(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁により形成される燃料噴霧中若しくは該燃料噴霧に近接して点火プラグのスパークギャップを配置した筒内直噴式ガソリン機関において、
所定の運転領域において、点火時期近傍にて１度の燃料噴射を行うと共に、この燃料噴射に先立って圧縮行程中に少なくとも１度の燃料噴射を行い、点火時期近傍の燃料噴射の噴射量を機関回転速度の増大に応じて増加させることを特徴とする筒内直噴式ガソリン機関。
【請求項２】
前記所定の運転領域は、圧縮行程中に燃料噴射を行う成層燃焼運転領域中の高負荷領域であることを特徴とする請求項１記載の筒内直噴式ガソリン機関。
【請求項３】
前記所定の運転領域は、圧縮行程中に燃料噴射を行う成層燃焼運転領域中の高負荷及び低回転領域であることを特徴とする請求項１記載の筒内直噴式ガソリン機関。
【請求項４】
点火時期近傍の燃料噴射の噴射量を機関回転速度に応じて設定し、機関負荷に応じて要求される総燃料噴射量から、点火時期近傍の燃料噴射の噴射量を除いた燃料量を、点火時期近傍の燃料噴射に先立つ燃料噴射の噴射量とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内直噴式ガソリン機関。
【請求項５】
燃料噴射弁噴口とスパークギャップとの距離は概ねシリンダボア径の１／４以下とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の筒内直噴式ガソリン機関。
【請求項６】
点火プラグのスパークギャップが燃料噴霧中に配置される一方、中心電極をグラウンドから絶縁するための絶縁碍子は燃料噴霧外に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の筒内直噴式ガソリン機関。
【請求項７】
２つの燃料噴射弁を有し、このうち１つが点火プラグに近接して配置され、当該燃料噴射弁により点火時期近傍の燃料噴射がなされることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の筒内直噴式ガソリン機関。
【請求項８】
２つの点火プラグを有し、このうち１つが燃料噴射弁に近接して配置されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の筒内直噴式ガソリン機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴式ガソリン機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料噴射弁と点火プラグとを近接配置した筒内直噴式ガソリン機関としては、特開平７−１８９７６７号公報に開示されたものが公知である。
この筒内直噴式ガソリン機関では、燃料噴射量が所定量より少ないときは、点火時期近くで燃料噴射を行い、燃料噴射量が所定量より多いときは、クランク角０°の排気上死点近くでの前噴射と、点火時期近くでの後噴射とを行う（前記公報の図７及び図８参照）。
【０００３】
燃料噴射弁と点火プラグとを近接配置して、点火時期近くで燃料噴射を行うと、燃料が分散する前に点火が行われるので、燃料噴射量が少なくても（空燃比が大きくても）安定した燃焼が得られる。このため、低負荷運転時（燃料噴射量が少ないとき）に吸入空気量を絞る必要が無くなり、エンジンのポンピングロスを低減することができる。
【０００４】
但し、この制御を高負荷運転時（燃料噴射量が多いとき）にも行うと、燃焼に寄与する空気が不足してスモークが発生するので、前記公報に記載の従来技術では、燃料噴射量が多いときは点火時期近くでの後噴射に加えて前噴射を行い、予め燃焼室全体に均一な混合気を作っておくようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の前噴射は、噴射燃料が気筒壁面に当たるのを避けるため、ピストンが排気上死点に近いときに行われるようになっており、この場合、燃料の気筒壁面への付着は回避されるものの、ピストン冠面には多くの燃料が付着することになり、エンジンのＨＣ排出特性を悪化させる要因となる。
