(57)【要約】本発明の目的は、さらに、燃費を向上できる筒内噴射エンジンおよびその制御方法を提供することにある。燃料噴射弁（１９）は、扁平形状の燃料噴霧を筒内に噴射する。空気流動制御弁（６）は、ピストン頂面およびシリンダ壁面と扁平噴霧の間に空気流動を生成する。
2002038924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に燃料を噴射して燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を有する筒内噴射エンジンにおいて、
上記燃料噴射弁（１９）は、扁平形状の燃料噴霧（３８）を筒内に噴射するとともに、
ピストン頂面およびシリンダ壁面と扁平噴霧の間に空気流動（３７）を生成する空気流動生成手段（６）を備えたことを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の筒内噴射エンジンにおいて、
上記燃料噴射弁（１９）は、シリンダ中心軸（Ｚ軸）と、このＺ軸に垂直で吸気側に向かうＸ軸によって形成されるＸ−Ｚ平面上の噴霧角θｃが、Ｚ軸及びＸ軸に垂直なＹ軸とＸ軸によって形成されるＸ−Ｙ平面上の噴霧角θｃよりも大きい扁平噴霧を形成することを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項３】
請求項１記載の筒内噴射エンジンにおいて、
上記燃料噴射弁（１９）は、その先端のノズル開口面積が０．１６〜０．６０（ｍｍ２）であることを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項４】
請求項１記載の筒内噴射エンジンにおいて、
上記空気流動制御手段（６）は、エンジンの吸気バルブに通じている吸気ボートを左右に分割する隔壁（７６）と、この隔壁により分割された一方の通路への空気の流入を制御する空気流動制御板（７３）を備えることを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項５】
請求項１記載の筒内噴射エンジンにおいて、
燃料タンクからエンジンに取り付けられた燃料噴射弁までの配管途中に、燃料を加圧する単一のポンプ（１８）を備えたことを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項６】
筒内に燃料を噴射して燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を有する筒内噴射エンジンにおいて、
上記燃料噴射弁（１９）は、扁平形状の燃料噴霧を筒内に噴射するとともに、
ピストン頂面およびシリンダ壁面と扁平噴霧の間に空気層を生成する空気層生成手段（６）を備えたことを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項７】
筒内に燃料を噴射して燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を有する筒内噴射エンジンにおいて、
上記燃料噴射弁（１９）は、扁平形状の燃料噴霧を筒内に噴射するとともに、
この扁平噴霧の両側に、扁平噴霧を挟むようにして空気流動を生成する空気流動生成手段（６）を備えたことを特徴とする筒内噴射エンジン。
【請求項８】
筒内に燃料を噴射して燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を有する筒内噴射エンジンを制御する筒内噴射エンジンの制御方法において、
上記燃料噴射弁（１９）は、扁平形状の燃料噴霧（３８）を筒内に噴射するとともに、
ピストン頂面およびシリンダ壁面と扁平噴霧の間に空気流動（３７）を生成する空気流動生成手段（６）を備えるとともに、
上記空気流動生成手段によりエンジンの燃焼室に空気流動が形成された後に、吸気行程から圧縮行程前半のいずれかのタイミングで上記燃料噴射弁から燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射エンジンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射する筒内噴射エンジンおよびその制御方法に関する。
背景技術
従来、燃焼室に直接燃料を噴射する筒内噴射エンジンとしては、１９７０年代に開発されたＭＡＮ−ＦＭ方式が知られている。この方式は、ピストンに設けた窪みに燃料を噴射し、噴霧が拡散する前に着火して燃焼させるものである。しかしながら、この方式では、当時のディーゼル技術を応用したパイロット式燃料噴射弁を用いていたため、応答が遅く、正確な噴射時期の制御が困難であった。
それに対して、１９９０年代になって電子制御技術の進歩により、応答性の良い電磁式燃料噴射弁が主流となり、噴射時期制御性が格段に発展したことから、例えば、特開平７−１１７５５８号公報に記載されているように、高圧燃料を用いた筒内噴射方式が開発されてきた。
発明の開示
