内燃機関
【課題】 点火プラグの周りにリッチな混合気を確実に生成し、安定した成層燃焼を確保できる内燃機関を提供する。
【解決手段】 本発明による筒内直噴式の内燃機関１は、燃焼室７の中心付近に臨む点火プラグ８と、圧縮行程中に、燃料の複数の噴霧を、互いに異なる方向に、ピストン５の頂面に向かって斜めに噴射する複数の噴射口Ｈ１〜Ｈ４を有する燃料噴射弁９を備える。ピストン５の頂面のキャビティ６は、底面６ａと、ピストン５の中心付近の垂直壁６ｂと、垂直壁６ｂの両側に連なり、燃料噴射弁９側に延びる一対の側壁６ｃ、６ｃを有する。複数の噴霧は、キャビティ６の垂直壁６ｂとピストン５の頂面の隣接部５ａに向かって噴射される第１噴霧ＦＭ１と、側壁６ｃ、６ｃに衝突する一対の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２と、底面６ａに衝突し、第１および第２噴霧ＦＭ１、ＦＭ２を点火プラグ８側に向かって持ち上げ、指向させる第３噴霧ＦＭ３を含む。
【解決手段】 本発明による筒内直噴式の内燃機関１は、燃焼室７の中心付近に臨む点火プラグ８と、圧縮行程中に、燃料の複数の噴霧を、互いに異なる方向に、ピストン５の頂面に向かって斜めに噴射する複数の噴射口Ｈ１〜Ｈ４を有する燃料噴射弁９を備える。ピストン５の頂面のキャビティ６は、底面６ａと、ピストン５の中心付近の垂直壁６ｂと、垂直壁６ｂの両側に連なり、燃料噴射弁９側に延びる一対の側壁６ｃ、６ｃを有する。複数の噴霧は、キャビティ６の垂直壁６ｂとピストン５の頂面の隣接部５ａに向かって噴射される第１噴霧ＦＭ１と、側壁６ｃ、６ｃに衝突する一対の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２と、底面６ａに衝突し、第１および第２噴霧ＦＭ１、ＦＭ２を点火プラグ８側に向かって持ち上げ、指向させる第３噴霧ＦＭ３を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来の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、気筒内を往復動するピストンと、気筒内の燃焼室に臨む点火プラグおよび燃料噴射弁を備えている。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間に偏在するように、キャビティが形成されている。キャビティには、噴射口付近およびピストンの中心付近に、第１および第２ガイド壁面がそれぞれ形成されている。第１ガイド壁面は、キャビティの底面から上方に向かって燃料噴射弁に近づくように斜めに直線的に延びる斜面で構成されている。一方、第２ガイド壁面は、キャビティの底面から上方に向かって燃料噴射弁から遠ざかるように斜めに直線的に延びる斜面で構成されている。
【０００３】
一方、燃料噴射弁は、その噴射口から燃料の噴霧を、主噴霧および副噴霧として、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、側方から見て扁平で、平面的に見て扇状の形状を有している。主噴霧は、鉛直に近い角度で燃料噴射弁に近い側に噴射され、副噴霧は、水平に近い角度で燃料噴射弁から遠い側に噴射される。
【０００４】
内燃機関の低負荷低回転時などに成層燃焼を行う場合には、圧縮行程の後期に、燃料噴射弁から燃料が噴射される。噴射された主噴霧の大部分は、第１ガイド壁面に沿って案内され、それにより、燃焼室内の燃料噴射弁の噴射口付近にリッチな混合気が生成される。一方、副噴霧の大部分は、第２ガイド壁面に衝突した後、それに沿って上方に案内され、それにより、燃焼室内の点火プラグ付近にリッチな混合気が生成される。また、主噴霧および副噴霧の残りは、互いにオーバーラップした状態で、キャビティ内に残留する。以上により、燃焼室内に所望の濃度の混合気を分布させ、その状態で点火プラグによる点火を行うことにより、火炎伝播によって安定した燃焼を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０５４２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の内燃機関では、燃料噴射弁から噴射された主噴霧および副噴霧はそれぞれ、直線的な斜面から成る第１ガイド壁面および第２ガイド壁面によって直接、案内され、上方の噴射口側および点火プラグ側とキャビティ側に分配される。このため、主噴霧および副噴霧の噴射角度、噴射速度や第１および第２ガイド壁面の傾斜角度などの条件が、噴霧の分配にダイレクトに反映される。その結果、これらの条件が少しでもばらつくと、所望の混合気の分布を実現できず、特に点火プラグの周りにリッチな混合気を確実に生成することができないため、安定した成層燃焼を確保することは困難である。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、点火プラグの周りにリッチな混合気を確実に生成し、安定した成層燃焼を確保することができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、気筒４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４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、頂面にキャビティ６が形成され、気筒４内を往復動するピストン５と、気筒４内の燃焼室７の中心付近に上方から臨み、混合気を着火させるための火花を発生させる点火プラグ８と、燃焼室７に臨み、圧縮行程中の所定のクランク角度において、燃料の複数の噴霧を、互いに異なる方向に、ピストン５の頂面に向かって斜めにそれぞれ噴射する複数の噴射口（実施形態の第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４）を有する燃料噴射弁９と、を備え、キャビティ６は、ピストン５の中心付近から燃料噴射弁９側に配置されており、底面６ａと、ピストン５の中心付近において底面６ａからほぼ垂直に立ち上がる垂直壁６ｂと、垂直壁６ｂの両側に連なり、燃料噴射弁９側に向かって延びる一対の側壁６ｃ、６ｃとを有し、複数の噴霧は、キャビティ６の垂直壁６ｂと垂直壁６ｂに隣接するピストン５の頂面の隣接部５ａとに向かって噴射される第１噴霧ＦＭ１と、キャビティ６の一対の側壁６ｃ、６ｃにそれぞれ衝突し、一対の側壁６ｃ、６ｃに沿って垂直壁６ｂ側に流れる一対の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２と、キャビティ６の底面６ａに衝突し、第１噴霧ＦＭ１および第２噴霧ＦＭ２を点火プラグ８側に向かって持ち上げ、指向させる第３噴霧ＦＭ３を含むことを特徴とする。
【０００９】
この内燃機関は、燃料噴射弁から気筒内に燃料を直接、噴射し、混合気を点火プラグによる火花点火で着火させ、燃焼させる筒内直噴式のものである。ピストンの頂面にはキャビティが形成されている。このキャビティは、ピストンの中心付近から燃料噴射弁側に配置されており、底面と、ピストンの中心付近において底面からほぼ垂直に立ち上がる垂直壁と、この垂直壁に連なり、燃料噴射弁側に向かって延びる一対の側壁を有している。また、燃料噴射弁は、圧縮行程中の所定のクランク角度において、複数の噴射口から、燃料の第１噴霧、一対の第２噴霧および第３噴霧を、互いに異なる方向に、ピストンの頂面に向かって斜めに噴射する。
【００１０】
第１噴霧は、キャビティの垂直壁とそれに隣接するピストンの頂面の隣接部に向かって噴射される。また、一対の第２噴霧は、キャビティの一対の側壁にそれぞれ衝突した後、側壁に沿って垂直壁側に流れる。
【００１１】
さらに、第３噴霧は、キャビティの底面に衝突し、そこで反射して、渦流を形成しながら上方に流れる。それに伴い、第１噴霧、および垂直壁付近に集められた第２噴霧は、第３噴霧の渦流によって持ち上げられ、垂直壁による案内によって、第３噴霧と一緒に上方の点火プラグ側に指向される。また、第３噴霧がキャビティの底面に衝突し、その運動エネルギが適度に低減されることによって、燃料噴射弁と反対側への噴霧の流出が抑制される。
【００１２】
以上の結果、点火プラグの周りに、第１〜第３噴霧が効果的に集められ、リッチな混合気が確実に生成されるとともに、燃焼室内の他の部分には、よりリーンな混合気が生成される。そして、点火プラグの周りに生成されたリッチな混合気を点火プラグの火花で着火させ、着火した混合気を火種とする火炎伝播によって、成層燃焼が行われる。
