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JPS59192823A - 筒内燃料噴射式内燃機関 - Google Patents

筒内燃料噴射式内燃機関

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JPS59192823A
JPS59192823A JP58067582A JP6758283A JPS59192823A JP S59192823 A JPS59192823 A JP S59192823A JP 58067582 A JP58067582 A JP 58067582A JP 6758283 A JP6758283 A JP 6758283A JP S59192823 A JPS59192823 A JP S59192823A
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swirl
fuel
flow
combustion engine
turbulence
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JP58067582A
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太郎 青山
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、吸入空気の旋回流(y、ワール)を有効利用
して燃料噴霧群への空気導入を促進し、燃焼効率を改善
する筒内燃料噴射式内燃機関に関する。
往復動(ヒストン)内燃機関の燃焼を改善して裳費、出
力の向上、排気有害成分の低減を計るには、燃焼室内の
ガス流れを速くし乱れを増大させることが最も重要であ
る。これを満すことにより燃焼を速くし燃焼期間を短縮
することで目的を達することが出来る。
従来この目的のため乱れを増大させる方法の一つとして
吸入スワールの強化といった方法が考えられ実用化され
ている。
この方法としては吸入弁に吸入混合気にスワールを発生
させる機構2例えばシュラウド付吸入弁又はタンジエン
シャル吸入孔又はヘリカルポート等を持たせて吸入時に
スワーμを生成し圧縮中tこ残留したこのスワールによ
って乱れを強くするものがある。
従来、小形直噴ディーゼル機関における大きな難点は噴
射燃料の壁面付着であり、これに対処するのが上記方法
の採用であった。
即ち1強いスワールが保障される限りP料が側壁に達す
るのはかまわないが1機関回転速度が低くなるとスワー
ルか弱くなって燃焼が悪化する。更に低負荷では壁温低
下のため蒸発不全となり易(。
次化水素や白煙を抑制する上で過度の衝突は避ける必要
がある訳だが、同時に強スワールの生成にはつねに吸気
効率低下を伴う欠点も併わせもつ。
また従来筒内スワールの効用として、1燃料噴霧の分散
改善 ++?焼生成物の吹流し 111熱混合。
し の3件が期待されているが、前記人考え合わせ。
1v噴M貫徹力の抑制(噴霧の壁面付着抑制)もまた同
時に期待される訳であるが今まで実用になっていないの
である。
そして、燃焼室内に燃料噴射弁を持ち1点火栓等の着火
手段を持つ内?機関やシリンダ内に直接噴射ノズルを持
ち圧縮着火出来るまで圧縮比を高くした直接噴射ディー
ゼル機関においては吸入スワールとスキッシュの紹合せ
方法がとられている。
行程から’l” D C前60°程度に燃料を噴射し、
拡散P焼的要緊を重視するものはTDCli160°か
らTDCにtP料を噴射する。いずれの場合も燃焼室内
に直接燃刺を噴射するので燃料の蒸発潜勲によって吸入
した孕ソが冷され又は空気と燃料が贋金するとすぐに燃
焼するので、従来の気化器による火花点火式内P機関の
ようにノックシ一対する危険は少なく圧縮比カリTくと
れる。
しかし、これらの燃焼室はヒストンに凹所を設け、吸入
時にスワールを生成する吸入孔を持って前記組合せ方法
によって乱れ生成を行っている。
