(57)【要約】【課題】着火性に優れ信頼性の高い筒内噴射式内燃機関及びその制御方法を提供する。【解決手段】  点火プラグ１０の放電ギャップの中心位置ＰＡＧから燃料噴射弁３０の噴孔の中心位置ＰＮＺＬまでのプラグ−噴孔間距離Ｌと、放電ギャップ中心位置ＰＡＧから燃料噴射弁３０から噴射された燃料噴流ＦＬの中心軸までのプラグ−噴流間距離ｄとを特定の範囲に設定することにより、燃料噴射弁３０から噴射された燃料噴流ＦＬによりその周囲の空気が持ち去られたときに発生する燃料噴流の噴射方向とは略逆向きの引込み気流ＡＲＥＮＴを点火プラグ１０の放電ギャップ中心ＰＡＧ近傍に作用せしめる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備えた筒内噴射式内燃機関において、
上記点火プラグの放電ギャップの中心位置から上記燃料噴射弁の噴孔の中心位置までの距離をプラグ−噴孔間距離とし、
上記点火プラグの放電ギャップの中心位置から上記燃料噴射弁から噴射された燃料噴流の中心軸までの距離をプラグ−噴流間距離とし、
プラグ−噴孔間距離とプラグ−噴流間距離とを特定の範囲に設定することにより、
上記燃料噴射弁から噴射された燃料噴流によりその周囲の空気が持ち去られたときに発生する燃料噴流の噴射方向とは略逆向きの引込み気流を点火プラグの放電ギャップ近傍に作用せしめたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
上記燃料噴射弁は少なくとも２つ以上の噴孔を具備し、上記点火プラグの放電ギャップに作用する引込み気流を上記２つの噴孔の内、いずれか一方の噴孔から噴射された燃料噴流に向かう方向へ誘導する引込み気流誘導手段を具備する請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
上記プラグ−噴孔間距離を６．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定した請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
上記プラグ−噴流間距離を上記プラグ−噴孔間距離に対して０．２倍から０．２８倍の範囲に設定した請求項１ないし３のいずれか１項に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
上記引込み気流誘導手段として、上記燃料噴射弁に形成する複数の噴孔のピッチ角を４０°以上６０°以下に設定した請求項２ないし４のいずれか１項に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項６】
上記引込み気流誘導手段として、上記２つの噴孔から噴射される燃料噴流の内、いずれか一方の燃料噴流とのプラグ−噴流間距離を他方とのプラグ−噴流間距離よりも短く設定した請求項２ないし５のいずれか１項に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項７】
上記引込み気流誘導手段として、上記点火プラグの先端に中心電極の周囲の一部を覆うセパレータを形成した請求項２ないし５のいずれか１項に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項８】
上記セパレータの形成範囲は、上記点火プラグの放電ギャップの中間点と上記噴射弁の中心点とを繋ぐ直線と、上記点火プラグの軸心とを含む平面に対して左右いずれか一方の側とする請求項７に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御方法であって、上記燃料噴射弁の噴射期間を上記点火プラグへの放電期間よりも長くすることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御方法。
【請求項１０】
上記燃料噴射弁への通電開始時期に同期して、所定時間経過後に、上記点火プラグへの高電圧の印加を開始する請求項９に記載の筒内噴射式内燃機関の制御方法。
【請求項１１】
上記燃料噴射弁への通電期間中は上記点火プラグへの高電圧の印加を継続する請求項９又は１０に記載の筒内噴射式内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式内燃機関及びその制御方法に関するもので、特に極希薄な混合気の着火性向上に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃焼室内の点火プラグ近傍に直接燃料を噴射して、成層燃焼を行うことにより排ガス特性と燃焼安定性との両立を図ろうとする、いわゆるスプレーガイド式の内燃機関について種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、３つの吸気弁と２つの排気弁を備えた５弁構造の燃焼室城壁の中央部に、インジェクタの噴射口と点火プラグの電極部とを、電極部が噴射口よりも燃焼室内方かつ燃料噴霧稜線の中に位置するように配置した筒内噴射型火花点火式内燃機関が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、成層燃焼法を行う場合であっても、確実に混合気を着火させるべく、中心電極と中心電極との間に所定の着火領域を形成する接地電極とを備え、燃料噴射弁から直接噴射された燃料を含む混合気を着火する点火プラグが、着火領域より混合気の着火直前における混合気の気流の上流側であって、少なくとも対抗する２面の壁面に挟まれて形成されるガス流速減衰流路を備えることによって、混合気の流速を減速して混合気の着火を行う筒内噴射式内燃機関が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１にあるような従来の燃焼制御装置では、点火プラグの電極部が燃料噴霧の稜線の中に位置するように配置してあるため、燃料噴霧の流速が極めて速い場合には、中心電極と接地電極と間に発生した放電火花が吹き飛ばされて、着火できなくなる虞がある。
