(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポートの吸気弁ステムの下流側に、吸気ポートを流通する吸気流と略平行な開位置から吸気ポート内の吸気流と直交する断面の半部側に閉弁されることにより、燃焼室内のガス流動を燃焼室中心側からピストン冠面に向かう順タンブル流から、吸気弁配置側の燃焼室側部からピストン冠面に向かう逆タンブル流に変える制御弁を設けたことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置。
【請求項２】
制御弁はその閉弁によって、吸気ポートの燃焼室中心側の略半部を、平面視して該吸気ポートを流通する吸気の主流に対して略直角に塞ぐ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の吸気制御装置。
【請求項３】
制御弁はその閉弁によって、吸気ポートの燃焼室中心側の略半部を、燃焼室内に発生する逆タンブル流で燃料を燃焼室中心に向けて搬送可能に塞ぐ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の吸気制御装置。
【請求項４】
制御弁は２つの吸気ポートに配設されていて、これら制御弁は閉弁時に各吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの同一片側の略４半部を塞ぐ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の吸気制御装置。
【請求項５】
制御弁は２つの吸気ポートの一方に配設されていて、閉弁時に一方の吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの他方の吸気ポートに隣接した側の略４半部を塞ぐように構成され、かつ、該他方の吸気ポートの吸気弁は一方の吸気ポート内の制御弁が閉弁している間は閉弁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の吸気制御装置。
【請求項６】
吸気ポートの内周面には、制御弁の周縁の回動軌跡に沿って形成されて該制御弁の周縁部を受容する凹部を備えていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置。
【請求項７】
制御弁は均質燃焼運転時に開弁され、成層燃焼運転時に閉弁されることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置。
【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の吸気制御装置に関する。
【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９−２５０３５１号公報に示されているように、吸気ポートの吸気弁ステムの上流側に近接してバタフライ弁を配設し、機関の運転状態に応じて該バタフライ弁の開度を調節することによって燃焼室内のガス流動を１つのタンブル流から２つのタンブル流に変化させる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】
筒内噴射式火花点火機関では周知のように機関の高負荷運転域では燃料の吸気行程噴射により燃焼室に略均質な空燃比の混合気を形成して均質燃焼を行わせる一方、低、中負荷運転域では燃料の圧縮行程噴射により燃焼室中心部の点火プラグ周りにのみ比較的濃い混合気を形成し、平均的な空燃比を非常に大きく（希薄化）して成層燃焼を行わせるようにしているが、前記均質燃焼時には吸気効率を下げることがないように吸気ポートの傾斜向きに略沿って燃焼室に流入する吸気流で燃焼室内のガス流動を、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として混合気の均質化を積極的に行わせて出力の向上を図り、成層燃焼時には前述とは逆に燃焼室内のガス流動を、吸気弁配置側の燃焼室側部からピストン冠面に下向きに向う逆タンブル流として、燃焼室の吸気弁近傍の側部から噴射される燃料が燃焼室中心部の点火プラグに吹き当ってくすぶりの原因とならないようにすると共に、燃料の気化促進と燃料の点火プラグ側への確実な搬送とを行えるようにすることが望まれる。
【０００４】
