(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上面の中心部に点火プラグを配設すると共に、燃焼室の吸気弁配置側の側部に燃料噴射弁を配設した筒内噴射式火花点火機関において、点火プラグの突出量を、燃料を圧縮行程噴射する成層燃焼運転域のエンジン高回転側で小さく、エンジン低回転側で大きく可変制御するようにしたことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
【請求項２】
吸気弁配置側の燃焼室上面には、点火プラグ配設部と燃料噴射弁配設部とに亘って、点火プラグ配設部側に至るに従って突出高が高くなる傾斜ランド部を設け、点火プラグを、その後退位置では傾斜ランド部よりも突出量を小さく、進出位置では傾斜ランド部よりも突出量を大きく可変制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項３】
点火プラグの突出量を、燃料を圧縮行程噴射する成層燃焼運転域のエンジン高負荷高回転側で小さく、エンジン低負荷低回転側で大きく可変制御するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項４】
吸気ポートに、燃料を圧縮行程噴射する成層燃焼運転時に燃焼室内にタンブル流を生成させるタンブル生成手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項５】
吸気ポートに、燃料を圧縮行程噴射する成層燃焼運転時に燃焼室内にスワールを生成させるスワール生成手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は筒内噴射式火花点火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火機関の中には、例えば特開平９−１４１０３号公報に示されているように、燃焼室上面を構成するシリンダヘッドに、該シリンダヘッドの中心部に突出配置した点火プラグと、該シリンダヘッドの吸気弁配置側の側部に配置した燃料噴射弁との間に、該点火プラグの燃料噴射弁配置側の側部を囲む突起部を設けて、燃料噴射弁から噴射した燃料が点火プラグに直接かからないようにしたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
突起部によって燃料噴射弁から噴射した燃料が点火プラグに直接かかるのを回避することができる反面、燃焼室内のガス流動の勢いが弱い運転状態、例えばエンジン回転数が小さい成層燃焼運転時にも前記突起部が点火プラグ側への燃料の搬送の邪魔をして燃料が適切に点火プラグ周りに行き届かなくなって成層燃焼の安定性を損なってしまう可能性がある。
【０００４】
そこで、本発明は燃料噴射弁から噴射された燃料が点火プラグに直接かかるのを回避できると共に、成層燃焼運転、均質燃焼運転の何れの運転状態にあっても適切に着火させることができて安定した燃焼を行わせることができる筒内噴射式火花点火機関を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、燃焼室上面の中心部に点火プラグを配設すると共に、燃焼室の吸気弁配置側の側部に燃料噴射弁を配設した筒内噴射式火花点火機関において、点火プラグの突出量を、燃料を圧縮行程噴射する成層燃焼運転域のエンジン高回転側で小さく、エンジン低回転側で大きく可変制御するようにしたことを特徴としている。
【０００６】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の吸気弁配置側の燃焼室上面には、点火プラグ配設部と燃料噴射弁配設部とに亘って、点火プラグ配設部側に至るに従って突出高が高くなる傾斜ランド部を設け、点火プラグを、その後退位置では傾斜ランド部よりも突出量を小さく、進出位置では傾斜ランド部よりも突出量を大きく可変制御するようにしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明にあっては、請求項１または２に記載の点火プラグの突出量を、燃料を圧縮行程噴射する成層燃焼運転域のエンジン高負荷高回転側で小さく、エンジン低負荷低回転側で大きく可変制御するようにしたことを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明にあっては、請求項１〜３に記載の吸気弁を配設した吸気ポートに、燃料を圧縮行程噴射する成層燃焼運転時に燃焼室内にタンブル流を生成させるタンブル生成手段を設けたことを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明にあっては、請求項１〜４に記載の吸気弁を配設した吸気ポートに、燃料を圧縮行程噴射する成層燃焼運転時に燃焼室内にスワールを生成させるスワール生成手段を設けたことを特徴としている。