(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（９）を有し、この燃料噴射弁によって圧縮行程中に燃焼室内に燃料を噴射し、混合気に点火プラグ（１０）により点火して、成層燃焼する筒内噴射式火花点火機関において、
吸気ポートにより燃焼室に供給される空気流動とは別に、後続する着火用燃料に先行して点火プラグ方向に向けて供給される流体流れを生成するリード流体生成手段（９Ｂ）を備え、
上記リード流体生成手段によって生成された流体にリードされて、点火時期において着火用燃料噴霧から気化した混合気を上記点火プラグに供給するものであり、
上記リード流体生成手段は、点火プラグ側のリード噴霧の噴霧密度がピストン側の着火用燃料噴霧の噴霧密度より高い燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁（９Ｂ）であり、
上記燃料噴射弁（９Ｂ）は、リード噴霧を噴射する大口径の開口を有する燃料噴射口（１９Ｃ）と、着火用燃料噴霧を噴射する小口径で複数の開口を有する燃料噴射口（１９Ｄ）を備えることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
【請求項２】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（９）を有し、この燃料噴射弁によって圧縮行程中に燃焼室内に燃料を噴射し、混合気に点火プラグ（１０）により点火して、成層燃焼する筒内噴射式火花点火機関において、
吸気ポートにより燃焼室に供給される空気流動とは別に、後続する着火用燃料に先行して点火プラグ方向に向けて供給される流体流れを生成するリード流体生成手段（９Ａ）を備え、
上記リード流体生成手段によって生成された流体にリードされて、点火時期において着火用燃料噴霧から気化した混合気を上記点火プラグに供給するものであり、
上記リード流体生成手段（９Ａ）は、点火プラグ側にエアジェットを噴出する噴出口（１９Ｂ）と、ピストン側の着火用燃料噴霧を噴出する噴出口（１９Ａ）とを有する燃料噴射弁であることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
【請求項３】
請求項１若しくは請求項２のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火機関において、
上記リード流体生成手段は、圧縮行程において、排気弁（８Ｃ）を開くことにより、点火プラグ方向への噴流を形成することを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
【請求項４】
請求項１若しくは請求項２のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火機関において、
上記燃料噴射弁による燃料噴射開始は、上死点前６２°から上死点前３５°の間に行うことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火機関に係り、特に、低中負荷運転領域において運転空燃比が理論混合比より高い条件で成層燃焼を行うに好適な筒内噴射式火花点火機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の筒内噴射式火花点火機関においては、燃費及び排気ガスを低減するために、低中負荷運転領域では、空気量と燃料噴射量の比が理論混合比の１４．７より高い条件で運転するようにしている。しかしながら、燃料と空気が均一に混合すると燃料濃度が希薄になり、火炎伝播が困難となるため、燃料希薄な運転条件で燃焼を可能とするため、混合気を点火プラグ近傍に成層化させて燃焼させる成層燃焼が必要となっている。
【０００３】
従来の筒内噴射式火花点火機関において、成層燃焼させる方法としては、例えば、特開平１１−２００８６６号公報に記載されているように、燃焼室に吸入される空気流動に縦方向の旋回流（以下、「タンブル」と称する）を与えると共に、ピストン冠面中央に凹部を設け、タンブルの保存性を向上させるものが知られている。これにより、燃料噴射弁から噴射された燃料をタンブルに乗せて点火プラグへ層状に輸送して成層燃焼を可能としている。
【０００４】
また、例えば、特開平６−８１６５６号公報に記載されているように、吸気ポートから燃焼室内に吸入される空気にタンブルを与え、点火プラグを指向する第１噴口とタンブルの流れに沿った方向を指向する第２噴口とを有する多噴口の燃料噴射弁をシリンダヘッドに設けるものが知られている。これにより、第１噴口から噴射される燃料が点火プラグ近傍に濃い混合気を形成し、第２噴口から噴射される燃料はタンブルに乗って燃焼室内の大半の空気と希薄な混合気を形成するため、濃い混合気と希薄な混合気が成層化し成層燃焼を可能としている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２００８６６号公報
【特許文献２】特開平６−８１６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特開平１１−２００８６６号公報に記載された方法では、吸気ポートから燃焼室内に吸入されるタンブルによって混合気を輸送しているため、アイドル等の低回転ではエンジン回転数に比例してタンブルの空気速度も低下し、混合気を点火プラグに輸送することが困難になる他、始動時に触媒早期活性化を図る等の場合のように、噴射時期を遅くして点火リタードさせる場合、噴射時期が遅くなるとタンブルが減衰してしまい、混合気を点火プラグに輸送することが困難になるといった問題があった。
【０００７】
また、特開平６−８１６５６号公報に記載されている方法では、燃料噴射弁の第１噴口からの噴霧を直接点火プラグに向けて噴射することによりプラグ近傍で成層化を図っているが、燃焼室に生成したタンブルによって混合気が分散し、成層燃焼が困難になる可能性がある他、燃料噴霧が点火プラグに留まるため、着火時にプラグの燻りが発生するといった問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とする筒内噴射式火花点火機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を有し、この燃料噴射弁によって圧縮行程中に燃焼室内に燃料を噴射し、混合気に点火プラグにより点火して、成層燃焼する筒内噴射式火花点火機関において、吸気ポートにより燃焼室に供給される空気流動とは別に、後続する着火用燃料に先行して点火プラグ方向に向けて供給される流体流れを生成するリード流体生成手段を備え、上記リード流体生成手段によって生成された流体にリードされて、点火時期において着火用燃料噴霧から気化した混合気を上記点火プラグに供給するものであり、上記リード流体生成手段は、点火プラグ側のリード噴霧の噴霧密度がピストン側の着火用燃料噴霧の噴霧密度より高い燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁であり、上記燃料噴射弁は、リード噴霧を噴射する大口径の開口を有する燃料噴射口と、着火用燃料噴霧を噴射する小口径で複数の開口を有する燃料噴射口を備えるものである。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を有し、この燃料噴射弁によって圧縮行程中に燃焼室内に燃料を噴射し、混合気に点火プラグにより点火して、成層燃焼する筒内噴射式火花点火機関において、吸気ポートにより燃焼室に供給される空気流動とは別に、後続する着火用燃料に先行して点火プラグ方向に向けて供給される流体流れを生成するリード流体生成手段を備え、上記リード流体生成手段によって生成された流体にリードされて、点火時期において着火用燃料噴霧から気化した混合気を上記点火プラグに供給するものであり、上記リード流体生成手段は、点火プラグ側にエアジェットを噴出する噴出口と、ピストン側の着火用燃料噴霧を噴出する噴出口とを有する燃料噴射弁である。
【００１１】
かかる構成により、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、リード流体によって、着火用燃料噴霧から気化した混合気を上記点火プラグに供給できるので、ロバスト性の高い成層燃焼を可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１〜図１４を用いて、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。  
