(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に開口する吸気ポートの当該開口部が吸気弁により開閉され、かつ、この吸気ポート開口部の周辺でかつボア周縁側の部分に、燃焼室に導入される吸気の流通を制限して燃焼室内にタンブル流を生成するマスクが設けられたエンジンの吸気装置であって、上記吸気ポートにおいて上記マスクにより吸気の流通が制限される側の位置に向けて燃料を噴射するようにインジェクタを配置するとともに、上記吸気弁の開弁初期に上記吸気弁の弁傘部まで燃料が到達するように上記インジェクタによる燃料噴射のタイミングを設定したことを特徴とするエンジンの吸気装置。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンの吸気装置において、上記吸気弁の開弁時期をピストン上死点よりも遅い時期であって筒内圧力が吸気ポート内圧力以下である時期に設定したことを特徴とするエンジンの吸気装置。
【請求項３】
請求項１記載のエンジンの吸気装置において、上記吸気弁の開弁時期を変化させる開弁時期可変手段と、低負荷運転領域では上記吸気弁の開弁時期を筒内圧力が吸気ポート内圧力以下である時期とし、この領域よりも負荷の高い運転領域では上記吸気弁の開弁時期を上記低負荷運転領域よりも早い時期とするように上記開弁時期可変手段を作動させる開弁時期制御手段とを備えたことを特徴とするエンジンの吸気装置。
【請求項４】
請求項３記載のエンジンの吸気装置において、上記燃料噴射が開始されるクランク角を、上記低負荷運転領域における上記吸気弁の開弁初期に上記吸気弁の弁傘部まで燃料が到達するタイミングに相当するクランク角に固定したことを特徴とするエンジンの吸気装置。
【請求項５】
請求項３記載のエンジンの吸気装置において、中負荷運転領域及び上記低負荷運転領域では、上記燃料噴射が開始されるクランク角を、上記低負荷運転領域における上記吸気弁の開弁初期に上記吸気弁の弁傘部まで燃料が到達するタイミングに相当するクランク角に固定し、上記中負荷運転領域よりも負荷の高い高負荷運転領域では、上記燃料噴射が開始されるタイミングを吸気弁の開弁時期よりも早い時期に設定したことを特徴とするエンジンの吸気装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの吸気装置において、２つの吸気ポートを略水平方向に並ぶ位置に設け、上記マスクをその中央部が両吸気ポート同士の間で燃焼室内壁から燃焼室の中心に向けて突出する形状にするとともに、この突出部分の近傍に向けて燃料を噴射するように上記インジェクタを配置したことを特徴とするエンジンの吸気装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの吸気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンの燃焼性を向上させ、燃費を改善する有力な手段の一つとして、燃焼室内にタンブル流を生成することが行われている（例えば、特開平５−３２１６７８号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンの特定運転領域（一般には低負荷運転領域）では、リーンバーンによる燃費向上を図るため、点火プラグの周囲に混合気の層を生成する、いわゆる混合気の成層化を行うのが、好ましい。ところが、上記のようなタンブル流を生成するエンジンでは、インジェクタから噴射された燃料全体が上記タンブル流によって燃焼室内に広く拡散されてしまい、その成層化が非常に困難となるおそれがある。