【０００６】
また、噴射された燃料を含む混合気の空燃比が可燃領域よりも低い層が直接的に点火プラグの着火領域に達する場合には、着火が困難となったり、電極に未燃燃料が堆積したりする虞もある。
【０００７】
また、特許文献２の筒内噴射式内燃機関は、混合気と壁面との間に生じる摩擦抵抗を利用して着火領域を通過する混合気の流速を低下させることによって、成層燃焼において確実に着火しようとするものであるが、ガス流速減衰流路を形成する壁面の消炎作用によって火炎核の成長が遅れ着火遅れ期間が増大する虞がある。
【０００８】
そこで、本発明はかかる実情に鑑み、燃焼室内に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関において、着火性に優れ信頼性の高い筒内噴射式内燃機関及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明では、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備えた筒内噴射式内燃機関において、上記点火プラグの放電ギャップの中心位置から上記燃料噴射弁の噴孔の中心位置までの距離をプラグ−噴孔間距離とし、上記点火プラグの放電ギャップの中心位置から上記燃料噴射弁から噴射された燃料噴流の中心軸までの距離をプラグ−噴流間距離とし、プラグ−噴孔間距離とプラグ−噴流間距離とを特定の範囲に設定することにより、上記燃料噴射弁から噴射された燃料噴流によりその周囲の空気が持ち去られたときに発生する燃料噴流の噴射方向とは略逆向きの引込み気流を点火プラグの放電ギャップ近傍に作用せしめる（請求項１）。
【００１０】
第１の発明によれば、燃焼室内に噴射された燃料噴流による燃焼室内の空気の持ち去り（エアエントレインメントと称す。）によって、局所的に圧力が低下した部位が形成され燃料の噴射方向とは略逆方向に向かう気流が発生し、この気流によって点火プラグに高電圧を印加したときに発生する放電アークが長く引延ばれ、放電ギャップ中心から所定の距離だけ離れた燃料噴流の可燃層に近づいて点火がおこる。
【００１１】
第２の発明では、上記燃料噴射弁は少なくとも２つ以上の噴孔を具備し、上記点火プラグの放電ギャップに作用する引込み気流を上記２つの噴孔の内、いずれか一方の噴孔から噴射された燃料噴流に向かう方向へ誘導する引込み気流誘導手段を具備する（請求項２）。
【００１２】
第２の発明によれば、上記引込み気流誘導手段によって、複数の燃料噴流の内の特定の燃料噴流に放電アークが引延ばれるので、運転状況の変化に対しても安定した状態で成層燃焼が実現できる。
【００１３】
より具体的には、第３の発明のように、上記プラグ−噴孔間距離を５ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定する（請求項３）。
【００１４】
本発明者の鋭意試験により、プラグ−噴孔間距離を本発明の範囲に設定することにより、放電アークの引延ばし効果が発揮できることが判明した。
【００１５】
本発明の範囲をはずれ、上記プラグ−噴孔間距離を５ｍｍより短く設定すると、放電アークの引き伸ばしは長くなるが、エアエントレインメントによって発生する気流が速すぎて放電アークが吹き消され、着火が不安定となる虞があり、また、上記プラグ−噴孔間距離を２０ｍｍより長く設定すると、放電アークの引き伸ばし効果が得られないことが判明した。
【００１６】
さらに、第４の発明のように、上記プラグ−噴流間距離を上記プラグ−噴孔間距離に対して０．２倍から０．２８倍の範囲に設定する（請求項４）。
【００１７】
本発明者の鋭意試験により、プラグ−噴流間距離を本発明の範囲に設定することにより、引延ばされた放電アークが燃料噴流の可燃層に到達し安定した着火が実現できることが判明した。
【００１８】
第５の発明では、上記引込み気流誘導手段として、上記燃料噴射弁に形成する複数の噴孔の噴霧ピッチ角を４０°以上６０°以下に設定する（請求項５）。
【００１９】
本発明者の鋭意試験により、噴霧ピッチ角を本発明の範囲に設定することにより、放電アークの引延ばし効果が最適となり、燃料噴流の可燃層に到達し安定した着火が実現できることが判明した。
【００２０】
具体的な、上記引込み気流誘導手段として、第６の発明では、上記２つの噴孔から噴射される燃料噴流の内、いずれか一方の燃料噴流とのプラグ−噴流間距離を他方とのプラグ−噴流間距離よりも短く設定する（請求項６）。
【００２１】
第６の発明によれば、プラグ−噴流間距離の短い方へ放電アークが引延ばされ、安定した着火が実現できる。
【００２２】
第７の発明では、上記引込み気流誘導手段として、上記点火プラグの先端に中心電極の周囲の一部を覆うセパレータを形成する（請求項７）。
【００２３】
第７の発明によれば、上記セパレータに覆われた内側の気体の流動が抑制され、上記セパレータの形成されていない側が上記引込み気流の影響を受け相対的に低い圧力となり、放電アークが上記セパレータの形成されていない側の燃料噴流に引延ばされ、安定した着火が実現できる。
【００２４】
より具体的には、第８の発明のように、上記セパレータの形成範囲は、上記点火プラグの放電ギャップの中間点と上記噴射弁の中心点とを繋ぐ直線と、上記点火プラグの軸心とを含む平面に対して左右いずれか一方の側とする（請求項８）。
【００２５】
第９の発明では、第１の発明ないし第８の発明のいずれかの筒内噴射式内燃機関の制御方法であって、上記燃料噴射弁の噴射期間を上記点火プラグへの放電期間よりも長くする（請求項９）。
【００２６】
