(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダー・ヘッド（１２）、
シリンダー・ボア（１４）、
及び、該シリンダー・ボア（１４）内を往復動するピストン（１６）により規定される可変容積燃焼室（１０）を持ち、
上記シリンダー・ヘッドには、点火プラグ（４０）及び、吸気及び排気弁（２６、３６）を介して上記燃焼室（１０）へ通じる吸気及び排気ポート（２０、３０）が設けられ、
さらに、圧縮行程の終期に向け上記燃焼室（１０）内に燃料と空気の略均一な予混合給気を発成するための燃料供給部を持ち、そこにおいては液体燃料を上記燃焼室（１０）内へ噴射する燃料インジェクター（５０）が、シリンダー・ボア（１４）の非行程部分へ配置され、点火プラグ（４０）の方向に燃料が上記吸気弁（２６）の表面から又はそれに沿って偏向させられる様に、この吸気弁（２６）が閉じた時にその前面に向かって燃料を斜めに吹き付ける向きとされ、
そして、エンジン・サイクルの所定の点火時期において上記点火プラグ（４０）の電極に火花を生成するとともに、この点火時期と所定の前位相関係で上記燃料インジェクターを作動させるエンジン・マネージメント・システムを持ち、
上記エンジン・マネージメント・システムが、所定のエンジン運転状態で所望の量の燃料を、上記吸気弁（２６）が開いている第１の噴射タイミングと該吸気弁（２６）が閉じている第２の噴射タイミングとに分けて、噴射させるように構成され、
上記燃料インジェクター（５０）の向きは、上記第１の噴射タイミングにおいて噴射される燃料の少なくとも一部が、上記開いている吸気弁（２６）と吸気ポート（２０）との間の開口にて該吸気ポート（２０）の通し流れ断面を横切り、直接突き抜ける様に設定されている、直接噴射火花点火エンジン。
【請求項２】
上記第２の噴射タイミングにおいて燃料インジェクターから噴射される燃料の少なくとも一部が、上記閉じている吸気弁の前面により偏向させられて、点火プラグへ向かう様に、上記燃料インジェクターの向きが設定されている、請求項１に記載の直接噴射火花点火エンジン。
【請求項３】
上記第１の噴射タイミングが吸気行程中に、また、第２の噴射タイミングが圧縮行程中に、それぞれ設定されている、請求項１又は２のいずれかに記載の直接噴射火花点火エンジン。
【請求項４】
上記エンジン・マネージメント・システムは、アイドル条件の下では、上記第２の燃料噴射タイミングで、必要とされる燃料全てを噴射させる一方、部分負荷状態では、第１の噴射タイミングと第２の噴射タイミングとに分けて噴射させるように構成されている、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の直接噴射火花点火エンジン。
【請求項５】
上記第１の噴射タイミングで噴射される燃料の量が、上記第２の噴射タイミングで噴射される燃料の量よりも多い、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の直接噴射火花点火エンジン。
【請求項６】
上記第１の噴射タイミングで噴射された燃料が、燃焼室内で給気全体に均一に分散されるとともに、上記第２の噴射タイミングで噴射された燃料が、点火プラグの電極周りにリッチな雲塊を形成することで、給気の層状化がなされる、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の直接噴射火花点火エンジン。
【請求項７】
上記燃料インジェクターは、燃焼室の周縁に配置され、シリンダー・ヘッドの中央に配置された点火プラグに向けて斜め上向きに燃料を噴射する、請求項１乃至６のいずれか１つに記載の直接噴射火花点火エンジン。
【請求項８】
上記燃料インジェクターは、燃料噴霧が吸気弁のバルブ・ステムからずれるように配置されている、請求項１乃至７のいずれか１つに記載の直接噴射火花点火エンジン。
【請求項９】
