(57)【要約】【課題】簡易な構造で必要な吸気量を得ながら燃焼促進を図ることができ、しかもオイル希釈も抑制できる内燃機関を提供する。【解決手段】シリンダ２とピストン３とで構成される燃焼室１０と、前記燃焼室１０内に燃料ＦＥを直接噴射する燃料噴射弁８とを備えた内燃機関１であって、前記シリンダ２の壁面２ＷＡに沿うように、前記燃料噴射弁８から前記燃料ＦＥを噴霧することによって逆タンブル流Ｔを発生させる。本内燃機関１によると、前記燃料噴射弁からシリンダの壁面に沿うように噴射された燃料により逆タンブル流が形成されるので、周辺構造を複雑化することなく内燃機関の燃焼を促進できる。また、燃料の噴射方向が下向きであるのでオイル希釈の問題も生じない。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関であって、
前記シリンダの壁面に沿うように、前記燃料噴射弁から前記燃料を噴霧することによって逆タンブル流を発生させるようにした、ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃料噴射弁から噴霧される燃料の噴霧角が規定されており、
前記噴霧角は、シリンダ軸線を含む面内で、前記燃料噴射弁の噴孔を始点とする内側の第１噴霧外縁線と外側の第２噴霧外縁線とが成す角であって、
前記第１噴霧外縁線及び前記第２噴霧外縁線のそれぞれが前記シリンダ軸線と平行な直線に対して所定の角度範囲内となるように設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記ピストンが下死点にあるときに当該ピストンの上面中央部と前記噴孔とを結んだ基準線が前記シリンダ軸線と平行な線に対して成す角度よりも、前記第１噴霧外縁線が前記平行な線に対して成す角度が小さくなるように設定されている、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記第２噴霧外縁線は、前記シリンダ軸線と平行な線に対して角度が０〜１０度となるように設定されている、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記燃料噴射弁の燃料噴射タイミングを制御する制御手段を更に備え、
前記制御手段が、前記ピストンの吸気上死点後９０度以後に、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内（筒内）に燃料を直接噴霧するタイプの内燃機関に関し、特にタンブル流を発生させて燃焼の促進を図るようにした内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内に燃料を直接に噴射するタイプの内燃機関に関しては、従来から種々の提案がなされている。このような提案の中には、燃焼室に供給する吸気流を制御することによりタンブル流（縦渦流）を形成し、燃焼促進を図る技術について開示するものが多くある。例えば、特許文献１は吸気ポートをシリンダ軸線とほぼ平行に配置して吸気流がピストン上面に導入されようにすると共に、この吸気流が当たるピストン上面に凹部（湾曲部）を形成して逆タンブル流が生成すようにした内燃機関を開示する。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１４６８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように従来の内燃機関に関しては、燃焼室に供給する吸気流を利用してタンブル流を形成するようにしたものが多く提案されている。しかしながら、吸気流によって燃焼室内に所望のタンブル流を形成させるために、吸気ポートや吸気ポートを開閉する吸気バルブについて、その形状や構造の変更を要するという場合が発生してた。そのために、吸気ポート周辺の構成が複雑化するという問題がった。また、強いタンブル流を形成させるために吸気流を絞る構造を採用する場合があり、この場合には高回転時に多くの吸入空気が必要なときに吸気を十分に供給できないという問題が発生していた。更には、燃焼室内に燃料を直接噴射するタイプの内燃機関では、吸気流で形成したタンブル流を崩さないようにするため、燃料噴射弁から噴射する燃料をシリンダボア方向（半径方向）に噴射させる場合が多い。しかし、このようにシリンダボア方向に燃料を噴射すると、燃料がシリンダ壁面を伝わり易くなるのでオイル希釈の問題が発生する。
【０００５】
