JP4100345B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

特許文献１に、筒内噴射式火花点火内燃機関が開示されている。この内燃機関では、圧縮行程中に燃料を噴射して点火栓周りに成層状態の混合気を形成した上で燃料を燃焼させるいわゆる成層燃焼と、吸気行程中に燃料を噴射して燃焼室内全体に均質状態の混合気を形成した上で燃料を燃焼させるいわゆる均質燃焼とが選択的に行われる。そして、特許文献１では、内燃機関に成層燃焼を行わせるときに燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧によって形成される混合気が点火栓に直接達するような配置でもって、燃料噴射弁が内燃機関に搭載されている。このように、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧によって形成される混合気を点火栓に直接到達させることによって、点火栓によって確実に燃料に点火することができる。

特開２０００−３３７１４９号公報 特開平９−２０９７６１号公報 特開平５−２３１２７０号公報

上述したように、成層燃焼を行うときに点火栓によって燃料に確実に点火させるためには、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧によって形成された混合気を点火栓に直接到達させることが望ましい。こうした理由から、特許文献１では、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧によって形成される混合気が点火栓に直接到達するような配置でもって、燃料噴射弁を内燃機関に搭載しているのであるが、燃料噴射弁が、ホローコーン状（すなわち、中空の円錐状）に燃料を噴射する内開式の燃料噴射弁（これは、ニードル弁が燃料噴射弁の内部において燃料噴射孔を閉じるタイプの燃料噴射弁である）である場合、成層燃焼を行うときに燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧によって形成される混合気が点火栓にうまく達しないことが本発明者の研究から明らかとなった。

すなわち、燃料がホローコーン状でもって噴射されると、燃料噴霧の内側の圧力（すなわち、燃料噴霧内部の円錐状の空間内の圧力）が低下する。しかしながら、このとき、燃料噴霧の外側の圧力はそれほど低下しないことから、燃料噴霧の内側と外側との間に圧力差が生じ、燃料噴霧が内側へ引き込まれ、燃料噴霧が内側へ縮む現象（以下これを「縮流現象」という）が生じることが判明した。したがって、縮流現象が生じることを考慮せずに、燃料噴霧によって形成される混合気が点火栓に直接到達するものとして燃料噴射弁が内燃機関に搭載されている場合、燃料噴霧によって形成される混合気は点火栓に直接到達しないことになる。

もちろん、縮流現象が生じることを考慮して、燃料噴霧によって形成される混合気が点火栓に直接到達するように、燃料噴射弁の先端をより点火栓の方に向けたり、燃料噴射角（これは、円錐状の燃料噴霧において円錐の頂角である）をより大きくすれば、縮流現象が生じたとしても、燃料噴霧によって形成される混合気が点火栓に直接到達することになる。ところが、この解決策を採用すると、別の不具合が生じる。

すなわち、縮流現象が生じるのは、成層燃焼が行われるときであって、均質燃焼が行われるときには、縮流現象は生じない。より詳細に言うと、成層燃焼が行われるときには燃焼室内の圧力が非常に高くなっている圧縮行程後期に燃料が噴射されることから、縮流現象が生じるのであって、均質燃焼が行われるときには燃焼室内の圧力はさほど高くない（大気圧に近い）吸気行程中に燃料が噴射されることから、縮流現象は生じない（生じたとしても極めて僅かである）。したがって、上述したような解決策を採用した場合に均質燃焼が行われると、点火栓の発火部以外のところに燃料噴霧が達してしまったり、点火栓周りの燃焼室壁面に燃料が付着してしまったりし所望の混合気が形成されないことになる。

本発明の目的は、ホローコーン状に燃料を燃焼室内に噴射する内開式の燃料噴射弁を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼が行われるときに燃料噴霧によって形成される混合気を点火栓に直接到達させると共に、均質燃焼が行われるときに所望の混合気を形成すること、さらに一般的には、燃料噴霧によって形成される混合気が確実に点火栓に直接到達するように、燃料噴霧が縮流することを抑制することにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、ホローコーン状に燃料を燃焼室内に噴射する内開式の燃料噴射弁を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁の燃料噴射孔近傍から点火栓の発火部に向かって延びる壁面を燃料噴霧案内用の壁面として有し、圧縮行程中に燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の少なくとも一部が上記燃料噴霧案内用の壁面から所定の間隔を開けつつ該燃料噴霧案内用の壁面に沿って移動し且つ該燃料噴霧案内用の壁面に沿って移動する燃料噴霧によって形成された混合気が点火栓の発火部に直接到達するような第１の位置と、圧縮行程中に燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の少なくとも一部が上記燃料噴霧案内用の壁面から上記所定の間隔よりも大きな間隔を開けつつ該燃料噴霧案内用の壁面に沿って移動するような第２の位置との間で、上記燃料噴霧案内用の壁面が移動可能となっており、上記燃料噴霧案内用の壁面の位置が機関運転状態に応じて選択的に第１の位置または第２の位置とされる。

