(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁を通して空気を吸入する燃焼室と、
この燃焼室の容積を変化させるピストンと、
前記燃焼室内に空気の旋回流を発生させる旋回流生成手段と、
弁と弁座部の上流で燃料に旋回力を与えて噴口から前記燃焼室に直接燃料を供給する筒内噴射型の燃料噴射弁であって、貫通力大の燃料噴霧と貫通力小の燃料噴霧とに分割して燃料を噴射する燃料噴射弁とを有し、
前記燃料噴射弁から噴射される貫通力大の燃料噴霧を点火プラグ方向へ向けて、貫通力小の燃料噴霧を前記ピストン方向へ向けて噴射するように前記燃焼室に対し前記燃料噴射弁を配置し、
且つ、前記燃焼室の上方から見た時、前記貫通力大の燃料噴霧のシリンダ周壁方向への広がり角度が前記貫通力小の燃料噴霧のシリンダ周壁方向への広がり角度より小さくなるよう構成すると共に、
前記ピストン方向へ向う前記貫通力小の燃料噴霧に対して抵抗となるように前記旋回流を供給し、もって前記点火プラグ近傍に前記貫通力大の燃料噴霧が先に供給され、前記貫通力小の燃料噴霧が遅れて供給されるようにして前記プラグの周辺に混合気を成層化する様に構成した筒内噴射型内燃機関。
【請求項２】
請求項１において、
前記空気の旋回流は順タンブルであり、
この順タンブルによって前記ピストンの方向から前記貫通力小の燃料噴霧を巻き上げ、前記点火プラグへ搬送することを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
【請求項３】
請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関に用いる筒内噴射型燃料噴射弁であって、
端部に燃料噴口を有する燃料通路と、燃料通路の途中に設けられた弁座と、この弁座と協動して、前記燃料通路を開閉する弁体と、
前記弁体と弁座との間を通る燃料に旋回力を与える旋回素子と、
前記燃料噴口部に前記燃料噴口の中心から偏心した位置にスプリッタを備えた燃料噴霧分割手段とを有する筒内噴射型燃料噴射弁。
【請求項４】
請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関に用いる筒内噴射型燃料噴射弁であって、
端部に燃料噴口を有する燃料通路と、燃料通路の途中に設けられた弁座と、この弁座と協動して、前記燃料通路を開閉する弁体と、
前記弁体と弁座との間を通る燃料に旋回力を与える旋回素子と、
前記燃料噴口部にその燃料噴口に対向する部分が非等辺の山形に形成されているスプリッタを備えた燃料噴霧分割手段とを有する筒内噴射型燃料噴射弁。
【請求項５】
請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関に用いる筒内噴射型燃料噴射弁であって、
端部に燃料噴口を有する燃料通路と、燃料通路の途中に設けられた弁座と、この弁座と協動して、前記燃料通路を開閉する弁体と、
前記燃料噴口部に設けられ、前記燃料噴口より大径の孔を有する燃料拡大手段と、
前記燃料拡大手段の下流に設けられ、スリット状の孔を有する燃料案内手段と、
前記燃料案内手段の下流に設けられ、前記燃料案内手段の前記スリット状の孔に対して直角に設けられた第１のスリット状の孔と前記第１のスリット状の孔と平行で前記第１のスリット状の孔より幅の大きな第２のスリット状の孔を備えた燃料噴霧手段と
を有する筒内噴射型燃料噴射弁。
【請求項６】
請求項３において、前記スプリッタは円柱又は多角柱であることを特徴とする筒内噴射型燃料噴射弁。
【請求項７】
請求項３において、前記スプリッタは中心部分で分断されていることを特徴とする筒内噴射型燃料噴射弁。
【請求項８】
請求項１において、
前記ピストンはフラットピストンであることを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
【請求項９】
請求項１において、
前記吸気弁が２つ併設されており、
前記燃料噴射弁が前記２つの吸気弁の間に配置されている
