JP2003120299A - 筒内噴射ガソリンエンジン - Google Patents
筒内噴射ガソリンエンジンInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】センタ噴射の筒内エンジンにおいて、点火プラ
グとインジェクタが近接して配置されているため、噴射
された液体燃料が点火プラグに直撃して点火プラグがく
すぶるという問題があった。 【解決手段】インジェクタ先端の一部に切り欠きを入れ
ることにより、噴霧に粗な部分と密な部分を形成し、粗
な部分が点火プラグ方向になるようにインジェクタを配
置する。 【効果】点火プラグへの液体燃料の直撃を防止すること
により、点火プラグのくすぶりを防止、点火プラグの寿
命をのばすことが可能となる。
グとインジェクタが近接して配置されているため、噴射
された液体燃料が点火プラグに直撃して点火プラグがく
すぶるという問題があった。 【解決手段】インジェクタ先端の一部に切り欠きを入れ
ることにより、噴霧に粗な部分と密な部分を形成し、粗
な部分が点火プラグ方向になるようにインジェクタを配
置する。 【効果】点火プラグへの液体燃料の直撃を防止すること
により、点火プラグのくすぶりを防止、点火プラグの寿
命をのばすことが可能となる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室内に直接燃
料を供給する筒内噴射型火花点火機関に関するものであ
る。
料を供給する筒内噴射型火花点火機関に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の筒内噴射エンジンは、インジェク
タを、燃焼室の吸気ポートの下側で、燃焼室水平面に対
して２０°〜５０°の角度をもって設けられている。成
層燃焼時には、ピストンに設けられたキャビティに向け
て燃料を噴射し、吸気ポートに設置されたスワールコン
トロールバルブなどの流動生成手段によって形成された
空気流動と組み合わせて、混合気を燃焼室中央部に配置
された点火プラグへ導き点火する構成である。
タを、燃焼室の吸気ポートの下側で、燃焼室水平面に対
して２０°〜５０°の角度をもって設けられている。成
層燃焼時には、ピストンに設けられたキャビティに向け
て燃料を噴射し、吸気ポートに設置されたスワールコン
トロールバルブなどの流動生成手段によって形成された
空気流動と組み合わせて、混合気を燃焼室中央部に配置
された点火プラグへ導き点火する構成である。
【０００３】特開平６−４２３５２号では燃焼室中央天
井部にインジェクタを配置、ピストンへ向かって燃料を
噴射するセンタ噴射の筒内噴射ガソリンエンジンにおい
て、噴霧を点火プラグへ直撃させて、混合気濃度の制御
を高精度に行う技術について記載されている。
井部にインジェクタを配置、ピストンへ向かって燃料を
噴射するセンタ噴射の筒内噴射ガソリンエンジンにおい
て、噴霧を点火プラグへ直撃させて、混合気濃度の制御
を高精度に行う技術について記載されている。
【０００４】特開平１０−１３１７５６号では、上記と
同様に燃焼室の頂上ほぼ中央位置からピストンに向けて
燃料噴射するインジェクタとピストン上弁部にキャビテ
ィを設け、キャビティ内でかつ吸気弁側に変位した位置
に点火プラグを設けた構成である。燃料噴霧が点火プラ
グに直撃しないように点火プラグを配置しており、ピス
トン形状と空気流動により点火プラグに混合気を集約、
成層燃焼を安定化させている。
同様に燃焼室の頂上ほぼ中央位置からピストンに向けて
燃料噴射するインジェクタとピストン上弁部にキャビテ
ィを設け、キャビティ内でかつ吸気弁側に変位した位置
に点火プラグを設けた構成である。燃料噴霧が点火プラ
グに直撃しないように点火プラグを配置しており、ピス
トン形状と空気流動により点火プラグに混合気を集約、
成層燃焼を安定化させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
６−４２３５２号のセンタ噴射式筒内噴射ガソリンエン
ジンでは、積極的に燃料を点火プラグへ直撃させてお
り、点火プラグへの液体燃料付着によるくすぶりや、そ
れに伴う燃焼安定性の悪化について考慮されていない。
６−４２３５２号のセンタ噴射式筒内噴射ガソリンエン
ジンでは、積極的に燃料を点火プラグへ直撃させてお
り、点火プラグへの液体燃料付着によるくすぶりや、そ
れに伴う燃焼安定性の悪化について考慮されていない。
【０００６】また、特開平１０−１３１７５６号のセン
タ噴射式筒内噴射ガソリンエンジンでは、混合気の成層
化を、空気流動やピストン形状の最適化で行っており、
ピストンへの付着燃料の燃焼による未燃炭化水素やすす
などの排気性能の悪化が考えられる。また、流動生成手
段や、ピストン加工，複雑な制御が必要であり、コスト
が高いという課題がある。
タ噴射式筒内噴射ガソリンエンジンでは、混合気の成層
化を、空気流動やピストン形状の最適化で行っており、
ピストンへの付着燃料の燃焼による未燃炭化水素やすす
などの排気性能の悪化が考えられる。また、流動生成手
段や、ピストン加工，複雑な制御が必要であり、コスト
が高いという課題がある。
【０００７】本発明は、上記の従来技術における課題を
解決するためになされたものであり、目的は、燃料噴霧
形状の最適化により点火プラグへの液体燃料の直撃を防
ぎ、点火プラグのくすぶりやそれにともなう燃焼不安定
を抑制することである。また、空気流動やピストン形状
のサポートを最小限にし、噴霧特性によって成層化を達
成し、安定燃焼させる噴霧制御手段を提供することであ
る。
解決するためになされたものであり、目的は、燃料噴霧
形状の最適化により点火プラグへの液体燃料の直撃を防
ぎ、点火プラグのくすぶりやそれにともなう燃焼不安定
を抑制することである。また、空気流動やピストン形状
のサポートを最小限にし、噴霧特性によって成層化を達
成し、安定燃焼させる噴霧制御手段を提供することであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】ガソリンを燃焼室に直接
噴射する筒内噴射型の火花点火型内燃機関であり、燃焼
室上部中央付近にインジェクタを有し、その近傍に点火
プラグを有するエンジンにおいて、噴霧に粗な部分と密
な部分を有するインジェクタを組み合わせ、噴霧の粗な
部分を点火プラグ方向に指向させる。
噴射する筒内噴射型の火花点火型内燃機関であり、燃焼
室上部中央付近にインジェクタを有し、その近傍に点火
プラグを有するエンジンにおいて、噴霧に粗な部分と密
な部分を有するインジェクタを組み合わせ、噴霧の粗な
部分を点火プラグ方向に指向させる。
【０００９】ガソリンを燃焼室に直接噴射する筒内噴射
型の火花点火型内燃機関であり、燃焼室上部中央付近に
インジェクタを有し、その近傍に点火プラグを有するエ
ンジンにおいて、噴霧に粗な部分と密な部分を有するイ
ンジェクタを組み合わせ、噴霧の密な部分を点火プラグ
下方向に指向させる。
型の火花点火型内燃機関であり、燃焼室上部中央付近に
インジェクタを有し、その近傍に点火プラグを有するエ
ンジンにおいて、噴霧に粗な部分と密な部分を有するイ
ンジェクタを組み合わせ、噴霧の密な部分を点火プラグ
下方向に指向させる。
【００１０】前記インジェクタは噴口出口開口面の噴射
弁中心軸線方向に段差を有する構成とする。
弁中心軸線方向に段差を有する構成とする。
【００１１】前記インジェクタは多数の噴口を有する構
成とする。
成とする。
【００１２】前記インジェクタは噴口の一部に遮蔽板を
有し、噴霧の一部を切断する構成とする。
有し、噴霧の一部を切断する構成とする。
【００１３】前記インジェクタにおいて、インジェクタ
と点火プラグを一体型にする。
と点火プラグを一体型にする。
【００１４】前記筒内噴射型内燃機関において、吸気，
圧縮，膨張，排気の１サイクルの間に、燃料を複数回噴
射する。
圧縮，膨張，排気の１サイクルの間に、燃料を複数回噴
射する。
【００１５】
【発明の実施の形態】図２９に基づき、本発明が実施さ
れるシステムの全体を説明する。
れるシステムの全体を説明する。
【００１６】吸気系は、吸入空気量を計測するエアーフ
ローセンサ３１０，該空気量を制御する電子制御スロッ
トル３２０，スロットルの開度を検出するスロットル開
度センサ５２１，シリンダ６８０内にタンブル（縦旋回
流）を生成するための空気流動制御バルブ３３０，該バ
ルブ３３０の下流の吸気通路を上下に分割する仕切り板
