筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置及び燃料噴射・着火補助方法
【課題】 燃料噴射弁からシールドの側部に向けて噴射された燃料によって側部に形成した複数の孔において生じる圧力に差が生じるようにし、この圧力差によって燃料が孔を通ってシールド内に流入し易くする。
【解決手段】 シリンダヘッドＣ／Ｈに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体Ｇ／Ｐをシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体Ｇ／Ｐに、側部ＳＳが円筒状に形成されたシールドＳを上記加熱体Ｇ／Ｐの表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドＳの側部ＳＳに、その内外を連通する孔Ｓ／Ｈを複数設け、上記シリンダヘッドＣ／Ｈに、上記側部ＳＳに向けて燃料を噴射するための噴射孔ＩＮ／Ｈを有する燃料噴射弁ＩＮを設け、上記噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１を、上記側部ＳＳから上記噴射孔ＩＮ／Ｈに向けて垂直に引き出された垂直線Ｌ２に対して、傾斜させたものである。
【解決手段】 シリンダヘッドＣ／Ｈに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体Ｇ／Ｐをシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体Ｇ／Ｐに、側部ＳＳが円筒状に形成されたシールドＳを上記加熱体Ｇ／Ｐの表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドＳの側部ＳＳに、その内外を連通する孔Ｓ／Ｈを複数設け、上記シリンダヘッドＣ／Ｈに、上記側部ＳＳに向けて燃料を噴射するための噴射孔ＩＮ／Ｈを有する燃料噴射弁ＩＮを設け、上記噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１を、上記側部ＳＳから上記噴射孔ＩＮ／Ｈに向けて垂直に引き出された垂直線Ｌ２に対して、傾斜させたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁からシリンダ内に噴射された燃料をディーゼルサイクルと同様に燃焼させるに際して、上記燃料を連続的に加熱された加熱体に接触させて着火させる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置及び燃料噴射・着火補助方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射弁から内燃機関（エンジン）のシリンダ内に、ピストンが圧縮上死点近傍に位置する時期に燃料を噴射し、ディーゼルサイクルと同様の燃焼をさせるものにおいて、上記燃料に例えばセタン価の低い天然ガス等のガス燃料を用いた場合、自己着火しないか又は着火が不安定となるため、何等かの着火補助源が必要となる。この着火補助源として連続的に加熱される加熱体（グロープラグ）をシリンダヘッドに設け、この加熱体に向けて燃料噴射弁から燃料を噴射するようにしたものがある。
【０００３】
このシステムにおいては、燃料の噴射・着火・燃焼のプロセスは以下のように進行する。先ず、シリンダ内には、エンジンの吸気行程時に空気（ＥＧＲ装置を有するエンジンの場合にはＥＧＲガス及び空気）が吸い込まれ、この空気等が圧縮行程時に圧縮されて高温・高圧状態（約５００〜６００℃、５０〜７０Ｂａｒ）となる。そして、ピストンが圧縮上死点近傍の位置で燃料噴射弁から燃料（上記ガス燃料）が加熱体に向けて噴霧状態で噴射される。
【０００４】
ここで、噴射される燃料が軽油のようにセタン価が高いものであれば自己着火するものの、セタン価が低い天然ガス等のガス燃料である場合には、天然ガスの自己着火温度が９００℃以上と高温であるため、自己着火しない。そこで、この場合、着火補助源として常時高温に保たれている加熱体をシリンダヘッドに設け、真っ赤に加熱された加熱体に向けて燃料を噴射し、燃料を加熱体に接触させて着火・燃焼させるのである。
【０００５】
しかし、加熱体に直接（ダイレクトに）燃料を当てるようにすると、加熱体が熱疲労するという問題が生じる。すなわち、燃料噴射弁から高圧で噴射された燃料は、シリンダ内で断熱膨張することで比較的低温となって加熱体に衝突するため、加熱体が急冷される。同時に、加熱体がシリンダ内に露出していると、シリンダ内のガスの温度は吸入・圧縮・爆発（膨張）・排気の各行程に伴って約２３００℃〜大気温度（２０℃）まで変化するため、加熱体が上記ガスに晒されて繰り返し加熱急冷される。よって、加熱体が熱疲労し、寿命が短くなる。また、燃料噴射弁から噴射された燃料が直接加熱体に衝突すると、加熱体が急冷されて着火しない事態も考えられる。
【０００６】
そこで、通常この種のシステムにおいては加熱体をシールドで覆っている。このシステムを図４及び図５を用いて説明すると、エンジンのシリンダヘッドＣ／Ｈには、加熱体（グロープラグ）Ｇ／Ｐがその下端をヘッドＣ／Ｈの下面から突出させて取り付けられていると共に、この加熱体Ｇ／Ｐを覆うシールドＳが取り付けられている。また、シリンダヘッドＣ／Ｈには、シリンダボアの略中央に位置させて燃料噴射弁ＩＮが取り付けられており、噴射弁ＩＮには、複数の噴射孔ＩＮ／Ｈが形成されている。図中、Ｐはピストンであり、ピストンＰの頂面には燃焼室Ｃ／Ｃが凹設されている。また、Ｖは吸気弁又は排気弁である。
【０００７】
シールドＳは、加熱体Ｇ／Ｐの表面から所定間隔を隔てて加熱体Ｇ／Ｐを覆うものであり、側部ＳＳが円筒状に形成され、底部ＳＢが略半球状に形成され、全体が袋状の形状となっている（クローズドタイプ）。側部ＳＳには、シールドＳの内外を連通する孔Ｓ／Ｈが形成されている。このシールドＳにより、燃料噴射弁ＩＮの噴射孔IＮ／Ｈから噴射された燃料が直接加熱体Ｇ／Ｐに当たらないようになると共に、加熱体Ｇ／Ｐが燃焼室Ｃ／Ｃ内の燃焼ガスに直接晒されないようになるため、加熱体Ｇ／Ｐは熱疲労が小さくなって寿命が延びる。
【０００８】
加熱体Ｇ／ＰをシールドＳで覆ったタイプについて、燃料の噴射から着火、燃焼までの概略過程を説明する。燃料噴射弁ＩＮの噴射孔ＩＮ／Ｈから高圧（１００〜２５０Ｂａｒ）で噴射された燃料（上記ガス燃料）は、その一部（全体の約１／１０）がシールドＳに向かい、残りが燃焼室Ｃ／Ｃ内に略均一に分散して向かい、それぞれ所定期間に亘って噴射され続ける。すなわち、燃料噴射弁ＩＮに設けられた複数の噴射孔ＩＮ／Ｈは、一個がシールドＳの方向に設定され、残りが燃焼室Ｃ／Ｃの内壁の周方向に略等間隔を隔てた方向に設定されている。
【０００９】
シールドＳに向かった燃料は、その側部ＳＳに衝突して減速され、シールドＳで暖められた後に孔Ｓ／Ｈを通ってシールドＳ内に流入し、予め高温に加熱されている加熱体Ｇ／Ｐによって一気に高温化され、着火温度に達して着火する。すると、着火によって急激に体積膨張したシールドＳ内の燃焼ガスが、上記孔Ｓ／Ｈから瞬時に噴出する。ここで、これらの孔Ｓ／Ｈの方向は、燃料噴射弁ＩＮの残りの噴射孔ＩＮ／Ｈ（燃焼室Ｃ／Ｃ内に略均一に分散して燃料を噴霧すべく方向が設定された噴射孔ＩＮ／Ｈ）の近傍に指向されている。
【００１０】
このため、シールドＳの孔Ｓ／Ｈから噴出した炎は、上記残りの噴射孔ＩＮ／Ｈから噴射された燃料の噴霧の近傍に近付く。すなわち、シールドＳ内にて着火が生じることにより、燃焼室Ｃ／Ｃ全体が更に高温高圧となるが、この段階ではまだ噴射孔ＩＮ／Ｈからの燃料の噴射が継続しているため、孔Ｓ／Ｈから噴出した炎が噴射孔ＩＮ／Ｈから噴射された燃料の噴霧に近付くのである。すると、空気と燃料とが適度に混合した噴霧の外周部から着火が始まり、他の噴霧へ瞬く間に燃焼が広がっていく。その後、燃料の噴射が更に所定期間継続した後に終了し、燃焼が徐々に終了する。このときピストンＰは下降行程となっている。
【００１１】
なお、以上の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置は、本発明者等が開発研究したものであり出願の時点での公知技術を構成するものではない。但し、加熱体Ｇ／ＰをシールドＳで覆ったものが記載された先行技術文献として特許文献１、２がある。
