(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン冠面に略円形の開口部を有する皿状のボウルが凹設されるとともに、シリンダ内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を有し、圧縮行程付近で上記ボウルへ向けて燃料を噴射して成層燃焼を実現する直噴型火花点火式内燃機関において、
上記燃料噴射弁による燃料噴霧の噴霧方向に垂直な断面形状を、上記ボウルの開口径と深さの比に応じた偏平率を有する偏平形状に設定し、
かつ、内燃機関の運転状態に応じて上記偏平率を調整する偏平率調整手段を有し、
この偏平率調整手段は、上記成層燃焼を行う運転領域内において機関負荷が高くなるほど上記偏平率を高くすることを特徴とする直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項２】
上記偏平率調整手段は、機関回転数が高くなるほど上記偏平率を高くすることを特徴とする請求項１に記載の直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項３】
上記偏平率調整手段は、アイドル時には上記偏平率を低下させることを特徴とする請求項１又は２に記載の直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項４】
上記燃料噴射弁の取付角度に応じて上記偏平率が補正されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項５】
上記燃料噴霧の噴霧中心線が、成層燃焼を行う運転領域内での中速中負荷条件で、かつ、所定の燃料噴射時期におけるピストン位置でのボウルの隅角部を指向するように設定されているとともに、
この噴霧中心線とシリンダ基準水平面とのなす角度に応じて、上記偏平率が補正されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項６】
上記燃料噴射弁に設けられた複数の噴孔から噴射される燃料噴霧が全体として偏平形状となるように構成されており、
上記偏平率調整手段は、噴射される燃圧を変化させることにより上記偏平率を調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の直噴型火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料を燃料噴射弁によりシリンダ内に直接噴射し、かつ点火栓により着火させる直噴型火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料噴射弁の噴孔をシリンダ内に臨ませて設置し、この燃料噴射弁によって燃料をシリンダ内に直接噴射する構成の直噴型火花点火式内燃機関が知られている（例えば、特開平８−１４４７６２号公報、特開平８−１７７４９９号公報等参照）。この種の直噴型火花点火式内燃機関においては、混合気の成層化を実現するために、ピストン冠面に皿状のボウルを備えているものが多い。
【０００３】
この直噴型火花点火式内燃機関によれば、内燃機関の低，中負荷時には、主に圧縮行程中に、ピストン冠面に形成されたボウルに向かって燃料を噴射することにより、混合気を成層化させて形成することができ、超希薄燃焼が可能となる。
そのため、低，中負荷時における燃料消費率を低減できる。また、機関の高負荷時には、主に吸気行程中に燃料を噴射することで、均質な混合気を形成することができ、高いトルクを確保することできる、という利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記直噴型火花点火式内燃機関では、特に成層燃焼時に、ピストン冠面に形成されたボウルの形状と燃料噴霧の外郭形状との相違に起因して、噴射燃料がピストン冠面へ不均一に到達し、ピストン冠面に付着する燃料の増加を招く虞がある。また、ボウルからこぼれる燃料の量が増加して、燃費性能や燃焼安定性の低下を招くとともに、スモーク，ＨＣの排出量の増加を招聘する虞がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、ピストン冠面に略円形の開口部を有する皿状のボウルが凹設されるとともに、シリンダ内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を有し、圧縮行程付近で上記ボウルへ向けて燃料を噴射して成層燃焼を実現する直噴型火花点火式内燃機関において、上記燃料噴射弁による燃料噴霧の噴霧方向に垂直な断面形状を、上記ボウルの開口径と深さの比に応じた偏平率を有する偏平形状に設定したことを特徴としている。