３４０（２段吸気ポートと称す）、そして吸気弁５とよ
りなる。また、エアーフローセンサ３１０と電子制御ス
ロットル３２０との間には過給機４２１が装着されてお
り排気通路に装着した排気ガスタービン４８０で回転さ
れる。
ローセンサ３１０，該空気量を制御する電子制御スロッ
トル３２０，スロットルの開度を検出するスロットル開
度センサ５２１，シリンダ６８０内にタンブル（縦旋回
流）を生成するための空気流動制御バルブ３３０，該バ
ルブ３３０の下流の吸気通路を上下に分割する仕切り板
３４０（２段吸気ポートと称す）、そして吸気弁５とよ
りなる。また、エアーフローセンサ３１０と電子制御ス
ロットル３２０との間には過給機４２１が装着されてお
り排気通路に装着した排気ガスタービン４８０で回転さ
れる。
【００１７】一方、排気系は、排気弁６の下流側に順次
設置される、空燃比センサ４１０，三元触媒４２０，三
元触媒４２０と並列に装着された排気タービン４８０，
排気温センサ４３０，ＮＯｘ触媒４４０，酸素濃度セン
サ４５０を付加してなる。また、空燃比センサ４１０の
上流から吸気管コレクタ３６０に燃焼の排気ガスの一部
を循環させるための通路４６０が設けられており、排気
ガスを再循環することによりＮＯｘの排出量を抑制して
いる。この通路４６０の途中には、排気ガスの循環量を
制御するＥＧＲバルブ４７０が設けられている。さら
に、排気タービン４２０の入り口には開閉弁４９０が装
着され、期間の始動時には排気タービン４８０側には排
気ガスが流れないよう閉塞し、三元触媒４２０の早期活
性化を図っている。
設置される、空燃比センサ４１０，三元触媒４２０，三
元触媒４２０と並列に装着された排気タービン４８０，
排気温センサ４３０，ＮＯｘ触媒４４０，酸素濃度セン
サ４５０を付加してなる。また、空燃比センサ４１０の
上流から吸気管コレクタ３６０に燃焼の排気ガスの一部
を循環させるための通路４６０が設けられており、排気
ガスを再循環することによりＮＯｘの排出量を抑制して
いる。この通路４６０の途中には、排気ガスの循環量を
制御するＥＧＲバルブ４７０が設けられている。さら
に、排気タービン４２０の入り口には開閉弁４９０が装
着され、期間の始動時には排気タービン４８０側には排
気ガスが流れないよう閉塞し、三元触媒４２０の早期活
性化を図っている。
【００１８】燃料系は、点火プラグ２０の隣に近接して
装着されているインジェクタ（以下実施例ではインジェ
クタと称す）１０，燃料タンク５００より燃料を吸い上
げる低圧のフィードポンプ５１０，この低圧の燃料を昇
圧してインジェクタ１０に供給する高圧燃料ポンプ５２
０と燃料配管５４０，燃料圧力を計測するためにコモン
レール５３１に取り付けられた燃料圧力センサ５３０，
高圧ポンプの吸入通路に装着されて高圧ポンプの吐出量
を制御する可変容量制御弁５２１，燃料温度を検出する
燃料温度センサ５２０よりなる。
装着されているインジェクタ（以下実施例ではインジェ
クタと称す）１０，燃料タンク５００より燃料を吸い上
げる低圧のフィードポンプ５１０，この低圧の燃料を昇
圧してインジェクタ１０に供給する高圧燃料ポンプ５２
０と燃料配管５４０，燃料圧力を計測するためにコモン
レール５３１に取り付けられた燃料圧力センサ５３０，
高圧ポンプの吸入通路に装着されて高圧ポンプの吐出量
を制御する可変容量制御弁５２１，燃料温度を検出する
燃料温度センサ５２０よりなる。
【００１９】点火系は、シリンダの頂部に取り付けられ
た点火プラグ２０，点火プラグ２０に着火用高電圧を供
給するための独立点火型のイグナイタ付点火コイル７５
０からなる。
た点火プラグ２０，点火プラグ２０に着火用高電圧を供
給するための独立点火型のイグナイタ付点火コイル７５
０からなる。
【００２０】エンジン１のピストン２はキャビティのな
いフラットな形状、シリンダ６８０内の旋回流れ６７０
は点火プラグ２０を挟んで左右一対の吸気弁５から流入
して２つの排気弁６の下方、ピストン２の頂面へと向か
ううちに合流して一本の順タンブル（縦旋回流）６７０
となり、ピストン２の頂面に沿って吸気弁側５に流れ、
２つの吸気弁５の間に向かって上昇する一本の空気流動
となる。当該吸気流動はインジェクタ１０，点火プラグ
２０の下部を通って２つの排気弁４００の間の下方を通
って元の順タンブル６７０に合流する。
いフラットな形状、シリンダ６８０内の旋回流れ６７０
は点火プラグ２０を挟んで左右一対の吸気弁５から流入
して２つの排気弁６の下方、ピストン２の頂面へと向か
ううちに合流して一本の順タンブル（縦旋回流）６７０
となり、ピストン２の頂面に沿って吸気弁側５に流れ、
２つの吸気弁５の間に向かって上昇する一本の空気流動
となる。当該吸気流動はインジェクタ１０，点火プラグ
２０の下部を通って２つの排気弁４００の間の下方を通
って元の順タンブル６７０に合流する。
【００２１】７１０はコントロールユニットであり、内
燃機関の運転情報であるエアフローセンサ３１０，スロ
ットル開度センサ３２１，クランク角センサ，アクセル
ペダルセンサ，空燃比センサ４１０，燃料温度センサ５
２０，燃料圧力センサ５２０，排気系の各種センサ等か
らの運転情報を基に電子制御スロットル３２０やインジ
ェクタ１０，ＥＧＲバルブ４７０，可変容量制御弁５２
１，点火コイル７５０のイグナイタ，開閉弁４９０，空
気流動制御バルブ３３０等へ信号を送り、内燃機関の燃
焼を適確に制御する。
燃機関の運転情報であるエアフローセンサ３１０，スロ
ットル開度センサ３２１，クランク角センサ，アクセル
ペダルセンサ，空燃比センサ４１０，燃料温度センサ５
２０，燃料圧力センサ５２０，排気系の各種センサ等か
らの運転情報を基に電子制御スロットル３２０やインジ
ェクタ１０，ＥＧＲバルブ４７０，可変容量制御弁５２
１，点火コイル７５０のイグナイタ，開閉弁４９０，空
気流動制御バルブ３３０等へ信号を送り、内燃機関の燃
焼を適確に制御する。
【００２２】燃焼制御方法には、大別して成層燃焼と均
質燃焼の２つの方法がある。
質燃焼の２つの方法がある。
【００２３】成層燃焼は、圧縮行程後半のシリンダ６８
０内の圧力が上昇した状態に燃料を噴射し、可燃混合気
を点火プラグ２０付近に集合させて燃料噴霧を成層化し
点火する燃焼方法である。燃料噴霧を成層化すること
で、シリンダ６８０内を空燃比４０程度の希薄な状態で
燃焼できるので燃費を向上させることが出来る。
０内の圧力が上昇した状態に燃料を噴射し、可燃混合気
を点火プラグ２０付近に集合させて燃料噴霧を成層化し
点火する燃焼方法である。燃料噴霧を成層化すること
で、シリンダ６８０内を空燃比４０程度の希薄な状態で
燃焼できるので燃費を向上させることが出来る。
【００２４】均質燃焼は、吸気行程中に燃料を均質に混
合してから点火する燃焼方法である。シリンダ６８０内
を全体として空燃比が理論空燃比程度に成るように燃料
を噴射するので、成層リーンバーンに比べ、高出力運転
を行うことができる。
合してから点火する燃焼方法である。シリンダ６８０内
を全体として空燃比が理論空燃比程度に成るように燃料
を噴射するので、成層リーンバーンに比べ、高出力運転
を行うことができる。
【００２５】インジェクタ１０の噴霧１００はシリンダ
の上部壁面中央部からピストン２に向かって噴射され
る。
の上部壁面中央部からピストン２に向かって噴射され
る。
【００２６】図１は、本発明による筒内噴射式火花点火
機関の第１実施形態である。エンジン１には吸気ポート
３，排気ポート４があり、吸気ポート３は吸気弁５を介
して、排気ポート４は排気弁６を介して、それぞれ燃焼
室６８０へ通じている。２はピストン、２０は燃焼室上
部に配置された点火プラグであり、１０は燃焼室内へ直
接燃料を噴射するためのインジェクタである。このエン
ジンは、燃料を燃焼室のほぼ中央からピストン側へ向け
て噴射するセンタ噴射式の筒内噴射エンジンである。イ
ンジェクタから噴射される噴霧は、例えば、図２０に示
すような旋回式インジェクタの中空円錐噴霧の一部が欠
けた形状である。つまり、この噴霧は噴霧内に、燃料が
密な部分と粗な部分を有しており、燃料が粗な部分を点
火プラグ方向へ指向させることが本実施形態の特徴であ
る。また、図２に示すように、噴霧角度ｂはインジェク
タ噴口と点火プラグ電極を結ぶ角度ａと同等が望ましい
が、噴霧の巻き上がりや拡散を考慮し、幾何学的に燃焼
室壁面に燃料付着のない噴霧角度の範囲で０°〜３０°
程度噴霧角度を狭くしたり広くしたり調整する。