【００１２】
【特許文献１】実用新案登録第２５６２４２３号公報
【特許文献２】実公平７−４８９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、エンジンの安定した運転を確保するためには、上述のような着火・燃焼は、μ秒のオーダーで正確に、且つ運転条件（燃料流量、吸気温度、圧力、吸気流量、スワールの強さ、エンジン全体の温度等）が変化しても十分に安定して繰り返される必要がある。
【００１４】
ここで、最も重要な鍵となるプロセスとして、着火の源となる加熱体Ｇ／Ｐと燃料との出会いが挙げられる。つまり、着火用としてシールドＳに向かった燃料が、如何にしてシールドＳの孔Ｓ／Ｈを通過して赤熱されて待機する加熱体Ｇ／Ｐと安定（時間的にも量的にも）して出会うか、が最大のポイントとなる。
【００１５】
本発明者等は、図６に示すように、シールドＳの側部ＳＳに設けられる孔Ｓ／Ｈの数を四個とし、これら四個の孔Ｓ／Ｈを側部ＳＳに正方形状に配置し、燃料噴射弁ＩＮに設けられた複数の噴射孔ＩＮ／ＨのうちシールドＳに向けて燃料を噴射するための噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１（図４及び図５参照）を、側部ＳＳの四個の孔Ｓ／Ｈ同士の中間点Ｘ１から垂直に引き出された垂直線Ｌ２（図６にて中間点Ｘ１から紙面垂直方向に延びる線）に一致させたものを創案した。
【００１６】
このタイプでは、噴射孔ＩＮ／Ｈから噴射された燃料がシールドＳの側部ＳＳに垂直に衝突し、側部ＳＳにおける燃料衝突点をＹ１（上記中間点Ｘ１と同じ位置となる）とすると、燃料が側部ＳＳに対して衝突点Ｙ１にて垂直に衝突し、この衝突点Ｙ１から各孔Ｓ／Ｈまでの距離が等しいことから、衝突後に側部ＳＳの表面に沿って流れる燃料が均等に四個の孔Ｓ／Ｈに向かい、各孔Ｓ／Ｈから均等にシールドＳの内部に流入することが期待された。
【００１７】
しかし、このように側部ＳＳの表面に沿って流れて各孔Ｓ／Ｈに同じ条件で燃料が到達すると、その燃料の作用によって各孔Ｓ／Ｈにおいて略均等な圧力が生じる。このため、各孔Ｓ／Ｈが上記燃料からなる仮想的な蓋によりあたかも閉じられた如き状態となり、実際には、期待したほどには各孔Ｓ／Ｈから燃料がシールドＳ内に流入し易くなるとはいえないことが分かった。
【００１８】
特に、図例のようにクローズドタイプのシールドＳにおいては、各孔Ｓ／Ｈを閉じる上記燃料からなる仮想的な蓋が、上記圧力の力によって各孔Ｓ／Ｈの奥側にそれぞれ略均等な力で押し付けられることになるが、このとき、シールドＳの内部の圧力を逃がす孔や通路等が存在しないため（図４参照）、シールドＳの内圧が高まってしまい、ますます燃料が孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に流入し難くなる。この点、本発明者等は、実験、シミュレーションで確認している。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、燃料噴射弁からシールドの側部に向けて噴射された燃料によって側部に形成した複数の孔において生じる圧力に差が生じるようにし、この圧力差によって燃料が孔を通ってシールド内に流入し易くした筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置及び燃料噴射・着火補助方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために第１の発明に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置は、シリンダヘッドに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体をシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体に、側部が円筒状に形成されたシールドを上記加熱体の表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドの側部に、その内外を連通する孔を複数設け、上記シリンダヘッドに、上記側部に向けて燃料を噴射するための噴射孔を有する燃料噴射弁を設けた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置であって、上記噴射孔の軸線を、上記側部から上記噴射孔に向けて垂直に引き出された垂直線に対して、傾斜させたものである。
【００２１】
第２の発明に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置は、シリンダヘッドに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体をシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体に、側部が円筒状に形成されたシールドを上記加熱体の表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドの側部に、その内外を連通する孔を複数設け、上記シリンダヘッドに、上記側部に向けて燃料を噴射するための噴射孔を有する燃料噴射弁を設けた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置であって、上記噴射孔の軸線が上記シールドの側部の外周面と交わる点を噴射衝突点としたとき、該噴射衝突点から上記複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの距離が異なっているものである。
【００２２】
第３の発明に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法は、燃料噴射弁から噴射した燃料を、円筒状に形成されたシールドの側部に当て、この側部に設けられた複数の孔からシールド内に導き、シールド内にその内周面から所定間隔を隔てて収容された加熱体に接触させて着火させるようにした筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法であって、上記燃料噴射弁から上記シールドの側部へ噴射される燃料の噴射方向を、上記シールドの側部から上記噴射孔に向けて垂直に引き出された垂直線に対して傾斜させ、これにより上記側部に噴射された燃料によって上記各孔の内の少なくとも二つの孔に生じる圧力に差を生じさせ、この圧力差を利用して上記側部に噴射された燃料を上記孔から上記シールド内に導くようにしたものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、次のような効果を発揮できる。
（１）第１の発明によれば、燃料噴射弁の噴射孔の軸線がシールドの側部から垂直に引き出された垂直線に対して傾斜されているので、噴射孔から側部に向けて噴射され側部の表面を流れる燃料によって側部に形成された複数の孔において生じる圧力に差が生じ、燃料が孔を通ってシールド内に流入し易くなる。
（２）第２の発明によれば、シールドの側部における噴射衝突点から複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの距離が異なっているので、噴射孔から側部に向けて噴射され側部の表面を流れる燃料が側部に形成された上記二つの孔に至ったときの圧力に差が生じ、燃料が孔を通ってシールド内に流入し易くなる。
（３）第３の発明によれば、第１の発明と同様に、噴射孔からシールドの側部に向けて噴射された燃料により側部の孔に作用する圧力に差が生じるので、いずれかの孔が燃料をシールド内に導く流入孔となり、他のいずれかの孔がシールド内の圧力を解放するリリーフ孔となり、シールド内に燃料が流入し易くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２５】
本実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置は、図１〜図３に示す着火補助装置としての加熱体Ｇ／Ｐ及びシールドＳと、図４及び図５に示す燃料噴射装置としての燃料噴射弁ＩＮとから構成されている。
