(57)【要約】    【課題】インジェクタを燃焼室の上部略中央に臨ませて設置するとともに、ピストンの冠面にキャビティ及びバルブリセスを設けた筒内噴射式内燃機関において、バルブリセス内への噴霧の拡散を抑制する。    【解決手段】キャビティ１２１の周壁の内面に与える曲率を、気筒中心軸ｍを基準とした周方向で変化させる。この周壁を形成するピストン１２の壁部１２５のうち、バルブリセス１２６の底面を形成する第１の壁部１２５１と、これ以外の第２の壁部１２５２との間で、気筒中心軸ｍから各内面までの距離を異ならせ、前者の内面を、後者の内面よりも気筒中心軸ｍの近くに位置させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の上部略中央に臨ませて設置され、燃料の噴射方向がピストンの移動方向と平行であるインジェクタと、
冠面において、インジェクタにより噴射された燃料の噴霧を案内するためのキャビティと、キャビティに隣接させて形成され、吸気弁又は排気弁の弁頭部が収まるバルブリセスとを有するピストンと、
インジェクタにより噴射された燃料を着火させるための点火プラグと、を含んで構成され、
ピストンは、キャビティの周壁を形成する壁部として、バルブリセスの底面を形成する第１の壁部と、これ以外の第２の壁部とを有し、壁部の内面に与えられた曲率が、ピストンの中心軸を基準とした周方向で変化し、第１の壁部の内面が、第２の壁部の内面よりもピストンの中心軸の近くに位置する筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
第１の壁部の内面に与えられた第１の曲率が、第２の壁部の内面に与えられた第２の曲率よりも大きい請求項1に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
ピストンの中心軸を基準とした一側に２つのバルブリセスを有し、
各バルブリセスの底面を形成する第１の壁部同士が、第１の曲率とは異なる第３の曲率が与えられた内面を形成する第３の壁部を介して接続され、
第２の壁部は、ピストンの中心軸を挟んで第１の壁部とは反対の一側の、キャビティの周壁を形成する請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
第３の曲率が、第１の曲率よりも小さい請求項３に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
ピストンの中心軸を基準とした一側に２つのバルブリセスを有し、
各バルブリセスの底面を形成する第１の壁部同士が、平坦な内面を形成する第３の壁部を介して接続され、
第２の壁部は、ピストンの中心軸を挟んで第１の壁部とは反対の一側の、キャビティの周壁を形成する請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項６】
キャビティとして、冠面中央部に形成された内側キャビティと、その周囲に形成された外側キャビティとを有し、
第１及び第２の壁部が、外側キャビティの周壁を形成する請求項１〜５のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項７】
内側キャビティと外側キャビティとが、同心に形成された請求項６に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項８】
内側キャビティが、外側キャビティに対し、バルブリセスから離れる方向に中心をずらして形成された請求項６に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項９】
外側キャビティの底面が、ピストンの中心軸に垂直な平面に対して傾斜し、この中心軸から離れるに従い外側キャビティの深さが増大する請求項６〜８のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１０】
最深部における外側キャビティの深さが、ピストンの中心軸を基準とした周方向で同一である請求項９に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１１】
