JP2009019502A - 筒内噴射型火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】低撚費特性を保持しながら、安定燃焼を図り、燃焼ロバスト性を簾価に改善できる筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供する。
【解決手段】エンジン１のシリンダヘッド２の燃焼室壁３の一部に凹設された凹部１３と、噴孔２１１が凹部１３内に位置するよう設けられた燃料噴射弁１７と、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧流に点火可能に設けられた点火栓１９と、凹部１３内で噴孔２１１と点火栓の電極との間に位置して噴孔からの燃料噴霧流の一部が干渉するよう配設された突起２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室内に噴霧された可燃燃料を点火栓で着火するようにした筒内直接噴射型火花点火式内燃機関に関する。

燃料噴射弁を用いて燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内直接噴射型火花点火式内燃機関が知られている。

このタイプの内燃機関では、圧縮行程中に燃料噴射弁より噴射された燃料の一部が点火栓の方向に向けて噴射され、燃料噴射時期と点火時期が近接するという条件のもとで、燃料噴霧自身の気流で点火栓電極位置に可燃混合気を形成し、成層希薄燃焼を行うというスプレーガイド方式は、優れた低燃費特性をもつことで知られている。

ところで、上述のスプレーガイド方式には以下の課題が存在する。
（１） 燃料噴射弁によって燃料噴射が開始されると、噴霧が点火栓近傍を通過中、及び通過後の限られた期間にのみ、点火栓の中心電極の近傍に可燃混合気が形成される。また、燃料噴射弁と点火栓を過度に近接させた配置構成を採ると、可燃混合気が点火栓近傍を通過する大凡の期間、噴霧に誘発された高速の周辺気流に点火栓電極の火花が煽られ、吹き消されて着火困難となる場合がある。なお、図１５（ａ）に点火栓電極位置における流速特性線図を、図１５（ｂ）に点火栓電極位置における局所空燃比特性線図を、それぞれ従来例として実線で示した。これら実線より明らかなように、安定燃焼が成立する点火可能域Ａは、火花点火拭き消え限界線ａ１よりも流速が低く、希薄可燃限界線ｂ１と過濃可燃限界線ｂ２の間に局所空燃料比が規制され、比較的狭い領域（図１５（ａ）における従来のＡ１）となるという第１の課題（燃焼ロバスト性）が存在する。
（２） 噴射弁と点火栓を近接配置する中央噴射スプレーガイド方式の場合では、点火栓電極位置における可燃混合気の濃度や範囲、存在期間が噴霧流速や流量、微粒化など噴霧自身の特性に強く依存するため、燃料噴射弁の製作個体差に起因した噴霧特性のバラツキや、噴射弁噴孔部のカーボン堆積に起因して噴霧特性が経時変化し、点火栓電極位置が可燃限界域からはずれて失火を招く。また噴霧は点火栓電極を液相領域が直撃しない程度に近づけて配置されるが、上記理由により噴霧特性が変化すると、液相領域が点火栓電極を直撃して点火栓が燻り、失火を招くという第２の課題（経時劣化）が存在する。
（３） 点火栓の側極位相や中心電極の突き出し位置も、点火栓電極位置での燃料分布や周辺気流の変化要因となるため、安定燃焼可能な領域が変わるという第３の課題（点火柱の位相や突き出し位置のずれ）が存在する。

なお、図１４にはスプレーガイドで安定燃焼可能な燃料噴射時期と点火時期の設定領域を１回噴射と複数回噴射の場合とに分けて符号Ｅ１、Ｅ２により示した。符合Ｅ３はウォールガイド方式の場合を示す。これより明らかなように、スプレーガイド方式はウォールガイド方式に比べて低燃費特性に優れると言われているが、符号Ｅ１、Ｅ２で示すように、安定燃焼可能な領域が比較的狭く、燃焼ロバスト性が低いことが明らかである。

なお、上述のような課題に対処するため、特開平１１−３０３７２１号公報（特許文献１）の技術では、点火エネルギを高めて放電期間を拡大している。更に、特開２００７−５１５６４号公報（特許文献２）の技術では、特殊形状の点火栓を採用している。

特開平１１−３０３７２１号公報 特開２００７−５１５６４号公報

上述のように、スプレーガイド方式Ｅ１、Ｅ２を採用する際には、第１の課題として、安定撚焼が成立する燃料噴射時期と点火時期が噴射中または噴射後の極めて限られた領域に限定されるため、原理的に燃焼ロバスト性が脆弱となる（燃焼ロバスト性の脆弱）との問題がある。更に、第２の課題として、噴射弁製作の要求精度が厳しく、噴射弁のカーボン堆積を抑制する必要がある（経時劣化）との問題がある。更に、第３の課題として、点火栓の位相や突き出し位置を厳しく管理する必要がある（点火柱の位相や突き出し位置のずれ）との問題がある。

このような（１）〜（３）の課題が存在するため、その対策として、特開平１１−３０３７２１号公報（特許文献１）に示されるように、点火エネルギを高めて放電期間を拡大した場合、高コストで燃費悪化要因となり、点火栓の電極消耗も早まるという問題が生じる。また、特開２００７−５１５６４号公報（特許文献２）に示されるように、特殊形状の点火栓を採用した場合、点火栓の組み付け位相を決める処理作業に手間取り、高コスト要因となるという問題が生じる。