上記燃料供給部は、その噴霧が上記点火プラグから離れた方向に向けられ上記燃焼室内に配置されるか、上記燃焼室へ通じる吸気ポートへ配置されるかのいずれかである少なくとも一つの追加燃料インジェクターを有し、該追加燃料インジェクターは、燃料が吸入給気と均一に混合されるのに十分な時間を許容するために、給気行程中又はその前に給気中に燃料を吹き付ける様に作動させられる、請求項１乃至８のいずれか１つに記載の直接噴射火花点火エンジン。
【請求項１０】
シリンダー・ヘッド（１２）、
シリンダー・ボア（１４）、
及び、該シリンダー・ボア（１４）内を往復動するピストン（１６）により規定される可変容積燃焼室（１０）を持ち、
上記シリンダー・ヘッドには、点火プラグ（４０）及び、吸気及び排気弁（２６、３６）を介して上記燃焼室（１０）へ通じる吸気及び排気ポート（２０、３０）が設けられ、
さらに、圧縮行程の終期に向け上記燃焼室（１０）内に燃料と空気の略均一な予混合給気を発成するための燃料供給部を持ち、そこにおいては液体燃料を上記燃焼室（１０）内へ噴射する燃料インジェクター（５０）が、シリンダー・ボア（１４）の非行程部分へ配置され、点火プラグ（４０）の方向に燃料が上記吸気弁（２６）の表面から又はそれに沿って偏向させられる様に、この吸気弁（２６）が閉じた時にその前面に向かって燃料を斜めに吹き付ける向きとされ、
そして、エンジン・サイクルの所定の点火時期において上記点火プラグ（４０）の電極に火花を生成するとともに、この点火時期と所定の前位相関係で上記燃料インジェクターを作動させるエンジン・マネージメント・システムを備えている直接噴射火花点火エンジンの制御方法であって、
上記燃料インジェクター（５０）の向きを、上記第１の噴射タイミングにおいて噴射される燃料の少なくとも一部が、上記開いている吸気弁（２６）と吸気ポート（２０）との間の開口にて該吸気ポート（２０）の通し流れ断面を横切り、直接突き抜ける様に設定し、
上記エンジン・マネージメント・システムにより、所定のエンジン運転状態で所望の量の燃料を、上記吸気弁（２６）が開いている第１の噴射タイミングと該吸気弁（２６）が閉じている第２の噴射タイミングとに分けて、噴射させる、方法。
【請求項１１】
上記燃料インジェクターの向きを、上記第２の噴射タイミングにおいて該燃料インジェクターから噴射される燃料の少なくとも一部が、上記閉じている吸気弁の前面により偏向させられて、点火プラグへ向かう様に設定する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記第１の噴射タイミングが吸気行程中に、また、第２の噴射タイミングが圧縮行程中に、それぞれ設定されている、請求項１０又は１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
アイドル条件の下では上記第２の燃料噴射タイミングで、必要とされる燃料全てを噴射させる一方、部分負荷状態では第１の噴射タイミングと第２の噴射タイミングとに分けて噴射させる、請求項１０乃至１２のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１４】
上記第１の噴射タイミングで噴射させる燃料の量が、上記第２の噴射タイミングで噴射させる燃料の量よりも多い、請求項１０乃至１３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１５】
燃料を、上記第１の噴射タイミングで噴射させて燃焼室内で給気全体に均一に分散させるとともに、上記第２の噴射タイミングで噴射させて点火プラグの電極周りにリッチな雲塊を形成することで、給気を層状化させる、請求項１０乃至１４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１６】
