JP3835289B2

JP3835289B2 - 火花点火式直噴エンジン

Info

Publication number: JP3835289B2
Application number: JP2002004099A
Authority: JP
Inventors: 秀俊工藤; 朋久藤川; 貴志俊成
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: JP2003206827A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内の燃焼室に燃料噴射弁により燃料を直接噴射して、点火プラグ周りに成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンに関し、特に、燃料噴射弁の先端部に設ける噴口の構造の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の火花点火式直噴エンジンでは、各気筒毎の燃料噴射弁をその先端部の噴口が気筒内の燃焼室に臨むように配設するとともに、ピストンの冠面に所定形状のキャビティを形成し、前記燃料噴射弁から噴射させた燃料を一旦、対向するキャビティの底壁面に衝突させた上で、このキャビティ内に混合気を閉じこめて点火プラグ側に輸送し、その周囲に混合気を成層化させるようにしている（例えば特開平１１−１６１３３８号公報を参照）。
【０００３】
前記のような直噴エンジンに用いられる燃料噴射弁は、一般的に、単一の噴口から燃料を旋回流として噴射させて略円錐状の燃料噴霧を形成する旋回流型のものであり、このような旋回流による燃料噴霧は、気筒内圧が高いときには噴霧の拡がり角が小さくなって中実の円錐状となる一方、気筒内圧が低いときには噴霧の拡がり角が大きくなって中空の円錐状となる。
【０００４】
従って、前記の旋回流型燃料噴射弁によれば、エンジンを成層燃焼状態とするために相対的に少量の燃料を気筒の圧縮行程で噴射するときには、高圧の気筒内で噴霧の拡がり角が小さくなり燃料噴霧の分散が抑制されるので、混合気を点火プラグ周りに集め易い。また、均一燃焼状態では相対的に多くの燃料を気筒の吸気行程で噴射することになるが、このときには気筒内圧が低いので噴霧の拡がり角が大きくなり、燃料を広く分散させて燃焼室全体に略均一な混合気を形成することができる。
【０００５】
しかしながら、前記旋回流型燃料噴射弁では、気筒内圧の高い圧縮行程で所定量以上の燃料を噴射しようとすると、燃料噴霧の中心付近における燃料の密度が高くなり過ぎて、混合気の過濃部分におけるスモークの生成が問題となる。このため、従来の直噴エンジンでは成層燃焼を行える運転領域が燃料噴射量の少ない低負荷域に限定されることになり、運転領域全体について見たときには成層燃焼運転による燃費率の低減効果が十分に得られないという実状がある。
【０００６】
この点について、特開２０００−３８９７４号公報には、燃料噴射弁の先端部に４個以上の噴口を環状に配設し、各噴口からそれぞれ燃料を噴出させて一体的に１つの燃料噴霧を形成するようにした多噴口型の燃料噴射弁が開示されており、このものでは、前記旋回流型のものと同様に円錐状の燃料噴霧を形成して、燃料を広範囲に亘って均一に噴射することができるという知見が示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願の発明者らは、前記後者の従来例（特開２０００−３８９７４号）の如き多噴口型燃料噴射弁を火花点火式直噴エンジンに適用して、従来からの旋回流型燃料噴射弁の欠点を改良すべく、エンジンの種々の運転状態における混合気の形成過程について試験研究を重ねた結果、４個以上の噴口を環状に配設した多噴口型の燃料噴射弁について以下のような性質があることを見出した。すなわち、
▲１▼ 多噴口型の燃料噴射弁では、エンジンの中負荷域において成層燃焼状態とすべく所定量以上の燃料を気筒の圧縮行程で噴射したときでも、旋回流型の燃料噴射弁を用いたときのような燃料の過集中が起きず、燃焼に伴うスモークの生成は見られない。反面、燃料噴射量の少ない低負荷域では燃料噴霧の中心付近における燃料の密度が低くなり、混合気の着火安定性が損なわれることがある。
【０００８】
▲２▼ 一方、均一燃焼となる高速高負荷領域において多量の燃料を気筒の吸気上死点近傍から噴射する場合には、スモークの排出量が極めて多くなる。これは多噴口型燃料噴射弁の場合、雰囲気圧が低下しても噴霧が大きく拡がることがなく、噴霧の貫徹力も低下しないことから、吸気上死点近傍で燃料を噴射するとピストン冠面への付着量が極めて多くなることに因ると考えられる。そして、そのことを防止するために燃料噴射時期を相対的に遅角側に設定すると、燃料の気化霧化が不十分となって出力が低下してしまう。
【０００９】
このような多噴口型燃料噴射弁の性質に鑑み、本願発明の目的は、燃料噴射弁の先端に設ける複数の噴口の配置構成に工夫を凝らして、相対的に高負荷側まで良好な成層燃焼を実現できるという多噴口型燃料噴射弁の長所を生かしながら、燃料噴射量の少ない低負荷域での着火安定性を改善し、さらに、均一燃焼状態となる高速高負荷領域においてスモークの増大を防止しつつ、十分な出力を確保することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本願発明では、燃料噴射弁の先端部に６個以上の噴口を全体として長円状となるように配設するとともに、その燃料噴射弁がエンジンの各気筒に装着された状態で噴口同士を結ぶ長円の長手方向が気筒列方向となるようにして、該各噴口からそれぞれ噴出する燃料により一体的に形成される燃料噴霧の形状が気筒中心線の方向に狭い扁平状となるようにした。
【００１１】
具体的に、請求項１の発明では、複数の気筒と、該各気筒内の燃焼室にその周縁部から燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、当該燃焼室の天井部の略中央に配置された点火プラグとを備えるとともに、燃焼室の底部となるピストンの冠面にキャビティを設けて、所定の運転状態で前記燃料噴射弁により噴射した燃料噴霧を前記キャビティの壁面により点火プラグ側に案内して成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンを前提とする。そして、前記燃料噴射弁の先端部には燃焼室内に燃料を噴射する６個以上の噴口を長円状に配設し、且つその長円の長手方向を気筒列方向に設定した。
【００１２】
前記の構成により、エンジンの所定運転状態で各気筒の圧縮行程に燃料噴射弁により燃料の噴射が行われると、該燃料噴射弁先端の６個以上の噴口からそれぞれ燃料が噴出して、全体として１つの燃料噴霧を形成するようになる。この際、前記噴口の個数が６個以上であることから、各噴口の大きさ及び相互の間隔がいずれも十分に小さなものとなり、このことで各噴口から噴出する燃料の微粒化が促進されるとともに、それらが繋がって一体的な燃料噴霧を形成し易く、また、燃料噴霧内での燃料分布の偏りも少なくなる。
【００１３】
また、噴口が全体として長円状となるように配置され、且つその長円の長手方向が気筒列方向とされていることで、燃料噴霧の形状が気筒列方向に広く且つ気筒中心線方向には狭い扁平状となる。このことで、まず、燃料噴射量の相対的に少ない低負荷域においても、扁平状の燃料噴霧ではその中心付近における燃料の密度があまり低くはならず、よって混合気の着火安定性が確保できる。しかも、気筒列方向に広い燃料噴霧は気筒内のスワール流によって移動しても相対的に長い時間、点火プラグの電極付近に滞在することになるので、このことによっても混合気の着火安定性が向上し得る。
