JP2011007046A - 直噴ガソリンエンジンの燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低負荷時と高負荷時、それぞれの要求噴霧特性を満足するシリンダ内燃料噴射システム。
【解決手段】穴配置が異なる２つのオリフィスを重ね合わせ、オリフィスの一方を固定し、他方を回転させて噴口数を変える。低負荷時には噴口数を減らして点火プラグ近傍に混合気形成、均質時には燃焼室全体に混合気を形成する。低回転時には吸気弁を低リフトとして噴霧を上向きに、高回転時には吸気弁を高リフトとして、干渉をさけるために上向き噴霧をやや下向きに設定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、主として点火により燃焼させる内燃機関に関する。

従来、シリンダ内に直接燃料を噴射する、火花点火式ガソリンエンジンが広く知られている。この噴射方式は燃焼室内の混合気形成の自由度が高いという特徴がある。例えばエンジンの低負荷時において、プラグ周りには濃い混合気、その周辺部には薄い混合気を形成する、いわゆる成層混合気を形成し、ポンピングロスの低減を図って燃費を向上させたり、吸気冷却効果により出力を向上することができるなどの特徴がある。

しかし一方で、シリンダ内で空気と燃料の混合を行うため、噴霧のシリンダ壁などエンジン内壁面への付着が起こりやすく、気化時間も従来のポート噴射に比べ短いことから、特にエンジンの低温時や、高負荷時など燃料噴射量が多い場合、燃料の気化不良による未燃炭化水素（ハイドロカーボン，ＨＣ）や、スモーク（すす，ＳＯＯＴ）の増加を招くおそれがあり、燃費や排気の悪化を引き起こしたり、ガソリンによるオイル希釈（オイルダイリューション）を引き起こし、エンジンの耐久性および信頼性が低下する場合がある。

また、シリンダ内の空気流動が強い場合には、流動によって混合気が流されやすく、壁面付着が増加しやすい。

これに対応する技術としては、例えば特許文献１に示されているようなものがある。

この技術は、ピストン上に設けた凹面状のキャビティの深さと、ピストン上での位置，キャビティに連続する稜線の高さ，燃料噴霧の方向，噴霧角をそれぞれ規定し、主としてピストンに向かい噴射を行う。噴霧形状は円錐角が７０°±２０°と、従来に比べて広めに設定し、噴霧貫通力を弱めている。さらにシリンダの排気弁側にはタンブル（縦渦）が生成されるようにする。高負荷時であっても、燃料噴射は吸気行程、上死点後１２０°前後で終了させるようにし、ここで噴射された燃料が上記ピストン上の稜線を超えてシリンダ壁に到達することがないように、噴霧角ならびに噴射方向を規定する。

これにより、噴霧はピストンに緩やかに衝突して微粒化し、排気弁側に存在するタンブル（縦渦）のガイド効果と相まって、気化しながらピストンに沿って上方に巻き上がり、適切な混合気濃度となって点火プラグに到達する。このようにして、燃料噴霧の衝突拡散と必要以上の拡散防止を同時にはかることができ、シリンダ壁やシリンダヘッドなどのエンジン内壁面への燃料の付着を防止し、エンジンの様々な運転状態において、ＨＣやスモークの発生を低減しながら燃焼の改善とオイル希釈の抑制をはかることができるとしている。

特開２００３−２６２１２９号公報

本発明の目的は、吸気行程において噴射を行う場合でも吸気弁と噴霧との干渉を少なくし、燃焼悪化を防ぐことのできる燃料噴射システムを提供しようとするものである。

また、特に高負荷時において吸気行程後半まで燃料噴射を行う場合でも噴霧がシリンダ壁およびシリンダヘッドに付着するのを抑え、かつ燃料の微粒化を促進し、良好な燃焼が維持できる燃料噴射システムを提供しようとするものである。

さらに、混合気形成におけるピストン形状やピストン位置，空気流動の強さや燃料噴射時期が与える影響をできる限り小さくし、従来よりも広い回転数や負荷範囲で燃料のシリンダヘッドやシリンダ壁などへの付着を抑えて良好な燃焼が維持できる燃料噴射システムを提供しようとするものである。

