JP2018003752A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】シリンダ壁面への燃料の付着を抑えつつ、燃料噴霧への着火性を向上させて燃焼の安定化をはかる。
【解決手段】燃焼室の上面視で、第１の噴孔により形成される第１の燃料噴霧ＦＳ１と、第２の噴孔により形成される第２の燃料噴霧ＦＳ２とが点火プラグの電極部を挟み、第１の燃料噴霧の外郭面の外側で且つ第２の燃料噴霧の外郭面の外側に電極部が位置するように燃料噴射弁を構成する。第１の燃料噴霧ＦＳ１の中心線と鉛直線とがなす角度である第１の噴射角度と、第２の燃料噴霧ＦＳ２の中心線と鉛直線とがなす角度である第２の噴射角度とは、他の噴孔により形成される燃料噴霧の中心線と前記鉛直線とがなす角度よりも大きくする。そして、電極部３４から第２の燃料噴霧ＦＳ２の外郭面までの距離が電極部３４から第１の燃料噴霧ＦＳ１の外郭面までの距離よりも大きくなるように、第２の噴射角度を第１の噴射角度よりも小さくする。
【選択図】図６

Description

この発明は内燃機関に関し、詳しくは、燃焼室の天井部に燃料噴射弁と点火プラグとが配置される内燃機関に関する。
特開２０１１−１１７３５６号公報には、燃焼室の天井部に燃料噴射弁と点火プラグとを並んで配置し、燃料噴射弁から燃料を噴射したときに発生する引き込み気流を放電ギャップに作用させるように構成された内燃機関が開示されている。この内燃機関では、同公報の図７に描かれているように、燃料噴射弁から点火プラグに向けて、点火プラグの電極部を挟むように２本の燃料噴霧が形成される。
特開２０１１−１１７３５６号公報 国際公開第２０１３／００８６９２号
上記公報に開示された内燃機関では、燃焼室の天井部の中央付近から斜め下方に向けて放射状に燃料が噴射されている。燃料噴霧による誘引効果を高めるためには、燃料噴霧が電極部に近づくように燃料の噴射角度（燃焼室の中心線と平行で燃料噴射弁の先端を通る直線を鉛直線に一致させた場合、燃料噴霧の中心線と鉛直線とがなす角度）は大きくしたい。しかし、燃料の噴射角度が大きくなると、燃料噴霧はシリンダ壁面に向かうようになり、シリンダ壁面に付着する燃料の量が増大する。これは、燃料によるオイル希釈を加速させる原因となり、また、排出粒子数（ＰＮ）を増大させる原因にもなる。
また、上記公報に開示された内燃機関では、点火プラグの電極部を挟む２本の燃料噴霧は、その外郭面から電極部までの距離が略等距離になっている。この場合、電極部で発生した放電火花や初期火炎を誘引する効果は２本の燃料噴霧で略均等になる。このため、放電火花や初期火炎の誘引方向が定まらず、誘引方向がばらつくことで、燃料噴霧への着火性が低下して燃焼が不安定となるおそれがある。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼室の天井部に燃料噴射弁と点火プラグとが配置される内燃機関において、シリンダ壁面への燃料の付着を抑えつつ、着火性を向上させて燃焼の安定化をはかることにある。
本発明に係る内燃機関は、燃焼室の天井部に配置され、第１の噴孔と第２の噴孔とを含む少なくとも３つ以上の複数の噴孔を備える燃料噴射弁と、燃焼室の天井部に配置された点火プラグと、を備える。
燃料噴射弁は、燃焼室の中心線と平行で燃料噴射弁の先端を通る直線を鉛直線に一致させた場合、複数の噴孔により形成される燃料噴霧のそれぞれが斜め下方に向かうように構成される。また、燃料噴射弁は、燃焼室の上面視で、複数の噴孔により形成される燃料噴霧のそれぞれが互いに異なる方向に向かい、且つ、第１の噴孔により形成される第１の燃料噴霧と、第２の噴孔により形成される第２の燃料噴霧とが点火プラグの電極部を挟むように構成される。また、燃料噴射弁は、第１の燃料噴霧の外郭面の外側で且つ第２の燃料噴霧の外郭面の外側に電極部が位置するように構成される。燃料噴射弁は、さらに、第１の燃料噴霧の中心線と鉛直線とがなす角度である第１の噴射角度と、第２の燃料噴霧の中心線と鉛直線とがなす角度である第２の噴射角度とを、他の噴孔により形成される燃料噴霧の中心線と鉛直線とがなす角度よりも大きく構成される。