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、点火プラグの突出量を機関運転状態に応じて可変制御できるようにしてあるため、燃料噴射弁から噴射された燃料が点火プラグに直撃することがないように点火プラグの突出量を小さくすることによって点火プラグの燃料被りによる着火不良やくすぶりを回避することができる一方、燃料が着火プラグに行き届きにくい運転状態では点火プラグの突出量を大きくすることにより燃料を確実に点火プラグ周りに搬送できて安定した燃焼を行わせることができる。加えて、成層燃焼運転域で燃料噴射量が多くなる高回転側で点火プラグの突出量を小さくして、燃料の点火プラグ直撃による燃料被りやくすぶりを回避できる一方、燃料噴射量が少なく、かつ、燃焼室内のガス流動の勢いが弱い低回転側で点火プラグの突出量を大きくして、点火プラグ周りへの燃料の搬送を確実に行わせることができるから、成層燃焼運転域の低回転側から高回転側に亘って安定した燃焼を行わせることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、点火プラグの後退位置では該点火プラグが燃料噴射弁の燃料噴射方向で傾斜ランド部の後ろに隠れた状態となって燃料の直撃を確実に回避できる一方、点火プラグの進出位置では該点火プラグは傾斜ランド部よりも突出量が大きくなるため、燃料が点火プラグに行き届きにくい運転状態でも傾斜ランド部が燃料搬送の邪魔になることがなく、燃料を確実に点火プラグ周りに搬送できて安定した燃焼を行わせることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２の発明の効果に加えて、成層燃焼運転域で燃料噴射量が多くなる高負荷高回転側で点火プラグの突出量を小さくして、燃料の点火プラグ直撃による燃料被りやくすぶりを回避できる一方、燃料噴射量が少ない低負荷低回転側で点火プラグの突出量を大きくして、点火プラグ周りへの燃料の搬送を確実に行わせることができるから、成層燃焼運転域の低負荷低回転側から高負荷高回転側に亘って安定した燃焼を行わせることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３の発明の効果に加えて、成層燃焼運転時には吸気ポートに設けたタンブル生成手段によって燃焼室内にタンブル流を積極的に生成させるため、点火プラグ周りへの燃料の搬送を良好に行えてより一層安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４の発明の効果に加えて、成層燃焼運転時には吸気ポートに設けたスワール生成手段によって燃焼室内にスワールを積極的に生成させるため、点火プラグ周りへの燃料の搬送を良好に行えてより一層安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００２０】
図１，２において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらシリンダブロック１とピストン２およびシリンダヘッド３により形成された燃焼室を示す。
【００２１】
シリンダヘッド３には吸気弁６によって開閉される２つの吸気ポート５と、排気弁８によって開閉される２つの排気ポート７とを対向的に配設してある。
【００２２】
また、シリンダヘッド３の中心部、即ち、燃焼室４の中心部には点火プラグ９を配設してあると共に、該燃焼室４の前記吸気弁配置側の側部には、２つの吸気弁６，６間の近傍に該燃焼室４内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１０を配設してある。
【００２３】
ここで、前記点火プラグ９は機関の運転状態に応じて燃焼室４内側の突出量を可変制御するようにしてある。
