JPS6287610A - 直接噴射式圧縮着火機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は直接噴射式圧縮着火機関に係り、特にピストン
頂面に燃焼室を構成するキャビティを形成し１機関に供
給される空気を旋回手段によって旋回させると共に広噴
霧角の噴霧を噴射する単噴孔を備えた燃料噴射弁から前
記キャビティ内に直接燃料を噴射して混合気を圧縮着火
する直接噴射式圧縮着火機関に関する。

［従来の技術］ ピストン頂面にくぼみ（以下単にキャビティと言う）を
形成して燃焼室を構成する直接噴射式圧縮着火内燃機関
は、過流室や予燃焼室を有する圧縮着火内燃機関に比べ
、燃焼室の主室と副室との連絡孔が無く、圧ｌｊ比も低
くどれるので機関の摩擦損失が少なく、燃焼消費量も少
ないという利点を有するため、大型機関では広く使われ
ている。

しかしながら、シリンダ径の小さな小型機関においては
、大型機関に比べ混合気形成に問題があった。

すなわち、従来の圧縮着火内燃機関においては、ピスト
ンの頂面に形成したキャビティの中央に燃料噴射弁を配
設し、複数の噴孔より放射状に複数のｙ！１′Ｎを噴射
する０機関の吸入時に吸気弁のボートなどによって発生
させた旋回流（スワール）は、圧縮行程末期においても
存続し、キャビティ内で燃料噴霧を旋回方向に押し流し
ながら混合気を形成する。キャビティの直径は、ピスト
ンの直径の４０％ないし７０％の範囲内のものが一般に
使われている。したがって、ピストンの直径が１００ｍ
ｍ以下の小型機関では、キャビティの径は小さくなり、
しかも圧縮比を大きくとろうとすると一層キャビテイの
径が小さくなる。よって。

燃料噴射弁の複数の噴孔から放射状に噴射した燃料噴霧
は、キャビティの内壁面に衝突し、壁面に液膜として付
着したり、粗大粒とじて残存するので有効な混合気が減
少する。

従って、従来の小型圧縮着火内燃機関では、キャビティ
が小さいことがら噴霧への空気導入率が低くなって吐煙
限界出力が小さくなり、噴霧の壁面付着により着火遅れ
期間が長くなって過薄混合気が生成され易くなり、排出
炭化水素（ＨＣ）濃度が大きくなると共に、圧縮比が小
さいことがら予混合気燃焼が激しくなって排出酸化窒素
（Ｎ。

×）濃度が大きくなる、という問題があった。

上記問題点を解決するために、従来では以下の表に示す
ように、高圧噴射する、スワール比（旋回角速度／クラ
ンク軸角速度）を上昇させる、圧縮比を上昇させる、Ｅ
ＧＲを導入する、ことが行なわれている。

番 ［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記の従来の方法では、高圧噴射やスワ
ール比上昇により噴霧分散を促進して吐煙限界出力を上
昇し、圧縮比上昇やＥＧＲ導入により噴霧分散を抑制し
てＨＣ，ＮＯｘの排出量を低減することができるが、吐
煙限界出力の上昇、ＨＣおよびＮＯｘの排出量低減を同
時に行うことができないという問題があった。

従って、本発明は吐煙限界出力の上昇、ＮＯｘの排出量
の低減、特にアイドル時のＨＣ排出量の低減を同時に行
うことができる直接噴射式圧ｗＪ着火機関を提供するこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明者等は、ビストン頂面
に略球形のキャビティを形成し、このキャビティに１を
噴孔の噴射弁から燃料を噴射して次の３つの場合につい
て系統的実験および解析を行なった。

（１）単噴孔噴射弁の噴孔をキャビティの外方に配置し
てスワールと順流方向に燃料を噴射し、スワール比を大
きくする。このときの噴孔位置をＡ、スワール方向のベ
クトルをＢ、燃料噴射方向のベクトルをＣとり、て第２
図（１）に示す。なお、Ｄは合成ベクトルである。この
ようにすると、吐煙排出量が減少して吐煙限界出力が一
ヒ昇したが、アイドル時のＨＣ排出量が多くなった。

