JP4542018B2 - エンジンの燃料噴射制御方法、及び、それに用いられるインジェクタを有するエンジン - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃料噴射制御方法、及び、それに用いられるエンジン（火花点火式内燃機関）に係り、特に、複数の噴口を有するマルチホール型インジェクタによって燃焼室内に燃料を直接噴射するエンジンの燃料噴射制御方法及びそれに用いられるエンジンに関する。

筒内直接噴射式エンジンにおいては、複数の噴口を有するマルチホール型インジェクタを用い、各噴口から燃料を噴射することによって、複数の燃料噴霧が気筒内の点火プラグの電極を挟むように燃料噴射方向を指向させると共に、燃料噴射時期を圧縮行程に設定して成層燃焼（希薄燃焼）を行い、均一燃焼時には燃料噴射時期を吸気行程中期に設定して混合気の均一化を図ったものが知られている（例えば、特許文献１）。

また、マルチホール型インジェクタから噴射される燃料の噴射方向が点火プラグ近傍に指向された筒内直接噴射式エンジンにおいては、吸気行程時に燃料噴射を行い、筒内に均一な混合気を形成して冷機始動時の燃料着火性を確保するものがある（例えば、特許文献２）。

特開２００５−９８１２０号公報 特開２００５−９８１１８号公報

ところで、エンジンの排気ガス浄化の観点から見れば、エンジンの冷機始動時は、排気系の触媒が未活性のため、エンジンからの排気ガスがそのまま排出され、環境への負荷が大きい。このことに対し、マルチホール型インジェクタから噴射される燃料の噴射方向が点火プラグ近傍に指向された筒内直接噴射式エンジンにおいては、吸気行程時に燃料噴射を行い、筒内に均一な混合気を形成し、安定に燃焼できる範囲に点火時期を遅らせることにより、排気温度を早期に上げて未燃燃料の排出の低減と触媒の早期活性化を図る提案がある。

更なる未燃燃料の排出の低減要求から、圧縮行程の後期から膨張行程の前期にかけて１回若しくは数回に分けて燃料を噴射し、点火プラグ近傍において燃料を成層化させ、点火時期を大きく遅らせる（点火リタード）方法が注目されている。これにより、冷機始動後、排気温度が早期に高くなり、触媒の早期活性化によって大幅に未燃燃料の排出を大幅に低減することができる。

マルチホール型インジェクタによる燃料噴射において、点火リタードを図る場合、点火プラグ近傍に燃料噴霧を指向させ、点火プラグの電極部の周りに可燃混合気を分布させて着火を行う。この時、点火時期を遅らせるために、燃料の噴射時期も点火に同期して遅らせるほか、安定着火のために、多くの割合の燃料をプラグ側に向ける必要がある。

しかし、スロットル全開運転時では、高出力を得るために、噴射した燃料を気化させて均一な混合気を形成する必要があるが、点火プラグの電極部に燃料噴霧を多く向けた場合、インジェクタ対向壁面に燃料が多く付着し、燃料の気化が悪くなり、出力が低下する問題が生じる。

本発明は、前記解決しようとする課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、噴霧仕様と噴射制御によって、冷機始動時の点火リタードによる排気温度の早期昇温と、スロットル全開運転時の高出力とを可能にし、かつ両立する筒内直接噴射式エンジンおよびその制御装置並びにインジェクタを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明によるエンジンの燃料噴射制御方法は、ピストンとシリンダヘッドとの間のシリンダブロック内に形成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに取り付けられる点火プラグと、前記燃焼室の吸気側に取り付けられ該燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、を有するエンジンの燃料噴射制御方法であって、前記インジェクタは、前記点火プラグの電極部の下方を指向する燃料の上側噴霧を生成する上側噴霧用噴口と、該上側噴霧よりピストン側で且つ該上側噴霧のほぼ真下を指向する燃料の中心噴霧を生成する中心噴霧用噴口と、該中心噴霧の周囲で且つ吸気弁が動作する範囲外を指向する燃料の複数の側方噴霧を生成する複数の側方噴霧用噴口と、を有し、複数の前記側方噴霧用噴口の前記側方噴霧の燃料の指向方向は、前記ピストンがエンジンの運転中の特定位置に移動するタイミング時に、前記ピストンの冠面外周部を狙うように生成され、前記インジェクタからの燃料の噴射時期は、前記エンジンの運転状態に基づいて制御される。
そして、具体的な態様としては、前記ピストンの前記特定位置は、前記ピストンの吸気上死点後９０度前後であることを特徴としている。