機関の第１実施形態である。エンジン１には吸気ポート
３，排気ポート４があり、吸気ポート３は吸気弁５を介
して、排気ポート４は排気弁６を介して、それぞれ燃焼
室６８０へ通じている。２はピストン、２０は燃焼室上
部に配置された点火プラグであり、１０は燃焼室内へ直
接燃料を噴射するためのインジェクタである。このエン
ジンは、燃料を燃焼室のほぼ中央からピストン側へ向け
て噴射するセンタ噴射式の筒内噴射エンジンである。イ
ンジェクタから噴射される噴霧は、例えば、図２０に示
すような旋回式インジェクタの中空円錐噴霧の一部が欠
けた形状である。つまり、この噴霧は噴霧内に、燃料が
密な部分と粗な部分を有しており、燃料が粗な部分を点
火プラグ方向へ指向させることが本実施形態の特徴であ
る。また、図２に示すように、噴霧角度ｂはインジェク
タ噴口と点火プラグ電極を結ぶ角度ａと同等が望ましい
が、噴霧の巻き上がりや拡散を考慮し、幾何学的に燃焼
室壁面に燃料付着のない噴霧角度の範囲で０°〜３０°
程度噴霧角度を狭くしたり広くしたり調整する。
【００２７】噴霧の検証方法を説明する。直径３００mm
以上，高さ３００mm以上の噴霧容器内に、燃料を１５mc
c／st 噴射し、インジェクタ中心軸に垂直な断面で、噴
霧点から４０mm離れた位置に、厚さ５mm程度のハロゲン
シート光を対向する２方向から照射する。その断面の噴
霧散乱光を噴射弁中心軸上に配置した高感度カメラで撮
影する。シャッターは開放状態に設定し、不要な光が入
らないようにする。また、絞りは、ハレーションが生じ
ない範囲内で最高に明るく設定する。撮影された噴霧画
像の最高輝度をＩmax とすると、Ｉmax の３０％以下の
輝度部分を噴霧が疎な部分、Ｉmax の７０％以上の輝度
部分を密な部分と定義する。また、噴霧点を中心に、噴
霧点から最もはなれたＩmax の３０％以上の明るさを持
つ部分を通る円の内部を噴霧の範囲と定義し、これによ
って噴霧角を検証する。
以上，高さ３００mm以上の噴霧容器内に、燃料を１５mc
c／st 噴射し、インジェクタ中心軸に垂直な断面で、噴
霧点から４０mm離れた位置に、厚さ５mm程度のハロゲン
シート光を対向する２方向から照射する。その断面の噴
霧散乱光を噴射弁中心軸上に配置した高感度カメラで撮
影する。シャッターは開放状態に設定し、不要な光が入
らないようにする。また、絞りは、ハレーションが生じ
ない範囲内で最高に明るく設定する。撮影された噴霧画
像の最高輝度をＩmax とすると、Ｉmax の３０％以下の
輝度部分を噴霧が疎な部分、Ｉmax の７０％以上の輝度
部分を密な部分と定義する。また、噴霧点を中心に、噴
霧点から最もはなれたＩmax の３０％以上の明るさを持
つ部分を通る円の内部を噴霧の範囲と定義し、これによ
って噴霧角を検証する。
【００２８】この筒内噴射エンジンの動作および作用効
果について説明する。筒内噴射エンジンでは、中・高負
荷運転時には吸気行程中に燃料を噴射し、均質混合気を
形成して点火・燃焼する。本実施形態では、燃焼室の中
心軸と、噴霧の中心軸がほぼ一致するため、図３（ａ）
に示すように、噴霧が燃焼室全体に広がり、シリンダ側
壁への燃料付着を抑制できる。さらに、従来の中空円錐
噴霧は高負荷時に噴射期間が長くなると噴霧の内外圧力
差により噴霧角が狭くなり、噴霧中心部に燃料が集中す
る傾向があるが、本発明の噴霧では粗な部分から空気が
噴霧内へ流れ込むため、噴霧内外圧力差が低減され、高
負荷条件でも噴霧角が広い状態を保つことができる。こ
れにより、図３（ｂ）に示すように、噴霧の集中が回避
され、燃焼室内に広く燃料が分布するため、周囲空気と
の混合が促進される。特に流動生成手段は設けなくて
も、吸気ポート形状から自然に形成されるタンブル流に
より、さらに混合が促進される。また、噴霧の粗な部分
が点火プラグへ指向するため、プラグへの液体燃料の付
着が低減できる。以上のように、液体燃料が点火プラ
グ，燃焼室側壁へ直撃しないことから、燃焼室内への燃
料付着が低減でき、ＨＣ，すすなどの排気が向上し、ク
エンチ層に残留する燃料が減ることから、出力，燃費が
向上する。
果について説明する。筒内噴射エンジンでは、中・高負
荷運転時には吸気行程中に燃料を噴射し、均質混合気を
形成して点火・燃焼する。本実施形態では、燃焼室の中
心軸と、噴霧の中心軸がほぼ一致するため、図３（ａ）
に示すように、噴霧が燃焼室全体に広がり、シリンダ側
壁への燃料付着を抑制できる。さらに、従来の中空円錐
噴霧は高負荷時に噴射期間が長くなると噴霧の内外圧力
差により噴霧角が狭くなり、噴霧中心部に燃料が集中す
る傾向があるが、本発明の噴霧では粗な部分から空気が
噴霧内へ流れ込むため、噴霧内外圧力差が低減され、高
負荷条件でも噴霧角が広い状態を保つことができる。こ
れにより、図３（ｂ）に示すように、噴霧の集中が回避
され、燃焼室内に広く燃料が分布するため、周囲空気と
の混合が促進される。特に流動生成手段は設けなくて
も、吸気ポート形状から自然に形成されるタンブル流に
より、さらに混合が促進される。また、噴霧の粗な部分
が点火プラグへ指向するため、プラグへの液体燃料の付
着が低減できる。以上のように、液体燃料が点火プラ
グ，燃焼室側壁へ直撃しないことから、燃焼室内への燃
料付着が低減でき、ＨＣ，すすなどの排気が向上し、ク
エンチ層に残留する燃料が減ることから、出力，燃費が
向上する。
【００２９】一方、図２に示すように低負荷運転時には
圧縮行程後半に燃料を噴射し、点火プラグ付近へ混合気
を成層化し、トータルで見ると空燃比が薄い状態で燃焼
させる。図４に圧縮行程噴射時の点火プラグ付近混合気
濃度の時間変化を示す。従来の旋回式インジェクタで形
成される中空円錐噴霧では、広角噴霧を用いると噴射さ
れた燃料が直接点火プラグへ衝突するため、液体燃料が
点火プラグへ直撃、付着し、５０に示すように点火プラ
グ付近が一時的に過濃となる。液滴が点火プラグへ衝突
すると液膜となり、点火までに気化できなかった燃料は
液体のまま燃焼する。これは、排気を悪化させると共
に、燃焼生成物の付着により、点火プラグのくすぶりが
発生する。本実施形態の粗密のある噴霧を用いると、点
火プラグに直接燃料が衝突しないため、噴射直後は点火
プラグ付近混合気濃度は薄くなるが、プラグのくすぶり
が防止できる。圧縮行程後半の高圧雰囲気では噴霧の貫
通力が弱くなり、燃焼室中央部に噴霧が留まり、時間と
ともに気化，拡散し、可燃混合気となって点火プラグへ
到達する。このため、５１に示すように、点火プラグ付
近に可燃混合気が存在する時間が長くなり、点火可能期
間を長くとることができる。また、噴射された燃料が点
火プラグ付近に留まると、壁面付着のない理想的な成層
混合気が形成され、燃料を無駄なく利用できるため、空
燃比のリーン化が可能である。つまり、本実施形態の構
成により、成層燃焼中においても、燃費が向上し、未燃
炭化水素などの排気を低減，点火プラグのくすぶりを防
止することが可能である。図５は横軸回転数，縦軸負荷
であり、運転状態を示すが、本実施形態ではインジェク
タから点火プラグまでの混合気の移動時間を考慮する必
要がないため、従来困難であった比較的高回転の領域に
おいても成層燃焼を行うことが可能となり、燃費の良い
成層運転領域を広げられる。均質運転も壁面付着の低
減，混合気の均質化により領域を広げることができる。
また、空気流動に依存せずに成層化が可能なため、流動
形成部品が必要なく、コスト削減が可能となる。
圧縮行程後半に燃料を噴射し、点火プラグ付近へ混合気
を成層化し、トータルで見ると空燃比が薄い状態で燃焼
させる。図４に圧縮行程噴射時の点火プラグ付近混合気
濃度の時間変化を示す。従来の旋回式インジェクタで形
成される中空円錐噴霧では、広角噴霧を用いると噴射さ
れた燃料が直接点火プラグへ衝突するため、液体燃料が
点火プラグへ直撃、付着し、５０に示すように点火プラ
グ付近が一時的に過濃となる。液滴が点火プラグへ衝突
すると液膜となり、点火までに気化できなかった燃料は
液体のまま燃焼する。これは、排気を悪化させると共
に、燃焼生成物の付着により、点火プラグのくすぶりが
発生する。本実施形態の粗密のある噴霧を用いると、点
火プラグに直接燃料が衝突しないため、噴射直後は点火
プラグ付近混合気濃度は薄くなるが、プラグのくすぶり
が防止できる。圧縮行程後半の高圧雰囲気では噴霧の貫
通力が弱くなり、燃焼室中央部に噴霧が留まり、時間と
ともに気化，拡散し、可燃混合気となって点火プラグへ
