JP4032690B2

JP4032690B2 - 筒内噴射ガソリンエンジン

Info

Publication number: JP4032690B2
Application number: JP2001310843A
Authority: JP
Inventors: 容子中山; 利治野木; 拓也白石; 裕介木原; 享石川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: US6782867B2; EP1302635A3; EP1302635A2; US6976468B2; US20040187840A1; JP2003120299A; US20030066508A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に直接燃料を供給する筒内噴射型火花点火機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内噴射エンジンは、インジェクタを、燃焼室の吸気ポートの下側で、燃焼室水平面に対して２０°〜５０°の角度をもって設けられている。成層燃焼時には、ピストンに設けられたキャビティに向けて燃料を噴射し、吸気ポートに設置されたスワールコントロールバルブなどの流動生成手段によって形成された空気流動と組み合わせて、混合気を燃焼室中央部に配置された点火プラグへ導き点火する構成である。
【０００３】
特開平６−４２３５２号では燃焼室中央天井部にインジェクタを配置、ピストンへ向かって燃料を噴射するセンタ噴射の筒内噴射ガソリンエンジンにおいて、噴霧を点火プラグへ直撃させて、混合気濃度の制御を高精度に行う技術について記載されている。
【０００４】
特開平１０−１３１７５６号では、上記と同様に燃焼室の頂上ほぼ中央位置からピストンに向けて燃料噴射するインジェクタとピストン上弁部にキャビティを設け、キャビティ内でかつ吸気弁側に変位した位置に点火プラグを設けた構成である。燃料噴霧が点火プラグに直撃しないように点火プラグを配置しており、ピストン形状と空気流動により点火プラグに混合気を集約、成層燃焼を安定化させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平６−４２３５２号のセンタ噴射式筒内噴射ガソリンエンジンでは、積極的に燃料を点火プラグへ直撃させており、点火プラグへの液体燃料付着によるくすぶりや、それに伴う燃焼安定性の悪化について考慮されていない。
【０００６】
また、特開平１０−１３１７５６号のセンタ噴射式筒内噴射ガソリンエンジンでは、混合気の成層化を、空気流動やピストン形状の最適化で行っており、ピストンへの付着燃料の燃焼による未燃炭化水素やすすなどの排気性能の悪化が考えられる。また、流動生成手段や、ピストン加工，複雑な制御が必要であり、コストが高いという課題がある。
【０００７】
本発明は、上記の従来技術における課題を解決するためになされたものであり、目的は、燃料噴霧形状の最適化により点火プラグへの液体燃料の直撃を防ぎ、点火プラグのくすぶりやそれにともなう燃焼不安定を抑制することである。また、空気流動やピストン形状のサポートを最小限にし、噴霧特性によって成層化を達成し、安定燃焼させる噴霧制御手段を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、シリンダヘッドとピストンの間に形成された燃焼室と、混合気に着火する点火プラグと、前記燃焼室上部中央付近に配置され前記燃焼室内にガソリンを直接噴射するインジェクタとからなる筒内噴射ガソリンエンジンにおいて、前記インジェクタとして噴霧に貫通力が短くて密度が粗な部分と貫通力が長くて密度が密な部分とを有するインジェクタを用い、噴霧の貫通力が長くて密度が密な部分を前記点火プラグ下方向に指向させ、後続する貫通力が短くて密度が粗な部分が前記点火プラグを包むように構成したことにより達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図２９に基づき、本発明が実施されるシステムの全体を説明する。