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成について説明する。  
図１は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンの吸気管中心における断面図である。また、図２は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンのシリンダ中心における断面図である。
【００１４】
図１に示すように、シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に挿入されたピストン３とにより、燃焼室４が形成される。ピストン３の冠面は、平坦である。燃焼室４には、それぞれ、２つの吸気ポート５と、２つの排気ポート６が開口している。２つの吸気ポート５の開口部には、この開口部を開閉する２本の吸気弁７が設けられている。また、２つの排気ポート６の開口部には、この開口部を開閉する２本の排気弁８が設けられている。燃焼室４の吸気側壁面には、燃料噴射弁９が設けられている。また、図２に示すように、燃焼室４の中心上部には、点火プラグ１０が設けられている。
【００１５】
図１に示すように、排気ポート６の後方には、触媒１１が設けられている。燃料噴射弁９には、燃料タンク１２と高圧ポンプ２５とが、それぞれ燃料配管２６によって接続されている。高圧ポンプ２５は、燃焼室４内の圧力が高い状態でも、燃料噴射弁９から燃料噴射を可能とするため、燃料タンク１２から供給される燃料を加圧する。
【００１６】
燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧は、図２に示すように、点火プラグに向けて噴射されるリード噴霧１３と、ピストン側に向けて噴射される着火用噴霧１４で構成される。このような燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁９の構成については、図３〜図５を用いて後述する。また、燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の形状については、図６及び図７を用いて後述する。
【００１７】
次に、図３〜図５を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。  
図３は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。図４は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。また、図５は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。
【００１８】
図３は、本実施形態による燃料噴射弁９の側面構成を示している。燃料噴射弁９の先端部の破線で囲まれた領域Ｘを拡大したものが、図４である。
【００１９】
図４に示すように、燃料噴射弁９のノズル部１５は、ボール弁１６と、ボール弁１６に接続されたロッド１７と、噴霧に旋回力を与えるスワラー１８と、噴射口１９と、軸方向溝２０と、径方向溝２１とを備えている。本実施形態においては、ノズル部１５の先端に設けられた噴射口１９は左右対称ではなく、その一部に切り欠き１９ａが設けられている。図示の例では、切り欠き１９ａは、１８０度の範囲で設けられている。
【００２０】
ボール弁１６が開くと、軸方向溝２０、径方向溝２１に燃料が流れ、旋回力が与えられ、噴射口１９から燃料が噴射される。噴射口１９には、切り欠き１９ａが設けられているため、図６及び図７を用いて後述するように、リード噴霧と着火用噴霧とが形成される。
【００２１】
図５に示す例において、矢印ＩＧＮ−Ｐ方向が点火プラグ側であり、矢印ＰＳＴＮ方向がピストン側である。即ち、噴射口１９の切り欠き１９ａが点火プラグ側を向くように、燃料噴射弁１９を設置することにより、リード噴霧が点火プラグの方向に噴霧される。
【００２２】
次に、図６及び図７を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状について説明する。  
図６は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。図７は、図６のＡ−Ａ断面図である。
【００２３】
図６に示すように、燃料噴射弁９の噴射口１９から噴霧される燃料噴霧の形状は、噴射口に切り欠きが設けられているため、左右対称ではないものである。燃料噴射弁９の中心線に対するリード噴霧１３の噴霧角θ１は、例えば、３０度である。また、燃料噴射弁９の中心線に対する着火用噴霧１４の噴霧角θ２は、例えば、２０度である。
【００２４】
また、図７に示すように、燃料噴霧の断面形状は、噴射口１９に設けられた切り欠きにより、噴霧の一部に隙間１３Ａのある形状となる。また、点火プラグ１０に向けられるリード噴霧１３の流量密度は、着火用噴霧１４より高くなる。そのため、リード噴霧１３の噴霧到達距離は、着火用噴霧１４より長くなる。
【００２５】
なお、リード噴霧１３の噴霧角θ１や、着火用噴霧１４の噴霧角θ２は、噴射口１９に設けられた切り欠きの形状によって種々変更することが可能である。噴射口に切り欠きを形成した燃料噴射弁の種々の構成について、本出願人は、特願平１１−３５５５０２号（特願平１１−７１４１２号を基礎出願とする国内優先権主張出願）として、出願済みであり、その詳細については、この出願に記載されている。
【００２６】
次に、図８〜図１３を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。  
図８は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す側面図である。図９は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図１０は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す側面図である。図１１は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図１２は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す側面図である。図１３は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【００２７】
なお、図８〜図１３は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図８〜図１３において、図１と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図８〜図１３に示すエンジンの運転状態は、エンジン回転数が約１０００ｒｐｍで、低負荷条件である。
【００２８】
一般に、触媒１１は温度が高くならないと浄化作用を得ることができないものである。そこで、エンジン始動時は成層燃焼により、少ない燃料量で安定した燃焼を成立させ、燃焼室４から排出される排気ガスを抑えると共に、触媒を早期に活性化させるために点火時期をリタードさせ、発生する高温の排気ガスを排気ポート６に排出させる必要がある。点火時期をリタードさせるためには燃料噴射時期を遅くする方法があるが、噴射時期が遅くなると燃焼室４内は１０気圧以上の高圧になるため、従来用いられている燃料噴霧では噴霧ペネトレーションが不足し、燃料が点火プラグに届かなくなる。
【００２９】
そこで、本実施形態では、吸気から圧縮行程までの流れにおいて、次のようにしている。
【００３０】
吸気行程では、吸気弁７が開き、ピストン３が下降することにより燃焼室４内に吸気ポート５から空気が流入される。吸気ポート５が斜めに取付けられていることから、燃焼室４内には弱いタンブル流れが形成される。したがって、本実施形態では、タンブル生成機構を設けていないが、タンブル生成機構がある場合と同様の効果を得ることができるものである。しかしながら、本実施形態は、リード噴霧を用いることに特徴があるものであり、タンブル生成機構は、本実施形態の必須の構成でなく、また、タンブル生成機構を設けてもよいものである。
