(57)【要約】【課題】筒内直接噴射式内燃機関において、成層燃焼における負荷条件が変化しても、燃焼安定性及び燃費性能が良く、かつ、排気エミションの少ない燃焼を実現できるようにする。【解決手段】噴霧角が狭く、ピストン冠面に形成されるキャビティ４Ａに誘導されて点火プラグ１２まわりに成層混合気を生成する燃料噴射弁１１ａと、噴霧角が広く、噴霧が直接点火プラグ１２を指向することにより、点火プラグ１２まわりに成層混合気を生成する燃料噴射弁１１ｂとを設ける。そして、成層高負荷運転条件では、前記燃料噴射弁１１ａにより成層混合気を生成させ、成層低負荷運転条件では、前記燃料噴射弁１１ｂにより成層混合気を生成させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射して点火プラグまわりに成層混合気を生成し成層燃焼を行う成層運転条件を持つ筒内直接噴射式内燃機関において、
前記燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁として、噴霧角が相互に異なる２本の燃料噴射弁を設け、前記成層運転条件における機関負荷に応じて使用する燃料噴射弁を切り換え成層混合気を生成することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記噴霧角の狭い方の燃料噴射弁が、略棒状の噴霧を形成する複数の噴孔を備えることを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記噴霧角の広い方の燃料噴射弁が、針弁が燃焼室側へ変位して開弁する外開き弁であることを特徴とする請求項１又は２記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記噴霧角の狭い方の燃料噴射弁の噴霧外形線又はその延長線よりも、点火プラグ先端の点火位置が燃焼室の上方に位置するように設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記噴霧角の広い方の燃料噴射弁の噴霧外形線又はその延長線が、点火プラグ先端の点火位置を指向するように設定したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記２本の燃料噴射弁のうち、噴霧角が広い方の燃料噴射弁の噴霧が、直接点火プラグを指向するよう設定され、噴霧角が狭い方の燃料噴射弁の噴霧は、ピストン冠面に形成されるキャビティに誘導されて点火プラグまわりに成層混合気を生成するよう設定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
前記キャビティが、シリンダ軸線に平行な軸を中心とする略円形の開口と、該開口から下方に向けて徐々に広がる内周壁と、前記噴霧角が狭い方の燃料噴射弁の噴霧が斜めに衝突して噴霧を前記内周壁に向けて誘導する底面と、前記内周壁と底面とを滑らかに連続させる湾曲部と、から構成されることを特徴とする請求項６記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
圧縮行程後半において噴射された噴霧が前記キャビティ内に収まるように、前記噴霧角が狭い方の燃料噴射弁における噴霧角が設定されることを特徴とする請求項６又は７に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項９】
前記噴霧角が広い方の燃料噴射弁の軸線が、前記噴霧角が狭い方の燃料噴射弁の軸線よりも、シリンダ軸線に対する傾斜角が大きく設定されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１０】
前記成層運転条件の高負荷側では噴霧角の狭い方の燃料噴射弁を用い、前記成層運転条件の低負荷側では噴霧角の広い方の燃料噴射弁を用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１１】