【００１６】
吸気系は、吸入空気量を計測するエアーフローセンサ３１０，該空気量を制御する電子制御スロットル３２０，スロットルの開度を検出するスロットル開度センサ５２１，シリンダ６８０内にタンブル（縦旋回流）を生成するための空気流動制御バルブ３３０，該バルブ３３０の下流の吸気通路を上下に分割する仕切り板３４０（２段吸気ポートと称す）、そして吸気弁５とよりなる。また、エアーフローセンサ３１０と電子制御スロットル３２０との間には過給機４２１が装着されており排気通路に装着した排気ガスタービン４８０で回転される。
【００１７】
一方、排気系は、排気弁６の下流側に順次設置される、空燃比センサ４１０，三元触媒４２０，三元触媒４２０と並列に装着された排気タービン４８０，排気温センサ４３０，ＮＯｘ触媒４４０，酸素濃度センサ４５０を付加してなる。また、空燃比センサ４１０の上流から吸気管コレクタ３６０に燃焼の排気ガスの一部を循環させるための通路４６０が設けられており、排気ガスを再循環することによりＮＯｘの排出量を抑制している。この通路４６０の途中には、排気ガスの循環量を制御するＥＧＲバルブ４７０が設けられている。さらに、排気タービン４２０の入り口には開閉弁４９０が装着され、期間の始動時には排気タービン４８０側には排気ガスが流れないよう閉塞し、三元触媒４２０の早期活性化を図っている。
【００１８】
燃料系は、点火プラグ２０の隣に近接して装着されているインジェクタ（以下実施例ではインジェクタと称す）１０，燃料タンク５００より燃料を吸い上げる低圧のフィードポンプ５１０，この低圧の燃料を昇圧してインジェクタ１０に供給する高圧燃料ポンプ５２０と燃料配管５４０，燃料圧力を計測するためにコモンレール５３１に取り付けられた燃料圧力センサ５３０，高圧ポンプの吸入通路に装着されて高圧ポンプの吐出量を制御する可変容量制御弁５２１，燃料温度を検出する燃料温度センサ５２０よりなる。
【００１９】
点火系は、シリンダの頂部に取り付けられた点火プラグ２０，点火プラグ２０に着火用高電圧を供給するための独立点火型のイグナイタ付点火コイル７５０からなる。
【００２０】
エンジン１のピストン２はキャビティのないフラットな形状、シリンダ６８０内の旋回流れ６７０は点火プラグ２０を挟んで左右一対の吸気弁５から流入して２つの排気弁６の下方、ピストン２の頂面へと向かううちに合流して一本の順タンブル（縦旋回流）６７０となり、ピストン２の頂面に沿って吸気弁側５に流れ、２つの吸気弁５の間に向かって上昇する一本の空気流動となる。当該吸気流動はインジェクタ１０，点火プラグ２０の下部を通って２つの排気弁４００の間の下方を通って元の順タンブル６７０に合流する。
【００２１】
７１０はコントロールユニットであり、内燃機関の運転情報であるエアフローセンサ３１０，スロットル開度センサ３２１，クランク角センサ，アクセルペダルセンサ，空燃比センサ４１０，燃料温度センサ５２０，燃料圧力センサ５２０，排気系の各種センサ等からの運転情報を基に電子制御スロットル３２０やインジェクタ１０，ＥＧＲバルブ４７０，可変容量制御弁５２１，点火コイル７５０のイグナイタ，開閉弁４９０，空気流動制御バルブ３３０等へ信号を送り、内燃機関の燃焼を適確に制御する。
【００２２】
燃焼制御方法には、大別して成層燃焼と均質燃焼の２つの方法がある。
【００２３】
成層燃焼は、圧縮行程後半のシリンダ６８０内の圧力が上昇した状態に燃料を噴射し、可燃混合気を点火プラグ２０付近に集合させて燃料噴霧を成層化し点火する燃焼方法である。燃料噴霧を成層化することで、シリンダ６８０内を空燃比４０程度の希薄な状態で燃焼できるので燃費を向上させることが出来る。
【００２４】
均質燃焼は、吸気行程中に燃料を均質に混合してから点火する燃焼方法である。シリンダ６８０内を全体として空燃比が理論空燃比程度に成るように燃料を噴射するので、成層リーンバーンに比べ、高出力運転を行うことができる。
【００２５】
