JP3087309B2 - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射式内
燃機関に関し、特に、高出力時には予混合燃料を行ない
低出力時には層状燃料を行ないそれぞれの燃焼状態を機
関の運転状態によって切り換える内燃機関に用いて好適
の、４サイクルの筒内噴射式内燃機関に関する。

背景技術 従来より、ガソリンエンジン等の内燃機関では、燃料
噴射方式として、吸気ポート内に配置された燃料噴射弁
によりこの吸気ポート内に燃料を噴射するような吸気ポ
ート内燃噴射方式を採用したものがある。

この吸気ポート内燃料噴射方式では、吸気ポート内に
おいて吸気された空気と燃料とが混合されて燃焼室内に
案内され、燃焼室内で着火，燃焼することができるよう
になっている。

また、燃焼室内へ直接燃料を噴射するように燃料噴射
弁をそなえ、燃焼室内に直接燃料噴射を行なって、機関
の応答性を改善することができるようにした、直接噴射
方式を採用したものもある。

ところで、近年の内燃機関の開発分野においては、燃
焼室内に縦向きの吸気流、いわゆるタンブル流を作り出
すことにより、燃焼室における燃料の燃焼を効率的に行
なうことができるような、層状燃焼内燃機関の研究・開
発が進められている。

このような層状燃焼内燃機関では、燃料を直接燃焼室
に噴射する筒内噴射内燃機関が有利である。即ち、上述
の層状燃焼内燃機関を筒内噴射式内燃機関にて実現する
ことにより、機関の応答性を改善しながら、燃焼室にお
ける燃料の燃焼を効率的に行なうことができる。このた
め、筒内燃料噴射に関する研究についても精力的に行な
われている。

ところで、上述の層状燃焼内燃機関においては、機関
の出力要求が小さければ、理論空燃比よりも燃料の希薄
な空燃比状態とした運転（リーン燃焼運転）を行ない、
機関の出力要求が大きければ理論空燃比状態での運転
（スイトキオ燃焼運転）を行なうようにする技術が開発
されている。

ところが、例えば機関の負荷が高い場合のように機関
の出力が大きく要求されると、燃料噴射弁により吸気行
程で燃料を噴射して、タンブル流の崩壊後の乱れによっ
て、燃焼室と干渉することなく燃焼室内全域にわたり均
一的に混合を促進するようにするのが望ましい。

一方、機関の負荷が低い場合のように機関の出力要求
が小さければ、圧縮行程で燃料を噴射させ、タンブル流
を利用しながら、燃焼室頂部の点火プラグ近傍に部分的
に比較的リッチな可燃混合気を形成することにより、比
較的少量の燃料噴射で着火性及び安定燃焼性を十分に確
保しつつ燃費改善を行なうことが必要である。

ところで、燃焼を燃焼室内全域にわたって均一に拡散
させるようとする場合も、また、燃料を例えば点火プラ
グ近傍に集めようとする場合も、いずれも燃料噴射弁に
よる燃料の噴霧形状が強く影響する。

特開平１−273873号公報によれば、筒内火花点火機関
において、吸気スワールには依存せずに全運転領域につ
いて、単一の噴射弁により主噴孔からは燃料室内全域に
向かって自己拡散性の高い燃料噴射を、副噴孔からは点
火プラグに向かって貫徹力の大きな燃料噴射を行ない、
燃焼室への燃料の拡散性の向上と点火栓近傍への確実な
燃料供給に着火性の向上とを両立させた燃料噴射弁及び
燃料噴射弁装着筒内噴射火花点火機関が提案されてい
る。

しかしながら、上述の特開平１−273873号公報による
提案においては、機関の負荷の高低，即ち吸気行程の燃
料噴射時又は圧縮行程の燃料噴射時のいずれかにかかわ
らず、同一の態様で燃料噴射を行なっているので、主噴
口からの燃料噴射割合を多く設定した場合には、低負荷
時に副噴口からの燃料噴射による着火用の空燃比濃度を
得ることが難しく、つまり、低負荷時の燃料量の少量化
に限界があり、逆に、副噴射からの燃料噴射割合を多く
設定した場合には、燃料噴射量の多い高負荷時に点火プ
ラグ近傍の空燃比が過濃となってしまうという課題があ
る。

本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、燃料
噴射弁の燃料噴霧形状が、燃料噴射量や噴射タイミング
を変化することにより、機関の運転状態に適した燃料噴
霧を実現できるようにして、機関の性能を十分に引き出
すことができるようにした、筒内噴射式内燃機関を提供
することを目的とする。

発明の開示 上述の目的を達成するために、本発明の筒内噴射式内
燃機関は、シリンダ内に挿嵌された往復動ピストンの上
面とシリンダヘッドの下面との間に形成された燃焼室
と、該燃焼室内へ直接燃料を噴射する単一の燃料噴射弁
と、該燃焼室内へ臨んだ点火プラグとをそなえた４サイ
クルの筒内噴射式内燃機関において、該燃料噴射弁が、
噴口を有する噴射弁本体と、該噴射弁本体内に設けられ
該噴口を開閉しうる開閉手段と、該開閉手段に設けられ
該噴射弁本体内を流通する燃料に対してコーン型旋回流
を与え得る旋回流発生手段とを有するスワール型燃料噴
射弁として構成され、該燃料噴射弁から噴射される噴霧
の形状が、該燃料噴射弁の軸線の近傍に収束するような
噴霧角度からなる中心噴霧と、該中心噴霧の外周を取り
巻くように該中心噴霧よりも大きな噴霧角度で且つ該中
心噴霧から離隔した円錐状の周辺噴霧とから構成され、
さらに、該旋回流発生手段が、要求燃料量の少ない機関
運転状態のときには圧縮行程後半に該中心噴霧を主体と
した燃料噴霧を行なうと共に、該要求燃料量の多い機関
運転状態のときには吸気行程中に該周辺噴霧を主体とし
た燃料噴霧を行なうように設定されていることを特徴と
している。

かかる構成により、単一の燃料噴射弁により簡素な構
成としながらも、要求燃料量に応じて効率的に燃料供給
を行なうことができ、機関の出力向上と、安定したリー
ン燃焼運転による燃費改善とを同時に実現することがで
き、排気ガスの浄化の点でも有利になる。また、筒内圧
が高い状態での圧縮行程後半における燃料噴射は、噴霧
の集中化による燃料と空気との層状化が促進される利点
がある。

また、筒内圧力の高い条件下での噴霧の集中化と筒内
圧力の低い条件下での噴霧の分散化とが効果的に図ら
れ、燃料供給をより効率的に行なうことで、機関の出力
向上及び燃費改善を一層促進することができ、特に、高
出力時の予混合燃焼と低出力時の層状燃焼とを行なう機
関に適用することにより、効果が大きい。

さらに、中心噴霧と周辺噴霧とを適宜利用しながら、
燃料供給をより効率的に行なうことができ、機関の出力
向上を実現できる一方で、燃焼安定性を十分に確保しな
がらのリーン燃焼運転により、燃費改善を図ることがで
きる。

特に、中心噴霧と周辺噴霧とを適宜利用しながら、筒
内圧力の高い条件下での噴霧の集中化と筒内圧力の低い
条件下での噴霧の分散化とが効果的に図られ、燃料供給
をより効率的に行なうことで、機関の出力向上及び燃費
改善をより一層促進することができ、高出力時の予混合
燃焼と低出力時の層状燃焼とを行なう機関に適用するこ
とにより、効果が大きい。

したがって、内燃機関の負荷が低負荷である場合に、
圧縮行程後半に中心噴霧を主体とした燃料噴霧を行なう
ことにより、燃料噴射量を比較的少量に抑制しながら着
火性、即ち燃料安定性を十分に確保するとともに、超希
薄条件下において出力を落とすことなく燃焼を行なっ
て、燃費改善を図ることができる利点がある。また、内
燃機関の負荷が高負荷である場合には、吸気行程中に周
辺噴霧を主体とした燃料噴霧を行なうことにより、理論
空燃比に近い混合気を生成して高出力化することがで
き、燃費改善を図りながら所望のパワーを発生させるこ
とができる利点がある。

なお、該燃料噴射弁は、該要求燃料量が少ない場合に
は、該燃焼室内の雰囲気圧力が２気圧以上となる時に燃
料噴射を行なうように構成されていることが好ましい。

これにより、該燃料噴射弁からの燃料噴射先端の集中
化が確実に行なわれ燃料と空気との層状化がより一層促
進される効果がある。

また、該燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧形状
が、要求燃料量が多い場合には該噴霧先端に向かってあ
る所定の噴射角度をもった円錐状に拡径した形状とな
り、該要求燃料量が少ない場合には該噴霧先端に向かっ
て拡径角度が小さくなり次第に縮径する形状となること
が好ましい。

これにより、要求燃料量が多い場合には、燃焼室全体
への燃料の拡散が促進されて燃料の燃焼が効率よく行な
われて、大きな出力を得やすくなり、要求燃料量が少な
い場合には、燃料の拡散が抑制され燃焼室内に部分的に
燃料過濃な状態をつくり出すことができ、例えば点火プ
ラグの近傍のみを燃料可能な状態として着火性能を確保
しながら、燃焼室全体としては希薄な燃料濃度状態で、
消費燃料の少ない運転を実現することが可能になる。

さらに、該ピストン上面の一部に凹所が形成されて、
該凹所と対向する位置に点火プラグが設けられるととも
に、該要求燃料量が多い場合には該ピストン上面に到達
する該噴霧先端が該凹所よりも大きく拡がって該燃焼室
内で拡散し、該要求燃料量が少ない場合には該ピストン
上面に到達する該噴霧先端が該凹所内に収まるように縮
径しながら該凹所によって該点火プラグに向けて案内さ
れ該点火プラグの着火点近傍に偏在するように構成され
ていることが好ましい。

これにより、要求燃料量が多い場合には、燃焼室全体
への燃料の拡散が促進されて燃料の燃焼が効率よく行な
われて、大きな出力を得やすくなり、要求燃料量が少な
い場合には、燃料を燃焼室内の凹所内に部分的に供給し
てさらにこの凹所による案内で点火プラグの着火点近傍
のみに偏在するように集合するため、燃料の安定した着
火性能を確保しながら、燃焼室全体としては希薄な燃料
濃度状態で、消費燃料の少ない運転を実現することがで
きる。

また、該燃料噴射弁が、該噴射弁本体内に設けられ該
噴口を開閉しうるニードルバルブと、該噴口に形成され
たコーン型噴口内周面とを有し、さらに、該旋回流発生
手段が、該ニードルバルブに形成され該コーン型噴口内
周面に当接して密着しうるコーン型当接面と、該噴射弁
本体の内側の外周部に形成され燃料を案内する外周側導
入部と、該外周側導入部から該ニードルバルブ側へ向け
て燃料を案内し且つ燃料流に旋回成分を付与する旋回付
与流路とを有し、該旋回付与流路の単一の通路の断面積
である旋回溝通路面積をS1、該ニードルバルブの最大リ
フト時の該コーン型噴口内周面と該コーン型当接面との
間の最短部の開口面積である弁座部開口面積をS2、該噴
口の断面積である噴口部断面積をS3としたときに、 0.5≦S3/（S1×旋回付与流路の溝数）≦1.5 0.1≦S2/（S1×旋回付与流路の溝数）≦0.5 となるように、該旋回溝通路面積S1、該弁座部開口面積
S2、及び該噴口部断面積S3をそれぞれ設定してもよい。