第９の発明によれば、燃料噴射によって引込み気流が発生している間に、点火プラグから放電アークが発生するので、放電アークが引込み気流によって引延ばすことが可能となり、安定した筒内噴射式内燃機関の点火が実現できる。
【００２７】
より具体的には、第１０の発明のように、上記燃料噴射弁への通電開始時期に同期して、所定時間経過後に、上記点火プラグへの高電圧の印加を開始する（請求項１０）。
【００２８】
第１０の発明によれば、確実に引込み気流を放電アークに作用させることができ、安定した筒内噴射式内燃機関の点火が実現できる。
【００２９】
第１１の発明では、上記燃料噴射弁への通電期間中は上記点火プラグへの高電圧の印加を継続する（請求項１１）。
【００３０】
第１１の発明によれば、放電アークの持続期間が長く着火性が良好であるので、エンジン始動時の大幅な点火時期の遅角化によって、ＨＣ排出量の低減を図ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（ａ）は、本発明の最も基本的な構成を示す模式図、（ｂ）はその効果を示す模式図。
【図２】本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関の概要を示す構成図。
【図３】本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関に用いられる点火プラグの概要を示し、（ａ）は半断面図、（ｂ）は、下面図。
【図４】本発明の第１の実施形態における筒内噴射式燃機関に用いられる燃料噴射弁と点火プラグとの位置関係を示し、（ａ）は、縦断面図、（ｂ）は、矢視下面図。
【図５】本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関の制御方法を示し、（ａ）は、低負荷時におけるタイムチャート、（ｂ）は高負荷時におけるタイムチャート。
【図６】本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関の効果を模式的に示す要部斜視図。
【図７】本発明の第１の実施形態における効果を示し、（ａ）は、プラグ−噴孔間距離に対するエアエントレインメントによって発生する流速を示す特性図、（ｂ）は、噴霧中心からの距離に対する当量比の変化を示す特性図。
【図８】本発明の筒内噴射式内燃機関に用いられる燃料噴射弁の噴霧特性を示し、（ａ）は、圧力分布解析図、（ｂ）は、流れ解析図。
【図９】本発明の第２の実施形態における筒内噴射式内燃機関の実施例と比較例とを示し、（ａ）は、本発明実施例における効果を示す模式図、（ｂ）及び（ｃ）は、比較例における問題点を示す模式図。
【図１０】本発明の第２の実施形態における筒内噴射式内燃機関に用いられる燃料噴射弁の噴霧ピッチ角に対する噴射位置近傍の圧力変化を示す特性図。
【図１１】本発明の第２の実施形態における内燃機関の効果を示し、（ａ）は、下面図代用写真、（ｂ）は、（ａ）中Ａ−Ａに沿った断面模式図。
【図１２】本発明の第３の実施形態における筒内噴射式内燃機関の効果を示し、（ａ）は圧力分布解析図、（ｂ）は、流れ解析図。
【図１３】本発明の第３の実施形態における筒内噴射式内燃機関の効果を示す模式図。
【図１４】本発明の第３の実施形態における筒内噴射式内燃機関の効果を示し、（ａ）は、下面図代用写真、（ｂ）は、（ａ）中Ａ−Ａに沿った断面模式図。
【図１５】本発明の第３の実施形態における内燃機関の効果を示し、（ａ）は圧力分布解析図、（ｂ）は、流れ解析図。
【図１６】本発明の第４の実施形態における筒内噴射式内燃機関の概要を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１を参照して、本発明の筒内噴射式内燃機関の要部について説明する。
本発明の最も根本的な構成は、図１（ａ）に示すように、燃焼室５００に燃料ＦＬを直接噴射する燃料噴射弁３０と点火プラグ１０とを備えた筒内噴射式内燃機関１において、点火プラグ１０の放電ギャップの中心位置ＰＡＧから燃料噴射弁３０の噴孔の中心位置ＰＮＺＬまでのプラグ−噴孔間距離Ｌと、点火プラグ１０の放電ギャップの中心位置ＰＡＧから燃料噴射弁３０から噴射された燃料噴流ＦＬの中心軸までのプラグ−噴流間距離ｄとを特定の範囲に設定している。
【００３３】
このようにすることによって、図１（ｂ）に示すように、燃料噴流ＦＬの周囲に存在する空気の持ち去り（エアエントレインメント）によって生じる燃料噴流ＦＬの噴射方向とは略逆向きの引込み気流ＡＲＥＮＴが、放電ギャップ近傍に作用し、放電アークＡＲＣを燃料噴流ＦＬの可燃層ＬＳＴに引き寄せ、安定した成層燃焼が可能となる。なお、本図において可燃層ＬＳＴの範囲を斜線を用いて、不燃層ＬＴＲの範囲を交叉斜線を用いてそれぞれ模式的に示したが、以下の説明においても同様である。
【００３４】
本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関１の概要について、図２を参照して説明する。
筒内噴射式内燃機関１は、エンジン４０と、複数の噴孔３１から燃焼室４００内に燃料ＦＬを直接噴射する燃料噴射弁３０と、燃料噴射弁３０の直下で、点火プラグ１０の放電ギャップの中心点ＰＡＧと燃料噴射弁３０の先端までのプラグ−噴孔間距離Ｌが後述する所定の範囲となるように配設された点火プラグ１０と、筒内噴射式内燃機関４０を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）５０とによって構成されている。
【００３５】
筒内噴射式内燃機関４０は、エンジンヘッド４１と略筒状のシリンダ４２とシリンダ４２内に可動に収納されたピストン４３とによって構成され、エンジンヘッド４１の内壁とシリンダ４２の内周壁とピストン４３の頂面とによって燃焼室４００が区画されている。
