JP4110974B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料を直接噴射する火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダ内に燃料噴霧を直接噴射するいわゆる筒内噴射式火花点火内燃機関としては、ピストンの頂面に形成したキャビティに燃料噴霧を噴射し、その燃料噴霧をキャビティの壁面に沿って巻き上げて点火プラグ付近まで導くもの（例えば特許文献１参照）、シリンダ内を上下方向（シリンダの中心線の方向）に旋回する吸気流動を形成し、その吸気流動に載せて燃料噴霧を点火プラグ付近まで搬送するもの（例えば特許文献２参照）が知られている。これらの技術は、シリンダ内の点火プラグ付近に燃料噴霧を集中させていわゆる成層燃焼を実現する場合に好適に用いられる。
【０００３】
特許文献３には、低中負荷域において燃料噴射弁からシリンダの中心線の方向に扁平な燃料噴霧を噴射して成層燃焼を実現し、高負荷域においては燃料噴射弁からシリンダの中心線の方向と直交する方向に扁平な燃料噴霧を噴射して均質燃焼を実現するものが開示されている。この文献記載の燃料噴射弁は、噴孔を開閉するためのニードル弁のリフト量を低中負荷域と高負荷域とで切り換えて燃料噴霧の形状を変化させている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１５８７３６号公報
【特許文献２】
特開平１０−１４１０７０号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２０４６０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、シリンダの中心線の方向に扁平な燃料噴霧を形成した場合、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧の下端部がピストンの頂面に付着し、ＨＣ排出量、スモーク、ＰＭ（粒子状物質）が増加するおそれがある。成層燃焼時には点火プラグの付近に燃料を集めるため、噴霧の上部（点火プラグに近い側）では貫徹力を比較的低く設定することになる。このような状況で、毎回の燃料噴霧に必要な燃料量を含めるためには燃料噴霧をシリンダの下方に拡大せざるを得ず、その拡大に伴ってピストンへの燃料の付着がより一層顕著となる。
【０００６】
また、シリンダの中心線と直交する方向に扁平な噴霧を形成して均質燃焼を実現する場合、吸気行程で燃料を噴射することから、シリンダ内に突き出ている吸気バルブに燃料噴霧が衝突し、それにより均質な混合気の形成が妨げられることがある。吸気バルブと衝突した燃料噴霧は吸気バルブから熱を受け、それにより、燃料の気化潜熱による吸気温度の低減とそれに伴う充填効率の向上という筒内噴射の効果が損なわれることがある。
【０００７】
さらに、噴霧形状を切り換える可変機構を設けた場合には燃料噴射弁の構成が複雑化し、信頼性の低下やコストの増加といった問題を招く。
【０００８】
そこで、本発明は、噴霧形状を変化させる可変機構に頼ることなく、成層燃焼及び均質燃焼のいずれにも適した燃料噴霧をシリンダ内に噴射することができ、ピストンや吸気バルブへの燃料噴霧の衝突を抑えることが可能な筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関は、シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部と、前記第１の噴霧部に対してシリンダの上方側に相対的に偏った第２の噴霧部とを合成した燃料噴霧をシリンダ内に噴射可能とされ、点火プラグが前記シリンダの中心線上に配置され、吸気バルブが複数配置され、前記第１の噴霧部は前記シリンダ内に突出する吸気バルブよりも前記シリンダの下方側に広がるように形成され、前記第２の噴霧部は、吸気行程においてシリンダ内に突出する前記吸気バルブの隙間を介して前記点火プラグに向かうように形成されたことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【００１０】
この発明によれば、第１の噴霧部と第２の噴霧部とを合成しているので、必要な燃料量の全てを第１の噴霧部で賄う場合と比較して、第２の噴霧部に含まれる燃料量に相当する量だけ第１の噴霧部の燃料量を減らすことができる。しかも、第１の噴霧部はシリンダの中心線と直交する方向に扁平であるため、シリンダの中心線の方向に関する第１の噴霧部の広がりを小さく制限することができる。このため、吸気バルブの下方に第１の噴霧部を逃がしつつその下端をシリンダの上方に寄せてピストンへの燃料の付着を抑えることができる。一方、第２の噴霧部により、点火プラグの周辺に濃厚な混合気を形成して良好な成層燃焼を実現することができる。また、第２の噴霧部のみで必要な燃料の全てを賄う場合との比較においては、第２の噴霧部に含めるべき燃料量を減らすことができるので、第２の噴霧部を点火プラグ側に向けても吸気バルブとの干渉を容易に避けられるようになる。また、吸気行程中に燃料噴射を行った場合には、第１の噴霧部が存在するために、第２の噴霧部のみで燃料噴霧を構成する場合と比較してシリンダ内のより広い範囲に燃料を供給して均質度の高い混合気を形成することができる。
【００１１】
さらに、第１の噴霧部と第２の噴霧部とを合成して噴射するので、可変機構に頼らずとも成層燃焼及び均質燃焼にそれぞれ適した燃料噴霧をシリンダ内に噴射することができる。そのため、機構を簡素化して信頼性を向上させ、コストを低減させることも可能である。但し、本発明は第１の噴霧部と第２の噴霧部とが併存するような燃料噴射が可能であれば、燃料噴霧の形状を変化させる可変機構の有無を問わずその範疇に含むものである。
【００１２】
本発明において、前記第２の噴霧部は前記シリンダの中心線の方向に扁平としてもよい（請求項２）。この場合、第２の噴霧部がシリンダの中心線の方向に扁平であるため、吸気行程で燃料を噴射した場合において、シリンダへの吸気バルブの突出範囲の側方にこれをオフセットして吸気バルブと第２の噴霧部との衝突を容易に避けることができる。
【００１３】
あるいは、前記第２の噴霧部が前記シリンダの中心線と直交する方向に扁平であってもよい（請求項３）。この場合には、第２の噴霧部をシリンダの中心線の方向に扁平とする場合と比較して第２の噴霧部のシリンダ中心線の方向への広がりを抑えつつ、より多くの燃料を第２の噴霧部に含めることができる。従って、燃料噴霧の下端をシリンダの上方にさらに寄せてピストンに対する燃料噴霧の付着防止効果をさらに高めることができる。
【００１４】
シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第２の噴霧部を形成する場合、前記シリンダの中心線と直交する方向に関して、前記第１の噴霧部の広がり角を前記第２の噴霧部の広がり角よりも大きく設定してもよい（請求項４）。この場合には、第１の噴霧部をシリンダの中心線と直交する方向に関して十分に広げつつ、中心線の方向に関してはその噴射範囲をより狭く制限することができる。従って、吸気バルブとピストンとの間の隙間が狭い吸気上死点付近の燃料噴射時においても、その隙間に適合するように第１の噴霧部を形成してピストンへの燃料付着を抑え、燃料の気化潜熱による充填効率の向上効果を十分に発揮させることができる。このため、全負荷均質燃焼時、特には吸気上死点付近で燃料を噴射する中高速域において均質度の高い燃料混合気を形成することができる。
【００１５】
さらに、前記シリンダの中心線の方向に関して、前記第２の噴霧部の広がり角を前記第１の噴霧部の広がり角よりも大きく設定してもよい（請求項５）。この場合には、第２の噴霧部により多くの燃料を含ませることができ、特に成層燃焼時において点火プラグの周辺で濃厚な混合気を形成して良好な成層燃焼を実現することができる。
【００１６】
本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記第２の噴霧部の貫徹力は前記第１の噴霧部の貫徹力よりも大きく設定してもよい（請求項６）。第２の噴霧部はシリンダ内に配置された点火プラグの付近に達する程度の貫徹力があれば十分であり、第１の噴霧部の貫徹力を第２の噴霧部のそれよりも大きく設定することにより、吸気中のシリンダの各所に満遍なく燃料噴霧を拡散させて混合気の均質度をより一層高めることができる。
【００１７】
また、前記第２の噴霧部に含まれる燃料量は前記第１の噴霧部に含まれる燃料量よりも大きく設定してもよい（請求項７）。第２の噴霧部に対して十分な量の燃料を割り当てることにより、圧縮行程で燃料を噴霧したときのオーバーリーン領域（空燃比が可燃外となるほど空気量に対する燃料量が少ない領域）を減らし、点火プラグの周辺に濃度の高い混合気を確実に供給して成層燃焼を安定させることができる。均質燃焼時には、吸気バルブを避けて第１の噴霧部のみで燃料を噴射する場合と比較して、第２の噴霧部を追加することにより燃料をより広範囲に拡散させて混合気の均質度を高めることができる。
【００２２】
本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関は、シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部と、前記中心線の方向に扁平な第２の噴霧部とを合成した燃料噴霧をシリンダ内に噴射可能であり、前記第１の噴霧部は前記シリンダ内に突出する吸気バルブよりも前記シリンダの下方側に広がるように形成され、前記第２の噴霧部は吸気行程においてシリンダ内に突出する吸気バルブの側方を通過して前記点火プラグに向かうように形成されたものでもよい（請求項８）。この場合において、前記吸気バルブが複数本並べて設けられ、前記第２の噴霧部は２本の吸気バルブの隙間を介して点火プラグに向かうように形成されてもよい（請求項９）。このような構成によっても、成層燃焼及び均質燃焼のいずれにも適した燃料噴霧をシリンダ内に噴射することができ、ピストンや吸気バルブへの燃料噴霧の衝突を抑えることができる。
【００２３】
なお、本発明においてシリンダの上方はシリンダヘッド側に、下方はクランク室側にそれぞれ対応する。すなわち、本発明において、シリンダに関する上方及び下方の用語はシリンダの向きを区別するために使用される概念であって、内燃機関を車両に搭載した状態における鉛直方向とシリンダの向きとの対応関係を限定するものではない。例えば、シリンダの中心線が鉛直方向に対して斜めに傾けられ、又は水平方向に向けられている場合も本発明の範囲に含まれる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。なお、シリンダ内に噴射される燃料噴霧の特徴について先に説明し、次いでそのような燃料噴霧を実現するための燃料噴射弁を説明する。
