JP4026365B2 - 筒内噴射エンジン - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射エンジンと該エンジンの燃焼方法に係り、特に、タンブル空気流を形成する燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンと該エンジンの燃焼方法に関する。

従来のこの種筒内噴射エンジンとしては、米国特許第５８７８７１２号明細書，特開平１０−１１０６６０号公報，特開平１０−１１０６６２号公報，特開平１０−３０４４１号公報，特開平１０−８９６７号公報，特開平６−８１６５６号公報，特開平９−３１７４７５号公報，特開平１０−１６９４４７号公報に記載されたものが知られている。

米国特許第５８７８７１２号明細書 特開平１０−１１０６６０号公報 特開平１０−１１０６６２号公報 特開平１０−３０４４１号公報 特開平１０−８９６７号公報 特開平６−８１６５６号公報 特開平９−３１７４７５号公報 特開平１０−１６９４４７号公報

これら従来の筒内噴射エンジンにおいては、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射される燃料噴霧自体に密度の差があり、点火プラグ周辺に濃い燃料を集めることに限界があった。このため、できるだけ少ない燃料で燃焼させようとする、所謂希薄燃焼（リーンバーン，超リーンバーン燃焼）では着火性能が低下し、成層燃焼運転領域を８０Ｋｍ／ｈ以上の高速走行時やエンジン回転数２４００rpmのような高回転領域にまで拡大することができなかった。

つまり、燃料噴射弁の燃料噴霧自体に密度の偏りがあり、密度の薄い部分が点火プラグに向かって噴霧されると希薄燃料を成層して着火する、所謂成層燃焼が困難になり、成層燃焼ができなくなる。

具体的には、従来の筒内噴射エンジンは、低負荷低回転域でのタンブル空気流による成層燃焼も、低負荷高回転域、或いは高負荷高回転（１２０Ｋｍ／ｈ走行，エンジン回転数３２００rpm）では、燃焼室内にタンブル空気流を生成すると、ピストンの移動速度が早くなることで、噴霧燃料の気化時間の確保が難しくなる。このために燃料の噴射時期を早める必要があるが、燃料の噴射時期を早めると、燃焼室内の圧力が低い内に燃料を噴霧することになり、燃料の噴霧角が大きくなって、噴霧燃料がますますタンブル空気流によって攪拌され易くなる。

また、シリンダヘッドの内面、燃焼室内壁面やピストンに付着すると云う問題が生じる虞がある。

従来の筒内噴射エンジンにおいては、高負荷域及び高回転域では、吸気行程噴射等を行うと共に、タンブル空気流の生成を中止し、燃料を燃焼室全体に拡散させる、所謂均一燃焼を行うように構成している。

しかし、この場合にも、噴霧した燃料がピストン上面や、燃焼室内壁面に付着して、空気と混合されにくくなり、そのため付着した噴霧燃料は気化が遅れて燃焼せずに排気ガスと一緒にエンジンから排出される傾向が強くなる。

その結果、エンジンから排出される排気ガス中のＴＨＣ（未燃炭化水素）の量が多くなると共に、エンジン性能，燃費効率を低下させる原因ともなっている。

本発明の目的とするところは、アイドル運転領域のような低回転低負荷でのエンジンの着火性を向上させると共に、低回転域から高回転域までの運転領域において、成層燃焼を可能とすることで、ＴＨＣ等の有害成分ガスの排出を抑制すると共に、燃費効率を向上させることができる筒内噴射エンジン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では、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が、噴霧軸線に対して直角な面で見たとき密度が粗密になるよう構成し、密度が密な部分が点火プラグに対向するように燃料噴射弁を燃焼室に取り付けた。具体的には、燃焼室側部に配置した燃料噴射弁から燃焼室上部に配置した点火プラグに向かって流動する空気流を形成し、点火タイミングの少し前に燃料噴射弁から燃料を噴霧してこの空気流に燃料噴霧を乗せて点火プラグの着火タイミングにちょうど燃料噴霧が点火プラグに到達するように構成（タンブルガイド方式と呼ぶ）し、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧が、噴霧軸線に対して直角な面で見たとき密度が粗・密になるよう構成し、密度が密な部分が点火プラグに対向するように燃料噴射弁を燃焼室に取り付けた。

以上の如く構成された本発明では、点火プラグに濃い燃料を供給できるので筒内噴射エンジンの性能を向上できる。具体的発明では、点火プラグ付近の噴霧燃料の密度を高くすることができるので点火プラグによる着火性を向上させることができる。結果として、排ガス中のＴＨＣの量を少なくして排気ガスの浄化率を向上させることができ、かつ燃費効率を向上させることができる。

