JP5093151B2 - 筒内直接噴射式内燃機関およびそれに用いる燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を筒内に直接噴射する筒内直接噴射式内燃機関およびそれに用いる燃料噴射弁に関する。

内燃機関の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有する筒内直接噴射式内燃機関（以下、単にエンジンという）が知られている（特許文献１参照）。

このエンジンでは、エンジンに設けられている燃料噴射弁より燃料が噴射されることにより、燃焼室に点火部側の燃料噴霧およびピストン側の燃料噴霧が形成される。

点火部側の燃料噴霧の方向は、点火部の周囲に直接向かうように設定されており、ピストン側の燃料噴霧の方向は、その燃料噴霧がピストンの冠面に設けられている凹部に衝突し、その後、その凹部の表面に沿って流れ、凹部の周縁部より点火部に向かうように設定されている。

この特許文献１によれば、両燃料噴霧の方向を上述したように設定することにより、圧縮行程噴射を行う場合、点火部の周囲に燃料噴霧を滞留させることができ、成層燃焼に適した混合気を得ることができる。

特開２００６−２５７９４３号公報

特許文献１によれば、吸気行程噴射を行う場合であっても、点火部側の燃料噴霧およびピストン側の燃料噴霧が形成されるので、燃焼室全体に燃料を行き渡らせることができるとしている。

しかしながら、上述した特許文献１では、吸気行程噴射を行う場合では、単に点火部側、ピストン側に燃料噴霧を形成するだけである。

ここで、エンジンの吸気行程中、燃焼室の内部には、燃焼室の天井壁と、天井壁と対抗するピストンの冠面との間を往復するように旋回する吸入空気の流れが発生する。

この流れは、タンブル流といわれるものである。

均質燃焼に最適な混合気を得る方法の一つに、燃焼室内に発生するタンブル流を強化するという方法がある。

上述の特許文献１によるエンジンでは、吸気行程噴射を行う場合、燃焼室に単に点火部側およびピストン側の燃料噴霧を形成しているだけなので、タンブル流を強化することができず、均質燃焼により最適な混合気を得ることができない。

また、特許文献１によるエンジンに搭載されている燃料噴射弁では、点火部側の燃料噴霧よりもピストン側の燃料噴霧の貫徹力を大きくしている。

このため、燃焼室内の吸入空気および燃料噴霧の流れが不安定となり、均質燃焼に最適な混合気を得にくくなる。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、成層燃焼および均質燃焼のそれぞれの燃焼形態に対し、最適な混合気を得ることができる筒内直接噴射式内燃機関およびそれに用いられる燃料噴射弁を提供することである。

請求項１に記載の発明は、筒状に形成され内部に燃焼室を形成するシリンダ、およびシリンダの軸方向端部に形成されている天井壁に接続され、外部より燃焼室に吸入空気を供給する吸気通路を有する本体と、シリンダ内を軸方向に往復運動するピストンであって、燃焼室に晒される冠面に天井壁とは反対側に凹むように形成され、吸気通路より流入した吸入空気を沿わせて、燃焼室内に天井壁と冠面との間を往復するように旋回する吸入空気の流れを発生させる凹部を有するピストンと、燃焼室の側部に配置され、第一の運転状態のときの圧縮行程期間中、および第二の運転状態のときの吸気行程期間中に燃料を直接燃焼室に噴射する噴射部を有する燃料噴射弁であって、噴射部より燃料を噴射させることにより、天井壁側に第一燃料噴霧を形成するとともに、第一燃料噴霧よりもピストン側に第二燃料噴霧を形成する燃料噴射弁と、天井壁の中央部より突き出て配置され、吸入空気と燃料噴霧との混合気を点火する点火部を有する点火装置と、を備え、
圧縮行程期間中に燃料が噴射される場合では、第一燃料噴霧および第二燃料噴霧がピストンの凹部に衝突し、その後、凹部に衝突した第一燃料噴霧および第二燃料噴霧が凹部の表面に沿って進行し、凹部の周縁部より点火部に向かい、吸気行程期間中に燃料が噴射される場合では、第一燃料噴霧が吸入空気の流れに乗るように、かつ第二燃料噴霧がピストンの凹部に衝突し、その後、吸入空気の流れに乗るように、第一燃料噴霧および第二燃料噴霧の方向が設定され、吸気通路は、シリンダの径方向外側から点火装置に向かうように燃焼室に接続され、燃料噴射弁は、吸気通路が形成されている側のシリンダの側部に噴射部が配置されるように本体に取り付けられており、冠面に設けられている凹部は、圧縮行程期間中に燃料を噴射する場合では、第一燃料噴霧を衝突させ、所定の方向に燃料噴霧を誘導し、吸気行程期間中に燃料を噴射する場合では、第二燃料噴霧を衝突させ、所定の方向に燃料噴霧を誘導する誘導する誘導面を有し、誘導面は、圧縮行程期間中に第一燃料噴霧が衝突する場合、第一燃料噴霧の中心線と誘導面にて形成される天井壁側の角度が鈍角となり、吸気行程期間中に第二燃料噴霧が衝突する場合、第二燃料噴霧の中心線と誘導面にて形成される天井壁側の角度が鋭角となっていることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４に記載の筒内直接噴射式内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、噴射部は、内部に燃料通路、燃料通路に連通し、噴射されることにより第一燃料噴霧、第二燃料噴霧を形成する複数の噴孔、および燃料通路に形成される弁座を有する噴孔部と、弁座に着座することにより複数の噴孔からの燃料の噴射を停止し、弁座から離座することにより複数の噴孔から燃料の噴射を行う弁部と、を備え、燃焼室内で第一燃料噴霧および第二燃料噴霧が形成されるように複数の噴孔が形成されていることを特徴としている。

これらの発明によれば、第一燃料噴霧および第二燃料噴霧の方向は、圧縮行程期間中に燃料が噴射される場合、第一燃料噴霧および第二燃料噴霧がピストンの凹部に衝突し、その後、凹部に衝突した第一燃料噴霧および第二燃料噴霧が凹部の表面に沿って進行し、凹部の周縁部より点火部に向かうように設定されている。