圧縮行程になると、吸気弁７を閉じ、ピストン３が上昇することにより、燃焼室４内の温度と圧力が上昇する。ピストン３が上死点に近づくにつれ、燃焼室４内に生成されたタンブルは減衰する。上死点に達する頃には、タンブル流動が維持できず、乱れた流れとなる。点火リタードの場合、点火時期を上死点あたりにするため、燃料噴射時期を上死点前４０°に設定する。なお、最適な噴射時期は、エンジンによって異なるものである。
【００３１】
ここで、図８〜図１３を用いて、エンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。
【００３２】
最初に、図８及び図９を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。
ここで、燃料噴射弁９から噴射されるリード噴霧１３延長方向に、点火プラグ１０の点火部が配置される。一般に、エンジンにおいては、取付スペースの関係で、点火プラグ１０の取り付け位置や、燃料噴射弁９の取り付け位置は、限定されている。したがって、例えば、点火プラグ１０を燃焼室４の中央上部に配置する場合、燃料噴射弁９の取付可能な位置は、燃焼室４の吸気側壁面付近となる。このとき、燃料噴射弁９の中心軸から点火プラグ１０を望む角度がθ３であり、燃料噴射弁９の噴射口と点火プラグ１０の点火部の距離がＬ１とすると、リード噴霧１３の噴霧角θ１が、上述の角度θ３とほぼ等しくなるように、燃料噴射弁９の噴射口の切り欠きの形状が設定される。
【００３３】
燃料噴射弁９から噴射されるリード噴霧１３は、着火用噴霧１４に比べると噴霧密度が高いため、着火用噴霧１４に先行し、点火プラグ１０近傍に到達する。着火用噴霧１４は、リード噴霧１３に遅れてピストン３に向かう。リード噴霧１３と空気との間で摩擦が生じ、燃料噴射弁９から点火プラグ１０へ向かう噴流２２が生成される。着火用噴霧１４は、噴霧が比較的分散し、噴霧密度が低いため、強い噴流を生成するまでは至らないものである。噴流２２は噴霧自身によって生成されるため、運転条件に影響されず、ロバスト性が高いという特徴がある。
次に、図１０及び図１１を用いて、上死点前２０°における様子を説明する。
時間の経過によりピストン３が上昇し、着火用噴霧１４はピストン３の上面に停滞する。この時、上述した噴流２２が、着火用噴霧１４から気化した着火用混合気２４のみを、点火プラグ１０へリードする。リード噴霧１３は点火プラグ１０を通過しつつ気化し、点火プラグ１０の周りに燃焼用混合気２３を形成する。このタイミングでも着火することは可能だが、点火プラグ１０の周りにリード噴霧１３が存在するため、着火には適さないものである。
【００３４】
次に、図１２及び図１３を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。
【００３５】
ピストン３が圧縮上死点に近づくと、燃焼室４の内圧が急激に上昇するため、噴流２２は燃焼用混合気２４が点火プラグ１０へ到達する頃には消滅する。そのため、着火用混合気２４は点火プラグ１０を大きく通過することなく、点火プラグ１０の近傍で成層化することができる。また、噴流２２を生成したリード噴霧１３は、ピストン３の上昇に伴って殆ど気化するため、燃焼用混合気２３は点火プラグ１０を過ぎたあたりで成層化する。
【００３６】
ここで、図１４を用いて、本実施形態によって安定燃焼が可能な領域について説明する。  
図１４は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における安定燃料領域の説明側面図である。図において、横軸は、燃料噴射時期（ｄｅｇＢＴＤＣ：上死点前角度）を示している。縦軸は、点火時期（ｄｅｇＢＴＤＣ：上死点前角度）を示している。エンジン回転数は、１２００ｒｐｍであり、低負荷運転条件である。
【００３７】
領域Ｙは、従来の空気ガイド方式によって安定燃焼が可能な領域を示している。ここで、従来の空気ガイド方式とは、吸気ポートにタンブル生成機構を設け、タンブルにより混合気を点火プラグへ成層化させるものである。空気ガイド方式では、燃料噴射時期が上死点前６０°以降では安定燃焼ができないため、上死点前２０°以降は安定燃焼領域が生じていないものである。
【００３８】
一方、領域Ｚは、本実施形態によるスプレイリード方式によって安定燃焼が可能な領域を示している。スプレイリード方式とは、上述したように、リード噴霧により生じる噴流で混合気を点火プラグへ成層化させるものである。本実施形態によるスプレイリード方式では、燃料噴射時期を上死点前６２°から上死点前３５°までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できることを確認した。また、スプレイリード方式では、点火リタードの効果により、燃費とＮＯｘ排出量を低減できた。したがって、燃料噴射時期の遅い条件や、アイドルのような低回転においても、安定した成層燃焼が可能となる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、点火プラグ１０を中心として、着火用混合気２４と燃焼用混合気２３を点火プラグ１０まわりに成層化でき、点火時において安定に成層燃焼することができる。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。
【００４０】
次に、図１５〜図２１を用いて、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成は、図１及び図２に示したものと同様である。  
最初に、図１５及び図１６を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状について説明する。  
図１５は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。図１６は、図１５のＡ−Ａ断面図である。
【００４１】
図１５に示すように、燃料噴射弁９の噴射口１９から噴霧される燃料噴霧の形状は、図６に示したものと同様に、噴射口に切り欠きが設けられているため、左右対称ではないものである。
【００４２】
また、図１６に示すように、燃料噴霧の断面形状は、図７に示したものと同様に、噴射口１９に設けられた切り欠きにより、噴霧の一部に隙間１３Ａのある形状となる。点火プラグ１０に向けられるリード噴霧１３の流量密度は、着火用噴霧１４より高くなる。そのため、リード噴霧１３の噴霧到達距離は、着火用噴霧１４より長くなる。
【００４３】
本実施形態では、リード噴霧１３の噴射される方向Ｆを、点火プラグの方向ＩＧＮ−Ｐに対して、角度θ４だけ傾けるようにしている。即ち、燃料噴射弁９から噴射されるリード噴霧１３が、点火プラグ１０を直撃しないようにしている。図７に示した例では、リード噴霧１３を点火プラグ１０に直撃する様に向けているため、点火プラグの燻りが生じる可能性がある。それに対して、本実施形態では、リード噴霧１３を点火プラグ１０からずらして噴射することにより、点火プラグの燻りを防止できるものである。
【００４４】
次に、図１７及び図１８を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。  
図１７は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。また、図１８は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。
【００４５】
図１７に示した燃料噴射弁９の構成は、図４に示した燃料噴射弁９と同一の構成である。ノズル部１５の先端に設けられた噴射口１９は左右対称ではなく、その一部に切り欠き１９ａが設けられている。図示の例では、切り欠き１９ａは、１８０度の範囲で設けられている。
【００４６】
そして、図１８に示すように、切り欠き１９ａの中心方向Ｇが、点火プラグの方向ＩＧＮ−Ｐ方向に対して、角度θ４だけ傾けてある。これによって、燃料噴射弁１９から噴射されるリード噴霧１３が、点火プラグの方向からずらして噴霧される。
【００４７】
ずらす角度θ４は、図１５に示すリード噴霧１３の噴霧角θ１に応じて変える用にしている。例えば、リード噴霧１３の噴霧角θ１が３５°の場合、ずらす角度θ４は、例えば、約１０°とする。また、リード噴霧１３の噴霧角θ１が４０°の場合、ずらす角度θ４は、例えば、約１５°とする。
【００４８】
次に、図１９〜図２１を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。  
