(57)【要約】【課題】この発明は、成層燃焼を行う場合に、燃焼室内の混合気の均質化を抑制することのできる内燃機関を提供することを目的とする。【解決手段】内燃機関において、燃焼室ごとに２つずつ設けられる吸気弁１８−１、１８−２と、２つの吸気弁のそれぞれの上流に１つずつ設けられる噴射弁１６−１、１６−２と、クランク軸に直交する方向に伸びて、燃焼室を２つの吸気弁のうちの第１の吸気弁１８−１が設けられる第１領域１０１と、第２の吸気弁１８−２が設けられる第２領域１０２とに分ける仕切り１２と、第２領域に設けられる点火プラグ１４とを備え、第２の吸気弁１８−２側に設けられている第２の噴射弁１６−２からの噴射量が、第１の吸気弁１８−１側に設けられている第１の噴射弁１６−１からの噴射量よりも多くなるように各噴射弁の噴射量を制御する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室ごとに２つずつ設けられる吸気弁と、
前記２つの吸気弁のそれぞれの上流に１つずつ設けられる噴射弁と、
クランク軸に直交する方向に伸びて、前記燃焼室を前記２つの吸気弁のうちの第１の吸気弁が設けられる第１領域と、第２の吸気弁が設けられる第２領域とに分ける仕切りと、
前記第２領域に設けられる点火プラグと、
前記第２の吸気弁側に設けられている第２の噴射弁からの噴射量が、前記第１の吸気弁側に設けられている第１の噴射弁からの噴射量よりも多くなるように各噴射弁の噴射量を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃焼室の中央に前記点火プラグが設けられ、
前記仕切りは、前記点火プラグから前記第１の吸気弁側にオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記仕切りは、ピストン上面に形成されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記仕切りは、前記燃焼室のヘッド下面に形成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記仕切りを第１の仕切りとして、第１の仕切りと平行になり、前記点火プラグから前記第２の吸気弁側にオフセットされる第２の仕切りを更に備え、
前記制御装置は、前記第２の吸気弁側に設けられている第２の噴射弁からの噴射量が、前記第１の吸気弁側に設けられている第１の噴射弁からの噴射量よりも多くなる第１噴射モードと、前記第１の吸気弁側に設けられている第１の噴射弁からの噴射量が、前記第２の吸気弁側に設けられている第２の噴射弁からの噴射量よりも多くなる第２噴射モードとを有し、前記第１噴射モードと前記第２噴射モードを交互に切り替えることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記第２の仕切りは、ピストン上面に形成されることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記第２の仕切りは、前記燃焼室のヘッド下面に形成されることを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、成層燃焼が可能な内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、デュアルインジェクションシステムを採用している内燃機関が開示されている。この内燃機関の各気筒には、２つの吸気弁が設けられている。また、吸気ポートには、燃料噴射弁が吸気弁に応じて１つずつ設けられている。
【０００３】
この内燃機関では、各吸気ポートから燃焼室内に流入する空気量に差がある場合に、各燃料噴射弁から噴射される燃料の量をそれぞれ調節することにより、燃焼室内に流入する混合気の燃料濃度を均質化する制御が行われている。また、この内燃機関では、上記の燃料噴射量を調節する制御を一時的に止めることができる。これにより、燃焼室内に燃料の濃度差が作られ、成層燃焼を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０７７８７４号公報
【特許文献２】特開２００６−３２９１３２号公報
