(57)【要約】【課題】シリンダのボア直径が通常よりも大きい値に設定されたエンジンにおいて、成層燃焼運転時に、点火プラグ周りに混合気を適正に成層化できるようにする。【解決手段】シリンダのボア直径を７０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内に設定するとともに、ボアセンタから燃料噴射弁１２の噴口位置までの径方向の距離ｒと、シリンダのボア半径Ｒとの比率ｒ／Ｒを０．５〜０．８５の範囲内に設定し、かつシリンダの一側端部から見て、シリンダ軸線Ｚを挟んで左右に開口する凹部１５をピストン４の冠面に形成し、この凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の底面から燃焼室の天井面までの距離Ｂ１を、吸気ポート７側に位置する部分の底面から燃焼室の天井面までの距離Ｂ２に比べて大きな値に設定するとともに、上記凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の容積を、吸気ポート７側に位置する部分に比べて大きな値に設定した。【選択図】　図２
2004019596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダの一側端部から見て燃焼室の上部左右に開口する吸気ポートおよび排気ポートと、吸気ポートの設置部側に位置する燃焼室の上部から斜め下方に向けて燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、上記吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気によりタンブル流を生成するとともに、エンジンの成層燃焼運転時に上記タンブル流に対向させて燃料を噴射することにより、点火プラグ周りに混合気を成層化させた状態で点火するように構成された火花点火式直噴エンジンにおいて、シリンダのボア直径を７０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内に設定するとともに、ボアセンタから燃料噴射弁の噴口位置までの径方向の距離ｒと、シリンダのボア半径Ｒとの比率ｒ／Ｒを０．５〜０．８５の範囲内に設定し、かつ上記シリンダの一側端部から見て、シリンダ軸線を挟んで左右に開口する凹部をピストン冠面に形成し、この凹部のシリンダ軸線よりも排気ポート側に位置する部分の底面から燃焼室の天井面までの距離を、吸気ポート側に位置する部分の底面から燃焼室の天井面までの距離に比べて大きな値に設定するとともに、上記凹部のシリンダ軸線よりも排気ポート側に位置する部分の容積を、吸気ポート側に位置する部分に比べて大きな値に設定したことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】
上記シリンダの一側端部から見て、ピストン冠面に形成された凹部の深さが吸気ポート側に比べて排気ポート側が深くなるように、上記凹部の底面を傾斜させたことを特徴とする請求項１記載の火花点火式直噴エンジン。
【請求項３】
燃焼室の上面から見た上記凹部の平面形状を、吸気ポートの設置部と排気ポートの設置部とを結ぶ左右方向を長軸とする略楕円形状に形成したことを特徴とする請求項１または２記載の火花点火式直噴エンジン。
【請求項４】
上記シリンダの一側端部から見て、排気ポート側に位置するピストン冠面と燃焼室上面との距離を、吸気ポート側に位置するピストン冠面と燃焼室上面との距離よりも小さな値に設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気によりタンブル流を生成するとともに、エンジンの成層燃焼運転時に上記タンブル流に対向させて燃料を噴射することにより、点火プラグ周りに混合気を成層化させた状態で点火するように構成された火花点火式直噴エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２００１−９８９４５号公報に示されるように、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ燃焼室と、ピストン冠面に形成された凹部（窪み部）と、ペントルーフ燃焼室の略中央部に配設された点火プラグと、吸気ポート下方にあってペントルーフ燃焼室に対して斜め下向きに燃料を噴射する燃料噴射弁とを有し、タンブル流（タンブルガス流動）を利用して圧縮行程噴射により成層燃焼を行う筒内噴射式火花点火機関において、燃料噴射弁からの燃料噴霧の一部を直接点火プラグ近傍に指向させる一方、圧縮行程後期に発生するスキッシュ流の方向を上記点火プラグ近傍に指向する燃料噴霧に略対向する方向に設定し、上記スキッシュ流によって混合気（燃料噴霧）を点火プラグ近傍に押し留めて長期間滞留させるようにしたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載された構成によれば、圧縮行程で噴射された燃料噴霧の方向と、燃焼室内で生成されタンブル流の方向とが略正対し、かつ上記燃料噴霧の圧力と、タンブル流の強さとが適正にバランスしている場合には、燃料が微粒化することにより生成された混合気を、圧縮行程の後期まで点火プラグ周りに滞留させて、その着火性および燃焼性を良好状態に維持することができる。