WO2002020957A1

WO2002020957A1 - Moteur a allumage par etincelle du type a injection directe

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Publication number: WO2002020957A1
Application number: PCT/JP2000/005984
Authority: WO
Inventors: Yuusuke Kihara; Minoru Oosuga; Toshiharu Nogi; Takuya Shiraishi; Yoshihiro Sukegawa; Noboru Tokuyasu; Ayumu Miyajima
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2002-03-14
Also published as: DE60039372D1; EP1316697A4; EP1316697A1; EP1316697B1; JPWO2002020957A1; JP4049669B2

Description

明細書筒内噴射式火花点火機関技術分野

本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火機関に係り、特に、低中負荷運転領域において運転空燃比が理論混合比より高い条件で成層燃焼を行うに好適な筒内噴射式火花点火機関に関する。背景技術

従来の筒内噴射式火花点火機関においては、燃費及び排気ガスを低減するために、低中負荷運転領域では、空気量と燃料噴射量の比が理論混合比の 1 4 . 7より高い条件で運転するようにしている。しかしながら、燃料と空気が均一に混合すると燃料濃度が希薄になり、火炎伝播が困難となるため、燃料希薄な運転条件で燃焼を可能とするため、混合気を点火プラグ近傍に成層化させて燃焼させる成層燃焼が必要となっている。

従来の筒内噴射式火花点火機関において、成層燃焼させる方法としては、例えば、特開平 1 1— 2 0 0 8 6 6号公報に記載されているように、燃焼室に吸入される空気流動に縦方向の旋回流（以下、「タンブル」と称する）を与えると共に、ピストン冠面中央に凹部を設け、タンブルの保存性を向上させるものが知られている。これにより、燃料噴射弁から噴射された燃料をタンブルに乗せて点火ブラグへ層状に輸送して成層燃焼を可能としている。

また、例えば、特開平 6— 8 1 6 5 6号公報に記載されているように、吸気ポートから燃焼室内に吸入される空気にタンブルを与え、点火プラグを指向する第 1噴口とタンブルの流れに沿った方向を指向する第 2噴口とを有する多噴口の燃料噴射弁をシリンダヘッドに設けるものが知られている。これにより、第 1噴口から噴射される燃料が点火プラグ近傍に濃い混合気を形成し、第 2噴口から噴射される燃料はタンブルに乗って燃焼室内の大半の空気と希薄な混合気を形成するため、濃い混合気と希薄な混合気が成層化し成層燃焼を可能としている。発明の開示

しかしながら、特開平 1 1一 2 0 0 8 6 6号公報に記載された方法では、吸気ポートから燃焼室内に吸入されるタンブルによって混合気を輸送しているため、アイドル等の低回転ではエンジン回転数に比例してタンブルの空気速度も低下し、混合気を点火プラグに輸送することが困難になる他、始動時に触媒早期活性化を図る等の場合のように、噴射時期を遅くして点火リタ一ドさせる場合、噴射時期が遅くなるとタンブルが減衰してしまい、混合気を点火プラグに輸送することが困難になるといった問題があった。

また、特開平 6 _ 8 1 6 5 6号公報に記載されている方法では、燃料噴射弁の第 1噴口からの噴霧を直接点火プラグに向けて噴射することによりプラグ近傍で成層化を図っているが、燃焼室に生成したタンブルによって混合気が分散し、成層燃焼が困難になる可能性がある他、燃料噴霧が点火プラグに留まるため、着火時にプラグの燻りが発生するといった問題があった。

本発明の目的は、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とする筒内噴射式火花点火機関を提供することにある。上記目的を達成するために、本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を有し、この燃料噴射弁によって圧縮行程中に燃焼室内に燃料を噴射し、混合気に点火プラグにより点火して、成層燃焼する筒内噴射式火花点火機関において、吸気ポートにより燃焼室に供給される空気流動とは別に、後続する着火用燃料に先行して点火プラグ方向に向けて供給される流体流れを生成するリード流体生成手段を備え、上記リ一ド流体生成手段によつて生成された流体にリードされて、点火時期において着火用燃料噴霧から気化した混合気を上記点火プラグに供給するようにしたものである。

かかる構成により、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、リード流体によって、着火用燃料噴霧から気化した混合気を上記点火プラグに供給できるので、ロバスト性の高い成層燃焼を可能となる。図面の簡単な説明図 1は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンの吸気管中心における断面図である。

図 2は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンのシリンダ中心における断面図である。

図 3は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。

図 4は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。

図 5は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。

図 6は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。

図 7は、図 6の A— A断面図である。

図 8は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す側面図である。

図 9は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。

図 1 0は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す側面図である。

図 1 1は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。

図 1 2は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す側面図である。

図 1 3は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

図 1 4は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における安定燃料領域の説明側面図である。

図 1 5は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。図 1 6は、図 1 5の A— A断面図である。

図 1 7は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。

図 1 8は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。

図 1 9は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。

図 2 0は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。

図 2 1は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

図 2 2は、本発明の第 3の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンのシリンダ中心における断面図である。

図 2 3は、本発明の第 3の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。

図 2 4は、本発明の第 3の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。

図 2 5は、本発明の第 3の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

図 2 6は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンの吸気管中心における断面図である。

図 2 7は、本発明の第 4の実施形態による筒.内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。

図 2 8は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。

図 2 9は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。

図 3 0は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧及び空気噴流の形状を示す側面図である。図 3 1は、図 3 0の A— A断面図である。

図 3 2は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。

図 3 3は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。

図 3 4は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

図 3 5は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。

図 3 6は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。

図 3 7は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。

図 3 8は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。

図 3 9は、図 3 8の A— A断面図である。

図 4 0は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。

図 4 1は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。

図 4 2は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

図 4 3は、本発明の第 6の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の側面図である。

図 4 4は、本発明の第 6の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。

図 4 5は、本発明の第 6の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

図 4 6は、本発明の第 7の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたェンジン制御システムの構成を示すシステム構成図である。

図 4 7は、本発明の第 7の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたェンジン制御システムにおける運転領域の説明図である。

図 4 8は、本発明の第 7の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたェンジン制御システムによる制御内容の説明図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図 1〜図 1 4を用いて、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。

最初に、図 1及び図 2を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成について説明する。

図 1は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンの吸気管中心における断面図である。また、図 2は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンのシリンダ中心における断面図である。

