JP5618000B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関するものである。

本出願は、２０１１年４月１２日に出願された日本国特許出願の特願２０１１―８８１２２に基づく優先権を主張するものであり、文献の参照による組み込みが認められる指定国については、上記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の記載の一部とする。

先端部に複数の噴口を有する燃料噴射弁が気筒内の燃焼室に直接燃料を噴射するように配設されている筒内直接噴射火花点火式内燃機関であって、当該燃料噴射弁の先端部がシリンダヘッドに形成された天井壁の周縁部における隣り合った２つの吸気口の間から燃焼室内に臨んでおり、当該複数の噴口の中で最も下向きに燃料を噴射する下方噴射噴口からの下方噴霧が、吸気行程における上死点後１４０度のクランク角度の時に、キャビティにその排気側の端部よりも吸気側で衝突するものが知られている（特許文献１）。

特開２００９−２２８５７９号公報

しかしながら、ピストンに付着する燃料が多くなるため、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）が増加する可能性があった。

本発明が解決しようとする課題は、排気ガスに含まれる粒子状物質を低減させる内燃機関を提供することである。

本発明は、燃料噴射バルブから噴射される噴霧の中心軸を、燃料が噴射された時のピストンの位置におけるピストンの冠面とシリンダの内壁とにより形成される、燃料噴射バルブと反対側の境界部分に指向させることによって上記課題を解決する。

本発明によれば、噴射時において、燃料が噴射される位置から、ピストン冠面とシリンダ内壁により形成され、燃料噴射バルブと反対側に位置する境界部分までの距離が長くなるため、ピストン冠面への燃料の付着を抑制し、排気ガスに含まれる粒子状物質を低減することができる。

本発明の実施形態に係るエンジンのブロック図である。 図１の燃料噴射バルブの周囲の拡大図であり、燃料噴射バルブから噴射される噴霧を示す図である。 図２のIII線に沿う部分断面図である。 図１のピストンの位置と、燃料噴射バルブから噴射される噴霧の中心軸との関係を説明するための、エンジンを示す図である。 図１の燃焼室内における、噴霧の中心の様子を説明するための、ピストン及び燃焼噴射バルブの斜視図である。 図１の燃焼室内における、ピストンの位置と燃料噴射バルブから噴射される噴霧の中心軸との関係を示す図である。 図１の燃焼室内における、ピストンの位置と燃料噴射バルブから噴射される噴霧の中心軸との関係を示す図である。 図１の燃焼室内における、ピストンの位置と燃料噴射バルブから噴射される噴霧の中心軸との関係を示す図である。 図３の各噴射口の噴霧の中心軸が指向する位置と、ピストンとシリンダとの境界部分との位置関係を示す図である。 図３の各噴射口の変形例における、噴霧の中心軸が指向する位置と、ピストンとシリンダとの境界部分との位置関係を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るエンジンにおいて、燃料噴射バルブの噴射口から噴射される噴霧の中心軸を説明する図である。 本発明の他の実施形態に係るエンジンにおいて、燃料噴射バルブの周囲の拡大図であり、燃料噴射バルブから噴射される噴霧を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の実施形態に係るエンジンのブロック図である。本実施形態におけるエンジンは、例えば４気筒の直噴型エンジンである。このエンジンは、図１に示すように、各気筒の燃焼室１２内に臨むように設けられた燃料噴射バルブ２０及び点火プラグ３１を備えている。なお、図１には一つの気筒のみを図示しており、本発明において気筒の数は特に限定されない。

燃焼室１２は、シリンダ１０と、当該シリンダ１０内を往復移動するピストン１１の冠面と、吸気バルブ１３及び排気バルブ１４が設けられたシリンダヘッド１５とで囲まれる空間により構成される。燃料噴射バルブ２０は、シリンダヘッド１５から燃料室１２に臨ませて、シリンダ１１のボアの上部に設けられ、燃焼室１２内の側方から筒内に直接燃料を噴射するように配置されている。点火プラグ３１は、各気筒の燃焼室１２に臨んで装着され、エンジンコントロールユニット１１からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。ピストン１１の冠面には、凹部形状のキャビティ１１１が形成されている。

燃料噴射バルブ２０は、コントロールユニット６０において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動することで、所定の量及び圧力の燃料を燃焼室１２内に噴射する。点火プラグ３１は、コントロールユニット６０からの点火信号に基づいて、燃焼室１２内に充填された混合気に対して点火する。

エンジンは、クランク角センサ３２及びカム角センサ３３を備えている。クランク角センサ３２は、クランクシャフト１７の回転に同期したクランク角の単位角信号を出力する。一方、カム角センサ３３は、カムシャフト１６が一回転する毎（すなわちクランク角で７２０ｄｅｇ毎に相当）に基準信号を出力する。クランク角センサ３２及びカム角センサ３３はいずれもコントロールユニット６０に接続されている。コントロールユニット６０は、クランク角センサ３２から出力される単位角信号に基づいて、エンジンの回転数とピストン１１の位置を検出する。また、コントロールユニット６０は、クランク角センサ３２から出力される単位角信号と、カム角センサ３３から出力される基準信号とに基づいて、膨張行程にある気筒を判別する。

