(57)【要約】【課題】筒内直接噴射式火花点火機関において、成層高負荷条件及び成層低負荷条件の双方で、混合気塊の中心で点火させることができるようにする。【解決手段】ピストンキャビティ４ａの底面付近で点火を行う点火プラグ１４ａと、燃焼室６の中央で点火を行う点火プラグ１４ｂとを設ける。そして、ピストンキャビティ４ａの底面付近に小さい混合気塊が形成される成層低負荷条件においては、点火プラグ１４ａにて点火を行わせ、ピストンキャビティ４ａの上方に大きな混合気塊が形成される成層高負荷条件においては、点火プラグ１４ｂにて点火を行わせる。【選択図】  図２
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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する燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式火花点火機関において、
点火プラグによる点火位置が前記燃焼室内の異なる高さに複数配設され、運転条件に応じて異なる点火位置で点火されることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項２】
前記筒内直接噴射式火花点火機関が、前記燃焼室内に混合気を成層化して燃焼を行う成層運転条件をもち、
前記成層運転時には、機関負荷が高いときほど上方の点火位置にて点火されることを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項３】
前記筒内直接噴射式火花点火機関が、前記燃焼室内に混合気を均質化して燃焼を行う均質運転条件をもち、
前記均質運転時には、前記複数の点火位置のうちの上方の点火位置にて点火され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火花点火機関。
【請求項４】
１本の点火プラグに複数のプラグギャップを備えて、前記燃焼室内の異なる高さに複数の点火位置を配設する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火花点火機関。
【請求項５】
前記１本の点火プラグが、１つの中心電極を共用する複数の側方電極、又は、１つの側方電極を共用する複数の中心電極を備えて構成されることを特徴とする請求項４記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項６】
前記１本の点火プラグに複数の備えられたプラグギャップが、前記燃焼室内の下方に位置するものほど広く形成されることを特徴とする請求項４又は５記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項７】
前記１本の点火プラグに複数の備えられたプラグギャップのうち、点火回路への接続させるプラグギャップをスイッチの切替えによって選択することを特徴とする請求項４又は５記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項８】
前記燃焼室の中央に燃料噴射弁が配置されると共に、ピストン冠面の中央にキャビティが形成され、
前記複数の点火位置のうち、前記燃焼室内の上方に位置するものが前記キャビティ径方向の中央に配置され、前記燃焼室内の下方に位置するものほど前記キャビティの周縁側に配置され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火花点火機関。
【請求項９】
ピストン冠面に形成されたキャビティによって、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を受け止めて成層混合気を生成する構成であって、
成層運転時の低負荷運転条件では、前記キャビティの底面に混合気塊が形成され、成層運転時の高負荷運転条件では、前記キャビティ内及び前記キャビティ上方に混合気塊が形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項１０】
前記成層運転時の高負荷運転条件において、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の流動によって、前記キャビティ内及び前記キャビティ上方に形成される混合気塊が旋回流をもつことを特徴とする請求項９記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【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する燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式火花点火機関に関し、詳しくは、運転条件に応じて燃焼室内の異なる位置で点火させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、筒内直接噴射式火花点火機関として、複数の点火プラグを備えた構成のものが、特許文献１に開示されている。
