JP3384383B2 - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

筒内噴射式内燃機関

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Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】ガソリン，軽油，天然ガス，
アルコール，水素等の燃料を燃焼して動力に変換する筒
内噴射式内燃機関に関する。 【０００２】 【従来の技術】内燃機関においては、燃料消費率を良好
にするためには、混合気を燃料の濃度が低い希薄混合気
とし、高圧縮比化により熱効率を向上させ、希薄混合気
を瞬時に燃焼させることが必要である。 【０００３】図２に、ガソリンエンジン等の火花点火エ
ンジンの従来技術における各種燃焼方式を、燃焼室２１
内を上方から見た燃焼状態の模式図で示す。 【０００４】図２（ａ）は一般的なエンジンの場合であ
り、点火プラグ３で混合気に火炎核をつくり、火炎を周
囲に伝播させて混合気を燃焼させる。この燃焼方式では
混合気が希薄なとき、燃焼の途中で火炎が吹き消えると
いう欠点がある。また、火炎の伝播に時間がかかり、熱
効率が低い。 【０００５】この対策として、図２（ｂ）に示すよう
に、点火プラグ３を複数個配置するものが提案されてい
るが、吸気弁及び排気弁（図示せず）があるため点火プ
ラグ３の配置を最適化できない。 【０００６】さらに、図２（ｃ）に示すように、高温の
排気を混合気に混入して点火源とする方法が提案されて
いるが、エンジンのサイクルごとに点火源の位置が定ま
らず、熱効率が低い。 【０００７】一方、図２（ｄ）に示すように、点火プラ
グ３のエネルギを増して高温のプラズマを生成し、燃焼
室２１内に噴出して、火炎の伝播を促進する方法が提案
されているが、プラズマの貫通力が小さく、熱効率が低
い。 【０００８】また、図２（ｄ）に示したプラズマに関
し、エスエーイー・テクニカル・ペーパー９１０５６５
（ＳＡＥ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｐｅｒ ９１０５
６５）に記載のように、活性化されたジェットをつくる
方法が提案されているが、ジェットの力が弱く、燃焼室
２１内の混合気の気流に吹き流されて、充分な効果を上
げるまでに至っていない。 【０００９】さらに、図２（ｅ）に示すように、副室２
２を設け、副室２２内の混合気を点火プラグ３で燃焼さ
せ、トーチ火炎を燃焼室２１内に噴出して、火炎の伝播
を促進する方法が提案されているが、副室２２よりも燃
焼室２１の表面積が増大するので、熱効率が低下する。 【００１０】一方、図２（ｆ）に示すように、燃料噴射
弁２の燃料噴霧に、点火プラグ３で直接点火する方法が
提案されているが、燃料噴霧と空気との混合が不充分な
ため、すすが発生するという不具合がある。 【００１１】以上のように、ガソリン，天然ガス，水
素，アルコール等の燃料の種類の如何にかかわらず、従
来のエンジンの燃焼方式では、熱効率が低下したり，す
すが発生したりという欠点を有していた。 【００１２】次に、図３に、ディーゼルエンジン等の自
己着火エンジンの従来技術における各種燃焼方式を、燃
焼室２１内を上方から見た燃焼状態の模式図で示す。 【００１３】図３（ａ）は一般的なディーゼルエンジン
の場合であり、燃料噴射弁２からの燃料の噴霧が着火遅
れ時間の後に、自己着火して火炎を形成する。この間、
噴霧と空気との混合が不充分であるとすすを発生する。 【００１４】これを解消するため図３（ｂ）に示すよう
に、副室２２を設けて燃焼を促進する方法が提案されて
いるが、副室２２よりも燃焼室２１の表面積が増大し
て、熱効率が低下する。 【００１５】また、図３（ｃ）に示すように、燃料噴射
弁２の圧力を３００気圧以上に高めて燃料噴霧の貫通力
を高め、空気との混合を促進し、すすを防止することが
試みられているが、自己着火する時期がエンジンのサイ
クルや空間的に一定でなく、その結果、熱効率が低下す
る。 【００１６】また、図３（ｄ）に示すように、はじめに
パイロット燃料を噴射して火炎核を形成することによ
り、主燃料噴霧の着火を促進させる方法が提案されてい
