(57)【要約】【課題】点火時期の大幅な遅角と燃焼安定度とを両立させ、冷機時の排気ガス温度の昇温とＨＣ排出量低減とを実現する。【解決手段】冷却水温が８０℃を越えた暖機完了状態では、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転を行う。８０℃以下の冷機状態では、触媒コンバータの活性化促進のために、上死点噴射運転とする。ここでは、スワール制御弁によりスワール流が強化され、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。燃料は、スワール流の旋回中心へ向けて噴射される。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点後の噴射開始時期ＩＴＳから１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期となる。圧縮上死点では、スワール流は崩壊して安定した場となり、かつ微小な乱れが活発に生じるので、燃焼安定度が向上する。これにより点火時期の大幅な遅角が可能となる。【選択図】図１
2006046126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備え、かつ吸気行程時に筒内に生成されるスワール流を可変的に強化するスワール流生成手段を備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、所定の運転状態のときに、上記スワール流流生成手段によりスワール流を強化した状態としつつ、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うとともに、上記スワール流の旋回中心へ向けて上記燃料噴射弁から燃料を噴射することを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
上記燃料噴射弁が、燃焼室天井面中央部に配置され、ピストン頂部へ向かってシリンダ軸線に沿うように燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
【請求項３】
所定の運転状態として、排気ガス温度の昇温が要求されたときに、上記の燃料噴射期間および点火時期に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
【請求項４】
上記スワール流生成手段は、一対の吸気ポートの一方を開閉するスワール制御弁から構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒内に燃料を直接に噴射する筒内直接噴射式火花点火内燃機関に関し、特に、その噴射時期および点火時期の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、排気浄化用の触媒コンバータが活性温度よりも低い未暖機状態にあるときに、圧縮行程中に燃料噴射を行い、かつ、点火時期を圧縮上死点よりも遅角させる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３３６４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関冷機時の触媒の早期活性化を図るべく排気ガス温度を昇温させるとともにＨＣを低減するためには、点火時期をなるべく大きく遅角させることが望ましいが、点火時期を大幅に遅角すると、燃焼安定度が悪化するため、燃焼安定度の観点から定まるある限界よりも遅角することはできない。上記従来の技術では、特に冷機時のような条件下において、安定した燃焼の確保が難しく、燃焼安定度から定まる点火時期の遅角限界が比較的進み側にあり、十分な点火時期の遅角を実現することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えるとともに、点火プラグを備え、かつ吸気行程時に筒内に生成されるスワール流を可変的に強化するスワール流生成手段を備えてなる筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、所定の運転状態のとき、例えば冷機時のような排気ガス温度の昇温が必要な場合などに、上記スワール流流生成手段によりスワール流を強化した状態としつつ、燃料噴射を、噴射開始時期が圧縮上死点前で噴射終了時期が圧縮上死点後となるように圧縮上死点を跨ぐ期間に行い、かつ、上記噴射開始時期から遅れた圧縮上死点後に点火を行うとともに、上記スワール流の旋回中心へ向けて上記燃料噴射弁から燃料を噴射することを特徴としている。
【０００５】
本発明の一つの態様では、上記燃料噴射弁が、燃焼室天井面中央部に配置され、ピストン頂部へ向かってシリンダ軸線に沿うように燃料を噴射するように構成されている。
【０００６】
上記スワール流生成手段は、例えば、一対の吸気ポートの一方を開閉するスワール制御弁から構成される。