【０００６】
上記の構成により、燃料噴霧の外郭形状がボウルの形状に応じた適正なものとなり、燃料噴霧がボウル内に過不足なく収まる形となる。すなわち、成層燃焼時における燃料噴霧がボウルからこぼれることなくボウル内に良好に拡散される。
したがって、特に成層燃焼時におけるピストン冠面への燃料付着量の低減化とボウルからこぼれる燃料の低減化との両立を図ることができ、ひいては燃費性能や燃焼安定性の向上、スモーク，ＨＣの排出量の低減化を図ることができる。
【０００７】
また、第１の態様は、上記燃料噴射弁の取付角度に応じて上記偏平率が補正されていることを特徴としている。
【０００８】
この場合、燃料噴射弁の取付角度に応じて、燃料噴霧の外郭形状を更に適切にボウル形状に応じたものとすることができる。
【０００９】
第２の態様は、上記燃料噴霧の噴霧中心線が、成層燃焼を行う運転領域内での中速中負荷条件で、かつ、所定の燃料噴射時期におけるピストン位置でのボウルの隅角部を指向するように設定されているとともに、この噴霧中心線とシリンダ基準水平面とのなす角度に応じて、上記偏平率が補正されていることを特徴としている。
【００１０】
すなわち、成層運転領域の中央部に対応して偏平率が補正される。この結果、低負荷から高負荷域，また低回転から高回転域にわたるはば広い運転領域において、上記の作用，効果を適切に得ることができる。
【００１１】
本発明は、内燃機関の運転状態に応じて上記偏平率を調整する偏平率調整手段を有することを特徴としている。
【００１２】
より具体的には第３の態様のように、上記燃料噴射弁に設けられた複数の噴孔から噴射される燃料噴霧が全体として偏平形状となるように構成されており、上記偏平率調整手段は、噴射される燃圧を変化させることにより上記偏平率を調整するように構成されている。
【００１３】
上記偏平率は、例えば、少なくとも機関回転数に応じて調整される。
【００１４】
具体的には、高回転時においては、ピストンスピ一ドが早いために、低回転時と同じ量の燃料をシリンダ内に供給すると、噴射開始から噴射終了までのピストン移動距離が大きくなり、ピストン冠面への燃料付着量が増加してしまう。そこで、回転数が高くなるにしたがって噴射タイミングを早めることで、ピストン冠面への燃料付着量の増加を抑制することも考えられるが、こうすると、燃料のボウルからのこぼれ量が増加する虞がある。本発明によれば、機関回転数が高くなるにしたがって、燃料噴霧の偏平率を高くすることで、ピストン冠面への燃料付着量を増加させることなく、燃料のボウルからのこぼれ量を抑制でき、良好な燃焼を実現できる。
【００１５】
また、好ましくは、アイドル時には上記偏平率を低下させることを特徴としている。
【００１６】
すなわち、アイドル時においては、気筒内ガス流動が弱く、噴射燃料の量が少なく、かつ、ピストンスピードが遅いため、噴射燃料をボウル内に良好に収めるために、例えば噴射タイミングが遅角される。このため、噴射から点火までの時間が相対的に短くなるとともに、燃料噴霧の偏平率がある程度高いものとなっていると燃料の集中度が増加するため、燃料気化時間を十分に確保できず、未然ＨＣ排出量の増加等を招聘する虞がある。本発明によれば、アイドル時には上記偏平率を低下させることにより、燃料噴霧をある程度広く分布させて燃料気化時間を確保し、もって未然ＨＣ排出量を抑制することができる。
【００１７】
本発明は、少なくとも内燃機関の負荷に応じて上記偏平率が調整されることを特徴としている。
【００１８】
例えば、成層燃焼を行う運転領域内での高負荷時においては、一回の噴射に要求される噴射燃料が増加するため、噴射開始から噴射終了までの時間が長くなり、その間のピストン移動量も大きくなる。このため、低，中負荷時と同一の噴射（開始）タイミングで燃料噴射を行うと、ピストン冠面への燃料の付着量が増加してしまうため、噴射開始時期を早くすることで燃料付着量の増加を抑制させることが考えられる。しかしながら、このように噴射時期を早めると、燃料のボウルからのこぼれ量が増加する虞がある。本発明によれば、機関の負荷が大きくなるにしたがって偏平率を高くすることで、ピストン冠面へ付着する燃料の量を増加させることなく、燃料のボウルからのこぼれ量を抑制することができる。
