(57)【要約】【課題】均質燃焼時におけるプラグくすぶり耐性と成層燃焼時における着火性の双方が良好な内燃機関を提供する。【解決手段】複数の噴孔を備えた燃料噴射弁と点火プラグとが気筒上部の中央部に配置された、吸気行程で気筒内に燃料を噴射して均質燃焼させる均質燃焼モードと圧縮行程で気筒内に燃料を噴射して成層燃焼させる成層燃焼モードとにより運転される内燃機関に、燃料噴射弁として、複数の噴孔の中に、噴孔出口面積の噴孔入口面積に対する比率が他の噴孔よりも大きな、点火プラグの点火ギャップ側を向いた１つ又は２つのプラグ側噴孔が含まれるものを採用する。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の噴孔を備えた燃料噴射弁と点火プラグとが気筒上部の中央部に配置された、少なくとも、吸気行程で気筒内に燃料を噴射して均質燃焼させる均質燃焼モードと圧縮行程で気筒内に燃料を噴射して成層燃焼させる成層燃焼モードとにより運転される内燃機関であって、
前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔の中に、前記燃料噴射弁の外面側の開口面積である噴孔出口面積の、前記燃料噴射弁の内面側の開口面積である噴孔入口面積に対する比率が他の噴孔よりも大きな、前記点火プラグの点火ギャップ側を向いた１つ又は２つのプラグ側噴孔が含まれ、
前記１つのプラグ側噴孔又は前記２つのプラグ側噴孔のそれぞれによって、前記均質燃焼モードにおける燃料の吸気行程噴射時には、前記点火ギャップとその外縁との間の間隔が第１間隔以上となる燃料噴霧が前記気筒内に形成され、前記成層燃焼モードにおける燃料の圧縮行程噴射時には、前記点火ギャップとその外縁との間の間隔が前記第１間隔より小さい第２間隔以下の、“０”ではない間隔となる燃料噴霧が前記気筒内に形成される
ことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関として、気筒上部の中央部分に燃料噴射弁と点火プラグとが配置されており、成層燃焼モードと均質燃焼モードとで運転されるものが知られている。そのような内燃機関（以下、センター噴射エンジンと表記する）の成層燃焼時におけるプラグくすぶりの発生を抑制するために、燃料が粗な部分を有する噴霧を噴出する燃料噴射弁を用いて当該噴霧の燃料が粗な部分を点火プラグ方向に向けることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
また、センター噴射エンジンの成層燃焼時における失火の発生を抑制するために、点火プラグ近傍に向けて燃料を噴射する噴孔を“噴孔長さ／噴孔直径”が他の噴孔よりも小さなものとすると共に、当該噴孔からの噴射燃料の一部が点火プラグの点火ギャップと接触するようにすることも提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１２０２９９号公報
【特許文献２】特開２００６−２００４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２記載の技術によれば、成層燃焼時における着火性が良いセンター噴射エンジンを得ることが出来る。ただし、均質燃焼時におけるプラグくすぶり耐性の考慮が不足しているため、特許文献１、２記載の技術を用いたのでは、均質燃焼時におけるプラグくすぶり耐性と成層燃焼時における着火性とが共に良好なセンター噴射エンジンを得ることは出来ない。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、成層燃焼時における着火性と均質燃焼時におけるプラグくすぶり耐性の双方が良好なセンター噴射エンジン（複数の噴孔を有する燃料噴射弁と点火プラグとが気筒上部の中央部に配置された内燃機関）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、複数の噴孔を備えた燃料噴射弁と点火プラグとが気筒上部の中央部に配置された、少なくとも、吸気行程で気筒内に燃料を噴射して均質燃焼させる均質燃焼モードと圧縮行程で気筒内に燃料を噴射して成層燃焼させる成層燃焼モードとにより運転される内燃機関に、前記燃料噴射弁の前記複数の噴孔の