ところが、前記従来の吸気制御装置ではバタフライ弁を吸気ポートの吸気弁ステムの上流側に配設してあるため、吸気弁ステムがガス流動の乱れの原因となってサイクルバラツキを生じ易く出力低下の要因となってしまう。また、成層燃焼時に燃焼室に１つの逆タンブル流を得ようとした場合、バタフライ弁を全閉近くまで回動する必要があって吸気ポートの絞りにより吸気効率が極端に下がって出力の低下を来してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は吸気のサイクルバラツキを生じることがなく、しかも、機関運転状態に応じて燃焼室内のガス流動を、吸気効率の低下による出力の低下を伴うことなく順タンブル流から強い逆タンブル流に変化させることができる筒内噴射式火花点火機関の吸気制御装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、吸気ポートの吸気弁ステムの下流側に、吸気ポートを流通する吸気流と略平行な開位置から吸気ポート内の吸気流と直交する断面の半部側に閉弁されることにより、燃焼室内のガス流動を燃焼室中心側からピストン冠面に向かう順タンブル流から、吸気弁配置側の燃焼室側部からピストン冠面に向かう逆タンブル流に変える制御弁を設けたことを特徴としている。
【０００７】
請求項２の発明にあっては。請求項１に記載の制御弁はその閉弁によって、吸気ポートの燃焼室中心側の略半部を、平面視して該吸気ポートを流通する吸気の主流に対して略直角に塞ぐようにしたことを特徴としている。
【０００８】
請求項３の発明にあっては、請求項１に記載の制御弁はその閉弁によって、吸気ポートの燃焼室中心側の略半部を、燃焼室内に発生する逆タンブル流で燃料を燃焼室中心に向けて搬送可能に塞ぐようにしたことを特徴としている。
【０００９】
請求項４の発明にあっては、請求項１に記載の制御弁は２つの吸気ポートに配設されていて、これら制御弁は閉弁時に各吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの同一片側の略４半部を塞ぐようにしたことを特徴としている。
【００１０】
請求項５の発明にあっては、請求項１に記載の制御弁は２つの吸気ポートの一方に配設されていて、閉弁時に一方の吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの他方の吸気ポートに隣接した側の略４半部を塞ぐように構成され、かつ、該他方の吸気ポートの吸気弁は一方の吸気ポート内の制御弁が閉弁している間は閉弁するようにしたことを特徴としている。
【００１１】
請求項６の発明にあっては、請求項１〜５に記載の吸気ポートの内周面には、制御弁の周縁の回動軌跡に沿って形成されて該制御弁の周縁部を受容する凹部を備えていることを特徴としている。
【００１２】
請求項７の発明にあっては、請求項１〜６に記載の制御弁は均質燃焼運転時に開弁され、成層燃焼運転時に閉弁されることを特徴としている。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、吸気ポートに設けた制御弁を機関の運転条件に応じて開、閉作動させることによって、燃焼室内のガス流動を順タンブル流と逆タンブル流とに切り換えられるため、運転条件に合わせて燃焼室内のガス流動場を最適にすることができて、出力および排気エミッションを向上することができる。
【００１４】
また、制御弁は吸気ポートの吸気弁ステムの下流側に設けてあって、制御弁の開弁時に該制御弁が吸気ポートの燃焼室側の開口近くに位置するため、成層燃焼時に要求される強い逆タンブル流を発生させることができ、しかも、該制御弁は吸気ポート横断面の半部側に閉弁されることで前記逆タンブル流を発生させるようにしてあるので当該運転時に吸気効率の極端な低下による出力の低下を抑制することができる。
【００１５】
更に、制御弁が吸気弁ステムの下流側に配置されているため、吸気弁ステムがガス流動の乱れの原因となることがなく、吸気のサイクルバラツキを回避することができる。
【００１６】
