WO2012157483A1

WO2012157483A1 - 筒内噴射式エンジン及びその燃料噴射方法

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Publication number: WO2012157483A1
Application number: PCT/JP2012/061848
Authority: WO
Inventors: 木原　裕介; 助川　義寛; 一浩押領司; 岡本　多加志
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2012-11-22
Also published as: JP5865603B2; JP2012241544A

Abstract

　点火時期までに筒内の混合気濃度分布を可及的に均一にすることができ、もって、粒子状物質（ＰＭ）の排出を効果的に抑えることのできる筒内噴射式エンジンを提供する。シリンダボアを左右に等分割する中央縦断面（ＳＣ）を挟んで左右対称的に一対の吸気ポート（３５、３５）が設けられるとともに、中央縦断面（ＳＣ）上に燃料を燃焼室（２７）に直接噴射するマルチホール型の燃料噴射弁（４０）が配備されている筒内噴射式エンジン（２０）において、左右一対の吸気ポート（３５、３５）の下流端部における左右方向外端（３５Ｌ、３５Ｒ）を通り中央縦断面（ＳＣ）に平行な左端縦断面（ＳＬ）及び右端縦断面（ＳＲ）とシリンダボア壁面（２２ｉ）とで画成される、横断面が弓形状の左右の領域（２２Ｌ、２２Ｒ）に、それぞれ燃料噴射弁（４０）から噴射される２本以上の燃料噴霧（１０ｃと１０ｅ並びに１０ｄと１０ｆ）を指向させて、タンブル流動に対して略直交する方向に強い空気流動を生成する。

Description

筒内噴射式エンジン及びその燃料噴射方法

　本発明は、燃料を筒内（燃焼室）に直接噴射するマルチホール型の燃料噴射弁を備えた筒内噴射式エンジン及びその燃料噴射方法に関する。

　マルチホール型の燃料噴射弁を備えた筒内噴射式ガソリンエンジンにあっては、通常、シリンダボアを左右に等分割する中央縦断面を挟んで左右対称的に一対の吸気ポートが設けられるとともに、前記中央縦断面上に前記マルチホール型の燃料噴射弁が配備されている（特許文献１、２等を参照）。このような筒内噴射式エンジンにおいては、排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）の低減化が優先順位の高い課題となっている。

　粒子状物質（ＰＭ）は当量比が高い領域から生成されるため、筒内噴射式エンジンから排出されるＰＭ低減のためには、点火時期までに筒内の混合気濃度分布をできるだけ均一にすることが重要である。

　そのため、従来においては、吸気ポートから燃焼室への空気吸入時に生成されるタンブル流動（縦渦）を強化することで空気と燃料の混合度合いを向上させて筒内の混合気濃度分布の均一化を図る手法が一般的に用いられている。また、タンブル流動の強化には、特許文献３に見られるように、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧により生成される空気流動を用いることが知られている。
特開２００８－２５５３４号公報特開２００７－１０７４３６号公報特開２００９－２２８５７９号公報

　しかしながら、タンブル流動は吸気ポートから燃焼室に吸入される空気の流動であり、シリンダボアを左右に等分割する前記中央縦断面と平行な面内で回転する縦渦であるため、タンブル流動の回転方向（側面視で時計回りもしくは反時計回り）にはその空気流動で燃料がかき混ぜられて空気との混合が進むが、タンブル流動に対して直交する方向（前記中央縦断面に直交する方向）に動く流動がないため、燃料と空気との混合がさほど進まず、筒内の混合気濃度分布にむら（以下、単に「混合気むら」と称することがある）が生じる。この場合、タンブル流動を強化しても上記混合気むらを改善することはできない。

　また、筒内噴射式エンジンの燃焼性等を向上させる手法として、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の指向方向等（燃料噴射弁の噴孔の個数、位置、向き、燃料噴射弁の取り付け位置、姿勢、燃料噴射時期等）に工夫を施すことが知られているが、従来において、燃料噴霧の指向方向等に工夫を施すことによって混合気むらを効果的に改善し得た技術は見当たらない。

