JP2006169976A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、すす（黒煙）、ポンプ駆動損失（燃費の悪化）、車両の大型化、大きなコストアップを伴わずに、効率の良い（ノック限界出力が大きく向上する）ノッキング対策手段を講じた内燃機関の燃料噴射装置を提供することにある。
【解決手段】 シリンダヘッドの燃焼室周縁部に筒内燃料噴射弁を設置した内燃機関の燃料噴射装置であって、筒内燃料噴射弁は２つの噴孔を有し、２つの噴孔は、シリンダ軸線を含む平面に対してほぼ対称に配設されており、１つの噴孔は、該１つの噴孔近傍の燃焼室周縁部方向であってかつシリンダ軸線にほぼ垂直な平面に沿って噴射可能に配設されており、もう１つの噴孔は該もう１つの噴孔近傍の燃焼室周縁部方向であってかつシリンダ軸線にほぼ垂直な平面に沿って噴射可能に配設されていることを特徴としている内燃機関の燃料噴射装置。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関（以下、「エンジン」という）の燃料噴射装置に関する。

一般に、エンジンでは、燃焼室の温度が高いほど又燃焼室の圧力が高いほど燃料が自己着火し易くエンジンにノッキングが生じやすい。また、エンジン低回転時には、混合気が高温の燃焼室壁にさらされる時間が長くなり混合気温度が上昇するので自己着火しやすい状態となるため、低回転・高負荷状態では極めてノッキングが生じやすい。

ここで、ノッキング現象とその不具合を説明する。ガソリンエンジンの場合、点火プラグに電圧をかけ火花を発生させた時、点火プラグ近傍の混合気が、この火花により点火し火炎となり、燃焼室内にこの火炎が伝播する。この点火火花に始まる伝播火炎の前方に、一定条件の下で、別の火炎が出現し、該別の火炎が次の瞬間には未燃混合気の全域に広がることがある。このように、点火火花に始まる伝播火炎によらずに、未燃混合気が自発火する異常燃焼現象をノッキングという。

点火火花に始まる伝播火炎の前方の未燃混合気（エンドガス）が自発火により急激に燃焼すると、その衝撃により燃焼室内には激しい圧力振動が生じる。その際、金属的なたたき音が発生したり、燃焼ガスから燃焼室への熱伝達を著しく増大させたりする。そのため、ノッキングが続行すると燃焼室壁の温度が次第に上昇し、極端な場合にはピストン、バルブの溶損に至る場合がある。一般に、点火プラグから最も遠い部分がエンドガス領域となる。

ノッキングの防止は、正常火炎の伝播が終了するまでエンドガスの予燃焼反応をいかに抑えるかにかかっている。一般に、エンドガス領域の温度、圧力が高いほど、又そうした高温、高圧の維持される時間が長いほど、予燃焼反応は進行する。ノッキングが特に高負荷運転時に起こりやすいのは、圧縮時の温度、圧力が低負荷時よりも高いためであり、主として低回転数の場合にノッキングが発生するのは、エンドガスが圧縮状態に保たれる時間が長くなるためである。

ところで、特許文献１には、ノッキングの抑制を目的として、ノック検出手段によりノッキングが検出されると、吸気通路に設けられた第１燃料噴射弁及び燃焼室内に直接燃料を噴射する第２燃料噴射弁の両方の燃料噴射弁から燃料が噴射され、吸気行程中に第１燃料噴射弁（吸気ポート噴射）から空燃比３０〜６０程度となる量の燃料が噴射され（図１２）、その後圧縮行程中に第２燃料噴射弁（筒内直接噴射）から合計空燃比が理論空燃比又はリッチとなる量の燃料が噴射される構成が開示されている。エンドガス域は、空燃比がリーン状態であるため自発火せず、又、点火プラグ近傍の混合気もリッチ状態であるため自発火しないため、ノッキングを抑制可能となる。

又、特許文献２には、ノッキングの抑制を目的として、燃焼室の周縁部である側壁面付近に高圧空気を噴射し乱流を形成させる手段が開示されている。この発明によれば、エンドガス領域である燃焼室周縁部付近に乱流を形成させることにより、点火火花に起因する火炎伝播の速度を、燃焼後期に大きくでき、エンドガスが自発火する前に燃焼を終了させることができる。これにより、ノッキングを抑制可能となる。