【００１４】
一方、高速高負荷領域で多量の燃料を噴射する場合でも、前記の如き扁平状の燃料噴霧では自ずとピストン冠面への付着量が減少し、しかも気筒の半径方向については燃料を広範囲に分散させることができる。このことで、燃料噴射時期を可及的に進角させて十分に空気と混合し且つ気化霧化させて、良好に燃焼させることができる上に、そのときのピストン冠面への燃料付着に起因するスモーク量の増大も防止できる。
【００１５】
請求項２の発明では、燃料噴射弁の噴口を、それぞれ噴出する燃料により一体的に形成される１つの燃料噴霧の気筒中心線方向の拡がり角が略２５°以上であって略３５°以下になり、且つ該燃料噴霧の気筒列方向の拡がり角が略３５°以上であって略４５°以下になるとともに、その気筒列方向の拡がり角が気筒中心線方向の拡がり角よりも略１０°以上大きくなるように配置するものとする。こうすることで、燃料噴霧の形状を最適化して、請求項１の発明の作用効果を十分に得ることができる。
【００１６】
尚、前記燃料噴霧の拡がり角としては、大気圧下で燃料噴射弁により噴射した燃料噴霧の中心線を通るようにストロボ光を照射し、このストロボ光面に対し略直交する方向から高速度カメラにて撮影した撮影画像において、以下のように測定したものとする。すなわち、例えば図１０(a)に一例を示す撮影画像において、燃料噴射弁の先端部Ｔ（多噴口型燃料噴射弁の環状に配置された複数の噴口の略中心部）から燃料噴霧の中心線に沿って２０ｍｍ離れた位置における燃料噴霧の幅方向両端部をＢ，Ｃとしたときに、図示の如く∠ＢＴＣの狭角を噴霧の拡がり角とすればよい。
【００１７】
請求項３の発明では、燃料噴射弁の噴口を１０個以下にするものとする。すなわち、燃料噴射弁先端部の限られたスペースに複数の噴口を配設する場合、その個数があまり多いと、個々の噴口の大きさが小さくなり過ぎて、目詰まり等の不具合が起きる虞れがあるが、この発明では噴口の個数を１０個以下にすることで、斯かる不具合を未然に防止することができる。
【００１８】
請求項４の発明では、燃料噴射弁の先端部において噴口を周方向に互いに略等間隔を空けて配置するものとする。こうすることで、燃料噴霧内での燃料分布の均一化が図られ、混合気の燃焼性がさらに向上する。
【００１９】
請求項５の発明では、燃料噴射弁の先端部を燃料噴霧の中心線の方向から見て、噴口同士を結ぶ長円の中心に対して燃焼室天井部側に位置する噴口の個数を燃焼室底部側よりも多くするものとする。こうすれば、燃料噴霧内での燃料分布が燃焼室天井部側で相対的に高くなるので、低負荷域では着火安定性がさらに向上するとともに、高速高負荷領域ではピストン冠面への燃料付着量をさらに少なくすることができる。
【００２０】
請求項６の発明では、燃料噴射弁の先端部に対し気筒中心線方向に対向するピストンの外周部分に、キャビティの底壁面よりも所定以上高く且つピストン外周端から半径方向に所定以上の厚みを有するトップランド部を形成する。
【００２１】
すなわち、従来までの旋回流型燃料噴射弁を用いた直噴エンジンでは、一般的に、ピストンのキャビティ周壁を燃料噴射弁に対応する位置で抉って、円錐状の燃料噴霧との干渉を避け得るように凹陥部を形成しており、このことで、その凹陥部の周囲ではキャビティ周壁の高さないし厚みが小さくなるから、ピストンのトップリング溝との間に所要の肉厚を確保しようとすれば、凹陥部を設けた分だけトップリング溝の位置をピストン冠面から下げなくてはならなかった。この結果、ピストンの外周面と気筒内周面との間の消炎層の体積（クエンチングボリューム）が増大してしまい、均一燃焼時に未燃炭化水素の排出量が大くなるという不具合があった。
【００２２】
この点について、本願発明では、前記請求項１の発明に係る燃料噴射弁の噴口の配設構造によって、燃料噴霧の形状が気筒中心線方向に狭い扁平状となり、このことによって燃料噴霧とピストンとの干渉が大幅に軽減できるから、前記の如き凹陥部を設ける必要がなくなり、キャビティの周壁が燃料噴射弁の先端部に対応する部位において所定以上の高さ及び厚みを有するものとなる。このことで、前記従来までの直噴エンジンと比較してピストンのトップリング溝の位置をピストン冠面寄りに高く設定することができるようになり、これにより、ピストン外周の消炎層の体積が減少して、未燃炭化水素の排出量が減少する。
【００２３】
次に、請求項７の発明は、複数の気筒と、該各気筒内の燃焼室にその周縁部から燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、当該燃焼室の天井部の略中央に配置された点火プラグとを備えるとともに、燃焼室の底部となるピストンの冠面にキャビティを設けて、所定の運転状態で前記燃料噴射弁により気筒の圧縮行程で噴射した燃料噴霧を前記キャビティの壁面により点火プラグ側に案内して成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンを前提とする。
【００２４】
そして、前記燃料噴射弁の先端部に燃焼室内に燃料を噴射する６個以上の噴口を環状に配設して、該各噴口を、それぞれ噴出する燃料により一体的に形成される１つの燃料噴霧の気筒中心線方向の拡がり角が略２５°以上であって略３５°以下になり、且つ該燃料噴霧の気筒列方向の拡がり角が略３５°以上であって略４５°以下になるとともに、その気筒列方向の拡がり角が気筒中心線方向の拡がり角よりも略１０°以上大きくなるように形成した。
【００２５】
この構成によれば、前記した請求項２の発明と同様に、火花点火式直噴エンジンにおいて気筒内に噴射される燃料噴霧の形状が気筒列方向に広く且つ気筒中心線方向に狭い扁平状となり、且つその燃料噴霧の拡がり角が最適なものとなることで、請求項１の発明の作用効果が十分に得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２７】
図２は本発明に係る火花点火式直噴エンジン１の全体構成を示し、このエンジン１は、車両に搭載された多気筒ガソリンエンジンである。このエンジン１は、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）が直列に並ぶように設けられたシリンダブロック３を有し、このシリンダブロック３上にシリンダヘッド４が配置されるとともに、各気筒２内にはピストン５が上下方向に往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン５の冠面とシリンダヘッド４の下面との間の気筒２内に燃焼室６が区画形成されている。また、前記気筒２，２，…を囲むシリンダブロック３の側壁には、図示しないがウオータジャケットが形成されており、さらに、該シリンダブロック３の下側部分には、気筒２，２，…に連通するようにクランク室７が形成され、ここにクランク軸８が収容されている。このクランク軸８の一端側にはその回転角度（クランク角）を検出するための電磁式のクランク角センサ９が配設されている。
【００２８】
