(57)【要約】      （修正有）【課題】暖機促進のために比較的遅い時期に点火燃焼を開始させる場合において、キャビティからの混合気塊が点火栓の放電電極部に集中しようとするのをスキッシュにより偏向させ、放電電極部の空燃比過濃化を回避して良好な着火性能を発揮させることができ、点火栓のくすぶりや消耗、スモークの発生を防止することができる直接噴射式内燃機関または燃焼方法を提供する。【解決手段】ピストン２４に形成したキャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁８と点火栓９とを備えた直接噴射式内燃機関において、前記キャビティへの噴射燃料により形成される混合気塊Ｍの、前記点火栓の放電電極部９ａへと向かう流れをスキッシュＳにより偏向させ、前記放電電極部付近の混合気濃度が過濃となるのを回避した状態で点火燃焼を開始させる。【選択図】図２−１
2006322334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と点火栓とを燃焼室に臨むように備え、機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、前記検出運転状態に基づいて前記燃料噴射弁による燃料噴射時期、燃料噴射量および前記点火栓による点火時期を制御する制御装置とを備えた直接噴射式内燃機関において、
シリンダ中心線方向から見て、前記キャビティにて形成される混合気塊の中心に対して前記点火栓の放電電極部を偏在させると共に、
前記燃焼室に、ピストン圧縮上死点付近にて前記放電電極部から混合気塊中心方向に向かうスキッシュを生起するスキッシュエリアを設けたこと
を特徴とする直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記キャビティおよび点火栓を、シリンダ中心線方向から見て、前記キャビティの側壁部によって画成されるキャビティ領域の縁部付近ないしは該縁部よりも前記スキッシュの上流側に、前記点火栓の放電電極部が位置するように各々配置した請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記キャビティの側壁部は、キャビティ底部側を基点として内側方向に傾斜したリエントラント部を有し、かつ該リエントラント部の略上方に前記点火栓の放電電極部を位置させた請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記キャビティは、円形凹形状を有する請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記燃料噴射弁は、その燃料噴霧の中心がシリンダ中心線に対して略平行となるように設けてある請求項１に記載の直接噴射式内燃機関
【請求項６】
前記燃料噴射弁は、シリンダ中心線方向から見て、前記キャビティの中心と略一致する位置に設けてある請求項１に記載の直接噴射式内燃機関
【請求項７】
前記制御装置は、所定の運転状態にて、燃料噴射時期を圧縮行程またはそれ以降に、かつ点火時期を圧縮上死点付近またはそれ以降に設定する請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
前記所定の運転状態は、低温運転時である請求項７に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項９】
前記点火時期を、燃料噴射の終了時期付近に設定した請求項１に記載の直接噴射式内燃機関
【請求項１０】
前記スキッシュエリアを、側方から見て、スキッシュが点火栓電極部に向かうように形成した請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項１１】
前記スキッシュと略同一方向への吸気流動を生起する手段を有する請求項１に記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項１２】
ピストン冠面に形成したキャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と点火栓とを燃焼室に臨むように備えた直接噴射式内燃機関の燃焼方法であって、
前記キャビティへの噴射燃料により形成される混合気塊の、前記点火栓の放電電極部へと向かう流れをスキッシュにより偏向させ、前記放電電極部付近の混合気濃度が過濃となるのを回避した状態で点火燃焼を開始させること
