(57)【要約】      （修正有）【課題】点火性能を確保しつつ高圧縮比を確保でき、要求負荷や回転数に応じた運転モードの切替えにも対応できる内燃機関を提供する。【解決手段】吸気通路３０内に燃料噴射を行う第１の燃料噴射弁３２と、燃焼室２０の側部から中央斜下方に燃料噴射を行う第２の燃料噴射弁２２とを備え、ピストン１０の頂面１０ａには、周辺部１６に対して突出した中央部１５にキャビティが凹設されるとともに、周辺部の一部から第２の燃料噴射弁の噴射方向に沿って延びてキャビティに連続する溝状のスロープが凹設され、スロープはキャビティに向けて上り傾斜を有しており、第２の燃料噴射弁は、ピストンの位置に応じて、キャビティに向けた圧縮行程中期の燃料噴射と、スロープに向けた圧縮行程後期の燃料噴射を実施可能であり、前記スロープは、圧縮行程後期の燃料噴射を偏向させ点火プラグ２１に指向させる機能を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に往復摺動可能に収容されたピストンと、
前記シリンダ上に設けられ、前記ピストンの頂面との間に燃焼室を画成すべく凹設された天井面、前記天井面の一側で前記燃焼室に連通する吸気通路、および、前記天井面の他側で前記燃焼室に連通する排気通路を有するシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドの前記天井面の中央に配設された点火プラグと、
前記吸気通路内に燃料噴射を行う第１の燃料噴射弁と、
前記燃焼室の側部から中央斜下方に燃料噴射を行う第２の燃料噴射弁と、を備え、
前記ピストンの前記頂面には、周辺部に対して突出した中央部にキャビティが凹設されるとともに、前記周辺部の一部から、前記第２の燃料噴射弁の噴射方向に沿って延びて前記キャビティに連続する溝状のスロープが凹設され、前記スロープは前記キャビティに向けて上り傾斜を有しており、
前記第２の燃料噴射弁は、前記ピストンの位置に応じて、前記キャビティに向けた圧縮行程中期の燃料噴射と、前記スロープに向けた圧縮行程後期の燃料噴射を実施可能であり、
前記スロープは、前記圧縮行程後期の燃料噴射を偏向させ前記点火プラグに指向させる機能を有する、内燃機関。
【請求項２】
前記キャビティの底部は、前記周辺部よりも上位にある、請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記キャビティの底部は、前記スロープと逆方向の傾斜を有している、請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記スロープは、前記ピストンの直径の１／５ないし１／３の幅を有している、請求項１〜３の何れか一項記載の内燃機関。
【請求項５】
前記第１の燃料噴射弁および前記第２の燃料噴射弁のそれぞれの燃料噴射量と噴射時期を要求負荷とエンジン回転数に応じて制御する制御装置をさらに備え、前記制御装置は、
ａ）要求負荷が第１負荷閾値未満、かつ、エンジン回転数が第１回転数閾値未満の第１の運転領域（Ｒ１）で、前記第１の燃料噴射弁により吸気行程より前に前記吸気通路内に１００％の燃料を噴射し、前記点火プラグを使用せずに予混合圧縮着火燃焼を行う第１の運転モード、
ｂ）要求負荷が前記第１負荷閾値以上、第２負荷閾値未満（但し前記第２負荷閾値は前記第１負荷閾値より大きい）、かつ、エンジン回転数が前記第１回転数閾値以上、第２回転数閾値未満（但し前記第２回転数閾値は前記第１回転数閾値より大きい）の第２の運転領域（Ｒ２）で、前記第１の燃料噴射弁により前記吸気通路内に吸気行程より前に８０〜９０％の燃料を噴射し、さらに、前記第２の燃料噴射弁により圧縮行程中期に前記キャビティに向けて残余の燃料を噴射し、前記点火プラグを使用して点火アシスト予混合圧縮着火燃焼を行う第２の運転モード、
ｃ）要求負荷が前記第２負荷閾値以上、第３負荷閾値未満（但し前記第３負荷閾値は前記第２負荷閾値より大きい）、かつ、エンジン回転数が前記第２回転数閾値以上、第３回転数閾値未満（但し前記第３回転数閾値は前記第２回転数閾値より大きい）の第３の運転領域（Ｒ３）で、前記第１の燃料噴射弁により前記吸気通路内に吸気行程より前に７０〜８５％の燃料を噴射し、さらに、前記第２の燃料噴射弁により圧縮行程後期に前記スロープに向けて残余の燃料を噴射し、前記点火プラグを使用して点火アシスト予混合圧縮着火燃焼を行う第３の運転モード、および、
