JP2001214744A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮行程燃料噴射の成層燃焼と、吸気行程燃
料噴射の均質燃焼とを実施可能な筒内噴射式火花点火内
燃機関において、均質燃焼時に多量の燃料が必要な場合
にも良好な均質混合気の形成を可能とすることである。 【解決手段】 先拡がり形状燃料噴霧として気筒内へ直
接的に燃料を噴射するために気筒上部に配置された第一
燃料噴射７１弁及び第二燃料噴射弁７２を具備し、第一
燃料噴射弁は、圧縮行程後半においてピストン頂面に形
成されたキャビティ８内へ燃料を噴射することを可能と
する第一噴射俯角ＴＨ１を有し、第二燃料噴射弁は、第
一噴射俯角より小さな第二噴射俯角ＴＨ２を有し、成層
燃焼時には第一燃料噴射弁を使用して圧縮行程後半に燃
料を噴射し、均質燃焼時に多量の燃料が必要とされる場
合には、第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁の両方で吸
気行程で燃料を噴射し、第一燃料噴射弁は主に吸気行程
後半で燃料を噴射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筒内噴射式火花点
火内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴
射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行
程後半にピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料
を噴射することにより、燃料をキャビティに沿わせて点
火プラグ近傍へ導き、点火時点において、着火性の良好
な可燃混合気を点火プラグ近傍だけに形成し、気筒内全
体としてはリーンな混合気を燃焼可能とする成層燃焼を
実現するためのものである。

【０００３】このような成層燃焼では必要量の燃料を圧
縮行程後半に噴射しなければならないために、気化時間
を考慮した燃料噴射時間は比較的短いものとなる。それ
により、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、特
に必要燃料が多量となる場合には、成層燃焼を断念し、
吸気行程に燃料を噴射して点火までに気筒内に均質混合
気を形成する均質燃焼を実施するようになっている。

【０００４】しかしながら、圧縮行程後半においてキャ
ビティ内へ燃料を噴射するための燃料噴射弁によって吸
気行程で燃料を噴射する場合には、噴射燃料が多量であ
るために、吸気行程初期から燃料を噴射しなければなら
ず、噴射前半の燃料がキャビティ内に集中してキャビテ
ィ内に濃厚な混合気を形成する。この混合気は、その後
においても分散し難く、点火時期となってもキャビティ
内に留まる。また、噴射後半の燃料は、ピストンの下降
に伴ってキャビティ内には侵入し難くなるが、キャビテ
ィ内に噴射されることを意図した噴霧形状では、気筒内
全体に分布させることは難しい。こうして、成層燃焼に
適した単一の燃料噴射弁では、均質燃焼時において気筒
内に良好な均質混合気を形成することは困難である。

【０００５】特開平４−１８７８１５号公報には、圧縮
行程後半においてキャビティ内へ燃料を噴射するための
第一燃料噴射弁と、ピストン頂面へ向けて燃料を円錐状
に噴射する第二燃料噴射弁とを具備する筒内噴射式火花
点火内燃機関が開示されている。この筒内噴射式火花点
火内燃機関は、機関高負荷時において、第二燃料噴射弁
により吸気行程燃料噴射が実施されるようになってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術におい
て、第二燃料噴射弁によって吸気行程で多量の燃料を噴
射するためには、やはり、吸気行程初期から燃料噴射を
開始することとなる。噴射後半の燃料は、ピストンの下
降に伴って形成される比較的大きな気筒内空間に十分に
広がった円錐形状に噴射されるために、比較的良好に気
筒内全体に分布させることができる。しかしながら、噴
射前半の燃料は、広がる以前の円錐形状によってピスト
ン頂面の一部に集中して付着し、この部分に比較的濃厚
な混合気を形成する。この混合気は、キャビティ内に形
成されたものほどではないとしても、点火時点において
気筒内全体に十分に分散せず、こうして、吸気行程燃料
噴射のための燃料噴射弁を単に追加しても、特に、噴射
燃料が多量となる時には、噴射全量の燃料を使用した良
好な均質混合気を形成することは困難である。

【０００７】従って、本発明の目的は、圧縮行程燃料噴
射の成層燃焼と、吸気行程燃料噴射の均質燃焼とを実施
可能な筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼
時に多量の燃料が必要な場合にも良好な均質混合気の形
成を可能とすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による請求項１に
記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、先拡がり形状燃
料噴霧として気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気
筒上部に配置された第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁
を具備し、前記第一燃料噴射弁は、圧縮行程後半におい
てピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射
することを可能とする第一噴射俯角を有し、前記第二燃
料噴射弁は、前記第一噴射俯角より小さな第二噴射俯角
を有し、成層燃焼時には前記第一燃料噴射弁を使用して
圧縮行程後半に燃料を噴射し、均質燃焼時に多量の燃料
が必要とされる場合には、前記第一燃料噴射弁及び第二
燃料噴射弁の両方を使用して吸気行程で燃料を噴射し、
前記第一燃料噴射弁は、主に吸気行程後半で燃料を噴射
することを特徴とする。

