JP2004108161A - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することのできる筒内噴射式内燃機関を提供する。
【解決手段】吸気ポート１６の開口１６ａの外縁のうち燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２に隣接する側を覆う隔壁３０を形成するとともに、その隔壁３０の燃料噴射口２２に隣接する部分に開口部３１を形成する。それにより、吸気バルブ１８の開放に伴って吸気ポート１６から燃焼室１５へ導入される吸気の一部が、燃料噴射口２２に集中して向かうようになるため、吸気行程初期の燃料の微粒化や気化、空気との混合が促進される。
【選択図】 図１
【解決手段】吸気ポート１６の開口１６ａの外縁のうち燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２に隣接する側を覆う隔壁３０を形成するとともに、その隔壁３０の燃料噴射口２２に隣接する部分に開口部３１を形成する。それにより、吸気バルブ１８の開放に伴って吸気ポート１６から燃焼室１５へ導入される吸気の一部が、燃料噴射口２２に集中して向かうようになるため、吸気行程初期の燃料の微粒化や気化、空気との混合が促進される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射するようにした筒内噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室内に燃料噴射弁から燃料を直接噴射するようにした筒内噴射式の内燃機関では、圧縮行程時に燃料を噴射することにより、点火プラグの近傍に燃料濃度の高い混合気を偏在させた成層燃焼を行うようにしている。一方、こうした成層燃焼を行う内燃機関にあっても、高負荷時や始動時等には、吸気行程中に燃料を噴射することにより、燃焼室内に均質な混合気を形成する均質燃焼を行うようにしている。
【０００３】
但し、こうした筒内噴射式の内燃機関にあっては、吸気ポートに燃料が噴射される吸気ポート噴射式の内燃機関とは異なり、噴射燃料と空気との混合時間が十分に確保されにくい。その結果、燃料の微粒化が促進されず、これに起因する燃焼状態の悪化を招くことがある。
【０００４】
そこで従来、吸気ポート等の周囲に隔壁を配設したり（例えば、特許文献１〜３参照）、燃焼室に空気噴射弁を配設して燃焼室内に直接空気を噴射したり（例えば、特許文献４参照）することで、燃焼室内の気流を制御して燃料の微粒化を促進する技術が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５６−２３５２２号公報
【特許文献２】
特開昭４９−１１６４０７号公報
【特許文献３】
特開平１０−２５２４７７号公報
【特許文献４】
特開平１０ー３３１６４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、筒内噴射式内燃機関では、吸気行程噴射に際して燃料噴射の開始時期が遅れると、噴射燃料の気化や空気との混合のための時間が十分に確保されずに燃焼状態が悪化して、排気中の炭化水素（ＨＣ）等の増大や燃料消費効率の悪化といった不具合を招いてしまう。そのため、吸気行程噴射時の燃料の噴射完了時期をある程度よりも早くすることが望ましいが、それには燃料の噴射開始時期を早める必要があり、高負荷・高回転時には、吸気行程初期から燃料噴射を開始しなければならなくなる。
【０００７】
ただし、吸気行程初期には、吸気ポートから燃焼室内に導入される吸気の量は未だ少なく、噴射された燃料の微粒化や気化、空気との混合等を十分に行うことができない状態となっている。そのため、吸気行程初期に燃料を噴射すれば、燃料の燃焼性が低下して、排気エミッションの悪化を招くこととなる。
【０００８】
更に筒内噴射式内燃機関では、ピストンが上死点近傍に位置する吸気行程初期に燃料を噴射すると、噴射した燃料がピストン頂面に直接吹き付けられて付着してしまう。こうしてピストン頂面に付着した燃料は、その後に噴射された燃料の燃焼による筒内温度の上昇に応じて気化されて、一応は燃焼されるようになる。しかしながら、そうして気化された燃料は、十分に空気と混合されにくく、不完全燃焼されやすい。そのため、付着した燃料の多くは、煤等の未燃燃料成分に変成してしまい、排気中の粒子状物質（ＰＭ）の増加や黒煙（スモーク）の発生の要因となってしまう。
【０００９】
このように筒内噴射式内燃機関では、排気エミッションに対する懸念から吸気行程初期には燃料を噴射できないため、燃料の噴射開始時期の早期化には限度がある。そのため、上記のような燃料噴射開始時期の遅延に伴う不具合をある程度は享受せざるを得ないのが実情となっている。
【００１０】
なお、上記特許文献１〜４に示されるような燃焼室内の気流制御に係る構成を採用すれば、燃料の微粒化が促進されて燃焼状態が向上するため、上記のような燃料噴射の完了時期の遅延に伴う不具合をある程度に抑制することはできる。しかしながら、それら構成では、吸気行程初期に噴射された燃料のピストン頂面への付着を抑制することまでは困難であり、吸気行程初期の燃料噴射に伴う排気エミッションの悪化についての有効な対策とはなっていない。
【００１１】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することのできる筒内噴射式内燃機関を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
〔請求項１〕
請求項１に記載の発明は、燃料噴射弁の燃料噴射口から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、吸気行程初期に、前記燃焼室内の前記燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を形成させる気流制御手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
上記構成では、吸気行程初期には、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流が、すなわち流速の高い気流が形成されるようになる。そしてその気流によって、吸気行程初期に燃料噴射弁から噴射された燃料が、噴射後、直ちに撹拌されるようになる。これにより、燃焼室内への吸気の導入量が未だ少ない吸気行程初期においても、噴射した燃料の微粒化や気化、空気との混合が促進されるようになる。またこれにより、ピストン頂面への付着が抑制されるようにもなる。従って、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができる。更にその結果、燃料の噴射開始時期の早期化が許容されるため、排気中の炭化水素等の増大や燃料消費効率悪化といった噴射完了時期の遅延に伴う不具合を抑制することが可能にもなる。
【００１４】
ちなみに、吸気行程初期に限り、或いは吸気行程初期に燃料を噴射するときに限り、上記気流を発生させるようにすれば、吸気行程中期以降の燃焼室内でのタンブル流やスワール流などの形成に、上記気流の影響が及ばないようになる。よって、そうした場合には、燃焼室内の気流状態を、吸気行程初期とその中期以降との状況の違いに応じて容易且つ適切に変化させることができる。
【００１５】
〔請求項２〕
請求項２に記載の発明は、燃料噴射弁の燃料噴射口から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、吸気ポートから前記燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部の流れを前記燃料噴射口の近傍に向かうように案内する気流制御手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、吸気ポートから燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部が、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に向かうように流されるようになる。その結果、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流が形成され、燃料噴射弁から噴射された燃料が、噴射後、直ちに撹拌されるようになる。そのため、燃焼室内への吸気の導入量が未だ少ない吸気行程初期においても、噴射した燃料の微粒化や気化、空気との混合が促進されるようになる。またこれにより、ピストン頂面への付着が抑制されるようにもなる。従って、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができる。更にその結果、燃料の噴射開始時期の早期化が許容されるため、排気中の炭化水素等の増大や燃料消費効率悪化といった噴射完了時期の遅延に伴う不具合を抑制することが可能にもなる。