２番目の発明では、１番目の発明において、燃焼室から排出される排気ガスの温度を上昇させるべきときに圧縮行程中に燃料噴射弁から燃料が２回噴射され、これら２回の噴射のうち１回目の噴射が行われるときには上記燃料噴霧案内用の壁面の位置が第１の位置とされ、２回目の噴射が行われるときには上記燃料噴霧案内用の壁面の位置が第２の位置とされる。

３番目の発明では、１番目の発明において、機関要求負荷が予め定められた値よりも大きいときには上記燃料噴射案内用の壁面の位置が第１の位置とされて第１の噴射タイミングで燃料が噴射され、機関要求負荷が上記予め定められた値よりも小さいときには上記燃料噴射案内用の壁面の位置が第２の位置とされて上記第１の噴射タイミングよりも遅い第２の噴射タイミングで燃料が噴射される。

本発明によれば、燃料噴霧が燃料噴霧案内用の壁面から所定の間隔を開けつつ該燃料噴霧案内用の壁面に沿って移動することから、燃料噴霧が縮流することが抑制され、燃料噴霧によって形成される混合気が確実に点火栓に直接到達することになる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態の内燃機関の一例を示している。図１において、１は内燃機関の本体、２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４はピストン、５は燃焼室、６は燃料噴射弁、７は点火栓、８は吸気弁、９は吸気ポート、１０は排気弁、１１は排気ポートをそれぞれ示している。燃料噴射弁６の先端部分は、燃焼室５内に露出しており、燃料は、燃料噴射弁６から燃焼室５内に直接噴射される。燃料噴射弁６から噴射された燃料は、点火栓７によって点火される。したがって、本発明の第１実施形態の内燃機関は、筒内噴射式火花点火内燃機関である。

吸気ポート９には、吸気枝管１２が接続されている。また、吸気枝管１２は、サージタンク１３を介して吸気管１４に接続されている。また、吸気管１４は、エアクリーナ１５に接続されている。吸気管１４内には、スロットル弁１６が配置されている。スロットル弁１６は、ステップモータ１７に接続されている。スロットル弁１６は、このステップモータ１７によって駆動される。一方、排気ポート１１には、排気枝管１８が接続されている。

図２は、燃焼室５側の燃料噴射弁６の先端部分を示している。燃料噴射弁６は、ボディ部分６ａと、ニードル弁６ｂとを有する。ニードル弁６ｂは、ボディ部分６ａ内に配置され、ボディ部分６ａ内で摺動可能となっている。また、ボディ部分６ａ内には、燃料を輸送するための燃料通路６ｃが形成されている。また、燃料通路６ｃに連通可能な形で、ボディ部分６ａには、燃料噴射孔６ｄが設けられている。

図２（Ａ）は、ニードル弁６ｂの先端部分がボディ部分６ａの内壁面（いわゆる、バルブシート面）に当接し、燃料噴射孔６ｄが燃料通路６ｃから遮断されているところを示している。このように燃料噴射孔６ｄが燃料通路６ｃから遮断されているときには、燃料噴射孔６ｄからは燃料は噴射されない。

一方、図２（Ｂ）は、ニードル弁６ｂの先端部分がボディ部分６ａの内壁面から離され、燃料噴射孔６ｄが燃料通路６ｃに連通せしめられているところを示している。このように燃料噴射孔６ｄが燃料通路６ｃに連通せしめられているときには、図２（Ｂ）に符号Ｆで示されているように、燃料噴射孔６ｄから燃料が噴射される。

なお、図示した燃料噴射弁６は、ニードル弁６ｂがボディ部分６ａの内部で燃料噴射孔６ｄを閉鎖するいわゆる内開式の燃料噴射弁である。また、燃料噴射孔６ｄから噴射された燃料は、内部が空洞となっている円錐状（いわゆるホローコーン（Hollow cone）状）に広がりつつ燃焼室５内を移動する。すなわち、燃料噴射孔６ｄから噴射される燃料噴霧の形状が、内部が空洞となっている円錐状となっている。