エンジンヘッド４１には吸気バルブ４１１によって開閉される吸気筒４１０と、排気バルブ４２１によって開閉される排気筒４２０とが形成されている。
【００３６】
点火プラグ１０は、内燃機関４０のエンジンヘッド４１に先端部を燃焼室４００内に露出した状態で固定されており、点火プラグ１０には、点火プラグ１０の放電領域に発生する引込み気流（エアエントレインメント）による放電アークＡＲＣの引き伸ばし方向を特定の方向に誘導する引込み気流誘導手段としてセパレータ２０が設けられている。
【００３７】
本発明の筒内噴射式内燃機関１では、燃料噴射弁３０に対して点火プラグ１０を特定の距離に配設し、燃料噴射弁３０から燃料ＦＬが噴射されたときに発生するエアエントレインメントに起因する燃料の噴射方向とは逆方向の気流ＡＲＥＮＴを点火プラグ１０の放電ギャップの中心点ＰＡＧ近傍に作用させるように構成している。
【００３８】
燃料噴射弁３０からの燃料噴射が継続中に点火プラグ１０への高電圧の印加し、点火プラグ１０で発生した放電アークＡＲＣをエアエントレインメントによって発生した気流ＡＲＥＮＴによって引延ばし、燃料噴射弁３０から噴射された燃料噴霧と周囲の空気とが適度な空燃比に混合された可燃層ＬＳＴに近づけることによって極めて希薄な混合気の点火を可能としたことを特徴としている。
【００３９】
図３を参照して、本実施形態における点火プラグ１０のより具体的な構成について詳述する。
点火プラグ１０は、略筒状に形成された絶縁碍子１２と、絶縁碍子１２に設けた軸孔に挿入固定された略長軸状の中心電極１１と、絶縁碍子１２をその内部に収納しつつ内燃機関４０のシリンダヘッド４１に固定するハウジング１３と、ハウジング１３の先端に延設して設けられた接地電極１３０とによって構成されている。
【００４０】
中心電極１１は、例えば内材としてＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料が用いられ、外材としてＮｉ基合金等の耐熱性及び耐食性に優れた金属材料が用いられて長軸状に形成されている。
中心電極１１は、中心電極放電部１１０を絶縁碍子先端部１２０から燃焼室４００内に露出するように設けられている。中心電極放電部１１０は、耐熱性の高いイリジウム合金や特殊なＮｉ合金によって形成されている。
中心電極１１の基端側には、絶縁碍子１２の軸孔内部において、中心電極中軸部１１１と導電性のガラスシール１１２を介して電気的に接続された長軸状のステム１１３が設けられている。さらにその基端側には、碍子頭部１２２から露出し、外部の図略の点火装置に接続される中心電極端子部１１４が形成されている。
【００４１】
絶縁碍子１２は、高純度アルミナ等の耐熱性、絶縁性に優れたセラミックス材料を用いて略筒状に形成されている。絶縁碍子１２の軸孔には略長軸状に形成された中心電極１１が挿入・固定されている。
絶縁碍子１２の中腹には径大となる係止部１２１が形成されており、ハウジング１３の内側に設けられたハウジング係止部１３４に係止されると共に、封止部材を介してハウジング加締め部１３５によって加締め固定されている。
絶縁碍子１２の碍子先端部１２０は燃焼室４００に露出しつつ、ハウジング１３の先端に設けられた略環状のシュラウド１３１によってその外側が取り囲まれている。
絶縁碍子１２の基端側は、ハウジング１３の加締め部１３５から露出する碍子頭部１２２が設けられている。碍子頭部１２２は、コルゲート状に形成され中心電極端子部１１２とハウジング１３との表面距離を長くして沿面リークを防止している。
【００４２】
ハウジング１３は、例えば、導電性の低炭素鋼等の高耐熱性金属材料を用いて略筒状に形成されている。ハウジング１３の先端側は中心電極１１の側面に絶縁体１２を介して対向する側面電極１３２を形成している。側面電極１３２の外周面には、エンジンヘッド４１に設けられたねじ穴に固定するためのネジ部１３３が設けられている。ネジ部１３３の先端側には略環状のシュラウド部１３１が設けられている。シュラウド部１３１の先端側には、本発明の要部である引込み気流誘導手段として、セパレータ２０が形成されている。
ハウジング１３の中腹内周は先端側に向かって径小となる係止部１３４が形成され、内側に絶縁碍子１２の係止部１２１が係止され、基端側には加締め部１３５が形成され、封止部材を介して絶縁碍子１２の係止部１２１を覆うように加締め固定している。
ハウジング１３の基端側外周にはネジ部１３２を締めつけるためのナット部１３６が形成されている。ネジ部１３２は、エンジンヘッド４１に設けられたネジ穴にガスケットを介して螺結される。
【００４３】
ハウジング１３のシュラウド部１３１に延設して、略Ｌ字状の接地電極１３０が形成され、接地電極１３０は、所定の放電ギャップを設けて中心電極放電部１１０に対向している。
接地電極１３０は、例えばＮｉを主成分とするＮｉ基合金等を用いて断面略角柱形状に形成されている。
【００４４】
図４を参照して、本実施形態における、点火プラグ１０と燃料噴射弁３０との配置関係について詳述する。なお、本発明において、燃料噴射弁３０は、少なくとも、２以上の複数の噴孔３１から点火プラグ１０に対して所定の位置に高圧の燃料を噴射できるものであれば、構成について限定するものではなく、公知の燃料噴射弁が適用できる。
本実施形態において、点火プラグ１０は、図４（ａ）に示すように、燃料噴射弁３０の直下で、燃料噴射弁３０の中心軸に対して径方向の距離Ｄ、軸方向の距離Ｈとなる位置に点火プラグ１０の放電ギャップ中心点ＰＡＧが位置するように配置されている。即ち、Ｌ２＝Ｄ２＋Ｈ２の関係が成り立つ。
【００４５】
燃料噴射弁３０には複数の噴射孔が形成されており、複数の噴霧によって形成される噴霧コーン角度θＣＲＮは、７０°から１００°に設定することが可能で、本実施形態において噴霧コーン角度θＣＲＮを８０°に設定した場合を例としている。
