(57)【要約】【課題】  筒内噴射型の燃料噴射弁と、燃料跳ね上げ用のキャビティがその頂面に形成されたピストンとを備えた内燃機関において、ファーストアイドル時における燃焼安定性や排気浄化触媒の昇温性の向上を実現する。【解決手段】  シリンダヘッド２の燃焼室壁２ａには、両吸気ポート６ａ，６ｂの外縁に沿うかたちで、シュラウド４１，４２が形成されている。シュラウド４１，４２は、燃焼室壁２ａの中心Ｐを基準にして、吸気ポート６ａ，６ｂの開口部の外周に沿って反時計周り側に形成されている。そのため、低リフト時において、吸気ポート６ａ，６ｂから燃焼室５に流入した吸入空気は、シュラウド４１，４２に遮られることにより、時計回りのスワール流を生成し、燃料噴霧を点火プラグ１５の近傍に滞留させる。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドの下面に形成された燃焼室壁と、シリンダブロックに形成されたシリンダボアと、ピストンの頂部とによって画成された燃焼室と、
前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室壁の略中央に設置された点火プラグと、
前記燃焼室壁に形成された吸気ポートと、
前記吸気ポートを傘部によって開閉する吸気バルブと、
前記ピストンの頂部に形成され、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を跳ね上げるキャビティとを備え、
圧縮行程時に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させることによって弱成層燃焼を行う内燃機関であって、
前記燃焼室壁には、前記燃焼室内での吸気スワール流を促進すべく、前記吸気ポート開口部の外周に沿って所定の周長をもったシュラウドが設けられたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
運転状況に応じて、前記吸気バルブのリフト量を変化させる開弁特性可変手段を備えたことを特徴とする、請求項１に記載された内燃機関。
【請求項３】
シリンダヘッドの下面に形成された燃焼室壁と、シリンダブロックに形成されたシリンダボアと、ピストンの頂部とによって画成された燃焼室と、
前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室壁の略中央に設置された点火プラグと、
前記燃焼室壁に形成された複数の吸気ポートと、
前記吸気ポートに対応して設置され、当該吸気ポートを傘部によって開閉する複数の吸気バルブと、
前記ピストンの頂部に形成され、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を跳ね上げるキャビティとを備え、
圧縮行程時に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させることによって弱成層燃焼を行う内燃機関であって、
少なくとも低負荷運転時において、前記燃焼室内での吸気スワール流を促進すべく、前記複数の吸気バルブの少なくとも１つを休止させるバルブ休止手段が設けられたことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射型の燃料噴射弁と、燃料跳ね上げ用のキャビティがその頂面に形成されたピストンとを備えた内燃機関に係り、ファーストアイドル時における燃焼安定性や排気浄化触媒の昇温性向上等を実現する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内噴射型の燃料噴射弁を備えたガソリンエンジン（筒内噴射ガソリンエンジン）には、圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮行程噴射モードと吸気行程で燃料噴射を行う吸気行程噴射モードとを運転状況に応じて切換えるものが存在する（特許文献１参照）。このエンジンでは、圧縮行程噴射モードにおいて燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が上死点近傍で点火プラグに到達するようにピストンの頂面に半球状の窪み（キャビティ）を設ける一方、燃料の霧化を促進すべく冷機時（ファーストアイドル時）には吸気行程噴射モードで複数回に分けて燃料を噴射している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許３７５８００３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、特許文献１のエンジンでは、ファーストアイドル時に吸気行程噴射モードで燃料の噴射を行うことから、成層燃焼による燃費の向上を図ることが殆どできなかった。一方、ファーストアイドル時において、吸気行程噴射モードに加え、圧縮上死点近傍において圧縮行程噴射モードで燃料を噴射することが考えられるが、その方法を採用するにあたっては、燃焼安定性を向上させるべく、燃料噴射弁の噴射方向、噴射タイミング、キャビティの形状等を厳密に設定する必要があった。また、圧縮行程噴射モードで燃料を噴射した場合であっても、キャビティで跳ね上げられた燃料が燃焼室内で拡散することが避けられず、十分な燃焼安定性を確保するためには燃料噴射量を多くすると同時に点火時期も比較的早くする必要があり、ＨＣや煤等の有害排出ガス成分が増大することや排気浄化触媒の昇温が遅くなること等の問題が指摘されていた。
