(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に吸気を導入する吸気通路と、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気通路と
を備え、
インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域と、
インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域と
を設定する筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、
吸気を加熱する吸気加熱手段と、
吸気加熱手段を介して成層燃焼領域にて均質燃焼領域より吸気温度を高める制御手段と、
エンジンのノッキングを検出するノッキング検出手段と、
を備え、
エンジンのノッキングが検出された場合に吸気加熱手段を介して吸気温度を下げ、燃料噴射時期を吸気行程に切換えるとともに混合気を理論空燃比に近づける構成とした
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジン。
【請求項２】
シリンダ内に吸気を導入する吸気通路と、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気通路と
を備え、
インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域と、
インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域
を設定する筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、
前記シリンダ内にタンブルを生起するタンブル生起手段と、
吸気を加熱する吸気加熱手段と、
吸気加熱手段を介して成層燃焼領域にて均質燃焼領域より吸気温度を高める制御手段と
エンジンのノッキングを検出するノッキング検出手段と、
吸気を各吸気ポートの上部に集めるバタフライ式コントロールバルブと
を備え、
ピストンの冠部にインジェクタから噴射される燃料噴霧を受けるように窪むキャビティを形成し、
エンジンのノッキングが検出された場合に吸気加熱手段を介して吸気温度を下げ、燃料噴射時期を圧縮行程とするとともにコントロールバルブを開く構成とした
ことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジン。
【請求項３】
シリンダ内に吸気を導入する吸気通路と、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気通路と
を備え、
インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域と、
インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域と
を設定する筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、
前記シリンダ内にタンブルを生起するタンブル生起手段と、
吸気を加熱する吸気加熱手段と、
吸気加熱手段を介して成層燃焼領域にて均質燃焼領域より吸気温度を高める制御手段と、
エンジンのノッキングを検出するノッキング検出手段と、
各吸気ポートに接続してシリンダに吸気を導く２本の副通路と
を備え、
コントロールバルブを吸気通路の副通路に対する接続部より上流側に介装し、
ピストンの冠部にインジェクタから噴射される燃料噴霧を受けるように窪むキャビティを形成し、
エンジンのノッキングが検出された場合に吸気加熱手段を介して吸気温度を下げ、燃料噴射時期を圧縮行程とするとともにコントロールバルブを開く構成とした
ことを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
【請求項４】
前記吸気通路としてシリンダ内に吸気を導入する２本の吸気ポートを備え、
シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面をシリンダ中心面Ｃと定義し、
インジェクタと各吸気ポートおよび点火プラグをシリンダ中心面Ｃについて略対称的に配置し、
前記ピストンとの間で燃焼室を画成する燃焼室天井壁を吸気ポートが開口する吸気ポート側傾斜面と排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面によって構成し、
タンブル生起手段として吸気ポートを吸気が排気ポート側傾斜面に沿って下降するようにシリンダ中心線に対して傾斜させた
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
【請求項５】
前記ピストンの冠部にクランクシャフトと平行な円柱面状に窪むキャビティを形成した
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
【請求項６】
前記吸気加熱手段として排気通路からの伝熱により吸気を加熱する熱交換器と、
熱交換器を流れる吸気量を調節する切換えバルブと
を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の筒内直接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】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気を加熱して燃焼性を改善する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火プラグの近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に燃料を直接噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンとして、例えば図１６に示すようなものがある（特開平６−８１６５１号公報、参照）。