ｄ）要求負荷が前記第３負荷閾値以上、かつ、エンジン回転数が前記第３回転数閾値以上の第４の運転領域（Ｒ４）で、前記第１の燃料噴射弁により吸気行程より前に前記吸気通路内に１００％の燃料を噴射し、前記点火プラグを使用して予混合燃焼を行う第４の運転モード、を選択的に実行可能である、請求項１〜４の何れか一項記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御装置は、前記第１の運転領域（Ｒ１）で前記第１の運転モードの代わりに、前記第２の運転モードを実行するように構成されている、請求項５記載の内燃機関。
【請求項７】
前記制御装置は、前記第２および前記第３の運転モードにおいて、エンジン回転数が低くなるほど、前記第２の燃料噴射弁による燃料噴射量を減量するか、または、燃料噴射時期を早める制御を付加的に実行可能である、請求項５または６記載の内燃機関。
【請求項８】
前記制御装置は、前記第２および前記第３の運転モードにおいて、要求負荷が低くなるほど、前記第２の燃料噴射弁による燃料噴射量を減量するか、または、燃料噴射時期を早める制御を付加的に実行可能である、請求項５〜７の何れか一項記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、特に往復動型内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
往復動型内燃機関において、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタと、吸気ポートまたは吸気通路内に向けて燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタとを備える場合がある。例えば、特許文献１には、始動時に、筒内噴射用インジェクタを使用して圧縮行程中のピストン頂面のキャビティに向けて燃料を噴射し、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を行うことで、対ノッキング性能や着火性を確保することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５８０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年、燃焼効率の向上などを目的として、点火プラグを使用せずに自動着火させるＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）や、点火アシストＨＣＣＩなどの開発が進められている。点火アシストＨＣＣＩでは筒内燃料噴射も行うが、特許文献１に開示されているようなキャビティ形状では、ＨＣＣＩ燃焼可能な圧縮比を得ることが困難である。
【０００５】
本発明は、従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、点火性能を確保しつつ高圧縮比を確保でき、要求負荷や回転数に応じた運転モードの切替えにも対応できる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関は、
シリンダ内に往復摺動可能に収容されたピストンと、
前記シリンダ上に設けられ、前記ピストンの頂面との間に燃焼室を画成すべく凹設された天井面、前記天井面の一側で前記燃焼室に連通する吸気通路、および、前記天井面の他側で前記燃焼室に連通する排気通路を有するシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドの前記天井面の中央に配設された点火プラグと、
前記吸気通路内に燃料噴射を行う第１の燃料噴射弁と、
前記燃焼室の側部から中央斜下方に燃料噴射を行う第２の燃料噴射弁と、を備え、
前記ピストンの前記頂面には、周辺部に対して突出した中央部にキャビティが凹設されるとともに、前記周辺部の一部から、前記第２の燃料噴射弁の噴射方向に沿って延びて前記キャビティに連続する溝状のスロープが凹設され、前記スロープは前記キャビティに向けて上り傾斜を有しており、
前記第２の燃料噴射弁は、前記ピストンの位置に応じて、前記キャビティに向けた圧縮行程中期の燃料噴射と、前記スロープに向けた圧縮行程後期の燃料噴射を実施可能であり、
前記スロープは、前記圧縮行程後期の燃料噴射を偏向させ前記点火プラグに指向させる機能を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、上記構成により、キャビティに向けた圧縮行程中期の燃料噴射と、スロープに向けた圧縮行程後期の燃料噴射を選択的に実行することで、点火性能を確保しつつ、予混合圧縮着火や点火アシスト予混合圧縮着火に必要な高圧縮比を確保でき、要求負荷や回転数に応じて運転モードを切替え、燃焼効率を向上させるのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明実施形態に係る内燃機関を示す要部側断面図である。