上記燃料インジェクターを燃焼室の周縁に配置して、シリンダー・ヘッドの中央に配置した点火プラグに向けて斜め上向きに燃料を噴射させる、請求項１０乃至１５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１７】
上記燃料インジェクターを、燃料噴霧が吸気弁のバルブ・ステムからずれるように配置する、請求項１０乃至１６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１８】
上記エンジンの燃料供給部において、その噴霧が上記点火プラグから離れた方向に向けられ上記燃焼室内に配置されるか、上記燃焼室へ通じる吸気ポートへ配置されるかのいずれかである少なくとも一つの追加燃料インジェクターを設け、
上記エンジン・マネージメント・システムにより、上記追加燃料インジェクターを、燃料が吸入給気と均一に混合されるのに十分な時間を許容するために、給気行程中又はその前に給気中に燃料を吹き付ける様に作動させる、請求項１０乃至１７のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
（発明の属する技術分野）
本発明は、各エンジン気筒内へ液体燃料の直接噴射をする火花点火式エンジンに関する。
（従来の技術）
WO 84/02744は、燃料インジェクターが燃料を燃焼室の中央へ直接向けて噴霧するために配置され、点火プラグが燃料噴霧の経路において燃料インジェクター近傍に配置される、システムを記載している。この従来技術のシステムにおいて、燃料は同じインジェクターにより二段階で噴射され、燃料の第１主要部分は、実質均一の予混給気を形成するのに霧化及び蒸発されるべく吸気行程の初期に噴射され、第２小部分は、点火プラグに隣接する混合気をリッチ化するのにインジェクターの先端近くに残るために、圧縮行程の後期で点火の直前に噴射され、燃料のこの部分が火花により点火されその後で燃やされると、予混給気を点火する強力な点火核を生成する様になっている。
（発明が解決しようとする課題）
上記システムに伴なう重大な問題は、点火プラグが第１噴射中に噴射される燃料の主要部分の経路にあり、引き伸ばされた燃料噴霧により濡らされるのを避けることが出来ないので、点火プラグが汚れる傾向がある。これは、冷間始動時の問題、不安定な点火そして最終的には完全な失火を起こす可能性がある。
点火プラグの電極が燃料噴霧の経路に配置される場合に点火プラグの汚れを起こす可能性のある公知の別の問題は、インジェクター弁が開いてすぐに燃料噴霧に先立ち燃料インジェクターから出て来る少量の未霧化燃料である。これは、各噴射の最初に押し出されるインジェクター弁の下流の燃料を貯える燃料インジェクターの先端容積の結果であり、「嚢容積」として言及される。
その様な一塊の液体燃料が、点火プラグ電極へ衝突するのを許容されると、主要な噴霧が届く前に電極を濡らす可能性がある。
（課題を解決するための手段）
前述の問題点を緩和するという視点で、本発明は、第１の観点により、シリンダー・ヘッド、シリンダー・ボア及びシリンダー・ボア内を往復動するピストンにより規定される可変容積燃焼室を持つ火花点火エンジンを提供し、シリンダー・ヘッドには、点火プラグ及び、吸気及び排気弁を介して燃焼室へ通じる吸気及び排気ポートを設ける。上記エンジンには、また、圧縮行程の終期に向け燃焼室内に燃料と空気の略均一な予混給気を発生するための燃料供給部を持たせ、そこにおいては液体燃料を燃焼室内へ噴射する燃料インジェクターが、シリンダー・ボアの非行程部分へ配置されて、点火プラグの方向に燃料が吸気弁の表面から又はそれに沿って偏向させられる様に、吸気弁が閉じた時に吸気弁の前面に向かって燃料を斜めに吹き付ける向きとされている。そして上記エンジンには、エンジン・サイクルの所定の点火時期において点火プラグ電極に火花を生成するとともに、この点火時期と所定の前位相関係で燃料インジェクターを作動させるエンジン・マネージメント・システムを持たせて、このエンジン・マネージメント・システムは、所定のエンジン運転状態で所望の量の燃料を、吸気弁が開いている第１の噴射タイミングと該吸気弁が閉じている第２の噴射タイミングとに分けて、噴射させるように構成するとともに、上記燃料インジェクターの向きは、第１の噴射タイミングにおいて噴射される燃料の少なくとも一部が、上記開いている吸気弁と吸気ポートとの間の開口にて該吸気ポートの通し流れ断面を横切り、直接突き抜ける様に設定する。