【特許文献３】特開２００８−２６７３０３号公報
【特許文献４】特開昭６０−１４７５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記内燃機関では、成層燃焼において望まれる混合気の流動（タンブル流）を得ることができないことがあった。これは、各吸気ポートから流入する空気量に差がある場合には、燃焼室に流入した混合気が、空気量の大きい吸気弁から空気量の小さい吸気弁方向へと流れてしまうことが原因とされている。この結果、成層燃焼において、燃焼室内で点火を実施する圧縮工程後半までに、混合気の均質化が進行してしまう状態であった。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、成層燃焼を行う場合に、燃焼室内の混合気の均質化を抑制することのできる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関であって、
燃焼室ごとに２つずつ設けられる吸気弁と、
前記２つの吸気弁のそれぞれの上流に１つずつ設けられる噴射弁と、
クランク軸に直交する方向に伸びて、前記燃焼室を前記２つの吸気弁のうちの第１の吸気弁が設けられる第１領域と、第２の吸気弁が設けられる第２領域とに分ける仕切りと、
前記第２領域に設けられる点火プラグと、
前記第２の吸気弁側に設けられている第２の噴射弁からの噴射量が、前記第１の吸気弁側に設けられている第１の噴射弁からの噴射量よりも多くなるように各噴射弁の噴射量を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃焼室の中央に前記点火プラグが設けられ、
前記仕切りは、前記点火プラグから前記第１の吸気弁側にオフセットされていることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第２の発明において、前記仕切りは、ピストン上面に形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第２又は第３の発明において、前記仕切りは、前記燃焼室のヘッド下面に形成されることを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第２乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記仕切りを第１の仕切りとして、第１の仕切りと平行になり、前記点火プラグから前記第２の吸気弁側にオフセットされる第２の仕切りを更に備え、
前記制御装置は、前記第２の吸気弁側に設けられている第２の噴射弁からの噴射量が、前記第１の吸気弁側に設けられている第１の噴射弁からの噴射量よりも多くなる第１噴射モードと、前記第１の吸気弁側に設けられている第１の噴射弁からの噴射量が、前記第２の吸気弁側に設けられている第２の噴射弁からの噴射量よりも多くなる第２噴射モードとを有し、前記第１噴射モードと前記第２噴射モードを交互に切り替えることを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、第５の発明において、前記第２の仕切りは、ピストン上面に形成されることを特徴とする。
【００１３】
また、第７の発明は、第５又は第６の発明において、前記第２の仕切りは、前記燃焼室のヘッド下面に形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、点火プラグを含む第２領域における混合気の濃度を、第１領域における混合気の濃度に比べてリッチにすることができる。このため、燃焼室内に空燃比の異なる層を形成することができる。これにより、成層燃焼が可能になるため、冷間始動時の触媒急速暖機や点火大幅遅角をすることができる。この結果、エミッションを大幅に減らすことができる。
【００１５】
第２の発明によれば、仕切りがオフセットされているため、点火プラグ近傍に安定した可燃混合気を形成することができる。
【００１６】