【００１９】
一方、低負荷時においては、一回の噴射に要求される噴射燃料が少ないため、噴射燃料をボウル内に良好に収めるために、例えば噴射（開始）タイミングが相対的に遅角される。このため、噴射から点火までの時間が相対的に短くなるとともに、燃料噴霧の偏平率がある程度高いものとなっていると燃料の集中度が増加し、この結果、燃料気化時間を十分確保できず、未然ＨＣ排出量の増加を招聘する虞がある。本発明によれば、機関の負荷が小さくなるにしたがって偏平率を低くすることで、燃料噴霧を広く分布させて燃料気化時間を確保し、未然ＨＣ排出量を抑制することができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料噴霧の外郭形状がボウルの形状に応じた適正なものとなり、特に成層燃焼時におけるピストン冠面への燃料付着量の増加を招くことなく、ボウルからこぼれる燃料の低減化を図ることができ、ひいては燃費性能や燃焼安定性の向上、スモーク，ＨＣの排出量の低減化を図ることができる。
【００２１】
また、第１の態様によれば、燃料噴射弁の取付角度に応じて、燃料噴霧の外郭形状をボウルの形状に応じた更に適切なものとすることができる。
【００２２】
第２の態様によれば、成層運転領域の中央部に対応して偏平率が補正される形となり、低負荷から高負荷域，また低回転から高回転域にわたる広い運転領域において、上記の作用，効果を効果的に得ることができる。
【００２３】
本発明によれば、内燃機関の運転状態に応じて最適な偏平率に調整することができる。
【００２４】
機関回転数が高くなるにしたがって、燃料噴霧の偏平率を高くすることで、ピストン冠面への燃料付着量を増加させることなく、燃料のボウルからのこぼれを抑制でき、ひいては良好な燃焼を実現できる。
【００２５】
アイドル時には上記偏平率を低下させることで、燃料噴霧をある程度広く分布させて燃料気化時間を確保し、未然ＨＣ排出量を抑制することができる。
【００２６】
機関の負荷が大きくなるにしたがって偏平率を高くすることで、ピストン冠面への付着燃料を増加させることなく、ボウルからこぼれる燃料の低減化を図ることができ、良好な燃焼を実現できる。また、機関の負荷が小さくなるにしたがって偏平率を低くすることで、燃料噴霧を広く分布させて燃料気化時間を確保し、未然ＨＣ排出量を抑制することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明が適用される直噴型火花点火式内燃機関の機械的構成を示すもので、この内燃機関は、主にシリンダヘッド１１およびシリンダブロック１２から構成されており、かつシリンダブロック１２内に複数のシリンダ１３が形成されている。上記シリンダ１３にはピストン１４が摺動可能に嵌合しており、またシリンダ１３を覆うシリンダヘッド１１下面には、燃焼室の一部となる凹部が形成されているとともに、ここに一対の吸気ポート１５および一対の排気ポート１６が接続され、かつそれぞれを吸気弁１７および排気弁１８が開閉している。これらの４つの吸気弁１７，排気弁１８の中央つまりシリンダ１３の中心位置には、点火栓１９が配置されている。
【００２９】
またシリンダ１３の上端の吸気弁１７側の外周部には、噴射パルス信号によって開閉する電磁式の燃料噴射弁２０が直接シリンダ１３内に臨んで配設されている。この燃料噴射弁２０は、先端の噴孔から燃料を噴射するものであって、図示するように、斜め下方へ向けて傾斜した姿勢で取り付けられている。
【００３０】
ピストン１４の冠面には、開口部２１ａが略円形をなす皿状のボウル２１が凹設されている。このボウル２１は、燃焼室の一部を構成するもので、ピストン１４の冠面の一方に偏った範囲、詳しくは燃料噴射弁２０側に偏った範囲に部分的に形成されており、ピストン１４の外周部付近からピストン１４中心を含むように形成されている。
【００３１】
上記の燃料噴射弁２０や点火栓１９を制御する制御装置２２は、いわゆるマイクロコンピュータシステムとして、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ等から構成ざれている。この制御装置２２には、内燃機関の吸入空気量を検出するエアフロメータ２３、機関回転数並びに機関クランク角位置を検出するクランク角センサ２４、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ２５等の機関運転状態を検出するセンサ類からの検出信号が入力されている。そして、制御装置２２は、検出した機関運転状態に基づいて燃料噴射弁２０を駆動制御するようになっている。
