(57)【要約】【課題】燃料を点火プラグ近傍に効率よく集合させて、ピストン壁面やシリンダ壁面などへの燃料付着を抑制し、もって、局所的なオーバーリッチ化に起因する燃焼効率の低下、ＨＣやスートの増大を未然に防止できる筒内噴射型火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】燃焼室１ａ内の周壁に、点火プラグ２を挟んで燃料噴射弁７の反対側に位置するようにジャンプ台１１を形成するとともに、燃料噴射弁７の左右両側から燃焼室１ａの周壁に沿ってジャンプ台１１まで案内溝１２を形成し、燃料噴射弁７から噴射した２条の噴霧を案内溝１２により案内してジャンプ台１１まで輸送し、ジャンプ台１１で相互に衝突させて点火プラグ２近傍に導く。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に臨んで配置された点火プラグと、
燃焼室の周壁に向けて筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
上記燃焼室の周壁に形成され、上記燃料噴射弁から噴射された燃料を筒内の周方向に案内する案内溝と、
上記燃焼室の周壁から上記点火プラグに向けて突出して形成され、上記案内溝により案内された燃料を上記点火プラグ近傍に向けて案内する突出部と
を備えたことを特徴とする筒内噴射型火花点火内燃機関。
【請求項２】
上記突出部には、上記案内溝に連続して設けられて、該案内溝からの燃料を上記点火プラグ近傍に向けて案内する第２案内溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型火花点火内燃機関。
【請求項３】
上記点火プラグは上記燃焼室の略中央に配置され、上記燃料噴射弁と上記突出部とは上記点火プラグを挟んで相互に反対側に配置され、上記燃料噴射弁は上記燃焼室の周壁の上記燃料噴射弁寄りの部位に向けて燃料を噴射するように構成され、該部位には上記案内溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型火花点火内燃機関。
【請求項４】
上記燃料噴射弁から噴射される燃料は棒状であることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火内燃機関（以下、エンジンという）に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
エンジンの筒内に直接燃料を噴射して点火プラグ近傍に点火性の良好な混合気を形成した上で、その周囲を燃料希薄状態とし、これにより全体空燃比をリーンとした成層燃焼を可能とする筒内噴射型火花点火エンジンが実用化されている。成層燃焼を実現するための手法には種々のものがあるが、例えば、ピストンに深皿キャビティを形成するとともに、直立して形成された吸気ポートから筒内に吸気を導入して逆タンブル流を生起させ、燃料噴射弁からの噴射燃料を逆タンブル流により点火プラグ近傍に導くようにしたものがある（例えば、特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、上記した特許文献１の技術では、吸気流動を利用して燃料を輸送するために、燃料噴射弁として傘状に燃料噴霧を拡散させるスワールインジェクタを用いており、その結果、圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮行程噴射では噴霧の貫徹力が弱過ぎる傾向がある。このため、噴霧としてピストン壁面に衝突した燃料がそのまま壁面に留まり易く、局所的なオーバーリッチ化に起因して燃焼効率の低下、ＨＣやスートの増大を引き起こすという問題があった。
【０００４】
そこで、吸気流動に頼ることなく、燃料の運動量を利用して燃料輸送するようにした手法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。当該特許文献２では、燃焼室の略中央に点火プラグを配置し、点火プラグを挟んで燃焼室の一側に燃料噴射弁を配置するとともに、燃焼室の他側に突出部を形成している。燃料噴射弁からは水平角度で２方向に燃料を噴射し、その燃料を燃焼室の周壁に沿って案内した後、突出部により燃料の流れを偏向させて点火プラグ近傍に導いている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２９４６９１７号明細書
