(57)【要約】【課題】  ピストンの圧縮行程終了直前に燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を噴射する型式の火花点火内燃機関は、広い運転範囲において安定して成層燃焼を実現することが困難である。【解決手段】  本発明による燃料噴射制御装置は、内燃機関の燃焼室１４の径方向中央部に点火ギャップ２３が配された第１の点火プラグ２４と、この第１の点火プラグ２４に対し燃焼室１４に開口する吸気ポート１６側に偏って点火ギャップ２５が配された第２点火プラグ２６と、この第２の点火プラグ２６を挟んで第１の点火プラグ２４の反対側から燃焼室１４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２８と、この燃料噴射弁２８から噴射された燃料を第１の点火プラグ２４の点火ギャップ２３に導くための窪み３４が燃焼室１４に臨む頂面３３に形成されたピストン１１と、第２の点火プラグ２６の点火ギャップ２５の直下に位置するようにピストン１１の窪み３４に設けられた蓄熱部３６とを具える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された第１の点火プラグと、
この第１の点火プラグに対し前記燃焼室に開口する吸気ポート側に偏って点火ギャップが配された第２点火プラグと、
この第２の点火プラグを挟んで前記第１の点火プラグの反対側から前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
この燃料噴射弁から噴射された燃料を前記第１の点火プラグの点火ギャップに導くための窪みが前記燃焼室に臨む頂面に形成されたピストンと、
前記第２の点火プラグの点火ギャップの直下に位置するように前記ピストンの窪みに設けられた蓄熱部と
を具えたことを特徴とする燃料噴射制御装置。
【請求項２】
内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
この燃料噴射弁からの燃料の噴射方向と交差する方向に点火ギャップが配列する第１および第２の点火プラグと、
これら第１および第２の点火プラグの点火ギャップに前記燃料噴射弁から噴射された燃料を導くための窪みが前記燃焼室に臨む頂面に形成されたピストンと、
前記第１および第２の点火プラグの点火ギャップの直下に位置するように前記ピストンの窪みに設けられた蓄熱部と
を具えたことを特徴とする燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記窪みは、前記燃料噴射弁から前記第１の点火プラグの点火ギャップに沿って延在する大容積部と、前記燃料噴射弁から前記第２の点火プラグの点火ギャップに沿って延在する小容積部とを有し、前記燃料噴射弁から前記第１の点火プラグの点火ギャップまでの距離は、前記燃料噴射弁から前記第２の点火プラグの点火ギャップまでの距離よりも長く設定されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記第１および第２の点火プラグは同時に点火されることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記蓄熱部がチタン，ステンレス鋼，セラミックスの何れかにて形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的広いエンジン負荷範囲に亙って成層燃焼を安定して実現し得る火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃費を改善する手法の一つとして、空燃比をストイキオメトリから外れたリーン傾向に設定して希薄混合気を燃焼させる技術が知られている。この希薄燃焼技術において、点火プラグの点火ギャップの周囲に介在する混合気の燃料密度を他の部分よりも高めた状態で点火プラグを点火させ、混合気を燃焼させるようにした成層燃焼方式は、希薄混合気を燃焼させる場合の失火の危険性を回避することが可能であり、エンジン回転数が低く、かつエンジン負荷も比較的小さな運転領域のみならず、エンジン負荷がより大きな運転領域においても採用することが可能である。この成層燃焼技術で重要となるのは、周囲よりも高濃度の燃料を含む混合気を点火プラグの点火ギャップの周囲に形成することと、全体として見た場合にリーン状態となる混合気を途中で失火させることなく、確実に燃焼を継続させることである。
【０００３】
特許文献１〜３に記載の技術は、何れも内燃機関のピストンの圧縮行程の終了間際に燃焼室内に燃料を直接噴射し、２本の点火プラグの点火ギャップを燃焼室の混合気濃度が異なる場所にそれぞれ位置させたものである。これらは、燃料の噴射量が比較的多いエンジン負荷が中程度での成層燃焼をも安定して行い得るようにしている。
