(57)【要約】【課題】運転条件の全域で好適な燃料微粒化を達成し、噴霧長を好適に設定すること。【解決手段】燃料噴射装置３は、燃焼室２に燃料を噴射する燃料噴射弁４３と、エアを噴射するエア噴射弁４４とを備える。燃料噴射弁４３に対応して燃焼室２に開口される一つの燃料噴孔６９ａと、エア噴射弁４４に対応して燃焼室２に開口される複数のエア噴孔６９ｂとが設けられる。燃料噴孔６９ａの形状、大きさ及び向きが特定され、エア噴孔６９ｂの数、形状、大きさ、向き及び燃料噴孔６９ａに対する配置が特定される。各噴射弁４３，４４から燃料噴孔６９ａ、エア噴孔６９ｂを通じて燃焼室２へ噴射される燃料噴霧とエア噴流とは衝突する。燃料噴孔６９ａからエア噴孔６９ｂまでの距離は１〜４ｍｍの範囲の所定値に設定される。燃料噴霧とエア噴流との衝突角度は１５〜７５°の範囲の所定値に設定される。燃料噴射弁４３に供給される燃料圧力は１〜４ＭＰａに設定される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気バルブ及び排気バルブを含む内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁と、同じく燃焼室に気体を噴射するための気体噴射弁とを備えた直接噴射式燃料噴射装置であって、
前記燃料噴射弁を一つ含み、その燃料噴射弁に対応して前記燃焼室に開口される一つ以上の燃料噴孔が設けられることと、
前記気体噴射弁を少なくとも一つ含み、その気体噴射弁に対応して前記燃焼室に開口される一つ以上の気体噴孔が設けられることと、
前記燃料噴孔の形状、大きさ、向き及び配置が特定されることと、
前記気体噴孔の数、形状、大きさ、向き及び前記燃料噴孔に対する配置が特定されることと、
前記燃料噴孔の中心から前記気体噴孔の中心までの距離が１〜４ｍｍの範囲の所定値に設定されることと
を備え、前記燃料噴射弁から噴射されて前記燃料噴孔を通じて前記燃焼室へ噴射される燃料と、前記気体噴射弁から噴射されて前記気体噴孔を通じて前記燃焼室へ噴射される気体とを衝突させるように構成したことを特徴とする直接噴射式燃料噴射装置。
【請求項２】
吸気バルブ及び排気バルブを含む内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁と、同じく燃焼室に気体を噴射するための気体噴射弁とを備えた直接噴射式燃料噴射装置であって、
前記燃料噴射弁を一つ含み、その燃料噴射弁に対応して前記燃焼室に開口される一つ以上の燃料噴孔が設けられることと、
前記気体噴射弁を少なくとも一つ含み、その気体噴射弁に対応して前記燃焼室に開口される一つ以上の気体噴孔が設けられることと、
前記燃料噴孔の形状、大きさ、向き及び配置が特定されることと、
前記気体噴孔の数、形状、大きさ、向き及び前記燃料噴孔に対する配置が特定されることと
を備え、前記燃料噴射弁から噴射されて前記燃料噴孔を通じて前記燃焼室へ噴射される燃料と、前記気体噴射弁から噴射されて前記気体噴孔を通じて前記燃焼室へ噴射される気体とを衝突させるように構成し、前記燃料噴孔から噴射される燃料と前記気体噴孔から噴射される気体との衝突角度が１５〜７５°の範囲の所定値に設定されることを特徴とする直接噴射式燃料噴射装置。
【請求項３】
吸気バルブ及び排気バルブを含む内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁と、同じく燃焼室に気体を噴射するための気体噴射弁とを備えた直接噴射式燃料噴射装置であって、
前記燃料噴射弁を一つ含み、その燃料噴射弁に対応して前記燃焼室に開口される一つ以上の燃料噴孔が設けられることと、
前記気体噴射弁を少なくとも一つ含み、その気体噴射弁に対応して前記燃焼室に開口される一つ以上の気体噴孔が設けられることと、
前記燃料噴孔の形状、大きさ、向き及び配置が特定されることと、
前記気体噴孔の数、形状、大きさ、向き及び前記燃料噴孔に対する配置が特定されることと、
前記燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が１〜４ＭＰａの範囲の所定値に設定されることと
を備え、前記燃料噴射弁から噴射されて前記燃料噴孔を通じて前記燃焼室へ噴射される燃料と、前記気体噴射弁から噴射されて前記気体噴孔を通じて前記燃焼室へ噴射される気体とを衝突させるように構成したことを特徴とする直接噴射式燃料噴射装置。
【請求項４】
前記燃料噴孔から噴射される燃料と前記気体噴孔から噴射される気体との衝突角度が１５〜７５°の範囲の所定値に設定されることを特徴とする請求項１又は３に記載の直接噴射式燃料噴射装置。
【請求項５】
前記燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が１〜４ＭＰａの範囲の所定値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式燃料噴射装置。
【請求項６】
前記燃料噴孔から噴射される燃料と前記気体噴孔から噴射される気体との衝突角度が１５〜７５°の範囲の所定値に設定されることと、
前記燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が１〜４ＭＰａの範囲の所定値に設定されることと
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の直接噴射式燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料噴射弁から噴射される燃料と、気体噴射弁から噴射される気体とを衝突させて内燃機関（エンジン）の燃焼室へ燃料を直接噴射する直接噴射式燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、下記の特許文献１及び２には、燃料噴射弁から噴射される燃料と、空気噴射弁から噴射される空気とを衝突させるように構成した燃料噴射装置が開示される。
【０００３】
特許文献１には、筒内噴射式（直接噴射式）火花点火機関において、空気噴射弁と燃料噴射弁の取付角度が、両噴射軸線が上下方向及び水平方向で交差し、かつ、噴射方向が共にキャビティ燃焼室に指向する角度に設定されることが記載される。この構成により、空気噴射軸線と燃料噴射軸線とが交差しているため、燃料の吸気行程噴射時に燃料を微粒化できること、噴射空気がキャビティ燃焼室に指向するため、キャビティ燃焼室に燃料が付着するのを抑制できてスモーク及び未燃ＨＣの発生を低下できることが、特許文献１に記載される。
【０００４】
一方、特許文献２には、直接噴射式ではないが、燃料噴射式内燃機関において、燃料噴口をほぼ含む平面上で燃料噴口を両側から挟む位置に、噴射方向を相互に交差させるようにした一対のエアアシスト噴口が配置されることが記載される。この構成により、燃料噴口からの燃料流が、その両側からの空気流により狭められて全体として扁平になることが、特許文献２に記載される。
【０００５】
ここで、直接噴射式のエンジンで最適な燃焼性能を得るためには、エンジン運転条件の全域を通じて燃焼性を向上させるために、燃料微粒化を促進する必要がある。また、直接噴射式のエンジンでは、冷間始動や部分負荷運転に合わせた燃焼性能を得るために、噴霧貫徹距離（燃料噴射弁の噴孔から噴霧先端までの距離（噴霧長））を設定する必要がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−９７０３２号公報（第５−６頁，図１０，図１１）
【特許文献２】特開平４−５０４６９号公報（第２−６頁，図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記の特許文献１に記載の機関では、成層燃焼時（主に部分負荷運転時）に、吸入空気量に相当する大量の空気を噴射して燃料に衝突させると、混合気が分散することになり、成層燃焼に必要な混合気の成層化が不可能になる。このため、成層燃焼時には、空気衝突による燃料の微粒化を好適に行えず、結果として、直接噴射式の機関で成層燃焼時に最適な燃焼性能を得ることができなかった。
【０００８】
また、上記の特許文献１及び２には、噴霧貫徹距離（以下「噴霧長」と言う。）の設定については何も記載されていない。このため、エンジンの冷間始動や部分負荷運転に合わせた燃焼性能を得るために、噴霧長を好適に設定することができず、燃焼性能の向上を図ることができなかった。
【０００９】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関の運転条件の全域で好適な燃料微粒化を達成し、噴霧長を好適に設定することを可能とした直接噴射式燃料噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、吸気バルブ及び排気バルブを含む内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁と、同じく燃焼室に気体を噴射するための気体噴射弁とを備えた直接噴射式燃料噴射装置であって、燃料噴射弁を一つ含み、その燃料噴射弁に対応して前記燃焼室に開口される一つ以上の燃料噴孔が設けられることと、気体噴射弁を少なくとも一つ含み、その気体噴射弁に対応して燃焼室に開口される一つ以上の気体噴孔が設けられることと、燃料噴孔の形状、大きさ、向き及び配置が特定されることと、気体噴孔の数、形状、大きさ、向き及び燃料噴孔に対する配置が特定されることと、燃料噴孔の中心から気体噴孔の中心までの距離が１〜４ｍｍの範囲の所定値に設定されることとを備え、燃料噴射弁から噴射されて燃料噴孔を通じて燃焼室へ噴射される燃料と、気体噴射弁から噴射されて気体噴孔を通じて燃焼室へ噴射される気体とを衝突させるように構成したことを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、一つの燃料噴射弁から噴射される燃料が対応する一つ以上の燃料噴孔から燃焼室へ噴射されることにより、燃焼室の中に燃料噴霧が形成される。この燃料噴霧の形態は、燃料噴孔の形状、大きさ、向き及び配置が特定されることにより決定される。一方、少なくとも一つの気体噴射弁から噴射される気体が対応する一つ以上の気体噴孔から燃焼室に噴射されることにより、燃焼室の中に気体噴流が形成される。この気体噴流の形態及び燃料噴霧に与える影響は、気体噴孔の数、形状、大きさ、向き及び燃料噴孔に対する配置が特定されることにより決定される。ここで、燃料噴射弁から噴射されて燃料噴孔を通じて燃焼室へ噴射される燃料と、気体噴射弁から噴射されて気体噴孔を通じて燃焼室へ噴射される気体とを衝突させるので、気体噴流と燃料噴霧が衝突して燃料噴霧が微粒化される。また、気体噴孔から噴射される気体によって噴霧長を設定するには、燃料噴霧と気体噴流との衝突点において、気体噴流の持つエネルギーが燃料噴霧に干渉し、燃料微粒化及び噴霧長を設定できる程度に保持されていなければならない。ここで、気体噴流の持つエネルギーは、気体噴孔から遠ざかるほど小さくなる。