【特許文献２】
特許第３２３５５２５号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特許文献２の技術では、平坦な燃焼室の周壁を利用して燃料を案内するため、点火プラグ近傍に燃料を効率良く集合させることができないという問題があった。即ち、噴射時の燃料は収束していても、平坦な周壁上での輸送に伴って燃料の幅は次第に広がってしまい、燃料の一部は突出部で流れを偏向されずにシリンダ壁面に付着してしまう。よって、局所的なオーバーリッチ化は避けられず、上記特許文献１で述べた燃焼効率の低下、ＨＣやスートの増大などの問題を完全に解決することはできなかった。
【０００７】
本発明の目的は、燃料を点火プラグ近傍に効率よく集合させて、ピストン壁面やシリンダ壁面などへの燃料付着を抑制し、もって、局所的なオーバーリッチ化に起因する燃焼効率の低下、ＨＣやスートの増大を未然に防止することができる筒内噴射型火花点火内燃機関を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、筒内に臨んで配置された点火プラグと、燃焼室の周壁に向けて筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室の周壁に形成され、燃料噴射弁から噴射された燃料を筒内の周方向に案内する案内溝と、燃焼室の周壁から点火プラグに向けて突出して形成され、案内溝により案内された燃料を点火プラグ近傍に向けて案内する突出部とを備えたものである。
【０００９】
従って、燃料噴射弁から燃焼室の周壁に向けて燃料が噴射され、この燃料は周壁に形成された案内溝により筒内の周方向に案内された後、突出部により点火プラグ近傍に向けて案内される。
このように燃料の運動量を利用して燃料輸送を行うことから、燃料がピストン壁面などに溜まり難い上に、案内溝により燃料を案内することから、燃焼室の周壁を輸送中に燃料の幅が広がってシリンダ壁に付着する現象が防止され、突出部により燃料が点火プラグ近傍に効率良く集合される。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、突出部に、案内溝に連続して設けられて、案内溝からの燃料を点火プラグ近傍に向けて案内する第２案内溝が形成されているものである。
従って、突出部に形成された第２案内溝により、案内溝からの燃料が点火プラグ近傍に向けて確実に案内されるため、燃焼効率を一層向上可能となる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１において、点火プラグが燃焼室の略中央に配置され、燃料噴射弁と突出部とが点火プラグを挟んで相互に反対側に配置され、燃料噴射弁が燃焼室の周壁の燃料噴射弁寄りの部位に向けて燃料を噴射するように構成され、該部位に案内溝が形成されているものである。
従って、燃料噴射弁からの燃料は案内溝の燃料噴射弁寄りの部位に向けて噴射されるため、噴射から案内溝に達するまでの燃料の拡散が抑制されて、燃料のシリンダ壁面への付着が一層防止される上に、案内溝内での燃料輸送の行路長が長いため、輸送中に燃料は高温のシリンダ壁から効率良く受熱して気化を促進される。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１において、燃料噴射弁から噴射される燃料が棒状をなすものである。
従って、燃料が棒状に噴射されるため、案内溝に沿って確実に案内可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した筒内噴射型火花点火エンジンの一実施形態を説明する。
本実施形態のエンジンは気筒当たり４弁を備えた直列４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。図１は当該エンジンの特定気筒におけるヘッド部分の構成を示す断面図であり、図中の上段には燃焼室を下方より見た平断面が、下段には側断面が相互に関連付けて表されている。以下、同図に従って特定気筒のヘッド部分の構成を説明するが、他の気筒も全く同一構成となっている。
