(57)【要約】【課題】成層燃焼領域において、広い負荷領域で運転すること。【解決手段】この内燃機関１０は、複数の燃料噴射孔を備える直噴噴射弁２０と、第１の点火プラグ１２1と、第２の点火プラグ１２2とを備える。第２の点火プラグ１２2は、第１の点火プラグ１２1が設けられる場所よりも燃料噴霧Ｆｍの濃度が低い場所に設けられる。そして、内燃機関１０の負荷が所定の閾値以上である場合には、前記第１の点火プラグ１２1に代わって前記第２の点火プラグ１２2が燃焼室１１ｂ内の混合気に点火する。【選択図】        図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内へ燃料を噴射する燃料噴射孔が、前記燃焼室内に開口する直噴噴射弁と、
前記燃焼室内に形成される燃料と空気との混合気に点火する第１の点火プラグと、
前記第１の点火プラグが設けられる場所よりも前記直噴噴射弁から噴射される燃料噴霧の濃度の低い場所に設けられ、前記混合気への点火に関するパラメータが所定の閾値以上である場合には、前記第１の点火プラグに代わって前記燃焼室内に形成される前記混合気に点火する第２の点火プラグと、
を含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記点火に関するパラメータは、前記内燃機関の負荷又は前記内燃機関への燃料噴射量であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記直噴噴射弁は、複数の燃料噴射孔を備えており、前記第２の点火プラグは、複数の前記燃料噴射孔から噴射される燃料噴霧の間に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記内燃機関の排気弁の間に第２の点火プラグを配置し、前記排気弁と前記内燃機関が備える吸気弁との間に前記第１の点火プラグを配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記燃焼室内における前記燃料噴霧の分布を偏らせ、前記第１の点火プラグが配置されている場所に前記燃料噴霧を集めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、燃焼室内へ直接燃料を噴射し、かつ複数の点火プラグを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内に直接燃料を噴射して点火する、いわゆる直噴の内燃機関は、圧縮行程中に直接燃料を噴射して、点火プラグ付近に燃料噴霧を留めて着火しやすい混合気を形成し、その周りの空気層と分離、すなわち成層化する。この状態で点火プラグ付近の混合気に点火して燃焼させる、いわゆる成層燃焼運転をすることで、超希薄燃焼運転を実現できる。これにより、内燃機関の燃費を向上させるとともに、ＣＯ2の排出量を低減させることができる。
【０００３】
また、直噴の内燃機関は、吸入行程中に燃焼室内へ直接燃料を噴射して気筒内へ燃料を拡散させ、均質の混合気を形成して燃焼させる、いわゆる均質燃焼運転することもできる。均質燃焼運転では、吸入行程中に燃焼室内へ直接噴射した燃料の気化熱によって吸入空気を冷却できるので、充填効率を高めることができる。これにより、直噴の内燃機関の均質燃焼領域における運転では高出力を得ることもできる。このような利点から、近年、直噴の火花点火式内燃機関が注目されており、実用化されている。
【０００４】
このような直噴の火花点火式内燃機関では、複数の点火プラグを備え、燃焼室内にスワールを形成するとともに、スワール上流側に位置する点火プラグの先端部上流側近傍に燃料噴霧を噴射し、また、スワール下流側に位置する点火プラグの先端部近傍に燃料を噴射する技術が開示されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】実開平３−６１１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、内燃機関に負荷変動がある場合、燃料噴射量も変化する。負荷が高い場合には、負荷が低い場合と比較してより多くの燃料が内燃機関へ供給される。特に内燃機関を成層燃焼領域で運転させる場合には、点火プラグ先端に可燃混合気が集まるように燃料を噴射するので、燃料噴射量の変化に対して混合気の着火性が影響を受けやすい。しかし、特許文献１に開示されている技術では、負荷変動にともなう燃料噴射量変化が考慮されていない。このため、内燃機関の負荷によっては、点火プラグの先端に形成される混合気の空燃比が可燃範囲を超えてしまい、成層燃焼領域において、混合気への点火が不十分あるいは不可能となるおそれがある。
【０００７】
