(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気側に配置され、吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現する筒内噴射式内燃機関において、
均質燃焼時における１回の吸気行程期間中に、燃焼室内への吸気の流入方向を変化させる吸気方向可変手段と、この吸気行程期間中に吸気の流入方向が異なる複数のタイミングに分けて燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、を有し、
それぞれのタイミングで噴射された燃料を流入方向の異なる吸気の流れに乗せて燃焼室に拡散させることを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
上記吸気方向可変手段が、吸気ポートの燃焼室側の開口縁部の周方向一部分に切欠形成された切欠部を有し、均質燃焼時に、吸気弁の低リフト時に主に上記切欠部を通って燃焼室内へ流入する吸気の流入方向が、高リフト時における吸気の流入方向と異なるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
吸気ポートの途中に設けられた吸気遮断弁と、吸気ポートの吸気遮断弁の上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路と、を有し、
上記吸気遮断弁で吸気ポートを遮断した均質リーン燃焼時に、吸気弁の低リフト時に上記切欠部を通って燃焼室内へ流入する吸気の流入方向と、高リフト時に主にバイパス通路を通って燃焼室へ流入する吸気の流入方向とが互いに異なるように設定したことを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
各燃焼室の吸気側に一対の吸気ポートが開口しており、かつ、上記燃料噴射弁がシリンダ軸方向視で両吸気ポートの間に配置され、
一方の吸気ポートに吸気遮断弁が設けられるとともに、他方の吸気ポートの開口縁部に上記切欠部が形成され、
上記吸気遮断弁で一方の吸気ポートを遮断した均質リーン燃焼時に、吸気弁の低リフト時に上記切欠部を通って燃焼室内へ流入する吸気の流入方向と、高リフト時に主に他方の吸気ポートを通って燃焼室へ流入する吸気の流入方向とが互いに異なるように設定したことを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
各燃焼室の吸気側に一対の吸気ポートが開口しており、かつ、上記燃料噴射弁がシリンダ軸方向視で両吸気ポートの間に配置され、
両吸気ポートの開口縁部に上記切欠部がそれぞれ形成され、各切欠部は、高リフト時における吸気の流入方向と略逆方向となる周方向一部分に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ガソリン機関に代表される内燃機関に関し、特に、吸気行程付近で燃料を噴射して均質燃焼を行うとともに、圧縮行程付近で燃料を噴射して成層燃焼を行う筒内噴射式の内燃機関の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全開出力時等にシリンダ内に略均質な空燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うとともに、低負荷域では、シリンダ内の一部、つまり点火プラグ近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比を非常に大きく得るようにした成層燃焼を行う筒内噴射式内燃機関が、例えば特開平１１−０３６９５８号公報に記載されている。
【０００３】
更に、この公報に記載された筒内噴射式内燃機関では、均質燃焼領域において、吸気行程早期に燃料が噴射された後に、アクセルの踏み込み等により吸気量が急増した場合に、これに見合う量の追加燃料を圧縮行程前半中に追加噴射して、空燃比の過大化を抑制するように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の筒内噴射式内燃機関においては、均質燃焼を行う場合に、吸気行程で噴射された燃料は、吸気ポートから燃焼室内に流入する一定の吸気流に乗って筒内に拡散することから、吸気流の主流の部分と、よどむ領域とで燃料の拡散の程度が不均一となり、筒内における混合気の均質度はあまり良くない。この結果、均質燃焼の中でも空燃比を比較的大きく設定した均質リーン燃焼時に、局所的にリッチの領域で燃焼温度が上昇し、ＮＯｘの排出量が増加するという問題点があった。また空燃比が理論空燃比の近傍に設定された均質ストイキ燃焼時に、局所的にリッチの領域で酸素不足が生じ、ＨＣ，ＣＯ等の排出量の増加を招く等の問題があった。