本発明によるエンジンの燃料噴射制御方法は、好ましくは、前記上側噴霧は、前記中心噴霧に比してピストン冠面に衝突せず、前記点火プラグの電極部側に生成され、前記中心噴霧による空気流動より速い空気流動を生じる。

本発明によるエンジンの燃料噴射制御方法は、好ましくは、前記上側噴霧が１つ又は複数の上側噴霧用噴口から噴射された１本又は複数本の燃料噴霧により構成される。

本発明によるエンジンの燃料噴射制御方法は、好ましくは、前記上側噴霧は、前記シリンダヘッドに当たらない燃料噴霧を生成する。

本発明によるエンジンの燃料噴射制御方法は、好ましくは、前記中心噴霧が１つ又は複数の前記中心噴霧用噴口から噴射された１本又は複数本の燃料噴霧により形成される。

本発明によるエンジンの燃料噴射制御方法は、好ましくは、燃料の前記噴射時期は、前記エンジンの冷機始動時には前記ピストンの圧縮上死点前３０度以降圧縮上死点までとなるように制御し、暖気後には前記ピストンの吸気上死点後９０度前後となるように制御する。

また、前記目的を達成するために、本発明によるエンジンは、 ピストンとシリンダヘッドとの間のシリンダブロック内に形成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに取り付けられる点火プラグと、前記燃焼室の吸気側に取り付けられて該燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、を有するエンジンであって、前記インジェクタは、前記点火プラグの電極部の下方に指向する燃料の上側噴霧を生成する上側噴霧用噴口と、該上側噴霧よりピストン側で且つ該上側噴霧のほぼ真下に指向する中心噴霧を生成する中心噴霧用噴口と、該中心噴霧の周囲で且つ吸気弁が動作する範囲外を指向する複数の側方噴霧を生成する複数の側方噴霧用噴口と、を有し、前記インジェクタの前記複数の側方噴霧用噴口は、前記ピストンが前記エンジンの運転中の特定位置に移動するタイミング時に、燃料の前記側方噴霧が前記ピストンの冠面外周部を狙う指向方向に形成されている。
そして、具体的な態様としては、前記ピストンの前記特定位置は、前記ピストンの吸気上死点後９０度前後であることを特徴としている。

本発明によるエンジンは、好ましくは、前記ピストンが、前記点火プラグの下方位置のピストン冠面に、吸気側が低く、排気側が高くなるような段差を形成している。

本発明によるエンジンは、好ましくは、前記ピストンは、前記点火プラグの下方位置のピストン冠面に、凸形状部を形成している。

本発明による筒内直接噴射式エンジンによれば、冷機始動時の条件において、上側噴霧によって生成される空気流動によって中心噴霧の混合気を点火プラグの電極部に運び、これを着火することにより、冷機始動時において点火リタードが可能になり、排気温度の早期上昇を図ることができる。また、点火プラグの下側に向ける燃料は少なくて済むため、全開条件時の燃料の壁面付着による出力低下がなくなり、冷機始動時の排気温度の早期上昇による未燃燃料の排出の低減ができ、かつ触媒早期活性化と全開条件時の高出力運転とが両立する。

本発明の筒内直接噴射式エンジンおよびその制御装置並びにインジェクタの実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
図１〜図１２は、本発明による筒内直接噴射式エンジンの第１の実施形態を示している。

図１に示されているように、筒内直接噴射式エンジンは、シリンダヘッド１とシリンダブロック２を有し、シリンダブロック２に形成されたシリンダボア２Ａにピストン３が往復動可能に設けられている。シリンダボア２Ａは上端側をシリンダヘッド１により閉じられ、シリンダヘッド１とピストン３との間に燃焼室５０を形成している。本実施形態では、ピストン３は、冠面３Ａが平面なものを用いている。

シリンダヘッド１には点火プラグ４が取り付けられている。点火プラグ４の火花放電用の電極部４Ａは燃焼室５０内にあって、該燃焼室５０の径方向中心位置に配置されている。

シリンダヘッド１には燃焼室５０に開口した吸気ポート５と排気ポート６が形成されている。図１で見て、吸気ポート５は点火プラグ４の左側にあり、排気ポート６は点火プラグ４の右側にある。このことにより、点火プラグ４の左側を吸気側、点火プラグ４の右側の排気側と云う。