以下、図面に基づき本発明の筒内噴射エンジンの実施形態について説明する。

図１は、本発明の第一の実施形態の筒内噴射エンジンの斜視概念断面図であり、エンジン本体１の各気筒は、下部にシリンダブロック２を備えると共に、該シリンダブロック２の上部にシリンダヘッド３を配置している。

前記シリンダブロック２の内部には、頂面形状がほぼ平面のピストン４が上下摺動可能に配置され、前記シリンダブロック２と前記ピストン４との間の空間は、燃焼室５として形成されている。シリンダヘッド３は、ペントルーフとなっており、該シリンダヘッド３には、燃焼室５に開口する２本の吸気管６，６と、２本の排気管７，７が接続形成され、前記各吸気管６，６には、各々吸気弁８，８が、前記各排気管７，７には、各々排気弁９，９が前記シリンダヘッド３との接続部に配置されている。

前記シリンダヘッド３の二つの吸気弁６，６間には、燃料を直接エンジンの気筒内に噴射する燃料噴射弁１０が配設され、その噴射口（噴射点）１０ａを燃焼室５に向けて位置している。前記燃料噴射弁１０は、噴霧燃料に旋回力を与えて所定の噴霧角の円錐形状になるような形状を有する高圧旋回燃料噴射弁であり、前記噴射された噴霧燃料は、前記燃焼室５内の圧力が高くなるにつれて前記燃料噴霧角が小さくなる傾向がある。前記シリンダヘッド３の天井部中心位置には、点火プラグ１１が配設され、点火ギャップ部を形成する電極１１ａを前記燃焼室５に向けて位置している。

前記吸気弁８，８と前記排気弁９，９は、シリンダヘッド３の上部に配置されたカムシャフト（図示省略）により上下方向に移動して、前記シリンダヘッド３に形成された吸気管６，６と排気管７，７との連通弁孔を開閉する。前記ピストン４は、前記シリンダブロック２の下部に回転自在に軸支されたクランク軸（図示省略）にコネクテングロッド４ａを介して連動連結され、エンジンの稼働により前記ピストン４が前記シリンダブロック２内を上下するのに伴って、前記クランク軸を回転駆動する。

前記吸気弁８，８の上流の二つの吸気管６，６内には、該吸気管６，６の吸入流路を上下に二分割する整流板１２，１２が各々配置されると共に、該整流板１２，１２の上流には、分流弁１３，１３が配置されて吸入空気制御手段として機能している。該分流弁１３，１３は、弁軸１３ａと弁体１３ｂとからなり、弁軸１３ａを回動することにより、弁体１３ｂが真下から真横までの９０度の角度範囲で位置移動するように配置されている。前記分流弁１３，１３は、燃焼室５内に生成される空気流の速度とその方向性を調節するものであって、空気流の速度を速くする場合には、２分された吸入流路の内の下部流路６ａ，６ａを前記分流弁１３，１３で塞ぐことによって、吸気管６，６内の流路面積を減少させて行うこと、即ち、燃焼室５内に順タンブル空気流を生成するものであり、また、燃焼室５内に生成される空気流の速度を速くしたくない場合あるいは燃焼室５内に空気を多く吸入する場合には、分流弁１３，１３を開状態として下部流路６ａ，６ａを開放することによって行うものである。

図２は、本実施形態の筒内噴射エンジンの燃焼室５内へ吸入される空気流のタンブル空気流の流動状態と燃料噴霧状態を示したものである。分流弁１３を閉鎖状態として吸気管６の上部流路６ｂのみから空気流を燃焼室５に吸入することによって、該燃焼室５に矢印Ａで示すような順タンブル空気流の流動状態が生成され、前記ピストン４の上面を移動して吸気側の燃焼室の壁面（シリンダ壁面）に沿って上昇する。前記燃料噴射弁３から噴射される燃料は、噴霧燃料Ｂ（１５）のように、プラグ側が長く、ピストン側が短かい円錐状噴霧を生成し、その円錐状噴霧燃料Ｂがタンブル空気流に乗って点火プラグ１１の電極１１ａの点火ギャップ部まで搬送される。これを我々はタンブルガイド方式と呼ぶことにする。

前記タンブル空気流Ａの流動は、燃料噴射弁１０の下から上昇し、噴霧燃料Ｂは燃料噴射弁１０から点火プラグに向うタンブル空気流Ａに乗って点火プラグ１１の電極１１ａまで運ばれる。例えば、エンジン回転数が１４００rpm相当では、燃料噴射弁１０から燃料が噴射されてから３.１５msec後に噴霧燃料が点火プラグ１１の電極１１ａに到達する。