【００１３】
以上のように、本発明によれば、ピストンのキャビティに形成された底面、垂直壁および一対の側壁と、それらに向かって燃料噴射弁から噴射される第１〜第３噴霧との協働によって、点火プラグの周りに燃料の噴霧を効果的に集め、リッチ混合気を確実に生成するとともに、所望の空燃比の分布を有する成層混合気を精度良く生成することができる。したがって、燃料噴射弁から噴射された噴霧をそれぞれのガイド壁面により単独で案内する従来の場合と異なり、点火プラグの周りに良質な火種を形成でき、この火種からの火炎伝播によって、安定した成層燃焼を確保することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関において、第１噴霧ＦＭ１は、その中心軸ＣＦＭ１がピストン５の頂面の隣接部５ａに指向するように噴射され、キャビティ６の底面６ａで反射した第３噴霧ＦＭ３によって点火プラグ８側に指向されることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、第１噴霧は、ピストンの頂面に衝突することなく、第３噴霧によって点火プラグ側に指向されるため、点火プラグの周りにおけるリッチ混合気の生成をより良好に行うことができる。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関において、複数の噴霧は、一対の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２の外側でかつ燃料噴射弁９側に噴射され、ピストン５の頂面のキャビティ６以外の部分に衝突する一対の第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、第１〜第３噴霧に加えて噴射される一対の第４噴霧によって、混合気全体の空燃比を容易に調整することができる。また、第４噴霧は、第１〜第３噴霧とは異なる上記の方向および部位に噴射され、衝突するので、第１〜第３噴霧による点火プラグ周りにおけるリッチ混合気の生成には直接、影響を及ぼさない。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の内燃機関において、第１噴霧ＦＭ１の量、一対の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２の各々の量、第３噴霧ＦＭ３の量、および一対の第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４の各々の量は、互いに等しいことを特徴とする。
【００１９】
例えば、内燃機関の運転状態に応じて、成層燃焼の他に、吸気行程において燃料を噴射し、均質燃焼を行う場合、良好な均質燃焼を確保するためには、気筒内の全体にわたって均質な混合気を分布させることが必要である。この構成によれば、第１〜第４噴霧の量が互いに等しいので、そのような均質な混合気を良好に生成することができる。
【００２０】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関において、キャビティ６の一対の側壁６ｃ、６ｃは、垂直壁６ｂ側に向かうにつれて、互いに狭まるように延びていることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、第２噴霧は、一対の側壁に衝突した後、側壁に沿ってピストンの中心側に指向され、集められるので、点火プラグ周りにおけるリッチ混合気の生成をさらに良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を適用した内燃機関の構成を示す部分断面図である。
【図２】ピストンを示す平面図である。
【図３】ピストンを示す部分拡大断面図である。
【図４】燃料噴射弁の複数の噴射口の構成および噴射方向を示す図である。
【図５】成層燃焼時における燃料の噴射状況を示す部分拡大断面図である。
【図６】図５と同じ燃料の噴射状況を示す平面図である。
【図７】図５と同じ燃料の噴射状況を示す斜視図である。
【図８】ピストンに衝突した後の第２噴霧の挙動を説明するための図である。
【図９】ピストンに衝突した後の第３噴霧の挙動を説明するための図である。
【図１０】実施形態によって得られる動作例を、比較例とともに示す図である。
【図１１】実施形態によって得られる別の動作例を、比較例とともに示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態による内燃機関（以下「エンジン」という）１を示している。このエンジン１は、例えば直列４気筒のガソリンエンジンであり、車両（図示せず）に搭載されている。エンジン１は、シリンダブロック２と、その上側に設けられたシリンダヘッド３を備えている。
【００２４】
シリンダブロック２には、上方に開口する円筒状の４つの気筒４（１つのみ図示）が形成され、各気筒４にはピストン５が設けられている。なお、図１中の符号２ａは、エンジン１を冷却する冷却水が流れるウォータージャケットである。
【００２５】
ピストン５は、クランクシャフト（図示せず）に連結されており、エンジン１の運転に伴い、クランク角度に従って、気筒４内を摺動しながら往復動する。また、ピストン５の頂面にはキャビティ６が形成されており、その構成については後述する。
【００２６】
シリンダヘッド３は、気筒４を覆うようにシリンダブロック２に載置されており、シリンダヘッド３と各ピストン５の頂面との間に、燃焼室７が形成される。シリンダヘッド３には、燃焼室７に開口する吸気ポート３ａおよび排気ポート３ｂが形成されており、さらに、これらを開閉する吸気弁および排気弁（いずれも図示せず）や、吸排気弁を駆動するカムシャフト（図示せず）などが設けられている。
【００２７】
また、シリンダヘッド３には、気筒４ごとに、点火プラグ８および燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）９が設けられている。
【００２８】
点火プラグ８は、プラグ本体８ａと、その先端部に設けられた電極８ｂを有し、シリンダヘッド３に鉛直に近い角度で取り付けられている。電極８ｂは、互いに対向する中心電極および接地電極で構成されており、燃焼室７の中心付近に上方から臨み、混合気を着火させるための火花を発生させる。この点火プラグ８による火花の発生時期（点火時期）は、エンジン１の運転状態に応じ、制御装置（図示せず）によって制御される。
【００２９】
インジェクタ９は、インジェクタ本体９ａと、インジェクタ本体９ａに内蔵されたソレノイドやニードルバルブ（いずれも図示せず）などを有する電磁弁で構成されている。インジェクタ本体９ａは、シリンダヘッド３の吸気ポート３ａに近い位置に、水平に近い角度で斜めに取り付けられている。また、インジェクタ本体９ａの先端部には、燃焼室７に臨むように、複数の噴射口Ｈが形成されている。
【００３０】
インジェクタ９には、燃料ポンプ（図示せず）から高圧の燃料が供給されており、ニードルバルブが開弁することによって、複数の噴射口Ｈから気筒４内に燃料の噴霧が互いに異なる所定の角度でそれぞれ噴射される。また、インジェクタ９による燃料の噴射量および噴射時期は、エンジン１の運転状態に応じ、制御装置によって制御される。
【００３１】
図４は、インジェクタ９の複数の噴射口Ｈの構成と、それらから噴射される燃料の噴霧の方向（角度）を示している。同図において、原点Ｏは、インジェクタ本体９ａの軸心（以下「インジェクタ軸心」という）ＣＩと一致する方向に相当する。また、原点Ｏの左右は、インジェクタ９側から見たときのインジェクタ軸心ＣＩの左右の側を示し、原点Ｏの上下は、インジェクタ軸心ＣＩに対して奥側（インジェクタ９から遠い側）および手前側（インジェクタ９に近い側）を示し、原点Ｏから遠いほど、インジェクタ軸心ＣＩに対する角度がより大きいことを表す。
【００３２】
同図に示すように、複数の噴射口Ｈは、第１噴射口Ｈ１、左右一対の第２噴射口Ｈ２、Ｈ２、第３噴射口Ｈ３、および左右一対の第４噴射口Ｈ４、Ｈ４で構成されている。これらの第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４は、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に配置されるとともに、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に第１〜第４噴霧ＦＭ１〜ＦＭ４を噴射する。