【００１７】
〔請求項３〕
請求項３に記載の発明は、燃料噴射弁の燃料噴射口から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、吸気ポートから前記燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部が集中して前記燃料噴射口の近傍に向かうように吸気を案内する気流制御手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、吸気ポートから燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部が、集中して燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に向かうようになる。そのため、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に形成される局所的な気流をより強くすることができ、請求項２に記載の構成の効果をより確実に奏することができるようになる。
【００１９】
〔請求項４〕
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記気流制御手段は、前記吸気ポートの開口外周の少なくとも前記燃料噴射口に隣接する側の近傍を覆うように形成された隔壁と、その隔壁の前記燃料噴射口に隣接する部分に形成された開口部とを備えてなることを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、吸気ポートの開口からその外周に向かう吸気の流れが隔壁によって規制され、吸気が開口部に集中して燃料噴射口の近傍に向かうように流されるようになる。よって、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を、より確実に形成させることができる。
【００２１】
〔請求項５〕
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記隔壁は、燃焼室頂面の前記吸気ポートの開口外縁に沿って形成されていることを特徴とする。
【００２２】
上記構成によれば、吸気ポートの開口外縁に沿って隔壁が設けられているため、燃料噴射口の近傍の局所的な強い気流を、より確実且つ容易に形成することができる。
【００２３】
〔請求項６〕
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記隔壁は、吸気バルブ弁体の上面に、その外周に沿って形成されていることを特徴とする。
【００２４】
上記構成によれば、吸気バルブの弁体の上面、すなわち機関燃料室側とは反対側の面に隔壁が形成される。こうした構成によっても、燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を形成することができる。しかも、この場合には、燃焼室頂面につきだした部分を追加する必要がないため、吸気行程以外の燃焼室内での気流状態や燃料の燃焼状態などに与える影響を低く抑えることができる。
【００２５】
〔請求項７〕
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、前記隔壁の高さは、前記燃焼室内への吸気バルブの最大リフト量よりも小さく形成されていることを特徴とする。
【００２６】
上記構成によれば、吸気バルブのリフト量が隔壁の高さに達するまでは、燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流が形成される。一方、吸気バルブのリフト量がそれ以上となると、吸気が隔壁を乗り越えて流れるようになるため、吸気の流れを規制する隔壁を形成したことによる吸気の導入効率の低下が抑えられるようになる。従って、上記構成によれば、吸気行程初期には、燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を形成させながらも、吸気行程中期以降には、比較的多量の吸気の導入を許容することができるようになる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図１〜図５を参照して説明する。
図１は、筒内噴射式内燃機関１０の燃焼室１５近傍の側部断面構造を示している。同図１に示されるように、筒内噴射式内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、同シリンダブロック１１の上面を覆うように設けられるシリンダヘッド１２とを備えて構成されている。シリンダブロック１１は、筒内噴射式内燃機関１０の気筒数と同数のシリンダボア１３（図１にはその一つのみを示す）を有し、各シリンダボア１３には、上下動可能に配設されたピストン１４がそれぞれ収容されている。また、シリンダボア１３の内周面とピストン１４の頂面とシリンダヘッド１２の下面とにより区画される空間には、燃焼室１５が形成されている。
【００２８】
シリンダヘッド１２の内部には、吸気通路の一部を構成する吸気ポート１６と、排気通路の一部を構成する排気ポート１７とが各気筒に２つずつ形成されている。またシリンダヘッド１２の内部には、吸気ポート１６及び排気ポート１７を燃焼室１５に対してそれぞれ開閉する吸気バルブ１８、排気バルブ１９が揺動可能に設けられている。ちなみに、同図１は、吸気ポート１６及び排気ポート１７の双方が閉じられた状態を示している。
【００２９】
更に、シリンダヘッド１２には、各気筒の燃焼室１５にそれぞれ対応して点火プラグ２０及び燃料噴射弁２１が取り付けられている。燃料噴射弁２１は、燃料噴射口２２の形成された先端部を燃焼室１５に露出させた状態で取り付けられている。
【００３０】
図２は、こうしたシリンダヘッド１２に形成される燃焼室１５の頂面部分、すなわち燃焼室頂面１５ａの平面構造を示している。同図２に示されるように、燃焼室頂面１５ａには、吸気ポート１６の開口１６ａ、及び排気ポート１７の開口１７ａがそれぞれ２つずつ、互いに隣り合う位置に形成されている。またそれら４つの開口１６ａ、１７ａによって囲繞された燃焼室頂面１５ａの略中央には、点火プラグ２０が取り付けられるプラグ取付孔２０ａが形成されている。更に燃焼室頂面１５ａの吸気ポート１６の２つの開口１６ａの間には、燃料噴射弁２１が取り付けられる噴射弁取付孔２１ａが形成されている。
【００３１】
更に本実施形態の筒内噴射式内燃機関１０には、そのシリンダヘッド１２の燃焼室頂面１５ａに、吸気ポート１６から燃焼室１５内に導入される吸気を案内するための隔壁３０が形成されている。また隔壁３０は、吸気ポート１６の各開口１６ａの外周の噴射弁取付孔２１ａに隣接する側の近傍を覆うように、各開口１６ａの外縁に沿ってそれぞれ形成されている。更に各隔壁３０は、噴射弁取付孔２１ａに最も近接したその周方向中央で分断されている。そうした隔壁３０の分断された部分は、燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２に向けて吸気を流出させるための開口部３１となっている。
【００３２】
次に本実施形態での隔壁３０の高さＨの設定態様を、図３を併せ参照して説明する。図３には、この筒内噴射式内燃機関１０の一気筒における吸気行程初期及びその前後のピストン位置の推移、及び吸気バルブ１８のバルブリフト量の推移が示されている。
【００３３】
同図３に示されるように、筒内噴射式内燃機関１０のピストン１４は、吸気行程に先立つ排気行程において、下死点から上死点に向けて上昇される。吸気バルブ１８は、ピストン１４が上死点の近傍の位置Ｐ１に上昇されるまでの期間ａには閉弁されている。そしてピストン１４が上記位置Ｐ１に達した排気行程末期から開弁され始め、その後、吸気バルブ１８のバルブリフト量は増大されていく。
【００３４】
