(57)【要約】    【課題】インジェクタをキャビティの上方に設置した筒内噴射式内燃機関において、点火プラグを設置するためのスペースを確保するとともに、成層燃焼に際し、燃料が均一に分布した混合気塊を形成する。    【解決手段】インジェクタを気筒中心軸に対して傾斜させて設置する。インジェクタの傾斜に対応させて、キャビティの底面１２１ａを気筒中心軸に対して傾斜させ、噴射方向線ｎと直交させる。この設定において、キャビティの底面１２１ａと噴射方向線ｎとの間に形成される角度ａ１は、気筒中心軸に垂直な基準平面と噴射方向線ｎとの間に形成される角度ａ２よりも大きい。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冠面にキャビティを有するピストンと、
このキャビティの上方に、気筒中心軸に対して傾斜させた軸上に設置されたインジェクタと、
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、
気筒中心軸と、インジェクタの噴射方向線とを含む平面による断面において、ピストンボスの中心軸を含み、かつ気筒中心軸に垂直な平面を基準平面として、キャビティの底面がこの基準平面に対して傾斜するとともに、インジェクタの噴射方向線と、キャビティの底面との間に形成される第１の角度が、この噴射方向線と、基準平面との間に形成される第２の角度よりも大きい筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
第１の角度が直角である請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
インジェクタが、気筒中心軸に対し、吸気側から排気側へのガスの流れの方向に平行な平面内で傾斜させた軸上に設置された請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
インジェクタが、気筒中心軸に対し、吸気側から排気側へのガスの流れの方向に垂直な平面内で傾斜させた軸上に設置された請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
キャビティの周壁面の高さが、キャビティの全周に渡り等しい請求項１〜４のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項６】
ピストンのうち、キャビティ外の冠面外周部の基準平面からの高さが、ピストンの全周に渡り等しい請求項１〜４のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項７】
キャビティの底面と、キャビティの周壁面との間に形成される角度が、キャビティの全周に渡り等しい請求項１〜６のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項８】
キャビティとして、冠面の中央部に形成された第１のキャビティと、この第１のキャビティの周囲に形成された第２のキャビティとを有する請求項１〜７のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項９】
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、エンジンの運転状態に応じ、クランク角に関して比較的に早い、圧縮行程中の第１の噴射時期と、この第１の噴射時期よりもクランク角に関して遅い、圧縮行程中の第２の噴射時期とを切り換えて設定する請求項８に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１０】
第１の噴射時期において、第２の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、第１のキャビティに向けて燃料が噴射される請求項９に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１１】
