(57)【要約】【課題】エンジンの特定運転時において、圧縮上死点以降に点火しても着火安定性、燃焼安定性に優れ、エンジンの温度や触媒の温度を速やかに高めることができ、排気ガスの浄化性能に優れた火花点火式直噴エンジンを提供する。【解決手段】マルチホールインジェクタ７や点火プラグ６を備える火花点火式直噴エンジン１である。ピストン４の頂面１４はペントルーフ形状に形成されている。エンジン１の特定運転時において、吸気工程と圧縮工程後半とで燃料が２回噴射され、圧縮上死点以降に点火が行われるように制御されている。その圧縮工程後半に第２噴口２８ｂから噴射される燃料の噴霧Ｆ２は頂面１４の第１斜面（斜面）４２に衝突した後、点火プラグ６の電極６ａ周りに移送される。その噴霧Ｆ２を電極６ａ周りに留めるように、燃焼室１５の天井部１３における２つの排気弁２０，２０の間の部分に堰状部５０が設けられていてる。【選択図】    図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペントルーフ形状の燃焼室の天井部に各々並列に配設される２つの吸気弁及び２つの排気弁と、上記燃焼室の周縁部に配設され、上記２つの吸気弁の間から燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、上記燃焼室の略中央上部に配設され、電極が燃焼室内に突出する点火プラグと、上記燃焼室の下部を区画するピストンとを備える火花点火式直噴エンジンであって、
圧縮工程後半に終了するタイミングで噴射される燃料の噴霧が、平面視においては上記燃焼室の略中央部を指向し、且つ、上記吸気弁及び排気弁を左右に見る正面視においては上記ピストンの頂面に対して斜めに衝突するように上記インジェクタの噴口の向きが設定され、
上記燃焼室の天井部における上記２つの排気弁の間の部分に、上記電極の下方位置まで突出する堰状部が設けられていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記圧縮工程後半とは、圧縮工程の３／４の期間が経過した後であり、
エンジンの特定運転時に、このタイミングで燃料が噴射され、圧縮上死点以降に点火が行われるように制御されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項３】
請求項２に記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記ピストンの頂面は、上記燃焼室の天井部に沿うようにして上記インジェクタ側に臨む斜面が形成されていて、この斜面に噴霧が衝突するようになっていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記噴霧が上記電極周りに到達するタイミングにおいて、上記斜面をその上端縁から延長させた仮想延長面が上記堰状部と交わ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。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記堰状部における上記燃焼室の中央側の端部の幅は、外周側の端部の幅よりも大きく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。
【請求項６】
請求項２〜請求項５のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記インジェクタには複数の噴口が設けられ、これら複数の噴口の内、少なくともいずれか一つの噴口が上記向きに設定されていて、
エンジンの特定運転時において、吸気工程と圧縮工程後半とで燃料の噴射が複数回に分けて行われることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
更に、上記燃焼室内にスワール流を生成するスワール流生成手段を備え、
上記堰状部は、上記天井部の径方向において、上記燃焼室の中央部分と外周部分とを除いた範囲に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。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記特定運転時とは、エンジンの排気経路に備えられた触媒が未活性状態の時の運転時であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項９】
