(57)【要約】【課題】エンジン全高を高くすることなく吸気ポート内に逆タンブル流をシンプルな方法で効果的に形成するとともに、シリンダ内の成層燃焼と均質燃焼とをより安定させることができるようにした、直噴型火花点火式内燃機関を提供することを目的とする。【解決手段】シリンダ１内に直接燃料を噴射するインジェクタ３と、シリンダ１内の混合気に点火する点火プラグ１１と、吸気流通断面積制御部８ｂと吸気流通経路制御部８ａとが互いに一体に回転するように形成された吸気流動制御弁８とを備え、機関の低負荷時には、吸気流通断面積制御部８ｂが吸気流通経路の天壁側６ａを閉鎖するとともに吸気流通経路制御部８ａが吸気を底壁側６ｂに沿って整流し、機関の高負荷時には、吸気流通断面積制御部８ｂが吸気流通経路の天壁側６ａを開放するとともに吸気流通経路制御部８ａが吸気の抵抗とならないように、それぞれ、吸気流動制御弁８の角度が設定される。【選択図】        図１
2004150361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に直接燃料を噴射するインジェクタと、
該シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
吸気ポートの吸気流通断面積及び吸気流通経路を変化させる吸気流動制御弁とを備え、
該吸気流動制御弁には、該吸気ポートの該吸気流通断面積を制御する吸気流通断面積制御部と、該吸気流通経路を制御する吸気流通経路制御部とが互いに一体に回転するように形成され、
機関の低負荷時には、該吸気流通断面積制御部が該吸気流通経路の天壁側を閉鎖するとともに該吸気流通経路制御部が吸気を底壁側に沿って整流しうるように、機関の高負荷時には、該吸気流通断面積制御部が該吸気流通経路の天壁側を開放するとともに該吸気流通経路制御部が吸気の抵抗とならないように、それぞれ、該吸気流動制御弁の角度が設定されることを特徴とする、直噴型火花点火式内燃機関。
【請求項２】
該内燃機関のピストンが、逆タンブル流の生成を補助するピストンキャビティを備えることを特徴とする、請求項１記載の直噴型火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内に生成される吸気流を制御することで、吸気ポートを直立させることなしに成層燃焼を実現する直噴型火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダ内へ直接燃料を噴射する直噴型火花点火式内燃機関では、定速走行時や降坂路走行時等のエンジン負荷が低い時には燃費の良い「成層燃焼」を行い、加速走行時や登坂路走行時等のエンジン負荷が高い時には高出力が得られる「均質燃焼」を行うといったように、二つの燃焼方式を運転状態に応じて使い分けることにより、低燃費と高い動力性能とを両立させている。
【０００３】
「成層燃焼」では、シリンダ内に吸気のタンブル流（縦渦流）を生成してこのタンブル流の中に燃料を噴射することで、燃料と空気との混合気を、着火可能な空燃比の混合気の層と極めてリーンな空燃比の混合気（ほとんど空気）の層とに層状化し、着火可能な空燃比の混合気の層に点火プラグで着火することで、燃焼を実現させている。また「均質燃焼」では、シリンダ内のタンブル流を乱したりシリンダ内にさらに横渦（スワール流）の気流を発生させて気流を複雑にしたりすることで、噴射された燃料をシリンダ内全体に均質に散乱させて燃焼を行うようになっている。
【０００４】
したがって、「成層燃焼」を実現させるには、タンブル流を確実に生成することが必要になる。このために、図４に示すように、直噴型火花点火式内燃機関において、吸気ポート６をシリンダ軸心線に沿うように直立させた構造が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。つまり、吸気ポート６はシリンダ１上部におけるシリンダ中心から側方に偏在した位置に形成されており、吸気ポート６を直立させることにより、シリンダ１内に軸心線進入した吸気はシリンダ１内の一側を軸心線方向に降下してピストン１０上面に到達し、ピストン１０上面のピストンキャビティ９に案内されてシリンダ１内の他側を軸心線方向へ上昇していき、タンブル流を生成する。特に、シリンダ１に対して垂直方向に強い気流を発生させる必要性から、吸気ポート６はある程度の長さを持ってシリンダに対して直立するように構成されている。
【０００５】
しかしこのような構成では、シリンダ１の上部に、図示しないインテークマニホールドが配置されることになるため、エンジンの全高が高くなり、レイアウトや重心の設計に大きな影響を与えてしまう。