【０００４】
特許文献４に記載の技術は、燃料噴射弁のノズルからピストンの頂面に向けて噴射される燃料を点火プラグの点火ギャップの近傍に導くための窪みをこのピストンの頂面に形成し、圧縮行程の終了間際に燃焼室内に直接噴射された燃料を窪みを介して点火プラクの点火ギャップへと導き、点火プラグによって相対的に高濃度の混合気を燃焼させるようにしている。そして、この場合の失火対策として、液状燃料を微粒化させるための邪魔板状をなす段部を窪みの上端部に突設している。
【０００５】
特許文献５に記載の技術は、ピストンの頂面に形成された窪みの底部にジルコニアなどのセラミック膜を溶射し、内燃機関の燃焼時に発生する熱をこのセラミック膜によって蓄え、燃料噴射弁からの燃料の噴射によって形成される混合気の加熱および気化を促進させるようにしたものである。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２４６８７８号公報
【特許文献２】特開平１１−２４７６６０号公報
【特許文献３】特開２００３−２５４２１６号公報
【特許文献４】特開２０００−２８２８７０号公報
【特許文献５】特開２０００−８８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃焼室内に燃料を直接噴射することにより、空気と燃料とを燃焼室内に別々に供給する直噴型式の内燃機関は、成層燃焼を容易に実現する上で欠かせない構成である反面、この成層燃焼を実施し得る運転領域が比較的狭いという欠点を有する。例えば、エンジン回転数が高い領域においては、燃焼室内での混合気の流速も相対的に速くなるため、点火プラグの点火によって作られた燃焼ガスの火炎核が消され、失火してしまう可能性がある。また、エンジン負荷が比較的高い状態では燃料噴射弁から燃焼室内に供給される燃料量も相対的に多くなるため、全体として希薄混合気であっても点火プラグの点火ギャップ周囲に過濃な混合気が形成される場合があり、点火プラグの点火によって作られた燃焼ガスの火炎核が消され、失火してしまう可能性がある。逆に、エンジン負荷が比較的低い状態では、燃料自体の供給量が根本的に少ないため、燃焼の途中で火炎が消えてしまい、失火する可能性もある。これらの不具合は、何れもエンジンの全運転領域において、所定濃度の燃料を含む混合気がエンジンの毎サイクルで安定して点火プラグの点火ギャップ周囲に到達しないことに起因する。
【０００８】
また、成層燃焼時にはピストンの頂面などにミスト状の燃料が気化せずに付着し、これが燃焼して排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯなどの割合を多くしてしまう傾向がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の形態は、内燃機関の燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された第１の点火プラグと、この第１の点火プラグに対し前記燃焼室に開口する吸気ポート側に偏って点火ギャップが配された第２点火プラグと、この第２の点火プラグを挟んで前記第１の点火プラグの反対側から前記燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁から噴射された燃料を前記第１の点火プラグの点火ギャップに導くための窪みが前記燃焼室に臨む頂面に形成されたピストンと、前記第２の点火プラグの点火ギャップの直下に位置するように前記ピストンの窪みに設けられた蓄熱部とを具えたことを特徴とする燃料噴射制御装置にある。
【００１０】
本発明において、ピストンの圧縮行程終了直前に燃料噴射弁から噴射された燃料は、圧縮状態にある吸気と混合気を形成しつつピストンの頂面に形成された窪みに沿って第１の点火プラグの点火ギャップ側へと流れる。この時、窪みに形成された蓄熱部とその上方に位置する第２の点火プラグの点火ギャップとの間に介在する混合気中の燃料は、燃焼室内での混合気の燃焼によって蓄えられた蓄熱部からの熱によって気化が促進され、第１および第２の点火プラグを点火することによって、これらの点火ギャップの周囲に介在する混合気の燃焼が確実に行われる。
【００１１】
本発明の第２の形態は、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁からの燃料の噴射方向と交差する方向に点火ギャップが配列する第１および第２の点火プラグと、これら第１および第２の点火プラグの点火ギャップに前記燃料噴射弁から噴射された燃料を導くための窪みが前記燃焼室に臨む頂面に形成されたピストンと、前記第１および第２の点火プラグの点火ギャップの直下に位置するように前記ピストンの窪みに設けられた蓄熱部とを具えたことを特徴とする燃料噴射制御装置にある。