シリンダヘッド１には、吸気ポート５を開閉する吸気弁７と、排気ポート６を開閉する排気弁８とが設けられている。吸気弁７、排気弁８は、図示省略の周知の動弁機構によってピストン位相（クランク角）に応じて開閉される。

燃焼室５０の吸気側には、燃焼室５０内に燃料を直接噴射するマルチホール型インジェクタ（燃料噴射弁）９が取り付けられている。マルチホール型インジェクタ９は、図２（ａ）に示されているように、ニードル９Ｂを内蔵したノズルボディ９Ａの先端にマルチホールプレート９Ｃを有し、図２（ｂ）に示されているように、マルチホールプレート９Ｃの円周上に、複数個、本実施形態では６個の噴口１３ａ〜１３ｆを形成されている。噴口１３ａは上側噴霧用、噴口１３ｂは中心噴霧用、噴口１３ｃ〜１３ｆは側方噴霧用のものである。

つまり、インジェクタ９のマルチホールプレート９Ｃに、上側噴霧用噴口１３ａと、中心噴霧用噴口１３ｂと、複数個の側方噴霧用噴口１３ｃ〜１３ｆとが形成されている。

図３、図４は、燃料圧力が１１ＭＰａの条件において、雰囲気圧力が大気圧の自由空間に、マルチホール型インジェクタ９より燃料を噴射した時の燃料噴霧の外観形状を示している。なお、図３はマルチホール型インジェクタ９を横から観察した場合の噴霧形状を、図４は燃料噴射から１ｍｓ後での噴口から３０ｍｍ下の図３のＡ−Ａ断面位置での噴霧の形状を表している。

図３、図４において、符号１０は噴口１３ａによる上側噴霧を、符号１１は噴口１３ｂによる中心噴霧を、符号１２ａ〜１２ｄは噴口１３ｃ〜１３ｆによる側方噴霧を各々示している。

マルチホール型インジェクタ９は、噴口１３ａによる上側噴霧１０が、燃焼室５０の上側（シリンダヘッド１側）で、且つ点火プラグ４側になるように設置される（図７、図１１参照）。

噴口１３ａによる上側噴霧１０は点火プラグ４の電極部４Ａの下方に指向し、噴口１３ｂによる中心噴霧１１は上側噴霧１０よりピストン３側で且つ上側噴霧１０のほぼ真下に指向する。これにより、上側噴霧１０は、中心噴霧１１に比してピストン冠面３Ａに衝突せず、点火プラグ４の電極部４Ａ側に生成され、中心噴霧１１による気流より速い気流を生じる。

複数の側方噴霧用の噴口１３ｃ〜１３ｆのうち、噴口１３ｃ、１３ｄは上側噴霧１０と中心噴霧１１との間を指向する側方噴霧１２ａ、１２ｂを生成し、噴口１３ｅ、１３ｆは中心噴霧１１とピストン冠面３Ａとの間を指向する側方噴霧１２ｃ、１２ｄを生成する。

図５は、ピストン位置が９０ｄｅｇＡＴＤＣの状態における側方噴霧１２ａ〜１２ｄの方向を示している。図５に示されているように、側方噴霧１２ａ〜１２ｄは、各々、ピストン３の冠面外周部３Ｂを狙う方向になっている。

ここで、図３、図４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よい。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、高速度カメラによって噴霧を撮影できると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。

ここで、エンジン全体のシステム構成について、図６を参照して説明する。ピストン３はコンロッド１７を介してクランク軸１８と連結されている。クランク軸１８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１９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２０が設置されている。アクセルペダル２１には運転者によるアクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２２が接続されている。

吸気ポート５に連通接続されている吸気管３５には吸入空気量を調節する絞り弁２３が設けられている。絞り弁２３の上流には吸入空気量を検出するエアフローセンサ（図示しない）が設けられている。

排気ポート６に連通接続されている排気管３６には、三元触媒１４が設けられている。三元触媒１４の上流側には空燃比センサ１５が、三元触媒１４の下流にはＯ₂センサ１６が各々設けられている。

燃料タンク２５の燃料は、低圧ポンプ２６により一次加圧され、燃料配管２４によって高圧ポンプ２７へ送られ、高圧ポンプ２７によって二次加圧（高圧加圧）されてマルチホール型インジェクタ９に供給される。高圧ポンプ２７によって二次加圧された燃料の圧力は燃料圧力センサ２８によって検出される。

電子制御装置（ＥＣＵ）２９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）３０と、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）３１と、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）３２と、各センサからの信号を受信する入力回路３３と、演算結果から各装置に信号を送信する出力回路３４で構成されている。

