(57)【要約】【課題】燃料混合気を点火プラグの付近に集中させて安定した成層燃焼を実現することができ、かつ、ピストンへの燃料付着を抑えてＨＣ等の排出量を確実に低減することができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】燃料噴射弁１１からシリンダ３内に噴射される燃料噴霧１２の一端部１２ａが燃料噴射弁１１の噴孔２５から点火プラグ６の方向に延び、前記一端部１２ａからピストン４側に向かって燃料噴霧１２が中実に広がる。燃料噴霧１２の貫徹力は、点火プラグ６側の一端部１２ａからピストン４側の他端部１２ｂに向かって連続的に減少させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁からシリンダ内に噴射される燃料噴霧の一端部が前記燃料噴射弁の噴孔から点火プラグの方向に延び、前記一端部からピストン側に向かって前記燃料噴霧が中実に広がるとともに、前記燃料噴霧の貫徹力が前記点火プラグ側の前記一端部から前記ピストン側の前記他端部に向かって連続的に減少することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が前記シリンダの中心線と直交する方向に広がる角度として定義される横広がり角が、前記一端部から前記他端部に向かって連続的に減少していることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴霧の密度が、前記一端部から前記他端部に向かって連続的に増加していることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項４】
前記シリンダ内に点火プラグに向かう吸気流を形成する吸気流形成手段を具備し、前記燃料噴霧の一端部は前記吸気流に沿う方向に噴射されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項５】
前記吸気流がシリンダの中心線と平行な面内で旋回するタンブル流であることを特徴とする請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項６】
前記燃料噴霧の前記一端部における到達位置が前記点火プラグの位置に略一致していること特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項７】
前記点火プラグが前記シリンダの略中心線上に位置し、前記燃料噴射弁は前記シリンダの外周に前記噴孔を前記シリンダの中心線に向けて取り付けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項８】
噴射される燃料流が互いに衝突するように設けられた複数の噴孔の組が所定方向に複数設けられている燃料噴射弁において、
同一組の噴孔の軸線同士が交差する角度として定義される噴流衝突角が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次増加することにより、前記所定方向の一端側から他端側に向かって貫徹力が連続的に減少する燃料噴霧が形成されるように構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項９】
噴射される燃料流が互いに衝突するように設けられた複数の噴孔の組が所定方向に複数設けられている燃料噴射弁において、
前記噴孔の直径が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次減少することにより、前記所定方向の一端側から他端側に向かって貫徹力が連続的に減少する燃料噴霧が形成されるように構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項１０】
噴射される燃料流が互いに衝突するように設けられた複数の噴孔の組が所定方向に複数設けられている燃料噴射弁において、
各組の噴孔間の距離が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次減少することにより、前記所定方向の一端側から他端側に向かって貫徹力が連続的に減少する燃料噴霧が形成されるように構成されたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項１１】
