JP7365512B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。

特許文献１に開示される内燃機関の燃料噴射装置は、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧の上下方向の広がりを、水平方向の広がりよりも小さくし、かつ、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧の上下方向の中心を、閉弁時の吸気弁の傘部の中心と一致させる。

特開平１１－１４１４３５号公報

ところで、吸気流速が速い場合又は遅い場合であっても、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が吸気ポートの壁面に接触することを防止するために、燃料噴霧の上下方向の広がりを水平方向の広がりよりも小さくすると、吸気ポート内での燃料噴霧と空気との予混合が不均一になってしまう可能性があった。
そして、吸気ポート内の予混合が不均一になると、筒内における混合気の均質性が低下して、未燃損失の増加、ノッキング性能の悪化、燃焼悪化が生じ、引いては、燃費、出力、排気の悪化を招くおそれがある。

本発明は、従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸気ポート内における燃料噴霧の広がりを可及的に大きくしつつ、吸気流動で燃料噴霧が曲げられても、燃料噴霧が吸気ポートの壁面に接触することを抑止できる、内燃機関を提供することにある。

そのため、本発明に係る内燃機関は、その一態様として、燃料噴射弁の噴霧のブレイクアップ位置を、吸気弁の上流に設定し、燃料噴射弁の噴霧角及び噴霧軸線を、吸気ポート内の吸気流動で偏向された噴霧が前記ブレイクアップ位置において吸気ポートの壁面に接触しない噴霧角及び噴霧軸線に設定した、内燃機関であって、
噴霧角及び噴霧軸線の設定において、
前記燃料噴射弁の軸線Ａにおける噴孔の先端部を起点Ｏとし、
前記吸気ポート内を流れる吸気の主流線Ｂと前記軸線Ａとの交点Ｐ１での噴霧の速度ベクトルＶ１、前記内燃機関の高回転高負荷域での前記交点Ｐ１における吸気の速度ベクトルＶ２、及び、前記速度ベクトルＶ１と前記速度ベクトルＶ２との合成ベクトルである速度ベクトルＶ３を求め、
前記速度ベクトルＶ１と前記速度ベクトルＶ３とがなす角度である第１角度θ１を求め、
前記吸気ポートの中心軸及び前記吸気弁の軸心を含む仮想平面に投影したときに、前記ブレイクアップ位置で前記軸線Ａと直交する線を第１仮想線Ｃとし、前記燃料噴射弁の取り付け位置側の前記吸気ポートの内壁面と前記第１仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ２とし、前記起点Ｏと前記接点Ｐ２とを結ぶ線を第２仮想線Ｄとし、前記第２仮想線Ｄを、前記起点Ｏを回転中心として前記主流線Ｂ側に前記第１角度θ１だけ回転させた仮想線を第３仮想線Ｅとしたとき、
前記燃料噴射弁の噴霧形状を、前記燃料噴射弁の噴孔から前記ブレイクアップ位置までの主噴霧の外縁が、前記第３仮想線Ｅと一致するか、若しくは、前記第３仮想線Ｅよりも前記主流線Ｂ側となるように設定した。

また、本発明に係る内燃機関は、その一態様として、吸気ポートの中心軸及び吸気弁の軸心を含む仮想平面に投影したときに、ブレイクアップ位置で前記軸線Ａと直交する線を第１仮想線Ｃとし、燃料噴射弁の取り付け位置側の吸気ポートの内壁面と前記第１仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ２とし、前記起点Ｏと前記接点Ｐ２とを結ぶ線を第２仮想線Ｄとし、燃料噴射弁の噴霧形状の設定において噴霧の外縁と前記第２仮想線Ｄとがなす角度を第２角度θ２としたときに、
前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力が標準圧力であるときの前記第１角度θ１を、前記第２角度θ２よりも大きくし、
前記内燃機関の高回転高負荷域において、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を前記標準圧力よりも高くすることで、前記第１角度θ１を前記第２角度θ２と一致させるか、若しくは、前記第２角度θ２よりも小さくする。
また、本発明に係る内燃機関は、その一態様として、吸気ポートの中心軸及び吸気弁の軸心を含む仮想平面に投影したときに、ブレイクアップ位置で前記軸線Ａと直交する線を仮想線Ｃとし、燃料噴射弁の取り付け位置側の前記吸気ポートの内壁面と前記仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ２とし、燃料噴射弁の取り付け位置とは逆側の吸気ポートの内壁面と前記仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ３とし、前記起点Ｏと前記接点Ｐ２とを結ぶ線を仮想線Ｄとし、前記起点Ｏと前記接点Ｐ３とを結ぶ線を仮想線Ｆとし、燃料噴射弁の噴霧角度をθspとしたとき、
前記仮想線Ｆと前記軸線Ａとがなす角度が、前記噴霧角度θspの半分の角度以上となり、かつ、前記仮想線Ｄと前記軸線Ａとがなす角度が、前記噴霧角度θspの半分の角度と前記第１角度θ１との加算値以上となるように、前記噴霧角度θsp及び前記軸線Ａを設定した。

上記発明によると、吸気ポート内における燃料噴霧の広がりを可及的に大きくしつつ、吸気流動で燃料噴霧が曲げられても、燃料噴霧が吸気ポートの壁面に接触することを抑止できる。

