JPH06299854A - 内燃機関の燃料噴射及び点火装置ならびにその方法 - Google Patents

内燃機関の燃料噴射及び点火装置ならびにその方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】内燃機関の燃焼室内の混合気を瞬時に燃焼させ
る。 【構成】燃料噴射弁の噴射口を燃焼室に開口させ、噴射
口の近傍に着火源を設け、燃料噴射弁から燃料を噴射し
た後に混合気に着火し、生じた火炎を燃料の噴流に乗せ
るようにして燃料の噴流のエネルギを利用して火炎の貫
通力を高め、火炎を燃焼室内に分散させるようにした。 【効果】複数個の点火プラグを用いることなく、従来の
燃焼方式の欠点である燃焼のサイクルや空間的な変動を
低減し、希薄混合気を瞬時に燃焼させることができる。
その結果、圧縮比を高めることができて、熱効率が向上
し、希薄混合気を用いることができるので、燃料消費率
が良好となる効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】ガソリン，軽油，天然ガス，アル
コール，水素等の燃料を燃焼して動力に変換する内燃機
関の燃料噴射及び点火装置ならびにその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関においては、燃料消費率を良好
にするためには、混合気を燃料の濃度が低い希薄混合気
とし、高圧縮比化により熱効率を向上させ、希薄混合気
を瞬時に燃焼させることが必要である。
【０００３】図２に、ガソリンエンジン等の火花点火エ
ンジンの従来技術における各種燃焼方式を、燃焼室２１
内を上方から見た燃焼状態の模式図で示す。
【０００４】図２(ａ)は一般的なエンジンの場合であ
り、点火プラグ３で混合気に火炎核をつくり、火炎を周
囲に伝播させて混合気を燃焼させる。この燃焼方式では
混合気が希薄なとき、燃焼の途中で火炎が吹き消えると
いう欠点がある。また、火炎の伝播に時間がかかり、熱
効率が低い。
【０００５】この対策として、図２(ｂ)に示すように、
点火プラグ３を複数個配置するものが提案されている
が、吸気弁及び排気弁(図示せず)があるため点火プラグ
３の配置を最適化できない。
【０００６】さらに、図２(ｃ)に示すように、高温の排
気を混合気に混入して点火源とする方法が提案されてい
るが、エンジンのサイクルごとに点火源の位置が定まら
ず、熱効率が低い。
【０００７】一方、図２(ｄ)に示すように、点火プラグ
３のエネルギを増して高温のプラズマを生成し、燃焼室
２１内に噴出して、火炎の伝播を促進する方法が提案さ
れているが、プラズマの貫通力が小さく、熱効率が低
い。
【０００８】また、図２(ｄ)に示したプラズマに関し、
エスエーイー・テクニカル・ペーパー910565（SAE Tech
nical paper 910565）に記載のように、活性化されたジ
ェットをつくる方法が提案されているが、ジェットの力
が弱く、燃焼室２１内の混合気の気流に吹き流されて、
充分な効果を上げるまでに至っていない。
【０００９】さらに、図２(ｅ)に示すように、副室２２
を設け、副室２２内の混合気を点火プラグ３で燃焼さ
せ、トーチ火炎を燃焼室２１内に噴出して、火炎の伝播
を促進する方法が提案されているが、副室２２よりも燃
焼室２１の表面積が増大するので、熱効率が低下する。
【００１０】一方、図２(ｆ)に示すように、燃料噴射弁
２の燃料噴霧に、点火プラグ３で直接点火する方法が提
案されているが、燃料噴霧と空気との混合が不充分なた
め、すすが発生するという不具合がある。
【００１１】以上のように、ガソリン，天然ガス，水
素，アルコール等の燃料の種類の如何にかかわらず、従
来のエンジンの燃焼方式では、熱効率が低下したり，す
すが発生したりという欠点を有していた。
【００１２】次に、図３に、ディーゼルエンジン等の自
己着火エンジンの従来技術における各種燃焼方式を、燃
焼室２１内を上方から見た燃焼状態の模式図で示す。
【００１３】図３(ａ)は一般的なディーゼルエンジンの
場合であり、燃料噴射弁２からの燃料の噴霧が着火遅れ
時間の後に、自己着火して火炎を形成する。この間、噴
霧と空気との混合が不充分であるとすすを発生する。
【００１４】これを解消するため図３(ｂ)に示すよう
に、副室２２を設けて燃焼を促進する方法が提案されて
いるが、副室２２よりも燃焼室２１の表面積が増大し
て、熱効率が低下する。
【００１５】また、図３(ｃ)に示すように、燃料噴射弁
２の圧力を３００気圧以上に高めて燃料噴霧の貫通力を
高め、空気との混合を促進し、すすを防止することが試
みられているが、自己着火する時期がエンジンのサイク
ルや空間的に一定でなく、その結果、熱効率が低下す
る。
【００１６】また、図３(ｄ)に示すように、はじめにパ
イロット燃料を噴射して火炎核を形成することにより、
主燃料噴霧の着火を促進させる方法が提案されている
が、火炎核の形成の時期がエンジンのサイクルや空間的
に一定でなく、その結果、熱効率が低下する。
【００１７】また、図３(ｅ)に示すように、グロープラ
グ等のヒータ２３を設けて燃焼を促進する方法が提案さ
れているが、自己着火する時期がエンジンのサイクルや