【０００４】
これについて説明すると、インジェクタ６は燃焼室天井壁２０の側部からシリンダ１４内に臨み、ピストン１の冠部１０に窪むキャビティ１１に向けて燃料を噴射するようになっている。
【０００５】
吸気ポート２１がシリンダ１４に沿って直立して形成されている。直立した吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入した吸気は、図中矢印で示すように、シリンダ１４に沿って下降した後、ピストン冠部１０に沿って旋回する逆タンブルＲが生起される。キャビティ１１上において逆タンブルＲと共に旋回する燃料噴霧は、キャビティ１１に沿って点火プラグ４に向けて上昇する。これにより、濃混合気を点火プラグ４の近傍に集める、混合気の成層化がはかれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、タンブルは圧縮行程の後半までその勢力が維持されるため、吸気温度が低い高回転時等に、圧縮行程の後半でインジェクタ６から噴射された燃料が気化や霧化混合が不十分なまま逆タンブルＲと共に点火プラグ４に当たり、失火等を発生する可能性がある。
【０００７】
また、吸気温度が低い高回転時等に、圧縮行程の後半にインジェクタ６から噴射された燃料がピストン冠部に当たって付着し、デポジットが堆積したり、未燃焼ＨＣが生じ、エミッションの悪化や燃費の増大を招く等の問題点があった。
【０００８】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼性を高めることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、シリンダ内に吸気を導入する吸気通路と、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、シリンダ内から排気を排出する排気通路とを備え、インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域と、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域とを設定する筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気を加熱する吸気加熱手段と、吸気加熱手段を介して成層燃焼領域にて均質燃焼領域より吸気温度を高める制御手段と、エンジンのノッキングを検出するノッキング検出手段とを備え、エンジンのノッキングが検出された場合に吸気加熱手段を介して吸気温度を下げ、燃料噴射時期を吸気行程に切換えるとともに混合気を理論空燃比に近づける構成とした。
【００１４】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、シリンダ内に吸気を導入する吸気通路と、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、シリンダ内から排気を排出する排気通路とを備え、インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域と、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域とを設定する筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、前記シリンダ内にタンブルを生起するタンブル生起手段と、吸気を加熱する吸気加熱手段と、吸気加熱手段を介して成層燃焼領域にて均質燃焼領域より吸気温度を高める制御手段と、エンジンのノッキングを検出するノッキング検出手段と、吸気を各吸気ポートの上部に集めるバタフライ式コントロールバルブとを備え、ピストンの冠部にインジェクタから噴射される燃料噴霧を受けるように窪むキャビティを形成し、エンジンのノッキングが検出された場合に吸気加熱手段を介して吸気温度を下げ、燃料噴射時期を圧縮行程とするとともにコントロールバルブを開く構成とした。
【００１５】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、シリンダ内に吸気を導入する吸気通路と、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、シリンダ内から排気を排出する排気通路とを備え、インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域と、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域とを設定する筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、前記シリンダ内にタンブルを生起するタンブル生起手段と、吸気を加熱する吸気加熱手段と、吸気加熱手段を介して成層燃焼領域にて均質燃焼領域より吸気温度を高める制御手段と、エンジンのノッキングを検出するノッキング検出手段と、各吸気ポートに接続してシリンダに吸気を導く２本の副通路とを備え、コントロールバルブを吸気通路の副通路に対する接続部より上流側に介装し、ピストンの冠部にインジェクタから噴射される燃料噴霧を受けるように窪むキャビティを形成し、エンジンのノッキングが検出された場合に吸気加熱手段を介して吸気温度を下げ、燃料噴射時期を圧縮行程とするとともにコントロールバルブを開く構成とした。