先にも述べたように、TDCW前に強い乱れを発生する
ので燃料と空気?混合するのには役立つが燃焼を促進す
るためには’l’Llc後即ち燃焼中期以降は乱れ不足
であって後半の燃焼は速くならず圧石1°;比を高くし
たにもかかわらず大巾な燃費向上にはつながらず又燃焼
室内に燃料を直接噴射するので未蒸発のHCが放出され
易い。
又直接噴射ディーゼル機関においては燃焼噴射の後半は
燃焼がすでに始っている時打われることになる。圧縮着
火式直接噴射(ディーゼル)機関も吸入時に発生させた
スワールとヒストンに凹所(浅皿、深皿、トロイダル、
ボールインピストン等の形状がある)を設はヌキッシー
を利用した組合せ方法によっているため、混合気形成、
特に初期の混合気形成にはスワールと強いスキッシュに
よって燃料の分散に好都合であるが、TDC附近以降の
混合気形成や燃焼の中期以降は同様に乱れ不足となり熔
費の悪化や黒煙発生の原因となっている。
本発明は、上記従来の諸問題点を解決するものであって
、吸入空気の旋回流を有効利用して効率良く乱れの生成
およびその確保を図り、かがる乱れの存在により特に燃
料噴霧群への空気導入を促進して、P焼中期以降の燃焼
を速くし燻焼期間を短縮して燃焼効率を改善する筒内燃
料噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
また9本発明の他の目的は着火手段を持つγ1内燃料噴
射式内燃機関にあっては燃焼期間を短縮し燃費を低減し
又炭化水素(HC)を低減することにある。
さらに不発明の目的は圧縮着火式直接燃料噴射(ディー
ゼA/)内燃機関にあって強い乱れによって混合気形成
し噴射期間後半の燃料の空気利用率を高め黒煙を低減し
、燃焼期間の短縮と合せ燃費を低下させることにある。
そして1本発明者等は、上記各目的を達成するため、■
従来の最大の欠点である乱れの生成が限られた時期に集
中し燃焼期間全体に持続しないこと、又■シリンダ内に
燃料噴射ノズルより燃料を直接噴射する筒内噴射機関に
あっては燃焼以前の混合気形成に流れや乱れの生成の重
点があって燃焼の中後期には不充分であること、また■
噴射された燃料は噴射弁の噴口に近いほど密度が高く噴
霧先端に行くに従い低くなり、この噴霧群への空(剣導
大の観点から、噴霧先端部への乱れ付与の必要度は低く
、噴口に近づくほど高(なること、・さらに■噴霧群へ
の空気導入は一方でスワールで。
他方はこのスワーIしより生成される乱れにより促進し
、しかも噴霧群先端部に対しては導入促進の必要度が低
く9元部程高(、この両者を満たすため、スワールに対
しては噴霧全体を凹所壁面へ近づけることにより空気導
入促進を、−力筒内乱れに関しては前述の分布をもたせ
ることにより促進効果を狙う、しかも後者には持続性を
も具備すべきこと等に気付き、燃焼期間中乱れ生成が持
続し噴霧群への空気導入を促進する内燃機関を案出した
のである。
すなわち1本発明はピストン、シリンダヘッド及びシリ
ンダブロックにより形成する往復動内燃機関の瞭焼室に
おいて。
該燃焼室内に吸入空気を供給する吸気機構には吸入空電
を旋回させる旋回機構を有し 前記燃焼室には該旋回機構により形成される吸入空気の
旋回流を流入加速する主凹所を設け、吸入空気に所定量
の燃料を供給する燃料噴射弁からなる燃料供給装置を装
備し、011把主凹所には前記旋回流の方向に沿いかつ
燃料噴射弁の燃料噴射方向に沿って配設するとともに該
旋回流とは別の二次流れの旋回流を生起せしめて収容し
流通するとともに、前記旋回流と二次流れの旋回流との
間に乱れを生成すべく副凹所を(14成してなり、主と
して前記旋回流ならびにこれとは別の二次流れの旋回流
によって、燃料噴射弁から供給される燃料噴霧群への空
気稽、入を促進し内燃機関の燃焼効率を改善するように
したことを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関である。
かかる本発明によれば、内P:n閏の吸入時に吸気弁や
