(57)【要約】    【課題】  機関速度が高い条件などでも安定した成層燃焼を実現する。    【解決手段】  燃焼室４の上部に燃料噴射弁１１と点火プラグ１２とを有し、ピストン３冠面の中心付近に円筒状のキャビティ１３を有する。圧縮行程での燃料噴射による成層燃焼モードとして、燃料噴射終了後に、キャビティ１３を経由した燃料に点火する第１の成層燃焼モードと、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後に、キャビティ１３に達する以前の燃料に直接点火する第２の成層燃焼モードとを持ち、前記第２の成層燃焼モードでは、前記第１の成層燃焼モードと比較して、高圧噴射を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上部に燃料噴射弁と点火プラグとを有し、ピストン冠面の中心付近に略円筒状のキャビティを有し、
圧縮行程での燃料噴射による成層燃焼モードとして、燃料噴射終了後に、前記キャビティを経由した燃料に点火する第１の成層燃焼モードと、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後に、前記キャビティに達する以前の燃料に直接点火する第２の成層燃焼モードとを持ち、
前記第２の成層燃焼モードでは、前記第１の成層燃焼モードと比較して、高圧噴射を行うことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は、燃料を加圧して噴射する１流体噴射弁であり、前記第２の成層燃焼モードでは、前記第１の成層燃焼モードと比較して、燃料圧力を高くすることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、燃料を加圧した気体により噴射する２流体噴射弁であり、前記第２の成層燃焼モードでは、前記第１の成層燃焼モードと比較して、２流体噴射弁の気体圧力を高くすることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項４】
同一の機関負荷において、前記第２の成層燃焼モードは、前記第１の成層燃焼モードよりも高速側の運転領域に設定されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項５】
同一の機関速度において、前記第１の成層燃焼モードは、前記第２の成層燃焼モードよりも高負荷側の運転領域に設定されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項６】
成層燃焼を行わせる運転領域のうち、所定の機関負荷以下では、機関速度によらず、前記第２の成層燃焼モードにて運転することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項７】
前記第１の成層燃焼モードにおいて、機関速度が高いほど、噴射圧力を高くすることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項８】
前記第２の成層燃焼モードにおいて、機関速度が高いほど、噴射圧力を高くすることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項９】
前記第１の成層燃焼モードにおいて、機関負荷が高いほど、噴射圧力を低くすることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項１０】
前記第２の成層燃焼モードにおいて、機関負荷が高いほど、噴射圧力を高くすることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項１１】
成層燃焼を行わせる運転領域より高負荷側では、吸気行程での燃料噴射による均質燃焼モードにて運転することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関に関し、特に成層燃焼モードの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、特に圧縮行程にて噴射することで、点火プラグ周りに成層化した混合気を形成し、これに点火して成層燃焼を行わせる内燃機関は、特に低、中負荷域において燃費を大きく改善できることが知られている。このため、成層燃焼を行わせる運転領域（成層運転領域）を拡大するために、ピストンキャビティ形状、筒内流動、噴射弁等、様々な最適化が試みられており、例えば特許文献１に記載の技術がある。
【０００３】
特許文献１の技術では、燃焼室内にその周縁部から燃料を直接噴射する燃料噴射弁を有し、この燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧を、ピストン冠面に設けたキャビティの壁面により、点火プラグ周りに案内して、混合気を成層化させる直噴火花点火式内燃機関において、成層運転領域の略全域で機関速度が高いほど燃料噴射圧力が高くなるように設定した基本的な燃圧制御特性を持たせている。これにより、機関速度が高い場合でも、良好な燃焼性を確保でき、燃費の良い、安定した成層燃焼を実現できるとしている。
