(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ、冠面にキャビテイを有するピストン、燃焼室、該燃焼室内に配置された燃料噴射弁、点火プラグ、二つの吸気通路を有する吸気管、及び、前記二つの吸気通路内に配置された半円の蝶形弁を備えた筒内噴射式エンジンの燃焼方法であって、
前記燃料噴射弁は、燃料を前記燃焼室に噴霧し、
成層燃焼時に、前記蝶形弁を閉弁して前記吸気通路の上半分を解放し前記燃焼室内への空気流動を１方向のタンブル流として前記噴霧燃料の噴射方向と対抗させて混合気を形成すると共に、該混合気を移送し、前記点火プラグ付近に前記混合気を集めると共に、
均質燃焼時に、前記蝶形弁を開弁して前記燃焼室内への空気流動の速度を高めて２方向のタンブル流として前記噴霧燃料と混合させて均質混合気を形成することを特徴とする筒内噴射式エンジンの燃焼方法。
【請求項２】
前記燃料の噴霧は、噴霧の後縁（燃焼室側）の長さＬ２と前縁（点火プラグ側）の長さＬ１との比Ｌ１／Ｌ２が１．０から１．４の範囲となることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジンの燃焼方法。
【請求項３】
シリンダ、冠面にキャビテイを有するピストン、燃焼室、該燃焼室内に配置された燃料噴射弁、点火プラグ、二つの吸気通路を有する吸気管、及び、前記二つの吸気通路内に配置された半円の蝶形弁を備え、前記燃料噴射弁は、前記燃焼室の中央付近の上部に設置され、前記点火プラグは、二個設置され、一方の点火プラグが二つの吸気弁間の中間位置の前記燃焼室に、他方の点火プラグが前記燃料噴射弁の設置位置を中心として前記一方の点火プラグの反対側の前記燃焼室に配置した筒内噴射式エンジンの燃焼方法であって、
前記燃料噴射弁は、前記燃焼室の上部から下方に燃料を噴霧し、
成層燃焼時に、前記蝶形弁を閉弁して前記燃焼室内への空気流動を１方向のタンブル流として前記噴霧燃料の噴射方向と対抗させて混合気を形成すると共に、該混合気を移送し、前記点火プラグ付近に前記混合気を集めると共に、
成層燃焼時に、前記蝶形弁を開弁して前記燃焼室内への空気流動の速度を高めて２方向のタンブル流として前記噴霧燃料と混合させて均質混合気を形成することを特徴とする筒内噴射式エンジンの燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式エンジンの燃焼方法に係り、特に、気筒での均質燃焼と成層燃焼等の各燃焼状態における噴射燃料と空気との混合気形成を良好にした筒内噴射式エンジンの燃焼方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される内燃エンジンにおいては、有害成分を含む排出ガスの低減や、出力と燃費の向上を図るべく、筒内に直接燃料を噴射するガソリンエンジン（以下、筒内直噴式エンジン）が、種々提案されている。
該筒内直噴式エンジンは、部分負荷域運転においては、圧縮行程後期に燃料を噴射して成層化する成層燃焼を、高負荷域運転では吸気行程で燃料を噴射する均質燃焼を採用し、低燃費と高出力を同時に実現することを狙いとしている。
従来の筒内直噴式エンジンの一例としては、例えば、日本機械学会講習会教材（No96-49)「ガソリン筒内噴射エンジンの噴霧挙動」に開示された技術がある。
【０００３】