本発明の一つの実施の形態では、燃料噴射弁は、さらに、電極部から第２の燃料噴霧の外郭面までの距離が電極部から第１の燃料噴霧の外郭面までの距離よりも大きくなるように、第２の噴射角度を第１の噴射角度よりも小さく構成される。この実施の形態において、燃料噴射弁は、さらに、燃焼室の上面視で、第２の燃料噴霧の中心線と燃料噴射弁の先端と電極部とを結ぶ直線とがなす角度を、第１の燃料噴霧の中心線と燃料噴射弁の先端と電極部とを結ぶ直線とがなす角度よりも小さく構成されてもよい。
本発明の別の実施の形態では、燃料噴射弁は、さらに、第２の燃料噴霧の流量が第１の燃料噴霧の流量よりも小さくなるように、第２の噴孔の径を第１の噴孔の径よりも小さく構成される。
本発明に係る内燃機関によれば、第１の噴孔により形成される第１の燃料噴霧と、第２の噴孔により形成される第２の燃料噴霧とのそれぞれの噴射角度を他の噴孔により形成される燃料噴霧の噴射角度よりも大きくしたことで、点火プラグの電極部からそれを挟む２つの燃料噴霧の外郭面までの距離を縮めることができる。これにより、電極部の周辺雰囲気の当量比を高めることができ、着火性の向上を図ることができる。また、電極部に直接作用しない燃料噴霧の噴射角度は大きくしないで済むので、シリンダ壁面への燃料の付着は抑えられる。
さらに、本発明の一つの実施の形態によれば、第２の噴射角度を第１の噴射角度よりも小さくし、電極部から第２の燃料噴霧の外郭面までの距離を電極部から第１の燃料噴霧の外郭面までの距離よりも大きくしたことで、第２の燃料噴霧の誘引作用を相対的に小さくし、第１の燃料噴霧に放電火花や初期火炎を誘引させることができる。誘引方向が第１の燃料噴霧の方向に定まることで、燃料噴霧への着火性がさらに向上し、燃焼を安定化することができる。また、第２の燃料噴霧は第１の燃料噴霧よりも下方に向かうようになるので、シリンダ壁面への燃料の付着をさらに抑えることができる。
また、本発明の別の実施の形態によれば、第２の噴孔の径を第１の噴孔の径よりも小さくし、第２の燃料噴霧の流量を第１の燃料噴霧の流量よりも小さくしたことで、第２の燃料噴霧の誘引作用を相対的に小さくし、第１の燃料噴霧に放電火花や初期火炎を誘引させることができる。誘引方向が第１の燃料噴霧の方向に定まることで、燃料噴霧への着火性がさらに向上し、燃焼を安定化することができる。また、第２の燃料噴霧の到達距離は第１の燃料噴霧の到達距離よりも短くなるので、シリンダ壁面への燃料の付着をさらに抑えることができる。
本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。 触媒暖機制御中の燃料噴射弁の噴射期間と点火プラグの放電期間を示す図である。 触媒暖機制御中の内燃機関の動作と筒内状態とを模式的に示す図である。 実施の形態１における燃料噴霧と点火プラグの電極部との位置関係を示す燃焼室の模式的な上面図である。 実施の形態１における燃料噴霧の噴射角度を示す燃焼室の模式的な側面図である。 実施の形態１における燃料噴霧と電極部との位置関係を示す図４の円弧Ａ−Ａに沿った模式的な断面図である。 点火プラグに近接する燃料噴霧の噴射角度と燃焼安定性との関係を示す図である。 点火プラグに近接する燃料噴霧の噴射角度と燃料付着量との関係を示す図である。 実施の形態１の変形例における燃料噴霧と点火プラグの電極部との位置関係を示す燃焼室の模式的な上面図である 実施の形態１の変形例における燃料噴霧と電極部との位置関係を示す図９の円弧Ｂ−Ｂに沿った模式的な断面図である。 実施の形態２における燃料噴霧と点火プラグの電極部との位置関係を示す燃焼室の模式的な上面図である。 実施の形態２における燃料噴霧と電極部との位置関係を示す図１１の円弧Ｃ−Ｃに沿った模式的な断面図である。 点火プラグに近接する燃料噴霧の噴孔径と燃焼安定性との関係を示す図である。 点火プラグに近接する燃料噴霧の噴孔径と燃料付着量との関係を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、車両に搭載される内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は４ストローク１サイクルエンジンであり、複数の気筒を有している。ただし、図１には、そのうちの１つのシリンダ１２のみが描かれている。内燃機関１０は、シリンダ１２が形成されたシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４上に配置されるシリンダヘッド１６と、を有している。シリンダ１２内にはその軸方向に往復動するピストン１８が配置されている。内燃機関１０の燃焼室２０は、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド１６の下面（燃焼室２０の天井面に当たる）と、ピストン１８の上面と、によって画定されている。