【特許文献１】特開２００３−１６１１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、混合気の大きさは概ねピストンキャビティ容積により決定するため、高圧噴射を行って、ピストンキャビティ内に均質な混合気を形成できたとしても、噴射量の少ない低負荷では、混合気が希薄になり、燃焼が不安定になる問題がある。
また、機関速度が高い場合は、機関速度が低い場合と比較して、混合気形成時間に対するクランク角度の進行（ピストン上昇）が相対的に早くなり、同一の燃料噴射時期、噴射期間では、点火プラグ近傍に可燃混合気が到達しないうちに、点火時期を迎えてしまうため、機関速度に比例して噴射時期を進角させることで上記問題を回避できるが、燃料を早期に噴射するため、ピストンキャビティで混合気を受け止めることが困難となる。噴霧を受け止めやすいようにキャビティを大口径とした場合、圧縮比の制約上、十分な深さがとれず、燃料がこぼれて混合気が過薄になること、また、点火プラグとキャビティ壁面との位置関係が変わることにより、機関速度が低い場合に混合気を点火プラグへ誘導できなくなってしまう懸念がある。
【０００５】
このように、キャビティを経由する成層燃焼モードでは、混合気形成が噴霧とピストンキャビティ形状、点火栓の位置関係や燃料噴射量に大きく制約を受ける上、キャビティ内の燃料の拡散・混合が、略機関速度に比例して増大する筒内流動の影響を強く受けてしまうため、高圧噴射を組み合わせたとしても、広域な運転条件で、本来ねらいとしているような成層混合気を点火プラグ付近に形成することは困難である。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、機関速度などに応じた適切な混合気塊を形成する手段を、成層運転領域において、２つの成層燃焼モードの切換えと噴射圧力の制御とにより提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、本発明では、燃焼室上部に燃料噴射弁と点火プラグとを有し、ピストン冠面の中心付近に略円筒状のキャビティを有することを前提として、圧縮行程での燃料噴射による成層燃焼モードとして、燃料噴射終了後に、ピストンキャビティを経由した燃料に点火する第１の成層燃焼モードと、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後に、ピストンキャビティに達する以前の燃料に直接点火する第２の成層燃焼モードとを持ち、前記第２の成層燃焼モードでは、前記第１の成層燃焼モードと比較して、高圧噴射を行う構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１の成層燃焼モードと、第２の成層燃焼モードとを運転条件に応じて設定し、第２の成層燃焼モードで高圧噴射を行うことにより、高温の外部空気の噴霧内への取り込み量を増大できる。これにより、気化ならびに混合が活発となるため、第１の成層燃焼モードと比較して、燃料噴射から点火までの時間が短い第２の成層燃焼モードでも、短時間で迅速な可燃混合気の形成が可能となり、機関速度が高い条件でも安定した成層燃焼を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態の構成図（機関要部の断面図）であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は側面断面図である。
この内燃機関においては、シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、ピストン３とにより、燃焼室４が形成される。シリンダヘッド１には、吸気ポート５と排気ポート６とが開口し、それぞれに吸気弁７、排気弁８が設けられている。排気弁７及び吸気弁８はそれぞれ吸気弁用カム９、排気弁用カム１０により開閉駆動される。
【００１０】
燃料噴射弁１１は、シリンダヘッド１に取付けられて、燃焼室４の上部中央に配置される。但し、本実施形態においては、多気筒機関としてのレイアウトの制約上、燃料噴射弁１１は、機関前方側（図１（Ｂ）の左方）へオフセットさせ、かつ僅かに傾斜して配置される。また、燃料噴射弁１１としては、通常、燃料を加圧して噴射する１流体噴射弁を用いるが、燃料を加圧した気体（一般には空気）により噴射する２流体噴射弁を用いてもよい。
【００１１】
点火プラグ１２は、燃料噴射弁１１と同様、シリンダヘッド１に取付けられて、燃焼室４の上部中央に配置されるが、燃料噴射弁１１とは反対側の機関後方側（第１図（Ｂ）の右方）へオフセットさせ、かつ傾斜して配置され、また燃料噴射弁１１よりは燃焼室４内に突出するように配置されて、燃料噴射弁１１からの燃料噴霧に直接点火できるようになっている。
