(57)【要約】【課題】可変圧縮比内燃機関において、圧縮比の高低に拘らず燃焼室内に安定した成層状態を形成し、安定した成層燃焼が可能となる技術を提供する。【解決手段】燃焼室に直接燃料を噴射する直噴式燃料噴射弁を備えた可変圧縮比内燃機関において、圧縮比を変更させたとき（Ｓ１０５）に、燃料噴射弁から噴射された燃料が圧縮上死点近傍においてピストン頂面のキャビティに良好に導入されるべく、燃料噴射時における噴射幅を圧縮比に応じて２段階に変更する（Ｓ１０６）。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストンの頂面に設けられ、圧縮上死点近傍において燃料が導入されることによって前記内燃機関の燃焼室に成層状態を形成するキャビティと、
前記内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室に燃料を噴射するとともに燃料噴射時に噴口から噴射される燃料の噴射幅を変更可能な噴射幅可変燃料噴射弁と、
前記可変圧縮比機構により変更される圧縮比に応じて前記噴射幅を変更する噴射幅変更手段と、
を備えることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
【請求項２】
前記内燃機関の圧縮比が高いほど、圧縮上死点における前記燃焼室内の圧力が上昇し、
前記噴射幅変更手段は、前記内燃機関の圧縮比が高いほど、前記噴射幅を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項３】
前記内燃機関の圧縮比が低いほど、圧縮上死点における前記噴射幅可変燃料噴射弁と前記ピストンとの距離が遠くなり、
前記噴射幅変更手段は、前記内燃機関の圧縮比が低いほど、前記噴射幅を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
【請求項４】
内燃機関のピストンの頂面に設けられ、圧縮上死点近傍において燃料が導入されることによって前記内燃機関の燃焼室に成層状態を形成するキャビティと、
前記内燃機関の燃焼室の容積を変更することによって前記内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室に燃料を噴射するとともに燃料噴射時に噴口から噴射される燃料の噴射方向を変更可能な噴射方向可変燃料噴射弁と、
前記可変圧縮比機構により変更する前記内燃機関の圧縮比に応じて前記噴射方向を変更する噴射方向変更手段と、
を備え、
前記内燃機関の圧縮比が低いほど、圧縮上死点における前記噴射方向可変燃料噴射弁と前記ピストンとの距離が遠くなり、
前記噴射方向変更手段は、前記圧縮比が低いほど、前記噴射方向を前記ピストンの上死点側から下死点側に変更することを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の圧縮比を変更する機能を有する可変圧縮比内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的とした、内燃機関の圧縮比を可変にする技術が提案されている。この種の技術としては、シリンダブロックとクランクケースとを相対移動可能に連結するとともにその連結部分にカム軸を設け、前記カム軸を回動させてシリンダブロックとクランクケースとを、気筒の軸線方向に相対移動させることで燃焼室の容積を変更し、以て内燃機関の圧縮比を変更する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
また、コンロッドを２分割し、クランクシャフトに連結された方のコンロッドに所定の揺動中心を中心に揺動可能な揺動部材を連結し、前記揺動中心がカム軸を回転させることによって移動することで燃焼室の容積及びピストンのストロークを変更し、以って内燃機関の圧縮比を変更する技術も提案されている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００４】
上記の可変圧縮比機構において圧縮比を変更した場合には、燃焼室の天板に設けられた燃料噴射弁と圧縮上死点におけるピストンとの位置関係や、圧縮上死点における筒内圧が変化する場合がある。そうすると、特に成層燃焼を行おうとした場合に、ピストン頂面のキャビティに対して、成層燃焼させるために最適な方向及び強さで燃料を噴射することが困難となる場合があった。
【０００５】