本発明の第２の観点によれば、シリンダー・ヘッド、シリンダー・ボア及びシリンダー・ボア内を往復動するピストンにより規定される可変容積燃焼室を持つ火花点火エンジンを作動させる方法が提供され、シリンダー・ヘッドは、点火プラグ及び、吸気及び排気弁を介して燃焼室へ通じる吸気及び排気ポートを持ち、上記エンジンはまた、圧縮行程の終期に向け燃焼室内に燃料と空気の略均一な予混給気を発生するための燃料供給部を持ち、そこにおいては液体燃料を上記燃焼室（１０）内へ噴射する燃料インジェクター（５０）が、シリンダー部分の非行程部分へ配置され、点火プラグの方向に燃料が吸気弁の表面から又はそれに沿って偏向させられる様に、吸気弁が閉じた時に吸気弁の前面に向かって燃料を斜めに吹き付ける向きとされている。さらに、エンジン・サイクルの所定の点火時期において点火プラグの電極に火花を生成するとともに、この点火時期と所定の前位相関係で燃料インジェクターを作動させるエンジン・マネージメント・システムを備え、これににより所定のエンジン運転状態で所望の量の燃料を、吸気弁が開いている第１の噴射タイミングと該吸気弁が閉じている第２の噴射タイミングとに分けて、噴射させる。また、燃料インジェクターの向きは、上記第１の噴射タイミングにおいて噴射される燃料の少なくとも一部が、上記開いている吸気弁と吸気ポートとの間の開口にて該吸気ポートの通し流れ断面を横切り、直接突き抜ける様に設定する。
本発明は、点火可能核を発生するのに十分な少量の燃料のみが点火プラグへ向けられるのを可能とすることにより、上述の問題点の少なくともいくつかを緩和し、動力を発生するのに必要な燃料の追加的主要部分は、選択的手段により、点火プラグへ向けられることなしに、導かれる。更に、嚢容積及びその他の大き目の燃料液滴が吸気弁の表面上で広がり、微細液滴及び燃料蒸気のみが点火プラグへ到達するのを許容する様に、燃料噴霧を吸気弁の表面に当たる様に配置することにより、点火プラグへ向け導かれる少量の燃料でさえも間接的に輸送される。
燃料インジェクターから出る燃料液滴は当初、回りの空気よりも速く移動しているので、それらは空気を引きずって、燃焼を促進すると知られている微少乱流を発生する。
燃料インジェクターからの燃料噴霧は、小さな円錐角度を持ち、一旦点火されると急速に燃える小型で乱流性の混合気の雲塊を形成するのに十分な空気が吸気弁の表面及び点火プラグの近傍に燃料液滴により引きずられる様に、吸気弁の表面と浅い角度に向けられる。これは、燃焼室の大部分にあるリーンな予混給気でさえも点火する能力がある、強力な点火核が生成されるのを確実なものとする。一般的に、燃料核は、20°と30°との間の円錐角を持つべきである。
点火プラグ電極を濡らすことなしに点火可能な混合気を点火プラグ電極の近傍に生成するのに、燃料インジェクターにより少量の燃料が導かれる一方で、動力を発生するのに必要な燃料の主要部分は別の燃料インジェクターを用いて導入されても良い。この場合において、他の燃料インジェクターは、その噴霧が点火プラグから離れた向きとされて燃焼室内に配置されても、燃焼室へ通じる吸気ポート中に配置されてもいずれでも良く、そのインジェクターは、燃料が吸入空気の給気と均一に混合するのに十分な時間を許容するために、給気行程中又はその前に給気中に燃料を吹き付ける様に作動させられる。