本発明は、上述の問題点に着目してなされたもので、スプレーガイド方式を採用するにあたり、燃料噴霧の一部を燃焼室壁に設けた突起と干渉させることで可燃混合気を形成し、その可燃混合気を点火栓電極位置に安定的に滞留させると共に電極位置の流速を抑制することにより、低撚費特性を保持しながら、安定燃焼を図り、燃焼ロバスト性を簾価に改善できる筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関のシリンダヘッドの燃焼室壁の一部に凹設された凹部と、噴孔が前記凹部内に位置するよう設けられた燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧流に点火可能に設けられた点火栓と、前記凹部内で前記噴孔と前記点火栓の電極との間に位置して前記噴孔からの燃料噴霧流の一部が干渉するよう配設された突起と、を備えたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記噴射弁は前記噴孔が前記凹部の底部近傍に位置するよう設けられ、前記点火栓は前記凹部において前記底部の略外周壁に設けられることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記凹部と前記燃料噴射弁、及び前記点火栓が前記燃焼室壁の略中央部に設けられ、前記点火栓の電極ギャップは前記噴射弁の噴孔よりも下方に配置されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１、２又は３記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記燃料噴射弁の噴孔からの燃料噴霧流は前記燃料噴射弁の軸線に対して略放射状に噴霧され、その噴霧流の一部が前記突起に干渉することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１、２又は３に記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記燃料噴射弁は複数本の噴霧細流を分散して噴霧する多孔噴射弁であり、前記突起は前記点火栓方向に向かう少なくとも１本の噴霧細流と干渉するように形成されることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、ピストンにキャビティーが凹設され、前記キャビティーの内壁は、前記ピストンが圧縮行程後期に達した際に前記燃料噴射弁を作動させると、噴射された燃料噴霧流の一部が衝突し、そこで反転した燃料噴霧流を前記点火栓に向かわせるような形状に形成されることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記突起の燃料噴射弁側との対向面の高さと幅を機械加工して形成することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記突起の燃料噴射弁側の面を噴射弁取付け穴と共加工することを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記突起の点火栓側の面を点火栓取付け穴と共加工することを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項１乃至９のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記突起の前記噴霧流に干渉する幅は前記点火栓の側極の幅にほぼ等しいことを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記凹部は平面視で長穴状に形成されたことを特徴とする。

請求項１の発明は、燃焼室壁の一部に凹設された凹部内に噴孔が位置するように燃料噴射弁を設けると共に、凹部内で噴孔と点火栓の電極との間に位置して燃料噴霧流の一部が干渉する突起を配設するので、噴孔からの燃料噴霧流の一部が突起に干渉して運動量を喪失した噴霧微粒子が、突起周辺の燃料噴霧流のコアンダ効果により迂回された流れに乗って点火栓電極近傍に輸送され、可燃混合気が確実に点火栓電極位置に形成されると共に、点火栓電極近傍の流速が下がるため突起の下流における点火栓の電極近傍に可燃混合気が滞留し易くなるし、点火栓放電アークの吹き消しが抑制されて着火も容易となり、さらに点火栓に向かう燃料噴霧流は気化し易い噴霧微粒子であるため、液相領域を含む燃料噴霧が点火栓電極を直撃することがなく点火栓の燻りを防止することもできる。これらによりスプレーガイド方式で燃料噴霧の経時劣化、または点火柱の位相や突き出し位置のずれに強く、確実且つ安定的な着火を実現することができ、低撚費特性を保持しながら、燃焼系のロバスト性を簾価に改善することができる。また、噴孔及び突起は凹部内に配置されることから、噴射弁と点火栓が近接した配置であっても比較的容易に突起を配置することができるし、突起は凹部に設けられるので燃焼室内に突起が大きく突出することがなく、突起に高温高圧下でも十分な強度を持たせることが容易で耐久性に優れるし、突起があまり邪魔にならないことから吸排気弁径の確保も容易で出力向上に有利に働く利点もある。

請求項２の発明は、噴射弁の噴孔は凹部の底部近傍に位置し、点火栓は凹部において底部の略外周壁に設けられるので、噴射弁と点火栓との間の燃焼室壁の最小肉厚を大きく取ることができるため同部分の十分な強度を確保でき、さらに点火栓のピストン側、すなわち、燃焼室内への突き出し量を比較的小さく抑えることができるため点火栓の耐久性を向上できるし、耐プレイグ性も改善できる。

請求項３の発明は、燃焼室壁のほぼ中央部に燃料噴射弁を備えた凹部と点火栓が近接して設けられるので、噴霧近傍の可燃混合気に点火するスプレーガイド燃焼が好適に実現でき、かつ火炎伝播が全周方向に略均等となるため均質燃焼モードにおいても熱効率が向上すると共にノッキング抑制にも有利であり、しかも、燃焼室壁の中央域の周囲にその他の吸気弁及び排気弁のスペース確保を比較的容易に行うことができるため、均質燃焼モードにおける出力を向上できる。また点火栓の電極は噴射弁の噴孔よりも下方に配置されるので、ピストン壁の方向に燃料を噴射する配置が容易で、噴霧のシリンダ壁への衝突が抑制されて燃焼効率とシリンダの耐久性が向上すると共に、潤滑油の燃料希釈を回避できる。

請求項４の発明は、噴孔から略放射状に噴霧された燃料噴霧流の一部が突起に干渉することで、突起に干渉する一部の燃料を確実且つ安定的に着火させることができ、これを起点に燃焼室全体に火炎を伝播させ安定した燃焼を確保させることができる。さらにピストン壁の方向に向けて噴孔から略放射状に燃料を噴射するので、噴霧のシリンダ壁への衝突が抑制されて燃焼効率とシリンダの耐久性が向上すると共に、潤滑油の燃料希釈を回避できる。

請求項５の発明は、多孔噴射弁から複数本に分散して噴霧される噴霧細流のうち点火栓方向に向かう少なくとも１本の噴霧細流が突起と干渉することで、突起に干渉する噴霧細流の燃料を確実且つ安定的に着火させることができ、これを起点に燃焼室全体に燃焼を伝播させ安定した燃焼を確保させることができる。

請求項６の発明は、圧縮行程後期に達した際に燃料噴射弁を作動させると、ピストン上のキャビティーの内壁が、噴孔からの燃料噴霧流の一部を衝突させ、反転した燃料噴霧流を点火栓電極位置に向かわせ、着火を容易化させることができ、ウォールガイド方式を利用した燃焼も併用できる。