　なお、燃料噴霧の指向方向等に特徴を有する筒内噴射式エンジンの例としては、特許文献１（の図６）に所載のように、前記中央縦断面を挟んで左右対称的に３対の燃料噴霧が形成されるようになし、そのうちの一対の燃料噴霧（第３の燃料噴霧）が、シリンダボアの中心線を通りかつ前記中央縦断面に直交する縦断面とシリンダボア壁面とが交差する交差線上を指向するようにした予混合圧縮自己着火式のものや、特許文献２に所載のように、燃料噴霧が吸気弁に衝突しないようにすべく、前記中央縦断面を挟んで左右対称的に、吸気弁の動作範囲外を２対の側方噴霧が指向するようにしたものがある。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、点火時期までに筒内の混合気濃度分布を可及的に均一にすることができるようにされ、もって、粒子状物質（ＰＭ）の排出を効果的に抑えることのできる筒内噴射式エンジンを提供することにある。

　上記目的を達成すべく、本発明に係る筒内噴射式エンジンは、シリンダボアを左右に等分割する中央縦断面を挟んで左右対称的に一対の吸気ポートが設けられるとともに、前記中央縦断面上に燃料を燃焼室に直接噴射するマルチホール型の燃料噴射弁が配備されており、前記一対の吸気ポートの下流端部における左右方向の外端を通り前記中央縦断面に平行な左端縦断面及び右端縦断面とシリンダボア壁面とで画成される、横断面が弓形状の左右の領域に、それぞれ前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が２本以上指向するようにされていることを特徴としている。

　本発明に係る筒内噴射式エンジンでは、吸気ポートより外側に位置する横断面弓形状の左右の領域に、それぞれ燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が２本以上指向するようにされていることから、それら２本以上の燃料噴霧同士が近接するようされ、そのため、それら近接した燃料噴霧が相互に干渉して通常よりも大きな空気流動が生成されるとともに、この燃料噴霧によって生成された空気流動がタンブル流動に対して略直交する方向に回転する縦渦となるので、タンブル流動の影響を受けにくい前記左右の領域（よどみ領域）に存在する空気を含む燃焼室内の混合気がむらなく撹拌される。そのため、燃焼室内の混合気濃度分布を均一にすることができ、これによって、粒子状物質（ＰＭ）の排出を効果的に抑えることができる。

　上記した以外の、課題、構成、及び効果は、以下の実施形態により明らかにされる。

本発明に係る筒内噴射式エンジンの第１実施形態を示す概略構成図。図１に示される燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧を示す側面図。図２のＪ－Ｊ断面図。第１実施形態の燃料噴射弁から燃料が噴射された直後の燃料噴霧の様子を示す概略側面透視図。第１実施形態の燃料噴射弁から燃料が噴射された直後の燃料噴霧の様子を示す概略平面透視図。第１実施形態のエンジンにおけるタンブル流動領域とよどみ領域の説明に供される図。単一もしくは噴霧周りに十分な空間がある場合の燃料噴霧の挙動説明に供される図。単一もしくは噴霧周りに十分な空間がある場合の燃料噴霧の挙動説明に供される図。２本の燃料噴霧が近接している場合の燃料噴霧の挙動説明に供される図。２本の燃料噴霧が近接している場合の燃料噴霧の挙動説明に供される図。第１実施形態における燃料噴射（１００degＡＴＤＣ）直後の燃焼室内の様子を示す概略図。第１実施形態における燃料噴射（１００degＡＴＤＣ）直後の燃焼室内の様子を示す概略図。第１実施形態の１４０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す概略図。第１実施形態の１４０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す概略図。第１実施形態の１８０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す概略図。第１実施形態の１８０degＡＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す概略図。第１実施形態の燃焼室内の空気流動の様子を示す概略図。第１実施形態の変形例１を示す、図３に相当する図。第１実施形態の変形例１を示す概略平面透視図。第１実施形態の変形例２を示す、図３に相当する図。第１実施形態の変形例２を示す概略平面透視図。従来例を示す、図３に相当する図。従来例を示す概略平面透視図。従来例での点火時期における混合気分布を示す図。本発明実施形態での点火時期における混合気分布を示す図。従来例と本発明実施形態との過濃混合気の燃料量を比較した結果を示すグラフ。本発明に係る筒内噴射式エンジンの第２実施形態を示す概略構成図。図２７に示される燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧を示す側面図。図２８のＪ－Ｊ断面図。第２実施形態の燃料噴射弁から燃料が噴射された直後の燃料噴霧の様子を示す概略側面透視図。第２実施形態の燃料噴射弁から燃料が噴射された直後の燃料噴霧の様子を示す概略平面透視図。第１実施形態の変形の２回目の燃料噴射（６０degＢＴＤＣ）直後の燃焼室内の様子を示す概略図。第１実施形態の変形の２回目の燃料噴射（６０degＢＴＤＣ）直後の燃焼室内の様子を示す概略図。第１実施形態の変形の２０degＢＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す概略図。第１実施形態の変形の２０degＢＴＤＣにおける燃焼室内の様子を示す概略図。