前記成層運転条件の高負荷側では噴霧角の狭い方の燃料噴射弁を用い、前記成層運転条件の低負荷側では噴霧角の広い方の燃料噴射弁を用い、前記成層運転条件の中負荷域では、前記２本の燃料噴射弁の双方を用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１２】
前記成層運転条件の中負荷域において、機関負荷が高いほど噴霧角の狭い方の燃料噴射弁が噴射する燃料の割合を大きくし、相対的に噴霧角の広い方の燃料噴射弁が噴射する燃料の割合を小さくすることを特徴とする請求項１１記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１３】
前記噴霧角の狭い方の燃料噴射弁における噴射時期が、噴霧角の広い方の燃料噴射弁における噴射時期よりも、進角側に設定されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１４】
前記成層運転条件よりも高負荷側に、筒内の混合気を均質化して均質燃焼を行う均質運転条件を設け、前記均質運転条件において、前記噴霧角の広い方の燃料噴射弁を用いて燃料噴射を行うことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射して点火プラグまわりに成層混合気を生成し成層燃焼を行う成層運転条件を持つ筒内直接噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、筒内直接噴射式内燃機関としては、特許文献１に開示されるものがあった。
【０００３】
このものは、燃焼室の中央に、略中空円錐状に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えると共に、燃料噴霧が内周壁に鋭角に衝突するキャビティをピストン冠面に形成し、前記キャビティによる誘導でキャビティ上方に成層混合気を生成する構成である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−０８２０２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の筒内直接噴射式内燃機関では、成層混合気の大きさは概ねキャビティの形状によって決められることになるが、成層運転条件における負荷によって要求される成層混合気の大きさが異なる。
【０００６】
このため、ある負荷条件で燃焼安定性及び燃費性能が良く、かつ、排気エミションの少ない燃焼を実現させるべくキャビティ形状を決定すると、負荷の異なる成層燃焼において燃焼安定性や燃費性能を悪化させることになってしまう。
【０００７】
例えば、高負荷側にキャビティ形状を適合させると、低負荷での成層運転において、点火プラグまわりの成層混合気がリーンとなって、燃焼安定性が悪化して燃費が低下し、逆に、低負荷側にキャビティ形状を適合させると、点火プラグまわりの成層混合気がリッチとなり、スモークや未燃ＨＣが増加する。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、成層運転における負荷条件が変化しても、点火プラグまわりの成層混合気の空燃比を適正に制御でき、燃焼安定性及び燃費性能が良く、かつ、排気エミションの少ない燃焼を実現できる筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関では、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁として、噴霧角が相互に異なる２本の燃料噴射弁を設け、成層運転条件における機関負荷に応じて使用する燃料噴射弁を切り換え成層混合気を生成する構成とした。
【００１０】
【発明の効果】
上記構成によると、成層運転の機関負荷条件によって、噴霧角の比較的狭い燃料噴射弁と、噴霧角の比較的広い燃料噴射弁とを使い分けるので、機関負荷条件が異なっても、点火プラグまわりに生成される成層混合気の空燃比を適正に制御することが可能となり、負荷条件が変化しても、燃焼安定性及び燃費性能が良く、かつ、排気エミションの少ない燃焼を実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、実施形態における筒内直接噴射式内燃機関の構成図である。