ピストン１４が上死点から下降され始めると、開弁された吸気バルブ１８を介して吸気ポート１６から燃焼室１５内に吸気が導入され始め、吸気行程が開始される。ただし吸気行程の開始直後、すなわち吸気行程初期には、吸気バルブ１８のバルブリフト量は小さく、またピストン１４の下降速度も低いため、吸気の導入量は限られている。同図３では、吸気行程の開始からピストン１４が位置Ｐ２に下降されるまでの期間ｂが、そうした吸気行程初期に相当している。
【００３５】
ピストン１４が上記位置Ｐ２まで下降された後の吸気行程中期（期間ｃ）では、吸気バルブ１８のバルブリフト量、及びピストン１４の下降速度が十分に増大されるため、多量の吸気が導入されるようになる。なお、吸気バルブ１８のバルブリフト量の増大は、ピストン１４が上死点と下死点との中間付近に下降される時点まで続けられる。このときの最大となった吸気バルブ１８のバルブリフト量を、すなわち全開時の吸気バルブ１８のバルブリフト量を「最大リフト量」という。
【００３６】
本実施形態では、上記のような吸気バルブ１８のバルブリフト量の推移に対応して、上記隔壁３０の高さＨが設定されている。具体的には、隔壁３０の高さＨは、吸気行程初期が終わった時点の、すなわちピストン１４が上記位置Ｐ２まで下降された時点の吸気バルブ１８のバルブリフト量とほぼ一致するように設定されている。この筒内噴射式内燃機関１０では、そうした隔壁３０の高さＨは、２〜３ｍｍとなっている。
【００３７】
続いて、以上説明したように構成された本実施形態の作用を、図４を併せ参照して説明する。図４には、こうした隔壁３０が開口１６ａの外縁に形成された吸気ポート１６近傍の断面構造が示されている。なお、同図（ａ）には、吸気バルブ１８が全閉されている上記期間ａの状態が示されている。また同図（ｂ）には、吸気バルブ１８のバルブリフト量が隔壁３０の高さに達する前の上記期間ｂの状態が、すなわち吸気行程初期の状態が示されている。更に同図（ｃ）には、吸気バルブ１８のバルブリフト量が隔壁３０の高さＨを超えた後の上記期間ｃの状態が、すなわち吸気行程中期の状態が示されている。
【００３８】
さて、吸気バルブ１８が開弁され、ピストン１４が上死点から下降され始めると、吸気ポート１６から燃焼室１５内への吸気の導入が開始される。このとき、吸気ポート１６を通過した吸気は、吸気バルブ１８の弁体と同吸気ポート１６の開口１６ａとの間の隙間から周囲に広がるように流出しようとする。
【００３９】
ただし、この筒内噴射式内燃機関１０では、吸気行程初期（期間ｂ）には、吸気ポート１６の開口１６ａの周囲にあってその燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２に隣接する側の近傍では、吸気バルブ１８の弁体と開口１６ａとの間に形成されるはずの隙間が隔壁３０によって塞がれている。これにより開口１６ａの外周側への流出が規制された吸気の多くは、同図（ｂ）に矢印で示されるように、隔壁３０の周方向中央に形成された開口部３１に向かい、その開口部３１から流出される。こうして開口部３１から流出される吸気は、その開口部３１にて絞られることで流速が高められている。そのため、この筒内噴射式内燃機関１０では、吸気行程初期に、燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流が形成されるようになる。なお、そうした吸気行程初期での吸気の導入態様は、図２にも矢印で示されている。このように本実施の形態では、この隔壁３０及び開口部３１によって上記気流制御手段が構成されている。
【００４０】
こうした吸気行程初期に燃料噴射弁２１から燃料噴射が行われると、燃料は、燃料噴射口２２から噴射された後、その近傍に形成された強い気流によって、直ちに撹拌されるようになる。そのため、吸気の導入量の少ない吸気行程初期であれ、噴射した燃料の微粒化や気化、空気との混合が好適に促進されるようになる。また、これにより、ピストン１４が上死点近傍に位置する吸気行程初期であれ、噴射した燃料のピストン１４の頂面への付着が好適に抑制されるようにもなる。
【００４１】
一方、吸気行程中期（期間ｃ）には、吸気バルブ１８のバルブリフト量が隔壁３０の高さＨを超えるため、同図（ｃ）に示すように、吸気バルブ１８の弁体はその全周に亘って開かれた状態となる。よって吸気ポート１６を通って開口１６ａまで送られた吸気は、隔壁３０の設けられた側にも流出可能となり、燃焼室１５内への多量の吸気導入が許容されるようになる。また、これにより、例えばタンブル流やスワール流などのような吸気行程中期の燃焼室１５内での気流形成に、隔壁３０が与える影響が好適に抑制されるようにもなる。
【００４２】
以上のように本実施形態では、隔壁３０により形成される気流によって、噴射燃料の微粒化や気化、空気との混合が促進され、またピストン１４の頂面に対する燃料付着も抑制されるため、ＰＭの増加やスモークの発生といった吸気行程初期の燃料噴射に伴う排気エミッションの悪化を好適に抑制することができる。そしてその結果として、排気エミッション性能を好適に維持可能な燃料噴射開始時期の限界を排気行程側に拡げることができるようにもなる。
【００４３】
また、こうした燃料噴射開始時期の早期化に伴い、高回転全負荷運転時の筒内噴射式内燃機関１０の出力性能が向上されるようにもなる。以下にその理由を、図５を参照して説明する。
【００４４】
筒内噴射式内燃機関では、吸気行程中に燃料を噴射させると、その燃料の気化潜熱によって燃焼室内の吸気を冷却してその密度を高めることで、機関全負荷運転時の体積効率を向上することができる。そうした体積効率向上には、吸気行程のうちでも、より多量の吸気が導入されている時期に燃料噴射を実施することが好ましい。そこで、同図（ａ）に示されるように、燃料噴射期間の中央を、吸気導入量が最大となる時期、すなわち最大吸気時期と一致させるように燃料噴射期間を設定すれば、そうした燃料の気化潜熱による体積効率の向上効果を最大限に享受できるようになる。
【００４５】
なお、高回転運転時には機関サイクルの周期が短くなるため、噴射される燃料の量は同一でも、クランク角単位の燃料噴射期間は、すなわち噴射完了までのクランクシャフトの回転角は大きくなる。そこで、そうした高回転運転時に、燃料噴射期間の中央を最大吸気時期と一致させるように燃料噴射期間を設定すれば、同図（ｂ）に示されるように、噴射開始時期が、スモークの発生を許容レベル内に維持可能な噴射開始時期の限界、すなわちスモーク発生限界よりも早い時期となることがある。従って、そうした場合には、同図（ｃ）に示されるように、噴射開始時期をスモーク発生限界以降とすべく、燃料噴射期間全体を圧縮行程側にずらさざるを得なくなり、上記のような体積効率の向上効果を最大限に享受することはできなくなってしまう。
【００４６】
その点、本実施形態の筒内噴射式内燃機関１０では、上記のように吸気行程初期の燃料噴射に伴う排気エミッションの悪化を抑えられるため、スモーク発生限界は従来よりも排気行程側となっている。その結果、高回転全負荷運転時においても、同図（ｂ）に示されるような体積効率向上に最適な燃料噴射時期の設定が許容されやすくなる。またそうした最適な設定ができない場合にも、最適な時期からの燃料噴射時期のずれを比較的少なくすることができる。従って、本実施形態の筒内噴射式内燃機関１０では、排気エミッションの悪化を抑えながらも、燃料の気化潜熱による体積効率の向上効果をより多く享受することができるようになり、高回転全負荷運転時の出力性能が向上されるようになる。
【００４７】
以上説明した本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施の形態では、燃焼室頂面１５ａに隔壁３０を形成することで、吸気行程初期に、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成している。そのため、吸気行程初期に燃料噴射口２２から噴射される燃料は、噴射後、直ちに撹拌されて、微粒化や気化が促進されるとともに、空気との混合も促進される。また、これにより、燃料のピストン１４頂面への付着が抑制されるようにもなる。従って、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができる。
【００４８】
（２）本実施の形態では、吸気ポート１６の開口１６ａのうち、燃料噴射口２２に隣接する側の近傍のみに隔壁３０を設けている。そのため、隔壁３０によってその流れを規制されない吸気はそのまま燃焼室１５内に放出されるようになり、吸気導入効率の低下を抑制することができる。