【００１４】
シリンダブロック３側のピストン４は頂部が平坦に形成され、このピストン４の外周に対応するように、シリンダヘッド１には平面視（図１のＩ−Ｉ線断面に相当）で略円形状の燃焼室１ａが形成されている。シリンダヘッド１には筒内に臨むように点火プラグ２が設けられ、点火プラグ２は平面視で燃焼室１ａのほぼ中央に配置されている。この点火プラグ２を中心として、図中の左方には一対の吸気ポート５の一端側が開口し、図中の右方には同じく一対の排気ポート６の一端が開口している。各吸気ポート５には吸気弁５ａが、各排気ポート６には排気弁６ａがそれぞれ配設され、これらの吸排気弁５ａ，６ａは、図示しないカム軸によりクランク軸の回転に同期して対応するポート５，６を開閉する。
【００１５】
吸気ポート５および排気ポート６は一般的なものと同様の形状をなしており、図示はしないが、吸気ポート５の他端側はシリンダヘッド１の一側面に開口して、スロットル弁などが備えられた吸気通路と連通し、一方、排気ポート６の他端側はシリンダヘッド１の他側面に開口して、触媒や消音器が備えられた排気通路と連通している。吸気通路からの吸気はスロットル弁で流量調整された後に吸気弁５ａの開弁に伴って吸気ポート５から筒内に導入される一方、筒内で燃焼後の排ガスは排気弁６ａの開弁に伴って排気ポート６から排気通路に案内されて、触媒および消音器を経て外部に排出される。
【００１６】
シリンダヘッド１の吸気ポート５の外周側には燃料噴射弁７が設けられ、燃料噴射弁７は水平より若干傾斜した姿勢に保持されて先端のノズル部を筒内に臨ませている。図２は燃料噴射弁７のノズル構造を示す図１の上段に対応する平断面図、図３は同じくノズル構造を示す図１の下段に対応する側断面図、図４は同じくノズル構造を示す図２のＡ矢視図であり、燃料噴射弁７のノズル部には細孔状をなす一対のノズル孔７ａが形成され（所謂２ホールタイプ）、両ノズル孔７ａは僅かに上方、且つ、燃料噴射弁７の軸線を中心として左右に拡開するように指向している。
【００１７】
このノズル構造により燃料噴射弁７からの燃料は、図１に示すように水平から角度αをもって若干下方に偏向するとともに、角度βをもって左右に２条に分割されて噴射される。また、細孔状のノズル孔７ａから噴射される燃料はほとんど拡散せずに棒状の噴霧を形成し、強い貫徹力を備える。
一方、図１の平断面に示すように、燃焼室１ａの周壁（燃焼室１ａの周縁を構成する壁）には、点火プラグ２を挟んだ燃料噴射弁７の反対側の位置にジャンプ台１１（突出部）が一体形成されている。ジャンプ台１１は燃焼室１ａの周壁から滑らかに連続して略く字状に隆起し、その先端を点火プラグ２側に指向させている。
【００１８】
図５は燃焼室１ａの周壁の箇所の案内溝１２を示す図１のＶ−Ｖ線断面図、図６は同じくジャンプ台１１の箇所の案内溝１２を示す図１のＶＩ−ＶＩ線断面図であり、これらの図に示すように、燃料噴射弁７の左右両側の燃焼室１ａの周壁には、点火プラグ２に対して燃料噴射弁７寄りの部位を起点１２ａとしてそれぞれ案内溝１２が形成され、これらの案内溝１２は燃焼室１ａの周縁に沿ってジャンプ台１１の先端まで連続して形成されている（案内溝、第２案内溝）。案内溝１２の断面形状は、燃焼室１ａの周壁およびジャンプ台１１に沿って燃料を案内するために最適な半円状の断面に形成されている。
【００１９】
そして、上記燃料噴射弁７の噴霧角度α，βの設定により、図１に示すように２条の燃料の噴霧は上記案内溝１２内の起点１２ａ付近にそれぞれ直接的に衝突することになり、且つ、吸気弁５ａが開弁すると、噴霧の軌跡上に吸気弁５ａが位置して、その傘部に噴霧が衝突する。
以上のように構成されたエンジンは図示しないＥＣＵ（電子制御ユニット）により総合的に制御される。例えば燃料噴射制御については、予め設定されたマップに従って、エンジンの目標平均有効圧Ｐｅ（機関負荷）とエンジン回転速度Ｎｅが比較的低い運転領域では圧縮行程噴射モードが選択されて、圧縮行程での燃料噴射により空燃比がリーン側に制御される一方、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅの増加に伴って吸気行程噴射モードに切換えられて、吸気行程での燃料噴射により空燃比がストイキオやリッチ側に制御される。
