(57)【要約】【課題】特別な吸気流変更手段を設けずに燃焼室内壁面への燃料付着を抑制すると共に、噴射燃料の気化および吸気との混合を促進することで、高回転数や高負荷の運転条件を含めた幅広い運転条件に対して良好な混合気を形成することを可能とする筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】マルチホールインジェクタ９の取付け角度θI、噴口２４の傾き角度αの設定により、マルチホールインジェクタ９から噴射される燃料噴霧１０が、吸気行程初期において吸気バルブ７の下部に形成される渦流れ３１の回流部Ｖを通過するように燃料を噴射する。【選択図】図１
2012219690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッド側に燃焼室を備えると共に、該燃焼室に吸気弁を介して通じる吸気ポートと複数の噴口から上記燃焼室内に直接燃料を噴射するマルチホールインジェクタとを備えた筒内噴射式火花点火内燃機関において、
上記マルチホールインジェクタは、吸気行程初期に上記吸気バルブの下部に形成される渦流れの回流部に向けて燃料を噴射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】
上記吸気バルブの直径をφ、上記吸気バルブのリフト量をｈ、上記シリンダヘッドとピストン冠面の最短距離をＨとし、Ｈ−ｈ＝φを満たすクランク角度において、上記吸気バルブの軸線上であり上記吸気バルブの底面からの距離が上記吸気バルブの直径の１／２となる点Ａを通過するように燃料を噴射す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】
上記吸気バルブの直径をφ、上記マルチホールインジェクタの噴口と上記点Ａの距離をａ、燃料噴霧のペネトレーションをＰとして、Ｐ＝ａ＋φ/２を満たすように燃料を噴射
することを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項４】
上記Ｈ−ｈ＝φを満たすクランク角度をＴ、燃料噴霧のペネトレーションが上記ａとなるのに要する時間をｔ[ｓｅｃ]、内燃機関の回転数をＲ[ｒｐｍ]として、燃料噴射の開始クランク角度Ｓを、Ｓ＝Ｔ−Ｒ×６×ｔと設定したことを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関においては、吸気行程中に燃料を噴射することで、点火時期までに燃焼室内全体に燃料濃度が均一な混合気を形成し、その混合気に点火して燃焼させる均質燃焼を実施するものが知られている。
【０００３】
ところがこのような筒内噴射式の内燃機関では、燃料噴射から着火までの時間が短くなる高回転数の運転条件や、筒内に噴射される燃料噴射量が多くなる高負荷の運転条件になると、燃焼室内に噴射された燃料が点火時期までに十分に気化および空気と混合できず、燃料濃度が均一な混合気を形成することが困難となる。その結果、高回転数や高負荷といった運転条件では、燃焼の安定性や排ガス性状の悪化が顕著となる。
【０００４】
これに対して従来の筒内噴射式火花点火内燃機関の中には、筒内に吸入される吸気の流れを偏向し、燃料噴射弁に向かう吸気の流れを生成する吸気流偏向手段と、偏向された吸気の流れに対向して燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、吸気に対向するように燃料を噴射することで燃料の微粒化および吸気と燃料の混合を促進し、燃料濃度が均一な混合気を安定して形成することで燃焼性の向上を図ったものが知られている。（例えば、特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１０５８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら特許文献１に開示された従来の筒内噴射式火花点火内燃機関では、吸気流偏向手段により偏向された吸気の流れに対向して燃料を噴射することにより、燃料の微粒化および吸気と燃料の混合が促進される一方で、吸気弁や燃焼室内に設けられた吸気流偏向手段が吸気時の抵抗となってしまうため、燃焼室への吸入空気量が減少し、内燃機関の出力（燃費）が低下してしまう課題がある。
【０００７】
