(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に点火プラグと、該燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁とを配設した筒内噴射式火花点火機関において、吸気ポートに連なる第１の吸気コレクタと、排気マニホルド上に設けた第２の吸気コレクタとを備え、該第２の吸気コレクタには吸気ポートの吸気弁近傍に開口して、第２の吸気コレクタから供給される吸気により燃焼室内のガス流動を強化するサブポートを連通，配設し、該第２の吸気コレクタは分岐通路を介して第１の吸気コレクタの主吸気通路に連通し、これら分岐通路および主吸気通路に開閉制御弁を設けて、成層燃焼運転と均質燃焼運転との運転状態に応じて第１の吸気コレクタと第２の吸気コレクタとへの吸気量を分配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】
エンジンの低負荷時に第１の吸気コレクタ側を遮断して、第２の吸気コレクタ側から吸気を行わせ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】
エンジンの低回転時に第１の吸気コレクタ側を遮断して、第２の吸気コレクタ側から吸気を行わせ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４】
排気マニホルドと第２の吸気コレクタとを、ＥＧＲ制御弁を備えたＥＧＲ通路で連通して該第２の吸気コレクタ側から排気還流を行わせるようにし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】
サブポートから供給される吸気の指向方向を、燃焼室内に逆タンブル流が生成されるように設定し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。
【請求項６】
サブポートから供給される吸気の指向方向を、燃焼室内に順タンブル流が生成されるように設定し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。
【請求項７】
サブポートから供給される吸気の指向方向を、燃焼室内にスワール流が生成されるように設定し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。
【請求項８】
点火プラグを燃焼室の略中心部分に配設すると共に、燃料噴射弁を燃焼室の吸気弁配置側の側部に配設する一方、ピストン冠面には吸気弁配置側に偏寄して、燃焼室内のガス流動を保存し、かつ、燃料噴霧を保持するためのキャビティ燃焼室を設けたことを特徴とする請求項５，７に記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項９】
点火プラグを燃焼室の略中心部分に配設すると共に、燃料噴射弁を燃焼室の吸気弁配置側の側部に配設する一方、ピストン冠面の中央部には機関の前方から見て円弧状に形成されて前後方向に延在して、燃焼室内の順タンブル流を保存するための凹部を設けたことを特徴とする請求項６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は例えば特開平６−８１６５１号公報に示されているように、筒内ガス流動場として逆タンブル流を生成するようにしたものや、特開平５−８６８７３号公報に示されているように筒内ガス流動場として順タンブル流を生成するようにしたもの等、各種のものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の何れのタイプであっても、燃料噴射弁から直接燃焼室に燃料を噴射するため、特に成層燃焼時に燃料噴霧がピストン冠面やシリンダ周面のクウェンチ領域に液膜状に付着して、未燃ＨＣやスモークおよびデポジットの発生要因となってしまうことは否めない。
【０００４】
そこで、本発明はピストン冠面等への燃料噴霧の付着を防止できて、成層燃焼の安定性および排気ミッションの向上を図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、燃焼室に点火プラグと、該燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁とを配設した筒内噴射式火花点火機関において、吸気ポートに連なる第１の吸気コレクタと、排気マニホルド上に設けた第２の吸気コレクタとを備え、該第２の吸気コレクタには吸気ポートの吸気弁近傍に開口して、第２の吸気コレクタから供給される吸気により燃焼室内のガス流動を強化するサブポートを連通，配設し、該第２の吸気コレクタは分岐通路を介して第１の吸気コレクタの主吸気通路に連通し、これら分岐通路および主吸気通路に開閉制御弁を設けて、成層燃焼運転と均質燃焼運転との運転状態に応じて第１の吸気コレクタと第２の吸気コレクタとへの吸気量を分配制御するようにし