さらには、該シリンダヘッド下面の該シリンダの軸心
線を含む基準面の一側に形成された吸気ポートと、該吸
気ポートの該燃焼室への開口を開閉するように該吸気ポ
ートに装備された吸気弁とをそなえ、該シリンダ下面に
おける該基準面の一側の該吸気ポート開口と対向する部
位に、該吸気ポートから該燃焼室内に進入した吸気の縦
渦流を促進するように該ピストン上面に対して窪んだ曲
面状凹所が形成され、該ピストン上面における該基準面
の他側に、該凹所から隆起するとともに該ピストンの上
死点において該シリンダヘッド下面に接近しうる隆起部
がその頂部を該基準面の近くに配置するように形成され
て、該シリンダヘッド下面における該シリンダ軸心線の
近傍に点火プラグが配設されるとともに、該燃料噴射弁
の噴口が該凹所へ向くように配設されていることが好ま
しい。

これにより、点火プラグでの良好な着火性が確保さ
れ、燃料の極めて希薄な混合気によるリーン燃焼運転を
安定して行ないやすくなり、燃費改善を一層促進するこ
とができる。

また、該開閉手段が、該噴口に形成されたコーン型噴
口内周面と、該コーン型噴口内周面に当接密着して該噴
口を開閉しうるコーン型当接面とを有し、該旋回流発生
手段が、該噴射弁本体内を流通する燃料を該コーン型噴
口内周面と該コーン型当接面との隙間、及び該噴口を通
過して該燃焼室内に噴射するように構成されてもよい。

さらに、水平流量分布計測で得られる該燃料噴射弁か
ら噴射される燃料の水平流量分布図心の角度が、40〜70
degの範囲内になるように、該コーン型噴口内周面と該
コーン型当接面との当接部分からの該噴口の先端までの
長さ（Ｌ）と該噴口の最小内径（Ｄ）との比率（L/D）
を１〜３の範囲内に設定することも好ましい。

また、該燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧形状
が、吸気行程前半において燃料噴射した場合には該噴霧
先端に向かって所定角度以上に拡径した形状となり、圧
縮行程後半において燃料噴射した場合には該噴霧先端に
向かって該所定角度未満に縮径した形状となるように設
定されるとともに、該ピストン上面の一部に凹所が形成
されて、該凹所の外縁が、吸気行程前半及び圧縮行程後
半のほぼ同一ピストン位置（例えば、ピストン上死点後
又は前60゜TDC）において、該燃料噴射弁の吸気行程前
半で該ピストン上面に到達する該噴霧先端の噴霧外径よ
りも小さく、該燃料噴射弁の圧縮行程後半で該ピストン
上面に到達する該噴霧先端の噴霧外径よりも大きく設定
されていることが好ましい。

これにより、燃料噴射弁の吸気行程前半のでの燃料噴
射では、燃料が該凹所だけでなく燃焼室全体に拡散する
ようになり、十分な量の燃料を空気と混合させながら燃
焼室全体に供給させることができる。このため、大きな
出力を効率よく得やすくなる。燃料噴射弁の圧縮行程後
半での燃料噴射では、燃料が凹所内に納まるため、凹所
内やこの上方空間で十分な燃料濃度とでき、燃料の安定
した着火性能を確保しながら、燃料室全体としては希薄
な燃料濃度状態で、消費燃料の少ない運転を実現するこ
とができる。このため、高出力時の予混合燃焼と低出力
時の層状燃焼とを行なう機関に適用することにより、効
果が大きい。

また、本発明の筒内噴射式内燃機関は、シリンダ内に
挿嵌された往復動ピストンの上面とシリンダヘッドの下
面との間に形成された燃焼室と、該燃焼室内へ直接燃料
を噴射する単一の燃料噴射弁と、該燃焼室内へ臨んだ点
火プラグとをそなえた４サイクルの筒内噴射式内燃機関
において、該燃料噴射弁が、噴口を頂点とし該燃料噴射
弁の軸線方向に向かって円錐形状に均一に拡がる噴霧で
該燃焼室内へ向けての燃料噴射を行なうとともに、要求
燃料量の多い機関運転状態のときには該機関の吸気行程
中に燃料噴射を行ない、該要求燃料量の少ない機関運転
状態のときには該吸気行程よりも筒内圧の高い該機関の
圧縮行程後半に燃料が供給されるよう燃料噴射を行なう
ように構成されるとともに、該燃料噴射弁が、噴口を有
する噴射弁本体と、該噴射弁本体内に設けられるととも
に、先端に該噴口を形成するコーン型噴口内周面と当接
し密着しうる当接面をを有し該当接面を通じて該噴口を
開閉しうる開閉手段と、該当接面の直上に設けられ該噴
射弁本体内を流通する燃料を該噴口へ向けて案内し燃料
流に旋回成分を与えて旋回流を発生させる旋回流発生手
段とをそなえた、スワール型燃料噴射弁であって、水平
流量分布計測で得られる該燃料噴射弁から噴射される燃
料の水平流量分布図心の角度が、40〜70degの範囲内に
なるように各設定を行なうことが好ましく、例えば該当
接部分から該噴口先端までの長さ（Ｌ）と該噴口の最小
内径（Ｄ）との比率（L/D）を１〜３の範囲内に設定す
るとともに、該旋回流の旋回径（Ds），該旋回流の旋回
流速（Vs），燃料の動粘度（ν）に基づいて式〔Re＝Ds
・Vs/（２・ν）〕で定義される該噴口における旋回レ
イノルズ数（Re）と、該燃料噴射弁の噴射圧（Ｐ）とか
ら得られて単位が〔1/MPa^0.5〕である値 を10000〜20000の範囲内に設定するように構成されてい
ることを特徴としている。

これにより、噴射弁の加工バラツキや噴口へのカーボ
ン付着を防止しながら、燃焼特性から得られる圧縮行程
噴射での最適な燃費率となる燃料噴霧角度を得ることが
できるようになる。

図面の簡単な説明 FIG.1は本発明の第１実施形態にかかる内燃機関用燃
料噴射弁を示す模式的な断面図である。

FIG.2（ａ）,FIG.2（ｂ）はいずれも本発明の第１実
施形態にかかる内燃機関用燃料噴射弁の開閉機関（開閉
手段）を示す図であって、FIG.2（ａ）は燃料噴射弁の
開閉機構を示す模式的な断面図、FIG.2（ｂ）はFIG.2
（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

FIG.3本発明の第１実施形態にかかる内燃機関用燃料
噴射弁によるコーン型旋回流の生成態様を説明するため
の模式的な図である。

FIG.4は本発明の第１実施形態にかかる内燃機関用燃
料噴射弁の燃料滞留部の構成を示す模式的な断面図であ
る。

FIG.5は本発明の第１実施形態にかかる内燃機関用燃
料噴射弁による燃料噴霧形状を説明するための模式的な
側面図である。

FIG.6は本発明の第１実施形態にかかる内燃機関用燃
料噴射弁による燃料噴霧形状を説明するための図であ
り、FIG.5における燃料噴霧の横断面図である。

FIG.7（ａ）,FIG.7（ｂ）はいずれも本発明の第１実
施形態にかかる内燃機関用燃料噴射弁による燃料噴射動
作を説明するための燃料噴射弁要部の模式的な断面図で
あって、FIG.7（ａ）は噴射開始直後の状態、FIG.7
（ｂ）は噴射中期の通常状態をそれぞれ示す。

FIG.8（ａ）,FIG.8（ｂ）はいずれも本発明の第１実
施形態にかかる内燃機関用燃料噴射弁による燃料噴射動
作を説明するための燃料噴射分布図であって、FIG.8
（ａ）は噴射中期の通常状態を示し、FIG.8（ｂ）は噴
射開始直後及び噴射終了直前の状態を示す。

FIG.9は本発明の第１実施形態にかかる内燃機関用燃
料噴射弁の燃料分布測定方法を説明するための模式的な
斜視図である。

FIG.10は本発明の第１実施形態にかかる内燃機関用燃
料噴射弁による燃料噴射動作を説明するための燃料噴射
分布図である。

FIG.11（ａ）,FIG.11（ｂ）はいずれも本発明の第１
実施形態にかかる筒内噴射式内燃機関を示すとともにそ
の内燃機関用燃料噴射弁による圧縮行程燃料噴射を説明
するための燃焼室の模式的な側面視図であって、FIG.11
（ａ）は燃料噴射時の燃料の状態を示し、FIG.11（ｂ）
は燃料噴射後の燃料の状態を示す。

FIG.12は本発明の第１実施形態にかかる内燃機関用燃
料噴射弁の作用及び効果を説明するためのグラフであ
る。

FIG.13は本発明の第１実施形態にかかる内燃機関用燃
料噴射弁の作用及び効果を説明するためのグラフであ
る。

FIG.14（ａ）,FIG.14（ｂ）はいずれも本発明の第２
実施形態にかかる内燃機関用燃料噴射弁の吸気行程にお
ける燃料噴射状態を示す図であり、FIG.14（ａ）はその
模式的な側面図、FIG.14（ｂ）はその噴霧の横断面図
〔FIG.14（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図〕である。

FIG.15（ａ）,FIG.15（ｂ）はいずれも本発明の第２
実施形態にかかる内燃機関用燃料噴射弁の圧縮行程にお
ける燃料噴霧状態を示す図であり、FIG.15（ａ）はその
模式的な側面図、FIG.15（ｂ）はその噴霧の横断面図
〔FIG.15（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図〕である。

FIG.16は本発明の第２実施形態にかかる筒内噴射式内
燃機関の吸気行程における燃料噴射状態を示す模式的な
断面図である。

FIG.17は本発明の第２実施形態にかかる筒内噴射式内
燃機関の吸気行程燃料噴射による燃料噴射分布を示す図
である。

FIG.18は本発明の第２実施形態にかかる筒内噴射式内
燃機関の圧縮行程における燃料噴射の状態を示す模式的
な断面図である。

FIG.19は本発明の第２実施形態にかかる筒内噴射式内
燃機関の圧縮行程燃料噴射による燃料噴射分布を示す図
である。

FIG.20は本発明の第２実施形態にかかる筒内噴射式内
燃機関による燃料噴霧特性を示すグラフである。

FIG.21は本発明の第1,2実施形態にかかる変形例の内
燃機関用燃料噴射弁を示す模式的な側面図である。

FIG.22は本発明にかかる内燃機関用燃料噴射弁の噴口
の設定について説明するための図であって、燃料噴射弁
による燃料の水平流量分布を示す図である。

FIG.23は本発明にかかる内燃機関用燃料噴射弁の噴口
の設定について説明するための図であって、燃料噴射弁
による燃料の水平流量分布図心と噴射角度（噴霧角度）
との相関を説明する図である。

