(57)【要約】      （修正有）【課題】広い運転領域で良好な成層混合気を形成し、筒内空気流動が強くなっても空気と燃料を良好に混合して空気利用率の高い直噴エンジンを提供する。【解決手段】ピストンの頂面部に、タンブルを維持する凹所を設ける一方、燃焼室の吸気側に臨設された燃料噴射弁の複数の噴射口のうちの少なくとも一つから噴射される燃料噴霧が前記凹所を指向するようにされ、前記凹所には圧縮行程噴射が行われる際、前記凹所に向かう少なくとも一つの燃料噴霧が衝突して点火プラグに向け反射するように、その傾斜角度や曲率等が設定された平坦面ないし曲面からなる噴霧反射面を設ける。【選択図】図４
2008057479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダに摺動自在に嵌挿されたピストンと、該ピストン上方に画成される燃焼室内に直接燃料を噴射する複数の噴射口を持つ燃料噴射弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内でタンブルを生成すべく吸気系に設けられたタンブル生成手段と、前記燃料噴射弁による燃料噴射態様を制御する制御手段と、を備えた直噴エンジンであって、
前記ピストンの頂面部に、前記タンブルを崩すことなく維持保存するための凹所が設けられるとともに、該凹所に、前記燃料噴射弁における複数の噴射口のうちの少なくとも一つから噴射される燃料噴霧が衝突して反射される噴霧反射面が設けられ、前記ピストンがクランク角度で見て所定の角度範囲に位置しているとき、前記噴霧反射面に衝突した燃料噴霧が前記点火プラグに向けて反射するようにされていることを特徴とする直噴エンジン。
【請求項２】
シリンダに摺動自在に嵌挿されたピストンと、該ピストン上方に画成される燃焼室内に直接燃料を噴射する複数の噴射口を持つ燃料噴射弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内でタンブルを生成すべく吸気系に設けられたタンブル生成手段と、エンジン運転状態に基づいて、前記燃料噴射弁による一燃焼サイクル中での燃料噴射時期、燃料噴射量、噴射回数等の燃料噴射態様の制御、前記点火プラグによる点火時期の制御、及び前記タンブル生成手段の作動制御等を行う制御手段と、を備えた直噴エンジンであって、
前記ピストンの頂面部に、前記タンブルを崩すことなく維持保存すべく、該タンブルの旋回方向に沿うように吸気−排気方向に伸びる概略円筒状に湾曲した底部を有する凹所が設けられる一方、前記燃料噴射弁は、前記燃焼室の吸気側に臨設されて、その複数の噴射口のうちの少なくとも一つから噴射される燃料噴霧が前記ピストンの凹所を指向するようにされ、前記ピストンの凹所に、前記制御手段により圧縮上死点前所定角度以内で燃料噴射が行われる際、前記凹所に向かう少なくとも一つの燃料噴霧が衝突して前記点火プラグに向けて反射するように、その傾斜角度や曲率等が設定された平坦面ないし曲面からなる吸気−排気方向に伸びる噴霧反射面が設けられていることを特徴とする直噴エンジン。
【請求項３】
シリンダに摺動自在に嵌挿されたピストンと、該ピストン上方に画成される燃焼室内に直接燃料を噴射する複数の噴射口を持つ燃料噴射弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内でタンブルを生成すべく吸気系に設けられたタンブル生成手段と、エンジン運転状態に基づいて、前記燃料噴射弁による一燃焼サイクル中での燃料噴射時期、燃料噴射量、噴射回数等の燃料噴射態様の制御、前記点火プラグによる点火時期の制御、及び前記タンブル生成手段の作動制御等を行う制御手段と、を備えた直噴エンジンであって、
前記ピストンの頂面部に、前記タンブルを崩すことなく維持保存すべく、該タンブルの旋回方向に沿うように吸気−排気方向に伸びる概略円筒状に湾曲した底部を有する凹所が設けられる一方、前記燃料噴射弁は、前記燃焼室の吸気側に臨設されて、その複数の噴射口のうちの少なくとも一つから噴射される燃料噴霧が前記ピストンの凹所を指向するようにされ、前記ピストンの凹所に、前記制御手段により排気上死点後所定角度以降で燃料噴射が行われる際、前記凹所に向かう少なくとも一つの燃料噴霧が衝突して前記燃焼室の天井部における前記点火プラグより排気側に向けて反射するように、その傾斜角度や曲率等が設定された平坦面ないし曲面からなる吸気−排気方向に伸びる噴霧反射面が設けられていることを特徴とする直噴エンジン。
【請求項４】
前記燃焼室は、ペントルーフ型ないし半球型とされ、該燃焼室の天井部中央に前記点火プラグが臨設されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の直噴エンジン。
【請求項５】
前記制御手段は、低負荷時と高負荷時とでは、前記噴霧反射面に衝突した燃料噴霧の反射方向が異なるように、燃料噴射態様を変更するようにされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の直噴エンジン。
【請求項６】
前記制御手段は、エンジンが所定の運転状態にあるとき、一燃焼サイクル中での燃料噴射を複数回に分割して行うようにされ、その分割噴射のうち少なくとも１回の噴射時においては、前記噴霧反射面に衝突して反射した燃料噴霧が前記点火プラグを指向するようにされ、他の回の噴射時においては、前記噴霧反射面に衝突して反射した燃料噴霧が前記点火プラグ以外の部位を指向するようにされていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の直噴エンジン。
【請求項７】
前記凹所に向かう燃料噴霧と、この燃料噴霧の衝突点に対する法線、及び点火プラグは、同一平面内にあることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の直噴エンジン。
