(57)【要約】【課題】  最大燃焼速度が圧縮上死点後にもたらされるようにして大きなエネルギ損失の発生を防止する成層燃焼を実現可能とする筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】  シリンダボア近傍には第一混合気Ｍ１が形成され、点火プラグ近傍には第二混合気Ｍ２が形成され、第二混合気から第一混合気へ火炎を伝播させる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、第一混合気の空燃比は、第二混合気の空燃比よりリッチ側とされる。【選択図】      図２
2006022665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダボア近傍には第一混合気が形成され、点火プラグ近傍には第二混合気が形成され、前記第二混合気から前記第一混合気へ火炎を伝播させる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、前記第一混合気の空燃比は、前記第二混合気の空燃比よりリッチ側とされ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】
気筒上部略中心には燃料噴射弁が配置され、前記燃料噴射弁は燃料を中空円錐形状にピストン頂面へ向けて噴射するものであり、前記燃料噴射弁による圧縮行程後半の第二燃料噴射によって気筒上部略中心の点火プラグ近傍に前記第二混合気が形成され、前記第二燃料噴射より以前の前記燃料噴射弁による第一燃料噴射によってシリンダボア近傍に前記第二混合気を取り囲むように環状の前記第一混合気が形成され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。
【請求項３】
吸気行程において気筒内には気筒軸線回りを旋回するスワール流が生成されることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項４】
ピストン頂面の周囲には環状キャビティが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火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮行程後半に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、気筒上部略中心に位置する点火プラグ近傍だけにリッチ混合気（理論空燃比よりリッチな混合気）を形成して、この混合気を着火燃焼させる成層燃焼が公知である。このような成層燃焼は、気筒内全体としてはリーンな空燃比での燃焼が可能となるために、スロットル弁開度を大きく設定することができ、ポンピング損失を減少させて燃料消費を低減することが可能となる。
【０００３】
圧縮行程後半に噴射可能な燃料量は、時間的な制約によって、それほど多くはないために、成層燃焼の運転域は低負荷に限定されていたが、圧縮行程後半の燃料噴射に先立って気筒内へ燃料を噴射することにより、燃料消費の少ない成層燃焼の運転域を高負荷側へ拡大することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
このような燃料噴射によって、点火時期においては、圧縮行程後半に噴射された燃料により点火プラグ近傍にリッチ混合気が形成されると共に、先に噴射された燃料によりこのリッチ混合気の回りにはリーン混合気（理論空燃比よりリーンな空燃比）が形成されており、先ずリッチ混合気を着火燃焼させ、この火炎をリーン混合気に伝播させることによって全体として比較的多量の燃料を燃焼させることができ、成層燃焼の運転域を高負荷側へ拡大することが可能となる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１７３４９９号公報
【特許文献２】特開２００２−１１５５９３号公報
【特許文献３】特開平６−１０１５５４号公報
【特許文献４】特開平１１−３２４７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のように成層化させた混合気の燃焼では、燃焼前半においてリッチ混合気が燃焼するために燃焼速度が速くなり、一方、燃焼後半においてリーン混合気が燃焼するために燃焼速度が遅くなり、膨張行程前半に燃焼を完了させるように設定された圧縮行程末期の点火時期に対して、最大爆発力を発生する最大燃焼速度が圧縮上死点前にもたらされてしまう。それにより、上昇中のピストンに最大爆発力が作用することとなり、大きなエネルギ損失が発生する。
【０００７】