到達する。このため、５１に示すように、点火プラグ付
近に可燃混合気が存在する時間が長くなり、点火可能期
間を長くとることができる。また、噴射された燃料が点
火プラグ付近に留まると、壁面付着のない理想的な成層
混合気が形成され、燃料を無駄なく利用できるため、空
燃比のリーン化が可能である。つまり、本実施形態の構
成により、成層燃焼中においても、燃費が向上し、未燃
炭化水素などの排気を低減，点火プラグのくすぶりを防
止することが可能である。図５は横軸回転数，縦軸負荷
であり、運転状態を示すが、本実施形態ではインジェク
タから点火プラグまでの混合気の移動時間を考慮する必
要がないため、従来困難であった比較的高回転の領域に
おいても成層燃焼を行うことが可能となり、燃費の良い
成層運転領域を広げられる。均質運転も壁面付着の低
減，混合気の均質化により領域を広げることができる。
また、空気流動に依存せずに成層化が可能なため、流動
形成部品が必要なく、コスト削減が可能となる。
【００３０】前記インジェクタを用いたセンタ噴射型筒
内噴射エンジンの噴射制御方法について説明する。前記
構成のエンジンにおいて噴射制御を行うことで、排気燃
費などの性能を向上できる。図６に、回転数と負荷にお
ける成層・均質運転領域を示す。領域１に示す高負荷高
回転の均質運転領域においては、時間的制約から図７
（１）に示すように吸気工程からの一括噴射を行う。噴
射開始時期は吸気工程の０°ＡＴＤＣ〜１８０°ＡＴＤ
Ｃであり、好ましくは、噴霧がピストンを追いかけ、壁
面付着を低減できる６０°ＢＴＤＣ以降が良い。サイド
噴射型の場合と異なり、強い空気流動により噴霧拡散を
妨げられることがないため、図８（１）のように燃焼室
全体に混合気が広がり、良好な燃焼特性が得られる。ま
た、シリンダ壁面への燃料付着によるオイル希釈，ＨＣ
発生を抑制できる。ピストン冠面への燃料付着が生じて
も、領域１の運転条件ではピストンは高温であるため、
点火までに付着燃料が気化し、排気へのはねかえりは小
さいと考えられる。
内噴射エンジンの噴射制御方法について説明する。前記
構成のエンジンにおいて噴射制御を行うことで、排気燃
費などの性能を向上できる。図６に、回転数と負荷にお
ける成層・均質運転領域を示す。領域１に示す高負荷高
回転の均質運転領域においては、時間的制約から図７
（１）に示すように吸気工程からの一括噴射を行う。噴
射開始時期は吸気工程の０°ＡＴＤＣ〜１８０°ＡＴＤ
Ｃであり、好ましくは、噴霧がピストンを追いかけ、壁
面付着を低減できる６０°ＢＴＤＣ以降が良い。サイド
噴射型の場合と異なり、強い空気流動により噴霧拡散を
妨げられることがないため、図８（１）のように燃焼室
全体に混合気が広がり、良好な燃焼特性が得られる。ま
た、シリンダ壁面への燃料付着によるオイル希釈，ＨＣ
発生を抑制できる。ピストン冠面への燃料付着が生じて
も、領域１の運転条件ではピストンは高温であるため、
点火までに付着燃料が気化し、排気へのはねかえりは小
さいと考えられる。
【００３１】領域２に示す低中回転高負荷の領域では吸
気工程で複数回に分割して燃料を噴射する。複数回に分
割することにより、混合気の拡散を促進し、また、一回
あたりの噴霧貫通力を低減することで、ピストン冠面へ
の燃料付着量を低減，ＨＣ・スモーク発生を抑制する。
分割の方法は、図９に示すように噴射量が保証される最
小の噴射期間Ｔmin に近い噴射期間で、可能な範囲で多
くの回数に分割するのが望ましい。これにより、図８
（２）に示すように、前半に噴射された燃料は燃焼室下
部へ、後半に噴射された燃料は燃焼室上部へ分布し、混
合気むらが低減できる。
気工程で複数回に分割して燃料を噴射する。複数回に分
割することにより、混合気の拡散を促進し、また、一回
あたりの噴霧貫通力を低減することで、ピストン冠面へ
の燃料付着量を低減，ＨＣ・スモーク発生を抑制する。
分割の方法は、図９に示すように噴射量が保証される最
小の噴射期間Ｔmin に近い噴射期間で、可能な範囲で多
くの回数に分割するのが望ましい。これにより、図８
（２）に示すように、前半に噴射された燃料は燃焼室下
部へ、後半に噴射された燃料は燃焼室上部へ分布し、混
合気むらが低減できる。
【００３２】領域３に示す弱成層領域では、図７（３）
のように吸気工程から圧縮工程前半にかけての第一噴射
と、圧縮工程後半に成層用に用いる第二噴射に分割す
る。図８（３）に示すように、第一噴射では燃焼室内に
火炎伝播可能な均質希薄混合気を形成し、第二噴射をプ
ラグ付近へ成層化し、点火する。第二噴射期間Ｔ２は点
火可能な混合気を形成できる最小の量で良く、残りを第
一噴射にあて、十分に気化させる。第一噴射時期は、ピ
ストンへの噴霧衝突が生じない条件を満たせば、吸気工
程のできるだけ早い時期、３０°ＡＴＤＣ〜１８０°Ａ
ＴＤＣ程度が望ましい。第二噴射時期は、プラグ付近へ
燃料を成層化させることが可能な、圧縮工程の２７０°
ＡＴＤＣ〜３４０°ＡＴＤＣに設定する。また、噴射回
数は２回に限らず、複数回に分割して、さらに混合を進
めても良い。その場合、吸気工程の第一噴射を分割する
というイメージで、分割により混合気を燃焼室全体に分
布させる。また、複数回噴射の場合、上記説明の第二噴
射は最終噴射を意味する。
のように吸気工程から圧縮工程前半にかけての第一噴射
と、圧縮工程後半に成層用に用いる第二噴射に分割す
る。図８（３）に示すように、第一噴射では燃焼室内に
火炎伝播可能な均質希薄混合気を形成し、第二噴射をプ
ラグ付近へ成層化し、点火する。第二噴射期間Ｔ２は点
火可能な混合気を形成できる最小の量で良く、残りを第
一噴射にあて、十分に気化させる。第一噴射時期は、ピ
ストンへの噴霧衝突が生じない条件を満たせば、吸気工
程のできるだけ早い時期、３０°ＡＴＤＣ〜１８０°Ａ
ＴＤＣ程度が望ましい。第二噴射時期は、プラグ付近へ
燃料を成層化させることが可能な、圧縮工程の２７０°
ＡＴＤＣ〜３４０°ＡＴＤＣに設定する。また、噴射回
数は２回に限らず、複数回に分割して、さらに混合を進
めても良い。その場合、吸気工程の第一噴射を分割する
というイメージで、分割により混合気を燃焼室全体に分
布させる。また、複数回噴射の場合、上記説明の第二噴
射は最終噴射を意味する。
【００３３】領域４に示す低中回転の成層領域では、図
７（４）に示すように圧縮工程中に分割噴射する。一回
あたりの噴射期間を短縮することにより、噴霧貫通力を
低減し、第一噴射時期Ｄ１と第二噴射時期Ｄ２を近い時
期に設定し、図８（４）に示すように、それぞれの噴霧
が重なることによる成層強化を狙う。これにより成層運
転領域を広げることができる。
７（４）に示すように圧縮工程中に分割噴射する。一回
あたりの噴射期間を短縮することにより、噴霧貫通力を
低減し、第一噴射時期Ｄ１と第二噴射時期Ｄ２を近い時
期に設定し、図８（４）に示すように、それぞれの噴霧
が重なることによる成層強化を狙う。これにより成層運
転領域を広げることができる。
【００３４】領域５に示す低回転の成層領域では、領域
４と同様、圧縮工程分割噴射も可能であるが、噴射時期
を圧縮工程後期の高筒内圧力下に設定することにより、
一括噴射でも噴霧拡散を抑制することができる。噴射時
期と共に点火時期も遅角し、燃焼効率を上げ、燃費を向
上する。また、スロットルを開き、Ａ／Ｆを４０〜１０
０程度にリーン化することで、同じ噴射時期でも筒内圧
力を高く設定、噴霧拡散を抑制することも有効である。
スロットル開度を大きくすると吸気の絞り損失が低減
し、燃費向上可能。さらに筒内圧力をあげるにはターボ
チャージャーや、スーパーチャージャーによる過給も有
効であり、噴射時期を早く設定しても筒内圧力が高いた
め、噴霧拡散を抑制でき、噴射から点火までの時間を長
くとることで気化の促進を図ることができる。
４と同様、圧縮工程分割噴射も可能であるが、噴射時期
を圧縮工程後期の高筒内圧力下に設定することにより、
一括噴射でも噴霧拡散を抑制することができる。噴射時
期と共に点火時期も遅角し、燃焼効率を上げ、燃費を向
上する。また、スロットルを開き、Ａ／Ｆを４０〜１０
０程度にリーン化することで、同じ噴射時期でも筒内圧
力を高く設定、噴霧拡散を抑制することも有効である。
スロットル開度を大きくすると吸気の絞り損失が低減
し、燃費向上可能。さらに筒内圧力をあげるにはターボ
チャージャーや、スーパーチャージャーによる過給も有
効であり、噴射時期を早く設定しても筒内圧力が高いた
め、噴霧拡散を抑制でき、噴射から点火までの時間を長