そして、本願発明の目的とは異なるが、発明の構成が類似している先行技術として、特許文献３があり、これには、ディーゼルエンジンの排ガス改善を目的として、シリンダヘッドの燃焼室周縁部に２つの燃料噴射弁を対向させて設置した構成が開示されている。

特開２００２−２２７６９７号公報 特開２００４−３４２８号公報 特開平２−２９８６２４号公報

しかし、特許文献１に開示の技術は、第２燃料噴射弁から合計噴射量の主要量が筒内直接噴射されるため、燃料が気化混合する時間的余裕が無く、更にピストン頂面に向けて燃料噴射することにより、ガスとの攪拌混合が良好に行われず、すす（黒煙）や未燃ＨＣが発生する不具合が生じる。又、ノッキングの主要発生地点である燃焼室周縁部（点火プラグから最も離れた地点）に対して何ら手段が講じられていないため、効率の悪いノッキング対策技術（ノック限界出力はそれ程向上しない）となっている。更に、ノッキングが検出されてから対応するので、乗員に対する不快音等の問題は完全には解消されていない。

一方、特許文献２に開示の技術は、ノッキングの主要発生地点である燃焼室周縁部に対して手段が講じられているので、ノッキング対策としては効率が良い（ノック限界出力は大きく向上する）が、約１０ＭＰａの高圧空気を車載システム内で発生させるため、ポンプ駆動損失（燃費の悪化）、車両の大型化、高圧空気発生装置によるコストアップ等の大きな問題がある。

特許文献３に開示の技術は、シリンダヘッドの燃焼室周縁部に２つの燃料噴射弁を対向させて設置した構成は、本願発明と部分的に同じであるが、目的、発明の特徴点は異なる。

本発明の目的は、すす（黒煙）、ポンプ駆動損失（燃費の悪化）、車両の大型化、大きなコストアップを伴わずに、効率の良い（ノック限界出力が大きく向上する）ノッキング対策手段を講じた内燃機関の燃料噴射装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明によれば、
シリンダヘッドの燃焼室周縁部に筒内燃料噴射弁を設置した内燃機関の燃料噴射装置であって、
前記筒内燃料噴射弁は２つの噴孔を有し、
前記２つの噴孔は、シリンダ軸線を含む平面に対してほぼ対称に配設されており、１つの前記噴孔は、該１つの前記噴孔近傍の前記燃焼室周縁部方向であってかつ前記シリンダ軸線にほぼ垂直な平面に沿って噴射可能に配設されており、もう１つの前記噴孔は該もう１つの前記噴孔近傍の前記燃焼室周縁部方向であってかつ前記シリンダ軸線にほぼ垂直な前記平面に沿って噴射可能に配設されていることを特徴とする、内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

請求項１に記載の燃料噴射装置によれば、ノッキングの主要発生地点である燃焼室周縁部に対して２つの噴孔から集中的に燃料噴射するため、高水準の燃料噴射エネルギにより燃焼室周縁部近傍のエンドガスが撹乱されて乱流が発生する。更には、２つの噴霧流が燃焼室側壁に案内されて互いに衝突し、方向を転換させられ中央にある点火プラグへと進行することにより、点火プラグ近傍に燃料リッチな混合気が形成されると共に点火プラグ近傍のガスが撹乱されて乱流が発生する。

点火プラグ近傍のガス撹乱により、点火火花により点火プラグ近傍の混合気が点火し火炎が燃焼室周縁部に向かって伝播する際に、初期燃焼の火炎伝播速度が加速されるとともに、燃焼室周縁部近傍のエンドガス撹乱により、後期燃焼の火炎伝播速度も一層加速されることとなる。これにより、エンドガスが自発火する前に燃焼を終了させることができ、ノッキングを効率良く抑制することができる。

又、ノッキングの主要発生地点である燃焼室周縁部に対して集中的に燃料噴射するため、燃焼室周縁部は、燃料の気化潜熱により冷却され温度が下がる。これにより、エンドガスの自着火は起こりにくくなりノッキングを防止できるという一石二鳥の効果がある。

更に、本発明においては、従来の筒内燃料噴射のように、ピストン頂面に向けて燃料噴射はせず、燃焼室ガス内での噴霧軌跡長が最も長くなるよう、シリンダ軸線にほぼ垂直な平面に沿って燃料を噴射する。これにより、燃焼室ガスとの攪拌混合が良好に行われ、すす（黒煙）や未燃ＨＣが低減できる。

