(57)【要約】【課題】  冷機始動時における点火リタード時の燃焼安定性の向上と、全開条件での高出力化，スモークの低減，オイル希釈によるシリンダライナ磨耗防止を達成する。【解決手段】  噴孔に流入する燃料の流れとプレートに設けた噴孔の中心軸によって決まる燃料流入角度について、点火プラグを指向した噴孔の燃料流入角度を大きくして有効流路面積を小さくして燃料流量を他の噴孔よりも小さくする。ピストン冠面には浅いキャビティを設け、その中に燃料噴霧に対向する小さな突起を設ける。【選択図】図１
2009024683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁体と、
当該弁体が当接するシート面を備えた弁座部材と、
当該弁座部材の外表面に一端が開口し、その他端が前記シート面よりも中心よりで、前記弁座部材の内側面に開口する複数個の燃料噴射オリフィスを備えた筒内ガソリン噴射型内燃機関用のインジェクタにおいて、
前記各オリフィスは前記弁体の移動軸線に対して傾斜を有する複数の傾斜軸線の周りに形成されており、
当該傾斜軸線の一つが他のいずれの傾斜軸線の傾斜角度より小さい傾斜角度を有しており、
当該インジェクタがエンジンに取り付けられる際、前記傾斜角度が最も小さい前記傾斜軸線の周りに形成された前記燃料噴射オリフィスがピストンの冠面の中央部に向って燃料を噴射するように取り付けられる
筒内ガソリン噴射型内燃機関用のインジェクタ。
【請求項２】
弁体と、
当該弁体が当接するシート面を備えた弁座部材と、
当該弁座部材の外表面に一端が開口し、その他端が前記シート面よりも中心よりで、前記弁座部材の内側面に開口する複数個の燃料噴射オリフィスを備えた筒内ガソリン噴射型内燃機関用のインジェクタにおいて、
前記各オリフィスは前記弁体の移動軸線に対して傾斜を有する複数の傾斜軸線の周りに形成されており、
当該傾斜軸線の一つが他の傾斜軸線の傾斜角度より大きい傾斜角度を有しており、
当該インジェクタがエンジンに取り付けられる際、前記傾斜角度が最も大きい傾斜軸線の周りに形成された前記燃料噴射オリフィスが、シリンダヘッドの中心付近に取り付けられた点火プラグ若しくはその近傍に向って、燃料を噴射するように取り付けられる
筒内ガソリン噴射型内燃機関用のインジェクタ。
【請求項３】
請求項１に記載されたものにおいて、
前記インジェクタがエンジンに取り付けられる際、前記傾斜角度が最も小さい傾斜軸線の周りに形成された前記燃料噴射オリフィスが他のいずれのオリフィスよりも前記ピストンの下死点側に最も近い位置になるように取り付けられる
筒内ガソリン噴射型内燃機関用のインジェクタ。
【請求項４】
請求項２に記載されたものにおいて、
前記インジェクタがエンジンに取り付けられる際、前記傾斜角度が最も大きい傾斜軸線の周りに形成された前記燃料噴射オリフィスが他のいずれのオリフィスよりも前記ピストンの下死点から最も遠い位置になるように取り付けられる
筒内ガソリン噴射型内燃機関用のインジェクタ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載されたものにおいて、
残る前記燃料噴射オリフィスの内の２つは、その傾斜軸線が前記インジェクタの下方に向って、ピストンの両サイド方向に互いに離れるように傾斜している
筒内ガソリン噴射型内燃機関用のインジェクタ。
【請求項６】
請求項５に記載されたものにおいて、
残る前記燃料噴射オリフィスの内の少なくとも２つはその傾斜軸線が、前記インジェクタの下方に向って、ピストンの両サイド方向に互いに離れるように傾斜している前記２つの傾斜軸線より開き角度が小さく、かつインジェクタから離れた位置の前記ピストンの両サイドに向って傾斜している
筒内ガソリン噴射型内燃機関用のインジェクタ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載された前記インジェクタを備えた筒内ガソリン噴射型内燃機関において、
前記ピストンの冠面に、前記ピストン冠面を指向する前記燃料噴射オリフィスからの燃料噴霧の直進エネルギーを上昇エネルギーに変換するガイド用の小突起を設けた
筒内ガソリン噴射型内燃機関。
【請求項８】
請求項７に記載したものにおいて、
前記突起が前記ピストン冠面に設けた浅い窪みの中に設けられている
筒内ガソリン噴射型内燃機関。
【請求項９】
請求項７に記載したものにおいて、
前記インジェクタから噴射される複数の燃料噴霧は前記プラグ方向を指向するグループと前記ピストン方向を指向する２つのグループからなり、
前記ピストンを指向するグループは前記小突起より前記インジェクタ取付け側に近い位置で前記ピストンの両側部を指向する少なくとも一対の噴霧と、前記小突起より前記インジェクタ取付け側から遠い位置で前記ピストンの両側部を指向する少なくとも一対の噴霧と、前記ピストンの冠面の中央部で前記小突起より前記インジェクタ取付け側に近い位置を指向する少なくとも１本の噴霧を有する
筒内ガソリン噴射型内燃機関。
【請求項１０】
請求項８に記載したものにおいて、
前記浅い窪みが前記インジェクタ取付け側から反取付け側に細長く形成された長方形で、中央部が深く前記インジェクタ取付け側と反取付け側で浅くなるように湾曲しており、
前記インジェクタから噴射される複数の燃料噴霧は前記プラグ方向を指向するグループと前記ピストン方向を指向する２つのグループからなり、
前記ピストンを指向するグループは前記小突起より前記インジェクタ取付け側に近い位置で前記ピストンの前記溝より外側の冠面の両側部を指向する少なくとも一対の噴霧と、前記小突起より前記インジェクタ取付け側から遠い位置で前記ピストンの前記溝より外側の冠面の両側部を指向する少なくとも一対の噴霧と、前記ピストンの前記溝に設けた前記小突起より前記インジェクタ取付け側に近い位置を指向する少なくとも１本の噴霧を有する
