JP2001271650A - 火花点火式直噴エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 火花点火式直噴エンジン１により成層燃焼運
転を行う場合に、該エンジン１の広い運転領域に亘って
混合気を適切に成層化し得るよう、燃焼室６における燃
料噴霧の挙動を制御して、燃焼性の改善や成層燃焼領域
の拡大によって燃費及び出力の改善を図る。 【解決手段】 気筒２の圧縮行程において点火プラグ１
６の電極とピストン５の冠面との間をインジェクタ１８
に向かうように流れるタンブル流Ｔを生成させる。ピス
トン５の冠面にタンブル流Ｔを沿わせるように凹部５ａ
を設ける。点火プラグ１６の電極を燃焼室６の天井部か
ら所定量、突出させる。インジェクタ１８による燃料の
噴射方向を、気筒２の燃料噴射時期において燃料噴霧の
中心線Ｆと凹部５ａの底面との交差する位置点Ｐ1が、
気筒中心線ｚと該凹部５ａの底面との交差する位置Ｐ2
よりも排気側に位置するように設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気筒内の燃焼室に
燃料を直接噴射して、混合気を点火プラグの電極周りに
成層化させた状態で点火するようにした火花点火式直噴
エンジンに関し、特に、燃焼室のタンブル流を有効に利
用して、混合気の適切な成層化を促す噴霧の挙動制御の
技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の火花点火式直噴エン
ジンでは、気筒内の燃焼室に臨むように高圧の燃料噴射
弁を配設するとともに、ピストンの冠面に所定形状のキ
ャビティを形成し、前記燃料噴射弁から噴射させた燃料
を一旦、対向するキャビティの内壁面や底面に衝突させ
た上で、このキャビティ内に混合気を閉じこめて、点火
プラグの電極周りに成層化させるようにしている。

【０００３】また、燃焼室のスワールやタンブル等の吸
気流動を利用して、混合気をキャビティ内に集めたり、
点火プラグの電極付近に輸送するようにしたものもあ
る。例えば、特開平１１−１６１３３８号公報に開示さ
れる筒内噴射式エンジンでは、燃料の噴射方向をタンブ
ル流と逆向きにして、このタンブル流により、キャビテ
ィから溢れようとする混合気を押し戻して閉じ込めると
ともに、燃料液滴の気化や空気との混合を促しながら、
キャビティ内において混合気を点火プラグの電極付近に
輸送するようにしている。

【０００４】或いは、特開平１１−２００８６６号公報
に開示される筒内噴射式火花点火機関のように、一旦、
キャビティ内に飛散させた燃料をタンブル流に乗せて点
火プラグ側に輸送するようにしたものもある。このもの
では、キャビティをピストン冠面の略中央部に形成しか
つその形状を球面状としてタンブル流の保存性を高める
とともに、燃料噴射弁からの噴霧の拡がり角を例えば７
０°〜９０°と広角化して、燃料噴霧の貫徹力を弱める
ことにより、ピストン冠面への燃料の付着を抑えるよう
にしている。

【０００５】さらに、ＳＡＥ1999-01-0170（Society of
Automotive Engineers による技術文献）に記載された
直噴エンジンのように、気筒内燃焼室に極めて強いタン
ブル流を生成し、このタンブル流により燃料噴射弁から
の燃料噴霧をその噴射方向に沿うように点火プラグの電
極付近に輸送するようにしたものもある。このもので
は、図４６(a)に示すように、燃料噴射弁により燃料を
比較的大きく拡がるように噴射させ、同図(b)に示すよ
うに、燃料噴霧のうちの燃焼室天井部に近い上側のもの
をタンブル流に乗せて点火プラグ側に輸送する一方、ピ
ストン冠面に近い下側のものはタンブル流に衝突させて
その勢いを弱める。そして、同図(c)に示すように、燃
料噴霧全体をタンブル流に乗せて、燃焼室の天井部に沿
って点火プラグ側に輸送するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来例の
エンジンにおいては、いずれも負荷状態や回転速度の異
なる広い運転領域に亘って混合気を適切に成層化してい
るとは言い難く、エンジンの全運転領域に亘って見た場
合には、成層燃焼運転による燃費改善等の効果を高める
余地がかなり残されている。すなわち、前記第１の従来
例（特開平１１−１６１３３８号）のように、混合気を
キャビティ内に閉じこめることを前提としたものでは、
混合気を適切に成層化できる運転領域がキャビティの寸
法形状により厳しい制約を受け、エンジンを成層運転で
きる領域が実際には低負荷低回転側の狭い領域に限られ
ることから、燃費の改善効果もあまり大きくはなり得な
い。

【０００７】しかも、このような直噴エンジンでは、一
般的に燃料噴射弁からの燃料噴霧を衝突させるキャビテ
ィの内壁面が気筒の中心線付近に位置することになり、
この内壁面によって燃焼初期の火炎核の成長が阻害され
たり、火炎の伝播性が低下したりすることが避けられな
いので、このことによって燃焼性が低下するという実状
がある。加えて、このものでは、前記のように燃料噴霧
をキャビティの内壁面や底面に衝突させるようにしてい
るので、該壁面等への燃料の付着量が多くなり、このこ
とが燃費悪化や排気中の未燃炭化水素（ＨＣ）の増大を
招くという不具合もある。

【０００８】例えば、図４７は、キャビティの形状の異
なる複数のピストンを用意して、直噴化によるエンジン
の燃費改善率と出力改善率とをそれぞれ実験的に求め、
その結果を対比して示したものである。同図によれば、
燃費の改善と出力の改善との間にはいわゆるトレードオ
フ関係があり、前記前者の従来例のような深皿型のキャ
ビティを設けたものでは（点Ａ）、燃料噴霧を適切に閉
じこめて成層化できることから、低負荷低回転域での燃
費改善効果が高い一方で、特に高回転側において燃焼性
が低下してしまい、出力の改善効果が低くなっている。

【０００９】一方、冠面を凹面形状としただけのいわゆ
るフラットピストンでは（点Ｃ）、高回転側における出
力改善効果は高いものの、低負荷域で混合気を適切に成
層化することが難しいので、燃費の改善効果は低くなら
ざるを得ない。そして、それらの中間的なものとして、
燃料噴射弁に対向するキャビティの内壁面を大きく傾斜
させたものでは（点Ｂ）、燃費及び出力の両方について
大幅な改善は見込めないものである。

【００１０】次に、第２の従来例（特開１１−２００８
６６号）について見ると、このものでも、キャビティの
大きさが小さいときには前記前者の従来例と同様の不具
合が発生すると考えられ、一方、キャビティを大きくす
れば、前記フラットピストンと同様に混合気の適切な成
層化が困難になってしまう。すなわち、このものではキ
ャビティ内に飛散させた燃料をタンブル流に乗せて点火
プラグ側に輸送しようとしているが、キャビティが大き
くなればそのように飛散した燃料を集めること自体が難
しくなる上に、たとえ燃料を集めることができたとして
も、この燃料はタンブル流に乗って移動し、点火プラグ
の電極付近を通過してしまうので、該点火プラグによっ
て混合気に着火可能な期間は極めて短く、混合気の適切
な成層化を実現しているとは言えない。

【００１１】このような問題点は、前記第３の従来例
（SAE1999-01-0170）においてより顕著になると考えら
れる。すなわち、この従来例では極めて強いタンブル流
によって燃料の噴射方向をねじ曲げ、燃料噴霧全体をタ
ンブル流により輸送しようとするものであるから、この
ように強いタンブル流に乗って移動する燃料噴霧の速度
は自ずと大きくなり、混合気が点火プラグの電極の付近
を極く僅かな時間で通過してしまうからである。

【００１２】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その主たる目的とするところは、火花点火式直
噴エンジンにより成層燃焼運転を行う場合に、該エンジ
ンの広い運転領域に亘って混合気を適切に成層化し得る
ように、燃焼室における燃料噴霧の挙動を制御して、燃
焼性の改善や成層燃焼領域の拡大により、燃費及び出力
の改善を図ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の解決手段では、気筒の圧縮行程におけるタ
ンブル流に着目し、ピストンの冠面にタンブル流を沿わ
せる凹部を形成するとともに、このタンブル流に対する
燃料の噴射方向や点火プラグの電極の位置を最適に設定
し、燃料噴霧の挙動をタンブル流により制御して、前記
点火プラグの電極の周りに混合気を適切に成層化させる
ようにした。

【００１４】具体的に、請求項１の発明は、気筒内でピ
ストンの冠面に対向する燃焼室の天井部に、該天井部の
中心付近から燃焼室に向かって突出するように点火プラ
グを配設するとともに、該天井部の周縁部から燃焼室中
央に向かって燃料を噴射するように燃料噴射弁を配設
し、成層燃焼運転時には前記燃料噴射弁から噴射させた
燃料を前記点火プラグの電極の周りに成層化させるよう
にした火花点火式直噴エンジンを前提とする。そして、
気筒の圧縮行程において前記点火プラグの電極とピスト
ンの冠面との間を前記燃料噴射弁に向かうように流れる
タンブル流を生成可能なタンブル流生成手段を備え、前
記ピストンの冠面に前記タンブル流を沿わせるように凹
部を設けるとともに、前記点火プラグの電極を、気筒の
圧縮行程における前記燃料噴射弁による燃料の噴射開始
時期以降であってかつ当該気筒の点火時期以前の所定時
点において、前記ピストン冠面の凹部に沿って流れるタ
ンブル正流と燃焼室天井部に沿って流れるタンブル順流
との中間部分に位置させる。そして、前記燃料噴射弁に
よる燃料の噴射方向を、成層燃焼運転時の気筒の燃料噴
射時期において燃料噴霧の中心線と前記凹部の底面との
交差する位置が気筒中心線と前記凹部の底面との交差す
る位置よりも該燃料噴射弁から遠くなるように設定する
構成とする。

【００１５】前記の構成により、エンジンの成層燃焼運
転時には、タンブル流生成手段により生成されたタンブ
ル流のうち、気筒の圧縮行程においてピストン冠面の凹
部に沿って流れるタンブル正流が燃料噴射弁に向かうよ
うになり、燃焼室の天井部に沿って流れるタンブル順流
とともに、当該気筒の圧縮行程後期まで崩壊せずに保持
されるようになる。そして、この状態で前記燃料噴射弁
により燃料が噴射されると、この燃料噴霧は前記タンブ
ル正流に衝突して燃料の微粒化や分散、或いは周囲の空
気との混合が促進されるとともに、前記ピストン冠面の
凹部に沿うようにタンブル正流に逆らって移動し、点火
プラグの電極の付近に適切な濃度状態の可燃混合気とな
って滞留するようになる。

【００１６】ここで、前記燃料噴射弁からの燃料噴霧の
中心線が相対的に遠くでピストンの冠面に交差するよう
になっているので、該燃料噴霧はピストンの冠面にはあ
まり付着せず、凹部に沿って流れるタンブル正流の強い
部分に効果的に衝突するようになり、このことで、該燃
料噴霧の挙動をタンブル正流によって精度良く制御する
ことが可能になる。また、前記点火プラグの電極が燃焼
室に大きく突出していて、ちょうどタンブル流の渦の中
心付近に位置するので、該点火プラグの電極の付近は混
合気を滞留させ易い状態になる。

【００１７】従って、この発明によれば、前記のように
タンブル流により燃料噴霧の挙動を制御して、点火プラ
グの電極周りに適切に成層化させることができるので、
従来例のような燃料噴霧を衝突させるためのキャビティ
内壁面が不要になり、このことによって燃焼性が高まる
ので、燃費を低減することができる。しかも、従来例の
ようなキャビティの寸法形状の制約がなくなって、より
高回転域まで良好な成層燃焼状態とすることができるの
で、エンジンの全運転領域について見たときに大幅な燃
費改善が可能になる。さらに、前記したように点火プラ
グの電極付近に可燃混合気を滞留させることが可能にな
り、この混合気に安定して着火可能な時間が十分に長く
なるので、気筒の点火時期制御の自由度が高まることに
よっても燃費及び出力の改善が図られる。

【００１８】請求項２の発明では、点火プラグの電極
は、気筒中心線に直交する方向から見て、燃料噴射弁の
噴孔よりもピストン冠面の近くに位置させるものとす
る。このことで、点火プラグの電極の位置が具体化さ
れ、請求項１の発明の作用効果が十分に得られる。

【００１９】請求項３の発明では、点火プラグの電極
を、気筒中心線に沿うように燃焼室の天井部から突出さ
せ、気筒の圧縮上死点における燃焼室天井部からピスト
ン冠面までの気筒中心線上の距離をｄとしたとき、該燃
焼室天井部から前記点火プラグの電極までの距離ｅを、
ｅ≧０．４ｄという関係を満たす値に設定する。このこ
とで、点火プラグの電極の位置が具体化され、請求項１
の発明の作用効果が十分に得られる。

【００２０】請求項４の発明では、燃料噴射弁による燃
料の噴射方向を、燃料噴霧の中心線が点火プラグの電極
とピストン冠面の凹部との間を通るように設定するもの
とする。こうすることで、燃料噴射弁からの燃料噴霧
が、ピストン冠面の凹部により案内されるタンブル正流
に逆行して、確実に点火プラグの電極付近に滞留するよ
うになり、よって、請求項１の発明の作用効果が十分に
得られる。

【００２１】請求項５の発明では、燃料噴射弁による燃
料の噴射方向を、燃料噴霧の中心線が気筒中心線に直交
する仮想平面に対して略２５°〜略４０°の範囲の傾斜
角度をなすように設定するものとする。

【００２２】こうすることで、燃料噴霧の中心線を気筒
中心線に直交する仮想平面に対して略４０°以下とする
ことで、ピストン冠面の凹部に沿って流れるタンブル正
流に対して該燃料噴霧の中心部を略正対するように衝突
させることができる。また、燃料噴霧の中心線を前記仮
想平面に対して略２５°以上とすることで、燃料噴霧は
燃焼室の天井部に沿って流れるタンブル順流の影響は受
けにくくなる。よって、前記タンブル正流により燃料噴
霧の挙動をさらに精度良く制御することができる。