【００２６】
本実施形態に係る加熱体Ｇ／Ｐ及びシールドＳは、図６に示す上述した加熱体Ｇ／Ｐ及びシールドＳと基本的には同一の形状及び構成となっている。また、本実施形態に係る燃料噴射弁ＩＮも、基本的には前述した燃料噴射弁ＩＮと同様の構成となっている。そして、これら加熱体Ｇ／Ｐ、シールドＳ及び燃料噴射弁ＩＮは、前述したものと同様にシリンダヘッドＣ／Ｈに取り付けられる。よって、同一の構成部分については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
【００２７】
本実施形態の特徴は、図４及び図５に示す燃料噴射弁ＩＮに設けられた複数の噴射孔ＩＮ／ＨのうちシールドＳの側部ＳＳに指向された特定の一の噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１を、図２及び図３に示すように、シールドＳの側部ＳＳから上記噴射孔ＩＮ／Ｈに向けて垂直に引き出された垂直線Ｌ２に対して傾斜させた点にある。すなわち、上記特定噴射孔ＩＮ／Ｈの向き及びシールドＳの配置が工夫され、軸線Ｌ１が垂直線Ｌ２に対して傾斜されている。
【００２８】
詳しくは、上記軸線Ｌ１は、上記垂直線Ｌ２に対して、図２に示すようにシールドＳの側部ＳＳの周方向に傾斜されていると共に、図３に示すように上記側部ＳＳの軸方向にも傾斜されている。ここで、上記側部ＳＳから引き出される垂直線Ｌ２の基点は、図１に示すように、側部ＳＳに正方形状に配置・形成された四個の孔Ｓ／Ｈ同士の中間点Ｘ２となっており、この垂直線Ｌ２の延長上に上記特定噴射孔ＩＮ／Ｈが配置されている。
【００２９】
そして、上記軸線Ｌ１が側部ＳＳの外周面と交わる点を噴射衝突点Ｙ２としたとき、この噴射衝突点Ｙ２は、上記中間点Ｘ２に対して、側部ＳＳの周方向及び軸方向にそれぞれ所定の等しい距離（図例では０．２ｍｍ）オフセットされている。これにより、図１にて、噴射衝突点Ｙ２から左下の孔Ｓ／Ｈまでの距離、衝突点Ｙ２から右上の孔Ｓ／Ｈまでの距離、衝突点Ｙ２から左上の孔Ｓ／Ｈまでの距離（この距離は衝突点Ｙ２から右下の孔Ｓ／Ｈまでの距離と等しい）が、それぞれ異なることになる。なお、噴射衝突点Ｙ２の中間点Ｘ２に対するオフセット距離を側部ＳＳの周方向と軸方向とで異ならせれば、噴射衝突点Ｙ２から各孔Ｓ／Ｈまでの距離は、全て異なることになる。
【００３０】
また、上記燃料噴射弁ＩＮ及びシールドＳは、上記特定噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１とシールドＳの中心線Ｃ／Ｌとが交差しないように、軸線Ｌ１と中心線Ｃ／Ｌとが三次元的にオフセットされた（ずれた）配置となっている。
【００３１】
なお、四個の孔Ｓ／Ｈの各軸線は、上記垂直線Ｌ２とそれぞれ平行となっている。
【００３２】
以上の構成からなる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置の作用（燃料噴射・着火補助方法）を述べる。
【００３３】
図４及び図５に示す燃料噴射弁ＩＮの噴射孔ＩＮ／Ｈから高圧で噴射された燃料（ＣＮＧ：圧縮天然ガスなどセタン価の低いガス燃料）は、シールドＳに指向された一の特定噴射孔ＩＮ／Ｈからその一部（全体の約１／１０）がシールドＳの側部ＳＳに向かい、残りの複数の噴射孔ＩＮ／Ｈから燃焼室Ｃ／Ｃ内に略均一に分散して向かい、それぞれ所定期間に亘って噴射され続ける。
【００３４】
すなわち、燃料噴射弁ＩＮに設けられた複数の噴射孔ＩＮ／Ｈは、一個の特定噴射孔ＩＮ／ＨがシールドＳの側部ＳＳの方向に設定され、残りが燃焼室Ｃ／Ｃの内壁の周方向に略等間隔を隔てた方向に設定されている。なお、燃料であるＣＮＧの温度は約１００℃、ＣＮＧの噴射圧力は１００〜２５０気圧、燃焼室Ｃ／Ｃの温度は５００〜６００℃、加熱体Ｇ／Ｐの温度は１０００〜１１００℃、孔Ｓ／Ｈの直径は０．５ｍｍである。
【００３５】
特定噴射孔ＩＮ／ＨからシールドＳの側部ＳＳに向かった燃料は、特定噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１すなわち噴射方向が側部ＳＳから垂直に引き出された上記垂直線Ｌ２に対して側部ＳＳの周方向及び軸方向に傾斜するように設定されているので、側部ＳＳに対して三次元的に斜めに衝突する。
【００３６】
このため、側部ＳＳの表面を流れて各孔Ｓ／Ｈに向かう燃料の速度は、各孔Ｓ／Ｈにおいて各孔Ｓ／Ｈ毎に異なることになる（正確には図例では図１の左上の孔Ｓ／Ｈと右下の孔Ｓ／Ｈとでは略同じ）。更に、これに加えて、側部ＳＳの噴射衝突点Ｙ２から各孔Ｓ／Ｈまでの距離が異なっているため、側部ＳＳに衝突した燃料によって各孔Ｓ／Ｈにおいて作用する圧力は、各孔Ｓ／Ｈ毎に異なる（正確には図例では図１の左上の孔Ｓ／Ｈと右下の孔Ｓ／Ｈとでは略同じ）。すなわち、図２に示す側部ＳＳの周方向の左方の孔Ｓ／Ｈと右方の孔Ｓ／Ｈとで圧力差が生じ、また、図３に示す軸方向の上方の孔Ｓ／Ｈと下方の孔Ｓ／Ｈとでも圧力差が生じる。
【００３７】
この結果、燃料は圧力が高い特定の孔Ｓ／Ｈを通ってシールドＳ内に流入し易くなる。つまり、各孔Ｓ／Ｈにおける圧力が異なると、最も圧力が高い孔Ｓ／Ｈから燃料がシールドＳ内の流入し、このとき圧力が低い孔Ｓ／ＨはシールドＳの内圧を逃がすリリーフ孔として機能するため、シールドＳ内のガスが呼吸するようになり、図６のタイプと比べると大幅にシールドＳ内への燃料の流入量が増える。
【００３８】
すなわち、側部ＳＳに衝突した燃料によって各孔Ｓ／Ｈにおいて作用する圧力が各孔Ｓ／Ｈ毎に異なるということは、シールドＳ内の空気の圧力とシールドＳ外の各孔Ｓ／Ｈにおける燃料の圧力とのバランスが、各孔Ｓ／Ｈ毎に異なることになるため、これらの孔Ｓ／Ｈに前述のような呼吸現象が発生し、シールドＳ内への燃料の流入量が増えるのである。
【００３９】
また、燃料の噴射方向の下流側の孔Ｓ／Ｈ（図２の左方の孔Ｓ／Ｈ、図３の下方の孔Ｓ／Ｈ）が、円筒状に形成された側部ＳＳの表面を流れる燃料に対して丁度フルートの空気吹込部の如き位置関係となるため、前記の圧力差による呼吸現象に加えてこのフルート吹込現象によっても孔Ｓ／Ｈから燃料がシールドＳ内に流入し易くなる。シミュレーションよれば、本実施形態の流入量は図６のタイプの約５．５倍となった。
【００４０】
孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に流入した燃料は、加熱体Ｇ／Ｐによって加熱され着火されるが、本実施形態によれば、図６のタイプよりも大幅に流入量を増やすことができるので、着火をより安定的に行うことが可能となる。よって、例えばエンジンの低回転・低負荷時のように、燃料噴射弁ＩＮの噴射孔ＩＮ／Ｈからの燃料噴射が低圧・少量噴射の場合であっても、確実に着火できる。
【００４１】
また、いずれかの孔Ｓ／Ｈがリリーフ孔として機能するため、クローズドタイプのシールドＳであってもその内圧が高まることはなく、シールドＳ外の燃料がリリーフ孔として機能する孔Ｓ／Ｈ以外の孔Ｓ／Ｈを通って速やかにシールドＳ内に流入することになる。これにより、燃料のシールドＳ内への流入量が増大するのみならず、燃料が噴射孔ＩＮ／Ｈから噴射されたときから着火までの時間を図６のタイプよりも短縮することができ、着火遅れを小さくできる。
【００４２】
また、燃料噴射弁ＩＮが図６のタイプと同一の燃料噴射条件であっても、孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に多大な燃料を流入させることができるので、各種運転領域において、より幅の広い調節が可能となる。すなわち、燃料噴射弁ＩＮの噴射孔ＩＮ／Ｈの孔径、シールドＳの孔Ｓ／Ｈの径、位置、数等を変更する余地が増大する。よって、エンジンの運転領域全域で、安定した燃焼を提供することが可能となる。
【００４３】
さて、噴射孔ＩＮ／Ｈから高速（３００〜４００ｍ／ｓｅｃ）で噴射された燃料は、シールドＳに衝突することで１／５以下（図例では１／１０、即ち、３０〜４０ｍ／ｓｅｃ）に減速され、孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に流入して更に２０ｍ／ｓｅｃ以下（図例では１０ｍ／ｓｅｃ以下）に減速される。このため、加熱体Ｇ／Ｐが燃料の流速によって冷却されることはなく、安定した着火が確保される。