インジェクタが、噴射方向線を中心とする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る請求項１〜１０のいずれか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、ピストンの冠面にキャビティを設けるとともに、燃料供給用のインジェクタをこのキャビティの上方に設置し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の１つとして、次のものが知られている。すなわち、ピストンの冠面にキャビティを形成し、インジェクタをこのキャビティの中央部上方に、気筒中心軸と平行に設置したものである（特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−０８２０２８号公報（段落番号００１０〜００１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の筒内噴射式内燃機関には、次のような問題がある。すなわち、筒内噴射式のものに限らず、点火プラグは、排気による受熱から保護するため、排気ポートから充分に離して設置する必要がある。上記の筒内噴射式内燃機関では、インジェクタをキャビティの中央部上方に設置しているため、点火プラグは、シリンダブロックにおいて、インジェクタと排気ポートとの間に設置されることになる。ここで、インジェクタが上記の位置に、気筒中心軸と平行に設置されているため、インジェクタと排気ポートとの間に点火プラグを設置するための充分なスペースが確保されておらず、点火プラグを排気ポートから充分に離して設置することができず、受熱の問題を解消することができない。
【０００４】
本出願人は、この問題の対策として、インジェクタをキャビティの上方で、気筒中心軸に対して傾斜させて設置することを検討している。インジェクタをこのように傾斜させて設置することで、点火プラグを設置するためのスペースが確保されることになる。しかしながら、インジェクタを気筒中心軸に対して傾斜させて設置した場合は、インジェクタの噴射方向線に対してキャビティの底面が傾斜し、噴射されてからキャビティの底面に到達するまでに噴霧が移動する距離（以下「噴霧の移動距離」という。）が噴孔毎に異なることになる。このため、キャビティに衝突する時点での噴霧の拡散度合い及び運動量に差が生じ、その結果、形成される混合気塊において、燃料の分布にむらが生じ、エミッションの悪化を招いてしまう。燃料が過度に濃いリッチ部分の存在は、排気中の炭化水素及び一酸化炭素の増大や、局所的な燃焼温度の上昇による窒素酸化物の発生の原因となり、他方、燃料が過度に薄いリーン部分の存在は、消炎に伴う炭化水素の排出の原因となるからである。
【０００５】
本発明は、インジェクタをキャビティの上方に設置した筒内噴射式内燃機関において、点火プラグを設置するためのスペースを確保するとともに、成層燃焼に際し、燃料が均一に分布した混合気塊を形成し、エミッションを改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、冠面にキャビティを有するピストンと、このキャビティの上方に設置されたインジェクタと、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筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明に係る装置は、インジェクタが気筒中心軸に対して傾斜させた軸上に設置されるとともに、気筒中心軸と、インジェクタの噴射方向線とを含む平面による断面において、ピストンボスの中心軸を含み、かつ気筒中心軸に垂直な平面を基準平面として、キャビティの底面がこの基準平面に対して傾斜するとともに、インジェクタの噴射方向線とキャビティの底面との間に形成される第１の角度が、この噴射方向線と基準平面との間に形成される第２の角度よりも大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、インジェクタを気筒中心軸に対して傾斜させて設置したことで、点火プラグを設置するためのスペースを確保し、排気からの受熱により点火プラグに不具合が発生するのを防止することができる。また、キャビティの底面を基準平面に対し、第１の角度が第２の角度よりも大きくなるように傾斜させたことで、噴霧の移動距離や、キャビティの底面に衝突する時点での噴霧の分散度合い及び運動量をすべての噴孔について等しくし、燃料が均一に分布した混合気塊を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。）１ａの、気筒列方向に垂直な平面による断面を示している。