【０００９】また、本発明による請求項２に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、均質燃焼時に多量の燃料
が必要とされる場合には、前記第二燃料噴射弁は、主に
吸気行程前半で燃料を噴射することを特徴とする。

【００１０】また、本発明による請求項３に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、均質燃焼時にそれほど多
量の燃料が必要とされない場合には、前記第二燃料噴射
弁だけを使用して吸気行程で燃料を噴射することを特徴
とする。

【００１１】また、本発明による請求項４に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項３に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、気筒上部略中心に配置さ
れた第一点火プラグに加えて気筒上部の前記第二燃料噴
射弁の対向側に配置された第二点火プラグを具備し、均
質燃焼時にそれほど多量の燃料が必要とされない場合に
は、前記第二点火プラグを使用して点火を実施すること
を特徴とする。

【００１２】また、本発明による請求項５に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、平面視において先拡がり形
状燃料噴霧として気筒内へ直接的に燃料を噴射するため
に気筒上部に互いに略横方向隣接配置された第一燃料噴
射弁及び第二燃料噴射弁を具備し、前記第一燃料噴射弁
から噴射される第一燃料噴霧と前記第二燃料噴射弁から
噴射される第二燃料噴霧とは、同時噴射に際して、互い
に重複する重複部分が形成され、前記重複部分は、圧縮
行程後半においてピストン頂面に形成されたキャビティ
内へ侵入するようになっており、成層燃焼時には前記第
一燃料噴射弁及び前記第二燃料噴射弁を使用して圧縮行
程後半に同時に燃料を噴射し、均質燃焼時に多量の燃料
が必要とされる場合には、前記第一燃料噴射弁及び前記
第二燃料噴射弁の両方を使用して主に吸気行程後半に燃
料を噴射することを特徴とする。

【００１３】また、本発明による請求項６に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、平面視において先拡がり形
状燃料噴霧として気筒内へ直接的に燃料を噴射するため
に気筒上部に近接配置された第一燃料噴射弁及び第二燃
料噴射弁を具備し、前記第一燃料噴射弁は、圧縮行程後
半においてピストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃
料を噴射することを可能とするものであり、前記第二燃
料噴射弁は、前記第一燃料噴射弁との同時噴射に際し
て、平面視において前記第一燃料噴射弁からの燃料噴霧
に近接させて燃料を噴射するものであり、成層燃焼時に
は前記第一燃料噴射弁を使用して圧縮行程後半に燃料を
噴射し、均質燃焼時に多量の燃料が必要とされる場合に
は、前記第一燃料噴射弁及び前記第二燃料噴射弁の両方
を使用して吸気行程で燃料を噴射し、前記第一燃料噴射
弁は、主に吸気行程後半で燃料を噴射することを特徴と
する。

【００１４】また、本発明による請求項７に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項６に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、均質燃焼時に多量の燃料
が必要とされる場合には、前記第二燃料噴射弁は、主に
吸気行程前半に燃料を噴射することを特徴とする。

【００１５】また、本発明による請求項８に記載の筒内
噴射式火花点火内燃機関は、請求項６に記載の筒内噴射
式火花点火内燃機関において、成層燃焼時には前記第二
燃料噴射弁を使用して圧縮行程末期から膨張行程の間に
燃料を噴射することを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による筒内噴射式
火花点火内燃機関の第一実施形態を示す概略縦断面図で
ある。図２はピストン頂面の平面図である。これらの図
において、１は吸気ポート、２は排気ポートである。吸
気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁
４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピスト
ンであり、６１は気筒上部略中心に配置された第一点火
プラグである。７１及び７２は、気筒上部周囲から気筒
内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁及び第二燃
料噴射弁である。第一燃料噴射弁７１及び第二燃料噴射
弁７２は、燃料のベーパを防止するために、燃焼室内に
おいて吸気流により比較的低温度となる吸気ポート１側
に配置されている。しかしながら、第一燃料噴射弁７１
及び第二燃料噴射弁７２を上下に近接して吸気ポート側
に配置しなくても良いことは以下の記述から明らかであ
り、二つの燃料噴射弁は、それぞれに、気筒上部のいず
れの位置に配置しても良い。

【００１７】また、６２は気筒上部周囲の第二燃料噴射
弁７２の対向側、すなわち、排気ポート２側に配置され
た第二点火プラグである。図１及び２に示すように、第
一燃料噴射弁７１及び第二燃料噴射弁７２は、例えば、
スリット状の噴孔を有して燃料を厚さの薄い扇状に噴射
するように、燃料を先拡がり形状燃料噴霧として噴射す
るものである。