シリンダヘッド１６には、燃焼室２０に連通する吸気ポート２２および排気ポート２４が２つずつ形成されている。吸気ポート２２の燃焼室２０に連通する開口部には吸気バルブ２６が設けられ、排気ポート２４の燃焼室２０に連通する開口部には排気バルブ２８が設けられている。また、燃焼室２０の天井部の中央よりもやや排気バルブ２８の側の位置には、点火プラグ３２が設けられている。点火プラグ３２は、中心電極と接地電極とからなる電極部３４を先端に備えている。
また、燃焼室２０の天井部の中央付近であって、点火プラグ３２が設けられた箇所よりも吸気バルブ２６の側の位置には、先端が燃焼室２０を臨むように燃料噴射弁３０が設けられている。ただし、燃料噴射弁３０の位置は、燃焼室２０の天井部の中央でもよい。燃料噴射弁３０は、燃料タンク、デリバリパイプ、サプライポンプ等から構成される燃料供給系に接続され、一定圧に調整された高圧の燃料が供給されている。燃料噴射弁３０の先端には複数の噴孔が形成されている。燃料噴射弁３０を開弁すると、これらの噴孔から燃料が放射状に噴射され、燃料噴射弁３０の先端から斜め下方に向かって延びる複数の燃料噴霧ＦＳが形成される。複数の燃料噴霧ＦＳのうち、点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧の外郭面の外側に点火プラグ３２の電極部３４が位置するように、燃料噴射弁３０の噴孔の向きが調整されている。なお、燃料噴射弁３０の詳細、特に、噴孔の位置や燃料噴霧ＦＳの向き等についての詳細は追って説明する。
吸気ポート２２は、吸気通路側の入口から燃焼室２０に向けてほぼ真っ直ぐに延び、燃焼室２０との接続部分であるスロート３６において流路断面積が絞られている。吸気ポート２２のこのような形状は、吸気ポート２２から燃焼室２０に供給された吸気にタンブル流ＴＦを生じさせる。タンブル流ＴＦは、燃焼室２０の天井部では吸気ポート２２側から排気ポート２４側に向かうように、燃焼室２０内を旋回する。ゆえに、点火プラグ３２は、燃焼室２０内に形成されるタンブル流の流れ方向において燃料噴射弁３０より下流に位置している。燃焼室２０の下部を形成するピストン１８の上面には、タンブル流ＴＦを保持するための凹みが形成されている。
また、図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えている。ＥＣＵ４０は、車両に搭載された各種センサの信号を取り込み処理する。各種センサには、燃焼室２０の天井部に設けられた筒内圧センサ４２と、ピストン１８に接続されたクランク軸の回転角度を計測するためのクランク角センサ４４と、内燃機関１０の冷却水温を計測するための温度センサ４６等が含まれている。ＥＣＵ４０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従って各種アクチュエータを操作する。ＥＣＵ４０によって操作されるアクチュエータには、上述した燃料噴射弁３０と点火プラグ３２とが少なくとも含まれている。
［触媒暖機制御についての説明］
本実施の形態では、図１に示したＥＣＵ４０による内燃機関１０の制御として、排気浄化触媒の活性化を促進する制御（以下「触媒暖機制御」という。）が行われる。排気浄化触媒は、内燃機関１０の排気通路に設けられる触媒であり、一例として、三元触媒が挙げられる。
まず、触媒暖機制御の概要について、図１とともに図２を参照して説明する。図２には、触媒暖機制御中の燃料噴射弁３０の噴射期間と点火プラグ３２の放電期間が示されている。図２に示すように、触媒暖機制御では、例えば、主噴射である吸気行程噴射に膨張行程噴射を組み合わせた燃料噴射パターンが採用される。吸気行程噴射で噴射された燃料は、燃料噴射時期から点火時期までに十分な時間が確保されているため、タンブル流によって燃焼室２０内に広く拡散していく。これにより、燃焼室内には、燃料濃度が均質な混合気が生成される。なお、膨張行程噴射も含めた全燃料による空燃比が理論空燃比になるように各行程での燃料噴射量が決められるため、吸気行程噴射によって生成された混合気の空燃比は理論空燃比よりもややリーンとなっている。