【００２３】請求項６の発明では、燃料噴射弁は、気筒
の圧縮行程における燃料噴霧の形状が、気筒中心線に沿
って見たときにクランク軸の軸心に沿って見たときより
も大きく拡がった扁平状となるものとし、かつ、点火プ
ラグの電極を気筒の圧縮行程における前記燃料噴射弁か
らの幾何学的な燃料噴霧エリアの外に位置させるものと
する。尚、前記幾何学的な噴霧エリアというのは、仮に
燃焼室における吸気流動が無いとしたときの燃料噴霧の
液滴のエリアのことである。

【００２４】この構成では、クランク軸の軸心に沿って
見て、気筒中心線の延びる方向についての燃料噴霧の拡
がり角が相対的に小さくなるので、その分、多くの燃料
をタンブル正流に対し効果的に衝突させることができ、
しかも、タンブル順流の影響を受けにくくすることがで
きる。このことで、前記タンブル正流による燃料噴霧の
挙動制御の精度を向上できる。また、点火プラグの電極
を幾何学的な燃料噴霧エリアの外に位置させることで、
該電極への燃料液滴の付着を防いで、点火プラグのくす
ぶりの発生を未然に防止できる。

【００２５】請求項７の発明では、燃料噴射弁は、気筒
の圧縮行程における燃料噴霧の貫徹力が燃料噴霧の中心
線に対しピストンの冠面に近い側で反対側よりも大きく
なるものとする。

【００２６】このことで、燃料噴霧のうちのピストン冠
面に近い側をタンブル正流に対し略正対して衝突させる
ようにすれば、該燃料噴霧の拡がり角自体は比較的大き
くても、多くの燃料をタンブル正流に対し効果的に衝突
させることができ、前記タンブル正流による燃料噴霧の
挙動制御の精度を向上できる。一方、該燃料噴霧のうち
の燃焼室天井部に近い側は噴霧貫徹力が小さいので、燃
料噴霧がタンブル順流によって流されて拡散してしまう
混合気の量が減少し、成層度の向上によって燃費が改善
される。

【００２７】請求項８の発明では、燃料噴射弁は、気筒
の圧縮行程における燃料噴霧の貫徹力が、燃料噴霧の中
心線に対し燃焼室天井部に近い側で反対側よりも大きく
なるものとし、かつ、点火プラグの電極を気筒の圧縮行
程における前記燃料噴射弁からの幾何学的な燃料噴霧エ
リアの外に位置させるものとする。

【００２８】このことで、燃料噴霧のうちの燃焼室天井
部に近い側をタンブル正流に対し略正対して衝突させる
ようにすれば、該燃料噴霧の拡がり角自体は比較的大き
くても、多くの燃料をタンブル正流に対し効果的に衝突
させることができる。一方、該燃料噴霧のうちのピスト
ン冠面に近い側は噴霧貫徹力が小さいので、該ピストン
冠面への燃料の付着は抑制できる。よって、前記タンブ
ル正流による燃料噴霧の挙動制御の精度を向上できる。
また、点火プラグの電極を幾何学的な燃料噴霧エリアの
外に位置させることで、該電極への燃料液滴の付着を防
いで、点火プラグのくすぶりの発生を未然に防止でき
る。

【００２９】請求項９の発明では、ピストンの冠面の凹
部を、気筒中心線に沿って見て、燃料噴霧の中心線の延
びる方向に長い形状とするとともに、少なくとも該凹部
の長さ方向略中央部の幅を、燃料噴射弁に近い側の端部
の幅よりも広くし、該凹部の長さ方向略中央部において
幅方向両側の側壁面を底面から所定以上の高さまで突出
させるものとする。

【００３０】このことで、凹部の形状を燃料噴霧の中心
線の延びる方向に長くすることで、該凹部に沿って流れ
るタンブル流の向きが燃料噴霧に向かうように導かれる
ようになり、これにより、タンブル流を燃料噴霧に対し
て安定して衝突させることができる。また、該凹部の側
壁面の高さを所定以上とすることで、この両側壁面によ
り直接的に燃料噴霧の拡散を抑えることができるととも
に、該両側壁面の外方から凹部の内方へ向かうように流
れるスキッシュ流が生成され、このスキッシュ流によっ
ても燃料の燃料の拡散が抑えられる。

【００３１】請求項１０の発明では、請求項９における
凹部の長さ方向両側の端部のうち、燃料噴射弁から遠い
側の端部の幅を、該凹部の長さ方向略中央部の幅と略同
じとする。このことで、燃焼室天井部から気筒の内周面
に沿うようにピストンの冠面側に流れるタンブル流の減
衰を効果的に抑制することができるので、該タンブル流
がスムーズに凹部内に導入されるようになり、これによ
り、燃料噴霧の挙動を制御するためのタンブル流の流速
を十分に確保できる。

【００３２】請求項１１の発明では、請求項９における
凹部の長さ方向両側の端部のうち、燃料噴射弁から遠い
側の端部の幅を、該凹部の長さ方向略中央部よりも広い
ものとする。このことで、前記請求項１０の発明と比べ
ても、タンブル流を凹部内にさらにスムーズに導入する
ことができるので、該タンブル流の流速をさらに容易に
確保することができる。

【００３３】請求項１２の発明では、ピストンの冠面に
おける少なくとも排気側の外周側部分に、対向する燃焼
室の天井部に沿うような形状のスキッシュエリア部を形
成するものとする。このことで、気筒の点火時期近傍に
おいてピストンの上昇に伴い、該ピストンの冠面のスキ
ッシュエリア部と燃焼室の天井部との間隙（スキッシュ
エリア）から燃焼室の中央側に向かうように流れるスキ
ッシュ流が生成され、このスキッシュ流により燃焼室中
央における混合気の拡散が抑制されることで、該混合気
を点火プラグの電極付近に一層、長く滞留させることが
できる。

【００３４】請求項１３の発明では、燃料噴射弁を吸気
及び排気弁のうちの吸気弁の近くに位置させ、ピストン
冠面の凹部を、気筒中心線に沿って見て、前記燃料噴射
弁による燃料噴霧の中心線の延びる方向に長い形状と
し、かつ該凹部の容積を気筒中心線に対し前記燃料噴射
弁に近い側において反対側よりも小さいものとする。こ
のことで、相対的に温度状態が低くて、火炎の伝播が遅
くなり易い吸気弁側の燃焼室容積を排気弁側よりも小さ
くすることで、火炎の伝播を均一化して吸気側での異常
燃焼の発生を防止し、ノッキングを抑制できる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基いて説明する。

【００３６】（実施形態１）図２は、本発明の実施形態
１に係る火花点火式直噴エンジン１の全体的な構成を示
す。このエンジン１は、複数の気筒２，２，…（１つの
み図示する）が直列に設けられたシリンダブロック３
と、このシリンダブロック３上に配置されたシリンダヘ
ッド４とを有し、該各気筒２内にピストン５が図の上下
方向に往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン５と
シリンダヘッド４との間の気筒２内に燃焼室６が区画さ
れたものである。一方、前記ピストン５よりも下方のシ
リンダブロック３内にはクランク軸７が回転自在に支持
されていて、このクランク軸７及びピストン５がコネク
ティングロッド８により連結されている。また、クラン
ク軸７の一端側にはその回転角度を検出する電磁式のク
ランク角センサ９が配設されている。

【００３７】前記各気筒２の天井部には、図３に拡大し
て示すように、略中央部からシリンダヘッド４の下端面
付近まで延びる２つの傾斜面が形成されており、それら
の傾斜面が互いに差し掛けられた屋根のような形状をな
すいわゆるペントルーフ型燃焼室６となっている。言い
換えると、燃焼室６の高さ寸法、即ちピストン冠面から
燃焼室天井部までの気筒中心線ｚに平行な距離は、該気
筒中心線ｚ上において少なくとも吸気側及び排気側の周
縁部よりも大きくなっている。そして、前記２つの傾斜
面に吸気ポート１０及び排気ポート１１がそれぞれ２つ
ずつ開口していて、その各ポート開口端に吸気及び排気
弁１２，１２，１３，１３が配置されている。前記２つ
の吸気ポート１０，１０はそれぞれ燃焼室６から斜め上
方に向かって直線的に延びていて、エンジン１の一側面
（図２の右側面）に互いに独立して開口しており、一
方、前記２つの排気ポート１１，１１は途中で１つに合
流して略水平に延び、エンジン１の他側面（図２の左側
面）に開口している。

【００３８】前記吸気弁１２及び排気弁１３は、シリン
ダヘッド４の内部に軸支された２本のカム軸（図示省
略）により弁軸方向に押圧されて開作動されるもので、
該２本のカム軸がそれぞれタイミングベルトにより前記
クランク軸７に同期して回転されることで、吸気弁１２
及び排気弁１３がそれぞれ各気筒２毎に所定のタイミン
グで開閉作動されるようになっている。また、前記２本
のカム軸にはそれぞれクランク軸７に対する回転位相を
所定の角度範囲において連続的に変化させる公知の可変
動弁機構１４，１４が付設されていて、この可変動弁機
構１４，１４により前記吸気弁１２及び排気弁１３の開
閉作動時期がそれぞれ独立して変更されるようになって
いる。

【００３９】また、前記図３に示すように、燃焼室６の
上方には前記４つの吸排気弁１２，１３に取り囲まれる
ように、点火プラグ１６が配設されている。この点火プ
ラグ１６の先端の電極は燃焼室６の天井部から所定距離
だけ突出した位置にあり、一方、該点火プラグ１６の基
端部には点火回路１７（図２にのみ示す）が接続されて
いて、各気筒２毎に所定の点火タイミングで点火プラグ
１６に通電するようになっている。また、前記燃焼室６
の底部となるピストン５の冠面は対向する燃焼室６の天
井部に沿うような形状とされ、その中央部にレモン型の
凹部５ａが設けられている。

【００４０】前記燃焼室６の周縁部には、２つの吸気ポ
ート１０，１０の下方に挟まれるように、インジェクタ
（燃料噴射弁）１８が配設されている。このインジェク
タ１８は、先端部の噴孔から燃料を旋回流として噴出さ
せて、インジェクタ１８の軸心の延びる方向に沿うよう
にホローコーン状に噴射する公知のスワールインジェク
タである。このスワールインジェクタ１８では、燃料の
噴射圧力を高めると、この圧力の上昇に応じて燃料噴霧
の貫徹力が高まるようになる。また、図４に一例を示す
ように、噴霧の拡がり角を大きくするほど噴霧の貫徹力
が小さくなる傾向があり、反対に噴霧拡がり角を小さく
すれば貫徹力は大きくなる。尚、前記インジェクタ１８
に、燃料の旋回流成分の強さを可変とする可変機構（噴
霧角可変機構）を設け、この可変機構の作動により燃料
の旋回流成分を調節して、燃料噴霧の拡がり角を変更す
るようにしてもよい。

【００４１】前記インジェクタ１８の基端部には、全気
筒２，２，…に共通の燃料分配管１９が接続されてい
て、燃料供給系２０から供給される高圧の燃料を各気筒
２に分配するようになっている。詳しくは、該燃料供給
系２０は例えば図５(a)に示すように構成され、燃料分
配管１９と燃料タンク２１とを連通する燃料通路２２の
上流側から下流側に向かって、低圧燃料ポンプ２３、低
圧レギュレータ２４、燃料フィルタ２５、高圧燃料ポン
プ２６及び高圧レギュレータ２７が順に配設されてい
る。

【００４２】そして、前記低圧燃料ポンプ２３により燃
料タンク２１から吸い上げた燃料を低圧レギュレータ２
４により調圧し、燃料フィルタ２５により濾過して、高
圧燃料ポンプ２６に圧送する。この高圧燃料ポンプ２６
及び高圧レギュレータ２７はそれぞれリターン通路２９
により燃料タンク２１側に接続されており、高圧燃料ポ
ンプ２６によって昇圧した燃料の一部を高圧レギュレー
タ２７により流量調節しながら、リターン通路２９によ
って燃料タンク２１側に戻すことで、燃料分配管１９へ
供給する燃料の圧力状態を適正に（例えば略３ＭＰａ〜
略１３ＭＰａ、好ましくは成層燃焼運転時において４Ｍ
Ｐａ〜７ＭＰａくらいに）調節するようになっている。
また、前記リターン通路２９には、燃料タンク２１側に
戻す燃料の圧力状態を整える低圧レギュレータ２８が配
設されている。前記燃料供給系２０において、前記高圧
燃料ポンプ２６及び高圧レギュレータ２７が、インジェ
クタ１８による燃料の噴射圧力を調節する噴射圧調節手
段を構成している。

【００４３】尚、燃料供給系２０の構成は、前記図５
(a)に示すものには限られず、例えば同図(b)に示す燃料
供給系２０′のように高圧レギュレータ２７を省略する
ことも可能である。この場合には、燃料の吐出量を広い
範囲に亘って変更することのできる電動高圧ポンプ２９
を使用し、この電動高圧ポンプ２９から燃料分配管１９
への燃料の吐出量を可変調節することによって、該燃料
の圧力状態を制御することができる。

【００４４】前記図２に示すように、エンジン１の一側
面には、各気筒２の吸気ポート１０，１０にそれぞれ連
通する吸気通路３０が接続されている。この吸気通路３
０は、エンジン１の燃焼室６に対し図外のエアクリーナ
で濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から
下流側に向かって順に、エンジン１に吸入される吸入空
気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ３１
と、吸気通路２６を絞る電気式スロットル弁３２と、サ
ージタンク３３とがそれぞれ配設されている。前記電気
式スロットル弁３２は、図外のアクセルペダルに対し機
械的には連結されておらず、図示しない電動式駆動モー
タにより駆動されて開閉するようになっている。

