(57)【要約】【課題】２点点火により成層燃焼と均質燃焼との両立を図ること。【解決手段】機関運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成された筒内噴射式火花点火内燃機関１０において、燃料噴射弁２３から噴射される燃料噴霧２３ａの中または稜線２３ｂ近傍に電極を配置させた第１の点火プラグ１４と、燃料噴霧２３ａの近傍でない位置に電極を配置させた第２の点火プラグ１５とを備え、成層燃焼時には、第１の点火プラグ１４を圧縮行程で点火するとともに、第２の点火プラグ１５を膨張行程または排気行程で点火し、均質燃焼時には、両点火プラグ１４，１５を圧縮行程で同時に点火するようにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内の混合気に火花点火する複数の点火プラグと、
を備え、
機関運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成された筒内噴射式火花点火内燃機関において、
前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の中または当該燃料噴霧の稜線近傍に電極を配置させた第１の点火プラグと、
前記燃料噴霧の近傍でない位置に電極を配置させた第２の点火プラグと、
を備え、
前記成層燃焼時と前記均質燃焼時のうち少なくとも当該均質燃焼時には、前記第１の点火プラグおよび前記第２の点火プラグを点火することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
前記成層燃焼時には、前記第１の点火プラグのみを点火することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項３】
前記成層燃焼時には、前記第１の点火プラグを圧縮行程で点火するとともに、前記第２の点火プラグを膨張行程または排気行程で点火し、
前記均質燃焼時には、前記第１の点火プラグおよび前記第２の点火プラグを圧縮行程で点火することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項４】
前記成層燃焼時には、前記第２の点火プラグの点火エネルギを前記第１の点火プラグの点火エネルギよりも小さく設定することを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼室内に燃料噴射弁により燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関に関し、更に詳しくは、均質燃焼時に多点点火を行って燃焼効果を高め、成層燃焼時にも良好な燃焼を確保することにより成層燃焼と均質燃焼との両立を図ることができるとともに、点火プラグのくすぶりを抑制することができる筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃焼室内に燃料噴射弁により燃料を直接噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関（以下、「直噴エンジン」または「エンジン」と略記する。）が知られている。このような直噴エンジンにおける燃料噴射および点火の手段として、いわゆるスプレーガイド方式と呼ばれる技術が知られている。
【０００３】
このスプレーガイド方式は、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の中に位置するように、または燃料噴霧の稜線近傍に位置するように点火プラグの電極部を配置し、燃料噴射中または直後においてその燃料噴霧に直接点火を行うものである。このスプレーガイド方式によれば、燃費の向上やＨＣの低減、スモークの抑制等の効果を得ることができる。
【０００４】
スプレーガイド方式の場合、成層燃焼時には、燃料噴霧に直撃される方向に１本の点火プラグがあれば十分であるが、均質リーン燃焼時には、混合気が燃焼室内に均一に拡散するため、複数の点火プラグを備えて多点点火することが望ましい。
【０００５】
そこで、従来、図９および図１０に示すような複数の点火プラグ１４，３５を備えたエンジン１００が提供されていた。ここで、図９は、従来の複数の点火プラグを備えた直噴エンジンを模式的に示す断面図、図１０は、燃料噴射弁と点火プラグと吸・排気弁の位置関係を示す平面図であり、ピストン側からシリンダヘッドを見た様子を示したものである。
【０００６】
図９に示すように、エンジン１００は、燃料噴射弁２３によって燃料噴霧２３ａを燃焼室１０ａに直接噴射する直噴式の４サイクルガソリンエンジンであり、機関運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成されたものである。
【０００７】
燃焼室１０ａは、シリンダボア１１と、シリンダヘッド１３と、シリンダボア１１内に往復動自在に配設されたピストン１２とによって構成されている。また、ピストン１２の頂面には、凹部１２ａが形成されている。
【０００８】