このように第一、第二燃料噴霧の方向が設定されていると、第一燃料噴霧および第二燃料噴霧の両燃料噴霧は、ピストンの凹部に衝突する。その後、両燃料噴霧は、凹部の表面に沿って進行し、その周縁部より点火部に向かう。このため、点火部の周囲に燃料噴霧が集中する。その結果、圧縮行程期間中に燃料を噴射する場合では、燃料噴霧を適切に点火部の周囲に滞留させることができ、成層燃焼に適した混合気を得ることができる。

また、これらの発明によれば、第一燃料噴霧および第二燃料噴霧の方向は、吸気行程期間中に燃料が噴射される場合、第一燃料噴霧が吸入空気の流れに乗るように、かつ第二燃料噴霧がピストンの凹部に衝突し、その後、吸入空気の流れに乗るようにも設定されている。

このように第一、第二燃料噴霧の方向が設定されていると、第一燃料噴霧は、吸気行程期間中に燃焼室内に発生する吸入空気の流れに乗り、吸入空気の流れを強化する。これにより、第一燃料噴霧の流れによって、吸気行程期間中に燃焼室内に発生する天井壁とピストンの冠面とを往復するように旋回するタンブル流を強化できる。

また、第二燃料噴霧は、燃料噴霧がピストンの凹部に衝突し、その後、凹部付近の吸入空気の流れに乗り、ピストンの冠面付近の吸入空気の流れを強化する。これにより、第二燃料噴霧の流れによって、吸気行程期間中に発生するタンブル流をさらに強化できる。

この構成によれば、吸気行程期間中に燃料を噴射する場合では、吸入空気と燃料噴霧との混合性を高めることができ、均質燃焼により適した混合気を得ることができる。

したがって、これらの発明によれば、第一、第二燃料噴霧の方向を上述した条件を満足するように設定しているため、成層燃焼および均質燃焼のそれぞれの燃焼形態に対し、最適な混合気を得ることができる筒内直接噴射式内燃機関を提供することができる。

エンジンの運転状態が低負荷または低回転である運転状態は、高い出力は要求されていない運転状態である。一方、エンジンの運転状態が上記低負荷または低回転である運転状態に比べ、高負荷または高回転である運転状態は、高い出力が要求される運転状態である。
さらに、請求項１に記載の発明は、吸気通路は、シリンダの径方向外側から点火装置に向かうように燃焼室に接続されており、燃料噴射弁は、吸気通路が形成されている側のシリンダの側部に噴射部が配置されるように本体に取り付けられていることを特徴としている。
この発明によれば、吸気通路がシリンダの径方向外側から点火装置に向かうように燃焼室に接続されているため、吸気通路から燃焼室に供給された吸入空気は、吸気通路が形成されている側のシリンダの側壁と対向するシリンダの側部に衝突し、その後、そのシリンダの側部に沿ってピストンの冠面に向かって流れる。そして、ピストンの冠面に衝突した吸入空気は、冠面に設けられている凹部の表面に沿い吸気通路が形成されているシリンダの側部に向かって流れる。その後、その吸入空気は、当該シリンダの側部に沿い吸気通路側の天井壁に向かって流れる。燃焼室内に形成されるタンブル流の方向は、上述した経路を辿るような方向となる。
そして、この発明によれば、燃料噴射弁は吸気通路が形成されている側のシリンダの側部に噴射部が配置されるように本体に取り付けられている。この位置に噴射部が配置されているため、請求項１に記載の第一、第二燃料噴霧の形成条件を満足すべく、第一、第二燃料噴霧の方向を設定すると、第一、第二燃料噴霧の中心線のなす角度を比較的大きくすることができる。これによれば、両燃料噴霧の間隔を大きくすることができるため、吸入空気と接する燃料噴霧の表面積が減少することによる混合性の悪化を抑制できる。
さらに、請求項１に記載の発明は、冠面に設けられている凹部は、圧縮行程期間中に燃料を噴射する場合では、第一燃料噴霧を衝突させ、所定の方向に燃料噴霧を誘導し、吸気行程期間中に燃料を噴射する場合では、第二燃料噴霧を衝突させ、所定の方向に燃料噴霧を誘導する誘導する誘導面を有し、誘導面は、圧縮行程期間中に第一燃料噴霧が衝突する場合、第一燃料噴霧の中心線と誘導面にて形成される天井壁側の角度が鈍角となり、吸気行程期間中に第二燃料噴霧が衝突する場合、第二燃料噴霧の中心線と誘導面にて形成される天井壁側の角度が鋭角となっていることを特徴としている。
この発明によれば、凹部に形成される誘導面は、圧縮行程期間中に第一燃料噴霧が衝突する場合、第一燃料噴霧の中心軸と誘導面にて形成される天井壁側の角度が鈍角となるように形成されているため、誘導面に第一燃料噴霧が衝突すると、第一燃料噴霧は確実に点火部が配置されている天井壁方向に向かう。これによれば、第一燃料噴霧を点火部に向かわせることができる。そして、誘導面は、吸気行程期間中に第二燃料噴霧が衝突する場合、第二燃料噴霧の中心軸と誘導面にて形成される天井壁側の角度が鋭角となるように形成されているため、誘導面に第二燃料噴霧が衝突すると、第二燃料噴霧は、天井壁とは反対側、つまり凹部の底部側の方向に向かう。これによれば、第二燃料噴霧の流れを凹部の表面に沿って進行し、吸入空気の流れに乗せることができる。これらの条件を満たすような誘導面を凹部に形成しているため、確実に圧縮行程噴射時に成層燃焼を実現し、吸気行程噴射時に均質燃焼を実現させることができる。

請求項２に記載の発明は、第一の運転状態は、低負荷または低回転の運転状態であり、第二の運転状態は、高負荷または高回転の運転状態であることを特徴としている。

この発明によれば、成層燃焼を行う第一の運転状態が低負荷または低回転の運転状態となり、均質燃焼を行う第二の運転状態が高負荷または高回転の運転状態となるため、エンジンの出力要求に合わせることができる。