筒内ガソリン噴射型内燃機関。
【請求項１１】
請求項８ないし１０のいずれかに記載したものにおいて、
前記小突起が前記溝の一番深い位置に形成されており、前記小突起の高さは前記溝の一番深い位置の深さより低い
筒内ガソリン噴射型内燃機関。
【請求項１２】
請求項７及び１１のいずれかに記載の筒内ガソリン噴射型内燃機関の燃焼方法であって、
前記ピストンの吸気行程中に前記筒内に燃料を噴射して、均質燃焼させる
筒内ガソリン噴射型内燃機関の燃焼方法。
【請求項１３】
請求項７及び１１のいずれかに記載の筒内ガソリン噴射型内燃機関の燃焼方法であって、
前記ピストンの圧縮行程中に前記筒内に燃料を噴射して、成層燃焼させる
筒内ガソリン噴射型内燃機関の燃焼方法。
【請求項１４】
請求項７及び１１のいずれかに記載の筒内ガソリン噴射型内燃機関の燃焼方法であって、
前記ピストンの冠面中央部を指向する前記インジェクタの噴霧が前記小突起より前記インジェクタ取付け側に近い位置で冠面に到達するよう、前記ピストンの上死点前後の特定のタイミングで前記インジェクタから燃料を噴射するようにした
筒内ガソリン噴射型内燃機関の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内ガソリン噴射型内燃機関に関し、特に複数の噴孔を有するインジェクタを備えたこの種機関とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の噴孔を有するインジェクタを備えた筒内ガソリン噴射型内燃機関エンジンにおいて、各噴孔から噴射される燃料噴霧の貫通力を変えるために噴孔流入部の曲面の半径を変える技術が、特開２００５−１３９９８９号公報に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３９９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
筒内ガソリン噴射型内燃機関の要求として、冷機始動時におけるファストアイドル条件において、点火時期を上死点よりも遅らせることにより燃焼効率を意識的に低下させて排気温度を上昇させる点火リタード燃焼方法を実行することがある。点火リタード燃焼では安定して燃焼させるために点火プラグに混合気を集める必要があり、噴孔から噴射される燃料噴霧を点火プラグ周辺あるいは下方の特定の位置に指向させたインジェクタによって燃料噴霧をシリンダ内に供給する。しかし、暖気後は燃焼効率の良い均質燃焼によって、完全燃焼を目指し、排気浄化と出力向上の両立を目指す。このためには吸気行程中にシリンダ内に燃料を噴射し均一混合気を形成する必要があるが、吸気行程で噴射した燃料は筒内圧力が大気圧と同等で低いため、燃料噴霧はペネトレーションが長くなってシリンダライナに付着しやすく、またオイル希釈によりシリンダライナが磨耗する可能性がある。さらにはシリンダやピストンへの燃料付着によりスモークが発生し排気が悪化するとともに気化も悪くなり出力低下を招く可能性がある。
【０００５】
このような課題を解決するため、点火プラグに指向させた噴孔から噴射される燃料の噴霧貫通力（ペネトレーション）を小さくする必要がある。上記従来技術では噴孔流入部の曲面の半径を変えて噴霧の貫通力を変えるが噴孔部の寸法は非常に小さく高い加工精度が要求される他、加工誤差の影響により要求流量と実流量が異なる可能性があり量産が困難である。また、別の方法として噴孔径を変えることが考えられるが噴孔径が大きくなると噴霧の粒径が大きく燃焼性能が悪化する問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、特殊な加工無しで点火プラグに指向した噴霧の貫通力を小さくし、冷機時と暖気後の燃焼を両立を実現するインジェクタとそれを用いた筒内ガソリン噴射型内燃機関およびその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では上記目的を達成するために、多孔式のインジェクタの各オリフィスはインジェクタの弁体の移動軸線に対して傾斜を有する複数の傾斜軸線の周りに形成されており、
当該傾斜軸線の一つが他のいずれの傾斜軸線の傾斜角度より小さい傾斜角度を有しており、当該インジェクタがエンジンに取り付けられる際、前記傾斜角度が最も小さい前記傾斜軸線の周りに形成された前記燃料噴射オリフィスがピストンの冠面の中央部に向って燃料を噴射するように取り付けられることによって達成される。
【０００８】
また、別の発明では、多孔式のインジェクタの各オリフィスはインジェクタの弁体の移動軸線に対して傾斜を有する複数の傾斜軸線の周りに形成されており、当該傾斜軸線の一つが他の傾斜軸線の傾斜角度より大きい傾斜角度を有しており、当該インジェクタがエンジンに取り付けられる際、前記傾斜角度が最も大きい傾斜軸線の周りに形成された前記燃料噴射オリフィスがシリンダヘッドの中心付近に取り付けられた点火プラグ若しくはその近傍に向って燃料を噴射するように取り付けられることによって達成される。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように構成された本発明によれば、噴孔に流入する燃料の流れと噴孔の中心軸によって決まる燃料流入角度について、シリンダヘッドの中心付近を指向する噴孔の燃料流入角度を小さくして有効流路面積を大きくしたので、燃料流量を増やすことができ、結果的に、点火プラグを指向する噴孔の燃料流量を抑制でき、暖気後の吸気行程噴射時においても、噴霧燃料がシリンダライナに付着することがなく、従来の問題点を解消できた。
【００１０】