【００２５】
［第１の実施形態］
図１は本発明が適用される内燃機関の一実施形態を示している。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関１は４サイクル式のガソリンエンジンとして構成されていおり、そのシリンダブロック２には複数のシリンダ３（図１では一つのみ示す。）が形成され、各シリンダ３にはピストン４が上下動自在に挿入される。各シリンダ３の開口部はシリンダヘッド５にて閉じられ、そのシリンダヘッド５には点火プラグ６がその電極部（スパーク形成部）を各シリンダ３の略中心線上に位置させて取り付けられている。シリンダヘッド５には、点火プラグ６を挟むようにして吸気通路７及び排気通路８がシリンダ３毎に形成されるとともに、その吸気通路７を開閉する吸気バルブ９と、排気通路８を開閉する排気バルブ１０とが１つのシリンダ３に対して２本ずつ取り付けられている。なお、点火プラグ６の位置からみたときに２本の吸気バルブ９は図１の紙面と直交する方向に関して左右対称に配置されるが、図１では片側の吸気バルブ９のみを示している。排気バルブ１０についても吸気バルブ９と同様にシリンダ３の中心位置を挟んで左右対称に並べられる。
【００２６】
吸気通路７は隔壁７ｃによって上部通路７ａ及び下部通路７ｂに分割され、下部通路７ｂには当該下部通路７ｂの開口面積を変化させる吸気流制御弁７ｄが設けられている。吸気流制御弁７ｄを閉じたときは専ら上部通路７ａからシリンダ３の中心付近に吸気が導入され、その結果、図１に矢印で示したようにシリンダ３内をシリンダ３の中心線と平行な面に沿って旋回する空気流動（タンブル）が形成される。吸気流制御弁７ｄを開くと吸気通路７の全域からシリンダ３内に均等に吸気が導入され、タンブルは相対的に弱められる。このように、吸気流制御弁７ｄはシリンダ３内のタンブルの強弱を制御する手段として機能する。但し、そのような制御弁７ｄは下部通路７ｂに代えて上部通路７ａに設けられてもよい。吸気流制御弁７ｄとは異なる手段によりタンブルを制御してもよい。なお、図１においてピストン４の頂面にはタンブルを損なわないように凹部４ａが形成されている。但し、ピストン４の頂面は凹部４ａを有しないフラットな形状であってもよい。
【００２７】
燃料噴射弁１１は、吸気バルブ９よりもシリンダ３の外周側にてそのノズル部１１ａをシリンダ３の中心線側に向けた状態でシリンダヘッド５に取り付けられている。図３にも示すように、燃料噴射弁１１は、シリンダ３の中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部１２ａと、その第１の噴霧部１２ａに対してシリンダ３の上方側（シリンダヘッド５側）に相対的に偏って配置されかつシリンダ３の中心線の方向に扁平な第２の第２の噴霧部１２ｂとを合成した燃料噴霧１２をシリンダ３内に噴射可能である。すなわち、図１に示すように、シリンダ３の中心線の方向に関する第１の噴霧部１２ａの広がり角をθＨ１、第２の噴霧部１２ｂの広がり角をθＶ１、図２に示すようにシリンダ３の中心線の方向からみた第１の噴霧部１２ａの広がり角をθＨ２、第２の噴霧部１２ｂの広がり角をθＶ２とすれば、第１の噴霧部１２ａの形状はθＨ１＜θＨ２となるように定められ、第２の噴霧部１２ｂの形状はθｖ１＞θｖ２となるように定められている。但し、本発明における扁平の概念は燃料噴霧の広がり角の大小のみで定まるものではなく、燃料噴霧の横断面形状（燃料噴霧の中心線の方向と直交する方向の断面形状）が、楕円状、長円状のように特定方向に長くその特定方向と直交する方向には幅が狭い形状であれば扁平の範疇に含まれる。
【００２８】
図２に示すようにシリンダ３の中心線の方向から第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂをみたとき、各噴霧部１２ａ、１２ｂは燃料噴射弁１１の噴射位置Ｐｉｎを基点として、その噴射位置Ｐｉｎとシリンダ３の中心（点火プラグ６の位置）とを通過する基準線Ｘに関して左右対称な形状を有している。さらに、第２の噴霧部１２ｂの広がり角θＶ２は、図３に示すように、シリンダ３内に突出する吸気バルブ９，９と第２の噴霧部１２ｂとが衝突しない程度に制限される。これにより、吸気行程中に燃料を噴射しても第２の噴霧部１２ｂはシリンダ３内に突出した吸気バルブ９同士の隙間を介して点火プラグ６に向かうようになる。また、第１の噴霧部１２ａの広がり角θＨ２は、同一方向に関する第２の噴霧部１２ｂの広がり角θＶ２よりも大きく、シリンダ３の中心線の方向からみて吸気バルブ９，９と十分に重なり合う程度に第１の噴霧部１２ａが拡大されている。
【００２９】
図１に示すように、シリンダ３の中心線の方向に関しては、第２の噴霧部１２ｂはその上端がシリンダヘッド５の下面、つまりは燃焼室の上側の壁面に接しない範囲で可能な限り点火プラグ６側に寄せて配置されている。他方、第１の噴霧部１２ａは、シリンダ３内に突出する吸気バルブ９，９と衝突しないように第２の噴霧部１２ｂよりも相対的にシリンダ３の下方側に偏位させて配置されている。換言すれば、第２の噴霧部１２ｂは第１の噴霧部１２ａに対して相対的にシリンダ３の上方側に偏っている。結果として、第１の噴霧部１２は第２の噴霧部１２ｂの下端部と接し、燃料噴霧は全体としてほぼ逆Ｔ字型の断面形状を呈している。但し、第１の噴霧部１２ａは吸気バルブ９，９と接しない範囲でなるべく上方に配置されることが望ましく、その結果として第２の噴霧部１２ｂの下端が第１の噴霧部１２ａよりも下方に突出してもよい。第２の噴霧部１２ｂの下端よりもさらに下方に離れて第１の噴霧部１２ａが配置されてもよい。
【００３０】
以上のように燃料噴霧を形成した場合、圧縮行程中に燃料を噴射したときには第２の噴霧部１２ｂにより点火プラグ６の回りに濃厚な混合気を形成して良好な成層燃焼を実現することができる。また、第１の噴霧部１２ａが設けられていることにより、第２の噴霧部１２ｂのみで必要な燃料量を確保する場合と比較して燃料噴霧の下端を上方（点火プラグ６の側）に寄せることができ、それにより、成層燃焼時のピストン４への燃料の付着を抑えてＨＣ、スモーク、ＰＭ等の排出量を低減することができる。一方、吸気行程中に燃料を噴射したときには、吸気バルブ９がシリンダ３内に突出しても第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂがいずれも吸気バルブ９と衝突しないため、均質度の高い混合気を形成することができるとともに、燃料温度の上昇を防止して気化潜熱による吸気温度の低下とそれに伴う充填効率の向上とを達成できる。
【００３１】
なお、吸気行程における吸気バルブ９と各噴霧部１２ａ、１２ｂとの関係については、燃料噴射時期における吸気バルブ９のシリンダ３内への突出量（リフト量）を特定し、その特定された突出量を与えたときの吸気バルブ９の位置を基準として各噴霧部１２ａ、１２ｂの形状や配置を定めればよい。吸気行程における燃料噴射の開始時期、継続時間が可変であるときは、最も早い開始時期から最も遅い終了時期までの吸気バルブ９の突出範囲を特定し、その突出範囲を避けて第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂを形成すればよい。
【００３２】
本発明において、各噴霧部１２ａ，１２ｂの貫徹力（燃料噴霧の到達距離）及び燃料量は各噴霧部１２ａ、１２ｂに要求される特性に応じて適宜に設定してよいが、好ましくは次の通りに設定する。
【００３３】
貫徹力については、図３に示すように第１の噴霧部１２ａの貫徹力ＬＨが第２の噴霧部１２ｂの貫徹力ＬＶよりも大きくなるように設定することが好ましい。第２の噴霧部１２ｂは圧縮行程時に燃料噴霧を点火プラグ６の付近に供給できる程度の貫徹力を備えていれば十分であり、その一方、第１の噴霧部１２ａに対しては、吸気行程時に均質混合気を早期に形成する必要から、シリンダ３内に燃料噴霧を十分に拡散させ得る貫徹力が求められるからである。
【００３４】
また、各噴霧部の燃料量については、第２の噴霧部１２ｂの燃料量が第１の噴霧部１２ａの燃料量よりも大きくなるように設定することが好ましい。このように設定すれば、第２の噴霧部１２ｂにより点火プラグ６の周辺に十分な量の燃料を供給して、成層燃焼時におけるオーバーリーン領域を減らして安定した成層燃焼を実現できる。他方、均質燃焼時には、第１の噴霧部１２ａによって供給される燃料を第２の噴霧部１２ｂの燃料で補って良好な均質燃焼を維持することができる。
【００３５】
次に、本発明の燃料噴霧を実現するための燃料噴射弁１１を説明する。
【００３６】
図４は燃料噴射弁１１の特にノズル部１１ａを中心とした内部の概略構成を示した図である。燃料噴射弁１１は、バルブボディ２０と、そのバルブボディ２０の中空部２０ａに摺動自在に挿入されたニードル弁２１と、ニードル弁２１を先端側（図４の下方）に押し付けるコイルばね２２と、コイルばね２２に抗してニードル弁２１を後方（図４の上方）に駆動する磁力を発生する電磁コイル２３とを備えている。コイルばね２２によって押されたニードル弁２１がバルブボディ２０内の弁座２４と密着することにより、ニードル弁２１の内部流路２１ａから中空部２０ａを介して噴孔２５に至る燃料の供給経路が遮断される。電磁コイル２３が励磁されるとニードル弁２１が弁座２４から離れ、燃料の供給経路が連通して燃料噴霧が噴孔２５から噴霧される。
【００３７】
図５（ａ）は、図１に示した燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁１１の噴孔２５の一例を示している。噴孔２５は、図５（ａ）の左右方向に延びる横長のスリット状の第１の噴孔部２６と、図５（ａ）の上下方向に延び、かつ下端が第１の噴孔部２６の長手方向の中心部に接するように配置された縦長のスリット状の第２の噴孔部２７とを備えている。第１の噴孔部２６の長手方向に沿った断面形状を図５（ｂ）に、第２の噴孔部２７の長手方向に沿った断面形状を図５（ｃ）にそれぞれ示す。これらの図から明らかなように、各噴孔部２６、２７は燃料噴射弁１１の内側から外側に向かって徐々に拡大する扇状に形成されている。
【００３８】