１０ａ～１０ｆ　燃料噴霧
１１ａ～１１ｆ　噴霧交点
１６　タンブル流動
１７　燃料噴霧（10c、10e、10d、10f）による空気流動
２０　筒内噴射式エンジン
２２　シリンダ
２２ｉ　シリンダボア壁面
２２Ｌ、２２Ｒ　よどみ領域
２５　ピストン
２７　燃焼室
３０　吸気通路
３５　吸気ポート
３７　吸気弁
４０　燃料噴射弁
４５　点火プラグ
５０　排気通路
ＳＣ　中央縦断面
ＳＬ　左端縦断面
ＳＲ　右端縦断面

　以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

　図１は、本発明に係る筒内噴射式エンジンの第１実施形態を示す概略構成図である。

　図示実施形態のエンジン２０は、例えば、１気筒５００ｃｃ、圧縮比１０程度の直列４気筒の筒内噴射式ガソリンエンジンであって、シリンダヘッド２２ａ及びシリンダブロック２２ｂからなるシリンダ２２と、このシリンダ２２の各気筒内に摺動自在に嵌挿されたピストン２５とを有し、ピストン２５はコンロッド２６を介してクランク軸２４に連結されている。ピストン２５上方には、所定形状（例えばペントルーフ形）の天井部を持つ燃焼室２７が画成され、各気筒の燃焼室２７の天井部中央には、点火コイルから高電圧化された点火信号が供給される点火プラグ４５が臨設されている。

　燃料の燃焼に供せられる空気は、図外のエアークリーナから、電制スロットル（弁）が配在された管状通路部分（スロットルボディ等）、コレクタ２３、吸気マニホールド（多岐管）３４、吸気ポート３５、３５等からなる吸気通路３０を通り、その下流端（吸気ポート３５、３５端部）に配在された、吸気カム軸３６により開閉駆動される吸気弁３７、３７を介して各気筒の燃焼室２７に吸入される。

　また、前記シリンダヘッド２２ａの吸気側下部には、マルチホール型の燃料噴射弁４０（後で詳述する）が配備されており、燃焼室２７に吸入された空気と燃料噴射弁４０から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ４５による火花点火により燃焼せしめられ、その燃焼排ガス（排気ガス）は、燃焼室２７から、排気カム軸４６により開閉駆動される排気弁４７を介して排気ポート、排気マニホールド、排気管等からなる排気通路５０を通って外部（大気中）に排出される。排気通路５０には、排気浄化用触媒（三元触媒）５５が配備されるとともに、図示はされていないが空燃比センサ等が配備されている。

　また、前記エンジン２０の種々の制御、つまり、各気筒毎に配備された燃料噴射弁４０による燃料噴射制御（燃料噴射量、燃料噴射時期等の制御）、前記点火プラグ４５による点火時期制御等を行なうべく、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット（それ自体はよく知られているので図示及び説明は省略）が備えられている。

　また、前記燃料噴射弁４０には、燃料タンク内の燃料が燃料ポンプや燃圧レギュレータ等を備えた燃料供給機構により所定燃圧に調圧されて供給され、燃料噴射弁４０は、前記コントロールユニットから所定のタイミングで供給される、そのときの運転状態に応じたデューティ（＝パルス幅＝開弁時間に相当する）を持つ燃料噴射（駆動）パルス信号により開弁駆動され、その開弁時間に応じた量の燃料を燃焼室２７内に噴射するようになっている。

　なお、図示例のエンジン２０においては、排気弁４７は排気行程上死点（ＴＤＣ）で閉じ、吸気弁３７は排気行程上死点（ＴＤＣ）で開くようになっており、吸気弁３７の開弁期間はクランク角度で２２０degとなっている。