【０００６】
また、前噴射された燃料は燃焼室全体に広がるため、燃料噴射量によっては均一混合気が希薄になり過ぎて、燃焼が不安定になる可能性がある。すなわち、点火時期近くの燃料噴射だけとするには燃料量が多すぎ、反対に前噴射と後噴射とを行うには燃料量が少なすぎる中間の燃料量が存在する。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、安定した燃焼が得られると共に、ＨＣやスモークの発生を低減でき、また燃費も良好となる筒内直噴式ガソリン機関を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明では、燃料噴射弁により形成される燃料噴霧中若しくは該燃料噴霧に近接して点火プラグのスパークギャップを配置した筒内直噴式ガソリン機関において、所定の運転領域において、点火時期近傍にて１度の燃料噴射を行うと共に、この燃料噴射に先立って圧縮行程中に少なくとも１度の燃料噴射を行う。すなわち、前噴射を圧縮行程中に行い、点火時期近傍にて後噴射を行う。そして、点火時期近傍の燃料噴射の噴射量を機関回転速度の増大に応じて増加させることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明では、前記所定の運転領域は、圧縮行程中に燃料噴射を行う成層燃焼運転領域中の高負荷領域であることを特徴とする。
請求項３の発明では、前記所定の運転領域は、圧縮行程中に燃料噴射を行う成層燃焼運転領域中の高負荷及び低回転領域であることを特徴とする。
請求項４の発明では、点火時期近傍の燃料噴射の噴射量を機関回転速度に応じて設定し、機関負荷に応じて要求される総燃料噴射量から、点火時期近傍の燃料噴射の噴射量を除いた燃料量を、点火時期近傍の燃料噴射に先立つ燃料噴射の噴射量とすることを特徴とする。
【０００９】
請求項５の発明では、燃料噴射弁噴口とスパークギャップとの距離は概ねシリンダボア径の１／４以下とすることを特徴とする。
請求項６の発明では、点火プラグのスパークギャップが燃料噴霧中に配置される一方、中心電極をグラウンドから絶縁するための絶縁碍子は燃料噴霧外に配置されることを特徴とする。
【００１０】
請求項７の発明では、２つの燃料噴射弁を有し、このうち１つが点火プラグに近接して配置され、当該燃料噴射弁により点火時期近傍の燃料噴射がなされることを特徴とする。
請求項８の発明では、２つの点火プラグを有し、このうち１つが燃料噴射弁に近接して配置されることを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、前噴射を圧縮行程に行うことで、前噴射の燃料が燃焼室全体に広がる前（但し、十分な気化時間経過後）に、点火時期近傍での後噴射と点火による火炎核が前噴射の噴霧に追いつき、前噴射の燃料を燃焼させる。これにより、適度な空燃比となっているときに前噴射による混合気を燃焼させることが可能となり、安定した燃焼が得られる。また、噴霧とピストンとの衝突も少ないので、ＨＣ排出量等も抑制できる。
また、点火時期近傍の燃料噴射の噴射量を回転速度の増大に応じて増加させることで、点火時期近傍の燃料噴射による混合気の形成は、回転速度に比例して空気流動が強くなると、より拡散方向となり、点火プラグ近傍の空燃比が薄くなるのを補うことができ、回転速度の広い範囲にわたって本燃焼コンセプトを実現できる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、圧縮行程中に燃料噴射を行う成層燃焼運転領域中の高負荷領域にて行うことで、当該領域での燃焼安定性と排気特性向上を図ることができる。
請求項３の発明によれば、圧縮行程中に燃料噴射を行う成層燃焼運転領域中の高負荷及び低回転領域にて行うことで、当該領域での燃焼安定性と排気特性向上を図ることができる。
【００１３】
請求項４の発明によれば、点火時期近傍の燃料噴射の噴射量を機関回転速度に応じて設定し、機関負荷に応じて要求される総燃料噴射量から、点火時期近傍の燃料噴射の噴射量を除いた燃料量を、点火時期近傍の燃料噴射に先立つ燃料噴射の噴射量とすることで、すなわち、点火時期近傍の噴射量は点火プラグによる着火に必要な最小限の一定量を基本として機関回転速度に応じて設定し、それを除いた燃料量を前噴射して、必要十分に気化させることで、負荷によらず安定した燃焼が得られる。
