(57)【要約】【課題】実際の燃料噴射時期が目標噴射時期から多少ずれてしまっても、燃料噴霧がキャビティ内に集り、よってトルク変動を悪化させない筒内噴射型内燃機関を提供する。【解決手段】筒内噴射型内燃機関は内燃機関のシリンダ内を往復運動するピストン１７と、シリンダ及びピストンによって画成される燃焼室２の上方周縁部に設けられた燃焼噴射弁３とを具備する。ピストンの頂部にはキャビティ２２が設けられている。燃料噴射弁はシリンダの軸線方向と垂直に延びる複数のスリット状噴孔６６を有し、これら噴孔からの燃料噴射方向は互いにシリンダの軸線方向にずれている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダ内を往復運動するピストンと、前記シリンダ及びピストンによって画成される燃焼室の上方周縁部に設けられた燃焼噴射弁とを具備し、前記ピストンの頂部にはキャビティが設けられている、筒内噴射型内燃機関において、
上記燃料噴射弁はシリンダの軸線方向と垂直に延びる出口を有する複数のスリット状噴孔を有し、これら噴孔からの燃料噴射方向は互いにシリンダの軸線方向にずれている、筒内噴射型内燃機関。
【請求項２】
シリンダの軸線方向における両スリット状噴孔から噴射される燃料噴霧のなす角度をαとし、成層燃焼運転中の燃料噴射時期におけるピストンの位置を噴射時ピストン位置とし、該噴射時ピストン位置において上記燃料噴射弁の噴孔を中心として上記燃料噴射弁から離れた側のキャビティの側壁の上部と下部とがなす角度をγとすると、上記角度αはγ／２≦α≦３γ／２となるように設定される、請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項３】
上記角度αは上記燃料噴射弁の噴孔を中心として上記燃料噴射弁から離れた側のキャビティの側壁の上部と下部とがなす角度γとほぼ同一とされる、請求項２に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項４】
上記スリット状噴孔は各燃料噴射弁に二つ設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項５】
上記シリンダの軸線方向と垂直な平面において両スリット状噴孔から噴射される燃料噴霧の内縁部のなす角度は、燃料噴射弁の先端部を中心として二つの吸気弁の内縁部のなす角度よりも大きい、請求項４に記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項６】
上記シリンダの軸線方向と垂直な平面において両スリット状噴孔から噴射される燃料噴射弁の外縁部のなす角度は、燃料噴射弁の先端部を中心として二つの吸気弁のバルブステムのなす角度よりも小さい、請求項４又は５に記載の筒内噴射方内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射型内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
成層燃焼と均質燃焼との間で燃焼形態を切替可能な筒内噴射型内燃機関が公知である。成層燃焼は、点火直前の圧縮行程に燃料を噴射して、点火プラグ付近のみに燃料を偏在させた状態で着火性の良好な混合気に点火をすることによって行われる燃焼であり、燃焼室全体としては非常に薄い混合気で燃焼が行われる。一方、均質燃焼は、吸気行程中に燃料を噴射して燃焼室全体に亘って混合気の空燃比をほぼ均一にしてから混合気に点火することによって行われる燃焼である。
【０００３】
このような燃焼形態を切替可能な筒内噴射型内燃機関では、成層燃焼を実行する際に成層化を促進するために、ピストンの頂面に部分的にキャビティが設けられており、圧縮行程中における燃料噴射時に燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティを経て点火プラグ付近に送られる。
【０００４】
このようなキャビティが設けられた筒内噴射型内燃機関では、点火プラグ付近のみに燃料を偏在させるためには燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧をキャビティ内に進入させることが必要である。また、キャビティ内に進入しなかった噴射燃料はシリンダ壁面に付着してしまい、その結果、燃料が潤滑油内に混入されてオイル希釈を招いてしまう場合がある。そこで、噴射燃料が確実にキャビティ内に進入するように、燃料噴射の終了時期を、燃料噴射弁からの燃料噴霧の中心線がキャビティ内に位置する範囲内のクランク角となるように設定することが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２９９５３９号公報