吸気ボート等の旋回機構によって形成した吸入空気の旋
回流(スワール)をピストンの上昇に伴って主凹所内に
適度に旋回流入せしめ安定円渭に流通する。
さらにはO11記旋回流とは別の二次流れの旋回流を前
記副凹所内に生起せしめ前記旋回流と二次流れの旋回流
との間にさらに乱れを生成することができる。
これら乱れはスワールを有効利用して生成され。
かつスワールに対して態影響を及ぼすことなくスワール
が減衰してしまうまで生成され続けられるので特定期間
中だけでなく長く持続することになる。
かかる乱れの生成ならびに存在確保によって。
P剥噴射弁から供給される燃料噴霧群への空気の導入が
著しく促進され以後の燃焼を効率良く促進し燃焼期間を
短縮することができ燃焼効率を大幅に改善できる実用上
極めて優れた効果を奏する。
よって、不発明の内燃機関は、スワールを有効利用して
主凹所の適、宜箇所に良好な乱れを確実に生成できかつ
乱れの形成確保が図られ、さらにはスワールと乱れとの
相互作用等も相まって各種性能の向上を図る実用上多大
の効果を奏する。
すなわち、燃料噴霧群における主凹所側に臨むところは
前記スワールによって十分に空気導入がなされ、しかも
副凹所側に臨むところもかなりの空気層をもち得るため
更シこ一層を気導入が促進できる。また機関回転速度低
下に伴なう流れ’lA8の変更・乱れ生成能力の低下に
も拘らず空気導入促進は維持され得るといった実用1優
れた効果を奏する。
また1本発明は、スキッシュ流を利用するものではない
のでトップクリアランス(TDC時のピストン頂面とシ
リンダヘッドのすきまをu、’))hは大きくしてもよ
く予混合火花点火丈高スキッシュ機関ではh (1,Q
〜L5flスキッシュのほとんどきかないh ) 1.
5 flを使用出来るのでエンジン製造上も有利になる
ばかりでなく、この部分のクエンチング作用(hを小に
するとTDCでこの中にクエンチング作用によって火炎
が入らず壁面温度が低(なる。具体的には、圧縮比がほ
ぼ12以下の予混合火花点火式内燃機関または成層溶焼
内P機関をこあってはトップクリアランスhは1.20
以上が好ましく、性能からは1.5〜20nの範囲が最
良となる。一方、圧縮比がさらに高い圧縮着火式内燃機
関および成層燃焼機関にあっては圧縮比確保のためトッ
プクリアランスは0.6 fi以上を使用する。)でH
Cの増大や熱損失の増大を招かつ、         
 なし1といった優れた効果を奏する。さらに本発明に
よればスキッシュ流による乱れ生成ではないのでピスト
ン上部に乱れ生成が依存せず強いスキッシュが作りにく
い低速時においても乱れ生成が容易で低速時の燃費、排
気エミッシ鑓ンの改碧効果が大きい。
また不発明によれば前記トップクリアランスhが大きい
ので冷却損失が少なく部分負荷時の燃費悪化を招きにく
し1といった効果がある。ピストンに主凹所及び副凹所
を設けるとピストン頂面の温度はヘッド下面総儲室の周
辺部より高くなるのでビ岬1 y、 ) y (llliに主、主凹所を設けた方がシ
リンダヘッド側またはシリンダブロック側に燃焼室を設
けた場合より壁面からの熱の逃げが少なくなり熱損失が
著しく低下する。
次に1本発明の詳細な説明する。
第1J施例は第1図及び第2図々示のように燃焼室の主
凹所21a内に燃料噴射弁により直接計量されたガソリ
ンを噴射する筒内燃料噴射式内燃機関である。
本第1実施例のピストン式ガソリン機関の燃料供給手段
207は、シリンダへ・7ド2を貫通し。
燃焼室3内に噴口271が露出した渦巻型噴射弁270
と、吸気通路IP内の吸入空気量を検出する空気流量計
と、エンジンの回転数を検出する回転計とmI記吸入空
気量およびエンジン回転数の信号をもとにして、エンジ
ン冷却水温度を考慮して。
機関の運転条件に応じたガソリンの噴射量を制御する信
号を出力するコントロールユニットと該コントロール信
号に応じた量の加圧ガソリンを噴射弁に供給する溶料供
給装置とから成る。
渦巻噴射弁270は、a料供給装置から供給された所定