前記開示技術の筒内直噴式エンジンは、成層燃焼における基本構成を、（1）深いキャビテイを持つピストンとする、（2）高圧スワール燃料噴射弁を採用する、（3）逆タンブル流を生成する直立吸気ポート、を備えていることである。即ち、燃料噴射弁から燃焼室内に噴霧される燃料の拡散を防止するために深いキャビテイを備える構成としており、噴射した燃料を早く蒸発させるために微粒化の良い高圧スワール燃料噴射弁を採用しており、かつ、気筒内に吸気の逆タンブル流を発生させるべく直立吸気ポートを備えた構成となっている。そして、前記技術は、成層燃焼時に、噴霧した燃料を蒸発させて、点火プラグに供給するべく、ピストンのキャビテイに向けて燃料を噴射し、該燃料の噴射方向と同じ方向に流れる吸気の逆タンブル流に乗せて前記燃料を搬送している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記提示技術は、燃焼室内での噴霧された燃料の拡散を防ぐためにピストン上部に深いピストンキャビテイを必要とするが、該キャビテイが深くなると、ピストンの燃焼室側の表面積が大きくなって、該キャビテイで燃焼火炎が冷却される傾向が強くなって、熱損失が高くなり、その結果として、特に、高負荷の均質燃焼時等に、エンジン出力や燃費が低下してしまうという不具合を発生させる。
【０００５】
また、前記提示技術は、燃焼室内での燃料の噴射方向と吸気の流動方向（逆タンブル流）が同じ方向となるために、混合時に燃料の拡散が進まず、燃料の集中が進み過ぎる傾向があって、すすが発生し易い状態を発生させる傾向がある。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、成層燃焼と均質燃焼とのいずれの燃焼においても、排出ガス中のすす等の有害成分の排出を低減させると共に、出力や燃費を向上させた筒内直接燃料噴射ガソリンエンジン（筒内直噴式エンジン）の燃焼方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明の筒内直噴式エンジンの燃焼方法は、基本的には、シリンダ、冠面にキャビテイを有するピストン、燃焼室、該燃焼室内に配置された燃料噴射弁、点火プラグ、二つの吸気通路を有する吸気管、及び、前記二つの吸気通路内に配置された半円の蝶形弁を備えた筒内噴射式エンジンの燃焼方法であって、前記燃料噴射弁は、燃料を前記燃焼室に燃料を噴霧し、成層燃焼時に、前記蝶形弁を閉弁して前記吸気通路の上半分を解放し前記燃焼室内への空気流動を１方向のタンブル流として前記噴霧燃料の噴射方向と対抗させて混合気を形成すると共に、該混合気を移送し、前記点火プラグ付近に前記混合気を集めると共に、均質燃焼時に、前記蝶形弁を開弁して前記燃焼室内への空気流動の速度を高めて２方向のタンブル流として前記噴霧燃料と混合させて均質混合気を形成することを特徴としている。
【０００７】
そして、本発明の筒内噴射エンジンの燃焼方法の好ましい具体的な態様としては、前記燃料の噴霧は、噴霧の後縁（燃焼室側）の長さＬ２と前縁（点火プラグ側）の長さＬ１との比Ｌ１／Ｌ２が１．０から１．４の範囲となることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の筒内噴射エンジンの燃焼方法の好ましい他の態様としては、シリンダ、冠面にキャビテイを有するピストン、燃焼室、該燃焼室内に配置された燃料噴射弁、点火プラグ、二つの吸気通路を有する吸気管、及び、前記二つの吸気通路内に配置された半円の蝶形弁を備え、前記燃料噴射弁は、前記燃焼室の中央付近の上部に設置され、前記点火プラグは、二個設置され、一方の点火プラグが二つの吸気弁間の中間位置の前記燃焼室に、他方の点火プラグが前記燃料噴射弁の設置位置を中心として前記一方の点火プラグの反対側の前記燃焼室に配置した筒内噴射式エンジンの燃焼方法であって、前記燃料噴射弁は、前記燃焼室の上部から下方に燃料を噴霧し、成層燃焼時に、前記蝶形弁を閉弁して前記燃焼室内への空気流動を１方向のタンブル流として前記噴霧燃料の噴射方向と対抗させて混合気を形成すると共に、該混合気を移送し、前記点火プラグ付近に前記混合気を集めると共に、成層燃焼時に、前記蝶形弁を開弁して前記燃焼室内への空気流動の速度を高めて２方向のタンブル流として前記噴霧燃料と混合させて均質混合気を形成することを特徴としている。