【００４９】
（３）本実施の形態では、隔壁３０を燃焼室頂面１５ａの吸気ポート１６の開口１６ａ外縁に沿って形成している。そのため、燃料噴射口２２近傍への局所的な強い気流をより確実且つ容易に形成することができる。
【００５０】
（４）本実施の形態では、隔壁３０の高さＨを吸気行程初期の吸気バルブ１８のバルブリフト量に合わせて設定している。そのため、吸気バルブ１８のバルブリフト量が隔壁３０の高さＨに達するまでは、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流が形成される。一方、吸気バルブ１８のバルブリフト量がそれ以上となると、吸気が隔壁３０を乗り越えて流れるようになるため、吸気の流れを規制する隔壁３０を形成したことによる吸気の導入効率の低下が抑えられるようになる。従って、吸気行程初期には、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成させながらも、吸気行程中期には、比較的多量の吸気の導入を許容することができるようになる。
【００５１】
（５）本実施の形態では、燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができるため、燃料噴射時期をより早期に設定することが可能となる。そのため、高回転全負荷運転時の筒内噴射式内燃機関１０の出力性能を向上することができる。
【００５２】
なお、実施の形態は上記に限定されるものではなく、次のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、隔壁３０の高さＨを吸気行程初期のバルブリフト量に設定したが、この高さＨは任意である。少なくとも、吸気行程初期において、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成することができれば、上記（１）〜（３）に記載のものと同様の効果を得ることはできる。
【００５３】
・上記実施の形態では、隔壁３０を吸気ポート１６の開口１６ａの外縁のうち燃料噴射口２２に隣接する側の近傍のみに設けるとともに、開口部３１を隔壁３０の最も燃料噴射口２２に近い部分に設けている。こうした隔壁３０の態様は、これに限らず適宜変更しても良い。例えば、図６に示されるように、開口１６ａの外縁を囲むように隔壁３０を形成するとともに、燃料噴射口２２に最も近い部分に、すなわち燃焼室頂面１５ａの噴射弁取付孔２１ａに最も近い部分に、開口部３１を形成するようにしてもよい。このようにした場合でも、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成することができるため、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができる。
【００５４】
・また、隔壁の態様は、開口１６ａの外縁を囲むものに限られず、例えば、図７に示されるようにしてもよい。すなわち、吸気ポート１６の２つの開口１６ａの間を横切り、燃料噴射口２２の噴射弁取付孔２１ａから点火プラグ２０のプラグ取付孔２０ａまで伸びる隔壁４０と、燃焼室頂面１５ａの外縁に沿ってその内側に、開口１６ａから噴射弁取付孔２１ａまで伸びる隔壁５０とを形成する。そして、この隔壁４０と隔壁５０とによって開口部４５を形成する。このような構成によっても、一部の吸気が燃料噴射口２２へ案内されるため、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成することができる。
【００５５】
・上記実施の形態では、隔壁３０は、燃焼室頂面１５ａに設けられていたが、隔壁３０は、例えば図８に示されるように、吸気バルブ１８の弁体１８ａの上面にその外周に沿って形成するようにしても良い。こうした構成によっても、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成することができる。しかも、この場合には、吸気バルブ１８が開かれたときのみ気流が形成されるため、吸気行程以外の燃焼室１５内での気流状態や燃料の燃焼状態などに与える影響を低く抑えることができる。
【００５６】
・上記実施の形態では、燃焼室頂面や吸気バルブの弁体等に設けられた隔壁によって、吸気行程初期に燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を形成するようにしている。ただし、隔壁等以外の他の手段によってそうした気流を形成しても、吸気行程初期の燃料噴射に伴う排気エミッションの悪化を好適に抑制することは可能である。例えば、次のような空気噴射弁を設けることによっても、そうした気流を形成することができる。すなわち、図９に示されるように、空気噴射弁６０を、燃焼室頂面１５ａに形成された燃料噴射口２２に近接するように形成する。空気噴射弁６０及び燃料噴射弁２１は、筒内噴射式内燃機関１０の各種制御を実行する電子制御装置６１に信号線を介して接続されている。電子制御装置６１には、上死点センサ６２やクランク角センサ６３が接続され、それら各センサの検出信号が入力されるようにもなっている。
【００５７】
空気噴射弁６０の制御手段である電子制御装置６１は、図１０に示されるように、ピストン１４が上死点付近に位置し、吸気バルブ１８が開放される吸気行程初期（期間ｂ）に、空気噴射弁６０の空気噴射圧を高め、空気を燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２に向けて噴射する。そしてそれにより、燃料噴射口２２から噴射される燃料は、噴射後、直ちに撹拌されて、微粒化や気化が促進されるようになり、空気との混合も促進される。従って、こうした構成によっても、上記（１）、（４）、（５）に記載のものと同様の効果を得ることができる。
【００５８】
なお、こうした空気噴射弁６０の空気噴射を、吸気行程初期から吸気行程中期にかけて行うとともに、その空気噴射圧を、同図１０に一点鎖線で示されるように、吸気行程初期に限って高めるようにしても良い。その場合にも、吸気行程初期に燃料噴射口２２近傍に局所的な強い気流が形成されるため、上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００５９】
次に、上記各実施形態から把握できる他の技術的思想を以下に記載する。
（イ）前記気流制御手段は、前記燃料噴射弁に隣接して形成されて前記燃料噴射口近傍に空気を噴射する空気噴射弁と、吸気行程初期に高圧の空気を噴射させるように前記空気噴射弁を制御する制御手段と、を備えてなる請求項３に記載の筒内噴射式内燃機関。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の筒内噴射式内燃機関の燃焼室近傍の側部断面図。
【図２】同実施形態のシリンダヘッドの燃焼室頂面部分の平面図。
【図３】同実施形態のピストン位置とバルブリフト量の推移を示すグラフ。
【図４】同実施形態の吸気ポート近傍の側部断面図。
【図５】同実施形態のバルブリフト量と燃料噴射期間との関係を示すグラフ。
【図６】同実施形態の変形例１の燃焼室頂面の平面図。
【図７】同実施形態の変形例２の燃焼室頂面の平面図。
【図８】同実施形態の変形例３の吸気バルブの弁体部分の斜視図。
【図９】同実施形態の変形例４の燃焼室近傍の側部断面図。
【図１０】同変形例４の吸気行程中の機関運転状態と空気噴射圧との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０…筒内噴射式内燃機関、１１…シリンダブロック、１２…シリンダヘッド、１３…シリンダボア、１４…ピストン、１５…燃焼室、１５ａ…燃焼室頂面、１６…吸気ポート、１６ａ…開口、１７…排気ポート、１７ａ…開口、１８…吸気バルブ、１８ａ…弁体、１９…排気バルブ、２０…点火プラグ、２０ａ…プラグ取付孔、２１…燃料噴射弁、２１ａ…噴射弁取付孔、２２…燃料噴射口、３０…隔壁、３１…開口部、４０…隔壁、４５…開口部、５０…隔壁、６０…空気噴射弁、６１…電子制御装置、６２…上死点センサ、６３…クランク角センサ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射するようにした筒内噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室内に燃料噴射弁から燃料を直接噴射するようにした筒内噴射式の内燃機関では、圧縮行程時に燃料を噴射することにより、点火プラグの近傍に燃料濃度の高い混合気を偏在させた成層燃焼を行うようにしている。一方、こうした成層燃焼を行う内燃機関にあっても、高負荷時や始動時等には、吸気行程中に燃料を噴射することにより、燃焼室内に均質な混合気を形成する均質燃焼を行うようにしている。