電子制御装置（ＥＣＵ）２９は、燃料噴射制御、点火時期制御等を行うものであり、燃料噴射制御については、燃料噴射量制御に加えて、機関始動時には、燃料噴射時期を圧縮上死点前３０度以降圧縮上死点までとなるように設定し、暖気後には燃料噴射時期を吸気上死点後９０度前後となるよう、燃料噴射時期を制御する。

次に、本実施形態の冷機始動時における動作を、図７〜図１０を参照して説明する。なお、図７〜図１０は燃焼室中心断面の様子である。

エンジンがキーオンされると、ＲＯＭ３１に記録されたプログラムに従い、まず、水温センサ２０から信号がＣＰＵ２０に送られて水温が検出され、クランク角センサ１９から信号がＣＰＵ２０に送られ、エンジン回転数が検出される。

水温が８０℃未満の場合には、冷機時と判定され、２回噴射することが決定される。この冷機時において、エンジン回転数が１５００ｒ／ｍｉｎ未満の場合には、１回目の燃料噴射時期は１０ｄｅｇＢＴＤＣ、エンジン回転数がそれ以上であれば、２０ｄｅｇＢＴＤＣに設定される。２回目の噴射時期は、点火時期と同じ時期に設定される。ここでは、エンジン回転数が１５００ｒ／ｍｉｎ未満とし、１回目の燃料噴射時期を１０ｄｅｇＢＴＤＣ、２回目の燃料噴射時期と点火時期を３０ｄｅｇＡＴＤＣとしている。

冷機始動時では、燃料噴射量は初爆から数サイクル程度までは予めＲＯＭ３１に記録されている。燃料圧力センサ２８によって燃料圧力が検出され、その信号は入力回路３３からＲＡＭ３２に送られる。ＲＯＭ３１には予め燃料圧力と燃料噴射量から噴射パルス幅が決定されるマップデータが記録されており、ＣＰＵ３０は、燃料圧力をもとにパルス幅を決定する。なお、ここでは燃焼室内に吸入された空気量と、１回目と２回目の噴射量の合計の比が１６になるように燃料噴射量が設定されている。

１回目の燃料噴射直後の燃焼室５０内の様子は図７に示されている。上側噴霧１０は、マルチホール型インジェクタ９の噴口１３ａによるものであり、噴口１３ａは、ほぼ真横（水平）に向けられている。これにより、上側噴霧１０による燃料噴霧は点火プラグ４の下方へ進む。これに対し、中心噴霧１１は下方に向けられているため、ピストン３の冠面３Ａに衝突している。

燃焼室５０において、燃料噴霧が噴流することにより、上側噴霧１０は吸気側から排気側に向かう空気流動を、中心噴霧１１はピストン３に向かう空気流動を形成する。ピストン３に向かう空気流動は、ピストン３の冠面３Ａに衝突後、ピストン冠面３Ａを排気側に向かって流れる空気流動になる。

これにより、図８に示されているように、燃焼室５０内には、上側噴霧１０によってマルチホール型インジェクタ９の側（吸気側）から排気側に向かう空気流動Ａと、空気流動Ａに遅れてピストン冠面３Ａに沿って排気側に向かう空気流動Ｂとが形成される。

ピストン上死点近くでは、燃焼室５０内は高温になっているため、燃料は気化し易い状態となっている。上側噴霧１０は、点火プラグ４の電極部４Ａの下側を通過しながら、中心噴霧１１はピストン３の冠面３Ａを滑りながら混合気を形成しつつ進んでいく。

１０ｄｅｇＡＴＤＣ付近での燃焼室内の混合気の様子を図９に示す。上側噴霧１０から気化した混合気Ｃが点火プラグ４の電極部４Ａの下側に、中心噴霧１１から気化した混合気Ｄがピストン３の冠面３Ａ近傍に存在している。

ここで、中心噴霧１１はピストン３の冠面３Ａに衝突しているため、空気流動Ｂは、減衰し、空気流動Ａに比べ弱い。つまり、上側噴霧１０は、中心噴霧１１による空気流動（気流）Ｂより速い空気流動（気流）Ａを生じる。このため、空気流動Ａの後ろでは、周囲より圧力が低くなり、中心噴霧１１から気化した混合気Ｄは、図９に示すように、空気流動Ａによって（気流による吸い込み効果によって）引き上げられる。

