(57)【要約】【課題】内燃機関の気筒内で発生するスキッシュ流を強くすることにより、内燃機関における燃焼効率を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】吸気弁４及び５と、ピストン７の冠面に形成される凹状空間部７ａと、を備え、凹状空間部７ａは、前記吸気弁４及び５のうちの吸気弁４のみに対向する位置に配置され、圧縮上死点において気筒８内部の上壁面で開口部が覆われることにより燃焼室として機能する。また、凹状空間部７ａは、ピストン７の上死点付近において吸気弁４が開弁したときには、該吸気弁４が凹状空間部７ａに進入することで吸気弁４とピストン７との干渉を回避する。このことにより、燃焼室として機能する凹状空間部７ａにバルブリセスの機能を兼用させ、スキッシュエリア１４を大きくする。【選択図】  図１
2005023831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒と連結された複数の吸気ポートと、
前記複数の吸気ポートにそれぞれ設けられ、開弁動作により前記吸気ポートから気筒内に吸気を導入する吸気弁と、
前記気筒に往復動可能に設けられたピストンの冠面に凹状に形成された凹状空間部と、を備え、
該凹状空間部は、前記吸気弁のうち少なくとも一つの吸気弁に対向する位置に配置され、前記ピストンの圧縮上死点付近においては、前記気筒内部の上壁面で該凹状空間部の開口部が覆われることにより燃焼室として機能するとともに、前記ピストンの上死点付近において、前記凹状空間部が配置された位置に対向する吸気弁が開弁したときに、該吸気弁が前記凹状空間部に進入することで該吸気弁と前記ピストンとの干渉を回避することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記凹状空間部は、前記吸気弁のうちの一つのみに対向する位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記複数の吸気ポートに設けられた吸気弁の開弁時期及び閉弁時期を制御可能とするバルブタイミング制御手段をさらに備え、
前記内燃機関が前記凹状空間部の配置された位置に対向しない吸気弁を備える場合、前記バルブタイミング制御手段は、該凹状空間部が配置された位置に対向しない吸気弁の開弁時期及び閉弁時期を制御することによって、該凹状空間部が配置された位置に対向しない吸気弁と前記ピストンとの干渉を防止することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記バルブタイミング制御手段は、前記凹状空間部が配置された位置に対向しない吸気弁の開弁時期を、前記ピストンの排気上死点以降とすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記内燃機関が前記凹状空間部の配置された位置に対向しない吸気弁を備える場合、前記凹状空間部が配置された位置に対向しない吸気弁が設けられた吸気ポートを前記気筒内にスワールを生成するように吸気を導入するスワールポートとし、前記内燃機関が低負荷運転状態にある時は、前記凹状空間部の配置された位置に対向しない吸気弁に開弁及び閉弁動作させることにより前記スワールポートから吸気を導入することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記凹状空間部が配置された位置に対向する吸気弁が設けられた吸気ポートを、前記スワールポートと比較して多くの吸入空気を前記気筒内に導入可能とする吸入空気量増量ポートとし、
前記内燃機関が高負荷運転状態にある時は、前記凹状空間部が配置された位置に対向しない吸気弁及び前記凹状空間部が配置された位置に対向する吸気弁に開弁及び閉弁動作させることにより、前記スワールポート及び前記吸入空気量増量ポートから吸気を導入することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記バルブタイミング制御手段は、前記内燃機関の負荷の増加に応じて、前記凹状空間部が配置された位置に対向しない吸気弁及び前記凹状空間部が配置された位置に対向する吸気弁のうち少なくとも一方の開弁時期を早めることを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記内燃機関が前記吸気弁の閉弁時期との関係において導出される汎用制御データに基づいて制御されている場合において、前記凹状空間部が配置された位置に対向しない吸気弁及び前記凹状空間部が配置された位置に対向する吸気弁を開弁及び閉弁動作することにより、前記スワールポート及び前記吸入空気量増量ポートから吸気を導入するときに、前記バルブタイミング制御手段は、前記凹状空間部が配置された位置に対向しない吸気弁及び前記凹状空間部が配置された位置に対向する吸気弁の閉弁時期が同じになるように制御することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項９】