同一組の噴孔の軸線同士が交差する角度として定義される噴流衝突角が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次増加することにより、前記燃料噴霧の前記所定方向と直交する方向の広がり角が前記所定方向の一端側から他端側に向かって連続的に減少するように構成されたことを特徴とする請求項９に記載の燃料噴射弁。
【請求項１２】
前記噴孔の直径が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次増加し、かつ前記所定方向に関する前記噴孔の配置が前記所定方向の一端側で密に他端側で粗となるように変化することにより、燃料噴霧の燃料密度が前記所定方向の一端側から他端側に向かって連続的に増加するように構成されたことを特徴とする請求項８又は１０に記載の燃料噴射弁。
【請求項１３】
前記所定方向の一端側の噴孔の組から噴射される燃料噴霧が点火プラグ側に向かって延び、前記所定方向の他端側の噴孔の組から噴射される燃料噴霧が前記点火プラグから離れてピストン側に向かって延びるように、前記内燃機関に対する取り付け方向が設定されていることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内に燃料を噴射する火花点火内燃機関及びその燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火内燃機関において成層燃焼を実現する場合には、混合気を点火プラグ付近に集中させるとともに、ピストンへの燃料の付着を抑える必要がある。
【０００３】
そこで、特開２０００−１１０５６８号公報に開示された内燃機関では、燃料噴射弁の先端に設けたスプリッタにより、燃料噴霧を順タンブル流に沿って点火プラグ方向に向かう貫徹力の大きい燃料噴霧と、順タンブル流に逆らってピストン方向に向かう貫徹力の小さい燃料噴霧とに分割することにより、点火プラグ付近への燃料混合気の集中と、ピストンへの燃料付着の抑制とを図っている。
【０００４】
また、特開平１１−１５９４２１号公報に開示された内燃機関では、燃料噴射弁の内部を通過する燃料に、燃料噴射弁の軸線を中心とする旋回力を付与するとともに、燃料噴射口を燃料噴射弁の軸線に対してプラグ側に斜めに傾けることにより、中空コーン状でかつ点火プラグ側への貫徹力が大きく、ピストン側への貫徹力が小さい燃料噴霧を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開２０００−１１０５６８号公報に記載された内燃機関では、燃料噴霧がスプリッタを境として不連続に分割されるので、燃焼時に火炎伝播不良が発生して燃焼が不安定になるおそれがある。また、燃料噴霧を分割した場合、必要な燃料噴射量を確保するためには燃料噴霧の長さを増加させる必要がある。このため、シリンダ内で成層混合気が細長く分布し、貫徹力の大きい側の燃料噴霧による可燃混合気の形成が遅れてオーバーリッチ領域が出現する一方、貫徹力の小さい側の燃料噴霧については火炎が届くまでに拡散が進み、オーバーリーン領域が形成されて火炎伝播不良が生じるおそれがある。このような燃焼の不良は、燃費を悪化させ、ＨＣの排出量を増加させる。また、内燃機関の運転制御について、所定の基準状態（適合状態）からのずれに対する余裕度を示すいわゆるロバスト性（堅牢性）を低下させる。
【０００６】
また、燃料噴霧の分割によりピストンへの燃料付着が抑えられても、その代わりにスプリッタへ燃料が付着するため、ＨＣ等の排出量の低減効果が期待したほど得られない。
【０００７】
特開平１１−１５９４２１号公報に記載された内燃機関においても、燃料噴霧が中空コーン状であるため、燃料噴霧の内部において燃料の分布に不連続性が生じ、燃料噴霧を分割した場合と同様の問題が生じる。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料混合気を点火プラグの付近に集中させて安定した成層燃焼を実現することができ、かつ、ピストンへの燃料付着を抑えてＨＣ等の排出量を確実に低減することができる筒内噴射式火花点火内燃機関、及びそれに適した燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁からシリンダ内に噴射される燃料噴霧の一端部が前記燃料噴射弁の噴孔から点火プラグの方向に延び、前記一端部からピストン側に向かって前記燃料噴霧が中実に広がるとともに、前記燃料噴霧の貫徹力が前記点火プラグ側の前記一端部から前記ピストン側の前記他端部に向かって連続的に減少することにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【００１０】