参考までに、図３に、ニードル弁がボディ部分の外部で燃料噴射孔を閉鎖するいわゆる外開式の燃料噴射弁を示した。この外開式の燃料噴射弁について簡単に説明すると、外開式の燃料噴射弁６０は、ボディ部分６０ａと、ニードル弁６０ｂとを有する。ニードル弁６０ｂの大部分はボディ部分６０ａ内に配置され、ニードル弁６０ｂの先端部分がボディ部分６０ａの外に配置されている。図３（Ａ）は、ニードル弁６０ｂの先端部分がボディ部分６０ａの外壁面に当接し、燃料噴射孔６０ｄが燃料通路６０ｃから遮断されているところを示している。一方、図３（Ｂ）は、ニードル弁６０ｂの先端部分がボディ部分６０ａの外壁面から離され、燃料噴射孔６０ｄが燃料通路６０ｃに連通せしめられているところを示している。このように、燃料噴射孔６０ｄが燃料通路６０ｃに連通せしめられているときには、図３（Ｂ）に符号Ｆで示されているように、燃料噴射孔６０ｄから燃料が噴射される。

次に、図４を参照して、燃料噴射弁６の先端部分近傍の構成について説明する。図示されているように、燃料噴射弁６は、燃料噴射孔６ｄが燃焼室５内を向くようにシリンダヘッド２に配置されている。点火栓７は、その発火部７ａが燃焼室５内に露出するようにシリンダヘッド２に配置されている。

また、燃料噴射孔６ｄ近傍のシリンダヘッド２には、円錐状の空間５ａが設けられている。したがって、燃料噴射孔６ｄ近傍のシリンダヘッド２の壁面２ａが、燃料噴射孔６ｄ近傍のボディ部分６ａから燃焼室（詳細には、円錐状の空間５ａを除いた燃焼室の主要部分）５に向かって円錐状に延びている。そして、この円錐状の壁面２ａの一部は、燃料噴射孔６ｄ近傍のボディ部分６ａから、点火栓７の発火部７ａに向かう方向へ延びている。また、この円錐状の壁面２ａは、燃料噴射孔６ｄから噴射された燃料が当該壁面２ａに極めて近接して移動するが当該壁面２ａから予め定められた一定の距離（好ましくは、例えば、１ｍｍ〜３ｍｍ）だけ開けて当該壁面２ａに沿って移動するように設けられている。この壁面２ａによれば、燃料噴射孔６ｄから噴射された燃料によって形成される混合気は、確実に、点火栓７の発火部７ａに直接到達することになる。

燃料噴射孔６ｄ近傍から燃焼室５に向かって延びる壁面２ａを上述したように構成することには、利点がある。次に、この利点について図５を参照しながら説明する。図５に示した例では、燃料噴射弁６は上述した燃料噴射弁と同じであるが、シリンダヘッド２には上述したような円錐状の空間５ａは設けられておらず、したがって、燃料噴射孔６ｄ近傍から円錐状に延びるシリンダヘッド２の壁面２ａも設けられていない。

図５に示した例において、例えば、内燃機関の吸気行程中に燃料噴射弁６から燃料が噴射される場合、燃料が噴射されるときには、吸気ポートを介して燃焼室５内に空気が流入しているので、燃焼室５内の圧力はさほど高くない。したがって、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、図５（Ａ）に符号Ｆで示されているように、概ね、内部が空洞の円錐状（ホローコーン状）をなして燃焼室５内に噴射されることになる。

ところが、図５に示した例において、内燃機関の圧縮行程中（特に、圧縮行程後期）に燃料噴射弁６から燃料が噴射される場合、燃料が噴射されるときには、燃焼室５内の圧力は非常に高くなっている。この場合、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、図５（Ｂ）に符号Ｆで示されているように、全体的に内側に引き寄せられた形で燃焼室５内に噴射されることになる。この現象は、燃焼室５内の圧力が非常に高いときに、燃料噴射弁６からホローコーン状に燃料を噴射しようとした場合、燃料噴霧の内側の空間（ホローコーンの空洞の部分）内の圧力が、燃料噴霧の外側の空間（ホローコーンの外側の燃焼室５の空間）の圧力よりも低くなることから生じる。

したがって、図５に示した例において、圧縮行程中に燃料噴射弁６から燃料を噴射したときに燃料噴霧が図５（Ａ）に符号Ｆで示されているように形成されることを前提として、燃料の一部が点火栓の発火部に到達するように燃料噴射弁６および点火栓をシリンダヘッド２に配置したとしても、実際には、燃料噴霧は、図５（Ｂ）に符号Ｆで示されているように形成されるのであるから、圧縮行程中に噴射された燃料の一部は点火栓の発火部に直接は到達しないことになる。

これに対し、図４に示した本発明の第１実施形態では、圧縮行程中に燃料噴射弁６から燃料を噴射したとしても、シリンダヘッド２の円錐状の壁面（これは燃料噴霧を案内する壁面であることから、以下これを「燃料噴霧案内用の壁面」ともいう）２ａによるコアンダ効果によって、燃料は、図４に符号Ｆで示されているように、内側に引き寄せられる（以下これを「縮流する」ともいう）こともほとんどなく、所期のホローコーン状態を維持しつつ燃焼室５内に噴射されることになる。これによれば、圧縮行程中に燃料噴射弁６から燃料を噴射したとしても、燃料によって形成される混合気を確実に点火栓７の発火部７ａに到達させることができる。