量の加圧ガソリンな渦巻室272に連通口を介して接線
的に導入し渦巻室272内に強い旋回流を形成し、噴口
271より広い噴射角でガソリンの薄膜をピストンlの
頂部zOの主凹所21a内に噴射する。
入 吸気機構としての吸気弁7には吸入空気に旋回流を形成
するためシュラウド7oが形成されている。
とこロチ本第1実施例のピストン式ガソリン機療 関は、第2図々示のようにピストンlの上部20に横断
面よりして真円状の主凹所21a(実線および破綻にて
示す)と−の主凹所21I+に2つの円弧状の凸部22
−を介接して連通し該凸部22aの曲率より大なる曲率
の2つの円弧からなる副凹所23a(実線にて示す)と
を形成する。
上記構成からなる本第1実施例のピストン式ガソリン機
関は燃料がディーゼ/L’機関に見られる噴射時期より
迎く噴射し比轢的広い拡り角と霧化のよい渦巻噴射弁を
使っており燃料噴霧は内接円D2はぼ全体に広がる。そ
して吸気弁7のシュラウド7aにより生成した吸入スワ
ーJvSのため噴霧は旋回しなからTDC近くになると
蒸化混合しなが頂 ら弾い混合気のスワールがピストン上部の主凹所21−
の中に加速流入し2つの凸部22aであるタービュレン
スリップによって乱れが生成され。
さらンこは副凹所2Aには前記スワ−A/Sとは別の二
次流れのスワールBが形成され両ヌワーp間にさらに乱
れAを生成する。このため喰va群には主凹所214に
臨むところは前記ヌワ−71/Sによって十分に空気導
入がなされ、しかも副凹所23a側に臨むところも前記
乱れAやスワー/I/Bによって効率の良い空気導入が
実奏されるのである。
しかるのち1着火はTDC少し前に起り速やかな燃焼を
実奏する。なお9本第1実施例にあっては。
εは18〜15であってトップクリアランスhは10で
ある。
そして9本第1実施例のガソリン機関は高効率の燃焼を
可能にし、燃料消費率の向上および炭化水素等の未燃有
害成分の発生を防止するという作用効果を奏する。
更に本第1実施例のピストン式ガソリン機関は。
最適の位置および角度からピストン1の頂部20化を図
ることができるとともに、直接計量されたガソリンを燃
焼室に供給するので、吸気通路内にガソリンが滞留する
という欠点が無く1機関の応答が良いという利点を有す
る。
1          また本第1実施例のピストン式
ガソリン機関は。
燃料噴射弁として渦巻噴射弁270を採用したが。
広い噴射角を有する噴射弁であれば適用可能で。
例えば単孔ホールの他に第8図および第4図に示す噴射
弁も採用することができる。
すなわち第8図に示す噴射弁は、弁本体VB内に介挿し
たノズル部材NMの外周に螺旋状の溝SGを配設したス
リットタイプであり、螺旋状にガソリンを導き回転遠心
力を付与して川口Noより広い噴射角で薄膜状のガソリ
ンを噴射するものである。。
また、第4図に示す噴射弁は、いわゆる衝突弁といわれ
るもので、弁本体VB内に介挿された部材I IVIに
棒部材BMを介して固着された衝突部CPに向けて噴口
NOよりガソリンを噴射衝突させ。
少 該衝突部CPより向きを変えて広い噴射角薄膜状のガソ
リンを噴射するものである。
次に、第2突施例としては、第5図、及び第6図4示の
ように圧縮着火式直接噴射(ディーゼル)内燃機関であ
る。不第2賓施例のディーゼル機関は燃焼室内に過正に
コントロールされたスワーμを形成し、主凹所21Aは
ピストンlの中心軸に対し偏心的に設けた点と、該主凹
所21bの中1つ 心碇脅し所定の角度で偏心的に配置した燃料噴射弁から
の燃料噴霧は主凹所21hの開口部の一側方内壁面に近
いところを指向して噴射させる点とピストンlの上部2
0に横断面よりして真円状の主凹所21b<実線および
破線にて示す)とこの主凹所21kに1つの円弧状の凸
部22kを介接して連通し該凸部22にの曲率より大な
る曲率の2つの円弧からなる副凹所2B4.24A(実
線にて示す)とを形成した点に特徴がある。ここで副凹
所23bと246とはその曲率半径は図示のごとくスワ
ール方向に沿って順次小さくしてもよく、その他はぼ同