従って、燃料噴孔の近傍に気体噴孔が配置されることにより、気体噴孔から燃料噴霧までの空気抵抗による気体噴流のエネルギー減少が少なくなり、気体噴流と燃料噴霧との衝突点が燃料噴孔付近に設定され、燃料微粒化及び噴霧長の設定が可能となる。特に、この発明によれば、燃料噴孔の中心から気体噴孔の中心までの距離が１〜４ｍｍの範囲の所定値に設定されるので、気体噴流と燃料噴霧との衝突点が燃料噴孔付近の最適位置に設定され、同じエネルギーの気体噴流により燃料高微粒化と噴霧長の伸長が可能となる。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、吸気バルブ及び排気バルブを含む内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁と、同じく燃焼室に気体を噴射するための気体噴射弁とを備えた直接噴射式燃料噴射装置であって、燃料噴射弁を一つ含み、その燃料噴射弁に対応して燃焼室に開口される一つ以上の燃料噴孔が設けられることと、気体噴射弁を少なくとも一つ含み、その気体噴射弁に対応して燃焼室に開口される一つ以上の気体噴孔が設けられることと、燃料噴孔の形状、大きさ、向き及び配置が特定されることと、気体噴孔の数、形状、大きさ、向き及び燃料噴孔に対する配置が特定されることとを備え、燃料噴射弁から噴射されて燃料噴孔を通じて燃焼室へ噴射される燃料と、気体噴射弁から噴射されて気体噴孔を通じて燃焼室へ噴射される気体とを衝突させるように構成し、燃料噴孔から噴射される燃料と気体噴孔から噴射される気体との衝突角度が１５〜７５°の範囲の所定値に設定されることを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、特に、請求項１に記載の発明と異なり、燃料噴孔から噴射される燃料と気体噴孔から噴射される気体との衝突角度が１５〜７５°の範囲の所定値に設定されるので、燃料噴霧の方向に対する気体噴流の作用力が大きくなり、噴霧長の伸長が可能となる。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、吸気バルブ及び排気バルブを含む内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁と、同じく燃焼室に気体を噴射するための気体噴射弁とを備えた直接噴射式燃料噴射装置であって、燃料噴射弁を一つ含み、その燃料噴射弁に対応して燃焼室に開口される一つ以上の燃料噴孔が設けられることと、気体噴射弁を少なくとも一つ含み、その気体噴射弁に対応して燃焼室に開口される一つ以上の気体噴孔が設けられることと、燃料噴孔の形状、大きさ、向き及び配置が特定されることと、気体噴孔の数、形状、大きさ、向き及び燃料噴孔に対する配置が特定されることと、燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が１〜４ＭＰａの範囲の所定値に設定されることとを備え、燃料噴射弁から噴射されて燃料噴孔を通じて燃焼室へ噴射される燃料と、気体噴射弁から噴射されて気体噴孔を通じて燃焼室へ噴射される気体とを衝突させるように構成したことを趣旨とする。
【００１５】
上記発明の構成によれば、特に、請求項１に記載の発明と異なり、燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が１〜４ＭＰａの範囲の所定値に設定される。ここで、燃料噴霧の粒径は、燃料圧力に対して−１／２乗に近い関係を有する。また、燃料圧力を下げることにより、気体噴流のエネルギーが燃料噴霧に対して相対的に大きくなる。従って、燃料噴霧の粒径がさほど変わらない領域内で燃料圧力を下げることで、噴霧長が変わる割合が相対的に大きくなる。
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１又は３に記載の発明において、燃料噴孔から噴射される燃料と気体噴孔から噴射される気体との衝突角度が１５〜７５°の範囲の所定値に設定されることを趣旨とする。
【００１７】
上記発明の構成によれば、請求項１又は３に記載の発明の作用に加え、燃料噴孔から噴射される燃料と気体噴孔から噴射される気体との衝突角度が１５〜７５°の範囲の所定値に設定されるので、燃料噴霧の方向に対する気体噴流の作用力が大きくなり、噴霧長の伸長が可能となる。
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が１〜４ＭＰａの範囲の所定値に設定されることを趣旨とする。
【００１９】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が１〜４ＭＰａの範囲の所定値に設定されるので、燃料圧力が相対的に下がり、気体噴流のエネルギーが燃料噴霧に対して相対的に大きくなる。従って、燃料噴霧の粒径がさほど変わらない領域内で燃料圧力が下がり、噴霧長が変わる割合が相対的に大きくなる。
【００２０】
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、燃料噴孔から噴射される燃料と気体噴孔から噴射される気体との衝突角度が１５〜７５°の範囲の所定値に設定されることと、燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が１〜４ＭＰａの範囲の所定値に設定されることとを備えたことを趣旨とする。
【００２１】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、燃料噴孔から噴射される燃料と気体噴孔から噴射される気体との衝突角度が１５〜７５°の範囲の所定値に設定されるので、燃料噴霧の方向に対する気体噴流の作用力が大きくなり、噴霧長の伸長が可能となる。また、燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力が１〜４ＭＰａの範囲の所定値に設定されるので、燃料圧力が相対的に下がり、気体噴流のエネルギーが燃料噴霧に対して相対的に大きくなる。従って、燃料噴霧の粒径がさほど変わらない領域内で燃料圧力が下がり、噴霧長が変わる割合が想定的に大きくなる。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の運転条件の全域で好適な燃料微粒化を達成することができ、噴霧長を相対的に長くして好適に設定することができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、内燃機関の運転条件の全域で好適な燃料微粒化を達成することができ、噴霧長を相対的に長くして好適に設定することができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、内燃機関の運転条件の全域で好適な燃料微粒化を達成することができ、噴霧長の変化割合を相対的に大きくして好適に設定することができる。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１又は３に記載の発明の効果に加え、噴霧長をより長くすることができる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、噴霧長の変化割合を相対的に大きくすることができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、噴霧長をより長くすることができ、噴霧長の変化割合を相対的に大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
［第１の実施形態］
以下、本発明の直接噴射式燃料噴射装置を具体化した第１の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図１に、本発明の直接噴射式燃料噴射装置を含む直接噴射式エンジンシステムの概略構成図を示す。自動車に搭載された直接噴射式エンジンシステムは、周知の構造を有するレシプロタイプの多気筒エンジン１を含む。エンジン１の各気筒に形成される燃焼室２のそれぞれには、直接噴射式燃料噴射装置（以下単に「燃料噴射装置」と言う。）３が設けられる。燃料噴射装置３は、燃料と空気を燃焼室２に対して直接噴射するように構成される。エンジン１は、吸気通路４を通じて吸入される空気と、燃料噴射装置３から噴射される燃料及び空気との可燃混合気を各気筒の燃焼室２で爆発・燃焼させ、その燃焼後の排気を排気通路５を通じて外部へ排出することにより、ピストン６を動作させてクランクシャフト７を回転させ、動力を得るようになっている。
【００３０】
吸気通路４に設けられたスロットルバルブ８は、同通路４を通じて各気筒の燃焼室２に吸入される空気量（吸気量）Ｇａを調節するために開閉される。このバルブ８は、運転席に設けられたアクセルペダル（図示略）の操作に連動して作動する。スロットルバルブ８に対応して設けられたスロットルセンサ２１は、同バルブ８の開度（スロットル開度）ＴＡを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。スロットルバルブ８がアクセルペダルの操作に連動することから、スロットルセンサ２１により検出されるスロットル開度ＴＡには、アクセルペダルの操作が反映される。吸気通路４のサージタンク９に設けられた吸気圧センサ２２は、スロットルバルブ８より下流の吸気通路４における吸入空気の圧力（吸気圧）ＰＭを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。
【００３１】
各燃料噴射装置３は、対応する燃焼室２の中に燃料と空気を直接噴射する。各燃料噴射装置３には、所定の燃料供給装置及び空気供給装置（共に図示略）により所定圧力の燃料と空気が供給される。各燃料噴射装置３に供給される燃料及び空気は、同装置３が作動することにより対応する燃焼室２へ噴射さる。吸気通路４には、エアクリーナ１０を通じて外部から空気が取り込まれる。吸気通路４に取り込まれた空気は、各気筒の燃焼室２に取り込まれる。その空気の中に各燃料噴射装置３から燃料及び空気が噴射されて可燃混合気が形成される。
【００３２】
各気筒の燃焼室２にそれぞれ設けられた点火プラグ１１は、イグニションコイル１２から出力される点火信号を受けて点火動作する。各点火プラグ１１及びイグニションコイル１２は、燃焼室２において形成される可燃混合気に点火するための点火装置を構成する。
【００３３】
排気通路５に設けられた触媒コンバータ１３は、燃焼室２から排出される排気を浄化するための三元触媒を内蔵する。排気通路５において、触媒コンバータ１３の上流側に設けられた酸素センサ２３は、燃焼室２から排気通路５へ排出される排気中の酸素濃度Ｏｘを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。
【００３４】