請求項１〜請求項７のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記特定運転時とは、エンジンの始動直後の冷間時の運転時であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室の周縁部に配設されたインジェクタと、燃焼室の略中央上部に配設された点火プラグとを備え、圧縮工程後半に終了するタイミングで燃料が噴射される火花点火式直噴エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関し、良好な成層燃焼を実現するために、噴射された燃料が安定して電極周りに供給されるように、ピストンの頂面の形状に工夫を凝らすことが検討されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、中央部に球面状のボウルが凹設されたピストンの頂面において、吸気弁側からピストンの略中央に至る範囲に、ボウルよりも更に深く凹んだ凹部を形成し、この凹部によって圧縮上死点付近で噴射される燃料を電極側へ案内するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−１３０１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年では環境問題に対する関心の高まりなどから自動車の排ガス規制が厳しくなっており、自動車の開発において、排気ガスの浄化性能の向上は燃費の向上等とともに重要な関心事となっている。
【０００５】
通常、自動車の排気経路には排気ガスを浄化するために触媒が配設されていて、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯなどの成分がこの触媒の酸化還元作用によって浄化されるようになっている。
【０００６】
しかしながら、この触媒を活性化させて適正な酸化還元作用が発揮されるようにするには、例えば２００℃以上の温度が必要なため、エンジンの冷間始動直後や、エンジンの温間時であっても減速燃料カットが長く続いた時など、温度が低くて触媒が活性化していない場合には、その温度をいかにして速やかに高めるかが課題となっており、その対策の一つとして、点火時期をできるだけ遅らして高い熱量をもった排気ガスを排出させ、その熱によって触媒の温度を高めることが検討されている。
【０００７】
ところが、点火時期を遅らして、混合気が断熱膨張する圧縮上死点以降の膨張行程で点火するような状態になると、点火時期が遅れれば遅れるほど燃焼室内の温度や圧力が低下していくため、着火が難しくなって着火安定性の確保が困難になる。さらに、着火できても火炎が伝播し難くなるため、燃焼安定性の確保もまた困難になるという問題がある。
【０００８】
更に、エンジン始動直後のエンジン冷間時には気筒内も温まっておらず温度も低いため、噴射された燃料が気筒の内壁等に付着すると、燃焼不良やエンジンオイルへの混入などの弊害を招くおそれがある。
【０００９】
この点、先の特許文献１のようにピストンの頂面の形状を工夫すれば、電極周りに燃料の噴霧を安定して移送させることができるため、着火安定性や燃焼安定性の問題をある程度解決することができる。
【００１０】
しかし、電極周りに燃料の噴霧を安定して移送させることができても、そこから分散してしまい、電極周りに混合気をまとめて分布させるのは難しいという問題がある。
【００１１】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、比較的リッチな混合気の塊を点火プラグの電極周りに安定して形成させることができ、着火安定性、燃焼安定性に優れた火花点火式直噴エンジンを提供することにある。また、本発明の目的は、圧縮上死点以降に点火しても着火安定性、燃焼安定性に優れ、エンジンの温度や触媒の温度を速やかに高めることができ、排気ガスの浄化性能に優れた火花点火式直噴エンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明では、ピストンの頂面に衝突して点火プラグの電極周りに移送される噴霧が、その電極周りに留まるように、燃焼室の天井部に堰状部を設けた。
【００１３】
具体的には、本発明は、ペントルーフ形状の燃焼室の天井部に各々並列に配設される２つの吸気弁及び２つの排気弁と、上記燃焼室の周縁部に配設され、上記２つの吸気弁の間から燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、上記燃焼室の略中央上部に配設され、電極が燃焼室内に突出する点火プラグと、上記燃焼室の下部を区画するピストンとを備える火花点火式直噴エンジンであって、圧縮工程後半に終了するタイミングで噴射される燃料の噴霧が、平面視においては上記燃焼室の略中央部を指向し、且つ、上記吸気弁及び排気弁を左右に見る正面視においては上記ピストンの頂面に対して斜めに衝突するように上記インジェクタの噴口の向きが設定され、上記燃焼室の天井部における上記２つの排気弁の間の部分に、上記電極の下方位置まで突出する堰状部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
すなわち本発明では、まず、圧縮工程後半に終了するタイミングで噴射される燃料の噴霧が、平面視においては上記燃焼室の略中央部を指向し、且つ、上記吸気弁及び排気弁を左右に見る正面視においては上記ピストンの頂面に対して斜めに衝突するようにインジェクタの噴口の向きが設定されている。