請求項２および請求項３に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、何れも制御弁閉弁時に燃焼室内に発生する強い逆タンブル流が燃焼室の径外方向に指向するのを回避し、該逆タンブル流により燃料を燃焼室の略中心部に集めることができて燃焼を安定化することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、２つの吸気ポートに配設した制御弁はそれらの閉弁時に各吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの同一片側の略４半部を塞ぐようにしてあるため、燃焼室内のガス流動は該燃焼室の周方向の一方向に旋回指向した斜め逆タンブル流となってスワール成分を含むようになるため、燃料の燃焼室中心側への搬送作用を強化することができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、制御弁は２つの吸気ポートのうち一方に配設してその閉弁時に一方の吸気ポートの燃焼室中心側の側部で、該吸気ポートの他方の吸気ポートに隣接した側の略４半部を塞ぐように構成してあって、他方の吸気ポートの吸気弁は前記一方の吸気ポート内の制御弁が閉弁している間は閉弁するようにしてあるため、燃焼室内のガス流動を該燃焼室の周方向の一方向に旋回指向した強い斜め逆タンブル流とすることができてスワール成分を含むようになるため、燃料の燃焼室中心側への搬送作用を強化することができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５の発明の効果に加えて、制御弁の閉弁位置によって該制御弁の周縁部と吸気ポート内周面との間に隙間が生じることがないため、強い逆タンブル流を得ることができる。
【００２０】
請求項７に記載の発明によれば、均質燃焼運転時には制御弁の開弁により燃焼室内に順タンブル流を発生させて混合気の均質化を積極的に行わせることができる一方、成層燃焼運転時には制御弁の閉弁により燃焼室内に強い逆タンブル流を発生させて燃料を燃焼室中心側に集めて搬送できるため、均質燃焼、成層燃焼の何れをも安定化させることができて出力や燃費の向上を図ることができる。
【００２１】
【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。
【００２２】
図１において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はピストン２の冠面に設けたキャビティ燃焼室、４はシリンダヘッド、５はこれらシリンダブロック１，ピストン２およびシリンダヘッド４で形成された燃焼室を示す。
【００２３】
シリンダヘッド４には吸気弁８，９によって開閉される２つの吸気ポート６，７と、排気弁１２，１３によって開閉される２つの排気ポート１０，１１とを対向的に設けてある。
【００２４】
また、シリンダヘッド４には燃焼室５の中心部に臨んで点火プラグ１４を配設してあると共に、吸気弁８，９の配設側の側部にはこれら吸気弁８，９の中間位置から燃焼室５内に直接燃料を噴射する図外の燃料噴射弁を設けてある。
【００２５】
吸気ポート６，７は何れも燃焼室５に対して適度の傾きをもって形成して、吸気弁８，９の開弁により図１の（イ）に示すように吸気が燃焼室５内の中心側に向けて流入し、燃焼室５内のガス流動が燃焼室５の中心側からピストン２の冠面に下向きに向かう順タンブル流ａ1 が生じるようにしてある。
【００２６】
これら吸気ポート６，７内には、吸気弁８，９のステム８ａ，９ａの下流側に、吸気ポート６，７を流通する吸気流Ａと略平行な開位置からこれら吸気ポート６，７の横断面の半部側に閉弁されることにより、燃焼室５内のガス流動が図１の  （イ）に示した前記順タンブル流ａ1 から、図１の（ロ）に示すように吸気弁８，９を配置した側の燃焼室５側部からピストン２冠面に下向きに向かう逆タンブル流ａ2 に変える制御弁１５を設けてある。
【００２７】
制御弁１５は略半円形に形成して、閉弁することにより、吸気ポート６，７の燃焼室中心側の略半部を塞ぐようにしてある。
【００２８】
図２は吸気ポート６，７及びそれらの燃焼室側開口部と制御弁１５の燃焼室５に対する配置状態を、排気ポート１０，１１の開口部および点火プラグ１４の配置位置と共に上方から見て示す模式図である。
【００２９】
図２の（イ）に示すように吸気ポート６，７がシリンダ列に対して平面視して直角方向に平行に形成されている場合や、同図の（ロ）に示すように吸気ポート６，７が燃焼室５に平面視して開き角度をもって連通形成されている場合には、前述の制御弁１５はその閉弁によって吸気ポート６，７の燃焼室５中心側の略半部を、平面視して吸気の主流Ａに対して略直角に塞ぐような配置として、吸気流Ａが吸気ポート６，７の平面上の形成向きに沿って燃焼室５内に流入し、該燃焼室５内に発生する逆タンブル流ａ2 の反転流、即ち、ピストン２の冠面に当って燃焼室５の上方へ反転する逆タンブル流ａ2 が、燃焼室５の中心側を向くようにする。