図２で、（１）はプラグの着火次期に先立って燃料が噴射された状態を示す。

（２）はタンブル空気流に乗って燃料がプラグ位置まで運ばれた状態を示す。

この（２）の状態でちょうどプラグに点火信号が供給され着火タイミングとなる。

具体的には、エンジン回転数１４００rpmで燃焼室内平均有効圧力３２０Ｋｐａ（キロパスカル）のとき、燃料はＢＴＤＣ（上死点前）７０degで噴射される。着火タイミングはＢＴＤＣ３５deg。

また、エンジン回転数３２００rpmで燃焼室内平均有効圧力３５０Ｋｐａ（キロパスカル）のとき、燃料はＢＴＤＣ（上死点前）８０degで噴射される。着火タイミングはＢＴＤＣ３０deg。

どちらの場合も着火タイミングの約３msec前に燃料が噴射される。

種々の運転領域でこの時間を計測すると３.０乃至３.１５msec前に燃料を噴射すれば良い事が解かった。

図３は、本実施形態の筒内噴射エンジンの点火プラグ１１と燃料噴射弁１０との位置関係、及び、燃料噴射弁１０の噴射口（噴射点）１０ａと点火プラグ１１の電極１１ａの点火ギャップ部（着火点）との位置関係を示したものである。

点火プラグ１１は、その長手方向の軸心Ｙをエンジンブロック２の軸心と一致して垂直に配置され、燃料噴射弁１０は、その軸心Ｚを前記軸心Ｙと直角で該軸心Ｙを通る軸線Ｘに対して前記燃料噴射弁１０の噴射口１０ａを基点として角度（噴射弁取付角）αだけ傾斜して配置されている。前記点火プラグ１１の電極１１ａの点火ギャップ部（着火点）は、前記燃料噴射弁１０の噴射口（噴射点）１０ａを基点として前記軸線Ｘに対して角度βの位置に配置されている。

また、前記燃料噴射弁１０から噴射される噴霧形態は、円錐状噴霧で、燃料噴霧角θｏ（燃料噴射弁１０の軸心Ｚと噴霧上部縁Ｆとのなす角）で噴霧され、前記軸線Ｘと噴霧上部縁とのなす角が、噴霧上端角γとされ、前記円錐状噴霧の噴霧到達距離は、前記噴射点１０ａと前記電極１１ａとの間の位置距離よりも長くなるように噴霧生成するものである。燃料噴射弁１０の燃料噴霧角θｏが決まれば、図３に示すように、角αと角βは、各エンジンの各気簡により予め決められているものであるので、θｏ−α＝γから、噴霧上端角γを決定することができ、予め決められている角βに対して噴霧上端角γをどの程度するか、即ち、噴霧燃料の噴霧上部Ｆと点火プラグ１１の電極１１ａとの位置関係をどの程度するかを決定することができる。

図４と図５は、本実施形態の筒内噴射エンジンの燃料噴射弁１０の駆動部と噴射ノズル部分を示したものであり、図４は、燃料噴射弁１０の駆動部と噴射ノズル部分の縦断面図、図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。

前記燃料噴射弁１０の駆動部と噴射ノズル部分は、その軸線Ｚ上に燃料供給源から導かれる燃料をノズル部３０の噴射口１０ａに案内する燃料通路２１を備え、該燃料通路２１の外周部には、電磁ソレノイド２３が配置されている。前記ノズル部３０には、励磁可動子２４，圧縮コイルスプリング２２，内部に燃料溜空間２８ａを有するノズルケース２８，該励磁可動子２４と一体に移動し前記ノズルケース２８内の燃料溜空間２８ａに延びている弁軸２５，該弁軸２５の先端に固定され前記噴射口１０ａの弁座２６に着座する球状弁体１８、及び、該弁体１８の周囲に配置されたリング状の燃料旋回部材１７とを備えている。

図５に示すように、前記燃料旋回部材１７は、外形が５角形で、中心に円孔２９を有し、前記５角形の各辺１７ａから前記円孔２９に向けて軸線Ｚから放射状に延びる線Ｗに対して所定寸法オフセットした５本の旋回溝１６，…が形成されている。前記円孔２９内には、前記弁軸２５と前記弁体１８とが所定の間隙を有して上下移動可能に緩嵌合するように配置されている。

前記燃料噴射弁１０は、通常、前記圧縮スプリング２２により前記球状弁体１８を常時下方に付勢して、前記弁座２６に着座するようになっている。前記燃料通路２１から流入した燃料は、前記ノズルケース２８内の燃料溜空間２８ａに導かれ、前記燃料旋回部材１７の各旋回溝１６，…から前記円孔２９に導かれている。前記状態において、燃料噴射弁１０の噴射口１０ａから燃料を噴射したい場合には、前記電磁ソレノイド２３を励磁して前記励磁可動子２４を上方に付勢すると、前記圧縮コイルスプリング２２の付勢力に抗して前記弁体１８が上方に移動して、前記弁体１８が前記弁座２６から離れて前記噴射口１０ａから燃料が噴射される。該燃料の噴射において、前記噴射口１０ａに導かれる燃料は、前記燃料旋回部材１７の所定寸法オフセットした各旋回溝１６，…を介して供給されるので、前記噴射口１０ａから噴出される場合には、略円錐状の噴霧燃料として噴霧される。

