(57)【要約】【課題】負荷の変化によらず常に安定した成層燃焼を実現可能とした筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。【解決手段】燃料噴射弁１１から燃焼室内に直接的に噴射する燃料の噴射時期を、運転条件によって吸気行程と圧縮行程とで切り換えることにより、均質燃焼と成層燃焼とを行う。ピストン冠面の略中央に略円形のキャビティ３ａ、及びこれを外側から取り囲む環状のキャビティ３ｂをもつピストン３と、キャビティ３ａ、３ｂに向けて中空円錐状に燃料を噴射する、略シリンダ軸心上に配置した燃料噴射弁１１と、燃焼室内にスワール流動を生起させるスワール制御弁１３とを備え、成層燃焼モードにあって、外側キャビティ３ｂに燃料噴霧が到達するように燃料噴射を行う負荷領域において負荷が低いほど燃焼室内のスワール流動を強める。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁から燃焼室内に直接的に噴射する燃料の噴射時期を、運転条件によって吸気行程と圧縮行程とで切り換えることにより、均質燃焼と成層燃焼とを行えるようにした筒内直接噴射式内燃機関において、
ピストン冠面の略中央に略円形のキャビティ、及びこれを外側から取り囲む環状のキャビティをもつピストンと、
前記キャビティに向けて中空円錐状に燃料を噴射する、略シリンダ軸心上に配置した前記燃料噴射弁と、
前記燃焼室内にスワール流動を生起させるスワール制御手段とを備え、
前記スワール制御手段は、前記成層燃焼モードにあって、前記外側キャビティに燃料噴霧が到達するように燃料噴射を行う負荷領域において負荷が低いほど燃焼室内のスワール流動を強めるように制御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】
前記成層燃焼モードにあって、低負荷時には内側キャビティに燃料噴霧が到達し、これよりも負荷の大きい領域では、外側キャビティに燃料噴霧が到達するように、燃料の噴射時期が制御される請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記スワール制御手段は、前記外側キャビティに燃料が噴射される領域において、負荷の低いときに燃焼室内にスワール流動を生起させ、負荷の高いときにスワール流動を停止させる請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記スワール制御手段は、前記外側キャビティに燃料が噴射される領域において、燃焼室内のワール流動の強さを負荷に応じて連続的に制御する請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記成層燃焼モードにあって、前記内側キャビティに燃料噴射を行う低負荷領域では、前記スワール制御手段は燃焼室内のスワール流動を停止させる請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記成層燃焼モードにあって、外側キャビティに燃料が噴射される領域において、噴射後半の燃料噴霧が内側キャビティに到達するように燃料の噴射時期が制御される請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
前記成層燃焼モードにあって、外側キャビティに燃料が噴射される領域において、負荷の低下に伴い噴射後半の燃料噴霧が内側キャビティに到達する割合を増加させるように燃料の噴射時期が制御される請求項６に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
前記内側キャビティの内周壁は、垂直面から燃料噴射弁からの燃料噴霧方向に傾いて形成される請求項１〜７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９】
前記外側キャビティの内周壁は、垂直面から燃料噴射弁からの燃料噴霧方向に傾いて形成される請求項１〜８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１０】
前記内側キャビティの底面は、垂直に対して直角な平面として形成される請求項１〜９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１１】
前記外側キャビティの底面は、中心に向かうほど高くなるように傾く傾斜面に形成される請求項１〜１０のいずれか一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】