前記吸入空気量増量ポートは前記気筒内に略直線状に吸気を導入するストレートポートであることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関における燃焼効率を向上させるために、気筒上壁面の周囲部を下方へ突出させると共に、ピストン冠面の周囲部を上方へ突出させ、圧縮上死点において気筒上壁面の周囲部とピストン冠面の周囲部とを互いに近接させることにより、気筒内のガスに流れを発生させることが提案されている。
【０００３】
このような燃焼室構造においては、上記気筒上壁面の周囲部とピストン冠面の周囲部とによって挟まれる領域は、その外周部をさらにライナ壁面で囲まれるために、内燃機関の圧縮上死点近くでは当該領域内の筒内ガスが燃焼室の中央方向に向かって押し出される。そして、この筒内ガス流が燃焼室の中央付近で互いに衝突することによって、同燃焼室内における吸入空気と燃料との混合が促進されるようになり、内燃機関における燃焼効率を向上させることができる。ここで、燃焼室上壁面の周囲部とピストン冠面の周囲部とが近接することで形成される領域はスキッシュエリアと呼ばれる。また、スキッシュエリアから燃焼室の中央方向に向かって押し出される筒内ガス流をスキッシュ流という。
【０００４】
ところで、内燃機関における燃焼効率を向上させるといった観点からは、上記スキッシュ流の流速や総量をより大きくして（以下、「スキッシュ流を強くする」という）、吸入空気と燃料との混合をより促進させることが望ましい。すなわち、上記スキッシュエリアを形成する間隙を圧縮上死点において狭くしてその流速を高めることや、同エリアの面積を大きくしてスキッシュ流の総量を大きくすることによりスキッシュ流を強くすることが、吸入空気と燃料との混合をより促進させ、内燃機関における燃焼効率をより向上させる上で望ましい。
【０００５】
しかしながら、スキッシュ流を強くするために圧縮上死点におけるピストン冠面と気筒上壁面との間隙を狭くした場合は、通常、気筒内でピストンが上昇した時点で吸気弁や排気弁を開弁したときに、下降した吸気弁または排気弁とピストンとが干渉しないように、ピストン冠面には、燃焼室の一部として機能するように形成されたキャビティとは別にバルブリセスを設ける必要があった。このことにより、間隙の狭いスキッシュエリアの面積を多くとることができず、スキッシュ流を充分に強くすることができなかった。（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−９３７１２号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６３１１２号公報
【特許文献３】
特開平４−１１２９１９号公報
【特許文献４】
特公昭６３−２６２５７号公報
【特許文献５】
実公平４−２９０５４号公報
【特許文献６】
特開平１１−２８７１３９号公報
【特許文献７】
特開２００２−２８５８７１号公報
【特許文献８】
特公平３−４６６４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的とするところは、内燃機関の気筒内で発生するスキッシュ流を強くすることにより、内燃機関における燃焼効率を向上させることができる技術を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、内燃機関の気筒におけるピストンの冠面に、その気筒に備えられた吸気弁のうち少なくとも一つに対向する位置に、圧縮上死点付近で燃焼室を形成する凹状空間部を設け、この凹状空間部にバルブリセスの機能を兼用させたことを最大の特徴とする。
【０００９】
より詳しくは、複数の吸気ポートと、それに設けられた吸気弁と、ピストンの冠面に形成された凹状空間部と、を備え、前記凹状空間部は、前記吸気弁の少なくとも一つに対向する位置に配置され、前記ピストンの圧縮上死点付近においては、前記気筒内部の上壁面で前記凹状空間部の開口部が覆われることによって燃焼室として機能し、さらに、前記ピストンの上死点付近において該吸気弁が開弁したときには、該吸気弁が前記凹状空間部に進入することで該吸気弁と前記ピストンとの干渉を回避することを特徴とする。
