(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドとピストンとの間に形成される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室内に形成された混合気に着火する点火栓とを備えた直噴型火花点火式内燃機関であって、
前記燃焼室は、略円錐状ないし三角形状の上側容積部と略円柱状の下側容積部とからなり、
前記点火栓は、シリンダの略中心に対応してシリンダヘッドに設けられ、その先端側が燃焼室内に臨んでおり、
前記燃料噴射弁は、シリンダ側寄りに位置してシリンダヘッドの下側に設けられ、圧縮上死点に近い点火時期近傍で、偏平状の燃料噴霧を、前記シリンダヘッドの壁面及び前記ピストンの冠面の双方に対してクリアランスを確保しつつ、対向するシリンダの内壁へ向けて前記ピストンの冠面に対して略水平に噴射することを特徴とする直噴型火花点火式内燃関。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は、噴射弁本体と、該噴射弁本体の先端側に形成された一対の噴射孔とを備え、前記各噴射孔の出口部中心を結ぶ線が前記ピストンの冠面に対して略垂直となるように該各噴射孔を配置すると共に、噴射燃料が前記燃焼室内で互いに衝突するように前記各噴射孔の噴射軸線を設定したことを特徴とする請求項１に記載の直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、前記各噴射孔出口部の断面積の平方根の比が１．２５〜３．５０の範囲となるように設定したことを特徴とする請求項２に記載の直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項４】
前記燃料噴霧は、ピストンの上昇につれてシリンダヘッド側に押し上げられ、点火栓の近傍に成層化された混合気を形成することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃焼室内に噴射された燃料を点火栓によって着火する直噴型火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室内に燃料を直接的に噴射して混合気を形成し、この混合気を点火栓によって強制着火するようにした直噴型火花点火式内燃機関は、例えば特開昭６３−２１５８１７号等によって提案されている。
【０００３】
そこで、この種の従来技術による直噴型火花点火式内燃機関について、前記特開昭６３−２１５８１７号公報に記載のものを例に挙げ、図１０を参照して説明する。
【０００４】
シリンダ１００の上端側はシリンダヘッド１０１によって施蓋され、シリンダ１００内に設けられたピストン１０２とシリンダヘッド１０１との間には燃焼室１０３が画成されている。また、シリンダヘッド１０１には、吸気通路１０４と排気通路１０５とが形成され、これら吸気通路１０４，１０５と燃焼室１０３とは、吸気弁１０６，排気弁１０７を介して接続されている。
【０００５】
点火栓１０８は、シリンダ１００の略中心に対応してシリンダヘッド１０１に設けられており、燃料噴射弁１０９は、この点火栓１０８を指向するようにしてシリンダ１００に設けられている。
【０００６】
従来技術による直噴型火花点火式内燃機関は、概ね上述の如き構成を有するもので、ピストン１０２が上昇して上死点近傍に達すると、燃料噴射弁１０９は、点火栓１０８の電極部に向けて円錐状に広がる燃料を噴射する。そして、この噴射燃料は、点火栓１０８の近傍で気化して混合気を形成し、この混合気は点火栓１０８によって着火される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術によるものでは、点火栓１０８に向けて燃料を噴射することにより、点火栓１０８の近傍に混合気を形成して、希薄燃焼（リーンバーン）時に必要な混合気の成層化（成層燃焼）の実現を図っている。しかし、点火栓１０８に向けて燃料を噴射する構成のため、燃料の液滴が点火栓１０８の電極部やシリンダヘッド１０１の壁面等に付着し易い。特に、機関要求燃料が増大する高負荷走行時には、点火栓１０８やシリンダヘッド１０１に衝突、付着する燃料の量が増大し易い。従って、点火栓１０８に「かぶり」や「くすぶり」等の現象が発生して、着火ミス等を招来する可能性がある上に、シリンダヘッド１０１の壁面等に付着した燃料が壁流と化し、これによりＨＣ等の排気エミッションが悪化するおそれもある。