インジェクタ１０の噴霧１００はシリンダの上部壁面中央部からピストン２に向かって噴射される。
【００２６】
図１は、本発明による筒内噴射式火花点火機関の第１実施形態である。エンジン１には吸気ポート３，排気ポート４があり、吸気ポート３は吸気弁５を介して、排気ポート４は排気弁６を介して、それぞれ燃焼室６８０へ通じている。２はピストン、２０は燃焼室上部に配置された点火プラグであり、１０は燃焼室内へ直接燃料を噴射するためのインジェクタである。このエンジンは、燃料を燃焼室のほぼ中央からピストン側へ向けて噴射するセンタ噴射式の筒内噴射エンジンである。インジェクタから噴射される噴霧は、例えば、図２０に示すような旋回式インジェクタの中空円錐噴霧の一部が欠けた形状である。つまり、この噴霧は噴霧内に、燃料が密な部分と粗な部分を有しており、燃料が粗な部分を点火プラグ方向へ指向させることが本実施形態の特徴である。また、図２に示すように、噴霧角度ｂはインジェクタ噴口と点火プラグ電極を結ぶ角度ａと同等が望ましいが、噴霧の巻き上がりや拡散を考慮し、幾何学的に燃焼室壁面に燃料付着のない噴霧角度の範囲で０°〜３０°程度噴霧角度を狭くしたり広くしたり調整する。
【００２７】
噴霧の検証方法を説明する。直径３００mm以上，高さ３００mm以上の噴霧容器内に、燃料を１５mcc／st 噴射し、インジェクタ中心軸に垂直な断面で、噴霧点から４０mm離れた位置に、厚さ５mm程度のハロゲンシート光を対向する２方向から照射する。その断面の噴霧散乱光を噴射弁中心軸上に配置した高感度カメラで撮影する。シャッターは開放状態に設定し、不要な光が入らないようにする。また、絞りは、ハレーションが生じない範囲内で最高に明るく設定する。撮影された噴霧画像の最高輝度をＩmax とすると、Ｉmax の３０％以下の輝度部分を噴霧が疎な部分、Ｉmax の７０％以上の輝度部分を密な部分と定義する。また、噴霧点を中心に、噴霧点から最もはなれたＩmax の３０％以上の明るさを持つ部分を通る円の内部を噴霧の範囲と定義し、これによって噴霧角を検証する。
【００２８】
この筒内噴射エンジンの動作および作用効果について説明する。筒内噴射エンジンでは、中・高負荷運転時には吸気行程中に燃料を噴射し、均質混合気を形成して点火・燃焼する。本実施形態では、燃焼室の中心軸と、噴霧の中心軸がほぼ一致するため、図３（ａ）に示すように、噴霧が燃焼室全体に広がり、シリンダ側壁への燃料付着を抑制できる。さらに、従来の中空円錐噴霧は高負荷時に噴射期間が長くなると噴霧の内外圧力差により噴霧角が狭くなり、噴霧中心部に燃料が集中する傾向があるが、本発明の噴霧では粗な部分から空気が噴霧内へ流れ込むため、噴霧内外圧力差が低減され、高負荷条件でも噴霧角が広い状態を保つことができる。これにより、図３（ｂ）に示すように、噴霧の集中が回避され、燃焼室内に広く燃料が分布するため、周囲空気との混合が促進される。特に流動生成手段は設けなくても、吸気ポート形状から自然に形成されるタンブル流により、さらに混合が促進される。また、噴霧の粗な部分が点火プラグへ指向するため、プラグへの液体燃料の付着が低減できる。以上のように、液体燃料が点火プラグ，燃焼室側壁へ直撃しないことから、燃焼室内への燃料付着が低減でき、ＨＣ，すすなどの排気が向上し、クエンチ層に残留する燃料が減ることから、出力，燃費が向上する。
【００２９】
一方、図２に示すように低負荷運転時には圧縮行程後半に燃料を噴射し、点火プラグ付近へ混合気を成層化し、トータルで見ると空燃比が薄い状態で燃焼させる。図４に圧縮行程噴射時の点火プラグ付近混合気濃度の時間変化を示す。従来の旋回式インジェクタで形成される中空円錐噴霧では、広角噴霧を用いると噴射された燃料が直接点火プラグへ衝突するため、液体燃料が点火プラグへ直撃、付着し、５０に示すように点火プラグ付近が一時的に過濃となる。液滴が点火プラグへ衝突すると液膜となり、点火までに気化できなかった燃料は液体のまま燃焼する。これは、排気を悪化させると共に、燃焼生成物の付着により、点火プラグのくすぶりが発生する。