(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが往復動する燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室に装着された火花点火装置と、前記燃焼室に供給される空気流に旋回を与える旋回流形成装置を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、
当該機関の低，中負荷運転領域において、
前記燃料噴射弁は燃料噴霧を２方向に噴射し、その一方の噴霧は前記旋回流に対向する速度成分を持ち、また、他方の噴霧は前記旋回流に沿った方向の速度成分を持ち、且つ前記他方の噴霧は前記一方の噴霧の噴霧密度より濃い噴霧密度を有し、
前記一方の噴霧の噴霧角度は前記他方の噴霧の噴霧角度より広角である
ことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記一方の噴霧が前記空気の旋回流と衝突して前記他方の噴霧の後方に引き続く着火用混合気として火花点火装置の近傍に搬送され、前記空気の旋回流によって先行して搬送された前記他方の噴霧と空気との混合気が燃焼用混合気として着火後の燃焼に寄与することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
請求項１に記載のものにおいて、前記他方の噴霧は前記一方の噴霧より噴霧距離が長く、且つ前記他方の噴霧は前記火花点火装置方向に向いていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
請求項１に記載のものにおいて、前記一方の噴霧は前記燃焼室の周壁方向に向いており、前記他方の噴霧は点火プラグ方向に向いていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
請求項１に記載のものにおいて、前記一方の噴霧は前記ピストンの方向に向いており、前記他方の噴霧は点火プラグ方向に向いていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載のものにおいて、前記ピストンの上端面がフラットであることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関に関し、特に燃焼室内に燃料噴射弁から直接燃料を噴射する、いわゆる筒内直接噴射式の内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接噴射式内燃機関では、燃料噴霧をピストン頂面に設けられた窪みに直接噴射することによって噴霧を反射させ、反射させた噴霧をシリンダ内に生成されたタンブル流及びスワール流等の旋回流に乗せることによって混合気を火花点火装置の近傍に集中させ、いわゆる成層運転することが行われている。
【０００３】
特に、特開平９−１８３８５６号公報では燃料噴霧の流れを燃料噴射弁の分岐部によって分流させ、噴射量の多い方の噴霧をピストン頂面上に設けられた深皿部に当てて反転させ、火花点火装置を通過後に筒内の旋回流に乗せている。噴射量の少ない方の噴霧は旋回流とは反対の方向となるように噴射し、火花点火装置の近傍を通過させるとともに、前述の噴霧の流れと衝突させる。この作用によって火花点火装置の近傍に局所的に過濃混合気領域を形成させ、シリンダ全体としてリーンな空燃比であっても着火燃焼を可能にしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術の如くピストン頂面に窪みを設けて燃料噴霧を反射させると燃料がピストンに付着することから、未燃ＨＣの排出量が増加する。また、機関の低負荷運転領域においてはシリンダ内の旋回流が弱いことから、火花点火装置の近傍への燃料噴霧の成層化が不十分になるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、機関の低，中負荷運転領域における混合気の成層化を良好に行わせることにより、未燃ＨＣの排出を低減させながら成層燃焼運転領域を拡大させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明では、ピストンが往復動する燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室に装着された火花点火装置と、前記燃焼室に供給される空気流に旋回を与える旋回流形成装置を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、当該機関の低，中負荷運転領域において、前記燃料噴射弁は燃料噴霧を２方向に噴射し、その一方の噴霧は前記旋回流に対向する速度成分を持ち、また、他方の噴霧は前記旋回流に沿った方向の速度成分を持ち、且つ前記他方の噴霧は前記一方の噴霧の噴霧密度より濃い噴霧密度を有する構成とした。
