(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に流入する空気にスワールをシリンダの周方向である横方向に生起させるスワール生起手段を備え、圧縮行程に燃焼室に向け燃料を噴射供給して点火プラグ近傍に可燃空燃比の混合気層を形成しつつ全体としては希薄な混合気とする成層混合気での運転が可能な筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンにおいて、
燃料に対して旋回力を与えつつ噴射供給する燃料噴射装置を備えると共に、前記スワールの旋回方向を切替えるスワール方向切替手段を備えたことを特徴とする筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。
【請求項２】
予め定めたエンジン負荷の運転条件に応じてスワールの方向を切替える請求項１に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。
【請求項３】
エンジンの安定度もしくは排気の状態に応じてスワールの方向を切替える請求項１に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。
【請求項４】
スワール方向切替手段は、複数の吸気ポートを切替えることでスワールの方向を切替えるようになっている請求項１に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。
【請求項５】
燃料噴射装置は、シリンダヘッドの燃焼室壁面の周辺部より燃料を噴射する請求項１に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。
【請求項６】
略シリンダ上方から見て、スワール方向と燃料の旋回方向とは、成層混合気運転域の負荷の低いときに逆方向に、成層混合気運転域の負荷の高いときに同方向に設定する請求項１に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンとしては、例えば図１４、図１５に示すようなものがある（特開平５ー７９３７０号公報等）。
【０００３】
これは、シリンダヘッド６０の燃焼室壁面の中央部に点火プラグ６１が、その燃焼室壁面の周辺部に燃料インジェクタ６２が配置され、ピストン６３の冠面に燃料インジェクタ６２の下方から冠面中央に深い凹部（キャビティ）６４が形成される。
【０００４】
吸気ポートには、ヘリカル型ポート６５と、途中に吸気制御弁（図示しない）が介装されたストレートポート６６とが設けられ、ヘリカル型ポート６５からシリンダ内に流入した吸気により旋回流（スワール）が生起される。
【０００５】
このようなエンジンでは、エンジンの負荷が軽いときには、圧縮行程の後半に燃料インジェクタ６２から燃料を噴射供給して、点火プラグ６１近傍に可燃空燃比の混合気層を形成しつつシリンダ内全体としては希薄な混合気とする、いわゆる成層混合気運転を行い、少ない燃料に対して理論空燃比よりも多い空気を吸入することで、ポンピングロスや熱損失を少なくし、エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させることが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンにあっては、燃料噴射量が少ない低負荷運転時でも、エンジンの安定度を損なわずに成層混合気運転を行うためには、点火プラグ６１近傍に可燃空燃比の混合気層を形成するべく、燃料インジェクタ６２から集中した燃料噴霧を行わせるか、噴射燃料を集中させるような形状、構造の燃焼室等が必要となるが、このようにすると、成層混合気運転域の中でも、比較的負荷が高く燃料噴射量が多い運転領域では、点火プラグ６１近傍の混合気が過濃となり、スモークの発生、着火性の悪化、点火プラグ６１の汚染等を招きかねない。
【０００７】
また、これらの問題を回避するために、吸気行程に燃料を噴射供給してシリンダ内全体の空燃比を一様とする、いわゆる均質混合気での運転領域を中、低負荷領域側へ広げると、成層混合気運転の範囲が狭まり、実用上の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの燃費向上効果が減少してしまう。
【０００８】