図 1に示すように、シリンダへッド 1と、シリンダブ口ック 2と、シリンダブロック 2に揷入されたピストン 3とにより、燃焼室 4が形成される。ピストン 3 の冠面は、平坦である。燃焼室 4には、それぞれ、 2つの吸気ポート 5と、 2つの排気ポート 6が開口している。 2つの吸気ポート 5の開口部には、この開口部を開閉する 2本の吸気弁 7が設けられている。また、 2つの排気ポート 6の開口部には、この開口部を開閉する 2本の排気弁 8が設けられている。燃焼室 4の吸気側壁面には、燃料噴射弁 9が設けられている。また、図' 2に示すように、燃焼室 4の中心上部には、点火プラグ 1 0が設けられている。

図 1に示すように、排気ポート 6の後方には、触媒 1 1が設けられている。燃料噴射弁 9には、燃料タンク 1 2と高圧ポンプ 2 5とが、それぞれ燃料配管 2 6 によって接続されている。高圧ポンプ 2 5は、燃焼室 4内の圧力が高い状態でも、燃料噴射弁 9から燃料噴射を可能とするため、燃料タンク 1 2から供給される燃料を加圧する。

燃料噴射弁 9から噴射される燃料噴霧は、図 2に示すように、点火プラグに向けて噴射されるリード噴霧 1 3と、ピストン側に向けて噴射される着火用噴霧 1 4で構成される。このような燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁 9の構成については、図 3〜図 5を用いて後述する。また、燃料噴射弁 9から噴射される燃料噴霧の形状については、図 6及び図 7を用いて後述する。

次に、図 3〜図 5を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。

図 3は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。図 4は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。また、図 5は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。

図 3は、本実施形態による燃料噴射弁 9の側面構成を示している。燃料噴射弁 9の先端部の破線で囲まれた領域 Xを拡大したものが、図 4である。

図 4に示すように、燃料噴射弁 9のノズル部 1 5は、ポール弁 1 6と、ポール弁 1 6に接続されたロッド 1 7と、噴霧に旋回力を与えるスヮラー 1 8と、噴射口 1 9と、軸方向溝 2 0と、径方向溝 2 1とを備えている。本実施形態においては、ノズル部 1 5の先端に設けられた噴射口 1 9は左右対称ではなく、その一部に切り欠き 1 9 aが設けられている。図示の例では、切り欠き 1 9 aは、 1 8 0 度の範囲で設けられている。

ポール弁 1 6が開くと、軸方向溝 2 0、径方向溝 2 1に燃料が流れ、旋回力が与えられ、噴射口 1 9から燃料が噴射される。噴射口 1 9には、切り欠き 1 9 a が設けられているため、図 6及び図 7を用いて後述するように、リード噴霧と着火用噴霧とが形成される。

図 5に示す例において、矢印 I G N—P方向が点火プラグ側であり、矢印 P S T N方向がピストン側である。即ち、噴射口 1 9の切り欠き 1 9 aが点火プラグ側を向くように、燃料噴射弁 1 9を設置することにより、リード噴霧が点火ブラグの方向に噴霧される。

次に、図 6及び図 7を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状について説明する。図 6は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。図 7は、図 6の A— A断面図である。

図 6に示すように、燃料噴射弁 9の噴射口 1 9から噴霧される燃料噴霧の形状は、噴射口に切り欠きが設けられているため、左右対称ではないものである。燃料噴射弁 9の中心線に対するリ一ド噴霧 1 3の噴霧角 θ 1は、例えば、 3 0度である。また、燃料噴射弁 9の中心線に対する着火用噴霧 1 4の噴霧角 0 2は、例えば、 2 0度である。

また、図 7に示すように、燃料噴霧の断面形状は、噴射口 1 9に設けられた切り欠きにより、噴霧の一部に隙間 1 3 Aのある形状となる。また、点火プラグ 1 0に向けられるリード噴霧 1 3の流量密度は、着火用噴霧 1 4より高くなる。そのため、リード噴霧 1 3の噴霧到達距離は、着火用噴霧 1 4より長くなる。

なお、リード噴霧 1 3の噴霧角 0 1や、着火用噴霧 1 4の噴霧角 S 2は、噴射口 1 9に設けられた切り欠きの形状によって種々変更することが可能である。噴射口に切り欠きを形成した燃料噴射弁の種々の構成について、本出願人は、特願平 1 1—3 5 5 5 0 2号（特願平 1 1— 7 1 4 1 2号を基礎出願とする国内優先権主張出願）として、出願済みであり、その詳細については、この出願に記載されている。

次に、図 8〜図 1 3を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。

図 8は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す側面図である。図 9は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図 1 0は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す側面図である。図 1 1は、本発明の第 1 の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。

さらに、図 1 2は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す側面図である。図 1 3は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

なお、図 8〜図 1 3は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図 8〜図 1 3において、図 1と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図 8 〜図 1 3に示すエンジンの運転状態は、エンジン回転数が約 1 0 0 0 r p mで、低負荷条件である。

一般に、触媒 1 1は温度が高くならないと浄化作用を得ることができないものである。そこで、エンジン始動時は成層燃焼により、少ない燃料量で安定した燃焼を成立させ、燃焼室 4から排出される排気ガスを抑えると共に、触媒を早期に活性化させるために点火時期をリタードさせ、発生する高温の排気ガスを排気ポート 6に排出させる必要がある。点火時期をリタ一ドさせるためには燃料噴射時期を遅くする方法があるが、噴射時期が遅くなると燃焼室 4内は 1 0気圧以上の高圧になるため、従来用いられている燃料噴霧では噴霧べネトレーションが不足し、燃料が点火プラグに届かなくなる。

そこで、本実施形態では、吸気から圧縮行程までの流れにおいて、次のようにしている。

吸気行程では、吸気弁 7が開き、ピストン 3が下降することにより燃焼室 4内に吸気ポート 5から空気が流入される。吸気ポート 5が斜めに取付けられていることから、燃焼室 4内には弱いタンブル流れが形成される。したがって、本実施形態では、タンブル生成機構を設けていないが、タンブル生成機構がある場合と同様の効果を得ることができるものである。しかしながら、本実施形態は、リード噴霧を用いることに特徴があるものであり、タンブル生成機構は、本実施形態の必須の構成でなく、また、タンブル生成機構を設けてもよいものである。