くとることで気化の促進を図ることができる。
【００３５】以上のような複数回分割噴射を行うには、
インジェクタを高速で駆動する必要があり、電圧チャー
ジの必要のないバッテリー電圧で駆動可能なインジェク
タや圧電素子・磁歪素子を利用した、応答速度の速いイ
ンジェクタを組み合わせることが有効である。
インジェクタを高速で駆動する必要があり、電圧チャー
ジの必要のないバッテリー電圧で駆動可能なインジェク
タや圧電素子・磁歪素子を利用した、応答速度の速いイ
ンジェクタを組み合わせることが有効である。
【００３６】次に、供給燃料圧力の制御方法について説
明する。前記構成のエンジンでは噴射点と点火点が接近
した構成のため、気化促進のため噴射初期から微粒化し
た噴霧であることが望ましい。図１０に示すように、一
般的に燃料供給圧力をあげると微粒化が促進されるが、
それに伴い、噴霧貫通力が増大するというように、微粒
化と貫通力はトレードオフの関係にある。噴霧貫通力低
減のためには、前記複数回分割噴射が有効である。分割
噴射した場合、図に示すように粒径を維持しつつ、貫通
力を低減することが可能となる。
明する。前記構成のエンジンでは噴射点と点火点が接近
した構成のため、気化促進のため噴射初期から微粒化し
た噴霧であることが望ましい。図１０に示すように、一
般的に燃料供給圧力をあげると微粒化が促進されるが、
それに伴い、噴霧貫通力が増大するというように、微粒
化と貫通力はトレードオフの関係にある。噴霧貫通力低
減のためには、前記複数回分割噴射が有効である。分割
噴射した場合、図に示すように粒径を維持しつつ、貫通
力を低減することが可能となる。
【００３７】領域１の均質高回転では、気化時間が十分
に確保できないことから、燃料供給圧力を１０〜２０Ｍ
ｐａへ高圧化し、微粒化を促進する。高圧化に伴い、噴
射率が増大し、噴射期間が短縮できるため、時間的制約
から困難であった分割噴射による貫通力抑制，燃焼室内
均質化を図ることが可能となる。
に確保できないことから、燃料供給圧力を１０〜２０Ｍ
ｐａへ高圧化し、微粒化を促進する。高圧化に伴い、噴
射率が増大し、噴射期間が短縮できるため、時間的制約
から困難であった分割噴射による貫通力抑制，燃焼室内
均質化を図ることが可能となる。
【００３８】領域２の均質中低回転や、領域３の弱成
層，領域４の成層中回転では、通常燃圧（５〜１２Ｍｐ
ａ）で前記分割噴射を行う。
層，領域４の成層中回転では、通常燃圧（５〜１２Ｍｐ
ａ）で前記分割噴射を行う。
【００３９】領域５の成層低回転では、噴射期間が短い
ために分割噴射が困難であったが、供給燃料圧力を１〜
５Ｍｐａと低く設定することにより、噴射期間を延長，
分割噴射が可能となる。低燃圧化に伴い粒径が悪化する
が、低回転では噴射から点火までの時間が長くとれるの
で、プラグ付近へ成層化が維持できていれば、点火まで
におおよその燃料は気化できる。また、分割噴射によ
る、噴霧の重なりにより成層度を強化することが可能で
ある。
ために分割噴射が困難であったが、供給燃料圧力を１〜
５Ｍｐａと低く設定することにより、噴射期間を延長，
分割噴射が可能となる。低燃圧化に伴い粒径が悪化する
が、低回転では噴射から点火までの時間が長くとれるの
で、プラグ付近へ成層化が維持できていれば、点火まで
におおよその燃料は気化できる。また、分割噴射によ
る、噴霧の重なりにより成層度を強化することが可能で
ある。
【００４０】次に、空気流動の制御について説明する。
上記エンジンに空気流動を付与することで性能向上が可
能である。図１１（ａ）に示すように燃焼室に横方向の
スワール空気流動を与えると、領域１，２の均質燃焼で
は壁面付着を抑制しつつ混合を促進し、より均質な混合
気を得ることができる。また、領域３，４，５の成層燃
焼では、噴射時にプラグ部分の噴霧が粗な状態である
が、スワールにより、図に示すように気化した混合気を
プラグへ輸送することができる。また、乱れが生成され
るため、気化の促進につながり、燃焼安定，ＨＣ低減が
可能である。また、スワールでは噴射弁のある燃焼室中
心部は台風の目のように、流動は弱く、タンブルのよう
に混合気を拡散せずに、保持することができるため、成
層化のためにはスワールが望ましい。
上記エンジンに空気流動を付与することで性能向上が可
能である。図１１（ａ）に示すように燃焼室に横方向の
スワール空気流動を与えると、領域１，２の均質燃焼で
は壁面付着を抑制しつつ混合を促進し、より均質な混合
気を得ることができる。また、領域３，４，５の成層燃
焼では、噴射時にプラグ部分の噴霧が粗な状態である
が、スワールにより、図に示すように気化した混合気を
プラグへ輸送することができる。また、乱れが生成され
るため、気化の促進につながり、燃焼安定，ＨＣ低減が
可能である。また、スワールでは噴射弁のある燃焼室中
心部は台風の目のように、流動は弱く、タンブルのよう
に混合気を拡散せずに、保持することができるため、成
層化のためにはスワールが望ましい。
【００４１】図１１（ｂ）のように縦渦であるタンブル
を付与した場合も同様で、均質燃焼時には混合を促進
し、成層燃焼時には、混合気をプラグへ輸送する。しか
し、成層運転の分割噴射では、混合気が留まらず排気側
へ輸送されるため、流動を弱く設定する必要がある。
を付与した場合も同様で、均質燃焼時には混合を促進
し、成層燃焼時には、混合気をプラグへ輸送する。しか
し、成層運転の分割噴射では、混合気が留まらず排気側
へ輸送されるため、流動を弱く設定する必要がある。
【００４２】図１２のようにピストンにキャビティを設
け、混合気の分散を防ぐ構成としても良い。燃料付着は
ないことが望ましいが、成層燃焼時に噴霧がピストンへ
衝突した場合、フラットであるとピストン冠面に沿って
燃焼室に拡散，クエンチ層に混合気が形成される可能性
がある。キャビティがあると壁面のカーブに沿って噴霧
をプラグ方向へ巻き上げ、混合気を成層化しやすくな
る。このとき、キャビティの端面の角度θとキャビティ
の深さＨが、混合気形成に影響する。θにより噴霧がキ
ャビティから出る時に向かう方向が決定されるため、θ
は７０°〜150°程度の、プラグ方向へ混合気が輸送で
きる角度へ設定する。キャビティの深さＨは冷却損失を
考えると浅く設定するほうが望ましい。
け、混合気の分散を防ぐ構成としても良い。燃料付着は
ないことが望ましいが、成層燃焼時に噴霧がピストンへ
衝突した場合、フラットであるとピストン冠面に沿って
燃焼室に拡散，クエンチ層に混合気が形成される可能性
がある。キャビティがあると壁面のカーブに沿って噴霧
をプラグ方向へ巻き上げ、混合気を成層化しやすくな
る。このとき、キャビティの端面の角度θとキャビティ
の深さＨが、混合気形成に影響する。θにより噴霧がキ
ャビティから出る時に向かう方向が決定されるため、θ
は７０°〜150°程度の、プラグ方向へ混合気が輸送で
きる角度へ設定する。キャビティの深さＨは冷却損失を
考えると浅く設定するほうが望ましい。
【００４３】また、インジェクタと点火プラグの取付位
置関係は燃焼室上面からの距離や取付方向の構成が変わ
っても良い。点火プラグを２つの吸気弁の間に配置して
も構わない。また、実施形態は４バルブエンジンだが、
２バルブもしくは、３バルブにし、ヘッドに空間的余裕
を持たせて、インジェクタとプラグを配置しても構わな
い。さらに、インジェクタを点火プラグの位置から、０
〜４０mm程度上に配置し、噴霧が周囲空気との摩擦によ
り巻き上がるところに点火プラグが位置するようにする
と、混合気を点火プラグへ搬送しやすい。
置関係は燃焼室上面からの距離や取付方向の構成が変わ
っても良い。点火プラグを２つの吸気弁の間に配置して
も構わない。また、実施形態は４バルブエンジンだが、
２バルブもしくは、３バルブにし、ヘッドに空間的余裕
を持たせて、インジェクタとプラグを配置しても構わな
い。さらに、インジェクタを点火プラグの位置から、０
〜４０mm程度上に配置し、噴霧が周囲空気との摩擦によ
り巻き上がるところに点火プラグが位置するようにする
と、混合気を点火プラグへ搬送しやすい。
【００４４】ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
７１０は図１３に示すように、エンジンに取り付けられ
たセンサから、吸入空気量，エンジン冷却水温度，燃料
温度、燃料圧力，エンジン回転数，負荷，スロットル開
度，クランク角度，Ａ／Ｆ（空燃比），排気温度などの