【００１５】
具体的には、比較的容積が小さくなった燃焼室で、インジェクタからピストンの頂面の略中央部手前へ向かうように斜め下方に燃料が噴射され、その噴霧はピストンの頂面に斜めに衝突してその勢いを弱めながらも、燃焼室の略中央部上方に位置する点火プラグの電極側に流れていく。
【００１６】
噴霧が流れていく方向の電極の先には、電極の下方位置まで突出する堰状部が設けられているので、噴霧の流れはその堰状部によって遮られ、噴霧が分散することなく電極周りに高い確率で留まるようになる。
【００１７】
特に、上記圧縮工程後半とは、圧縮工程の３／４の期間が経過した後であり、エンジンの特定運転時に、このタイミングで燃料が噴射され、圧縮上死点以降に点火が行われるように制御するのが効果的である。
【００１８】
このように圧縮工程後半の上記タイミングで燃料を噴射して圧縮上死点以降に点火、つまり、膨張行程で点火する場合には、着火や燃焼が難しくなるが、上述の通り、電極周りに比較的リッチな混合気の塊を安定して形成することができるため、着火不良や燃焼不良を効果的に抑制することができる。従って、例えば、触媒の温度が低くて排気ガスの浄化がうまくできない状態にあるエンジンの冷間始動時に、高い熱量をもった排気ガスを排出させて触媒の温度を速やかに上昇させることができるようになり、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【００１９】
具体的には、上記ピストンの頂面は、上記燃焼室の天井部に沿うようにして上記インジェクタ側に臨む斜面に形成して、この斜面に噴霧が衝突するようにするとよい。
【００２０】
そうすれば、頂面をペントルーフ形状にした分、燃焼室の容積が相対的に小さくなって圧縮率を高めることができる。そして、噴射した燃料をその一方の斜面に衝突させることで、衝突した噴霧が斜面に沿って流れて電極周りに円滑に移送されるようになり、より安定して電極周りに混合気の塊を形成させることができる。
【００２１】
より具体的には、上記噴霧が上記電極周りに到達するタイミングにおいて、上記斜面をその上端縁から延長させた仮想延長面が上記堰状部と交わるように設定するとよい。
【００２２】
すなわち、ピストンの頂面は、燃料が噴射された後も上昇しているため、頂面に衝突した噴霧は上昇過程にある頂面によってその流れる方向がある程度規制される。そして、その噴霧が電極周り到達したタイミングにおいて、その斜面の上端縁から延長させた仮想延長面が堰状部と交わる、つまり、堰状部の下端がその仮想延長面よりも下側に位置するようになっていると、噴霧のほとんどが堰状部に堰き止められて電極周りに留まることとなり、噴霧の拡散を効果的に抑制することができる。
【００２３】
特に、上記堰状部における上記燃焼室の中央側の端部の幅は、外周側の端部の幅よりも大きく形成しておけば、噴霧が突き当たる方の端部の幅が相対的に大きくなって噴霧を効果的に堰き止めることができる一方で、噴霧の当たらない方の端部の幅が相対的に小さくなって、その両側に位置する排気弁との間に比較的大きなスペースが確保できるので、排気時に堰状部が邪魔になって、大きな排気抵抗が生じるのを効果的に防止することができる。
【００２４】
また、上記インジェクタには複数の噴口が設けられ、これら複数の噴口の内、少なくともいずれか一つの噴口が上記向きに設定されていて、エンジンの特定運転時において、吸気工程と圧縮工程後半とで燃料の噴射が複数回に分けて行われるようにしておくこともできる。
【００２５】
そうすれば、複数の噴口から燃料を分散させて噴射させることができ、燃料の気化霧化を促進させることができる。そして、例えば、各工程で１回ずつ燃料を噴射するとすれば、吸気工程で噴射される燃料は、相対的に容積の大きな燃焼室内に長く滞留して気化霧化が促進されるため、燃焼室内に比較的均一な混合気を形成させることができる。一方、圧縮工程後半では、燃焼室は相対的に小さな容積となって内圧が上昇しているため、噴射される燃料はその貫徹力が弱まって大きく分散することなく容易に移送させることができ、点火プラグ周りに比較的リッチな混合気の塊を形成させることができる。
【００２６】
また更に、上記燃焼室内にスワール流を生成するスワール流生成手段を備え、上記堰状部は、上記天井部の径方向において、上記燃焼室の中央部分と外周部分とを除いた範囲に形成してもよい。
【００２７】
そうすれば、エンジンの冷間始動時を含め、燃焼室内にスワール流を生成させることができ、燃焼室内での燃料の気化霧化を促進させることができる。特に燃焼室の周辺部のスワール流は比較的勢いの強いものとなるが、堰状部は外周部分を除いた範囲に形成されているので、堰状部がそのスワール流の勢いを弱めずに済む。従って、燃焼室周辺部において燃料の気化霧化を促進させることができるので、燃焼が不安定な膨張行程においても火炎伝播が安定するようになり、燃焼安定性を高めることができる。また、燃料の液滴が気筒内壁に付着するのを効果的に防ぐこともできる。