外側キャビティの底面のうち、第１の壁部に隣接する底面が、第２の壁部に隣接する底面よりも大きく傾斜する請求項９又は１０に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１２】
インジェクタの動作を制御するコントローラを更に含んで構成され、
コントローラは、インジェクタの噴射時期として、クランク角に関して比較的に遅い第１の噴射時期と、これよりもクランク角に関して早い第２の噴射時期とを設定し、エンジンの運転状態に応じてこれらの噴射時期を切り換える請求項１〜１１のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１３】
第１の噴射時期において、内側キャビティに向けて燃料が噴射され、第２の噴射時期において、外側キャビティに向けて燃料が噴射される請求項１２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１４】
第２の噴射時期が設定される場合に、コントローラは、第２の噴射時期に加えて、これよりもクランク角に関して遅い、内側キャビティに向けて燃料が噴射される第３の噴射時期を設定し、一サイクル毎に第２及び第３の噴射時期のそれぞれで燃料を噴射させる請求項１３に記載の筒内噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式内燃機関に関し、詳細には、燃料供給用のインジェクタを燃焼室の上部略中央に臨ませて設置するとともに、ピストンの冠面において、噴霧を案内するためのキャビティと、吸気弁又は排気弁の弁頭部が収まるバルブリセスとを設けた筒内噴射式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料供給用のインジェクタを燃焼室に臨ませて設置し、所定の運転領域での燃焼に際し、このインジェクタにより圧縮行程中に燃料を噴射させ、混合気を層状に形成する内燃機関が知られている。この筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷域及び中負荷域で混合気を層状化することで、これらの運転領域での燃料消費量を大幅に削減することができる。従来、筒内噴射式内燃機関として、ピストンの冠面にキャビティを設け、インジェクタにより噴射された燃料の噴霧（以下、単に「噴霧」という。）をこのキャビティにより案内することで、噴霧の拡散を抑制して、混合気を層状化するものが知られている。
【０００３】
近年、エンジンの高出力化の要請に対し、ピストンのストロークをシリンダヘッド側に延長し、圧縮比を増大させることが検討されている。ストロークをこの方向に延長すると、吸気弁又は排気弁とピストンとの干渉が問題となるが、この問題に対し、ピストンの冠面において、キャビティに加え、吸気弁等が収まるバルブリセスを設けた筒内噴射式内燃機関が知られている。
【０００４】
ピストンの冠面にキャビティ及びバルブリセスを形成したものでは、混合気の層状化に関し、次のことが問題となる。すなわち、キャビティとバルブリセスとは、冠面上に連続する１つの空間を形成するため、キャビティ内を案内される過程で噴霧がバルブリセス内に漏れ出し、この部分での噴霧の拡散が抑えられず、成層度が損なわれることである。
燃焼室に対して側方から燃料を噴射するタイプのものであるが、バルブリセス内への噴霧の拡散を抑制するため、ピストンの冠面において、キャビティとバルブリセスとの間の壁部に切り欠きを設け、バルブリセスからキャビティにかけて壁面を滑らかに接続させた筒内噴射式内燃機関が知られている（特許文献１）。バルブリセスからキャビティに向かう流れを円滑にすることで、バルブリセス内へ漏れ出た噴霧が、切り欠きを介してキャビティ内に戻されるようにするのである。