【００４４】
ここで、燃料が各孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に流入する際には、いずれかの孔Ｓ／Ｈが流入孔となり他のいずれかの孔Ｓ／ＨがシールドＳ内の圧力を逃がすリリーフ孔となるのでシールドＳ内の圧力分布が周方向に不均一となり、更に燃料がいずれかの孔Ｓ／Ｈから斜めにシールドＳ内に流入するので、シールドＳ内に流入した燃料はシールドＳの内周面に沿って（前述の比較的低速度で）旋回する。このため、加熱体Ｇ／Ｐの熱が燃料に伝わり易くなり、着火が安定する。
【００４５】
また、シールドＳを設けることで、加熱体Ｇ／Ｐの熱変動が緩慢となるため、加熱体Ｇ／Ｐへの加熱エネルギ（電力）を減らすことができる。また、シールドＳがクローズドタイプなので、何等かの不具合で加熱体Ｇ／Ｐが破損した場合にシリンダ内に破損品が落下することを防止できる。
【００４６】
なお、本発明の実施形態は上記タイプに限定されない。例えば、孔Ｓ／Ｈの数は、２個以上であれば何個でもよい。
【００４７】
孔Ｓ／Ｈの配置は、孔Ｓ／Ｈの数と相関して変化するが、燃料衝突点Ｙ２から不等距離の関係にある等の要因により、各孔Ｓ／Ｈにおける圧力に差が生じる配置であればよく、例えば衝突点Ｙ２を内包する多角形（正多角形でなくてもよい）の配置でもよい。
【００４８】
軸線Ｌ１は、垂直線Ｌ２に対して任意の方向に傾斜されていれば足り、側部ＳＳの周方向のみの傾斜であってもよく、軸方向のみの傾斜であってもよい。
【００４９】
燃料は、ＣＮＧ等のガス燃料に限られず、低セタン価であって圧縮のみでは着火しないものであれば足り、例えばアルコール燃料等も考えられる。
【００５０】
また、噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１を図１の衝突点Ｙ２にて側部ＳＳに対して垂直に交差するように設定してもよい。この場合であっても、衝突点Ｙ２から左下の孔Ｓ／Ｈまでの距離、衝突点Ｙ２から右上の孔Ｓ／Ｈまでの距離、衝突点Ｙ２から左上の孔Ｓ／Ｈまでの距離（この距離は衝突点Ｙ２から右下の孔Ｓ／Ｈまでの距離と等しい）が、それぞれ異なることになるので、それに応じて各孔Ｓ／Ｈにおいて作用する燃料の圧力が異なることになり、既述の呼吸現象が発生してシールドＳ内への燃料の流入量が図６のタイプよりも増大する。つまり、上記軸線Ｌ１は、衝突点Ｙ２から各孔Ｓ／Ｈの内の少なくとも二つの孔Ｓ／Ｈまでの距離が異なっていれば、側部ＳＳに対して垂直であってもよく、図１〜図３に示す実施形態のように側部ＳＳに対して傾斜しているものに限られない。なお、噴射衝突点Ｙ２の中間点Ｘ２に対するオフセット距離を側部ＳＳの周方向と軸方向とで異ならせれば、噴射衝突点Ｙ２から各孔Ｓ／Ｈまでの距離は、全て異なることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置の内の着火補助装置を成すシールド及び加熱体の側面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置の側断面図である。
【図５】上記燃料噴射・着火補助装置の部分破断斜視図である。
【図６】本発明者が先に開発した燃料噴射・着火補助装置の内の着火補助装置を成すシールド及び加熱体の側面図である。
【符号の説明】
【００５２】
Ｃ／Ｈ シリンダヘッド
Ｇ／Ｐ 加熱源（グロープラグ）
Ｓ シールド
Ｓ／Ｈ シールドの孔
ＳＳ シールドの側部
ＳＢ シールドの底部
Ｃ／Ｌ シールドの中心線
ＩＮ 燃料噴射弁
ＩＮ／Ｈ 燃料噴射弁の噴射孔
Ｌ１ 噴射孔の軸線
Ｌ２ 側部から垂直に引き出された垂直線
Ｙ２ 噴射衝突点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁からシリンダ内に噴射された燃料をディーゼルサイクルと同様に燃焼させるに際して、上記燃料を連続的に加熱された加熱体に接触させて着火させる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置及び燃料噴射・着火補助方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射弁から内燃機関（エンジン）のシリンダ内に、ピストンが圧縮上死点近傍に位置する時期に燃料を噴射し、ディーゼルサイクルと同様の燃焼をさせるものにおいて、上記燃料に例えばセタン価の低い天然ガス等のガス燃料を用いた場合、自己着火しないか又は着火が不安定となるため、何等かの着火補助源が必要となる。この着火補助源として連続的に加熱される加熱体（グロープラグ）をシリンダヘッドに設け、この加熱体に向けて燃料噴射弁から燃料を噴射するようにしたものがある。
【０００３】
このシステムにおいては、燃料の噴射・着火・燃焼のプロセスは以下のように進行する。先ず、シリンダ内には、エンジンの吸気行程時に空気（ＥＧＲ装置を有するエンジンの場合にはＥＧＲガス及び空気）が吸い込まれ、この空気等が圧縮行程時に圧縮されて高温・高圧状態（約５００〜６００℃、５０〜７０Ｂａｒ）となる。そして、ピストンが圧縮上死点近傍の位置で燃料噴射弁から燃料（上記ガス燃料）が加熱体に向けて噴霧状態で噴射される。
【０００４】
ここで、噴射される燃料が軽油のようにセタン価が高いものであれば自己着火するものの、セタン価が低い天然ガス等のガス燃料である場合には、天然ガスの自己着火温度が９００℃以上と高温であるため、自己着火しない。そこで、この場合、着火補助源として常時高温に保たれている加熱体をシリンダヘッドに設け、真っ赤に加熱された加熱体に向けて燃料を噴射し、燃料を加熱体に接触させて着火・燃焼させるのである。
【０００５】
しかし、加熱体に直接（ダイレクトに）燃料を当てるようにすると、加熱体が熱疲労するという問題が生じる。すなわち、燃料噴射弁から高圧で噴射された燃料は、シリンダ内で断熱膨張することで比較的低温となって加熱体に衝突するため、加熱体が急冷される。同時に、加熱体がシリンダ内に露出していると、シリンダ内のガスの温度は吸入・圧縮・爆発（膨張）・排気の各行程に伴って約２３００℃〜大気温度（２０℃）まで変化するため、加熱体が上記ガスに晒されて繰り返し加熱急冷される。よって、加熱体が熱疲労し、寿命が短くなる。また、燃料噴射弁から噴射された燃料が直接加熱体に衝突すると、加熱体が急冷されて着火しない事態も考えられる。
【０００６】
そこで、通常この種のシステムにおいては加熱体をシールドで覆っている。このシステムを図４及び図５を用いて説明すると、エンジンのシリンダヘッドＣ／Ｈには、加熱体（グロープラグ）Ｇ／Ｐがその下端をヘッドＣ／Ｈの下面から突出させて取り付けられていると共に、この加熱体Ｇ／Ｐを覆うシールドＳが取り付けられている。また、シリンダヘッドＣ／Ｈには、シリンダボアの略中央に位置させて燃料噴射弁ＩＮが取り付けられており、噴射弁ＩＮには、複数の噴射孔ＩＮ／Ｈが形成されている。図中、Ｐはピストンであり、ピストンＰの頂面には燃焼室Ｃ／Ｃが凹設されている。また、Ｖは吸気弁又は排気弁である。
【０００７】
シールドＳは、加熱体Ｇ／Ｐの表面から所定間隔を隔てて加熱体Ｇ／Ｐを覆うものであり、側部ＳＳが円筒状に形成され、底部ＳＢが略半球状に形成され、全体が袋状の形状となっている（クローズドタイプ）。側部ＳＳには、シールドＳの内外を連通する孔Ｓ／Ｈが形成されている。このシールドＳにより、燃料噴射弁ＩＮの噴射孔IＮ／Ｈから噴射された燃料が直接加熱体Ｇ／Ｐに当たらないようになると共に、加熱体Ｇ／Ｐが燃焼室Ｃ／Ｃ内の燃焼ガスに直接晒されないようになるため、加熱体Ｇ／Ｐは熱疲労が小さくなって寿命が延びる。
【０００８】
加熱体Ｇ／ＰをシールドＳで覆ったタイプについて、燃料の噴射から着火、燃焼までの概略過程を説明する。燃料噴射弁ＩＮの噴射孔ＩＮ／Ｈから高圧（１００〜２５０Ｂａｒ）で噴射された燃料（上記ガス燃料）は、その一部（全体の約１／１０）がシールドＳに向かい、残りが燃焼室Ｃ／Ｃ内に略均一に分散して向かい、それぞれ所定期間に亘って噴射され続ける。すなわち、燃料噴射弁ＩＮに設けられた複数の噴射孔ＩＮ／Ｈは、一個がシールドＳの方向に設定され、残りが燃焼室Ｃ／Ｃの内壁の周方向に略等間隔を隔てた方向に設定されている。
