JP3611471B2

JP3611471B2 - 筒内噴射式内燃機関

Info

Publication number: JP3611471B2
Application number: JP02001399A
Authority: JP
Inventors: 裕介木原; 義寛助川; 琢也石賀; 拓也白石
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-01-28
Filing date: 1999-01-28
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: JP2000220460A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火プラグを使用した火花点火機関のシリンダに燃料を直接噴射する方式の筒内噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、火花点火機関（ガソリンエンジン）のシリンダに燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関が実用化されている。この種の内燃機関は、低中負荷領域では圧縮行程時に燃料を噴射して局部的に点火プラグ周辺に燃料噴霧を集めて着火させる燃焼により（混合気の成層化あるいは成層燃焼と称せられることもある）希薄空燃比燃焼（以下、単に希薄燃焼とする）を可能とし、高負荷運転域では、燃料を空気と均一に混合させて均質燃焼を図る必要があるため吸入行程時に燃料を噴射し、このように負荷に応じて燃料噴射開始タイミングを変えている。
【０００３】
また、上記した成層燃焼を図るために、ピストン上面に凹部を設けて低中負荷運転の圧縮行程時に凹部に燃料を噴射して凹部内での成層化を図る筒内噴射式火花点火機関（筒内噴射式内燃機関）や（例えば特開平４−９４４１６号公報）、吸気管に副吸気通路を設け、副吸気通路から供給された空気流がピストン上部に設けられた凹部に沿って燃料噴霧を点火プラグに搬送して成層化する筒内噴射式内燃機関（特開平１０−１４１０７０号公報）が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記したようなピストン上面に凹部を設けることなく、上面がフラット型ピストンであっても希薄燃焼時（低中負荷運転時）に火花点火に良好な成層燃焼を可能にし、熱効率を高めて着火性能を向上させ、燃費向上，排ガス浄化性，出力アップの要求を満足させることのできる筒内噴射式内燃機関を提供することにある。
【０００５】
また、低中負荷運転時の良好な希薄燃焼に加えて、高負荷運転時にはシリンダ内に均一に混合気を形成して均質燃焼も図り得る筒内噴射式内燃機関も提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明は、上記目的を達成するために、基本的には次のような課題解決手段を提案する。
【０００７】
すなわち、点火プラグを備え、燃料を燃料噴射弁により直接シリンダ内に噴射する筒内噴射式内燃機関において、
内燃機関のシリンダ中心軸をＺ軸、Ｚ軸に垂直に交わりシリンダ重心点と前記燃料噴射弁を配置した位置の直下点とを通過する軸をＸ軸、シリンダ重心点を通りＸ軸とＺ軸に垂直な軸をＹ軸と定義した場合、
シリンダ内でＹ軸を中心に回転する空気流動を形成する手段を備え、
前記燃料噴射弁から噴射する燃料は、低中負荷運転時にはＸＺ平面に垂直な方向の噴霧角がＸＺ平面に平行な方向の噴霧角より狭くなる噴霧形態で空燃比が理論空燃比より高くなる燃料噴射量制御が行なわれるよう設定されていることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、低中負荷運転時にシリンダ内に噴射される燃料は、Ｙ軸回りの空気流（この空気流は、シリンダ軸を中心に旋回するスワールではなくいわゆるシリンダ軸と直交する軸回りに回転するため、ここでは上記のスワールと区別する意味をこめてタンブルと称することもある）に乗って点火プラグに搬送されるので、吸気行程後半から圧縮行程前半の間に前記シリンダ内に燃料噴射を開始するよう設定しても、噴射された燃料噴霧がピストン圧縮行程時に上死点付近で上記タンブルにより点火プラグに至るように燃料噴射開始時期を設定することが可能になる。