（２）単噴孔噴射弁の噴孔をキャビティの外方に配置し
てスワールと順流方向に燃料を噴射し、スワール比を小
さくする。このときの噴孔位置をＡ、スワール方向のベ
クトルをＢ、燃料噴射方向のベクトルをＣとして第２図
（２）に示す。なお、Ｄは合成ベクトルである。このよ
うにすると、吐煙排出量が若干増加して吐煙限界出力が
下降したが、アイドル時のＨＣ排出量が減少した。

しかし、このＨＣ排出量は実用レベルより多かった。

（３）単噴孔噴射弁の噴孔をキャビティの内部に配置し
てスワール中心付近に燃料を噴射し、スワール比奢小さ
くするにのときの噴孔位置をＡ、スワール方向をＢ、燃
料噴射方向をＣとして第２図（３）に示す。このように
すると、吐煙排出量が増加して吐煙限界出力が激減した
が、アイドル時のＨＣ排出量が激減した。このときのＨ
Ｃ排出量は実用レベルを充分満足するものであった。

なお、上記の単噴孔噴射弁としては貫徹力（燃料が燃焼
が終了するまでに突き進んでいく力）が大きい単孔ホー
ルノズルと貫徹力が小さい単孔渦巻噴射弁を使用した。

上記３つの系統的実験の解析により本発明者等は、上記
の（１）＝　（３）を組合せた燃焼系を構築すれば、上
記の目的を達成できる、との知見を得た。この燃焼系は
、噴孔をキャビティ外方に位置させると共にスワール比
を大きくし、アイドル時にはスワール比、スキッシュお
よび燃料噴射方向の３つの相互作用により噴孔をキャビ
ティ内側に位置させてスワール比を小さくしたのと同等
の効果を生じさせる、というものである。

また、噴孔をキャビディの外方に位置させてキャビティ
内のスワール方向に対向するように燃料を噴射すること
によりキャビテイ壁面への噴霧の衝突や付着が防止され
るが、１シリンダの容積が４、　ＯＯ〜５００ｃｃの小
型直接噴射式機関の場合、単孔ホールノズルを用いて対
向噴射すると噴孔径が０．４〜０．５ｍｍで噴霧速度が
大きく貫徹力が大きいため、対向噴射による燃料と空気
流との衝突によって噴霧中への空気導入量は多くなるが
、吸入スワール比が小さいいとき（１〜２．５）には混
合気がキャビティ中央部に形成され、またＴＤＣ直前で
燃料が噴射されて圧縮着火されることから中央部で熱ピ
ンチを起し大量の吐煙が発生されることが判明した。一
方、吸入スワール比が大きいとき（３，０〜５．０）に
は、噴霧が空気流と衝突して大量の空気が噴霧に導入さ
れ、噴霧が空気流に伏流されて順波噴射された場合と同
様に混合気がキャビティ周辺部に形成されるが、空気流
速が大きいと噴霧の分散が良好になって混合気が稀薄に
なったり、空気流によって冷却されて消炎し、良好な燃
焼が実現ができなくなることが判明した０以上のことか
ら、噴霧の分散と混合気が形成される場所はキャビティ
内に噴射される噴霧の速度とこの噴霧に対向する空気流
との相対速度で決り、消炎は空気の噴霧への導入速度ま
たは空気速度で決ることがわかる６ 従って、直接噴射式圧縮着火機関として噴霧を壁面に衝
突または付着させることなく混合気をキャビティ周辺に
形成して消炎を防止するためには、噴孔をキャビティの
外方に位置させて噴霧の貫徹力を小さくする必要゛があ
る９本発明者等の実験によれば、貫徹力を従来のホール
ノズルの０．７以下（最適には０．４〜０．６）にする
ことにより、スワール比を従来の７割以下にして消炎を
防止できることが判朗した。噴霧の貫徹力を小さくする
には、噴霧の噴射角が２０°〜３０”のビントル系のノ
ズルでも可能であるが、従来のホールノズルに対して貫
徹力が０．５〜０．６の渦巻噴射弁が最適であった。