筒内噴射型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に直接燃料を供給する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃費の向上を図るためには成層リーンバーンが重要な燃焼方法である。この成層リーンバーンを実現させるためにはリッチ混合気を点火プラグ付近に集めることが必要であり、例えば特開平6−81651号公報や特開平6−81656号公報のような技術が知られている。
【０００３】
特開平6−81651号公報は、シリンダ内にタンブルを形成し、噴射された燃料をピストンに衝突させ、キャビティの壁でガイドし、タンブルでサポートして燃料を点火プラグに供給するものである。
【０００４】
また、噴霧の微粒化のためには旋回式燃料噴射弁を用いることが有効であり、この際の燃料噴霧は中空の円錐形状となる。図３は、これらを組み合わせた従来技術を示したものである。
【０００５】
特開平6−81656号公報は、シリンダ内にタンブルを形成し、燃料噴射弁の第１噴口からは点火プラグ方向へ、第２噴口からはタンブルの流れに沿った方向（吸気弁の直下を経て排気弁の直下近傍を狙い、且つシリンダ水平方向に対して若干斜め下の方向）への２方向に噴射するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これら燃料噴射技術においては、ピストン，シリンダ壁面あるいは点火プラグへの燃料付着が考慮されておらず、ピストンへの燃料付着が生じるため、付着燃料の不完全燃焼による排出ＨＣ（未燃炭化水素）を低減する上においては好ましくない。また、プラグ付近の混合気濃度はクランク角度に対して狭い範囲のピークを持つため、濃度が可燃範囲に入る短時間の間に点火する必要があった。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解決することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、ピストンの移動により容積が変化する燃焼室内に空気の旋回流を発生させ、一方燃料噴射弁からの燃料噴霧を貫通力大の燃料噴霧と貫通力小の燃料噴霧とに分割し、前記貫通力大の燃料噴霧を点火プラグ方向または点火プラグ付近へ向けて、前記貫通力小の燃料噴霧を前記ピストン方向へ向けて直接前記燃焼室内に噴射し、さらに燃焼室の上方から見た時、貫通力大の燃料噴霧のシリンダ周壁方向への広がり角度が貫通力小の燃料噴霧のシリンダ周壁方向への広がり角度より小さくなるよう構成すると共に、ピストン方向へ向う貫通力小の燃料噴霧に対して抵抗となるように旋回流を供給し、もって点火プラグ近傍に貫通力大の燃料噴霧が先に供給され、貫通力小の燃料噴霧が遅れて供給されるようにしてプラグの周辺に混合気を成層化する。これにより、点火プラグ付近の混合気の濃度が長時間にわたって可燃範囲内にある状態となるので、安定燃焼範囲が広がる。
【０００９】
以下に好適な実施の形態を述べる。
上記目的を達成するため、より具体的には弁座と協働して燃料噴口を開閉する弁体と、前記弁体に挿通され、燃料に旋回力を与える旋回素子と、前記弁座の下流に配設され、前記燃料噴口の中心から偏心した位置にスプリッタを備えた燃料噴霧分割手段とを有する筒内噴射型燃料噴射弁を用いる。
【００１０】
また上記目的を達成するため、弁座と協働して燃料噴口を開閉する弁体と、前記弁座に挿通され、燃料に旋回力を与える旋回素子と、前記弁座の下流に配設され、その燃料噴口に対向する部分が非等辺の山形に形成されているスプリッタを備えた燃料噴霧分割手段とを有する筒内噴射型燃料噴射弁を用いる。
【００１１】
また上記目的を達成するため、弁座と協働して燃料噴口を開閉する弁体と、前記弁体の下流に設けられ、前記燃料噴口より大径の孔を有する燃料拡大手段と、前記燃料拡大手段の下流に設けられ、スリット状の孔を有する燃料案内手段と、前記燃料案内手段の下流に設けられ、前記燃料案内手段の前記スリット状の孔に対して直角に設けられた第１のスリット状の孔と前記第１のスリット状の孔と平行で前記第１のスリット状の孔より幅の大きな第２のスリット状の孔を備えた燃料噴霧手段とを有する筒内噴射型燃料噴射弁を用いる。