【００２８】
なお、上記エンジンの特定運転時とは、点火時期を圧縮上死点以降に設定したいエンジンの運転時であって、エンジンが比較的温まっている状態であっても触媒が未活性状態の時のエンジン運転時や、エンジン冷間時のエンジン運転時である。
【００２９】
このようなエンジン運転時においては、圧縮上死点以降の点火であっても、着火安定性、燃焼安定性が確保されるため、圧縮上死点以降の点火によって、排気ガス温度の速やかな上昇、ないし、エンジン本体の燃焼熱の受熱容量が高められ、燃焼性、触媒の浄化性能が高められて、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、安定して電極周りに比較的リッチな混合気の塊を形成させることができるので、点火時期を遅らして圧縮上死点以降に点火するような場合であっても着火安定性、燃焼安定性に優れ、エンジンの特定運転時には触媒の温度やエンジンの温度を速やかに高めて排気ガスの浄化性能を向上させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００３２】
（全体構成）
図１は、本実施形態における火花点火式直噴エンジン１（単にエンジン１ともいう）の全体構成を示している。このエンジン１は、車両に搭載される多気筒のガソリンエンジンである。尚、各気筒の主な構成は同様であるため、同図では一つの気筒について表してある。
【００３３】
このエンジン１には、シリンダブロック２やシリンダヘッド３、ピストン４、クランク軸５、点火プラグ６、インジェクタ７、吸気システム８、排気システム９、エンジンコントロールユニット１０（ＥＣＵ１０ともいう）などが備えられていて、例えば圧縮比１４程度の比較的高圧縮比の下で燃焼が行われるように構成されている。そして、通常の運転状態では、低負荷運転領域から高負荷運転領域にわたって混合気を均一化して燃焼が行われ（均一燃焼）、エンジンおよび触媒が温まっていないエンジンの始動直後の冷間時（以下、冷間始動時という）には、混合気を弱成層化して燃焼が行われるように設定されている（弱成層燃焼）。
【００３４】
まず、シリンダブロック２について説明すると、その内部には複数の気筒１１，１１，・・・が設けられていて、シリンダブロック２の上部に配設されるシリンダヘッド３によって各気筒１１の上部が塞がれている。各気筒１１内には、図２に詳しく示すように、その軸Ｚに沿って往復動するようにピストン４が収容されている。各ピストン４は、コネクティングロッドを介してクランク軸５に連結されていて、これらの往復動によってクランク軸５が回転駆動されるようになっている。クランク軸５の一端には、クランク角度を検出するためのクランク角センサ１２が配設されている。そして、これら各気筒１１の上部に、シリンダヘッド３の底面に形成された天井部１３と各ピストン４の頂面とで上下が区画されることによって燃焼室１５が形成されている。
【００３５】
燃焼室１５は、天井部１３が三角屋根形状をしたペントルーフ型をしており、天井部１３の一対の斜面は、それぞれ吸気システム８が設けられた吸気側と排気システム９が設けられた排気側とに臨んでいる。そして、この天井部１３に対応するように（沿うように）、ピストン４の頂面１４はペントルーフ形状に形成されていて、その略中央部分には、キャビティ１６が形成されている。尚、燃焼室１５の天井部１３、及びピストン４の頂面１４については別途後述する。
【００３６】
天井部１３の吸気側の斜面には、図３に示すように、各々吸気弁１８で開閉される２つの開口部１９ａ，１９ｂが並列して開口しており、これら開口部１９ａ，１９ｂに２つの吸気ポート１９，１９の一端がそれぞれ接続されている。各吸気ポート１９は燃焼室１５から斜め上方に延びて、シリンダヘッド３の一側面に形成された開口部に接続されている。
【００３７】
一方、天井部１３の排気側の斜面には、各々排気弁２０で開閉される２つの開口部２１ａ，２１ａが並列して開口しており、これら開口部２１ａ，２１ａに２つの排気ポート２１，２１の一端がそれぞれ接続されている。各排気ポート２１は途中で一つに合流して燃焼室１５から略水平に延びてシリンダヘッド３の他側面に形成された開口部に接続されている。
【００３８】
吸気弁１８及び排気弁２０は、それぞれクランク軸５によって回転駆動される吸気カム軸２２及び排気カム軸２３により、各気筒１１ごとに所定のタイミングで開口部１９ａ，１９ｂ，２１ａを開閉するようになっている。吸気カム軸２２には、クランク軸５に対する回転位相を所定の角度範囲で連続的に変化させることのできる可変動弁機構２５が付設されていて、この可変動弁機構２５の作動によって吸気弁１８の開閉時期は変更制御可能となっている。
【００３９】
点火プラグ６は、燃焼室１５の上部の略中央に位置するようにシリンダヘッド３に配設されていて、その先端部に設けられた電極６ａが、吸排気弁１８，２０で囲まれた天井部１３の略中央部分から燃焼室１５内に突出している。一方、点火プラグ６の基端部には、点火回路２６が接続されていて、各気筒１１ごとに所定の点火タイミングで点火プラグ６に通電が行われる。
