(57)【要約】【課題】幅広い機関運転状態において成層燃焼を行う。【解決手段】燃料を点火栓周りまで案内するための燃料用凹溝をピストン頂面内に形成する。機関負荷Ｌが第２の設定負荷ＬＹ（Ｎ）よりも低いときには、機関圧縮行程に燃料噴射弁から燃料用凹溝内に燃料を噴射して燃料を燃料用凹溝により点火栓周りまで案内し、このとき点火栓周りに形成される成層化された混合気を点火栓により着火する第１の成層燃焼を行い、機関負荷Ｌが第２の設定負荷ＬＹ（Ｎ）よりも高いときには、機関圧縮行程に燃料噴射弁から、ピストン頂面から点火栓に向かう旋回流内に燃料を噴射して燃料を旋回流により点火栓周りまで運び、このとき点火栓周りに形成される成層化された混合気を点火栓により着火する第２の成層燃焼を行う。【選択図】　　　図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室のほぼ中央部に点火栓を配置すると共に燃焼室の周縁部一側に燃料噴射弁を配置し、吸気弁を介し燃焼室内に流入した空気が燃焼室の周縁部他側に位置するシリンダボア内壁面に沿いつつ下降し、次いでピストン頂面内に形成された旋回流用凹溝内を進行した後に該旋回流用凹溝により偏向せしめられて点火栓に向かう旋回流を形成するようになっている内燃機関において、燃料を点火栓周りまで案内するための燃料用凹溝をピストン頂面内に形成し、機関圧縮行程に燃料噴射弁から燃料用凹溝内に燃料を噴射して該燃料を該燃料用凹溝により点火栓周りまで案内し、このとき点火栓周りに形成される成層化された混合気を点火栓により着火する第１の成層燃焼と、機関圧縮行程に燃料噴射弁から、ピストン頂面から点火栓に向かう旋回流内に燃料を噴射して該燃料を該旋回流により点火栓周りまで運び、このとき点火栓周りに形成される成層化された混合気を点火栓により着火する第２の成層燃焼とを、機関運転状態に応じて選択的に切り替えるようにした燃焼制御装置。
【請求項２】
機関負荷が予め定められた設定負荷よりも低いときには第１の成層燃焼を行い、機関負荷が該設定負荷よりも高いときには第２の成層燃焼を行うようにした請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
機関回転数が予め定められた設定回転数よりも低いときには第１の成層燃焼を行い、機関回転数が該設定回転数よりも高いときには第２の成層燃焼を行うようにした請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
燃料噴射時期を制御することによって第１の成層燃焼と第２の成層燃焼とを切り替えるようにした請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
燃料噴射圧を制御することによって第１の成層燃焼と第２の成層燃焼とを切り替えるようにした請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室のほぼ中央部に点火栓を配置すると共に燃焼室の周縁部一側に燃料噴射弁を配置し、吸気弁を介し燃焼室内に流入した空気が燃焼室の周縁部他側に位置するシリンダボア内壁面に沿いつつ下降し、次いでピストン頂面内に形成された旋回流用凹溝内を進行した後に旋回流用凹溝により偏向せしめられて点火栓に向かう旋回流を形成するようになっており、機関圧縮行程に燃料噴射弁から、ピストン頂面から点火栓に向かう旋回流内に燃料を噴射してこの燃料を旋回流により点火栓周りまで運び、このとき点火栓周りに形成される成層化された混合気を点火栓により着火する成層燃焼を行うようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。
【０００３】
このように成層燃焼を行うと平均空燃比をリーンにすることができるので、燃料消費率を低減することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３４５８４７号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０１９４６号公報
【特許文献３】
特開２００１−６５３５１号公報
【特許文献４】