エンジン１に設けられた水温センサ２４は、エンジン１の内部を流れる冷却水の温度（冷却水温）ＴＨＷを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。エンジン１に設けられた回転速度センサ２５は、クランクシャフト７の回転速度をエンジン回転速度ＮＥとして検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。このセンサ２５は、クランクシャフト７の回転角（クランク角度）の変化を所定角度毎に検出し、その検出をパルス信号として出力する。運転席に設けられたイグニションスイッチ２６は、エンジン１を始動するためにオンされたときは、始動信号を出力する。イグニションスイッチ２６は、エンジン１を停止するためにオフされたときは、停止信号を出力する。
【００３５】
この実施の形態で、前述したスロットルセンサ２１、吸気圧センサ２２、酸素センサ２３、水温センサ２４及び回転速度センサ２５等は、エンジン１の運転状態を検出するための本発明の運転状態検出手段に相当する。この実施の形態で、吸気量Ｇａは、吸気圧センサ２２及び回転速度センサ２５により検出される吸気圧ＰＭ及びエンジン回転速度ＮＥの値から換算される。
【００３６】
この実施の形態で、電子制御装置（ＥＣＵ）３０は、スロットルセンサ２１、吸気圧センサ２２、酸素センサ２３、水温センサ２４、回転速度センサ２５及びイグニションスイッチ２６から出力される各種信号を入力する。ＥＣＵ３０は、これら入力信号に基づいて燃料噴射制御及び点火時期制御等を実行し、各燃料噴射装置３及びイグニションコイル１２をそれぞれ制御する。
【００３７】
ここで、燃料噴射制御とは、エンジン１の運転状態に応じて各燃料噴射装置３を制御することにより、燃料噴射量、燃料噴射時期及び燃料噴霧を制御することである。点火時期制御とは、エンジン１の運転状態に応じてイグニションコイル１２を制御することにより、各点火プラグ１１による点火時期を制御することである。
【００３８】
周知のように、ＥＣＵ３０は中央処理装置（ＣＰＵ）３１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）３２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３３及びバックアップＲＡＭ（Ｂ．Ｕ．ＲＡＭ）３４等を含んで構成される。ＲＯＭ３２には、前述した各種制御に係る所定の制御プログラム等が予め記憶される。ＥＣＵ３０（ＣＰＵ３１）は、これらの制御プログラムに従って前述した各種制御等を実行する。
【００３９】
図２に、燃料噴射装置３のエンジン１に対する取付状態を断面図に示す。この燃料噴射装置３は、エンジン１の燃焼室２に燃料を噴射するための燃料噴射弁４３と、同じく燃焼室２に気体としてのエア（空気）を噴射するための気体噴射弁としてのエア噴射弁４４とを備える。エンジン１はシリンダブロック４５及びシリンダヘッド４６を含む。シリンダブロック４５に設けられたシリンダボア４７には、ピストン６が往復動可能に設けられる。燃焼室２は、シリンダボア４７と、ピストン６と、シリンダヘッド４６とで囲まれた空間として構成される。図１に示すように、シリンダヘッド４６には、各燃焼室２に通じる吸気ポート４ａ及び排気ポート５ａが設けられる。各吸気ポート４ａには、周知の吸気バルブ１４が設けられる。排気ポート５ａには、周知の排気バルブ１５が設けられる。燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４は、燃焼室２に対応して取付部材４９によりシリンダヘッド４６に一体的に取り付けられる。燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４は、両方の中心軸線Ｌ１，Ｌ２が互いに斜めに交差するように取付部材４９に組み付けられる。
【００４０】
周知の電磁弁により構成される燃料噴射弁４３は、ハウジング５１と、ハウジング５１に組み付けられたコア５２と、コア５２の内部に設けられた調整パイプ５３と、ハウジング５１とコア５２との間に設けられたソレノイド５４と、ハウジング５１の先端側に設けられたロワボディ５５と、ロワボディ５５の内部に設けられたノズルボディ５６と、ノズルボディ５６とコア５２との間に設けられた弁体部材５７とを備える。弁体部材５７は、先端に弁部５８ａを有する弁軸５８と、弁軸５８の基端に組み付けられたアーマチュア５９とを備える。アーマチュア５９と調整パイプ５３との間には、圧縮スプリング６０が設けられる。コア５２の基端部は、燃料配管（図示略）に接続される配管コネクタ６１となっている。配管コネクタ６１の外周には、Ｏリング６２が設けられる。配管コネクタ６１の内部には、異物を除去するストレーナ６３が設けられる。ハウジング５１には、電気配線に接続される配線コネクタ６４が設けられる。ここで、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４の基本構成はほぼ同じであることから、エア噴射弁４４の構成については、燃料噴射弁４３の構成部材と同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】
図３に、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４に係る電気配線、燃料配管及びエア配管に関する構成概念図を示す。図３に示すように、燃料噴射弁４３の配管コネクタ６１には、燃料配管７１が接続される。エア噴射弁４４の配管コネクタ６１には、エア配管７２が接続される。燃料配管７１には、プレッシャレギュレータ７３及び燃料ポンプ７４が設けられる。エア配管７２には、プレッシャレギュレータ７５及びエアポンプ７６が設けられる。各ポンプ７４，７６は、それぞれ対応するモータ７７，７８により駆動される。燃料ポンプ７４が駆動されることにより、燃料タンク（図示略）の燃料が同ポンプ７４から吐出され、プレッシャレギュレータ７３を介して一定の高圧燃料として燃料噴射弁４３へ供給される。エアポンプ７６が駆動されることにより、同ポンプ７６からエアが吐出され、プレッシャレギュレータ７５を介して加圧エアとしてエア噴射弁４４へ供給される。
【００４２】
図３に示すように、燃料噴射弁４３の配線コネクタ６４及びエア噴射弁４４の配線コネクタ６４は、それぞれＥＣＵ３０に電気的に接続される。燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４は、それぞれＥＣＵ３０から送られる噴射信号に基づいて動作する。ＥＣＵ３０からの噴射信号に基づき燃料噴射弁４３が動作することにより、同噴射弁４３から高圧燃料が噴射される。また、ＥＣＵ３０からの噴射信号に基づきエア噴射弁３４が動作することにより、同噴射弁４４から加圧エアが噴射される。この実施の形態で、ＥＣＵ３０は、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４をそれぞれ独立に制御するための本発明の制御手段に相当する。
【００４３】
図４に、取付部材４９の先端部の拡大断面図を示す。図２〜４に示すように、ブロック状をなす取付部材４９は、燃焼室２に向けられる筒部４９ａと、燃料噴射弁４３のロワボディ５５が組み付けられる第１組付穴４９ｂと、エア噴射弁４４のノズルボディ５６が組み付けられる第２組付穴４９ｃとを含む。筒部４９ａと第１組付穴４９ｂは同一軸線上に配置され、隔壁４９ｄにより仕切られる。隔壁４９ｄの中心には、孔４９ｅが形成される。筒部４９ａの中心には、孔６６ａを有するチューブ６６が設けられる。第１組付穴４９ｂに組み付けられたノズルボディ５６には、弁部５８ａに対応する弁座５６ａが形成される。この弁座５６ａの弁孔５６ｂが、上記二つの孔４９ｅ，６６ａに整合して一本の燃料通路６７が構成される。取付部材４９には、第２組付穴４９ｃの中心から筒部４９ａの内側へ向かって伸びる孔４９ｆが形成される。この孔４９ｆは、筒部４９ａの中心に対して斜めに交差するよう配置される。第２組付穴４９ｃに組み付けられたノズルボディ５６には、弁部５８ａに対応する弁座５６ａが形成される。この弁座５６ａの弁孔５６ｂが、上記斜めの孔４９ｆに整合して一本のエア通路６８が構成される。筒部４９ａの開口端には、オリフィスプレート６９が固定される。このオリフィスプレート６９の中心には、一つの燃料噴孔６９ａが燃料噴射弁４３に対応して設けられる。この燃料噴孔６９ａは、燃焼室２に開口されると共に、燃料通路６７に整合する。また、このオリフィスプレート６９には、気体噴孔としての複数のエア噴孔６９ｂがエア噴射弁４４に対応して設けられる。これらエア噴孔６９ｂは、燃料噴孔６９ａの近傍に配置され、燃焼室２に開口され、筒部４９ａの内側に連通する。従って、燃料噴射弁４３から噴射される高圧燃料は、燃料通路６７を通ってオリフィスプレート６９の燃料噴孔６９ａから燃焼室２へ噴射される。また、エア噴射弁４４から噴射される加圧エアは、燃料通路６８を通って筒部６９ａの中に一旦噴射され、更にオリフィスプレート６９の各エア噴孔６９ｂから燃焼室２へ噴射される。
【００４４】
ここで、上記の「近傍」は、下記の噴射条件が変化した場合でも、燃料噴霧の微粒化効果や燃料の噴霧長の可変効果を得ることができる、燃料噴孔の中心から気体噴孔の中心までの距離を意味する。具体的には、一例として、図８に示すように、燃料噴孔の中心からエア噴孔の中心までの距離を「Ｘ」とすると、以下の（式１）〜（式３）の条件を満たす「Ｘ」を上記「近傍」と定義することができる。
【００４５】
気体噴射に関する一般的な運動理論から気体噴流の到達距離「Ｌ（ｍ）」と噴流角度「α（°）」は以下のように表される。
Ｌ＝（ρa／ρo）0.25＊（ｄ＊ｕ＊ｔ／tanα）0.5    …（式１）
tanα＝０．４２７＊（ρo／ρa）0.35               …（式２）
ここで、「ρa」は噴射気体の絶対圧力での気体密度（ｋｇ/ｍ3）、「ρo」は筒内（噴射場）の気体密度（ｋｇ/ｍ3）、「ｄ」は気体噴孔の直径（又は最短幅（ｍ））、「ｕ」は初期気体噴射速度（ｍ/ｓ）、「ｔ」は噴射後の時間（ｓ）及び「α」は仮の噴流半角値（°）である。
【００４６】
上記式より衝突点における噴流速度を算出し、所定の実験値や計算値より求められた燃料噴霧微粒化や噴霧長を可変とする限定条件を付加すると、距離「Ｘ」は、
Ｘ≦ａ＊ｄ＊Ｐa0.5＊ρa0.35＊ρo-0.85            …（式３）
と表される。ここで、「Ｘ」は近傍となる最大距離（ｍ）、「Ｐa」は噴射気体の絶対圧力（Ｐａ）である。「ａ」には「０．０３」を当てはめることができる。
【００４７】
一例として、噴射気体をエアとしてエア噴射径、噴射圧力、噴射気体の絶対圧力での気体密度、筒内（噴射場）の気体密度をｄ≦０.０００５（ｍ）、Ｐa≦６０００００（Ｐａ）、ρa≦7.２３（ｋｇ/ｍ3）、ρo≧１.２０５（ｋｇ/ｍ3）とすると、Ｘ≦０.０１９９（ｍ）＝１９.９（ｍｍ）となる。従って、燃料噴孔から「１９.９ｍｍ」以内に気体噴孔を配置しないと、この噴射条件下では、燃料噴霧の微粒化効果や噴霧長可変効果が得られないことになる。
【００４８】