【０００３】
但し、こうした筒内噴射式の内燃機関にあっては、吸気ポートに燃料が噴射される吸気ポート噴射式の内燃機関とは異なり、噴射燃料と空気との混合時間が十分に確保されにくい。その結果、燃料の微粒化が促進されず、これに起因する燃焼状態の悪化を招くことがある。
【０００４】
そこで従来、吸気ポート等の周囲に隔壁を配設したり（例えば、特許文献１〜３参照）、燃焼室に空気噴射弁を配設して燃焼室内に直接空気を噴射したり（例えば、特許文献４参照）することで、燃焼室内の気流を制御して燃料の微粒化を促進する技術が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５６−２３５２２号公報
【特許文献２】
特開昭４９−１１６４０７号公報
【特許文献３】
特開平１０−２５２４７７号公報
【特許文献４】
特開平１０ー３３１６４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、筒内噴射式内燃機関では、吸気行程噴射に際して燃料噴射の開始時期が遅れると、噴射燃料の気化や空気との混合のための時間が十分に確保されずに燃焼状態が悪化して、排気中の炭化水素（ＨＣ）等の増大や燃料消費効率の悪化といった不具合を招いてしまう。そのため、吸気行程噴射時の燃料の噴射完了時期をある程度よりも早くすることが望ましいが、それには燃料の噴射開始時期を早める必要があり、高負荷・高回転時には、吸気行程初期から燃料噴射を開始しなければならなくなる。
【０００７】
ただし、吸気行程初期には、吸気ポートから燃焼室内に導入される吸気の量は未だ少なく、噴射された燃料の微粒化や気化、空気との混合等を十分に行うことができない状態となっている。そのため、吸気行程初期に燃料を噴射すれば、燃料の燃焼性が低下して、排気エミッションの悪化を招くこととなる。
【０００８】
更に筒内噴射式内燃機関では、ピストンが上死点近傍に位置する吸気行程初期に燃料を噴射すると、噴射した燃料がピストン頂面に直接吹き付けられて付着してしまう。こうしてピストン頂面に付着した燃料は、その後に噴射された燃料の燃焼による筒内温度の上昇に応じて気化されて、一応は燃焼されるようになる。しかしながら、そうして気化された燃料は、十分に空気と混合されにくく、不完全燃焼されやすい。そのため、付着した燃料の多くは、煤等の未燃燃料成分に変成してしまい、排気中の粒子状物質（ＰＭ）の増加や黒煙（スモーク）の発生の要因となってしまう。
【０００９】
このように筒内噴射式内燃機関では、排気エミッションに対する懸念から吸気行程初期には燃料を噴射できないため、燃料の噴射開始時期の早期化には限度がある。そのため、上記のような燃料噴射開始時期の遅延に伴う不具合をある程度は享受せざるを得ないのが実情となっている。
【００１０】
なお、上記特許文献１〜４に示されるような燃焼室内の気流制御に係る構成を採用すれば、燃料の微粒化が促進されて燃焼状態が向上するため、上記のような燃料噴射の完了時期の遅延に伴う不具合をある程度に抑制することはできる。しかしながら、それら構成では、吸気行程初期に噴射された燃料のピストン頂面への付着を抑制することまでは困難であり、吸気行程初期の燃料噴射に伴う排気エミッションの悪化についての有効な対策とはなっていない。
【００１１】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することのできる筒内噴射式内燃機関を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
〔請求項１〕
請求項１に記載の発明は、燃料噴射弁の燃料噴射口から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、吸気行程初期に、前記燃焼室内の前記燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を形成させる気流制御手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
上記構成では、吸気行程初期には、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流が、すなわち流速の高い気流が形成されるようになる。そしてその気流によって、吸気行程初期に燃料噴射弁から噴射された燃料が、噴射後、直ちに撹拌されるようになる。これにより、燃焼室内への吸気の導入量が未だ少ない吸気行程初期においても、噴射した燃料の微粒化や気化、空気との混合が促進されるようになる。またこれにより、ピストン頂面への付着が抑制されるようにもなる。従って、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができる。更にその結果、燃料の噴射開始時期の早期化が許容されるため、排気中の炭化水素等の増大や燃料消費効率悪化といった噴射完了時期の遅延に伴う不具合を抑制することが可能にもなる。
【００１４】
ちなみに、吸気行程初期に限り、或いは吸気行程初期に燃料を噴射するときに限り、上記気流を発生させるようにすれば、吸気行程中期以降の燃焼室内でのタンブル流やスワール流などの形成に、上記気流の影響が及ばないようになる。よって、そうした場合には、燃焼室内の気流状態を、吸気行程初期とその中期以降との状況の違いに応じて容易且つ適切に変化させることができる。
【００１５】
〔請求項２〕
請求項２に記載の発明は、燃料噴射弁の燃料噴射口から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、吸気ポートから前記燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部の流れを前記燃料噴射口の近傍に向かうように案内する気流制御手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によれば、吸気ポートから燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部が、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に向かうように流されるようになる。その結果、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流が形成され、燃料噴射弁から噴射された燃料が、噴射後、直ちに撹拌されるようになる。そのため、燃焼室内への吸気の導入量が未だ少ない吸気行程初期においても、噴射した燃料の微粒化や気化、空気との混合が促進されるようになる。またこれにより、ピストン頂面への付着が抑制されるようにもなる。従って、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができる。更にその結果、燃料の噴射開始時期の早期化が許容されるため、排気中の炭化水素等の増大や燃料消費効率悪化といった噴射完了時期の遅延に伴う不具合を抑制することが可能にもなる。
【００１７】
〔請求項３〕
請求項３に記載の発明は、燃料噴射弁の燃料噴射口から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、吸気ポートから前記燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部が集中して前記燃料噴射口の近傍に向かうように吸気を案内する気流制御手段を備えることを特徴とする。
【００１８】
上記構成によれば、吸気ポートから燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部が、集中して燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に向かうようになる。そのため、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に形成される局所的な気流をより強くすることができ、請求項２に記載の構成の効果をより確実に奏することができるようになる。
【００１９】
〔請求項４〕