前記各気筒２の詳しい構造は図３に拡大して示すようになっていて、燃焼室６の天井部には互いに差し掛けられた屋根のような形状をなす２つの傾斜面が形成されており、その２つの傾斜面にそれぞれ吸気ポート１０及び排気ポート１１が２つずつ開口していて、その各開口端に吸気及び排気弁１２，１２，１３，１３が配置されている。前記２つの吸気ポート１０，１０はそれぞれ燃焼室６から斜め上方に向かって延びていて、シリンダヘッド４の一側面に互いに独立して開口しており、一方、前記２つの排気ポート１１，１１は途中で１つに合流して略水平に延び、シリンダヘッド４の他側面に開口している。
【００２９】
前記吸気弁１２，１２，…及び排気弁１３，１３，…は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された２本のカム軸１４，１４がタイミングベルトを介して前記クランク軸８により回転駆動されることで、各気筒２毎に所定のタイミングで開閉作動されるようになっている。尚、図１にのみ示すが、吸気側のカム軸１４には、クランク軸８に対する回転位相を所定の角度範囲において連続的に変化させる公知の油圧式可変動弁機構１５（Valiable Valve Timing：以下、ＶＶＴと略称する）が付設されていて、このＶＶＴ１５の作動により前記吸気弁１２の開閉作動時期が変更可能とされている。
【００３０】
また、前記燃焼室６の天井部の略中央には、４つの吸排気弁１２，１３に取り囲まれるようにして点火プラグ１６が配設されており、該点火プラグ１６の基端部には点火回路１７（図１にのみ示す）が接続されていて、各気筒２毎に所定の点火タイミングで点火プラグ１６に通電するようになっている。一方、燃焼室６天井部の吸気側の周縁部には、２つの吸気ポート１０，１０の下方においてそれらに挟まれるようにインジェクタ（燃料噴射弁）１８が配設されている。このインジェクタ１８は、その先端部に設けた複数の噴口５２，５２，…（図１(b)参照）から気筒中心線Ｚに向かい且つピストン５の冠面に向かうように斜めに燃料を噴射する多噴口型のものであり、詳しくは後述するが、６個以上の噴口が全体として長円状となるように配設されていて、該各噴口からそれぞれ噴出する燃料が一体的に１つの燃料噴霧Ｓ（図６参照）を形成するようになっている。
【００３１】
さらに、燃焼室６の底部となるピストン５の冠面には、気筒中心線Ｚに対して吸気側（図３の手前側）に偏心して断面が楕円形状のキャビティ５ａが形成されており、前記インジェクタ１８の作動により燃料が気筒２の圧縮行程で噴射されると、この燃料噴霧Ｓがキャビティ５ａにより捕集（トラップ）され、該キャビティ５ａの壁面に沿って点火プラグ１６側に移動して、該点火プラグ１６の電極の周りに混合気塊を形成するようになる。つまり、このエンジン１は、成層燃焼状態のときに燃料噴霧Ｓをピストン５のキャビティ５ａの壁面により案内して成層化させるようにしたいわゆるウォールガイド方式の直噴エンジンである。
【００３２】
前記ピストン５の冠面の形状は、基本的に燃焼室６の天井部に対応するように吸気側及び排気側にそれぞれ傾斜面を形成し、そのうちの主に吸気側の部分を抉ってキャビティ５ａを形成したものである。従って、キャビティ５ａの周壁の高さは、図６や図８にも示されるように、ピストン５の中央付近で最も高く、そこから吸気側に向かって徐々に低くなっているが、最も低いピストン５の吸気側の端部（インジェクタ１８の先端部に対して気筒中心線Ｚの方向に対向するピストン５の外周部分）でも、キャビティ５ａの周壁は所定以上の高さ及び所定以上の厚みを有している（例えば約５ｍｍ）。このことで、前記ピストン５では、トップリング溝５ｂの位置を冠面寄りに高く設定してトップランド部の高さを必要最小限度ものとしながら、尚かつトップリング溝５ｂとキャビティ５ａとの間には所要の肉厚が確保されている。
【００３３】
前記の如く各気筒２毎に配設されたインジェクタ１８，１８，…は、全ての気筒２，２，…に共通の燃料分配管１９に接続されていて、燃料供給系２０から供給される高圧の燃料が燃料分配管１９により各気筒２に分配されるようになっている。詳しくは、燃料供給系２０は、図４に一例を示すような構成とされ、燃料分配管１９と燃料タンク２１とを連通する燃料通路２２の上流側から下流側に向かって、低圧燃料ポンプ２３、低圧レギュレータ２４、燃料フィルタ２５、高圧燃料ポンプ２６及び高圧レギュレータ２７が順に配設されており、前記低圧燃料ポンプ２３により燃料タンク２１から吸い上げられた燃料が低圧レギュレータ２４により調圧され、燃料フィルタ２５により濾過されて、高圧燃料ポンプ２６に圧送される。
【００３４】
そして、前記高圧燃料ポンプ２６によってさらに昇圧された燃料の一部が高圧レギュレータ２７により流量調整されて燃料分配管１９へ供給され、残りの燃料が低圧レギュレータ２８によって圧力調整されつつ、リターン通路２９によって燃料タンク２１に戻される。このことで、燃料分配管１９へ供給される燃料の圧力状態が適正なものに調整される。尚、前記のような供給燃圧の調整は燃料分配管１９に配設された燃圧センサ３０の出力に基づいて行われるものである。また、燃料供給系２０としては例えばリターンレスシステムを用いることもできる。
【００３５】
前記図２においてエンジン１の右側に位置するシリンダヘッド４の一側面には、各気筒２の吸気ポート１０，１０にそれぞれ連通する吸気通路３２が接続されている。この吸気通路３２は、エンジン１の各気筒２の燃焼室６に対して図外のエアクリーナにより濾過した空気を供給するためのものであり、図示の如くその上流側から下流側に向かって、バタフライバルブからなる電気式スロットル弁３３とサージタンク３４とが順に配設されている。その電気式スロットル弁３３は、図外のアクセルペダルに対し機械的には連結されておらず、図示しない電動モータにより駆動されて、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に対応する適切な開度となるように開閉される。
【００３６】
また、前記サージタンク３４よりも下流側の吸気通路３２は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされていて、これら各独立通路の下流端部がさらに２つに分岐して個別に吸気ポート８，８に連通しており、その分岐路のうちの一方にスワール制御弁３５が設けられている。このスワール制御弁３５は、図３に一例を示すようにバタフライバルブからなり、図示しないアクチュエータにより開閉されるようになっている。そして、スワール制御弁３５が閉じられれば、吸気の殆どがスワール制御弁３５の無い他方の分岐路のみから気筒２内６に吸い込まれるようになり、これにより該気筒２内に強いスワール流が生成される。
【００３７】
前記図２においてエンジン１の左側に位置するシリンダヘッド４の他側面には、各気筒２の燃焼室６から燃焼ガス（排気）を排出する排気通路３６が接続されている。この排気通路３６の上流端は、各気筒２毎に分岐して排気ポート１１に連通する排気マニホルド３７により構成され、該排気マニホルド３７の集合部には排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ３８が配設されている。このリニアＯ2センサ３８は排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられるものであり、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲において酸素濃度に対しリニアな出力が得られる。
【００３８】