また、前記略円錐状噴霧燃料は、５本の旋回溝１６，…を介して噴射されたものであるので、燃料にスワールを生成するもので、その円錐状の周方向の位置によって燃料の密度分布に相違が生じるが、本実施形態においては、旋回溝１６，…を５本として従来の例えば４本の旋回溝よりその数を多くしたことにより、その周方向の燃料の密度分布の相違を小さくすることができ、噴霧燃料の周方向位置の燃料密度分布を均質化することができる。

図６は、燃料噴射弁１０の燃料旋回部材１７に形成した旋回溝１６を６本とした本実施形態の他の具体的な実施例で、図５と同様な横断面図である。旋回溝１６を６本とすることにより、旋回溝１６が５本のものよりも、更に円錐状噴霧燃料の周方向の位置の燃料密度分布の相違を小さくし、噴霧燃料の周方向位置の燃料密度分布をより均質化することができる。

図７は、燃料旋回部材に形成した旋回溝を３本とした通常の燃料噴射弁から噴射された円錐状噴霧燃料の横断面図を示したものである。該図７から理解されるように、旋回溝が３本のものは、円錐状噴霧燃料の周方向の角度位置θの相違により燃料密度分布の相違が明確で、周方向に低噴霧密度部１５Ｌと高噴霧密度部１５Ｈとに区別されて噴射される。

図８は、燃料噴射弁の燃料旋回部材に形成した旋回溝の数の相違に基づく、噴霧円周方向角度θと噴霧密度との関係を示したものである。

図８において、横軸が噴霧円周方向角度θで縦軸が噴霧密度を示しており、従来の旋回溝が３本あるいは４本のものに比べて、本実施形態の実施例の旋回溝が５本あるいは６本のほうが、円錐状噴霧燃料の周方向の密度分布の差が少なく、周方向に均質な噴霧が行われていることが解る。

図９は、エンジン運転時の点火プラグの電極付近での、時間（クランク角）の変化に対する空気と燃料との混合気濃度の状態を示したものであり、（ａ）は燃料噴射弁の燃料旋回部材に形成した旋回溝の数が１本の場合であり、（ｂ）は、本実施形態の旋回溝が５本の場合である。図９において、Ａは、燃料噴射弁から噴射される円錐状噴霧燃料の高噴霧密度部分を示し、Ｂは、低噴霧密度部分を示している。（ａ）の旋回溝が１本の燃料噴射弁は、高噴霧密度部分Ａで燃焼時すすを発生する限界濃度Ｃを超える時期がある一方、低濃度密度部分Ｂでは、点火しない虞のある希薄限界濃度Ｄ以下となってしまい、円錐状噴霧燃料の周方向の濃度差が高いことを示している。しかし、（ｂ）の本実施形態の旋回溝が５本の燃料噴射弁は、高噴霧密度部分Ａも、低濃度密度部分Ｂも、すす限界Ｃ以下、あるいは、希薄限界Ｄ以上であり、円錐状噴霧燃料の周方向の濃度差が低く、該円錐状噴霧燃料の周方向での濃度が均質化していることを示している。

図１０は、本実施形態の燃料噴射弁の燃料旋回部材（旋回溝５本）１７の円孔と球状弁体との寸法関係に基づく円錐状噴霧燃料の周方向の燃料密度分布の状態を示したものである。

（ａ）は、円孔２９の直径Ｄ２と球状弁体１８の直径Ｄ１との関係を示しており、（ｂ）に示すように、円孔２９と弁体１８との直径の差が大きいほど、即ち、円孔と弁体１８である球体との間隙が大きいほど、円周方向の燃料噴霧密度の差が大きく生じることになるので、円周方向の燃料噴霧密度は、円孔と球体との直径の差が小さいのが望ましいことが解る。そして、実験の結果、球状弁体１８の直径Ｄ１に対して円孔１７の直径Ｄ２を、Ｄ２＝１.００５Ｄ１程度とすると、噴霧密度の周方向の差が一番小さくなることが解った。