【００１１】
前述の如く構成された本発明の筒内直噴式エンジンは、燃料噴射弁からの燃料の噴射方向と吸気管からのタンブル流の流動方向とを対抗させたので、成層燃焼時、該タンブル流で、噴射燃料を綴じ込み、適度な拡散として混合気を形成すると共に、該混合気を移送し、前記点火プラグ付近に前記混合気を集め、点火燃焼を容易に行うことができる。このため、ピストンの冠面に形成するキャビテイの深さを従来のものよりも浅くすることができる。
【００１２】
即ち、エンジンは、ピストン冠面が平坦であるほど、出力を増すことができるものであるから、ピストン冠面のキャビテイは浅いほうがより出力を増すことになる。通常、キャビテイが浅いと噴霧が拡散し、燃料の成層化が困難になるが、本発明は、燃料噴射弁の噴霧自身の貫通力を弱く（広角噴霧）し、噴霧の噴射方向と空気の流動方向を対抗させることで、噴霧の貫通力をさらに弱め、空気流で噴霧を綴じ込み、過剰な拡散を防止しながら点火プラグに導く様にして、良好な成層燃焼を達成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の筒内直接燃料噴射エンジンの実施形態について詳細に説明する。
図１から図４は、本発明の第一実施形態の筒内直接燃料噴射エンジン50を示しており、各図は、その作動状態（行程位置）を異にしている。図１において、前記筒内直接燃料噴射エンジン50は、シリンダ2、該シリンダ2内を往復するプストン1、該ピストン1の上部の燃焼室２ａ、及び、吸気管5を備えている。前記吸気管5には、TCV（タンブルコントロールバルブ）8と吸気弁6とが配設されており、吸気行程時にTCV8より吸気が噴流12となって吸気管5内を流れ、吸気弁6より燃焼室2a内に矢印の様なタンブル流11を発生させる。
【００１４】
また、点火プラグ3は、燃焼室2のほぼ中央に設置されている。燃料噴射弁4は、燃焼室2に先端が開口されて設置されている。この燃料噴射弁4は、噴霧に旋回力を与えて微粒化する旋回型であり、中空なコーン状の燃料噴霧9をつくる。燃料噴霧9は、ピストン1の冠面に付けられたキャビテイ7に向けて噴射される。燃料噴霧9は、タンブル流11と衝突し、噴霧の一部は、気化し混合気10となって点火プラグ3に導かれ燃焼する。燃料噴霧9の他の部分は、キャビテイ7に衝突し気化しながら混合気となりキャビテイ内に滞留するか、一部は、キャビテイ7の側壁を伝わり点火プラグ3の方向に移動し、燃焼する。
【００１５】
図２は、吸気行程時の吸気の流れを示したものである。吸気管5内のTCV8は、吸気管5の上半分が開放されており、吸気は噴流12となって、吸気管の上側を流れ、吸気弁6の点火プラグ側（燃焼室2の中心寄）より流入する。そのために、燃焼室2内には、タンブル流11が矢印の方向に発生する。
【００１６】
図３は、TCV8が開いたときの吸気の流れを示しており、燃焼室2内には、2方向のタンブル流11a,11bが発生する。このような場合は、噴霧燃料が、吸気全体に混合し易くなり、均質混合気を作るのに最適となる。本実施形態でも、大きなエンジン出力を必要とする場合には、このようにTCV8を開き、吸気行程時に燃料を噴射すれば、均質混合気を得ることが出来る。
【００１７】
図４は、タンブル流を発生させる他の手段を示したものである。吸気管5にバイパス弁13を配設し、該バイパス弁13を迂回するバイパス吸気通路（AJS）14を設置したものである。AJS14は、吸気の噴流を拡散せず、吸気弁6の近くに導けるため強いタンブル流を作ることができる。バイパス弁13を開くことにより噴流の速度を調節できタンブル流11の強度調節が出来る。