図１９は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図２０は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図２１は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【００４９】
なお、図１９〜図２１は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図１９〜図２１において、図１と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図１９〜図２１に示すエンジンの運転状態は、エンジン回転数が約１０００ｒｐｍで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。
【００５０】
最初に、図１９を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。
【００５１】
リード噴霧１３は、着火用噴霧１４に先行して点火プラグ１０近傍に到達するが、点火プラグ１０を直撃せず、少しずれた位置に到達する。リード噴霧１３と空気の間で摩擦が生じ、燃料噴射弁９から点火プラグ１０へ向かう噴流２２が生成されるが、この噴流２２は、リード噴霧１３と同様に点火プラグ１０より少しずれた方向を指向する。
【００５２】
次に、図２０を用いて、上死点前２０°における様子を説明する。
時間の経過によりピストン３が上昇し、着火用噴霧１４はピストン３の上面に停滞する。噴流２２は点火プラグ１０より少しずれた方向へ指向しているが、着火用噴霧１４の、図で上側の部分から気化した混合気は、点火プラグ１０を通過しつつ噴流２２によってリードされる。リード噴霧１３は気化し、点火プラグ１０周りに燃焼用混合気２３を形成する。
【００５３】
次に、図２１を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。
【００５４】
燃焼用混合気２４を点火プラグ１０へリードした噴流２２は、ピストン３が圧縮上死点に近づくと燃焼室４の内圧が急激に上昇するため、燃焼用混合気２４が点火プラグ１０へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気２４は点火プラグ１０を大きく通過することなく点火プラグ１０近傍で成層化することができる。また、噴流２２を生成したリード噴霧１３も殆ど気化して燃焼用混合気２３となり、点火プラグ１０を過ぎたあたりで成層化するため、点火プラグ１０を中心として混合気成層化を図ることができ、点火時に安定に成層燃焼することができる。
【００５５】
本実施形態においても、図１４に示した領域Ｚのように、燃料噴射時期を上死点前３５°までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できる。したがって、点火リタードの効果により、燃費とＮＯｘ排出量を低減できる。
【００５６】
以上のように、本実施形態によれば、リード噴霧１３及び噴流２２を点火プラグ１０に直接指向させなくとも、噴流２２によって燃焼用混合気２４を点火プラグ１０へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。
また、リード噴霧１３及び噴流２２を点火プラグ１０からずらした方向に形成することによって、点火プラグの燻りを防止することができる。
【００５７】
次に、図２２〜図２５を用いて、本発明の第３の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。  
最初に、図２２を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成について説明する。  
図２２は、本発明の第３の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンのシリンダ中心における断面図である。
【００５８】
シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に挿入されたピストン３とにより、燃焼室４が形成される。ピストン３の冠面は、平坦である。燃焼室４には、図１と同様に、それぞれ、２つの吸気ポートと、２つの排気ポートが開口している。２つの吸気ポートの開口部には、この開口部を開閉する２本の吸気弁が設けられている。また、２つの排気ポートの開口部には、この開口部を開閉する２本の排気弁が設けられている。燃焼室４上部の排気ポート６に挟まれた位置に、点火プラグ１０が設けられている。また、燃焼室４の上部の吸気ポートに挟まれた位置に燃料噴射弁９が、設けられている。
【００５９】
また、燃料噴射弁９には、燃料タンク１２と高圧ポンプ２５とが、それぞれ燃料配管２６によって接続されている。高圧ポンプ２５は、燃焼室４内の圧力が高い状態でも、燃料噴射弁９から燃料噴射を可能とするため、燃料タンク１２から供給される燃料を加圧する。
【００６０】
燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧は、図２３を用いて後述するように、点火プラグに向けて噴射されるリード噴霧と、ピストン側に向けて噴射される着火用噴霧で構成される。このような燃料噴霧を形成するための燃料噴射弁９の構成は、図３〜図５を用いて前述したものと同様である。
【００６１】
ここで、点火プラグ１０若しくは燃料噴射弁９の取付位置が変わった場合でも、燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の形状が同じ場合には、点火プラグ１０と燃料噴射弁９との相対的な位置関係を同じくしている。即ち、図８を用いて説明したように、燃料噴射弁９から噴射されるリード噴霧の延長方向に、点火プラグ１０の点火部が配置される。燃料噴射弁９の中心軸から点火プラグ１０を望む角度θ３は、リード噴霧の噴霧角θ１とほぼ等しくなるようにしている。また、燃料噴射弁９の噴射口と点火プラグ１０の点火部の距離がＬ１は、図８に示したものと同じくしている。
【００６２】
次に、図２３〜図２５を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。  
図２３は、本発明の第３の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図２４は、本発明の第３の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図２５は、本発明の第３の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【００６３】
なお、図２３〜図２５は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図２３〜図２５において、図２０と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図２３〜図２５に示すエンジンの運転状態は、エンジン始動時のファストアイドル運転で、エンジン回転数が約１０００ｒｐｍで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。
【００６４】
最初に、図２３を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。
【００６５】
燃料噴射弁９から噴射されるリード噴霧１３は、着火用噴霧１４に比べると噴霧密度が高いため着火用噴霧１４に先行して点火プラグ１０近傍に到達する。リード噴霧１３と空気の間で摩擦が生じ、燃料噴射弁９から点火プラグ１０へ向かう噴流２２が生成される。
【００６６】
次に、図２４を用いて、上死点前２０°における様子を説明する。
【００６７】
時間の経過によりピストン３が上昇し、着火用噴霧１４はピストン３の上面に停滞する。噴流２２は、着火用噴霧１４から気化した燃焼用混合気２４のみを点火プラグ１０へリードする。リード噴霧１３は点火プラグ３を通過しつつ気化し、点火プラグ１０周りに燃焼用混合気２３を形成する。
【００６８】
次に、図２５を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。
【００６９】