【０００９】
シールドＳに向かった燃料は、その側部ＳＳに衝突して減速され、シールドＳで暖められた後に孔Ｓ／Ｈを通ってシールドＳ内に流入し、予め高温に加熱されている加熱体Ｇ／Ｐによって一気に高温化され、着火温度に達して着火する。すると、着火によって急激に体積膨張したシールドＳ内の燃焼ガスが、上記孔Ｓ／Ｈから瞬時に噴出する。ここで、これらの孔Ｓ／Ｈの方向は、燃料噴射弁ＩＮの残りの噴射孔ＩＮ／Ｈ（燃焼室Ｃ／Ｃ内に略均一に分散して燃料を噴霧すべく方向が設定された噴射孔ＩＮ／Ｈ）の近傍に指向されている。
【００１０】
このため、シールドＳの孔Ｓ／Ｈから噴出した炎は、上記残りの噴射孔ＩＮ／Ｈから噴射された燃料の噴霧の近傍に近付く。すなわち、シールドＳ内にて着火が生じることにより、燃焼室Ｃ／Ｃ全体が更に高温高圧となるが、この段階ではまだ噴射孔ＩＮ／Ｈからの燃料の噴射が継続しているため、孔Ｓ／Ｈから噴出した炎が噴射孔ＩＮ／Ｈから噴射された燃料の噴霧に近付くのである。すると、空気と燃料とが適度に混合した噴霧の外周部から着火が始まり、他の噴霧へ瞬く間に燃焼が広がっていく。その後、燃料の噴射が更に所定期間継続した後に終了し、燃焼が徐々に終了する。このときピストンＰは下降行程となっている。
【００１１】
なお、以上の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置は、本発明者等が開発研究したものであり出願の時点での公知技術を構成するものではない。但し、加熱体Ｇ／ＰをシールドＳで覆ったものが記載された先行技術文献として特許文献１、２がある。
【００１２】
【特許文献１】実用新案登録第２５６２４２３号公報
【特許文献２】実公平７−４８９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、エンジンの安定した運転を確保するためには、上述のような着火・燃焼は、μ秒のオーダーで正確に、且つ運転条件（燃料流量、吸気温度、圧力、吸気流量、スワールの強さ、エンジン全体の温度等）が変化しても十分に安定して繰り返される必要がある。
【００１４】
ここで、最も重要な鍵となるプロセスとして、着火の源となる加熱体Ｇ／Ｐと燃料との出会いが挙げられる。つまり、着火用としてシールドＳに向かった燃料が、如何にしてシールドＳの孔Ｓ／Ｈを通過して赤熱されて待機する加熱体Ｇ／Ｐと安定（時間的にも量的にも）して出会うか、が最大のポイントとなる。
【００１５】
本発明者等は、図６に示すように、シールドＳの側部ＳＳに設けられる孔Ｓ／Ｈの数を四個とし、これら四個の孔Ｓ／Ｈを側部ＳＳに正方形状に配置し、燃料噴射弁ＩＮに設けられた複数の噴射孔ＩＮ／ＨのうちシールドＳに向けて燃料を噴射するための噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１（図４及び図５参照）を、側部ＳＳの四個の孔Ｓ／Ｈ同士の中間点Ｘ１から垂直に引き出された垂直線Ｌ２（図６にて中間点Ｘ１から紙面垂直方向に延びる線）に一致させたものを創案した。
【００１６】
このタイプでは、噴射孔ＩＮ／Ｈから噴射された燃料がシールドＳの側部ＳＳに垂直に衝突し、側部ＳＳにおける燃料衝突点をＹ１（上記中間点Ｘ１と同じ位置となる）とすると、燃料が側部ＳＳに対して衝突点Ｙ１にて垂直に衝突し、この衝突点Ｙ１から各孔Ｓ／Ｈまでの距離が等しいことから、衝突後に側部ＳＳの表面に沿って流れる燃料が均等に四個の孔Ｓ／Ｈに向かい、各孔Ｓ／Ｈから均等にシールドＳの内部に流入することが期待された。
【００１７】
しかし、このように側部ＳＳの表面に沿って流れて各孔Ｓ／Ｈに同じ条件で燃料が到達すると、その燃料の作用によって各孔Ｓ／Ｈにおいて略均等な圧力が生じる。このため、各孔Ｓ／Ｈが上記燃料からなる仮想的な蓋によりあたかも閉じられた如き状態となり、実際には、期待したほどには各孔Ｓ／Ｈから燃料がシールドＳ内に流入し易くなるとはいえないことが分かった。
【００１８】
特に、図例のようにクローズドタイプのシールドＳにおいては、各孔Ｓ／Ｈを閉じる上記燃料からなる仮想的な蓋が、上記圧力の力によって各孔Ｓ／Ｈの奥側にそれぞれ略均等な力で押し付けられることになるが、このとき、シールドＳの内部の圧力を逃がす孔や通路等が存在しないため（図４参照）、シールドＳの内圧が高まってしまい、ますます燃料が孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に流入し難くなる。この点、本発明者等は、実験、シミュレーションで確認している。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、燃料噴射弁からシールドの側部に向けて噴射された燃料によって側部に形成した複数の孔において生じる圧力に差が生じるようにし、この圧力差によって燃料が孔を通ってシールド内に流入し易くした筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置及び燃料噴射・着火補助方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために第１の発明に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置は、シリンダヘッドに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体をシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体に、側部が円筒状に形成されたシールドを上記加熱体の表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドの側部に、その内外を連通する孔を複数設け、上記シリンダヘッドに、上記側部に向けて燃料を噴射するための噴射孔を有する燃料噴射弁を設けた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置であって、上記噴射孔の軸線を、上記側部から上記噴射孔に向けて垂直に引き出された垂直線に対して、傾斜させたものである。
【００２１】
第２の発明に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置は、シリンダヘッドに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体をシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体に、側部が円筒状に形成されたシールドを上記加熱体の表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドの側部に、その内外を連通する孔を複数設け、上記シリンダヘッドに、上記側部に向けて燃料を噴射するための噴射孔を有する燃料噴射弁を設けた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置であって、上記噴射孔の軸線が上記シールドの側部の外周面と交わる点を噴射衝突点としたとき、該噴射衝突点から上記複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの距離が異なっているものである。
【００２２】
第３の発明に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法は、燃料噴射弁から噴射した燃料を、円筒状に形成されたシールドの側部に当て、この側部に設けられた複数の孔からシールド内に導き、シールド内にその内周面から所定間隔を隔てて収容された加熱体に接触させて着火させるようにした筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法であって、上記燃料噴射弁から上記シールドの側部へ噴射される燃料の噴射方向を、上記シールドの側部から上記噴射孔に向けて垂直に引き出された垂直線に対して傾斜させ、これにより上記側部に噴射された燃料によって上記各孔の内の少なくとも二つの孔に生じる圧力に差を生じさせ、この圧力差を利用して上記側部に噴射された燃料を上記孔から上記シールド内に導くようにしたものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、次のような効果を発揮できる。