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑み、タンブル流の生成により燃焼性の向上を図りながら、良好な混合気の成層化も実現できるエンジンの吸気装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本発明は、燃焼室に開口する吸気ポートの当該開口部が吸気弁により開閉され、かつ、この吸気ポート開口部の周辺でかつボア周縁側の部分に、燃焼室に導入される吸気の流通を制限して燃焼室内にタンブル流を生成するマスクが設けられたエンジンの吸気装置であって、上記吸気ポートにおいて上記マスクにより吸気の流通が制限される側の位置に向けて燃料を噴射するようにインジェクタを配置するとともに、上記吸気弁の開弁初期に上記吸気弁の弁傘部まで燃料が到達するように上記インジェクタによる燃料噴射のタイミングを設定したものである。
【０００６】
この装置では、吸気ポート開口部の周辺に設けられたマスクによって吸気の流通が局所的に制限されることにより、吸気の流れが偏向し、これにより燃焼室内でのタンブル流の生成が促される。しかも、上記インジェクタからは、吸気ポートにおいて上記マスクにより吸気の流通が制限される側の位置に燃料が噴射され、かつ、この燃料が吸気弁の開弁初期にこの吸気弁の弁傘部に到達するタイミングで燃料が噴射されるため、この燃料全体が上記タンブル流によって拡散されてしまうことが回避され、良好な混合気の成層化が可能になる。
【０００７】
ここで、上記吸気弁の開弁時期は、ピストン上死点よりも遅い時期であって筒内圧力が吸気ポート内圧力以下である時期まで遅らせるのが好ましい。この時期では、筒内圧力が吸気ポート内圧力以下であり、またピストン下降速度も十分立ち上がっているので、この時期に上記弁傘部に燃料が到達するタイミングで燃料を噴射することにより、この燃料はすばやく燃焼室内に導入されることとなり、その微粒化が促進される。
【０００８】
ただし、比較的負荷の高い運転領域では、上記のような混合気の成層化はさほど要求されず、高い吸気充填効率の確保に重点をおくのが好ましい。従って、より好ましくは、上記吸気弁の開弁時期を変化させる開弁時期可変手段と、低負荷運転領域では上記吸気弁の開弁時期を筒内圧力が吸気ポート内圧力以下である時期とし、この領域よりも負荷の高い運転領域では上記吸気弁の開弁時期を上記低負荷運転領域よりも早い時期とするように上記開弁時期可変手段を作動させる開弁時期制御手段とを備えるのがよい。
【０００９】
さらに、上記燃料噴射が開始されるクランク角を、上記低負荷運転領域における上記吸気弁の開弁初期に上記吸気弁の弁傘部まで燃料が到達するタイミングに相当するクランク角に固定すれば、上記低負荷運転領域よりも負荷の高い運転領域においては、吸気弁の開弁時期が早められている分、この開弁時期からかなり時間が経過した時点で燃料が噴射されることになり、この燃料は良好に気流に乗って拡散され易くなる。従って、空気利用率が高くなる。
【００１０】
さらに、上記低負荷運転領域より負荷の高い運転領域でも特に負荷の高い高負荷運転領域では、上記燃料噴射が開始されるタイミングを吸気弁の開弁時期よりも早い時期に設定することにより、予め燃料を吸気と混合した状態で燃焼室内に導入するいわゆる予混合燃焼ができ、これにより燃料の拡散化はさらに進められる。
【００１１】
上記吸気ポートは単数でもよいが、２つの吸気ポートを略水平方向に並ぶ位置に設け、上記マスクをその中央部が両吸気ポート同士の間で燃焼室内壁から燃焼室の中心に向けて突出する形状にするとともに、この突出部分に向けて燃料を噴射するように上記インジェクタを配置するようにすれば、燃料をマスクよりの位置に向けて噴射しながら、混合気を燃焼室内の中央に近い位置に供給でき、より良好な成層化ができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１及び図２に示すエンジン本体１は、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、シリンダヘッドカバー４等で構成されている。このエンジン本体１の各気筒５内にはピストン６が装填され、このピストン６の上方に燃焼室７が形成されている。