図１１は、本実施形態の燃料噴射弁１０の燃料旋回部材（旋回溝５本）１７の噴射口の口径と長さとの関係に基づく円錐状噴霧燃料の周方向の燃料密度分布の状態を示したものである。（ａ）は、噴射口１０ａの口径Ｄ３に対する該噴射口１０ａの長さＬの関係を示しており、（ｂ）に示すように、口径Ｄ３に対する該噴射口１０ａの長さＬが短いほど円周方向の燃料噴霧密度の差が大きく生じ、円周方向の燃料噴霧密度は、燃料噴射弁の噴射口の口径Ｄ３に対する長さＬは、長さが長いほど望ましいことが解る。そして、実験の結果、噴射口１０ａの直径Ｄ３とその長さＬとは、Ｌ／Ｄ３＞１であると、円周方向の燃料噴霧密度差が小さくなることが解った。

図１２は、本実施形態の燃料噴射弁１０から噴射される円錐状噴霧燃料の周方向の燃料密度の偏差について説明したものであり、（ａ）は燃料密度の偏差を導く式を示しており、（ｂ）は噴霧円周方向角度θと噴霧密度との関係を示したものである。（ａ）の式（１）において、ρは密度、ρｍは平均密度、σは密度偏差であり、（ｂ）において、Ｃはすす限界密度、Ｄは希薄限界密度である。

通常、平均密度ρｍを、ρｍ＝１とすると、すす限界密度Ｃと希薄限界密度Ｄとは、その±０.５とされている。そこで、すす限界密度Ｃと希薄限界密度Ｄとの範囲に入る噴霧密度のサインカーブの密度ρを、ρ＝ｆ（θ）とし、ｆ（θ）＝０.５sinθ＋１と仮定して、式（１）に代入すると、許容できる燃料密度の偏差σは、σ＝１４.３％となる。したがって、円錐状噴霧燃料の周方向の燃料密度を限界密度Ｃと希薄限界密度Ｄとの間の許容範囲内に納めるためには、噴霧燃料の密度の周方向の偏差σをσ＜１５％とする必要がある。

図１３は、前記燃料噴射弁を備えた本実施形態の筒内噴射エンジンの運転の各行程の状態を説明したものであり、（ａ）は吸気行程、（ｂ）は圧縮行程の前期、（ｃ）は圧縮行程の後期である。

本実施形態の筒内噴射エンジンにおいては、（ａ）の吸気行程では、吸気管６内の分流弁１３の弁体１３ｂを閉じた状態として、吸気弁８を開くと、吸入空気は、前記吸気管６の上部流路６ｂからのみ燃焼室５に吸入される。燃焼室５に吸入された空気は、矢印Ａで示すように、順タンブル空気流として燃焼室５内を流動する。次の（ｂ）の圧縮行程の前期では、ピストン４が上昇し始めると共に、燃料噴射弁１０の噴射口１０ａから燃料が噴射される（ＢＴＤＣ７０〜９０deg）。この時、本実施形態の燃料噴射弁１０は、そのノズル部３０の燃料旋回部材１７が５本もしくは６本の旋回溝１６を備えた構成であるので、その噴霧される円錐状噴霧燃料の先端環状部の燃料密度がその周方向で均質化された状態となっている。該噴霧燃料は、前記順タンブル空気流の外層に適度の強さで噴霧されるので、前記タンブル空気流に乗って移動する。（ｃ）の圧縮後期においては、更にピストン４が上昇し、噴霧された燃料がタンブル空気流によって点火プラグ１１の電極１１ａ付近に搬送され、該点火プラグ１１の電極１１ａで着火される（ＢＴＤＣ３０〜３５deg）。

前記のように、本実施形態の筒内噴射エンジンは、順タンブル空気流の外層に燃料が噴射噴霧され、同空気流でピラグまで運ばれ、その状態でピストン４により圧縮されるので、空気と燃料とは成層状態で着火されることとなる。前記燃料噴射弁１０から噴霧される円錐状噴霧燃料の燃料密度が、その周方向で均質化されているので、燃料密度の低いところがなく点火プラグ１１の電極部分には密度が均一な燃料が供給されることとなり、着火性が向上する。即ち、噴霧燃料を順タンブル流動による空気流によって受け止めてシリンダヘッドに取り付けた点火プラグまでに移送するので、移送距離が短かく、周囲への拡散も少ない。従ってピストン上面やシリンダ内壁への噴霧燃料の付着が少なくなると共に、点火プラグ付近の噴霧燃料の密度を高い状態で均一にすることができるので点火プラグによる着火性を向上させることができる。

前記結果として、該エンジンの運転域をアイドル運転域から高回転域まで成層運転をすることができると共に、噴霧燃料の燃焼室内壁やピストン上面への付着を減少させることができるので、排ガス中のＴＨＣの量を少なくして排気ガスの浄化率を向上させることができ、かつ燃費効率を向上させることができる。