ピストン３が圧縮上死点に近づくと燃焼室４の内圧が急激に上昇するため、噴流２２は燃焼用混合気２４が点火プラグ１０へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気２４は点火プラグ１０を大きく通過することなく、点火プラグ１０近傍で成層化することができる。また、リード噴霧１３から気化した燃焼用混合気２３は、点火プラグ１０を過ぎたあたりで停滞し、図のように点火プラグ１０を中心として燃焼用混合気２４と燃焼用混合気２３を成層化でき、点火時期において安定に成層燃焼することができる。
【００７０】
本実施形態においても、図１４に示した領域Ｚのように、燃料噴射時期を上死点前３５°までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できる。したがって、点火リタードの効果により、燃費とＮＯｘ排出量を低減できる。
以上のように、本実施形態によれば、燃料噴射弁９と点火プラグ１０の位置は限定せず、噴流２２が着火用混合気２２を点火プラグ１０まで十分リード可能な距離を有していれば良いものである。本実施形態においても、リード噴霧１３及び噴流２２を点火プラグ１０に直接指向させなくとも、噴流２２によって燃焼用混合気２４を点火プラグ１０へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。
【００７１】
次に、図２６〜図３４を用いて、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。  
最初に、図２６を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成について説明する。  
図２６は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンの吸気管中心における断面図である。
【００７２】
シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に挿入されたピストン３とにより、燃焼室４が形成される。ピストン３の冠面は、平坦である。燃焼室４には、それぞれ、２つの吸気ポート５と、２つの排気ポート６が開口している。２つの吸気ポート５の開口部には、この開口部を開閉する２本の吸気弁７が設けられている。また、２つの排気ポート６の開口部には、この開口部を開閉する２本の排気弁８が設けられている。燃焼室４の吸気側壁面には、燃料噴射弁９Ａが設けられている。燃料噴射弁９Ａの構成については、図２６〜図２８を用いて後述する。また、燃料噴射弁９Ａに高圧の空気を供給するため、空気配管２７が高圧ポンプ２５から燃料噴射弁９Ａまで接続されている。また、図２に示したものと同様に、燃焼室４の中心上部には、点火プラグが設けられている。
【００７３】
排気ポート６の後方には、触媒１１が設けられている。燃料噴射弁９Ａには、燃料タンク１２と高圧ポンプ２５とが、それぞれ燃料配管２６によって接続されている。高圧ポンプ２５は、燃焼室４内の圧力が高い状態でも、燃料噴射弁９から燃料噴射を可能とするため、燃料タンク１２から供給される燃料を加圧する。
【００７４】
次に、図２７〜図２９を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。  
図２７は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。図２８は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。また、図２９は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。
【００７５】
図２７は、本実施形態による燃料噴射弁９Ａの側面構成を示している。燃料噴射弁９Ａの先端部の破線で囲まれた領域Ｘを拡大したものが、図２８である。
【００７６】
図２８に示すように、燃料噴射弁９Ａのノズル部１５は、ボール弁１６Ａ，１６Ｂと、ボール弁１６Ａ，１６Ｂにそれぞれ接続されたロッド１７Ａ，１７Ｂと、噴霧に旋回力を与えるスワラー１８と、燃料噴射口１９Ａと、空気噴射口１９Ｂと、軸方向溝２０と、径方向溝２１Ａと、空気通路２１Ｂを備えている。本実施形態においては、ノズル部１５の先端に設けられた燃料噴射口１９Ａには、図４において説明したような切り欠き１９ａは設けられていないものである。
【００７７】
燃料噴射口１９Ａは、燃料を噴射する噴射口である。空気噴射口１９Ｂは、空気を噴射する噴射口である。空気噴射口１９Ｂは、燃料噴射弁９Ａの中心軸に値して、角度θ５だけ傾けて形成されている。空気噴射口１９Ｂは、燃料噴射弁９Ａをエンジンに取付けたときに点火プラグ１０を指向するように設けられる。燃料噴射口１９Ａ側の内部構造は、図４に示した構成と同様である。燃料噴射口１０Ａには切り欠きは設けられていないため、周方向に均一なコーン噴霧が噴射される。
【００７８】
空気噴射口１９Ｂには、空気の噴射を制御するためにボール弁１６Ｂと、ボール弁１６Ｂと接続されたロッド１７Ｂが設けられている。高圧ポンプから供給される加圧された空気は、空気配管２７を通って空気通路２１Ｂに充填される。ボール弁１６Ｂを上に動かすことにより、空気噴射口１９Ｂから高圧の空気流が噴射される。この空気流は、図１に示した噴流２２に相当するものである。ボール弁１６Ａ，１６Ｂは同時に動く様に制御される。なお、燃料の噴射に少し先駆けて噴流を形成するために、ボール弁１６Ｂが多少早く動作するようにしてもよいものである。
【００７９】
図２９に示す例において、矢印ＩＧＮ−Ｐ方向が点火プラグ側であり、矢印ＰＳＴＮ方向がピストン側である。即ち、空気噴射口１９Ｂが点火プラグ側を向くように、燃料噴射弁９Ａを設置することにより、噴流が点火プラグの方向に噴霧される。
【００８０】
次に、図３０及び図３１を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧及び空気噴流の形状について説明する。  
図３０は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧及び空気噴流の形状を示す側面図である。図３１は、図３０のＡ−Ａ断面図である。
【００８１】
図３０及び図３１に示すように、燃料噴射弁９の噴射口１９から噴霧される燃料噴霧１４の形状は、周方向に均一なコーン状である。また、図２９に示すように、空気噴射口１９Ｂからは、高圧の空気流の噴流２２Ａが噴射される。燃料噴霧１４の噴霧角をθ６とすると、噴流２２Ａの噴射角θ７は、噴霧角θ６の１／２に対して、＋２〜３°程度大きいものである。例えば、噴霧角θ６が５０°の場合、噴射角θ７は、２８°とする。図２８に示した角度θ５は、噴射角θ７に等しくする。
【００８２】
次に、図３２〜図３４を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。  
図３２は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図３３は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図３４は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【００８３】
なお、図３２〜図３４は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図３２〜図３４において、図２６と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図３２〜図３４に示すエンジンの運転状態は、エンジン始動時のファストアイドル運転で、エンジン回転数が約１０００ｒｐｍで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。
【００８４】
最初に、図３２を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。
【００８５】
燃料噴射弁９Ａの空気噴射口１９Ｂから点火プラグ１０を指向した方向に直接噴流２２Ａが噴射され、空気噴射口１９Ａからコーン状の着火用噴霧１４が点火プラグ１０の下方のピストン３に向けて噴射される。
【００８６】
次に、図３３を用いて、上死点前２０°における様子を説明する。
【００８７】
時間の経過によりピストン３が上昇し、着火用噴霧１４はピストン３の上面に停滞する。この時、噴流２２Ａが、着火用噴霧１４から気化した燃焼用混合気２４のみを点火プラグ１０へリードする。