また、吸気の流れに対向して衝突した燃料は、吸気から反対向きの力を受けてその運動方向が変わり様々な方向に飛散するため、飛散した燃料が近くのピストン冠面やシリンダ壁面などの燃焼室壁面に十分に気化されないまま衝突し、その表面に液膜を形成しやすくなる。この液膜は、圧縮行程の後期になり燃焼室内のガス温度が高くなると、高温ガスからの受熱により気化するが、気化した燃料は点火時期までに十分に吸気と混合されないため、局所的に燃料濃度の濃い混合気が形成され、燃焼時のスモークや未燃炭化水素の発生要因となり排ガス性状が悪化する。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、特別な吸気流変更手段を設けずに燃焼室内壁面への燃料付着を抑制すると共に、噴射燃料の気化および吸気との混合を促進することで、高回転数や高負荷の運転条件を含めた幅広い運転条件に対して良好な混合気を形成することを可能とする筒内噴射式火花点火内燃機関を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、シリンダヘッド側に燃焼室を備えると共に、該燃焼室に吸気弁を介して通じる吸気ポートと複数の噴口から上記燃焼室内に直接燃料を噴射するマルチホールインジェクタとを備えた筒内噴射式火花点火内燃機関において、上記マルチホールインジェクタは、吸気行程初期に上記吸気バルブの下部に形成される渦流れの回流部に向けて燃料を噴射するものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃焼室壁面への燃料付着を抑制して排ガス性状を向上できると共に、高回転数や高負荷の運転条件でも点火時期までに燃料濃度が均一な混合気を形成することができ、良好な均質燃焼を実施することが可能である。また吸気通路や燃焼室内に特別な加工は必要なく、吸気抵抗の増加による機関出力の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略図である。
【図２】マルチホールインジェクタの先端部分の断面拡大図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ断面平面図である。
【図４】図１におけるＡ点の位置を説明する図である。
【図５】燃料噴霧のペネトレーションと噴口形状特性の関係を示す図である。
【図６】燃料噴霧のペネトレーションと燃料圧力の関係を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における吸気行程開始直後の燃焼室の状態を示す概略図である。
【図８】図１のＣ−Ｃ断面図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関における吸気行程中期の燃焼室の状態を示す概略図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関における吸気行程後期の燃焼室の状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付の図面を参照して、この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関について好適な実施の形態を説明する。なお、この実施の形態により発明が限定されるものではなく、諸種の設計的変更を含むものである。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略図である。図１において、符号１は円筒形のシリンダを示し、この円筒形のシリンダ１にはピストン２が嵌合されている。シリンダ１の上部には、所謂、ペントルーフ型のシリンダヘッド３が固定されており、ピストン２の頂面とシリンダヘッド３の下面の間に燃焼室４が形成されている。
【００１４】
シリンダヘッド３には、図において表裏方向に２つの吸気ポート５（図１には１つのみ表示）と、同じく図において表裏方向に２つの排気ポート６（図１には１つのみ表示）が設けられており、吸気ポート５は吸気バルブ７を介して、また排気ポート６は排気バルブ８を介して、それぞれ燃焼室４内に通じている。
【００１５】
シリンダヘッド３には、複数の噴口から燃焼室４内に直接燃料を噴射するマルチホールインジェクタ９が取り付け角度θIで取り付けられており、このマルチホールインジェク
タ９からの燃料噴射により燃焼室４内に燃料噴霧１０が形成される。そして、マルチホールインジェクタ９に供給する燃料の圧力（以下、燃圧という。）は、第１の制御手段１１により調整され、マルチホールインジェクタ９の噴射タイミングは、第２の制御手段１２により制御される。シリンダヘッド３の中心近傍には燃焼室４内に形成された混合気に点火するための点火プラグ１３が設けられている。