【００３３】
より具体的には、図５〜図７にも示すように、第１噴射口Ｈ１は、インジェクタ軸心ＣＩに対して若干奥側に、第１噴霧ＦＭ１を噴射する。左右の第２噴射口Ｈ２、Ｈ２は、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に、かつインジェクタ軸心ＣＩの手前側に、第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２をそれぞれ噴射する。
【００３４】
また、第３噴射口Ｈ３は、インジェクタ軸心ＣＩの手前側で、かつ第２噴霧ＦＭ２よりも若干奥側に、第３噴霧ＦＭ３を噴射する。さらに、左右の第４噴射口Ｈ４、Ｈ４は、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に、かつ第３噴霧ＦＭ３、ＦＭ３の外側でそれらよりも手前側に、第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４をそれぞれ噴射する。また、上記の噴射口Ｈ１〜Ｈ４から噴射される６つの噴霧の量は、互いに同じに設定されている。
【００３５】
次に、図２および図３を参照しながら、ピストン５の頂面の構成について説明する。前述したように、ピストン５の頂面にはキャビティ６が形成されている。図２に示すように、このキャビティ６は、ピストン５の頂面のうちの、ピストン５の中心付近からインジェクタ９側にわたってピストン５の直径の約１／３の範囲で、かつ左右方向にはピストン５の直径の約１／３の範囲で、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に配置されている。
【００３６】
キャビティ６は、平坦な底面６ａと、この底面６ａの周縁部から立ち上がる垂直壁６ｂおよび左右一対の側壁６ｃ、６ｃを有している。垂直壁６ｂは、ピストン５の中心付近において、底面６ａから、湾曲した移行部６ｄを介して立ち上がり、キャビティ６に隣接するピストン５の頂面の隣接部５ａとほぼ垂直に交わるとともに、ピストン５の中心に対して左右両側に延びている。左右の側壁６ｃ、６ｃは、垂直壁６ｂの両端から、湾曲した移行壁部６ｅを介してインジェクタ９側に延びており、また、垂直壁６ｂ側に向かうにつれて、互いの間隔が狭まるように配置されている。
【００３７】
次に、上述した構成のエンジン１の動作について説明する。このエンジン１では、その運転状態に応じ、燃焼モードとして、均質燃焼と成層燃焼が選択的に実行される。例えば、均質燃焼はエンジン１の暖機後に実行され、成層燃焼はエンジン１の冷間始動時に実行される。
【００３８】
均質燃焼は、燃焼室７の全体に空燃比が一様な均質の混合気を分布させ、この均質混合気を点火プラグ８による火花点火で着火させることによって、燃焼を行うものである。図示しないが、均質燃焼を行う場合には、吸気行程中の所定のクランク角度において、インジェクタ９から燃料を噴射する。これにより、吸気ポート３ａおよび開弁した吸気弁を介して気筒４に吸入された空気とピストン５の下降による引き込みとによって、気筒４内に空気のタンブル流が形成された状態で、燃料が噴射される。
【００３９】
その結果、噴射された第１〜第４噴霧ＦＭ１〜ＦＭ４が空気のタンブル流と一緒に拡散することによって、気筒４内の全体にわたって均質な混合気が生成される。この場合、インジェクタ９から噴射される６つの噴霧の量が互いに等しいので、この均質な混合気の生成を良好に行うことができる。そして、その後、圧縮上死点付近で点火プラグ８で点火を行い、均質混合気を着火・燃焼させることによって、均質燃焼が行われる。
【００４０】
一方、成層燃焼は、燃焼室７内の点火プラグ８の電極８ｂの周りにリッチな空燃比の混合気が分布し、燃焼室７内の他の部分にリーンな混合気が分布した成層混合気を生成し、リッチな混合気を点火プラグ８による火花点火で着火させ、これを火種とする火炎伝播によって、燃焼を行うものである。
【００４１】
成層燃焼を行う場合には、圧縮行程中の所定のクランク角度、例えば圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）４５°において、インジェクタ９から燃料を噴射する。図５〜図７は、この燃料噴射を行ったときの、第１〜第４噴霧ＦＭ１〜ＦＭ４とピストン５の頂面のキャビティ６などとの位置関係を示している。
【００４２】
これらの図に示すように、第１噴霧ＦＭ１は、キャビティ６の垂直壁６ｂとピストン５の頂面の隣接部５ａに向かって噴射される。この場合、図５に示すように、第１噴霧ＦＭ１は、その中心軸ＣＦＭ１がピストン５の隣接部５ａに指向するように噴射される。
【００４３】
また、図８に示すように、左右の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２は、キャビティ６の左右の側壁６ｃ、６ｃにそれぞれ衝突した後、側壁６ｃに沿って垂直壁６ｂ側に流れる。
【００４４】
さらに、図９に示すように、第３噴霧ＦＭ３は、キャビティ６の底面６ａに衝突し、そこで反射して、渦流を形成しながら上方に流れる。それに伴い、第１噴霧ＦＭ１、および垂直壁６ｂ付近に集められた第２噴霧ＦＭ２は、第３噴霧ＦＭ３の渦流によって持ち上げられ、垂直壁６ｂによる案内によって、第３噴霧ＦＭ３と一緒に、垂直壁６ｂのほぼ真上に位置する点火プラグ８側に指向される。また、第３噴霧ＦＭ３がキャビティ６の底面６ａに衝突し、その運動エネルギが適度に低減されることによって、排気ポート３ｂ側への噴霧の流出が抑制される。
【００４５】
また、左右の第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４は、キャビティ６の手前側で外側の平坦部に衝突し、そこで反射して、外方および上方に拡散する。この第４噴霧ＦＭ４により、混合気全体としての空燃比が調整されるとともに、第４噴霧ＦＭ４は、上述した第１〜第３噴霧ＦＭ１〜ＦＭ３による点火プラグ８周りのリッチ混合気の生成には直接、影響を及ぼさない。
【００４６】
以上により、点火プラグ８の電極８ｂの周りに、燃料の噴霧が効果的に集められ、リッチな混合気が確実に生成されるとともに、燃焼室７内の他の部分には、よりリーンな混合気が生成される。そして、圧縮上死点付近の所定のクランク角度、例えば圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜５°において、リッチ混合気を点火プラグ８の火花で着火させ、着火した混合気を火種とする火炎伝播によって、成層燃焼が行われる。
【００４７】
以上のように、本実施形態によれば、ピストン５のキャビティ６に形成された底面６ａ、垂直壁６ｂおよび左右の側壁６ｃ、６ｃと、それらに向かってインジェクタ９から噴射される第１〜第３噴霧ＦＭ１〜ＦＭ３との協働によって、点火プラグ８の周りに燃料の噴霧を効果的に集め、リッチ混合気を確実に生成するとともに、所望の空燃比の分布を有する成層混合気を精度良く生成することができる。したがって、燃料噴射弁から噴射された噴霧をそれぞれのガイド壁面により単独で案内する従来の場合と異なり、点火プラグ８の周りに良質な火種を形成でき、この火種からの火炎伝播によって、安定した成層燃焼を確保することができる。
【００４８】
また、第１噴霧ＦＭ１は、その中心軸ＣＦＭ１がピストン５の隣接部５ａに指向されることで、キャビティ６の底面６ａで反射した第３噴霧ＦＭ３によって点火プラグ８側に指向されるため、点火プラグ８周りにおけるリッチ混合気の生成をより良好に行うことができる。
【００４９】
さらに、キャビティ６の側壁６ｃ、６ｃが、垂直壁６ｂ側に向かうにつれて互いに狭まるように延びているので、第２噴霧ＦＭ２が、側壁６ｃに衝突した後、側壁６ｃに沿ってピストン５の中心側に指向され、集められることによって、点火プラグ８周りにおけるリッチ混合気の生成をさらに良好に行うことができる。
【００５０】
また、第１〜第３噴霧ＦＭ１〜ＦＭ３に加え、左右の第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４が、ピストン５の頂面のキャビティ６よりも手前側で外側の平坦部に衝突するように噴射される。これにより、第１〜第３噴霧ＦＭ１〜ＦＭ３による点火プラグ８周りにおけるリッチ混合気の生成に直接、影響を及ぼすことなく、混合気全体の空燃比を容易に調整することができる。