燃焼室１０ａには、混合気に点火するための２本の点火プラグ１４，３５が、燃料噴霧２３ａが直撃する位置に配設されている。この点火プラグ１４は、点火プラグ３５よりも燃料噴射弁２３に近くなるように燃焼室１０ａの中央寄りに配設されている。
【０００９】
また、図１０に示すように、シリンダヘッド１３には、吸気弁１６および排気弁２０が配設されている。なお、これらの弁１６，２０は、開閉動作タイミングを可変制御する可変バルブタイミング機構によって開閉制御されるようになっている。
【００１０】
上記エンジン１００の弁１６，２０、点火プラグ１４，３５、燃料噴射弁２３等のエンジン構成部材は、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）によって制御されるようになっている。
【００１１】
そして、上記エンジン１００は、図１１に示すように、機関運転条件が低回転域かつ低トルク域の場合には、スプレーガイド方式による成層燃焼の制御が実行され、中回転域かつ中トルク域の場合には均質リーン燃焼の制御が実行され、それ以上の運転領域では均質ストイキ燃焼の制御が実行されるようになっている。ここで、図１１は、燃焼パターンの一例を示す説明図である。
【００１２】
また、関連する他の従来技術として、たとえば、つぎのものが公知である。すなわち、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた直噴エンジンの点火装置において、燃料噴射弁の噴射範囲内に設けられた第１点火プラグと、燃料噴射弁の噴射範囲外に設けられた第２点火プラグとを備え、エンジン温間時には上記第１点火プラグによる点火を実行させ成層燃焼を行うとともに、エンジン冷間時には上記第２点火プラグによる点火のみを実行させ均質燃焼を行う技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【００１３】
また、複数の点火プラグを備えた筒内噴射式火花点火内燃機関であって、成層高負荷条件および成層低負荷条件の双方で、混合気塊の中心で点火させることができるようにした技術も公知である。
【００１４】
すなわち、ピストンキャビティの底面付近で点火を行う第１点火プラグと、燃焼室の中央で点火を行う第２点火プラグとを設け、ピストンキャビティの底面付近に小さい混合気塊が形成される成層低負荷条件においては、第１点火プラグにて点火を行わせ、ピストンキャビティの上方に大きな混合気塊が形成される成層高負荷条件においては、第２点火プラグにて点火を行わせる技術が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【００１５】
また、吸気ポート下部に燃焼室に対し斜め下向きに燃料を筒内に直接噴射するようにした高圧の燃料噴射弁とを有し、燃料噴射弁の噴射軸線方向に沿って３本の点火栓が離間して配設された成層燃焼を行う筒内噴射式火花点火内燃機関であって、運転条件により、２個所以上の異なる位置において、時間差を設けて点火する技術が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
【００１６】
【特許文献１】特開２００４−４４４３４号公報
【特許文献２】特開２００４−１９０５３２号公報
【特許文献３】特開２０００−１７９４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記図９および図１０に示した従来技術にあっては、燃料噴霧２３ａが直撃するように２本の点火プラグ１４，３５が配設されているので、成層燃焼時に２本とも点火（２点点火）すると、燃焼室１０ａの中央寄りにある点火プラグ１４の周囲には成層混合気が存在するため、安定した燃焼が可能である。
【００１８】
しかしながら、点火プラグ３５の周囲には燃料噴霧２３ａの先端側の混合気が存在し、その空燃比は非常に不安定でサイクル間の変動が大きい。その結果、点火プラグ３５の点火で形成された燃焼が不安定になるため、点火プラグ１４のみで燃焼させた方が成層燃焼は安定し、トルク変動は低下することとなる。
【００１９】
したがって、点火プラグ１４，３５の双方に安定した空燃比の燃料噴霧２３ａを噴射できれば、２点点火での燃焼改善は可能である。しかしながら、スプレーガイド方式の燃焼の概念と相反して燃料噴霧２３ａの貫徹力を大きくする必要があるため、シリンダボア１１の壁面に直撃する噴霧が増え、オイル希釈等の背反が発生するため得策ではない。
【００２０】
また、上記特許文献１に係る従来技術にあっては、成層燃焼時には、燃料噴霧が直撃しない第２点火プラグを休止させているので、第２点火プラグの電極がくすぶり、均質リーン燃焼時に正常な点火ができなくなる虞があった。
【００２１】
また、エンジン冷間時の均質燃焼時には、上記２本の点火プラグを点火するのではなく、上記第２点火プラグのみを点火しているので、燃焼室内に均一に拡散した混合気へ確実に２点点火する手段と比較すると、必ずしも望ましいものではなかった。
【００２２】
また、上記特許文献２および３に係る従来技術にあっては、主に成層燃焼時における点火制御について開示されており、均質燃焼時の２点点火による燃焼改善の実現手段については詳細に開示されていない。
