(57)【要約】【課題】燃料の気化、霧化を促進しつつ、電極周辺への液滴化した燃料の付着を防止し、電極付近の混合気がリッチになり過ぎないようにするとともに、噴霧が吸気弁に遮られることを防止できる火花点火式直噴エンジンを提供する。【解決手段】燃焼室上側の略中央部に点火プラグ１６を設けると共に、２つの吸気弁の間であって燃焼室上側の略周縁部にインジェクタの先端部２４を設け、インジェクタの先端部２４から上記点火プラグ１６の電極１７付近に燃料を直接噴射する火花点火式直噴エンジンにおいて、インジェクタの先端部２４に複数の噴口３０を設け、各噴口の軸線３０ｄの向きを、その噴口３０から噴射される噴霧の点火プラグ１６位置付近での分布中心３０ａが、点火プラグ１６を避けつつ、電極１７の周囲に僅かに離れて配列されるように設定し、噴霧の中心線３０ｄのうち、互いに交わることなく、左右方向または上下方向に交差する組が一組以上存在するように設定する。【選択図】　　　　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上側の略中央部に点火プラグを設けると共に、２つの吸気弁の間であって燃焼室上側の略周縁部にインジェクタの先端部を設け、上記インジェクタの先端部から上記点火プラグの電極付近に燃料を直接噴射する火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記インジェクタの先端部に複数の噴口を設け、
上記各噴口の軸線の向きを、その噴口から噴射される噴霧の上記点火プラグ位置付近での分布中心が、上記点火プラグを避けつつ、上記電極の周囲に僅かに離れて配列されるように設定し、
上記噴霧の中心線のうち、互いに交わることなく、左右方向または上下方向に交差する組が一組以上存在す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２】
左右方向に交差する上記噴霧の中心線の組が一組以上存在し、その交差位置は、２つの吸気弁の中間付近となるように設定され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】
上記先端部に設けられた上記噴口の配列は、略上下に並ぶ噴口の列を左右に複数列設けたものを含み、互いに交差する中心線をもつ噴霧を噴射する噴口の高さ位置が異なるものである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】
１つの先端部を有するインジェクタを１気筒あたり複数備えるか、または複数の先端部を有するインジェクタを備え、少なくとも１つの上記先端部から噴射された噴霧の中心線が、別の先端部から噴射された噴霧の中心線と左右方向に交差する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５】
上下方向に交差する上記噴霧の中心線の組が一組以上存在し、その噴霧のうち、下方から上方に向かう噴霧の上記点火プラグ位置付近での分布中心が、上記電極の横位置に配列されるように設定され、上方から下方に向かう噴霧の上記点火プラグ位置付近での分布中心が、上記電極の下方に配列されるように設定され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６】
上記上下方向に交差する中心線をもつ噴霧のうち、下方から上方に向かう噴霧の中心線が、上記吸気弁のリフト時の傘部底面に沿って左右方向に拡がるように設定されたことを特徴とする請求項１または５記載の火花点火式直噴エンジン。
【請求項７】
上記先端部に設けられた上記噴口の配列は、下方から上方に向かう噴霧を噴射する噴口が、上方から下方に向かう噴霧を噴射する噴口よりも、下方且つ外側となるように設定されたことを特徴とする請求項５または６記載の火花点火式直噴エンジン。
【請求項８】
１つの先端部を有するインジェクタを１気筒あたり複数備えるか、または複数の先端部を有するインジェクタを備え、少なくとも１つの上記先端部から噴射された噴霧の中心線が、別の先端部から噴射された噴霧の中心線と上下方向に交差することを特徴とする請求項１または６または７記載の火花点火式直噴エンジン。
【請求項９】
上記燃焼室の天井部における吸気側の傾斜角を排気側の傾斜角よりも小さくし、吸気弁の傾斜角を排気弁の傾斜角よりも小さくしたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジン。
【請求項１０】
１行程あたりの噴射燃料を分割し、所定の時間差を設けて噴射することを特徴とする請求項１乃至９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、インジェクタの先端部を燃焼室内に配置し、インジェクタからの噴霧を点火プラグの電極周辺に偏在させるようにし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、点火プラグを備えるとともに、燃料を燃焼室内に直接噴射供給するインジェクタを備え、成層燃焼による燃費改善を図るようにした火花点火式の直噴エンジンが知られている。この種のエンジンでは、燃料の拡散を押えつつも気化、霧化を促進し、かつ、点火プラグの電極付近に着火可能な適度の空燃比の混合気が偏在する状態を確保することが要求される。
【０００３】