特開２００１−９８９４６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、機関低回転運転時には燃焼室内に強力な旋回流を形成することが困難になるので、燃料噴射弁から噴射された燃料を旋回流でもって点火栓周りまで確実に運ぶことが困難になる。その結果、燃料が燃焼室内に拡散して点火栓周りに形成される混合気がかなり希薄になり、従って燃焼が不安定になるという問題点がある。また、機関低負荷運転時には燃料噴射弁から噴射される燃料の量が少ないので、このとき旋回流が比較的強力であるとこの少量の燃料が燃焼室内に拡散し、この場合にも燃焼が不安定になる。
【０００６】
このことは、上述した内燃機関では成層燃焼を行うことができない機関運転状態があることを意味しており、即ち成層燃焼を行うことができる機関運転状態に制限があるということになる。
【０００７】
そこで本発明の目的は、幅広い機関運転状態において成層燃焼を行うことができる内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、燃焼室のほぼ中央部に点火栓を配置すると共に燃焼室の周縁部一側に燃料噴射弁を配置し、吸気弁を介し燃焼室内に流入した空気が燃焼室の周縁部他側に位置するシリンダボア内壁面に沿いつつ下降し、次いでピストン頂面内に形成された旋回流用凹溝内を進行した後に該旋回流用凹溝により偏向せしめられて点火栓に向かう旋回流を形成するようになっている内燃機関において、燃料を点火栓周りまで案内するための燃料用凹溝をピストン頂面内に形成し、機関圧縮行程に燃料噴射弁から燃料用凹溝内に燃料を噴射して該燃料を該燃料用凹溝により点火栓周りまで案内し、このとき点火栓周りに形成される成層化された混合気を点火栓により着火する第１の成層燃焼と、機関圧縮行程に燃料噴射弁から、ピストン頂面から点火栓に向かう旋回流内に燃料を噴射して該燃料を該旋回流により点火栓周りまで運び、このとき点火栓周りに形成される成層化された混合気を点火栓により着火する第２の成層燃焼とを、機関運転状態に応じて選択的に切り替えるようにしている。
【０００９】
また、２番目の発明によれば１番目の発明において、機関負荷が予め定められた設定負荷よりも低いときには第１の成層燃焼を行い、機関負荷が該設定負荷よりも高いときには第２の成層燃焼を行うようにしている。
【００１０】
また、３番目の発明によれば１番目の発明において、機関回転数が予め定められた設定回転数よりも低いときには第１の成層燃焼を行い、機関回転数が該設定回転数よりも高いときには第２の成層燃焼を行うようにしている。
【００１１】
また、４番目の発明によれば１番目の発明において、燃料噴射時期を制御することによって第１の成層燃焼と第２の成層燃焼とを切り替えるようにしている。
【００１２】
また、５番目の発明によれば１番目の発明において、燃料噴射圧を制御することによって第１の成層燃焼と第２の成層燃焼とを切り替えるようにしている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明を４ストローク火花点火式内燃機関に適用した場合を示している。図１及び図２を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５のほぼ中央部に配置された点火栓、７は燃焼室５の周縁部に配置された電気制御式燃料噴射弁、８は一対の吸気弁、９は一対の吸気ポート、１０は一対の排気弁、１１は一対の排気ポートをそれぞれ示す。図２に示されるように、吸気弁８及び排気弁１０は対称平面Ｋ−Ｋに関し対称的に配置されており、点火栓６及び燃料噴射弁７はこの対称平面Ｋ−Ｋ上に配置される。また、燃料噴射弁７は吸気弁８側の燃焼室周縁部に配置される。
【００１４】
各燃料噴射弁７には燃料リザーバ即ちデリバリパイプ１２から燃料が供給され、デリバリパイプ１２には吐出量可変な燃料ポンプ１３から吐出された燃料が供給される。本発明による実施例では、デリバリパイプ１２内の燃料圧即ち燃料噴射圧が目標圧になるように燃料ポンプ１３の吐出量が制御される。
【００１５】
ピストン４の頂面上には図１及び図３に示されるように、点火栓６に関し燃料噴射弁７と反対側、即ち排気弁１０側の燃焼室周縁部から概ね点火栓６の下方まで延び、次いでシリンダヘッド３の内壁面又は点火栓６に向けて立ち上がる旋回流用凹溝４ａが形成される。また、旋回流用凹溝４ａ以外のピストン４の頂面上には、燃料噴射弁７の下方から点火栓６に向けて延びる燃料用凹溝４ｂが形成される。