【００１８】成層燃焼を実施するためには、図１及び２
に実線で示すように、圧縮行程後半において第一燃料噴
射弁７１から燃料Ａをピストン５の頂面に形成されたキ
ャビティ８内へ噴射する。キャビティ８は、第一点火プ
ラグ６１がキャビティ８の内側を臨むようにして、ピス
トン５頂面において第一燃料噴射弁７１側へ偏在してお
り、噴射された燃料が衝突する底壁８ａと、第一燃料噴
射弁７１に対向する対向側壁８ｂとを有している。燃料
噴射弁７１から噴射された直後の燃料は液状であるが、
キャビティ８の底壁８ａに沿って進行して、キャビティ
８の対向側壁８ｂによって成層燃焼時に着火を担当する
第一点火プラグ６１近傍へ導かれるまでに徐々に気化す
る。

【００１９】厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、キャビティ
８の底壁８ａに沿って進行する際に幅方向に拡がるため
に、キャビティ８の底壁８ａの広範囲部分から良好に熱
を吸収して容易に気化することができる。キャビティ８
の対向側壁８ｂは、平面視において略円弧形状を有して
いるために、幅方向における燃料の中央部分は、底壁８
ａ上を進行する速度ベクトルが対向側壁８ｂによって上
方向の速度ベクトルへ変換される。また、幅方向におけ
る燃料の両側部分は、対向側壁８ｂに対してそれぞれ鋭
角度に衝突することとなり、底壁８ａ上を進行する速度
ベクトルが対向側壁８ｂによって上方向の速度ベクトル
と中央方向の速度ベクトルとの合成速度ベクトルに変換
される。キャビティ８の対向側壁８ｂには、燃料各部分
をキャビティ８の内側方向に偏向する返し部８ｃが設け
られ、こうして対向側壁８ｂによって前述のように偏向
された燃料各部分を、最終的に、返し部８ｃによって第
一点火プラグ６近傍に向かわせることが可能となる。

【００２０】こうして、扇状の燃料噴霧を使用すること
で、圧縮行程後半に比較的多量の燃料も気化させて点火
プラグ近傍に導くことができ、燃費効率の高い成層燃焼
領域を、他の一般的な燃料噴霧（例えば、円錐状燃料噴
霧）を使用する場合に比較して高負荷側に拡大させるこ
とが可能となる。しかしながら、機関負荷の上昇に伴っ
て必要燃料が所定量を越えると、圧縮行程後半での燃料
噴射が時間的に困難となり、成層燃焼を断念して、吸気
行程で燃料を噴射して点火時点において気筒内に均質混
合気を形成する均質燃焼を実施するようになっている。

【００２１】均質燃焼時に多量の燃料が必要とされる場
合において、本実施形態では、図３に示すように、主に
吸気行程前半に第二燃料噴射弁７２によって必要量の略
半分の燃料Ｂを噴射し、主に吸気行程後半に第一燃料噴
射弁７１によって残り略半分の燃料Ａを噴射するように
なっている。必要量の燃料が多量であっても、第一燃料
噴射弁７１による噴射量は略半分に減少させられるため
に、吸気行程後半での燃料噴射は可能である。第一燃料
噴射弁７１は、圧縮行程後半においてピストン頂面に形
成されたキャビティ８内へ燃料を噴射することを可能と
する第一噴射俯角ＴＨ１を有し、第二燃料噴射弁７２
は、第一噴射俯角ＴＨ１より小さな第二噴射俯角ＴＨ２
を有している。

【００２２】また、第一燃料噴射弁７１から噴射される
扇状の燃料噴霧Ａは、図２に実線で示すように、圧縮行
程後半のピストン位置において確実にキャビティ８内へ
侵入することが必要であると共に、キャビティ８の底壁
８ａ上で過剰に幅方向に拡がると、底壁８ａ上で燃料が
分散し過ぎて、第一点火プラグ６１近傍に形成される混
合気が希薄となって良好な着火が保証されないために、
噴霧夾角ＴＨ３をそれほど大きくすることはできない。
これに対して、第二燃料噴射弁７から噴射される扇状の
燃料噴霧Ｂは、図２に一点鎖線で示すように、平面視に
おいて、気筒内に広く分布するような十分に大きな噴霧
夾角ＴＨ４を有している。