【請求項８】
前記凹所に、主として前記タンブルを維持保存するための底面溝と、主として前記燃料噴霧を反射するための噴霧反射面とが並設されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の直噴エンジン。
【請求項９】
前記凹所に、主として前記タンブルを維持保存するための面と、主として前記燃料噴霧を反射するための噴霧反射面とが別々に設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の直噴エンジン。
【請求項１０】
前記燃料噴射弁の複数の噴射口のうちの少なくとも一つから噴射される燃料噴霧が前記点火プラグを直接指向するようにされ、この直接指向する燃料噴霧と、前記噴霧反射面で反射されて前記点火プラグに向かう燃料噴霧とは、主としてその経路の長短により、点火プラグ付近に到達するのに要する時間が異なるようにされていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の直噴エンジン。
【請求項１１】
前記噴霧反射面で反射されて前記点火プラグに向かう燃料噴霧は、前記ピストンの昇降位置に応じてその衝突点が変化することにより、前記点火プラグ付近に到達するタイミングが変化するようにされ、これによって前記点火プラグ周りに混合気が滞留する時間が延長されるようになっていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の直噴エンジン。
【請求項１２】
前記燃料噴射弁から噴射される少なくとも二つの燃料噴霧が前記噴霧反射面で反射されて点火プラグに向かうようにされるとともに、前記制御手段は、エンジンが所定の運転状態にあるとき、一燃焼サイクル中に燃料噴射を複数回に分割して行うようにされ、前記噴霧反射面で反射されて点火プラグに向かう少なくとも二つの燃料噴霧が、主として噴射タイミングと、その経路の長短により、前記点火プラグ付近に到達するタイミングが異なるようにされ、これによって前記点火プラグ周りに混合気が滞留する時間が延長されるようになっていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の直噴エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン上方に画成される燃焼室内に直接燃料を噴射する複数の噴射口を持つ燃料噴射弁と、頂面部にタンブルを崩すことなく維持保存するための凹所が設けられたピストンとを備えた車載用の直噴ガソリンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃焼室内に直接燃料を噴射する火花点火式直噴ガソリンエンジンが広く知られている。この種の直噴エンジンに特徴的な技術として、例えば始動時や低負荷時には圧縮行程に燃料を噴射し、混合気を点火プラグの近傍に偏らせて存在させる、いわゆる成層燃焼によって低負荷時のポンピングロスを少なくしたり、始動時には壁面への付着燃料や、燃焼室天井部近傍の消炎層に存在する混合気を少なくして、ＨＣ等の排気特定成分を減らしたりする技術が公知であり、さらにこの中で、点火プラグ近傍に混合気を偏らせるため、例えば下記特許文献１に記載されているような技術が知られている。
【０００３】
上記特許文献１によれば、ピストンの頂面部に、タンブルを維持保存するための円筒凹面状のボウル（キャビティ）と、これよりもさらに深く凹んだ凹部を形成する。凹部の長さは、成層低負荷域を中心に運転すると想定される場合には長く、高負荷域を中心に運転される場合には短くする。この凹部により、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグ近傍に案内し、従来よりも広い運転範囲において点火プラグ近傍に良好な混合気を形成できるとしている。
【０００４】
【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】
【０００５】
しかしながら、上記のような構成の従来の直噴エンジンにおいては、次のような問題があった。
すなわち、上記従来技術中にも記載されているように、ある一定のエンジン回転数又は負荷範囲において点火プラグ近傍に混合気を安定して供給できても、回転数ないし負荷が変動すると、燃料を最適なタイミングで上記凹部に案内させることができなくなり、一つのピストン仕様では幅広い回転数や負荷に対応できないという問題があった。
【０００６】
また、高負荷時ないし高回転時には吸入空気量が増加し、空気流動すなわちタンブル（縦渦）が強くなる傾向がある。本願の発明者らが実験を行ったところ、高負荷で噴射された燃料はこの空気流動に打ち勝つことができず、燃焼室の吸気弁側に多く滞留するため、排気弁側がリーンになり、空気利用率が下がり、出力が下がってしまうといった問題を生じることが明らかになった。これを解決する別の方法としては、点火プラグ近傍のピストン直上側から燃料を噴射する方式が公知であるが、かかる方式は燃焼室上部に燃料噴射弁と点火プラグの両方を配在することが要求されるので、スペースの面で制約が課せられ、システムが高価になりやすい。また、今度は燃焼室の天井部近傍に安定して混合気を存在させることが難しく、高負荷時には同様に空気利用率が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、比較的シンプルな構成のもとで、低負荷時に、広い回転数範囲で良好な成層混合気を形成できる直噴エンジンを提供することにある。
【０００８】