FIG.24は本発明にかかる内燃機関用燃料噴射弁の噴口
の設定について説明するための図であって、燃料の噴霧
の特性（水平流量分布図心）に対する燃費特性を示す図
である。

FIG.25（ａ）,FIG.25（ｂ）はいずれも本発明にかか
る内燃機関用燃料噴射弁の噴口の設定について説明する
ための図であって、FIG.2（ａ）,FIG.2（ｂ）と対応
し、FIG.25（ａ）は噴口近傍の模式的な縦断面図、FIG.
25（ｂ）は噴口近傍の模式的な横断面図である。

FIG.26は本発明にかかる内燃機関用燃料噴射弁の噴口
の設定について説明するための図であって、旋回レイノ
ルズ数に対する噴霧のバラツキを示す図である。

FIG.27は本発明にかかる内燃機関用燃料噴射弁の噴口
の設定について説明するための図であって、噴口長と噴
口径との比（L/D）に対する噴霧のバラツキを示す図で
ある。

FIG.28は本発明にかかる内燃機関用燃料噴射弁の噴口
の設定について説明するための図であって、噴口内部を
透視させて旋回流を模式的に示す斜視図である。

FIG.29は本発明にかかる内燃機関用燃料噴射弁の噴口
の設定について説明するための図であって、旋回レイノ
ルズ数に対する噴口のL/D毎の水平流量分布図心の特性
を示す図である。

FIG.30は本発明にかかる内燃機関用燃料噴射弁の噴口
の設定について説明するための図であって、旋回レイノ
ルズ数（Re）と燃圧（Ｐ）とに基づく値 に対する噴口のL/D毎の水平流量分布図心の特性を示す
図である。

FIG.31は本発明にかかる内燃機関用燃料噴射弁の噴口
の設定について説明するための図であって、噴口要部を
拡大して示す縦断面図である。

発明を実施するための最良の形態 以下、図面により、本発明の実施の形態について説明
する。

（ａ）第１実施形態の説明 FIG.1〜FIG.13は本発明の第１実施形態としての自然
給気による４サイクル筒内噴射式内燃機関及びその燃料
噴射弁を示すものであり、これらの図に基づいて第１実
施形態を説明する。

本実施形態にかかる燃料噴射弁30は、例えば車両用の
筒内噴射式内燃機関等の内燃機関に設置するためのもの
であり、FIG.1に示すように、電磁コイル1,リターンス
プリング2,ニードルバルブ3,開閉機構（開閉手段）4,フ
ィルタ5,燃料通過経路6,噴口7,燃料噴射弁本体８から構
成される。

ここで、フィルタ５は図示しない燃料タンク（燃料供
給源）からの燃料について不純物等を除去して透過する
ものであり、透過した燃料は燃料通過経路６に流入され
るようになっている。

また、電磁コイル１は、燃料噴射制御部としての図示
しないECU等から電気信号を入力されると、リターンス
プリング２を収縮するように作用するものであり、リタ
ーンスプリング２はニードルバルブ３に接続されてい
る。これにより、リターンスプリング２の伸縮方向にニ
ードルバルブ３が上下するようになっている。

なお、燃料噴射制御部としてのECUは、高負荷時のよ
うに機関の要求燃料量の多い運転状態のときには、電磁
コイル１に対して機関の吸気行程において開弁させるた
めの電気信号を出力し、低負荷時のように機関の要求燃
料量の少ない運転状態のときには、電磁コイル１に対し
て機関の圧縮行程において開弁させるための電気信号を
出力するようになっている。

特に、燃料噴射制御部としてのECUの記憶装置（ROM）
内には、圧縮行程に開弁期間を設定する上で、閉弁時期
が圧縮行程後半となるようにすべく、運転状態に対応し
た閉弁時期データが記憶されている。そして、ECUは、
要求燃料に応じたパルス巾データと上述した閉弁時期デ
ータとに基づいて基本開閉時期を算出して、電磁コイル
１を作動させる。なお、圧縮行程噴射時の噴射終了時期
を圧縮行程後半に設定する上で、ECUは、閉弁時期デー
タの代わりに少なくとも負荷に応じた開弁時期データを
記憶するようにしてもよい。

即ち、電磁コイル１に電気信号が入力されると、この
電磁コイル１の作用によりリターンスプリング２が収縮
されてニードルバルブ３を引き上げ：ニードルバルブ３
の当接部15がストッパ部材16に当接することで最大リフ
ト量が規定される一方、電磁コイル１への電気信号が切
れると、リターンスプリング２はもとの形状に戻り、ニ
ードルバルブ３の位置についてももとに戻るようになっ
ている。

また、開閉機構４は、上述のニードルバルブ３が上下
することによって噴口７を開閉できるようになっている
が、詳細にはFIG.2（ａ）,FIG.2（ｂ）,FIG.3,FIG.4に
示すような構成を有している。

ここで、このFIG.2（ａ）において、符号９は噴口７
を開閉しうる開閉部（開閉手段）であり、この開閉部９
は、噴口７を形成するコーン型噴口内周面7aと、ニード
ルバルブ３とをそなえている。

ここで、ニードルバルブ３の噴口７側の先端部におい
ては、コーン型噴口内周面7aに対して例えば線接触によ
り当接し密着しうるコーン型当接面3aを有している。

これにより、燃料噴射弁30を長期間使用することで、
コーン型当接面3aの磨耗が進んだ場合においても、コー
ン型当接面3aの位置が移動するだけであるので、燃料通
過経路６と図示しない燃焼室との間の気密性を確保する
ことができ、噴口７からの燃料漏れを防止することがで
きる。

また、FIG.2（ａ）,FIG.2（ｂ）において、10は燃料
案内流路であり、この燃料案内流路10は、燃料通過経路
６からの燃料について、噴口７の上流側において噴口７
よりも外周側から噴口７側へ向けて燃料を案内しつつ燃
料流に旋回成分を加える旋回流発生手段であり、外周側
導入部10a及び旋回付与用流路10bをそなえている。

ここで、外周側導入部10aは、燃料通過経路６からの
燃料を、噴口７から外周側に離隔した箇所に導くもので
あり、旋回付与用流路10bは、外周側導入部10aから噴口
７近傍のニードルバルブ３の先端部外周へ向かう接線方
向に形成され噴口７へ向かう燃料流に旋回成分を加えう
るものである。

従って、噴射弁本体８内を通過する燃料に対して、燃
料案内流路10にて旋回成分が加えられると、開閉部９を
介して噴射される燃料には、例えばFIG.3に示すコーン
型旋回流Ｂが与えられるようになっている。即ち、上述
の燃料案内流路10により、開閉部９に設けられ噴射弁本
体８内を通過する燃料に対してコーン型旋回流（周辺噴
射）Ｂを与えうる旋回流発生手段が構成される。

換言すれば、燃料通過経路６又は燃料案内流路10に内
在する燃料には、開閉部９が閉じている間は一定の圧力
が加えられているが、開閉手段９が開放された場合に
は、加えられていた圧力から開放される。これにより、
旋回付与用流路10bでは、コーン型旋回流Ｂの燃料流が
発生して図示しない燃焼室へ噴射されるようになってい
る。

ところで、即ち、上述の旋回流付与流路10bで旋回流
の付与された燃料流においては、噴射弁内の噴射圧が旋
回流として変換されるために、噴霧の円錐周面における
放射方向への初速は小さく、一方、周囲の空気は、この
噴霧された燃料の運動を妨げるため、結果的に、噴霧が
周囲空気に旋回流を生成せしめるように作用するが、、
噴霧自身の運動は噴射弁から離れた位置になるほど減衰
して、噴霧は失速する傾向にある。

このように、周辺噴霧（周辺噴射）による噴霧燃料の
運動は、筒内圧の影響を受けやすく、筒内圧が低い時に
は、円錐周面放射方向への十分な貫徹力が維持され、シ
リンダ内での燃料の分散化が促進されるが、筒内圧が高
い時には、周囲の空気密度が上昇して噴霧運動を妨げよ
うとする力が増大して、結果的に噴霧された燃料の円錐
円周方向の運動が噴射弁から離れた位置になるほど減衰
し、噴霧の広がりは小さくなって、噴射中心軸線方向へ
集まり易くなる。

このことは、吸気行程噴射によれば筒内燃料の均質化
に寄与し、圧縮行程噴射によれば燃料と空気との層状化
に寄与しうることを意味する。

さらに、FIG.4において、デッドボリューム（燃料滞
留部）11は、噴口７の近傍に形成されて噴口７の閉鎖時
に燃料の滞留しうるものであり、このデッドボリューム
11は、噴口７におけるコーン型噴口内周面7aとコーン型
当接面3aとの当接部分よりも上流側部分に形成されてい
る。

ここで、デッドボリューム11に滞留されている燃料に
ついても、ニードルバルブ３がリフトされた際に、上述
の燃料案内流路10からの燃料の圧力により後押しされ
て、例えば中心噴霧Ｃとして図示しない燃焼室へ噴射さ
れるようになっている。

これにより、燃料案内流路10に内在する燃料及びデッ
ドボリューム11に滞留されている燃料が噴射される際の
噴霧形状は、例えば模式的にFIG.5（噴射方向に対して
平行な断面方向）又はFIG.6（噴射方向に対して垂直な
断面方向）に示すような形状を有することができる。

即ち、このFIG.5又はFIG.6に示すように、燃料案内流
路10に内在する燃料が噴射される際には、コーン型旋回
流Ｂにより燃料粒径の小さい周辺噴霧Ｂ′が形成され、
デッドボリューム11に滞留されている燃料が噴射される
際には、噴射角度Ｄが狭角で周辺噴霧よりも燃料粒径の
大きい中心噴霧Ｃが形成されるのである。

ところで、デッドボリューム11で生成される中心噴霧
は旋回流をもたず、噴射圧は鉛直方向への速度成分とし
て変換されるため、筒内圧が高いときでも、中心噴霧は
噴射中心軸線方向への十分な指向性をもち、結果的に速
度成分を失い、浮遊している周辺噴霧を周囲の空気とと
もに噴射中心軸線の近傍に引き込むような流れが生成さ
れる。したがって、中心噴霧は、圧縮行程時の層状化の
促進に寄与することになる。

また、上述のFIG.5,FIG.6に示す燃料噴霧形状は、ニ
ードルバルブ３の開作動に伴って、FIG.7（ａ）,FIG.7
（ｂ）に示すように変化するようになっている。

まず、初期状態として電磁コイル１の電気信号が入力
されない状態においては、リターンスプリング２は電磁
コイル１からの作用は受けないために伸縮しない。この
ため、ニードルバルブ３の位置も当接された位置から変
化しないため、燃料案内流路10からの燃料あるいはデッ
ドボリューム11に滞留されている燃料は噴射されない。