なお、燃料噴射孔６ｄから噴射された燃料噴霧と燃料噴霧案内用の壁面２ａとの間の距離は、上述したように、例えば、１ｍｍ〜３ｍｍであるが、図４に符号Ｄで示されている距離（詳細には、燃料噴射弁６の中心軸線Ｃに沿った方向において、燃料噴射孔５ｄの出口のところから、シリンダヘッド２に設けられた円錐状の空間５ａと燃焼室５（厳密には、円錐状の空間５ａを除いた燃焼室５の部分）との境界までの距離）は、例えば、５ｍｍ〜１０ｍｍであることが好ましい。

次に、第１実施形態の内燃機関の使用例について説明する。従来から、いわゆる成層燃焼と均質燃焼とを選択的に行うようにした内燃機関が知られている。成層燃焼では、圧縮行程中（特に、圧縮行程後期）に燃料噴射弁から燃料を噴射することによって点火栓周りにのみ燃料と空気との混合気を成層状に形成し、この成層状の混合気を点火栓により点火する。この成層燃焼によれば、空燃比が理論空燃比よりも非常にリーンであっても（すなわち、燃焼室内の空気の量に対する燃料の量が非常に少なくても）、点火栓による点火時に燃料が点火栓周りに集中して存在することから、燃料を良好に燃焼させることができる。しかしながら、その反面、空燃比が理論空燃比近傍であったり理論空燃比よりもリッチであったりすると、点火栓による点火時に多量の燃料が点火栓周りに集まっていることから、却って、燃料を良好に燃焼させることができない。このように、成層燃焼では、燃料噴射弁から噴射される燃料が比較的少ないときに燃料を良好に燃焼させることができる。したがって、成層燃焼は、内燃機関に対する機関要求負荷が比較的小さいときに行われる。

一方、均質燃焼では、吸気行程中に燃料噴射弁から燃料を噴射することによって燃焼室全体に均質な混合気を形成し（すなわち、燃焼室全体に燃料を均質に分布させ）、この均質な混合気を点火栓により点火する。この均質燃焼では、空燃比が理論空燃比近傍であったり理論空燃比よりもリッチであったりしたとしても（すなわち、燃焼室内の空気の量に対する燃料の量が多くても）、点火栓による点火時に燃料が燃焼室全体に均質に分散していることから、燃料を良好に燃焼させることができる。しかしながら、その反面、空燃比が理論空燃比よりも非常にリーンであると、点火栓周りの混合気中の燃料が極めて少なく、却って、点火栓により燃料が点火されづらくなる。このように、均質燃焼では、燃料噴射弁から噴射される燃料が比較的多いときに燃料を良好に燃焼させることができる。したがって、均質燃焼は、内燃機関に対する機関要求負荷が比較的大きいときに行われる。

このように、機関運転状態に応じて、すなわち、機関要求負荷が小さいときには、成層燃焼を行い、機関要求負荷が大きく或いは機関回転数が大きいときには、均質燃焼を行うようにした内燃機関が知られている。第１実施形態の内燃機関において、こうした成層燃焼と均質燃焼とを行うようにした場合、上述したように、成層燃焼が行われるときには、圧縮行程中に燃料噴射弁から燃料が噴射されるのであるが、このとき、第１実施形態の内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧は、縮流することもほとんどなく、燃料によって形成される混合気が確実に点火栓７の発火部７ａに直接到達する。このため、第１実施形態の内燃機関によれば、成層燃焼において、確実に点火栓７により燃料に着火させることができる。

もちろん、第１実施形態の内燃機関において、均質燃焼が行われる場合にも、確実に点火栓７により燃料に着火することができる。すなわち、均質燃焼では、上述もしたように、燃料噴射弁６から噴射される燃料の量が多く、また、燃焼室５全体に均質な混合気が形成されることから、燃料噴射弁６から噴射された燃料が点火栓７の発火部７ａに直接到達するか否かに係わらず、確実に点火栓７により燃料に着火することができるのである。

図６は、本発明の第２実施形態の燃料噴射弁の先端領域を示す図である。第２実施形態では、燃料噴霧案内用の壁面２ａが、燃料噴射孔６ｄから噴射された燃料が当該壁面２ａに極めて近接しているが当該壁面２ａからの距離が燃焼室５に近づくにつれて徐々に大きくなりつつ移動するように設けられている。燃料噴霧案内用の壁面２ａをこのように設けることには、燃料噴霧が縮流することを抑制できることに加えて、燃料噴霧が燃料噴霧案内用の壁面２ａに付着してしまうことも抑制できるという利点がある。次に、こうした利点が得られる理由について説明する。まず、始めに、燃料噴霧が燃料噴霧案内用の壁面２ａに付着してしまうことが抑制される理由について説明し、次いで、燃料噴霧が縮流することが抑制される理由について説明する。

