JP2006307825A - 筒内直接噴射式内燃機関及び燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ等の駆動によって機関の燃費を悪化させることなく、燃料と空気の混合気を燃焼室に噴射することができる筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
【解決手段】燃焼室６内に点火プラグ９を有する筒内直接噴射式内燃機関において、燃料噴射弁１１に燃料のみ噴射する燃料噴孔と、噴孔軸方向の断面積が該燃料噴孔よりも大きい混合気噴孔を設ける。さらに、燃焼室と連通する空気導入口と、該空気導入口及び混合気噴孔と連通する空気通路を設ける。燃料噴孔から噴射された燃料が燃料噴孔から混合気噴孔に流れる際に生じる負圧によって、空気導入口から取り込まれた空気が、空気通路から混合気噴孔に供給される。そして、該空気が燃料と混合気噴孔内で混合されて混合気となり、混合気噴孔より燃焼室に噴射されることを特徴とする。この構成によれば、ポンプ等を駆動することなく燃料と空気の良質な混合気を燃焼室４に噴射することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は筒内直接噴射式内燃機関及びその燃料噴射弁に関する。

筒内直接噴射式内燃機関においては、混合気に着実に点火・燃焼させるために、機関の回転・負荷に応じて、筒内に適切な大きさ・空燃比の混合気を成層化した状態で形成することが重要である。そこで、燃料と空気を混ぜた混合気を噴射することが提案されている。

特許文献１には、燃料を噴射弁のある部分に計量化して送り込み、その後加圧した空気を用いて燃料と空気を同時に燃焼室内に噴射する技術が開示されている。当該技術によれば、混合気として燃焼室内に噴射するため、混合気内の空燃比の濃淡が減ることになる。そのため、燃料のみを直接筒内に噴射する内燃機関に対して、高効率な燃焼が可能になるとされている。
特表２００１−５２５５１４号公報

しかしながら、上記従来技術は加圧空気を用いてその圧力で燃焼室内に噴射するため、燃焼室内の背圧よりも高い圧力の空気が必要となる。

特に成層運転を行う場合には、圧縮行程後半で筒内圧力が高い時期に混合気を噴射するため、高圧の加圧空気が必要となる。この加圧空気は機関でポンプを駆動して加圧することになるため、加圧する仕事分だけ燃費悪化が生じるおそれがある。

そこで本発明では、ポンプ等の駆動によって機関の燃費を悪化させることなく、燃料と空気の混合気を燃焼室に噴射することができる筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。

燃焼室内に燃料噴射弁と点火プラグを有する筒内直接噴射式内燃機関において、燃料噴射弁に二通りの噴孔を設ける。すなわち、燃料のみを噴射する燃料噴孔と、該燃料噴孔から噴射される燃料の下流に位置し、噴孔軸方向の断面積が該燃料噴孔よりも大きい混合気噴孔である。さらに燃焼室と空気導入口を介して連通する空気通路を混合気噴孔と連通させる。燃料が前記燃料噴孔から前記混合気噴孔に流れると、その際に生じる負圧によって前記空気導入口から吸い込まれた空気が前記空気通路から前記混合気噴孔に供給され、前記混合気噴孔内で前記燃料噴孔から噴射される前記燃料と混合される。そして前記混合気噴孔内で形成した混合気を前記混合気噴孔から前記燃焼室に向けて噴射することを特徴とする。

本発明によれば、駆動エネルギーが必要なポンプ等を用いることなく燃料と空気の混合気を燃焼室に噴射することができる。そのため、燃費を損なうことなく安定した燃焼を行うことができる。