また、他の目的とするところは、高負荷時に、空気流動が強くなっても空気と燃料を良好に混合でき、空気利用率が高く、高出力を得ることのできる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】
【０００９】
上記目的を達成すべく、本発明に係る直噴エンジンは、基本的には、シリンダに摺動自在に嵌挿されたピストンと、該ピストン上方に画成される燃焼室内に直接燃料を噴射する複数の噴射口を持つ燃料噴射弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内でタンブルを生成すべく吸気系に設けられたタンブル生成手段と、前記燃料噴射弁による燃料噴射態様を制御する制御手段と、を備える。
【００１０】
そして、前記ピストンの頂面部に、前記タンブルを崩すことなく維持保存するための凹所が設けられるとともに、該凹所に、前記燃料噴射弁における複数の噴射口のうちの少なくとも一つから噴射される燃料噴霧が衝突して反射される噴霧反射面が設けられ、前記ピストンがクランク角度で見て所定の角度範囲に位置しているとき、前記噴霧反射面に衝突した燃料噴霧が前記点火プラグに向けて反射するようにされていることを特徴としている。
【００１１】
本発明に係る直噴エンジンのより好ましい具体的な一つの態様では、基本的には、シリンダに摺動自在に嵌挿されたピストンと、該ピストン上方に画成される燃焼室内に直接燃料を噴射する複数の噴射口を持つ燃料噴射弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内でタンブルを生成すべく吸気系に設けられたタンブル生成手段と、エンジン運転状態に基づいて、前記燃料噴射弁による一燃焼サイクル中での燃料噴射時期、燃料噴射量、噴射回数等の燃料噴射態様の制御、前記点火プラグによる点火時期の制御、及び前記タンブル生成手段の作動制御等を行う制御手段と、を備える。
【００１２】
そして、前記ピストンの頂面部に、前記タンブルを崩すことなく維持保存すべく、該タンブルの旋回方向に沿うように吸気−排気方向に伸びる概略円筒状に湾曲した底部を有する凹所が設けられる一方、前記燃料噴射弁は、前記燃焼室の吸気側に臨設されて、その複数の噴射口のうちの少なくとも一つから噴射される燃料噴霧が前記ピストンの凹所を指向するようにされ、前記ピストンの凹所に、前記制御手段により圧縮上死点前所定角度以内で燃料噴射が行われる際、前記凹所に向かう少なくとも一つの燃料噴霧が衝突して前記点火プラグに向けて反射するように、その傾斜角度や曲率等が設定された平坦面ないし曲面からなる吸気−排気方向に伸びる噴霧反射面が設けられる。
【００１３】
本発明に係る直噴エンジンのより好ましい具体的な他の一つの態様では、基本的には、シリンダに摺動自在に嵌挿されたピストンと、該ピストン上方に画成される燃焼室内に直接燃料を噴射する複数の噴射口を持つ燃料噴射弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内でタンブルを生成すべく吸気系に設けられたタンブル生成手段と、エンジン運転状態に基づいて、前記燃料噴射弁による一燃焼サイクル中での燃料噴射時期、燃料噴射量、噴射回数等の燃料噴射態様の制御、前記点火プラグによる点火時期の制御、及び前記タンブル生成手段の作動制御等を行う制御手段と、を備える。
【００１４】
そして、前記ピストンの頂面部に、前記タンブルを崩すことなく維持保存すべく、該タンブルの旋回方向に沿うように吸気−排気方向に伸びる概略円筒状に湾曲した底部を有する凹所が設けられる一方、前記燃料噴射弁は、前記燃焼室の吸気側に臨設されて、その複数の噴射口のうちの少なくとも一つから噴射される燃料噴霧が前記ピストンの凹所を指向するようにされ、前記ピストンの凹所に、前記制御手段により排気上死点後所定角度以降で燃料噴射が行われる際、前記凹所に向かう少なくとも一つの燃料噴霧が衝突して前記燃焼室の天井部における前記点火プラグより排気側に向けて反射するように、その傾斜角度や曲率等が設定された平坦面ないし曲面からなる吸気−排気方向に伸びる噴霧反射面が設けられる。
【００１５】
本発明の好ましい態様では、前記燃焼室はペントルーフ型ないし半球型とされ、該燃焼室の天井部中央に前記点火プラグが臨設される。
【００１６】
前記制御手段は、好ましくは、低負荷時と高負荷時とでは、前記噴霧反射面に衝突した燃料噴霧の反射方向が異なるように、燃料噴射態様を変更するようにされる。
【００１７】
他の好ましい態様では、前記制御手段は、エンジンが所定の運転状態にあるとき、一燃焼サイクル中に燃料噴射を複数回に分割して行うようにされ、その分割噴射のうち少なくとも１回の噴射時においては、前記噴霧反射面に衝突して反射した燃料噴霧が前記点火プラグを指向するようにされ、他の回の噴射時においては、前記噴霧反射面に衝突して反射した燃料噴霧が前記点火プラグ以外の部位を指向するようにされる。
【００１８】
他の好ましい態様では、前記凹所に向かう燃料噴霧と、この燃料噴霧の衝突点に対する法線、及び点火プラグは、同一平面内にあるようにされる。
【００１９】
他の好ましい態様では、前記凹所に、主として前記タンブルを維持保存するための底面溝と、主として前記燃料噴霧を反射するための噴霧反射面とが並設される。
【００２０】
他の好ましい態様では、前記凹所に、主として前記タンブルを維持保存するための面と、主として前記燃料噴霧を反射するための噴霧反射面とが別々に設けられる。
【００２１】
他の好ましい態様では、前記燃料噴射弁の複数の噴射口のうちの少なくとも一つから噴射される燃料噴霧が前記点火プラグを直接指向するようにされ、この直接指向する燃料噴霧と、前記噴霧反射面で反射されて前記点火プラグに向かう燃料噴霧とは、主としてその経路の長短により、点火プラグ付近に到達するのに要する時間が異なるようにされる。
【００２２】