又、高圧空気発生装置は不要であり、１つの燃料噴射弁のみで本発明を実施可能なため、ポンプ駆動損失、車両の大型化、コストアップはいずれも回避することが可能となる。更に、点火プラグ近傍に燃料リッチな混合気が形成されるので、点火性が向上し、リーン限界出力が向上するので燃費、排ガス性能が向上する。

請求項２に記載の発明によれば、
シリンダ中心に対してほぼ対称な位置に２つの前記筒内燃料噴射弁を設置したことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

請求項２に記載の燃料噴射装置によれば、２つの筒内燃料噴射弁を設置しているので、噴霧流エネルギは、１つの筒内燃料噴射弁のみの場合と比較して減衰は少なく、エンドガスの撹乱度が燃焼室周縁部全周にわたり保持される。このため、点火火花による火炎伝播速度が燃焼室周縁部全周にわたり均一に一層加速される。こうして、エンドガスが自発火する前に燃焼を終了させることができ、ノッキングを一層効率良く抑制することができる。

更には、点火プラグ近傍で２つの対向噴霧流が衝突するので点火プラグ近傍でより燃料リッチな混合気が形成され、点火プラグ近傍のガス撹乱度も高くなるため、一層点火性及びリーン限界出力が向上するので、燃費及び排ガス性能が向上する。

請求項３に記載の発明によれば、
前記筒内燃料噴射弁により、吸気行程から圧縮行程前半にかけて第１噴射を実施し、該第１噴射後の圧縮行程に第２噴射を実施することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

請求項１又は請求項２に記載の構成において、第１噴射による燃料気化のための時間を第２噴射より長くとることが可能となるため、１回噴射のみの場合に比し大幅に燃焼時のすすの発生が減少する。

請求項４に記載の発明によれば、
吸気ポート燃料噴射弁が吸気通路に設置されており、
排気行程から圧縮行程前半にかけて第１噴射を前記吸気ポート燃料噴射弁により実施し、前記第１噴射後の圧縮行程に第２噴射を前記筒内燃料噴射弁により実施することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

第１噴射を吸気ポート燃料噴射弁により実施するので、第１噴射を排気行程から開始することができ、燃料気化のための時間を、筒内燃料噴射弁によるものより長くとることが可能となるため、燃焼時のすすの発生を、請求項３に記載の発明より更に抑制できる。

請求項５に記載の発明によれば、
前記第１噴射量は前記第２噴射量より大きいことを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射装置が提供される。
燃料気化の時間を十分とれる第１噴射の噴射量を第２噴射量より多くすることにより、全体として燃焼時のすすの発生が一層抑制可能となる。

請求項６に記載の発明によれば、
部分負荷域において、第１噴射を実施せず第２噴射のみ実施することを特徴とする、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置が提供される。
部分負荷域においては、合計噴射量が少なく、リーン燃焼となるので、点火容易で未燃ＨＣの少ない燃焼が可能となるように、点火直前において点火プラグ付近にリッチな混合気を生成可能な第２噴射のみを実施することにより噴射圧を維持でき、点火容易で未燃ＨＣの少ない燃焼が可能となると共に燃費、排ガスの悪化も防止できる。

請求項７に記載の発明によれば、
高負荷域において、エンジン回転数が高回転になるに従い、前記筒内燃料噴射弁への供給燃料圧力を、漸次、低圧にすることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置が提供される。
これにより、エンジン回転数全域においてエンドガス領域の乱れを平均化することによりノッキングの発生を平均して防止できるとともに燃料供給ポンプの駆動損失を低減できる。

請求項８に記載の発明によれば、
高負荷域において、前記第２噴射の噴射開始時期を、エンジン回転数が高回転になるに従い、漸次、進角させることを特徴とする、請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置が提供される。
第２噴射の噴射開始時期から点火時期までの時間を一定にすることにより、噴射初期の燃料が一定時間をかけて気化した時点で点火することができる。これにより、エンジン回転数全域において点火が均一となり、エンジン回転数全域において良好な燃焼を得ることができる。

請求項９に記載の発明によれば、
前記第２噴射において、前記筒内燃料噴射弁への前記供給燃料圧力を、負荷が高くなるに従い、漸次、高圧にすることを特徴とする、請求項３から請求項８のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

筒内燃料噴射弁への供給燃料圧力を、ノッキングが発生しにくい低負荷域では低圧にすることにより、燃料供給ポンプの駆動損失を低減でき、燃焼室周縁部の燃料付着も少なくなり、すすの発生が低減可能となる。そして、負荷が高くなるに従いノッキングが発生しやすくなるので、燃料噴射圧力を高くしてエンドガスを撹乱し、ノッキングを防止する。