【００４５】また、前記サージタンク３３よりも下流側
の吸気通路３０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とさ
れていて、該各独立通路の下流端部がさらに２つに分岐
してそれぞれ吸気ポート１０，１０に連通している。こ
の２つの吸気ポート１０，１０の双方の上流側には、前
記図３にも示すように、燃焼室６におけるタンブル流の
流速を調節するための吸気流動調節弁３４が配設され、
例えばステッピングモータ３５（図３にのみ示す）によ
って開閉作動されるようになっている。この吸気流動調
節弁３４，３４はいずれも円形のバタフライバルブの一
部を切り欠いたもので、この実施形態では弁軸３４ａよ
りも下側の部分を切り欠いている。そして、吸気流動調
節弁３４が閉じられたときには吸気が前記の切り欠き部
分のみから下流側に流れて、燃焼室６に強いタンブル流
を生成する。一方、吸気流動調節弁３４が開かれるに従
い、吸気は該切り欠き部分以外からも流通するようにな
り、タンブル流の強度は徐々に弱められる。

【００４６】前記吸気ポート１０，１０により、燃焼室
６にタンブル流を生成するタンブル流生成手段が構成さ
れ、このタンブル流は後述の如く気筒２の圧縮行程にお
いて点火プラグ１６の電極とピストン５の冠面との間を
インジェクタ１８に向かうように流れるようになる。ま
た、前記吸気流動調節弁３４とステッピングモータ３５
とにより、タンブル流の流速を可変とするタンブル流速
可変手段が構成されている。尚、前記吸気ポート１０や
吸気流動調節弁３４の形状は上述したものに限られず、
例えば、吸気ポートは上流側で１つに合流するいわゆる
コモンポートであってもよい。この場合、吸気流動調節
弁はコモンポートの断面形状に対応する形状のものをベ
ースとして、前記と同様にバタフライバルブの一部分を
切り欠いた形状とすればよい。

【００４７】一方、エンジン１の他側面には、燃焼室６
から既燃ガス（排気）を排出する排気通路３６が接続さ
れている。この排気通路３６の上流端部は、各気筒２毎
に分岐して排気ポート１１に連通する排気マニホルド３
７であり、該排気マニホルド３７の集合部には排気中の
酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ３８が配設されて
いる。このリニアＯ2センサ３８は排気中の酸素濃度に
基づいて空燃比を検出するために用いられるもので、理
論空燃比を含む所定の空燃比範囲において酸素濃度に対
しリニアな出力が得られるようになっている。

【００４８】また、前記排気マニホルド３７の集合部に
は、排気管３９の上流端が接続されており、一方、この
排気管３９の下流端には排気を浄化するための触媒４０
が接続されている。この触媒４０は、排気中の酸素濃度
の高い雰囲気でＮＯｘを吸収する一方、酸素濃度の低下
によって吸収したＮＯｘを放出しかつ還元浄化するＮＯ
ｘ吸収還元タイプのものであり、特に理論空燃比近傍で
はいわゆる三元触媒と同様の高い排気浄化性能を発揮す
る。また、触媒４０の下流側には該触媒４０の劣化状態
を判定するために、出力が理論空燃比を境にステップ状
に反転する公知のラムダＯ2センサ４１が配設されてい
る。尚、前記ＮＯｘ吸収還元タイプの触媒４０に加え
て、これと直列に三元触媒を配置するようにしてもよ
い。

【００４９】さらに、前記排気管３９の上流側には、排
気通路３６を流れる排気の一部を吸気通路３０に還流さ
せるＥＧＲ通路４３の上流端が分岐接続されている。こ
のＥＧＲ通路４３の下流端は前記スロットル弁３２とサ
ージタンク３３との間の吸気通路３０に接続され、その
近傍には開度調節可能な電気式のＥＧＲ弁４４が配設さ
れていて、ＥＧＲ通路４３による排気の還流量を調節で
きるようになっている。

【００５０】前記可変動弁機構１４、点火プラグ１６の
点火回路１７、インジェクタ１８、燃料供給系２０の高
圧レギュレータ２７、電気式スロットル弁３２、吸気流
動調節弁３４、電気式ＥＧＲ弁４４等は、いずれもエン
ジンコントロールユニット５０（以下、ＥＣＵという）
によって作動制御されるようになっている。一方、この
ＥＣＵ５０には、少なくとも、前記クランク角センサ
９、エアフローセンサ３１、リニアＯ2センサ３８、ラ
ムダＯ2センサ４１等からの各出力信号が入力され、加
えて、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出
するアクセル開度センサ５１からの出力信号と、エンジ
ン１の回転速度（クランク軸７の回転速度）を検出する
回転速度センサ５２からの出力信号とが入力されるよう
になっている。

【００５１】そして、前記ＥＣＵ５０は、各センサから
入力される信号に基づいて、吸排気弁１２，１３の開閉
作動時期、インジェクタ１８による燃料噴射量、噴射時
期及び噴射圧力、スロットル弁３２により調節される吸
入空気量、吸気流動調節弁３４により調節されるタンブ
ル流の強さ、ＥＧＲ弁４４により調節される排気の還流
割合等をそれぞれエンジン１の運転状態に応じて制御す
るようになっている。

【００５２】具体的には例えば図６に一例を示すよう
に、エンジン１の温間状態では低負荷かつ低回転側の設
定運転領域（イ）が成層燃焼領域とされ、インジェクタ
１８により気筒２の圧縮行程における所定時期（例え
ば、成層燃焼運転時において圧縮上死点前（BTDC）略４
０°CA〜略１４０°CAの範囲）に燃料を噴射させて、点
火プラグ１６の近傍に混合気が層状に偏在する状態で燃
焼させる成層燃焼モードになる。この成層燃焼状態では
エンジン１の吸気損失を低減するためにスロットル弁３
２の開度を相対的に大きくするようにしており、このと
きの燃焼室６の平均的な空燃比は理論空燃比よりもリー
ンな状態（例えばＡ/Ｆ＞２５）になる。

【００５３】一方、前記成層燃料領域以外の領域（ロ）
は、均一燃焼領域とされており、インジェクタ１７によ
り気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて吸気と十分に混
合し、燃焼室６に均一な混合気を形成した上で燃焼させ
る燃焼状態になる。この均一燃焼状態では、大部分の運
転領域において混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ/Ｆ
≒１４．７）になるように、燃料噴射量やスロットル開
度等が制御されるが、特に全負荷運転状態では、空燃比
を理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ/Ｆ＝１３
くらい）に制御して、高負荷に対応した大出力を得られ
るようにしている。

【００５４】さらに、エンジン１の温間時には同図に斜
線を入れて示す領域において、ＥＧＲ弁４４を開弁させ
て、ＥＧＲ通路４３により排気の一部を吸気通路３０に
還流させるようにしている。この際、該ＥＧＲ弁４４の
開度をエンジン１の負荷状態及び回転速度に応じて、少
なくとも高負荷側ほど排気の還流割合（以下、ＥＧＲ率
ともいう）が小さくなるように調節する。このことで、
エンジン１の燃焼安定性を損なうことなく、排気の還流
によりＮＯｘの生成を抑制することができる。また、エ
ンジン冷間時には燃焼安定性の確保を最優先とし、エン
ジン１の全ての運転領域で均一燃焼状態とするととも
に、ＥＧＲ弁４４は全閉とするようにしている。

【００５５】尚、前記ＥＧＲ率としては、例えば、前記
ＥＧＲ通路４３により吸気通路３０に還流される排気還
流量の新気量に対する割合を用いればよい。ここで、新
気というのは気筒２に吸入される気体のうちから前記の
還流排気や燃料ガス等を除いた外気のことである。

【００５６】本願発明の特徴は、上述の如くエンジン１
を成層燃焼状態で運転するときに、燃焼室６におけるタ
ンブル流を最大限に利用し、このタンブル流によって燃
料噴霧の挙動を制御して、混合気の適切な成層化を図る
ようにしたことにある。

【００５７】すなわち、エンジン１が成層燃焼領域
（イ）にあるときには、各気筒２の吸気行程で生成され
るタンブル流を当該気筒２の圧縮行程後期まで保持させ
るとともに、このタンブル流に対し略正対する方向から
衝突するように燃料を噴射させる。こうすることで、燃
料噴霧はタンブル流により徐々に減速されながら点火プ
ラグ１６側に移動し、その間に燃料液滴の気化霧化や空
気との混合が促進されて、当該気筒２の点火時期におい
て図１に斜線を入れて示すように可燃混合気となって、
点火プラグ１６の電極付近に滞留するようになる。

【００５８】言い換えると、インジェクタ１８による燃
料噴霧の貫徹力をタンブル流の流速に対応するように調
節し、かつ気筒２の点火時期から逆算した所定のタイミ
ングで該インジェクタ１８を作動させて、燃料を噴射さ
せるようにしている。このようなインジェクタ１８の作
動制御は上述の如くＥＣＵ５０により所定の制御プログ
ラムに従って行われるものであり、従って、該ＥＣＵ５
０は、前記インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力を
タンブル流の流速に対応するように調節し、該燃料噴霧
が前記タンブル流に対し逆行して、点火プラグ１６によ
る点火時点で可燃混合気となって該点火プラグ１６の電
極付近に滞留するように、気筒２の点火時期に対応づけ
て、前記インジェクタ１８により燃料を噴射させる燃料
噴射制御手段に対応している。

【００５９】具体的に、この実施形態では、ピストン
５の冠面の形状、インジェクタ１８による燃料噴霧の
方向及び噴霧拡がり角、並びに点火プラグ１６の電極
の位置を互いに関連づけて最適に設定し、その上で、
該インジェクタ１８による燃料噴霧の貫徹力を対向する
タンブル流の流速に応じて調節することによって、前記
の如き混合気の適切な成層化を実現したものである。以
下、前記〜の特徴点についてそれぞれ具体的に説明
する。

【００６０】（ピストン冠面の形状）まず、第１に、図
７及び図８並びに前記図１及び図３にも示すように、ピ
ストン５の冠面には気筒中心線ｚに沿って見たときに、
インジェクタ１８による燃料の噴射方向（燃料噴霧の中
心線の延びる方向）について長い凹部５ａが形成されて
いる。また、この凹部５ａの幅方向寸法は、図８に示す
ように、全体としてインジェクタ１８からの燃料噴霧
（同図に斜線を入れて示す）を包含するような大きさと
されている。

【００６１】詳しくは、前記凹部５ａの幅ｗは、長さ方
向の略中央部において最も広く、そこから両端部に向か
って徐々に狭くなっている。また、該凹部５ａの底面
は、図７(b)に示すように気筒中心線ｚに直交する方向
から見て、略円弧状になっていて、その最深部が気筒中
心線ｚに対応する位置、即ち気筒２の断面略中心部に位
置している。さらに、同図(c)に示すように、前記凹部
５ａの幅方向両側の側壁面は前記底面から緩やかに立ち
上がって上方に延びており、該側壁面の高さは、凹部５
ａの長さ方向の略中央部において最も高く、かつインジ
ェクタ１８による燃料噴霧の拡散を抑えられるような所
定以上の高さとされている。

【００６２】加えて、前記凹部５ａを除いたピストン５
冠面の外周側部分は、対向する燃焼室６天井部の傾斜面
に略平行に沿うような形状のスキッシュエリア部とされ
ていて、気筒２の圧縮上死点前の所定期間（例えば、BT
DC４０°CA〜TDC）において該ピストン５冠面の外周側
部分と燃焼室６の天井部とにより挟まれる間隙がスキッ
シュエリアとなる。

【００６３】前記のような凹部５ａをピストン５の冠面
に設けたことで、燃焼室６におけるタンブル流の流れが
スムーズになり、気筒２の吸気行程で生成されたタンブ
ル流Ｔ（図３２参照）が当該気筒２の圧縮行程後期まで
あまり減衰せずに、確実に保持されるようになる。そし
て、前記図８に示すように該インジェクタ１８により燃
料が噴射されると、タンブル流Ｔ，Ｔ（タンブル正流）
は凹部５ａの側壁面に沿って燃料噴霧を内側に綴じ込め
るように流れ、燃料噴霧の拡散を抑えるとともに、該燃
料噴霧と安定して衝突してその挙動を制御し、燃焼室６
の中央に滞留させる。その上さらに、図示しないが、気
筒２の圧縮上死点近傍（例えば、BTDC２０°CA以降）に
おいては、前記の如くピストン５冠面の外周側部分のス
キッシュエリアから気筒中心線ｚに向かうように流れる
強いスキッシュ流が生成され、このスキッシュ流により
前記混合気の拡散が効果的に抑制される。

【００６４】（インジェクタの配置構成）第２に、イン
ジェクタ１８の配置について説明する。まず、図９に示
すように、インジェクタ１８はその軸心（燃料噴霧の中
心線Ｆ）が気筒中心線ｚに直交する仮想平面に対して略
３０°の傾斜角度δをなすように配置されている。言い
換えると、インジェクタ１８による燃料噴霧の中心線Ｆ
は、成層燃焼運転時の気筒２の燃料噴射時期（BTDC４０
°CA〜１４０°CA）において、点火プラグ１６の電極と
ピストン５冠面の凹部５ａとの間を通り、かつ該噴霧中
心線Ｆと前記凹部５ａの底面との交差する位置（点Ｐ
1）が、気筒中心線ｚと該凹部５ａの底面との交差する
位置（点Ｐ2）よりもインジェクタ１８から遠くなるよ
うに設定されている。また、該インジェクタ１８による
燃料噴霧の拡がり角θは一般的に燃焼室６の圧力状態に
よって変化するものであるが、この実施形態では、気筒
２の圧縮行程における噴霧拡がり角θを、θ＝略２０°
〜略６０°の範囲に収めるようにしている。