【００２４】
図３，４は点火プラグ９の駆動手段の一例を示すもので、１１は固定側ハウジング１１ａと可動側ハウジング１１ｂとからなる油圧シリンダで、点火プラグ９はこの可動側ハウジング１１ｂに取付けてある。
【００２５】
油圧シリンダ１１内には可動側シリンダ１１ｂを縮小側に付勢するセットスプリング１２を配設してあり、固定側シリンダ１１ａをシリンダヘッド３にリテーナ１３を介して固定してある。
【００２６】
油圧シリンダ１１内にはコントロールユニット１５により機関の運転状態に応じて作動制御される油圧ポンプ１４から作動油が供給されることによって、図３に示した油圧シリンダ１１が縮小して点火プラグ９の燃焼室４内への突出量が小さな後退位置から、図４に示すように油圧シリンダ１１が伸張して点火プラグ９が燃焼室４内に大きく突出した進出位置に切り換えられるようにしてある。
【００２７】
この実施形態では燃焼室４の吸気弁配置側の上面、即ち、シリンダヘッド３の吸気弁配置側の燃焼室壁面に、点火プラグ配設部と燃料噴射弁配設部とに亘って、点火プラグ配設部側に至るに従って突出高が高くなる傾斜ランド部１６を設けてある。
【００２８】
点火プラグ９の突出量とこの傾斜ランド部１６の突出高とは、点火プラグ９が後退位置に作動されると該点火プラグ９の電極９ａが燃料噴射弁１０からの燃料噴射方向で傾斜ランド部１６の後側に隠れ、点火プラグ９が進出位置に作動されるとその電極９ａが傾斜ランド部１６よりも大きく燃焼室４内に突出し得る突出高さ関係としてある。
【００２９】
また、吸気ポート５，５の分岐部上流にはタンブル生成手段として、順タンブル制御弁１７を設けてある。
【００３０】
順タンブル制御弁１７は略上半部を切截した半円形に形成してあり、成層燃焼運転時に閉弁作動されることにより吸気流を吸気ポート５，５の上半部側にのみ流通させ、燃焼室４内に燃焼室中心側からピストン冠面に下向きに向かう順タンブル流ａ１  を生成させる。
【００３１】
前述のコントロールユニット１５による点火プラグ９の突出量の可変制御態様の１つとして、例えば燃料を吸気行程噴射する均質燃焼運転時に点火プラグ９を突出量の小さな後退位置に、そして、燃料を圧縮行程噴射する成層燃焼運転時に点火プラグ９を突出量の大きな進出位置に可変制御することが挙げられる。
【００３２】
このコントロールユニット１５には、例えば回転センサ２１ａ，負圧センサ２１ｂ、水温センサ２１ｃ、ノックセンサ２１ｄ等の検出手段２１からの検出信号が入力され、該検出手段の検出信号にもとづいて高負荷高回転時や機関冷間時およびノック発生時には均質燃焼運転域と判断し、また、低・中負荷低回転時には成層燃焼運転域と判断して前記点火プラグ９の駆動手段である油圧シリンダ１１系や燃料噴射弁１０の噴射時期およびタンブル生成手段１７等を制御する。
【００３３】
従って、この実施形態では機関の高負荷高回転時には均質燃料運転域と判断されて図１に示すように点火プラグ９が後退位置に作動されると共に、順タンブル制御弁１７が開弁される一方、燃料噴射弁１０の燃料噴射時期が吸気行程噴射に切り換えられる。
【００３４】
この高負荷高回転時には前述のように点火プラグ９が後退位置にされることにより、電極９ａが燃料噴射弁１０からの燃料噴射方向で傾斜ランド部１６の後ろに隠れるような突出量となるため、燃料噴射量の多い当該運転時に燃料噴射弁１０から噴射された燃料が点火プラグ９の電極９ａを直撃して燃料被りやくすぶりを生じるのを回避することができる。
【００３５】
このような高負荷高回転時には前述のように燃料噴射弁１０からの燃料噴射量が多く、燃焼室４内の平均的空燃比が濃いため、前記点火プラグ９の電極９ａが混合気塊の周辺となっていても良好な着火性が得られ、従って、前述の点火プラグ９への燃料の直撃を回避できることと相俟って安定した均質燃焼を行わせて高出力を得ることができると共に、排気エミッションを良好にすることができる。
【００３６】
また、機関冷間時や失火時も均質燃焼運転域と判断されて点火プラグ９が後退位置に作動されるため、これら機関冷間時および失火時に点火プラグ９への燃料の直撃を回避して点火プラグ９の燃料被り、くすぶり等による燃焼悪化を回避することができる。
【００３７】
一方、機関の低，中負荷低回転時には成層燃焼運転域と判断されて図２に示すように点火プラグ９が進出位置に作動されると共に、順タンブル制御弁１７が閉弁される一方、燃料噴射弁１０の燃料噴射時期が圧縮行程噴射に切り換えられる。
