(57)【要約】【課題】均質燃焼に際して良好な均質混合気を形成することができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】均質燃焼時には、第１吸気ポート８は気筒内に第１タンブル流Ｔ１を生成し、第２吸気ポートは気筒内に第２タンブル流を生成し、第１タンブル流と第２タンブル流は、異なる旋回形状で気筒内を同一方向に旋回するものであり、燃料噴射弁は第１タンブル流と第２タンブル流との間に燃料を噴射する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、第１吸気ポートと、第２吸気ポートとを具備し、均質燃焼時には、前記第１吸気ポートは気筒内に第１タンブル流を生成し、前記第２吸気ポートは気筒内に第２タンブル流を生成し、前記第１タンブル流と前記第２タンブル流は、異なる旋回形状で気筒内を同一方向に旋回するものであり、前記燃料噴射弁は前記第１タンブル流と前記第２タンブル流との間に燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
前記第１吸気ポートと前記第２吸気ポートは互いに並列しており、前記第１吸気ポートは、前記第１吸気ポートの上壁に沿う第１上側通路と、前記第１吸気ポートの下壁に沿う第１下側通路とに分割され、前記第２吸気ポートは、前記第２吸気ポートの上壁に沿う第２上側通路と、前記第２吸気ポートの下壁に沿う第２下側通路とに分割され、均質燃焼時には、前記第１上側通路は第１閉鎖弁により閉鎖され、前記第１吸気ポートは前記第１タンブル流を生成するように前記第１下側通路を介して気筒内へ吸気を供給し、前記第２下側通路は第２閉鎖弁により閉鎖され、前記第２吸気ポートは前記第２タンブル流を生成するように前記第２上側通路を介して気筒内へ吸気を供給することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、幅に比較して小さな厚さを有する噴霧形状の燃料を幅方向が気筒垂直平面と略平行になるように噴射することを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項４】
均質燃焼時には、特定吸気量範囲において吸気量を制御するために、前記第１吸気ポート及び前記第２吸気ポートの一方における吸気弁のリフト量を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関では、噴射燃料全てが確実に気筒内へ供給されるために、燃料噴射弁は、吸気ポート等への付着分を考慮して必要量以上の燃料を噴射することはなく、それに伴う燃料消費率の悪化を防止することができる。
【０００３】
このような筒内噴射式火花点火内燃機関により均質燃焼を実施する場合において、良好な均質混合気を形成するためには、吸気行程で噴射された燃料を微粒化して気筒内全体に分散させることが必要である。この分散にタンブル流を利用することが考えられるが、吸気行程において単に気筒内を一方向に旋回するタンブル流を生成しても、噴射燃料は殆ど微粒化されることなくタンブル流と共に気筒内を旋回するだけであり、良好な均質混合気を形成することはできない。
【０００４】
吸気二弁式の筒内噴射式火花点火内燃機関において、一方の吸気ポートを介して気筒内に生成されるタンブル流と、他方の吸気ポートを介して気筒内に生成されるタンブル流とが、気筒内を互いに逆方向に旋回するようにして、二つのタンブル流の間において摩擦により乱れを発生させ、この乱れによって噴射燃料を微粒化することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２４２５５０号公報（段落番号００４２）
【特許文献２】