信号を受けてエンジンの状態を判定し、さらに図１４の
フローチャートにおいて、それらの情報から、図６のよ
うな噴射方法のＭＡＰ，図１０（ｂ）のような空気流
動，燃料圧力ＭＡＰで噴射時期，噴射期間，燃料圧力，
空気流動制御弁の開度など、前記した制御信号をエンジ
ン制御機器へ出力する。
７１０は図１３に示すように、エンジンに取り付けられ
たセンサから、吸入空気量，エンジン冷却水温度，燃料
温度、燃料圧力，エンジン回転数，負荷，スロットル開
度，クランク角度，Ａ／Ｆ（空燃比），排気温度などの
信号を受けてエンジンの状態を判定し、さらに図１４の
フローチャートにおいて、それらの情報から、図６のよ
うな噴射方法のＭＡＰ，図１０（ｂ）のような空気流
動，燃料圧力ＭＡＰで噴射時期，噴射期間，燃料圧力，
空気流動制御弁の開度など、前記した制御信号をエンジ
ン制御機器へ出力する。
【００４５】本発明の第２の実施形態を図１５に示す。
第１の実施形態と同様にインジェクタを燃焼室中央付近
に配置したセンタ噴射型筒内噴射エンジンであって、前
述図２０に示すような噴霧の噴霧切り欠き部と反対側に
噴霧集中部を持つ噴霧の、噴霧集中部を点火プラグ方向
になるように配置する。このとき、噴射弁の噴口と点火
プラグの電極がなす角度ａに対し、燃料の噴霧角度ｂを
１０°〜３０°狭く設定し、点火プラグへの燃料衝突を
回避する。
第１の実施形態と同様にインジェクタを燃焼室中央付近
に配置したセンタ噴射型筒内噴射エンジンであって、前
述図２０に示すような噴霧の噴霧切り欠き部と反対側に
噴霧集中部を持つ噴霧の、噴霧集中部を点火プラグ方向
になるように配置する。このとき、噴射弁の噴口と点火
プラグの電極がなす角度ａに対し、燃料の噴霧角度ｂを
１０°〜３０°狭く設定し、点火プラグへの燃料衝突を
回避する。
【００４６】図１６で作用を説明する。噴霧が集中し、
流速が速い部分を噴霧１０１Ａ、それと対向側にある噴
霧流速が遅い部分を噴霧１０１Ｂとすると、図１６
（ａ）に示すように１０１Ａで燃焼室内に点火プラグか
らピストンへ向かう流動３０を生成し、（ｂ）に示すよ
うに１０１Ｂを流動３０に乗せて点火プラグ付近へ移動
させる。噴霧により流動を形成するため、初期流動がな
くても、点火プラグへ気化混合気を成層化することがで
きる。１０１Ａは液滴のまま、点火プラグ近くを通過す
るが、角度が狭く、点火プラグには衝突しないため、く
すぶりの問題は発生しない。実際に点火に利用されるの
は１０１Ｂであり、１０１Ｂは点火プラグへ到達するま
でに気化すると考えられる。本実施形態の効果は第一実
施形態の効果とほぼ同じ効果が得られた。
流速が速い部分を噴霧１０１Ａ、それと対向側にある噴
霧流速が遅い部分を噴霧１０１Ｂとすると、図１６
（ａ）に示すように１０１Ａで燃焼室内に点火プラグか
らピストンへ向かう流動３０を生成し、（ｂ）に示すよ
うに１０１Ｂを流動３０に乗せて点火プラグ付近へ移動
させる。噴霧により流動を形成するため、初期流動がな
くても、点火プラグへ気化混合気を成層化することがで
きる。１０１Ａは液滴のまま、点火プラグ近くを通過す
るが、角度が狭く、点火プラグには衝突しないため、く
すぶりの問題は発生しない。実際に点火に利用されるの
は１０１Ｂであり、１０１Ｂは点火プラグへ到達するま
でに気化すると考えられる。本実施形態の効果は第一実
施形態の効果とほぼ同じ効果が得られた。
【００４７】図１７に第三の実施形態の構成を示す。イ
ンジェクタと点火プラグを一体化した構成である。エン
ジンヘッドにインジェクタと点火プラグの２つの部品を
配置するには、ヘッドの大幅な改造が必要となるが、点
火プラグとインジェクタを一体化することにより、噴射
弁，点火プラグ取付部を省スペース化することができ
る。本構成でも同様に、点火プラグ電極部分に噴霧の粗
な部分を指向させ、点火プラグへの液体燃料の直撃を回
避する。作用効果は第１実施形態とほぼ同様であるため
省略する。
ンジェクタと点火プラグを一体化した構成である。エン
ジンヘッドにインジェクタと点火プラグの２つの部品を
配置するには、ヘッドの大幅な改造が必要となるが、点
火プラグとインジェクタを一体化することにより、噴射
弁，点火プラグ取付部を省スペース化することができ
る。本構成でも同様に、点火プラグ電極部分に噴霧の粗
な部分を指向させ、点火プラグへの液体燃料の直撃を回
避する。作用効果は第１実施形態とほぼ同様であるため
省略する。
【００４８】図１８は上記実施形態に用いるインジェク
タの構成図である。インジェクタの動作を説明する。閉
弁時は、弁体１４はスプリング６０により弁座１５に押
しつけられ、シールされている。開弁信号がＥＣＵから
与えられると、コイル６１により磁気回路が形成され弁
体の磁性部６２を持ち上げる方向へ電磁力が発生し、弁
体１４が上昇する。燃料はインジェクタ上部から流入
し、弁体内の通路６３を通り、ノズルに達する。ノズル
１１内部には燃料に旋回を与えるスワラ１２が配置さ
れ、燃料はスワラに設けられた溝１３を通過し、弁体１
４と弁座１５の隙間から噴口１６を介して燃焼室内に噴
射される。
タの構成図である。インジェクタの動作を説明する。閉
弁時は、弁体１４はスプリング６０により弁座１５に押
しつけられ、シールされている。開弁信号がＥＣＵから
与えられると、コイル６１により磁気回路が形成され弁
体の磁性部６２を持ち上げる方向へ電磁力が発生し、弁
体１４が上昇する。燃料はインジェクタ上部から流入
し、弁体内の通路６３を通り、ノズルに達する。ノズル
１１内部には燃料に旋回を与えるスワラ１２が配置さ
れ、燃料はスワラに設けられた溝１３を通過し、弁体１
４と弁座１５の隙間から噴口１６を介して燃焼室内に噴
射される。
【００４９】図１９にインジェクタのノズル形状１を示
す。噴口の半分に段差１７を設けた構成で、従来の旋回
式インジェクタから噴射される中空噴霧の一部に不連続
部が形成され、噴霧分布に粗密が生じる。図２０は図１
１の噴口から形成される噴霧形状であり、上は垂直断面
であり、下は水平断面である。このインジェクタの噴霧
は一方は噴霧が不連続で燃料が粗になり、その対向側は
燃料が密な状態となる。この粗密分布の位置や量は、ノ
ズルの段差の大きさや位置によって変更可能である。前
記第１の実施形態は、噴霧の粗な部分を点火プラグ方向
へ指向させることにあり、第２の実施形態は噴霧の粗な
部分と対向側にある、流速の速い密な部分を点火プラグ
へ指向させることにある。
す。噴口の半分に段差１７を設けた構成で、従来の旋回
式インジェクタから噴射される中空噴霧の一部に不連続
部が形成され、噴霧分布に粗密が生じる。図２０は図１
１の噴口から形成される噴霧形状であり、上は垂直断面
であり、下は水平断面である。このインジェクタの噴霧
は一方は噴霧が不連続で燃料が粗になり、その対向側は
燃料が密な状態となる。この粗密分布の位置や量は、ノ
ズルの段差の大きさや位置によって変更可能である。前
記第１の実施形態は、噴霧の粗な部分を点火プラグ方向
へ指向させることにあり、第２の実施形態は噴霧の粗な
部分と対向側にある、流速の速い密な部分を点火プラグ
へ指向させることにある。
【００５０】図２１にインジェクタのノズル形状２を示
す。噴口出口部に障壁１８を形成することにより、図２
２に示すように中空円錐噴霧の一部が約９０°切り取ら
れた形状となる。上記第１の実施形態では、噴霧の切り
取られた粗な部分を点火プラグに指向させる。
す。噴口出口部に障壁１８を形成することにより、図２
２に示すように中空円錐噴霧の一部が約９０°切り取ら
れた形状となる。上記第１の実施形態では、噴霧の切り
取られた粗な部分を点火プラグに指向させる。
【００５１】図２３にインジェクタのノズル形状３を示
す。噴口出口の一部に少なくとも１つ以上の障壁１９を
設け、図２４のように噴霧の一部を切り取ることでも粗
密のある噴霧を形成できる。障壁の幅や高さにより噴霧
の粗部分の大きさを変更することができる。この場合も
上記第１の実施形態では、噴霧の切り取られた粗な部分
を点火プラグに指向させる。
す。噴口出口の一部に少なくとも１つ以上の障壁１９を
設け、図２４のように噴霧の一部を切り取ることでも粗
密のある噴霧を形成できる。障壁の幅や高さにより噴霧
の粗部分の大きさを変更することができる。この場合も
上記第１の実施形態では、噴霧の切り取られた粗な部分
を点火プラグに指向させる。
【００５２】図２５にインジェクタのノズル形状４を示
す。インジェクタのノズル部１６を多孔にし、図２６の