ポート噴射式内燃機関の概略構成図である。 燃料噴射弁の縦断面図である。 燃料噴射弁の先端部を拡大した縦断面図である。 燃料噴射孔を有するオリフィスプレートの上面図である。 ブレイクアップ位置の特性を説明するための線図である。 吸気流動による主噴霧の偏向を模式的に示す図である。 第１角度θ１の求め方を説明するための図である。 第１角度θ１と主噴霧の外縁との関係を説明するための図である。 主噴霧が吸気流動によって偏向した状態を示す図である。 噴霧が曲げられる量よりもクリアランスが小さい状態を示す図である。 機関運転状態と吸気主流速度との相関を示す線図である。 機関運転状態とクリアランスの不足分との相関を示す線図である。 機関運転状態と、クリアランスの不足を解消するのに必要な噴霧速度の要求との相関を示す線図である。 噴霧速度の違いによる第１角度θ１の変化を示す図である。 燃圧と噴霧速度との相関を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、内燃機関１０１の一態様を示す構成図である。
内燃機関１０１は、自動車に駆動源として搭載される火花点火ガソリン機関である。

内燃機関１０１は、点火装置２００及び燃料供給装置３００を備える。
点火装置２００は、点火プラグ２０１と、パワートランジスタを内蔵した点火コイル２０２とを備え、燃焼室１１０内の混合気を火花点火によって着火燃焼させる。

燃料供給装置３００は、燃料噴射弁３０１と、燃料タンク３０２と、燃料タンク３０２内の燃料を燃料噴射弁３０１に圧送する電動式の燃料ポンプ３０３と、燃料ポンプ３０３の吐出口と燃料噴射弁３０１の燃料入口とを接続する燃料配管３０４と、燃料配管３０４内の燃料の圧力である燃圧ＦＰを計測する燃圧センサ３０５とを備える。

燃料噴射弁３０１は、吸気弁１１９の上流の吸気ポート１０２に、吸気弁１１９を指向して取り付けられ、吸気ポート１０２内に燃料を噴射する。
内燃機関１０１は、所謂ポート噴射式内燃機関である。
また、燃料ポンプ３０３の吐出量の調整、つまり、燃料ポンプ３０３の駆動電流の調整によって、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力が可変に制御される。

電制スロットル１０８は、スロットルバルブ１０８ａと、スロットルモータ１０８ｂと、スロットル開度センサ１０８ｃとを備え、スロットルモータ１０８ｂでスロットルバルブ１０８ａを開閉する装置である。
スロットル開度センサ１０８ｃは、スロットルバルブ１０８ａの開度の情報であるスロットル開度信号ＴＰＳを出力する。

そして、エアークリーナ１０７を通過した空気は、電制スロットル１０８のスロットルバルブ１０８ａで流量調節され、燃料噴射弁３０１から噴射された燃料とともに吸気弁１１９を介して燃焼室１１０に吸引される。
クランク角センサ１０６は、クランクシャフト１１７の回転角を計測するセンサであって、リングギア１１４の突起を検出して、クランクシャフト１１７の所定回転角毎に立ち上がるパルス信号であるクランク角信号ＣＡを出力する。

流量検出装置１０９は、電制スロットル１０８の上流の吸気ダクト１０４に配置され、内燃機関１０１の吸入空気流量の情報である吸入空気流量信号ＱＡＲを出力する。
また、内燃機関１０１の排気管１０３に配置される触媒コンバータ１１２は、内蔵する三元触媒によって内燃機関１０１の排気を浄化する。

空燃比センサ１１１は、触媒コンバータ１１２の上流の排気管１０３に配置され、排気中の酸素濃度に応じて排気空燃比の情報である空燃比信号ＲＡＢＦを出力する。
また、排気温度センサ１１６は、触媒コンバータ１１２の上流の排気管１０３に配置され、触媒コンバータ１１２の入口での排気温度［℃］の情報である排気温度信号ＴＥＸを出力する。
水温センサ１１８は、内燃機関１０１の冷却水ジャケット１０５内における冷却水の温度［℃］の情報である冷却水温度信号ＴＷを出力する。

エンジン制御装置１１３は、ＭＰＵ（Microprocessor Unit）１２６，ＲＯＭ（Read Only Memory）１２７，ＲＡＭ（Random Access Memory）１２８を含むマイクロコンピュータを備えた電子制御装置である。
エンジン制御装置１１３は、スロットル開度信号ＴＰＳ，吸入空気流量信号ＱＡＲ，クランク角信号ＣＡ，空燃比信号ＲＡＢＦ，排気温度信号ＴＥＸ，冷却水温度信号ＴＷ，燃圧信号ＦＰなどの内燃機関１０１の運転状態に関する信号を取得する。

そして、エンジン制御装置１１３は、取得した信号に基づき各種の操作量を演算し、演算した操作量を点火コイル２０２，燃料噴射弁３０１，スロットルモータ１０８ｂ，燃料ポンプ３０３などに出力することで、内燃機関１０１の運転を制御する。
ここで、エンジン制御装置１１３は、燃料ポンプ３０３の制御によって、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力を可変にする燃圧制御部としての機能を有し、また、エンジン制御装置１１３及び燃料ポンプ３０３は、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力を可変に制御する燃圧制御装置を構成する。

エンジン制御装置１１３は、センサ信号の取り込みや制御対象への操作量の出力を行うために、アナログ入力回路１２０，Ａ／Ｄ変換回路１２１，デジタル入力回路１２２，出力回路１２３，Ｉ／Ｏ回路１２４を備える。
アナログ入力回路１２０は、吸入空気流量信号ＱＡＲ，スロットル開度信号ＴＰＳ，空燃比信号ＲＡＢＦ，排気温度信号ＴＥＸ，冷却水温度信号ＴＷ，燃圧信号ＦＰなどのアナログ信号を取り込む。

