(57)【要約】【課題】燃焼室内に、成層化した混合気を確実に形成する。【解決手段】ピストン３の冠面に、回転軸がシリンダ中心軸とほぼ同一であり側面と底面とを有する略回転体形状の外側キャビティ３ａを設け、前記外側キャビティ３ａの底面に、回転半径が前記外側キャビティ３ａよりも小径で、回転軸が前記外側キャビティ３ａとほぼ同一な略回転体形状の内側キャビティ３ｂを設け、シリンダ中心軸上またはその近傍に、前記ピストン３へ向けて中空円錐状に燃料を噴射する燃料噴射弁１１を設けた筒内直接噴射式内燃機関であって、所定の機関運転状態時には、前記外側キャビティ３ａの内部およびその上方に可燃混合気層を形成して成層燃焼を行い、前記燃料噴射弁１１の１回の噴射によって得られる燃料噴霧の全てが前記外側キャビティ底面１５に衝突するよう、燃料噴射に関する機関制御量を決定する制御手段を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの冠面に、回転軸がシリンダ中心軸とほぼ同一である略回転体形状であって、側面と底面とを有する外側キャビティを凹設し、
前記外側キャビティの底面に、回転軸が前記外側キャビティとほぼ同一で、回転半径が前記外側キャビティよりも小径な略回転体形状の内側キャビティを凹
設し、
シリンダ中心軸上またはその近傍に、前記ピストンへ向けて中空円錐状に燃料を噴射する燃料噴射弁を設け、
前記外側キャビティの内部およびその上方に可燃混合気層を形成して成層燃焼を行う運転条件で、
前記燃料噴射弁から噴射される要求燃料噴霧の全てが前記外側キャビティ底面に衝突するよう、燃料噴射に関する機関制御量を決定する制御手段を備える筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記制御手段は、前記内側キャビティの内部およびその上方に可燃混合気層を形成して成層燃焼を行う運転条件では、前記燃料噴射弁から噴射される要求燃料噴霧の全てが前記内側キャビティ底面に衝突するよう、燃料噴射に関する機関制御量を決定する請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記制御手段は、前記成層燃焼を実施する運転状態の中での高負荷運転領域においては、前記機関制御量として燃料噴射時期を制御する請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料噴霧の先端が前記ピストン冠面に衝突する位置が、機関速度にかかわらずに一定となるよう前記機関制御量を制御する請求項１〜３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記制御手段は、前記燃料噴霧の後端が前記ピストン冠面に衝突する位置が、機関速度にかかわらずに一定となるよう前記機関制御量を制御する請求項１〜３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記制御手段は、機関速度の上昇に伴って、燃料噴射時期を早期化する請求項４または５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
前記制御手段は、前記成層燃焼時には燃料噴霧が前記外側キャビティの底面に衝突し、衝突後にはすべての燃料噴霧が一定方向に進行するように、燃料噴射時期および燃料噴射圧力を制御する請求項１〜６のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
前記制御手段は、燃料噴霧を前記外側キャビティの底面に衝突させるにあたり、まず燃料噴射時期の制御を行い、燃料噴射時期だけでは衝突させることが困難な場合にのみ燃料噴射圧力の制御を実施する請求項７に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項９】
前記制御手段は、機関速度の上昇に応じて燃料噴射圧力を上昇させる請求項７に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１０】