【図２】本発明実施形態に係る内燃機関のピストンを示す要部拡大断面図である。
【図３】本発明実施形態に係る内燃機関のピストン頂面を示す斜視図である。
【図４】本発明実施形態に係る内燃機関における（ａ）圧縮行程中期のキャビティ使用燃料噴射、（ｂ）圧縮行程後期のスロープ使用燃料噴射を示す要部側断面図である。
【図５】本発明実施形態に係る内燃機関における要求負荷とエンジン回転数に応じた各運転モードの適用運転領域を示すマップである。
【図６】各運転モードの燃料噴射時期を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１において、本発明実施形態に係る内燃機関は、シリンダ１内に往復摺動可能に収容されたピストン１０を備えるピストン往復動式内燃機関であり、図示を省略するが、ピストン１０はコネクティングロッドを介してクラックシャフトに連結され、ピストン１０の往復直線運動がクランクシャフトの回転運動に変換される。
【００１０】
シリンダ１は、不図示のシリンダブロックに画成され、シリンダブロックの上部には不図示のガスケットを介してシリンダヘッド２が設けられている。シリンダヘッド２の下面には、ピストン１０の頂面１０ａとの間に燃焼室２０を画成する天井面２ａが凹設されている。天井面２ａは、特に限定されるものではないが、ペントルーフ形状をなしており、天井面２ａの中央には、燃焼室２０内に臨ませて点火プラグ２１が配設されている。
【００１１】
天井面２ａの一側には吸気ポート２３が設けられ、この吸気ポート２３にて燃焼室２０に連通する吸気通路３０がシリンダヘッド２に画成されている。天井面２ａの他側には排気ポート２４が設けられ、この排気ポート２４にて燃焼室２０に連通する排気通路４０がシリンダヘッド２に画成されている。
【００１２】
シリンダヘッド２には、吸気ポート２３を開閉するための吸気バルブ３１と、排気ポート２４を開閉するための排気バルブ４１が昇降可能に支持され、不図示の可変動弁機構により、それぞれの開閉時期を個別に制御可能である。
【００１３】
図示例では、紙面厚さ方向にそれぞれ２つの吸気バルブ３１（吸気ポート２３、吸気通路３０）と排気バルブ４１（排気ポート２４、排気通路４０）を有する４バルブ構成であり、それらの中間に点火プラグ２１が配置されているので、点火プラグ２１と各バルブ３１，４１は実際には紙面厚さ方向にずれている。なお、４バルブ以外の、３バルブまたは５バルブ以上であってもよい。
【００１４】
シリンダヘッド２には、吸気通路３０内に燃料噴射を行う吸気通路噴射用インジェクタ３２（第１の燃料噴射弁）と、燃焼室２０の側部から中央斜下方に燃料噴射を行うサイド噴射方式の筒内噴射用インジェクタ２２（第２の燃料噴射弁）が設けられている。
【００１５】
吸気通路噴射用インジェクタ３２としては、特に限定されるものではないが、燃料を微細化して噴霧するうえで有利な多孔インジェクタを好適に用いることができる。一方、燃料の一部を点火アシストのための筒内噴射用インジェクタ２２としては、指向性を有する単孔インジェクタを好適に用いることができる。
【００１６】
（ピストン頂面形状）
ピストン１０の頂面１０ａは、図２および図３に示すように、周辺部１６に対して突出した中央部１５が形成されている。中央部１５は、クランク軸方向（紙面厚さ方向）に延びる平坦面からなり、中央部１５の吸気側および排気側には、天井面２ａの吸気ポート２３、排気ポート２４の傾斜方向に対応する傾斜面１３，１４が形成されている。これら傾斜面１３，１４の下端に連続する周辺部１６，１６には平坦面が形成されている。
【００１７】
中央部１５の長手方向（クランク軸方向、紙面厚さ方向）の中央部には、図中左側となる吸気側に開放された略Ｕ字状のキャビティ１１が凹設されており、さらに、吸気側の周辺部１６からクランク軸方向と直交する筒内噴射用インジェクタ２２の噴射方向に沿って延びてキャビティ１１に連続する溝状のスロープ１２が凹設されている。
【００１８】
スロープ１２は、キャビティ１１に向けて傾斜面１３に沿った上り傾斜をなしている。一方、キャビティ１１は、スロープ１２とは逆に、図中右側となる奥側に向けて僅かに下り傾斜を有しており、キャビティ１１とスロープ１２の接続部（内底面の最高地点）には稜部１７が形成されている。
【００１９】
