(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁から噴射された燃料により前記点火プラグ近傍に混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気増量手段としてターボチャージャ又はスーパーチャージャを具備し、前記成層燃焼を実施する場合に、機関運転状態により定まる必要燃料量が所定量を超えるまでは前記ターボチャージャ又はスーパーチャージャによる過給量はゼロとされ、前記必要燃料量が前記所定量を超える時には前記過給量を徐々に大きくして吸気を増量することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は、前記点火プラグの方向へ燃料を噴射するものであり、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が直接的に前記点火プラグ近傍に混合気を形成することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮行程末期に気筒内へ直接的に燃料を噴射して、点火時点において着火性の良好な混合気を点火プラグ近傍に形成することにより、確実な着火性を確保して低燃費のリーンバーンを可能とする成層燃焼が公知である。このような成層燃焼を良好なものとするためには、噴射された燃料が点火までに全て気化していることが望ましいと共に、気化した燃料が拡散せずに一塊となっている間に点火時期を迎えることが必要である。このためには、燃料噴射終了から点火時期までが比較的短い時間に設定され、噴射終了時に噴射された燃料をこの短い時間で気化させなければならない。
【０００３】
成層燃焼の運転では、一般的に、機関運転状態の変化に対して、吸気量は制御はされず、燃料噴射量だけが制御される。それにより、単位燃料量当たりの吸気量は、燃料噴射量が多くなるほど少なくなる。
【０００４】
従って、必要燃料量が少ない時には、噴射された燃料は、単位燃料量に対して多量に存在する吸気から十分な熱を奪って短時間で気化することができるが、必要燃料量が多くなると、単位燃料量当たりの吸気量が少なくなって吸気から十分な熱を奪えなくなるために、短時間で気化することができなくなる。
【０００５】
また、成層燃焼を実施するために、ピストンの熱を利用して燃料を気化させる内燃機関も公知である。このような内燃機関においても、燃料の気化に吸気の熱を全く利用していないわけではなく、前述同様に、必要燃料量が多くなると、短時間での燃料の気化が難しくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このために、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関は、必要燃料量が所定量を越える時には、成層燃焼を断念し、吸気行程等に燃料を噴射して均一燃焼を実施するようになっている。それにより、全運転状態を通して十分に燃費を低減することができない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、成層燃焼可能な領域を拡大して十分な燃費低減を実現することができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁から噴射された燃料により前記点火プラグ近傍に混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気増量手段としてターボチャージャ又はスーパーチャージャを具備し、前記成層燃焼を実施する場合に、機関運転状態により定まる必要燃料量が所定量を超えるまでは前記ターボチャージャ又はスーパーチャージャによる過給量はゼロとされ、前記必要燃料量が前記所定量を超える時には前記過給量を徐々に大きくして吸気を増量することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、前記点火プラグの方向へ燃料を噴射するものであり、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が直接的に前記点火プラグ近傍に混合気を形成することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略図である。同図において、１は内燃機関本体、２は機関吸気系、３は機関排気系である。機関吸気系２は、各気筒へ分岐するインテークマニホルド２ａと、インテークマニホルド２ａの上流側に位置するサージタンク２ｂと、サージタンク２ｂの上流側に位置する吸気管２ｃとを有している。この吸気管２ｃには、ターボチャージャ４のコンプレッサ４ａが配置されている。一方、機関排気系３は、各気筒から合流するエキゾーストマニホルド３ａと、エキゾーストマニホルド３ａの下流側に位置する排気管３ｂとを有している。この排気管３ｂには、ターボチャージャ４のタービン４ｂが配置されると共に、このタービン４ｂをバイパスするウエストゲート通路３ｃが接続されている。このウエストゲート通路３ｃには、ウエストゲートバルブ３ｄが配置されている。
【００１１】
図２は、内燃機関本体１の概略断面図である。同図において、１ａは点火プラグ、１ｂは吸気弁、１ｃは排気弁、１ｄはピストンである。１ｅは気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁である。この燃料噴射弁１ｅは、点火プラグ１ａの方向へ燃料を噴射するものである。また、この燃料噴射弁１ｅは、噴射された燃料の気化を容易にするために円錐又は楕円錐状に燃料を微粒化して噴射するようになっている。
【００１２】
図３は、燃料噴射量に対する燃料噴射弁１ｅの燃料噴射開始時期と燃料噴射終了時期を示すマップであり、燃料噴射終了時期は、点火時期の直前で一定とされているが、燃料噴射開始時期は、燃料噴射量が多いほど早められるようになっている。また点火時期はここでは一定としているが、燃料噴射量に応じて変化させることも可能であり、例えば、燃料噴射量が多いほど点火時期をリタードさせても良い。この場合には、燃料噴射開始時期及び燃料噴射終了時期を同様にリタードさせることも可能である。
【００１３】
図４の実線は、燃料噴射量に対する過給量、すなわち、増加させる吸気量（重量）を示すマップである。燃料噴射量が所定量Ｑ１を越えると、過給量はゼロから徐々に大きくされるようになっている。このように過給量を変化させるために、ウエストゲートバルブ３ｄが、ターボチャージャ４のタービン４ｂを通過する排気ガス量を調節してコンプレッサ４ａの過給圧を制御するようになっている。