しかしながら、このような高圧で燃料を噴射する筒内噴射（ＤＩ）システムでは、エンジンのクランク軸またはカム軸に接続された高圧燃料ポンプを駆動させて燃料の圧力を高めている。噴射される燃料の圧力は、例えば、５〜１０ＭＰａ程度の高圧であり、圧縮行程の後半で燃料を噴射するようにしている。エンジンの燃焼室に噴射されながった高圧燃料は、高圧レギュレータを通り減圧されて低圧配管または燃料タンクに戻る。
従来の高圧ＤＩシステムでは、燃料の圧力を昇圧する動力が燃費を悪化させる要因の１つになっているという問題があった。また、高圧ＤＩシステムは、吸気ポートに０．３ＭＰａの圧力で燃料を噴射する吸気ポート噴射（ＭＰＩ）システムに対して高圧燃料供給系が追加部品となり、コストアップの要因となっている。このコストアップは、筒内噴射エンジンの市場への普及を妨げている。
また、従来の高圧ＤＩシステムでは、希薄燃焼により燃費を向上させているが、燃費の向上は必ずしも十分でないという問題があった。
本発明の目的は、さらに、燃費を向上できる筒内噴射エンジンおよびその制御方法を提供することにある。特に、従来の高圧ＤＩシステムで使用する圧力よりも燃料圧力を低くし、燃料を昇圧時の損失を低下させ、燃費を向上させるとともに、燃料圧力を低圧としながらも希薄燃焼を可能とすることにより、燃費・排気などの性能は高圧ＤＩシステムと同等となるような筒内噴射エンジンおよびその制御方法を提供することにある。また、高圧ＤＩシステムにおいて、さらに、燃費を向上できる筒内噴射エンジンおよびその制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、筒内に燃料を噴射して燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を有する筒内噴射エンジンにおいて、上記燃料噴射弁は、扁平形状の燃料噴霧を筒内に噴射するとともに、ピストン頂面およびシリンダ壁面と扁平噴霧の間に空気流動を生成する空気流動生成手段を備えるようにしたものである。かかる構成により、点火プラグ近傍での成層燃焼を可能にして、燃費を向上できるものとなる。
また、上記目的を達成するために、本発明は、筒内に燃料を噴射して燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を有する筒内噴射エンジンにおいて、上記燃料噴射弁は、扁平形状の燃料噴霧を筒内に噴射するとともに、ピストン頂面およびシリンダ壁面と扁平噴霧の間に空気層を生成する空気層生成手段を備えるようにしたものである。かかる構成により、点火プラグ近傍での成層燃焼を可能にして、燃費を向上できるものとなる。
また、上記目的を達成するために、本発明は、筒内に燃料を噴射して燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を有する筒内噴射エンジンにおいて、上記燃料噴射弁は、扁平形状の燃料噴霧を筒内に噴射するとともに、この扁平噴霧の両側に、扁平噴霧を挟むようにして空気流動を生成する空気流動生成手段を備えるようにしたものである。かかる構成により、点火プラグ近傍での成層燃焼を可能にして、燃費を向上できるものとなる。
また、上記目的を達成するために、本発明は、筒内に燃料を噴射して燃料噴霧を形成する燃料噴射弁を有する筒内噴射エンジンを制御する筒内噴射エンジンの制御方法において、上記燃料噴射弁は、扁平形状の燃料噴霧を筒内に噴射するとともに、ピストン頂面およびシリンダ壁面と扁平噴霧の間に空気流動を生成する空気流動生成手段を備えるとともに、上記空気流動生成手段によりエンジンの燃焼室に空気流動が形成された後に、吸気行程から圧縮行程前半のいずれかのタイミングで上記燃料噴射弁から燃料を噴射するようにしたものである。かかる方法により、点火プラグ近傍での成層燃焼を可能にして、燃費を向上できるものとなる。
発明を実施するための最良の形態
以下、図１〜図２８を用いて、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンおよびその制御方法について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンのシステム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エンジンのシステム構成図である。
エンジン２１は、クランク機構２４を備え、そのクランク機構２４に連結されたピストン２３の動作により燃焼室２２の容積が変化する。ピストン２３の上下運動によって、エンジン２１に空気が吸入され、燃焼後のガスが排出される。空気の吸入時には、カム７によって、吸気バルブ３５が開く。また、燃焼後のガスの排出時には、カム７によって、排気バルブ３６が開く。エンジン２１は、冷却水通路２０内を流れる冷却水によって冷却される。
吸入される空気は、吸気管４に配置されたスロットル弁３によって吸入量が制御される。スロットル弁３は、モータで駆動される電子制御式スロットル弁である。コントロールユニット１は、アクセルペダルの変化量を電気信号として取り込み、この電気信号に応じて、スロットル弁３の開度を制御する。スロットル弁３より上流に設けられた空気量センサ２は、エンジン２１に吸入される空気量を計量する。吸入された空気は、吸気管４に設けられたコレクタ５に充満する。コレクタ５は、吸気管４内の圧力変動を抑制する効果がある。コレクタ５にはＥＧＲ通路２７が接続されている。ＥＧＲ通路２７は、排気管１２とコレクタ５を接続すると共に、途中に、ＥＧＲ制御弁９が設けられている。コントロールユニット１は、ＥＧＲ制御弁９を制御して、ＥＧＲガスの環流量を可変する。コレクタ５内では、ＥＧＲガスと吸入空気が混合する。混合された気体は、エンジン２１の燃焼室２２に吸入される。コレクタ５の下流に設けられた空気流動制御弁６は、燃焼室２２内に空気流動を生成する。