点火プラグ１０の放電ギャップ中心点ＰＡＧと燃料噴射弁３０の噴孔３１の中心までのプラグ−噴孔間距離Ｌは、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定するのが望ましく、放電ギャップ中心ＰＡＧから噴霧の中心までの最短距離ｄは、プラグ−噴孔間距離Ｌに対して０．２倍〜０．２８倍程度とするのが望ましい。
燃料噴射弁３０の噴孔３１から高圧で噴射された燃料は、噴霧状となって燃焼室４００内を移動する噴流を形成し、その中心部分には燃料濃度が高く不燃層（ＬＴＲ）が形成され、その周囲に空気と燃料とが当量比に近い空燃比となった可燃層（ＬＳＴ）が形成され、さらにその周囲は希薄な不燃層（ＬＴＬ）が形成されている。
【００４６】
図４（ｂ）は、図４（ａ）に矢印Ｃで示した方向からの矢視平面図であり、図４（ｂ）に示すように、点火プラグ１０は、その中心軸が２つの燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２の間で等距離ｄとなるように載置されている。
また、２つの噴流ＦＬ１、ＦＬ２の成す噴霧ピッチ角θＰＴは、４０以上６０°以下に設定するのが望ましい。
なお、セパレータ２０の形成範囲は、点火プラグ１０の放電ギャップの中間点ＰＡＧと噴射弁３０の中心点とを繋ぐ直線と、点火プラグ１０の軸心とを含む平面に対して左右いずれか一方の側となるように設定してある。
【００４７】
燃料噴射弁３０から高圧の燃料が噴射されると、燃料噴霧によって空気が持ち去られた部分の圧力が低下するエアエントレインメントが発生し、燃料噴射弁３０の噴孔３１の近傍には低圧領域ＡＲＬが形成され、２つの燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２の間には、点火プラグ１０から燃料噴射弁３０に向かって圧力が低くなる圧力勾配が形成され、燃料噴射方向とは略逆方向に向かうエアエントレインメントによる気流ＡＲＥＮＴが形成される。
このとき、本実施形態においては、燃料噴射弁３０から噴出した２つの燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２との間に載置された点火プラグ１０には、中心電極放電部１１０の周囲の一部を覆うようにセパレータ２０が形成されているので、セパレータ２０が形成された側の噴流ＦＬ１によって形成されるエアエントレインメントによる圧力低下は、セパレータ２０の外側の圧力をより低くするが、セパレータ２０の内側には作用しないため、セパレータ２０の内側に位置する気体の動きが抑制される。
一方、セパレータ２０の形成されていない側の噴流ＦＬ２によって形成されるエアエントレインメントによって局所的な圧力低下が生じる。
【００４８】
このため、点火プラグ１０の放電ギャップ中心ＰＡＧの周囲には、セパレータ２０の形成された側からセパレータ２０の形成されていない側に向かう方向にエアエントレインメントによる気流ＡＲＥＮＴが誘導され、これによって、図４（ｂ）に示すように、中心電極放電部１１０と接地電極１３０との間に高電圧を印加したときに発生する放電アークＡＲＣがセパレータ２０の形成されていない側の燃料噴流ＦＬ２の可燃層ＬＳＴに到達するように大きく引延ばれる。
【００４９】
図５を参照して、本実施形態における筒内噴射式内燃機関１の制御方法について説明する。
吸気筒４１０から燃焼室４００内に導入された空気をピストン４３によって圧縮し、燃料噴射弁３０から燃焼室４００内の点火プラグ１０の放電部近傍に噴射された混合気に所定の点火時期に点火プラグ１０で発生した放電アークＡＲＣによって点火を行う。
このとき、エアエントレインメントによって発生した気流ＡＲＥＮＴを利用して放電アークＡＲＣを長く引延ばすために、点火時期を燃料噴射開始よりも所定時間遅らせ、さらに、燃料噴射中にこの引延ばれた放電アークを維持するために長い期間点火プラグ１０に高電圧が継続して印加される必要がある。
【００５０】
図５（ａ）は、低負荷時における点火プラグ１０への高電圧の印加と燃料噴射弁３０への通電の制御方法を示すタイムチャートであり、図５（ｂ）は、高負荷時における点火プラグ１０への高電圧の印加と燃料噴射弁３０への通電の制御方法を示すタイムチャートである。
図５に示すように、本発明によれば、低負荷時と高負荷時とでは、負荷に応じた燃料噴射量を確保すべく、燃料噴射弁３０への通電時間ｔ３を決定し、点火プラグ１０への通電は、燃料噴射開始時期に同期して、所定の時間ｔ１経過後に開始するだけで特に点火プラグ１０への通電時間ｔ２を低負荷時と高負荷時とで変えなくても本発明の効果は発揮される。
【００５１】
内燃機関の運転状況に応じてＥＣＵ５０によって、燃料噴射弁３０への通電を制御する燃料噴射信号ＩＮＪの立ち上がり（通電開始時期）に同期して、所定時間ｔ１経過後に点火プラグ１０への高電圧Ｖ２の印加が開始されるよう、予め点火信号ＩＧｔが発信され、高電圧電源として設けられた図略の点火コイル等の昇圧手段の一次電流Ｉ１が上昇し、一次コイルにエネルギが蓄積され、燃料噴射弁３０への通電開始から、所定の時間ｔ１経過後に、点火信号ＩＧｔが立ち下がり、一次電流Ｉ１が遮断され、点火コイル内の磁界が急激に変化し、２次側に高い２次電圧Ｖ２が発生し、点火プラグ１０に印加され、中心電極放電部１１０と接地電極１３０との間に放電アークＡＲＣが発生する。
このとき、燃料噴射弁３０への通電信号ＩＮＪは通電側に維持されており、燃料噴射が続いており、燃焼室４００内に噴射された噴流ＦＬに周囲の空気の持ち去りによって発生する気流ＡＲＥＮＴによって放電アークＡＲＣが引延ばれ、燃料噴霧の周囲に形成される可燃層ＬＳＴに到達し、着火する。
【００５２】