【００１８】
図５は、ピストン1の冠面に設けたキャビテイ7を示しており、本実施形態は、該キャビテイ7を点火プラグ３側からみて楕円形にしている。本実施形態の様なタンブル流で成層燃焼させる場合には、キャビテイ７が燃料の噴射方向に長い楕円形が有利である。成層燃焼の場合、噴射された燃料噴霧は、図１に示すようにキャビテイ7の底面に当たり、蒸発しながら進み、プラグ3の方向に上昇する。この燃料は、噴射時にタンブル流11と燃料噴霧9の衝突で形成される混合気10より遅れてプラグ3に供給されるため、圧縮行程の比較的長い範囲に渡って供給される。つまり、筒内噴射では、燃料の噴射時間が短いため噴霧の拡散が不十分の場合に、大量の燃料が一度にプラグ供給されることで、燃焼不良やすすを発生する。
【００１９】
図６は、キャビテイ7を円形に形成した例である。燃料の噴霧角が広い場合に、楕円キャビテイは、径の小さい側で、燃料噴霧がキャビテイに収まりきらずに、キャビテイ外に漏れ出してしまう恐れがある。そのような場合は、漏れ出した燃料が未燃焼のまま排出され、燃費や排気の悪化になるので、大きな円形のキャビテイ7とする。
【００２０】
図７は、楕円形のキャビテイ7の底面に凹凸条を設けたものであり、図８は、図７のA-A'断面である。燃料噴霧の方向及びタンブル流と直交する方向に延びる凹凸条を付設したものであり、燃料の蒸発を促進するようにしたものである。
図９は、円形キャビテイ7の場合の底面に凹凸条を設けたものであり、図１０は、図９のBーB’断面である。この場合の空気の流れは、スワール流で示したが、タンブル流であっても良い。タンブル流の場合は、凹凸条の延びている方向に沿って燃料噴霧が流れるために、幅広くキャビテイから噴き上がり、燃料の分散がよくなる。
【００２１】
図１１は、同様に、楕円キャビテイ7を示しており、図１２は、図１１のCーC’断面である。底面18は、曲面として形成され、底面18が曲面の場合には、キャビテイの中心に落ちた噴霧は、そのまま直進して進むため早くキャビテイから噴き上がり、中心より離れて落ちた噴霧は、中心に落ちながら進むために、移動距離が長くなり、時間的な分散が進み、プラグへの到達時間に時間差が出来る。
図１３は、タンブル流を形成するための実施形態であり、TCV8a,8bの切欠きを内側に寄せたものである。噴流12a,12bは、吸気通路の内側よりに燃焼室2ａに流入する。流入した噴流は、タンブル流11a,11bとなる。タンブル流11a,11bは、燃焼室2ａの中心付近で互いに合流する様に流れ、より強いタンブル流を作る。
【００２２】
図１４は、吸気通路(AJS)14a,14bでタンブル流を作る場合の実施形態であり、この場合は、より強いタンブル流を作ると共に、吸気通路の出口を自由に選定できるため任意のタンブル流ができる。
図１５は、タンブル流形成の他の手段である。TCV8a,8bの切欠きを互いに外側に取付けた場合であり、この場合には、燃焼室2aに独立した二つのタンブル流12a.12bを形成できる。このような二つのタンブル流を作ると、燃焼室2aの中心付近は、吸気の流れの少ない淀みが出来て、そこに燃料を噴射すると、噴霧は、拡散せず噴霧自身の力でプラグ近くに噴き上がり点火することが出来る。
【００２３】
図１６は、吸気通路(AJS)14a,14bで、二つのタンブル流を作る場合の実施形態であり、効果は、図１５と同様である。
図１７は、噴射弁4の噴霧9の噴霧角度がθ1の状態を示しており、成層燃焼の場合には、燃焼室の一部分に混合気を作る必要があるので、ピストン1の冠面にキャビテイ7を付けて、その中に噴霧を噴射することで、混合気を簡単に閉じ込める方法である。前記のようにするためには、噴霧9の噴霧角度が重要である。