燃料噴射孔６ｄから噴射された燃料噴霧は、下流（すなわち、燃料噴射孔６ｄから離れる方向）に行くほど、その厚み（これは、燃料噴霧を円錐状の面としたときに、その円錐状の面に対して垂直な方向における燃料噴霧の厚みである）が増してくる。したがって、燃料噴霧案内用の壁面２ａと燃料噴霧との間の距離が一定である場合、燃料噴霧は、下流に行くほど壁面２ａに付着しやすくなる。これに対し、図６に示した第２実施形態では、燃料噴霧案内用の壁面２ａと燃料噴霧との間の距離が下流へ行くほど大きくなっているので、燃料噴霧が壁面２ａに付着してしまうことが抑制されるのである。

次に、図６に示した第２実施形態により、燃料噴霧が縮流することが抑制される理由について図７を参照しつつ説明する。図７に示されているように、燃料噴霧案内用の壁面２ａが存在しない場合について考えると、燃料噴霧Ｆが矢印Ａ１のところを通過するとき、燃料噴霧Ｆ周りの空気が燃料噴霧Ｆによって引きずられることから、燃料噴霧Ｆの内側の圧力も低下するし、燃料噴霧Ｆの外側の圧力も低下する。すなわち、燃料噴霧Ｆの内側も外側も圧力が低下する。ところが、燃料噴霧Ｆの外側の空間よりも、燃料噴霧Ｆの内側の空間のほうが狭いことから、燃料噴霧Ｆの外側の圧力低下よりも、燃料噴霧Ｆの内側の圧力低下のほうが大きい。このため、燃料噴霧Ｆが内側に引き寄せられるのである。このことは、燃料噴霧Ｆが矢印Ａ２のところを通過するときにも当てはまり、ここでも、同様に、燃料噴霧Ｆが内側に引き寄せられるのである。

ところが、矢印Ａ２のところで燃料噴霧Ｆが内側に引き寄せられる程度、すなわち、矢印Ａ２のところでの燃料噴霧Ｆの縮流の程度よりも、矢印Ａ１のところでの燃料噴霧Ｆの縮流の程度のほうが大きい。なぜならば、矢印Ａ２のところでも矢印Ａ１のところでも、燃料噴霧Ｆの外側の空間の広さは同じである（厳密には異なるが、燃料噴霧Ｆの外側の空間は内側の空間に比べて圧倒的に広いことから、燃料噴霧Ｆの外側の圧力低下は、矢印Ａ２のところでも矢印Ａ１のところでも同じであり、したがって、燃料噴霧Ｆの外側の空間の広さは、矢印Ａ２のところでも矢印Ａ１のところでも同じであると言える）が、燃料噴霧Ｆの内側の空間は、矢印Ａ２のところよりも矢印Ａ１のところのほうが狭く、矢印Ａ２のところよりも矢印Ａ１のところのほうが、燃料噴霧Ｆによる圧力低下の影響を大きく受けるからである。したがって、より一般的に言えば、より上流でのほうが、燃料噴霧Ｆの縮流の程度が大きいと言える。

そして、このように、より上流でのほうが、燃料噴霧Ｆの縮流の程度が大きいことに加えて、より上流で燃料噴霧Ｆが燃料噴霧Ｆが内側に引き寄せられた場合、燃料噴霧Ｆは内側に引き寄せられたまま、すなわち、その内側の空間が狭いまま下流へと移動することになるので、燃料噴霧Ｆは下流に行くに従ってますます内側に引き寄せられてしまう。

このことから、燃料噴霧Ｆの縮流の程度を全体としてできるだけ小さくするためには、より上流において燃料噴霧Ｆが縮流することを抑制することが好ましい。しかしながら、このことは、別の云い方をすれば、少なくとも、上流において燃料噴霧Ｆが縮流することを抑制さえすれば、燃料噴霧Ｆの縮流の程度を全体として小さくすることができると言える。ここで、図６に示した第２実施形態では、燃料噴射孔６ｄに近いほど（すなわち、上流ほど）、燃料噴霧案内用の壁面２ａと燃料噴霧Ｆとの間の距離が小さくなっている（この距離が小さいほど、燃料噴霧の縮流を抑制する効果が高い）。したがって、第２実施形態によれば、上流ほど、燃料噴霧Ｆが縮流することが良好に抑制されるので、全体として、燃料噴霧Ｆが縮流することが抑制されると言えるのである。