本実施形態の粗密のある噴霧を用いると、点火プラグに直接燃料が衝突しないため、噴射直後は点火プラグ付近混合気濃度は薄くなるが、プラグのくすぶりが防止できる。圧縮行程後半の高圧雰囲気では噴霧の貫通力が弱くなり、燃焼室中央部に噴霧が留まり、時間とともに気化，拡散し、可燃混合気となって点火プラグへ到達する。このため、５１に示すように、点火プラグ付近に可燃混合気が存在する時間が長くなり、点火可能期間を長くとることができる。また、噴射された燃料が点火プラグ付近に留まると、壁面付着のない理想的な成層混合気が形成され、燃料を無駄なく利用できるため、空燃比のリーン化が可能である。つまり、本実施形態の構成により、成層燃焼中においても、燃費が向上し、未燃炭化水素などの排気を低減，点火プラグのくすぶりを防止することが可能である。図５は横軸回転数，縦軸負荷であり、運転状態を示すが、本実施形態ではインジェクタから点火プラグまでの混合気の移動時間を考慮する必要がないため、従来困難であった比較的高回転の領域においても成層燃焼を行うことが可能となり、燃費の良い成層運転領域を広げられる。均質運転も壁面付着の低減，混合気の均質化により領域を広げることができる。また、空気流動に依存せずに成層化が可能なため、流動形成部品が必要なく、コスト削減が可能となる。
【００３０】
前記インジェクタを用いたセンタ噴射型筒内噴射エンジンの噴射制御方法について説明する。前記構成のエンジンにおいて噴射制御を行うことで、排気燃費などの性能を向上できる。図６に、回転数と負荷における成層・均質運転領域を示す。領域１に示す高負荷高回転の均質運転領域においては、時間的制約から図７（１）に示すように吸気工程からの一括噴射を行う。噴射開始時期は吸気工程の０°ＡＴＤＣ〜１８０°ＡＴＤＣであり、好ましくは、噴霧がピストンを追いかけ、壁面付着を低減できる６０°ＢＴＤＣ以降が良い。サイド噴射型の場合と異なり、強い空気流動により噴霧拡散を妨げられることがないため、図８（１）のように燃焼室全体に混合気が広がり、良好な燃焼特性が得られる。また、シリンダ壁面への燃料付着によるオイル希釈，ＨＣ発生を抑制できる。ピストン冠面への燃料付着が生じても、領域１の運転条件ではピストンは高温であるため、点火までに付着燃料が気化し、排気へのはねかえりは小さいと考えられる。
【００３１】
領域２に示す低中回転高負荷の領域では吸気工程で複数回に分割して燃料を噴射する。複数回に分割することにより、混合気の拡散を促進し、また、一回あたりの噴霧貫通力を低減することで、ピストン冠面への燃料付着量を低減，ＨＣ・スモーク発生を抑制する。分割の方法は、図９に示すように噴射量が保証される最小の噴射期間Ｔmin に近い噴射期間で、可能な範囲で多くの回数に分割するのが望ましい。これにより、図８（２）に示すように、前半に噴射された燃料は燃焼室下部へ、後半に噴射された燃料は燃焼室上部へ分布し、混合気むらが低減できる。
【００３２】
領域３に示す弱成層領域では、図７（３）のように吸気工程から圧縮工程前半にかけての第一噴射と、圧縮工程後半に成層用に用いる第二噴射に分割する。図８（３）に示すように、第一噴射では燃焼室内に火炎伝播可能な均質希薄混合気を形成し、第二噴射をプラグ付近へ成層化し、点火する。第二噴射期間Ｔ２は点火可能な混合気を形成できる最小の量で良く、残りを第一噴射にあて、十分に気化させる。第一噴射時期は、ピストンへの噴霧衝突が生じない条件を満たせば、吸気工程のできるだけ早い時期、３０°ＡＴＤＣ〜１８０°ＡＴＤＣ程度が望ましい。第二噴射時期は、プラグ付近へ燃料を成層化させることが可能な、圧縮工程の２７０°ＡＴＤＣ〜３４０°ＡＴＤＣに設定する。また、噴射回数は２回に限らず、複数回に分割して、さらに混合を進めても良い。その場合、吸気工程の第一噴射を分割するというイメージで、分割により混合気を燃焼室全体に分布させる。また、複数回噴射の場合、上記説明の第二噴射は最終噴射を意味する。
【００３３】