【００６５】ここで、本明細書における燃料噴霧につい
ての定義を図１０に基づいて説明する。同図(a)に示す
ように、インジェクタ１８の噴孔部Ａ点から２０ｍｍ下
流の位置において、噴霧中心線Ｆの通る仮想平面と燃料
噴霧の輪郭とが交差する２点Ｂ，Ｃを決定し、∠ＢＡＣ
をもって噴霧拡がり角θを定義する（θ＝∠ＢＡＣ）。
また、同図(b)に示すように、噴霧中心線Ｆの通る仮想
平面上において、燃料噴霧の先端側でいわゆる先走り噴
霧（初期噴霧）を除いた主噴霧（燃料液滴のエリア）の
最先端部をそれぞれＢ点、Ｃ点とし、インジェクタ１８
の噴孔部Ａ点から前記Ｂ点までの噴霧中心線Ｆに沿った
距離をＬ1とし、同じくＡ点からＣ点までの距離をＬ2と
して、それらの平均距離をもって噴霧貫徹力Ｌを定義す
る（Ｌ＝（Ｌ1＋Ｌ2）/２）。

【００６６】前記の噴霧拡がり角θ及び噴霧貫徹力Ｌの
実際の計測方法としては、例えばレーザシート法を用い
ればよい。すなわち、まず、インジェクタにより噴射さ
せる流体として燃料性状相当のドライソルベントなる試
料を用い、この試料の圧力を、常温下において実際に使
用される燃料圧力の範囲内の所定値（例えば７ＭＰａ）
に設定する。また、雰囲気圧力としては、噴霧の撮影が
可能なレーザ通過窓と計測用窓とを備えた圧力容器内を
例えば０．２５ＭＰａに加圧する。

【００６７】そして、常温下において、１パルス当たり
の噴射量が９mm³/strokeになるように、インジェクタ１
８に所定パルス幅の駆動パルス信号を入力して燃料を噴
射させる。この際、燃料噴霧に対しその噴霧中心線を通
るように厚さ５ｍｍのレーザシート光を照射しておい
て、このレーザシート光面に対して直交する方向から高
速度カメラにて噴霧画像を撮影する。そして、前記駆動
パルス信号の入力時期から１．５６ミリ秒後の撮影画面
に基づいて、前記の定義に従って噴霧の拡がり角θ及び
貫徹力Ｌを決定する。

【００６８】尚、前記撮影画像における噴霧の輪郭とい
うのは、液滴状の試料粒子のエリアの輪郭であり、試料
粒子のエリアはレーザシート光によって明るくなるた
め、撮影画像において輝度の変化している部分から噴霧
の輪郭を割り出すようにしている。

【００６９】そうして、前記したようなインジェクタ１
８の配置により、即ち噴霧中心線Ｆの傾斜角度δと噴霧
拡がり角θとをそれぞれ前記のように最適に設定するこ
とにより、この実施形態のエンジン１では、図１１に示
す燃料噴射時点においてピストン５冠面の凹部５ａに沿
って流れるタンブル流Ｔ（タンブル正流）に対し、燃料
噴霧をその中心部分（噴霧中心線Ｆを囲む所定範囲）が
略正対するように効果的に衝突させることができ、これ
により、該燃料噴霧の移動速度をタンブル流Ｔにより減
衰させながら、凹部５ａに沿うように移動させて、確実
に点火プラグ１６の電極付近に滞留させることができ
る。

【００７０】（燃料噴霧中心線の設定）ここで、インジ
ェクタ１８による燃料噴霧の中心線Ｆの傾斜角度δの設
定について、図１２〜図１６を参照しながら、より具体
的に説明する。例えば、噴霧中心線Ｆの傾斜角度δを略
２５°よりも小さくした場合（図１２に一点鎖線Ｆ1と
して示す）、インジェクタ１８からの燃料噴霧の多くが
燃焼室６の天井部に沿って流れるタンブル流（タンブル
順流Ｔｓ）によって、点火プラグ１６の側に輸送される
とともに、残りの燃料はピストン５冠面の凹部５ａに沿
って流れるタンブル流（タンブル正流Ｔｍ）に衝突し、
その後、該タンブル正流Ｔｍに乗って燃焼室６の天井部
側に移動するようになる。この結果、図１３に一点鎖線
で示すように、点火プラグ１６の電極付近の局所空燃比
はタンブル流Ｔｓ，Ｔｍにより輸送される混合気の到着
時に一時的に可燃範囲に入るものの、直ぐに過度のリッ
チ状態になり、さらに、極めて短時間で可燃範囲よりも
リーンな状態に戻ってしまう。つまり、点火プラグ１６
の電極付近の局所空燃比は激しく変動するようになる。

【００７１】一方、前記図１２において二点鎖線Ｆ2に
よって示すように、噴霧中心線Ｆの傾斜角度δを略４０
°よりも大きくした場合、同図に破線で示すように、イ
ンジェクタ１８からの燃料噴霧の多くがピストン５の冠
面に衝突して、ここに付着してしまうので、前記図１３
に二点鎖線で示すように、点火プラグ１６の電極付近の
局所空燃比は可燃範囲に入ることがなく、点火不能に陥
ってしまう。このようなピストン５冠面への燃料付着量
と噴霧中心線Ｆの傾斜角度δ、即ちインジェクタ１８の
設置角との間には、例えば図１４に示すような関係があ
り、同図によれば、インジェクタ１８の設置角が４０°
を超えると、燃料の付着量が急激に増大することが分か
る。

【００７２】つまり、混合気の濃度状態を安定的に可燃
範囲に保つためには少なくとも噴霧中心線Ｆの傾斜角度
δを、δ＝略２５°〜略４０°の範囲の値とするのが好
ましいということができる。

【００７３】例えば、この実施形態のようにインジェク
タ１８による燃料噴霧中心線Ｆの傾斜角度δが略３０°
であれば、該インジェクタ１８からの燃料噴霧はタンブ
ル流Ｔに対して略正対して効果的に衝突するようになる
ので、該タンブル流Ｔによって燃料噴霧の移動速度を精
度良く調節することができ、これにより、混合気を点火
プラグ１６の電極付近に安定的に滞留させることができ
る。すなわち、前記図１３に実線で示すように、この実
施形態のものでは点火プラグ１６の電極付近の局所空燃
比は相対的に長い間、可燃範囲内に留まるようになり、
着火安定性は極めて高くなる。しかも、このことにより
点火時期制御の自由度が向上し（例えば、成層燃焼運転
時に気筒２の圧縮上死点前(BTDC)４０°CA〜圧縮上死点
(TDC)までの範囲に設定可能）、これにより、さらなる
燃費改善も可能になる。尚、前記図１３のグラフは、い
ずれも燃料噴霧の拡がり角θを、θ＝略４５°として試
験を行ったものである。

【００７４】ここで、前記の如き燃料噴霧中心線Ｆの傾
斜角度δに関してさらに詳しく検討する。図１５は、イ
ンジェクタ１８の設置角、即ち噴霧中心線Ｆの傾斜角度
δを、δ＝３０°又はδ＝３６°のいずれかとして、気
筒２の圧縮上死点(TDC)前における点火プラグ１６の電
極付近の局所空燃比の変化を調べたものである。同図に
よれば、δ＝３６°の場合にはδ＝３０°とした場合よ
りも、ピストン５の冠面に付着する燃料が多くなるの
で、これを抑えるために相対的に早期に燃料を噴射せざ
るを得ない。

【００７５】すなわち、図に破線で示すように、圧縮上
死点前(BTDC)７０°CAで燃料噴射を行えば、局所空燃比
は十分にリッチになるが、同図に仮想線で示すように、
BTDC５５°CAで燃料噴射を行おうとすると、局所空燃比
が希薄化してしまい、着火安定性を確保できる期間はや
や短くなってしまう。これに対し、δ＝３０°とすれ
ば、同図に実線で示すように、BTDC５５°CAで燃料噴射
を行っても、空燃比を十分にリッチ化させることができ
るので、この点において、δ＝３０°の場合とδ＝３６
°の場合とを比較すると、δ＝３０°とする方が好まし
いということができる。

【００７６】また、エンジン１が所定の運転状態にある
ときの気筒２の点火時期（例えば、BTDC３０°CA）にお
ける前記局所空燃比が、燃料噴射時期の変化に応じてど
のように変化するかについて、燃料噴霧中心線Ｆの傾斜
角度δとの関係を含めて調べた結果を、図１６に示す。
同図によれば、δ＝３０°のときには、燃料噴射時期を
かなり広い幅に亘って変更しても、点火プラグ１６の電
極付近の局所空燃比は概ね可燃範囲に入っているので、
燃料噴射時期の変更に対しても高い着火安定性を有する
ことが分かる。一方、δ＝４０°のときには、空燃比は
殆どの場合に可燃範囲よりもリーンになってしまう。

【００７７】さらに、δ＝２０°のときには、燃料噴射
時期にかかわらず、空燃比が過濃な状態になるように見
えるが、これはインジェクタ１８からの燃料噴霧がタン
ブル順流に乗って点火プラグ１６側に輸送されてしまう
ためであり、前記図１３に一点差線で示すように、空燃
比はクランク角の進行に伴い大きく変動するので、空燃
比が過濃状態になる期間は極めて短い。尚、前記図１
５、図１６に示す試験結果も、インジェクタ１８による
燃料噴霧の拡がり角θをθ＝略４５°として試験を行っ
たものである。

【００７８】（噴霧拡がり角の設定）続いて、前記イン
ジェクタ１８による燃料噴霧の拡がり角θについて図１
７〜図２０を参照しながら説明する。この噴霧拡がり角
θが大きくなるということは自ずと燃料噴霧が拡散し
て、混合気が希薄化しやすくなるということである。一
方、噴霧拡がり角θが小さ過ぎると、燃料液滴の気化霧
化や空気との混合が十分に行われなくなって、点火プラ
グ１６の電極付近の混合気が過度にリッチな状態になる
虞れがある。具体的に図１８〜図２０は、噴霧拡がり角
θを略２０°又は略６０°として点火プラグ１６の電極
付近の混合気の分布状態を観察した結果を示し、各図
(a)は気筒中心線ｚに沿って燃焼室６の天井部側から見
たものであり、また、各図(b)は、気筒中心線ｚに直交
する方向のインジェクタ１８側から見たものである。

【００７９】前記図１８及び図１９は、この実施形態と
は異なり、冠面全体に球面状の凹部を形成したピストン
（図３９参照）を用いて試験を行った結果を示すもの
で、この試験結果によれば、噴霧拡がり角θ＝略２０°
のときには、気筒の点火時点において混合気が点火プラ
グの電極（図に＋印で示す）付近に適切に成層化されて
いるが、θ＝略６０°のときには混合気は大きく拡がっ
てしまい、点火プラグ電極付近の局所空燃比の低下によ
って着火安定性が損なわれる虞れがある。

【００８０】一方、この実施形態のように冠面にレモン
型の凹部を設けたピストンを用いた試験結果によれば、
前記図２０に示すように噴霧拡がり角θをθ＝略６０°
としても、混合気の拡散が抑えられ、図１８に示すθ＝
略２０°のときと同様に混合気が適切に成層化されるこ
とが分かる。これは、ピストン冠面のレモン型凹部によ
ってタンブル流の向きが燃料噴霧に向かうように導かれ
て、該燃料噴霧とタンブル流との衝突によって燃料噴霧
の進行方向への拡散が抑えられるとともに、凹部５ａの
幅方向への燃料噴霧の拡散が該凹部５ａの幅方向両側の
側壁面と、その外方から凹部５ａの内方へ向かうように
流れるスキッシュ流とによって抑えられることによると
考えられる。

【００８１】つまり、図１７に示すように、この実施形
態においてはインジェクタ１８からの燃料噴霧の拡がり
角θをθ＝略２０°〜略６０°の範囲に設定すること
で、点火プラグ１６の電極付近の局所空燃比を安定的に
可燃範囲内の値とすることができるものである。尚、前
記したように噴霧拡がり角θは燃焼室６の圧力状態によ
っても変化するものであるが、この実施形態のエンジン
１においては、成層燃焼運転時の噴霧拡がり角θをθ＝
略４０°〜略４５°の範囲の値とすることがより好まし
い。

【００８２】（点火プラグの電極位置）上述の如く、こ
の実施形態ではインジェクタ１８による燃料噴霧の挙動
をタンブル流Ｔにより制御して、燃焼室６の中央に適度
な濃度状態の可燃混合気を滞留させることができるもの
である。そして、そのように滞留する混合気に対し確実
に点火するために、前記図９及び図２１にも示すよう
に、点火プラグ１６はその電極が気筒中心線ｚに沿って
燃焼室６の天井部から突出するように配置されている。
すなわち、点火プラグ１６の電極は、両図に示すように
気筒中心線ｚに直交する方向から見たとき、インジェク
タ１８からの燃料噴霧中心線Ｆよりも上方（燃焼室６の
天井部に近い方）に位置している。言い換えると、前記
噴霧中心線Ｆに沿って見て、点火プラグ１６の電極は、
該噴霧中心線Ｆに対しピストン５の冠面よりも燃焼室６
の天井部に近い側に位置している。

【００８３】また、前記点火プラグ１６の電極は、イン
ジェクタ１８により燃料を斜め下方のピストン５冠面側
に噴射させるこの実施形態においては、該インジェクタ
１８の噴孔よりも下方（気筒中心線ｚの延びる方向につ
いてピストン５の冠面に近い方）に位置している。そし
て、前記したように点火プラグ１６の電極が燃焼室６の
天井部から離れていることで、火炎の伝播性が良好なも
のになり、燃焼状態の改善が図られる。