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。
【０００９】
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、噴射方向線ｎを中心とする周方向に複数の噴孔を有する、指向性の強いマルチホール型のインジェクタであり、気筒中心軸ｍに対して吸気側に若干倒した状態で設置されており、噴射方向線ｎは、気筒中心軸ｍと交差している。本実施形態では、噴射方向線ｎとインジェクタ２１の中心軸とが一致している。インジェクタ２１は、各噴孔から燃料を噴射し、噴射された燃料の噴霧は、噴射方向線ｎを中心とする中空のコーンを形成する。インジェクタ２１へは、燃料ポンプ２３により加圧された燃料が、燃料配管２４を介して規定圧力で供給される。燃料ポンプ２３は、エンジン１ａの出力により駆動される。
【００１０】
他方、点火プラグ２２は、気筒中心軸ｍに対して排気側に倒した状態で、インジェクタ２１と排気ポート１７との間に設置されている。インジェクタ２１を吸気側に傾斜させて設置したことで、点火プラグ２２を設置するためのスペースが確保されており、点火プラグ２２は、排気ポート１７から充分に離して設置されている。
ピストン１２において、冠面には、噴霧を案内するためのキャビティ１２１が形成されている。このキャビティ１２１は、噴射方向線ｎを中心に形成されており、キャビティの底面１２１ａは、平坦に、かつ気筒中心軸ｍに対して傾斜させて形成されている。底面１２１ａの傾斜は、この底面１２１ａと噴射方向線ｎとの間に形成される角度（「第１の角度」に相当する。）ａ１が、ピストンボスの中心軸ｏを含み、かつ気筒中心軸ｍに垂直な平面（「基準平面」に相当する。）ｐと噴射方向線ｎとの間に形成される角度（「第２の角度」に相当する。）ａ２よりも大きくなるように設定されている。本実施形態では、キャビティの底面１２１ａは、噴射方向線ｎに垂直である。
【００１１】
エンジン１ａの運転は、コントロールユニット（以下「Ｃ／Ｕ」という。）３１により制御される。Ｃ／Ｕ３１には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ４１の検出信号、アクセル操作量を検出するためのアクセルセンサ４２の検出信号、クランク角センサ４３の検出信号（これをもとに、エンジン回転数を演算する。）、及び冷却水温度を検出するための温度センサ４４の検出信号等が入力される。Ｃ／Ｕ３１は、入力した各種の検出信号をもとに、インジェクタ２１による燃料の噴射時期及び噴射量、並びに点火プラグ２２による点火時期を制御する。
【００１２】
本実施形態では、Ｃ／Ｕ３１は、エンジン１ａの運転状態に応じ、拡散燃焼と成層燃焼との間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、燃料噴射時期を吸気行程中に設定し、噴霧を燃焼室１４全体に拡散させて混合気を形成する。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、燃料噴射時期を圧縮行程中に設定し、噴霧を点火プラグ２２近傍の領域に集中させ、混合気を層状に形成する。
【００１３】
図２は、エンジン１ａのピストン１２の構成を示している。
このピストン１２において、キャビティ１２１は、噴射方向線ｎに垂直な平面による断面で円形に形成されており、底面１２１ａは、平坦に形成されている。キャビティの底面１２１ａが気筒中心軸ｍに対して傾斜していることで、底面１２１ａの一側（すなわち、排気側）の平面ｐからの高さｈ１が、他側（すなわち、吸気側）の高さｈ２よりも大きくなっている。キャビティの周壁面１２１ｂは、底面１２１ａに対し、全周に渡り垂直に形成されており（ａ３＝９０°）、底面１２１ａと周壁面１２１ｂとは、曲面により滑らかに接続されている。ピストン１２の冠面のうち、キャビティ１２１を除く外周部（以下「冠面外周部」という。）１２１ｃは、ピストン１２の中心軸（気筒中心軸ｍと一致する。）に垂直な、平面ｐからの高さがｈ３である１つの平面により形成されている。冠面外周部１２１ｃの高さｈ３を冠面外周部１２１ｃ全体で揃えたことで、吸気側と排気側とでキャビティ１２１の深さｄ１，ｄ２が異なることになるが、浅い部分（すなわち、排気側）の深さｄ１に混合気形成上、充分な大きさを持たせている。この深さｄ１は、実験等により最適な値を確認し、設定することができる。
【００１４】