この発明は気筒内に燃料を直接的に噴射する筒内直接噴射式内燃機関の改良にに関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内に直接的に噴射した燃料を点火栓により点火する内燃機関であって、燃料噴霧をピストン冠面に設けたボウル部（キャビティ）に衝突させ、ボウル部に沿って噴霧の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生成するようにしたものが、特許文献１によって提案されている。
【０００３】
このようにして、筒内に生成された理論空燃比付近の混合気塊に点火することで、安定した成層燃焼の実現を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２３６１５号公報
【０００５】
【発明の解決すべき課題】
しかし、この場合、混合気塊はピストン冠面のボウル部の容積に依存して形成され、ボウル部の容積は不変であるため、その容積の設定のしかたによっては、成層燃焼モードにおいて、例えば燃料噴射量が極めて小さい低負荷領域では、混合気塊の空燃比が過薄になりすぎ、また燃料噴射量が大きい高負荷領域では、混合気塊の空燃比が過濃になったりすることがあり、いずれも安定した燃焼が阻害される可能性があった。
【０００６】
本発明はこのような問題に対して、負荷の変化によらず常に安定した成層燃焼を実現可能とした筒内直接噴射式内燃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】
本発明の筒内直接噴射式内燃機関は、燃料噴射弁から燃焼室内に直接的に噴射する燃料の噴射時期を、運転条件によって吸気行程と圧縮行程とで切り換えることにより、均質燃焼と成層燃焼とを行えるようする。そして、ピストン冠面の略中央に略円形のキャビティ、及びこれを外側から取り囲む環状のキャビティをもつピストンと、前記キャビティに向けて中空円錐状に燃料を噴射する、略シリンダ軸心上に配置した前記燃料噴射弁と、前記燃焼室内にスワール流動を生起させるスワール制御手段とを備え、前記スワール制御手段は、前記成層燃焼モードにあって、前記外側キャビティに燃料噴霧が到達するように燃料噴射を行う負荷領域において負荷が低いほど燃焼室内のスワール流動を強めるように制御する。
【０００８】
【作用・効果】
したがって、成層燃焼モードにおいて、外側キャビティいっぱいに燃料噴霧が拡散したら、混合気塊の空燃比が希薄になってしまうような領域にあっても、スワール流動により混合気塊をキャビティ中央寄りに集め、常に適切な可燃混合気層を形成、維持でき、これにより、内側キャビティのみを利用するとき、または外側キャビティをいっぱいに利用するときと同じように、安定した成層燃焼を実現することが可能となる。
【０００９】
【実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
図１において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブロック、３はピストンであって、これらにより燃焼室４が形成される。５は吸気弁、６は排気弁で、それぞれ吸気カム１５と排気カム１６に応動して吸気ポート７と、排気ポート８を開閉する。燃焼室４内に直接的に燃料噴射するために、燃料噴射弁１１がシリンダヘッド１の中央に取付けられ、またその近傍に点火栓１２が設置される。
【００１１】
燃料噴射弁１１には燃料噴射ポンプ９により加圧された燃料が燃料配管１０を介して圧送され、燃料噴射弁１１の開弁に伴い燃焼室内に燃料を噴射する。
【００１２】
前記ピストン３の冠面には、好ましくは燃料噴射弁１１と略同軸的な、中央部位にに円形の内側のキャビティ３ａが、またその外側には同心的に環状の外側のキャビティ３ｂが形成される。内側のキャビティ３ａは、ピストン軸心を中心とする内周壁２１と、これに囲まれた平らな底面２２とから形成され、また内側キャビティ３ａを取り囲む、外側のキャビティ３ｂは内周壁２３と環状の底面２４とから形成される。
【００１３】
成層燃焼モードにおいて、これらキャビティ３ａ、３ｂには、燃料噴射弁１１から噴射される燃料噴霧を受け入れるが、燃料噴射量の小さい低負荷域では内側キャビティ２３ａに、燃料噴射量の大きい高負荷域では外側キャビティ３ｂにそれぞれ燃料噴霧を受け入れるように、その容積、換言すると内径の大きさが設定されている。
【００１４】