この発明の内燃機関によれば、燃料噴霧が中実に広がり、かつその貫徹力も点火プラグ側からピストン側に向かって連続的に減少している。従って、燃料噴霧によって形成される成層混合気が不連続に分布するおそれがなく、着火性及び火炎伝播のいずれも良好に保たれ、成層燃焼の安定性が向上する。燃料噴霧を分割し、あるいは中空形状に形成する場合のように細長い燃料噴霧を形成する必要がなく、燃料噴霧が全体として密にまとまって可燃混合気が早期に形成され、その結果、着火性が向上し、かつ火炎も良好に伝播して燃焼が安定する。さらに、ピストン側の貫徹力が小さく制限されるのでピストンへの燃料付着が防止されてＨＣ等の排出量も低減される。ピストンに代えてスプリッタのような障害物に燃料が付着するおそれもなく、ＨＣ等の排出量の低減効果が損なわれることもない。
【００１１】
本発明の内燃機関において、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が前記シリンダの中心線と直交する方向に広がる角度として定義される横広がり角を、前記一端部から前記他端部に向かって連続的に減少させてもよい（請求項２）。
【００１２】
この場合には、ピストン側に向かって噴射された燃料噴霧の横広がり角が小さく制限されるので、点火プラグにて着火された火炎がピストン側の燃料噴霧に伝播するまでの燃料噴霧の過剰な拡散が抑えられ、オーバーリーン化による燃焼不良が防止される。
【００１３】
前記燃料噴霧の密度は、前記一端部から前記他端部に向かって連続的に増加させてもよい（請求項３）。この場合には、点火プラグ側において燃料噴霧の密度が相対的に小さいので燃料と空気とがよく混ざり合い、可燃混合気が早期に形成されて着火性が安定する。その一方、ピストン側においては燃料の密度が高くて十分な量の燃料が含まれているので、火炎が伝播するまでにこれらの燃料噴霧が拡散してもオーバーリーン化は抑制され、良好な火炎伝播特性が得られる。
【００１４】
本発明の内燃機関においては、前記シリンダ内に点火プラグに向かう吸気流を形成する吸気流形成手段を具備し、前記燃料噴霧の一端部は前記吸気流に沿う方向に噴射されてもよい（請求項４）。そして、前記吸気流はシリンダの中心線と平行な面内で旋回するタンブル流であってもよい（請求項５）。これにより、燃料噴霧の一端部を点火プラグの付近に効率よく集中させて可燃混合気を早期に形成できる。また、吸気流によって燃料噴霧が搬送される傾向の高いエアーガイド時には、ピストン側に噴射された燃料噴霧が吸気流の抵抗を受けるのでピストンへの燃料付着がさらに生じ難くなる。しかも、燃料噴霧が吸気流によって押し返されることにより、全体として燃料噴霧が密にまとまるようになり、成層燃焼に好適な燃料混合気が形成される。
【００１５】
本発明の内燃機関においては、前記燃料噴霧の前記一端部における到達位置が前記点火プラグの位置に略一致することが望ましい（請求項６）。燃料噴霧の到達位置は、燃料噴霧に含まれている燃料の微細な液滴が略全て気化する位置として把握することができる。従って、点火プラグに向かって噴射される燃料噴霧の到達位置を点火プラグと略一致させたならば、気化した燃料と空気とが混ざり合って形成される燃料混合気がシリンダ内で拡散する前にこれに着火させることができ、良好な成層燃焼を実現できる。
【００１６】
本発明の内燃機関においては、前記点火プラグが前記シリンダの略中心線上に位置し、前記燃料噴射弁は前記シリンダの外周に前記噴孔を前記シリンダの中心線に向けて取り付けられてもよい（請求項７）。このように点火プラグと燃料噴射弁とが配置されている場合には、燃料噴射弁と点火プラグとの間に十分な距離を確保できる。そのため、点火プラグ側に向けて噴射される燃料噴霧の貫徹力を十分に大きくしてそれらの燃料噴霧に含まれる燃料量を増加させ、その効果として、ピストン側に向けて噴射される燃料噴霧の貫徹力を十分に小さくしてピストンへの燃料の付着を確実に回避することができる。