【０００９】
また、この時の燃料噴霧は、ＸＺ平面に垂直な方向の噴霧角がＸＺ平面に平行な方向の噴霧角より狭くなるいわゆる縦方向の扁平状の噴霧形態であるので、これがタンブル空気流に乗ることで、ピストン上面に凹部を設けないフラット型ピストンであっても点火プラグ付近に燃料噴霧を集中させ、その結果、良好な燃料着火ひいては燃焼を図り、空燃比が理論空燃比より高い燃料噴射量制御により希薄性を高めた空燃比の希薄燃焼を可能にする。
【００１０】
なお、高負荷運転時には、燃料噴射開始を吸入行程時に行なって燃料と空気の混合を充分に行なわせたり、或いは、これに併せて複数の燃料噴射口から燃料を噴射するように設定したり、ＸＺ平面に垂直な方向の噴霧角がＸＺ平面に平行な方向の噴霧角より広くなるよう設定すれば、シリンダ内で均一な混合気が形成され、良好な均質燃焼が可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関（筒内噴射式火花点火機関）のうちシリンダの一つを取り出してみた内部透視の概略平面図、図７の（ａ）はその縦断面図、（ｂ）は本実施例で定義する座標軸の説明図である。
【００１３】
まず、これらの図により本発明の要旨について説明する。
【００１４】
シリンダ１に内装されるピストン２は、その上面が凹部のない平面に形成されるいわゆるフラット型ピストンである。
【００１５】
シリンダ１のヘッドには、２つの吸気弁４が配設され、各吸気弁４と対応の吸気管（吸気通路）３とが接続されている。なお、排気弁の数も吸気弁の数に対応するが、排気弁及びそれに接続される排気管の図示は省略する。
【００１６】
シリンダ１のヘッドの中心には点火プラグ６が設けられ、さらに吸気弁４に挟まれた位置に燃料噴射弁５が設けられている。
【００１７】
ここでは、図７（ｂ）に示すように、シリンダ中心軸をＺ軸、Ｚ軸に垂直に交わりシリンダ重心点と前記燃料噴射弁５を配置した位置の直下点とを通過する軸をＸ軸、シリンダ重心点を通りＸ軸とＺ軸に垂直な軸をＹ軸と定義する。
【００１８】
このように定義した場合、燃料噴射弁５はＸＺ平面上に配置され、吸気弁４はこのＸＺ平面を挾むようにして配置される。
【００１９】
吸気弁４の上流に位置する吸気管３には、低中負荷運転時に通路横断面の下半分を塞ぐように制御される半月状の空気流動制御弁８が設けられる。この制御弁８は、半月状であるため下半分の通路を塞いだ状態が閉動作になり、高負荷運転時には、この下半分の通路を開放し上半分は元々開いているので吸気通路内は完全開放状態になる。この制御弁８は、図示されない空気流量制御用の絞り弁の下流に配置されている。制御弁８の開閉制御は制御装置７に制御指令信号に基づいて実行される。制御装置７は、そのほか、燃料噴射弁５の燃料噴射料制御、噴射開始時期の制御、点火プラグの点火時期制御等を行なう。
【００２０】
制御弁８によって吸気管３の流路の下半分（吸気通路横断面の下半分）を塞ぐと、図７（ａ）に示すように、吸入行程（吸気行程）では、空気流は吸気管３の上半分の流路に偏って流れ、シリンダ１には吸気弁４の点火プラグ寄り側（シリンダ１中心側）を通って空気が流入し、吸気側と反対の方向に向かった後シリンダ１内をＹ軸を中心に回転する空気流動（以下タンブルと称する）が形成される。
【００２１】