【００１２】
ピストン３の冠面には、その中心付近に円筒状（上方から見て円形で一定深さ）のキャビティ（凹部）１３が形成されている。
燃料噴射弁１１及び点火プラグ１２の作動は、コントロールユニット１４により制御される。
本内燃機関の運転条件毎の燃焼モード（燃焼形態）を図２、図３に示す。
【００１３】
燃焼モードとしては、大別して、圧縮行程中（特に圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことで点火プラグ周りに成層混合気を形成し、これを点火燃焼させることでリーン運転を実現し燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行うことで燃焼室全体に均質混合気を形成し、これを点火燃焼させることでストイキ運転を実現する均質燃焼モードとがあり、運転状態に応じて選択する。概ね、所定の機関負荷ＴＥ１以下、かつ、所定の機関速度ＮＥ１以下の条件で、成層燃焼モードとし、所定の機関負荷ＴＥ１以上の条件、又は、所定の機関速度ＮＥ１以上の条件で、均質燃焼モードとする。
【００１４】
また、成層燃焼モードには、燃料噴射終了後に、キャビティを経由した燃料に点火する第１の成層燃焼モードと、燃焼噴射中又は燃料噴射終了直後に、キャビティに達する（衝突する）以前の燃料に直接点火する第２の成層燃焼モードとを設ける。
ここで、同一の機関負荷において、第２の成層燃焼モードは、第１の成層燃焼モードよりも高速側の運転領域に設定される。また、同一の機関速度において、第１の成層燃焼モードは、第２の成層燃焼モードよりも高負荷側の運転領域に設定される。
【００１５】
言い換えれば、成層運転領域のうち、低速・高負荷側の領域で、第１の成層燃焼モードとし、高速・低負荷側の領域で、第２の成層燃焼モードとする。
但し、成層運転領域のうち、所定の機関負荷ＴＥ２以下では、機関速度によらず、第２の成層燃焼モードにて運転する。また、成層運転領域のうち、所定の機関速度ＮＥ２以上では、機関負荷によらず、第２の成層燃焼モードにて運転する。
【００１６】
燃焼モードの制御フローチャートを図４に示す。このフローチャートに従って、燃焼モードを切換えると共に、燃焼モードの切換えに伴って、燃料噴射時期、点火時期、および燃料噴射圧力の制御を行う。以下、フローチャートに沿って説明する。
ステップ１（図中にはＳ１と略記、以下同様）では、機関速度、機関負荷を検出する。
ステップ２では、図２の燃焼モードマップに従って燃焼モードを選択する。すなわち、先ず成層運転領域か均質運転領域かを判定し、成層運転領域と判定された場合は、そのうち、低速・高負荷側の領域（第１成層運転領域）か、高速・低負荷側の領域（第２成層運転領域）かを判定し、低速・高負荷側の領域の場合は、ステップ４に進み、第１の成層燃焼モードを選択する。但し、キャビティを介して成層混合気を形成する第１の成層燃焼モードでは、機関の負荷が低く、噴射量が少ない場合、キャビティ内の混合気濃度が過薄となり、失火する恐れがあるため、ステップ４に進む前に、ステップ３で、例えばアイドリングなど、所定の機関負荷ＴＥ２以下か否かを判定し、ＹＥＳの場合は、ステップ５へ進み、燃料噴霧に直接点火を行う第２の成層燃焼モードに設定する。
【００１７】
ステップ２で成層運転領域のうち高速・低負荷側の領域と判定された場合は、ステップ５に進み、第２の成層燃焼モードを選択する。
一方、ステップ２で成層運転領域外の高回転・高負荷領域（均質運転領域）と判定された場合は、ステップ６に進み、吸気行程噴射による均質燃焼モードに移行する。
先ず第１の成層燃焼モードについて説明する。
【００１８】
第１の成層燃焼モードでは、図５に示すように、燃料噴射時期は燃料噴霧をピストンキャビティ１３に受け止め可能なように早期に設定され、噴射された燃料噴霧はキャビティ１３の底面に衝突する。この噴霧は、噴霧の貫徹力によってキャビティ１３の底面に沿って進行し、燃焼室４上空へと向かう。その後、燃焼室４上空をうずのように旋回しつつ、周囲の空気を巻き込みながら、点火プラグ１２近傍のキャビティ１３上空に比較的均質な成層混合気が生成される。
【００１９】
キャビティを介して成層混合気を形成する本手法は、噴射から点火までの混合時間が確保できることから、噴霧の巻き上がり、循環流を形成するのに必要な運動量が供給できれば良く、従って、図４のステップ７にて、噴射圧力（１流体噴射弁では燃圧、２流体噴射弁ではエア圧）はできるだけ低圧に設定される。
但し、機関速度が所定の機関速度以上と判断された場合は、サイクルの実時間が短いため混合を早める必要があり、機関速度に比例して、噴射圧力を上げる基本特性をもたせる。ここで、２流体噴射弁では、噴射弁のエア圧ポンプのフリクションロスが大きいため、図６に示すように、噴射時期に応じて筒内圧との差圧を一定に保つように制御を行う。
【００２０】
機関負荷が所定の機関負荷以上と判断された場合は、燃料総噴射量の増加により、運動量が増えることから、スモークが悪化しない範囲で噴射圧力を低下させ、フリクション低減を図り、燃費の良い運転を行う。