【特許文献２】特開２００２−３６４３６９号公報
【特許文献３】特開昭６３−１７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に記載されているように、燃料噴射の終了時期が燃料噴射弁からの燃料噴霧の中心線がキャビティ内に位置する範囲内のクランク角となるように燃料噴射を行おうとしても、実際に燃料噴射が行われる噴射時期が目標噴射時期からずれてしまう場合がある。
【０００７】
このように実際の燃料噴射時期が目標噴射時期からずれてしまうと、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧がキャビティ内に進入しない場合がある。このように、燃料噴霧がキャビティ内に進入しないと、上述したように噴射燃料がシリンダ壁面に付着してしまってオイル希釈を招いてしまったり、燃焼室内に形成される混合気が安定せずにトルク変動を悪化させてしまったりする。
【０００８】
従って、本発明の目的は実際の燃料噴射時期が目標噴射時期から多少ずれてしまっても、燃料噴霧がキャビティ内に集り、よってトルク変動を悪化させない筒内噴射型内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関のシリンダ内を往復運動するピストンと、前記シリンダ及びピストンによって画成される燃焼室の上方周縁部に設けられた燃焼噴射弁とを具備し、前記ピストンの頂部にはキャビティが設けられている、筒内噴射型内燃機関において、上記燃料噴射弁はシリンダの軸線方向と垂直に延びる出口を有する複数のスリット状噴孔を有し、これら噴孔からの燃料噴射方向は互いにシリンダの軸線方向にずれている。
第１の発明によれば、複数のスリット状噴孔からの燃料噴射方向が互いにシリンダの軸線方向にずれている。このため、実際の燃料噴射時期が目標噴射時期から多少ずれてしまっても、少なくとも一方のスリット状噴孔からの燃料噴霧をキャビティ内に集めることができる。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、シリンダの軸線方向における両スリット状噴孔から噴射される燃料噴霧のなす角度をαとし、成層燃焼運転中の燃料噴射時期におけるピストンの位置を噴射時ピストン位置とし、該噴射時ピストン位置において上記燃料噴射弁の噴孔を中心として上記燃料噴射弁から離れた側のキャビティの側壁の上部と下部とがなす角度をγとすると、上記角度αはγ／２≦α≦３γ／２となるように設定される。
【００１１】
第３の発明では、第２の発明において、上記角度αは上記燃料噴射弁の噴孔を中心として上記燃料噴射弁から離れた側のキャビティの側壁の上部と下部とがなす角度γとほぼ同一とされる。
【００１２】
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、上記スリット状噴孔は各燃料噴射弁に二つ設けられる。
【００１３】
第５の発明では、第４の発明において、上記シリンダの軸線方向と垂直な平面において両スリット状噴孔から噴射される燃料噴霧の内縁部のなす角度は、燃料噴射弁の先端部を中心として二つの吸気弁の内縁部のなす角度よりも大きい。
【００１４】
第６の発明では、第４又は第５の発明において、上記シリンダの軸線方向と垂直な平面において両スリット状噴孔から噴射される燃料噴射弁の外縁部のなす角度は、燃料噴射弁の先端部を中心として二つの吸気弁のバルブステムのなす角度よりも小さい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、実際の燃料噴射時期が目標噴射時期から多少ずれてしまっても、燃料噴霧をキャビティ内に集めることができ、よってトルク変動等を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１７】
図１は、本発明の筒内噴射式内燃機関の全体を表す概略図である。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための燃料噴射弁、４は点火プラグ、５は吸気マニホルド、６は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気管７を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管７内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置される。一方、排気マニホルド６は排気管１０を介して排気浄化触媒（例えば、三元触媒）１１を内蔵したケーシング１２に連結される。
【００１８】