【００４０】
インジェクタ７は、燃焼室１５の周縁部における２つの吸気ポート１９，１９の間の下方の部位に配設されていて、燃焼室１５内に燃料を直接噴射できるように、噴口２８の設けられたその先端部が２つの吸気弁１８，１８の間から燃焼室１５内に臨んでいる。このインジェクタ７は、複数の噴口２８を有する多噴口型のインジェクタ７であり、本実施形態では、６つの噴口２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，・・・（単に噴口２８ともいう）が設けられている。尚、これら噴口２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，・・・の向きについては別途後述する。
【００４１】
各インジェクタ７には、各気筒１１共通の燃料分配管３０が接続されていて、所定のタイミングで燃料供給システム３１から所定の圧力に調整された燃料が分配供給されるようになっている。
【００４２】
吸気システム８は、吸気通路３２やサージタンク３３、エアクリーナなどで構成されている。吸気通路３２は吸気ポート１９とサージタンク３３との間に設けられていて、エアクリーナ（図示せず）でろ過された空気がサージタンク３３、吸気通路３２、吸気ポート１９を順に経て各気筒１１の燃焼室１５に送給されるようになっている。
【００４３】
吸気通路３２には、図３に示すように、途中で二股に分岐した一対の分岐通路３２ａ，３２ｂが設けられていて、これら分岐通路３２ａ，３２ｂが各々の吸気ポート１９，１９に接続されている。そして、一方の分岐通路３２ａには、燃焼室１５内にスワール流を形成させるために、送給される空気の流量を変化させる流量制御弁３５が配設されている。
【００４４】
この流量制御弁３５は、分岐通路３２ａの流路を塞ぐ弁体を有し、その弁体が分岐通路３２ａ内に傾動可能に支持されていて、閉じ方向に傾動制御されると流路が絞られ、２つの吸気ポート１９，１９から燃焼室１５内に導入される吸気は相対的に勢いが強まって片寄るようになる。そうなると、図３の矢印線で示すように、燃焼室１５内には、その周方向に渦巻くスワール流が形成される。本実施形態のように、気筒軸Ｚ方向をその上方から見て、時計回りの進行側に位置する開口部１９ｂから勢いのある吸気が導入される場合には、時計回りに渦巻くスワール流が形成されることになる。
【００４５】
排気システム９は、排気マニホールド３６や触媒コンバータ３７、排気管３８、マフラーなどで構成されている。排気マニホールド３６は、各気筒１１の排気ポート２１に接続されていて、その下流側に、触媒コンバータ３７、排気管３８、マフラー（図示せず）がそれぞれ順に接続されている。
【００４６】
触媒コンバータ３７には、ＨＣやＣＯなどの排気ガス中の成分を酸化還元作用により浄化する触媒が設けられている。ただし、この触媒は、温度の低い不活性状態ではその浄化機能が発揮されないため、例えば２００℃以上の所定温度にして活性化させることが必要となる。
【００４７】
ＥＣＵ１０には、エンジン１を運転制御するために、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなどのハードウエアと、各種制御プログラムなどのソフトウエアとが備えられている。
【００４８】
具体的には、ＥＣＵ１０には、点火プラグ６の点火時期を制御する点火制御部１０ａやインジェクタ７の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御部１０ｂ、流量制御弁３５の傾動量を制御する吸気流量制御部１０ｃなどの制御プログラムが備えられていて、ＥＣＵ１０は、エンジン１の各所に取り付けられたクランク角センサ１２やアクセルセンサ、ブレーキセンサ、温度センサなどの各種装置から入力される信号に基づいてエンジン１の運転状態を判定し、可変動弁機構２５や点火回路２６、インジェクタ７、流量制御弁３５などを制御する。例えば、燃焼室１５内のスワール流は、流量制御弁３５が吸気流量制御部１０ｃに制御されることによって生成されることとなる（スワール流生成手段）。
【００４９】
次に、このＥＣＵ１０が主体となって行われる本エンジン１の制御について説明する。
【００５０】
このエンジン１では、排気システム９中の触媒コンバータ３７が適正に機能している通常の運転時には、その運転状態にかかわらず、吸気工程、特にその前半部分でインジェクタ７を作動させて、燃焼室１５全体の空燃比が所定の値になるように混合気の均一化が行われ、吸気工程の後半に点火して燃焼が行われる。この場合、吸気ポート１９の流量制御弁３５は、エンジン１の負荷状態に応じて傾動制御され、燃焼室１５内にはタンブル流やスワール流などが形成されるようになっており、これら吸気の流動を利用して燃料の気化霧化が促進されるようにしている。
【００５１】