アナログ入力回路１２０が取り込んだアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換回路１２１でデジタル信号に変換され、バス１２５上に出力される。
また、デジタル入力回路１２２が取り込むクランク角信号ＣＡなどのデジタル信号は、Ｉ／Ｏ回路１２４を介してバス１２５上に出力される。

バス１２５には、ＭＰＵ１２６，ＲＯＭ１２７，ＲＡＭ１２８，タイマ／カウンタ（ＴＭＲ／ＣＮＴ）１２９等が接続されている。
そして、ＭＰＵ１２６，ＲＯＭ１２７，ＲＡＭ１２８は、バス１２５を介してデータの授受を行う。

ＭＰＵ１２６には、クロックジェネレータ１３０からクロック信号が供給され、ＭＰＵ１２６は、クロック信号に同期して様々な演算や処理を実行する。
ＲＯＭ１２７は、例えばデータの消去と書き換えが可能なＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）からなり、エンジン制御装置１１３を動作させるためのプログラム、設定データ及び初期値などを記憶する。

ＲＯＭ１２７が記憶する情報は、バス１２５を介してＲＡＭ１２８及びＭＰＵ１２６に取り込まれる。
ＭＰＵ１２６は、ＲＡＭ１２８を、演算結果や処理結果を一時的に記憶する作業領域として用いる。

なお、タイマ／カウンタ１２９は、時間の測定や回数の測定などに用いられる。
ＭＰＵ１２６が演算した点火制御信号、空燃比制御信号（換言すれば、燃料噴射制御信号）、燃圧制御信号などの操作量の信号は、バス１２５上に出力された後、Ｉ／Ｏ回路１２４を介して出力回路１２３から点火コイル２０２，燃料噴射弁３０１，燃料ポンプ３０３などに与えられる。

図２－図４は、燃料噴射弁３０１の構造の一態様を示す。
図２は燃料噴射弁３０１の全体構成を示す縦断面図、図３は燃料噴射弁３０１の先端部の拡大断面図、図４は燃料噴射弁３０１のオリフィスプレート２０の上面図である。

燃料噴射弁３０１は、パイプ１３にノズル体２及び弁体６を収容して構成され、弁体６を電磁コイル１１で往復動作させる。
燃料噴射弁３０１は、電磁コイル１１を取り囲む磁性体のヨーク１０と、電磁コイル１１の中心に位置するコア７と、弁体６と、弁体６が着座する弁座面３と、弁体６と弁座面３の隙間を通った燃料が流入する燃料噴射室４と、燃料噴射室４の下流に配置されたオリフィスプレート２０とを備える。

オリフィスプレート２０は、複数個の噴孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを備える。
また、コア７の中心には、弁体６を弁座面３に押圧するスプリング８が備えられる。
スプリング８の弾性力は、スプリングアジャスタ９によって調整される。

電磁コイル１１への通電が遮断されている場合、弁体６はスプリング８の弾性力によって弁座面３に着座し、燃料噴射弁３０１は閉弁状態になる。
係る閉弁状態においては、噴孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄからの燃料噴射は行われない。

一方、電磁コイル１１に通電された場合、弁体６は、電磁コイル１１が発生する電磁力によってコア７に接触するまで移動し、燃料噴射弁３０１は開弁状態になる。
係る開弁状態においては、弁体６と弁座面３の間に隙間が生じて燃料通路が開き、噴孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄから燃料が噴射される。

燃料噴射弁３０１の燃料入口部は、フィルター１４を有する燃料通路１２を備える。
燃料ポンプ３０３から圧送される燃料は、フィルター１４を通過して燃料噴射弁３０１の内部に流入し、噴孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄから外部に向けて噴射される。
また、燃料噴射弁３０１の外周は、樹脂モールド１５によって被覆されている。

次に、ノズル体２の構造の一態様を、図３を参照しつつ詳細に説明する。
オリフィスプレート２０の上面２０ａはノズル体２の下面２ａに接触していて、係る接触部分の外周をレーザ溶接して、オリフィスプレート２０をノズル体２に固定してある。

ノズル体２の下端部には、弁座面３が円錐状に形成され、更に、この弁座面３のシート部３ａの径φＳより小径の燃料導入孔５が設けられ、弁座面３の中心線及び燃料導入孔５の中心線は弁軸心Ｘに一致させてある。
そして、ノズル体２の下面２ａに、燃料導入孔５によって、オリフィスプレート２０の中央室２４に連通する開口が形成される。

次いで、オリフィスプレート２０の構造を詳述する。
オリフィスプレート２０の上面２０ａには凹形状部である中央室２４が設けられている。
中央室２４には４個の旋回用通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが接続されている。

旋回用通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、中央室２４の周方向に等間隔に配置され、外周に向けて放射状に延びる。
そして、旋回用通路２１ａの下流端は旋回室２２ａに連通し、旋回用通路２１ｂの下流端は旋回室２２ｂに連通し、旋回用通路２１ｃの下流端は旋回室２２ｃに連通し、旋回用通路２１ｄの下流端は旋回室２２ｄに連通する。

旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの壁面は、上流から下流に向かって曲率が次第に大きくなるように形成されていて、旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは、上流から下流に向けて徐々に中心に近づく渦巻き状の燃料通路を形成する。
旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ（換言すれば、スワール付与室）の中心には、噴孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄがそれぞれ開口している。