また、図２に示すように、触媒暖機制御中は、点火プラグ３２の放電期間が圧縮上死点よりも遅角側に設定されている。つまり、触媒暖機制御中は、膨張行程での点火（以下、「膨張行程点火」ともいう）が行われる。膨張行程点火を行うのは排気温度を上昇させるためである。そして、点火プラグ３２の放電期間中に膨張行程噴射が行われる。より詳細に述べると、点火プラグ３２の放電の開始時期よりも後に膨張行程噴射が開始され、放電の終了時期よりも先に膨張行程噴射が終了する。ただし、放電の開始時期は膨張行程噴射の開始時期と一致していてもよいし後でもよい。少なくとも膨張行程噴射の終了前に放電が開始されていればよい。放電期間中に膨張行程噴射を行うのは、誘引作用によって膨張行程噴射による燃料を確実に燃焼させるためである。なお、放電の終了時期は膨張行程噴射の終了時期と一致していてもよい。
次に、触媒暖機制御の詳細とその作用について、図３を参照して説明する。図３には、触媒暖機制御中の内燃機関１０の動作と筒内状態とが模式的に示されている。図３の上段には、膨張行程点火の開始直後の筒内状態が描かれ、図３の中段には、膨張行程噴射の開始直後の筒内状態が描かれ、そして、図３の下段には、膨張行程噴射後の筒内状態が描かれている。なお、説明の便宜上、図３には膨張行程噴射による燃料噴霧のうち、点火プラグ３２の電極部３４に最も近づく燃料噴霧ＦＳのみを示す。
膨張行程点火が実行されるときには、吸気行程噴射による燃料噴霧が拡散してできた、理論空燃比よりもややリーンな混合気が生成されている。このリーン空燃比雰囲気で放電が行われると、図３の上段に示すように、電極部３４から伸びる放電火花ＤＳが混合気に着火し、初期火炎ＩＦが発生する。続いて、図３の中段に示すように、膨張行程噴射によって燃料噴射弁３０から燃料が噴射されると、燃料噴霧ＦＳにより発生するコアンダ効果によって、放電火花ＤＳと初期火炎ＩＦは燃料噴霧ＦＳの方向に誘引される。燃料噴霧ＦＳに誘引された初期火炎ＩＦは、膨張行程噴射による燃料噴霧ＦＳを巻き込んで成長する。膨張行程噴射が行われることで、図３の下段に示すように、燃焼室２０内には燃料濃度が高く且つ乱れの大きい混合気の層ＭＬができている。誘引された初期火炎ＩＦがこの混合気の層ＭＬまで到達することで、火炎は一気に成長して燃焼は急速に進行する。
以上、何れの実施の形態にも共通するシステム構成とＥＣＵ４０により行われる触媒暖機制御について説明した。以下では、実施の形態ごとの特徴的な構成とその作用効果について図１とともに図４−図１４を用いて説明する。
［実施の形態１の特徴的構成についての説明］
図４は、実施の形態１における燃料噴霧と点火プラグの電極部との位置関係を示す燃焼室の模式的な上面図である。燃料噴射弁３０の先端には、複数の噴孔が形成されている。形成される噴孔の数は少なくとも３つであり、一例として図４では６つの噴孔３０１−３０６が形成されている。各噴孔３０１−３０６の位置は、それら噴孔３０１−３０６により形成される燃料噴霧ＦＳ１−ＦＳ６のそれぞれが互いに異なる方向に向かい、且つ、第１の噴孔３０１により形成される第１の燃料噴霧ＦＳ１と、第２の噴孔３０２により形成される第２の燃料噴霧ＦＳ２とが点火プラグの電極部３４を挟むように調整されている。また、実施の形態１においては噴孔３０１−３０６の孔径は同一径とされ、燃料噴霧ＦＳ１−ＦＳ６の噴霧長は略同一長さになっている。より詳しくは、燃料噴射弁３０の先端と電極部３４とを通る直線に関し、第１の燃料噴霧ＦＳ１と第２の燃料噴霧ＦＳ２とは略線対称とされ、第６の燃料噴霧ＦＳ６と第３の燃料噴霧ＦＳ３とは略線対称とされ、第４の燃料噴霧ＦＳ４と第５の燃料噴霧ＦＳ５とは略線対称とされている。
図５は、実施の形態１における燃料噴霧の噴射角度を示す燃焼室の模式的な側面図である。詳しくは、燃焼室の中心線と平行で燃料噴射弁３０の先端を通る直線を回転軸にして、各噴孔により形成される燃料噴霧ＦＳ１−ＦＳ６を同一平面上に回転投影した図である。この図に示すように、燃焼室の中心線と平行で燃料噴射弁３０の先端を通る直線を鉛直線ＶＬに一致させた場合、各噴孔により形成される燃料噴霧ＦＳ１−ＦＳ６のそれぞれは斜め下方に向かう。