【００１２】
また上記目的を達成するため、２つの吸気弁を通して空気を吸入する燃焼室の容積を変化させるピストンと、前記燃料室内に空気の旋回流を発生させる旋回流生成手段と、前記燃焼室に直接燃料を供給する筒内噴射型の燃料噴射弁であって、貫通力大の燃料噴霧と貫通力小の燃料噴霧とに分割して燃料を噴射する燃料噴射弁とを有し、前記燃料噴射弁から噴射される貫通力大の燃料噴霧を点火プラグ方向または点火プラグ付近へ向けて燃料を噴射するように、且つ貫通力小の燃料噴霧を前記ピストン方向へ向けて噴射するように前記２つの吸気弁の間に前記燃料噴射弁を配置した筒内噴射型内燃機関を用いる。
【００１３】
また上記目的を達成するため、２つの吸気弁を通して空気を吸入する燃焼室の容積を変化させるピストンを有し、前記燃焼室内に空気の旋回流を発生させる旋回流生成手段と、前記２つの吸気弁の間に配置され、前記空気の旋回流が生成されている前記燃焼室に直接燃料を供給する燃料噴射弁であって、噴射される燃料噴霧を貫通力大の燃料噴霧と貫通力小の燃料噴霧とに分割して前記貫通力大の燃料噴霧を点火プラグ方向または点火プラグ付近へ向けて、前記貫通力小の燃料噴霧を前記ピストン方向へ向けて噴射する燃料噴射弁とを有する筒内噴射型内燃機関を用いる。
【００１４】
また上記目的を達成するため、ピストンにより燃焼室の容積を変化させ、前記燃焼室内に順タンブルを発生させ、点火プラグ方向または点火プラグ付近へ向けて噴射される貫通力大の燃料噴霧と前記ピストン方向へ向けて噴射される貫通力小の燃料噴霧とに分割して噴射し、前記順タンブルによって前記ピストンの方向から前記貫通力小の燃料噴霧を巻き上げて前記点火プラグ方向へ搬送し、前記点火プラグに点火して前記燃料噴霧を燃焼させる。
【００１５】
この際燃焼室の方から燃料噴霧を観察すると、貫通力大の方が小の方より、シリンダ周壁方向への広がり角度が小さい。これにより必要な量の燃料がシリンダ内の特定領域に分散でき、着火性能を低下させることなく、超リーンバーン運転が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態を図１に示す。このエンジン３００のピストン３０１はキャビティのないフラットな形状、燃焼室内の旋回流１５０は吸気弁から流入して排気弁、ピストンへと向かう順タンブルであり、噴射弁１は燃焼室の２つの吸気弁３１０の間に水平から約４０度の角度で配置した構造である。噴霧１００は点火プラグ方向に強い貫通力１０１，ピストン方向には弱い貫通力１０２を有する。噴霧の形成方法は後述する。
【００１７】
図２の燃焼圧力波形を用いてエンジンの動作を説明する。エンジンはピストンの上下運動により吸気，圧縮，爆発，排気の４行程をセットとして動作する。吸気行程では吸気弁３１０が開き、ピストンの下降と共に空気が燃焼室に流入する。この時、吸気弁上流に流れを制御する機構を設けることで燃焼室内に強い順タンブルを形成する。圧縮行程に入ると吸排気弁ともに閉じてピストンが上昇するため内部の空気が圧縮され燃焼室内圧力が上昇する。圧縮行程終了直前に点火を行い、爆発行程が始まると急激に燃焼室内圧力は上昇し、圧力に押されてピストンが下降し仕事をする。最後の排気行程では排気弁が開きピストンが上昇することで燃焼室内の燃焼ガスを排出する。
【００１８】
筒内噴射エンジンでは大別して成層燃焼と均質燃焼の２つの燃焼方法がある。
成層噴射燃焼は、圧縮行程後半の加圧雰囲気中に燃料を噴射し、可燃混合気を点火プラグ付近に集合させて燃料噴霧を成層化し点火する燃焼方法である。燃料噴霧を成層化することで、燃焼室全体としては空燃比４０程度の希薄な状態で燃焼できるので燃費を向上させることができる。
【００１９】
均質燃焼は、吸気行程中に燃料を噴射し均質に混合してから点火する燃焼方法である。燃焼室全体として空燃比が理論空燃比程度になるように燃料を噴射するので、成層リーンバーンに比べ、高出力運転を行うことができる。
【００２０】