また別の発明によれば、噴孔に流入する燃料の流れと噴孔の中心軸によって決まる燃料流入角度について、点火プラグを指向した噴孔の燃料流入角度を大きくして有効流路面積を小さくしたので、燃料流量を減らすことができ、暖気後の吸気行程噴射時においても、噴霧燃料がシリンダライナに付着することがなく、従来の問題点を解消できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下図面に示す実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本実施例における筒内噴射エンジンの構成を図１に示す。
【００１３】
シリンダヘッド１とシリンダブロック２、およびシリンダブロック２内に滑合されたピストン３の冠面により燃焼室Ｃが形成され、シリンダヘッド１には燃焼室Ｃの中心上部に点火プラグ４が設けられている。
【００１４】
燃焼室Ｃに吸気管５と排気管６がそれぞれ開口しており、開口部を開閉する吸気弁７と排気弁８が設けられている。燃焼室Ｃの吸気側には燃焼室Ｃに直接燃料を噴射するためのインジェクタ９が設けられる。インジェクタ９はインジェクタ９の中心軸Ａとシリンダ２の水平面Ｂ１（ピストン３の冠面の水平面Ｂ２）のなす角度が４０度となるようにシリンダヘッド１に設置される。
【００１５】
ピストン３を上から見た形状を図２に、図２のＡ−Ａ断面を図３に示す。ピストン３の冠面の中心部には吸気弁側ＩＮから排気弁側ＥＸに向けてその中央部がもっとも深く、外周形状が長方形で、断面が弧状の曲面形状の底面を持つキャビティ１０が設けられ、キャビティ１０の両側壁１３はピストン３の水平面１１よりも高い壁として形成されている。また、キャビティ１０の底面は断面Ａ−Ａに沿う方向には平坦な面になっており、断面Ａ−Ａに直角方向には図１のように吸排気弁側に行くに従ってだんだん浅くなる弧状になっている。このキャビティ１０には、ピストン３の点火プラグ４に対面する位置を横切るように図２，図３に示すような細長い小さな凸部１２が形成されており、凸部１２はキャビティ１０の底面に対し滑らかな曲面で接続されている。凸部１２の高さはキャビティ１０の底面から２mmとしている。キャビティ１０の側壁１３は図３に示すように外側に向かって曲面となっており、ピストン３冠面とキャビティ１０底面に接続されている。キャビティ１０内は凸部１２以外の段差は設けていない。キャビティ１０の側壁１３はキャビティの底面から約５mmに形成されている。
【００１６】
インジェクタ９の噴霧形状を図４，図５に示す。図４は燃料圧力１１ＭＰａ、雰囲気圧力が大気圧の条件において観察した時の噴霧外観形状を表している。図５はインジェクタ９の先端から３０mmの地点でインジェクタの中心軸線に直角な面Ｂ−Ｂにおける、燃料噴射から１ｍｓ後の噴霧の断面形状を表している。
【００１７】
インジェクタ９の先端部の断面形状を図６に示す。インジェクタ９の先端には噴孔１４ａ〜１４ｆが設けられたプレート１５が配置されている。なお図６は図７の中心線VI−VIに沿った断面のため噴孔１４ａ，１４ｂのみが見えている状態である。中心にはニードル弁１６が配置されており、その周囲に燃料流路１７が設けられている。燃料は図の上側から供給される。
【００１８】
通常はインジェクタ９内に設けられたバネの力によりニードル弁１６がプレート１５のシート面（弁座面）１５Ａに押し付けられた状態となっており、ニードル弁１６によりシールされ燃料は噴射されることはない。燃料噴射時にニードル弁１６がリフトすると、燃料は燃料流路１７から噴孔１４ａ〜１４ｅへ流入し、ザグリ部１８（噴孔の先端側に設けた大径部）を通過して噴射される。このとき、噴孔長さをＬ（噴孔１４ａ〜１４ｅの小径部長さ）、噴孔径をＤ（噴孔１４ａ〜１４ｅの小径部の直径：図９参照）とすると、Ｌ／Ｄは１.５ となるようにザグリ１８の長さが決められている。
【００１９】
プレート１５のニードル弁１６側からみた形状を図７に示す。プレート１５にはインジェクタ９の中心軸Ａを中心とした同心円上に噴孔１４ａ〜１４ｆが配置されている。また、各噴孔の間隔は均等で噴孔径は同一径（Ｄ）と形成しているが、噴孔の方向（傾斜軸線）は異なっている。各噴孔の方向（傾斜軸線）は、図５に示すように噴孔１４ａから噴射された燃料が噴霧１９ａ、噴孔１４ｂから噴射された燃料が噴霧１９ｂ、噴孔１４ｃから噴射された燃料が噴霧１９ｃ、噴孔１４ｄから噴射された燃料が噴霧１９ｄ、噴孔１４ｅから噴射された燃料が噴霧１９ｅ、噴孔１４ｆから噴射された燃料が噴霧１９ｆとなるように決定されている。
【００２０】
プレート１５をインジェクタ９の下側から見た形状を図８に示す。噴孔１４の上流側は円周上に均等に配置されているが各噴孔の方向が異なるため、噴孔下流側（出口側）のザグリ１８は同一円周上には存在せず、その間隔も不均一となる。なお、噴霧は図５のＤＤ線に対して対称形状としている。噴射された噴霧の間隔が狭い場合、噴霧同士の干渉により噴霧形状と噴霧の方向が変化するため、１４ａと１４ｃの傾斜軸線１４Ａと１４Ｃの成す角度α１、１４ｃと１４ｅ傾斜軸線１４Ｃと１４Ｅの成す角度α２、１４ｅと１４ｂの傾斜軸線１４Ｅと１４Ｂの成す角度α３、１４ｃと１４ｄの傾斜軸線１４Ｃと１４Ｄの成す角度α４をそれぞれ２０度以上としている。
【００２１】