各気筒について詳しく示す図２を参照すると、１５はシリンダブロック、１６はシリンダブロック１５上に固定されたシリンダヘッド、１７はシリンダブロック１５内で往復動するピストン、２はピストン１７とシリンダヘッド１６との間に形成された燃焼室、１８は一組の吸気ポート、１９は一組の吸気弁、２０は一組の排気ポート、２１は一組の排気弁をそれぞれ示している。吸気ポート１８は吸気マニホルド５に連通し、排気ポート２０は排気マニホルド６に連通する。シリンダヘッド１６の周縁部、すなわち燃焼室２の上面周縁部に燃料噴射弁３が配置される。また、ピストン１７の頂面上には燃料噴射弁３の下方から点火プラグ４の下方まで延びる凹状のキャビティ２２が形成されている。
【００１９】
再び図１を参照すると、各燃料噴射弁３は燃料リザーバ２５に連結される。この燃料リザーバ２５は燃料供給管２６を介して燃料タンク２７に接続される。燃料供給管２６には電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８が配置され、この燃料ポンプ２８によって燃料タンク２７内の燃料が燃料リザーバ２５に供給される。
【００２０】
ＥＣＵ４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。吸気管７には吸気管７内を通過する空気の流量を検出するエアフロメータ４９が取り付けられ、エアフロメータ４９の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。
【００２１】
また、アクセルペダル５１にはアクセルペダル５１の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５２が接続され、負荷センサ５２の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。さらに入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５３が接続され、このクランク角センサ５３により機関回転数が検出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁９駆動用のステップモータ、及び燃料ポンプ２８に接続される。
【００２２】
なお、本明細書では、図２の上方、すなわちシリンダの軸線方向であって上死点側の方向を「鉛直上方」又は「上」、図２の下方、すなわちシリンダの軸線運動方向であって下死点側の方向を「鉛直下方」又は「下」として表す。ただし、機関本体１は必ずしも上死点側が鉛直上方になるように車両等に配置される必要はなく、例えばシリンダが水平になるように機関本体１を車両等に配置してもよい。
【００２３】
次に、本実施形態で用いられる燃料噴射弁３について説明する。図３（Ａ）は燃料噴射弁３の先端部の断面側面図であり、図３（Ｂ）は燃焼噴射弁３の先端部の平面図である。図３に示したように、燃料噴射弁３は、内部に中空空間を有するほぼ円筒状のノズルボディ６１と、このノズルボディ６１の中空空間内で摺動（移動）するほぼ円柱形のニードル弁６２とを具備する。ノズルボディ６１の内壁面とニードル弁６２との間には燃料が流れる環状流路６３が画成され、この環状流路６３は燃料リザーバ２５に接続され、燃料リザーバ２５から環状流路６３に燃料が供給される。ノズルボディ６１の先端部６４はほぼ円錐状であり、この先端部６４にはサック部６５が形成されると共にノズルボディ６１を貫通する二つの噴孔６６が設けられる。
【００２４】
ニードル弁６２はノズルボディ６１の中空空間内で摺動可能であり、ニードル弁６２がリフトしてニードル弁６２の先端部６７がノズルボディ６１の内壁面から離れていると、ニードル弁６２とノズルボディ６１の内壁面との間に環状隙間６８が形成され、この環状隙間６８を通って燃料が流れ、よって噴孔６６から燃料が噴射される。
【００２５】
図３（Ｂ）に示したように、二つの噴孔６６はスリット状に形成されている。また、これらスリット状噴孔６６の出口は互いにオフセットされた状態で平行に延びる。本実施形態では、燃料噴射弁３は、スリット状噴孔６６の出口がシリンダの軸線方向に対して垂直な方向に延びるように、シリンダヘッド１６に取り付けられ、よって一方のスリット状噴孔６６ａは他方のスリット状噴孔６６ｂよりも上方に位置することになる。また、これらスリット状噴孔６６ｂは、燃料噴射弁３の軸線の両側にそれぞれ一つずつ配置される。
【００２６】
図４（Ａ）は燃料噴射弁３の平面図、図４（Ｂ）は燃料噴射弁３の側面図をそれぞれ示している。上述したように構成された燃料噴射弁３では、図４（Ａ）に示した平面図において、両スリット状噴孔６６からの燃料噴霧は燃料噴射弁３の軸線を中心に両側に分かれている。すなわち、燃料噴射弁３の先端部６４の噴射方向左側に設けられた噴孔６６ａからの燃料噴霧は燃料噴射弁３の軸線に対して斜め左向きに噴射され、燃料噴射弁３の先端部６４の噴射方向右側に設けられた噴孔６６ｂからの燃料噴霧は燃料噴射弁３の軸線に対して斜め右向きに噴射される。