図５の噴孔２５によれば、第１の噴孔部２６からの燃料噴霧によって第１の噴霧部１２ａを、第２の噴孔部２７からの燃料噴霧によって第２の噴霧部１２ｂをそれぞれ形成することができる。なお、各噴孔部２６、２７の長さＬ１、Ｌ２、幅Ｗ１、Ｗ２、角度θ１、θ２は求められる燃料噴霧の形状、貫徹力、燃料量に応じて適宜に調整すればよい。例えば、噴孔部２６、２７の角度θ１，θ２や長さＬ１、Ｌ２を変化させることにより、各噴霧部１２ａ、１２ｂの長手方向に関する広がり角θＨ２、θＶ１を調整することができる。一方、各噴孔部２６、２７の幅Ｗ１、Ｗ２を変化させることにより、各噴霧部１２ａ、１２ｂの長手方向と直交する方向に関する広がり角θＨ１、θＶ２を調整することができる。
【００３９】
貫徹力については幅Ｗ１，Ｗ２と相関し、幅を大きくするほど貫徹力を増加させることができる。従って、幅Ｗ１，Ｗ２を調整することにより、第２の噴霧部１２ｂの貫徹力よりも第１の噴霧部１２ａの貫徹力を大きく設定することができる。また、燃料量は噴孔部２６、２７の開口面積と相関関係があり、開口面積が大きいほど燃料量も増加する。従って、第２の噴霧部１２ｂの燃料量を第１の噴霧部１２ａのそれよりも大きくするならば、第２の噴孔部２７の開口面積が第１の噴孔部２６の開口面積よりも大きくなるように、各噴孔部２６、２７の長さＬ１、Ｌ２及び幅Ｗ１、Ｗ２を調整すればよい。
【００４０】
図５では第２の噴孔部２７の下端で第１の噴孔部２６が交差して全体で逆Ｔ字状の単一の噴孔２５を形成しているが、第１の噴霧部１２ａと第２の噴霧部１２ｂとの位置関係に応じて第１の噴孔部２６と第２の噴孔部２７との位置も変更してよい。例えば第２の噴孔部２７の下端が第１の噴孔部２６よりも下方に突出してもよいし、第１の噴孔部２６と第２の噴孔部２７とが離れていてもよい。いずれにせよ、第２の噴孔部２７が第１の噴孔部２６の長手方向と直交する方向に関する中心に対していずれか一方の側に偏っていれば本発明の特徴を備えた燃料噴霧を形成することができる。
【００４１】
図６（ａ）は、図１に示した燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁１１の噴孔の他の例を示している。図６の燃料噴射弁１１は、小径の多数の噴孔２５…２５から噴射される燃料噴霧を合成して所定形状の燃料噴霧を形成する、いわゆるマルチホールタイプの燃料噴射弁である。この実施形態において、噴孔２５…２５は第１の噴霧部１２ａを形成するための第１の噴孔部２６と、第２の噴霧部１２ｂを形成するための第２の噴孔部２７とに区分される。第１の噴孔部２６は左右に３列、上下に２列の合計６個の噴孔２５…２５の集合として構成され、第２の噴孔部２７は左右に２列、上下に３列の合計６個の噴孔２５…２５の集合として構成される。そして、図５の例と同様に第２の噴孔部２７は第１の噴孔部２６に対してその長手方向と直交する方向のいずれか一方の側に偏って配置されている。
【００４２】
図６（ｂ）に示すように、第１の噴孔部２６では、上下に並ぶ一対の噴孔２５、２５の軸線がバルブボディ２０の外側にて交点Ｐｎ１を形成するように噴孔２５，２５が傾けて形成されている。また、図６（ｃ）に示すように、第２の噴孔部２７では、左右に並ぶ一対の噴孔２５、２５の軸線がバルブボディ２０の外側にて交点Ｐｎ２を形成するように噴孔２５，２５が傾けて形成されている。このように噴孔２５を傾けることにより、第１の噴孔部２６では上下一対の噴孔２５、２５から噴射された燃料噴霧が互いに衝突し、第２の噴孔部２７では左右一対の噴孔２５、２５から噴射された燃料噴霧が互いに衝突する。その結果、第１の噴孔部２６から噴射された噴霧は図６（ａ）の左右方向に扁平な燃料噴霧を形成し、第２の噴孔部２７から噴射された噴霧は図６（ａ）の上下方向に扁平な燃料噴霧を形成する。
【００４３】
図６の例において、各噴孔２５の配置、個数、間隔、噴孔２５，２５の傾斜角度α、βは求められる燃料噴霧の形状、貫徹力、燃料量に応じて適宜に調整すればよい。各噴霧部１２ａ、１２ｂの長手方向に関する広がり角θＨ２、θＶ１、長手方向と直交する方向に関する広がり角θＨ１、θＶ２は各噴孔部２６，２７の長手方向に関する噴孔２５，２５の個数や間隔によって調整することができる。各噴孔部２６，２７の長手方向の端部の噴孔２５を長手方向外側に幾らか傾けることにより、扇状に広がる噴霧をより確実に形成することができる。貫徹力については、対をなす噴孔２５，２５を挟む角度α、βによって調整することができる。すなわち、角度α、βが大きいほど噴孔２５、２５から噴射された燃料噴霧の衝突時に貫徹力がより大きく相殺されるようになり、衝突によって得られる燃料噴霧の貫徹力が小さくなる。従って、噴孔２５の内径が一定であると仮定した場合において第１の噴霧部１２ａの貫徹力を第２の噴霧部１２ｂのそれよりも大きくするならば、角度βよりも角度αを小さく設定すればよい。燃料量に関しては、各噴孔部２６，２７の噴孔２５…２５の開口面積を合計した値を図５の噴孔部２６，２７の開口面積と等価に考えて調整すればよい。
【００４４】
［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態を説明する。図７〜図９は本発明が適用される内燃機関の第２の実施形態を示している。この実施形態は、燃料噴霧１２の形状を第１の実施形態から変更したものであり、燃料噴霧の形状に拘わる部分以外の構成は第１の実施形態と同様である。従って、図１〜図３と共通する部分には同一符号を付してある。
【００４５】
本実施形態の燃料噴射弁１１は、シリンダ３の中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部１２ａと、その第１の噴霧部１２ａに対してシリンダ３の上方側（シリンダヘッド５側）に相対的に偏って配置されかつシリンダ３の中心線と直交する方向に扁平な第２の噴霧部１２ｂとを合成した燃料噴霧１２をシリンダ内に噴射可能である。すなわち、本実施形態では、第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂがいずれもシリンダ３の中心線と直交する方向に扁平に形成されている。従って、図７に示すように、シリンダ３の中心線の方向に関する第１の噴霧部１２ａの広がり角をθＬ１、第２の噴霧部１２ｂの広がり角をθＵ１、図８に示すようにシリンダ３の中心線の方向からみた第１の噴霧部１２ａの広がり角をθＬ２、第２の噴霧部１２ｂの広がり角をθＵ２とすれば、第１の噴霧部１２ａの形状はθＬ１＜θＬ２となるように定められ、第２の噴霧部１２ｂの形状はθＵ１＜θＵ２となるように定められている。但し、この実施形態においても、扁平の概念は燃料噴霧の広がり角の大小のみで定まるものではなく、燃料噴霧の横断面形状（燃料噴霧の中心線の方向と直交する方向の断面形状）が、楕円状、長円状のように特定方向に長くその特定方向と直交する方向には幅が狭い形状であれば扁平の範疇に含まれる。
【００４６】
図８に示すようにシリンダ３の中心線の方向から第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂをみたとき、各噴霧部１２ａ、１２ｂは燃料噴射弁１１の噴射位置Ｐｉｎを基点として、その噴射位置Ｐｉｎとシリンダ３の中心（点火プラグ６の位置）とを通過する基準線Ｘに関して左右対称な形状を有している。また、第２の噴霧部１２ｂはその上端がシリンダヘッド５の下面、つまりは燃焼室の上側の壁面に接しない範囲で可能な限り点火プラグ６側に寄せて配置されている。他方、第１の噴霧部１２ａは、シリンダ３内に突出する吸気バルブ９，９と衝突しないように第２の噴霧部１２ｂよりも相対的にシリンダ３の下方側に偏位させて配置されている。結果として、燃料噴霧の横断面形状は、シリンダ３の中心線と直交する方向に扁平な２つの楕円をシリンダ３の中心線の方向に重ね合わせたような形状を呈している。
【００４７】
さらに、第２の噴霧部１２ｂの広がり角θＵ２は、図９に示すように、シリンダ３内に突出する吸気バルブ９，９と第２の噴霧部１２ｂとが衝突しない程度に制限される。望ましくは、吸気バルブ９のステム９ａ、９ａとバルブヘッド９ｂ、９ｂとに囲まれた空間において第２の噴霧部１２ｂがシリンダ３の中心線と直交する方向に広がるように設定すればよい。これにより、吸気行程中に燃料を噴射しても第２の噴霧部１２ｂはシリンダ３内に突出した吸気バルブ９同士の隙間を介して点火プラグ６に向かうようになる。
【００４８】
また、第１の噴霧部１２ａの広がり角θＬ２は、同一方向に関する第２の噴霧部１２ｂの広がり角θU２よりも大きく（θＬ２＞θＵ２）、シリンダ３の中心線の方向からみて吸気バルブ９，９と十分に重なり合う程度に拡大されている。これにより、第１の噴霧部１２ａのピストン４側への拡大を抑えつつ第１の噴霧部１２ａに十分な燃料を与え、かつシリンダ３の中心線と直交する方向に関してより広い範囲に燃料を供給することができる。
【００４９】
一方、図７に示すように、シリンダ３の中心線の方向に関しては、第２の噴霧部１２ｂの広がり角θＵ１が第１の噴霧部１２ａの広がり角θＬ１よりも大きく設定されている。これにより、第２の噴霧部１２ｂに含まれる燃料量を増加させ、第１の噴霧部１２ａをシリンダ３の中心線の方向に関して薄くして燃料噴霧１２の下端をさらにシリンダヘッド５側に寄せることができる。
【００５０】
なお、第１の噴霧部１２ａと第２の噴霧部１２ｂとはシリンダ３の中心線の方向に関して互いに重なり合ってもよいし、互いに離れてもよい。
【００５１】
以上のように燃料噴霧１２を形成した場合においても、圧縮行程中に燃料を噴射したときには第２の噴霧部１２ｂにより点火プラグ６の回りに濃厚な混合気を形成して良好な成層燃焼を実現することができる。また、第１の噴霧部１２ａが設けられていることにより、第２の噴霧部１２ｂのみで必要な燃料量を確保する場合と比較して燃料噴霧の下端を上方（点火プラグ６の側）に寄せることができ、それにより、成層燃焼時のピストン４への燃料の付着を抑えてＨＣ、スモーク、ＰＭ等の排出量を低減することができる。一方、吸気行程中に燃料を噴射したときには、吸気バルブ９がシリンダ３内に突出しても第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂがいずれも吸気バルブ９と衝突しないため、均質度の高い混合気を形成することができるとともに、燃料温度の上昇を防止して気化潜熱による吸気温度の低下とそれに伴う充填効率の向上とを達成できる。
【００５２】