【０００７】
また、前記一方の噴霧が前記空気の旋回流と衝突して前記他方の噴霧の後方に引き続く着火用混合気として火花点火装置の近傍に搬送され、前記空気の旋回流によって先行して搬送された前記他方の噴霧と空気との混合気が燃焼用混合気として着火後の燃焼に寄与する構成とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【０００９】
図１は本発明を実施する筒内直接噴射式内燃機関の構成図である。図１に示すエンジン１は図示しないクランク機構を備え、そのクランク機構に連結されたコンロッド２はシリンダ３内に摺動可能に嵌合しているピストン４の往復運動を回転運動に変換する役割を持つ。シリンダヘッド５によって燃焼室６が構成され、シリンダヘッド５には吸気弁７，排気弁８および燃料噴射弁９，火花点火装置１０が装着されている。吸気弁７，排気弁８の上流には吸気ポート１１及び排気ポート１２が接続されている。また、吸気ポート１１のさらに上流にはスワール流生成手段１３としてのバタフライバルブを配置してある。エンジン１はピストン４の往復動作によって負圧となる燃焼室６に空気を吸入し、燃焼させる。エンジン１に吸入される空気は空気量センサ１４で吸入空気量が計測され、吸入空気量は絞り弁１５の開度によって調節される。本実施例では絞り弁１５をアクセルペダルの踏量に応じて電子的に動作させる電子制御絞り弁を使用している。エンジン１に供給される燃料は、燃料タンク１６内のフィードポンプ１７または燃料ポンプ１８により加圧され、燃料噴射弁９により燃焼室６に直接噴射される。燃焼室６内に噴射された燃料は燃焼室６内に吸入された空気と混合し火花点火装置１０により燃焼が行われる。排気ガスはピストン４の往復動作によって排気弁８から排出され、排気管に設置された三元触媒１９，ＮＯｘ触媒２０を通過して排出される。コントロールユニット２１において、各種のセンサの出力信号からエンジン１の運転状態を検出し、その検出結果に応じてエンジン１に装着されている電子制御絞り弁１５，燃料ポンプ１８，燃料噴射弁９，火花点火装置１０を制御する。
【００１０】
コントロールユニット２１には各種のセンサからの信号が入力される。本実施例ではエンジン回転数，吸気圧力，吸気温度，水温，アクセル踏量，吸入空気量が入力されるよう構成した。コントロールユニット２１は変速機制御部２５，エンジン制御部２６，スロットル制御部２７，インジェクタ駆動回路２８などから構成されている。
【００１１】
図２及び図３は本発明の実施例の要部である筒内直接噴射式内燃機関のシリンダの上視図及び図２のＡ−Ａ断面に対する横断面図である。この内燃機関は図示しない複数のシリンダ３によって構成されており、その上面はシリンダヘッド５によって覆われている。シリンダヘッド５によって構成される燃焼室には、その一方の傾斜面に一対の吸気弁７ａ，７ｂ（７ａ，７ｂをまとめて表現する場合は符号７とする）が、他方の傾斜面には一対の排気弁８ａ，８ｂ（８ａ，８ｂをまとめて表現する場合は符号８とする）が配置されている。吸気弁７及び排気弁８によって囲まれているシリンダヘッド５の略中心位置に火花点火装置１０が配置されている。また、シリンダ３内にはピストン４が摺動可能に嵌合されており、その頂面は平面となっている。吸気弁７の上流には吸気ポート１１ａ，１１ｂ（１１ａ，１１ｂをまとめて表現する場合は符号１１とする）が、排気弁８の下流には排気ポート１２ａ，１２ｂ（１２ａ，１２ｂをまとめて表現する場合は符号１２とする）がそれぞれ接続されている。吸気ポート１１ｂの上流にはバタフライバルブ形状のスワール流形成手段１３が設けられており、そのスワール流形成手段１３は内燃機関の運転状態に応じて図示しない駆動機構によって開閉される。
【００１２】
燃料噴射弁９は吸気ポート１１側のシリンダヘッド下方に配置され、本実施例において上記燃料噴射弁９は吸気弁７ａ，７ｂの略中心位置に配置されている。
【００１３】