【００５１】
さらに、インジェクタ９の第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４から噴射される６つの噴霧の量が互いに等しいので、均質燃焼を行う際の均質な混合気の生成を良好に行うことができる。
【００５２】
図１０および図１１は、本実施形態のエンジン１による効果を確認するために行った試験結果を、２つの比較例とともに示している。実施形態では、キャビティ６の垂直壁６ｂの鉛直に対する傾斜角度ＡＷが０°であるのに対し、比較例１および２は、垂直壁６ｂにに対応する壁部を、鉛直に対して排気ポート３ｂ側に傾斜した傾斜壁としたものであり、それらの傾斜角度ＡＷはそれぞれ１０°および３０°である。
【００５３】
図１０は、圧縮行程中に燃料を噴射し、点火プラグ８周りにおける混合気の空燃比を計測した結果を示す。この試験では、圧縮行程中のＢＴＤＣ４５°で燃料を噴射するとともに、点火プラグ８の電極８ｂの周り（φ１０ｍｍ）における混合気の空燃比を、クランク角度とともに計測した。また、そのような試験を所定回数（例えば１００回）行い、計測された所定回数分の空燃比の平均値および標準偏差をそれぞれ、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆおよび空燃比標準偏差σＡ／Ｆとして算出した。図１０（ａ）（ｂ）はそれぞれ、これらのプラグ周り空燃比Ａ／Ｆおよび空燃比標準偏差σＡ／Ｆを、クランク角度に対して表したものである。
【００５４】
同図（ａ）に示すように、比較例１および２では、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆは、全体的に大きく、リーン側で推移している。特に、壁部の傾斜角度ＡＷが３０°である比較例２では、理論空燃比（＝１４．７）よりもリッチな混合気が得られていない。これは、比較例では、キャビティ６の垂直壁６ｂに対応する壁部が排気ポート３ｂ側に傾斜していることで、第１噴霧ＦＭ１などが排気ポート３ｂ側に逃げやすいとともに、壁部による点火プラグ８側への噴霧の指向性が弱いためと考えられる。
【００５５】
以上の結果、比較例１および２のいずれの場合にも、点火プラグ８の点火時期に相当する圧縮上死点（ＴＤＣ）の直後において、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆがその所定の目標範囲（同図のハッチング領域）に到達しておらず、点火プラグ８の周りに所望のリッチ混合気を生成できない。
【００５６】
これに対し、実施形態では、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆは、全体的に小さく、リッチ側で推移しており、点火時期に相当する圧縮上死点の直後には、目標範囲に収束しており、点火プラグ８の周りに、所望の空燃比を有するリッチ混合気を良好に生成することができる。
【００５７】
また、図１０（ｂ）に示すように、比較例１および２では、空燃比標準偏差σＡ／Ｆが全体的に大きく、圧縮上死点の直後においても、その所定の目標範囲（同図のハッチング領域）からほとんど外れており、すなわち、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆのばらつきが大きい。
【００５８】
これに対し、実施形態では、空燃比標準偏差σＡ／Ｆは、全体的に小さく、圧縮上死点の直後には目標範囲に収束しており、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆのばらつきは小さい。以上から、本実施形態により、点火プラグ８の周りに、成層燃焼に適した、所望の空燃比を有するリッチ混合気を精度良く生成できることが確認された。
【００５９】
また、図１１は、成層燃焼を行った際の燃焼安定性を求めた結果を示す。この試験では、エンジン１の所定の運転条件において、吸気行程中のＡＴＤＣ７０°で１回目の燃料噴射を行い、圧縮行程中に２回目の燃料噴射を行いながら、成層燃焼を行うとともに、そのときの図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出した。また、２回目の燃料の噴射時期（以下「２回目噴射時期」という）を互いに異なる複数の所定のクランク角度に設定し、上記の試験を２回目噴射時期ごとに所定回数（例えば１００回）行った。そして、２回目噴射時期ごとに、算出された所定回数分の図示平均有効圧ＩＭＥＰの平均値に対する標準偏差の比（＝標準偏差／平均値）を、燃焼安定性を表す燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰとして算出した。図１１は、この燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰを、２回目噴射時期に対して表したものである。
【００６０】
同図に示すように、燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰは、比較例１では小さいものの、比較例２では非常に大きく、約２５％以上であり、すなわち、燃焼安定性が非常に低い。また、比較例２では、燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰは、２回目噴射時期に対して大きく変化しており、これは、圧縮行程中の噴射時期が変更されると、燃焼安定性がさらに低下することを示す。
【００６１】
これに対し、実施形態では、燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰは、比較例１よりも小さく、１０〜１５％の範囲に収束しており、圧縮行程中の噴射時期にかかわらず、非常に高い燃焼安定性が得られることが分かる。
【００６２】
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、混合気全体の空燃比を調整するために、第４噴霧ＦＭ４を噴射しているが、空燃比の調整が特に必要でない場合に、第４噴霧ＦＭ４を省略してもよいことはもちろんである。
【００６３】
また、実施形態は、本発明を車両に搭載された直列型のガソリンエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、Ｖ型エンジンや水平対向型エンジンなどの各種のエンジンに適用してもよく、また、車両用以外のエンジン、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１ エンジン（内燃機関）
４ 気筒
５ ピストン
５ａ 隣接部
６ キャビティ
６ａ 底面
６ｂ 垂直壁
６ｃ 側壁
７ 燃焼室
８ 点火プラグ
９ インジェクタ（燃料噴射弁）
Ｈ 複数の噴射口
Ｈ１ 第１噴射口
Ｈ２ 第２噴射口
Ｈ３ 第３噴射口
Ｈ４ 第４噴射口
ＦＭ１ 第１噴霧
ＦＭ２ 第２噴霧
ＦＭ３ 第３噴霧
ＦＭ４ 第４噴霧
ＣＦＭ１ 第１噴霧の中心軸
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来の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、気筒内を往復動するピストンと、気筒内の燃焼室に臨む点火プラグおよび燃料噴射弁を備えている。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間に偏在するように、キャビティが形成されている。キャビティには、噴射口付近およびピストンの中心付近に、第１および第２ガイド壁面がそれぞれ形成されている。第１ガイド壁面は、キャビティの底面から上方に向かって燃料噴射弁に近づくように斜めに直線的に延びる斜面で構成されている。一方、第２ガイド壁面は、キャビティの底面から上方に向かって燃料噴射弁から遠ざかるように斜めに直線的に延びる斜面で構成されている。
【０００３】
一方、燃料噴射弁は、その噴射口から燃料の噴霧を、主噴霧および副噴霧として、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、側方から見て扁平で、平面的に見て扇状の形状を有している。主噴霧は、鉛直に近い角度で燃料噴射弁に近い側に噴射され、副噴霧は、水平に近い角度で燃料噴射弁から遠い側に噴射される。
【０００４】
