(57)【要約】  【課題】  より広い運転範囲において、燃費や排気エミッションに優れた成層燃焼運転を行う。  【解決手段】  燃焼室上面の中心位置に、燃料噴射弁と点火プラグとが配置され、ピストンの冠面の中心位置に、キャビティが形成される。成層燃焼モードとして、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モード（モード１）と、燃料噴射終了後ピストンを経由した燃料に点火する第２の成層運転モード（モード２）と、の２つの成層燃焼モードを有している。機関回転速度が低く、かつ機関負荷が高い領域では、モード２による運転、機関回転速度が高く、かつ機関負荷の低い領域では、モード１による運転を行う。スワール制御弁などのスワール生成手段を有し、同一の運転条件に対し、モード１の方がモード２よりも強いスワールを与える。  【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室上部に点火プラグと燃料噴射弁とを有し、かつピストン冠面の略中心付近にキャビティを有するとともに、筒内にスワールを生成するスワール生成手段を備えてなる筒内直接噴射式内燃機関において、
燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モードと、燃料噴射終了後、ピストンを経由した燃料に点火する第２の成層運転モードと、を有し、
これらの２つの成層運転モードを、機関運転条件に応じて切り換えるとともに、
同一運転条件に対し、上記第２の成層運転モードにおけるスワール強度に比較して上記第１の成層運転モードにおけるスワール強度を相対的に高く与えることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
機関回転速度が所定値よりも低い場合に、上記第２の成層運転モードとし、機関回転速度が所定値よりも高い場合に、上記第１の成層運転モードとするとともに、同一負荷に対し上記第１の成層運転モードにおけるスワール強度を上記第２の成層運転モードにおけるスワール強度よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
機関負荷が所定値よりも低い場合に、上記第１の成層運転モードとし、機関負荷が所定値よりも高い場合に、上記第２の成層運転モードとするとともに、同一回転速度に対し上記第１の成層運転モードにおけるスワール強度を上記第２の成層運転モードにおけるスワール強度よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
上記第２の成層運転モードにおいては上記スワール生成手段によるスワール生成を行わないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
上記第１の成層運転モードであってもアイドル運転時は上記スワール生成手段によるスワール生成を行わないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
上記スワール生成手段は、吸気ポートに設けられたスワール制御弁から構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
上記スワール生成手段は、吸気ポートに設けられたスワール生成用の副吸気通路から構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒内に燃料を噴射することにより成層燃焼を実現するようにした筒内直接噴射式内燃機関の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、筒内直接噴射式内燃機関の一例が開示されている。この特許文献１の内燃機関は、ピストン冠面にキャビティつまりピストンボウルを凹設するとともに、燃料噴射弁をピストンボウルの真上近傍に配置し、燃料噴霧をピストンボウル周壁面に衝突させ、ピストンボウル中心部へ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ようにしており、これによって燃料消費の低減を図っている。
【特許文献１】特開平１１−８２０２８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような構成においては、ピストンを経由（換言すればピストンと衝突）して形成される成層混合気の大きさは、おおむねピストンキャビティの形状すなわちキャビティ容積によって定まる。
【０００４】
この場合、ある１つの成層運転条件において、安定燃焼を行い、かつ良好な燃費や排気エミッションを実現させようとすると、機関回転速度および負荷の異なる他の成層運転条件においては、良好な燃焼が成立せず、いわゆる跳ね返りが生じる懸念がある。
【０００５】
