(57)【要約】【課題】成層燃焼に適した混合気の新たな形成方法を提供する。【解決手段】燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１８と燃料噴射弁により噴射された燃料噴霧の広がり角を調整する燃料噴霧広がり角調整手段とを具備し、圧縮行程開始後、燃焼室５内のガスが吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流し始めた後に吸気弁６を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、逆流するガス流れの流速が吸気弁６の配置に応じた所定の分布を燃焼室５内に有し、成層燃焼をすべきとき、圧縮行程中に分布中最も流速の早い領域に向け均質燃焼時よりも小さい燃料噴霧の広がり角で燃料噴射を行い、噴射された燃料が燃焼室５から吸気弁６に向かうガス流れによって点火栓１０に向け偏向されるように燃料噴射時期を設定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と該燃料噴射弁により噴射された燃料噴霧の広がり角を調整する燃料噴霧広がり角調整手段とを具備し、燃焼室内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードと点火栓近傍に混合気を形成する成層燃焼モードとの間で切替運転可能であり、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、逆流するガス流れの流速が吸気弁の配置に応じた所定の分布を燃焼室内に有し、成層燃焼をすべきとき、圧縮行程中に前記分布中最も流速の早い領域に向け均質燃焼時よりも小さい燃料噴霧の広がり角で燃料噴射を行い、噴射された燃料が燃焼室から吸気弁に向かうガス流れによって点火栓に向け偏向されるように燃料噴射時期を設定した筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
吸気通路内に、燃焼室内へ吸入される空気によって形成されるタンブル流の生成を制御するタンブル制御弁を配置し、該タンブル制御弁によって制御されたタンブル流が前記逆流するガス流れの流速を増加させる請求項１に記載の筒内噴射式火花点内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴射弁の噴射圧を制御する噴射圧制御手段を具備し、前記逆流するガス流れの流速が早いほど噴射圧を強くする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点内燃機関。
【請求項４】
排気通路内に排気を浄化する触媒を配置し、冷間始動時において、通常運転時よりも点火時期を遅くすると共に前記成層燃焼を行い、前記触媒を昇温させる請求項１から３のいずれか１つに記載の筒内噴射式火花点内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた均質燃焼を行う筒内噴射式火花点火内燃機関において、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁し、吸気弁閉弁後に燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関によれば、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁することによってポンピング損失が低減し、燃料消費が抑制されるという効果がある。更に、吸気弁閉弁後に燃料を噴射することによって、吸気弁開弁中に燃料を噴射する場合に比べて上死点付近での温度・圧力を高めることができ、強い乱れが生じることによって燃焼速度が向上するという利点もある。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２８７４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この内燃機関では、燃料噴射後点火までの時間が短いため、均質燃焼に最適な、燃焼室内に均一な混合気が得られず、そのため未燃燃料が増加するなど未燃損失が増大するという問題がある。また、成層燃焼時においても、混合気の形成について改善の余地がある。
【０００５】
そこで本発明は、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼に適した混合気の新たな形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と該燃料噴射弁により噴射された燃料噴霧の広がり角を調整する燃料噴霧広がり角調整手段とを具備し、燃焼室内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードと点火栓近傍に混合気を形成する成層燃焼モードとの間で切替運転可能であり、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、逆流するガス流れの流速が吸気弁の配置に応じた所定の分布を燃焼室内に有し、成層燃焼をすべきとき、圧縮行程中に前記分布中最も流速の早い領域に向け均質燃焼時よりも小さい燃料噴霧の広がり角で燃料噴射を行い、噴射された燃料が燃焼室から吸気弁に向かうガス流れによって点火栓に向け偏向されるように燃料噴射時期を設定した筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。
【０００７】
即ち、請求項１に記載の発明では、成層燃焼をすべきときに、燃焼室から吸気弁に向かうガス流れが存在する圧縮行程中、即ち圧縮行程中であって吸気弁が開弁中又は閉弁直後に燃料噴射を行うことによって、噴射された燃料を偏向し、点火栓近傍に混合気を形成することができる。逆流するガス流れの流速は、吸気弁の配置によって決定される所定の流速の分布があるが、この分布中最も流速の早い領域に向け、均質燃焼時よりも小さい燃料噴霧の広がり角で燃料噴射を行うことによって、燃料噴霧が偏向され易くなり且つ燃焼室内全体に拡散することなく点火栓近傍に集約されるという、混合気の新たな形成方法が提供される。