るが、火炎核の形成の時期がエンジンのサイクルや空間
的に一定でなく、その結果、熱効率が低下する。 【００１７】また、図３（ｅ）に示すように、グロープ
ラグ等のヒータ２３を設けて燃焼を促進する方法が提案
されているが、自己着火する時期がエンジンのサイクル
や空間的に一定でなく変動し、その結果、熱効率が低下
する。 【００１８】さらに、図３（ｆ）に示すように、副室や
ノズル内で燃焼した火炎によって混合気に点火する方式
が提案されているが、副室やノズル内での自己着火の時
期がエンジンのサイクルや空間的に一定でなく変動し、
その結果、熱効率が低下する。 【００１９】以上、図２，図３に示す従来の燃焼方式
は、図２（ｂ）に示した複数個の点火プラグを配置する
方式以外は、燃焼がエンジンのサイクルや空間的に一定
でなく変動し、その結果、熱効率が低下する欠点を有し
ていた。 【００２０】また、図２（ｂ）の方式においては、吸気
弁や排気弁があって、点火プラグを複数個設置すること
は実際上困難であるので、点火プラグを最適な位置に配
置することができず、その結果、熱効率が低下する欠点
を有していた。 【００２１】 【発明が解決しようとする課題】燃焼室内の空間の各所
に、複数個の安定な点火源をつくることができれば、燃
焼室内で瞬間的に空間的に均一に燃焼するので、エンジ
ンのサイクルや空間的な変動を低減することができ、そ
の結果、熱効率を高めることができる。 【００２２】しかし、前記したように吸気弁や排気弁が
あって、点火プラグを複数個設置することは実際上困難
であるので、燃焼室内の空間の各所に火炎核を瞬間的に
分散させる必要がある。 【００２３】前記従来例においては、火炎を燃焼室内に
吹き出して分散させる（図２（ｄ），（ｆ），図３
（ｂ））か、または、噴流を分散させてから自己発火さ
せる（図３（ｃ），（ｄ），（ｆ））方式を採用してい
るが、前者は火炎の貫通力が弱く、後者は自己発火の時
期のエンジンのサイクルや空間的な変動があり、その結
果、熱効率を高めることができなかった。 【００２４】本発明の課題は、従来の燃焼方式の欠点で
ある、燃焼のサイクルや空間的な変動を、複数個の点火
プラグを用いることなく低減し、その結果、熱効率を高
め、希薄混合気を瞬時に燃焼させることができる筒内噴
射式内燃機関を提供することである。 【００２５】 【課題を解決するための手段】本発明は、燃焼室内に噴
射口部が設けられた燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から
の燃料噴流の外側に点火源が設けられるように配置され
た点火プラグと、前記噴射口と前記点火源を覆うように
配置され、前記燃料噴流の一部を前記燃焼室に通過さ
せ、残余の燃料噴流を内部に滞留させる孔を設けたノズ
ルと、を有し、低負荷時において燃料噴射中に前記点火
プラグを点火させる筒内噴射式内燃機関であって、点火
前の燃料噴流のうち前記孔を通過した燃料噴流で前記燃
焼室全体に希薄予混合気を形成するとともに、前記残余
の燃料噴流で前記ノズル内に着火用混合気を形成し、前
記点火プラグの点火により前記着火用混合気を着火し、
前記孔を通過して前記ノズル外方の前記希薄予混合気に
噴出する燃焼ガスを生成し、点火後の燃料噴流により前
記孔を通過する前記燃焼ガスをひきちぎって火炎核を生
成し、該燃料噴流によって前記火炎核を前記燃焼室全体
に拡散させ、拡散した前記火炎核により前記希薄予混合
気を燃焼させるように制御される筒内噴射式内燃機関で
ある。 【００２６】 【発明の実施の形態】参考例を図１及び図４ないし図１
０を用いて説明する。図４はエンジンの制御システムを
表すブロック図である。図４において、エアフローメー
タ１，燃料噴射弁２，制御装置８，アイドリング回転制
御弁２６，点火装置２７，エアポンプ３３，ヒータ３
６，燃料ポンプ３７等への作動電源は充電機１４及び蓄
電池２５より供給される。絞り弁２４，アイドリング回
転制御弁２６及び過給機１１によって制御される吸入空
気量は、吸気管１２に取り付けたエアフローメータ１に
よって計量される。エンジン回転数はクランク角センサ
９によって検出される。これらの吸入空気量，エンジン
回転数に応じて、制御装置８で燃料量を決め、燃料がエ
