噴射角θCで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離ＬC1と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離ＬC2との和であり、噴口Ｈの噴霧輸送経路長ＬHは、噴口Ｈから噴射角θHで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離ＬH1と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離ＬH2との和である。
　また、図８の例では、噴口Ａの噴霧輸送経路長ＬAは、噴口Ａから噴射角θAで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離ＬA1と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離ＬA2との和であり、噴口Ｆの噴霧輸送経路長ＬFは、噴口Ｈから噴射角θFで噴射された燃料がキャビティ１１の表面に衝突する位置までの距離ＬF1と、燃料がキャビティ１１の表面に衝突した位置からキャビティ１１の凹部１１ｂを経由して燃焼室天井３０ａに到達するまでの移動距離ＬF2との和である。
　ここで、噴口２７の噴射角が同一の場合、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが高いほど（即ちキャビティ１１の縁端部１１ｄから燃焼室天井３０ａまでの距離が長いほど）、噴霧輸送経路長は長くなる。また、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが同一の場合には、噴口２７の噴射角θが大きいほど噴霧輸送経路長が短くなる。
　そこで、本実施形態では、各噴口２７を、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが高いほどその噴口２７の噴射角が大きくなるように形成することで、各噴口２７の噴霧輸送経路長が等しくなるようにしている。
　図６の例では、各噴口２７の中で、ペントルーフ稜線Ｙに直交する線分Ｘに最も近い方向に向けられた噴口Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが最も低く、ペントルーフ稜線Ｙ方向に向けられた噴口Ａ、Ｆの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さが最も高い。
　例えば、図７及び図８に示すように、噴口Ｃの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さをｈCと、噴口Ｈの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さをｈHとは等しいが、噴口Ａの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さをｈA及び噴口Ｆの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さをｈFは、それぞれｈCよりも高い。そこで、噴口Ｃの噴射角θCと噴口Ｈの噴射角θHを等しくし、噴口Ａの噴射角θA及び噴口Ｈの噴射角θFを、噴口Ｃの噴射角θCよりも大きくすることで、噴口Ａ、Ｃ、Ｆ及びＨの噴霧輸送経路長が等しくなるようにしている。
　本実施形態では、図９に示すように、噴口Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さｈC、ｈD、ｈH、ｈIを０ｍｍとした場合、噴口Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｊの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さｈB、ｈE、ｈG、ｈJは０．９０ｍｍ、噴口Ａ、Ｆの噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室天井３０ａの高さｈA、ｈFは２．８０ｍｍとなっている。
　また、燃焼室天井３０ａの高さが最も低い噴口Ｃ、Ｄ、Ｈ、Ｉの噴射角θC、θD、θH、θIを５０°としたときの噴霧輸送経路長ＬC、ＬD、ＬH、ＬIは４０ｍｍである。
　この場合、噴口Ｂ、Ｅ、Ｇ、Ｊの噴射角θB、θE、θG、θJを５２°とし、噴口Ａ、Ｆの噴射角θA、θFを５５°とすることにより、各噴口２７の噴霧輸送経路長が４０ｍｍとなり、全ての噴口２７の噴霧輸送経路長が等しくなる。
　次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
　上記した実施形態では、燃焼室３０がペントルーフ形状に形成されたエンジンを示したが（図３等参照）、本発明は、燃焼室３０がペントルーフ形状ではない形状（例えば半球型やバスタブ型など）に形成されたエンジンにも適用可能である。
　また、上記した実施形態では、１０個の噴口２７を備えた燃料噴射弁３を示したが、本発明は、これとは異なる複数の噴口２７を備えた燃料噴射弁３を有するエンジンにも適用可能である。
　次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるエンジンの作用効果を説明する。
　まず、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口２７は、圧縮上死点における燃焼室３０を、燃料噴射弁３の長手軸線から互いに隣接する各噴口２７の中間を通って気筒の径方向に延びる垂直面により、各噴口２７の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口２７の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口２７の開口面積が大きくなるように形成されているので、エンジンの燃焼室３０がペントルーフ形状に形成されていること等により各噴口２７の噴射方向に位置する燃料噴射領域の容積が異なっていても、各燃料噴射領域の容積に応じた量の燃料を各噴口２７から噴射させることができ、これにより、点火時期における燃焼室３０内の混合気の均質性を確保することができる。
　特に、各噴口２７は、各噴口２７の開口面積比と、各噴口２７の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積比とが一致するように形成されているので、各噴口２７から噴射される燃料の量を、各噴口２７の噴射方向に位置する各燃料噴射領域の容積と比例させることができ、これにより、各燃料噴射領域の容積が異なっていても、各燃料噴射領域における混合気の濃度を揃えることができ、点火時期における燃焼室３０内の混合気の均質性を確実に確保することができる。
　また、燃料噴射弁３の長手軸線を囲む周方向に配置され且つ長手軸線から所定の噴射角傾斜した方向へ向けて燃料を噴射する複数の噴口２７は、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室３０の天井高さが高いほど、その噴口２７の噴射角が大きくなるように形成されているので、各噴口２７の噴射方向におけるキャビティ１１の縁端部１１ｄに対応する位置の燃焼室３０の天井高さが高いことによる噴霧輸送経路長の増大を、噴口２７の噴射角の拡大により抑制することができ、これにより、各噴口２７から噴射された燃料が燃焼室天井３０ａに到達する時期を揃えることができ、点火時期における燃焼室３０内の混合気の均質性を確実に確保することができる。
　特に、各噴口２７の噴射角は、各噴口２７から噴射された燃料がキャビティ１１を介して燃焼室３０の天井に到達するまでの経路の長さである噴霧輸送経路長が、点火プラグ４に最も近い噴口２７の噴霧輸送経路長と等しくなるように設定されているので、各噴口２７から噴射された燃料が燃焼室天井３０ａに到達する時期を、点火プラグ４に最も近い噴口２７から噴射された燃料を含む混合気が点火プラグ４周辺に到達する時期に揃えることができ、これにより、点火時期における燃焼室３０内の混合気の均質性を確保しつつ、点火プラグ４による着火性も適切に確保することができる。
　１　吸気バルブ
　２　排気バルブ
　３　燃料噴射弁
　４　点火プラグ
　４ａ　電極
　５　吸気ポート
　６　排気ポート
　１０　ピストン
　１１　キャビティ
　１１ａ　突起部
　１１ｂ　凹部
　１１ｃ　キャビティの曲面
　１１ｄ　キャビティの縁端部
　１３　環状部
　１５　バルブリセス
　１７　ピストン上面部
　１９　バルブボディ
　２１　ニードル
　２３　シート部
　２５　燃料通路
　２７　噴口
　３０　燃焼室
　３０ａ　燃焼室天井
　４０　シリンダヘッド
 