燃料タンク１６内に蓄えられた燃料１７は、燃料ポンプ１８により圧力を予め設定された値まで昇圧されてから、燃料噴射弁１９に供給される。コントロールユニット１は、空気量センサ２で計量された値を基に、予め設定された空燃比になるように噴射パルス幅を計算し、噴射パルス信号を燃料噴射弁１９に供給する。燃料噴射弁１９は、コントロールユニット１からの噴射信号に従って、燃料をエンジン２１の筒内，即ち、燃焼室２２内に直接噴射する。また、燃料ポンプ１８もコントロールユニットの制御信号に基づいて動作する。
燃焼室２２から排出された排気ガスは、排気管１２に取り付けられた触媒１１によって、排気ガス中の有害成分（例えばＨＣ，Ｎ０ｘ，ＣＯ）が除去される。また、触媒１４は、触媒１１で浄化しきれながった成分を除去するために、追加される場合もある。触媒１１の上流には、空燃比センサ１０が取り付けられており、また、触媒１４の上流には、排気温度センサ１３が取り付けられ、さらに、触媒１４の下流には、酸素センサ１５が取りつけられている。これらのセンサ１０，１３，１５は、排気ガスに関する各種情報を常にセンシングし、コントロールユニヅト１での制御に反映させている。
エンジン２１の回転数は、例えばクランク軸２４に取り付けられたクランク角度センサ２５とピックアップ２６の出力信号を用いて計測され、コントロールユニット１に取り込まれる。
本実施形態における特徴としては、図１に示す構成の筒内噴射エンジンにおいて、燃料噴射弁１９に燃料ポンプ１８から供給する燃料圧力は、従来の高圧ＤＩの燃料圧力である５〜１０ＭＰａ程度よりも低い２ＭＰａ程度に設定していることである。その結果、燃料ポンプの構造も簡易なものにして、コストを低減できるものである。さらに、従来の高圧ＤＩのエンジンでは、燃料タンク１６内に配置され、高圧燃料ポンプに燃料を供給するフィードポンプが必要であったが、本実施形態では、このフィードポンプを用いていないものである。
上述のように、燃料供給圧力を２ＭＰａ程度の圧力にした場合、燃焼室２２内の圧力が高圧となる圧縮行程の後半では、燃焼室２２の内部の圧力が、燃料噴射弁１９から噴射される燃料の圧力よりも高いため、燃料を噴射することができないことになる。そこで、本実施形態における噴射可能期間は、燃焼室２２内の圧力が大気圧程度になる吸気行程から圧縮行程前半としている。空燃比４０以上の成層燃焼をするには、点火プラグ周囲に着火可能な混合気（空燃比１０〜１４程度）を集中化する必要がある。しかし、噴射時期を吸気行程から圧縮行程前半とした場合には、噴射した燃料噴霧が拡散しやすいため、成層化（点火プラグ周囲に混合気が集中化すること）が困難となる。そこで、本実施形態では、図２及び図３を用いて後述するように、燃料噴射弁１９から噴射される燃料噴霧を扁平噴霧とすると共に、扁平噴霧の両側を空気流動によって挟み込むようにして、点火プラグの周囲に混合気が集中するようにしている。
次に、図２及び図３を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンにおいて、低燃圧下で成層化するための方法について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンの底面図である。即ち、図２は、例えば，４気筒エンジンの１つの燃焼室２２を構成するエンジンヘッド３０をピストン側から見た状態を示している。
図３は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンの断面図である。即ち、図３は、図２に示すエンジンの点火プラグ３４を含む断面を示している。なお、図２及び図３において、図１と同一符号は、同一部分を示している。
図２において、ピストンは、図面に向かって垂直方向（Ｚ軸方向）に往復動することになる。丸穴３１は、エンジンヘッド３０を図示しないエンジンブロックに固定するためのボルトが通る穴である。冷却水通路２０内には、エンジンを冷却する冷却水が流通する。燃焼室２２には、吸気バルブ３５と、排気バルブ３６と、点火プラグ３４が設けられている。
図２及び図３に示すように、エンジンヘッド３０に取り付けられた燃料噴射弁１９の噴口部３３から、燃料３８が燃焼室２２に噴射される。本実施形態におけるポイントは、噴射される噴霧３８の形状と、燃焼室２２内に生成される空気流動３７である。燃焼噴射弁１９の中心軸は、Ｘ−Ｙ平面に平行である。
燃焼室２２内に噴射された燃料噴霧３８は、図２に示すＸ軸方向（Ｘ−Ｙ平面上）では狭く、図３に示すように、Ｙ−Ｚ平面上では広がるような偏平形状としている。このような扁平噴霧を噴射するための燃料噴射弁１９の構成については、図８を用いて後述する。