空間的に一定でなく変動し、その結果、熱効率が低下す
る。
【００１８】さらに、図３(ｆ)に示すように、副室やノ
ズル内で燃焼した火炎によって混合気に点火する方式が
提案されているが、副室やノズル内での自己着火の時期
がエンジンのサイクルや空間的に一定でなく変動し、そ
の結果、熱効率が低下する。以上、図２，図３に示す従
来の燃焼方式は、図２(ｂ)に示した複数個の点火プラグ
を配置する方式以外は、燃焼がエンジンのサイクルや空
間的に一定でなく変動し、その結果、熱効率が低下する
欠点を有していた。
【００１９】また、図２(ｂ)の方式においては、吸気弁
や排気弁があって、点火プラグを複数個設置することは
実際上困難であるので、点火プラグを最適な位置に配置
することができず、その結果、熱効率が低下する欠点を
有していた。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】燃焼室内の空間の各所
に、複数個の安定な点火源をつくることができれば、燃
焼室内で瞬間的に空間的に均一に燃焼するので、エンジ
ンのサイクルや空間的な変動を低減することができ、そ
の結果、熱効率を高めることができる。
【００２１】しかし、前記したように吸気弁や排気弁が
あって、点火プラグを複数個設置することは実際上困難
であるので、燃焼室内の空間の各所に火炎核を瞬間的に
分散させる必要がある。
【００２２】前記従来例においては、火炎を燃焼室内に
吹き出して分散させる（図２(ｄ)，(ｆ)，図３(ｂ)）
か、または、噴流を分散させてから自己発火させる（図
３(ｃ)，(ｄ)，(ｆ)）方式を採用しているが、前者は火
炎の貫通力が弱く、後者は自己発火の時期のエンジンの
サイクルや空間的な変動があり、その結果、熱効率を高
めることができなかった。
【００２３】本発明の課題は、従来の燃焼方式の欠点で
ある、燃焼のサイクルや空間的な変動を、複数個の点火
プラグを用いることなく低減し、その結果、熱効率を高
め、希薄混合気を瞬時に燃焼させることができる装置及
び方法を提供することである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】上記従来技術の問題を解
決するために、本発明においては、燃料噴射弁の噴射口
をエンジンの燃焼室内に設け、該噴射口の近傍に点火源
を設け、燃料噴射弁からの燃料の噴射が継続中に混合気
に点火し、生じた火炎を燃料の噴流に乗せるようにして
燃料の噴流のエネルギを利用して火炎の貫流力を高め、
火炎を燃焼室内に分散させるようにした。
【００２５】また、燃料噴射弁の噴射口にノズルを設け
る場合には、ノズル開口部の直径を１mm以上にした。
【００２６】
【作用】燃料噴射弁から燃料を噴射し、燃焼室内に混合
気を形成した後、点火プラグを放電させて混合気に点火
し、火炎を形成する。燃料の噴射が継続しているため燃
料の噴流のエネルギによって該火炎の貫通力が高まり、
燃焼室内全体にいきわたり、混合気を確実に燃焼させ
る。燃焼室内全体の混合気を迅速に燃焼させることがで
きるので、燃焼が安定し、燃焼のサイクルや空間的な変
動を、複数個の点火プラグを用いることなく低減するこ
とができる。その結果、圧縮比を高めることができて、
熱効率が向上し、希薄混合気でも瞬時に燃焼させること
ができる。
【００２７】また、火炎核の大きさが１mm以上になる
と、火炎核の周囲の混合気の燃焼に伴う発熱量が、熱伝
達による周囲への放熱量よりも大きくなるため、火炎核
は成長し、消滅することはない。したがって、燃料噴射
弁の噴射口にノズルを設ける場合には、ノズル開口部の
直径を１mm以上にすることにより、火炎核の大きさを１
mm以上にして火炎核を成長させ、消滅を防止することが
できる。
【００２８】
【実施例】本発明の第一の実施例を図１及び図４ないし
図１０を用いて説明する。図４は本発明を適用するエン
ジンの制御システムを表すブロック図である。図４にお
いて、エアフローメータ１，燃料噴射弁２，制御装置
８，アイドリング回転制御弁２６，点火装置２７，エア
ポンプ３３，ヒータ３６，燃料ポンプ３７等への作動電
源は充電機１４及び蓄電池２５より供給される。絞り弁
２４，アイドリング回転制御弁２６及び過給機１１によ
って制御される吸入空気量は、吸気管１２に取り付けた
エアフローメータ１によって計量される。エンジン回転
数はクランク角センサ９によって検出される。これらの
吸入空気量，エンジン回転数に応じて、制御装置８で燃
料量を決め、燃料がエンジンのシリンダ１７の燃焼室２
１内に燃料噴射弁２から直接噴射される。このため、吸
気管１２の内壁や吸気弁４に燃料が付着せず、未燃焼の
燃料が残ることがなく、燃料量の制御の精度が向上す
る。燃料と空気との混合気の点火時期は、エアフローメ
ータ１，空燃比センサ７，クランク角センサ９，ノック
センサ１６等の情報を用いて制御装置８によって演算さ
れ、点火装置２７へ動作信号が送られ、点火プラグ３に
よってシリンダの燃焼室２１内の混合気に点火する。
【００２９】排気管１３に、ＣＯ，ＨＣを酸化し、酸化
雰囲気中でＮＯｘを還元できる機能をもった触媒コンバ
ータ６を配置し、希薄燃焼の場合に排気ガス中に酸素が
あってもＮＯｘを還元できるようにする。排気管１３に