上記課題を解決するために、本発明は次のような手段を有する。

まず、燃料を直接噴射できる内燃機関において、噴霧を可変できるインジェクタを備える。

噴霧を変える機構は、インジェクタの噴口の形状を変えたり、本数を変えたりできるように構成され、例えば、噴口として複数の穴を持ち、運転状態に応じて噴射する穴の数を増減できるように構成する。これにより、シリンダ内に生成されるスワールやタンブルなどの旋回流の流速ベクトルを打ち消す方向に噴霧形状を変更することができる。そして、旋回流の有無や強弱によらず、所望の噴霧形状を得ることができる。

さらに、吸気弁のリフト量、ならびに位相角を可変できる機構を備える。

また、同一サイクル中に燃料を複数回噴射する機構を備える。

そして、低負荷でリフト量が小さい場合には噴霧を上方向に噴射し、高負荷でリフト量が大きい場合には噴霧を下方向に噴射するようにする。

また、噴霧と吸気弁、または噴霧と吸気流との干渉が予想されるときには、分割噴射により流速の大きい部分を回避するようにする。

さらに、スワールまたはタンブルなどの空気流動が大きい場合に、あらかじめ噴霧が空気流動によって流されることを考慮し、噴霧の本数を可変したり、または噴霧を回転させたりできるようにする。

低負荷の成層運転時には、使用する穴の数，ノズル径などを少なくする。これにより、同一のパルス幅でも噴射率を下げ、燃料流量を少なくすることができる。

上記オリフィスを回転させるための動力として、ステッピングモータ、または、インジェクタ内のガソリンの圧力を用いる。

本発明の効果を列挙すると次のようになる。

噴霧形状を旋回流に応じて可変としたため、混合気分布を適正にでき、混合気の均一度が高く、従来よりも高出力のエンジンにできるという効果がある。

また、吸気弁のリフト量に応じて噴霧の方向を変えるように構成したので、噴霧と吸気弁との干渉が少なく、付着燃料による燃焼やエミッションの悪化を防止することができるという効果がある。

エンジンの冷機時にピストンやシリンダ壁への燃料付着が少なく、触媒の暖機促進やエミッションの低減をはかることができるという効果がある。

本発明の第１実施例をシリンダ略横側から見た構成図。 本発明の第１実施例の構成をエンジン上側から見た図。 本発明の第１実施例におけるインジェクタの断面図。 第１実施例のインジェクタのノズル付近の拡大断面図。 第１実施例における、アウターオリフィスプレートのノズル配置図。 第１実施例における、インナーオリフィスプレートのノズル配置図。 第１実施例の始動時または低負荷時における、噴霧可変機構の作動透視図。 第１実施例の低回転高負荷時における、噴霧可変機構の作動透視図。 第１実施例の高回転高負荷時における、噴霧可変機構の作動透視図。 第１実施例の始動時または低負荷時における、噴霧可変機構の駆動状態を示した図。 第１実施例の低回転高負荷時における、噴霧可変機構の駆動状態を示した図。 第１実施例の高回転高負荷時における、噴霧可変機構の駆動状態を示した図。 第１実施例における低負荷時の噴霧挙動を示した図。 従来の上向き噴霧で、スワールがない場合の噴霧挙動を示した図。 従来の上向き噴霧で、スワールの影響がある場合の噴霧挙動を示した図。 本発明における、スワールがある場合の上向き噴霧の挙動を示した図。 第１実施例における低回転高負荷時の噴霧挙動を示した図。 第１実施例における高回転高負荷時の噴霧挙動を示した図。 第１実施例における、同一燃圧でパルス幅を変えた場合の噴射燃料量の変化を示した図。 第１実施例における、同一パルス幅で燃圧を変えた場合の燃料噴射量の変化を示した図。 本発明の第２実施例における、インジェクタの主要部品の構成図。 第２実施例における燃料配管の断面図。 第２実施例の始動時または低負荷時における、噴霧可変機構の駆動状態を示した図。 第２実施例の低回転高負荷時における、噴霧可変機構の駆動状態を示した図。 第２実施例の高回転高負荷時における、噴霧可変機構の駆動状態を示した図。 本発明の第３実施例における、インジェクタの主要部品の構成図。 本発明において始動時に分割噴射を行った場合のシリンダ内混合気分布を示した図。 本発明と従来例との、成層運転における空燃比，燃料消費量，ＨＣおよびＮＯｘ排出量の比較、および均質時出力を比較した図。