【００１４】
上記シリンダヘッド３内には、２つの吸気ポート８，９と、２つの排気ポート１０，１１とが形成され、これらのポート８〜１１は燃焼室７内に開口している。吸気ポート８，９は、燃焼室７の上方において一方の側に横方向に並設され、排気ポート８，９は他方の側に横方向に並設されている。そして、両吸気ポート８，９を通じて吸気マニホールド１２からの流入空気が燃焼室７内に導入され、両排気ポート１０，１１を通じて燃焼室７内のガスが排出されるようになっている。
【００１５】
上記両吸気ポート８，９は、タンブル流生成用ポートとされている。すなわち、これらの吸気ポート８，９から吸入された空気が燃焼室７内でいわゆる縦スワールとしてのタンブル流を形成するようになっている。
【００１６】
両吸気ポート８，９には吸気弁１２，１３が各々設けられ、両排気ポート１０，１１には排気弁１４，１５が設けられている。これらの弁１２〜１５は動弁機構１６によって駆動され、各ポート８〜１１の開口部を開閉するように構成されている。
【００１７】
また、燃焼室７の頂部（略中央位置）には、着火手段である点火プラグ２２が設けられている。
【００１８】
動弁機構１６は、動弁用カム１７を有するカムシャフト１８と、このカムシャフト１８に駆動力を伝達するカムプーリ１９とを備えている。さらに、吸気側の動弁機構１６には、上記カムプーリ１９に対するカムシャフト１８の回転位相を変化させるバルブタイミング可変機構２０が設けられ、この回転位相の変化によって吸気弁１２，１３の開閉タイミングが変更可能とされている。
【００１９】
上記シリンダヘッド３には、両吸気ポート８，９に共用される燃料噴射弁（インジェクタ）２３が設けられている。この燃料噴射弁２３は、両吸気ポート８，９同士の間の位置であって、両吸気ポート８，９よりも上側の位置に設けられている。
【００２０】
この燃料噴射弁２３は、先端部に２つの噴口を有している。一方の噴口は、シリンダヘッド３に形成された噴射路（図示せず）を介して一方の吸気ポート８内に臨み、他方の噴口は、シリンダヘッド３に形成された噴射路２４を介して他方の吸気ポート９内に臨んでいる。両噴口は比較的長く、かつ比較的細く絞られており、図５に示すように、各噴口からは２方向に向けて速度エネルギーの高い棒状の噴流（噴霧角が実質上０°の噴流）２５が射出されるようになっている。
【００２１】
上記燃焼室７の上部には、図３及び図４に示すようなマスク２６が形成されている。このマスク２６は、両吸気ポート８，９の周辺においてボア周縁側の位置に設けられ、かつ、両吸気ポート８，９の間において上記ボア周縁から燃焼室中央に向かう方向に突出する突出部２６ａを有している。図４に示すように、マスク２６全体は、燃焼室７の天井面（吸気弁８，９の弁傘部２７の周縁と接触するバルブシート２８が形成されている面）から吸気弁１２，１３の弁軸と平行な方向に突出しており、この燃焼室７に導入される吸気の流量を制限する形状に形成されている。そして、このマスク２６により吸気流量が制限される側の位置、この実施の形態では前記突出部２６ａの両側面の近傍位置（図３では点Ｐ１，Ｐ２の位置）に向けて燃料が噴射されるように、上記燃料噴射弁２３が配置されている。
【００２２】
この燃料噴射弁２３及び前記バルブタイミング可変機構２０の作動は、ＥＣＵ（コントロールユニット：開弁時期制御手段）２１によって制御されるようになっている。具体的に、このＥＣＵ２１は、図７に示す運転領域に応じて次のような吸気弁開弁時期制御及び燃料噴射時期制御を行うように構成されている。
【００２３】
低回転低負荷領域Ａ１：吸気弁開弁時期を図６の曲線Ｃ１に示すような時期、すなわち、ピストン上死点から所定のクランク角度（図例では約２０°）を過ぎた時点で開弁し、ピストン下死点を過ぎてから所定のクランク角度を過ぎた時点で閉弁する時期にする。また、燃料噴射時期は、噴射された燃料がちょうど吸気弁開弁時期Ｄ（図６）に吸気弁１２，１３の弁傘部２７に到達する時期、すなわち、上記時期Ｄよりも前の時期であって、ピストン上死点近傍から所定クランク角が経過するまでの時期Ｅに設定する。