また、燃焼室２２内に生成される空気流動３７（３７Ａ，３７Ｂ）は、図２に示すように２つの吸気バルブ３５を通り燃焼室２２中心よりは外側寄りにあり、ピストン頂面およびシリンダ壁面と扁平噴霧の間に空気流動を生成する。すなわち、空気流動３７Ａ．３７Ｂは、燃料噴霧３８を挟み込むように、燃料噴霧３８の両側に形成される。また、空気流動３７は、図３に示すように燃焼室２２内を縦方向に回転するような気流である。ここで、縦方向とは、図３に示すＹ−Ｚ平面内で回転するものである。この気流は、時間の経過とともに、流速が低下するため、空気層が形成されると捉えることもできるものである。
以上のようにして、燃焼室２２内に噴射された燃料噴霧３８は、空気流動３７Ａ，３７Ｂに挟まれて、燃焼室２２外側方向（Ｘ軸方向）への拡散が防止され、中心部に集中化する。燃料噴射弁１９から噴射される燃料の圧力は、従来の高圧ＤＩよりも低圧であるため、噴射可能期間は吸気行程から圧縮行程の前半までである。このようなタイミングで燃料を噴射すると、燃料噴霧が燃焼室２２内で拡散しやすくなるが、本実施形態では、２つの空気流動で噴霧を挟み込むことにより、混合気の拡散を防止することができる。挟み込まれた混合気は圧縮行程後半まで燃焼室２２内の中心部に保持され、点火フラグ３４の周囲に集中化して、成層化することができる。したがって、従来よりも、低圧の燃料噴射を可能とし、かつ、成層化燃焼も可能となる。成層化燃焼が可能となるため、従来の高圧ＤＩと同様に、空燃比４０程度の希薄燃焼が可能であるため、燃費と排気の性能を従来の高圧ＤＩと同様に良好にすることができる。
次に、図４〜図７を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンにおいて、燃料噴射弁から噴射される扁平噴霧の形状について説明する。
図４及び図５は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃焼噴射弁から噴射される燃料噴霧形状の説明図である。図４は、図３に示したＹ−Ｚ平面における噴霧形状を示している。図５は、図２に示したＸ−Ｙ平面における噴霧形状を示している。なお、図４及び図５において、図２及び図３と同一符号は、同一部分を示している。
図６は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンの圧縮行程における断面図である。なお、図１〜図３と同一符号は、同一部分を示している。図７は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンの噴霧形状による空燃比の変化の説明図である。
図４及び図５に示すように、燃料供給口４０から供給された燃料は、燃料噴射弁１９の内部を通り、船体のノズル４２にある噴口から燃料噴霧３８として噴射される。図４に示すように、図２に示したＸ−Ｙ平面における燃料噴霧３８の噴霧角は、θｔである。また、図５に示すように、図３に示したＹ−Ｚ平面における燃料噴霧３８の噴霧角は、θｃである。そして、噴霧角θｔは、噴霧角θｃよりも小さい偏平噴霧となっている。
図４に示した噴霧角θｃは、通常の高圧ＤＩ用の燃料噴射弁の噴霧角と同様である。図３に示したように、噴霧角θｃが大きくなると、燃料噴霧は、燃焼室２２の内周の円筒壁面や、燃焼室２２の頂面や点火プラグ３４に直接吹き付けられ、これらの壁面等に付着することになる。それらを避けるため、噴霧角θｃは、例えば、６０〜８０度の範囲内としている。
次に、図６及び図７を用いて、噴霧角θｔについて説明する。図６は、圧縮行程後半の点火時期に相当するタイミングでの燃焼室内の状況を示している。偏平噴霧を下死点で噴射したときの圧縮行程後半の点火時期に相当するタイミングでの燃焼室内の混合気分布について、シミュレーションを行った。そして、図７は、噴霧角θｔを変えた場合におけるプラグ周囲（プラグギャップを中心とした半径３．５ｍの領域：図中矢印Ａ部）の空燃比を示している。
図７に示すように、噴霧角度θｔが４５度の場合、プラグ周囲の空燃比は３３程度であり、２２．５度では約１５となる。さらに、８度とするとプラグ周囲の空燃比は１４となる。成層燃焼においては、燃焼室全体の空燃比は４０程度となっているが、プラグ周囲には空燃比１５以下の着火可能混合気が集中化することが必要がある。そこで、本実施形態のように、偏平噴霧を空気流動で挟み込む燃焼法の場合、偏平噴霧の狭い方の噴霧角度θｔを２２．５度以下とすることにより、成層燃焼に必要な空燃比の混合気を、プラグ周囲に形成できることが判明した。
次に、図８〜図１２を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料噴射弁の構成について説明する。
最初に、図８及び図９を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料噴射弁の全体構成について説明する。
図８は、本発明の第１の実施形態本による筒内噴射エンジンに用いる燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。図９は、図８のＡ−Ａ断面図である。
