(57)【要約】【課題】噴射燃料により直接的に点火プラグ近傍の可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼時に点火プラグ近傍の混合気が過剰リーン又は過剰リッチとならないようにする。【解決手段】燃料噴射弁３から噴射される燃料の一部が点火プラグ４の点火ギャップを通過するようにされ、点火時期において点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼に際して、機関負荷が高いほどスワール流生成手段により吸気行程において気筒内に生成するスワール流Ｓを強くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、スワール流生成手段とを具備し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の一部が前記点火プラグの点火ギャップを通過するようにされ、点火時期において前記点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼に際して、機関負荷が高いほど前記スワール流生成手段により吸気行程において気筒内に生成するスワール流を強く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】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、スワール流生成手段とを具備し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の一部が前記点火プラグの点火ギャップを通過するようにされ、点火時期において前記点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼に際して、燃焼空燃比が小さいほど前記スワール流生成手段により吸気行程において気筒内に生成するスワール流を強く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３】
少なくとも二つの吸気ポートが気筒内へ接続され、前記二つの吸気ポートの一方には前記スワール流生成手段としてのスワール流制御弁が配置され、前記二つの吸気ポートの両方にはタンブル流制御弁が配置され、成層燃焼時には前記タンブル流制御弁を全開として前記スワール流制御弁を制御し、均質燃焼時には、前記スワール流制御弁を全開として前記タンブル流制御弁を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項４】
前記点火プラグは気筒上部に配置され、前記点火プラグはＬ字形電極を有し、前記Ｌ字形電極は点火プラグ軸線に平行な平行部と点火プラグ軸線に垂直な垂直部とを有し、前記点火プラグの点火ギャップを通過する際の前記タンブル流が、前記Ｌ字形電極の前記平行部の幅方向面に対して垂直に衝突しないように、前記点火プラグの前記Ｌ字形電極が配向されていることを特徴とする請求項１又は２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】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
点火プラグ近傍だけに一塊の可燃混合気を形成して気筒内全体としては理論空燃比よりリーンな空燃比の燃焼を可能とする成層燃焼が公知である。成層燃焼を実施するために点火プラグ近傍の可燃混合気をピストン頂面に形成されたキャビティ内に形成する筒内噴射式火花点火内燃機関において、スワール流を利用して噴射燃料を点火プラグが位置するキャビティの中心近傍へ集合させることが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この筒内噴射式火花点火内燃機関において、機関負荷が小さく燃料噴射量が少ない時には、噴射燃料をキャビティの中心近傍へより集中させて点火プラグ近傍に形成される混合気が過剰リーンとなることを防止するためにスワール流は強くされる。一方、機関負荷が大きく燃料噴射量が多い時には、噴射燃料をキャビティの中心近傍へ集中させ過ぎて点火プラグ近傍に形成される混合気が過剰リッチとなることを防止するためにスワール流は弱くされる。こうして、成層燃焼時において燃料噴射量が少ないほど、吸気行程において気筒内に形成されるスワール流は強められる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２５６０１
【特許文献２】特開２００２−３７１８５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、成層燃焼に際して、燃料噴射弁により噴射される燃料の一部が直接的に点火プラグの点火ギャップを通過するようにして、気筒内に直接的に点火プラグ近傍の可燃混合気を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である。このような筒内噴射式火花点火内燃機関において、前述のように、燃料噴射量が少ないほどスワール流が強められると、燃料噴射量が少ない時に、噴射燃料は強いスワール流により大きく分散させられて、混合気が過剰リーンとなって失火が発生することがある。