ンジンのシリンダ１７の燃焼室２１内に燃料噴射弁２か
ら直接噴射される。このため、吸気管１２の内壁や吸気
弁４に燃料が付着せず、未燃焼の燃料が残ることがな
く、燃料量の制御の精度が向上する。 【００２７】燃料と空気との混合気の点火時期は、エア
フローメータ１，空燃比センサ７，クランク角センサ
９，ノックセンサ１６等の情報を用いて制御装置８によ
って演算され、点火装置２７へ動作信号が送られ、点火
プラグ３によってシリンダの燃焼室２１内の混合気に点
火する。 【００２８】排気管１３に、ＣＯ，ＨＣを酸化し、酸化
雰囲気中でＮＯｘを還元できる機能をもった触媒コンバ
ータ６を配置し、希薄燃焼の場合に排気ガス中に酸素が
あってもＮＯｘを還元できるようにする。排気管１３に
取り付けた空燃比センサ７によって排気ガスの空燃比を
検出し、制御装置８で目標空燃比になっているかを調
べ、目標空燃比より希薄であれば、燃料噴射弁２から噴
射される燃料量を増大させる。さらに、エンジン始動直
後等触媒温度が低く、触媒の機能が不十分な場合には、
触媒温度を温度センサ２８で検出し、ヒータ３６をヒー
タ制御装置３５で作動させて触媒が機能する温度に触媒
を加熱してもよい。 【００２９】また、触媒の動作は排気ガス中の酸素濃度
によっても影響を受けるので、触媒コンバータ６の入口
に空気導入通路３２を設け、制御弁３１を開けるととも
に、エアポンプ制御装置３４を作動させてエアポンプ３
３で空気を圧送してもよい。 【００３０】図１は、エンジンの１シリンダの上部の燃
焼室２１の縦断面図である。シリンダ１７の燃焼室２１
にピストン１５が配置され、上部に吸気弁４，排気弁
５，燃料噴射弁２，点火プラグ３が取り付けられる。燃
料噴射弁２と燃料ポンプ３７とは配管で接続され、燃料
ポンプ３７と燃料タンク（図示せず）との間にスピル弁
３８が取り付けられている。スピル弁３８の動作及び点
火プラグ３の点火時期は、スピル弁制御装置３９及び点
火装置２７を介して制御装置８により電気的に制御され
る。燃料ポンプ３７を運転すると燃料の圧力が上昇し、
燃料噴射弁２を開弁すると、噴流Ａ及び噴流Ｂとして燃
料が噴射され、燃焼室２１内に混合気が形成される。そ
の後に点火プラグ３を点火させ、噴流Ｂの近傍の混合気
を燃焼させ、高温のガスである火炎核４０をつくる。こ
のとき、噴流Ｂの噴射は継続しているので、噴流Ｂに火
炎核４０が乗って燃焼室２１内に分散し混合気の着火源
となって、あらかじめ燃焼室２１内に形成されている混
合気を瞬時に燃焼させる。次に、火炎核４０が燃焼室２
１内に分散した時点で、スピル弁３８を開けて燃料ポン
プ３７によって高まった燃料の圧力を減じ、燃料噴射弁
２からの燃料の噴射を停止する。 【００３１】図５に制御装置８で行われる燃料噴射弁２
の動作に関する制御のフローチャート図を示す。ステッ
プ６１で、エンジンのクランク角度の信号θから、エン
ジンの回転速度ｎが演算される。次に、ステップ６２
で、あらかじめ記憶されている関数を用いて燃料噴射開
始時期ＩＮＪｉ，燃料噴射終了時期ＩＮＪｅが回転速度
ｎ，アクセルペダルの位置αの関数として求められる。
次に、ステップ６３の判定によりクランク角度の信号θ
が燃料噴射開始時期ＩＮＪｉに一致したときに燃料噴射
弁動作信号がＯＮに、ステップ６４の判定によりクラン
ク角度の信号θが燃料噴射終了時期ＩＮＪｅに一致した
ときにＯＦＦの信号が燃料噴射弁２に送られ、燃料が燃
焼室２１内に噴射される。噴射時期は、アクセルペダル
の位置αに対して、例えば、図６に示すように設定され
る。アクセルペダルの位置αの値が小さい小負荷時に
は、噴射時期を圧縮上死点に近付け、燃料が燃焼室２１
内に広く分散しないうちに点火プラグ３に点火し、混合
気を燃焼させる。 【００３２】図７に制御装置８で行われる点火装置の動
作に関する制御のフローチャート図を示す。点火時期Ｉ
Ｇは図７中のステップ６５に示すように、エンジンの回
転速度ｎとアクセルペダルの位置αの関数として与えら
れ、制御装置８で点火時期ＩＧが演算される。そして、
ステップ６６に示すように、クランク角度の信号θが点
火時期ＩＧと一致したときに、点火装置２７へ動作信号
が送られ、点火プラグ３が点火される。点火時期ＩＧは
アクセルペダルの位置αに対して、たとえば、図６に示