これに対し、可変圧縮比内燃機関の圧縮比をパラメータとして燃料噴射圧力及び燃料噴射時期を決定して燃料噴射を実行する技術が提案されている（例えば、特許文献３を参照。）。
【０００６】
しかし、筒内噴射型の可変圧縮比内燃機関において圧縮比変更時に燃料噴射圧力及び燃料噴射時期を変更したのみでは、圧縮比の変更に伴う燃料噴射弁とキャビティとの位置関係の変化や、圧縮比の変更に伴う筒内圧の変化に対応することができず、噴射燃料をキャビティに最適に導入することが困難となる場合があった。その結果、燃焼室内に安定した成層状態を形成することが困難な場合があった。
【特許文献１】特開２００３−２０６７７１号公報
【特許文献２】特開２００１−３１７３８３号公報
【特許文献３】特開２００４−２１８４３３号公報
【特許文献４】特開２００５−１４７０６７号公報
【特許文献５】実開平５−３０４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可変圧縮比内燃機関において、圧縮比の高低に拘らず燃焼室内に安定した成層状態を形成し、安定した成層燃焼を可能とする技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、燃焼室に直接燃料を噴射する直噴式燃料噴射弁を備えた可変圧縮比内燃機関において、圧縮比を変更させたときに、燃料噴射弁から噴射された燃料が圧縮上死点近傍においてピストン頂面のキャビティに良好に導入されるべく、
燃料噴射時における噴射幅を変更することを最大の特徴とする。
【０００９】
より詳しくは、内燃機関のピストンの頂面に設けられ、圧縮上死点近傍において燃料が導入されることによって前記内燃機関の燃焼室に成層状態を形成するキャビティと、
前記内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室に燃料を噴射するとともに燃料噴射時に噴口から噴射される燃料の噴射幅を変更可能な噴射幅可変燃料噴射弁と、
前記可変圧縮比機構により変更される圧縮比に応じて前記噴射幅を変更する噴射幅変更手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
ここで、可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関において圧縮比を変化させた場合、圧縮上死点における燃焼室の容積や圧力が変化することが多い。このような場合に、圧縮比に拘らず同じ噴射幅で燃料噴射弁から燃料を噴射した場合、燃料噴射弁から噴射された燃料が圧縮上死点近傍において良好に前記キャビティ内に導入されることが困難となり、結果として、最適な成層状態を形成することが困難となる場合があった。
【００１１】
そこで、本発明においては、燃料噴射弁を、噴口から噴射される燃料の噴射幅を変更可能な噴射幅可変燃料噴射弁とし、前記可変圧縮比内燃機関の圧縮比に応じて噴射幅を変更することとした。これによれば、噴射幅を変更することで、燃圧が同じであれば貫徹力を変更することができる。そうすると、圧縮比の変更に伴う圧縮上死点における筒内圧の変化や、燃料噴射弁とキャビティとの距離の変化に拘らず、キャビティ内に良好に噴射燃料を導入させることができる。なお、ここで噴射幅とは、燃料噴射弁の噴口から噴射される燃料の噴霧塊自身の幅もしくは広がり角である。
【００１２】
また、本発明においては、前記内燃機関の圧縮比が高いほど、圧縮上死点における前記燃焼室内の圧力が上昇する場合には、
前記噴射幅変更手段は、前記内燃機関の圧縮比が高いほど、前記噴射幅を小さくするようにしてもよい。
【００１３】
すなわち、可変圧縮比機構の構成にもよるが、前記圧縮比が高くなると圧縮上死点における筒内圧が高くなることが多い。その場合、燃料噴射弁から圧縮比が低い場合と同じ噴射幅で燃料噴射すると、貫徹力が不足するために、噴射された燃料がキャビティに予定通り到達しない場合がある。そうすると、キャビティ内に燃料を良好に導入することができず、結果として良好な成層状態を形成することが困難となる。
【００１４】
従って、このような場合に対して本発明においては、前記噴射幅変更手段は、前記圧縮比が高く圧縮上死点における前記燃焼室内の圧力が高いほど、前記噴射幅を小さくするようにした。そうすれば、圧縮比に拘らず噴射燃料を良好にキャビティに導入することができ、良好な成層状態を形成することが可能となる。その結果、燃焼の安定と低燃費を両立させる内燃機関の運転が可能となる。
【００１５】