　次に、前記燃料噴射弁４０及びその周りの構成を詳細に説明する。

　図５、図６に平面透視図で示されているように、各気筒に接続された吸気通路３０の下流部分（吸気マニホールド３４及び吸気ポート３５部分）は二股に分岐されており、シリンダボア（壁面）２２ｉを左右（図５、図６では上下）に等分割する中央縦断面ＳＣ（シリンダボア２２ｉの中心線Ｏを通り、前（吸気）－後（排気）方向に伸びている）を挟んで左右対称的に一対の吸気ポート３５、３５が設けられるとともに、シリンダヘッド２２ａの吸気側下部における前記中央縦断面ＳＣ上（吸気ポート３５－３５間）に燃料を燃焼室２７に直接噴射する６つの噴孔を有するマルチホール型の燃料噴射弁４０が配備されている。

　本実施形態のエンジン２０では、吸気行程に吸気弁３７、３７が開き、ピストン２５が下降することで燃焼室２７に吸気ポート３５、３５から空気が流入する。図１、図４に示されているように、吸気ポート３５は側面視で楕円弧状に湾曲しているため、曲率の小さな内側から流れが剥離し、吸気弁３７から流入する時期には吸気ポート３５の上側に流動が偏り、上側の流速が速くなる。そのため、燃焼室２７において、図１１、図１３、図１５、図１７等において符号１６で示される如くの、側面視時計回りに回転するタンブル流動（縦渦）が生成される。

　ここで、図５、図６において、左右一対の吸気ポート３５、３５の下流端部における左右方向の外端（左端３５Ｌ、右端３５Ｒ）を通り前記中央縦断面ＳＣに平行な縦断面をそれぞれ左端縦断面ＳＬ及び右端縦断面ＳＲとすると、前記タンブル流動は吸気ポート３５、３５から流入する空気流動で生成されるため、図６に示される如くに、前記左端縦断面ＳＬ及び右端縦断面ＳＲとシリンダボア壁面２２ｉとで画成される、横断面が弓形状の領域２２Ｌ、２２Ｒは、流動が非常に弱いよどみ領域となり、前記左端縦断面ＳＬと右端縦断面ＳＲとの間の領域２２Ｃは、タンブル流動が存在する空気流動が強い領域となる。

　一方、燃料噴射弁４０の６つの噴孔から噴射される燃料噴霧１０ａ～１０ｆは、図２、図４に側面視で示される如くに、先端側ほど拡がる円錐状のものとなり、噴孔先端から３０ｍｍ下のＪ－Ｊ断面をとると、図３に示される如くに、前記中央縦断面ＳＣを中心として左右対称的に形成され、また、図５に示される如くに、噴霧１０ｃと１０ｅ並びに噴霧１０ｄと１０ｆとはさほど離れず、かつ、噴霧１０ｃと１０ｄとがなす角度が比較的大きく設定されるとともに、噴霧１０ｅと１０ｆとがなす角度は上記噴霧１０ｃと１０ｄとがなす角度よりさらに大きく設定されている。

　そして、燃料噴射弁４０の取り付け姿勢、位置は、次のようになっている。すなわち、図４、図５に示される如くに、燃料噴霧１０ａ、１０ｂ（の中心軸線）が前記中央縦断面ＳＣ上に位置し、燃料噴霧１０ａが点火プラグ４５に最も近く（最上部に）なり、かつ、燃料噴霧１０ｃ、１０ｅが前記した横断面弓形状の左よどみ領域２２Ｌを指向するとともに、燃料噴霧１０ｄ、１０ｆが前記した横断面弓形状の右よどみ領域２２Ｒを指向するような姿勢、位置で設置されている。言い換えれば、各燃料噴霧１０ａ～１０ｆの中心軸線とシリンダボア壁面２２ｉとが交差する点を噴霧交点１１ａ～１１ｆとすると、噴霧交点１１ｃと１１ｅが前記した左端縦断面ＳＬより外側に存在し、噴霧交点１１ｄと１１ｆが前記した右端縦断面ＳＲより外側に存在するようにされている。

　次に、上記した如くの構成とされた筒内噴射式エンジン２０の動作、作用、効果等を説明する。ここでは、暖機後の所定運転条件下（例えば、エンジン回転数１２００ｒ／ｍｉｎ、充填効率６０％、空燃比１４．７の中負荷状態）で、燃料噴射（開始）時期は１００degＡＴＤＣの場合について説明する。