また、電磁コイル１に電気信号が入力されると、リタ
ーンスプリング２は電磁コイル１の作用を受けて伸縮を
開始し、ニードルバルブ３は次第にリフトして、ニード
ルバルブ３と噴口７との当接部分が次第に開放されるよ
うになっている。

このようなニードルバルブ３の開動初期においては、
燃料案内流路10がFIG.7（ａ）のB1に示す噴霧形状（周
辺噴霧）で少量噴射され、デッドボリューム11に滞留さ
れている燃料は、FIG.7（ａ）のC1に示すような噴霧形
状（中心噴霧）で中実に噴射される。これにより、中心
噴霧C1を主体とした燃料噴霧形状を形成することができ
る。

即ち、噴射される燃料の全体的な割合としては、中心
噴霧C1の量が周辺噴霧B1の量よりも多く、噴口７の下部
においては、例えばFIG.8（ｂ）に示すように、外側よ
りも中心周辺に多く燃料が検出されるようになってい
る。なお、この場合における中心とは噴口７の直下の位
置であり、外側とは、中心から遠隔した位置をいう。

続いて、リターンスプリング２が、電磁コイル１の作
用を受けて大きく収縮しながら、ニードルバルブ３の位
置が大きくリフトされ、ニードルバルブ３と噴口７との
当接部分も大きく開放されるようになっている。

この場合においては、燃料案内流路10からの燃料も、
FIG.7（ｂ）のB2のように噴霧形状で大量に噴射され
る。また、デッドボリューム11に滞留されている燃料は
ニードルバルブ３のリフト量に応じて徐々に少なくなる
ので、噴射量も少なくなり、その噴霧形状はFIG.7
（ｂ）のC2のようなものとなる。これにより、周辺噴霧
B2を主体とした燃料噴霧形状を形成することができる。

即ち、周辺噴霧B2の量が中心噴霧C2の量よりも多く、
噴口７の下部においては、例えばFIG.8（ａ）に示すよ
うに、中心周辺よりも外側に多く燃料が検出されるよう
になっている。

その後、電磁コイル１に供給されている電気信号が切
れると、この電磁コイル１の作用がなくなりリターンス
プリング２がもとの形状に戻り、ニードルバルブ３の位
置ももとに戻るようになっている。

なお、燃料噴射弁の開放から閉塞までの全期間におけ
るトータル噴射量は周辺噴霧が中心噴霧よりも多い。

ところで、燃料案内流路10に内在する燃料及びデッド
ボリューム11に滞留されている燃料が噴射される際の、
噴口７下部の燃料量分布は、例えば、FIG.9に示すよう
な11リング法による噴霧の水平流量分布測定システムに
より測定することができる。

ここで、12は水平流量分布計測用多点採取容器（リン
グ補集治具）であり、この水平流量分布計測用多点採取
容器12は容器隔壁高さ25mmでありそれぞれ径の異なる環
状の採取容器12Aを11個の同心円状に設けられた構成に
なっており、噴射弁先端から容器上面までの距離（ここ
では50mm）を余弦として定義される角度に対応して噴射
パルス幅1msecで周期的に複数回（例えば1000回）噴射
された噴霧を、各採取容器12Aにおいて採取し、各採取
容器12Aの燃料量を平均した結果を水平流量分布とする
ものである。

なお、この測定モデルで使用される燃料（試験油）
は、比重等がガソリンによく似ており、低沸点成分の少
ない（即ち、揮発性の低い）擬似燃料である。この擬似
燃料の燃料特性は、JIS規定の試験方向によると、15/4
℃における比重が0.77、20℃における粘度（cst）が1.1
7〜1.23、分留性状〔50％留出温度（℃）〕が165、分留
性状〔終点（℃）〕が196である。

例えば、このFIG.9に示す測定モデルを用いて、上述
のFIG.7（ｂ）に示すような周辺噴霧について測定され
た水平流量分布の測定結果としては、FIG.10に示すよう
な噴射角度Ｘに対する燃料量の割合Ｙとして得ることが
できる。なお、このFIG.10において、噴射角度が狭角の
領域Ｐは中心噴霧C2による燃料量とすることができる一
方、噴射角度が広角の領域Ｑは周辺噴霧B2による燃料量
とすることができる。

ところで、上述の本実施形態にかかる燃料噴射弁30
を、車両における過給装置を用いない自然給気による４
サイクル筒内噴射式内燃機関に適用する際には、例えば
FIG.11（ａ）又はFIG.11（ｂ）に示すような位置に配置
することができる。

このFIG.11（ａ）,FIG.11（ｂ）において、20はシリ
ンダ、21は燃焼室、22はピストン、23は吸気ポート、24
は吸気弁、25は点火プラグ、26は排気弁、27はシリンダ
ヘッドである。

また、吸気ポート23は、シリンダヘッド27下面のシリ
ンダ20の軸心線28を含む基準面の一側に形成され、吸気
弁24は、吸気ポート23の燃焼室21への開口を開閉するよ
うに吸気ポートに装備されている。

さらに、ピストン22の上面には、シリンダ20上面にお
ける基準面（シリンダ軸心線28を含む仮想平面）の一側
の吸気ポート23の開口と対向する部位に、吸気ポート23
から燃焼室21内に進入した吸気の縦渦流（タンブル流）
Ｆを促進するようにシリンダ20上面に対して窪んだ曲面
状凹所22Aが形成され、シリンダ20上面における基準面
の他側に、凹所22Aからなだらかに隆起するとともにピ
ストン22の上死点においてシリンダヘッド下面に接近し
うる隆起部22Bがその頂部を基準面の近くに配置するよ
うに形成されている。なお、隆起部22Bは、凹所22Aから
直線的に隆起するなど、FIG.11（ａ）,FIG.11（ｂ）に
示すようになだらかに隆起するものには限定されない。

また、シリンダヘッド27下面におけるシリンダ軸心線
28の近傍に点火プラグ25が配設されるとともに、燃料噴
射弁30は、ピストン22が上死点位置に近い所要範囲にあ
るときに、その噴口７が凹所22Aへ向くように配設され
ている。さらに、燃料噴射弁30は、筒内噴射という条件
下なので、通常の吸気ポート噴射に比べて大幅に高い圧
力（例えば50気圧）で燃料噴射を行なえるようになって
いる。

さらに、上述の燃料噴射弁30が配置された内燃機関に
おいては、図示しないECU等による制御に基づき、内燃
機関の負荷の高低に応じて燃料噴射弁の噴射タイミング
を可変させるとともに、ニードルバルブ３のリフト時間
を調整して、燃料噴射量を制御するようになっている。

即ち、車両の安定走行時等、内燃機関の負荷が低い場
合は、筒内圧の高い（２気圧以上）圧縮行程時において
ニードルバルブ３のリフト時間を短くして燃焼室内に燃
料が供給されるように燃料噴射弁を制御することによ
り、FIG.7（ａ）に示すような、中心噴霧C1を主体とし
た燃料噴射を行なうようになっている。

この場合においては、燃料噴射弁30からの中心噴霧C1
を主体として噴霧された燃料が、ピストン22の凹所22A
内面で反射した後、点火プラグ25に向かうようにして、
点火プラグ25の近傍を部分的に燃料リッチとして、全体
としてはリーンな空燃比としながら着火性，燃焼安定性
を確保しつつ、燃費の節約を実現できるようになってい
る（圧縮行程噴射モード）。

また、車両の急加速時等、高出力が要求される場合は
内燃機関の負荷が高くなるので、吸気ポート23から吸気
流が燃焼室21内に案内される吸気行程（吸気行程では、
筒内圧が大気圧又はそれ以下である）において、リフト
時間を長くしながら燃料噴射するように制御することに
より、FIG.7（ｂ）に示すように、周辺噴霧B2を主体と
した形状の燃料噴霧を行ない、燃焼室全体に燃料を均一
に混合させて、ストイキオ運転又はリッチ運転により、
十分な出力が得られるようになっている（吸気行程噴射
モード）。

本発明の第１実施形態としての燃料噴射弁は、上述の
ように構成されているので、上述の燃料噴射弁30を、車
両における筒内噴射式内燃機関に適用する際には、図示
しないECU等による制御に基づき、内燃機関の負荷の高
低に応じて燃料噴射弁の噴射タイミングを可変させると
ともに、ニードルバルブ３のリフト時間を可変させてい
る。

即ち、車両の安定走行時等、内燃機関の負荷が低い場
合は、圧縮行程時においてニードルバルブ３のリフト時
間を短くして燃料噴射するように制御することにより、
中心噴霧C1〔FIG.7（ａ）又はFIG.7（ｃ）参照〕により
噴射される燃料量を多くするとともに、一回のニードル
バルブ３のリフト毎の燃料噴射量を比較的少量に抑制し
ながら着火性を十分に確保している（圧縮行程燃料噴射
モード）。

換言すれば、FIG.11（ａ）に示すように、吸気ポート
23から吸気流が燃焼室21内に案内される吸気行程におい
ては燃料を噴射せずに、ピストン22が矢印で示されるよ
うに上昇し燃焼室21内の吸気流を圧縮する圧縮行程にお
いて、中心噴霧C1を主体とした燃料噴射を行なうことに
より、中心噴霧C1は燃焼室21内においてピストン22の凹
所22A内面において反射し、反射後は点火プラグ25に向
かう。

特に、圧縮行程の後期に燃料を噴射すれば、ピストン
22上面の凹所22Aも適当に上昇していて、この凹所22A内
面で反射した燃料を点火プラグ25に向かわせることが容
易になる。

この際、周辺噴霧B1は、筒内圧が高いので、この筒内
圧の影響により中心噴霧に向かって収束するように進路
が屈曲し噴霧先端の噴霧角度が狭くなる（即ち、ピスト
ン上面に到達する燃料噴霧の先端の外径が小さくなる）
特性が得られる。このため、周辺噴霧B1も中心噴霧C1に
収束しながら、ピストン22の凹所22Aの内面で反射した
後に点火プラグ25へ向かうようになる。即ち、圧縮行程
においては周辺噴霧B1も点火プラグ25へ収束させること
ができる。

これにより、FIG.11（ｂ）に示すように、点火プラグ
25近傍において比較的リッチな可燃混合気が形成され、
圧縮行程の後の燃料行程においては、点火プラグ25の点
火により、超希薄層状燃焼を行なうことができる。

FIG.12は、噴霧形状による機関の最高出力とリーン限
界空燃比を示すが、略円錐面状の中空噴霧（図中では、
中空と略す）と、この中空噴霧と中心噴霧とを合わせた
２段噴霧（図中では、２段と略す）と、やや円錐状に中
実状態で拡散する中実噴霧（図中では、中実と略す）と
の３種の噴霧形状に関しての特性を示している。