本発明の第１の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。

図１は本実施形態における内燃機関の構成図である。内燃機関（以下、エンジン）１の吸気ポート２には、ガス流動(タンブル)を強化するためにポートを上下に二分割するスリット板３と、タンブルの強度を調整するためのタンブルコントロールバルブ４を設けてあり、吸気バルブ５が開いている時に、該タンブルコントロールバルブ４で流れを制御した吸気を燃焼室６に導入するようにしてある。燃焼室６の上部には燃料噴射弁１１及び点火プラグ９を設け、それぞれ燃料噴射及び混合気への点火を行う。点火プラグ９は、燃料噴射弁１１からの噴霧の一部がほぼ直接到達する位置で、かつ筒内ガス流動の流れに対して、燃料噴射弁１１の下流側に配設して、噴射された燃料が点火プラグ９に到達しやすくしてある。また、燃料噴射弁１１は圧縮行程後半における筒内圧上昇時にも噴霧形状の変化が小さいホールノズル形式のものであり、詳細は後述するが、エゼクタ効果により筒内の空気を燃料と混合する構造を適用してある。

図中の７はピストン、８は排気通路、１０は排気バルブである。排気通路８には排気空燃比センサ１２を設け、その下流には排気浄化触媒１３を介装してある。吸気バルブ５及び排気バルブ１０は、それぞれ吸気カム１４、排気カム１５により開閉駆動される。吸気カム軸端には燃料ポンプ１６を取り付けてあり、この燃料ポンプ１６で加圧した燃料を高圧燃料配管１７を介して燃料噴射弁１１に導入する。高圧燃料配管１７には燃圧センサ１８を設け、ここで燃料圧力を検知し、その信号はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１９に出力する。

エンジン１は前記ＥＣＵ１９により統合的に制御される。このため、ＥＣＵ１９には、図示しない吸入空気量を検出するエアフローメータの信号、アクセル開度信号、クランク角センサ信号、冷却水温センサ信号、及び排気空燃比センサ１２、燃圧センサ１８の信号が入力され、ＥＣＵ１９はこれらの信号に基づいて燃料噴射弁１１、点火プラグ９、タンブルコントロールバルブ４、及び燃料ポンプ１６等の制御を行う。また、本発明との関係において、ＥＣＵ１９は、前記タンブルコントロールバルブ４により筒内ガス流動を制御する手段、燃料噴射によって成層運転と均質運転とを制御する手段、燃料噴射圧力と燃料噴射時の筒内圧力の差を算出する手段の各機能をも担っている。

次に本実施形態において用いられる燃料噴射弁１１の詳細について図２の(Ａ)及び(Ｂ)によって説明する。図２の(Ａ)は燃料噴射弁１１の断面図、図２の(Ｂ)は燃料噴射弁１１の外観図である。

図２の(Ａ)において、aは燃料噴射弁１１の燃料噴射弁本体１１a内の針弁であり、bはaによって開閉される燃料噴孔である。fは燃料ポンプから供給される燃料であり、針弁aがリフトすることによって、燃料fのみが燃料噴孔bから下流へ噴射される(図中のfの矢印方向)。

燃料噴射弁１１の先端を覆う燃料噴射弁キャップ１１bには、燃料噴孔bの下流に位置して、もう一つの噴孔である混合気噴孔cを設けてある。ここで、混合気噴孔cはその噴孔の断面積が燃料噴孔bよりも大きく、かつ同軸上に形成してあり、燃料噴孔bから噴射された燃料fはそのほぼ全量が混合気噴孔cを通過する。前記燃料噴孔bと混合気噴孔cとの間には空気通路dを形成してある。針弁aがリフトして燃料が噴射される際には、混合気噴孔cの断面積が燃料噴孔bの断面積よりも大きいこと、及び当該両噴孔を通過する燃料fの流速が比較的速いことによって、比較的流速が遅い空気通路dには負圧が生じる。そのため、図２の(Ａ)及び(Ｂ)に示したように、燃料噴射弁本体１１aの中央部で円周方向に複数開口する空気導入口eから取り込まれた燃焼室６内の空気gが、空気通路dを通って混合気噴孔cに吸い込まれる。特に燃料噴孔bの断面積よりも混合気噴孔cの断面積を大きくしたことから、空気gは容易に混合気噴孔cに吸い込まれる。この現象は一般的にエゼクタ効果と呼ばれ、当該エゼクタ効果によって吸い込まれた空気gが混合気噴孔c内で燃料fと混合し、混合気噴孔cは良質な混合気hを燃焼室６内に噴射する。