【００１６】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１から３のいずれか一つに記載の発明において、前記吸気通路としてシリンダ内に吸気を導入する２本の吸気ポートを備え、シリンダの中心線を含みクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面をシリンダ中心面Ｃと定義し、インジェクタと各吸気ポートおよび点火プラグをシリンダ中心面Ｃについて略対称的に配置し、前記ピストンとの間で燃焼室を画成する燃焼室天井壁を吸気ポートが開口する吸気ポート側傾斜面と排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面によって構成し、タンブル生起手段として吸気ポートを吸気が排気ポート側傾斜面に沿って下降するようにシリンダ中心線に対して傾斜させるものとした。
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明において、前記ピストンの冠部にクランクシャフトと平行な円柱面状に窪むキャビティを形成するものとした。
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１から５のいずれか一つに記載の発明において、前記吸気加熱手段として排気通路からの伝熱により吸気を加熱する熱交換器と、熱交換器を流れる吸気量を調節する切換えバルブとを備えるものとした。
【００１７】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域では、吸気通路を通ってシリンダ内に吸入された空気がピストンで圧縮された状態で、燃料がインジェクタから燃焼室に噴射される。インジェクタから噴射された燃料噴霧は、シリンダ内に生起されるタンブルにより燃焼室の上部へと曲げられ、点火プラグの近傍に集められる。
【００１８】
しかし、吸気の加熱が行われない場合、インジェクタから噴射された燃料が気化や霧化混合が不十分なままタンブルと共に点火プラグに当たると、失火等を発生する可能性がある。
【００１９】
本発明はこれに対処して、成層燃焼領域で吸気加熱手段を介して吸気温度を上昇させるため、インジェクタから噴射された燃料噴霧がタンブルと共に点火プラグの近傍に到達する過程で、燃料の気化および霧化混合が十分に行われる。このため、液状の燃料が点火プラグに当たってくすぶりや失火等を招くことを防止できる。そして、高濃度の混合気が点火プラグに近づき、混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。この結果、未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
【００２０】
また、圧縮行程でインジェクタから噴射された燃料噴霧は、タンブルにより燃焼室の上部へと曲げられることにより、ピストン冠部に当たって付着することが抑えられ、デポジットが堆積することを防止するとともに、未燃焼ＨＣを減らすことができる。
【００２１】
均質燃焼領域で、ピストンが下降する吸入行程でインジェクタから燃料が噴射され、ピストンが上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室に均質な混合気が形成される。
【００２２】
均質燃焼領域では吸気加熱手段を介して吸気温度を低くして大気温度に近づけることにより、吸気充填効率を高め、高出力化がはかられる。均質燃焼領域ではシリンダ内に均質な混合気が形成されるため、吸気温度を低くしても、着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、燃焼性が確保される。この結果、エミッションの悪化や燃費の増大を抑えられる。
【００２６】
また、エンジンのノッキングが検出された場合、成層燃焼領域でも吸気加熱手段を介して吸気温度を低下させてシリンダ内の温度を低下させることにより、ノッキングの発生を抑えられる。
【００２７】
また、エンジンのノッキングが検出された場合、成層燃焼領域でも吸気加熱手段を介して吸気温度を低下させてシリンダ内の温度を低下させるとともに、燃料噴射時期を吸気行程に切換えて、混合気を理論空燃比に制御することにより、ノッキングの発生を抑えられる。
【００２８】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域ではコントロールバルブが閉弁することにより、吸気流速を高め、シリンダ内に強いタンブルを生起する。こうして、タンブルの勢力が高められることにより、エンジン回転数が低くても、タンブルの勢力が圧縮行程の後半まで持続される。このため、インジェクタからピストン冠部に向けて噴射された燃料噴霧は、シリンダ内に生起されるタンブルにより燃焼室の上部へと曲げられ、濃混合気が点火プラグの近傍に集まる混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００２９】
ノッキングが検出された場合、コントロールバルブが開弁することにより、吸気流速を低くし、シリンダ内に生起されるタンブルを弱められる。こうして、タンブルが弱められることにより、圧縮行程にインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料がキャビティ上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの近傍に集める混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００３０】
均質燃焼領域では、コントロールバルブが開弁することにより、コントロールバルブによって吸気通路が絞られることなく、エンジンの吸気充填効率を高められる。
【００３１】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域ではコントロールバルブが閉弁して多くの燃料が副通路を通過してシリンダ内に強いタンブルを生起する。こうして、タンブルの勢力が高められることにより、エンジン回転数が低くても、タンブルの勢力が圧縮行程の後半まで持続される。このため、インジェクタからピストン冠部に向けて噴射された燃料噴霧は、シリンダ内に生起されるタンブルにより燃焼室の上部へと曲げられ、濃混合気が点火プラグの近傍に集まる混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００３２】