請求項３に記載の発明は、第一燃料噴霧は、複数の燃料噴霧から構成されていることを特徴としている。

この発明によれば、第一燃料噴霧は、複数の燃料噴霧から構成されているので、吸入空気に接する燃料噴霧の表面積が、燃料噴霧が一つである場合に比べ大きくなる。このため、吸入空気と燃料噴霧との混合性が高まる。

請求項４に記載の発明は、第二燃料噴霧は、複数の燃料噴霧から構成されていることを特徴としている。

この発明によれば、第二燃料噴霧は、複数の燃料噴霧から構成されているので、吸入空気と接する燃料噴霧の表面積が、燃料噴霧が一つである場合に比べ大きくなる。このため、燃料噴霧の気化の進行が早くなり、吸入空気と燃料噴霧との混合性が向上する。

本発明の第１実施形態による筒内直接噴射式のガソリンエンジンの概略であって、圧縮行程噴射の状態を示す図である。 図１に示すガソリンエンジンの概略であって、吸気行程噴射の状態を示す図である。 図１に示すガソリンエンジンに搭載されている燃料噴射弁の構造を示す断面図である。 図３に示す燃料噴射弁の噴孔の配列を示す平面図である。 本発明の第２実施形態による筒内直接噴射式のガソリンエンジンの概略であって、圧縮行程噴射の状態を示す図である。 図５に示すガソリンエンジンの概略であって、吸気行程噴射の状態を示す図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。

なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
（全体構成）
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態による筒内直接噴射式内燃機関（以下、単に「エンジン」という）の概略を示す概略構成図である。図１は、圧縮行程時の状態を示している。

図１に示すエンジン１０は、直列四気筒のガソリンエンジンである。図１では、四つある気筒のうち、一つの気筒のみを図示している。他の気筒の構造も図１に示す構造とほぼ同じ構造となっているため、他の気筒についての説明は省略する。

エンジン１０は、エンジン本体１１、ピストン３０、燃料噴射弁４０、点火装置９０、および制御装置１００などから構成されている。エンジン１０は、制御装置１００により全体的に制御されている。

エンジン本体１１は、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１８などから構成されている。

シリンダブロック１２は、アルミニウムまたは鋳鉄などの金属より構成され、エンジン本体１１の骨格となる部品である。シリンダブロック１２は、内部にシリンダ１３を有する。図１中、シリンダ１３の上端部はシリンダブロック１２の端面に開口している。シリンダブロック１２の上側には、シリンダヘッド１８が取り付けられ、下側には、燃焼させる際に発生する動力を外部に取り出すクランクシャフト２３を支持するクランクケース（図示せず）が取り付けられている。

シリンダヘッド１８は、アルミニウムまたは鋳鉄などの金属より板状に構成され、シリンダ１３の上端部を塞ぐようにシリンダブロック１２に取り付けられている。シリンダヘッド１８は、シリンダ１３と対向する部位に、シリンダ１３の上端部を塞ぎ、シリンダ１３の内部に燃焼を起こさせる燃焼室１６を形成する面を有している。この面が、燃焼室１６の天井壁１７となる。シリンダヘッド１８は、吸気通路１９および排気通路２１を有する。

吸気通路１９は、外部と燃焼室１６とを接続する通路であって、燃焼に必要な吸入空気を外部より燃焼室１６に供給する通路である。図１では、吸気通路１９を説明の都合上、破線で示す。

吸気通路１９の燃焼室１６側の端部は、天井壁１７に開口している。吸気通路１９は、図１に示すように、シリンダ１３の径方向外側から後述する点火装置９０に向かうように燃焼室１６に接続されている。

吸気通路１９は吸気弁２０により開閉される。吸気弁２０は、クランクシャフト２３の回転に連動して回転する吸気弁用のカムシャフト（図示せず）に取り付けられたカムによって開閉駆動する。

原則、吸気弁２０は、エンジン１０が吸気行程期間の間、吸気通路１９を開弁し、それ以外の圧縮行程、膨張行程、排気行程期間の間、吸気通路１９を閉弁するように開閉駆動する。吸気弁２０が下方、燃焼室１６側に移動することにより吸気通路１９が開弁し、外部より吸入空気が燃焼室１６に供給される。燃焼室１６に供給される吸入空気の量は、吸気通路１９の上流側に設置されているスロットルバルブ（図示せず）にて調整される。吸気弁２０が上方、シリンダヘッド１８側に移動することにより吸気通路１９が閉弁し、外部からの吸入空気の供給が停止する。

排気通路２１は、外部と燃焼室１６とを接続する通路であって、燃焼後に発生する燃焼ガスを外部に排出する通路である。図１では、排気通路２１を説明の都合上、破線で示す。

排気通路２１の燃焼室１６側の端部は、天井壁１７に開口している。排気通路２１は、図１に示すように、吸気通路１９とは反対側のシリンダ１３の径方向外側から後述する点火装置９０に向かうように燃焼室１６に接続されている。

排気通路２１は排気弁２２により開閉される。排気弁２２は、クランクシャフト２３の回転に連動して回転する排気弁用のカムシャフト（図示せず）に取り付けられたカムによって開閉駆動する。

原則、排気弁２２は、エンジン１０が排気行程期間の間、排気通路２１を開弁し、それ以外の吸気行程、圧縮行程、排気行程期間の間、排気通路２１を閉弁するように開閉駆動する。排気弁２２が下方、燃焼室１６側に移動することにより排気通路２１が開弁し、燃焼室１６より燃焼ガスが外部に排出される。排気弁２２が上方、シリンダヘッド１８側に移動することにより排気通路２１が閉弁し、外部への燃焼ガスの排出が停止する。

なお、エンジン１０の運転状態によっては、エンジン１０の運転効率を上げるために、吸気弁２０および排気弁２２の開弁期間を重ねる場合がある。

ピストン３０は、シリンダ１３内に収められており、シリンダ１３内を往復運動する。ピストン３０とクランクシャフト２３とは、コネクティングロッド２４にて連結されている。クランクシャフト２３とコネクティングロッド２４にて直線往復運動を回転運動に変換する変換機構が構成されている。これにより、ピストン３０の往復運動に応じて、クランクシャフト２３が回転する。