ここで、第１の燃料噴霧ＦＳ１の中心線ＣＬ１と鉛直線ＶＬとがなす角度θｓ１を、第１の燃料噴霧ＦＳ１の噴射角度（第１の噴射角度ともいう）と定義する。また、第２の燃料噴霧ＦＳ２の中心線ＣＬ２と鉛直線ＶＬとがなす角度θｓ２を、第２の燃料噴霧ＦＳ２の噴射角度（第２の噴射角度ともいう）と定義する。第１の燃料噴霧ＦＳ１と第２の燃料噴霧ＦＳ２は、図４に示した通り、燃焼室の上面視において点火プラグの電極部３４を両側から挟む燃料噴霧である。第１の噴射角度θｓ１と第２の噴射角度θｓ２は、他の燃料噴霧ＦＳ３−ＦＳ６の中心線ＣＬｎと鉛直線ＶＬとがなす角度θｓｎよりも大きくされている。つまり、第１及び第２の燃料噴霧ＦＳ１，ＦＳ２は、他の燃料噴霧ＦＳ３−ＦＳ６よりも上向きに噴射される。なお、図５では、４つの燃料噴霧ＦＳ３−ＦＳ６の噴射角度が全ての同一の角度θｓｎとなっているが、これは便宜上そのように図示しているだけのことであり、実際には燃料噴霧ＦＳ３−ＦＳ６間で噴射角度に違いがある。ただし、燃料噴霧ＦＳ３−ＦＳ６の噴射角度は、そのうちの最大のものでも、第１の噴射角度θｓ１と第２の噴射角度θｓ２よりは小さい角度に設定されている。
第１の噴射角度θｓ１と第２の噴射角度θｓ２との比較では、第２の噴射角度θｓ２のほうが第１の噴射角度θｓ１よりも小さい。ここで、図６は、図４の円弧Ａ-Ａに沿った模式的な断面図である。燃料噴射弁３０の先端と電極部３４とを通る直線に関して第１の燃料噴霧ＦＳ１と第２の燃料噴霧ＦＳ２とは略線対称であるため（図４参照）、第２の噴射角度θｓ２が第１の噴射角度θｓ１より小さくされることで、電極部３４から第２の燃料噴霧ＦＳ２の外郭面までの距離は、電極部３４から第１の燃料噴霧ＦＳ１の外郭面までの距離よりも大きくなる。なお、電極部３４から第１の燃料噴霧ＦＳ１の外郭面までの距離とは、厳密には、第１の燃料噴霧ＦＳ１の中心線に垂直で、且つ、電極部３４の中心を通る平面上での最短距離を意味する。同様に、電極部３４から第２の燃料噴霧ＦＳ２の外郭面までの距離とは、厳密には、第２の燃料噴霧ＦＳ２の中心線に垂直で、且つ、電極部３４の中心を通る平面上での最短距離を意味する。
燃料噴霧のコアンダ効果によって発生し、放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦを燃料噴霧に誘引する引き込み気流は、電極部３４から燃料噴霧の外郭面までの距離が小さいほど大きくなる。ゆえに、第２の噴射角度θｓ２を第１の噴射角度θｓ１よりも小さくし、電極部３４から第２の燃料噴霧ＦＳ２の外郭面までの距離を電極部３４から第１の燃料噴霧ＦＳ１の外郭面までの距離よりも大きくしたことで、第２の燃料噴霧の誘引作用を相対的に小さくし、第１の燃料噴霧ＦＳ１に放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦを誘引させることができる。
放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦの誘引方向が第１の燃料噴霧ＦＳ１の方向に定まることで、燃料噴霧への着火性が向上し、燃焼を安定化することができる。また、第２の噴射角度θｓ２を第１の噴射角度θｓ１よりも小さくしたことで、第２の燃料噴霧ＦＳ２は第１の燃料噴霧ＦＳ１よりも下方に向かうようになるので、シリンダ壁面への燃料の付着を抑えることができるという効果も得られる。
なお、図５に示した通り、第２の燃料噴霧ＦＳ２の噴射角度θｓ２は、第１の燃料噴霧ＦＳ１の噴射角度θｓ１よりも小さいが、その他の燃料噴霧ＦＳ３−ＦＳ６の噴射角度θｓｎよりは大きく設定されている。これは、電極部３４の周囲雰囲気の当量比を高めて着火性を良くするためである。電極部３４の周囲雰囲気の当量比を決めるのは、第１の燃料噴霧ＦＳ１と第２の燃料噴霧ＦＳ２であるので、第２の燃料噴霧ＦＳ２が電極部３４から遠ざかるほど電極部３４の周囲雰囲気の当量比は小さくなり、着火性は低下してしまう。一方、第２の燃料噴霧ＦＳ２を電極部３４に近づけ過ぎても、第１の燃料噴霧ＦＳ１と第２の燃料噴霧ＦＳ２との間で放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦの誘引方向が定まらなくなり、かえって着火性は低下してしまう。ゆえに、実施の形態１では、電極部３４の周囲雰囲気の当量比をある程度高く維持しながら、放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦの誘引方向のばらつきを抑えるべく、第２の燃料噴霧ＦＳ２の噴射角度θｓ２を上記の通り設定しているのである。