取り付けた空燃比センサ７によって排気ガスの空燃比を
検出し、制御装置８で目標空燃比になっているかを調
べ、目標空燃比より希薄であれば、燃料噴射弁２から噴
射される燃料量を増大させる。さらに、エンジン始動直
後等触媒温度が低く、触媒の機能が不十分な場合には、
触媒温度を温度センサ２８で検出し、ヒータ３６をヒー
タ制御装置３５で作動させて触媒が機能する温度に触媒
を加熱してもよい。
【００３０】また、触媒の動作は排気ガス中の酸素濃度
によっても影響を受けるので、触媒コンバータ６の入口
に空気導入通路３２を設け、制御弁３１を開けるととも
に、エアポンプ制御装置３４を作動させてエアポンプ３
３で空気を圧送してもよい。図１は、エンジンの１シリ
ンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。シリンダ１
７の燃焼室２１にピストン１５が配置され、上部に吸気
弁４，排気弁５，燃料噴射弁２，点火プラグ３が取り付
けられる。燃料噴射弁２と燃料ポンプ３７とは配管で接
続され、燃料ポンプ３７と燃料タンク（図示せず）との
間にスピル弁３８が取り付けられている。スピル弁３８
の動作及び点火プラグ３の点火時期は、スピル弁制御装
置３９及び点火装置２７を介して制御装置８により電気
的に制御される。燃料ポンプ３７を運転すると燃料の圧
力が上昇し、燃料噴射弁２を開弁すると、噴流Ａ及び噴
流Ｂとして燃料が噴射され、燃焼室２１内に混合気が形
成される。その後に点火プラグ３を点火させ、噴流Ｂの
近傍の混合気を燃焼させ、高温のガスである火炎核４０
をつくる。このとき、噴流Ｂの噴射は継続しているの
で、噴流Ｂに火炎核４０が乗って燃焼室２１内に分散し
混合気の着火源となって、あらかじめ燃焼室２１内に形
成されている混合気を瞬時に燃焼させる。次に、火炎核
４０が燃焼室２１内に分散した時点で、スピル弁３８を
開けて燃料ポンプ３７によって高まった燃料の圧力を減
じ、燃料噴射弁２からの燃料の噴射を停止する。
【００３１】図５に制御装置８で行われる燃料噴射弁２
の動作に関する制御のフローチャート図を示す。ステッ
プ６１で、エンジンのクランク角度の信号θから、エン
ジンの回転速度ｎが演算される。次に、ステップ６２
で、あらかじめ記憶されている関数を用いて燃料噴射開
始時期ＩＮＪｉ，燃料噴射終了時期ＩＮＪｅが回転速度
ｎ，アクセルペダルの位置αの関数として求められる。
次に、ステップ６３の判定によりクランク角度の信号θ
が燃料噴射開始時期ＩＮＪｉに一致したときに燃料噴射
弁動作信号がＯＮに、ステップ６４の判定によりクラン
ク角度の信号θが燃料噴射終了時期ＩＮＪｅに一致した
ときにＯＦＦの信号が燃料噴射弁２に送られ、燃料が燃
焼室２１内に噴射される。噴射時期は、アクセルペダル
の位置αに対して、例えば、図６に示すように設定され
る。アクセルペダルの位置αの値が小さい小負荷時に
は、噴射時期を圧縮上死点に近付け、燃料が燃焼室２１
内に広く分散しないうちに点火プラグ３に点火し、混合
気を燃焼させる。
【００３２】図７に制御装置８で行われる点火装置の動
作に関する制御のフローチャート図を示す。点火時期Ｉ
Ｇは図７中のステップ６５に示すように、エンジンの回
転速度ｎとアクセルペダルの位置αの関数として与えら
れ、制御装置８で点火時期ＩＧが演算される。そして、
ステップ６６に示すように、クランク角度の信号θが点
火時期ＩＧと一致したときに、点火装置２７へ動作信号
が送られ、点火プラグ３が点火される。点火時期ＩＧは
アクセルペダルの位置αに対して、たとえば、図６に示
すように設定される。アクセルペダルの位置αの値が小
さい小負荷時には、燃料噴射終了時期ＩＮＪｅより以前
に点火して、図１中に示す噴流Ｂの近傍の混合気を燃焼
させて火炎核４０をつくり、その後の燃料の噴射のエネ
ルギを利用して、火炎核４０を燃焼室２１内に分散させ
て着火源を空間的に数多くつくり、混合気を燃焼させ
る。その結果、空燃比が小さい希薄な混合気であっても
完全燃焼させることができる。
【００３３】一方、図６中に示すように、アクセルペダ
ルの位置αの値が大きくなると、エンジンの回転速度ｎ
が大きくなり、燃料噴射開始時期ＩＮＪｉが早くなるの
で、点火時期ＩＧは、燃料噴射終了時期ＩＮＪｅより遅
れる。それゆえ、火炎核４０が噴射のエネルギを利用し
て分散することはないので、エンジンの高回転時に生じ
やすい急速燃焼によるエンジン全体の振動や騒音の増大
を防止することができる。
【００３４】図８に、燃焼室２１内を上方から見た燃焼
状態の模式図を示す。噴流Ｂの近傍に点火プラグ３を設
置し、点火プラグ３の放電を継続させ、燃料噴射弁２か
らの噴流Ｂのエネルギを利用して火炎核４０を分散させ
ている状態を示す。
【００３５】図９に、燃料噴射と点火の時期を示すタイ
ムチャート図を示す。図９において、噴射信号Ｘ曲線の
ごとく、燃料噴射弁２からの燃料の噴射を圧縮上死点よ
り前の時刻ｔ1 から時刻ｔ5 まで継続し、その間の混合
気が形成された時期に時刻ｔ2 から時刻ｔ3 まで、点火
信号Ｙ曲線のごとく、点火プラグ３を放電させ、混合気
に着火させる。燃料の着火によってＺ曲線で示すごとく
火炎核４０が生成され、時刻ｔ4 からｔ5 の間に、火炎