ピストン３０の燃焼室１６に晒される冠面３１に、天井壁１７とは反対側に凹むように形成されている凹部３２が形成されている。

ここで、吸気行程期間中にシリンダブロック１２、シリンダヘッド１８およびピストン３０にて形成される燃焼室１６内に発生する吸入空気の流れについて説明する。

吸気行程期間では、ピストン３０は、下方、天井壁１７から離れる方向に移動する。そして、吸気弁２０は、吸気通路１９を開弁する。ピストン３０により燃焼室１６が増大するとともに、吸気通路１９が開弁されていることとなるため、燃焼室１６内の圧力が大気圧よりも低下する。このため、吸気通路１９を介して燃焼室１６に吸入空気が流入する。

燃焼室１６に流入した吸入空気は、吸気通路１９が形成されている側のシリンダ１３の第一の側部１４とは反対側の第二の側部１５に衝突する。その後、その吸入空気は、第二の側部１５に沿って下方、ピストン３０の冠面３１に向かって流れる。ピストン３０の冠面３１には、凹部３２が形成されているため、吸入空気は、その凹部３２の表面に沿い、第一の側部１４に向かって流れる。凹部３２は、吸入空気を第一の側部１４に導くように形成されている。

その後、吸入空気は、第一の側部１４に沿って上方、天井壁１７に向かって流れる。そして、吸入空気は、天井壁１７に沿い、第二の側部１５に向かって流れる。吸気行程期間では、吸入空気が上述した経路を辿るように旋回する。このように燃焼室１６内を旋回する旋回流をタンブル流という。

燃料噴射弁４０は、直接燃料を燃焼室１６に噴射する装置である。燃料噴射弁４０は、先端に燃料を噴射する噴射部４１を備えている。図１に示すように、燃料噴射弁４０は、噴射部４１がシリンダ１３の第一の側部１４に配置されるようにシリンダヘッド１８またはシリンダブロック１２に取り付けられている。燃料噴射弁４０は、基端部側より圧力がかけられた燃料が供給されるようになっている。本実施形態では、燃料の圧力は、４ＭＰａ〜２０ＭＰａとなっている。

燃料噴射弁４０は、制御装置１００より供給される制御パルスにより制御される。噴射部４１からは、制御パルスが供給されるタイミングに応じて燃料が噴射され、制御パルスのオン時間に応じた量だけ噴射される。

噴射部４１より燃料が噴射されることにより、図１に示すように二つの燃料噴霧７０、８０が燃焼室１６内に形成される。これら燃料噴霧７０、８０は、所定の条件を満たすような方向を向くように設定されている。図１に示すように第一燃料噴霧７０は、天井壁１７側に形成されている燃料噴霧であり、第二燃料噴霧８０は、第一燃料噴霧７０よりもピストン３０側に形成されている燃料噴霧である。所定の条件は後ほど詳細に説明する。

点火装置９０は、火花を発生する点火部９１が燃焼室１６の天井壁１７の略中央部より突出するようにシリンダヘッド１８に取り付けられている。点火装置９０の本体は、吸気通路１９と排気通路２１との間に設置されている。点火装置９０は、制御装置１００より供給される制御パルスにより制御される。制御装置１００より供給される制御パルスの供給タイミングに応じて点火部９１に火花が発生する。点火部９１に火花が発生することにより、燃焼室１６内に形成されている混合気が点火する。

制御装置１００は、エンジン本体１１に取り付けられている燃料噴射弁４０、点火装置９０などを制御する。制御装置１００は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央処理装置）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、入出力装置、および燃料噴射弁４０ならびに点火装置９０を駆動する駆動回路などから構成されている。ＲＯＭには、ＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやこのプログラムで使用する一連のデータなどが格納されている。

図１に示すようにクランクシャフト２３の回転速度およびクランク角度を検出するクランクポジションセンサ１０１、カムシャフトのカム角を検出するカムポジションセンサ（図示せず）、スロットルバルブのスロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ（図示せず）などのエンジン１０を運転する上で必要な各種センサが制御装置１００に接続されている。

ＣＰＵは、各種センサから入出力装置を介して入力される信号、ＲＯＭに格納されているプログラム、およびデータに基づいて、燃料噴射弁４０や点火装置９０を駆動する指令信号を生成し、入出力装置に送る。そして、ＣＰＵは入出力装置を制御して、ＣＰＵにて求めた指令信号をそれぞれの装置４０、９０に対応した駆動回路に送る。駆動回路では、入出力装置より受け取った指令信号に基づいた制御パルスを生成し、所定のタイミングで各装置４０、９０に送る。

本実施形態では、制御装置１００は、入力される各種センサからの信号より、現時点でのエンジン１０の運転状態、運転者が要求する要求トルクなどに基づきエンジン１０が出力すべき目標トルクを算出する。そして、制御装置１００は、その目標トルクをクランクシャフト２３より取り出すのに適した燃焼形態を選択し、その選択した燃焼形態に応じて各装置４０、９０を制御する。本実施形態では、制御装置１００は、エンジン１０が低負荷または低回転の運転状態にあるときであって、目標トルクが所定の値よりも低い場合、成層燃焼の燃焼形態を選択し、その燃焼を実行するために各装置４０、９０を制御する。

また、制御装置１００は、エンジン１０が高負荷または高回転の運転状態にあるときであって、目標トルクが所定の値よりも高い場合、均質燃焼の燃焼形態を選択し、その燃焼を実行するために各装置４０、９０を制御する。

（燃料噴射弁の構成）
以上、エンジン１０の基本構成について説明した。次に、燃料噴射弁４０の構成について図３を参照して詳細に説明する。

図３に示すように、燃料噴射弁４０の先端側の端部には燃料を噴射する噴射部４１が設けられ、基端側の端部には圧力がかけられた燃料を導入する燃料導入口４２が設けられている。燃料噴射弁４０は、内部に、燃料導入口４２と噴射部４１とを接続する燃料通路４３を有している。燃料導入口４２より導入された燃料は、燃料通路４３を介して噴射部４１に供給され、噴射部４１より燃料が噴射される。