請求項７の発明は、凹部内に支持された突起を機械加工することで、形状精度を高めることができ、特に、凹部内の燃焼室壁と一体的に鋳造された突起の仕上げ加工を精度よく行える。

請求項８の発明は、凹部内に支持された突起の加工において、同突起の燃料噴射弁側の面を噴射弁取付け穴と共加工することで、加工の容易化、コスト低減を図れ、特に、凹部内の燃焼室壁と一体的に鋳造された突起の加工において、有効である。

請求項９の発明は、凹部内に支持された突起の加工において、同突起の点火栓側の面を点火栓取付け穴と共加工することで、加工の容易化、コスト低減を図れ、特に、凹部内の燃焼室壁と一体的に鋳造された突起の加工において、有効である。

請求項１０の発明は、突起の噴霧流に干渉する幅は点火栓の側極の幅にほぼ等しいことから、噴霧流が点火栓の電極付近を直撃することを確実に回避して点火栓の燻りを回避しながら安定した着火を実現できる。

請求項１１の発明は、長穴状凹部の長手方向に燃料噴射弁と点火栓を配設することで、その整列方向と直交する方向の幅を比較的短くでき、燃焼室壁の中央に長穴状凹部が設けられるとしても、その他の吸気弁及び排気弁のスペース確保が比較的容易化される。

図１には本発明の一実施形態としての筒内噴射型火花点火式内燃機関を説明する。

筒内噴射型火花点火式内燃機関は、スプレーガイド方式の多気筒の直噴エンジン（以後単にエンジン１と記す）１であり、各気筒の燃焼室Ｃは同様に形成されることより、代表して１つの気筒の燃焼室Ｃを図１、２で説明する。

図１、２に示すように、シリンダヘッド２の燃焼室壁３は、その平面視がほぼ円形を成すように形成され、シリンダブロック４のシリンダライナ５と、ピストン６の上面と共に燃焼室Ｃを形成している。

図２に示すように、燃焼室Ｃは所謂ペントルーフ型であり、平面視がほぼ円形を成すシリンダヘッド２の燃焼室壁３には、ペントルーフ型燃焼室の峰部を構成するよう略中央部と交差する直状の峰状凹部１２が形成されている。また、燃焼室壁３には、吸気ポート７を開閉する一対の吸気バルブ８と、排気ポート９を開閉する一対の排気バルブ１１とがそれぞれ設けられる。一対の吸気ポート７と一対の排気ポート９とは、峰状凹部１２を挟んでそれぞれ配設されている。

燃焼室壁３のほぼ中央部で峰状凹部１２の中間部には峰状凹部１２の長手方向に長く平面視で長穴状の凹部１３が凹設される。

図３、４に示すように、凹部１３は中央に楕円状の底壁１５が形成され、その凹部長手方向Ａでの一端側に噴射弁取付け穴１６が形成され、同穴１６に燃料噴射弁１７が嵌着されている。底壁１５の回りには外周壁１８が形成され、その凹部長手方向Ａでの他端側に点火栓取付け穴２３が形成され、同穴２３に点火栓１９が取り付けられる。しかも、図３、４に示すように、凹部１３内における燃料噴射弁１７と点火栓１９の間には燃料噴射弁１７の噴孔２１１からの燃料噴霧流ｆ０の一部が干渉する突起２２が配設される。なお、この突起の高さは凹部１３の深さ以下に設定されており凹部１３からははみ出さないように形成されている。

このように平面視で長穴状の凹部１３は、その内部に凹部長手方向Ａ（峰状凹部１２の長手方向と同一）に沿って燃料噴射弁１７、突起２２、点火栓１９を直状に配設することができ、突起２２の取付けスペースの確保を比較的容易化することが出来る。更に、図２に示すように、長穴状の凹部１３を円形を成すシリンダヘッド２の燃焼室壁３内の中央部に配備され、突起が邪魔になることもないので、凹部１３の両側に、一対の吸気バルブ８と一対の排気バルブ１１とを比較的拡大させた状態で配備でき、円形を成す燃焼室壁３のスペースを有効利用できる。また、突起２２は凹部１３に設けられるので燃焼室内に突起２２が大きく突出することがなく、高温高圧下でも十分な強度を突起２２に持たせることが容易で耐久性確保の上で有利な構成となっている。

更に、燃焼室壁３のほぼ中央部に燃料噴射弁１７を備えた凹部１８と点火栓１９が設けられるので、噴霧近傍の可燃混合気に点火するスプレーガイド燃焼が好適に実現でき、かつ火炎伝播が全周方向に略均等となるため均質燃焼モードにおいても熱効率が向上すると共にノッキング抑制にも有利である。

上述のところにおいて、図２のように、凹部１３に対し、その凹部長手方向Ａでの一端側（図２で上側）に一対の吸気バルブ８を、他端側（図２で下側）に一対の排気バルブ１１を配設するのに代えて、図９のように、凹部１３に対し、その凹部長手方向Ａでの一端側（図９で上側）に吸気バルブ８と排気バルブ１１を各一つ、他端側（図９で下側）に吸気バルブ８と排気バルブ１１を各一つ配設するような構成を採ってもよい。この場合も、凹部１３の両側に、各一つずつの吸気バルブ８と排気バルブ１１とを比較的拡大させた状態で配備でき、円形を成す燃焼室壁３のスペースを有効利用できる。

図１に示すように、燃焼室Ｃの中央上部に配備される燃料噴射弁１７はシリンダヘッド２の燃焼室壁３のほぼ中央部の噴射弁取付け穴１６に嵌着され、これによって噴射弁中心線Ｌｂがシリンダ中心線Ｌｃと略並列するように配設される。