ここで、図７は、第２の燃料噴霧ＦＳ２の噴射角度θｓ２と燃焼安定性との関係を示す図である。噴射角度θｓ２がある一定の角度以上になるまでは、噴射角度θｓ２が大きくなるほど、燃焼安定性は向上する。これは、第２の燃料噴霧ＦＳが点火プラグの電極部３４に近づくことによって、誘引効果が増大するともに、電極部３４の周囲雰囲気の当量比が大きくなるからである。しかし、噴射角度θｓ２がある一定の角度以上になると、前述のとおり、第１の燃料噴霧ＦＳ１と第２の燃料噴霧ＦＳ２との間で誘引方向のばらつきが生じる。このため、噴射角度θｓ２をさらに大きくして第１の燃料噴霧ＦＳ１の噴射角度θｓ１に近づけたとしても、燃焼安定性はそれ以上良くならないか、かえって低下してしまうことになる。なお、燃焼安定性が低下するとは、燃焼変動率が大きくなることを意味する。燃焼変動率は、例えば、図示平均有効圧の標準偏差の平均に対する比率と定義することができる。
図８は、第２の燃料噴霧ＦＳ２の噴射角度θｓ２と燃料付着量との関係を示す図である。ここでいう燃料付着量とは、シリンダ壁面に付着する燃料とピストンに付着する燃料との合計量を意味する。第２の燃料噴霧ＦＳ２によるシリンダ壁面の燃料付着量は、噴射角度θｓ２を小さくするほど小さくなっていく。その一方で、噴射角度θｓ２を小さくするほど、ピストンの燃料付着量が大きくなっていく。結果、合計の燃料付着量は、第２の燃料噴霧ＦＳ２の噴射角度θｓ２に対して二次関数的に変化することになる。
第２の燃料噴霧ＦＳ２の噴射角度θｓ２は、詳しくは、上記のような燃焼安定性に関する考察と燃料付着量に関する考察とに基づいて決定されている。
［実施の形態１の変形例の特徴的構成についての説明］
実施の形態１は、次のように変形して実施してもよい。図９は、実施の形態１の変形例における燃料噴霧と点火プラグの電極部との位置関係を示す燃焼室の模式的な上面図である。この変形例では、燃焼室の上面視で、第２の燃料噴霧ＦＳ２の中心線と燃料噴射弁３０の先端と電極部３４とを結ぶ直線とがなす角度α２が、第１の燃料噴霧ＦＳ１の中心線と燃料噴射弁３０の先端と電極部３４とを結ぶ直線とがなす角度α１よりも小さくされている。
燃焼室の周方向における燃料噴霧ＦＳ１，ＦＳ２の角度α１，α２を上記のように設定することにより、図９の円弧Ｂ−Ｂに沿った断面においては、２つの燃料噴霧ＦＳ１，ＦＳ２と電極部３４との位置関係は、図１０に示すようになる。すなわち、第２の燃料噴霧ＦＳ２の中心から電極部３４の中心線までの距離Ｌ２が、第１の燃料噴霧ＦＳ１の中心から電極部３４の中心線までの距離Ｌ１よりも小さくなる。
この結果、電極部３４から第２の燃料噴霧ＦＳ２の外郭面までの距離が実施の形態１のものよりも縮まり、放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦに対する第２の燃料噴霧ＦＳ２の誘引作用が大きくなる。第１の燃料噴霧ＦＳ１のほうが第２の燃料噴霧ＦＳ２よりも電極部３４に近いことに変わりはないため、第２の燃料噴霧ＦＳ２の誘引作用が大きくなったとしても、放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦの誘引方向にばらつきが生じるおそれは小さい。寧ろ、第２の燃料噴霧ＦＳ２が第１の燃料噴霧ＦＳ１に近づき、第２の燃料噴霧ＦＳ２の誘引作用が第１の燃料噴霧ＦＳ１の誘引作用に重畳されることで、第１の燃料噴霧ＦＳ１に放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦを誘引させる効果はより大きくなる。さらに、第２の燃料噴霧ＦＳ２の噴射角度θｓ２はそのままであるので、第２の燃料噴霧ＦＳ２による燃料付着量には変わりはない。つまり、この変形例によれば、燃料付着量の増大を抑えながら、燃焼安定性をより向上させることができる。
［実施の形態２の特徴的構成についての説明］
図１１は、実施の形態２における燃料噴霧と点火プラグの電極部との位置関係を示す燃焼室の模式的な上面図である。燃料噴射弁３０の先端には、複数の噴孔が形成されている。形成される噴孔の数は少なくとも３つであり、一例として図１１では６つの噴孔３１１−３１６が形成されている。各噴孔３１１−３１６の位置は、それら噴孔３１１−３１６により形成される燃料噴霧ＦＳ１１−ＦＳ１６のそれぞれが互いに異なる方向に向かい、且つ、第１の噴孔３１１により形成される第１の燃料噴霧ＦＳ１１と、第２の噴孔３１２により形成される第２の燃料噴霧ＦＳ１２とが点火プラグの電極部３４を挟むように調整されている。また、実施の形態２においては６つの噴孔３１１−３１６のうち第２の噴孔３１２のみ他よりも径を小さくされている。噴孔の径が小さいとそこから噴射される燃料の流量が少なくなり、燃料の到達距離、すなわち、燃料噴霧の噴霧長は短くなる。このため、第２の燃料噴霧ＦＳ１２の噴霧長のみ、他の燃料噴霧ＦＳ１１，ＦＳ１３−ＦＳ１６の噴霧長よりも短くなっている。