を特徴とする直接噴射式内燃機関の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火方式の直接噴射式内燃機関またはその燃焼方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気浄化触媒を備えた内燃機関では、冷機始動後の排気エミッション性能を改善するために、始動後に触媒の温度をいかに速やかに活性温度にまで上昇させるかが課題となっている。この課題に対して、火花点火方式の直接噴射式内燃機関において、筒内への燃料供給を比較的自由に制御できる特徴を利して、二次的な追加燃料の供給またはリタード燃焼により排気を高温化して触媒の活性化を促すようにしたものが提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、追加燃料の熱エネルギが膨張仕事として失われないように膨張行程の中期〜後期において燃料の追加供給を行って排気温度を高めるようにしたものが開示されている。
【特許文献１】特開2000-145511号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願人の知見によれば、ピストン冠面に設けたキャビティに向けて噴射した燃料により成層混合気を形成するようにした直噴式機関では、キャビティにて反転してきた燃料噴霧ないしは混合気塊が点火栓の放電電極部に集中してリッチ雰囲気下での着火燃焼がなされることがある。この結果、特に触媒の活性を促すべき低温運転状態下では、リッチ雰囲気による点火栓のくすぶりや消耗、さらにスモーク発生という問題が生じやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ピストン冠面に形成されたキャビティに向けて燃料を噴射供給する燃料噴射弁と点火栓とを燃焼室に臨むように備えた直接噴射式内燃機関を前提として、次のような構成ないしはその燃焼方法を要旨とするものである。
・機関運転状態を検出する運転状態検出装置と、前記検出運転状態に基づいて前記燃料噴射弁による燃料噴射時期、燃料噴射量、および前記点火栓による点火時期を制御する制御装置とを備え、平面視にて、前記キャビティにて形成される混合気塊の中心に対して前記点火栓の放電電極部を偏在させると共に、前記燃焼室に、ピストン圧縮上死点付近にて前記放電電極部から混合気塊中心方向に向かうスキッシュを生起するスキッシュエリアを設ける。
・前記キャビティへの噴射燃料により形成される混合気塊の、前記点火栓の放電電極部へと向かう流れをスキッシュにより偏向させ、前記放電電極部付近の混合気濃度が過濃となるのを回避した状態で点火燃焼を開始させる。
【発明の効果】
【０００６】
前記本発明による直接噴射式内燃機関または燃焼方法によれば、例えば暖機促進のために比較的遅い時期に点火燃焼を開始させる場合において、キャビティからの混合気塊が点火栓の放電電極部に集中しようとするのをスキッシュにより偏向させ、放電電極部の空燃比過濃化を回避して良好な着火性能を発揮させることができる、したがって点火栓のくすぶりや消耗、スモークの発生を防止することができる。
【０００７】
なお、特開平9-158736号公報には、スキッシュを利用してキャビティ内の混合気性状を制御するようにした技術が開示されている。しかしながら、これはスキッシュにより混合気塊をキャビティ内に保持させ、混合気の飛散を防ぐことにより失火や消炎を回避することを目的としたものであって、点火栓の放電電極部がリッチ雰囲気となることによる問題点を課題としたものではなく、したがってその解決手段を開示したものでもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお各図において共通する部分には互いに同一の符号を付して示すこととする。図１は本発明が適用可能な内燃機関の概略構成を示している。図中の１は内燃機関本体、２は吸気通路、３はスロットル弁、４は排気通路、５は触媒コンバータ、６は吸気弁、７は排気弁、８は燃料噴射弁、９は点火栓である。１０はコントロールユニット、１１は吸入空気量センサ、１２はアクセル開度センサ、１３はクランク角センサ、１４は冷却水温センサ、１５は排気酸素センサである。１７はカム駆動により燃料を燃料噴射弁８に圧送する燃料ポンプであり、１６はその燃料圧力を検出する圧力センサである。また、２１は燃焼室、２４はピストンを示している。
【０００９】
コントロールユニット１０は、本発明における制御装置に相当するもので、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されており、前記運転状態検出装置としての各種センサ１１〜１６からの入力に基づいて内燃機関の運転状態を判断し、燃料の噴射時期、噴射量、点火時期がそれぞれ所定の目標値に一致するように燃料ポンプ１７、燃料噴射ノズル８および点火栓９の作動を制御する。
【００１０】