以下本発明を実施するための形態を説明する。

図１から図２に、本発明の第１実施例におけるシステムの構成図を示す。図１は略横側から、図２はエンジン上方から見たものである。なお、本実施例では主として多気筒エンジンを想定しているが、以降の図では簡単のために１つのシリンダについて説明する。

図１，図２において、吸気管１０１は、シリンダ１１８の近くで仕切り板１０２によって上下に分割される。その上流部に吸気制御弁１０３が、吸気管１０１の下部側通路を閉塞できるように取り付けられている。

インジェクタ１２２は、シリンダ１１８内に直接燃料を噴射するように取り付けられている。

図１および図２の右下側より空気が吸入され、エアクリーナ１０６を通り、エアフローメータ１０５で流量を計測し、電子制御スロットルチャンバ１０４で流量を調節した後、コレクタ１１６で各気筒に分配される。その後、前述した吸気管１０１を通り、吸気弁１１１が開いた際にシリンダ１２３に流入する。シリンダ１２３で燃焼したガスは、排気弁１１２，排気管１１０，触媒１１５を通り、消音器１１７を通って大気中に排気される。

燃料噴射弁１２２の燃料噴射時期，点火プラグ１１３の点火時期，吸気制御弁１０３，電子制御スロットル１０４の開度は、エアフローメータ１０５で計測された吸入空気量や、アクセルペダルの開度、そしてエンジン水温，エンジン回転数，車速（いずれもその入力を行うセンサを図示していない）などの情報を元に、コンピュータ２０１によって最適な値および時期に設定および制御される。

通常走行時にエンジンが低負荷状態であると判断されると、コンピュータ２０１は、吸気制御弁１０３を、より最適なタンブル強度になるように開度制御する。本実施例では、低負荷時には吸気制御弁１０３は全閉に設定している。そして、圧縮行程後半、例えば上死点前４０度で燃料噴射を行う。

図３から図４に、本発明の第１実施例におけるインジェクタの構造図を示す。図３はインジェクタ全体の横断面における主要部品の配置図を、図４はオリフィス周辺の拡大断面図を示している。

図３および図４において、燃料１００はインジェクタ上部から供給される。インジェクタと燃料配管（図示しない）との接合部は、Ｏリング９とバックアップリング１０によってシールされる。燃料はコア１２，スプリング１１を通り、プランジャロッド８に開けられた穴を通った後、プランジャロッド８とインナーノズルホルダ５の間を通っている。

コンピュータ（図示しない）からの指令により、電極２０に電圧が印加されると、コイル１５が励磁され、ヨーク１４，コア１２の下にあるプランジャロッド８が、スプリング１１の反発力に打ち勝って引き上げられる。これにより、図４に詳細を示したように、燃料１００はプランジャロッド８の下部と、インナーオリフィスプレート２のすき間，アウターオリフィスプレート１に開けられた穴を通り、シリンダ内（図示しない）との圧力差により微粒化され、霧状になって噴射される。

インナーオリフィスプレート２は、インナーノズルホルダ４と一体化されており、さらに、図面上方向に可動ベーン６が一体化されている。また、アウターオリフィスプレート１は、アウターノズルホルダ３と一体化され、ハウジング１６に圧入されている。なお、燃焼室（図示しない）からのガスの吹き抜けを防止するため、チップシール５がアウターノズルホルダに取り付けられている。インナーノズルホルダ４の外面は、アウターノズルホルダ３の内面に接し、回転しゅう動が可能なように構成されている。

図５，図６に、第１実施例における、アウターオリフィスプレート１とインナーオリフィスプレート２の穴の配置を示す。これらはノズル方向、すなわち図３の下方より透視したものである。アウターオリフィスプレート１には、図面上部に３つの低リフト用上向きノズル１ａ，３つの小流量用オフセットノズル１ｂ、および３つの高リフト用上向きノズル１ｃが設けられている。低リフト用上向きノズル１ａおよびオフセットノズル１ｃは、プレート中心部からの距離が同一な円周上に配置されている。図面下部には、上向きノズル１ａと同じ円周上に３つの下向きノズル１ｄが設けられている。すなわち、計１２のノズルがアウターオリフィスプレート１上に存在する。