エンジンの吸気バルブ１３に連通した吸気通路４０には、エアフィルタ４１、エアフローメータ４２、スロットルバルブ４３及びインテークマニホールド４６が設けられている。スロットルバルブ４３には、当該スロットルバルブ４３の開度を、ＤＣモータ等のアクチュエータにより制御可能なスロットルバルブ制御装置４４が設けられている。コントロールユニット６０は、アクセルペダルポジションセンサ（図示しない）により検出されたアクセルペダルの操作量等に基づいて必要なトルクを演算し、スロットルバルブ制御装置４４に駆動信号を出力する。スロットルバルブ制御装置４４は、このコントロールバルブ６０からの駆動信号に基づいて、スロットルバルブ４３の開度を電子制御する。また、スロットルバルブ４３には、当該スロットルバルブ４３の開度を検出するスロットルポジションセンサ４５が設けられている。このスロットルポジションセンサ４５は、コントロールユニット６０に接続されており、その検出信号をコントロールユニット６０に出力する。

エンジンの排気バルブ１４に連通した排気通路５０には、排気を浄化するための排気浄化触媒５１と、排気を消音すると共に冷却するマフラ５２と、が設けられている。

コントロールユニット６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んだマイクロコンピュータから構成されており、上述した各種センサ類が接続されている。このコントロールユニット６０は、これらセンサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、スロットルバルブ制御装置４４を介してスロットルバルブ４３の開度を制御し、一体型インジェクタ２０を駆動して燃料噴射量を制御し、点火時期を設定して当該点火時期で点火プラグ３１を点火させる制御を行う。

コントロールユニット６０は、始動時には成層燃焼を行い、本例では、１サイクルあたり、クランク角が吸気行程の上死点後９０〜１２０度の間の時に、例えば上死点後９０度付近を噴射開始時期として１回目の噴射を行い、クランク角が吸気行程の上死点後３００〜３４０度の時に２回目の噴射を行う。また、コントロールユニット６０は、始動時以外の時には均質燃焼を行い、本例では、１サイクルあたり、クランク角が吸気行程の上死点後８０〜２４０度の間の時に噴射を行う。

次に、本発明の特徴部分である、燃料噴射バルブ２０の噴射方向について、図２〜図４を用いて説明する。図２は燃料噴射バルブ２０から噴射される噴霧を説明するための図であり、図１の燃料噴射バルブ２０と、その周囲の燃焼室１２を示している。図３は燃料噴射バルブ２０の噴射口から噴射される噴霧の中心軸を説明する図であり、図２のIII線に沿う部分断面図である。図４はピストンの位置と、燃料噴射バルブ２０から噴射される噴霧の中心軸との関係を説明するための、シリンダ中心線を含む断面で見たエンジンのブロック図の一部分である。

燃料噴射バルブ２０には、複数の噴射口が設けられ、例えば５個あるいは６個の噴射口が設けられている。以下、６個の噴射口が設けられる場合について説明する。

各噴射口１０１〜１０６から噴射される燃料の噴霧は、燃料噴射バルブ２０の先端部から、それぞれ円錐状になるように広がって吹き出される。そして、各噴射口１０１〜１０６の噴霧を含んだ全体の噴霧は、後述するような噴口と噴霧軸の配置に基づき、全ての噴霧で形成される全体としての噴霧形状が、シリンダヘッド側（上側）へ膨らむとともにピストン側（下側）が凹んだ円錐面形状の一部になるように広がって吹き出される。

図２に示すように、燃料噴射バルブ２０の長手方向に、燃料噴射バルブ２０の中心軸（図２の直線Ｌ_１）をとった場合において、燃料噴射バルブ２０の中心軸（図２の直線Ｌ_１）は、シリンダ１０のボアの径方向よりピストン側を向いている。そして、燃料噴射バルブ２０の先端部から、当該中心軸に沿って所定の距離（図２のＣ）分離れた位置で、燃料噴射バルブ２０から噴射される噴霧の断面をみると、６個の噴射口の噴霧の中心軸が図３に示す配置になるように、当該６個の噴射口が燃料噴射バルブ２０の先端部に設けられ、燃焼室１２に向けられている。そして、任意の噴霧の断面から見ても、６個の噴霧の中心軸は、燃料噴射バルブ２０の噴射口の配置とほぼ相似した配置となるように、燃料噴射バルブ２０の噴射口あるいは燃料噴射バルブ２０の先端部が構成されている。なお、図３において、Ｘ軸は図２のIII線及び直線Ｌ_１と垂直な方向の軸であり、Ｙ軸はIII線に沿った軸である。そして、Ｙ軸の正の方向がシリンダヘッド１５側になり、Ｙ軸の負の方向がピストン１１側になる。