図５に、オリフィスプレート６９の平面図を示す。図６に、図５のＡ−Ａ線断面図を示す。図５，６に示すように、燃料噴孔６９ａは断面円形をなし、オリフィスプレート６９の端面に対して垂直に貫通する。複数のエア噴孔６９ｂは、同じく断面円形（開口端は楕円）をなし、オリフィスプレート６９の端面に対して斜めに貫通する。図５に示すように、複数（この場合８個）のエア噴孔６９ｂは、燃料噴孔６９ａを中心とする円周上に等角度間隔に配置される。この実施の形態で、燃料噴孔６９ａの内径は「０．６ｍｍ」に設定され、各エア噴孔６９ｂの内径は「１．０ｍｍ」に設定される。
【００４９】
図６に示すように、燃料噴孔６９ａの中心線と、各エア噴孔６９ｂの中心線は、互いに一点（以下「衝突点」と言う。）ＨＰで交差するように設定される。すなわち、燃料噴孔６９ａから、この衝突点ＨＰへ向かって燃料が噴射されることにより、燃料噴霧が形成される。また、各エア噴孔６９ｂから、この衝突点ＨＰへ向かってエアが噴射されることにより、エア噴流が形成される。従って、燃料噴霧と各エア噴流は、この衝突点ＨＰを中心にして互いに衝突する。上記のように、この実施の形態では、各エア噴孔６９ｂから噴射されるエア噴流が燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧に衝突するように各エア噴孔６９ｂ及び燃料噴孔６９ａの向きがそれぞれ設定される。
【００５０】
図７（ａ）〜（ｃ）に燃料噴霧及びエア噴流の概念図を示す。図７（ａ）に示すように、燃料噴霧は正面及び側面ともほぼ同形な略円錐形をなす。この噴霧の広がり角度（噴霧角度）θ１は、オリフィスプレート６９における燃料噴孔６９ａの内径の大きさにより決定される。図７（ｂ）に示すように、１つのエア噴流（自由噴流）は正面及び側面ともほぼ同形な円錐形をなす。この噴流の広がり角度（噴流角度）θ２は、オリフィスプレート６９におけるエア噴孔６９ｂの内径の大きさ等により決定される。図７（ｃ）に示すように、複数のエア噴孔６９ｂから噴射される周囲からのエア噴流（多孔噴流）は正面及び側面ともほぼ同形な王冠形をなす。ここで、一般に、気体噴流の持つエネルギーは気体噴孔から遠ざかるほど小さくなる。そこで、この燃料噴霧における衝突点ＨＰは、エア噴流の持つエネルギーが燃料噴霧に干渉して燃料噴霧の微粒化及び噴霧長や噴霧形状を調節できる程度にエア噴孔６９ｂからの距離が保たれる位置に設定される。また、各エア噴孔６９ｂから噴射されるエア噴流の衝突点ＨＰにおける大きさ（外径（幅））は、燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧の衝突点ＨＰにおける外径Ｄ１と同程度になるように設定される。ここで、燃料噴霧の外径Ｄ１と同程度になる「エア噴流の大きさ」は、図９に示すエア噴流の「噴流角β」及び「エア噴流外径ｂ」と、図８に示すエア噴孔から衝突点ＨＰまでの「距離ｃ」と、所定の式「ｂ＝２＊ｃ＊tan（β／２）」とから定義される。上記のようにこの燃料噴射装置３では、燃料噴射弁４３から噴射される燃料と、エア噴射弁４４から噴射されるエアとを燃焼室２の中で衝突させるように構成される。
【００５１】
図１０（ａ）〜（ｃ）に上記衝突点ＨＰにおける燃料噴霧の強度（噴霧強度）及びエア噴流の強度（噴流強度）の違いを概念図に示す。図１０（ａ）に示すように、燃料噴霧は正面及び側面とも同じ分布幅を有する噴霧強度を示す。図１０（ｂ）に示すように、１つのエア噴流（自由噴流）は正面及び側面とも同じ分布幅を有する噴流強度を示す。この噴流強度は、上記噴霧強度よりも若干低い。図１０（ｃ）に示すように、複数のエア噴流（多孔噴流）による噴流強度は、正面及び側面とも同じ分布幅を有する。この多孔噴流の噴流強度は、上記１つのエア噴流の噴流強度よりも高い。このように、燃料噴霧の強度分布に対してエア噴流の強度分布が均等に重なるように設定される。ここで、噴霧強度及び噴流強度は、流速と密度との積により計算することができる。
【００５２】
上記のように構成したこの実施の形態の燃料噴射装置３によれば、一つの燃料噴射弁４３から噴射される燃料が対応する一つの燃料噴孔６９ａから燃焼室２に噴射されることにより、燃焼室２の中に燃料噴霧が形成される。この燃料噴霧の形態は、燃料噴孔６９ａの形状、大きさ及び向きが特定されることにより決定される。一方、一つのエア噴射弁４４から噴射されるエアが対応する複数のエア噴孔６９ｂから燃焼室２に噴射されることにより、燃焼室２の中にエア噴流が形成される。このエア噴流の形態及び燃料噴霧に与える影響は、各エア噴孔６９ｂの数、形状、大きさ、向き及び燃料噴孔に対する配置が特定されることにより決定される。
【００５３】
ここで、各エア噴孔６９ｂから伸びるエア噴流軸線ＡＬ（図４参照）は、燃料噴孔６９ａからの燃料噴霧における最大径Ｄ１（図７（ａ）参照）の中央にて交差するように設定される。従って、燃料噴霧の形態に応じ、その全体に対して各エア噴流が衝突点ＨＰを中心に衝突することになり、燃料噴霧に対するエア噴流の強度分布が同等となる。この結果、燃料噴霧につき、噴霧全体において同等でより微細な燃料微粒化を図ることができ、燃料の微粒化を促進することができる。これにより、直接噴射式のエンジン１について燃焼性能を向上させることができる。
【００５４】
特に、この実施の形態では、オリフィスプレート６９の燃料噴孔６９ａが円形をなすことから、燃料噴霧が円錐形となり、その燃料噴霧の噴霧角度θ１（図７（ａ）参照）は、燃料噴孔６９ａの内径の大きさにより決定される。また、オリフィスプレート６９の各エア噴孔６９ｂが円形をなすことから、各エア噴流が円錐形となり、それらエア噴流の噴流角度θ２（図７（ｂ）参照）は、各エア噴孔６９ｂの内径の大きさ等により決定される。ここで、燃料噴孔６９ａを中心とする円周上に複数のエア噴孔６９ｂが等角度間隔に配置され、図７（ｃ）に示すように、各エア噴孔６９ｂからの複数のエア噴流が一つの衝突点ＨＰへ向けて傾けられる。従って、円錐形の燃料噴霧に対し、その周囲に複数のエア噴流が衝突し、燃料噴霧に対するエア噴流の強度分布が同等となる。これにより、燃料噴霧の形状に応じて噴霧の幅方向全体に同等にエア噴霧を衝突させることができ、特に円錐形の燃料噴霧につき、その噴霧形状を大きく変えることなく、噴霧全体に同等でより微細な燃料微粒化を図ることができ、燃料の微粒化を促進することができる。
【００５５】
この実施の形態では、各エア噴孔６９ｂが燃料噴孔６９ａの近傍に配置される。ここで、エア噴流により燃料噴霧の噴霧長や噴霧形状を設定するには、燃料噴霧とエア噴流との衝突点ＨＰにおいて、エア噴流の持つエネルギーが燃料噴霧に干渉し、燃料微粒化及び噴霧長や噴霧形状を設定できる程度に保たれる必要がある。このエア噴流の持つエネルギーは、各エア噴孔６９ｂから遠ざかるほど小さくなる。従って、各エア噴孔６９ｂが燃料噴孔６９ａの近傍に配置されることにより、エア噴流と燃料噴霧との衝突点ＨＰが燃料噴孔６９ａの近くに設定される。これにより、燃料微粒化及び噴霧長や噴霧形状を好適に設定することができる。
【００５６】
この実施の形態では、各エア噴孔６９ｂから噴射されるエア噴流の大きさが燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧の大きさと同程度になるように設定される。従って、燃料噴霧の形態に対応し、その全体にエア噴流が衝突することになり、燃料噴霧全体で燃料微粒化及び噴霧長や噴霧形状の好適な設定が可能となる。このため、燃料噴霧にそれと同程度の大きさのエア噴流を衝突させることにより、燃料噴霧全体でより微細な燃料微粒化を図ることができる。
【００５７】
この実施の形態では、燃料噴孔６９ａ及び各エア噴孔６９ｂが共に断面円形をなすことから、それら噴孔６９ａ，６９ｂの加工をポンチ等を使用した孔あけにより比較的容易に行うことができる。このため、オリフィスプレート６９を比較的容易に製造することができる。また、圧力や各エア噴孔６９ｂの形状（例えば「テーパ」）を変えるだけで、エア噴流の広がり角度（噴流角度）θ２（図７（ｂ）参照）が変えられ、エア噴流の強度分布が調整される。更に、円形の燃料噴孔６９ａの内径を変えるだけで、燃料噴霧の広がり角度（噴霧角度）θ１（図７（ａ）参照）が変えられ、燃料噴霧の強度分布が調整される。これにより、微粒化される粒径レベルを比較的容易に任意に設定することができる。併せて、噴霧角度θ１及び噴流角度θ２の調整、燃料噴霧及びエア噴霧の向きをそれぞれ調整することにより、噴霧長や噴霧形状を比較的容易に任意に設定することができる。
【００５８】
図１１に燃料噴霧に複数のエア噴流が衝突したときの概念図を示す。この実施の形態では、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、一つの衝突点ＨＰで同じ大きさと強度分布を有する複数のエア噴流を一つの燃料噴霧に衝突させるので、燃料噴霧自体の強度分布が不均一であっても、その噴霧全体に対して均一にエア噴流の影響を及ぼすことができる。これにより、燃料を好適に微粒化することができ、噴霧長等を好適に設定できることが分かる。
【００５９】
この実施の形態では、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４が燃焼室２に対応して取付部材４９により一体的にシリンダヘッド４６に取り付けられる。従って、各噴射弁４３，４４を個別に取り付ける場合に比べ、燃料噴孔６９ａに対するエア噴孔６９ｂの位置精度が高くなり、取付けのためのシリンダヘッド４６の加工や作業が少なくなる。また、予め取付部材４９に燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４を組み付けてアッセンブリ化しておけば、シリンダヘッド４６に取付部材４９を取り付けるだけで、各噴射弁４３，４４が同時にシリンダヘッド４６に取り付けられる。このため、燃料噴射装置の製造を簡略化することができる。
【００６０】
次に、上記した燃料の噴霧長、噴霧粒径及び噴霧形状を可変とするためにＥＣＵ３０が実行する燃料噴射制御の処理内容について説明する。図１２に、その「燃料噴射制御ルーチン」をフローチャートに示す。ＥＣＵ３０は、このルーチンをエンジン１の運転中に所定時間毎に周期的に実行する。
【００６１】
先ず、ステップ２０１で、ＥＣＵ３０は、スロットルセンサ２１、吸気圧センサ２２、酸素センサ２３、水温センサ２４及び回転速度センサ２５による検出信号をそれぞれ読み込む。
【００６２】
ステップ２０２で、ＥＣＵ３０は、上記読み込まれた検出信号に基づいてエンジン１の運転状態を判定する。この実施の形態で、ＥＣＵ３０は、「低温始動運転」、「部分負荷運転」及び「全負荷運転」を含む運転状態を判定する。例えば、冷却水温ＴＨＷが相対的に低く、エンジン回転速度ＮＥが相対的に低く、スロットル開度ＴＡが相対的に小さい場合、ＥＣＵ３０は「低温始動運転」と判定する。また、冷却水温ＴＨＷがある程度高く、エンジン回転速度ＮＥがある程度高く、スロットル開度ＴＡに多少の変化がある場合、ＥＣＵ３０は「部分負荷運転」と判定する。更に、冷却水温ＴＨＷがある程度高く、エンジン回転速度ＮＥがある程度高く、スロットル開度ＴＡが全開へと変化する場合、ＥＣＵ３０は「全負荷運転」と判定する。
【００６３】