【００２７】
また、図４（Ｂ）に示した側面図では、両スリット状噴孔６６からの燃料噴霧の噴射方向は上下にずれている。すなわち、上方に位置するスリット状噴孔６６ａからの燃料噴霧は、下方に位置するスリット状噴孔６６ｂからの燃料噴霧よりも上向きに噴射される。
【００２８】
なお、以下では、図４（Ａ）に示した平面図において、左右に噴射された燃料噴霧の軸線間の角度を水平噴射角（図中の角度θ）、左右に噴射された各燃料噴霧が燃料噴射弁３の各噴孔６６を中心として広がる角度を水平噴霧角（図中の角度ψ）として説明する。また、左右に噴射された燃料噴霧の内縁部（内側の境界）間の角度を内側水平噴射角（図中の角度θi）、左右に噴射された燃料噴射の外縁部（外側の境界）間の角度を外側水平噴射角（図中の角度θo）として説明する。さらに、図４（Ｂ）に示した側面図において、上下に噴射された燃料噴霧の軸線間の角度を鉛直噴霧角（図中の角度α）、上下に噴射された各燃料噴霧が燃料噴射弁３の各噴孔６６を中心として広がる角度を鉛直噴霧角（図中の角度β）として説明する。
【００２９】
本実施形態では、スリット状噴孔６６から燃料噴射が行われているため、図４から分かるように、各燃料噴霧の水平噴霧角ψは鉛直噴霧角βよりも大きい。従って、図４（Ａ）に示したように、燃料噴射弁３から噴射された燃料噴霧全体として水平方向には広がっているが、鉛直方向にはあまり広がっていない。
【００３０】
なお、上記実施形態では、噴孔が二つの燃料噴射弁３を例として示しているが、噴孔の数が三つ以上の燃料噴射弁３を用いることもできる。この場合にも、各噴孔はスリット状とされると共に各スリット状噴孔の出口が水平方向に延びるように構成される。
【００３１】
ところで、本実施形態の内燃機関では、燃焼室２内において主に二つの燃焼形態、すなわち均質燃焼と成層燃焼とにより混合気の燃焼が行われる。均質燃焼は、吸気行程中又は圧縮行程初期に燃料を噴射して燃焼室２全体に亘って混合気の空燃比をほぼ均一にしてから混合気に点火することにより行われる燃焼であり、燃焼室２全体の混合気の空燃比はほぼ理論空燃比となっている状態で燃焼が行われる。均質燃焼は、大きな出力トルクを得やすいため、機関高負荷運転時等に行われる。
【００３２】
一方、成層燃焼は、点火直前の圧縮行程中に燃料を噴射して、燃焼室２内において点火プラグ４近傍のみに燃料を偏在させた状態で混合気に点火することにより行われる燃焼であり、燃焼室２全体の混合気の空燃比はリーンとなっている状態で燃焼が行われる。成層燃焼では、燃料噴射量の少ない機関低負荷運転時においてもスロットルの絞りを小さくすることができ、よってポンピング損失を低減することができる。また、燃焼は主に点火プラグ４近傍のみで行われるため、冷却損失も低減でき、ひいては燃費性能を大幅に向上させることができる。
【００３３】
図５は、成層燃焼運転中に燃料噴射弁３から燃料噴射が行われる場合を示している。成層燃焼運転中には、上述したように点火直前の圧縮行程中に燃料噴射弁３からの燃料噴射が行われる。従って、燃料噴射弁３からの燃料噴射が行われるときには、ピストン１７は図５に示したように上死点付近に位置することになる。逆に言うと燃料噴射弁３からの燃料噴射は、ピストン１７が図５に示した位置にあるときに行われる。
【００３４】
より詳細には、本実施形態では、燃料噴射弁３からの燃料噴霧は、全体として燃料噴射弁３から離れた側におけるキャビティ２２の側壁２２ａに向かうように噴射される。また、本実施形態では、燃料噴射弁３の噴孔６６を中心としてキャビティ２２の側壁２２ａの上部２２ｂと下部２２ｃとがなす角度（以下、「側壁上下間角度」という）をγとすると、鉛直噴射角αはγ／２≦α≦３γ／２となるように、好ましくはγ／２≦α≦γとなるように、より好ましくはα≒γとなるように設定される。以下では、鉛直噴射角αを側壁上下間角度γとほぼ同一（α≒γ）とした場合について説明する。
【００３５】
鉛直噴射角αを側壁上下間角度γとほぼ同一とすると、上方に位置するスリット状噴孔６６ａからの燃料噴霧（すなわち、上向きの燃料噴霧）はその中心軸線がキャビティ２２の側壁２２ａの上部２２ｂに向かうように噴射され、下方に位置するスリット状噴孔６６ｂからの燃料噴霧（すなわち、下向きの燃料噴霧）はその中心軸線がキャビティ２２の側壁２２ａの下部２２ｃに向かうように噴射される。
【００３６】
次に、上述したように構成された燃料噴射弁３の利点について説明する。