【特許文献１】特開２００２−１０６３５２号公報（段落番号００３４，００３５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願人は、燃料供給用のインジェクタを燃焼室の上部略中央に臨ませて設置するとともに、ピストンの冠面にキャビティを設けた筒内噴射式内燃機関について検討している。このものでは、キャビティに対し、上方から燃料が噴射される。噴霧は、キャビティの底面に衝突すると、この底面に沿って案内されて外向きに広がるとともに、周壁面により上方へ案内されて、点火プラグへ向かう。この筒内噴射式内燃機関において、更なる高出力化に対応するため、ストロークを延長するべく、ピストンの冠面にバルブリセスを形成したとすると、前述同様の理由から、バルブリセス内への噴霧の拡散が問題となる。この問題に対し、前掲特許文献１に記載の技術を適用したとしても、噴霧の拡散を抑えることはできない。キャビティに対して上方から燃料を噴射するものと、側方から燃料を噴射するものとでは、噴霧の流れが異なり、前者のものに切り欠きを形成したとしても、バルブリセス内に漏れ出た噴霧をキャビティ内に戻すことはできないからである。
【０００６】
本発明は、燃料供給用のインジェクタを燃焼室の上部略中央に臨ませて設置するとともに、ピストンの冠面にキャビティ及びバルブリセスを設けた筒内噴射式内燃機関において、バルブリセス内への噴霧の拡散を抑制し、混合気を良好に層状化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明に係る装置は、燃焼室の上部略中央に臨ませて設置され、燃料の噴射方向がピストンの移動方向と平行（実質的な平行を含む。）であるインジェクタと、冠面において、インジェクタにより噴射された燃料の噴霧を案内するためのキャビティと、キャビティに隣接させて形成され、吸気弁又は排気弁の弁頭部が収まるバルブリセスとを有するピストンと、インジェクタにより噴射された燃料を着火させるための点火プラグとを含んで構成される。ピストンには、キャビティの周壁を形成する壁部として、バルブリセスの底面を形成する第１の壁部と、これ以外の第２の壁部とを設ける。キャビティの周壁において、壁部の内面に与える曲率を、ピストンの中心軸を基準とした周方向で変化させ、第１の壁部の内面を、第２の壁部の内面よりもピストンの中心軸の近くに位置させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、キャビティの周壁を形成する壁部において、内面に与える曲率を周方向で変化させ、バルブリセスの底面を形成する第１の壁部の内面を、これ以外の第２の壁部の内面よりピストンの中心軸の近くに位置させたことで、キャビティとバルブリセスとの境界において、キャビティの周壁の高さを確保することができる。このため、キャビティ内を案内される過程で噴霧がバルブリセス内へ漏れ出すのを抑制し、混合気を良好に層状化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る筒内噴射式内燃機関（以下「エンジン」という。）１の構成を、気筒列方向に垂直な平面による、エンジン前面側から見た状態の断面で示している。
シリンダブロック１１には、ピストン１２が挿入されており、ピストン１２の冠面とシリンダヘッド１３の下面との間に形成される空間が、燃焼室１４となる。シリンダヘッド１３には、気筒中心軸ｍを基準とした一側（図中、右側）に吸気ポート１５が形成されており、吸気ポート１５は、図示しない吸気マニホールドと接続して、吸気通路を形成している。吸気ポート１５は、吸気弁１６により開放及び遮断される。一方、気筒中心軸ｍを基準とした他側（図中、左側）に排気ポート１７が形成されており、排気ポート１７は、図示しない排気マニホールドと接続して、排気通路を形成している。排気ポート１７は、排気弁１８により開放及び遮断される。吸気弁１６及び排気弁１８は、吸気カム１９、排気カム２０により夫々駆動される。
【００１０】