【００１０】
ここで、本発明におけるピストンは、その冠面に凹状空間部を備えており、該ピストンの圧縮上死点付近において、ピストン冠面は気筒内部の上壁面ぎりぎりまで上昇する。このとき、ピストン冠面に設けられた凹状空間部は、気筒内部の上壁面で蓋をされる形になり、略密閉された空間を形成する。この空間が本発明における燃焼室として機能する。
【００１１】
このような構成においてはピストン冠面が上壁面ぎりぎりまで上昇することによりスキッシュ流が強くなるという利点がある一方、この状態で、吸気弁が開弁して下降すると、該吸気弁とピストンが干渉するという不具合が起こるおそれがある。そこで本発明においては、前記凹状空間部の位置を少なくとも一つの吸気弁と対向させ、その吸気弁については開弁時に、吸気弁が前記凹状空間部に進入することにより、その吸気弁とピストンとの干渉を防止することとしている。従って、少なくともその吸気弁についてはバルブリセスを、燃焼室として機能する凹状空間部と別に設ける必要がない。
【００１２】
すなわち、ピストンの冠面に設けた凹状空間部の面積及び形状を、それと対向する吸気弁の位置及び大きさに適合させることにより、燃焼室として機能する凹状空間部にバルブリセスの機能をも兼用させ、バルブリセスを別途設ける必要性をなくしたものである。
【００１３】
これにより、上死点において気筒の上壁面とピストン冠面との間隙が狭くなるスキッシュエリアの面積を増加させることができ、気筒内に発生するスキッシュ流を強め、リーン燃焼運転時における燃焼安定性を向上させることができるとともに、内燃機関における燃焼効率を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明においては、前記凹状空間部は、その気筒に備えられた吸気弁のうちの一つだけに対向する位置に配置されるようにするのが特に望ましい。
【００１５】
すなわち、凹状空間部の開口面積を小さくし、ピストン冠面におけるスキッシュエリアの面積を大きくした方が圧縮上死点において前記気筒内部の上壁面との間に挟まれることによって移動する筒内ガスの量が増える。これによりスキッシュ流を強めることができるため、前記凹状空間部が対向する吸気弁の数を一つに絞り、凹状空間部の開口面積を可能な限り小さくしたうえで、その吸気弁が下降したときにピストンと干渉する領域に凹状空間部を設けたものである。このことにより、気筒内に発生するスキッシュ流をより強めることができ、リーン燃焼運転における燃焼安定性を向上させることができるとともに、内燃機関における燃焼効率をより向上させることができる。
【００１６】
また、本発明においては、吸気弁の開弁時期及び閉弁時期を変更可能とするバルブタイミング制御手段をさらに備えており、前記内燃機関において前記凹状空間部の配置された位置に対向しない吸気弁がある場合には、バルブタイミング制御手段は、前記凹状空間部と対向しない吸気弁の開弁時期及び閉弁時期を、該吸気弁と前記ピストンとが干渉しないように制御するのがよい。
【００１７】
すなわち、本発明においてピストンに設けられた凹状空間部が、全ての吸気弁に対向した位置に設けられていない場合、ピストンの上死点付近において凹状空間部と対向しない吸気弁が開弁したときにピストンと干渉するおそれがある。従って、凹状空間部と対向しない吸気弁については、バルブタイミング制御手段によってその開弁時期及び閉弁時期を、ピストンの上死点付近において吸気弁がピストンと干渉しないように制御するものである。
【００１８】
具体的には、凹状空間部と対向しない吸気弁は、ピストンの上死点以降に開弁を開始するようにするとよい。このようにバルブタイミングを制御することにより、燃焼室の容積の制限から凹状空間部と対向しないこととなった吸気ポートの吸気弁は、ピストンとの干渉を回避することができる。よって、これらの吸気弁についてバルブリセスを設ける必要がなく、スキッシュエリアを大きくとることができる。結果としてスキッシュ流を強めることができるので、リーン燃焼運転において燃焼安定性を向上させることができるとともに、内燃機関における燃焼効率を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明では、前記内燃機関において前記凹状空間部の配置された位置に対向しない吸気弁がある場合には、前記凹状空間部が配置された位置に対向しない吸気弁が設けられた吸気ポートをスワールポートとし、前記内燃機関が低負荷運転状態にある時は、前記スワールポートから吸気を導入するようにするとよい。