このように、特許文献１に開示されている技術では、成層燃焼領域において、内燃機関の負荷に応じた適切な濃度の混合気を作りだすことが困難であり、広い負荷領域で内燃機関を運転することは困難であった。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、成層燃焼領域において、広い負荷領域で運転できる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、燃焼室内へ燃料を噴射する燃料噴射孔が、前記燃焼室内に開口する直噴噴射弁と、前記燃焼室内に形成される燃料と空気との混合気に点火する第１の点火プラグと、前記第１の点火プラグが設けられる場所よりも前記直噴噴射弁から噴射される燃料噴霧の濃度の低い場所に設けられ、前記混合気への点火に関するパラメータが所定の閾値以上である場合には、前記第１の点火プラグに代わって前記燃焼室内に形成される前記混合気に点火する第２の点火プラグと、を含むことを特徴とする。
【０００９】
この内燃機関は、いわゆる直噴の内燃機関であって、第２の点火プラグが第１の点火プラグが設けられる場所よりも燃料噴霧の濃度の低い場所に設けられる。そして、混合気への点火に関するパラメータが所定の閾値以上である場合には、前記第１の点火プラグに代わって前記第２の点火プラグが混合気に点火する。これによって、成層燃焼領域において内燃機関の負荷が変動した場合であっても適切な空燃比の混合気に点火することができるので、広い負荷領域で運転できる。
【００１０】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記点火に関するパラメータは、前記内燃機関の負荷又は前記内燃機関への燃料噴射量であることを特徴とする。
【００１１】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記直噴噴射弁は、複数の燃料噴射孔を備えており、前記第２の点火プラグは、複数の前記燃料噴射孔から噴射される燃料噴霧の間に配置されることを特徴とする。
【００１２】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記内燃機関の排気弁の間に第２の点火プラグを配置し、前記排気弁と前記内燃機関が備える吸気弁との間に前記第１の点火プラグを配置することを特徴とする。
【００１３】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記燃焼室内における前記燃料噴霧の分布を偏らせ、前記第１の点火プラグが配置されている場所に前記燃料噴霧を集めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、この発明に係る内燃機関は、成層燃焼領域において、広い負荷領域で運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。本発明は、乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましく適用できる。また、本発明は、燃焼室内へ直接燃料を噴射する直噴噴射弁を備える内燃機関であれば、その形式を問わず適用できる。次の説明では、レシプロ式内燃機関の一の気筒を取り出して説明するが、本発明は気筒数を問わず適用できる。
【実施例】
【００１６】
この実施例に係る内燃機関は、いわゆる直噴の内燃機関である。そして、燃焼室内の混合気に点火する第１の点火プラグと、前記第１の点火プラグが設けられる場所の混合気よりも濃度の低い場所に設けられ、成層燃焼時において、例えば、前記第１の点火プラグで点火するときの負荷よりも高い負荷である場合には、前記第１の点火プラグに代わって前記燃焼室内に形成される燃料と空気との混合気に点火する第２の点火プラグとを備える点に特徴がある。
【００１７】
図１は、この実施例に係る内燃機関が備える一の気筒を示す断面図である。この実施例に係る内燃機関１０は、レシプロ式の火花点火式の内燃機関である。そして、この内燃機関１０は、図１に示すように、同一の燃焼室１１ｂに複数の点火プラグを備え、これによって燃焼室１１ｂ内に形成される混合気に点火する。なお、この実施の形態では、第１の点火プラグ１２1及び第２の点火プラグ１２2を同一の燃焼室１１ｂへ備える。
【００１８】
この実施例に係る内燃機関１０は、気筒１１ｓの燃焼室１１ｂ内へ直接燃料Ｆを噴射する直噴噴射弁２０を備える。なお、内燃機関１０は、直噴噴射弁２０の他に、吸気ポート１３ｉ内に燃料Ｆを噴射するポート噴射弁をさらに備えていてもよい。直噴噴射弁２０へは、これに接続されるデリバリパイプ（燃料分配手段）２から燃料Ｆが供給される。燃料Ｆは、フィードポンプ及び高圧ポンプを介してデリバリパイプ２へ圧送されて、直噴噴射弁２０へ供給される。そして、機関ＥＣＵ３からの指令によって直噴噴射弁２０が作動して、燃料Ｆは所定のタイミングで燃焼室１１ｂ内へ噴射される。