例えば、機関回転速度が高い場合は、機関回転速度が低い場合と比べて、混合気形成時間に対するクランク角度の進行（ピストン上昇）が相対的に早くなり、仮に同一の燃料噴射時期、燃料噴射期間（これは機関負荷に比例する）では、点火プラグ近傍に可燃混合気が到達しないうちに、所定の点火時期を迎えることになる。機関回転速度が高くなるほど噴射時期を進角側に設定することで上記問題を回避することが考えられるが、早期の噴射では、ピストンキャビティにより燃料噴霧を受け止めることが難しくなる。特に、全負荷領域において吸気行程噴射により均一混合気による燃焼を行うことを考慮すると、ある程度以上の噴霧角（傘角）で噴射される燃料噴霧を用いる必要があり、従って、成層燃焼時に過早な噴射時期に設定することはできない。
【０００６】
また、噴霧を受け止め易いようにキャビティを大開口にした場合には、圧縮比の観点からキャビティの深さが制約されることとなり、十分な深さがないために逆に燃料噴霧を受け止めることが難しくなる。
【０００７】
つまり、上記従来のように、成層燃焼時に常にピストンキャビティを経由した燃料に点火するようにした構成では、機関回転速度の高低に対して、安定かつ良好な燃費，排気の運転を行うことが難しい。
【０００８】
一方、機関負荷の高低について検討すると、常に同一の混合気形成プロセスでは、低い負荷での成層運転においては、点火プラグ近傍の成層混合気がリーンとなり易く、燃焼安定性が悪くなり燃費が悪化する傾向となる。また、高い負荷での成層運転においては、点火プラグ近傍の成層混合気が過濃となり、スモークやＨＣが増加する懸念がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記のような問題を解決するために、成層運転条件の中において、機関回転速度や機関負荷に応じて、さらに２種類の燃焼方式に切り換えるようにし、かつこれと同時に、それぞれの燃焼方式に適した筒内のガス流動を与えるようにしたものである。
【００１０】
すなわち本発明の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室上部に点火プラグと燃料噴射弁とを有し、かつピストン冠面の略中心付近にキャビティを有している。そして、成層燃焼を行う運転モードとして、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モードと、燃料噴射終了後、ピストンを経由した燃料に点火する第２の成層運転モードと、を有している。
【００１１】
ここで、第２の成層運転モードとして燃料噴射終了後にピストンを経由して形成される混合気は、キャビティを経由することにより、十分な気化と混合がなされたのち、キャビティ上空に比較的均一な混合気分布を形成する。これにより、過濃な混合気からのスモークやＣＯの排出の懸念がなく、混合気分布のサイクル変動の影響を受けづらいという利点がある。
【００１２】
しかしながら、機関回転速度の上昇に伴って、均一な混合気形成を十分に行うには、時間が不足となることが懸念される。また、機関回転速度の上昇とともに、筒内流動が強くなることで、混合気が過拡散となり、点火プラグ近傍が過薄となる恐れがある。
【００１３】
さらに、機関負荷が低い場合、キャビティ上空に形成される比較的均一な混合気が可燃空燃比を超えて薄くなり、失火する恐れがある。
【００１４】
一方、第１の成層運転モードとして燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の飛翔中の燃料噴霧は、噴射後直ちに噴霧軸の周囲から、周辺空気と混合および気化により混合気を形成する。このピストンを経由しない混合気は、機関回転速度に拘わらず燃料噴射弁直下に速やかにコンパクトな混合気として形成されるため、機関回転速度に拘わらず安定した成層燃焼を行うことができる。
【００１５】
また、機関負荷が低い場合でも、確実にスパークギャップ付近に燃料（混合気）を配することが可能なため、安定した燃焼が実現できる。
【００１６】
しかしながら、噴射中または噴射終了直後の燃料は、大きな分布を持ち、燃料噴射量の多い高負荷領域では、スパークギャップ周辺の混合気濃度が可燃空燃比を超えて濃くなり、燃焼安定性を悪化させるほか、過濃な混合気からＣＯまたはスモークが排出される恐れがある。
【００１７】
請求項１の発明は、これらの２つの成層運転モードを、内燃機関の運転条件に応じて切り換える。すなわち、機関回転速度や負荷に応じて２つの成層運転モードを切り換えることにより、第１の成層運転モードでの局所的なリッチ混合気によるスモーク排出、第２の成層運転モードでの局所的なリーン混合気による未燃混合気の排出、を抑制できる。そして、上記スワール生成手段により、同一運転条件に対し、上記第２の成層運転モードにおけるスワール強度に比較して上記第１の成層運転モードにおけるスワール強度が相対的に高く与えられる。
【００１８】
これは、第１の成層運転モードと第２の成層運転モードとでは、燃料噴射から点火までの時間が変化するためであり、第１の成層運転モードでは、燃料噴射から点火までの時間が、第２の成層運転モードの場合に比べて非常に短い。そのため、筒内のガス流動により、混合気を拡散させる必要が生じる。このように、第１の成層運転モードにおいて、より強いスワールによって混合気を拡散させることにより、第１の成層運転モードで問題となる局所的なリッチ混合気によるスモーク発生を抑制できる。