【００１６】
図２は、マルチホールインジェクタ９の先端部分の断面図を示しており、図１におけるＢ−Ｂ断面拡大図であって、マルチホールインジェクタ９の先端部分に設けられた複数の噴口のうち、１つの噴口について示したものである。
【００１７】
図２において、符号２０はニードルで、このニードル２０は、図中矢印で示す上下方向の移動によりバルブシート２１と着座、および離座することで燃料通路２２を遮蔽、および開口することができる。噴口プレート２３には噴口２４が設けられ、噴口有効直径Ｄ、噴口傾き角度α、噴口長さＬに形成されている。
【００１８】
燃料噴射に際してニードル２０が上方向へと移動し燃料通路２２が開口されると、バルブシート２１と噴口プレート２３の間に設けられた燃料キャビティ２５に高圧の燃料が供給され、噴口プレート２３に設けられた噴口２４を通して燃料が燃焼室４内へと噴射される。
【００１９】
図３は、図１のＢ−Ｂ断面平面図である。複数の噴口２４が設けられたマルチホールインジェクタ９からは、複数の燃料噴霧１０が燃焼室４内に形成される。マルチホールインジェクタ９の中心軸２６に対する燃料噴霧１０の傾き角度βは、図２に示した噴口傾き角度αとほぼ一致するため、噴口傾き角度αの設定により燃料噴霧１０の傾き角度βを定めることができる。なお、図３において、Ｐは燃料噴霧１０の自身運動エネルギーによる噴霧到達距離（以下、ペネトレーションという。）を示している。
【００２０】
実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は上記のように構成されており、マルチホールインジェクタ９より噴射される燃料噴霧１０が、後述する吸気バルブ７の軸線上の点Ａを通過するようにマルチホールインジェクタ９の取り付け角度θI、噴口傾き角度
αが設定されている。
【００２１】
図４は、実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴霧１０を通過させる点Ａの位置を説明する図である。図４に示すように、点Ａは吸気バルブ７の直径をφ、吸気バルブ７のリフト量をｈ、シリンダヘッド３とピストン２の冠面との最短距離をＨとした場合、次の式（１）を満足するクランク角度において、吸気バルブ７の軸線上であり、吸気バルブ７の底面からの距離が吸気バルブ７の直径φの１／２となる点と定めている。
Ｈ−ｈ＝φ・・・・・（１）
【００２２】
また、この実施の形態においては、マルチホールインジェクタ９の噴口２４と上記Ａ点との距離をａとして、燃料噴霧１０のペネトレーションＰが次の式（２）を満足するように定めている。
Ｐ＝ａ＋φ／２・・・・・（２）
【００２３】
ここで、燃料噴霧１０のペネトレーションＰは、図２に示した噴口長さＬと噴口有効直径Ｄの比で表される噴口形状特性Ｌ／Ｄ、およびマルチホールインジェクタ９に供給する燃圧により調整可能である。これは噴口形状特性Ｌ／Ｄおよび燃圧の設定によって、燃料の噴射流速や噴射後の燃料噴霧粒径が変わるためである。
【００２４】
図５は燃料噴霧のペネトレーションＰと噴口形状特性Ｌ／Ｄの関係を、また、図６は燃料噴霧のペネトレーションＰと燃圧の関係を示している。この実施の形態においては、図５と図６に示される関係を基にして、上記式（２）を満足するように噴口形状特性Ｌ／Ｄと燃圧が設定されている。
【００２５】
さらに、燃料噴射の開始クランク角度Ｓは、式（１）を満足するクランク角度をＴ、燃料噴霧１０のペネトレーションＰが上記ａとなるのに要する時間をｔ[ｓｅｃ]、内燃機関の回転数をＲ[ｒｐｍ]として、次の式（３）を満足するように設定されている。
Ｓ＝Ｔ−Ｒ×６×ｔ・・・・・（３）
【００２６】
次に実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の作用について説明する。この実施の形態によれば、図１に示すように、ピストン２の下降と共に吸気バルブ７が開弁し吸気行程が開始されると、燃焼室４内の圧力と吸気ポート５内の圧力差により吸気バルブ７を介して燃焼室４に空気が吸入される。
【００２７】
吸気行程の初期においては、空気の吸入量が小さく吸気ポート５内部を流れる空気の慣性力（吸気慣性）はまだ小さいことから、吸気バルブ７を通過する空気は吸気慣性の影響を受けず、吸気バルブ７の全周部よりほぼ等しい量が吸入されると共に、吸気バルブ７を通過して燃焼室４に流入した吸気はその粘性の影響により、吸気バルブ７の下部に吸気バルブ軸線Ｃに対して線対称な渦流れ２７を形成する。