このような課題に対して、図５に示すように、直噴型火花点火式内燃機関において、吸気ポート６をシリンダ軸心線に対して斜めに配置した、従来の一般的な吸気ポートレイアウトに近づけて、燃料噴射弁３を吸気ポート６の下に配置し、吸気ポート６内に順タンブル制御弁８´を備える構成が開示されている（例えば、特許文献２。）。この技術によれば、吸気ポート６をシリンダ軸心線に対して斜めに配置することができるため、エンジンの全高が高くなるという課題やレイアウトや重心の設計に大きな影響を与えるという課題を解消しながら、シリンダ１内に順タンブル流を生成することができるようになっている。
【０００６】
また、上述の特許文献２の技術と同様の吸気ポートレイアウトを持ち、順タンブル制御弁８´の替わりに吸気制御弁と整流部材とを備える構成を開示した技術もある（例えば、特許文献３参照。）。この技術によれば、吸気制御弁が吸気ポートの底壁部を絞り込み、整流部材が吸気を吸入通路の天壁側に整えるため、より確実に吸気の順タンブル流を生成することができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−３１９８６５号公報（図１１）
【特許文献２】
特開平１１−２９４３０７号公報（第３頁第２段落第２３行〜第３４行、第４頁第１段落第１９行〜第２３行、図１）
【特許文献３】
特許第３２２２２２８号公報（第３頁第１段落第１８行〜第４１行、図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述の特許文献２及び特許文献３に開示された技術では、シリンダ内に生成される気流が順方向のタンブル流であるため、噴射された燃料がプラグまわりに集中的に運ばれる確率が流動的で燃焼が不安定になる恐れがあるという課題がある。
【０００９】
さらに、特許文献２の技術には、吸気ポート内に備えられた一枚の制御弁で整流だけを行っているため、順タンブル流を生成するための中心的な流れとなる吸気ポートの天壁側の流れとともに、この順タンブル流を阻害する吸気ポートの底壁側の流れも整流されてシリンダ内に流入することになり、天壁側の流れと底壁側の流れとの相互作用によって吸入気の気流に乱れを生じやすく、吸気の順タンブル流の生成が不確実であるという課題がある。また、特許文献３の技術には、吸気制御弁が複雑な形状をしているため生産コストが嵩み、また動作も複雑であるため制御が困難であるという課題もある。
【００１０】
本発明はこれらの課題に鑑み創案されたもので、エンジン全高を高くすることなく吸気ポート内に逆タンブル流をシンプルな方法で効果的に生成するとともに、シリンダ内の成層燃焼の安定領域を拡大し、また均質燃焼をもより安定させることができるようにした、直噴型火花点火式内燃機関を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の本発明の直噴型火花点火式内燃機関は、インジェクタがシリンダ内に直接燃料を噴射し、点火プラグがシリンダ内の混合気に点火をし、吸気流動制御弁が吸気ポートの吸気流通断面積と吸気流通経路とを変化させるものであり、吸気流動制御弁には、吸気ポートの吸気流通断面積を制御する吸気流通断面積制御部と、吸気流通経路を制御する吸気流通経路制御部とが互いに一体に回転するように形成され、機関の低負荷時には、吸気流通断面積制御部が吸気流通経路の天壁側を閉鎖するとともに吸気流通経路制御部が吸気を底壁側に沿って整流しうるように、機関の高負荷時には、吸気流通断面積制御部が吸気流通経路の天壁側を開放するとともに吸気流通経路制御部が吸気の抵抗とならないように、それぞれ、吸気流動制御弁の角度が設定されることを特徴としている。
【００１２】
好ましくは、内燃機関のピストンが、逆タンブル流の生成を補助するピストンキャビティを備える。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図１及び図２は本発明の一実施形態としての直噴型火花点火式内燃機関の気筒拡大図を示すものであり、図１は、本直噴型火花点火式内燃機関における低負荷時の吸気流動制御弁の制御と吸気の流動経路を示す図であり、図２は、本直噴型火花点火式内燃機関における高負荷時の吸気流動制御弁の制御と吸気の流動経路を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、本直噴型火花点火式内燃機関（エンジン）を構成するシリンダ１について、シリンダブロック２によって区画された燃焼室１２の内部には、燃焼室内側に逆タンブル流を生成するためのピストンキャビティ９を有するピストン１０、燃焼室１２内に直接燃料噴射を行う燃料噴射弁（インジェクタ）３、点火プラグ１１が備えられている。また、燃焼室１２に空気を取り入れるための吸気ポート６と燃焼室１２内で生成される排気ガスを排出するための排気ポート７とが、燃焼室１２の頂部に接続され、吸気ポート６は吸気弁４によって、また排気ポート７は排気弁５によって開閉されるようになっている。