ここで、上述の燃料噴射弁１１を用いて圧縮行程に混合気hを筒内に噴射する場合には、筒内に発生したガス流動によって、燃料噴射弁本体１１aに設けた空気導入口eからの空気gの取り込みが良好に行われない可能性がある。前記ガス流動は燃焼室６の中央上部に設けた燃焼噴射弁１１の直下から、シリンダ中心部から巻き上がり、燃焼室６の比較的上部でシリンダ周縁方向に広がる流動となるからである。これに対して、本実施形態では燃焼室６上部に設けた燃料噴射弁本体１１aの側部に空気導入口eを設けている。前記ガス流動は燃焼室６の比較的上部でシリンダ周縁方向に広がるが、燃料噴射弁１１の空気導入口eが配設されている上部にまでは及ばないため、当該ガス流動による空気gの取り込みへの影響は少ない。

なお、本実施形態における燃料噴射弁１１においては、燃料噴射弁キャップ１１bの上部周囲に均等に複数の混合気噴孔cを設け、燃料噴射弁１１の先端からの燃料噴射弁軸方向における距離が、ほぼ同じ距離である位置iに設けてある(図２の(Ｂ))。一方、空気導入口eは燃料噴射弁１１の先端からの燃料噴射弁軸方向における距離が、上記混合気噴孔cとは異なる位置jに設けてある。ここで本実施形態においては、空気導入口eは図２の(Ｂ)に示すように、混合気噴孔cよりも燃焼室６下方側に設けてある。

また、図２の(Ａ)に示したように、空気導入口eの数が混合気噴孔cの数より少なく複数の空気導入口eから空気通路dに連通している。さらに、混合気噴孔cの一の噴孔断面積と比較して、該混合気噴孔cに連通する空気通路dの混合気噴孔cとの合流部d１における通路の総断面積を大きく設定している。

ところで、本実施形態では図２の(Ｂ)に示したように燃料噴射弁１１のキャップ１１bは、その中心部が最も燃焼室６に突出し、周縁部が最も突出が少ない椀形の形状にしてある。そして該中心部から周縁部に向かって、燃料噴射弁１１の先端表面を滑らかに形成している。

また燃料噴射弁１１は、図２の(Ｂ)に示したように、燃料噴孔bを有する燃料噴射弁本体１１aに、混合気噴孔c及び空気導入口eを有する燃料噴射弁キャップ１１bを組み付けて構成している。そのために本実施形態においては燃料噴射弁キャップ１１bの周縁部に環状のツバ部１１cを設けている。そして、エンジン１のシリンダヘッドに挿入した燃料噴射弁本体１１aの先端に、取り付けネジ１１dで当該ツバ部１１cを固定することによって、燃料噴射弁キャップ１１bをシリンダヘッドに固定し、燃料噴射弁１１を構成する。なお、燃料噴射弁キャップ１１bの燃料噴射弁本体１１aと接する側の表面に溝等を形成することで、燃料噴射弁本体１１aと燃料噴射弁キャップ１１bとの間に前記空気通路dを形成するようにしている。

次に前記第１の実施形態による効果について説明する。本実施形態において、燃料fと空気gは混合気噴孔c内で混合し、混合気噴孔cから混合気hとして燃焼室内に噴射される。そのため、空燃比にむらのない混合気hを形成することができ、燃焼室６内において着実に点火・燃焼を行なわせることができる。特に本実施形態ではエゼクタ効果を利用しているために、圧力差を利用して空気gの吸い込みが良好に行われる。エゼクタ効果を利用すれば、ポンプ等を用いることなく燃料fを混合・噴射することができ、したがって燃費を悪化させることがない。特に混合気噴孔cの断面積が燃料噴孔bの断面積よりも大きいことから、燃料噴孔bから混合気噴孔cへの噴射によって燃料fも混合気噴孔cの壁面方向に広がろうとする。これにより、空気通路dから吸い込まれた空気gとの混合が良好に行われる。