【００８４】具体的には、図２１に示す気筒２の点火時
期（例えば、エンジン１が所定の低負荷運転状態にあっ
て、点火時期がBTDC３０°CAのとき）において、燃焼室
６の天井部からピストン５の冠面までの気筒中心線ｚ上
の距離をｄとしたとき、即ち、燃焼室６の天井部の略最
上位置からピストン５の凹部５ａの最深部までの距離を
ｄとしたとき、該燃焼室６天井部の最上位置から点火プ
ラグ１６の電極までの気筒中心線ｚ上の距離ｅ（突出
量）は、略１/３ｄ〜略２/３ｄまでの範囲の値に設定さ
れている。このことで、当該気筒２の圧縮行程において
ピストン５の冠面に沿って流れるタンブル流をタンブル
正流Ｔｍとし、一方、燃焼室６の天井部に沿って流れる
タンブル流をタンブル順流Ｔｓとしたときに、インジェ
クタ１８による燃料の噴射開始の後で、その噴射燃料と
の衝突によってタンブル正流Ｔｍの流速が大きく減衰す
る当該気筒の点火時期までの時点において、点火プラグ
１６の電極が該タンブル正流Ｔｍとタンブル順流Ｔｓと
の間に位置している。

【００８５】そして、その後の点火時点においてはタン
ブル正流Ｔｍが著しく減衰していることもあって、点火
プラグ１６の電極はタンブル正流Ｔｍ及びタンブル順流
Ｔｓのいずれの流れの影響も受け難い状態になる。つま
り、点火プラグ１６の電極はタンブル順流Ｔｓの主流の
生成域から離れていて、気筒２の燃料噴射時期以降でか
つ点火時期以前の期間、タンブル流Ｔの渦の中心側に位
置し、該点火時期において混合気の滞留し易い状態に保
たれている。

【００８６】また、点火プラグ１６の電極はインジェク
タ１８からの燃料噴霧の幾何学的な噴霧エリアの噴霧中
心線Ｆに対し上方（噴霧エリア外も含む）に位置してい
る（図９参照）。ここで、幾何学的な噴霧エリアという
のは、燃焼室６におけるタンブルやスワールの影響が仮
に無いとした場合の燃料噴霧の液滴のエリアのことであ
る。このように点火プラグ１６の電極を燃料噴霧の幾何
学的な噴霧エリアの噴霧中心線Ｆに対し上方に配置させ
ることによって、インジェクタ１８からの初期噴霧に含
まれる粗大な燃料液滴が点火プラグ１６の電極に付着す
ることを回避して、該点火プラグ１６のくすぶりを未然
に防止することができる。

【００８７】図２２は、前記点火プラグ１６の電極の突
出量ｅを変化させながら、その電極の位置で気筒２のBT
DC５５°CA近傍における燃料噴射直前のタンブル流Ｔの
流速を測定したものである。同図によれば、タンブル流
Ｔの流速は、突出量ｅ＝１/２ｄ近傍で最小となり、突
出量ｅがそれよりも小さくても、或いは大きくても、該
突出量ｅの変化とともにタンブル流Ｔの流速が徐々に大
きくなっている。このことは、BTDC５５°CA近傍では、
突出量ｅ＝１/２ｄの付近において、点火プラグ１６の
電極がタンブル流Ｔの渦の中心付近に位置することを意
味している。

【００８８】また、図２３は、そのように点火プラグ１
６の電極の突出量ｅを変化させたときのエンジン１の図
示平均有効圧力（ＰＩ）の変動率（燃焼変動を表す指標
となる値）の変化を示したものである。同図によれば、
このＰｉ変動率は突出量ｅ＜０．２ｄのときに所定の基
準ライン（例えば５％くらい）を超えてしまい、この状
態では点火プラグ１６の電極付近の局所空燃比がリーン
になっていて、燃焼性が低下していることが分かる。一
方、突出量ｅ≧０．２ｄであれば、該突出量ｅが大きい
ほど、点火プラグ１６の電極はピストン５の冠面に近づ
くことになり、該電極付近の局所空燃比がリッチになる
ので、燃焼変動率は小さくなる。しかしながら、このよ
うに突出量ｅを０．５ｄを超えて大きくしていくと、今
度は点火プラグ１６の電極が燃料噴霧の幾何学的な噴霧
エリア内の噴霧中心線Ｆに接して、初期噴霧の粗大な燃
料液滴の付着による不具合の発生する虞れがある。

【００８９】要するに、点火プラグ１６の電極の突出量
ｅには、混合気の滞留し易さ、該混合気への着火性、粗
大な燃料液滴の付着の防止等の点から見て、最適な範囲
があり、この範囲は、前記図２３に示すBTDC５５°CA近
傍においては、同図に矢印で示すようにｅ＝略０．２ｄ
〜略０．５ｄの範囲となる。

【００９０】ここで、一般に、気筒２の圧縮行程におい
て燃焼室６の天井部からピストン５の冠面までの気筒中
心線ｚ上の距離ｄは、ピストン５の上昇とともに幾何学
的に小さくなるので、点火プラグ１６電極の突出量ｅが
一定であるとすれば、それらの割合ｅ/ｄは図２４に示
すように変化する。そこで、この実施形態では前記の突
出量の割合ｅ/ｄの値が同図に示す２つのグラフの間に
挟まれた領域の値となるように、突出量ｅの値を設定し
ている。同図によれば、例えば、成層燃焼領域において
最も進角側の噴射開始時期（クランク角位置）であるBT
DC１４０°CAでは、ｅ/ｄ＝略１０％〜略２０％であ
る。

【００９１】また、成層燃焼領域の比較的低回転域にお
ける噴射開始時期（クランク角位置）であるBTDC５５°
CAでは、ｅ/ｄ＝略２０％〜略５０％である。さらに、
略アイドル域の噴射開始時期（クランク角位置）である
BTDC４０°CAでは、ｅ/ｄ＝略２５％〜略６０％であ
り、また、気筒２の圧縮上死点(TDC)においては、点火
プラグ電極の突出割合ｅ/ｄは、ｅ/ｄ＝略４０％〜略９
５％になっている。尚、この実施形態における成層燃焼
領域での各気筒２の点火時期は、略BTDC４０°CA〜略TD
Cの範囲に設定されている。

【００９２】（タンブル流速及び噴霧貫徹力の調節）最
後に、この実施形態ではインジェクタ１８による燃料噴
霧の貫徹力を、タンブル流の流速に応じて調節すること
で、エンジン１の運転状態が変化しても安定した混合気
形成が行えるようにしている。以下、この点について詳
細に説明する。

【００９３】まず、図２５は、インジェクタ１８による
燃料噴霧の貫徹力をタンブル流の流速に対応するように
調節して、気筒２の点火時期近傍における燃焼室６の流
れ場をＣＦＤ（数値流体力学）の適用により解析したも
のである。同図に太い矢印で示すように、タンブル流及
び噴霧流は図の左右両側からそれぞれピストン冠面に沿
って中央側に向かうように流れていて、それらの衝突地
点Ａは、図に＋印で表す点火プラグの電極の近傍になっ
ている。これにより、例えば図２６(a)に示すように、
当該気筒２の点火時期近傍において適切な濃度状態の可
燃混合気塊を点火プラグ１６の電極（図に＋印で示す）
付近に滞留させることが可能になる。

【００９４】ここで、一般に、燃焼室におけるタンブル
流の流速はエンジンの回転速度（クランク軸７の回転速
度）に応じて変化するものなので、広い運転領域に亘っ
て混合気を適切に成層化させようとすれば、インジェク
タによる燃料噴霧の貫徹力をエンジンの運転状態に応じ
て調節する必要があり、このために、例えばインジェク
タによる燃料噴射圧力を変更調節することが考えられ
る。この際、例えばエンジンのアイドル運転時等にはタ
ンブル流の流速が低くなり過ぎるので、これに対応する
ように燃料の噴射圧を下げようとすると、燃料の微粒化
特性等が低下する虞れがある。反対に、例えばエンジン
の中高回転域においてタンブル流の流速が所定の上限値
を超えたときには、これに対応するように燃料の噴射圧
を高めると、該燃料噴霧とタンブル流との衝突が激しく
なり過ぎるという不具合がある。この場合には、混合気
は点火プラグ１６の電極付近に滞留するものの、例えば
図２６(b)に示すように大きく拡がって、成層度が低下
してしまい、該混合気への着火安定性が損なわれる虞れ
がある。

【００９５】これに対し、この実施形態では主にエンジ
ン１の回転速度の変化に応じて、各気筒２の吸気ポート
１０に配設した吸気流動調節弁３４（図３参照）の開度
を調節し、燃焼室６におけるタンブル流Ｔの流速を変更
するとともに、これに対応するようにインジェクタ１８
による燃料の噴射圧力も調節することで、成層燃焼領域
（イ）（図６参照）の全てにおいて、混合気の適切な成
層化を実現している。

【００９６】具体的には図２７(a)に示すように、エン
ジン１が成層燃焼領域にありかつその回転速度が第１設
定値ne1（例えば２５００ｒｐｍ）以下のときには、吸
気流動調節弁３４を全閉状態とする。こうすることで、
該吸気流動調節弁３４が開いている状態（同図に仮想線
で示す）に比べてタンブル流の流速が高められる。次
に、エンジン回転速度が該第１設定値ne1を超えて、タ
ンブル流の流速が所定の上限値に達すれば、エンジン回
転速度が高くなってもタンブル流Ｔの流速がそれ以上は
大きくならないように、吸気流動調節弁３４をエンジン
回転速度の増大に応じて徐々に開作動させる。そして、
エンジン回転速度が第２設定値ne2（例えば３５００ｒ
ｐｍ）を超えて、エンジン１が均一燃焼領域に移行すれ
ば、それ以降は吸気流動調節弁３４を全開状態として、
吸入空気量を確保するようにしている。

【００９７】このような吸気流動調節弁３４の作動制御
はＥＣＵ５０により所定の制御プログラムに従って行わ
れるものであり、従って、該ＥＣＵ５０は、エンジン１
の回転速度が設定値以上になったとき、該回転速度の上
昇に対応するタンブル流速の増大を抑えるように前記吸
気流動調節弁３４を作動させるタンブル流速制御手段に
対応している。

【００９８】そして、前記のようなタンブル流速の変化
に対応するように、インジェクタ１８による燃料噴射圧
力を変更して、同図(b)に示すように燃料噴霧の貫徹力
を変化させるようにしている。すなわち、エンジン１が
成層燃焼領域にありかつその回転速度が前記第１設定値
ne1以下のときには、該回転速度の上昇に応じて燃料噴
霧の貫徹力を高める。一方、エンジン回転速度が前記第
１設定値ne1を超えてから第２設定値ne2になるまでは、
燃料噴霧の貫徹力は略一定に維持する。さらに、回転速
度が第２設定値ne2を超えて、エンジン１が均一燃焼領
域に移行すれば、それ以降は燃料の噴射量と噴射可能な
時間間隔とのバランスに応じて燃料噴射圧力を決定する
ようにしている。

【００９９】このような噴霧貫徹力の調節は、ＥＣＵ５
０により所定の制御プログラムに従って燃料供給系２０
の高圧レギュレータ２７が作動されることで、インジェ
クタ１８へ供給される燃料圧力（燃圧）が変更されるこ
とによる。この燃料圧力と噴霧貫徹力との間には図２８
に示すような相関関係があるので、実際の制御手順とし
ては同図の関係を考慮した上で、エンジン回転速度と噴
霧貫徹力との関係が前記図２７(b)に示すものになるよ
うに、燃料噴射圧力を調節することになる。従って、前
記ＥＣＵ５０は、インジェクタ１８による燃料噴霧の貫
徹力をエンジン回転速度が設定値になるまでは該回転速
度の上昇に応じて増大させる一方、エンジン回転速度が
前記設定値以上になれば貫徹力の増大を抑制するという
燃料噴射制御手段の構成にも対応している。

【０１００】尚、タンブル流速及び噴霧貫徹力の調節は
例えば図２９に示すようにしてもよい。すなわち、同図
(a)に示すように、エンジン１の回転速度が第２設定値n
e2以下の間、吸気流動調節弁３４をエンジン回転速度の
増大に応じて徐々に開作動させることにより、タンブル
流Ｔの流速を上限値以下の範囲で徐々に高めるように
し、これに対応するように、燃料噴霧の貫徹力をエンジ
ン回転速度に応じて徐々に高めるようにすればよい。

【０１０１】前記したように、この実施形態の直噴エン
ジン１においては点火プラグ１６の電極付近で対流する
混合気が大きく拡散して希薄化することのないように、
吸気流動調節弁３４の開度を制御して、燃焼室６におけ
るタンブル流Ｔの流速が上限値を超えないように調節す
るようにしているが、このことは、エンジン１の成層燃
焼領域において燃焼室６のタンブル比が所定範囲の値に
なるということを意味する。すなわち、この実施形態で
は燃焼室６のタンブル比が略１．１〜略２．３の範囲の
値になるように、前記タンブル流速の上限値を設定し、
これに対応するようにエンジン１の回転速度ne1，ne2を
設定しているということができる。ここで、タンブル比
というのは、気筒内燃焼室におけるタンブル流の強さの
目安となるもので、具体的には、気筒内の吸気流動の縦
方向角速度を吸気弁のバルブリフト毎に測定して積分
し、その上で該積分値をエンジン角速度で除した値とし
て定義される。従って、タンブル比が一定であれば、エ
ンジン回転速度が大きいほど気筒内のタンブル流の流速
も大きくなる。

【０１０２】また、前記吸気流動縦方向角速度の計測
は、例えば図３０に示すような構成の装置８０によって
行われる。すなわち、同図において符号４はエンジンの
シリンダヘッドを示し、このシリンダヘッド４はリグ装
置８０に横向きに設置されていて、所定気筒の吸気ポー
ト１０，１０の上流端に、吸気供給通路８１により測定
のための吸気を供給するが吸気供給装置８２が接続され
ている。一方、該吸気ポート１０，１０の下流端は接続
管８３によって測定用チューブ８４の略中央部に接続さ
れている。前記吸気供給装置８２はブロワ８５から供給
される空気を、前記吸気ポート１０，１０と測定用チュ
ーブ８４との差圧がスロットル全開時の大気圧に近い状
態になるように調節しながら、該吸気ポート１０，１０
に送給するものである。