本発明の目的は、前述した従来の課題を解決して、簡易な構造で必要な吸気量を得ながら燃焼促進を図ることができ、しかもオイル希釈についても抑制できる内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関であって、前記シリンダの壁面に沿うように、前記燃料噴射弁から前記燃料を噴霧することによって逆タンブル流を発生させるようにしたことを特徴とする内燃機関によって達成できる。
【０００７】
本発明によると、前記燃料噴射弁からシリンダの壁面に沿うように噴射された燃料により逆タンブル流が形成されるので、周辺構造を複雑化することなく内燃機関の燃焼を促進できる。また、燃料の噴射方向が下向きであるのでオイル希釈の問題も生じない。
【０００８】
また、前記燃料噴射弁から噴霧される燃料の噴霧角が規定されており、前記噴霧角は、シリンダ軸線を含む面内で、前記燃料噴射弁の噴孔を始点とする内側の第１噴霧外縁線と外側の第２噴霧外縁線とが成す角であって、前記第１噴霧外縁線及び前記第２噴霧外縁線のそれぞれが前記シリンダ軸線と平行な直線に対して所定の角度範囲内となるように設定されていることが望ましい。このように設定すれば、燃焼室内に逆タンブル流を確実に形成できる。
【０００９】
また、前記ピストンが下死点にあるときに当該ピストンの上面中央部と前記噴孔とを結んだ基準線が前記シリンダ軸線と平行な線に対して成す角度よりも、前記第１噴霧外縁線が前記平行な線に対して成す角度が小さくなるように設定されていることが好ましい。このように設定しておけば、噴射した燃料をピストン上面に衝突させて確実に逆タンブル流を形成できる。
【００１０】
また、前記第２噴霧外縁線は、前記シリンダ軸線と平行な線に対して角度が０〜１０度となるように設定されていることが望ましい。このように設定しておけば、逆タンブル流の障害となる他のタンブル流の発生を抑制できる。
【００１１】
また、前記燃料噴射弁の燃料噴射タイミングを制御する制御手段を更に備え、
前記制御手段が、前記ピストンの吸気上死点後９０度以後に、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させることがより好ましい。このように燃料噴射タイミングを制御するとより確実に逆タンブル流を形成できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡易な構造で必要な吸気量を得ながら燃焼促進を図ることができ、しかもオイル希釈も抑制できる内燃機関を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る燃料直噴型の内燃機関について説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、実施例１に係る内燃機関１Ａについて示した図である。この内燃機関１Ａは、従来の燃料直噴型の内燃機関と同様に、シリンダ２内にシリンダ軸線ＡＸに沿って往復動するピストン３が配置されている。このシリンダ２とピストン３とにより画定された空間が燃焼室１０となっている。シリンダ２のヘッド部２ＨＤには、吸気ポート４及び排気ポート６が設けられている。そして、吸気ポート４内には吸気バルブ５が配備され、排気ポート６内には排気バルブ７が配備されている。
【００１５】
さらに、ヘッド部２ＨＤには吸気ポート４の近傍、この実施例では吸気ポート４の下側に燃料噴射弁８が配置されている。また、ヘッド部２ＨＤの中央頂部に点火プラグ９が配置されている。
【００１６】
燃料噴射弁８は先端のノズル８ＥＮが燃焼室１０内に臨むように配置されている。そして、図１で示すように、ノズル８ＥＮに設けた噴孔（燃料を噴射する孔）８ＨＬから燃焼ＦＥをシリンダの壁面に沿うようにして下向きに噴射するようにしてある。図１はシリンダ軸線ＡＸを含むように示した内燃機関の縦断面図であり、噴孔８ＨＬから噴射された燃料ＦＥは噴孔８ＨＬを頂点として末広がりの噴霧形状（ファン形状、扇形状）となる。なお、このような噴霧形状は、噴孔８ＨＬの形状を適宜に調整することで所望の形状とすることができる。
【００１７】
本実施例の内燃機関１Ａは、上記のように噴孔８ＨＬからシリンダ２の壁面に沿うようにして下向きに燃料を噴霧することによって、逆タンブル流Ｔを発生させるものである。すなわち、従来のように吸気ポートから供給する吸気流によりタンブル流を形成するのではなく、噴孔８ＨＬから噴霧する燃料ＦＥの流れ自体により逆タンブル流Ｔを生じさせる。よって、吸気流によってタンブル流を形成する従来の場合について、発生していた種々の問題を解消できる。なお、逆タンブル流Ｔとは、シリンダ軸線ＡＸとは垂直な軸の回りに循環する流れであり、噴孔８ＨＬの近傍付近から下降してピストン３の頂部に至り、その後に上昇して点火プラグ９の先端近傍を経由して循環する流れである。