【００３２】
上記の構成により、主に機関の低，中負荷時には、圧縮行程中に燃料がボウル２１へ向けて噴射され、このボウル２１内で燃焼が進行する成層燃焼が行われる。一方、主に機関高負荷時には、吸気行程中に燃料がシリンダ１３内へ噴射され、シリンダ１３内に均質な混合気を形成する均質燃焼が行われる。
【００３３】
図２，３は、本発明の第１実施例を示している。この実施例では、燃料噴射弁２０から噴射される燃料噴霧Ｆの外郭形状、言い換えると燃料噴霧Ｆの噴霧方向に垂直な断面形状を、ボウル２１の開口径Ｒｂと深さＤｂの比Ｒｂ／Ｄｂに応じた偏平率を有する偏平形状（楕円形状）に設定している。より具体的には、上記偏平率は、燃料噴霧Ｆにおける長軸Ｌ１と短軸Ｌ２との比Ｌ１／Ｌ２で表され、この比Ｌ１／Ｌ２は、次式（１）で示すように、Ｒｂ／Ｄｂと略等しくなるように設定される。
【００３４】
【数１】
Ｌ１／Ｌ２≒Ｒｂ／Ｄｂ  …（１）
この結果、燃料噴霧Ｆの外郭形状がボウル２１の形状に応じた適正なものとなり、燃料噴霧Ｆがボウル２１内に過不足なく収まる形となる。すなわち、成層燃焼時における燃料噴霧Ｆがボウル２１からこぼれることなくボウル２１内に良好に拡散される。したがって、特に成層燃焼時におけるピストン１４冠面への燃料付着量の低減化及びボウル２１からこぼれる燃料の低減化を図ることができ、ひいては燃費性能，燃焼安定性の向上、スモーク，ＨＣの排出量の低減化を図ることができる。
【００３５】
図４は本発明の第２実施例を示している。この実施例では、燃料噴射弁２０の取付角度αに応じて、上記の偏平率Ｌ１／Ｌ２が補正されている。なお、取付角度αは、燃料噴霧Ｆの噴霧中心線Ｐ１と一致する燃料噴射弁２０の中心軸線Ｑと、シリンダ（シリンダヘッド）基準水平面とのなす角度で表される。すなわち偏平率Ｌ１／Ｌ２は次式（２）で表される。
【００３６】
【数２】
Ｌ１／Ｌ２≒Ｒｂ／Ｄｂ・sinα  …（２）
この結果、燃料噴霧Ｆのシリンダ軸方向高さ（Ｌ２・cosα）が、ボウル２１の深さＤｂに応じた適切なものとなる。従って、燃料噴射弁２０の取付角度αやピストン１４の形状等が異なる内燃機関においても、燃料噴霧Ｆの外郭形状がボウル２１の形状に応じた適正なものとすることができ、上記第１実施例と同様の作用，効果を最適に引き出すことができる。
【００３７】
図５は本発明の第３実施例を示している。この実施例では、燃料噴霧Ｆの噴霧中心線Ｐ２が、成層燃焼を行う運転領域内での中速中負荷条件で、かつ、所定の燃料噴射時期におけるピストン１４位置でのボウル２１の隅角部２１ｂ、より詳しくはボウル２１における底部と側壁部との隅角部２１ｂを指向するように設定されている。そして、噴霧中心線Ｐ２とシリンダ基準水平面とのなす角度βに応じて、上記の偏平率Ｌ１／Ｌ２が補正されている。より具体的には、偏平率Ｌ１／Ｌ２は次式（３）で表される。
【００３８】
【数３】
Ｌ１／Ｌ２≒Ｒｂ／Ｄｂ・sinβ  …（３）
なお、この実施例では、燃料噴射弁２０の中心軸線Ｑに対し、燃料噴霧Ｆの噴霧中心線Ｐ２を（α−β）だけ偏向させている。
【００３９】
この実施例によれば、成層運転領域の中央部に対応して偏平率が補正される形となり、低負荷から高負荷域，また低回転から高回転域にわたる広い運転領域において、上記第１，第２実施例と同様の作用，効果を適切に得ることができる。
【００４０】
図６は本発明の第４実施例を示し、この実施例構造は、例えば上記第１〜３実施例に適用される。この実施例では、燃料噴射弁２０の先端部に２つの噴孔３０が燃料噴霧Ｆ（Ｆａ又はＦｂ）の長軸方向に併設されており、各噴孔３０から噴射される燃料噴霧Ｆａ（又はＦｂ）を合わせて全体として偏平形状となるようにしている。すなわち、所期の偏平率Ｌ１／Ｌ２を得るように、両噴孔３０間の距離Ｓ及び噴射角度θａ（又はθｂ）を適宜に設定している。
【００４１】
ここで、各噴孔３０から噴射される燃料噴霧Ｆａ（Ｆｂ）の噴射角度θａ（θｂ）は、噴射される燃料の圧力（燃圧）に応じて変化する。図６（ａ）は燃圧が相対的に低い場合、図６（ｂ）は燃圧が相対的に高い場合を示している。図６（ａ）に示すように、燃圧が比較的低い場合には、各燃料噴霧Ｆａの噴射角度θａが相対的に大きくなり、この結果、２つの燃料噴霧Ｆａを合わせた全体の偏平率Ｌ１／Ｌ２は相対的に小さくなる。一方、図６（ｂ）に示すように、燃圧が比較的高い場合には、各燃料噴霧Ｆｂの噴射角度θｂが相対的に小さくなり、この結果、２つの燃料噴霧Ｆｂを合わせた全体の偏平率Ｌ１／Ｌ２は相対的に大きくなる。すなわち、燃圧が高くなるにしたがって偏平率Ｌ１／Ｌ２は大きくなる。