【００２０】
すなわち、内燃機関の低負荷運転状態（以下「低負荷時」という。）においては、全ての吸気ポートを開弁する程の吸入空気量は必要ない。よって、一部の吸気ポートのみから吸気を導入すれば充分である。また、多くの吸入空気量を必要としないので、吸気弁の開弁時期を早める必要もない。このことより、低負荷時はピストンとの干渉を回避するために開弁時期の制限がある、凹状空間部と対向しない吸気弁を稼動することにより吸気を導入することとした。
【００２１】
ここで、低負荷時は、燃料噴射弁から噴射される燃料の量も少ないため、いわゆるリーンリミットが狭くなる傾向がある。すなわち、特にリーン燃焼運転においては燃焼効率及び燃焼安定性を確保することが比較的困難となる。従って、凹状空間部と対向しない吸気弁が設けられた吸気ポートはスワールポートとした。これにより、前述したスキッシュ流に加えて、気筒内にスワールを生成することができ、燃焼室内の空気の流れを強化することができるので、リーン燃焼運転において燃焼安定性を向上させることができ、内燃機関における燃焼効率を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明においては、前記凹状空間部が配置された位置に対向する吸気弁が設けられた吸気ポートを、前記スワールポートと比較して多くの吸入空気を前記気筒内に導入可能な吸入空気量増量ポートとし、前記内燃機関が高負荷運転状態にある時は、前記スワールポート及び前記吸入空気量増量ポートから吸気を導入するとよい。
【００２３】
すなわち、内燃機関が高負荷運転状態にあるとき（以下、「高負荷時」という。）は、吸入空気量を増加させる必要があるため、スワールポートの他、多量の吸入空気を気筒に導入可能な吸入空気量増量ポートからも吸気を導入する。このことにより内燃機関の出力を向上させることができる。
【００２４】
ここで、凹状空間部と対向する吸気ポートを吸入空気量増量ポートとし、凹状空間部と対向しない吸気ポートをスワールポートとしているので、吸入空気量増量ポートに設けられた吸気弁が開弁したときは、吸気弁はピストンの凹状空間部に進入し、ピストンとは干渉しない。従って、ストレートポートに設けられた吸気弁の開弁時期が制限されない。
【００２５】
よって、内燃機関の高負荷時には、前記バルブタイミング制御手段によって吸入空気量増量ポートに設けられた吸気弁の開弁時期を早め、多量の吸入空気量を気筒に導入することが可能となる。
【００２６】
なお、前記の吸入空気量増量ポートとしては、吸入空気量を増加させるために口径を大きくしたスワールポートや、吸入空気を略直線的に気筒内へ導入するストレートポート、さらに口径を大きくしたストレートポートなどを例示することができる。
【００２７】
ここで吸入空気量増量ポートとしてストレートポートを用いるのは、ストレートポートはスワールポートに比較して吸気の吸入経路の形状が単純なため、多くの吸入空気が容易に導入可能であり、さらに吸入空気の吸入経路の形状から、その口径を大きくとることが可能であるからである。また、高負荷時は、燃料噴射弁から噴射される燃料の量も多く、いわゆるリーンリミットが低負荷時に比較して広くなる傾向があるので、気筒内にスワールを生成する必要性も低くなる。従って、吸入空気量を増加させることを優先すると、ストレートポートを用いた方が有利であるからである。
【００２８】
なお、ここで多くの吸入空気を気筒内に導入するとは、換言すると、気筒内への単位時間あたりの吸入空気の量が多いということである。
【００２９】
また、本発明においては上述のように、内燃機関の負荷状態に応じて、スワールポートまたは、スワールポート及び吸入空気量増量ポートの両方から、気筒内へ吸気を導入する。この際、前記バルブタイミング制御手段は、吸入空気量増量ポート及びスワールポートに備えられた吸気弁の開弁時期を内燃機関の負荷の増加に応じて早めるのがよい。具体的には、内燃機関の負荷が高くなるにつれて、吸入空気量増量ポート及びスワールポートに備えられた吸気弁の開弁時期を早くするまたは、内燃機関の高負荷時と判断される場合に上記吸気弁の開弁時期を所定量早くするなどの制御を行うのがよい。
【００３０】
すなわち、内燃機関の負荷が増加するに伴って、要求される吸入空気量も増加するため、上記のように内燃機関の負荷の増加に応じて前記吸気弁の開弁時期を早めることによって、常に内燃機関の負荷に対して充分な吸入空気量を確保することができる。
