(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を筒内に直接噴射することにより燃焼を行わせる火花点火内燃機関で、運転状態に応じて燃料噴射時期を可変とし、燃料噴射時期を吸気行程とする予混合燃焼と燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼とで燃焼形態を変化させる筒内直接噴射式内燃機関において、成層燃焼時か予混合燃焼時かを判断し、予混合燃焼時であると判断されたときと成層燃焼時であると判断されたときとで、ラジエータを通る冷却水と、ラジエータをバイパスする冷却水の流量比率を変化させ、成層燃焼時であると判断されたときには、ラジエータをバイパスする冷却水の流量比率を増加させるように制御することを特徴とする筒内直接噴射内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、燃料噴射時期を吸気行程とする予混合燃焼時であると判断されたときは冷却水を全量ラジエータに流し、燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼時であると判断されたときはラジエータをバイパスするように冷却水の流通状態の変化を行わせることを特徴とする筒内直接噴射内燃機関。
【請求項３】
燃料を筒内に直接噴射することにより燃焼を行わせる火花点火内燃機関で、運転状態に応じて燃料噴射時期を可変とし、燃料噴射時期を吸気行程とする予混合燃焼と燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼とで燃焼形態を変化させる筒内直接噴射式内燃機関において、成層燃焼時か予混合燃焼時かを判断し、予混合燃焼時であると判断されたときと成層燃焼時であると判断されたときとで、燃料噴射弁と対向したライナ側の冷却水流量を変化させ、予混合燃焼時と判断されたときには、燃料噴射弁と対向したライナ側の冷却水流量を少なくし、ライナ付着燃料の気化促進を図ることを特徴とする筒内直接噴射内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼との切り替えを行う筒内直接噴射内燃機関における冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とする筒内直接噴射内燃機関において、軽負荷運転時は燃料噴射を圧縮行程において行い、点火栓電極近傍のみに可燃混合気を形成することにより成層燃焼を行わせ、一方高負荷運転時には燃料噴射を吸気行程において行うことで噴射された燃料が空気と混合してから燃焼を行わせるように切り替えを行うものが公知である（特開平５−５２１４５号公報）。これにより軽負荷運転時には希薄空燃比での運転を可能とすることにより燃料消費効率の向上を図り、一方高負荷運転時には必要な出力を得ることがきる。このような成層燃焼と予混合燃焼との切り替えを行う内燃機関においてもその冷却は通常は冷却水により行なわれるが、従来は成層燃焼と予混合燃焼とで冷却方式を変えるということは格別にはされていなかった。即ち、内燃機関の冷却系は定められた流路に冷却水を循環させ、ラジエータで熱を放出する原理であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
成層燃焼と予混合燃焼とを切り替える筒内直接噴射内燃機関では冷却系は予混合燃焼方式に適合されていた。このため、成層燃焼では機関の冷却が過剰となり、以下の問題が生じていた。即ち、成層燃焼時は点火栓電極近傍のみに可燃混合気を形成し、燃焼を行わせるため、燃料噴射から点火までの時間が短く、一方、エンジンブロックの温度は低いため、燃料液滴の気化が十分に行なわれず、未燃焼炭化水素（ＨＣ）成分の排出量が増加するおそれがあった。また、点火栓電極に燃料が付着した場合、エンジンブロックの低温により、点火栓電極のくすぶりが発生しやすい。また、ピストン中央部と外周部とで温度差が大きく、熱歪みによる変形が生じ易く、ピストンスカッフにいたる。
【０００４】
この発明はこのような従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、成層燃焼時の機関本体の過剰冷却を防止しつつ予混合燃焼時は機関本体の必要な冷却性を確保することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するため請求項１に記載の技術手段を採用する。
この技術手段によれば、成層燃焼時か予混合燃焼時かを判断し、この判断結果に基づいてラジエータの通過流量とバイパス流量との比率を予混合燃焼と成層燃焼とで変化させ、成層燃焼時にラジエータバイパスする流量比率を増加させることで、燃焼方式に係わらず最適な冷却状態を得ることができると共に、成層燃焼時における過冷却及びこれに伴うプラグのくすぶりを防止することができる。
【０００７】
請求項２に記載の技術手段によれば、予混合燃焼時であると判断されたときは冷却水を全量ラジエータに流し、成層燃焼時であると判断されたときはラジエータをバイパスするように冷却水の流通状態を変化させることで、燃焼方式に係わらず一定の冷却状態を得ることができる。