【００２４】
ピストン1は、エンジンの回転と共に上下するためキャビテイ7の位置も変化する。しかし、噴霧燃料は、噴射され、気化して燃焼するための蒸発時間が必要であり、後述するが最適時期に燃焼を完了する必要がある。そのため噴射時期には制限があり、上死点前40度近くである。そのため上死点前40度の時に噴霧の後縁（シリンダ側壁側）55が、キャビテイ7に収まる角度が重要である。一方噴霧を燃焼室に直接噴射する場合に最も重要なことの一つは、燃料液滴が直接点火プラグ3に当てないようにすることである。点火プラグ３が液滴で濡れると点火不良の原因になる。そのために、噴霧の前縁（点火プラグ3側）56は、点火プラグ3の下方であることが必要になる。
【００２５】
図１８は、噴霧角に対する安定燃焼度とスモーク量を示す実験データである。噴霧角が小さい場合には、噴霧の貫通力もあり、燃焼の安定度も比較的大きい。しかし、噴霧が集中しすぎるために、スモークの排出が多い。スモークは、噴霧角が大きくなると減少し、75度より大きい角度では、ほとんど排出されない。噴霧角85度以上になると、燃焼の安定度が急に落ちてくる。噴霧角が広くなりすぎると、噴霧が拡散しすぎ混合気が安定して、点火プラグ3に供給されなくなるためである。噴霧が、直接、点火プラグ3に当たると、点火不良になる。このために噴霧角は、75〜85度の範囲が最適であることが解る。
【００２６】
図１９は、燃料の噴霧の一状態を示す断面図であり、空気流動をタンブル流11とし、タンブル流11で噴霧燃料を気化し、プラグ3の方向に混合気10を輸送するものであり、この場合には、噴霧の貫通力が比較的小さいことと、噴霧の中心部に燃料がほとんどない中空噴霧が望ましい。タンブル流11は、噴霧の内側に供給され、より噴霧を気化するのに好適である。
【００２７】
図２０は、燃料噴霧の外観形状の状態を示したものであり、燃料噴霧の同一単位時間内での噴霧長さを、後縁55をL2、前縁56をL1として、この噴霧長さL1とL2とを異なるように噴霧している。燃料噴射弁4は、ピストン1に対し斜めに装着されているので、後縁55は、キャビテイ7までの距離が短い。そのため燃料の微粒化が進まない内に、キャビテイ7に当たり、液膜になり易い。一方、前縁56は、キャビテイ7まで距離があり、微粒化が進む。このため、微粒化の良い前縁56の流量を多くすれば、噴霧全体の気化が早くなる。
【００２８】
また、噴霧の前後で燃料量を変えることにより、点火プラグ3への燃料輸送に時間差ができ、混合気が濃くなり過ぎるのを防止できる。図２０では、後縁55と前縁56としているが、噴霧の後側（噴霧中心より）と前側との流量を変えることも同じである。噴射弁4の中心線53と噴霧９の中心線54とに角度θを付けることにより、噴霧角度を広げないで、キャビテイ7との衝突角度を調整できる。噴霧9を効率よく気化させるためには、キャビテイ7との衝突角度を小さくするのがよい。しかし、噴射弁4の取付け角度は、エンジンの構成上、制限があり、限界があるが、噴霧の噴射方向を変えることにより、衝突角度を調整できる。
【００２９】
図２１は、L1／L2と安定燃焼度の関係を示したものであり、安定燃焼度は、L1／L2が1.0以下では、小さく1.0を超えると急に大きくなり、1.1〜１．４近くで最大値を示すものであり、その後は、燃焼安定度が小さくなる。L1／L２が1.0以下では、噴霧の後縁55の燃料が多くなることで、気化が不十分になるためである。L1／L２が1.0を超えると、気化のよい前縁56の流量が多くなり、気化の悪い後縁55の量が、少なくなり、全体の気化が進むためである。L1／L2が、1.４を超えると、前縁56に燃料が集中し過ぎ、再び気化が悪くなるためである。