すなわち、この渦巻噴射弁は、ホールやピントル系間ノ
ズルに比較して噴射される燃料の粒径がよく揃った噴霧
となるので、過度の混合気分散が防止でき、単に貫徹力
に対してのみではなく有効な燃料噴射弁ということがで
きる。

本発明は上記知見に基づいて成されたもので、ピストン
頂面に燃焼室を構成するキャビティを形成し、機関に供
給される空気を旋回手段によって旋回させると共に広噴
霧角の噴霧を噴射する小唄孔を備えた燃料噴射弁から前
記キャビティ内に直接燃料を噴射して混合気を圧縮着火
する直接噴射式圧縮着火機関において、前記噴霧の噴射
方向が前記空気の旋回方向に対向しするように前記小唄
孔を位置させたことを特徴とする。

［作用］ 本発明によれば、燃料噴射弁から広噴霧角で噴射された
燃料は、一旦スワールに対向する方向に飛行し早期に飛
行速度を失い大量の空気をまき込みながら合力方向にそ
の飛行方向を変える（第２図（４）　）　。

従って、元来貫徹力の小さい噴霧であるがスワール速度
によって貫徹力が更に小さくなる。一方、順流噴射の場
合は、第２図（５）に示すように、噴霧の貫徹力を失わ
しめる効果は小さく噴射後のある時間経過後の燃料粒は
空気の旋回流に乗ってキャビティ内周を旋回しているに
すぎない、従って、順流噴射では、空気と燃料粒との混
合は悪く発煙の原因になり易い。

貫徹力の面から見ると小型機関では噴霧の貫徹力が小さ
いといえどもキャビティ直径も小さいから噴射弁はキャ
ビティ内周上又はその外側に位置させる（第２図（５）
のＡ）ことになるから第２図（５）のＥ′にて示す噴霧
の逃げを必要とし、この内壁等に付着する燃料が原因と
なってＨＣの増大を来たすことになる。

一方、スワールと対向に噴射すると、第２図（６）に示
すと共に先にも述べたように噴霧の貫徹力がスワールに
よって一速やかに減衰して噴霧が空気を大量にまき込み
ながらその方向を変え、あたかももともと順流に噴射し
たかのようになる。

しかしながら、順流とは異なり大量の空気をすでにまき
込んでいるので、燃料粒と空気との混合は良好に行われ
る。

又、もともと小さな貫徹力が更にスワールによって減衰
するから、小さなキャビティであってもキャビティ内周
の外側に噴射弁を位置することがないから、噴霧の逃げ
を設ける必要がなくピストン上面や逃げ内壁に燃料の付
着をもたらさない。このため例えば高負荷時には空気流
速が早くなるため噴霧の分散が良好になって吐煙排出量
が低減され、低負荷時には空気流速が遅くなるため噴霧
の分散が抑えられてＮＯｘ、ＨＣの排出量が低減される
。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、燃料噴射方向を制
御せずに、また順流噴射のようにスワール比を大きくせ
ずに、ＮＯｘ、ＨＣの低減が図れると共に吐煙限界出力
を上昇させることができる、という優れた効果が得られ
る。更に、キャビティ内のスワールをあまり強くする必
要がなくキャビティ直径を比較的大きく、深さを浅く出
来るから、ピストンピン上の高さを低くでき、単孔系直
噴ディーゼルの欠点であるピストンピン上の高さが高く
なり、ピストン重量の増加と重心位置がピストン上方に
移ることから来る騒音の増加と摩擦の増加とを防ぐこと
が出来る。

燃料消費の面から見ると従来の単孔の噴射弁を使う球型
の直接噴射ディーゼルでは空気に燃料粒が単に浮んで旋
回流と共に旋回するだけの混合気流形成になり易く、多
孔の噴射弁を使用する直噴ディーゼルよりややもすれば
燃料の切れが悪く燃料消費率もよくないことがあったが
、本発明のように空気の旋回方向に対向して噴霧を噴射
することで空気導入が大きくなり空気利用率が向上する
ので、燃料の切れがよくなり燃料消費率が向上する効果
が得られる。