中に、前記燃料噴射弁の外面側の開口面積である噴孔出口面積の、前記燃料噴射弁の内面側の開口面積である噴孔入口面積に対する比率が他の噴孔よりも大きな、前記点火プラグの点火ギャップ側を向いた１つ又は２つのプラグ側噴孔が含まれる構成であって、前記１つのプラグ側噴孔又は前記２つのプラグ側噴孔のそれぞれによって、前記均質燃焼モードにおける燃料の吸気行程噴射時には、前記点火ギャップとその外縁との間の間隔が第１間隔以上となる燃料噴霧が前記気筒内に形成され、前記成層燃焼モードにおける燃料の圧縮行程噴射時には、前記点火ギャップとその外縁との間の間隔が前記第１間隔より小さい第２間隔以下の、“０”ではない間隔となる燃料噴霧が前記気筒内に形成される構成が採用される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、成層燃焼時における着火性と均質燃焼時におけるプラグくすぶり耐性の双方が良好なセンター噴射エンジン（複数の噴孔を有する燃料噴射弁と点火プラグとが気筒上部の中央部に配置された内燃機関）を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施形態に係る内燃機関の構成の説明図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、実施形態に係る内燃機関における、燃料噴射弁の各噴孔からの燃料噴霧と点火プラグの、下方から（ピストン側から）見た位置関係の説明図である。
【図２】図２は、プラグ・噴霧外縁間隔の説明図である。
【図３】図３は、プラグ側噴孔の形状例の説明図である。
【図４】図４（Ａ）は、均質燃焼モード時における燃料噴射タイミング及び点火タイミングの説明図であり、図４（Ｂ）は、成層燃焼モード時における燃料噴射タイミング及び点火タイミングの説明図である。
【図５】図５は、燃料噴霧の広がりの背圧依存性についての説明図である。
【図６】図６は、燃料噴射弁の各噴孔の形状を同一である場合に生ずる問題の説明図である。
【図７】図７は、燃料噴霧の広がりの噴孔面積拡大率依存存性についての説明図である。
【図８】図８は、プラグ側噴孔の噴孔面積拡大率を他の噴孔のそれよりも大きくすることにより実現できる均質燃焼時（燃料の吸気行程噴射時）におけるプラグ・噴霧外縁間隔と成層燃焼時（燃料の圧縮行程噴射時）におけるプラグ・噴霧外縁間隔の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
まず、図１Ａ及び図１Ｂを用いて、本発明の一実施形態に係る内燃機関１０の構成を説明する。尚、図１Ａは、内燃機関１０の一気筒分の構成の説明図である。また、図１Ｂは、燃料噴射弁１０の各噴孔からの燃料噴霧と点火プラグ１２の、下方から（ピストン側から）見た位置関係の説明図である。
【００１２】
本実施形態に係る内燃機関１０は、吸気行程で気筒内に燃料を噴射して均質燃焼させる均質燃焼モード、圧縮行程で気筒内に燃料を噴射して成層燃焼させる成層燃焼モード等により運転されるガソリンエンジンである。
【００１３】
図１Ａに模式的に示してあるように、内燃機関１０の気筒上部の略中央には、燃料噴射弁１１が配置されている。また、内燃機関１０各気筒上部の、燃料噴射弁１１近傍の部分には、点火プラグ１２が配置されている。
【００１４】
図１Ｂに示してあるように、燃料噴射弁１１の先端部１１ａには、点火プラグ１２の点火ギャップ１２ａ側を向いた２つのプラグ側噴孔を含む６つの噴孔が設けられている。また、点火プラグ１２は、点火ギャップ１２ａと、各プラグ側噴孔からの燃料噴霧の外縁との間の間隔が略同一となるように、気筒上部に取り付けられている。
【００１５】
燃料噴射弁１１の、プラグ側噴孔ではない各噴孔（以下、通常噴孔と表記する）は、所望の貫通力が得られるように、その形状が定められた噴孔である。燃料噴射弁１１の２つのプラグ側噴孔は、噴孔出口面積を噴孔入口面積で割った値である噴孔面積拡大率が、通常噴孔よりも大きな噴孔である。尚、噴孔出口面積とは、噴孔の、先端部１１ａの外面側の開口面積のことであり、噴孔入口面積とは、噴孔の、先端部１１ａの内面側の開口面積
のことである。
【００１６】