他の好ましい態様では、前記噴霧反射面で反射されて前記点火プラグに向かう燃料噴霧は、前記ピストンの昇降位置に応じてその衝突点が変化することにより、前記点火プラグ付近に到達するタイミングが変化するようにされ、これによって前記点火プラグ周りに混合気が滞留する時間が延長されるように構成される。
【００２３】
他の好ましい態様では、前記燃料噴射弁から噴射される少なくとも二つの燃料噴霧が前記噴霧反射面で反射されて点火プラグに向かうようにされるとともに、前記制御手段は、エンジンが所定の運転状態にあるとき、一燃焼サイクル中に燃料噴射を複数回に分割して行うようにされ、前記噴霧反射面で反射されて点火プラグに向かう少なくとも二つの燃料噴霧が、主として噴射タイミングと、その経路の長短により、前記点火プラグ付近に到達するタイミングが異なるようにされ、これによって前記点火プラグ周りに混合気が滞留する時間が延長されるように構成される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の効果を列挙すると次のようになる。
まず、始動時や低負荷時には、圧縮行程噴射を行うことで、点火プラグ近傍にのみ可燃混合気を形成することができ、成層燃焼運転が可能となる。これにより、低負荷時にも多くの空気を吸入してポンピングロスを減少させながら、点火燃焼を安定して行わせることができ、失火や燃焼変動を抑えつつ、効率の良い燃焼を行うことが可能になる。また、ピストンや燃焼室内壁に燃料が付着しにくくなるので、未燃炭化水素（ＨＣ）の排出を抑制することができる。
【００２５】
また、高負荷時には、吸気行程噴射を行うことで、燃料噴霧がタンブルの流れに沿って拡散するので、燃焼室内に均質な混合気が形成され、これによって、燃焼効率、空気利用率が高められ、燃費の向上を図りながら高トルクを得ることが可能となる。
【００２６】
さらに、分割噴射を行うことで、指向方向が同じ燃料噴霧であっても１回目の噴射分と２回目の噴射分をそれぞれ別の部位に導くことができ、燃料噴霧の到達距離を制御しながら壁面付着を低減しつつ、適正な空燃比で良好な混合気形成を行うことができ、点火燃焼性の向上とＨＣ低減、空気利用率の改善等を同時に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の筒内噴射式エンジンの実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１、図２は、それぞれ本発明に係る筒内噴射式エンジンの一実施形態（各実施例共通）を示す概略構成図、概略平面図である。
図示の直噴エンジン９０は、例えば車載用直列４気筒エンジンであって、シリンダ９２と、このシリンダ９２の各気筒（一つの気筒しか示されていない）に摺動自在に嵌挿されたピストン１０７とを有し、該ピストン１０７上方にはペントルーフ型の燃焼室９５が画成される。燃焼室９５には、その天井部中央（シリンダ中心線上）に、点火コイル１１４を介して高電圧が印加される点火プラグ１１３が臨設されるとともに、その吸気通路（吸気ポート）１０１側に、燃焼室９５内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１２２が横向きで臨設されている。
【００２８】
前記燃料噴射弁１２２は、複数（例えば、四つ）の噴射口（ノズル孔）を持つマルチホールタイプのもので、複数の噴射口のうちの少なくとも一つの向き、すなわち、それから噴射される燃料噴霧１２５ａ、１２５ｂ１、１２５ｂ２は、前記ピストン１０７（の頂面部）を指向し、残りの噴射口のうちの少なくとも一つの向き、すなわち、それから噴射される燃料噴霧１２４は点火プラグ１１３を指向するようになっている（各実施例について後で詳述する）。
【００２９】
燃料の燃焼に供せられる空気は、吸気通路１０１の始端部に設けられたエアクリーナ１０６から取り入れられ、エアフローセンサ１０５を通り、電制スロットル弁１０８を通ってコレクタ１１６に入り、このコレクタ１１６から各気筒に接続された前記吸気通路１０１の下流通路部（吸気管、吸気ポート）１０１Ａに分配されてその下流端に配在された吸気弁１１１を介して燃焼室９５に吸入される。
【００３０】
燃焼室９５に吸入された空気と燃料噴射弁１２２から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ１１３により点火されて爆発燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス（排ガス）は、排気弁１１２を介して排気通路１１０に排出され、排気通路１１０に配備された三元触媒１１５で浄化された後、消音器１１７を介して外部に排出される。
【００３１】
前記吸気通路１０１の下流通路部（吸気管、吸気ポート）１０１Ａは、燃焼室９５内でタンブル（縦渦）１２０を生成すべく、仕切り板１０２によって、上側通路部１０１ａと下側通路部１０１ｂとに分割されており、下側通路部１０１ｂの上流側端部には吸気制御弁１０３が配在され、この吸気制御弁１０３により前記下側通路部１０１ｂが選択的に開閉され、これによって、タンブルの強度を調整するようになっている。
【００３２】
そして、本実施形態の筒内噴射式エンジン９０においては、燃料噴射弁１２２、点火プラグ１１３、吸気制御弁１０３、電制スロットル弁１０８を含むエンジン９０の各部の制御を行うため、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット２００が備えられている。
【００３３】