内燃機関の低負荷低回転時などに成層燃焼を行う場合には、圧縮行程の後期に、燃料噴射弁から燃料が噴射される。噴射された主噴霧の大部分は、第１ガイド壁面に沿って案内され、それにより、燃焼室内の燃料噴射弁の噴射口付近にリッチな混合気が生成される。一方、副噴霧の大部分は、第２ガイド壁面に衝突した後、それに沿って上方に案内され、それにより、燃焼室内の点火プラグ付近にリッチな混合気が生成される。また、主噴霧および副噴霧の残りは、互いにオーバーラップした状態で、キャビティ内に残留する。以上により、燃焼室内に所望の濃度の混合気を分布させ、その状態で点火プラグによる点火を行うことにより、火炎伝播によって安定した燃焼を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０５４２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の内燃機関では、燃料噴射弁から噴射された主噴霧および副噴霧はそれぞれ、直線的な斜面から成る第１ガイド壁面および第２ガイド壁面によって直接、案内され、上方の噴射口側および点火プラグ側とキャビティ側に分配される。このため、主噴霧および副噴霧の噴射角度、噴射速度や第１および第２ガイド壁面の傾斜角度などの条件が、噴霧の分配にダイレクトに反映される。その結果、これらの条件が少しでもばらつくと、所望の混合気の分布を実現できず、特に点火プラグの周りにリッチな混合気を確実に生成することができないため、安定した成層燃焼を確保することは困難である。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、点火プラグの周りにリッチな混合気を確実に生成し、安定した成層燃焼を確保することができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、気筒４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４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、頂面にキャビティ６が形成され、気筒４内を往復動するピストン５と、気筒４内の燃焼室７の中心付近に上方から臨み、混合気を着火させるための火花を発生させる点火プラグ８と、燃焼室７に臨み、圧縮行程中の所定のクランク角度において、燃料の複数の噴霧を、互いに異なる方向に、ピストン５の頂面に向かって斜めにそれぞれ噴射する複数の噴射口（実施形態の第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４）を有する燃料噴射弁９と、を備え、キャビティ６は、ピストン５の中心付近から燃料噴射弁９側に配置されており、底面６ａと、ピストン５の中心付近において底面６ａからほぼ垂直に立ち上がる垂直壁６ｂと、垂直壁６ｂの両側に連なり、燃料噴射弁９側に向かって延びる一対の側壁６ｃ、６ｃとを有し、複数の噴霧は、キャビティ６の垂直壁６ｂと垂直壁６ｂに隣接するピストン５の頂面の隣接部５ａとに向かって噴射される第１噴霧ＦＭ１と、キャビティ６の一対の側壁６ｃ、６ｃにそれぞれ衝突し、一対の側壁６ｃ、６ｃに沿って垂直壁６ｂ側に流れる一対の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２と、キャビティ６の底面６ａに衝突し、第１噴霧ＦＭ１および第２噴霧ＦＭ２を点火プラグ８側に向かって持ち上げ、指向させる第３噴霧ＦＭ３を含むことを特徴とする。
【０００９】
この内燃機関は、燃料噴射弁から気筒内に燃料を直接、噴射し、混合気を点火プラグによる火花点火で着火させ、燃焼させる筒内直噴式のものである。ピストンの頂面にはキャビティが形成されている。このキャビティは、ピストンの中心付近から燃料噴射弁側に配置されており、底面と、ピストンの中心付近において底面からほぼ垂直に立ち上がる垂直壁と、この垂直壁に連なり、燃料噴射弁側に向かって延びる一対の側壁を有している。また、燃料噴射弁は、圧縮行程中の所定のクランク角度において、複数の噴射口から、燃料の第１噴霧、一対の第２噴霧および第３噴霧を、互いに異なる方向に、ピストンの頂面に向かって斜めに噴射する。
【００１０】
第１噴霧は、キャビティの垂直壁とそれに隣接するピストンの頂面の隣接部に向かって噴射される。また、一対の第２噴霧は、キャビティの一対の側壁にそれぞれ衝突した後、側壁に沿って垂直壁側に流れる。
【００１１】
さらに、第３噴霧は、キャビティの底面に衝突し、そこで反射して、渦流を形成しながら上方に流れる。それに伴い、第１噴霧、および垂直壁付近に集められた第２噴霧は、第３噴霧の渦流によって持ち上げられ、垂直壁による案内によって、第３噴霧と一緒に上方の点火プラグ側に指向される。また、第３噴霧がキャビティの底面に衝突し、その運動エネルギが適度に低減されることによって、燃料噴射弁と反対側への噴霧の流出が抑制される。
【００１２】
以上の結果、点火プラグの周りに、第１〜第３噴霧が効果的に集められ、リッチな混合気が確実に生成されるとともに、燃焼室内の他の部分には、よりリーンな混合気が生成される。そして、点火プラグの周りに生成されたリッチな混合気を点火プラグの火花で着火させ、着火した混合気を火種とする火炎伝播によって、成層燃焼が行われる。
【００１３】
以上のように、本発明によれば、ピストンのキャビティに形成された底面、垂直壁および一対の側壁と、それらに向かって燃料噴射弁から噴射される第１〜第３噴霧との協働によって、点火プラグの周りに燃料の噴霧を効果的に集め、リッチ混合気を確実に生成するとともに、所望の空燃比の分布を有する成層混合気を精度良く生成することができる。したがって、燃料噴射弁から噴射された噴霧をそれぞれのガイド壁面により単独で案内する従来の場合と異なり、点火プラグの周りに良質な火種を形成でき、この火種からの火炎伝播によって、安定した成層燃焼を確保することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関において、第１噴霧ＦＭ１は、その中心軸ＣＦＭ１がピストン５の頂面の隣接部５ａに指向するように噴射され、キャビティ６の底面６ａで反射した第３噴霧ＦＭ３によって点火プラグ８側に指向されることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、第１噴霧は、ピストンの頂面に衝突することなく、第３噴霧によって点火プラグ側に指向されるため、点火プラグの周りにおけるリッチ混合気の生成をより良好に行うことができる。
【００１６】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関において、複数の噴霧は、一対の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２の外側でかつ燃料噴射弁９側に噴射され、ピストン５の頂面のキャビティ６以外の部分に衝突する一対の第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、第１〜第３噴霧に加えて噴射される一対の第４噴霧によって、混合気全体の空燃比を容易に調整することができる。また、第４噴霧は、第１〜第３噴霧とは異なる上記の方向および部位に噴射され、衝突するので、第１〜第３噴霧による点火プラグ周りにおけるリッチ混合気の生成には直接、影響を及ぼさない。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の内燃機関において、第１噴霧ＦＭ１の量、一対の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２の各々の量、第３噴霧ＦＭ３の量、および一対の第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４の各々の量は、互いに等しいことを特徴とする。
【００１９】
例えば、内燃機関の運転状態に応じて、成層燃焼の他に、吸気行程において燃料を噴射し、均質燃焼を行う場合、良好な均質燃焼を確保するためには、気筒内の全体にわたって均質な混合気を分布させることが必要である。この構成によれば、第１〜第４噴霧の量が互いに等しいので、そのような均質な混合気を良好に生成することができる。
【００２０】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関において、キャビティ６の一対の側壁６ｃ、６ｃは、垂直壁６ｂ側に向かうにつれて、互いに狭まるように延びていることを特徴とする。