【００２４】
中回転中負荷領域Ａ２：吸気弁開弁時期を図６の曲線Ｃ２に示すような時期、すなわち、ピストン上死点よりも少し前の時点から開弁し、ピストン下死点を過ぎた直後に閉弁する時期にする。燃料噴射時期は、前記時期Ｅのままとする。
【００２５】
高回転高負荷領域Ａ３：吸気弁開弁時期は上記曲線Ｃ２に示される時期にする。燃料噴射時期は、ピストン上死点よりも十分早い時期に設定する。
【００２６】
次に、この装置の作用を説明する。
【００２７】
まず、低回転低負荷領域Ａ１では、吸気弁開弁時期が図６の曲線Ｃ１に示される時期まで遅延され、ピストン上死点から所定クランク角度が過ぎた時点で吸気弁１２，１３が開弁される。ここで、吸気ポート８，９の開口部においてマスク２６が設けられている側では、吸気流量が制限されるため、これと反対側に吸気流量が偏る。このような吸気の偏流によって燃焼室７内でのタンブル流の生成が促進され（図１の矢印）、燃焼性の向上ひいては燃費の改善が果たされる。
【００２８】
しかも、燃料噴射弁２３による燃料噴射時期Ｅは、この噴射された燃料が上記吸気弁１２，１３の開弁初期Ｄに弁傘部に到達する時期とされており、しかも、この燃料は上記マスク２６により吸気流量が制限されている側、すなわち、吸気流量が偏っている側と反対の側に噴射されるため、この噴射された燃料全体がいきなり上記タンブル流に巻き込まれて燃焼室７内に拡散されてしまうのを回避でき、良好な混合気の成層化を果たすことができる。すなわち、上記タンブル流を生成しながらも良好なリーンバーン運転ができる。
【００２９】
さらに、この吸気弁開弁時期は、ピストン上死点から所定のクランク角度が過ぎた時点であって、筒内圧力が吸気ポート圧力以下の時点であり、またピストン下降速度も十分に立ち上がっている時点であるので、図１に示すように、燃料Ｆは比較的高い流速ですばやく燃焼室７内に導入され、その分燃料Ｆの微粒化が促進される。
【００３０】
一方、中回転中負荷領域Ａ２では、吸気弁１２，１３の開弁時期が図６の曲線Ｃ１で示した時期から同図曲線Ｃ２で示した時期（ノーマルな時期）まで早められるため、吸気充填効率が高まり、要求出力を満足させることができる。しかも、燃料噴射を行うクランク角は低回転低負荷領域Ａ１から変更せず、上記吸気弁開弁時期のみを早めているので、燃料は吸気弁１２，１３が十分開いた段階で燃焼室７内に導入されることになり、これにより燃焼室７内への燃料の拡散化が促進される。従って、エンジン負荷に見合った空気利用率を確保できる。
【００３１】
さらに、高回転高負荷領域Ａ３では、ピストン上死点よりも十分早い時点、すなわち、吸気弁１２，１３がまだ開いていない時点から燃料が噴射されるため、この燃料とエアを予め混合してから燃焼室７内に導入するいわゆる予混合燃焼が行われ、燃料の拡散化はさらに促進される。
【００３２】
なお、この予混合燃焼は省略し、例えば高回転高負荷領域Ａ３でも中回転中負荷領域Ａ２と同じ条件で燃料噴射及び吸気弁の開閉を行うようにしてもよい。
【００３３】
また、本発明では吸気ポートの個数を問わず、例えば単数の吸気ポートをもつエンジンにも適用が可能である。この場合も、マスクにより吸気の流通が制限される側の位置（一般にはボア周縁の位置）に向けて燃料を噴射することにより、この燃料がいきなりタンブル流に乗るのを防いで良好な混合気の成層化が果たせる。ただし、図３に示すように２つの吸気ポート８，９を横方向に並設し、その間でボア周縁から燃焼室中央に向かって突出する突出部２６ａをマスク２６に形成した上で、この突出部２６ａの近傍位置に燃料を噴射するようにすれば、この燃料をマスク２６の近傍位置でありながら点火プラグ２２に近接した位置で燃焼室７内に導入することが可能となり、この点火プラグ２２回りでの混合気の成層化をより容易にできる利点がある。