(57)【要約】    【課題】  機関の高速運転時であっても、点火時期付近において適切な成層混合気を形成できる筒内直接噴射式火花点火機関を提供する。    【解決手段】  成層燃焼モード時であって機関回転速度が高い領域（成層燃焼モード（２））では、タンブル流又はスワール流を強化することで、ピストンから燃焼室上面に向かう上昇流を強化し、更に、吸気バルブの閉時期を吸気下死点に近づけて筒内ガス密度を増加させることで、燃料噴霧速度を低下させる。高回転速度時に燃料噴霧速度を低下させることで、ピストン冠面に燃料噴霧が衝突する以前に可燃混合気を点火プラグ周りに形成させることが可能となり、更に、ピストン冠面上への燃料付着量を低減できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁が燃焼室上面の略中央に設置されると共に、ピストン冠面に前記燃料噴射弁の中心軸と略同一中心軸にキャビティが形成される筒内直接噴射式火花点火機関において、
成層燃焼時に、高回転速度時の燃料噴霧速度を低回転速度時に比して低下させることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項２】
筒内流動を強化することで、燃料噴霧速度を低下させることを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項３】
前記筒内流動が、ピストンから燃焼室上面へ向かう上昇流であることを特徴とする請求項２記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項４】
タンブル流動を強化することで、前記筒内流動を強化することを特徴とする請求項２又は３記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項５】
スワール流動を強化することで、前記筒内流動を強化することを特徴とする請求項２又は３記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項６】
燃料噴射期間中における筒内ガス密度を増加させることで、前記燃料噴霧速度を低下させることを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項７】
吸気バルブの閉時期を吸気下死点に近づけることで、燃料噴射期間中における筒内ガス密度を増加させることを特徴とする請求項６記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項８】
燃料噴射時期を遅角することで、燃料噴射期間中における筒内ガス密度を増加させることを特徴とする請求項６記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項９】
前記キャビティ周壁の開放側端部が、前記燃料噴射弁の噴霧方向とシリンダ軸線と平行な線とで挟まれる角度範囲を指向するよう形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【請求項１０】
前記キャビティの底面がプラグギャップに相対する方向に傾斜していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式火花点火機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火機関に関し、詳しくは、点火時期付近において適切な成層混合気を点火プラグ周りに形成するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、筒内直接噴射式火花点火機関としては、特許文献１に開示されるようなものがあった。
【０００３】
このものは、ピストンキャビティの略真上に燃料噴射弁を配置し、燃料噴霧をピストンキャビティの周壁に衝突させることで、ピストンキャビティの中心部に向かう噴霧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形成する構成である。
【特許文献１】特開平１１−０８２０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ピストンキャビティの周壁に燃料噴霧を衝突させるタイミングで燃料噴射を開始すると、機関の高速運転時には、燃料噴射から点火までの時間を短くなるため、点火時期付近において適切な成層混合気を点火プラグ周りに形成できなくなってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、機関の高速運転時であっても、点火時期付近において適切な成層混合気を点火プラグ周りに形成できる筒内直接噴射式火花点火機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのため、本発明に係る筒内直接噴射式火花点火機関では、燃料噴射弁が燃焼室上面の略中央に設置されると共に、ピストン冠面に前記燃料噴射弁の中心軸と略同一中心軸にキャビティが形成される筒内直接噴射式火花点火機関において、成層燃焼時に、高回転速度時の燃料噴霧速度を低回転速度時に比して低下させる構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成によると、低回転速度時は、燃料噴霧の循環流を利用して点火プラグ周りに可燃混合気を形成し、高回転速度時は、燃料噴霧速度を低下させることで、ピストン冠面に燃料噴霧が衝突する以前に可燃混合気を点火プラグ周りに形成させることが可能となり、更に、ピストン冠面上への燃料付着量を低減することが可能となる。
【０００８】