〔態様の説明］ 次に本発明の態様について説明する０本発明は実施する
にあたって以下の態様を採り得る。

第１の態様は、Ｊａ関に供給される空気を旋回させる旋
回手段によって、機関低負荷域ではクランク軸の角速度
に対する旋回角速度の比で表されるスワール比を小さく
し、かつ機関高負荷域では前記スワール比を大きくする
ように制御することを特徴とする。上記で説明した本発
明によれば、アイドリング時のように機関低速低負荷域
では、スワール比、スキッシュおよび燃料噴射方向の３
つの相互作用でスワール比小と同様の効果が得られる。

しかしながら、運転範囲の広い自動車用直接噴射式圧縮
着火機関に本発明を適用したり、始動直後および低負荷
時のＨＣおよび白煙の低減、高負荷時のすす低減、およ
び広い運転範囲に亘って燃焼を良好にするためには、ス
ワール比を変化させる必要がある。そこで、第１の態様
では、機関低負荷域ではスワール比を小さくしかつ機関
高負荷域ではスワール比を大きくしている９本態様によ
れば、熱ピンチの起こりにくい低負荷時および消炎の発
生し易い始動時等には、スワール比が小さく（例えば、
１〜２）されると共にスワールに対向するように燃料が
噴射される。これにより。

比較的キャビティ中央部寄に混合気が形成されて消炎と
ＨＣの発生が防止され良好な燃焼が実現できる。また、
低負荷時には熱ピンチが発生しにくいので大量のすすが
発生することがない。

噴射量が増大するに従って（負荷が増大するに従って）
、スワール比を大きく（例えば、２〜３．５）すると５
噴霧が空気流に衝突して空気が噴霧中に導入されて、噴
霧自身の速度を失なって空気に伏流され、スワールと順
流方向に燃料を噴射したのと同様に、キャビティ壁面付
近に混合気が形成される。更に高速高負荷域では、ピス
トン速度の増大によってキャビティ内の流速の乱れが増
加して消炎が生じる恐れがあるため、スワール比がやや
小さくされる（例えば、スワール比２〜３）。

第２の態様は、第３図に示すように、ピストン頂面Ｆと
噴霧の噴射方向Ｅとのなす角αを４０＠〜７０”の範囲
に定めたものである。スワール比が小さいとき、角αが
小さくなる程キャビティ中心部に混合気が集まり易くな
る。このため、噴射量の多いときの熱ピンチによるすす
発生を低減させるためにスワール比を大きくしてキャビ
ティ内壁付近に混合気を形成する必要があるが、スワー
ル比を大きくする程消炎の危険が増大する。一方、角α
を大きくすると噴霧の分散が悪くなる。従って、熱ピン
チおよび消炎を防止すると共に噴霧の分散を良好にする
ための角αの範囲は、４０″〜７０″が好ましく、５０
′″〜６５゜が最も好ましい。

第３の態様は、第４図に示すように、横断面形状が略円
形でかつ最大半径がＲとなるようにキャビティを形成し
、ピストンの中心軸に垂直な平面への前記小唄孔の投影
位置Ｈがキャビティの中心Ｇから０．５Ｒ−０，９Ｒの
範囲、また前記平面へ投影された噴射方向Ｉと前記小唄
孔の投影位置Ｈおよびキャビティの中心Ｇを通る直線と
のなす角θが５°〜８０”の範囲の少なくとも１つを満
すように、前記小唄孔の位置を定めたものである。すす
の発生を少なくすると共にＨＣの排出量を低減し、かつ
燃焼を良好に°するには、キャビティ中心部に形成され
る混合気を少なくし、過大空気流速によって消炎が生じ
ない範囲で噴霧中への空気導入を大にし、かっ噴霧の壁
面への付着および衝突を防止することが必要である。こ
れには、空気流速と噴射方向との関係を定めることが重
要になる。ここで、キャビティ形状および容積が同一な
らば、空気流速は吸入スワール比で定まる。