しかし、上記燃料の噴射方向とタンブル流の流動方向とが正確に対応していない場合等には、燃料の微粒化を促進することができないとともに、混合気を点火プラグ近傍に滞留させることができないため、上記のように燃料噴射弁から点火プラグ近傍に向けて噴射された燃料噴霧に略対向する方向に強いスキッシュ流を発生させたとしても、燃焼性を良好状態に維持することが困難であるという問題があった。
【０００４】
例えば、自動車用エンジンにおいてシリンダのボア直径が比較的大きい値に設定されている場合には、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が、燃焼室の上面中央部に配設された点火プラグの設置部に到達する前に拡散しすぎる（燃料噴射弁から点火プラグの下方までの距離が長く、燃料噴霧の拡がる空間が大きい）ことに起因した弊害、つまり点火プラグ周りにリッチな混合気を集中させることができなくなるという事態の発生を防止することを目的として、燃料噴射弁を小径ボアエンジンに比べて相対的にシリンダのボアセンタ寄りに設定する必要がある。このため、上記シリンダのボア直径が比較的に大きいエンジンでは、燃料噴霧の方向とタンブル流の方向とを正確に対応させることが特に困難であり、上記燃料の微粒化を促進することができないという問題がある。
【０００５】
すなわち、上記のようにシリンダのボアセンタから燃料噴射弁の噴口位置までの径方向の距離が、相対的にシリンダのボアセンタ寄りに設定されたエンジンでは、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧がリフト時の吸気弁に吹き付けられるのを回避するため、この燃料噴霧の噴射角度、つまり水平方向に対する燃料噴射弁の設置角度を、一般的なエンジンに比べて大きな値に設定することが好ましいが、このように構成した場合には、タンブル流に上記燃料噴霧を正確に対向させることが困難であり、この燃料噴霧をタンブル流に衝突させることによる燃料の微粒化促進や、この燃料噴霧とタンブル流との衝突によって生成される混合気を点火プラグ周りに留めておくことが難しく、燃焼性を良好状態に維持することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、シリンダのボア直径が通常よりも大きな値に設定されたエンジンにおいて、成層燃焼運転時に、点火プラグ周りに混合気を適正に成層化することができる火花点火式直噴エンジンを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、シリンダの一側端部から見て燃焼室の上部左右に開口する吸気ポートおよび排気ポートと、吸気ポートの設置部側に位置する燃焼室の上部から斜め下方に向けて燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、上記吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気によりタンブル流を生成するとともに、エンジンの成層燃焼運転時に上記タンブル流に対向させて燃料を噴射することにより、点火プラグ周りに混合気を成層化させた状態で点火するように構成された火花点火式直噴エンジンにおいて、シリンダのボア直径を７０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内に設定するとともに、ボアセンタから燃料噴射弁の噴口位置までの径方向の距離ｒと、シリンダのボア半径Ｒとの比率ｒ／Ｒを０．５〜０．８５の範囲内に設定し、かつ上記シリンダの一側端部から見て、シリンダ軸線を挟んで左右に開口する凹部をピストン冠面に形成し、この凹部のシリンダ軸線よりも排気ポート側に位置する部分の底面から燃焼室の天井面までの距離を、吸気ポート側に位置する部分の底面から燃焼室の天井面までの距離に比べて大きな値に設定するとともに、上記凹部のシリンダ軸線よりも排気ポート側に位置する部分の容積を、吸気ポート側に位置する部分に比べて大きな値に設定したものである。
【０００８】