請求項１０に記載の発明によれば、
２つの前記筒内燃料噴射弁が、１つは吸気弁近傍に設置され、かつ他の１つは排気弁近傍に設置されており、
始動暖機時に、前記吸気弁近傍の前記筒内燃料噴射弁への前記供給燃料圧力を、前記排気弁近傍の前記筒内燃料噴射弁への前記供給燃料圧力より高くすることを特徴とする、請求項２から請求項９のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

始動暖機時は、燃焼室温度が低いため燃料が気化しにくく、点火プラグが燃料で濡れると点火に失敗する問題がある。請求項１０に記載の発明によれば、リッチな混合気が、点火プラグよりも排気弁側に偏倚するため、点火プラグが燃料で濡れることは無く、前記点火の問題を避けることができる。更に、リッチな混合気は、高温の排気弁３側に偏倚するため燃料気化が進むこととなり、燃焼が良くなるため、リッチな混合気が点火プラグ付近にある場合よりも黒煙及び未燃ＨＣが低減する。

本発明によれば、すす（黒煙）、ポンプ駆動損失、車両の大型化、大きなコストアップを伴わずに、効率の良い（ノック限界出力が大きく向上する）ノッキング対策手段を講じた内燃機関の燃料噴射装置を得ることができる。

以下、本発明に係るエンジンの燃料噴射装置を火花点火式内燃機関であるガソリンエンジンに適用した実施の形態について説明する。

本発明に係る燃料噴射装置の実施例１を図１及び図２に、又、従来のガソリンエンジンを図１２に示す。図１は、エンジンの燃焼室部分を拡大した断面図である。エンジンの燃焼室は、側壁をシリンダ７、上壁をシリンダヘッド４下面のペントルーフ壁で形成され、このシリンダ７内にピストン６が下方より挿入されて形成される。燃焼室１００の上壁を形成するシリンダヘッド４には、吸気系より連なる吸気ポート２１、排気系へ連なる排気ポート３１が設けられている。そして吸気バルブ２、排気バルブ３がそれぞれ吸気ポート２１、排気ポート３１の弁となるように取り付けられる。また、シリンダヘッド４の吸気ポート２１近傍の燃焼室周縁部１５には燃焼室１００内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁１０が取り付けられる。なお、排気ポート近傍は高温であり、燃料装置を排気ポート近傍に設置するのは火災等の安全上好ましくないので、筒内燃料噴射弁１０は、吸気ポート近傍に取り付ける。そして点火プラグ５が、シリンダヘッド４のシリンダ中心Ｊ近傍に、燃焼室１００に点火部をさらして設置される。

図２は、図１のエンジン燃焼室を矢印Ｘより見た断面図である。筒内燃料噴射弁１０は、シリンダ軸線Ｙを含む平面Ｚに対してほぼ対称な２つの噴孔１０ａ、１０ｂを有し、該噴孔１０ａ、１０ｂは、筒内燃料噴射弁１０がシリンダヘッド４に装着され固定された状態において、シリンダ軸線Ｙを含む平面Ｚに対してそれぞれ約６０〜９０°の角度で、かつ、前記シリンダ軸線Ｙにほぼ垂直な平面Ｗに沿って、噴射が可能なように筒内燃料噴射弁１０に配設されている。もちろん、前記噴孔１０ａ、１０ｂは、燃焼室を形成するシリンダヘッド壁の形状やピストン燃焼室の形状等を考慮して、前記シリンダ軸線Ｙに垂直な理論平面より上側又は下側に０°から約３０°傾いた平面に沿って、噴射が可能なように筒内燃料噴射弁１０に配設されて良い。

こうして、噴孔１０ａ、１０ｂを通過して、該噴孔１０ａ、１０ｂ近傍の各燃焼室周縁部１５ａ、１５ｂに向かって集中的に燃料が噴射されることとなる。

このように、ノッキングの主要発生地点である燃焼室周縁部１５に対して集中的に燃料噴射するため、１つの噴孔１０ａからの噴霧流１０Ａと、シリンダ軸線Ｙを含む平面Ｚに対してほぼ対称に配設されたもう１つの噴孔１０ｂからの噴霧流１０Ｂとが燃焼室側壁７に案内されて燃焼室周縁部１５全周に行き渡り、前記噴霧流１０Ａ、１０Ｂにより燃焼室周縁部１５近傍のエンドガスが撹乱されて乱流が発生する。