このような技術として、例えば特開平１０−５４２４６号公報や特開２００１−２４８４４３号公報には、燃料を直接点火プラグの電極付近に噴射し、点火前に燃料が燃焼室のシリンダやピストンに殆ど接触しないようにしたエンジンが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、電極に向けて燃料を噴射するため、この電極周辺に燃料が液滴となって付着し易いという問題があった。電極周辺に燃料が液滴となって付着すると、電気のリークを招き、点火不良に至る可能性がある。また、電極付近の混合気がリッチになり過ぎるという問題があった。更に、噴霧が電極に達するまでの間に、その一部が燃焼室に入り込んだ吸気弁に遮られ、電極に達しないという問題もあった。これらの問題は、出力低下や燃費の悪化、或いはエミッションの増大を招く原因となっており、その解決が課題となっていた。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑み、燃料の気化、霧化を促進しつつ、電極周辺への液滴化した燃料の付着を防止し、電極付近の混合気がリッチになり過ぎないようにするとともに、噴霧が吸気弁に遮られることを防止する火花点火式直噴エンジンを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本明細書において、ピストンの摺動方向を上下方向とし、燃焼室側を上、クランクシャフト側を下とする。また、インジェクタの軸線および上下方向に垂直な方向を左右方向とする。
【０００７】
請求項１の発明は、燃焼室上側の略中央部に点火プラグを設けると共に、２つの吸気弁の間であって燃焼室上側の略周縁部にインジェクタの先端部を設け、上記インジェクタの先端部から上記点火プラグの電極付近に燃料を直接噴射する火花点火式直噴エンジンにおいて、上記インジェクタの先端部に複数の噴口を設け、上記各噴口の軸線の向きを、その噴口から噴射される噴霧の上記点火プラグ位置付近での分布中心が、上記点火プラグを避けつつ、上記電極の周囲に僅かに離れて配列されるように設定し、上記噴霧の中心線のうち、互いに交わることなく、左右方向または上下方向に交差する組が一組以上存在するように設定されていることを特徴とする。
【０００８】
上記インジェクタには、複数のインジェクタ、あるいは複数の先端部を有するインジェクタを含むものとする。
【０００９】
また、互いに交わることなく、左右方向に交差する状態とは、空間内に実際の交点を持たず、平面視（図６（ロ）の視点）で交差しているように見える状態を言う。同様に、上下方向に交差する状態とは、空間内に実際の交点を持たず、側面視（図１１（イ）の視点）で交差しているように見える状態を言う。
【００１０】
この発明によれば、燃料を複数の噴口から噴射することにより、その燃料の微粒化が図られ、気化、霧化が促進される。しかも、各噴口から噴射された噴霧の中心線が点火プラグを避けた位置にあるので、燃料が液滴化して電極周辺へ付着する量を削減することができる。また、噴霧の中心線を上記のように設定すると、最もリッチな各噴霧の分布中心が電極の周囲に僅かに離れて配列するため、電極部の混合気がリッチ過ぎず、着火可能な適度の空燃比となるようにすることができる。更に、噴霧の中心線が互いに交わることなく、左右方向または上下方向に交差するように設定されているので、以下に示す作用により、噴霧が吸気弁を避けつつ、目標位置に到達するように設定することができる。
【００１１】
噴霧を交差させることにより得られる第一の作用は、噴霧全体の二次元的な拡散中心を点火プラグ側に移動させることができることである。なお、二次元的な拡散中心とは、平面視、或いは側面視における拡散中心を指す。噴霧は通常、拡散中心を中心として円錐状に拡散する。噴口が１つの場合は、拡散中心は噴口となる。しかし噴口を複数設け、その噴霧の中心線が交差するように設定すれば、各噴口から噴射された個別噴霧の拡散中心は各噴口であるが、個別噴霧の集合体である噴霧全体の二次元的な拡散中心は、各噴霧の中心線の交差点となる。従って、この交差点を噴口から離れた、点火プラグ側に設定することにより、噴霧全体の二次元的な拡散中心を点火プラグ側に移動させることができる。そして、噴霧が吸気弁を避けて、狭い領域を通る必要がある場合には、その狭い領域付近に噴霧全体の二次元的な拡散中心が位置するように設定することにより、吸気弁を避けつつ、点火プラグ位置での噴霧の拡がりを得ることができる。
【００１２】
噴霧を交差させることにより得られる第二の作用は、噴霧を吸気弁の裏側に回り込ませることができることである。例えば、吸気弁の近くにある噴口Ａから噴射された噴霧が、吸気弁の裏側に届かない場合でも、その噴口Ａに対し、吸気弁と反対側にある別の噴口Ｂから、噴口Ａから噴射された噴霧の中心線と交差するような中心線を持つ噴霧を噴射すれば、噴口Ａからの噴霧では届かなかった吸気弁の裏側に、噴霧を回り込ませることができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、左右方向に交差する上記噴霧の中心線の組が一組以上存在し、その交差位置は、２つの吸気弁の中間付近となるように設定されたことを特徴とする。
【００１４】
この発明によると、吸気弁を避けつつ、噴霧を点火プラグの電極付近に噴射することができる。エンジンの出力を高めるために、可能な限り大きな吸気ポートを２個設け、その間にインジェクタを配設することは一般的になされている。高負荷、高回転域では、吸気弁が閉じる前に燃料を噴射する場合があり、その際、吸気ポートに対応する大型の吸気弁が噴霧を遮ることがある。そのような場合でも、交差する噴霧の中心線の交差位置を、２つの吸気弁の中間付近となるように設定することにより、上記第一の作用が得られるので、吸気弁に遮られる噴霧の量を削減し、出力低下や燃費の悪化、或いはエミッションの増大を防止することができる。
【００１５】
請求項３の発明は、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、上記先端部に設けられた上記噴口の配列は、略上下に並ぶ噴口の列を左右に複数列設けたものを含み、互いに交差する中心線をもつ噴霧を噴射する噴口の高さ位置が異なるものであることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、上記噴口の軸線を、左右方向に二次元的に傾斜するように穿設するだけで、交わることなく、左右方向に交差する中心線をもつ噴霧を噴射することができる。それは、各噴口の高さ位置が異なるので、噴口の軸線を左右方向にどのように傾斜させても噴霧の中心線が交わる懸念がないからである。このため、噴口の左右方向の傾斜の設定自由度が高く、狙いの位置で噴霧の中心線を交差させることが容易にできる。また、噴口の加工を二次元的に傾斜したものとすることができるので、三次元的に傾斜したものと比べて容易に加工することができる。