【００１９】
図２は、この実施例に係る内燃機関が備える点火系を示す説明図である。この実施例に係る内燃機関１０が備える点火系５０は、同一の燃焼室１１ｂにつき、第１及び第２の点火プラグ１２1、１２2と、第１及び第２イグニッションコイル５１1、５１2と、第１及び第２イグナイター５２1、５２2と、車載バッテリー５３とを含む。内燃機関１０は、燃焼室１１ｂの数だけ前記点火系を備える。
【００２０】
第１及び第２イグニッションコイル５１1、５１2は、一次コイル５１aと二次コイル５１bとで構成されている。第１及び第２イグニッションコイル５１1、５１2は、一次コイル５１aに接続された車載バッテリー５３の電圧を二次コイル５１bで昇圧させて、第１及び第２の点火プラグ１２1、１２2に供給する。第１及び第２イグナイター５２1、５２2は機関ＥＣＵ３に接続されている。
【００２１】
燃焼室１１ｂ内の混合気への点火にあたり、機関ＥＣＵ３は、第１及び第２イグナイター５２1、５２2へ点火信号を送る。点火信号は、機関ＥＣＵ３が、カム角度センサ４５及びクランク角度センサ４２から取得した信号に基づきピストン１７の位置を検出し、内燃機関１の運転条件に基づき決定されたタイミングで送られる。この点火信号に基づき、第１及び第２イグニッションコイル５１1、５１2に通電される。そして、機関ＥＣＵ３によって決定されるタイミングで、第１の点火プラグ１２1、第２の点火プラグ１２2が放電する。なお、成層燃焼領域においては、それぞれの燃焼室１１ｂが備える第１の点火プラグ１２1又は第２の点火プラグ１２2のいずれか一方が放電する。
【００２２】
この実施例に係る内燃機関１０は、吸気通路に設けられる電子スロットル弁７０により吸入空気量が調整される。機関ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ４１からの出力を取得して、電子スロットル弁７０を適切な開度に制御する。また、機関ＥＣＵ３は、内燃機関１０に取り付けられるクランク角度センサ４２、エアフローセンサ４３、冷却水温センサ４４、カム角度センサ４５その他の各種センサ類から出力信号を取得し、内燃機関１０の運転を制御する。
【００２３】
内燃機関１０に供給される空気Ａは、エアフローセンサ４３で流量が測定された後、電子スロットル弁７０を通過してから吸気通路の一部である吸気ポート１３ｉへ流入する。この空気Ａは、吸気ポート１３ｉから吸気弁１５ｉ1、１５ｉ2を通って燃焼室１１ｂ内に導入される。燃焼室１１ｂへは直噴噴射弁２０から燃料Ｆが噴射され、前記空気と混合気を形成する。
【００２４】
この混合気は、成層燃焼領域においては、第１の点火プラグ１２1又は第２の点火プラグ１２2のいずれか一方で着火されて、火炎伝播により燃焼する。そして、混合気の燃焼圧力によりピストン１７が往復運動し、この往復運動はコネクティングロッド１９を介してクランク軸１８へ伝達される。そして、ピストン１７の往復運動はクランク軸で回転運動に変換されて、内燃機関１０の出力として取り出される。
【００２５】
図３は、この実施例に係る内燃機関が備える直噴噴射弁の一例を示す説明図である。図４は、図３の正面図である。図５は、この実施例に係る内燃機関が備える直噴噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。次の説明においては、適宜図１を参照されたい。図３〜図５に示すように、直噴噴射弁２０は、複数の燃料噴射孔２８を備えており、直噴噴射弁２０の中心軸Ａから外側に向かって燃料Ｆを噴射する。直噴噴射弁２０は、弁体２１に穿設した弁孔２３の弁孔入口２３ｉから弁針２５を挿入し、弁針２５が前記中心軸Ａ方向に往復できるように構成してある。なお、弁体２１の中心軸Ａは、直噴噴射弁２０の中心軸である。
【００２６】
弁体２１の先端２１ｔ側における弁針２５の外径ｄ1は、弁孔２３の内径ｄ2よりも小さくなっており、これによって弁針２５と弁孔内壁２３ｗｉとの間には燃料Ｆが流れる環状の燃料通路２２が形成される。弁孔２３の先端部２３ｔ（弁孔入口２３ｉの反対側）には、弁針２５の先端部２５ｔが当接する円錐状の弁座部２７とサック部２９とが形成してある。弁体２１の先端部２１ｔｐには、前記サック部２９から弁体２１の先端２１ｔに開口する複数の燃料噴射孔２８が形成されている。図４に示すように、この実施例に係る直噴噴射弁２０では、弁体２１の周方向に対して燃料噴射孔２８が等間隔で配置される。なお、この実施例において、直噴噴射弁２０は６個の燃料噴射孔２８を備えるが、燃料噴射孔２８の数はこれに限定されるものではない。