【００１６】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、Ｂ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。アクセルペダルにはアクセルペダルの踏み込み量、即ち機関負荷Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４０が接続され、負荷センサ４０の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、入力ポート３６には機関回転数Ｎを表す出力パルスを発生する回転数センサ４２が接続される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火栓６、燃料噴射弁７及び燃料ポンプ１３に接続される。
【００１７】
次に、図４から図６を参照して燃焼室５内に形成される旋回流について説明する。図１及び図２に示される内燃機関では、ピストン４が下降しながら吸気弁８が開弁すると、図４において矢印Ｓで示されるように、吸気弁８周りに形成される開口のうち主として排気弁１０側に位置する開口を介して空気が吸気ポート９から燃焼室５内に流入する。この空気流れＳは次いで排気弁１０下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ下降し、次いで図５に示されるようにピストン４の頂面で偏向されてピストン４の旋回流用凹溝４ａにより案内されつつ凹溝４ａ内を進行する。図５に示される例ではこのとき吸気弁８が閉弁されており、ピストン４が上昇している。空気流れＳは次いで旋回流用凹溝４ａにより点火栓６に向けて偏向せしめられ、斯くして図６に示されるような旋回流Ｓが燃焼室５内に形成される。なお、本発明による実施例では、ピストン４が吸気上死点から吸気下死点を経て圧縮上死点に到るまでの旋回流Ｓの回転数、即ちいわゆるタンブル比は１から２程度に設定されている。
【００１８】
さて、本発明による実施例では、例えば機関負荷Ｌと機関回転数Ｎとにより定められる機関運転領域が予め定められた第１の設定負荷ＬＸ（Ｎ）によって二つの運転領域、即ち第１の運転領域と第２の運転領域ＩＩとに分割されており、第１の運転領域Ｉが第１の設定負荷ＬＸ（Ｎ）よりも低く定められた第２の設定負荷ＬＹ（Ｎ）によって二つの運転領域、即ち第１の小領域Ｉ１と第２の小領域Ｉ２とに分割されている。なお、第１及び第２の設定負荷ＬＸ（Ｎ），ＬＹ（Ｎ）はそれぞれ機関回転数Ｎの関数として定められており、図７に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。
【００１９】
機関負荷Ｌが第１の設定負荷ＬＸ（Ｎ）よりも低い第１の運転領域Ｉでは成層燃焼が行われる。概略的に説明すると、この成層燃焼では点火栓６周りに混合気が形成され、このとき混合気周りの燃焼室５内は空気のみ又は空気及びＥＧＲ（排気ガス再循環）ガスのみによって満たされる。次いで、点火栓６周りの混合気が点火栓６により着火される。
【００２０】
機関負荷Ｌが第２の設定負荷ＬＹ（Ｎ）よりも低い第１の小領域Ｉ１では第１の成層燃焼が行われる。具体的には、図８（Ａ）に示されるように、圧縮行程後期例えば圧縮上死点前３０から４５度クランク角程度に１回だけ、燃料噴射弁７からピストン４の燃料用凹溝４ｂ内に燃料が噴射される。この場合の燃料Ｆは燃料用凹溝４ｂにより案内され或いは燃料用凹溝４ｂの内壁面で反射して点火栓６周りに向かい、その結果図８（Ｂ）に示されるように点火栓６周りに成層化された混合気Ｇが形成される。次いで、この混合気Ｇが点火栓６により着火せしめられる。
【００２１】
これに対し、機関負荷Ｌが第２の設定負荷ＬＹ（Ｎ）よりも高い第２の小領域Ｉ２では第２の成層燃焼が行われる。具体的には、図９（Ａ）に示されるように、圧縮行程中期例えば圧縮上死点前４５から６０度クランク角程度に１回だけ、燃料噴射弁７から、旋回流用凹溝４ａから点火栓６に向かう旋回流Ｓ内に燃料が噴射される。この場合の燃料Ｆは旋回流Ｓによって点火栓６周りまで運ばれ、その結果図９（Ｂ）に示されるように点火栓６周りに成層化された混合気Ｇが形成される。次いで、この混合気Ｇが点火栓６により着火せしめられる。