選択肢として、インジェクターを燃焼室内で適切に配置し、別個の早期噴射を吸気弁の開放と一致する時期とすることにより、点火プラグを濡らすことなしに動力を発生するのに必要な燃料の主要部分を導くのに、同じ燃料インジェクターを用いることが可能である。この場合において、燃料噴霧が、吸気弁を取り囲むエアカーテンを迎え、そして／又は、開いた吸気弁の口を通り抜け吸気ポートの端部へ直接戻るために、導かれる場合には、それは、空気流により点火プラグから離れて運ばれ、そして点火プラグの電極の濡れを回避するであろう。
動力を発生する燃焼のために分配された層状給気を生成することを意図する従来技術の直接噴射エンジンにおいて、燃料噴射時期は、給気全体で平均して、安定し清浄な燃焼を点火されると与えるのに、空気中の燃料噴霧の混合不足（過剰なリッチ）の領域と混合過剰（過剰にリーン）な領域との間の最良の妥協を与えるのに選択されなければならない、第一の制御パラメーターである。この場合の点火時期は第２の制御パラメーターであり、そこにおいて、給気を点火するかも知れない火花がいつもあるであろうが、その時期は燃料噴射時期に深く関係し、燃料噴射時期が決まると調整の余地は殆どない。本発明は、予混の主要給気の完全燃焼を確実なものとすることになるより強力な点火核を発生するために、点火のためだけの局所的な層状給気を生成することを狙いとする。主要給気は実質的には均一である、つまり、全体的に混合されているので、これは、優先順位を逆転することを許容し、点火時期を意図的に設定することを可能とする。エンジン・マネージメント・システムがいつ火花が発生すべきかを判断しようとも、本発明の直接向けられた噴射は、点火の時期と一致させるのに点火プラグ電極の近傍に中心がおかれる局所的点火可能雲塊を生成するのに用いられ、信頼性高い点火が得られ、強力な点火核が続いて発生するであろう。これは、所望の点火時期の短時間前に燃料噴射を開始するのが常であることを意味し、その位相差は、インジェクターの作動の後で点火プラグの近傍に燃料が到達するのにかかる時間を参酌している。点火能力を確保し点火プラグ電極の濡れを回避するのに燃料の短い引張りのみが必要とされるので、燃料インジェクターの作動期間は短いのが一般的であろう。
本質的に、本発明の燃料噴射及び点火時期の組合わせは、火花単独によってそれ自体は点火可能でないこともある主要給気を点火するために、エンジン・サイクル中のいかなる瞬間においても自由に着火され得る時間調整されたプラズマ生成器であると、みなすことが出来る。
従来技術の層状給気エンジンにおいて、燃料噴射時期により既に最適化された燃料混合プロセスを考慮して、安定した点火を得るために、点火時期は狭いウインドウへと制限される。しかしながら、結果としての点火時期は、状況によって最良の点火安定性に対し最適なものであるが、最良の熱力学的効率又は最低の排気排出量にも自動的に最適なものとなるわけではない。安定的な点火が第１の優先順位になければならないので、その他の要件は妥協されなければならないであろう。本発明は、点火についてだけは直接向けられる燃料噴霧への感度が最も低い燃料混合プロセスへの依存性を減らし、安定的点火のための点火時期ウインドウを大幅に拡大し、点火時期が種々の現象の最適化のために殆ど自由に配置されるのを許容することになる。
通常のエンジン作動中において、点火時期は最大の熱力学的効率のために最適化されるのが一般的である。これは、均一給気エンジンで点火時期を変化させることによる一般的な慣習である。本発明は、燃料噴射及び点火時期の組合わせを偏向することにより、最大の熱力学的効率のための点火時期を選択する同じ柔軟性を許容する。
エンジン作動状態によっては、熱力学的効率を最大化する以外の現象に、より高い優先順位が与えられることもある。例えば冷間始動後には、法的排出規制に適合させるために、排気システム中の触媒のライトオフ時間を最小化することが、より重要である。この場合において、本発明は、冷間始動後のアイドリング時の排気温度を最大化するのに、全体としてはリーンな混合気で作動で作動する場合でさえも、点火時期を遅角することが可能とされる。