上述した本発明の実施形態とは異なり、スリット状噴孔を一つのみ有している燃料噴射弁を、スリット状噴孔の出口がシリンダの軸線方向に対して垂直な方向に延びるようにシリンダヘッドに取り付けることが提案されている。このように構成された燃料噴射弁では、燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期（目標噴射時期）に行われると、図６（Ａ）に示したように燃料噴射弁からの燃料噴霧のほとんどはキャビティ２２の側壁２２ａに向けて噴射される。キャビティ２２の側壁２２ａに衝突した燃料噴霧は跳ね返ってキャビティ２２内に集まる。これにより点火プラグ４による点火時期には点火プラグ４の周りに混合気が集まっており、この混合気に点火することによって良好な成層燃焼が行われる。
【００３７】
ところが、スリット状噴孔を一つのみ有する燃料噴射弁では、燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期よりもずれると、点火プラグ４の周りに混合気が集まらず、よって良好な成層燃焼を得ることができない。例えば、燃料噴射弁からの噴射時期が遅角側にずれた場合、図６（Ｂ）に示したように燃料噴射弁からの燃料噴霧のほとんどはキャビティ２２の側壁２２ａではなく底壁に向けて噴射される。キャビティの底壁に衝突した燃料噴霧は底壁で跳ね返ってもキャビティ２２内には集まらず、キャビティ２２の外へ抜け出てしまう。このため、点火プラグ４による点火時期には点火プラグ４の周りに混合気が適切に集まっておらず、この混合気に点火しても良好な成層燃焼が行われない。
【００３８】
一方、燃料噴射弁からの噴射時期が進角側にずれた場合、図６（Ｃ）に示したように燃料噴射弁からの燃料噴射のほとんどはキャビティ２２を越えてキャビティ２２外のピストン１７の上面に向けて噴射される。そして、ピストン１７の上面に衝突した燃料噴霧はピストン１７の上面で跳ね返ってもキャビティ２２内には戻らずにシリンダの壁面に向かって流れる。このため、燃料噴射弁からの燃料噴射時期が遅角側にずれた場合にも点火プラグ４による点火時期には点火プラグ４の周りに混合気が適切に集まっておらず、この混合気に点火しても良好な成層燃焼が行われない。このように、スリット状噴孔を一つのみ有する燃料噴射弁では、燃料噴射弁からの燃料噴射が最適な時期よりもずれると、良好な成層燃焼を得ることができない場合がある。
【００３９】
そこで、燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期から多少ずれても燃料噴霧がキャビティ内に集まるように、キャビティの形状を工夫することが提案されている。このようなキャビティの形状の工夫としては、例えば、図７（Ａ）に示したように、燃料噴射弁から離れた側のキャビティ２２’の側壁の高さｈを高くすることが挙げられる。キャビティ２２’の側壁の高さを高くすることにより、燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期から多少ずれても燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧はキャビティ２２’の側壁に衝突し、その結果、燃料噴霧はキャビティ２２’内に集まり易くなる。従って、燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期から多少ずれても点火プラグ４による点火時期には点火プラグ４の周りに混合気が集まることになり、その結果、比較的良好な成層燃料が行われる。
【００４０】
或いは、キャビティの形状の工夫として、例えば図７（Ｂ）に示したように、燃料噴射弁から離れた側のキャビティ２２’’の側壁にそり返し部２２ｄを設けることが挙げられる。そり返し部２２ｄでは、図７（Ｂ）に示したように、キャビティ２２’’の側壁が内側に湾曲している。このようにキャビティ２２’’の側壁にそり返し部２２ｄを設けることにより、燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期よりも多少遅角側にずれた場合であっても比較的良好な成層燃焼が行われる。すなわち、燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期よりも遅角側にずれた場合には、図６（Ｂ）に示したように燃料噴霧のほとんどはキャビティ２２’’の側壁ではなく底壁に向けて噴射されることになるが、キャビティ２２の底壁に衝突した燃料噴霧は底壁で跳ね返った後にそり返し部２２ｄに流入する。そり返し部２２ｄに流入した燃料噴霧はそり返し部２２ｄ内で旋回してキャビティ２２’’内に戻される。このため、キャビティ２２’’の底壁に衝突した燃料噴霧がそのままキャビティ２２’’の外へ抜け出てしまうことが抑制される。従って、燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期から多少遅角側にずれても点火プラグ４による点火時期には点火プラグ４の周りに混合気が集まることになり、その結果、比較的良好な成層燃料が行われる。