【００４２】
従って、内燃機関の運転状態に応じて上記燃圧を制御装置２２により可変制御することによって、燃料噴霧Ｆの偏平率Ｌ１／Ｌ２を適宜に調整することが可能となる。
【００４３】
例えば、クランク角センサ２４で検出される機関回転数に応じて偏平率Ｌ１／Ｌ２が調整される。すなわち、高回転時においては、ピストンスピ一ドが早いために、低回転時と同じ量の燃料をシリンダ１３内に供給すると、噴射開始から噴射終了までのピストン１４移動距離が大きくなり、ピストン１４冠面への燃料付着量が増加してしまう。そこで、回転数が高くなるにしたがって噴射（開始）タイミングを早めることで、ピストン１４冠面への燃料付着量の増加を抑制することも考えられるが、こうすると、燃料のボウル２１からのこぼれ量が増加する虞がある。本実施例によれば、機関回転数が高くなるにしたがって、図６（ｂ）に示すように、燃料噴霧Ｆｂの偏平率Ｌ１／Ｌ２を高くすることで、ピストン１４冠面への燃料付着量を増加させることなく、燃料のボウル２１からのこぼれ量を抑制でき、良好な燃焼を実現できる。
【００４４】
また、アイドル時には偏平率Ｌ１／Ｌ２を低下させる。すなわち、アイドル時においては、気筒内ガス流動が弱く、噴射燃料の量が少なく、かつ、ピストンスピードが遅いため、燃料噴霧をボウル２１内に良好に収めるためには、例えば噴射（開始）タイミングを遅角する必要がある。このため、噴射から点火までの時間が相対的に短くなるとともに、燃料噴霧の偏平率Ｌ１／Ｌ２がある程度高いものとなっていると燃料の集中度が増加するため、燃料気化時間を十分に確保できず、未然ＨＣ排出量の増加等を招聘する虞がある。本実施例によれば、アイドル時には偏平率Ｌ１／Ｌ２を低下させることにより、図６（ａ）に示すように燃料噴霧Ｆａをある程度広く分布させて燃料気化時間を確保し、もって未然ＨＣ排出量を抑制することができる。
【００４５】
更に好ましくは、内燃機関の負荷に応じて偏平率Ｌ１／Ｌ２が調整される。すなわち、高負荷時においては、一回の噴射に要求される噴射燃料が増加するため、噴射開始から噴射終了までの時間が長くなり、その間のピストン１４移動量も大きくなる。このため、低負荷時と同一の噴射タイミングで燃料噴射を行うと、ピストン１４冠面への燃料の付着量が増加してしまうため、噴射開始時期を早くすることで燃料付着量の増加を抑制させることが考えられる。しかしながら、このように噴射時期を早めると、燃料のボウル２１からのこぼれ量が増加する虞がある。本実施例によれば、機関の負荷が大きくなるにしたがって偏平率Ｌ１／Ｌ２を高くすることで、ピストン１４冠面へ付着する燃料の量を増加させることなく、燃料のボウル２１からのこぼれ量を抑制することができ、良好な燃焼を実現することが可能となる。
【００４６】
一方、低負荷時においては、一回の噴射に要求される噴射燃料が少ないため、噴射燃料をボウル２１内に良好に収めるために、例えば噴射タイミングが相対的に遅角される。このため、噴射から点火までの時間が相対的に短くなるとともに、燃料噴霧の偏平率Ｌ１／Ｌ２がある程度高いものとなっていると燃料の集中度が増加し、この結果、燃料気化時間を十分確保できず、未然ＨＣ排出量の増加を招聘する虞がある。本実施例によれば、機関の負荷が小さくなるにしたがって偏平率Ｌ１／Ｌ２を低くすることで、図６（ａ）に示すように燃料噴霧Ｆａを広く分布させて燃料気化時間を確保し、未然ＨＣ排出量を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る直噴型火花点火式内燃機関の構成を示す断面対応図。
【図２】本発明の第１実施例を示す構成図。
【図３】同じく第１実施例を示す図２のＡ−Ａ断面対応図。
【図４】本発明の第２実施例を示す構成図。
【図５】本発明の第３実施例を示す構成図。
【図６】本発明の第４実施例を示す説明図。
【符号の説明】
１３…シリンダ
１４…ピストン
２０…燃料噴射弁
２１…ボウル
Ｆ…燃料噴霧
【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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