また、シリンダヘッド１３には、燃焼室１４の上部略中央に臨ませてインジェクタ２１が設置されるとともに、このインジェクタ２１に隣接させて点火プラグ（点線で示す。）２２が設置されている。インジェクタ２１は、ノズル部において、先端部中央を基準とした周方向に複数の噴孔を有する、マルチホール型のインジェクタであり、気筒中心軸ｍに対し、エンジン前面側に傾斜させて設置されている。各噴孔から噴射された燃料は、全体として中空のコーン状噴霧を形成する。このコーンの中心線が、インジェクタ２１の噴射方向線ｎに相当し、この噴射方向線ｎは、気筒中心軸ｍとほぼ平行に設定されている。噴射方向線ｎは、気筒中心軸ｍと平行又はこれに近い状態にあり、キャビティにより噴霧を案内して、筒内に縦方向の循環流を形成するという、後述する作用が得られる状態にあればよい。インジェクタ２１へは、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料が規定圧力で供給される。この燃料ポンプは、エンジン１の出力により駆動される。なお、点火プラグ２２は、インジェクタ２１に対してエンジン後面側で隣接させて、かつ気筒中心軸ｍに対し、インジェクタ２１とは反対側に傾斜させて設置されている。
【００１１】
図２は、ピストン１２の形状を示している。
ピストン１２の冠面には、噴霧を案内するためのキャビティ１２１として、中央部に形成された内側キャビティ１２２と、その周囲に形成された外側キャビティ１２３とが設けられている。内側キャビティ１２２は、気筒中心軸ｍ上に中心を与えて、この軸ｍに垂直な平面による断面で円形に形成されており、他方、外側キャビティ１２３は、同じ断面で環状に、かつ内側キャビティ１２２と同心に形成されている。内側及び外側キャビティ１２２，１２３の底面１２２ａ，１２３ａは、いずれも平坦に形成されているが、内側キャビティの底面１２２ａは、気筒中心軸ｍに垂直な面内で形成され、外側キャビティの底面１２３ａは、気筒中心軸ｍに垂直な平面に対して傾斜させて形成されており、気筒中心軸ｍから離れるに従い外側キャビティ１２３の深さを増大させている。また、内側キャビティ１２２の周壁を形成する壁部１２４と、外側キャビティ１２３の周壁を形成する壁部１２５とは、いずれも内面１２４ａ，１２５ａが気筒中心軸ｍと平行に形成されている。前者の壁部の内面（以下「内側キャビティの周面」という。）１２４ａは、内側キャビティの底面１２２ａに対して小さな半径の曲面により、後者の壁部の内面（以下「外側キャビティの周面」という。）１２５ａは、外側キャビティの底面１２３ａに対して大きな半径の曲面により、夫々滑らかに接続されている。
【００１２】
また、ピストン１２の冠面には、以上のキャビティ１２１に加え、吸気弁１６の弁頭部が収まる２つのバルブリセス１２６，１２６が形成されている。燃焼室１４のペントルーフ形状に合わせて、吸気弁１６を気筒中心軸ｍに対して傾斜させているため、バルブリセス１２６の底面１２６ａは、気筒中心軸ｍに垂直な平面に対して傾斜させて形成されている。
【００１３】
本実施形態では、外側キャビティ１２３の周壁を形成する壁部１２５のうち、各バブルリセスの底面１２６ａ，１２６ａを形成する第１の壁部１２５１，１２５１と、これらよりも排気側の第２の壁部１２５２との間で、それぞれの内面に与える曲率を異ならせている。すなわち、本実施形態では、第２の壁部１２５２の内面に対し、比較的に小さな曲率（「第２の曲率」に相当する。）ａを与えるとともに、その曲率中心を内側キャビティ１２２の中心と一致させる。他方、第１の壁部１２５１に対し、この曲率ａよりも大きな曲率（「第１の曲率」に相当する。）ｂを与えている。第１の壁部１２５１，１２５１同士をつなぐ壁部（「第３の壁部」に相当する。）１２５３の内面には、第１の壁部１２５１の内面に対して与える曲率ｂよりも小さな曲率（「第３の曲率」に相当する。）ｃを与え、外側キャビティの周面１２５ａを滑らかに形成している。
【００１４】
また、本実施形態では、外側キャビティ１２３を内側キャビティ１２２と同心に形成するとともに、第１の壁部１２５１の内面に与える曲率を大きくしたことで、第１及び第３の壁部１２５１，１２５３の内面が内側キャビティ１２２に近付き、外側キャビティ１２３の幅が狭くなっている。外側キャビティの底面１２３ａの傾斜を、気筒中心軸ｍを基準とした周方向で異ならせ、幅が狭くなっている箇所の傾斜を大きくすることで、最深部における外側キャビティ１２３の深さｄを周方向で一定にしている。
【００１５】