【０００３】
このものは、シリンダ上部の可燃混合気が流動する領域内に点火プラグを複数備え、機関の負荷・回転に応じていずれの点火プラグを動作させるかを決定している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１４７２４２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特許文献１には、シリンダ上部の可燃混合気が流動する領域内に点火プラグを複数備える構成の開示はあるものの、例えば、成層燃焼時における機関負荷の変動に伴う混合気塊の生成位置の変化に対しては、より具体的に点火プラグの燃焼室内における位置や点火プラグ間の相対位置を特定しないと、点火を最適位置で行わせることが困難で、燃費や排気エミッションを充分に改善することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、運転条件の変化に対応して最適な点火位置で点火を行わせることができる筒内直接噴射式火花点火機関を提供することを目的とする。
【０００７】
【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火花点火機関は、点火プラグによる点火位置が燃焼室内の異なる高さに複数配設され、運転条件に応じて異なる点火位置で点火される構成とした。
【０００８】
【発明の効果】
上記構成によると、運転条件によって最適な点火位置が燃焼室内の上下方向に変化する場合に、運転条件毎に最適な点火位置を選択することが可能で、燃費や排気エミッションを改善することができる。
【０００９】
尚、本願において燃焼室の上下方向とは、シリンダ軸方向であって、ピストン冠面から遠い側を燃焼室の上側、ピストン冠面に近い側を燃焼室の下側とする。
【００１０】
【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、第１実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関の構成図である。
【００１１】
この図１において、内燃機関１のシリンダブロック２に形成されるシリンダ３には、ピストン４が往復動可能に嵌挿される。
前記シリンダヘッド５は、ペントルーフ型の燃焼室６を構成し、該シリンダヘッド５には、吸気ポート７及び排気ポート８が形成される。
【００１２】
前記吸気ポート７には、吸気バルブ用カム９で開閉駆動される吸気バルブ１０が介装され、前記排気ポート８には、排気バルブ用カム１１で開閉駆動される排気バルブ１２が介装される。
【００１３】
前記吸気ポート７の下方には燃料噴射弁１３が設けられ、該燃料噴射弁１３は、前記燃焼室６内に直接燃料を噴射する。
前記ピストン４の冠面には、前記燃料噴射弁１３からの燃料噴霧を受け止め、燃料噴霧を燃焼室６の上方に向けて進行させるようにすることで、燃焼室６内に成層混合気を生成するキャビティ４ａが形成されている。
【００１４】
また、燃焼室６の径方向の中心部分に２本の点火プラグ１４ａ，１４ｂが設けられている。
前記点火プラグ１４ａの電極は長く延設され、先端のプラグギャップ（点火位置）が燃焼室６の下方に配置され、前記キャビティ４ａの底面付近で火花放電するように設定されている。
【００１５】
一方、前記点火プラグ１４ｂのプラグギャップは、前記点火プラグ１４ａのプラグギャップよりも上方に配置され、燃焼室６の径方向及び上下方向の中央で火花放電するように設定されている。
【００１６】
即ち、２本の点火プラグ１４ａ，１４ｂによる点火位置は、シリンダの径方向においては共に中心付近に配設されるが、燃焼室６の上下方向（シリンダ軸方向）において、相互に異なる高さに配設される。
【００１７】
マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１５には、機関負荷を検出する負荷センサ１６，機関回転速度を検出する回転センサ１７などからの検出信号が入力され、これらの検出信号に基づいて、前記燃料噴射弁１３による燃料噴射、及び、前記点火プラグ１４ａ，１４ｂによる点火を制御する。
【００１８】
尚、２本の点火プラグ１４ａ，１４ｂは、それぞれに点火コイル及びパワートランジスタを備え、独立に点火を制御できるようになっている。
ここで、前記機関１は、圧縮行程での燃料噴射によって燃焼室６内に混合気を成層化して燃焼を行う成層運転と、吸気行程での燃料噴射によって燃焼室６内に混合気を均質化して燃焼を行う均質運転とに切換えられる。
【００１９】
前記成層運転時の低負荷条件では、図２（Ａ）に示すように、前記キャビティ４ａの底面付近、即ち、燃焼室６の下方位置に、可燃空燃比の小さな混合気塊が形成される。
【００２０】
従って、成層運転時の低負荷条件では、前記点火プラグ１４ｂのプラグギャップ付近には可燃混合気が存在せず、点火プラグ１４ａのプラグギャップ（点火位置）の周囲にのみ可燃混合気が存在することになる。
【００２１】