本実施形態では混合気噴孔cを複数設けてあることから、混合気をより広範に噴射することが可能となり、また複数の混合気に分けて噴射することで混合気と燃焼室６内の空気の接する総面積が大きくなり混合が促進される。これにより、より安定した燃焼が可能となる。また、混合気噴孔cだけでなく、空気導入口eも複数設けている。このため、燃焼室６内の空気をもむらなく、効率的に取り込むことが可能となる。

なお、本実施形態では燃料噴射弁１１を燃焼室６の上部の中央に配設し、円錐面状に混合気hを噴射することができるように混合気噴孔cを形成してある。このことにより、シリンダ中心軸を中心として、筒内に偏りなく混合気hを噴射できる。その結果、筒内の空気利用率を向上させることができるだけでなく、燃焼時の圧力がピストン冠面に均等にかかるため、燃焼圧力に偏りがあるときに生じる摩擦損失やピストンスラップによる音振の低減も図れる。

また、混合気噴孔cと空気導入口eを、燃料噴射弁１１の先端からの軸方向における距離を異なる位置に設けたので、筒内において比較的燃焼の影響を受けていない空間の空気を取り込むことができる。これにより、筒内の空気利用率を向上させることができるとともに、所望する濃さの混合気hを形成することができ、より安定した燃焼を行なわせることができる。

本実施形態では空気導入口eの数が混合気噴孔cの数よりも少ない構成をとっている。これにより、燃料噴射弁１１の構造を簡素化することができ、製造も容易となる。

加えて、混合気噴孔cの一の噴孔断面積と比較して、該混合気噴孔cに連通する空気通路dの混合気噴孔cとの合流部d１における通路の総断面積が大きくなるように設定してある。この場合、空気導入口eから取り込まれた空気gが、空気通路dから混合気噴孔cに吸い込まれる際に、流入する空気量が不足することがないため、流れ抵抗が引き起こされることを防ぐことができ、エゼクタ効果を最大限に発揮させることができる。その結果、より良好な混合気hを形成することが可能となる。

本実施形態の燃料噴射弁１１において、燃焼室６内へ最も突出した中心部から最も突出が少ない周縁部へ、表面を滑らかに形成したことで、エゼクタ効果を保持しつつも筒内のガス流動を阻害することがない。また、燃焼時に圧力・熱が集中することもない。そのため、安定した燃焼を行なわせることができると共に、燃料噴射弁自体の耐久性も向上する。

ところで上述の燃料噴射弁１１は、燃料噴射弁本体１１aに燃料噴射弁キャップ１１bを組み付けて構成してあることから、取り付け作業の簡易化が図れる。また、燃料噴射弁本体１１aは基本構造部分としては既存のマルチホール噴射弁等をそのまま利用可能であって、燃料噴射弁キャップ１１bのみを別途設計すればよいので製造コストが安価となる。空気通路dの形成も燃料噴射弁キャップ１１bの燃料噴射弁本体１１aとの接触する側の表面に溝等を加工するだけでよいので製造が容易である。

特に、本実施形態においては燃料噴射弁キャップ１１bの周縁部に環状のツバ部１１cを設けて、取り付けネジ１１dによってシリンダヘッド１に取り付けている。これにより、取り付けが容易なだけでなく、燃料噴射弁キャップ１１bを強固に固定することができ、これが燃焼時にかかる圧力・熱の影響によって脱落することがなく耐久性の向上をも図れる。

次に、本発明の第２の実施形態について図３及び図４によって説明する。図３の(Ａ)は第２の実施形態に係る燃料噴射弁１１'の断面図であり、図３の(Ｂ)は同じく外観図である。