第５の発明によれば、第１噴射モードが行われる際には、第１の仕切りが混合気の均質化を抑制する。これにより、第２の吸気弁側の領域における混合気の濃度を、もう一方の領域に比べてリッチにすることができる。このため、燃焼室内に空燃比の異なる層を形成することができるので、成層燃焼を行うことができる。また、第２噴射モードが行われる際には、第２の仕切りが混合気の均質化を抑制する。これにより、第１の吸気弁側の領域における混合気の濃度を、もう一方の領域に比べてリッチにすることができる。このため、燃焼室内に空燃比の異なる層を形成することができるので、成層燃焼を行うことができる。そして、第１及び第２噴射モードが交互に行われることにより、燃焼室全体で成層燃焼を行うことができる。この結果、燃焼室の片側のみで成層燃焼が行われたときに引き起こされる汚染や熱による歪みを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１の内燃機関の特徴部分を説明するためのピストンの上面図である。
【図２】本発明の実施の形態１において、図１のピストンを備えた内燃機関の燃焼室の上面図である。
【図３】本発明の実施の形態１において、図２のＡ―Ａ線で燃焼室を切断した断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１において、ピストンが上死点（ＴＤＣ）にある状態の燃焼室の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１において、ＥＣＵが実行する燃焼モード選択ルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１において、燃焼室の上面図とＡ―Ａ線で燃焼室を切断した断面図とを用いて、成層燃焼モードにおける気流の流れを表した図である。
【図７】本発明の実施の形態１の変形例であり、成層燃焼モードにおいて、２つの噴射弁から違う濃度の燃料を噴射する動作を表した燃焼室の上面図である。
【図８】本発明の実施の形態２におけるピストンの上面図である。
【図９】本発明の実施の形態２において、２つの噴射弁から交互に燃料を噴射したときの燃焼室の上面図である。
【図１０】ヘッド下面に仕切りが設けられた燃焼室において、ピストンが上死点（ＴＤＣ）にある状態の燃焼室の断面図である。
【図１１】ヘッド下面に仕切りが設けられた燃焼室の下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、実施の形態１の内燃機関の特徴部分を説明するためのピストンの上面図である。本実施形態の内燃機関が備えるピストン１０には、バルブリセス１１−１、１１−２が形成されている。さらに、ピストン１０には、キャビティ１３が形成されている。また、ピストン１０には、キャビティ１３を２つに分断するように仕切り１２が形成されている。仕切り１２の形成される位置は、中央からバルブリセス１１−１側にオフセットされている。
【００１９】
図２は、図１のピストン１０を備えた内燃機関の燃焼室の上面図である。図２における燃焼室の左上には、第１の吸気弁１８−１が設けられている。さらに、燃焼室の左下には、第２の吸気弁１８−２が設けられている。それぞれの吸気弁１８−１、１８−２には、吸気ポート２２が接続されている。吸気ポート２２は、それぞれの吸気弁１８−１、１８−２両側の上流において、対称の形状である。第１の吸気弁１８−１上流の吸気ポート２２には、第１の噴射弁１６−１が設けられている。さらに、第２の吸気弁１８−２上流の吸気ポートには、第２の噴射弁１６−２が設けられている。図２における燃焼室の右上には、第１の排気弁２０−１が設けられている。さらに、燃焼室の右下には、第２の排気弁２０−２が設けられている。また、燃焼室の中央には、点火プラグ１４が設けられている。
【００２０】
図１に示されるバルブリセス１１−１の位置は、図２における第１の吸気弁１８−１と対応している。さらに、図１に示されるバルブリセス１１−２の位置は、図２における第２の吸気弁１８−２と対応している。図２において、上記の仕切り１２が示されている。仕切り１２は、点火プラグ１４から第１の吸気弁１８−１及び第１の排気弁２０−１方向にオフセットされ、第１の吸気弁１８−１から第１の排気弁２０−１の方向へ伸びるように形成されている。本実施形態では、仕切り１２によって、燃焼室は２つの領域に分けられる。２つの領域とは、図２の燃焼室において、仕切り１２の上側の領域（以下、第１領域１０１という。）と、仕切り１２の下側の領域（以下、第２領域１０２という。）である。また、仕切り１２が上記のようにオフセットされているため、第２領域１０２のみに点火プラグ１４が含まれる。