【００４１】
ところが、図７（Ａ）に示したようにキャビティ２２’の側壁の高さｈを高くすると、必然的にキャビティ２２’の容積が大きくなってしまう。このため、ピストン１７が上死点にあるときにもピストン１７とシリンダヘッド１６との間には比較的大きな空間ができてしまうことになり、高圧縮比にすることができない。
【００４２】
また、キャビティの側壁２２’の高さｈを高くすると、キャビティ底面とピストン底面との間のピストン１７の厚みｔが小さくなり、ピストン１７の強度低下を招いてしまう。逆に、ピストン１７の強度低下を回避するためにキャビティ底面とピストン底面との間のピストン１７の厚みｔを大きくすると、ピストン全体の重量が増大し、ひいてはフリクションの増大を招いてしまう。
【００４３】
また、図７（Ｂ）に示したように、キャビティ２２’’の側壁にそり返し部２２ｄを設けると、そり返し部２２ｄの上部等において局所的に応力が大きくなってしまい、その結果、ピストンの強度低下を招いてしまう。また、そり返し部２２ｄを有する側壁は鉛直に延びる側壁に比べてその製造加工が困難であるため、ピストンの製造コストの増大を招いてしまう。
【００４４】
このようにキャビティ形状の工夫により燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期から多少ずれても燃料噴霧がキャビティ内に集まるようにすることができるが、その反面、圧縮比の低下、フリクションの増大、ピストン１７の強度低下又は製造コストの増大等を招いてしまう。従って、燃料噴射弁からの噴射時期が最適な時期から多少ずれても燃料噴霧がキャビティ２２内に集まるようにするのにキャビティ形状を工夫するだけでは十分な対応策であるとは言えない。
【００４５】
ここで、本発明の実施形態では、上述したようにスリット状噴孔６６からの燃料噴霧の噴射方向は上下にずれている。これにより、燃料噴射弁３からの噴射時期が最適な時期からずれたとしても、点火プラグ４の周りに混合気を集めることができ、よって良好な成層燃焼を得ることができる。以下では図８を参照してこの理由について説明する。
【００４６】
まず、このように構成された燃料噴射弁３では、噴射時期が最適な時期（目標噴射時期）に行われると、図８（Ａ）に示したように、相対的に上向きに噴射された燃料噴霧も相対的に下向きに噴射された燃料噴霧もほとんどはキャビティ２２の側壁２２ａに向けて噴射され、キャビティ２２の側壁２２ａに衝突する。キャビティ２２の側壁２２ａに衝突した燃料噴霧は跳ね返ってキャビティ２２内に集まる。従って、相対的に上向きに噴射された燃料噴霧及び相対的に下向きに噴射された燃料噴霧のほとんどがキャビティ２２内に集まることになる。これにより、点火プラグ４による点火時期には点火プラグ４の周りに混合気が集まっており、この混合気に点火することによって良好な成層燃焼を行わせることができる。
【００４７】
また、例えば、燃料噴射弁３からの噴射時期が遅角側にずれた場合、図８（Ｂ）に示したように、相対的に下向きに噴射された燃料噴霧のほとんどはキャビティ２２の側壁２２ａではなく底壁に向けて噴射される。キャビティ２２の底壁に衝突した燃料噴霧は上述したように底壁で跳ね返ってもキャビティ２２内には集まらず、キャビティ２２の外へ抜け出てしまう。しかしながら、相対的に上向きに噴射された燃料噴霧のほとんどは、燃料噴射弁３からの噴射時期が遅角側にずれても、キャビティ２２の側壁２２ａに向けて噴射され、キャビティ２２の側壁２２ａに衝突し、キャビティ２２内に集まる。従って、少なくとも相対的に上向きに噴射された燃料噴霧のほとんどはキャビティ２２内に集まるため、点火プラグ４による点火時期には点火プラグ４の周りに混合気が集まり、よって、比較的良好な成層燃焼を行わせることができる。
【００４８】
一方、例えば、燃料噴射弁からの噴射時期が進角側にずれた場合、図８（Ｃ）に示したように、相対的に上向きに噴射された燃料噴霧のほとんどはキャビティ２２を越えてキャビティ２２の外のピストン１７の上面に向けて噴射される。ピストン１７の上面に衝突した燃料噴霧はピストン１７の上面で跳ね返ってもキャビティ２２内には戻らずにシリンダの壁面に向かってしまう。しかしながら、相対的に下向きに噴射された燃料噴霧のほとんどは、燃料噴射弁３からの噴射時期が進角側にずれても、キャビティ２２の側壁２２ａに向けて噴射され、キャビティ２２の側壁２２ａに衝突し、キャビティ２２内に集まる。従って、少なくとも相対的に下向きに噴射された燃料噴霧のほとんどはキャビティ２２内に集まるため、点火プラグ４による点火時期には点火プラグ４の周りに混合気が集まり、よって、比較的良好な成層燃焼を行わせることができる。
【００４９】