【０００５】
特に、上記公報の技術のように、均質燃焼時に燃料噴射を複数回に分けて行う場合には、燃焼室内に均質の混合気を形成することが更に困難となり、安定した均質燃焼を行うことができない。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気側に配置され、吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するように構成されている。
【０００８】
そして、請求項１の発明は、均質燃焼時における１回の吸気行程期間中に、燃焼室内への吸気の流入方向を変化させる吸気方向可変手段と、この吸気行程期間中に吸気の流入方向が異なる複数のタイミングに分けて燃料を噴射する燃料噴射制御手段と、を有し、それぞれのタイミングで噴射された燃料を流入方向の異なる吸気の流れに乗せて燃焼室に拡散させることを特徴としている。
【０００９】
このような構成により、それぞれのタイミングで噴射された燃料が流入方向の異なる吸気の流れに乗って燃焼室の全体に良好に拡散され、燃焼室全体に均質な混合気が形成される。この結果、良好な均質燃焼を実現でき、局部的なリッチ状態を生じることが無いため、ＮＯｘ，ＨＣ，ＣＯ等の排出量を大幅に低減することが可能となる。
【００１０】
請求項１の発明をより具体化した請求項２の発明は、上記吸気方向可変手段が、吸気ポートの燃焼室側の開口縁部の周方向一部分に切欠形成された切欠部を有し、均質燃焼時に、吸気弁の低リフト時に主に上記切欠部を通って燃焼室内へ流入する吸気の流入方向が、高リフト時における吸気の流入方向と異なるように設定したことを特徴としている。
【００１１】
この構成によれば、低リフト時における吸気の流入方向が切欠部の形成された方向を指向する形となり、低リフト時と高リフト時で吸気の流入方向を異らせることができる。従って、吸気の流入方向が異なる低リフト時と高リフト時に分けて燃料を噴射することにより、それぞれの吸気の流れに乗って燃料が燃焼室全体に良好に拡散される。
【００１２】
請求項２の発明をより具体化した請求項３の発明は、吸気ポートの途中に設けられた吸気遮断弁と、吸気ポートの吸気遮断弁の上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路と、を有し、上記吸気遮断弁で吸気ポートを遮断した均質リーン燃焼時に、吸気弁の低リフト時に上記切欠部を通って燃焼室内へ流入する吸気の流入方向と、高リフト時に主にバイパス通路を通って燃焼室へ流入する吸気の流入方向とが互いに異なるように設定したことを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、均質リーン燃焼時のおける１回の吸気行程期間中に、吸気の流入方向が、低リフト時には切欠部の形成された方向に、高リフト時にはバイパス通路の中心軸に沿う方向に変化する。
【００１４】
また、請求項２の発明をより具体化した請求項４の発明は、各燃焼室の吸気側に一対の吸気ポートが開口しており、かつ、上記燃料噴射弁がシリンダ軸方向視で両吸気ポートの間に配置され、一方の吸気ポートに吸気遮断弁が設けられるとともに、他方の吸気ポートの開口縁部に上記切欠部が形成され、上記吸気遮断弁で一方の吸気ポートを遮断した均質リーン燃焼時に、吸気弁の低リフト時に上記切欠部を通って燃焼室内へ流入する吸気の流入方向と、高リフト時に主に他方の吸気ポートを通って燃焼室へ流入する吸気の流入方向とが互いに異なるように設定したことを特徴としている。
【００１５】
この構成によれば、均質リーン燃焼時における１回の吸気行程期間中に、吸気の流入方向が、低リフト時には切欠部の形成された方向に、高リフト時には他方の吸気ポートの中心軸に沿う方向に変化する。
【００１６】
更に、請求項２の発明をより具体化した請求項５の発明は、各燃焼室の吸気側に一対の吸気ポートが開口しており、かつ、上記燃料噴射弁がシリンダ軸方向視で両吸気ポートの間に配置され、両吸気ポートの開口縁部に上記切欠部がそれぞれ形成され、各切欠部は、高リフト時における吸気の流入方向と略逆方向となる周方向一部分に形成されていることを特徴としている。