燃料噴射弁４０は、パイプ４４、弁ハウジング４８、弁ボデー４９、噴孔部材５１、ニードル５３、可動コア５４、固定コア５６およびコイル５８などから構成されている。

パイプ４４は、筒状に形成され、先端側から基端側に向かって、第一磁性部４５、非磁性部４６および第二磁性部４７により構成されている。非磁性部４６は、第一磁性部４５と第二磁性部４７との磁気的短絡を防止する。各磁性部４５、４７および非磁性部４６は互いに溶接などにて接合されている。パイプ４４は、内側に各磁性部４５、４７および非磁性部４６を貫通する燃料通路４３を有している。

第二磁性部４７の基端側には、燃料導入口４２を有する入口部材５９が設置されている。入口部材５９の内部には燃料導入口４２より流入する燃料中に含まれる異物を捕集するフィルタ６０が設置されている。第一磁性部４５の先端側には、筒状に形成されている弁ハウジング４８が設置されている。

弁ハウジング４８は、内側にパイプ４４が形成する燃料通路４３と連通する燃料通路４３の一部を有している。弁ハウジング４８の先端側には、上記燃料通路４３の内壁に弁ボデー４９が設置されている。

弁ボデー４９は、筒状に形成され、その内壁にて弁ハウジング４８における燃料通路４３と連通する燃料通路４３の一部を形成する。燃料通路４３の内壁は、先端に向かうほど縮径する円錐面となっている。円錐面には、ニードル５３が着座する弁座５０が形成されている。

弁ボデー４９のさらに先端側には、有底筒状に形成されている噴孔部材５１が設置されている。噴孔部材５１の側壁は、弁ハウジング４８の燃料通路４３の内壁と、弁ボデー４９の外壁との間に挟持されている。

噴孔部材５１には、図４に示すように複数の噴孔５２が形成されている。これらの噴孔５２は、燃料通路４３と連通している。本実施形態では、六つの噴孔５２が噴孔部材５１に形成されている。

図４に示すように、六つの噴孔５２の噴孔径はほぼ同じであり、各噴孔５２の噴孔長さもほぼ同じとなっている。六つの噴孔５２のうち、三つの噴孔５２は、図１に示す第一燃料噴霧７０を形成するための噴孔であり、残りの三つの噴孔５２は第二燃料噴霧８０を形成するための噴孔である。各噴孔５２の向きは、第一燃料噴霧７０、第二燃料噴霧８０が形成されるような方向に設定されている。

弁座５０にニードル５３が着座すると、燃料通路４３が遮断され、燃料通路４３内の燃料が噴孔５２まで至らず、噴孔５２からの燃料噴射が停止する。弁座５０からニードル５３が離座すると、燃料通路４３内の燃料が噴孔５２まで至り、噴孔５２より燃料が噴射される。

燃料通路４３には、ニードル５３、可動コア５４、固定コア５６、スプリング６１、アジャスタパイプ４４が収容されている。ニードル５３は、棒状に形成されており、燃料通路４３と同軸上に設置され、燃料通路４３の軸線に沿って往復移動する。ニードル５３の基端側の端部には、磁性材料で筒状に形成されている可動コア５４が設置されている。可動コア５４とニードル５３とは溶接にて固定されており、可動コア５４もニードル５３とともに燃料通路４３の軸線に沿って往復移動する。可動コア５４は、内側に可動コア５４の基端側の端部と、可動コア５４の側部とを連通する連通路５５を有している。

可動コア５４の基端側には、筒状に形成されている固定コア５６が設置されている。固定コア５６は、パイプ４４における燃料通路４３の内壁に溶接などにより固定されている。ニードル５３が弁座５０に着座している状態で、固定コア５６と可動コア５４との間には、所定の隙間が形成されている。

固定コア５６の内部には、固定コア５６の基端側の端部と先端側の端部との間を貫通する縦孔５７が形成されている。この縦孔５７により、燃料導入口４２より導入された燃料を可動コア５４に供給することができる。

縦孔５７は、可動コア５４を先端側に押し付け、ニードル５３を弁座５０に着座させるスプリング６１とスプリング６１の基端側の端部を支えるアジャスティングパイプ６２を収容する。

アジャスティングパイプ６２は、縦孔５７に圧入にて固定されている。アジャスティングパイプ６２の位置の変更することにより、可動コア５４に及ぼすスプリング６１の付勢力を調整することができる。アジャスティングパイプ６２は、縦孔５７内の燃料の流れを阻害しないような形状となっている。

パイプ４４の外周壁には、電流を供給することにより磁界を発生するコイル５８が設置されている。コイル５８は、筒状に形成されているスプールに電線を巻回させることにより形成されている。電線の端部は、外部よりコイル５８の電線に電流を供給するためのターミナル６３と電気的に接続されている。ターミナル６３は、樹脂製よりなるコネクタ６４にインサート成形されている。

ターミナル６３を介してコイル５８の電線に電流を供給すると、コイル５８は磁界を発生する。コイル５８に磁界が発生すると、可動コア５４と固定コア５６との間に磁気吸引力が発生する。この磁気吸引力がスプリング６１の付勢力よりも勝ると、可動コア５４およびニードル５３は固定コア５６に引き付けられる。これにより、弁座５０からニードル５３が離座し、噴孔５２から燃料が噴射される。

コイル５８への通電が停止すると、磁界が消滅するため、可動コア５４はスプリング６１の付勢力により先端側に移動する。これにより、ニードル５３が弁座５０に着座し、噴孔５２からの燃料の噴射が停止する。

（特徴部分の構成）
以上、エンジン１０の全体構成およびエンジン１０に搭載されている燃料噴射弁４０の構成について説明した。次に、エンジン１０の作動について、図１および図２を用いて説明する。

図１は、エンジン１０が成層燃焼にて運転している場合であって、燃料噴射弁４０より燃料が噴射されている状態を示している。図２は、エンジン１０が均質燃焼にて運転している場合であって、燃料噴射弁４０より燃料が噴射されている状態を示している。以下、それぞれの燃焼形態について詳細に説明する。

（成層燃焼）
図１に示すように、制御装置１００は、エンジン１０を成層燃焼にて運転する場合、圧縮行程期間中の所定のタイミングで燃料を噴射するように燃料噴射弁４０を制御する。