すように設定される。アクセルペダルの位置αの値が小
さい小負荷時には、燃料噴射終了時期ＩＮＪｅより以前
に点火して、図１中に示す噴流Ｂの近傍の混合気を燃焼
させて火炎核４０をつくり、その後の燃料の噴射のエネ
ルギを利用して、火炎核４０を燃焼室２１内に分散させ
て着火源を空間的に数多くつくり、混合気を燃焼させ
る。その結果、空燃比が小さい希薄な混合気であっても
完全燃焼させることができる。 【００３３】一方、図６中に示すように、アクセルペダ
ルの位置αの値が大きくなると、エンジンの回転速度ｎ
が大きくなり、燃料噴射開始時期ＩＮＪｉが早くなるの
で、点火時期ＩＧは、燃料噴射終了時期ＩＮＪｅより遅
れる。それゆえ、火炎核４０が噴射のエネルギを利用し
て分散することはないので、エンジンの高回転時に生じ
やすい急速燃焼によるエンジン全体の振動や騒音の増大
を防止することができる。 【００３４】図８に、燃焼室２１内を上方から見た燃焼
状態の模式図を示す。噴流Ｂの近傍に点火プラグ３を設
置し、点火プラグ３の放電を継続させ、燃料噴射弁２か
らの噴流Ｂのエネルギを利用して火炎核４０を分散させ
ている状態を示す。 【００３５】図９に、燃料噴射と点火の時期を示すタイ
ムチャート図を示す。図９において、噴射信号Ｘ曲線の
ごとく、燃料噴射弁２からの燃料の噴射を圧縮上死点よ
り前の時刻ｔ1 から時刻ｔ5 まで継続し、その間の混合
気が形成された時期に時刻ｔ2 から時刻ｔ3 まで、点火
信号Ｙ曲線のごとく、点火プラグ３を放電させ、混合気
に着火させる。燃料の着火によってＺ曲線で示すごとく
火炎核４０が生成され、時刻ｔ4 からｔ5 の間に、火炎
核４０が燃焼室２１に分散される。その後、燃焼室２１
内の混合気が火炎核４０によって着火，燃焼する。前述
したように、火炎核４０の分散の速度は、従来のエンジ
ンにおける火炎伝播の速度より速いので、瞬間的に燃焼
し、熱効率が向上する。 【００３６】火炎核４０が分散する過程で火炎核４０の
温度が低下すると、混合気に着火できなくなる。これを
防ぎ、火炎核４０を保持するためには、発熱量が放熱熱
量より多くなければならない。図１０（ａ）に示すよう
に、燃料噴射弁２の噴流Ｂによって２次流れＣが形成さ
れ、火炎核４０は、この２次流れＣに乗って分散され
る。このとき、噴流Ｂは、図１０（ｂ）に示すように、
噴流のコアＤの部分とその周囲で燃料の粒子が浮遊して
いる粒子浮遊域Ｅとから成り、火炎核４０はこの粒子浮
遊域Ｅを通って分散するときにこの粒子を取り込み、燃
焼させることによって発熱量を放熱熱量より多く保持
し、火炎核４０が消滅するのを回避できる。 【００３７】図１１ないし図１２に本発明の第１の実施
形態を示す。図１１は、図１と同じくエンジンの１シリ
ンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。シリンダ１
７の内部に燃焼室２１とピストン１５とが配置され、燃
焼室２１の上部に吸気弁４，排気弁５が配置され、燃料
噴射弁２の噴射口，点火プラグ３の電極が、孔１９，２
０を有する火炎ノズル３０の内部の室１８内に配置され
る。また、図１２は、燃焼室２１内を上方から見た燃焼
状態の模式図である。 【００３８】図１１ないし図１２の動作を下記する。図
１１ないし図１２（ａ）において、燃料噴射弁２から噴
射される燃料の噴流のうち、噴流Ａは火炎ノズル３０の
孔２０を通って燃焼室２１内に直接供給され、燃焼室２
１内に混合気が形成される。一部の噴流Ｆは孔２０を通
過することができず、室１８内に滞留する。一方、燃焼
室２１内の新しい空気Ｇが，火炎ノズル３０の噴流Ａが
通過しない孔１９を通って室１８に入る。これは、噴流
Ａによって、室１８内の圧力が燃焼室２１内の圧力より
低くなることによる。 【００３９】この導入された空気Ｇと前記燃料の噴流Ｆ
とによって、室１８内に着火可能な混合気が形成され
る。この時点で点火プラグ３を点火させ、図１２（ｂ）
に示すように、室１８内の混合気を燃焼させて高温の燃
焼ガスＨを造る。このとき、噴流Ａは継続しているの
で、高温の燃焼ガスＨは燃焼室２１の方に一度に流出す
ることができず、噴流Ａによってひきちぎられ、複数個
の火炎核４０が着火源となって燃焼室２１内に分散し、
あらかじめ、燃焼室２１内に形成されている混合気を瞬