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に記載の筒内噴射式火花点火機関において、エンジンの低負荷時に第１の吸気コレクタ側を遮断して、第２の吸気コレクタ側から吸気を行わせる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に記載の筒内噴射式火花点火機関において、エンジンの低回転時に第１の吸気コレクタ側を遮断して、第２の吸気コレクタ側から吸気を行わせる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１〜３に記載の排気マニホルドと第２の吸気コレクタとを、ＥＧＲ制御弁を備えたＥＧＲ通路で連通して該第２の吸気コレクタ側から排気還流を行わせる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１〜４に記載のサブポートから供給される吸気の指向方向を、燃焼室内に逆タンブル流が生成されるように設定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１〜４に記載のサブポートから供給される吸気の指向方向を、燃焼室内に順タンブル流が生成されるように設定した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１〜４に記載のサブポートから供給される吸気の指向方向を、燃焼室内にスワール流が生成されるように設定したことを特徴としている。
【００１３】
請求項８の発明にあっては、請求項５，７に記載の筒内噴射式火花点火機関において、点火プラグを燃焼室の略中心部分に配設すると共に、燃料噴射弁を燃焼室の吸気弁配置側の側部に配設する一方、ピストン冠面には吸気弁配置側に偏寄して、燃焼室内のガス流動を保存し、かつ、燃料噴霧を保持するためのキャビティ燃焼室を設けたことを特徴としている。
【００１４】
請求項９の発明にあっては、請求項６に記載の筒内噴射式火花点火機関において、点火プラグを燃焼室の略中心部分に配設すると共に、燃料噴射弁を燃焼室の吸気弁配置側の側部に配設する一方、ピストン冠面の中央部には機関の前方から見て円弧状に形成されて前後方向に延在して、燃焼室内の順タンブル流を保存するための凹部を設けたことを特徴としている。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、サブポートから供給される吸気によって燃焼室内のガス流動を強化できるため、圧縮行程で噴射された燃料噴霧をこの強いガス流動に乗せて所定位置に配設した点火プラグ側へ確実に輸送できることは勿論、該サブポートから供給される吸気は排気マニホルド上に設けた第２の吸気コレクタで高温化されているので、吸気行程で燃焼室内に導入された際に該高温吸気によってピストン冠面を始めとする燃焼室内面が加熱され、従って、前記圧縮行程で噴射された燃料噴霧はこの高温吸気によって気化が促進され、かつ、ピストン冠面等に吹き当った際にも即座に気化されて液膜状に付着することがなく、この結果、成層燃焼の安定性の向上と排気エミッションの向上、およびピストン冠面等へのデポジットの付着堆積を防止することができる。
【００１６】
また、このように高温吸気によって燃料噴霧の気化促進を行えて、点火の安定化および火焔伝播の安定化が図れるため可燃空燃比を拡大することができて未燃ＨＣを更に低減することもできる。
【００１７】
更に、吸入行程噴射を行う均質燃焼時でも前記サブポートより高温の吸気が導入される運転条件では、ガス流動の強化と燃料の気化促進とを同時に行えて可燃空燃比を拡大することができ、従って、燃費の向上と未燃ＨＣの低減化を図ることができる。
【００１８】
加えて、第１の吸気コレクタ側に連絡する主吸気通路および第２の吸気コレクタ側に連絡する分岐通路にそれぞれ設けた開閉制御弁によって、成層燃焼運転と均質燃焼運転との運転状態に応じて第１の吸気コレクタと第２の吸気コレクタとへの吸気量を適切に分配制御できるため、成層燃焼運転、均質燃焼運転の各運転時における燃焼の安定性と排気ミッションをより一層向上することができる。
【００１９】
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、吸気量の少ないエンジン低負荷時には第２の吸気コレクタ側からのみサブポートを介して高温の吸気が行われると共に、燃焼室内のガス流動が強化されるため、低負荷運転時の安定性と排気エミッションの向上とを図ることができる。
【００２０】
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、燃焼室内のガス流動強さはエンジン回転数に比例するが、エンジン低回転時には第２の吸気コレクタ側からのみサブポートを介して高温の吸気が行われると共に、燃焼室内のガス流動が強化されるため、低回転運転時の安定性と排気エミッションの向上とを図ることができる。
【００２１】