噴射方向を示す上記角θが小さいと、混合気がキャビテ
ィ中心に形成され易く、これをさけるにはスワール比を
大きくする必要がある。一方、角θを９０°に近づける
と、混合気がキャビティ壁面付近に形成され易くなるが
、空気導入量が過大になり消炎が生じ易くなる。従って
、上記角θは、選定スワール比にもよるが５°〜８０°
が好ましく、４５°〜６０°が最適である。

また、噴孔のキャビティ中心Ｇがらの位置ｒが小さいと
混合気がキャビティ中心に形成され易くなるため、キャ
ビティの最大半径Ｒに対して０　、５Ｒ−０−９Ｒ（７
）範囲が好ましく、０．６Ｒ〜０．８Ｒが最適である。

そして、＠４の態様は、キャビティの最大半径をＲとし
たとき、シリンダの面積に対する面積ッＲ２の比が０．
２０〜０．４５の範囲の値になると共に面積πＲ２に対
するキャビティ開口部の面積の比が０．６〜１．０の値
になりかつ横断面が略円形になるように前記キャビティ
の形状を定めたものである。従来の順流噴射の場合には
、噴霧と空気流との相対速度が小さいので、燃焼を良好
にするためにキャビティ内空気流速をできるだけ速くす
る必要がある。しかし、スワール比を大きくすると吸入
抵抗が増大し高速性能が低下するので、シリンダ面積に
対するキャビティの最大半径部の面積πＲ２の比を小さ
くし、かつスキッシュを増大させるためにキャビティ開
口部（キャビティ入口絞り）を小さくする必要がある、
ところが、キャビティの径を小さくするとキャビティ深
さが増大し２、ピストンビ、・トのピストンピンとなっ
て機関全高が大となるため、実際にはキャビティ最大直
径部の面積に対するシリンダ面積の比は０．１５〜０．
２０が限度であった。

これに対しして本発明では、空気導入賃が大となってス
ワール比を大とする必要がないから、上記の比を０．２
〜０．４５程度に大きくしてキャビティ深さを浅くする
ことができる。これにより、ピストンピンからピストン
頂面までの距離を小さくして機関全高を低くすることが
できる。

一方、順流噴射の場合には、スキッシュ流を強くするた
めにキャビティの最大半径部の面積πＲ２に対するキャ
ビティ開１１部の面積の比を０．５０−０．５５にする
必要があるが、本発明では強いスキッシュ流を発生させ
る必要はなく、ピストン下降初期の逆スキッスシュ発生
時に噴霧がピストンとシリンダヘッド部間へ逃げにくく
するだけでよいため、」−記の開口部の面積比は０．６
〜１．０の範囲が好ましく、０．７以下が最適である。

［実施例］ 以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図（Ａ）に、上記第１ＦＪ様に関する本発明の第１
実施例を示す。

図に示すように、シリンダ１０内を往復動するピストン
１２の頂部平坦面の中央部に開口するように、略球形の
キャビティ１４が穿設されている。シリンダヘッド１６
には、吸気弁１８、排気弁（図示せず）および小唄孔を
備えた渦巻噴射弁２０が配置されている。吸気弁１８が
配置された吸気通路２２は、所定のスワール比の旋回流
（スワール）を発生するようにチューニングされた吸気
ボートを構成し、この吸気通路２２には流れを偏向させ
てスワール比を制御するためのデフレクタ（偏向板）２
４が取付けられている。このデフレクタ２４の軸には、
デフレクタの方向を制御するためのステップモータ等で
構成されたアクチュエータ２６が取付けられている。ま
た、デフレクタ２４の軸には、デフレクタの開度を検出
するためのポテンショメータ等で構成されたデフレクタ
開度センサ２５が取付けられている。