【００８８】
次に、図３４を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。
燃焼用混合気２４を点火プラグ１０へリードした噴流２２Ａは、ピストン３が圧縮上死点に近づくと燃焼室４の内圧が急激に上昇するため、燃焼用混合気２４が点火プラグ１０へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気２４は点火プラグ１０を大きく通過することなく、点火プラグ１０で成層化することができる。
【００８９】
本実施形態においても、点火リタードの効果により、燃費とＮＯｘ排出量を低減できる。
【００９０】
以上のように、本実施形態では、燃料噴射弁９Ａから噴流２２Ａを直接噴射しているため、運転に必要な燃料量をすべて着火用噴霧１４で噴射することが可能であり、点火プラグ１０へ混合気を集中させることができる。したがって、リード噴霧１３及び噴流２２を点火プラグ１０に直接指向させなくとも、噴流２２によって燃焼用混合気２４を点火プラグ１０へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。また、点火プラグに指向する噴流は空気流であるため、点火プラグの燻りを防止することができる。
【００９１】
次に、図３５〜図４２を用いて、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成は、図１及び図２に示したものと同様である。  
最初に、図３５〜図３７を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。  
図３５は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。図３６は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。また、図３７は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。
【００９２】
図３５は、本実施形態による燃料噴射弁９Ｂの側面構成を示している。燃料噴射弁９Ｂの先端部の破線で囲まれた領域Ｘを拡大したものが、図３６である。
【００９３】
図３６に示すように、燃料噴射弁９Ｂのノズル１５は、リード噴霧１３を生成する燃料噴射口１９Ｃと、着火用噴霧１４を生成する燃料噴射口１９Ｄを有する構造となっている。燃料噴射口１９Ｃは、燃料噴射弁９Ｂをエンジンに取付けたときにリード噴霧１３が点火プラグ１０を指向するように、燃料噴射弁９Ｂの中心軸に対して角度θ８だけ傾けて形成されている。
【００９４】
また、図３７に示すように、燃料噴射口１９Ｃは、径が燃料噴射口１９Ｄより大きく形成されている。さらに、燃料噴射口１９Ｄは径が小さく、運転に必要な燃料量を噴射するために噴口を複数設けると共に、配置する位置を分散させて着火用噴霧１４の噴霧密度が小さくなるようにしている。
【００９５】
次に、図３８及び図３９を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状について説明する。  
図３８は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。図３９は、図３８のＡ−Ａ断面図である。
【００９６】
図３８及び図３９に示すように、燃料噴射弁９Ｂの噴射口１９Ｄから噴霧される燃料噴霧１４の形状は、周方向に均一な形状である。また、燃料噴射弁９Ｂの噴射口１９Ｃからは、高圧の燃料のリード噴霧１３が噴射される。燃料噴霧１４の噴霧角をθ９とすると、リード噴霧１３の噴射角θ１０は、噴霧角θ９の１／２に対して、＋２〜３°程度大きいものである。例えば、噴霧角θ９が５０°の場合、噴射角θ１０は、２８°とする。図２３５に示した角度θ８は、噴射角θ１０に等しくする。
【００９７】
次に、図４０〜図４２を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。  
図４０は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。また、図４１は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図４２は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【００９８】
なお、図４０〜図４２は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図４０〜図４２において、図１と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図４０〜図４２に示すエンジンの運転状態は、エンジン回転数が約１０００ｒｐｍで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。
【００９９】
最初に、図４０を用いて、燃料噴射直後の様子を説明する。
【０１００】
リード噴霧１３は、燃料噴射口１９Ｃの径が大きいため、噴霧粒径は比較的大きくなる。逆に、着火用噴霧１４は、燃料噴射口１９Ｄの径が小さいため、噴霧粒径は小さくなる。そのため、噴霧単体の運動量が小さい着火用噴霧１４は、空気との摩擦によって噴霧速度が減衰しやすく、リード噴霧１３が着火用噴霧１４に先行することになる。リード噴霧１３は、燃焼室４内を飛翔中に空気との摩擦によって点火プラグ１０方向に噴流２２を生成するが、着火用噴霧１４は噴霧密度が小さくなるよう複数、且つ分散して設けているため噴流は生じにくいものである。
【０１０１】
次に、図４１を用いて、上死点前２０°における様子を説明する。
【０１０２】
時間の経過によりピストン３が上昇し、着火用噴霧１４はピストン３の上面に停滞する。噴流２２は、着火用噴霧１４から気化した燃焼用混合気２４のみを点火プラグ１０へリードする。リード噴霧１３は点火プラグ３を通過しつつ気化し、  点火プラグ１０周りに燃焼用混合気２３を形成する。
【０１０３】
次に、図４２を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。
【０１０４】
燃焼用混合気２４を点火プラグ１０へリードした噴流２２は、ピストン３が圧縮上死点に近づくと燃焼室４の内圧が急激に上昇するため、燃焼用混合気２４が点火プラグ１０へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気２４は点火プラグ１０を大きく通過することなく、点火プラグ１０で成層化することができる。また、リード噴霧１３から気化した燃焼用混合気２３は、点火プラグ１０を過ぎたあたりで留まり、図のように点火プラグ１０を中心として混合気成層化を図ることができ、点火時において安定に成層燃焼することができる。
【０１０５】
本実施形態においても、図１４に示した領域Ｚのように、燃料噴射時期を上死点前３５°までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できる。したがって、点火リタードの効果により、燃費とＮＯｘ排出量を低減できる。
【０１０６】
以上のように、本実施形態では、燃料噴射弁９Ａから噴流２２Ａを直接噴射しているため、運転に必要な燃料量をすべて着火用噴霧１４で噴射することが可能であり、点火プラグ１０へ混合気を集中させることができる。したがって、リード噴霧１３及び噴流２２を点火プラグ１０に直接指向させなくとも、噴流２２によって燃焼用混合気２４を点火プラグ１０へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。
【０１０７】
次に、図４３〜図４５を用いて、本発明の第６の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の構成及び動作について説明する。本実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成は、図１及び図２に示したものと同様である。  
最初に、図４３を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関による噴流形成方法について説明する。  
図４３は、本発明の第６の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の側面図である。なお、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示している。