また、特に第２の噴霧部１２ｂをシリンダ３の中心線と直交する方向に扁平に形成したので、第１の実施形態と比較して第２の噴霧部１２ｂをシリンダ３の中心線の方向に関して狭めつつ第１の実施形態と同等の燃料量を第２の噴霧部１２ｂに含めることができる。従って、吸気バルブ９同士の隙間に比較的余裕があり、かつピストン４の上方の隙間が比較的狭く制限される場合に適した形状の燃料噴霧１２を提供することができる。
【００５３】
なお、本実施形態においても、吸気行程における吸気バルブ９と各噴霧部１２ａ、１２ｂとの関係については、燃料噴射時期における吸気バルブ９のシリンダ３内への突出量（リフト量）を特定し、その特定された突出量を与えたときの吸気バルブ９の位置を基準として各噴霧部１２ａ、１２ｂの形状や配置を定めればよい。吸気行程における燃料噴射の開始時期、継続時間が可変であるときは、最も早い開始時期から最も遅い終了時期までの吸気バルブ９の突出範囲を特定し、その突出範囲を避けて第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂを形成すればよい。
【００５４】
本発明において、各噴霧部１２ａ，１２ｂの貫徹力（燃料噴霧の到達距離）及び燃料量は各噴霧部１２ａ、１２ｂに要求される特性に応じて適宜に設定してよい。例えば、第１の実施形態と同様に、第１の噴霧部１２ａの貫徹力ＬＬを第２の噴霧部１２ｂの貫徹力ＬＵよりも大きく設定してよい（図９参照）。また、第２の噴霧部１２ｂの燃料量が第１の噴霧部１２ａの燃料量よりも大きくなるように設定してよい。
【００５５】
図７〜図９に示した燃料噴霧１２は、図４の燃料噴射弁１１の噴孔２５を例えば図１０に示すように形成して実現することができる。図１０の例において、噴孔２５は図１０（ａ）の左右方向に延びる横長のスリット状の第１の噴孔部２６と、その第２の噴孔部２６と平行でかつ長手方向と直交する方向に幾らか離して配置された横長のスリット状の第２の噴孔部２７とを備えている。第１の噴孔部２６の長手方向に沿った断面形状を図１０（ｂ）に、第２の噴孔部２７の長手方向に沿った断面形状を図１０（ｃ）にそれぞれ示す。これらの図から明らかなように、各噴孔部２６、２７は燃料噴射弁１１の内側から外側に向かって徐々に拡大する扇状に形成されている。そして、第１の噴孔部２６の長手方向への長さＬ１及び開き角θ１は、第２の噴孔部２７の長手方向の長さＬ２及び開き角θ２よりも大きく設定されている。これにより、第１の噴孔部２６によって第１の噴霧部１２ａを、第２の噴孔部２７によって第２の噴霧部１２ｂをそれぞれ形成することができる。また、第１の噴孔部２６の長手方向と直交する方向に関する幅Ｗ１及び同方向に関する開き角φ１は、第２の噴孔部２７の長手方向と直交する方向に関する幅Ｗ２及び同方向に関する開き角φ２よりも小さい。これにより、第２の噴孔部２７によって形成される第２の噴霧部１２ｂのシリンダ中心線の方向に関する広がり角θＵ１を同方向に関する第１の噴霧部１２ａの広がり角θＬ１よりも大きくすることができる。
【００５６】
なお、各噴孔部２６、２７によって形成される燃料噴霧の貫徹力ついては幅Ｗ１，Ｗ２を第１の実施形態と同様に調整することにより、第２の噴霧部１２ｂの貫徹力よりも第１の噴霧部１２ａの貫徹力を大きく設定することができる。また、燃料量についても、第２の噴孔部２７の開口面積が第１の噴孔部２６の開口面積よりも大きくなるように各噴孔部２６、２７の長さＬ１、Ｌ２及び幅Ｗ１、Ｗ２を調整すれば、第２の噴霧部１２ｂの燃料量を第１の噴霧部１２ａのそれよりも大きく設定することができる。
【００５７】
図１１（ａ）は、図７〜図９に示した燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁１１の噴孔の他の例を示している。この燃料噴射弁１１は、図６に示したものと同様に小径の多数の噴孔２５…２５から噴射される燃料噴霧を合成して所定形状の燃料噴霧を形成する、いわゆるマルチホールタイプの燃料噴射弁である。この実施形態においても、噴孔２５…２５は第１の噴霧部１２ａを形成するための第１の噴孔部２６と、第２の噴霧部１２ｂを形成するための第２の噴孔部２７とに区分される。第１の噴孔部２６は左右に３列、上下に２列の合計６個の噴孔２５…２５の集合として構成され、第２の噴孔部２７は左右に３列、上下に２列の合計６個の噴孔２５…２５の集合として構成される。そして、図１０の例と同様に第２の噴孔部２７は第１の噴孔部２６の長手方向と直交する方向の中心に対していずれか一方の側に寄せて配置されている。
【００５８】
図１１（ｂ）に示すように、第１の噴孔部２６では、上下に並ぶ一対の噴孔２５、２５の軸線がバルブボディ２０の外側にて交点Ｐｎ１を形成するように噴孔２５，２５が傾けて形成されている。また、第２の噴孔部２７においても、上下に並ぶ一対の噴孔２５、２５の軸線がバルブボディ２０の外側にて交点Ｐｎ２を形成するように噴孔２５，２５が傾けて形成されている。このように噴孔２５を傾けることにより、両噴孔部２６、２７においてそれぞれ上下一対の噴孔２５、２５から噴射された燃料噴霧が互いに衝突して図１１（ａ）の左右方向に扁平な燃料噴霧がそれぞれ形成される。
【００５９】
図１１の例においても、各噴孔２５の配置、個数、間隔、噴孔２５，２５の傾斜角度α、βは求められる燃料噴霧の形状、貫徹力、燃料量に応じて適宜に調整すればよい。各噴霧部１２ａ、１２ｂの長手方向に関する広がり角θＬ２、θＵ２、長手方向と直交する方向に関する広がり角θＬ１、θＵ１は各噴孔部２６，２７の長手方向に関する噴孔２５，２５の個数や間隔によって調整することができる。各噴孔部２６，２７の長手方向の端部の噴孔２５を長手方向外側に幾らか傾けることにより、扇状に広がる噴霧をより確実に形成することができる。貫徹力については、対をなす噴孔２５，２５を挟む角度α、βによって調整することができる。すなわち、噴孔２５の内径が一定であると仮定した場合において第１の噴霧部１２ａの貫徹力を第２の噴霧部１２ｂのそれよりも大きくするならば、角度βよりも角度αを小さく設定すればよい。燃料量に関しては、各噴孔部２６，２７の噴孔２５…２５の開口面積を合計した値を図１０の噴孔部２６，２７の開口面積と等価に考えて調整すればよい。
【００６０】
本発明は上述した実施形態に限定されることなく種々の形態にて実施してよい。例えば、成層燃焼時において吸気流制御弁７ｄは閉じてもよいし開いてもよい。上述したように、吸気流制御弁７ｄを閉じているときは吸気流動が強くなるので、燃料噴霧が吸気流動に載って点火プラグ６まで搬送されるエアーガイド要素が強くなり、吸気流制御弁７ｄを開いているときは吸気流動が弱くなるので、燃料噴霧が噴霧自身の力で点火プラグ６の周辺に供給されるスプレーガイド要素が強くなる。吸気バルブの本数は２本に限らず、３本以上でもよい。吸気バルブが３本以上のときは２本の吸気バルブの隙間を介して第２の噴霧部が点火プラグに向かうようにすればよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部と、第１の噴霧部に対してシリンダの中心線の上方側に相対的に偏った第２の噴霧部とを合成した燃料噴霧をシリンダ内に噴射可能としたので、可変機構に頼らなくとも、ピストンや吸気バルブへの燃料噴霧の衝突を抑えつつ、成層燃焼や均質燃焼に都合のよい燃料噴霧をシリンダ内に噴射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関におけるシリンダ上端部付近の縦断面図。
【図２】図１のシリンダ内をその上側からシリンダの中心線の方向に沿って見た様子を示す図。
【図３】第１の実施形態においてシリンダ内に噴射される燃料噴霧の第１の噴霧部及び第２の噴霧部と吸気バルブとの関係を示す図。
【図４】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関にて使用される燃料噴射弁のノズル部付近の概略構成を示す図。
【図５】第１の実施形態において図４の燃料噴射弁に設けられる噴孔の一例を示す図。
【図６】第１の実施形態において図４の燃料噴射弁に設けられる噴孔の他の例を示す図。
【図７】本発明の第２の実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関におけるシリンダ上端部付近の縦断面図。
【図８】図７のシリンダ内をその上側からシリンダの中心線の方向に沿って見た様子を示す図。
【図９】第２の実施形態においてシリンダ内に噴射される燃料噴霧の第１の噴霧部及び第２の噴霧部と吸気バルブとの関係を示す図。
【図１０】第２の実施形態において図４の燃料噴射弁に設けられる噴孔の一例を示す図。
【図１１】第２の実施形態において図４の燃料噴射弁に設けられる噴孔の他の例を示す図。
【符号の説明】
１ 筒内噴射式火花点火内燃機関
３ シリンダ
４ ピストン
５ シリンダヘッド
６ 点火プラグ
７ 吸気通路
７ｄ 吸気流制御弁
８ 排気通路
９ 吸気バルブ
１０ 排気バルブ
１１ 燃料噴射弁
１１ａ ノズル部
１２ 燃料噴霧
１２ａ 第１の噴霧部
１２ｂ 第２の噴霧部
２０ バルブボディ
２１ ニードル弁
２５ 噴孔
２６ 第１の噴孔部
２７ 第２の噴孔部
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料を直接噴射する火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダ内に燃料噴霧を直接噴射するいわゆる筒内噴射式火花点火内燃機関としては、ピストンの頂面に形成したキャビティに燃料噴霧を噴射し、その燃料噴霧をキャビティの壁面に沿って巻き上げて点火プラグ付近まで導くもの（例えば特許文献１参照）、シリンダ内を上下方向（シリンダの中心線の方向）に旋回する吸気流動を形成し、その吸気流動に載せて燃料噴霧を点火プラグ付近まで搬送するもの（例えば特許文献２参照）が知られている。これらの技術は、シリンダ内の点火プラグ付近に燃料噴霧を集中させていわゆる成層燃焼を実現する場合に好適に用いられる。
【０００３】
特許文献３には、低中負荷域において燃料噴射弁からシリンダの中心線の方向に扁平な燃料噴霧を噴射して成層燃焼を実現し、高負荷域においては燃料噴射弁からシリンダの中心線の方向と直交する方向に扁平な燃料噴霧を噴射して均質燃焼を実現するものが開示されている。この文献記載の燃料噴射弁は、噴孔を開閉するためのニードル弁のリフト量を低中負荷域と高負荷域とで切り換えて燃料噴霧の形状を変化させている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１５８７３６号公報