圧縮行程になると、吸気弁 7を閉じ、ピストン 3が上昇することにより、燃焼室 4内の温度と圧力が上昇する。ピストン 3が上死点に近づくにつれ、燃焼室 4 内に生成されたタンブルは減衰する。上死点に達する頃には、タンブル流動が維持できず、乱れた流れとなる。点火リタードの場合、点火時期を上死点あたりにするため、燃料噴射時期を上死点前 4 0 ° に設定する。なお、最適な噴射時期は、：よって異なるものである。ここで、図 8〜図 1 3を用いて、エンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。

最初に、図 8及び図 9を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。

ここで、燃料噴射弁 9から噴射されるリード噴霧 1 3延長方向に、点火プラグ 1 0の点火部が配置される。一般に、エンジンにおいては、取付スペースの関係で、点火プラグ 1 0の取り付け位置や、燃料噴射弁 9の取り付け位置は、限定されている。したがって、例えば、点火プラグ 1 0を燃焼室 4の中央上部に配置する場合、燃料噴射弁 9の取付可能な位置は、燃焼室 4の吸気側壁面付近となる。このとき、燃料噴射弁 9の中心軸から点火プラグ 1 0を望む角度が 0 3であり、燃料噴射弁 9の噴射口と点火プラグ 1 0の点火部の距離が L 1とすると、リード噴霧 1 3の噴霧角 0 1が、上述の角度 0 3とほぼ等しくなるように、燃料噴射弁 9の噴射口の切り欠きの形状が設定される。

燃料噴射弁 9から噴射されるリード噴霧 1 3は、着火用噴霧 1 4に比べると噴霧密度が高いため、着火用噴霧 1 4に先行し、点火プラグ 1 0近傍に到達する。着火用噴霧 1 4は、リード噴霧 1 3に遅れてピストン 3に向かう。リード噴霧 1 3と空気との間で摩擦が生じ、燃料噴射弁 9から点火プラグ 1 0へ向かう噴流 2 2が生成される。着火用噴霧 1 4は、噴霧が比較的分散し、噴霧密度が低いため、強い噴流を生成するまでは至らないものである。噴流 2 2は噴霧自身によって生成されるため、運転条件に影響されず、ロバスト性が高いという特徴がある。次に、図 1 0及び図 1 1を用いて、上死点前 2 0 ° における様子を説明する。時間の経過によりピストン 3が上昇し、着火用噴霧 1 4はピストン 3の上面に停滞する。この時、上述した噴流 2 2が、着火用噴霧 1 4から気化した着火用混合気 2 4のみを、点火プラグ 1 0ヘリ一ドする。リード噴霧 1 3は点火プラグ 1 0を通過しつつ気化し、点火プラグ 1 0の周りに燃焼用混合気 2 3を形成する。このタイミングでも着火することは可能だが、点火プラグ 1 0の周りにリード噴霧 1 3が存在するため、着火には適さないものである。

次に、図 1 2及び図 1 3を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。

ピストン 3が圧縮上死点に近づくと、燃焼室 4の内圧が急激に上昇するため、噴流 2 2は燃焼用混合気 2 4が点火プラグ 1 0へ到達する頃には消滅する。そのため、着火用混合気 2 4は点火プラグ 1 0を大きく通過することなく、点火ブラグ 1 0の近傍で成層化することができる。また、噴流 2 2を生成したリード噴霧 1 3は、ピストン 3の上昇に伴って殆ど気化するため、燃焼用混合気 2 3は点火プラグ 1 0を過ぎたあたりで成層化する。

ここで、図 1 4を用いて、本実施形態によって安定燃焼が可能な領域について説明する。

図 1 4は、本発明の第 1の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における安定燃料領域の説明側面図である。図において、横軸は、燃料噴射時期（degBTDC ：上死点前角度）を示している。縦軸は、点火時期（degBTDC:上死点前角度）を示している。エンジン回転数は、 1 2 0 0 r p mであり、低負荷運転条件である。領域 Yは、従来の空気ガイド方式によって安定燃焼が可能な領域を示している。ここで、従来の空気ガイド方式とは、吸気ポートにタンブル生成機構を設け、夕ンブルにより混合気を点火プラグへ成層化させるものである。空気ガイド方式では、燃料噴射時期が上死点前 6 0 ° 以降では安定燃焼ができないため、上死点前 2 0 ° 以降は安定燃焼領域が生じていないものである。

一方、領域 Zは、本実施形態によるスプレイリード方式によって安定燃焼が可能な領域を示している。スプレイリード方式とは、上述したように、リード噴霧により生じる噴流で混合気を点火プラグへ成層化させるものである。本実施形態によるスプレイリード方式では、燃料噴射時期を上死点前 6 2 ° から上死点前 3 5 ° までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できることを確認した。また、スプレイリード方式では、点火リタードの効果により、燃費と N O x排出量を低減できた。したがって、燃料噴射時期の遅い条件や、アイドルのような低回転においても、安定した成層燃焼が可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、点火プラグ 1 0を中心として、着火用混合気 2 4と燃焼用混合気 2 3を点火プラグ 1 0まわりに成層化でき、点火時において安定に成層燃焼することができる。したがって、燃焼室内に生成されるタンプルに頼ることなく、口バスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。次に、図 1 5〜図 2 1を用いて、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成は、図 1及び図 2に示したものと同様である。

最初に、図 1 5及び図 1 6を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状について説明する。

図 1 5は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。図 1 6は、図 1 5 の A— A断面図である。

図 1 5に示すように、燃料噴射弁 9の噴射口 1 9から噴霧される燃料噴霧の形状は、図 6に示したものと同様に、噴射口に切り欠きが設けられているため、左右対称ではないものである。

また、図 1 6に示すように、燃料噴霧の断面形状は、図 7に示したものと同様に、噴射口 1 9に設けられた切り欠きにより、噴霧の一部に隙間 1 3 Aのある形状となる。点火プラグ 1 0に向けられるリード噴霧 1 3の流量密度は、着火用噴霧 1 4より高くなる。そのため、リード噴霧 1 3の噴霧到達距離は、着火用噴霧 1 4より長くなる。

本実施形態では、リード噴霧 1 3の噴射される方向 Fを、点火プラグの方向 I G N— Pに対して、角度 0 4だけ傾けるようにしている。即ち、燃料噴射弁 9から噴射されるリード噴霧 1 3が、点火プラグ 1 0を直撃しないようにしている。図 7に示した例では、リード噴霧 1 3を点火プラグ 1 0に直撃する様に向けているため、点火プラグの燻りが生じる可能性がある。それに対して、本実施形態では、リード噴霧 1 3を点火プラグ 1 0からずらして噴射することにより、点火プラグの燻りを防止できるものである。