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明は、吸気ポートにおいて上記マスクにより吸気の流通が制限される側の位置に向けて燃料を噴射するようにインジェクタを配置するとともに、上記吸気弁の開弁初期に上記吸気弁の弁傘部まで燃料が到達するように上記インジェクタによる燃料噴射のタイミングを設定したものであるので、上記マスクの配設によりタンブル流を生成して燃焼性の向上を図りながら、このタンブル流によって燃料全体が拡散されてしまうのを回避し、良好な混合気の成層化を実現することができ、これにより空燃比のリーン化を可能にして燃費を改善できる効果がある。
【００３５】
ここで、上記吸気弁の開弁時期を、ピストン上死点よりも遅い時期であって筒内圧力が吸気ポート内圧力以下である時期に設定すれば、この時期に上記弁傘部に燃料が到達するタイミングで燃料を噴射することにより、この燃料をすばやく燃焼室内に導入でき、その微粒化を促進できる効果が得られる。
【００３６】
また、上記吸気弁の開弁時期を変化させる開弁時期可変手段と、低負荷運転領域では上記吸気弁の開弁時期を筒内圧力が吸気ポート内圧力以下である時期とし、この領域よりも負荷の高い運転領域では上記吸気弁の開弁時期を上記低負荷運転領域よりも早い時期とするように上記開弁時期可変手段を作動させる開弁時期制御手段とを備えれば、低負荷運転領域ほど混合気の成層化がさほど要求されない比較的高負荷の運転領域では、開弁時期を早めて吸気充填効率を高めることにより、要求出力を満足させることができる。
【００３７】
さらに、上記燃料噴射が開始されるクランク角を、上記低負荷運転領域における上記吸気弁の開弁初期に上記吸気弁の弁傘部まで燃料が到達するタイミングに相当するクランク角に固定すれば、上記低負荷運転領域よりも負荷の高い運転領域においては、吸気弁が十分開いた状態で燃料を燃焼室内に導入でき、その拡散を促進して高い空気利用率を確保できる効果が得られる。
【００３８】
さらに、上記低負荷運転領域より負荷の高い運転領域でも特に負荷の高い高負荷運転領域では、上記燃料噴射が開始されるタイミングを吸気弁の開弁時期よりも早い時期に設定することにより、予め燃料を吸気と混合した状態で燃焼室内に導入するいわゆる予混合燃焼ができ、これにより燃料の拡散をさらに促進できる。
【００３９】
また、２つの吸気ポートを略水平方向に並ぶ位置に設け、上記マスクをその中央部が両吸気ポート同士の間で燃焼室内壁から燃焼室の中心に向けて突出する形状にするとともに、この突出部分に向けて燃料を噴射するように上記インジェクタを配置するようにすれば、燃料をマスクよりの位置に向けて噴射しながら、混合気を燃焼室内の中央に近い位置に供給でき、燃焼室内でより良好な混合気の成層化ができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる吸気装置を備えたエンジンの本体を示す一部断面正面図である。
【図２】上記エンジンの要部を示す平面図である。
【図３】上記エンジンに設けられるマスクの配置を示す断面平面図である。
【図４】上記マスクと吸気弁との位置関係を示す断面正面図である。
【図５】上記エンジンに設けられる燃料噴射弁の平面図である。
【図６】上記エンジンにおいて設定される吸気弁の開弁時期を示すグラフである。
【図７】上記エンジンにおいて区画される各運転領域を示すグラフである。
【符号の説明】
１  エンジン本体
８，９  吸気ポート
１２，１３  吸気弁
２０  バルブタイミング可変機構（開弁時期可変手段）
２１  ＥＣＵ（開弁時期制御手段）
２３  燃料噴射弁（インジェクタ）
２６  マスク
２６ａ  突出部
２７  弁傘部
【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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