【００１５】
請求項５の発明によれば、燃料噴射弁噴口とスパークギャップとの距離を概ねシリンダボア径の１／４以下とすることで、燃料噴射弁と点火プラグとが近接している筒内直噴式ガソリン機関の基本特性である着火安定性を確保できる。
請求項６の発明によれば、点火プラグのスパークギャップが燃料噴霧中に配置されことで、燃料噴霧に直接点火する際の燃焼安定性が向上する一方、絶縁碍子は燃料噴霧外に配置されることで、絶縁碍子の絶縁性が良好に保持され、点火プラグが耐くすぶり性が向上する。
【００１６】
請求項７の発明によれば、２つの燃料噴射弁を有し、このうち１つが点火プラグに近接して配置され、当該燃料噴射弁により点火時期近傍の燃料噴射がなされるので、他の燃料噴射弁、すなわち主たる噴霧を噴射する燃料噴射弁を水平に近く傾けて配置することができ、これにより主たる噴霧がピストンを濡らしにくくして、燃焼効率をより高めることができる。
【００１７】
請求項８の発明によれば、２つの点火プラグを有し、このうち１つが燃料噴射弁に近接して配置されるので、他の点火プラグを均質燃焼運転時の点火用とすれば、燃料噴射弁を比較的温度が低いシリンダ周辺に配置することが可能で、燃料噴射弁の耐久性を高めることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す筒内直噴式ガソリン機関の概略図である。この図において、１は燃焼室、２はピストンである。３は燃料噴射弁、３１は燃料噴射弁３より噴射される燃料噴霧（噴霧円錐）である。４は点火プラグ、４１はスパークギャップ、４２は絶縁碍子である。
【００１９】
ここで、燃料噴射弁３はシリンダヘッドの中央部に垂直に取付けて、その噴口を燃焼室１内に臨ませる一方、点火プラグ４はシリンダヘッドに斜めに取付けて、その先端部を燃焼室１内に突出させることで、燃料噴射弁３により形成される燃料噴霧（噴霧円錐）３１に近接して点火プラグ４のスパークギャップ４１を配置してある。尚、燃料噴射弁３の噴口と点火プラグ４のスパークギャップ４１との距離は、概ねシリンダボア径の１／４以下とする。
【００２０】
図２は同上実施形態における燃料噴射と点火のタイミングを示す図である。
所定の運転領域（比較的低回転低負荷領域に設定される成層燃焼運転領域）において、この図に示すように、圧縮行程での点火時期近傍にて１度の燃料噴射（第２の噴射）を行うと共に、この燃料噴射に先立って圧縮行程中に少なくとも１度の燃料噴射（第１の噴射）を行う。言い換えれば、圧縮行程中に前噴射として第１の噴射を行い、点火時期近傍にて後噴射として第２の噴射を行う。
【００２１】
次に作用を説明する。
まず筒内直噴式ガソリン機関の性能に大きな影響を与える２つの要素
（１）燃料噴射弁から点火プラグまでの距離の大小
（２）燃料噴霧が点火プラグに到達する経路におけるピストンボールなどの壁の介在の有無
について説明する。
【００２２】
（１）燃料噴射弁から点火プラグまでの距離の大小
・距離が小の時、燃料噴射から点火までの時間が短く、燃料の気化が不十分となり、高負荷においてスモークが多くなる問題がある。反面、スパークギャップヘの燃料集中が容易となり、希薄燃焼時の燃焼安定性が得易い。
・距離が大の時、燃料噴射から点火までの時間が長くなるため、燃料の気化が十分得られ、高負荷においてもスモークが発生しない。反面、スパークギャップヘの燃料集中が難しく、希薄燃焼時の燃焼安定性が悪い。
【００２３】
（２）燃料噴霧が点火プラグに到達する経路におけるピストンボールなどの壁の介在の有無
・壁が介在する時、噴霧が壁面に沿って運動するため、壁面からの熱の授受により燃料の気化が促進される。また、壁付近では流動のサイクル変動が少ないことから、燃料混合気のサイクル変動が抑制されるため、気化促進効果と合わせて希薄燃焼時の燃焼安定性が得られる。他方、壁面付近に混合気が偏在するため、クエンチにより燃焼効率が低下し易く、大きな燃費向上代が得にくい。
【００２４】