ノッキングが検出された場合、コントロールバルブが開弁することにより、吸気流速を低くし、シリンダ内に生起されるタンブルを弱められる。こうして、タンブルが弱められることにより、圧縮行程にインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料がキャビティ上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの近傍に集める混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００３３】
均質燃焼領域では、コントロールバルブが開弁することにより、コントロールバルブによって吸気通路が絞られることなく、エンジンの吸気充填効率を高められる。
【００３４】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、２本の吸気ポートを通ってシリンダ内に流入する吸気流は、燃焼室天井壁の排気ポート側傾斜面およびシリンダに沿って下降した後にピストン冠部上へと進んで旋回する順タンブルを生起する。
インジェクタから噴射された燃料噴霧は、シリンダ内に生起される順タンブルにより燃焼室の上部へと曲げられて、点火プラグの近傍に集められ、混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。この結果、未燃焼ＨＣ量を減らし、エミッションを改善するとともに、燃費の低減がはかれる。
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、ピストンの冠部にクランクシャフトと平行な円柱面状に窪むキャビティは、順タンブルに沿って湾曲しているため、順タンブルの勢力を高められる。こうして、タンブルの勢力が高められることにより、エンジン回転数が低くても、順タンブルの勢力が圧縮行程の後半まで持続される。このため、インジェクタから噴射された燃料噴霧は、シリンダ内に生起されるタンブルにより燃焼室の上部へと曲げられ、濃混合気が点火プラグの近傍に集まる混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
請求項６に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、吸気を熱交換器を通してシリンダに導き、排気通路からの伝熱により吸気を加熱することにより、吸気温度を高められる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３６】
図１に示すように、エンジン３０の運転を制御するコントロールユニット４９が設けられる。コントロールユニット４９はノッキングセンサ２５によってノッキングの検出信号、エンジン負荷およびエンジン回転数Ｎ等を入力し、後述するように燃料噴射、吸気加熱等の制御を行う。
【００３７】
図２に示すように、シリンダヘッド１５に形成された燃焼室天井壁２０とピストン１の間に燃焼室３が画成される。ピストン１のシリンダ１４における往復運動はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）の連続回転運動に変換される。
【００３８】
ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２本に分岐する吸気ポート２１と２本の排気ポート２２が互いに対向して開口する。燃焼室天井壁２０の中央部には点火プラグ４が燃焼室３に臨んでいる。２つの吸気バルブ７と２つの排気バルブ８は、点火プラグ４を挟むようにして互いに対向して設けられる。
【００３９】
燃焼室天井壁２０にはその側部から燃焼室３に臨むインジェクタ（燃料噴射弁）６が設けられる。インジェクタ６は各吸気バルブ７の側方で、かつ各吸気バルブ７の間に位置して燃焼室３に臨んでいる。
【００４０】
インジェクタ６が開弁するのに伴ってシリンダ１４内に噴射される燃料は、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１から吸入されている空気と混合する。シリンダ１４内に形成された混合気はピストン１で圧縮された状態で点火プラグ４を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブ８が開かれるのに伴って各排気ポート２２から排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００４１】
ここで、シリンダ中心面Ｃをシリンダ１４の中心線を含み図示しないクランクシャフトの回転中心軸と直交する平面と定義する。ピストン１と燃焼室天井壁２０と各吸気ポート２１および各排気ポート２２は、シリンダ中心面Ｃについて対称的に形成される。これにより、各吸気ポート２１に均等に分流してシリンダ１４内に流入する吸気流は、図３に矢印で示すように、燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６からシリンダ１４に沿って下降した後にピストン冠部１０上へと進み、シリンダ１４の中心線と直交する軸を中心に旋回する順タンブルＴを生起する。
【００４２】
本実施形態において、ピストン１の冠部１０は、シリンダ中心線と直交する平面状に形成される。
【００４３】
インジェクタ６の燃料噴射方向は各吸気ポート２１を流れる吸気の流れ方向と略同一方向に設定される。すなわち、インジェクタ６の噴口中心線Ｆは圧縮上死点付近にあるピストン冠部１０に対向し、点火プラグ４に対向しないように下向きに配置される。インジェクタ６から噴射される燃料噴霧はシリンダ中心面Ｃを挟んで円錐状に拡がる。