第１の成層燃焼モードでは、混合気濃度は可燃空燃比の範囲内で、かつ排気エミッションが悪化しないように制御されるが、キャビティ上空に形成される均質混合気濃度が、失火を引き起こす恐れがあるほどにリーンになる場合、キャビティ上空全域に混合気が行き渡る以前に、緩やかな空燃比分布を有する混合気に点火を行うよう燃料噴射時期、点火時期を制御する。
【００２１】
次に第２の成層燃焼モードについて説明する。
第２の成層燃焼モードでは、図７に示すように、燃料噴射時期を第１の成層燃焼モードにおける燃料噴射時期に対して、遅角側の圧縮上死点近くに設定し、スパークギャップを燃料噴射弁先端付近に設置することで、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後の飛翔中の燃料に点火を行う。
【００２２】
また、第２の成層燃焼モードでは、図４のステップ８に示されるように、噴射から点火までの時間が短いため、噴射圧力（１流体噴射弁では燃圧、２流体噴射弁ではエア圧）を、第１成層燃焼モードに対して、高圧側に設定し、また機関速度に概ね比例して噴射圧力を高める基本特性をもたせる。また、所定の機関負荷以上と判断された場合は、噴射圧力を機関負荷に概ね比例して高める基本特性をもたせる。
【００２３】
このように圧縮上死点近くの比較的遅い噴射時期で高圧噴射を行うことで、周辺の高温ガスの取り込み量を増加させ、混合・気化を促進する。これにより、可燃混合気が形成される噴霧軸周辺の燃料への直接点火が可能となり、機関速度が高く、ピストンキャビティを介して成層混合気を形成する第１の成層燃焼モードでは、実時間が不足し、点火プラグへの確実な可燃混合気の輸送が難しい場合でも、安定した成層燃焼が実現される。
【００２４】
以上、前述の混合気形成過程の違いから、低速・高負荷領域に適した第１の成層燃焼モードと高速・低負荷領域に適した第２の成層燃焼モードとの切換えは、機関負荷が高いほど、燃焼モードを切換える機関速度が高く、機関速度が高いほど、燃焼モードを切換える負荷が高くなるように設定される。
図８各燃焼モードにおける噴射圧力（燃圧）、噴射時期および点火時期と、機関速度との関係を示す。図９に各燃焼モードにおける噴射圧力（燃圧）、噴射時期および点火時期と、機関負荷との関係を示す。第１および第２の成層燃焼モードの双方で、それぞれ燃料噴射時期は機関速度、機関負荷の増大と共に進角するよう設定し、また、燃料噴射時期のリタード量に対して、点火時期は大きく変動させないよう制御し、燃費の良い、有害排出ガスの少ない運転を行う。
【００２５】
本実施形態によれば、燃料噴射終了後に、ピストンキャビティを経由した燃料に点火する第１の成層燃焼モードに対し、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後に、ピストンキャビティに達する以前の燃料に直接点火する第２の成層燃焼モードでは、高圧噴射を行う構成とすることにより、高温の外部空気の噴霧内への取り込み量を増大でき、気化ならびに混合が活発となるため、燃料噴射から点火までの時間が短い第２の成層燃焼モードでも、短時間で迅速な可燃混合気の形成が可能となり、機関速度が高い条件でも安定した成層燃焼を実現できる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、燃料を加圧して噴射する１流体噴射弁の場合に、燃料圧力を高くすることにより、混合、蒸発が促進され、点火プラグ付近に可燃混合気を安定して供給できる。また、高圧噴射により過濃混合気の形成を回避することができ、点火プラグのくすぶり現象やスモーク、ＣＯの排出を抑制できる。
また、本実施形態によれば、燃料を加圧した気体により噴射する２流体噴射弁の場合に、２流体噴射弁の気体圧力を高くすることにより、１流体噴射弁と同じく、混合、蒸発が促進され、点火プラグ付近に安定して可燃混合気を供給できる。また、高圧噴射により過濃混合気の形成を回避することができ、点火プラグのくすぶり現象やスモーク、ＣＯの排出を抑制できる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、同一の機関負荷において、第２の成層燃焼モードは、第１の成層燃焼モードよりも高速側の運転領域に設定することにより、次のような効果が得られる。第１の成層燃焼モードは、十分な気化と混合がなされたのち、キャビティ上空に比較的均一な混合気分布を形成できるため、対ＥＧＲ性能が高く、過濃混合気からのスモークやＣＯの排出の懸念もなく、点火プラグのくすぶりも抑制できるメリットがあるが、機関速度の上昇と共に、混合時間が不足し、混合気の均一性が悪化してしまう。また、機関速度の増大と共に、筒内流動が強化されるため、混合気が過拡散となり、点火プラグ近傍が過薄となる恐れがある。そこで、第２の成層燃焼モードを機関速度の高い側へ設定し、高圧噴射を組み合わせることで本課題を解決する。