【０００５】
本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、筒内噴射型の燃料噴射弁と、燃料跳ね上げ用のキャビティがその頂面に形成されたピストンとを備えた内燃機関において、ファーストアイドル時における燃焼安定性や排気浄化触媒の昇温性向上等を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の側面では、シリンダヘッドの下面に形成された燃焼室壁と、シリンダブロックに形成されたシリンダボアと、ピストンの頂部とによって画成された燃焼室と、前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室壁の略中央に設置された点火プラグと、前記燃焼室壁に形成された吸気ポートと、前記吸気ポートを傘部によって開閉する吸気バルブと、前記ピストンの頂部に形成され、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を跳ね上げるキャビティとを備え、圧縮行程時に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させることによって弱成層燃焼を行う内燃機関であって、前記燃焼室壁には、前記燃焼室内での吸気スワール流を促進すべく、前記吸気ポート開口部の外周に沿って所定の周長をもったシュラウドが設けられる。
【０００７】
また、第２の側面では、運転状況に応じて、前記吸気バルブのリフト量を変化させる開弁特性可変手段を備える。
【０００８】
また、第３の側面では、シリンダヘッドの下面に形成された燃焼室壁と、シリンダブロックに形成されたシリンダボアと、ピストンの頂部とによって画成された燃焼室と、前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室壁の略中央に設置された点火プラグと、前記燃焼室壁に形成された複数の吸気ポートと、前記吸気ポートに対応して設置され、当該吸気ポートを傘部によって開閉する複数の吸気バルブと、前記ピストンの頂部に形成され、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を跳ね上げるキャビティとを備え、圧縮行程時に前記燃料噴射弁から燃料を噴射させることによって弱成層燃焼を行う内燃機関であって、少なくとも低負荷運転時において、前記燃焼室内での吸気スワール流を促進すべく、前記複数の吸気バルブの少なくとも１つを休止させるバルブ休止手段が設けられる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の第１の側面によれば、シュラウドによって燃焼室内で強い吸気スワール流が生成されるため、燃料噴射弁から噴射されてキャビティで跳ね上げられた燃料は、吸気スワール流によって拡散が抑制されて点火プラグの近傍に比較的リッチな混合気として滞留する。そのため、ファーストアイドル時等において、少ない燃料噴射量で比較的遅い点火時期でも高い燃焼安定性を実現でき、有害排出ガス成分の減少や排気浄化触媒の昇温促進を図ることができる。また、燃料が跳ね上げられた後は吸気スワール流によって拡散が抑制されるため、燃料を点火プラグ付近に跳ね上げるための厳密な設定の必要はなく、燃料噴射弁の噴射方向、噴射タイミング、キャビティの形状に対する設計自由度も向上する。また、本発明の第２の側面によれば、吸気バルブのリフト量を少なくすることで、ファーストアイドル時等における吸気スワール流を更に強くすることができる。吸気スワール流はリフト量が低いほど大きくなるが、開弁特性可変手段により通常走行に影響を及ぼすことなくファーストアイドル時のみリフト量を低くすることができる。また、本発明の第３の側面によれば、吸気バルブの１つを休止させることによって燃焼室内で強い吸気スワール流が生成されるため、燃料噴射弁から噴射されてキャビティで跳ね上げられた燃料は、吸気スワール流によって拡散が抑制されて点火プラグの近傍に比較的リッチな混合気として滞留する。そのため、ファーストアイドル時等において、少ない燃料噴射量で比較的遅い点火時期でも高い燃焼安定性を実現でき、有害排出ガス成分の減少や排気浄化触媒の昇温促進を図ることができる。また、燃料が跳ね上げられた後は吸気スワール流によって拡散が抑制されるため、燃料を点火プラグ付近に跳ね上げるための厳密な設定の必要はなく、燃料噴射弁の噴射方向、噴射タイミング、キャビティの形状に対する設計自由度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係るエンジンの要部を示す縦断面図である。