図１に戻り、エンジン１の運転は、コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）３１により統合的に制御される。エンジン１には、吸入空気量ＱＭを検出するエアフローメータ４１からの信号、アクセル開度ＡＰＯを検出するアクセルセンサ４２からの信号、クランク角センサ４３からの信号（この信号をもとに、エンジン回転数ＮＥを算出する。）、及び冷却水温度Ｔｗを検出する温度センサ４４からの信号が入力される。ＥＣＵ３１は、これらの信号をもとに、インジェクタ２１の燃料噴射量及び噴射時期、並びに点火プラグ２２の点火時期を演算し、設定する。
【００１６】
なお、本実施形態では、エンジン１の運転状態に応じ、拡散燃焼と成層燃焼とで燃焼形態を切り換える。拡散燃焼では、空燃比を理論空燃比に設定するとともに、吸気行程中に燃料を噴射し、噴霧を燃焼室１４全体に拡散させて混合気を形成する。他方、成層燃焼では、空燃比を理論空燃比よりも高い値に設定するとともに、圧縮行程中に燃料を噴射し、点火プラグ２２近傍の領域に噴霧を集中させ、混合気を層状に形成する。
【００１７】
次に、本実施形態に係る燃料噴射制御について説明する。
まず、図４に示す噴射時期設定テーブルを参照して、成層燃焼時における噴射動作について説明する。
本実施形態では、インジェクタ２１への燃料の供給圧力を一定とするとともに、噴射動作の開始時期（以下「噴射開始時期」という。）ＩＴｃｓから終了時期（以下「噴射終了時期」という。）ＩＴｃｅまでを噴射期間ΔＩＴとし、この噴射期間ΔＩＴの長さをエンジン１の要求負荷に応じて変化させる。すなわち、本実施形態では、噴射期間ΔＩＴの長さを調節して、燃料噴射量Ｑｆａを増減させる。
【００１８】
また、本実施形態では、成層燃焼に際し、噴霧の案内に使用するキャビティをエンジン１の要求負荷に応じて切り換えるとともに、負荷が比較的に高い領域において、外側キャビティ１２３に向けた噴射（以下「先の噴射」という。）に加え、これに遅れて、内側キャビティ１２２に向けた噴射（以下「後の噴射」という。）を行う。すなわち、成層燃焼域のうち、低負荷側の領域では、設定した量の燃料を１回の動作により噴射させる一方、高負荷側の領域では、設定した量の燃料を２回の動作に分けて噴射させる。
【００１９】
図４において、クランク角を示す縦軸上の記号ＣＡ１は、噴孔の中心軸上を進む噴霧の先頭部分が、外側キャビティ１２３の内端（すなわち、内側キャビティの周面１２４ａと外側キャビティの底面１２３ａとの交線上の点）に衝突することとなる時期を示している。噴射時期が時期ＣＡ１よりも早いときは、ピストン１２は比較的に低い位置にあり、外側キャビティ１２３に向けて燃料が噴射される。噴射時期が時期ＣＡ１よりも遅いときは、ピストン１２は時期ＣＡ１前におけるよりも高い位置にあり、内側キャビティ１２２に向けて燃料が噴射される。
【００２０】
エンジン１の要求負荷が所定の負荷Ｔ１よりも低いときは、噴射開始時期ＩＴｃｓを時期ＣＡ１よりも遅角側に設定し、設定した量の燃料を内側キャビティ１２２に向けた１回の動作により噴射させる。噴射終了時期ＩＴｃｅは、上死点ＴＤＣの直前に固定して設定し、この噴射終了時期ＩＴｃｅ２よりも負荷に応じたクランク角だけ進めた時期に噴射開始時期ＩＴｃｓを設定する。噴射開始時期ＩＴｃｓは、負荷の増大に応じて進角させる。
【００２１】
エンジン１の要求負荷が所定の負荷Ｔ１以上であるときは、設定した量の燃料を２回の動作に分けて噴射させる。先の噴射のため、噴射開始時期ＩＴｃｓ１及び噴射終了時期ＩＴｃｅ１を時期ＣＡ１よりも進角側に設定するとともに、後の噴射のため、噴射開始時期ＩＴｃｓ２及び噴射終了時期ＩＴｃｅ２を時期ＣＡ１よりも遅角側に設定する。噴射終了時期ＩＴｃｅ１，ＩＴｃｅ２は、いずれも固定して設定し、先の噴射の噴射開始時期ＩＴｃｓ１は、噴射終了時期ＩＴｃｅ１よりも負荷に応じたクランク角だけ進めた時期に、後の噴射の噴射開始時期ＩＴｃｓ２は、噴射終了時期ＩＴｃｅ２よりも所定のクランク角だけ進めた時期に設定する。この所定のクランク角は、負荷によらず一定とする。噴射開始時期ＩＴｃｓ１のみを負荷の増大に応じて進角させて、燃料噴射量Ｑｆａを増大させる。先及び後の噴射により噴射された燃料の総量が一サイクル当たりの燃料噴射量Ｑｆａに相当する。