点火時期である３０ｄｅｇＡＴＤＣでの混合気の様子を図１０に示す。燃焼室５０内は高圧になるため、混合気Ｃは点火プラグ４の電極部４Ａを通過した付近で停滞し、混合気Ｄも空気流動Ａによって引き上げられた後、点火プラグ４の電極部４Ａ付近で停滞する。

これにより、点火時期を大きく遅らせても、着火可能となり、冷機始動時に点火リタードによる排気温度の早期昇温を図ることが可能になる。

次に、全開運転時の動作について、図１１〜図１３を参照して説明する。アクセルペダル２１が踏み込まれると、アクセル開度センサ２２より信号がＣＰＵ３０に送られ、アクセル開度が検出される。同様に、クランク角センサ１９から信号がＣＰＵ３０に送られ、エンジン回転数が検出される。

ＣＰＵ３０は、アクセル開度とエンジン回転数に応じて要求負荷を決定し、絞り弁２３の開度を制御する。燃料噴射量は吸入した空気と噴射する燃料の比が１：１３前後になるよう設定される。燃料噴射時期は、ＲＯＭ３１に記録された要求負荷とエンジン回転数のマップデータにより決定される。全開運転条件ではエンジン回転数が２０００ｒ／ｍｉｎでは９０ｄｅｇＡＴＤＣになるよう本実施形態では設定されている。

図１１に燃料噴射直後のインジェクタから燃焼室５０内を横から観察した様子を示す。また、図１１にマルチホール型インジェクタ９から燃焼室５０内を観察した様子を示す。９０ｄｅｇＡＴＤＣ付近では吸気弁７のリフト量は最大になっている。

本実施形態では、上側噴霧１０及び中心噴霧１１は燃焼室５０の中心断面上にあり、側方噴霧１２ａ〜１２ｄは吸気弁７の動作する範囲より外に向けて噴射しており、吸気弁７に衝突することはない。

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が、本実施形態では、点火プラグ４側に向けて噴射している噴霧は、上側噴霧１０のみで、中心噴霧１１及び側方噴霧１２ａ〜１２ｄは燃焼室壁面までの距離が長くなるよう、下方に向けて噴射しているので、壁面付着が少ない。

これにより、空気と混合する燃料が多くなり、気化による空気の冷却効果によって充填効率向上や点火時期進角による高出力運転が可能になる。

したがって、本実施形態によれば、冷機始動時の排気温度上昇による排気低減、触媒早期活性化と、全開条件時の高出力運転とが両立する。

本発明による筒内直接噴射式エンジンの第２の実施形態を、図１３を参照して説明する。なお、図１３において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

本実施形態では、ピストン３の冠面に、当該冠面が点火プラグ４の下側（ほぼ真下）に位置するに、段差３Ｃが形成されている。段差３Ｃは、吸気側が低く、排気側が高くなっており、吸気側から排気側を見て、障壁（縦壁）面をなしている。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に冷機始動時の条件で、上側噴霧１０によって生成された空気流動Ａによって中心噴霧１１の混合気Ｄが上方向へ引き寄せられる。その上で、図１４に示すように、混合気Ｄが段差３Ｃに衝突することにより、段差３Ｃによって混合気Ｄが点火プラグ４の電極部４Ａの側に持ち上げられる。

これにより、サイクルばらつきや噴霧の個体ばらつき、ショットばらつきに対して、より安定して混合気Ｄが点火プラグ４の電極部４Ａに到達しやすくなるといった効果が得られる。

本発明による筒内直接噴射式エンジンの第３の実施形態を、図１５を参照して説明する。なお、図１５においても、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

本実施形態では、ピストン３の冠面に、当該冠面が点火プラグ４の下側（ほぼ真下）に位置するに、凸条部（凸形状部）３Ｄが突出形成されている。

本実施形態でも、第１の実施形態と同様に冷機始動時の条件で、上側噴霧１０によって生成された空気流動Ａによって中心噴霧１１の混合気Ｄが上方向へ引き寄せられる。その上で、混合気（図１４の混合気Ｄと同等の混合気）が凸条部３Ｄに衝突することにより、凸条部３Ｄによってその混合気が点火プラグ４の電極部４Ａの側に持ち上げられる。

これにより、本実施形態でも、サイクルばらつきや噴霧の個体ばらつき、ショットばらつきに対して、より安定して混合気Ｄが点火プラグ４の電極部４Ａに到達しやすくなるといった効果が得られる。