【００３１】
ここで、吸気弁の開弁時期を変化させる制御は、上記吸入空気量増量ポートに備えられた吸気弁とスワールポートに備えられた吸気弁の両方に対して行ってもよいし、片方に対して行ってもよい。ただし、スワールポートに備えられた吸気弁の開弁時期について制限があるのは前述のとおりである。
【００３２】
また、特に内燃機関が、特に大きなトルクが要求される全負荷運転状態にあるとき（以下、「全負荷時」という。）は、前記バルブタイミング制御手段は、前記吸入空気量増量ポートに設けられた吸気弁の開弁時期を特に早くするとよい。このことによりさらに吸入空気量を増加させることができ、全負荷時においてさらに出力を向上させることができる。
【００３３】
また、本発明においては、前記スワールポートに設けられた吸気弁及び前記吸入空気量増量ポートに設けられた吸気弁を開弁及び閉弁して、スワールポート及び吸入空気量増量ポートから吸気を導入するときに、前記バルブタイミング制御手段は、前記スワールポートに設けられた吸気弁及び前記吸入空気量増量ポートに設けられた吸気弁の閉弁時期が同じになるように制御するとよい。
【００３４】
すなわち、一般的な内燃機関においては、同一の気筒に複数の吸気弁がある場合、その開弁時期及び閉弁時期は同じであることが多い。また、通常、吸気弁の閉弁時期に対して、最適な燃料噴射量や吸入空気量などの適合値を汎用マップ化してＥＣＵ内のＲＯＭに格納しておき、燃料噴射量や吸入空気量などの制御目標値を決定するときには、この汎用マップから燃料噴射量や吸入空気量の適合値の汎用データを読み出して決定している。
【００３５】
しかし、これらの汎用マップは通常、同一気筒の複数の吸気弁については同時に開弁及び閉弁することを前提に作成されているため、前記スワールポートに設けられた吸気弁及び前記吸入空気量増量ポートに設けられた吸気弁の閉弁時期が異なっていたとすると、本発明における内燃機関については適合値の汎用マップが使えないこととなる。したがって、本発明においては、バルブタイミング制御手段は、前記スワールポートに設けられた吸気弁及び前記吸入空気量増量ポートに設けられた吸気弁の閉弁時期が同じになるように制御し、適合値の汎用マップの使用を可能としている。
【００３６】
なお、上記した、課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関を車両駆動用のガソリンエンジンに適用した場合を例に挙げて説明する。
【００３８】
図１は、本実施の形態における内燃機関１の気筒内部を上から見たときの概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態における内燃機関１は、２個の吸気ポート２及び３を有している。その一方はストレートポート２であり、もう一方は、気筒８内にスワールを生成するように吸気を導入するスワールポート３である。そして、それぞれの吸気ポート２及び３と、気筒８との連結部には、開弁動作によってそれぞれの吸気ポート２及び３から気筒８内への空気流動を可能にする吸気弁４及び５が備えられている。
【００３９】
気筒８内のピストン７の冠面において、ストレートポート２に設けられた吸気弁４に対向する部分には凹状空間部７ａが形成されている。この凹状空間部７ａは、吸気弁４より若干大きい開口面積を有しており、吸気弁４が開弁したときに、凹状空間部７ａのなかに進入できるような位置関係及び形状になっている。ここで、斜線で示す領域はいわゆるスキッシュエリア１４である。
【００４０】
図２は、本発明に係る内燃機関１内部の概略構成を示す断面図であり、図１における一点鎖線Ａ−Ａ部付近の断面を示したものである。図２に示す内燃機関１の外郭は、シリンダヘッド１ａ、シリンダヘッド１ａの下部に連結されたシリンダブロック１ｂを備えて構成されている。
【００４１】
シリンダヘッド１ａには、上述したストレートポート２、スワールポート３、吸気弁４及び５が備えられている。また、スワールポート３には、図示しない燃料噴射弁が備えられており、この燃料噴射弁から噴射された燃料は吸気弁５を介して気筒８内に供給される。一方、ストレートポート２には、ストレートポート２を開放または閉鎖することにより、気筒８内に生成されるスワールの強さを制御するスワール制御弁１５が設けられている。また、気筒８の上壁面には、気筒噴射された燃料を燃焼させるための点火プラグ６が備えられている。なお、本実施の形態におけるスワール制御弁１５の役割については後述する。
【００４２】