この発明は、このような問題点に着目してなされたもので、成層混合気での運転が可能な筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気スワールと旋回力を与えて噴射された燃料との相互作用を利用して点火プラグ近傍の混合気形成を行い、運転領域に応じて吸気スワールと燃料の旋回方向の組み合わせを変えることで、点火プラグ近傍の空燃比をそれぞれの領域に適したものとすることにより、上記問題点を解決することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、シリンダ内に流入する空気にスワールをシリンダの周方向である横方向に生起させるスワール生起手段を備え、圧縮行程に燃焼室に向け燃料を噴射供給して点火プラグ近傍に可燃空燃比の混合気層を形成しつつ全体としては希薄な混合気とする成層混合気での運転が可能な筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンにおいて、燃料に対して旋回力を与えつつ噴射供給する燃料噴射装置を備えると共に、前記スワールの旋回方向を切替えるスワール方向切替手段を備える。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、予め定めたエンジン負荷の運転条件に応じてスワールの方向を切替える。
【００１１】
第３の発明は、第１の発明において、エンジンの安定度もしくは排気の状態に応じてスワールの方向を切替える。
【００１２】
第４の発明は、第１の発明において、スワール方向切替手段は、複数の吸気ポートを切替えることでスワールの方向を切替えるようになっている。
【００１３】
第５の発明は、第１の発明において、燃料噴射装置は、シリンダヘッドの燃焼室壁面の周辺部より燃料を噴射する。
【００１４】
第６の発明は、第１の発明において、略シリンダ上方から見て、スワール方向と燃料の旋回方向とは、成層混合気運転域の負荷の低いときに逆方向に、成層混合気運転域の負荷の高いときに同方向に設定する。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明によれば、旋回力を与えて噴射された燃料と吸気スワールの方向との相互作用により、成層混合気運転において、燃料噴射量が少ないときに燃料噴霧が点火プラグに到達するまでの時間を短くして、点火プラグ近傍に十分な濃度の混合気を形成したり、燃料噴射量が多いときに燃料噴霧を適度に拡散させて、点火プラグ近傍の混合気が過濃になるのを防止したりでき、点火プラグ近傍にそれぞれの条件に適した空燃比の混合気を形成できる。
【００１６】
第２の発明によれば、燃料噴射量が少なく負荷の低いときに、点火プラグ近傍に十分な濃度の混合気を形成して、安定した成層混合気運転を行え、燃料噴射量が多く負荷の高いときに、燃料噴霧を適度に拡散、気化させ、点火プラグ近傍の混合気が過濃になるのを防止して、スモークの発生、点火プラグの汚染等を回避して、良好な成層混合気運転を行える。
【００１７】
第３の発明によれば、エンジンの安定度、良好な排気状態を維持しながら、的確に成層混合気運転を行える。
【００１８】
第４の発明によれば、例えば吸気ポートの途中に設ける吸気制御弁を介して、あるいは吸気バルブの可変機構を介して、または吸気制御弁と吸気バルブの可変機構の組み合わせにより、吸気ポートの切替えが行われ、吸気スワールの方向を切替えられる。
【００１９】
第５の発明によれば、シリンダヘッドの燃焼室壁面の周辺部より旋回力を与えて噴射された燃料と吸気スワールの方向との相互作用により、点火プラグ近傍にそれぞれの条件に適した空燃比の混合気を形成できる。
【００２０】
第６の発明によれば、略シリンダ上方から見て、吸気スワールの方向と燃料の旋回方向とを、成層混合気運転域の負荷の低いときに逆方向にすることで、燃料噴霧を点火プラグ近傍に集中させることができ、成層混合気運転域の負荷の高いときに同方向にすることで、燃料噴霧を適度に拡散できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１〜図３に示すように、シリンダヘッド１の燃焼室壁面にはシリンダ中心線上に燃焼室２に臨む点火プラグ１５が配置される。シリンダヘッド１の点火プラグ１５の回りの燃焼室壁面には、吸気ポート１３ａ，１３ｂ、排気ポート１４ａ，１４ｂが開口され、それぞれバルブ口に吸気バルブ１１ａ，１１ｂ、排気バルブ１２ａ，１２ｂが設けられる。
【００２３】
シリンダヘッド１の燃焼室壁面の周辺部には、吸気ポート１３ａ，１３ｂのバルブ口の中央外方に燃焼室２に向け燃料を噴射供給する燃料インジェクタ５が配置される。
【００２４】
シリンダ内を往復運動するピストン３の冠面には、燃料インジェクタ５側から冠面中央にかけて深いキャビティ４が形成される。
【００２５】
