(57)【要約】【課題】気筒内へ供給される吸気の運動エネルギに応じて強さが変化するタンブル流を噴射燃料により確実に強めることができるようにすると共に、シリンダボアへの燃料付着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。【解決手段】気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１と、気筒上部に配置された点火プラグ２とを具備し、シリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するように気筒内を旋回するタンブル流Ｔを強めるために、吸気行程末期において燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料Ｆが噴射され、タンブル流を生成する吸気の気筒内へ流入する際の運動エネルギが小さい時には、運動エネルギが大きい時に比較して、タンブル流を強めるために燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射率を低くする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部に配置された点火プラグとを具備し、シリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するように気筒内を旋回するタンブル流を強めるために、吸気行程末期において前記燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料が噴射され、前記タンブル流を生成する吸気の気筒内へ流入する際の運動エネルギが小さい時には、前記運動エネルギが大きい時に比較して、前記タンブル流を強めるために前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射率を低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】
前記タンブル流を生成する吸気の前記運動エネルギが小さいほど、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の前記噴射率は低くされ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】
前記燃料噴射弁は、弁体を高リフト量及び低リフト量の二段階に制御可能であり、前記高リフト量だけの前記弁体の開弁により最大噴射率の燃料噴射が実現され、前記低リフト量だけの前記弁体の開弁により最小噴射率の燃料噴射が実現され、前記最大噴射率と前記最小噴射率との間の噴射率は、前記弁体を前記高リフト量及び前記低リフト量の一方及び他方で連続的に開弁させることにより実現することを特徴とする請求項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】
気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼において、気筒内へ供給された吸気により気筒内にタンブル流を形成し、このタンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させることにより、点火時期において気筒内にタンブル流による乱れを存在させ、この乱れによって均質混合気の燃焼速度を高めることができれば、良好な均質燃焼を実現することができる。
【０００３】
タンブル流を圧縮行程末期の点火時期まで持続させるために、吸気ポート内に吸気流制御弁を配置し、この吸気流制御弁によって吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内へ供給することにより、気筒内に強いタンブル流を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１８０２４７
【特許文献２】特開２００４−１９０５４８
【特許文献３】特開２００２−２２７６５１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気流制御弁により吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内に供給する時には、吸気流制御弁により吸気ポートが絞られることになる。それにより、必要吸気量が比較的少ない時においては、特に問題なく強いタンブル流を気筒内に形成することができるが、必要吸気量が比較的多くなる時においては、吸気流制御弁により吸気ポートを絞ると吸気不足が発生することがあるために、吸気流制御弁によって強いタンブル流を気筒内に形成することはできない。
【０００６】
それにより、このような吸気流制御弁を配置することなく、シリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するように気筒内を旋回するタンブル流を、吸気行程末期において気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射された燃料の貫徹力を利用して強めることが考えられる。
【０００７】