時に燃焼させる。このときの噴射圧力を４９ＭＰａとす
ると、噴流の速度は５０ｍ／ｓ程度になり、層流燃焼速
度の０.９ｍ／ｓ に比べ充分速い。また、乱流燃焼速度
はこれの２０倍程度で、１８ｍ／ｓとなるが、これに比
べても充分速い。したがって、燃焼室２１内の全ての混
合気を瞬間的に着火，燃焼させることができる。噴流Ａ
の噴出方向は、火炎に比べてエンジンのサイクルや空間
的に変動せず安定しており、熱効率が低下することはな
い。 【００４０】なお、図１１において、火炎核４０の大き
さが１mm以上になると火炎核４０の周囲の混合気の燃焼
に伴う発熱量が、熱伝達による周囲への放熱量よりも大
きくなるため、火炎核４０は成長し、消滅することはな
い。したがって、燃料噴射弁２の噴射口の近くに取り付
けられた火炎ノズル３０の孔２０の直径を１mm以上にす
ることにより、火炎核４０の大きさを１mm以上にして火
炎核４０を成長させ、消滅を防止することができる。 【００４１】軽油等の自己発火しやすい燃料では、噴霧
が自己発火しやすく、従来のディーゼル機関の燃焼のよ
うに、エンジンがサイクル的に変動しやすい。これを回
避するため、燃焼室２１内の圧縮比を、ディーゼルの圧
縮比の２０以上に対し、２０以下として自己発火を抑え
るようにする。 【００４２】オクタン価の低い燃料は、自己発火してノ
ッキングを生じやすいが、本実施形態では着火源が燃焼
室２１内の各部に分散しているので、自己発火が生じる
前に燃焼が完了し、ノッキングの発生を防止できる。 【００４３】あまり燃焼が急速であると、ピストン１５
やシリンダ１７に無理な力が作用するので、これを避け
るために、火炎ノズル３０内の混合気の濃度，点火時期
を運転状態に応じて制御して、最適な燃焼速度を得るよ
うにする。 【００４４】なお、高温の燃焼ガスＨが孔２０を通ると
きに冷却されないように、火炎ノズル３０の部材は、セ
ラミック等の低熱伝導率の材料でつくることが好まし
い。 【００４５】図１３ないし図１６に第２の参考例を示
す。図１３は、燃焼室２１内を上方から見た空気の流れ
の方向を示す模式図である。シリンダ１７の燃焼室２１
内に吸入空気のスワール（旋回流）を形成し、火炎核４
０をこれに乗せて分散させる方法である。火炎核４０の
生成は、図１に示すように、燃料噴射弁２から噴射され
た噴流の近くの混合気の近傍に点火プラグ３を設け、こ
れを放電させて火炎核４０を形成し、火炎核４０をスワ
ールに乗せて燃焼室２１内に分散させてもよいが、図１
３ないし図１６に示すように、燃料噴射弁２と点火プラ
グ３とを一体化した電極付燃料噴射弁４４を用いると、
取り付けのためのスペースが少なくてすみ、点火に適し
た場所に設置できる。また、燃料の噴流の一部がスワー
ルの動きを速め、火炎核４０の分散を迅速化する効果が
あり、火炎核４０が燃焼室２１内に迅速に分散するの
で、図２（ｆ）に示した従来の実施の形態のようなすす
の発生を防止することができる。 【００４６】図１３において、燃焼室２１には、二つの
吸気弁４ａ，４ｂ、二つの排気弁５ａ，５ｂが配置され
ている。吸気弁４ａを通る空気の流れは、スワール成分
を含み、燃焼室２１内にスワールＫをつくる。吸気弁４
ｂを通る空気の流れはスワール成分がなく、エンジン回
転速度が高速の時に吸気弁４ｂが開き、それ以外では閉
じている。前述のように、電極付燃料噴射弁４４は取り
付けのためのスペースが少なくてすむので、燃焼室２１
の吸気弁４ａの近くに電極付燃料噴射弁４４を取り付け
ることができ、その結果、スワールＫに火炎核４０を確
実に乗せて分散させることができる。 【００４７】図１４に、電極付燃料噴射弁４４のノズル
部の縦断面図を示す。該ノズル部は、噴射口ノズル４
５，電気絶縁体４６，チップ電極４７，電極４８，孔４
９，孔５０から構成される。孔４９より噴出した燃料の
噴流Ａは、スワールＫによって燃焼室２１内の空間全面
に分散し、混合気を形成する。混合気が形成された時点
で電極４８に高電圧を印加し、チップ電極４７と電極４
８との間で放電すると、孔５０を通過する燃料は放電に
よって部分的に燃焼して火炎核４０となり、スワールＫ
によって燃焼室２１内の空間全面に着火源として分散
し、あらかじめ形成されている混合気を瞬間的に燃焼さ