従って、本発明の目的は、最大燃焼速度が圧縮上死点後にもたらされるようにして大きなエネルギ損失の発生を防止する成層燃焼を実現可能とする筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、シリンダボア近傍には第一混合気が形成され、点火プラグ近傍には第二混合気が形成され、前記第二混合気から前記第一混合気へ火炎を伝播させる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、前記第一混合気の空燃比は、前記第二混合気の空燃比よりリッチ側とされ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、気筒上部略中心には燃料噴射弁が配置され、前記燃料噴射弁は燃料を中空円錐形状にピストン頂面へ向けて噴射するものであり、前記燃料噴射弁による圧縮行程後半の第二燃料噴射によって気筒上部略中心の点火プラグ近傍に前記第二混合気が形成され、前記第二燃料噴射より以前の前記燃料噴射弁による第一燃料噴射によってシリンダボア近傍に前記第二混合気を取り囲むように環状の前記第一混合気が形成されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気行程において気筒内には気筒軸線回りを旋回するスワール流が生成されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面の周囲には環状キャビティが形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
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、点火プラグ近傍の第二混合気からシリンダボア近傍の第一混合気へ火炎が伝播される成層燃焼において、第一混合気の空燃比は、第二混合気の空燃比よりリッチ側とされるために、燃焼前半の燃焼速度は遅く、燃焼後半の燃焼速度が速くなり、最大爆発力を発生する最大燃焼速度が圧縮上死後にもたらされ、上昇中ではなく下降中のピストンに最大爆発力が作用することとなり、大きなエネルギ損失の発生を防止することができる。
【００１３】
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、圧縮行程後半の第二燃料噴射により燃料噴射弁から噴射される燃料は、第二燃料噴射より以前の第一燃料噴射により燃料噴射弁から噴射された燃料に比較して、噴射時の筒内圧力が高いために貫徹力が弱められ、それにより、ピストン頂面へ向けて噴射された中空円錐形状の燃料の内側と外側との間に発生する圧力差に大きく影響されて中空円錐形状の拡がりが抑制される。こうして、第二燃料噴射において燃料噴射弁から中空円錐形状に噴射された燃料によって気筒上部略中心の点火プラグ近傍に第二混合気が形成され、第一燃料噴射において燃料噴射弁から中空円錐形状に噴射された燃料によってシリンダボア近傍に第二混合気を取り囲むように環状の第一混合気が形成される。
【００１４】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気行程において気筒内には気筒軸線回りを旋回するスワール流が生成されるために、このスワール流によって第一混合気の燃焼速度をさらに速めることができる。
【００１５】
また、本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、ピストン頂面の周囲には環状キャビティが形成されているために、第一混合気は、この環状キャビティによって半径方向内側及び外側に分散し難く、第一混合気の空燃比の希薄化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、図２は図１の気筒内概略平面図である。これらの図において、１は吸気弁２を介して気筒内へ通じる一対の吸気通路であり、３は排気弁４を介して気筒内へ通じる一対の排気通路である。５は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁であり、６は点火ギャップを気筒略中心に位置させるように気筒上部から斜め下方向に突出する点火プラグである。
【００１７】
燃料噴射弁５は、環状に等間隔で配置された複数（例えば、十二）の噴孔を有し、各噴孔から略柱状に噴射される燃料によって全体としては気筒軸線と略同軸な中空円錐形状にピストン頂面へ向けて燃料が噴射される。各噴射燃料が気筒内を進行すると燃料回りの圧力が等しく低下するが、全体としての中空円錐形状の燃料における内側の空間は比較的小さいために、内側空間全体の圧力は、外側空間全体の圧力より大きく低下し、この中空円錐形状の燃料の内側と外側との間の圧力差は、対向する二つの噴孔から噴射される燃料の間の角度を小さくするように、すなわち、燃料の中空円錐形状の拡がりを抑制するように作用する。