図４に示した燃料供給口４０から供給された燃料は、燃料噴射弁１９の中心の配置されたコア５１の中央の孔を通り、プランジャ５７内に設けられた燃料通路５８を通り、ノズル４２の内部の燃料貯まり６０に充満する。プランジャ５７の先端には、噴口６４と燃料貯まり６０を遮断するための弁体６３が取りつけられている。プランジャ５７と弁体６３は、スプリング５２の作用により噴口６４に押し付けられている。押しつけ力は、スプリングアジャスタ５３によって調整可能である。噴口６４の先端には、アトマイザ６５が取り付けられている。アトマイザ６５は、扁平噴霧を形成するためのものであり、その詳細については、図１０〜図１２を用いて後述する。
図１に示したコントロールユニット１からの電気信号（電流）は、図４に示したコネクタ４１を介して、図６に示すボビン５４内に配置されたコイル５０に通電される。コイル５０に通電されると、コイル５０の周囲に磁力が発生する。プランジャ５７に溶接などで接合されているアンカー５６は、コイル５０によって発生した磁力により吸引され、スプリング力に反発してプランジャ５７を引き上げる。プランジャ５７は、ストッパ５９に衝突するところまで引き上げられ、コイル５０に電流が流れている間は一定のストロークを維持する。コイル５０への通電が終わると、プランジャ５７は、スプリング５２の作用により噴口６４に押し付けられ、燃料貯まり６０と噴口６４を遮断する。プランジャ５７とともに燃料貯まり６０を形成するノズル４２は、燃料噴射弁１９のボディ５５に溶接などで接合されている。また、ノズル４２内には、噴射される燃料の微粒化が良くなるように、燃料に旋回を与える溝を形成したスワラー６１が取りつけられている。
スワラー６１は、図９に示すように、ノズル４２の中に配置されている。スワラーは、弁体６３の接線方向に延在する旋回溝６１を備えている。燃料貯まり６０からスワラー６１の旋回溝６２を通過した燃料は、弁体６３と噴口６４の隙間を通り、アトマイザ６５の開口から噴射される。
次に、図１０〜図１２を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料噴射弁のアトマイザの構成について説明する。
図１０は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料噴射弁のアトマイザの構成を示す断面図である。図１１は、図１０のＢ矢視の断面図である。図１２は、図１０の底面図である。
図１０〜図１２に示すように、アトマイザ６５は、上段スリット６６と下段スリット６７Ａ，６７Ｂとからなるクロススリット溝を備えている。上段スリット６６は、弁体６３の中心軸を通るように配置されている。下段スリット６７Ａ，６７Ｂは、それぞれ、上段スリット６６に直交するように配置されている。下段スリット６７Ａ，６７Ｂは、弁体６３の中心軸から距離０．５Ｗ１だけ離れた位置に設けられている。アトマイザ６５は、ノズル４２の先端に溶接などで接合されている。
燃料が上段スリット６６から下段スリット６７Ａ，６７Ｂへ流るときに縮流が発生し、下段スリット６７内でスリット幅より狭い薄膜が形成され、微粒化が促進される。扁平噴霧の狭い方の噴霧角θｔは、下段スリット６７Ａと下段スリット６７Ａの間の幅Ｗ１で決定される。例えば、噴霧角θｔを２２．５度とする場合には、幅Ｗ１を２．２ｍｍとする。幅Ｗ１が狭くなるほど、噴霧角θｔが狭くなる。広い方の噴霧角θｃは、下段スリット２７の長さＬ１と、下段スリット２７の溝深さＤ１で決定される。例えば、噴霧角θｃを７０度とする場合には、長さＬ１を３ｍｍとし、溝深さＤ１を０．５ｍｍとする。
以上のように、本実施形態では、既存の燃料噴射弁の先端にアトマイザ６５を接合するだけで扁平噴霧を形成することができるので、製作が容易である。また、クロススリット溝の形状を変更することで、偏平噴霧の噴霧角度を比較的簡単に設計変更することができる。
次に、図１０〜図１２に示したスリット溝６６，６７を用いた燃料噴射弁では、燃料流量は、次式（１）により決めることができる。
Ｑｆ＝αＡ４√（ΔＰ）　…（１）
ここで、
Ｑｆ：燃料流量
α：流量係数
Ａ：流路面積
ΔＰ：Ｐｆ−Ｐｃ
Ｐｆ：燃料圧力
Ｐｃ：燃焼室内圧力
である。
すなわち、燃料流量Ｑｆは、燃料圧力Ｐｆと、噴射する場所の圧力，すなわち、燃焼室内圧力Ｐｃとの差圧（ΔＰ）の平方根に比例する。さらに、流路面積Ａに比例する。
しかし、従来の燃料噴射弁（図８のアトマイザ６５がないもの）の場合、旋回した燃料は遠心力により噴口の壁面に偏り、噴口の中心部には空気の流れが生じる。これにより従来の噴射弁の場合、噴口の断面積のうち半分程度しか流路面積として使われていないものである。しかも、噴口断面積と流路面積の比率はスワラーの溝の形状、すなわち燃料に与える旋回力により変化するので、流量係数αが一定せず、噴射弁設計が難しくものである。
一方、図８〜図１２に示した本実施形態によるスリット式噴射弁では、燃料はスリット溝の全断面積を流路面積としているので、（１）式における流量係数αは１となる。そして、燃料圧力をほぼ一定とすれば、流路面積のみで燃料流量を決めることができ、噴射弁設計が容易になる。図８に示したクロススリット式の噴射弁の場合は、流路面積は、上段スリット６６と下段スリット６７が重なった部分６９の面積となる。すなわち、流路面積は、ノズル４２の開口面積でもある。