コントロールユニット２００は、それ自体はよく知られているもので、ＭＰＵ、ＥＰ−ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び、Ａ／Ｄ変換器を含むＩ／ＯＬＳＩ等で構成され、入力信号として、燃圧センサ１３３によって計測される、燃料ギャラリ１３２内の燃料圧力に応じた信号、エアフローセンサ１０５により検出される吸入空気量に応じた信号、スロットルセンサ１０４により検出されるスロットル弁１０８の開度に応じた信号、クランク角センサ９７からのクランクシャフトの回転速度、すなわちエンジン回転数を示す信号の他、図示はされていないが、排気通路１１０に配設された空燃比センサにより検出される排ガス中の例えば酸素濃度に応じた信号、シリンダ９２に配設された水温センサにより検出されるエンジン冷却水温に応じた信号、イグニッションスイッチからの始動開始（クランキング開始）を示す信号、アクセルセンサから得られるアクセルペダルの踏み込み量を示す信号、車速センサから得られる車両の走行速度に応じた信号等も供給される。
【００３４】
コントロールユニット２００は、前記各信号を所定の周期をもって取り込み、それに基づいてエンジンの運転状態を把握し、この運転状態に基づいて、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された制御信号を、燃料噴射弁１２２、点火プラグ１１３、吸気制御弁１０３、電制スロットル弁１０８等に供給して、燃料噴射態様（燃料噴射量＝噴射パルス幅、噴射時期、噴射回数）制御、点火時期制御、吸気制御弁１０３の開度制御、スロットル弁１０８の開度制御等を実行する。
【００３５】
ここでは、コントロールユニット２００は、基本的には、低負荷時には、空気流動が必要であるので、吸気制御弁１０３を閉じ方向に制御し、タンブルの強度が最適になるように制御するとともに、成層燃焼運転を行うべく、圧縮行程で燃料噴射を行う。それに対し、高負荷時には、均質燃焼運転を行うべく、前記吸気制御弁１０３を開いて、吸気行程で燃料噴射を行うようにされる。
【００３６】
なお、燃料噴射については、コントロールユニット２００から燃料噴射弁１２２に噴射パルス信号を与えると、そのパルス幅（デューティ比）に応じた開弁時間で燃料噴射弁１２２の各噴射口が開き、各噴射口から燃料が噴射される。この場合、実際の燃料噴射量は、前記開弁時間と、燃圧センサ１３３によって計測される燃料ギャラリ１３２内の圧力によって変化するため、コントロールユニット２００は、燃圧も考慮してパルス幅を決定するようになっている。
【００３７】
次に、各実施例（主にピストン１０７と燃料噴射弁１２２の仕様）を説明する。
＜実施例１＞
本実施例１では、図３、図４（Ａ）、（Ｂ）に示される如くに、ピストン１０７の頂面部には、前記タンブル１２０（図１参照）を崩すことなく維持保存すべく、タンブル１２０の旋回方向に沿うように吸気−排気方向（Ｙ−Ｙ方向）に伸びる円筒状に湾曲した中央底面１０７ａ及びこの中央底面１０７ａと側面１０７ｃ１、１０７ｃ２との間に形成された側部傾斜面１０７ｂ１、１０７ｂ２を有する凹所１０７Ａが設けられている。本実施例では、中央底面１０７ａと側部傾斜面１０７ｂ１、１０７ｂ２とが噴霧反射面となっている（後述）。
【００３８】
また、燃料噴射弁１２２には、本例では四つの噴射口が設けられており、その一つの向き、すなわち、それから噴射される燃料噴霧（の軸線）１２４は、シリンダ中心線Ｏ上に配置された点火プラグ１１３を指向するようになっており、残りの三つの噴射口のうちの一つの向き、すなわち、それから噴射される燃料噴霧（の軸線）１２５ａは、前記中央底面１０７ａの幅方向中央を指向し、他の二つの向き、すなわち、それから噴射される燃料噴霧（の軸線）１２５ｂ１、１２５ｂ２は、前記傾斜面１０７ｂ１、１０７ｂの幅方向中央を指向するようになっている。
【００３９】
ここでは、燃料噴霧１２５ａ、１２５ｂ１、１２５ｂ２の中央底面１０７ａ、側部傾斜面１０７ｂ１、１０７ｂ２との衝突点をそれぞれＡ、Ｂ１、Ｂ２とすると、これらの衝突点Ａ、Ｂ１、Ｂ２での燃料噴霧１２５ａ、１２５ｂ１、１２５ｂ２の入射角と反射角が略等しくなるように、ピストン１０７及び燃料噴射弁１２２の仕様が設定されている。
【００４０】
さらに、燃料噴霧１２５ｂ１（燃料噴射弁１２２の噴射口）、この燃料噴霧１２５ｂ１の衝突点Ｂ１から伸びる法線、及び点火プラグ１１３は、同一平面内にあり、同様に、燃料噴霧１２５ｂ２（燃料噴射弁１２２の噴射口）、この燃料噴霧１２５ｂ２の衝突点Ｂ２から伸びる法線、及び点火プラグ１１３も、同一平面内にあり、本実施例では、それらの面が水平面となす角度は約３０°となっている。また、燃料噴霧１２５ａの衝突点Ａ、点火プラグ１１３、燃料噴射弁１２２を含む平面は、水平面に対して略直交している。
【００４１】
このように構成することで、ピストン１０７に向かった燃料噴霧１２５ｂ１、１２５ｂ２を反射させて点火プラグ１１３方向に導くことにより、直接点火プラグ１１３近傍に到達する燃料噴霧１２４と合わせて、点火プラグ１１３近傍にのみ可燃混合気１２１を形成することができ、成層燃焼運転が可能となる。これにより、低負荷時において、点火プラグ１１３近傍にのみ燃料を分布させ、混合気の成層度を高めることができるので、低負荷時にも多くの空気を吸入してポンピングロスを減少させながら、点火燃焼を安定して行わせることができ、失火や燃焼変動を抑えつつ、効率の良い燃焼を行うことが可能になる。また、ピストン１０７や燃焼室内壁に燃料が付着しにくくなるので、未燃炭化水素（ＨＣ）の排出を抑制することができる。
【００４２】
＜実施例２＞
図５は、実施例２におけるピストン１０７の頂面部形状を概略的に示す。以下においては、図６、図７、図８を参照しながら実施例２のピストン１０７の仕様（頂面部形状）とその設定手法を説明する。簡単のため、図６から図８の凹所１０７Ｂ内を、図７に示される如くに、いくつかの面１〜２０に分けて説明する。なお、本説明は燃料噴霧１２５ｂの片側、すなわち噴霧１２５ｂ１に対するもので、噴霧１２５ｂ２については凹所１０７Ａの幅方向中心線を挟んで対称的な関係になっているため、説明は省略する。また、燃料噴射弁１２２の構成及び点火プラグ１１３を直接指向する噴霧１２４については、実施例１と基本的には同じであるのでその説明を省略する。