【００２３】第一燃料噴射弁７１及び第二燃料噴射弁７
２から噴射された先拡がりの燃料噴霧は、飛行中に気筒
内空気と十分に接触して微粒化及び気化して急激に貫徹
力を失う。それにより、第二燃料噴射弁７２から主に吸
気行程前半に噴射される燃料は、図３に示すように、ピ
ストン頂面及びシリンダボアに到達する以前に気化し
て、気筒内空間上部に平面視において広範囲に分布させ
ることが可能である。また、第一燃料噴射弁７１から主
に吸気行程後半に噴射される燃料も、図４に示すよう
に、ピストン５が十分に降下しているために、ピストン
頂面に到達する以前に気化して、気筒内空間下部に平面
視において比較的広範囲に分布し、キャビティ８内及び
ピストン頂面に濃厚な混合気を形成することはない。こ
うして、気筒内空間上部及び下部に気化燃料を分散させ
るだけでなく、それぞれの部位に平面視において気化燃
料を広く分布させることができるために、圧縮行程にお
けるピストン上昇に伴って、点火時点において全ての噴
射燃料を使用する良好な均質混合気を形成することが可
能となる。

【００２４】本実施形態において、第一燃料噴射弁７１
から噴射される燃料量及び第二燃料噴射弁７２から噴射
される燃料量をそれぞれ必要燃料量の略半分としたが、
もちろん、互いに異ならせることも可能であり、特に、
第一燃料噴射弁７１から噴射される燃料量を少なくする
ことにより、噴射燃料の気化を容易にしてピストン頂面
及びキャビティ８内への液状燃料の付着をさらに確実に
防止することができる。また、第二燃料噴射弁７２での
燃料噴射は、吸気行程前半に限定されることはなく、第
一燃料噴射弁７１での燃料噴射と同時に主に吸気行程後
半に実施しても良い。それにより、第二燃料噴射弁７２
からの噴射燃料の気筒内空気との混合では時間的に不利
となるが、噴射燃料のピストン頂面への付着をさらに確
実に防止することができる。

【００２５】本実施形態では、気筒上部略中心に配置さ
れた第一点火プラグ６１に加えて、気筒上部周囲の第二
燃料噴射弁７２の対向側に配置された第二点火プラグ６
２を有するために、こうして形成された良好な均質混合
気を二点で着火させることが可能であり、それにより、
燃焼速度を速めて良好な均質燃焼を実現することができ
る。

【００２６】このようにして、均質燃焼時に特に多量の
燃料が必要とされる場合には、第一燃料噴射弁７１及び
第二燃料噴射弁７２によって必要量の燃料を二分割して
噴射するようになっている。もちろん、均質燃焼時にそ
れほど多量の燃料が必要とされない場合にも、二つの燃
料噴射弁７１，７２によって燃料を噴射することも可能
である。しかしながら、第二燃料噴射弁７２だけを使用
して吸気行程で燃料を噴射するようにしても良い。この
場合においては、第二燃料噴射弁７２の燃料噴射量は、
多量の燃料を二分割した時に比較して多くなる。それに
より、噴射燃料の飛行中における微粒化及び気化の時間
が延長して、気筒内空間上部における第二燃料噴射弁７
２の対向側部分に気化燃料が若干集中し易くなる。

【００２７】こうして、点火時点において、気筒内の第
二燃料噴射弁７２の対向側に均質混合気が偏在し易く、
気筒上部略中心に位置する第一点火プラグ６１では、均
質混合気の周囲部に着火することとなって燃焼速度が遅
くなる可能性がある。本実施形態では、この場合におい
て、気筒上部周囲の第二燃料噴射弁７２の対向側に配置
された第二点火プラグ６２によって均質混合気の中央部
を着火することが可能であり、このような問題が発生す
ることはない。

【００２８】図５は、本発明による筒内噴射式火花点火
内燃機関の第二実施形態を示す概略縦断面図である。図
６はピストン頂面の平面図である。本実施形態と前述の
第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本
実施形態では、第一燃料噴射弁７１’と第二燃料噴射弁
７２’とが、気筒上部に互いに略横方向隣接配置されて
いる。また、気筒上部略中心だけに単一の点火プラグ６
が配置されている。

【００２９】第一燃料噴射弁７１’及び第二燃料噴射弁
７２’は、第一実施形態と同様に、例えば、スリット状
の噴孔を有して燃料を厚さの薄い扇状に噴射するよう
に、燃料を先拡がり形状燃料噴霧として噴射するもので
ある。また、図５及び６に示すように、第一燃料噴射弁
７１’及び第二燃料噴射弁７２’は、それぞれに、圧縮
行程後半においてピストン頂面に形成されたキャビティ
内へ燃料を噴射することを可能とするように、第一実施
形態の第一燃料噴射弁７１と同様な噴射俯角ＴＨ１を有
している。また、第一燃料噴射弁７１’及び第二燃料噴
射弁７２’のそれぞれの噴霧夾角ＴＨ５は、第一実施形
態の第一燃料噴射弁７１の噴霧夾角ＴＨ３より大きくさ
れているが、図２に斜線で示すように、第一燃料噴射弁
７１’から噴射される第一燃料噴霧Ａ’と第二燃料噴射
弁から噴射される第二燃料噴霧Ｂ’とは、同時噴射にお
いて、キャビティ８の底壁８ａへの衝突後において互い
に重複する重複部分が形成される。もちろん、キャビテ
ィ８の底壁８ａへの衝突以前から互いに重複するように
しても良い。