【００１２】
本発明において、燃料噴射弁から噴射された燃料は、圧縮状態にある吸気と混合気を形成しつつピストンの頂面に形成された窪みに沿って第１および第２の点火プラグの点火ギャップ側へと流れる。この時、窪みに形成された蓄熱部とその上方に位置する第１および第２の点火プラグの点火ギャップとの間に介在する混合気中の燃料は、燃焼室内での混合気の燃焼によって蓄えられた蓄熱部からの熱によって気化が促進され、第１および第２の点火プラグを点火することによって、これらの点火ギャップの周囲に介在する混合気の燃焼が確実に行われる。
【００１３】
本発明の第２の形態による燃料噴射制御装置において、窪みは、燃料噴射弁から第１の点火プラグの点火ギャップに沿って延在する大容積部と、燃料噴射弁から第２の点火プラグの点火ギャップに沿って延在する小容積部とを有し、燃料噴射弁から第１の点火プラグの点火ギャップまでの距離を燃料噴射弁から第２の点火プラグの点火ギャップまでの距離よりも長く設定することが有効である。
【００１４】
本発明の第１および第２の形態による燃料噴射制御装置において、第１および第２の点火プラグを同時に点火することが好ましいが、車両の運転条件などによってはこれらの点火時期をずらすことも可能である。
【００１５】
蓄熱部として、ピストンを構成するアルミニウム合金よりも熱伝導率の悪い材料、例えばチタン，ステンレス鋼，セラミックスなどを利用することができる。また、この蓄熱部は上述した材料の溶射による他、他の周知の方法によってピストンの窪みの底の所定箇所に形成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第１の形態の燃料噴射制御装置によると、内燃機関の燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された第１の点火プラグと、この第１の点火プラグに対し燃焼室に開口する吸気ポート側に偏って点火ギャップが配された第２点火プラグと、この第２の点火プラグを挟んで第１の点火プラグの反対側から燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁から噴射された燃料を第１の点火プラグの点火ギャップに導くための窪みが燃焼室に臨む頂面に形成されたピストンと、第２の点火プラグの点火ギャップの直下に位置するようにピストンの窪みに設けられた蓄熱部とを具えているので、この蓄熱部とその上方に位置する第２の点火プラグの点火ギャップとの間に位置し、排気ポート側よりも低温となり易い吸気側ポートに介在する混合気が蓄熱部によって加熱される結果、第２の点火プラグの点火ギャップの周囲に介在する混合気を確実に燃焼させ、より広い運転領域での安定した成層燃焼を実現することができる。
【００１７】
本発明の第２の形態の燃料噴射制御装置によると、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、この燃料噴射弁からの燃料の噴射方向と交差する方向に点火ギャップが配列する第１および第２の点火プラグと、これら第１および第２の点火プラグの点火ギャップに燃料噴射弁から噴射された燃料を導くための窪みが燃焼室に臨む頂面に形成されたピストンと、第１および第２の点火プラグの点火ギャップの直下に位置するようにピストンの窪みに設けられた蓄熱部とを具えているので、蓄熱部と第１および第２の点火プラグの点火ギャップとの間に介在する混合気中の燃料の気化を促進させることができ、これら第１および第２の点火プラグを点火することによって、これらの点火ギャップの周囲に介在する混合気を確実に燃焼させ、安定した成層燃焼を実現することができる。
【００１８】
窪みが、燃料噴射弁から第１の点火プラグの点火ギャップに沿って延在する大容積部と、燃料噴射弁から第２の点火プラグの点火ギャップに沿って延在する小容積部とを有し、燃料噴射弁から第１の点火プラグの点火ギャップまでの距離を燃料噴射弁から第２の点火プラグの点火ギャップまでの距離よりも長く設定した場合、エンジン負荷が比較的大きな場合に大容積部に介在する混合気をより確実に燃焼させることができ、逆にエンジン負荷が比較的小さい場合に小容積部に介在する混合気をより確実に燃焼させることができ、広いエンジン負荷に対して成層燃焼を実現することができる。
【００１９】
第１および第２の点火プラグを同時に点火した場合、より確実に混合気を燃焼させることができる。
【００２０】
蓄熱部をチタン，ステンレス鋼，セラミックスの何れかにて形成した場合、燃焼室内での燃焼に伴う熱を効率良く蓄熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明による燃料噴射制御装置を火花点火内燃機関に応用した実施形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限らず、これらをさらに組み合わせたり、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。