【０００８】
本発明はかかる従来技術の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、点火栓やシリンダヘッド等に噴射燃料が付着して壁流と化すのを防止しつつ、成層燃焼を実現できるようにした直噴型火花点火式内燃機関を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明に係る直噴型火花点火式内燃機関が採用する構成は、シリンダヘッドとピストンとの間に形成される燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室内に形成された混合気に着火する点火栓とを備えた直噴型火花点火式内燃機関であって、
前記燃焼室は、略円錐状ないし三角形状の上側容積部と略円柱状の下側容積部とからなり、
前記点火栓は、シリンダの略中心に対応してシリンダヘッドに設けられ、その先端側が燃焼室内に臨んでおり、
前記燃料噴射弁は、シリンダ側寄りに位置してシリンダヘッドの下側に設けられ、圧縮上死点に近い点火時期近傍で、偏平状の燃料噴霧を、前記シリンダヘッドの壁面及び前記ピストンの冠面の双方に対してクリアランスを確保しつつ、対向するシリンダの内壁へ向けて前記ピストンの冠面に対して略水平に噴射することを特徴とする。
【００１０】
また、前記燃料噴射弁は、噴射弁本体と、該噴射弁本体の先端側に形成された一対の噴射孔とを備え、前記各噴射孔の出口部中心を結ぶ線が前記ピストンの冠面に対して略垂直となるように該各噴射孔を配置すると共に、噴射燃料が前記燃焼室内で互いに衝突するように前記各噴射孔の噴射軸線を設定する構成とするのが好ましい。
【００１１】
さらに、前記燃料噴射弁は、前記各噴射孔出口部の断面積の平方根の比が１．２５〜３．５０の範囲となるように設定するのがより好ましい。
【００１２】
【作用】
点火時期近傍で、偏平状の燃料噴霧を前記ピストンの冠面に対して略水平に噴射する構成とすれば、圧縮空気の温度が上昇している雰囲気中において、ピストン冠面及びシリンダヘッドのいずれにも実質的に衝突することなく燃焼室内に燃料を供給することができる。そして、この供給された燃料噴霧は、ピストンの上昇につれて気化が進行しつつシリンダヘッド側に押し上げられるため、点火栓の近傍に混合気が形成され、この混合気の成層化は点火まで維持される。
【００１３】
また、燃料噴射弁は、噴射弁本体と、噴射弁本体の先端側に形成された一対の噴射孔とを備え、各噴射孔の出口部中心を結ぶ線がピストンの冠面に対して略垂直となるように各噴射孔を配置すると共に、噴射燃料が燃焼室内で互いに衝突するように各噴射孔の噴射軸線を設定すれば、微粒化された偏平で薄い燃料噴霧をピストンの冠面に対して略水平に噴射することができる。
【００１４】
さらに、前記燃料噴射弁は、各噴射孔出口部の断面積の平方根の比が１．２５〜３．５０の範囲となるように設定すれば、各噴射孔から噴射された燃料が衝突するときに、衝突面積を確保しつつ強い共振現象を得ることができ、一層微粒化を促進することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図１〜図９に基づいて説明する。
【００１６】