【００４４】
インジェクタ６はその開弁時期（燃料噴射時期）と開弁期間（燃料噴射量）がコントロールユニット４９により運転状態に応じて制御される。
【００４５】
コントロールユニット４９は、図示しない各センサによって検出された吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎとに基づいて基本噴射量Ｔｐを次式で算出する。
【００４６】
Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎ                ‥‥（１）
ただし、Ｋ；定数
そして、所定のストイキ運転領域で空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収める一方、所定のリーン運転領域で希薄混合気による成層燃焼を実現するための空燃比となるように最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式で算出して燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００４７】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ      …（２）
ただし、αは空燃比フィードバック補正係数、ＣＯＥＦは冷却水温度補正係数、および成層燃焼のための補正係数等をパラメータとした各種補正係数の和、Ｔｓは無効噴射パルス幅である。
【００４８】
コントロールユニット４９は、演算された燃料噴射量Ｔｉに対応するパルス信号をインジェクタ６の駆動回路（図示せず）に出力し、インジェクタ６の燃料噴射制御を行う。
【００４９】
コントロールユニット４９は、図４に示すマップに基づいてエンジン３０の負荷または回転数Ｎが所定値以下の成層燃焼領域で、インジェクタ６の開弁時期である燃料噴射時期をピストン１が上昇する圧縮行程の後半に設定し、エンジン３０の負荷または回転数Ｎが所定値を超えて上昇する均質燃焼領域で、ピストン１が下降する吸気行程に設定されている。
【００５０】
コントロールユニット４９は、シリンダ１４内の混合気の空燃比を成層燃焼領域で理論空燃比より希薄側に制御する。均質燃焼領域はエンジン負荷または回転数Ｎが所定値以下の第一均質燃焼領域と、エンジン負荷または回転数Ｎが所定値を超えて上昇する第二均質燃焼領域とに分けられる。混合気の空燃比を第一均質燃焼領域で理論空燃比より希薄側に制御し、第二均質燃焼領域で理論空燃比またはリッチ側に制御する。
【００５１】
図１に示すように、排気通路４１は、各排気ポート２２に接続して各気筒から排気を取り出すエキゾーストマニホールド４２と、エキゾーストマニホールド４２に接続して排気中のＨＣ，ＣＯの酸化と、ＮＯｘの還元が行われる排気触媒コンバータ（図示せず）と、排気触媒コンバータに接続する排気管４４等を備える。
【００５２】
吸気通路３１は、前述したようにシリンダ１４に接続する各吸気ポート２１と、各吸気ポート２１に接続して各気筒に吸気を分配するインテークマニホールド３２と、インテークマニホールド３２のコレクタ部３３に接続する冷気導入ダクト３４等を備え、図示しないエアクリーナから取り込まれた吸気をシリンダ１４に導くようになっている。冷気導入ダクト３４の途中にはスロットルバルブ３６が介装される。スロットルバルブ３６はアクチュエータ（図示せず）を介してコントロールユニット４９により運転条件に応じて開閉され、吸入空気量を調節するようになっている。
【００５３】
冷気導入ダクト３４の途中にはスロットルバルブ３６より下流側に切換えバルブ４５が介装される。吸気加熱手段として、冷気導入ダクト３４から分岐して切換えバルブ４５を迂回する吸気を導く排熱回収ダクト３５が配設され、排熱回収ダクト３５の途中に熱交換器３７が設けられる。熱交換器３７は触媒コンバータ４３等のまわりを覆い、触媒コンバータ４３の内外を流れる排気と吸気の熱交換を促すようになっている。すなわち、吸気は図中矢印で示すように熱交換器３７を介して触媒コンバータ４３の外側を流れる過程で、触媒コンバータ４３等からの伝熱により排気の熱を吸収して、温度上昇するようになっている。
【００５４】
切換えバルブ４５はシャフト４６によって回動可能に支持される。切換えバルブ４５は冷気導入ダクト３４を開通させ排熱回収ダクト３５を閉塞する閉位置と、冷気導入ダクト３４を閉塞し排熱回収ダクト３５を開通させる開位置と、冷気導入ダクト３４と排熱回収ダクト３５の両方を開通させる半開位置とを有する。
【００５５】
シャフト４６を回動させて切換えバルブ４５を開閉駆動するアクチュエータ４８が設けられる。アクチュエータ４８の作動を制御するコントロールユニット４９は、図４に示すように、成層燃焼領域に切換えバルブ４５を開位置に駆動して吸気の加熱を行う一方、均質燃焼領域に切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止する。
【００５６】
エンジン３０のシリンダブロック１６にはノッキングセンサ２５が設けられる。ノッキングセンサ２５によってエンジン３０のノッキングが検出された場合、コントロールユニット４９は成層燃焼領域でも切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止するとともに、燃料噴射時期をピストン１が下降する吸気行程に切換える。
【００５７】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５８】
図５に示すように、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って各吸気ポート２１からシリンダ１４内に空気が吸入される。均質燃焼領域ではピストン１が下降する吸入行程でインジェクタ６が開弁し、成層燃焼領域ではピストン１が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタ６が開弁し、インジェクタ６から燃料噴霧が燃焼室３に噴射される。