次に、図 1 7及び図 1 8を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。

図 1 7は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。また、図 1 8は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。

図 1 7に示した燃料噴射弁 9の構成は、図 4に示した燃料噴射弁 9と同一の構成である。ノズル部 1 5の先端に設けられた噴射口 1 9は左右対称ではなく、その一部に切り欠き 1 9 aが設けられている。図示の例では、切り欠き 1 9 aは、 1 8 0度の範囲で設けられている。

そして、図 1 8に示すように、切り欠き 1 9 aの中心方向 Gが、点火プラグの方向 I G N— P方向に対して、角度 0 4だけ傾けてある。これによつて、燃料噴射弁 1 9から噴射されるリード噴霧 1 3が、点火プラグの方向からずらして噴霧される。

ずらす角度 0 4は、図 1 5に示すリード噴霧 1 3の噴霧角 0 1に応じて変える用にしている。例えば、リード噴霧 1 3の噴霧角 0 1が 3 5 ° の場合、ずらす角度は、例えば、約 1 0 ° とする。また、リード噴霧 1 3の噴霧角 0 1が 4 0 ° の場合、ずらす角度 0 4は、例えば、約 1 5 ° とする。

次に、図 1 9〜図 2 1を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。図 1 9は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図 2 0は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図 2 1は、本発明の第 2の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

なお、図 1 9〜図 2 1は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図 1 9〜図 2 1において、図 1と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図 1 9〜図 2 1に示すエンジンの運転状態は、エンジン回転数が約 1 0 0 0 r p mで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。

最初に、図 1 9を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。

リード噴霧 1 3は、着火用噴霧 1 4に先行して点火プラグ 1 0近傍に到達するが、点火プラグ 1 0を直撃せず、少しずれた位置に到達する。リード噴霧 1 3と空気の間で摩擦が生じ、燃料噴射弁 9から点火プラグ 1 0へ向かう噴流 2 2が生成されるが、この噴流 2 2は、リード噴霧 1 3と同様に点火プラグ 1 0より少しずれた方向を指向する。次に、図 2 0を用いて、上死点前 2 0 ° における様子を説明する。

時間の経過によりピストン 3が上昇し、着火用噴霧 1 4はピストン 3の上面に停滞する。噴流 2 2は点火プラグ 1 0より少しずれた方向へ指向しているが、着火用噴霧 1 4の、図で上側の部分から気化した混合気は、点火プラグ 1 0を通過しつつ噴流 2 2によってリードされる。リード噴霧 1 3は気化し、点火プラグ 1 0周りに燃焼用混合気 2 3を形成する。

次に、図 2 1を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。

燃焼用混合気 2 4を点火プラグ 1 0へリードした噴流 2 2は、ピストン 3が圧縮上死点に近づくと燃焼室 4の内圧が急激に上昇するため、燃焼用混合気 2 4が点火プラグ 1 0へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気 2 4は点火プラグ 1 0を大きく通過することなく点火プラグ 1 0近傍で成層化することができる。また、噴流 2 2を生成したリード噴霧 1 3も殆ど気化して燃焼用混合気 2 3となり、点火プラグ 1 0を過ぎたあたりで成層化するため、点火プラグ 1 0を中心として混合気成層化を図ることができ、点火時に安定に成層燃焼することができる。

本実施形態においても、図 1 4に示した領域 Zのように、燃料噴射時期を上死点前 3 5 ° までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できる。したがって、点火リタードの効果により、燃費と N O X排出量を低減できる。以上のように、本実施形態によれば、リード噴霧 1 3及び噴流 2 2を点火ブラグ 1 0に直接指向させなくとも、噴流 2 2によって燃焼用混合気 2 4を点火ブラグ 1 0へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成される夕ンブルに頼ることなく、口バスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。また、リード噴霧 1 3及び噴流 2 2を点火プラグ 1 0からずらした方向に形成することによって、点火プラグの燻りを防止することができる。

次に、図 2 2〜図 2 5を用いて、本発明の第 3の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。

最初に、図 2 2を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成について説明する。図 2 2は、本発明の第 3の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンのシリンダ中心における断面図である。

シリンダへッド 1と、シリンダブ口ック 2と、シリンダブ口ック 2に揷入されたピストン 3とにより、燃焼室 4が形成される。ピストン 3の冠面は、平坦である。燃焼室 4には、図 1と同様に、それぞれ、 2つの吸気ポートと、 2つの排気ポートが開口している。 2つの吸気ポートの開口部には、この開口部を開閉する 2本の吸気弁が設けられている。また、 2つの排気ポートの開口部には、この開口部を開閉する 2本の排気弁が設けられている。燃焼室 4上部の排気ポ一ト 6に挟まれた位置に、点火プラグ 1 0が設けられている。また、燃焼室 4の上部の吸気ポートに挟まれた位置に燃料噴射弁 9が、設けられている。

また、燃料噴射弁 9には、燃料タンク 1 2と高圧ポンプ 2 5とが、それぞれ燃料配管 2 6によって接続されている。高圧ポンプ 2 5は、燃焼室 4内の圧力が高い状態でも、燃料噴射弁 9から燃料噴射を可能とするため、燃料タンク 1 2から供給される燃料を加圧する。

燃料噴射弁 9から噴射される燃料噴霧は、図 2 3を用いて後述するように、点火プラグに向けて噴射されるリード噴霧と、ピストン側に向けて噴射される着火用噴霧で構成される。このような燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁 9の構成は、図 3〜図 5を用いて前述したものと同様である。

ここで、点火プラグ 1 0若しくは燃料噴射弁 9の取付位置が変わった場合でも、燃料噴射弁 9から噴射される燃料噴霧の形状が同じ場合には、点火プラグ 1 0と燃料噴射弁 9との相対的な位置関係を同じくしている。即ち、図 8を用いて説明したように、燃料噴射弁 9から噴射されるリード噴霧の延長方向に、点火プラグ 1 0の点火部が配置される。燃料噴射弁 9の中心軸から点火プラグ 1 0を望む角度 0 3は、リード噴霧の噴霧角 S 1とほぼ等しくなるようにしている。また、燃料噴射弁 9の噴射口と点火プラグ 1 0の点火部の距離が L 1は、図 8に示したものと同じくしている。

次に、図 2 3〜図 2 5を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。図 2 3は、本発明の第 3の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図 2 4は、本発明の第 3の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図 2 5は、本発明の第 3の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