本発明による筒内直接噴射式エンジンの第４の実施形態で用いられるマルチホール型インジェクタを、図１６〜図１９を参照して説明する。なお、図１６〜図１９において、図２〜図４に対応する部分は、図２〜図４に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

本実施形態では、図１６に示されているように、マルチホールプレート９Ｃの円周上に、７個の噴口１３ｂ〜１３ｈが形成されている。噴口１３ｇと１３ｈは各々上側噴霧用であり、噴口１３ｂは中心噴霧用、噴口１３ｃ〜１３ｆは側方噴霧用のものである。つまり、本実施形態では、上側噴霧用噴口が２個ある。

図１７、図１８は、燃料圧力が１１ＭＰａの条件において、雰囲気圧力が大気圧の自由空間に、マルチホール型インジェクタ９より燃料を噴射した時の燃料噴霧の外観形状を示している。なお、図１７はマルチホール型インジェクタ９を横から観察した場合の噴霧形状を、図１８は燃料噴射から１ｍｓ後での噴口から３０ｍｍ下の図１７のＡ−Ａ断面位置での噴霧の形状を表している。

図１７、図１８において、符号１０ａ、１０ｂは噴口１３ｇ、１３ｈによる上側噴霧を、符号１１は噴口１３ｂによる中心噴霧を、符号１２ａ〜１２ｄは噴口１３ｃ〜１３ｆによる側方噴霧を各々示している。

マルチホール型インジェクタ９は、上側噴霧１０ａ、１０ｂが、燃焼室５０の上側（シリンダヘッド１側）で、且つ点火プラグ４側になるように設置される。

図１７のＢ−Ｂ断面における上側噴霧１０ａ、１０ｂの噴霧形状を図１９に示す。ここで、上側噴霧１０ａと１０ｂとが成す噴霧角αが小さい場合には互いの噴霧が干渉して噴霧の貫徹力が大きくなり、シリンダヘッド１やシリンダブロック２の液滴燃料か壁面に付着して排気が悪化する要因となる。逆に、噴霧角αが大きい場合には、上側噴霧１０ａ、１０ｂによって生成される空気流動Ａが点火プラグ下方に向かなくなるため、混合気Ｄ（図９参照）をうまく点火プラグ４の電極部４Ａの部分に運ぶことができなくなる。そのため、噴霧角αは、１０°〜３０°程度が望ましい。
他の構成は、第１の実施形態と同じであり、記述は省略する。

本実施形態では、上側噴霧を１本から２本にすることにより、上側噴霧の噴霧全体に占める割合が１７％から２９％へと高くなっており、上側噴霧１０ａ、１０ｂによって生成される空気流動Ａが強くなることが特徴である。

これにより、冷機始動条件において混合気Ｄが、より一層、点火プラグ４の電極部４Ａの側に引き上げられ易くなり、より燃焼が安定する。このことにより、点火時期を大きく遅らせても、着火可能となり、冷機始動時に点火リタードによる排気温度の早期昇温を図ることが可能になる。

本発明による筒内直接噴射式エンジンの第５の実施形態で用いられるマルチホール型インジェクタを、図２０〜図２２を参照して説明する。なお、図２０〜図２２においても、図２〜図４に対応する部分は、図２〜図４に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

本実施形態では、図２０に示されているように、マルチホールプレート９Ｃの円周上に、７個の噴口１３ａ、１３ｃ〜１３ｆ、１３ｉ、１３ｊが形成されている。噴口１３ａは上側噴霧用であり、噴口１３ｉ、１３ｊは各々中心噴霧用、噴口１３ｃ〜１３ｆは側方噴霧用のものである。つまり、本実施形態では、中心噴霧用噴口が２個ある。

図２１、図２２は、燃料圧力が１１ＭＰａの条件において、雰囲気圧力が大気圧の自由空間に、マルチホール型インジェクタ９より燃料を噴射した時の燃料噴霧の外観形状を示している。なお、図２１はマルチホール型インジェクタ９を横から観察した場合の噴霧形状を、図２２は燃料噴射から１ｍｓ後での噴口から３０ｍｍ下の図２１のＡ−Ａ断面位置での噴霧の形状を表している。

図２１、図２２において、符号１０は噴口１３ａによる上側噴霧を、符号１１ａ、１１ｂは噴口１３ｉ、１３ｊによる中心噴霧を、符号１２ａ〜１２ｄは噴口１３ｃ〜１３ｆによる側方噴霧を各々示している。