また、前記排気マニホルド３７の集合部よりも下流側の排気通路３６は排気管３９により構成されていて、この排気管３９の上流側から下流側に向かって順に、略理論空燃比近傍の排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化する三元触媒４０と、この三元触媒４０の劣化状態を判定するためのラムダＯ2センサ４１と、理論空燃比よりもリーンな排気中のＮＯｘを浄化可能ないわゆるリーンＮＯｘ触媒４２とが配設されている。
【００３９】
さらに、前記排気マニホルド３７の下流側には、そこから分岐するようにして排気通路３６を流れる排気の一部を吸気系に還流させる排気還流通路４３（以下、ＥＧＲ通路という）の上流端が接続されている。このＥＧＲ通路４３の下流端は前記スロットル弁３３とサージタンク３４との間の吸気通路３２に接続され、その近傍には開度調整可能な電気式の流量制御弁からなるＥＧＲ弁４４が配設されていて、このＥＧＲ弁４４によりＥＧＲ通路４３を流れる排気の還流量が調整されるようになっている。
【００４０】
そして、前記ＶＶＴ１５、点火回路１７、インジェクタ１８、燃料供給系２０、電気式スロットル弁３３、スワール制御弁３５、ＥＧＲ弁４４等は、いずれもエンジンコントロールユニット５０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御される。一方、このＥＣＵ５０には、少なくとも、前記クランク角センサ９、燃圧センサ３０、Ｏ2センサ３８，４１等からの各出力信号が入力されるとともに、エアクリーナケースの付近に配設されて吸気通路３２へ吸入される空気の流量を計測するエアフローセンサ４６からの出力信号と、シリンダブロック３のウオータジャケットに臨んで冷却水温度（エンジン水温）を検出する水温センサ４７からの出力信号とが入力され、さらに、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ４８からの出力信号と、エンジン回転速度（クランク軸８の回転速度）を検出する回転速度センサ４９からの出力信号とが入力される。
【００４１】
より具体的に、この実施形態の火花点火式直噴エンジン１は、エアフローセンサ４６、アクセル開度センサ４８、及び回転速度センサ４９からそれぞれ入力される信号に基づいて、エンジン１の運転状態、即ちエンジン１の負荷状態とエンジン回転速度とが検出され、この検出結果に応じて主に点火回路１７、インジェクタ１８、スロットル弁３３等がＥＣＵ５０により制御されて、成層燃焼状態又は均一燃焼状態のいずれかの燃焼状態で運転される。すなわち、図５に制御マップの一例を示すように、温間の低速低負荷側には成層燃焼領域（イ）が設定されていて、ここではインジェクタ１８により気筒２の圧縮行程で燃料を噴射し、点火プラグ１６の電極周りに混合気を層状に偏在させた状態で燃焼させるようになる（成層燃焼状態）。
【００４２】
また、前記成層燃焼領域（イ）ではエンジン１のポンプ損失を低減するためにスロットル弁３３の開度を相対的に大きくするようにしており、このときの燃焼室６の平均的な空燃比は理論空燃比（Ａ/Ｆ≒１４．７）よりも大幅にリーンな状態になる。さらに、成層燃焼領域（イ）ではスワール制御弁３５を閉じるようにしており、このことで、相対的に吸気量の少ない運転状態であっても燃焼室６には強いスワール流が生成される。
【００４３】
一方、前記成層燃料領域（イ）以外は均一燃焼領域であり、インジェクタ１８により主に気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて、燃焼室６に均一な混合気を形成した上で燃焼させる。この均一燃焼領域の大部分はλ＝１領域（ロ）であって、そこでは気筒２の混合気の空燃比が略理論空燃比になるように燃料噴射量やスロットル開度等が制御される。また、低速全負荷ないし高速高負荷のエンリッチ領域（ハ）では、空燃比をいわゆるパワー空燃比（Ａ/Ｆ≒１３）かそれよりもリッチな状態にして、エンジン１の信頼性を確保しながら、高負荷に対応した大出力を得られるようにしている。
【００４４】
さらに、前記図５の制御マップにおいて斜線を入れて示す領域では、ＥＧＲ弁４４を開弁させて、ＥＧＲ通路４３により排気の一部を吸気通路３２に還流させるようにしている。このように排気の一部を還流させて新気とともに各気筒２に供給することで、ポンピングロスを減少させて燃費性能を改善できるとともに、混合気の燃焼に伴うＮＯｘの生成を抑制することができる。具体的には、例えばエンジン１の運転状態に対応する適切な排気の還流割合（ＥＧＲ率）を予め実験的に求めて、このＥＧＲ率になるようなＥＧＲ弁４４の開度の目標値をエンジン１の運転状態に対応するマップとしてＥＣＵ５０のメモリに格納しておき、このマップから読み出した値を目標値としてＥＧＲ弁４４の開度を制御する。ここで、前記ＥＧＲ率の目標値は、燃焼安定性を維持できる範囲でできるだけ多くの排気を還流するように設定するのが好ましい。
【００４５】
（インジェクタの噴口の配置構成）
この実施形態の直噴エンジン１では、各気筒２毎のインジェクタ１８として図１に示すような多噴口型のものを用いており、本願発明の特徴部分として、インジェクタ１８の先端部には７個の噴口５２，５２，…が形成されている。すなわち、同図(a)に示すように、前記インジェクタ１８は、ハウジング５３の先端側に弁ボディ５４が装着され、この弁ボディ５４内の収容室５５にニードル弁５６が摺動自在に収容されていて、前記ハウジング５５の内部に配設された図示しない電磁ソレノイドの作動によってニードル弁５６がインジェクタ１８の長手方向（軸線Ｊの方向）に進退作動することで、弁ボディ５４の先端の噴口５２，５２，…からそれぞれ燃料を噴射するようになっている。この弁ボディ５４の先端部は、同図(b)に拡大して示すように略平坦な円板状の壁部５４ａとされていて、その壁部５４ａを厚み方向、即ちインジェクタ１８の軸線Ｊの方向に貫通するように７個の噴口５２，５２，…が形成されている。
【００４６】
また、前記弁ボディ５４の先端壁部５４ａには、収容室５５に臨む面の外周側において環状の傾斜面からなるシート面５４ｂが形成されており、一方、ニードル弁５６の先端部外周にも前記シート面５４ｂに対応するように先細りの環状シート面５６ａが形成されている。そして、ニードル弁５６が前進してその先端のシート面５６ａと弁ボディ５４のシート面５４ｂとが液密に当接することで、燃料の通路が閉ざされる一方、ニードル弁５６が後退して前記両シート面５４ｂ，５６ａ同士が離れると、それらの間の隙間を流通して燃料が噴口５２，５２，…から噴出するようになる。
【００４７】
ここで、前記７個の噴口５２，５２，…は、それぞれ、収容室５５から燃料の噴出する向きに沿って徐々にインジェクタ１８の外周側に向かうように傾斜しており、同図(c)に示すようにインジェクタ１８の軸線Ｊに沿って見ると、該各噴口５２，５２，…は、それらを周方向に結ぶ線分が全体として長円形状となるように、周方向に略等間隔を空けて配置されている。つまり、前記７個の噴口５２，５２，…は、インジェクタ１８の先端壁部５４ａにおいて長円状に配設されている。そして、インジェクタ１８がエンジン１の各気筒２に装着されたときに、前記噴口５２，５２，…を結ぶ長円Ｖ（図に仮想線で示す）の長手方向がエンジン１の気筒列方向となる。
【００４８】