なお、図 2 3〜図 2 5は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図 2 3〜図 2 5において、図 2 0と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図 2 3〜図 2 5に示すエンジンの運転状態は、エンジン始動時のファストアイドル運転で、エンジン回転数が約 1 0 0 0 r p mで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。最初に、図 2 3を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。

燃料噴射弁 9から噴射されるリード噴霧 1 3は、着火用噴霧 1 4に比べると噴霧密度が高いため着火用噴霧 1 4に先行して点火プラグ 1 0近傍に到達する。リ一ド噴霧 1 3と空気の間で摩擦が生じ、燃料噴射弁 9から点火プラグ 1 0へ向かう噴流 2 2が生成される。

次に、図 2 4を用いて、上死点前 2 0 ° における様子を説明する。

時間の経過によりピストン 3が上昇し、着火用噴霧 1 4はピストン 3の上面に停滞する。噴流 2 2は、着火用噴霧 1 4から気化した燃焼用混合気 2 4のみを点火プラグ 1 0へリードする。リード噴霧 1 3は点火プラグ 3を通過しつつ気化し、点火プラグ 1 0周りに燃焼用混合気 2 3を形成する。

次に、図 2 5を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。

ピストン 3が圧縮上死点に近づくと燃焼室 4の内圧が急激に上昇するため、噴流 2 2は燃焼用混合気 2 4が点火プラグ 1 0へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気 2 4は点火プラグ 1 0を大きく通過することなく、点火プラグ 1 0近傍で成層化することができる。また、リード噴霧 1 3から気化した燃焼用混合気 2 3は、点火プラグ 1 0を過ぎたあたりで停滞し、図のように点火プラグ 1 0を中心として燃焼用混合気 2 4と燃焼用混合気 2 3を成層化でき、点火時期において安定に成層燃焼することができる。

本実施形態においても、図 1 4に示した領域 Zのように、燃料噴射時期を上死点前 3 5 ° までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できる。したがって、点火リタードの効果により、燃費と N O X排出量を低減できる。以上のように、本実施形態によれば、燃料噴射弁 9と点火プラグ 1 0の位置は限定せず、噴流 2 2が着火用混合気 2 2を点火プラグ 1 0まで十分リード可能な距離を有していれば良いものである。本実施形態においても、リード噴霧 1 3及び噴流 2 2を点火プラグ 1 0に直接指向させなくとも、噴流 2 2によって燃焼用混合気 2 4を点火プラグ 1 0へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、口パスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。

次に、図 2 6〜図 3 4を用いて、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。

最初に、図 2 6を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成について説明する。

シリンダヘッド 1と、シリンダブロック 2と、シリンダブロック 2に挿入されたピストン 3とにより、燃焼室 4が形成される。ピストン 3の冠面は、平坦である。燃焼室 4には、それぞれ、 2つの吸気ポート 5と、 2つの排気ポート 6が開口している。 2つの吸気ポート 5の開口部には、この開口部を開閉する 2本の吸気弁 7が設けられている。また、 2つの排気ポート 6の開口部には、この開口部を開閉する 2本の排気弁 8が設けられている。燃焼室 4の吸気側壁面には、燃料噴射弁 9 Aが設けられている。燃料噴射弁 9 Aの構成については、図 2 6〜図 2 8を用いて後述する。また、燃料噴射弁 9 Aに高圧の空気を供給するため、空気配管 2 7が高圧ポンプ 2 5から燃料噴射弁 9 Aまで接続されている。また、図 2 に示したものと同様に、燃焼室 4の中心上部には、点火プラグが設けられている。排気ポート 6の後方には、触媒 1 1が設けられている。燃料噴射弁 9 Aには、燃料タンク 1 2と高圧ポンプ 2 5とが、それぞれ燃料配管 2 6によって接続されている。高圧ポンプ 2 5は、燃焼室 4内の圧力が高い状態でも、燃料噴射弁 9から燃料噴射を可能とするため、燃料タンク 1 2から供給される燃料を加圧する。次に、図 2 7〜図 2 9を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。

図 2 7は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。図 2 8は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。また、図 2 9は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。

図 2 7は、本実施形態による燃料噴射弁 9 Aの側面構成を示している。燃料噴射弁 9 Aの先端部の破線で囲まれた領域 Xを拡大したものが、図 2 8である。図 2 8に示すように、燃料噴射弁 9 Aのノズル部 1 5は、ボール弁 1 6 A， 1 6 Bと、ポール弁 1 6 A， 1 6 Bにそれぞれ接続されたロッド 1 7 A， 1 7 Bと、噴霧に旋回力を与えるスヮラー 1 8と、燃料噴射口 1 9 Aと、空気噴射口 1 9 B と、軸方向溝 2 0と、径方向溝 2 1 Aと、空気通路 2 1 Bを備えている。本実施形態においては、ノズル部 1 5の先端に設けられた燃料噴射口 1 9 Aには、図 4 において説明したような切り欠き 1 9 aは設けられていないものである。

燃料噴射口 1 9 Aは、燃料を噴射する噴射口である。空気噴射口 1 9 Bは、空気を噴射する噴射口である。空気噴射口 1 9 Bは、燃料噴射弁 9 Aの中心軸に値して、角度 0 5だけ傾けて形成されている。空気噴射口 1 9 Bは、燃料噴射弁 9 Aをエンジンに取付けたときに点火プラグ 1 0を指向するように設けられる。燃料噴射口 1 9 A側の内部構造は、図 4に示した構成と同様である。燃料噴射口 1 O Aには切り欠きは設けられていないため、周方向に均一なコーン噴霧が噴射される。

空気噴射口 1 9 Bには、空気の噴射を制御するためにポール弁 1 6 Bと、ポール弁 1 6 Bと接続されたロッド 1 7 Bが設けられている。高圧ポンプから供給される加圧された空気は、空気配管 2 7を通って空気通路 2 1 Bに充填される。ボール弁 1 6 Bを上に動かすことにより、空気噴射口 1 9 Bから高圧の空気流が噴射される。この空気流は、図 1に示した噴流 2 2に相当するものである。ポール弁 1 6 A， 1 6 Bは同時に動く様に制御される。なお、燃料の噴射に少し先駆けて噴流を形成するために、ポール弁 1 6 Bが多少早く動作するようにしてもよいものである。

図 2 9に示す例において、矢印 I G N— P方向が点火プラグ側であり、矢印 P S T N方向がピストン側である。即ち、空気噴射口 1 9 Bが点火プラグ側を向くように、燃料噴射弁 9 Aを設置することにより、噴流が点火プラグの方向に噴霧される。