【０００８】
請求項３に記載の技術手段によれば、予混合燃焼時か成層燃焼時かで燃料噴射弁と対向したライナ側の冷却水量を変化させ、予混合燃焼時であると判断されたときに、燃料噴射弁と対向したライナ側の冷却水量を少なくし、ライナ面の温度を高めることで壁面付着燃料の気化を促進し、潤滑油への混入によるオイルダイリューションのおそれの解消を図ることができる。したがって、潤滑油粘度低下による潤滑不足の解消を図れる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明実施形態における筒内直接噴射内燃機関の全体構成を示しており、１０はシリンダブロックであり、シリンダブロック１０はシリンダボア１０−１を形成しており、シリンダボア１０−１のライナ面においてピストン１２が上下摺動自在に設けられている。シリンダヘッド１４はシリンダブロック１０上に取り付けられ、燃焼室１６がシリンダブロック１０とシリンダヘッド１４との間に形成されている。点火栓１８がシリンダヘッド１４に取り付けられ、その電極１８−１は燃焼室１６を臨むように設けられる。また、燃料噴射弁２０がシリンダヘッド１４の片側に取り付けられ、その噴口２０−１は燃焼室１６にその上側面側において開口している。シリンダヘッド１４に吸気弁２２及び排気弁２４が設けられ、吸気弁２２は吸気ポート２６を開閉し、排気弁２４は排気ポート２８の開閉を行う。
【００１０】
次に、冷却系について説明すると、３０はシリンダブロック１０内における燃料噴射弁２０の設置側と反対側に形成される冷却用水路であり、３２はシリンダブロック１０内における燃料噴射弁２０の設置側に形成される冷却用水路、３４はシリンダヘッド１４に形成される冷却用の水路を示している。一方、４０はラジエータであり、その下端はウォータポンプ４２及び送り側冷却水通路４４を介して機関本体の水路３０，  ３２，  ３４の入口端に接続されている。送り側冷却水通路４４をシリンダブロック１０内の水路３０に接続する通路４４−１には水流制御弁４５が設けられる。水流制御弁４５は送り側冷却水通路４４からシリンダブロック１０内の水路３０への冷却水の流量を可変とするように機能する。水路３０，  ３２，  ３４の出口端（  図示しない）  は戻り側冷却水通路４６及び水路制御弁４８を介してラジエータ４０の入口タンク４０−１に接続される。水流制御弁４５とウォータポンプ４２との間にはバイパス通路５０が設けられる。水路制御弁４８は戻り通路４６からの冷却水をラジエータ４０に導入する第１位置と、戻り通路４６からの冷却水をバイパス通路５０よりウォータポンプ４２に戻す第２位置（ラジエータ４０をバイパスする位置）との間を切り替えるためのものである。
【００１１】
図１において、制御回路５２はマイクロコンピュータより構成され、エンジンの回転数や負荷等の各運転条件を検出するセンサからの信号により必要な演算を行う。制御回路５２による燃料噴射弁２０の作動は高負荷時には予混合燃焼を行うため吸気行程において噴射が行われ、軽負荷時には成層燃焼を行うため圧縮行程において噴射が行われるようになっている。即ち、図２は予混合燃焼における燃料噴射動作を示しており、（イ）  に示すように吸気行程に入りピストン１２が矢印ａのように下降の途中において燃料噴射弁２０からの噴射が行なわれ、燃料噴射弁２０の噴口から噴射ｆが燃焼室１６に向かって行われる。（ロ）  のようにピストン１２の下降、即ち吸気行程は続けられ、燃料は燃焼室内へ拡散してゆき、ついで（ハ）  においてピストン１２は矢印のように上昇に切り替わる。燃料は燃焼室内に均質に広がり、ピストン１２の上昇が続き、（ニ）  を経て、（ホ）  で示すピストンの上死点位置付近において点火栓１８の電極に火花が形成され、その結果、燃焼室１６内に均質に分布する点火が行なわれる。
【００１２】
一方、軽負荷時には、図３において、ピストン１２が下降する（イ）  、（ロ）  の吸気行程では燃料噴射は行なわれず、ピストン１２が矢印のように上昇に転じた後の圧縮行程において（ニ）  に示すように燃料噴射弁２０からの燃料噴射ｇが行なわれる。このとき、燃料噴射弁２０からの噴霧は点火栓１８の電極１８−１付近に集まり、その付近に可燃混合気の領域を形成する。上死点の手前の（ホ）  の位置で点火栓の電極に火花が形成されると、可燃混合気の部分に点火が行なわれる。
【００１３】
成層燃焼を行う場合、冷却系を予混合燃焼用に適合させた場合、過冷却が起こりやすい。即ち、燃焼は点火栓電極１８−１の近傍のみに存在する可燃混合気の部分において行なわれ、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド１４での受熱量は少ないからである。更に詳しく説明すると、図３（ニ）  を拡大して示す図４において燃料噴射弁２０からの燃料噴射はピストン１２の上死点付近において行われるが、この場合噴射された燃料ｆは点火栓１８の電極１８−１の付近に止まり、燃料ｆにより点火栓電極１８−１が強い冷却を浮け、くすぶりが発生しやすい。また、過冷却により、摺動部のフリクションが増加される。図５は図３（ホ）  の拡大図であり、燃焼時の状態を示しており、燃焼は点火栓１８の電極部１８−１の近傍領域Ｍのみで行われ、燃焼領域は燃焼室１６の中央部に限られる。そのため、燃料噴射弁２０の先端部は燃焼域から外れるため、燃料噴射弁２０の先端部の温度が低くなり、燃料の微粒化状態も悪化し、未燃焼ＨＣ成分の排出量が増加する。また、ピストン１２の中央部１２−１と外周部１２−２との温度差が大きくなることから、ピストン１２の熱歪みが生じ易く、ピストンスカッフも生じ易くなる。