【００２１】
図３は、図２のＡ―Ａ線で燃焼室を切断した断面図である。本実施形態における吸気ポート２２とピストン１０は、燃焼室内にタンブル流を引き起こさせるように構成されている。このため、吸気弁１８−１、１８−２から流入した気流が、タンブル流を形成することができる。それぞれの吸気弁１８−１、１８−２におけるリフト量とバルブタイミングは、それぞれの吸気弁１８−１、１８−２の間で差異がないように制御される。
【００２２】
図４は、ピストン１０が上死点（ＴＤＣ）にある状態の燃焼室の断面図である。ピストン１０が上死点にあるときには、仕切り１２により燃焼室が上記２つの領域に分断される。
【００２３】
本実施形態の内燃機関には、制御部としてＥＣＵ（不図示）が設けられている。ＥＣＵは、各種センサ（不図示）から出力された信号を参照にして、メモリに記憶されているプログラムに従い、点火プラグ１４、各噴射弁１６−１、１６−２、各吸気弁１８−１、１８−２、そして各排気弁２０−１、２０−２の動作の制御を実行する。例えば、燃焼室内で気流の乱れを促進したい場合（成層燃焼を行いたい場合）には、それぞれの噴射弁１６−１、１６−２からの燃料噴射量を噴き分ける制御が行われる。本実施形態では、この制御が行われる状態を成層燃焼モードとしている。
【００２４】
一方、燃焼室内で気流の乱れを促進する必要がない場合（均質燃焼を行いたい場合）には、それぞれの噴射弁１６−１、１６−２からの燃料噴射量が等しくなるように制御される。本実施形態では、この制御が行われる状態を均質燃焼モードとしている。
【００２５】
［燃焼モード選択ルーチン］
図５は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵが実行する燃焼モード選択ルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、まず、本実施形態の内燃機関の始動後経過時間が、５秒より大きく、かつ、２０秒より小さい範囲内にあるか否かが判定される（Ｓ１００）。始動後経過時間がこの範囲内に無い場合には、均質燃焼モードが選択される（Ｓ１０６）。この範囲は、内燃機関の始動後、アイドリングが安定してから触媒が暖機されるまでの時間を表しており、車両の種類や外気温度等により異なる。このため、上記範囲は、本実施形態における時間に限定されるものではない。
【００２６】
一方、上記Ｓ１００において、始動後経過時間がこの範囲内にある場合には、アクセル開度が全閉か否かが判定される（Ｓ１０２）。アクセル開度が全閉でない場合には、均質燃焼モードが選択される（Ｓ１０６）。
【００２７】
一方、上記Ｓ１０２において、アクセル開度が全閉である場合には、内燃機関の回転数が１０００ｒｐｍよりも高いか否かが判定される（Ｓ１０４）。回転数が１０００ｒｐｍ以下の場合には、均質燃焼モードが選択される（Ｓ１０６）。この回転数は、所定のアイドル回転数のことであり、内燃機関の仕様によりそれぞれ異なる回転数が設定される。このため、上記回転数は、本実施形態の数値に限定されるものではない。
【００２８】
一方、回転数が１０００ｒｐｍより高い場合には、成層燃焼モードが選択される（Ｓ１０８）。
【００２９】
［実施の形態１の特徴的動作］
図６は、本発明の実施の形態１において、燃焼室の上面図とＡ―Ａ線で燃焼室を切断した断面図とを用いて、成層燃焼モードにおける気流の流れを表した図である。図６のIは、燃料噴射の様子を表している。上述したルーチンにより成層燃焼モードが選択されると、燃料噴射が第２の噴射弁１６−２のみで行われるようになる。そして、この噴射された燃料と、吸気ポート２２上流から流入した空気が混ざることにより混合気となる。その後、第２の吸気弁１８−２がリフトすることにより、この混合気が燃焼室内に流入する。一方、第２の吸気弁１８−２のリフトと同時期に第１の吸気弁１８−１もリフトするので、第１の吸気弁１８−１から空気のみが燃焼室内に流入する。このときに、それぞれの吸気弁１８−１、１８−２から流入した空気と混合気は、吸気ポート２２とピストン１０の構成により、それぞれタンブル流を形成することができる。