【００２１】
この構成によれば、第２噴霧は、一対の側壁に衝突した後、側壁に沿ってピストンの中心側に指向され、集められるので、点火プラグ周りにおけるリッチ混合気の生成をさらに良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を適用した内燃機関の構成を示す部分断面図である。
【図２】ピストンを示す平面図である。
【図３】ピストンを示す部分拡大断面図である。
【図４】燃料噴射弁の複数の噴射口の構成および噴射方向を示す図である。
【図５】成層燃焼時における燃料の噴射状況を示す部分拡大断面図である。
【図６】図５と同じ燃料の噴射状況を示す平面図である。
【図７】図５と同じ燃料の噴射状況を示す斜視図である。
【図８】ピストンに衝突した後の第２噴霧の挙動を説明するための図である。
【図９】ピストンに衝突した後の第３噴霧の挙動を説明するための図である。
【図１０】実施形態によって得られる動作例を、比較例とともに示す図である。
【図１１】実施形態によって得られる別の動作例を、比較例とともに示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態による内燃機関（以下「エンジン」という）１を示している。このエンジン１は、例えば直列４気筒のガソリンエンジンであり、車両（図示せず）に搭載されている。エンジン１は、シリンダブロック２と、その上側に設けられたシリンダヘッド３を備えている。
【００２４】
シリンダブロック２には、上方に開口する円筒状の４つの気筒４（１つのみ図示）が形成され、各気筒４にはピストン５が設けられている。なお、図１中の符号２ａは、エンジン１を冷却する冷却水が流れるウォータージャケットである。
【００２５】
ピストン５は、クランクシャフト（図示せず）に連結されており、エンジン１の運転に伴い、クランク角度に従って、気筒４内を摺動しながら往復動する。また、ピストン５の頂面にはキャビティ６が形成されており、その構成については後述する。
【００２６】
シリンダヘッド３は、気筒４を覆うようにシリンダブロック２に載置されており、シリンダヘッド３と各ピストン５の頂面との間に、燃焼室７が形成される。シリンダヘッド３には、燃焼室７に開口する吸気ポート３ａおよび排気ポート３ｂが形成されており、さらに、これらを開閉する吸気弁および排気弁（いずれも図示せず）や、吸排気弁を駆動するカムシャフト（図示せず）などが設けられている。
【００２７】
また、シリンダヘッド３には、気筒４ごとに、点火プラグ８および燃料噴射弁（以下「インジェクタ」という）９が設けられている。
【００２８】
点火プラグ８は、プラグ本体８ａと、その先端部に設けられた電極８ｂを有し、シリンダヘッド３に鉛直に近い角度で取り付けられている。電極８ｂは、互いに対向する中心電極および接地電極で構成されており、燃焼室７の中心付近に上方から臨み、混合気を着火させるための火花を発生させる。この点火プラグ８による火花の発生時期（点火時期）は、エンジン１の運転状態に応じ、制御装置（図示せず）によって制御される。
【００２９】
インジェクタ９は、インジェクタ本体９ａと、インジェクタ本体９ａに内蔵されたソレノイドやニードルバルブ（いずれも図示せず）などを有する電磁弁で構成されている。インジェクタ本体９ａは、シリンダヘッド３の吸気ポート３ａに近い位置に、水平に近い角度で斜めに取り付けられている。また、インジェクタ本体９ａの先端部には、燃焼室７に臨むように、複数の噴射口Ｈが形成されている。
【００３０】
インジェクタ９には、燃料ポンプ（図示せず）から高圧の燃料が供給されており、ニードルバルブが開弁することによって、複数の噴射口Ｈから気筒４内に燃料の噴霧が互いに異なる所定の角度でそれぞれ噴射される。また、インジェクタ９による燃料の噴射量および噴射時期は、エンジン１の運転状態に応じ、制御装置によって制御される。
【００３１】
図４は、インジェクタ９の複数の噴射口Ｈの構成と、それらから噴射される燃料の噴霧の方向（角度）を示している。同図において、原点Ｏは、インジェクタ本体９ａの軸心（以下「インジェクタ軸心」という）ＣＩと一致する方向に相当する。また、原点Ｏの左右は、インジェクタ９側から見たときのインジェクタ軸心ＣＩの左右の側を示し、原点Ｏの上下は、インジェクタ軸心ＣＩに対して奥側（インジェクタ９から遠い側）および手前側（インジェクタ９に近い側）を示し、原点Ｏから遠いほど、インジェクタ軸心ＣＩに対する角度がより大きいことを表す。
【００３２】
同図に示すように、複数の噴射口Ｈは、第１噴射口Ｈ１、左右一対の第２噴射口Ｈ２、Ｈ２、第３噴射口Ｈ３、および左右一対の第４噴射口Ｈ４、Ｈ４で構成されている。これらの第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４は、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に配置されるとともに、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に第１〜第４噴霧ＦＭ１〜ＦＭ４を噴射する。
【００３３】
より具体的には、図５〜図７にも示すように、第１噴射口Ｈ１は、インジェクタ軸心ＣＩに対して若干奥側に、第１噴霧ＦＭ１を噴射する。左右の第２噴射口Ｈ２、Ｈ２は、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に、かつインジェクタ軸心ＣＩの手前側に、第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２をそれぞれ噴射する。
【００３４】
また、第３噴射口Ｈ３は、インジェクタ軸心ＣＩの手前側で、かつ第２噴霧ＦＭ２よりも若干奥側に、第３噴霧ＦＭ３を噴射する。さらに、左右の第４噴射口Ｈ４、Ｈ４は、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に、かつ第３噴霧ＦＭ３、ＦＭ３の外側でそれらよりも手前側に、第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４をそれぞれ噴射する。また、上記の噴射口Ｈ１〜Ｈ４から噴射される６つの噴霧の量は、互いに同じに設定されている。
【００３５】
次に、図２および図３を参照しながら、ピストン５の頂面の構成について説明する。前述したように、ピストン５の頂面にはキャビティ６が形成されている。図２に示すように、このキャビティ６は、ピストン５の頂面のうちの、ピストン５の中心付近からインジェクタ９側にわたってピストン５の直径の約１／３の範囲で、かつ左右方向にはピストン５の直径の約１／３の範囲で、インジェクタ軸心ＣＩに対して左右対称に配置されている。
【００３６】
キャビティ６は、平坦な底面６ａと、この底面６ａの周縁部から立ち上がる垂直壁６ｂおよび左右一対の側壁６ｃ、６ｃを有している。垂直壁６ｂは、ピストン５の中心付近において、底面６ａから、湾曲した移行部６ｄを介して立ち上がり、キャビティ６に隣接するピストン５の頂面の隣接部５ａとほぼ垂直に交わるとともに、ピストン５の中心に対して左右両側に延びている。左右の側壁６ｃ、６ｃは、垂直壁６ｂの両端から、湾曲した移行壁部６ｅを介してインジェクタ９側に延びており、また、垂直壁６ｂ側に向かうにつれて、互いの間隔が狭まるように配置されている。
【００３７】
次に、上述した構成のエンジン１の動作について説明する。このエンジン１では、その運転状態に応じ、燃焼モードとして、均質燃焼と成層燃焼が選択的に実行される。例えば、均質燃焼はエンジン１の暖機後に実行され、成層燃焼はエンジン１の冷間始動時に実行される。
【００３８】
均質燃焼は、燃焼室７の全体に空燃比が一様な均質の混合気を分布させ、この均質混合気を点火プラグ８による火花点火で着火させることによって、燃焼を行うものである。図示しないが、均質燃焼を行う場合には、吸気行程中の所定のクランク角度において、インジェクタ９から燃料を噴射する。これにより、吸気ポート３ａおよび開弁した吸気弁を介して気筒４に吸入された空気とピストン５の下降による引き込みとによって、気筒４内に空気のタンブル流が形成された状態で、燃料が噴射される。
【００３９】
その結果、噴射された第１〜第４噴霧ＦＭ１〜ＦＭ４が空気のタンブル流と一緒に拡散することによって、気筒４内の全体にわたって均質な混合気が生成される。この場合、インジェクタ９から噴射される６つの噴霧の量が互いに等しいので、この均質な混合気の生成を良好に行うことができる。そして、その後、圧縮上死点付近で点火プラグ８で点火を行い、均質混合気を着火・燃焼させることによって、均質燃焼が行われる。