【００１７】
請求項４の発明は、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、１つの先端部を有するインジェクタを１気筒あたり複数備えるか、または複数の先端部を有するインジェクタを備え、少なくとも１つの上記先端部から噴射された噴霧の中心線が、別の先端部から噴射された噴霧の中心線と左右方向に交差することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、一行程分の噴射燃料を複数の噴口を有する複数の先端部から噴射するので、全体として比較的多くの噴口を設けることができる。従って、噴口当たりの噴射量を低減することができ、燃料の微粒化が更に促進される。また、噴口の軸線を傾斜させる代わりに、各先端部の軸線を傾斜させるだけで、噴霧中心線の左右方向の交差を容易に成すことができる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、上下方向に交差する上記噴霧の中心線の組が一組以上存在し、その噴霧のうち、下方から上方に向かう噴霧の上記点火プラグ位置付近での分布中心が、上記電極の横位置に配列されるように設定され、上方から下方に向かう噴霧の上記点火プラグ位置付近での分布中心が、上記電極の下方に配列されるように設定されたことを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、各噴口から噴射された噴霧の分布中心が、点火プラグを避けつつ、電極の横、或いは下方に僅かに離れて配列するので、電極部の混合気がリッチ過ぎず、着火可能な適度の空燃比となるようにすることができる。しかも、上記の噴霧を交差させることによる第二の作用により、下方から上方に向かう噴霧は、たとえ上方に吸気弁があっても、その裏側に回りこんで点火プラグに向かうように設定することができる。
【００２１】
請求項６の発明は、請求項１または５記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、上記上下方向に交差する中心線をもつ噴霧のうち、下方から上方に向かう噴霧の中心線が、上記吸気弁のリフト時の傘部底面に沿って左右方向に拡がるように設定されたことを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、下方から上方に向かう噴霧は、たとえ上方に吸気弁があっても、バルブのリフト時の傘部底面に沿ってその裏側に回りこんで点火プラグに向かうので、噴霧が吸気弁によって遮断されることを防止することができる。
【００２３】
請求項７の発明は、請求項５または６記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、上記先端部に設けられた上記噴口の配列は、下方から上方に向かう噴霧を噴射する噴口が、上方から下方に向かう噴霧を噴射する噴口よりも、下方且つ外側となるように設定されたことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、上記噴口の軸線を、上下方向に二次元的に傾斜するように穿設するだけで、交わることなく、上下方向に交差する中心線をもつ噴霧を噴射することができる。それは、各噴口の左右方向位置が異なるので、噴口の軸線を上下方向にどのように傾斜させても噴霧の中心線が交わる懸念がないからである。このため、噴口の上下方向の傾斜の設定自由度が高く、狙いの位置で噴霧の中心線を交差させることが容易にできる。また、噴口の加工を二次元的に傾斜したものとすることができるので、三次元的に傾斜したものと比べて容易に加工することができる。
【００２５】
請求項８の発明は、請求項１または６または７記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、１つの先端部を有するインジェクタを１気筒あたり複数備えるか、または複数の先端部を有するインジェクタを備え、少なくとも１つの上記先端部から噴射された噴霧の中心線が、別の先端部から噴射された噴霧の中心線と上下方向に交差することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、一行程分の噴射燃料を複数の噴口を有する複数の先端部から噴射するので、全体として比較的多くの噴口を設けることができる。従って、噴口当たりの噴射量を低減することができ、燃料の微粒化が更に促進される。また、噴口の軸線を傾斜させる代わりに、各先端部の軸線を傾斜させるだけで、噴霧中心線の上下方向の交差を容易に成すことができる。
【００２７】
請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、上記燃焼室の天井部における吸気側の傾斜角を排気側の傾斜角よりも小さくし、吸気弁の傾斜角を排気弁の傾斜角よりも小さくしたことを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、燃料を直接点火プラグ方向に噴射する場合の、吸気弁とインジェクタとのレイアウトを好適にするとともに、吸気バルブによる噴霧の遮断を効果的に防止できる。この発明に係る燃焼室の形状（以下台形ルーフ型という。図１参照）は、燃料を直接点火プラグ方向に噴射する場合の、吸気弁とインジェクタとのレイアウトに好適であるが、一方、燃焼室への吸気弁のリフト量が大きく、噴霧が遮断され易いものであった。しかし、本発明では左右方向、または上下方向に噴霧の軸線を交差させることにより、吸気弁による噴霧の遮断を効果的に防止しているので、噴霧を点火プラグ周辺の狙いの位置に噴射することができる。