燃料噴射弁１７は噴射弁本体１７１と、噴孔２１１を備えた先端部としてのノズル部２１と、噴射弁本体１７１の後端より突出する接続端子１７２とで形成される。

噴射弁本体１７１はその内部に励磁コイルを備え、同励磁コイルの励磁時にノズル部２１の不図示の針弁を開作動させ、不図示の高圧燃料供給系から送り込まれている高圧燃料を燃焼室Ｃに噴孔２１１より噴霧する。ここで、燃料噴射弁１７は噴孔２１１からの噴霧ｆ０を噴射弁中心線Ｌｂの回りにコーン状（図３参照）に拡散するように噴射する。噴射弁本体１７１内の不図示の励磁コイルに接続された接続端子１７２には後述のＥＣＵ（電子制御ユニット）３１が接続される。

図４に示すように、凹部１３の楕円状の底壁１５は外周壁１８で囲まれ、特に、外周壁１８の凹部長手方向での他端に他部位より拡大された端部外周壁１８ａが形成される。この端部外周壁１８ａには点火栓取付け穴２３が形成され、同穴２３に点火栓１９のプラグ本体１９１が螺着されている。このため、図１、３に示すように、プラグ本体１９１及び点火栓取付け穴２３の共通の点火栓中心線Ｌｐはシリンダ中心線Ｌｃに対して所定量の傾き角αを保って対向配備される。

ここで、点火栓１９のプラグ本体１９１が外周壁１８内の点火栓取付け穴２３に螺着されていたが、場合により、図５に示すように、外周壁１８より燃焼室壁３の下向き面側に一部はみ出すような位置に点火栓取付け穴２３ａが形成され、そこにプラグ本体１９１が螺着されるようにしてもよい。この場合、噴射弁取付け穴１６と点火栓取付け穴２３ａとの対向間隔ｅ１を比較的大きく確保することができ、その対向スペースへの突起２２の取付け位置の自由度を比較的大きく確保することができる。

このように、点火栓１９のプラグ本体１９１を外周壁１８あるいは同外周壁１８より燃焼室壁３の下向き面側に一部はみ出すような位置に配備するので、噴射弁取付け穴１６と点火栓取付け穴２３ａとの間の最小肉厚を大きく取ることができるため十分な強度を確保でき、さらに点火栓のピストン側、すなわち、燃焼室内への突き出し量Ｋ（図３参照）を比較的小さく抑えることができ、点火栓１９の耐久性を向上できるし耐プレイグ性も改善できる。

図１、３に示すように、点火栓１９は燃焼室壁３に取り付けられるプラグ本体１９１と、同プラグ本体１９１の中央に碍子部１９０（中心電極絶縁部）を介して支持される中心電極２４と、同中心電極２４の回りに設けられた側極２５とを備える。プラグ本体１９１には雄ネジが形成され、これがシリンダヘッド２に形成された点火栓取付け穴２３の雌ネジ部に螺合できるようになっている。

ここで側極２５はＬ字状に屈曲された矩形断面の突片を成し、その基端がプラグ本体１９１、シリンダヘッド２へと接続される接地電極を成す。中心電極２４は断面円形の柱状片をなし、プラグ本体１９１の後端側の接続端子１９２に導通し、これがイグナイター２７を介し後述のＥＣＵ（電子制御ユニット）３１に接続される。このイグナイター２７よりの高圧電流が中心電極２４に印加されると、外径ｄ１（図３参照）の中心電極２４の先端と左右側面幅ｂ１の側極２５（図４参照）との間のギャップｔ（図３参照）の領域に火花放電であるスパークが生じるようになっている。

図１乃至図４に示すように、燃焼室壁３の一部である凹部１３内の下向き壁面であって、噴射弁取付け穴１６と点火栓取付け穴２３とに挟まれた穴対向スペース部位には、燃焼室Ｃ側であるピストン６側に向けて突起２２が突設される。

突起２２は横断面が略矩形をなす柱状体として形成され、その下部である先端部２２１が、ノズル部２１の噴孔２１１と点火栓１９のギャップｔ間に位置して噴孔２１１からの燃料噴霧流ｆ０の一部が干渉するよう配設される。

ここでの突起２２は、その基端部の断面積が先端部より比較的大きく確保されている。しかも、同基端部が凹部１３内の底壁１５の一部に一体的に形成されており、十分な剛性確保が成され、耐久性に優れるという利点がある。

柱状体として形成された突起２２は、図４に示すように、燃料噴射弁１７との噴孔対向面ｃ１が噴射弁取付け穴１６と共加工により形成される。その噴孔対向面ｃ１の背側の点火栓１９との点火栓対向面ｃ２が点火栓取付け穴２３と共加工により形成される。

図３に示すように、点火栓取付け穴２３の点火栓中心線Ｌｐは噴射弁中心線Ｌｂ（シリンダ中心線Ｌｃと平行）に対して傾き角αを保っていることより、図３に示すように、突起２２の凹部長手方向Ａでの縦幅ｈ１は基端より先端に向かうに従い小さく形成される。

一方、図４に示すように、突起２２の左右側面ｃ３の幅である凹部長手方向Ａと直交する幅ｈ２（噴霧流に干渉する幅）は、基端より先端に向かうに従い、多少、小さくなるように形成されるが、基端側の主要部は点火栓１９の側極２５の左右側面幅ｂ１にほぼ等しい幅に形成され、先端部２２１が多少小幅に形成される。