等でもよく噴霧に対する空気導入の良好な分布を得るこ
とができる。
本第2実施例のディーゼル機関は第5図及び第6図に示
すように、シリンダプロ、り内な往復動上 するピストンlの取部20平担面の中央部より偏心的に
燃焼室を構成する有底円筒形状の主凹所21bを穿設す
る。
本例では、εは18であってトップクリアランスhは0
8mである。
燃料噴射弁は、前記第8図に示す様に、シリンダヘッド
2を貫通配置し、その噴口な前記主凹所21bの軸と一
致させたスリットタイプの渦巻噴射弁2706から成る
シリンダヘッド2には、第5図に示すように。
吸虹弁7.および排気弁を挿入配置して渦巻噴射−ル比
の旋回流(ヌヮール)を発生する様にチーーニングした
へりカルボ−)HPを構成する・上記構成より成る本実
施例のディーゼル@511は。
ヘリカルポー1−HPにより旋回力を付与された吸入空
気が、ピストンlの上昇に応じ圧縮される。
ピストンlの上昇に応じ、吸入空気のヌヮールSは主凹
所21b内に加速流入され適度な旋回速度とされる。
これに伴って主凹所21AtC設けた1つの凸部924
によってスワ−A/Sを減衰させることなく有効利用し
て随時乱れに変換することができ、かつ乱れの強いtJ
Aを形成することができる。
しかも本実施例のディーゼw 機関におし1て副凹所2
3A、24bは前記スワールSとは別の2つの二次流れ
の旋回流Bを生起でき、かつその収容を図って旋回流通
を促すと共に、前記スワールS七二次流れの旋回流Bと
の間にさらに乱れAを形n’Zすることができる。
そしてピストン1が上死点に近くなり、1死点曲20度
ないし5度には渦巻噴射弁270bから接線方向の速度
成分を有する大きな拡がり角の中空円錐状の三次元噴霧
パターンで燃料の噴射が始まり・主凹所21Aの開口部
の一側方内壁面に近いところまで噴霧が到達する、 十死点前10度酌後になると、ピストンlの主凹所21
b内の内壁近くの燃料噴霧は、前記スワー/vSにより
主凹所21bの深さ方向へ流されて前記生成された乱れ
Aとも相まって燃料噴霧は拡散。
混合して、圧縮末期の断熱圧縮された高温空餐によって
蒸発しながら、主凹所21bおよび副凹所行なわれ、し
かも副凹所23b、24b側に臨むい空電導入が実奏さ
れるのである。
しかるのちの発火は、主凹所21’の一側方内壁面付近
から起こり、スワールS)こより旋回しつつ主凹所21
Aの全周に到達する。ピストンが」二死卸 点を過ぎると、ピストンlの頂面の平担面とシリンダヘ
ッド2の下壁面との隙間が増大するので。
主凹所21bの中のガヌは開口部を通って倣しく噴出し
、完全燃焼する。
本第2実施例のディーゼル機関は、燃料の貫徹力の小さ
い渦巻噴射弁270bを用いているので燃料噴霧の主凹
所21Aの内壁面への衝突がないから、衝突による燃料
粒の粗大化および燃料液膜げ の形成が・χく、渦巻噴射弁270bが燃料の微粒化特
性が良<、シかもスワーA/S及びこれを有効利用して
生成される乱れへの形成により燃・暁を促進させ、完全
燃焼させるという利点を有する。
したがって本第2実施例のディーゼル機関は発煙をいち
じるしく抑制し、炭化水素(HC)、−酸化炭素(CO
)、炭素等の微粒子排出を低減し。
渦巻噴射弁270bから噴射された燃料噴霧をスワール
Sに乗せて、主凹所21hの内壁面近くに運ぶと共に、
乱れAによって連続的に分布させるので9着火遅れが短
か(、騒音を低く抑えることができるという利点を有す
る。
また本第2実施例のディーゼtv%関は、エンジンの摩
f、<が小さく1機械効率を高め、上述した完全燃焼と
あいまって燃料消費率が小さいという利点を有する。
さらに本第2実施例のディーゼ)vダ」閏は、燃料の貫
徹力の小さい渦巻1’7′(41弁2704を使用する
ので、主凹所211’、副凹所23b、24hの内壁面
への燃料の衝突を避けるために強いスワール\ を形成する必要がなく、吸入孔および吸気弁付近へ (1)kリカルボートの流れの抵抗を小さくすることが