図３は従来の中空円錐噴霧を加圧雰囲気中に噴射した図である。この場合、噴霧角の狭いコンパクトな噴霧（図１９（ｂ））が形成される。このような噴霧はキャビティピストンに噴霧を衝突させて成層化する場合には、キャビティ内に噴霧がおさまり成層化しやすいというメリットがあった。しかし、フラットピストンでは図４のように、順タンブルの旋回流１５０と衝突して干渉するため成層化が困難である。
【００２１】
図５は、図１の噴霧１００をフラットピストンエンジンに適用し、タンブル  （順タンブル）との関係を示したものである。まず噴霧１００の内部へ旋回流１５０が導入される（Ａ）。貫通力が強く、点火プラグ方向またはその周辺へ向かって噴射された噴霧は、タンブルのサポートなしでも点火プラグ付近に到達できるが、タンブルによって点火プラグへの到達をサポートされており、タンブルに乗って点火プラグへ搬送される（Ｂ）。また、ピストン方向へ向かって噴射された噴霧は、タンブルが抵抗となってピストンへ向かう力が抑制されピストンへの到達が阻害されるので、ピストンへの燃料付着が低減される。ピストン方向への貫通力が弱まった噴霧は、タンブルによって巻き上げられ、点火プラグへ搬送される（Ｃ）。この時燃焼室上方から燃料噴霧を観察すると図１の下側図に示すように貫通力大の噴霧のシリンダ周壁方向への広がり角度Ｗ1 、貫通力小の噴霧広がり角度をＷ2 とすると、Ｗ1 は２本の排気弁ステム間におさまる程度の噴霧角、Ｗ2 は２本の吸気弁ステム間に収まる程度の噴霧角であり、それらの関係はＷ1／Ｗ2＝１／３程度となっている。貫通力大の噴霧の広がり角Ｗ1 は燃焼室内に噴霧が分散しすぎないように小さい値が望ましい。貫通力小の噴霧広がり角Ｗ2 は広くても貫通力がないためコンパクトにまとまる。よって、燃焼室内壁面への燃料付着量が抑えられる。
【００２２】
特開平6−81656号公報では、燃料噴霧がピストン方向へ向かうタンブルに乗ってしまい噴霧をピストン方向へ搬送し、その後点火プラグへ搬送するので、ピストンへの付着に関して考慮されていないのに対して、図５は、ピストン方向へ噴射された噴霧の抵抗（ブレーキ）としてタンブルを用いるので、上述のようにピストンへの燃料付着が低減される。
【００２３】
図６に従来のキャビティ付ピストンを用いたエンジンに従来の中空円錐噴霧を適用した場合の混合気挙動のシミュレーション結果を示す。計算条件は１４００rpm 、空燃比４０である。ピストンキャビティ壁面に衝突した噴霧がピストンの上昇と共に点火プラグ付近へ押し上げられており、２０゜ＢＴＤＣにならないと点火プラグへ混合気が到達しない。
【００２４】
図７にはフラットピストンに噴霧１００に近い形状の噴霧を適用した場合の混合気挙動のシミュレーション結果を示す。計算条件は図６と同一である。
【００２５】
点火プラグ方向に向かう貫通力の強い噴霧は、順タンブルの流動と共に点火プラグに到達し、時間が経過すると噴霧とピストンの間に入り込んだ順タンブルによりピストン方向へ噴射された貫通力の小さい噴霧も点火プラグへ到達していることが分かる。つまり、噴射直後（４０゜ＢＴＤＣ）から点火プラグに混合気が到達し、ＴＤＣまでの長時間にわたって混合気が点火プラグの周辺に成層化している。
【００２６】
図８にクランク角度と点火プラグ付近混合気濃度の関係を示す。図６（従来）ではプラグ付近の混合気濃度はクランク角度に対して狭い範囲のピークを持っており、濃度が可燃範囲に入る短時間の間に点火する必要があった。図７(本発明)では点火プラグ付近の混合気濃度が長時間にわたって可燃範囲にあるため、点火時期に余裕を持たせることができる（つまり最適点火時期の選択に自由度が与えられる）。
【００２７】
図９に横軸に噴射時期、縦軸に点火時期を取った場合の燃焼安定範囲を示す。従来エンジンでは燃費が最良になる点火時期での燃焼安定範囲７０１は非常に狭い。このため、噴射弁の機差や経時変化等の条件の変化に対応して燃焼を安定させるのは困難である。また、回転数が高くなると噴射から点火までのクランク角度が長く必要となる。これは、回転数の上昇によりピストンの動きが早くなるのに加え、雰囲気圧力の上昇により噴霧の速度が遅くなるためと考えられる。本発明では燃料安定範囲７００は広くなるので噴霧等の条件が変動しても安定した燃焼を行うことが可能である。また、エンジンの回転数に依らず安定した燃焼を行うことが可能である。