【００３０】
図２２は、成層燃焼と均質燃焼の燃焼距離を示す模式図である。均質燃焼は、燃焼室2a内に均一な混合気が形成されるものであり、点火プラグ3で点火されると、中心より放射状に燃焼火炎が広がって行く。そのため燃焼距離は、矢印52の長さになる。それに対して、成層燃焼は、点火プラグ3近傍に混合気を形成し、その周りは空気層（燃焼しない）となるものである。そのために、燃焼距離は、矢印51のように短くなる。
【００３１】
前記二つの燃焼形態をエンジン出力の制御手段で比較すると、均質燃焼は、空燃比はあまり変化しないで、燃焼室2内の密度を変化させ、燃料量を変化させて、出力を変化させるものであり、成層燃焼は、燃焼室2内の密度はあまり変化させないで、混合気の大きさ（燃焼距離）を変化させて、出力を大きくするときは、混合気の大きさを大きくする。本実施形態の成層燃焼においては、出力の増減に混合気の大きさと密度変化も利用している。
【００３２】
図２３は、燃焼室2a内の燃焼圧力変化の状態を示す摸式図である。横軸はクランク角、縦軸は燃焼圧である。成層燃焼は、燃焼距離が短いため点火より最高燃焼圧力点になる時間が短い。それに対して、均質燃焼の場合は、燃焼距離が長いために、点火から最高燃焼圧力点まで時間が長い。エンジン50は、一般に効率よくトルクを得るために、最高燃焼圧力点が上死点後10〜15度に来るのが最適とされている。従来の均質混合気の場合は、燃焼距離はほとんど変化せず、空燃比により燃焼速度が変化するために、最高燃焼圧点を得るための点火時期制御は、比較的簡単であった。成層燃焼の場合は、燃焼速度と最適な点火時期に混合気が点火プラグ近傍に形成されることが必要であるため、混合気の形成は、燃料の噴射時期と燃料の気化時間に作用されるために、より複雑な制御が必要となる。本実施形態では、混合気の輸送をタンブル流で行うものでタンブル流の生成が重要となる。
【００３３】
図24はタンブル流の強さを示すタンブル数と安定燃焼度の関係である。エンジン回転数が小さい場合はタンブル数が小さくても安定燃焼度は大きく安定燃焼が得られるが、回転数が高くなるとタンブル数も大きくなる必要がある。たとえば2400rpmまで成層燃焼を行う場合はタンブル数2が必要となる。
【００３４】
図25は本発明の成層燃焼範囲と均質燃焼の範囲の一例を示す。成層燃焼の空燃比はA/F=30から40でTCVは閉状態とする。成層燃焼は比較的小さなトルクの領域で燃費向上が主眼となる。それにたいし均質燃焼領域はトルクが大きい領域である。空燃比は理論空燃比かそれより小さい値が取られる。TCVは開し、タンブル流は弱められ、多くの空気が流入出来るように通路抵抗を少なくする。成層燃焼と均質燃焼の切替えは成層燃焼の空燃比A/F=40からA/F=14.7に瞬時に切替えるのでなく、成層で空燃比を40、30、20と小さくし均質の空燃比20、18、14.7と変化させる。こうすることにより切替時のトルク変化を小さく出来る。そのため燃焼距離は矢印51のように短くなる。エンジン出力の制御法で比較すると、均質燃焼は燃焼室2内の密度を変化させ空燃比はあまり変化しないで燃料量を変化さ、出力を変化させる。成層燃焼は燃焼室の密度はあまり変化させないで混合気の大きさ（燃焼距離）を変化させ、出力を大きくするときは混合気の大きさを大きくする。本実施形態の成層燃焼は出力の増減に混合気の大きさと密度変化も利用している。
【００３５】