【００１９】
より具体的な請求項２の発明では、機関回転速度が所定値よりも低い場合に、上記第２の成層運転モードとし、機関回転速度が所定値よりも高い場合に、上記第１の成層運転モードとする。そして、同一負荷に対し上記第１の成層運転モードにおけるスワール強度を上記第２の成層運転モードにおけるスワール強度よりも高くする。
【００２０】
また請求項３の発明では、機関負荷が所定値よりも低い場合に、上記第１の成層運転モードとし、機関負荷が所定値よりも高い場合に、上記第２の成層運転モードとする。そして、同一回転速度に対し上記第１の成層運転モードにおけるスワール強度を上記第２の成層運転モードにおけるスワール強度よりも高くする。
【発明の効果】
【００２１】
この発明によれば、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストンに衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モードと、燃料噴射終了後、ピストンを経由した燃料に点火する第２の成層運転モードと、を機関運転条件に応じて切り換えることにより、機関の回転速度や負荷に拘わらず、常に安定した成層燃焼を行うことが可能となり、広い運転領域において、燃費および排気エミッションを良好なものとすることができる。そして、同時に、各成層運転モードに対応して、筒内に生成するスワールの強度を異ならせることにより、それぞれの成層運転モードにおける燃焼がより良好なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の一実施例の機械的構成を示している。図示するように、シリンダヘッド１と、シリンダブロック２のシリンダ３と、ピストン４と、によって燃焼室５が形成されている。この燃焼室５は、吸気弁６を介して吸気ポート７と連通し、排気弁８を介して排気ポート９と連通している。吸気弁６は、図示しない吸気弁用カムシャフトによって開閉駆動され、排気弁８は、同じく図示しない排気弁用カムシャフトによって開閉駆動される。
【００２３】
上記燃焼室５の上面つまりシリンダヘッド１側の天井面の略中心位置に、ピストン４ヘ向かって燃料を噴射する燃料噴射弁１１が設けられている。この燃料噴射弁１１の噴霧中心線は、シリンダ中心線とほぼ一致している。そして、この燃料噴射弁１１に隣接して点火プラグ１２が配置されており、そのスパークギャップ１２ａが燃焼室５中央付近に位置している。上記の燃料噴射弁１１および点火プラグ１２は、図示しないエンジンコントロールユニットからの信号に基づいて制御され、機関運転条件に応じた時期に、燃料噴射および点火が行われる。
【００２４】
また、上記燃料噴射弁１１と対向するように、ピストン４の冠面の中心位置に、略円筒状のキャビティ１３が形成されている。このキャビティ１３は、例えばリエントラント型をなし、成層燃焼時には、主としてキャビティ１３内およびその上空に、成層混合気が形成される。
【００２５】
一方、主に成層燃焼時に燃焼室５内に適宜なガス流動を得るために、筒内にスワールを生成するスワール生成手段が設けられている。図４は、スワール生成手段の一例として、一対の吸気ポート７の一方に、バタフライバルブからなるスワール制御弁１５を設けたものであり、このスワール制御弁１５を閉じることにより、シリンダ３内に矢印Ｓで示すようなスワールが生成される。そして、このスワール制御弁１５の開度の調節により、シリンダ３内に生成されるスワールＳの強度を可変制御することができる。
【００２６】
また、図５は、スワール生成手段の異なる実施例として、一方の吸気ポート７の吸気弁６直前位置に、細い副吸気通路１６を開口させ、吸気ポート７上流側から導いた一部の吸気を、シリンダ３の接線方向に沿って噴出させるように構成したものである。この副吸気通路１６からの吸気流によって、シリンダ３内には、矢印Ｓで示すようなスワールが生成される。この副吸気通路１６からの吸気流の流れは、副吸気通路１６に介装した図示しない流量制御弁によって制御されるようになっており、これによって、シリンダ３内に生成されるスワールＳの強度を可変制御することができる。
【００２７】
図４あるいは図５のいずれの実施例でも、過渡時に、大きな応答遅れを伴わずにシリンダ３内のガス流動つまりスワールＳを変化させることができる。
【００２８】
このように構成された本発明の内燃機関では、燃焼形態として、主に圧縮行程中（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、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、運転状態に応じて選択されるようになっている。
【００２９】
さらに、上記の成層燃焼モードの中に、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストン４に衝突する以前の燃料に点火する第１の成層運転モード（モード１）と、燃料噴射終了後ピストン４を経由した燃料に点火する第２の成層運転モード（モード２）と、の２つの成層燃焼モードを有しており、機関回転速度と機関負荷とに応じて両者を切り換えるように、機関の制御が行われる。