６個の噴射口１０１〜１０６から噴射された噴霧はIII線に沿う断面上において、図３に示すような配置となる。この配置は、燃料噴射バルブ２０の先端部における噴射口１０１〜１０６の配置とほぼ同じであって、噴射口１０１〜１０６を出た各噴霧の軸線は、互いが相似形をなす関係を保ちながら全体が拡がって進む。６個の噴射口１０１〜１０６のうち、５個の噴射口１０１，１０２，１０４，１０５，１０６は、燃料噴射バルブ２０の先端部の上側を向いた三角形状に配置されている。三角形状に配置された５個の噴射口のうち、燃料噴射バルブ２０の先端部の最も上側に配置された噴射口１０６は最もシリンダヘッド１５側に配置されている。三角形状に配置された残りの噴射口について、噴射口１０２は三角形の底辺の左側の頂点の位置に配置され、噴射口１０４は三角形の底辺の右側の頂点の位置に配置され、噴射口１０１は噴射口１０６と噴射口１０２との間に配置され、噴射口１０５は噴射口１０６と噴射口１０４との間に配置されている。噴射口１０１と噴射口１０５、及び、噴射口１０２と噴射口１０４は、噴射口１０３と噴射口１０６とを結ぶ直線に対して、それぞれ線対象に配置されている。噴射口１０３は、燃料噴射バルブ２０の先端部において、噴射口１０６より下側の位置に配置され、最もピストン１１側に配置されている。

コントロールユニット６０に制御された噴射タイミングとして、例えば上死点後９０度付近で燃料噴射を開始して、上死点後９０〜１２０度の間に噴射を行なう時、噴霧が燃焼室内壁面（ピストンやボア壁）に到達するタイミングでは、ピストン１１は図４に示すような位置にあり、その時、クランク角は、例えば吸気行程の上死点後１００度付近である。かかる噴射時に、或いはより厳密には、噴射された燃料が燃焼室内壁面に到達する時に、上記のように配置された噴射口１０１〜１０６を有する燃料噴射バルブ２０から噴射されるそれぞれの噴霧の中心軸（図４の直線Ｌ_ｓ）は、概ね、ピストン１１の冠面とシリンダ１０の内壁とにより形成される、燃料噴射バルブ２０と反対側の境界部分Ａ（図４の点線Ａで囲む部分）を指向している。すなわち、本例は、燃料噴射の時に、燃料噴射バルブ２０の噴射口から燃料噴射バルブ２０と反対側の、ピストン１１の冠面あるいはボアで構成される燃焼室内壁面までの距離が最も長くなるように、噴射口１０１〜１０６の噴射の方向、燃料噴射バルブ２０の配置及び噴射タイミングが設定される。

図５は、図４と同じように、上死点後９０〜１２０度の間に噴射を行って、噴霧が吸気工程の上死点後１００度付近で燃焼室内壁面（ピストンやボア壁）に到着しようとするときの噴霧の中心の様子を示した燃焼室内の斜視図である。図５中のハッチング部分は、ピストン１１の冠面とシリンダ１０の内壁とにより形成される、燃料噴射バルブ２０と反対側の境界部分Ａを示している。互いに上下に配置された噴射口１０３と噴射口１０６から噴射される噴霧は、噴霧の重なり度合いが高くなって燃料が過濃になるのを防止するため、境界部分Ａを中心にしてある程度上下に振り分けられているものの、噴射口１０１〜噴射口１０６の中心軸は、概ね、ピストン１１の冠面とシリンダ１０の内壁とにより形成される、燃料噴射バルブ２０と反対側の境界部分Ａを指向する。特に、本実施形態の噴射口１０１、１０２、１０４、１０５から噴射されるそれぞれの噴霧の中心軸は、ピストン１１の冠面とシリンダ１０の内壁とにより形成される、燃料噴射バルブ２０と反対側の境界部分Ａを確実に指向する。

また、シリンダ１０の円周方向に隣接した噴霧は、互いの重なり度合いが高くなり燃料が過濃になるのを防止するため、平面視で見たときに互いの中心が拡がるような向きへと向かっている。このようにして、燃料噴射バルブ２０の複数の噴射口１０１〜１０６から噴射される複数の噴霧の中心軸が、燃料が噴射された時のピストン１１の位置におけるピストン１１の冠面とシリンダ１０の内壁とにより形成される、燃料噴射バルブ２０と反対側の境界部分Ａを指向するように、複数の噴射口１０１〜１０６が構成されている。すなわち、各噴射口１０１〜１０６の噴霧を含んだ全体の噴霧は、全ての噴霧で形成される全体としての噴霧形状が、シリンダヘッド側（上側）へ膨らむとともにピストン側（下側）が凹んだ円錐面形状の一部になるように、平面視においては扇状に拡がって噴き出される。

これにより、燃料噴射バルブ２０から噴射された燃料は、燃焼室１２内において、互いの重なり度合いが高くなることなく、最長距離に沿って噴射されるため、燃料が過濃になるのを防ぎつつ、ピストン１１の冠面及びシリンダ１０の内壁への燃料の付着が抑制される。すなわち、噴霧は、クランク角が上死点後１００度付近のときの境界部分Ａ付近を指向しているので、成層燃焼の際、クランク角が吸気行程の上死点後９０〜１２０度の間にあるときに１回目の噴射を行うことに対応して、噴霧の距離ができるだけ最長距離となるように噴射を行うことができる。