特開２００１−２６３０６７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術において、確かに二つのタンブル流の間に発生した乱れにより噴射燃料を良好に微粒化することができる。しかしながら、二つのタンブル流は、互いに反対方向に旋回するものであるために、その間には大きな摩擦力が発生し、強い乱れを発生させることができるが、その一方で、二つのタンブル流は大きな摩擦力によって早期に消滅してしまう。それにより、乱れにより微粒化された燃料がタンブル流を利用して気筒内全体へ分散することはできず、良好な均質混合気を形成することができない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、均質燃焼に際して良好な均質混合気を形成することができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、第１吸気ポートと、第２吸気ポートとを具備し、均質燃焼時には、前記第１吸気ポートは気筒内に第１タンブル流を生成し、前記第２吸気ポートは気筒内に第２タンブル流を生成し、前記第１タンブル流と前記第２タンブル流は、異なる旋回形状で気筒内を同一方向に旋回するものであり、前記燃料噴射弁は前記第１タンブル流と前記第２タンブル流との間に燃料を噴射することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記第１吸気ポートと前記第２吸気ポートは互いに並列しており、前記第１吸気ポートは、前記第１吸気ポートの上壁に沿う第１上側通路と、前記第１吸気ポートの下壁に沿う第１下側通路とに分割され、前記第２吸気ポートは、前記第２吸気ポートの上壁に沿う第２上側通路と、前記第２吸気ポートの下壁に沿う第２下側通路とに分割され、均質燃焼時には、前記第１上側通路は第１閉鎖弁により閉鎖され、前記第１吸気ポートは前記第１タンブル流を生成するように前記第１下側通路を介して気筒内へ吸気を供給し、前記第２下側通路は第２閉鎖弁により閉鎖され、前記第２吸気ポートは前記第２タンブル流を生成するように前記第２上側通路を介して気筒内へ吸気を供給することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、幅に比較して小さな厚さを有する噴霧形状の燃料を幅方向が気筒垂直平面と略平行になるように噴射することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼時には、特定吸気量範囲において吸気量を制御するために、前記第１吸気ポート及び前記第２吸気ポートの一方における吸気弁のリフト量を変化させることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す気筒上壁の底面図であり、図２は図１のＡ−Ａ縦断面図である。これらの図において、１は第１吸気弁、２は第２吸気弁、３は第１排気弁、４は第２排気弁である。５は気筒上壁の略中心に配置された点火プラグであり、６は気筒上壁の周囲部における第１吸気弁１と第２吸気弁２との間に配置された燃料噴射弁である。７はピストンである。
【００１３】
図３は図１のＢ−Ｂ縦断面図である。同図において、８は第１吸気弁１に対応する第１吸気ポートであり、９は第１排気弁３に対応する第１排気ポートである。第１吸気ポート８は、第１吸気弁１の動作を妨げないように第１吸気ポート８の気筒内開口部の直上流側まで延在する隔壁１０によって、上壁に沿う第１上側通路８ａと下壁に沿う第１下側通路８ｂとに分割されている。第１上側通路８ａは第１閉鎖弁１１によって閉鎖可能となっている。
【００１４】
第１閉鎖弁１１によって第１上側通路８ａが閉鎖されると、吸気は、第１吸気ポート８において第１下側通路８ｂだけを通り第１吸気ポート８の下壁に沿って気筒内へ供給され、第１吸気ポート８の気筒内開口部から垂直（気筒軸線と平行な方向）より水平（気筒軸線に垂直な方向）に近い角度で進行して気筒軸線の主にシリンダボアの第１排気ポート９側へ向かう。この吸気によって、気筒内には、矢印で示すように、シリンダボアの第１排気ポート９側に沿って下降し、ピストン頂面を介して、シリンダボアの第１吸気ポート８側に沿って上昇する第１タンブルＴ１が生成される。
【００１５】
図４は図１のＣ−Ｃ縦断面図である。同図において、１２は第２吸気弁２に対応する第２吸気ポートであり、１３は第２排気弁４に対応する第２排気ポートである。第２吸気ポート１２は第１吸気ポート８と並列して配置されている。第２吸気ポート１２は、第２吸気弁２の動作を妨げないように第２吸気ポート１２の気筒内開口部の直上流側まで延在する隔壁１４によって、上壁に沿う第２上側通路１２ａと下壁に沿う第２下側通路１２ｂとに分割されている。第２下側通路１２ｂは第２閉鎖弁１５によって閉鎖可能となっている。