ニードル弁１６の先端部を拡大したものを図９に示す。また、噴孔１４ａの断面を図１０に、噴孔１４ｂの断面を図１１に示す。燃料は燃料流路１７からニードル弁１６とプレート１５の隙間を通過し噴孔１４へ流入する。燃料の流入する上流側のプレート１５の上流側の面から各噴孔の中心軸の成す角度をβとすると、１４ａ中心軸の成す角度βａに対し噴孔１４ｂ中心軸の成す角度βａよりも大きくなるよう各噴口が傾斜して設けられている。そのため、燃料が噴孔１４ａに流入した際に噴孔内に生じる偏りは噴孔１４ｂに流入した際に生じる偏りよりも大きくなる。噴孔１４内を燃料が通過する時の面積を有効流路面積Ｓとすると、噴孔１４ａの有効流路面積Ｓ１は噴孔１４ｂの有効流路面積Ｓ２よりも小さくなり、噴孔１４ａからの噴霧１９ａの流量は噴孔１４ｂからの噴霧１９ｂの流量よりも小さくなる。角度βと有効流路面積Ｓの関係は図１２のように角度βが大きくなるほど有効流路面積Ｓが小さくなり、角度βを変えることにより各噴霧の流量割合を変えることが可能となる。角度βは噴孔１４ｂが最小で、次に噴孔１４ｃ，１４ｄ、その次に噴孔１４ｅ，１４ｆ、そして噴孔１４ａが最大となり、次に噴霧１９ｃ，１９ｄ、その次に噴霧１９ｅ，１９ｆ、噴霧１９ａが最小となる。噴霧と流量の関係を見ると、図１３に示すようにインジェクタ９中心軸と噴霧中心Ｐまでの距離をＬとした場合、図１４に示すように距離Ｌが小さいほど噴霧流量が大きくなる関係にある。かくして噴霧１９ｂの流量割合が最大となり、噴射燃料量の２０ないし２５％をこの噴孔から供給し、残りの７５ないし８０％の燃料を残る５つの噴口からそれぞれ１０ないし２０％の範囲で分担して供給するよう設計されている。
【００２２】
インジェクタ９は噴霧１９ａが点火プラグ４に指向し、噴孔１４ａ，噴孔１４ｂがシリンダ中心断面上に位置するよう設置される。
【００２３】
具体的に、吸気行程で噴射する場合の噴霧状態を図１９，図２０，図２１と図５とを対応させて説明する。
【００２４】
噴孔１４ａからの噴霧１９ａは点火プラグ４の下方の空間に達し、混合気４２ａを形成する。噴孔１４ｂからの噴霧１９ｂはピストン冠面の中央に到達し、凸部（突起）１２によって点火プラグ方向へ変更され点火プラグ下方周辺に混合気４２ｂを形成する。
【００２５】
噴孔１４ｃ，１４ｄからの噴霧１９ｃ，１９ｄからの噴霧は排気弁側のピストン冠面部分の両側部に到達し混合気４２ｃ，４２ｄを形成する。
【００２６】
噴孔１４ｅ，１４ｆからの噴霧１９ｅ，１９ｆからの噴霧は吸気弁側のピストン冠面部分の両側部に到達し混合気４２ｅ，４２ｆを形成する。
【００２７】
このように、燃焼室の全体に混合気を広く分散形成できるので、シリンダ内の混合気が均一になり均質運転に好適な混合気分布が得られる。
【００２８】
この噴霧状態は圧縮行程後半あるいは、膨張行程前半で噴射する場合は状況が変化する。この場合は図１９に示すようにピストン冠面中央部を中心にして点火プラグの下部近傍に混合気が集中する。その結果、成層運転に好適な混合気分布が得られる。
【００２９】
ここで、図５のような噴霧形状を確認するための方法を以下に記述する。噴射する燃料は実際にエンジン内で噴射するガソリンが望ましいが、ガソリンと性状が同じ流体を用いても良い。この燃料の圧力を１１ＭＰａまで昇圧し、雰囲気圧力が大気圧の容器内に噴射する。この容器には厚さが５mm程度のシート光を入射できる窓と高感度カメラにより噴霧を撮影できる窓を設けておく必要がある。燃料噴射から終了までの噴射パルスは１ｍｓとし、インジェクタに駆動パルス信号を与え、燃料を噴射する。そして、駆動パルス信号に同期して、噴射から１ｍｓ後の噴霧の写真を撮影するようにすればよい。なお光源は噴霧形状が分かるものであれば何でもよい。噴霧は１ショットではなく、数十回から数百回の平均画像から見るほうが望ましい。
【００３０】
図１５はエンジン全体の概略を示す。ピストン３はコンロッド２０を介してクランク軸２１と連結されており、クランク軸２１にはクランク角度とエンジン回転数を検出可能なクランク角センサ２２が設置されている。シリンダブロック２には冷却水の温度を検出する水温センサ２３が設置されている。アクセルペダル２４には運転者の踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２５を備えている。吸気管５には吸入する空気量を調節可能な絞り弁２６が設けられており、その上流には吸入する空気量を検出可能なエアフローセンサ（図示しない）が設けられている。排気管６には三元触媒２７を備えており、その上流側には空燃比センサ２８を、下流にはＯ2 センサ２９が設けられている。インジェクタ９には高燃圧用の燃料配管３０によって燃料タンク３１内に設置された低圧ポンプ３２が接続されており、燃料配管３０の途中には燃料を更に昇圧する高圧ポンプ３３と燃料圧力を検出可能な燃料圧力センサ３４が設置されている。
【００３１】
電子制御装置（ＥＣＵ）３５は、設定されたプログラムに従って演算処理を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）３６，制御プログラムや演算に必要なデータを記憶しているリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）３７，演算結果を一時的に格納するためのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３８と、各センサからの信号を受信する入力回路３９，演算結果から各装置に信号を送信する出力回路４０で構成されている。
【００３２】
次に実施例１の動作について図１５から図１８により説明する。エンジンがキーオンされると、ＲＯＭ３７に記録されたプログラムに従い、まず水温センサ２３からの信号が入力回路３９を介しＣＰＵ３６に送られる。水温が８０℃以上の場合は既に暖気済みと判断され、ＲＯＭ３７に記録された一般的な条件によって始動される。
【００３３】
水温が８０℃未満の場合、冷機始動モードに設定され、予めＲＯＭ３７に記録されたパルス幅に従って燃料が噴射される。水温が低い場合燃料の気化性能が悪化するため、水温が低いほど燃料噴射量が多くなるマップデータをＲＯＭ３７に記録してある。また噴射時期，点火時期もＲＯＭ３７に記録された数値に設定され、スタータにより始動される。
【００３４】