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記気流制御手段は、前記吸気ポートの開口外周の少なくとも前記燃料噴射口に隣接する側の近傍を覆うように形成された隔壁と、その隔壁の前記燃料噴射口に隣接する部分に形成された開口部とを備えてなることを特徴とする。
【００２０】
上記構成によれば、吸気ポートの開口からその外周に向かう吸気の流れが隔壁によって規制され、吸気が開口部に集中して燃料噴射口の近傍に向かうように流されるようになる。よって、燃料噴射弁の燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を、より確実に形成させることができる。
【００２１】
〔請求項５〕
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記隔壁は、燃焼室頂面の前記吸気ポートの開口外縁に沿って形成されていることを特徴とする。
【００２２】
上記構成によれば、吸気ポートの開口外縁に沿って隔壁が設けられているため、燃料噴射口の近傍の局所的な強い気流を、より確実且つ容易に形成することができる。
【００２３】
〔請求項６〕
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記隔壁は、吸気バルブ弁体の上面に、その外周に沿って形成されていることを特徴とする。
【００２４】
上記構成によれば、吸気バルブの弁体の上面、すなわち機関燃料室側とは反対側の面に隔壁が形成される。こうした構成によっても、燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を形成することができる。しかも、この場合には、燃焼室頂面につきだした部分を追加する必要がないため、吸気行程以外の燃焼室内での気流状態や燃料の燃焼状態などに与える影響を低く抑えることができる。
【００２５】
〔請求項７〕
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、前記隔壁の高さは、前記燃焼室内への吸気バルブの最大リフト量よりも小さく形成されていることを特徴とする。
【００２６】
上記構成によれば、吸気バルブのリフト量が隔壁の高さに達するまでは、燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流が形成される。一方、吸気バルブのリフト量がそれ以上となると、吸気が隔壁を乗り越えて流れるようになるため、吸気の流れを規制する隔壁を形成したことによる吸気の導入効率の低下が抑えられるようになる。従って、上記構成によれば、吸気行程初期には、燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を形成させながらも、吸気行程中期以降には、比較的多量の吸気の導入を許容することができるようになる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図１〜図５を参照して説明する。
図１は、筒内噴射式内燃機関１０の燃焼室１５近傍の側部断面構造を示している。同図１に示されるように、筒内噴射式内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、同シリンダブロック１１の上面を覆うように設けられるシリンダヘッド１２とを備えて構成されている。シリンダブロック１１は、筒内噴射式内燃機関１０の気筒数と同数のシリンダボア１３（図１にはその一つのみを示す）を有し、各シリンダボア１３には、上下動可能に配設されたピストン１４がそれぞれ収容されている。また、シリンダボア１３の内周面とピストン１４の頂面とシリンダヘッド１２の下面とにより区画される空間には、燃焼室１５が形成されている。
【００２８】
シリンダヘッド１２の内部には、吸気通路の一部を構成する吸気ポート１６と、排気通路の一部を構成する排気ポート１７とが各気筒に２つずつ形成されている。またシリンダヘッド１２の内部には、吸気ポート１６及び排気ポート１７を燃焼室１５に対してそれぞれ開閉する吸気バルブ１８、排気バルブ１９が揺動可能に設けられている。ちなみに、同図１は、吸気ポート１６及び排気ポート１７の双方が閉じられた状態を示している。
【００２９】
更に、シリンダヘッド１２には、各気筒の燃焼室１５にそれぞれ対応して点火プラグ２０及び燃料噴射弁２１が取り付けられている。燃料噴射弁２１は、燃料噴射口２２の形成された先端部を燃焼室１５に露出させた状態で取り付けられている。
【００３０】
図２は、こうしたシリンダヘッド１２に形成される燃焼室１５の頂面部分、すなわち燃焼室頂面１５ａの平面構造を示している。同図２に示されるように、燃焼室頂面１５ａには、吸気ポート１６の開口１６ａ、及び排気ポート１７の開口１７ａがそれぞれ２つずつ、互いに隣り合う位置に形成されている。またそれら４つの開口１６ａ、１７ａによって囲繞された燃焼室頂面１５ａの略中央には、点火プラグ２０が取り付けられるプラグ取付孔２０ａが形成されている。更に燃焼室頂面１５ａの吸気ポート１６の２つの開口１６ａの間には、燃料噴射弁２１が取り付けられる噴射弁取付孔２１ａが形成されている。
【００３１】
更に本実施形態の筒内噴射式内燃機関１０には、そのシリンダヘッド１２の燃焼室頂面１５ａに、吸気ポート１６から燃焼室１５内に導入される吸気を案内するための隔壁３０が形成されている。また隔壁３０は、吸気ポート１６の各開口１６ａの外周の噴射弁取付孔２１ａに隣接する側の近傍を覆うように、各開口１６ａの外縁に沿ってそれぞれ形成されている。更に各隔壁３０は、噴射弁取付孔２１ａに最も近接したその周方向中央で分断されている。そうした隔壁３０の分断された部分は、燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２に向けて吸気を流出させるための開口部３１となっている。
【００３２】
次に本実施形態での隔壁３０の高さＨの設定態様を、図３を併せ参照して説明する。図３には、この筒内噴射式内燃機関１０の一気筒における吸気行程初期及びその前後のピストン位置の推移、及び吸気バルブ１８のバルブリフト量の推移が示されている。
【００３３】
同図３に示されるように、筒内噴射式内燃機関１０のピストン１４は、吸気行程に先立つ排気行程において、下死点から上死点に向けて上昇される。吸気バルブ１８は、ピストン１４が上死点の近傍の位置Ｐ１に上昇されるまでの期間ａには閉弁されている。そしてピストン１４が上記位置Ｐ１に達した排気行程末期から開弁され始め、その後、吸気バルブ１８のバルブリフト量は増大されていく。
【００３４】
ピストン１４が上死点から下降され始めると、開弁された吸気バルブ１８を介して吸気ポート１６から燃焼室１５内に吸気が導入され始め、吸気行程が開始される。ただし吸気行程の開始直後、すなわち吸気行程初期には、吸気バルブ１８のバルブリフト量は小さく、またピストン１４の下降速度も低いため、吸気の導入量は限られている。同図３では、吸気行程の開始からピストン１４が位置Ｐ２に下降されるまでの期間ｂが、そうした吸気行程初期に相当している。
【００３５】
ピストン１４が上記位置Ｐ２まで下降された後の吸気行程中期（期間ｃ）では、吸気バルブ１８のバルブリフト量、及びピストン１４の下降速度が十分に増大されるため、多量の吸気が導入されるようになる。なお、吸気バルブ１８のバルブリフト量の増大は、ピストン１４が上死点と下死点との中間付近に下降される時点まで続けられる。このときの最大となった吸気バルブ１８のバルブリフト量を、すなわち全開時の吸気バルブ１８のバルブリフト量を「最大リフト量」という。
【００３６】
本実施形態では、上記のような吸気バルブ１８のバルブリフト量の推移に対応して、上記隔壁３０の高さＨが設定されている。具体的には、隔壁３０の高さＨは、吸気行程初期が終わった時点の、すなわちピストン１４が上記位置Ｐ２まで下降された時点の吸気バルブ１８のバルブリフト量とほぼ一致するように設定されている。この筒内噴射式内燃機関１０では、そうした隔壁３０の高さＨは、２〜３ｍｍとなっている。
【００３７】
続いて、以上説明したように構成された本実施形態の作用を、図４を併せ参照して説明する。図４には、こうした隔壁３０が開口１６ａの外縁に形成された吸気ポート１６近傍の断面構造が示されている。なお、同図（ａ）には、吸気バルブ１８が全閉されている上記期間ａの状態が示されている。また同図（ｂ）には、吸気バルブ１８のバルブリフト量が隔壁３０の高さに達する前の上記期間ｂの状態が、すなわち吸気行程初期の状態が示されている。更に同図（ｃ）には、吸気バルブ１８のバルブリフト量が隔壁３０の高さＨを超えた後の上記期間ｃの状態が、すなわち吸気行程中期の状態が示されている。