このタンブルの角速度はタンブル数２に設定してある。タンブル数とは、シリンダ１内に剛体渦（タンブルの理想渦）を仮定した時に渦（空気流動）の角速度ωａとクランク軸の角速度ωｃの比（ωａ／ωｃ）を表したもので、タンブル数２は剛体渦の角速度ωｃがクランク軸の角速度ωａの２倍である。このようにタンブル数を設定すると、吸入行程の下死点近くで燃料を噴射した場合（本実施例では、低中負荷運転時に吸気行程後半から圧縮行程前半の間にシリンダ１内に燃料噴射を開始するよう設定されている）、その燃料を上死点付近で点火プラグ６の位置に集中するようにタンブルの気流に乗せて搬送することが可能になる。
【００２２】
さらに、詳細には、燃料がタンブルによって点火プラグ６の位置に搬送される場合、シリンダ１内を通って点火プラグ６に到達するために必要なタンブル数は燃料噴射時期によって変化する。成層化に必要なタンブル数は、燃料噴射から点火までのクランク角度をＴとした場合に、クランク角度１回転分である３６０度を角度Ｔで割った値である。すなわち、タンブル（空気流動）の角速度ωａは、燃料噴射から点火までのクランク角をＴとした場合、クランク角１回転分である３６０度を角度Ｔで割った値にクランク軸角速度ωｃを掛けた値であり、これを式で表せば、次のようになる。
【００２３】
【数１】
ωａ＝（３６０°／Ｔ）×ωｃ
例えば、下死点に噴射された燃料が上死点を点火時期とした時のクランク角度Ｔは１８０度であり、３６０度を１８０度で割った値である２が、成層化に必要なタンブル数となる。制御装置７は燃料噴射時期から必要なタンブル数を決定すると、制御弁８の閉動作時期（吸気管の通路横断面の下半分を塞ぐ時期）を制御してシリンダ１内に所要のタンブルを形成する。高負荷運転時はタンブルの制御は必要が無く、また圧力損失の低減のため制御弁８は全開にする。
【００２４】
ここで、本実施例に用いる燃料噴射弁５の内部構造を図２の部分縦断面図により説明する。
【００２５】
図２において、燃料噴射弁５の本体中心には、メインの燃料通路１２が形成され、その後、複数の燃料通路１４ａ〜１４ｃに分かれ、各燃料噴射口９ａ〜９ｃに至る。燃料通路１２と同心状にコア２１，電磁コイル１１，ヨーク２２が配置され、電磁コイル１１を通電して励磁するとコア，ヨーク，弁１０のプランジャ部等で磁気回路が形成されて、弁１０がリターンスプリング２４のばね力に抗して引き上げられ、開弁状態となる。
【００２６】
シリンダ１内に設けられた燃料噴射弁５には、図２に示すように複数（本例では３つ）の燃料噴射口（以下、噴出口とする）９ａ，９ｂ，９ｃがあり、これらの噴出口９ａ，９ｂ，９ｃは、燃料噴射弁５の先端に設けられた複数層（例えば３層）の板１３に設けた孔の組み合わせで構成されている。
【００２７】
この３つの噴出口９ａ，９ｂ，９ｃは、Ｙ軸方向に並んで、その一つ（噴出口９ａ）が真中に位置し、残り９ｂ，９ｃが真中の噴出口９ａの両側に位置しており、燃料噴射弁５は、低中負荷運転時には真中の噴出口９ａから燃料を噴射させ、高負荷運転時には両側の噴出口９ｂ，９ｃから燃料を噴射させる噴射口切換手段を備えている。ここで、この噴射口切換手段の一例について説明する。
【００２８】
燃料噴射弁５は、内燃機関の運転状態によってコイル１１に流す電流に強弱をつけ、弁１０のリフト量を変えることで噴射弁本体内の燃料流路１４ａと１４ｂ，１４ｃとを切り替えることが可能である。低中負荷運転の場合はコイル１１に弱い電流を流し、弁１０のリフト量を小さく制御することによって、図３に示すように噴出口９ａに通じる燃料流路１４ａを選択し、高負荷運転の場合はコイル１１に強い電流を流し、弁１０のリフト量を大きく制御することによって、図４に示すように噴出口９ｂ，９ｃに通じる燃料流路１４ｂ，１４ｃを選択するよう設定されている。
【００２９】