【００５９】
各吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に吸入された空気がピストン１で圧縮された状態で、点火プラグ４を介して燃料を着火燃焼させる。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブ８が開かれるのに伴って各排気ポート２２から排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００６０】
各吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入する吸気流は、図３、図５に矢印で示すように、燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６からシリンダ１４に沿って下降した後にピストン冠部１０上へと進み、シリンダ１４の中心線と直交する軸を中心に旋回する順タンブルＴを生起する。
【００６１】
エンジン３０の負荷または回転数Ｎが所定値以下の成層燃焼領域で、図３、図５に示すように、ピストン１が上昇する圧縮行程の後半にインジェクタ６から燃料が噴射される。前述したように吸気行程でシリンダ１４内に生起された順タンブルＴは圧縮行程の後半まで持続しているため、インジェクタ６からピストン冠部１０に向けて噴射された燃料噴霧は、シリンダ１４内に生起される順タンブルＴにより燃焼室３の上部へと曲げられ、点火プラグ４の近傍に集められる。
【００６２】
しかし、吸気の加熱が行われない場合、インジェクタ６から噴射された燃料が気化や霧化混合が不十分なまま順タンブルＴと共に点火プラグ４に当たり、失火等を発生する可能性がある。
【００６３】
本発明はこれに対処して、エンジン３０の負荷または回転数Ｎが所定値以下の成層燃焼領域で切換えバルブ４５を開位置に駆動して吸気の加熱を行うことにより、各吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入する吸気温度が上昇しているため、インジェクタ６から噴射された燃料噴霧が順タンブルＴと共に点火プラグ４の近傍に到達する過程で、燃料の気化および霧化混合が十分に行われる。このため、液状の燃料が点火プラグ４に当たってくすぶりや失火等を招くことを防止できる。そして、高濃度の混合気が点火プラグ４に近づき、混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００６４】
また、圧縮行程の後半でインジェクタ６からピストン冠部１０に向けて噴射された燃料噴霧は、順タンブルＴにより燃焼室３の上部へと曲げられることにより、ピストン冠部１０に当たって付着することが抑えられ、デポジットが堆積することを防止するとともに、未燃焼ＨＣが生じることを防止でき、エミッションの悪化や燃費の増大を回避できる。
【００６５】
一方、エンジン３０の負荷が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域で、ピストン１が下降する吸入行程でインジェクタ６から燃料が噴射され、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室３に均質な混合気が形成される。
【００６６】
均質燃焼領域では吸気を切換えバルブ４５を介して排熱回収ダクト３５を通さずにシリンダ１４に導き、吸気の加熱を行わない。こうして均質燃焼領域では成層燃焼領域より吸気温度を低くして大気温度に近づけることにより、吸気充填効率を高め、高出力化がはかられる。均質燃焼領域ではシリンダ１４内に均質な混合気が形成されるため、吸気温度を低くしても、着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、燃焼性が確保される。この結果、エミッションの悪化や燃費の増大を抑えられる。
【００６７】
ノッキングセンサ２５によってエンジン３０のノッキングが検出された場合、成層燃焼領域でも切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止するとともに、燃料噴射時期をピストン１が下降する吸気行程に切換える。これにより、吸気温度を大気温度として、シリンダ１４内の温度を低下させることにより、ノッキングの発生を抑えられる。
【００６８】
次に、図６に示す実施形態について説明する。なお、図３との対応部分には同一符号を付す。
【００６９】
ピストン冠部１０に溝状に窪むキャビティ５１が形成される。キャビティ５１はクランクシャフトと平行な溝状に形成される。すなわち、キャビティ５１はペントルーフ状に傾斜する燃焼室天井壁２０に対向するように窪む。
【００７０】
図７に示すように、ピストン冠部１０には２条の凸部５２が直線状に延び、キャビティ５１は各凸部５２の間に直線状に延びる。
【００７１】
図６に示すように、キャビティ５１は円柱面状に窪む。キャビティ５１はその断面の曲率半径がシリンダ１４の半径と略等しくなるように形成される。
【００７２】
ピストン冠部１０の外周部５３はシリンダ１４の中心線に直交する平面状に形成される。外周部５３は、ピストン１が圧縮上死点に到達するときに、燃焼室天井壁２０との間で吸気を圧縮し、燃焼室３の中央部に向かうスキッシュを生起するようになっている。
【００７３】
以上のように構成され、各吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入する吸気流は、図６に矢印で示すように、燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６からシリンダ１４に沿って下降した後にピストン冠部１０上へと進み、シリンダ１４の中心線と直交する軸を中心に旋回する順タンブルＴを生起する。