次に、図１３を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いるクロススリット式燃料噴射弁における流路面積と燃料流量の関係について説明する。
図１３は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンに用いるクロススリット式燃料噴射弁における流路面積と燃料流量の関係の説明図である。
図１３において、横軸は流路断面積（ｍｍ２）を示し、縦軸は燃料流量を示している。流路断面積は、上段スリット６６と下段スリット６７が重なった部分６９の面積である。燃料流量は、プランジャ５７をコイル５０で吸引し、フルストロークさせた状態で、１分間に流れる流量で表している。燃料圧力を２ＭＰａ一定として流路面積を変化させた各種形状のアトマイザの試験結果から実線で示すように、流路面積と燃料流量は、ほぼ比例の関係にあることが判る。
対象となるエンジンが、４気筒０．６６Ｌの場合、１気筒当たりの排気量は、１６５ｃｃとなる。この場合、燃料流量は、２６０ｃｃ／分であるため、流路面積は、０．１６ｍｍ２となる。また、対象となるエンジンが、４気筒２．５Ｌの場合、１気筒当たりの排気量は、６２５ｃｃとなる。この場合、燃料流量は、９８０ｃｃ／分であるため、流路面積は、０．６０ｍｍ２となる。すなわち、１気筒当たりの排気量が１６５ｃｃ〜６２５ｃｃの場合、流路面積は０．１６ｍｍ２〜０．６０ｍｍ２とすればよいものである。以上は４気筒の場合であるが、６気筒や８気筒の場合も、１気筒当たりの排気量は、１６５ｃｃ〜６２５ｃｃの範囲内となるため、流路面積は０．１６ｍｍ２〜０．６０ｍｍ２とすればよいものである。
なお、現在高圧ＤＩが採用されているエンジンに付いてみると、エンジンの１気筒当たりの排気量は、４００〜５００ｃｃの範囲である。この範囲のエンジンは、各気筒のボア径が８０〜９０ｍｍのものである。この場合、全運転範囲をカバーするための必要流量は、約６００〜８００ｃｃ／分なる。したがって必要流量を噴射するための流路面積は、約０．３５〜０．５ｍｍ２となる。
次に、図１４〜図１６を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料噴射弁のアトマイザの他の構成について説明する。
図１４は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料噴射弁の他のアトマイザの構成を示す断面図である。図１５は、図１４のＢ矢視の断面図である。図１６は、図１４の底面図である。
本実施形態のよる燃料噴射弁の全体構成は、図８に示したものと同様である。本実施形態では、ノズル４２’の先端に噴口６４を設けるとともに、図１６に示すように、噴口６４の形状を、細長スリット状としている。扁平噴霧の狭い方の噴霧角θｔは、噴口６４の狭い方の幅Ｗ２と噴口６４の高さＤ２で決定される。広い方の噴霧角θｃは、噴口６４の開き角度θ１で決定される。
次に、図１７〜図２１を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる空気流動制御弁の構成及び動作について説明する。
最初に、図１７〜図２０を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる空気流動制御弁の構成について説明する。
図１７は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンを上方から見た透視図である。図１８は、図１７のＣ矢視図である。また、図１９は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンを上方から見た透視図である。図２０は、図１９のＤ矢視図である。なお、図１〜図３を同一符号は、同一部分を示している。
図１７及び図１８は、空気流動制御弁６が閉じられた状態を示している。燃料噴射弁１９は、吸気ポート７２が分岐した２つの通路の間にある取り付け穴７９に設置される。偏平噴霧は、燃料噴射弁取り付け位置７９と点火プラグ３４を含む面上に噴射されるが、燃料噴霧の拡散を防止するには空気流動との干渉をなるべく小さくする必要がある。したがって、燃料噴霧を挟み込むための空気流動は、極力燃焼室中心から離れた外側に配置することが望ましいものである。そのために、吸気ポート７２および弁岐したポート内に隔壁７６Ａ，７６Ｂが設けられている。また、隔壁７６Ａ，７６Ｂで分離された内側の通路７８Ａ，７８Ｂに、空気流が流れないように、空気流動制御弁６を構成する空気流動制御板７３を設置する。吸気ポート７２には連結シャフト７４が貫通しており、空気流動制御板７３は取り付けネジ７５によってシャフト７４に取り付けられている。また、この連結シャフト７４は、図示しない駆動装置（例えばステップモータ、ダイアフラムなど）で回転できる構成となっている。そのため、運転条件などにより、空気流動を調整することが可能である。図１７及び図１８に示す状態では、吸気ポート７２を流れて来た空気は、隔壁７６Ａ，７６Ｂより外側の通路７７Ａ，７７Ｂを通過して、矢印Ｅ１，Ｅ２のように流れる。ここで、空気流動を真っ直ぐにすることで、燃焼室内での偏平噴霧と空気流動の干渉を防止することができる。これは成層燃焼をする場合に有効である。