多層板１３は図５（ａ）に示すように３枚の円形の金属板（耐食，耐熱性に優れた金属板）１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより構成され、上層の板１３ａには円形の孔９ｂ−１，９ａ−１，９ｃ−１が、中層の板１３ｂには細長孔９ｂ−２，９ａ−２，９ｃ−２が、下層に板１３ｃには上記中層の細長孔とクロスする細長孔９ｂ−３，９ａ−３，９ｃ−３がそれぞれ燃料噴射口の数だけ形成され、これらの円形の孔及びクロスする細長孔を重ね合わせて、図５（ｂ）に示すように各燃料噴射口９ｂ，９ａ，９ｃが形成され、このうち下層の細長孔９ｂ−３，９ａ−３，９ｃ−３は長手方向が前記ＸＺ平面と平行に向いている。
【００３０】
燃料は低中負荷運転時には噴出口９ａを通り、高負荷運転時には噴出口９ｂ，９ｃを通ることにより微粒化され燃料噴霧となる。低中負荷運転時に噴出口９ａから噴射される燃料噴霧は、上記した噴射口９ａの構造を採用することにより、図６に示すようにＸＺ平面に垂直な方向（Ｙ軸方向）の噴霧角θ１がＸＺ平面に平行な方向の噴霧角θ２より狭くなる噴霧形態となる。また、制御装置７により、低中負荷運転時には、空燃比が理論空燃比より高くなる燃料噴射量制御が行なわれるよう設定されている。
【００３１】
図６に示す噴霧角θ１とθ２は次のように決定される。
【００３２】
上記噴霧角θ１については次の通りである。図２５（ａ）に示すように、角度θの二等辺三角形を仮定し、この角度θは、シリンダ内のピストンのストローク長を二等辺三角形の高さＨとした時の底辺長さをＬとした場合に、シリンダ内径Ｄ×Ｌ×ストローク長Ｈよりなるシリンダ内仮想直方体〔図２５（ｂ）の斜線で示す〕の中に全噴射燃料量が理論混合比の混合気を形成することが可能な角度であり、この角度θを前記ＸＺ平面に垂直な方向の燃料噴霧角θ１とした。このような仮想直方体にて成層燃焼が可能であれば、希薄燃焼域（特に燃料質量と空気質量との比が１対４０のような超希薄燃焼）であっても実質的に理論空燃比に近い燃焼が可能になる。本実施例では、上記したような燃料噴霧角θ１の設定及びこの燃料噴霧角θ１内の燃料噴霧を２つの吸気弁からのタンブルで圧縮行程時に点火プラグ６に至るように搬送することで、良好な希薄燃焼（成層燃焼）を保証する。
【００３３】
噴霧角θ２は燃料噴霧の外形線を延長した場合にシリンダヘッド１上壁面やシリンダ１の吸気側の壁面に衝突しない角度とする。
【００３４】
高負荷運転時に用いられる噴出口９ｂ、９ｃの寸法は、噴出口９ａと同じだが、出口の方向をわずかに外に向くよう斜めにして、噴出口９ｂ，９ｃから噴射される燃料噴霧が交差しないようにしてある。その角度は、噴射された燃料がシリンダ１の側壁面に当たらない角度である。
【００３５】
低中負荷運転時に理想空燃比より高い空燃比（希薄空燃比）の混合気を良好に燃焼させるには、既述したように成層化が必要であり、成層化のために従来は圧縮行程後期に燃料を噴射していたが、この場合ピストン２が上死点に近づいた時に燃料を噴射するため燃料噴霧とタンブルが正面から当たる状況となってタンブルが止まってしまい燃料を点火プラグ６に分布できなくなり着火が出きない事態も考えられる。
【００３６】
これに対して、本実施例のように、燃料噴射開始時期をピストン下死点とするとタンブルと燃料噴霧の干渉が小さくタンブルによって混合気を点火プラグへ搬送できる。高負荷運転時は燃料が空気と充分混合する必要があるため、燃料噴射開始時期はピストン２が吸気行程の下死点に達するまでに燃料を噴き終わる時期とする。
【００３７】
以下、本実施例の作用を図７〜１５を用いて詳述する。
【００３８】
先ず、低中負荷運転（希薄燃焼）について説明する。
【００３９】
吸気行程（吸入行程）の初期において、燃料噴射開始時期が下死点に設定されており、制御装置７はシリンダ１内にタンブル数２の空気流動を生成するために制御弁８を全閉する。
【００４０】
吸気行程が始まると、吸気弁４が開きピストン２が下降することによりシリンダ１内に空気が吸入され強度２のタンブル１５が生成される（図７）。
【００４１】