【０００８】
なお、燃料噴霧の広がり角とは、燃焼室内をその頂部から中心軸線方向に見たとき、燃料噴射弁から噴射された燃料が広がる角度のことをいう。詳細は図３を参照しながら後述する。また、成層燃焼を行うべきときとは、例えば、低負荷時や低燃費走行時等である。
【０００９】
更に、当該方法によれば、従来、成層燃焼時に用いられる、ピストン頂面に形成され、噴射された燃料噴霧を点火栓近傍に導くためのキャビティを有する必要がない。均質燃焼時にタンブル流を形成する場合、フラットな頂面を有するピストン等その他ピストンに比べて、このキャビティを有するピストンは、キャビティの形状がタンブル流の気流と干渉し、圧縮行程後半においてタンブル流を減衰させてしまうという問題を有する。しかし、当該方法によって、ピストン頂面にキャビティを形成する必要がなくなることによって、当該問題が解消されるという効果も奏する。その結果、タンブル流の減衰等の不具合がなくなるため、燃焼状態が改善され、燃費が向上するという効果も奏する。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、吸気通路内に、燃焼室内へ吸入される空気によって形成されるタンブル流の生成を制御するタンブル制御弁を配置し、該タンブル制御弁によって制御されたタンブル流が前記逆流するガス流れの流速を増加させる筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。
【００１１】
即ち、請求項２に記載の発明では、タンブル流制御弁によってタンブル流を制御することにより、逆流するガス流れの流速が増加され、より確実に噴射された燃料噴霧を点火栓近傍へ偏向させることができ、成層燃焼に適した混合気を形成することができるという効果を奏する。また、タンブル制御弁によるタンブル流によって逆流するガス流れの流速が増加されたことにより、タンブル流を利用しない場合に比べて吸気弁の閉弁時期を早くすることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記燃料噴射弁の噴射圧を制御する噴射圧制御手段を具備し、前記逆流するガス流れの流速が早いほど噴射圧を強くする筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。
【００１３】
即ち、請求項３に記載の発明では、逆流するガス流れの流速に応じて、点火栓近傍に良好な混合気を形成するために最適な噴射圧で燃料を噴射することが可能となる。即ち、或る逆流するガス流れの流速に対して、燃料噴射弁からの燃料の噴射圧が小さい場合、即ち貫徹力（ペネトレーション）が小さい場合、噴射された燃料噴霧は、点火栓よりも手前で偏向してしまい、点火栓近傍に混合気を形成することができない。それに対して、噴射圧が大きい場合、即ち貫徹力が大きい場合、偏向度合が小さくなり、点火栓近傍に混合気を形成することができずに燃焼室内で拡散してしまう。従って、本発明によれば、点火栓近傍に良好な混合気を形成することが可能となる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明によれば請求項１から３のいずれか１つに記載の発明において、排気通路内に排気を浄化する触媒を配置し、冷間始動時において、通常運転時よりも点火時期を遅くすると共に前記成層燃焼を行い、前記触媒を昇温させる筒内噴射式火花点内燃機関が提供される。
【００１５】
即ち、請求項４に記載の発明では、本発明による成層燃焼は点火時期をより遅角させることが可能となるため、冷間始動時の触媒昇温においても使用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
各請求項に記載の発明によれば、成層燃焼に適した混合気の新たな形成方法を提供することができるという共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１を参照しながら本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関について説明する。図１において、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気通路、８は排気弁、９は排気通路、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気通路７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には吸入空気流量を検出するためのエアフローメータ１５と、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７とが配置される。また、燃焼室５内には燃焼室５内に燃料を噴射する電気制御式の燃料噴射弁１８が配置される。
【００１８】
更に、吸気弁６及び排気弁８には、それらの開弁動作を変更する可変動弁機構１９，２０がそれぞれ設けられる。ここで、開弁動作は例えばリフト量、開弁期間（作用角）及び開弁開始時期のうち一つ又は複数によって定められ、本実施形態の機構は公知のいずれの機構も使用可能であるため詳述はしない。
【００１９】
一方、排気通路９は排気枝管２１を介して小容量の三元触媒２２に連結され、三元触媒２２上流排気通路には空燃比を検出するための空燃比センサ２３が取り付けられる。機関本体１には機関冷却水温を検出するための水温センサ２４が取り付けられる。
【００２０】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量を検出するための負荷センサ５０が接続される。ここで、アクセルペダル４９の踏み込み量は要求負荷を表している。