クランク角センサ２２の信号が入力回路３９を介しＣＰＵ３６に送られる。回転数が１０００ｒ／min 未満の場合はクランキング条件と判定され、上述したようにＲＯＭ３７に記録されたパルス幅，噴射時期，点火時期に従って動作する。
【００３５】
始動時に回転数が１０００ｒ／min 以上になるとファストアイドル条件と判定される。ファストアイドルでは排気温度を高くするため、安定した燃焼が可能で、点火時期が最も遅角可能な時期に設定される。本実施例では上死点後３０度とした。燃料噴射回数は２回に設定され、１回目の噴射時期が上死点前３０度、２回目の噴射時期を上死点後２８度に設定した。これらの条件は燃焼が安定する範囲で決定される。燃料噴射量は、上述の噴射時期，点火時期においてＩＭＥＰ（図示平均有効圧）が１５０ｋＰａとなるように予めＲＯＭ３７に記録されている。また、１回目と２回目の燃料噴射量の割合が６：４になるように燃料噴射量が決定される。燃料噴射量に対し空燃比が１６となるようにスロットル２６の開度が制御される。
【００３６】
なお、点火時期を遅らせているため燃焼効率は悪く、ＩＭＥＰを１５０ｋＰａにするためには多くの燃料噴射量が必要であり、空燃比を１６にするために結果的にスロットル２６はほぼ全開状態となる。燃料圧力センサ３４の信号が入力装置３９を介してＲＡＭ３８に送られる。ＲＯＭ３７には予め燃料圧力と燃料噴射量から噴射パルス幅を決定可能なマップデータが記録されており、そのマップデータに従って１回目と２回目のパルス幅が決定される。
【００３７】
ファストアイドル状態で、エンジン回転数１４００ｒ／min の条件において、１回目の燃料噴射から１０度ほど経過した時の燃焼室内の様子を図１６に示す。なお、図１６から図１８はすべて燃焼室中心断面の様子である。
【００３８】
噴孔１４ａはインジェクタ９をエンジンに取り付けた場合に点火プラグ４のやや下側に向くようになっており、噴霧１９ａは点火プラグ４の下方へ進む。それに対し噴孔１４ｂはピストン３に向けられており、噴霧１９ｂはピストン３に衝突する。この時、噴霧１９ｂはピストン３のキャビティ１０の傾斜に沿って排気側に進行する。この時、燃料噴霧と空気との間に摩擦が生じ、噴霧１９ａは吸気から排気側に向かう空気流動Ｖ１を、噴霧１９ｂはピストン３の表面に排気側へ向かう空気流動Ｖ２を形成する。
【００３９】
上死点での燃焼室内の混合気の様子を図１７に示す。燃料噴射後はピストンが圧縮行程動作することにより筒内の空気温度は高温になっており、燃料が気化しやすい状態となっている。噴霧１９ａは点火プラグ４の下側を通過しながら混合気４１ａを形成する。噴霧１９ｂはピストン３のキャビティ１０表面を滑りながら混合気４１ｂを形成しつつ進んでいく。噴霧１９ａから気化した混合気４１ａは点火プラグ４の下側に、噴霧１９ｂから気化した混合気４１ｂはピストン３表面に存在している。噴霧１９ｂはピストン３に衝突しているため、空気流動Ｖ２は空気流動Ｖ１に比べ弱くなる。この時、空気流動Ｖ１周囲の圧力は空気流動Ｖ２周囲の圧力よりも低く、混合気４１ｂが空気流動Ｖ１によって引き上げられる現象が発生する。
【００４０】
点火時期である上死点後３０度での混合気の様子を図１７に示す。
【００４１】
空気流動Ｖ２はピストン３のキャビティ１０表面を沿って移動するが、ピストン３の中心部に設けた凸部１２により上昇流へと変わり、点火プラグ４の下で回転する渦となる。そのため、混合気４１ｂは空気流動Ｖ２の流れに乗って点火プラグ４の周囲に停滞することとなる。また、空気流動Ｖ１は空気流動Ｖ２の渦の影響を受け、空気流動Ｖ２とは反対に回転する渦となる。混合気４１ａは空気流動Ｖ１の流れに乗り、点火プラグ４の紙面右側、つまり排気弁側に停滞することになる。
【００４２】
リタード燃焼運転における燃焼安定性向上のため混合気を点火プラグ４に集中させる必要があり、図２３に示すように噴霧１９ｃ，噴霧１９ｄの方向を、Ｐ３，Ｐ４がＰ１とＰ２の範囲で且つＰ５とＰ６の範囲内となるようにすることが望ましい。これにより燃料噴射後に噴霧１９ｃ，噴霧１９ｄおよび噴霧１９ｅ，１９ｆはピストン３の側壁１３の内側に衝突し噴霧１９ｃから気化した混合気４１ｃと噴霧１９ｄから気化した混合気４１ｄは混合気４１ｂと同様にピストン３からプラグに向かう空気流動Ａによって引き上げられる。このとき噴霧１９ｅ，１９ｆから気化した混合気４１ｅ，４１ｆも同様にピストン３からプラグに向かう空気流動Ａによって引き上げられる。混合気４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆはまた、図１９に示すようにピストン３に設けられた側壁１３によって捕獲されるので、両サイドに拡散することはなく、混合気４１ａ，混合気４１ｂの周囲に分布し隠して混合気を点火プラグ４に集めることが出来る。
【００４３】
このように点火プラグ４近傍に混合気を集めることにより上死点後３０度のように点火時期を遅らせた条件でも安定に燃焼することが可能となる。更に、凸部１２の高さを２mmと小さくしているため混合気が凸部１２に過度に集中することがなく、ピストン３のキャビティ１０表面からのスモークの発生を抑制することが出来る。
【００４４】
次に本実施例における全開運転時の動作について図１及び図２０，図２１により説明する。暖気後、アクセルペダル２４が踏み込まれるとアクセル開度センサ２５の信号が入力回路３９を経由してＣＰＵ３６に送られ開度が検出される。同様にクランク角センサ２３から信号がＲＡＭ３８に送られ、ＣＰＵ３６によって回転数が計算される。ＣＰＵ３６はアクセル開度とエンジン回転数に対し予めＲＯＭ３７に用意された回転数と負荷のマップデータから絞り弁２６の開度を決定する。そして出力回路４０から信号が絞り弁２６に送られ、目標開度になるよう制御される。
【００４５】