吸気ポート１３ａ，１３ｂには、スワール生起手段およびスワール方向切替手段として、それぞれ片側づつ開閉可能な吸気制御弁１７ａ，１７ｂが介装され、吸気ポート１３ａ，１３ｂの切替えが行われる。
【００２６】
図１〜図３のように吸気制御弁１７ａを閉じて吸気ポート１３ｂからシリンダに吸気させると、旋回方向１８ａ（シリンダ上方より見て反時計回り）のスワール（シリンダの周方向である横方向の筒内ガス流動）が生起され、図４〜図６のように吸気制御弁１７ｂを閉じて吸気ポート１３ａからシリンダに吸気させると、旋回方向１８ｂ（シリンダ上方より見て時計回り）のスワール（シリンダの周方向である横方向の筒内ガス流動）が生起される。
【００２７】
燃料インジェクタ５には、例えば図７〜図９に示すようなもの（特開平５ー２０２８２５号公報等参照）が用いられ、噴射燃料に旋回力が与えられる。
【００２８】
図中、３０は励磁によって可動弁３１をリフトするコア、３２は可動弁３１のリフトによってノズル３３のシート面３４から離れ、噴射孔３５を開通させるボール弁を示しており、ボール弁３２の回りに旋回室３６，３７が形成された燃料旋回素子３８が設けられ、この燃料旋回素子３８およびシート面３４により構成される旋回室３９等によって、旋回力が与えられた燃料が噴射孔３５より噴射される。
【００２９】
この燃料インジェクタ５からは、図２、図５のように燃料インジェクタ後方（略シリンダ上方）から見て時計回りの方向９に燃料が旋回しつつ噴射される。
【００３０】
燃料インジェクタ５からの燃料噴射量、噴射時期は、コントロールユニットにより制御される。吸気ポート１３ａ，１３ｂの吸気制御弁１７ａ，１７ｂは、それぞれアクチュエータに連結され、コントロールユニットによりアクチュエータを介して開閉が制御される。
【００３１】
図１０に示すように、エンジンの運転条件、安定度、排気状態を検出する手段として、エンジンの回転数を検出する回転数センサ（クランク角センサ）４０、エンジンの負荷を検出する吸気量センサ４１、アクセル開度センサ４２、エンジンの筒内圧力を検出する筒内圧力センサ４３、ＮＯｘセンサ４４等が設けられ、これらの検出信号に基づき、コントロールユニット４５により燃料インジェクタ５からの燃料噴射量、噴射時期、吸気ポート１３ａ，１３ｂの吸気制御弁１７ａ，１７ｂの開閉が制御される。
【００３２】
次に、制御内容を説明する。
【００３３】
エンジンの高負荷運転域では、吸気ポート１３ａ，１３ｂの吸気制御弁１７ａ，１７ｂを開状態に保ち、燃料インジェクタ５から吸気行程に燃料を噴射供給して、シリンダ内全体の空燃比を一様とするいわゆる均質混合気での運転を行う。
【００３４】
一方、エンジンの負荷が高くない軽負荷域では、吸気制御弁１７ａ，１７ｂのいずれか一方を閉じ、燃料インジェクタ５から圧縮行程の後半に燃料を噴射供給して、点火プラグ１５近傍に可燃空燃比の混合気層を形成しつつシリンダ内全体としては希薄な混合気とするいわゆる成層混合気運転を行う。即ち、少ない燃料に対して理論空燃比よりも多い空気を吸入することで、ポンピングロスや熱損失を少なくし、エンジンの熱効率を向上させ、燃費を向上させる。
【００３５】
以下、この成層混合気運転の制御内容を図１１のフローチャートに基づいて説明する。
【００３６】
ステップ１では回転数センサ４０、吸気量センサ４１、アクセル開度センサ４２等から運転条件を読み込み、ステップ２ではエンジンの負荷を算出する。
【００３７】
ステップ３にてエンジンの負荷を予め設定した低負荷設定値と比較する。
【００３８】
エンジンの負荷が低負荷設定値より小さいときにはステップ４に進み、シリンダ内に図２の旋回方向１８ａ（シリンダ上方より見て反時計回り）のスワールが生起するように、吸気制御弁１７ａを閉じ、吸気制御弁１７ｂを開く。
【００３９】
エンジンの負荷が低負荷設定値より大きいときには、ステップ５にて予め設定した高負荷設定値と比較する。
【００４０】
エンジンの負荷が高負荷設定値より大きいときには、ステップ６に進み、シリンダ内に図５の旋回方向１８ｂ（シリンダ上方より見て時計回り）のスワールが生起するように、吸気制御弁１７ａを開き、吸気制御弁１７ｂを閉じる。
【００４１】
エンジンの負荷が低負荷設定値と高負荷設定値の間にあるときは、ヒステリシスを設けるように、ステップ７にて吸気制御弁１７ａ，１７ｂはそれまでの状態を維持する。
【００４２】
燃料インジェクタ５からは、エンジンの運転条件に基づき演算した燃料量を圧縮行程の後半の所定の時期に噴射供給する。噴射燃料は略シリンダ上方から見て時計回りの方向に旋回する。
【００４３】
即ち、成層混合気運転域の低負荷運転では、図２のように噴射燃料の旋回方向と吸気スワールの方向とが逆方向となる。
【００４４】