上記の渦巻噴射弁２０は、噴孔がキャビティの円周上や
や内側に位置しかつ噴霧の噴射方向が吸気ボートによっ
てキャビティ内に形成されたスワール方向と対向するよ
うに配置されている。この渦巻噴射弁２０は、第５図に
示す様に先端が細い中空円筒部材からなるノズル本体３
０と、ノズル本体３０内に介挿した段付部材のニードル
部材３１とから成る。ノズル本体３０の先端部には、渦
巻室３５を穿設するとともに、該渦巻室に開口する噴孔
３２が同軸的に穿設されている。該噴孔３２をふさぐ様
にニードル部材３１の円錐形のニードル先端部３３が当
接している。ニードル先端部３３を構成する大径部には
、第５図に示す様に大径部の外周壁に沿い、その軸心に
対して所定の角度をもたせた溝状のスリット３４を穿設
し、渦巻室３５と燃料供給通路３７を介して燃料噴射ポ
ンプ（図示せず）に連絡した部屋３６とが連通されてい
る。

渦巻噴射弁２０は、中空円錐状の噴霧パターンを形成し
、第５図に示す燃料の拡がり角θ′が４５〜６０度にな
る様に、前記スリットの角度、断面積および長さ、渦巻
室３５の寸法および噴孔３２の径と長さを決定した。噴
孔３２の径は、本発明者等の実験によれば０．３ｍｍか
ら１．Ｏｍｍが良く、本実施例は０．６ｍｍに設定した
。

上記のデフレクタ開度センサ２５は、マイクロコンピュ
ータ２８に接続されている。マイクロコンピュータ２８
には、燃料噴射ポンプ（図示せず）のラックまたはスロ
ットルレバーに取付けられて機関負荷としての噴射量を
検出するセンサからの噴射量信号、燃料噴射ポンプのド
ライブ軸またはエンジンランク軸等に配置されたピック
アップで構成されたエンジン回転数センサからのエンジ
ン回転数信号および上記のデフレクタ開度センサからの
デフレクタ開度信号が入力されている。

また、マイクロコンピュータ２８のＲＯＭには、以下で
説明するデフレクタ制御ルーチンや第６図に示すスワー
ル比のマツプが予め記憶されている。このスワール比の
マツプは、低エンジン回転数、低噴射量で小さく、エン
ジン回転数および噴射量が大きくなるに従って、大きく
なり、噴射量が多くかつエンジン回転数が更に大きくな
ると少し小さくなるように定められている。なお、第１
図ＣＢ）にスワール方向と噴霧の分布状態を示す。

以下本実施例の動作を第１図および第７図を参照して説
明する。

吸気ポートにより旋回力を付与された吸入空気が、ピス
トン１２の上昇に応じて圧縮される。ピストン１２の上
昇に応じ、吸入空気のスワールは空気の粘性とシリンダ
壁との摩擦により、適度に旋回速度が制御される。ピス
トン１２が上死点に近くなり、上死点前２０度ないし５
度になると渦巻噴射弁２０から大きな拡がり角の中空円
錐状噴霧としてスワールと対向するように燃料の噴射が
始まり、キャビティ１４の開口部の内壁面に近いところ
まで噴霧が到達する。ここで、燃焼噴霧の噴出飛行方向
の速度成分が小さく、且つ空気流に衝突してすぐ減衰す
るので、燃料噴霧の貫徹力が小さくなる。

クランク角が経過すると、更に噴霧はキャビティ内旋回
流に抑流されて大量の空気を巻込みながら空気の旋回方
向に吹き流されると共に、スキッシュによってキャビテ
ィ１４の内壁面に沿って深さ方向に流され、残存してい
るスワールと相まって燃料噴霧は拡散、混合して、圧縮
末期の断熱圧縮された高温空気によって蒸発しながら、
キャビティ１４内の全容積に良好な混合気を形成して、
発火する。発火は、キャビティ１４の内壁面付近の噴霧
先端で発生し、火炎スワールにより旋回しつつ燃焼する
。