【００３８】
この低，中負荷低回転時では燃焼室４内のガス流動の勢いが前記高負荷高回転時に較べて弱い状況にあるが、前述のように点火プラグ９が進出位置にされることにより、電極９ａが傾斜ランド部１６よりも燃焼室４内に大きく突出配置され、しかも、順タンブル制御弁１７の閉弁作動によって燃焼室４内には図２に示すように燃焼室中心側からピストン冠面に下向きに向かう強い順タンブル流ａ１  が生成されて、圧縮行程で燃料噴射弁１０から噴射された燃料はピストン２の冠面で反転された順タンブル流ａ１  に乗って燃焼室中心部の点火プラグ９側へ向けて搬送されるようになるため、この点火プラグ９の電極９ａ周りにのみ比較的濃い空燃比の混合気を分布させることができて、全体としては超稀薄な空燃比での成層燃焼を安定して行わせることができる。
【００３９】
また、このように成層燃焼時には燃焼室４内に順タンブル流ａ１  を生成するため、燃料噴射弁１０から噴射された燃料がピストン２の冠面に付着して液膜を生じることがなく、未燃ＨＣの発生やスモークの発生をなくすことができ、前記成層燃焼が安定化して行われることと相俟って出力の向上と排気エミッションの向上を図ることができる。
【００４０】
図５は前述の成層燃焼運転時における燃料噴霧の挙動を模式的に示すもので、（イ）に示すように吸気行程で吸気弁６が開弁することによって、吸気ポート５内を流通する空気は該吸気ポート５の上半部側を通って燃焼室４内に吸入され、燃焼室中心部側からピストン２の冠面に下向きに向かう順タンブル流ａ１  が生成される。
【００４１】
圧縮行程では同図の（ロ），（ハ）に示すように燃料噴射弁１０から燃料が噴射されるが、この燃料はピストン２の冠面で上方へ反転される順タンブル流ａ１  によって上方へ偏向されるようになってピストン２の冠面への付着が回避されると共に、この順タンブル流ａ１  の流れに乗って燃焼室中心部の点火プラグ９に向けて搬送され、同図の（ニ）に示すように該点火プラグ９の周りに比較的濃い空燃比の混合気を形成するようになる。
【００４２】
前記実施形態では点火プラグ９を均質燃焼運転時に突出量を小さく、成層燃焼時に突出量を大きく可変制御するようにしているが、この他、成層燃焼運転域のエンジン高回転側で突出量を小さく、エンジン低回転側で突出量を大きく可変制御する制御態様とすることもできる。
【００４３】
この場合、成層燃焼運転域でも高回転側では自ずと燃料噴射量が多くなるが、この燃料噴射量が多くなる高回転側で点火プラグ９の突出量を小さくするため、燃料の点火プラグ直撃による燃料被りやくすぶりを回避することができる。
【００４４】
一方、成層燃焼運転域の低回転側では燃料噴射量が少なく、かつ、燃焼室内のガス流動の勢いが弱い状況にあるが、この低回転側では点火プラグ９の突出量を大きくするため、点火プラグ９周りへの燃料の搬送を確実に行わせることができる。
【００４５】
従って、成層燃焼運転域の低回転側から高回転側に亘って全体的に安定した燃焼を行わせることができる。
【００４６】
更に、他の実施形態として、成層燃焼運転域のエンジン高負荷側で点火プラグ９の突出量を小さく、エンジン低負荷側で突出量を大きく可変制御することも挙げることができる。
【００４７】
この場合、成層燃焼運転域でも高負荷側では自ずと燃料噴射量が多くなるが、この燃料噴射量が多くなるエンジン高負荷側で点火プラグ９の突出量を小さくするため、燃料の点火プラグ直撃による燃料被りやくすぶりを回避することができる。
【００４８】
一方、成層燃焼運転域のエンジン低負荷側では燃料噴射量が少なくなるが、該エンジン低負荷側では点火プラグ９の突出量を大きくするため、点火プラグ９周りへの燃料の搬送を確実に行わせることができ、従って、成層燃焼運転域のエンジン低負荷側から高負荷側に亘って全体的に安定した燃焼を行わせることができる。
【００４９】
前記実施形態では吸気ポート５内のタンブル生成手段として順タンブル制御弁１７を設けた例を示したが、この他、図６に示すように吸気ポート５の燃焼室側開口の近傍に逆タンブル制御弁１８を設けるようにしてもよい。
【００５０】
この逆タンブル制御弁１８は吸気ポート５の燃焼室中心側の略上半部を閉塞可能に略下半部を切截した略半円形に形成されていて、成層燃焼時に閉弁作動されて吸気ポート５の燃焼室側開口近傍で該吸気ポート５の燃焼室中心側の略上半部を塞ぐことにより、吸気ポート５内を流通する空気流を燃料噴射弁１０を配設した側の燃焼室側部に略沿ってピストン２の冠面に下向きに向かう逆タンブル流ａ２  を形成する。