燃料噴射量は空燃比が１１〜１４前後になるよう設定される。燃料噴射時期は、ＲＯＭ３８に用意されたアクセル開度とエンジン回転数のマップデータにより決定される。本実施例ではエンジン回転数が２０００ｒ／min の全開条件で上死点後６０度に設定されている。図１に燃料噴射直後のインジェクタから燃焼室内を横から観察した様子を示す。燃料噴射後、燃料は空気と混合し均一な混合気を形成する。
【００４６】
燃料噴射から２０度後のシリンダ内（筒内）の様子を図２０に示す。シリンダ内（筒内）には吸気によって生じるタンブル流Ｖｔが生成されるが、噴霧１９ａは噴霧１９ｂ，１９ｃ，１９ｄに対し流量を少なくしており噴霧の貫通力は弱い。そのため空気流動に流されてシリンダライナへ燃料が付着することがないので、オイル希釈による悪影響が無い。また、それぞれの噴霧はピストン３のキャビティ１０を中心としたピストン表面に付着し、ピストン３の熱により気化し、ピストン３冠面とシリンダヘッド内壁面との間に混合気を形成する。噴霧１９ａ〜１９ｆから気化した混合気４２ａ〜４２ｆはピストン３の冠面の近傍上方に形成された後、タンブル流Ｖｔにより攪拌されシリンダ内（筒内）に分散して均一混合気を形成する。なおピストン３のキャビティ１０の中に設けた凸部１２の高さは２mmであり、タンブル流Ｖｔに殆ど影響を与えない。図２１はピストン３を上から見た場合の各混合気の分布を表しており、各噴霧の間隔を２０度開けることにより燃焼室内の混合気を均一にすることが出来、燃焼に理想的な均一混合気を形成できる。全開条件において高出力を図るには吸気行程において燃料の気化を良くし、気化冷却効果による充填効率の向上及びノック限界の拡大が必要になる。そこで噴霧１９ｅ，噴霧１９ｆの方向は、図２２に示すように、噴射時期である６０ｄｅｇＡＴＤＣにおけるピストン位置において、２つの吸気弁７Ａ，７Ｂの外周部よりもインジェクタ取り付け壁面側の範囲（網掛け部の範囲）となり、且つピストン外周からボア径に対し２０％の距離Ｈの範囲内となるように設定している。上記範囲内では吸気弁７Ａ，７Ｂとシリンダライナの間隔が狭いため吸気弁７から流入した空気流動の速度が速く、空気とのせん断力により噴霧１９ｅ，噴霧１９ｆの気化を促進することが可能となる。
【００４７】
このときタンブル空気流は２つの吸気弁からシリンダ内に流入し対面するシリンダ内壁面で一つに合流してピストン冠面に沿う逆方向の流れになってインジェクタ取り付け側に戻る。この逆向きの空気の流れは混合気４２ｃ，４２ｄの間を通り、混合気４２ａ，４２ｂに対面する流れとなる。これによってシリンダ内に混合気が均一に分散できる。
【００４８】
本実施例ではキャビティ１０内に凸部１２を設けたピストン３を用いているが、点火時期が上死点後２０度程度で良い場合は図２４，図２５に示すように凸部の無いピストンを用いることが可能である。この場合でも安定燃焼が可能である。
【００４９】
以上の実施例で説明したピストンではピストンの冠面に、ＮＣ（数値制御）加工によって凸部（突起）１２を残してその前後にキャビティ１０の窪みを切削加工した。この形状では、ピストン冠面の窪みがシンプルになると共に、ピストンピンの挿通穴Ｐｉに対して直角方向で凸部（突起）１２の前後にほぼ均等に位置するのでピストンのキャビティに沿った方向およびキャビティに直角な方向のいずれにも熱変形によるひずみが少なく、ピストンの寿命に悪影響を与えることがない。
【００５０】
ピストン冠面のキャビティ１０の他の形状について図２６ないし図３７に基づき説明する。
【００５１】
図２６ないし図２８に示すピストンではピストンの中心Ｐｏを回転中心に持つ切削工具で、凸部（突起）１２の頂点位置まで回転研削して内周壁部１３０を形成し、その後ＮＣ（数値制御）加工によって凸部（突起）１２を残してその前後に窪み１０Ａと１０Ｂとを切削加工する。この形状では、ピストン冠面の窪みが一部回転切削で形成できるので、加工が簡単になると共に、ピストンピンの挿通穴Ｐｉ形成部に対して突起の前後にほぼ均等に半円状の窪みに位置するのでピストンの熱変形によるひずみが少なく、ピストンの寿命に悪影響を与えることがない。
【００５２】
図２９ないし図３１に示すピストンでは、ピストンの中心Ｐｏを回転中心に持つ切削工具で、断部１００の位置（深さ３mm）まで回転研削して内周壁部１３０を形成し、回転中心を線分Ｂ−Ｂ上でＰｓに移動してＮＣ加工によって深さ２mmの楕円の窪み１４０を切削加工する。これにより、楕円の窪み１４０の内周壁１２３の一部１２０が先の実施例の凸部（突起）１２に対応する突起部として機能する。この突起部１２０は直線ではなく弧状に形成される。その結果混合気４２ｂはプラグ４の周囲を取り囲むように形成される。
【００５３】
この形状では、実質的に２回の回転研削で加工できるので作業性が良い。混合気４２ｂの分布が燃焼に適した形状にできるという効果がある。
【００５４】
図３２ないし図３４に示すピストンでは、ピストンの中心Ｐｏを回転中心に持つ切削工具で、断部１００の位置（深さ３mm）まで回転研削して内周壁部１３０を形成し、回転中心を線分Ｂ−Ｂ上でＰｓに移動して２mmの円形窪み１４１を回転切削し、ついで、ＮＣ加工によって長方形の周壁１３２を切削加工する。これにより、長方形の内周壁１３２の一部１２０が先の実施例の凸部（突起）１２に対応する突起部として機能する。この突起部１２０は直線ではなく弧状に形成され、その結果混合気４２ｂはプラグ４の周囲を取り囲むように形成されるが図２９ないし図３１の実施例より突起の幅が広くできるので、混合気４２ｂを広範囲に形成できる。
【００５５】
図３５ないし図３７に示すピストンでは、図３２ないし図３４に示すピストンの長方形の内周壁１３２の一部１２０の両側が線分Ａ−Ａに対して傾斜する傾斜面になっているところが異なる。この違いによって混合気が中央寄り（プラグ周辺）に集められる効果がある。