キャビティ１１の幅Ｗはスロープ１２との接続部が最も広く、図中右側となる奥側に向けて僅かに狭く、奥側は円弧状に終端している。一方、スロープ１２は一様な幅Ｗを有している。スロープ１２およびキャビティ１１の幅Ｗは、好ましくは、ピストン１０の直径の１／５ないし１／３（２０〜３３％）、さらに好ましくは、ピストン１０の直径の１／４．５〜１／３．５（２２〜２９％）である。
【００２０】
スロープ１２の幅Ｗが１／３より広い場合は、予混合圧縮着火に必要な圧縮比を確保するうえで不利である一方、幅Ｗが１／５より狭いと筒内噴射した燃料がスロープ１２の外部に散逸する虞がある。後述のように、筒内噴射用インジェクタ２２は、予混合圧縮着火の点火アシストにおける必要最小限の燃料噴射に使用するので、キャビティ１１およびスロープ１２の幅Ｗが比較的狭いことに加えて、スロープ１２はもちろん、キャビティ１１の最深部も周辺部１６より上位にある浅い平底に形成されている。
【００２１】
（ピストン頂面形状と補助的筒内噴射）
以上のように形成されたキャビティ１１およびスロープ１２は、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、筒内噴射用インジェクタ２２による圧縮行程中期の点火アシスト用筒内燃料噴射、圧縮行程後期の点火アシスト用筒内燃料噴射に選択的に使用される。
【００２２】
図４（ａ）は、圧縮行程中期の点火アシスト用筒内燃料噴射を示しており、筒内噴射用インジェクタ２２から噴射された燃料は、ピストン１０の頂面１０ａの中央部１５にあるキャビティ１１内で偏向され、ピストン１０の上昇とともに点火プラグ２１の近傍に指向される。
【００２３】
図４（ｂ）は、圧縮行程後期の点火アシスト用筒内燃料噴射を示しており、筒内噴射用インジェクタ２２から噴射された燃料は、ピストン１０の頂面１０ａの一側に形成されたスロープ１２で偏向されて点火プラグ２１の近傍に指向される。上述したようにスロープ１２が中央部１５に向けて上り傾斜を有しているため、筒内噴射用インジェクタ２２の近い位置でスロープ１２に入射された燃料は、スロープ１２の傾斜に沿って偏向され点火プラグ２１を指向するようになっている。
【００２４】
上記のような筒内噴射用インジェクタ２２による点火アシスト用筒内燃料噴射は、それに先立つ吸気行程以前に、吸気通路噴射用インジェクタ３２により吸気通路３０内に７０〜９０％の燃料が噴射され、吸気行程によって混合気としてシリンダ１内に導入され、さらに、圧縮行程によって圧縮された混合気の中に、残余の１０〜３０％の燃料を噴射することにより、点火プラグ２１の近傍に火花着火可能な当量比の混合気を指向し、点火プラグ２１のスパークをトリガとして、圧縮された混合気の自着火を誘発させるようにするものである。
【００２５】
（運転領域および燃焼モード）
次に、上記実施形態に基づき本発明に係る内燃機関の制御について、図５および図６を参照しながら説明する。
【００２６】
図５は、エンジン回転数Ｎとエンジン要求負荷Ｔに基づく運転状態に応じて設定されている４つの運転領域Ｒ１〜Ｒ４を示すマップであり、図６は、各運転領域Ｒ１〜Ｒ４における燃料噴射時期を示している。このようなマップは、内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）のＲＯＭに格納されており、制御装置（ＥＣＵ）は、これらの運転領域Ｒ１〜Ｒ４に対応して、２つのインジェクタ２２，３２の噴射時期と噴射量、点火プラグ２１の点火時期を制御し、以下に述べる４つの運転モード（燃焼モード）の切替え制御を行う。
【００２７】
ａ）第１運転モード：ＨＣＣＩ燃焼
先ず、要求負荷Ｔが負荷閾値Ｔ１未満、かつ、エンジン回転数Ｎが回転数閾値Ｎ１未満の低負荷運転領域Ｒ１にある場合は、空気過剰率λ＝１．６〜１．８とし、吸気通路噴射用インジェクタ３２により吸気行程より前に吸気通路３０内に１００％の燃料を噴射し、点火プラグ２１を使用せずにＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮着火燃焼）を行う。
【００２８】
ｂ）第２運転モード：ＳＡ−ＨＣＣＩ燃焼／キャビティ使用
次に、要求負荷Ｔが負荷閾値Ｔ１以上、Ｔ２未満（但しＴ２＞Ｔ１）、かつ、エンジン回転数Ｎが回転数閾値Ｎ１以上、Ｎ２未満（但しＮ２＞Ｎ１）の中負荷運転領域Ｒ２にある場合は、空気過剰率λ＝１．４〜１．６とし、吸気通路噴射用インジェクタ３２により吸気通路３０内に吸気行程より前に８０〜９０％の燃料を噴射し、さらに、筒内噴射用インジェクタ２２により圧縮行程中期に、図４（ａ）に示すように、キャビティ１１に向けて残余の燃料を噴射し、点火プラグ２１を補助的に使用してＳＡ−ＨＣＣＩ燃焼（点火アシスト予混合圧縮着火燃焼）を行う。
【００２９】
ｃ）第３運転モード：ＳＡ−ＨＣＣＩ燃焼／スロープ使用