【００５１】
従って、この実施形態の場合も機関の運転状態に合わせて点火プラグ９の突出量を可変制御することに併せて、成層燃焼運転時に燃焼室４内に逆タンブル流ａ２  を積極的に生成させることにより、該成層燃焼運転時に点火プラグ９周りへの燃料の搬送を良好に行えてより一層安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００５２】
成層燃焼運転時に燃焼室４内のガス流動を積極的に行わせる手段として、前記第１，第２実施形態に示したタンブル生成手段１７，１８に替えて、図７に示すスワール生成手段を用いることもできる。
【００５３】
図７において、吸気ポート５，５の分岐部近傍の上流部には、成層燃焼運転時に吸気ポート５，５のうち一方を閉塞するスワール制御弁１９を設けてある。
【００５４】
ピストン２の冠面の吸気弁配置側の略半部には、圧縮行程で燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧を保持し、かつ、燃焼室４内に生成されたスワールを圧縮行程の後期まで良好に保持させるためのキャビティ２０が設けられる。
【００５５】
このキャビティ２０は圧縮行程で点火プラグ９を受容し得る範囲に設けられる。
【００５６】
点火プラグ９は機関の運転状態に応じて突出量が可変制御され、例えば均質燃焼運転時に突出量が小さく、成層燃焼運転時には突出量が大きく可変制御されることは前記第１，第２実施形態と同様である。
【００５７】
成層燃焼運転時に図７の（イ）に示すようにスワール制御弁１９が閉弁することにより、吸気は一方の吸気ポート５のみを流通して燃焼室４内に流入し、該燃焼室４内のガス流動に一方向への旋回指向性を付与してスワールａ３  を生成する。
【００５８】
同図の（ロ），（ハ）に示すように圧縮行程の初期に燃料噴射弁１０から燃料が噴射されると、この燃料噴霧は燃焼室４内のスワールａ３  の作用により燃焼室４上方への偏向が抑制されると共に、スワールａ３  の流動方向に偏向されながらピストン２冠面のキャビティ２０に向かう。
【００５９】
この圧縮行程ではキャビティ２０内にスワールａ３  が良好に保持されているため、該キャビティ２０内に受け止められた燃料は同図の（ニ）に示すようにキャビティ２０内で気化、混合が促進されてスワールａ３  方向に旋回し、ピストン２の上昇により点火プラグ９に向けて搬送され、同図の（ホ）に示すように該点火プラグ９の周りに比較的濃い空燃比の混合気を形成する。
【００６０】
この成層燃焼運転時には点火プラグ９の突出量が大きくされるため、安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００６１】
なお、前記各実施形態において点火プラグ９の突出量制御は、機関の運転状態に応じて線形に可変制御されるものも含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における点火プラグ後退状態を示す略示的断面説明図。
【図２】同実施形態における点火プラグ進出状態を示す略示的断面説明図。
【図３】点火プラグ駆動手段のプラグ後退時を示す略示的断面説明図。
【図４】点火プラグ駆動手段のプラグ進出時を示す略示的断面説明図。
【図５】本発明の第１実施形態における成層燃焼時の燃料噴霧の挙動を表す模式図で、（イ）は吸気行程を、（ロ），（ハ）は圧縮行程における燃料噴射時期を、（ニ）は点火時期を示す。
【図６】本発明の第２実施形態を示す略示的断面図。
【図７】本発明の第３実施形態における成層燃焼時の燃料噴霧の挙動を表す模式図で、（イ）は吸気行程を、（ロ），（ハ），（ニ）は圧縮行程における燃料噴射時期を、（ホ）は点火時期を示す。
【符号の説明】
１  シリンダブロック
２  ピストン
３  シリンダヘッド
４  燃焼室
５  吸気ポート
９  点火プラグ
１０  燃料噴射弁
１７，１８  タンブル生成手段
１９  スワール生成手段
【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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