【００２０】
以上の圧縮行程噴射モードおよび吸気行程噴射モードにおいて、燃料噴射弁７から噴射された燃料は筒内で以下のようにして燃焼に供される。
図７〜９は圧縮行程噴射モードにおける燃料の輸送状況を示す説明図であり、当該圧縮行程噴射モードではピストン４の上昇中に燃料噴射が行われ、このときの吸排気弁５ａ，６ａは閉弁されている。燃料噴射弁７からの燃料は下方に角度αをもって偏向した状態で、左右に角度βをもって２条に分割されて噴射され、図７に矢印で示すように、それらの噴霧は案内溝１２内の起点１２ａ付近に直接的に衝突してそれぞれ案内溝１２内に捉えられる。なお、上記説明から明らかなように、ジャンプ台１１や案内溝１２などを含めた燃焼室１ａ全体は燃料噴射弁７の左右両側で対称に構成されているため、以下に述べる噴霧の案内も燃料噴射弁７の両側で同様に行われる。
【００２１】
強い貫徹力を付与された噴霧は案内溝１２により案内されて燃焼室１ａの周縁に沿って輸送され、図８に矢印で示すようにジャンプ台１１に到達する。さらに噴霧は自己の運動量を利用してジャンプ台１１により次第に進行方向を変更され、点火プラグ２方向へのベクトルを付与されてジャンプ台１１から切り離される。このときにも噴霧はジャンプ台１１の案内溝１２により案内されるため、噴霧は点火プラグ２側に確実に導かれる。ジャンプ台１１から切り離された噴霧は、同時に左右から衝突して運動量を弱めて点火プラグ２に向かう双子渦を形成し、点火プラグ２近傍に点火性の良好な混合気を形成する一方、その周囲は空気過剰となり、点火プラグ２の点火により成層燃焼が実現される。
【００２２】
一方、図１０は吸気行程噴射モードにおける燃料の輸送状況を示す説明図であり、当該吸気行程噴射モードではピストン４の下降中に燃料噴射が行われ、このときの吸気弁５ａは開弁されている。燃料噴射弁７からの２条の噴霧は吸気弁５ａの傘部にそれぞれ衝突し、その強い貫徹力を分裂エネルギに転換されて微粒化する。そして、噴霧は吸気ポート５から流入される吸気流と混合して点火までの十分な時間の間に均質化され、点火プラグ２の点火により予混合燃焼が実現される。勿論、要求噴射量に応じて吸気行程噴射モードの燃料噴射の形態はこの限りではなく、噴霧と吸気弁５ａとの衝突が起こらない場合もある。
【００２３】
以上詳述したように本実施形態の筒内噴射型火花点火エンジンでは、細孔状のノズル孔７ａを備えた燃料噴射弁７により棒状の貫徹力の強い噴霧を形成し、噴霧自体の強い運動量を利用して燃料輸送を行うため、噴霧の貫徹力が弱い特許文献１の技術のようにピストン壁面に燃料が溜まる現象を防止できる。また、案内溝１２により噴霧を案内しながら燃料輸送するため、特許文献２の技術のように燃焼室の周壁を輸送中に燃料の幅が広がってシリンダ壁に付着する現象を防止でき、ジャンプ台１１を利用して噴霧を点火プラグ２近傍に効率良く集合させることができる。結果として、ピストン壁面やシリンダ壁面への燃料付着を抑制して、局部的なオーバリッチ化に起因する燃焼効率の低下、ＨＣやスートの増大を未然に防止することができる。
【００２４】
また、燃料噴射弁の噴霧を点火プラグ２に対して燃料噴射弁７寄りの部位（案内溝１２の起点）に衝突させるため、噴射から案内溝１２に達するまでの噴霧の拡散を抑制して、燃料のシリンダ壁面への付着を一層防止できる上に、その後の案内溝１２内での燃料輸送の行路長が長いため、輸送中にシリンダヘッド側から効率良く受熱して燃料の気化を促進でき、これらの要因により上記した燃焼効率の低下、ＨＣやスートの増大を一層確実に防止することができる。
【００２５】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、４弁式の直列４気筒ガソリンエンジンとして構成したが、エンジンの動弁機構の形式や気筒配列はこれに限らず、吸排気弁５ａ，６ａの数を変更したり、Ｖ型６気筒やＶ型８気筒エンジンとして構成したりしてもよい。
【００２６】