【００２７】
図５に示すように、燃料噴射孔２８の燃料通路２８ｔは、直噴噴射弁２０の中心軸Ａと交差するように形成される。この実施例では、燃料通路２８ｔと前記中心軸Ａとは所定の傾き角度θだけ傾斜している。そして、直噴噴射弁２０が備えるすべての燃料噴射孔２８の燃料通路２８ｔは、前記中心軸Ａに対して同じ傾き角度θだけ傾斜している。なお、燃料噴射孔２８によって前記傾き角度θの大きさを変更することにより、燃焼室１１ｂ内における燃料噴霧Ｆｍの濃度分布を変更してもよい。これによって、燃焼室１１ｂ内においては、ピストン１７（図１）の動作方向における燃料噴霧Ｆｍの濃度分布を与えることができる。
【００２８】
デリバリパイプ２（図１参照）から直噴噴射弁２０に供給された燃料Ｆは、燃料通路２２に満たされる。燃料噴霧Ｆｍを噴射しない場合には、弁針２５の先端部２５ｔと弁座部２７とが当接して、サック部２９に対する燃料Ｆの供給を停止する。燃料噴霧Ｆｍを噴射する場合には、弁針２５が弁孔入口２３ｉ方向に移動する。これによって、弁針２５の先端部２５ｔと弁座部２７との当接が解除される。すると、燃料通路２２に満たされた燃料Ｆがサック部２９に流れ込み、燃料噴射孔２８から燃焼室１１ｂ内へ燃料噴霧Ｆｍが噴射される。
【００２９】
図６、図７は、この実施例に係る直噴噴射弁が備える燃料噴射孔の他の例を示す正面図である。図６に示す直噴噴射弁２０ａのように、弁体２１ａの周方向に向かって燃料噴射孔２８ａを不等間隔で配置してもよい。これによって、弁体２１ａの周方向に向かって燃料噴霧Ｆｍ濃度分布を変更できるので、燃焼室１１ｂ内では、ピストン１７の動作方向に直交する平面内における燃料噴霧Ｆｍの濃度分布を与えることができる。
【００３０】
また、弁体２１の周方向に向かって開口間隔を変更させて形成した単一の燃料噴射孔２８ｂから、直噴噴射弁２０の中心軸Ａから外側に向かって燃料噴霧Ｆｍを噴射してもよい。図７に示す直噴噴射弁２０ｂは、第１開口部２８ｂ1と第２開口部２８ｂ2とで構成されるとともに、第１開口部２８ｂ1は、弁体２１ｂの周方向に向かって所定の間隔を設けて配置される。そして、第１開口部２８ｂ1の開口間隔ｔｓ1は、第２開口部２８ｂ2の開口間隔ｔｓ2よりも大きくなっている。
【００３１】
これによって、複数の燃料噴射孔を備える場合と同じような燃料噴霧Ｆｍを、燃焼室１１ｂ内へ形成することができる。また、前記第１開口部２８ｂ1を不等間隔で配置したり、第１開口部２８ｂ1の開口間隔ｔｓ1を、第１開口部２８ｂ1相互間で変更したりしてもよい。これによって、弁体２１ｂの周方向に向かって燃料噴霧Ｆｍ濃度分布を変更できるので、燃焼室１１ｂ内では、ピストン１７の動作方向に直交する平面内における燃料噴霧Ｆｍの濃度分布を与えることができる。次に、この実施例に係る内燃機関１０が備える点火プラグ、及び前記点火プラグと燃焼室１１ｂ内に形成される燃料噴霧との関係を説明する。次の説明では適宜図１〜７を参照されたい。
【００３２】
図８は、この実施例に係る内燃機関が備える点火プラグ及び直噴噴射弁の配置例を示す平面図である。図９は、内燃機関１０の燃焼室１１ｂを、シリンダヘッド１１ｈの方向から見た平面図である。この実施例に係る内燃機関１０は、シリンダヘッド１１ｈ（図１参照、以下同様）に２個の点火プラグを備える。これによって、同一の燃焼室１１ｂ内に２個の点火プラグを備えることになる。また、シリンダヘッド１１ｈには、上述した直噴噴射弁２０が備えられる。なお、この実施例に係る内燃機関１０は、２個の吸気弁１５ｉ1、１５ｉ2と、２個の排気弁１５ｅ1、１５ｅ2とを備える、いわゆる４弁の内燃機関である。
【００３３】
図８に示すように、直噴噴射弁２０は、燃焼室１１ｂの中央部Ｃに配置される。この実施例に係る内燃機関１０では、直噴噴射弁２０の中心軸Ａと、燃焼室１１ｂの中心軸Ｚとは一致する。ここで「中央部」とは、シリンダヘッド１１ｈ側から見た平面において、燃焼室１１ｂの中心軸Ｚを中心とし、かつ前記中心軸Ｚから弁外周までの距離を半径とする円の内部をいう（図８中の円Ｃ）。また、「弁外周までの距離」とは、内燃機関１０が備える吸気弁あるいは排気弁のうち、燃焼室１１ｂの中心軸Ｚから弁傘部の外周までの距離が最も大きいものをいう。例えば、図８に示す例では、前記中心軸Ｚから排気弁１５ｅ2までの距離をｒ1、前記中心軸Ｚから吸気弁１５ｉ2までの距離をｒ2とすると、ｒ1＞ｒ2なので、前記「弁外周までの距離」はｒ1となる。なお、直噴噴射弁２０は必ずしも中央部Ｃに配置する必要はないが、直噴噴射弁２０の中心軸Ａに対して対称に燃料噴霧が形成される場合には、中央部Ｃに配置することが好ましい。