【００１４】
燃料噴射量は、機関運転状態により定まる必要燃料量として制御される。燃料噴射量が所定量Ｑ１より少ない時には、単位燃料量当たりの気筒内の吸気量は比較的多く、微粒化して噴射された燃料は、吸気から十分な熱を奪って短時間で気化可能であり、燃料噴射終了時に噴射された燃料も点火時期までに気化する。それにより、噴射された燃料は全て気化し、点火時点において点火プラグ１ａ近傍には一塊の気化燃料と吸気とからなる着火性の良好な混合気が形成され、低燃費の成層燃焼を実現することができる。
【００１５】
一方、燃料噴射量が所定量Ｑ１より多くなると、このままでは、単位燃料量当たりの吸気量が少なくなり、噴射された燃料は、吸気から十分な熱を奪えなくなって短時間で気化することができなくなる。しかしながら、この時には、ターボチャージャ４によって過給が実施され、燃料噴射量が所定量Ｑ１を越える分に応じて吸気量が増加されるために、単位燃料量当たりの吸気量は、燃料噴射量が所定量Ｑ１の時の値に維持され、噴射された燃料を短時間で気化させることが可能となる。
【００１６】
こうして、燃料噴射量が所定量Ｑ１を越えても、燃料噴射終了時に噴射された燃料も含めて噴射された燃料を点火時期までに全て気化させることができ、点火時点において、点火プラグ１ａ近傍には一塊の気化燃料と吸気とからなる着火性の良好な混合気が形成され、この時にも低燃費の成層燃焼を実現することが可能となる。
【００１７】
ターボチャージャ４による過給は、一方でタービン４ｂが排気抵抗を増加させることになるために、本実施形態のように、燃料噴射量が所定量Ｑ１を越える場合には、単位燃料量当たりの吸気量を、燃料噴射量が所定量Ｑ１の時の値、すなわち、燃料噴射終了時に噴射された燃料が点火時期までに気化可能な値に維持するように最低限の過給しか実施しないようにすれば、排気抵抗の増加を最小にすることができる。
【００１８】
もちろん、単位燃料量当たりの吸気量が多いほど噴射された燃料は気化し易くなるために、図４の実線より上側で過給量を制御することは、噴射された燃料の早期気化にとっては有利となる。図４の点線は、常時過給を実施する例であり、燃料噴射量が多いほど過給量が多くなるように制御されている。また、図４の一点鎖線は、常時過給を実施する別の例であり、燃料噴射量に係わらず、一定の過給量となるように制御されている。この例は、ウエストゲートバルブ３ｄの制御が、燃料噴射量を考慮する必要がないために、簡単化される利点を有している。
【００１９】
本実施形態は、吸気量を増加する手段として、ターボチャージャを使用したが、これは本発明を限定するものではなく、例えば、機関出力の一部を使用するスーパーチャージャ又は吸気弁の開弁期間を可変とするような可変バルブタイミング装置等を使用することができる。
【００２０】
本実施形態は、このように吸気量を増加させて機関高負荷時まで成層燃焼を可能とするものであるが、もちろん、全運転状態で成層燃焼を実施する必要はなく、従来に比較して成層燃焼の領域を高負荷側に拡大すれば、従来に比較して燃費を低減することができる。この場合において、均一燃焼を実施するために、吸気通路２ｃにはスロットル弁を配置して吸気量を制御し、吸気行程に燃料を噴射すれば良い。このスロットル弁は、成層燃焼時には全開とされる。
【００２１】
本実施形態は、燃料噴射弁から噴射された燃料が飛行中に吸気から熱を奪って気化し、点火プラグ近傍に着火性の良好な混合気を形成して成層燃焼を実施するものである。このように燃料を気化させるものは、ピストン頂面に形成された凹部内へ燃料を噴射するものに比較して燃料噴射開始時期の設定が自由であり、すなわち、機関高負荷時の多量の燃料を圧縮行程中に容易に噴射することができる。また、このように燃料の気化に主に吸気の熱を利用する場合には、本発明による吸気量の増加は、短時間での燃料気化に特に有効に作用する。
【００２２】
しかしながら、本発明は、このように燃料を気化させるものに限定されず、例えば、ピストン頂面に点火時点において点火プラグが挿入される燃焼室を具備し、燃料を燃焼室内へ噴射してピストンの熱を利用して気化させ、成層燃焼の混合気を形成する内燃機関においても、多量の燃料を短時間で気化させるためにはピストンの熱だけでは不十分で吸気の熱も利用しなければならず、本発明は有効である。さらに、ピストン頂面に燃料を衝突させて点火プラグ近傍へ導き成層燃焼の混合気を形成する内燃機関においても、多量の燃料を短時間で気化させるためにはピストンの熱だけでは不十分で吸気の熱も利用しなければならず、本発明は有効である。
【００２３】
【発明の効果】
このように、本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃料噴射弁から気筒内へ噴射された燃料により点火プラグ近傍に混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼を実施する場合に、機関運転状態により定まる必要燃料量が所定量を超えるまではターボチャージャ又はスーパーチャージャによる過給量はゼロとされ、必要燃料量が所定量を超える時には過給量を徐々に大きくして吸気を増量するために、この時の単位燃料量当たりの吸気量が増加し、噴射された燃料は吸気から十分に熱を奪って短時間で気化することができ、この時にも成層燃焼が可能となる。それにより、低燃費の成層燃焼可能な領域が拡大して十分な燃費低減を実現することができる。
【００２４】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は、点火プラグの方向へ燃料を噴射するものであり、燃料噴射弁から噴射された燃料が直接的に点火プラグ近傍に混合気を形成するものであるために、燃料の気化には主に吸気の熱が利用され、吸気量増加の効果を特に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の概略図である。
【図２】図１の内燃機関本体の概略断面図である。
【図３】燃料噴射量に対する燃料噴射開始時期及び燃料噴射終了時期を示すマップである。
【図４】燃料噴射量に対する過給量を示すマップである。
【符号の説明】
１…内燃機関本体
１ａ…点火プラグ
１ｅ…燃料噴射弁
２…機関吸気系
３…機関排気系
４…ターボチャージャ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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