【０００７】
図１は、本発明の燃料噴射期間および点火時期を筒内圧変化とともに例示したものであり、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となる。その間の噴射期間Ｔの長さは、噴射量に相当する。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後であり、噴射開始時期ＩＴＳから所定クランク角（例えば１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ）遅れた時期となる。この遅れ期間Ｄは、一般に、燃料噴射弁から点火プラグまでの距離に相関する。
【０００８】
図２は、内燃機関の１サイクル中のピストンストロークによるピストン位置変化量と燃焼室の体積変化量とを示したものである。図示するように、単位クランク角当たりの変化量は、ストロークの中間位置付近で最も大きく、下死点（ＢＤＣ）付近ならびに上死点（ＴＤＣ）付近では、非常に小さい。従って、本発明で燃料噴射を行う圧縮上死点付近は、ピストン位置変化や体積変化が非常に小さく、ピストンの動き等に影響されない安定した場が形成され得る。
【０００９】
また、一般に、筒内には、吸気行程において、スワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのガス流動が発生し、圧縮行程においても残存するが、このようなスワール流やタンブル流といった大きな流れは、ピストンが圧縮上死点付近に達して燃焼室が狭小なものとなると、急激に崩壊する。図３は、種々の機関回転数の下での燃焼室内の大きな流れの流速変化を示したものであり、図示するように、回転数に応じた強さのスワール流ないしタンブル流が発生するが、圧縮上死点（３６０°ＣＡ）に達する前に、急激に崩壊する。従って、本発明において圧縮上死点付近で噴射された燃料噴霧は、スワール流やタンブル流のような大きな流れにより動かされることがなく、点火プラグに対し、常に安定した形で噴霧を形成することが可能である。
【００１０】
一方、上記のスワール流やタンブル流といった比較的大きな流れのエネルギは、その流れの崩壊に伴って、微小な乱れへと遷移する。従って、燃焼室内の微小な乱れは、圧縮上死点の直前に、急激に増大する。図４は、図３に示した流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れの強さを、流速に換算していわゆる乱れ流速として示したものであり、図示するように、圧縮上死点直前に、乱れが大きく増加する。このような微小な乱れは、燃焼場の活性化に寄与し、燃焼改善作用が得られる。
【００１１】
つまり、燃料が噴射される圧縮上死点付近での燃焼室内の場は、噴霧を動かしてしまうような大きな流れが存在せず、かつ燃焼を活発化させる微小な乱れが多く存在し、しかも、ピストンの動きに対し非常に安定した場となる。従って、圧縮上死点よりも遅角した点火時期でもって、安定した燃焼が可能であり、燃焼安定度の上で制限される点火時期の遅角限界が、より遅角側となる。そのため、点火時期の大幅な遅角により、排気ガス温度を大幅に昇温させることができ、かつＨＣ排出量が低減する。
【００１２】
ここで、シリンダの円周方向に旋回するスワール流とシリンダの上下方向に旋回するタンブル流とを比較すると、ピストンが上昇して燃焼室が偏平化する方向と旋回方向との関係から、タンブル流の方がより早期に崩壊し、タンブル流に比較してスワール流の方が、上死点まで多少残存しやすい。そのため、このような大きな流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れが、スワール流の方が、より遅くまで発生する。
【００１３】
図５は、図４と同様に、流れの崩壊に伴って生じる微小な乱れの強さを、流速に換算していわゆる乱れ流速として示したものであり、特に、吸気行程中にスワール流を生成した場合とタンブル流を生成した場合とを対比して示している。図示するように、タンブル流の場合は、圧縮上死点前に高いピークを生じるが、その減少は比較的急激であり、これに対しスワール流の場合は、圧縮上死点前のピークは低くなるものの、その減少は比較的緩慢であるため、破線で囲んで示す圧縮上死点後の領域では、スワール流の場合の方が微小な乱れがより活発なものとなる。
【００１４】
本発明では、スワール流生成手段により吸気行程中に強いスワール流が生成されるため、これが圧縮上死点付近で崩壊することによって、活発な微小な乱れが得られ、しかも圧縮上死点直後まで活発な微小な乱れが残存する。これにより、安定した燃焼が実現される。
【００１５】
特に、本発明では、燃料噴射弁による燃料噴射方向が、スワール流の旋回中心を指向しており、旋回により圧力が低下する渦中心部に噴霧が噴射されるため、圧縮上死点付近まで残存するスワール流による燃料噴霧の拡散が抑制されるとともに、圧力低下により旋回中心に燃料が引き寄せられ、燃焼室の比較的中心部に位置する点火プラグ近傍に可燃混合気を確実に形成することができる。特に、シリンダ軸線に沿って燃料を噴射する所謂直上噴射形式とすることが最も有利である。