【００３４】
直噴噴射弁２０の燃料噴射孔２８（図３等参照）から燃料噴霧Ｆｍが噴射されると、図８に示すように、燃料噴霧Ｆｍは、直噴噴射弁２０を中心として燃焼室１１ｂ内へ放射状に広がる。この実施例に係る直噴噴射弁２０が備える複数の燃料噴射孔２８は、一定の間隔を設けて配置されているため、燃焼室１１ｂの中心軸Ｚを中心とした同一円周上では、燃料噴霧Ｆｍの濃度が高い領域と低い領域とが発生する。すなわち、燃料噴射孔２８の噴射方向においては、その周囲と比較して燃料噴霧の濃度が高いので、その周囲と比較して燃料濃度の高い、いわゆるリッチな混合気が形成される。
【００３５】
内燃機関１０が成層燃焼領域で運転するときには、燃料噴射量に対して大量の空気を吸い込み、希薄燃焼させる。すなわち、内燃機関１０は、理論空燃比よりも大きい空燃比で運転される。内燃機関１０の負荷が低い場合には、直噴噴射弁２０から噴射される燃料の噴射量も少なくなる。このとき、燃料噴霧Ｆｍ間、すなわち燃料噴射孔２８間では、混合気の空気割合が過多になりすぎており点火できなくなる。一方、シリンダヘッド１１ｈ側から燃焼室１１ｂ見た場合において燃料噴霧Ｆｍと重なる位置、すなわち燃料噴射孔２８の噴射方向においては、混合気の燃料割合が多くなり、適正な空燃比に近づく。したがって、内燃機関１０の負荷が低い場合には、より確実に混合気へ点火するため、燃料噴霧Ｆｍの近傍で点火することが好ましい。
【００３６】
一方、内燃機関１０の負荷が高くなるにしたがって燃料噴射量も多くなる。そして、直噴噴射弁２０から噴射される燃料の噴射量も多くなる。このとき、シリンダヘッド１１ｈ側から燃焼室１１ｂ見た場合において燃料噴霧Ｆｍと重なる位置、すなわち燃料噴射孔２８の噴射方向においては、混合気の燃料が過多になりすぎて点火できなくなる。一方、燃料噴霧Ｆｍ間、すなわち燃料噴射孔２８間では、混合気の燃料割合が少なくなり、適正な空燃比に近づく。したがって、内燃機関１０の負荷が高い場合には、より確実に混合気へ点火するため、燃料噴霧Ｆｍ間で点火することが好ましい。
【００３７】
これを実現するため、この実施例においては、シリンダヘッド１１ｈ側から燃焼室１１ｂ見た場合において燃料噴霧Ｆｍと重なる位置、すなわち燃料噴霧Ｆｍ上に第１の点火プラグ１２1を配置し、第２の点火プラグ１２2を燃料噴霧Ｆｍ間に配置する。すなわち、第２の点火プラグ１２2は、第１の点火プラグ１２1が設けられる場所よりも直噴噴射弁２０から噴射される燃料噴霧Ｆｍの濃度の低い場所に設けられる。
【００３８】
そして、内燃機関１０の負荷が低い場合には第１の点火プラグ１２1によって混合気に点火し、内燃機関１０の負荷が高い場合には、第１の点火プラグ１２1の代わりに第２の点火プラグ１２2を用いて混合気に点火する。ここで、第２の点火プラグ１２2は、これ用いて点火する場合における最小の燃料噴射量の条件であっても、そのときに形成される混合気が第２の点火プラグ１２2によって点火される位置に配置する。これによって、内燃機関１０の負荷変動にともなって直噴噴射弁２０からの燃料噴射量が変化しても、適切な空燃比の混合気に点火することができる。その結果、成層燃焼領域において、内燃機関１０を広い負荷範囲で運転することができる。ここで、例えば、負荷率４０％程度までの範囲を成層燃焼領域で運転する場合、負荷率２０％程度までが負荷の低い場合に相当し、負荷率が２０％程度から４０％程度までが負荷の高い場合に相当する。成層燃焼領域で運転する負荷率によって、成層燃焼領域における負荷の低い場合及び負荷の高い場合の範囲は変化する。
【００３９】
また、内燃機関１０の負荷に基づいて点火プラグを切り替えるので、常時両方の点火プラグを用いることはない。これによって、点火プラグの電極の摩耗を抑制できる。また、消費電力の増加を抑制できるので、内燃機関１０の燃料消費を抑制できる。
【００４０】
この実施の形態において、第２の点火プラグ１２2は、排気弁１５ｅ1、１５ｅ2の間に設けられる。一方、第１の点火プラグ１２1は、排気弁１５ｅ1と吸気弁１５ｉ1との間に設けられる。すなわち、複数設けられる点火プラグのうち、一つは排気弁の間に配置し、残りの点火プラグは、吸気弁と排気弁との間に配置する。一般に排気弁は吸気弁と比較して傘部の径が小さいため、排気弁間に点火プラグを配置しても排気弁の大きさや配置に与える影響は小さい。そして、残りの点火プラグを吸気弁の間ではなく排気弁と吸気弁との間に配置することで、吸気弁の大きさや配置に与える影響を最小限として、複数の点火プラグを配置することができる。これによって、内燃機関１０の吸排気弁の配置に与える影響を最小限として、複数の点火プラグを配置することができる。なお、燃焼室１１ｂの中心軸Ｚに対する対称性や火炎伝播を考慮して、いずれの点火プラグも、燃焼室１１ｂの中心軸Ｚへできるだけ近づけて配置することが好ましい。