しかしながら、機関運転状態によって気筒内へ供給される吸気の運動エネルギが変化し、この運動エネルギに応じて気筒内に生成されるタンブル流の強さが変化するために、噴射燃料の貫徹力を強く設定すると、気筒内に生成されるタンブル流の強さが比較的弱くなった時に、噴射燃料がタンブル流を突き抜けてシリンダボアへ付着し、エンジンオイルを希釈させることがある。また、噴射燃料の貫徹力を弱く設定すると、気筒内に生成されるタンブル流の強さが比較的強くなった時には、タンブル流を強めることができなくなる。
【０００８】
従って、本発明の目的は、気筒内へ供給される吸気の運動エネルギに応じて強さが変化するタンブル流を噴射燃料により確実に強めることができるようにすると共に、シリンダボアへの燃料付着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である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部に配置された点火プラグとを具備し、シリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するように気筒内を旋回するタンブル流を強めるために、吸気行程末期において前記燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料が噴射され、前記タンブル流を生成する吸気の気筒内へ流入する際の運動エネルギが小さい時には、前記運動エネルギが大きい時に比較して、前記タンブル流を強めるために前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射率を低くすることを特徴とする。
【００１０】
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、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記タンブル流を生成する吸気の前記運動エネルギが小さいほど、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の前記噴射率は低くされることを特徴とする。
【００１１】
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２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、弁体を高リフト量及び低リフト量の二段階に制御可能であり、前記高リフト量だけの前記弁体の開弁により最大噴射率の燃料噴射が実現され、前記低リフト量だけの前記弁体の開弁により最小噴射率の燃料噴射が実現され、前記最大噴射率と前記最小噴射率との間の噴射率は、前記弁体を前記高リフト量及び前記低リフト量の一方及び他方で連続的に開弁させることにより実現することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
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、タンブル流を強めるために、吸気行程末期において燃料噴射弁によりシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料が噴射され、タンブル流を生成する吸気の気筒内へ流入する際の運動エネルギが小さい時には、運動エネルギが大きい時に比較して、タンブル流を強めるために燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射率を低くするようになっている。それにより、気筒内へ流入する時の吸気の運動エネルギが小さい時には、タンブル流の強さが比較的弱くなり、この時には、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射率が低くされるために、噴射燃料の貫徹力が弱くされ、噴射燃料がタンブル流を突き抜けてシリンダボアへ付着することは抑制される。また、タンブル流の強さが比較的弱いために、貫徹力が弱くされた噴射燃料によってもタンブル流を確実に強めることができる。また、吸気の気筒内へ流入する際の運動エネルギが大きい時には、タンブル流の強さが比較的強くなり、この時には、貫徹力が弱められた噴射燃料ではタンブル流を強めることはできないが、燃料の噴射率が高くされるために、噴射燃料の貫徹力は強くされ、タンブル流を確実に強めることができる。また、タンブル流の強さが比較的強いために、貫徹力が強くされても噴射燃料はタンブル流を突き抜け難く、噴射燃料がシリンダボアへ付着することは抑制される。
【００１３】
また、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、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、タンブル流を生成する吸気の気筒内へ流入する際の運動エネルギが大きいほど、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射率は低くされるようになっている。それにより、タンブル流の強さが弱くなるほど噴射燃料の貫徹力が弱くされ、タンブル流の強さが強くなるほど噴射燃料の貫徹力が強くされるために、タンブル流を噴射燃料によりさらに確実に強めることができると共に、シリンダボアへの燃料付着を十分に抑制することができる。
【００１４】