ステップ２０３で、ＥＣＵ３０は、上記判定された運転状態に応じた最適な燃焼パターンを決定する。この実施の形態では、各種運転状態に適した燃焼パターンが予め実験的に確認されて設定されている。図１３に、運転状態と燃焼パターン等との関係を表に示す。この表から分かるように、「低温始動運転」の場合には、「暖機燃焼」が燃焼パターンとして決定される。「部分負荷運転」の場合には、「成層燃焼」が燃焼パターンとして決定される。「全負荷運転」の場合には、「均一燃焼」が燃焼パターンとして決定される。
【００６４】
ステップ２０４で、ＥＣＵ３０は、上記決定された燃焼パターンに応じて、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４による「燃料噴射期間」、「エア噴射期間」及び「燃料・エアの噴射タイミング差」をそれぞれ決定する。例えば、「暖機燃焼」の場合には、図１３に示すように「燃料・エアの噴射期間」が「同期間」に、燃料・エアの噴射タイミング差が「同タイミング」に決定される。また、「成層燃焼」の場合には、図１３に示すように「燃料・エアの噴射期間」が「エア噴射期間を長く」に決定され、燃料・エアの噴射タイミング差が「エア噴射タイミングを先行」に決定される。更に、「均一燃焼」の場合には、図１３に示すように「燃料・エアの噴射期間」が「エア噴射期間を若干長く」に決定され、燃料・エアの噴射タイミング差が「エア噴射タイミングを若干先行」に決定される。
【００６５】
ステップ２０５で、ＥＣＵ３０は、上記決定された「燃料・エアの噴射期間」と「燃料・エアの噴射タイミング差」から、クランク角度の変化に対応した燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングをそれぞれ設定する。例えば、「暖機燃焼」の場合には、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開きタイミングを、同様に角度ａ０から角度ａ３までの範囲に設定する。また、「成層燃焼」の場合には、図１５（ａ），（ｂ）に示すように、燃料噴射弁４３の開きタイミングを、角度ａ２から角度ａ３までの範囲に設定すると共に、エア噴射弁４４の開きタイミングを、燃料噴射弁４３の角度ａ２より角度差ΔＡだけ先行させた角度ａ０から燃料噴射弁４３と同じく角度ａ３までの範囲に設定する。更に、「均一燃焼」の場合には、図１６（ａ），（ｂ）に示すように、燃料噴射弁４３の開きタイミングを、角度ａ２から角度ａ３までの範囲に設定すると共に、エア噴射弁４４の開きタイミングを、燃料噴射弁４３の角度ａ２より角度差ΔＢ（ΔＢ＜ΔＡ）だけ若干先行させた角度ａ１から燃料噴射弁４３と同じく角度ａ３までの範囲に設定する。
【００６６】
そして、ステップ２０６で、ＥＣＵ３０は、上記設定された開閉タイミングに応じた燃料噴射信号及びエア噴射信号を燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４にそれぞれ出力する。
【００６７】
上記のように燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御するのは、燃料噴射装置３による燃料の噴霧長、噴霧粒径及び噴霧形状を制御するためである。すなわち、ＥＣＵ３０は、燃料の噴霧長、噴霧粒径及び噴霧形状を制御するために、燃料噴射弁４３による燃料噴射タイミング及び燃料噴射期間をクランク角度の変化に対応して一定に設定した上で、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミング及びエア噴射期間の両方を、エンジン１について判定された運転状態に基づいて制御している。より具体的には、ＥＣＵ３０は、「暖機燃焼」を達成するために、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミングを燃料噴射弁４３による燃料噴射タイミングと同じにすると共に、エア噴射弁４４によるエア噴射期間を燃料噴射弁４３による燃料噴射期間と等しくしている。また、ＥＣＵ３０は、「成層燃焼」及び「均一燃焼」を達成するために、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミングを燃料噴射弁４３による燃料噴射タイミングより先行又は若干先行させると共に、エア噴射弁４４によるエア噴射期間を燃料噴射弁４３による燃料噴射期間よりクランク角度による角度差ΔＡ又は角度差ΔＢだけ長くしている。
【００６８】
上記の燃料噴射制御によれば、図１３に示すように「暖機燃焼」において、燃料・エアの噴射期間を「同期間」に、噴射タイミング差を「同タイミング」にしている。これにより、噴霧長が相対的に短く、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が噴霧角大となる噴霧特性が得られる。図１７に、この噴霧特性のイメージ図を示す。エンジン１の低温始動運転時には、ピストン６の頂面における燃料付着を防止するために噴霧長を相対的に短く、燃料蒸発を促進するために噴霧粒径を相対的に小さく、燃料を燃焼室２の全体に分散させるために噴霧形状を噴霧角大にすることが望ましい。従って、上記の「暖機燃焼」のための噴霧特性は、エンジン１の低温始動運転時に適したものとなる。
【００６９】
一方、図１３に示すように「成層燃焼」において、燃料・エアの噴射期間を「エア噴射期間を長く」に、噴射タイミング差を「エア噴射タイミングを先行」にしている・これにより、噴霧長が相対的に長く、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が噴霧角小となる噴霧特性が得られる。図１８に、この噴霧特性のイメージ図を示す。エンジン１の部分負荷動運転時には、燃焼室２の中の気流変動等の外乱による影響を受けずに毎サイクル安定した混合気を点火プラグの周辺に集められるようにするために、強い（貫徹距離が長い）噴霧が要求される。また、ピストン６から熱を受けるため、低温始動運転時ほどの高微粒化は要求されないものの、安定した混合気を形成できるようにするために、現状より小さい噴霧粒径が望まれる。更に、噴霧の成層化に適した小さい噴霧角度をなす噴霧形状が要求される。従って、上記の「成層燃焼」のための噴霧特性は、エンジン１の部分負荷運転時に適したものとなる。
【００７０】
一方、図１３に示すように「均一燃焼」において、燃料・エアの噴射期間を「エア噴射期間を若干長く」に、噴射タイミング差を「エア噴射タイミングを若干先行」にしている。これにより、噴霧長が相対的に中程度に、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が噴霧角中となる噴霧特性が得られる。図１９に、この噴霧特性のイメージ図を示す。エンジン１の全負荷動運転時には、低温始動運転時と同等の条件ではあるが、燃焼室２の壁面から受ける熱も期待できる。そのため、噴霧長を低温始動運転時のそれよりも長く、部分負荷運転時のそれよりも短くすることが要求される。また、安定した混合気を形成するために噴霧粒径を現状よりも小さくすることが要求される。更に、噴霧角を低温始動運転時のそれよりも小さく、部分負荷運転時のそれよりも大きくすることが要求される。従って、「均一燃焼」のための噴霧特性は、エンジン１の全負荷運転時に適したものとなる。
【００７１】
上記したこの実施の形態の燃料噴射制御装置によれば、燃料噴射装置３において燃料噴孔６９ａから燃焼室２に燃料が噴射されることにより、燃焼室２の中に燃料噴霧が形成される。一方、燃料噴射装置３において各エア噴孔６９ｂから燃焼室２にエアが噴射されることにより、燃焼室２の中にエア噴流が形成される。この構成では、各エア噴孔６９ｂから噴射されるエア噴流が燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧に衝突するように各エア噴孔６９ｂ及び燃料噴孔６９ａの向きがそれぞれ設定されるので、エア噴流が燃料噴霧に衝突することにより燃料噴霧の形態が変えられる。
【００７２】
ここで、燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧の噴霧長、噴霧粒径及び噴霧形状（噴霧角）を制御するために、ＥＣＵ３０は、エンジン１の運転状態に基づいて燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４をそれぞれ独立に制御する。この制御では、ＥＣＵ３０は、特に、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミング及びエア噴射期間の両方を制御する。これにより、直接噴射式のエンジン１においてその運転状態の違いに応じて燃料の噴霧長、噴霧粒径及び噴霧形状（噴霧角）を変更することができ、その運転状態に最適な特性を有する燃料噴霧を得ることができる。この結果、エンジン１の燃焼室２における燃料の燃焼性能を向上させることができる。これにより、エンジン１の排気エミッションを改善することができ、エンジン１の燃費及び出力を向上させることができる。
【００７３】
ここで、噴霧長の制御に関するメカニズムについて説明する。噴霧長が相対的に短くなるのは、図１４に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御することにより、エア噴射タイミングを燃料噴射タイミングと同じに、エア噴射期間を燃料噴射期間と同じにしたときである。これは、燃料噴霧と同時に形成されるエア噴流が、燃料噴霧の抵抗となることによるものである。一方、噴霧長が相対的に長くなるのは、図１５及び図１６に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御することにより、エア噴射タイミングを燃料噴射タイミングより先行又は若干先行させたときである。これは、燃料噴霧に先行又は若干先行して形成されるエア噴流が、燃料噴霧に勢いを与えることによるものである。従って、燃料噴射タイミングに対するエア噴射タイミングの先行度合いを変えることにより、噴霧長を可変にすることができる。
【００７４】
図２０（ａ）〜（ｃ）に、噴霧長に関する制御例を示す。図２０（ａ）〜（ｃ）は、燃料噴射装置３を使用して形成された燃料噴霧の状態を示す。図２０（ａ）は、燃料噴射の際にエア噴射を行わない場合の燃料噴霧を示す。図２０（ｂ）は、燃料噴射に対して「１．０ｍｓ」だけエア噴射を先行させた場合の燃料噴霧を示す。図２０（ｃ）は、燃料噴射に対して「２．０ｍｓ」だけエア噴射を先行させた場合の燃料噴霧を示す。図２０（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、燃料噴射に対するエア噴射の先行を早めるほど噴霧長が相対的に長くなることが分かる。
【００７５】
次に、噴霧粒径の制御に関するメカニズムについて説明する。噴霧粒径が相対的に小さくなるのは、図１４〜図１６に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御することにより、エア噴射タイミングと燃料噴射タイミングの関係、エア噴射期間と燃料噴射期間の関係をそれぞれ変えるときのすべての場合である。これは、いずれの場合も、燃料噴霧にエア噴流が衝突することにより、燃料噴霧の粒が分割されることによるものである。