【００３０】本実施形態において、成層燃焼時には、圧
縮行程後半において第一燃料噴射弁７１’及び第二燃料
噴射弁７２’の両方から燃料が噴射される。それぞれの
燃料噴霧は、噴霧夾角ＴＨ５が比較的大きく、キャビテ
ィ８の底壁８ａ上で幅方向に大きく拡がって燃料は分散
過剰となるが、重複すれば燃料の分散程度は二分の一と
なって分散過剰とはならず、この重複部分が点火プラグ
６近傍に可燃混合気の形成を可能とする。こうして、良
好な成層燃焼を実現することができる。

【００３１】本実施形態では、成層燃焼時において二つ
の燃料噴射弁７１’及び７２’によって同時に燃料を噴
射するために、圧縮行程後半の比較的短い時間で噴射可
能な燃料噴射量を増大させることができ、燃費効率の高
い成層燃焼の領域をさらに高負荷側へ拡大することがで
きる。

【００３２】しかしながら、必要燃料が多量となる時に
は、依然として均質燃焼が実施され、この時には、第一
燃料噴射弁７１’及び第二燃料噴射弁７２’の両方を使
用して主に吸気行程後半に燃料を噴射するようになって
いる。第一燃料噴射弁７１’及び第二燃料噴射弁７２’
のそれぞれの燃料噴射量は、多量な必要燃料の略半分と
なるために、吸気行程後半での燃料噴射は可能である。

【００３３】こうして、第一燃料噴射弁７１’及び第二
燃料噴射弁７２’から噴射された先拡がりの燃料噴霧
は、飛行中に気筒内空気と十分に接触して微粒化及び気
化して急激に貫徹力を失う。それぞれの燃料噴霧は、前
述したように、比較的大きな噴霧夾角ＴＨ５を有してお
り、二つの燃料噴霧は、吸気行程後半において形成され
る大きな気筒内空間へ平面視において非常に広範囲に燃
料を分布させることができる。吸気行程後半では、ピス
トン５が十分に降下しており、それぞれの燃料噴霧の液
状燃料がピストン頂面及びキャビティ８内へ付着するこ
とはない。こうして、圧縮行程におけるピストン上昇に
伴って、点火時点において全ての噴射燃料を使用する良
好な均質混合気を形成することが可能となる。

【００３４】図７は、本発明による筒内噴射式火花点火
内燃機関の第三実施形態を示すピストン頂面の平面図で
ある。本実施形態の概略縦断面は、図１に示す第一実施
形態と同様である。本実施形態と第一実施形態との違い
についてのみ以下に説明する。本実施形態において、第
一燃料噴射弁７１”は、噴射俯角及び噴射夾角を含めて
第一実施形態の第一燃料噴射弁７１と同様なものであ
り、前述同様に成層燃焼を実施する。また、気筒上部略
中心だけに単一の点火プラグ６が配置されている。

【００３５】第二燃料噴射弁７２’は、第一実施形態の
第二燃料噴射弁７２と同じ噴射俯角を有しているが、単
一の扇形状に燃料を噴射するものではなく、二つのスリ
ット状噴孔を有して、図７に一点鎖線で示すように、第
一燃料噴射弁７２”との同時噴射において、飛行中の第
一燃料噴射弁７２”の燃料噴霧Ａ”の両側に平面視にお
いて接するように、それぞれが噴霧夾角ＴＨ６を有する
二つの厚さの薄い扇状に燃料Ｂ”を噴射するものであ
る。こうして、本実施形態では、第一燃料噴射弁７１”
及び第二燃料噴射弁７２”の位置は、気筒上部周囲の吸
気ポート側に限定されることはないが、互いに近接させ
る必要がある。

【００３６】本実施形態において、必要燃料が多量とな
る時には均質燃焼が実施され、この時には、第一燃料噴
射弁７１”及び第二燃料噴射弁７２”の両方を使用して
主に吸気行程後半に燃料を噴射するようになっている。
第一燃料噴射弁７１’及び第二燃料噴射弁７２’のそれ
ぞれの燃料噴射量は、多量な必要燃料の略半分となるた
めに、吸気行程後半での燃料噴射は可能である。