また、シリンダブロック１ｂは、気筒８に内嵌されたシリンダライナ８ａ及びピストン７を備えて構成される。ピストン７の冠面には前述のように凹状空間部７ａが形成されている。このピストン７はピストンピン１２を介してコネクティングロッド１３の一端と接続され、該コネクティングロッド１３の他端は、内燃機関１の回転軸（クランクシャフト、図示省略）と接続されている。
【００４３】
また、ピストン７は、シリンダライナ８ａに挿入されており、ピストン７とシリンダライナ８ａとの間隙には気密性を高めるためにピストン７の外周にはめ込まれたトップリング９、セカンドリング１０及びオイルリング１１が介在する。
【００４４】
吸気弁４及び５は、内燃機関１の回転軸を駆動源とするカムシャフト（図示省略）のカムの働きにより往復運動を行う。そして、内燃機関１は、内燃機関１の回転軸の回転に対する、カムシャフトの回転の位相を変更することができる可変バルブタイミング機構２０を備えており、前記カムシャフトのカム形状との組み合わせにより、吸気弁４及び５の開弁時期及び閉弁時期を独立に進角または遅角することができるようになっている。本実施の形態において、バルブタイミング制御手段は、上記可変バルブタイミング機構２０及びカムシャフトを含んで構成されるが、これらの構造は公知であるため詳細な説明は省略する。
【００４５】
また、その他に、内燃機関１には、カムシャフトのカムの動きを吸気弁４に機構上伝わらないようにして、吸気弁４の往復運動を停止させる弁停止機構２２が備えられている。弁停止機構２２の構造についても公知でるために詳細な説明は省略する。
【００４６】
さらに、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２５が併設されている。このＥＣＵ２５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。
【００４７】
ＥＣＵ２５には、内燃機関１の運転状態を検出する種々のセンサが電気配線を介して接続され、それらの出力信号がＥＣＵ２５に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ２５には、燃料噴射弁の他、点火プラグ６、スワール制御弁１５、可変バルブタイミング機構２０、弁停止機構２２等が電気配線を介して接続され、上記各部がＥＣＵ２５によって制御されるようになっている。
【００４８】
ここで、内燃機関１において、圧縮行程の終盤すなわち圧縮上死点付近では、ピストン７が上昇し、ピストン７の冠面は、気筒８の上壁面ぎりぎりまで上昇する。このとき、ピストン７の冠面と気筒８の上壁面との間隙は、凹状空間部７ａを除いて狭くなり、間隙が狭くなった領域の筒内ガスが凹状空間部７ａにスキッシュ流として流れ込む。ここでは、凹状空間部７ａ及び、気筒８の上壁面によって燃焼室が形成されている。
【００４９】
本実施の形態における凹状空間部７ａは、前述のように吸気弁４より若干大きい開口面積を有するのみである。従って、ピストン７ａの冠面の面積に対するスキッシュエリアの面積の割合は大きくなっており、強いスキッシュ流を発生させることができる。その結果、この強いスキッシュ流が凹状空間部７ａ内で互いに衝突することによって、燃焼室を形成する凹状空間部７ａ内における吸入空気と燃料との混合をさらに促進することができ、内燃機関１における燃焼効率を向上させることができる。
【００５０】
また、ここで、新気を気筒８内に導入する吸気行程の初期に、ピストン７の排気上死点より早いタイミングで吸気弁４を開弁すると、ピストン７が上昇している状態で吸気弁４が下降する。このときに、本実施の形態における内燃機関１では、吸気弁４が凹状空間部７ａ内に進入することでピストン７との干渉を回避する構成となっている。従って吸気弁４の開弁及び閉弁タイミングにかかわらず、吸気弁４とピストン７ａが干渉することがない。
【００５１】
一方、吸気弁５は、吸気行程において、可変バルブタイミング機構２０によって、排気上死点より遅いタイミングでのみ開弁するように制御される。従って、ピストン７が最も高い位置付近まで上昇している状態では、吸気弁５は下降せず、吸気弁５とピストン７との干渉が回避されている。
【００５２】
従って、本実施の形態においては、吸気弁４についてはその下降時に凹状空間部７ａに進入する構成とすることにより、吸気弁５については、その下降タイミングを排気上死点より遅らせることにより、ピストン７との干渉を回避しているので、ピストン７にバルブリセスを設ける必要がない。これによりピストン７の冠面において凹状空間部７ａ以外に気筒８の上壁面との間隙が広くなる部分がなくなる。従って、凹状空間部７ａの開口面積を抑えていることと相まって、気筒８内に発生するスキッシュ流の強さをさらに向上させることができ、内燃機関１における燃焼効率をさらに向上させることができる。