【００１７】
本発明の内燃機関の燃料噴霧は、好適には以下の燃料噴射弁を設けることによって実現することができる。
【００１８】
本発明の第１の燃料噴射弁は、噴射される燃料流が互いに衝突するように設けられた複数の噴孔の組が所定方向に複数設けられている燃料噴射弁において、同一組の噴孔の軸線同士が交差する角度として定義される噴流衝突角が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次増加することにより、前記所定方向の一端側から他端側に向かって貫徹力が連続的に減少する燃料噴霧が形成されるように構成されているものである（請求項８）。
【００１９】
噴流衝突角が大きいほど、衝突後の燃料噴霧の貫徹力は小さくなるので、上記のように噴流衝突角を変化させることにより、本発明の貫徹力の特徴を備えた燃料噴霧を形成することができる。しかも、噴孔の組を前記所定方向に多数設けることにより燃料噴霧を容易に中実化することができる。
【００２０】
本発明の第２の燃料噴射弁は、噴射される燃料流が互いに衝突するように設けられた複数の噴孔の組が所定方向に複数設けられている燃料噴射弁において、前記噴孔の直径が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次減少することにより、前記所定方向の一端側から他端側に向かって貫徹力が連続的に減少する燃料噴霧が形成されるように構成されているものである（請求項９）。
【００２１】
噴孔の直径が小さいほど、衝突後の燃料噴霧の貫徹力は小さくなるので、上記のように直径を変化させることにより、本発明の貫徹力の特徴を備えた燃料噴霧を形成することができる。しかも、噴孔の組を前記所定方向に多数設けることにより燃料噴霧を容易に中実化することができる。
【００２２】
本発明の第３の燃料噴射弁は、噴射される燃料流が互いに衝突するように設けられた複数の噴孔の組が所定方向に複数設けられている燃料噴射弁において、各組の噴孔間の距離が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次減少することにより、前記所定方向の一端側から他端側に向かって貫徹力が連続的に減少する燃料噴霧が形成されるように構成されているものである（請求項１０）。
【００２３】
同一組における一対の噴孔間の距離が小さいほど、衝突後の燃料噴霧の貫徹力は小さくなるので、上記のように距離を変化させることにより、本発明の貫徹力の特徴を備えた燃料噴霧を形成することができる。しかも、噴孔の組を前記所定方向に多数設けることにより燃料噴霧を容易に中実化することができる。
【００２４】
本発明の第４の燃料噴射弁は、上記の第２の燃料噴射弁において、同一組の噴孔の軸線同士が交差する角度として定義される噴流衝突角が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次増加することにより、前記燃料噴霧の前記所定方向と直交する方向の広がり角が前記所定方向の一端側から他端側に向かって連続的に減少するように構成されたものである（請求項１１）。
【００２５】
噴流衝突角は燃料噴霧の横広がり角に影響し、噴流衝突角が大きいほど横広がり角が増加する。従って、第２の燃料噴射弁において直径を変化させることによって実現した貫徹力の変化を完全には打ち消さない範囲で噴流衝突角を上記の通りに変化させたならば、前記所定方向の一端から他端に向かって貫徹力及び横広がり角が連続的に減少する燃料噴霧を形成することができる。
【００２６】
本発明の第５の燃料噴射弁は、上述した第１又は第３の燃料噴射弁において、前記噴孔の直径が前記所定方向の一端の組から他端の組に向かうほど漸次増加し、かつ前記所定方向に関する前記噴孔の配置が前記所定方向の一端側で密に他端側で粗となるように変化することにより、燃料噴霧の燃料密度が前記所定方向の一端側から他端側に向かって連続的に増加するように構成されたものである（請求項１２）。
【００２７】