領域４に示す低中回転の成層領域では、図７（４）に示すように圧縮工程中に分割噴射する。一回あたりの噴射期間を短縮することにより、噴霧貫通力を低減し、第一噴射時期Ｄ１と第二噴射時期Ｄ２を近い時期に設定し、図８（４）に示すように、それぞれの噴霧が重なることによる成層強化を狙う。これにより成層運転領域を広げることができる。
【００３４】
領域５に示す低回転の成層領域では、領域４と同様、圧縮工程分割噴射も可能であるが、噴射時期を圧縮工程後期の高筒内圧力下に設定することにより、一括噴射でも噴霧拡散を抑制することができる。噴射時期と共に点火時期も遅角し、燃焼効率を上げ、燃費を向上する。また、スロットルを開き、Ａ／Ｆを４０〜１００程度にリーン化することで、同じ噴射時期でも筒内圧力を高く設定、噴霧拡散を抑制することも有効である。スロットル開度を大きくすると吸気の絞り損失が低減し、燃費向上可能。さらに筒内圧力をあげるにはターボチャージャーや、スーパーチャージャーによる過給も有効であり、噴射時期を早く設定しても筒内圧力が高いため、噴霧拡散を抑制でき、噴射から点火までの時間を長くとることで気化の促進を図ることができる。
【００３５】
以上のような複数回分割噴射を行うには、インジェクタを高速で駆動する必要があり、電圧チャージの必要のないバッテリー電圧で駆動可能なインジェクタや圧電素子・磁歪素子を利用した、応答速度の速いインジェクタを組み合わせることが有効である。
【００３６】
次に、供給燃料圧力の制御方法について説明する。前記構成のエンジンでは噴射点と点火点が接近した構成のため、気化促進のため噴射初期から微粒化した噴霧であることが望ましい。図１０に示すように、一般的に燃料供給圧力をあげると微粒化が促進されるが、それに伴い、噴霧貫通力が増大するというように、微粒化と貫通力はトレードオフの関係にある。噴霧貫通力低減のためには、前記複数回分割噴射が有効である。分割噴射した場合、図に示すように粒径を維持しつつ、貫通力を低減することが可能となる。
【００３７】
領域１の均質高回転では、気化時間が十分に確保できないことから、燃料供給圧力を１０〜２０Ｍｐａへ高圧化し、微粒化を促進する。高圧化に伴い、噴射率が増大し、噴射期間が短縮できるため、時間的制約から困難であった分割噴射による貫通力抑制，燃焼室内均質化を図ることが可能となる。
【００３８】
領域２の均質中低回転や、領域３の弱成層，領域４の成層中回転では、通常燃圧（５〜１２Ｍｐａ）で前記分割噴射を行う。
【００３９】
領域５の成層低回転では、噴射期間が短いために分割噴射が困難であったが、供給燃料圧力を１〜５Ｍｐａと低く設定することにより、噴射期間を延長，分割噴射が可能となる。低燃圧化に伴い粒径が悪化するが、低回転では噴射から点火までの時間が長くとれるので、プラグ付近へ成層化が維持できていれば、点火までにおおよその燃料は気化できる。また、分割噴射による、噴霧の重なりにより成層度を強化することが可能である。
【００４０】
次に、空気流動の制御について説明する。上記エンジンに空気流動を付与することで性能向上が可能である。図１１（ａ）に示すように燃焼室に横方向のスワール空気流動を与えると、領域１，２の均質燃焼では壁面付着を抑制しつつ混合を促進し、より均質な混合気を得ることができる。また、領域３，４，５の成層燃焼では、噴射時にプラグ部分の噴霧が粗な状態であるが、スワールにより、図に示すように気化した混合気をプラグへ輸送することができる。また、乱れが生成されるため、気化の促進につながり、燃焼安定，ＨＣ低減が可能である。また、スワールでは噴射弁のある燃焼室中心部は台風の目のように、流動は弱く、タンブルのように混合気を拡散せずに、保持することができるため、成層化のためにはスワールが望ましい。
【００４１】
図１１（ｂ）のように縦渦であるタンブルを付与した場合も同様で、均質燃焼時には混合を促進し、成層燃焼時には、混合気をプラグへ輸送する。しかし、成層運転の分割噴射では、混合気が留まらず排気側へ輸送されるため、流動を弱く設定する必要がある。
【００４２】