なお、突起２２の高さを規制する頂面ｃ４は噴射弁中心線Ｌｂと略直交する略平坦面に形成される。

ここで突起２２の高さＨ１と突起２２の幅ｈ２は燃料噴霧流ｆ０の一部が突起２２と干渉する量を規制するものである。このため、これら部位を精度よく形成することで、噴孔２１１からの燃料噴霧流ｆ０の一部が突起２２に干渉して運動量を喪失した噴霧微粒子が、突起周辺の燃料噴霧流のコアンダ効果により迂回された流れに乗って点火栓電極近傍に輸送され、可燃混合気が確実に点火栓電極位置に形成されると共に、点火栓電極近傍の流速が下がるため突起の下流における点火栓の電極近傍に可燃混合気が滞留し易くなるし、点火栓放電アークの吹き消しが抑制されて着火も容易となり、さらに点火栓に向かう燃料噴霧流は微粒子が主となるため気化し易く、液相領域を含む燃料噴霧が点火栓電極を直撃することがなく点火栓の燻りを防止することもできる。これらによりスプレーガイド方式で燃料噴霧の経時劣化、または点火柱の位相や突き出し位置のずれに強く、確実且つ安定的な着火を実現することができ、低撚費特性を保持しながら、燃焼系のロバスト性を簾価に改善することができる。

燃料噴霧の流動に関してより詳しく説明すると、図６に示すように、噴孔２１１からの燃料噴霧流ｆ０の一部はコアンダ効果により、突起２２の幅が規制された左右側面ｃ３及び突起２２の高さが規制された頂面ｃ４を経て、突起２２の背面である点火対抗面ｃ２に沿う方向に曲げられる。さらに、点火対抗面ｃ２で合流した噴流を突起２２の背面である点火栓対向面ｃ２と対向する下流側域に流動させ、即ち、図６に示すように、突起２２の下流の側極２５と中心電極２４との間のギャップｔ近傍に可燃混合気を拡散噴霧ｆｇとして拡散させるように左右側面ｃ３と頂面ｃ４が加工される。

突起２２の頂面ｃ４の高さは、燃料噴霧流ｆ０の外縁の一部が頂面ｃ４に干渉する程度に規制するのが望ましく、この場合、周辺空気の抗力により噴霧外縁から剥ぎ取られて分裂した噴霧微粒子と、図３に示す様に燃料噴霧流ｆ０の一部が突起２２の先端部２２１に衝突して分裂した噴霧微粒子は運動量を喪失するため、これらの噴霧微粒子群はコアンダ効果により突起２２の背面である点火対抗面ｃ２を経て、選択的に拡散噴霧ｆｇとしてギャップｔ近傍に流動し、コアンダ効果の流動が及ぶ比較的広範囲に可燃混合気を形成する。

さらにコアンダ効果で経路が迂回されることにより流速が低下し、さらに燃料噴射終了後の減衰した慣性流により運動量を喪失した微粒子群が刻々と輸送されるので、ギャップｔ近傍には比較的低い流速を伴う拡散噴霧ｆｇが流動し続けることとなり、可燃混合気が長期間滞在する。

ここで、図１５には、スプレーガイド方式の従来の技術（二点鎖線）と本発明の適用された突起２２のある技術（破線）を比較説明する線図を示した。図１５（ａ）に示した点火栓電極位置における流速特性線図において、火花点火吹き消え限界線ａ１よりも下が流速が低い領域を示す。図１５（ｂ）に示した点火栓電極位置における局所空燃比特性線図において、局所空燃比が希薄可燃限界線ｂ１と過膿可燃限界線ｂ２の間で可燃領域となっていることを示す。

ここで、図１５（ａ）、及び及び図１５（ｂ）にはそれぞれ二点鎖線により従来技術の特性を、破線で本発明の適用された突起２２のある技術の特性を示した。これより明らかなように、火花点火拭き消え限界線ａ１よりも流速が低く、かつ空燃比域が希薄可燃限界線ｂ１と過濃可燃限界線ｂ２の間が可燃領域である。即ち、安定燃焼が成立する領域は、従来のＡ１域に比べて本発明の適用された突起２２のある技術の場合のＡ域が拡大し、比較的広い領域となっていることが明らかである。このため、本発明の適用された突起２２のある技術の場合、燃料噴霧の経時劣化、または点火柱の位相や突き出し位置のずれに強く、低撚費特性を保持しながら、燃焼系のロバスト性を簾価に改善することができる。

上述したような特性が得られる突起２２は、シリンダヘッド２の鋳造時において、燃焼室壁３の一部である凹部１３内に一体的に鋳造される。

その上で、突起２２の高さを規制する頂面ｃ４と、突起２２の幅ｈ２を規制する左右側面ｃ３と、噴孔対向面ｃ１及び点火栓対向面ｃ２が機械加工により所定の精度で形成される。これによって、燃焼室壁の一部の凹部内に一体的に鋳造された突起の仕上げ加工精度を上げ、形状精度を高めることができる。

ここで、噴射弁取付け穴１６の穴加工の際に、同時に連続的に噴孔対向面ｃ１の切削加工を行っており（図３参照）、これによって作業工数を低減できる。

一方、点火栓対向面ｃ２の穴加工の際に、同時に連続的に点火栓対向面ｃ２の切削加工を行っており（図３参照）、これによって作業工数を低減できる。なお、この穴加工の後、点火栓取付け穴２３に対しては別途螺子加工が成される。

更に、突起２２の頂面ｃ４と左右側面ｃ３とが順次切削加工され、これによって、突起２２の高さＨ１と、突起２２の幅ｈ２を精度よく加工できる。

図１に示すように、燃焼室Ｃの下部に位置するピストン６は燃焼ガス圧を上壁６０１で受け、その押圧力を不図示のクランク機構を介して出力軸側に出力する。このようなピストン６の上壁６０１にはキャビティー２８が凹設される。

図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、キャビティー２８は、後述の成層燃焼運転時に、ピストン６が圧縮行程後期に達した際に噴孔２１１からの燃料噴霧流ｆ０の一部ｆ１を突起２２の先端部２２１に衝突させる一方、突起に衝突する燃料噴霧流ｆ１とは別の燃料噴霧流の主要部分ｆ２をキャビティー２８の内壁に衝突させ（図７（ｂ）参照）、内壁で反転し、霧化が促進された燃料噴霧流ｆ２を点火栓１９のギャップｔに向けて流動することができるような形状に形成される。