ピストン２が下死点に到達すると、制御装置７は燃料噴射弁５に燃料噴射の信号を発信する。この時コイル１１に弱い電流が流れコイル１１の外周に磁界が生じ、弁１０は上に持ち上げられ、流路１４ａに燃料が流れ、多層板１３により構成される噴出口９ａから燃料が微粒化して噴射され燃料噴霧１６を形成する。噴射される燃料質量はシリンダ１に吸入される空気質量の１／４０である。
【００４２】
図８、図９は圧縮行程中のシリンダ１内を示したもので、シリンダ１の内部を上部から、図９は側面から見た図である。吸気弁４は既に閉じているため吸気管３とともに記述を省く。燃料噴霧１６は気化して燃料と空気の混合気１７を形成し、タンブル１５に搬送されピストン２の表面に到達する。シリンダ１内の空気流動はタンブル１５だけであり、タンブル１５に対し直角方向には混合気１７は拡散しにくく混合気１７はシリンダ１中心に保持される。
【００４３】
図１０、図１１はピストン２が上死点に到達した点火時期のシリンダ１内を示したものである。図１０はシリンダ１の内部を上部から、図１１は側面から見た図である。混合気１７はタンブル１５に搬送されて点火プラグ６に到達する。全燃料噴射量は空気の１／４０と希薄な運転条件だが点火プラグ６周りに混合気１７を成層化しているため理論空燃比に近い十分な混合気が得られ、良好に燃焼可能である。また、エンジン回転数が高くなった場合にシリンダ内に生成されるタンブル数は一定であるため、低負荷・高回転においても混合気をタンブルで搬送することにより安定して成層化が実現できる。
【００４４】
図１２、図１３は高負荷運転時におけるピストン２が下死点にある状態を示したもので、図１２はシリンダ１を上部から透視してみた図、図１３はシリンダ１内部を側面から見た図である。
【００４５】
高負荷運転では高出力を得るために、制御装置７は制御弁８を全開する。吸気行程が始まると、吸気弁４が開きピストン２が下降することにより吸気弁４周囲の隙間からシリンダ１内に空気が流入するが、符号１５で示すように燃料噴射弁５と反対側の空気流動の力が部位の空気流動の力に勝り、タンブル１５を形成する。
【００４６】
制御装置７は燃料噴射開始時期になると燃料を噴射するように燃料噴射弁５に信号を発信する。この時コイル１１に強い電流が流れコイル１１の外周に磁界が生じ、弁１０は上に持ち上げられる。弁１０が持ち上がることにより流路１４ｂ，１４ｃに燃料が流れ、多層板１３により構成される噴出口９ｂ、９ｃから燃料が微粒化して噴射され燃料噴霧１６を形成する。高負荷運転時の燃料噴射量はシリンダ１内に流入する空気質量の１／１４．７（理論空燃比）である。噴出口１３ｂ、１３ｃの２つの噴出口から燃料を噴射することによって噴霧角は大きくなり、かつ噴出口は外に向むいているため燃料噴霧１６はシリンダ１内の全域に広がる。
【００４７】
図１４，図１５は圧縮行程中のシリンダ１内を示し、図１４はシリンダ１内部を上部から透視してみた図、図１５は側面から見た図である。吸気弁４は既に閉じているため吸気管３とともに記述を省く。
【００４８】
燃料噴霧１６は気化して燃料と空気の混合気１７を形成し、タンブル１５に搬送されピストン２の表面に到達する。ピストンが上昇し圧縮行程の終わりに到達するころには、混合気１７はタンブル１５により拡散されシリンダ１内の全域に均一な混合気を形成する。この時の混合気空燃比は理論混合比の１４．７で良好に燃焼する。
【００４９】
次に本発明の第２の実施例を図１６〜図２３を用いて説明する。
【００５０】
本実施例に係る筒内噴射式内燃機関のタンブル形成手段（制御弁８の配置）や、吸気弁４の配置構成、フラット型ピストン構造，低中負荷運転時の燃料噴霧形態は図１，図７に示す構成と同様であるため、図１，図７に相当する図は図示省略する。本実施例と第１実施例との異なる点は、燃料噴射弁５の内部構造が異なっている点である。
【００５１】