同様の観点で、均一給気中での制御された自動点火を引き起こすことにより、非常にリーンな混合気により低負荷運転する場合の排出物を削減することが提案されていた。これは、予熱及び又は高圧縮比を用いて給気温度及び圧力を増加させることにより、以前は達成されていた。もし望む場合には、残りのリーン給気中での自動点火を起こさせる程度まで点火時期が進角させられるのを可能とするのに、本発明を用いることが出来る。
（発明の実施の形態）
以下に本発明を更に、例を用い、添付の図面を参照して、説明する。
図１は、図２の一点鎖線I-Iに沿う、本発明のエンジンの気筒の吸入行程中の断面図であり、
図２は、ピストンからシリンダー・ヘッドへ向けて見る図１の燃焼室の図であり、
図３は、圧縮行程の上端近くのピストンを示す図１のそれと同様の断面図であり、そして
図４は、ピストンからシリンダー・ヘッドへ向けて見る図３の燃焼室の図である。
図中のエンジンは、ボア１４内を往復動するピストン１６と吸気ポート２０及び排気ポート３０を持つシリンダー・ヘッド１２との間で規定される可変容量燃焼室を、持つ。吸気ポート２０はステム２４及びヘッド２６を持つ２つの吸気ポペット弁により制限され、排気ポート３０はステム３４及びヘッド３６を持つ２つの排気ポペット弁により制限される。点火ギャップ４２を持つ点火プラグ４０は、シリンダー・ヘッド１２の中央に配置される。
エンジンは、いわゆるEEC（電子エンジン制御）ユニット６０を有するマネージメント・システムにより制御される。EECユニット６０は、エンジン回転数、負荷、温度及びクランクシャフト位置の様な適切な作動パラメーターを計測する種々のセンサーからの信号を受けるのに接続され、記憶されたアルゴリズム及び校正データに応じて、点火時期、燃料量及び燃料噴射時期を適切に制御する。
一般的な設計であれば、シリンダー・ヘッドの下向きの高圧直接燃料インジェクターを、点火プラグ電極から離れて下向きにピストン１６へ向け配置することになろう。すす及び炭化水素の排出を起こすピストンの頂部の濡れの原因となるのが、その様な構成である。本発明の記載された好ましい実施例において、EECユニット６０により制御される燃料インジェクター５０は、シリンダー・ボア１４において燃焼室の周縁に配置される。この位置において、インジェクター５０は、上死点位置においてトップ・ピストン・リングよりも上に位置する。つまり、気筒の行程容積よりも上で、不変的に露出した位置にある。
インジェクター５０の向きとそのノズルの設計は、インジェクターの燃料噴霧が比較的狭く、そして、点火プラグ４０へと向けられる様にされている。これは、燃料噴霧を点火ギャップ４２へ直接向けることにより達成され得るが、燃料噴霧が吸気弁２６の表面へ当たり、この面により点火ギャップ４２へ偏向される様に、図３に図示される態様で、インジェクター５０を向けるのが好ましい。これは、微細な液滴と燃料蒸気のみが点火ギャップ４２へ到達するのを可能とすることにより、点火プラグの電極を濡らす危険性を減らすことになる。
インジェクター５０の同じ方向で、吸気弁２６が開いた時にも、図１の矢印２８により表される様な反対方向に高速で流れるエア・カーテンを迎えるのに、インジェクター５０は開いた吸気弁２６と吸気ポート（２０）との間の開口を通して直接吸気ポート２０の端部へ直接向く。それで、図１に示される様に、燃料が吸気行程中に噴射される場合には、噴霧は開いた吸気弁２６と吸気ポート（２０）との間の開口を通り吸気ポート２０の端部へと入ろうとする。しかしながら、シリンダー内へ高速で反対方向に引き込まれている空気２８が、燃焼室１０内へそれと一緒に微細な噴霧を運ぶことになるので、噴霧の大部分は吸気弁２６の背面又は吸気ポート２０へ降りることはない。噴霧に直接晒される壁面の小ささと高圧燃料インジェクターによる噴霧の微粒化により、燃料液滴が弁２６の後面及び吸気ポート２０の壁へ当たる程度は最小となるであろう。