核４０が燃焼室２１に分散される。その後、燃焼室２１
内の混合気が火炎核４０によって着火，燃焼する。前述
したように、火炎核４０の分散の速度は、従来のエンジ
ンにおける火炎伝播の速度より速いので、瞬間的に燃焼
し、熱効率が向上する。
【００３６】火炎核４０が分散する過程で火炎核４０の
温度が低下すると、混合気に着火できなくなる。これを
防ぎ、火炎核４０を保持するためには、発熱量が放熱熱
量より多くなければならない。図１０(ａ)に示すよう
に、燃料噴射弁２の噴流Ｂによって２次流れＣが形成さ
れ、火炎核４０は、この２次流れＣに乗って分散され
る。このとき、噴流Ｂは、図１０(ｂ)に示すように、噴
流のコアＤの部分とその周囲で燃料の粒子が浮遊してい
る粒子浮遊域Ｅとから成り、火炎核４０はこの粒子浮遊
域Ｅを通って分散するときにこの粒子を取り込み、燃焼
させることによって発熱量を放熱熱量より多く保持し、
火炎核４０が消滅するのを回避できる。
【００３７】図１１ないし図１２に本発明の第二の実施
例を示す。図１１は、図１と同じくエンジンの１シリン
ダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。シリンダ１７
の内部に燃焼室２１とピストン１５とが配置され、燃焼
室２１の上部に吸気弁４，排気弁５が配置され、燃料噴
射弁２の噴射口，点火プラグ３の電極が、孔１９，２０
を有する火炎ノズル３０の内部の室１８内に配置され
る。また、図１２は、燃焼室２１内を上方から見た燃焼
状態の模式図である。
【００３８】図１１ないし図１２に示す実施例の動作を
下記する。図１１ないし図１２(ａ)において、燃料噴射
弁２から噴射される燃料の噴流のうち、噴流Ａは火炎ノ
ズル３０の孔２０を通って燃焼室２１内に直接供給さ
れ、燃焼室２１内に混合気が形成される。一部の噴流Ｆ
は孔２０を通過することができず、室１８内に滞留す
る。一方、燃焼室２１内の新しい空気Ｇが，火炎ノズル
３０の噴流Ａが通過しない孔１９を通って室１８に入
る。これは、噴流Ａによって、室１８内の圧力が燃焼室
２１内の圧力より低くなることによる。
【００３９】この導入された空気Ｇと前記燃料の噴流Ｆ
とによって、室１８内に着火可能な混合気が形成され
る。この時点で点火プラグ３を点火させ、図１２(ｂ)に
示すように、室１８内の混合気を燃焼させて高温の燃焼
ガスＨを造る。このとき、噴流Ａは継続しているので、
高温の燃焼ガスＨは燃焼室２１の方に一度に流出するこ
とができず、噴流Ａによってひきちぎられ、複数個の火
炎核４０が着火源となって燃焼室２１内に分散し、あら
かじめ、燃焼室２１内に形成されている混合気を瞬時に
燃焼させる。このときの噴射圧力を４９ＭＰａとする
と、噴流の速度は５０ｍ／ｓ程度になり、層流燃焼速度
の０.９ｍ／ｓ に比べ充分速い。また、乱流燃焼速度は
これの２０倍程度で、１８ｍ／ｓとなるが、これに比べ
ても充分速い。したがって、燃焼室２１内の全ての混合
気を瞬間的に着火，燃焼させることができる。噴流Ａの
噴出方向は、火炎に比べてエンジンのサイクルや空間的
に変動せず安定しており、熱効率が低下することはな
い。
【００４０】なお、図１１において、火炎核４０の大き
さが１mm以上になると火炎核４０の周囲の混合気の燃焼
に伴う発熱量が、熱伝達による周囲への放熱量よりも大
きくなるため、火炎核４０は成長し、消滅することはな
い。したがって、燃料噴射弁２の噴射口の近くに取り付
けられた火炎ノズル３０の孔２０の直径を１mm以上にす
ることにより、火炎核４０の大きさを１mm以上にして火
炎核４０を成長させ、消滅を防止することができる。
【００４１】軽油等の自己発火しやすい燃料では、噴霧
が自己発火しやすく、従来のディーゼル機関の燃焼のよ
うに、エンジンのサイクル的に変動しやすい。これを回
避するため、燃焼室２１内の圧縮比を、ディーゼルの圧
縮比の２０以上に対し、２０以下として自己発火を抑え
るようにする。
【００４２】オクタン価の低い燃料は、自己発火してノ
ッキングを生じやすいが、本発明では着火源が燃焼室２
１内の各部に分散しているので、自己発火が生じる前に
燃焼が完了し、ノッキングの発生を防止できる。
【００４３】あまり燃焼が急速であると、ピストン１５
やシリンダ１７に無理な力が作用するので、これを避け
るために、火炎ノズル３０内の混合気の濃度，点火時期
を運転状態に応じて制御して、最適な燃焼速度を得るよ
うにする。
【００４４】なお、高温の燃焼ガスＨが孔２０を通ると
きに冷却されないように、火炎ノズル３０の部材は、セ
ラミック等の低熱伝導率の材料でつくることが好まし
い。
【００４５】図１３ないし図１６に本発明の第三の実施
例を示す。図１３は、燃焼室２１内を上方から見た空気
の流れの方向を示す模式図である。本実施例は、シリン
ダ１７の燃焼室２１内に吸入空気のスワール（旋回流）
を形成し、火炎核４０をこれに乗せて分散させる方法で
ある。火炎核４０の生成は、図１に示すように、燃料噴
射弁２から噴射された噴流の近くの混合気の近傍に点火
プラグ３を設け、これを放電させて火炎核４０を形成
し、火炎核４０をスワールに乗せて燃焼室２１内に分散
させてもよいが、図１３ないし図１６に示すように、燃