一方、温度が低くて触媒が不活性状態にある冷間始動時には、排出される排気ガスの熱量を高めて触媒を速やかに活性化させるために、燃焼室１５内に弱成層化した混合気を形成させ、圧縮上死点以降（例えば−１５°ＢＴＤＣ）に点火して燃焼が行われる。
【００５２】
すなわち、図４に示すように、吸気工程と圧縮工程の後半とにおいて燃料の噴射が複数回に分けて行われる。尚、本実施形態では燃料の噴射は２回行われ、図中、斜線領域がその燃料噴射タイミングを示している。
【００５３】
１回目の燃焼噴射（第１噴射）では、燃料の気化霧化を促進させるために吸気工程の前半において燃料を噴射し、比較的均一な混合気を形成させる。そして、２回目の燃料噴射（第２噴射）では、噴射された燃料をできるだけそのまま点火プラグ６の電極６ａの周り（単に電極６ａ周りともいう）に移送させるために、圧縮工程の３／４の期間が経過した後に噴射が終了するタイミング（例えば３５°ＢＴＤＣ）で燃料を噴射し、電極６ａ周りに比較的リッチな混合気の塊を形成させる。
【００５４】
この場合、吸気ポート１９の流量制御弁３５は、ＥＣＵ１０の吸気流量制御部１０ｃによって流路を完全に塞ぐなど閉じ方向に大きく傾動制御されて、燃焼室１５内には比較的勢いの強いスワール流が形成されるようになっており、スワール流が強化されることにより、第１噴射の燃料の気化霧化が促進され、また、第２噴射の燃料の気筒内壁への付着が効果的に防止できるようになっている。
【００５５】
このように圧縮上死点以降の膨張行程で点火する場合には、燃焼室１５の容積が増加して混合気の温度や圧力が低下するため、着火や燃焼が不安定になるが、電極６ａ周りに比較的リッチな混合気の塊を形成することで、着火安定性に優れ、また、その周りに比較的均一な混合気を形成することで、火炎伝播し易くなって燃焼安定性にも優れることとなる。
【００５６】
そうして、所定時間の経過や、温度センサで計測される触媒の温度が所定温度に達するなど、所定の条件が満たされると、ＥＣＵ１０の制御によって先の通常の運転時の設定に切り替わるように構成されている。
【００５７】
ところで、インジェクタ７の噴口２８の向きであるが、上述の通りこのエンジン１では、通常の運転時には均一燃焼が行われ、そして冷間始動時には弱成層燃焼が行われるため、これらの燃焼形態にバランスよく対応するように設定されている。
【００５８】
例えば図５は、燃料を噴射しているインジェクタ７の先端部を前方から見た図を模式的に示したものであるが、同図に示すように、各噴口２８は、インジェクタ７の先端部の左右方向の略中心を通って上下方向に延びる縦基準線Ｈに対して線対称状に形成されていて、最も上側には、縦基準線Ｈ上に位置する一つの第１噴口２８ａが設けられ、第１噴口２８ａの直ぐ下側には、縦基準線Ｈから左右両側に離れて線対称状に位置する２つの第２噴口２８ｂ，２８ｂが設けられ、これら第２噴口２８ｂ，２８ｂの直ぐ下側には、縦基準線Ｈから両側に第２噴口２８ｂよりも大きく縦基準線Ｈから両側に離れて線対称状に位置する２つの第３噴口２８ｃ，２８ｃが設けられ、これら第３噴口２８ｃ，２８ｃの直ぐ下側には、縦基準線Ｈ上に位置する一つの第４噴口２８ｄが設けられている。尚、図中の矢印線は上下等の方向を表している。
【００５９】
各噴口２８からは、１０°〜２０°程度の広がりをもった円錐形状の噴霧が形成されるようになっていて、通常の運転時や冷間始動時の第１噴射時には、ピストン４が下降していて相対的に容積の大きい燃焼室１５に燃料が噴射されるため、噴射される燃料が気筒１１内全体に広く分散するように、各噴霧が互いに重複することなく放射状に拡がるように各噴口２８の向きが設定されている。
【００６０】
そして、冷間始動時の第２噴射時には、図２に示すように、ピストン４が上昇していて相対的に容積の小さい燃焼室１５に燃料が噴射されるため、ピストン４の頂面１４をうまく活用して電極６ａ周りに燃料が移送されるようにしている。
【００６１】
詳しくは、第１噴口２８ａは、図６に示すように、平面視においては燃焼室１５の略中央部を指向し、図２に示すように、吸気弁１８及び排気弁２０を左右に見る正面視においては、そこから噴射される燃料Ｆ１がキャビティ１６の内壁面に衝突するように向きが設定されている。同様に、第２噴口２８ｂ，２８ｂは、平面視においては僅かに左右にずれながらも燃焼室１５の略中央部を指向し、正面視においてはそこから噴射される燃料Ｆ２がピストン４の吸気側（インジェクタ７側）に臨む斜面（後述する第１斜面４２）に斜めに衝突するように向きが設定されている。第３噴口２８ｃ，２８ｃは、そこから噴射される燃料Ｆ３が第２噴口２８ｂよりも更に左右にずれて第１斜面４２を含む頂面１４に斜めに衝突するように向きが設定され、第４噴口２８ｄはこれら噴口２８ａ，２８ｂ，・・よりも更に下方を指向するように向きに設定されている。
【００６２】