【図２】実施形態に係る動弁機構を示す斜視図である。
【図３】実施形態に係る吸気側動弁機構の高リフト時の作動状態を示す図である。
【図４】実施形態に係る吸気側動弁機構の低リフト時の作動状態を示す図である。
【図５】実施形態に係る燃焼室の要部を示す下面図である。
【図６】実施形態に係る燃焼室の要部を示す下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明を適用したガソリンエンジンの一実施形態を詳細に説明する。
≪実施形態の構成≫
＜全体構成＞
図１に示すエンジン（内燃機関）Ｅは、自動車に搭載されるＤＯＨＣ４バルブ型の４サイクル直列４気筒ガソリンエンジンであり、シリンダボア１ａにピストン４が摺動自在に内嵌したシリンダブロック１と、シリンダボア１ａおよびピストン４の頂部とともにペントルーフ型の燃焼室５を画成する燃焼室壁２ａを有したシリンダヘッド２とを備えている。ピストン４は、コネクティングロッド３を介して図示しないクランクシャフトに連結されており、シリンダボア１ａ内でレシプロ運動することによってクランクシャフトに回転力を与える。
【００１２】
図２にも示すように、シリンダヘッド２は、燃焼室５に開口する吸気ポート６（６ａ，６ｂ）および排気ポート７を各気筒２つずつ備えるとともに、これら吸排気ポート６，７を開閉するそれぞれ一対の吸気バルブ１１（第１吸気バルブ１１ａ，第２吸気バルブ１１ｂ）と排気バルブ１２とを摺動自在に保持している。図１中に符号１０で示す部材は吸排気バルブ１１，１２をそれぞれ閉弁方向に付勢するバルブスプリングである。また、符号１５で示す部材は燃焼室壁２ａの略中央に配置された点火プラグであり、符号１６で示す部材は燃焼室５内に燃料を噴射する筒内噴射型の燃料噴射弁である。
【００１３】
シリンダヘッド２の上面にはカムホルダ１７が締結されており、このカムホルダ１７に吸気カムシャフト１８と排気カムシャフト１９とが回転自在に保持されている。両カムシャフト１８，１９は、図示しないクランクスプロケットやカムチェーン、カムスプロケットを介して、クランクシャフトの１／２の回転速度をもって回転駆動される。吸気カムシャフト１８と吸気バルブ１１との間には、吸気側動弁機構Ｔが介装されている。また、排気カムシャフト１９と排気バルブ１２との間には、排気ロッカアーム２３が介装されている。
【００１４】
＜吸気側動弁機構＞
吸気側動弁機構Ｔは、図示しないエンジンＥＣＵに駆動制御されることによって第１，第２吸気バルブ１１ａ，１１ｂのリフト量を連続的に可変制御するものであり、制御用付勢部材２９によって図３中で時計回りに付勢されたホルダ２５、ホルダ２５に揺動自在に支持された吸気ロッカアーム２１、吸気カムシャフト１８の吸気カム１８ａと吸気ロッカアーム２１との間に介装されたサブカム２２、電動モータ（図示せず）により駆動されるコントロールシャフト２６、吸気ロッカアーム２１に保持されるとともにコントロールシャフト２６の制御カム２６ａに転接するローラ２７、吸気ロッカアーム２１に保持されるとともにサブカム２２に転接するローラ３２、サブカム２２に保持されるとともに吸気カムシャフト１８の吸気カム１８ａに転接するローラ２４、ローラ２４を吸気カム１８ａに押圧する付勢部材３１等から構成されている。
【００１５】
エンジンＥが高速回転領域または高負荷領域で運転される場合、ホルダ２５は図３に示す最大リフト位置となる。このとき、制御カム２６ａは、その回転範囲においてカム山の高さが最大となる位置でローラ２７に当接する。そのため、吸気カム１８ａに駆動されてサブカム２２が時計方向に回転し、サブカム２２に押圧されて吸気ロッカアーム２１が時計方向に回転するが、吸気バルブ１１は、吸気カム１８ａがそのカム山の頂点でローラ２４に当接するとき、吸気側動弁機構Ｔにより変更され得るリフト量の可変範囲において、最大値となるリフト量（例えば、９ｍｍ）で開弁する。これにより、燃焼室５内では縦方向の旋回流（吸気タンブル流）が生成され、例えば吸気行程噴射モードで燃料噴射が行われて均質ストイキ燃焼による十分なエンジン出力が実現される。
【００１６】
そして、エンジンＥがより低速の回転領域またはより小さい負荷領域に移行するとき、図４に示すように、コントロールシャフト２６が電動モータ（図示せず）により駆動されて反時計方向に回転するにつれて、制御用付勢部材２９により付勢されているホルダ２５は、ローラ２７が制御カム２６ａのカム山の高さがより低い部分に当接することにより、ホルダ中心線Ｌｈを中心に時計方向に回転する。ホルダ２５のこの回転により、揺動中心線Ｌｒが時計方向に回転し、同時に、軸端部３０ａに当接する付勢部材３１によりローラ２７が図４中で揺動中心線Ｌｓを中心に反時計方向に回転し、吸気バルブ１１のリフト量が連続的に小さくなる。
【００１７】
＜バルブ休止機構＞