【特許文献２】
特開平１０−１４１０７０号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２０４６０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、シリンダの中心線の方向に扁平な燃料噴霧を形成した場合、圧縮行程中に噴射された燃料噴霧の下端部がピストンの頂面に付着し、ＨＣ排出量、スモーク、ＰＭ（粒子状物質）が増加するおそれがある。成層燃焼時には点火プラグの付近に燃料を集めるため、噴霧の上部（点火プラグに近い側）では貫徹力を比較的低く設定することになる。このような状況で、毎回の燃料噴霧に必要な燃料量を含めるためには燃料噴霧をシリンダの下方に拡大せざるを得ず、その拡大に伴ってピストンへの燃料の付着がより一層顕著となる。
【０００６】
また、シリンダの中心線と直交する方向に扁平な噴霧を形成して均質燃焼を実現する場合、吸気行程で燃料を噴射することから、シリンダ内に突き出ている吸気バルブに燃料噴霧が衝突し、それにより均質な混合気の形成が妨げられることがある。吸気バルブと衝突した燃料噴霧は吸気バルブから熱を受け、それにより、燃料の気化潜熱による吸気温度の低減とそれに伴う充填効率の向上という筒内噴射の効果が損なわれることがある。
【０００７】
さらに、噴霧形状を切り換える可変機構を設けた場合には燃料噴射弁の構成が複雑化し、信頼性の低下やコストの増加といった問題を招く。
【０００８】
そこで、本発明は、噴霧形状を変化させる可変機構に頼ることなく、成層燃焼及び均質燃焼のいずれにも適した燃料噴霧をシリンダ内に噴射することができ、ピストンや吸気バルブへの燃料噴霧の衝突を抑えることが可能な筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関は、シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部と、前記第１の噴霧部に対してシリンダの上方側に相対的に偏った第２の噴霧部とを合成した燃料噴霧をシリンダ内に噴射可能とされ、点火プラグが前記シリンダの中心線上に配置され、吸気バルブが複数配置され、前記第１の噴霧部は前記シリンダ内に突出する吸気バルブよりも前記シリンダの下方側に広がるように形成され、前記第２の噴霧部は、吸気行程においてシリンダ内に突出する前記吸気バルブの隙間を介して前記点火プラグに向かうように形成されたことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【００１０】
この発明によれば、第１の噴霧部と第２の噴霧部とを合成しているので、必要な燃料量の全てを第１の噴霧部で賄う場合と比較して、第２の噴霧部に含まれる燃料量に相当する量だけ第１の噴霧部の燃料量を減らすことができる。しかも、第１の噴霧部はシリンダの中心線と直交する方向に扁平であるため、シリンダの中心線の方向に関する第１の噴霧部の広がりを小さく制限することができる。このため、吸気バルブの下方に第１の噴霧部を逃がしつつその下端をシリンダの上方に寄せてピストンへの燃料の付着を抑えることができる。一方、第２の噴霧部により、点火プラグの周辺に濃厚な混合気を形成して良好な成層燃焼を実現することができる。また、第２の噴霧部のみで必要な燃料の全てを賄う場合との比較においては、第２の噴霧部に含めるべき燃料量を減らすことができるので、第２の噴霧部を点火プラグ側に向けても吸気バルブとの干渉を容易に避けられるようになる。また、吸気行程中に燃料噴射を行った場合には、第１の噴霧部が存在するために、第２の噴霧部のみで燃料噴霧を構成する場合と比較してシリンダ内のより広い範囲に燃料を供給して均質度の高い混合気を形成することができる。
【００１１】
さらに、第１の噴霧部と第２の噴霧部とを合成して噴射するので、可変機構に頼らずとも成層燃焼及び均質燃焼にそれぞれ適した燃料噴霧をシリンダ内に噴射することができる。そのため、機構を簡素化して信頼性を向上させ、コストを低減させることも可能である。但し、本発明は第１の噴霧部と第２の噴霧部とが併存するような燃料噴射が可能であれば、燃料噴霧の形状を変化させる可変機構の有無を問わずその範疇に含むものである。
【００１２】
本発明において、前記第２の噴霧部は前記シリンダの中心線の方向に扁平としてもよい（請求項２）。この場合、第２の噴霧部がシリンダの中心線の方向に扁平であるため、吸気行程で燃料を噴射した場合において、シリンダへの吸気バルブの突出範囲の側方にこれをオフセットして吸気バルブと第２の噴霧部との衝突を容易に避けることができる。
【００１３】
あるいは、前記第２の噴霧部が前記シリンダの中心線と直交する方向に扁平であってもよい（請求項３）。この場合には、第２の噴霧部をシリンダの中心線の方向に扁平とする場合と比較して第２の噴霧部のシリンダ中心線の方向への広がりを抑えつつ、より多くの燃料を第２の噴霧部に含めることができる。従って、燃料噴霧の下端をシリンダの上方にさらに寄せてピストンに対する燃料噴霧の付着防止効果をさらに高めることができる。
【００１４】
シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第２の噴霧部を形成する場合、前記シリンダの中心線と直交する方向に関して、前記第１の噴霧部の広がり角を前記第２の噴霧部の広がり角よりも大きく設定してもよい（請求項４）。この場合には、第１の噴霧部をシリンダの中心線と直交する方向に関して十分に広げつつ、中心線の方向に関してはその噴射範囲をより狭く制限することができる。従って、吸気バルブとピストンとの間の隙間が狭い吸気上死点付近の燃料噴射時においても、その隙間に適合するように第１の噴霧部を形成してピストンへの燃料付着を抑え、燃料の気化潜熱による充填効率の向上効果を十分に発揮させることができる。このため、全負荷均質燃焼時、特には吸気上死点付近で燃料を噴射する中高速域において均質度の高い燃料混合気を形成することができる。
【００１５】
さらに、前記シリンダの中心線の方向に関して、前記第２の噴霧部の広がり角を前記第１の噴霧部の広がり角よりも大きく設定してもよい（請求項５）。この場合には、第２の噴霧部により多くの燃料を含ませることができ、特に成層燃焼時において点火プラグの周辺で濃厚な混合気を形成して良好な成層燃焼を実現することができる。
【００１６】
本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記第２の噴霧部の貫徹力は前記第１の噴霧部の貫徹力よりも大きく設定してもよい（請求項６）。第２の噴霧部はシリンダ内に配置された点火プラグの付近に達する程度の貫徹力があれば十分であり、第１の噴霧部の貫徹力を第２の噴霧部のそれよりも大きく設定することにより、吸気中のシリンダの各所に満遍なく燃料噴霧を拡散させて混合気の均質度をより一層高めることができる。
【００１７】
また、前記第２の噴霧部に含まれる燃料量は前記第１の噴霧部に含まれる燃料量よりも大きく設定してもよい（請求項７）。第２の噴霧部に対して十分な量の燃料を割り当てることにより、圧縮行程で燃料を噴霧したときのオーバーリーン領域（空燃比が可燃外となるほど空気量に対する燃料量が少ない領域）を減らし、点火プラグの周辺に濃度の高い混合気を確実に供給して成層燃焼を安定させることができる。均質燃焼時には、吸気バルブを避けて第１の噴霧部のみで燃料を噴射する場合と比較して、第２の噴霧部を追加することにより燃料をより広範囲に拡散させて混合気の均質度を高めることができる。
【００２２】
本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関は、シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部と、前記中心線の方向に扁平な第２の噴霧部とを合成した燃料噴霧をシリンダ内に噴射可能であり、前記第１の噴霧部は前記シリンダ内に突出する吸気バルブよりも前記シリンダの下方側に広がるように形成され、前記第２の噴霧部は吸気行程においてシリンダ内に突出する吸気バルブの側方を通過して前記点火プラグに向かうように形成されたものでもよい（請求項８）。この場合において、前記吸気バルブが複数本並べて設けられ、前記第２の噴霧部は２本の吸気バルブの隙間を介して点火プラグに向かうように形成されてもよい（請求項９）。このような構成によっても、成層燃焼及び均質燃焼のいずれにも適した燃料噴霧をシリンダ内に噴射することができ、ピストンや吸気バルブへの燃料噴霧の衝突を抑えることができる。
【００２３】
なお、本発明においてシリンダの上方はシリンダヘッド側に、下方はクランク室側にそれぞれ対応する。すなわち、本発明において、シリンダに関する上方及び下方の用語はシリンダの向きを区別するために使用される概念であって、内燃機関を車両に搭載した状態における鉛直方向とシリンダの向きとの対応関係を限定するものではない。例えば、シリンダの中心線が鉛直方向に対して斜めに傾けられ、又は水平方向に向けられている場合も本発明の範囲に含まれる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。なお、シリンダ内に噴射される燃料噴霧の特徴について先に説明し、次いでそのような燃料噴霧を実現するための燃料噴射弁を説明する。
【００２５】
［第１の実施形態］
図１は本発明が適用される内燃機関の一実施形態を示している。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関１は４サイクル式のガソリンエンジンとして構成されていおり、そのシリンダブロック２には複数のシリンダ３（図１では一つのみ示す。）が形成され、各シリンダ３にはピストン４が上下動自在に挿入される。各シリンダ３の開口部はシリンダヘッド５にて閉じられ、そのシリンダヘッド５には点火プラグ６がその電極部（スパーク形成部）を各シリンダ３の略中心線上に位置させて取り付けられている。シリンダヘッド５には、点火プラグ６を挟むようにして吸気通路７及び排気通路８がシリンダ３毎に形成されるとともに、その吸気通路７を開閉する吸気バルブ９と、排気通路８を開閉する排気バルブ１０とが１つのシリンダ３に対して２本ずつ取り付けられている。なお、点火プラグ６の位置からみたときに２本の吸気バルブ９は図１の紙面と直交する方向に関して左右対称に配置されるが、図１では片側の吸気バルブ９のみを示している。排気バルブ１０についても吸気バルブ９と同様にシリンダ３の中心位置を挟んで左右対称に並べられる。