この時２次コイルのインダクタンスを大きくしたり、放電エネルギを例えば８０ｍＪ程度の大きな値に設定したりすることによって、燃料噴射弁３０への通電期間中に点火プラグ１０への高電圧の印加を維持し、強いエアエントレインメントによって発生する気流ＡＲＥＮＴによって、放電アークが吹き飛ばされず、燃料の噴射期間ｔ３の間に放電が長く維持されるようにすることもできる。
なお、本発明において、高電圧電源は、本実施形態に示すような点火コイルによって高電圧を発生するものに限定するものではなく、点火プラグの高電圧源として用いられているものであれば、誘導放電式のものでも、容量放電式のものでも、その他いずれの方式によるものでも構わない。
【００５３】
図６に示すように、エアエントレインメントによって発生した気流ＡＲＥＮＴによって引延ばれた放電アークＡＲＣがセパレータ２０の形成された以内側を通過する燃料噴流ＦＬ２の燃焼室内の空気と燃料とが適度に混合された可燃層ＬＳＴに到達し、点火可能となるので成層燃焼における空燃比のさらなる希薄化が実現できる。
【００５４】
図７を参照して、点火プラグ１０の放電ギャップ中心ＰＡＧと燃料噴射弁との間のプラグ−噴孔間距離Ｌのエアエントレインメントによって放電空間に作用する気流の流速ＶＡＲに対する効果及び点火プラグ１０の放電ギャップ中心ＰＡＧと噴霧中心までの距離ｄに対する着火性の変化について説明する。
図７（ａ）に示すように、プラグ−噴孔間距離Ｌは、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定すると、燃料噴射に伴うエアエントレインメントによって発生する気流の流速ＶＡＲが５〜２０ｍ／ｓの範囲で変化し、これに比例して、放電期間を１ｍｓとしたときの放電アークＡＲＣの伸び量が５〜２０ｍｍとなり、点火プラグ１０と燃料噴射弁３０との配置をこの範囲に設定するのが望ましいことが判明した。なお、本発明の効果は、プラグ−噴孔間距離Ｌを５ｍｍ以上とすれば発揮されるが、エアエントレインメントによって発生する気流の流速ＶＡＲが２０ｍ／ｓを超えると、条件によっては、放電アークＡＲＣが吹き飛ばされる虞があり、プラグ−噴孔間距離Ｌを６．５ｍｍ以上とするのが望ましく、さらに安定した着火を実現できる。
【００５５】
点火プラグ１０と燃料噴射弁３０との距離Ｌを５ｍｍより短くすると、エアエントレインメントによって発生する気流ＡＲＥＮＴの流速ＶＡＲが２０ｍ／Ｓを超えて速くなりすぎるため、放電アークＡＲＣが吹き飛ばされてしまい、着火が不安定となることが判明した。
一方、点火プラグ１０と燃料噴射弁３０との距離Ｌを２０ｍｍより長くするとエアエントレインメントにより発生する気流ＡＲＥＮＴの流速ＶＡＲは５ｍ／ｓ以下となり、放電アークＡＲＣの引延ばし効果が小さくなり、放電アークＡＲＣの引延ばし量も５ｍｍ以下となるので、放電アークＡＣＧが燃料噴霧の可燃層ＬＳＴに到達しなくなり着火が不安定となる虞がある。
【００５６】
さらに、図７（ｂ）に示すように、噴霧の中心に近い場合には、当量比が１．５以上となり燃料比率が高い不燃層ＬＴＲとなり、噴霧の中心から遠い場合には当量比が０．５以下となり燃料比率が低い不燃層ＬＴＬとなり、プラグ−噴孔間距離Ｌが５ｍｍの場合には、放電ギャプ中心ＰＡＧから噴霧中心までの距離ｄが１．１〜１．４ｍｍの範囲で当量比が０．５〜１．５の可燃層ＬＳＴが形成され、プラグ−噴孔間距離Ｌが１０ｍｍの場合には、放電ギャプ中心ＰＡＧから噴霧中心までの距離ｄが２．０〜２．６ｍｍの範囲に可燃層ＬＳＴが形成され、プラグ−噴孔間距離Ｌが２０ｍｍの場合には、放電ギャプ中心ＰＡＧから噴霧中心までの距離ｄが４．４〜５．２ｍｍの範囲で可燃層ＬＳＴが形成され、プラグ−噴孔間Ｌに対して、０．２〜０．２８倍の範囲に可燃層ＬＳＴが形成されることが判明した。
【００５７】
図７（ａ）に示すように、エアエントレインメントによって発生する気流ＡＲＥＮＴの流速は５ｍ／ｓから２０ｍ／ｓと、一般にタンブル渦や、スワール、スキッシュといった燃焼室内に発生する筒内気流の流速（例えば０．５ｍ／ｓ）に比べ、遙かに速いので、放電アークＡＲＣの引延ばし効果が高い。
一方、燃料噴射弁から噴射される燃料噴流の流速は数十ｍ／ｓと極めて速く、この噴流を直接的に放電アークＡＲＣに作用させた場合には、放電アークＡＲＣが直ちに吹き消されてしまい引延ばし効果を発揮することができない。
【００５８】
本発明のように、燃料噴流を直接作用させるのではなく、燃料噴流によって引き起こされるエアエントレインメントを利用することによって、放電アークＡＲＣが吹き飛ばされることなく、所望の長さに引延ばし電極から所定の距離ｄだけ離れた位置に配置される燃料噴霧の可燃層ＬＳＴに到達させることができるので、電極による消炎作用を小さくし、火炎核の成長速度を向上させ、成層燃焼における良好な点火を実現できる。
【００５９】
ここで、図８を参照して、燃料噴射弁３０から燃焼室４００内に高圧で噴射された燃料の噴霧特性について詳述する。
図８は、燃焼室４００内の圧力を０．５ＭＰａ、噴霧コーン角θＣＲＮを８０°、噴霧ピッチ角θＰＴを７２°、燃料噴射圧Ｑを２０ＭＰａに設定して、燃料噴射を行ったときの噴霧特性を示し、（ａ）は、圧力分布解析図で、（ｂ）は、流れ解析図である。
噴射された燃料は急激な圧力変化によってキャビテーションを引き起こして微粒化すると共に、周囲の空気の持ち去りと周囲の空気の圧縮とを繰り返しながら、燃焼室４００内を移動するので、図８（ａ）に示すように、圧力の低い部分Ｌｏと圧力の高い部分Ｈｉとが交互に現れる。
特に、燃料噴射弁３０の噴孔３１から噴出した直近の位置と、燃料噴霧の先端の高圧部Ｈｉの直前に発生する低圧部Ｌｏにおいて、周囲の空気が持ち去られ圧力が大きく低下する。
【００６０】
図８（ｂ）に示すように、この圧力の変化が燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２の流速分布に影響し、燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２の周囲に圧力の高い位置から圧力の低い位置に向かって、燃料の噴射方向とは逆向きの流れＡＲＥＮＴを形成し、特に、２つの噴流ＦＬ１、ＦＬ２の間に挟まれた位置のエアエントレインメントによる気流の流速が最も速くなる。