次に、本発明の第二の実施形態の筒内噴射エンジンについて説明する。

本実施形態の筒内噴射エンジンは、基本的には、前記第一の実施形態の筒内噴射エンジンとその機能を同じくしており、前記第一の実施形態の筒内噴射エンジンとの相違は、構成的には、該筒内噴射エンジンの燃料噴射弁１０の燃料旋回部材１７の旋回溝１６の構成の相違と、該燃料噴射弁１０の筒内噴射エンジンへの取り付け方についてであるので、その点を中心にして説明し、両実施形態に共通する部分の説明は、省略する。

図１４は、本実施形態の燃料噴射弁１０のノズル部３０の各旋回溝１６の溝幅を異なる幅とした場合の噴霧燃料の密度分布を示したものである。（ａ）はノズル部３０の横断面図であり、燃料噴射弁１０は、燃料旋回部材１７の旋回溝１６を４本とし、各旋回溝１６をオフセット状に配置すると共に、その溝の幅を各々異なる幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４としたものである。各旋回溝１６を各々異なる幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４としたことで、（ｂ）に示すように、円錐状噴霧燃料の周方向の角度位置の相違により噴霧燃料の密度差が顕著に現れる。即ち、幅Ｗ１を広くした旋回溝１６に相当する角度部分θＨが他の旋回溝１６よりも燃料濃度が高く生成される。

図１５は、前記図１４の燃料噴射弁１０の筒内噴射エンジンへの取り付け方について説明したもので、（ａ）（ｂ）に示すように、円錐状噴霧燃料の燃料濃度の高い部分が、点火プラグ１１の電極１１ａ側に成るように、筒内噴射エンジンに燃料噴射弁１０を取付固定する。前記のように燃料噴射弁１０を取り付けることによって、点火プラグ１１の電極１１ａ部分に燃料濃度の高い噴霧燃料が供給されることになり、着火性が良くなると共に、逆に前記電極１１ａから離れた部分の円錐状噴霧燃料の燃料濃度は相対的に低くなるので、ピストン４やシリンダブロック内壁への燃料の付着が減少する。

図１６は、本実施形態の燃料噴射弁１０の他の実施例を示したもので、（ａ）は、燃料ノズル部３０の断面図、（ｂ）は噴霧燃料と点火プラグ１１の電極１１ａ部分との配置関係を示したものである。（ａ）に示すように、前記燃料噴射弁１０は、燃料旋回部材１７の旋回溝１６を３本とし、各旋回溝１６は等しいオフセットで等間隔に配置されている。前記燃料噴射弁１０から噴射される円錐状の噴射燃料は、（ｂ）に示すように、燃料濃度の高い部分１５Ｈが、等間隔に３ヶ所生成され、他の部分は燃料濃度が低く１５Ｌとなっている。点火プラグ１１との関係においては、３つの燃料濃度の高い部分１５Ｈの内の一つの濃度の高い部分１５Ｈを前記点火プラグ１１の電極１１ａに接近して噴射するように配置する。前記のように、燃料噴射弁１０を筒内噴射エンジンに取り付けることにより点火プラグ１１の電極１１ａ部分に燃料濃度の高い噴霧燃料が供給できて燃料の着火性が向上すると共に、ピストン４に近い部分の円錐状の噴射燃料は、燃料濃度が低い部分１５Ｌとなるので、該ピストン４の上面への噴霧燃料の付着が減少する。

図１７は、図１６の燃料噴射弁１０を変形した他の実施例を示したもので、（ａ）は、燃料ノズル部３０の断面図、（ｂ）は噴霧燃料と点火プラグ１１の電極１１ａ部分との配置関係を示したものである。図１６の燃料噴射弁１０との相違は、３つの旋回溝１６が等間隔に配置されておらず、各々異なる間隔の角度配置θ１，θ２，θ３としたことである。点火プラグ１１との関係においては、３つの燃料濃度の高い部分１５Ｈの内の一つの濃度の高い部分１５Ｈを前記点火プラグ１１の電極１１ａに接近して噴射するように配置し、他の２つの燃料濃度の高い部分１５Ｈも、できるだけ、上方で噴霧するように配置することで、前記図１５の燃料噴射弁１０と同様な機能を奏することができる。

図１８は、本実施形態の燃料噴射弁１０の他の実施例を示したもので、（ａ）は、燃料ノズル部３０の断面図、（ｂ）は噴霧燃料と点火プラグ１１の電極１１ａ部分との配置関係を示したものである。（ａ）に示すように、前記燃料噴射弁１０は、燃料旋回部材１７の旋回溝１６を１本とし、該旋回溝１６はオフセットで配置されている。前記燃料噴射弁１０から噴射される円錐状の噴射燃料は、（ｂ）に示すように、燃料濃度の高い部分１５Ｈと濃度の低い部分１５Ｌとに二分割して生成される。