そのような７つの噴口５２，５２，…の配置構成により、前記インジェクタ１８の作動時には７つ噴口５２，５２，…からそれぞれ燃料が所定の拡がり角でもって噴出し、この個々の燃料噴霧が一体となって、図６に示すように、エンジン１の気筒２内燃焼室６において気筒列方向に広く且つ気筒中心線Ｚ方向に狭い扁平状の燃料噴霧Ｓを形成する。すなわち、同図(a)に示すようにエンジン１の気筒列方向から見たときには、燃料噴霧Ｓの拡がり角α（気筒中心線方向の拡がり角）は相対的に小さくなり、一方、同図(b)に示すように気筒中心線Ｚの方向から見ると、燃料噴霧Ｓの拡がり角β（気筒列方向の拡がり角）は相対的に大きくなる。また、それぞれ小さな噴口５２、５２，…から噴出する燃料は十分に微粒化しており、これが略等間隔の噴口５２，５２，…から噴出して一体となるので、燃料噴霧Ｓ内での燃料分布の偏りは比較的小さなものとなる。
【００４９】
前記のような扁平状の燃料噴霧Ｓの構造は図７に模式的に示すようになり、該燃料噴霧Ｓをその軸線Ｆに沿って噴口５２，５２，…から所定距離だけ離れた部位の断面で見ると、同図(b)に示すように、燃料噴霧Ｓの断面形状は、インジェクタ１８の先端部における噴口５２，５２，…の配置に対応する長円形状になっている。また、該各噴口５２，５２，…からそれぞれ噴出した個々の燃料噴霧が互いに重なり合って全体として１つの燃料噴霧Ｓを形成するため、この燃料噴霧Ｓは中実の扁平な円錐状となり、その中心部でも燃料の密度は十分に高くなっている。そして、そのような燃料噴霧Ｓの構造は、雰囲気圧力の変化によって大きく変化することがなく、燃料噴射時期の変更に伴い気筒内圧が大きく変化しても、燃料噴霧Ｓの構造や拡がり角は大略、同じになる。
【００５０】
このため、例えばエンジン１のアイドル運転時のように燃料噴射量が少ないときでも、燃料噴霧Ｓの中心付近における燃料の密度は十分に高くなり、この結果、点火プラグ１６周りに形成される混合気も所要の濃度状態のものとなる。また、例えばエンジン１の中負荷域で前記アイドル運転時に比べて燃料噴射量が多くなっても、個々の噴口５２，５２，…から噴出する燃料が多くなると同時に、その燃料の貫徹力が高くなってその分、遠くまで到達するようになるから、従来までの旋回流型インジェクタのような燃料の過集中が起きることはない。
【００５１】
さらに、燃料噴霧Ｓの形状が気筒列方向に広い扁平状なので、このことによっても燃料噴霧Ｓ内での燃料の過集中が抑制されるとともに、特に気筒内圧の低いときには燃料を気筒の半径方向について広範囲に分散させて空気と良好に混合しかつ十分に気化霧化させることができる。しかも、気筒中心線Ｚ方向に狭く且つ気筒列方向に広い燃料噴霧Ｓであるから、自ずと気筒２内周面やピストン５冠面への燃料の付着は少なくなる。
【００５２】
前記扁平状の燃料噴霧Ｓの好ましい形状は、詳しくは後述するが、燃料噴霧Ｓの気筒中心線Ｚ方向のへ拡がり角αがα＝略２５°〜略３５°であって、且つ該燃料噴霧Ｓの気筒列方向への拡がり角βがβ＝略３５°〜略４５°であり、しかも、β＞α＋略１０°という条件を満たすものである。そして、このような条件を満たすために、この実施形態のインジェクタ１８では、図１(c)に示すように、７個の噴口５２，５２，…を結ぶ長円Ｖの幅方向（図の上下方向）の寸法Ｌ１を０．４〜０．７ｍｍとし、且つ長手方向（図の左右方向）の寸法Ｌ２を０．９〜１．０ｍｍとしている。
【００５３】
したがって、この実施形態に係る火花点火式直噴エンジン１によれば、該エンジン１が成層燃焼領域（イ）にあるときに、前記図６に示すように気筒２の圧縮行程でインジェクタ１８により燃料が噴射され、この燃料噴霧Ｓがキャビティ５ａにトラップされて点火プラグ１６側に移動して、該点火プラグ１６周りに成層化される。その際、エンジン１が低負荷域にあって相対的に燃料噴射量の少ないときでも、上述の如く多噴口型のインジェクタ１８から噴射される扁平状の燃料噴霧Ｓの中心部付近では燃料の密度が十分に高くなるので、点火プラグ１６の電極周りには所要の濃度の混合気塊が形成されて、良好な着火安定性が得られる。
【００５４】
しかも、エンジン１の気筒列方向に広い燃料噴霧Ｓが気筒２内のスワール流によってキャビティ５ａ内を搬送されることで、混合気は相対的に長い時間、点火プラグ１６の電極付近に滞在することになり、このことによっても着火安定性が向上する。
【００５５】
そして、そのように混合気の着火安定性が向上することによって、自ずと燃費率が低減できるとともに、燃焼安定性を維持したままでＥＧＲ率を所定値（例えば略４０％）以上に高くして、ＮＯｘの生成を十分に抑制することができる。しかも、多量の排気の還流によってポンピングロスが大幅に減少するので、燃費率はさらに低減できる。
【００５６】
また、エンジン１が中負荷域にあって前記低負荷域に比べて燃料噴射量が多いときでも、多噴口型のインジェクタ１８から噴射される燃料噴霧Ｓでは、旋回流型のもののように噴霧の中心部付近で燃料が過集中することはないので、相対的に高負荷側までスモークの生成を抑制して良好な成層燃焼を実現できる。すなわち、図５に示すような制御マップにおいて成層燃焼領域（イ）を相対的に高負荷側に拡大することができ、これにより、エンジン１の運転領域全体として見たときに燃費率の低減効果が一層、大きくなる。
【００５７】
一方、エンジン１がλ＝１領域（ロ）やエンリッチ領域（ハ）にあって、より多くの燃料を供給する場合には、気筒２の吸気行程において燃料が噴射される。この燃料はピストン５の下降による燃焼室６容積の増大に伴い、該燃焼室６全体に拡散して略均一な混合気を形成するようになるが、その際、燃料噴霧Ｓの形状がエンジン１の気筒列方向に広い扁平状であることから、多量の燃料を気筒２の半径方向に広範囲に亘って分散させて、空気と良好に混合し且つその気化霧化を促進することができる。しかも、相対的に低い雰囲気下であっても気筒列方向に拡がる燃料噴霧の貫徹力はあまり大きくはならないから、燃料の気筒２内周面等への付着を抑制できる。
【００５８】
特に、燃料噴射量が最大になるにも拘わらず、その燃料を噴射可能な時間間隔が短い高速高負荷領域においては、図８に示すように、燃料の噴射が気筒２の吸気上死点近傍で開始されることになるが、このときでも、扁平状の燃料噴霧Ｓのピストン５冠面との干渉は旋回流型インジェクタの円錐状燃料噴霧と比べて格段に少なくなる。つまり、噴射時期の進角設定により燃料の気化霧化を十分に促進して、良好な燃焼により高出力を確保しながら、尚かつ燃料のピストン５冠面への付着を抑制して、このことに起因するスモークの増大を防止することができる。
【００５９】
また、そのように扁平状の燃料噴霧Ｓによってピストン５との干渉を軽減できることから、この実施形態のエンジン１では、ピストン５のキャビティ５ａの周壁に燃料噴霧との干渉を避けるための凹陥部を設けていない。すなわち、キャビティ５ａの周壁はインジェクタ１８の先端部に対応する吸気側の端部においても所定以上の高さ及び厚みを有するものとなり、このことに対応してピストン５のトップリング溝５ｂの位置がピストン５冠面寄りに高く設定されている。つまり、この実施形態のエンジン１では、従来までの旋回流型のインジェクタを備えたものと比べてピストン５のトップリング５ｂの位置を冠面寄りに高く設定することができ、その分、ピストン５外周の消炎層の体積が小さくなることで、エンジン１からの未燃炭化水素の排出量を低減できる。
【００６０】
尚、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、その他の種々の構成を包含するものである。すなわち、インジェクタ１８の先端部に形成する噴口５２，５２，…の個数は必ずしも７個である必要はなく、６個以上且つ１０個以下のいずれかの個数とすればよい。