次に、図 3 0及び図 3 1を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧及び空気噴流の形状について説明する。

図 3 0及び図 3 1に示すように、燃料噴射弁 9の噴射口 1 9から噴霧される燃料噴霧 1 4の形状は、周方向に均一なコーン状である。また、図 2 9に示すように、空気噴射口 1 9 Bからは、高圧の空気流の噴流 2 2 Aが噴射される。燃料噴霧 1 4の噴霧角を 0 6とすると、噴流 2 2 Aの噴射角 0 7は、噴霧角 0 6の 1 Z 2に対して、 + 2〜3 ° 程度大きいものである。例えば、噴霧角 0 6が 5 0 ° の場合、噴射角 0 7は、 2 8 ° とする。図 2 8に示した角度 Θ 5は、噴射角 0 7に等しくする。

次に、図 3 2〜図 3 4を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。図 3 2は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図 3 3は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図 3 4は、本発明の第 4の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

なお、図 3 2〜図 3 4は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図 3 2〜図 3 4において、図 2 6と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図 3 2〜図 3 4に示すエンジンの運転状態は、エンジン始動時のファストアイドル運転で、エンジン回転数が約 1 0 0 0 r p mで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。最初に、図 3 2を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。

燃料噴射弁 9 Aの空気噴射口 1 9 Bから点火プラグ 1 0を指向した方向に直接噴流 2 2 Aが噴射され、空気噴射口 1 9 Aからコーン状の着火用噴霧 1 4が点火プラグ 1 0の下方のピストン 3に向けて噴射される。

次に、図 3 3を用いて、上死点前 2 0 ° における様子を説明する。

時間の経過によりピストン 3が上昇し、着火用噴霧 1 4はピストン 3の上面に停滞する。この時、噴流 2 2 Aが、着火用噴霧 1 4から気化した燃焼用混合気 2

4のみを点火プラグ 1 0へリードする。

次に、図 3 4を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。

燃焼用混合気 2 4を点火プラグ 1 0へリードした噴流 2 2 Aは、ピストン 3が圧縮上死点に近づくと燃焼室 4の内圧が急激に上昇するため、燃焼用混合気 2 4 が点火プラグ 1 0へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気 2 4は点火プラグ 1 0を大きく通過することなく、点火プラグ 1 0で成層化することができる。

本実施形態においても、点火リタ一ドの効果により、燃費と N O X排出量を低減できる。

以上のように、本実施形態では、燃料噴射弁 9 Aから噴流 2 2 Aを直接噴射しているため、運転に必要な燃料量をすベて着火用噴霧 1 4で噴射することが可能であり、点火プラグ 1 0へ混合気を集中させることができる。したがって、リ一ド噴霧 1 3及び噴流 2 2を点火プラグ 1 0に直接指向させなくとも、噴流 2 2によって燃焼用混合気 2 4を点火プラグ 1 0へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。また、点火プラグに指向する噴流は空気流であるため、点火プラグの燻りを防止することができる。

次に、図 3 5〜図 4 2を用いて、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成は、図 1及び図 2に示したものと同様である。最初に、図 3 5〜図 3 7を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。

図 3 5は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。図 3 6は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。また、図 3 7は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。

図 3 5は、本実施形態による燃料噴射弁 9 Bの側面構成を示している。燃料噴射弁 9 Bの先端部の破線で囲まれた領域 Xを拡大したものが、図 3 6である。図 3 6に示すように、燃料噴射弁 9 Bのノズル 1 5は、リ一ド噴霧 1 3を生成する燃料噴射口 1 9 Cと、着火用噴霧 1 4を生成する燃料噴射口 1 9 Dを有する構造となっている。燃料噴射口 1 9 Cは、燃料噴射弁 9 Bをエンジンに取付けたときにリード噴霧 1 3が点火プラグ 1 0を指向するように、燃料噴射弁 9 Bの中心軸に対して角度 0 8だけ傾けて形成されている。

また、図 3 7に示すように、燃料噴射口 1 9 Cは、径が燃料噴射口 1 9 Dより大きく形成されている。さらに、燃料噴射口 1 9 Dは径が小さく、運転に必要な燃料量を噴射するために噴口を複数設けると共に、配置する位置を分散させて着火用噴霧 1 4の噴霧密度が小さくなるようにしている。

次に、図 3 8及び図 3 9を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状について説明する。

図 3 8は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。図 3 9は、図 3 8 の A— A断面図である。

図 3 8及び図 3 9に示すように、燃料噴射弁 9 Bの噴射口 1 9 Dから噴霧される燃料噴霧 1 4の形状は、周方向に均一な形状である。また、燃料噴射弁 9 Bの噴射口 1 9 Cからは、高圧の燃料のリード噴霧 1 3が噴射される。燃料噴霧 1 4 の噴霧角を 0 9とすると、リード噴霧 1 3の噴射角 0 1 0は、噴霧角 0 9の 1ノ 2に対して、 + 2〜3 ° 程度大きいものである。例えば、噴霧角 0 9が 5 0 ° の場合、噴射角 θ 1 0は、 2 8 ° とする。図 2 3 5に示した角度 0 8は、噴射角 Θ 1 0に等しくする。

次に、図 4 0〜図 4 2を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。図 4 0は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図 4 1は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図 4 2は、本発明の第 5の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

なお、図 4 0〜図 4 2は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図 4 0〜図 4 2において、図 1と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図 4 0〜図 4 2に示すエンジンの運転状態は、エンジン回転数が約 1 0 0 0 r p mで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。

最初に、図 4 0を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。

リード噴霧 1 3は、燃料噴射口 1 9 Cの径が大きいため、噴霧粒径は比較的大きくなる。逆に、着火用噴霧 1 4は、燃料噴射口 1 9 Dの径が小さいため、噴霧粒径は小さくなる。そのため、噴霧単体の運動量が小さい着火用噴霧 1 4は、空気との摩擦によって噴霧速度が減衰しやすく、リード噴霧 1 3が着火用噴霧 1 4 に先行することになる。リード噴霧 1 3は、燃焼室 4内を飛翔中に空気との摩擦によって点火プラグ 1 0方向に噴流 2 2を生成するが、着火用噴霧 1 4は噴霧密度が小さくなるよう複数、且つ分散して設けているため噴流は生じにくいものである。