引き続き、図６〜図８を用いて、各噴射口１０１〜１０６から噴射される燃料の噴霧の中心軸の向きについて説明する。図６〜図８はピストン１１の位置と、燃料噴射バルブ２０から噴射される噴霧の中心軸との関係を説明するための、シリンダ中心線を含む断面で見たエンジンのブロック図の一部分である。図６〜図８で示される角度（５０°、７０°、９０°、１１０°、１５０°）はクランク角を示しており（ピストンが上死点にあるときのクランク角を０°とする）、図中に示されるピストン１１の位置は、表示されたクランク角に対応する位置である。

本例において、１つ目の条件として、噴射口１０３から噴射される噴霧の中心軸は、クランク角が上死点後１００度のときの境界部分Ａ付近を指向する向きにすると、他の噴霧と重なってしまう(過濃になる)可能性があるので、（クランク角１００度のときの）境界部分Ａよりは下死点側を指向する向きに配置しつつ、クランク角度が吸気行程の上死点後１５０度である場合に、少なくともピストン１１の冠面を指向しないように配置される。噴射口１０３以外の噴射口１０１、１０２、１０４〜１０６から噴射される各噴霧の中心軸は、前述の通り、クランク角が上死点後１００度のときのピストン１１の冠面とシリンダ１０の内壁とにより形成される境界部分Ａ付近を指向する向きとし、クランク角度が吸気行程の上死点後１１０度である場合に、ピストン１１の冠面を指向しないように配置されている。すなわち、図６に示すように、噴射口１０３から噴射される噴霧の中心軸が、クランク角１５０度における、境界部分Ｂから燃料噴射バルブ２０の先端部の中心点までの直線（図６の直線Ｌ_Ｂ）よりシリンダヘッド１５側になるように配置される。また、噴射口１０３以外の残りの噴射口１０１、１０２、１０４〜１０６から噴射される噴霧の中心軸が、クランク角１１０度における、境界部分Ｃから燃料噴射バルブ２０の先端部の中心点までの直線（図６の直線Ｌ_Ｃ）よりシリンダヘッド１５側になるように配置される。なお、境界部分Ｂ及びＣは、境界部分Ａと同様に、ピストン１１の冠面とシリンダの内壁とにより形成される、燃料噴射バルブ２０と反対側の境界部分であり、境界部分Ｂはクランク角１５０度のピストン１１の位置における当該境界部分であり、境界部分Ｃはクランク角１１０度のピストン１１の位置における当該境界部分である。

また、２つ目の条件として、噴射口１０６から噴射される噴霧の中心軸は、クランク角が上死点後１００度のときの境界部分Ａ付近を指向する向きにすると、他の噴霧と重なってしまう(過濃になる)可能性があるので、（クランク角１００度のときの）境界部分Ａよりは上死点側を指向する向きに配置しつつ、クランク角度が吸気行程の上死点後７０度である場合に、少なくともシリンダ１１の内壁を指向しないように配置される。噴射口１０６以外の噴射口１０１〜１０５から噴射される各噴霧の中心軸は、前述の通り、クランク角が上死点後１００度のときのピストン１１の冠面とシリンダ１０の内壁とにより形成される境界部分Ａ付近を指向する向きとし、クランク角度が吸気行程の上死点後９０度である場合に、シリンダ１１の内壁を指向しないように配置されている。すなわち、図７に示すように、噴射口１０６から噴射される噴霧の中心軸が、クランク角７０度における、境界部分Ｄから燃料噴射バルブ２０の先端部の中心点までの直線（図７の直線Ｌ_Ｄ）よりクランクシャフト１７側になるように配置され、噴射口１０６以外の残りの噴射口１０１〜１０５から噴射される噴霧の中心軸が、クランク角９０度における、境界部分Ｅから燃料噴射バルブ２０の先端部の中心点までの直線（図７の直線Ｌ_Ｅ）よりクランクシャフト１７側になるように配置される。

また、３つ目の条件として、噴射口１０１〜１０６から噴射される噴霧の各中心軸は、クランク角度が圧縮行程の上死点前５０°より上死点側である場合に、ピストン１１の冠面に設けられたキャビティ１１１内を指向するように配置される。すなわち、図８に示すように、噴射口１０３から噴射される噴霧の中心軸（Ｌ_３）と、噴射口１０６から噴射される噴霧の中心軸（Ｌ_６）と、中心軸（Ｌ_３）と中心軸（Ｌ_６）との間に配置される、噴射口１０１、１０２、１０４、１０５から噴射される噴霧の中心軸（Ｌ_５）とが、ピストン１１の冠面に設けられたキャビティ１１１内を指向するように配置される。

各条件はそれぞれ独立して採用することもできるが、上記の（図６から図８に記載された）例では、噴射口１０３と噴射口１０６からの噴霧がそれぞれ互いに上下に（境界部分Ａから）離反するように構成（１つ目の条件と２つ目の条件を採用）されている。互いに離反させることで、噴霧の重なりが燃料の過濃をもたらすことを確実に防止している。