【００２９】
請求項１０の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、１行程あたりの噴射燃料を分割し、所定の時間差を設けて噴射することを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、一行程分の噴射燃料を分割して噴射するので、噴射当たりの噴射量を低減することができる。そのため、燃料の微粒化が更に促進される。また、噴射を分割することにより、各噴射タイミングから点火時までの拡散時間に差が生じ、点火時の各噴霧の濃度分布が異なったものとなる。点火時における全体の混合気濃度分布は、これらを合成したものとなるので、噴射間隔を適宜調整することにより、運転条件に応じた最適な濃度分布の混合気を形成することができる。更に、複数のインジェクタまたは複数の先端部を有するインジェクタを備えるものにおいては、先端部毎に噴射タイミングを設定することができる。この場合、同一の噴口から時間差を設けて複数回噴射するものと比べ、噴射間隔の下限に制約がなく、比較的長い間隔から殆ど同時まで、高い自由度で設定することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第一の実施形態による火花点火式直噴エンジンの断面図である。図１において、１はシリンダブロック２上に設置されたシリンダヘッド、３はシリンダブロック２のシリンダボア４内に設置されたピストンであり、ピストン３の上面とシリンダヘッド１の下面との間に燃焼室５が形成されており、この部分におけるシリンダヘッド１の下面側には燃焼室５の天井部を構成する凹陥部が設けられている。
【００３２】
シリンダヘッド１には、燃焼室５に開口する吸気ポートと排気ポートが形成され、当実施形態では気筒毎に２個の吸気ポート６，７と２個の排気ポート８，９とが形成されている。吸気ポート６，７には吸気弁１０，１１が装備され、排気ポート８，９には排気弁１２，１３が装備されており、図外のカムシャフトにより、吸気弁１０，１１および排気弁１２，１３が駆動されるようになっている。
【００３３】
さらに、燃焼室５内に直接燃料を噴射するインジェクタ１４と、点火プラグ１６とがシリンダヘッド１に取り付けられており、インジェクタ１４の先端部は燃焼室５の略周縁部に配置され、点火プラグ１６の先端は燃焼室５の天井部の略中央に配置されている。なお、燃焼室５は、天井部における吸気側の傾斜角を排気側の傾斜角よりも小さくし、吸気弁１０，１１の傾斜角を排気弁１２，１３の傾斜角よりも小さくした台形ルーフ型である。図１では、インジェクタ１４から噴霧１５が噴射された状態を示す。
【００３４】
このエンジンは、ピストン３が下方に摺動するとともに吸気弁１０，１１が開いて燃焼室５内に空気を吸入する吸気行程と、吸気弁１０，１１が閉じるとともにピストン３が上方に摺動して内部の空気を圧縮する圧縮行程と、燃料を燃焼させて内圧を高め、ピストン３を押し下げる膨張行程と、ピストン３が上方に摺動するとともに排気弁１２，１３が開いて燃焼室５内の排気ガスを排出する排気行程の４行程を順次行う。そして、成層運転域（例えば低回転低負荷領域）では、圧縮行程の適当な時期にインジェクタ１４から燃料が噴射されて、点火プラグ１６周りに燃料が偏在する状態で着火、燃焼が行われるようになっている。
【００３５】
ところで、当実施形態の上記行程における燃料の噴霧１５は、全体として一つの噴霧のように見えるが、詳細には複数の噴口から噴射された複数の噴霧の集合体である。以下に、その噴霧１５および噴霧１５を噴射するインジェクタ１４について詳細に説明する。
【００３６】
図２は噴霧１５の噴射状況を示す説明図である。インジェクタ１４から噴射された噴霧１５は、８個の噴口（詳細は後述する）から噴射された８本の個別噴霧の集合体である。図２には、３本の個別噴霧３１ｅ，３２ｅ，３５ｅが見えている状態を示す。各個別噴霧では、それぞれの噴霧中心線を軸として燃料が噴射される。例えば個別噴霧３５ｅは、噴霧中心線３５ｄを軸として燃料が噴射されている。
【００３７】
図３はインジェクタ１４の斜視図である。インジェクタ１４は、図外の高圧ポンプから圧送される燃料を受入れる連結部２０を後端に備え、本体後部には図外の制御装置からの制御信号を受入れるコネクタ２２を備える。またインジェクタ１４の先端には燃焼室５に突出する先端部２４が形成されている。先端部２４の中心部には、各噴口が穿設された噴口エリア２６が形成されている。インジェクタ１４の内部には、連結部２０から受入れた燃料を噴射するために噴口を開閉するバルブを作動するためのソレノイド２３が設けられている。ソレノイド２３は、コネクタ２２から受入れた制御信号がＯＮの時にバルブを作動して噴口を開く。
【００３８】
図４は、インジェクタ１４の噴口エリア２６を、図３に示すＡ方向から見た拡大矢視図である。図４の上下方向は、図１の上下方向と同一である。噴口エリア２６には、８個の噴口３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８（総称を噴口３０とする）が穿設されている。噴口３０からは、それぞれ燃料が噴射され、それらの個別噴霧が合成されて一つの噴霧１５が形成される。なお、噴口エリア２６を含む端面は、若干丸みを帯びて形成されているため、各噴口から噴射された噴霧の中心線は、全体的に放射状に拡散する。噴口３０の軸線は、その噴口から噴射された個別噴霧の中心線が、噴霧１５全体の中心線に対し、それぞれ個別に傾斜したものとなるように設けられている。図４では、噴口３０の軸線の傾斜方向を、各噴口に記した矢印で示す。また矢印の長さは、相対的な傾斜度合いを示し、矢印が長いほど傾斜角が大きい。
【００３９】