逆方向の場合、燃料噴霧の下側つまりピストン３側にて噴霧の方向と吸気スワールの方向とが逆になって、その部分の相対速度が早くなり静圧が下がる。このため、燃料噴霧は燃焼室２の下方つまりピストン３のキャビティ４内に集中し、キャビティ４内を衝突、流動する。
【００４５】
このキャビティ４内の流動によって、噴霧燃料は素早く、スムーズに点火プラグ１５近傍に到達するのである。
【００４６】
したがって、燃料噴霧が点火プラグ１５近傍に到達するまでの時間を短くして、十分な濃度の混合気を点火プラグ１５近傍に形成でき、燃料噴射量の少ない低負荷領域に安定した成層混合気運転を行うことができる。
【００４７】
なお、この低負荷領域ではスモークが若干悪くなるものの、もともとが少ないため、問題になることはない。
【００４８】
一方、成層混合気運転域のうち高負荷運転では、図５のように噴射燃料の旋回方向と吸気スワールの方向とが同方向となる。
【００４９】
同方向の場合、燃料噴霧の上側つまりシリンダヘッド１側にて噴霧の方向と吸気スワールの方向とが逆になって、その部分の相対速度が遅くなり静圧が上がる。このため、燃料噴霧は燃焼室２の上方へ拡散するようになり、キャビティ４内に留まる燃料噴霧が減少し、全体に適度に拡散、流動しながら気化するのである。
【００５０】
これにより、燃料噴射量が多いときに、点火プラグ１５近傍の混合気が過濃になることを防止でき、良好な着火、燃焼を行える。
【００５１】
したがって、燃料噴射量が多く負荷の高いときにスモークを低減でき、点火プラグ１５が汚染するようなこともなく、また特に燃費、ＨＣ性能に優れる点火進角側で運転することが可能となる等、良好な成層混合気運転を行える。
【００５２】
このように、吸気スワールと燃料噴霧の相互作用を利用して、成層混合気運転のうち燃料噴射量の少ない低負荷域および燃料噴射量の多い高負荷域に、点火プラグ１５近傍にそれぞれに適した空燃比の混合気を生成でき、成層混合気運転を的確に行え、運転性能を向上できる。
【００５３】
ここで、図１６、図１７は、成層混合気運転のうちの高負荷運転で、吸気スワールの方向を切替えた場合のスモーク限界を示した図である。吸気スワールの方向を図５とすることで、スモークの排出の少ない領域を拡大でき、特に点火時期をより進角側に設定することが可能となる。そして、点火時期をより進角側に設定することで、燃費の向上とＨＣの排出を低減することも可能となる。
【００５４】
ところで、吸気スワールの方向を切替えるために、吸気制御弁１７ａ，１７ｂの代わりに吸気バルブ１１ａ，１１ｂに可変動弁機構を用いて吸気ポート１３ａ，１３ｂの切替えを行ったり、あるいは吸気ポート１３ａ，１３ｂの形状や吸気バルブ１１ａ，１１ｂの動作時期に位相差を付けたりすることにより、吸気スワールを生起させると共に、吸気制御弁１７ａと吸気バルブ１１ｂの可変動弁機構、吸気制御弁１７ｂと吸気バルブ１１ａの可変動弁機構との組み合わせにより吸気ポート１３ａ，１３ｂの切替えを行い、吸気スワールの方向を切替えるようにしても良い。
【００５５】
図１２は別の実施の形態を示すもので、成層混合気運転域にエンジンの安定度に応じて吸気スワールの方向を切替えるようにしたものである。
【００５６】
ステップ１１ではエンジンの安定度を測定する。この場合、エンジンの筒内圧力あるいはクランク軸の角速度を計測して、これを気筒間や時系列の値で比較して、そのバラツキからエンジンの安定度を測定する。
【００５７】
ステップ１２ではエンジンの安定度が設定値よりも良好かどうかを判定する。
【００５８】
エンジンの安定度が設定値よりも良い（筒内圧力、クランクシャフトの角速度の変動が小さい等）ときは、ステップ１３に進み、シリンダ内に図５の旋回方向１８ｂ（シリンダ上方より見て時計回り）のスワールが生起するように、吸気制御弁１７ａを開き、吸気制御弁１７ｂを閉じる。
【００５９】
エンジンの安定度が設定値よりも悪い（筒内圧力、クランクシャフトの角速度の変動が大きい等）ときは、ステップ１４に進み、シリンダ内に図２の旋回方向１８ａ（シリンダ上方より見て反時計回り）のスワールが生起するように、吸気制御弁１７ａを閉じ、遮断弁１７ｂを開く。
【００６０】
このようにすれば、エンジンの安定度が予め設定した状態よりも悪化した場合あるいは悪化しそうな場合に、図２の状態にして、燃料インジェクタ５からの燃料噴霧が点火プラグ１５近傍に到達するまでの時間を短くして、点火プラグ１５近傍に十分な濃度の混合気を形成できる。したがって、エンジンの安定度を良好なレベルに制御できる。
【００６１】
ここで、図１８、図１９は、成層混合気運転で、吸気スワールの方向を切替えた場合の安定度の許容限界を示した図である。吸気スワールの方向を図２とすることで、安定度の良好な領域を拡大されることが理解できる。