【００１７】
この構成によれば、均質燃焼時における１回の吸気行程期間中に、吸気の流入方向が、低リフト時には切欠部の形成された方向に、高リフト時には両吸気ポートの中心軸に沿う方向に変化する。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明では、均質燃焼時における１回の吸気行程期間中に、燃焼室への吸気の流入方向を変化させるとともに、吸気の流入方向が異なる複数のタイミングに分けて燃料を噴射する構成としたため、それぞれのタイミングで噴射された燃料が流入方向の異なる吸気の流れに乗って燃焼室内の全域にわたって良好に拡散され、燃焼室内に均質の混合気を形成することができる。この結果、局部的なリッチ状態を生じることが無く、安定した均質燃焼が実現され、ＮＯｘ，ＨＣ、ＣＯの排出量を大幅に低減することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１，２は、本発明の第１実施例に係る筒内噴射式内燃機関を示している。シリンダブロック１０には複数のシリンダ１１が形成されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド１２が固定されている。各シリンダ１１には、図外のピストンが摺動可能に嵌合しており、このピストンの上方に、ペントルーフ形の燃焼室１が形成されている。シリンダヘッド１２には、燃焼室１の吸気側（図１，２の左側）の傾斜面１ａに開口する一対の吸気ポート３ａ，３ｂと、排気側（図１，２の右側）の傾斜面１ｂに開口する一対の排気ポート（図示省略）とが形成されるとともに、各吸気ポート３ａ，３ｂを開閉する一対の吸気弁４ａ，４ｂ及び各排気ポートを開閉する一対の排気弁（図示省略）が設けられている。
【００２１】
図１に示すように、これら吸，排気ポートに囲まれたシリンダ１１の略中央には点火プラグ１３が設けられ、この点火プラグ１３の先端が燃焼室１内に臨んでいる。また、電磁式の燃料噴射弁２は、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で、吸気ポート３ａ，３ｂの下側に設けられている。特に、燃料噴射弁２は、図１に示すシリンダ軸方向視で一対の吸気ポート３ａ，３ｂの間に配置されている。この燃料噴射弁２は、その先端部が燃焼室１内に臨んでおり、燃焼室１内に直接燃焼を噴射するように構成されている。
【００２２】
各吸気ポート３ａ，３ｂの途中には、各吸気ポート３ａ，３ｂを遮断する（絞る）バタフライ式の吸気遮断弁（絞り弁）５ａ，５ｂが設置されている。そして、シリンダヘッド１２には、吸気ポート３ａ，３ｂにおける各吸気遮断弁５ａ，５ｂの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路６が形成されている。つまり、バイパス通路６は、その上流側端部６ｃで吸気遮断弁５ａ，５ｂよりも上流側の吸気ポート３ａ，３ｂの合流部３ｃから分岐しており、途中で二股に分岐して、一方の分岐通路６ａが一方の吸気ポート３ａの開口部近傍に合流しており、他方の分岐通路６ｂが他方の吸気ポート３ｂの開口部近傍に合流している。各分岐通路６ａ，６ｂの中心軸は、図１に示すシリンダ軸方向視で燃焼室１の外周部に沿うように設定されている。
【００２３】
また、吸気弁４ａ，４ｂとの間をシールするバルブシート部８（図３，４）が形成された各吸気ポート３ａ，３ｂの燃焼室１側の開口縁部には、シリンダ中央部寄りの周方向一部分に、切欠部７ａ，７ｂが切欠形成されている。各切欠部７ａ，７ｂは、図３に示すように、バルブシート部８と傾斜面１ａとの間の段部を切り欠くように形成され、かつ、図１に示すシリンダ軸方向視で、シリンダ中央部側へ略三日月状に張り出すように形成されている。
【００２４】
なお、上記燃料噴射弁２，吸気遮断弁５ａ，５ｂ等は図示しないＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）に接続されており、このＥＣＵによって、燃料噴射時期及び燃料噴射量が制御されるとともに、吸気遮断弁５ａ，５ｂが開閉制御される。
【００２５】
図３，４は、吸気弁４ａ（４ｂ）が開き始めた直後の状態、つまりリフト量が約１〜２ｍｍ程度の低リフト状態を示しており、図３は、切欠部７ａ（７ｂ）が形成された部分を示す図２のＡ−Ａ断面対応図、図４は、切欠部７ａ，７ｂのない部分を示す図２のＢ−Ｂ断面対応図である。