【００３７】こうして、第一燃料噴射弁７１”及び第二
燃料噴射弁７２”から噴射された先拡がりの燃料噴霧
は、飛行中に気筒内空気と十分に接触して微粒化及び気
化して急激に貫徹力を失う。二つの燃料噴射弁から噴射
される燃料噴霧は、平面視において、全体的に大きな噴
霧夾角（ＴＨ３＋ＴＨ６＋ＴＨ６）を有し、吸気行程後
半において形成される大きな気筒内空間へ平面視におい
て非常に広範囲に燃料を分布させることができる。吸気
行程後半では、ピストン５が十分に降下しており、それ
ぞれの燃料噴霧の液状燃料がピストン頂面及びキャビテ
ィ８内へ付着することはない。こうして、圧縮行程にお
けるピストン上昇に伴って、点火時点において全ての噴
射燃料を使用する良好な均質混合気を形成することが可
能となる。

【００３８】もちろん、第二燃料噴射弁７２”による燃
料噴射は、噴射終了から点火までの混合時間を延長する
ために、吸気行程前半に噴射するようにしても良い。ま
た、第二燃料噴射弁７２”は、第一燃料噴射弁７１”と
同時に圧縮行程後半に燃料を噴射する場合には、噴射俯
角を第一燃料噴射弁７１”と同様に大きくすることも可
能である。

【００３９】本実施形態において、第二燃料噴射弁７
２”の燃料噴霧は、第一燃料噴射弁７１”の燃料噴霧の
両側に平面視において接するようにして、全ての燃料を
平面視において気筒内の広範囲に分布させるようにした
が、もちろん、第二燃料噴射弁７２”の燃料噴霧を、平
面視において第一燃料噴射弁７１”の燃料噴霧の両側か
ら多少離間させても、また、部分的に重複させても十分
に良好な均質混合気を形成することができる。さらに、
第二燃料噴射弁７２”の燃料噴霧を一つの扇状燃料噴霧
として、第一燃料噴射弁７１”の燃料噴霧の片側だけに
近接させても、平面視において燃料を気筒内の比較的広
範囲に分布させることができ、従来に比較して良好な均
質混合気を形成することができる。

【００４０】ところで、前述したように、成層燃焼時に
おいてキャビティ８の底壁８ａ上を進行する燃料は、キ
ャビティ８の円弧形状の対向側壁によって、理論的に
は、点火プラグ６近傍に集合することとなる。しかしな
がら、実際には、燃料の両側部分が良好に点火プラグ６
近傍に集合せずに点火プラグ６を中心とした葉巻形状の
混合気となり易い。この葉巻形状の混合気の両端部分は
希薄であり、中央部分が良好に燃焼しても両側部分は燃
焼せずに未燃燃料として排出されることがある。この時
に、もし、機関始動直後で触媒コンバータが不活性であ
れば、この未燃燃料は浄化されずに大気中に放出される
こととなる。

【００４１】本実施形態では、特に、触媒コンバータの
不活性時において、膨張行程で第二燃料噴射弁７２”か
ら僅かな燃料を噴射するようになっており、それによ
り、葉巻形状の混合気の両側部分へさらなる燃料が供給
され、両側部分を確実に燃焼させることができる。こう
して、気筒からの未燃燃料の排出量が低減されると共
に、このような膨張行程での燃焼によって排気ガス温度
を上昇させることができ、触媒コンバータを早期に活性
化させることができる。

【００４２】もちろん、この膨張行程での燃焼は、機関
出力の増加に貢献するために、触媒コンバータが活性化
している時にも膨張行程での第二燃料噴射弁７２”の燃
料噴射は有効である。さらに、圧縮行程末期に第二燃料
噴射弁７２”から僅かな燃料を噴射すれば、葉巻形状の
混合気の両側部分を点火時点において燃焼可能な濃度に
することができ、良好な成層燃焼を実現することができ
る。

【００４３】前述した全ての実施形態において、第一燃
料噴射弁及び第二燃料噴射弁は、扇状燃料噴霧として燃
料を噴射するものとしたが、例えば、円錐形状等の先拡
がり燃料噴霧として燃料を噴射するものであれば、均質
燃焼時において、気筒内に平面視において比較的広く燃
料を分布させることができ、良好な均質混合気を形成可
能となる。また、第一実施形態及び第三実施形態の第一
燃料噴射弁と、第二実施形態の第一燃料噴射弁及び第二
燃料噴射弁とから噴射される燃料は、成層燃焼時にキャ
ビティ８を沿って点火プラグ近傍へ集合するための比較
的強い貫徹力を有していなければならない。しかしなが
ら、第一実施形態及び第三実施形態の第二燃料噴射弁か
ら噴射される燃料は、このような貫徹力が小さいほうが
好ましく、例えば、燃料に旋回力を付与して小さな貫徹
力で噴射するスワール式噴射弁等を使用することも効果
的である。

