WO1996036808A1

WO1996036808A1 - Moteur a combustion interne de type a injection dans le cylindre

Info

Publication number: WO1996036808A1
Application number: PCT/JP1996/001292
Authority: WO
Inventors: Shigeo Yamamoto; Hiromitsu Ando; Osamu Hirako; Hiroshi Tanada; Kyoya Igarashi; Hiroaki Miyamoto
Original assignee: Mitsubishi Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 1996-11-21
Also published as: SE9700102D0; US5740777A; SE511466C2; SE9700102L; JP3087309B2

Description

明細書筒内噴射式内燃機関 . 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焼を行ない低出力時には層状燃焼を行ないそれぞれの燃焼状態を機関の運転状態によつ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、吸気ポー卜内に配置された燃料噴射弁によりこの吸気ポ一ト内に燃料を噴射するような吸気ポー卜内燃料噴射方式を採用したものがある。

この吸気ポー卜内燃料噴射方式では、吸気ポ一卜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式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（スィトキォ燃焼運転）を行なうようにする技術が開発されている o

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つて、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ツ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 一 2 7 3 8 7 3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焼室内全域に向かつて自己拡散性の高い燃料噴射を、副噴孔からは点火ブラグに向かつ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 一 2 7 3 8 7 3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ブ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へ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均一に円錐形状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。

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霧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度合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過濃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卜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卜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つ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、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ロ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そなえた、スワール型燃料噴射弁であることが好ましい。

これにより、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る。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。

さらには、該シリンダへ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卜に装備された吸気弁とをそなえ、該シリンダ上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、該吸気ポ一卜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シリンダ上面に対して窪んだ曲面状凹所が形成され、該シリンダ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へ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、該シリンダへ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 _c 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一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小さ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ていることが好ましい。

これにより、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。

この場合にも、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ロ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そなえた、スワール型燃料噴射弁であることが好ましい。

これにより、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る。また、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、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つ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 6 0 ° T D C ) において、該燃料噴射弁の吸気行程前半で該ピス卜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卜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での燃料噴射では、燃料が該凹所内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。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。

あるいは、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、先端に該噴ロを形成するコ一ン型噴口内周面と当接し密着しうる当接部を有し該当接部を通じて該噴ロを開閉しうる開閉手段と、該当接部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、 4 0〜7 Odeg 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（D s) ，該旋回流の旋回流速（V s ) ，燃料の動粘度 O) に基づいて式〔R e =D s · V sZ ( 2 · ι 〕で定義される該噴口における旋回レイノルズ数（R e) と、該燃料噴射弁の噴射圧（P) とから得られて単位が〔 1 ZMP a °· ⁵ 〕である値（R e/^TP) を 1 0 0 0 0〜 2 0 0 0 0の範囲内に設定することが好ましい。

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

F I G. 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。

F I G. 2 (a) , F I G. 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構（開閉手段）を示す図であつて、 F I G. 2 (a) は燃料噴射弁の開閉機構を示す模式的な断面図、 F I G. 2 (b) は F I G. 2 ( a ) における A _ A断面図である。

F I G. 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。

F I G. 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。

F I G. 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。

F I G. 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、 F I G. 5における燃料噴霧の横断面図である。

F I G. 7 (a) , F I G. 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、 F I G. 7 (a) は噴射開始直後の状態、 F I G. 7 (b) は噴射中期の通常状態をそれぞれ示す _c

F I G. 8 (a) ， F I G. 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、 F I G. 8 (a) は噴射中期の通常状態を示し、 F I G. 8 (b) は噴射開始直後及び噴射終了直前の状態を示す。

F I G. 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。

F I G. 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。

F I G. 1 1 (a) , F I G. 1 1 (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、 F I G. 1 1 (a) は燃料噴射時の燃料の状態を示し、 F I G. 1 1 (b) は燃料噴射後の燃料の状態を示す。

F I G. 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。

F I G. 1 3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。

F I G. 1 (a) , F I G. 1 4 (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霧状態を示す図であり、 F I G. 1 4 (a) はその模式的な側面図、 F I G.

1 4 (b) はその噴霧の横断面図〔F I G. 1 4 (a) の B— B矢視断面図〕である。

F I G. 1 5 (a) , F I G. 1 5 (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、 F I G. 1 5 (a) はその模式的な側面図、 F I G.