【００３０】
まず始めに、本発明における上記２つの成層運転モードにおける混合気形成過程の概略を説明する。
【００３１】
図２は、第１の成層運転モード、つまり、燃料噴射中または燃料噴射終了直後のピストン４に衝突する以前の燃料に点火する成層運転モードでの混合気形成過程を示す。この第１の成層運転モードでは、燃料噴射時期は圧縮上死点近くに設定される。スパークギャップ１２ａは、燃料噴射弁１１先端付近に設置されており、燃料噴射開始直後または燃料噴射終了直後に点火を行う。噴射された燃料のうち、ピストン４に衝突する以前の飛翔中の燃料に点火を行うためである。ここで、図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）の順に示すように、噴射された燃料噴霧は噴霧軸の先端および周辺から、周囲空気との混合により、混合気を形成する。圧縮上死点に近い、比較的遅い噴射時期に設定することにより、燃料噴射時の筒内温度は高く、噴射後の燃料は速やかに気化、混合がなされる。そして、この第１の成層運転モードにおいては、燃料噴射中または直後の、急速に行われる気化・混合の過程において、可燃混合気が形成される噴霧軸周辺の燃料に点火を行う。従って、機関回転速度が高く、燃焼室５上部の燃料噴射弁１１からピストン４を経由して再度燃焼室５上部の点火プラグ１２へと燃料が進むような混合気形成では時間が不足し点火プラグ１２への確実な可燃混合気の輸送が行えない場合や、機関負荷が低く燃料噴射量が少ないためにピストン４に衝突してキャビティ１３内に広がった混合気では混合気濃度が薄すぎるものとなるような場合でも、この第１の成層運転モードによれば、安定した燃焼を実現可能である。
【００３２】
一方、上述のような気化、混合の過程に点火する場合、燃料噴射量が多い条件では、火炎伝播中にも過濃混合気が存在し、燃焼効率や排気エミッションの悪化の恐れがある。
【００３３】
ここで、機関回転速度が高い場合には、機関回転速度に略比例的に増大する筒内のガス流動によって燃料の拡散、混合が相対的に早く進むが、機関回転速度が比較的低く、かつ機関負荷が高い領域では、燃料噴霧が十分に気化、混合する時間を設けることが望ましい。
【００３４】
次に、第２の成層運転モード、つまり燃料噴射終了後ピストン４を経由した燃料に点火する成層運転モードの混合気形成について図３を用いて説明する。図３では、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）の順に混合気形成過程が進行する。また、（ｄ１）は、最後の過程（ｄ）について、負荷が高い場合の様子を示し、（ｄ２）は、負荷が低い場合の様子を示している。
【００３５】
この第２の成層運転モードでは、燃料噴射時期は、燃料噴霧がピストンキャビティ１３に受け止められるように設定され、噴射された燃料噴霧はキャビティ１３底面に衝突する。その後噴霧は、図（ｂ）のように噴霧の貫徹力によってピストンキャビティ１３底面に沿って進行し、燃焼室上空へと向かう。その後、燃焼室５上空をうずのように旋回しつつ、周囲の空気を巻き込みながら、点火プラグ１２近傍のキャビティ１３上空に比較的均質な成層混合気が生成される。
【００３６】
機関負荷が高い場合は、図（ｄ１）のようにキャビティ１３上空に比較的濃い均質混合気が形成され、機関負荷が低くなるほど、図（ｄ２）のようにキャビティ１３上空に形成される混合気濃度が薄くなる。
【００３７】
ここで、形成される混合気濃度は、可燃空燃比の範囲内で、かつ排気エミッションが悪化しないように制御される。つまり、キャビティ１３上空に形成される均質混合気濃度が、排気エミッションが悪化するほどに濃くなる高負荷領域では、キャビティ１３の外に混合気が適量はみ出すように燃料噴射時期および点火時期を制御する。また、キャビティ１３上空に形成される均質混合気濃度が、失火を引き起こす恐れがあるほどにリーンになる場合、キャビティ１３上空全域に混合気が行き渡る以前に、緩やかな空燃比分布を有する混合気に点火を行うように、燃料噴射時期および点火時期を制御する。
【００３８】
機関回転速度および機関負荷に対する燃焼モードの切換を図６に示す。
【００３９】
基本的に、機関回転速度が低く、かつ機関負荷が高い領域では、第２の成層運転モード（モード２）による運転を行い、機関回転速度が高く、かつ機関負荷の低い領域では、第１の成層運転モード（モード１）による運転を行う。なお、所定の機関負荷以上の高負荷域ならびに所定の機関回転速度以上の高速域では、吸気行程噴射による均質燃焼を行う。
【００４０】