【００４４】

【発明の効果】このように、本発明による第一の筒内噴
射式火花点火内燃機関は、先拡がり形状燃料噴霧として
気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気筒上部に配置
された第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁を具備し、第
一燃料噴射弁は、圧縮行程後半においてピストン頂面に
形成されたキャビティ内へ燃料を噴射することを可能と
する第一噴射俯角を有し、第二燃料噴射弁は、第一噴射
俯角より小さな第二噴射俯角を有し、成層燃焼時には第
一燃料噴射弁を使用して圧縮行程後半に燃料を噴射し、
均質燃焼時に多量の燃料が必要とされる場合には、第一
燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁の両方を使用して吸気行
程で燃料を噴射するために、それぞれの燃料噴射量が少
なくなり、第一燃料噴射弁は、主に吸気行程後半で燃料
を噴射するようになっている。それにより、均質燃焼時
に多量の燃料が必要とされる場合には、第一燃料噴射弁
から噴射される燃料は、ピストン頂面及びキャビティ内
へ付着する以前に気化して気筒内空間の下部に平面視に
おいて比較的広く分布し、第二燃料噴射弁から噴射され
る燃料は、ピストン頂面及びシリンダボアに付着する以
前に気化して気筒内空間の上部に平面視において比較的
広く分布するために、点火時点においては、気筒内に良
好な均質混合気を形成することができる。

【００４５】また、本発明による第二の筒内噴射式火花
点火内燃機関は、平面視において先拡がり形状燃料噴霧
として気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気筒上部
に互いに略横方向隣接配置された第一燃料噴射弁及び第
二燃料噴射弁を具備し、第一燃料噴射弁から噴射される
第一燃料噴霧と第二燃料噴射弁から噴射される第二燃料
噴霧とは、同時噴射に際して、互いに重複する重複部分
が形成され、この重複部分は、圧縮行程後半においてピ
ストン頂面に形成されたキャビティ内へ侵入するように
なっており、成層燃焼時には第一燃料噴射弁及び第二燃
料噴射弁を使用して圧縮行程後半に同時に燃料を噴射
し、均質燃焼時に多量の燃料が必要とされる場合には、
第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁の両方を使用して主
に吸気行程後半に燃料を噴射するようになっている。そ
れにより、均質燃焼時に多量の燃料が必要とされる場合
に、第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁からの燃料噴霧
の平面視における噴射夾角を比較的大きくして気筒内の
広範囲に燃料を分布させて良好な均質混合気を形成する
ことができ、また、それぞれの燃料噴霧の噴射夾角が大
きくされて、成層燃焼時にそれぞれの燃料噴霧がキャビ
ティ内で過剰に分散しても、二つの燃料噴霧の重複部分
が過剰分散を半減させ、点火プラグ近傍に確実に可燃混
合気を形成することができ、成層燃焼が犠牲となること
はない。

【００４６】また、本発明による第三の筒内噴射式火花
点火内燃機関は、平面視において先拡がり形状燃料噴霧
として気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気筒上部
に近接配置された第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁を
具備し、第一燃料噴射弁は、圧縮行程後半においてピス
トン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射するこ
とを可能とするものであり、第二燃料噴射弁は、第一燃
料噴射弁との同時噴射に際して、平面視において第一燃
料噴射弁からの燃料噴霧に近接させて燃料を噴射するも
のであり、成層燃焼時には第一燃料噴射弁を使用して圧
縮行程後半に燃料を噴射し、均質燃焼時に多量の燃料が
必要とされる場合には、第一燃料噴射弁及び第二燃料噴
射弁の両方を使用して吸気行程で燃料を噴射し、第一燃
料噴射弁は、主に吸気行程後半で燃料を噴射するように
なっている。それにより、均質燃焼時に多量の燃料が必
要とされる場合には、第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射
弁から噴射される燃料は、ピストン頂面及びキャビティ
内へ付着する以前に気化して気筒内空間の平面視におい
て広く分布するために、点火時点においては、気筒内に
良好な均質混合気を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
一実施形態を示す概略縦断面図である。

【図２】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関のピストン
頂面の平面図である。

【図３】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の吸気行程
前半の燃料噴射を示す概略縦断面図である。

【図４】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の吸気行程
後半の燃料噴射を示す概略縦断面図である。

【図５】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
二実施形態を示す概略縦断面図である。

【図６】図５の筒内噴射式火花点火内燃機関のピストン
頂面の平面図である。

【図７】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第
三実施形態を示すピストン頂面の平面図である。