本実施例では絞り弁１５をアクセルペダルの踏量に応じて電子的に動作させる電子制御絞り弁を使用しているが、ワイヤで動作させる機械式絞り弁でも同様である。コントロールユニット２１にはエンジン回転数，吸気圧力，吸気温度，水温，アクセル踏量，吸入空気量が入力されるよう構成したが、その他の入力信号としては、例えば図示しないクランクシャフトに装着されたクランク角度センサからの信号，排気管内に取り付けられた空燃比センサ２２からの信号，排気ガスの温度を検出する温度センサ２３からの信号，排気中の酸素濃度を検出するＯ2センサ２４などがある。また、本実施例ではピストン頂面を平面としているが、この他にもピストン頂面にバルブリセスを持つもの、ピストン頂面に緩やかな凹凸部を持つものなど、燃料噴霧を反射させて火花点火装置近傍に燃料噴霧を搬送することを目的とする凹凸部をピストン頂面に持たないピストンであれば良い。
【００１４】
次に、実施例の動作について説明する。
【００１５】
本実施例の内燃機関では、図４に示すようにエンジン回転数２０００rpm 以下の低負荷運転領域，エンジン回転数２０００rpm から３０００rpm 以下の中負荷運転領域において大きな空燃比で希薄燃焼が可能となる成層燃焼運転を行うことが出来る。この成層燃焼運転時において吸気ポート１１ｂ上流に配置されたバタフライバルブ形状のスワール流形成手段１３を閉じることによってシリンダ３内にシリンダ３の軸線の周りを旋回するスワール流を生成させることが可能である。吸気ポート１１はシリンダ３中心線に直交する略直線状をなしているので、シリンダ３内に効率よくスワール流を生成させることが出来る。
【００１６】
図５，図６及び図７は機関の低負荷運転領域におけるシリンダ内の様子をシリンダ上方からの上視図、図５のＡ−Ａ断面に対する横断面図及びシリンダの斜視図で示したものである。図５に示すように燃料噴射弁９からは２方向に燃料が噴射される。それらを横断面より観察した図６からわかるように、それらの噴射角度はシリンダ３軸線に対してほぼ等しく、圧縮行程後半においてピストン４およびシリンダ３壁面に噴霧が付着しないような噴射時期および燃料圧力で燃料を噴射される。図８は燃料の噴射時期を示している。図５に示すように一方の噴霧２９ｂは燃料噴射弁９の燃料噴射口とシリンダの中心を通る仮想平面に対して吸気ポート１１ｂ側に噴射されることで、スワール流３０に対向する速度成分が噴霧に与えられる。これによって弱いスワール流３０に対する噴霧２９ｂの相対速度が大きくなり、燃料の気化が促進される。スワール流をはじめとする筒内流動に対する燃料噴霧の相対速度と燃料噴霧の気化速度の関係について図９に示す。図９は筒内流動に対する燃料噴霧の相対速度が大きくなるにしたがって、燃料噴霧と筒内流動の間の熱伝達率が大きくなることから、燃料噴霧の気化速度が早くなることを示している。図１０に機関の低負荷運転領域における混合気の成層化をシリンダ上方から見た上視図を示す。燃料噴射弁９の燃料噴射口とシリンダの中心を通る仮想平面に対して前記一方の噴霧と反対側に噴射される前記他方の噴霧２９ａは前記一方の噴霧２９ｂに比べ噴霧密度が高いため前記一方の噴霧29ｂに先行することが出来、前記他方の噴霧２９ａと空気との間で摩擦が生じ、燃料噴射弁９から前記他方の噴霧２９ａの後方に噴流３１が発生する（Ａ）。前記他方の噴霧２９ａと空気との間の摩擦力によって発生する前記他方の噴霧２９ａ後方の噴流３１の影響により、前記一方の噴霧２９ｂは火花点火装置１０の近傍に搬送される（Ｂ）。前記他方の噴霧２９ａはスワール流３０に乗り空気と混合されながら、シリンダ内を周回して火花点火装置１０の近傍に搬送された前記一方の噴霧２９ｂから生成された混合気と混合され、成層化された混合気３２となる（Ｃ）。これら一連の作用によって、シリンダ３内のスワール流などの筒内流動が弱い低負荷運転領域においても混合気の成層化を良好に行うことが出来る。
【００１７】
次に、機関の中負荷運転領域における混合気の成層化について説明する。この場合も低負荷運転領域の場合と同様に燃料噴射弁９から２方向に燃料が噴射され、それらを横断面から観察した場合、それらのシリンダ３軸線に対して噴射角度はほぼ等しい。これらの噴霧は機関の低負荷運転領域の場合と同様に、圧縮行程後半においてピストン４およびシリンダ３壁面に噴霧が付着しないような噴射時期および燃料圧力で燃料が噴射される。図１１に機関の中負荷運転領域における混合気の成層化をシリンダ上方から見た上視図を示す。前記一方の噴霧２９ｂは燃料噴射弁９の燃料噴射口とシリンダの中心を通る仮想平面に対して吸気ポート１１ｂ側に噴射されることで、スワール流３０に対向する速度成分が噴霧に与えられる。これによってスワール流３０に対する前記一方の噴霧２９ｂとの相対速度が大きくなり、燃料の気化が十分に促進される（Ａ）。その後、対向するスワール流に乗って火花点火装置の近傍に搬送される。これは中負荷運転領域ではスワール流３０の強さが低負荷運転領域の場合より強くなっているため、燃料噴射弁９の燃料噴射口とシリンダの中心を通る仮想平面に対して前記一方の噴霧と反対側に噴射される前記他方の噴霧２９ａと空気との間で摩擦によって生じる前記他方の噴霧２９ａ後方の噴流３１の影響よりもスワール流３０の影響が大きいためである。また、前記他方の噴霧２９ａはスワール流３０に乗りシリンダ内を周回しながら空気と混合される（Ｂ）。その後、火花点火装置の近傍に搬送された前記一方の噴霧２９ｂから生成された混合気と前記他方の噴霧２９ａから生成された混合気は一体化される（Ｃ）。これら一連の作用によって、シリンダ３内のスワール流３０を用いて混合気の成層化を効果的に行うことが出来る。