【００２１】
エアフローメータ１５、空燃比センサ２３、水温センサ２４、及び負荷センサ５０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５１の出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。
【００２２】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して点火栓１０、ステップモータ１６、燃料噴射弁１８、及び可変動弁機構１９，２０にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット４０からの出力信号に基づいて制御される。
【００２３】
三元触媒２２は、酸素吸蔵能力を有しており、これにより三元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中の酸素を吸蔵すると共に、三元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときには吸蔵している酸素を放出することにより排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯを酸化・浄化する。
【００２４】
本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程開始後、燃焼室５内のガスが吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流し始めた後に吸気弁６を閉弁する運転状態を有する。即ち、これによって、ポンピング損失が低減し、燃料消費が抑制されるという従来の利点を有する。また、当該内燃機関は、燃焼室５内に均一な混合気を形成する均質燃焼モードと、点火栓１０近傍に混合気を形成する成層燃焼モードとの間で切替運転が可能である。
【００２５】
まず、図２及び図３を参照しながら均質燃焼について説明する。この均質燃焼は通常一般に行われるタイプのものである。図２は、均質燃焼時の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。この均質燃焼では、噴射された燃料が後述するような燃焼室５内のガス流れの影響を受けることがないため、燃料噴霧３０は偏向することなく、噴射時の貫徹力（ペネトレーション）によって直進し、最終的に燃焼室５内で均一な混合気を形成する。
【００２６】
図３は、燃料噴射時の図２について燃焼室内を線Ｉ−Ｉに沿った断面でその頂部から中心軸線方向に見た図を概略的に示している。図３において、燃料噴射弁１８から燃焼室５内に噴射された燃料噴霧３０が広がる角度を燃料噴霧の広がり角θと称す。
【００２７】
次に、図４から図６を参照しながら本発明の特徴である成層燃焼について説明する。図４は、成層燃焼時の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。本発明による成層燃焼時の燃料噴射では、噴射された燃料が燃焼室５から吸気弁６に向かうガス流れによって点火栓１０に向け偏向され、図５に示されるように、点火栓１０近傍に成層燃焼に適した混合気を形成する。
【００２８】
即ち、圧縮行程開始後、ピストン４が圧縮下死点から上昇し、燃焼室５内のガスが吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流し始める。それにより燃料噴射時、燃焼室５内には吸気弁６又は吸気通路７に向かうガス流れが形成されており、噴射された燃料はそのガス流れによって、図４の燃料噴霧３０が示すように、点火栓１０に向かって曲げられることとなる。なお、このガス流れは圧縮行程中であって、吸気弁６が開弁中のみならず、吸気弁６閉弁直後も存在する。
【００２９】
図６は、図３と同様に、燃料噴射時の図２について燃焼室内を線Ｉ−Ｉに沿った断面でその頂部から中心軸線方向に見た図を概略的に示している。図６に示されるように、この燃料噴射時の燃料噴霧の広がり角θは、均質燃焼時に比べて小さく設定されている。これは、２つの吸気弁６の中間の領域３１に向かって集中して燃料噴射を行うためである。領域３１は、各吸気通路内へ逆流するガスが合流し、図３における断面内において流速の分布を比較したときに最も流速が早い領域を示している。この分布の傾向は、燃焼室のその他任意の横断面においても同様であると考えられ、予め実験又は計算によって求められる。
【００３０】
従って、燃料噴霧の広がり角θを小さくすることによって領域３１に向かって集中して噴射された燃料は、燃料噴霧の広がり角θを大きくして噴射した場合に比べて燃料噴霧３０の拡散の度合が小さく、噴射された燃料を安定且つ確実に点火栓１０へ偏向させることが可能となる。即ち、燃料噴霧の広がり角θが大きい場合には、ガス流れの流速が早い領域３１を含むそれ以外の領域にも燃料噴霧３０が広がるため、噴射された燃料が影響を受ける逆流するガス流れの流速差が大きい。その結果、燃料噴霧３０の一部は点火栓１０近傍において混合気を形成するが、残りの燃料噴霧３０は燃焼室５内に拡散し、成層燃焼に適した混合気が得られない。従って、本発明では、燃料噴霧の広がり角θを小さくし、逆流するガス流れの流速が最も早い領域３１に向かって集中して燃料噴射を行うことによって、成層燃焼に適した混合気を形成するようにしている。
【００３１】
なお、本実施形態における筒内噴射式火花点内燃機関では、吸気弁６を２つ備えているため、領域３１は、これら吸気弁の間の領域であったが、その他の数の吸気弁を備えた筒内噴射式火花点内燃機関においては異なる位置となる。また、燃料噴霧の広がり角θを変更する手段としては、例えば、燃料の噴射圧を変更する方法、燃料の噴射と同時に空気を噴孔に噴射して変更する方法、噴孔の形状を変更する方法等がある。