図23は、燃焼圧力変化の摸式図である。横軸はクランク角、縦軸は燃焼圧である。成層燃焼は、燃焼距離が短いため点火より最高燃焼圧力点になる時間が短い。それに対し、均質燃焼の場合は燃焼距離が長いため、点火から最高燃焼圧力点まで時間がかかる。エンジンは一般に効率よくトルクを得るためには最高燃焼圧力点が上死点後10〜15度に来るのが最適とされいる。従来の均質混合気の場合は燃焼距離はほとんど変化せず、空燃比により燃焼速度変化するため、最高燃焼圧点を得るための点火時期制御は比較的簡単であった。成層燃焼の場合は燃焼速度と最適な点火時期に混合気が点火プラグ近傍に形成されることが必要である。混合気の形成は燃料の噴射時期と燃料の気化時間が作用するため、より複雑な制御が必要になる。本実施例は混合気の輸送をタンブル流で行うものでタンブル流の生成が重要である。
【００３６】
図２４は、タンブル流の強さを示すタンブル数と安定燃焼度との関係をエンジン回転数の相違を加味して示したものである。エンジン回転数が小さい場合は、タンブル数が小さくても安定燃焼度は大きく、安定燃焼が得られるが、回転数が高くなると、安定燃焼度を大とするにはタンブル数も大きくする必要がある。例えば、エンジン回転数が2400rpmになるまで、成層燃焼を行う場合は、タンブル数2が必要となる。
【００３７】
図２５は、本発明の成層燃焼範囲と均質燃焼の範囲の一例を示したものである。成層燃焼の空燃比は、A/F=30から40でTCVは閉状態とする。成層燃焼は、比較的小さなトルクの領域で燃費向上が主眼となるが、均質燃焼領域は、トルクが大きい領域であり、空燃比は、理論空燃比かそれより小さい値が取られる。TCVは開き、タンブル流は弱められ、多くの空気が流入出来るように通路抵抗を少なくする。
【００３８】
成層燃焼と均質燃焼の切替えは、成層燃焼の空燃比A/F=40からA/F=14.7に瞬時に切替えるのではなく、成層燃焼状態で、空燃比A/Fを40、30、20と順次小さくし、均質の空燃比A/Fを20、18、14.7へと順次変化させる。こうすることにより、切替時のトルク変化を小さくすることが出来る。
【００３９】
図２６は、燃料の噴射時期を示したものである。本実施形態は、成層燃焼と均質燃焼との異なった二つの燃焼形態を使うためそれぞれで噴射時期が異なっている。均質燃焼時は、燃料の蒸発時間や混合気を均一にするために吸気行程中に噴射される。吸気行程に燃料を噴射すると、燃料の気化熱で空気が冷却されて吸入空気量が増し、出力が大きくなる。成層燃焼時には、混合気の拡散を防止して成層化するため圧縮行程の後半に燃料が噴射される。
【００４０】
図２７は、本発明の他の実施形態を示したものである。本実施形態では、噴射弁4を燃焼室2aの中央に設置し、該噴射弁4の両側に二個の点火プラグ3a,3bを配置している。空気の流動は、タンブル流11となるように形成してある。タンブル流11は、図１５と図１６に示した二個渦形が最適である。即ち、二個の渦の中央に燃料を噴射し、燃料を中央に前記タンブル流11で閉じ込めて両側から点火プラグ3a、3bにより点火する。
【００４１】
図２８は、図２７の実施形態のエンジン５０を上方から見た図であり、キャビテイ7と点火プラグ3a,3bの位置を示した模式図である。キャビテイ7は、楕円形で、二個の点火プラグ3a,3bは、キャビテイの両端部の上部に位置している。
図２９は、ピストン冠面にキャビテイを形成しない他の実施形態である。本実施形態では、噴射弁4は、燃焼室2aの中央で真下に向いているが、吸気弁6側又は排気弁15側に噴射方向を少し傾けてもよい。吸気弁6側に傾けると均質時の燃料の混合が促進されて燃焼が良くなる。排気弁15側に向けると、空気流動方向により成層化が進み、成層燃焼が改善される。
以上、本発明の幾つかの実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。