噴口３１，３２は、噴口エリア２６の左側で、上下に並ぶ噴口の列となっている。同様に、噴口３３，３４は、噴口エリア２６の右側で、上下に並ぶ噴口の列となっている。噴口３１，３２と噴口３３，３４とは、互いに異なる高さ位置に設けられている。また、噴口３５，３６，３７，３８は、噴口エリア２６の下方で、左右に並ぶ噴口の列となっている。噴口３１，３２，３８の軸線は、比較的大きく右に傾斜しており、噴口３３，３４，３５の軸線は、比較的大きく右に傾斜している。また、噴口３６の軸線は、比較的小さく左に傾斜しており、噴口３７の軸線は、比較的小さく右に傾斜している。以上のように各噴口の軸線が設けられているため、噴口３０から噴射された個別噴霧の中心線は、平均的な放射状の拡がりに、各々の噴口軸線の傾斜を加えた方向に伸びる。
【００４０】
特に噴口３１，３２と噴口３３，３４とは、噴口エリア２６の左右対称軸を挟んで反対方向に傾斜した軸線となっているので、左側の噴口３１，３２から噴射された噴霧は右方向に飛散し、右側の噴口３３，３４から噴射された噴霧は左方向に飛散する。即ち、互いの噴霧の中心線は左右方向に交差することとなる。但し、これらの噴口は互いに異なる高さに設けられているので、その噴霧の中心線が交わることはない。
【００４１】
図５は、インジェクタ１４から噴射された噴霧が、点火プラグ１６の電極１７付近に達した、点火直前の状況を示す説明図である。図５では、説明のため、噴口エリア２６部を拡大して示す。二点鎖線で示す仮想平面９０は、噴霧１５の全体の軸線に対し、点火プラグ１６の位置で垂直に立てた仮想の平面である。また、仮想平面９０上の、点火プラグ１６及びその電極１７の位置１６’，１７’を破線で示す。噴口３０から噴射された噴霧は、噴霧中心線３１ｄ，３２ｄ，３３ｄ，３４ｄ，３５ｄ，３６ｄ，３７ｄ，３８ｄ（総称を噴霧中心線３０ｄとする）を軸に、拡散しながら点火プラグ１６の方向に飛散する。そして、点火プラグ１６の位置では、噴霧の分布中心３１ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａ（総称を噴霧の分布中心３０ａとする）が、点火プラグ１６を避けつつ、電極１７の周囲に僅かに離れて配列している。詳しくは、噴霧の分布中心３１ａと３２ａは、電極１７の横で上下に並ぶ列となっている。同様に、噴霧の分布中心３３ａと３４ａも、電極１７の横で上下に並ぶ列となっている。また、噴霧の分布中心３５ａ，３６ａ，３７ａ，３８ａは、電極１７の下方で左右に並ぶ列となっている。
【００４２】
このように、噴口３１，３２から噴射された噴霧の分布中心３１ａ，３２ａと、噴口３３，３４から噴射された噴霧の分布中心３３ａ，３４ａとは、その中心線が交差することにより、左右が逆転している。但し噴霧中心線３１ｄ，３２ｄ，３３ｄおよび３４ｄは、その高さが異なるため実際には交わっていない。即ち、噴霧同士が衝突して、互いの進路が妨害されることを効果的に防止している。
【００４３】
仮想平面９０上に斜線で示すリッチ噴霧領域３０ｂは、点火時における比較的リッチな混合気の分布を示し、噴霧の分布中心３０ａを中心に拡がっている。リッチ噴霧領域３０ｂの外側には、着火噴霧領域３０ｃが形成されている。着火噴霧領域３０ｃ内の混合気は、リッチ噴霧領域３０ｂ内の混合気よりも若干希薄であり、着火可能な適度の空燃比の混合気となっている。また、更にその外側には、もっと希薄な混合気の領域が分布している。但し、各領域の境界線は、図に示すように明確なものではなく、噴霧の空燃比は、噴霧の分布中心３０ａを中心に連続的な層を成して分布するものであって、図５は、説明のために敢えて境界線を示すものである。
【００４４】
以上のように点火時の燃料の濃度分布が設定されているので、点火時の電極１７は着火噴霧領域３０ｃにあることになり、リッチ噴霧領域３０ｂにある場合よりも液滴化した燃料の付着量が少ない。更に、電極１７周辺の混合気がリッチ過ぎず、着火可能な適度の空燃比となっている。
【００４５】
図６（イ）は、噴口と吸気弁の位置関係を示す説明図である。この図では、噴口エリア２６とともに、吸気弁１０，１１の傘部底面部の位置を示す。また、吸気弁１０，１１が開いた（リフトされた）状態を二点鎖線で示す。噴口エリア２６内の噴口３１乃至３８の噴口配列及び各噴口の軸線傾斜状態は図４及び図５と同一である。この図に示すように、噴口エリア２６は、吸気弁１０，１１の間に設けられているので、噴霧はこの間を通過して点火プラグ方向に噴射される。吸気弁１０，１１の間隔は、各弁のサイズが大きくなるほど狭く、各噴口からの噴射は、吸気弁１０，１１に遮断され易くなる。特に、噴口エリア２６の上方に配置されている噴口３１乃至３４からの噴霧はその影響が大きい。一方、噴口エリア２６の下方に配置されている噴口３５乃至３８からの噴霧は、吸気弁１０，１１がリフトされた状態でもその進路を遮断され難くなっている。
【００４６】
図６（ロ）は、交差する噴霧の噴射状態を示す説明図である。この図では、噴口エリア２６の上部にある噴口３１及び３３の噴霧のみを、下（ピストン側）から見た状態を示す。噴霧３１ｅ，３３ｅは、それぞれ噴霧中心線３１ｄ，３３ｄを軸に電極１７方向に飛散している。噴霧中心線３１ｄと３３ｄは、吸気弁１０，１１間付近で交差しており、噴霧全体の左右方向の幅は、この部分で最も小さくなっている。このようにして、吸気弁１０，１１がリフトされた状態で燃料が噴射されても、吸気弁１０，１１によって噴霧の進路が遮断さることを効果的に防止している。また、噴霧中心線３１ｄ，３３ｄが、電極１７の横を僅かに離れて通過しているので、電極１７付近の混合気は着火可能な適度の空燃比となっている。
【００４７】
図７は、本発明の第二の実施形態に係る、２個の先端部を有するインジェクタ１４ａの斜視図である。インジェクタ１４ａの先端には燃焼室５に突出する先端部２４および２４ａが形成されている。先端部２４および２４ａの中心部には、各噴口が穿設された噴口エリア２６および２６ａが形成されている。連結部２０から受入れた燃料は、内部のソレノイドの作動により、噴口エリア２６，２６ａから噴射される。