更には、前記噴霧流１０Ａ、１０Ｂは、地点Ｇで互いに対向して衝突し、噴霧流が衝突により強制的にシリンダ軸線Ｙを含む平面Ｚに沿う方向へ転換させられ噴霧流１０ＡＢとなって、中央にある点火プラグ５へと進行する（逆方向へは燃焼室側壁７があるため進行不能）。これにより、点火プラグ５近傍に燃料リッチな混合気が形成されると共に点火プラグ５近傍のガスが撹乱されて乱流が発生する。ただし、点火プラグ５近傍のガス撹乱度は、燃焼室周縁部１５近傍のエンドガス撹乱度より小さい。噴霧流が点火プラグ５近傍に到達した時には、噴霧流エネルギが一定程度減衰しているためである。なお、噴霧流の衝突により、衝突地点近傍のガスの乱れは強まる。

このように、点火プラグ５近傍に燃料リッチな混合気が形成されるので、点火信頼性が向上すると共に、軽負荷時における成層燃焼においてリーン限界出力が向上し、引いては燃費、排ガス性能が向上する。

本題にもどって、点火プラグ５近傍のガス撹乱により、点火火花により点火プラグ５近傍の混合気が点火し火炎となり該火炎が燃焼室周縁部１５に向かって伝播する際に、初期燃焼の火炎伝播速度が加速されることとなる。一方、燃焼室周縁部１５近傍のエンドガス撹乱により、点火火花による火炎伝播の際に、後期燃焼の火炎伝播速度も一層加速されることとなる。この火炎伝播速度の加速方法（火炎伝播速度を初期燃焼よりも後期燃焼で大きくする方法）は、ノッキングを最も効率良く抑制することができる理想的方法である。

これにより、燃料噴射直後の点火火花に起因する火炎が燃焼室周縁部１５近傍まで伝播した際、エンドガスが自発火する前に燃焼を終了させることができる。それゆえ、ノッキングを効率良く抑制することができる（ノック限界出力は大きく向上する）。

又、ノッキングの主要発生地点である燃焼室周縁部１５に対して集中的に燃料噴射するため、燃焼室周縁部１５は、燃料の気化潜熱により冷却され温度が下がる。これにより、エンドガスの自着火は起こりにくくなりノッキングを防止できるという一石二鳥の効果がある。

更に、本発明においては、従来の筒内燃料噴射のように、ピストン頂面６ａに向けて燃料噴射はせず、燃焼室ガス内での噴霧軌跡長が最も長くなるよう、前記シリンダ軸線Ｙにほぼ垂直な平面Ｗに沿って噴射する。これにより、燃焼室ガスとの攪拌混合が良好に行われ、すす（黒煙）や未燃ＨＣが低減できる。

又、特許文献２に開示されたような高圧空気発生装置のような特別な装置を設置する必要も無く、既存の装置である燃料噴射弁の噴孔を複数にして方向を変更することのみで本発明が実施可能なため、ポンプ駆動損失、車両の大型化、コストアップはいずれも回避することが可能となる。

本発明に係る燃料噴射装置の実施例２を図３及び図４に示す。実施例２は、実施例１とほぼ同じ構成をとるが、筒内燃料噴射弁１１を更に追加設置したことのみが実施例１と相違する。図３は、図１に対応する実施例２に関する図であり、図４は、図２に対応する実施例２に関する図である。

実施例２では２つの筒内燃料噴射弁を設置しているので、１つの筒内燃料噴射弁の１つの噴孔から出た噴霧流が、燃焼室周縁部の全周の１/４のエンドガスを撹乱するのみで良いので、噴霧流エネルギは、１つの筒内燃料噴射弁のみの場合（燃焼室周縁部の全周の１/２のエンドガスを撹乱する必要がある）と比較して減衰は少なく、撹乱度が燃焼室周縁部の全周の１/４にわたり保持される。このため点火火花による火炎伝播の際に、後期燃焼の火炎伝播速度が燃焼室周縁部の全周にわたり均一に加速される。