つまり、燃料噴射弁３０１は、噴孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄと旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとの組み合わせを複数有する。
なお、噴孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄと旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとの組み合わせを４個に限定するものではなく、３個や５個以上の組み合わせを設けることができる。

上記の燃料噴射弁３０１によれば、オリフィスプレート２０に設けた旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを経て噴孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄから噴射される燃料噴霧は、渦状の流れになることで微粒化が促進される。
つまり、オリフィスプレート２０に設けた旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ（及び、旋回用通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ、噴孔２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ）は、燃料噴射弁３０１において燃料噴霧の微粒化を促進する機構としての機能を奏する。

但し、燃料噴射弁３０１の微粒化促進機構を、旋回室２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄによって燃料噴霧を渦状の流れにする機構に限定するものではない。
例えば、燃料噴霧に空気流を衝突させる機構、弁体に螺旋状の溝を形成した機構、噴孔から噴射される前の燃料を加熱する機構などの微粒化促進機構を、燃料噴射弁３０１に適宜採用することができる。

次に、燃料噴射弁３０１における噴霧角や噴霧軸線などの噴射特性の設定について説明する。
燃料噴射弁３０１は、円錐状に燃料を噴射するが、噴射直後の円錐状に整った燃料噴霧の形から、噴霧粒子の指向性が弱まることで燃料噴霧の形に乱れが生じ始める位置であるブレイクアップ位置Ｌｓが、吸気弁１１９の上流になるように、噴霧粒子の貫徹力を設定してある。

なお、ブレイクアップ位置Ｌｓは、燃料噴射弁３０１の噴孔（燃料噴射弁３０１の先端）からの距離［mm］で定められる。
したがって、ブレイクアップ位置Ｌｓが吸気弁１１９の上流であることは、燃料噴射弁３０１の噴孔から吸気弁１１９までの距離よりも、燃料噴射弁３０１の噴孔からブレイクアップ位置Ｌｓまでの距離が短いことを示す。

また、ブレイクアップ位置Ｌｓは、燃料噴射弁３０１が重力方向下向きに燃料を噴射するときの噴霧粒子の速度で規定することができ、例えば、噴霧粒子の速度が８m／s以下となる位置（距離）をブレイクアップ位置Ｌｓとして規定できる。
図５は、燃料噴射弁３０１の噴孔からの距離と噴霧速度との相関を例示する図である。

燃料噴射弁３０１において、噴孔からの距離が４０mm付近で噴霧粒子の速度が８ｍ／ｓ以下になり、ブレイクアップ位置Ｌｓは噴孔から距離４０mmの位置になる。
係るブレイクアップ位置Ｌｓに設定された燃料噴射弁３０１を、噴孔から吸気弁１１９の傘部までの距離が４０mmより長くなるように吸気ポート１０２に取り付ける。

換言すれば、燃料噴射弁３０１の燃料噴霧の貫徹力が吸気弁１１９の傘部の手前で弱まって、吸気弁１１９に達する前に燃料噴霧の形に乱れが生じ始めるように、燃料噴射弁３０１の燃料噴霧の貫徹力を設定してある。
燃料噴射弁３０１の燃料噴霧のブレイクアップ位置Ｌｓを吸気弁１１９の上流に設定すれば、ブレイクアップ位置Ｌｓより下流側の吸気ポート１０２において、吸気ポート１０２の壁面への燃料の付着を抑制しつつ、吸気ポート１０２内に燃料噴霧を広く分布させることができ、吸気ポート１０２内での燃料噴霧と空気との予混合が均一になる。

ここで、燃料噴射弁３０１の噴孔からブレイクアップ位置Ｌｓまでの主噴霧の広がりをなるべく大きくすることで、吸気ポート１０２内に燃料噴霧を広く分布させる作用が大きくなる。
しかし、吸気流動が大きくなると、主噴霧が吸気流動（換言すれば、吸気流速）によって曲げられることで、主噴霧が吸気ポートの壁面に接触する場合がある。
そこで、燃料噴射弁３０１の噴霧角及び噴霧軸線を、吸気ポート１０２内の吸気流動で偏向された主噴霧がブレイクアップ位置Ｌｓにおいて吸気ポート１０２の壁面に接触しない噴霧角度及び噴霧軸線に設定した。

図６は、主噴霧が吸気流動で曲がられる様子を模式的に示す図であって、点線は吸気流動がない状態での主噴霧を示し、実線は吸気流動で曲げられた状態での主噴霧を示す。
なお、図６は、主噴霧の形状が変わることなく主噴霧が指向する方向が吸気流動によって変更された状態を示すが、実際には、主噴霧の形状は、整った円錐形から吸気流動によって歪に変形することになる。

燃料噴射弁３０１は、吸気流動が無い状態及び有る状態の双方で主噴霧の外縁が吸気ポート１０２の壁面に接触しないように、燃料噴射弁３０１の軸線Ａ（換言すれば、燃料噴射弁３０１の取り付け角度）及び噴霧角度θspが設定されている。
つまり、燃料噴射弁３０１は、吸気流動が無い状態で、主噴霧の外縁が吸気ポート１０２の壁面に接触せず、かつ、吸気流動で曲げられる側の主噴霧と吸気ポート１０２の壁面との間に、主噴霧が曲げられる量に見合うクリアランスを予め有するように、軸線Ａ及び噴霧角度θspが設定される。