図３は、本実施形態に係るエンジン１ａにおいて、成層燃焼時に形成される混合気を示している。
本実施形態では、インジェクタ２１を吸気側に傾斜させて設置するとともに、これに対応してキャビティの底面１２１ａを傾斜させている。このため、噴射されてからキャビティの底面１２１ａに到達するまでに噴霧Ｓ１〜１０が移動する距離（すなわち、噴霧の移動距離）ｌが、すべての噴孔について等しくなるとももに、底面１２１ａに衝突する時点での噴霧Ｓ１〜１０の拡散度合い及び運動量も、すべての噴孔について等しくなる（図３（ｂ））。従って、噴霧Ｓ１〜１０は、底面１２１ａとの衝突後、底面１２１ａ及び周壁面１２１ｂに沿って同様に案内され、吸気側と排気側とで強さに差がない、一様な循環流Ｆ１が形成される。その結果、キャビティ１２１内及びその上方において、燃料が均一に分布した混合気塊Ｍ１が形成される（図３（ａ））。
【００１５】
他方、インジェクタ２１を傾斜させて設置してはいるものの、キャビティの底面１２１ａを傾斜させておらず、気筒中心軸ｍに垂直に形成したものでは、吸気側と排気側とで噴霧の移動距離ｌが異なり、底面衝突時における噴霧の拡散度合い及び運動量に差が生じてしまう（図４）。このため、噴霧の循環流Ｆ２を一様な強さで形成することができず、形成される混合気塊Ｍ２において、燃料の分布にむらが生じ、エミッションを悪化させてしまう。
【００１６】
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、インジェクタ２１を吸気側に傾斜させて設置したことで、点火プラグ２２を設置するためのスペースを確保し、点火プラグ２２を排気ポート１７から充分に離して設置することができ、排気からの受熱による点火プラグ２２への悪影響を回避することができる。
【００１７】
第２に、インジェクタ２１の傾斜に対応して、キャビティの底面１２１ａを傾斜させ、噴射方向線ｎに垂直に形成したので、成層燃焼に際し、燃焼室１４内に噴霧の循環流Ｆ１を一様な強さで形成することができ、燃料が均一に分布した混合気塊Ｍ１を形成し、エミッションを改善することができる。
第３に、ピストンの冠面外周部１２１ｃを１つの平面により形成したことで、冠面の凹凸を極力減らし、均質燃焼に際し、冷却損失の増大を抑制して、出力の低下を抑制することができる。
【００１８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は、本実施形態に係るエンジンのピストン１２の構成を示している。なお、ピストン１２以外の構成は、第１の実施形態のものと同様である。
本実施形態では、ピストン１２の冠面において、第１の実施形態のものと同様に傾斜させた底面１２１ａと、この底面１２１ａとの間に全周に渡り直角を形成する周壁面１２１ｂとを有するキャビティ１２１が設けられている。また、冠面外周部１２１ｃのうち、ピストン１２の側面に接続する外周端１２１ｄを、頂面１２１ｅに対して傾斜させている。頂面１２１ｅは、気筒中心軸ｍに垂直な平面ｐと平行に形成され、外周端１２１ｄは、シリンダヘッド１３のうち、燃焼室１４を形成するペントルーフ型の下面と平行に形成されている。
【００１９】
本実施形態によれば、上記第１〜３の効果に加え、次のような第４の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、ピストン１２の冠面において、冠面外周部の外周端１２１ｄを頂面１２１ｅに対して傾斜させ、シリンダヘッド１３の下面に合わせた形状とした。このため、ピストン１２の行程距離が上死点側で延長されるので、圧縮比の増大に対応することができる。
【００２０】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図６は、本実施形態に係るエンジン１ｂの、気筒列方向と平行な平面による断面を示している。
本実施形態では、マルチホール型のインジェクタ２１が、気筒中心軸ｍに対し、エンジン１ｂの前面側に倒した状態で設置されており、噴射方向線ｎは、気筒中心軸ｍと交差している。また、第１の実施形態のものと同様に、噴射方向線ｎとインジェクタ２１の中心軸とは、一致している。点火プラグ２２は、気筒中心軸ｍに対してエンジン１ｂの後面側に倒した状態で、気筒中心軸ｍを基準とした一側に形成された、図示しない吸気ポート及び排気ポートの間に設置されている。
【００２１】