第７図のステップ１００では、信号処理されてＲＡＭに
記憶されている噴射量、エンジン回転数およびデフレク
タ開度を取込み、ステップ１０２において第６図のスワ
ール比のマツプに基づいて現在のエンジン回転数および
噴射量に対するスワール比を補間法により演算する０次
のステップ１０４では、上記で演算されたスワール比に
対するデフレクタ開度を演算し、ステップ１０６におい
て現在のデフレクタ開度と上記で演算された演算デフレ
クタ開度とを比較する。そして、現在のデフレクタ開度
が演算デフレクタ開度以上と判断されたときはステップ
１１０でデフレクタを閉じるようにアクチュエータに信
号を出力し、現在のデフレクタ開度が演算デフレクタ開
度未満と判断されたときにはステップ１０８でデフレク
タを開くようにアクチュエータに信号を出力する。

以上の結果、低回転数低負荷のときにはスワール比が小
さくされて混合気がキャビティ中心寄りに形成され、高
負荷のときにはスワール比が大きくされて混合気がキャ
ビティ周辺部に形成される。

第１実施例の直接噴射圧縮着火内燃機関は、燃料の貫徹
力の小さい渦巻噴射弁２０を用いているので、燃料噴霧
のキャビティの内壁面への衝突がないから、衝突による
燃料粒の粗大化および燃料膜の形成がなく、渦巻噴射弁
ｚＯが燃料の微粒化特性を良くし、しかもスキッシュに
よる乱れの形成により燃焼を促進させ、完全燃焼させる
という利点を有する。したがって、吐煙をいちじるしく
抑制し、炭化水素（ＨＣ）、−酸化炭素（ｃｏ）、炭素
等の微粒子（Ｐｔｃ）を低減し、渦巻噴射弁から噴射さ
れた燃料噴霧をスキツシュニ乗セテ、キャビティの内壁
面近くに連続的に分布させるので、着火遅れが短かく、
騒音を低く抑えることができるという利点を有する。

また、本第１実施例の内燃機関は、圧縮比を高くとる必
要がないので（圧縮比ε＜２０）、エンジンの摩擦が小
さく、機械効率を高め、上述した燃焼の切れのよさとあ
いまって燃料消費率が小さいという利点を有する。

さらに本第１実施例の内燃機関は、燃料の貫徹力の小さ
い渦巻噴射弁を使用するので、キャビティの内壁面への
燃料の衝突を避けるために強いスワールを形成する必要
がなく、吸入ボート及び吸気弁付近の吸気ボートの流れ
の抵抗を小さくすることができるため、燃焼室への吸入
空気の吸気効率（ηυ）を高くすることができ、同一シ
リンダ体積に対してい吸入できる空気量が増加し、同一
空気過剰率のもとで燃焼できる燃料の量を増やすことが
でき、エンジン出力を増大させるという利点を有する。

また、第１実施例では、スワール比を可変にして広い運
転範囲に亘って燃焼を良好にしているため、自動車用直
接噴射式内燃機関として最適である。

次に本発明の第２実施例を第８図（Ａ）。

（Ｂ）を参照して説明する０本実施例はシリンダ径８３
　ｍ　ｍ　ｃ７）エンジンにおいてピストン１２の頂面
に直径２Ｒが４１ｍ層の略球形のりエンドラント形キャ
ビティ１４を形成し、平面上のキャビティ中心から噴孔
までの距離ｒが１５ｍｍでかつ噴射弁取付角度としての
ピストン頂面との成す角αが５０’となるように単孔の
渦巻噴射弁２０を配置し、キャビティ水平面上の噴射方
向の角度θは４５°でスワールと対向するように噴霧を
噴射したものである。この実施例によれば、吐煙限界出
力が上昇し、ＨＣおよびＮＯｘの低下が認められた。

本発明の第３実施例を第９図を参照して説明する０本実
施例は、ピストン１２の頂面に直径２Ｒが３５腸腸の略
球形のりエンドラント形キャビティ１４を形成し、平面
上のキャビティ中心から噴孔までの距ｒａｒが１４ｍｍ
でかつ噴射方向とピストン頂面との成す角αが６５°と
なるように単孔の渦巻噴射弁２０を配置し、スワールに
対向するように噴霧を噴射すると共に低回転数低負荷域
でスワール比を小さくしてものである０本実施例によれ
ば、上記第２実施例より吐煙限界出力が上昇すると共に
ＨＣおよびＮＯｘが低下することが認められた。