図８は、本発明の第３実施形態の燃料噴射弁の先端領域を示す図である。第３実施形態では、シリンダヘッド２の底壁面（これは、燃焼室５を画成しているシリンダヘッド２の壁面である）２ｂに、円錐状の突起２ｃが設けられている。円錐状の突起２ｃの内部には、円錐状の内壁面２ａによって画成された円錐状の空間５ａが形成されている。この円錐状の内壁面２ａが、上述した実施形態における燃料噴霧案内用の壁面である。第３実施形態においても、突起２ｃの円錐状の内壁面２ａは、燃料噴霧が当該内壁面２ａに極めて近接して移動するが当該内壁面２ａから予め定められた一定の距離だけ開けて当該内壁面２ａに沿って移動するように設けられている。したがって、圧縮行程中に燃料噴射孔６ｄから燃料が噴射されたとしても、燃料噴霧が縮流することが抑制され、燃料噴霧によって形成される混合気が確実に点火栓７の発火部７ａに直接到達することになる。

また、第３実施形態では、突起２ｃの円錐状の外壁面２ｄとシリンダヘッド２の底壁面２ｂとによって、空間５ｂが画成されている。次に、この空間５ｂの作用について図９を参照しつつ説明する。燃料噴霧が突起２ｃの円錐状の空間５ａから出ると、燃料噴霧の外側の圧力低下を補おうとして、圧力が低下した空間に、該空間のさらに外側から空気が流れ込む。こうした現象により、図９に符号Ｓで示したような空気の流れが形成される。より詳細には、この空気の流れは、燃料噴霧から離れたところからシリンダヘッド２の底壁面２ｂに沿って空間５ｂに流入し、次いで、突起２ｃの外壁面２ｄに沿って空間５ｂ内を流れ、最終的には、空間５ｂから流出する。そして、この空間５ｂから流出した空気は、燃料噴霧Ｆに沿って流れ、気流が噴霧と平行に流れることから、より縮流を抑えることができる。これに対して、突起２ｃがない場合は、気流が噴霧に垂直にぶつかるため、わずかではあるが、噴霧が縮流することとなる。

図１０は、本発明の第４実施形態の燃料噴射弁の先端領域を示す図である。第４実施形態では、シリンダヘッド２に円筒状の凹部２ｅが設けられ、この凹部２ｅ内に円筒状の燃料噴霧案内部材２０が収容されている。この燃料噴霧案内部材（以下単に「案内部材」という）２０は、図１０（Ａ）に示されている位置と図１０（Ｂ）に示されている位置との間で凹部２ｅ内で摺動可能となっている。また、案内部材２０の内部には、円錐状の内壁面２ａによって画成された円錐状の空間５ａが形成されている。また、案内部材２０には、円錐状の空間５ａに開口する形で円筒形の穴２１が設けられており、この穴２１内に、燃料噴射弁６のボディ部分６ａの先端が挿入されている。

図１０（Ａ）に示されているように、案内部材２０がシリンダヘッド２の底壁面２ｂから突出された状態に位置決めされているときには、案内部材２０の内壁面２ａは、燃料噴射孔６ｄから噴射された燃料を当該内壁面２ａに極めて近接して当該内壁面２ａに沿って当該内壁面２ａから予め定められた一定の距離だけ開けて移動させるような位置に配置される。そして、案内部材２０が図１０（Ａ）に示されている位置に位置決めされているときには、燃料噴射孔６ｄから噴射された燃料噴霧Ｆによって形成される混合気が縮流することなく点火栓７の発火部７ａに直接到達する。

一方、図１０（Ｂ）に示されているように、案内部材２０がシリンダヘッド２の底壁面２ｂから突出された状態に位置決めされているときには、案内部材２０の内壁面２ａは燃料噴霧近傍に配置されていない。したがって、案内部材２０が図１０（Ｂ）に示されている位置に位置決めされているときには、燃料噴射孔６ｄから噴射された燃料噴霧Ｆは縮流する。ここで、上述したように、燃料噴霧Ｆが縮流しないことを前提に、燃料噴霧Ｆの一部が点火栓７の発火部７ａに直接到達するように、燃料噴射弁６と点火栓７との相対的な位置関係を決定している場合において、燃料噴霧Ｆが縮流してしまうと、一般的に、燃料噴霧Ｆによって形成される混合気は点火栓７の発火部７ａに直接は到達しない。