料噴射弁２と点火プラグ３とを一体化した電極付燃料噴
射弁４４を用いると、取り付けのためのスペースが少な
くてすみ、点火に適した場所に設置できる。また、本実
施例では、燃料の噴流の一部がスワールの動きを速め、
火炎核４０の分散を迅速化する効果があり、火炎核４０
が燃焼室２１内に迅速に分散するので、図２(ｆ)に示し
た従来の実施例のようなすすの発生を防止することがで
きる。
【００４６】図１３において、燃焼室２１には、二つの
吸気弁４ａ，４ｂ、二つの排気弁５ａ，５ｂが配置され
ている。吸気弁４ａを通る空気の流れは、スワール成分
を含み、燃焼室２１内にスワールＫをつくる。吸気弁４
ｂを通る空気の流れはスワール成分がなく、エンジン回
転速度が高速の時に吸気弁４ｂが開き、それ以外では閉
じている。前述のように、電極付燃料噴射弁４４は取り
付けのためのスペースが少なくてすむので、燃焼室２１
の吸気弁４ａの近くに電極付燃料噴射弁４４を取り付け
ることができ、その結果、スワールＫに火炎核４０を確
実に乗せて分散させることができる。
【００４７】図１４に、電極付燃料噴射弁４４のノズル
部の縦断面図を示す。該ノズル部は、噴射口ノズル４
５，電気絶縁体４６，チップ電極４７，電極４８，孔４
９，孔５０から構成される。孔４９より噴出した燃料の
噴流Ａは、スワールＫによって燃焼室２１内の空間全面
に分散し、混合気を形成する。混合気が形成された時点
で電極４８に高電圧を印加し、チップ電極４７と電極４
８との間で放電すると、孔５０を通過する燃料は放電に
よって部分的に燃焼して火炎核４０となり、スワールＫ
によって燃焼室２１内の空間全面に着火源として分散
し、あらかじめ形成されている混合気を瞬間的に燃焼さ
せる。
【００４８】燃料噴射及び点火の時期は、エンジンの回
転数，負荷及びスワールの状態に応じて制御するとよ
い。図１５は、燃焼室２１内を上方から見た燃焼状態の
模式図である。図９に示した実施例と異なる点は、電極
４８の放電の持続時間が長いことであり、これによっ
て、図１５に示すように、複数個の火炎核４０を形成す
ることができる。また、電極４８の放電を間欠的に行っ
ても、同様な複数個の火炎核４０が形成される。
【００４９】図１６は、空燃比と着火源の組成との関係
を示す相関図である。図１，図１１に示した実施例の場
合の着火源は、前述したように、空燃比が大きいときの
炭酸ガスを主体とした高温のガスの塊，空燃比が小さい
ときは燃焼の中間生成物すなわち活性ガスの塊、あるい
は活性ガスに高温の燃料液滴を含む塊である。また、空
燃比が小さく、温度が高いときは、燃料の分解生成物、
例えばカーボンを含む塊である。図１６に示すように、
空燃比によってそれぞれの成分は異なるので、運転状態
に応じて空燃比を設定するのがよい。
【００５０】また、本実施例ではスワールを用いたが、
スワールにかえてタンブルを用いてもよく、さらに、ス
ワールとタンブルとの両方を用いてもよい。
【００５１】図１７に本発明の第四の実施例を示す。
【００５２】図８や図１２等に示した多孔ノズルの他
に、図１７に示すように、旋回力や遠心力等を利用して
薄膜状の噴流Ｌをつくって２次流れＣをつくるととも
に、噴流Ｍのように燃料を分散させ、２次流れＣと噴流
Ｍに火炎核４０を乗せて分散させてもよい。この場合、
噴流Ｌの貫流力が弱く、燃焼室２１の中央部の混合気が
濃くなるので、図１０(ｂ)に示すように、燃料噴射弁２
の近くに配置した点火プラグ３で火炎核４０を形成し、
これを噴流Ｌの２次流れＣによって分散させるようにす
る。
【００５３】図１８に本発明の第五の実施例を示す。図
１８は、図１と同じくエンジンの１シリンダの上部の燃
焼室２１の縦断面図である。本実施例は、燃料噴射弁２
を内部に有する火炎ノズル３０に近接して、筒内圧力セ
ンサ４１を設けるとともに、点火プラグにかわって、火
炎ノズル３０に設けた電極４２と筒内圧力センサ４１の
先端に設けた電極４３との間の放電により、火炎核４０
をつくるものである。燃料噴射弁２から噴射される燃料
の噴流のうち、噴流Ａは火炎ノズル３０の孔２０を通っ
て燃焼室２１内に直接供給され、燃焼室２１内に混合気
が形成される。噴流Ｂは当初は噴流Ａと同様に孔２３を
通過するだけであるが、その後、火炎ノズル３０に設け
た電極４２と筒内圧力センサ４１の先端に設けた電極４
３との間の放電により火炎核４０がつくられ、噴流Ｂの
エネルギによって燃焼室２１内に分散し、混合気が瞬時
に着火，燃焼する。火炎ノズル３０の上方つけ根部には
孔１９が設けられ、燃焼室２１内の新しい空気Ｇが供給
されるので、噴流Ａや噴流Ｂを着火しやすい混合気にす
ることができる。
【００５４】図１９に本発明の第六の実施例を示す。図
１９は、図１と同じくエンジンの１シリンダの上部の燃
焼室２１の縦断面図である。本実施例では、火炎核４０
を生成するために専用の副燃料噴射弁５１を有してい
る。はじめに、主の燃料噴射弁２から燃料を噴射して、
燃焼室２１内に均一な混合気をつくる。次に、副燃料噴
射弁５１から燃料を噴射し、燃焼室２１内からの新しい
空気Ｇと燃料との混合気が室１８内に形成される。そし
て、点火プラグ３で室１８内の混合気に点火，燃焼させ
て、高温の燃焼ガスをつくる。このとき、噴流Ｂは継続