【００１８】
上記のような作用を持つ噴霧を生成可能な燃料噴射弁９の全体図を図１２に示す。さらに燃料噴射弁９の要部である破線で囲まれたノズル先端形状の縦断面図及び平面図を図１３に示す。燃料噴射弁９のノズル先端３３にはボール弁３４と、ボール弁３４に接続されたロッド３５と、噴霧に旋回力を与えるスワラー３６と、燃料噴射口３７と、軸方向溝３８と、径方向溝３９を有している。ノズル先端３３に設けられた燃料噴射口３７は左右対称ではなくその一部に切り欠きが設けられている。その切り欠きの凸部側に噴射された噴霧が前記他方の噴霧２９ａとなり、凹部側に噴射された噴霧が前記一方の噴霧２９ｂとなる。図１２に示すように、燃料噴射弁９の燃料噴射口３７から噴射される燃料噴霧の形状は燃料噴射口３７に切り欠きが設けられているため左右対称にはならずに、噴霧の一部に隙間のある形状となる。シリンダ内を旋回するスワール流は燃料噴霧２９ｂに対向するため、スワール流は燃料噴霧２９ｂの気化を促進しながら、燃料噴霧29ｂ側に出来る燃料噴霧の隙間から燃料噴霧の中心に存在する空洞に到達し、燃料噴霧全体の気化を促進させることが出来る。また、複数の燃料噴射口を有するノズル先端形状であっても同様の作用を得ることが出来る。この場合もノズル先端３３は図１２中の破線で囲まれている部位であり、そのノズル先端形状の一例の縦断面図及び平面図を図１４に示す。燃料噴射弁９のノズル先端にはボール弁３４と、ボール弁３４に接続されたロッド３５と、燃料噴射口３７ａ，３７ｂを有している。燃料噴射口３７ａ側に噴射された噴霧が前記他方の噴霧２９ａとなり、燃料噴射口３７ｂ側に噴射された噴霧が前記一方の噴霧２９ｂとなる。
【００１９】
図１３に示したシリンダ３に対する燃料噴射弁９の取り付け角度について図
１５に示す。図１５は燃料噴射弁９の燃料噴射口３７とシリンダの中心を通る仮想平面の一方と他方の側とで燃料噴射弁９の燃料噴射口３７の突出長さが異なることを示すものである。また、図１４に示す燃料噴射弁９の燃料噴射口３７ａは図１５の凸部側、燃料噴射口３７ｂは凹部側となる。
【００２０】
本実施例ではフラットピストン４を用いていることから、シリンダ３内に発生したスワール流は上死点付近においてもその流動はほとんど減衰しない。これはピストン頂面に燃料噴霧を反射させて火花点火装置近傍に燃料噴霧を搬送することを目的とする凹凸部を持たないために、上死点付近においてもスワール流が崩壊しないためである。このため火花点火装置１０の近傍に誘導された混合気３２は成層化された状態を良好に保つことが出来る。図１６は本実施例と従来のスワール流強さの比較を示している。従来の筒内直接噴射式内燃機関ではピストン頂面に窪みなどの凹凸を設けることによって混合気の成層化を図っていたために、燃焼室容積が増加すると同時に燃焼室表面積も増加することとなり、圧縮比の低下及び熱損失の増加につながっていた。本発明ではフラットピストンを用いても混合気の成層化が可能であるため、従来方法よりも大きく燃費の向上に寄与することが出来る。この利点は次に述べる機関の全負荷運転領域の場合でも同様である。これらの一連の作用によって成層燃焼運転が可能となり、図１７に示すように従来よりも低，中負荷運転領域での成層燃焼運転領域が拡大される。
【００２１】
次に、全負荷運転領域等の空燃比が理論混合比より小さい、あるいは理論混合比に近い運転状態の場合について図１８を用いて説明する。この場合では、シリンダ３内に均質な混合気を形成させる均質燃焼運転が行われる。スワール流形成手段１３は全開状態に制御され、吸気ポート１１からシリンダ３内に流入した空気はシリンダ３内にタンブル流４０を形成する。
【００２２】
燃料は、吸気行程の前半にシリンダ３内に噴射されその燃料はタンブル流によって空気と混合されて気化し、均質混合気となって火花点火装置１０によって点火される。また、本発明において燃料を２方向に噴射するために１方向に噴射するよりも噴霧が周囲の空気を巻き込み易くなるので気化が容易となる。この作用によって燃料の気化が促進され、良好な均質混合気を形成することが出来る。