【００１６】
第２閉鎖弁１５によって第２下側通路１２ｂが閉鎖されると、吸気は、第２吸気ポート１２において第２上側通路１２ａだけを通り第２吸気ポート１２の上壁に沿って気筒内へ供給され、第２吸気ポート１２の気筒内開口部から水平より垂直に近い角度で進行してピストン７頂面に向かう。図４に示すように、ピストン頂面の第２吸排気弁２，４側には、湾曲底面を有するキャビティ７ａが形成されており、第２上側通路１２ａから気筒内へ供給された吸気は、矢印で示すように、シリンダボアによって偏向させられるのではなく、このキャビティ７に沿って上昇する第２タンブルＴ２が生成される。
【００１７】
第１タンブル流Ｔ１と第２タンブル流Ｔ２とは、少なくとも吸気行程において、第１吸気弁１及び第２吸気弁２の中間と第１排気弁３及び第２排気弁４の中間とを通る中心垂直平面（すなわち、図２の断面）を境界として気筒内を独立して旋回する。燃料噴射弁６は、スリット状の噴孔を有して、図２に示すように、燃料を比較的厚さの薄い扇形状に噴射するものであり、扇形状燃料噴霧の中心軸線が前述の中心垂直平面と略一致するようになっている。すなわち、燃料噴射弁６は第１タンブル流Ｔ１と第２タンブル流Ｔ２との間に燃料を噴射する。さらに、燃料噴射弁６は、幅に比較して小さな厚さを有する扇形状の燃料を幅方向が気筒垂直平面と略平行になるように、すなわち、扇形状噴霧の幅方向中心平面が前述の中心垂直平面と略一致するように噴射する。
【００１８】
筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼のための良好な均質混合気を形成するためには、吸気行程で噴射された燃料を微粒化して気筒内全体に分散させることが必要となる。本実施形態では、シリンダボアに沿うように外側を縦方向に旋回する第１タンブル流Ｔ１と、シリンダボアに沿うことなく内側を縦方向に旋回する第２タンブル流Ｔ２とが気筒内に生成されるようになっており、これら二つのタンブル流Ｔ１，Ｔ２は、同一方向に旋回するものであるが、旋回形状が異なるために、二つのタンブル流Ｔ１，Ｔ２の境界では、気流の速度差に伴う摩擦が発生し、この摩擦によって乱れが生じる。
【００１９】
本実施形態では、二つのタンブル流Ｔ１，Ｔ２の間に向けて燃料を噴射するようになっているために、噴射燃料を、これらの間に発生する乱れによって良好に微粒化することができる。また、二つのタンブル流Ｔ１，Ｔ２は同一方向に旋回するものであるために、これらの間にはそれほど大きな摩擦力は発生しない。それにより、過大な摩擦力によって二つのタンブル流Ｔ１，Ｔ２が大きく減衰して吸気行程中に消滅するようなことはなく、二つのタンブル流Ｔ１及びＴ２は独立して又は一緒になって圧縮行程においても気筒内で維持される。こうして、微粒化した燃料をタンブル流によって気筒内全体に分散させることができ、点火時点において気筒内には良好に均質化された均質混合気を形成することができる。さらに、圧縮行程においても持続するタンブル流は点火時点において気筒内に乱れを発生させ、この乱れは混合気の燃焼速度を速めて均質燃焼をさらに良好なものとする。
【００２０】
本実施形態においては、燃料噴射弁６は、幅に比較して小さな厚さを有する扇形状の燃料を幅方向が気筒垂直平面と略平行になるように噴射するようになっているために、噴射燃料のほぼ全てが第１タンブル流Ｔ１と第２タンブル流Ｔ２との間に噴射されてそこに発生する乱れによって良好に微粒化され、また、こうして微粒化された噴射燃料の全てを第１タンブル流Ｔ１及び第２タンブル流Ｔ２によって良好に気筒内全体に拡散させることができる。それにより、噴射燃料全てを使用した良好な均質混合気をさらに確実に気筒内に形成することができる。
【００２１】
図５は、均質燃焼時における吸気量制御のための各弁体のマップである。本実施形態において、第１吸気弁１及び第２吸気弁２は、それぞれに電磁又は油圧アクチュエータによってリフト量を可変とする開弁が可能となっている。リフト量を可変とする機構として、軸線方向に可動なカムシャフトにテーパ状のカム面を有するカムを設けて、カムシャフトを軸線方向に移動させてカム面の所望リフト量に対応する位置で吸気弁を開弁させるものでも良い。