【００７４】
しかし、燃焼室３の形状によっては、エンジン回転数が低く、吸気流速が低くなると、シリンダ１４に生起される順タンブルＴの勢力が弱まると、燃焼室３の上下部で渦が崩壊し、双渦流となる可能性がある。このため、インジェクタ６から噴射された燃料噴霧が順タンブルＴにより燃焼室３の上部へと曲げられず、ピストン冠部１０へと拡散してしまい、安定した成層燃焼が行われない可能性がある。
【００７５】
本発明はこれに対処して、キャビティ５１が順タンブルＴに沿って湾曲する曲面によって形成されているため、順タンブルＴの勢力を高められ、エンジン回転数が低くても、順タンブルＴの勢力が圧縮行程の後半まで持続される。このため、インジェクタ６からピストン冠部１０に向けて噴射された燃料噴霧は、シリンダ１４内に生起される順タンブルＴにより燃焼室３の上部へと曲げられ、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集まる混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００７６】
次に、図８、図９に示す実施形態について説明する。なお、図２、図３との対応部分には同一符号を付す。
【００７７】
ピストン１の冠部１０には、その中央部にルーフ状に隆起する凸部６２が形成されるとともに、皿状に窪むキャビティ６１が形成される。
【００７８】
図１０に示すように、キャビティ６１はシリンダ１４の中心線についてインジェクタ６側に偏心した円形の断面を持ち、シリンダ１４の中心線に直交する平面状をした底面６３と、円錐面状をした側壁６４によって画成される。
【００７９】
ピストン１の冠部は凸部３２によって燃焼室天井壁２０に沿ってルーフ状に傾斜する。キャビティ６１は凸部６２の稜線の中央部を削除するようにして窪んでいる。これにより、ピストン１が上死点に到達するとき、ピストン１と燃焼室天井壁２０の間に画成される燃焼室３の容積をキャビティ６１に集中させて、高い圧縮比が得られる。
【００８０】
インジェクタ６の燃料噴射方向は、キャビティ６１に対向し、各吸気ポート２１を流れる吸気の流れ方向と略同一方向に設定される。
【００８１】
シリンダ１４内に生起される吸気旋回流の勢力を調節するため、バタフライ式の吸気コントロールバルブ６５が各吸気ポート２１の分岐点より上流側に介装される。長円盤状をしたコントロールバルブ６５は、図１１に示すように、その閉位置で吸気通路３１の上部に位置して開口する切欠き部６６が形成される。
【００８２】
図１に示すコントロールバルブ６５のシャフト６７にアクチューエータ（図示せず）が連結される。コントロールユニット４９は前記図４のマップに基づいてエンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼領域ではコントロールバルブ６５を閉弁し、均質燃焼領域ではコントロールバルブ６５を開弁する。コントロールユニット４９は、ノッキングセンサ２５によってエンジン３０のノッキングが検出された場合、成層燃焼領域でも切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止するとともに、コントロールバルブ６５を閉位置に駆動して、燃料噴射時期をピストン１が上昇する圧縮行程の後半に保つ。
【００８３】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００８４】
成層燃焼領域では、コントロールバルブ６５が閉弁することにより、各吸気ポート２１の上部からシリンダ１４内に導入される吸気流速を高め、図１２に示すように、シリンダ１４内に強い順タンブルＴを生起する。こうして、順タンブルＴの勢力が高められることにより、エンジン回転数が低くても、順タンブルＴの勢力が圧縮行程の後半まで持続される。このため、インジェクタ６からピストン冠部１０に向けて噴射された燃料噴霧は、シリンダ１４内に生起される順タンブルＴにより燃焼室３の上部へと曲げられ、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集まる混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００８５】
ノッキングが検出された場合、成層燃焼領域でも切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止するとともに、コントロールバルブ６５を閉位置に駆動して、燃料噴射時期をピストン１が上昇する圧縮行程の後半に保つ。
【００８６】
コントロールバルブ６５が開弁することにより、各吸気ポート２１からシリンダ１４内に導入される吸気流速を低くし、図１３に示すように、シリンダ１４内に弱い順タンブルＴを生起する。こうして、順タンブルＴの勢力が弱められることにより、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００８７】
均質燃焼領域では、コントロールバルブ６５が開弁することにより、吸気通路３１がコントロールバルブ６５によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められる。
【００８８】
次に、図１４、図１５に示す実施形態について説明する。なお、図８、図９との対応部分には同一符号を付す。
【００８９】
各吸気ポート２１の途中には各副通路７１が接続される。各副通路７１の出口は各吸気ポート２１の上面に開口し、図１４の平面図上において各吸気ポート２１と平行に延びるように配置される。すなわち、各副通路７１の出口は、ピストン１は燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６に連接するシリンダ１４に対向するように形成される。これにより、各副通路７１から各吸気ポート２１を経てシリンダ１４内に流入する吸気はシリンダ１４の中心線と直交する軸を中心に旋回する順タンブルＴを生起する。