【００４８】
図８は、インジェクタ１４ａの噴口エリア２６および２６ａを、図７に示すＢ方向から見た拡大矢視図である。図８の上下方向は、図１の上下方向と同一である。噴口エリア２６には、５個の噴口４１，４２，４３，４４，４５（総称を噴口４０とする）が穿設されている。噴口エリア２６ａには、５個の噴口５１，５２，５３，５４，５５（総称を噴口５０とする）が穿設されている。
【００４９】
噴口４１，４２は、噴口エリア２６の左右対称軸上（中央）で、上下に並ぶ噴口の列となっている。同様に、噴口５１，５２は、噴口エリア２６ａの左右対称軸上で、上下に並ぶ噴口の列となっている。また、噴口４３，４４，４５は、噴口エリア２６の下方で、左右に並ぶ噴口の列となっている。同様に、噴口５３，５４，５５は、噴口エリア２６ａの下方で、左右に並ぶ噴口の列となっている。噴口４１，４２の軸線は右に傾斜し、噴口５１，５２の軸線は左に傾斜している。更にこれらの噴口の高さ位置が異なっているので、これらの噴口から噴射された噴霧は衝突することなく、左右方向に交差する。
【００５０】
図９（イ）は、第二の実施形態における交差する噴霧の噴射状態を示す説明図である。この図では、噴口エリア２６の上部にある噴口４１及び噴口エリア２６ａの上部にある噴口５１から噴射された噴霧４１ｅ，５１ｅのみを、下から見た状態を示す。噴霧４１ｅ，５１ｅは、それぞれ噴霧中心線４１ｄ，５１ｄを軸に電極１７方向に飛散している。噴霧中心線４１ｄと５１ｄは、吸気弁１０，１１間付近で交差しており、噴霧全体の左右方向の幅は、この部分で最も小さくなっている。このようにして、吸気弁１０，１１がリフトされた状態で燃料が噴射されても、吸気弁１０，１１によって噴霧の進路が遮断さることを効果的に防止している。また、噴霧中心線３１ｄ，３３ｄが、電極１７の横を僅かに離れて通過しているので、電極１７付近の混合気は着火可能な適度の空燃比となっている。
【００５１】
図９（ロ）は、第二の実施形態において、インジェクタ１４ａの代わりにインジェクタ１４を２本用いた状態を示す。各インジェクタ１４の噴口エリア２６に設けられた噴口のパターンは、図８に示す噴口４０及び５０となっている。このようにしても図９（イ）に示すと同様の作用効果が得られる。
【００５２】
図１０は、第三の実施形態に係る噴口パターンを示す説明図である。第三の実施形態では、二本のインジェクタ１４を用い、噴霧中心線が上下方向に交差するように設定している。図１０の上下方向は、図１の上下方向と同一である。上側のインジェクタ１４の噴口エリア２６には、４個の噴口６１，６２，６３，６４（総称を噴口６０とする）が穿設されている。一方、下側のインジェクタ１４の噴口エリア２６には、４個の噴口７１，７２，７３，７４（総称を噴口７０とする）が穿設されている。
【００５３】
噴口６０は、噴口エリア２６の左右対称軸付近で、上下左右に並ぶ噴口の列となっている。一方、噴口７０は、噴口エリア２６の左右対称軸から離れて、上下左右に並ぶ噴口の列となっている。噴口６０，７０は、個別の噴口の軸線は同一であるが、噴口６０から噴射された噴霧は下向きに、噴口７０から噴射された噴霧は上向きに飛散するよう調整されている。更に噴口６０と噴口７０の左右方向位置が異なっているので、これらの噴口から噴射された噴霧は上下方向に交差する。
【００５４】
図１１（イ）、（ロ）は、噴口６０及び７０から噴射された噴霧の飛散状況を示す説明図である。図１１（イ）には、上側のインジェクタ１４の噴口６１，６３から噴射された噴霧６１ｅ，６３ｅと下側のインジェクタ１４の噴口７１，７３から噴射された噴霧７１ｅ，７３ｅのみを側面視で示す。また、燃焼室５の上部の吸気弁１０，１１を示し、それらがリフトされた状態を破線で示す。図１１（ロ）は、図１１（イ）を、下から見た平面視で示す。噴霧中心線６１ｄ，６３ｄと噴霧中心線７１ｄ，７３ｄとは、側面視では交差しているが、平面視では交差しておらず、交わっていない。また、噴霧６１ｅ，６３ｅは、側面視では吸気弁１０，１１と干渉しているように見えるが、平面視では吸気弁１０，１１の間を通っており、干渉していない。一方、噴霧７１ｅ，７３ｅは、平面視では吸気弁１０，１１と干渉しているように見えるが、側面視では吸気弁１０，１１の下側を通っており、干渉していない。そして、噴霧中心線６１ｄ，６３ｄは、電極１７の下側を通り、噴霧中心線７１ｄ，７３ｄは、電極１７の側方を通っている。
【００５５】
第三の実施形態に示すような上下方向の交差は、１つの先端部をもつインジェクタ１４の噴口の軸線を傾斜させることによっても成し得る。以下に、このような例として第四乃至第七の実施形態を示す。
【００５６】
図１２（イ）は、第四の実施形態に係る噴口と吸気弁の位置関係を示す説明図である。この図に示す噴口エリア２６と吸気弁１０，１１の記載は、図６（イ）と同様である。噴口エリア２６には、１０個の噴口１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０（総称を噴口１２０とする）が穿設されている。噴口１０１乃至１０４は、噴口エリア２６の上方かつ左右対称軸上で、上下に並ぶ噴口の列となっている。また、これらの噴口は、その軸線が下方に傾斜している。噴口１０５乃至１１０は、噴口エリア２６の下方で、リフト状態の吸気弁１０，１１を避けるように左右に並んでいる。また、これらの噴口は、その軸線が上方に傾斜している。
【００５７】
図１２（ロ）は、噴口１２０から噴射される噴霧中心線の側面視を示す。噴霧中心線１０１ｄ乃至１１０ｄ（総称を１２０ｄとする）は、それぞれ噴口１０１乃至１１０から噴射された噴霧の中心線である。噴霧中心線１０１ｄ乃至１０４ｄは、下向きに伸び、点火プラグ１６の下方を通過している。一方、噴霧中心線１０５ｄ乃至１１０ｄは、上向きに伸び、点火プラグ１６の側方を通過している。下向きの噴霧と上向きの噴霧は、互いに交わることなく、上下方向に交差している。