図示するように、機関の最高出力に関しては、D3で示
す「中空」が最も大きく、次にD2で示す「２段」が高い
が、これらに比べてD1で示す「中実」は小さい。また、
リーン限界空燃比は、逆に、E1で示す「中実」及びE2で
示す「２段」が高いが、これらに比べてE3で示す「中
空」は小さい。

このため、内燃機関の負荷が低い場合には、前述〔FI
G.7（ａ）参照〕のように中心噴霧C1が主体となった燃
料の２段噴霧を筒内圧の高い圧縮行程時に行なうこと
で、リーン限界空燃比は、FIG.12中にE1又はE2で示すよ
うに高くでき、リーン限界空燃比を増大させることがで
きて、燃料噴射量を比較的少量に抑制することができる
のである。

さらに、上述の圧縮行程燃料噴射モードの場合に、燃
料噴射量を一定とすると、FIG.13に示すように、他の燃
料噴霧形状（G1参照）の場合に比して、空燃比にかかわ
らず燃料変動率F1を安定化させることができるほか、他
の燃料噴霧形状（G2参照）の場合に比して、空燃比がリ
ッチからリーンとなっても、図示平均有効圧F2を維持す
ることができるので、超希薄条件下において出力を落と
すことなく燃焼を行なうことができるので、燃料噴射量
を比較的少量に抑制することができる。即ち、圧縮行程
において燃料噴射を行なう場合に、超希薄条件下におい
ても燃焼安定性と燃費改善とを両立させることができる
のである。

また、車両の急加速時等、高出力が要求される場合は
内燃機関の負荷が高くなるので、吸気ポート23から吸気
流が燃焼室21内に案内される吸気行程において、リフト
時間を長くしながら燃料噴射するように制御（吸気行程
燃料噴射モード）することにより、周辺噴霧B2〔FIG.7
（ｂ）参照〕により噴射される燃料を多くして、燃焼室
21と干渉することなく広い空間へ噴霧を分散させること
により均一混合を促進して高出力化することができる。

即ち、吸気行程において、周辺噴霧B2を主体とした形
状の燃料噴霧を行なうことにより、吸気行程の後の圧縮
行程においては、燃焼室21内の吸気流と噴霧とが混合さ
れることにより、燃焼室21内全体にわたって、理論空燃
比に近い混合気を生成して、その後の燃焼行程において
燃焼させることにより、高出力化することができるので
ある。

FIG.12を参照して説明すれば、内燃機関の負荷が高い
場合は、FIG.12の点D2,D3に示すように、前述のFIG.7
（ｂ）に示すような２段噴霧やこの２段噴霧から中心噴
霧を除いた中空噴霧による燃料噴射を行なえば、十分な
機関出力が得られることがわかる。

このように、本発明の第１実施形態にかかる燃料噴射
弁によれば、車両における筒内噴射式内燃機関に適用し
た場合、内燃機関の負荷が低負荷である場合に、圧縮行
程燃料噴射モードにより中心噴霧を主体とした燃料噴射
を行なうことにより、燃料噴射量を比較的少量に抑制し
ながら着火性、即ち燃焼安定性を十分に確保するととも
に、超希薄条件下において出力を落とすことなく燃焼を
行なって、燃費改善を図ることができる利点がある。

また、内燃機関の負荷が高負荷である場合には、吸気
行程燃料噴射モードにより周辺噴霧を主体とした燃料噴
射を行なうことにより、理論空燃比に近い混合気を生成
して高出力化することができ、燃費改善を図りながら所
望のパワーを発生させることができる利点がある。

なお、上述の本実施形態において、燃料噴射弁30をFI
G.11（ａ）,FIG.11（ｂ）に示すような筒内噴射式内燃
機関に搭載した場合、特に、燃料噴射弁30が、内燃機関
の負荷が低負荷である場合には、筒内圧が吸気行程（筒
内圧：大気圧以下）に比べて明らかに高い条件下（筒内
圧が２気圧以上、好ましくは５気圧程度）、即ち、圧縮
行程（特に、その後半）において燃料噴射を行ない、内
燃機関の負荷が高負荷である場合には、吸気行程（特
に、その前半）で燃料噴射を行なうように構成すること
が好ましく、この場合においても、上述の本実施形態と
同様の利点が得られることはいうまでもない。

また、上述の本実施形態においては、内燃機関の負荷
の高低に応じて燃料噴射態様が異なっているが、本発明
によれば、燃料噴射弁が中心噴霧と周辺噴霧の２つの形
状を有しているので、圧縮行程において燃料噴射を行な
った場合には、少なくとも燃焼安定性を十分に確保する
とともに、燃費改善を図ることができる利点がある。

さらに、本実施形態のような単一の噴射弁を用いてそ
の噴射タイミングを切り換える筒内噴射式内燃機関は、
圧縮行程時に燃料を噴射し、特に、燃料噴射終了時期を
圧縮行程の後半に設定することで、筒内圧により中心噴
霧に関係なく、周辺噴霧先端の噴霧角を狭くし（即ち、
ピストン上面に到達する噴霧の先端の外径が小さくなる
ようにし）、ピストンの凹所に向かわせることができ、
超希薄層状燃焼の実現が可能となり、燃焼安定と燃費改
善の効果を得ることができる。また、吸気行程時の噴射
では、周辺噴霧先端の噴霧角が特に変化せず燃焼室内に
拡散させることができ、理論空燃比に近い均一な混合気
を生成して高出力化することができるものである。

即ち、ある設定された筒内噴射式内燃機関において
は、コーン型の噴射を行なう単一の噴射弁を設け、その
噴射時期を圧縮行程と吸気行程とで切り換えるだけで層
状燃焼と予混合燃焼の夫々に適した噴霧角の設定が可能
となるため、各運転状態の要求に対応し得るコストメリ
ットの高いシステムが提供される。この特徴について
は、中心噴霧が特に存在しない場合にも成立するもので
ある。

（ｂ）第２実施形態の説明 FIG.14〜FIG.20は本発明の第２実施形態としての第１
実施形態と同様の筒内噴射式内燃機関及びその内燃機関
用燃料噴射弁を示す模式断面図であり、これらの図に基
づいて第２実施形態を説明する。

本実施形態にかかる筒内噴射式内燃機関は、前述の第
１実施形態にて示したFIG.11（ａ）,FIG.11（ｂ）にお
けるものに比して、燃料噴射弁による燃料噴霧形状が異
なり、その他の構成や作用については基本的に同様であ
り、説明は省略する。

つまり、FIG.14（ａ）,FIG.14（ｂ）に示すように、
この燃料噴射弁30は、中心噴霧Ｃがほとんど又は全くな
く、ほぼ円錐形状の周辺噴霧Ｂ′のみで燃料噴射を行な
うようになっている。このような周辺噴霧Ｂ′のみの噴
霧状態を中空噴霧又はホロコーン噴霧BBとも称すること
にするが、例えばFIG.1に示すような構造の燃料噴射弁3
0において、デッドボリューム11を極力縮小することに
より、僅かに中心噴霧Ｃが残るものの、スワール流を形
成させながら、ほぼ中空噴霧（ホロコーン噴霧）BBを形
成することが可能となる。

ところで、このような中空噴霧BBをFIG.16に示すよう
に吸気行程において行なうと、この時の燃料の噴射雰囲
気圧は大気圧以下になり、FIG.14（ａ）,FIG.14（ｂ）
に示すように、広がりのあるホロコーン噴霧が形成され
る。

つまり、燃料噴射弁30から高圧噴射によって燃料が噴
射されるが、この燃料流は、FIG.14（ａ）,FIG.14
（ｂ）に示すように、旋回流速度成分R1及び速度ベクト
ルＶで示すように円錐面に沿って拡散する方向へ向かう
速度成分を有する。これらの速度成分R1及びＶは、回転
方向の成分Ｖθと遠心方向に向かう成分VRと噴射中心軸
線Ｍに沿った方向に向かう成分Vtとに分けて考えること
ができるが、大気圧以下の雰囲気下では、各速度成分Ｖ
θ,VR,Vtはいずれも大きく、燃料がコーン状に拡散して
いくことがわかる。

そして、このときの噴射される燃料量分布は、FIG.17
に示すように、噴射中心軸線近傍では極めて少なく、噴
射中心軸線から離隔した部分で多くの燃料量状態とな
る。このように、燃料がほぼ円錐形状の中空噴霧（即
ち、広がりのあるホロコーン噴霧）BBで噴射されると、
ホロコーン状の主噴霧の外側及び内側で燃料粒が空気に
接触して燃料粒の微粒化が促進され、これに伴って噴射
燃料の貫徹力が抑制される。特に、コーン状噴霧BBの外
側では周囲の空気と巻込みR2が生じて、燃料粒の微粒化
の促進や貫徹力の抑制が一層強化されるようになる。

一方、FIG.18に示すように、中空噴霧を圧縮行程の特
に圧縮行程後期に行なうと、この時の燃料の噴射雰囲気
圧は、例えば0.2〜1.0MPaと非常に高圧になり、FIG.15
（ａ）,FIG.15（ｂ）に示すように、広がりの小さいコ
ンパクト噴霧BB′が形成される。

このように高圧下でコンパクト噴霧BB′が形成される
のは、噴霧燃料の貫徹力が、燃料の噴射雰囲気圧によっ
て大きく異なるためと考えられる。

つまり、燃料噴射弁30から高圧噴射によって燃料が噴
射されると、この燃料流は、FIG.15（ａ）,FIG.15
（ｂ）に示すように、大気圧下の場合と同様に、燃料流
の速度成分R1′及びＶ′は、回転方向の成分Ｖθ′と遠
心方向に向かう成分VR′と噴射中心軸線に沿った方向に
向かう成分Vt′とに分けて考えることができるが、大気
圧以下の雰囲気下では、各速度成分Ｖθ′,VR′,Vt′は
大気圧下の場合に比べて小さく、このような燃料速度の
大幅な低下が、広がりの小さいコンパクト噴霧BB′を形
成するものと考えられる。

これは、燃料の噴射雰囲気圧が高いと、噴射燃料の初
速度が低下するため、燃料噴射弁30の噴口を出た燃料は
初期に噴霧運動を行なうものの早期に失速して噴霧燃料
の貫徹力が大幅に抑制されることや、また、噴霧速度が
低下するため例えば主噴霧に対する周囲の空気の巻込み
が相対的に大きくなって、噴霧燃料の貫徹力が大幅に抑
制されるためと考えられる。

なお、貫徹力を示す噴霧到達距離特性について、燃料
の噴射雰囲気圧が圧縮圧の場合と大気圧の場合とを比較
すると、FIG.20に示すようになり、図示するように、燃
料の噴射雰囲気圧が圧縮圧の場合（曲線P1参照）は、燃
料の噴射雰囲気圧が大気圧の場合（曲線P2参照）に比べ
て、噴霧速度の初速も低く速度低下も著しいことがわか
る。