【００３８】
さて、吸気バルブ１８が開弁され、ピストン１４が上死点から下降され始めると、吸気ポート１６から燃焼室１５内への吸気の導入が開始される。このとき、吸気ポート１６を通過した吸気は、吸気バルブ１８の弁体と同吸気ポート１６の開口１６ａとの間の隙間から周囲に広がるように流出しようとする。
【００３９】
ただし、この筒内噴射式内燃機関１０では、吸気行程初期（期間ｂ）には、吸気ポート１６の開口１６ａの周囲にあってその燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２に隣接する側の近傍では、吸気バルブ１８の弁体と開口１６ａとの間に形成されるはずの隙間が隔壁３０によって塞がれている。これにより開口１６ａの外周側への流出が規制された吸気の多くは、同図（ｂ）に矢印で示されるように、隔壁３０の周方向中央に形成された開口部３１に向かい、その開口部３１から流出される。こうして開口部３１から流出される吸気は、その開口部３１にて絞られることで流速が高められている。そのため、この筒内噴射式内燃機関１０では、吸気行程初期に、燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流が形成されるようになる。なお、そうした吸気行程初期での吸気の導入態様は、図２にも矢印で示されている。このように本実施の形態では、この隔壁３０及び開口部３１によって上記気流制御手段が構成されている。
【００４０】
こうした吸気行程初期に燃料噴射弁２１から燃料噴射が行われると、燃料は、燃料噴射口２２から噴射された後、その近傍に形成された強い気流によって、直ちに撹拌されるようになる。そのため、吸気の導入量の少ない吸気行程初期であれ、噴射した燃料の微粒化や気化、空気との混合が好適に促進されるようになる。また、これにより、ピストン１４が上死点近傍に位置する吸気行程初期であれ、噴射した燃料のピストン１４の頂面への付着が好適に抑制されるようにもなる。
【００４１】
一方、吸気行程中期（期間ｃ）には、吸気バルブ１８のバルブリフト量が隔壁３０の高さＨを超えるため、同図（ｃ）に示すように、吸気バルブ１８の弁体はその全周に亘って開かれた状態となる。よって吸気ポート１６を通って開口１６ａまで送られた吸気は、隔壁３０の設けられた側にも流出可能となり、燃焼室１５内への多量の吸気導入が許容されるようになる。また、これにより、例えばタンブル流やスワール流などのような吸気行程中期の燃焼室１５内での気流形成に、隔壁３０が与える影響が好適に抑制されるようにもなる。
【００４２】
以上のように本実施形態では、隔壁３０により形成される気流によって、噴射燃料の微粒化や気化、空気との混合が促進され、またピストン１４の頂面に対する燃料付着も抑制されるため、ＰＭの増加やスモークの発生といった吸気行程初期の燃料噴射に伴う排気エミッションの悪化を好適に抑制することができる。そしてその結果として、排気エミッション性能を好適に維持可能な燃料噴射開始時期の限界を排気行程側に拡げることができるようにもなる。
【００４３】
また、こうした燃料噴射開始時期の早期化に伴い、高回転全負荷運転時の筒内噴射式内燃機関１０の出力性能が向上されるようにもなる。以下にその理由を、図５を参照して説明する。
【００４４】
筒内噴射式内燃機関では、吸気行程中に燃料を噴射させると、その燃料の気化潜熱によって燃焼室内の吸気を冷却してその密度を高めることで、機関全負荷運転時の体積効率を向上することができる。そうした体積効率向上には、吸気行程のうちでも、より多量の吸気が導入されている時期に燃料噴射を実施することが好ましい。そこで、同図（ａ）に示されるように、燃料噴射期間の中央を、吸気導入量が最大となる時期、すなわち最大吸気時期と一致させるように燃料噴射期間を設定すれば、そうした燃料の気化潜熱による体積効率の向上効果を最大限に享受できるようになる。
【００４５】
なお、高回転運転時には機関サイクルの周期が短くなるため、噴射される燃料の量は同一でも、クランク角単位の燃料噴射期間は、すなわち噴射完了までのクランクシャフトの回転角は大きくなる。そこで、そうした高回転運転時に、燃料噴射期間の中央を最大吸気時期と一致させるように燃料噴射期間を設定すれば、同図（ｂ）に示されるように、噴射開始時期が、スモークの発生を許容レベル内に維持可能な噴射開始時期の限界、すなわちスモーク発生限界よりも早い時期となることがある。従って、そうした場合には、同図（ｃ）に示されるように、噴射開始時期をスモーク発生限界以降とすべく、燃料噴射期間全体を圧縮行程側にずらさざるを得なくなり、上記のような体積効率の向上効果を最大限に享受することはできなくなってしまう。
【００４６】
その点、本実施形態の筒内噴射式内燃機関１０では、上記のように吸気行程初期の燃料噴射に伴う排気エミッションの悪化を抑えられるため、スモーク発生限界は従来よりも排気行程側となっている。その結果、高回転全負荷運転時においても、同図（ｂ）に示されるような体積効率向上に最適な燃料噴射時期の設定が許容されやすくなる。またそうした最適な設定ができない場合にも、最適な時期からの燃料噴射時期のずれを比較的少なくすることができる。従って、本実施形態の筒内噴射式内燃機関１０では、排気エミッションの悪化を抑えながらも、燃料の気化潜熱による体積効率の向上効果をより多く享受することができるようになり、高回転全負荷運転時の出力性能が向上されるようになる。
【００４７】
以上説明した本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施の形態では、燃焼室頂面１５ａに隔壁３０を形成することで、吸気行程初期に、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成している。そのため、吸気行程初期に燃料噴射口２２から噴射される燃料は、噴射後、直ちに撹拌されて、微粒化や気化が促進されるとともに、空気との混合も促進される。また、これにより、燃料のピストン１４頂面への付着が抑制されるようにもなる。従って、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができる。
【００４８】
（２）本実施の形態では、吸気ポート１６の開口１６ａのうち、燃料噴射口２２に隣接する側の近傍のみに隔壁３０を設けている。そのため、隔壁３０によってその流れを規制されない吸気はそのまま燃焼室１５内に放出されるようになり、吸気導入効率の低下を抑制することができる。
【００４９】
（３）本実施の形態では、隔壁３０を燃焼室頂面１５ａの吸気ポート１６の開口１６ａ外縁に沿って形成している。そのため、燃料噴射口２２近傍への局所的な強い気流をより確実且つ容易に形成することができる。
【００５０】
（４）本実施の形態では、隔壁３０の高さＨを吸気行程初期の吸気バルブ１８のバルブリフト量に合わせて設定している。そのため、吸気バルブ１８のバルブリフト量が隔壁３０の高さＨに達するまでは、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流が形成される。一方、吸気バルブ１８のバルブリフト量がそれ以上となると、吸気が隔壁３０を乗り越えて流れるようになるため、吸気の流れを規制する隔壁３０を形成したことによる吸気の導入効率の低下が抑えられるようになる。従って、吸気行程初期には、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成させながらも、吸気行程中期には、比較的多量の吸気の導入を許容することができるようになる。
【００５１】
（５）本実施の形態では、燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができるため、燃料噴射時期をより早期に設定することが可能となる。そのため、高回転全負荷運転時の筒内噴射式内燃機関１０の出力性能を向上することができる。
【００５２】
なお、実施の形態は上記に限定されるものではなく、次のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、隔壁３０の高さＨを吸気行程初期のバルブリフト量に設定したが、この高さＨは任意である。少なくとも、吸気行程初期において、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成することができれば、上記（１）〜（３）に記載のものと同様の効果を得ることはできる。