【００２６】
吸気通路７は隔壁７ｃによって上部通路７ａ及び下部通路７ｂに分割され、下部通路７ｂには当該下部通路７ｂの開口面積を変化させる吸気流制御弁７ｄが設けられている。吸気流制御弁７ｄを閉じたときは専ら上部通路７ａからシリンダ３の中心付近に吸気が導入され、その結果、図１に矢印で示したようにシリンダ３内をシリンダ３の中心線と平行な面に沿って旋回する空気流動（タンブル）が形成される。吸気流制御弁７ｄを開くと吸気通路７の全域からシリンダ３内に均等に吸気が導入され、タンブルは相対的に弱められる。このように、吸気流制御弁７ｄはシリンダ３内のタンブルの強弱を制御する手段として機能する。但し、そのような制御弁７ｄは下部通路７ｂに代えて上部通路７ａに設けられてもよい。吸気流制御弁７ｄとは異なる手段によりタンブルを制御してもよい。なお、図１においてピストン４の頂面にはタンブルを損なわないように凹部４ａが形成されている。但し、ピストン４の頂面は凹部４ａを有しないフラットな形状であってもよい。
【００２７】
燃料噴射弁１１は、吸気バルブ９よりもシリンダ３の外周側にてそのノズル部１１ａをシリンダ３の中心線側に向けた状態でシリンダヘッド５に取り付けられている。図３にも示すように、燃料噴射弁１１は、シリンダ３の中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部１２ａと、その第１の噴霧部１２ａに対してシリンダ３の上方側（シリンダヘッド５側）に相対的に偏って配置されかつシリンダ３の中心線の方向に扁平な第２の第２の噴霧部１２ｂとを合成した燃料噴霧１２をシリンダ３内に噴射可能である。すなわち、図１に示すように、シリンダ３の中心線の方向に関する第１の噴霧部１２ａの広がり角をθＨ１、第２の噴霧部１２ｂの広がり角をθＶ１、図２に示すようにシリンダ３の中心線の方向からみた第１の噴霧部１２ａの広がり角をθＨ２、第２の噴霧部１２ｂの広がり角をθＶ２とすれば、第１の噴霧部１２ａの形状はθＨ１＜θＨ２となるように定められ、第２の噴霧部１２ｂの形状はθｖ１＞θｖ２となるように定められている。但し、本発明における扁平の概念は燃料噴霧の広がり角の大小のみで定まるものではなく、燃料噴霧の横断面形状（燃料噴霧の中心線の方向と直交する方向の断面形状）が、楕円状、長円状のように特定方向に長くその特定方向と直交する方向には幅が狭い形状であれば扁平の範疇に含まれる。
【００２８】
図２に示すようにシリンダ３の中心線の方向から第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂをみたとき、各噴霧部１２ａ、１２ｂは燃料噴射弁１１の噴射位置Ｐｉｎを基点として、その噴射位置Ｐｉｎとシリンダ３の中心（点火プラグ６の位置）とを通過する基準線Ｘに関して左右対称な形状を有している。さらに、第２の噴霧部１２ｂの広がり角θＶ２は、図３に示すように、シリンダ３内に突出する吸気バルブ９，９と第２の噴霧部１２ｂとが衝突しない程度に制限される。これにより、吸気行程中に燃料を噴射しても第２の噴霧部１２ｂはシリンダ３内に突出した吸気バルブ９同士の隙間を介して点火プラグ６に向かうようになる。また、第１の噴霧部１２ａの広がり角θＨ２は、同一方向に関する第２の噴霧部１２ｂの広がり角θＶ２よりも大きく、シリンダ３の中心線の方向からみて吸気バルブ９，９と十分に重なり合う程度に第１の噴霧部１２ａが拡大されている。
【００２９】
図１に示すように、シリンダ３の中心線の方向に関しては、第２の噴霧部１２ｂはその上端がシリンダヘッド５の下面、つまりは燃焼室の上側の壁面に接しない範囲で可能な限り点火プラグ６側に寄せて配置されている。他方、第１の噴霧部１２ａは、シリンダ３内に突出する吸気バルブ９，９と衝突しないように第２の噴霧部１２ｂよりも相対的にシリンダ３の下方側に偏位させて配置されている。換言すれば、第２の噴霧部１２ｂは第１の噴霧部１２ａに対して相対的にシリンダ３の上方側に偏っている。結果として、第１の噴霧部１２は第２の噴霧部１２ｂの下端部と接し、燃料噴霧は全体としてほぼ逆Ｔ字型の断面形状を呈している。但し、第１の噴霧部１２ａは吸気バルブ９，９と接しない範囲でなるべく上方に配置されることが望ましく、その結果として第２の噴霧部１２ｂの下端が第１の噴霧部１２ａよりも下方に突出してもよい。第２の噴霧部１２ｂの下端よりもさらに下方に離れて第１の噴霧部１２ａが配置されてもよい。
【００３０】
以上のように燃料噴霧を形成した場合、圧縮行程中に燃料を噴射したときには第２の噴霧部１２ｂにより点火プラグ６の回りに濃厚な混合気を形成して良好な成層燃焼を実現することができる。また、第１の噴霧部１２ａが設けられていることにより、第２の噴霧部１２ｂのみで必要な燃料量を確保する場合と比較して燃料噴霧の下端を上方（点火プラグ６の側）に寄せることができ、それにより、成層燃焼時のピストン４への燃料の付着を抑えてＨＣ、スモーク、ＰＭ等の排出量を低減することができる。一方、吸気行程中に燃料を噴射したときには、吸気バルブ９がシリンダ３内に突出しても第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂがいずれも吸気バルブ９と衝突しないため、均質度の高い混合気を形成することができるとともに、燃料温度の上昇を防止して気化潜熱による吸気温度の低下とそれに伴う充填効率の向上とを達成できる。
【００３１】
なお、吸気行程における吸気バルブ９と各噴霧部１２ａ、１２ｂとの関係については、燃料噴射時期における吸気バルブ９のシリンダ３内への突出量（リフト量）を特定し、その特定された突出量を与えたときの吸気バルブ９の位置を基準として各噴霧部１２ａ、１２ｂの形状や配置を定めればよい。吸気行程における燃料噴射の開始時期、継続時間が可変であるときは、最も早い開始時期から最も遅い終了時期までの吸気バルブ９の突出範囲を特定し、その突出範囲を避けて第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂを形成すればよい。
【００３２】
本発明において、各噴霧部１２ａ，１２ｂの貫徹力（燃料噴霧の到達距離）及び燃料量は各噴霧部１２ａ、１２ｂに要求される特性に応じて適宜に設定してよいが、好ましくは次の通りに設定する。
【００３３】
貫徹力については、図３に示すように第１の噴霧部１２ａの貫徹力ＬＨが第２の噴霧部１２ｂの貫徹力ＬＶよりも大きくなるように設定することが好ましい。第２の噴霧部１２ｂは圧縮行程時に燃料噴霧を点火プラグ６の付近に供給できる程度の貫徹力を備えていれば十分であり、その一方、第１の噴霧部１２ａに対しては、吸気行程時に均質混合気を早期に形成する必要から、シリンダ３内に燃料噴霧を十分に拡散させ得る貫徹力が求められるからである。
【００３４】
また、各噴霧部の燃料量については、第２の噴霧部１２ｂの燃料量が第１の噴霧部１２ａの燃料量よりも大きくなるように設定することが好ましい。このように設定すれば、第２の噴霧部１２ｂにより点火プラグ６の周辺に十分な量の燃料を供給して、成層燃焼時におけるオーバーリーン領域を減らして安定した成層燃焼を実現できる。他方、均質燃焼時には、第１の噴霧部１２ａによって供給される燃料を第２の噴霧部１２ｂの燃料で補って良好な均質燃焼を維持することができる。
【００３５】
次に、本発明の燃料噴霧を実現するための燃料噴射弁１１を説明する。
【００３６】
図４は燃料噴射弁１１の特にノズル部１１ａを中心とした内部の概略構成を示した図である。燃料噴射弁１１は、バルブボディ２０と、そのバルブボディ２０の中空部２０ａに摺動自在に挿入されたニードル弁２１と、ニードル弁２１を先端側（図４の下方）に押し付けるコイルばね２２と、コイルばね２２に抗してニードル弁２１を後方（図４の上方）に駆動する磁力を発生する電磁コイル２３とを備えている。コイルばね２２によって押されたニードル弁２１がバルブボディ２０内の弁座２４と密着することにより、ニードル弁２１の内部流路２１ａから中空部２０ａを介して噴孔２５に至る燃料の供給経路が遮断される。電磁コイル２３が励磁されるとニードル弁２１が弁座２４から離れ、燃料の供給経路が連通して燃料噴霧が噴孔２５から噴霧される。
【００３７】
図５（ａ）は、図１に示した燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁１１の噴孔２５の一例を示している。噴孔２５は、図５（ａ）の左右方向に延びる横長のスリット状の第１の噴孔部２６と、図５（ａ）の上下方向に延び、かつ下端が第１の噴孔部２６の長手方向の中心部に接するように配置された縦長のスリット状の第２の噴孔部２７とを備えている。第１の噴孔部２６の長手方向に沿った断面形状を図５（ｂ）に、第２の噴孔部２７の長手方向に沿った断面形状を図５（ｃ）にそれぞれ示す。これらの図から明らかなように、各噴孔部２６、２７は燃料噴射弁１１の内側から外側に向かって徐々に拡大する扇状に形成されている。
【００３８】
図５の噴孔２５によれば、第１の噴孔部２６からの燃料噴霧によって第１の噴霧部１２ａを、第２の噴孔部２７からの燃料噴霧によって第２の噴霧部１２ｂをそれぞれ形成することができる。なお、各噴孔部２６、２７の長さＬ１、Ｌ２、幅Ｗ１、Ｗ２、角度θ１、θ２は求められる燃料噴霧の形状、貫徹力、燃料量に応じて適宜に調整すればよい。例えば、噴孔部２６、２７の角度θ１，θ２や長さＬ１、Ｌ２を変化させることにより、各噴霧部１２ａ、１２ｂの長手方向に関する広がり角θＨ２、θＶ１を調整することができる。一方、各噴孔部２６、２７の幅Ｗ１、Ｗ２を変化させることにより、各噴霧部１２ａ、１２ｂの長手方向と直交する方向に関する広がり角θＨ１、θＶ２を調整することができる。
【００３９】
貫徹力については幅Ｗ１，Ｗ２と相関し、幅を大きくするほど貫徹力を増加させることができる。従って、幅Ｗ１，Ｗ２を調整することにより、第２の噴霧部１２ｂの貫徹力よりも第１の噴霧部１２ａの貫徹力を大きく設定することができる。また、燃料量は噴孔部２６、２７の開口面積と相関関係があり、開口面積が大きいほど燃料量も増加する。従って、第２の噴霧部１２ｂの燃料量を第１の噴霧部１２ａのそれよりも大きくするならば、第２の噴孔部２７の開口面積が第１の噴孔部２６の開口面積よりも大きくなるように、各噴孔部２６、２７の長さＬ１、Ｌ２及び幅Ｗ１、Ｗ２を調整すればよい。
【００４０】