　図４、図５は、燃料噴射直後の様子を示しており、燃料噴霧１０ｃ、１０ｅが左よどみ領域２２Ｌを指向し、燃料噴霧１０ｄ、１０ｆが右よどみ領域２２Ｒを指向している。このように左右のよどみ領域２２Ｌ、２２Ｒにそれぞれ２本の噴霧１０ｃ、１０ｅと噴霧１０ｄ、１０ｆを指向させると、必然的に噴霧１０ｃと１０ｅの間隔並びに噴霧１０ｄと１０ｆの間隔が狭くなり噴霧干渉を発生させることができる。噴霧干渉の目的は、噴霧により生成される空気流動の強化であり、噴霧干渉により燃料噴霧の断面積を大きくすることで燃料噴霧が占める空間を増加させ、干渉させない場合よりも強い空気流動を生成することができる。

　噴霧干渉の効果について図７～図１０を用いて説明する。図７、図８は、噴霧が１本もしくは噴霧間隔が十分広い場合での様子を示す。噴射された噴霧は、噴霧自身で空気を押すことで空気流動が生成され、更に噴霧が動くことで燃料液滴と空気の間にせん断力が生じ、燃料噴霧の周囲に空気流動が生成される。噴霧の周りに十分な空間がある場合は噴霧周りの空気流動はバランスするため、図８に示される如くに、噴霧形状は維持されて直進する挙動となり、噴霧と同じ進行方向の空気流動が噴霧の周囲に維持される。しかし、図９に示される如くに、２本の噴霧を近接させると、噴霧と噴霧の間に生成された空気流動が干渉し、噴霧同士を引き寄せる空気流動となる。そのため、図１０に示される如くに、噴霧が結合して噴霧の幅が大きな一つの噴霧になり、２本の噴霧が干渉せず進行する場合に比べ、より多くの空気を動かすことになり、生成される空気流動を強くすることができる。

　ここで、本実施形態における燃料噴射（開始）時期は、燃料噴霧１０ｃ～１０ｆがピストン２５の冠面２５ａに衝突することなくシリンダボア壁面２２ｉに達するように、言い換えれば、燃料噴霧１０ｃ～１０ｆの交点１１ｃ～１１ｆがピストン２５の冠面２５ａよりも上側に位置するように１００degＡＴＤＣに設定されている。

　燃料噴射後の燃料噴霧の様子を図１１、１２に示す。燃焼室２７内にはタンブル流動１６が生成され、タンブル流動の回転方向に流されつつ燃料噴霧１０ａ、１０ｂは排気側へ、燃料噴霧１０ｃ～１０ｆは側方のよどみ領域２２Ｌ、２２Ｒへ進行する。燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆは相互に干渉することで結合した噴霧状態となっている。

　燃料噴射（開始）時期から４０deg経過した、１４０degＡＴＤＣでの燃料噴霧の様子を図１３、１４に示す。排気側に向かう燃料噴霧１０ａ、１０ｂは排気側のシリンダボア壁面２２ｉに到達し、壁面２２ｉに沿って移動している途中で合流し、その後はタンブル流動１６と同じ回転方向（側面視で時計回り）に流されて移動していく。そのため、燃料噴霧１０ａ、１０ｂで生成された空気流動はタンブル流動１６と合流し、タンブル流動１６はより速度が大きくなる。

　それに対し、よどみ領域２２Ｌ、２２Ｒに向かう燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆは、それらがよどみ領域２２Ｌ、２２Ｒに入ることでタンブル流動１６の影響を受けにくくなる。そして、よどみ領域２２Ｌ、２２Ｒのシリンダボア壁面２２ｉに到達後、燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆで生成された空気流動によって壁面２２ｉ到達位置から下方に進行する。

　燃料噴射（開始）時期から８０deg経過した、１８０degＡＴＤＣでの燃料噴霧の様子を図１５、１６に示す。燃料噴霧１０ａ、１０ｂはタンブル流動１６に流されて移動している。しかし、燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆはよどみ領域２２Ｌ、２２Ｒの壁面２２ｉに沿って下降しており、ピストン冠面２５ａに到達すると、空気はピストン冠面２５ａに沿って流れていくため、進行方向を半径方向内方に変えることとなる。ここで、前述したようにタンブル流動１６は前記中央縦断面ＳＣと平行な面内で回転する縦渦であるため、燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆで生成された空気流動１７、１７は、タンブル流動１６に対して略直交する方向（前記中央縦断面ＳＣに直交する直交中央縦断面ＳＶ（図５参照）と平行な面内）で回転する縦渦となる。