上記構成によれば、燃焼室内において生成されたタンブル流が、ピストンの上昇に伴い、その冠面に形成された凹部の底面に沿って吸気ポートの設置部側に流動した後、シリンダボアの内壁面に沿って上昇する際に上記タンブル流が効果的に強化されるため、このタンブル流に対して、エンジンの成層燃焼運転時に燃料噴射弁から噴射された燃料を衝突させることにより、燃料の微粒化を促進しつつ、上記シリンダボアの内壁面に沿って上昇するタンブル流により混合気を点火プラグ周りに留めて適正に成層化させることが可能になる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、上記請求項１記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、上記シリンダの一側端部から見て、ピストン冠面に形成された凹部の深さが吸気ポート側に比べて排気ポート側が深くなるように、上記凹部の底面を傾斜させたものである。
【００１０】
上記構成によれば、ピストン冠面に形成された凹部の底面に沿ってタンブル流が斜め上向きに流動するため、このタンブル流と、上記燃料噴霧とを略正対する方向から衝突させることが可能となる。また、吸気ポートの設置部側に位置するシリンダボアの内壁面に沿ってタンブル流が斜め上向きに上昇して燃焼室の天井部に衝突するため、排気ポート側に流動しようとする勢いが弱められ、これによって混合気が排気ポート側に流されることが効果的に抑制されることになる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、上記請求項１または２記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、燃焼室の上面から見た上記凹部の平面形状を、吸気ポートの設置部と排気ポートの設置部とを結ぶ左右方向を長軸とする略楕円形状に形成したものである。
【００１２】
上記構成によれば、ピストン冠面に形成された凹部の底面に沿って流動するタンブル流の流動領域が充分に確保されるとともに、吸気ポートの設置部側に配設された燃料噴射弁から噴射された燃料がピストン冠面に付着することが効果的に防止されることになる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、上記請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、上記シリンダの一側端部から見て、排気ポート側に位置するピストン冠面と燃焼室上面との距離を、吸気ポート側に位置するピストン冠面と燃焼室上面との距離よりも小さな値に設定したものである。
【００１４】
上記構成によれば、圧縮行程の後期に、吸気ポート側に位置するピストン冠面と燃焼室上面と間において生成されたスキッシュ流に比べ、排気ポート側に位置するピストン冠面と燃焼室上面との間において生成されたスキッシュ流の強度が大きくなるため、点火プラグ周りに形成された混合気が上記タンブル流によって排気ポート側に押しやられることが、排気ポート側から燃焼室の中央側に流動する上記スキッシュ流により効果的に抑制されることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係るピストン構造を備えた火花点火式直噴エンジンの全体的な構成を示している。この図において、上記エンジンは、複数のシリンダボア１が配設されたシリンダブロック２と、このシリンダブロック２上に配設されたシリンダヘッド３とを有し、各シリンダボア１内には、ピストン４が上下方向に往復動可能に嵌装され、このピストン４とシリンダヘッド３との間に燃焼室５が形成されている。上記ピストン４は、シリンダブロック２の下方に配設された図外のクランク軸にコネクティングロッドを介して連結されている。
【００１６】
上記各シリンダの燃焼室５は、その天井部が中央部分からシリンダヘッド３の下端まで延びる二つの傾斜面で構成された所謂ペントルーフ型となっている。この燃焼室５の天井部を構成する二つの傾斜面には、吸気ポート７および排気ポート８がそれぞれ二つずつ開口し（図４参照）、上記各ポート７，８の下流端に位置する開口端には、吸気弁９および排気弁１０がそれぞれ設けられている。これらの吸気弁９および排気弁１０は、シリンダヘッド３の上部に軸支された二本のカム軸等からなる図外の動弁機構により、それぞれ所定のタイミングで開閉作動されるようになっている。
【００１７】
上記燃焼室５の中央部上方には、上記四つの吸気弁９および排気弁１０により取り囲まれるように点火プラグ１１が配設され、この点火プラグ１１の先端部が上記天井部から燃焼室５内に突出している。また、燃焼室５の上部には、二つの吸気ポート７に挟まれるように燃料噴射弁１２が配置され、この燃料噴射弁１２から燃焼室５内に直接燃料が噴射されるようになっている。
【００１８】