燃料インジェクター５０は、直径２０から４０ミクロンの微細液滴及び、静止空気中での40m/s程度の液滴速度を生じる50kg/cm2の圧力で作動させられるのが一般的である。反対方向の燃料噴霧に出会うエアカーテン２８は、燃料液滴が空気に出会う時に、約80m/sの相対速度を与えるのに相当する速度で移動するのが一般的である。噴霧の微粒化及び空気の高い相対速度故に、燃料液滴の粘性抵抗は非常に高く、液滴の蒸発速度は高く、その合わせた効果が液滴を良く空気に従わせ非常に速く小さくする。液滴が迅速に方向を変え、燃焼室１０へ伴出されるのは、この理由による。それらの粒径と速度により吸入ポート２０の中へ貫いて進む液滴は、減速させられ、蒸発させられ、そして急激に大きさを小さくさせられ、極小の部分のみが吸入ポート２０の反対側の壁に到達するであろう。液滴の殆どは、吸気ポート２０の通し流れ断面を横切り空気で運ばれていくままであろう。そして、通し空気流により横方向に供出され、吸気弁２６を囲むエアカーテン２８、２８ａ、２８ｂと共に出て行く。
燃料噴霧の吸気弁２６の後面とバルブ・ステム２４の側部への衝突は、燃料インジェクター・ノズルを狭い噴霧角度で設計し、燃料噴霧をバルブ・ステム２４からずれた位置へ配列し、それが図１及び２に示す様に吸気弁２６を濡らすことなしに吸気ポート２０の通し流れ断面を横切り直接突き抜ける様にすることにより、避けることが出来る。
吸気弁の濡れは、いくつかの理由により望ましくない。第１に、液体燃料膜の蒸発速度は、はるかに小さい表面積故に、かなり細かい燃料液滴のそれよりもかなり遅い。第２に、吸気弁に溜まるいかなる液体燃料膜も、冷間始動及び過渡運転状態中に、燃料校正遅れの問題を起こす可能性がある。第３に、燃料膜の蒸発熱は、吸気弁から引き出されるのであって、分散された微細液滴の場合における様な吸入空気からではなく、結果として、空気中での蒸発の場合に比して、吸気の冷却の面で劣り、それに伴ない、体積効率及び耐ノック性の改善が劣ることになる。本発明の好ましい実施例は、吸気弁２６が開いている間に吸気ポートへ噴射される燃料の殆ど全てが、空気中に分散され、同じエンジン・サイクル中に燃焼室１０へ運ばれ、給気全体に均一に分配されるのを、確実なものとする。
述べてきた様に、本発明の好ましい実施例は、ピストンの濡れを回避するので、インジェクターがピストンに向けられている一般的な直接噴射エンジンに対する改良をもたらす。給気は均一であり点火可能でないこともあるので、それは未だ超リーンバーンへエンジンを最適化するのを可能としてはいない。リーンバーンを最適化するために、給気の大部分がそれ自身で点火可能な程に十分な燃料濃度を持ってはいない場合でさえも、点火可能な雲塊が火花近傍に存在する様に、給気を層状化する必要がある。
本発明の好ましい実施例において、図示されたインジェクター構成を持つエンジンに必要とされる時に、図３及び４に示される様に、吸気弁が圧縮行程の終了近くで閉じている間に所望の全燃料量のある割合を別個に燃焼室へ導くことにより、その様な給気層状化がなされる。この噴射は、燃料及び空気の点火可能な雲塊が火花が発火される瞬間に火花ギャップ４２近傍に存在する様に点火時期も設定するEECユニット６０により時期調整される。燃料噴射は、インジェクターの作動後に燃料が点火プラグ近傍に到達するのにかかる時間を考慮するために、点火の短時間前に起こる。非常に少ない量のみが必要である、この別個に噴射された一部の燃料は、吸気弁２６のヘッドを越えていくか、吸気弁２６の前面により偏向させられるかのいずれかとなり、図３及び４に各々時間的順序でもって示される様に、点火ギャップ４２近傍にリッチな雲塊を生成することになろう。給気の残りが点火するにはリーン過ぎる場合でさえも、この雲塊は点火可能であろうし、一旦点火されると、給気全体を消費するのに炎がそこから伝播する強力な点火核が生成されよう。