　１８０degＡＴＤＣでの空気流動の様子を図１７に示す。燃焼室２７内にはタンブル流動１６と、タンブルに対して略直交する方向に回転する流動１７、１７が生成されている。そのため、空気と気化燃料との混合気はタンブル流動１６によって側面視時計回りにかき混ぜられるとともに、燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆによって生成されたタンブル流動１６に対して略直交する方向の流動１７、１７でもかき混ぜられることになる。

　以上のように本実施形態では、よどみ領域２２Ｌ、２２Ｒにそれぞれ２本の燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆが指向するようにされて、それら２本の燃料噴霧１０ｃと１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄと１０ｆが近接するようされるので、それら近接した燃料噴霧１０ｃと１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄと１０ｆが相互に干渉して通常よりも大きな空気流動が生成されるとともに、この燃料噴霧１０ｃと１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄと１０ｆによって生成された空気流動１７、１７がタンブル流動１６に対して略直交する方向に回転する縦渦となる。そのため、タンブル流動の影響を受けにくいよどみ領域２２Ｌ、２２Ｒに存在する空気を含む燃焼室２７内の混合気がむらなく撹拌され、燃焼室２７内の混合気濃度分布を均一にすることができ、これによって、粒子状物質（ＰＭ）の排出を効果的に抑えることができる。

　また、タンブル流動は左右対称的な流動であるので、燃料噴霧１０ａ～１０ｆを左右対称的に形成することで、焼室２７内の混合気がよりむらなく撹拌され、燃焼室２７内の混合気濃度分布を一層均一にすることができる。

　さらに、左右のよどみ領域２２Ｌ、２２Ｒを指向する燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆがピストン冠面２５ａに衝突することなくシリンダボア壁面２２ｉに達するように燃料噴射（開始）時期が設定されているので、シリンダボア壁面２２ｉに到達した空気流動はシリンダボア壁面２２ｉに沿ってピストン２５に向かって流れるため、減衰しにくい空気流動を生成でき、これによっても混合気濃度分布の均一化が一層促進される。

　なお、上記実施形態では、よどみ領域２２Ｌ、２２Ｒに指向させる噴霧の本数はそれぞれ２本ずつ（燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆ）とされているが、本発明は複数本の燃料噴霧を相互に干渉させてタンブル流動に対して直交する方向に回転する強い空気流動を生成することが目的であるので、よどみ領域２２Ｌ、２２Ｒに指向させる噴霧の本数は２本以上であればよく、例えば、図１８、図１９に示される如くに、よどみ領域２２Ｌ、２２Ｒにそれぞれ３本ずつ（燃料噴霧１ｃ、１ｅ、１ｇ並びに燃料噴霧１ｄ、１ｆ、１ｈ）を指向させるようにしてもよい。なお、図１８、図１９において、燃料噴霧１ａ、１ｂは、上記実施形態（図３、図５）の燃料噴霧１０ａ、１０ｂに相当し、噴霧交点２ａ～２ｈも上記実施形態の噴霧交点１１ａ～１１ｆと同様のものである。

　さらに、よどみ領域２２Ｌ、２２Ｒ以外に指向させる燃料噴霧は必須ではなく、図２０、図２１に示される如くに、前記燃料噴霧１ａ、１ｂを無くして、すべての燃料噴霧１ｃ、１ｅ、１ｇ並びに燃料噴霧１ｄ、１ｆ、１ｈをよどみ領域２２Ｌ、２２Ｒに向けるようにしてもよい。

　次に、図２２～２６を参照しながら本発明の効果を数値シミュレーションにより解析した結果を説明する。

　図２２、２３は、従来例（例えば、前記特許文献１、２の記載内容から推測したもの）を示し、よどみ領域２２Ｌ、２２Ｒに１本ずつ（燃料噴霧１ｅ並びに燃料噴霧１ｆ）を指向させ、残りの４本の燃料噴霧１ａ～１ｄは排気側を指向させている。なお、図２２、図２３において、燃料噴霧１ａ、１ｂは、上記実施形態（図３、図５）の燃料噴霧１０ａ、１０ｂに相当し、噴霧交点２ａ～２ｆも上記実施形態の噴霧交点１１ａ～１１ｆと同様のものである。ここでの運転条件は、上記実施形態と同じ（エンジン回転数１２００ｒ／ｍｉｎ、充填効率６０％、空燃比１４．７の中負荷状態）で、燃料噴射（開始）時期は１００degＡＴＤＣである。