図１２のようにピストンにキャビティを設け、混合気の分散を防ぐ構成としても良い。燃料付着はないことが望ましいが、成層燃焼時に噴霧がピストンへ衝突した場合、フラットであるとピストン冠面に沿って燃焼室に拡散，クエンチ層に混合気が形成される可能性がある。キャビティがあると壁面のカーブに沿って噴霧をプラグ方向へ巻き上げ、混合気を成層化しやすくなる。このとき、キャビティの端面の角度θとキャビティの深さＨが、混合気形成に影響する。θにより噴霧がキャビティから出る時に向かう方向が決定されるため、θは７０°〜150°程度の、プラグ方向へ混合気が輸送できる角度へ設定する。キャビティの深さＨは冷却損失を考えると浅く設定するほうが望ましい。
【００４３】
また、インジェクタと点火プラグの取付位置関係は燃焼室上面からの距離や取付方向の構成が変わっても良い。点火プラグを２つの吸気弁の間に配置しても構わない。また、実施形態は４バルブエンジンだが、２バルブもしくは、３バルブにし、ヘッドに空間的余裕を持たせて、インジェクタとプラグを配置しても構わない。さらに、インジェクタを点火プラグの位置から、０〜４０mm程度上に配置し、噴霧が周囲空気との摩擦により巻き上がるところに点火プラグが位置するようにすると、混合気を点火プラグへ搬送しやすい。
【００４４】
ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）７１０は図１３に示すように、エンジンに取り付けられたセンサから、吸入空気量，エンジン冷却水温度，燃料温度、燃料圧力，エンジン回転数，負荷，スロットル開度，クランク角度，Ａ／Ｆ（空燃比），排気温度などの信号を受けてエンジンの状態を判定し、さらに図１４のフローチャートにおいて、それらの情報から、図６のような噴射方法のＭＡＰ，図１０（ｂ）のような空気流動，燃料圧力ＭＡＰで噴射時期，噴射期間，燃料圧力，空気流動制御弁の開度など、前記した制御信号をエンジン制御機器へ出力する。
【００４５】
本発明の第２の実施形態を図１５に示す。第１の実施形態と同様にインジェクタを燃焼室中央付近に配置したセンタ噴射型筒内噴射エンジンであって、前述図２０に示すような噴霧の噴霧切り欠き部と反対側に噴霧集中部を持つ噴霧の、噴霧集中部を点火プラグ方向になるように配置する。このとき、噴射弁の噴口と点火プラグの電極がなす角度ａに対し、燃料の噴霧角度ｂを１０°〜３０°狭く設定し、点火プラグへの燃料衝突を回避する。
【００４６】
図１６で作用を説明する。噴霧が集中し、流速が速い部分を噴霧１０１Ａ、それと対向側にある噴霧流速が遅い部分を噴霧１０１Ｂとすると、図１６（ａ）に示すように１０１Ａで燃焼室内に点火プラグからピストンへ向かう流動３０を生成し、（ｂ）に示すように１０１Ｂを流動３０に乗せて点火プラグ付近へ移動させる。噴霧により流動を形成するため、初期流動がなくても、点火プラグへ気化混合気を成層化することができる。１０１Ａは液滴のまま、点火プラグ近くを通過するが、角度が狭く、点火プラグには衝突しないため、くすぶりの問題は発生しない。実際に点火に利用されるのは１０１Ｂであり、１０１Ｂは点火プラグへ到達するまでに気化すると考えられる。本実施形態の効果は第一実施形態の効果とほぼ同じ効果が得られた。
【００４７】
図１７に第三の実施形態の構成を示す。インジェクタと点火プラグを一体化した構成である。エンジンヘッドにインジェクタと点火プラグの２つの部品を配置するには、ヘッドの大幅な改造が必要となるが、点火プラグとインジェクタを一体化することにより、噴射弁，点火プラグ取付部を省スペース化することができる。本構成でも同様に、点火プラグ電極部分に噴霧の粗な部分を指向させ、点火プラグへの液体燃料の直撃を回避する。作用効果は第１実施形態とほぼ同様であるため省略する。
【００４８】
図１８は上記実施形態に用いるインジェクタの構成図である。インジェクタの動作を説明する。閉弁時は、弁体１４はスプリング６０により弁座１５に押しつけられ、シールされている。開弁信号がＥＣＵから与えられると、コイル６１により磁気回路が形成され弁体の磁性部６２を持ち上げる方向へ電磁力が発生し、弁体１４が上昇する。燃料はインジェクタ上部から流入し、弁体内の通路６３を通り、ノズルに達する。ノズル１１内部には燃料に旋回を与えるスワラ１２が配置され、燃料はスワラに設けられた溝１３を通過し、弁体１４と弁座１５の隙間から噴口１６を介して燃焼室内に噴射される。