ような多方向に噴射する粗密噴霧を形成する噴射弁構成
である。噴口の数，大きさ方向により多用な粗密噴霧が
形成可能である。第１実施形態に適用する場合は、それ
ぞれの噴孔から噴射される噴霧の間の燃料の粗な部分に
点火プラグを配置する。もしくは、図２７に示すよう
に、１本もしくは複数本の噴口径を他より小さく設定
し、図２８のように流量の少ない噴霧部分を点火プラグ
へ指向させる。また、第２の実施形態に適用するために
は、一本もしくは複数本の噴口径を他より大きくし、強
い流速を持つ噴霧をプラグへ直撃しない角度でプラグ側
へ指向させ、燃焼室内に流動を生成する。多孔噴射弁の
場合は、必ずしも上流に旋回をかける必要はない。
す。インジェクタのノズル部１６を多孔にし、図２６の
ような多方向に噴射する粗密噴霧を形成する噴射弁構成
である。噴口の数，大きさ方向により多用な粗密噴霧が
形成可能である。第１実施形態に適用する場合は、それ
ぞれの噴孔から噴射される噴霧の間の燃料の粗な部分に
点火プラグを配置する。もしくは、図２７に示すよう
に、１本もしくは複数本の噴口径を他より小さく設定
し、図２８のように流量の少ない噴霧部分を点火プラグ
へ指向させる。また、第２の実施形態に適用するために
は、一本もしくは複数本の噴口径を他より大きくし、強
い流速を持つ噴霧をプラグへ直撃しない角度でプラグ側
へ指向させ、燃焼室内に流動を生成する。多孔噴射弁の
場合は、必ずしも上流に旋回をかける必要はない。
【００５３】本発明に用いるインジェクタは取り付け位
置を決めるための位置決め手段を備えている。例えば取
付け用孔と、インジェクタ外周面に設けた廻り止めが兼
用される。インジェクタのコネクタあるいは別途インジ
ェクタにつけた目印とシリンダヘッドに設けたマークと
で構成することもできる。また、隣接する点火プラグ装
着用のプラグホールとの間に目印を設けることもできる
この位置決めは燃料噴霧の粗な部分が間違いなく点火プ
ラグに対応した位置にくることを保証する。
置を決めるための位置決め手段を備えている。例えば取
付け用孔と、インジェクタ外周面に設けた廻り止めが兼
用される。インジェクタのコネクタあるいは別途インジ
ェクタにつけた目印とシリンダヘッドに設けたマークと
で構成することもできる。また、隣接する点火プラグ装
着用のプラグホールとの間に目印を設けることもできる
この位置決めは燃料噴霧の粗な部分が間違いなく点火プ
ラグに対応した位置にくることを保証する。
【００５４】さらに、図２，図３に代表するように点火
プラグの着火ギャップがインジェクタ側に向くように相
互の位置を設定することが好ましい。本発明では上述し
たように液状の燃料が直接着火ギャップを濡らすことは
ないのでこのような方向性を持ってプラグを装着するこ
とができる。かくして気化した混合気が直接着火ギャッ
プに供給されるので着火性能が向上する。
プラグの着火ギャップがインジェクタ側に向くように相
互の位置を設定することが好ましい。本発明では上述し
たように液状の燃料が直接着火ギャップを濡らすことは
ないのでこのような方向性を持ってプラグを装着するこ
とができる。かくして気化した混合気が直接着火ギャッ
プに供給されるので着火性能が向上する。
【００５５】
【発明の効果】本発明では、燃料噴射弁を点火プラグの
近傍に装着するにも関わらず、点火プラグに直接燃料を
衝突させないように構成されているので、点火プラグが
くすぶることなく、良好な排気と、成層燃焼を行うこと
ができる。
近傍に装着するにも関わらず、点火プラグに直接燃料を
衝突させないように構成されているので、点火プラグが
くすぶることなく、良好な排気と、成層燃焼を行うこと
ができる。
【図１】（ａ）は第１の実施形態のエンジン断面図、
（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
【図２】（ａ）は第１の実施形態の成層時の混合気分布
の説明図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
の説明図、（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
【図３】（ａ）は第１の実施形態の均質時における噴霧
初期の混合気分布の説明図、（ｂ）は後期の混合気分布
の説明図。
初期の混合気分布の説明図、（ｂ）は後期の混合気分布
の説明図。
【図４】プラグ付近の混合気濃度の変化を説明する為の
図面。
図面。
【図５】成層，均質運転領域の拡大効果を説明する為の
運転特性図。
運転特性図。
【図６】成層，均質運転領域と噴射制御方法の関係を説
明する為の図面。
明する為の図面。
【図７】図６の各領域における噴射タイミングを説明す
る為の図面。
る為の図面。
【図８】噴射制御時の燃焼室内混合気挙動を説明する為
の図面。
の図面。
【図９】噴射期間と燃料流量の関係を説明する為の図
面。
面。
【図１０】（ａ）は燃料圧力と平均粒径，噴霧貫通力の
関係、（ｂ）は機関の運転条件による空気流動と燃料圧
力の関係を説明する為の図面。
関係、（ｂ）は機関の運転条件による空気流動と燃料圧
力の関係を説明する為の図面。
【図１１】空気流動と本発明の燃料噴射制御との組み合
わせを説明する為の図面で、(ａ)はスワール（横旋回
流）との組み合わせ、（ｂ）はタンブル（縦旋回流）と
の組み合わせを説明する為の図面。
わせを説明する為の図面で、(ａ)はスワール（横旋回
流）との組み合わせ、（ｂ）はタンブル（縦旋回流）と
の組み合わせを説明する為の図面。
【図１２】キャビティ付きピストンを用いた場合の適用
例を説明する為の図面。
例を説明する為の図面。
【図１３】エンジンコントロールユニットの入出力信号
を示すブロック図。
を示すブロック図。
【図１４】噴射完了までの一例を示すフローチャート。
【図１５】（ａ）は第２の実施形態のエンジン断面図、
（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
【図１６】（ａ）は第１の実施形態の噴霧初期の混合気
分布の説明図、（ｂ）は後期の混合気分布の説明図。
分布の説明図、（ｂ）は後期の混合気分布の説明図。
【図１７】（ａ）は第３の実施形態のエンジン断面図、
（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ矢視図。
【図１８】（ａ）はインジェクタの断面図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図。
（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【図１９】（ａ）は図１８のインジェクタの第１実施例
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２０】図１９のインジェクタから噴射され燃料噴霧
パターンを示す図面。
パターンを示す図面。
【図２１】（ａ）は図１８のインジェクタの第２実施例
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２２】図２１のインジェクタから噴射され燃料噴霧
パターンを示す図面。
パターンを示す図面。
【図２３】（ａ）は図１８のインジェクタの第３実施例
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２４】図２３のインジェクタから噴射され燃料噴霧
パターンを示す図面。
パターンを示す図面。
【図２５】（ａ）は図１８のインジェクタの第４実施例
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２６】図２５のインジェクタから噴射され燃料噴霧
パターンを示す図面。
パターンを示す図面。
【図２７】（ａ）は図１８のインジェクタの第５実施例
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
の先端部拡大断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ矢視図。
【図２８】図２７のインジェクタから噴射され燃料噴霧
パターンを示す図面。
パターンを示す図面。
【図２９】本発明が実施されるシステム全体の説明図。
１…エンジン、２…ピストン、１０…インジェクタ、２
０…点火プラグ、100…噴霧。
０…点火プラグ、100…噴霧。