【００１８】
成層燃焼に際して、燃料噴射弁５は、圧縮行程後半に第二燃料噴射として燃料を噴射すると共に、この第二燃料噴射より以前に、例えば、圧縮行程前半又は吸気行程後半に第一燃料噴射として燃料を噴射する。これら二回の燃料噴射を合わせて機関負荷に対しての必要量の燃料が噴射される。
【００１９】
第一燃料噴射により噴射される燃料ｆ１は、噴射時（圧縮行程前半又は吸気行程後半）の筒内圧力がそれほど高くないために強い貫徹力が維持され、前述した中空円錐形状の内側と外側との間の圧力差によって殆ど影響されずに中空円錐形状の燃料の拡がりが殆ど抑制されることなく、図１に一点鎖線で示すようにピストン頂面の周囲部に到達し、シリンダボア近傍に図２に示すように環状の第一混合気Ｍ１を形成する。この第一混合気Ｍ１の空燃比が理論空燃比近傍又はリッチ空燃比となるように第一燃料噴射における燃料噴射量が選択される。
【００２０】
一方、第二燃料噴射により噴射される燃料ｆ２は、噴射時（圧縮行程後半）の筒内圧力が高いために貫徹力がかなり弱められる。それにより、前述した中空円錐形状の燃料の内側と外側との間の圧力差が大きく影響して中空円錐形状の燃料の拡がりが大きく抑制され、燃料ｆ２は図１に実線で示すようにようにピストン頂面の中央部に到達し、気筒略中心に図２に示すように第二混合気Ｍ２を形成する。この第二混合気Ｍ２の空燃比が着火を可能とするリーン空燃比（例えば、２０以上）となるように第二燃料噴射における燃料噴射量が選択される。
【００２１】
こうして同じ燃料噴射弁５を使用して必要量の燃料を二回に分けて噴射するだけで、気筒上部略中心に位置する点火プラグ６の点火ギャップ近傍に第二混合気が形成されると共に、シリンダボア近傍に第二混合気を取り囲むように環状の第一混合気が形成される。点火時期において、点火プラグ６により第二混合気Ｍ２が着火されると、第二混合気Ｍ２は膨張しながら燃焼し、この火炎は第一混合気Ｍ１へ伝播され、次いで、第一混合気Ｍ１が燃焼する。
【００２２】
この第二混合気から第一混合気への成層燃焼において、第一混合気Ｍ１の空燃比は理論空燃比近傍又はリッチ空燃比とされ、第二混合気Ｍ２の空燃比はリーン空燃比とされているために、第一混合気Ｍ１の空燃比は第二混合気Ｍ２の空燃比よりリッチ側となって燃焼後半の燃焼速度が燃焼前半の燃焼速度に比較して速くなる。それにより、図３に実線で示すように、最大爆発力を発生させる最大燃焼速度は圧縮上死点後となって、最大爆発力は下降中のピストンに作用する。
【００２３】
これに対して、従来のように、第一混合気Ｍ１の空燃比を第二混合気Ｍ２の空燃比よりリーン側として燃焼前半の燃焼速度が燃焼後半の燃焼速度に比較して速くなると、図３に点線で示すように、最大爆発力を発生させる最大燃焼速度は圧縮上死点前となって、最大爆発力は上昇中のピストンに作用してピストンの上昇を抑制させるために、大きなエネルギ損失が発生する。本実施形態によれば、このエネルギ損失を防止することができる。
【００２４】
本実施形態において、二つの吸気通路１の一方はストレートポートであり、他方はヘリカルポートであり、ストレートポートに配置された吸気制御弁を閉弁してヘリカルポートから吸気を供給することにより、吸気行程において気筒内には気筒中心軸線回りをシリンダボアに沿って旋回するスワール流（横スワール流）が生成される。また、他方のポートをストレートポートとしても、このストレートポートからシリンダボアに沿って吸気が供給されるようにすることでスワール流を生成することができる。このスワール流は圧縮行程においても持続して第一混合気Ｍ１を流動させる。こうして第一混合気Ｍ１が流動することにより、第一混合気Ｍ１の燃焼速度をさらに速めることができ、例えば、第一混合気Ｍ１の空燃比が第二混合気Ｍ２の空燃比より僅かにリッチ側であっても第一混合気Ｍ１の燃焼速度を第二混合気Ｍ２の燃焼速度より確実に速めることが可能となる。
【００２５】
また、本実施形態において、ピストン７の頂面の周囲部には環状のキャビティ７ａが形成されている。それにより、第一燃料噴射において噴射される燃料は、環状キャビティ７ａ内に侵入するために、シリンダボアへの付着が殆ど防止される。こうして、シリンダボアへの燃料付着によりオイル希釈が発生したり、その分の燃料増量が必要となったりすることはない。また、第一混合気Ｍ１は、形成されてから燃焼するまでの時間が比較的長いが、環状キャビティ７ａによって第一混合気Ｍ１の半径方向内側及び外側への分散を抑制することができ、第一混合気Ｍ１の空燃比の希薄化が防止される。さらに、前述したように吸気行程で気筒内にスワール流が生成される場合には、環状キャビティ７ａに沿ってスワール流が旋回することによりスワール流の減衰が抑制される。
【００２６】