【００５６】
以上説明した本実施例の特徴をまとめると以下の通りである。
【００５７】
〔実施態様１〕
複数の噴孔を有するプレートを先端に備えたインジェクタを燃焼室の吸気側に設置し、点火プラグを燃焼室中心上部に備え
プレートに設けられた複数の噴孔のうち少なくとも１つを点火プラグに指向させ、
少なくとも１つの噴孔を点火プラグとインジェクタと同一面上で点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側を指向させ、
少なくとも２つの噴孔を吸気側で且つピストン外周部に指向させ、
少なくとも２つの噴孔を、上記点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側で、且つピストン側に指向した噴孔よりも点火プラグ側で、且つピストン外周部に指向させた噴孔よりも内側の上記噴孔の指向範囲内を志向させ、
インジェクタ内部の燃料流路上流側から見た場合に、プレート面と噴孔の成す角度が、ピストンを指向した噴孔よりも点火プラグを指向した噴孔の方が大きいことを特徴とする複数の噴孔を有するインジェクタを備えた筒内噴射エンジンとその制御装置。
【００５８】
〔実施態様２〕
前記実施態様１において、
吸気側でピストン外周部を指向した噴孔とプレート面の成す角度が、ピストンを指向した噴孔とプレートの成す角度よりも大きいことを特徴とする複数の噴孔を有するインジェクタを備えた筒内噴射エンジンとその制御装置。
【００５９】
〔実施態様３〕
前記実施態様１において、
インジェクタ内部の燃料流路上流側から見た場合に、上記点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側で、且つピストン側に指向した噴孔よりも点火プラグ側で、且つピストン外周部に指向させた噴孔よりも内側の上記噴孔の指向範囲内を志向させた噴孔とプレート面の成す角度が、点火プラグを指向した噴孔とプレートの成す角度よりも大きいことを特徴とする複数の噴孔を有するインジェクタを備えた筒内噴射エンジンとその制御装置。
【００６０】
〔実施態様４〕
前記実施態様１において、
ピストンを指向した噴孔から噴射される燃料流量が、点火プラグを指向した噴孔から噴射される燃料流量よりも多いことを特徴とする複数の噴孔を有するインジェクタを備えた筒内噴射エンジンとその制御装置。
【００６１】
〔実施態様５〕
前記実施態様１において、
吸気側でピストン外周部を指向した噴孔から噴射される燃料流量が、ピストンを指向した噴孔から噴射される燃料流量よりも少ないことを特徴とする複数の噴孔を有するインジェクタを備えた筒内噴射エンジンとその制御装置。
【００６２】
〔実施態様６〕
前記実施態様１において、
インジェクタ内部の燃料流路上流側から見た場合に、上記点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側で、且つピストン側に指向した噴孔よりも点火プラグ側で、且つピストン外周部に指向させた噴孔よりも内側の上記噴孔の指向範囲内を志向させた噴孔から噴射される燃料流量が、点火プラグを指向した噴孔から噴射される燃料流量よりも大きいことを特徴とする複数の噴孔を有するインジェクタを備えた筒内噴射エンジンとその制御装置。
【００６３】
〔実施態様７〕
前記実施態様１において、
点火プラグを指向した噴孔と、ピストンを指向した噴孔と、吸気側でピストン外周部を指向した噴孔と、上記点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側で、且つピストン側に指向した噴孔よりも点火プラグ側で、且つピストン外周部に指向させた噴孔よりも内側の上記噴孔の指向範囲内を志向させた噴孔の噴孔中心軸の成す角度が２０度以上となっていることを特徴とする複数の噴孔を有するインジェクタを備えた筒内噴射エンジンとその制御装置。
【００６４】
以上の実施態様の作用効果は以下の通りである。
【００６５】
実施態様１記載の発明では、複数の噴孔を有するプレートを先端に備えたインジェクタを燃焼室の吸気側に設置し、点火プラグを燃焼室中心上部に備え、プレートに設けられた複数の噴孔のうち少なくとも１つを点火プラグに指向させ、少なくとも１つの噴孔を点火プラグとインジェクタと同一面上で点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側を指向させ、
少なくとも２つの噴孔を吸気側で且つピストン外周部に指向させ、少なくとも２つの噴孔を、上記点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側で、且つピストン側に指向した噴孔よりも点火プラグ側で、且つピストン外周部に指向させた噴孔よりも内側の上記噴孔の指向範囲内を志向させ、インジェクタ内部の燃料流路上流側から見た場合に、プレート面と噴孔の成す角度が、ピストンを指向した噴孔よりも点火プラグを指向した噴孔の方が大きくなるよう構成されている。
【００６６】
実施態様２記載の発明では、前記実施態様１において、吸気側でピストン外周部を指向した噴孔とプレート面の成す角度が、ピストンを指向した噴孔とプレートの成す角度よりも大きくなるよう構成されている。
【００６７】
実施態様３記載の発明では、前記実施態様１において、インジェクタ内部の燃料流路上流側から見た場合に、上記点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側で、且つピストン側に指向した噴孔よりも点火プラグ側で、且つピストン外周部に指向させた噴孔よりも内側の上記噴孔の指向範囲内を志向させた噴孔とプレート面の成す角度が、点火プラグを指向した噴孔とプレートの成す角度よりも大きくなるよう構成されている。