例えば図７の（ａ）〜（ｄ）は、第２噴口２８ｂから噴射される燃料の液滴の変位を示したものであるが、第２噴射時には圧縮されて燃焼室１５の内圧が高まっていることから、その噴霧の貫徹力は相対的に弱くなっており、（ａ）のように噴射された燃料は、（ｂ）のように第１斜面４２に衝突すると、噴射時の勢いが減少して大きく跳ね返ることなく（ｃ）や（ｄ）のように、その表面近傍を沿うようにして流れていき、ピストン４の頂面１４の中央付近、つまりは電極６ａ周りに移送されるようになる。
【００６３】
そうすると、電極６ａ周りに比較的リッチな混合気が形成されるようになるが、電極６ａ周りに到達した後、一部が更にその先に流れたり拡散したりするため、電極６ａ周りに、より濃度の高い混合気を分布させて着火安定性を高めるには限界があった。
【００６４】
そこで、燃焼室１５の天井部１３に堰状部５０を設け、電極６ａ周りに燃料の噴霧を安定して留めることができるようにした。
【００６５】
（要部構成）
次にその本発明の特徴部分について詳しく説明する。
【００６６】
図８はピストン４を示したものであるが、円筒状のピストン４の頂面１４は、燃焼室１５の天井部１３に対応するようにペントルーフ形状に形成されていて、筒軸（気筒軸Ｚ）に直交する平坦なベース面４１と、このベース面４１からそれぞれ斜め上向きに拡がる第１斜面４２及び第２斜面４３と、これら第１斜面４２及び第２斜面４３の上端縁に連なる尾根面４４とを備えている。
【００６７】
ピストン４の頂面１４の外周部分には、スワール流が円滑に流れるようにベース面４１が環状に拡がっている（フランジ部４１ｂともいう）。このフランジ部４１ｂによって、気筒内壁に沿って形成されるスワール流は大きく減衰することなく保持されるので、通常の運転時や冷間始動時の第１噴射時に噴射された燃料は気化霧化が促進され、より均一な混合気を形成することができ、気筒内壁への燃料の付着を軽減することができる。
【００６８】
特に、第２噴射時に噴射された燃料の場合、気筒内壁の温度が高まっていないため、燃料が付着すると燃焼不良やエンジンオイルへの混入を招くおそれが強いが、このようにしておくことで気筒内壁への燃料を付着を効果的に軽減することができる。
【００６９】
頂面１４の略中央部分には、開口縁が略楕円形状をしたキャビティ１６が凹み形成されている。キャビティ１６の内壁面には、べース面４１と面一状に形成され、開口縁よりも小径の略円盤形状をした底面１６ａと、この底面１６ａの周縁と開口縁とに連なって外方に滑らかに湾曲する曲側面１６ｂとが設けられている。
【００７０】
本エンジン１では、圧縮比１４程度の比較的高圧縮比の下で燃焼が行われるため、点火が行われる上死点の近傍では天井部１３とピストン４の頂面１４との間の空間は従来に比べて相当小さくなるが、点火プラグ６の下方にキャビティ１６を位置させてその電極６ａ周りに空間を確保することで、着火安定性、燃焼安定性を向上させている。
【００７１】
このピストン４は、第１斜面４２がインジェクタ７の設けられた吸気側に、第２斜面４３が排気側にそれぞれ臨むように気筒１１内に配設される。
【００７２】
一方、図９は燃焼室１５の天井部１３を示したものであるが、２つの排気弁２０，２０の間、具体的には、天井部１３の２つの排気ポート２１，２１が接続された開口部２１ａ，２１ａの間の部分から下方に突出するように堰状部５０が形成されている。
【００７３】
この堰状部５０は、天井部１３の径方向において燃焼室１５の中央部分と外周部分とを除いた範囲、換言すれば２つの開口部２１ａ，２１ａの間の点火プラグ６寄りの部位に形成されている。外周部分を除いた範囲に形成されているので、堰状部５０でスワール流の勢いを弱めずに済む。
【００７４】
そして、堰状部５０は、両開口部２１ａ，２１ａに連なって天井部１３から気筒軸Ｚに沿って広がるように点火プラグ６側に臨む縦壁面５０ａと、この縦壁面５０ａの下端縁に連なって天井部１３に向かって大きく傾斜するテーパ面５０ｂとを有しており、燃焼室１５の中央側の端部、つまり縦壁面５０ａの幅は、燃焼室の外周側の端部、つまりテーパ面５０ｂが天井部１３と連なる部位の幅よりも大きくなっている。また、縦壁面５０ａの下端は電極６ａの下端よりも下方に突出している。
【００７５】
傾斜が大きいテーパ面５０ｂを形成して、噴霧が当たらない方の端部の幅を相対的に小さくしたのは、その両側に配設されている排気弁２０，２０及び開口部２１ａ，２１ａとの間に比較的大きなスペースを確保して、排気時に堰状部５０によって大きな排気抵抗が生じるのを防ぐためである。
【００７６】
この堰状部５０は、特に第２噴口２８ｂから噴射される燃料の噴霧を電極６ａ周りに留めるために機能する。
【００７７】
すなわち、図１０は、上記第２噴射時において、第２噴口２８ｂ，２８ｂからの噴霧の変化を示したものであり、（ａ）は第２噴口２８ｂからの燃料の噴射が終了したタイミング（例えば３５°ＢＴＤＣ）を、（ｂ）はその噴霧が電極６ａ周りに到達したタイミング（例えば１５°ＢＴＤＣ）を表している。なお、噴霧が電極６ａ周りに到達するタイミングとは、エンジン１の状態にもよるが、例えば、燃料の噴射が終了したタイミングからクランク角度が１５°以上進んだタイミングということができる。