図１６に示すように燃料噴射弁５には、２つの噴出口９ｄ、９ｅがあり、噴出口は燃料噴射弁５の先端に設けられた多層板１３により構成されている。この２つの噴出口がＹ軸方向に並ぶように燃料噴射弁５を設置する。燃料出口の上流には弁１０が設けられており、コイル１１に電流を流すことによって磁場が生じ弁１０は上に動いて噴出口から燃料が噴射される。
【００５２】
内燃機関の運転状態によってコイル１１に流す電流に強弱をつけ、弁１０のリフト量を変える。低中負荷運転の場合はコイル１１に弱い電流を流し、入口１２から流入した燃料が流路１４ｄを選択するように弁１０のリフト量を決定する。高負荷運転の場合はコイル１１に強い電流を流し、入口１２から流入した燃料が流路１４ｅを選択するように弁１０のリフト量を決定する。低中負荷運転の場合は図１８に示すように噴出口９ｄから燃料が噴射され高負荷運転の場合は図１９に示すように噴出口９ｅから燃料が噴射される。
【００５３】
多層板１３は図１７に示すように３枚の金属板１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより構成されており、その上層，中層，下層の金属板のそれぞれに噴出口９ｄ，９ｅを形成するための円形孔９ｄ−１，９ｅ−１，細長（長方形）孔９ｄ−２，９ｅ−２及び９ｄ−３，９ｅ−３が開いており、これらの孔を重ね合わせることで噴出口９ｄ，９ｅを形成している。
【００５４】
燃料はこの孔９ｄ，９ｅを通ることにより微粒化され燃料噴霧となる。噴出口９ｄの形状は第１の実施例の噴出口９ａと全く同じである。噴出口９ｅの要素となる細長孔９ｅ−２，９ｅ−３は、噴出口９ｄ−２，９ｄ−３に対してそれぞれ９０度回転させており、噴出口９ｅの噴霧形状は、噴出口９ｄの燃料噴霧を９０度回転させた噴霧形状になり、ＸＺ平面に垂直な燃料噴霧角θ１をＸＺ平面に平行な燃料噴霧角θ２より大きくしている。
【００５５】
本実施例の燃料噴射開始時期、成層化に要するタンブル数と、そのタンブルの生成方法は第１の実施例と同じであり、これらの情報は制御装置７に設定される。
【００５６】
低中負荷運転時の作用は第１の実施例と同じなので省略し、高負荷運転時の作用について説明する。
【００５７】
図２０及び図２１は高負荷運転時におけるピストン２が下死点にある時のシリンダ１内を示したものであり、図２０はその時のシリンダ１の内部を上部からみた図、図２１は側面から見た図である。
【００５８】
高負荷運転では高出力を得るために制御装置７は制御弁８を全開する。吸気行程が始まると、吸気弁４が開きピストン２が下降することにより吸気弁４の周囲に形成される隙間からシリンダ１内に空気が流入し、既述したように燃料噴射弁５がる位置から離れた側の空気流動力が他の空気流れに勝りタンブル１５を形成する。
【００５９】
制御装置７は燃料噴射開始時期になると燃料を噴射するように燃料噴射弁５に信号を発信する。この時コイル１１に強い電流が流れコイル１１の外周に磁界が生じ、弁１０は上に持ち上げられる。弁１０が持ち上がることにより流路１４ｅに燃料が流れ、多層板１３により構成される噴出口９ｅから燃料が微粒化して噴射され燃料噴霧１８を形成する。本実施例では噴出口１４ｅを９０度回転して設けることにより燃料噴霧の噴霧角θ１は大きくなり、燃料が分散しやしくなる。
【００６０】
図２２、図２３は圧縮行程中のシリンダ１内を示したものである。図２２はシリンダ１内部を上部から、図２３は側面から見た図である。吸気弁４は既に閉じているため吸気管３とともに記述を省く。燃料噴霧１８は気化して燃料と空気の混合気１７を形成し、タンブル１５に搬送されピストン２の表面に到達する。ピストンが上昇し圧縮行程の終わりに到達するころには混合気１７はタンブル１５により拡散されシリンダ１内の全域に均一な混合気を形成する。この時の混合気空燃比は理論混合比の１４．７で良好に燃焼する。
【００６１】
図２４は本発明の第３の実施例であり、次の点を除き、第１実施例と同様の構成をなす。
【００６２】