1 5 (b) はその噴霧の横断面図〔F I G. 1 5 (a) の B— B矢視断面図〕である。

F I G. 1 6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。

F I G. 1 7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。

F I G. 1 8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。

F I G. 1 9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。

F I G. 2 0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。

F I G. 2 1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。

F I G. 2 2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。

F I G. 2 3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。

F I G. 2 4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。

F I G. 2 5 (a) , F I G. 2 5 (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、 F I G. 2 (a) , F I G. 2 (b) と対応し、 F I G. 2 5 (a) は噴口近傍の模式的な縦断面図、 F I G. 2 5 (b) は噴口近傍の模式的な横断面図である。

F I G. 2 6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。

F I G. 2 7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（LZD) に対する噴霧のバラツキを示す図である。

F I G. 2 8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。

F I G. 2 9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 ZD毎の水平流量分布図心の特性を示す図である。

F I G. 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（R eZ p) に対する噴口の LZD毎の水平流量分布図心の特性を示す図である。

F I G. 3 1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め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

F I G . 1〜F I G . 1 3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 3 0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、 F I G . 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 E C U等から電気信号を入力されると、リタ一ンスプリング 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 E C U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つている。

特に、燃料噴射制御部としての E CU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弁時期を算出して、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一夕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の作用によりリ夕一ンスプリング 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 1 5がストッパ部材 1 6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、二一ドルバルブ 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、上述の二一ドルバルブ 3が上下することによつて噴口 7を開閉できるようになっているが、詳細には F I G. 2 (a) ， F I G. 2 (b) ， F I G. 3， F I G. 4に示すような構成を有している。

ここで、この F I G. 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を形成するコ一ン型噴口内周面 7 a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 7 a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 3 aを有している。これにより、燃料噴射弁 3 0を長期間使用することで、コーン型当接面 3 aの磨耗が進んだ場合においても、コーン型当接面 3 a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さる。

また、 F I G . 2 ( a ) ， F I G . 2 ( b ) において、 1 0は燃料案内流路であり、この燃料案内流路 1 0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 Ί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 1 0 a及び旋回付与用流路 1 O bをそなえている。

ここで、外周側導入部 1 0 a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 1 O b は、外周側導入部 1 0 a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 1 0 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 F I G . 3に示すコーン型旋回流 Bが与えられるようになつている。即ち、上述の燃料案内流路 1 0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 1 0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 1 O b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 1 0 b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つて、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、 F I G . 4において、デッドボリューム（燃料滞留部） 1 1 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、このデッドボリュ一ム 1 1は、噴口 7におけるコーン型噴口内周面 7 aとコーン型当接面 3 a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、デッドボリユーム 1 1に滞留されている燃料についても、二 —ドルバルブ 3がリフトされた際に、上述の燃料案内流路 1 0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 1 0に内在する燃料及びデッドボリューム 1 1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 F I G. 5 (噴射方向に対して平行な断面方向）又は F I G. 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 F I G. 5又は F I G. 6に示すように、燃料案内流路 1 0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 Β' が形成され、デッドボリューム 1 1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、デッドボリユーム 1 1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 F I G. 5， F I G. 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、 F I G. 7 (a) , F I G. 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 1 0からの燃料あるいはデッドボリュ一ム 1 1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。このような二一ドルバルブ 3の開動初期においては、燃料案内流路 1 0から燃料が F I G. 7 (a) の B 1に示す噴霧形状（周辺噴霧）で少量噴射され、デッドボリユーム 1 1に滞留されている燃料は、 F I G.

7 (a) の C 1に示すような噴霧形状（中心噴霧）で中実に噴射される _c これにより、中心噴霧 C 1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 C 1の量が周辺噴霧 B 1の量よりも多く、噴口 7の下部においては、例えば F I G.

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つている。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、リタ一ンスプリング 2力、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、二一ドルバルブ 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 c この場合においては、燃料案内流路 1 0からの燃料も、 F I G. 7 ( b) の B 2のような噴霧形状で大量に噴射される。また、デッドボリューム 1 1に滞留されている燃料はニードルバルブ 3のリフ卜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 F I G.