本発明はエアエントレインメントによって発生する気流ＡＲＥＮＴを放電アークの引延ばしに利用し、また、この気流ＡＲＥＮＴの方向を特定の方向に誘導し、放電アークＡＲＣを効果的に可燃層ＬＳＴに近づけ、成層燃焼における着火性を向上させるものである。
【００６１】
図９を参照して、本発明の第２の実施形態における筒内噴射式内燃機関１ａの概要について説明する。上記実施形態においては、点火プラグ１０にエアエントレインメントによる気流を特定方向に誘導するセパレータ３０を設けた例を示したが、本実施形態においては、セパレータ２０を設けていない点火プラグ１０ａを用い、点火プラグ１０ａと燃料噴射弁３０との位置関係及び燃料噴射弁３０の噴霧ピッチ角θＰＴの調整によって、上記実施形態と同様の効果を発揮しようとする点が相違する。
図９（ａ）に示すように、噴霧ピッチ角θＰＴを４０°以上６０°以下とすることによって、エアエントレインメントによって発生する気流ＡＲＥＮＴが、最も効果的に放電アークＡＲＣを低圧領域ＡＲＬに向かって引延ばし可燃層ＬＳＴに到達させることができる。
【００６２】
図９（ｂ）に比較例１として示す燃料噴射弁３０ｘでは、噴霧ピッチ角θＰＴを４０°より小さく設定してある。噴霧ピッチ角θＰＴをこのような範囲にすると、放電アークＡＲＣの引延ばしは長くすることが可能となるが、燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２と点火プラグ１０ａの絶縁碍子先端部１２０やシュラウド１３１、接地電極１３０等との距離が近くなり、コワンダ効果が発生し、燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２の噴射方向が点火プラグ１０ａの先端に沿うように変化するので、燃焼室４００内への貫徹力が弱くなり、燃焼室４００内全体への火炎の広がりが低下し、却って着火性が低下する虞がある。
また、図９（ｃ）に比較例２として示す燃料噴射弁３０ｙでは、噴霧ピッチ角θＰＴを６０°より大きく設定してある。噴霧ピッチ角θＰＴをこのような範囲にすると、放電アークＡＲＣの引延ばしが短くなるので、可燃層ＬＳＴに放電アークＡＲＣが到達せず、失火に至る虞がある。
【００６３】
図１０に、燃料噴射弁の噴霧コーン角θＣＲＮを８０°に設定し、噴霧ピッチ角θＰＴを変化させた場合の低圧領域ＡＲＬにおける圧力ＰＬへの影響を調査した試験結果を示す。
【００６４】
図１１、図１２を参照して、本実施形態における筒内噴射式内燃機関１ａの試験結果について説明する。図１１（ａ）は、点火プラグ１０ａの放電ギャップ中心ＰＡＧと燃料噴射弁３０ａとの距離Ｌを径方向距離Ｄ＝１０．６ｍｍ、軸方向距離Ｈ＝１１．０ｍｍ、点火プラグ１０ａ搭載角度θＩＧ＝１３°、噴霧ピッチ角θＰＴを６０°に設定し、燃焼室４００内に不活性ガスを充填し、燃料噴射を行いながら、点火プラグ１０ａに点火時間１ｍｓで高電圧を印加したときの放電アークＡＲＣが実際に引延ばれた様子を下面側（図１１（ｂ）中矢印Ｃ方向）から観察した図面代用写真であり、本図（ｂ）は、点火プラグ１０ａと燃料噴射弁３０との位置関係を明確にすべく示した本図（ａ）中Ａ−Ａに沿った断面図である。
図１１（ａ）に示すように、放電アークＡＲＣが燃料噴射弁３０ａに向かう方向へ長く引延ばれていることが確認できる。
【００６５】
図１２（ａ）は、本実施形態における筒内噴射式内燃機関１ａの図１１（ｂ）中Ｂ−Ｂに沿った断面における圧力解析図であり、図１２（ｂ）は、流れ解析図である。
本実施形態においては、２つの燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２に対して、点火プラグ１０ａは、等距離に配設されており、図１２（ａ）に示すように、圧力変化は、空気の持ち去りによる低圧部Ｌｏと圧縮による高圧部Ｈｉとが交互に発生し、２つの燃料噴流に対して圧力勾配が左右均等に変化し、図１２（ｂ）に示すように、２つの燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２に対して、流速も左右均等に変化している。
したがって、点火プラグ１０ａの放電ギャップ中心ＰＡＧ付近に作用するエアエントレインメントによる気流ＡＲＥＮＴは、左右均等に発生し、その結果、燃料噴射弁３０の中心軸に向かう方向に作用する。
このため、放電アークＡＲＣは、図１１（ａ）に示したように、燃料噴射弁３０に向かう方向へ長く引延ばれるものと推察する。
【００６６】
図１３〜図１５を参照して、本発明の第３の実施形態における筒内噴射式内燃機関１ｂの概要について説明する。
第２の実施形態においては、燃料噴射弁３０を点火プラグ１０ａに対して、２つの燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２が均等の位置に噴射されるように配設したが、本実施形態においては、燃料噴射弁３０ｂの搭載角度θＩＮＪを変化させ、２つの噴孔から噴射される燃料噴流ＦＬ１、ＦＬ２の内、いずれか一方の燃料噴流（例えば、ＦＬ２）とのプラグ−噴流間距離ｄ２を他方（ＦＬ１）とのプラグ−噴流間距離ｄ１よりも短く設定することによって、上記実施形態と同様あるいは、それ以上の効果を発揮しようとする点が相違する。
【００６７】
図１３は、本実施形態における点火プラグ１０ｂと燃料噴射弁３０ｂとの位置関係とその効果を模式的に示したものである。