この燃料噴射弁によれば、噴孔の直径が所定方向の一端側で小さくなるので、燃料噴霧に含まれる燃料の液滴の直径が減少して燃料の密度が低下する。従って、燃料密度は所定方向の一端から他端に向かって漸次増加することになる。さらに、噴孔が所定方向の一端側で密に、他端側で粗に配置されるので、燃料密度が小さい所定方向の一端側でも十分な量の燃料を供給することができる。
【００２８】
さらに、本発明の各燃料噴射弁においては、前記所定方向の一端側の噴孔の組から噴射される燃料噴霧が点火プラグ側に向かって延び、前記所定方向の他端側の噴孔の組から噴射される燃料噴霧が前記点火プラグから離れてピストン側に向かって延びるように、前記内燃機関に対する取り付け方向が設定されてもよい（請求項１３）。このように燃料噴射弁の内燃機関に対する取り付け方向を定めることにより、本発明の燃料噴射弁を利用して本発明の内燃機関を実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明が適用される筒内噴射式火花点火内燃機関の一実施形態を示している。図１の内燃機関１は自動車に搭載される４サイクル式ガソリンエンジンとして構成されている。内燃機関１のシリンダブロック２には複数のシリンダ３（図１では一つのみ示す。）が形成され、各シリンダ３にはピストン４が上下動自在に挿入される。各シリンダ３の開口部はシリンダヘッド５にて閉じられ、そのシリンダヘッド５には点火プラグ６がその電極部（スパーク形成部）を各シリンダ３の中心線ＣＬ１に略一致させて取り付けられている。シリンダヘッド５には、点火プラグ６を挟むようにして吸気通路７及び排気通路８がシリンダ３毎に形成されるとともに、その吸気通路７を開閉する吸気バルブ９と、排気通路８を開閉する排気バルブ１０とが１つのシリンダ３に対して２本ずつ取り付けられている。なお、点火プラグ６の位置からみたときに２本の吸気バルブ９は図１の紙面と直交する方向に関して左右対称に配置されるが、図１では片側の吸気バルブ９のみを示している。排気バルブ１０についても、吸気バルブ９と同様に点火プラグ６からみたときにシリンダ３の中心線ＣＬ１を挟んで左右対称に並べられる。
【００３０】
吸気通路７は隔壁７ｃによって上部通路７ａ及び下部通路７ｂに分割され、下部通路７ｂには当該下部通路７ｂの開口面積を変化させる吸気流制御弁７ｄが設けられている。吸気流制御弁７ｄを閉じたときは専ら上部通路７ａからシリンダ３の中心付近に吸気が導入され、その結果、図１に矢印で示したようにシリンダ３内をシリンダ３の中心線と平行な面に沿って旋回する吸気流（順タンブル流）が形成される。吸気流制御弁７ｄを開くと吸気通路７の全域からシリンダ３内に均等に吸気が導入され、タンブル流は相対的に弱められる。このように、吸気流制御弁７ｄはシリンダ３内のタンブル流を形成する手段として機能する。但し、そのような制御弁７ｄは下部通路７ｂに代えて上部通路７ａに設けられてもよい。吸気流制御弁７ｄとは異なる手段によりタンブル流を制御してもよい。なお、図１においてピストン４の頂面にはタンブル流を損なわないように凹部４ａが形成されている。但し、ピストン４の頂面は凹部４ａを有しないフラットな形状であってもよい。
【００３１】
燃料噴射弁１１は、吸気バルブ９よりもシリンダ３の外周側にてそのノズル部１１ａをシリンダ３の中心線ＣＬ１側に向けた状態でシリンダヘッド５に取り付けられている。図３にも示すように、燃料噴射弁１１は、上端部（一端部）１２ａが点火プラグ６の方向に延び、下端部（他端部）１２ｂがピストン４側に延びる燃料噴霧１２をシリンダ３内に噴射する。シリンダ３の中心線ＣＬ１の方向に関する燃料噴霧１２の広がり角（縦広がり角）をθＶとし、図２に示すようにシリンダ３の中心線ＣＬ１と直交する方向に関する燃料噴霧１２の広がり角（横広がり角）をθＨとすれば、燃料噴霧１２の形状は、θＶ＞θＨとなる上下方向（シリンダ３の中心線ＣＬ１の方向）に扁平な形状に設定されている。
【００３２】
燃料噴霧１２は、その中心部から外周まで燃料の液滴（以下、燃料滴と呼ぶことがある。）が連続的に分散されて広がる中実な燃料噴霧として構成されている。燃料噴霧１２の貫徹力（噴霧到達距離に等しい）は、上端部１２ａの貫徹力Ｌ１が最も大きく、下端部１２ｂに向かうほど貫徹力が連続的に減少して下端部１２ｂの貫徹力Ｌ２が最小となる。上端部１２ａの貫徹力Ｌ１は、燃料噴霧１２の到達位置が点火プラグ６に略一致する程度に設定され、下端部１２ｂの貫徹力Ｌ２は燃料がピストン４に達しない程度に設定される。なお、この到達位置は上端部１２ａに含まれる略全ての燃料滴が気化する位置として把握できる。下端部１２ｂの貫徹力Ｌ２は燃料噴射時期に応じたピストン４の位置の変化を考慮して定める必要がある。