7 (b) の C 2のようなものとなる。これにより、周辺噴霧 B 2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 B 2の量が中心噴霧 C 2の量よりも多く、噴口 7の下部においては、例えば F I G. 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、この電磁バルブ 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 1 0に内在する燃料及びデッドボリューム 1 1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、 F I G. 9に示すような 1 1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、 1 2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 1 2は容器隔壁高さ 2 5 mmでありそれぞれ径の異なる環状の採取容器 12 Aを 1 1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 50 mm) を余弦として定義される角度に対応して噴射パルス幅 lms e cで周期的に複数回（例えば 1 000回）噴射された噴霧を、各採取容器 1 2 Aにおいて採取し、各採取容器 1 2 A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、 J I S規定の試験方向によると、 1 5/4° Cにおける比重が 0. 7 7、 2 0° Cにおける粘度（c s t) 力 1. 1 7〜： L. 2 3、分留性状〔50%留出温度（° C) 〕が 1 6 5、分留性状〔終点（° C) 〕力 1 96である。

例えば、この F I G. 9に示す測定モデルを用いて、上述の F I G. 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、 F I G. 1 0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 F I G. 1 0において、噴射角度が狭角の領域 Pは中心噴霧 C 2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 B 2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 3 0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 F I G. 1 1 (a) 又は F I G. 1 1 (b) に示すような位置に配置することができる。

この F I G. 1 1 (a) ， F I G. 1 1 (b) において、 2 0はシリンダ、 2 1は燃焼室、 2 2はピストン、 2 3は吸気ポー卜、 2 4は吸気弁、 2 5は点火プラグ、 2 6は排気弁、 2 7はシリンダヘッドである。また、吸気ポート 2 3は、シリンダへッド 2 7下面のシリンダ 2 0の軸心線 2 8を含む基準面の一側に形成され、吸気弁 2 4は、吸気ポー卜 2 3の燃焼室 2 1への開口を開閉するように吸気ポー卜に装備されていな o

さらに、ピストン 2 2の上面には、シリンダ 2 0上面における基準面 (シリンダ軸心線 2 8を含む仮想平面）の一側の吸気ポ一ト 2 3の開口と対向する部位に、吸気ポート 2 3から燃焼室 2 1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 2 0上面に対して窪んだ曲面状凹所 2 2 Aが形成され、シリンダ 2 0上面における基準面の他側に、凹所 2 2 Aからなだらかに隆起するとともにピストン 2 2の上死点においてシリンダへッド下面に接近しうる隆起部 2 2 B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 2 2 B は、凹所 2 2 Aから直線的に隆起するなど、 F I G. 1 1 (a) , F I G. 1 1 (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 _c また、シリンダへッド 2 7下面におけるシリンダ軸心線 2 8の近傍に点火プラグ 2 5が配設されるとともに、燃料噴射弁 3 0は、ピストン 2 2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 2 2 A へ向くように配設されている。さらに、燃料噴射弁 3 0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 5 0気圧）で燃料噴射を行なえるようになつている。

さらに、上述の燃料噴射弁 3 0が配置された内燃機関においては、図示しない E C U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、二一ドルバルブ 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、 F I G . 7 ( a ) に示すような、中心噴霧 C 1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 3 0からの中心噴霧 C 1を主体として噴霧された燃料が、ピストン 2 2の凹所 2 2 A内面で反射した後、点火プラグ 2 5に向かうようにして、点火プラグ 2 5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つている（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、吸気ポー卜 2 3から吸気流が燃焼室 2 1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、 F I G . 7 ( b ) に示すように、周辺噴霧 B 2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、ストィキォ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つている（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 3 0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 E C U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、二一ドルバルブ 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 C 1 〔F I G . 7 ( a ) 又は F I G . 7 ( c ) 参照〕により噴射される燃料量を多くするとともに、一回の二一ドルバルブ 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、 F I G . 1 1 ( a ) に示すように、吸気ポート 2 3から吸気流が燃焼室 2 1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 2 2が矢印で示されるように上昇し燃焼室 2 1内の吸気流を圧縮する圧縮行程において、中心噴霧 C 1を主体とした燃料噴射を行なうことにより、中心噴霧 C 1は燃焼室 2 1内においてビストン 2 2の凹所 2 2 A内面において反射し、反射後は点火プラグ 2 5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 2 2上面の凹所 2 2 Aも適当に上昇していて、この凹所 2 2 A内面で反射した燃料を点火プラグ 2 5に向かわせることが容易になる。