また、本発明においては、前記内燃機関の圧縮比が低いほど、圧縮上死点における前記噴射幅可変燃料噴射手段と前記ピストンとの距離が遠くなる場合には、
前記噴射幅変更手段は、前記内燃機関の圧縮比が低いほど、前記噴射幅を小さくしてもよい。
【００１６】
すなわち、可変圧縮比機構の構成にもよるが、前記圧縮比が低くなると圧縮上死点におけるピストンの位置が燃料噴射弁から遠くなることが多い。その場合、燃料噴射弁から、圧縮比が高い場合と同じ噴射幅で燃料噴射すると、貫徹力が不足するために、噴射された
燃料がキャビティに予定通り到達しない場合がある。そうすると、キャビティ内に噴射燃料を良好に導入させることができず、結果として良好な成層状態を形成することが困難となる。
【００１７】
従って、このような場合に対して本発明においては、前記噴射幅変更手段は、前記圧縮比が低く圧縮上死点における前記ピストンの位置が前記噴射幅可変燃料噴射弁から遠いほど、前記噴射幅を小さくするようにした。そうすれば、圧縮比に拘らず噴射燃料を良好にキャビティに導入することができ、良好な成層状態を形成することが可能となる。その結果、燃焼の安定と低燃費を両立させる内燃機関の運転が可能となる。
【００１８】
また、本発明における可変圧縮比内燃機関は、
内燃機関のピストンの頂面に設けられ、圧縮上死点近傍において燃料が導入されることによって前記内燃機関の燃焼室に成層状態を形成するキャビティと、
前記内燃機関の燃焼室の容積を変更することによって前記内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記燃焼室に燃料を噴射するとともに燃料噴射時に噴口から噴射される燃料の噴射方向を変更可能な噴射方向可変燃料噴射弁と、
前記可変圧縮比機構により変更する前記内燃機関の圧縮比に応じて前記噴射方向を変更する噴射方向変更手段と、
を備え、
前記内燃機関の圧縮比が低いほど、圧縮上死点における前記噴射方向可変燃料噴射手段と前記ピストンとの距離が遠くなり、
前記噴射方向変更手段は、前記圧縮比が低いほど、前記噴射方向を前記ピストンの上死点側から下死点側に変更するようにしてもよい。
【００１９】
ここで上述のように、可変圧縮比機構を備えた可変圧縮比内燃機関において圧縮比を変化させた場合、圧縮上死点における燃焼室の容積することが多い。すなわち前述のように、前記圧縮比が低くなると圧縮上死点におけるピストンの位置が燃料噴射弁から遠くなることが多い。このような場合に、圧縮比に拘らず同じ噴射方向で燃料噴射弁から燃料を噴射すると、燃料噴射弁から噴射された燃料を圧縮上死点近傍においてキャビティ内に良好に導入させることが困難となり、結果として、良好な成層状態を形成することが困難となる場合があった。
【００２０】
そこで、本発明においては、前記噴射方向制御手段は、前記圧縮比が低く圧縮上死点における前記ピストンの位置が前記噴射方向可変燃料噴射弁から遠くなるほど、前記噴射方向を前記ピストンの上死点側から下死点側に変更するようにした。
【００２１】
これにより、内燃機関の圧縮比に拘らず、燃料噴射弁から噴射された燃料を良好にキャビティ内に導入させることができ、良好な成層状態を形成することが可能となる。その結果、燃焼の安定と低燃費を両立させる内燃機関の運転が可能となる。
【００２２】
なお、上記した本発明の課題を解決する手段については、可能なかぎり組み合わせて用いることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明にあっては、可変圧縮比内燃機関において、圧縮比の高低に拘らず燃焼室内に安定した成層状態を形成することができ、安定した成層燃焼が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明す
る。
【実施例１】
【００２５】
以下に説明する内燃機関１は、可変圧縮比内燃機関であり、シリンダ２を有するシリンダブロック３を、ピストンが連結されたクランクケース４に対してシリンダ２の中心軸方向に移動させることによって圧縮比を変更するものである。
【００２６】
先ず、図１を用いて、本実施例に係る可変圧縮比機構の構成について説明する。図1に
示されるように、シリンダブロック３の両側下部に複数の隆起部が形成されており、この各隆起部に軸受収納孔５が形成されている。軸受収納孔５は、円形をしており、シリンダ２の軸方向に対して直角に、かつ複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。軸受収納孔５はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側の軸受収納孔５の一対の軸線は平行である。