【００２２】
なお、所定の負荷Ｔ１は、内側キャビティ１２２を利用した場合に、形成される混合気塊が小さく、混合気塊の空燃比が全体として低くなり過ぎることのない範囲の上限に設定する。
次に、ＥＣＵ３１の動作をフローチャートにより説明する。
図３は、燃料噴射制御ルーチンのフローチャートであり、このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
【００２３】
Ｓ１０１では、吸入空気量ＱＭ、エンジン回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＰＯ及び冷却水温度ＴＷ等、各種の運転状態を読み込む。
Ｓ１０２では、目標トルクＴＴＣを算出する。目標トルクＴＴＣは、エンジン１の要求負荷Ｔに対応するものであり、例えば、アクセル開度ＡＰＯに対応させて割り付けたテーブルデータをＥＣＵ３１に格納しておき、検出したＡＰＯによりこのテーブルを検索することにより算出する。目標トルクＴＴＣは、アクセル開度ＡＰＯが大きいときほど大きな値として算出する。
【００２４】
Ｓ１０３では、エンジン１の運転状態が成層燃焼域にあるか否かを判定する。成層燃焼域にあるか、拡散燃焼域にあるかの判断は、エンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣにより定められる運転状態が、所定の成層燃焼域にあるか否かを判断することにより行う。成層燃焼域は、エンジン１の運転領域全体のうち、負荷が比較的に低い領域として設定する。成層燃焼域にあるときは、Ｓ１０４へ進み、成層燃焼域にないときは、Ｓ１０９へ進む。
【００２５】
Ｓ１０４では、目標燃空比ＴＦＢＹＡを設定する。目標燃空比ＴＦＢＹＡは、エンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに対応させて割り付けたマップを検索して算出し、ＮＥが高く、かつＴＴＣが大きいときほど大きな値に設定する。なお、ここでいう目標燃空比ＴＦＢＹＡとは、空気過剰率λの逆数をいうものとする。
Ｓ１０５では、燃料噴射量Ｑｆａを算出する。燃料噴射量Ｑｆａの演算は、吸入空気量ＱＭ及びエンジン回転数ＮＥに基づいて理論空燃比相当の基本燃料噴射量Ｑｆｂａｓｅ（＝Ｋ×ＱＭ／ＮＥ：Ｋを定数とする。）を算出するとともに、算出したＱｆｂａｓｅに目標燃空比ＴＦＢＹＡを乗算することによる。算出したＱｆａに対し、冷却水温度Ｔｗ等に応じた補正を施し（ｃｏｅｆを増量補正係数とする。）、最終的な燃料噴射量Ｑｆａを設定する。
【００２６】
Ｑｆａ＝Ｋ×（ＱＭ／ＮＥ）×ＴＦＢＹＡ×ｃｏｅｆ  ・・・（１）
Ｓ１０６では、目標トルクＴＴＣが負荷Ｔ１に対応する所定のトルクＴＣ１以上であるか否かを判定する。ＴＣ１以上であるときは、Ｓ１０７へ進み、ＴＣ１未満であるときは、Ｓ１０８へ進む。
Ｓ１０７では、燃料噴射量Ｑｆａにより図４に示す傾向のテーブルを検索し、噴射開始時期ＩＴｃｓ１，ＩＴｃｓ２を設定する。
【００２７】
Ｓ１０８では、燃料噴射量Ｑｆａにより図４に示す傾向のテーブルを検索し、噴射開始時期ＩＴｃｓを設定する。
他方、Ｓ１０９〜１１１では、次のように拡散燃焼のための設定を行う。
Ｓ１０９では、目標燃空比ＴＦＢＹＡを１に設定する。
Ｓ１１０では、吸入空気量ＱＭ及びエンジン回転数ＮＥ等をもとに、（１）式により燃料噴射量Ｑｆａを算出する。
【００２８】
Ｓ１１１では、噴射開始時期ＩＴｉｓを設定する。噴射開始時期ＩＴｉｓは、エンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに対応させて割り付けたマップを検索して設定し、吸気行程中の時期として、ＮＥが高く、かつＴＴＣが大きいときほど進角させて設定する。なお、噴射終了時期ＩＴｉｅは、吸気行程中の時期として、固定して設定する。
Ｓ１１２では、以上のようにして設定した噴射開始時期ＩＴｃｓ１，ＩＴｃｓ２，ＩＴｃｓ，ＩＴｉｓにより燃料を噴射する。
【００２９】
次に、成層燃焼時での混合気形成について、概念的に説明する。