このようなエンジン１には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）３１が設置されている。ＥＣＵ３１の入力側には、エンジン１の回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ３２、エンジン１のスロットル開度θｓを検出するスロットルセンサ３３、アクセル操作量θａを検出するアクセルセンサ３４等の各種センサ類が接続され、出力側には燃料噴射弁１７、点火栓１９を駆動するイグナイター２７等の各種デバイス類が接続されている。

ＥＣＵ３１は予め設定された燃料噴射量マップ、燃料噴射時期マップ及び点火時期マップに基づき、機関回転速度Ｎｅやアクセル操作量θａ等から燃料噴射量Ｑ、燃料噴射時期Ｔｉｊ及び点火時期Ｔｉｇを設定し、これらの目標値に基づいて燃料噴射弁１７の開弁期間及び開弁時期を制御すると共に、イグナイター２７を駆動して点火栓１９の点火時期を制御する。

運転時のエンジン１はアクセル操作量θａ等から求められた目標トルクＴ及びエンジン回転速度Ｎｅに応じて均一燃焼と成層燃焼とに切換えられ、目標トルクＴ又はエンジン回速度Ｎｅが比較的高い運転領域では吸気行程で噴射した燃料により均一な混合気を形成して燃焼させる均一燃焼を行い、目標トルクＴ及びエンジン回転速度Ｎｅが比較的低い運転領域では圧縮行程で噴射した燃料により点火プラグのギャップｔの周囲に理論空燃比近傍の混合気を形成した上で、全体として極めてリーンな空燃比で燃焼させる成層燃焼を行う。

ここで、成層燃焼によるエンジン１の運転には、図１４に示すように噴射時期や点火時期の設定がそれぞれ異なる、１回噴射によるスプレーガイドモードＥ１、複数回噴射モードＥ２、ウォールガイドモードＥ３、の３つのモードが設定されており、各モードは目標トルクＴ及びエンジン回転速度Ｎｅによって切換えられるようになっている。

まず、複数回噴射モードＥ２について説明すると、図８に示すように、圧縮行程で燃料噴射弁１７から時点ｔ１で先行して噴射された燃料噴霧ｆ１、ｆ２は自己の運動エネルギによりコーン状に拡散する。

この際、燃料噴霧流ｆ０の主要部ｆ２はキャビティー２８内に噴霧され（図７（ａ）、（ｂ）参照）、キャビティー２８内で上方に反転され、拡散する。その上で、ピストンの上昇運動に伴い上死点に接近し（図７（ｃ）、（ｄ）参照）、キャビティー２８内で拡散した燃料噴霧の一部が、点火プラグ１９のギャップｔ近傍に到達する。

同時に、燃料噴霧流ｆ０の一部ｆ１は突起２２の先端部２２１に衝突し、運動量を喪失した噴霧微粒子がコアンダ効果により突起２２の左右側面ｃ３と頂面ｃ４に沿って選択的に流動し（図７（ａ）、（ｂ）参照）、突起２２の下流の側極２５と中心電極２４との間のギャップｔの近傍に流速が低い拡散噴霧ｆｇとして流動させることができる。なお、点火時期における流速特性を図１５（ａ）に、破線中のｍ２域として示し、空燃比特性を図１５（ｂ）にＡＦ２として示した。

図８に示すように、ここでは、時点ｔ１の先行噴射の後、間隔δｓ後の時点ｔ２で後続の噴射が成される。これにより、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、再度、燃料噴霧流ｆ０の一部ｆ１が先端部２２１に衝突してコアンダ効果により突起２２の下流に位置するギャップｔの近傍に拡散噴霧ｆｇとして流動する。点火時期における流速特性と空燃比特性を図１５（ａ）、（ｂ）に、破線中のｍ１域とＡＦ１域として示した。

この際、ピストンは圧縮上死点直前にあり、上昇してきたキャビティー２８内の先行噴射時の拡散混合気も再度点火栓１９のギャップｔの近傍に達しており、この時点でのギャップｔの近傍の可燃混合気の空燃比はＡＦ１及びＡＦ２、さらにキャビティー２８内の先行噴射時の拡散混合気を合算した値となり、理論空燃比近傍あるいはそれを上回る状態である。このため、その直後の時点ｔ３（図８参照）８に点火信号がＥＣＵより発せられ、イグナイター２７の駆動により、高圧電流が中心電極２４に印加され、火花放電がギャップｔに発生し、ギャップｔ周りの可燃混合機が安定的に着火し、上死点通過後の燃焼によって、成層燃焼によるエンジン１の運転時における出力発生が成されることとなる。

このように、スプレーガイド式での成層燃焼によるエンジン１の運転時には、図７（ｂ）、（ｄ）に示すように、燃料噴霧流ｆ０の一部ｆ１が先端部２２１に衝突して分裂した噴霧微粒子は運動量を喪失するため、これらの噴霧微粒子群はコアンダ効果により突起２２の背面である点火対抗面ｃ２を経て、選択的に突起２２の下流に位置するギャップｔの近傍に拡散噴霧ｆｇとして流動させ、同時に、上昇してきたキャビティー２８内の主噴射時の拡散混合気を点火柱１９のギャップｔの近傍に導き、十分な濃度の可燃混合気に、その時点を点火時期ｔ３として点火栓１９を駆動させ、火花放電により着火し、確実に安定して燃焼させることができる。さらに、点火時期における混合気は成層化された状態にあるが、点火プラグ電極近傍の広い空間範囲に可燃混合気が長期間配置されるので、燃料噴射弁の製作個体差に起因した噴霧特性のバラツキや、噴射弁噴孔部のカーボン堆積に起因して噴霧特性が経時変化しても、点火栓電極位置が可燃限界域からはずれて難く、低撚費特性を保持しながら、燃焼系のロバスト性を簾価に改善することができる。