【００１２】
この図１において、筒内直接噴射式内燃機関は、点火プラグまわりに成層混合気を生成し成層燃焼を行う成層運転条件を持つ機関であって、燃焼室１と、燃焼室１を形成するシリンダヘッド２と、シリンダブロック３と、ピストン４と、吸気ポート５と、排気ポート６と、吸気弁７と、排気弁８と、吸気弁用カム９と、排気弁用カム１０と、燃料噴射弁１１ａ，１１ｂと、点火プラグ１２とを備えて構成される。
【００１３】
前記燃料噴射弁１１ａ，１１ｂによる燃料噴射及び点火プラグ１２による点火は、マイクロコンピュータを含んで構成される機関コントロールユニット１３によって制御される。
【００１４】
前記燃料噴射弁１１ａ，１１ｂは、共に燃焼室１の中心付近に設置される。
前記燃料噴射弁１１ａは、成層運転条件のうち比較的高負荷運転条件において使用される噴霧角の狭い燃料噴射弁であって、略棒状の噴霧を形成する複数の噴孔を備え、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いホールノズル噴射弁を用いる。
【００１５】
また、燃料噴射弁１１ａの噴霧角は、点火プラグ１２の先端に位置する点火プラグギャップが、噴霧外形線の上方のシリンダヘッド２側に位置するように設定され、更に、圧縮行程後半に設定される噴射時期において、噴霧外形線が後述するピストンキャビティ４Ａからはみ出さないように噴霧角が設定される。
【００１６】
これにより、燃料噴射弁１１ａからの燃料噴霧が点火プラグ１２に直接かかることがなく、プラグかぶりを防止し、失火のない成層燃焼を実現できると共に、ピストンキャビティ４Ａからの燃料のこぼれを防止し、未燃ＨＣが少なく燃費の良い成層燃焼を実現できる。
【００１７】
一方、前記燃料噴射弁１１ｂは、成層運転条件のうち比較的低負荷運転条件において使用される噴霧角の広い燃料噴射弁であって、広い噴霧角で噴射するのが容易で、噴霧貫通力が弱く、周囲の空気を取り込み可燃混合気が生成しやすい利点を持つ、針弁が燃焼室側へ変位して開弁する外開き弁を用いる。
【００１８】
また、前記燃料噴射弁１１ｂの噴霧外形線がおおよそ点火プラグギャップを指向するよう噴霧角が設定される。
ここで、前記２本の燃料噴射弁１１ａ，１１ｂは、シリンダ軸線に対し，燃料噴射弁１１ｂを取り付ける角度が、燃料噴射弁１１ａを取り付ける角度と比較して大きく設定される。
【００１９】
即ち、燃料噴射弁１１ａは、シリンダの軸線に略沿って設置され、ピストン冠面に向けて下向きに燃料を噴射するのに対し、燃料噴射弁１１ｂは、燃料噴射弁１１ａの側方に、中心側に向けて斜めに設置される。
【００２０】
また、前記点火プラグ１２は、前記燃料噴射弁１１ａを挟んで、前記燃料噴射弁１１ｂに対向する位置に、中心側に向けて斜めに設置される。
前記ピストン４の冠面には、キャビティ４Ａが凹陥形成される。
【００２１】
前記キャビティ４Ａは、シリンダ軸線に平行な軸を中心とする略円形の開口を形成し、下方に向けて徐々に広がる内周壁４ａと、前記燃料噴射弁１１ａの噴霧が斜めに衝突して噴霧を前記内周壁４ａに向けて誘導する、なだらかな凸形状又は平面の底面４ｃと、前記内周壁４ａと底面４ｃとを滑らかに連続させる湾曲部４ｂと、から構成され、前記内周壁４ａは、燃料噴射弁１１ａの先端近傍の軸線上の点を指向するように設定される。
【００２２】
前記機関コントロールユニット１３は、機関負荷を検出する負荷センサ１４及び機関回転速度Ｎｅを検出する回転センサ１５からの信号を入力し、これらセンサの信号に基づいて検出される機関負荷・機関回転速度から、点火プラグまわりに成層混合気を生成し成層燃焼を行う成層運転条件と、均質混合気を生成して均質燃焼を行う均質運転条件とのいずれであるかを判別する（図２参照）。
【００２３】
更に、前記成層運転条件は、機関負荷に基づいて成層高負荷運転条件と成層低負荷運転条件とに区別される（図２参照）。