まず、図１は、本発明の実施例に係る直噴型火花点火式内燃機関の要部を示す構成説明図であって、図示せぬ機関本体のシリンダブロックには例えば４個等の複数のシリンダ１（１個のみ図示）が設けられており、各シリンダ１の上側開口部はシリンダヘッド２によって気密に施蓋されている。また、シリンダ１内にはピストン３が摺動可能に設けられ、このピストン３の冠面３Ａとシリンダヘッド２との間には、略円錐状ないし三角形状の上側容積部４Ａと略円柱状の下側容積部４Ｂとからなる４弁ペントルーフ型の燃焼室４が画成されている。なお、これに限らず、半球状等の他の形式の燃焼室であってもよい。
【００１７】
シリンダヘッド２には、互いに対向して吸気通路５，排気通路６が設けられ、これら吸気通路５，排気通路６は、それぞれ二股に分岐した吸気ポート５Ａ，排気ポート６Ａを介して燃焼室４と連通している。そして、これら各吸気ポート５Ａ，排気ポート６Ａは、図外の動弁機構によって駆動される各吸気弁７，排気弁８により、それぞれ開閉されるようになっている。
【００１８】
点火栓９は、シリンダ１の略中心に対応してシリンダヘッド２に設けられ、その先端側が燃焼室４内に臨んでいる（点火栓９の電極部のみ図示）。そして、この点火栓９は、図外の点火装置によって給電されることにより火花を発生し、混合気を着火するものである。
【００１９】
燃料噴射弁１０は、シリンダ１側寄りに位置してシリンダヘッド２の下側に設けられており、図２の平面図に示す如く、略扇状の偏平な燃料噴霧をピストン３の冠面３Ａに対して略水平に噴射するものである。即ち、本実施例による燃料噴射弁１０は、図３の部分断面図に示す如く、比較的薄肉で偏平状の燃料噴霧を、シリンダヘッド２の壁面及びピストン３の冠面３Ａの双方に対してクリアランスを確保しつつ、対向するシリンダ１の内壁に向けて略水平に噴射するようになっている。
【００２０】
次に、図４及び図５を参照して、燃料噴射弁１０の構成を詳述する。図４は、燃料噴射弁１０の要部を拡大して示す断面図であって、噴射弁本体１１の一部を構成する段付筒状のケーシング１２内には、コイル等からなる電磁アクチュエータ１３がヨーク１４を介して取り付けられ、電磁アクチュエータ１３の内周側中空部には、磁性材料から略円柱状に形成されたコア１５が設けられている。
【００２１】
弁体１６は、磁性材料から略半球状に形成され、ケーシング１２内に配設されている。この弁体１６の基端側外周には、弾性を有する薄肉な複数の支持部１６Ａが径方向外向きに突出して一体的に形成され、これら各支持部１６Ａの端部は、ヨーク１４とケーシング１２との間で挾持固定されている。また、この弁体１６は、コイルスプリング１７と板ばね１８とによって、常時閉弁方向に向けて付勢されており、電磁アクチュエータ１３が励磁されて吸引力を発生したときに、ばね力に抗して開弁するようになっている。
【００２２】
ケーシング１２の一端側（先端側）には、弁体１６が離着座するための弁座部１９が径方向内向きに突出して形成され、この弁座部１９に弁体１６が着座することにより、噴孔１９Ａが閉塞されて、燃料供給配管（図示せず）からの燃料が溜まる燃料溜まり２０と後述のノズル部材２１とが隔離される。
【００２３】
ノズル部材２１は、ケーシング１２の一端側を施蓋して液密に装着され、互いに口径の異なる一方の噴射孔２２，他方の噴射孔２３がそれぞれ斜めに穿設されている。
【００２４】
すなわち、図５に示す如く、一方の噴射孔２２は、その出口部２２Ａが長径寸法ＤＬ1及び短径寸法ＤＳ1を有する大楕円状に形成され、その軸線Ｘ1−Ｘ1が燃料噴射弁１０の軸線Ｏ−Ｏに対して所定角度θ1だけ傾斜するように穿設されている。また、他方の噴射孔２３は、その出口部２３Ａが長径寸法ＤＬ2及び短径寸法ＤＳ2を有する小楕円状に形成され、その軸線Ｘ2−Ｘ2が前記軸線Ｏ−Ｏに対して所定角度θ2だけ傾斜するように穿設されている。ここで、前記燃料噴射弁１０の軸線Ｏ−Ｏは、弁体１６の開閉方向と略一致し、ピストン３の冠面３Ａに対して平行である。また、後述の理由により、各噴射孔２２，２３の軸中心を結ぶ線Ｃ−Ｃは、ピストン３の冠面３Ａと平行な線Ｈ−Ｈに対して垂直となっている。