（１）第１の発明によれば、燃料噴射弁の噴射孔の軸線がシールドの側部から垂直に引き出された垂直線に対して傾斜されているので、噴射孔から側部に向けて噴射され側部の表面を流れる燃料によって側部に形成された複数の孔において生じる圧力に差が生じ、燃料が孔を通ってシールド内に流入し易くなる。
（２）第２の発明によれば、シールドの側部における噴射衝突点から複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの距離が異なっているので、噴射孔から側部に向けて噴射され側部の表面を流れる燃料が側部に形成された上記二つの孔に至ったときの圧力に差が生じ、燃料が孔を通ってシールド内に流入し易くなる。
（３）第３の発明によれば、第１の発明と同様に、噴射孔からシールドの側部に向けて噴射された燃料により側部の孔に作用する圧力に差が生じるので、いずれかの孔が燃料をシールド内に導く流入孔となり、他のいずれかの孔がシールド内の圧力を解放するリリーフ孔となり、シールド内に燃料が流入し易くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２５】
本実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置は、図１〜図３に示す着火補助装置としての加熱体Ｇ／Ｐ及びシールドＳと、図４及び図５に示す燃料噴射装置としての燃料噴射弁ＩＮとから構成されている。
【００２６】
本実施形態に係る加熱体Ｇ／Ｐ及びシールドＳは、図６に示す上述した加熱体Ｇ／Ｐ及びシールドＳと基本的には同一の形状及び構成となっている。また、本実施形態に係る燃料噴射弁ＩＮも、基本的には前述した燃料噴射弁ＩＮと同様の構成となっている。そして、これら加熱体Ｇ／Ｐ、シールドＳ及び燃料噴射弁ＩＮは、前述したものと同様にシリンダヘッドＣ／Ｈに取り付けられる。よって、同一の構成部分については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。
【００２７】
本実施形態の特徴は、図４及び図５に示す燃料噴射弁ＩＮに設けられた複数の噴射孔ＩＮ／ＨのうちシールドＳの側部ＳＳに指向された特定の一の噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１を、図２及び図３に示すように、シールドＳの側部ＳＳから上記噴射孔ＩＮ／Ｈに向けて垂直に引き出された垂直線Ｌ２に対して傾斜させた点にある。すなわち、上記特定噴射孔ＩＮ／Ｈの向き及びシールドＳの配置が工夫され、軸線Ｌ１が垂直線Ｌ２に対して傾斜されている。
【００２８】
詳しくは、上記軸線Ｌ１は、上記垂直線Ｌ２に対して、図２に示すようにシールドＳの側部ＳＳの周方向に傾斜されていると共に、図３に示すように上記側部ＳＳの軸方向にも傾斜されている。ここで、上記側部ＳＳから引き出される垂直線Ｌ２の基点は、図１に示すように、側部ＳＳに正方形状に配置・形成された四個の孔Ｓ／Ｈ同士の中間点Ｘ２となっており、この垂直線Ｌ２の延長上に上記特定噴射孔ＩＮ／Ｈが配置されている。
【００２９】
そして、上記軸線Ｌ１が側部ＳＳの外周面と交わる点を噴射衝突点Ｙ２としたとき、この噴射衝突点Ｙ２は、上記中間点Ｘ２に対して、側部ＳＳの周方向及び軸方向にそれぞれ所定の等しい距離（図例では０．２ｍｍ）オフセットされている。これにより、図１にて、噴射衝突点Ｙ２から左下の孔Ｓ／Ｈまでの距離、衝突点Ｙ２から右上の孔Ｓ／Ｈまでの距離、衝突点Ｙ２から左上の孔Ｓ／Ｈまでの距離（この距離は衝突点Ｙ２から右下の孔Ｓ／Ｈまでの距離と等しい）が、それぞれ異なることになる。なお、噴射衝突点Ｙ２の中間点Ｘ２に対するオフセット距離を側部ＳＳの周方向と軸方向とで異ならせれば、噴射衝突点Ｙ２から各孔Ｓ／Ｈまでの距離は、全て異なることになる。
【００３０】
また、上記燃料噴射弁ＩＮ及びシールドＳは、上記特定噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１とシールドＳの中心線Ｃ／Ｌとが交差しないように、軸線Ｌ１と中心線Ｃ／Ｌとが三次元的にオフセットされた（ずれた）配置となっている。
【００３１】
なお、四個の孔Ｓ／Ｈの各軸線は、上記垂直線Ｌ２とそれぞれ平行となっている。
【００３２】
以上の構成からなる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置の作用（燃料噴射・着火補助方法）を述べる。
【００３３】
図４及び図５に示す燃料噴射弁ＩＮの噴射孔ＩＮ／Ｈから高圧で噴射された燃料（ＣＮＧ：圧縮天然ガスなどセタン価の低いガス燃料）は、シールドＳに指向された一の特定噴射孔ＩＮ／Ｈからその一部（全体の約１／１０）がシールドＳの側部ＳＳに向かい、残りの複数の噴射孔ＩＮ／Ｈから燃焼室Ｃ／Ｃ内に略均一に分散して向かい、それぞれ所定期間に亘って噴射され続ける。
【００３４】
すなわち、燃料噴射弁ＩＮに設けられた複数の噴射孔ＩＮ／Ｈは、一個の特定噴射孔ＩＮ／ＨがシールドＳの側部ＳＳの方向に設定され、残りが燃焼室Ｃ／Ｃの内壁の周方向に略等間隔を隔てた方向に設定されている。なお、燃料であるＣＮＧの温度は約１００℃、ＣＮＧの噴射圧力は１００〜２５０気圧、燃焼室Ｃ／Ｃの温度は５００〜６００℃、加熱体Ｇ／Ｐの温度は１０００〜１１００℃、孔Ｓ／Ｈの直径は０．５ｍｍである。
【００３５】
特定噴射孔ＩＮ／ＨからシールドＳの側部ＳＳに向かった燃料は、特定噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１すなわち噴射方向が側部ＳＳから垂直に引き出された上記垂直線Ｌ２に対して側部ＳＳの周方向及び軸方向に傾斜するように設定されているので、側部ＳＳに対して三次元的に斜めに衝突する。
【００３６】
このため、側部ＳＳの表面を流れて各孔Ｓ／Ｈに向かう燃料の速度は、各孔Ｓ／Ｈにおいて各孔Ｓ／Ｈ毎に異なることになる（正確には図例では図１の左上の孔Ｓ／Ｈと右下の孔Ｓ／Ｈとでは略同じ）。更に、これに加えて、側部ＳＳの噴射衝突点Ｙ２から各孔Ｓ／Ｈまでの距離が異なっているため、側部ＳＳに衝突した燃料によって各孔Ｓ／Ｈにおいて作用する圧力は、各孔Ｓ／Ｈ毎に異なる（正確には図例では図１の左上の孔Ｓ／Ｈと右下の孔Ｓ／Ｈとでは略同じ）。すなわち、図２に示す側部ＳＳの周方向の左方の孔Ｓ／Ｈと右方の孔Ｓ／Ｈとで圧力差が生じ、また、図３に示す軸方向の上方の孔Ｓ／Ｈと下方の孔Ｓ／Ｈとでも圧力差が生じる。
【００３７】
この結果、燃料は圧力が高い特定の孔Ｓ／Ｈを通ってシールドＳ内に流入し易くなる。つまり、各孔Ｓ／Ｈにおける圧力が異なると、最も圧力が高い孔Ｓ／Ｈから燃料がシールドＳ内の流入し、このとき圧力が低い孔Ｓ／ＨはシールドＳの内圧を逃がすリリーフ孔として機能するため、シールドＳ内のガスが呼吸するようになり、図６のタイプと比べると大幅にシールドＳ内への燃料の流入量が増える。
【００３８】
すなわち、側部ＳＳに衝突した燃料によって各孔Ｓ／Ｈにおいて作用する圧力が各孔Ｓ／Ｈ毎に異なるということは、シールドＳ内の空気の圧力とシールドＳ外の各孔Ｓ／Ｈにおける燃料の圧力とのバランスが、各孔Ｓ／Ｈ毎に異なることになるため、これらの孔Ｓ／Ｈに前述のような呼吸現象が発生し、シールドＳ内への燃料の流入量が増えるのである。
【００３９】
また、燃料の噴射方向の下流側の孔Ｓ／Ｈ（図２の左方の孔Ｓ／Ｈ、図３の下方の孔Ｓ／Ｈ）が、円筒状に形成された側部ＳＳの表面を流れる燃料に対して丁度フルートの空気吹込部の如き位置関係となるため、前記の圧力差による呼吸現象に加えてこのフルート吹込現象によっても孔Ｓ／Ｈから燃料がシールドＳ内に流入し易くなる。シミュレーションよれば、本実施形態の流入量は図６のタイプの約５．５倍となった。
【００４０】
孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に流入した燃料は、加熱体Ｇ／Ｐによって加熱され着火されるが、本実施形態によれば、図６のタイプよりも大幅に流入量を増やすことができるので、着火をより安定的に行うことが可能となる。よって、例えばエンジンの低回転・低負荷時のように、燃料噴射弁ＩＮの噴射孔ＩＮ／Ｈからの燃料噴射が低圧・少量噴射の場合であっても、確実に着火できる。