前記制御手段は、機関の要求燃料噴射量の増加に応じて燃料噴射圧力を上昇させる請求項７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する筒内直接噴射式の内燃機関に関し、特に、筒内に混合気を確実に成層化した状態で形成するための燃料噴射制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火花点火燃焼に際し、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで大幅な希薄燃焼を行う、いわゆる筒内直接噴射式内燃機関は、特に低・中負荷において、大幅に燃料消費が低減できることが知られている。
【０００３】
筒内直接噴射式内燃機関においては、混合気を着実に点火・燃焼せしめるために、機関の回転・負荷に応じて、筒内に適切な大きさ、空燃比の混合気塊を、確実に成層化した状態で形成することが重要である。そこで、燃料噴射弁をピストンボウルの真上近傍に配置し、燃料噴霧をピストンボウル（キャビティ）周壁面に衝突させ、ピストンボウル中心部へ向かう噴霧循環流を形成することにより、筒内に適切な成層混合気を形成する手法が特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−８２０２８号公報
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機関の負荷の増減に対して、噴射された燃料量が変化し、例えば噴射時間が長くなると、ピストンボウルに衝突する燃料噴霧の位置がずれていき、循環流の安定的な形成が難しくなることがある。このため、特に高負荷時は混合気塊の空燃比の偏りが生じ、安定した成層燃焼が行えないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明では、常に安定した循環流の形成による成層燃焼特性の改善を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関は、ピストンの冠面に、回転軸がシリンダ中心軸とほぼ同一である略回転体形状であって、側面と底面とを有する外側キャビティを凹設し、前記外側キャビティの底面に、回転半径が前記外側キャビティよりも小径で、回転軸が前記外側キャビティとほぼ同一な略回転体形状の内側キャビティを凹設し、
シリンダ中心軸上またはその近傍に、前記ピストンへ向けて中空円錐状に燃料を噴射する燃料噴射弁を設け、前記外側キャビティの内部およびその上方に可燃混合気層を形成して成層燃焼を行う運転条件で、前記燃料噴射弁の１回の噴射によって得られる燃料噴霧の全てが前記外側キャビティ底面に衝突するよう、燃料噴射に関する機関制御量を決定する制御手段を備える。
【０００８】
【作用・効果】
本発明によれば、成層燃焼を実施している所定の運転状態において、燃料噴霧の全てをピストンに設けた外側キャビティの底面に衝突させるので、衝突後すべての燃料噴霧は一定方向に進行することになり、運動量が一方向に集中して噴霧速度が加速するので、外側キャビティ及びその上方に均一な成層混合気の形成が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
第１図は本発明の第１実施形態を適用する内燃機関（エンジン）の概略図である。４はシリンダヘッド１、シリンダブロック２、およびピストン３によって形成される燃焼室であり、上部で吸気ポート７および排気ポート８と連通している。
【００１１】
吸気ポート７および排気ポート８と燃焼室４との連通は、それぞれに介装された吸気バルブ６、排気バルブ５の作動により開閉される。
【００１２】
燃焼室４の上部略中央、僅かに吸気ポート７側にオフセットした部位には、燃焼室４内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１が設けられ、その近傍には燃焼室４内の混合気に点火する点火プラグ１２設けられる。
【００１３】
前記燃料噴射弁１１は燃料配管１０を介して燃料ポンプ９と接続されており、燃料ポンプ９によって加圧された燃料が燃料配管１０を介して供給され、開弁時に燃料を燃焼室４に略中空円錐状に噴射する。この中空円錐の中心軸はシリンダ中心軸Ｃとほぼ平行、詳細にはやや排気ポート８側に傾斜している。
【００１４】
上記燃料噴射弁１１の開閉動作、および点火プラグ１２による火花点火はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１３によって、クランク角センサ信号、水温センサ信号、アクセル開度信号等に基づいて制御される。