また、上記実施形態では、ジャンプ台１１や案内溝１２などを含めた燃焼室１ａ全体を左右対称に構成した。この構成は燃料噴射弁７からの２条の噴霧を案内溝１２により均等に案内して、ジャンプ台１６で噴霧を確実に衝突できるという利点があるが、必ずしも燃焼室１ａの形状をこれに限ることはない。例えば吸気ポート５の配置が左右非対称の場合や、点火プラグ２が筒内の偏心位置に配置されている場合などには、噴霧に対する吸気流の影響、或いは噴霧の最適な衝突位置などを考慮した上で、ジャンプ台１１や案内溝１２などを含めた燃焼室１ａ全体を左右非対称に構成してもよい。
【００２７】
さらに、上記実施形態では、燃料噴射弁７のノズル部に細孔状をなす一対のノズル孔７ａを設けて棒状の噴霧を形成したが、貫徹力の強い噴霧を形成可能であれば、ノズル孔７ａの形状はこれに限らず、例えば図１１に示すように、左右にノズル孔７ｂを複数設けたり（マルチホールタイプ）、図１２に示すように左右にスリット状のノズル孔７ｃを設けたりして（２スリットタイプ）、扁平断面の噴霧を形成してもよい。また、必ずしも燃料噴射弁７からの噴霧を２条とする必要はなく、例えば１条の噴霧を噴射するように燃料噴射弁７を構成するとともに、その噴霧が最適に案内されるように、上記ジャンプ台１１の位置や案内溝１２の形状などを設定してもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１，２の発明の筒内噴射型火花点火内燃機関によれば、燃料の運動量を利用して燃料輸送を行い、且つ、燃焼室の周壁で案内溝により燃料を案内するようにしたため、燃料を点火プラグ近傍に効率よく集合させて、ピストン壁面やシリンダ壁面などへの燃料付着を抑制し、もって、局所的なオーバーリッチ化に起因する燃焼効率の低下、ＨＣやスートの増大を未然に防止することができる。
【００２９】
請求項３の発明の筒内噴射型火花点火内燃機関によれば、請求項１に加えて、燃料を案内溝の燃料噴射弁寄りの部位に向けて噴射するようにしたため、噴射から案内溝に達するまでの燃料の拡散によるシリンダ壁面への付着を抑制するとともに、案内溝内での輸送中に燃料の気化を促進して、燃焼効率の低下、ＨＣやスートの増大を一層確実に防止することができる。
【００３０】
請求項４の発明の筒内噴射型火花点火内燃機関によれば、請求項１に加えて、燃料を棒状に噴射するようにしたため、案内溝に沿って燃料を確実に案内することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の筒内噴射型火花点火エンジンの特定気筒におけるヘッド部分の構成を示す断面図である。
【図２】燃料噴射弁のノズル構造を示す図１の上段に対応する平断面図である。
【図３】同じくノズル構造を示す図１の下段に対応する側断面図である。
【図４】同じくノズル構造を示す図２のＡ矢視図である。
【図５】燃焼室の周壁の箇所の案内溝を示す図１のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】同じくジャンプ台の箇所の案内溝を示す図１のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】圧縮行程噴射モードにおける燃料の噴射直後を示す説明図である。
【図８】圧縮行程噴射モードにおける燃料の輸送中を示す説明図である。
【図９】圧縮行程噴射モードにおける燃料の衝突直後を示す説明図である。
【図１０】吸気行程噴射モードにおける燃料の噴射直後を示す説明図である。
【図１１】燃料噴射弁のノズル孔をマルチホールタイプとしたノズル構造の別例を示す図である。
【図１２】燃料噴射弁のノズル孔を２スリットタイプとしたノズル構造の別例を示す図である。
【符号の説明】
１ａ　燃焼室
２　　点火プラグ
７　　燃料噴射弁
１１　ジャンプ台（突出部）
１２　案内溝（案内溝、第２案内溝）
【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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【図１１】
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【図１２】
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