この内燃機関は吸気弁６と排気弁７をそれぞれ２個ずつ備えた４弁形式であり、燃料噴射弁８と点火栓９はそれぞれ前記４弁に包囲された燃焼室中央付近に配設してある。燃料噴射弁８は、その燃料噴霧の中心がシリンダ軸線対して略平行となるように取り付けてある。
【００１１】
前記燃料噴射弁８と対向するように、図２−１または図２−２に示したように、ピストン２４の冠面には円形凹形状のキャビティ３１を形成してある。前記キャビティ３１の中心と燃料噴射弁８による燃料噴霧の中心（Ｃｍ）とは互いに略一致するように位置設定してあり、これにより燃料噴射弁８からの燃料噴霧がほぼキャビティ３１の底面中央部に衝突するようにしている。また、燃料噴射弁８はそのノズル部を頂点とする仮想的な円錐面に沿って燃料を噴射するマルチホールノズルまたはアウトワード型ノズルを適用してある。このような噴霧特性を有する燃料噴射弁は、圧縮行程後半以降における筒内圧力上昇時においても噴霧塊の窄まりまたは形状変化が小さいという利点がある。
【００１２】
前記キャビティ３１と点火栓９は、キャビティ３１の中心Ｃｍと、点火栓の放電電極部９ａの中心Ｃｇとが互いに偏って位置するように位置設定してある。この場合、キャビティ３１はその側壁部３１ａを底面に対して略鉛直に立ち上げた直円筒面状に形成してあり、該側壁部３１によって画成されるキャビティ領域の縁部ないしはそれよりも外側に放電電極部中心Ｃｇが位置するようにしてある。これにより、燃焼室をシリンダ中心線方向から見たときに、前記キャビティ３１にて形成される混合気塊Ｍの中心（Ｃｍ）に対して前記点火栓の放電電極部９ａが偏在するようにしている。
【００１３】
また、前記燃焼室２１には、図２−２に示したように、ピストン圧縮上死点付近にて前記放電電極部９ａから混合気塊Ｍの中心方向に向かうスキッシュＳを生起するスキッシュエリアＡｓを設けてある。前記スキッシュＳは、後述するようにリッチな混合気塊Ｍが点火栓の放電電極部９ａに接近しないように偏向させるためのものであるので、より好ましくは、図示したように側面から見てスキッシュＳが放電電極部９ａを指向するように前記スキッシュエリアＡｓを形成するようにする。
【００１４】
次に、前記構成下での燃焼方式の実施形態につき説明する。一般に直接噴射式内燃機関では、圧縮行程中に燃料を噴射供給して混合気を成層化し、希薄空燃比による運転を行わせる成層燃焼運転のモードと、吸気行程中に燃料を噴射供給して理論空燃比近傍の比較的濃い予混合気による運転を行わせる均質燃焼運転のモードとを運転状態に応じて切り換えるようにしている。本実施形態による運転モードは、基本的に圧縮行程またはそれ以降に燃料噴射を行う成層燃焼運転であり、特に排気浄化触媒５が活性化する前の冷機状態において、排気温度を高めるために比較的遅い時期に点火燃焼を開始させる。なお冷機状態か否かの判定は、前記図１の構成においてはコントロールユニット１０が冷却水温センサ１４からの信号に基づいて判断し、実際の冷却水温が所定の基準温度より低温であるときには冷機状態と判定して前記燃焼制御を適用する。
【００１５】
図３は前記制御による基本的なタイミングチャートである。図中のＰｆはコントローラ１０から燃料噴射装置に出力される噴射パルス信号、Ｐｉは同じく点火装置への点火パルス信号に基づき点火コイルから点火栓９に供給される点火二次電流、Ａは点火栓放電電極部９ａ近傍の空燃比、Ｂａは前記空燃比域内の着火可能空燃比幅を、それぞれ表している。噴射パルス信号Ｐｆは、そのパルスの立ち上りにより燃料噴射弁８のノズルが開いて燃料噴射が開始され、立ち下がりによりノズルが閉じて燃料噴射が終了し、この間のパルス幅に応じた量の燃料が燃焼室内へと噴射される。前記噴射パルスＰｆの出力時期すなわち燃料噴射時期は、この場合圧縮行程後半またはそれ以降であり、点火時期は前記燃料噴射直後の圧縮上死点付近またはそれ以降のタイミングとしてある。このような燃料噴射および点火のタイミングにより燃焼を開始させると、燃焼期間が遅い時期に発生するリタード燃焼となるので、燃焼エネルギの多くを排気に供給してその温度を上昇させ、触媒の温度を速やかに上昇させることができる。
【００１６】