上記燃料噴射弁１２の燃料噴射は、図外のコントロールユニットによりエンジンの運転状態に応じて制御され、例えば低速低負荷側の運転領域が成層燃焼領域とされ、この成層燃焼領域では、空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン状態とされるように、吸入空気量の制御と併せて上記燃料噴射量が調節されるとともに、燃料噴射時期が圧縮行程の後期に設定されるようになっている。
【００１９】
上記吸気ポート７は、燃焼室５の天井部から斜め上方に延びており、吸気ポート７の上流側に位置する吸気通路１３にタンブル調整弁１４が設けられている。そして、上記吸気ポート７から燃焼室５内に流入する吸気によりタンブル流が生成され、このタンブル流の強さが上記タンブル調整弁１４の開度に応じて調節されるように構成されている。すなわち、図外のコントロールユニットにより、少なくともエンジンの成層燃焼領域では、上記タンブル調整弁１４を閉止方向に駆動してタンブル流を強化する制御が実行されるようになっている。
【００２０】
上記エンジンの構造を、シリンダの一側端部側から見た図２に示す拡大断面図を参照しつつ、さらに詳しく説明すると、燃焼室５の天井部から斜め上方に向かって吸気ポート７が直線的に延びるとともに、二つの吸気ポート７（図４参照）が図の右側部に形成されるとともに、これに対向するように二つの排気ポート８（図４参照）が図の左側部に形成されている。そして、上記吸気ポート７によりタンブル生成手段が構成され、吸気ポート７を通って燃焼室５内に流入する吸気により、図２の反時計方向に旋回するタンブル流Ｔが燃焼室５において生成されるようになっている。
【００２１】
上記エンジン本体は、そのシリンダボア１の直径（シリンダのボア直径）が、一般的な自動車用エンジンに比べて比較的に大きな値、つまり７０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内に設定されるとともに、これに対応して上記燃料噴射弁１２がボアセンタ寄りに配設されている。すなわち、シリンダのボア直径が比較的小さい一般的なエンジンでは、設置スペースの関係上、図３に示すように、燃料噴射弁１２が燃焼室上部の外周部側に配設されているのに対し、シリンダのボア直径の比較的大きい本発明に係るエンジンでは、図２に示すように、成層運転時に、燃料噴射弁１２から噴射された燃料噴霧Ｆａを、燃焼室５の上部中央に位置する点火プラグ１１の周りに効果的に集中させ得るように、燃料噴射弁１２が燃焼室上部の中央側（点火プラグ１１側）に寄った位置に配設されている。
【００２２】
具体的に説明すると、図３に示すように、シリンダのボア直径が比較的小さい一般的なエンジンでは、シリンダのボアセンタを通るシリンダ軸線Ｚから上記燃料噴射弁１２の噴口までの径方向の距離ｒと、シリンダのボア半径Ｒとの比率ｒ／Ｒが、０．９程度の比較的大きな値に設定されている。一方、本発明に係るエンジンでは、図２に示すように、シリンダのボアセンタを通るシリンダ軸線Ｚから上記燃料噴射弁１２の噴口までの径方向の距離ｒと、シリンダのボア半径Ｒとの比率ｒ／Ｒが、０．５〜０．８５の範囲内、つまり上記シリンダ１のボア直径が比較的小さい小径ボアエンジンに比べて小さな値に設定されることにより、燃料噴射弁１２が燃焼室５の上部中央寄りに配設されている。
【００２３】
また、上記燃料噴射弁１２からの燃料の噴射方向は、燃焼室５内で生成された上記タンブル流Ｔに逆行する方向に設定されている。すなわち、図２に示す断面において、燃焼室５の右側に位置する燃料噴射弁１２から斜め左下方に向けて燃料を噴射することにより、ピストン４の冠面上においてタンブル流Ｔと燃料噴霧Ｆａとを正面衝突させるように構成されている。
【００２４】
さらに、上記のように燃料噴射弁１２が上記小径ボアエンジンに比べてボアセンタ寄りに配設されたエンジンでは、水平方向に対する燃料噴射弁１２の傾斜角度が小さいと、上記燃料噴射弁１２からの燃料噴霧が吸気弁９の弁頭部に吹き付けられて燃料噴霧Ｆａが吸気弁９の弁頭部等に付着し易くなることが避けられない。このため、上記燃料噴射弁１２の傾斜角度を比較的に大きな値に設定することにより、燃料噴霧が吸気弁９の弁頭部に吹き付けられるのを防止するようになっている。
【００２５】
上記シリンダの一側端部から見てシリンダ軸線Ｚを挟んで左右に開口する凹部１５が、ピストン４の冠面に形成されている。この凹部１５は、燃焼室５の上方から見た平面形状が、図４に示すように、吸気ポート７の設置部と排気ポート８の設置部とを結ぶ左右方向を長軸ａとし、これと直交する方向を短軸ｂとした略楕円形状に形成されている。また、上記凹部１５は、シリンダのボアセンタよりも排気ポート８側（図４の左側）に位置する部分の短軸方向長さＡ１が、吸気ポート７側（図４の右側）に位置する部分の短軸方向長さＡ２に比べて大きな値に設定されることにより、上記排気ポート８側に位置する凹部１５の開口面積が、吸気ポート８側に比べて多少大きくなった卵形に形成されている。