【符号の説明】

１…吸気ポート ２…排気ポート ３…吸気弁 ４…排気弁 ５…ピストン ６…点火プラグ ６１…第一点火プラグ ６２…第二点火プラグ ７１，７１’，７２”…第一燃料噴射弁 ７２，７２’，７２”…第二燃料噴射弁 ８…キャビティ ８ａ…底壁 ８ｂ…対向側壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｐ 15/08 ３０１ Ｆ０２Ｐ 15/08 ３０１Ｅ ３０２ ３０２Ａ (72)発明者 植田 貴宣 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 野村 啓 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 浅沼 孝充 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G019 AA08 AA09 AB03 BB14 KA12 KA15 3G023 AA01 AB02 AB03 AC05 AD02 AD03 AD09 AD12 AE05 AG01 3G301 HA01 HA04 HA16 LB04 MA18

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先拡がり形状燃料噴霧として気筒内へ直
   接的に燃料を噴射するために気筒上部に配置された第一
   燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁を具備し、前記第一燃料
   噴射弁は、圧縮行程後半においてピストン頂面に形成さ
   れたキャビティ内へ燃料を噴射することを可能とする第
   一噴射俯角を有し、前記第二燃料噴射弁は、前記第一噴
   射俯角より小さな第二噴射俯角を有し、成層燃焼時には
   前記第一燃料噴射弁を使用して圧縮行程後半に燃料を噴
   射し、均質燃焼時に多量の燃料が必要とされる場合に
   は、前記第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁の両方を使
   用して吸気行程で燃料を噴射し、前記第一燃料噴射弁
   は、主に吸気行程後半で燃料を噴射することを特徴とす
   る筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 【請求項２】 均質燃焼時に多量の燃料が必要とされる
   場合には、前記第二燃料噴射弁は、主に吸気行程前半で
   燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載の筒内
   噴射式火花点火内燃機関。
3. 【請求項３】 均質燃焼時にそれほど多量の燃料が必要
   とされない場合には、前記第二燃料噴射弁だけを使用し
   て吸気行程で燃料を噴射することを特徴とする請求項１
   に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
4. 【請求項４】 気筒上部略中心に配置された第一点火プ
   ラグに加えて気筒上部の前記第二燃料噴射弁の対向側に
   配置された第二点火プラグを具備し、均質燃焼時にそれ
   ほど多量の燃料が必要とされない場合には、前記第二点
   火プラグを使用して点火を実施することを特徴とする請
   求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
5. 【請求項５】 平面視において先拡がり形状燃料噴霧と
   して気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気筒上部に
   互いに略横方向隣接配置された第一燃料噴射弁及び第二
   燃料噴射弁を具備し、前記第一燃料噴射弁から噴射され
   る第一燃料噴霧と前記第二燃料噴射弁から噴射される第
   二燃料噴霧とは、同時噴射に際して、互いに重複する重
   複部分が形成され、前記重複部分は、圧縮行程後半にお
   いてピストン頂面に形成されたキャビティ内へ侵入する
   ようになっており、成層燃焼時には前記第一燃料噴射弁
   及び前記第二燃料噴射弁を使用して圧縮行程後半に同時
   に燃料を噴射し、均質燃焼時に多量の燃料が必要とされ
   る場合には、前記第一燃料噴射弁及び前記第二燃料噴射
   弁の両方を使用して主に吸気行程後半に燃料を噴射する
   ことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
6. 【請求項６】 平面視において先拡がり形状燃料噴霧と
   して気筒内へ直接的に燃料を噴射するために気筒上部に
   近接配置された第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁を具
   備し、前記第一燃料噴射弁は、圧縮行程後半においてピ
   ストン頂面に形成されたキャビティ内へ燃料を噴射する
   ことを可能とするものであり、前記第二燃料噴射弁は、
   前記第一燃料噴射弁との同時噴射に際して、平面視にお
   いて前記第一燃料噴射弁からの燃料噴霧に近接させて燃
   料を噴射するものであり、成層燃焼時には前記第一燃料
   噴射弁を使用して圧縮行程後半に燃料を噴射し、均質燃
   焼時に多量の燃料が必要とされる場合には、前記第一燃
   料噴射弁及び前記第二燃料噴射弁の両方を使用して吸気
   行程で燃料を噴射し、前記第一燃料噴射弁は、主に吸気
   行程後半で燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式
   火花点火内燃機関。
7. 【請求項７】 均質燃焼時に多量の燃料が必要とされる
   場合には、前記第二燃料噴射弁は、主に吸気行程前半に
   燃料を噴射することを特徴とする請求項６に記載の筒内
   噴射式火花点火内燃機関。
8. 【請求項８】 成層燃焼時には前記第二燃料噴射弁を使
   用して圧縮行程末期から膨張行程の間に燃料を噴射する
   ことを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射式火花点火
   内燃機関。