また、燃料噴射量が多い時に、噴射燃料が弱いスワール流により殆ど分散させられないと、混合気が過剰リッチとなってスモークが発生することがある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、噴射燃料により直接的に点火プラグ近傍の可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼時に点火プラグ近傍の混合気が過剰リーン又は過剰リッチとならないようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、スワール流生成手段とを具備し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の一部が前記点火プラグの点火ギャップを通過するようにされ、点火時期において前記点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼に際して、機関負荷が高いほど前記スワール流生成手段により吸気行程において気筒内に生成するスワール流を強くすることを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、スワール流生成手段とを具備し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の一部が前記点火プラグの点火ギャップを通過するようにされ、点火時期において前記点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼に際して、燃焼空燃比が小さいほど前記スワール流生成手段により吸気行程において気筒内に生成するスワール流を強くすることを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、少なくとも二つの吸気ポートが気筒内へ接続され、前記二つの吸気ポートの一方には前記スワール流生成手段としてのスワール流制御弁が配置され、前記二つの吸気ポートの両方にはタンブル流制御弁が配置され、成層燃焼時には前記タンブル流制御弁を全開として前記スワール流制御弁を制御し、均質燃焼時には、前記スワール流制御弁を全開として前記タンブル流制御弁を制御することを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記点火プラグは気筒上部に配置され、前記点火プラグはＬ字形電極を有し、前記Ｌ字形電極は点火プラグ軸線に平行な平行部と点火プラグ軸線に垂直な垂直部とを有し、前記点火プラグの点火ギャップを通過する際の前記タンブル流が、前記Ｌ字形電極の前記平行部の幅方向面に対して垂直に衝突しないように、前記点火プラグの前記Ｌ字形電極が配向されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射される燃料の一部が点火プラグの点火ギャップを通過するようにされ、点火時期において点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼に際して、機関負荷が高いほどスワール流生成手段により吸気行程において気筒内に生成するスワール流を強くするようになっており、それにより、機関負荷が高い時に多量に噴射される燃料は、強められたスワール流によってスワール流の下流側へ広げられ、点火プラグ近傍には過剰リッチではない一塊の可燃混合気を形成することができる。また、機関負荷が低い時に少量しか噴射されない燃料は、弱められたスワールによって殆ど分散させられることなく、点火プラグ近傍には過剰リーンではない一塊の可燃混合気を形成することができる。
【００１２】
本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射される燃料の一部が点火プラグの点火ギャップを通過するようにされ、点火時期において点火プラグ近傍に可燃混合気を形成して成層燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼に際して、燃焼空燃比が小さいほどスワール流生成手段により吸気行程において気筒内に生成するスワール流を強くするようになっており、それにより、燃焼空燃比が小さい時に多量に噴射される燃料は、強められたスワール流によってスワール流の下流側へ広げられ、点火プラグ近傍には過剰リッチではない一塊の可燃混合気を形成することができる。また、燃焼空燃比が大きい時に少量しか噴射されない燃料は、弱められたスワールによって殆ど分散させられることなく、点火プラグ近傍には過剰リーンではない一塊の可燃混合気を形成することができる。
【００１３】
本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、少なくとも二つの吸気ポートが気筒内へ接続され、二つの吸気ポートの一方にはスワール流生成手段としてのスワール流制御弁が配置され、二つの吸気ポートの両方にはタンブル流制御弁が配置され、成層燃焼時にはタンブル流制御弁を全開としてスワール流制御弁を制御して、点火プラグ近傍に過剰リッチ又は過剰リーンでない可燃混合気を形成することができ、また、均質燃焼時には、スワール流制御弁を全開としてタンブル流制御弁を制御することにより、圧縮行程後半まで持続するような強いタンブル流を吸気行程において気筒内に生成し、このタンブル流によって点火時期までには良好に均質化された均質混合気を形成することができると共に点火時期には気筒内に乱れを発生させることができ、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。
【００１４】