一方、図１９及び図２０は、空気流動制御弁６が開かれた状態を示している。この状態では、吸気ポート７２を流れて来た空気は、隔壁７６Ａ，７６Ｂに隔たれた通路７７Ａ，７７Ｂ，７８Ａ，７８Ｂの両方へ流れ、矢印Ｅ１Ａ，Ｅ１Ｂ，Ｅ２Ａ，Ｅ２Ｂのように流れる。矢印Ｅ１Ｂ，Ｅ２Ｂのような流れは、シリンダ中央付近にある燃料噴霧を拡散させる役目をするので、均質燃焼をする場合に有効である。均質燃焼時には、燃料噴霧と吸入空気を効率良く混合し、空気利用率を上げることで出力トルクを向上できる。
次に、図２１を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる空気流動制御弁の動作について説明する。
図２１は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンにおける空気流動制御弁の開閉状態と吸気ポート内の流速分布の関係の説明図である。
図２１において、横軸は吸気ポート内の水平方向位置を表しており、縦軸は最大流遠で正規化した流速を表している。なお、縦軸に示す流速は、図１７に示すように、空気流動制御弁６から距離Ｌ２だけ下流の位置である。距離Ｌ２は、例えば、１０ｍｍである。
制御弁７３が全閉時には、隔壁７６Ａ，７６Ｂの内側通路７８Ａ，７８Ｂ内には流れがほとんど無く、外側通路７７Ａ，７７Ｂに速い流れができている。一方、制御弁７３が全開時には、隔壁７６Ａ，７６Ｂの内側、外側通路ともにほぼ一様な流れが生じている。ポート壁面および隔壁近傍で流速が落ち込んでいるのは、固体壁面と流体の摩擦抵抗のためである。
次に、図２２及び図２３を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる空気流動制御弁の他の構成について説明する。
図２２は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンの他の構成を上方から見た透視図である。図２３は、図２２のＦ矢視図である。なお、図１７〜図２０を同一符号は、同一部分を示している。
この例では、吸気ポート７２Ａ，７２Ｂが独立したタイプのエンジンに、空気流動制御弁６’を適用している。筒内噴射エンジンでは２つの吸気ポート間に燃料噴射弁１９を配置する傾向にあるために、燃料噴射弁取り付け位置７９を確保するために吸気ポート間を大きくする設計が主流となりつつある。このような場合でも、空気流動制御弁６’として、空気流動制御板７３Ａ，７３Ｂを、それぞれ、吸気ポート７２Ａ，７２Ｂに設けることにより、図２１と同様に、空気流動制御弁６’を閉じることにより、空気流動を形成することができる。
以上のように、偏平噴霧を空気流動で挟み込む構成にすることで、噴射時期が吸気行程から圧縮行程の前半でも成層燃焼が可能であり、さらに空気流動制御弁の開閉で均質燃焼時の混合も促進でき、出力を向上できる。
次に、図２４〜図２７を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料供給系統の構成及び動作について説明する。
最初に、図２４及び図２５を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料供給系統の中の燃料ポンプ１８の構成について説明する。
図２４は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料供給系統の中の燃料ポンプの構成を示す部分断面図である。また、図２５は、図２４のＢ−Ｂ矢視図である。
従来の高圧ＤＩシステムでは、燃料タンクからエンジンまでの配管中に、フィードポンプと高圧燃料ポンプの２つのポンプを備えていたのに対して、本実施形態では、１つのポンプのみ用いるようにしている。従来は、高圧燃料ポンプは、流体の吸い込み能力が無いため、フィードポンプは、高圧燃料ポンプに燃料を供給するために用いられている。また、高圧燃料ポンプは、エンジン動力で駆動するものが主流となっており、エンジン近傍に設置されている。そのために燃料タンク位置より低い位置に配置することができないので、高圧ＤＩシステムでは必然的にフィードポンプが必要となっている。
一方、本実施形態では、燃料圧力が低くてすむので、ポンプ構造の簡素化とともにポンプ駆動のための動力源，ポンプ配置の自由度が大きくなっている。
図２４及び図２５に示すように、燃料ポンプ１８は、２つのギヤ１０２，１０３の回転によって、燃料を送り出す構造のギヤポンプである。ポンプ１８は、カップリング１００に動力源を接続することにより、回転される。カップリング１００に連結された軸１０７は、ベアリング１０１によって回転可能に支持されている。ドライブギヤ１０２は、軸１０７に固定されている。ドリブンギヤ１０３は、ドライブギヤ１０２と係合している。
燃料は、吸入口１０８から入り、ドライブギヤ１０２とドリブンギヤ１０３の回転によって吐出口１０９側に搬送され、吐出される。吐出側に連結される配管中に圧力を制御するレギュレータを備えることで、燃料圧力をコントロールすることができる。ドライブギヤ１０２とドリブンギヤ１０３は、２枚の側板１０４，１０５に挟まれて配置され、ギヤサイドへの燃料の漏れを防止する構造となっている。側板１０４，１０５は、スラストベアリング１０６によって支持されている。