そこで、前記コントロールユニット１５は、前記キャビティ４ａの底面付近にプラグギャップが配設される点火プラグ１４ａによって混合気に点火させるべく、点火プラグ１４ａ側の点火コイルにのみ通電させる。
【００２２】
一方、前記成層運転時の高負荷条件では、前記キャビティ４ａの略全体を用いて混合気塊が形成される結果、図２（Ｂ）に示すように、キャビティ４ａの上方に可燃空燃比の混合気塊が広がり、形成される混合気塊は、低負荷時よりも大きく、かつ、その中心が低負荷時よりも燃焼室６のより上方に変位する。
【００２３】
また、均質運転時には、燃焼室内に均一な混合気が形成される。
そこで、均質運転時、及び、成層運転時の高負荷条件において、前記コントロールユニット１５は、燃焼室６の径方向及び上下方向の中央にプラグギャップが配設される点火プラグ１４ｂによって混合気に点火させるべく、点火プラグ１４ｂ側の点火コイルにのみ通電させる。
【００２４】
上記のように、点火位置の高さが相互に異なる２本の点火プラグ１４ａ，１４ｂを設けることで、燃焼室６内に形成される混合気塊の大きさ及びその中心位置が変化しても、混合気塊のおおよそ中心で点火を行わせることができる。
【００２５】
これにより、失火のない安定した燃焼を実現でき、燃費が良く、然も、排気エミッションの少ない成層燃焼を行える。
尚、上記実施形態では、プラグギャップが燃焼室６の上下に配設される２本の点火プラグ１４ａ，１４ｂを備え、成層運転を高負荷と低負荷とに分けて、２本の点火プラグ１４ａ，１４ｂを使い分ける構成としたが、プラグギャップが燃焼室６の上下方向の異なる位置に配設される点火プラグを３本以上設けると共に、負荷条件を３段階以上に判別して、点火プラグを使い分けるようにしても良い。
【００２６】
更に、燃料噴射弁１３を燃焼室の中央に配置する構成などであっても同様の作用・効果を発揮するものであり、燃料噴射弁１３の配置やキャビティ４ａの形状を限定するものではない。
【００２７】
図３は、第２実施形態を示す。
この図３に示す第２実施形態は、図１に示した第１実施形態に対し、１本の点火プラグ１４ｃによって燃焼室６内の上下２箇所に点火位置を配設するようにしてある点が異なる。
【００２８】
従って、点火プラグ１４ｃ以外の要素には、同一符号を付して詳細は説明を省略する。
図３の第２実施形態において、点火プラグ１４ｃは、２つのプラグギャップ１４ｃ１，１４ｃ２を備えて構成され、一方のプラグギャップ１４ｃ１は、燃焼室６の下方に配置されて、前記キャビティ４ａの底面付近で点火を行うように設定され、他方のプラグギャップ１４ｃ２は、前記一方のプラグギャップ１４ｃ１よりも上方に配置されて、燃焼室６の径方向及び上下方向の中央で点火を行うように設定されている。
【００２９】
また、下方に位置するプラグギャップ１４ｃ１は、上方に位置するプラグギャップ１４ｃ２よりも、ギャップが大きく設定される。
尚、前記点火プラグ１４ｃの２つのプラグギャップ４ｃ１，１４ｃ２は、共通の点火コイルから２次電圧が供給される。
【００３０】
上記構成によると、均質運転時や、第１実施形態の図２（Ｂ）と同様に、前記キャビティ４ａの略全体を用いて混合気塊が形成される成層運転時の高負荷条件では、プラグギャップ１４ｃ１，１４ｃ２の双方に混合気が存在することになるが、ギャップの大きさが相対的に小さい上側のプラグギャップ１４ｃ２に火花が飛ぶため、混合気の中央に位置するプラグギャップ１４ｃ２にて点火が行われる。
【００３１】
また、前記キャビティ４ａの底面付近に小さな混合気塊が形成される成層運転時の低負荷条件では、プラグギャップ１４ｃ１の周囲に混合気塊が形成され、プラグギャップ１４ｃ２の付近には、混合気塊が形成されない。
【００３２】
このため、下側のプラグギャップ１４ｃ１の方が火花が飛び易くなり、結果的に、プラグギャップ１４ｃ１により点火が行われる。
従って、混合気塊の形成位置が変化しても、混合気塊のおおよそ中心に点火を行うことができ、これにより、失火のない安定した燃焼を実現でき、燃費が良く、然も、排気エミッションの少ない成層燃焼を行える。
【００３３】
更に、プラグギャップ１４ｃ１のギャップをプラグギャップ１４ｃ２に比して大きくしてあることで、双方に混合気が存在するときに（均質運転時、成層高負荷条件時に）、上側のプラグギャップ１４ｃ２で点火を行わせることができ、使用する点火プラグを１本としつつ、点火位置の選択を簡便に行わせることができる。
【００３４】
尚、上記のように、１本の点火プラグを用いる構成において、１本の点火プラグに３つ以上のプラグギャップを設け、下側のプラグギャップほど広くなるようにしても良い。
【００３５】
図４は、第３の実施形態を示すものであり、この図４に示す点火プラグ１４ｄは、図３に示した点火プラグ１４ｃに代えて用いられるものとする。
図４に示す点火プラグ１４ｄは、１つの中心電極（プラス側電極）１４１と２つの側方電極（マイナス側電極）１４２ａ，１４２ｂを備え、２つの側方電極１４２ａ，１４２ｂが１つの中心電極１４１を共用して、燃焼室６内の上下に位置することになる２つのプラグギャップ１４ｄ１，１４ｄ２を形成している。
【００３６】
