(57)【要約】【課題】内燃機関の回転数の変化に対応して、噴霧形態を適したものに変更可能とした筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】燃料を筒内４へ直接に噴射する筒内噴射式の火花点火内燃機関１であって、貫徹力が強く微粒化度の低い燃料噴霧を行う第１の燃料噴射弁２１と、貫徹力が弱く微粒化度の高い燃料噴霧を行う第２の燃料噴射弁２３とを備え、前記第１の燃料噴射弁と前記第２の燃料噴射弁とは、燃料噴霧が互いに近接かつ略並列となるように配設されている。そして、燃料噴射を制御する制御手段１０を備え、内燃機関が低回転の運転領域にあるとき第１の燃料噴射弁２１の燃料噴射を実行した後に、第２の燃料噴射弁２３の燃料噴射を実行して内燃機関の性能向上を図る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を筒内へ直接に噴射する筒内噴射式の火花点火内燃機関であって、
貫徹力が強く微粒化度の低い燃料噴霧を行う第１の燃料噴射弁と、貫徹力が弱く微粒化度の高い燃料噴霧を行う第２の燃料噴射弁とを備え、
前記第１の燃料噴射弁と前記第２の燃料噴射弁とは、燃料噴霧が互いに近接かつ略並列となるように配設されている、ことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁は、吸気バルブを開いたときに筒内に形成される渦気流に沿った方向に、燃料噴射の方向が設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項３】
前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記吸気バルブが開いているとき又は吸気行程の下死点近傍で、前記第１の燃料噴射弁の燃料噴射を実行する、ことを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項４】
前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、内燃機関が低回転の運転領域にあるとき、前記第１の燃料噴射弁の燃料噴射を実行した後に、前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を実行する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項５】
前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、内燃機関が高回転の運転領域にあるときには、前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射だけを実行する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項６】
前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、触媒昇温のため点火時期遅角をするときに、前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射だけを実行する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は筒内に燃料を直接噴射するタイプの火花点火内燃機関に関し、より詳細には内燃機関の運転状態に応じて燃料噴霧を適したものに変更可能な筒内噴射式の火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内へ燃料を直接に噴射し点火することで出力を得るようにしている筒内噴射型（直噴型）の火花点火内燃機関が広く知られている。そして、このタイプの内燃機関に関しては、筒内にタンブル流などの渦気流を形成して燃焼や排気エミッションの改善を図る技術が従来から種々提案されている。筒内に適度なタンブル流を形成させると、点火時期において混合気の均質性を向上させることができ、燃焼速度が向上するので良好な燃焼を実現できる。また、これにより排気エミッションの改善を図ることもできるので内燃機関の性能を向上させることができる。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１で開示する内燃機関のように、吸気通路内に吸気制御弁を配備し、これを開閉制御することにより吸気流を調整して筒内に形成するタンブル流を強化する技術などがある。従来において、このように吸気制御弁を配備する技術が多く検討されていた。