【００２８】
この渦流れ２７はほぼ吸気バルブ７の直径φと等しい大きさで形成されるため、図７に示すようにピストン２の下降が小さく燃焼室４の形状が扁平となるクランク角度では、ピストン２の冠面に渦流れ２７が衝突、崩壊するため形成されないが、吸気バルブ７の底面とピストン２の冠面間の距離が渦流れ２７の大きさ（吸気バルブ７の直径）以上になることで形成される。
【００２９】
この実施の形態においては、図１および図３に示すように、マルチホールインジェクタ９より噴射される燃料噴霧１０が通過する点Ａは、上記渦流れ２７の回流部Ｖに位置するため、マルチホールインジェクタ９より噴射された燃料噴霧１０は渦流れ２７の回流と干渉し、この干渉により燃料噴霧液滴に作用するせん断力が強まり液滴の微粒化が促進されると共に、液滴の微粒化により周囲のガスとの接触面が増加するため燃料の気化が促進される。
【００３０】
このとき、渦流れ２７の回流と燃料噴霧１０の干渉により、燃料噴霧１０は微粒化されつつ運動方向が変わり様々な方向に飛散するが、上記渦流れ２７は例えば図８に示すように、吸気バルブ７の軸線Ｃの全周囲に対してほぼ線対称であり、点Ａを包み込むように形成されているので、この渦流れ２７が気流壁の役割を果たし、飛散した燃料噴霧１０がシリンダ１の壁面に付着することを防ぐ。また、渦流れ２７の回流が燃料噴霧１０を燃焼室４の上部へと押し戻すため、ピストン２への燃料付着も防ぐことができる。
【００３１】
ここで、吸気バルブ７の下部に形成される渦流れ２７は、燃料噴射期間において吸気バルブ７のリフト移動と共にピストン側に移動するが、移動量はわずかでありマルチホールインジェクタ９から噴射される燃料噴霧１０が渦流動２７の回流部Ｖを大きく外れることはない。
【００３２】
またこの実施の形態においては、燃料噴霧１０のペネトレーションＰが式（２）に基づき渦流れ２７の内部領域となるように設定されているため、燃料噴霧１０が渦流れ２７を超えて燃焼室４の壁面へ衝突し、付着することが防がれている。
【００３３】
さらに、この実施の形態では、吸気バルブ７の底面とピストン２の冠面の距離が渦流れ２７の直径と一致し、燃焼室４に渦流れ２７が形成し始めるタイミングにおいて燃料噴霧１０が渦流れ２７の回流部Ｖに到達するように燃料噴射開始クランク角度Ｓを定めているため、渦流れ２７と燃料噴霧１０の干渉による燃料噴霧１０の微粒化作用を最大限に活用することができる。
【００３４】
なお、マルチホールインジェクタ９より噴射された燃料噴霧１０は、噴射直後に渦流れ２７を横切ることになるが、噴射直後においては燃料噴霧１０の運動エネルギーは渦流れ２７の運動エネルギーに比べて十分に大きく、燃料噴霧１０の噴射方向はほぼ変わらないため、燃料噴霧１０を渦流れ２７の回流部Ｖに向けて噴射することが可能である。
【００３５】
図９は、実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関における吸気行程中期の燃焼室４の状態を示す概略図である。図９に示すように、吸気行程中期になると、吸気バルブ７のリフトが大きくなり空気の吸入量が増加するため、吸気慣性の影響により吸気バルブ７の上側（シリンダヘッド側）２８から吸気される空気量が増加し、吸気バルブ７の下側（ピストン側）２９から吸気される空気量は減少する。
【００３６】
その結果、吸気行程初期においては吸気バルブ軸線Ｃに対して線対称に形成されていた渦流れ２７は、徐々に排気バルブ側の方が吸気バルブ側に比べて大きくなり、燃焼室４には、排気バルブ側を縦旋回し、その旋回半径が徐々に増加していく渦流れ３０が形成される。この渦流れ３０は吸気行程初期において微粒化および気化が促進された燃料を輸送しながら攪拌するため、吸気と燃料の混合が促進される。
【００３７】
図１０は、実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関における吸気行程後期の燃焼室４の状態を示す概略図である。吸気行程後期になると吸気慣性の影響は一層強くなるため、図１０に示すように、吸気バルブ７の上側から吸気される空気量は吸気バルブ７の下側から吸気される空気量に比べて非常に大きくなり、燃焼室４には排気バルブ側を下降し、吸気バルブ側を上昇する強い縦旋回流（タンブル流）３１が形成される。そしてこのタンブル流３１は、吸気行程中期において形成された混合気３２を圧縮行程にかけて燃焼室４の全体に素早く輸送、拡散していくため、点火時期までに燃料濃度が均一な混合気が形成される。