制御装置１００は、エンジン１０が圧縮行程期間中であってピストン３０が上死点付近にあると判断したとき、図１に示すように燃焼室１６に第一、第二燃料噴霧７０、８０を形成すべく燃料を噴射部４１より噴射させる。なお、ピストン３０が上死点付近にあるか否かは、クランクポジションセンサ１０１などで判断することができる。

ここで、ピストン３０の凹部３２の表面におけるシリンダ１３の第二の側部１５側の周縁部には、第一燃料噴霧７０を衝突させ、衝突した第一燃料噴霧７０を図１中の矢印に示すように点火装置９０の点火部９１へ向かわせるような誘導面３３が形成されている。また、誘導面３３は、第一燃料噴霧７０の中心線Ｃ１と誘導面３３にて形成される天井壁１７側の角度αは、鈍角となっている。

第一燃料噴霧７０はこのタイミングで燃料噴霧が形成されるとき、誘導面３３に衝突する方向に設定されている。また、第二燃料噴霧８０はこのタイミングで燃料噴霧が形成されるとき、ピストン３０の凹部３２の表面に衝突する方向に設定されている。

したがって、この誘導面３３に第一燃料噴霧７０が衝突すると、第一燃料噴霧７０は図１中の破線矢印に示すように点火部９１に向かって進行する。

また、第二燃料噴霧８０は第一燃料噴霧７０よりもピストン３０側に形成される燃料噴霧であるため、第二燃料噴霧８０はピストン３０の凹部３２に衝突し、図１中の破線矢印に示すように、誘導面３３に向かって、誘導面３３以外の凹部３２の表面に沿って進行する。

よって、このタイミングで燃料を噴射すると、第一、第二燃料噴霧７０、８０は何れも誘導面３３より点火部９１に向かって進行する。このため、第一、第二燃料噴霧７０、８０が点火部９１の周囲に集中することとなる。

このように両燃料噴霧７０、８０の方向を定めることにより、圧縮行程期間中に燃料を噴射する場合では、第一、第二燃料噴霧７０、８０を適切に点火部９１の周囲に滞留させることができ、成層燃焼に適した混合気を得ることができる。

また、第一燃料噴霧７０は、第二燃料噴霧８０よりも点火部９１側に形成されているため、誘導面３３に至るまでにピストン３０のどの部分にも接していない。このため、第一燃料噴霧７０は、第二燃料噴霧８０と異なり、誘導面３３に至るまでに凹部３２の表面に沿って進行することによる運動エネルギーの損失がない。このため、少なくとも第一燃料噴霧７０は確実に点火部９１まで導くことができる。

そして、制御装置１００は、圧縮行程終了直前の所定のタイミングで点火部９１に火花を発生させて、点火部９１周辺に滞留している燃焼可能な混合気を点火する。

（均質燃焼）
図２に示すように、制御装置１００は、エンジン１０を均質燃焼にて運転する場合、吸気行程期間中の所定のタイミングで燃料を噴射するように燃料噴射弁４０を制御する。

制御装置１００は、エンジン１０が吸気行程期間中であってピストン３０が下死点付近にあると判断したとき、図２に示すように燃焼室１６に第一、第二燃料噴霧７０、８０を形成すべく燃料を噴射部４１より噴射させる。なお、ピストン３０が上死点付近にあるか否かは、クランクポジションセンサ１０１などで判断することができる。

吸気行程期間中、燃焼室１６内には、図２中の実線矢印にて示すような吸入空気によるタンブル流が発生している。タンブル流は、ピストン３０の冠面３１付近では、凹部３２の表面に沿い、第一の側部１４に向かって流れている。

ここで、第一燃料噴霧７０は、燃焼室１６内に形成されているタンブル流の流れに乗ることができる方向に設定されている（図２中に示す破線矢印を参照）。このため、吸気行程期間中に第一燃料噴霧７０が燃焼室１６内に形成されると、第一燃料噴霧７０の流れによりタンブル流の流れが強化される。

そして、上述したピストン３０の凹部３２の表面に形成されている誘導面３３は、以下の条件も満たすように形成されている。誘導面３３は、第二燃料噴霧８０の中心線Ｃ２と誘導面３３にて形成される天井壁１７側の角度βは、鋭角となっている。第二燃料噴霧８０はこのタイミングで燃料噴霧が形成されるとき、誘導面３３に衝突する方向に設定されている。

このため、吸気行程期間中に第二燃料噴霧８０が燃焼室１６内に形成されると、第二燃料噴霧８０は、誘導面３３に衝突し、その後、図２中の破線矢印にて示すように、凹部３２の表面に沿って、ピストン３０の冠面３１付近を流れるタンブル流の流れに乗るように進行する。ここの部位においても、第二燃料噴霧８０の流れによりタンブル流の流れが強化されることとなる。第一、第二燃料噴霧７０、８０の流れによりタンブル流は強化されることとなる。

このように第一、第二燃料噴霧７０、８０の流れによりタンブル流を強化することができるため、吸入空気と第一、第二燃料噴霧７０、８０との混合性をさらに高めることができる。この構成によれば、単に点火部側、ピストン側に分けて燃料噴霧を燃焼室１６に形成するという従来技術のエンジンに比べ、均質燃焼に適した混合気を得ることができる。

そして、制御装置１００は、圧縮行程終了直前の所定のタイミングで点火部９１に火花を発生させて、点火部９１周辺に滞留している燃焼可能な混合気を点火する。

以上、説明したように本実施形態によれば、圧縮行程期間中に燃料を噴射する場合には第一、第二燃料噴霧７０、８０がピストン３０の凹部３２に衝突し、その後、凹部３２の周縁部より点火部９１に向かって進行するように、吸気行程期間中に燃料を噴射する場合には第一燃料噴霧７０がタンブル流の流れに乗るとともに、第二燃料噴霧８０がピストン３０の凹部３２に衝突し、その後、タンブル流の流れに乗るように、第一、第二燃料噴霧７０、８０の方向が設定されているため、成層燃焼、均質燃焼のそれぞれの燃焼形態に対し、最適な混合気を得ることができるエンジン１０を提供することができる。