図５では第２の噴孔部２７の下端で第１の噴孔部２６が交差して全体で逆Ｔ字状の単一の噴孔２５を形成しているが、第１の噴霧部１２ａと第２の噴霧部１２ｂとの位置関係に応じて第１の噴孔部２６と第２の噴孔部２７との位置も変更してよい。例えば第２の噴孔部２７の下端が第１の噴孔部２６よりも下方に突出してもよいし、第１の噴孔部２６と第２の噴孔部２７とが離れていてもよい。いずれにせよ、第２の噴孔部２７が第１の噴孔部２６の長手方向と直交する方向に関する中心に対していずれか一方の側に偏っていれば本発明の特徴を備えた燃料噴霧を形成することができる。
【００４１】
図６（ａ）は、図１に示した燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁１１の噴孔の他の例を示している。図６の燃料噴射弁１１は、小径の多数の噴孔２５…２５から噴射される燃料噴霧を合成して所定形状の燃料噴霧を形成する、いわゆるマルチホールタイプの燃料噴射弁である。この実施形態において、噴孔２５…２５は第１の噴霧部１２ａを形成するための第１の噴孔部２６と、第２の噴霧部１２ｂを形成するための第２の噴孔部２７とに区分される。第１の噴孔部２６は左右に３列、上下に２列の合計６個の噴孔２５…２５の集合として構成され、第２の噴孔部２７は左右に２列、上下に３列の合計６個の噴孔２５…２５の集合として構成される。そして、図５の例と同様に第２の噴孔部２７は第１の噴孔部２６に対してその長手方向と直交する方向のいずれか一方の側に偏って配置されている。
【００４２】
図６（ｂ）に示すように、第１の噴孔部２６では、上下に並ぶ一対の噴孔２５、２５の軸線がバルブボディ２０の外側にて交点Ｐｎ１を形成するように噴孔２５，２５が傾けて形成されている。また、図６（ｃ）に示すように、第２の噴孔部２７では、左右に並ぶ一対の噴孔２５、２５の軸線がバルブボディ２０の外側にて交点Ｐｎ２を形成するように噴孔２５，２５が傾けて形成されている。このように噴孔２５を傾けることにより、第１の噴孔部２６では上下一対の噴孔２５、２５から噴射された燃料噴霧が互いに衝突し、第２の噴孔部２７では左右一対の噴孔２５、２５から噴射された燃料噴霧が互いに衝突する。その結果、第１の噴孔部２６から噴射された噴霧は図６（ａ）の左右方向に扁平な燃料噴霧を形成し、第２の噴孔部２７から噴射された噴霧は図６（ａ）の上下方向に扁平な燃料噴霧を形成する。
【００４３】
図６の例において、各噴孔２５の配置、個数、間隔、噴孔２５，２５の傾斜角度α、βは求められる燃料噴霧の形状、貫徹力、燃料量に応じて適宜に調整すればよい。各噴霧部１２ａ、１２ｂの長手方向に関する広がり角θＨ２、θＶ１、長手方向と直交する方向に関する広がり角θＨ１、θＶ２は各噴孔部２６，２７の長手方向に関する噴孔２５，２５の個数や間隔によって調整することができる。各噴孔部２６，２７の長手方向の端部の噴孔２５を長手方向外側に幾らか傾けることにより、扇状に広がる噴霧をより確実に形成することができる。貫徹力については、対をなす噴孔２５，２５を挟む角度α、βによって調整することができる。すなわち、角度α、βが大きいほど噴孔２５、２５から噴射された燃料噴霧の衝突時に貫徹力がより大きく相殺されるようになり、衝突によって得られる燃料噴霧の貫徹力が小さくなる。従って、噴孔２５の内径が一定であると仮定した場合において第１の噴霧部１２ａの貫徹力を第２の噴霧部１２ｂのそれよりも大きくするならば、角度βよりも角度αを小さく設定すればよい。燃料量に関しては、各噴孔部２６，２７の噴孔２５…２５の開口面積を合計した値を図５の噴孔部２６，２７の開口面積と等価に考えて調整すればよい。
【００４４】
［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態を説明する。図７〜図９は本発明が適用される内燃機関の第２の実施形態を示している。この実施形態は、燃料噴霧１２の形状を第１の実施形態から変更したものであり、燃料噴霧の形状に拘わる部分以外の構成は第１の実施形態と同様である。従って、図１〜図３と共通する部分には同一符号を付してある。
【００４５】
本実施形態の燃料噴射弁１１は、シリンダ３の中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部１２ａと、その第１の噴霧部１２ａに対してシリンダ３の上方側（シリンダヘッド５側）に相対的に偏って配置されかつシリンダ３の中心線と直交する方向に扁平な第２の噴霧部１２ｂとを合成した燃料噴霧１２をシリンダ内に噴射可能である。すなわち、本実施形態では、第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂがいずれもシリンダ３の中心線と直交する方向に扁平に形成されている。従って、図７に示すように、シリンダ３の中心線の方向に関する第１の噴霧部１２ａの広がり角をθＬ１、第２の噴霧部１２ｂの広がり角をθＵ１、図８に示すようにシリンダ３の中心線の方向からみた第１の噴霧部１２ａの広がり角をθＬ２、第２の噴霧部１２ｂの広がり角をθＵ２とすれば、第１の噴霧部１２ａの形状はθＬ１＜θＬ２となるように定められ、第２の噴霧部１２ｂの形状はθＵ１＜θＵ２となるように定められている。但し、この実施形態においても、扁平の概念は燃料噴霧の広がり角の大小のみで定まるものではなく、燃料噴霧の横断面形状（燃料噴霧の中心線の方向と直交する方向の断面形状）が、楕円状、長円状のように特定方向に長くその特定方向と直交する方向には幅が狭い形状であれば扁平の範疇に含まれる。
【００４６】
図８に示すようにシリンダ３の中心線の方向から第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂをみたとき、各噴霧部１２ａ、１２ｂは燃料噴射弁１１の噴射位置Ｐｉｎを基点として、その噴射位置Ｐｉｎとシリンダ３の中心（点火プラグ６の位置）とを通過する基準線Ｘに関して左右対称な形状を有している。また、第２の噴霧部１２ｂはその上端がシリンダヘッド５の下面、つまりは燃焼室の上側の壁面に接しない範囲で可能な限り点火プラグ６側に寄せて配置されている。他方、第１の噴霧部１２ａは、シリンダ３内に突出する吸気バルブ９，９と衝突しないように第２の噴霧部１２ｂよりも相対的にシリンダ３の下方側に偏位させて配置されている。結果として、燃料噴霧の横断面形状は、シリンダ３の中心線と直交する方向に扁平な２つの楕円をシリンダ３の中心線の方向に重ね合わせたような形状を呈している。
【００４７】
さらに、第２の噴霧部１２ｂの広がり角θＵ２は、図９に示すように、シリンダ３内に突出する吸気バルブ９，９と第２の噴霧部１２ｂとが衝突しない程度に制限される。望ましくは、吸気バルブ９のステム９ａ、９ａとバルブヘッド９ｂ、９ｂとに囲まれた空間において第２の噴霧部１２ｂがシリンダ３の中心線と直交する方向に広がるように設定すればよい。これにより、吸気行程中に燃料を噴射しても第２の噴霧部１２ｂはシリンダ３内に突出した吸気バルブ９同士の隙間を介して点火プラグ６に向かうようになる。
【００４８】
また、第１の噴霧部１２ａの広がり角θＬ２は、同一方向に関する第２の噴霧部１２ｂの広がり角θU２よりも大きく（θＬ２＞θＵ２）、シリンダ３の中心線の方向からみて吸気バルブ９，９と十分に重なり合う程度に拡大されている。これにより、第１の噴霧部１２ａのピストン４側への拡大を抑えつつ第１の噴霧部１２ａに十分な燃料を与え、かつシリンダ３の中心線と直交する方向に関してより広い範囲に燃料を供給することができる。
【００４９】
一方、図７に示すように、シリンダ３の中心線の方向に関しては、第２の噴霧部１２ｂの広がり角θＵ１が第１の噴霧部１２ａの広がり角θＬ１よりも大きく設定されている。これにより、第２の噴霧部１２ｂに含まれる燃料量を増加させ、第１の噴霧部１２ａをシリンダ３の中心線の方向に関して薄くして燃料噴霧１２の下端をさらにシリンダヘッド５側に寄せることができる。
【００５０】
なお、第１の噴霧部１２ａと第２の噴霧部１２ｂとはシリンダ３の中心線の方向に関して互いに重なり合ってもよいし、互いに離れてもよい。
【００５１】
以上のように燃料噴霧１２を形成した場合においても、圧縮行程中に燃料を噴射したときには第２の噴霧部１２ｂにより点火プラグ６の回りに濃厚な混合気を形成して良好な成層燃焼を実現することができる。また、第１の噴霧部１２ａが設けられていることにより、第２の噴霧部１２ｂのみで必要な燃料量を確保する場合と比較して燃料噴霧の下端を上方（点火プラグ６の側）に寄せることができ、それにより、成層燃焼時のピストン４への燃料の付着を抑えてＨＣ、スモーク、ＰＭ等の排出量を低減することができる。一方、吸気行程中に燃料を噴射したときには、吸気バルブ９がシリンダ３内に突出しても第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂがいずれも吸気バルブ９と衝突しないため、均質度の高い混合気を形成することができるとともに、燃料温度の上昇を防止して気化潜熱による吸気温度の低下とそれに伴う充填効率の向上とを達成できる。
【００５２】
また、特に第２の噴霧部１２ｂをシリンダ３の中心線と直交する方向に扁平に形成したので、第１の実施形態と比較して第２の噴霧部１２ｂをシリンダ３の中心線の方向に関して狭めつつ第１の実施形態と同等の燃料量を第２の噴霧部１２ｂに含めることができる。従って、吸気バルブ９同士の隙間に比較的余裕があり、かつピストン４の上方の隙間が比較的狭く制限される場合に適した形状の燃料噴霧１２を提供することができる。
【００５３】
なお、本実施形態においても、吸気行程における吸気バルブ９と各噴霧部１２ａ、１２ｂとの関係については、燃料噴射時期における吸気バルブ９のシリンダ３内への突出量（リフト量）を特定し、その特定された突出量を与えたときの吸気バルブ９の位置を基準として各噴霧部１２ａ、１２ｂの形状や配置を定めればよい。吸気行程における燃料噴射の開始時期、継続時間が可変であるときは、最も早い開始時期から最も遅い終了時期までの吸気バルブ９の突出範囲を特定し、その突出範囲を避けて第１の噴霧部１２ａ及び第２の噴霧部１２ｂを形成すればよい。
【００５４】
本発明において、各噴霧部１２ａ，１２ｂの貫徹力（燃料噴霧の到達距離）及び燃料量は各噴霧部１２ａ、１２ｂに要求される特性に応じて適宜に設定してよい。例えば、第１の実施形態と同様に、第１の噴霧部１２ａの貫徹力ＬＬを第２の噴霧部１２ｂの貫徹力ＬＵよりも大きく設定してよい（図９参照）。また、第２の噴霧部１２ｂの燃料量が第１の噴霧部１２ａの燃料量よりも大きくなるように設定してよい。
【００５５】