そして、前記均質運転条件では、噴霧角の比較的広い燃料噴射弁１１ｂを用いて吸気行程に燃料を噴射させることで、筒内に均質な混合気を生成し、均質燃焼を行わせる。
【００２４】
上記のように、均質運転条件において、均質混合気を生成しやすい噴霧角の広い燃料噴射弁１１ｂを用いることで、燃焼が安定し、かつ、排気エミションの少ない均質燃焼を実現できる。
【００２５】
一方、成層運転条件では、圧縮行程において燃料を噴射させることで、点火プラグまわりに成層混合気を生成し成層燃焼を行わせるが、成層高負荷運転条件では、噴霧角の比較的狭い燃料噴射弁１１ａを用いて燃料を噴射させ、成層低負荷運転条件では、噴霧角の比較的広い燃料噴射弁１１ｂを用いて燃料を噴射させる。
【００２６】
図３は、前記成層高負荷運転条件における噴霧及び混合気挙動を示す。
前記燃料噴射弁１１ａから噴射された燃料噴霧は、まず、キャビティ底面４ｃに衝突するが、噴霧進行方向と衝突点よりもシリンダ径方向外側の底面４ｃとがなす角度が鈍角になるよう設定されるから、底面４ｃに衝突した噴霧は、底面４ｃに沿ってシリンダ径方向外側に進む。
【００２７】
そして、湾曲部４ｂに到達した噴霧は、滑らかな湾曲部４ｂ及び連続する内周壁４ａに誘導されて内周壁４ａが指向する方向（燃料噴射弁１１ａに戻る方向）に進行方向を転じてキャビティ４Ａから飛び出すことになり、結果、燃料噴霧は縦方向の旋回流となる。
【００２８】
また、前記燃料噴射弁１１ａは、貫通力の強い棒状の噴霧を噴射するから、強い旋回流を生成でき、しかも、この旋回流は周囲の空気を巻き込むから、キャビティ４Ａ上方に生成される成層混合気は、濃度むらのない均質な混合気となる。
【００２９】
従って、たとえ大量の排気還流を行わせる場合であっても、安定した成層燃焼を実現でき、ＮＯｘの少ない、かつ、燃費性能に優れた成層燃焼を行わせることができる。
【００３０】
図４は、成層低負荷運転条件における噴霧及び混合気挙動を示す。
成層低負荷運転条件においては、ピストンキャビティ４Ａを用いず、燃料噴射弁１１ｂから噴射された噴霧が直接点火プラグ１２を指向することにより、点火プラグ１２まわりに成層混合気を生成する。
【００３１】
上記のようにして、燃料噴射弁１１ｂから点火プラグ１２付近に直接噴霧を輸送させる構成とし、かつ、広い噴霧角の噴霧を生成でき、噴霧貫通力が弱く、周囲の空気を取り込み可燃混合気が生成しやすい利点を持つ外開き弁を用いる構成とすれば、成層低負荷運転条件において、安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００３２】
尚、燃料噴射弁１１ｂから点火プラグ１２付近に直接噴霧を輸送させる成層低負荷運転条件においては、噴射時期と点火時期との間隔は、ピストンキャビティ４Ａを用いて点火プラグまわりに成層混合気を生成させる成層高負荷運転条件と比較すると短くて良い。
【００３３】
このため、燃料噴射弁１１ｂに設定される噴射時期は、燃料噴射弁１１ａに設定される噴射時期と比較して同等から遅角側に設定され、換言すれば、燃料噴射弁１１ａに設定される噴射時期は、燃料噴射弁１１ｂに設定される噴射時期と比較して同等から進角側に設定される。
【００３４】
これにより、成層高負荷運転条件及び成層低負荷運転条件の双方で最適な噴射時期で燃料を噴射させることができる。
図５は、第２の実施形態における機関負荷・機関回転速度と燃焼方式との相関を示す。
【００３５】
図５に示す燃焼方式マップは、成層運転条件が、成層高負荷運転条件，成層中負荷運転条件，成層低負荷運転条件の３つに区分される点が、図２に示される前記第１実施形態とは異なる。
【００３６】
第２実施形態の成層高負荷運転条件，成層低負荷運転条件では、前記第１実施形態と同様に、噴霧角の狭い燃料噴射弁１１ａ，噴霧角の広い燃料噴射弁１１ｂをそれぞれ単独で用いて成層混合気を生成させるが、前記成層中負荷運転条件においては、燃料噴射弁１１ａ，１１ｂの双方を用いて成層混合気を生成させる。
【００３７】