【００１６】
なお、燃料噴射弁を燃焼室の側部に配置してシリンダ軸線に直交する方向にほぼ沿って噴射する構成の場合には、スワール流が僅かに残存していても燃料噴霧が拡散され易いものとなるので、スワール流と組み合わせることはあまり好ましくない。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、点火時期を圧縮上死点よりも大幅に遅角させた状態で安定した燃焼を得ることができ、例えば内燃機関の冷機時に、排気ガス温度を昇温させて触媒の早期活性化を図ることができるとともに、ＨＣ排出量の低減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図６〜図８は、この発明が適用される筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示しており、特に、図６，図７は、一つの気筒の構成を示し、図８は機関全体のシステム構成を示している。
【００２０】
図６，図７に示すように、シリンダブロック１に形成されたシリンダ２にピストン３が摺動可能に配置されているとともに、シリンダブロック１上面に固定されたシリンダヘッド４と上記ピストン３との間に、燃焼室５が形成されている。上記シリンダヘッド４には、吸気弁６によって開閉される吸気ポート７と、排気弁８によって開閉される排気ポート９と、が形成されている。１つの気筒に対し、一対の吸気弁６と一対の排気弁８とが設けられており、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室５天井面中央部に、燃料噴射弁１０が配置されているとともに、該燃料噴射弁１０に隣接して点火プラグ１１が配置されている。詳しくは、気筒中心よりも一対の排気弁８寄りに燃料噴射弁１０が位置し、かつ一対の吸気弁６寄りに点火プラグ１１が位置する。また、この実施例では、運転状態に応じてスワール流を可変的に強化することができるように、スワール流生成手段として、一対の吸気ポート７の一方に、該吸気ポート７を開閉するスワール制御弁１２が設けられている。当業者には容易に理解できるように、スワール制御弁１２によって一方の吸気ポート７を閉塞した状態では、吸気は他方の吸気ポート７のみを通して燃焼室５の接線方向に流入するので、シリンダ２の円周方向に旋回するスワール流が強化される。また、スワール制御弁１２を開いた状態では、一対の吸気ポート７から均等に吸気が流入するので、燃焼室５内にスワール流は殆ど発生しない。
【００２１】
上記燃料噴射弁１０からは、ピストン３頂部へ向かってシリンダ軸線に沿うように燃料が噴射される。より詳しくは、シリンダ軸線と完全に平行な方向から点火プラグ１１寄りに僅かに傾いた方向に向かって、燃料が噴射されるようになっており、円錐形に拡がる噴霧の一部が、点火プラグ１１の電極部付近を通過する。ピストン３頂部は、全体が緩い凹面となっている。また、この噴霧は、同時に、ピストン３の中心つまりスワール流の旋回中心を指向している。
【００２２】
図８に示すように、この実施例の内燃機関は、例えば直列４気筒機関であり、各気筒の排気ポート９が接続された排気通路２１に、排気浄化用の触媒コンバータ２２が設けられており、その上流側に、酸素センサ等の空燃比センサ２３が配置されている。また、各気筒の吸気ポート７が接続された吸気通路２４は、その入口側に、制御信号により開閉される電子制御スロットル弁２５を備えている。上記排気通路２１と上記吸気通路２４との間には、排気還流通路２６が設けられており、その途中に、排気還流制御弁２７が介装されている。また、各気筒のスワール制御弁１２は、ソレノイドバルブ２８を介して導入される吸入負圧により動作する負圧式スワール制御アクチュエータ２９によって、一斉に開閉される構成となっている。
【００２３】
また、上記燃料噴射弁１０には、燃料ポンプ３１およびプレッシャレギュレータ３２によって所定圧力に調圧された燃料が、燃料ギャラリ３３を介して供給されている。従って、各気筒の燃料噴射弁１０が制御パルスにより開弁することで、その開弁期間に応じた量の燃料が噴射される。また、各気筒の点火プラグ１１は、イグニッションコイル３４に接続されている。
【００２４】
上記内燃機関の燃料噴射時期や噴射量、点火時期等は、コントロールユニット３５によって制御される。このコントロールユニット３５には、アクセルペダル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３０の検出信号や、クランク角センサ３６の検出信号、空燃比センサ２３の検出信号、冷却水温を検出する水温センサ３７の検出信号、等が入力されている。
【００２５】