できるため、鱈焼室への吸入空気の吸気効率(ηV)を
高くすることができ、同一シリンダ一体積に対して吸入
できる空気量が増加し、同−空気過剰実のもとて燃焼で
きる燃料の矛を増やすことができ、エンジン出力を増大
させるという利点を有する。
以上、前述の実施例において本発明の代表例について述
べたが9本発明はこれらに限定されるものではなく、各
実施例で組み合わせた要素の実施例間の変更が可能であ
る。
その他特許請求の範囲の記載の精神に反しない1混り発
疹の設計変更および付加変更が可能である。
すなわち1本発明におけるビス1−ンの上部に形成する
凹所や凸部の形状、構造については前記実施例に限らず
、この他第7図および第8図々示のように主凹所と21
cと副凹所23cとの間に複数の凸部を介接せずに、主
凹所21cとw1]凹所23Cとを直接接続したり、ま
た主凹所21cの底部をトロイダル形状としたり、その
他に主凹所の軸線に対【7副凹所を非対称に配置したり
さらには副凹所をさらに複数連設装備してもよし1゜こ
れらは前記実施例とほぼ同様な作用効果を奏するもので
ある。
また本発明は、主にピストン頂部に主、副凹所。
凸部を配設して成るが、これに限定されることなくシリ
ンダヘッド下面とピストン頂面との間に所定茶漬の燃焼
室を有する機関の場合にも、前記主凹所、副凹所、凸部
等に関連する相対関係が満たされることにより適当な旋
回流、乱れの生成、確保を図ることができ燃焼改善でき
るといった前述とほぼ間柱の作用効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
第1図乃至第4図は不発明の第1実施例筒内噴射式ガソ
リン機関および噴射弁をそれぞれ示す断面図、第5図及
び第6図は本発明の@2実施例ディーゼル機関をそれぞ
れ示す断面図、第7図および第8図は本発明のその他の
実施例をそれぞれ示す断面図であ゛る。 主凹所、220,226は凸部、231+123A。 23eは副凹所 第3回 第4回 第60 第7珂

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)  ピストン、シリンダヘッド及びシリンダブロ
    ックにより形成する往復動内燃機関の燃焼室において。 該燃焼室内に吸入空気を供給する吸気機構には吸入空気
    を旋回させる旋回機構を有し 前記燃焼室には該旋回機構により形成される吸入空電の
    旋回流を流入加速する主凹所を設け。 該吸入空電に所定量の燃料を供給する燃料噴射弁からな
    る燃料供給装置を装備し。 前記主凹所には前記旋回流の方向に沿いかつ燃料噴射弁
    の燃料噴射方向に沿って配設するとともに該旋回流とは
    別の二次流れの旋回流を生起せしめて収容し流通すると
    ともに、前記旋回流と二次流れの旋@J流との間に乱れ
    を生成すべく副凹所を構成してなり、主として前記旋回
    流ならびにこれ燃機関の燃焼効率を改善するようにした
    ことを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関。 (2)前記筒内燃料噴射式内燃機関は、噴射供給される
    燃料を着火燃焼せしめる点火装置とを装備する筒内燃料
    噴射式内燃機関であって燃焼室内に直接噴射供給される
    燃料を着火燃焼するようにしたことを特徴とする特許 載の筒内燃料噴射式内燃機関。 (8)前記筒内燃料噴射式内燃機関はP焼室の主凹所内
    に燃料供給源に連通し,かつ該主凹所内に所定量の燃料
    を直接噴射供給する燃料噴射弁からなる燃料供給装置を
    装備する圧縮着火式内燃機関であって.ピストンの1分
    により吸入空気を断熱圧縮せしめ主凹所内に直接噴射供
    給される燃料を圧縮着火燃焼するようにしたことを特徴
    とする前記特許請求の範囲第+11項記載の筒内燃料噴
    射式内燃機関。
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