マルチホール型インジェクタ９は、本実施形態でも、上側噴霧１０が、燃焼室５０の上側（シリンダヘッド１側）で、且つ点火プラグ４側になるように設置される。
その他の構成は第１の実施形態と同じであり記述は省略する。

本実施形態における１回目の燃料噴射直後の燃焼室内の様子を図２３に示す。本実施形態では、中心噴霧が２本になっており、１７％から２９％へと中心噴霧１１ａ、１１ｂが全体に占める流量割合が高くなっており、逆に上側噴霧１０は１７％から１４％へと減少している。

このため、第１の実施形態に対し、上側噴霧１０で生成される空気流動Ａ（図８参照）は弱く、中心噴霧１１ａ、１１ｂによって生成される空気流動Ｂ（図８参照）は強くなる。

実施形態５における、１０ｄｅｇＡＴＤＣ付近での燃焼室内の混合気の様子を図２４に示す。上側噴霧１０から気化した混合気Ｃが点火プラグ４の電極部４Ａの下側に、中心噴霧１１ａ、１１ｂから気化した混合気Ｄがピストン３の冠面３Ａの近傍に存在している。空気流動Ｂが強くなったため、混合気Ｄはマルチホール型インジェクタ９から遠い地点で噴き上がるようになっている。

しかし、中心噴霧１１ａ、１１ｂの流量割合が増えることにより、混合気Ｄは、燃料濃度が高く、また広範囲に分布することが可能となり、点火時期での点火プラグ４の電極位置での燃料濃度が高くなることにより、サイクルばらつきや噴霧のばらつきに対して着火が安定するといった効果がある。

なお、本実施形態において、第２、第３の実施形態のピストン３が用いられることにより、効果は更に高くなる。

本発明による筒内直接噴射式エンジンの第６の実施形態を、図２５を参照して説明する。なお、図２５において、図１に対応する部分は、図１に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

本実施形態では、上側噴霧１０が点火プラグ４の電極部４Ａに当たることを避けるために、上側噴霧１０の方向をシリンダヘッド１に当たらない角度まで、下に向けている。

図２６に示されているように、上側噴霧１０によって生成される空気流動Ａは、第１の実施形態に比べると、ピストン３側に近づくが、中心噴霧１１によって構成される空気流動Ｂよりも点火プラグ４寄りのため、本実施形態でも、混合気Ｄは点火プラグ４の側に持ち上げられる効果があり、点火リタードが可能である。このように、上側噴霧１０がシリンダヘッド１に当たらない角度に燃料噴射が行われると、全開条件においてシリンダヘッド１への燃料付着が軽減し、未燃焼燃料の排出低減の効果がある。

本発明による筒内直接噴射式エンジンの第１の実施形態を示すエンジン本体の縦断面図。 （ａ）は第１の実施形態による筒内直接噴射式エンジンで使用されるマルチホール型インジェクタの先端部を拡大して示す断面図、（ｂ）は第１の実施形態による筒内直接噴射式エンジンで使用されるマルチホール型インジェクタのマルチホールプレートを拡大して示す平面図。 第１の実施形態における噴霧外観形状を示す説明図。 第１の実施形態における噴霧の水平断面形状を示す説明図。 第１の実施形態における側方噴霧の狙い位置を示す説明図。 本発明による筒内直接噴射式エンジンのエンジン全体のシステム構成を示す説明図。 第１の実施形態における燃料噴射直後の様子を示す説明図。 第１の実施形態における空気流動の概要を示す説明図。 第１の実施形態における燃焼室内の混合気の様子を示す説明図 第１の実施形態における点火時期での混合気の様子を示す説明図。 第１の実施形態における全開条件での混合気の様子を示す説明図。 第１の実施形態におけるインジェクタから見た噴霧の様子を示す説明図。 本発明による筒内直接噴射式エンジンの第２の実施形態を示すエンジン本体の縦断面図。 第２の実施形態における点火時期での混合気の様子を示す説明図。 本発明による筒内直接噴射式エンジンの第３の実施形態を示すエンジン本体の縦断面図。 本発明による筒内直接噴射式エンジンの第４の実施形態で使用されるマルチホール型インジェクタのマルチホールプレートを拡大して示す平面図。 第４の実施形態における噴霧外観形状を示す説明図。 第４の実施形態における噴霧の水平断面形状を示す説明図。 第４の実施形態における上側噴霧の角度αの定義を示す説明図。 本発明による筒内直接噴射式エンジンの第５の実施形態で使用されるマルチホール型インジェクタのマルチホールプレートを拡大して示す平面図。 第５の実施形態における噴霧外観形状を示す説明図。 第５の実施形態における噴霧の水平断面形状を示す説明図。 第５の実施形態における燃料噴射直後の様子を示す説明図。 第５の実施形態における点火時期での混合気の様子を示す説明図。 本発明による筒内直接噴射式エンジンの第６の実施形態を示すエンジン本体の縦断面図。 第６の実施形態における燃焼室内の混合気の様子を示す説明図。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
４ 点火プラグ
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
９ マルチホール型インジェクタ
１０、１０ａ、１０ｂ 上側噴霧
１１、１１ａ、１１ｂ 中心噴霧
１２ａ〜１２ｄ 側方噴霧
１３ａ〜１３ｊ 噴口
５０ 燃焼室