換言すれば、燃料噴射弁３０１の噴孔からブレイクアップ位置Ｌｓまでの間の主噴霧が吸気流動による偏向によって吸気ポート１０２の内壁と接触するようになることを抑止するためのクリアランスを、主噴霧の外縁と吸気ポート１０２の内壁との間に有するように、主噴霧の形状を設定してある。

ここで、吸気流動が大きくなると（換言すれば、吸気流速が速くなると）、燃料噴射弁３０１の主噴霧は、吸気ポート１０２の曲率中心ＣＣから遠い側に向けて曲げられる。
したがって、上記のクリアランスを設けるために、燃料噴射弁３０１は、吸気ポート１０２の曲率中心ＣＣから遠い側の吸気ポート１０２の壁面に、軸線Ａが吸気弁１１９の傘部中心よりも曲率中心ＣＣ寄りを指向するように取り付けられる。

以下で、燃料噴射弁３０１の軸線Ａ及び噴霧角度θspの設定を、より詳細に説明する。
燃料噴射弁３０１の軸線Ａ及び噴霧角度θspの設定において、まず、主噴霧が吸気流動で曲げられる量である第１角度θ１を求める。

図７は、第１角度θ１の設定を説明するための図である。
吸気ポート１０２内を流れる吸気の主流線をＢとし、主流線Ｂと軸線Ａ（換言すれば、燃料噴射弁３０１の軸線）との交点をＰ１とする。

次いで、交点Ｐ１での噴霧の速度ベクトルをＶ１、内燃機関１０１の高回転高負荷域（換言すれば、主噴霧が曲げられる吸気流動が発生する条件）での交点Ｐ１における吸気の速度ベクトルをＶ２とし、速度ベクトルＶ１と速度ベクトルＶ２との合成ベクトルである速度ベクトルＶ３を求める。
そして、速度ベクトルＶ１と速度ベクトルＶ３とがなす角度を第１角度θ１として求める。

図８は、第１角度θ１に基づく軸線Ａ及び噴霧形状の設定を説明するための図である。
燃料噴射弁３０１の軸線Ａにおける噴孔の先端部を起点Ｏとする。
また、吸気ポート１０２の中心軸及び吸気弁１１９の軸心を含む仮想平面に投影したときに、ブレイクアップ位置Ｌｓで軸線Ａと直交する線を第１仮想線Ｃとする。

また、燃料噴射弁３０１の取り付け位置側の吸気ポート１０２の内壁面と第１仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ２とし、起点Ｏと接点Ｐ２とを結ぶ線を第２仮想線Ｄとする。
更に、第２仮想線Ｄを、起点Ｏを回転中心として主流線Ｂ側に第１角度θ１だけ回転させた仮想線を第３仮想線Ｅとする。

そして、燃料噴射弁３０１の噴霧形状を、燃料噴射弁３０１の噴孔からブレイクアップ位置Ｌｓまでの主噴霧の外縁が、第３仮想線Ｅ若しくは第３仮想線Ｅよりも主流線Ｂ側となるように設定する。
つまり、主噴霧の外縁が第３仮想線Ｅ若しくは第３仮想線Ｅよりも主流線Ｂ側となって、吸気ポート１０２の壁面と主噴霧の外縁との間に第１角度θ１以上のクリアランスを有するように、燃料噴射弁３０１の噴霧角度θsp及び軸線Ａを設定する。

具体的には、燃料噴射弁３０１の取り付け位置とは逆側の吸気ポート１０２の内壁面と第１仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ３とし、起点Ｏと接点Ｐ３とを結ぶ線を第４仮想線Ｆとする。
このとき、第４仮想線Ｆと軸線Ａとがなす角度θ４が、噴霧角度θspの半分の角度以上となり、かつ、第２仮想線Ｄと軸線Ａとがなす角度が、噴霧角度θspの半分の角度と第１角度θ１との加算値以上となるように、噴霧角度θsp及び軸線Ａを設定する。

なお、噴霧角度θspが小さすぎると、主噴霧と吸気ポート１０２の壁面との接触を抑制できたとしても予混合の均一性を十分に得ることができなくなる可能性がある。
そこで、噴霧角度θspが下限角度以上となるように、燃料噴射弁３０１のブレイクアップ位置Ｌｓ、燃料噴射弁３０１の取り付け位置などを設定する。
ここで、噴霧角度θspの下限は、例えば、２０degとすることができる。

以上のように、軸線Ａ及び噴霧角度θspを設定すれば、主噴霧が吸気流動で偏向されても主噴霧が吸気ポート１０２の壁面に接触することを抑止できる。
したがって、吸気ポート内の予混合が均一性を向上させることができ、未燃損失の減少、ノッキング性能の向上、燃焼性の改善などを図ることができる。

図９は、上記のようにして軸線Ａ及び噴霧角度θspを設定したときに、吸気流動で主噴霧が曲げられた状態を示す。
主噴霧は、吸気流動によって第１角度θ１だけ曲げられることになるが、係る第１角度θ１に相当するクリアランスを主噴霧の外縁と吸気ポート１０２の壁面との間に予め設けてあるため、主噴霧が吸気流動によって第１角度θ１だけ曲げられても、主噴霧が吸気ポート１０２の壁面に接触することが抑止される。

ところで、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力を高く変更すれば、前述した速度ベクトルＶ１の大きさが大きくなり、主噴霧が吸気流動で曲げられる量である第１角度θ１は小さくなる。
そして、第１角度θ１が小さくなれば、主噴霧が吸気流動による偏向によって吸気ポート１０２の内壁と接触することを抑止するために設けるクリアランスを小さくでき、相対的に噴霧角度θspを大きくすることができる。