【００１８】
上記のように内燃機関１Ａは噴孔８ＨＬから噴霧した燃料ＦＥにより逆タンブル流Ｔを発生させるものであるが、この逆タンブル流Ｔを形成するための好ましい条件がある。次にこの条件について説明する。
【００１９】
上記のように噴孔８ＨＬからシリンダ２の壁面に沿うようにして下向きに噴射される燃料ＦＥは扇型の噴霧形状となる。噴霧形状は、噴孔８ＨＬを始点とする外縁線ＵＬ、ＳＬ（以下、噴霧外縁線ＵＬ、ＳＬ）によって挟まれた部分（ハッチングした部分）として特定できる。上記噴霧外縁線ＵＬ、ＳＬを下記で示す所定条件を満たすように設定しておくことにより逆タンブル流Ｔを確実に発生させることができる。なお、噴霧外縁線ＵＬ、ＳＬが成す角を噴霧角となる。
【００２０】
内部側となる噴霧外縁線ＵＬ（以下、第１噴霧外縁線ＵＬ）は、シリンダ軸線ＡＸと平行な線ＢＬ（以下、平行線ＢＬ）に対する傾斜角αが基準角α０より小さくなるように設定されている。また、外部側となる噴霧外縁線ＳＬ（以下、第２噴霧外縁線ＳＬ）については、シリンダ軸線ＡＸと平行線ＢＬに対する傾斜角βが角度０〜１０度の間となるように設定されている。なお、上記平行線ＢＬはシリンダ２の壁面２ＷＡともほぼ平行となる。また、本実施例で示すように噴孔８ＨＬは壁面２ＷＡに接近した位置に設定されている。そのため平行線ＢＬと壁面２ＷＡとがほぼ一致する状態となっている。
【００２１】
図２は、第２噴霧外縁線ＳＬの設定条件を説明するために示した図である。（Ａ）で示すように、第２噴霧外縁線ＳＬが壁面２ＷＡから離れてしまうと、この第２噴霧外縁線ＳＬと壁面２ＷＡとの間に他のタンブル流（以下、反逆タンブル流ＣＴという）が発生してしまう。このような反逆タンブル流ＣＴが発生すると、ピストン３が圧縮工程となったときに正規の逆タンブル流Ｔの流れを乱すことになる。よって、反逆タンブル流ＣＴが発生しないように、第２噴霧外縁線ＳＬと壁面２ＷＡとの間の空間を小さくすることが望ましい。その一方、壁面２ＷＡとの間に小さな隙間を空けて燃料を噴霧するとコアンダ効果により燃料が壁面２ＷＡ側に引き寄せられるので、噴霧した燃料が完全に壁面２ＷＡに沿って流れるように設計する必要はない。一般に、第２噴霧外縁線ＳＬが壁面２ＷＡと完全に一致するように設定することは困難であるが、コアンダ効果を利用することで部品誤差や締付け誤差などの小さな寸法誤差は吸収できる。なお、コアンダ効果とは、噴流などを面に沿って流したときに、噴流がその面に沿って流れ続けようとする流体の性質である。
【００２２】
図２（Ｂ）は、コアンダ効果が得られる第２噴霧外縁線ＳＬの傾斜角βについて、本願発明者が確認した結果を示した図である。この図で示すように０度＜傾斜角β＜１０度であると、一定のコアンダ効果が発生して上記反逆タンブル流ＣＴの発生を防止できる。なお、図２（Ｂ）の縦軸としたコアンダ効果度合（％）とは噴霧と壁面２ＷＡとの間に空間が発生しない度合である。よって、コアンダ効果度合が１００％のときには、噴霧が壁面２ＷＡに張り付いている状態となる。
【００２３】
次に、図３を参照して第１噴霧外縁線ＵＬの好ましい傾斜角αについて説明する。図３は、第１噴霧外縁線ＵＬの設定条件を説明するために示した図である。この図３は、ピストン３が下死点位置にある状態を示している。ここで、噴孔８ＨＬとピストン２の上面中央部３ＣＴとを結んだ設定した基準線ＥＬが平行線ＢＬに対して成す角α０（以下、基準角α０と称す）よりも、第１噴霧外縁線ＵＬの傾斜角αが小さくなるように角度を設定するのが好ましい。なお、上面中央部３ＣＴはピストン３の上面中心位置である。
【００２４】
上記傾斜角αが大き過ぎるとピストン３の上面に衝突するより先に対向する壁面（噴孔８ＨＬを配置した側と反対側の壁面）に衝突し易くなってしまう。このような状態になると強い逆タンブル流Ｔを形成することが困難となる。噴霧された燃料ＦＥが先にピストン３の上面に衝突するように傾斜角αを設定すれば、このような事態を抑制できる。そのためには、第１噴霧外縁線ＵＬが基準線ＥＬより常に外側になること、すなわち傾斜角αが基準角α０よりも小さくなるように設定すればよい。このように傾斜角αを設定しておけば、噴霧形状の内部側を規定する線（すなわち、第１噴霧外縁線ＵＬ）が常にピストン３の上面と接触するので強い逆タンブル流Ｔを確実に形成できる。
【００２５】
図４は、以上で説明した第１噴霧外縁線ＵＬの傾斜角αと第２噴霧外縁線ＳＬの傾斜角βとの関係をまとめて示した図である。この図４で示すように、第２噴霧外縁線ＳＬの傾斜角βを０〜１０度の間に設定すると共に、第１噴霧外縁線ＵＬの傾斜角αを基準角α０よりも小さく設定すると燃焼室１０内に強い逆タンブル流Ｔを形成できる。なお、当然に、傾斜角β＜傾斜角αであり、噴霧角は（α−β）となる。