【００２２】
従って、一般的に言うと、第１の成層燃焼と第２の成層燃焼とが機関運転状態に応じて選択的に切り替えられ、具体的には、機関負荷が予め定められた設定負荷よりも低いか又は機関回転数が予め定められた設定回転数よりも低いときに第１の成層燃焼が行われ、機関負荷が設定負荷よりも高いか又は機関回転数が設定回転数よりも高いときに第２の成層燃焼が行われるということになる。
【００２３】
第２の小領域Ｉ２では燃焼室５内に形成される旋回流Ｓが比較的強く又は燃料噴射量が比較的多いので、このとき第２の成層燃焼を行うと旋回流Ｓでもって燃料Ｆをさほど拡散させることなく点火栓６周りまで運ぶことができ、従って点火栓６周りに成層化された混合気Ｇを確実に形成することができる。その結果、安定した成層燃焼を確保することができる。
【００２４】
なお、タンブル比は上述したように１から２程度に設定されており、従って旋回流Ｓによって点火栓６まで運ばれた燃料Ｆが点火栓６を通過し、次いで旋回流用凹溝４ａにより案内されて再び点火栓６まで向かうことはほとんどない。言い換えると、第２の成層燃焼では燃料がピストン４によって点火栓６まで案内されない。
【００２５】
一方、旋回流Ｓが比較的弱く又は燃料噴射量が比較的少ない第１の小領域Ｉ１では、燃料Ｆがもっぱらその貫徹力でもって点火栓６周りまで進行する。その結果、この場合にも点火栓６周りに成層化された混合気Ｇを確実に形成することができ、安定した成層燃焼を確保することができる。もっとも、図８には示されていないが、第１の小領域Ｉ１でも燃焼室５内には旋回流Ｓが形成されており、この旋回流Ｓによって燃料Ｆが点火栓６まで進行するのが助勢されている。
【００２６】
このことは、第１の小領域Ｉ１においても安定した成層燃焼を行うことができることを意味しており、従って成層燃焼を実行可能な機関運転領域が拡大されているということになる。
【００２７】
一方、機関負荷Ｌが第１の設定負荷ＬＸ（Ｎ）よりも高い第２の運転領域ＩＩでは均質燃焼が行われる。この均質燃焼では、図１０（Ａ）に示されるように、吸気行程に１回だけ燃料噴射弁７から燃料が噴射される。この場合の燃料Ｆは旋回流Ｓによって燃焼室５内全体に拡散され、その結果燃焼室５内全体をほぼ一様に満たす混合気Ｇが形成される。次いでこの混合気Ｇは点火栓６により着火される。
【００２８】
図１１は上述した本発明による実施例の燃焼制御を実行するためのルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【００２９】
図１１を参照すると、まずステップ５０では、機関負荷Ｌが第１の設定負荷ＬＸ（Ｎ）よりも低いか否かが判別される。Ｌ＜ＬＸ（Ｎ）のときには次いでステップ５１に進み、機関負荷Ｌが第２の設定負荷ＬＹ（Ｎ）よりも低いか否かが判別される。Ｌ＜ＬＹ（Ｎ）のときには次いでステップ５２に進み、図８を参照して説明した第１の成層燃焼が行われる。これに対し、Ｌ≧ＬＹ（Ｎ）のときにはステップ５３に進み、図９を参照して説明した第２の成層燃焼が行われる。一方、ステップ５０においてＬ≧ＬＸ（Ｎ）のときには次いでステップ５４に進み、図１０を参照して説明した均質燃焼が行われる。
【００３０】
ところで、上述した本発明による実施例では、第１の成層燃焼を行うべきときには圧縮行程後期に燃料が噴射され、第２の成層燃焼を行うべきときには圧縮行程中期燃料が噴射され、従って第１の成層燃焼を行うべきときには第２の成層燃焼を行うべきときに比べて、燃料噴射時期が遅角される。言い換えると、燃料噴射時期を制御することによって第１の成層燃焼と第２の成層燃焼とが切り替えられる。この場合、燃料噴射弁７における燃料噴射角ないし燃料噴射方向、及び燃料噴射圧は一定に維持されている。
【００３１】
これに対し、燃料噴射時期を一定に維持しながら、燃料噴射圧を制御することによって第１の成層燃焼と第２の成層燃焼とを切り替えることもできる。
【００３２】
具体的には、第１の成層燃焼を行うべきときには第２の成層燃焼を行うべきときに比べて、燃料噴射圧が高くされる。即ち、第１の成層燃焼を行うべきときには図１２（Ａ）に示されるように、燃料Ｆがピストン４の燃料用凹溝４ｂに反射して点火栓６周りまで進行可能なように燃料噴射圧が高められる。これに対し、第２の成層燃焼を行うべきときには図１２（Ｂ）に示されるように、燃料Ｆが燃料用凹溝４ｂに衝突することなく、旋回流Ｓでもって点火栓６周りまで運ばれるように燃料噴射圧が低下される。