【００２２】
均質燃焼時において必要吸気量が最小吸気量Ｑ１である時には、スロットル弁（図示せず）は全閉（開度０％、但し、吸気通路がスロットル弁により完全に閉鎖されるわけではない）され、第１吸気弁１は最小リフト量Ｌ１で開弁され、第２吸気弁２も最小リフト量Ｌ１で開弁され、第１閉鎖弁１１は全閉（開度０％）され、第２閉鎖弁１５も全閉（開度０％）されている。必要吸気量が増加するにつれて、当初はスロットル弁だけが全開（開度１００％）まで徐々に開弁され、スロットル弁を通過する吸気量を徐々に増加させることにより、第１吸気ポート８の第１下側通路８ｂ及び第２吸気ポート１２の第２上側通路１２ａを通過する吸気量が増加して気筒内へ供給される吸気量を増加する。
【００２３】
さらに必要吸気量が増加すると、第１吸気弁１のリフト量が最大リフト量Ｌ２まで徐々に大きくされる。こうして、第１吸気ポート８の第１下側通路８ｂを通過する吸気量を増加して気筒内へ供給される吸気量を増加する。この場合においては、第１タンブル流Ｔ１の強さだけが増大し、第１タンブル流Ｔ１と第２タンブル流Ｔ２との間に発生する摩擦力が大きくなるために、強い乱れが発生して噴射燃料の微粒化が促進される。
【００２４】
さらに必要吸気量が増加すると、第２吸気弁２のリフト量が最大リフト量Ｌ２まで徐々に大きくされる。こうして、第２吸気ポート１２の第２上側通路１２ａを通過する吸気量を増加して気筒内へ供給される吸気量を増加する。この時までは、第１閉鎖弁１１及び第２閉鎖弁１５は全閉されているために、気筒内には、第１吸気ポート８を使用して第１タンブル流Ｔ１を、また、第２吸気ポート１２を使用して第２タンブル流Ｔ２を生成することができ、前述した噴射燃料の微粒化及び微粒化した燃料の気筒内への分散を確実に実施することができる。
【００２５】
さらに必要吸気量が増加すると、第１閉鎖弁１１が全開（開度１００％）まで徐々に開弁される。こうして、第１吸気ポート８の第１上側通路８ａを吸気が通過するようにして気筒内へ供給される吸気量を増加する。第１閉鎖弁１１の開度が比較的小さい時には、僅かな吸気しか第１吸気ポート８の第１上側通路８ａを通過せず、気筒内には第１吸気ポート８の第１下側通路８ｂを通過する吸気によって前述の第１タンブル流Ｔ１が生成される。この時までは、第１タンブル流Ｔ１及び第２タンブル流Ｔ２の間において噴射燃料の微粒化及び微粒化した燃料の気筒内への分散を確実に実施することができる。
【００２６】
しかしながら、第１閉鎖弁１１の開度が比較的大きくなると、第１吸気ポート８の第１上側通路８ａを通過する吸気量が多くなり、気筒内において第１下側通路８ｂを通過する吸気と大きく干渉するようになるために、気筒内には第１タンブル流Ｔ１は生成されなくなる。それにより、この時以降においては、噴射燃料の微粒化及び分散は多少悪化することとなるが、必要吸気量を確実に気筒内へ供給することができる。さらに必要吸気量が増加すると、第２閉鎖弁１５が全開（開度１００％）まで徐々に開弁される。こうして、第２吸気ポート１２の第２下側通路１２ｂを吸気が通過するようにして気筒内へ供給される吸気量を増加する。
【００２７】
第１吸気弁１及び第２吸気弁２のリフト量が可変とされていない場合には、図５に示すマップにおいて、スロットル弁が全開された後に、第１閉鎖弁１１の開弁が開始されることとなる。もちろん、図５に示すマップを含めて、第１閉鎖弁１１の開弁以前に、第２閉鎖弁１５を開弁するようにしても良い。また、図５に示すマップにおいて、第１吸気弁のリフト量を変化させる以前に第２吸気弁のリフト量を変化させても良い。
【００２８】