上記のように構成された内燃機関においては、暖機が完了した後の状態、例えば冷却水温が８０℃を越えているときには、通常の成層燃焼運転および均質燃焼運転が行われる。すなわち、低速低負荷側の所定の領域では、通常の成層燃焼運転として、基本的にスワール制御弁１２を閉じた状態の下で、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。なお、この運転モードでは、圧縮上死点前に必ず燃料噴射が終了する。圧縮行程中にピストン３へ向けて噴射された燃料は、シリンダ２内で旋回するスワール流を利用して点火プラグ１１近傍へ集められ、ここで点火される。そのため、平均的な空燃比がリーンとなった成層燃焼が実現される。また、高速高負荷側の所定の領域では、通常の均質燃焼運転として、基本的にスワール制御弁１２を開いた状態の下で、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のＭＢＴ点において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となり、基本的に理論空燃比近傍で運転が行われる。
【００２６】
これに対し、内燃機関の冷却水温が８０℃以下のとき、つまり暖機が完了していない状態では、触媒コンバータ２２の活性化つまり温度上昇の促進とＨＣ排出量低減のために、所定の上死点噴射運転とする。この上死点噴射運転では、吸気行程時のスワール流を強化すべくスワール制御弁１２が閉状態に制御されるとともに、前述した図１に示したように、噴射開始時期ＩＴＳが圧縮上死点（ＴＤＣ）前、噴射終了時期ＩＴＥが圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、圧縮上死点を跨いで燃料噴射が行われる。点火時期ＡＤＶは、圧縮上死点（ＴＤＣ）後となり、噴射開始時期ＩＴＳから１５°ＣＡ〜２０°ＣＡ遅れた時期に点火される。この遅れ期間の間に、燃料噴霧がちょうど点火プラグ１１付近に到達し、点火プラグ１１付近に可燃混合気を形成するので、確実に着火燃焼に至り、成層燃焼が行われる。このとき、燃料噴射量は、平均的な空燃比が理論空燃比となるように制御される。
【００２７】
本実施例では、上記の燃料噴射時期は、噴射開始時期ＩＴＳが所定のクランク角となるように制御され、噴射終了時期ＩＴＥは、この噴射開始時期ＩＴＳと燃料噴射量（噴射時間）とによって定まる。なお、燃料噴射期間における圧縮上死点前の期間と圧縮上死点後の期間とが等しくなるように、燃料噴射量に基づき、噴射開始時期ＩＴＳと噴射終了時期ＩＴＥとを求めるようにすることも可能である。
【００２８】
前述したように、吸気行程の際に生成されたスワール流は、圧縮上死点直前に急激に崩壊し、圧縮上死点付近では大きな流れとして殆ど残存しないようになるとともに、その崩壊に伴って微小な乱れが活発に生成される。従って、圧縮上死点を跨いで燃料噴射を行い、かつ点火時期を圧縮上死点よりも遅らせることで、点火時期の大幅な遅角と燃焼安定度の確保とを両立させることが可能となり、排気ガス温度の十分な昇温とＨＣ排出量低減とを達成できる。
【００２９】
特に、本発明では、タンブル流に比較して崩壊が遅くなるスワール流を利用することで、上死点直後まで微小な乱れが活発に存在するようになる。そして、燃料は、スワール流の旋回面と直交する方向から圧力低下が生じるスワール流の旋回中心へ向かって噴射されるので、噴射期間となる圧縮上死点付近で多少のスワール流が残存していても、噴霧の拡散が回避され、逆に、圧力低下により旋回中心に燃料が引き寄せられるようになるので、燃焼室５のほぼ中心に位置する点火プラグ１１近傍に可燃混合気を確実に形成することができる。従って、圧縮上死点直後まで活発に残存する微小な乱れを利用して、点火時期を圧縮上死点後まで大幅に遅角させた状態で安定した燃焼を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の燃料噴射期間および点火時期の一例を示した特性図。
【図２】サイクル中のピストン位置変化量と体積変化量の特性図。
【図３】大きな流れのサイクル中の変化を示す特性図。
【図４】微小な乱れのサイクル中の変化を示す特性図。
【図５】微小な乱れの変化をスワール流の場合とタンブル流の場合とで対比して示す特性図。
【図６】筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例を示す断面図。
【図７】同じく平面図。
【図８】この内燃機関全体のシステム構成を示す構成説明図。
【符号の説明】
【００３１】
３…ピストン
５…燃焼室
１０…燃料噴射弁
１１…点火プラグ
１２…スワール制御弁
【図１】
2006046126.tif 000003
【図２】
2006046126.tif 000004
【図３】
2006046126.tif 000005
【図４】
2006046126.tif 000006
【図５】
2006046126.tif 000007
【図６】
2006046126.tif 000008
【図７】
2006046126.tif 000009
【図８】
2006046126.tif 000010