図７〜図９に示した燃料噴霧１２は、図４の燃料噴射弁１１の噴孔２５を例えば図１０に示すように形成して実現することができる。図１０の例において、噴孔２５は図１０（ａ）の左右方向に延びる横長のスリット状の第１の噴孔部２６と、その第２の噴孔部２６と平行でかつ長手方向と直交する方向に幾らか離して配置された横長のスリット状の第２の噴孔部２７とを備えている。第１の噴孔部２６の長手方向に沿った断面形状を図１０（ｂ）に、第２の噴孔部２７の長手方向に沿った断面形状を図１０（ｃ）にそれぞれ示す。これらの図から明らかなように、各噴孔部２６、２７は燃料噴射弁１１の内側から外側に向かって徐々に拡大する扇状に形成されている。そして、第１の噴孔部２６の長手方向への長さＬ１及び開き角θ１は、第２の噴孔部２７の長手方向の長さＬ２及び開き角θ２よりも大きく設定されている。これにより、第１の噴孔部２６によって第１の噴霧部１２ａを、第２の噴孔部２７によって第２の噴霧部１２ｂをそれぞれ形成することができる。また、第１の噴孔部２６の長手方向と直交する方向に関する幅Ｗ１及び同方向に関する開き角φ１は、第２の噴孔部２７の長手方向と直交する方向に関する幅Ｗ２及び同方向に関する開き角φ２よりも小さい。これにより、第２の噴孔部２７によって形成される第２の噴霧部１２ｂのシリンダ中心線の方向に関する広がり角θＵ１を同方向に関する第１の噴霧部１２ａの広がり角θＬ１よりも大きくすることができる。
【００５６】
なお、各噴孔部２６、２７によって形成される燃料噴霧の貫徹力ついては幅Ｗ１，Ｗ２を第１の実施形態と同様に調整することにより、第２の噴霧部１２ｂの貫徹力よりも第１の噴霧部１２ａの貫徹力を大きく設定することができる。また、燃料量についても、第２の噴孔部２７の開口面積が第１の噴孔部２６の開口面積よりも大きくなるように各噴孔部２６、２７の長さＬ１、Ｌ２及び幅Ｗ１、Ｗ２を調整すれば、第２の噴霧部１２ｂの燃料量を第１の噴霧部１２ａのそれよりも大きく設定することができる。
【００５７】
図１１（ａ）は、図７〜図９に示した燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁１１の噴孔の他の例を示している。この燃料噴射弁１１は、図６に示したものと同様に小径の多数の噴孔２５…２５から噴射される燃料噴霧を合成して所定形状の燃料噴霧を形成する、いわゆるマルチホールタイプの燃料噴射弁である。この実施形態においても、噴孔２５…２５は第１の噴霧部１２ａを形成するための第１の噴孔部２６と、第２の噴霧部１２ｂを形成するための第２の噴孔部２７とに区分される。第１の噴孔部２６は左右に３列、上下に２列の合計６個の噴孔２５…２５の集合として構成され、第２の噴孔部２７は左右に３列、上下に２列の合計６個の噴孔２５…２５の集合として構成される。そして、図１０の例と同様に第２の噴孔部２７は第１の噴孔部２６の長手方向と直交する方向の中心に対していずれか一方の側に寄せて配置されている。
【００５８】
図１１（ｂ）に示すように、第１の噴孔部２６では、上下に並ぶ一対の噴孔２５、２５の軸線がバルブボディ２０の外側にて交点Ｐｎ１を形成するように噴孔２５，２５が傾けて形成されている。また、第２の噴孔部２７においても、上下に並ぶ一対の噴孔２５、２５の軸線がバルブボディ２０の外側にて交点Ｐｎ２を形成するように噴孔２５，２５が傾けて形成されている。このように噴孔２５を傾けることにより、両噴孔部２６、２７においてそれぞれ上下一対の噴孔２５、２５から噴射された燃料噴霧が互いに衝突して図１１（ａ）の左右方向に扁平な燃料噴霧がそれぞれ形成される。
【００５９】
図１１の例においても、各噴孔２５の配置、個数、間隔、噴孔２５，２５の傾斜角度α、βは求められる燃料噴霧の形状、貫徹力、燃料量に応じて適宜に調整すればよい。各噴霧部１２ａ、１２ｂの長手方向に関する広がり角θＬ２、θＵ２、長手方向と直交する方向に関する広がり角θＬ１、θＵ１は各噴孔部２６，２７の長手方向に関する噴孔２５，２５の個数や間隔によって調整することができる。各噴孔部２６，２７の長手方向の端部の噴孔２５を長手方向外側に幾らか傾けることにより、扇状に広がる噴霧をより確実に形成することができる。貫徹力については、対をなす噴孔２５，２５を挟む角度α、βによって調整することができる。すなわち、噴孔２５の内径が一定であると仮定した場合において第１の噴霧部１２ａの貫徹力を第２の噴霧部１２ｂのそれよりも大きくするならば、角度βよりも角度αを小さく設定すればよい。燃料量に関しては、各噴孔部２６，２７の噴孔２５…２５の開口面積を合計した値を図１０の噴孔部２６，２７の開口面積と等価に考えて調整すればよい。
【００６０】
本発明は上述した実施形態に限定されることなく種々の形態にて実施してよい。例えば、成層燃焼時において吸気流制御弁７ｄは閉じてもよいし開いてもよい。上述したように、吸気流制御弁７ｄを閉じているときは吸気流動が強くなるので、燃料噴霧が吸気流動に載って点火プラグ６まで搬送されるエアーガイド要素が強くなり、吸気流制御弁７ｄを開いているときは吸気流動が弱くなるので、燃料噴霧が噴霧自身の力で点火プラグ６の周辺に供給されるスプレーガイド要素が強くなる。吸気バルブの本数は２本に限らず、３本以上でもよい。吸気バルブが３本以上のときは２本の吸気バルブの隙間を介して第２の噴霧部が点火プラグに向かうようにすればよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部と、第１の噴霧部に対してシリンダの中心線の上方側に相対的に偏った第２の噴霧部とを合成した燃料噴霧をシリンダ内に噴射可能としたので、可変機構に頼らなくとも、ピストンや吸気バルブへの燃料噴霧の衝突を抑えつつ、成層燃焼や均質燃焼に都合のよい燃料噴霧をシリンダ内に噴射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関におけるシリンダ上端部付近の縦断面図。
【図２】図１のシリンダ内をその上側からシリンダの中心線の方向に沿って見た様子を示す図。
【図３】第１の実施形態においてシリンダ内に噴射される燃料噴霧の第１の噴霧部及び第２の噴霧部と吸気バルブとの関係を示す図。
【図４】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関にて使用される燃料噴射弁のノズル部付近の概略構成を示す図。
【図５】第１の実施形態において図４の燃料噴射弁に設けられる噴孔の一例を示す図。
【図６】第１の実施形態において図４の燃料噴射弁に設けられる噴孔の他の例を示す図。
【図７】本発明の第２の実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関におけるシリンダ上端部付近の縦断面図。
【図８】図７のシリンダ内をその上側からシリンダの中心線の方向に沿って見た様子を示す図。
【図９】第２の実施形態においてシリンダ内に噴射される燃料噴霧の第１の噴霧部及び第２の噴霧部と吸気バルブとの関係を示す図。
【図１０】第２の実施形態において図４の燃料噴射弁に設けられる噴孔の一例を示す図。
【図１１】第２の実施形態において図４の燃料噴射弁に設けられる噴孔の他の例を示す図。
【符号の説明】
１ 筒内噴射式火花点火内燃機関
３ シリンダ
４ ピストン
５ シリンダヘッド
６ 点火プラグ
７ 吸気通路
７ｄ 吸気流制御弁
８ 排気通路
９ 吸気バルブ
１０ 排気バルブ
１１ 燃料噴射弁
１１ａ ノズル部
１２ 燃料噴霧
１２ａ 第１の噴霧部
１２ｂ 第２の噴霧部
２０ バルブボディ
２１ ニードル弁
２５ 噴孔
２６ 第１の噴孔部
２７ 第２の噴孔部
Claims (9)
- シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部と、前記第１の噴霧部に対して前記シリンダの上方側に相対的に偏った第２の噴霧部とを合成した燃料噴霧をシリンダ内に噴射可能とされ、点火プラグが前記シリンダの略中心線上に配置され、吸気バルブが複数配置され、前記第１の噴霧部は前記シリンダ内に突出する吸気バルブよりも前記シリンダの下方側に広がるように形成され、前記第２の噴霧部は、吸気行程においてシリンダ内に突出する前記吸気バルブの隙間を介して前記点火プラグに向かうように形成されたことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 前記第２の噴霧部が前記シリンダの中心線の方向に扁平であ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式内燃機関。
- 前記第２の噴霧部が前記シリンダの中心線と直交する方向に扁平であ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式内燃機関。
- 前記シリンダの中心線と直交する方向に関して、前記第１の噴霧部の広がり角が前記第２の噴霧部の広がり角よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 前記シリンダの中心線の方向に関して、前記第２の噴霧部の広がり角が前記第１の噴霧部の広がり角よりも大きいことを特徴とする請求項３又は４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 前記第１の噴霧部の貫徹力が前記第２の噴霧部の貫徹力よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 前記第２の噴霧部に含まれる燃料量が前記第１の噴霧部に含まれる燃料量よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
- シリンダの中心線と直交する方向に扁平な第１の噴霧部と、前記中心線の方向に扁平な第２の噴霧部とを合成した燃料噴霧をシリンダ内に噴射可能であり、前記第１の噴霧部は前記シリンダ内に突出する吸気バルブよりも前記シリンダの下方側に広がるように形成され、前記第２の噴霧部は、吸気行程においてシリンダ内に突出する吸気バルブの側方を通過して前記点火プラグに向かうように形成されることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
- 前記吸気バルブが複数本並べて設けられ、前記第２の噴霧部は２本の吸気バルブの隙間を介して点火プラグに向かうように形成されることを特徴とする請求項８に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
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