更には、筒内燃料噴射弁１０の１つの噴孔１０ａからの噴霧流１０Ａと、シリンダ中心Ｊに対してほぼ対称に配設されたもう１つの筒内燃料噴射弁１１の噴孔１１ａからの噴霧流１１Ａとが燃焼室側壁７に案内されて、２つの筒内燃料噴射弁１０、１１の丁度中間地点Ｈで互いに対向して衝突し、噴霧流が衝突により強制的に方向を転換させられ噴霧流１０１Ａとなって中央にある点火プラグ５へと進行する。そして、点火プラグ近傍で２つの噴霧流１０１Ａ、１０１Ｂが再衝突する。噴霧流の衝突により衝突地点近傍のガスの乱れは強まる。この時、筒内燃料噴射弁が１つのみの場合と比較して、噴射弁から点火プラグまでの噴霧流の軌跡長は約６０％となる。

これらにより、噴霧流エネルギの減衰度は噴射弁が１つのみの場合より低く、点火プラグ近傍に燃料リッチな混合気が形成されると共に点火プラグ近傍のガスが撹乱されて乱流が発生するとき、筒内燃料噴射弁が１つのみの場合と比較して、点火プラグ近傍の燃料リッチ度は高く、点火プラグ近傍のガス撹乱度も高い。よって、実施例１と同様な作用効果が一層高まることとなる。

本発明に係る燃料噴射装置の実施例３を図６に示す。実施例３は、実施例１とほぼ同じ構成であるが、吸気ポート燃料噴射弁１２を更に追加設置したことが実施例１と相違する。そして、排気行程から圧縮行程前半にかけて第１噴射を吸気ポート燃料噴射弁１２により実施し、第１噴射後の圧縮行程に第２噴射を筒内燃料噴射弁１０により実施する。

実施例３では、第１噴射を吸気ポート燃料噴射弁により実施するので、排気行程で第１噴射を開始することができ（排気行程では吸気弁が閉塞している）、燃料気化に要する時間を長くとれるため、燃焼時のすすの発生が抑制できる。

ちなみに、第１噴射を筒内燃料噴射により実施した場合は、排気行程終了後でないと第１噴射を実施できないので、燃料気化に要する時間を、吸気ポート噴射より長くとることはできない。このため、燃焼時のすすの発生が吸気ポート噴射の場合よりも増える。なお、排気行程時に筒内燃料噴射弁により第１噴射を実施した場合には、第１噴射による燃料が燃焼による有効仕事をしないで排出されるため、燃費、排ガスに悪影響が出る。

本発明に係る燃料噴射装置の実施例４を図７に示す。実施例４は、実施例２とほぼ同じ構成であるが、吸気ポート燃料噴射弁１２を更に追加設置したことが実施例２と相違する。そして、排気行程から圧縮行程前半にかけて第１噴射を吸気ポート燃料噴射弁１２により実施し、第１噴射後の圧縮行程に第２噴射を筒内燃料噴射弁１０、１１により実施する。実施例４は、実施例２と実施例３の長所を合わせ持つが、燃料噴射弁が更に１つ増えるため、構造がやや複雑となり、コストも上昇する。

本発明に係る燃料噴射装置の実施例５では、前述した実施例１から実施例４の構成において、吸気行程（実施例３又は４では排気行程）から圧縮行程前半にかけて第１噴射を実施し、該第１噴射後の圧縮行程時に第２噴射を実施する（図８）。

実施例１又は実施例２に記載の構成において、１回噴射のみの場合には、点火時期直前に全噴射量を一気に筒内噴射するので、燃料の気化に要する時間が十分とれないうちに点火燃焼する。このため、燃焼時のすすの発生が大幅に増える。ゆえに、噴射を２回に分けて行い、更に第１噴射を吸気行程から圧縮行程前半にかけて実施することにより、第１噴射による燃料気化のための時間を第２噴射より長くとることが可能となるため、１回噴射のみの場合に比し大幅に燃焼時のすすの発生が減少する。

この場合（実施例１から実施例４において）、第１噴射量を合計噴射量の６０％から９０％として、第２噴射量は合計噴射量の残り（４０％から１０％）とするとより効果的である。第１噴射による噴射燃料は気化の時間を十分とれるので、第１噴射量を第２噴射量より多くすることにより、全体として燃焼時のすすの発生が抑制可能となるからである。

又、部分負荷域において、第１噴射を実施せず第２噴射のみ実施することが更に好ましい。部分負荷域においては、合計噴射量が少ないため、噴射を２回に分けると各噴射圧が低くなり、燃費、排ガスが悪化する。このためノッキング対策に必要な第２噴射のみを実施することにより噴射圧を維持できる。又、リーン燃焼となるので、点火容易で未燃ＨＣの少ない燃焼が可能となるように、点火直前において、点火プラグ付近にリッチな混合気を生成可能な第２噴射のみを実施する。これにより、リーン限界出力が向上し、燃費、排ガスの悪化も防止できる。