本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火プラグは気筒上部に配置され、点火プラグの点火ギャップを通過する際のタンブル流が、Ｌ字形電極の平行部の幅方向面に対して垂直に衝突しないように、点火プラグのＬ字形電極が配向されている。それにより、点火ギャップにおいて発生したアークはタンブル流によって下流側へ伸ばされ、特に燃料噴射量が多い時にスワール流の下流側へ広げられた可燃混合気を良好に着火させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示すシリンダヘッドの底面図であり、図２は図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。図１及び２は、いずれも圧縮行程後半を示している。図１及び２において、１は一対の吸気弁であり、２は一対の排気弁である。３は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、４は気筒上部の燃料噴射弁１より排気弁側に配置された点火プラグである。
【００１６】
対応する吸気弁１を介して気筒内へ通じる第一吸気ポート５１及び第二吸気ポート５２は、下流側部分において、隔壁６により上下に二分割され、それぞれの下側部分を閉鎖可能とするタンブル流制御弁７が設けられている。また、第二吸気ポート５２には、隔壁６の直上流側において、ポート内を閉鎖可能とするスワール流制御弁８が配置されている。９は対応する排気弁２を介して気筒内へ通じる排気ポートである。また、１０はピストンである。
【００１７】
本筒内噴射式火花点火内燃機関は、機関負荷が設定負荷以下である時に成層燃焼を実施し、機関負荷が設定負荷より大きい時に均質燃焼を実施する。成層燃焼時において、燃料噴射弁３は、圧縮行程後半に燃料を噴射する。燃料噴射弁３は、スリット状の噴孔を有して、比較的厚さの薄い平らな略扇形状に燃料を噴射するものであり、略扇形状の燃料噴霧の幅方向中央部が、点火プラグ４の点火ギャップを通過するように燃料噴射方向が設定されている。
【００１８】
略扇形状の燃料噴霧は、気筒内を飛行中に吸気との摩擦によって微粒化及び気化され、点火プラグ４近傍に直接的に一塊の混合気を形成する。燃料噴射量がかなり少ない時には、このように点火プラグ４近傍に形成された混合気は、適当な燃料濃度となり、確実な着火燃焼が実現される。しかしながら、燃料噴射量が比較的多くなると、点火プラグ４近傍に形成される混合気が過剰リッチとなり、燃焼に際してスモークが発生することがある。
【００１９】
本実施形態では、第二吸気ポート５２にスワール流制御弁８が配置されており、このスワール流制御弁８の開度を小さくするほど、第二吸気ポート５２から気筒内へ供給される吸気量が少なくなって、第一吸気ポート５１からシリンダボアの接線方向に供給される吸気により形成されるスワール流Ｓを強めることができる。それにより、圧縮行程後半までの減衰を考慮して、吸気行程において気筒内に生成するスワール流Ｓの強さを制御することにより、圧縮行程後半において所望の強さのスワール流Ｓを気筒内に存在させることができる。第一吸気ポート５１及び第二吸気ポート５２に配置されたタンブル流制御弁７は、成層燃焼時においては、いずれも全開とされる。
【００２０】
本実施形態では、図３に示すように、成層燃焼時には、燃料噴射量が多くなるほど、スワール流制御弁８の開度をより小さくし、吸気行程において気筒内に生成されるスワール流Ｓをより強めることにより、圧縮行程後半において気筒内に存在するスワール流Ｓをより強くしている。それにより、燃料噴射量が多くなるほど、そのままでは、より過剰リッチとなる混合気を、より強いスワール流Ｓによって強制的にスワール流Ｓの下流側へより広げるようにして、点火プラグ４近傍の一塊の混合気の燃料濃度を適当にし、スモークの発生を抑制している。
【００２１】
図３において、燃料噴射量がかなり少ない時には、スワール流制御弁８を全開として、気筒内にスワール流が生成されないようにしている。それにより、点火プラグ４近傍に形成される一塊の混合気が、スワール流によって広げられて、過剰リーンとなることが防止され、失火の発生を抑制している。
【００２２】
このように、燃料噴射量に応じて、スワール流制御弁８の開度を制御するのに代えて、アクセルペダルの踏み込み量に対応する機関負荷が高いほど、燃料噴射量が多くなるために、スワール制御弁８の開度を小さくして、吸気行程において生成されるスワール流を強くするようにしても良い。また、成層燃焼に際しては、燃料噴射量に係わらずに気筒内の吸気量はほぼ一定であり、気筒内全体の燃焼空燃比が小さいほど、燃料噴射量が多くなる。それにより、機関排気系の空燃比センサにより検出される燃焼空燃比が小さいほど、スワール流制御弁８の開度を小さくして、吸気行程において生成されるスワール流を強くするようにしても良い。
【００２３】
ところで、点火プラグ４は、図４に示すように、一般的には高電圧側の中心電極４１と、一般的には接地側のＬ字形電極４２とを有している。Ｌ字形電極４２は、点火プラグ４の中心軸線に平行な平行部４２ａと、中心軸線に垂直な垂直部４２ｂとを有している。本実施形態において、Ｌ字形電極４２の平行部４２ａの幅方向面はスワール流Ｓと略平行に配向されている（図４に対する点対称配置でも、平行部４２ａの幅方向面はスワール流Ｓと略平行となる）。それにより、点火プラグ４の中心電極４１とＬ字形電極４２との間で発生するアークＡは、図４に示すように、スワール流Ｓによってスワール流Ｓの下流側へ容易に伸ばされる。それにより、成層燃焼時において、圧縮行程後半のスワール流が強いほど、点火プラグ４近傍の混合気がスワール流Ｓによってスワール流Ｓの下流側へより広げられるだけでなく、アークＡも下流側へより伸ばされるために、混合気の着火性が向上する。