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、第２の吸気コレクタ側からの排気還流によってＮＯx を抑制できることは勿論、サブポートから供給される吸気を更に高温化することができて、燃料噴霧の気化促進を一段と向上することができる。
【００２２】
請求項５〜７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、サブポートからの吸気指向方向を変更することによって容易に所望のエンジンコンセプトに対応することができる。
【００２３】
請求項８に記載の発明によれば、逆タンブル流コンセプトおよびスワール流コンセプトのエンジンでは、逆タンブル流又はスワール流をピストン冠面のキャビティ燃焼室で形崩れを生起することなく保存することができると共に、該キャビティ燃焼室により圧縮行程で吸気弁近傍の燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧を保持して拡散を抑制できるから、燃料噴霧を燃焼室中心部の点火プラグへ確実に輸送できて成層燃焼の安定性を一段と向上することができる。
【００２４】
請求項９に記載の発明によれば、順タンブル流コンセプトのエンジンでは、順タンブル流をピストン冠面中央部の円弧状の凹部によって燃焼室の中心部に集めて形崩れを生起することなく保存することができると共に、該凹部により圧縮行程で吸気弁近傍の燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧の受け止め効果が得られて拡散を抑制できるから、燃料噴霧を燃焼室中心部の点火プラグへ確実に輸送できて成層燃焼の安定性を一段と向上することができる。
【００２５】
【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。
【００２６】
図１〜３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。
【００２７】
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。
【００２８】
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に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１０を配設してある。
【００２９】
吸気ポート６，６には第１の吸気コレクタ１１のブランチ部１２を接続してある一方、排気ポート７には排気マニホルド１３のブランチ部１４を接続してある。
【００３０】
排気マニホルド１３には複数のブランチ部１４上に跨って第２の吸気コレクタ１５を一体的に形成してある。
【００３１】
シリンダヘッド３には各吸気ポート５の吸気弁近傍に開口して前記第２の吸気コレクタ１５に連通接続するサブポート１６を設けてあり、該第２の吸気コレクタ１５およびサブポート１６から供給される吸気により、燃焼室４内のガス流動を強化できるようにしてある。
【００３２】
本実施形態では前記サブポート１６を吸気弁６の略直上位置に開口して、該サブポート１６から供給される吸気が吸気弁６の下側を指向し、該吸気が燃焼室４の吸気弁配置側の側面に沿って流入、下降してピストン２の冠面で排気弁配置側へ上向きに反転して、該燃焼室４内に逆タンブル流を生成するようにしてある。
【００３３】
また、ピストン２の冠面の吸気弁配置側に偏寄した略半部にはキャビティ燃焼室１７を凹設して、前記燃焼室４内に生成強化された逆タンブル流の保存性と、圧縮行程で燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧の保持性を高められるようにしてある。
【００３４】
第２の吸気コレクタ１５は本実施形態では、分岐通路２０を介して第１の吸気コレクタ１１の主吸気通路１８のスロットル弁１９下流に連通接続してある。
【００３５】
これら分岐通路２０および主吸気通路１８には開閉制御弁２１，２２を設けて、成層燃焼運転と均質燃焼運転との運転状態に応じて第１の吸気コレクタ１１と第２の吸気コレクタ１５とへの吸気量を分配制御するようにしてある。
【００３６】
これは、図外のコントロールユニットにより、例えば図９に示した制御マップにもとづいて開閉制御弁２１，２２の開度制御を行って、第１の吸気コレクタ１１と第２の吸気コレクタ１５とへの吸気量分配が行われる。
【００３７】
開閉制御弁２１，２２は図外のアクセル開度センサやクランク角センサ等の各種センサの検出信号にもとづいてコントロールユニットにより開閉制御され、開閉制御弁２１，２２のエンジン負荷による開閉特性は、図７に示すように成層燃焼を行う低負荷側では、低負荷領域Ａで第２の吸気コレクタ１５からのみの吸気が行われ、中負荷領域Ｂで負荷状況に応じて第２の吸気コレクタ１５と第１の吸気コレクタ１１とへの吸気分配が行われ、そして、均質燃焼が行われる高負荷領域Ｃで第１の吸気コレクタ１１からのみの吸気が行われるような特性としてある。
【００３８】