ピストン１２の冠面には、キャビティ１２１が形成されており、このキャビティ１２１は、噴射方向線ｎを中心に、噴射方向線ｎに垂直な平面による断面で円形に形成されている。キャビティの底面１２１ａは、平坦に、かつ噴射方向線ｎに垂直に形成されており、気筒中心軸ｍに対して傾斜している。底面１２１ａの傾斜が、この底面１２１ａと噴射方向線ｎとの間に形成される角度ａ１が、平面ｐと噴射方向線ｎとの間に形成される角度ａ２よりも大きくなるように設定されることは、第１の実施形態のものと同様である。
【００２２】
本実施形態でも、Ｃ／Ｕ３１は、エンジン１ｂの運転状態に応じ、拡散燃焼と成層燃焼との間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、噴霧を燃焼室１４全体に拡散させて混合気を形成し、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、噴霧を点火プラグ２２近傍の領域に集中させ、混合気を層状に形成する。
【００２３】
図７は、エンジン１ｂのピストン１２の構成を示している。
本実施形態では、インジェクタ２１をエンジン１ｂの前面側に傾斜させて設置しているため、ピストンの底面１２１ａの平面ｐからの高さｈ１，ｈ２が、エンジン１ｂの後面側で前面側よりも大きくなっている（ｈ１＞ｈ２）。キャビティの周壁面１２１ｂが、底面１２１ａに対して全周に渡り垂直に形成されていること（ａ３＝９０°）、及び底面１２１ａと周壁面１２１ｂとが、曲面により滑らかに接続されていることは、第１の実施形態のものと同様である。冠面外周部１２１ｃの高さｈ３は、エンジン１ｂの前面側と後面側とで等しくされている。混合気の形成に際してキャビティ１２１内に渦流を形成するため、冠面外周部１２１ｃをシリンダヘッド１３の下面に合わせた形状とし、ピストン１２とシリンダヘッド１３との間にスキッシュ部を設けている。冠面外周部１２１ｃの高さｈ３をエンジン１ｂの前面側と後面側とで揃えたことで、キャビティ１２１が後面側で前面側よりも浅くなるが、この後面側の部分の深さｄ１には、混合気形成上、充分な大きさを持たせている。
【００２４】
図８は、本実施形態に係るエンジン１ｂにおいて、成層燃焼時に形成される混合気を示している。
本実施形態では、インジェクタ２１をエンジン１ｂの前面側に傾斜させて設置するとともに、これに対応してキャビティの底面１２１ａを傾斜させているので、噴霧の移動距離ｌ、並びに底面衝突時における噴霧の拡散度合い及び運動量が、すべての噴孔について等しくなる。このため、キャビティの底面１２１ａ及び周壁面１２１ｂに沿う噴霧の循環流Ｆ１が一様な強さで形成され、キャビティ１２１内及びその上方において、燃料が均一に分布した混合気塊Ｍ１が形成される（図８（ａ））。また、上死点間際では、スキッシュ部によりキャビティ１２１内に渦流Ｆ３が形成され、この渦流Ｆ３により燃焼が促進される（図８（ｂ））。
【００２５】
他方、インジェクタ２１を傾斜させて設置してはいるものの、キャビティの底面１２１ａを気筒中心軸ｍに垂直に形成したものでは、エンジン１ｂの前面側と後面側とで噴霧の移動距離ｌが異なり、底面衝突時における噴霧の拡散度合い及び運動量に差が生じてしまう（図９）。このため、燃焼室１４内において、噴霧の循環流Ｆ２を一様な強さで形成することができず、形成される混合気塊Ｍ２において、燃料の分布にむらが生じてしまう。
【００２６】
本実施形態によれば、上記第１〜４の効果に加え、次のような第５の効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、冠面外周部１２１ｃの高さｈ３をエンジン１ｂの前面側と後面側とで揃えるとともに、ピストンの冠面外周部１２１ｃをシリンダヘッド１３の下面に合わせた形状として、ピストン１２とシリンダヘッド１３との間にスキッシュ部を設けた。このため、成層燃焼に際し、燃料が均一に分布した混合気塊Ｍ１を形成することができるとともに、スキッシュ部により渦流Ｆ３を形成し、燃焼を促進することができる。
【００２７】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
図１０は、本実施形態に係るエンジンのピストン１２の構成を示している。なお、ピストン１２以外の構成は、第１の実施形態のものと同様であり、インジェクタ２１は、気筒中心軸ｍに対し、吸気側に傾斜させて設置されている。