尚、本願における燃料噴霧速度の低下とは、燃料噴射弁のノズル出口部における噴射速度を変えるものではなく、ピストン冠面への衝突までの燃料噴霧速度を低下させることを示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関を示す。
【００１１】
この図１において、内燃機関１は、シリンダヘッド２，シリンダブロック３及びピストン４により構成される燃焼室５を有する。
【００１２】
前記燃焼室５には、吸気バルブ６を介して吸気ポート７から新気が導入され、排気は、排気バルブ８を介して排気ポート９から排出される。
【００１３】
前記吸気バルブ６を開閉駆動する吸気カム軸１０には、クランクシャフト（図示省略）に対する吸気カム軸１０の位相を可変とすることで、作動角一定で吸気バルブ６の位相を可変とする可変バルブタイミング機構１１が備えられている。
【００１４】
また、前記吸気カム軸１０のカム軸端には、前記吸気カム軸１０を介して機関駆動される燃料ポンプ１２が配置されている。
【００１５】
前記燃料ポンプ１２により加圧された燃料は、燃料配管１３を介して、燃焼室５上面の略中央に設置される燃料噴射弁１４に供給される。
【００１６】
前記ピストン４冠面の燃料噴射弁１４に対向する部分には、前記燃料噴射弁１４の中心軸と略同一中心軸に円形のキャビティ４ａが形成されており、成層運転条件において、燃料噴射弁１４から噴射された燃料は、主に前記キャビティ４ａ内及びその上空部分に成層化された混合気塊を形成する。
【００１７】
燃焼室５上面の前記燃料噴射弁１４に隣接する排気バルブ８側には、点火プラグ１５が配置されており、該点火プラグ１５により混合気が点火・燃焼せしめられる。
【００１８】
尚、図２に示すように、前記キャビティ４ａ周壁４ｂの開放側端部が、前記燃料噴射弁１４の噴霧方向とシリンダ軸線と平行な線とで挟まれる角度範囲を指向するように形成することが好ましく、更に、前記キャビティ４ａの底面４ｃを前記点火プラグ１５のプラグギャップに相対する方向に傾斜させることが好ましく、これにより、キャビティ４ａに衝突した燃料噴霧を、点火プラグ１５近傍に指向させることができる。
【００１９】
また、吸気ポート７には、筒内流動（タンブル流動又はスワール流動）の強度を変化させるための流動制御バルブ１６が設置されている。
【００２０】
前記筒内直接噴射式火花点火機関１は、マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２１にて統合的に制御される。
【００２１】
前記ＥＣＵ２１には、クランク角センサ２２，冷却水温センサ２３，アクセル開度センサ２４からの検出信号が入力され、これらの信号を基に各制御を行う。
【００２２】
また、前記機関１の燃焼形態として、圧縮行程中（特に圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことで、リーン運転を実現して燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行い、ストイキ運転（理論空燃比運転）を実現する均質燃焼モードとが設けられており、運転状態に応じて前記成層燃焼モードと均質燃焼モードとのいずれかが選択されるようになっている。
【００２３】
更に、前記成層燃焼モードには、燃料噴霧のピストン冠面への衝突速度が十分に速く、噴霧自身の運動エネルギーによって前記キャビティ４ａを介して循環流を形成して可燃混合気を点火プラグ１５周りに形成する成層燃焼モード（１）と、燃料噴霧のピストン冠面への衝突速度を低下させ、ピストン冠面衝突前に可燃混合気を点火プラグ１５周りに形成する成層燃焼モード（２）とが設定されている。
【００２４】
図３のフローチャートは、前記ＥＣＵ２１による燃焼モードの設定、及び、燃料噴霧速度の制御を示す。
【００２５】
まず、ステップＳ１では、クランク角信号，アクセル開度信号等から、機関１の回転速度，負荷を検出する。
【００２６】
次にステップＳ２では、機関１の運転条件に基づいて、成層燃焼モード（１），成層燃焼モード（２），均質燃焼モードの選択を行う。
【００２７】
前記燃焼モードの選択は、機関回転速度及び機関負荷と燃焼モードとの関係を予め記憶させておいたマップ（図４参照）に基づいて行われる。
【００２８】
前記燃焼モードマップにおいては、高回転・高負荷域が均質燃焼モードに設定され、低負荷・低回転域が成層燃焼モードに設定され、更に、成層燃焼モード域が所定回転速度に基づいて低回転速度域と高回転速度域とに分割され、低回転速度域が成層燃焼モード（１）に、高回転速度域が成層燃焼モード（２）に設定される。
【００２９】
ステップＳ２で、成層燃焼モード（１）が選択された場合はステップＳ３へ、成層燃焼モード（２）が選択された場合はステップ４へ、均質燃焼モードが選択された場合にはステップＳ５へ進む。
【００３０】
ステップＳ５へ進んだ場合には、吸気行程中の燃料噴射によりストイキ運転（理論空燃比運転）を行わせ、ステップＳ３，４へ進んだ場合には、圧縮行程中の燃料噴射によりリーン運転を行わせるが、高回転速度域の成層燃焼モード（２）においては、更に、ステップＳ６，７の処理を行わせる。
【００３１】
ステップＳ６では、機関回転速度に応じて前記流動制御バルブ１６の開度制御を行う。
【００３２】
前記開度制御においては、機関回転速度とバルブ開度との関係を予め記憶させておいたテーブル（図５参照）に基づいて、前記流動制御バルブ１６の目標開度を設定し、該目標開度に基づいて前記流動制御バルブ１６を開閉駆動するアクチュエータ（図示省略）を制御する。
【００３３】
ここで、前記流動制御バルブ１６の目標開度は、機関回転速度が高くなるほど、より小さい開度に設定され、機関回転速度が高くなるほど、スワール流動又はタンブル流動がより強化される。