【００２６】
そして、上記シリンダの一側端部から見た断面（図２に示す断面）において、上記凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ１が、吸気ポート７側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ２に比べて大きくなるように、上記凹部５の底面が形成されることにより、この凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の容積が、吸気ポート７側に位置する部分に比べて大きくなっている。
【００２７】
上記凹部１５の形状を具体的に説明すると、シリンダの一側端部から見た断面（図２に示す断面）において、ピストン４の冠面に形成された凹部１５の深さが吸気ポート７側に比べて排気ポート８側が深くなるように、上記凹部１５の底面を右上がりに傾斜させることにより、この凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ１が、吸気ポート７側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ２に比べて大きくなるように上記凹部１５を構成している。
【００２８】
上記凹部１５の設置部を除いたピストン４の冠面の外周部分４ａは、これに対向する燃焼室５の天井部の傾斜面に略沿うように形成され、シリンダの圧縮上死点前の所定期間、例えばＢＴＤＣ４０°ＣＡ〜ＴＤＣの期間においてピストン４の冠面の外周部分４ａと、燃焼室５の天井面（天井部の傾斜面）とにより挟まれる隙間がスキッシュエリアとなるように構成されている。なお、ＴＤＣおよびＢＴＤＣは、それぞれ上死点および上死点前を意味し、ＣＡは、クランク角を意味する。
【００２９】
そして、上記シリンダの一側端部から見て、図５に示すように、上記圧縮上死点前の所定期間において、上記排気ポート８側に位置するピストン４の冠面（詳しくは外周部分４ａ）と燃焼室５の天井面との間に形成される隙間Ｃ１が、吸気ポート７側に位置するピストン４の冠面と燃焼室５の天井面との間の隙間Ｃ２に比べて小さくなるように構成されている。
【００３０】
以上のような当実施形態の火花点火式直墳エンジンによると、エンジンの運転状態が成層燃焼領域にあるときには、燃焼室５内における平均空燃比がリーンに設定されるとともに、燃料噴射弁１２から圧縮行程の後期に燃料が噴射されることにより、点火プラグ１の周りに混合気を成層化させた状態で点火する成層燃焼が行われる。
【００３１】
この場合に、吸気ポート７から流入した吸気によって燃焼室５内にタンブル流Ｔが生成され、点火プラグ１１の周りに混合気が成層化される。より具体的に説明すると、図２に示す断面において、上記タンブル流Ｔは、燃焼室５の天井面に沿って右側（吸気ポート７側）から左側（排気ポート８側）へ流れた後、シリンダボア１の左側壁面に沿って下方に向かって流れる。また、上記燃焼室５の下方部では、ピストン４の冠面に形成された凹部１５の底面に沿って左側（排気ポート８側）から右側（吸気ポート７側）に上記タンブル流Ｔが流れた後、シリンダボア１の右側壁面に沿って上方（天井面側）へ向かって流れる。なお、この右側壁面に沿って上方に流れるタンブル流Ｔの幅（流動範囲）は広く形成されるようになる。
【００３２】
そして、上記燃焼室５の底部、つまりピストン４の冠面に形成された上記凹部１５の底面からシリンダのボア壁面に沿って流れる流動範囲が広くなったタンブル流Ｔに対向するように、燃料噴射弁１２から燃料が噴射されることにより、この燃料噴霧Ｆａと、タンブル流Ｔとが略正対する方向から衝突する。このため、燃料の微粒化が促進されるとともに、上記タンブル流Ｔにより燃料噴霧Ｆａが減速されつつ、空気と混合されるとともに、この混合気が点火プラグ１１の付近に漂う（留まる）状態となる。
【００３３】
上記のようにシリンダの一側端部から見た図２に示す断面において、シリンダ軸線Ｚを挟んで左右に開口する凹部１５をピストン４の冠面に形成し、この凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ１を、吸気ポート７側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ２に比べて大きな値に設定するとともに、上記凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の容積を、吸気ポート７側に位置する部分に比べて大きな値に設定したため、上記凹部１５の底面に沿って吸気ポート７の設置部側に流動した後、シリンダボア１の内壁面に沿って上昇するタンブル流Ｔを、ピストン４の上昇に伴って流動範囲（幅）を広げつつ効果的に強化することができる。