【００４２】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の筒内直噴式エンジンは、燃料噴霧とタンブル流とを対抗させ接触混合させると共に、噴霧燃料の一部をタンブル流でプラグ方向に輸送するべく構成したので、従来のような貫通力の強い燃料噴霧を必要とせず、ピストンのキャビテイが浅くても、燃料噴霧が拡散しない。
また、浅いキャビテイに構成できるので燃費が向上し、噴霧と空気流動の方向が異なるために、燃料噴霧がキャビテイの一部に集中せず、すすの発生が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内直噴式エンジンの一実施形態を示す断面図。
【図２】図１の筒内直噴式エンジンの成層燃焼時の空気流動を示す断面図。
【図３】図１の筒内直噴式エンジンの均質燃焼時の空気流動を示す断面図。
【図４】本発明の筒内直噴式エンジンの他の実施形態を示す断面図。
【図５】本発明の筒内直噴式エンジンのピストン冠面のキャビテイの一例を示す上面図。
【図６】本発明の筒内直噴式エンジンのピストン冠面のキャビテイの他の一例を示す上面図。
【図７】本発明の筒内直噴式エンジンのピストン冠面のキャビテイの更に他の一例を示す上面図。
【図８】図７のA−A’矢視断面図。
【図９】本発明の筒内直噴式エンジンのピストン冠面のキャビテイの更に他の一例を示す上面図。
【図１０】図９のB−B’矢視断面図。
【図１１】本発明の筒内直噴式エンジンのピストン冠面のキャビテイの更に他の一例を示す上面図。
【図１２】図１１のC−C’矢視断面図。
【図１３】本発明の筒内直噴式エンジンの更に他の実施形態の空気流動を示す断面図。
【図１４】本発明の筒内直噴式エンジンの更に他の実施形態の空気流動を示す断面図。
【図１５】本発明の筒内直噴式エンジンの更に他の実施形態の空気流動を示す断面図。
【図１６】本発明の筒内直噴式エンジンの更に他の実施形態の空気流動を示す断面図。
【図１７】図１の筒内直噴式エンジンの噴霧の噴霧角度を示す断面図。
【図１８】本発明の筒内直噴式エンジンの燃料噴霧角と安定燃焼度との特性図。
【図１９】図１の筒内直噴式エンジンの噴霧の形状とタンブル流との作用状態を示す断面図。
【図２０】図１の筒内直噴式エンジンの噴霧の形状を示す断面図。
【図２１】図２０の筒内直噴式エンジンの噴霧のL1／L2と安定燃焼度との関係を示す特性図。
【図２２】本発明の筒内直噴式エンジンの均質燃焼と成層燃焼との燃焼形態を示す図。
【図２３】本発明の筒内直噴式エンジンのクランク角度に対する点火時期と燃焼圧との関係を示す特性図。
【図２４】本発明の筒内直噴式エンジンのタンブル数と燃焼安定度との関係を示す特性図。
【図２５】本発明の筒内直噴式エンジンのエンジン回転数とトルクに対する燃焼領域を示す特性図。
【図２６】本発明の筒内直噴式エンジンのクランク角度に対する燃料噴射時期を示す図。
【図２７】本発明の筒内直噴式エンジンの更に他の実施形態を示す断面図。
【図２８】図２９の筒内直噴式エンジンのキャビテイと点火プラグの位置関係を示す上面図。
【図２９】本発明の筒内直噴式エンジンの更に他の実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
1：ピストン  2：ピストン  2a：燃焼室  3：点火プラグ  4：燃料噴射弁  5：吸気管  6：吸気弁  7：キャビテイ   8：TCV  9：噴霧  10：混合気  11：タンブル流  12：噴流  13：バイパス弁  14：バイパス吸気通路
【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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