【００３２】
次に、図７を参照しながら本発明による別の実施形態による筒内噴射式火花点火内燃機関について説明する。図７に示される内燃機関は、図１に示される内燃機関と比較すると、吸気枝管１１内にはステップモータ２５により駆動されるタンブル制御弁 （ＴＣＶ）２６が配置されている点において異なる。ステップモータ２５は、対応する駆動回路４８を介して出力ポート４６に接続され、電子制御ユニット４０からの出力信号に基づいて制御される。ステップモータ２５を用いてタンブル制御弁２６の開閉を制御することによって、吸気枝管１１内を流れる吸入空気を制御することができ、それによって燃焼室５内におけるタンブル流の生成及びその強さを調整することができる。
【００３３】
図８は、タンブル制御弁２６によって制御されたタンブル流３２を利用した燃料噴射の様子を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。本実施形態によれば、成層燃焼をすべきとき、タンブル流３２の一部であって燃焼室５頂部方向に向かう流れが、領域３１を通過するように、タンブル制御弁２６によって制御される。タンブル流３２が領域３１を通過するよう制御することによって、逆流するガス流れの流速が増加し、より確実に噴射された燃料噴霧３０を点火栓１０近傍へ偏向させることができ、成層燃焼に適した混合気を形成することができる。また、タンブル制御弁２６によるタンブル流３２によって逆流するガス流れの流速が増加されたことにより、タンブル流３２を利用しない場合に比べて吸気弁６の閉弁時期を早くすることができる。
【００３４】
図９は、或る燃料噴射時期における吸気弁６の閉弁時期と、そのときの逆流するガス流れの流速Ｖとの関係を、タンブル制御弁２６の開度に応じて示している。横軸はクランク角で表されており、圧縮下死点（ＢＤＣ）から圧縮上死点（ＴＤＣ）の間を示している。縦軸に示す逆流するガス流れの流速Ｖは、タンブル流３２によって増加した後の逆流するガス流れの流速を示しており、或る燃料噴射時期において成層燃焼を行うのに最低限必要な逆流するガス流れの流速をＶＬで示す。
【００３５】
図９によれば、或る燃料噴射時期において、成層燃焼を行うのに最低限必要な逆流するガス流れの流速ＶＬを得るため、タンブル制御弁２６が全閉時（ＴＣＶＣ）には、吸気弁の閉弁時期はクランク角ＣＡ１以降であり、タンブル制御弁２６が全開時（ＴＣＶＯ）には、吸気弁の閉弁時期はクランク角ＣＡ２以降でなければならないことを示している。なお、図９に示される関係及びそれに対応する流速ＶＬは、各燃料噴射時期において、予め実験又は計算によって求められ、ＲＯＭ４２に保存される。
【００３６】
なお、図９に示される関係に基づいて、成層燃焼を行うのに最低限必要な逆流するガス流れの流速ＶＬは、吸気弁の閉弁時期を制御するか若しくはタンブル制御弁２６の開度を制御するか又はこれらを組み合わせて制御することによって得ることが可能である。
【００３７】
図１及び図７に示されるそれぞれの実施形態において、逆流するガス流れの流速に応じて燃料噴射弁１８から噴射される燃料の噴射圧を変化させるようにしてもよい。これに関し、図１０を参照しながら説明する。
【００３８】
図１０は、或る逆流するガス流れの流速における噴射圧Ｐと点火栓１０近傍の空燃比ＡＦとの関係を示す。成層燃焼時の或る逆流するガス流れの流速Ｖにおいて、成層燃焼を行うことが可能な最低限の点火栓１０近傍の空燃比をＡＦＬとする。図１０を参照すると、噴射圧ＰがＰ１より小さいと、噴射圧が低いため貫徹力が弱く、噴射された燃料噴霧３０が点火栓１０まで到達しない。一方、噴射圧ＰがＰ２より大きいと、噴射圧が高いため貫徹力が強く、噴射された燃料噴霧３０は点火栓１０近傍への偏向が小さく、燃焼室５内全体に拡散してしまう。従って、これらの場合には、成層燃焼を行うために点火栓１０近傍に必要な空燃比ＡＦＬ以上の混合気は形成されない。
【００３９】
以上より、噴射圧Ｐ１以上で噴射圧Ｐ２以下の場合に、成層燃焼に最適な空燃比の混合気が点火栓１０近傍に形成される。このような最適な噴射圧の下限Ｐ１及び上限Ｐ２の値は、逆流するガス流れの流速Ｖに応じて予め実験又は計算によって求められ、ＲＯＭ４２に保存される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図２】均質燃焼時の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図３】図２の線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。
【図４】成層燃焼時の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図５】成層燃焼に適した混合気の形成を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図６】図４の線Ｉ−Ｉに沿った概略断面図である。
【図７】本発明による別の筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図８】成層燃焼時の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図９】吸気弁の閉弁時期と、逆流するガス流れの流速Ｖとの関係を示す図である。
【図１０】噴射圧と点火栓近傍の空燃比との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    機関本体
４    ピストン
５    燃焼室
６    吸気弁
７    吸気通路
１０    点火プラグ
１８    燃料噴射弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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