Claims (2)

  1. 　所定の運転領域において、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間に燃料を気筒内の燃焼室に直接噴射して、圧縮上死点後に点火を行うエンジンであって、
    　上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成されたピストンと、
    　ペントルーフ形状の燃焼室を形成するように構成されたシリンダヘッドと、
    　上記ピストンの中央部に対応する位置において上記シリンダヘッドに配置され、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間において上記ピストンのキャビティ内に入るように燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    　上記燃料噴射弁が設けられた位置に対応する上記ピストンの中央部よりも径方向外側で、且つ上記ピストンのキャビティの上方に対応する位置において上記シリンダヘッドに配置された点火プラグと、を有し、
    　上記燃料噴射弁は、その燃料噴射弁の長手軸線を囲む周方向に配置された複数の噴口を有し、
    　上記各噴口は、圧縮上死点における上記燃焼室を、上記燃料噴射弁の長手軸線から互いに隣接する上記各噴口の中間を通って上記気筒の径方向に延びる垂直面により、上記各噴口の噴射方向に位置する複数の燃料噴射領域に区分したとき、各噴口の噴射方向に位置する上記燃料噴射領域の容積が大きいほどその噴口の開口面積が大きくなるように形成されている、ことを特徴とするエンジン。
  2. 　上記各噴口は、上記各噴口の開口面積比と、上記各噴口の噴射方向に位置する上記各燃料噴射領域の容積比とが一致するように形成されている、請求項１に記載のエンジン。
     
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6565987B2 (ja) * 2017-06-02 2019-08-28 マツダ株式会社 エンジン

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06221163A (ja) * 1993-01-29 1994-08-09 Mazda Motor Corp 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造
JP2005155624A (ja) * 2003-11-24 2005-06-16 Robert Bosch Gmbh 燃料噴射システム

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4364342A (en) * 1980-10-01 1982-12-21 Ford Motor Company Ignition system employing plasma spray
JPH05288134A (ja) * 1992-04-09 1993-11-02 Sanshin Ind Co Ltd 筒内燃料噴射式の２サイクルエンジン
DE10261185A1 (de) * 2002-12-20 2004-07-15 Daimlerchrysler Ag Direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine
JP2010053710A (ja) * 2008-08-26 2010-03-11 Honda Motor Co Ltd 燃料直噴エンジン
US8978621B2 (en) * 2010-04-20 2015-03-17 Caterpillar Inc. Piston having combustion bowl shaped to balance combustion efficiency and emission properties
JP5500104B2 (ja) * 2011-02-24 2014-05-21 マツダ株式会社 火花点火式ガソリンエンジンの制御装置
JP5834829B2 (ja) * 2011-11-28 2015-12-24 マツダ株式会社 火花点火式ガソリンエンジンの制御装置
JP6047996B2 (ja) 2012-08-24 2016-12-21 マツダ株式会社 エンジンの燃焼室構造

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06221163A (ja) * 1993-01-29 1994-08-09 Mazda Motor Corp 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造
JP2005155624A (ja) * 2003-11-24 2005-06-16 Robert Bosch Gmbh 燃料噴射システム

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