複数噴射口の幅方向中央（図３のＸ方向中央）は、噴射口からピストン冠面とボアとの境界部分までの距離が比較的長くとれる。そこで、噴射口の数を増やして噴射口を上下（図３のＹ方向）に配置せざるを得なくなった場合でも、上記の例のように、上下の重なり位置を幅方向中央（図３のＸ方向中央）とすれば、ピストン冠面やボア壁面への燃料付着量（壁流）を少なくすることができる。噴射口の数を増やすと、１つ１つの噴射口の面積は相対的に小さくすることができるので、噴霧を構成する燃料の微粒化を促進することができる。

そして、本発明において、コントロールユニット６０は、上述した成層燃焼時又は均質燃焼時の噴射タイミングで燃料を噴射させると、各噴射口１０１〜１０６を上記の１つ目の条件を満たすように配置することで、ピストン１１の冠面に付着する燃料が抑制される。すなわち、全体的にピストン冠面に向かう燃料は主に噴射口１０３の燃料だけであり、長い距離を経て気化が進んだ燃料が到達するだけで済む。上記の１つめの条件は、コントロールユニット６０による噴射タイミングで燃料を噴射した場合に、燃料の圧力や量の誤差等も加味した上で、ピストン１１の冠面への付着燃料が減少するように設定された条件である。そして、ピストン１１の冠面に付着する燃料を少なくすることで、排ガスに含まれる粒子上物質を減少させることができるため、本例は、上記の１つ目の条件を満たすように、燃料噴射バルブ２０及び噴射口１０１〜１０６を配置することで、排気ガスに含まれる粒子状物質を低減させることができる。

また、本発明において、コントロールユニット６０は、上述した成層燃焼時又は均質燃焼時の噴射タイミングで燃料を噴射させると、各噴射口１０１〜１０６の向きを上記の２つ目の条件を満たすように設定することで、シリンダ１０の内壁に当たる燃料が抑制される。すなわち、全体的にシリンダ壁面に向かう燃料は主に噴射口１０６の燃料だけであり、長い距離を経て気化が進んだ燃料が到達するだけで済む。上記の２つめの条件は、コントロールユニット６０による噴射タイミングで、燃料を噴射した場合に、燃料の圧力や量の誤差等も加味した上で、シリンダ１０の内壁に当たる燃料を減らすために設定された条件である。これにより、本例は、上記の２つ目の条件を満たすように、燃料噴射バルブ２０及び噴射口１０１〜１０６を配置することで、シリンダ１０の内壁に当たる燃料を減らすことができるため、オイルの希釈を抑制することができる。

また、本発明において、コントロールユニット６０は、上述した成層燃焼時の噴射タイミングで燃料させると、各噴射口１０１〜１０６の向きを上記の３つ目の条件を満たすように設定することで、成層燃焼時に噴射された燃料がキャビティ１１１に指向するように噴射されるため、点火のタイミングで燃料を点火栓周りに留まらせ、成層燃焼時によるエンジンの始動の安定性が高まる。

ここで、本例における噴射口１０１〜１０６の位置関係と上記の３つの条件との関係を、図９を用いて説明する。図９は、図３に示す各噴射口１０１〜１０６の噴霧の中心軸が指向する位置と、ピストン１１とシリンダ１０との境界部分との位置関係を、クランク角毎に説明するための図である。図９において、点線ａ〜ｆは、ピストン１１の冠面とシリンダ１０の内壁とにより形成される、燃料噴射バルブ２０と反対側の境界部分の一部分を示しており、それぞれ、クランク角５０度、７０度、９０度、１１０度、１３０度、１５０度の時の境界部分の位置を示す。また、図９のＹ軸方向について、各点線ａ〜ｆより正の方向がシリンダ１０の内壁側に対応し、各点線ａ〜ｆより負の方向がピストン１０の冠面側に対応する。例えば、クランク角が１００度の時には、噴射口１０１、１０２、１０４、１０５の噴霧の中心軸は、ピストン１１とシリンダ１０との境界部分を指向しており、噴射口１０６の噴霧の中心軸は、当該境界部分よりシリンダ１０側であるシリンダ１０の内壁を指向しており、噴射口１０３の噴霧の中心軸は、当該境界部分よりピストン１１側であるピストン１１の冠面を指向している。

図９に示すように、クランク角が９０〜１２０度で、例えば９０度を噴射開始時期として、燃料が噴射された時には、噴射開始時期を基準にすると、噴霧が進む間にクランク角は１００度付近まで進み、少なくとも、噴射口１０１、１０２、１０４〜１０６の噴霧が、点線ｄよりもＹ軸の正の方向側、言い換えると、ピストン１１とシリンダ１０との境界部分から始まりシリンダ１０の内壁側に至る範囲を指向するため、上記の１つ目の条件を満たし、ピストン１１の冠面への燃料の付着が低減される。また、噴射口１０１〜１０５の噴霧が、点線ｃよりもＹ軸の負の方向側、言い換えると、ピストン１１とシリンダ１０との境界部分に始まりピストン１１側に至る範囲を指向するため、上記の２つ目の条件を満たし、シリンダ１０の内壁へ燃料が当たり難くなる。また、クランク角が５０度より上死点側で燃料が噴射された時には、噴射口１０１〜１０６の噴霧の中心軸が、点線ａよりもＹ軸の負の方向側、言い換えると、ピストン１１の冠面上に設けられたキャビティ１１１を指向するため、上記の３つ目の条件を満たし、成層燃焼時によるエンジンの始動が安定する。