【００２６】
このような低リフト状態では、主に切欠部７ａ，７ｂを通って吸気が燃焼室１内へ流入する。つまり、図４に示す切欠部７ａ，７ｂの無い部分に比して、切欠部７ａ，７ｂが形成されている部分で、燃焼室１への吸気の流入が促進される。この結果、低リフト時における吸気の流入方向Ｓ１は、切欠部７ａ，７ｂが形成されている方向、すなわちシリンダ軸方向視でシリンダ中心方向となる。
【００２７】
一方、吸気弁４ａ，４ｂが比較的高くリフトした高リフト状態では、切欠部７ａ，７ｂの有無は吸気の流れにほとんど影響せず、従って、燃焼室１へ流入する吸気の流入方向は、吸気遮断弁５ａ，５ｂが閉じていない場合には吸気ポート３ａ，３ｂの中心軸に沿う方向、吸気遮断弁５ａ，５ｂが閉じている場合にはバイパス通路６ａ，６ｂの中心軸に沿う方向Ｓ２（図１）となる。
【００２８】
図５は、エンジン回転数及びエンジン負荷に対して設定された運転領域を表している。同図に示すように、主に低負荷時には成層リーン領域となり、圧縮行程で燃料を噴射して、点火プラグ１３の近傍のみに比較的濃い混合気を形成する成層燃焼が行われる。また、全開出力等の高負荷時には均質ストイキ領域となり、圧縮行程で燃料を噴射して、理論空燃比近傍の混合気を燃焼室１全体に均質に形成する均質ストイキ燃焼が行われる。更に、主に中負荷時には均質リーン領域となり、主に燃費を低減するために、上記の均質ストイキ燃焼時よりも空燃比を大きくした均質リーン燃焼が行われる。
【００２９】
この均質リーン運転領域では、主に燃焼室１内のガス流動を強化するために、吸気遮断弁５ａ，５ｂを閉とし、バイパス通路６ａ，６ｂを通して吸気を燃焼室１へ流入させる。この場合、吸気行程の初期段階では、吸気弁４ａ，４ｂが低リフト状態にあり、吸気は切欠部７ａ，７ｂを通って燃焼室１へ流入するため、前述のように吸気の流入方向Ｓ１は、シリンダ中心方向を指向する。一方、吸気行程の中盤では高リフト状態となるため、燃焼室１へ流入する吸気の流入方向Ｓ２が、バイパス通路６ａ，６ｂの中心軸に沿う方向、すなわち燃焼室１の外周部に沿う方向となる。このように本実施例では、均質リーン燃焼時における１回の吸気行程期間中に、燃焼室１へ流入する吸気の方向を、低リフト時と高リフト時で大きく変化させている。
【００３０】
図６は、この均質リーン燃焼時における燃料噴射時期を示している。本実施例では、必要燃料量を、１回の吸気行程期間中における吸気の方向が異なる複数（ここでは２回）のタイミングに分けて噴射するように制御している。具体的には、１回目の燃料噴射Ｆ１は、吸気弁４ａ，４ｂが低リフト状態にある時期、すなわち吸気の流入方向Ｓ１がシリンダ中心を指向する状態で行われ、２回目の燃料噴射Ｆ２は、吸気弁４ａ，４ｂが高リフト状態にある時期、すなわち吸気の流入方向Ｓ２が燃焼室１の外周部に沿う状態で行われる。
【００３１】
従って、１回目に噴射された燃料と２回目に噴射された燃料とが、それぞれ流入方向の異なる吸気の流れに乗って効果的に拡散され、燃焼室１内での燃料の拡散が促進されるため、燃焼室１全体に均質な可燃混合気を形成することができる。この結果、良好な均質リーン燃焼を実現でき、局部的なリッチ状態を生じることが無いので、ＮＯｘ等の排出量を抑制することが可能となる。
【００３２】
なお、均質ストイキ燃焼時では、吸気遮断弁５ａ，５ｂが開弁されるため、高リフト時における吸気の流入方向は吸気ポート３ａ，３ｂの中心軸に沿う方向となる。この場合でも、１回の吸気行程期間中に、低リフト時の吸入方向Ｓ１と高リフト時の吸入方向とが異なる形となる。従って、このように吸気の流入方向が異なる低リフト時と高リフト時に分けて燃料を噴射することにより、燃焼室１内での燃料の拡散が促進され、燃焼室１全体に均質な可燃混合気を形成することができる。この結果、良好な均質ストイキ燃焼を実現でき、局部的なリッチ状態を生じることが無いので、ＨＣ，ＣＯ等の排出量を抑制することが可能となる。
【００３３】
なお、１回目と２回目の燃料の噴射量は同量である必要は無く、それぞれの噴射期間における流入吸気量に応じた噴射割合が効果的である。更に、この吸気量の割合に対する１回目の噴射割合を２回目よりも大きくする方が望ましい。これは、１回目の方が燃料の拡散する時間を長くとれるため、拡散時間の短い２回目の噴射よりも吸気割合に対する噴射割合を大きくしても、十分に燃料を拡散できることから、より均質の程度を高めることができるからである。