・壁が介在しない時、燃料の気化が空気との熱の授受のみによって行われること、及び、燃料混合気の運動がサイクル変動を持ちやすいことにより、希薄燃焼時の燃焼安定性が得にくい。他方、壁面から離れて混合気が存在するため、クエンチによる燃焼効率低下が起きにくく、大きな燃費向上代を得易い。
以上を表にまとめたものが図３である。結果として４つに分類される筒内直噴式ガソリン機関のいずれをとっても、燃焼安定性、スモーク、燃費、ＨＣの全てを満足させることはできていない。
【００２５】
本発明は、大きな燃費向上代が得られる噴霧経路に壁が介在しない燃焼方式において、燃料噴射弁・点火プラグ間距離が大の時の長所、すなわちスモークの発生が無いことと、燃料噴射弁・点火プラグ間距離が小の時の長所、すなわち良好な燃焼安定性と、を同時に得るための方策に関するものであり、燃焼安定性、スモーク、燃費、ＨＣの全てを満足させることができるものである。
【００２６】
以下、図４に基づいて作用を説明する。
圧縮行程において第１の噴射により最初に噴射された噴霧（以下第１の噴霧という）３１は時間の経過と共に燃焼室内で拡散しながら気化し、徐々に完全燃焼に適した混合気状態になって行く。
さらに、第１の噴射から時間をおいて、第２の噴射として、少量の噴霧（以下第２の噴霧という）３２を噴射する。
【００２７】
この第２の噴射の直後に、近接して配置された点火プラグで火花点火を行い、第２の噴霧３２を燃焼させる。この時、燃料噴射弁と点火プラグとが近接した筒内直噴式ガソリン機関の基本特性に従い、着火は安定している。また、第２の噴霧３２は極少量であるために、スモークの発生はわずかであり、その後の燃焼行程で再燃焼する。
【００２８】
その後、第２の噴霧３２は燃焼しながら噴霧軸線上を移動し、やがて最初に噴射された第１の噴霧３１に追いつき、そこで第１の噴霧３１を燃焼させる。この時、第１の噴霧３１は噴射から時間が経過していることによって気化と拡散が進んでおり、スモークを発生しない。
尚、第２の噴霧３２が第１の噴霧３１に追いつくのは、図５に示すように、第１の噴霧３１が引き起こす後流（空気流動）によって、第２の噴霧３２の進行速度が第１の噴霧３１の進行速度より早くなるからである。。
【００２９】
図６は、横軸を第１の噴射開始からの時間、縦軸を噴口から噴霧先端までの距離として、噴霧の進行と点火のタイミングを模式的に示したものである。
図７は、機関負荷に対する第１及び第２の噴射の噴射分担の関係を示したものである。第２の噴射量は点火プラグによる着火に必要な最小限の一定量を基本とし（但し、後述するように機関回転速度に応じて補正）、それを除いた燃料量を第１の噴射量として噴射する。
【００３０】
但し、燃料噴射弁の特性として極少量の燃料噴射を行うとしても燃料噴射パルス幅との線形性が保たれないため、使用できる最小のパルス幅が存在する。従って、成層燃焼運転中の低負荷領域では、全体の燃料噴射量が少ないため、燃料噴射を２回に分けて行うことができない。
そこで、図８に示すように、成層燃焼運転領域中の高負荷領域では、第１の噴射と第２の噴射とを行うが、成層燃焼運転領域中の低負荷領域では、第２の噴射、すなわち点火時期近傍での燃料噴射のみを行う。
【００３１】
図９は機関負荷と燃料噴射時期との関係を示したものである。第１の噴射により形成される混合気はＮＯｘの発生を防ぐために着火可能な限り薄い混合気であることが望ましい。このためには燃料噴射量の増大に伴い燃料拡散範囲を広くする必要があり、第１の噴射時期を負荷の増大に伴い早めて行くことが妥当であると考えられる。
【００３２】
図１０には、回転速度と噴射分担との関係を示す。
これからわかるように、機関回転速度の増大に応じて、点火時期近傍での第２の燃料噴射量を増大させる。
シリンダ内の空気流動は機関回転速度に比例して大きくなる。第２の燃料噴射による混合気の形成は、空気流動が強くなると、より拡散方向となり、点火プラグ近傍の空燃比は薄くなる。これを補うためには、図１０に示すように、機関回転速度の増大に従い、第２の燃料噴射量を増大させる必要がある。
【００３３】