すなわち、本実施例は、図２４に示すように燃料噴霧１６のうちＸＺ平面に平行な方向の噴霧広がりのうちピストン側の速度成分Ｖ２をシリンダヘッド側の速度成分Ｖ１よりも大きくした。このように燃料噴霧１６のＶ１とＶ２に速度差を設けることにより、燃料噴霧１６がシリンダ１の内壁に付着することを防止することができる。特に、速度成分Ｖ１の燃料噴霧がシリンダを横断してシリンダ内壁に付着するような事態を防止する。この速度差を設ける手法としては、燃料噴射口の流路長を斜めにカットするなどが考えられる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、低中負荷運転時にシリンダ内にタンブルを生成し、ＸＺ平面に垂直な方向の噴霧幅を薄層化した燃料噴霧をピストン下死点で噴射し、最適タンブル数により圧縮行程時に点火プラグ付近に理論空燃比に近い混合気を集中させるので、フラット型ピストンであってもエンジン回転数の影響をうけることなく良好な希薄燃焼（低中負荷運転時の成層燃焼）を保証する。また、高負荷運転時は燃料噴霧を広くしてシリンダ内に均一に混合気を分布させて良好な燃焼を得ることが可能である。
【００６４】
さらに、本発明によれば、フラット型ピストンにより良好な成層化燃焼を可能にするため、ピストン凹部を設ける場合よりも熱損失を少なくし（熱効率の向上）、さらに、ピストン内部の空気流動抵抗を少なくでき、タンブル形成力を十分に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の希薄燃焼時のピストン下死点をシリンダ上面から透視してみた図。
【図２】上記実施例に用いる燃料噴射弁の一部省略断面図。
【図３】実施例１の希薄燃焼時の燃料噴射弁の一部を示す断面図。
【図４】実施例１の均質燃焼時の燃料噴射弁の一部を示す断面図。
【図５】実施例１の燃料噴射口を有する多層板の分解斜視図及び下層側からみた平面図。
【図６】実施例１の希薄燃焼時のシリンダ内部の燃料噴霧角の説明図。
【図７】実施例１の希薄燃焼時のピストン下死点の状態を示すシリンダ側面断面図及びシリンダの座標軸を示す説明図。
【図８】実施例１の希薄燃焼時の圧縮行程をシリンダ内部を透視して示す概略上面図。
【図９】実施例１の希薄燃焼時の圧縮行程のシリンダ内部を示す側面断面図。
【図１０】実施例１の希薄燃焼時のピストン上死点の状態をシリンダ内部を透視してみた上面図。
【図１１】実施例１の希薄燃焼時のピストン上死点の状態を示したシリンダの側面断面図。
【図１２】実施例１の均質燃焼時のピストン下死点の状態をシリンダ内部を透視してみた上面図。
【図１３】実施例１の均質燃焼時のピストン下死点の状態を示したシリンダの側面断面図。
【図１４】実施例１の均質燃焼時の圧縮行程をシリンダ内部を透視してみた上面図。
【図１５】実施例１の均質燃焼時の圧縮行程の状態を示したシリンダの側面断面図。
【図１６】実施例２に用いる燃料噴射弁の部分断面図。
【図１７】実施例２の燃料噴射弁の噴射口を形成する多層板の分解斜視図及びその下層側からみた平面図。
【図１８】実施例２の希薄燃焼時における燃料噴射弁の部分断面図。
【図１９】実施例２の均質燃焼時における燃料噴射弁の部分断面図。
【図２０】実施例２の均質燃焼時におけるピストン下死点の状態をシリンダ内部を透視してみた上面図。
【図２１】実施例２の均質燃焼時のピストン下死点の状態を示すシリンダの側面断面図。
【図２２】実施例２の均質燃焼時の圧縮行程の状態をシリンダ内部を透視してみた上面図。
【図２３】実施例２の均質燃焼時の圧縮行程の状態を示したシリンダの側面断面図。
【図２４】実施例３のシリンダ内部を示す側面断面図。
【図２５】シリンダ内に噴射される燃料の噴霧角とシリンダ内径Ｄ、燃料噴霧の仮想二等辺三角形の底辺Ｌ、シリンダの高さ（ストローク）Ｈとの関係を示す説明図及びＤ×Ｌ×Ｈにより、希薄燃焼時にシリンダ内に形成される理想の混合気形成空間を示す説明図。
【符号の説明】