【００２４】
これに対して、図４に一点鎖線で示すように、スワール流Ｓが、点火プラグ４の中心電極４１とＬ字形電極４２との間の点火ギャップを通過する時に、Ｌ字形電極４２の平行部４２ａの幅方向面に対して垂直に衝突するように、Ｌ字形電極４２が配向されていると、アークＡはスワール流によって下流側へ伸ばされることはない。それにより、混合気の着火性を向上させるには、このようにＬ字形電極４２を配向しないことが好ましい。スワール流Ｓが点火プラグ４の点火ギャップを通過する時に、Ｌ字形電極４２の平行部４２ａの幅方向面に対して垂直に衝突しなければ、アークＡはスワール流Ｓによって僅かでも下流側へ伸ばされる。また、スワール流Ｓが点火プラグ４の点火ギャップへ流入する時に、Ｌ字形電極４２の平行部４２ａの幅方向面に対して垂直に衝突するようなＬ字形電極４２の配向でも（図４の一点鎖線の配向とは点対称の配向である）、スワール流Ｓは、平行部４２ａを回り込んで点火プラグ４の点火ギャップを通過してアークＡを下流側に伸ばすことができる。
【００２５】
前述したように、本筒内噴射式火花点火内燃機関は、機関負荷が設定負荷より大きい場合には、均質燃焼を実施する。均質燃焼に際しては、スワール流制御弁８は全開される。一方、第一吸気ポート５１及び第二吸気ポート５２の二つのタンブル流制御弁７は、同様に開度制御される。二つのタンブル流制御弁７の開度を小さくするほど、吸気行程において、気筒内に生成される排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流を強くすることができるが、気筒内へ供給される吸気量は少なくなる。
【００２６】
それほど高い機関出力が必要とされない低負荷側の均質燃焼は、燃料消費を低減するために、燃焼空燃比を理論空燃比よりリーンとすることが好ましい。このようなリーン空燃比の均質燃焼では、圧縮行程末期の点火時期において、この時までタンブル流を確実に気筒内に維持して乱れを存在させることが好ましく、二つのタンブル流制御弁７の開度は小さくされ、吸気行程において気筒内に強いタンブル流を生成する。
【００２７】
強いタンブル流は、吸気行程中に燃料噴射弁３から噴射される燃料を十分に攪拌し、点火時期までに良好な均質混合気を形成するのに有利である。ピストン１０の頂面には、気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流の減衰を抑制してタンブル流を点火時期まで持続させ易くするための円弧断面形状のキャビティ１０ａが形成されている。
【００２８】
高い機関出力が必要とされる高負荷側の均質燃焼は、燃焼空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とすることが好ましい。このような理論空燃比の均質燃焼では、点火時期において気筒内に強い乱れを存在させると、燃焼速度が速くなり過ぎて、熱効率が悪化するために、二つのタンブル流制御弁７の開度は大きくされ、吸気行程において、気筒内にはそれほど強いタンブル流が生成されないようにする。また、この時には、比較的多量の吸気が必要とされるが、二つのタンブル流制御弁７の開度が大きくされるために、吸気不足が発生することはない。
【００２９】
ところで、均質燃焼時には、スワール流制御弁８は全開されるが、それでも、スワール流制御弁８が配置された第二吸気ポート５２の吸気抵抗は、スワール流制御弁８が配置されていない第一吸気ポート５１の吸気抵抗に比較して大きくなる。気筒内には、当初、二つの吸気ポート５１及び５２によって互いに平行な二つのタンブル流が生成され、次いで、二つのタンブル流は合わさって一つのタンブル流となる。これら二つのタンブル流の強さが同じであれば、一つのタンブル流となる際にそれほど大きな減衰は発生しない。しかしながら、スワール流制御弁８の影響によって気筒内に生成される二つのタンブル流の強さが異なると、一つのタンブル流となる際に、比較的大きな減衰が発生し、点火時期までタンブル流を維持することが難しくなる。
【００３０】
それにより、第一吸気ポート５１に、第二吸気ポート５２のタンブル流制御弁と同様な弁部材を配置して常時全開とし、タンブル流制御弁８の全開時において、第二吸気ポート５２の吸気抵抗と第一吸気ポート５１の吸気抵抗とをほぼ等しくすることが好ましい。もちろん、第一吸気ポート５１の弁部材は、常時全開とされるために、アクチュエータは必要とされず、また、特に弁部材でなくても、全開時のタンブル流制御弁８の同じ吸気抵抗をもたらす形状の部材としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示すシリンダヘッドの底面図である。
【図２】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の圧縮行程後半における概略縦断面図である。
【図３】燃料噴射量に対するスワール流制御弁開度のマップである。
【図４】図１の点火プラグの拡大図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    吸気弁
２    排気弁
３    燃料噴射弁
４    点火プラグ
７    タンブル流制御弁
８    スワール流制御弁
５１    第一吸気ポート
５２    第二吸気ポート
Ｓ    スワール流
【図１】
2007255267.tif 000003
【図２】
2007255267.tif 000004
【図３】
2007255267.tif 000005
【図４】
2007255267.tif 000006