せる。 【００４８】燃料噴射及び点火の時期は、エンジンの回
転数，負荷及びスワールの状態に応じて制御するとよ
い。図１５は、燃焼室２１内を上方から見た燃焼状態の
模式図である。図９と異なる点は、電極４８の放電の持
続時間が長いことであり、これによって、図１５に示す
ように、複数個の火炎核４０を形成することができる。
また、電極４８の放電を間欠的に行っても、同様な複数
個の火炎核４０が形成される。 【００４９】図１６は、空燃比と着火源の組成との関係
を示す相関図である。図１，図１１の場合の着火源は、
前述したように、空燃比が大きいときの炭酸ガスを主体
とした高温のガスの塊，空燃比が小さいときは燃焼の中
間生成物すなわち活性ガスの塊、あるいは活性ガスに高
温の燃料液滴を含む塊である。また、空燃比が小さく、
温度が高いときは、燃料の分解生成物、例えばカーボン
を含む塊である。図１６に示すように、空燃比によって
それぞれの成分は異なるので、運転状態に応じて空燃比
を設定するのがよい。 【００５０】また、上記ではスワールを用いたが、スワ
ールにかえてタンブルを用いてもよく、さらに、スワー
ルとタンブルとの両方を用いてもよい。 【００５１】図１７に第３の参考例を示す。図８や図１
２等に示した多孔ノズルの他に、図１７に示すように、
旋回力や遠心力等を利用して薄膜状の噴流Ｌをつくって
２次流れＣをつくるとともに、噴流Ｍのように燃料を分
散させ、２次流れＣと噴流Ｍに火炎核４０を乗せて分散
させてもよい。この場合、噴流Ｌの貫流力が弱く、燃焼
室２１の中央部の混合気が濃くなるので、図１０（ｂ）
に示すように、燃料噴射弁２の近くに配置した点火プラ
グ３で火炎核４０を形成し、これを噴流Ｌの２次流れＣ
によって分散させるようにする。 【００５２】図１８に第４の参考例を示す。図１８は、
図１と同じくエンジンの１シリンダの上部の燃焼室２１
の縦断面図である。燃料噴射弁２を内部に有する火炎ノ
ズル３０に近接して、筒内圧力センサ４１を設けるとと
もに、点火プラグにかわって、火炎ノズル３０に設けた
電極４２と筒内圧力センサ４１の先端に設けた電極４３
との間の放電により、火炎核４０をつくるものである。 【００５３】燃料噴射弁２から噴射される燃料の噴流の
うち、噴流Ａは火炎ノズル３０の孔２０を通って燃焼室
２１内に直接供給され、燃焼室２１内に混合気が形成さ
れる。噴流Ｂは当初は噴流Ａと同様に孔２３を通過する
だけであるが、その後、火炎ノズル３０に設けた電極４
２と筒内圧力センサ４１の先端に設けた電極４３との間
の放電により火炎核４０がつくられ、噴流Ｂのエネルギ
によって燃焼室２１内に分散し、混合気が瞬時に着火，
燃焼する。火炎ノズル３０の上方つけ根部には孔１９が
設けられ、燃焼室２１内の新しい空気Ｇが供給されるの
で、噴流Ａや噴流Ｂを着火しやすい混合気にすることが
できる。 【００５４】図１９に本発明の第２の実施形態を示す。
図１９は、図１と同じくエンジンの１シリンダの上部の
燃焼室２１の縦断面図である。本実施形態では、火炎核
４０を生成するために専用の副燃料噴射弁５１を有して
いる。はじめに、主の燃料噴射弁２から燃料を噴射し
て、燃焼室２１内に均一な混合気をつくる。次に、副燃
料噴射弁５１から燃料を噴射し、燃焼室２１内からの新
しい空気Ｇと燃料との混合気が室１８内に形成される。
そして、点火プラグ３で室１８内の混合気に点火，燃焼
させて、高温の燃焼ガスをつくる。このとき、噴流Ｂは
継続しているので、高温の燃焼ガスは、燃焼室２１の方
に一度に流出することができず、噴流Ｂによってひきち
ぎられ、複数個の火炎核４０が着火源となって燃焼室２
１内に分散し、燃焼室２１内の混合気を瞬時に燃焼させ
る。 【００５５】図２０に本発明の第３の実施形態を示す。
図２０は、燃焼室２１を上方から見た模式図である。本
実施形態では、燃焼室２１の側面に火炎核ノズル３０で
形成された副室２２を設け、副室２２の内部に副燃料噴
射弁５１と点火プラグ３とを設け、副室２２内で火炎核
４０をつくるものである。主の燃料噴射弁２は燃焼室２
１内に設けてある。火炎核４０は、副室からの噴流のエ
ネルギによって燃焼室２１内に広がるとともに、燃料噴
射弁２からの噴流Ａによっても燃焼室２１内に分散され
る。従来例の図２（ｂ）に示した例では、トーチ火炎を