本実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関は、全ての機関運転状態において均質燃焼を実施するものであるが、機関低負荷時等において、圧縮行程で燃料を噴射して点火時点において点火プラグ近傍だけに可燃混合気を形成する成層燃焼を実施するようにしても良い。この成層燃焼に際して、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するためには、噴射燃料をピストン頂面のキャビティを使用して点火プラグ近傍に導くようにすれば良い。この場合においては、そのためのキャビティがピストン頂面に必要となり、また、圧縮行程の燃料噴射時期において噴射燃料がこのキャビティ内に噴射されることが必要となり、本実施形態のように、燃料が扇形状に噴射される場合には、燃料噴霧を中心軸線回りに９０度回転させて噴射するようにすることが好ましい。このような可燃混合気の形成に際しては、圧縮行程においてタンブル流が気筒内に持続していると、形成された可燃混合気を点火以前にタンブル流が分散させてしまうために、吸気行程では第１閉鎖弁１１及び第２閉鎖弁１５を全開して気筒内にタンブル流を生成しないことが好ましい。
【００２９】
また、成層燃焼に際して、圧縮行程において持続するタンブル流の内側に燃料を噴射することにより、噴射燃料の拡散を防止して一塊の可燃混合気を形成し、この可燃混合気を着火燃焼させるようにしても良い。この場合において、第１吸気ポート８及び第２吸気ポート１２を使用して気筒内に生成されるタンブル流は、同じ旋回形状として互いに摩擦力が発生しないようにして圧縮行程まで確実に持続させることが好ましく、例えば、第２吸気ポート１２の第２上側通路１２ａに閉鎖弁を設けて、成層燃焼時には、この閉鎖弁により第２上側通路１２ａを閉鎖すると共に第２閉鎖弁１５を全開して第２下側通路１２ｂを開放し、第２吸気ポート１２により生成されるタンブル流を第１吸気ポート８により生成される第１タンブル流Ｔ１と同一旋回形状とすることが好ましい。もちろん、同様な考え方に基づき、第１吸気ポート８により生成されるタンブル流を前述の第２タンブル流と同一旋回形状としても良い。
【００３０】
本実施形態において、燃料噴射弁６は燃料を扇形状に噴射するものとしたが、これは本発明を限定するものではなく、燃料を柱状又は円錐状等に噴射するものも使用可能である。いずれの場合においても、第１タンブル流Ｔ１と第２タンブル流Ｔ２との間に向けて、好ましくは、燃料噴霧の中心軸線を第１タンブル流と第２タンブル流との間の境界面に一致させて燃料を噴射することが好ましい。
【００３１】
【発明の効果】
このように、本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、均質燃焼時には、第１吸気ポートは気筒内に第１タンブル流を生成し、第２吸気ポートは気筒内に第２タンブル流を生成し、第１タンブル流と第２タンブル流は、異なる旋回形状で気筒内を同一方向に旋回するものであり、燃料噴射弁は第１タンブル流と第２タンブル流との間に燃料を噴射するようになっている。このような構成において、第１タンブル流と第２タンブル流との間には、異なる旋回形状に伴う速度差によって摩擦力が発生して乱れが生じる。噴射燃料はこの乱れによって良好に微粒化される。第１タンブル流と第２タンブル流は同一方向に旋回するものであるために、間に発生する摩擦力が過剰に大きくなって第１タンブル流と第２タンブル流とを早期に消滅させることはなく、乱れによって微粒化された燃料を第１タンブル流及び第２タンブル流によって気筒内全体に確実に分散させることができる。こうして、均質燃焼時において、気筒内には良好な均質混合気を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す気筒上壁の底面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ縦断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ縦断面図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ縦断面図である。
【図５】吸気量制御のための各弁体のマップである。
【符号の説明】
１…第１吸気弁
２…第２吸気弁
５…点火プラグ
６…燃料噴射弁
７…ピストン
８…第１吸気ポート
８ａ…第１上側通路
８ｂ…第１下側通路
１１…第１閉鎖弁
１２…第２吸気ポート
１２ａ…第２上側通路
１２ｂ…第２下側通路
１１…第２閉鎖弁
【図１】
2004169570.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004169570.tif 000007