【０１０３】さらに、前記測定用チューブ８４は、直径
が例えば気筒の直径と同じで長さがその約１０倍の円筒
からなり、図の上側の端部にはハニカム状のロータ８６
を備えたインパルスメータ８７が接続される一方、図の
下側の端部には、前記ロータ８６と同じ回転抵抗を有す
るダミーロータ８８が接続されている。尚、前記測定用
チューブ８４の長さをその直径の約１０倍としているの
は、測定の精度及び安定性を確保するためであり、同様
の理由で、前記接続管８３はその長さｈが短く（例えば
２ｃｍくらい）かつ直径が気筒の直径と同じにされてい
る。

【０１０４】そうして、前記吸気供給通路８１によりブ
ロワ８５からの空気が吸気ポート１０，１０に送給され
ると、この吸気流は吸気ポート１０，１０を通って測定
用チューブ８３の内部に流入し、周方向に旋回する旋回
流となって該測定用チューブ８４の両端側に移動し、こ
の旋回流によりロータ８６に回転力が加えられる。この
回転力がインパルスメータ８７のトルクアーム８９を介
して測定され、この測定値に基づいて吸気流縦方向角速
度が求められる。

【０１０５】ところで、一般的にインジェクタ１８から
の燃料噴霧の貫徹力は、エンジン１の燃焼室６の温度状
態によって変化するものであるが、この燃焼室６の温度
状態は、そのときのエンジン１の負荷状態や回転速度に
対応して異なるものであり、また、エンジン１の暖機状
態や排気還流（ＥＧＲ）の有無等によっても変化するも
のである。一例を挙げれば、エンジン暖機後には暖機完
了前に比べて燃焼室６に吸入される吸気の温度状態が高
くなり、燃焼温度も上昇して、燃焼室６の温度状態は高
くなる。さらには燃焼温度の上昇によって排気温度も高
くなるので、ＥＧＲ通路４３による排気の還流時には該
高温の排気の影響によって吸気温度が高められることに
なる。その結果、例えば図３１(a)に実線で示すよう
に、燃焼室６の温度状態が高くなると、燃料の気化が促
進されて、同図に破線で示すように噴霧貫徹力が低下す
る傾向がある。

【０１０６】これに対し、上述の如き混合気の適切な成
層化のためには、タンブル流の強さと燃料噴霧の貫徹力
とを均衡させることが極めて重要であるから、この実施
形態では、インジェクタ１８による燃料の噴射圧力を燃
料噴射量やエンジン回転速度に応じて設定した上で、さ
らに、前記のような燃焼室６の温度状態に応じて補正す
るようにしている。具体的には、前記図３１(b)に実線
で示すように、燃料の噴射圧力（燃圧）は、エンジン１
の負荷状態や回転速度、エンジン水温、ＥＧＲ弁４４に
よる排気還流の有無等に基づいて、該エンジン１の温度
状態が高いと推定されるときほど、燃料噴射圧力も高く
なるように補正され、これにより、同図に破線で示すよ
うに噴霧貫徹力が増大する。つまり、気筒２内燃焼室６
の温度状態が上昇して噴霧貫徹力が低下しても、その
分、噴射圧力を高めて噴霧貫徹力を一定に保つことによ
り、点火プラグ１６の電極付近の混合気の濃度状態が変
動することを抑制できるようになっている。

【０１０７】（作用効果）次に、本願発明の火花点火式
直噴エンジン１の成層燃焼時の動作及び作用効果につい
て説明する。

【０１０８】このエンジン１が成層燃焼領域（イ）にあ
るときには、図３２に示す気筒２の吸気行程においてピ
ストン５が上死点位置から下降すると、開状態の吸気弁
１２の傘部と吸気ポート１０の開口端との間隙から吸気
が燃焼室６へ流入し、同図に矢印で示すようにタンブル
流Ｔが生成される。詳しくは、ピストン５の下降によっ
て燃焼室６へ吸い込まれる吸気は、主に吸気ポート１０
の開口端の点火プラグ１６寄りの部位から燃焼室６へ流
れ込む。そして、ピストン５のさらなる下降に伴い、排
気側（図の左側）の気筒内周面に沿うように下方に向か
い、その後、ピストン５の冠面に沿って吸気側（図の右
側）へ曲げられて、そこからさらに上方に向かって流れ
て、燃焼室６の全体に亘って大きく縦方向に旋回するタ
ンブル流Ｔとなる。

【０１０９】続いて、当該気筒２が圧縮行程に移行し
て、ピストン５が下死点位置から上昇すると、このピス
トン５の上昇に伴う燃焼室６容積の減少により、タンブ
ル流Ｔは潰されてコンパクトになり、その流速は徐々に
低下するものの、タンブル流Ｔは崩壊することはなく、
当該気筒２の圧縮行程中期以降まで保持されるようにな
る。また、当該気筒２の圧縮行程中期以降においても、
ペントルーフ型の燃焼室６天井部とピストン５冠面の凹
部５ａとの間に適切な形状の燃焼室空間が残されている
ため、該燃焼室６におけるタンブル流Ｔの保存性が向上
している。このとき、ピストン５の冠面に沿って排気側
から吸気側（図の左側から右側）に流れるタンブル流Ｔ
（タンブル正流）はインジェクタ１８の噴孔の付近で折
り返し、今度は燃焼室６の天井部に沿って吸気側から排
気側へ流れるようになるが、特に前記タンブル正流Ｔ
は、ピストン５冠面の凹部５ａにより案内されて、イン
ジェクタ１８の噴孔に向かうように流れるようになる。

【０１１０】このため、前記図１１に示すように、イン
ジェクタ１８により燃料が噴射されると、この燃料噴霧
の大部分は、ピストン５冠面の凹部５ａに沿って流れる
タンブル流Ｔの流れの強いところに略正対するように衝
突することになる。これにより、燃料液滴の気化霧化や
周囲の空気との混合が促進されるとともに、該燃料噴霧
はタンブル流Ｔを押し退けるように進みながら、徐々に
減速されて、図１に示す当該気筒２の点火時期において
適切な濃度状態の可燃混合気を形成し、この可燃混合気
が燃焼室６中央の点火プラグ１６の電極周りに滞留す
る。しかも、前記凹部５ａの外方から気筒中心に向かう
ように流れるスキッシュ流が前記可燃混合気の拡散を抑
制して、点火プラグ１６の電極周りの滞留精度を高め
る。そして、該点火プラグ１６に通電されることよって
混合気に着火され、良好な成層燃焼が行われる。そし
て、該点火プラグ１６に通電されることよって混合気に
着火され、良好な成層燃焼が行われる。

【０１１１】つまり、気筒２の圧縮行程においてタンブ
ル流Ｔをピストン５冠面の凹部５ａにより案内して、燃
焼室６の中央部からインジェクタ１８の噴孔に向かうよ
うに流すとともに、このタンブル流Ｔに対し燃料噴霧を
適切な方向からかつ適切な拡がり状態でもって効果的に
衝突させることにより、燃焼室６の中央に混合気を適切
に成層化しかつ滞留させることができるものである。

【０１１２】その際、吸気ポート１０に設けられた吸気
流動調節弁３４の開度がエンジン１の運転状態に応じて
制御され、タンブル流Ｔの流速が最適な範囲に収まるよ
うに調節されるとともに、同様にインジェクタ１８から
の燃料噴射圧力が制御されて、燃料噴霧の貫徹力が前記
タンブル流Ｔの流速に見合った最適な範囲に収まるよう
に調節される。このことで、エンジン１の運転状態が成
層燃焼領域（イ）においてアイドル領域から中負荷中回
転領域まで変化しても、その運転状態の変化にかかわら
ず、タンブル流の強さと燃料噴霧の貫徹力とがそれぞれ
強過ぎずかつ弱過ぎない最適な範囲で均衡し、よって、
前記の如く燃焼室６の中央に最適な濃度状態の可燃混合
気を滞留させることができる。

【０１１３】したがって、この実施形態に係る火花点火
式直噴エンジン１によると、成層燃焼領域（イ）の全域
に亘って、気筒２の燃焼室６におけるタンブル流により
燃料噴霧の挙動を適切に制御して、運転状態の変化に依
らず混合気の最適な成層化を達成し、これによる良好な
成層燃焼の実現によって燃費及び出力を改善することが
できる。しかも、そのような混合気の形成方法により、
従来よりも高負荷ないし高回転域まで良好な成層燃焼状
態を実現することが可能になるので、成層燃焼領域の拡
大によって、エンジン１の運転領域全体として、一層高
い燃費改善効果を得ることができる。

【０１１４】その上さらに、前記のように、気筒２の点
火時期に点火プラグ１６の電極付近に適度な濃度状態の
混合気を滞留させることができるので、該混合気に安定
して着火可能な期間が極めて長くなり、気筒２の点火時
期制御の自由度が高まることによっても、燃費及び出力
の改善が図られる。

【０１１５】また、従来例（特開平１１−１６１３３８
号）の如く、インジェクタ１８に対向するキャビティ内
壁面が点火プラグの電極の付近に位置して、燃焼初期の
火炎核の成長を阻害したり、火炎の伝播性を低下させた
りすることがなく、加えて、ピストン冠面への燃料の付
着も低減できるので、このことによっても、燃費及び出
力をさらに高めることができるとともに、排気中の未燃
ＨＣの濃度を低減することができる。

【０１１６】具体的に、図３３及び図３４は、この実施
形態の火花点火式直噴エンジン１の燃費改善及び排気清
浄化の効果を前記従来例の如き直噴エンジンと対比して
示したものである。すなわち、図３３は、エンジン１の
低回転運転時（例えば１５００ｒｐｍ）におけるエンジ
ンの燃費改善率、燃費率及びＨＣ排出率を、それぞれ、
吸気ポートに燃料を噴射するようにしたいわゆるポート
噴射式のエンジンを基準として示したものである。同図
に実線で示すように、本願発明の直噴エンジン１では、
低回転域においても、同図に破線で示す従来型の直噴エ
ンジンに対し燃費が改善しており、しかも、未燃ＨＣの
排出を大幅に低減できることが分かる。これは、ピスト
ンの冠面に対する燃料の付着量を低減できることによる
と考えられる。

【０１１７】また、図３４は、エンジン１の中回転運転
時（例えば２５００ｒｐｍ）における同様の試験結果を
示し、同図に実線で示す本願発明のものでは特に高負荷
側において燃費の改善効果や未燃ＨＣの排出低減効果の
大きいことが見て取れる。これは、従来型の直噴エンジ
ンでは燃料噴霧をピストンのキャビティ内に捉えきれな
いような運転領域においても、本願発明の直噴エンジン
１では、混合気を点火プラグの電極周りに適切に成層化
して、良好な成層燃焼を実現できるからである。

【０１１８】（実施形態２）図３５〜図３９は、それぞ
れ、本願発明の実施形態２に係る火花点火式直噴エンジ
ン１のピストン５の形状を示し、この実施形態２のもの
は、ピストン５の冠面に実施形態１のようなレモン型の
凹部５ａに代えて、それぞれ異なる形状の凹部５ａを設
けたものである。尚、この実施形態２のエンジン１の構
成は、前記凹部５ａの形状以外は前記実施形態１のもの
と同様なので、以下、同一部材には同一の符号を付して
その説明は省略する。

【０１１９】前記図３５(a)，(b)に示すピストン５で
は、凹部５ａのうちの吸気側（図の右側）の部分は概ね
実施形態１のレモン型凹部と同様の形状とされ、一方、
排気側（図の左側）の部分は、凹部５ａの長さ方向の略
中央部から排気側の端部に至るまで、該凹部５ａの幅が
略一定とされている。つまり、このものでは、凹部５ａ
の長さ方向両側の端部のうち、インジェクタ１８から遠
い側（排気側）の端部の幅が、該凹部５ａの長さ方向略
中央部の幅と略同じになっている。尚、ピストン５の冠
面における吸気側には、インジェクタ１８からの燃料噴
霧との干渉を避けるために、前記凹部５ａに連続するよ
うに相対的に小さく浅い凹部５ｂが形成されている。

【０１２０】また、前記図３６(a)，(b)に示すピストン
５も、前記図３５に示したものと同様に、凹部５ａのう
ちの吸気側（図の右側）の部分は概ね実施形態１のレモ
ン型凹部と同様の形状とされているが、排気側（図の左
側）の部分は、凹部５ａの長さ方向略中央部から排気側
の端部に向かって、該凹部５ａの幅が徐々に拡大されて
いる。つまり、このものでは、凹部５ａの長さ方向両側
の端部のうち、インジェクタ１８から遠い側（排気側）
の端部の幅は、該凹部５ａの長さ方向略中央部の幅より
も広くなっている。

【０１２１】そして、前記図３５又は図３６のいずれか
のピストン５では、気筒２の圧縮行程において燃焼室６
の天井部から気筒２の内周面に沿うようにピストン５の
冠面側に流れるタンブル流Ｔが、あまり減衰することな
く、スムーズに凹部５ａ内に導入されるようになり、こ
のことによって、インジェクタ１８からの燃料噴霧の挙
動を制御するためのタンブル流Ｔの流速を十分に確保す
ることができる。

【０１２２】具体的に、図３７は、気筒２の圧縮行程に
おけるクランク角の変化とタンブル比の変化との関係を
示したものであり、同図によれば、ピストン５の冠面に
実施形態１のようなレモン型の凹部を設けたもの（図に
破線で示す）に比べて、前記図３５のように排気側の幅
が略一定の凹部を設けたもの（図に一点鎖線で示す）や
前記図３６のように排気側の幅が徐々に大きくなる凹部
を設けたもの（図に実線で示す）では、圧縮行程中、常
に大きなタンブル比が得られている。すなわち、この実
施形態２のようなピストン５ａを用いれば、特にエンジ
ン１の回転速度が低い状態であっても、タンブル流Ｔの
流速を確保しやすいので、その分、実施形態１のものに
比べて吸気流動調節弁３４の開度を相対的に大きくなる
ように制御することができ、これにより、エンジン１の
吸気絞りによる損失を低減して、さらなる燃費低減が図
られるものである。