【００１５】
吸気ポート６は、シリンダ１の軸心線に沿うように直立してはおらず、一般的なポート噴射エンジンと同様にシリンダ軸心線に対して所定の傾斜角を持って形成されている。このように、吸気ポート６を直立させないことで、吸気ポート６の外部側に取付けられる図示しないインテークマニホールド等をエンジンの直上部以外へ取付けることができ、エンジンの全高を低く抑えることができる。したがって、この吸気ポート６はエンジン配置や車体重心の設計上の自由度を大きくすることができるのである。
【００１６】
吸気ポート６の筒内には、吸気流通経路制御部８ａと吸気流通断面制御部８ｂと軸部８ｃとからなる吸気流動制御弁８が設けられている。
吸気流通経路制御部８ａは、吸気ポート６を通過する吸気流の吸気流通経路を分割し整流誘導するように、吸気ポート６の筒長方向に略平行に設けられた板状の弁で、また、吸気流通断面制御部８ｂは、吸気流通経路制御部８ａによって分割された吸気ポート６の片側（天壁側）の通路を閉鎖又は開放するように、吸気流通経路制御部８ａの上流側の一端に備えられた半円形板状の弁である。これらの吸気流通経路制御部８ａと吸気流通断面制御部８ｂとはいずれも軸部８ｃに連結固設されており、軸部８ｃを中心として一体に回転可能になっている。吸気流通経路制御部８ａと吸気流通断面制御部８ｂとが形成する角度は、吸気流通断面積制御部８ｂが吸気ポートの天壁６ａ側を閉鎖する時に吸気流通経路制御部８ａが吸気流を底壁６ｂ側に沿って整流しうる角度に、かつ、吸気流通断面積制御部８ｂが吸気ポートの天壁６ａ側を開放する時に吸気流通経路制御部８ａが吸気流の抵抗とならないような角度に設定され、互いに固設されて一体となって回転するようになっている。
【００１７】
また、キャビティ９は、ピストン１０の頂面に形成されており、特に圧縮行程において吸入された空気が燃焼室１２内でこのキャビティ９に案内されて、逆タンブル流を生成するように形成されている。
【００１８】
以上のような構成により、本実施形態の直噴型火花点火式内燃機関によれば、次のような作用及び効果が得られる。以下、本直噴型火花点火式内燃機関に吸気流動制御弁８の動きと燃焼室１２内に生じる空気流動の変化について、具体的に説明する。
まず、本直噴型火花点火式内燃機関の低負荷時には、燃費を優先して、燃費に優れた「成層燃焼」を行う。
すなわち、図１に示すように、吸気流動制御弁８の吸気流通断面制御部８ｂが吸気ポートの天壁６ａ側を閉鎖し、吸気流通経路制御部８ａが吸気を吸気ポートの底壁６ｂに沿って整流するような角度に配置される。吸気流通断面制御部８ｂが吸気ポートの天壁６ａ側を閉鎖するため、吸気流は吸気流通経路制御部８ａによって分割された吸気ポートの天壁６ａ側へは通らず、吸気ポートの底壁６ｂ側に偏って生成される。また、吸気流通経路制御部８ａがこの吸気流を整流するように配置されるため、吸気流は吸気ポートの底壁６ｂに沿って開口した吸気弁４との間から燃焼室１２内へ導入される。そして、燃焼室１２内へ導入された吸気流は、ピストン１０の表面に形成されたピストンキャビティ９の形状に沿って曲折し、点火プラグ１１付近まで巻き上がる強い縦渦（逆タンブル流）を生成する。
【００１９】
燃焼室１２内に備えられた燃料噴射弁３からの燃料は、圧縮行程において、この強い逆タンブル流内に噴射されるため、この強い逆タンブル流とともに点火プラグ１１付近へ直ちに確実に運ばれる。このため、着火可能な空燃比の混合気の層と極めてリーンな空燃比の混合気の層とによる層状化が適切に行われ、着火可能な空燃比の混合気の層に点火プラグで着火することで、成層燃焼が実現する。
【００２０】
一方、本直噴型火花点火式内燃機関の高負荷時には、出力を優先して、高出力が得られる「均質燃焼」を行う。
すなわち、図２に示すように、吸気流動制御弁８の吸気流通断面制御部８ｂが吸気ポートの天壁６ａ側を開放し、吸気流通経路制御部８ａが吸気流の抵抗にならないような角度に配置される。吸気流通断面制御部８ｂが吸気ポートの天壁６ａ側を開放するため、吸気流は、吸気流通経路制御部８ａによって分割された吸気ポートの天壁６ａ側へも底壁６ｂ側へも通り、吸気ポート６の全体に均質に導入される。また、吸気流通経路制御部８ａはこの吸気流の抵抗にならないように配置されるため、吸気流は吸気ポートの全体から略均質に燃焼室１２内へ導入される。燃焼室１２内へ導入された吸気流は、ピストン１０の表面に形成されたピストンキャビティ９の形状に沿って曲折するが、吸気流が互いに衝突し合い打ち消しあうため、シリンダ内の気流が乱れて複雑になり、縦渦（逆タンブル流）が強くは生成されず、燃焼室１２全体に均質に広がる。
【００２１】
燃焼室１２内に備えられた燃料噴射弁３からの燃料は、このように吸気流が導入される吸気行程において噴射されるため、吸気流とともに流動しながら着火までの間に予混合し、均質な混合気を生成する。そして、この全体に均質に広がる混合気の中に点火プラグ１１で着火することで、均質燃焼が実現する。