【００３４】
図７，８は、本発明の第２実施例に係る筒内噴射式内燃機関を示している。なお、以下に示す実施例において、上記第１実施例と同一構成部分には同じ参照符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３５】
この第２実施例は、一方の吸気ポート３ａにのみ、この吸気ポート３ａを遮蔽する吸気遮断弁５ａが設けられるとともに、他方の吸気ポート３ｂの開口縁部にのみ切欠部１７ｂが形成され、かつ、バイパス通路６ａ，６ｂ（図１，２）が設けられていない点で、第１実施例と相違している。上記の切欠部１７ｂは、一方の吸気弁４ａに近接する周方向一部分に形成されている。
【００３６】
均質リーン燃焼時には、吸気遮断弁５ａが閉弁され、主として他方の吸気ポート３ｂから燃焼室１へ吸気が流入する。ここで、吸気行程の初期段階つまり低リフト状態では、主に切欠部１７ｂを通して吸気が燃焼室１へ流入し、その流入方向Ｓ３は、図７で下方へ向かう方向となる。従って、燃焼室１内には、図７で反時計回りのスワール流動が生成される。一方、吸気行程の中盤つまり高リフト状態では、燃焼室１へ流入する吸気の流入方向Ｓ４は、他方の吸気ポート３ｂの中心軸に沿う方向、つまり図７で右方向となり、燃焼室１内に図７で時計回りのスワール流動が生成される。すなわち本実施例では、吸気遮断弁５ａや切欠部７ｂを利用して、１回の吸気行程期間中における吸気の流入方向を、低リフト時と高リフト時で大きく変化させている。
【００３７】
そして、このように吸気の流入方向が異なる低リフト時と高リフト時の２回に分けて燃料を噴射制御することで、それぞれの吸気の流れに乗って燃料を良好に拡散させることができ、第１実施例と同様、燃焼室１全体に均質な混合気を形成することが可能となる。
【００３８】
図９，１０は、本発明の第３実施例に係る筒内噴射式内燃機関を示している。この第３実施例では、バイパス通路６ａ，６ｂや吸気遮断弁５ａ，５ｂ（図１，２）が設けられておらず、かつ、各吸気ポート３ａ，３ｂの開口縁部に形成される切欠部２７ａ，２７ｂが、シリンダ軸方向視で燃料噴射弁２を指向する周方向一部分に配置されている。つまり、各切欠部２７ａ，２７ｂは、高リフト時における吸気の流入方向Ｓ６と略逆方向となる周方向一部分に形成されている。
【００３９】
このように実施例では、吸気遮断弁が無いことから、均質リーン燃焼時及び均質ストイキ燃焼時の双方で、吸気の流入方向は同じように変化する。
【００４０】
詳述すると、均質燃焼時における１回の吸気行程期間中において、吸気行程初期の低リフト時には、両切欠部２７ａ，２７ｂの形成された方向Ｓ５より吸気が燃焼室１内へ流入し、この燃焼室１の外周部に沿って流れる形となる。従って、この低リフト時に噴射された１回目の噴射燃料は、この流れに乗って、主に燃焼室１の外周部に拡散することになる。一方、吸気行程中期の高リフト時には、吸気の流入方向Ｓ６は吸気ポート３ａ，３ｂの中心軸に沿う方向となるため、この期間に噴射された２回目の噴射燃料は、主に燃焼室１の中央部に拡散することになる。この結果、２回に分けて噴射された燃料は、それぞれの吸気の流れに乗って燃焼室１全体に良好に拡散され、上記第１，第２実施例と同様、燃焼室１内に均質な混合気を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る筒内噴射式内燃機関を上方から見た透視対応図。
【図２】上記第１実施例の筒内噴射式内燃機関を示す断面対応図。
【図３】図１のＡ−Ａ断面対応図。
【図４】図１のＢ−Ｂ断面対応図。
【図５】エンジン回転数及びエンジン負荷に対して設定された運転領域を示すグラフ。
【図６】均質燃焼時の燃料噴射時期を示すグラフ。
【図７】本発明の第２実施例に係る筒内噴射式内燃機関を上方から見た透視対応図。
【図８】上記第２実施例の筒内噴射式内燃機関を示す断面対応図。
【図９】本発明の第３実施例に係る筒内噴射式内燃機関を上方から見た透視対応図。
【図１０】上記第３実施例の筒内噴射式内燃機関を示す断面対応図。
【符号の説明】
１…燃焼室
２…燃料噴射弁
３ａ，３ｂ…吸気ポート
５ａ，５ｂ…吸気遮断弁
６…バイパス通路
７ａ，７ｂ…切欠部
【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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