【００４９】
図１９にインジェクタのノズル形状１を示す。噴口の半分に段差１７を設けた構成で、従来の旋回式インジェクタから噴射される中空噴霧の一部に不連続部が形成され、噴霧分布に粗密が生じる。図２０は図１１の噴口から形成される噴霧形状であり、上は垂直断面であり、下は水平断面である。このインジェクタの噴霧は一方は噴霧が不連続で燃料が粗になり、その対向側は燃料が密な状態となる。この粗密分布の位置や量は、ノズルの段差の大きさや位置によって変更可能である。前記第１の実施形態は、噴霧の粗な部分を点火プラグ方向へ指向させることにあり、第２の実施形態は噴霧の粗な部分と対向側にある、流速の速い密な部分を点火プラグへ指向させることにある。
【００５０】
図２１にインジェクタのノズル形状２を示す。噴口出口部に障壁１８を形成することにより、図２２に示すように中空円錐噴霧の一部が約９０°切り取られた形状となる。上記第１の実施形態では、噴霧の切り取られた粗な部分を点火プラグに指向させる。
【００５１】
図２３にインジェクタのノズル形状３を示す。噴口出口の一部に少なくとも１つ以上の障壁１９を設け、図２４のように噴霧の一部を切り取ることでも粗密のある噴霧を形成できる。障壁の幅や高さにより噴霧の粗部分の大きさを変更することができる。この場合も上記第１の実施形態では、噴霧の切り取られた粗な部分を点火プラグに指向させる。
【００５２】
図２５にインジェクタのノズル形状４を示す。インジェクタのノズル部１６を多孔にし、図２６のような多方向に噴射する粗密噴霧を形成する噴射弁構成である。噴口の数，大きさ方向により多用な粗密噴霧が形成可能である。第１実施形態に適用する場合は、それぞれの噴孔から噴射される噴霧の間の燃料の粗な部分に点火プラグを配置する。もしくは、図２７に示すように、１本もしくは複数本の噴口径を他より小さく設定し、図２８のように流量の少ない噴霧部分を点火プラグへ指向させる。また、第２の実施形態に適用するためには、一本もしくは複数本の噴口径を他より大きくし、強い流速を持つ噴霧をプラグへ直撃しない角度でプラグ側へ指向させ、燃焼室内に流動を生成する。多孔噴射弁の場合は、必ずしも上流に旋回をかける必要はない。
【００５３】
本発明に用いるインジェクタは取り付け位置を決めるための位置決め手段を備えている。例えば取付け用孔と、インジェクタ外周面に設けた廻り止めが兼用される。インジェクタのコネクタあるいは別途インジェクタにつけた目印とシリンダヘッドに設けたマークとで構成することもできる。また、隣接する点火プラグ装着用のプラグホールとの間に目印を設けることもできるこの位置決めは燃料噴霧の粗な部分が間違いなく点火プラグに対応した位置にくることを保証する。
【００５４】
さらに、図２，図３に代表するように点火プラグの着火ギャップがインジェクタ側に向くように相互の位置を設定することが好ましい。本発明では上述したように液状の燃料が直接着火ギャップを濡らすことはないのでこのような方向性を持ってプラグを装着することができる。かくして気化した混合気が直接着火ギャップに供給されるので着火性能が向上する。
【００５５】
【発明の効果】
本発明では、燃料噴射弁を点火プラグの近傍に装着するにも関わらず、点火プラグに直接燃料を衝突させないように構成されているので、点火プラグがくすぶることなく、良好な排気と、成層燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の実施形態のエンジン断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
【図２】（ａ）は第１の実施形態の成層時の混合気分布の説明図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
【図３】（ａ）は第１の実施形態の均質時における噴霧初期の混合気分布の説明図、（ｂ）は後期の混合気分布の説明図。