この際、周辺噴霧 B 1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 B 1も中心噴霧 C 1に収束しながら、ビストン 2 2の凹所 2 2 Aの内面で反射した後に点火プラグ 2 5へ向かうようになる。即ち、圧縮行程においては周辺噴霧 B 1 も点火プラグ 2 5へ収束させることができる。これにより、 F I G. 1 1 (b) に示すように、点火プラグ 2 5近傍において比較的リツチな可燃混合気が形成され、圧縮行程の後の燃焼行程においては、点火プラグ 2 5の点火により、超希薄層状燃焼を行なうことができる。

F I G. 1 2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、 D 3で示す「中空」が最も大きく、次に D 2で示す「 2段」が高いが、これらに比べて D 1で示す「中実」は小さい。また、リーン限界空燃比は、逆に、 E 1で示す

「中実」及び E 2で示す「2段」が高いが、これらに比べて E 3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〔F I G. 7 (a) 参照〕のように中心噴霧 C 1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、 F I G. 12中に E 1又は E 2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、 F I G. 1 3に示すように、他の燃料噴霧形状（G 1参照）の場合に比して、空燃比にかかわらず燃焼変動率 F 1を安定化させることができるほか、他の燃料噴霧形状（G 2参照）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 F 2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 2 3から吸気流が燃焼室 2 1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 B 2 C F I G . 7 ( b ) 参照〕により噴射される燃料を多くして、燃焼室 2 1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 B 2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 2 1 内の吸気流と噴霧とが混合されることにより、燃焼室 2 1内全体にわたつて、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。

F I G . 1 2を参照して説明すれば、内燃機関の負荷が高い場合は、 F I G . 1 2の点 D 2， D 3に示すように、前述の F I G . 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一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、比較的少量の燃料噴射を行ないながら、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 3 0を F I G . 1 1 ( a ) ， F I G . 1 1 ( 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 3 0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、比較的少量の燃料噴射で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ツ卜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

F I G. 1 4〜F I G. 2 0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 F I G. 1 1 (a) , F I G. 1 1 (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、 F I G. 14 (a) , F I G. 1 4 (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 B Bとも称することにするが、例えば F I G. 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 1 1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 B Bを F I G. 1 6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、 F I G. 1 4 (a) ， F I G. 1 4 (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 3 0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、 F I G. 1 4 (a) ， F I G. 1 4 (b) に示すように、旋回流速度成分 R 1及び速度べクトル 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 R 1及び Vは、回転方向の成分 V Θと遠心方向に向かう成分 VRと噴射中心軸線 Mに沿つた方向に向かう成分 V tとに分けて考えることができるカ^ 大気圧以下の雰囲気下では、各速度成分 V 0, VR, V t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、 F I G. 1 7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） B Bで噴射されると、ホ口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 B Bの外側では周囲の空気の巻込み R 2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。

—方、 F I G. 1 8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. 0 MP aと非常に高圧になり、 F I G. 1 5 (a) ， F I G. 1 5 (b ) に示すように、広がりの小さいコンパクト噴霧 B B' が形成される。