吸気ロッカアーム２１は、第１吸気バルブ１１ａを駆動する第１吸気ロッカアーム２１ａと、第２吸気バルブ１１ｂを駆動する第２吸気ロッカアーム２１ｂとに分割されており、図示しない油圧作動のロックピンによって両吸気ロッカアーム２１ａ，２１ｂが結合あるいは分離される。両吸気ロッカアーム２１ａ，２１ｂの結合時においては、両吸気バルブ１１ａ，１１ｂが同一のバルブリフトおよびバルブタイミングで作動する。また、両吸気ロッカアーム２１ａ，２１ｂの分離時においては、第１吸気バルブ１１ａのみが作動し、第２吸気バルブ１１ｂが休止状態となる。
【００１８】
＜燃焼室壁＞
図５に示すように、シリンダヘッド２の燃焼室壁２ａには、両吸気ポート６ａ，６ｂの外縁に沿うかたちで、シュラウド（図５中には、黒塗りで示す）４１，４２が形成されている。シュラウド４１，４２は、吸気ポート６ａ，６ｂの開口部の外周に沿って、燃焼室壁２ａの中心Ｐを基準にして反時計回り側に形成されている。そのため、低リフト時において、吸気ポート６ａ，６ｂから燃焼室５に流入した吸入空気は、シュラウド４１，４２に遮られることにより、図４中に矢印で示すように下面視で時計回りのスワール流を生成する。なお、本実施形態の場合、シュラウド４１，４２の周長は、吸気ポート６ａ，６ｂの外周長に対して略１／４に（すなわち、略９０°の角度範囲で）設定されているが、１８０°以内の任意の角度範囲に設定することができる。
【００１９】
＜ピストン頂面＞
図１，図２に示すように、ピストン４の頂面にはキャビティ５１が形成されており、圧縮行程後期に燃料噴射弁１６から燃料が噴射されると、その燃料がキャビティ５１によって燃焼室壁２ａの略中央に跳ね上げられるようになっている。
【００２０】
≪実施形態の作用≫
エンジンＥの冷間始動時およびファーストアイドル時において、図示しないエンジンＥＣＵは、吸気側動弁機構Ｔによって第１，第２吸気バルブ１１ａ，１１ｂを最小値となるリフト量（例えば、３ｍｍ）で駆動するとともに、燃料噴射弁１６からの燃料噴射を吸気行程噴射モードと圧縮行程噴射モードとの双方で実行する。本実施形態の場合、吸気行程噴射モードによる燃料噴射量と圧縮行程噴射モードによる燃料噴射量とは５：５〜９：１の割合に設定され、かつ、圧縮行程噴射モードでの噴射が圧縮行程後期（ＢＴＤＣ４５°〜ＢＴＤＣ３０°）で行われる。
【００２１】
吸気行程において、吸気ポート６から燃焼室５に流入した吸入空気は、第１，第２吸気バルブ１１ａ，１１ｂが低リフトであることにより、図５に示すように、シュラウド４１，４２に遮られることによって下面視で時計回りに強い吸気スワール流を生成する。そのため、圧縮行程後期に燃料噴射弁１６から噴射された燃料は、キャビティ５１で跳ね上げられた後に吸気スワール流の中心に淀み、拡散することなく燃焼室壁２ａの略中心に設置された点火プラグ１５の近傍に滞留する。これにより、総体としては混合比がリーンな状態で、かつ、点火時期を比較的遅くした場合においても、点火プラグ１５による燃料の着火が確実に行われ（すなわち、高い燃焼安定性が実現され）、ＨＣや煤等の有害排出ガス成分を有意に減少させることや、排気浄化触媒の昇温に要する時間を大幅に短縮させることが可能となる。
【００２２】
＜バルブ休止＞
一方、エンジンＥの冷間始動時およびファーストアイドル時において、エンジンＥＣＵは、吸気側動弁機構Ｔによって第１吸気バルブ１１ａを比較的低リフト（例えば、最大４ｍｍ）で駆動するとともに、両吸気ロッカアーム２１ａ，２１ｂを分離することで第２吸気バルブ１１ｂを休止させてもよい。この場合、図６に示すように、一方の吸気ポート６ａからのみ吸気流が流入するため、燃焼室５内により強い吸気スワール流が生成される。その結果、混合比をよりリーンな状態とし、かつ、点火時期をより遅くした場合においても、高い燃焼安定性が実現され、ＨＣや煤等の有害排出ガス成分を更に減少させることや、排気浄化触媒の昇温に要する時間を更に短縮させることが可能となる。
【００２３】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態は１気筒あたり各２つの吸排気バルブを有するＤＯＨＣ４バルブ型エンジンに本発明を適用したものであるが、本発明は、吸排気バルブを各１つしか備えない２バルブエンジンや、ＳＯＨＣエンジンにも適用可能である。また、吸気側動弁機構やバルブ休止機構の具体的構造も上記実施形態で示したものに限るものではないし、これらの機構の一方あるいは両方を設けないようにしてもよい。その他、エンジンの具体的構成や燃料噴射のタイミング等についても、設計や製造上の都合等によって適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００２４】
１      シリンダブロック
１ａ    シリンダボア
２      シリンダヘッド
２ａ    燃焼室壁
４      ピストン
５      燃焼室
６      吸気ポート
１１ａ  第１吸気バルブ
１１ｂ  第２吸気バルブ
１５    点火プラグ
１６    燃料噴射弁
５１    キャビティ
Ｅ      エンジン
Ｔ      吸気側動弁機構
【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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