プラグ側噴孔の形状は特に限定されない。従って、プラグ側噴孔は、図２（Ａ）に示したように、燃料噴射弁１１の外面側に向かって広がった円錐台状の噴孔であっても、プラグ側噴孔は、図２（Ｂ）に示したように、燃料噴射弁１１の外面側に向かって広がったスリット状の噴孔であっても良い。
【００１７】
各プラグ側噴孔の噴孔面積拡大率（＝噴孔出口面積／噴孔入口面積）と先端部１１ａにおける向き（点火ギャップ１２ａの方向に対する角度）は、以下の条件１、２が満たされるように定められている。
〔条件１〕  均質燃焼モードでの燃料の吸気行程噴射時に、プラグ側噴孔からの燃料噴射により気筒内に形成される燃料噴霧の外縁と、点火ギャップ１２ａとの間の間隔が、くすぶり耐性確保可能間隔Ｄ０ＬＭＴ以上となる。
〔条件２〕  成層燃焼モードでの燃料の圧縮行程噴射時に、プラグ側噴孔からの燃料噴射により気筒内に形成される燃料噴霧の外縁と、点火ギャップ１２ａとの間の間隔が、着火性確保可能間隔Ｄ１ＬＭＴ以下の、“０”ではない（“０”よりも大きな）間隔となる。
【００１８】
ここで、『プラグ側噴孔からの燃料噴射により気筒内に形成される燃料噴霧』とは、プラグ側噴孔からの燃料噴出によって気筒内に形成される，形状が時間変化する燃料噴霧の中の、その外縁と点火ギャップ１２ａとの間の間隔が最も近づいた時点における燃料噴霧のことである。以下、この燃料噴霧のことを、プラグ側噴孔による燃料噴霧とも表記する。また、図３に示した間隔、すなわち、プラグ側噴孔による燃料噴霧の外縁と点火ギャップ１２ａとの間の間隔のことを、プラグ・噴霧外縁間隔と表記する。
【００１９】
くすぶり耐性確保可能間隔Ｄ０ＬＭＴとは、均質燃焼時に所望のプラグくすぶり耐性を得ることが出来るプラグ・噴霧外縁間隔として予め定められる値のことである。このくすぶり耐性確保可能間隔Ｄ０ＬＭＴとしては、所望するプラグくすぶり耐性に基づき決定した任意の値を使用することが出来る。また、着火性確保可能間隔Ｄ１ＬＭＴとは、成層燃焼時に所望の着火性を得ることが出来るプラグ・噴霧外縁間隔として予め定められる間隔のことである。この着火性確保可能間隔Ｄ１ＬＭＴとしても、くすぶり耐性確保可能間隔Ｄ０ＬＭＴと同様に、所望する着火性に基づき決定した任意の値を使用することが出来る。ただし、着火性確保可能間隔Ｄ１ＬＭＴは、成層燃焼時に所望の着火性を得ることが出来るプラグ・噴霧外縁間隔であり、くすぶり耐性確保可能間隔Ｄ０ＬＭＴは、均質燃焼時に所望のプラグくすぶり耐性を得ることが出来るプラグ・噴霧外縁間隔である。従って、着火性確保可能間隔Ｄ１ＬＭＴとしては、必然的に、くすぶり耐性確保可能間隔Ｄ０ＬＭＴよりも小さな値が使用されることになる。
【００２０】
尚、上記条件１、２が満たされるように、各プラグ側噴孔の噴孔面積拡大率と先端部１１ａにおける向きを定める際に使用するプラグ・噴霧外縁間隔は、理論計算値であっても、各種実験により得られた推定値であっても良い。さらに、噴孔面積拡大率や向きが異なる燃料噴射弁１１を試行錯誤的に製造して気筒に取り付けていき、所望のプラグくすぶり耐性及び着火性を有する内燃機関１０が得られたときに、上記条件１，２が満たされたと認定しても良い。
【００２１】
以下、内燃機関１０に上記構成を採用している理由を説明する。
均質燃焼モード時におけるプラグくすぶり耐性は、均質燃焼時（燃料の吸気行程噴射時）におけるプラグ・噴霧外縁間隔が、広い程、高くなる。また、成層燃焼モード時における着火性は、成層燃焼時（燃料の圧縮行程噴射時）におけるプラグ・噴霧外縁間隔が、狭い程、良くなる。ただし、成層燃焼時におけるプラグ・噴霧外縁間隔が“０”である（成層燃焼時に、プラグ側噴孔による燃料噴霧の一部が点火ギャップ１２ａを直撃する）と、
成層燃焼モード時におけるプラグくすぶり耐性が劣化する。
【００２２】
従って、均質燃焼モードと均質燃焼モードとで運転される内燃機関１０には、上記した条件１，２を満たすものであることが望まれることになる。
【００２３】
ここで、各噴孔の形状が同じ燃料噴射弁を用いて、以下の２内燃機関を製造した場合を考える。
均質燃焼時におけるプラグ・噴霧外縁間隔が、ｄ０（≧Ｄ０ＬＭＴ）である内燃機関（以下、第１比較対象内燃機関と表記する）
成層燃焼時におけるプラグ・噴霧外縁間隔が、ｄ１′（０＜ｄ１′≦Ｄ１ＬＭＴ）である内燃機関（以下、第２比較対象内燃機関と表記する）