【００４１】
また、いずれかの孔Ｓ／Ｈがリリーフ孔として機能するため、クローズドタイプのシールドＳであってもその内圧が高まることはなく、シールドＳ外の燃料がリリーフ孔として機能する孔Ｓ／Ｈ以外の孔Ｓ／Ｈを通って速やかにシールドＳ内に流入することになる。これにより、燃料のシールドＳ内への流入量が増大するのみならず、燃料が噴射孔ＩＮ／Ｈから噴射されたときから着火までの時間を図６のタイプよりも短縮することができ、着火遅れを小さくできる。
【００４２】
また、燃料噴射弁ＩＮが図６のタイプと同一の燃料噴射条件であっても、孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に多大な燃料を流入させることができるので、各種運転領域において、より幅の広い調節が可能となる。すなわち、燃料噴射弁ＩＮの噴射孔ＩＮ／Ｈの孔径、シールドＳの孔Ｓ／Ｈの径、位置、数等を変更する余地が増大する。よって、エンジンの運転領域全域で、安定した燃焼を提供することが可能となる。
【００４３】
さて、噴射孔ＩＮ／Ｈから高速（３００〜４００ｍ／ｓｅｃ）で噴射された燃料は、シールドＳに衝突することで１／５以下（図例では１／１０、即ち、３０〜４０ｍ／ｓｅｃ）に減速され、孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に流入して更に２０ｍ／ｓｅｃ以下（図例では１０ｍ／ｓｅｃ以下）に減速される。このため、加熱体Ｇ／Ｐが燃料の流速によって冷却されることはなく、安定した着火が確保される。
【００４４】
ここで、燃料が各孔Ｓ／ＨからシールドＳ内に流入する際には、いずれかの孔Ｓ／Ｈが流入孔となり他のいずれかの孔Ｓ／ＨがシールドＳ内の圧力を逃がすリリーフ孔となるのでシールドＳ内の圧力分布が周方向に不均一となり、更に燃料がいずれかの孔Ｓ／Ｈから斜めにシールドＳ内に流入するので、シールドＳ内に流入した燃料はシールドＳの内周面に沿って（前述の比較的低速度で）旋回する。このため、加熱体Ｇ／Ｐの熱が燃料に伝わり易くなり、着火が安定する。
【００４５】
また、シールドＳを設けることで、加熱体Ｇ／Ｐの熱変動が緩慢となるため、加熱体Ｇ／Ｐへの加熱エネルギ（電力）を減らすことができる。また、シールドＳがクローズドタイプなので、何等かの不具合で加熱体Ｇ／Ｐが破損した場合にシリンダ内に破損品が落下することを防止できる。
【００４６】
なお、本発明の実施形態は上記タイプに限定されない。例えば、孔Ｓ／Ｈの数は、２個以上であれば何個でもよい。
【００４７】
孔Ｓ／Ｈの配置は、孔Ｓ／Ｈの数と相関して変化するが、燃料衝突点Ｙ２から不等距離の関係にある等の要因により、各孔Ｓ／Ｈにおける圧力に差が生じる配置であればよく、例えば衝突点Ｙ２を内包する多角形（正多角形でなくてもよい）の配置でもよい。
【００４８】
軸線Ｌ１は、垂直線Ｌ２に対して任意の方向に傾斜されていれば足り、側部ＳＳの周方向のみの傾斜であってもよく、軸方向のみの傾斜であってもよい。
【００４９】
燃料は、ＣＮＧ等のガス燃料に限られず、低セタン価であって圧縮のみでは着火しないものであれば足り、例えばアルコール燃料等も考えられる。
【００５０】
また、噴射孔ＩＮ／Ｈの軸線Ｌ１を図１の衝突点Ｙ２にて側部ＳＳに対して垂直に交差するように設定してもよい。この場合であっても、衝突点Ｙ２から左下の孔Ｓ／Ｈまでの距離、衝突点Ｙ２から右上の孔Ｓ／Ｈまでの距離、衝突点Ｙ２から左上の孔Ｓ／Ｈまでの距離（この距離は衝突点Ｙ２から右下の孔Ｓ／Ｈまでの距離と等しい）が、それぞれ異なることになるので、それに応じて各孔Ｓ／Ｈにおいて作用する燃料の圧力が異なることになり、既述の呼吸現象が発生してシールドＳ内への燃料の流入量が図６のタイプよりも増大する。つまり、上記軸線Ｌ１は、衝突点Ｙ２から各孔Ｓ／Ｈの内の少なくとも二つの孔Ｓ／Ｈまでの距離が異なっていれば、側部ＳＳに対して垂直であってもよく、図１〜図３に示す実施形態のように側部ＳＳに対して傾斜しているものに限られない。なお、噴射衝突点Ｙ２の中間点Ｘ２に対するオフセット距離を側部ＳＳの周方向と軸方向とで異ならせれば、噴射衝突点Ｙ２から各孔Ｓ／Ｈまでの距離は、全て異なることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施形態に係る筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置の内の着火補助装置を成すシールド及び加熱体の側面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】図１のIII−III線断面図である。
【図４】筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置の側断面図である。
【図５】上記燃料噴射・着火補助装置の部分破断斜視図である。
【図６】本発明者が先に開発した燃料噴射・着火補助装置の内の着火補助装置を成すシールド及び加熱体の側面図である。
【符号の説明】
【００５２】
Ｃ／Ｈ シリンダヘッド
Ｇ／Ｐ 加熱源（グロープラグ）
Ｓ シールド
Ｓ／Ｈ シールドの孔
ＳＳ シールドの側部
ＳＢ シールドの底部
Ｃ／Ｌ シールドの中心線
ＩＮ 燃料噴射弁
ＩＮ／Ｈ 燃料噴射弁の噴射孔
Ｌ１ 噴射孔の軸線
Ｌ２ 側部から垂直に引き出された垂直線
Ｙ２ 噴射衝突点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体をシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体に、側部が円筒状に形成されたシールドを上記加熱体の表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドの側部に、その内外を連通する孔を複数設け、上記シリンダヘッドに、上記側部に向けて燃料を噴射するための噴射孔を有する燃料噴射弁を設けた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置であって、
上記噴射孔の軸線を、上記側部から上記噴射孔に向けて垂直に引き出された垂直線に対して、傾斜させたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項２】
上記噴射孔の軸線を、上記垂直線に対して、上記シールドの側部の周方向及び軸方向に傾斜させた請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項３】
上記噴射孔の軸線が上記シールドの側部の外周面と交わる点を噴射衝突点としたとき、該噴射衝突点から上記複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの距離が異なっている請求項１又は２記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項４】
上記噴射孔の軸線と、上記シールドの中心線とが交差しない配置となっている請求項１〜３記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項５】
上記シールドは、その底部が閉じているクローズドシールドである請求項１〜４記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項６】
シリンダヘッドに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体をシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体に、側部が円筒状に形成されたシールドを上記加熱体の表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドの側部に、その内外を連通する孔を複数設け、上記シリンダヘッドに、上記側部に向けて燃料を噴射するための噴射孔を有する燃料噴射弁を設けた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置であって、