ただし、燃料噴射弁１１から噴射される燃料噴霧は一定角度の中空円錐状に拡がり、圧縮行程の後半に噴射される燃料噴射タイミングによりピストン冠面に到達するときの領域は変化し、燃料噴射時期が早いほど燃料噴霧は拡がるので、後述するように、内側、外側キャビティ３ａ、３ｂに燃料噴霧を適切に振り分けるために後述する燃料噴射時期が制御される。
【００１５】
この場合、各内周壁２１と２３とは、好ましくは、燃料噴射弁１１を中心として、やや内側に傾斜する円錐壁面に形成され、また外側キャビティ３ｂの底面２４は中心が高くなるように傾いて形成される。
【００１６】
前記吸気ポート７には燃焼室内にシリンダ内周壁に沿ったガス流動、すなわちスワール流動を形成するためにスワール制御弁１３が設けられる。このスワール流動は、外側キャビティ３ｂに燃料噴霧が噴射される負荷領域において、負荷に応じて生起され、燃料噴霧を外側から包み込み、適正な可燃濃度をもつ混合気塊を生成するようになっている。
【００１７】
機関の運転条件に応じて燃焼形態として、主として圧縮行程の後半で燃料噴射を行い、リーン空燃比による成層燃焼モードと、吸気行程で燃料噴射を行いストイキ空燃比による均質混合気燃焼モードとが設けられている。
【００１８】
そして、成層燃焼モードにおいては、燃料噴射量が変化しても、前記キャビティ３ａ、３ｂにおいて常に適正な空燃比濃度をもつ混合気塊が形成され、良好な燃焼が維持できるようにするため、前記燃料噴射弁１１からの燃料噴射時期、点火栓１２による点火時期、またスワール制御弁１３の開度を制御する、コントローラ１４が備えられる。
【００１９】
このため、コントローラ１４には、機関運転状態を代表する信号である、クランク角度センサ３１からのクランク角度信号、エンジン冷却水温センサ３２からのエンジン冷却水温信号、アクセル開度センサ３３からのアクセル開度信号などが入力し、これらに基づいて、均質燃焼モードと、成層燃焼モードの切換を制御し、また成層燃焼モードでは、負荷のいかんにかかわらず、常に前記ピストン冠面のキャビティ３ａ、３ｂにおいて適正な空燃比をもつ混合気塊が形成されるように、主として燃料噴射弁１１からの燃料噴射と、スワール制御弁１３の開度とを制御するようになっている。
【００２０】
コントローラ１４で実行されるこれら制御内容について、図２のフローチャートを参照して詳しく説明する。
【００２１】
ステップＳ１において、機関回転速度、負荷が検出され、これに基づいて、ステップＳ２で成層燃焼領域か均質燃焼領域かの判定が行われる。一例として、成層燃焼領域は機関回転速度が中回転領域まで、負荷が低負荷から中負荷程度までの領域、それ以上の回転速度、負荷では均質燃焼領域が設定される。
【００２２】
もし、均質燃焼領域ならば、ステップＳ５に進んでスワール制御弁１３を全開にしてスワールの発生を抑え、ステップＳ６で燃料噴射弁１１からの燃料噴射時期を吸気行程に切り換え、かつ燃料噴射量については、空燃比がストイキとなるように設定される。
【００２３】
これにより吸気行程で噴射された燃料が吸気行程から圧縮行程にかけて空気と十分に混合、攪拌され、点火栓１２によりこの均質的な混合気層に点火され、均質燃焼が行われ、主として機関高負荷域において高出力を発生させる。
【００２４】
これに対して、ステップＳ２で均質燃焼領域にあると判定された場合には、ステップＳ３に進んで、スワール制御弁１３の開度が制御される。スワール制御弁１３の開度はマップＭ１を負荷に基づいて読み込んで設定するが、成層燃焼モードでの、負荷が小さい領域と、大きい領域ではスワール制御弁１３が全開となり、この中間負荷領域では、全閉状態から負荷の増加に応じて直線的に開度が大きくなるように変化する特性に設定される。
【００２５】
これらにより、負荷の小さい領域と、大きい領域とではスワール流動の発生を抑制し、中間的な負荷領域では、低負荷ほどスワール流動を積極的に生起し、負荷の増加に伴って減少させる。
【００２６】
ステップＳ４では燃料噴射時期を負荷に基づいてマップＭ２から読み込んで制御する。燃料噴射時期は負荷が小さい領域では最も遅角された所定値、負荷の大きい領域では最も進角された所定値をとり、その中間の負荷領域では負荷の増加に応じて直線的に噴射時期が早くなるように変化する特性に設定される。これらにより、燃料は、負荷の小さい領域ではよりピストン上死点に近い一定の時期に噴射され、負荷が大きくなるのにしたがってより早い位置で噴射されいき、負荷の大きな領域ではさらに早い一定の時期に噴射される。
【００２７】
このような制御が行われる結果、成層燃焼モードにあっては、燃焼室内には図３に示すような可燃混合気塊が形成される。