【００６１】
また、噴口５２，５２，…の配置は必ずしも等間隔とする必要はなく、例えば、噴口５２，５２，…同士を結ぶ長円Ｖの中心に対して燃焼室６の天井部側に位置する噴口５２，５２，…の個数を、燃焼室６の底部、即ちピストン５の冠面側よりも多くしてもよい。こうすれば、そのインジェクタからの燃料噴霧Ｓにおいて燃料の密度が燃焼室６の天井部側で相対的に高くなると考えられ、このことで、エンジン１の低負荷域では着火安定性がさらに向上するとともに、高速高負荷領域ではピストン５冠面への燃料の付着量をさらに減少させることができる。
【００６２】
さらに、前記噴口５２，５２，…は、必ずしも前記実施形態のように長円状に配置する必要はなく、それらが真円状に配置されていても、燃料噴霧Ｓの拡がり角α、βがそれぞれα＝略２５〜略３５°、β＝略３５〜略４５°であって且つβ−α≧略１０°となるようにすればよい。このようにした場合、各噴口５２の傾斜は気筒列方向の両側に位置するもので最大となり、一方、気筒中心線Ｚ方向の両側に位置するものでは最小となるから、インジェクタ１８の弁ボディ５４の先端壁部５４ａを収容室５５内から見たときには、噴口５２，５２，…を周方向に結ぶ線分は気筒中心線Ｚの方向に長い長円形状となる。
【００６３】
さらにまた、前記実施形態に示すエンジン１の構成は、本願発明の火花点火式直噴エンジンの一例に過ぎず、本願発明に係る多噴口型インジェクタは前記実施形態のエンジン１に限らず、種々の構成の直噴エンジンに適用可能である。
【００６４】
（実施例）
次に、具体的に実施した実施例について説明する。
【００６５】
この実施例は、前記実施形態に記載のものと同様に構成された直列４気筒の火花点火式直噴エンジン（排気量略２０００ｍｍ³）を使用し、インジェクタとしては前記実施形態の如き多噴口型のものと一般的な旋回流型のものとを用いて、それぞれエンジンの様々な運転状態における燃焼安定性や燃費・出力特性の変化、さらには排気有害成分の濃度等を実験により調べたものである。この実験により、多噴口型インジェクタにおける噴口の配置構成とこれによる燃料噴霧の形状や構造等との関係、及びそれらが混合気の燃焼性や排気の状態に及ぼす影響について以下に述べるような知見が得られた。
【００６６】
最初に、一般的な旋回流型インジェクタと、従来例（特開２０００−３８９７４号公報）に開示されるような多噴口型のインジェクタとを対比して、各インジェクタによってそれぞれ形成される燃料噴霧の形状を観察するとともに、混合気の燃焼性に関して多噴口型のインジェクタが有する基本的な性質を調べた。尚、この実験に用いた多噴口型インジェクタは、前記実施形態のもののように噴口を長円状に配置したものではなく、略真円形状に配設したものであり、以下、両者をそれぞれ真円タイプ、長円タイプと呼んで、区別する。
【００６７】
図９、１０は、それぞれ、真円タイプの多噴口型インジェクタと旋回流型のものとを対比して、気筒の圧縮行程に対応する高圧下（例えば４００ｋＰａ）と大気圧下とで燃料噴霧の形状を撮影したものである。この撮影の方法としては、例えば、光通過窓と計測用窓とを備えた圧力容器内でインジェクタにより燃料性状相当の試料（燃料そのものでも良い）を噴射させるとともに、燃料噴霧に対してその中心線を通るようにストロボ光を照射して、このストロボ光面に対し略直交する方向から高速度カメラにて撮影したものである。
【００６８】
前記図９は、旋回流型インジェクタからの燃料噴霧であり、同図(a)は圧力容器内を大気圧として撮影した画像のうち、インジェクタの作動開始（駆動パルス信号の入力時点）から２．２ミリ秒後のものである。また、同図(b)は圧力容器内を高圧にして撮影した画像であってインジェクタの作動開始から２．７ミリ秒後のものである。一方、図１０は、多噴口型のインジェクタからの燃料噴霧を示し、同図(a)は大気圧下でインジェクタ作動開始から２．２ミリ秒後の撮影画像である。また、同図(b)は、高圧下でインジェクタ作動開始から２．７ミリ秒後の撮影画像であり、同図(c)は、図(b)に示す燃料噴霧の所定位置での横断面の撮影画像である。
【００６９】
前記図９、１０を対比すると、旋回流型のインジェクタでは、円錐状の燃料噴霧の拡がり角が雰囲気圧の変化によって３０°〜６０°くらいの範囲で大きく変化しており、一方、多噴口型のものでは雰囲気圧が変わっても噴霧の拡がり角が略４０°くらいで殆ど変化しないことが分かる。尚、この実験では、燃料噴霧の形状を前記した撮影画像において測定するようにしており、例えば噴霧の拡がり角θは、前記図９(a)、１０(a)にそれぞれ例示するように、インジェクタの先端部Ｔから所定距離離れた位置において噴霧中心線の通る仮想平面と燃料噴霧の輪郭とが交差する２つの点Ｂ，Ｃを決定し、∠ＢＴＣを噴霧の拡がり角としている（θ＝∠ＢＴＣ）。
【００７０】
そして、図１１は、前記真円タイプの多噴口型インジェクタと旋回流型のものとを対比して、エンジンの低速低負荷領域（エンジン回転速度＝１５００ｒｐｍ、正味平均有効圧ＢＭＥＰ＝１ｂａｒ）においてＥＧＲ率の変化に対する燃料消費率、燃焼安定性及びスモーク濃度の変化をそれぞれ調べた結果を示す。同図によれば、真円タイプの多噴口型インジェクタでは、図に黒丸のグラフで示すように、旋回流型のもの（白丸のグラフ）に比べてスモーク濃度が大幅に低くなる一方、燃料の消費が相対的に多くなり、燃焼安定性が低下していて、ＥＧＲ率が２０％以上になると失火に至ることが分かる。これは、真円タイプの多噴口型インジェクタでは燃料噴霧が中空状となってその中心付近の燃料の密度が低くなることから、燃料噴射量の少ないときには点火プラグ周りに適切な濃度の混合気塊が形成され難いことに因ると考えられる。
【００７１】
尚、前記燃焼安定性の評価値としては、気筒の平均有効圧の変動状態を表す関数として図示平均有効圧の平均値に対する最小値の割合を用いており、この評価値の値が１００％ということは平均有効圧、即ち燃焼による圧力の変動が全くないということであり、また、評価値の値が負になっているのは失火が起きたことを示している。さらに、ＥＧＲ率としては吸気中の二酸化炭素（ＣＯ2）の濃度を基準として、以下の式にて定義されるものを用いている。
【００７２】
【数１】

【００７３】
また、図１２は、エンジンの低速中負荷領域（エンジン回転速度＝２０００ｒｐｍ、正味平均有効圧ＢＭＥＰ＝４ｂａｒ）において前記と同様にして燃料消費率、燃焼安定性及びスモーク濃度を調べたものである。図示の黒丸のグラフによれば、真円タイプの多噴口型インジェクタを用いれば、低負荷の時と同様にスモーク濃度が極めて低くなるとともに、ＥＧＲ率に拠らず燃料消費率が少なくなり、しかも、旋回流型のもの（白丸のグラフ）と同等の燃焼安定性を得られることが分かる。このことは、燃料噴射量がある程度以上に多いときには、真円タイプの多噴口型インジェクタでも燃料噴霧の中心付近における燃料の密度が十分に高くなり、必要な燃焼安定性が得られるとともに、このときでも旋回流型のもののような燃料の過集中が起きないことを示している。
【００７４】
以上から、多噴口型のインジェクタでは、旋回流型のもののように雰囲気圧によって噴霧の拡がり角が変化することがないため、雰囲気圧の高い気筒の圧縮行程においてある程度以上の燃料を噴射しても、燃料の過集中を抑制して良好な成層燃焼を実現できるが、反面、燃料噴射量の少ない低負荷域では混合気の濃度が低下してしまい、着火安定性が損なわれることが分かった。