図３の(Ａ)に示すように、本実施形態の燃料噴射弁１１'では空気導入口e'を燃料噴射弁１１'下端に配し、燃焼室６内の空気g'を取り込む構成をとっている。

また上記空気導入口e'の形状は、空気導入口e'の燃焼室６側が比較的大きく開口し、空気導入口e'から取り込まれた空気g'の流れ方向に向かって開口部の断面積が小さくなる形状であり、燃焼室６内の空気g'を取り込んで、空気通路d'へ供給する。空気g'と混合した燃料f'は混合気噴孔c'から混合気h'となって噴射されるが、本実施形態の混合気噴孔c'の形状はシリンダ中心軸に垂直方向に長手方向を有する長方形である。そして、混合気h'はシリンダ中心軸に垂直方向に長く扁平した形状となって、シリンダ中心軸に傾斜して、円錐面状に燃焼室４へ噴射される。その他の構成は前記の第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態による効果について説明する。本実施形態によれば、前記第１の実施形態における効果に加えて、空気導入口e'を燃焼室６側に比較的大きく開口する形状にしたことで、燃焼室６内の空気のうち、空気導入口e'の周辺に存在する空気をより効果的に取り込むことができる。

また、圧縮行程後半においてはピストン７が上死点付近に位置しているため、燃焼室６が比較的狭まっている。そのため、図４の(Ａ)に示すように圧縮行程後半に混合気噴孔の形状が円形の燃料噴射弁によって燃料噴射を行うと、混合気hはピストン３の冠面や燃焼室６の壁面に衝突するおそれがある。しかし本実施形態では、混合気噴孔c'の形状をシリンダ中心軸に垂直方向に長手方向を有する長方形に形成し、シリンダ中心軸に垂直方向に長く扁平した混合気h'がシリンダ中心軸に対して傾斜して燃焼室６内に噴射される構成をとる。これにより、図４の(Ｂ)に示すように当該混合気h'はピストン３の冠面や燃焼室６の壁面に比較的接触しないように噴射されることになる。その結果、ピストン３の冠面や燃焼室６からの冷却損失を低減させることができるとともに、油膜形成や消炎による排気の悪化を防ぐことができる。

なおこの際、混合気噴孔c'の形状はシリンダ中心軸に垂直方向に長軸を有する楕円形状であっても、シリンダ中心軸に垂直方向に長く扁平した混合気を形成することができ、上記長方形の混合気噴孔の場合と同様の効果が得られる。

前述の通り、圧縮行程では筒内のガス流動は燃焼室６の中央上部に設けた燃焼噴射弁１１'の直下でシリンダ中心部から巻き上がり、燃焼室６の上部でシリンダ周縁方向に広がる流動となる。本実施形態では燃料噴射弁１１'を燃焼室６の上部中央に配設し、空気導入口e'を燃料噴射弁１１'の下端に設けた。そのため、圧縮行程において空気導入口e'の直下から巻き上がってきたガス流動及び圧力を効果的に利用して、燃焼室６内の空気g'を効率よく取り込むことができる。

次に、本発明の第３の実施形態について図５に基づいて説明する。図５の(Ａ)は第３の実施形態に係る燃料噴射弁１１"の断面図であり、図５の(Ｂ)は同じく外観図である。

燃料噴射弁１１"の先端には、燃料を噴射する燃料噴孔２０を設けられており、燃料噴射弁１１"内の針弁２１が上に移動することによって、燃料が燃料噴孔２０から噴射される。燃料噴孔２０と同軸上の下流側に混合気の噴孔２２を３個、先端キャップの円周上に等間隔に設けてあり、噴射された燃料のほぼ全量が通過するように混合気の噴孔２２の断面積は、燃料噴孔２０の断面積よりも大きく設定してある。また、燃料噴孔２０と混合気噴孔２２の間には空気通路２３を設け、燃焼室６から空気が導入される空気導入孔２４と連通して、燃焼室の空気が混合気噴孔２２まで流れる構造となっている。燃料を噴射すると、前記エゼクタ効果によって、空気通路２３から空気が混合気噴孔２２に吸い込まれ、混合気噴孔２２内で燃料f"と空気g"が混合される。

空気導入孔２４は、ガス流動の流れと対向して３個、円周上に等間隔に配置してあり、これによりガス流動による動圧で筒内の空気が空気通路２３へ流れやすくなり、混合気噴孔２２内での燃料との混合が促進される。