【００２８】
これを説明すると、図３において、上から成層高負荷、成層中負荷、成層低負荷の領域を示し、左側はスワール流動を一切行わない場合、右側は成層中負荷で負荷に応じてスワール流動を行う、本実施形態の場合を示している。
【００２９】
吸入空気量が小さい成層低負荷では、所定のリーン空燃比を維持するのに必要な燃料噴射量が少なく、かつ燃料噴射時期もピストン上死点の近い位置に設定され、燃料噴霧は内側キャビティ３ａ内に収まるように噴射される、その運動量によって内側キャビティ３ａの内部において、適正な可燃空燃比をもつほほ均等な濃度の燃料噴霧の循環流を形成する。
【００３０】
これに対して、吸入空気量が大きい成層高負荷では、必要な燃料噴射量が大きくなるが、燃料噴射時期も早めに設定され、燃料噴霧が拡がり、内側キャビティ３ａではなく、外側キャビティ３ｂに入るように燃料が噴射され、その運動量にしたがって適正な濃度をもつ燃料噴霧の循環流を形成する。燃料噴射量が多くなるが、外側キャビティ３ｂの容積は大きく、ここで生成される大きな混合気塊は適正な可燃空燃比層を形成する。
【００３１】
これらにより、上記いずれにあっても、適正な空燃比の混合気塊が形成され、この混合気塊に圧縮状点付近で点火栓１２で点火することにより、これを中心として周囲へと燃焼が伝播し、安定した成層燃焼が行える。
【００３２】
これに対して、低負荷と高負荷の中間の状態では、負荷に対応して燃料噴射量が増えるが、燃料噴射時期が、外側キャビティ３ｂに燃料噴霧が到達するように設定されるため、外側キャビティ３ｂに沿っての循環流が形成される。
【００３３】
なお、燃料噴霧は外側キャビティ３ｂに到達すると、内周壁２３と衝突するまで底面２４に沿って拡散するので、燃料噴射時期が内側キャビティ３ａ内に収まる噴射時期から少しでも早まると、燃料噴霧は外側キャビティ３ｂ内いっぱいに拡がるようになる。
【００３４】
このため、図３の左側に示すように、スワール流動を積極的に導入しない場合は、大きな容積をもつ外側キャビティ３ｂによって生成される混合気塊の空燃比が希釈化されて過薄となり、点火栓１２で点火しても安定した燃焼がえられなくなる。この場合、仮に燃料噴射時期を遅らせ、燃料噴霧の拡がりを抑制し、内側キャビティ３ａの内部に燃料噴霧の循環流を収めたとしても、こんどは燃料噴霧の濃度が濃くなりすぎ、つまり過濃空燃比となり、やはり燃焼安定性が損なわれる。
【００３５】
しかし、本発明では、図３の右側に示すように、この中間負荷の状態では、燃料噴霧が外側キャビティ３ｂを埋め尽くそうとするが、スワール制御弁１３により燃焼室内には、積極的にスワール流動が生起され、ピストン上昇に伴い、燃焼室外側から中心向けてのスキッシュを受けてスワールが中央に向けて押し寄せられ、このスワールにより拡散しようとする混合気塊を拡散させることなく中央に押し戻す。このため、外側キャビティ３ｂに沿っての循環流により形成される混合気塊は、外側キャビティ３ｂの全域までには拡がることなく収められ、これにより適正な可燃濃度の混合気層が維持形成され、ここに点火栓１２で点火することにより、安定した成層燃焼が行えるのである。
【００３６】
この場合、この中間負荷域にあっては、スワール制御弁１３の開度を負荷が小さくなるほどスワール流動が強まるように制御するので、燃料噴射量が小さいときほど、外側キャビティ３ｂでの燃料噴霧は中央側に押し込まれ、常に適正な可燃空燃比の混合気塊を形成することができる。
【００３７】
また、逆に負荷の増加、すなわち燃料噴射量の増加に応じてスワール流動を弱め、混合気塊がキャビティ３ｂの外側にまで適度に拡がることを許容し、これにより混合気塊の空燃比が過濃となることが避けられる。
【００３８】
また一方で、燃料噴射時期は負荷が小さいほど遅らせることで、外側キャビティ３ｂ内での噴霧の拡がりを抑制し、混合気塊をより小さくすることを可能とし、適切な濃度をもつ混合気層を維持できる。また、このとき、燃料噴霧の後半がピストン上昇に伴い内側キャビティ３ａに入り込むようにすると、より一層燃料の拡散が防止でき、安定した可燃混合気層を形成できる。この場合、噴射時期が負荷に応じて変化することで、低負荷ほど燃料噴霧の後半が内側キャビティ３ａ内に位置するようにできる。
【００３９】
これらにより、中間負荷領域では、外側キャビティ３ｂの内部容積を実質的に可変制御するのと同じ作用効果を生じることが可能となるのである。
【００４０】
なお、スワール流動を生起しない図３の左側でも、スキッシュにより内側に押し込めようとするガス流動は生じるが、混合気塊が流動により乱れ、安定した可燃混合気層を形成できない。