次に、図 4 1を用いて、上死点前 2 0 ° における様子を説明する。

次に、図 4 2を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。燃焼用混合気 2 4を点火プラグ 1 0ヘリ一ドした噴流 2 2は、ピストン 3が圧縮上死点に近づくと燃焼室 4の内圧が急激に上昇するため、燃焼用混合気 2 4が点火プラグ 1 0へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気 2 4は点火プラグ 1 0を大きく通過することなく、点火プラグ 1 0で成層化することができる。また、リード噴霧 1 3から気化した燃焼用混合気 2 3は、点火プラグ 1 0を過ぎたあたりで留まり、図のように点火プラグ 1 0を中心として混合気成層化を' 図ることができ、点火時において安定に成層燃焼することができる。

本実施形態においても、図 1 4に示した領域 Zのように、燃料噴射時期を上死点前 3 5 ° までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できる。したがって、点火リタードの効果により、燃費と N O X排出量を低減できる。以上のように、本実施形態では、燃料噴射弁 9 Aから噴流 2 2 Aを直接噴射しているため、運転に必要な燃料量をすベて着火用噴霧 1 4で噴射することが可能であり、点火プラグ 1 0へ混合気を集中させることができる。したがって、リード噴霧 1 3及び噴流 2 2を点火プラグ 1 0に直接指向させなくとも、噴流 2 2によって燃焼用混合気 2 4を点火プラグ 1 0へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。

次に、図 4 3〜図 4 5を用いて、本発明の第 6の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成は、図 1及び図 2に示したものと同様である。

最初に、図 4 3を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関による噴流形成方法について説明する。

図 4 3は、本発明の第 6の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の側面図である。なお、図 1及び図 2と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、排気弁 8 Cは、図示しない可変バルブ機構により駆動され、開閉タイミングが可変である。そして、可変パルプ機構は、燃料噴射直前に、排気弁 8 Cを、少し開くように制御される。圧縮行程中に、排気弁 8 Cを僅かに開くことにより、圧縮中の空気は、排気弁 8 Cから逃げることにより、噴流 2 2を形成するようにしている。また、燃料噴射弁 9 Cは、通常のスワール式のものを用いている。運転条件は、エンジン始動時のファストアイドル運転で、回転数は約 1 0 0 0 r p m、低負荷条件である。

次に、図 4 3〜図 4 5を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。図 4 4は、本発明の第 6の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前 2 0 ° での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図 4 5は、本発明の第 6の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。

なお、図 4 3〜図 4 5は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図 4 3〜図 4 5において、図 1と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図 4 3〜図 4 5に示すエンジンの運転状態は、エンジン回転数が約 1 0 0 0 r p mで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。

最初に、図 4 3を用いて、燃料噴射直前の様子を説明する。

圧縮行程後期では燃焼室 4内は非常に高圧のため、排気弁 8 Cを少し開くことにより、燃焼室 4と排気ポート 6の圧力差によって空気流動が生じる。この時、燃料噴射弁 9 Cを吸気側壁面に、点火プラグ 1 0を燃焼室 4の中心上部に設けておくことにより、吸気側から排気側へ向かう噴流 2 2が生成される。燃料噴射時期には、排気弁 8 Cは閉じるように制御する。

次に、図 4 4を用いて、上死点前 2 0 ° における様子を説明する。

時間の経過によりピストン 3が上昇し、着火用噴霧 1 4はピストン 3の上面に停滞する。この時、噴流 2 2が、着火用噴霧 1 4から気化した燃焼用混合気 2 4 のみを点火プラグ 1 0へリードする。

次に、図 4 5を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。

燃焼用混合気 2 4を点火プラグ 1 0へリードした噴流 2 2は、ピストン 3が圧縮上死点に近づくと燃焼室 4の内圧が急激に上昇するため、燃焼用混合気 2 4が点火プラグ 1 0へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気 2 4は点火プラグ 1 0を大きく通過することなく、点火プラグ 1 0の少し排気側で成層化することができる。

なお、上述の方式では、排気弁を開くことによって噴流を生成するようにしているが、排気側に空気を抜く配管を設けることによって噴流を生成するものでもよい。

本実施形態においても、図 1 4に示した領域 Zのように、燃料噴射時期を上死点前 3 5 ° までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できる。したがって、点火リタ一ドの効果により、燃費と N〇x排出量を低減できる。以上のように、本実施形態では、燃料噴射弁 9 Aから噴流 2 2 Aを直接噴射しているため、運転に必要な燃料量をすベて着火用噴霧 1 4で噴射することが可能であり、点火プラグ 1 0へ混合気を集中させることができる。したがって、リード噴霧 1 3及び噴流 2 2を点火プラグ 1 0に直接指向させなくとも、噴流 2 2によって燃焼用混合気 2 4を点火プラグ 1 0へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。

次に、図 4 6〜図 4 8を用いて、本発明の第 7の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムの構成及び動作について説明する。最初に、図 4 6を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたェンジン制御システムの構成について説明する。

図 4 6は、本発明の第 7の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたェンジン制御システムの構成を示すシステム構成図である。なお、図 1及び図 2と同一符号は、同一部分を示している。

燃焼室 4には、それぞれ、 2つの吸気ポート 5と、 2つの排気ポート 6が開口している。 2つの吸気ポート 5の開口部には、この開口部を開閉する 2本の吸気弁 7が設けられている。また、 2つの排気ポート 6の開口部には、この開口部を開閉する 2本の排気弁 8が設けられている。燃焼室 4の吸気側壁面には、燃料噴射弁 9が設けられている。また、燃焼室 4の中心上部には、点火プラグ 1 0が設けられている。燃料噴射弁 9の構成は、図 4，図 5に示したものと同様である。なお、燃料噴射弁 9としては、図 1 7及び図 1 8に示した構成や、図 2 8及び 2 9に示した構成や、図 3 6及び図 3 7に示した構成のものを用いてもよいものである。また、燃料噴射弁 9と点火プラグ 10の位置関係は、図 8に示したような関係となっている。

さらに、吸気ポート 5の上流の吸気管には、吸入空気量 Q aを測定する空気量センサ 30が設けられている。測定された吸入空気量 Q aは、エンジンコント口ールユニット（ECU) 100に取り込まれる。また、吸気管には、電子制御スロットル 32が設けられている。電子制御スロットル 32のスロットル弁の開度は、 ECU 100によって制御される。