成層燃焼域のうち、負荷が比較的に低い領域では、内側キャビティ１２２に向けて燃料が噴射される。噴霧は、内側キャビティの底面１２２ａ及び周面１２４ａにより案内されて、点火プラグ２２に向かい、点火時期には、内側キャビティ１２２内及びその上方に噴霧が集中した小さな混合気塊が形成される。
【００３０】
図５は、成層燃焼域のうち、負荷が比較的に高い領域のものを示している。（ａ）〜（ｅ）は、筒内の状態をこの順で時系列に示しており、（ａ）は、先の噴射の噴射開始時期ＩＴｃｓ１での状態を、（ｃ）は、後の噴射の噴射開始時期ＩＴｃｓ２での状態を、（ｅ）は、点火時期での状態を示している。
この領域では、外側キャビティ１２３に向けて先の噴射が行われるとともに、内側キャビティ１２２に向けて後の噴射が行われる。先の噴射による噴霧Ｓ１は、外側キャビティ１２３の底面に衝突して、この底面に沿って外向きに広がるとともに、外側キャビティ１２３の周面に沿って上方へ案内される。第１の壁部１２５１の内面に大きな曲率ｂが与えられ、これにより第１及び第３の壁部１２５１，１２５３の内面が気筒中心軸ｍに近付いているため、バルブリセス１２６近傍で周壁の高さｈが確保され（図２）、バルブリセス１２６内への噴霧Ｓ１の拡散が抑制される。後の噴射による噴霧Ｓ２は、内側キャビティ１２２の底面及び周面に沿って案内されて、点火プラグ２２ヘ向かい、内側キャビティ１２２内及びその上方の空間に混合気を形成する。点火時期には、キャビティ１２１内全体及びその上方に噴霧Ｓ１，Ｓ２が集中した、均一であり、かつ適度な空燃比の大きな混合気塊Ｍが形成される。
【００３１】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、外側キャビティ１２３の周壁を形成する壁部１２５において、内面に与える曲率を周方向で変化させ、バルブリセス１２６の底面を形成する第１の壁部１２５１に与える曲率を、これよりも排気側の第２の壁部１２５２の内面に与える曲率よりも大きくしたことで、ピストンの中心軸ｍからの各内面の距離を異ならせ、前者の内面を後者の内面よりもこの中心軸ｍの近くに位置させた。このため、外側キャビティ１２３とバルブリセス１２６との境界において、周壁の高さｈを確保することができ、外側キャビティ１２３内を案内される過程で噴霧がバルブリセス１２６内へ漏れ出すのを抑制し、混合気を良好に層状化することができる。
【００３２】
第２に、第１の壁部１２５１，１２５１同士をつなぐ第３の壁部に対し、第１の壁部１２５１の内面に与えるものよりも小さな曲率を与え、外側キャビティ１２３の周面を滑らかに形成したので、形成された混合気塊Ｍにおいて、空燃比にむらが生じ、エミッションが悪化するのを防ぐことができる。
第３に、内側キャビティ１２２と外側キャビティ１２３との２つのキャビティを設け、これらをエンジンの負荷（すなわち、燃料噴射量Ｑｆａ）に応じて切り換えて使用することとしたので、負荷に応じて混合気塊Ｍの大きさを調節し、混合気塊Ｍの空燃比を常に適度なものとすることができる。また、比較的に高負荷側の領域において、外側キャビティ１２３に向けた先の噴射に加え、これに遅れて、内側キャビティ１２２に向けた後の噴射を行うこととしたので、両者の噴射により混合気塊Ｍの空燃比を全体的に均一にし、着火性を確保することができる。
【００３３】
第４に、内側キャビティ１２２と外側キャビティ１２３とを同心に形成し、内側キャビティ１２２の中心を気筒中心軸ｍ上に設定したことで、内側キャビティ１２２により案内された噴霧が燃焼室１４の中央部付近に集中することとなるので、点火プラグ２２周りに確実に燃料を分布させ、着火性を確保することができる。
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。
【００３４】
図６は、第２の実施形態に係るピストン１２の形状を示している。
本実施形態では、第１の壁部１２５１の内面に対し、これよりも排気側の第２の壁部１２５２の内面に与えるものよりも大きな曲率を与えるとともに、第１の壁部１２５１，１２５１同士を、平坦な内面を形成する第３の壁部１２５３を介してつないでいる。また、内側キャビティ１２２の中心Ｃを、外側キャビティ１２３の中心（気筒中心軸ｍ上にある。）よりも排気側にずらし、このオフセットの方向で、内側キャビティ１２２の各側における外側キャビティ１２３の幅を等しくしている。オフセットにより外側キャビティ１２３の幅が確保されたことに伴い、外側キャビティの底面１２３ａの傾斜を、内側キャビティ１２２の各側で等しくしている。最深部における外側キャビティ１２３の深さｄが気筒中心軸ｍを基準とした周方向で均一であるのは、前述同様である。