【００４１】
図９は、この実施例に係る内燃機関の燃料噴霧形成例を示す平面図である。すでに説明したように、この実施例において、成層燃焼領域かつ低負荷のときには、シリンダヘッド１１ｈ側から燃焼室１１ｂ見た場合において、燃料噴霧Ｆｍと重なる位置に配置した第１の点火プラグ１２1を用いて点火する。成層燃焼領域では、理論空燃比よりも大きい空燃比で内燃機関１０を運転するため、燃料噴射量の絶対量が小さくなる。その結果、燃料噴霧Ｆｍの濃度が高い位置に配置されている第１の点火プラグ１２1を用いても、混合気に点火できないおそれがある。
【００４２】
このため、図９に示す内燃機関１０Ａでは、上述した直噴噴射弁２０ａ（図６参照）を用いて燃焼室１１ｂ内における燃料噴霧Ｆｍの分布を偏らせ、第１の点火プラグ１２1の近傍に燃料噴霧Ｆｍが集まるようにしている。これによって、第１の点火プラグ１２1の近傍に形成される混合気の燃料割合を高くして、成層燃焼領域かつ低負荷のときにおいても、第１の点火プラグ１２1の近傍に形成される混合気を適切な空燃比に保つことができる。
【００４３】
次に、この実施例に係る内燃機関の点火制御の手順について説明する。次の説明においては、適宜図１〜図９を参照されたい。図１０は、この実施例に係る内燃機関の点火制御の手順を説明するフローチャートである。この実施例に係る内燃機関の点火制御を実行するにあたり、機関ＥＣＵ３の点火制御部３ａが内燃機関１０の機関回転数ＮＥ及び負荷ＫＬを取得する（ステップＳ１０１）。これは、点火制御部３ａが内燃機関１の各種センサ類からの信号を取得して算出することにより求める。
【００４４】
次に、点火制御部３ａは、取得した機関回転数ＮＥ、負荷ＫＬやそのときの車速等から、内燃機関１０が成層燃焼領域で運転されるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。内燃機関１０が成層燃焼領域で運転されない場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、ＳＴＡＲＴに戻って内燃機関１０の運転状態を監視する。内燃機関１０が成層燃焼領域で運転される場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、点火制御部３ａは、内燃機関１０の負荷ＫＬが所定の閾値ＫＬｃよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
【００４５】
これは、次の理由による。内燃機関１０の負荷ＫＬによって直噴噴射弁２０からの燃料噴射量が異なる結果、第１、第２の点火プラグ１２1、１２2の取り付け位置における燃料噴霧Ｆｍの濃度が変化する。このため、この実施例では、内燃機関１０の負荷ＫＬに応じて、第１の点火プラグ１２1又は第２の点火プラグ１２2のいずれか一方を切り替えて使用する。この実施例では、点火プラグの切り替えの判定をするため、内燃機関１０の負荷ＫＬを混合気への点火に関するパラメータ（以下点火に関するパラメータ）として用い、前記負荷ＫＬが所定の閾値ＫＬｃよりも小さいか否かを判定するのである。
【００４６】
前記所定の閾値ＫＬｃは、予め実験やシミュレーションによって定めておく。ＫＬ＜ＫＬｃである場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、第１の点火プラグ１２1の近傍における混合気が適正な空燃比であると判定できる。このため、点火制御部３ａは、第１の点火プラグ１２1で点火する条件であると判定する（ステップＳ１０４）。そして、点火制御部３ａは、内燃機関１０から取得したＮＥ、ＫＬその他の情報を基に燃料噴射量τ、燃料噴射時期、点火時期等の制御パラメータを決定し（ステップＳ１０６）、決定した制御パラメータで内燃機関１０を運転する。
【００４７】
ＫＬ≧ＫＬｃである場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、第２の点火プラグ１２2の近傍における混合気が適正な空燃比であると判定できる。このため、点火制御部３ａは、第２の点火プラグ１２2で点火する条件であると判定する（ステップＳ１０５）。そして、点火制御部３ａは前記制御パラメータを決定し（ステップＳ１０６）、決定した制御パラメータで内燃機関１０を運転する。なお、燃料噴射量τは負荷ＫＬに対応しているため、負荷ＫＬや機関回転数ＮＥ等から求めた燃料噴射量τを、点火に関するパラメータとして用いて、点火プラグを切り替えてもよい。さらに、燃焼室１１ｂ内の点火プラグ部における空燃比を検出する手段を用いて、燃焼室１１ｂ内の点火プラグ部における空燃比を点火に関するパラメータとしてもよい。