【００４０】
一方、成層燃焼は、燃焼室７内の点火プラグ８の電極８ｂの周りにリッチな空燃比の混合気が分布し、燃焼室７内の他の部分にリーンな混合気が分布した成層混合気を生成し、リッチな混合気を点火プラグ８による火花点火で着火させ、これを火種とする火炎伝播によって、燃焼を行うものである。
【００４１】
成層燃焼を行う場合には、圧縮行程中の所定のクランク角度、例えば圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）４５°において、インジェクタ９から燃料を噴射する。図５〜図７は、この燃料噴射を行ったときの、第１〜第４噴霧ＦＭ１〜ＦＭ４とピストン５の頂面のキャビティ６などとの位置関係を示している。
【００４２】
これらの図に示すように、第１噴霧ＦＭ１は、キャビティ６の垂直壁６ｂとピストン５の頂面の隣接部５ａに向かって噴射される。この場合、図５に示すように、第１噴霧ＦＭ１は、その中心軸ＣＦＭ１がピストン５の隣接部５ａに指向するように噴射される。
【００４３】
また、図８に示すように、左右の第２噴霧ＦＭ２、ＦＭ２は、キャビティ６の左右の側壁６ｃ、６ｃにそれぞれ衝突した後、側壁６ｃに沿って垂直壁６ｂ側に流れる。
【００４４】
さらに、図９に示すように、第３噴霧ＦＭ３は、キャビティ６の底面６ａに衝突し、そこで反射して、渦流を形成しながら上方に流れる。それに伴い、第１噴霧ＦＭ１、および垂直壁６ｂ付近に集められた第２噴霧ＦＭ２は、第３噴霧ＦＭ３の渦流によって持ち上げられ、垂直壁６ｂによる案内によって、第３噴霧ＦＭ３と一緒に、垂直壁６ｂのほぼ真上に位置する点火プラグ８側に指向される。また、第３噴霧ＦＭ３がキャビティ６の底面６ａに衝突し、その運動エネルギが適度に低減されることによって、排気ポート３ｂ側への噴霧の流出が抑制される。
【００４５】
また、左右の第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４は、キャビティ６の手前側で外側の平坦部に衝突し、そこで反射して、外方および上方に拡散する。この第４噴霧ＦＭ４により、混合気全体としての空燃比が調整されるとともに、第４噴霧ＦＭ４は、上述した第１〜第３噴霧ＦＭ１〜ＦＭ３による点火プラグ８周りのリッチ混合気の生成には直接、影響を及ぼさない。
【００４６】
以上により、点火プラグ８の電極８ｂの周りに、燃料の噴霧が効果的に集められ、リッチな混合気が確実に生成されるとともに、燃焼室７内の他の部分には、よりリーンな混合気が生成される。そして、圧縮上死点付近の所定のクランク角度、例えば圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜５°において、リッチ混合気を点火プラグ８の火花で着火させ、着火した混合気を火種とする火炎伝播によって、成層燃焼が行われる。
【００４７】
以上のように、本実施形態によれば、ピストン５のキャビティ６に形成された底面６ａ、垂直壁６ｂおよび左右の側壁６ｃ、６ｃと、それらに向かってインジェクタ９から噴射される第１〜第３噴霧ＦＭ１〜ＦＭ３との協働によって、点火プラグ８の周りに燃料の噴霧を効果的に集め、リッチ混合気を確実に生成するとともに、所望の空燃比の分布を有する成層混合気を精度良く生成することができる。したがって、燃料噴射弁から噴射された噴霧をそれぞれのガイド壁面により単独で案内する従来の場合と異なり、点火プラグ８の周りに良質な火種を形成でき、この火種からの火炎伝播によって、安定した成層燃焼を確保することができる。
【００４８】
また、第１噴霧ＦＭ１は、その中心軸ＣＦＭ１がピストン５の隣接部５ａに指向されることで、キャビティ６の底面６ａで反射した第３噴霧ＦＭ３によって点火プラグ８側に指向されるため、点火プラグ８周りにおけるリッチ混合気の生成をより良好に行うことができる。
【００４９】
さらに、キャビティ６の側壁６ｃ、６ｃが、垂直壁６ｂ側に向かうにつれて互いに狭まるように延びているので、第２噴霧ＦＭ２が、側壁６ｃに衝突した後、側壁６ｃに沿ってピストン５の中心側に指向され、集められることによって、点火プラグ８周りにおけるリッチ混合気の生成をさらに良好に行うことができる。
【００５０】
また、第１〜第３噴霧ＦＭ１〜ＦＭ３に加え、左右の第４噴霧ＦＭ４、ＦＭ４が、ピストン５の頂面のキャビティ６よりも手前側で外側の平坦部に衝突するように噴射される。これにより、第１〜第３噴霧ＦＭ１〜ＦＭ３による点火プラグ８周りにおけるリッチ混合気の生成に直接、影響を及ぼすことなく、混合気全体の空燃比を容易に調整することができる。
【００５１】
さらに、インジェクタ９の第１〜第４噴射口Ｈ１〜Ｈ４から噴射される６つの噴霧の量が互いに等しいので、均質燃焼を行う際の均質な混合気の生成を良好に行うことができる。
【００５２】
図１０および図１１は、本実施形態のエンジン１による効果を確認するために行った試験結果を、２つの比較例とともに示している。実施形態では、キャビティ６の垂直壁６ｂの鉛直に対する傾斜角度ＡＷが０°であるのに対し、比較例１および２は、垂直壁６ｂにに対応する壁部を、鉛直に対して排気ポート３ｂ側に傾斜した傾斜壁としたものであり、それらの傾斜角度ＡＷはそれぞれ１０°および３０°である。
【００５３】
図１０は、圧縮行程中に燃料を噴射し、点火プラグ８周りにおける混合気の空燃比を計測した結果を示す。この試験では、圧縮行程中のＢＴＤＣ４５°で燃料を噴射するとともに、点火プラグ８の電極８ｂの周り（φ１０ｍｍ）における混合気の空燃比を、クランク角度とともに計測した。また、そのような試験を所定回数（例えば１００回）行い、計測された所定回数分の空燃比の平均値および標準偏差をそれぞれ、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆおよび空燃比標準偏差σＡ／Ｆとして算出した。図１０（ａ）（ｂ）はそれぞれ、これらのプラグ周り空燃比Ａ／Ｆおよび空燃比標準偏差σＡ／Ｆを、クランク角度に対して表したものである。
【００５４】
同図（ａ）に示すように、比較例１および２では、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆは、全体的に大きく、リーン側で推移している。特に、壁部の傾斜角度ＡＷが３０°である比較例２では、理論空燃比（＝１４．７）よりもリッチな混合気が得られていない。これは、比較例では、キャビティ６の垂直壁６ｂに対応する壁部が排気ポート３ｂ側に傾斜していることで、第１噴霧ＦＭ１などが排気ポート３ｂ側に逃げやすいとともに、壁部による点火プラグ８側への噴霧の指向性が弱いためと考えられる。
【００５５】
以上の結果、比較例１および２のいずれの場合にも、点火プラグ８の点火時期に相当する圧縮上死点（ＴＤＣ）の直後において、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆがその所定の目標範囲（同図のハッチング領域）に到達しておらず、点火プラグ８の周りに所望のリッチ混合気を生成できない。
【００５６】
これに対し、実施形態では、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆは、全体的に小さく、リッチ側で推移しており、点火時期に相当する圧縮上死点の直後には、目標範囲に収束しており、点火プラグ８の周りに、所望の空燃比を有するリッチ混合気を良好に生成することができる。
【００５７】
また、図１０（ｂ）に示すように、比較例１および２では、空燃比標準偏差σＡ／Ｆが全体的に大きく、圧縮上死点の直後においても、その所定の目標範囲（同図のハッチング領域）からほとんど外れており、すなわち、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆのばらつきが大きい。
【００５８】
これに対し、実施形態では、空燃比標準偏差σＡ／Ｆは、全体的に小さく、圧縮上死点の直後には目標範囲に収束しており、プラグ周り空燃比Ａ／Ｆのばらつきは小さい。以上から、本実施形態により、点火プラグ８の周りに、成層燃焼に適した、所望の空燃比を有するリッチ混合気を精度良く生成できることが確認された。
【００５９】