一方、インナーオリフィスプレート２には、アウターオリフィスプレート１と同様、図面上部に上向きノズル２ａと、高リフト用ノズル２ｃがそれぞれ３つずつ設けられている。また、図面下部には、略円周上に下向きノズル２ｄ１，２ｄ２が計６つ設けられており、計１２のノズルがインナーオリフィスプレート２上に存在する。対応するノズル穴１ａおよび１ｂに対して２ａ、１ｃに対して２ｃ、１ｄに対して２ｄ１と２ｄ２の各穴の中心位置は、アウターオリフィスプレート１とインナーオリフィスプレート２を組み合わせたとき、重なり合うように開けられている。

また、アウターオリフィスプレート１の小流量用オフセットノズル１ｂと、インナーオリフィスプレート２の上向きノズル２ａは他のノズルと異なり、図面に向かって右側の穴ほど大きなノズル径となっている。インナーオリフィスプレート２のノズル２ａ，２ｂ，２ｄ１および２ｄ２の穴径は、アウターオリフィスプレート１のノズル１ａ，１ｂ，１ｃおよび１ｄの穴径よりも小さくなっており、燃料１００がここを通る際には、まずノズル２ａ，２ｂ，２ｄ１，２ｄ２のいずれかで絞られたのち、１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄでさらに絞られるようになっている。

さらに、小流量用オフセットノズル１ｂは、吸気制御弁１０３を全閉してスワールの強い状態で使われることを想定しているため、噴霧の向きをあらかじめスワールによって流される量だけオフセットしている。上記については図１８で詳しく説明する。

図７から図９に、噴霧可変機構の作動の様子を示す。図７は始動時または低負荷時の状態を、図８は低回転高負荷時の運転、図９は高回転高負荷時の運転状態を表している。これらの図は、作動の様子を分かり易く示すために、主要部品を図３の上方側より透視図として表したものである。

図７はベーン回転各が時計回りに０°すなわち基準位置にある場合で、このとき、２つのオリフィスプレートの小流量用オフセットノズル１ｂと低リフト用上向きノズル２ａとが重なり、インジェクタからの噴霧は、水平方向から反時計回りに約２０°回転した上向き３本噴霧となる。図１６で後述するように、スワール１２０によって流される分だけあらかじめ噴霧方向がオフセットされているため、シリンダ等への付着が少なく、またプラグ周りに成層混合気を作りやすい噴霧とし、着火性やエミッション，燃費を改善することができる。図８はベーン回転角が時計回りに２０°の場合で、このとき、２つのオリフィスプレートの低リフト用上向きノズル１ａと２ａ，高負荷用ノズル１ｄと２ｄ２がそれぞれ重なり、インジェクタからの噴霧は比較的噴霧角の広い６本噴霧となる。図１７で後述するように、吸気弁１１１が低リフトのとき、これと干渉しない範囲で噴霧を上方向に向けることにより、混合気の均質性を改善することができる。

図９はベーン回転角が時計回りに４０°の位置にある場合で、このとき、２つのオリフィスプレートの高リフト用ノズル１ｃと２ｃ，下向きノズル１ｄと２ｄ１がそれぞれ重なり、インジェクタからの噴霧は、図７の場合よりも若干噴霧が上下方向につぶれた６本噴霧となる。図１８で後述するように、吸気弁１１１が高リフトのとき、上向き噴霧の方向をやや下方に向けることで、吸気行程に噴射を行う場合でも噴霧との干渉を防ぎながらできるだけ均質性を確保することができる。

図１０から図１２に、本発明の第１実施例における噴霧可変機構の駆動状態を示す。図１０は、図７で示した可動ベーン６の回転角が０°、すなわち基準位置の場合である。図３で説明したように、インナーオリフィスプレート２は可動ベーン６と一体になっている。可動ベーン６は１つのインジェクタに対して全部で４つ設けられており、固定ベーン７で挟まれた区画を回転移動することができる。それぞれの可動ベーン６にはベーンスプリング５０が取り付けられ、これが通常のばね長さのとき、図１０の基準位置になるように設定されている。

図１０の状態では、燃料通路５２の燃圧は筒内に直接噴射するインジェクタとしてはごく低く、一例としては５ＭＰａ以下である。このとき、ベーンスプリング５０のばね力が燃圧に対して強いため、可動ベーン６は回転することがなく、基準位置のままである。