【００７６】
次に、噴霧形状の制御に関するメカニズムについて説明する。噴霧形状（噴霧角）が変わるのは、図１４〜図１６に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御することにより、エア噴射タイミングと燃料噴射タイミングの関係、エア噴射期間と燃料噴射期間の関係をそれぞれ変えるときのすべての場合である。図１３に示すように、「暖機燃焼」のための制御により「噴霧角大」となるのは、燃料・エアの噴射期間と燃料・エアの噴射タイミングが同じであることから、燃料とエアが衝突するときの周囲への分散が良くなるからである。図１３に示すように、「成層燃焼」のための制御により「噴霧角小」となるのは、エア噴射を先行させることにより燃料噴霧が気流に乗って噴射方向へ伸びて噴霧長が長くなり、それと同時に幅方向はエアの衝突があっても長さが伸びる分だけ広がりが小さくさるからである。図１３に示すように、「均一燃焼」のための制御により「噴霧角中」となるのは、エア噴射の先行度合いが「成層燃焼」のそれよりも小さいからである。
【００７７】
上記の「暖機燃焼」、「成層燃焼」及び「均一燃焼」のための燃料噴射制御では、燃料・エアの噴射タイミングの変更と、燃料・エアの噴射期間の変更とを互いに組み合わせた場合について説明したが、燃料・エアの噴射タイミングと、燃料・エアの噴射期間のそれぞれを個別に変更した場合には、以下のような作用効果があると考えられる。
【００７８】
ＥＣＵ３０が、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミングを燃料噴射弁４３による燃料噴射タイミングより先行させた場合は、燃料の噴霧長が相対的に長くなり、かつ、燃料の噴霧粒径が相対的に小さくなり、成層燃焼に適した特性の燃料噴霧が得られる。これにより、エンジン１における燃料の燃焼性能を向上させることができる。
【００７９】
また、ＥＣＵ３０が、エア噴射弁４４によるエア噴射期間を燃料噴射弁４３による燃料噴射期間と等しくした場合は、燃料噴射期間の全域で燃料の噴霧粒径が相対的に小さくなる。これにより、エンジン１における燃料の燃焼性能を向上させることができる。
【００８０】
更に、ＥＣＵ３０が、エア噴射弁４４によるエア噴射期間を燃料噴射弁４３による燃料噴射期間より長くした場合は、燃料の噴霧長が相対的に長くなり、かつ、燃料噴霧の全域で噴霧粒径が相対的に小さくなる。これにより、エンジン１における燃料の燃焼性能を向上させることができる。
【００８１】
この実施形態において、各構成要素を次のような実施例１〜３に具体化することにより、特異な効果を得ることができる。
【００８２】
＜実施例１＞
図２１に示すように、燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧とエア噴孔６９ｂから噴射されるエア噴流との衝突角度θ３の設定により、燃料噴霧の噴霧長を相対的に短くしたり、相対的に長くしたりすることができる。
【００８３】
衝突角度θ３をある程度大きく（例えば「７５°」）設定すると、エア噴射タイミングの設定により噴霧長を相対的に短くしたり、相対的に長くしたりすることが可能となる。例えば、燃料とエアを同時に噴射させる場合は、衝突時に発生する気流の逆流と噴霧微粒化により、噴霧−気流間の空気抵抗が増大する。この空気抵抗の増大作用が、燃料噴霧とエア噴流との衝突と重なり、エアを噴射しない場合よりも噴霧長が短くなる。その逆に、エアを燃料に先行して噴射させた場合は、衝突時に噴霧が伸びる方向にも気流が発生するため、噴霧長が相対的に長くなる。ただし、この場合の噴霧長の可変効果は、以下に説明するように衝突角度θ３を小さく設定する場合に比べて小さくなることが分かっている。
【００８４】
一方、衝突角度θ３を小さく（例えば「４５°」）設定すると、エア噴射タイミングの設定により噴霧長を相対的に長くすることが可能になる。これは燃料噴霧が押される方向へエア噴流を燃料噴霧に衝突させるためである。燃料とエアを同時に噴射させる場合は、噴霧長が相対的に長くなり、エアを燃料に先行して噴射させる場合は、噴射時に長くなるような気流が存在するため、噴霧長が更に長くなる。この場合、噴霧長の可変量は、衝突角度θ３を大きく設定した場合に比べて大きくなるので、基本となる燃料噴霧は、燃料圧力を減少（例えば、１２ＭＰａから２ＭＰａへ減少）させたとしても、その燃料圧力の減少による噴霧微粒化の悪化をエアブラストにより改善することができる。このため、燃料圧力を減少させたまま燃料とエアの噴射タイミングにより燃料噴霧とエア噴流を制御することにより、噴霧長を可変制御することができる。例えば、燃料とエアを同時に噴射した場合は、噴霧長を相対的に長く（燃圧を１２ＭＰａとし、エアブラストを無しにしたときより短い）することが可能となる。また、エアを燃料に先行して噴射した場合は、噴霧長を更に長くすることが可能となる（噴霧粒径は、燃圧を１２ＭＰａとし、エアブラストを無しとしたときよりも小さくできることは確認済み。）。
【００８５】
ここで、衝突角度θ３と噴霧長及び平均噴霧粒径との関係につき、図２２に示すような実験結果を得た。この実験では、図２，３に示す燃料噴射装置３を使用し、燃料（ノルマルへプタン（n-heptane））圧力を「１２ＭＰａ」に、エアブラストのエア圧力を「１ＭＰａ」に、燃料噴射量を「９.１８＊１０-3（ｇ／ｍｓ）」に、燃料噴孔６９ａからエア噴孔６９ｂまでの距離Ｘを「１ｍｍ」に、エアを燃料より「１ｍｓ」だけ先行噴射にそれぞれ設定した。燃料噴射装置３であることから、燃料噴孔６９ａは、形状が断面円形に、大きさが内径「０．６ｍｍ」に、向きがオリフィスプレート６９の端面に対して垂直に、配置がオリフィスプレート６９の中央に、それぞれ設定される。また、エア噴孔６９ｂは、数が８個に、形状が断面円形（開口端は楕円）に、大きさが内径「１．０ｍｍ」に、向きがオリフィスプレート６９の端面に対して斜めに、燃料噴孔６９ａに対する配置が燃料噴孔６９ａを中心とする円周上に等角度間隔に、それぞれ設定される。この設定は、他の実施例２，３においても同じである。
【００８６】
図２２から明らかなように、「１５〜７５°」の範囲の衝突角度θ３では、「１０５〜８２ｍｍ」の範囲の有効な噴霧長が得られ、「８.５〜７μｍ」の範囲の有効な平均噴霧粒径が得られることが分かる。尚、上記設定条件でエア噴射を行わない場合の噴霧長は「７５ｍｍ」であった。
【００８７】
そこで、この実施例１では、衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値に設定する。好ましくは、衝突角度θ３を「１５〜４５°」の範囲の所定値に設定する。これにより、「１０５〜９３ｍｍ」の範囲の有効な噴霧長が得られ、「８.５〜７.５μｍ」の範囲の有効な平均噴霧粒径が得られる。より好ましくは、衝突角度θ３を「１５〜３０°」の範囲の所定値に設定する。これにより、「１０５〜９９ｍｍ」の範囲の有効な噴霧長が得られ、「８.５〜8.０μｍ」の範囲の有効な平均噴霧粒径が得られる。
【００８８】
従って、この実施例１では、衝突角度θ３が「１５〜７５°」の範囲の所定値に限定的に設定されるので、燃料噴霧の方向に対するエア噴流の作用力が大きくなり、噴霧長をより長くすることが可能となる。この結果、エンジン１の運転条件の全域で好適な燃料微粒化を達成することができ、併せて噴霧長を好適に設定することができる。
【００８９】
＜実施例２＞
前述した燃料噴孔６９ａからエア噴孔６９ｂまでの距離Ｘの設定により、同じエア圧力でより高い噴霧微粒化とより長い噴霧長を得ることができる。
【００９０】
ここで、距離Ｘと噴霧長及び平均噴霧粒径との関係につき、図２３に示すような実験結果を得た。この実験では、図２，３に示す燃料噴射装置３を使用し、燃料（ノルマルへプタン（n-heptane））圧力を「１２ＭＰａ」に、エアブラストのエア圧力を「１ＭＰａ」に、燃料噴射量を「９.１８＊１０-3（ｇ／ｍｓ）」に、衝突角度θ３を「１５°」に、エアを燃料より「１ｍｓ」だけ先行噴射にそれぞれ設定した。
【００９１】
図２３から明らかなように、距離Ｘが小さくなるほど噴霧微粒化と噴霧長の伸長効果が大きくなることが分かる。ここで、距離Ｘを半分にするだけでエア圧力を２倍にするのと同じ効果が得られることが分かっている。従って、距離Ｘをできるだけ小さくすることで少ないエネルギーで噴霧微粒化と噴霧長の伸長効果を得ることができる。図２３から分かるように、平均噴霧粒径の曲線は、距離Ｘが「４ｍｍ」になる当たりで若干なだらかになっている。そして、「１〜４ｍｍ」の距離Ｘの範囲では、「１０５〜９５ｍｍ」の範囲の有効な噴霧長が得られ、「約９μｍ」の有効な平均噴霧粒径が得られる。そこで、この実施例２では、距離Ｘを「１〜４ｍｍ」の範囲の所定値に設定する。尚、上記設定条件でエア噴射を行わない場合の噴霧長は「７５ｍｍ」であった。
【００９２】
従って、この実施例２では、距離Ｘが「１〜４ｍｍ」の範囲の所定値に限定的に設定されるので、エア噴流と燃料噴霧との衝突点ＨＰが、燃料噴孔６９ａの付近の最適位置に設定される。このように距離Ｘが限定的に設定されることで、エア圧力を変えることなく、同じエネルギーのエア噴流により、燃料の高微粒化を図り、噴霧長の伸長を図ることが可能となる。この結果、エンジン１の運転条件の全域で好適な燃料微粒化を達成することができ、併せて噴霧長を好適に設定することができる。
【００９３】
＜実施例３＞
燃料噴射弁４３に供給される燃料圧力を所定の低圧に設定することにより、噴霧粒径を大きく変えることなく噴霧長可変量（燃料噴霧にエアを衝突させる場合（エア有）と、エアを衝突させない場合（エア無）との噴霧長の差）を大きくすることができる。
【００９４】
ここで、燃料圧力と噴霧長との関係につき、図２４に示すような実験結果を得た。また、燃料圧力と平均噴霧粒径との関係につき、図２５に示すような実験結果を得た。この実験では、図２，３に示す燃料噴射装置３を使用し、燃料をノルマルへプタン（n-heptane）に、エアブラストのエア圧力を「１ＭＰａ」に、燃料噴射量を「９.１８＊１０-3（ｇ／ｍｓ）」に、衝突角度θ３を「１５°」に、エアを燃料より「１ｍｓ」だけ先行噴射にそれぞれ設定した。
【００９５】
噴射要求特性としては、噴霧粒径、噴霧長可変量につき、燃料噴射弁の構造やエネルギーロスの観点から、燃料噴射弁に供給される燃料圧力は低い方が望ましい。このエアブラストによる噴霧微粒化は、少ないエネルギーで可能であるが、噴霧長可変量を大きくするには、エア噴射による大きいエネルギーが必要になる。従って、要求値を満足するように噴霧長可変量を設定した場合、噴霧粒径が要求値より小さくなり、無駄な微粒化エネルギーを使うことが多くなる。この場合に、燃料圧力を落とし、燃料噴霧にエアを衝突させない燃料噴霧自体の粒径を大きくすることで、噴霧粒径、噴霧長可変量の要求値を満足しながら、燃料圧力を下げることができる。この場合、燃料圧力を下げたことで、燃料噴霧自体の運動エネルギーが小さくなり、エア噴流のエネルギーが相対的に大きくなるので、噴霧長可変量はより大きくなる。
【００９６】