【００３０】
また、図２の（ハ）に示すように吸気ポート６，７が燃焼室５に平面視して内側に湾曲して連通形成されている場合には、制御弁１５はその閉弁によって吸気ポート６，７から燃焼室内に平面視して径方向へ広がり方向に流入する傾向となる吸気流Ａ1 を径方向内側へ向く吸気流Ａに矯正し得るような制御弁１５，１５の配置として、逆タンブル流ａ2 の反転流が燃焼室５の中心側を向くようにして、これら（イ），（ロ），（ハ）の何れの吸気ポート構造でも逆タンブル流ａ2 で燃料を燃焼室５の中心部の点火プラグ１４側へ搬送可能なようにしてある。
【００３１】
また、前記吸気ポート６，７の内周面には、図３に示すように制御弁１５の周縁の回動軌跡に沿って形成されて該制御弁１５の周縁部を受容する凹部１６を形成して、制御弁１５の閉弁位置によって該制御弁１５の周縁と吸気ポート６，７の内周面との間に隙間が生じないようにしてある。
【００３２】
前記制御弁１５は図外のコントロールユニットにより、均質燃焼を行う高負荷運転域では開弁され、成層燃焼を行う低、中負荷運転域では所用の閉弁角度に閉弁するように作動制御される。
【００３３】
図５にこのようなコントロールユニットによる制御弁１５の作動制御の一例をフローチャートで示す。
【００３４】
図５において、ステップ１で回転センサおよび負荷センサによってエンジン回転数およびエンジン負荷が検出されると、ステップ２でこれら回転センサ、負荷センサの各検出値と図６に示すマップとの比較にもとづいて成層燃焼に相応する運転域か、均質燃焼に相応する運転域かが判断される。
【００３５】
ステップ２で成層燃焼運転域と判断された場合（ＹＥＳ）、ステップ３に進み図外のアクチュエータにより制御弁１５を所定の閉弁角度、例えば図３に示すＢ位置又はＣ位置に閉弁作動する。
【００３６】
ステップ２で均質燃焼運転域と判断された場合（ＮＯ）、ステップ４に進み制御弁１５を同アクチュエータにより図３に示すＡ位置に開弁作動する。
【００３７】
このように、均質燃焼時にはコントロールユニットによって制御弁１５が吸気ポート６，７を流通する吸気流Ａと略平行な開位置（図３のＡ位置）に開弁されるため、この吸気流Ａは図１の（イ）に示すように吸気ポート６，７の傾斜向きに略沿って燃焼室５内に流入し、該燃焼室５内には、燃焼室５の中心側からピストン２の冠面に下向きに向かう順タンブル流ａ1 が形成される。
【００３８】
この結果、ポンピングロスをなくして吸気効率の低下を伴うことがなく、かつ、吸気行程中に図外の燃料噴射弁から噴射される燃料はこの順タンブル流ａ1 によって拡散と気化が促進されて均質化が良好に行われ、均質燃焼を安定化させて高負荷運転に要求される高出力が得られる。
【００３９】
一方、成層燃焼時には前記制御弁１５が運転条件により図３のＢ又はＣ位置に閉弁作動され、吸気ポート６，７の燃焼室中心側の略半部を塞ぐため、吸気ポート６，７の吸気流Ａは図１の（ロ）に示すように吸気弁８，９の傘部８ｂ，９ｂの下側から燃焼室５内に流入し、該燃焼室５内には、吸気弁８，９の配置側の燃焼室側部からピストン２の冠面に下向きに向かう逆タンブル流ａ2 が形成される。
【００４０】
この結果、圧縮行程の途中で図外の燃料噴射弁から噴射される燃料が点火プラグ１４に吹き当るの回避して、くすぶりの原因をなくし、かつ、該ピストン２の冠面に向かう逆タンブル流ａ2 によって燃料はピストン２の冠面に吹き当って気化が促進されると共に、燃焼室中心部の点火プラグ１４に向けて搬送されて安定した成層燃焼が行われる。
【００４１】
前記制御弁１５のＡ，Ｂ，Ｃ位置における燃焼室５内のガス流動強さを図４の（イ）にタンブル比とスワール比として示す。図４の（イ）のガス流動強さＡ，Ｂ，Ｃは図３の制御弁位置Ａ，Ｂ，Ｃに対応している。
【００４２】
ここで、制御弁１５は前述のように吸気弁８，９のステム８ａ，９ａの下流側に設けてあって、制御弁１５の閉弁時に該制御弁１５が吸気ポート６，７の燃焼室５側の開口近くに位置するため、成層燃焼時に要求される強い逆タンブル流ａ2 を発生させることができ、しかも、該制御弁１５は吸気ポート６，７の断面の略半部のみを閉塞することで前記逆タンブル流ａ2 を発生させることができるので、成層燃焼運転時にあっても吸気効率の極端な低下による出力の低下を回避することができる。