【００５３】
次に、図３を用いて、本実施の形態における吸気弁４及び５の開弁及び閉弁制御について説明する。本実施の形態においては、内燃機関１の低負荷時には吸気弁５のみを稼動させ、高負荷時には、吸気弁４及び５の両方を稼動させるように制御している。図３（ａ）は、本実施の形態における内燃機関１の低負荷時における吸気弁４及び５の稼動状態を示した図である。同じく同図（ｂ）は、高負荷時、同図（ｃ）は、全負荷時における吸気弁４及び５の稼動状態を示した図である。
【００５４】
図３（ａ）においては、吸気弁５のみを稼動させ、吸気弁４は弁停止機構２２を働かせて停止させている。これは、低負荷時は、燃料噴射弁からの燃料噴射量も少ないため、リーン燃焼運転では、特に燃焼が不安定になり失火するおそれがあることに対応したものである。すなわち、低負荷時にはスワールポート３のみから吸気を気筒８内に導入して、気筒８内にスワールを生成させる。このことにより、本実施の形態における内燃機関１においては、低負荷運転時には、先述の強力なスキッシュ流及びスワールによって、凹状空間部７ａ内の空気の流動を強化することができる。その結果、リーン燃焼運転における内燃機関１の燃焼安定性を向上させることができるとともに、内燃機関１における燃焼効率を向上させることができる。
【００５５】
また、図３（ａ）に示すように、稼動されている方の吸気弁５は、可変バルブタイミング機構２０によって、ピストン７の排気上死点以降に開弁を開始するように制御されている。このことにより、ピストン７が気筒８内で上死点付近に位置する場合には、吸気弁５は開弁しないので、吸気弁５とピストン７との干渉を回避することができる。
【００５６】
次に、内燃機関１における高負荷時の吸気弁４及び吸気弁５の稼動状態について説明する。高負荷時においては、図３（ｂ）に示すように、吸気弁４及び５の両方を稼動させる。これは、高負荷時は、燃料噴射弁からの燃料噴射量が低負荷時と比較して多いので、リーン燃焼運転においても燃焼状態が比較的安定しており、気筒８内でスワールを発生させる必要性が低いこと及び、高負荷時は、機関出力を高めるために気筒８内に導入する吸入空気量を増加させる必要があることによる。
【００５７】
この際、図３（ｂ）に示すように、吸気弁４及び５の開弁タイミングは、低負荷時と比較して早くなるように制御している。これは、吸気弁４及び５の開弁タイミングを早めることにより気筒８内への吸入空気量を増加させるためである。またここで、吸気弁５の開弁開始時は、内燃機関１の排気上死点と略同時になっている。これは、ピストン７の冠面の、スワールポート３に対向する部分にはバルブリセスがないため、これ以上吸気弁５の開弁時期を早くすると吸気弁５とピストン７が干渉するおそれがあるからである。
【００５８】
一方、吸気弁４については、ピストン７の冠面には吸気弁４が進入可能な凹状空間部７ａが設けられているので、排気上死点の前から開弁を開始させることができる。また、吸気弁４及び５の閉弁時期については、略同じ時期になっている。これは、吸気弁４及び５の閉弁時期から、既存の適合値を用いて燃料噴射量などの制御目標値を求めることができるようにするためのものである。
【００５９】
すなわち、通常、吸気弁の開弁及び閉弁時期に対して、最適な燃料噴射量や吸入空気量などの適合値を汎用マップ化して、前述のＥＣＵ２５内のＲＯＭに格納しておき、燃料噴射量や吸入空気量などの制御目標値を決定するときには、このマップから燃料噴射量や吸入空気量の適合値を読み出して決定している。しかしこれらの汎用マップは通常、同一気筒の複数の吸気弁については同時に開弁及び閉弁することを前提に作成されているため、２つの吸気弁４及び５の閉弁時期が異なると、上述の汎用マップが使えなくなってしまう。本実施の形態においては、吸気弁４及び５の閉弁時期を同じにすることにより、適合値の決定において、この汎用マップを使えるようにしている。
【００６０】
次に全負荷時における吸気弁４及び５の稼動状態について図３（ｃ）を用いて説明する。ここで全負荷時とは、いわゆるアクセル全開時であり、内燃機関１に対するトルク要求が最も高い時のことをいう。図３（ｃ）においては、前述の高負荷時と同様、吸気弁４及び５の両方を稼動している。そして、吸気弁４については、図３（ｂ）に示した高負荷時よりもその開弁時期をさらに早くしている。これは、このことにより、吸入空気量をさらに多くするためである。