また、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２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は、弁体を高リフト量及び低リフト量の二段階に制御可能であり、高リフト量だけの弁体の開弁により最大噴射率の燃料噴射が実現され、低リフト量だけの弁体の開弁により最小噴射率の燃料噴射が実現され、最大噴射率と最小噴射率との間の噴射率は、弁体を高リフト量及び低リフト量の一方及び他方で連続的に開弁させることにより実現するようになっている。それにより、弁体の二段階のリフト量制御によっても、タンブル流の強さに合わせて噴射率を多段階に変化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。これらの図において、１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、２は燃料噴射弁１の近傍に配置された点火プラグである。３はピストンであり、４は一対の吸気弁であり、５は一対の排気弁である。
【００１６】
本筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内に理論空燃比よりリーンな均質混合気を形成し、この混合気を点火プラグ２により着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。この均質燃焼のリーン空燃比は、ＮＯX生成量が比較的少なくなるように設定される（例えば、２０）。高出力が必要な高回転高負荷時等においては、理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼を実施するようにしても良い。また、機関排気系に排気ガスの空燃比がリーンである時にＮＯＸを吸蔵するＮＯＸ吸蔵触媒装置が配置されている場合においては、ＮＯＸ吸蔵触媒装置から吸蔵ＮＯＸを放出して還元浄化する時には、燃焼空燃比を設定リッチ空燃比とする均質燃焼が実施される。特に、リーン空燃比での均質燃焼は、点火時期において気筒内に乱れを存在させて燃焼速度を速めないと、所望の機関出力が得られない。それにより、吸気行程において気筒内に供給される吸気によってシリンダボアの排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流Ｔを気筒内に形成し、このタンブル流Ｔを圧縮行程末期の点火時期まで持続させて点火時期において気筒内に乱れを存在させることが好ましい。
【００１７】
しかしながら、シリンダヘッドを厚くして吸気ポートの形状配置を工夫したり、吸気ポート内に吸気流制御弁を設ける等しない限り、一般的に気筒内に形成されるタンブル流は、それほど強いものではなく、本実施形態のように、ピストン３の頂面にタンブル流の減衰を抑制するための部分円弧断面のキャビティ３ａが形成されていても、それだけでは、圧縮行程中の減衰により点火時期までには容易に消滅し、点火時期においてタンブル流により気筒内に乱れを存在させることはできない。それにより、本実施形態においては、吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流Ｔを、吸気行程末期において燃料噴射弁１によりシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射された燃料Ｆの貫徹力を利用して強めるようにしている。こうして強められたタンブル流は、圧縮行程末期の点火時期まで良好に持続して気筒内に乱れを存在させることができる。
【００１８】
本実施形態において、燃料噴射弁１は、例えば、スリット状の噴孔を有して比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射し、燃料噴霧Ｆの幅方向の中心平面が、タンブル流Ｔと平行に気筒中心軸線を通る縦平面とほぼ一致するようにされる。この縦平面は図２の断面であり、図２には、燃料噴霧Ｆの幅方向の中心断面が図示されている。もちろん、燃料噴射弁１は、円形噴孔を有して、燃料を柱状又は円錐状に噴射するものでも良い。
【００１９】
ところで、吸気行程において気筒内に形成されるタンブル流Ｔの強さは、機関運転状態に応じて変化する気筒内へ流入する吸気の運動エネルギに応じて変化する。吸気の運動エネルギは、１／２・ｍｖ２で表され、ｍは単位時間当たりの吸入空気質量であり、ｖは吸入空気流速である。この運動エネルギは、機関運転状態として、機関回転数が高いほど又は機関負荷が高いほど、大きくなる。すなわち、高回転高負荷時において大きく、低回転低負荷時において小さくなる。また、気筒内へ流入する吸気の運動エネルギは、機関運転状態として、燃焼空燃比がリーン側であるほど大きくなる。燃焼空燃比が、設定リーン空燃比、理論空燃比、及び、設定リッチ空燃比の一つから他の一つへ切り換えられる場合には、設定リーン空燃比、理論空燃比、設定リッチ空燃比の順で、気筒内へ流入する吸気の運動エネルギは小さくなる。気筒内へ流入する吸気の運動エネルギが大きいほど、タンブル流Ｔの強さが強くなる。それにより、燃料噴射弁１から噴射される燃料噴霧Ｆの噴射率を比較的低く一定にすると、比較的強いタンブル流Ｔが形成された時には、タンブル流Ｔを強めることができない。また、噴射率を比較的高く一定にすると、比較的弱いタンブル流Ｔが形成された時には、燃料噴霧Ｆがタンブル流Ｔを突き抜けてシリンダボアに衝突して付着し、エンジンオイルを希釈させることがある。
【００２０】