【００６８】
実施態様４記載の発明では、前記実施態様１において、ピストンを指向した噴孔から噴射される燃料流量が、点火プラグを指向した噴孔から噴射される燃料流量よりも多くなるよう構成されている。
【００６９】
実施態様５記載の発明では、前記実施態様１において、吸気側でピストン外周部を指向した噴孔から噴射される燃料流量が、ピストンを指向した噴孔から噴射される燃料流量よりも少なくなるよう構成されている。
【００７０】
実施態様６記載の発明では、前記実施態様１において、インジェクタ内部の燃料流路上流側から見た場合に、上記点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側で、且つピストン側に指向した噴孔よりも点火プラグ側で、且つピストン外周部に指向させた噴孔よりも内側の上記噴孔の指向範囲内を志向させた噴孔から噴射される燃料流量が、点火プラグを指向した噴孔から噴射される燃料流量よりも大きくなるよう構成されている。
【００７１】
実施態様７記載の発明では、前記実施態様１において、点火プラグを指向した噴孔と、ピストンを指向した噴孔と、吸気側でピストン外周部を指向した噴孔と、上記点火プラグに指向した噴孔よりもピストン側で、且つピストン側に指向した噴孔よりも点火プラグ側で、且つピストン外周部に指向させた噴孔よりも内側の上記噴孔の指向範囲内を志向させた噴孔の噴孔中心軸の成す角度が２０度以上となるよう構成されている。
【００７２】
以上説明した実施例の効果をまとめると以下の通りである。
【００７３】
噴孔に流入する燃料の流れとプレートに設けた噴孔の中心軸によって決まる燃料流入角度について、点火プラグを指向した噴孔の燃料流入角度を大きくして有効流路面積を小さくして燃料流量を減らすことにより、冷機始動時の点火リタード時において燃焼安定と高排気温度を得ることが出来、且つ全開条件で高出力、低スモーク及びオイル希釈による磨耗を無くすことができ冷機始動と全開条件の両立が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
実施例においては、噴口をプレートに形成したものについて説明したが、噴口はプレートに限らずインジェクタのノズル体の先端部に形成されてもよいし、弁体のガイド部と一体に形成ブロックの先端部に穿孔されていても良い。また弁体はニードル弁で攻勢したものを説明したが、球弁を用いても良い。さらに、球弁のシート面部より下流側の最先端部に円錐突出部を設けて、デッドボリュームを低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明における全開条件の燃料噴射直後の様子を示す。
【図２】本発明におけるピストン上面形状を示す。
【図３】本発明におけるＡ−Ａ断面のピストン形状を示す。
【図４】本発明における噴霧の外観形状を示す。
【図５】本発明におけるＢ−Ｂ断面の噴霧形状を示す。
【図６】本発明におけるノズル先端断面を示す。
【図７】本発明におけるプレートをインジェクタから見た形状を示す。
【図８】本発明におけるプレートをインジェクタ外側から見た形状を示す。
【図９】本発明における噴孔とプレートの関係を示す。
【図１０】本発明のＣ−Ｃ断面における燃料流路の様子を示す。
【図１１】本発明のＤ−Ｄ断面における燃料流路の様子を示す。
【図１２】プレートと噴孔の成す角βと有効流路面積Ｓの関係を示す。
【図１３】各噴霧の中心Ｐからインジェクタ中心までの距離Ｌの関係を示す。
【図１４】インジェクタ中心からの距離Ｌと燃料流量の関係を示す。
【図１５】本発明におけるエンジン構成を示す。
【図１６】本発明における冷機条件の燃料噴射後１０度の様子を示す。
【図１７】本発明における冷機条件の上死点の様子を示す。
【図１８】本発明における冷機条件の上死点後３０度の様子を示す。
【図１９】本発明の上死点後３０度のピストン上面から見た混合気の様子を示す。
【図２０】本発明における全開条件の燃料噴射後２０度の様子を示す。
【図２１】本発明における全開条件の燃料噴射後２０度においてピストン上面から見た様子を示す。
【図２２】本発明における噴霧１９ｅ，１９ｆの狙う範囲を示す。
【図２３】本発明における噴霧１９ｃ，１９ｄの狙う範囲を示す。
【図２４】本発明における凸部の無いピストンの中心断面形状を示す。
【図２５】本発明における凸部の無いピストンの上面から見た形状を示す。
【図２６】本発明に用いられるピストンの第３の例を示す上面図である。
【図２７】図２６のＡ−Ａ断面図である。
【図２８】図２６のＢ−Ｂ断面図である。
【図２９】本発明に用いられるピストンの第４の例を示す上面図である。
【図３０】図２９のＡ−Ａ断面図である。
【図３１】図２９のＢ−Ｂ断面図である。
【図３２】本発明に用いられるピストンの第５の例を示す上面図である。
【図３３】図３２のＡ−Ａ断面図である。
【図３４】図３２のＢ−Ｂ断面図である。
【図３５】本発明に用いられるピストンの第６の例を示す上面図である。
【図３６】図３５のＡ−Ａ断面図である。
【図３７】図３５のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
３  ピストン
４  点火プラグ
９  インジェクタ
１２  凸部
１４  噴孔
１９  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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【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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