【００２７】
クランクケース４には、上述した軸受収納孔５が形成された複数の隆起部の間に位置するように、立壁部が形成されている。各立壁部のクランクケース４外側に向けられた表面には、半円形の凹部が形成されている。また、各立壁部には、ボルト６によって取り付けられるキャップ７が用意されており、キャップ７も半円形の凹部を有している。また、各立壁部にキャップ７を取り付けると、円形のカム収納孔８が形成される。カム収納孔８の形状は、上述した軸受収納孔５と同一である。
【００２８】
複数のカム収納孔８は、軸受収納孔５と同様に、シリンダブロック３をクランクケース４に取り付けたときにシリンダ２の軸方向に対して直角に、且つ、複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。これらの複数のカム収納孔８も、シリンダブロック３の両側に形成されることとなり、片側の複数のカム収納孔８はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側のカム収納孔８の一対の軸線は平行である。また、両側の軸受収納孔５の間の距離と、両側のカム収納孔８との間の距離は同一である。
【００２９】
交互に配置される二列の軸受収納孔５とカム収納孔８には、それぞれカム軸９が挿通される。カム軸９は、図1に示されるように、軸部９ａと、軸部９ａの中心軸に対して偏心
された状態で軸部９ａに固定された正円形のカムプロフィールを有するカム部９ｂと、カム部９ｂと同一外形を有し軸部９ａに対して回転可能に取り付けられた可動軸受部９ｃを有し、カム部９ｂと可動軸受部９ｃとが交互に配置されている。一対のカム軸９は鏡像の関係を有している。また、カム軸９の端部には、後述するギア１０の取り付け部９ｄが形成されている。軸部９ａの中心軸と取り付け部９ｄの中心とは偏心しており、カム部９ｂの中心と取り付け部９ｄの中心とは一致している。
【００３０】
可動軸受部９ｃも、軸部９ａに対して偏心されておりその偏心量はカム部９ｂと同一である。また、各カム軸９において、複数のカム部９ｂの偏心方向は同一である。また、可動軸受部９ｃの外形は、カム部９ｂと同一直径の正円であるので、可動軸受部９ｃを回転させることで、複数のカム部９ｂの外表面と複数の可動軸受部９ｃの外側面とを一致させることができる。
【００３１】
各カム軸９の一端にはギア１０が取り付けられている。一対のカム軸９の端部に固定された一対のギア１０には、それぞれウォームギア１１ａ、１１ｂがかみ合っている。ウォームギア１１ａ、１１ｂは単一のモータ１２の一本の出力軸にとりつけられている。ウォームギア１１ａ、１１ｂは、互いに逆方向に回転する螺旋溝を有している。このため、モータ１２を回転させると、一対のカム軸９は、ギア１０を介して互いに逆方向に回転する。モータ１２は、シリンダブロック３に固定されており、シリンダブロック３と一体的に
移動する。
【００３２】
次に、上述した構成の内燃機関１において圧縮比を制御する方法について詳しく説明する。図２（ａ）から図２(ｃ)にシリンダブロック３と、クランクケース４と、これら両者の間に構築されたカム軸９との関係を示した断面図を示す。図２(ａ)から図２(ｃ)において、軸部９ａの中心軸をａ、カム部９ｂの中心をｂ、可動軸受部９ｃの中心をｃとして示す。図２（ａ）は、軸部９ａの延長線上から見て全てのカム部９ｂ及び可動軸受部９ｃの外周が一致した状態である。このとき、ここでは一対の軸部９ａは、軸受収納孔５及びカム収納孔８の中で外側に位置している。
【００３３】
図２(ａ)の状態から、モータ１２を駆動して軸部９ａを矢印方向に回転させると、図２(ｂ)の状態となる。このとき、軸部９ａに対して、カム部９ｂと可動軸受部９ｃの偏心方向にずれが生じるので、クランクケース４に対してシリンダブロック３を上死点側にスライドさせることができる。そして、そのスライド量は図２(ｃ)のような状態となるまでカム軸９を回転させたときが最大となり、カム部９ｂや可動軸受部９ｃの偏心量の２倍となる。カム部９ｂ及び可動軸受部９ｃは、それぞれカム収納孔８及び軸受収納孔５の内部で回転し、それぞれカム収納孔８及び軸受収納孔５の内部で軸部９ａの位置が移動するのを許容している。
【００３４】