副室から燃焼室内に噴出するものであったが、本実施形
態は、火炎核と混合気との両方を副室から燃焼室内に噴
出するものであり、副室からの噴流のエネルギが火炎核
の分散に使われるので、分散速度が速い。 【００５６】図２１に本発明の第４の実施形態を示す。
図２１は、図１と同じくエンジンの１シリンダの上部の
燃焼室２１の縦断面図である。本実施形態は、吸気管１
２内に主の燃料噴射弁２を設け、燃焼室２１内への主燃
料を吸気管１２内に噴射して供給する場合の例である。
はじめに、吸気弁４が開いたときに、主の燃料噴射弁２
から燃料を噴射して、燃焼室２１内に均一な混合気をつ
くる。次に、図１１と同様に、副燃料噴射弁５１から燃
料を噴射し、燃焼室２１内からの新しい空気Ｇと燃料と
の混合気が室１８内に形成される。そして、点火プラグ
３で室１８内の混合気に点火，燃焼させて、高温の燃焼
ガスを造る。このとき、噴流Ａは継続しているので、高
温の燃焼ガスは、燃焼室２１の方に一度に流出すること
はできず、噴流Ａによってひきちぎられ、複数個の火炎
核４０が着火源となって燃焼室２１内に分散し、燃焼室
２１内の混合気を瞬時に燃焼させる。 【００５７】以上のごとく、火炎核をつくる方法とし
て、 （ａ）燃料噴射の途中で着火し、放電継続時間を長くし
て、複数個の火炎核をつくる。 【００５８】（ｂ）副室内である一定の容量の混合気を
燃焼させて高温の燃焼ガスをつくり、燃料の噴流でひき
ちぎり、複数個の火炎核をつくる。方法のいずれかを採
用して火炎核をつくり、火炎核を分散させる方法とし
て、 （１）噴流のまわりに形成される混合気の２次流れに乗
せて、火炎核を分散させる。 【００５９】（２）シリンダ内のスワールやタンブルに
乗せて、火炎核を分散させる。 【００６０】（３）混合気の噴流に乗せて、火炎核を分
散させる。方法のうちのいずれか、あるいは複数を採用
して、混合気の迅速な燃焼をはかっている。 【００６１】以上説明したように、本発明によれば、複
数個の点火プラグを用いることなく、従来の燃焼方式の
欠点である燃焼のサイクルや空間的な変動を低減し、希
薄混合気を瞬時に燃焼させることのできる内燃機関の燃
料噴射及び着火装置ならびにその方法を提供することが
できる。その結果、圧縮比を高めることができて、熱効
率が向上し、希薄混合気を用いることができるので、燃
料消費率が良好となる効果がある。
【図面の簡単な説明】 【図１】参考例を示し、エンジンの１シリンダの上部の
燃焼室２１の縦断面図である。 【図２】従来の実施形態を示し、燃焼室２１内を上方か
ら見た燃焼状態の模式図である。 【図３】従来の実施形態を示し、燃焼室２１内を上方か
ら見た燃焼状態の模式図である。 【図４】参考例を示し、エンジンの制御システムを表す
ブロック図である。 【図５】制御装置８で行われる燃料噴射弁２の動作に関
する制御のフローチャート図である。 【図６】点火時期，燃料噴射時期とアクセルペダルの位
置との関係を示す相関図である。 【図７】点火装置の動作に関する制御のフローチャート
図である。 【図８】燃焼室２１内を上方から見た燃焼状態の模式図
である。 【図９】燃料噴射と点火の時期を示すタイムチャート図
である。 【図１０】火炎の模式図である。 【図１１】本発明の第１の実施形態を示し、エンジンの
１シリンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。 【図１２】燃焼室２１内を上方から見た燃焼状態の模式
図である。 【図１３】第２の参考例を示し、燃焼室２１内を上方か
ら見た空気の流れの方向を示す模式図である。 【図１４】燃料噴射弁のノズル部の縦断面図である。 【図１５】燃焼室２１内を上方から見た燃焼状態の模式
図である。 【図１６】空燃比と着火源の組成との関係を示す相関図
である。 【図１７】第３の参考例を示し、燃焼室２１内を上方及
び側方から見た燃焼状態の模式図である。 【図１８】本発明の第４の参考例を示し、エンジンの１
シリンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。 【図１９】本発明の第２の実施形態を示し、エンジンの
１シリンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。 【図２０】本発明の第３の実施形態を示し、燃焼室２１