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１８０２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１の内燃機関は吸気通路内にタンブル流を強化するための吸気制御弁を配備して開閉を制御することが必要となるので構成が複雑化してしまう。これについて、筒内に燃料を直接に噴射する直噴タイプの内燃機関の場合、燃料噴射弁からの噴射する燃料で筒内に気流を形成したり、筒内に形成されているタンブル流を強化することができる。このような手法を採用すればより簡易にタンブル流を形成し或いは強化できる。ここで、噴射する燃料で強いタンブル流を得るには、燃料噴射弁からの燃料噴射噴射の形態は貫徹力(Penetration：ペネトレイション)の強い燃料噴霧が望ましい、ことになる。
【０００６】
しかしながら、内燃機関は負荷によって回転数が変化するので、筒内に形成されている気流の状態も変化している。内燃機関が低回転運転領域のときに、貫徹力が強く粒径の大きい燃料噴霧を実行すると混合気の均質性が悪化して、内燃機関の性能を低下してしまう場合がある。上記では縦方向の渦気流であるタンブル流について説明しているが、筒内に横方向の渦気流であるスワール流の場合も同様である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、内燃機関の回転数の変化に対応して、噴霧形態を適したものに変更可能とした筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、燃料を筒内へ直接に噴射する筒内噴射式の火花点火内燃機関であって、貫徹力が強く微粒化度の低い燃料噴霧を行う第１の燃料噴射弁と、貫徹力が弱く微粒化度の高い燃料噴霧を行う第２の燃料噴射弁とを備え、前記第１の燃料噴射弁と前記第２の燃料噴射弁とは、燃料噴霧が互いに近接かつ略並列となるように配設されていることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関によって達成できる。
【０００９】
本発明によると、燃料噴霧の形態が異なる第１の燃料噴射弁と第２の燃料噴射弁とを備え、燃料噴霧が互いに近接かつ略並列となるように配設されているので、内燃機関の状態に応じて適した燃料噴射弁を選択して最適な燃料噴霧を形成できる。よって、内燃機関の回転数の変化に対応し、そのときに適した噴霧形態を形成して内燃機関の性能向上を図ることができる。
【００１０】
また、前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁は、吸気バルブを開いたときに筒内に形成される渦気流に沿った方向に、燃料噴射の方向が設定されているようにしてもよい。これにより、吸気バルブを開いたときに形成される渦気流を強化することで、内燃機関の性能向上を図ることができる。渦気流には、タンブル流とスワール流とを含めることができる。そして、前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記吸気バルブが開いているとき又は吸気行程の下死点近傍で、前記第１の燃料噴射弁の燃料噴射を実行するようにしてもよい。
【００１１】
また、前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、内燃機関が低回転の運転領域にあるとき、前記第１の燃料噴射弁の燃料噴射を実行した後に、前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を実行するようにしてもよい。この場合、内燃機関が低回転運転のときに最適な燃料噴霧を形成して、内燃機関の性能向上を図ることができる。
【００１２】
また、前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、内燃機関が高回転の運転領域にあるときには、前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射だけを実行するようにしてもよい。この場合、内燃機関が高回転運転のときに最適な燃料噴霧を形成して性能向上を図ることができる。
【００１３】