特に、ここでは、先行噴射及び後続噴射における複数噴射が成されるので成層燃焼において１回噴射よりも燃焼系のロバスト性をより確実化できるので、低負荷運転での圧縮行程後期での燃料噴射時の着火を容易化させることができる。

次に、１回噴射によるスプレーガイドモードＥ１について説明すると、本モードは燃料噴射を、上述の複数回噴射モードにおける後続する噴射に相当する噴射のみの１回噴射としたモードであり、上述の複数回噴射モードで後続する噴射に関して説明した内容と同等の作用が得られ、スプレーガイド方式でも確実且つ安定的な着火を実現することができ、低撚費特性を保持しながら、燃焼系のロバスト性を簾価に改善することができる。

また、ウォールガイドモードＥ３について説明すると、本モードは燃料噴射を、上述の複数回噴射モードにおける先行する噴射に相当する噴射のみの１回噴射としたモードであり、上述の複数回噴射モードで先行する噴射に関して説明した内容と同等の作用が得られ、キャビティーから反転してきた燃料に加えて突起と干渉して点火栓付近に滞留する燃料も利用できウォールガイド方式でも確実且つ安定的な着火を実現することができ、低撚費特性を保持しながら、燃焼系のロバスト性を簾価に改善することができる。

上述のところでは、成層燃焼でのエンジン作動を説明した。これに対し均一燃焼でのエンジン作動時には、吸気行程時に理論空燃比相当の燃料噴射がなされ、吸気行程から圧縮行程を経て十分に予混合された筒内の混合気に対して圧縮上死点近傍の点火時期で点火作動が行われる。

図１０、１１には第２の実施形態を示した。
この第２の実施形態としてのエンジン１ａは、図１、２のエンジン１と比較し、突起２２の支持構成が異なる点以外は同一構成を採ることより、重複する説明を略す。

図１０、１１に示すように、エンジン１ａの燃焼室壁３の凹部１３は、中央に楕円状の底壁１５が形成される。底壁１５の凹部長手方向Ａでの一端側には噴射弁取付け穴１６が形成され、同穴１６に燃料噴射弁１７ａが嵌着されている。底壁１５の回りに形成された外周壁１８の凹部長手方向Ａでの他端側に点火栓取付け穴２３が形成され、同穴２３に点火栓１９が取り付けられる。しかも、図１０、１１に示すように、燃料噴射弁１７ａの点火栓１９との対向周縁部には噴孔２１１ａからの燃料噴霧流ｆ０の一部が干渉する突起２２ａが一体的に形成されている。

このように平面視で長穴状の凹部１３は、その底壁１５に燃料噴射弁１７ａを、外周壁１８の一端に点火栓１９を配設する。しかも、直状に噴孔２１１ａ、突起２２ａ、ギャップｔを順次配設するので、取付けスペースのコンパクト化を図ることができる。

図１０、１１に示すように、燃料噴射弁１７ａは噴射弁本体１７１と、噴孔２１１ａを備えた先端部としてのノズル部２１と、噴射弁本体１７１の後端より突出する接続端子１７２とで形成される。噴射弁本体１７１はその内部に励磁コイルを備え、同励磁コイルの励磁時にノズル部２１ａを駆動させ、不図示の高圧燃料供給系からの高圧燃料を燃焼室Ｃに噴孔２１１ａより噴霧する。ここで、燃料噴射弁１７ａは噴孔２１１ａからの噴霧ｆ０を噴射弁中心線Ｌｂの回りにコーン状（図９参照）に噴射する。噴射弁本体１７１内の不図示の励磁コイルに接続された接続端子１７２にはＥＣＵ３１が接続される。

図１０、１１に示すように、ノズル部２１ａの先端の外周壁からは噴射弁中心線Ｌｂの方向に沿って矩形断面の角柱状の突起２２ａが突設される。突起２２ａは、その下端である先端部が、ノズル部２１の噴孔２１１ａと点火栓１９のギャップｔ間であって噴孔２１１ａからの燃料噴霧流ｆ０の一部が干渉するよう配設される。

ここで、図１２に示すように、突起２２ａは、噴孔２１１ａ及び点火栓１９と対向する噴孔対向面ｇ１及び点火栓対向面ｇ２の幅ｊ１と、左右側面ｇ３の幅ｊ２と、突起２２ａの高さｊ３（図１０参照）とがそれぞれ設定値となるように形成される。なお、突起２２ａは、ノズル部２１の加工の際に同時に機械加工される。即ち、シリンダヘッド２への装着前に切削加工され、シリンダヘッド２への装着時には、噴孔２１１ａと点火栓１９のギャップｔを結ぶ直線状の位置と干渉するように組み付けられる。

ここで、突起２２ａの高さｊ３と突起２２ａの幅ｊ１は燃料噴霧流ｆ０の一部が突起２２ａと干渉する量を規制する。このため、噴孔２１１ａからの燃料噴霧流ｆ０の一部が突起２２ａに干渉することで、噴霧が反転や旋回して拡散噴霧ｆｇ’（図１２参照）となり、可燃混合気の生成が促進される。ここでの燃料噴射弁１７ａは、そのシリンダヘッド２への装着前に、ノズル部２１の突起２２ａを精度よく加工できるという利点がある。更に、突起２２ａを図１の実施形態での突起２２のように凹部の底壁１５に鋳造加工するものではないので、製造コストを低減できるという利点がある。

図１０、１１に示したエンジン１ａの運転時の作動は、図１、２に示したエンジン１の運転時と比較し、相違点は燃料噴霧流ｆ０の一部ｆ１が突起２２ａの先端部２２１に衝突した際の燃料噴霧の挙動のみが、一部相違するのみで、その他の挙動は同一であるため、重複説明を略す。