【００２３】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、均質燃焼時に多点点火を行って燃焼効果を高め、成層燃焼時にも良好な燃焼を確保することにより成層燃焼と均質燃焼との両立を図ることができるとともに、点火プラグのくすぶりを抑制することができる筒内噴射式火花点火内燃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】
【００２４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室内の混合気に火花点火する複数の点火プラグと、を備え、機関運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成された筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の中または当該燃料噴霧の稜線近傍に電極を配置させた第１の点火プラグと、前記燃料噴霧の近傍でない位置に電極を配置させた第２の点火プラグと、を備え、前記成層燃焼時と前記均質燃焼時のうち少なくとも当該均質燃焼時には、前記第１の点火プラグおよび前記第２の点火プラグを点火することを特徴とするものである。
【００２５】
したがって、この発明によれば、成層燃焼時と均質燃焼時のうち少なくとも当該均質燃焼時には、第１の点火プラグおよび第２の点火プラグを点火することにより、燃焼室内に均一に拡散した混合気へ素早く確実に点火することができ、燃焼室全体で安定した均質燃焼を行うことができる。
【００２６】
また、成層燃焼時には少なくとも第１の点火プラグを点火することにより成層燃焼を実現できる。更に、第２の点火プラグも点火することにより、燃焼によるいわゆる自己洗浄作用によって第２の点火プラグの電極がくすぶることが抑制され、均質リーン燃焼時に正常に点火することができる。
【００２７】
また、この発明の請求項２に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の発明において、前記成層燃焼時には、前記第１の点火プラグのみを点火することを特徴とするものである。
【００２８】
したがって、この発明によれば、成層燃焼時に第２の点火プラグを点火させないことで、当該第２の点火プラグの点火による燃焼が混合気の成層度合いを乱すのを抑制することができる。
【００２９】
また、この発明の請求項３に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の発明において、前記成層燃焼時には、前記第１の点火プラグを圧縮行程で点火するとともに、前記第２の点火プラグを膨張行程または排気行程で点火し、前記均質燃焼時には、前記第１の点火プラグおよび前記第２の点火プラグを圧縮行程で点火することを特徴とするものである。
【００３０】
したがって、この発明によれば、膨張行程または排気行程で第２の点火プラグを点火することにより、当該第２の点火プラグの点火による燃焼が混合気の成層度合いを乱すのを抑制することができ、成層燃焼に及ぼす影響を低減することができる。
【００３１】
また、均質燃焼時には第１の点火プラグおよび第２の点火プラグによる点火によって確実な燃焼を行うことができる。更に、第２の点火プラグも点火することにより、当該点火プラグの自己洗浄が可能となり、くすぶりを抑制することができる。
【００３２】
また、この発明の請求項４に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項３に記載の発明において、前記成層燃焼時には、前記第２の点火プラグの点火エネルギを前記第１の点火プラグの点火エネルギよりも小さく設定することを特徴とするものである。
【００３３】
したがって、この発明によれば、たとえば、第２の点火プラグの点火コイルへの通電時間を、第１の点火プラグの点火コイルへの通電時間よりも短縮し、点火できる最低限のエネルギを供給することで、第２の点火プラグの点火に必要な消費電力を低減することができる。
【発明の効果】
【００３４】
この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関（請求項１）によれば、均質燃焼時には、第１の点火プラグおよび第２の点火プラグを点火することにより、燃焼室全体で安定した均質燃焼を行うことができる。また、成層燃焼時には少なくとも第１の点火プラグを点火することにより成層燃焼を実現でき、更に第２の点火プラグも点火することにより、プラグ電極のくすぶりが抑制され、均質リーン燃焼時に正常に点火することができる。
【００３５】
また、この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関（請求項２）によれば、成層燃焼時に第２の点火プラグを点火させないことで、当該第２の点火プラグの点火による燃焼が混合気の成層度合いを乱すのを抑制することができ、成層燃焼に及ぼす影響を低減することができる。
【００３６】