次に、要求負荷Ｔが負荷閾値Ｔ２以上、Ｔ３未満（但しＴ３＞Ｔ２）、かつ、エンジン回転数Ｎが回転数閾値Ｎ２以上、Ｎ３未満（但しＮ３＞Ｎ２）の高負荷運転領域Ｒ３にある場合は、空気過剰率λ＝１．２〜２．５とし、吸気通路噴射用インジェクタ３２により吸気通路３０内に吸気行程より前に７０〜８５％の燃料を噴射し、さらに、筒内噴射用インジェクタ２２により圧縮行程後期に、図４（ｂ）に示すように、スロープに向けて残余の燃料を噴射し、点火プラグ２１を補助的に使用してＳＡ−ＨＣＣＩ燃焼（点火アシスト予混合圧縮着火燃焼）を行う。
【００３０】
なお、負荷閾値Ｔ３は一定値ではなく、低回転領域では回転数に応じて上昇するが、高回転領域では回転数の増加に伴い降下し、この運転領域Ｒ３の上限回転数閾値Ｎ３において最小値となるように設定され、高負荷かつ高回転領域では、以下に述べる第４運転モードのＳＩ燃焼に移行する。
【００３１】
ｄ）第４運転モード：ＳＩ燃焼
要求負荷Ｔが負荷閾値Ｔ３以上、かつ、エンジン回転数Ｎが回転数閾値Ｎ３以上の高負荷運転領域Ｒ４にある場合は、空気過剰率λ＝１．０〜１．２とし、吸気通路噴射用インジェクタ３２により吸気行程より前に吸気通路３０内に１００％の燃料を噴射し、点火プラグ２１を使用してＳＩ燃焼（予混合火花点火燃焼）を行う。
【００３２】
以上のような４つの運転モード（燃焼モード）を運転状況に応じて切替える制御を行うことで、低負荷運転領域Ｒ１では燃焼効率のよいＨＣＣＩ燃焼を行いながら、中負荷運転領域Ｒ２ないしは高負荷運転領域Ｒ３では、吸気通路内噴射と筒内噴射・点火アシストを併用したＳＡ−ＨＣＣＩ燃焼により、ＨＣＣＩ燃焼を安定的に行うことができる。
【００３３】
なお、上記中負荷運転領域Ｒ２〜高負荷運転領域Ｒ３（第２〜第３運転モード）では、
ｉ）エンジン回転数Ｎが低くなるほど、筒内噴射用インジェクタ２２による燃料噴射量を減量するか、または、燃料噴射時期を進角する制御を付加的に実行する、および／または、
ｉｉ）要求負荷Ｔが低くなるほど、筒内噴射用インジェクタ２２による燃料噴射量を減量するか、または、燃料噴射時期を進角する制御を付加的に実行することが好ましい。
【００３４】
上記のような制御を付加的に実行することにより、筒内噴射用インジェクタ２２による燃料噴射で点火プラグ２１の近傍に指向される燃料量を最適化でき、高流動場やリーン場での燃焼安定性を向上させることができる。
【００３５】
また、図６のグラフにおいて破線で示されるように、可変動弁機構により吸気バルブ３１および排気バルブ４１の開閉時期をシフトするか、もしくは、排気バルブ４１の閉弁時期を早め、吸気バルブ３１の開弁時期を遅らせることにより、吸気バルブ３１と排気バルブ４１の両方が同時に閉鎖する負オーバーラップ期間を設け、内部ＥＧＲを利用して筒内温度を上昇させ、冷間始動時などにおける低負荷運転領域Ｒ１での燃焼安定性を向上させることが好ましい。
【００３６】
また、上記低負荷運転領域Ｒ１において、ＨＣＣＩ燃焼を行う第１運転モードの代わりに、ＳＡ−ＨＣＣＩ燃焼を行う第２運転モードを実行するようにしてもよい。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。
【００３８】
例えば、上記実施形態では、燃焼室２０の吸気側に筒内噴射用インジェクタ２２が配設される場合を示したが、燃焼室２０の排気側に筒内噴射用インジェクタ２２が配設され、ピストン１０の同側にスロープ１２が形成されてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  シリンダ
２  シリンダヘッド
２ａ  天井面
１０  ピストン
１０ａ  頂面
１１  キャビティ
１２  スロープ
１３，１４  傾斜面
１５  中央部
１６  周辺部
１７  稜線
２０  燃焼室
２１  点火プラグ
２２  筒内噴射用インジェクタ（第２燃料噴射弁）
２３  吸気ポート
２４  排気ポート
３０  吸気通路
３１  吸気バルブ
３２  吸気通路噴射用インジェクタ（第１燃料噴射弁）
４０  排気通路
４１  排気バルブ
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３  エンジン回転数閾値
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３  エンジン要求負荷閾値
【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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