しているので、高温の燃焼ガスは、燃焼室２１の方に一
度に流出することができず、噴流Ｂによってひきちぎら
れ、複数個の火炎核４０が着火源となって燃焼室２１内
に分散し、燃焼室２１内の混合気を瞬時に燃焼させる。
【００５５】図２０に本発明の第七の実施例を示す。図
２０は、燃焼室２１を上方から見た模式図である。本実
施例では、燃焼室２１の側面に火炎核ノズル３０で形成
された副室２２を設け、副室２２の内部に副燃料噴射弁
５１と点火プラグ３とを設け、副室２２内で火炎核４０
をつくるものである。主の燃料噴射弁２は燃焼室２１内
に設けてある。火炎核４０は、副室からの噴流のエネル
ギによって燃焼室２１内に広がるとともに、燃料噴射弁
２からの噴流Ａによっても燃焼室２１内に分散される。
従来例の図２(ｂ)に示した例では、トーチ火炎を副室か
ら燃焼室内に噴出するものであったが、本実施例は、火
炎核と混合気との両方を副室から燃焼室内に噴出するも
のであり、副室からの噴流のエネルギが火炎核の分散に
使われるので、分散速度が速い。
【００５６】図２１に本発明の第八の実施例を示す。図
２１は、図１と同じくエンジンの１シリンダの上部の燃
焼室２１の縦断面図である。本実施例は、吸気管１２内
に主の燃料噴射弁２を設け、燃焼室２１内への主燃料を
吸気管１２内に噴射して供給する場合の例である。はじ
めに、吸気弁４が開いたときに、主の燃料噴射弁２から
燃料を噴射して、燃焼室２１内に均一な混合気をつく
る。次に、図１１と同様に、副燃料噴射弁５１から燃料
を噴射し、燃焼室２１内からの新しい空気Ｇと燃料との
混合気が室１８内に形成される。そして、点火プラグ３
で室１８内の混合気に点火，燃焼させて、高温の燃焼ガ
スを造る。このとき、噴流Ａは継続しているので、高温
の燃焼ガスは、燃焼室２１の方に一度に流出することは
できず、噴流Ａによってひきちぎられ、複数個の火炎核
４０が着火源となって燃焼室２１内に分散し、燃焼室２
１内の混合気を瞬時に燃焼させる。
【００５７】以上のごとく、本発明では、火炎核をつく
る方法として、 (a）燃料噴射の途中で着火し、放電継続時間を長くし
て、複数個の火炎核をつくる。
【００５８】(b）副室内である一定の容量の混合気を燃
焼させて高温の燃焼ガスをつくり、燃料の噴流でひきち
ぎり、複数個の火炎核をつくる。
【００５９】方法のいずれかを採用して火炎核をつく
り、火炎核を分散させる方法として、 (1）噴流のまわりに形成される混合気の２次流れに乗せ
て、火炎核を分散させる。
【００６０】(2）シリンダ内のスワールやタンブルに乗
せて、火炎核を分散させる。
【００６１】(3）混合気の噴流に乗せて、火炎核を分散
させる。
【００６２】方法のうちのいずれか、あるいは複数を採
用して、混合気の迅速な燃焼をはかっている。
【００６３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数個の点火プラグを用いることなく、従来の燃焼方式
の欠点である燃焼のサイクルや空間的な変動を低減し、
希薄混合気を瞬時に燃焼させることのできる内燃機関の
燃料噴射及び着火装置ならびにその方法を提供すること
ができる。その結果、圧縮比を高めることができて、熱
効率が向上し、希薄混合気を用いることができるので、
燃料消費率が良好となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示し、エンジンの１シ
リンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。
【図２】従来の実施例を示し、燃焼室２１内を上方から
見た燃焼状態の模式図である。
【図３】従来の実施例を示し、燃焼室２１内を上方から
見た燃焼状態の模式図である。
【図４】本発明の第一の実施例を示し、エンジンの制御
システムを表すブロック図である。
【図５】制御装置８で行われる燃料噴射弁２の動作に関
する制御のフローチャート図である。
【図６】点火時期，燃料噴射時期とアクセルペダルの位
置との関係を示す相関図である。
【図７】点火装置の動作に関する制御のフローチャート
図である。
【図８】燃焼室２１内を上方から見た燃焼状態の模式図
である。
【図９】燃料噴射と点火の時期を示すタイムチャート図
である。
【図１０】火炎の模式図である。
【図１１】本発明の第二の実施例を示し、エンジンの１
シリンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。
【図１２】燃焼室２１内を上方から見た燃焼状態の模式
図である。
【図１３】本発明の第三の実施例を示し、燃焼室２１内
を上方から見た空気の流れの方向を示す模式図である。
【図１４】燃料噴射弁のノズル部の縦断面図である。
【図１５】燃焼室２１内を上方から見た燃焼状態の模式
図である。
【図１６】空燃比と着火源の組成との関係を示す相関図
である。
【図１７】本発明の第四の実施例を示し、燃焼室２１内
を上方及び側方から見た燃焼状態の模式図である。
【図１８】本発明の第五の実施例を示し、エンジンの１
シリンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。