【００４８】
このように、内燃機関１０の負荷ＫＬや燃料噴射量τを点火に関するパラメータとして用いれば、既存のセンサ類からの情報により、本実施例に係る内燃機関の点火制御を実現できる。なお、内燃機関１０の燃焼室１１ｂへ筒内圧センサや燃焼イオン電流検出センサ等の燃焼状態検出手段を設け、これによって混合気への点火の状態を判定し、その判定結果に基づいて点火プラグを切り替えてもよい。この場合には、筒内圧や燃焼イオン電流が点火に関するパラメータとなる。また、燃焼状態検出手段として、内燃機関１０の機関回転数変動からトルク変動を検出し、これに基づいて点火プラグを切り替えてもよい。この場合には、機関回転数変動（トルク変動）が点火に関するパラメータとなる。
【００４９】
（第１変形例）
この実施例の第１変形例に係る内燃機関は、実施例に係る内燃機関と略同様の構成であるが、低負荷で用いる点火プラグを、高負荷で用いる点火プラグよりも多く備える点が異なる。他の構成は実施例１と同様なので説明を省略するとともに、同一の構成には同一の符号を付す。
【００５０】
図１１は、この実施例の第１変形例に係る内燃機関が備える点火プラグ及び直噴噴射弁の配置例を示す平面図である。この内燃機関１０Ｂは、２個の第１の点火プラグ１２1＿ａ、１２1＿ｂを備える。一方の第１の点火プラグ１２1＿ａは、排気弁１５ｅ1と吸気弁１５ｉ1との間に配置され、他方の第１の点火プラグ１２1＿ｂは、排気弁１５ｅ2と吸気弁１５ｉ2との間に配置される。また、第２の点火プラグ１２2は、排気弁１５ｅ1、１５ｅ1間に配置される。
【００５１】
なお、シリンダヘッド１１ｈ側から燃焼室１１ｂ見た場合において、燃料噴霧Ｆｍと重なる位置に、それぞれの第１の点火プラグ１２1＿ａ、１２1＿ｂが配置される。また、第２の点火プラグ１２2は燃料噴霧Ｆｍ間に配置する。すなわち、第２の点火プラグ１２2は、第１の点火プラグ１２1が設けられる場所よりも直噴噴射弁２０から噴射される燃料噴霧Ｆｍの濃度の低い場所に設けられる。
【００５２】
上述したように、成層燃焼領域では、理論空燃比よりも大きい空燃比で内燃機関１０を運転するため燃焼が不安定になり、内燃機関１０のトルク変動等が発生するおそれがある。この第１変形例のように、第１の点火プラグを複数備え、成層燃焼領域かつ低負荷である場合には、両方の第１の点火プラグ１２1＿ａ、１２1＿ｂを用いて混合気に点火する。これによって、成層燃焼領域であっても安定して混合気を燃焼させることができる。その結果、このような場合であっても燃焼悪化を効果的に抑制できる。なお、成層燃焼領域かつ高負荷の場合に用いる第２の点火プラグを複数備えてもよい。
【００５３】
（第２変形例）
この実施例の第２変形例に係る内燃機関は、実施例１に係る内燃機関と略同様の構成であるが、成層燃焼領域かつ高負荷で用いる点火プラグを、燃料噴霧の噴射方向上に設ける点が異なる。他の構成は実施例１と同様なので説明を省略するとともに、同一の構成には同一の符号を付す。
【００５４】
図１２、図１３は、この実施例の第２変形例に係る内燃機関が備える点火プラグ及び直噴噴射弁の配置例を示す平面図である。図１２に示す内燃機関１０Ｃは、成層燃焼領域かつ高負荷において用いられる第２の点火プラグ１２2が、吸気弁１５ｉ2と排気弁１５ｅ2間であって、燃焼室１１ｂのボア端部１１ｂｔに配置される。また、成層燃焼領域かつ低負荷において用いられる第１の点火プラグ１２1は、排気弁１５ｅ1と吸気弁１５ｉ1との間に配置される。
【００５５】
内燃機関１０Ｃが備える直噴噴射弁２０は、燃料噴射孔２８が周方向に向かって均等間隔で配置される（図４参照）。これによって、シリンダヘッド１１ｈ側から燃焼室１１ｂを見た場合、燃焼室１１ｂ内には、複数の燃料噴霧Ｆｍが略等間隔で、前記燃焼室１１ｂの径方向外側に向かって放射状に噴射される（図１２参照）。この燃料噴霧Ｆｍは、直噴噴射弁２０からの距離が大きくなるにしたがって濃度が低くなる。
【００５６】
この変形例２では、第２の点火プラグ１２2と燃焼室の中心軸Ｚとの距離Ｌ2は、第１の点火プラグ１２1と燃焼室の中心軸Ｚとの距離Ｌ1よりも大きくなっている。これによって、第１の点火プラグ１２1が設けられる場所よりも直噴噴射弁２０から噴射される燃料噴霧Ｆｍの濃度の低い場所に第２の点火プラグ１２2を設けることができる。このように、燃料噴霧Ｆｍ到達距離による燃料噴霧Ｆｍの濃度の違いを利用することにより、点火プラグの配置の自由度が向上する。
【００５７】
図１３に示す内燃機関１０Ｄは、噴射される燃料噴霧Ｆｍの濃度が異なる燃料噴射孔を周方向に向かって配置した直噴噴射弁２０ｄを備える。これによって、シリンダヘッド１１ｈ側から燃焼室１１ｂを見た場合、燃焼室１１ｂ内に燃料噴霧Ｆｍの濃度の分布を与えることができる。