【００３０】
図６のIIは、ピストン１０が下死点付近にあることを表している。上述した燃料噴射の工程が終わると、それぞれの吸気弁１８−１、１８−２が閉じることにより燃焼室内が密閉される。その後、ピストン１０が上昇し始めて圧縮が始まる。その際、第２の吸気弁１８−２から流入した混合気は燃焼室下部に向かって流れており、混合気が上昇中のピストン１０の上面と接触し、向きを変えて上昇してタンブル流を形成する。この場合、上昇するタンブル流の一部が、第２領域１０２から第１領域１０１の方向に流れてしまうと、燃焼室全体に混合気が均質化してしまう。しかし、本実施形態では、ピストン１０上面に仕切り１２を設けることで、上記の第２領域１０２から第１領域１０１の方向へ混合気の流れを抑制することができるため、燃焼室全体への混合気の均質化を抑制することができる。
【００３１】
図６のIIIは、圧縮工程が進み、点火直前になったことを表している。ピストン１０の上昇が進み圧縮工程が進行すると、タンブル流が崩壊して乱れが発生して、燃焼室全体に混合気が均質化しやすくなる。しかし、本実施形態では、ピストン１０上面に設けられた仕切り１２によって、この乱れにより混合気が燃焼室全体へ均質化することを抑制できる。
【００３２】
図６のIIIの上面図の右側のグラフは、図６のIIとIIIの段階における燃焼室内の燃料密度を表している。このグラフに破線で示されている初期段階（図６のIIの段階）に比べ、このグラフに実線で表されている拡散時（図６のIIIの段階）では、第２領域において均質な燃料密度をとることができる。これにより、燃焼室内の空燃比を、第１領域１０１でリーンに、第２領域１０２でリッチにすることができる。つまり、燃焼室内に空燃比の異なる層を形成することができる。この結果、第２領域１０２に設けられている点火プラグ１４近傍に安定した可燃域を形成し、かつ、燃焼室全体での空燃比をリーンにすることができるので、従来のポート噴射エンジンでは出来なかった直噴エンジン同様の成層燃焼を行うことができる。この結果、冷間始動時の触媒急速暖機や点火時期の大幅遅角が可能となり、エミッションを大幅低下させることができる。
【００３３】
図７は、実施の形態１の変形例であり、成層燃焼モードにおいて、２つの噴射弁から違う濃度の燃料を噴射する動作を表した燃焼室の上面図である。図６における燃料噴射では、第２の噴射弁１６−２からのみ燃料を噴射していたが、図７に示すように、もう一方の第１の噴射弁１６−１からも燃料を噴射するようにしてもよい。この場合、第１の噴射弁１６−１から噴射される燃料は、第２の噴射弁１６−２から噴射される燃料よりも薄くなるように制御される。
【００３４】
実施の形態２．
次に、図８及び図９を参照して、本発明の実施の形態２を説明する。図８及び図９では、実施の形態１と共通の構成に同一符号を付して説明を省略する。
【００３５】
図８は、実施の形態２におけるピストン２４の上面図である。図８に示すように、本実施形態のピストン２４の上面には、キャビティ１３を３つに分断するように、２つの仕切り１２−１、１２−２が形成されている。図８において、上側に形成されている仕切りを第１の仕切り１２−１として、下側に形成されている仕切りを第２の仕切り１２−２とする。第１の仕切り１２−１の形成される位置は、燃焼室中央からバルブリセス１１−１側にオフセットされている。一方、第２の仕切り１２−２の形成される位置は、燃焼室中央からバルブリセス１１−２側にオフセットされている。
【００３６】
図９は、実施の形態２において、２つの噴射弁から交互に燃料を噴射したときの燃焼室の上面図である。本実施形態では、燃料の噴射方法により、２種類の燃焼サイクルが行われている。図９における左上と右上の上面図で表される燃焼サイクルを第１燃焼サイクルとし、左下と右下の上面図で表される燃焼サイクルを第２燃焼サイクルとする。第１燃焼サイクルでは、図９において、第１の仕切り１２−１の上側の燃焼室を第１領域１１１とし、第１の仕切り１２−１の下側の燃焼室を第２領域１１２とする。さらに、第２燃焼サイクルでは、図９において、第２の仕切り１２−２の下側の燃焼室を第１領域１２１とし、第２の仕切り１２−２の上側の燃焼室を第２領域１２２とする。