【００３３】
以上のような燃料噴霧１２においては、上端部１２ａから下端部１２ｂまで燃料噴霧１２が中実に広がり、かつ貫徹力が連続的に変化しているので、燃料滴が気化して形成される燃料混合気も連続的に広がるようになり、燃料混合気の着火性及び火炎伝播のいずれも良好に保たれて成層燃焼の安定性が向上する。例えば、燃焼の安定性を燃料噴射時期と点火時期との組み合わせで判定した場合には燃焼安定領域が拡大する。燃料噴霧１２を分割し、あるいは中空形状に形成する場合のように燃料噴霧を細長く噴射する必要がなく、燃料噴霧１２が全体として密にまとまるようになり、可燃混合気が早期に形成されて着火性が向上し、かつ火炎も良好に伝播して燃焼が安定する。さらに、ピストン４への燃料付着も防止され、ＨＣ等の排出量も低減される。
【００３４】
以上の内燃機関１において、燃料噴霧１２の横広がり角θＨは、縦広がり角θＶよりも小さい一定値としてもよい。好ましくは、図４（ａ）に示すように、上端部１２ａから下端部１２ｂに向かうほど横広がり角θＨを漸次減少させてもよい。なお、図４は、図３のＡ−Ｂ断面（上端部１２ａ）における横広がり角θＨ１と、図３のＡ−Ｃ断面（下端部１２ｂ）における横広がり角θＨ２とを対比して示したものである。
【００３５】
このように、燃料噴霧１２の横広がり角θＨを上端部１２ａから漸次減少させた場合には、下端部１２ｂに含まれて順タンブル流により運ばれる燃料噴霧の拡散する範囲が横広がり角θＨを一定とした場合と比較して狭くなり、その結果、燃料混合気が球形に近いまとまった形状となる。従って、先行して点火プラグ６に達する上端部１２ａ側の燃料噴霧によって可燃混合気が早期に形成されて着火性が安定し、混合気の未燃部分のオーバーリーン化も抑制されて良好な火炎伝播特性が得られる。
【００３６】
燃料噴霧１２の各部における密度（単位体積に占める燃料の質量）は燃料噴霧１２の全域に亘って一定としてもよいが、上端部１２ａから下端部１２ｂに向かうほど連続的に密度を増加させてもよい（図４（ｂ）参照）。このように燃料噴霧１２の密度を上端部１２ａ側で小さくした場合には、上端部１２ａ側において燃料噴霧１２の密度が相対的に小さいので燃料と空気とがよく混ざり合い、先行して点火プラグ６に達する上端部１２ａ側の燃料噴霧によって可燃混合気が早期に形成されて着火性が安定する。その一方、下端部１２ｂ側には十分な量の燃料が含まれているので、下端部１２ｂ側の燃料噴霧１２が拡散してもオーバーリーン化し難く、良好な火炎伝播特性が得られる。
【００３７】
なお、図４（ｂ）では横広がり角θＨを一定としたが、図４（ａ）と同様に、上端部１２ａ側ほど横広がり角θＨを大きく、下端部１２ｂ側ほど横広がり角θＨを小さく設定してもよい。
【００３８】
次に、上記の燃料噴霧を実現するための燃料噴射弁１１の詳細を説明する。
【００３９】
図５は、燃料噴射弁１１の特にノズル部１１ａを中心とした内部の構成を示した図である。燃料噴射弁１１は、バルブボディ２０と、そのバルブボディ２０の中空部２０ａに挿入され、燃料噴射弁１１の中心線ＣＬ２と平行な方向に摺動自在かつ中心線ＣＬ２と同軸に設けられたニードル弁２１と、ニードル弁２１を先端側（図３の下方）に押し付けるコイルばね２２と、コイルばね２２に抗してニードル弁２１を後方（図５の上方）に駆動する電磁コイル２３とを備えている。コイルばね２２によって押されたニードル弁２１がバルブボディ２０内の弁座２４と密着することにより、ニードル弁２１の内部流路２１ａから中空部２０ａを介して噴孔２５に至る燃料の供給経路が遮断される。電磁コイル２３が励磁されるとニードル弁２１が弁座２４から離れ、燃料の供給経路が連通して燃料噴霧１２が噴孔２５から噴霧される。
【００４０】
図６にも示したように、燃料噴射弁１１には複数の噴孔２５…２５が設けられている。噴孔２５は図６の左右方向に関して２列に分けて設けられ、各列には５個の噴孔２５が図６の上下方向（所定方向）と平行に並べて設けられている。図６の左右方向に並ぶ二つの噴孔２５，２５は一つの噴孔の組２６を構成する。ノズル部１１ａの先端面１１ｂ（図５参照）を基準としたとき、噴孔２５，２５の左右方向のピッチＰａは各組２６において互いに等しい。図６の上下方向における各組２６のピッチＰｂは、燃料噴霧１２の各部において燃料の密度がほぼ均一となるように調整される。