上記のように、本例において、燃料噴射バルブ２０から噴射される噴霧の中心軸は、燃料が噴射された時のピストン１１の位置におけるピストン１１の冠面とシリンダ１０の内壁とにより形成される、燃料噴射バルブ２０と反対側の境界部分を指向している。これにより、ピストン１１の冠面及びシリンダ１０の内壁への燃料の付着を抑制することができる。

また本例は、複数の噴射口１０１〜１０６のうち、最もピストン１１側に配置された噴射口１０３から噴射される噴霧の中心軸を、吸気行程の上死点後１５０度のクランク角度の時に、ピストン１１の冠面に指向されないように配置し、噴射口１０３以外の噴射口１０１、１０２、１０４〜１０６から噴射される噴霧の中心軸を、吸気行程の上死点後１１０度のクランク角度の時に、ピストン１１の冠面に指向されないように配置する。これにより、ピストン１１の冠面に付着する燃料が少なくなるため、排気ガスに含まれる粒子状物質を低減させることができる。

また本例は、複数の噴射口１０１〜１０６のうち、最もシリンダヘッド１５側に配置された噴射口１０６から噴射される噴霧の中心軸を、吸気行程の上死点後７０度のクランク角度の時に、シリンダ１０の内壁に指向されないように配置し、噴射口１０６以外の噴射口１０１〜１０５から噴射される噴霧の中心軸を、吸気行程の上死点後９０度のクランク角度の時に、シリンダ１０の内壁に指向されないように配置する。これにより、本例は、シリンダ１０の内壁に当たる燃料を減らすことができるため、オイルの希釈を抑制することができる。

また本例において、複数の噴射口１０１〜１０６から噴射される噴霧のそれぞれの中心軸は、圧縮行程の上死点前５０度より上死点側のクランク角度の時に、ピストン１１の冠面に設けられたキャビティ１１１を指向している。これにより、本例は、成層燃焼時におけるエンジンの始動の安定性を高めることができる。

また本例は、成層燃焼では、吸気行程の上死点後９０〜１２０度の間のクランク角の時に、及び、吸気行程の上死点後３００〜３４０度の間のクランク角の時に、燃料を噴射し、均質燃焼では、吸気行程の上死点後８０〜２４０度の間のクランク角の時に燃料を噴射する。これにより、排気ガスに含まれる粒子状物質を低減するような条件下で、燃料噴射タイミングを設定することができる。

なお、本例は、噴射口１０１〜１０６を図３に示すように配置したが、図１０に示すように配置してもよい。図１０は、本発明の変形例における、噴射口から噴射される噴霧の中心軸を説明する図であり、図２のIII-III線に沿った部分断面図に相当する。

図１０に示すように、６個の噴射口１０１〜１０６は同一平面上で、湾曲状に配置され、Ｙ軸に対して線対称に配置されている。６個の噴射口１０１〜１０６のうち、最もＹ軸の正の方向側に近い位置に配置された、噴射口１０１と噴射口１０６との間隔が最も短く、Ｙ軸の正の方向側に二番目に近い位置に配置された噴射口１０２と噴射口１０５との間隔が二番目に短く、最もＹ軸の負の方向側に近い位置に配置された噴射口１０３と噴射口１０４との間隔が最も長い。

図１０に示すように、噴射口１０１〜１０６がピストン１１とシリンダ１０との境界部分に対応するように並べられている（上下に配置された噴射口がない）場合には、本例は、噴射口１０１〜１０６から噴射される噴霧の中心軸を、吸気行程の上死点後１１０度のクランク角度の時に、ピストン１１の冠面に指向されないように配置する。これにより、ピストン１１の冠面に付着する燃料が少なくなるため、排気ガスに含まれる粒子状物質を低減させることができる。

また、かかる場合には、本例は、噴射口１０１〜１０６から噴射される噴霧の中心軸を、吸気行程の上死点後９０度のクランク角度の時に、シリンダ１０の内壁に指向されないように配置する。これにより、本例は、シリンダ１０の内壁に当たる燃料を減らすことができるため、エンジン潤滑オイルの希釈を抑制することができる。

なお、本例では、６個の噴射口１０１〜１０６を設ける例を挙げて説明したが、噴射口１０１〜１０６は必ずしも６個にする必要はなく、５個であってもよい。

なお、本例のコントロールユニット６０が本発明の「燃料噴射バルブ制御手段」に相当する。

《第２実施形態》
図１１は、本発明の他の実施形態に係るエンジンにおいて、燃料噴射バルブ２０の噴射口から噴射される噴霧の中心軸を説明する図である。本例では上述した第１実施形態に対して、各噴霧の方向を示すベクトルに関する条件を加えている点が異なる。これ以外の構成は上述した第１実施形態と同じであり、その記載を援用する。なお、図１１は、図２のIII線に沿う部分断面図に相当する図である。