この問題を解決するために、本実施形態では、燃料噴射弁１として、弁体のリフト量が高リフト量と低リフト量の少なくとも二段階に可変とされたものを使用して燃料噴射を実施し、気筒内へ供給される吸気の運動エネルギが設定値以上である時には、図３に実線で示すように、弁体を高リフト量Ｌ１で開弁する。この時には、比較的強いタンブル流が気筒内に形成されるが、高リフト量Ｌ１での弁体の開弁により噴射率が高くなり、燃料噴霧Ｆの貫徹力が強くされるために、燃料噴霧Ｆによりタンブル流Ｔを十分に強めることができる。
【００２１】
一方、気筒内へ供給される吸気の運動エネルギが設定値より小さい時には、図３に点線で示すように、弁体を低リフト量Ｌ２で開弁する。この時には、比較的弱いタンブル流が気筒内に形成されるが、低リフト量Ｌ２での開弁により噴射率が低くなり、燃料噴霧Ｆの貫徹力が弱くされるために、燃料噴霧Ｆがタンブル流を突き抜けてシリンダボアへ衝突して付着することは抑制される。また、比較的弱いタンブル流は、貫徹力の弱い燃料噴霧Ｆによっても確実に強めることができる。
【００２２】
本実施形態において、燃料噴射終了時期は吸気下死点（ＢＤＣ）に固定されており、それにより、各機関運転状態において、要求燃料量が噴射されるように、噴射率を考慮して開弁時間（ｔ１又はｔ２）が算出され、算出された開弁時間が実現されるように燃料噴射開始時期を設定することとなる。当然のことながら、噴射率が高い時には、低い時に比較して、同じ燃料量を噴射するための開弁時間は短くなる。
【００２３】
噴射率を低くして噴射時間（開弁時間）を長くした方がタンブル流を利用して噴射燃料は気筒内全体に分散し易くなり、良好な均質混合気を気筒内に形成するのには有利である。それにより、タンブル流の強さが弱いほど噴射率が低くなるように、さらに多段階に噴射率を変化させることが好ましい。これを実現するために、ピエゾアクチュエータ等を使用して弁体のリフト量をさらに多段階に制御するようにしても良い。
【００２４】
弁体を高リフト量Ｌ１及び低リフト量Ｌ２の二段階にしか制御することができない場合には、図４に示すように、弁体を高リフト量Ｌ１及び低リフト量Ｌ２で連続的に開弁させることにより、この燃料噴射の全体的な噴射率を、弁体を高リフト量Ｌ１だけで開弁させた時の最大噴射率と、弁体を低リフト量Ｌ２だけで開弁させた時の最小噴射率との間の噴射率とすることができる。もちろん、高リフト量Ｌ１及び低リフト量Ｌ２での連続的な弁体の開弁は、高リフト量Ｌ１での開弁を低リフト量Ｌ２での開弁より前としても、低リフト量Ｌ２での開弁を高リフト量Ｌ１での開弁より前としても良い。
【００２５】
図４は、現在の機関運転状態に対応する要求燃料量の半分を高リフト量Ｌ１で噴射し、残り半分を低リフト量Ｌ２で噴射する場合を示しており、この燃料噴射の全体的な噴射率は、最大噴射率と最小噴射率との間の中間の噴射率となる。当然のこととして、要求燃料量の半分を噴射するための高リフト量Ｌ１の開弁時間ｔ１’は、要求燃料量の残り半分の噴射するための低リフト量Ｌ２の開弁時間ｔ２’より短くなる。燃料噴射開始時期は、これら二つの開弁時間ｔ１’及びｔ２’を連続的に実現した時が吸気下死点となるように設定される。
【００２６】
最大噴射率と最小噴射率との間の中間の噴射率より噴射率を高める場合には、高リフト量で噴射される燃料量を要求燃料量の半分より多くし、その分、低リフト量で噴射される燃料量を要求燃料量の半分より少なくすれば良い。また、最大噴射率と最小噴射率との間の中間の噴射率より噴射率を低くする場合には、高リフト量で噴射される燃料量を要求燃料量の半分より少なくし、その分、低リフト量で噴射される燃料量を要求燃料量の半分より多くすれば良い。
【００２７】
このように、要求燃料量のうちで、高リフト量で噴射される燃料量の割合を大きくするほど（それに応じて、低リフト量で噴射される燃料量の割合は小さくなる）、噴射率を高くすることができ、また、高リフト量で噴射される燃料量の割合を小さくするほど（それに応じて、低リフト量で噴射される燃料量の割合は大きくなる）、噴射率を低くすることができる。それにより、気筒内に形成されるタンブル流の強さが弱いほど、噴射率を低くする燃料噴射が可能となり、燃料噴霧Ｆがタンブル流を突き抜けないようにしてタンブル流を確実に強めることができると共に、不必要に燃料噴霧の貫徹力が強くされないために、タンブル流を利用した噴射燃料の分散が促進され、良好な均質混合気を形成するのに有利である。
【００２８】
本実施形態において、燃料噴射終了時期を吸気下死点としたが、これは本発明を限定するものではなく、燃料噴射が主に吸気行程末期に実施されるようにすれば良く、燃料噴射終了時期は吸気下死点近傍であって良い。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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概略縦断面図である。
【図３】弁体のリフトパターンを示すタイムチャートである。
【図４】弁体のもう一つのリフトパターンを示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
１    燃料噴射弁
２    点火プラグ
３    ピストン
Ｔ    タンブル流
Ｆ    噴射燃料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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