【００４１】
燃料噴射弁１１をシリンダヘッド５に取り付けた状態において、図６の上端側は点火プラグ６側に、下端側はピストン４側にそれぞれ向けられる。従って、図６の上端の噴孔２５，２５から噴射される燃料が燃料噴霧１２の上端部１２ａを形成し、下端の噴孔２５，２５から噴射される燃料が燃料噴霧１２の下端部１２ｂを形成する。
【００４２】
図７に示したように、各組２６の噴孔２５，２５は、それぞれの軸線ＸＬ，ＸＲが燃料噴射弁１１の外部において交点Ｐを有するように、燃料噴射弁１１の内側から外側へ向かうほど互いに接近するように傾けられている。これにより同一組２６の噴孔２５，２５から噴射される燃料は交点Ｐで衝突し、合流されて燃料噴霧１２を形成する。
【００４３】
噴孔２５，２５から噴射されて合流した燃料噴霧１２の貫徹力は、噴孔２５，２５の軸ＸＬ，ＸＲが交差する角度として定義される噴流衝突角φ及び噴孔２５の直径ｄに応じて変化する。すなわち、燃料噴霧１２の貫徹力は噴流衝突角φが大きいほど減少し、直径ｄが大きいほど増加する。図６の例では、噴流衝突角φは図６の上端の組２６が最小で、下端の組２６に向かうほど漸次増加するように設定される。従って、燃料噴射弁１１の先端面１１ｂから交点Ｐまでの距離Ｓは図６の上側の組２６ほど大きくなる。また、各噴孔２５の直径ｄは互いに等しい。従って、図６の場合、燃料噴霧１２の貫徹力は、点火プラグ６側ほど大きくピストン４側ほど小さくなる。これにより、図１に示すように貫徹力が変化する燃料噴霧１２が形成される。
【００４４】
但し、噴流衝突角φを一定とし、各噴孔２５の直径ｄを図６の上端側で大きく、下端側で小さくなるよう連続的に変化させることによっても図１の通りに貫徹力が変化する燃料噴霧１２が得られる。さらに、貫徹力は各組２６の噴孔２５，２５のピッチ（距離）Ｐａによっても変化させることができる。すなわち、ピッチＰａが大きいほど距離Ｓが増加して貫徹力が大きくなるから、図６の例において各噴孔２５の噴流衝突角φ及び直径ｄを一定とし、上側の組２６から下側の組２６に向かうほどピッチＰａを減少させることによっても図１の通りに貫徹力が変化する燃料噴霧１２が得られる。
【００４５】
なお、図７から明らかなように、一組２６の噴孔２５，２５は、燃料噴射弁１１の中心線ＣＬ２に関して対称に設けられている。但し、噴孔２６は中心線ＣＬ２に対して非対称に設けられてもよい。例えば、いずれか一方の噴孔２５を中心線ＣＬ２と平行に形成し、他方の噴孔２５を中心線ＣＬ２に対して斜めに傾けて形成してもよい。いずれにせよ、各噴孔２５の方向は、図６の上端の組２６の噴孔２５から噴射された燃料噴霧１２が点火プラグ６に向かって進むように定められていればよい。
【００４６】
図８は燃料噴射弁１１の噴孔２５の他の例を示す。図８（ａ）の例では、点火プラグ６側からピストン４側に向かうほど噴孔２５の直径ｄを漸次減少させることにより、燃料噴霧１２の貫徹力を点火プラグ６側で大きく、ピストン４側で小さく設定している。そして、その貫徹力の変化を完全には打ち消さない範囲で、噴流衝突角φを点火プラグ６側からピストン４側に向かうほど漸次減少させている。噴孔２５のピッチＰａ、Ｐｂは図６の例と同じである。噴流衝突角φは燃料噴霧の横広がり角θＨにも影響し、噴流衝突角φが大きいほど横広がり角θＨも増加する。従って、図８（ａ）の例によれば、横広がり角θＨが点火プラグ６側で大きく、ピストン４側で小さくなる。これにより、図４（ａ）に示した燃料噴霧１２が得られる。
【００４７】
図８（ｂ）の例では、噴流衝突角φを図６の例と同様に点火プラグ６側からピストン４側に向かうほど漸次増加させることにより、燃料噴霧１２の貫徹力を点火プラグ６側で大きく、ピストン４側で小さく設定している。そして、その貫徹力の変化を完全には打ち消さない範囲で、噴孔２５の直径ｄを点火プラグ６側からピストン４側に向かうほど漸次増加させている。さらに、図６の例と比較して、噴孔の組２６が並ぶ方向（図９の上下方向）における噴孔２５のピッチＰｂを、点火プラグ６側からピストン４側に向かうほど漸次増加させている。つまり、噴孔２５の配置が点火プラグ６側では密に、ピストン４側では粗となるように変化している。なお、各組２６における噴孔２５のピッチＰａは一定である。