そして、このように、圧縮行程後期で燃料噴射が行な
われた場合の燃料量分布は、FIG.19に示すように、噴射
中心軸線近傍にほぼ集中するようになる。

さらに、本筒内噴射式内燃機関では、圧縮行程後期で
の燃料噴射のタイミングが次のように設定されている。
つまり、第１実施形態と同様に、この機関においても、
ピストン22の上面に曲面状凹所22Aが形成されており、
矢印のごとくピストン22上昇時の圧縮行程後期に燃焼室
内に供給された燃料が、まず、この凹所22Aに向かっ
て、さらに、この凹所22Aで反射した後に、燃料室21の
上方の点火プラグ25の着火点に向かうように、燃料噴射
弁30による燃料噴射のタイミング、及び、燃料噴射弁30
の噴射方向（即ち、噴射中心軸線の方向）が設定されて
いる。

もちろん、凹所22Aの形状も、燃料噴射弁30から噴射
された燃料を点火プラグ25の着火点へ向けて収束するよ
うに反射させうる形状となっており、燃料噴射弁30から
噴射された燃料が広がりをもっていても、これを収束さ
せて、点火プラグ25の着火時にこの着火点の近傍に部分
的に十分な濃度の燃料を供給するようになっている。

本発明の第２実施形態は、上述のように構成されるの
で、例えば機関の負荷が大きい場合など要求燃料量の多
い機関運転状態の場合には、FIG.16に示すように、燃料
噴射弁30により吸気行程噴射を行なって、機関から十分
な出力が得られるように運転を行なうことができる。

つまり、矢印のようなピストン22下降時の吸気行程で
燃料噴射が行なわれると、FIG.14（ａ）,FIG.14（ｂ）,
FIG.16に示すように、広がりのあるホロコーン噴霧BBが
形成される。このような広がりのあるホロコーン噴霧BB
によると、FIG.17に示すように拡散した燃料量分布状態
となり、特に、主噴霧の外側及び内側で燃料粒がそれぞ
れ空気に接触して燃料粒の微粒化が促進され、これに伴
って噴射燃料の貫徹力が抑制される。このため燃料と空
気との混合が十分に行なわれた上で、点火プラグ25によ
る着火が行なわれるようになり、極めて効率のよい燃焼
が実現して大きな機関出力が得られるようになる。もち
ろん、効率のよい燃焼は、排気ガス中のHCやスモークの
低減にも寄与しうる。

一方、例えば機関の負荷が小さい場合など要求燃料量
の少ない機関運転状態の場合には、FIG.18に示すよう
に、燃料噴射弁30により圧縮行程噴射（特に、圧縮行程
後期の噴射が望ましい）を行なって、燃料消費を抑えた
節約運伝を行なうことができる。

つまり、圧縮行程後期噴射を行なうと、FIG.15
（ａ）,FIG.15（ｂ）,FIG.18に示すように、広がりの小
さいコンパクト噴霧BB′が形成される。

このようにコンパクト噴霧BB′が形成されると、FIG.
19に示すように、噴射中心軸線近傍にほぼ集中するよう
になる。さらに、本機関では、この圧縮行程後期で噴射
された燃料は、ピストン22上面の凹所22Aで反射し、且
つ、ピストンの押し上げに伴って、燃焼室21の上方の点
火プラグ25の着火点に向かう。この反射時に、凹所22A
が燃料を点火プラグ25の着火点へ向けて収束するように
反射させる。そして、点火プラグ25の着火時には、この
着火点の近傍に部分的に十分な濃度の燃料が供給される
ようになり、燃料を確実に着火させて安定した燃焼状態
を得ながら、全体としては理論空燃比よりも燃料の希薄
な空燃比状態とした運転（リーン燃焼運転）を行なうこ
とができる。

もちろん、リーン運転を安定して行なえることは、排
気ガス中のHCやスモークの低減にも寄与しうる。

このように、本実施形態のものでは、中心噴霧Ｃを省
いた中空噴霧（ホロコーン噴霧）BBのみを行ないながら
も、燃料の噴射雰囲気圧に応じて変化する噴霧形状の特
定と、ピストン22上面の凹所22Aによる燃料反射とを利
用しながら、要求燃料量の多い機関運転状態では、吸気
行程燃料噴射によって十分な機関出力を得られ、要求燃
料量の少ない機関運転状態では、圧縮行程燃料噴射によ
って安定したリーン運転を実現できるようになり、この
結果、中心噴霧に頼らないでも、機関の出力向上や、燃
費改善や、排気ガス中のHCやスモークの低減を促進しう
るようになる利点がある。

また、機関の特性にもよるが、中空噴霧（ホロコーン
噴霧）BBを凹所22Aによる燃料反射を利用しながら、点
火プラグに集めてリーン燃焼運転を行なうほうが、中心
噴霧Ｃによるリーン燃焼運転よりもより希薄な燃料で運
転しうる場合もある。

なお、上述の各実施形態では、高いスワール流を形成
することで、微粒化されたコーン上の燃料噴霧を形成さ
せているが、スワール流を用いなくても、微粒化された
コーン状燃料噴霧を実現できれば、そのような噴霧形態
であってもかまわない。

さらに、上述の第１実施形態及び第２実施形態におけ
る燃料噴射弁からの燃料噴霧形状の変形例として、FIG.
21に示すような形状も考えられる。

つまり、FIG.21に符号BCで示すように、中実のコーン
状に燃料噴霧を行なうのである。このような中実噴霧
は、リーン燃焼運転を行なう場合には、FIG.12に示すよ
うに、限界空燃比を上昇させることができ、むしろ有利
になる。

なお、この中実噴霧においては、噴射中心軸線近傍の
中心側噴霧よりも噴射円錐面近傍の周辺側噴霧のほうが
粒径が小さくなるように燃料噴射弁を構成することによ
り、２段噴霧と同様に、周辺側噴霧が、筒内圧による影
響を受け易くなり、圧縮行程噴射時の集中化が促進され
る。

ところで、燃料噴射角度に対する凹所の関係は、次の
ように規定することもできる。

つまり、要求燃料量が多い場合、即ち、吸気行程噴射
の場合には、ピストン22上面に到達する燃料噴霧の先端
が凹所22Aよりも大きく拡がって燃焼室21内で十分に拡
散するようにして、要求燃料量が少ない場合には即ち、
圧縮行程噴射（特に、圧縮行程後期噴射）の場合には、
ピストン22上面に到達する燃料噴霧の先端が凹所22Aに
収まるように縮径しながら凹所22Aによって点火プラグ2
5に向けて案内されるように設定するのである。

これにより、要求燃料量が多い吸気行程噴射の場合に
は、燃料室21全体への燃料の拡散が促進されて燃料の燃
焼が効率よく行なわれて、大きな出力を得やすくなる。
一方、要求燃料量が少ない圧縮行程噴射の場合には、燃
料を燃焼室21内の凹所22A内に部分的に供給してさらに
この凹所22Aによる案内で点火プラグ25の着火点近傍の
みに燃料が偏在するように集合するため、燃料の安定し
た着火性能を確保しながら、燃焼室全体としては希薄な
燃料濃度状態で、消費燃料の少ない運転を実現すること
ができる。

上述の構成を換言すると、燃料噴射角度に対する凹所
22Aの外縁を吸気行程前半，圧縮行程後半の略同一ピス
トン位置〔例えばBTDC300゜（吸気上死点前300゜、即
ち、排気上死点後60゜）とBTDC60゜（圧縮上死点60
゜）〕において、次のように表現することができる。例
えば吸気行程前半における燃料噴射弁からの燃料噴射に
よると、ピストン22上面に到達する噴霧先端の噴霧外径
が凹所22Aよりも大きく拡がり、圧縮行程後半における
燃料噴射弁からの燃料噴射によると、ピストン22上面に
到達する噴霧先端の噴霧外径が凹所22Aに納まるよう
に、凹所の外縁の大きさが設定されていることが好まし
い。

これにより、燃料噴射弁の吸気行程前半での燃料噴射
では、燃料が該凹所22A内だけでなく燃焼室21全体に拡
散するようになり、十分な量の燃料を空気と混合させな
がら燃焼室全体に供給させることができ、大きな出力を
効率よく得やすくなる。一方、燃料噴射弁の圧縮構成後
半での燃料噴射では、燃料が凹所22A内に納まるため、
凹所22A内やこの上方空間で十分な燃料濃度とでき、燃
料の安定した着火性能を確保しながら、燃焼室21全体と
しては希薄な燃料濃度状態で、消費燃料の少ない運転を
実現することができ、高出力時の予混合燃焼と低出力時
の層状燃焼とを行なう機関に適用することにより、効果
が大きい。

また、要求燃料量が多い吸気行程噴射の場合には、ピ
ストン22上面に到達する燃料噴霧の先端が凹所22Aより
も大きいだけでなく、ピストン22上面全体よりも広く拡
散するように設定できれば、さらに燃焼室21内で燃料が
十分にミキシングされて、出力向上効果が著しくなる。
これは、単に、噴射角度だけでなく、噴霧到達時のピス
トン22上面位置、即ち、噴射タイミングにもよるので、
これらを合わせて設定する必要がある。

ところで、上述の各実施形態のように、本発明にかか
る筒内噴射式内燃機関では、予混合燃焼による高出力化
と層状燃焼による燃費向上とをともに得ようとするもの
である。つまり、吸気行程噴射で燃料を筒内全体に拡げ
て噴霧することで十分な量の燃料をより完全に燃焼させ
て高出力を得るようにする一方で、圧縮行程噴射で燃料
をピストン22上面の凹所22A内にコンパクトに噴霧して
凹所22A内面の案内により点火プラグの着火点近傍のみ
に過濃な燃料を供給する層状化により燃費改善効果を得
ようとしている。

ところが、このような高出力化と燃費向上との両立、
さらには排ガス特性は、燃料噴射弁からの噴霧形状（燃
料の微粒化）に大きく依存する。つまり、本内燃機関用
燃料噴射弁は、旋回流発生手段としての燃料案内流路10
を有しており、燃料流に旋回成分を加えて旋回流として
噴射することで、噴霧燃料が円錐状のコーン型旋回流Ｂ
として周辺噴霧Ｂ′が形成される。このようなコーン型
旋回流Ｂの形状、即ち拡がり状態（コーン型噴射角度，
以後、前述の噴射角度と区別するために噴霧角度とい
う）などが、高出力化と燃費向上との両立や排ガス特性
に大きく影響するのである。

そこで、どのような燃料噴霧形状が高出力化と燃費向
上との両立や排ガス特性向上に適しているか、さらに、
このような望ましい燃料噴霧形状を実現させるには、燃
料噴射弁の形状、特に、噴口部分の形状をどのような観
点から設定したらよいかといった更なる指針が、かかる
筒内噴射式内燃機関についての技術の実用性をより高め
るために必要となる。