一方、混合気噴孔２２はガス流動の流れと同じ方向に配置してあり、燃料噴射によるガス流動の流れを崩すことなく、ガス流動に混合気が流されるため拡散しやすく、筒内での混合気の均質化が図れる。特に筒内の大部分の空気を利用した燃焼、すなわち一般的に言われる均質運転時等には、燃焼室内の空気を十分に利用して均質な混合気を形成する必要がある。そのためには燃焼噴射弁８に導入される空気としてはできるだけ新気を導入した方がエゼクタによる空気との混合が促進されるために効果的であるが、ガス流動の流れに沿って混合気噴孔２２から燃料混合気を噴射するために、先に噴射された混合気が空気導入孔２４に導入されにくく、その結果筒内の空気利用率が向上し、混合気を均質化することができる。(図８−ａ参照。)
また燃料噴射期間中に点火する場合、例えばスプレーガイド式直噴エンジンにおける成層運転時などでも、噴射期間中に燃料噴射弁１１"に導入される空気に、すでに噴射された混合気や、既燃ガスが混入することを極力避けることができるため、エゼクタによる酸素と燃料の混合効率を低下させないという効果もある。(図８−ａ参照。)
次に、前記各実施形態に係る燃料噴射弁（１１，１１'，１１"）を適用したエンジンにおける、運転状態に応じたガス流動の制御に関して図６を参照しながら説明する。均質運転時は筒内の混合気濃度分布をできるだけ減らして均質化し、その後に点火することが望ましい。それは過度にリーン化している混合気が存在している場合に、火炎伝播せずに燃え残り、燃費の悪化につながるからである。そのため成層運転時よりも均質運転時に、筒内ガス流動を強めることによって、エゼクタ効果による噴射初期の空気と燃料の混合度合いをより高めることができ、その結果として筒内の混合気分布をより均質化することができる。

また、運転負荷が高くなるほど燃料噴射期間が長くなり、その結果噴射終了から点火までの時間、すなわち筒内での混合時間が短縮されて混合気の濃度分布が偏ってしまうおそれを生じるが、筒内ガス流動を強めることでよりエゼクタ効果による噴射初期の空気と燃料の混合度合いを高めることができ、その結果筒内の混合気分布をより均質化することができる。

さらに、エンジンの回転速度が早くなるほど、噴射終了から点火までの時間、すなわち筒内での混合時間が短縮されることで、混合気の濃度分布が偏ってしまうおそれを生じるが、筒内ガス流動を強めることでエゼクタ効果による噴射初期の空気と燃料の混合度合いをより高めることができ、その結果筒内の混合気分布をより均質化することができる。

ただし、高回転高負荷時には単位時間あたりに吸気ポートに流れる空気量が増加するため、ポート形状によっては、ガス流動デバイス（図１ではタンブルコントロールバルブ４）の作動により空気が足りなくなる場合もあるので、この時は前述によらない領域が発生する場合がある。

また、始動時や水温が低い場合に燃料圧力が低くなる、もしくは低く設定する場合があるが、燃料噴射時の燃料圧力と噴射時の筒内圧力差が小さいと燃料の噴射速度が低下するため、噴射後の筒内空気との混合度合いが悪化する。そのために、図７に例示したように、通常の燃圧の場合に比較して、ガス流動を強め、燃料噴射弁の混合気噴孔内での混合度合いを強めることによって、筒内の混合気分布を均質化することを行ってもよい。

次に、前記燃料噴射弁１１（または１１'、１１"）の設置位置に関する実施形態を図８−ａ〜図８−ｃに示す。

図８−ａはガス流動にタンブルを利用し、燃料噴射弁１１を燃焼室６の上部に配置した例、図８−ｂはガス流動にタンブルを利用し、燃料噴射弁１１を燃焼室６のサイドで吸気ポート２側に配置した例、図８−ｃはガス流動にスワールを利用し、燃料噴射弁１１を燃焼室６のサイドで吸気ポート２側に配置した例である。図８−cではスワールコントロールバルブ２５を有する吸気ポート２側に空気導入口を開口し、スワールコントロールバルブ２５を有しない吸気ポート２側に混合気噴孔を開口している。