【００７５】
次に、前記の実験に用いた多噴口型インジェクタをベースとして、その噴口の大きさや配置を変更して前記と同様の実験を行った。すなわち、前記のベースとなるインジェクタの各噴口径をそれぞれ拡大したもの（以下、大口径のものという）と、ベースとなるインジェクタの６個の噴口を結ぶ円の中心にもう一つ噴口を追加したもの（以下、中心口の有るものという）と、噴霧を結ぶ円の直径を小さくして燃料噴霧の拡がり角θを小さく（θ＝４０°）したもの（以下、狭角化したものという）との３つのインジェクタを試作して、実験した。尚、前記中心口の有るものでは個々の噴口の大きさがベースのものよりもやや小さくなっている。
【００７６】
図１３(a)〜(c)は、前記中心口の有るインジェクタからの燃料噴霧を撮影した図１０(a)〜(c)と同様の画像である。この撮影画像から、前記のベースとなるインジェクタに中心の噴口を追加したことで、その分、燃料噴霧の中心付近の燃料密度が高くなることが分かる。また、図１４(a)〜(c)は、同様に前記狭角化したインジェクタからの燃料噴霧の撮影画像であり、この撮影画像からは、噴口を結ぶ円の直径を小さくしたことで該各噴口からの個々の燃料噴霧がそれぞれ内側に寄って、全体的な燃料噴霧の拡がり角θが狭くなるとともに、燃料噴霧の中心付近の燃料密度が高くなることが分かる。尚、大口径のインジェクタについては図示しないが、このものでは燃料噴霧の形状はベースのもの（図１０参照）と殆ど同じになった。
【００７７】
そのような４種類の多噴口型インジェクタを用いて前記と同様に燃焼性や排気状態についての実験を行った結果を以下の表１にまとめて示す。この表によれば、真円タイプの多噴口型インジェクタはいずれも同様の性質を有し、成層燃焼時にスモーク濃度が極めて低くなる一方で、特に軽負荷域での燃焼安定性に問題のあることが分かる。すなわち、大口径のものではベースのものと比べても燃焼安定性に改善は見られず、中心口の有るものでも、ベースのものよりは燃焼安定性が高くなるものの、旋回流型のものと比較すると不十分であるという結果になった。尚、噴霧を狭角化したインジェクタの場合は、旋回流型のものに比べれば燃焼安定性が低いものの、ベースの多噴口型インジェクタに比べれば大きな改善が見られた。
【００７８】
【表１】

【００７９】
さらに、今回の実験では、前記４種類のインジェクタのいずれを使用しても、多量の燃料を噴射するエンジンの高速高負荷領域においてスモーク濃度が極めて高くなるという問題が見出された。すなわち、前記の表１において出力やトルクの改善率がマイナスになっているのは、それらが旋回流型インジェクタに比べて低下しているということであり、同様に、スモーク改善率がマイナスになっているのはスモーク濃度が増大しているということである。この現象は特に大口径のインジェクタと噴霧を狭角化したインジェクタとで著しく、このことから、気筒内圧の低い吸気行程で燃料を噴射する場合、真円タイプの多噴口型インジェクタでは燃料噴霧の貫徹力が強くなり過ぎると考えられる。
【００８０】
次に、本発明に係る長円タイプの多噴口型インジェクタの評価結果を示す。まず、長円タイプの多噴口型インジェクタとして、その先端部に７個の噴口を長円状に配設したものを３種類、試作した。すなわち、７個の噴口を結ぶ長円の縦横比を変えて、扁平状となる燃料噴霧の拡がり角を気筒中心線方向についてα＝３５°とし、且つ気筒列方向についてβ＝５０°としたもの（以下、３５−５０形のものという）と、同様にα＝２５°、β＝４５°としたもの（以下、２５−４５形のものという）と、同様にα＝３０°、β＝４０°としたもの（以下、３０−４０形のものという）との３つを試作して、前記と同様の実験を行った。
【００８１】
図１５は、前記２５−４５形のインジェクタからの燃料噴霧を大気圧下で撮影した画像であり、同図(a)は気筒列方向から見たものであって、気筒中心線方向の噴霧の拡がり角αが図１３(a)等に示す真円タイプのインジェクタに比べて狭くなっていることが分かる。一方、図１５(b)の撮影画像は気筒中心線の方向から見たものであり、気筒列方向の噴霧の拡がり角βが前記真円タイプのものに比べて広くなっていることが分かる。
【００８２】
そして、前記３種類の長円タイプの多噴口型インジェクタを用いて行った実験結果をまとめて、基準となる真円タイプの多噴口型インジェクタ（ベース）と対比して示すと、以下の表２のようになった。
【００８３】
【表２】

【００８４】
この表からは、まず、長円タイプのものでも、真円タイプのものと同様に成層燃焼時のスモーク濃度が極めて低くなるという多噴口型インジェクタの基本的なメリットが明らかである。また、成層燃焼時の軽負荷域での燃焼安定性については、３０−５０形のものには真円タイプのものと同様の問題があるが、２５−４５形や３０−４０形のものでは、真円タイプのものに比べて燃焼安定性が大きく向上し、旋回流型のインジェクタと同等レベルになっている。これは、気筒列方向への噴霧拡がり角αを小さくしたことによって、インジェクタの各噴口からそれぞれ噴出する燃料が適度に重なり合うようになり、前記図７に模式的に示したように、燃料噴霧の中心付近でも燃料の密度が十分に高くなることによると考えられる。
【００８５】
さらに、前記長円タイプの多噴口型インジェクタでは、３種類のいずれについても、エンジンの高速高負荷領域においてトルクや出力を犠牲にすることなく、真円タイプのものに比べてスモーク濃度を大幅に減少できることが分かる。すなわち、ベースとなる真円タイプの多噴口型インジェクタでは旋回流型インジェクタに比べて出力が低下しながら、スモーク濃度も極めて多くなっているのに対し、長円タイプのものでは出力が向上しているにも拘わらず、スモーク濃度は旋回流型インジェクタに比べて大幅に減少するか或いは同等となっている。これは、燃料噴霧が気筒列方向に拡がっていることで、その分、噴霧の貫徹力が小さくなるとともに、気筒中心線方向に狭い燃料噴霧ではピストン冠面との干渉が大幅に軽減されるので、燃料噴射時期を気筒の吸気上死点近傍まで進角できることによると考えられれる。
【００８６】
以上の実験結果により、本願発明に係る長円タイプの多噴口型インジェクタを用いて、燃料噴霧をエンジンの気筒中心線方向に狭く且つ気筒列方向に広い扁平状とすることで、燃料噴射量の少ない低負荷域において層状混合気の良好な着火性を確保できるとともに、燃料噴射量が多くなっても燃料噴霧内での燃料の過集中を防止して、スモークの殆ど生じない良好な成層燃焼を実現できることが分かった。
【００８７】
また、本願発明に係る長円タイプの多噴口型インジェクタでは、燃料噴射量が最大となるエンジンの高速高負荷域において十分に高いトルク及び出力を確保しながら、燃料噴霧とピストン冠面との干渉を抑えてスモークの増大を防止できることが分かった。
【００８８】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係る火花点火式直噴エンジンによると、気筒内の燃焼室にその周縁部の燃料噴射弁から燃料を直接噴射して、この燃料噴霧をピストン冠面のキャビティにより点火プラグ周りに成層化させるようにしたものにおいて、前記燃料噴射弁の先端部に６個以上の噴口を長円状に配設するとともに、その噴口同士を結ぶ長円の長手方向を気筒列方向に設定して、該各噴口からそれぞれ噴出する燃料により一体的に形成される燃料噴霧の形状が気筒中心線方向に狭い扁平状となるようにしたので、成層燃焼状態では燃料噴射量の相対的に少ない低負荷域においても混合気の着火安定性を確保できるとともに、燃料噴射量が増大しても燃料の過集中に因るスモークの増大を防止することができ、さらに、均一燃焼状態となる高速高負荷領域において十分な出力を確保しながら、ピストン冠面への燃料付着に起因するスモークの増大を防止できる。