また、前記第１の燃料噴射弁及び前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、触媒昇温のため点火時期遅角をするときに、前記第２の燃料噴射弁の燃料噴射だけを実行するようにしてもよい。この場合、内燃機関の始動時などに排気浄化触媒装置の暖機も迅速に行えるより優れた内燃機関として提供できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、内燃機関の回転数の変化に対応して、噴霧形態を適したものに変更可能とした筒内噴射式火花点火内燃機関を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、実施例に係る筒内噴射式の火花点火内燃機関（以下、単にエンジンと称する）の構成を示している図である。エンジン１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１０によって全体的が制御されている。そして、このＥＣＵ１０は、エンジン１の回転数を確認して好ましい燃料噴霧に変更する制御手段としても機能する。このＥＣＵ１０については後に詳述する。
【００１７】
エンジン１は、一般的な内燃機関と同様にシリンダ２内にピストン３が上下動するように配備されている。ピストン３の上面とシリンダ２の内壁によって囲まれた空間が筒内（燃焼室）４となる。この筒内４へ吸気ＡＲを流入させる吸気通路５及び筒内４で発生した排気ガスＥＧを排出する排気通路６が配備されている。排気通路６の途中には排気ガスＥＧを浄化する排気浄化触媒装置３０が配備してある。
【００１８】
吸気通路５には筒内４へ流入する吸気ＡＲを調整する吸気バルブ７が配備されている。吸気バルブ７の上部には、この吸気バルブ７のリフト量を設定するカムシャフト８が配備されている。そして、カムシャフト８の回転を検出するカム角センサ９が設けられている。カム角センサ９の出力は、ＥＣＵ１０へ供給されている。同様に、排気通路６には筒内４で発生した排気ガスＥＧの排出タイミングを調整する排気バルブ１２が配備されている。この排気バルブ１２についても、吸気バルブ７と同様の構造が設けてある。すなわち、排気バルブ１２のリフト量を設定するカムシャフト１３が配備されている。そして、カムシャフト１３の回転を検出するカム角センサ１４が設けられている。カム角センサ１４の出力もＥＣＵ１０へ供給されている。
【００１９】
更に、ピストン３の上下動に伴って回転するクランクシャフト１５の位置を検出するクランクセンサ１６が配備されている。このクランクセンサ１６の出力も、ＥＣＵ１０へ供給されている。よって、ＥＣＵ１０は、エンジン１が低回転、或いは高回転の運転領域にあるかを確認できる。
【００２０】
そして、このエンジン１には複数（図１では２個）の燃料噴射弁（インジェクタ）２１、２３がシリンダの側部に並列に配備してある。これらの燃料噴射弁２１、２３は、先端に形成した噴孔が筒内４に臨むようにして設置してある。下側に配置した第１の燃料噴射弁２１は、貫徹力が強く微粒化度の低い燃料噴霧を形成するように設計されている。これとは逆に、上側に配置した第２の燃料噴射弁２３は貫徹力が弱く微粒化度の高い燃料噴霧を形成するように設計されている。
【００２１】
上記第１の燃料噴射弁２１及び前記第２の燃料噴射弁２３は、それぞれの燃料噴射の方向ＳＰ１、ＳＰ２が筒内に形成されるタンブル流に沿った方向に設定されていると共に、形成する燃料噴霧が互いに近接かつ略並列に設定されている。ここで、燃料噴射の方向ＳＰ１、ＳＰ２は燃料噴射弁２１、２３の噴孔から噴射された燃料の噴霧中心の軸線方向である。
【００２２】
第１の燃料噴射弁２１から噴射される燃料は、貫徹力が強いので、自らの燃料噴射によって筒内４にタンブル流ＴＳを形成できる。ここで上記のように第１の燃料噴射弁２１の燃料噴射方向ＳＰ１が、吸気バルブ７を開いたときに形成されるタンブル流の方向に沿うように設定してあるので、これを強化することもできる。ただし、第１の燃料噴射弁２１から噴射される燃料は、微粒化度の低い燃料噴霧となる。この場合、噴霧された燃料の粒径が相対的に大きくなるので、蒸発速度が遅いというデメリットがある。よって、第１の燃料噴射弁２１は、エンジン１が高回転で運転されているときは不向きな燃料噴射弁となる。
【００２３】
一方、第２の燃料噴射弁２３から噴射される燃料は、貫徹力が弱く噴射された燃料噴射は粒径が小さい霧状となる。この第２の燃料噴射弁２３による燃料噴射では、筒内４に気流を形成できず、筒内に形成したタンブル流を強化することも困難である。よって、第２の燃料噴射弁２３は、エンジン１が低回転で運転されて気流が弱いときには不向きな燃料噴射弁となる。しかし、第２の燃料噴射弁２３から噴射される燃料は、微粒化度が高く、燃料の粒径が相対的に小さいので、蒸発速度が速いというメリットがある。エンジン１が高回転で運転されているときには、吸気流によって、筒内４に強いタンブル流が形成されるので第２の燃料噴射弁２３は高回転運転領域の使用に適した燃料噴射弁となる。
【００２４】