このとき、図７で述べたようにインナーオリフィス２のオフセットされた３つのノズルから燃料が噴射され、主としてスワール１２０がついた低負荷時、または始動直後の冷機時に好適な噴霧となる。

図１１は、図８で示した可動ベーン６の回転角が２０°の場合である。このとき、燃圧は中程度、例えば１０ＭＰａ前後である。可動ベーン６，固定ベーン７に挟まれ、かつベーンスプリング５０が取り付けられた部分に燃料１００が流入し、ベーンスプリング５０のばね力と釣り合う位置、すなわち回転角２０°まで可動ベーンが回転する。このとき、図８で述べたように、インナーオリフィス２の回転により、上向きで広範囲の６本ノズルが選択され、主として低回転高負荷時で、吸気弁１１１のリフト量が小さい場合に好適な噴霧が形成される。

図１２は、図９で示した可動ベーン６の回転角が４０°の場合である。燃圧は高燃圧、例えば１５ＭＰａ程度に設定されている。可動ベーン６，固定ベーン７に挟まれ、かつベーンスプリング５０が取り付けられた部分に燃料１００が流入し、高燃圧のため、ばね力に打ち勝って可動ベーン６は４０°回転する。このとき、図９で述べたように、インナーオリフィス２の回転により、上向き噴霧がやや下方向にオフセットされた６本噴霧が選択され、主として高回転高負荷域で、吸気弁１１１のリフト量が大きい場合でも噴霧１２５と吸気弁１１１の干渉が小さく、付着を防いでかつ均質度を上げるのに好適な噴霧が形成される。

図１３に、第１の実施例における、低負荷時の噴霧挙動を示す。

低負荷時には、図７および図１０に示したように、インジェクタ１２２からの噴霧は上向きの３本噴霧となる。この噴霧が圧縮行程、例えば上死点前４０°前後で噴射されると、点火時期、例えば上死点前２５°前後で点火プラグ１１３の周りに濃混合気１２６を形成し、着火性を高めて良好な燃焼を行うことができる。このとき、ピストン１０７側や、インジェクタから見たシリンダ対向壁１３０側には噴霧が到達しないため、燃料の付着や異常燃焼を避けることができる。

またこのとき、吸気制御弁１０３は閉じられ、燃焼室内にはタンブルまたはスワール１２０が発生するが、図７で述べたように、噴霧をあらかじめ流動とは逆の方向にオフセットしているので、噴霧がタンブルまたはスワール１２０に流されてシリンダ１３０などに付着することを防止できる。

図１４から図１６に、従来例と本発明における噴霧の比較を示す。図１４および図１５は従来のオフセットされていない噴霧、図１６は本発明のオフセットされた噴霧の模式図を表している。図１４で、スワール１２０がない状態では、それぞれの上向き噴霧１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃはシリンダ１３０に付着したりすることがなく、噴霧１２５ａは点火プラグ１１３の近傍に滞留する、すなわち燃焼しやすい適正な噴霧貫通力を保っているが、図１５のようにスワール１２０がある状態では、右側の噴霧１２５ｂはスワール１２０がいわゆる追い風となり、噴霧貫通力が伸びてシリンダ壁１３０に到達してしまう。一方、向かって左側の噴霧１２５ｃはスワール１２０が向かい風となり、噴霧貫通力が弱くなって狙いどおりの場所に到達しなくなってしまう。さらに、上向きの中心噴霧１２５ａも、スワール１２０によって方向が曲げられてしまうため、点火プラグ１１３から外れてしまう。

図１６の本発明の上向き噴霧１２５はこの点を考慮してオフセットされており、さらに、右側噴霧１２５ｂはややビームの角度を広げて拡散させて噴霧貫通力を抑え、左側噴霧１２５ｃは逆にビームの広がり角を狭くして集中させ、噴霧貫通力を持たせている。これらの工夫により、図１４のスワールがない状態と同じように上向き噴霧１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃを分布させ、良好な着火性と燃焼性を維持し、さらにスワール１２０の流動効果により燃焼性を向上させることができる。