本実施形態において、燃料噴射弁５は、環状配置された複数の噴孔を有して全体として中空円錐形状に燃料を噴射するものとしたが、一つ又は複数の噴孔から旋回力を付与した燃料を噴射して気筒軸線と略同軸な中空円錐形状にピストン頂面へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁であっても、噴射時の筒内圧力が低ければ燃料の中空円錐形状はほぼ維持され、また、噴射時の筒内圧力が高くて貫徹力が弱められれば、中空円錐形状の燃料の内側と外側との間の圧力差によって中空円錐形状の燃料の拡がりが抑制され、同様な第一混合気Ｍ１と第二混合気Ｍ２とを形成することができる。
【００２７】
また、本実施形態の燃料噴射弁５は、円形断面の複数の噴孔を有するものであるが、それに代えて複数のスリット状噴孔を有して、各噴孔から比較的厚さの薄い三角形状の燃料を噴射するようにし、全体としては気筒軸線と略同軸な四角錐等の中空多角錐形状にピストン頂面へ向けて燃料が噴射されるようにしても良い。このような中空多角錐形状の燃料でも、噴射時の筒内圧力が低ければ燃料の中空多角錐形状はほぼ維持され、また、噴射時の筒内圧力が高くて貫徹力が弱められれば、中空多角錐形状の燃料の内側と外側との間の圧力差によって中空多角錐形状の燃料の拡がりが抑制され、気筒略中心の第二混合気と、第二混合気を取り囲むシリンダボア近傍の第一混合気とを形成することができる。
【００２８】
また、燃料噴射弁として、二つのスリット状噴孔を有し、二つの比較的厚さの薄い三角形状の燃料を気筒軸線と略同軸な中空四角錐の二つの対向する側面のように噴射するようにしても、二つの三角形状の燃料は、噴射時の筒内圧力が高くて貫徹力が弱められれば、内側と外側との間の圧力差によって互いの間の拡がり角度が小さくされ、気筒略中心の第二混合気と、第二混合気の両側のシリンダボア近傍の第一混合気とを形成することができる。この場合において、燃料の厚さ方向を示す断面の一例は図１と同様になる。
【００２９】
ところで、第一混合気Ｍ１の空燃比を第二混合気Ｍ２の空燃比よりリッチ側として第二混合気Ｍ２から第一混合気Ｍ１へ燃焼を伝播させる本実施形態の成層燃焼は、第二混合気の空燃比を第一混合気の空燃比よりリッチ側として第二混合気から第一混合気へ燃焼を伝播させる一般的な成層燃焼に代えて実施されるだけでなく、燃料噴射量が比較的少ない低負荷時に圧縮行程後半だけの一回燃料噴射によって点火プラグ近傍だけに混合気を形成する成層燃焼に代えて実施するようにしても良い。この一回燃料噴射による成層燃焼も、燃焼後半では、点火プラグ近傍の混合気が膨張して回りの空気とさらに混合した非常に希薄な混合気が燃焼することとなり、燃焼後半の燃焼速度は燃焼前半の燃焼速度に比較して非常に遅くなり、やはり、最大燃焼速度は圧縮上死点前となる。
【００３０】
一回燃料噴射の成層燃焼に代えて、二回燃料噴射の本実施形態の成層燃焼を実施する場合において、第一燃料噴射と第二燃料噴射とを合わせた燃料が一回燃料噴射の燃料より増量されることは好ましくなく、第二燃料噴射により圧縮行程後半に噴射される燃料量は、第二混合気の空燃比を確実な着火が保証される最もリーンな空燃比（例えば、２０）とするようにし、それ以外の燃料量を第一燃料噴射によって噴射するようにする。それにより、アイドル時等の最少燃料量の場合においても、第一混合気の空燃比は第二混合気の空燃比よりリッチ側（第一混合気の空燃比が理論空燃比よりリーンであることもある）となり、燃焼後半の燃焼速度を燃焼前半に比較して速めることができる。第一混合気Ｍ１と第二混合気Ｍ２との間に空気層が設けられると、第一混合気Ｍ１及び第二混合気Ｍ２はそれぞれ小さくなり、第一混合気Ｍ１及び第二混合気Ｍ２を形成するのに必要な燃料量を少なくするのに有利である。
【００３１】
機関負荷の増加に伴って必要燃料が増量し、第一燃料噴射の噴射燃料を増量した結果として第一混合気の空燃比が、例えば、理論空燃比となれば、その後は、第一燃料噴射及び第二燃料噴射の噴射燃料をいずれも増量するようにする。こうして、比較的多量の燃料噴射が可能となり、比較的高い負荷領域まで成層燃焼を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。
【図２】図１の筒内概略平面図である。
【図３】クランク角度に対する燃焼速度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１    吸気通路
３    排気通路
５    燃料噴射弁
６    点火プラグ
７    ピストン
７ａ    環状キャビティ
【図１】
2006022665.tif 000003
【図２】
2006022665.tif 000004
【図３】
2006022665.tif 000005