【００２８】
図１０は横軸にエンジン回転数、縦軸にクランク角度をとり、噴射から圧縮ＴＤＣまでに点火プラグ付近に可燃混合気が存在する領域を示している。従来例では可燃混合気が存在する領域７１０は狭く、回転数が上昇すると圧縮ＴＤＣ近くにならなければ点火プラグ付近に可燃混合気が到達しないため、燃費の良い点火時期に点火できない。本発明では従来例と同様に雰囲気圧力の上昇により噴霧速度は遅くなるが、回転数の上昇と共に強くなる順タンブルにより噴霧の流れがサポートされ、結果的に噴霧が点火プラグに到達するまでの時間は回転数の影響を受け難い（７１１）。また、混合気が成層化している時間は図７に示したように長いため、図１０のように回転数とクランク角度に対して広い領域で可燃混合気が点火プラグ付近に成層化されて燃焼安定性が向上し、燃費最良点火時期を選択することにより燃費を向上させることができる。
【００２９】
図１１は、キャビティピストンを用いた従来エンジンと比較した燃費と空燃比の関係図である。本発明では、燃料が直接プラグへ向かうため従来より成層化の効率が良く、空燃比（Ａ／Ｆ）の大きい（燃費の良い）領域で安定した燃焼を行うことができ、また、同じ空燃比でも前述のように最良燃費となる点火時期を選択できるため、空燃比の全領域にわたって燃費が向上する。また、ピストンで燃料をガイドしないため、ピストンへの燃料付着が低減され、噴霧の未燃焼による排出ＨＣを低減することができる。
【００３０】
図１２は均質運転時の燃焼室内の様子を表した図である。均質燃焼を行う高回転高出力時には、吸気行程中の強い旋回流の中に燃料を噴射する必要がある。従来は、中空円錐噴霧にキャビティピストンを用いており、左図のような双子渦が燃焼室に形成された。よって、噴射された燃料が流されて燃焼室吸気側に集中して均質に混合されず、出力が上がらない欠点があった。本発明はフラットピストン（または、順タンブルを阻害しないような形状であればキャビティを持つピストンでも良い）を用いているので、ピストンで旋回流が阻害されることはなく、燃焼室全体にわたって順タンブルが形成される。吸気弁から直下に向かう流れはあるが、貫通力が強い噴霧を用いるため噴霧が旋回流に打ち勝ち燃焼室内全体に混合気が分布する。
【００３１】
このように、燃焼室全体を均質に混合させることで、図１３のように出力向上を図ることができる。また、回転数が上昇すると共に空気流動は強くなるが、噴射期間も長くなるために噴霧の貫通力が増大し、混合が促進される。よって、回転数が上昇しても出力向上効果は維持される。
【００３２】
図１２の左図のようなキャビティ付のピストンに本発明の筒内噴射型燃料噴射弁を用いた場合について考えると、本発明では噴霧が分割されているので、ピストン方向に向かう燃料噴霧は従来と比べて少量となり、ピストンへの燃料付着が低減される。また、プラグ方向へ向かう貫通力大の噴霧は吸気ポートから真下へ向かう流れに逆らうため空気との混合が促進され、従来の構成より燃焼室内を均質に混合することができ、出力向上効果が得られる。
【００３３】
図１４は中空円錐噴霧を偏向させて点火プラグ方向に強くピストン方向へ弱い噴霧を形成した場合の例である。加圧雰囲気下でコンパクトな噴霧形状（図１９（ｂ））になるが、噴霧の一部がタンブルの力を借りて点火プラグ付近に到達できるため、従来のものより点火性能は改善される。また、噴霧の貫通力が小さいため、ピストンへの燃料の付着も低減できる。
【００３４】
図１５にエンジンシステムを示す。電子制御絞弁９０１は、図示しないエアクリーナを通過した空気の空気量を高精度に制御している。その下流には旋回流生成機構９００があり、これを電子制御することで運転条件に合わせた旋回流を燃焼室内に生成させることができる。これらの弁や、燃料噴射弁１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）９０２によって制御されている。排気管には従来のポート噴射で用いられている三元触媒９０３と、空燃比の大きいリーン燃焼で多く発生するＮＯｘを排除するリーンＮＯｘ触媒９０４を備えている。９０５，９０６は、Ｏ2 センサまたはＡ／Ｆセンサである。