【００２５】
そして、各噴射孔２２，２３の噴射軸線Ｘ1−Ｘ1，Ｘ2−Ｘ2は、軸線Ｏ−Ｏ上の点ＣＰで交差し、この交差点ＣＰで各噴射孔２２，２３から噴射された燃料が互いに衝突するようになっている。なお、各噴射軸線Ｘ1−Ｘ1，Ｘ2−Ｘ2が同一平面上の一点で交差せず、軸間距離がある場合でも、噴射された液体が互いに衝突するように各噴射孔２２，２３を設けることも可能である。
【００２６】
ここで、前記各噴射孔２２，２３は、その出口部２２Ａ，２３Ａの断面積Ｓ1，Ｓ2の正の平方根の比α（α＝（Ｓ1）1/2／（Ｓ2）1/2）が、後述する理由により「１．２５〜３．５０」の範囲内の値となるように設定されている。
【００２７】
次に、本発明をなすにあたり、独自に知見された各噴射孔２２，２３の出口部２２Ａ，２３Ａの断面積の平方根の比（以下、「口径比α」という）と共振との関係等について図６を参照しつつ説明する。
【００２８】
即ち、図６は、口径比αと非線形的な引き込み現象である共振現象との関係を示す特性図であり、口径比αを１〜４．５の範囲で変化させると、衝突時に生じる共振の強さに非線形的変化を生じることが知見された。具体的には、口径比αを「１．２５」に上げると、共振の強さが従来技術と同程度以上のレベルに上昇し、口径比αが「１．５付近」になると共振の強さは最大レベルに達する。そして、さらに口径比αを上げると共振の強さは徐々に小さくなり、口径比αが「３．５」になると共振の強さは再び従来技術と同程度のレベルとなる。
【００２９】
従って、口径比αを「１．２５〜３．５０」に設定すれば、従来技術よりも強い共振を得られることが理解でき、この強い共振現象を利用して燃料の微粒化を図ることができる。
【００３０】
一方、図７は、独自に知見された口径比αと燃料の衝突面積との関係を示す特性図であって、口径比αを「１」から上げていくと、これに伴って燃料の衝突面積の割合が２次曲線的，指数関数的に低下する。即ち、口径比αが「３．５」を越えると、衝突しない部分の面積割合が大きくなって（約９０％以上）、片方の噴霧が他方を貫通してしまい、微粒化しなくなる。
【００３１】
従って、口径比αを「３．５」を越えて設定しても、口径比αが「１」のときよりも強い共振は得られず、微粒化を図れないばかりか、燃料の衝突面積の割合がβ2に低下するため、両者の相乗効果として得られる微粒化燃料の総量は、結果的に減少する。一方、口径比αが「１．２５」の場合、衝突面積の割合はやや低い値β1をとるものの、その低下率は小さい。
【００３２】
そこで、本発明では、口径比αの値は、「１．２５〜３．５０」の範囲内にあることが好ましい。
【００３３】
次に、このように構成される本実施例の作用について説明する。まず、コントロールユニットは、図示せぬクランク角センサからの出力信号に基づいて点火時期近傍に達したことを検出すると、電磁アクチュエータ１３に制御信号を出力して励磁する。そして、電磁アクチュエータ１３がコア１５を介して弁体１６を吸引すると、燃料溜まり２０内の燃料は、弁座部１９の噴孔１９Ａを介して各噴射孔２２，２３に流入し、各噴射孔２２，２３を介して燃焼室４内に向けてそれぞれ噴射される。ここで、「点火時期近傍」とは、圧縮上死点に近い点火時期よりも前の所定期間をいい、この点火時期近傍では、ピストン３が上死点近くまで上昇しているため、圧縮空気の温度が高くなっている。
【００３４】
そして、燃料噴射弁１０からの各噴射燃料は、各軸線Ｏ−Ｏ，Ｘ1−Ｘ1，Ｘ2−Ｘ2が交差する交差点ＣＰで合流して斜め方向から互いに衝突し、上述した強い共振現象によって微粒化される。ここで、各噴射孔２２，２３から噴射された燃料は、互いに衝突して微粒化されるため、この微粒化燃料は、各噴射燃料の合成ベクトルの方向に沿って噴射され、その噴霧形状は、図１，図３，図４に示す如く、偏平な略扇状となる。
【００３５】