これについては、以下に説明するようにして、適正な
燃料噴射形状を得られる燃料噴射弁の形状を規定してい
くことができる。

なお、第1,2実施形態で使用しうる内燃機関及び後述
する各実験時の内燃機関の諸元は、以下のようなものと
している。

圧縮比:8〜12程度 SB比:0.8〜1.2程度 噴射圧:30〜150気圧程度 まず、適正な燃料噴霧形状について考えるが、その前
に、この噴霧形状を数値的に評価できるように規定する
必要がある。噴霧形状とは、円錐状に形成されるコーン
型旋回流Ｂの円錐面の角度と考えることができる。この
ような角度（コーン型噴射角度又は噴霧角度）は噴霧を
外観することで検出しうるが、また、実際のコーン型旋
回流Ｂの噴霧形状は、FIG.8（ａ）,FIG.8（ｂ）,FIG.10
に示すように、噴霧角度方向に厚みをもった円錐面状で
あり、このような噴霧角度は外観に基づいて検出するこ
とができるが、必ずしも容易ではない。そこで、ここで
は、水平流量分布図心という値を噴霧形状指標として用
いることにする。

この水平流量分布図心とは、上述したFIG.9に示す測
定システムにより、水平流量分布計測用多点採取容器12
の各採取容器12Aにおいて採取された燃料量の測定結果
に基づいて、次式により求めることができる。

水平流量図心＝Σ（各採取容器の噴霧捕集量×噴射角度） ÷Σ（各採取容器の噴霧捕集量） すなわち、既にFIG.9を参照して説明したように、こ
の測定システムに基づく結果から燃料の水平流量分布
を、FIG.10に示すような噴射角度Ｘに対する燃料量の割
合Ｙとして得ることができる。採取容器12Aを噴射角度
Ｘ方向により細かく分割して、このような燃料噴霧の水
平流量分布のより子細に検出すると、FIG.22に示すよう
な結果が得られる。

このFIG.22では、横軸に噴射角度（deg）をとり、縦
軸に各採取容器12Aで捕集された燃料捕集量を燃料の静
的流量〔単位時間又は単位パルス（噴射パルス:1msec）
あたりの燃料噴射量〕で除算したもの（水平分布量）を
とっている。測定結果から、FIG.22中の曲線（水平分布
量曲線）に示すような分布特性が得られるが、水平流量
分布図心とは、このようにして得られる水平分布量で重
み付けした噴射角度の加重平均に相当する値であり、FI
G.22中に☆で示す。

このような水平流量分布図心と、コーン型旋回流Ｂの
噴霧角度（コーン型噴霧角度）との関係を調べると、FI
G.23に示すような結果が得られる。水平流量分布図心と
コーン型噴霧角度とがほぼ一次相関することがわかる。
つまり、水平流量分布図心を噴霧形状指標として用いる
ことが妥当であることがわかる。

さて、水平流量分布図心が所定角度よりも小さくなる
コーン型噴霧角度の狭い燃料噴霧（狭角噴霧）で燃料噴
射すると、機関の全開運転時にスモークの発生や出力低
下や圧縮行程噴射時の燃費悪化を招く。一方、水平流量
分布図心が所定角度よりも大きくなるコーン型噴霧角度
の拡い燃料噴霧（拡角噴霧）で燃料噴射すると、圧縮行
程噴射時の燃料が不安定になったり噴射弁の個体差によ
る噴霧のバラツキが大きくなってしまい、所望の噴霧形
状を確実に得ることが困難になる。

そこで、まず、燃費改善に着目すると、水平流量分布
図心（コーン型噴霧角度）に対する燃費率特性は、FIG.
24に示すようになり、良好な燃費率の得られる水平流量
分布図心は、FIG.24中に網かけして示すように、40〜70
degの範囲（コーン型噴霧角度では50〜80deg）と考えら
れる。即ち、燃費に着目すると、水平流量分布図心は40
〜70degの範囲が適正と考えられる。

そこで、このような適正な水平流量分布図心（40〜70
deg）の得られる燃料噴射弁の形状を調べる。

まず、燃料噴射弁の諸元、即ち、噴口径Do,噴口長L,
旋回径Ds,旋回溝断面積As〔FIG.25（ａ）,FIG.25（ｂ）
参照〕及びガソリン燃料における燃料圧力P,燃料密度
ρ，動粘度νに対して、旋回室流速Vs〔FIG.25（ｂ）参
照〕，旋回レイノズル数Re,噴口L/Dはそれぞれ次式のよ
うにあわらすことができる。

Vs＝Ｋ・（Do/Ds）・（2P/ρ）^0.5 但し、｛（1/K）^２−１｝^0.5−Ｋ・1n〔1/K＋｛（1/K）^２−１｝^0.5〕 ＝４・As/（π・Do・Ds） 旋回レイノルズ数Re＝Ds・Vs/2ν 噴口L/D＝L/Do FIG.26は噴口L/Dを一定（ここでは、L/D＝２），噴射
圧4MPaとした場合の旋回レイノズル数Reに対する水平流
量分布図心の特性についての実験結果を示すもので、旋
回レイノルズ数Reが大きくなると噴射弁加工時の噴口等
の加工誤差による水平流量分布図心のバラツキが大きく
なり、所望の噴霧形状を得にくくなることがわかる。し
たがって、水平流量分布図心のバラツキを抑えるという
観点からは、旋回レイノルズ数Reが小さいほうが有利に
なる。

また、FIG.27は旋回レイノルズ数Reを一定（ここで
は、Re＝30000），噴射圧4MPaとした場合の噴口L/Dに対
する水平流量分布図心の特性についての実験結果を示す
もので、噴口L/Dが小さくなると水平流量分布図心のバ
ラツキが大きくなり、所望の噴霧形状を得にくくなるこ
とがわかる。したがって、水平流量分布図心のバラツキ
を抑えるという観点からは、噴口L/Dが大きいほうが有
利になる。

ところで、噴口L/Dについては、これを拡大すること
で水平流量分布図心のバラツキを小さくでき、噴射弁間
の個体差を抑制することができるが、これは、FIG.28に
示すように、噴口において、旋回力を与えられた燃料の
旋回流は図示するように噴口内を螺旋状に周回しながら
噴霧の拡がりを抑制されると同時にスワール溝間の寸法
のバラツキを平準化され噴霧が安定するようになる。

特に、このような旋回流は、噴口の噴出部（噴口径Ds
の部分）で少なくとも１回転以上は周回した上で噴出さ
れることが望ましい。

しかしながら、噴口L/Dを大きくすると、噴口内での
カーボン堆積の原因となるので、噴口L/Dの大きさにも
限度がある。

そこで、このような特性を考慮すると、噴口L/Dは１
〜３程度とするのが望ましい。

また、FIG.29は、噴射弁の噴射圧を4MPaに設定したと
きの旋回レイノルズ数Reに対する水平流量分布図心を各
噴口L/D毎に表したものであり、前述の適正な水平流量
分布図心（40〜70deg）に応じた旋回レイノルズ数Reは2
0000〜40000程度であることがわかる。したがって、噴
射圧を4MPaとした場合には、FIG.29中の網かけを付す領
域内に旋回レイノルズ数Re,水平流量分布図心，及び噴
口L/Dが設定されるように、燃料噴射弁の各諸元を設定
することが好ましい。

ところで、水平流量分布図心は燃料圧力Ｐにも依存す
るので、噴射圧を上記4MPa意外で考えた場合、最適な燃
料噴射状態は、水平流量分布図心と燃料圧力Ｐとを用い
て表すほうがより正確なものになる。そこで、実験デー
タに基づいて、水平流量分布図心と燃料噴射圧力（噴射
圧又は燃料圧力ともいう）とを加味した燃料噴射状態の
指標を与えると、 水平流量分布図心×燃料圧力Ｐ^0.25 とすることが考えられる。

また、旋回レイノルズ数Reは燃料圧力Ｐの平方根の関
数であることに着目して、旋回レイノルズ数Reは燃料圧
力Ｐの平方根で除算して得られる値 を設定することができる。そして、この値 と水平流量分布図心との対応から、適正な値 を求めることができる。なお、値 の単位は、〔1/Pa^0.5〕となる。

FIG.30は、この値 に対する水平流量分布図心を各噴口L/D毎に表したもの
であり、図示するように値 を10000〜20000〔1/MPa^0.5〕の範囲内に設定すること
で、適正な燃料噴射状態の指標（即ち、水平流量分布図
心）を得ることができる。

このように、値 に着目すると、噴口７に関する各諸元をFIG.30中の網か
けを付す領域内となるように設定することが好ましい。

さらに、弁座部開口面積の限定に関する指針を説明す
る。FIG.31は噴口の弁座部近傍を示す模式図であり、旋
回溝通路面積S1,弁座部開口面積（最大リフト時の弁座
とニードル弁との間の最短部の開口面積）S2,噴口部断
面積S3に関して、以下のような範囲内に設定することが
好ましい。

0.5≦S3/（S1×旋回溝数）≦1.5 0.1≦S2/（S1×旋回溝数）≦0.5 特に、S3/（S1×旋回溝数）の値については、各条件
にもよるが、1.0近傍が最適なものと考えられるが、種
々の条件下を考慮すると、上記のように0.5〜1.5の範囲
内とすることができる。S3/（S1×旋回溝数）の値が0.5
よりも小さくなると、旋回力が小さくなり過ぎるおそれ
があり、S3/（S1×旋回溝数）の値が1.5よりも大きくな
ると、旋回力が大きくなり過ぎるおそれがある。

また、S2/（S1×旋回溝数）の値については、各条件
にもよるが、0.2近傍が最適なものと考えられるが、種
々の条件下を考慮すると、上記のように0.1〜0.5の範囲
内とすることができる。このS2/（S1×旋回溝数）の値
が0.1よりも小さくなると、旋回流量が限定され流量が
小さくなり過ぎるおそれがあり、S2/（S1×旋回溝数）
の値が0.5よりも大きくなると、旋回力を十分に得られ
ないおそれがある。

なお、実際には、噴射弁は、その小型化やレスポンス
を考えると、旋回溝通路面積S1,弁座部開口面積S2,噴口
部断面積S3の何れかが又はいずれもがある程度制限され
るので、このような各種の制限下で上述のような範囲内
になるように設定することになる。

特に、このような設定を行なう場合、噴射弁の小型化
やレスポンスの面から弁座開口面積S2を旋回通路面積S1
及び噴口部断面積S3よりも小さく設定することが好まし
い。

上述のような観点から、燃料噴射弁の各諸元を設定す
ることで、前述の本発明の筒内噴射式内燃機関による効
果をより容易に得ることができるのである。

産業上の利用可能性 本発明を、高出力時の予混合燃焼と低出力時の層状燃
焼とを行なう４サイクル筒内噴射式内燃機関に用いるこ
とで、予混合燃焼による機関出力の確保を十分に行なえ
る一方で層状燃焼による節約運転を確実に行なえるよう
になり、出力増加と燃費向上といった相反する要求を同
時に満たすことができるようになる。このような筒内噴
射式内燃機関を、例えば自動車用エンジンとして採用す
ることで、自動車の性能、即ち、出力性能と経済性能と
を大きく向上させることができる。もちろん、自動車以
外にも採用することができ、同様に、出力性能向上と経
済性能向上とを両立するという利点が得られ、その有用
性は極めて高いものと考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 棚田 浩 東京都港区芝５丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 五十嵐 京矢 東京都港区芝５丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 宮本 寛明 東京都港区芝５丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−169834（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−18246（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−240047（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−81651（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−502092（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02M 61/18 310 F02M 61/18 360 F02M 51/00 F02M 51/06 F02B 17/00 F02B 23/08 - 23/10