【００２６】
そして、図５は内燃機関１Ａのピストン３が上死点位置に移動したときの様子を模式的に示した図である。本実施例の内燃機関１Ａは、上記で説明した構成を備える燃焼室１０内に強い逆タンブル流Ｔが形成されるので、ピストン３が上昇する圧縮工程の上死点近傍では微細な乱流（マイクロタービレンス）ＭＴを発生させることができる。よって、最適な状態を形成して燃焼を促進することができる。
【００２７】
さらに、図６は内燃機関１Ａの駆動制御系の一部を示したブロック図である。内燃機関１Ａの各部は制御手段としてのＥＣＵ（Electronic  Control  Unit：電子制御装置）２０によって全体が制御されている。ＥＣＵ２０は、例えば回転数Ｎｅやアクセル開度Ａｃ等を確認し、これらに基づいて吸気バルブ５、排気バルブ７の開閉制御、並びに点火プラグ９の発火タイミング、燃料噴射弁８の燃料噴射タイミングの制御を実行する。特に、内燃機関１Ａでは、ＥＣＵ２０がピストン３の吸気上死点後９０度以後に燃料噴射弁８から燃料ＦＥを噴射させるように噴射タイミングを制御することが好ましい。
【００２８】
上記のような制御を実行すると、ピストン３が下死点位置に移動する吸気工程の後半に燃料が燃料噴射弁８から噴射される。よって、燃料噴射弁８から噴射された直後の燃料がピストン３に衝突することがなくなり、その後において適度に広がった噴霧が上昇に転じたピストン３の上面に衝突するので強い逆タンブル流Ｔを確実に形成できる。
【００２９】
以上で説明した内燃機関１Ａは、噴孔８ＨＬから燃焼ＦＥがシリンダの壁面に沿うようにして下向きに噴射されるので逆タンブル流Ｔが形成される。特に、内側の第１噴霧外縁線ＵＬと外側の第２噴霧外縁線ＳＬを上記の条件を満たすように設定すると逆タンブル流Ｔをより確実に設定できる。この内燃機関１Ａは噴孔８ＨＬの向き、形状、配置などを適宜に変更するという簡単な変更でタンブル流を形成する。よって、吸気流を利用してタンブル流を形成するため、生じる種々の問題は解消される。
【００３０】
以下、さらに図を参照して本発明の他の実施例について説明する。なお、以下で示す図では上記実施例１と同一の部位に同じ符号を付すことで重複する説明を省略する。
【実施例２】
【００３１】
図７は、実施例２に係る内燃機関１Ｂについて示した図である。この内燃機関１Ｂのピストン３の上面には湾曲状に形成したキャビティ（凹部）３ＣＡが設けられている。このようなキャビティ３ＣＡをピストン３の上面に設けると逆タンブル流Ｔの生成を補助できるので、より確実に燃焼室１０内に逆タンブル流Ｔを形成できる。
【実施例３】
【００３２】
図８は、実施例３に係る内燃機関１Ｃについて示した図であり、（Ａ）はピストン３が下死点位置にあるとき、また（Ｂ）はピストン３が上死点位置にあるときについて示している。この内燃機関１Ｃのピストン３の上面にはキャビティ（凹部）３ＣＡが吸気側に片寄って設けられている。そして、反対側の部分は逆に突状に形成したスキッシュ部３ＳＫが設けられている。この内燃機関１Ｃはピストン３が上死点に位置すると、キャビティ３ＣＡによる逆タンブル流Ｔの生成補助に加えて、スキッシュ部３ＳＫで小さくなった空間ＳＰからスキッシュ流ＳＦが発生するので更に逆タンブル流Ｔの生成が補助される。よって、実施例２の内燃機関１Ｂと比較して更に確実に燃焼室１０内に逆タンブル流Ｔを形成できる。
【００３３】
図９は、実施例４に係る内燃機関１Ｄについて示した図であり、（Ａ）は内燃機関１Ｄの側面図、（Ｂ）は噴霧された燃料ＦＥの噴霧形状を示した平面視図である。この内燃機関１Ｄの基本的な構成は実施例２の内燃機関１Ｂと同様である。上記実施例１では縦断面（側面視）における噴霧形状について説明したが、本実施例は横断面（側面視）での噴霧形状がファン形状（扇形状）の場合である。このようなファン形状とした場合には、ピストン３が下死点位置にあるときに燃料ＦＥがシリンダ２の壁面２ＷＡに衝突しないように噴霧角θを設定することが望ましい。このように噴霧角θを設定しておけば、噴霧された燃料ＦＥが常にピストン３の上面と接触するので強い逆タンブル流Ｔを確実に形成できる。
【００３４】