上記噴射孔の軸線が上記シールドの側部の外周面と交わる点を噴射衝突点としたとき、該噴射衝突点から上記複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの距離が異なっていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項７】
燃料噴射弁から噴射した燃料を、円筒状に形成されたシールドの側部に当て、この側部に設けられた複数の孔からシールド内に導き、シールド内にその内周面から所定間隔を隔てて収容された加熱体に接触させて着火させるようにした筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法であって、
上記燃料噴射弁から上記シールドの側部へ噴射される燃料の噴射方向を、上記シールドの側部から上記噴射孔に向けて垂直に引き出された垂直線に対して傾斜させ、これにより上記側部に噴射された燃料によって上記各孔の内の少なくとも二つの孔に生じる圧力に差を生じさせ、この圧力差を利用して上記側部に噴射された燃料を上記孔から上記シールド内に導くようにしたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法。
【請求項８】
上記噴射方向の延長線が上記シールドの側部の外周面と交わる点を噴射衝突点としたとき、該噴射衝突点から上記複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの各距離を異ならせるようにした請求項７記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法。
【請求項９】
上記燃料噴射弁から噴射した燃料を上記シールドの側部に当てることで減速させ、減速された燃料を上記各孔から上記シールド内に導き、導かれた燃料を上記シールド内で更に減速させると共に、シールドの内周面に沿って旋回させるようにした請求項７又は８記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法。
【請求項１０】
上記燃料噴射弁から噴射した燃料の初期噴射速度を、上記シールドの側部に当てることで１／５以下に減速させ、更に上記シールド内で２０ｍ／ｓｅｃ以下に減速させる請求項９記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法。
【請求項１】
シリンダヘッドに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体をシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体に、側部が円筒状に形成されたシールドを上記加熱体の表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドの側部に、その内外を連通する孔を複数設け、上記シリンダヘッドに、上記側部に向けて燃料を噴射するための噴射孔を有する燃料噴射弁を設けた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置であって、
上記噴射孔の軸線を、上記側部から上記噴射孔に向けて垂直に引き出された垂直線に対して、傾斜させたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項２】
上記噴射孔の軸線を、上記垂直線に対して、上記シールドの側部の周方向及び軸方向に傾斜させた請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項３】
上記噴射孔の軸線が上記シールドの側部の外周面と交わる点を噴射衝突点としたとき、該噴射衝突点から上記複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの距離が異なっている請求項１又は２記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項４】
上記噴射孔の軸線と、上記シールドの中心線とが交差しない配置となっている請求項１〜３記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項５】
上記シールドは、その底部が閉じているクローズドシールドである請求項１〜４記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項６】
シリンダヘッドに、連続的に加熱される着火補助源としての加熱体をシリンダ内に露出させるようにして設け、該加熱体に、側部が円筒状に形成されたシールドを上記加熱体の表面から所定間隔を隔てて被せ、該シールドの側部に、その内外を連通する孔を複数設け、上記シリンダヘッドに、上記側部に向けて燃料を噴射するための噴射孔を有する燃料噴射弁を設けた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置であって、
上記噴射孔の軸線が上記シールドの側部の外周面と交わる点を噴射衝突点としたとき、該噴射衝突点から上記複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの距離が異なっていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助装置。
【請求項７】
燃料噴射弁から噴射した燃料を、円筒状に形成されたシールドの側部に当て、この側部に設けられた複数の孔からシールド内に導き、シールド内にその内周面から所定間隔を隔てて収容された加熱体に接触させて着火させるようにした筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法であって、
上記燃料噴射弁から上記シールドの側部へ噴射される燃料の噴射方向を、上記シールドの側部から上記噴射孔に向けて垂直に引き出された垂直線に対して傾斜させ、これにより上記側部に噴射された燃料によって上記各孔の内の少なくとも二つの孔に生じる圧力に差を生じさせ、この圧力差を利用して上記側部に噴射された燃料を上記孔から上記シールド内に導くようにしたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法。
【請求項８】
上記噴射方向の延長線が上記シールドの側部の外周面と交わる点を噴射衝突点としたとき、該噴射衝突点から上記複数の孔のうちの少なくとも二つの孔までの各距離を異ならせるようにした請求項７記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法。
【請求項９】
上記燃料噴射弁から噴射した燃料を上記シールドの側部に当てることで減速させ、減速された燃料を上記各孔から上記シールド内に導き、導かれた燃料を上記シールド内で更に減速させると共に、シールドの内周面に沿って旋回させるようにした請求項７又は８記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法。
【請求項１０】
上記燃料噴射弁から噴射した燃料の初期噴射速度を、上記シールドの側部に当てることで１／５以下に減速させ、更に上記シールド内で２０ｍ／ｓｅｃ以下に減速させる請求項９記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射・着火補助方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２２６９０（Ｐ２００６−２２６９０Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２００３２２（Ｐ２００４−２００３２２）
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月７日（２００４．７．７）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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