【００６２】
なお、このエンジンの安定度の測定値によって、成層混合気運転と均質混合気運転の切替えの判定を併せて行っても良い。エンジンの安定度を条件に成層混合気運転を行えば、成層混合気運転域を拡大することができ、燃焼室内の汚染や排気成分の悪化を十分に防止することができたり、燃費の向上を十分に行えたりすることができる。
【００６３】
図１３は別の実施の形態を示すもので、成層混合気運転域にエンジンの排気状態に応じて吸気スワールの方向を切替えるようにしたものである。
【００６４】
ステップ２１ではエンジンの排気状態を測定する。この場合、例えば排気の透過率を測る光電管等のセンサを用いてスモークを、またイオンプローブ等のセンサを用いてＨＣ成分を測定する。
【００６５】
ステップ２２ではエンジンの排気状態が設定値よりも良好かどうかを判定する。
【００６６】
エンジンの排気状態が設定値よりも良いときは、ステップ２３に進み、シリンダ内に図２の旋回方向１８ａ（シリンダ上方より見て反時計回り）のスワールが生起するように、吸気制御弁１７ａを閉じ、吸気制御弁１７ｂを開く。
【００６７】
エンジンの排気状態が設定値よりも悪い（スモークが発生し始める、ＨＣ成分が所定値を越える）ときは、ステップ２４に進み、シリンダ内に図５の旋回方向１８ｂ（シリンダ上方より見て時計回り）のスワールが生起するように、吸気制御弁１７ａを開き、吸気制御弁１７ｂを閉じる。
【００６８】
即ち、スモーク、ＨＣ成分が予め設定した状態よりも悪化した場合あるいは悪化しそうな場合に、図５の状態にして、燃料インジェクタ５を適度に拡散、気化させることにより、点火プラグ１５近傍の混合気が必要以上に過濃となることを回避する。したがって、エンジンの良好な排気状態を確保できる。
【００６９】
なお、排気中のＮＯｘ成分を測定して、これによって吸気スワールの方向の切替えを制御するようにもして良い。ただし、ＮＯｘが増えたときは、図５の状態にする。
【００７０】
また、このエンジンの排気状態の測定値によって、成層混合気運転と均質混合気運転の切替えの判定を併せて行っても良い。この場合、エンジンの安定度を確保しつつ成層混合気運転域を拡大して、一層の燃費向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態を示すエンジンの概略断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】動作状態を示す概略断面図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】図４のＤ−Ｄ線断面図である。
【図７】燃料インジェクタの断面図である。
【図８】そのノズル部分の断面図である。
【図９】その燃料旋回阻止部分の断面図である。
【図１０】制御系統を示すブロック構成図である。
【図１１】制御内容を示すフローチャートである。
【図１２】別の実施の形態を示すフローチャートである。
【図１３】別の実施の形態を示すフローチャートである。
【図１４】従来例のシリンダの概略断面図である。
【図１５】そのシリンダヘッド部分の構成図である。
【図１６】図２の吸気スワールの場合のスモーク限界を示す特性図である。
【図１７】図５の吸気スワールの場合のスモーク限界を示す特性図である。
【図１８】図２の吸気スワールの場合の安定度の許容限界を示す特性図である。
【図１９】図５の吸気スワールの場合の安定度の許容限界を示す特性図である。
【符号の説明】
１  シリンダヘッド
２  燃焼室
３  ピストン
４  キャビティ
５  燃料インジェクタ
９  方向
１１ａ，１１ｂ  吸気バルブ
１２ａ，１２ｂ  排気バルブ
１３ａ，１３ｂ  吸気ポート
１４ａ，１４ｂ  排気ポート
１５  点火プラグ
１７ａ，１７ｂ  吸気制御弁
１８ａ，１８ｂ  旋回方向
３１  可動弁
３２  ボール弁
３３  ノズル
３４  シート面
３５  噴射孔
３８  燃料旋回素子
４０  回転数センサ（クランク角センサ）
４１  吸気量センサ
４２  アクセル開度センサ
４３  筒内圧力センサ
４４  ＮＯｘセンサ
４５  コントロールユニット
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003695056.tif 000017
【図１７】
0003695056.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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