【図１９】本発明の第六の実施例を示し、エンジンの１
シリンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。
【図２０】本発明の第七の実施例を示し、燃焼室２１内
を上方から見た燃焼状態の模式図である。
【図２１】本発明の第八の実施例を示し、エンジンの１
シリンダの上部の燃焼室２１の縦断面図である。
【符号の説明】
２…燃料噴射弁、３…点火プラグ、４，４ａ，４ｂ…吸
気弁、５，５ａ，５ｂ…排気弁、８…制御装置、１２…
吸気管、１３…排気管、１５…ピストン、１７…シリン
ダ、１８…室、１９，２０，２３，４９，５０…孔、２
１…燃焼室、２２…副室、２９…スワール吸気ポート、
３０…火炎ノズル、３７…燃料ポンプ、３８…スピル
弁、３９…スピル弁制御装置、４０…火炎核、４１…筒
内圧力センサ、４２，４３，４８…電極、４４…電極付
燃料噴射弁、４５…噴射口ノズル、４６…電気絶縁体、
４７…チップ電極、５１…副燃料噴射弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｓ 7604−3Ｇ 61/18 ３２０ Ｚ 7604−3Ｇ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ 13/00 ３０３ Ａ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関の燃焼室内に噴射口部が開口する
    燃料噴射弁を有し、前記燃焼室内に空気を導入し、前記
    燃料噴射弁により前記燃焼室内に燃料を噴射して空気と
    燃料との混合気を形成し、該混合気を圧縮し、点火源に
    より該混合気を点火させて燃焼させ、そのエネルギの一
    部を動力エネルギとして取り出してなる内燃機関の燃料
    噴射及び点火の方法において、 前記燃料噴射弁により燃料を前記燃焼室内へ噴射するス
    テップ、 前記噴射の継続中に、前記燃料噴射弁の噴射口部近傍の
    混合気に点火するステップよりなる内燃機関の燃料噴射
    及び点火の方法。
  2. 【請求項２】内燃機関の燃焼室内に噴射口部が開口する
    燃料噴射弁を有し、前記燃焼室内に空気を導入し、前記
    燃料噴射弁により前記燃焼室内に燃料を噴射して空気と
    燃料との混合気を形成し、該混合気を圧縮し、点火源に
    より該混合気を点火させて燃焼させ、そのエネルギの一
    部を動力エネルギとして取り出してなる内燃機関の燃料
    噴射及び点火の方法において、 前記燃料噴射弁により燃料を前記燃焼室内へ噴射するス
    テップ、 前記燃料噴射弁の噴射口部近傍の混合気に点火するステ
    ップ、 点火後、前記燃料噴射弁による燃料の噴射が終了するス
    テップよりなる内燃機関の燃料噴射及び点火の方法。
  3. 【請求項３】内燃機関の燃焼室内に噴射口部が開口する
    燃料噴射弁を有し、前記燃焼室内に空気を導入し、前記
    燃料噴射弁により前記燃焼室内に燃料を噴射して空気と
    燃料との混合気を形成し、該混合気を圧縮し、点火源に
    より該混合気を点火させて燃焼させ、そのエネルギの一
    部を動力エネルギとして取り出してなる内燃機関の燃料
    噴射及び点火の方法において、 前記燃料噴射弁の噴射口部の周囲にノズルを設け、該ノ
    ズルに前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴流が通過
    する孔部を設け、該燃料噴射弁により燃料を前記ノズル
    内及び前記燃焼室内へ噴射するステップ、 前記噴射の継続中に、前記ノズルの内部の混合気に点火
    するステップよりなる内燃機関の燃料噴射及び点火の方
    法。
  4. 【請求項４】内燃機関の燃焼室内に噴射口部が開口する
    燃料噴射弁を有し、前記燃焼室内に空気を導入し、前記
    燃料噴射弁により前記燃焼室内に燃料を噴射して空気と
    燃料との混合気を形成し、該混合気を圧縮し、点火源に
    より該混合気を点火させて燃焼させ、そのエネルギの一
    部を動力エネルギとして取り出してなる内燃機関の燃料
    噴射及び点火の方法において、 前記燃料噴射弁の噴射口部の周囲にノズルを設け、該ノ
    ズルに前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴流が通過
    する孔部を設け、該燃料噴射弁により燃料を前記ノズル
    内及び前記燃焼室内へ噴射するステップ、 前記ノズルの内部の混合気に点火するステップ、 点火後、前記燃料噴射弁による燃料の噴射が終了するス
    テップよりなる内燃機関の燃料噴射及び点火の方法。
  5. 【請求項５】請求項３，請求項４のいずれかの記載にお
    いて、 前記ノズルの前記孔部の直径を１mm以上としたことを特
    徴とする内燃機関の燃料噴射及び点火の方法。
  6. 【請求項６】請求項１，請求項２，請求項３，請求項
    ４，請求項５のいずれかの記載において、 前記燃料噴射弁の噴射口部から噴射された燃料の噴流の
    周りに形成された混合気の２次流れに火炎核が乗るよう