【００４１】
以上したがって本実施形態によれば次の効果を生じる。
【００４２】
成層燃焼モードにあって、外側キャビティ３ｂに燃料噴霧が到達するように燃料噴射を行う中間的な負荷領域において負荷が低いほど燃焼室内のスワール流動を強めるようにしたので、外側キャビティいっぱいに燃料噴霧が拡散したら、混合気塊の空燃比が希薄になってしまうような領域にあっても、スワール流動により混合気塊をキャビティ中央寄りに集め、常に適切な可燃混合気層を形成、維持でき、これにより安定した成層燃焼を実現することが可能となる。
【００４３】
また、成層燃焼モードにあって、低負荷時には内側キャビティ３ａに燃料噴霧が到達し、これよりも負荷の大きい領域では、外側キャビティ３ｂに燃料噴霧が到達するように燃料の噴射時期を制御することで、燃料噴射量の少ないときはこれに合わせて容量の小さい内側キャビティ３ａで循環流を生起させ、これに対して燃料噴射量の大きいときには、容量の大きい外側キャビティ３ｂで循環流を生成することにより、それぞれにおいて過不足のない適正な可燃混合気層を形成することができ、いずれについても良好な成層燃焼を実現できる。
【００４４】
スワール制御弁１３は、外側キャビティ３ｂに燃料が噴射される領域において、負荷の低いときに燃焼室内にスワール流動を生起させ、負荷の高いときにスワール流動を停止させることで、中間負荷領域にあっても、燃料噴射量に応じて適正な大きさの混合気塊を生成できる。
【００４５】
この場合、とくにスワール制御弁１３が、負荷に応じて、つまり燃料噴射量に応じて、燃焼室内のワール流動の強さを連続的に制御することで、あらゆる状態において、安定した可燃混合気層を形成することが可能となる。
【００４６】
また、成層燃焼モードにあっても、内側キャビティ３ａにのみ燃料噴射を行う低負荷領域では、スワール制御弁１３は全開となり、燃焼室内のスワール流動を停止させるので、これにより内側キャビティ３ａの容量に応じた循環流により適正な可燃混合気層を形成し、極低負荷域においても安定した成層燃焼が保証される。
【００４７】
さらに、成層燃焼モードにあって、外側キャビティ３ｂに燃料が噴射される領域において、噴射後半の燃料噴霧が内側キャビティ３ａに到達するように燃料の噴射時期を制御することにより、中間負荷領域における混合気塊の拡散を抑制し、より安定した可燃混合気層を形成することができる。
【００４８】
また、この場合、負荷の低下に伴い噴射後半の燃料噴霧が内側キャビティ３ａに到達する割合を増加させるように燃料の噴射時期を制御することで、燃料噴射量が少ないときほど混合気塊を中央寄りに集め、常に適正な濃度の可燃混合気層を形成できる。
【００４９】
内側キャビティ３ａと、外側キャビティ３ｂの内周壁２２と２４とは、それぞれ内側に向けて、垂直面から燃料噴霧方向に傾いて形成されるので、キャビティ内での燃料噴霧の循環流の形成を助け、拡散しない混合気塊を生成することを可能とする。
【００５０】
また、同じように、外側キャビティ３ｂの環状の底面２３は、中心に向かうほど高くなるように傾く傾斜面に形成することで、循環流を点火栓の１２に向けて集めやすく、安定した着火、及び円滑な火炎伝播を可能とする。
【００５１】
なお、上記成層燃焼モードにあって、アイドル運転で内側キャビティ３ａに燃料噴霧を噴射し、これよりも負荷の大きい領域では、外側キャビティ３ｂに燃料噴霧が到達するように噴射するように制御することもできる。
【００５２】
本発明は上記した実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内で、当業者がなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の概略構成を示す構成図である。
【図２】コントローラの制御動作を示すフローチャートである。
【図３】燃料噴霧の状態を示す説明図である。
【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  内側キャビティ
３ｂ  外側キャビティ
４  燃焼室
７  吸気ポート
１１  燃料噴射弁
１２  点火栓
１３  スワール制御弁
１４  コントローラ（スワール制御手段、燃料噴射時期制御手段）
２１  内周壁
２２  底面
２３  内周壁
２４  底面
【図１】
2004332553.tif 000003
【図２】
2004332553.tif 000004
【図３】
2004332553.tif 000005