【００３４】
上記タンブル流Ｔの変動状態を図６に基づいて説明する。図６（ａ）〜（ｃ）は、圧縮行程におけるＢＴＤＣ１３０°ＣＡ，ＢＴＤＣ１１０°ＣＡおよびＢＴＤＣ９０°ＣＡの各段階で、ピストン４の上昇に伴って上記タンブル流Ｔがどのように変化するかを示したものであり、燃焼室５内におけるタンブル流Ｔの流れを矢印で示すとともに、タンブル中心Ｔｃを黒点で表したものである。
【００３５】
図６（ａ）に示すように、ピストン４が下死点に近い位置にある圧縮行程前期には、タンブル中心Ｔｃが略シリンダ軸線Ｚ上にあって、その右側（吸気ポート７側）におけるタンブル流Ｔの上向きの流れと、左側（排気ポート８側）における下向きの流れとは、略同じ強さになる。上記ピストン４が上昇するのに伴い、図６（ｂ），（ｃ）に示すように、吸気ポート７側における上向きのタンブル流Ｔは強められるのに対し、排気ポート８側における下向きのタンブル流Ｔは、ピストン４の上昇に伴う燃焼室５内の上昇流により阻害されて弱められるとともに、これに対応してタンブル中心Ｔｃが燃焼室５の左側（排気ポート８側）に変位することになる。
【００３６】
そして、図２に示すように、上記凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ１を、吸気ポート７側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ２に比べて大きな値に設定したため、上記吸気ポート７側における上向きのタンブル流Ｔを、より効果的に強化することができる。しかも、上記凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の容積を、吸気ポート７側に位置する部分に比べて大きな値に設定することにより、上記タンブル中心Ｔｃが排気ポート８側に、より変位し易い構成としたため、吸気ポート７側におけるタンブル流Ｔの流動範囲（上向きのタンブル流Ｔの流動範囲）を、排気ポート８側における下向きのタンブル流Ｔの流動範囲に比べて大幅に広げることができる（図６（ａ）〜（ｃ）に示すタンブル流Ｔの上向き矢印の幅と下向き矢印の幅との違いを参照）。
【００３７】
したがって、上記のように一般的な自動車用エンジンに比べてシリンダのボア直径が比較的に大きな値（７０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内）に設定されたエンジンにおいて、そのボアセンタから燃料噴射弁１２の噴口位置までの径方向の距離ｒと、シリンダのボア半径Ｒとの比率ｒ／Ｒを０．５〜０．８５の範囲内に設定することにより、ボアセンタ寄りに配設された上記燃料噴射弁１２から斜め下向きに噴射される燃料噴霧Ｆａと、吸気ポート７側において流動範囲（幅）の拡がった上向きに流動する上記タンブル流Ｔとを衝突させて、燃料の微粒化を効果的に促進し、上記衝突によって生成された混合気を、点火プラグ１１の近傍に滞留させることにより、エンジンの成層燃焼運転時における混合気の着火性および燃焼性を良好状態に維持しつつ、燃費を向上させることができるという利点がある。
【００３８】
すなわち、比較的大きいシリンダボア径のエンジンにおいて、点火プラグ１１の下方付近に到達する燃料噴霧Ｆａが拡がりすぎないように、燃料噴霧Ｆａの拡がる空間を少なくするため、燃料噴射弁１２の噴口を点火プラグ１１側（ボアセンタ側）に寄せて配置し、つまりシリンダのボア半径Ｒに対するボアセンタ（点火プラグ１１の位置）から燃料噴射弁１２の噴口位置までの距離ｒの比率を小さくすることが望ましいが、燃料噴射弁１２から噴射された噴霧Ｆａがリフト時の吸気弁９の頭部に吹き付けられる可能性が高くなるために（吸気弁９に対して噴霧Ｆａが吹き付けられるのを回避するために）、燃料噴射弁１２の水平方向に対する設置角度を大きくする必要がある。
【００３９】
しかしながら、上記のように燃料噴射弁１２の設置角度を大きく設定しただけでは、吸気ポート７側のシリンダ壁面に沿う形で上向きの強いタンブルＴが生成されるため、このシリンダ壁面付近の上向きのタンブル流Ｔによって噴霧Ｆａが燃焼室５の天井面に沿って排気ポート８側へ押しやられるようになり、噴霧Ｆａが点火プラグ１１の付近に留まる時間が短くなる。このため、点火時期を燃費ベストのタイミングよりも進角させて、噴霧Ｆａが点火プラグ１１の付近を通過するタイミングで点火させることにより、着火性を維持することができるものの、この分、燃費が悪化することが避けられない。
【００４０】