このように高圧下でコンパクト噴霧 B B' 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 o つまり、燃料噴射弁 3 0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、 F I G. 1 5 (a) , F I G. 1 5 (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 R 1' 及び V' は、回転方向の成分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 V t' 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 V0' , VR' , V f 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は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、 F I G. 2 0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 P 1参照）は、燃料の噴射雰囲気圧が大気圧の場合（曲線 P 2参照）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、 F I G. 1 9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ィ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 2 2の上面に曲面状凹所 2 2 Aが形成されており、矢印のごとくピストン 2 2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 2 2 Aに向かって、さらに、この凹所 2 2 Aで反射した後に、燃焼室 2 1の上方の点火プラグ 2 5の着火点に向かうように、燃料噴射弁 3 0による燃料噴射のタイミング、及び, 燃料噴射弁 3 0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 2 2 Aの形状も、燃料噴射弁 3 0から噴射された燃料を点火ブラグ 2 5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 3 0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 2 5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、 F I G . 1 6に示すように、燃料噴射弁 3 0により吸気行程噴射を行なつて、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 2 2下降時の吸気行程で燃料噴射が行なわれると、 F I G . 1 4 ( a ) ， F I G . 1 4 ( b ) ， F I G . 1 6 に示すように、広がりのあるホロコーン噴霧 B Bが形成される。このような広がりのあるホロコーン噴霧 B Bによると、 F I G . 1 7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、これに伴つ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 2 5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 _c もちろん、効率のよい燃焼は、排気ガス中の H C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、 F I G. 1 8に示すように、燃料噴射弁 3 0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、 F I G. 1 5 (a) ， F I G. 1 5 (b) ， F I G. 1 8に示すように、広がりの小さいコンパクト噴霧 B B' が形成される。

このようにコンパクト噴霧 B B' が形成されると、 F I G. 1 9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 22 Aで反射し、且つ、ビストンの押し上げに伴って、燃焼室 2 1の上方の点火プラグ 2 5の着火点に向かう。この反射時に、凹所 2 2 Aが燃料を点火プラグ 2 5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 2 5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） B B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性と、ピストン 22上面の凹所 22 A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つ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） B Bを凹所 2 2 A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によるリ一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、微粒化されたコ一ン状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つてもかまわない。

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、 F I G . 2 1に示すような形状も考れる o

つまり、 F I G . 2 1に符号 B C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、 F I G . 1 2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、圧縮行程噴射時の噴霧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 2 2上面に到達する燃料噴霧の先端が凹所 2 2 Aよりも大きく拡がって燃焼室 2 1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 2 2上面に到達する燃料噴霧の先端が凹所 2 2 A内に収まるように縮径しながら凹所 2 2 A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、燃焼室 2 1 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 2 1内の凹所 2 2 A内に部分的に供給してさらにこの凹所 2 2 Aによる案内で点火プラグ 2 5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 2 2 A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 B T D C 3 0 0 ° (吸気上死点前 3 0 0 ° 、即ち、排気上死点後 6 0 ° ) と B T D C 6 0 ° (圧縮上死点前 6 0 ° ) 〕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 2 2上面に到達する噴霧先端の噴霧外径が凹所 2 2 A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 2 2上面に到達する噴霧先端の噴霧外径が凹所 2 2 A 内に納まるように、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 2 2 A内だけでなく燃焼室 2 1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、燃料噴射弁の圧縮行程後半での燃料噴射では、燃料が凹所 2 2 A内に納まるため、凹所 2 2 A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 2 1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 2 2上面に到達する燃料噴霧の先端が凹所 2 2 Aよりも大きいだけでなく、ビストン 2 2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 2 1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 _c これは、単に、噴射角度だけでなく、噴霧到達時のピストン 2 2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力ある。

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ビストン 2 2上面の凹所 2 2 A内にコンパク卜に噴霧して凹所 2 2 A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 1 0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ゃ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ゃ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つた更なる指針が、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、適正な燃料噴霧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〜： I 2程度

S B比： 0. 8〜 1. 2程度

噴射圧： 30〜 1 50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 jーン型旋回流 Bの噴霧形状は、 F I G. 8 (a) ， F I G. 8 (b) , F I G. 1 0に示すように、噴射角度方向に厚みをもつた円錐面状であり、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 F I G. 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 1 2の各採取容器 1 2 A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 =∑ (各採取容器の噴霧捕集量 X噴射角度）

÷∑ (各採取容器の噴霧捕集量）

すなわち、既に F I G. 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、 F I G. 1 0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 1 2 A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、 F I G. 22に示すような結果が得られる。