【００５８】
図１３（イ）は、第五の実施形態に係る噴口と吸気弁の位置関係を示す説明図である。この図に示す噴口エリア２６と吸気弁１０，１１の記載は、図６（イ）と同様である。噴口エリア２６には、９個の噴口１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６，１２７，１２８，１２９（総称を噴口１３０とする）が穿設されている。噴口１２１及び１２４乃至１２７は、噴口エリア２６の下方かつ左右対称軸付近で、上下に並ぶ噴口の列となっている。噴口１２２，１２３，１２８及び１２９は、噴口エリア２６の下方かつ左右対称軸から離れて、リフト状態の吸気弁１０，１１の傘部底面に沿うように左右に並んでいる。また、噴口１２２，１２３，１２８及び１２９は、その軸線が上方に傾斜している。このような噴口の配列は、吸気弁１０，１１の間隔が特に狭く、噴口エリア２６の上部に噴口の配置が困難な場合に特に有効である。
【００５９】
図１３（ロ）は、噴口１３０から噴射される噴霧中心線の側面視を示す。噴霧中心線１２１ｄ乃至１２９ｄ（総称を１３０ｄとする）は、それぞれ噴口１２１乃至１２９から噴射された噴霧の中心線である。噴霧中心線１２１ｄ及び１２４ｄ乃至１２７ｄは、下向きに伸び、点火プラグ１６の下方を通過している。一方、噴霧中心線１２２ｄ，１２３ｄ，１２８ｄ及び１２９ｄは、上向きに伸び、点火プラグ１６の側方を通過している。下向きの噴霧と上向きの噴霧は、互いに交わることなく、上下方向に交差している。
【００６０】
図１４（イ）は、第六の実施形態に係る噴口と吸気弁の位置関係を示す説明図である。この図に示す噴口エリア２６と吸気弁１０，１１の記載は、図６（イ）と同様である。噴口エリア２６には、８個の噴口１３１，１３２，１３３，１３４，１３５，１３６，１３７，１３８（総称を噴口１４０とする）が穿設されている。噴口１３１，１３２，１３３及び１３６は、噴口エリア２６の上方かつ左右対称軸上で、上下に並ぶ噴口の列となっている。また、これらの噴口は、その軸線が下方に傾斜している。噴口１３４，１３５，１３７及び１３８は、噴口エリア２６の下方かつ左右対称軸から離れて、リフト状態の吸気弁１０，１１を避けるように左右に並んでいる。また、これらの噴口は、その軸線が上方に傾斜している。
【００６１】
図１４（ロ）は、噴口１４０から噴射される噴霧中心線の側面視を示す。噴霧中心線１３１ｄ乃至１３８ｄ（総称を１２０ｄとする）は、それぞれ噴口１０１乃至１１０から噴射された噴霧の中心線である。噴霧中心線１３１ｄ，１３２ｄ，１３３ｄ及び１３６ｄは、下向きに伸び、点火プラグ１６の下方を通過している。一方、噴霧中心線１３４ｄ，１３５ｄ，１３７ｄ，１３８ｄは、上向きに伸び、点火プラグ１６の側方を通過している。下向きの噴霧と上向きの噴霧は、互いに交わることなく、上下方向に交差している。
【００６２】
図１５（イ）は、第七の実施形態に係る噴口と吸気弁の位置関係を示す説明図である。この図に示す噴口エリア２６と吸気弁１０，１１の記載は、図６（イ）と同様である。噴口エリア２６には、６個の噴口１４１，１４２，１４３，１４４，１４５，１４６（総称を噴口１５０とする）が穿設されている。噴口１４１及び１４２は、噴口エリア２６の上方かつ左右対称軸上で、上下に並ぶ噴口の列となっている。また、これらの噴口は、その軸線が下方に傾斜している。噴口１４３乃至１４６は、噴口エリア２６の下方かつ左右対称軸付近で上下左右に並ぶ噴口の列となっている。但し、噴口１４１，１４２よりは左右方向で外側にある。また、これらの噴口は、その軸線が上方に傾斜している。このような噴口の配列は、吸気弁１０，１１のリフト量が大きく、噴口エリア２６の下方であっても左右対称軸から離れて噴口を配置することが困難な場合に特に有効である。
【００６３】
図１５（ロ）は、噴口１５０から噴射される噴霧中心線の側面視を示す。噴霧中心線１４１ｄ乃至１４８ｄ（総称を１５０ｄとする）は、それぞれ噴口１４１乃至１４６から噴射された噴霧の中心線である。噴霧中心線１４１ｄ及び１４２ｄは、下向きに伸び、点火プラグ１６の下方を通過している。一方、噴霧中心線１４３ｄ乃至１４６ｄは、上向きに伸び、点火プラグ１６の側方を通過している。下向きの噴霧と上向きの噴霧は、互いに交わることなく、上下方向に交差している。
【００６４】
以上のように、第三乃至第七の実施形態においても、第一、第二の実施形態と同様、電極１７への液滴化した燃料の付着量が少なく、かつ電極１７周辺の混合気がリッチ過ぎず、着火可能な適度の空燃比となっている。
【００６５】
また、上記第二、第三の実施形態のように複数の噴口エリア２６から燃料を噴射する場合には、一行程分の噴射燃料を分割して噴射するので、各噴口からの一回当たりの噴射量を低減することができる。そのため、燃料の微粒化が更に促進される。また、各噴射タイミングに時間差を設ければ、各噴射タイミングから点火時までの拡散時間に差が生じ、点火時の各噴霧の濃度分布が異なったものとなる。例えば第二の実施形態では、噴口４０からの噴射の後、所定時間後に噴口５０からの噴射を行えば、点火時における全体の混合気濃度分布は、比較的広く拡散し、希薄になった噴口４０からの噴霧と、比較的狭く拡散し、リッチな状態である噴口５０からの噴霧とを合成したものとなる。このように噴射間隔を適宜調整することにより、燃焼室５内の燃料分布や点火プラグ１６および電極１７周囲の燃料分布を更にきめ細かく調整することができるので、運転条件に応じた最適な濃度分布の混合気を形成することができる。しかも、噴射の分割を異なる噴口によって行っているため、同一の噴口から時間差を設けて複数回噴射するものと異なり、噴射間隔の下限に制約がなく、比較的長い間隔から殆ど同時まで、高い自由度で設定することができる。
【００６６】