内を上方から見た燃焼状態の模式図である。 【図２１】本発明の第４の実施形態を示し、エンジンの
１シリンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。 【符号の説明】 ２…燃料噴射弁、３…点火プラグ、４，４ａ，４ｂ…吸
気弁、５，５ａ，５ｂ…排気弁、８…制御装置、１２…
吸気管、１３…排気管、１５…ピストン、１７…シリン
ダ、１８…室、１９，２０，２３，４９，５０…孔、２
１…燃焼室、２２…副室、２９…スワール吸気ポート、
３０…火炎ノズル、３７…燃料ポンプ、３８…スピル
弁、３９…スピル弁制御装置、４０…火炎核、４１…筒
内圧力センサ、４２，４３，４８…電極、４４…電極付
燃料噴射弁、４５…噴射口ノズル、４６…電気絶縁体、
４７…チップ電極、５１…副燃料噴射弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 43/00 Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｊ (56)参考文献 特開 平４−153521（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−45716（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−71405（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−43269（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−294716（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−33770（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−55321（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−27713（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−98810（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−178127（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭47−29107（ＪＰ，Ｕ) 特許3073118（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02B 19/00 - 23/10 F02D 41/00 - 45/00

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】燃焼室内に噴射口部が設けられた燃料噴射
    弁と、 前記燃料噴射弁からの燃料噴流の外側に点火源が設けら
    れるように配置された点火プラグと、 前記噴射口と前記点火源を覆うように配置され、前記燃
    料噴流の一部を前記燃焼室に通過させ、残余の燃料噴流
    を内部に滞留させる孔を設けたノズルと、を有し、 低負荷時において燃料噴射中に前記点火プラグを点火さ
    せる筒内噴射式内燃機関であって、 点火前の燃料噴流のうち前記孔を通過した燃料噴流で前
    記燃焼室全体に希薄予混合気を形成するとともに、前記
    残余の燃料噴流で前記ノズル内に着火用混合気を形成
    し、 前記点火プラグの点火により前記着火用混合気を着火
    し、前記孔を通過して前記ノズル外方の前記希薄予混合
    気に噴出する燃焼ガスを生成し、 点火後の燃料噴流により前記孔を通過する前記燃焼ガス
    をひきちぎって火炎核を生成し、該燃料噴流によって前
    記火炎核を前記燃焼室全体に拡散させ、拡散した前記火
    炎核により前記希薄予混合気を燃焼させるように制御さ
    れる筒内噴射式内燃機関。
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