ところで、実施例２又は実施例４において、２つの筒内燃料噴射弁が、１つは吸気弁近傍に設置され、かつ他の１つは排気弁近傍に設置されており、始動暖機時に、吸気弁近傍の筒内燃料噴射弁１０への供給燃料圧力を、排気弁近傍の筒内燃料噴射弁１１への供給燃料圧力より高くすることが更に好ましい（図５）。

始動暖機時は、燃焼室温度が低いため燃料が気化しにくく、点火プラグ５が燃料で濡れると点火に失敗する問題や、燃料が気化しにくいことによる燃焼不良に起因する黒煙及び未燃ＨＣの問題がある。本実施例では、吸気弁２近傍の筒内燃料噴射弁１０からの噴霧力が、排気弁３近傍の噴射弁１１からの噴霧力より強いため、両噴霧の衝突により方向転換させられた噴霧は、点火プラグ５よりも排気弁３側に偏倚して再衝突しリッチな混合気を発生させる。すると、リッチな混合気は、点火プラグ５よりも排気弁３側に偏倚するため、点火プラグ５が燃料で濡れることは無く、前記点火の問題を避けることができる。更に、リッチな混合気は、高温の排気弁３側に偏倚するため燃料気化が進むこととなり、燃焼が良くなるため、リッチな混合気が点火プラグ５付近にある場合よりも黒煙及び未燃ＨＣが低減する。冷間始動時には、上記効果が更に増す。

実施例１から実施例４に記載の構成の下で、高負荷域において、前記第２噴射の噴射開始時期を、エンジン回転数が高回転になるに従い、漸次、進角させることが更に好ましい（図９）。例えば、第２噴射の噴射開始時期を、最低回転時に６０°BTDCにし、高回転域になるに従い、漸次、進角させ、最高回転時に１００°BTDCにする。第２噴射の噴射開始時期から点火時期までの時間を一定にするためである。該時間を一定にすることにより、エンジン回転数全域において、噴射初期の燃料が一定時間をかけて気化した時点で点火することができる。これにより、エンジン回転数全域において点火が均一となり、エンジン回転数全域において良好な燃焼を得ることができる。

又、前記第２噴射において、前記筒内燃料噴射弁への前記供給燃料圧力を、負荷が高くなるに従い、漸次、高圧にすることが更に好ましい（図１０）。例えば、前記供給燃料圧力を、アイドリングでは５ＭＰａにし、負荷が高くなるに従い、漸次、高圧にして全負荷では４０ＭＰａにする。

低負荷域では、燃料噴射量が少ないため、リーン燃焼となり、ノッキングは発生しにくくなる。負荷が高くなるに従い空燃比が小さくなり（燃料リッチ度が上がり）、ノッキングが発生しやすくなる。このため、エンドガスの撹乱度は、低負荷域では小さくても良く、負荷が高くなるに従い大きくする必要がある。燃料噴射圧力が高くなるに従いエンドガスに対する撹乱度を高めることができるので、上記発明の構成が成立する。これにより、筒内燃料噴射弁への供給燃料圧力を、低負荷域では低圧にすることにより、燃料供給ポンプのポンプ駆動損失を低減でき、燃焼室周縁部の燃料付着も少なくなり、すすの発生が低減可能となる。

本発明に係る燃料噴射装置の実施例６では、前述した各実施例の構成の下で、高負荷域において、前記エンジン回転数が高回転になるに従い、前記筒内燃料噴射弁への前記供給燃料圧力を漸次、低圧にする（図１１）。

ノッキングが発生しやすい高負荷域において、エンジン回転数が低回転域では、混合気が高温の燃焼室壁にさらされる時間が長くなり混合気温度が上昇するので自己着火しやすい状態となるため、最もノッキングが発生しやすくなる。それにも関わらず、低回転域ではピストン速度が小さいこと等より筒内乱れが弱いため、点火火花による火炎伝播速度が加速されにくい。一方、エンジン回転数が高回転域では、低回転域とは逆の状態となるため、最もノッキングが発生しにくくなる。それにも関わらず、高回転域ではピストン速度が大きいこと等より筒内乱れが強いため、点火火花による火炎伝播速度が加速されやすい。