タンブルを利用した図８−ａ及び図８−ｂは、燃料噴射弁１１と点火プラグ９の位置関係をガス流動の流れに沿って配置することができ、燃料噴射弁１１から噴射された燃料混合気がガス流動に乗り、点火プラグ９に確実に運ばれる。そのため成層運転領域を広げることができる。

さらに図８−ｂの例では、燃料噴射弁１１を吸気ポート２側の側方に設けたため、ピストン冠面に沿って巻き上がった新気を取り込みやすく、かつ、混合気を点火プラグ周辺に形成しやすい。また、燃料噴射弁１１および点火プラグ９の配置が設計上有利になる。

一方、スワールを利用した図８−ｃの例では、スワールはピストンが上昇してもガス流動は壊れ難く、圧縮行程においてもその流動が強く残っているので、本発明の効果が圧縮行程後半でもより効果的に利用できるという利点が挙げられる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなし得る様々な変更、改良が含まれることは言うまでもない。

第１の実施形態における内燃機関の概略図である。 第１の実施形態における燃料噴射弁の先端部の概略図及び燃料噴霧の様子である。(Ａ)は縦断面図である。(Ｂ)は外観図である。 第２の実施形態における燃料噴射弁の先端部の概略図及び燃料噴霧の様子である。(Ａ)は縦断面図である。(Ｂ)は外観図である。 ピストン上死点付近における混合気と燃焼室の様子である。(Ａ)は円形の噴孔による混合気と燃焼室の様子である。(Ｂ)は長方形の噴孔による混合気と燃焼室の様子である。 第３の実施形態における燃料噴射弁の先端部の概略図及び燃料噴霧の様子である。(Ａ)は縦断面図である。(Ｂ)は外観図である。 エンジン運転状態とガス流動の強さとの関係を示した特性線図。 燃圧と筒内圧との差圧とガス流動の強さとの関係を示した特性線図。 本発明における燃料噴射弁の設置位置に関する第１の実施形態の概略側面断面図。 本発明における燃料噴射弁の設置位置に関する第２の実施形態の概略側面断面図。 本発明における燃料噴射弁の設置位置に関する第３の実施形態の概略平面断面図。

符号の説明

１ 内燃機関（エンジン）
２ 吸気ポート
３ スリット板
４ タンブルコントロールバルブ
５ 吸気バルブ
６ 燃焼室
７ ピストン
８ 排気通路
９ 添加プラグ
１０ 排気バルブ
１１ 燃料噴射弁
１１ａ 燃料噴射弁本体
１１ｂ 燃料噴射弁キャップ
１１ｃ 燃料噴射弁ツバ部
１２ 排気空燃比センサ
１３ 排気浄化触媒
１４ 吸気カム
１５ 排気カム
１６ 燃料ポンプ
１７ 高圧燃料配管
１８ 燃圧センサ
１９エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims (22)