また、本実施形態によれば、成層燃焼を行う場合のエンジン１０の運転状態を低負荷または低回転の運転状態とし、均質燃焼を行う場合のエンジン１０の運転状態を高負荷または高回転の運転状態としている。このようにエンジン１０の運転状態に応じて燃焼形態を選択することにより、エンジン１０の出力要求に合わせることができる。

本実施形態によれば、吸気通路１９がシリンダ１３の径方向外側から点火装置９０に向かうように燃焼室１６に接続されているため、燃焼室１６内に図２の実線矢印に示すようなタンブル流が発生する。

また、本実施形態によれば、上述したような吸気通路１９の接続構造を採用するとともに、燃料噴射弁４０を吸気通路１９が形成されている側のシリンダ１３の第一の側部１４に噴射部４１が配置されるようにシリンダヘッド１８またはシリンダブロック１２に取り付けるようにしている。

このように吸気通路１９および燃料噴射弁４０を配置するような形態を採用することにより、吸気行程期間中に燃料を噴射する際、上述の条件を満足するためには、点火部９１付近のタンブル流が吸気通路１９からシリンダ１３の第二の側部１５に向かって流れているため、第一燃料噴霧７０の方向を極力点火部９１側に設定しなければならない。また、このとき、ピストン３０は下死点付近にあるため、第二燃料噴霧８０の方向を点火部９１から離す方向に設定しなければならない。

このため、第一、第二燃料噴霧７０、８０の方向を上述した条件を満足するように設定すると、おのずと第一、第二燃料噴霧７０、８０の中心線Ｃ１、Ｃ２のなす角度が比較的大きくなる。

このように吸気通路１９および燃料噴射弁４０の配置位置を設定することにより、両燃料噴霧７０、８０の間隔を大きくすることができる。このため、吸入空気と接する燃料噴霧の表面積が減少することによる混合性の悪化を抑制することができる。

また、本実施形態では、吸気通路１９と燃料噴射弁４０を上述したように配置させた上で、圧縮行程期間中での第一燃料噴霧７０の中心線Ｃ１と凹部３２に形成されている誘導面３３とのなす角度αを鈍角とし、および吸気行程期間中での第二燃料噴霧８０の中心線Ｃ２と誘導面３３とのなす角度βを鋭角としているため、圧縮行程期間中では第一、第二燃料噴霧７０、８０を点火部９１に導き、吸気行程期間中では第一、第二燃料噴霧７０、８０をタンブル流の流れに乗せ、タンブル流を強化させることができる。

第一、第二燃料噴霧７０、８０の方向は、エンジン１０の行程に関係なく固定されているが、ピストン３０は常に動いている。このため、上述した作用効果を発揮させるには、噴射部４１より燃料を噴射するタイミングでのピストン３０の位置、誘導面３３のピストン３０の運動方向に対する角度、第一、第二燃料噴霧７０、８０のそれぞれの中心線のピストン３０の運動方向に対する角度、誘導面３３と各中心線とのなす角度を調整しなければならない。

燃料を噴射するタイミングは、エンジン１０の仕様により様々であるため、これらの要素を調整しながら最適な第一、第二燃料噴霧７０、８０の方向、誘導面３３の形状を定めなければならない。

また、本実施形態のエンジン１０によれば、第一、第二燃料噴霧７０、８０の方向を設定することにより、上述した作用効果を発揮しているので、従来技術の様に噴孔径や噴孔長を個別に変更させる必要がない。本実施形態の燃料噴射弁４０の噴孔径や噴孔長は全て同じである。このため、燃料噴射弁４０の製造コストの増大を抑制しつつ、成層燃焼、均質燃焼に適した混合気を得ることができるエンジン１０を提供することができる。

なお、本実施形態における弁ボデー４９および噴孔部材５１は特許請求の範囲に記載の噴孔部に相当し、ニードル５３は特許請求の範囲に記載の弁部に相当している。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、第１実施形態の変形例である。第２実施形態では、燃焼室１６内に形成される第一、第二燃料噴霧７０、８０がそれぞれ複数の燃料噴霧より形成されている点が第１実施形態と異なる。本実施形態では、第１実施形態と異なる点のみを説明する。

図５および図６は、第２実施形態による筒内直接噴射式内燃機関を示している。図５は、図１に対応した図であり、エンジン１０が成層燃焼にて運転している場合であって、燃料噴射弁４０より燃料が噴射されている状態を示している。図６は、図２に対応した図であり、エンジン１０が均質燃焼にて運転している場合であって、燃料噴射弁４０より燃料が噴射されている状態を示している。

この実施形態では、図５および図６に示すように、第一燃料噴霧７０は、複数の燃料噴霧より形成されている。本実施形態では、第一燃料噴霧７０は、二つの燃料噴霧より形成されている。これら二つの燃料噴霧は、シリンダ１３の軸方向にずれて形成されている。

また、第二燃料噴霧８０も、複数の燃料噴霧からなっている。本実施形態では、第二燃料噴霧８０は、二つの燃料噴霧からなっている。これら二つの燃料噴霧は、第一燃料噴霧７０と同様、シリンダ１３の軸方向にずれて形成されている。

このように、第一、第二燃料噴霧７０、８０がそれぞれ複数の燃料噴霧からなっている実施形態であっても、図５に示すように、圧縮行程期間中に燃料を噴射する場合、第一燃料噴霧７０の点火部９１寄りの燃料噴霧の中心線Ｃ１１と誘導面３３にて形成される天井壁１７側のなす角度α１、およびピストン３０寄りの燃料噴霧の中心線Ｃ１２と誘導面３３にて形成される天井壁１７側のなす角度α２はいずれも鈍角となっている。

このため、圧縮行程期間中に燃料を噴射する場合、第一、第二燃料噴霧７０、８０はともに、点火部９１に向かって進行する。これにより、成層燃焼に適した混合気を得ることができる。

図６に示すように、吸気行程期間中に燃料を噴射する場合、第二燃料噴霧８０のうち、点火部９１寄りの燃料噴霧の中心線Ｃ２１と誘導面３３にて形成される天井壁１７側のなす角度β１、およびピストン３０寄りの燃料噴霧の中心線Ｃ２２と誘導面３３にて形成される天井壁１７側のなす角度β２はいずれも鋭角となっている。