【０１２３】さらに、前記図３８に示すピストン５の凹
部５ａは、同図(a)に示すように気筒中心線ｚに沿って
見たときには、前記実施形態１と同様のレモン型である
が、同図(b)に示すように、該気筒中心線ｚに直交しか
つエンジン１のクランク軸７の軸心に沿って見たとき
に、気筒中心よりも排気側の部分が吸気側の部分よりも
深くなるように形成されている。すなわち、このもので
は、前記凹部５ａの容積が、気筒中心線ｚに対しインジ
ェクタ１８に近い吸気側において反対側の排気側よりも
小さくなっており、このことで、相対的に温度状態が低
くて、火炎の伝播が遅くなり易い吸気側の燃焼室容積を
排気側よりも小さくして、該吸気側での異常燃焼の発生
を防止し、ノッキングを抑制することができるものであ
る。

【０１２４】加えて、前記図３９に示すピストン５は、
ピストン５の冠面全体に亘るような球面形状の凹部５ａ
を設けたものである。このものにも、同図(a)，(b)にそ
れぞれ示すように、ピストン５の冠面の吸気側にはイン
ジェクタ１８からの燃料噴霧との干渉を避けるために、
相対的に小さく浅い凹部５ｂが形成されていて、それら
２つの凹部５ａ，５ｂを合わせた容積は、気筒２の圧縮
比に基づいて決定されている。そして、このピストン５
の場合、前記のような凹部５ａの形状によって燃焼室６
のＳ/Ｖ比（サーフェースボリューム比）が小さくなる
ことや、気筒中心線ｚに沿って見て上下左右のあらゆる
方向について火炎の伝播が均等になるといった効果が得
られ、このことによる燃費及び出力の改善が図られる。

【０１２５】尚、前記図３９に示すピストン５の凹部５
ａには、他の例に比べてインジェクタ１８からの燃料噴
霧が噴霧中心線Ｆに沿って見て左右両側に拡がりやすい
という傾向がある。すなわち、前記実施形態１のもので
は、レモン型の凹部５ａの幅方向両側の側壁面によりタ
ンブル流Ｔを内側に案内するとともに、該両側の側壁面
やその外方からのスキッシュ流により燃料噴霧の拡散を
抑えるようにしているが、前記図３９に示すものではそ
のような凹部側壁面やスキッシュ流の作用を得ることは
難しいので、混合気を適切に成層化するために、前記実
施形態１に比べてインジェクタ１８による燃料噴霧の拡
がり角θを相対的に小さく（例えばθ＝略２０°〜略５
０°）設定することが好ましい。

【０１２６】（実施形態３）図４０は、本願発明の実施
形態３に係る火花点火式直噴エンジン１におけるインジ
ェクタ６０からの燃料噴霧の形状を示し、このインジェ
クタ６０からの燃料噴霧は、燃料噴霧の中心線Ｆに直交
する仮想平面において燃料噴霧の大きさが縦横いずれか
一方に偏った扁平状となるものである。尚、この実施形
態３のエンジン１の構成は、前記インジェクタ６０の構
成以外は前記実施形態１，２のものと同様なので、以
下、同一部材には同一の符号を付してその説明は省略す
る。

【０１２７】この実施形態３のインジェクタ６０は、実
施形態１と同様に先端部の噴孔から噴射する燃料に旋回
方向の速度成分を付加するようにしたスワールインジェ
クタであるが、これに加えて、図示しないが、噴孔をイ
ンジェクタ６０の軸心Ｊに対し一側にずらし、かつ該噴
孔の形状を扁平なスリット状としたものである。これに
より、同図(a)に示すようにインジェクタ６０を上方か
ら見ると、該インジェクタ６０からの燃料噴霧の形状
は、前記実施形態１のインジェクタ１８に比べて大きく
拡がって、相対的に大きな噴霧拡がり角θ1を有するも
のになり、一方、同図(b)に示すようにインジェクタ６
０の側方から見たときには、該燃料噴霧は相対的に小さ
な拡がり角θ2を有するものになる。

【０１２８】そして、この実施形態３では、前記のよう
な扁平状噴霧のインジェクタ６０を、燃料噴霧の拡がり
角が、気筒中心線ｚに沿って見たときにクランク軸７の
軸心に沿って見たときよりも大きくなるように設置した
ものである。こうすることで、図４１に示すようにクラ
ンク軸７の軸心に沿って見たとき、気筒中心線ｚの延び
る図の上下方向についての燃料噴霧の拡がり角θ2が相
対的に小さくなり、その分、多くの燃料をピストン５の
凹部５ａに沿って流れるタンブル正流Ｔｍに対し効果的
に衝突させることができるようになる。しかも、燃焼室
６の天井部側へ拡がる燃料噴霧が少ないので、この燃料
噴霧に対するタンブル順流Ｔｓの影響が軽減されるとと
もに、ピストン５の冠面側へ拡がる燃料噴霧も少ないの
で、該ピストン５冠面への燃料の付着も抑制できる。

【０１２９】したがって、この実施形態３によれば、燃
料噴霧が扁平状となるようなインジェクタ６０を用いる
ことにより、実施形態１に比べて、燃料をさらに多くか
つ効果的にタンブル正流Ｔｍに衝突させることが可能に
なり、このことで、該タンブル正流Ｔｍによる燃料噴霧
の挙動制御の精度を向上できる。しかも、前記のような
噴霧形状を利用して、点火プラグ１６の電極を幾何学的
な燃料噴霧エリアの外に位置させることが容易になり、
このようにすれば、該電極への燃料液滴の付着を可及的
に抑制して、点火プラグ１６のくすぶりの発生を確実に
防止できる。

【０１３０】（実施形態４）図４２は、本願発明の実施
形態４に係る火花点火式直噴エンジン１におけるインジ
ェクタ６１からの燃料噴霧の形状を示し、このインジェ
クタ６１は、燃料噴霧の貫徹力が噴霧中心線Ｆに対し一
方の側で反対側よりも大きな非対称噴霧となるものであ
る。尚、この実施形態４のエンジン１の構成は、前記イ
ンジェクタ６１の構成以外は前記実施形態１〜３のもの
と同様なので、以下、同一部材には同一の符号を付して
その説明は省略する。

【０１３１】この実施形態４のインジェクタ６１の特徴
は、同図(b)に拡大して示す噴孔部分の構造にある。す
なわち、このインジェクタ６１においては噴孔部のノズ
ル６２がインジェクタ６１の軸心Ｊに対し傾けて形成さ
れているので、該ノズル６２とボール弁６３との間のシ
ート部を通って上流側から供給される燃料の進行方向
は、同図(b)に矢印で示すようにノズル６２の偏向する
方向に曲げられるとともに、この偏向側の燃料流量割合
が増加することになる。この結果として、同図(a)に示
すように、ノズル６２の偏向側における燃料噴霧の貫徹
力をＬ1とし、反対側における燃料噴霧の貫徹力をＬ2と
すると、前記のように偏向側の燃料流量割合が増加して
いることから、燃料噴霧の運動量に偏差が生じて、前記
偏向側における燃料噴霧の貫徹力Ｌ1がＬ2よりも大きく
なるのである。

【０１３２】そして、この実施形態４では、前記のよう
な非対称噴霧のインジェクタ６１を、図４３に示すよう
に、該インジェクタ６１からの燃料噴霧の貫徹力が気筒
２の圧縮行程において、燃料噴霧中心線Ｆに対しピスト
ン５の冠面に近い側（図の下側）で反対側よりも大きく
なるように配置するとともに、該インジェクタ６１の燃
料噴射方向を、前記噴霧中心線Ｆの傾斜角度δが実施形
態１に比べてやや小さくなるように設定したものであ
る。

【０１３３】したがって、この実施形態４によれば、イ
ンジェクタ６１からの燃料噴霧のうち、ピストン５の冠
面に近い側の部分がタンブル正流Ｔｍに対し略正対して
衝突するようになり、該燃料噴霧の拡がり角の比較的大
きい状態でも、十分に多くの燃料をタンブル正流Ｔｍに
対し効果的に衝突させることができる。一方、燃料噴霧
のうちの燃焼室６の天井部に近い側は貫徹力が小さいの
で、この燃料噴霧がタンブル順流Ｔｓによって流されて
も、そのことによる悪影響は極めて少なく、過拡散する
混合気の量を削減できることから、成層度が向上して、
燃費の向上が図られる。よって、この実施形態４によれ
ば、前記実施形態３と同様にタンブル正流Ｔｍによる燃
料噴霧の挙動制御の精度を向上させることができる。

【０１３４】さらに、図４４に一例を示すように、前記
非対称噴霧のインジェクタ６１を、気筒２の圧縮行程に
おける燃料噴霧の貫徹力が、噴霧中心線Ｆに対し燃焼室
６の天井部に近い側で反対側よりも大きくなるように配
置してもよい。この場合には、燃料噴霧のうちの燃焼室
６天井部に近い側をタンブル正流Ｔｍに対し略正対して
衝突させるために、インジェクタ６１の燃料噴射方向
は、噴霧中心線Ｆの傾斜角度δが前記各実施形態に比べ
て大きくなるように設定するのが好ましい。このように
すれば、前記実施形態３と同じく、インジェクタ６１か
らの燃料噴霧の拡がり角の比較的大きい状態でも、十分
に多くの燃料をタンブル正流Ｔｍに対し効果的に衝突さ
せることができ、一方、ピストン５の冠面に近い側の燃
料噴霧は貫徹力が小さいので、該ピストン５の冠面への
燃料の付着はあまり多くはならないので、この場合も前
記タンブル正流Ｔｍによる燃料噴霧の挙動制御の精度を
向上できる。

【０１３５】尚、このようにした場合には、インジェク
タ１８からの燃料噴霧のうちの燃焼室６天井部に近い側
の貫徹力が大きくなるので、点火プラグ１６の電極は、
気筒２の圧縮行程における幾何学的な燃料噴霧エリアの
外に位置させることが好ましい。

【０１３６】（他の実施形態）本発明は前記実施形態１
〜４に限定されるものではなく、その他の種々の実施形
態を包含するものである。すなわち、前記各実施形態で
は、吸気ポート１０に設けた吸気流動調節弁３４の開度
を変更することで、燃焼室６のタンブル流Ｔの流速を調
節するようにしているが、これに限らず、例えば可変動
弁機構１４により吸気弁１２ないし排気弁１３の開閉作
動時期を変更することによって、タンブル流Ｔの流速を
調節するようにしてもよい。すなわち、図４５(a)に実
線で示すように、排気弁１３の閉作動時期（バルブタイ
ミング）を遅角させれば、同図に仮想線で示す通常の場
合に比べて、排気側から燃焼室６に逆流する既燃ガスの
量が増え、これにより、燃焼室６へ吸入される吸気の流
速ないし流量が減少して、タンブル流Ｔの流速が低下す
るようになる。しかも、この既燃ガスの逆流によって燃
焼室６の温度状態が高められるので、前記のタンブル流
速の低下に対応するように燃料の噴射圧力を低下させて
も、該燃料の気化霧化特性が悪化することはない。

【０１３７】また、同図(b)に実線で示すように、吸気
弁１２及び排気弁１３の開閉作動時期を両方共に遅角さ
せるようにすれば、前記の作用に加えて、吸気効率が低
くなることによってタンブル流Ｔの流速が低下する。こ
のようにすれば、吸気弁１２や排気弁１３の開閉作動時
期の変更量を相対的に少なく抑えて、このことによるエ
ンジン１の運転状態の変動を抑制することができる。或
いは、図示しないが、吸気弁１２の開閉作動時期のみを
遅角させることによっても、タンブル流Ｔの流速を低下
させることができる。

【０１３８】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１の発明
に係る火花点火式直噴エンジンによると、ピストンの冠
面にタンブル流を沿わせる凹部を形成するとともに、そ
のタンブル流に対する燃料の噴射方向や点火プラグの電
極の位置を最適に設定することで、成層燃焼運転時には
気筒の圧縮行程において前記燃料噴射弁により噴射した
燃料噴霧をピストンのキャビティ等に閉じ込めることな
く、前記点火プラグの電極周りに適切に成層化させるこ
とができる。このことで、エンジンの運転状態にかかわ
らず、点火プラグ周りに混合気を適切に成層化させるこ
とができるようになり、燃焼性の向上や成層燃焼領域の
拡大によって、エンジンの全運転領域について見たとき
に燃費を大幅に改善することができる。しかも、ピスト
ン冠面への燃料の付着を抑制しながら、前記の如く混合
気を点火プラグの電極付近に滞留させることができるの
で、点火時期制御の自由度が高まり、このことによって
も燃費及び出力の改善が図られる。

【０１３９】請求項２又は請求項３の発明によると、そ
れぞれ点火プラグの電極の位置が具体化され、請求項１
の発明の効果を十分に得ることができる。

【０１４０】請求項４の発明によると、燃料噴射弁によ
る燃料の噴射方向を点火プラグの電極位置に対して適切
に設定することで、該電極の付近に燃料噴霧を確実に滞
留させて、請求項１の発明の効果を十分に得ることがで
きる。

【０１４１】請求項５の発明によると、燃料噴射弁によ
る燃料の噴射方向を適切に設定することで、タンブル順
流の影響を軽減しながら、燃料噴霧をタンブル正流に対
し効果的に衝突させて、このタンブル正流により燃料噴
霧の挙動をさらに精度良く制御することができる。

【０１４２】請求項６の発明によると、燃料噴射弁によ
る燃料噴霧の形状を扁平状とし、クランク軸の軸心に沿
って見て、気筒中心線の延びる方向についての燃料噴霧
の拡がり角を相対的に小さくさせることで、この燃料噴
霧に対するタンブル順流の影響を軽減しながら、十分に
多くの燃料をタンブル正流に対し効果的に衝突させて、
該タンブル正流による燃料噴霧の挙動制御の精度を高め
ることができる。また、点火プラグの電極への燃料液滴
の付着を可及的に抑制して、くすぶりの発生を防止でき
る。