また、図１１は、成層燃焼を行った際の燃焼安定性を求めた結果を示す。この試験では、エンジン１の所定の運転条件において、吸気行程中のＡＴＤＣ７０°で１回目の燃料噴射を行い、圧縮行程中に２回目の燃料噴射を行いながら、成層燃焼を行うとともに、そのときの図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出した。また、２回目の燃料の噴射時期（以下「２回目噴射時期」という）を互いに異なる複数の所定のクランク角度に設定し、上記の試験を２回目噴射時期ごとに所定回数（例えば１００回）行った。そして、２回目噴射時期ごとに、算出された所定回数分の図示平均有効圧ＩＭＥＰの平均値に対する標準偏差の比（＝標準偏差／平均値）を、燃焼安定性を表す燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰとして算出した。図１１は、この燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰを、２回目噴射時期に対して表したものである。
【００６０】
同図に示すように、燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰは、比較例１では小さいものの、比較例２では非常に大きく、約２５％以上であり、すなわち、燃焼安定性が非常に低い。また、比較例２では、燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰは、２回目噴射時期に対して大きく変化しており、これは、圧縮行程中の噴射時期が変更されると、燃焼安定性がさらに低下することを示す。
【００６１】
これに対し、実施形態では、燃焼安定パラメータΔＩＭＥＰは、比較例１よりも小さく、１０〜１５％の範囲に収束しており、圧縮行程中の噴射時期にかかわらず、非常に高い燃焼安定性が得られることが分かる。
【００６２】
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、混合気全体の空燃比を調整するために、第４噴霧ＦＭ４を噴射しているが、空燃比の調整が特に必要でない場合に、第４噴霧ＦＭ４を省略してもよいことはもちろんである。
【００６３】
また、実施形態は、本発明を車両に搭載された直列型のガソリンエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、Ｖ型エンジンや水平対向型エンジンなどの各種のエンジンに適用してもよく、また、車両用以外のエンジン、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１ エンジン（内燃機関）
４ 気筒
５ ピストン
５ａ 隣接部
６ キャビティ
６ａ 底面
６ｂ 垂直壁
６ｃ 側壁
７ 燃焼室
８ 点火プラグ
９ インジェクタ（燃料噴射弁）
Ｈ 複数の噴射口
Ｈ１ 第１噴射口
Ｈ２ 第２噴射口
Ｈ３ 第３噴射口
Ｈ４ 第４噴射口
ＦＭ１ 第１噴霧
ＦＭ２ 第２噴霧
ＦＭ３ 第３噴霧
ＦＭ４ 第４噴霧
ＣＦＭ１ 第１噴霧の中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項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、
頂面にキャビティが形成され、前記気筒内を往復動するピストンと、
前記気筒内の燃焼室の中心付近に上方から臨み、前記混合気を着火させるための火花を発生させる点火プラグと、
前記燃焼室に臨み、圧縮行程中の所定のクランク角度において、燃料の複数の噴霧を、互いに異なる方向に、前記ピストンの頂面に向かって斜めにそれぞれ噴射する複数の噴射口を有する燃料噴射弁と、を備え、
前記キャビティは、前記ピストンの中心付近から前記燃料噴射弁側に配置されており、底面と、前記ピストンの中心付近において当該底面からほぼ垂直に立ち上がる垂直壁と、当該垂直壁の両側に連なり、前記燃料噴射弁側に向かって延びる一対の側壁とを有し、
前記複数の噴霧は、
前記キャビティの垂直壁と当該垂直壁に隣接する前記ピストンの頂面の隣接部とに向かって噴射される第１噴霧と、
前記キャビティの前記一対の側壁にそれぞれ衝突し、当該一対の側壁に沿って前記垂直壁側に流れる一対の第２噴霧と、
前記キャビティの底面に衝突し、前記第１噴霧および前記第２噴霧を前記点火プラグ側に向かって持ち上げ、指向させる第３噴霧を含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第１噴霧は、その中心軸が前記ピストンの頂面の前記隣接部に指向するように噴射され、前記キャビティの底面で反射した前記第３噴霧によって前記点火プラグ側に指向されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記複数の噴霧は、前記一対の第２噴霧の外側でかつ前記燃料噴射弁側に噴射され、前記ピストンの頂面の前記キャビティ以外の部分に衝突する一対の第４噴霧をさらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記第１噴霧の量、前記一対の第２噴霧の各々の量、前記第３噴霧の量、および前記一対の第４噴霧の各々の量は、互いに等しいことを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記キャビティの前記一対の側壁は、前記垂直壁側に向かうにつれて、互いに狭まるように延びていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項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、
頂面にキャビティが形成され、前記気筒内を往復動するピストンと、
前記気筒内の燃焼室の中心付近に上方から臨み、前記混合気を着火させるための火花を発生させる点火プラグと、
前記燃焼室に臨み、圧縮行程中の所定のクランク角度において、燃料の複数の噴霧を、互いに異なる方向に、前記ピストンの頂面に向かって斜めにそれぞれ噴射する複数の噴射口を有する燃料噴射弁と、を備え、
前記キャビティは、前記ピストンの中心付近から前記燃料噴射弁側に配置されており、底面と、前記ピストンの中心付近において当該底面からほぼ垂直に立ち上がる垂直壁と、当該垂直壁の両側に連なり、前記燃料噴射弁側に向かって延びる一対の側壁とを有し、
前記複数の噴霧は、
前記キャビティの垂直壁と当該垂直壁に隣接する前記ピストンの頂面の隣接部とに向かって噴射される第１噴霧と、
前記キャビティの前記一対の側壁にそれぞれ衝突し、当該一対の側壁に沿って前記垂直壁側に流れる一対の第２噴霧と、
前記キャビティの底面に衝突し、前記第１噴霧および前記第２噴霧を前記点火プラグ側に向かって持ち上げ、指向させる第３噴霧を含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第１噴霧は、その中心軸が前記ピストンの頂面の前記隣接部に指向するように噴射され、前記キャビティの底面で反射した前記第３噴霧によって前記点火プラグ側に指向されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記複数の噴霧は、前記一対の第２噴霧の外側でかつ前記燃料噴射弁側に噴射され、前記ピストンの頂面の前記キャビティ以外の部分に衝突する一対の第４噴霧をさらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記第１噴霧の量、前記一対の第２噴霧の各々の量、前記第３噴霧の量、および前記一対の第４噴霧の各々の量は、互いに等しいことを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記キャビティの前記一対の側壁は、前記垂直壁側に向かうにつれて、互いに狭まるように延びていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１１３１１９（Ｐ２０１３−１１３１１９Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５７２５６（Ｐ２０１１−２５７２５６）
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２５日（２０１１．１１．２５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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