【００２３】
なお、実際の内燃機関におけるシリンダ内の旋回流は前記図に示すような純粋なスワール流，タンブル流ではなく、筒内の旋回流はスワール成分とタンブル成分が含まれたものとなることが普通である。このような場合であっても、本発明によって図１７に示すように従来よりも低，中負荷運転領域での成層燃焼運転領域が拡大出来る。
【００２４】
【発明の効果】
この発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の低，中負荷運転領域において機関の低，中負荷運転領域における混合気の成層化を良好に行わせることにより、未燃ＨＣの排出を低減させながら成層燃焼運転領域を拡大させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のエンジンシステム図。
【図２】本発明の第１実施形態のエンジンシリンダ上視図。
【図３】本発明の第１実施形態のエンジンシリンダ縦断面図。
【図４】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の低，中負荷運転領域を示す図。
【図５】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の低負荷運転時における成層燃焼運転の作用を説明するシリンダの上視図。
【図６】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の低負荷運転時における成層燃焼運転の作用を説明するシリンダの横断面図。
【図７】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の低負荷運転時における成層燃焼運転の作用を説明するシリンダの斜視図。
【図８】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の圧縮行程噴射における噴射時期を示す図。
【図９】筒内流動に対する燃料噴霧の相対速度と燃料噴霧の気化速度の関係を説明する図。
【図１０】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の低負荷運転時における混合気の成層化を説明するシリンダの上視図。
【図１１】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の中負荷運転時における成層燃焼運転の作用を説明するシリンダの上視図。
【図１２】本発明に係る燃料噴射弁の全体図。
【図１３】本発明に係る燃料噴射弁のノズル形状の一例を示す概略図。
【図１４】本発明に係る燃料噴射弁のノズル形状の一例を示す概略図。
【図１５】本発明に関わる燃料噴射弁のシリンダへの取り付け角度を示す概略図。
【図１６】上死点付近でのスワール流の維持に対する本発明と従来との比較。
【図１７】本発明によるリーン運転領域の拡大を示す図。
【図１８】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の高負荷運転時における均質燃焼運転の作用を説明するエンジンシリンダの縦断面図。
【符号の説明】
１…エンジン、３…シリンダ、４…ピストン、５…シリンダヘッド、６…燃焼室、７…吸気弁、８…排気弁、９…燃料噴射弁、１０…火花点火装置、１１…吸気ポート、１２…排気ポート、１３…スワール流生成手段、２９…燃料噴霧、３０…スワール流、３１…前記他方の噴霧後方に誘起される噴流、４０…タンブル流。
【図１】
0003948225.tif 000002
【図２】
0003948225.tif 000003
【図３】
0003948225.tif 000004
【図４】
0003948225.tif 000005
【図５】
0003948225.tif 000006
【図６】
0003948225.tif 000007
【図７】
0003948225.tif 000008
【図８】
0003948225.tif 000009
【図９】
0003948225.tif 000010
【図１０】
0003948225.tif 000011
【図１１】
0003948225.tif 000012
【図１２】
0003948225.tif 000013
【図１３】
0003948225.tif 000014
【図１４】
0003948225.tif 000015
【図１５】
0003948225.tif 000016
【図１６】
0003948225.tif 000017
【図１７】
0003948225.tif 000018
【図１８】
0003948225.tif 000019