【０１４３】請求項７の発明によると、燃料噴射弁によ
る燃料噴霧の貫徹力を噴霧中心線に対しピストンの冠面
に近い側で相対的に大きくなるように非対称とし、その
貫徹力の大きい側の燃料噴霧をタンブル正流に対し略正
対して衝突させることで、該燃料噴霧に対するタンブル
順流による悪影響を軽減しながら、十分に多くの燃料を
タンブル正流に対し効果的に衝突させて、該タンブル正
流による燃料噴霧の挙動制御の精度を高めることができ
る。

【０１４４】請求項８の発明によると、燃料噴射弁によ
る燃料噴霧の貫徹力を噴霧中心線に対し燃焼室天井部に
近い側で相対的に大きくなるように非対称とし、その貫
徹力の大きい側の燃料噴霧をタンブル正流に対し略正対
して衝突させることで、該燃料噴霧のピストン冠面への
付着を抑制しながら、十分に多くの燃料をタンブル正流
に対し効果的に衝突させて、該タンブル正流による燃料
噴霧の挙動制御の精度を高めることができる。また、点
火プラグの電極への燃料液滴の付着を可及的に抑制し
て、くすぶりの発生を防止できる。

【０１４５】請求項９の発明によると、ピストンの冠面
の凹部の形状を適切なものとすることで、該凹部に沿っ
て流れるタンブル流を燃料噴霧に対し安定して衝突させ
ることができるとともに、該凹部の幅方向への燃料噴霧
の拡散を抑えることができ、よって、混合気の適切な成
層化を促進できる。

【０１４６】請求項１０又は請求項１１の発明による
と、請求項９の発明における凹部の形状をより適切なも
のとして、タンブル流をスムーズに凹部内に導入し、そ
の流速を十分に確保することができる。

【０１４７】請求項１２の発明によると、ピストン冠面
の少なくとも排気側にスキッシュエリア部を形成するこ
とで、気筒の点火時期近傍において生成されるスキッシ
ュ流により、燃焼室中央における混合気の拡散を抑制し
て、該混合気を点火プラグの電極付近に一層、長く滞留
させることができる。

【０１４８】請求項１３の発明によると、凹部の容積
を、相対的に温度状態の低い吸気側で排気側よりも小さ
くすることで、燃焼室の吸気側における異常燃焼の発生
を防止して、ノッキングを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る火花点火式直噴エン
ジンの気筒の点火時期において、点火プラグの電極付近
に滞留する混合気の様子を示した説明図である。

【図２】エンジンの全体構成図である。

【図３】ピストン冠面、吸気ポート、点火プラグ及びイ
ンジェクタの配置構成を示す斜視図である。

【図４】インジェクタからの燃料噴霧貫徹力と噴霧拡が
り角との対応関係の一例を示すグラフ図である。

【図５】燃料供給系の概略構成図である。

【図６】エンジンを成層燃焼状態又は均一燃焼状態とす
る運転領域をそれぞれ設定した制御マップの一例を示す
図である。

【図７】(a)ピストンの構造を示す上面図、(b) b-b 線
における断面図及び(c) c-c 線における断面図である。

【図８】気筒中心線に沿って見て、ピストン冠面の凹
部、タンブル流及び燃料噴霧の位置関係を示す説明図で
ある。

【図９】インジェクタからの燃料噴霧の幾何学的噴霧エ
リア、噴霧中心線及び噴霧拡がり角を示す説明図であ
る。

【図１０】(a)噴霧拡がり角及び(b)噴霧貫徹力の説明図
である。

【図１１】気筒の燃料噴射時期における図１相当図であ
る。

【図１２】燃料噴霧中心線の変化に伴う噴霧の挙動変化
を示す説明図である。

【図１３】ＴＤＣ近傍における点火プラグの電極付近の
局所空燃比の変化を、燃料噴霧中心線の傾斜角度の変化
に対応づけて示すグラフ図である。

【図１４】燃料噴霧中心線の変化とピストン冠面への燃
料付着量の変化との対応関係を示すグラフ図である。

【図１５】燃料噴霧中心線の傾斜角度を３０°ないし３
６°としたときの、点火プラグの電極付近の局所空燃比
の変化を示すグラフ図である。

【図１６】燃料噴射時期を変更しながら、これに応じた
局所空燃比の変化を示すグラフ図である。

【図１７】噴霧拡がり角の変化と点火プラグの電極付近
の局所空燃比の変化との対応関係を示すグラフ図であ
る。

【図１８】噴霧拡がり角が略２０°のときの混合気の状
態を示す図である。

【図１９】噴霧拡がり角が略６０°のときの図１８相当
図である。

【図２０】ピストン冠面にレモン型凹部を形成した場合
の図１９相当図である。

【図２１】点火プラグの電極位置を気筒の点火時期にお
けるタンブル流と対比して示す説明図である。

【図２２】点火プラグ電極の突出量とタンブル流の流速
との関係を示すグラフ図である。

【図２３】点火プラグ電極の突出量と燃焼変動率との対
応関係を示すグラフ図である。

【図２４】点火プラグ電極の突出割合の範囲を気筒の燃
料噴射時期の変化に対応するように設定したグラフ図で
ある。

【図２５】燃焼室においてタンブル流と燃料噴霧流とが
均衡するＣＦＤ解析の結果を示す図である。

【図２６】(a)タンブル流と噴霧貫徹とが適度に衝突し
ているときと、(b)衝突が過度に激しいときのそれぞれ
について混合気の状態を示す図である。

【図２７】タンブル流速及び噴霧貫徹力のエンジン回転
速度に応じた変化を示すマップ図である。

【図２８】噴霧貫徹力と燃料噴射圧との対応関係を示す
マップ図である。

【図２９】変形例に係る図２７相当図である。

【図３０】タンブル比を測定する装置の概略構成図であ
る。

【図３１】燃焼室の温度状態の変化と、(a)吸気温度及
び噴霧貫徹力の変化と、(b)燃料噴射圧力の変更とこれ
に伴う噴霧貫徹力の変化とを互いに対応付けて示したグ
ラフ図である。

【図３２】気筒の吸気行程における図１相当図である。

【図３３】エンジンの低回転域における燃費改善率、燃
費率及びＨＣ排出率とエンジン負荷との対応関係を従来
型の直噴エンジンと対比して示すグラフ図である。

【図３４】エンジン中回転域についての図３３相当図で
ある。

【図３５】本発明の実施形態２に係る図７相当図であ
る。

【図３６】実施形態２の別の変形例に係る図３５相当図
である。

【図３７】クランク角に対するタンブル比の変化を、ピ
ストン冠面の凹部の形状毎に対比して示すグラフ図であ
る。

【図３８】実施形態２のまた別の変形例に係る図３５相
当図である。

【図３９】実施形態２のさらに別の変形例に係る図３５
相当図である。

【図４０】本願発明の実施形態３におけるインジェクタ
からの燃料噴霧形状を示す説明図である。

【図４１】実施形態３における燃料噴霧とタンブル流と
の関係を示す説明図である。

【図４２】本願発明の実施形態４に係る図４０相当図で
ある。

【図４３】実施形態４に係る図４１相当図である。

【図４４】実施形態４の変形例に係る図４３相当図であ
る。

【図４５】バルブタイミングの変更によりタンブル流速
を調節するようにした他の実施形態の説明図である。

【図４６】第３の従来例における混合気形成の説明図で
ある。

【図４７】従来型の直噴エンジンによる出力改善率と燃
費改善率との間のトレードオフ関係を示すグラフ図であ
る。

【符号の説明】

１ 火花点火式直噴エンジン ２ 気筒 ５ ピストン ５ａ 凹部 ６ 燃焼室 ７ クランク軸 １０ 吸気ポート（タンブル流生成手段） １１ 排気ポート １６ 点火プラグ １８ インジェクタ（燃料噴射弁） Ｆ 燃料噴霧中心線 Ｔ タンブル流 Ｔｍ タンブル正流 Ｔｓ タンブル順流 ｚ 気筒中心線 θ 燃料噴霧拡がり角

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０Ａ ３１０Ｓ 61/18 ３６０ 61/18 ３６０Ｊ Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１ Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１Ａ ３０２ ３０２Ａ (72)発明者 山下 洋幸 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 瀬戸 祐利 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 松本 正和 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 斉藤 史彦 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 荒木 啓二 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 Ｆターム(参考） 3G019 AA08 AA09 KA12 KA15 3G023 AA02 AB03 AC05 AD02 AD08 AD09 AG01 3G066 AA02 AA05 AA13 AB02 AD12 BA16 BA17 BA65 CC32 CC48 CD28 CD29 DC05 DC09 DC11 DC24

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気筒内でピストンの冠面に対向する燃焼
   室の天井部に、該天井部の中心付近から燃焼室に向かっ
   て突出するように点火プラグを配設するとともに、該天
   井部の周縁部から燃焼室中央に向かって燃料を噴射する
   ように燃料噴射弁を配設し、成層燃焼運転時には前記燃
   料噴射弁から噴射させた燃料を前記点火プラグの電極の
   周りに成層化させるようにした火花点火式直噴エンジン
   において、 気筒の圧縮行程において前記点火プラグの電極とピスト
   ンの冠面との間を前記燃料噴射弁に向かうように流れる
   タンブル流を生成可能なタンブル流生成手段を備え、 前記ピストンの冠面には前記タンブル流を沿わせるよう
   に凹部が設けられ、 前記点火プラグの電極は、気筒の圧縮行程における前記
   燃料噴射弁による燃料の噴射開始時期以降であってかつ
   当該気筒の点火時期以前の所定時点において、前記凹部
   に沿って流れるタンブル正流と燃焼室天井部に沿って流
   れるタンブル順流との中間部分に位置し、 前記燃料噴射弁による燃料の噴射方向は、成層燃焼運転
   時の気筒の燃料噴射時期において燃料噴霧の中心線と前
   記凹部の底面との交差する位置が、気筒中心線と前記凹
   部の底面との交差する位置よりも該燃料噴射弁から遠く
   なるように設定されていることを特徴とする火花点火式
   直噴エンジン。
2. 【請求項２】 請求項１において、 点火プラグの電極は、気筒中心線に直交する方向から見
   て、燃料噴射弁の噴孔よりもピストン冠面の近くに位置
   していることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
3. 【請求項３】 請求項１において、 点火プラグの電極は、気筒中心線に沿うように燃焼室の
   天井部から突出しており、 気筒の圧縮上死点における燃焼室天井部からピストン冠
   面までの気筒中心線上の距離をｄとしたとき、該燃焼室
   天井部から前記点火プラグの電極までの距離ｅは、ｅ≧
   ０．４ｄという関係を満たす値であることを特徴とする
   火花点火式直噴エンジン。
4. 【請求項４】 請求項１において、 燃料噴射弁による燃料の噴射方向は、燃料噴霧の中心線
   が点火プラグの電極とピストン冠面の凹部の底面との間
   を通るように設定されていることを特徴とする火花点火
   式直噴エンジン。
5. 【請求項５】 請求項１において、 燃料噴射弁による燃料の噴射方向は、燃料噴霧の中心線
   が気筒中心線に直交する仮想平面に対して略２５°〜略
   ４０°の範囲の傾斜角度をなすように設定されているこ
   とを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
6. 【請求項６】 請求項１において、 燃料噴射弁は、気筒の圧縮行程における燃料噴霧の形状
   が、気筒中心線に沿って見たときにクランク軸の軸心に
   沿って見たときよりも大きく拡がった扁平状となるもの
   であり、 点火プラグの電極は、気筒の圧縮行程における前記燃料
   噴射弁からの幾何学的な燃料噴霧エリアの外に位置する
   ことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
7. 【請求項７】 請求項１において、 燃料噴射弁は、気筒の圧縮行程における燃料噴霧の貫徹
   力が、該燃料噴霧の中心線に対しピストンの冠面に近い
   側で反対側よりも大きくなるものであることを特徴とす
   る火花点火式直噴エンジン。
8. 【請求項８】 請求項１において、 燃料噴射弁は、気筒の圧縮行程における燃料噴霧の貫徹
   力が、該燃料噴霧の中心線に対し燃焼室天井部に近い側
   で反対側よりも大きくなるものであり、 点火プラグの電極は、気筒の圧縮行程における前記燃料
   噴射弁からの幾何学的な燃料噴霧エリアの外に位置する
   ことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
9. 【請求項９】 請求項１において、 凹部は、気筒中心線に沿って見て、燃料噴霧の中心線の
   延びる方向に長い形状とされ、 前記凹部の長さ方向略中央部の幅は、燃料噴射弁に近い
   側の端部の幅よりも広くされ、 前記凹部の長さ方向略中央部において幅方向両側の側壁
   面が底面から所定以上の高さまで突出していることを特
   徴とする火花点火式直噴エンジン。
10. 【請求項１０】 請求項９において、 凹部の長さ方向両側の端部のうち、燃料噴射弁から遠い
    側の端部の幅は、該凹部の長さ方向略中央部の幅と略同
    じであることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
11. 【請求項１１】 請求項９において、 凹部の長さ方向両側の端部のうち、燃料噴射弁から遠い
    側の端部の幅は、該凹部の長さ方向略中央部よりも広い
    ことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
12. 【請求項１２】 請求項１において、 ピストンの冠面における少なくとも排気側の外周側部分
    には、対向する燃焼室の天井部に沿うような形状のスキ
    ッシュエリア部が形成されていることを特徴とする火花
    点火式直噴エンジン。
13. 【請求項１３】 請求項１において、 燃料噴射弁は、吸気及び排気弁のうちの吸気弁の近くに
    位置し、 凹部は、気筒中心線に沿って見て、前記燃料噴射弁によ
    る燃料噴霧の中心線の延びる方向に長い形状とされ、 前記凹部の容積は、気筒中心線に対し前記燃料噴射弁に
    近い側において反対側よりも小さくされていることを特
    徴とする火花点火式直噴エンジン。