【００５３】
・上記実施の形態では、隔壁３０を吸気ポート１６の開口１６ａの外縁のうち燃料噴射口２２に隣接する側の近傍のみに設けるとともに、開口部３１を隔壁３０の最も燃料噴射口２２に近い部分に設けている。こうした隔壁３０の態様は、これに限らず適宜変更しても良い。例えば、図６に示されるように、開口１６ａの外縁を囲むように隔壁３０を形成するとともに、燃料噴射口２２に最も近い部分に、すなわち燃焼室頂面１５ａの噴射弁取付孔２１ａに最も近い部分に、開口部３１を形成するようにしてもよい。このようにした場合でも、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成することができるため、吸気行程初期の燃料噴射を、排気エミッションの悪化を好適に抑制しながら実施することができる。
【００５４】
・また、隔壁の態様は、開口１６ａの外縁を囲むものに限られず、例えば、図７に示されるようにしてもよい。すなわち、吸気ポート１６の２つの開口１６ａの間を横切り、燃料噴射口２２の噴射弁取付孔２１ａから点火プラグ２０のプラグ取付孔２０ａまで伸びる隔壁４０と、燃焼室頂面１５ａの外縁に沿ってその内側に、開口１６ａから噴射弁取付孔２１ａまで伸びる隔壁５０とを形成する。そして、この隔壁４０と隔壁５０とによって開口部４５を形成する。このような構成によっても、一部の吸気が燃料噴射口２２へ案内されるため、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成することができる。
【００５５】
・上記実施の形態では、隔壁３０は、燃焼室頂面１５ａに設けられていたが、隔壁３０は、例えば図８に示されるように、吸気バルブ１８の弁体１８ａの上面にその外周に沿って形成するようにしても良い。こうした構成によっても、燃料噴射口２２の近傍に局所的な強い気流を形成することができる。しかも、この場合には、吸気バルブ１８が開かれたときのみ気流が形成されるため、吸気行程以外の燃焼室１５内での気流状態や燃料の燃焼状態などに与える影響を低く抑えることができる。
【００５６】
・上記実施の形態では、燃焼室頂面や吸気バルブの弁体等に設けられた隔壁によって、吸気行程初期に燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を形成するようにしている。ただし、隔壁等以外の他の手段によってそうした気流を形成しても、吸気行程初期の燃料噴射に伴う排気エミッションの悪化を好適に抑制することは可能である。例えば、次のような空気噴射弁を設けることによっても、そうした気流を形成することができる。すなわち、図９に示されるように、空気噴射弁６０を、燃焼室頂面１５ａに形成された燃料噴射口２２に近接するように形成する。空気噴射弁６０及び燃料噴射弁２１は、筒内噴射式内燃機関１０の各種制御を実行する電子制御装置６１に信号線を介して接続されている。電子制御装置６１には、上死点センサ６２やクランク角センサ６３が接続され、それら各センサの検出信号が入力されるようにもなっている。
【００５７】
空気噴射弁６０の制御手段である電子制御装置６１は、図１０に示されるように、ピストン１４が上死点付近に位置し、吸気バルブ１８が開放される吸気行程初期（期間ｂ）に、空気噴射弁６０の空気噴射圧を高め、空気を燃料噴射弁２１の燃料噴射口２２に向けて噴射する。そしてそれにより、燃料噴射口２２から噴射される燃料は、噴射後、直ちに撹拌されて、微粒化や気化が促進されるようになり、空気との混合も促進される。従って、こうした構成によっても、上記（１）、（４）、（５）に記載のものと同様の効果を得ることができる。
【００５８】
なお、こうした空気噴射弁６０の空気噴射を、吸気行程初期から吸気行程中期にかけて行うとともに、その空気噴射圧を、同図１０に一点鎖線で示されるように、吸気行程初期に限って高めるようにしても良い。その場合にも、吸気行程初期に燃料噴射口２２近傍に局所的な強い気流が形成されるため、上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００５９】
次に、上記各実施形態から把握できる他の技術的思想を以下に記載する。
（イ）前記気流制御手段は、前記燃料噴射弁に隣接して形成されて前記燃料噴射口近傍に空気を噴射する空気噴射弁と、吸気行程初期に高圧の空気を噴射させるように前記空気噴射弁を制御する制御手段と、を備えてなる請求項３に記載の筒内噴射式内燃機関。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の筒内噴射式内燃機関の燃焼室近傍の側部断面図。
【図２】同実施形態のシリンダヘッドの燃焼室頂面部分の平面図。
【図３】同実施形態のピストン位置とバルブリフト量の推移を示すグラフ。
【図４】同実施形態の吸気ポート近傍の側部断面図。
【図５】同実施形態のバルブリフト量と燃料噴射期間との関係を示すグラフ。
【図６】同実施形態の変形例１の燃焼室頂面の平面図。
【図７】同実施形態の変形例２の燃焼室頂面の平面図。
【図８】同実施形態の変形例３の吸気バルブの弁体部分の斜視図。
【図９】同実施形態の変形例４の燃焼室近傍の側部断面図。
【図１０】同変形例４の吸気行程中の機関運転状態と空気噴射圧との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０…筒内噴射式内燃機関、１１…シリンダブロック、１２…シリンダヘッド、１３…シリンダボア、１４…ピストン、１５…燃焼室、１５ａ…燃焼室頂面、１６…吸気ポート、１６ａ…開口、１７…排気ポート、１７ａ…開口、１８…吸気バルブ、１８ａ…弁体、１９…排気バルブ、２０…点火プラグ、２０ａ…プラグ取付孔、２１…燃料噴射弁、２１ａ…噴射弁取付孔、２２…燃料噴射口、３０…隔壁、３１…開口部、４０…隔壁、４５…開口部、５０…隔壁、６０…空気噴射弁、６１…電子制御装置、６２…上死点センサ、６３…クランク角センサ。
Claims (7)
- 燃料噴射弁の燃料噴射口から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、
吸気行程初期に、前記燃焼室内の前記燃料噴射口の近傍に局所的な強い気流を形成させる気流制御手段を備える
ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。 - 燃料噴射弁の燃料噴射口から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、
吸気ポートから前記燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部の流れを前記燃料噴射口の近傍に向かうように案内する気流制御手段を備える
ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。 - 燃料噴射弁の燃料噴射口から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、
吸気ポートから前記燃焼室内に導入される吸気の少なくとも一部が集中して前記燃料噴射口の近傍に向かうように吸気を案内する気流制御手段を備える
ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。 - 前記気流制御手段は、前記吸気ポートの開口外周の少なくとも前記燃料噴射口に隣接する側の近傍を覆うように形成された隔壁と、その隔壁の前記燃料噴射口に隣接する部分に形成された開口部とを備えてなる請求項３に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 前記隔壁は、燃焼室頂面の前記吸気ポートの開口外縁に沿って形成されている請求項４に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 前記隔壁は、吸気バルブの弁体の上面に、その外周に沿って形成されている請求項４に記載の筒内噴射式内燃機関。
- 前記隔壁の高さは、前記燃焼室内への吸気バルブの最大リフト量よりも小さく形成されている請求項５又は６に記載の筒内噴射式内燃機関。
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