【００１５】
前記ピストン３の冠面には、シリンダ中心軸Ｃに対してほぼ回転体形状である凹部（外側キャビティ）３ａが設けられる。前記凹部（外側キャビティ）３ａの更に内側にも同様に凹部（内側キャビティ）３ｂが設けられる。
【００１６】
外側キャビティ３ａは側面１４および底面１５で構成されている。なお、底面１５はシリンダ中心側で高くなる略円錐面を形成し、この円錐の中心軸は、シリンダの中心軸Ｃとほぼ一致する。
【００１７】
内側キャビティ３ｂの底面１６は、シリンダの中心軸Ｃに対して略直角な平面である。
【００１８】
外側キャビティ３ａの側面１４、内側キャビティ３ｂの側面１７はそれぞれ略円筒面を形成し、前記各円筒の中心軸はシリンダの中心軸Ｃとほぼ一致している。
【００１９】
上記のように構成された本実施形態の内燃機関は、燃焼形態として、圧縮行程中（特に圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことで混合気を層状化し、空燃比がリーン状態での運転を実現し、燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行い、空燃比がストイキ（理論空燃比）状態での運転を実現する均質燃焼モードとが設けられており、高負荷運転時には均質燃焼運転、低負荷運転時には成層燃焼運転が選択される。また、成層燃焼運転領域内での高負荷側では外側キャビティ３ａの内部およびその上方に可燃混合気層を形成して成層燃焼を行い、成層燃焼運転領域内の低負荷側では内側キャビティ３ｂの内部およびその上方に可燃混合気層を形成して成層燃焼を行うようになっている。
【００２０】
成層燃焼運転時の燃料噴霧の動きを、図１に噴霧Ｆで表す。燃料噴射弁１１から噴射された燃料は、外側キャビティ３ａの底面１５に到達し、その後底面１５の傾斜に沿ってピストン３の半径方向外側に移動する。そして外側キャビティ３ａの側面１４に到達すると側面１４に沿って上方向に移動する。このようにして循環流が形成されることにより、燃料と空気の混合が促進され、むらの無い良好な可燃混合気層が得られる。
【００２１】
ただし、燃料噴霧のピストン３到達時期が早すぎる、つまり燃料噴霧到達時点でのピストン３の位置が低すぎる場合には、燃料噴霧の先端は外側キャビティ３ａの側面１４に衝突するようになり、衝突後の噴霧は半径方向内向きに移動する。
【００２２】
その後、ピストン３の上昇にともなって、燃料噴霧が外側キャビティ３ａの底面に衝突するようになるが、一旦半径方向内向きの流れが形成されているため、上記のような半径方向外向きの循環流の形成が阻害されることになる。
【００２３】
これとは反対に、燃料噴霧のピストン３到達時期が遅すぎる、つまり燃料噴霧到達時点でのピストン３の位置が高すぎる場合は、最初のうちは燃料噴霧が外側キャビティ３ａの底面に衝突しているが、途中から内側キャビティ３ｂの内部に入るようになり、十分な循環流を形成することができない。
【００２４】
したがって、ＥＣＵ１３は、成層燃焼運転時には、原則として燃料噴霧全体が外側キャビティ３ａの底面１５に衝突するように燃料噴射に関する機関制御量である燃料噴射時期および燃料圧力を決定する。
【００２５】
以下に、本実施形態の制御について説明する。
【００２６】
図２は、本実施形態において燃料噴射時期および燃料噴射圧力を決定するためにＥＣＵ１３がクランク角センサ信号、冷却水温信号、アクセル開度信号に基づいて実行する制御のフローチャートである。
【００２７】
ステップＳ１ではクランク角センサ、アクセル開度センサ等からの信号に基づいて機関の回転速度や負荷等を検出し、ステップＳ２に進む。
【００２８】
ステップＳ２では、機関の運転条件に基づいて、成層燃焼もしくは均質燃焼のいずれかの燃焼モードを決定する。燃焼モードの決定は、回転速度および負荷と燃焼状態との関係を実験等により予め求めて図３に示すようなマップを作成し、ＥＣＵ１３に格納しておき、参照することで行う。
【００２９】
成層燃焼を選択した場合はステップＳ３に進む。均質燃焼を選択した場合はステップＳ１４に進み、均質混合気を形成することを決定し、後述するステップＳ８に進む。
【００３０】
成層燃焼を選択したステップＳ３では、機関負荷が所定値以上であるか否かの判定を行う。この判定は、ステップＳ２と同様に図３のマップを参照することにより行う。期間負荷が所定値（点線Ｌ）以上であればステップＳ４に進み、外側キャビティ３ａ内で成層混合気を形成することが選択され、ステップＳ５に進む。