第２の成層燃焼モードでは、燃料噴射中又は燃料噴射終了直後のピストンキャビティに衝突する以前の燃料噴霧は、高圧噴射の効果によって、噴射後直ちに噴霧軸の周囲から周辺空気を取り込み、気化および混合が進むため、機関速度によらず噴射弁直下に速やかにコンパクトな混合気を形成できる。これにより、第２の成層燃焼モードにより、機関速度の高い領域でも、安定した成層燃焼を行うことができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、同一の機関速度において、第１の成層燃焼モードは、第２の成層燃焼モードよりも高負荷側の運転領域に設定することにより、次のような効果が得れる。成層運転領域の高負荷側では、燃料噴射量の増加に伴って噴射期間が長くなるため、飛翔中の噴霧に直接火花点火を行う第２の成層燃焼モードでは、かりに高圧噴射を行ったとしても、混合が不十分となり、点火プラグのくすぶりやスモークの悪化が懸念される。一方で、キャビティを介して均一な成層混合気を形成する第１の成層燃焼モードでは、噴射から点火までの燃料の混合時間が十分にあるため、噴射期間の増大は問題とならず、むしろ燃料噴射量が多いことで、キャビティ内の混合気濃度が高くなり、点火プラグ近傍が過薄となることはない。このように、混合時間が確保でき、噴射量が多い場合は、第１の成層燃焼モードを採用することで、スモークやＣＯの少ない、安定した成層燃焼を実現できる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、成層燃焼を行わせる運転領域のうち、所定の機関負荷以下では、機関速度によらず、第２の成層燃焼モードにて運転することにより、ピストンキャビティを経由した燃料に点火する第１の成層燃焼モードで燃料噴射量が少ない場合、混合気濃度が過薄となることを回避し、混合・拡散する以前の混合気に点火を行うことが可能となり、低負荷時の燃焼安定性を確保することができる。
【００３０】
また、本実施形態によれば、第１の成層燃焼モードにおいて、機関速度が高いほど、噴射圧力を高くすることにより、気化・混合を早める効果が得られ、機関速度の増大に伴って、短縮する噴射から火花点火までの期間に可燃混合気を形成でき、第１の成層燃焼モード領域を高回転側へ拡大できる。
また、本実施形態によれば、第２の成層燃焼モードにおいて、機関速度が高いほど、噴射圧力を高くすることにより、混合・蒸発を早める効果が得られ、機関速度の増大に伴って、短縮する噴射から火花点火までの期間に可燃混合気を形成でき、第２の成層燃焼モードの適用範囲が拡大し、成層運転範囲を高回転側へ拡大できる。
【００３１】
また、本実施形態によれば、第１の成層燃焼モードにおいて、機関負荷が高いほど、噴射圧力を低くすることにより、次のような効果が得られる。第１の成層燃焼モードでは、高負荷では噴射量が多く、運動量が十分に確保できているため、噴射圧力を下げても、点火時期までに十分に均質化された混合気を形成することができ、負荷が高いほど噴射圧力を下げることで、フリクションが低減され、燃費を向上できる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、第２の成層燃焼モードにおいて、機関負荷が高いほど、噴射圧力を高くすることにより、気化ならびに混合を活発にして、安定した成層燃焼を実現できる。
また、本実施形態によれば、成層運転領域より高負荷側では、吸気行程での燃料噴射による均質燃焼モードにて運転することにより、高出力な運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態の構成図
【図２】燃焼モードマップを示す図
【図３】成層燃焼中のモード選択の詳細図
【図４】燃焼モードの制御フローチャート
【図５】第１の成層燃焼モードでの混合気形成過程を示す図
【図６】第１の成層燃焼モードにおける２流体噴射弁のエア圧制御の様子を示す図
【図７】第２の成層燃焼モードでの混合気形成過程を示す図
【図８】機関速度に対する燃焼モード間のパラメータ制御方法を示す図
【図９】機関負荷に対する燃焼モード間のパラメータ制御方法を示す図
【符号の説明】
【００３４】
１  シリンダヘッド
２  シリンダブロック
３  ピストン
４  燃焼室
５  吸気ポート
６  排気ポート
７  吸気弁
８  排気弁
９  吸気弁用カム
１０  排気弁用カム
１１  燃料噴射弁
１２  点火プラグ
１３  キャビティ
１４  コントロールユニット
【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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【図８】
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【図９】
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