【図４】プラグ付近の混合気濃度の変化を説明する為の図面。
【図５】成層，均質運転領域の拡大効果を説明する為の運転特性図。
【図６】成層，均質運転領域と噴射制御方法の関係を説明する為の図面。
【図７】図６の各領域における噴射タイミングを説明する為の図面。
【図８】噴射制御時の燃焼室内混合気挙動を説明する為の図面。
【図９】噴射期間と燃料流量の関係を説明する為の図面。
【図１０】（ａ）は燃料圧力と平均粒径，噴霧貫通力の関係、（ｂ）は機関の運転条件による空気流動と燃料圧力の関係を説明する為の図面。
【図１１】空気流動と本発明の燃料噴射制御との組み合わせを説明する為の図面で、(ａ)はスワール（横旋回流）との組み合わせ、（ｂ）はタンブル（縦旋回流）との組み合わせを説明する為の図面。
【図１２】キャビティ付きピストンを用いた場合の適用例を説明する為の図面。
【図１３】エンジンコントロールユニットの入出力信号を示すブロック図。
【図１４】噴射完了までの一例を示すフローチャート。
【図１５】（ａ）は第２の実施形態のエンジン断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
【図１６】（ａ）は第１の実施形態の噴霧初期の混合気分布の説明図、（ｂ）は後期の混合気分布の説明図。
【図１７】（ａ）は第３の実施形態のエンジン断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
【図１８】（ａ）はインジェクタの断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【図１９】（ａ）は図１８のインジェクタの第１実施例の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２０】図１９のインジェクタから噴射され燃料噴霧パターンを示す図面。
【図２１】（ａ）は図１８のインジェクタの第２実施例の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２２】図２１のインジェクタから噴射され燃料噴霧パターンを示す図面。
【図２３】（ａ）は図１８のインジェクタの第３実施例の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２４】図２３のインジェクタから噴射され燃料噴霧パターンを示す図面。
【図２５】（ａ）は図１８のインジェクタの第４実施例の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２６】図２５のインジェクタから噴射され燃料噴霧パターンを示す図面。
【図２７】（ａ）は図１８のインジェクタの第５実施例の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２８】図２７のインジェクタから噴射され燃料噴霧パターンを示す図面。
【図２９】本発明が実施されるシステム全体の説明図。
【符号の説明】
１…エンジン、２…ピストン、１０…インジェクタ、２０…点火プラグ、100…噴霧。

Claims

シリンダヘッドとピストンの間に形成された燃焼室と、混合気に着火する点火プラグと、前記燃焼室上部中央付近に配置され前記燃焼室内にガソリンを直接噴射するインジェクタとからなる筒内噴射ガソリンエンジンにおいて、
前記インジェクタとして噴霧に貫通力が短くて密度が粗な部分と貫通力が長くて密度が密な部分とを有するインジェクタを用い、
噴霧の貫通力が長くて密度が密な部分を前記点火プラグ下方向に指向させ、後続する貫通力が短くて密度が粗な部分が前記点火プラグを包むように構成したことを特徴とする筒内噴射ガソリンエンジン。
請求項１に記載の筒内噴射ガソリンエンジンにおいて、前記燃料噴射弁の噴射口と点火プラグの電極とを結ぶ接線が前記燃料噴射の軸線となす角度ａに対して前記燃料噴射の軸線から前記燃料噴霧のプラグ側の燃料噴霧角ｂを小さくしたことを特徴とする筒内噴射ガソリンエンジン。