上記のように、エンジン１は異なる燃料噴霧を形成する燃料噴射弁２１、２３が配設されている。本実施例では、エンジン１の運転状態、より詳細にはエンジン１の回転数に応じて燃料噴射弁２１、２３を選択的に駆動させて、そのときに適した燃料噴霧を筒内に形成する。このための制御はＥＣＵ１０によって実行される。
【００２５】
上記で説明した各部はＥＣＵ１０によって制御されている。ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ（Central  Processing  Unit：中央演算処理装置）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、入出力回路などを有して構成されている。ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやこのプログラムで使用する一連のデータなどを格納している。本実施例ではエンジン１の制御用プログラムのほか、クランクセンサ１６の出力からエンジン１の運転領域を確認して、これに基づいて燃料噴射させる燃料噴射弁を選択的に駆動させるプログラムなどが格納してある。
【００２６】
図２は、上記ＥＣＵ１０が実行する燃料噴射制御の様子を示した図である。図２（Ａ）は第１の燃料噴射弁２１から燃料噴射を行って燃料噴霧ＦＥ−１を形成した場合、図２（Ｂ）は第２の燃料噴射弁２３から燃料噴射を行って燃料噴霧ＦＥ−２を形成した場合を示している。
【００２７】
ＥＣＵ１０は燃料噴射の制御を次のように実行する。ＥＣＵ１０はクランクセンサ１６の出力からエンジン１の回転数を確認する。そして、例えばＥＣＵ１０は、クランクセンサ１６の出力が予め定めて所定回転数（閾値）より大きな値であるときにエンジン１が高回転の運転領域にあると判断し、これとは逆にクランクセンサ１６の出力が予め定めて所定回転数より小さな値であるときにエンジン１が低回転の運転領域にあると判断する。
【００２８】
そして、ＥＣＵ１０は、エンジン１が低回転の運転領域にあると判断した場合、図２（Ａ）、（Ｂ）で示す順序での燃料噴射を実行する。エンジン１が低回転運転領域である場合には筒内４に形成される気流が弱いが、貫徹力が強い第１の燃料噴射弁２１から燃料噴射を行うことによりタンブル流ＴＳを形成する。
【００２９】
なお、本実施例では好ましい構造として、燃料噴射弁２１の燃料噴射の方向が、吸気バルブ７が開いて筒内４へ流入する吸気流ＡＳにより形成されているタンブル流ＴＳと沿った方向に設定してある。よって、吸気流ＡＳによりタンブル流ＴＳが形成されている場合、第１の燃料噴射弁２１の燃料噴射によりタンブル流ＴＳを強化できる。また、ＥＣＵ１０が吸気行程の下死点近傍で第１の燃料噴射弁２１からの燃料噴射を実行するように設定して、タンブル流ＴＳを確実に強化するようにしてもよい。
【００３０】
上記のように、ＥＣＵ１０は、エンジン１が低回転運転領域である場合には先ず第１の燃料噴射弁２１を駆動して筒内４にタンブル流ＴＳが形成する。その後に、ＥＣＵ１０は貫徹力が弱い第２の燃料噴射弁２３から燃料噴射を行う。第２の燃料噴射弁２３の燃料噴霧は霧状で貫徹力が弱いものであるが、既に形成されているタンブル流ＴＳに乗って流れる状態となるので筒内４での燃料の拡散がスムーズに実行される。そして、燃料噴霧粒径が小さいので素早く蒸発して均質な混合気を形成できる。よって、点火プラグ２５で着火すれば、混合気を効率良く燃焼させることができるのでエンジン１の性能を向上できる。
【００３１】
なお、図３は吸気バルブ７のリフト量を基準として燃料噴射弁を切換えるデータテーブルの一例である。ＥＣＵ１０は、図２で示す燃料噴霧を実行するときにこのデータテーブル使用する。このデータでは吸気バルブ７の最大リフト量の前後で、第１の燃料噴射弁２１と第２の燃料噴射弁２３とが切換えられる。ＥＣＵ１０はＲＯＭにこのデータを格納しており、適宜に読み出してそのときに適した燃料噴射弁を選択して燃料噴射を実行する。
【００３２】
以上で説明したように、本実施例のエンジン１は貫徹力が強く微粒化度の低い燃料噴霧を行う第１の燃料噴射弁２１と、貫徹力が弱く微粒化度の高い燃料噴霧を行う第２の燃料噴射弁２３とを備えている。よって、エンジン１の状態に応じて燃料噴射弁を選択的に採用することで、そのときに適した燃料噴霧を形成できる。さらには、第１の燃料噴射弁２１と第２の燃料噴射弁２３とが、燃料噴射の方向が筒内に形成されるタンブル流に沿った方向に設定されていると共に、形成する燃料噴霧が互いに近接かつ略並列に設定されている。よって、エンジン１が低回転運転領域のときには、第１の燃料噴射弁２１の燃料噴射で筒内にタンブル流を形成し、その後に第２の燃料噴射弁２３から燃料噴射すると筒内に均質な混合気を形成して点火することができる。このように第１の燃料噴射弁２１からの第１の噴霧を先行することで、点火までの時間を確保して混合気の均質化も向上する。よって、筒内にタンブル流を形成し難い低回転時に混合気の均質性を確保してエンジン１の性能向上を図ることができる。