燃料噴霧ＦＳ１１−ＦＳ６の方向について説明する。燃焼室の上面視で、燃料噴射弁３０の先端と電極部３４とを通る直線に関し、第１の燃料噴霧ＦＳ１１と第２の燃料噴霧ＦＳ１２とは略線対称とされている。また、第６の燃料噴霧ＦＳ１６と第３の燃料噴霧ＦＳ１３とは略線対称とされ、第４の燃料噴霧ＦＳ１４と第５の燃料噴霧ＦＳ１５とは略線対称とされている。また、図示は省略するが、燃焼室の中心線と平行で燃料噴射弁３０の先端を通る直線を鉛直線に一致させた場合、各噴孔により形成される燃料噴霧ＦＳ１１−ＦＳ１６のそれぞれは斜め下方に向かう。より詳しくは、第１の燃料噴霧ＦＳ１の噴射角度と第２の燃料噴霧ＦＳ２の噴射角度は同一であって、他の燃料噴霧ＦＳ１３−ＦＳ１６の噴射角度よりも大きくされている。つまり、第１及び第２の燃料噴霧ＦＳ１１，ＦＳ１２は、同じ噴射角度で、他の燃料噴霧ＦＳ１３−ＦＳ１６よりも上向きに噴射される。
図１２は、図１１の円弧Ｃ−Ｃに沿った模式的な断面図である。図１１では、第１の燃料噴霧ＦＳ１１と第２の燃料噴霧ＦＳ１２との間の流量の違いがドットの密度の違いで表現されている。燃料噴霧のコアンダ効果によって発生し、放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦを燃料噴霧に誘引する引き込み気流は、電極部３４から燃料噴霧の外郭面までの距離が同じであれば、流量が大きいほど大きくなる。ゆえに、第２の噴孔３１２の径を第１の噴孔３１１の径よりも小さくし、第２の燃料噴霧ＦＳ１２の流量を第１の燃料噴霧ＦＳ１１の流量よりも小さくしたことで、第２の燃料噴霧の誘引作用を相対的に小さくし、第１の燃料噴霧ＦＳ１１に放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦを誘引させることができる。
放電火花ＤＳや初期火炎ＩＦの誘引方向が第１の燃料噴霧ＦＳ１１の方向に定まることで、燃料噴霧への着火性が向上し、燃焼を安定化することができる。また、第２の燃料噴霧ＦＳ１２の到達距離は第１の燃料噴霧ＦＳ１１の到達距離よりも短くなるので、シリンダ壁面への燃料の付着を抑えることができるという効果も得られる。
ここで、図１３は、第２の噴孔３１２の径と燃焼安定性との関係を示す図である。第２の噴孔３１２の径がある一定の大きさ以上になるまでは、径が大きくなるほど、燃焼安定性は向上する。これは、第２の燃料噴霧ＦＳ１２の流量が増大することによって、誘引効果が増大するともに、電極部３４の周囲雰囲気の当量比が大きくなるからである。しかし、第２の噴孔３１２の径がある一定の大きさ以上になると、前述のとおり、第１の燃料噴霧ＦＳ１１と第２の燃料噴霧ＦＳ１２との間で誘引方向のばらつきが生じる。このため、第２の噴孔３１２の径をさらに大きくして第１の噴孔３１１の径に近づけたとしても、燃焼安定性はそれ以上良くならないか、かえって低下してしまうことになる。
図１４は、第２の噴孔３１２の径と燃料付着量との関係を示す図である。ここでいう燃料付着量とは、シリンダ壁面に付着する燃料とピストンに付着する燃料との合計量を意味するが、主としてはシリンダ壁面の燃料付着量である。第２の燃料噴霧ＦＳ１２による燃料付着量は、第２の噴孔３１２の径を小さくするほど小さくなっていく。
第２の噴孔３１２の径は、詳しくは、上記のような燃焼安定性に関する考察と燃料付着量に関する考察とに基づいて決定されている。
［その他］
実施の形態１或いはその変形例の燃料噴射弁の構成に、実施の形態２の燃料噴射弁の構成を組み合わせてもよい。つまり、電極部から第２の燃料噴霧の外郭面までの距離が電極部から第１の燃料噴霧の外郭面までの距離よりも大きくなるように、第２の噴射角度を第１の噴射角度よりも小さくし、且つ、第２の燃料噴霧の流量が第１の燃料噴霧の流量よりも小さくなるように、第２の噴孔の径を第１の噴孔の径よりも小さくしてもよい。