図２４，２５から明らかなように、エアブラスト（エア有）による噴霧微粒化効果は、平均噴霧粒径が燃料圧力に対して−１／２乗に近い関係を有する。また、噴霧長可変量は燃料圧力が低いほど大きくなることが分かる。このことから、エアブラスを使用して噴霧微粒化と噴霧長可変を両立させるには、エネルギー消費面から見て最も効率の良い燃料圧力は、噴霧長可変量が大きくなる低圧範囲であり、噴霧粒径が変極する手前の範囲にするのがよい。そこで、この実施例３では、燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値に設定する。ここで、燃料噴霧の粒径は、燃料圧力に対して−１／２乗に近い関係を有する。また、燃料圧力を下げることにより、エア噴流のエネルギーが燃料噴霧に対して相対的に大きくなる。従って、燃料噴霧の粒径がさほど変わらない領域内で燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値まで限定的に下げることで、燃料微粒化を達成しながら噴霧長のみを必要に応じてる大きく変えられる。つまり、平均噴霧粒径をそれほど変えずに噴霧長変化量を相対的に大きくすることができる。この結果、エンジン１の運転条件の全域で好適な燃料微粒化を達成することができ、併せて噴霧長を好適に設定することができる。
【００９７】
［第２の実施形態］
次に、本発明の直接噴射式燃料噴射装置を直接噴射式エンジンシステムに具体化した第２の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００９８】
尚、この実施形態を含む以下の各実施形態において、前記第１の実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。
【００９９】
この実施形態は、エア噴射弁の機能を燃料噴射弁に一体に設けた点で前記各実施形態と構成が異なる。図２６にエア噴射弁一体型燃料噴射弁９１の断面図を示す。この実施形態の一体型燃料噴射弁９１は、そのロワボディ５５の先端に筒部５５ａが一体的に設けられる。この筒部５５ａの先端にオリフスプレート８５が固定される。ロワボディ５５には、筒部５５ａに開口するエア通路９２が設けられる。エア通路９２には、エア配管（図示略）を通じて加圧エアが供給される。ロワボディ５５の基端部には、別のソレノイド９３が設けられる。ロワボディ５５には、エア通路９２を開閉する弁体９４が設けられる。この弁体９４が、ソレノイド９３の励磁・消磁に基づいて動作することにより、エア通路９２が開閉され、筒部５５ａの中に加圧エアが供給され、オリフィスプレート８５のエア噴孔８５ｂから加圧エアが噴射され、エア噴流が形成されるようになっている。また、筒部５５ａの中心に一体的に設けられたチューブ６６の孔６６ａを通じて噴射される燃料が、オリフィスプレート８５の燃料噴孔８５ａから噴射され、燃料噴霧が形成されるようになっている。
【０１００】
また、この実施形態でも、第１の実施形態における実施例１〜３と同様、燃料噴霧とエア噴流との衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値に限定的に設定したり、燃料噴孔８５ａの中心からエア噴孔８５ｂの中心までの距離Ｘを「１〜４ｍｍ」の範囲の所定値に限定的に設定したり、燃料噴射弁９１に供給される燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値に限定的に設定したりしてもよい。
【０１０１】
従って、この実施形態では、エア噴射弁一体型燃料噴射弁９１を使用することから、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４を別々に設けた前記各実施形態よりも、燃料噴射装置をコンパクトに構成することができる。この実施形態におけるその他の作用効果は、基本的には、前記各実施形態におけるそれと同じである。
【０１０２】
［第３の実施形態］
次に、本発明の直接噴射式燃料噴射装置を直接噴射式エンジンシステムに具体化した第３の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【０１０３】
この実施形態は、エア噴射弁の噴射機能を燃料噴射弁に設けた点で前記各実施形態と構成が異なる。図２７に燃料噴射弁９５の断面図を示す。この実施形態の燃料噴射弁９５は、ロワボディがハウジング５１と一体的に設けられる。このハウジング５１の先端にオリフィスプレート８５が直接固定される。ハウジング５１の先端部には、オリフィスプレート８５の燃料噴孔８５ａとノズルボディ５６の弁孔５６ｂとの間を連通する燃料通路９６が設けられる。同じく、ハウジング５１の先端部には、燃料通路９６の周囲にエア通路９７が設けられる。このエア通路９７には、別途のエア制御弁（図示略）を通じて加圧エアが供給される。エア制御弁が制御されることにより、エア通路９７を通じてオリフィスプレート８５のエア噴孔８５ｂから加圧エアが噴射され、エア噴流が形成されるようになっている。また、弁座５６ａに対して弁部５８ａが開閉することにより、燃料通路９６及びオリフィスプレート８５の燃料噴孔９５ａを通じて燃料が噴射され、燃料噴霧が形成されるようになっている。
【０１０４】
また、この実施形態でも、第１の実施形態における実施例１〜３と同様、燃料噴霧とエア噴流との衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値に限定的に設定したり、燃料噴孔８５ａの中心からエア噴孔８５ｂの中心までの距離Ｘを「１〜４ｍｍ」の範囲の所定値に限定的に設定したり、燃料噴射弁９５に供給される燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値に限定的に設定したりしてもよい。
【０１０５】
従って、この実施形態では、エア噴射弁の機能を燃料噴射弁９５に設けていることから、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４を別々に設けた前記各実施形態に比べ、燃料噴射装置に関するエンジン周りの構成をコンパクトにすることができる。この実施形態におけるその他の作用効果は、基本的には、前記各実施形態におけるそれと同じである。
【０１０６】
［第４の実施形態］
次に、本発明の直接噴射式燃料噴射装置を直接噴射式エンジンシステムに具体化した第４の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【０１０７】
この実施形態の燃料噴射装置は、一つの燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁と、複数のエア噴流のそれぞれを個別に形成するための複数のエア噴射弁とを備える点で、前記各実施形態の燃料噴射弁と構成が異なる。
【０１０８】
図２８に燃料噴射装置の概略構成に関する断面図を示す。燃料噴射弁４３と二つのエア噴射弁４４は、互いに基本構成を同じくしている。これら噴射弁４３，４４の詳しい構成は、図２に示す燃料噴射弁４３のそれと同じである。この実施形態で、燃料噴射弁４３に対応して設けられ燃焼室２に開口する燃料噴孔１０１の構成は、例えば、円形であってもよく、スリット状の矩形であってもよい。これに対し、各エア噴射弁４４のに対応して設けられ燃焼室２に開口するエア噴孔１０２は、円形をなす複数のエア噴孔を一列に配置したものであってもよく、矩形をなすエア噴孔であってもよい。この実施形態でも、衝突点ＨＰにおいて燃料噴霧と同じ大きさと強度分布を有するエア噴流を燃料噴霧に衝突させるように設定される。上記のようにして、この燃料噴射装置では、燃料噴射弁４３から噴射される燃料と、各エア噴射弁４４から噴射されるエアとを燃焼室２の中で衝突させるように構成される。
【０１０９】
また、この実施形態でも、第１の実施形態における実施例１及び３と同様、燃料噴霧とエア噴流との衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値に限定的に設定したり、燃料噴射弁４３に供給される燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値に限定的に設定したりしてもよい。
【０１１０】
従って、この実施形態の燃料噴射装置においても、機能的には、前記各実施形態の燃料噴射装置と同等の作用効果を得ることができる。
【０１１１】
［第５の実施形態］
次に、本発明の直接噴射式燃料噴射装置を直接噴射式エンジンシステムに具体化した第５の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【０１１２】
この実施形態の燃料噴射装置は、第２の実施形態を変形したものである。図２９にこの燃料噴射装置の概略構成を断面図に示す。図２６との対比から分かるように、この一体型燃料噴射弁９８は、燃料噴霧に対して片側からのみエア噴流を衝突させるように構成される。一体型燃料噴射弁９８は、基本的には第２の実施形態における一体型燃料噴射弁９１と同じ構成を備える。従って、この噴射弁９８の詳しい構成の説明は省略する。この実施形態では、燃料噴孔８５ａがスリット状の矩形をなし、エア噴孔８５ｂが矩形をなす。そして、燃料噴孔８５ａの片側に位置するエア噴孔８５ｂからエア噴流が発生する。また、衝突点ＨＰにおいて燃料噴霧と同じ大きさと強度分布を有するエア噴流を燃料噴霧に衝突させるように設定される。上記のようにして、この燃料噴射装置では、一体型燃料噴射弁９８から噴射される燃料と、エア噴孔８５ｂから噴射されるエアとを燃焼室２の中で衝突させるように構成される。
【０１１３】
また、この実施形態でも、第１の実施形態における実施例１〜３と同様、燃料噴霧とエア噴流との衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値に限定的に設定したり、燃料噴孔８５ａの中心からエア噴孔８５ｂの中心までの距離Ｘを「１〜４ｍｍ」の範囲の所定値に限定的に設定したり、燃料噴射弁９８に供給される燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値に限定的に設定したりしてもよい。
【０１１４】
従って、この実施形態の燃料噴射装置においても、機能的には、前記各実施形態の燃料噴射装置と同等の作用効果を得ることができる。加えて、この実施形態では、燃料噴孔８５ａの片側のみにエア噴孔８５ｂを配置してエア噴流を発生させていることから、図２９に示すように、エア噴流の衝突により燃料噴霧の向きを水平方向へ斜めに変えることができる。このため、燃焼室２の形状に合わせて燃料を微粒化することができる。
【０１１５】
［第６の実施形態］
次に、本発明の直接噴射式燃料噴射装置を直接噴射式エンジンシステムに具体化した第６の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【０１１６】