【００６１】
一方、吸気弁５については、開弁時期は、図３（ｂ）の開弁時期と同じく、内燃機関１の排気上死点と略同時になっている。これは、図３（ｂ）の説明において触れたように、吸気弁５とピストン７との干渉を回避するためである。また、吸気弁４及び５の閉弁時期については、図３（ｂ）に示した高負荷時と同様、略同時となっている。
【００６２】
以上、説明したように、本実施の形態においては、ストレートポート２及びスワールポート３を備える内燃機関１において、ピストン７の冠面の、ストレートポート２に設けられた吸気弁４に対向する部分に、燃焼室としての機能を有し且つ吸気弁４が進入可能な凹状空間部７ａを備え、他にバルブリセスを設けていないので、いわゆるスキッシュエリア１４を広くとることができ、気筒８内で発生するスキッシュ流を強くすることができる。
【００６３】
また、本実施の形態においては、内燃機関１の低負荷時には、吸気弁４を停止し、吸気弁５のみを稼動させるので、スワールポート３のみから気筒８内に吸気が導入され、気筒８内にスワールを生成することができる。したがって、前述の強いスキッシュ流と相まって、低負荷時において、リーン燃焼運転における燃焼安定性を向上させることができるとともに、内燃機関１における燃焼効率を向上させることができる。
【００６４】
また、全負荷時を含む高負荷時には、吸気弁４及び５の両方を稼動させ、さらに低負荷時に比較して開弁及び閉弁タイミングを早めているので、吸入空気量を増加することができ、機関出力の向上を図ることができる。また、ここで、吸気弁５については、開弁時期の制限を設けており、内燃機関１の排気上死点以前に開弁を開始することを禁止しているので、吸気弁５に対向する位置にバルブリセスが設けられていなくても吸気弁５と、ピストン７が干渉することがない。
【００６５】
また、吸気弁４及び５の閉弁時期を同時期に設定しているので、吸気弁４及び５の閉弁時期に対応する適合値として汎用のデータを用いる事ができる。
【００６６】
なお、本実施の形態において、低負荷時は吸気弁４を停止し、吸気弁５のみを稼動させる制御を行ったが、この際、吸気弁４を、弁停止機構２２を用いて停止させるのではなく、吸気弁４を稼動させたまま、スワール制御弁１５を閉弁し、ストレートポート２からの吸気の導入を停止することにより、スワールポート３からのみ吸気を導入するようにしてもよい。
【００６７】
また、本実施の形態における内燃機関１の高負荷時または全負荷時には、吸気弁４及び５の両方について、低負荷時に比較してその開弁時期を早めて吸入空気量を増加させたが、吸気弁４のみの開弁時間を早めるような制御にしてもよい。
【００６８】
さらに、本実施の形態では、本発明における内燃機関をガソリンエンジンに適用した例について説明したが、ディーゼルエンジンに適用してもよいことはもちろんである。
【００６９】
【発明の効果】
上述のように本発明にあっては、内燃機関の気筒内で発生するスキッシュ流を強くすることにより、内燃機関における燃焼効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明における実施の形態に係る内燃機関の気筒内部を上から見たときの概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明における実施の形態に係る内燃機関内部の概略構成を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明における実施の形態に係る内燃機関が低負荷運転状態にある場合の吸気弁４及び５の稼動状態を示した図である。同図（ｂ）は、同内燃機関が高負荷運転状態にある場合の吸気弁４及び５の稼動状態を示した図である。同図（ｃ）は、同内燃機関が全負荷運転状態にある場合の吸気弁４及び５の稼動状態を示した図である。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…ストレートポート
３…スワールポート
４、５…吸気弁
６…点火プラグ
７…ピストン
７ａ…凹状空間部
８…気筒
１２…ピストンピン
１３…コネクティングロッド
１４…スキッシュエリア
１５…スワール制御弁
２０…可変バルブタイミング機構
２２…弁停止機構
２５…ＥＣＵ
【図１】
2005023831.tif 000003
【図２】
2005023831.tif 000004
【図３】
2005023831.tif 000005