そこで、エンジン制御装置１１３が、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力を吸気ポート１０２内の吸気流動の増加、換言すれば、内燃機関１０１の負荷、回転速度の増加に応じて上昇させる燃圧制御部としての機能を備え、係る圧力制御が実施される条件下で、吸気ポート１０２内の吸気流動で偏向された主噴霧がブレイクアップ位置Ｌｓにおいて吸気ポート１０２の壁面に接触しない噴霧角度θsp及び軸線Ａに設定することができる。

以下では、燃圧制御を伴って主噴霧が吸気ポート１０２の壁面に接触しないようにするシステム設定を説明する。
内燃機関１０１は、エンジン制御装置１１３及び燃料ポンプ３０３からなる燃圧制御装置を備え、この燃圧制御装置は、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力を可変に制御する。

ここで、エンジン制御装置１１３は、燃圧センサ３０５が計測した燃圧ＦＰと目標燃圧との比較に基づき燃料ポンプ３０３の吐出量を制御することで、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力を目標燃圧に制御する。
そして、燃料噴射弁３０１の主噴霧が吸気流動によって曲げられても、主噴霧が吸気ポート１０２の壁面に接触しないように、燃料噴射弁３０１の軸線Ａ，噴霧角度θspの設定及び燃圧ＦＰの目標値の設定を行い、エンジン制御装置１１３は、係る燃圧ＦＰの目標値にしたがって燃料ポンプ３０３の吐出量を制御する。

つまり、ブレイクアップ位置Ｌｓにおいて、吸気の流速の増加によって主噴霧が偏向する側での主噴霧の外縁と吸気ポート１０２の内壁との間のクリアランスが、前記偏向する側とは逆側での主噴霧の外縁と吸気ポート１０２の内壁との間のクリアランスよりも大きくなるように、燃料噴射弁３０１の噴霧形状を設定する。
更に、燃圧制御装置としてのエンジン制御装置１１３は、吸気ポート１０２内における吸気の速度が速くなるほど（換言すれば、吸気流動が大きくなるほど）燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力を高くすることで噴霧の速度ベクトルＶ１の大きさを大きくして、吸気速度の増加による噴霧の偏向を抑制する。

以下では、クリアランスの設定及び燃圧ＦＰの設定を、より詳細に説明する。
図１０は、主噴霧の外縁線Ｇと第２仮想線Ｄとがなす第２角度θ２が、標準燃圧のときに主噴霧が吸気流動で曲げられる量である第１角度θ１より小さい場合を示す図である。

ここで、第２角度θ２は実際のクリアランスであるから、標準燃圧のときに第２角度θ２が第１角度θ１より小さい場合は、標準燃圧の条件下では主噴霧が吸気流動で曲げられると、主噴霧が吸気ポート１０２の壁面に接触することになる。
そこで、以下に説明するように、標準燃圧のときに第２角度θ２が第１角度θ１より小さくなる条件であっても、吸気ポート１０２の壁面に接触することを抑制できるように、エンジン制御装置１１３は燃圧ＦＰを制御する。

図１１は、吸気主流速度、機関負荷及び機関回転速度の相関を示す図であり、吸気主流速度は、内燃機関１０１の運転条件が高負荷、高回転速度であるときは、低負荷、低回転速度のときよりも速くなる。
図１２は、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力が、内燃機関１０１の運転条件に関わらずに標準燃圧に固定される条件下での第１角度θ１と第２角度θ２との差、つまり、クリアランスの不足分と、機関負荷及び機関回転速度との相関を示す図である。

前述したように、内燃機関１０１の運転条件が高負荷、高回転速度であるときは低負荷、低回転速度であるときよりも吸気主流速度が速くなり、吸気の速度ベクトルＶ２の大きさが大きくなって第１角度θ１が大きくなる。
したがって、第１角度θ１と第２角度θ２との差は、内燃機関１０１の運転条件が高負荷、高回転速度であるときは、低負荷、低回転速度であるときよりも大きくなる。

図１３は、第２角度θ２を第１角度θ１以上とするための噴霧速度、機関負荷及び機関回転速度の相関を示す図である。
ここで、第２角度θ２を第１角度θ１以上とするための噴霧速度とは、主噴霧が吸気流動で曲げられても吸気ポート１０２の壁面に接触しない噴霧速度である。

噴霧速度が速くなれば、同じ吸気主流速度の条件下で第１角度θ１が小さくなる。
したがって、第１角度θ１と第２角度θ２との差が大きくなる高負荷、高回転速度の領域のときに、第１角度θ１と第２角度θ２との差が小さくなる低負荷、低回転速度の領域のときよりも噴霧速度を速くすることで、第２角度θ２を第１角度θ１以上とすることができる。
つまり、内燃機関１０１の運転条件が高負荷、高回転速度であるときは低負荷、低回転速度であるときよりも噴霧速度を速くすることで、主噴霧が吸気流動で曲げられる量が減り、主噴霧が吸気ポート１０２の壁面に接触することを抑制できる。

図１４は、噴霧速度の違い、詳細には、噴霧の速度ベクトルＶ１の違いによる第１角度θ１の変化を示す図である。
速度ベクトルＶ１，Ｖ１’は、速度ベクトルＶ１の大きさに比べて速度ベクトルＶ１’の大きさが大きくなるように設定される。つまり、速度ベクトルＶ１’は、速度ベクトルＶ１に比べて噴霧速度が速い条件である。