上述したような機構を用いることによって、シリンダブロック３をクランクケース４に対して、シリンダ２の軸線方向に相対移動させることが可能となり、圧縮比を可変制御することができる。なお、上述の機構は本実施例における可変圧縮比機構を構成する。
【００３５】
次に、内燃機関の燃焼形態について説明する。ここで内燃機関の燃焼形態には、均一混合燃焼と成層燃焼とがあり、運転状態に応じて、いずれかの燃焼形態が選択される。すなわち、通常走行運転時のような内燃機関の高負荷高回転運転領域、あるいは、ストイキオ領域では、燃焼室内に均質な混合気を形成して点火する均一混合燃焼が行われる。
【００３６】
一方、空燃比を非常に大きくする希薄燃焼領域（リーンバーン領域）、すなわち、アイドリング時のような内燃機関の低負荷低回転運転領域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層燃焼が行われる。この場合、燃料噴射弁から噴射された燃料は、ピストンの頂面に形成されたキャビティに導入され、点火プラグの放電電極へと流れる。このため、この放電電極周辺に着火可能な混合気が層状に形成される。そして、これを適切なタイミングで点火して混合気を燃焼させる。
【００３７】
このように、内燃機関の成層燃焼においては、燃料噴射弁から噴射された燃量が確実にピストンの頂面に形成されたキャビティに導入されることにより、低負荷低回転時における点火プラグの放電電極周りの燃料濃度を局部的に高めることが可能となり、失火が防止されるとともに燃焼安定性の向上が図られる。
【００３８】
次に、上記で説明したような可変圧縮比内燃機関１において、上記の成層燃焼が行われる場合について説明する。図３には、本実施例に係る内燃機関１の燃焼室付近の概略図を示す。内燃機関１において成層燃焼が行われる場合には、燃料噴射弁１７から噴射された燃料を、ピストン１３の頂面に設けられたキャビティ１３ａに導入させる。
【００３９】
しかし、圧縮比に拘らず、燃料噴射弁１７からの燃料噴射の噴射幅を一定の値とした場合、高圧縮比の状態においては筒内圧が高いため、燃焼噴射弁１７から噴射された燃料が低圧縮比の状態と比較して拡散しづらく、キャビティ１３ａ内に充分に導入されない場合があった。図３において実線で示したのが高圧縮比の場合のピストン１３及び噴射された燃料Ｆの状態、破線で示したのが低圧縮比の場合のピストン１３及び噴射された燃料Ｆの
状態である。また、高圧縮比の状態で噴射された燃料Ｆがキャビティに到達するような噴射幅に設定した場合には、低圧縮比において噴射された燃料がキャビティに過度に強く衝突してしまうおそれがあった。
【００４０】
そうすると、圧縮比の変化によっては安定した成層燃焼が実行困難となり、燃焼状態が不安定になる場合があった。
【００４１】
そこで本実施例においては、内燃機関１の圧縮比に応じて燃料噴射弁１７からの燃料噴射に係る噴射幅を変更することとした。具体的には、内燃機関１の圧縮比が高いほど、燃料噴射に係る噴射幅を小さくすることとした。そうすれば、図４に示すように、内燃機関１の圧縮比が高く筒内圧が高い場合に、噴射燃料の貫徹力を強くすることができ、噴射された燃料をピストン１３のキャビティ１３ａにより確実に導入させることができる。なお、具体的な制御はＥＣＵ４０からの制御信号に基づいて行われる。
【００４２】
図５には、上記の制御に係る圧縮比及び燃料噴射幅決定ルーチンのフローチャートを示す。本ルーチンはＥＣＵ４０によって内燃機関１の稼動中は所定期間毎に実行されるフローである。なお、本ルーチンにおいては内燃機関１の圧縮比に応じて燃料噴射弁１７からの燃料噴射の噴射幅を２段階に切り換えることとした。
【００４３】
本ルーチンが実行されるとまずＳ１０１において内燃機関１の運転状態が取得される。具体的には図示しないアクセルポジションセンサ及びクランクポジションセンサの出力から、内燃機関１の機関負荷及び機関回転数が取得される。
【００４４】
次にＳ１０２においては、Ｓ１０１で取得された運転状態から、当該運転状態に最適な圧縮比の値εが導出される。具体的には、運転状態と最適な圧縮比との関係を格納したマップを予め作成しておき、該マップから、Ｓ１０１で取得された運転状態に対応する圧縮比εの値が導出される。なお、各運転状態に対して最適な圧縮比の値とは、各運転状態においてノッキングが生じない範囲で最高の圧縮比としてもよい。
【００４５】