1. 燃焼室内に燃料噴射弁と点火プラグを有する筒内直接噴射式内燃機関において、
   前記燃料噴射弁は、燃料のみを噴射する燃料噴孔と、該燃料噴孔から噴射される燃料の下流に位置し噴孔断面積が前記燃料噴孔よりも大きい混合気噴孔を備え、前記燃焼室に空気導入口を介して開口する空気通路を前記混合気噴孔と連通し、
   前記燃料が前記燃料噴孔から前記混合気噴孔に流れる際に生じる負圧によって、前記空気導入口から吸い込まれた空気が前記空気通路から前記混合気噴孔に供給され、前記混合気噴孔内で前記燃料噴孔から噴射された前記燃料と混合されて混合気を形成し、前記混合気噴孔から前記燃焼室に向けて該混合気が噴射されることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. 前記燃料噴射弁に前記混合気噴孔を複数設けたことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. 前記燃料噴射弁に前記空気導入口を複数設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. 前記燃料噴射弁を前記燃焼室の上部の中央に配設し、前記混合気噴孔から前記燃焼室に向けて、略円錐面状に混合気を噴射するように該混合気噴孔を形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 前記空気導入口は前記燃料噴射弁の先端からの該燃料噴射弁の軸方向における距離が、前記混合気噴孔の該距離とは異なる距離に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
6. 前記混合気噴孔の数よりも前記空気導入口の数の方が少なくなるように、前記空気通路を連通したことを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
7. 前記混合気噴孔の一の断面積と比較して、該混合気噴孔に連通する前記空気通路の総断面積を大きく設定することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
8. 前記空気導入口は、前記燃焼室側の開口部の断面積を比較的大きく形成し、該空気導入口から取り込まれた空気の流れ方向に向かって該開口部の断面積が小さくなる形状にしたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
9. 前記混合気噴孔は、その噴孔がシリンダ中心軸に垂直な平面上の前記燃料噴射弁の周方向に長手方向を有する長方形であり、シリンダ中心軸に垂直な平面上の前記燃料噴射弁の周方向に長手方向を有する扁平した混合気をシリンダ中心軸に対して傾斜して前記燃焼室下方に噴射することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
10. 前記空気導入口を前記燃料噴射弁の下端に設けたことを特徴とする請求項４から９のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
11. 前記空気導入口を筒内ガス流動の流れ方向と対向する方向に開口し、ガス流動の流れ方向に燃料噴孔および混合気噴孔を開口したことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
12. 筒内ガス流動を制御する手段と、成層運転と均質運転とを制御する手段を備え、成層運転時よりも均質運転時のガス流動を強め、前記混合気噴孔内での混合度合いを強めることを特徴とする請求項１１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
13. 運転負荷が高くなるほどガス流動を強め、前記混合気噴孔内での混合度合いを強めることを特徴とする請求項１２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
14. 機関回転速度が早くなるほどガス流動を強め、前記混合気噴孔内での混合度合いを強めることを特徴とする請求項１２または１３に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
15. 燃料噴射圧力と燃料噴射時の筒内圧力の差を算出する手段を有し、差圧が低いほどガス流動を強め、前記混合気噴孔内での混合度合いを強めることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
16. 前記筒内ガス流動として、スワールを用いることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
17. 燃料噴射弁を前記燃焼室の略中央上部に配設し、前記筒内ガス流動として、タンブルを用いることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
18. 燃料噴射弁を吸気ポート側の前記燃焼室の側方に配設し、前記筒内ガス流動として、タンブルを用いることを特徴とする請求項１７に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
19. 前記燃料噴射弁の先端は該先端の中心部が最も前記燃焼室下方に突出した椀形の形状で、前記先端の周縁部は前記燃焼室への突出が最も少なくなっており、該中心部から前記先端の周縁部に向かって表面を滑らかに形成したことを特徴とする請求項１から１８のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
20. 前記燃料噴射弁は、前記燃料噴孔を有する燃料噴射弁本体に、前記混合気噴孔及び前記空気導入口を有する燃料噴射弁キャップを組み付けて構成し、前記燃料噴射弁本体及び前記燃料噴射弁キャップとの間に前記空気通路を設けたことを特徴とする請求項１から１９のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
21. 前記燃料噴射弁キャップは、その周縁部に環状のツバ部を有し、該ツバ部によって前記燃料噴射弁キャップがシリンダヘッドに取り付けられることを特徴とする請求項２０に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
22. 筒内直接噴射式内燃機関に適用する燃料噴射弁であって、前記燃料噴射弁は、燃料のみを噴射する燃料噴孔と、該燃料噴孔から噴射される燃料の下流に位置し噴孔断面積が前記燃料噴孔よりも大きい混合気噴孔を備え、機関燃焼室に空気導入口を介して開口する空気通路を前記混合気噴孔と連通し、
    前記燃料が前記燃料噴孔から前記混合気噴孔に流れる際に生じる負圧によって、前記空気導入口から吸い込まれた空気が前記空気通路から前記混合気噴孔に供給され、前記混合気噴孔内で前記燃料噴孔から噴射された前記燃料と混合されて混合気を形成し、前記混合気噴孔から前記燃焼室に向けて該混合気が噴射されるようにしたことを特徴とする燃料噴射弁。