この問題を解決するために、上記のようにピストン４の冠面に形成された上記凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ１を、吸気ポート７側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ２に比べて大きな値に設定するとともに、上記凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の容積を、吸気ポート７側に位置する部分に比べて大きな値に設定することにより、上記燃料噴射弁１２から斜め下向きに噴射される燃料噴霧Ｆａと、吸気ポート７側において上向きに流動する流動範囲（幅）が広くなった上記タンブル流Ｔとを衝突させて、燃料の微粒化を効果的に促進し、微粒化した燃料を点火プラグ１１の近傍に滞留させ得るようになり、その分、燃料の噴射時期と、点火時期とを燃費ベストのタイミング方向へリタードさせることができる。
【００４１】
特に、上記実施形態に示すように、シリンダの一側端部から見た断面において、ピストン４の冠面に形成された凹部１５の深さが吸気ポート７側に比べて排気ポート８側が深くなるように、上記凹部１５の底面を傾斜させた場合には、上記凹部１５の底面に沿ってタンブル流Ｔを斜め上向きに流動させることにより、吸気ポート７側において上向きに流動するタンブル流Ｔの幅を、より厚くすることができる。さらに、上記上向きに流動したタンブル流Ｔが燃焼室５の天井部に衝突して、排気ポート８側に流動しようとする勢いが弱められるため、点火プラグ１の周りの混合気が上記タンブル流Ｔによって排気ポート８側に押し流されるのを効果的に抑制でき、混合気を点火プラグ１１の周りに長く留めることができるという利点がある。
【００４２】
例えば、上記凹部１５の深さが吸気ポート７側に比べて排気ポート８側が深くなるように、上記凹部１５の底面を傾斜させることにより、凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ１を、吸気ポート７側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ２に比べて大きな値に設定した本発明例と、ピストン４の冠面に水平な底面を有する凹部を形成することにより、排気ポート側の底面から天井面までの距離と、吸気ポート側の底面から天井面までの距離とを略等しく設定した比較例とで、ＢＴＤＣ９０°，ＢＴＤＣ３０°ＣＡにおけるタンブル流Ｔの変化状態を、ＣＦＤ（数値流体力学）の適用により解析したところ、図７（ａ），（ｂ）および図８（ａ），（ｂ）に示すようなデータが得られた。なお、図７および図８においてＸは、点火プラグ１１の電極位置であり、Ｙは、燃料噴射弁１２の噴口位置である。
【００４３】
上記データから、本発明例では、図７（ａ），（ｂ）に示すように、燃焼室５内の右側（吸気ポート側）に、タンブル流Ｔの上昇流が広範囲に形成されるとともに、タンブル中心Ｔｃが、大幅に左側（排気ポート側）に変位していることが確認された。これに対して上記比較例では、図８（ａ）に示すように、ＢＴＤＣ９０°ＣＡの時点におけるタンブル中心Ｔｃが燃焼室５の略中心に維持されて上向きに流動するタンブル流Ｔの流動範囲と、下向きに流動するタンブル流Ｔの流動範囲とが略均等に形成され、ＢＴＤＣ３０°ＣＡの時点で、図８（ｂ）に示すように、タンブル流Ｔの上下方向成分が減少してタンブル流Ｔが偏平化されていることが確認された。
【００４４】
次いで、上記タンブル流の影響を受けて燃料噴霧がどのように変化するかを、ＢＴＤＣ６０°，ＢＴＤＣ５０°，ＢＴＤＣ４０°およびＢＴＤＣ３０°ＣＡにおいて検証したところ、図９（ａ）〜（ｄ）および図１０（ａ）〜（ｄ）に示すようなデータが得られた。このデータから、本発明例では、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、点火プラグ１１の電極点Ｘの近傍にリッチな混合気が長期間に亘って滞留しているのに対し、比較例では、図１０（ａ）〜（ｄ）に示すように、混合気層が次第に偏平に拡がるとともに、その中心に位置するリッチな混合気が上記電極点Ｘの下方に変位することが確認された。
【００４５】
また、上記実施形態では、燃焼室５の上面から見た上記凹部１５の平面形状を、吸気ポート７の設置部と排気ポート８の設置部とを結ぶ左右方向、つまりタンブル流Ｔの流動方向および燃料の噴射方向を長軸ａとする略楕円形状に形成したため、上記凹部１５の底面に沿って流動するタンブル流Ｔの流動領域を充分に確保することができるとともに、上記吸気ポート７の設置部側に配設された燃料噴射弁１２から噴射された燃料がピストン４の冠面に付着するのを防止し、これによって燃焼安定性が低下するのを防止しつつ、燃費が低下したり、エミッション性が悪化したりするのを効果的に防止できるという利点がある。
【００４６】