【００４３】
また、制御弁１５が吸気弁８，９のステム８ａ，９ａの下流側に配置されているため、吸気弁ステム８ａ，９ａがガス流動の乱れの原因となることがなく、吸気のサイクルバラツキを回避することができる。
【００４４】
一方、前記制御弁１５は図２の（イ）又は（ロ）又は（ハ）に示すように、その閉弁により燃焼室５内に形成される強い逆タンブル流ａ2 が、燃焼室５の径外方向に指向するのを回避して燃焼室５の中心部に集合し得るような配置としてあるため、成層燃焼運転時に燃料を該燃焼室中心の点火プラグ１４に向けて確実に搬送することができて、成層燃焼をより一層安定化することができる。
【００４５】
更に、吸気ポート６，７の内周面には、制御弁１５の周縁の回動軌跡に沿って該制御弁１５の周縁を受容する凹部１６を形成してあるため、制御弁１５の前記図３のＢ，Ｃ何れの閉弁位置にあっても制御弁１５の周縁部と吸気ポート６，７の内周面との間に隙間が生じることがなく、閉弁角度に応じて強い逆タンブル流ａ2 を形成することができる。
【００４６】
図７，８は本発明の第２実施形態を示すもので、吸気ポート６，７の吸気弁ステム８ａ，９ａの下流側に配設した制御弁１５Ａは、前記第１実施形態における半円形の制御弁１５の略半分の扇形状に形成されていて、これら吸気ポート６，７の燃焼室中心側の側部で、該吸気ポート６，７の同一片側の略４半分部を閉塞し得るようにしてある。
【００４７】
従って、この実施形態では成層燃焼運転時に制御弁１５Ａを閉弁すると、吸気ポート６，７を流通する吸気流Ａは制御弁１５Ａにより吸気弁８，９の傘部８ｂ，９ｂの下側へ該制御弁１５Ａの配置側と反対方向への旋回指向性を持って偏向されて燃焼室５内に流入し、燃焼室５内に図８に示すように周方向の一方向に旋回指向した斜め逆タンブル流ａ3 を形成してスワール成分を含むようになり、燃焼室中心の点火プラグ１４側への燃料の搬送作用を強化することができる。
【００４８】
図９に示す第３実施形態は、一方の吸気ポート６にのみ制御弁１５Ａを前述の第２実施形態と同様にして配置してあり、そして、他方の吸気ポート７の吸気弁９は図外の可変動弁機構により、成層燃焼運転時に制御弁１５Ａが閉弁している間は該吸気弁９Ａのリフトが停止して閉弁状態を維持するようにしたものである。
【００４９】
従って、この実施形態では成層燃焼運転時に一方の吸気ポート６内の制御弁１５Ａが閉弁すると、他方の吸気ポート７の吸気弁９が閉弁状態を維持するため、図８に示したものと同様の斜め逆タンブル流ａ3 を強めることができる。
【００５０】
これら第２，第３実施形態の制御弁１５Ａの開閉制御による燃焼室５内のガス流動強さを、図３に示したＡ，Ｂ，Ｃの弁位置に対応させて図４の（ロ）にタンブル比とスワール比として示す。
【００５１】
なお、本発明の吸気制御装置は吸気ポート燃料噴射式の機関に適用しても有効であることは云うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の略示的断面説明図で、（イ）は順タンブル流形成時を、（ロ）は逆タンブル流形成時を示す。
【図２】（イ），（ロ），（ハ）は各異なるポート形状の吸気ポートと制御弁との配置関係を上方からみて示した模式図。
【図３】制御弁と凹部との関係を示す略示的断面斜視図。
【図４】（イ），（ロ）は制御弁の弁位置によるガス流動強さを示す特性図。
【図５】制御弁の作動制御の一例を示すフローチャート。
【図６】制御弁作動制御に用いられる成層燃焼運転と均質燃焼運転とを判別するためのマップ。
【図７】本発明の第２実施形態を示す図２と同様の模式図。
【図８】同第２実施形態の略示的断面説明図。
【図９】本発明の第３実施形態を示す図２と同様の模式図。
【符号の説明】
１  シリンダブロック
２  ピストン
４  シリンダヘッド
５  燃焼室
６，７  吸気ポート
８，９  吸気弁
８ａ，９ａ  吸気弁ステム
１４  点火プラグ
１５，１５Ａ  制御弁
１６  凹部
Ａ  吸気流
ａ1   順タンブル流
ａ2   逆タンブル流
ａ3   斜め逆タンブル流
【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】
0003641931.tif 000008
【図８】
0003641931.tif 000009
【図９】
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