【００４８】
図８（ｂ）のような燃料噴射弁１１によれば、直径ｄが大きいほど燃料の液滴の大きさが増加するから、点火プラグ６側では燃料の密度が小さく、ピストン４側では燃料の密度が大きくなる。また、燃料噴霧１２の貫徹力が点火プラグ６側で大きく設定されているので、噴孔２５の直径ｄを小さくすれば必要な燃料量を供給することができないおそれがあるが、点火プラグ６側でピッチＰｂを狭めることにより、十分な量の燃料を点火プラグ６側に噴射させることができる。これにより、図４（ｂ）に示した燃料噴霧１２が得られる。
【００４９】
本発明は上述した実施形態に限定されることなく種々の形態にて実施してよい。例えば燃料噴射弁１１は吸気バルブ９の外周側に配置される例に限らず、排気バルブ１０側に配置されてもよい。吸気通路７と排気通路８との間に燃料噴射弁１１が配置されてもよい。点火プラグ６もシリンダ３の中央に限定されることなく種々の位置に配置してよい。成層燃焼時において吸気流制御弁７ｄは閉じてもよいし開いてもよい。上述したように、吸気流制御弁７ｄを閉じているときは吸気流が強くなるので、燃料噴霧が吸気流に載って点火プラグ６まで搬送されるエアーガイド要素が強くなり、吸気流制御弁７ｄが開いているときは吸気流が弱くなるので、燃料噴霧が噴霧自身の力で点火プラグ６の周辺に供給されるスプレーガイド要素が強くなる。吸気バルブの本数は２本に限らず、１本又は３本以上でもよい。燃料噴射弁１１の一つの組２６には３個以上の噴孔２５が含まれてもよい。その場合には、同一組２６内の最大の噴流衝突角φが上記の関係を満たせばよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の内燃機関によれば、燃料噴霧が中実に広がり、かつその貫徹力も点火プラグ側からピストン側に向かって連続的に減少しているから、燃料噴霧によって形成される成層混合気が不連続に分布するおそれがなく、点火プラグの付近に燃料混合気を十分に集中させて着火性及び火炎伝播のいずれも良好に維持し、成層燃焼の安定性が向上する。燃料噴霧を分割し、あるいは中空形状に形成する場合のように細長い燃料噴霧を形成する必要がなく、燃料噴霧が全体として密にまとまって可燃混合気が早期に形成され、その結果、着火性が向上し、かつ火炎も良好に伝播して燃焼が安定する。さらに、ピストン側の貫徹力が小さく制限されるのでピストンへの燃料付着が防止されてＨＣ等の排出量も低減される。ピストンに代えてスプリッタのような障害物に燃料が付着するおそれもなく、ＨＣ等の排出量の低減効果が損なわれることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関の一実施形態を示す縦断面図。
【図２】図１の内燃機関のシリンダ内の横断面図。
【図３】図１の内燃機関における燃料噴霧と点火プラグとの関係を示す図。
【図４】図３のＡ−Ｂ線及びＡ−Ｃ線に沿った燃料噴霧の横断面を示す図。
【図５】図１の内燃機関にて使用される燃料噴射弁のノズル部の断面図。
【図６】図５の燃料噴射弁の先端（下端）に設けられた噴孔を図５の矢印ＶＩ方向からみた状態を示す図。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図。
【図８】燃料噴射弁の噴孔の他の例を図６の場合と同一の方向からみた状態を示す図。
【符号の説明】
１　内燃機関
３　シリンダ
４　ピストン
６　点火プラグ
７ｄ　吸気流制御弁（吸気流形成手段）
９　吸気バルブ
１０　排気バルブ
１１　燃料噴射弁
１１ａ　燃料噴射弁のノズル部
１２　燃料噴霧
１２ａ　燃料噴霧の上端部（一端部）
１２ｂ　燃料噴霧の下端部（他端部）
２５　噴孔
２６　噴孔の組
ＣＬ１　シリンダの中心線
ＣＬ２　燃料噴射弁の中心線
Ｌ１，Ｌ２　燃料噴霧の貫徹力
θＨ，θＨ１，θＨ２　横広がり角
φ　噴流衝突角
【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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