このため、吸気行程期間中に燃料を噴射する場合、第一燃料噴霧７０はタンブル流の流れに乗り、タンブル流を強化する。そして、第二燃料噴霧８０は、誘導面３３に衝突した後、タンブル流の流れに乗り、さらにタンブル流を強化する。これにより、燃料噴霧と吸入空気との混合性が高まり、均質燃焼に適した混合気を得ることができる。

成層燃焼時、均質燃焼時の燃焼室１６内に発生する事象については、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。

本実施形態のように、第一、第二燃料噴霧７０、８０をそれぞれ複数の燃料噴霧より形成させているので、吸入空気と接する燃料噴霧の表面積が一つの燃料噴霧より形成する場合に比べ増大する。このため、燃料噴霧の気化の進行が早くなり、吸入空気と燃料噴霧との混合性が向上する。

なお、本実施形態では、第一、第二燃料噴霧７０、８０がそれぞれ二つの燃料噴霧より形成されているが、三つ以上の燃料噴霧よりそれぞれの燃料噴霧７０、８０を形成させても良い。また、第一、第二燃料噴霧７０、８０のいずれかの燃料噴霧が複数の燃料噴霧より形成され、他方の燃料噴霧が単一の燃料噴霧より形成されていても良い。

さらに、本実施形態では、複数の燃料噴霧をシリンダ１３の軸方向にずらして第一、第二燃料噴霧７０、８０を形成しているが、シリンダ１３の径方向に複数の燃料噴霧をずらして第一、第二燃料噴霧７０、８０を形成しても良い。

１０ エンジン（筒内直接噴射式内燃機関）、１１ エンジン本体（本体）、１２ シリンダブロック、１３ シリンダ、１４ 第一の側部、１５ 第二の側部、１６ 燃焼室、１７ 天井壁、１８ シリンダヘッド、１９ 吸気通路、２０ 吸気弁、３０ ピストン、３１ 冠面、３２ 凹部、３３ 誘導面、４０ 燃料噴射弁、４１ 噴射部、４２ 燃料導入口、４３ 燃料通路、４４ パイプ、４９ 弁ボデー、５０ 弁座、５１ 噴孔部材、５２ 噴孔、５３ ニードル（弁部）、７０ 第一燃料噴霧、８０ 第二燃料噴霧、９０ 点火装置、９１ 点火部、１００ 制御装置

Claims (5)

1. 筒状に形成され内部に燃焼室を形成するシリンダ、および前記シリンダの軸方向端部に形成されている天井壁に接続され、外部より前記燃焼室に吸入空気を供給する吸気通路を有する本体と、
   前記シリンダ内を軸方向に往復運動するピストンであって、前記燃焼室に晒される冠面に前記天井壁とは反対側に凹むように形成され、前記吸気通路より流入した吸入空気を沿わせて、前記燃焼室内に前記天井壁と前記冠面との間を往復するように旋回する吸入空気の流れを発生させる凹部を有するピストンと、
   前記燃焼室の側部に配置され、第一の運転状態のときの圧縮行程期間中、および第二の運転状態のときの吸気行程期間中に燃料を直接前記燃焼室に噴射する噴射部を有する燃料噴射弁であって、前記噴射部より燃料を噴射させることにより、前記天井壁側に第一燃料噴霧を形成するとともに、前記第一燃料噴霧よりも前記ピストン側に第二燃料噴霧を形成する燃料噴射弁と、
   前記天井壁の中央部より突き出て配置され、吸入空気と燃料噴霧との混合気を点火する点火部を有する点火装置と、を備え、
   前記圧縮行程期間中に燃料が噴射される場合では、前記第一燃料噴霧および前記第二燃料噴霧が前記ピストンの前記凹部に衝突し、その後、前記凹部に衝突した前記第一燃料噴霧および前記第二燃料噴霧が前記凹部の表面に沿って進行し、前記凹部の周縁部より前記点火部に向かい、
   前記吸気行程期間中に燃料が噴射される場合では、前記第一燃料噴霧が吸入空気の流れに乗るように、かつ前記第二燃料噴霧が前記ピストンの前記凹部に衝突し、その後、吸入空気の流れに乗るように、
   前記第一燃料噴霧および前記第二燃料噴霧の方向が設定され、
   前記吸気通路は、前記シリンダの径方向外側から前記点火装置に向かうように前記燃焼室に接続され、前記燃料噴射弁は、前記吸気通路が形成されている側の前記シリンダの前記側部に前記噴射部が配置されるように前記本体に取り付けられており、
   前記冠面に設けられている凹部は、前記圧縮行程期間中に燃料を噴射する場合では、前記第一燃料噴霧を衝突させ、所定の方向に燃料噴霧を誘導し、前記吸気行程期間中に燃料を噴射する場合では、前記第二燃料噴霧を衝突させ、所定の方向に燃料噴霧を誘導する誘導する誘導面を有し、
   前記誘導面は、前記圧縮行程期間中に前記第一燃料噴霧が衝突する場合、前記第一燃料噴霧の中心線と前記誘導面にて形成される前記天井壁側の角度が鈍角となり、前記吸気行程期間中に前記第二燃料噴霧が衝突する場合、前記第二燃料噴霧の中心線と前記誘導面にて形成される前記天井壁側の角度が鋭角となっていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. 前記第一の運転状態は、低負荷または低回転の運転状態であり、前記第二の運転状態は、高負荷または高回転の運転状態であることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. 前記第一燃料噴霧は、複数の燃料噴霧から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. 前記第二燃料噴霧は、複数の燃料噴霧から構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 請求項１から４に記載の筒内直接噴射式内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、
   前記噴射部は、
   内部に燃料通路、前記燃料通路に連通し、噴射されることにより前記第一燃料噴霧、前記第二燃料噴霧を形成する複数の噴孔、および前記燃料通路に形成される弁座を有する噴孔部と、
   前記弁座に着座することにより前記複数の噴孔からの燃料の噴射を停止し、前記弁座から離座することにより前記複数の噴孔から燃料の噴射を行う弁部と、を備え、
   前記燃焼室内で前記第一燃料噴霧および前記第二燃料噴霧が形成されるように前記複数の噴孔が形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。

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