図６は、前記成層中負荷運転条件における噴霧および混合気挙動を示す。
前記第１の実施形態と同様に、燃料噴射弁１１ａに設定される噴射時期は、燃料噴射弁１１ｂに設定される噴射時期よりも進角側であるため、燃料噴射弁１１ａ，１１ｂの双方を用いて成層混合気を生成させる成層中負荷運転条件においては、まず、燃料噴射弁１１ａの噴射が先に開始される。
【００３８】
ここで、燃料噴射弁１１ａから噴射された噴霧は、成層高負荷運転条件と同様、噴霧流動により旋回流動を示す混合気を形成するが、成層高負荷運転条件と比較して燃料噴射量が少ないため、旋回流動が弱くなり、ピストンキャビティ４Ａの底面付近に混合気塊が形成されやすくなる。
【００３９】
前記燃料噴射弁１１ａの噴射に続き、燃料噴射弁１１ｂの噴射が行われると、燃料噴射弁１１ｂより噴射された噴霧は直接点火プラグ１２方向を指向するよう設定されるため、噴射量が微少であっても点火プラグ１２付近に成層混合気を生成する。
【００４０】
そして、燃料噴射弁１１ａより噴射されピストンキャビティ４Ａ底面付近に生成される混合気塊と、燃料噴射弁１１ｂより噴射され点火プラグ１２付近に生成される混合気塊との２つの混合気塊により、安定かつ排気エミッションの少ない成層燃焼が実現する。
【００４１】
図７は、機関負荷と燃料噴射量との関係、及び、成層中負荷運転条件における２本の燃料噴射弁１１ａ，１１ｂの噴射量分担を示す。
この図７に示すように、成層低負荷運転条件から成層中負荷運転条件に移行した直後の負荷においては、全燃料噴射量のうちの大部分を燃料噴射弁１１ｂより噴射する。
【００４２】
その後、機関負荷の上昇に伴って全燃料噴射量は増加するが、その中において、燃料噴射弁１１ｂの噴射量を減少させ、相対的に燃料噴射弁１１ａの燃料噴射量を増加させるようにしてあり、成層中負荷運転条件から成層高負荷運転条件に移行する直前においては、全燃料噴射量のうちの大部分を燃料噴射弁１１ａより噴射させる。
【００４３】
上記のようにして、成層中負荷運転条件での噴射量分担を変化させれば、成層中負荷運転条件において最適な混合気場を生成することができ、安定した成層燃焼を実現できると共に、機関負荷の上昇と共に成層高負荷運転条件における旋回流動を持つ成層混合気が形成しやすくなり、成層高負荷運転条件への移行が速やかに行われる。
【００４４】
尚、本実施形態は、２本の吸気弁７と、２本の排気弁８をもつ４弁式内燃機関を想定しているが、吸気弁が２本，排気弁が１本の３弁式内燃機関や、吸気弁１本，排気弁１本の２弁式内燃機関にも本発明を適用可能であり、弁数が少ないと、２本の燃料噴射弁及び１本の点火プラグをシリンダヘッドにレイアウトする自由度が高くなり、本発明で説明した成層燃焼の実現がより容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における筒内直接噴射式内燃機関の構成図。
【図２】第１の実施形態における運転条件と燃焼方式の相関を示す線図。
【図３】成層高負荷運転条件における噴霧及び混合気挙動を示す状態図。
【図４】成層低負荷運転条件における噴霧及び混合気挙動を示す状態図。
【図５】第２の実施形態における運転条件と燃焼方式の相関を示す線図。
【図６】成層中負荷運転条件における噴霧及び混合気挙動を示す状態図。
【図７】成層中負荷運転条件における２本の燃料噴射弁の噴射分担を示す線図。
【符号の説明】
１…燃焼室
２…シリンダヘッド
３…シリンダブロック
４…ピストン
４Ａ…キャビティ
５…吸気ポート
６…排気ポート
７…吸気弁
８…排気弁
９…吸気弁用カム
１０…排気弁用カム
１１…燃料噴射弁
１２…点火プラグ
１３…機関コントロールユニット
１４…負荷センサ
１５…回転センサ
【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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【図７】
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