６個の噴射口１０１〜１０６から噴射された噴霧は図２のIII線に沿う断面上において、図１１に示すような配置となる。この配置は、燃料噴射バルブ２０の先端部における噴射口１０１〜１０６の配置とほぼ同じであって、噴射口１０１〜１０６を出た各噴霧の軸線は、互いが相似形をなす関係を保ちながら全体が拡がって進む。６個の噴射口１０１〜１０６は、６個の噴射口１０１〜１０６の中心線（III-III線の直線に相当、図１１のＹ軸）に対して線対称になるように配置され、噴射口１０３、１０６は当該中心線上に配置されている。噴射口１０６は燃料噴射バルブ２０の中心軸（図２の直線Ｌ_１）よりピストン側に配置され、噴射口１０３は、噴射口１０６より下側の位置に配置され、最もピストン１１側に配置されている。

噴射口１０１と噴射口１０５がＹ軸に対して線対称になるよう配置され、噴射口１０２と噴射口１０４がＹ軸に対して線対称になるよう配置されている。また、噴射口１０１は、Ｘ軸方向では噴射口１０３、１０６と噴射口１０２との間に配置され、Ｙ軸方向では噴射口１０６と噴射口１０２、１０３との間に配置されている。噴射口１０５は、Ｘ軸方向では噴射口１０３、１０６と噴射口１０４との間に配置され、Ｙ軸方向では噴射口１０６と噴射口１０３、１０４との間に配置されている。

第１実施形態に係る３つ目の条件として、本発明では、噴射口１０１〜１０６から噴射される噴霧の各中心軸は、クランク角度が圧縮行程の上死点前５０°より上死点側である場合に、ピストン１１の冠面に設けられたキャビティ１１１内を指向するように配置されている。本発明では、燃料の噴霧をキャビティ１１１だけでなく、点火プラグ３１にも効果的に指向させるために、以下の条件を加える。

図１２は、燃料噴射バルブ２０から噴射される噴霧を説明するための図であり、燃焼室１２の断面図である。複数の噴射口１０１〜１０６は、上記のように、それぞれ異なる方向を向いており、それぞれの噴射口１０１〜１０６の向きを空間のベクトルで表すことができる。噴射口１０１〜１０６のそれぞれのベクトルは、各噴射口１０１〜１０６の中心軸上の（中心軸に沿った）ベクトルとなる。ここで、各噴射口１０１〜１０６のベクトルの大きさは、全て同じ大きさ（スカラー量）とする。

噴射口１０１〜１０６の各噴霧は、燃料噴射バルブ２０の先端部分の中心点（図１２の点Ｏ）から、噴霧の中心軸を中心とした円錐状になるように広がって噴き出されるため、各噴射口１０１〜１０６のベクトルの始点は、当該中心点となる。そして、各噴射口１０１〜１０６のベクトルの総和をとると、図１２のベクトル（Ｖｋ）で表される。総和ベクトルは、噴射口１０１〜１０６の全体の噴霧の中心の方向に相当する。

この総和ベクトル（Ｖｋ）とピストン１１の移動軸（シリンダ１０の中心線）を含む平面において、総和ベクトル（Ｖｋ）のベクトル成分を、ピストン１１の移動軸に垂直な方向で、かつ、点火プラグ側への方向（図１２のＰ軸）の成分と、ピストン１１の移動軸に沿う方向で、かつ、ピストン１１側への方向（図１２のＱ軸）成分をとる。総和ベクトル（Ｖｋ）のＰ軸方向の成分をベクトル（Ｖｋｐ）で表し、Ｑ軸方向の成分をベクトル（Ｖｋｑ）で表すと、図１２のように表される。

そして、４つ目の条件として、総和ベクトル（Ｖｋ）のＰ軸方向へスカラー量（ＶｋのＰ軸成分）が、総和ベクトル（Ｖｋ）のスカラー量（総和ベクトルの大きさ）に対して、４０〜５０パーセントの間になるように、各噴射口１０１〜１０６の中心軸の向きを設定する。言い換えると、総和ベクトル（Ｖｋ）のスカラー量に対するベクトル（Ｖｋｐ）のスカラー量の割合が４０〜５０パーセントの間になるように、各噴射口１０１〜１０６の中心軸の向きを設定する。

これにより、噴射口１０１〜１０６から点火プラグ３１の方向に指向する噴霧を一定の範囲内にしつつ、噴霧をキャビティ１１１にも指向することができるため、成層燃焼時において、燃料噴射量を抑えつつ、点火プラグ３１の周りに着火性の高い混合気を形成することができる。その結果として、安定した成層燃焼を実現し、未燃炭化水素（ＨＣ）を低減し、また排気ガスに含まれる粒子状物質を低減することができる。