本実施形態の燃料噴射弁３では、燃料噴射時期が最適な噴射時期よりもずれた場合であっても、上向きに噴射された燃料噴霧及び下向きに噴射された燃料噴霧のいずれか一方がキャビティ２２の側壁２２ａに向けて噴射されることになるため、燃料噴射弁３から噴射された燃料の多くがキャビティ２２内に集まり、よって点火プラグ４による点火時期には点火プラグ４の周りに混合気を偏在させることができる。
【００５０】
すなわち、燃料噴射時期を進角させても燃料噴射弁３から噴射された燃料の多くをキャビティ２２内に集めることができるクランク角度を進角限界角度とし、燃料噴射時期を遅角させても燃料噴射弁３から噴射された燃料の多くをキャビティ２２内に集めることができるクランク角度を遅角限界角度とすると、本実施形態の燃料噴射弁３では進角限界角度と遅角限界角度との間の角度を拡大することができる。従って、燃料噴射弁３からの噴射時期の設定自由度が高いということができる。
【００５１】
図９は、燃料噴射弁３からの噴射時期とトルク変動との関係を示す図である。ここで、トルク変動とは燃焼室２内での混合気の燃焼によって得られるトルクのサイクル毎の変化の大きさを示している。トルク変動が大きいほど、混合気の燃焼によって得られるトルクのサイクル毎の変化が大きく、機関本体１の振動が大きくなりドライバビリティが悪化する。すなわち、トルク変動の大きさは成層混合気の均質性を表しているといえる。また、図９中の破線はトルク変動を許容できる限界値（トルク変動許容値）を示しており、トルク変動がこのトルク変動許容値以下であればドライバビリティの大きな悪化を招いてしまうことはない。
【００５２】
図９において、三角印で示された噴射時期とトルク変動との関係は、燃料噴射弁のスリット状噴孔が一つであってピストン１７の頂面に形成されたキャビティ２２の高さｈが低い場合、すなわち燃料の噴射形態が図６に示した形態であってキャビティ２２の形状が図６に示した形状となっている場合の関係を示している。この場合、図９から分かるように、発生するトルク変動がトルク変動許容値以下となっているのは噴射時期が時期Ｔ3〜Ｔ4の範囲内にあるときのみであり、噴射時期が最適な時期から多少でもずれてしまうと大きなトルク変動が起きてしまう。これは、噴射時期が最適な時期からずれるとキャビティ２２内に燃料噴霧が集まらず、燃焼室２内の混合気が不均質になってしまうためだと考えられる。
【００５３】
一方、図９において、四角印で示された噴射時期とトルク変動との関係は、燃料噴射弁のスリット状噴孔が一つであってピストン１７の頂面に形成されたキャビティ２２の高さｈが高いと共にキャビティ２２の側壁にそり返し部２２ｄが形成されている場合、すなわち燃料の噴射形態が図６に示した状態であってキャビティ２２の形状が図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示した両形状を合わせた形状となっている場合の関係を示している。この場合、図９から分かるように、発生するトルク変動がトルク変動許容値以下となっているのは噴射時期が時期Ｔ2〜Ｔ6の範囲内にあるときであり、比較的広い噴射時期の範囲でトルク変動が許容値以下となるため噴射時期が最適な時期から多少ずれても大きなトルク変動は起きない。これは、噴射時期が最適な時期からずれてもキャビティ２２内に燃料噴霧が集まり、キャビティ２２内に混合気を偏在させることができることによるものだと考えられる。
【００５４】
さらに、図９において、丸印で示された噴射時期とトルク変動との関係は、燃料噴射弁３のスリット状噴孔６６が二つであってこれら噴孔６６から噴射される燃料噴霧の鉛直噴射角αがほぼ側壁上下間角度γと同一であると共にピストン１７の頂面に形成されたキャビティ２２の高さｈが低い場合、すなわち図８に示した本実施形態の燃料噴射弁３を用いた場合の関係を示している。この場合、図９から分かるように、四角印の場合と同様に、発生するトルク変動がトルク変動許容値以下となっているのは噴射時期が時期Ｔ2〜Ｔ6の範囲内にあるときであり、比較的広い噴射時期の範囲でトルク変動が許容値以下となるため噴射時期が最適な時期から多少ずれても大きなトルク変動は起きない。これも、上記四角印の場合と同様に、噴射時期が最適な時期からずれてもキャビティ２２内に燃料噴霧が集まり、キャビティ２２内に混合気を偏在させることができることによるものだと考えられる。
【００５５】
なお、時期Ｔ2〜Ｔ6において丸印の場合の方が四角印の場合に比べてトルク変動が大きい。これは、本実施形態の燃料噴射弁３を用いた場合（丸印の場合）には、燃料噴射時期が最適な時期から多少ずれたときには必ずしも燃料噴射弁３から噴射された燃料の全てがキャビティ２２の側壁２２ａに向かって噴射されるわけではないのに対して、図７に示したようにキャビティ２２の形状を変更した場合（四角印の場合）には、燃料噴射時期が最適な時期から多少ずれたときであっても燃料噴射弁３から噴射された燃料のほとんどはキャビティ２２の側壁２２ａに向かって噴射されることによるものであると考えられる。