　従来例での、点火時期である１５degＢＴＤＣの混合気分布を図２４に、上記した本発明実施形態での混合気分布を図２５に示す。混合気分布結果の黒い領域は当量比が２よりも大きい粒子状物質（ＰＭ）が発生する領域である。図２４に示される従来例では点火時期においても黒い領域が広く存在していることが分かる。それに対し、図２５に示される本発明実施形態では、黒い領域が大幅に低減されている。当量比が大きい混合気に含まれる燃料量を比較した結果を図２６に示す。従来例での燃料量を１００％とすると、本発明実施形態では４０％まで低減されており、ＰＭ発生量を大幅に低減できることが理解されよう。

　次に、本発明に係る筒内噴射式エンジンの第２実施形態を図２７に示す。図１に示される第１実施形態のものとの違いは、燃料噴射弁４０’と点火プラグ４５が燃焼室２７の天井部中央に近接して配備されている点であり、燃料噴射弁４０’は吸気側、点火プラグ４５が排気側となっている。

　該実施形態における燃料噴射弁４０’から噴射される燃料噴霧１０ａ～１０ｆを図２８～図３１（上記第１実施形態の図２～図５に相当し、対応する部分には同一の符号が付されている）に示す。燃料噴射弁４０’は燃料噴霧１０ａが点火プラグ４５側に来るように設置されている。この燃料噴射弁４０’から噴射される燃料噴霧１０ａ～１０ｆのうちの燃料噴霧１０ｃ、１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄ、１０ｆの２本ずつをよどみ領域２２Ｌ、２２Ｒに指向させている。そのため、第１実施形態と同様に、燃料噴霧１０ｃと１０ｅ並びに燃料噴霧１０ｄと１０ｆが干渉してタンブル流動に対して直交する方向に回転する強い空気流動を生成することができ、その結果、タンブル流動の影響を受けにくいよどみ領域２２Ｌ、２２Ｒに存在する空気を含む燃焼室２７内の混合気がむらなく撹拌され、燃焼室２７内の混合気濃度分布を均一にすることができ、これによって、粒子状物質（ＰＭ）の排出を効果的に抑えることができる。

　なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれることは言うまでもない。

　上記のようにエンジン暖機後は混合気むらをなくすことでＰＭを低減できるが、始動直後のファストアイドルにおいては未燃炭化水素の低減も必要である。そのために触媒早期活性化を図るが、その方法として点火リタードにより後燃えを促進して排気ガス温度を上昇させる手法がある。点火リタード時に安定した燃焼を実現するためには暖機条件とは逆に，点火プラグ周りに成層混合気を形成する必要がある。実施例１のファストアイドルでの動作を以下に示す。

　エンジン回転数は1200r/minの無負荷条件であるが、点火時期を15degATDCに設定しているため、充填効率は50％相当となっている。混合気成層化によりＰＭを増加させないために、ファストアイドルでは燃料を２回に分けて噴射する。１回目の燃料噴射は均一な混合気を形成することを目的としており、暖機条件と同じ噴射時期は100degATDCに設定している。２回目の燃料噴射は点火プラグ周りに理論混合比よりも少し高い成層混合気を形成することを目的としており、圧縮行程60degBTDCに設定される。この時、２回目の噴射割合は全体の４割に相当する量を噴射している。

　100degATDCで噴射された１回目の燃料は、噴霧により生成される空気流動によって均一な混合気を形成する(実施形態１の記述と同等であり省略)。

　２回目の60degBTDCでの燃料噴射直後の状態を図３２～３３に示す。60degBTDCではピストン冠面が上死点に近く、噴射された燃料はシリンダボア壁面ではなくピストン冠面に衝突する。そのため、１回目の噴射と異なり、噴霧によって生成された空気流動はピストン冠面に沿って流れることとなる。