図１７に、第１の実施例における、低回転高負荷時のシリンダ内における噴霧挙動を示す。低回転高負荷時には、図８および図１１に示したように、インジェクタ１２２からの噴霧は、上向きと下向きに広い噴霧角を持つ６本噴霧となる。この噴霧が吸気行程、例えば上死点後６０°前後で噴射される。吸気行程であるので吸気弁１１１は開いているが、吸入空気の速度を増すためにリフト量が小さく設定されている。すなわち、図中のｄが小さい。このとき、上向き噴霧１２５と吸気弁１１１が干渉しない程度に噴霧を上向きにすることで、吸気弁１１１への付着を防ぎながら、点火プラグ１１３や、燃焼室の上側に混合気をまんべんなく分布させ、混合気１２５の均質性を高めて良好な燃焼を行うことができる。このとき、ピストン１０７側や、インジェクタから見たシリンダ対向壁１３０側には噴霧が到達しないため、燃料の付着や異常燃焼を避けることができる。

図１８に、第１の実施例における、高回転高負荷時のシリンダ内における噴霧挙動を示す。高回転高負荷時には、図９および図１２に示したように、インジェクタ１２２からの噴霧は、上向き噴霧がやや下方向に向けられ、低回転時よりもやや上下に狭い噴霧角を持つ６本噴霧となる。この噴霧が吸気行程、例えば上死点後６０°前後で噴射される。吸気行程であるので吸気弁１１１は開いており、高回転であるので短時間に多くの空気を吸入するため、リフト量は大きく設定されている。すなわち、図中のｄが大きい。

このとき、上向き噴霧１２５と吸気弁１１１が干渉しないよう、上向き噴霧を下向きにオフセットさせる。このようにして、吸気弁１１１への付着を防ぎながら燃焼室全体に混合気１２５をまんべんなく分布させ、均質性を高めて良好な燃焼を行うことができる。

図１９に第１実施例における、同一燃圧でパルス幅を変えた場合の噴射燃料量の変化を、図２０に第１実施例における、同一パルス幅で燃圧を変えた場合の燃料噴射量の変化をそれぞれ示す。図１９中には、第１実施例と、噴口数が固定である従来型インジェクタの、同一パルス幅における変化を示した。

ノズル断面積が一定の場合、燃料噴射量は、ほぼ燃圧の１／２乗に比例する。通常、インジェクタは、パルス幅と燃料流量の関係が直線的である領域で使用されるが、パルス幅が小さくなると、ある値以下では弁挙動の時間遅れの影響などにより、直線性が保てなくなる。この最小値を最小噴射量（Ｑmin）と呼ぶ。噴霧の微粒化，貫通力の適正値を考慮すると、燃圧にも最低値が存在し、最低燃圧，最小パルス幅以下の燃料は安定して噴射することができない。ここで、低燃圧時には上向きの３本ノズルからの噴射となるので、図１７に示すように、パルス幅に対する燃料量の傾きを従来型よりも緩やかに、半分程度にすることができ、よって、第１実施例の最小噴射量Ｑmin２と、従来例の最小噴射量Ｑmin１を比較すると、Ｑmin２はＱmin１の約半分にできる。これにより、少量噴射の場合の制御性を向上し、分割噴射等で１回の噴射量が小さい場合にも対応することができる。さらに高燃圧時には、従来例と同様の６本噴霧として噴射量を確保でき、高出力の要求に対応することができる。

図２１および図２２に、本発明の第２実施例におけるインジェクタの横断面における主要部品の構成図、および燃料配管の図を示す。インジェクタの噴射に関する機構は第１実施例と略同じであり説明を省略する。本実施例では、燃料の供給通路を上下に分け、図２２の断面で示した上側通路５２と下側通路５３としている。インジェクタ１２２の内部では、上側通路５２からの燃料はスプリング１１のある中心部を通り、下側通路５３からの燃料は二重構造になった燃料通路の外側を通り、コア１２，プランジャロッド８を経てそれぞれ可動ベーン６で仕切られた部分に到達する。上側燃料通路５２および下側燃料通路５３の途中には図２３以降に図示される切り替え弁が設けられており、上側または下側のどちらか、あるいは両方の燃料通路から燃料を供給するかを選択することができる。

図２３から図２５に、第２実施例における噴霧可変機構の駆動状態を示す。

可動ベーンの向かって左方向にはベーンスプリング５０が、右方向にはベーンスプリング５１があり、それぞれ、燃料通路５２と５３からの燃料が到達するように構成されている。