図１０は、実施例５に係る内燃機関１Ｅについて示した図であり、（Ａ）は内燃機関１Ｅの側面図、（Ｂ）は噴霧された燃料ＦＥの噴霧形状を示した平面視図である。この内燃機関１Ｅの基本的な構成も実施例２の内燃機関１Ｂと同様である。上記実施例４では噴霧形状をファン形状とした場合の好ましい例を説明したが、噴霧形状をファン形状とした場合には壁面２ＷＡに燃料ＦＥが衝突することを回避するために噴霧角θを一定以下にする必要があるため噴霧できる燃料に限界がある。そのために、逆タンブル流Ｔを形成できる領域が相対的に小さくなる。この点を改善したのがこの実施例５の内燃機関１Ｅである。
【００３５】
本実施例では、（Ｂ）で示すように噴霧形状が半円錐形状としてある。このような噴霧形状にすると逆タンブル流Ｔを発生させる領域を拡大できる。この図（Ｂ）で示すような半円錐形状の噴霧は噴孔８ＨＬを多孔型とし、孔の配置を調整することで形成できる。
【００３６】
以上説明した実施例の内燃機関１Ａ〜１Ｅによると、噴孔８ＨＬから燃焼ＦＥをシリンダの壁面に沿うようにして下向きに噴射させることで逆タンブル流Ｔを形成する。よって、これらの内燃機関は簡単な構成で逆タンブル流Ｔを形成して燃焼促進を図ることができる。特に、従来の内燃機関のように吸気流を利用してタンブル流を発生させる構造ではないので、周辺構成が複雑化することがない。また、内燃機関の高回転時には必要な吸入空気量を供給できるので十分な出力を得ることができる。よって、例えば吸気バルブ５を全開として吸入空気量を増加させたときに燃料噴射弁８から燃料ＦＥを高貫徹噴射することで、十分な吸入空気を供給しつつ強い逆タンブル流Ｔを発生させて燃焼を促進することもできる。また、燃料ＦＥが下向きに噴射されるのでオイル希釈も抑制できる。
【００３７】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例１に係る内燃機関１Ａについて示した図である。
【図２】第２噴霧外縁線の設定条件を説明するために示した図である。
【図３】第１噴霧外縁線の設定条件を説明するために示した図である。
【図４】第１噴霧外縁線の傾斜角α及び第２噴霧外縁線の傾斜角βの関係をまとめて示した図である。
【図５】内燃機関のピストンが上死点位置に移動したときの様子を模式的に示した図である。
【図６】内燃機関１Ａの駆動制御系の一部を示したブロック図である。
【図７】実施例２に係る内燃機関１Ｂについて示した図である。
【図８】実施例３に係る内燃機関１Ｃについて示した図である。
【図９】実施例４に係る内燃機関１Ｄについて示した図である。
【図１０】実施例５に係る内燃機関１Ｅについて示した図である。
【符号の説明】
【００３９】
１Ａ〜１Ｅ                内燃機関
２                        シリンダ
２ＷＡ                    壁面
３                        ピストン
４                        吸気ポート
５                        吸気バルブ
６                        排気ポート
７                        排気バルブ
８                        燃料噴射弁
８ＨＬ                    噴孔
９                        点火プラグ
１０                      燃焼室
２０                      ＥＣＵ（制御手段）
Ｔ                        逆タンブル流
ＡＸ                      シリンダ軸線
ＦＥ                      燃料
ＵＬ                      第１噴霧外縁線
ＳＬ                      第２噴霧外縁線
ＥＬ                      基準線
α０                      基準角
α                        第１噴霧外縁線の傾斜角
β                        第２噴霧外縁線の傾斜角
ＢＬ                      シリンダ軸線と平行な線
【図１】
2007146749.tif 000003
【図２】
2007146749.tif 000004
【図３】
2007146749.tif 000005
【図４】
2007146749.tif 000006
【図５】
2007146749.tif 000007
【図６】
2007146749.tif 000008
【図７】
2007146749.tif 000009
【図８】
2007146749.tif 000010
【図９】
2007146749.tif 000011
【図１０】
2007146749.tif 000012