【００３１】
一方、機関負荷が所定値より小さければ、ステップＳ１３に進み、内側キャビティ３ｂ内で成層混合気を形成することを選択し、内側キャビティ３ｂ内で成層混合気を形成させるための燃料噴射時期を決定する。この燃料噴射時期の決定は、予め実験等により所定の燃料圧力のもとでの機関速度との関係を求めて図８に示すようなマップを作成し、これをＥＣＵ１３内に格納しておいたものを参照することにより行う。ステップＳ１３で燃料噴射時期を決定したら、ステップＳ８に進む。なお、ここで内側キャビティ３ｂ内に成層混合気を形成することにしたのは、機関の負荷が小さい場合には吸入空気量が少なく、これに伴って噴射する燃料量も少なくなるので、容量の大きな外側キャビティ３ａでの循環流を形成するのに十分な量の混合気が得られない。そこで、少ない混合気量に応じた循環流を形成するために、より小径な内側キャビティ３ｂを用いることにした。
【００３２】
ステップＳ１２で図７のマップに従い機関回転速度に基づいて燃料噴射時期を決定したら後述するステップＳ８に進む。
【００３３】
これに対し、ステップＳ５では所定の燃料噴射圧力で燃料噴霧が外側キャビティ３ａの底面１５に衝突可能か否かの判定を行う。この判定は、前述した図３のマップを参照することにより行い、図中太線Ｐに対して左側であれば可能、右側であれば不可能とする。所定の燃料噴射圧力で底面１５に衝突可能と判定された場合はステップＳ６に進む。
【００３４】
一方、底面１５に衝突不可能と判定された場合は、前述したステップＳ１１からステップＳ１２へと進み、燃料噴霧が底面１５に衝突するのに必要な最小燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定する。その後、ステップＳ８へと進む。
【００３５】
ステップＳ６では機関速度に対してピストン３冠面の燃料噴霧先端衝突位置を一定にするか、燃料噴霧後端衝突位置を一定にするかを前述した図３のマップを参照して決定する。燃料噴霧先端衝突位置を一定にする場合はステップＳ７に進む。
【００３６】
燃料噴霧後端衝突位置を一定にする場合は前述したステップＳ１０に進む。
【００３７】
ステップＳ１０では、燃料噴霧後端衝突位置（衝突終了位置）を一定にするための燃料噴射時期を求める。このとき、予め実験等により機関速度との関係を求めて図５に示すようなマップを作成し、これをＥＣＵ１３内に格納しておいたものを参照する。燃料噴射時期を求めたら、後述するステップＳ８に進む。
【００３８】
ステップＳ７では、燃料噴霧先端衝突位置（衝突開始位置）を一定とするための燃料噴射時期を燃料噴射時期を求める。このとき、予め実験等により機関速度との関係を求めて図４に示すようなマップを作成し、これをＥＣＵ１３内に格納しておいたものを参照する。燃料噴射時期を求めたら、ステップＳ８に進む。
【００３９】
ステップＳ８では、上記のように求められた燃料噴射圧力となるように燃料ポンプ９を制御し、ステップＳ９で上記のように求められた燃料噴射時期となるよう燃料噴射弁１１を制御する。
【００４０】
上記制御により、本実施形態では、成層混合気形成に適切な燃料噴射時期および燃料噴射圧力を機関速度や機関負荷に応じて設定することができる。
【００４１】
なお、制御中の判定に用いる図４、５、７、８のマップは変化率に違いはあるものの、いずれも機関速度が高くなるに従って燃料噴射時期が早まっている。
【００４２】
以上により、本実施形態では、成層燃焼を実施している運転状態において、燃料噴射時期、燃料噴射圧力を制御することによって、ピストン３の冠面に到達した燃料噴霧が一定方向に進行する。これによって燃料噴霧の運動量が一方向に集中し、燃流噴霧の速度が加速するので、均一な成層混合気が形成される。
【００４３】
成層燃焼を実施している運転状態の中で、比較的高負荷運転領域においては、燃料噴霧が外側キャビティ３ａの底面１５にのみ衝突するように燃料噴射時期を決定するので、燃料噴霧が外側キャビティ３ａからこぼれたり、内側キャビティ３ｂの側面１７に循環流の形成を阻害されたりすることなく、均一な成層混合気の形成が可能となる。
【００４４】