他方、開閉制御弁２１，２２のエンジン回転による開閉特性は、図８に示すように成層燃焼が行われる低回転領域１で第２の吸気コレクタ１５からのみの吸気が行われ、均質燃焼が行われる高回転領域２で第１の吸気コレクタ１１からのみの吸気が行われるような特性としてある。
【００３９】
このような開閉制御弁２１，２２は具体的には例えば図１０に示すフローチャートに従って作動制御される。
【００４０】
図１０において、ステップＳ１でアクセル開度センサ、クランク角センサ等の各種センサからの検出信号が読み込まれると、ステップＳ２でこれらの検出結果にもとづいて成層燃焼か均質燃焼かの運転状態が判断される。
【００４１】
ステップＳ２で成層燃焼運転と判断されると、ステップＳ３に進んで第１の吸気コレクタ１１側の開閉制御弁２２の開度が設定されると共に、ステップＳ４で第２の吸気コレクタ１５側の開閉制御弁２１の開度が設定され、前記図９に示した負荷領域Ａ，Ｂの運転状態に応じてこれら第１の吸気コレクタ１１と第２の吸気コレクタ１５とへの吸気量が適切に分配される。
【００４２】
ステップＳ２で均質燃焼運転と判断されると、ステップＳ５に進んで第１の吸気コレクタ１１側の開閉制御弁２２が全開にされると共に、ステップＳ６で第２の吸気コレクタ１５側の開閉制御弁２１が全閉にされ、第１の吸気コレクタ１１からのみの吸気が行われる。
【００４３】
以上の第１実施形態の構造によれば、成層燃焼を行う低・中負荷，低回転域では、サブポート１６から供給される吸気によって燃焼室４内のガス流動を強化できるため、圧縮行程で吸気弁配置側に配設した燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧をこの強いガス流動に乗せて燃焼室中心部の点火プラグ９側へ確実に輸送できることは勿論、該サブポート１６から供給される吸気は排気マニホルド１３上に設けた第２の吸気コレクタ１５で高温化されているので、吸気行程で燃焼室４内に導入された際に該高温の吸気によってピストン２の冠面を始めとする燃焼室４内面が加熱され、従って、前記圧縮行程で噴射された燃料噴霧はこの高温吸気によって気化が促進され、かつ、ピストン２の冠面等に吹き当った際にも即座に気化されて液膜状に付着するのを回避することができる。
【００４４】
この結果、成層燃焼の安定性を向上できると共に、未燃ＨＣを減少できて排気エミッションを向上することができ、しかも、ピストン冠面等へのデポジットの付着堆積を防止することができる。
【００４５】
また、このようにサブポート１６からの高温の吸気によって燃料噴霧の気化促進を行えて、点火プラグ９による混合気の点火の安定化と火焔伝播の安定化が図れるため、可燃室燃比を拡大することができて未燃ＨＣを更に低減することができる。
【００４６】
特に、本実施形態では前記サブポート１６を吸気弁６の略直上位置に開口して、該サブポート１６からの吸気が吸気弁６の下側を指向して燃焼室４内に強い逆タンブル流を生成するようにしてあると共に、ピストン冠面の吸気弁配置側にはキャビティ燃焼室１７を設けてあるため、成層燃焼時には図４の（イ）に示すように吸気行程で吸気弁６が開弁すると、サブポート１６からの吸気ａは吸気弁６の下側を通って燃焼室４の吸気弁配置側の側面に沿って下降してピストン２の冠面で反転されるが、この吸気ａはピストン２の冠面のキャビティ燃焼室１７のボール形状に沿ってスムーズに排気弁配置側へ上向きに反転されて乱れのない逆タンブル流ａ1 を生成させることができる。
【００４７】
そして、圧縮行程では同図の（ロ），（ハ），（ニ）に示すように前記キャビティ燃焼室１７によって逆タンブル流ａ1 を形崩れさせることなく保存することができると共に、燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧Ｆを保持して拡散を抑制できるから、同図の（ホ）に示すように該燃料噴霧Ｆを逆タンブル流ａ1 に乗せて確実に燃焼室中心部の点火プラグ９へ輸送することができて成層燃焼の安定性を一段と向上することができる。
【００４８】
このように、ピストン２の冠面にキャビティ燃焼室１７を凹設してあっても、前述のようにサブポート１６から供給される吸気ａ1 は排気マニホルド１３の熱によって高温化されていて、この高温吸気によって燃料噴射前に既にキャビティ燃焼室１７面が加熱されているため、圧縮行程噴射によりキャビティ燃焼室１７に燃料噴霧Ｆが吹き当っても即座に気化して該キャビティ燃焼室１７面に液膜状に付着することはなく、該キャビティ燃焼室１７面へのデポジットの発生付着を回避することができる。
【００４９】
一方、機関始動時や暖機未完了状態では燃焼安定性維持のため均質燃焼運転が行われるが、均質燃焼運転であってもこのような吸気量の少ないエンジン低負荷時や、燃焼室４内のガス流動が弱いエンジン低回転時にも、前述と同様にサブポート１６からの高温吸気による逆タンブル流ａ1 の強化作用が得られるから、吸気行程で燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧の気化促進と、拡散均質化促進を積極的に行わせることができる。