Ｓ１０３においては、Ｓ１０２において導出された圧縮比εの値に応じた燃料噴射幅が選択される。具体的には、圧縮比と、各圧縮比での圧縮上死点における燃焼室の圧力に抗して燃料噴射弁１７からキャビティ１３ａに燃料を導入させるために選択されるべき燃料噴射幅との関係が格納されたマップを予め実験に基づいて作成しておき、当該マップから圧縮比εに対応する燃料噴射幅の値が読み出されることによって選択される。簡単には、噴射幅の選択時における閾値としての切換圧縮比ε０を予め求めておき、圧縮比εが切換圧縮比ε０以上かどうかによって燃料噴射の噴射幅を選択してもよい。
【００４６】
次に、Ｓ１０４においては、現在の内燃機関１の圧縮比がＳ１０２で導出された圧縮比εと等しいかどうかが判定される。現圧縮比がεと等しいと判定された場合にはそのまま本ルーチンを終了する。なお、この場合は、前回の本ルーチンの実行時に、現圧縮比において燃料噴射弁１７からキャビティ１３ａに燃料を導入可能な噴射幅が既に選択されていると考えられる。一方、現圧縮比がεでないと判定された場合にはＳ１０５に進む。
【００４７】
Ｓ１０５においては、内燃機関１の圧縮比をεに変更する。具体的には、モータ１２に通電し、カム軸９を回転させることによってシリンダブロック３とクランクケース４の相対位置を変化させることによって変更する。
【００４８】
Ｓ１０６においては、燃料噴射弁１７による噴射燃料の噴射幅をＳ１０３で導出された燃料噴射幅とする。Ｓ１０６の処理が終了すると本ルーチンを一旦終了する。ここで、本ルーチンを実行するＥＣＵ４０は、本実施例における噴射幅変更手段を構成する。
【００４９】
ここで、図６を用いて、燃料噴射弁１７による燃料噴射の噴射幅を切り換える方法について説明する。図５（ａ）は、噴射口を複数有する燃料添加弁１７の概略構成を示す断面図である。燃料添加弁１７は、第１ニードル１８、第２ニードル１９、およびノズルホルダ１７ａを備えて構成されている。第１ニードル１８は、円柱形状で且つ先端が円錐形状に尖っておりノズルホルダ１７ａの中心軸上に備えられる。
【００５０】
第１ニードル１８の先端の円錐面はノズルホルダ１７ａの内壁に接している。第２ニードル１９は、円筒形状で第１ニードル１８よりも径が大きく、内部に第１ニードル１８を摺動可能に格納している。第２ニードル１９も先端は円錐形状となっているが中心軸周りに第１ニードル１８を収める穴が開けられている。第２ニードル１９の先端の円錐面は、ノズルホルダ１７ａの内壁に接している。そして、第１ニードル１８と第２ニードル１９とは別々に作動可能である。また、第１ニードル１８と第２ニードル１９との間、および第２ニードル１９とノズルホルダ１７ａとの間には、加圧された燃料が供給されている。
【００５１】
さらに、ノズルホルダ１７ａの第１ニードル１８の円錐面が接する部分には、第１噴射口１７ｂが２つ設けられている。同様に第２ニードル１９の円錐面が接する部分には第２噴射口１７ｃが２つ設けられている。第１噴射口１７ｂと第２噴射口１７ｃとは図５（ａ）に示すようにノズルホルダ１７ａの中心軸に対する開口角度が同等である。一方、図５（ｂ）に示すように第１噴射口１７ｂと第２噴射口１７ｃとは、ノズルホルダ１７ａの周方向に対して円弧状の形状を有しており、第２噴射口１７ｃは第１噴射口１７ｂよりも周方向に長く形成されている。
【００５２】
このように構成された燃料添加弁１７では、第１ニードル１８を作動させることにより、ノズルホルダ１７ａの周方向に対して小さい噴射幅で燃料を噴射させることができる。また、第２ニードル１９を作動させることにより、ノズルホルダ１７ａの周方向に対して大きな噴射幅で燃料を噴射させることができる。なお、燃料噴射弁１７は、本実施例において噴射幅可変燃料噴射弁に相当する。
【００５３】
以上、説明したように、本実施例においては、内燃機関１の圧縮比が高く、圧縮上死点における筒内圧が高くなる場合には、燃料噴射の噴射幅を小さくすることにより噴射された燃料の貫徹力を強くすることとした。また、内燃機関１の圧縮比が低く、圧縮上死点における燃焼室の圧力が低くなる場合には、燃料噴射の噴射幅を大きくすることにより噴射された燃料の貫徹力を弱くすることとした。そうすることにより、内燃機関１の圧縮比に拘らず噴射燃料をピストン１３のキャビティ１３ａに良好に導入することができ、安定した成層状態を形成することができる。
【実施例２】
【００５４】
次に本発明の実施例２について説明する。本実施例においては、内燃機関１の圧縮比が低くなり、圧縮上死点における燃料噴射弁とピストン頂面に設けられたキャビティとの距離が遠くなった際に、燃料噴射弁から噴射された燃料の貫徹力を強くする例について説明する。なお、本実施例における内燃機関１の構成については実施例１で説明したものと同等であり、説明は省略する。