　20degBTDCでの燃料の挙動を図３４～３５に示す。燃料噴霧10a，10bはピストン冠面上で一つの塊になる。圧縮行程後期では燃焼室内の空気流動は減衰しており、燃料噴霧10a，10bは噴霧で生成された空気流動にのって吸気側から排気側に向かって移動し、シリンダボア壁面に到達後は上昇流に変わり、点火プラグに向かって移動する。燃料噴霧10c，10e及び燃料噴霧10d，10fはピストン冠面に到達後、噴霧で生成された空気流動によってピストン冠面に沿ってシリンダボア壁面に向かって移動する。そしてシリンダボア壁面に到達後は上昇流に変わり、更にシリンダヘッド壁面に沿って内側に向かい、点火時期である15degATDCには点火プラグに混合気を形成する。圧縮行程後期に燃料を噴射するため拡散時間が短く、点火プラグ周りに成層混合気を形成することができる。このように本発明の燃料噴霧においても噴射時期を遅らせて暖機条件とは逆方向の空気流動を形成することで成層混合気を形成することができ、ＰＭ低減と未燃炭化水素低減の両立を図ることができる。

Claims

　シリンダボアを左右に等分割する中央縦断面を挟んで左右対称的に一対の吸気ポートが設けられるとともに、前記中央縦断面上に燃料を燃焼室に直接噴射するマルチホール型の燃料噴射弁が配備されている筒内噴射式エンジンであって、
　前記一対の吸気ポートの下流端部における左右方向の外端を通り前記中央縦断面に平行な左端縦断面及び右端縦断面とシリンダボア壁面とで画成される、横断面が弓形状の左右の領域に、それぞれ前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が２本以上指向するようにされていることを特徴とする筒内噴射式エンジン。
　シリンダボアを左右に等分割する中央縦断面を挟んで左右対称的に一対の吸気ポートが設けられるとともに、前記中央縦断面上に燃料を燃焼室に直接噴射するマルチホール型の燃料噴射弁が配備されている筒内噴射式エンジンであって、
　前記燃料噴射弁から噴射される各燃料噴霧は、その中心軸線とシリンダボア壁面とが交差する点を噴霧交点として、前記一対の吸気ポートの下流端部における左右方向の外端を通り前記中央縦断面に平行な左端縦断面及び右端縦断面より外側に、前記噴霧交点が左右にそれぞれ２個以上ずつ合計４個以上存在するようにされていることを特徴とする筒内噴射式エンジン。
　前記燃料噴霧は、前記中央縦断面を中心として左右対称的に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式エンジン。
　前記２本以上指向するもしくは前記２個以上存在する前記左右対称的な燃料噴霧の各々は、右左のなす角度が前記他の左右対称的な燃料噴霧と異なることを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式エンジン。
　暖機後の所定運転条件下では、前記横断面弓形状の左右の領域を指向する燃料噴霧がピストン冠面に衝突することなくシリンダボア壁面に到達するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
　シリンダボアを左右に等分割する中央縦断面を挟んで左右対称的に一対の吸気ポートが設けられるとともに、前記中央縦断面上に燃料を燃焼室に直接噴射するマルチホール型の燃料噴射弁が配備されている筒内噴射式エンジンの燃料噴射方法であって、
　前記一対の吸気ポートの下流端部における左右方向の外端を通り前記中央縦断面に平行な左端縦断面及び右端縦断面とシリンダボア壁面とで画成される、横断面が弓形状の左右の領域に、それぞれ前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧を２本以上指向させることにより、タンブル流動に対して略直交する方向に強い空気流動を生成することを特徴とする筒内噴射式エンジンの燃料噴射方法。
　シリンダボアを左右に等分割する中央縦断面を挟んで左右対称的に一対の吸気ポートが設けられるとともに、前記中央縦断面上に燃料を燃焼室に直接噴射するマルチホール型の燃料噴射弁が配備されている筒内噴射式エンジンの燃料噴射方法であって、
　前記燃料噴射弁から噴射される各燃料噴霧の中心軸線とシリンダボア壁面とが交差する点を噴霧交点として、前記一対の吸気ポートの下流端部における左右方向の外端を通り前記中央縦断面に平行な左端縦断面及び右端縦断面より外側に、前記噴霧交点を左右にそれぞれ２個以上ずつ合計４個以上存在させることを特徴とする筒内噴射式エンジンの燃料噴射方法。
　暖機後の所定運転条件下では、前記横断面弓形状の左右の領域を指向する燃料噴霧がピストン冠面に衝突することなくシリンダボア壁面に到達するように燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射式エンジンの燃料噴射方法。