また、この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関（請求項３）によれば、成層燃焼時には、その成層燃焼に影響を及ぼしにくい膨張行程または排気行程で第２の点火プラグを点火することにより、安定した成層燃焼を実現することができる。
【００３７】
また、この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関（請求項４）によれば、第２の点火プラグに点火できる最低限のエネルギを供給することで、点火に必要な消費電力を低減することができ、オルタネータの負荷を低減して燃費を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下に、この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００３９】
図１は、この発明の実施例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関を模式的に示す断面図、図２は、燃料噴射弁と点火プラグと吸・排気弁の位置関係を示す平面図であり、ピストン側からシリンダヘッドを見た様子を示したものである。なお、以下の説明において、すでに説明した部材と同一もしくは相当する部材には、同一の符号を付して重複説明を省略または簡略化する。
【００４０】
本実施例１に係るエンジン（筒内噴射式火花点火内燃機関）１０も機関運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成されている。また、エンジン１０の基本構成は、後述する第２の点火プラグ１５を除いて、上記図９〜１０に示した従来のエンジン１００の構成と同様であるので、特徴的な部分についてのみ以下に説明する。
【００４１】
すなわち、図１に示すように、第１の点火プラグ１４は、燃料噴射弁２３から噴射される燃料噴霧２３ａの中または燃料噴霧２３ａの稜線２３ｂ近傍に電極（図示せず）を配置させたものであり、シリンダヘッド１３の天井面から突設してある。
【００４２】
なお、ここに言う「燃料噴霧２３ａの稜線２３ｂ」とは、ほぼ円錐状に噴射された燃料噴霧２３ａの外縁に相当する部分であり、所定の混合気濃度を有している部分を言う。
【００４３】
また、第２の点火プラグ１５は、燃料噴霧２３ａの近傍でない位置、すなわち、上記稜線２３ｂから離れた位置に電極を配置させたものであり、シリンダヘッド１３の天井面から突設してある。
【００４４】
これらの点火プラグ１４，１５と燃料噴射弁２３は、図２に示すように、吸気弁１６および排気弁２０の間であってシリンダヘッド１３の直径上に所定間隔で配設されている。
【００４５】
つぎに点火制御について図３に基づいて図１、図２、図４および図５を参照しつつ説明する。ここで、図３は、点火制御を示すフローチャート、図４は、成層燃焼時の噴射・点火パターンの一例を示すタイムチャート、図５は、均質燃焼時の噴射・点火パターンの一例を示すタイムチャートである。
【００４６】
図３に示すように、先ず、現在の燃焼モードが成層燃焼であるか、あるいは均質燃焼であるかが判断される（ステップＳ１０）。これは、たとえば、エンジン１０の回転数や要求トルクに基づいて予め作成されている燃焼モード特性マップ（図示せず）を用いて判断される。
【００４７】
現在の燃焼モードが成層燃焼であると判断されたならば（ステップＳ１０肯定）、図４に示すように、所定の噴射信号による燃料噴射後に第１の点火プラグ１４を圧縮行程で点火し、第２の点火プラグ１５を排気行程または膨張行程で点火し（ステップＳ２０）、制御を終了する。
【００４８】
このように、膨張行程または排気行程で第２の点火プラグ１５を点火することにより、第２の点火プラグ１５の点火による燃焼が混合気の成層度合いを乱すのを抑制することができ、成層燃焼に及ぼす影響を低減することができるので、安定した成層燃焼を実現することができる。
【００４９】
また、第１の点火プラグ１４のみならず、第２の点火プラグ１５も点火するので、燃焼によるいわゆる自己洗浄作用によって第２の点火プラグ１５の電極がくすぶることが抑制され、均質リーン燃焼時に正常に点火することができる。
【００５０】
一方、現在の燃焼モードが均質燃焼であると判断されたならば（ステップＳ１０否定）、図５に示すように、所定の噴射信号による燃料噴射後に第１の点火プラグ１４および第２の点火プラグ１５の双方を圧縮行程で同時に点火し（ステップＳ３０）、制御を終了する。
【００５１】
このように、均質燃焼時に２点点火することにより、燃焼室１０ａ内に均一に拡散した混合気へ素早く確実に点火することができ、燃焼室１０ａ全体で安定した均質燃焼を行うことができる。
【００５２】
なお、エンジン１０を動作させるためのその他の基本制御方法は、公知手段に基づいて実施できるので、詳細な説明を省略する。
【００５３】
以上のように、この実施例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、２点点火により成層燃焼時に良好な燃焼を確保するとともに、均質燃焼時にも燃焼効果を高めることにより、成層燃焼と均質燃焼との両立を図ることができる。また、第２の点火プラグ１５のくすぶりを効果的に抑制することができる。
【００５４】