【００９０】
各副通路７１の出口断面積は吸気ポート２１のスロート部断面積より所定の比率で小さく形成される。
【００９１】
運転条件に応じて各副通路７１に分流する吸気量を調節する流量調節手段として、各吸気ポート２１の分岐部２２より上流側かつ副通路７１の入口より下流側の吸気通路５にはバタフライ式のコントロールバルブ７５が介装される。すなわち、副通路７１はコントロールバルブ７５を迂回する吸気を吸気ポート２１のスロート部に導くようになっている。コントロールバルブ７５が吸気ポート２１を遮蔽することにより、吸気の略全量が副通路７１を通ってシリンダ１４内に吸入され、シリンダ１４内に強い順タンブルＴを生起する。
【００９２】
円盤状をしたコントロールバルブ７５は、吸気ポート２１にシャフト７７を介して回転可能に収装される。シャフト７７は図示しないクランクシャフトと平行に延びている。シャフト７７は図示しないアクチュエータを介して回動する。
【００９３】
図１に示すコントロールユニット４９は前記図４のマップに基づいてエンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼領域ではコントロールバルブ７５を閉弁し、均質燃焼領域ではコントロールバルブ７５を開弁する。コントロールユニット４９は、ノッキングセンサ２５によってエンジン３０のノッキングが検出された場合、成層燃焼領域でも切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止するとともに、コントロールバルブ７５を閉位置に駆動して、燃料噴射時期をピストン１が上昇する圧縮行程の後半に保つ。
【００９４】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００９５】
成層燃焼領域では、コントロールバルブ７５が閉弁することにより、吸気の大部分が各副通路７１を通過して吸気ポート２１からシリンダ１４内に導入される吸気流速を高め、シリンダ１４内に強い順タンブルＴを生起する。こうして、順タンブルＴの勢力が高められることにより、エンジン回転数が低くても、順タンブルＴの勢力が圧縮行程の後半まで持続される。このため、インジェクタ６からピストン冠部１０に向けて噴射された燃料噴霧は、シリンダ１４内に生起される順タンブルＴにより燃焼室３の上部へと曲げられ、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集まる混合気の成層化がはかれ、着火が確実に行われる。
【００９６】
ノッキングが検出された場合、成層燃焼領域でも切換えバルブ４５を閉位置に駆動して吸気の加熱を停止するとともに、コントロールバルブ７５を閉位置に駆動して、燃料噴射時期をピストン１が上昇する圧縮行程の後半に保つ。コントロールバルブ７５が開弁することにより、各吸気ポート２１からシリンダ１４内に導入される吸気流速を低くし、シリンダ１４内に弱い順タンブルＴを生起する。こうして、順タンブルＴの勢力が弱められることにより、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００９７】
均質燃焼領域では、コントロールバルブ６５が開弁することにより、吸気通路３１がコントロールバルブ６５によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すエンジンのシステム図。
【図２】同じくエンジンの概略平面図。
【図３】同じくエンジンの概略断面図。
【図４】同じく運転条件に応じて燃焼方式と吸気加熱領域を設定した特性図。
【図５】同じく吸気加熱を行った場合の成層燃焼時の燃料の運動を示す模式図。
【図６】他の実施形態におけるエンジンの概略平面図。
【図７】同じくエンジンの概略断面図。
【図８】さらに他の実施形態におけるエンジンの概略平面図。
【図９】同じくエンジンの概略断面図。
【図１０】同じくピストン冠部の平面図。
【図１１】同じくコントロールバルブ等の断面図。
【図１２】同じく吸気加熱を行った場合の成層燃焼時の燃料の運動を示す模式図。
【図１３】同じく吸気加熱を行わない場合の成層燃焼時の燃料の運動を示す模式図。
【図１４】さらに他の実施形態におけるエンジンの概略平面図。
【図１５】同じくエンジンの概略断面図。
【図１６】従来例を示すエンジンの概略断面図。
【符号の説明】
１  ピストン
３  燃焼室
４  点火プラグ
６  インジェクタ
７  吸気バルブ
１０  ピストン冠部
１４  シリンダ
２０  燃焼室天井壁
２１  吸気ポート
２６  排気ポート側傾斜面
３０  エンジン
３１  吸気通路
３４  冷気導入ダクト
３５  排熱回収ダクト
３７  熱交換器
４１  排気通路
４５  切換えバルブ
４９  コントロールユニット
５１  キャビティ
６１  キャビティ
６５  コントロールバルブ
７１  副通路
７５  コントロールバルブ
【図１】
0003709658.tif 000002
【図２】
0003709658.tif 000003
【図３】
0003709658.tif 000004
【図４】
0003709658.tif 000005
【図５】
0003709658.tif 000006
【図６】
0003709658.tif 000007
【図７】
0003709658.tif 000008
【図８】
0003709658.tif 000009
【図９】
0003709658.tif 000010
【図１０】
0003709658.tif 000011
【図１１】
0003709658.tif 000012
【図１２】
0003709658.tif 000013
【図１３】
0003709658.tif 000014
【図１４】
0003709658.tif 000015
【図１５】
0003709658.tif 000016
【図１６】
0003709658.tif 000017