【００５５】
実施例１においては、内燃機関１の圧縮比が高くなることにより、圧縮上死点における筒内圧が高くなる点に着目し、その場合にも噴射燃料を良好にキャビティに導入させる例について説明した。しかし、圧縮比の値や運転状態などの条件によっては、燃焼室の圧力の変化よりもむしろ、圧縮比の変化に起因する、圧縮上死点における燃料噴射弁とキャビティとの距離の変化の方が問題になる場合がある。
【００５６】
この場合には、内燃機関１の圧縮比が低いときには、圧縮上死点における燃料噴射弁１７とキャビティ１３ａとの距離が遠くなるため、燃料噴射弁１７から噴射された燃料が充分にキャビティ１３ａに到達しない場合がある。従って、本実施例においては、内燃機関１の圧縮比が切換圧縮比ε１以下の場合に、燃料噴射弁１７から噴射される燃料の噴射幅を小さくし、貫徹力を強くすることにより、噴射された燃料がピストン１３の頂面に設けられたキャビティ１３ａに良好に導入されるようにした。その際の燃焼室付近の概略を図７に示す。
【００５７】
図７において高圧縮比の状態におけるピストン１３及び、噴射された燃料Ｆを破線で示した。また、低圧縮比の状態におけるピストン１３及び、噴射された燃料Ｆを実線で示した。図７に示すように、低圧縮比の状態では、燃料噴射弁１７から噴射される燃料の噴射幅を小さくし貫徹力を強くすることにより、燃料噴射弁１７とピストン１３とがの距離が長くても噴射された燃料をキャビティ１３ａに良好に導入することができる。
【００５８】
なお、上記の実施例１及び２においては、内燃機関１の圧縮比に応じて、燃料噴射弁１７から燃料される噴射の噴射幅を２段階に切り換える制御について説明した。しかし、この制御の代りに、内燃機関１の圧縮比の値に対して、当該圧縮比に最適な燃料噴射の噴射幅を逐一導出し、噴射幅を常に最適値にするような制御にしてもよい。
【００５９】
具体的には、圧縮比と、各圧縮比での圧縮上死点における筒内圧に抗して燃料噴射弁１７からキャビティ１３ａに燃料を導入可能とする噴射幅との関係が格納されたマップ、あるいは、圧縮比と、各圧縮比での圧縮上死点における燃料噴射弁１７とキャビティ１３ａとの距離に対して、燃料噴射弁１７からキャビティ１３ａに燃料を導入可能とする噴射幅との関係が格納されたマップを予め実験に基づいて作成しておき、当該マップから圧縮比εに対応する噴射幅の値を読み出さることとしてもよい。
【００６０】
その場合、燃料噴射弁１７からの噴射燃料に係る噴射幅は、例えば図８に示すように、燃料噴射弁２７の先端には、周方向に比較的長く設けた第３噴射口２７ｃを設けておき、遮蔽版２０を適宜回転させることによって噴射幅を連続的に変化するようにしてもよい。
【実施例３】
【００６１】
次に、本実施例における実施例３について説明する。本実施例においては、内燃機関１の圧縮比が低くなり、圧縮上死点における燃料噴射弁とピストン頂面に設けられたキャビティの距離が遠くなった際に、燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を強くするのではなく、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射方向を変更する例について説明する。なお、本実施例における内燃機関１の構成については実施例１で説明したものと同等であり、説明は省略する。
【００６２】
本実施例においては、図９に示すように、内燃機関１の圧縮比が切換圧縮比ε２より高い場合と、内燃機関１の圧縮比が切換圧縮比ε２以下の場合とで、燃料噴射弁３７から噴射される燃料Ｆの噴射方向を２段階に変更している。
【００６３】
こうすれば、内燃機関１の圧縮比によって燃料噴射弁３７とキャビティ１３ａとの圧縮上死点における距離が変化することに起因して、噴射燃料をキャビティ１３ａに良好に導入できなくなることを抑制できる。この場合にも、具体的な制御はＥＣＵ４０からの制御信号に基づいて行われるので、ＥＣＵ４０が本実施例における噴射方向変更手段を構成する。
【００６４】
なお、この場合の燃料噴射弁３７の概略構成を示す断面図を図１０に示す。図１０は、本実施例による噴射口を複数有する燃料添加弁３７の概略構成図である。燃料添加弁３７