【００４３】
本実施例のピストン１０７の頂面部には、実施例１と同様に、前記タンブル１２０（図１参照）を崩すことなく維持保存すべく、タンブル１２０の旋回方向に沿うように吸気−排気方向に伸びる円筒状に湾曲した細長い中央底面溝１０７ｉ、１０７ｉを有する凹所１０７Ｂが設けられている。この凹所１０７Ｂには、中央底面溝１０７ｉ−１０７ｉ間に一定の幅を有する中央突面１０７ｇが設けられ、また、中央底面溝１０７ｉ、１０７ｉと側面１０７ｃ１、１０７ｃ２との間には、一定の幅を有する側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２が設けられている。前記中央突面１０７ｇ及び側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２の吸気側には小窪み１０７ｍ、１０７ｊ、１０７ｍが設けられ、この小窪み１０７ｊ、１０７m、１０７mの端部から排気側には大窪み１０７ｎ、１０７ｋ、１０７ｎが設けられている。
【００４４】
前記中央突面１０７ｇ、側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２は、それぞれ実施例１における中央底面１０７ａ、側部傾斜面１０７ｂ１、１０７ｂ２に対応しており、中央突面１０７ｇには燃料噴霧１２５ａが衝突して反射し、側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２には、燃料噴霧１２５ｂ１、１２５ｂ２がそれぞれ衝突して反射するようになっている。
【００４５】
ここでは、図６、図８に示される如くに、燃料噴霧１２５ａ（１２５ｂ１及び１２５ｂ２も）は、燃料噴射弁１２２の個別の噴射口から、ピストン１０７の位置とは無関係に、常に同一の方向に向かう。
【００４６】
次に、燃料噴射態様が圧縮行程噴射の場合と吸気行程噴射の場合とに分けて説明する。圧縮行程噴射時、すなわち、ピストン１０７が圧縮行程、例えば、クランク角で圧縮上死点前２０度のとき、ピストン１０７は、図８のｐに示される位置にある。このとき、ピストン１０７の中央突面１０７ｇに向かう噴霧１２５ａは、図７の面Ｓ１に、これより外側に向かう噴霧１２５ｂ１は図７の面Ｓ５に衝突する。このとき、面Ｓ１の法線を基準として、燃料噴射弁１２２側の入射角と、点火プラグ１１３側の反射角が略等しくなるように面Ｓ１の傾斜角や曲率等が設定される。面Ｓ５に関しても同様であるが、噴霧がシリンダ中心線よりも外側に向かっているため、面Ｓ５は中央底面溝１０７ｉに向かって落ち込むような傾斜面となる。
【００４７】
上記よりも前の、クランク角が圧縮上死点前３０度のとき、ピストン１０７の位置は圧縮上死点前２０度の場合よりも下がり、図８でｑの位置にある。このとき、燃料噴霧１２５ａは面Ｓ２に衝突する。噴霧１２５ｂ１は、図８に示される如くに、ピストン１０７との距離が開くと到達点が外側に広がっていくため、面Ｓ６よりも外側の面Ｓ１０に衝突する。このとき、圧縮上死点前２０度の場合と同様に、面Ｓ２、面Ｓ１０の傾斜角や曲率等は、それぞれの面の法線を基準として、入射角と反射角が略等しくなるように設定される。
【００４８】
一方、吸気行程噴射時、すなわち、ピストン１０７が吸気行程、例えば、クランク角で排気上死点後４０度のとき、ピストン１０７は上記の状態よりさらに低いｒの位置にあり、上記と同様に、燃料噴霧１２５ａと燃料噴霧１２５ｂ１はそれぞれ面Ｓ３と面Ｓ１５に衝突する。吸気行程では混合気を拡散させて空気利用率を上げたいので、混合気を反射させる位置は、上記ｐまたはｑの場合と異なり、燃焼室９５の天井部における点火プラグ１１３よりも排気側寄りの、例えば点Ｔを指向するようにする。ここでも上記と同様の手順で、面Ｓ３と面Ｓ１５の法線を基準とすると、燃料噴射弁１２２側の入射角と、点Ｔに向かう反射角が等しくなるように、面Ｓ３と面Ｓ１５の傾斜角や曲率等を設定する。
【００４９】
ピストン１０７が排気上死点後５０度の位置ｓで燃料を噴射する場合には、燃料噴霧１２５ａ、１２５ｂ１が、燃焼室９５の天井部における点火プラグ１１３及び前記点Ｔよりも排気側寄りの、例えば点Ｕを指向するように、面Ｓ４、面Ｓ２０の傾斜角や曲率等が設定される。
【００５０】
なお、上記噴霧が衝突することの無い面、例えば面Ｓ６の傾斜角や曲率等については、面Ｓ５、面Ｓ１０との連続性を保ち、かつ、燃焼室９５内に発生するタンブル１２０を効果的に維持保存できるように滑らかな面で形成する。他の面についても同様である。
【００５１】
さらに、ピストン１０７の動きは連続的であるので、圧縮上死点前２０度から３０度、好ましくは圧縮上死点前３５度前後までは、燃料噴霧１２５ａ及び燃料噴霧１２５ｂ１は全て点火プラグ１１３を指向するのであるから、本実施例では２つの段階に分けて説明したが、ピストン位置を多段階にすれば、面を細かく分割しても、一つ一つの面に対して同様に傾斜角度や曲率等の設定が可能である。この考えを発展させると、それぞれの面は区切られたメッシュ状の平面の連続ではなく、滑らかな曲面で構成されても良い。それぞれの面の横幅については、噴霧１２５ａ、１２５ｂ１がピストン１０７に衝突する際の広がりや、ピストン１０７が下方向に移動した際、噴霧到達点の外側への広がりに応じて決定すればよい。このとき、反射面の幅が広がりすぎると、ピストン１０７がタンブル１２０を維持保存する効果が薄れるため、反射面である中央突面１０７ｇと側部傾斜突面０７ｈ１、１０７ｈ２の合計幅は、凹所１０７Ｂ全体の幅に対して、３０〜７０％程度の比率、好ましくは５０％程度の比率であることが望ましい。これらの検討を順に行うことで、図５に示される如くの曲面を構成することができる。