シリンダブ口ック 2には、水温センサ 34が設けられている。水温センサ 34 によって検出された水温 Twは、 ECU 100に取り込まれる。エンジンのクランクシャフトには、クランク角センサ 36が設けられている。クランク角センサ 36によって検出されたエンジン回転数 Neは、 ECU100に取り込まれる。また、アクセルペダル 38の踏込み量 0 a c cは、 ECU100に取り込まれる。

ECU100は、制御処理を実行する MP U 1 10と、制御プログラムを格納した EP— ROM120と、制御を実行するためのメモリである RAMI 30と、外部のセンサゃァクチユエ一夕との入出力処理を行う I /0140とを備えている。 ECU 100は、クランク角センサ 36によって検出されたエンジン回転数 N e及び空気量センサ 30によって測定された吸入空気量 Q aに基づいて、燃料噴射量 T pを演算し、燃料噴射弁 9に燃料噴射信号を出力する。 E CU 100は、クランク角センサ 36によって検出されたエンジン回転数 Ne, アクセルペダル 38の踏込み量 0 a c c及び水温センサ 34によって検出された水温 Twに基づいて、点火タイミング信号 S adを演算し、点火プラグ 10に点火信号を出力する。 ECU 100は、アクセルペダル 38の踏込み量 0 a c cに基づいて、スロットル開度を演算し、電子制御スロットル 32にスロットル開度信号を出力する。

次に、図 47及び図 48を用いて、 ECU 100による各運転領域における燃料噴射制御と点火時期制御の内容について説明する。

図 47は、本発明の第 7の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたェンジン制御システムにおける運転領域の説明図である。図 48は、本発明の第 7 の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムによる制御内容の説明図である。

図 47において、横軸は、エンジン回転数 Ne (r pm) を示している。縦軸は負荷を示している。領域 A1は、クランキング領域である。クランキング領域では、空燃比（A/F) が、例えば， 40となるように制御される。領域 A 2は、アイドル領域である。アイドル領域では、空燃比（A/F) が、例えば， 40となるように制御される。領域 A 3は、中低負荷中低回転領域である。中低負荷中低回転領域では、空燃比（A/F) が、例えば， 25〜35となるように制御される。領域 A 1〜A 3の範囲内では、成層燃焼が行われる。

領域 A 4は、高低負荷中低回転領域である。高低負荷中低回転領域では、空燃比（A/F) が、例えば， 14. 7となるように制御される。領域 A5は、中低負荷高回転領域である。中低負荷高低回転領域では、空燃比（AZF) が、例えば， 14. 7となるように制御される。

次に、図 48において、横軸はクランク角を示している。また、横軸は、吸気行程（I NT) ，圧縮行程（COM) ，膨張行程（EXP) を示している。図中のハッチングの領域は、燃料噴射タイミングを示している。また、矢印 Igtは、点火タイミングを示している。

領域 A 1では、上述したように、空燃比（A/F) が、例えば， 40となるように成層燃焼される。そのため、圧縮行程（COMP) において、上死点（TD C) 前 60° 付近で燃料噴射を開始する。点火タイミングは、上死点（TDC) である。

また、領域 A2では、上述したように、空燃比（AZF) が、例えば， 40となるように成層燃焼される。また、領域 A 3では、上述したように、空燃比（A /¥) が、例えば， 25〜35となるように成層燃焼される。そのため、圧縮行程（COMP) において、アイドル時は、上死点（TDC) 前 40〜35° 付近で燃料噴射を開始する。ファース卜アイドル時は、上死点（TDC) 前 50〜4 0° 付近で燃料噴射を開始する。点火タイミングは、上死点（TDC) 前 20° である。

また、領域 A4及び領域 A5では、上述したように、空燃比（AZF) が、例えば， 14. 7となるように制御される。そのため、圧縮行程（COMP) において、下死点（BDC) で燃料噴射が終了するように、燃料噴射される。点火夕イミングは、上死点（TDC) 前 20° である。

以上のように、本実施形態では、ロバスト性の高い成層燃焼が可能であり、燃費と NO X排出量を低減することができる。産業上の利用の可能性

本発明によれば、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能となる。

Claims

請求の範囲

1 . 燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（9)を有し、この燃料噴射弁によつて圧縮行程中に燃焼室内に燃料を噴射し、混合気に点火プラグ（10)により点火して、成層燃焼する筒内噴射式火花点火機関において、

吸気ポートにより燃焼室に供給される空気流動とは別に、後続する着火用燃料に先行して点火プラグ方向に向けて供給される流体流れを生成するリード流体生成手段（9 ; 9 ; 98 ; 80を備ぇ、

上記リ一ド流体生成手段によって生成された流体にリードされて、点火時期において着火用燃料噴霧から気化した混合気を上記点火プラグに供給することを特徵とする筒内噴射式火花点火機関。

2 . 請求項 1記載の筒内噴射式火花点火機関において、

上記リード流体生成手段は、点火プラグ側のリード噴霧の噴霧密度がピストン側の着火用燃料噴霧の噴霧密度より高い燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁 (9； 9A)であることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。

3 . 請求項 2記載の筒内噴射式火花点火機関において、

上記燃料噴射弁は、燃料噴射口の一部に切り欠き（19A)が設けられており、この切り欠きが点火プラグ側に向けて配置されることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。

4 . 請求項 2記載の筒内噴射式火花点火機関において、

上記燃料噴射弁は、燃料噴射口の一部に切り欠きが設けられており、この切り欠きが点火プラグ側より僅かにずれた向きに配置されることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。

5 . 請求項 2記載の筒内噴射式火花点火機関において、

上記燃料噴射弁（9B)は、リード噴霧を噴射する大口径の開口を有する燃料噴射口（19C)と、着火用燃料噴霧を噴射する小口径で複数の開口を有する燃料噴射口 (19D)を備えることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。

6 . 請求項 1記載の筒内噴射式火花点火機関において、 '

上記リード流体生成手段は、点火プラグ側にエアジェットを噴出する噴出口 (19B)と、ピストン側の着火用燃料噴霧を噴出する噴出口（19A)とを有する燃料噴射弁であることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。

7 . 請求項 1記載の筒内噴射式火花点火機関において、

上記リード流体生成手段は、圧縮行程において、排気弁 (8C)を開くことにより，点火プラグ方向への噴流を形成することを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。

8 . 請求項 1記載の筒内噴射式火花点火機関において、

上記燃料噴射弁による燃料噴射開始は、上死点前 6 2 ° から上死点前 3 5 ° の間に行うことを特徴とする筒内噴射式圧縮着