ここで、吸気の速度ベクトルＶ２と噴霧の速度ベクトルＶ１との合成ベクトルである速度ベクトルＶ３と、吸気の速度ベクトルＶ２と噴霧の速度ベクトルＶ１’との合成ベクトルである速度ベクトルＶ３’とを求め、速度ベクトルＶ１と速度ベクトルＶ３とがなす第１角度θ１、及び、速度ベクトルＶ１’と速度ベクトルＶ３’とがなす第１角度θ１’をそれぞれ求める。
このとき、第１角度θ１＞第１角度θ１’となり、噴霧速度を速くすることで、主噴霧が吸気流動で曲げられる量である第１角度θ１が小さくなることが分かる。

したがって、第２角度θ２が第１角度θ１よりも小さい運転条件において、噴霧速度を上げて第１角度θ１を小さくすることで、第２角度θ２≧第１角度θ１を満たすようにすることができる。
そして、第２角度θ２≧第１角度θ１を満たせば、主噴霧が吸気流動で曲げられたときに、主噴霧が吸気ポート１０２の壁面に接触することを抑制できる。

図１５は、燃料噴射弁３０１に供給する燃圧と噴霧速度との相関を示す図である。
燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力が上昇すると、噴霧速度はより速い速度に変化する。
第２角度θ２≧第１角度θ１を満たすためには、内燃機関１０１の運転条件が高負荷、高回転速度であるときに低負荷、低回転速度であるときよりも噴霧速度を速くすることが要求される（図１３参照）。

そこで、エンジン制御装置１１３は、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力を吸気ポート１０２内の吸気流動の増加、換言すれば、内燃機関１０１の負荷、回転速度の増加に応じて上昇させる。
つまり、エンジン制御装置１１３は、燃料噴射弁３０１に供給される燃料の圧力が標準圧力であるときの第１角度θ１が第２角度θ２よりも大きい場合、内燃機関１０１の高回転高負荷域において、燃料噴射弁３０１に供給される燃料の圧力を標準圧力よりも高くすることで、第１角度θ１を第２角度θ２若しくは第２角度θ２よりも小さくする。

上記のように、エンジン制御装置１１３が、燃料噴射弁３０１に供給する燃料の圧力を、吸気流速が速くなるほど標準圧力よりも高い圧力に変更する制御を実施すれば、標準圧力のときに吸気流動で偏向された噴霧が吸気ポート１０２の壁面に接触する噴霧角及び噴霧軸線に設定しても、主噴霧が吸気ポート１０２の壁面に接触することを抑止することが可能になる。
したがって、吸気ポート内での燃料噴霧と空気との予混合を均一化させることができ、未燃損失の減少、ノッキング性能の向上などの効果が得られる。

上記実施形態で説明した各技術的思想は、矛盾が生じない限りにおいて、適宜組み合わせて使用することができる。
また、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

例えば、吸気ポート１０２を、途中から２つに分岐するサイアミーズポートとすることができる。
そして、吸気ポート１０２がサイアミーズポートである場合、分岐後の各吸気ポートそれぞれに燃料噴射弁３０１を配した燃料噴射システムとすることができ、また、各吸気ポートに向けて２方向に噴射する１本の燃料噴射弁３０１を備える燃料噴射システムとすることができる。

また、燃料噴射弁３０１による噴射終了タイミングを、吸気上死点前、好ましくは、筒内に向かう吸気の流れが生じる前に設定すれば、燃料噴射弁３０１から噴射された燃料噴霧を吸気ポート１０２内に広く拡散させ、燃料噴霧と空気との予混合を均一化してから、予混合気を筒内に吸引させることができる。
また、燃料噴射弁３０１の燃料噴霧の横断面の形状は、吸気ポート１０２の横断面の形状などに応じて、円形や楕円形などに適宜設定することができる。

また、燃圧制御は、燃料ポンプ３０３の吐出量を制御する構成に限定されず、例えば、燃料配管３０４から燃料タンク３０２に戻す燃料量を制御する構成とすることができる。
また、燃圧制御において、機関負荷、機関回転速度に加えて、冷却水温度などで代表される機関温度の条件に応じて目標燃圧を変更することができる。

１０１…内燃機関、１０２…吸気ポート、１１３…エンジン制御装置（燃圧制御装置）、１１９…吸気弁、３００…燃料供給装置、３０１…燃料噴射弁、３０３…燃料ポンプ（燃圧制御装置）

Claims (3)