【００３３】
図１３は本発明を適用可能な別の内燃機関を示している。この内燃機関では、燃料噴射弁７が排気弁１０ないし排気ポート１１側の燃焼室周縁部に配置され、吸気ポート９がシリンダ軸線に対し概ね平行になっている。
【００３４】
図１３に示される内燃機関では、燃焼室５内に形成される旋回流Ｓの向きが図１及び図２に示される内燃機関と逆向きになっている。即ち、ピストン４が下降しながら吸気弁８が開弁すると、吸気弁８周りに形成される開口のうち主として燃焼室５の周縁部側に位置する開口を介して空気が燃焼室５内に流入する。この空気流れＳは次いで吸気弁８下方のシリンダボア内壁面に沿いつつ下降し、次いでピストン４の旋回流用凹溝４ａにより案内されつつ凹溝４ａ内を進行し、次いで旋回流用凹溝４ａにより点火栓６に向けて偏向せしめられる。その結果、図１３に示されるような旋回流Ｓが燃焼室５内に形成される。
【００３５】
これまで述べてきた実施例では、圧縮行程に１回だけ燃料が噴射される。しかしながら、機関回転数が高いとき例えば第２の運転領域ＩＩに隣接する第２の小領域Ｉ２において、いわゆる２回噴射を行うこともできる。
【００３６】
具体的には、圧縮行程中期に燃料噴射弁７から、旋回流用凹溝４ａから点火栓６に向かう旋回流Ｓ内に、要求燃料量のうちの大部分の燃料が噴射される。この場合の燃料は第２の成層燃焼と同様に、旋回流Ｓによって点火栓６周りまで運ばれ、その結果図１４に示されるように点火栓６周りに成層化された混合気Ｇ２が形成される。
【００３７】
次いで、圧縮行程後期に燃料噴射弁７からピストン４の燃料用凹溝４ｂ内に、要求燃料量のうちわずかな残りの燃料が噴射される。この場合の燃料は第１の成層燃焼と同様に、燃料用凹溝４ｂにより案内され或いは燃料用凹溝４ｂの内壁面で反射して点火栓６周りに向かい、その結果図１４に示されるように点火栓６周りに成層化された混合気Ｇ１が形成される。次いで、この混合気Ｇ１が点火栓６により着火せしめられて火種が形成され、この火種によって混合気Ｇ２も燃焼せしめられる。
【００３８】
第２の運転領域ＩＩに隣接する第２の小領域Ｉ２では、燃焼室５内に強力な旋回流Ｓが形成される。このため、燃料が燃焼室５内に拡散して点火栓６周りに可燃混合気を形成するのが困難になり、混合気を着火しにくくなる恐れがある。そこでこのように２回噴射を行えば、点火栓６周りに可燃混合気を確実に形成することができ、従って混合気を確実に着火燃焼させることができる。
【００３９】
このことは、第２の運転領域ＩＩに隣接する第２の小領域Ｉ２においても安定した成層燃焼を行うことができることを意味しており、従って成層燃焼を実行可能な機関運転領域が拡大されているということになる。
【００４０】
【発明の効果】
幅広い機関運転状態において成層燃焼を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】シリンダヘッド内壁面の平面図である。
【図３】ピストンの頂面図である。
【図４】旋回流を説明するための図である。
【図５】旋回流を説明するための図である。
【図６】旋回流を説明するための図である。
【図７】運転領域を示す線図である。
【図８】第１の成層燃焼を説明するための図である。
【図９】第２の成層燃焼を説明するための図である。
【図１０】均質燃焼を説明するための図である。
【図１１】燃焼制御を実行するためのフローチャートである。
【図１２】本発明による別の実施例における第１及び第２の成層燃焼を説明するための図である。
【図１３】本発明を適用可能な別の内燃機関を示す図である。
【図１４】本発明によるさらに別の実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…機関本体
４…ピストン
４ａ…旋回流用凹溝
４ｂ…燃料用凹溝
５…燃焼室
６…点火栓
７…燃料噴射弁
８…吸気弁
９…吸気ポート
１０…排気弁
１１…排気ポート
Ｓ…旋回流
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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