【００５２】
図９に、実施例２における圧縮行程噴射時（成層燃焼運転時＝低負荷時）の混合気形成状態を示す。この例では、燃料噴霧１２５ａ、１２５ｂ（１、２）はピストン１０７が圧縮上死点前２０度から３０度、すなわち図のｑからｐの間で反射されるものとする。燃料噴射時期は、噴霧１２５が燃料噴射弁１２２から出てピストン１０７に到達するまでの時間を考慮して、クランク角で数度早めに噴射される。一方、燃料噴射弁１２２（の噴射口）からは複数（ここでは四つ）の燃料噴霧が噴射され、このうち燃料噴霧１２４は点火プラグ１１３を直接指向する噴霧である。噴射は同時に行われるが、到達距離の違いから、噴霧１２４が一番先にプラグ１１３に到達し、次いで中央突面１０７ｇで反射された噴霧１２５ａ、外側寄りで反射された１２５ｂの順になる。このように時間差で噴霧１２４、１２５ａ、１２５ｂを点火プラグ１１３の近傍に到達させることにより、混合気１２６を点火プラグ１１３近傍に長く存在させることができ、安定した成層燃焼を行うことができる。
【００５３】
図１０に、実施例２における吸気行程噴射時（均質燃焼運転時＝高負荷時）の混合気形成状態を示す。高負荷であるため、燃料噴射量、すなわち噴射パルス幅は大きく、排気行程上死点後４０度前後から噴射が開始される。噴射終了は吸気行程下死点付近となる。図に示される上死点後４０度から５０度、すなわちピストン１０７がｒからｓに達するまでは、ピストン１０７に向かう噴霧１２５ａ、１２５ｂ（１、２）が中央突面１０７ｇ、側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２で反射され、排気側に拡散する。一方、点火プラグ１１３を直接指向する噴霧１２４は主に吸気弁１１１側に到達し、その辺りに混合気１２６を形成する。吸気行程噴射であるので、吸気流は凹所１０７Ｂの中央底面溝１０７ｉ、１０７ｉに沿って流れてタンブル１２０を形成する。噴霧１２５ａ、１２５ｂ（１、２）はこの流れに沿って拡散することで、燃焼室９５内に均質な混合気が形成され、これによって、燃焼効率、空気利用率が高められ、燃費の向上を図りながら高トルクを得ることが可能となる。
【００５４】
図１１、図１２は、吸気行程（１回目）と圧縮行程（２回目）の２回噴射を行った場合の、吸気行程及び圧縮行程における混合気形成状態の変化をそれぞれ示す。図１１に示される吸気行程での噴射（１回目）は、排気上死点後４０度から５０度の間にピストン１０７（の中央突面１０７ｇ及び側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２）に噴霧１２５ａ及び１２５ｂ（１、２）が到達するように行われる。これにより、図１０に示される場合と略同様に、燃料噴霧１２４、１２５ａ、１２５ｂによって、吸気弁１１１、点火プラグ１１３から排気弁１１２にかけて広く噴霧１２５が拡散し、タンブル１２０とあいまって均質な混合気１２６が形成される。
【００５５】
図１２に示される圧縮行程での噴射（２回目）は、図９に示される場合と略同様に、圧縮上死点前２０度から３０度においてピストン１０７で反射するように行われ、点火プラグ１１３の近傍に成層の燃料噴霧１２５が到達する。このようにして、燃焼室９５全体には均質の混合気１２６が存在し、点火プラグ１１３の近傍のみ濃い混合気１２５が形成され、弱成層状態となり、燃焼を安定化させながら空気利用率を上げ、例えば始動直後のファストアイドル時に排気温を上げてＨＣを低減させたりすることができる。
【００５６】
＜実施例３＞
図１３は、実施例３のピストン１０７並びに燃料噴射弁１２２の構成を示す。本実施例のピストン１０７及び燃料噴射弁１２２の基本構成は実施例２と同じであるが、燃料噴射弁１２２からピストン１０７に向かう燃料噴霧を実施例２より左右１本ずつ増やして合計５本としている。すなわち、側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２には、それぞれ燃料噴霧が２本ずつ（燃料噴霧１２５ｂ１、１２５ｂ３と燃料噴霧１２５ｂ２、１２５ｂ４）衝突して反射するようになっている。この場合、側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２の形状が多少変更され、また、ピストン外側寄りの燃料噴霧１２５ｂ３、１２５ｂ４の幅は第２実施例の燃料噴霧１２５ｂ１、１２５ｂ２よりも広がっている。
【００５７】
以下、片側の燃料噴霧１２５ｂ１と１２５ｂ３について説明する。ピストン１０７がクランク角で圧縮上死点前２０度にあるとき、噴霧１２５ｂ１は面Ｓ５、噴霧１２５ｂ３は面Ｓ９に衝突するので、実施例２と同様に、この面でそれぞれ反射されて点火プラグ１１３近傍に到達するように、面の傾斜角度や曲率等を設定する。ピストン１０７が下降すると、燃料噴霧１２５ｂ１、１２５ｂ３の側部傾斜突面１０７ｈ１での衝突位置は、噴霧１２５ｂ１が面Ｓ６、面Ｓ１１、面Ｓ１６のように、また、噴霧１２５ｂ３が面Ｓ１４、面Ｓ１９、面Ｓ２４のように広がっていくが、この際にも前述したように、噴霧１２５ｂ１、１２５ｂが点火プラグ１１３近傍か、又は、燃焼室９５の天井部における点火プラグ１１３よりも排気側寄りの部位に向かうようにそれぞれの面の傾斜角度や曲率等を設定すればよい。面Ｓ１からＳ２４のうち、噴霧が衝突しない面については、他の面との角度を考慮し、タンブル１２０を維持保存できるようにできるだけ滑らかに連設する。
【００５８】
＜実施例４＞