1. 吸気弁の上流の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
   前記燃料噴射弁の噴霧のブレイクアップ位置を、前記吸気弁の上流に設定し、
   前記燃料噴射弁の噴霧角及び噴霧軸線を、前記吸気ポート内の吸気流動で偏向された噴霧が前記ブレイクアップ位置において前記吸気ポートの壁面に接触しない噴霧角及び噴霧軸線に設定した、内燃機関であって、
   噴霧角及び噴霧軸線の設定において、
   前記燃料噴射弁の軸線Ａにおける噴孔の先端部を起点Ｏとし、
   前記吸気ポート内を流れる吸気の主流線Ｂと前記軸線Ａとの交点Ｐ１での噴霧の速度ベクトルＶ１、前記内燃機関の高回転高負荷域での前記交点Ｐ１における吸気の速度ベクトルＶ２、及び、前記速度ベクトルＶ１と前記速度ベクトルＶ２との合成ベクトルである速度ベクトルＶ３を求め、
   前記速度ベクトルＶ１と前記速度ベクトルＶ３とがなす角度である第１角度θ１を求め、
   前記吸気ポートの中心軸及び前記吸気弁の軸心を含む仮想平面に投影したときに、前記ブレイクアップ位置で前記軸線Ａと直交する線を第１仮想線Ｃとし、前記燃料噴射弁の取り付け位置側の前記吸気ポートの内壁面と前記第１仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ２とし、前記起点Ｏと前記接点Ｐ２とを結ぶ線を第２仮想線Ｄとし、前記第２仮想線Ｄを、前記起点Ｏを回転中心として前記主流線Ｂ側に前記第１角度θ１だけ回転させた仮想線を第３仮想線Ｅとしたとき、
   前記燃料噴射弁の噴霧形状を、前記燃料噴射弁の噴孔から前記ブレイクアップ位置までの主噴霧の外縁が、前記第３仮想線Ｅと一致するか、若しくは、前記第３仮想線Ｅよりも前記主流線Ｂ側となるように設定した、
   内燃機関。
2. 吸気弁の上流の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁に供給する燃料の圧力を可変とする燃圧制御装置を備え、
   前記燃料噴射弁の噴霧のブレイクアップ位置を、前記吸気弁の上流に設定し、
   前記燃料噴射弁の噴霧角及び噴霧軸線を、前記吸気ポート内の吸気流動で偏向された噴霧が前記ブレイクアップ位置において前記吸気ポートの壁面に接触しない噴霧角及び噴霧軸線に設定した、内燃機関であって、
   噴霧角及び噴霧軸線の設定において、
   前記燃料噴射弁の軸線Ａにおける噴孔の先端部を起点Ｏとし、
   前記吸気ポート内を流れる吸気の主流線Ｂと前記軸線Ａとの交点Ｐ１での噴霧の速度ベクトルＶ１、前記内燃機関の高回転高負荷域での前記交点Ｐ１における吸気の速度ベクトルＶ２、及び、前記速度ベクトルＶ１と前記速度ベクトルＶ２との合成ベクトルである速度ベクトルＶ３を求め、
   前記速度ベクトルＶ１と前記速度ベクトルＶ３とがなす角度である第１角度θ１を求め、
   前記吸気ポートの中心軸及び前記吸気弁の軸心を含む仮想平面に投影したときに、前記ブレイクアップ位置で前記軸線Ａと直交する線を第１仮想線Ｃとし、前記燃料噴射弁の取り付け位置側の前記吸気ポートの内壁面と前記第１仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ２とし、前記起点Ｏと前記接点Ｐ２とを結ぶ線を第２仮想線Ｄとし、前記燃料噴射弁の噴霧形状の設定において噴霧の外縁と前記第２仮想線Ｄとがなす角度を第２角度θ２としたときに、
   前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力が標準圧力であるときの前記第１角度θ１を、前記第２角度θ２よりも大きくし、
   前記内燃機関の高回転高負荷域において、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を前記標準圧力よりも高くすることで、前記第１角度θ１を前記第２角度θ２と一致させるか、若しくは、前記第２角度θ２よりも小さくする、
   内燃機関。
3. 吸気弁の上流の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
   前記燃料噴射弁の噴霧のブレイクアップ位置を、前記吸気弁の上流に設定し、
   前記燃料噴射弁の噴霧角及び噴霧軸線を、前記吸気ポート内の吸気流動で偏向された噴霧が前記ブレイクアップ位置において前記吸気ポートの壁面に接触しない噴霧角及び噴霧軸線に設定した、内燃機関であって、
   噴霧角及び噴霧軸線の設定において、
   前記燃料噴射弁の軸線Ａにおける噴孔の先端部を起点Ｏとし、
   前記吸気ポート内を流れる吸気の主流線Ｂと前記軸線Ａとの交点Ｐ１での噴霧の速度ベクトルＶ１、前記内燃機関の高回転高負荷域での前記交点Ｐ１における吸気の速度ベクトルＶ２、及び、前記速度ベクトルＶ１と前記速度ベクトルＶ２との合成ベクトルである速度ベクトルＶ３を求め、
   前記速度ベクトルＶ１と前記速度ベクトルＶ３とがなす角度である第１角度θ１を求め、
   前記吸気ポートの中心軸及び前記吸気弁の軸心を含む仮想平面に投影したときに、前記ブレイクアップ位置で前記軸線Ａと直交する線を仮想線Ｃとし、前記燃料噴射弁の取り付け位置側の前記吸気ポートの内壁面と前記仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ２とし、前記燃料噴射弁の取り付け位置とは逆側の前記吸気ポートの内壁面と前記仮想線Ｃとの接点を接点Ｐ３とし、前記起点Ｏと前記接点Ｐ２とを結ぶ線を仮想線Ｄとし、前記起点Ｏと前記接点Ｐ３とを結ぶ線を仮想線Ｆとし、前記燃料噴射弁の噴霧角度をθspとしたとき、
   前記仮想線Ｆと前記軸線Ａとがなす角度が、前記噴霧角度θspの半分の角度以上となり、かつ、前記仮想線Ｄと前記軸線Ａとがなす角度が、前記噴霧角度θspの半分の角度と前記第１角度θ１との加算値以上となるように、前記噴霧角度θsp及び前記軸線Ａを設定した、
   内燃機関。

Images