【００３４】
また、ステップＳ７では、機関回転速度に応じて吸気バルブ６の閉時期を制御する。
【００３５】
前記閉時期制御においては、機関回転速度と吸気バルブ６の閉時期との関係を予め記憶させておいたテーブル（図６参照）に基づいて、前記吸気バルブの目標閉時期（換言すれば、吸気バブル６の開期間の目標位相）を設定し、該目標閉時期（目標位相）に基づいて前記可変バルブタイミング機構１１を制御する。
【００３６】
ここで、前記吸気バルブ６の目標閉時期は、機関回転速度が高くなるほど、より進角設定される。
【００３７】
尚、ステップＳ６，７の目標開度，目標閉時期の設定は、機関回転速度に対して連続的に変化するのではなく、段階的に切り換える構成であっても良い。
【００３８】
前記ステップＳ６，７は、いずれも燃料噴霧速度を低下させる処理である。
【００３９】
即ち、ステップＳ６では、前記タンブル流動又はスワール流動の強化によって、ピストン４から燃焼室５上面に向かう筒内流動（上昇流）を強化し、燃料噴射弁１４の噴霧方向に逆行する向きの流れである前記上昇流によって、燃料噴射弁１４からの燃料噴霧の速度を低下させる。
【００４０】
前記流動制御バルブ１６によって筒内のタンブル流動が強化される場合には、ピストン４から燃焼室５上面に向かう上昇流を効果的に強化することが可能であり、また、前記流動制御バルブ１６によって筒内のスワール流動が強化される場合には、上死点付近でのスキッシュ流と相まって上昇流の形成が可能である。
【００４１】
また、ステップＳ７では、吸気バルブ６の目標閉時期を進角させて吸気下死点に近づけることで、圧縮行程中の筒内圧、換言すれば、筒内ガス密度が高められ、これにより、燃料噴霧が周囲空気へ受け渡す運動エネルギーが増加し、結果、燃料噴霧の速度が低下する。
【００４２】
本実施形態では、吸気バルブ６の閉時期を可変とするための可変バルブタイミング機構１１を用いる構成としたが、吸気バルブ６を電磁アクチュエータで開閉駆動する構成の動弁機構を用いる構成や、カムの切り換えによって閉時期を段階的に切り換える構成であっても良い。
【００４３】
尚、燃料噴射弁１４の圧縮行程中の噴射時期を遅角化すれば、それだけ筒内圧が高く、筒内ガス密度が高い状態で燃料噴射が行われることになるから、燃料噴霧の速度を低下させることができ、ステップＳ６及び／又はステップＳ７に代えて、また、ステップＳ６及び／又はステップＳ７に加えて、噴射時期の遅角化を行わせることができる。
【００４４】
但し、燃料噴霧速度の低下手段を、上記に限定するものではなく、公知の手段を適宜用いることが可能である。
【００４５】
図７は、成層燃焼モードでの低回転速度時の筒内混合気挙動、及び、高回転速度時で燃料噴霧速度を低下させる制御を行った場合とそうでない場合との筒内混合気挙動を示す。
【００４６】
尚、図７は、燃料噴霧がキャビティ中心軸から周壁面方向へと成長する外巻循環流を形成する際の概念図を示す。
【００４７】
機関回転速度が低速であるときには、燃料を噴射してから点火までの時間が十分にあるため、点火時期付近において良好な混合気を点火プラグ１５周りに形成することが可能である。
【００４８】
一方、高速運転時において、燃料噴霧速度を低下させる制御を行わなかった場合、燃料を噴射してから点火までの時間が短くなり、図７に示すように点火時期付近において良好な混合気が点火プラグ１５周りに形成されない。
【００４９】
これに対し、燃料噴霧速度を低下させる制御を行うことで、ピストン冠面に燃料噴霧が衝突する以前に可燃混合気を点火プラグ１５周りに形成させることが可能となり、更に、ピストン冠面上への燃料付着量を低減することが可能となる。
【００５０】
図８は、燃料噴霧がピストン冠面衝突後にキャビティ周壁面から中心軸方向へと成長する内巻循環流を形成する際の概念図を示す。
【００５１】
図８に示す内巻循環流の場合も外巻循環流の場合と同様に、成層燃焼モードの高速運転時に、燃料噴霧速度を低下させる制御を行うことにより、点火時期付近において点火プラグ１５周りに良好な混合気を形成することが可能となる。
【００５２】
図９は、高速成層燃焼モード（２）において、タンブル流の強化によって、燃料噴霧速度を低下させた場合の筒内混合気挙動を、低速成層燃焼モード（１）での筒内混合気挙動と対比して示す図である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関のシステム構成図。
【図２】実施形態におけるキャビティ形状を示す部分拡大図。
【図３】実施形態における燃焼モードの選択制御及び燃料噴霧速度の低下制御を示すフローチャート。
【図４】実施形態における燃焼モードマップを示す線図。
【図５】実施形態における流動制御バルブの目標開度テーブルを示す線図。
【図６】実施形態における吸気バルブの目標閉時期テーブルを示す線図。
【図７】実施形態における内巻循環流での筒内混合気挙動を示す状態図。
【図８】実施形態における外巻循環流での筒内混合気挙動を示す状態図。
【図９】実施形態においてタンブル流の強化により燃料噴霧速度を低下させる場合の筒内混合気挙動を示す状態図。
【符号の説明】
【００５４】
１…内燃機関
２…シリンダヘッド
３…シリンダブロック
４…ピストン
４ａ…キャビティ
５…燃焼室
６…吸気バルブ
１１…可変バルブタイミング機構
１４…燃料噴射弁
１５…点火プラグ
１６…流動制御バルブ
２１…エンジンコントロールユニット
【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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