以上のようにして、簡単な構成で必要な燃圧を確保できる１つのポンプを用いることにより、燃料ポンプを簡素化して、コスト低減を図ることができる。
次に、図２６を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料供給系統の構成及び動作について説明する。
図２６は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料供給系統の構成を示すシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
ポンプ１８は、燃料タンク８７内の燃料８６の中に設置されている。ポンプ１８は、燃料タンク８７外に配置するモータ８９によって駆動される。ポンプ１８の吐出口には、エンジンへの配管８３が接続され、コモンレール８１に接続されている。配管８３の途中には、燃料圧力を調整するレギュレータ８４と、配管内の燃料圧力をセンシングする燃圧センサ８２が取りつけられる。
レギュレータ８４は、予め設定した燃料圧力に機械的に調整するものである。なお、レギュレータ８４は、燃圧センサ８２の信号に基づいて、電気的に燃料圧力を制御するものでもよいものである。また、コントロールユニット１は、燃圧センサ８２の出力信号に基づいて、モータ８９の回転数を制御するインバータ８８に制御指令を出して、モータ回転数，すなわち、ポンプ回転数を制御する。
次に、図２７を用いて、ギヤポンプの回転数と効率の関係について説明する。
図２７は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料ポンプのギヤポンプの回転数と効率の関係の説明図である。
図２７において、横軸は（ポンプ回転数（ｒｐｍ）／最大回転数（ｒｐｍ））を示し、縦軸はポンプ効率（％）を示している。図２４及び図２５において説明したギヤポンプは、回転数の低下にしたがって効率が低下する傾向にある。ポンプ効率の低下分は、ギヤ隙間や側板側の隙間からの漏れが原因である。しかし、漏れた弁は燃料タンク内にそのまま戻るので、特に問題はないものである。そこで、コントロールユニット１を用いて、ポンプ１８の回数数をコントロールすることにより、ポンプ１８から吐出される燃料量を制御するようにしている。
次に、図２８を用いて、本実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料供給系統の他の構成及び動作について説明する。
図２８は、本発明の第１の実施形態による筒内噴射エンジンに用いる燃料供給系統の他の構成を示すシステム構成図である。なお、図２６と同一符号は、同一部分を示している。
本例においては、燃料ポンプ１８は、エンジンによって駆動するものであり、エンジンの近傍に配置されている。燃料タンク８７には、給油口９１からの開口を閉じる遮断弁９２が設けられている。また、燃料タンク８７の内部には、モータ８９によって駆動されるポンプ９０によって、空気が圧送され、燃料タンク８７の内部の空間を加圧している。燃料タンク８７の内部を加圧することによって、燃料ポンプ１８の吸い込み能力が低い場合でも、１つの燃料ポンプ１８で、燃料噴射弁１９に燃料を供給することが可能となる。
なお、以上の説明では、従来の高圧ＤＩよりも低圧で燃料を筒内に噴射するシステムについて説明したが、特に図２及び図３に示したように、燃料の扁平噴霧を空気流動で挟み込むことによって、燃料噴霧の拡散を防ぎ、点火プラグの周囲を成層化することは、高圧ＤＩにも適用できるものである。最近の高圧ＤＩでは、空燃比４０程度で成層燃焼を行うようにしているが、扁平噴霧と空気流動を用いることにより、さらに空燃比を高くして、排気と燃費の性能を向上することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、筒内噴射エンジンにおける燃費をさらに向上することができる。
また、従来の高圧ＤＩシステムで使用する圧力よりも燃料圧力を低くし、燃料を昇圧時の損失を低下させ、燃費を向上させるとともに、燃料圧力を低圧としながらも希薄燃焼を可能とすることにより、燃費・排気などの性能は高圧ＤＩシステムと同等とすることができる。そして、燃料圧力を低圧化できることにより、燃料ポンプを一つとし、燃料供給系を簡略化することができる。
また、高圧ＤＩシステムにおいて、さらに、燃費を向上することができる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、筒内噴射エンジンにおける燃費をさらに向上することができる。
【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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【国際調査報告】
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