は、第３ニードル３５、第４ニードル３６、およびノズルホルダ３７ａを備えて構成されている。第３ニードル３５は、半円柱形状で且つ先端が半円錐形状に尖っており、図１０中ノズルホルダ３７ａの中心軸の左側に備えられる。第３ニードル３５の先端の半円錐面はノズルホルダ３７ａの内壁に接している。第４ニードル３６は、第３ニードル３５と同様に半円筒形状で、図１０中ノズルホルダ３７ａの中心軸の右側に備えられている。第４ニードル３６も先端は半円錐形状となっており、その半円錐面は、ノズルホルダ３７ａの内壁に接している。そして、第３ニードル３５と第４ニードル３６とは別々に作動可能である。
【００６５】
さらに、ノズルホルダ３７ａの第３ニードル３５の半円錐面が接する部分には、第４噴射口３７ｂが設けられている。同様に第４ニードル３６の半円錐面が接する部分には第５噴射口３７ｃが設けられている。第４噴射口３７ｂと第５噴射口３７ｃとはノズルホルダ３７ａの中心軸に対して対称な開口角度を有している。
【００６６】
このように構成された燃料添加弁３７では、第３ニードル３５を作動させることにより、ノズルホルダ３７ａの中心軸に対して図１０中左側の向きに燃料を噴射させることができる。また、第４ニードル３６を作動させることにより、ノズルホルダ３７ａの中心軸に対して図１０中右側の向きに燃料を噴射させることができる。そして、燃料添加弁３７を燃焼室へ取り付けるときに、例えば第４噴射口３７ｂがシリンダ２におけるよりクランクケース４側に向くように且つ第５噴射口３７ｃがシリンダ２における点火プラグ１５側に向くようにする。そして、内燃機関１の圧縮比が切換圧縮比ε２より高い場合には、燃料噴射時には第４ニードル３６を作動させて第５噴射口３７ｃから燃料を噴射させる。一方、内燃機関１の圧縮比が切換圧縮比ε２以下の場合には、燃料噴射時には第３ニードル３５を作動させて第４噴射口３７ｂから燃料を噴射させる。
【００６７】
こうすることにより、内燃機関１の圧縮比に応じて燃料噴射の噴射方向を変更することができる。なお、燃料噴射弁３７は、本実施例における噴射方向可変燃料噴射弁に相当する。また、燃料噴射弁３７の第５噴射口３７ｃから燃料を噴射させる状態から、第４噴射口３７ｂから燃料を噴射させる状態に切換えて燃料の噴射方向を変更する制御は、ピストン１３の上死点側から下死点側に燃料の噴射方向を変更する制御に相当する。
【００６８】
なお、本実施例においては、上述のように内燃機関１の圧縮比に応じて、燃料添加弁３７からの燃料噴射の噴射方向を２段階に変更することにしたが、これを内燃機関１の圧縮比に応じた最適の燃料噴射方向となるよう、燃料の噴射方向を連続的に変化させるようにしてもよい。この場合、例えば、燃料噴射弁３７そのものの取り付け角度を機械的に変化させることにより燃料噴射方向を変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の実施例に係る内燃機関におけるシリンダブロックがクランクケースに対して相対移動する経過を示す断面図である。
【図３】従来の内燃機関における噴射燃料状態と圧縮比との関係を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例１に係る内燃機関の噴射燃料状態と圧縮比との関係を説明するための図である。
【図５】本発明の実施例１に圧縮比及び燃料噴射幅決定ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施例１に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係る内燃機関の噴射燃料状態と圧縮比との関係を説明するための図である。
【図８】本発明の実施例１及び２に係る燃料噴射弁の概略構成の別の例を示す図である。
【図９】本発明の実施例３に係る内燃機関の噴射燃料状態と圧縮比との関係を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１・・・内燃機関
２・・・シリンダ
３・・・シリンダブロック
４・・・クランクケース
９・・・カム軸
１０・・・ギア
１１ａ、１１ｂ・・・ウォームギア
１２・・・モータ
１３・・・ピストン
１３ａ・・・キャビティ
１５・・・点火プラグ
１７，２７，３７・・・燃料噴射弁
４０・・・ＥＣＵ
Ｆ・・・噴射された燃料
【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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【図１０】
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