このため、高負荷域において、前記エンジン回転数が高回転になるに従い、前記筒内燃料噴射弁への前記供給燃料圧力を漸次、低圧にすることにより、エンジン回転数全域においてノッキングの発生を均一に防止でき、燃料供給ポンプのポンプ駆動損失を低減できる。

本発明に係る実施例１のエンジンの燃焼室部分を拡大した断面図である。 図１のエンジン燃焼室を矢印Ｘより見た断面図である。 本発明に係る実施例２のエンジンの燃焼室部分を拡大した断面図である。 図３のエンジン燃焼室を矢印Ｘより見た断面図である。 始動暖機時の噴霧状態を示した図である。 本発明に係る実施例３のエンジンの燃焼室部分を拡大した断面図である。 本発明に係る実施例４のエンジンの燃焼室部分を拡大した断面図である。 本発明に係る燃料噴射装置における第１噴射期間と第２噴射期間を示した図である。 本発明に係る実施例５におけるエンジン回転数と第２噴射開始時期との関係を示した図である。 本発明に係る実施例５におけるエンジン負荷と燃料供給圧力との関係を示した図である。 本発明に係る実施例６におけるエンジン回転数と燃料供給圧力との関係を示した図である。 従来のガソリンエンジンの断面図である。

符号の説明

２ 吸気弁
３ 排気弁
４ シリンダヘッド
５ 点火プラグ
６ ピストン
７ シリンダ
１０ 第１筒内燃料噴射弁
１０ａ 噴孔
１０ｂ 噴孔
１１ 第２筒内燃料噴射弁
１２ 第３吸気ポート燃料噴射弁
１５ 燃焼室周縁部
１５ａ 噴孔１０ａ近傍の燃焼室周縁部
１５ｂ 噴孔１０ｂ近傍の燃焼室周縁部
２１ 吸気ポート
３１ 排気ポート
１００ 燃焼室
Ｊ シリンダ中心

Claims (10)

1. シリンダヘッドの燃焼室周縁部に筒内燃料噴射弁を設置した内燃機関の燃料噴射装置であって、
   前記筒内燃料噴射弁は２つの噴孔を有し、
   前記２つの噴孔は、シリンダ軸線を含む平面に対してほぼ対称に配設されており、１つの前記噴孔は、該１つの前記噴孔近傍の前記燃焼室周縁部方向であってかつ前記シリンダ軸線にほぼ垂直な平面に沿って噴射可能に配設されており、もう１つの前記噴孔は該もう１つの前記噴孔近傍の前記燃焼室周縁部方向であってかつ前記シリンダ軸線にほぼ垂直な前記平面に沿って噴射可能に配設されていることを特徴とする、内燃機関の燃料噴射装置。
2. シリンダ中心に対してほぼ対称な位置に２つの前記筒内燃料噴射弁を設置したことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記筒内燃料噴射弁により、吸気行程から圧縮行程前半にかけて第１噴射を実施し、該第１噴射後の圧縮行程に第２噴射を実施することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 吸気ポート燃料噴射弁が吸気通路に設置されており、
   排気行程から圧縮行程前半にかけて第１噴射を前記吸気ポート燃料噴射弁により実施し、前記第１噴射後の圧縮行程に第２噴射を前記筒内燃料噴射弁により実施することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
5. 前記第１噴射量は前記第２噴射量より大きいことを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
6. 部分負荷域において、第１噴射を実施せず第２噴射のみを実施することを特徴とする、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
7. 高負荷域において、エンジン回転数が高回転になるに従い、前記筒内燃料噴射弁への供給燃料圧力を、漸次、低圧にすることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
8. 高負荷域において、前記第２噴射の噴射開始時期を、エンジン回転数が高回転になるに従い、漸次、進角させることを特徴とする、請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
9. 前記第２噴射において、前記筒内燃料噴射弁への前記供給燃料圧力を、負荷が高くなるに従い、漸次、高圧にすることを特徴とする、請求項３から請求項８のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
10. ２つの前記筒内燃料噴射弁が、１つは吸気弁近傍に設置され、かつ他の１つは排気弁近傍に設置されており、
    始動暖機時に、前記吸気弁近傍の前記筒内燃料噴射弁への前記供給燃料圧力を、前記排気弁近傍の前記筒内燃料噴射弁への前記供給燃料圧力より高くすることを特徴とする、請求項２から請求項９のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。

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