点火プラグ１１との関係においては、燃料濃度の高い部分１５Ｈを前記点火プラグ１１の電極１１ａに接近して噴射するように配置する。前記のように、燃料噴射弁１０を筒内噴射エンジンに取り付けることにより点火プラグ１１の電極１１ａ部分に燃料濃度の高い噴霧燃料が供給でき着火性が向上すると共に、ピストン４に近い部分の円錐状の噴射燃料は、燃料濃度が低い部分１５Ｌとなるので、該ピストン４の上面への噴霧燃料の付着が減少する。

以上、本発明の二つの実地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。

例えば、第一の実施形態においては、燃料噴射弁から噴射される円錐状噴霧燃料の燃料密度が、その周方向で均質化するように、該燃料噴射弁の旋回溝の数，旋回溝の幅、及び、旋回溝の配置位置を変更した幾つかの実施例を示したが、燃料密度を均質化する構成としては、図１９及び図２０に示す燃料噴射弁の構成とすることができ、該構成の燃料噴射弁は、円錐状噴霧燃料の燃料密度を、その周方向のみでなく、内部まで均質化することができる。

図１９は、（ａ）に示されているように、燃料旋回部材１７が、外形を４角形で、中心に円孔２９を有し、前記４角形の各辺１７ａから前記円孔２９に向けて軸線Ｚから放射状に延びる線Ｗに対して各々オフセット幅ＯＦ１，ＯＦ２，ＯＦ３，ＯＦ４の異なる４本の旋回溝１６，…を形成したものである。前記構成の燃料噴射弁で燃料を噴射すると、噴射直後は、（ｂ）に示すように、燃料がその中心部１５ＬＳと周縁部１５ＨＳとに噴霧されることになるが、燃料噴霧の中心部の噴出力ＦＣによって、前記周縁部１５ＨＳを内側に押し込むような力ＦＥが発生し、所定時間経過後は、（ｃ）に示すような、噴霧燃料の密度分布となり、噴霧燃料の中心部まで、燃料が噴霧される状態となって均質化される。

図２０は、（ａ）（ｂ）に示されているように、燃料旋回部材１７が、外形を４角形で、中心に円孔２９を有し、前記４角形の各辺１７ａから前記円孔２９に向けて軸線Ｚから放射状に延びる線Ｗに対して各々オフセットした４本の旋回溝１６，…を形成し、前記円孔２９下端部に環状溝１９を形成したものである。前記構成の燃料噴射弁で燃料を噴射すると、（ｃ）に示すような、噴霧燃料の密度分布となり、噴霧燃料の中心部まで、燃料が噴霧される状態となって均質化される。

本発明は、燃焼室上部に配置した点火プラグと、前記燃焼室側部に配置した燃料噴射弁と、吸気管に配置した吸入空気制御手段とを備えた筒内噴射エンジンに適用すると好適であるが、プラグと燃料噴射弁の取り付け位置関係は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が許される。

燃料噴射弁もボール弁に限らず、ニードル弁タイプのものにも適用できる。

本発明の第一の実施形態の筒内噴射エンジンの斜視概念断面図。 図１の筒内噴射エンジンの燃焼室に吸入される順タンブリ空気流と燃料噴霧の状態とを示す図。 図１の筒内噴射エンジンの点火プラグと燃料噴射弁との位置関係、及び、燃料噴射弁の噴霧状態と点火プラグの電極の点火ギャップ部との位置関係を示した図。 図１の筒内噴射エンジンに備えられる燃料噴射弁のノズル部の縦断面図。 図４の燃料噴射弁のノズル部の矢視Ａ−Ａ横断面図。 第一の実施形態の燃料噴射弁の他の実施例で、図４とは異なる旋回溝数を備えたノズル部分の横断面図。 従来の燃料噴射弁の旋回溝が３本の噴霧燃料の密度分布を示す図。 燃料噴射弁の燃料旋回部材に形成した旋回溝の数の相違に基づく、噴霧円周方向角度θと噴霧密度との関係を示した図。 エンジン運転時の点火プラグの電極付近での、時間（クランク角）の変化に対する空気と燃料との混合気濃度の状態を示した図。 燃料噴射弁の燃料旋回部材の円孔の直径と球状弁体の直径との差に基づく円錐状噴霧燃料の周方向の燃料密度分布の状態を示した図。 燃料噴射弁の燃料旋回部材の噴射口の口径に対する該噴射口の長さの相違に基づく円錐状噴霧燃料の周方向の燃料密度分布の状態を示した図。 燃料噴射弁から噴射される円錐状噴霧燃料の周方向の燃料密度の偏差について説明した図。 図１の筒内噴射エンジンの運転の各行程の状態を説明したものであり、（ａ）は吸気行程、（ｂ）は圧縮行程の前期、（ｃ）は圧縮行程の後期を示す図。 本発明の第二の実施形態の筒内噴射エンジンに備えられる燃料噴射弁のノズル部の横断面と、該燃料噴射弁の噴霧燃料の密度分布を示す図。 図１４の筒内噴射エンジンの燃料噴射弁の噴霧燃料の密度分布状態と、エンジンへの装着状態を示した図。 第二の実施形態の燃料噴射弁の他の実施例で、図１５とは異なる旋回溝を備えたノズル部分の横断面図と、噴霧燃料の密度分布状態とエンジンへの装着状態を示した図。 第二の実施形態の燃料噴射弁の更に他の実施例で、図１６とは異なる旋回溝を備えたノズル部分の横断面図と、噴霧燃料の密度分布状態とエンジンへの装着状態を示した図。 第二の実施形態の燃料噴射弁の更に他の実施例で、図１７とは異なる旋回溝を備えたノズル部分の横断面図と、噴霧燃料の密度分布状態とエンジンへの装着状態を示した図。 第一の実施形態の燃料噴射弁の更に他の実施例で、旋回溝を備えたノズル部分の横断面図と、噴霧燃料の密度分布状態を示した図。 第一の実施形態の燃料噴射弁の更に他の実施例で、旋回溝と環状溝とを備えたノズル部分の横断面図と、噴霧燃料の密度分布状態を示した図。