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダ（20）内に挿嵌された往復動ピス
   トン（22）の上面とシリンダヘッド（27）の下面との間
   に形成された燃焼室（21）と、該燃焼室（21）内へ直接
   燃料を噴射する単一の燃料噴射弁（30）と、該燃焼室
   （21）内へ臨んだ点火プラグ（25）とをそなえた４サイ
   クルの筒内噴射式内燃機関において、 該燃料噴射弁（30）が、噴口（７）を有する噴射弁本体
   （８）と、該噴射弁本体（８）内に設けられ該噴口
   （７）を開閉しうる開閉手段（４）と、該開閉手段
   （４）に設けられ該噴射弁本体（８）内を流通する燃料
   に対してコーン型旋回流を与え得る旋回流発生手段（1
   0）とを有するスワール型燃料噴射弁として構成され、 該燃料噴射弁（30）から噴射される噴霧の形状が、該燃
   料噴射弁（30）の軸線の近傍に収束するような噴霧角度
   からなる中心噴霧と、該中心噴霧の外周を取り巻くよう
   に該中心噴霧よりも大きな噴霧角度で且つ該中心噴霧か
   ら離隔した円錐状の周辺噴霧とから構成され、 さらに、該旋回流発生手段（10）が、要求燃料量の少な
   い機関運転状態のときには圧縮行程後半に該中心噴霧を
   主体とした燃料噴霧を行なうと共に、該要求燃料量の多
   い機関運転状態のときには吸気行程中に該周辺噴霧を主
   体とした燃料噴射を行なうように設定されている ことを特徴とする、筒内噴射式内燃機関。
2. 【請求項２】該燃料噴射弁（30）は、該要求燃料量が少
   ない場合には、該燃焼室（21）内の雰囲気圧力が２気圧
   以上となる時に燃料噴射を行なうように構成されている
   ことを特徴とする、請求の範囲第１項記載の筒内噴射式
   内燃機関。
3. 【請求項３】該燃料噴射弁（30）から噴射される燃料の
   噴霧形状が、該要求燃料量が多い場合には該噴霧先端に
   向かってある所定の噴射角度をもった円錐状に拡径した
   形状となり、該要求燃料量が少ない場合には該噴霧先端
   に向かって拡径度合が小さくなり次第に縮径する形状と
   なることを特徴とする、請求の範囲第１項記載の筒内噴
   射式内燃機関。
4. 【請求項４】該ピストン（22）上面の一部に凹所（22
   A）が形成されて、該凹所（22A）と対向する位置に点火
   プラグ（25）が設けられるとともに、該要求燃料量が多
   い場合には該ピストン（22）上面に到達する該噴霧先端
   が該凹所（22A）よりも大きく拡がって該燃焼室（21）
   内で拡散し、該要求燃料量が少ない場合には該ピストン
   （22）上面に到達する該噴霧先端が該凹所（22A）に収
   まるように縮径しながら該凹所（22A）によって該点火
   プラグ（25）に向けて案内され該点火プラグ（25）の着
   火点近傍に偏在するように集合するように構成されてい
   ることを特徴とする、請求の範囲第３項記載の筒内噴射
   式内燃機関。
5. 【請求項５】該燃料噴射弁（30）が、該噴射弁本体
   （８）内に設けられ該噴口（７）を開閉しうるニードル
   バルブ（３）と、該噴口（７）に形成されたコーン型噴
   口内周面（7a）とを有し、 さらに、該旋回流発生手段（10）が、該ニードルバルブ
   （３）に形成され該コーン型噴口内周面（7a）に当接し
   て密着しうるコーン型当接面（3a）と、該噴射弁本体
   （８）の内側の外周部に形成され燃料を案内する外周側
   導入部（10a）と、該外周側導入部（10a）から該ニード
   ルバルブ（３）側へ向けて燃料を案内し且つ燃料流に旋
   回成分を付与する旋回付与流路（10b）とを有し、 該旋回付与流路（10b）の単一の通路の断面積である旋
   回溝通路面積をS1、該ニードルバルブ（３）の最大リフ
   ト時の該コーン型噴口内周面（7a）と該コーン型当接面
   （3a）との間の最短部の開口面積である弁座部開口面積
   をS2、該噴口（７）の断面積である噴口部断面積をS3と
   したときに、 0.5≦S3/（S1×旋回付与流路の溝数）≦1.5 0.1≦S2/（S1×旋回付与流路の溝数）≦0.5 となるように、該旋回溝通路面積S1、該弁座部開口面積
   S2、及び該噴口部断面積S3をそれぞれ設定した ことを特徴とする、請求の範囲第１項記載の筒内噴射式
   内燃機関。
6. 【請求項６】該シリンダヘッド（27）下面の該シリンダ
   （20）の軸心線（28）を含む基準面の一側に形成された
   吸気ポート（23）と、該吸気ポート（23）の該燃焼室
   （21）への開口を開閉するように該吸気ポート（23）に
   装備された吸気弁（24）とをそなえ、 該シリンダ（20）下面における該基準面の一側の該吸気
   ポート（23）開口と対向する部位に、該吸気ポート（2
   3）から該燃焼室（21）内に進入した吸気の縦渦流を促
   進するように該ピストン（22）上面に対して窪んだ曲面
   状凹所（22A）が形成され、 該ピストン（22）上面における該基準面の他側に、該凹
   所（22A）から隆起するとともに該ピストン（22）の上
   死点において該シリンダヘッド（27）下面に接近しうる
   隆起部（22B）がその頂部を該基準面の近くに配置する
   ように形成されて、 該シリンダヘッド（27）下面における該シリンダ軸心線
   （28）の近傍に点火プラグ（25）が配設されるととも
   に、 該燃料噴射弁（30）の噴口が該凹所（22A）へ向くよう
   に配設されていることを特徴とする、請求の範囲第１項
   記載の筒内噴射式内燃機関。
7. 【請求項７】該開閉手段（４）が、該噴口（７）に形成
   されたコーン型噴口内周面（7a）と、該コーン型噴口内
   周面（7a）に当接密着して該噴口（７）を開閉しうるコ
   ーン型当接面（3a）とを有し、 該旋回流発生手段（10）が、該噴射弁本体（８）内を流
   通する燃料を該コーン型噴口内周面（7a）と該コーン型
   当接面（3a）との隙間、及び該噴口（７）を通過して該
   燃焼室（21）内に噴射するように構成されていることを
   特徴とする、請求の範囲第１項記載の筒内噴射式内燃機
   関。
8. 【請求項８】水平流量分布計測で得られる該燃料噴射弁
   （30）から噴射される燃料の水平流量分布図心の角度
   が、40〜70degの範囲内になるように、該コーン型噴口
   内周面（7a）と該コーン型当接綿（3a）との当接部分か
   らの該噴口（７）の先端までの長さ（Ｌ）と該噴口
   （７）の最小内径（Ｄ）との比率（L/D）を１〜３の範
   囲内に設定することを特徴とする、請求の範囲第７項記
   載の筒内噴射式内燃機関。
9. 【請求項９】該燃料噴射弁（30）から噴射される燃料の
   噴霧形状が、吸気行程前半において燃料噴射した場合に
   は該噴霧先端に向かって所定角度以上に拡径した形状と
   なり、圧縮行程後半において燃料噴射した場合には該噴
   霧先端に向かって該所定角度未満に縮径した形状となる
   ように設定されるとともに、 該ピストン（22）上面の一部に凹所（22A）が形成され
   て、該凹所（22A）の外縁が、吸気行程前半及び圧縮行
   程後半のほぼ同一ピストン位置において、該燃料噴射弁
   （30）の吸気行程前半で該ピストン（22）上面に到達す
   る該噴霧先端の噴霧外径よりも小さく、該燃料噴射弁
   （30）の圧縮行程後半で該ピストン（22）上面に到達す
   る該噴霧先端の噴霧外径よりも大きく設定されているこ
   とを特徴とする、請求の範囲第１項記載の筒内噴射式内
   燃機関。
10. 【請求項１０】シリンダ（20）内に挿嵌された往復動ピ
    ストン（22）の上面とシリンダヘッド（27）の下面との
    間に形成された燃焼室（21）と、該燃焼室（21）内へ直
    接燃料を噴射する単一の燃料噴射弁（30）と、該燃焼室
    （21）内へ臨んだ点火プラグ（25）とをそなえた４サイ
    クルの筒内噴射式内燃機関において、 該燃料噴射弁（30）が、噴口（７）を頂点とし該燃料噴
    射弁（30）の軸線方向に向かって円錐形状に均一に拡が
    る噴霧で該燃焼室（21）内へ向けての燃料噴射を行なう
    とともに、要求燃料量の多い機関運転状態のときには該
    機関の吸気行程中に燃料噴射を行ない、該要求燃料量の
    少ない機関運転状態のときには該吸気行程よりも筒内圧
    の高い該機関の圧縮行程後半に燃料が供給されるよう燃
    料噴射を行なうように構成されるとともに、 該燃料噴射弁（30）が、噴口（７）を有する噴射弁本体
    （８）と、該噴射弁本体（８）内に設けられるととも
    に、先端に該噴口（７）を形成するコーン型噴口内周面
    （7a）と当接し密着しうる当接面（3a）を有し該当接面
    （3a）を通じて該噴口（７）を開閉しうる開閉手段
    （４）と、該当接面（3a）の直上に設けられ該噴射弁本
    体（８）内を流通する燃料を該噴口（７）へ向けて案内
    し燃料流に旋回成分を与えて旋回流を発生させる旋回流
    発生手段（10）とをそなえた、スワール型燃料噴射弁で
    あって、 水平流量分布計測で得られる該燃料噴射弁（30）から噴
    射される燃料の水平流量分布図心の角度が、40〜70deg
    の範囲内になるように、 該当接部分から該噴口先端までの長さ（Ｌ）と該噴口の
    最小内径（Ｄ）との比率（L/D）を１〜３の範囲内に設
    定するとともに、 該旋回流の旋回径（Ds），該旋回流の旋回流速（Vs），
    燃料の動粘度（ν）に基づいて式〔Re＝Ds・Vs/（２・
    ν）〕で定義される該噴口における旋回レイノルズ数
    （Re）と、該燃料噴射弁（30）の噴射圧（Ｐ）とから得
    られ単位が〔1/MPa^0.5〕である値 を10000〜20000の範囲内に設定した ことを特徴とする、筒内噴射式内燃機関。