【００５０】
この結果、かかる運転域での燃焼の安定性と排気エミッションとを向上できることはもとより、前述の理由により可燃空燃比を拡大できるため、燃費の向上と未燃ＨＣの低減化を図ることができる。
【００５１】
この第１実施形態では燃焼室４内のガス流動場が逆タンブル流となるようにしているが、サブポート１６の開口向きを、燃焼室４内で吸気が横旋回するように設定してスワール流を生成するようにした場合でも、前記キャビティ燃焼室１７によるスワール流の保存性と燃料噴霧の保持性とが高められて、成層燃焼の安定性向上と排気エミッションの向上とを図ることができる。
【００５２】
図５に示す第２実施形態はサブポート１６を吸気ａが吸気弁６の上側を通って燃焼室４内の排気弁配置側へ向けて流入するように配設して、燃焼室４内に前記第１実施形態とは逆向きの強い順タンブル流ａ2 が生成されるように設定したものである。
【００５３】
また、この実施形態では燃焼室４内のガス流動場を順タンブル流ａ2 に設定することと併せて、ピストン２の冠面中央部には、機関前方から見て円弧状に形成されて前後方向に延在する比較的大きな凹部２３を形成して、該凹部２３によって順タンブル流ａ2 の保存性と、圧縮行程噴射された燃料噴霧の保持性とを高められるようにしてある。
【００５４】
即ち、ピストン２の冠面中央部に比較的大きな円弧状の凹部２３を形成してあることによって、サブポート１６からの吸気により燃焼室４内に生成された順タンブル流ａ2 は形崩れを生起することなく燃焼室４の中心部に集めて保存することができると共に、該凹部２３によって圧縮行程噴射された燃料噴霧の受け止め効果が得られて拡散を抑制できるため、該燃料噴霧を燃焼室中心部の点火プラグ９へ確実に輸送できて成層燃焼の安定性を一段と向上することができる。
【００５５】
図６は本発明の第３実施形態を示すもので、この実施形態にあっては前述の排気マニホルド１３の集合部１３ａと、該排気マニホルド１３上に設けた第２の吸気コレクタ１５とを、ＥＧＲ制御弁２５を備えたＥＧＲ通路２４で連通して該第２の吸気コレクタ１５側から排気還流を行わせるようにしてある。
【００５６】
ＥＧＲ制御弁２５は公知の負圧作動ダイヤフラム弁が用いられ、図外のコントロールユニットによって運転状態に応じてバキュームポンプ等の負圧源からの負圧供給を制御して適切な排気還流量が得られるようにしてある。
【００５７】
従って、この第３実施形態の構造によれば、前記第１，第２実施形態における各効果に加えて、第２の吸気コレクタ１５側からの排気還流によってＮＯx を抑制できることは勿論、サブポート１６から供給される吸気を還流排気によって更に高温化することができて、燃料噴霧の気化促進を一段と向上することができる。
【００５８】
なお、前述の各実施形態では分岐通路２０と主吸気通路１８とに開閉制御弁２１，２２を設けて、第１の吸気コレクタ１１と第２の吸気コレクタ１５とへの吸気分配を行わせるようにしているが、分岐通路２０を主吸気通路１８よりも大径にして、該分岐通路２０に設けた開閉制御弁２１のみで前記吸気分配制御を行わせるようにすることもでき、あるいは、分岐通路２０を主吸気通路１８のスロットル弁１９の上流側に接続して前述と同様な吸気分配制御を行わせることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す略示的断面説明図。
【図２】同実施形態の略示的平面説明図。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図４】同実施形態の成層燃焼時における吸気と燃料噴霧との挙動を示す説明図。
【図５】本発明の第２実施形態を示す略示的断面説明図。
【図６】本発明の第３実施形態を示す略示的平面説明図。
【図７】開閉制御弁のエンジン負荷による吸気分配特性図。
【図８】開閉制御弁のエンジン回転による吸気分配特性図。
【図９】開閉制御弁の制御マップ図。
【図１０】開閉制御弁の制御システムのフローチャート。
【符号の説明】
４  燃焼室
５  吸気ポート
６  吸気弁
９  点火プラグ
１０  燃料噴射弁
１１  第１の吸気コレクタ
１３  排気マニホルド
１５  第２の吸気コレクタ
１６  サブポート
１７  キャビティ燃焼室
１８  主吸気通路
２０  分岐通路
２１，２２  開閉制御弁
２３  凹部
２４  ＥＧＲ通路
２５  ＥＧＲ制御弁
【図１】
0003695143.tif 000002
【図２】
0003695143.tif 000003
【図３】
0003695143.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0003695143.tif 000007
【図７】
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【図８】
0003695143.tif 000009
【図９】
0003695143.tif 000010
【図１０】
0003695143.tif 000011