高圧燃料インジェクターの給気行程中の燃料噴射期間は、エンジン負荷により0.4から4.0msであるのが一般的である。エンジン回転数が4000rpmにおいて、これは、一般的には240クランク角度の吸気弁開口期間のうちの最大100クランク角度に対応し、燃料の大部分の早期噴射の期間を、最大バルブ・リフト及び最大吸気速度の期間に一致する様に時間調整するのを完全に実行可能とする。他方で、圧縮行程の終わりに向けて燃料の小さな部分を後期噴射する期間は、点火プラグ電極の濡れを避けるために、出来るだけ短くすべきである。これは、現在の高圧燃料インジェクターの設計可能性の範囲内で、最も短い、使用可能で反復可能な期間である0.3ms程度であるのが、一般的である。
アイドル条件の下で、圧縮行程の終わり近くでの後期噴射は、必要とされる燃料全てを供給することもあり得る。部分負荷状態の下では、早期及び後期噴射を、点火プラグに隣接するリッチ雲塊を持つ全体としてリーンな混合気を得るのに、用いることが出来る。高負荷条件においては、後期噴射を省き、早期噴射によってのみ得られる理論値の均一給気に頼ることが出来る。
見方を変えると、エンジンを通常の均一理論混合気と通常の点火時期で作動することは、いつも可能である。アイドル及び部分負荷状態中の燃料経済性のために、混合強度を減少させることが出来、これは、通常の点火及び燃料供給方針により、あるリーンバーン限界までは許容することが出来る。本発明の好ましい実施例は、必要とされる場合にはいつでも、別のモードへ切り替えることにより、リーンバーン限界がこの点よりも拡張するのを可能とし、そのモードにおいて、通常の点火より少し前の噴射時期を用いて、燃料の短い吹付けを点火プラグへ向けることにより、強力な点火核が生成される。
インジェクターは、上記燃料の短い吹付けが、点火ギャップ近傍に到達する前に蒸発するのに十分な距離点火プラグから離れて配置されるべきであることに留意することが重要である。一般的に、インジェクターの点火プラグからの距離は、数ミリ秒である燃料液滴の走行時間に対応する。これは、インジェクターが点火プラグにすぐ隣接して取り付けられることを排除し、燃焼室の設計を、インジェクターがシリンダー・ボアの周縁又はその近くに位置させるべきであることを導く。
リーンバーン能力の限界で作動する場合でさえも、気筒給気の大部分は均一に混合され、生じる給気の層状化のみが、強力な点火核を形成する点火ギャップ近くの小さな局部的点火可能雲塊の結果であるということも、記すべきである。それで、一旦点火が開始すると、炎は、核から均一混合した主給気を越えて広がり、均一給気のリーン燃焼で得られる一般的な曲線の外插に対応し、そこにおいて、均一混合強度が減少するとNOx排出量が減少し続けるリーンバーン排出特性を発生する。
これは、給気全体が連続的に層状化されている直接噴射エンジンと、対照的なものとなっている。その様なエンジンは、すすを発生することになる過剰にリッチな燃焼領域と、不完全燃焼のために、高いレベルの未燃炭化水素を生じる高いレベルのNOxと過剰にリーンな燃焼領域を持つのが一般的である。給気全体が連続的に層状化されているエンジンと比較して本発明の排出物における改善は、同様の燃料経済性の利益を残しながら、法的排出基準に合致するのに必要な排気後処理システムの負担を大幅に減らすであろう。
給気の大部分が均一であるので、スワール、タンブル又は乱流を増加させるなどの燃焼改善のための全ての公知の技術を、本発明のエンジンに用いることが出来る。
気筒当たり２つの給気及び２つの排気弁を持つエンジンを参照し、本発明を説明したものの、これは発明の本質的特徴ではなく、その他のバルブ構成に適用することが可能である。
【図１】
0003976153.tif 000002
【図２】
0003976153.tif 000003
【図３】
0003976153.tif 000004
【図４】
0003976153.tif 000005