【００３８】
ここで、図１に示される吸気行程初期に形成される渦流れ２７は、内燃機関の回転数が高くなるほど流速が増加するため、燃料噴霧１０と渦流れ２７が干渉したときの燃料噴霧液滴に作用するせん断力は高回転運転ほど増加し、燃料液滴の微粒化および気化が促進されるため、燃料噴射から着火までの時間が短く燃料の気化と混合が不十分となりがちな高回転数の運転条件に対しても、燃料濃度が均一な混合気を形成できる。
【００３９】
以上のように、この発明の実施の形態１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関では、マルチホールインジェクタ９から噴射された燃料噴霧１０が、吸気行程初期において吸気バルブ７の下部に形成される渦流れ２７の回流と干渉することで、燃料噴霧液滴に作用するせん断力が強まり液滴の微粒化が促進され、これにより燃料の気化が促進される。
【００４０】
この気化された燃料は、吸気行程中期から後期にかけて燃焼室４内に形成される排気バルブ側を下降し吸気バルブ側を上昇する縦旋回流（タンブル流）３１によって点火時期までに燃焼室４内の全体に輸送、拡散され、燃焼室４内に燃料濃度が均一な混合気が形成される。これによって燃料噴射量が多い高負荷の運転条件に対しても燃料濃度が均一な混合気を安定して形成できる。
【００４１】
また、燃料噴霧１０と渦流れ２７の回流が干渉する時には、燃料噴霧１０は微粒化され
つつ運動方向が変わり様々な方向に飛散するが、吸気バルブ７の下部に形成された上記渦流れ２７は上記干渉部を包み込むように流れが形成されており、この流れが気流壁の役割を果たして燃料噴霧１０が燃焼室４の壁面に衝突することを防ぐため、噴射された燃料が燃焼室４の壁面へ付着することを抑制できる。
【００４２】
ここで、吸気行程初期において吸気バルブ７の下部に形成される渦流れ２７は、内燃機関の回転数が高くなるほど流速が増加するため、燃料噴霧１０と渦流れ２７の回流の干渉時に燃料噴霧液滴に作用するせん断力が増加する。これによって液滴の微粒化および気化が一層促進されるので、燃料噴射から着火までの時間が短く燃料の気化と混合が不十分となりがちな高回転数の運転条件に対しても、燃料濃度が均一な混合気を形成できる。
【符号の説明】
【００４３】
１  シリンダ                            ２  ピストン
３  シリンダヘッド                      ４  燃焼室
５  吸気ポート                          ６  排気ポート
７  吸気バルブ                          ８  排気バルブ
９  マルチホールインジェクタ            １０  燃料噴霧
１１  第１の制御手段                    １２  第２の制御手段
１３  点火プラグ                        ２０  ニードル
２１  バルブシート                      ２２  燃料通路
２３  噴口プレート                      ２４  噴口
２５  燃料キャビティ                    ２６  マルチホールインジェクタの中心軸
２７、３０  渦流れ                      ２８  吸気バルブの上側
２９  吸気バルブの下側                  ３１  縦旋回流（タンブル流）
Ａ  燃料噴霧を通過させる点              Ｖ  渦流れの回流部
θI  マルチホールインジェクタの取付け角度
【図１】
2012219690.tif 000003
【図２】
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【図３】
2012219690.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012219690.tif 000007
【図６】
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【図７】
2012219690.tif 000009
【図８】
2012219690.tif 000010
【図９】
2012219690.tif 000011
【図１０】
2012219690.tif 000012