次に、前記制御下での混合気形成および燃焼作用の詳細について説明する。前述したように、圧縮行程後半のタイミングで燃料噴射弁８から噴射供給された燃料は、キャビティ３１の略中央部に衝突したのち周囲の側壁部３１ａに沿って上方へと向かい、その間に周囲の空気と混合しながら、円形のキャビティ領域内にて略環状の混合気塊Ｍを形成する。この混合気塊Ｍはそれ自体の上昇とピストン２４の移動に伴い、一部が点火栓９の放電電極部９ａに向かってゆく。一方、ピストン２４が上死点付近に達すると、スキッシュエリアＡｓの領域にあるガスが圧縮されて放電電極部９ａに向かってスキッシュＳとして噴出する。このスキッシュＳの流れにより、放電電極部９ａへと向かっていた混合気塊Ｍがスキッシュ下流方向へと押し流される。特に、この実施形態では、放電電極部９ａをキャビティ３１ないし混合気塊Ｍの縁部に位置させてあることから、前記スキッシュＳの作用により、放電電極部９ａの付近の混合気濃度が過剰にリッチになる不都合を確実に避けられる。これにより、図４に示したように、点火時期付近にて放電電極部９ａの周囲の混合気濃度を適度な着火可能混合気濃度とすることができるのであり、したがってこのタイミングで点火栓９により着火燃焼を開始させることにより、良好な着火性を発揮させ、点火栓９のくすぶりや消耗、スモークの発生を防止することができる。
【００１７】
加えて、この実施形態では、キャビティ３１を円形形状とし、かつその中心と燃料噴霧中心とを一致させてあるので、噴射供給した燃料は燃焼室内に円筒状ないし環状に等方性をもって拡散する。このため、混合気に過度に濃厚または希薄な領域を生じることがなく、混合気濃度の偏りに原因する燃焼不良またはスモークの発生をより確実に抑制することができる。
【００１８】
図４−１および図４−２に本発明の第２の実施形態を示す。これは、前記スキッシュＳと略同一方向への吸気流動を生起する手段を設けたものである。前記吸気流動としては、例えば図示したような縦方向の吸気流動すなわちタンブルＴであり、これは、図示しないがタンブルポートと称される方向性を有する吸入ポート形状または吸入ポートをバルブにより部分的に閉鎖することで実現される。
【００１９】
燃焼室２１の略中央部には、２個の吸気弁６または排気弁７と並列に燃料噴射弁８および点火栓９を配置し、それぞれを結ぶ線分に対して直交する方向に設けた２個のスキッシュエリアＡｓ１とＡｓ２とによりスキッシュを生起する。ただしこの場合、図４−２に示したように、前記タンブルＴを、点火栓の放電電極部９ａの付近を吸気側から排気側へと向かって流れるように形成することから、この方向と合わせてスキッシュの主流Ｓが生じるように、吸気弁側のスキッシュエリアＡｓ１を排気弁側のスキッシュエリアＡｓ２よりも大きくしてある。したがって、この実施形態によれば、燃焼室２１内に生起したスキッシュＳとタンブルＴとの相乗的作用により、キャビティ３１からの燃料リッチな混合気塊をより確実に放電電極部９ａから遠ざけることができる。なお、このような作用を促す吸気流動としては、前記のようなタンブルＴのみならず、スワールを適用することもできる。
【００２０】
図５に本発明の第３の実施形態を示す。これはキャビティ３１に関する他の実施形態である。この実施形態では、キャビティ側壁部３１ａの少なくとも一部を、キャビティ底部側を基点として内側方向に傾斜したリエントラント部３１ｂを有するものとして、かつ該リエントラント部３１ｂの略上方に前記点火栓の放電電極部９ａを位置させてある。この実施形態によれば、キャビティ３１に噴射供給された燃料による混合気塊Ｍの一部は、キャビティ３１から燃焼室上方へと向かって上昇してゆくときに、前記リエントラント部３１ｂにより点火栓の放電電極部９ａから離れる方向（図で左方）に付勢される。したがって、スキッシュＳの作用とあわせて、燃料リッチな混合気塊Ｍが放電電極部９ａに達する不都合をより確実に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明を適用した直接噴射式内燃機関の実施形態の全体構成図。
【図２−１】本発明の第１の実施形態に係る燃焼室の概略縦断面図。
【図２−２】本発明の第１の実施形態に係る燃焼室の概略底面図。
【図３】前記実施形態による燃料噴射時期、点火時期、混合気濃度の関係を示すタイミングチャート。
【図４−１】本発明の第２の実施形態に係る燃焼室の概略底面図。
【図４−２】図４−１のＡ矢示方向から見た燃焼室の概略縦断面図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃焼室の概略縦断面図。
【符号の説明】
【００２２】
１    直接噴射式内燃機関の本体
２    吸気通路
３    スロットルバルブ
４    排気通路
５    触媒コンバータ
６    吸気弁
７    排気弁
８    燃料噴射弁
９    点火栓
９ａ  点火栓の放電電極部
１０    コントロールユニット
２１    燃焼室
２４    ピストン
３１    キャビティ
Ａｓ、Ａｓ１、Ａｓ２    スキッシュエリア
Ｓ    スキッシュ
Ｔ    タンブル（吸気流動）
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５】
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