図１４は、実施例４のピストン１０７並びに燃料噴射弁１２２の構成を示す。本実施例のピストン１０７及び燃料噴射弁１２２の基本構成は第２実施例と同じであるが、側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２の形状が多少変更されている。詳しくは，本実施例では、ピストン１０７が排気上死点後４０度から５０度にあるとき、すなわち、燃料噴霧１２５ｂ１、１２５ｂ２を主として吸気行程で反射させる位置にあるとき、燃料噴霧１２５ｂ１、１２５ｂ２が側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２に衝突して反射する方向が、燃焼室９５の天井部における点火プラグ１１３より外周側で、かつ、燃料噴射弁１２２から見て燃焼室９５の対向壁側に向かうように、側部傾斜突面１０７ｈ１、１０７ｈ２の傾斜角度や曲率等が設定されている。
【００５９】
このように構成することで、吸気行程噴射時の混合気１２６を燃焼室９５内で広く分布させ、より高いトルクを得るようにしたり、始動時に排気温度をより高くしたりすることができる。
【００６０】
図１５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）に、本実施形態の直噴エンジン（本発明品）９０と従来例との比較を示す。図１５から理解されるように、本発明品は、従来例に比べてより安定した成層燃焼を行えるので、空燃比を薄くしたり、ＥＧＲ量を増やしたりしてポンピングロスを抑え、燃料消費量を少なくすることができる。さらにピストン１０７やシリンダ９２の壁面への燃料付着を抑えられるので、ＨＣ排出量も低くすることができる。また、エンジン始動直後には吸気行程と圧縮行程の２回噴射等により弱成層混合気を形成し、点火時期を遅らせて後燃えを促進、排気温度を上げることができる。このとき、図１６に示される如くに、排気温上昇によりＨＣ排出量を低減しながら排気浄化用触媒の暖機（活性化）を早期に完了し、始動後のＨＣ積算排出量を抑えることができる。
【００６１】
なお、本発明は、前記実施形態（実施例）に限定される訳ではなく、ピストンや燃料噴射弁に種々の変更を加えてもよいことは勿論である。例えば、前記実施形態においては、燃料噴霧の噴射方向が不変（固定）の燃料噴射弁１２２を用いたが、それに代えて、運転状態に応じて噴霧の本数や方向を変更できる燃料噴射弁を用いてもよく、この場合にも前記実施例と同様の手法で反射面の傾斜角度や曲率等を設定すれば、良好な成層燃焼運転や均質燃焼運転を実現できる。
【００６２】
また、反射した噴霧が、例えば、ピストン１０７が上死点近傍にあるときには、燃焼室９５の天井部における点火プラグ１１３より外周側の部位を指向するようにし、これよりもピストンが下降したときに点火プラグを指向するようにしてもよいし、さらに広いクランク角の範囲で噴霧が点火プラグ近傍に向かうように構成することも可能である。
【００６３】
さらに、前記実施例では燃料噴霧の衝突点における法線に対して入射角と反射角が略等しくなるように反射面の傾斜角度等を設定しているが、タンブルなど、空気流動が強い場合にはその影響を加味して反射面の傾斜角度を決めてもよいし、入射角が例えば４５度以上にの大角度に達する場合には、噴霧がピストン面に沿って流れる、いわゆるウォールガイドとなることがあるが、これらの公知である噴霧または混合気の誘導方法と本発明とを組み合わせるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係る直噴エンジンの一実施形態を示す概略構成図。
【図２】本発明に係る直噴エンジンの一実施形態を示す概略平面図。
【図３】実施例１における燃料噴霧の挙動等の説明に供されるピストン頂面部の平面図。
【図４】実施例１において燃料噴霧の挙動等の説明に供される図であり、（Ａ）は図３のＸ−Ｘ矢視断面図、（Ｂ）は図３のＹ−Ｙ矢視断面図。
【図５】実施例２で使用されるピストンの鳥かん図。
【図６】実施例２における燃料噴霧の挙動等の説明に供される切欠側面図。
【図７】実施例２における燃料噴霧の挙動等の一例の説明に供される概念図。
【図８】実施例２における燃料噴霧の挙動等の他の例の説明に供される切欠側面図。
【図９】実施例２における成層燃焼時における混合気形成の説明に供される切欠側面図。
【図１０】実施例２における高負荷時における混合気形成の説明に供される切欠側面図。
【図１１】実施例２において吸気行程と圧縮行程で２回噴射を行う場合の、１回目の噴射の混合気形成の説明に供される切欠側面図。
【図１２】実施例２において吸気行程と圧縮行程で２回噴射を行う場合の、２回目の噴射の混合気形成の説明に供される切欠側面図。
【図１３】実施例３における燃料噴霧の挙動等の説明に供される概念図。
【図１４】実施例４における燃料噴霧の挙動等の説明に供される切欠側面図。
【図１５】本発明品と従来例における（Ａ）燃料消費量、（Ｂ）トルク、（Ｃ）排気温、（Ｄ）ＨＣ排出量の比較説明に供される図。
【図１６】本発明と従来例における始動時ＨＣ排出量の時間変化の比較説明に供される図。
【符号の説明】
【００６５】
９０  …直噴エンジン
９２  …シリンダ
９５  …燃焼室
１０１…吸気通路
１０２…仕切り板
１０３…吸気制御弁
１０７…ピストン
１０７Ａ…凹所
１０７ａ…中央底面（噴霧反射面）
１０７ｂ１、１０７ｂ２…側部傾斜面（噴霧反射面）
１１０…排気通路
１１１…吸気弁
１１２…排気弁
１１３…点火プラグ
１１４…点火コイル
１１５…触媒
１１６…コレクタ
１２０…タンブル
１２１…混合気
１２２…燃料噴射弁
１２４…点火プラグを直接指向する燃料噴霧
１２５ａ…凹所の中央底面に衝突して反射される燃料噴霧
１２５ｂ１、１２５ｂ２…凹所の側部傾斜面に衝突して反射される燃料噴霧
２００…コントロールユニット
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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