図７は、上記の第１の成層運転モードと第２の成層運転モードとからなる成層運転領域内でのスワールの強度の制御特性を示したマップであり、図中の斜線が等スワール強度線を示す。つまり、前述したように、例えばスワール制御弁１５の開度の調節により、シリンダ３内に生成されるスワールＳの強度が可変制御されるが、図７は、その制御目標となるスワール強度を示している。図示するように、第１の成層運転モード内においては、機関回転速度と機関負荷とに応じて、最適なスワール強度が設定されている。同様に、第２の成層運転モード内においても、機関回転速度と機関負荷とに応じて、最適なスワール強度が設定されている。そして、両者の境界においては、最適なスワール強度つまり目標スワール強度に段差があり、同一の運転条件に対し、第１の成層運転モードにおけるスワール強度の方が第２の成層運転モードにおけるスワール強度よりも相対的に高くなっている。これは、第１の成層運転モードと第２の成層運転モードとでは、燃料噴射から点火までの時間が変化するためであり、第１の成層運転モードでは、燃料噴射から点火までの時間が、第２の成層運転モードの場合に比べて非常に短い。そのため、筒内のガス流動により、混合気を拡散させる必要が生じる。このように、第１の成層運転モードにおいて、より強いスワールによって混合気を拡散させることにより、第１の成層運転モードで問題となる局所的なリッチ混合気によるスモーク発生を抑制できる。
【００４１】
図８は、制御の簡略化のために、成層燃焼域の中で、第１の成層運転モードと第２の成層運転モードとを、所定の機関回転速度を境界として切り換えるようにした実施例を示し、図７と同様に、その場合のスワール強度の制御特性を示している。機関回転速度が所定値よりも低い場合に、第２の成層運転モードとし、所定値よりも高い場合に、第１の成層運転モードとする。前述したように、第１の成層運転モード内においては、機関回転速度と機関負荷とに応じて、最適なスワール強度が設定され、第２の成層運転モード内においても、機関回転速度と機関負荷とに応じて、最適なスワール強度が設定されている。そして、両者の境界においては、最適なスワール強度つまり目標スワール強度に段差があり、同一の負荷に対し、第１の成層運転モードにおけるスワール強度の方が第２の成層運転モードにおけるスワール強度よりも相対的に高く与えられる。
【００４２】
図９は、同様に、制御の簡略化のために、成層燃焼域の中で、第１の成層運転モードと第２の成層運転モードとを、所定の機関負荷を境界として切り換えるようにした実施例を示し、図７，図８と同様に、その場合のスワール強度の制御特性を示している。機関負荷が所定値よりも低い場合に、第１の成層運転モードとし、所定値よりも高い場合に、第２の成層運転モードとする。前述したように、第１の成層運転モード内においては、機関回転速度と機関負荷とに応じて、最適なスワール強度が設定され、第２の成層運転モード内においても、機関回転速度と機関負荷とに応じて、最適なスワール強度が設定されている。そして、両者の境界においては、最適なスワール強度つまり目標スワール強度に段差があり、同一の機関回転速度に対し、第１の成層運転モードにおけるスワール強度の方が第２の成層運転モードにおけるスワール強度よりも相対的に高く与えられる。
【００４３】
なお、必要なスワール強度が相対的に低い第２の成層運転モードにおいては、前述したスワール制御弁１５や副吸気通路１６などのスワール生成手段による付加的なスワール生成を停止するようにしてもよい。この場合には、燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧が生成するガス流動によって、燃料混合気の成層状態が形成される。噴霧によって生成されるガス流動は、サイクル変動が小さいため、毎サイクル、安定した燃焼を実現できる。
【００４４】
また、特に、アイドル時には、仮に第１の成層運転モードであっても、スワール制御弁１５や副吸気通路１６などのスワール生成手段による付加的なスワール生成を停止するようにしてもよい。アイドル運転時には、噴射される燃料量が非常に少ないことから、ガス流動によって燃料が拡散してしまい、リーンな混合気場が形成されて未燃燃料量が増加することがある。これに対し、付加的なスワール生成を停止することにより、燃料噴射弁１１から噴射された燃料噴霧が生成するサイクル変動の小さなガス流動のみによって、成層混合気が形成されるため、安定した燃焼を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の一実施例を示す断面図。
【図２】第１の成層運転モードの混合気形成過程を示す説明図。
【図３】第２の成層運転モードの混合気形成過程を示す説明図。
【図４】スワール制御弁を用いたスワール生成手段の説明図。
【図５】副吸気通路を用いたスワール生成手段の説明図。
【図６】運転条件に対する燃焼モードを示す特性図。
【図７】各成層運転モードにおけるスワール強度の制御マップを示す特性図。
【図８】異なる実施例のスワール強度の制御マップを示す特性図。
【図９】さらに異なる実施例のスワール強度の制御マップを示す特性図。
【符号の説明】
【００４６】
４…ピストン
５…燃焼室
１１…燃料噴射弁
１２…点火プラグ
１３…キャビティ
１５…スワール制御弁
１６…副吸気通路  
【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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