前記プラグギャップ１４ｄ１は、前記キャビティ４ａの底面付近で点火されるように配設され、プラグギャップ１４ｄ２は、燃焼室６の径方向及び上下方向の中央で点火するように配設される。
【００３７】
前記２つの側方電極１４２ａ，１４２ｂは、前記コントロールユニット１５によって制御される切替スイッチ１４３を介していずれか一方のみがグランドに接続される。
【００３８】
前記コントロールユニット１５は、成層低負荷運転条件では、側方電極１４２ａをグランドに接続させるべく前記切替スイッチ１４３を制御し、燃焼室６の下方側に位置し、成層低負荷運転条件でキャビティ４ａの底面付近に形成される小さな混合気塊の中心に位置することになるプラグギャップ１４ｄ１で点火を行わせる。
【００３９】
また、成層高負荷運転条件、及び、均質運転条件では、側方電極１４２ｂをグランドに接続させるべく前記切替スイッチ１４３を制御し、燃焼室６の中央に位置するプラグギャップ１４ｄ２で点火を行わせる。
【００４０】
従って、混合気塊の形成位置が変化しても、混合気塊のおおよそ中心に点火を行うことができ、これにより、失火のない安定した燃焼を実現でき、燃費が良く、然も、排気エミッションの少ない成層燃焼を行える。
【００４１】
更に、各プラグギャップ１４ｄ１，１４ｄ２の側方電極１４２ａ，１４２ｂを選択的にグランドに接続させることで、使用する点火プラグを１本としつつ、点火位置の選択を確実に行わせることができる。
【００４２】
尚、上記実施形態では、１つの中心電極を共用する複数の側方電極によって、複数のプラグギャップを構成したが、１つの側方電極（マイナス側電極）を共用する複数の中心電極（プラス側電極）を設けて複数のプラグギャップを構成し、前記複数の中心電極（プラス側電極）を、切替えスイッチによって点火コイルの２次側に選択的に接続させる構成としても良い。
【００４３】
図５は、第４の実施形態を示すものである。
本実施形態では、燃料噴射弁１３を燃焼室６のおおよそ中心に配置してあり、該燃料噴射弁１３として、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ている。
【００４４】
また、ピストン４の冠面の中央には、シリンダ軸線と平行な軸線を中心とした円周形状キャビティ４ａが形成されている。
また、２本の点火プラグ１４ａ，１４ｂが設けられ、点火プラグ１４ａは、前記キャビティ４ａの底面付近で、かつ、前記キャビティ４ａの周縁付近で点火を行うよう構成され、点火プラグ１４ｂは、燃焼室６の径方向及び上下方向の中央で点火を行うように構成される。
【００４５】
ここで、第４の実施形態における成層低負荷運転条件と成層高負荷運転条件における混合気と点火位置の関係を、図６に示す。
成層低負荷運転条件においては、燃料噴射弁１３から噴射された燃料噴霧は、キャビティ４ａに衝突してキャビティ形状に沿って進行するが、燃料噴射量が少ないため、キャビティ４ａの底面に混合気塊を形成する。
【００４６】
ここで、前記点火プラグ１４ａは、燃焼室下方のキャビティの側壁付近で点火を行うように配設されるから、成層低負荷運転条件においては、点火プラグ１４ａによって点火を行わせるべく制御する（図６（Ａ）参照）。
【００４７】
一方、成層高負荷運転条件においては，燃料噴射弁１３から噴射された燃料噴霧は、キャビティ４ａに衝突した後、噴射量が多く噴霧の運動量が大きいためにキャビティ側壁を経て燃焼室６の上方へ進行し、噴射された噴霧流動により、混合気塊がうずのように旋回する流速を持つようになる。
【００４８】
これにより、キャビティ４ａ上空の点火プラグ１４ｂの周囲に積極的に混合気が形成されることになり、成層高負荷運転条件において、点火プラグ１４ｂによって点火を行わせるべく制御することで（図６（Ｂ）参照）、失火のない安定した燃焼を実現でき、燃費が良く、然も、排気エミッションの少ない成層燃焼を行える。
【００４９】
尚、図５に示すように、燃料噴射弁１３を燃焼室６の中央に配設する構成において、図３，４に示したように、１本の点火プラグに複数のプラグギャップを備える構成を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における機関のシステム構成図。
【図２】第１実施形態における成層低負荷条件，成層高負荷条件における混合気と点火位置との関係を示す図。
【図３】第２実施形態における機関のシステム構成図。
【図４】第３実施形態における点火プラグの構成を示す図。
【図５】第４実施形態における機関のシステム構成図。
【図６】第４実施形態における成層低負荷条件，成層高負荷条件における混合気と点火位置との関係を示す図。
【符号の説明】
１…内燃機関
４…ピストン
４ａ…キャビティ
６…燃焼室
１３…燃料噴射弁
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…点火プラグ
１５…コントロールユニット
【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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