【００２２】
本発明による第１の実施形態の概略構造を図１に示し、そのII−II矢視断面構造を図２に模式的に示し、その制御ブロックを図３に示す。すなわち、ピストン１１が摺動自在に嵌め込まれるシリンダ１２を形成したシリンダブロック１３には、ピストン１１との間に燃焼室１４を画成するシリンダヘッド１５が取り付けられている。
【００２３】
このシリンダヘッド１５には、一対の吸気ポート１６と一対の排気ポート１７とが燃焼室１４に臨むように形成され、これら吸気ポート１６の開口端および排気ポート１７の開口端には弁座１８がそれぞれ形成され、ピストン１１の往復運動、つまり図示しないクランク軸の回転運動に連動して所定のタイミングにて往復動する吸気弁１９および排気弁２０により、吸気ポート１６および排気ポート１７が燃焼室１４に対して連通するようになっている。吸気弁１９および排気弁２０の各弁棒２１は、シリンダヘッド１５に嵌着された軸受スリーブ２２に対してそれぞれ摺動可能に保持されている。
【００２４】
また、このシリンダヘッド１５には、点火ギャップ２３が燃焼室１４の径方向中央部に臨むように配された第１点火プラグ２４と、この第１点火プラグ２４の点火ギャップ２３よりも吸気ポート１６側に点火ギャップ２５が位置するように配された第２点火プラグ２６とが取り付けられている。これら２つの点火プラグ２４，２６の点火ギャップ２３，２５には、ピストン１１の往復運動、つまり図示しないクランク軸の回転運動に連動して所定のタイミングにて同時に高電圧が印加され、燃料の点火動作を行うようになっている。
【００２５】
さらにこのシリンダヘッド１５には、第１および第２点火プラグ２４，２６の点火ギャップ２３，２５と一直線状をなすように燃焼室１４の外周縁部にノズル２７が臨む燃料噴射弁２８が設けられている。この燃料噴射弁２８もピストン１１の往復運動、つまり図示しないクランク軸の回転運動に連動して所定のタイミングにて燃料を燃焼室１４内に直接噴射するようになっている。
【００２６】
燃料噴射弁２８からの燃料の噴射量やその噴射タイミングおよび第１，第２点火プラグ２４，２６の点火時期などは、運転者によって踏み込まれる図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２９からの検出信号と、車両の走行速度を検出する車速センサ３０からの検出信号と、クランク軸の回転位相を検出するクランク角センサ３１からの検出信号とに基づき、制御装置３２によってあらかじめ設定された関係にて制御されるようになっている。本実施形態における燃料噴射弁２８からの燃料の噴射タイミングは、２種類設定されている。すなわち、その一方は車速が比較的高速でアクセルペダルの踏み込み量が比較的少ない低負荷運転時に対応するものであり、ピストン１１の圧縮行程終了間際に燃料がリーン傾向となるように噴射して第１点火プラグ２４の点火ギャップ２３の周囲にストイキオメトリとなるような比較的燃料密度の高い領域を形成し、成層燃焼を実現する。また、他方は車速が比較的低速でアクセルペダルの踏み込み量が比較的大きな高負荷運転時に対応するものであり、ピストン１１の吸気行程時に燃焼室１４内に燃料がストイキオメトリとなるように噴射して燃焼室１４全域に燃料を均一に分散させ、いわゆる均質燃焼を実現する。
【００２７】
シリンダ１２内を往復動するピストン１１の頂面３３には、燃料噴射弁２８と第１点火プラグ２４の点火ギャップ２３とを結ぶ方向に沿って延在する窪み３４が形成されている。この窪み３４は、ピストン１１の圧縮行程終了間際に燃料噴射弁２８からの燃料が噴射された場合、燃焼室１４にシリンダ１２の軸線を含む平面に沿った燃料の旋回流、つまり図１中、上下方向の燃料の旋回流を形成し、第１点火プラグ２４の点火ギャップ２３近傍に燃料の比較的高密度な領域を形成するための燃料の噴射流路となる。つまり、ピストン１１の圧縮行程終了間際に燃料噴射弁２８から窪み３４に向けて燃料が噴射されると、燃料噴射弁２８のノズル２７と対向する窪み３４の縦壁３５によって燃料が第１点火プラグ２４の点火ギャップ２３近傍に導かれ、周囲に対して燃料密度が比較的高い領域が形成され、成層燃焼時における燃料の着火性を高めることができる。
【００２８】