燃料噴霧の運動量が比較的小さく、混合気形成に比較的時間が必要な条件においては、機関速度の上昇に応じて燃料噴射時期を早期化することにより、機関速度に拘らずピストン冠面への燃料噴霧先端の衝突位置を一定とするので、機関速度に拘らず可能な限り進角した時期での燃料噴射が可能となり、燃料噴霧と空気とが十分に混合されて、良好な混合気の形成が可能となる。
【００４５】
燃料噴霧の運動量が比較的大きく、混合気形成が早く行われる条件においては、機関速度の上昇に応じて燃料噴射時期を早期化することにより、機関速度に拘らず、燃料噴霧後端のピストン３への衝突位置を一定とするので、機関速度に拘らず可能な限り遅角した時期での燃料噴射が可能となり、混合気の過拡散を抑制し、良好な混合気を形成することができる。
【００４６】
ピストン３の底面１５に燃料噴霧を衝突させる際に、まず燃料噴射時期を決定し、噴射時期だけでは衝突位置の制御が困難な場合に燃料噴射圧力を変化させるので、燃料噴射圧力を極力低く設定した条件で混合気形成が可能となり、燃料ポンプ９の仕事が低減され、燃費向上を図ることが可能である。
【００４７】
機関速度の上昇に伴って燃料噴射圧力を上昇させるので、燃料噴霧が機関速度の上昇に伴って増加する筒内流動に流されることなく、適切な混合気形成が可能となる。
【００４８】
要求燃料噴射量の増加に伴い燃料噴射圧力を上昇させるので、噴射時間が短縮され、燃料噴霧をピストン３の底面１５に衝突させることが容易になる。
【００４９】
なお、キャビティの形状は本実施形態の形状に限られるものではない。
【００５０】
図９はピストンキャビティの変形例である。この例では、燃料噴霧の流れを案内しやすくするために外側キャビティ３ａの底面１５と側面１４を滑らかに連続させている。この場合、噴霧中心線（中空円錐の中心軸ではない）と外側キャビティ壁面の接線とのなす角が直角となる位置より内側が底面１５であり、外側が側面１４である（図１０参照）。底面に衝突した噴霧は半径方向外向きに進行し、側面に沿って上昇する。なお、この変形例では外側キャビティ側面を円錐面としている。
【００５１】
また、外側キャビティ３ａの内部およびその上空に可燃混合気を形成して成層燃焼を行う運転条件のときに、燃料噴射を複数回に分割することも考えられる。
【００５２】
例えば、上述の噴霧循環流によって形成する混合気がドーナツ状になってしまう場合、循環流形成のための１回目の燃料噴射を行った後、時間をおいて２回目の噴射を行い、この噴霧を内側キャビティ３ｂへ入れるようにすると良い。この場合、外側キャビティ３ａの内部およびその上空に可燃混合気を形成して成層燃焼を行う際に実施される２回の燃料噴射のうち、１回目の燃料噴射についてだけ本発明に係る機関制御量の決定が適用される。
【００５３】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のシステムの概略図である。
【図２】第１実施形態の制御フローチャートである。
【図３】機関速度および機関負荷と燃焼領域の関係を表すマップである。
【図４】燃料噴霧先端のピストンへの衝突位置を一定とするための、機関速度と燃料噴射時期の関係を表すマップである。
【図５】燃料噴霧後端のピストンへの衝突位置を一定とするための、機関速度と燃料噴射時期の関係を表すマップである。
【図６】機関速度および機関負荷と燃料圧力との関係を表すマップである。
【図７】機関速度と機関負荷の関係を表す図である（外側キャビティ内で成層混合気形成する場合の燃料噴射時期決定用）。
【図８】機関速度と機関負荷の関係を表す図である（内側キャビティ内で成層混合気形成する場合の燃料噴射時期決定用）。
【図９】キャビティ形状の一例を現す図である。
【図１０】図９に示したキャビティの要部拡大図である。
【符号の説明】
１  シリンダヘッド
２  シリンダブロック
３  ピストン
３ａ  外側キャビティ
３ｂ  内側キャビティ
４  燃焼室
５  排気バルブ
６  吸気バルブ
７  吸気ポート
８  排気ポート
９  燃料ポンプ
１０  燃料配管
１１  燃料噴射弁
１２  点火プラグ
１３  コントロールユニット（ＥＣＵ）
１４  外側キャビティ側面
１５  外側キャビティ底面
１６  内側キャビティ底面
１７  内側キャビティ側面
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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