【００３５】
図１６は燃料噴射弁１の燃料噴口付近の縦断面図と底面図である。燃料噴射弁１の先端は、弁体３と協働して噴射燃料量を制御する弁座７，燃料に旋回力を与える燃料旋回素子２，噴霧を分割するためのスプリッタ１１，それを支えるスペーサ１０から構成される。スプリッタ１１は噴口中心から偏心量（オフセット）を持って配置されている。
【００３６】
この燃料噴射弁１の動作を説明する。通常、弁体３は弁座７に押さえつけられており、上部から流入する燃料をシールしている。噴射信号が入力されると弁体３が上昇し弁座７の間に間隙が形成され、噴射信号が切れると弁体３は弁座７に戻る。
【００３７】
次に、燃料の流れを説明する。燃料は上部から一定圧力で燃料噴射弁１に流入し、燃料旋回素子２に到達する。噴射信号により弁体３が上昇すると燃料が流れ始め、噴射が開始される。燃料は燃料旋回素子２によって旋回力が与えられ、噴口８から噴射された噴霧は中空円錐形状となる。噴霧はスペーサ１０を通り、スプリッタ１１に衝突することにより、中空円錐噴霧の一部が切り取られ、噴霧内部への空気流路１０１が形成される（図１７）。
【００３８】
図１７上図は雰囲気圧力が大気の場合の図である。このように空気流路１０１が形成されると噴霧の内外圧差がなくなり、噴霧は直線的に噴射方向に飛翔する。
【００３９】
しかし図１７下図のような加圧下では、不均等に分割した噴霧のうち、貫通力大に分割された噴霧は内部に十分に空気が導入されるため直線的に飛翔するが、他方の貫通力小に分割された噴霧は内部への空気導入が不十分となるために内外圧差が発生し、噴霧は内部へ巻き込まれ、コンパクトな形状（図１９（ｂ））となる。
【００４０】
図１８に撮影装置系を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。耐圧約１ＭＰａの容器２１０に噴射弁１を取り付け、その内部に燃料を噴射する。出力３ＷのＡｒレーザ２００を２枚のシリンドリカルレンズを用いた光学系２０１によりシート状２０３にし、それを耐圧容器２１０のアクリル製の窓２１１を通して噴射弁中心軸を含む断面に照射する。噴霧１００によるレーザの散乱光をレーザの平面と直角方向に配置した高速度ビデオカメラ２２０で、シャッタ速度4500コマ／秒で撮影する。撮影した画像は高速度ビデオカメラの本体２２１を通してモニタ２２２に表示する。パルスジェネレータ２３０からの噴射信号（１ms）と同期して高速度ビデオカメラは撮影を開始し、噴射弁は駆動回路２３１で駆動され燃料を噴射する。燃料は燃料タンク２４０からポンプ２４１で加圧して噴射弁１へ送る。耐圧容器内は、圧縮行程の加圧雰囲気下を模擬した０.５ＭＰａ(絶対圧）にした場合と吸気行程噴射を模擬して０.１ＭＰａ(大気圧）にした場合の噴霧を観察する。容器内部は安全性を考慮して窒素ガス２５０を充填した。
【００４１】
図１９に従来の旋回式噴射弁の噴霧写真、図２０に本発明の噴霧写真（スプリッタオフセット量＝０）を示す。実際には、スプリッタとして噴口下２mmの位置に幅２mm高さ０.５mm 程度の板を設けた。（ａ）は雰囲気圧力０.１ＭＰａ の場合で、噴射開始から約１.８ｍｓ後の噴霧形状である。（ｂ）は雰囲気圧力０.５Ｍｐａの場合で、噴霧の特徴が明確になる噴射開始から約４.０ｍｓ の噴霧形状である。
【００４２】
従来噴霧は大気圧下では中空円錐形（図１９（ａ））で、加圧雰囲気下では噴霧内部への空気のエントレイメントによりコンパクトな噴霧形状となっていることが分かる（ｂ）。本発明の噴霧は大気圧下では図２０（ａ）に示すような中空噴霧であるが、従来噴霧と比較すると噴霧角が広く貫通力が強くなっていることが分かる。加圧雰囲気下（ｂ）では圧力が抵抗となって噴霧の拡散が進み、噴霧角は大気と同等程度に広がっている。
【００４３】