この実施形態の燃料噴射装置は、前記第２の実施形態における燃料噴射装置の機能を、一体型燃料噴射弁９８でなく、別々に設けられた燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４により達成しようとするものである。図３０にこの燃料噴射装置の概略構成を断面図に示す。図２９との対比から分かるように、この実施形態では、一つの燃料噴射弁４３と少なくとも一つのエア噴射弁４４がシリンダヘッド４６に組み付けられる。この実施形態で、燃料噴射弁４３に対応して設けられ燃焼室２に開口する燃料噴孔１０１の構成は、例えば、円形であってもよく、スリット状の矩形であってもよい。これに対し、各エア噴射弁４４のに対応して設けられ燃焼室２に開口するエア噴孔１０２は、円形をなす複数のエア噴孔を一列に配置したものであってもよく、矩形をなすエア噴孔であってもよい。そして、一つの燃料噴射弁４３からの燃料噴霧に対して片側からのみエア噴流を衝突させるようにエア噴射弁４４が配置される。すなわち、エア噴孔１０２からのエア噴流の噴流軸線ＡＬが、燃料噴射弁４３からの燃料噴霧の最大径における衝突点ＨＰで交差するように設定される。上記のようにして、この燃料噴射装置では、燃料噴射弁４３から噴射される燃料と、エア噴射弁４４から噴射されるエアとを燃焼室２の中で衝突させるように構成される。
【０１１７】
また、この実施形態でも、第１の実施形態における実施例１及び３と同様、燃料噴霧とエア噴流との衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値に限定的に設定したり、燃料噴射弁４３に供給される燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値に限定的に設定したりしてもよい。
【０１１８】
従って、この実施形態の燃料噴射装置においても、機能的には、前記各実施形態の燃料噴射装置と同等の作用効果を得ることができる。加えて、この実施形態では、燃料噴射弁４３の片側のみにエア噴射弁４４を配置してエア噴流を発生させていることから、図３０に示すように、エア噴流の衝突により燃料噴霧の向きを水平方向へ斜めに変えることができる。このため、燃焼室２の形状に合わせて燃料を微粒化することができる。
【０１１９】
［第７の実施形態］
次に、本発明の直接噴射式燃料噴射装置を直接噴射式エンジンシステムに具体化した第７の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【０１２０】
図３１〜３３にこの実施形態における燃料噴射装置の概略構成を断面図に示す。この実施形態の燃料噴射装置は、一つの燃料噴孔１０１を含む一つの燃料噴射弁４３に対して少なくとも第１及び第２の二つのエア噴射弁４４Ａ，４４Ｂが設けられる。各エア噴射弁４４Ａ，４４Ｂに対応してエア噴孔１０２がそれぞれ設けられ、各エア噴孔１０２からのエアの噴射を選択的に切り替えるために、各エア噴射弁４４Ａ，４４Ｂの使用を切り替えるように構成される。
【０１２１】
また、この実施形態では、一つの燃料噴射弁４３により形成される燃料噴霧に対し、その片側からのみエア噴流を衝突させるように第１及び第２のエア噴射弁４４Ａ，４４Ｂが配置される。すなわち、衝突点ＨＰにおいて燃料噴霧と同じ大きさと強度分布を有する第１のエア噴射弁４４Ａのエア噴孔１０２から噴射されるエア噴流を燃料噴霧に衝突させるよう設定される。同じく、衝突点ＨＰにおいて燃料噴霧と同じ大きさと強度分布を有する第２のエア噴射弁４４Ｂのエア噴孔１０２から噴射されるエア噴流を燃料噴霧に衝突させるように設定される。上記のようにして、この燃料噴射装置では、燃料噴射弁４３から噴射される燃料と、各エア噴射弁４４Ａ，４４Ｂから噴射されるエアとを燃焼室２の中で衝突させるように構成される。
【０１２２】
更に、この実施形態でも、第１の実施形態における実施例１及び３と同様、燃料噴霧とエア噴流との衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値に限定的に設定したり、燃料噴射弁４３に供給される燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値に限定的に設定したりしてもよい。
【０１２３】
従って、この実施形態の燃料噴射装置においても、機能的には、前記各実施形態の燃料噴射装置と同等の作用効果を得ることができる。加えて、この実施形態の燃料噴射装置によれば、二つのエア噴射弁４４Ａ，４４Ｂの使用を切り替えることにより、各エア噴孔１０２からのエアの噴射が選択的に切り替えられる。従って、この切り替えにより、燃料噴霧に対するエア噴流の衝突の形態が変えられ、燃料噴霧の形状が変えられる。すなわち、図３２に示すように、燃料噴射弁４３に対して第１のエア噴射弁４４Ａのみを選択的に使用する場合には、燃料噴霧にエア噴流を衝突させたときに、相対的に狭い範囲で衝突を生じさせることができる。一方、図３３に示すように、燃料噴射弁４３に対して第２のエア噴射弁４４Ｂのみを選択的に使用する場合には、燃料噴霧にエア噴流を衝突させたときに、相対的に広い範囲で衝突を生じさせることができる。このように、燃料噴霧とエア噴流との衝突範囲の大きさを２種類に切り替えることができる。この結果、噴霧長及び噴霧形状を選択的に切り替えて使用することができ、エンジン１の運転条件に合わせて燃料の微粒化を調節することができる。
【０１２４】
尚、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して次のように実施することもできる。
【０１２５】
（１）前記各実施形態では、燃料に衝突させる気体としてエア（空気）を使用したが、空気以外の特定の気体を使用してもよい。
【０１２６】
（２）前記第１の実施形態では、実施例１〜３において、燃料噴孔６９ａの形状、大きさ、向き及び配置と、エア噴孔６９ｂの数、形状、大きさ、向き及び燃料噴孔６９ａに対する配置をそれぞれ所定値に特定して設定したが、これらの構成要素の特定は上記の所定値に限定されるものではなく、実施可能な範囲で適宜に変更してもよい。
【０１２７】
（３）前記各実施形態において、燃料噴霧とエア噴流との衝突角度θ３に係る限定的な設定と、燃料噴孔の中心からエア噴孔の中心までの距離Ｘに係る限定的な設定と、燃料噴射弁に供給される燃料圧力に係る限定的な設定とを、一つの燃料噴射装置において適宜に組み合わせて設定してもよい。
【０１２８】
具体的には、燃料噴孔の中心からエア噴孔の中心までの距離Ｘを「１〜４ｍｍ」の範囲の所定値にする限定的な設定に、燃料噴霧とエア噴流との衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値にする限定的な設定を組み合わせたり、燃料噴射弁に供給される燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値にする限定的な設定に、上記衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値にする限定的な設定を組み合わせたりしてもよい。これらの場合は、いずれも燃料噴霧の方向に対するエア噴流の作用力が大きくなり、噴霧長をより長くすることができる。
【０１２９】
また、上記距離Ｘを「１〜４ｍｍ」の範囲の所定値にする限定的な設定に、燃料噴射弁に供給される燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値にする限定的な設定を組み合わせてもよい。この場合、燃料噴霧の粒径がさほど変わらない領域内で燃料圧力が下がり、噴霧長の変化割合を相対的に大きくすることができる。
【０１３０】
更に、上記距離Ｘを「１〜４ｍｍ」の範囲の所定値にする限定的な設定に、上記衝突角度θ３を「１５〜７５°」の範囲の所定値にする限定的な設定と、燃料噴射弁に供給される燃料圧力を「１〜４ＭＰａ」の範囲の所定値にする限定的な設定とを組み合わせてもよい。この場合は、噴霧長をより長くすることができ、噴霧長の変化割合を相対的に大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】直接噴射式エンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】燃料噴射装置のエンジン取付状態を示す断面図。
【図３】燃料噴射弁とエア噴射弁に係る電気配線等を示す構成概念図。
【図４】取付部材の先端部を示す拡大断面図。
【図５】オリフィスプレートを示す平面図。
【図６】図５のＡ−Ａ線断面図。
【図７】(a)〜(c)は燃料噴霧及びエア噴流を示す概念図。
【図８】衝突点での燃料噴霧と気体噴流との衝突を示す概念図。
【図９】気体噴流を示す概念図。
【図１０】(a)〜(c)は衝突点での噴霧強度と噴流強度の違いを示す概念図。
【図１１】燃料噴霧にエア噴流が衝突したときの概念図。
【図１２】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート。
【図１３】エンジン運転状態と燃焼パターン等との関係を示す表。
【図１４】(a),(b)は燃料噴射弁、エア噴射弁の開閉タイミングを示すタイムチャート。
【図１５】(a),(b)は燃料噴射弁、エア噴射弁の開閉タイミングを示すタイムチャート。
【図１６】(a),(b)は燃料噴射弁、エア噴射弁の開閉タイミングを示すタイムチャート。
【図１７】暖機燃焼の噴霧特性を示すイメージ図。
【図１８】成層燃焼の噴霧特性を示すイメージ図。
【図１９】均一燃焼の噴霧特性を示すイメージ図。
【図２０】(a)〜(c)は燃料噴霧の貫徹距離の違いを示す説明図。
【図２１】燃料噴霧にエア噴流が衝突したときの概念図。
【図２２】衝突角度と噴霧長及び平均噴霧粒径との関係を示すグラフ。
【図２３】距離Ｘと噴霧長及び平均噴霧粒径との関係を示すグラフ。
【図２４】燃料圧力と噴霧長との関係を示すグラフ。
【図２５】燃料圧力と平均噴霧粒径との関係を示すグラフ。
【図２６】一体型燃料噴射弁を示す断面図。
【図２７】燃料噴射弁を示す断面図。
【図２８】燃料噴射装置の概略構成を示す断面図。
【図２９】燃料噴射装置の概略構成を示す断面図。
【図３０】燃料噴射装置の概略構成を示す断面図。
【図３１】燃料噴射装置の概略構成を示す断面図。
【図３２】燃料噴射装置の概略構成を示す断面図。
【図３３】燃料噴射装置の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
【０１３２】
１      エンジン
２      燃焼室
３      燃料噴射装置
１４    吸気バルブ
１５    排気バルブ
４３    燃料噴射弁
４４    エア噴射弁
６９ａ  燃料噴孔
６９ｂ  エア噴孔
８５ａ  燃料噴孔
８５ｂ  エア噴孔
９１    エア噴射弁一体型燃料噴射弁
９５    燃料噴射弁
９８    一体型燃料噴射弁
１０１  燃料噴孔
１０２  エア噴孔
θ３    衝突角度
Ｘ      距離
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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