この F I G. 22では、横軸に噴射角度（d e g) をとり、縦軸に各採取容器 1 2 A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： 1ms e c) あたりの燃料噴射量〕で除算したもの（水平分布量）をとつている。測定結果から、 F I G. 2 2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、 F I 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（コ一ン型噴霧角度）との関係を調べると、 F I 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一ン型噴霧角度とがほぼ一時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ぃ燃料噴霧（拡角噴霧）で燃料噴射すると、圧縮行程噴射時の燃焼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つてしまい、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、 F I G. 2 4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、 F I G. 2 4中に網かけして示すように、 4 0〜 7 0 d e gの範囲（コーン型噴霧角度では 5 0〜 8 0 d e g) 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 4 0〜 7 0 d e g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（4 0〜 7 0 d e g) 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 D o，噴口長 L，旋回径 D s，旋回溝断面積 A s 〔F I G. 2 5 (a) , F I G. 2 5 (b) 参照〕及びガソリン燃料における燃料圧力 P，燃料密度 p, 動粘度に対して、旋回室流速 V s CF I G. 2 5 (b) 参照〕，旋回レイノルズ数 R e，噴口 L ZDはそれぞれ次式のようにあらわすことができる。

V s =K · (D oZD s) · ( 2 P/p) ^{0 5}

但し、 Kl/K)²— 1 } ^{0 5} — K · I n Cl/K + Kl/K)²— 1 } 。· ⁵ 〕 = 4 ' A S ( TT - D O ' D S )

旋回レイノルズ数 R e =D s - V s /2 v

噴口 L/D = L/D 0

F I G. 2 6は噴口 L ZDを一定（ここでは、 LZD = 2 ) , 噴射圧 4 M P aとした場合の旋回レイノルズ数 R e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 R e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 R eが小さいほうが有利になる。

また、 F I G. 2 7は旋回レイノルズ数 R eを一定（ここでは、 Re = 30000 ) , 噴射圧 4MP aとした場合の噴口 LZD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 LZD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ッ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 LZD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、 F I G. 2 8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 D s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 LZD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 LZDは 1〜3程度とするのが望ましい。

また、 F I G. 2 9は、噴射弁の噴射圧を 4 MP aに設定したときの旋回レイノルズ数 R eに対する水平流量分布図心を各噴口 L ZD毎に表したものであり、前述の適正な水平流量分布図心（4 0〜70 d e g) に応じた旋回レイノルズ数 R eは 2 00 00〜 4 000 0程度であることがわかる。したがって、噴射圧を 4 MP aとした場合には、 F I G. 2 9中の網かけを付す領域内に旋回レイノルズ数 R e，水平流量分布図心，及び噴口 LZD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 4 MP a以外で考えた場合、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 L、て表すほう力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 X燃料圧力 Ρ°· ²⁵

とすることが考えられる。

また、旋回レイノルズ数 R e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 R eは燃料圧力 Pの平方根で除算して得られる値（ReZ^ P) を設定することができる。そして、この値（R e/^P) と水平流量分布図心との対応から、適正な値（ReZ P) を求めることができる。なお、値（R e P) の単位は、〔lZP a °- ⁵ 〕となる。

F I G. 30は、この値（ReZ^ P) に対する水平流量分布図心を各噴口 LZD毎に表したものであり、図示するように値（ReZ P) を 1 0 00 0〜2 000 0 〔1 /MP a °· 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（ReZ P) に着目すると、噴口 7に関する各諸元を F I G. 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。 F I G. 3 1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 S l，弁座部開口面積（最大リフト時の弁座と二一ドル弁との間の最短部の開口面積） S 2，噴口部断面積 S 3に関して、以下のような範囲内に設定することが望ましい。

0. 5≤ S 3/ (S 1 X旋回溝数） ≤ 1. 5

0. 1≤ S 2/ (S 1 X旋回溝数） ≤ 0. 5

特に、 S 3/ (S 1 X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。 S 3Z (S 1 X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、 S 3 (S 1 X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、 S 2Z (S i x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 S 2 (S 1 X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、 S 2Z (S i x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 S 1, 弁座部開口面積 S 2，噴口部断面積 S 3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 S 2を旋回通路面積 S 1及び噴口部断面積 S 3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

4しな o

Claims

請求の範囲

1. シリンダ（2 0) 内に挿嵌された往復動ビストン（2 2) の上面とシリンダへッド（2 7) の下面との間に形成された燃焼室（2 1) と、該燃焼室（2 1) 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（2 1) 内へ臨んだ点火プラグ（2 5) 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、噴口を頂点とし該燃料噴射弁（30) の軸線方向に向かって均一に円錐形状に拡がる噴霧で該燃焼室（2 1) 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ていることを特徴とする、筒内噴射式内燃機関。