１…シリンダ、２…ピストン、３…吸気管、４…吸気弁、５…燃料噴射弁、６…点火プラグ、７…制御装置、８…空気流動制御弁、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ…噴出口（燃料噴射口）、１０…弁、１１…コイル、１２…燃料入口、１３…多層板、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ…流路、１５…タンブル、１６…燃料噴霧、１７…混合気、１８…燃料噴霧。

Claims

点火プラグを備え、燃料を燃料噴射弁によりシリンダ内に直接噴射する筒内噴射式内燃機関において、
内燃機関のシリンダ中心軸をＺ軸、Ｚ軸に垂直に交わりシリンダ重心点と前記燃料噴射弁を配置した位置の直下点とを通過する軸をＸ軸、シリンダ重心点を通りＸ軸とＺ軸に垂直な軸をＹ軸と定義した場合、
シリンダ内でＹ軸を中心に回転する空気流動を形成する手段を備え、
前記燃料噴射弁から噴射する燃料は、低中負荷運転時にはＸＺ平面に垂直な方向の噴霧角がＸＺ平面に平行な方向の噴霧角より狭くなる噴霧形態で空燃比が理論空燃比より高くなる燃料噴射量制御が行なわれるよう設定され、
前記ＸＺ平面に平行な方向の噴霧広がりのうちピストン側の速度成分をシリンダヘッド側の速度成分よりも大きくしたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
前記燃料噴射弁は、低中負荷運転時に吸気行程後半から圧縮行程前半の間に前記シリンダ内に燃料噴射を開始するよう設定されている請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。
前記Ｙ軸を中心に回転する空気流動の角速度ωａは、燃料噴射から点火までのクランク角をＴとした場合、クランク角１回転分である３６０度を角度Ｔで割った値にクランク軸角速度ωｃを掛けた値とした請求項１又は２記載の筒内噴射式内燃機関。
前記シリンダのヘッドには、前記ＸＺ平面を挾むようにして２つの吸気弁が配置されており、前記吸気弁に通じる各吸気通路には低中負荷運転時に吸気通路横断面の下半分を塞ぐ空気流動制御弁が設けられ、この空気流動制御弁により前記シリンダ内でＹ軸を中心に回転する空気流動を形成する手段が構成されている請求項１ないし３のいずれか１項記載の筒内噴射式内燃機関。
点火プラグを備え、燃料を燃料噴射弁により直接シリンダ内に噴射する筒内噴射式内燃機関において、
内燃機関のシリンダ中心軸をＺ軸、Ｚ軸に垂直に交わりシリンダ重心点と前記燃料噴射弁を配置した位置の直下点とを通過する軸をＸ軸、シリンダ重心点を通りＸ軸とＺ軸に垂直な軸をＹ軸と定義した場合、
シリンダ内でＹ軸を中心に回転する空気流動を形成する手段を備え、
前記燃料噴射弁には、ＸＺ平面に垂直な方向の噴霧角がＸＺ平面に平行な方向の噴霧角より狭くなる燃料噴霧を形成する燃料噴射口が複数設けられ、前記複数の燃料噴射口は、Ｙ軸方向に並んで一つが真中に位置し残りがこの真中の燃料噴射口の両側に位置しており、
前記燃料噴射弁には、低中負荷運転時には前記真中の燃料噴射口から燃料を噴射させ、高負荷運転時には両側の燃料噴射口から燃料を噴射させる噴射口切換手段を備え、
且つ低中負荷運転時に空燃比が理論空燃比より高くなる燃料噴射量制御を行なう手段を備えていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
前記燃料噴射弁の先端に多層板を備え、この多層板には金属板で、上層には円形の孔が、中層には細長孔が、下層には前記中層の細長孔とクロスする細長孔がそれぞれ燃料噴射口の数だけ形成され、これらの円形の孔及びクロスする細長孔を重ね合わせて各燃料噴射口が形成され、このうち下層の細長孔は長手方向が前記ＸＺ平面と平行に向いている請求項５記載の筒内噴射式内燃機関。
前記両側の燃料噴射口は噴射される燃料が交差しないように斜めに向けて形成されている請求項５又は６記載の筒内噴射式内燃機関。