本実施形態では、ピストン１２の冠面において、キャビティ１２１として、冠面の中央部に形成された内側キャビティ（「第１のキャビティ」に相当する。）１２１１と、その周囲に形成された外側キャビティ（「第２のキャビティ」に相当する。）１２１２とが設けられている。内側キャビティの底面１２１ａは、平坦に形成されるとともに、噴射方向線ｎに垂直に、かつ気筒中心軸ｍに対して傾斜させて形成されている。このため、内側キャビティの底面１２１ａの高さｈ４，ｈ５は、排気側で吸気側よりも大きくなっている（ｈ４＞ｈ５）。内側キャビティの周壁面１２１ｂは、底面１２１ａとの間に全周に渡り直角を形成している（ａ３＝９０°）。また、外側キャビティ１２１２の底面１２１ｆも、平坦に形成されるとともに、噴射方向線ｎに垂直に形成されており、底面１２１ｆの高さｈ１，ｈ２は、排気側の方が大きくなっている（ｈ１＞ｈ２）。冠面外周部１２１ｃは、平面ｐからの高さｈ３が、吸気側と排気側とで等しくされている。このため、外側キャビティ１２１２は、吸気側と排気側とで深さが異なり、排気側の方が浅くなっている。他方、内側キャビティ１２１１は、全体に渡り深さｄ３が一定である。
【００２８】
Ｃ／Ｕ３１は、エンジンの運転状態に応じ、拡散燃焼と成層燃焼との間で燃焼形態を切り換える。拡散燃焼では、吸気行程中に燃料を噴射させる。他方、成層燃焼では、圧縮行程中に燃料を噴射させるとともに、エンジンの負荷に応じ、燃料噴射時期をクランク角に関して異ならせる。すなわち、Ｃ／Ｕ３１は、高負荷側の領域において、燃料噴射時期を比較的に早い第１の噴射時期に設定し、外側キャビティ１２１１に向けて燃料を噴射させる。また、低負荷側の領域において、燃料噴射時期を高負荷側の領域におけるよりも遅い第２の噴射時期に設定し、内側キャビティ１２１２に向けて燃料を噴射させる。
【００２９】
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、インジェクタ２１を吸気側に傾斜させて設置したことで、点火プラグ２２を排気ポート１７から充分に離して設置することができる。
第２に、インジェクタ２１の傾斜に対応して、内側及び外側キャビティの各底面１２１ａ，１２１ｆを傾斜させたので、各底面１２１ａ，１２１ｆに到達するまでの噴霧の移動距離ｌ、並びに底面衝突時における噴霧の拡散度合い及び運動量が、すべての噴孔について等しくなる。このため、成層燃焼に際し、燃焼室１４内に噴霧の循環流を一様な強さで形成することができ、燃料が均一に分布した混合気塊を形成することができる。
【００３０】
第３に、冠面外周部１２１ｃの高さを吸気側と排気側とで揃えたので、冠面の凹凸を極力減らし、均質燃焼に際し、冷却損失の増大を抑制して、出力の低下を抑制することができる。
第４に、キャビティとして、内側及び外側キャビティ１２１１，１２１２を設けるとともに、エンジンの負荷に応じて燃料噴射時期を異ならせ、燃料噴射量の多い高負荷側の領域では、燃料噴射時期を早い時期に設定して、噴霧の案内に外側キャビティ１２１２を利用し、燃料噴射量の少ない低負荷側の領域では、燃料噴射時期を遅い時期に設定して、噴霧の案内に内側キャビティ１２１１を利用することとした。このため、形成される混合気塊の大きさを燃料噴射量に応じて異ならせ、燃料噴射量の多いときは、大きな混合気塊を形成し、燃料噴射量の少ないときは、小さな混合気塊を形成することができるので、混合気塊の空燃比を全体として適正なものとし、安定した、エミッションの少ない成層燃焼を実現することができる。
【００３１】
なお、ここでは、外側キャビティ１２１２において、底面１２１ｆを噴射方向線ｎに垂直に形成した場合を例に説明したが、底面１２１ｆは、噴霧の案内をより良好なものとするため、噴射方向線ｎに対して傾斜させて形成してもよい。例えば、図１１のように、噴射方向線ｎから離れるほど外側キャビティ１２１２が深くなるように底面１２１ｆを傾斜させる。底面１２１ｆの傾斜が噴射方向線ｎに関して対称であることで、噴霧の移動距離を揃えることができる。
【００３２】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。
図１２は、本実施形態に係るエンジンのピストン１２の構成を示している。なお、ピストン１２以外の構成は、第３の実施形態のものと同様であり、インジェクタ２１は、気筒中心軸ｍに対し、エンジンの前面側に傾斜させて設置されている。