図２３は可動ベーン６の回転角が０°すなわち基準位置の場合である。このとき、燃料は切り替え弁５４により、下側の燃料通路５３から供給される。供給された燃料の圧力は、ベーンスプリング５０を縮め、ベーンスプリング５１を伸ばす方向に働き、可動ベーン６およびインナーオリフィス２は図示した角度に固定され、噴霧は第１実施例の図７で説明したように、スワール１２０とは逆向きにオフセットされた３本噴霧となる。

図２４は可動ベーン６の回転角が２０°の場合である。このとき、切り替え弁５４により、上側燃料通路５２と下側燃料通路５３の双方から燃料が供給される。可動ベーン６には左右から同一の燃圧がかかるため、左側ベーンスプリング５０と右側ベーンスプリング５１が釣り合う位置、すなわち図示した位置で固定され、噴霧は図８で説明したような上向きに広い噴霧角を持つ６本噴霧となる。

図２５は可動ベーン６の回転角が４０°の場合である。切り替え弁５４により、上側燃料通路５４から燃料が流入する。このとき、左側ベーンスプリング５０が伸び、右側ベーンスプリングが縮む方向に燃料圧力がかかり、可動ベーン６およびインナーオリフィス２は図示した位置に固定される。このとき、噴霧は図９で説明したような、上向き噴霧が吸気弁１１１の干渉を避けてやや下側にオフセットし、上下方向の噴霧角が扁平な６本噴霧となる。

本実施例は、第１実施例と異なり、燃圧の絶対値ではなく、切り替え弁５４の作動により、可動ベーン６およびインナーオリフィス２の回転角度を変えることができ、燃圧の大きさに制限されずに、燃焼室内のスワール１２０の強さや、バルブのリフト量に応じて適切な噴霧形状を選択することができる。

図２６に、本発明の第３実施例を示す。第１実施例に対し、ハウジング１６と、インジェクタ駆動用コイル１５の間に、インナーノズルホルダ２回転用のステッピングモータコイル４０と、可動軸４１を設ける。成層運転状態か、均質運転状態かをコンピュータ（図示しない）がエンジン回転数，要求トルクより判断し、ステッピングモータ軸４１の回転量を決定する。インナーノズルホルダの回転により、ノズル数が変わる機構については第１および第２実施例と同じであり省略する。この実施例を用いると、燃圧によらずに噴霧形状を選ぶことができ、燃焼設計の自由度を向上させることができる。

図２７に、本発明において始動時に分割噴射を行った場合のシリンダ内混合気分布を示す。この図では、圧縮行程において１回、図示のような膨張行程において１回、計２回の噴射を行っている。燃圧は低く、噴霧１２５は上向きノズル１ａからの３本噴霧である。圧縮行程噴射により、点火プラグ１１３の近傍に可燃性混合気１２１が形成される。その後に膨張行程にて燃料を噴射し、略同時に点火を行う。２回の燃料噴射の合計空燃比は１６前後とする。これにより、２度目に噴射した燃料を後燃えさせ、触媒暖機前でも未燃炭化水素（ＨＣ）の減少と、触媒の早期昇温を同時に行うことができる。

図２８に本発明と従来との比較を示す。従来例に比べて確実かつ良好な成層燃焼を行えるので、空燃比を薄くできる。そのため、ポンピングロスを減らし、燃料消費量を少なく抑えることができる。さらに、始動時にピストン１０７やシリンダ壁１３０への燃料付着を抑えられるので、ＨＣ排出量も低くすることができる。さらにエンジン始動直後などの冷機時に２回噴射による後燃えを行うことで、触媒を早期に暖機し、モード運転におけるＨＣやＮＯｘの排出を抑えることが可能である。また、均質時の空気利用率を高めたり、吸気行程で分割噴射を行うことにより、最大トルクを上げて高出力のエンジンとすることができる。

なお、今回の実施例では６本と３本の噴霧形状を選択できるインジェクタで説明したが、本発明の範囲は必ずしもこれらの噴霧の本数に限定されるものではなく、例えば、上向きノズル１本，下向きノズル５本などの構成も発明で意図した範囲に含まれる。