【００５６】
ところで、本実施形態では、燃料噴射弁３からの燃料噴霧は上述したようにシリンダの軸線方向において鉛直噴射角αが側壁上下間角度γとほぼ同一になるように行われるが、シリンダの軸線方向と垂直な平面（すなわち、燃焼室２をシリンダの軸線方向から見た場合）においても一定の噴射角及び噴霧角で燃料噴射が行われる。
【００５７】
図１０は各気筒の筒内から見たシリンダヘッドの概略底面図である。なお、図を分かり易くするために、排気弁２１は省略されている。燃料噴射弁３からの各燃料噴霧は、シリンダの軸線方向と垂直な平面において、それぞれ直線ｘと直線ｙとの間の角度範囲内で広がるように噴射される。ここで、直線ｘは、燃料噴射弁３の先端部６４から吸気弁１９の内縁部に接するように延びる直線であり、直線ｙは、燃料噴射弁３の先端部６４から吸気弁１９のバルブステム１９ａに接するように延びる直線である。
【００５８】
すなわち、シリンダの軸線方向と垂直な平面において両スリット状噴孔６６から噴射される燃料噴霧の内縁部のなす角度（内側水平噴射角。図４中のθi）は、燃料噴射弁３の先端部６４を中心として二つの吸気弁１９の内縁部のなす角度Ｘよりも大きい（θi＞Ｘ）。
【００５９】
ここで、均質燃焼運転中には図１１中に矢印で示したように両吸気弁１９間にタンブル流が発生する。このように燃焼室２内に発生したタンブル流に向けて燃料噴射を行うと、燃料噴射弁３から噴射された燃料噴霧がタンブル流と干渉してしまい、タンブル流を弱めてしまう結果になる。これに対して、本実施形態では、両スリット状噴孔６６から噴射される燃料噴霧の内縁部のなす角度θiが図１０中の角度Ｘよりも大きくなるように燃料噴射が行われるため、燃料噴射弁３からの燃料噴霧は両吸気弁１９の間に生じるタンブル流の主流には干渉しない。このため、本実施形態の燃料噴射弁３によれば、燃料噴射弁３からの燃料噴霧によってタンブル流が弱められることが抑制される。
【００６０】
また、シリンダの軸線方向と垂直な平面において両スリット状噴孔から噴射される燃料噴霧の外縁部のなす角度（外側水平噴射角。図４中のθo）は、燃料噴射弁３の先端部６４を中心として吸気弁１９のバルブステム１９ａのなす角度Ｙよりも小さい（θo＜Ｙ）。
【００６１】
このように両スリット状噴孔６６から噴射される燃料噴霧の外縁部のなす角度θoを図１０中の角度Ｙよりも小さくすることにより、燃料噴霧が吸気弁１９のバルブステム１９ａに衝突してしまうことが防止される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の筒内噴射式内燃機関の全体を表す概略図である。
【図２】本発明の筒内噴射式内燃機関本体の断面側面図である。
【図３】燃料噴射弁の先端部の断面側面図及び平面図である。
【図４】燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の噴霧形態を説明するための図である。
【図５】成層燃焼運転中における燃料噴射弁からの燃料噴射方向を説明するための図である。
【図６】スリット状噴孔を一つのみ有している燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴霧形態を示す図である。
【図７】燃料噴射時期が最適な時期から多少ずれても燃料噴霧がキャビティ内に集まるようなキャビティの形状の例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態の燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴霧形態を示す図である。
【図９】燃料噴射弁からの噴射時期とトルク変動との関係を示す図である。
【図１０】各気筒の筒内から見たシリンダヘッドの概略底面図である。
【図１１】燃焼室内に生じるタンブル流を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１    機関本体
２    燃焼室
３    燃料噴射弁
４    点火プラグ
１７    ピストン
１９    吸気弁
２１    排気弁
２２    キャビティ
２２ａ    側壁
６６    噴孔
【図１】
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【図２】
2010024855.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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