【０１０８】
本実施形態では、排気弁８Ｃは、図示しない可変バルブ機構により駆動され、開閉タイミングが可変である。そして、可変バルブ機構は、燃料噴射直前に、排気弁８Ｃを、少し開くように制御される。圧縮行程中に、排気弁８Ｃを僅かに開くことにより、圧縮中の空気は、排気弁８Ｃから逃げることにより、噴流２２を形成するようにしている。また、燃料噴射弁９Ｃは、通常のスワール式のものを用いている。運転条件は、エンジン始動時のファストアイドル運転で、エンジン回転数は約１０００ｒｐｍ、低負荷条件である。
【０１０９】
次に、図４３〜図４５を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関におけるエンジン始動直後のファストアイドル運転での動作について説明する。
図４４は、本発明の第６の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。さらに、図４５は、本発明の第６の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【０１１０】
なお、図４３〜図４５は、動作を説明するため、模式的に表している。また、図４３〜図４５において、図１と同一符号は、同一部分を示している。さらに、図４３〜図４５に示すエンジンの運転状態は、エンジン回転数が約１０００ｒｐｍで、低負荷条件である。また、吸気行程から圧縮行程の燃料噴射前までの動作は、前述の実施形態と同様である。
【０１１１】
最初に、図４３を用いて、燃料噴射直前の様子を説明する。
【０１１２】
圧縮行程後期では燃焼室４内は非常に高圧のため、排気弁８Ｃを少し開くことにより、燃焼室４と排気ポート６の圧力差によって空気流動が生じる。この時、燃料噴射弁９Ｃを吸気側壁面に、点火プラグ１０を燃焼室４の中心上部に設けておくことにより、吸気側から排気側へ向かう噴流２２が生成される。燃料噴射時期には、排気弁８Ｃは閉じるように制御する。
【０１１３】
次に、図４４を用いて、上死点前２０°における様子を説明する。
時間の経過によりピストン３が上昇し、着火用噴霧１４はピストン３の上面に停滞する。この時、噴流２２が、着火用噴霧１４から気化した燃焼用混合気２４のみを点火プラグ１０へリードする。
【０１１４】
次に、図４５を用いて、点火時期であるピストン上死点における様子を説明する。
【０１１５】
燃焼用混合気２４を点火プラグ１０へリードした噴流２２は、ピストン３が圧縮上死点に近づくと燃焼室４の内圧が急激に上昇するため、燃焼用混合気２４が点火プラグ１０へ到達する頃には消滅する。そのため、燃焼用混合気２４は点火プラグ１０を大きく通過することなく、点火プラグ１０の少し排気側で成層化することができる。
【０１１６】
なお、上述の方式では、排気弁を開くことによって噴流を生成するようにしているが、排気側に空気を抜く配管を設けることによって噴流を生成するものでもよい。
【０１１７】
本実施形態においても、図１４に示した領域Ｚのように、燃料噴射時期を上死点前３５°までリタード可能で、点火時期が上死点近くでも安定に燃焼できる。したがって、点火リタードの効果により、燃費とＮＯｘ排出量を低減できる。
以上のように、本実施形態では、燃料噴射弁９Ａから噴流２２Ａを直接噴射しているため、運転に必要な燃料量をすべて着火用噴霧１４で噴射することが可能であり、点火プラグ１０へ混合気を集中させることができる。したがって、リード噴霧１３及び噴流２２を点火プラグ１０に直接指向させなくとも、噴流２２によって燃焼用混合気２４を点火プラグ１０へ成層化させることが可能である。したがって、燃焼室内に生成されるタンブルに頼ることなく、ロバスト性の高い成層燃焼を可能とすることができる。
【０１１８】
次に、図４６〜図４８を用いて、本発明の第７の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムの構成及び動作について説明する。  
最初に、図４６を用いて、本実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムの構成について説明する。  
図４６は、本発明の第７の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムの構成を示すシステム構成図である。なお、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示している。
【０１１９】
燃焼室４には、それぞれ、２つの吸気ポート５と、２つの排気ポート６が開口している。２つの吸気ポート５の開口部には、この開口部を開閉する２本の吸気弁７が設けられている。また、２つの排気ポート６の開口部には、この開口部を開閉する２本の排気弁８が設けられている。燃焼室４の吸気側壁面には、燃料噴射弁９が設けられている。また、燃焼室４の中心上部には、点火プラグ１０が設けられている。燃料噴射弁９の構成は、図４，図５に示したものと同様である。なお、燃料噴射弁９としては、図１７及び図１８に示した構成や、図２８及び２９に示した構成や、図３６及び図３７に示した構成のものを用いてもよいものである。また、燃料噴射弁９と点火プラグ１０の位置関係は、図８に示したような関係となっている。
【０１２０】
さらに、吸気ポート５の上流の吸気管には、吸入空気量Ｑａを測定する空気量センサ３０が設けられている。測定された吸入空気量Ｑａは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１００に取り込まれる。また、吸気管には、電子制御スロットル３２が設けられている。電子制御スロットル３２のスロットル弁の開度θＴＶは、ＥＣＵ１００によって制御される。
【０１２１】
シリンダブロック２には、水温センサ３４が設けられている。水温センサ３４によって検出された水温Ｔｗは、ＥＣＵ１００に取り込まれる。エンジンのクランクシャフトには、クランク角センサ３６が設けられている。クランク角センサ３６によって検出されたエンジン回転数Ｎｅは、ＥＣＵ１００に取り込まれる。また、アクセルペダル３８の踏込み量θａｃｃは、ＥＣＵ１００に取り込まれる。
【０１２２】
ＥＣＵ１００は、制御処理を実行するＭＰＵ１１０と、制御プログラムを格納したＥＰ−ＲＯＭ１２０と、制御を実行するためのメモリであるＲＡＭ１３０と、外部のセンサやアクチュエータとの入出力処理を行うＩ／Ｏ１４０とを備えている。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ３６によって検出されたエンジン回転数Ｎｅ及び空気量センサ３０によって測定された吸入空気量Ｑａに基づいて、燃料噴射量Ｔｐを演算し、燃料噴射弁９に燃料噴射信号を出力する。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ３６によって検出されたエンジン回転数Ｎｅ，アクセルペダル３８の踏込み量θａｃｃ及び水温センサ３４によって検出された水温Ｔｗに基づいて、点火タイミング信号θａｄを演算し、点火プラグ１０に点火信号を出力する。ＥＣＵ１００は、アクセルペダル３８の踏込み量θａｃｃに基づいて、スロットル開度θＴＶを演算し、電子制御スロットル３２にスロットル開度信号を出力する。
【０１２３】
次に、図４７及び図４８を用いて、ＥＣＵ１００による各運転領域における燃料噴射制御と点火時期制御の内容について説明する。  
図４７は、本発明の第７の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムにおける運転領域の説明図である。図４８は、本発明の第７の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムによる制御内容の説明図である。
【０１２４】
図４７において、横軸は、エンジン回転数Ｎｅ（ｒｐｍ）を示している。縦軸は負荷を示している。領域Ａ１は、クランキング領域である。クランキング領域では、空燃比（Ａ／Ｆ）が、例えば，４０となるように制御される。領域Ａ２は、アイドル領域である。アイドル領域では、空燃比（Ａ／Ｆ）が、例えば，４０となるように制御される。領域Ａ３は、中低負荷中低回転領域である。中低負荷中低回転領域では、空燃比（Ａ／Ｆ）が、例えば，２５〜３５となるように制御される。領域Ａ１〜Ａ３の範囲内では、成層燃焼が行われる。