本実施形態では、ピストン１２の冠面において、第１のキャビティとしての内側キャビティ１２１１と、第２のキャビティとしての外側キャビティ１２１２とが設けられ、内側及び外側キャビティの各底面１２１ａ，１２１ｆは、ともに平坦に、かつ噴射方向線ｎに垂直に形成されている。このため、内側キャビティの底面１２１ａの高さｈ４，ｈ５は、エンジンの後面側で前面側よりも大きくなっており（ｈ４＞ｈ５）、外側キャビティの高さｈ１，ｈ２も、後面側の方が大きくなっている（ｈ１＞ｈ２）。内側及び外側キャビティの各周壁面１２１ｂ，１２１ｇが、各キャビティの底面１２１ａ，１２１ｆとの間に全周に渡り直角を形成することは（ａ３＝ａ４＝９０°）、第４の実施形態のものと同様である。
【００３３】
本実施形態では、以上で述べたいずれの実施形態とも異なり、冠面外周部１２１ｃの高さｈ６，ｈ７をエンジンの前面側と後面側とで異ならせている。後面側の高さｈ６を前面側の高さｈ７よりも大きくすることで、外側キャビティ１２１２の深さｄ４が一定とされている。なお、内側キャビティ１２１１の深さｄ３が一定であることは、第４の実施形態のものと同様である。
【００３４】
Ｃ／Ｕ３１は、エンジンの運転状態に応じて燃焼形態を切り換える。成層燃焼に際し、高負荷側の領域では、燃料噴射時期を第１の噴射時期に設定し、外側キャビティ１２１２に向けて燃料を噴射させる。他方、低負荷側の領域では、燃料噴射時期を第２の噴射時期に設定し、内側キャビティ１２１１に向けて燃料を噴射させる。
本実施形態によれば、第３の実施形態との比較において、特に次のような効果を得ることができる。
【００３５】
本実施形態では、キャビティとして、内側及び外側キャビティ１２１１，１２１２を設け、エンジンの負荷に応じて噴霧の案内に利用するキャビティを切り換えることとした。このため、第３の実施形態に対し、燃料噴射量に応じて混合気塊の大きさを変化させ、混合気塊の空燃比を全体としてより適正なものとすることができる。
また、本実施形態では、ピストンの冠面外周部１２１ｃの高さｈ６，ｈ７をエンジンの前面側と後面側とで異ならせ、外側キャビティ１２１２の深さを一定とした。このため、外側キャビティ１２１２により噴霧を案内する場合に、底面１２１ｆとの衝突後、噴霧を周壁面１２１ｇに沿って等しく案内し、噴霧の循環流をより一様な強さで形成することができ、混合気塊における燃料の分布をより均一にすることができる。
【００３６】
以上では、インジェクタを吸気側又はエンジンの前面側に傾斜させて設置する場合を例に説明したが、インジェクタは、要求に応じ、排気側又はエンジンの後面側に傾斜させて設置することもできる。キャビティの底面の傾斜は、インジェクタの傾斜に対応させて、適宜に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るエンジンの構成
【図２】同上エンジンに備わるピストンの構成
【図３】同上ピストンのキャビティによる場合に形成される混合気
【図４】噴射方向線に対して傾斜した底面を持つキャビティによる場合に形成される混合気
【図５】本発明の第２の実施形態に係るエンジンに備わるピストンの構成
【図６】本発明の第３の実施形態に係るエンジンの構成
【図７】同上エンジンに備わるピストンの構成
【図８】同上ピストンのキャビティによる場合に形成される混合気
【図９】噴射方向線に対して傾斜した底面を持つキャビティによる場合に形成される混合気
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るエンジンに備わるピストンの構成
【図１１】同上ピストンの変更例
【図１２】本発明の第５の実施形態に係るエンジンに備わるピストンの構成
【符号の説明】
【００３８】
１ａ，１ｂ…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…ピストン、１２１…キャビティ、１２１１…第１のキャビティとしての内側キャビティ、１２１２…第２のキャビティとしての外側キャビティ、１２１ａ…キャビティの底面、１２１ｂ…キャビティの周壁面、１２１ｃ…ピストンの冠面外周部、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、ｎ…噴射方向線、ｏ…シリンダボアの中心軸、ｐ…基準平面。
【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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