図１０、１１に示したエンジン１ａの場合も、図１、２に示した第１実施形態でのエンジン１の場合とほぼ同様の作用効果が得られる。特に、ここでの突起２２ａは燃料噴射弁１７ａのノズル部２１ａに一体形成されるので、シリンダヘッド２への装着前に、ノズル部２１ａの突起２２ａを精度よく加工でき、この突起２２ａと干渉することで噴霧が反転や旋回することで生じる拡散噴霧ｆｇ’（図１２参照）の発生量の精度調整が容易となる利点がある。

上述の実施形態において、燃料噴射弁１７、１７ａは噴射弁中心線Ｌｂの回りにコーン状（図３参照）に拡散するように噴射するが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、複数本の噴霧細流ｓｆを分散して噴霧する多孔噴射弁１７ｂを用いても良い。この場合、複数本の噴霧細流ｓｆのうち、点火栓方向に向かう少なくとも１本の噴霧細流ｓｆと干渉するように突起２２ｂを配設することと成る。この場合も図１のエンジン１におけると同様の作用効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、１回噴射によるスプレーガイドモードＥ１、複数回噴射モードＥ２、ウォールガイドモードＥ３の各モードを有する設定となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらのうち少なくとも１つのモードを有するものであってもよい。

本発明の実施形態としてのエンジンの概略構成図である。 図１のエンジンに設けられたシリンダヘッドの部分切欠底面図である。 図１のエンジンの燃料噴射弁と点火栓を燃焼室壁の凹部に組み付けた部分切欠拡大断面図である。 図３の燃料噴射弁と点火栓を凹部に組み付けた状態での燃料噴射時の燃料噴射状態の説明図である。 図１のエンジンの燃料噴射弁と点火栓を燃焼室壁の凹部に組み付けた場合の変形例を表す部分切欠拡大断面図である。 図３の燃料噴射弁と点火栓を凹部に組み付けた状態での燃料噴射時の燃料噴霧の挙動を説明する図である。 図１のエンジンの燃料噴射弁と点火栓の噴射及び点火挙動を説明する図で、（ａ）は主噴射直後を、（ｂ）は主噴射によるキャビティーへの噴霧の挙動を、（ｃ）は圧縮上死点に接近したキャビティーへのアフター噴射の挙動を、（ｄ）は点火直前の燃料噴霧の拡散状態をそれぞれ示している。 図１のエンジンの燃料噴射信号と点火信号の経時パターンを説明する線図である。 本発明の他の実施形態としてのエンジンの概略構成図である。 本発明の第２の実施形態としてのエンジンの概略構成図である。 図１０のエンジンに設けられたシリンダヘッドの燃焼室対向部の部分切欠底面図である。 図１０のエンジンの燃料噴射弁と点火栓を凹部に組み付けた状態での燃料噴射時の燃料噴霧の挙動を説明する図である。 図１、９のエンジンに装着された燃料噴射弁に代えて用いられる多孔噴射弁の挙動を説明する図であり、（ａ）は側面部分拡大断面図を、（ｂ）は部分拡大底面図である。 スプレーガイド方式とウォールガイド方式における安定燃焼可能域の説明図である。 本願及び従来のエンジンにおける点火柱電極位置における流速特性線図を（ａ）として示し、本願及び従来のエンジンにおける点火柱電極位置における局所空燃比特性線図を（ｂ）として示す。

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ 燃焼室壁
１３ 凹部
１５ 底壁
１７ 燃料噴射弁
１９ 点火栓
１９１ プラグ本体
２１１ 噴孔
２２ 突起
２２１ 先端部
２４ 中心電極
２５ 側極
ｔ ギャップ

Claims (11)

1. 内燃機関のシリンダヘッドの燃焼室壁の一部に凹設された凹部と、
   噴孔が前記凹部内に位置するよう設けられた燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧流に点火可能に設けられた点火栓と、
   前記凹部内で前記噴孔と前記点火栓の電極との間に位置して前記噴孔からの燃料噴霧流の一部が干渉するよう配設された突起と、
   を備えたことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
2. 請求項１記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記噴射弁は前記噴孔が前記凹部の底部近傍に位置するよう設けられ、
   前記点火栓は前記凹部において前記底部の略外周壁に設けられることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
3. 請求項１又は２記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記凹部と前記燃料噴射弁、および前記点火栓が前記燃焼室壁の略中央部に設けられ、前記点火栓の電極ギャップは前記噴射弁の噴孔よりも下方に配置されることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
4. 請求項１、２又は３記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記燃料噴射弁の噴孔からの燃料噴霧流は前記燃料噴射弁の軸線に対して略放射状に噴霧され、その噴霧流の一部が前記突起に干渉することを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
5. 請求項１、２又は３に記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記燃料噴射弁は複数本の噴霧細流を分散して噴霧する多孔噴射弁であり、前記突起は前記点火栓方向に向かう少なくとも１本の噴霧細流と干渉するように形成されることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   ピストンにキャビティーが凹設され、前記キャビティーの内壁は、前記ピストンが圧縮行程後期に達した際に前記燃料噴射弁を作動させると、噴射された燃料噴霧流の一部が衝突し、そこで反転した燃料噴霧流を前記点火栓に向かわせるような形状に形成されることを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
7. 請求項１乃至６のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記突起の燃料噴射弁側との対向面の高さと幅を機械加工して形成することを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
8. 請求項１乃至７のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記突起の燃料噴射弁側の面を噴射弁取付け穴と共加工することを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
9. 請求項１乃至８のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   前記突起の点火栓側の面を点火栓取付け穴と共加工することを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
10. 請求項１乃至９のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
    前記突起の前記噴霧流に干渉する幅は前記点火栓の側極の幅にほぼ等しいことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
    前記凹部は平面視で長穴状に形成されたことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。

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