【００３７】
本実施の形態では、成層燃焼モードが選択されると、まず、上述した第１燃焼サイクルが行われる。このサイクルでは、図９の左上の上面図が示すように、第２の噴射弁１６−２からのみ燃料が噴射される噴射モード（第１噴射モード）が選択される。その後、圧縮工程では、図９の右上の上面図が示すように、第２領域１１２に混合気が満たされる。これは、実施の形態１と同様に、仕切り１２−１の効果により、上昇するタンブル流の一部が別の領域側に流れることによる均質化とタンブル流崩壊時の乱れによる均質化とが抑制されることにより可能になっている。この結果、燃焼室内の空燃比は、第１領域１１１でリーンに、第２領域１１２でリッチになるように制御される。そして、点火プラグ１４が混合気に点火して燃焼工程が行われて、第１燃焼サイクルが終了する。
【００３８】
次に、第２燃焼サイクルが行われる。このサイクルでは、図９の左下の上面図が示すように、第１の噴射弁１６−１からのみ燃料が噴射される噴射モード（第２噴射モード）が選択される。そして、圧縮工程では、図９の右下の上面図に示すように、第２領域１２２に混合気が満たされる。これは、仕切り１２−２の効果により、上昇するタンブル流の一部が別の領域側に流れることによる均質化とタンブル流崩壊時の乱れによる均質化とが抑制されることにより可能になっている。この結果、燃焼室内の空燃比は、第１領域１２１でリーンに、第２領域１２２でリッチになるように制御される。そして、点火プラグ１４が混合気に点火して燃焼工程が行われて、第２燃焼サイクルが終了する。
【００３９】
以後、成層燃焼モードにおいて、第１及び第２燃焼サイクルが繰り返される。片側の領域のみで燃焼サイクルが行われた場合、ピストン２４や燃焼室に偏った汚染が生じ、かつ、筒内に熱による歪みが生じやすくなる。しかし、本実施形態では、両方の噴射弁１６−１、１６−２から交互に燃料を噴射することにより、熱の歪みをとり、異常磨耗等を抑制して、点火プラグ１４等の汚損変化を少なくすることができる。
【００４０】
また、実施の形態２において、燃料を片方の噴射弁からのみ噴射するようにしているが、２つの噴射弁から濃度の違う燃料を噴射するような方法であってもよい。例えば、実施の形態２において、第１燃焼サイクルを行う際に、第１の噴射弁１６−１から燃料を噴射してもよい。この場合、第１の噴射弁１６−１から噴射される燃料は、第２の噴射弁１６−２から噴射される燃料よりも薄い濃度になるように制御される。第２燃焼サイクルでも第１燃焼サイクルと同様に、第２の噴射弁１６−２から燃料を噴射してもよいものとする。この場合、第２の噴射弁１６−２から噴射される燃料は、第１の噴射弁１６−１から噴射される燃料よりも薄い濃度になるように制御される。
【００４１】
また、実施の形態１における仕切り１２及び実施の形態２における第１の仕切り１２−１と第２の仕切り１２−２は、それぞれピストンに形成されている。しかし、これらの仕切りは、図１０または図１１におけるヘッド下面の仕切り２６のように、燃焼室のヘッド下面に形成されるものであってもよい。このヘッド下面の仕切り２６は、バルブとの干渉を防ぐことができるように形成される。
【００４２】
尚、本発明における燃焼モード選択ルーチンにおいて、Ｓ１０２では、アクセルの開度をルーチンの判定手段として用いているが、これをスロットルバルブの開度に置き換えてもよい。
【００４３】
尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵが前記第１の発明における「制御装置」に相当している。
【符号の説明】
【００４４】
１０，２４  ピストン
１２  仕切り
１２−１  第１の仕切り
１２−２  第２の仕切り
１４  点火プラグ
１６−１  第１の噴射弁
１６−２  第２の噴射弁
１８−１  第１の吸気弁
１８−２  第２の吸気弁
２６  ヘッド下面の仕切り
１０１  第１領域
１０２  第２領域
【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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