Claims (11)

1. ピストンとシリンダヘッドとの間のシリンダブロック内に形成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに取り付けられる点火プラグと、前記燃焼室の吸気側に取り付けられ該燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、を有するエンジンの燃料噴射制御方法であって、
   前記インジェクタは、前記点火プラグの電極部の下方を指向する燃料の上側噴霧を生成する上側噴霧用噴口と、該上側噴霧よりピストン側で且つ該上側噴霧のほぼ真下を指向する燃料の中心噴霧を生成する中心噴霧用噴口と、該中心噴霧の周囲で且つ吸気弁が動作する範囲外を指向する燃料の複数の側方噴霧を生成する複数の側方噴霧用噴口と、を有し、
   複数の前記側方噴霧用噴口の前記側方噴霧の燃料の指向方向は、前記ピストンが前記エンジンの運転中の特定位置に移動するタイミング時に、前記ピストンの冠面外周部を狙うように生成され、
   前記インジェクタからの燃料の噴射時期は、前記エンジンの運転状態に基づいて制御されることを特徴とするエンジンの燃料噴射制御方法。
2. 前記ピストンの前記特定位置は、前記ピストンの吸気上死点後９０度前後であることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御方法。
3. 前記上側噴霧は、前記中心噴霧に比して前記ピストンの冠面に衝突せずに、前記点火プラグの電極部側に生成され、前記中心噴霧による空気流動より速い空気流動を生じることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの燃料噴射制御方法。
4. 前記上側噴霧は、１つ又は複数の上側噴霧用噴口から噴射された１本又は複数本の燃料噴霧により構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジンの燃料噴射制御方法。
5. 前記上側噴霧は、前記シリンダヘッドに当たらない燃料噴霧を生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のエンジンの燃料噴射制御方法。
6. 前記中心噴霧は、１つ又は複数の前記中心噴霧用噴口から噴射された１本又は複数本の燃料噴霧により形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のエンジンの燃料噴射制御方法。
7. 燃料の前記噴射時期は、前記エンジンの冷機始動時には前記ピストンの圧縮上死点前３０度以降圧縮上死点までとなるように制御し、暖気後には前記ピストンの吸気上死点後９０度前後となるように制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のエンジンの燃料噴射制御方法。
8. ピストンとシリンダヘッドとの間のシリンダブロック内に形成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに取り付けられる点火プラグと、前記燃焼室の吸気側に取り付けられて該燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、を有するエンジンであって、
   前記インジェクタは、前記点火プラグの電極部の下方に指向する燃料の上側噴霧を生成する上側噴霧用噴口と、該上側噴霧よりピストン側で且つ該上側噴霧のほぼ真下に指向する中心噴霧を生成する中心噴霧用噴口と、該中心噴霧の周囲で且つ吸気弁が動作する範囲外を指向する複数の側方噴霧を生成する複数の側方噴霧用噴口と、を有し、
   前記インジェクタの前記複数の側方噴霧用噴口は、前記ピストンが特定位置に移動するタイミング時に、燃料の前記側方噴霧が前記ピストンの冠面外周部を狙う指向方向に形成されていることを特徴とするエンジン。
9. 前記ピストンの前記特定位置は、前記ピストンの吸気上死点後９０度前後であることを特徴とする請求項８に記載のエンジン。
10. 前記ピストンは、前記点火プラグの下方位置のピストン冠面に、吸気側が低く、排気側が高くなるような段差を形成していることを特徴とする請求項８に記載のエンジン。
11. 前記ピストンは、前記点火プラグの下方位置のピストン冠面に、凸形状部を形成していることを特徴とする請求項８に記載のエンジン。

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