したがって、本実施形態の直噴型火花点火式内燃機関によれば、単一の吸気流動制御弁８を制御するだけで、機関の低負荷時には吸気流動制御弁８が吸気ポート天壁６ａ側を閉鎖するとともに吸気流を吸気ポート底壁６ｂ側に整流し、その吸気流が燃焼室１２内に導入されて良好な逆タンブル流を生成することができる。また、機関の高負荷時には吸気流動制御弁８が吸気ポート天壁６ａ側を開放しつつ吸気ポート底壁６ｂ側の吸気流の抵抗にならないように働くため、均質な吸気流が燃焼室内に導入されて、逆タンブル流を生成することなく均質な吸気流を生成することができる。特に、吸気流動制御弁８は、構成がシンプルであるためコストを低減させることができ、また制御も容易である。
【００２２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述の実施形態では、吸気流動制御弁８を構成する吸気流通経路制御部８ａと吸気流通断面制御部８ｂと軸部８ｃとを一体結合して構成しているが、これらをはじめから１つの部材として一体形成してもよい。このように構成した場合、製造時のコストダウンを図ることができるという効果を得るようになる。
【００２３】
また、上述の実施形態では、吸気流動制御弁８を構成する吸気流通経路制御部８ａは略平面状に形成されているが、図３に示すように、これを吸気ポート６の形状に合わせて曲面状に形成してもよい。このように構成した場合、機関の低負荷時には吸気流をより正確に吸気ポート底壁側に沿って整流し、機関の高負荷時には吸気流に対してより空気抵抗が小さくなるため、吸気流の誘導効果をより高くすることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明の直噴型火花点火式内燃機関によれば、機関の低負荷時には、吸気流動制御弁の吸気流通断面制御部が吸気ポート天壁側を閉鎖し、吸気流通経路制御部が吸気流を吸気ポート底壁に沿って整流するため、偏った吸気流が燃焼室内に導入され、良好な逆タンブル流を生成することができる。また、機関の高負荷時には、吸気流動制御弁の吸気流通断面制御部が吸気ポート天壁側を開放し、吸気流通経路制御部が吸気流の抵抗にならないように配置されるため、均質な吸気流が燃焼室内に導入され、逆タンブル流の生成することなく均質な吸気流を生成することができる。また、吸気流動制御弁は構成がシンプルであるためコストを低く抑えることができ、また制御も容易である。
【００２５】
また、請求項２記載の本発明の直噴型火花点火式内燃機関によれば、燃焼室内に導入された吸気流を適切に誘導し、機関の低負荷時には、キャビティに沿って偏った吸気流が誘導されるため、より確実に逆タンブル流を生成することができ、着火可能な空燃比の混合気の層と極めてリーンな空燃比の混合気の層とによる層状化を適切に行うことができる。また、機関の高負荷時には、キャビティに沿って均質な吸気流が誘導されて互いに打ち消しあうため、より確実に逆タンブル流の生成することなく均質な吸気流を生成することができ、均質な混合気を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる直噴型火花点火式内燃機関における低負荷時の吸気流動制御弁の制御と吸気の流動経路を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる直噴型火花点火式内燃機関における高負荷時の吸気流動制御弁の制御と吸気の流動経路を示す全体構成図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる直噴型火花点火式内燃機関の変形例を示す全体構成図である。
【図４】吸気ポートをシリンダ軸心線に沿って配置されるように構成した、従来の直噴型火花点火式内燃機関の全体構成図である。
【図５】吸気ポートをシリンダ軸心線に対して斜めに配置されるように構成した、従来の直噴型火花点火式内燃機関の全体構成図である。
【符号の説明】
１  シリンダ
２  シリンダブロック
３  燃料噴射弁（インジェクタ）
４  吸気弁
５  排気弁
６  吸気ポート
６ａ  吸気ポート天壁
６ｂ  吸気ポート底壁
７  排気ポート
８  吸気流動制御弁
８´  順タンブル制御弁
８ａ  吸気流通経路制御部
８ｂ  吸気流通断面制御部
８ｃ  軸部
９  ピストンキャビティ
１０  ピストン
１１  点火プラグ
１２  燃焼室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004150361.tif 000006
【図５】
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