    な位置に、混合気の点火源を設置して火炎核を生成する
    ステップよりなる内燃機関の燃料噴射及び点火の方法。
  7. 【請求項７】請求項１，請求項２，請求項３，請求項
    ４，請求項５のいずれかの記載において、 前記燃焼室内に導入された前記空気の流れに、スワール
    ないしタンブルの少なくともひとつの流れを生成するス
    テップ、 前記スワールないしタンブルの少なくともひとつの流れ
    に火炎核が乗るような位置に、混合気の点火源を設置し
    て火炎核を生成するステップよりなる内燃機関の燃料噴
    射及び点火の方法。
  8. 【請求項８】内燃機関の燃焼室内に噴射口部が開口する
    燃料噴射弁を有し、前記燃焼室内に空気を導入し、前記
    燃料噴射弁により前記燃焼室内に燃料を噴射して空気と
    燃料との混合気を形成し、該混合気を圧縮し、点火源に
    より該混合気を点火させて燃焼させ、そのエネルギの一
    部を動力エネルギとして取り出してなる内燃機関の燃料
    噴射及び点火装置において、 前記燃料噴射弁により燃料を前記燃焼室内へ噴射し、該
    噴射の継続中に、前記燃料噴射弁の噴射口部近傍の混合
    気に点火することを特徴とする内燃機関の燃料噴射及び
    点火装置。
  9. 【請求項９】内燃機関の燃焼室内に噴射口部が開口する
    燃料噴射弁を有し、前記燃焼室内に空気を導入し、前記
    燃料噴射弁により前記燃焼室内に燃料を噴射して空気と
    燃料との混合気を形成し、該混合気を圧縮し、点火源に
    より該混合気を点火させて燃焼させ、そのエネルギの一
    部を動力エネルギとして取り出してなる内燃機関の燃料
    噴射及び点火装置において、 前記燃料噴射弁により燃料を前記燃焼室内へ噴射し、前
    記燃料噴射弁の噴射口部近傍の混合気に点火した後で前
    記燃料噴射弁による燃料の噴射を終了することを特徴と
    する内燃機関の燃料噴射及び点火装置。
  10. 【請求項１０】内燃機関の燃焼室内に噴射口部が開口す
    る燃料噴射弁を有し、前記燃焼室内に空気を導入し、前
    記燃料噴射弁により前記燃焼室内に燃料を噴射して空気
    と燃料との混合気を形成し、該混合気を圧縮し、点火源
    により該混合気を点火させて燃焼させ、そのエネルギの
    一部を動力エネルギとして取り出してなる内燃機関の燃
    料噴射及び点火装置において、 前記燃料噴射弁の噴射口部の周囲にノズルを設け、該ノ
    ズルに前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴流が通過
    する孔部を設け、該燃料噴射弁により燃料を前記ノズル
    内及び前記燃焼室内へ噴射し、該噴射の継続中に、前記
    ノズルの内部の混合気に点火することを特徴とする内燃
    機関の燃料噴射及び点火装置。
  11. 【請求項１１】内燃機関の燃焼室内に噴射口部が開口す
    る燃料噴射弁を有し、前記燃焼室内に空気を導入し、前
    記燃料噴射弁により前記燃焼室内に燃料を噴射して空気
    と燃料との混合気を形成し、該混合気を圧縮し、点火源
    により該混合気を点火させて燃焼させ、そのエネルギの
    一部を動力エネルギとして取り出してなる内燃機関の燃
    料噴射及び点火装置において、 前記燃料噴射弁の噴射口部の周囲にノズルを設け、該ノ
    ズルに前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴流が通過
    する孔部を設け、該燃料噴射弁により燃料を前記ノズル
    内及び前記燃焼室内へ噴射し、前記ノズルの内部の混合
    気に点火した後で前記燃料噴射弁による燃料の噴射を終
    了することを特徴とする内燃機関の燃料噴射及び点火装
    置。
  12. 【請求項１２】請求項１０，請求項１１のいずれかの記
    載において、 前記ノズルの前記孔部の直径を１mm以上としたことを特
    徴とする内燃機関の燃料噴射及び点火装置。
  13. 【請求項１３】請求項８，請求項９，請求項１０，請求
    項１１，請求項１２のいずれかの記載において、 前記燃料噴射弁の噴射口部から噴射された燃料の噴流の
    周りに形成された混合気の２次流れに火炎核が乗るよう
    な位置に、混合気の点火源を設置して火炎核を生成する
    ステップよりなることを特徴とする内燃機関の燃料噴射
    及び点火装置。
  14. 【請求項１４】請求項８，請求項９，請求項１０，請求
    項１１，請求項１２のいずれかの記載において、 前記燃焼室内に導入された前記空気の流れに、スワール
    ないしタンブルの少なくともひとつの流れを生成するス
    テップ、 前記スワールないしタンブルの少なくともひとつの流れ
    に火炎核が乗るような位置に、混合気の点火源を設置し
    て火炎核を生成するステップよりなることを特徴とする
    内燃機関の燃料噴射及び点火装置。
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