また、この窪み３４の底の第２点火プラグ２６の点火ギャップ２５の直下には、燃焼室１４内での混合気の燃焼によって発生する熱の一部を蓄え、これによって燃料の気化を促進させるための蓄熱部３６が設けられている。本実施例における蓄熱部３６は、アルミニウム合金製のピストン１１に形成された窪み３４の底の所定位置にチタンを溶射することによって形成している。この蓄熱部３６の存在により、これと第２点火プラグ２６の点火ギャップ２５との間に介在する燃料の気化が促進され、第２点火プラグ２６を点火した場合におけるその点火ギャップ２５の周囲に介在する混合気の着火性が改善され、排気ガス中に含まれるＨＣやＣＯなどの割合を削減することができる。このため、従来のものよりも成層燃焼を行う運転領域を拡げることが可能となり、燃費の改善を企図することができる。
【００２９】
上述した実施形態では、燃料噴射弁２８からの燃料の噴射方向に沿って第１および第２の点火プラグ２４，２６を配置したが、燃料の噴射方向に対して交差する方向に第１および第２の点火プラグを配置することも可能である。
【００３０】
このような本発明による燃料噴射制御装置の第２の実施形態の概略構造を図４に示し、そのＶ−Ｖ矢視断面構造を図５に模式的に示す。ただし、先の実施形態と同一機能の要素には、これと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、本実施形態では、第１および第２の点火プラグ３７，３８の各点火ギャップは、燃料噴射弁２８のノズル２７から燃焼室１４内への燃料の噴射方向に対して交差する方向（図５中、上下方向）に沿って並ぶように、これら第１および第２の点火プラグ３７，３８がシリンダヘッド１５に装着されている。また、燃料噴射弁２８のノズル２７から図中、手前側の第１点火プラグ３７の点火ギャップ３９までの距離は、燃料噴射弁２８のノズル２７から図中、奥側の第２点火プラグ３８の点火ギャップ４０までの距離よりも長めに設定されている。これに伴い、ピストン１１の頂面３３に形成される窪み３４の図５中、左右方向に沿った長さも異なっており、燃料噴射弁２８のノズル２７から第１点火プラグ３７の点火ギャップ３９に沿った窪み３４の長さは、燃料噴射弁２８のノズル２７から第２点火プラグ３８の点火ギャップ４０に沿った窪み３４の長さよりも長く設定されている。これら窪み３４の底には、ステンレス鋼を溶射してなる蓄熱部４１が第１，第２点火プラグ３７，３８の直下にそれぞれ形成されているが、第１点火プラグ３７の直下に位置する蓄熱部４１の面積は、第２点火プラグ３８の直下に位置する蓄熱部４１の面積よりも大きく設定されている。
【００３１】
従って、車速が比較的低速でアクセルペダルの踏み込み量が比較的大きな高負荷運転時には、ピストン１１の吸気行程時に燃料噴射弁２８から燃焼室１４内に燃料がストイキオメトリとなるように噴射して燃焼室１４全域に燃料を均一に分散させ、均質燃焼を実現する。逆に、車速が比較的高速でアクセルペダルの踏み込み量が比較的少ない低負荷運転時には、ピストン１１の圧縮行程終了間際に燃料噴射弁２８から燃料がリーン傾向となるように噴射して第２点火プラグ３８の点火ギャップ４０の周囲にストイキオメトリとなるような比較的燃料密度の高い領域を形成し、成層燃焼を実現する。何れの場合においても第１および第２点火プラグ３７，３８を同時に点火し、これらの点火ギャップ３９，４０と蓄熱部４１との間に介在する燃料の気化が促進された混合気に対し、より確実な着火性を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による燃料噴射制御装置の一実施形態の概略構造を模式的に表す断面図である。
【図２】図１中のII−II矢視断面図である。
【図３】図１に示した燃料噴射制御装置の制御ブロック図である。
【図４】本発明による燃料噴射制御装置の他の実施形態の概略構造を模式的に表す断面図である。
【図５】図４中のV−V矢視断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１  ピストン
１２  シリンダ
１３  シリンダブロック
１４  燃焼室
１５  シリンダヘッド
１６  吸気ポート
１７  排気ポート
１８  弁座
１９  吸気弁
２０  排気弁
２１  弁棒
２２  軸受スリーブ
２３  点火ギャップ
２４  第１点火プラグ
２５  点火ギャップ
２６  第２点火プラグ
２７  ノズル
２８  燃料噴射弁
２９  アクセル開度センサ
３０  車速センサ
３１  クランク角センサ
３２  制御装置
３３  頂面
３４  窪み
３５  縦壁
３６  蓄熱部
３７，３８  点火プラグ
３９，４０  点火ギャップ
４１  蓄熱部
【図１】
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【図２】
2005163729.tif 000004
【図３】
2005163729.tif 000005
【図４】
2005163729.tif 000006
【図５】
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