【００７８】
（ａ）のように、燃料の噴射が終了したタイミングでは、まだ、ピストン４は比較的下方に位置しており、噴射された燃料の噴霧はその上昇過程で第１斜面４２に衝突する。そうすると、噴射の勢いは弱まって、燃料の噴霧は上昇する第１斜面４２に沿うようにして電極６ａ側に移送されていく。
【００７９】
そして、（ｂ）のように、噴霧が電極６ａ周りに到達するタイミングにおいては、第１斜面４２をその上端縁から天井部１３側に向かって延長させた仮想の延長面Ｍ（仮想延長面Ｍ）が、堰状部５０と交わるように設定されているため、噴霧は、その下方を第１斜面４２あるいはキャビティ１６に規制され、また、その進行方向前方は堰状部５０の縦壁面５０ａに遮られるため、噴霧の多くがそこに留まることとなって電極６ａ周りに比較的リッチな混合気が塊状に分布するようになる。このとき、堰状部５０の縦壁面５０ａの幅は相対的に大きく形成されているため、噴霧を効果的に堰き止められるようになっている。
【００８０】
またこのとき、図１１に示すように、第１噴口２８ａから噴射される燃料の噴霧（図中、矢印線Ｆ１で示す）は、第２噴口２８ｂ，２８ｂの噴霧（図中、矢印線Ｆ２で示す）よりも速くキャビティ１６内に達するため、後者の噴霧は前者の噴霧に引っ張られ、第２噴口２８ｂの噴霧は電極６ａ周りに移送され易くなっている。
【００８１】
以上、説明したように、本発明によれば、燃料の噴霧を堰状部５０で受け止めることにより、電極６ａ周りに比較的リッチな混合気の塊を安定して形成させることができるので、点火時期を遅らして圧縮上死点以降に点火するような場合であっても着火安定性、燃焼安定性に優れ、エンジンの特定運転時には触媒の温度やエンジン１の温度を速やかに高めて排気ガスの浄化性能を向上させることができるようになる。
【００８２】
なお、本発明にかかる火花点火式直噴エンジン１は、前記の実施の形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。
【００８３】
例えば、上記実施形態では、ピストン４の頂面１４にキャビティ１６が形成されている場合を例示したが、キャビティ１６は無くてもよい。
【００８４】
また、インジェクタ７の噴口数や配置は上記実施形態には限られない。例えば、図１２のように５噴口とし、一つの第２噴口２８ｂを縦基準線Ｈ上に形成してもよい。
【００８５】
噴霧回数も少なくとも１回以上あればよい。スワール流生成手段として上記実施形態では流量制御弁３５を例示したが、それに限らず、例えば吸気弁１８のバルブリフト量の制御や吸気弁１８の停止制御などで構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】実施形態におけるエンジンの全体構成を示す概略図である。
【図２】実施形態におけるエンジンの要部を示す概略断面図である。
【図３】実施形態におけるエンジンの要部を示す概略斜視図である。
【図４】燃料の噴射タイミングを説明するための図である。
【図５】インジェクタの噴口の向きを説明するための概略斜視図である。
【図６】インジェクタの噴口の向きを説明するための平面図である。
【図７】噴射された燃料の液滴の経時的な状態変化をＣＦＤにより求めた図である。（ａ）は噴射終了時を、（ｂ）から（ｄ）はその後の状態を表している。
【図８】（ａ）はピストンの平面図、（ｂ）はピストンの正面図、（ｃ）はピストンの側面図である。
【図９】（ａ）は燃焼室の天井部を燃焼室側から見た図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図１０】第２噴射時において、第２噴口からの噴霧の流れを説明するための図である。（ａ）は噴射終了時を、（ｂ）は噴霧が電極周りに到達したタイミングを表している。
【図１１】第２噴射時の噴霧の流れを説明するための概略平面図である。
【図１２】インジェクタの噴口の別実施例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１  エンジン
４  ピストン
６  点火プラグ
６ａ  電極
７  インジェクタ
８  吸気システム
９  排気システム
１０  ＥＣＵ
１０ａ  点火制御部
１０ｂ  燃料噴射制御部
１０ｃ  吸気流量制御部
１１  気筒
１３  天井部
１４  頂面
１５  燃焼室
１６  キャビティ
１８  吸気弁
１９  吸気ポート
２０  排気弁
２１  排気ポート
２８  噴口
３２  吸気通路
３２ａ、３２ｂ  分岐通路
３５  流量制御弁
３７  触媒コンバータ
４１  ベース面
４２  第１斜面（斜面）
４３  第２斜面
４４  尾根面
４５  吸気弁リセス
５０  堰状部
Ｈ  縦基準線
Ｍ  仮想延長面
Ｚ  気筒軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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