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フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｆ０２Ｂ 31/00 ３０１ Ｆ０２Ｂ 31/00 ３０１Ｆ
３３１ ３３１Ｆ
Ｆ０２Ｄ 41/32 Ｆ０２Ｄ 41/32 Ａ
41/34 41/34 Ｅ
Ｆ０２Ｆ 3/26 Ｆ０２Ｆ 3/26 Ｃ
Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０Ｄ
３１０Ｓ
３２０ ３２０Ｚ
61/18 ３３０ 61/18 ３３０Ｚ
３６０ ３６０Ｊ
Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１ Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１Ａ
３０３ ３０３Ａ
(72)発明者 白石 拓也
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株
式会社日立製作所日立研究所内
(72)発明者 木原 裕介
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株
式会社日立製作所日立研究所内
(72)発明者 石川 享
茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株
式会社日立製作所自動車機器グループ内
Ｆターム(参考） 3G019 KA11 KA22
3G023 AA01 AA18 AB03 AC05 AD06
AD09 AD12 AD14 AF03 AG01
3G066 AA02 AA05 AA11 AA13 AB02
AD12 BA14 BA17 BA24 BA25
BA26 BA34 CA32U CC00
CC06U CC14 CC21 CC27
CC32 CC43 CC48 CD04 CD26
CD28 CD29 CE22 DA01 DA04
DA06 DA09 DC01 DC04 DC05
DC09 DC11 DC14 DC15 DC18
DC24
3G091 AA10 AA11 AA12 AA17 AA28
AB02 AB05 BA14 BA15 BA19
CB02 CB03 CB05 EA00 EA01
EA02 EA05 EA07 EA08 EA09
EA10 EA16 EA33 EA34 FA01
HA36 HA37 HB05 HB06
3G301 HA01 HA04 HA06 HA11 HA13
HA16 HA17 JA02 JA23 JA24
JA25 JA26 KA01 LA00 LB11
MA01 MA11 MA18 MA27 MA28
NA08 NC04 ND02 PA00Z
PA01Z PA17Z PB01Z PB03A
PB03Z PB05A PB05Z PB08A
PB08Z PD02Z PD15Z PE01Z
PE03Z PE08Z PE09Z PF03Z
Claims (22)
- 【請求項１】燃料噴射弁からシリンダ内に直接燃料を噴
射する筒内噴射ガソリンエンジンにおいて、 点火プラグの近傍に前記燃料噴射弁を装着し、当該燃料
噴射弁は噴霧軸線に対する周方向の燃料分布が粗密不均
一に構成されており、粗な部分が前記点火プラグに対応
して取り付けられている筒内噴射ガソリンエンジン。 - 【請求項２】点火プラグの近傍に装着した燃料噴射弁か
らシリンダ内に直接燃料を噴射する筒内噴射ガソリンエ
ンジンに用いる燃料噴射弁において、当該燃料噴射弁は
噴霧軸線に対する周方向の燃料分布が粗密不均一に構成
されており、エンジン装着時に噴霧燃料の粗な部分が点
火プラグに対応するように位置決めする位置決め手段を
備えている燃料噴射弁。 - 【請求項３】燃料噴射弁からシリンダ内に直接燃料を噴
射する筒内噴射ガソリンエンジンにおいて、 点火プラグの近傍に前記燃料噴射弁が装着されており、
前記点火プラグの着火ギャップが前記インジェクタ側に
対応するよう両者が位置付けられて取り付けられている
筒内噴射ガソリンエンジン。 - 【請求項４】シリンダヘッドとピストンの間に形成され
た燃焼室と、点火プラグと、燃焼室上部中央付近に配置
されたインジェクタとから成り、前記インジェクタは前
記燃焼室内にガソリンを直接噴射する筒内噴射ガソリン
エンジンにおいて、噴霧に粗な部分と密な部分を有する
インジェクタを組み合わせ、噴霧の粗な部分を点火プラ
グ方向に指向させたことを特徴とする筒内噴射ガソリン
エンジン。 - 【請求項５】シリンダヘッドとピストンの間に形成され
た燃焼室と、混合気に着火する点火プラグと、前記燃焼
室上部中央付近に配置され前記燃焼室内にガソリンを直
接噴射するインジェクタとからなる筒内噴射ガソリンエ
ンジンにおいて、前記インジェクタとして噴霧に粗な部
分と密な部分を有するインジェクタを用い、噴霧の密な
部分を前記点火プラグ方向に指向させ、後続する粗な部
分が前記点火プラグを包むように構成したことを特徴と
する筒内噴射ガソリンエンジン。 - 【請求項６】請求項４に記載の筒内噴射式内燃機関にお
いて、噴射点と点火プラグの電極を結ぶ接線に対して噴
霧角を−３０°〜３０°広くしたことを特徴とする。 - 【請求項７】請求項５に記載の筒内噴射式内燃機関にお
いて、噴射点と点火プラグの電極を結ぶ接線に対して噴
霧角を９０°〜１０°狭くしたことを特徴とする筒内噴
射ガソリンエンジン。 - 【請求項８】前記インジェクタは噴口出口開口面の噴射
弁中心軸線方向に段差を有する構成とすることを特徴と
する請求項４または５に記載の筒内噴射ガソリンエンジ
ン。 - 【請求項９】前記インジェクタは複数の噴口を有する構
成とすることを特徴とする請求項４または５に記載の筒
内噴射ガソリンエンジン。 - 【請求項１０】前記インジェクタは噴口の一部に遮蔽板
を有し、噴霧の一部を切断する構成とすることを特徴と
する請求項４または５に記載の筒内噴射型内燃機関。 - 【請求項１１】前記インジェクタと点火プラグを一体型
にしたことを特徴とする、請求項４または５に記載の筒
内噴射ガソリンエンジン。 - 【請求項１２】請求項４乃至１１に記載の筒内噴射ガソ
リンエンジンにおいて、吸気，圧縮，膨張，排気の１サ
イクルの間に、燃料を複数回噴射することを特徴とす
る。 - 【請求項１３】請求項４乃至１２に記載の筒内噴射ガソ
リンエンジンにおいて、高回転高負荷の均質燃焼時に燃
料圧力を１０〜２０ＭＰａの高圧に設定し、燃料を複数
回に分割して噴射することを特徴とする筒内噴射ガソリ
ンエンジン。 - 【請求項１４】請求項４乃至１３に記載の筒内噴射ガソ
リンエンジンにおいて、低回転低負荷の成層燃焼時に燃
料圧力を１〜５ＭＰａの低圧に設定し、燃料を複数回に
分割して噴射することを特徴とする筒内噴射ガソリンエ
ンジン。 - 【請求項１５】請求項４乃至１４に記載の筒内噴射ガソ
リンエンジンにおいて、スワール空気流動を生成する流
動制御手段を設けたことを特徴とする筒内噴射ガソリン
エンジン。 - 【請求項１６】請求項１５に記載の筒内噴射ガソリンエ
ンジンにおいて、回転数と負荷の増大と共にスワール強
度を強くするように制御したことを特徴とする筒内噴射
ガソリンエンジン。 - 【請求項１７】請求項４乃至１４に記載の筒内噴射ガソ
リンエンジンにおいて、タンブル空気流動を生成する流
動制御手段を設けたことを特徴とする筒内噴射ガソリン
エンジン。 - 【請求項１８】請求項１７に記載の筒内噴射ガソリンエ
ンジンにおいて、回転数と負荷の増大と共にタンブル強
度を強くするように制御したことを特徴とする。 - 【請求項１９】請求項４乃至１８に記載の筒内噴射式内
燃機関において、ピストン冠面にキャビティを設けたこ
とを特徴とする。 - 【請求項２０】請求項１９に記載の筒内噴射ガソリンエ
ンジンにおいて、ピストン頂面に設けたキャビティ端面
とピストン水平面がなす角度を７０°〜１５０°にした
ことを特徴とする。 - 【請求項２１】請求項４乃至２０に記載の筒内噴射ガソ
リンエンジンにおいて、過給機構を備えた事を特徴とす
る筒内噴射ガソリンエンジン。 - 【請求項２２】請求項４乃至２０に記載の筒内噴射ガソ
リンエンジンにおいて、触媒とターボ式過給機構を備え
た事を特徴とする筒内噴射ガソリンエンジン。
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