図２１に、噴射期間による噴霧角の変化を示す。噴霧角αは噴霧形状の特徴をよく表すように、噴射終了直前において噴霧の巻き上げが生じる点での噴霧幅Ｗと噴霧巻き上げが生じる点までの噴霧の長さＬから三角形を形成して図中の式により算出した。従来噴霧は大気中でも噴射期間が長くなると噴霧角が小さくなる傾向にある。加圧雰囲気下では大気と比較すると２０〜５０％程度噴霧角が狭くなっている。本発明の噴霧は大気圧下と加圧下で、上記定義による噴霧角αの変化は小さく、噴射期間の影響も小さい。
【００４４】
図２２を用いて噴霧角の変化を説明する。大気圧下と加圧下で噴霧角の変化が小さいという現象は噴霧の内外圧差に起因する。噴霧の内外圧差は図中の式のようにベルヌーイの定理によって説明できる。
【００４５】
静止雰囲気中に噴射された噴霧は周囲の空気を引張りながら成長する。空気は引張られるとその部分の圧力が低下するが、従来噴霧の場合、噴霧外部は周囲から空気が補給される。しかし、噴霧内部には空気が補給されないため、噴霧内部圧力は低下する。噴霧１００の噴霧内部圧力をＰ１、外部圧力をＰ２とするとＰ２＞Ｐ１となり、圧力差により図中１６０のような力が生じ流れが形成される。
【００４６】
加圧雰囲気では圧力差が増大し、例えば、中空円錐噴霧において大気圧下での噴霧を基準に、雰囲気圧力０.５ＭＰａ での噴霧の内外圧差を計算すると、約３.２ 倍の差があることが分かる。よって、加圧下では内部へ向かう力が大きくなるので、噴霧が内部に引き込まれて噴霧角が狭くなる。噴射射期間が長くなる場合も同様で噴霧に引張られる空気量が増し、内外圧差が増加するため噴霧角が狭くなる。
【００４７】
本発明の噴霧では、スプリッタで噴霧の一部を切り取り噴霧内部への空気導入路を形成することで、噴霧の内外圧差を低減している。内外圧差がなくなると１６０の流れは生じないため、噴射期間や雰囲気圧力によって噴霧角は変化しない。
【００４８】
図１のような噴霧１００を作るにはスプリッタ１１の位置を噴口８の中心からオフセットさせることで可能となる。図２３は噴霧とスプリッタの関係を噴射弁１下方から見た模式図である。噴霧１００は中空円錐形状であり、噴霧はスプリッタ１１によって分割される。このとき、スプリッタ１１を図のように噴霧中心からオフセットさせた位置に配置すると、分割されて領域が大きく残った１２２の噴霧内部１２０にはスプリッタ１１により形成された空気通路からの空気流入が充分でなく、噴霧の内外圧差が生じることになる。反対側１２１は内外圧差が無いため噴霧は直線的に成長するが、内外圧差ができる側は噴霧内部への流れが形成され、貫通力が小さくなり、図２３右図のような噴霧となる。
【００４９】
図２３において、噴霧の長い方(貫通力大の方)の長さをＬａ、短い方（貫通力大の小）の長さをＬｂとすると、Ｌｂとスプリッタオフセット量の関係は図２４のようになる。オフセットがない場合は左右均等な噴霧となるため、Ｌａ＝Ｌｂとなり、オフセット量が大きくなるに従い内部１２０への空気導入が困難になるためＬｂが減少する。ここで、オフセットが少なくＬｂの貫通力が大きいとピストンへの燃料付着量が増加し、反対にオフセットが多いとＬｂは低減できるが、プラグへ向かう燃料量が減少するため燃焼安定性が悪化する。以上を参考にしてオフセット量を決定する必要がある。
【００５０】
図２５に噴口８，スペーサ１０，スプリッタ１１の寸法の関係を示す。噴口８の直径をａ，スペーサ１０の空洞径をｂ，厚みをｃ，スプリッタの厚みをｄ，太さをｅ，噴口中心からのオフセット量をｆ，噴射される噴霧の角度をα（図２１で定義）、噴霧角の頂点から噴口８出口までの距離をｘとした。これらの寸法は図中の式を満たす必要がある。式１はスペーサの穴径ｂを規定しており、噴口径ａと噴霧角αから噴霧がスペーサと干渉しない寸法でなければならない。式２はスプリッタの幅ｅを噴霧角とスペーサの厚みから算出している。スプリッタの幅はスプリッタに到達したときの噴霧径よりも小さい値でなければならない。式３はスプリッタのオフセット量ｆであり、これが噴霧径とスプリッタの幅から噴霧を分割できるところに配置できる値でなければならない。式４は他の式で用いたｘの計算式である。
【００５１】