【０１２５】
領域Ａ４は、高低負荷中低回転領域である。高低負荷中低回転領域では、空燃比（Ａ／Ｆ）が、例えば，１４．７となるように制御される。領域Ａ５は、中低負荷高回転領域である。中低負荷高低回転領域では、空燃比（Ａ／Ｆ）が、例えば，１４．７となるように制御される。
【０１２６】
次に、図４８において、横軸はクランク角を示している。また、横軸は、吸気行程（ＩＮＴ），圧縮行程（ＣＯＭ），膨張行程（ＥＸＰ）を示している。図中のハッチングの領域は、燃料噴射タイミングを示している。また、矢印Ｉｇｔは、点火タイミングを示している。
【０１２７】
領域Ａ１では、上述したように、空燃比（Ａ／Ｆ）が、例えば，４０となるように成層燃焼される。そのため、圧縮行程（ＣＯＭＰ）において、上死点（ＴＤＣ）前６０°付近で燃料噴射を開始する。点火タイミングは、上死点（ＴＤＣ）である。
【０１２８】
また、領域Ａ２では、上述したように、空燃比（Ａ／Ｆ）が、例えば，４０となるように成層燃焼される。また、領域Ａ３では、上述したように、空燃比（Ａ／Ｆ）が、例えば，２５〜３５となるように成層燃焼される。そのため、圧縮行程（ＣＯＭＰ）において、アイドル時は、上死点（ＴＤＣ）前４０〜３５°付近で燃料噴射を開始する。ファーストアイドル時は、上死点（ＴＤＣ）前５０〜４０°付近で燃料噴射を開始する。点火タイミングは、上死点（ＴＤＣ）前２０°である。
【０１２９】
また、領域Ａ４及び領域Ａ５では、上述したように、空燃比（Ａ／Ｆ）が、例えば，１４．７となるように制御される。そのため、圧縮行程（ＣＯＭＰ）において、下死点（ＢＤＣ）で燃料噴射が終了するように、燃料噴射される。点火タイミングは、上死点（ＴＤＣ）前２０°である。
【０１３０】
以上のように、本実施形態では、ロバスト性の高い成層燃焼が可能であり、燃費とＮＯｘ排出量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンの吸気管中心における断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンのシリンダ中心における断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。
【図７】図７は、図６のＡ−Ａ断面図である。
【図８】図８は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す側面図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す側面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す側面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【図１４】図１４は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における安定燃料領域の説明側面図である。
【図１５】図１５は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。
【図１６】図１６は、図１５のＡ−Ａ断面図である。
【図１７】図１７は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。
【図１９】図１９は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。
【図２０】図２０は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。
【図２１】図２１は、本発明の第２の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【図２２】図２２は、本発明の第３の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンのシリンダ中心における断面図である。
【図２３】図２３は、本発明の第３の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。
【図２４】図２４は、本発明の第３の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。
【図２５】図２５は、本発明の第３の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【図２６】図２６は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の全体構成を示す断面図であり、エンジンの吸気管中心における断面図である。
【図２７】図２７は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。
【図２８】図２８は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。
【図２９】図２９は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。
【図３０】図３０は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧及び空気噴流の形状を示す側面図である。
【図３１】図３１は、図３０のＡ−Ａ断面図である。
【図３２】図３２は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。
【図３３】図３３は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。
【図３４】図３４は、本発明の第４の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【図３５】図３５は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。
【図３６】図３６は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。
【図３７】図３７は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。
【図３８】図３８は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。
【図３９】図３９は、図３８のＡ−Ａ断面図である。
【図４０】図４０は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における燃料噴射直後の噴霧状態を示す平面図である。
【図４１】図４１は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。
【図４２】図４２は、本発明の第５の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【図４３】図４３は、本発明の第６の実施形態による筒内噴射式火花点火機関の側面図である。
【図４４】図４４は、本発明の第６の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前２０°での噴霧状態を示す平面図である。
【図４５】図４５は、本発明の第６の実施形態による筒内噴射式火花点火機関における上死点前での噴霧状態を示す平面図である。
【図４６】図４６は、本発明の第７の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムの構成を示すシステム構成図である。
【図４７】図４７は、本発明の第７の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムにおける運転領域の説明図である。
【図４８】図４８は、本発明の第７の実施形態による筒内噴射式火花点火機関を用いたエンジン制御システムによる制御内容の説明図である。
【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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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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