【００３３】
ＥＣＵ１０による燃料噴射制御は、エンジン１が低回転の運転領域であるときに限らない。ＥＣＵ１０はエンジン１が高回転の運転領域のときは、異なる燃料噴射制御を実行する。図４は、エンジン１が高回転の運転領域のときに、ＥＣＵ１０が実行する燃料噴射について示した図である。
【００３４】
ＥＣＵ１０は、クランクセンサ１６の出力からエンジン１が高回転の運転領域であることを確認した場合、図４で示すように、第２の燃料噴射弁２３からのみ燃料噴射をして、貫徹力が弱く微粒化度の高い燃料噴霧を形成する。
【００３５】
エンジン１が高回転の運転領域にあるときは、吸気バルブ７を開いたときに流入する吸気流によって筒内４に継続してタンブル流ＴＳが形成される。よって、エンジン１が高回転の運転領域にあるときは、前述した低回転運転のように第１の燃料噴射弁２１で燃料噴射を実行して補助的な気流を形成する必要がない。よって、ＥＣＵ１０は第２の燃料噴射弁２３からのみ燃料噴射を実行する。エンジン１が高回転運転領域のとき、第２の燃料噴射弁２３だけから燃料を噴射すると、形成された燃料噴霧は微粒化度が高いので燃料が早期に蒸発して均質な混合気を形成できる。よって、エンジン１の向上を図ることができる。
【００３６】
図５は、エンジン１の点火時期を大幅に遅角したときに、ＥＣＵ１０が実行する燃料噴射制御の例を示した図である。点火時期を大幅遅角したときに、貫徹力が弱く微粒化度の大きい燃料噴霧を形成する第２の燃料噴射弁２３から燃料噴射すると、ピストン３による上昇流により微粒化度の高い燃料噴霧を点火プラグ２５の近傍に滞留させる状態を形成できる。よって、エンジンの始動時などに、この操作を実行して混合気に点火することで高温の排気ガスＥＧを流して下流の排気浄化触媒装置３０の暖機を図ることができる。このように実施例のエンジン１は、タンブル流の強化だけでなく、必要に応じて浄化触媒装置３０の暖機も行えるより改善したエンジンとして提供できる。
【００３７】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施例では２個の燃料噴射弁を上下方向に並列配置して筒内にタンブル流（縦の渦気流）を形成する場合を説明しているが、これに限らない。燃料噴射弁をシリンダ周方向に並列配置して筒内にスワール流（横の渦気流）を形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例に係る筒内噴射式のエンジンの構成を示している図である。
【図２】エンジンのＥＣＵが実行する燃料噴射制御の様子を示した図であり、（Ａ）は第１の燃料噴射弁から燃料噴射を行って燃料噴霧を形成した場合、（Ｂ）は第２の燃料噴射弁から燃料噴射を行って燃料噴霧を形成した場合を示している図である。
【図３】ＥＣＵが図２で示す燃料噴霧を実行するときに使用するデータテーブルの一例を示している図である。
【図４】エンジンが高回転の運転領域であることを確認した場合に、ＥＣＵが燃料噴射を行って燃料噴霧を形成した場合を示している図である。
【図５】エンジンの点火時期を大幅に遅角したときに、ＥＣＵが実行する燃料噴射制御の例を示している図である。
【符号の説明】
【００３９】
１                        エンジン（筒内噴射式の火花点火内燃機関）
４                        筒内
５                        吸気通路
７                        吸気バルブ
１０                      ＥＣＵ（制御手段）
１５                      クランクシャフト
１６                      クランクセンサ
２１                      第１の燃料噴射弁
２３                      第２の燃料噴射弁
３０                      排気浄化触媒装置
ＦＥ−１、ＦＥ−２        燃料噴霧
ＡＲ                      吸気
ＴＳ                      タンブル流（渦気流）
ＳＰ１、ＳＰ２            燃料噴射の方向
【図１】
2008255950.tif 000003
【図２】
2008255950.tif 000004
【図３】
2008255950.tif 000005
【図４】
2008255950.tif 000006
【図５】
2008255950.tif 000007