さらに、本例では、安定したリタード燃焼、排気ガスの有害物質の低減効果をより高めるために、総和ベクトル（Ｖｋ）のＰ軸方向へスカラー量が、総和ベクトル（Ｖｋ）のスカラー量に対して、４４．３パーセント〜４８．３パーセントの間（４６．３％の±２％の範囲）になるように、各噴射口１０１〜１０６の中心軸の向きを設定するとよい。

なお、本例において、Ｐ軸方向は、ピストン１１の移動軸と総和ベクトル（Ｖｋ）を含む断面おいて、当該移動軸に対して垂直な方向であるが、言い換えると、Ｐ軸方向は、燃料噴射バルブ２０の先端部分の中心点（図１２の点Ｏ）から、点火プラグ３１の鉛直方向への延長線に対して垂直に交わる直線（シリンダ１１の径方向への直線）の方向になる。さらに、言い換えると、Ｐ軸方向は、燃料噴射バルブ２０の中心軸（図２の直線Ｌ_１）が指向しているボアに対して、対向しているシリンダ１１の径方向である。

１０…シリンダ
１１…ピストン
１２…燃焼室
１３…吸気バルブ
１４…排気バルブ
１５…シリンダヘッド
１６…カムシャフト
１７…クランクシャフト
２０…燃料噴射バルブ
３１…点火プラグ
３２…クランク角センサ
３３…カム角センサ
４０…吸気通路
４１…エアフィルタ
４２…エアフローメータ
４３…スロットルバルブ
４４…スロットルバルブ制御装置
４５…スロットルポジションセンサ
４６…インテークマニホールド
５０…排気通路
５１…排気浄化触媒
５２…マフラ
６０…コントロールユニット
１０１〜１０６…噴射口

Claims (8)

1. ピストンとシリンダにより形成される燃焼室内の側方から筒内に直接燃料を噴射するように吸気バルブ側に配置され、複数の噴射口を有する燃料噴射バルブを備えた内燃機関であって、
   前記燃料噴射バルブの複数の噴射口から噴射される複数の噴霧で形成される全体としての噴霧形状がシリンダヘッド側へ膨らむとともにピストン側が凹んだ円錐面形状の一部となり、
   前記複数の噴射口のうち特定の複数の噴射口から噴射される複数の噴霧のそれぞれの中心軸が、燃料が噴射された時の前記ピストンの位置における前記ピストンの冠面と前記シリンダの内壁とにより形成される、排気バルブ側の境界部分を指向し、前記複数の噴射口のうち前記特定の複数の噴射口に含まれない一の噴射口から噴射される噴霧の中心軸が、前記境界部分よりも下死点側を指向するように、前記複数の噴射口が構成されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記複数の噴射口のうち、最もピストン側に配置された噴射口から噴射される噴霧の中心軸が、
   吸気行程の上死点後１５０度のクランク角度の時に、前記ピストンの冠面に指向されないように配置され、
   前記複数の噴射口のうち、前記最もピストン側に配置された噴射口以外の噴射口から噴射される噴霧の中心軸が、
   吸気行程の上死点後１１０度のクランク角度の時に、前記ピストンの冠面に指向されないように配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記複数の噴射口のうち、最もシリンダヘッド側に配置された噴射口から噴射される噴霧の中心軸が、
   吸気行程の上死点後７０度のクランク角度の時に、前記シリンダの内壁に指向されないように配置され、
   前記複数の噴射口のうち、前記最もシリンダヘッド側に配置された噴射口以外の噴射口から噴射される噴霧の中心軸が、
   吸気行程の上死点後９０度のクランク角度の時に、前記シリンダの内壁に指向されないように配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関。
4. 前記複数の噴射口から噴射される噴霧のそれぞれの中心軸が、
   吸気行程の上死点後１１０度のクランク角度の時に、前記ピストンの冠面に指向されないように配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
5. 前記複数の噴射口から噴射される噴霧のそれぞれの中心軸が、
   吸気行程の上死点後９０度のクランク角度の時に、前記シリンダの内壁に指向されないように配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は４記載の内燃機関。
6. 前記複数の噴射口から噴射される噴霧のそれぞれの中心軸が、
   圧縮行程の上死点前５０度のクランク角度の時に、前記ピストンの冠面に設けられたキャビティを指向している
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 前記複数の噴射口から噴射される噴霧のそれぞれの中心軸上で各噴霧の方向を示すベクトルの総和ベクトルと、前記ピストンの移動軸とを含む平面において、
   前記移動軸に垂直な方向への前記総和ベクトルの成分が、前記総和ベクトルの大きさに対して４０〜５０パーセントの間である
   ことを特徴とする請求項６記載の内燃機関。
8. 成層燃焼では、吸気行程の上死点後９０〜１２０度の間のクランク角の時に、及び、吸気行程の上死点後３００〜３４０度の間のクランク角の時に、燃料を噴射するよう前記燃料噴射バルブを制御し、
   均質燃焼では、吸気行程の上死点後８０〜２４０度の間のクランク角の時に燃料を噴射するよう前記燃料噴射バルブを制御する燃料噴射バルブ制御手段をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。

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