なお、上記実施例１においては、燃料噴霧２３ａの近傍でない位置に電極を配置させた第２の点火プラグ１５を１本設けるものとして説明したが、これに限定されない。たとえば、図６に示すように、２本の第２の点火プラグ１５，１５ａを設けてもよい。また、図７に示すように、３本の第２の点火プラグ１５，１５ａ，１５ｂを設けてもよい。
【００５５】
これらの場合にも、上記実施例１と同様の効果を期待することができる。ここで、図６は、２本の第２の点火プラグと燃料噴射弁と吸・排気弁の位置関係を示す平面図、図７は、３本の第２の点火プラグと燃料噴射弁と吸・排気弁の位置関係を示す平面図である。
【００５６】
また、上記実施例１では、成層燃焼時に２点点火するものとして説明したが、これに限定されず、成層燃焼時には第１の点火プラグ１４のみを点火させてもよい。
【００５７】
このように、成層燃焼時に第２の点火プラグ１５を点火させないことで、当該第２の点火プラグ１５の点火による燃焼が混合気の成層度合いを乱すのを抑制することができ、成層燃焼に及ぼす影響を低減することができる。
【実施例２】
【００５８】
図８は、この発明の実施例２に係る成層燃焼時の噴射・点火パターンの一例を示すタイムチャートである。
【００５９】
本実施例２は、上記実施例１に示したエンジン１０の基本構成と基本制御は同様である。異なる点は、成層燃焼時に、第２の点火プラグ１５の点火エネルギを第１の点火プラグ１４の点火エネルギよりも小さく設定するようにしたことである。
【００６０】
すなわち、図８に示すように、たとえば、第２の点火プラグ１５の点火コイル（図示せず）への通電時間ｔ２を、第１の点火プラグ１４の点火コイル（図示せず）への通電時間ｔ１よりも短縮し、点火できる最低限のエネルギを供給する。
【００６１】
以上のように、この実施例２に係る筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、第２の点火プラグ１５に、点火できる最低限のエネルギを供給することで、第２の点火プラグ１５の点火に必要な消費電力を低減することができ、オルタネータ（図示せず）の負荷を低減して燃費を向上させることができる。
【００６２】
なお、上記実施例２においては、第２の点火プラグ１５の点火コイル（図示せず）への通電時間を短縮するものとして説明したが、これに限定されず、たとえば、当該点火コイルに供給する電流値や電圧値を低減したり、あるいはこれらの電流値等を上記通電時間とともに低減してもよい。これらの場合にも、上記実施例２と同様の効果を期待することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上のように、この発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、多点点火を行う筒内噴射式火花点火内燃機関に有用であり、特に、均質燃焼時に多点点火を行って燃焼効果を高め、成層燃焼時にも良好な燃焼を確保することにより成層燃焼と均質燃焼との両立を図るとともに、点火プラグのくすぶりを抑制することを目指す筒内噴射式火花点火内燃機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】この発明の実施例１に係る筒内噴射式火花点火内燃機関を模式的に示す断面図である。
【図２】燃料噴射弁と点火プラグと吸・排気弁の位置関係を示す平面図である。
【図３】点火制御を示すフローチャートである。
【図４】成層燃焼時の噴射・点火パターンの一例を示すタイムチャートである。
【図５】均質燃焼時の噴射・点火パターンの一例を示すタイムチャートである。
【図６】２本の第２の点火プラグと燃料噴射弁と吸・排気弁の位置関係を示す平面図である。
【図７】３本の第２の点火プラグと燃料噴射弁と吸・排気弁の位置関係を示す平面図である。
【図８】この発明の実施例２に係る成層燃焼時の噴射・点火パターンの一例を示すタイムチャートである。
【図９】従来の複数の点火プラグを備えた直噴エンジンを模式的に示す断面図である。
【図１０】燃料噴射弁と点火プラグと吸・排気弁の位置関係を示す平面図である。
【図１１】燃焼パターンの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  エンジン（筒内噴射式火花点火内燃機関）
１０ａ  燃焼室
１４  第１の点火プラグ
１５、１５ａ、１５ｂ  第２の点火プラグ
１６  吸気弁
２０  排気弁
２３  燃料噴射弁
２３ａ  燃料噴霧
２３ｂ  稜線
【図１】
2007321682.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007321682.tif 000007
【図６】
2007321682.tif 000008
【図７】
2007321682.tif 000009
【図８】
2007321682.tif 000010
【図９】
2007321682.tif 000011
【図１０】
2007321682.tif 000012
【図１１】
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