【００２４】
第１比較対象内燃機関は、条件１を満たしているため、均質燃焼モード時におけるプラグくすぶり耐性が高いものとなる。ただし、第１比較対象内燃機関は、通常、成層燃料モード時における着火性が悪いものとなってしまう。また、条件２を満たしている第２比較対象内燃機関は、成層燃料モード時における着火性が良いものとなる。ただし、通常、第２比較対象内燃機関は、均質燃焼モード時におけるプラグくすぶり耐性が低いものとなってしまう。
【００２５】
具体的には、図４（Ａ）に示してあるように、均質燃焼モード時には、低背圧（低筒内圧）の吸気行程において燃料噴射が行われる。また、成層燃焼モード時には、図４（Ｂ）に示してあるように、高背圧の圧縮行程において燃料噴射が行われる。そして、図５に示してあるように、或る噴孔からの燃料噴射により気筒内に形成される燃料噴霧は、背圧（筒内圧）が高い程、幅方向（燃料噴射の中心方向に垂直な方向）に大きく広がったものとなる。
【００２６】
従って、第１比較対象内燃機関の成層燃焼時におけるプラグ・噴霧外縁間隔ｄ１は、均質燃焼時におけるプラグ・噴霧外縁間隔ｄ０よりも小さくなる。また、第２比較対象内燃機関の均質燃焼時におけるプラグ・噴霧外縁間隔ｄ０′は、成層燃焼時におけるプラグ・噴霧外縁間隔ｄ１′よりも大きくなる。
【００２７】
ただし、図６に示してあるように、第１比較対象内燃機関の成層燃焼時（燃料の圧縮行程噴射時）におけるプラグ・噴霧外縁間隔ｄ１は、通常、Ｄ１ＬＭＴよりも小さな値となる。そして、その結果として、第１比較対象内燃機関は、成層燃焼モード時における着火性が悪いものとなってしまう。
【００２８】
また、同図に示してあるように、第２比較対象内燃機関の均質燃焼時（燃料の吸気行程噴射時）におけるプラグ・噴霧外縁間隔ｄ０′は、Ｄ０ＬＭＴよりも小さな値となる。そのため、第２比較対象内燃機関は、均質燃焼モード時におけるプラグくすぶり耐性が低いものとなってしまう。
【００２９】
一方、内燃機関１０が備える燃料噴射弁１１の各プラグ側噴孔は、他の噴孔よりも噴孔面積拡大率が大きな形状を有している。そして、図７に示したように、噴孔面積拡大率を大きくすれば、各背圧（任意の背圧）における燃料噴霧を幅方向により広がったものとすることが出来る。従って、プラグ側噴孔の噴孔面積拡大率を調整すれば、成層燃焼時と均質燃焼時とにおけるプラグ・噴霧外縁間隔の比率を所望値とすることが出来る。
【００３０】
そして、成層燃焼時と均質燃焼時とにおけるプラグ・噴霧外縁間隔の比率を所望値とすることが出来れば、図８に実線で示してあるように、均質燃焼時（燃料の吸気行程噴射時）におけるプラグ・噴霧外縁間隔をＤ０ＬＭＴ以上とし、成層燃焼時（燃料の圧縮行程噴
射時）におけるプラグ・噴霧外縁間隔をＤ１ＬＭＴ以下とすることが出来る。そのため、内燃機関１０に、上記構成を採用しているのである。
【００３１】
《変形形態》
上記した内燃機関１０は、各種の変形を行えるものである。例えば、内燃機関１０を、噴孔数が６ではない燃料噴射弁１１を備えたものに変形することが出来る。内燃機関１０を、上記仕様のプラグ側噴孔（噴孔面積拡大率が他の噴孔よりも大きな、条件１及び２を満たす噴孔）を１つだけ備えた燃料噴射弁１１を備えたものに変形することも出来る。また、内燃機関１０を、ガソリン以外の液体燃料（アルコール燃料等）を燃焼させる内燃機関に変形しても良いことや、プラグ側噴孔の形状が例示したものとは異なる形状であっても良いことなどは当然のことである。
【符号の説明】
【００３２】
１０  内燃機関
１１  燃料噴射弁
１１ａ  先端部
１２  点火プラグ
１２ａ  点火ギャップ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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７】
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【図６】
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【図８】
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