本発明の第４実施例を第１０図を参照して説明する０本
実施例は、ピストン１２の頂面に最大半径Ｒが２５ｍ薦
のトロイダル形キャビティ１４を形成し、平面上のキャ
ビティ中心から噴孔までの距離ｒが１０ｍ層でかつ噴射
方向とピストン頂面との成す角αが５０°となるように
単孔の広角ビントル弁２１を配置し、スワールと対向す
るように噴霧を噴射したものである。本実施例によれば
、吐煙限界出力の上昇、ＨＣおよびＮＯｘの低下が認め
られると共に、エンジン高さを低くすることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）および（Ｂ）は本発明の第１実施例の断面
図および要部切欠平面図、第２図（１）〜（６）は燃料
噴射方向とスワール方向を示す線図および平面図、第３
図は燃料噴射方向とピストン頂面との成す角を示す線図
、第４図は燃料噴射方向と噴孔位置との平面位置関係を
示す線図、第５図は渦巻噴射弁の断面図、第６図はスワ
ール比のマツプを示す線図、第７図はデフレクタ制御ル
ーチンを示す流れ図、第８図（Ａ）および（Ｂ）は本発
明の第２実施例の断面図および工面図、第９図は本発明
の第３実施例の断面図、第１０図は本発明の第４実施例
の断面図である。 １２１・ピストン、 １４φ１１φキヤビテ仁 ２０拳１渦巻噴射弁、 ２４１かデフレクタ、 ２８・・・マイクロコンピュータ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピストン頂面に燃焼室を構成するキヤビテイを形
   成し、機関に供給される空気を旋回手段によって旋回さ
   せると共に広噴霧角の噴霧を噴射する単噴孔を備えた燃
   料噴射弁から前記キヤビテイ内に直接燃料を噴射して混
   合気を圧縮着火する直接噴射式圧縮着火機関において、
   前記噴霧の噴射方向が前記空気の旋回方向に対向するよ
   うに前記単噴孔を位置させたことを特徴とする直接噴射
   式圧縮着火機関。
2. （２）前記燃料噴射弁は、燃料に旋回運動を付与する渦
   巻噴射弁であることを特徴とする特許請求の範囲第（１
   ）項記載の直接噴射式圧縮着火機関。
3. （３）前記旋回手段は、機関低負荷域ではクランク軸の
   角速度に対する旋回角速度の比で表されるスワール比を
   小さくし、かつ機関高負荷域では前記スワール比を大き
   くするように制御することを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載の直接噴射式圧縮着火機関。
4. （４）前記ピストン頂面と前記噴霧の噴射方向とのなす
   角が４０°〜７０°の範囲に定められていることを特徴
   とする特許請求の範囲第（１）項記載の直接噴射式圧縮
   着火機関。
5. （５）横断面形状が略円形でかつ最大半径がＲとなるよ
   うにキヤビテイを形成し、ピストンの中心軸に垂直な平
   面への前記単噴孔の投影位置がキャビテイの中心から０
   ．５Ｒ〜０．９Ｒの範囲、また前記平面へ投影された噴
   射方向と前記単噴孔の投影位置およびキヤビテイの中心
   を通る直線とのなす角が５°〜８０°の範囲の少なくと
   も１つを満すように、前記単噴孔の位置および噴射方向
   を定めたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）乃至
   第（３）項のいずれか１項記載の直接噴射式圧縮着火機
   関。
6. （６）前記キヤビテイの最大半径をＲとしたとき、シリ
   ンダの面積に対する面積πＲ＾２の比が０．２０〜０．
   ４５の範囲の値になると共に面積πＲ＾２に対するキヤ
   ビテイ開口部の面積の比が０．６〜１．０の値になりか
   つ横断面が略円形になるように前記キヤビテイの形状を
   定めたことを特徴とする特許請求の範囲第（１）乃至第
   （５）項のいずれか１項記載の直接噴射式圧縮着火機関
   。