【００５８】
この内燃機関１０Ｄでは、第１の点火プラグ１２1と第２の点火プラグ１２2とは、燃焼室１１ｂの中心軸Ｚに対称となるように配置される。そして、第２の点火プラグ１２2が取り付けられている場所には濃度の低い燃料噴霧Ｆｍ2が、第１の点火プラグ１２1が取り付けられている場所には濃度の高い燃料噴霧Ｆｍ1が到達するようにする。このように、点火プラグを設ける場所に応じて燃料噴霧Ｆｍの濃度を変更するので、点火プラグの配置の自由度が向上する。
【００５９】
変形例２では、直噴噴射弁から噴射される燃料噴霧の濃度の違いを利用して点火プラグの取り付け位置を選択したり、点火プラグの取り付け場所に応じて燃料噴霧の濃度を変更したりする。これによって、点火プラグの配置の自由度が向上する。その結果、例えば、直噴噴射弁２０へ燃料を供給するデリバリパイプ２（図１参照）の配置の関係で点火プラグの取り付け位置が制限される場合等であっても、適切な場所に第１の点火プラグ及び第２の点火プラグを設けることができる。
【００６０】
以上、この実施例及びその変形例では、直噴噴射弁と、第１及び第２の点火プラグとを備え、第２の点火プラグは、前記第１の点火プラグが設けられる場所よりも燃料噴霧の濃度の低い場所に設けられて、混合気への点火に関するパラメータが所定の閾値以上である場合には、前記第１の点火プラグに代わって混合気に点火する。これによって、内燃機関の負荷変動にともなって直噴噴射弁からの燃料噴射量が変化しても、適切な空燃比の混合気に点火することができる。その結果、成層燃焼領域において、内燃機関を広い負荷範囲で運転することができる。また、内燃機関の負荷に基づいて点火プラグを切り替えるので、常時両方の点火プラグを用いることはない。これによって、点火プラグの電極の摩耗を抑制でき、また、消費電力の増加を抑制して、内燃機関の燃料消費を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、いわゆる直噴の内燃機関に有用であり、特に、成層燃焼領域における運転に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この実施例に係る内燃機関が備える一の気筒を示す断面図である。
【図２】この実施例に係る内燃機関が備える点火系を示す説明図である。
【図３】この実施例に係る内燃機関が備える直噴噴射弁の一例を示す説明図である。
【図４】図３の正面図である。
【図５】この実施例に係る内燃機関が備える直噴噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。
【図６】この実施例に係る直噴噴射弁が備える燃料噴射孔の他の例を示す正面図である。
【図７】この実施例に係る直噴噴射弁が備える燃料噴射孔の他の例を示す正面図である。
【図８】この実施例に係る内燃機関が備える点火プラグ及び直噴噴射弁の配置例を示す平面図である。
【図９】内燃機関１０の燃焼室１１ｂを、シリンダヘッド１１ｈの方向から見た平面図である。
【図１０】この実施例に係る内燃機関の点火制御の手順を説明するフローチャートである。
【図１１】この実施例の第１変形例に係る内燃機関が備える点火プラグ及び直噴噴射弁の配置例を示す平面図である。
【図１２】この実施例の第２変形例に係る内燃機関が備える点火プラグ及び直噴噴射弁の配置例を示す平面図である。
【図１３】この実施例の第２変形例に係る内燃機関が備える点火プラグ及び直噴噴射弁の配置例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６３】
３  機関ＥＣＵ
３ａ  点火制御部
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  内燃機関
１１ｂ  燃焼室
１１ｈ  シリンダヘッド
１１ｓ  気筒
１５ｉ1、１５ｉ2  吸気弁
１５ｅ1、１５ｅ2  排気弁
１７  ピストン
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｄ  直噴噴射弁
２１、２１ａ、２１ｂ  弁体
２８、２８ａ、２８ｂ  燃料噴射孔
４１      アクセル開度センサ
４３      エアフローセンサ
５０      点火系
１２1、１２1＿ａ、１２1＿ｂ  第１の点火プラグ
１２2  第２の点火プラグ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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