即ち、各噴射燃料は、斜め方向から衝突するため、噴射時に与えられた斜め方向（軸線Ｘ1−Ｘ1方向又は軸線Ｘ2−Ｘ2方向）に向かう力が相殺されてしまい、略扇状に広がった偏平状の燃料噴霧Ｆが形成されるのである。従って、各噴射孔２２，２３の出口部２２Ａ，２３Ａの中心を結ぶ線Ｃ−Ｃと、燃料噴霧Ｆが偏平状に押し潰される方向とは直交する関係にあるため、本実施例では、燃料噴霧Ｆが偏平状に押し潰される方向をピストン３の冠面３Ａに対して平行（水平）とすべく、出口部２２Ａ，２３Ａの中心を結ぶ線Ｃ−Ｃがピストン３の冠面３Ａに対して垂直となるように、噴射弁本体１を配置している。
【００３６】
但し、幾何学的に厳密な平行関係、水平関係を得る必要はないため、燃料噴霧Ｆが偏平状に押し潰される方向が、ピストン３の冠面３Ａに対して実質的に平行関係、水平関係にあれば足りる。また、通常、シリンダヘッド２は、シリンダ１の軸方向上側（上死点方向）に突出するか、あるいはシリンダ１の水平断面と平行になるため、燃料噴霧Ｆをピストン３の冠面３Ａに対して略水平に噴射するということは、この燃料噴霧Ｆがシリンダヘッド２にも実質的に衝突しないことを意味する。
【００３７】
この略扇状に広がる偏平状の燃料噴霧Ｆは、ピストン３の冠面３Ａとシリンダヘッド２の壁面との双方からクリアランスを確保しつつ高温の圧縮空気中を対向するシリンダ１の壁面に向けて移動し、この間に速やかに気化して混合気ＡＦを形成する。そして、この混合気ＡＦは、図８，図９に示す如く、上死点に向けて上昇を続けるピストン３により燃焼室４の上側容積部４Ａ側に押し上げられて、点火栓９の近傍に到達し、これにより混合気の成層化がなされる。
【００３８】
このように構成される本実施例によれば、以下の効果を奏する。
【００３９】
第１に、点火時期近傍で、偏平状の燃料噴霧Ｆをピストン３の冠面３Ａに対して略水平に噴射する構成としたため、ピストン３の冠面３Ａ及びシリンダヘッド２の壁面の双方にクリアランスを確保しつつ燃料を供給でき、壁流等が生じるのを未然に防止して、混合気の成層化を確実に実現できる。即ち、点火時期近傍では、ピストン３が上昇しているため、従来技術による燃料噴射弁１０９を用いて円錐状に広がる燃料噴霧を噴射すると、この燃料噴霧がピストン３の冠面３Ａやシリンダヘッド２の壁面に付着する可能性があるが、本実施例では、偏平状の燃料噴霧Ｆを噴射するため、シリンダヘッド２とピストン３の冠面３Ａとの間の隙間を縫って燃料を供給することができる。そして、点火時期近傍では、圧縮空気の温度が高く、この燃料噴霧Ｆは直ちに気化して混合気ＡＦを形成するため、燃料液滴が点火栓９に付着して「かぶり」現象や「くすぶり」現象を招来することがない。
【００４０】
第２に、燃料噴射を「点火時期近傍」で行うため、燃料噴霧Ｆが拡散して成層化が崩れるのを防止しつつ速やかに気化させることができる。即ち、例えば吸気行程中に燃料を噴霧した場合は、燃料噴射時と点火時との間に期間があるため、シリンダ１内を縦方向に旋回するタンブルがあると、このタンブルによって混合気が均一化されてしまい、成層化を実現することができない。しかし、本実施例では、点火時期近傍に噴射するため、スワール（シリンダ１内を水平方向に旋回する流れ）あるいはタンブルの有無に拘わらず、燃料噴霧Ｆ（混合気ＡＦ）は、ピストン３によって速やかに点火栓９の近傍まで押し上げられ、安定した成層化を実現できるのである。逆に言えば、本実施例では、スワール、タンブル等の筒内流動を利用しなくても、混合気を成層化できるため、スワール制御弁等の構造を不要にでき、比較的簡易な構成で安定した成層化を低コストに実現することができる。
【００４１】
第３に、出口部２２Ａ，２３Ａの中心を結ぶ線Ｃ−Ｃがピストン３の冠面３Ａに対して略垂直となるように一対の噴射孔２２，２３を配置すると共に、各噴射孔２２，２３から噴射された燃料が燃焼室４内の点ＣＰで互いに衝突するように各噴射軸線Ｘ1−Ｘ1，Ｘ2−Ｘ2を設定してなる燃料噴射弁１０を用いる構成としたため、微粒化された略扇状に広がる偏平状の燃料噴霧Ｆを容易に得ることができ、速やかに気化させて混合気の成層化を実現できる。即ち、本実施例では、点火時期近傍で燃料を噴射するため、点火までの時間的余裕が少ないが、燃料同士の衝突による共振現象を利用して微粒化を促進するため、燃焼室４内の高温と相俟って、燃料噴霧Ｆを速やかに気化させて混合気ＡＦを得ることができる。