このとき、先に述べた理由により、成層燃焼運転領域中の第１及び第２の噴射を行う領域と第２の噴射のみを行う領域とを図１１に示すようにすることができ、成層燃焼運転領域中の高負荷かつ低回転領域（低回転側ほどより低負荷まで）で第１及び第２の噴射（２度噴射）を行うことができる。これにより、機関回転速度の広い範囲にわたって本燃焼コンセプトを実現できる。
【００３４】
図１２には、本発明の第２の実施形態を示す。
この実施形態では、点火プラグ４のスパークギャップ４１が燃料噴霧（噴霧円錐）３１中に配置されており、燃料噴霧に直接点火する際の燃焼安定性が優れていると共に、中心電極をグラウンドから絶縁するための絶縁碍子４２は燃料噴霧（噴霧円錐）３１外に配置されており、絶縁碍子４２の絶縁性が良好に保持され、点火プラグ４がくすぶることがない。従って、燃焼安定性と点火プラグの耐くすぶり性とを両立できる。
【００３５】
図１３には、本発明の第３の実施形態を示す。
この実施形態では、２つの燃料噴射弁３Ａ、３Ｂを有し、このうち１つの燃料噴射弁３Ｂが点火プラグ４に近接して配置され、当該燃料噴射弁３Ｂにより点火時期近傍での第２の噴射がなされるようになっている。他方の燃料噴射弁３Ａは第１の噴射を行うためのものであり、シリンダヘッド周辺部より斜めに燃焼室内を指向させている。
【００３６】
従って、燃料噴射弁３Ａより第１の噴射がなされ、この後、点火時期近傍にて燃料噴射弁３Ｂより第２の噴射がなされ、燃料噴射弁３Ｂより噴射された燃料噴霧３２は点火プラグ４で点火された後燃焼し、先に燃料噴射弁３Ａから噴射された噴霧３１に衝突し、該噴霧３１を燃焼させる。
この構成によれば、主たる噴霧を噴射する燃料噴射弁３Ａを水平に近く傾けて配置することができるので、噴霧がピストンを濡らしにくく、燃焼効率をより高めることができる。
【００３７】
図１４には、本発明の第４の実施形態を示す。
この実施形態では、２つの点火プラグ４Ａ、４Ｂを有し、このうち１つの点火プラグ４Ｂが燃料噴射弁３に近接して配置されるものである。この場合、燃料噴射弁３は、シリンダヘッド周辺部より斜めに燃焼室内を指向しており、これに近接して点火プラグ４Ｂが設けられる。他方の点火プラグ４Ａはシリンダヘッド中央部に位置し、均質燃焼運転時の点火はこの点火プラグ４Ｂにより行われる。
【００３８】
この構成によれば、燃料噴射弁３を比較的温度が低いシリンダ周辺に配置することが可能で、燃料噴射弁３の耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態を示す筒内直噴式ガソリン機関の概略図
【図２】  同上実施形態における燃料噴射と点火のタイミングを示す図
【図３】  筒内直噴式ガソリン機関の分類と各方式の得失を示す図
【図４】  同上実施形態における燃焼室内の混合気の動作状態を示す図
【図５】  同上実施形態における噴霧回りの空気流動を示す図
【図６】  同上実施形態における噴霧先端位置の時間変化を示す図
【図７】  同上実施形態における負荷と噴射分担との関係を示す図
【図８】  同上実施形態における第１及び第２の噴射を行う領域を示す図
【図９】  同上実施形態における負荷と燃料噴射時期との関係を示す図
【図１０】  同上実施形態における回転速度と噴射分担との関係を示す図
【図１１】  第１及び第２の噴射を行う領域の変形例を示す図
【図１２】  第２の実施形態を示す筒内直噴式ガソリン機関の概略図
【図１３】  第３の実施形態を示す筒内直噴式ガソリン機関の概略図
【図１４】  第４の実施形態を示す筒内直噴式ガソリン機関の概略図
【符号の説明】
１    燃焼室
２    ピストン
３、３Ａ、３Ｂ  燃料噴射弁
３１、３２  燃料噴霧
４、４Ａ、４Ｂ  点火プラグ
４１  スパークギャップ
４２  絶縁碍子
【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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【図１１】
0003921973.tif 000012
【図１２】
0003921973.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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