図２６は、スプリッタ１１を片持ち梁を２本用いた形状にしたものである。このような形状でも噴霧を分割する事が可能であり、更にスプリッタ１１に付着する燃料量を低減できるメリットがある。また、スプリッタ１１の断面形状は四角柱以外に多角柱（三角柱を含む）や円柱が考えられる。四角柱と比較して三角柱や円柱では流れに与える抵抗が少なく分離することが可能であり、エネルギの損失を低減できる。
【００５２】
また、図２７のようにスプリッタ１１の形状を応用すると、スプリッタ１１をオフセットさせなくても噴霧に貫通力の大小を持たせることが可能である。このスプリッタ１１の断面形状は三角形の最も長い辺を噴射弁底面と角度（この図では４５度）を持って配置している。これによって、最終的に噴霧を大小に分割することができ、貫通力に違いを与えることが可能となる。この図では、左側の噴霧が貫通力大である。
【００５３】
図２８は、スプリッタを３つ設けた場合であり、３つに分割した１つの辺を点火プラグ方向へ向けて使用することで見かけのＬａ／Ｌｂを大きくできる。
【００５４】
図２９に示すように噴射弁の先端に厚さ数百ミクロン程度の厚みの板を数枚取り付け、板４００には数ミリの円形の穴４０１を、板４１０には数百ミクロン×数ミリの長いスリット４１１を、板４２０にはスリット４１１と直角方向に数ミリ×数百ミクロンのスリット４２１とそれより幅の狭いスリット４２２を設けた。これらのスリットを介すことで燃料は微粒化され、スリットの幅により４２１は流量が多く貫通力が強くなり、４２２は流量が少なく貫通力を弱くできる。
【００５５】
図３０はディーゼルエンジンの噴射弁のように、噴射弁内部に燃料を溜めるサック５００を持たせ、サック５００から外部に通じる径の大きい噴口５０１と径の小さい噴口５０２を設けた構造である。これも噴口径を不均等にすることで、燃料流量を変化させて噴霧の形状に貫通力の大小を持たせることができる。噴口５０１側の噴霧が貫通力大、噴口５０２側の噴霧が貫通力小である。
【００５６】
このように、従来の旋回微粒化式噴射弁の先端にスプリッタを設ける等して燃料噴霧を分割するという簡単な構成で、加圧雰囲気下でも広い噴霧角を維持し、点火プラグ方向に強い貫通力、ピストン方向に弱い貫通力を持った噴霧を形成することができる。この噴霧をフラットピストンを用いた筒内噴射エンジンに適用することで、燃焼安定性と燃費を向上させ、排出ＨＣを低減し、高回転域での成層化を達成できる。
【００５７】
【発明の効果】
ピストンへの燃料付着を低減できる。これによって排出ＨＣを低減し、燃費を向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関断面図（１）。
【図２】エンジン動作説明図。
【図３】内燃機関断面図（２）。
【図４】内燃機関断面図（３）。
【図５】噴霧と旋回流の関係。
【図６】混合気分布計算結果（１）。
【図７】混合気分布計算結果（２）。
【図８】プラグ近傍空燃比の変化。
【図９】燃焼安定範囲。
【図１０】回転数とプラグ近傍空燃比の関係。
【図１１】空燃比と燃費の関係。
【図１２】内燃機関断面図（４）。
【図１３】回転数と出力の関係。
【図１４】内燃機関断面図（５）。
【図１５】システム図。
【図１６】燃料噴射弁断面図（１）。
【図１７】噴霧斜視図。
【図１８】噴霧撮影装置。
【図１９】噴霧断面形状（１）。
【図２０】噴霧断面形状（２）。
【図２１】噴射期間と噴霧角の関係。
【図２２】噴霧角変化の説明図。
【図２３】噴霧形状模式図（１）。
【図２４】スプリッタオフセット量と燃焼の関係。
【図２５】燃料噴射弁寸法関係図。
【図２６】燃料噴射弁断面図（２）。
【図２７】スプリッタ配置図（１）。
【図２８】スプリッタ配置図（２）。
【図２９】燃料噴射弁断面図（３）。
【図３０】燃料噴射弁断面図（４）。
【符号の説明】
１…燃料噴射弁、２…燃料旋回素子、３…弁体、１０…スペーサ、１１…スプリッタ、１００…燃料噴霧、１５０…旋回流、３００…内燃機関、３０１…ピストン、３０２…点火プラグ、３１０…吸気弁、３２０…排気弁。
【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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