ところが、燃料噴射弁６から燃料を噴射するタイミングを圧縮行程の後期、特に、圧縮上死点の直前とすれば、燃料噴霧Ｆが縮流したとしても、燃料噴霧Ｆによって形成される混合気は点火栓７の発火部７ａに直接到達することができる。すなわち、圧縮行程の後期（特に、圧縮上死点の直前）では、燃焼室５内の圧力が極めて高くなっており、このときに燃料噴射弁６から燃料あ噴射されると、燃料噴霧の貫徹力（これは、燃料噴霧が燃焼室５内を移動する力であって、これが大きいほど燃料噴霧は遠くの位置まで到達することができる）が相対的に小さくなることから、燃料噴霧によって形成される混合気は縮流しているとはいえ点火栓７の発火部７ａに直接到達することになるのである。まとめると、案内部材２０を図１０（Ｂ）に示されている位置に位置決めして燃料を噴射する場合には、圧縮行程の後期（特に、圧縮上死点の直前）に燃料を噴射し、これによれば、燃料噴霧Ｆによって形成される混合気が縮流しつつ点火栓７の発火部７ａに直接到達することになる。

第４実施形態の内燃機関によれば、案内部材２０の位置を図１０（Ａ）に示されている位置と図１０（Ｂ）に示されている位置との間で切り替えることによって、燃料噴霧を縮流させずに混合気を点火栓７の発火部７ａに直接到達させたり、燃料噴霧を縮流させつつ混合気を点火栓７の発火部７ａに直接到達させたりすることができる。

第４実施形態の内燃機関は、一般的に、燃料噴霧を縮流させずに混合気を点火栓７の発火部７ａに直接到達させたり、燃料噴霧を縮流させつつ混合気を点火栓７の発火部７ａに直接到達させたりする必要がある場合に広く利用可能である。以下に、その利用例を紹介する。

例えば、１つ目の利用例では、成層燃焼を行うべきときであって、機関要求負荷が比較的大きいか或いは機関回転数が比較的大きいとき（以下「軽中負荷時」という）には、案内部材２０を図１０（Ａ）に示されている位置として、圧縮行程中のタイミング（以下「第１の噴射タイミング」という）で燃料噴射弁６から燃料を噴射する。この場合、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧は縮流せずに（すなわち、縮流した場合に比べて燃料が拡散した形で）混合気は点火栓７の発火部７ａに直接到達する。そして、点火栓７により燃料を点火する。軽中負荷時に燃料噴射弁６から噴射される燃料の量は極軽負荷時に燃料噴射弁６から噴射される燃料の量よりも多いことから、燃料が拡散した形で点火栓７の発火部７ａに到達したとしても点火栓７により確実に燃料に着火させることができるし、却って、燃料を拡散した形で点火栓７の発火部７ａに到達させたほうが好ましいとも言える。

一方、成層燃焼を行うべきときであって、機関要求負荷が比較的小さく且つ機関回転数が比較的小さいとき（以下「極軽負荷時」という）には、案内部材２０を図１０（Ｂ）に示されている位置として、圧縮行程の後期（特に、圧縮上死点の直前）のタイミング、すなわち、上記第１の噴射タイミングよりも遅いタイミングで燃料噴射弁６から燃料を噴射する。

極軽負荷時には、燃料噴射弁６から噴射される燃料の量が非常に少ない。したがって、燃料が燃焼室内に広く拡散してしまうと、点火栓の発火部周りの燃料の濃度が極めて低くなり、点火栓７によって燃料に着火させることがむずかしくなる。しかしながら、上述した１つ目の利用例では、極軽負荷時には、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧は縮流しているので、燃料は比較的まとまっている。そして、上述した１つ目の利用例では、燃料は圧縮行程の後期（特に、圧縮上死点の直前）に噴射されるので、上述したように、このときの燃料噴霧の貫徹力が相対的に小さくなることから、燃料噴霧は縮流しているとはいえ混合気は点火栓７の発火部７ａに直接到達する。まとめると、１つ目の利用例では、燃料噴霧は縮流しつつ（すなわち、燃料が比較的まとまった形で）混合気は点火栓７の発火部７ａに直接到達する。このため、点火栓７の発火部７ａ周りの燃料の濃度が高く維持されるので、点火栓７によって燃料に確実に着火させることができる。

また、２つ目の利用例では、成層燃焼を行うべきときに、圧縮行程中に燃料噴射弁６からの燃料噴射を２回に分けて噴射する場合において、１回目の噴射を行うときには案内部材２０を図１０（Ａ）に示されている位置に位置決めしておき、２回目の噴射を行うときには案内部材２０を図１０（Ｂ）に示されている位置に位置決めしておく。これによれば、１回目に噴射された燃料は縮流しないので噴霧によって形成された混合気は点火栓７の発火部７ａに直接到達する。したがって、点火栓７によって１回目に噴射された燃料を確実に点火することができる。

一方、２回目に噴射された燃料は縮流するが、１つ目の利用例に関連して説明したように、２回目の噴射はより遅いタイミング（すなわち、圧縮上死点に近いタイミング）で行われることから、２回目に噴射された燃料は点火栓７の発火部７ａに直接到達する。さらに、２回目に燃料が噴射されたときには１回目に噴射された燃料が既に燃焼している（すなわち、１回目の燃料の燃焼が２回目の燃料の火種となる）。こうしたことから、２回目に噴射された燃料も点火栓７によって確実に点火することができる。