上記第二、第三の実施形態において、３個以上の先端部を有するインジェクタ、あるいは単数の噴口エリア２６を有する３本以上のインジェクタ１４を用いても良く、その噴射タイミングについては、同時を含めて適宜設定してよい。
【００６７】
本発明は上記第一乃至第七の実施形態に示す噴霧の分布中心の配列や各噴口の穿孔パターンに限定するものではなく、各噴口の軸線の向きを、その噴口から噴射される噴霧の上記点火プラグ位置付近での分布中心が、上記点火プラグを避けつつ、上記電極の周囲に僅かに離れて配列されるように設定され、噴霧の中心線のうち、互いに交わることなく、左右方向または上下方向に交差する組が一組以上存在するように設定されたものであれば、他の形態も可である。また、必要な噴口の軸線の向きを得るためには、必ずしも傾斜した噴口の加工を必要としない。例えば第三の実施形態のように、噴口の配列と、先端部の軸線の設定によって、必要な噴口の軸線の向きを得ても良い。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明の火花点火式直噴エンジンは、燃焼室上側の略中央部に点火プラグを設けると共に、２つの吸気弁の間であって燃焼室上側の略周縁部にインジェクタの先端部を設け、上記インジェクタの先端部から上記点火プラグの電極付近に燃料を直接噴射する火花点火式直噴エンジンにおいて、上記インジェクタの先端部に複数の噴口を設け、上記各噴口の軸線の向きを、その噴口から噴射される噴霧の上記点火プラグ位置付近での分布中心が、上記点火プラグを避けつつ、上記電極の周囲に僅かに離れて配列されるように設定し、上記噴霧の中心線のうち、互いに交わることなく、左右方向または上下方向に交差する組が一組以上存在するように設定されているので、燃料の微粒化が図られ、気化、霧化が促進される。また、燃料が液滴化して電極周辺へ付着する量を削減することができるとともにに、電極部の混合気がリッチ過ぎず、着火可能な適度の空燃比となるようにすることができる。更に、噴霧が吸気弁に遮られることを効果的に防止できるので、出力の増大、燃費の向上、およびエミッションの減少を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる火花点火式直噴エンジンの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる火花点火式直噴エンジンの燃料の噴射状況を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるインジェクタの斜視図である。
【図４】図３に示すインジェクタの噴口エリアの拡大図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるインジェクタから噴射された噴霧の、点火直前の分布状況を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態による、噴口の穿孔パターンと、その噴口から噴射された噴霧の飛散状態を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施形態にかかるインジェクタの斜視図である。
【図８】図７に示すインジェクタの噴口エリアの拡大図である。
【図９】本発明の一実施形態による、噴口から噴射された噴霧の飛散状態を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態による、二本のインジェクタの噴口エリアの拡大図である。
【図１１】本発明の一実施形態による、噴口から噴射された噴霧の飛散状態を示す説明図である。
【図１２】本発明の一実施形態による、噴口の穿孔パターンと、その噴口から噴射された噴霧の飛散状態を示す説明図である。
【図１３】本発明の一実施形態による、噴口の穿孔パターンと、その噴口から噴射された噴霧の飛散状態を示す説明図である。
【図１４】本発明の一実施形態による、噴口の穿孔パターンと、その噴口から噴射された噴霧の飛散状態を示す説明図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、噴口の穿孔パターンと、その噴口から噴射された噴霧の飛散状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１　シリンダヘッド
２　シリンダブロック
３　ピストン
４　シリンダボア
５　燃焼室
６，７　吸気ポート
８，９　排気ポート
１０，１１　吸気弁
１２，１３　排気弁
１４，１４ａ　インジェクタ
１５　噴霧
１６　点火プラグ
１７　電極
２４　先端部
２６　噴口エリア
３０，４０，５０，６０，７０，１２０、１３０，１４０，１５０　噴口
３０ａ　噴霧の分布中心
３０ｂ　リッチ噴霧領域
３０ｃ　着火噴霧領域
３０ｄ，４０ｄ，５０ｄ，６０ｄ，７０ｄ，１２０ｄ，１３０ｄ，１４０ｄ，１５０ｄ　噴霧中心線
３１ｅ，３２ｅ，３３ｅ，３５ｅ，４１ｅ，５１ｅ、６１ｅ，６３ｅ，７１ｅ，７３ｅ　噴霧
９０　仮想平面
【図１】
2004011622.tif 000003
【図２】
2004011622.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004011622.tif 000006
【図５】
2004011622.tif 000007
【図６】
2004011622.tif 000008
【図７】
2004011622.tif 000009
【図８】
2004011622.tif 000010
【図９】
2004011622.tif 000011
【図１０】
2004011622.tif 000012
【図１１】
2004011622.tif 000013
【図１２】
2004011622.tif 000014
【図１３】
2004011622.tif 000015
【図１４】
2004011622.tif 000016
【図１５】
2004011622.tif 000017