符号の説明

１…エンジン本体、２…シリンダブロック、３…シリンダヘッド、４…ピストン、４ａ…コネクテングロッド、５…燃焼室、６…吸気管、７…排気管、８…吸気弁、９…排気弁、１０…燃料噴射弁、１０ａ…噴射口（噴射点）、１１…点火プラグ、１１ａ…電極、１２…整流板、１３…分流弁、１３ａ…弁軸、１３ｂ…弁体、１６…旋回溝、１７…燃料旋回部材、１８…球状弁体、１９…環状溝、２２…圧縮コイルスプリング、２３…電磁ソレノイド、２４…励磁可動子、２５…弁軸、２６…弁座、２８…ノズルケース、２８ａ…燃料溜空間、２９…円孔、３０…ノズル部。

Claims (3)

1. 燃焼室側部に配置した燃料噴射弁から燃焼室上部に配置した点火プラグに向かって流動する空気流を形成し、点火タイミングの少し前に燃料噴射弁から燃料を噴霧してこの空気流に燃料噴霧を乗せて点火プラグの着火タイミングにちょうど燃料噴霧が点火プラグに到達するように構成し、前記燃料噴射弁のノズル部に、燃料噴射口の弁座に着座する弁体と、この弁体をガイドする通孔を有する燃料旋回素子を設け、この燃料旋回素子には周方向に間隔を置いて配置された旋回溝を設け、この旋回溝を燃料噴射口の中心軸線を通る仮想放射線に対して平行に所定寸法オフセットした位置に形成した筒内噴射エンジンにおいて、
   前記旋回溝のそれぞれは少なくとも２種類の異なる溝幅とし、
   前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧には、噴霧軸線に対して直角な面で見たときに、前記噴霧軸線を中心とする周方向に密度が密になる部分と粗になる部分とが形成され、
   前記燃料噴射弁を前記密になる部分が点火プラグ方向になるように燃焼室に取り付けたことを特徴とする筒内噴射エンジン。
2. 燃焼室側部に配置した燃料噴射弁から燃焼室上部に配置した点火プラグに向かって流動する空気流を形成し、点火タイミングの少し前に燃料噴射弁から燃料を噴霧してこの空気流に燃料噴霧を乗せて点火プラグの着火タイミングにちょうど燃料噴霧が点火プラグに到達するように構成し、前記燃料噴射弁のノズル部に、燃料噴射口の弁座に着座する弁体と、この弁体をガイドする通孔を有する燃料旋回素子を設け、この燃料旋回素子には周方向に間隔を置いて配置された旋回溝を設け、この旋回溝を燃料噴射口の中心軸線を通る仮想放射線に対して平行に所定寸法オフセットした位置に形成した筒内噴射エンジンにおいて、
   前記旋回溝を１本又は３本有し、
   前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧には、噴霧軸線に対して直角な面で見たときに、前記噴霧軸線を中心とする周方向に密度が密になる部分と粗になる部分とが形成され、
   前記燃料噴射弁を前記密になる部分が点火プラグ方向になり、前記粗になる部分がピストン方向になるように燃焼室に取り付けたことを特徴とする筒内噴射エンジン。
3. 請求項２に記載の筒内噴射エンジンにおいて、旋回溝を３本有し、３本の旋回溝を不等間隔に配置したことを特徴とする筒内噴射エンジン。

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