【００８９】
請求項２の発明によると、燃料噴霧の気筒中心線方向の拡がり角及び気筒列方向の拡がり角をそれぞれ最適化することで、請求項１の発明の効果を十分に得ることができる。
【００９０】
請求項３の発明によると、噴口を１０個以下として、個々の噴口の大きさをある程度以上、大きくできるようにしたので、目詰まり等の不具合を未然に防止できる。
【００９１】
請求項４の発明によると、噴口を周方向に略等間隔に配置することで、燃料噴霧内での燃料分布を均一化して、混合気の燃焼性をさらに向上できる。
【００９２】
請求項５の発明によると、燃焼室天井部側に位置する噴口の個数を燃焼室底部側よりも多くすることで、燃料噴霧内での燃料分布を燃焼室天井部側で相対的に高くして、低負荷域での着火安定性をさらに向上しながら、高速高負荷領域での燃料付着量をさらに軽減できる。
【００９３】
請求項６の発明によると、燃料噴射弁の先端部に対応するピストンの外周部分に所定以上の高さ及び厚みを有するキャビティ周壁を形成したので、ピストンのトップリング溝の位置を冠面寄りに高く設定して外周の消炎層の体積を減少させることができ、これにより未燃炭化水素の排出量を低減できる。
【００９４】
また、請求項７の発明に係る火花点火式直噴エンジンによると、前記請求項１の発明と同じ前提構成において、前記請求項２の発明と同様に燃料噴霧を気筒列方向に広く且つ気筒中心線方向に狭い最適な扁平形状とすることができるから、該請求項２の発明と同じ効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る火花点火式直噴エンジンのインジェクタについて、(a)は概略構成を示す図であり、(b)(c)は噴口の配置構成を示す拡大図である。
【図２】火花点火式直噴エンジンの全体構成図である。
【図３】エンジンの気筒内燃焼室の概略構造を示す斜視図である。
【図４】燃料供給系の構成を模式的に示す説明図である。
【図５】エンジンの成層燃焼領域及び均一燃焼領域を設定した制御マップの一例を示す図である。
【図６】気筒内に圧縮行程で噴射された燃料噴霧の形状を(a)気筒列方向及び(b)気筒中心線方向からそれぞれ見て示す説明図である。
【図７】燃料噴霧の構造を模式的に示す説明図である。
【図８】気筒内に吸気上死点近傍で噴射される燃料噴霧とピストンの冠面との干渉状態を気筒列方向から見て示す説明図である。
【図９】旋回流型インジェクタからの燃料噴霧を(a)大気圧下及び(b)高圧下でそれぞれ撮影した画像である。
【図１０】真円タイプの多噴口型インジェクタからの燃料噴霧を(a)大気圧下及び(b)(c)高圧下でそれぞれ撮影した画像である。
【図１１】エンジンの低速低負荷領域において、ＥＧＲ率の変化に対する燃料消費率、燃焼安定性及びスモーク濃度の変化をそれぞれ示したグラフ図である。
【図１２】エンジンの低速中負荷領域における図１１相当図である。
【図１３】中心口の有る多噴口インジェクタからの燃料噴霧の図１０相当図である。
【図１４】狭角化した多噴口型インジェクタからの燃料噴霧の図１０相当図である。
【図１５】長円タイプの多噴口型インジェクタからの燃料噴霧を大気圧下で撮影した画像である。
【符号の説明】
Ｆ燃料噴霧の中心線
Ｓ燃料噴霧
Ｖインジェクタの噴口を結ぶ長円
Ｚ気筒中心線
１エンジン
２気筒
５ピストン
５ａキャビティ
６燃焼室
１６点火プラグ
１８インジェクタ（燃料噴射弁）
５２，５２，… インジェクタの噴口

Claims

複数の気筒と、該各気筒内の燃焼室にその周縁部から燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、当該燃焼室の天井部の略中央に配置された点火プラグとを備えるとともに、燃焼室の底部となるピストンの冠面にキャビティを設けて、所定の運転状態で前記燃料噴射弁により噴射した燃料噴霧を前記キャビティの壁面により点火プラグ側に案内して成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記燃料噴射弁の先端部には、燃焼室内に燃料を噴射する６個以上の噴口が長円状に配設され、且つその長円の長手方向が気筒列方向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１において、
燃料噴射弁の噴口は、それぞれ噴出する燃料により一体的に形成される１つの燃料噴霧の気筒中心線方向の拡がり角が略２５°以上であって略３５°以下になり、且つ該燃料噴霧の気筒列方向の拡がり角が略３５°以上であって略４５°以下になるとともに、その気筒列方向の拡がり角が気筒中心線方向の拡がり角よりも略１０°以上大きくなるように配置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１において、
燃料噴射弁の噴口が１０個以下であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
請求項１において、
燃料噴射弁の先端部において噴口が周方向に互いに略等間隔を空けて配置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１において、
燃料噴射弁の先端部を燃料噴霧の中心線の方向から見て、噴口同士を結ぶ長円の中心に対して燃焼室天井部側に位置する噴口の個数が燃焼室底部側よりも多いことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
請求項１において、
燃料噴射弁の先端部に対し気筒中心線方向に対向するピストンの外周部分には、キャビティの底壁面よりも所定以上高く且つピストン外周端から半径方向に所定以上の厚みを有するトップランド部が形成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
複数の気筒と、該各気筒内の燃焼室にその周縁部から燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、当該燃焼室の天井部の略中央に配置された点火プラグとを備えるとともに、燃焼室の底部となるピストンの冠面にキャビティを設けて、所定の運転状態で前記燃料噴射弁により噴射した燃料噴霧を前記キャビティの壁面により点火プラグ側に案内して成層化させるようにした火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記燃料噴射弁の先端部には燃焼室内に燃料を噴射する６個以上の噴口が環状に配設されていて、該各噴口は、それぞれ噴出する燃料により一体的に形成される１つの燃料噴霧の気筒中心線方向の拡がり角が略２５°以上であって略３５°以下になり、且つ該燃料噴霧の気筒列方向の拡がり角が略３５°以上であって略４５°以下になるとともに、その気筒列方向の拡がり角が気筒中心線方向の拡がり角よりも略１０°以上大きくなるように形成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。