【００４２】
第４に、各噴射孔２２，２３の出口部２２Ａ，２３Ａの断面積Ｓ1，Ｓ2の平方根の比αを、「１．２５〜３．５０」の範囲となるように設定したため、より一層強い共振現象を利用して燃料を微粒化でき、燃焼室４内の温度と相俟って気化を促進することができる。
【００４３】
なお、前記実施例では、偏平状の燃料噴霧を得る好ましい燃料噴射弁１０として、図４に示すものを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、偏平状の燃料噴霧を噴射できる燃料噴射弁であれば、例えばサックレスホール型燃料噴射弁、いわゆる外開き式の燃料噴射弁等の他の形式の燃料噴射弁を用いることもできる。また、前記実施例では、各噴射孔２２，２３を楕円形状に形成した場合を例示したが、本発明はこれに限らず、真円形状、三角形状等の他の形状に形成してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明に係る直噴型火花点火式内燃機関によれば、点火時期近傍で、偏平状の燃料噴霧をピストンの冠面に対して略水平に噴射する構成としたため、ピストンの冠面及びシリンダヘッドの壁面との間にクリアランスを確保しつつ燃料を供給することができる。この結果、燃料液滴がピストン等に付着して壁流となるのを防止しつつ、点火時期近傍の高温の圧縮空気を利用して速やかに混合気を形成することができ、この混合気をピストンによってシリンダヘッド側に押し上げて、混合気の成層化を実現することができる。
【００４５】
また、一対の燃料噴射孔を、その出口部中心を結ぶ線がピストンの冠面に対して略垂直となるように配置し、各噴射燃料が燃焼室内で衝突するように、その噴射軸線を設定する構成としたため、燃料同士の衝突により生じる共振現象を利用して微粒化された略水平な偏平状の燃料噴霧を、ピストンの冠面に対して略水平に噴射することができる。
【００４６】
さらに、各噴射孔出口部の断面積の平方根比が１．２５〜３．５０の範囲となるように設定する構成としたため、より強い共振現象を利用して微粒化を促進することができ、燃料噴霧を速やかに気化させて、点火前の混合気の成層化を一層確実に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る直噴型火花点火式内燃機関の要部を示す構成説明図。
【図２】燃料噴霧の形状と点火栓等との関係を示す平面図。
【図３】燃料噴霧の垂直断面図。
【図４】燃料噴射弁の要部を示す断面図。
【図５】各噴射孔とピストン冠面との位置関係を示すノズル部材の平面図。
【図６】口径比αと共振の強さとの関係を示す特性図。
【図７】口径比αと衝突面積の割合との関係を示す特性図。
【図８】混合気が形成された点火直前の状態を示す図１と同様の説明図。
【図９】混合気の形状と点火栓等との関係を示す平面図。
【図１０】従来技術による直噴型火花点火式内燃機関の要部を示す構成説明図。
【符号の説明】
２…シリンダヘッド
３…ピストン
３Ａ…冠面
４…燃焼室
９…点火栓
１０…燃料噴射弁
１１…噴射弁本体
２２，２３…噴射孔
２２Ａ，２３Ａ…噴射孔出口部
【図１】
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【図２】
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【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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