なお、２つ目の利用例は、例えば、内燃機関の排気通路内に排気ガスを浄化するための排気浄化触媒が配置されているような場合において、内燃機関が始動されたときに排気浄化触媒の温度を上昇させるために、排気ガスの温度を上昇させる必要がある場合に利用される。すなわち、内燃機関が始動されたときに排気ガスの温度を上昇させる必要があるときには、圧縮行程中に案内部材２０を図１０（Ａ）に示されている位置に位置決めした上で１回目の燃料噴射を行い、この燃料に点火し、次いで、同じ圧縮行程中に案内部材２０を図１０（Ｂ）に示されている位置に位置決めした上で２回目の燃料噴射を行い、この燃料に点火する。そして、この場合、１回目の燃料噴射を行うタイミングも２回目の燃料噴射を行うタイミングも通常運転時（すなわち、内燃機関が始動されてから一定の時間が経過した後）に採用されるタイミングよりも全体的に遅くしておく。これによれば、排気ガスの温度を高くすることができる。

本発明の第１実施形態の内燃機関の一例を示す図である。 第１実施形態の燃料噴射弁の先端部分を示す図であり、（Ａ）は燃料噴射弁から燃料が噴射されていないところを示し、（Ｂ）は燃料噴射弁から燃料が噴射されているところを示す。 外開式の燃料噴射弁の先端部分を示す図であり、（Ａ）は燃料噴射弁から燃料が噴射されていないところを示し、（Ｂ）は燃料噴射弁から燃料が噴射されているところを示す。 第１実施形態の燃料噴射弁の先端領域を示す図である。 本発明には従っていない燃料噴射弁の先端部分を示す図であり、（Ａ）は吸気行程中に燃料が噴射されたところを示し、（Ｂ）は圧縮行程中に燃料が噴射されたところを示す。 本発明の第２実施形態の燃料噴射弁の先端領域を示す図である。 第２実施形態の燃料噴射弁の利点を説明するために用いられる図であり、（Ａ）は燃料噴霧周りに円錐状の壁面が存在しない場合を示し、（Ｂ）は燃料噴霧周りに円錐状の壁面が存在する場合を示している。 本発明の第３実施形態の燃料噴射弁の先端領域を示す図である。 図８と同様の図である。 本発明の第４実施形態の燃料噴射弁の先端領域を示す図であり、（Ａ）は縮流抑制モードにあるところを示し、（Ｂ）は縮流モードにあるところを示している。

符号の説明

１…機関本体
２ａ…燃料噴霧案内用の壁面
４…ピストン
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
６ａ…ボディ部分
６ｂ…ニードル弁
６ｄ…燃料噴射孔
７…点火栓
７ａ…点火栓の発火部
８…吸気弁
１０…排気弁
Ｆ…燃料噴霧

Claims (3)

1. ホローコーン状に燃料を燃焼室内に噴射する内開式の燃料噴射弁を備えた筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁の燃料噴射孔近傍から点火栓の発火部に向かって延びる壁面を燃料噴霧案内用の壁面として有し、圧縮行程中に燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の少なくとも一部が上記燃料噴霧案内用の壁面から所定の間隔を開けつつ該燃料噴霧案内用の壁面に沿って移動し且つ該燃料噴霧案内用の壁面に沿って移動する燃料噴霧によって形成された混合気が点火栓の発火部に直接到達するような第１の位置と、圧縮行程中に燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の少なくとも一部が上記燃料噴霧案内用の壁面から上記所定の間隔よりも大きな間隔を開けつつ該燃料噴霧案内用の壁面に沿って移動するような第２の位置との間で、上記燃料噴霧案内用の壁面が移動可能となっており、上記燃料噴霧案内用の壁面の位置が機関運転状態に応じて選択的に第１の位置または第２の位置とされることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 燃焼室から排出される排気ガスの温度を上昇させるべきときに圧縮行程中に燃料噴射弁から燃料が２回噴射され、これら２回の噴射のうち１回目の噴射が行われるときには上記燃料噴霧案内用の壁面の位置が第１の位置とされ、２回目の噴射が行われるときには上記燃料噴霧案内用の壁面の位置が第２の位置とされることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
3. 機関要求負荷が予め定められた値よりも大きいときには上記燃料噴射案内用の壁面の位置が第１の位置とされて第１の噴射タイミングで燃料が噴射され、機関要求負荷が上記予め定められた値よりも小さいときには上記燃料噴射案内用の壁面の位置が第２の位置とされて上記第１の噴射タイミングよりも遅い第２の噴射タイミングで燃料が噴射されることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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