また、今回の構成では可変できる噴霧のパターンを３種類としたが、オリフィスの数やベーンの可動範囲を調整することにより、同一の構成で２種類または４種類以上の可変パターンを持つことが可能であり、これらも本発明で意図する範囲に含まれる。

さらに例えば、単孔のスワールタイプのインジェクタ、またはスリットノズルタイプの噴口を持つインジェクタであっても、２つまたはそれ以上に重ねたオリフィスプレートが移動することにより、ノズルの一部もしくは全体を隠し、噴霧の形状を変える構成であれば明らかに本発明の範囲に含まれるものである。

本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、点火プラグを有するエンジンであれば、自動車用のみならず幅広い機器の動力源として応用が可能と考えられる。

１ アウターオリフィスプレート
１ａ，２ａ 上向きノズル
１ｃ，２ｃ オフセットノズル
１ｄ，２ｄ１，２ｄ２ 下向きノズル
２ インナーオリフィスプレート
３ アウターノズルホルダ
４ インナーノズルホルダ
５ チップシール
６ 可動ベーン
７ 固定ベーン
８ プランジャ
９ Ｏリング
１０ バックアップリング
１１，２１ スプリング
１２ コア
１３ 樹脂モールド
１４ ヨーク
１５ 駆動用コイル
１６ ハウジング
２０ 電極
２２ ベーンすき間
４０ ステッピングモータコイル
４１ 可動軸
５０ 左側ベーンスプリング
５１ 右側ベーンスプリング
５２ 上側燃料通路
５３ 下側燃料通路
５４ 切り替え弁
５５ インジェクタボス
１００ 燃料
１０１ 吸気管
１０２ 仕切り板
１０３ 吸気制御弁
１０４ 電子制御スロットルチャンバ
１０５ エアフローメータ
１０６ エアクリーナ
１０７ ピストン
１１０ 排気管
１１１ 吸気弁
１１２ 排気弁
１１３ 点火プラグ
１１５ 三元触媒
１１６ コレクタ
１１７ 消音器
１１８ シリンダ
１２０ タンブルまたはスワール
１２１ 混合気
１２２ インジェクタ
１２５ 噴霧
１２５ａ 上向きプラグ方向噴霧
１２５ｂ 上向き右側噴霧
１２５ｃ 上向き左側噴霧
１３０ シリンダ対向壁
２０１ コンピュータ

Claims (6)

1. 燃料をシリンダ内にインジェクタにより直接噴射する内燃機関の制御方法において、
   前記内燃機関は、前記インジェクタの噴孔形状と燃料を噴孔数と噴孔の断面積と噴孔方向とのうち、いずれか１つ以上を変化させることにより噴霧形状を変更する機構と、
   シリンダ内に空気流動からなる旋回流を発生させるための機構を備えており、
   前記旋回流の流速ベクトルを打ち消す方向に噴霧形状を変更することを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. 前記噴霧形状を変更する機構が、主として燃料の圧力によって駆動かつ制御されることを特徴とする請求項１記載の制御方法。
3. 前記内燃機関は、二つに分割された燃料供給系統を備えており、
   前記噴霧形状を変更する機構が、主として前記分割された二つの燃料供給系統の差圧により駆動および制御されることを特徴とする請求項１記載の制御方法。
4. 前記噴霧形状を変更する機構が、主としてコイルからの電磁気力によって駆動および制御されることを特徴とする請求項１記載の制御方法。
5. 燃料をシリンダ内に直接噴射する機構を備え、
   燃料噴射ノズルの可変機構と、
   吸気弁のリフト量，作動角を可変できる機構とを備える内燃機関の制御方法において、
   吸気弁のリフト量の大きさに対応して、噴霧と吸気弁、または噴霧と吸気流との干渉が小さくなるように噴霧の方向、または噴霧の貫通力を変え、燃焼室壁面などへの燃料付着を防止するように構成したことを特徴とする制御方法。
6. 燃料をシリンダ内に直接噴射する機構を備えた内燃機関において、
   前記内燃機関は一つ以上複数の燃料噴射ノズルを備えた燃料噴射弁と、
   燃焼室内にスワールなどの空気流動を発生させるための機構を備えており、
   複数のノズルの方向をあらかじめスワール回転方向に対してシリンダの中心からオフセットして配置したことを特徴とする内燃機関。

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