【００１４】
成層燃焼時のこれらの問題点は冷却系を成層燃焼用に適合することにより解消可能であるが、この場合、予混合燃焼運転時に冷却不足のおそれがある。即ち、図２（イ）  又は（ロ）  の拡大図である図６に示すように予混合燃焼時には燃料噴射はピストン１２の下降中に行なわれ、燃料噴射弁２０からの噴霧が燃料噴射弁２０に対向したシリンダ壁面（ライナ面）Ｐに付着しやすく、付着燃料は冷却不足によりシリンダブロック１０の温度が低いとすると、潤滑油に混入され、オイルダイリューションを増加させるおそれがある。オイルダイリューションは潤滑油粘土低下による潤滑不足の原因となる。
【００１５】
以上のような、成層燃焼と予混合燃焼とで冷却要求を適合させるための冷却系の切り替え動作について以下説明すると、図７はこの切替動作を説明するフローチャートであり、ステップ１００で成層燃焼か否か判断され、ステップ１００で否定判断のとき、即ち予混合燃焼運転時はステップ１０２に進み制御回路５２は水路制御弁４８を第１位置しと、戻り通路４６はラジエータ４０に接続され、バイパス通路５０から切り離される。即ち、第１位置での冷却水の流れを図８の（イ）  に示し、ウォータポンプ４２より、燃料噴射弁対向側水路３０、燃料噴射弁側水路３２、シリンダヘッド内水路３４、ラジエータ４０を経て、ウォータポンプ４２に戻る冷却水の循環流が得られる。ステップ１０４では、制御回路５２は水流制御弁４５の開度を全開から絞ることによりシリンダブロック１０における燃料噴射弁２０に対向した側の水路３０への流量を燃料噴射弁２０の側の水路３２への流量に比較して少なくする。このような制御によりシリンダブロックにおける燃料噴射弁２０に対向したライナ面の温度が燃料噴射弁２０の側のライナ面の温度より高くされ、燃料噴霧の付着があった場合にライナ面の高温により燃料の気化が促進され、オイルダイリューションのおそれの解消を図ることができる。
【００１６】
ステップ１００で肯定判断、即ち成層燃焼運転時は制御回路５２はステップ１０６で水路制御弁４８を第２位置しと、戻り通路４６をバイパス通路５０に接続し、ラジエータ４０から切り離される。第２位置での冷却水の流れを図８の（ロ）  に示し、ウォータポンプ４２より、燃料噴射弁対向側水路３０、燃料噴射弁側水路３２、シリンダヘッド内水路３４、バイパス通路５０を経て、ウォータポンプ４２に戻る冷却水の循環流が得られる。また、ステップ１０８では制御回路５２は水流制御弁４５の開度を全開とし、水路３０，  ３２への流れを均等とする。成層燃焼時には冷却水がラジエータ４０を通されないため、過冷却が未然に防止され、シリンダブロック及びシリンダヘッドの温度を高温に維持する。このため、点火栓電極１８−１の温度は上昇され、くすぶり失火を防止し、燃料噴射弁先端温度の上昇により噴霧の微粒化が促進され、シリンダブロック温度上昇によりフリクションが低下し、またピストンの熱歪み低減によりピストンスカッフの防止を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の内燃機関の全体概略構成図である。
【図２】図２は予混合燃焼時における燃焼作動を段階的に説明する図である。
【図３】図３は成層燃焼時における燃焼作動を段階的に説明する図である。
【図４】図４は図３の（ニ）  の拡大図であり成層燃焼時の燃料噴霧と点火栓電極との位置関係を示している。
【図５】図５は図３の（ホ）  の拡大図であり成層燃焼時の燃料動作を示している。
【図６】図４は図２の（イ）  又は（ロ）  の拡大図であり予混合燃焼時の燃料噴霧によるシリンダ壁面の冷却を説明している。
【図７】図７は冷却系の切替動作を説明するフローチャートである。
【図８】図８は冷却系における冷却水の流れを予混合燃焼時（イ）  、成層燃焼時（ロ）  のそれぞれについて示す図である。
【符号の説明】
１０…シリンダブロック
１４…シリンダヘッド
１６…燃焼室
１８…点火栓
１８−１…点火栓電極
２０…燃料噴射弁
３０…シリンダブロック燃料噴射弁対向側水路
３２…シリンダブロック燃料噴射弁側水路
３４…シリンダヘッド内水路
４０…ラジエータ
４２…ウォータポンプ
４５…水流制御弁
４８…水路制御弁
５０…バイパス通路
５２…制御回路
【図１】
0003553765.tif 000002
【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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