【００３５】
本実施形態によれば、特に次のような効果を得ることができる。
すなわち、第１の壁部１２５１の内面に大きな曲率ｂを与えるとともに、第１の壁部１２５１，１２５１の内面同士を平面により接続することとしたので、第１及び第３の壁部１２５１，１２５３の内面を気筒中心軸ｍにより近付けることができ、バルブリセス１２６が深い場合でも、バルブリセス１２６近傍の周壁の高さｈを確保し、バルブリセス１２６内への噴霧の拡散を抑制することができる。
【００３６】
また、内側キャビティ１２２の中心Ｃを外側キャビティ１２３の中心からずらし、このオフセットの方向で、内側キャビティ１２２の各側で外側キャビティ１２３の底面の傾斜を等しくしたので、この各側で外側キャビティ１２３による案内を一様にし、混合気塊Ｍに空燃比のむらが生じるのを抑えることができる。
図７は、第３の実施形態に係るピストン１２の形状を示している。
【００３７】
本実施形態では、気筒中心軸ｍに垂直な平面による断面で概略円形の１つのキャビティ１２１を形成するとともに、このキャビティ１２１の周壁を形成する壁部のうち、第１の壁部１２５１を含む吸気側の壁部を、気筒中心軸ｍを含み、かつ気筒列方向に平行な面内に焦点を持つ楕円に、これ以外の排気側の壁部（「第２の壁部」に相当する。）１２５２を、気筒中心軸ｍ上に中心を持つ真円に形成している。
【００３８】
本実施形態によれば、特に次のような効果を得ることができる。
すなわち、キャビティ１２１の周壁全体に渡り、壁部の内面に与える曲率を小さく抑えることができるので、噴霧が局所的に集中することがなく、混合気塊に空燃比のむらが生じるのを抑えることができる。
以上では、成層燃焼に際し、エンジン１の要求負荷に応じて内側キャビティ１２２に向けた単段噴射と、内側及び外側キャビティ１２２，１２３に向けた二段噴射とを切り換えて行うこととした。本発明は、これに限らず、例えば、要求負荷が負荷Ｔ１よりも若干高い領域において、二段噴射に代え、外側キャビティ１２３に向けた単段噴射を行うようにしてもよい。
【００３９】
また、以上では、吸気弁１６を収めるバルブリセス１２６のみを形成した場合を例に説明したが、排気弁１８とピストン１２との干渉が問題となる場合は、ピストン１２の冠面に排気弁１８を収めるバルブリセスを形成し、このバルブリセスの底面を形成する壁部を第１の壁部として、同様に噴霧の拡散を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの構成
【図２】同上エンジンのピストンの形状
【図３】燃料噴射制御ルーチンのフローチャート
【図４】同上ルーチンに係る噴射時期設定テーブル
【図５】二段噴射による場合の混合気形成の概念
【図６】本発明の他の実施形態に係るピストンの形状
【図７】本発明の更に別の実施形態に係るピストンの形状
【符号の説明】
【００４１】
１…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…ピストン、１２１…キャビティ、１２２…内側キャビティ、１２３…外側キャビティ、１２５１…第１の壁部、１２５２…第２の壁部、１２５３…第３の壁部、１２６…バルブリセス、１３…シリンダヘッド、１４…燃焼室、１５…吸気ポート、１６…吸気弁、１７…排気ポート、１８…排気弁、２１…インジェクタ、２２…点火プラグ、３１…コントロールユニット、４１…エアフローメータ、４２…アクセルセンサ、４３…クランク角センサ、４４…冷却水温度センサ、ｍ…気筒中心軸、Ｓ…噴霧、Ｍ…混合気塊。
【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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