本実施形態においては、図１３に示すように、燃料噴流ＦＬ２が点火プラグ１０ｂの放電ギャップ中心ＰＡＧに相対的に近づくことにより（ｄ１＞ｄ２）、より近い側の燃料噴流ＦＬ２に起因するエアエントレインメントがより強く作用し、エアエントレインメントによる気流ＡＲＥＮＴが燃料噴流ＦＬ２に向かう方向に発生し、放電アークＡＲＣがより近い側の燃料噴流ＦＬ２の可燃層ＬＳＴに近づき、成層燃焼が可能となる。
【００６８】
図１４（ａ）は、点火プラグ１０ｂの放電ギャップ中心ＰＡＧと燃料噴射弁３０ｂとの距離Ｌを径方向距離Ｄ＝１０．６ｍｍ、軸方向距離Ｈ＝１１．０ｍｍ、点火プラグ１０ａ搭載角度θＩＧ＝１３°、噴霧ピッチ角θＰＴを６０°、搭載角度θＩＮＪを８°に設定し、燃焼室４００内に不活性ガスを充填し、燃料噴射を行いながら、点火プラグ１０ｂに点火時間１ｍｓで高電圧を印加したときの放電アークＡＲＣが実際に引延ばれた様子を下面側（図１４（ｂ）中矢印Ｃ方向）から観察した図面代用写真であり、本図（ｂ）は、点火プラグ１０ｂと燃料噴射弁３０ｂとの位置関係を明確にすべく示した本図（ａ）中Ａ−Ａに沿った断面図である。
図１４（ａ）に示すように、放電アークＡＲＣがより近い燃料噴射ＦＬ２に向かう方向へ曲がりながら近づくように引延ばれていることが確認できる。
【００６９】
図１５（ａ）は、本実施形態における筒内噴射式内燃機関１ｂの図１４（ｂ）中Ｂ−Ｂに沿った断面における圧力解析図であり、図１５（ｂ）は、流れ解析図である。
図１５（ａ）に示すように、点火プラグ１０ｂにより近い側の燃料噴流ＦＬ２が、点火プラグ１０ｂのシュラウド１３１の下端の近くを通過する際に大きな圧力低下（Ｌｏ）があり、放電ギャップ中心ＰＡＧから、圧力低下部に向かって低くなる圧力勾配が形成され、（ｂ）に示すように、この圧力勾配に沿って、強いエアエントレインメントによる気流ＡＲＥＮＴが発生し、これによって、放電アークＡＲＣが、より近い側の燃料噴流ＦＬ２に引き寄せられるものと推察される。
【００７０】
図１６を参照して、本発明の第４の実施形態における筒内噴射式内燃機関１ｃの概要を説明する。
上記実施形態においては、エンジン４０の中心に燃料噴射弁３０を載置し、その直下に位置するように点火プラグ１０を配設した例を示したが、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、燃料噴射弁と点火プラグとを特定の距離で配置し、放電ギャップ中心から燃料噴射弁から噴射される２つの燃料噴流までの距離を所定の範囲に設定し、燃料噴射継続中に点火を行うことによって、燃料噴射時に発生するエアエントレインメントによる気流を放電アークに作用させ、噴射された燃料噴流の可燃層に放電アークを引き寄せることができるものであれば、図１６に示すように、点火プラグ１０ｃを燃焼室４００ｃの中央に載置し、燃料噴射弁３０ｃを点火プラグ１０ｃの直下となる位置に載置しても良い。
また、本実施形態においても、上記実施形態と同様、引込み気流誘導手段としてセパレータ２０を点火プラグ１０ｃに設けた構成としても良い。
【００７１】
本発明によれば、成層燃焼時の着火性が向上し、リーン限界が拡大され、ポンプ損失が低減されることで、エンジンの熱効率を上げ、燃費の向上が可能となる。従来のように、エアエントレインメントによる気流を利用することなく、点火プラグの放電部近傍に燃料噴霧を配設した成層燃焼に比べて、上記第３の実施形態における筒内噴射式内燃機関１ａを用いた実機による試験では、リーン限界空燃比が１０程度向上し、燃費性能も２％程度向上することが確認できた。さらに、始動時においては、点火プラグ１０の近傍に配置される混合気の着火性が向上することにより、燃焼変動の少ない状態を維持したままで、遅角側で点火することが可能となり、大遅角点火により燃焼にて発生した熱をより高温状態で排気流路に設けた排気浄化触媒に送ることが可能となり、触媒の早期活性化を実現でき、さらなるＨＣの排出低減が実現できる。
【符号の説明】
【００７２】
１  筒内噴射式内燃機関
１０  点火プラグ
１１０  中心電極
１２０  絶縁碍子
１３０  接地電極
２０  セパレータ（引込み気流誘導手段）
３０  燃料噴射弁
３１  噴孔
４０  エンジン
４００  燃焼室
４１  シリンダヘッド
４１０  吸気筒
４１１  吸気バルブ
４２０  排気筒
４２１  排気バルブ
４２  シリンダ
４３  ピストン
ＩＧｔ  点火信号
ＩＮＪ  燃料噴射信号
Ｉ１  一次電流
Ｖ２  ２次電圧
ｔ１  放電開始時間
ｔ２  放電時間
ｔ３  燃料噴射時間
ＡＲＥＮＴ  エアエントレインメントにより発生する気流
ＰＡＧ  点火プラグ放電ギャップ中心
ＰＮＺＬ  燃料噴射弁噴孔中心
Ｌ  プラグ−噴孔間距離
ｄ  プラグ−噴流間距離
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７３】
【特許文献１】特開２００５−２４８８５７号公報
【特許文献２】特開２００７−４０１２２号公報
【図１】
2011106377.tif 000003
【図２】
2011106377.tif 000004
【図３】
2011106377.tif 000005
【図４】
2011106377.tif 000006
【図５】
2011106377.tif 000007
【図６】
2011106377.tif 000008
【図７】
2011106377.tif 000009
【図８】
2011106377.tif 000010
【図９】
2011106377.tif 000011
【図１０】
2011106377.tif 000012
【図１２】
2011106377.tif 000013
【図１３】
2011106377.tif 000014
【図１５】
2011106377.tif 000015
【図１６】
2011106377.tif 000016
【図１１】
2011106377.tif 000017
【図１４】
2011106377.tif 000018