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（2 1) 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. 該燃料噴射弁（30) 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つ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. 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（22 A) と対向する位置に点火プラグ（2 5) 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（2 2 A) よりも大きく拡がって該燃焼室（2 1 ) 内で拡散し、該要求燃料量が少ない場合には該ピストン（ 2 2 ) 上面に到達する該噴霧先端が該凹所（2 2 A) 内に収まるように縮径しながら該凹所（2 2 A) によって該点火プラグ（2 5 ) に向けて案内され該点火プラグ（2 5) 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. 該燃料噴射弁（3 0 ) 力噴口（7 ) を有する噴射弁本体（8) と、該噴射弁本体（8 ) 内に設けられ該噴ロ（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) とをそなえた、スワール型燃料噴射弁であ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。

6. 該シリンダへッド（2 7 ) 下面の該シリンダ（2 0 ) の軸心線（2 8) を含む基準面の一側に形成された吸気ポート（2 3) と、該吸気ポ

—ト（2 3) の該燃焼室（2 1 ) への開口を開閉するように該吸気ポート（2 3 ) に装備された吸気弁（2 4 ) とをそなえ、

該シリンダ（2 0 ) 上面における該基準面の一側の該吸気ポート（2 3 ) 開口と対向する部位に、該吸気ポート（2 3 ) から該燃焼室（2 1 ) 内に進入した吸気の縦渦流を促進するように該シリンダ（2 0) 上面に対して窪んだ曲面状凹所（2 2 A) が形成され、

該シリンダ（2 0) 上面における該基準面の他側に、該凹所（2 2 A ) から隆起するとともに該ピストン（2 2 ) の上死点において該シリンダへッド（2 7) 下面に接近しうる隆起部（2 2 B) 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、

該シリンダへッド（2 7 ) 下面における該シリンダ軸心線（2 8 ) の近傍に点火プラグ（2 5) が配設されるとともに、

該燃料噴射弁（3 0) の噴口が該凹所（ 2 2 A) 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 5項記載の筒内噴射式内燃機関。

7. 該噴霧の形状が、該燃料噴射弁（3 0) の軸線の近傍に収束するような小さ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ていることを特徴とする、請求の範囲第 1項筒内噴射式内燃機関。

8. 該燃料噴射弁（3 0) 力 ^ 噴口（7) を有する噴射弁本体（8) と、該噴射弁本体（8) 内に設けられ該噴ロ（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) とをそなえた、スワール型燃料噴射弁であることを特徵とする、請求の範囲第 7項筒内噴射式内燃機関。

9. 該燃料噴射弁（3 0) 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つ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（2 2) 上面の一部に凹所（2 2 A) が形成されて、該凹所（2 2 A) の外縁が、吸気行程前半及び圧縮行程後半のほぼ同一ビストン位置において、該燃料噴射弁（3 0) の吸気行程前半で該ピストン (2 2) 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（3 0) の圧縮行程後半で該ピストン（2 2) 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。

1 0. 該燃料噴射弁（3 0 ) 力、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、先端に該噴ロ（7 ) を形成するコーン型噴口内周面（7 a ) と当接し密着しうる当接部（3 a) を有し該当接部（3 a) を通じて該噴ロ（7 ) を開閉しうる開閉手段（4 ) と、該当接部（3 a ) 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ロ（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（ 1 0 ) 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（3 0 ) から噴射される燃料の水平流量分布図心の角度が、 4 0〜 7 Odeg 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（LZD) を 1〜 3の範囲内に設定するとともに、

該旋回流の旋回径（D s ) , 該旋回流の旋回流速（V s ) ，燃料の動粘度 O ) に基づいて式〔R e =D s · V s / ( 2 · u ) 〕で定義される該噴口における旋回レイノルズ数（R e ) と、該燃料噴射弁（3 0 ) の噴射圧（P) とから得られ単位が〔 1ノ MP a °' ⁵ 〕である値（R e /{ P) を 1 0 0 0 0〜2 0 0 0 0の範囲内に設定した

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。