さらに、上記実施形態に示すように、シリンダの一側端部から見て、排気ポート８側に位置するピストン４の冠面と燃焼室上面との距離Ｃ１を、吸気ポート７側に位置するビストン冠面と燃焼室上面との距離Ｃ２よりも小さな値に設定した場合には、圧縮行程の後期に、上記吸気ポート７側において生成されたスキッシュ流に比べ、排気ポート８側において生成されたスキッシュ流の強度を大きくすることができる。したがって、上記のように排気ポート８側に位置するシリンダボア１の側壁面に沿って上向きに流動するタンブル流Ｔの流量を増大させるように構成されたエンジンにおいて、圧縮行程の後期に、燃焼室５の天井部に沿って吸気ポート７の設置部側から排気ポート８の設置部側に流動する上記タンブル流Ｔにより、点火プラグ１の周りの混合気が排気ポート８側に押しやられるのを、排気ポート８側から燃焼室５の中央側に流動する上記スキッシュ流により効果的に抑制して、点火プラグ１１の近傍における混合気の滞留時間を、より長くすることができるという利点がある。
【００４７】
なお、上記実施形態では、ピストン４の冠面に形成された凹部１５の深さが吸気ポート７側に比べて排気ポート８側が深くなるように、上記凹部１５の底面を傾斜させることにより、凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ１を、吸気ポート７側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ２に比べて大きな値に設定するように構成した例について説明したが、この構成に代え、上記凹部１５の底面を水平に形成するとともに、上記天井面の傾斜角度を燃焼室５の左右で異ならせることにより、凹部１５のシリンダ軸線Ｚよりも排気ポート８側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ１を、吸気ポート７側に位置する部分の底面から燃焼室５の天井面までの距離Ｂ２に比べて大きな値に設定するように構成してもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、シリンダの一側端部から見て燃焼室の上部左右に開口する吸気ポートおよび排気ポートと、吸気ポートの設置部側に位置する燃焼室の上部から斜め下方に向けて燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、上記吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気によりタンブル流を生成するとともに、エンジンの成層燃焼運転時に上記タンブル流に対向させて燃料を噴射することにより、点火プラグ周りに混合気を成層化させた状態で点火するように構成された火花点火式直噴エンジンにおいて、シリンダのボア直径を７０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内に設定するとともに、ボアセンタから燃料噴射弁の噴口位置までの径方向の距離ｒと、シリンダのボア半径Ｒとの比率ｒ／Ｒを０．５〜０．８５の範囲内に設定し、かつ上記シリンダの一側端部から見て、シリンダ軸線を挟んで左右に開口する凹部をピストン冠面に形成し、この凹部のシリンダ軸線よりも排気ポート側に位置する部分の底面から燃焼室の天井面までの距離を、吸気ポート側に位置する部分の底面から燃焼室の天井面までの距離に比べて大きな値に設定するとともに、上記凹部のシリンダ軸線よりも排気ポート側に位置する部分の容積を、吸気ポート側に位置する部分に比べて大きな値に設定したため、簡単な構成で、エンジンの成層燃焼運転時に、点火プラグ周りに混合気を適正に成層化させて、その着火性および燃焼性を良化できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る火花点火式直噴エンジンの実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示すエンジンの燃焼室の形状を示す断面図である。
【図３】本発明の比較例における燃焼室の形状を示す断面図である。
【図４】ピストン下面に形成された凹部の形状を示す平面図である。
【図５】ピストンの上昇状態を示す説明図である。
【図６】ピストンの上昇に対応したタンブル流の変化状態を示す説明図である。
【図７】本発明例のタンブル流の変化状態を示す説明図である。
【図８】比較例のタンブル流の変化状態を示す説明図である。
【図９】本発明例の混合気の変化状態を示す説明図である。
【図１０】比較例の混合気の変化状態を示す説明図である。
【符号の説明】
５　燃焼室
７　排気ポート
８　吸気ポート
１１　点火プラグ
１２　燃料噴射弁
１５　凹部
【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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