なお、各実施の形態において、燃料噴射弁の先端と点火プラグの電極部とを結ぶ直線に関し、第１の噴孔及び第１の燃料噴霧と、第２の噴孔及び第２の燃料噴霧との位置関係は逆になっていてもよい。例えば、実施の形態１の場合では、図６において左側の燃料噴霧のほうが右側の燃料噴霧よりも電極部から離れるように、それぞれの噴射角度を設定してもよい。実施の形態２の場合では、図１２において左側の燃料噴霧の流量のほうが右側の燃料噴霧の流量よりも小さくなるように、それぞれの噴孔径を設定してもよい。
１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１４ シリンダブロック
１６ シリンダヘッド
１８ ピストン
２０ 燃焼室
２２ 吸気ポート
２４ 排気ポート
３０ 燃料噴射弁
３２ 点火プラグ
３４ 電極部
４０ ＥＣＵ
３０１−３０６，３１１−３１６ 噴孔
ＦＳ１−ＦＳ６，ＦＳ１１−ＦＳ１６ 燃料噴霧
ＤＳ 放電火花
ＩＦ 初期火炎

Claims (3)

  1. 燃焼室の天井部に配置され、第１の噴孔と第２の噴孔とを含む少なくとも３つ以上の複数の噴孔を備える燃料噴射弁と、
    前記燃焼室の天井部に配置された点火プラグと、を備え、
    前記燃料噴射弁は、
    前記燃焼室の中心線と平行で前記燃料噴射弁の先端を通る直線を鉛直線に一致させた場合、前記複数の噴孔により形成される燃料噴霧のそれぞれが斜め下方に向かい、
    前記燃焼室の上面視で、前記複数の噴孔により形成される燃料噴霧のそれぞれが互いに異なる方向に向かい、且つ、前記第１の噴孔により形成される第１の燃料噴霧と、前記第２の噴孔により形成される第２の燃料噴霧とが前記点火プラグの電極部を挟み、
    前記第１の燃料噴霧の外郭面の外側で且つ前記第２の燃料噴霧の外郭面の外側に前記電極部が位置する、ように構成され、
    前記燃料噴射弁は、さらに、
    前記第１の燃料噴霧の中心線と前記鉛直線とがなす角度である第１の噴射角度と、前記第２の燃料噴霧の中心線と前記鉛直線とがなす角度である第２の噴射角度とを、他の噴孔により形成される燃料噴霧の中心線と前記鉛直線とがなす角度よりも大きく構成され、
    前記燃料噴射弁は、さらに、
    前記電極部から前記第２の燃料噴霧の外郭面までの距離が前記電極部から前記第１の燃料噴霧の外郭面までの距離よりも大きくなるように、前記第２の噴射角度を前記第１の噴射角度よりも小さく構成されている
    ことを特徴とする内燃機関。
  2. 前記燃料噴射弁は、さらに、
    前記燃焼室の上面視で、前記第２の燃料噴霧の中心線と前記燃料噴射弁の先端と前記電極部とを結ぶ直線とがなす角度を、前記第１の燃料噴霧の中心線と前記燃料噴射弁の先端と前記電極部とを結ぶ直線とがなす角度よりも小さく構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 燃焼室の天井部に配置され、第１の噴孔と第２の噴孔とを含む少なくとも３つ以上の複数の噴孔を備える燃料噴射弁と、
    前記燃焼室の天井部に配置された点火プラグと、を備え、
    前記燃料噴射弁は、
    前記燃焼室の中心線と平行で前記燃料噴射弁の先端を通る直線を鉛直線に一致させた場合、前記複数の噴孔により形成される燃料噴霧のそれぞれが斜め下方に向かい、
    前記燃焼室の上面視で、前記複数の噴孔により形成される燃料噴霧のそれぞれが互いに異なる方向に向かい、且つ、前記第１の噴孔により形成される第１の燃料噴霧と、前記第２の噴孔により形成される第２の燃料噴霧とが前記点火プラグの電極部を挟み、
    前記第１の燃料噴霧の外郭面の外側で且つ前記第２の燃料噴霧の外郭面の外側に前記電極部が位置する、ように構成され、
    前記燃料噴射弁は、さらに、
    前記第１の燃料噴霧の中心線と前記鉛直線とがなす角度である第１の噴射角度と、前記第２の燃料噴霧の中心線と前記鉛直線とがなす角度である第２の噴射角度とを、他の噴孔により形成される燃料噴霧の中心線と前記鉛直線とがなす角度よりも大きく構成され、
    前記燃料噴射弁は、さらに、
    前記第２の燃料噴霧の流量が前記第１の燃料噴霧の流量よりも小さくなるように、前記第２の噴孔の径を前記第１の噴孔の径よりも小さく構成されている
    ことを特徴とする内燃機関。
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