(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室略中央に配置した点火プラグと、燃焼室の一側から吸気を導入する吸気通路を開閉する吸気弁と、他側から排気を排出する排気通路を開閉する排気弁と、前記吸気弁近傍から燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、を含んで構成される直接筒内噴射式火花点火機関において、
前記吸気通路から分岐して、前記点火プラグを基準として前記燃料噴射弁とは反対側の前記排気弁近傍にて燃焼室と連通する副吸気通路と、
該副吸気通路の開口部に介装されて、機関の特定運転条件にて所定の時期に開弁する副吸気弁と、を設けたことを特徴とする直接筒内噴射式火花点火機関。
【請求項２】
前記副吸気弁が、前記燃料噴射弁と前記点火プラグとを結ぶ延長上に位置することを特徴とする請求項１記載の直接筒内噴射式火花点火機関。
【請求項３】
前記副吸気弁が、低回転数領域でのみ開弁することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直接筒内噴射式火花点火機関。
【請求項４】
前記副吸気弁が、前記燃料噴射弁による燃料の噴射から前記点火プラグによる点火までの間の所定の時期に開弁すると共に、その弁揚程及び作動角を微小としたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直接筒内噴射式火花点火機関。
【請求項５】
前記副吸気弁の傘部に、前記点火プラグからみた弁軸後方における通気を規制するシュラウドを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の直接筒内噴射式火花点火機関。
【請求項６】
前記副吸気弁の全閉時において、前記副吸気弁の傘部略中央が、ピストン冠面に設けられた凹部端縁の上方に位置することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の直接筒内噴射式火花点火機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接筒内噴射式火花点火機関に関し、より詳細には、アイドル域のような低回転数領域における成層燃焼を安定化する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、直接筒内噴射式火花点火機関では、アイドル域を含む低速・低負荷運転条件における燃費向上のため、超希薄空燃比による燃焼を行っている。このため、吸気や燃焼室内でのガス流動を改善して混合気の成層化を図っている。
【０００３】
例えば、特開平７−１９０４６号公報には、吸気の旋回流が、燃焼室の排気弁側を下向きに流れた後、凹状のピストン冠面にて反転され、燃焼室の吸気弁側を上向きに流れて、燃焼室略中央に配置された点火プラグへ向かう順タンブル流を形成すると共に、噴射された燃料噴霧を前記順タンブル流によって点火プラグ近傍へ輸送して、成層混合気を形成するものが開示されている。
【０００４】
また、特開平４−１１２９３１号公報には、吸気の旋回流が、吸気弁から吸気弁下方に配設された燃料噴射弁の噴射方向線を横断するように導入された後、ピストン冠面にて反転されて点火プラグへ向かう逆タンブル流を形成することにより、成層混合気を形成するものが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの直接筒内噴射式火花点火機関では、機関をアイドリングのように低回転数領域で運転した場合に、燃焼不良が生じて発生トルクの変動、延いては失火の発生を来すという問題が生じていた。
【０００６】
これは、低速運転により吸気の旋回流動が弱まるため、タンブル流が減衰或いは崩壊して混合気が分散し、燃焼圧が低下することによる。
これに対し、噴霧の貫通度を増大して燃料を強制的に輸送する方法が考えられるが、これではタンブル流が発達する高回転数領域において燃料噴霧が排気弁側のシリンダ壁面に到達するため、未燃率が上昇し、また液膜化した燃料が潤滑油に混入するといった懸念がある。
【０００７】
燃料輸送の観点からも、噴霧の貫通度を過度に高めることは、成層混合気の形成上不利である。
そこで、本発明は、これらの問題点に鑑み、アイドル域のような低回転数領域における燃料輸送を促進することにより、成層混合気を確実に形成して、燃焼を安定化することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明は、燃焼室略中央に配置した点火プラグと、燃焼室の一側から吸気を導入する吸気通路を開閉する吸気弁と、他側から排気を排出する排気通路を開閉する排気弁と、前記吸気弁近傍から燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを含んで構成される直接筒内噴射式火花点火機関において、前記吸気通路から分岐して、前記点火プラグを基準として前記燃料噴射弁とは反対側の前記排気弁近傍にて燃焼室と連通する副吸気通路と、該副吸気通路の開口部に介装されて、機関の特定運転条件にて所定の時期に開弁する副吸気弁とを設ける。
【０００９】
かかる構成によれば、成層燃焼を行う超希薄空燃比領域において、吸気の旋回流動が弱まり、圧縮行程でタンブル流が減衰或いは崩壊した場合に、副吸気弁を一時的に開弁することで燃焼室内ガスが副吸気通路へリークして、燃焼室内にガス流動が誘起される。
【００１０】
そして、噴射された燃料は、この流れに乗って点火プラグ近傍へと輸送され、混合気が成層化される。
ここで、前記副吸気弁は、前記燃料噴射弁と前記点火プラグとを結ぶ延長上に位置することが好ましい（請求項２）。
【００１１】
これに伴い、前記副吸気通路は、前記吸気通路から分岐した後、燃焼室上方において点火プラグを回避して、燃焼室と連通することが好ましい。
前記副吸気弁は、超希薄空燃比領域のうち、アイドル域のような低回転数領域でのみ開弁するように開閉制御する（請求項３）。
【００１２】
ここで、前記副吸気弁の弁開期間を、前記燃料噴射弁による燃料の噴射から前記点火プラグによる点火までの間で設定すると共に、その弁揚程及び作動角を微小とすることが好ましい（請求項４）。
また、前記副吸気弁の傘部に、燃焼室内ガスのリーク方向を規制するシュラウドを設けてもよい（請求項５）。
【００１３】
このシュラウドは、前記副吸気弁の傘部裏面に、前記点火プラグからみた弁軸後方において該弁軸を囲むように設置されることが好ましい。
これにより、燃焼室内ガスの弁軸後方からのリークが規制され、燃料噴射弁先端から点火プラグに向かうガス流動が強まるという作用が得られる。
【００１４】
更に、前記副吸気弁の全閉時において、その傘部略中央がピストン冠面に設けられた凹部端縁の上方に位置するように、各構成要素が配置されることが好ましい（請求項６）。
【００１５】
これにより、リークに伴う燃焼室内の圧力変動を最も効果的に形成することができ、前記凹部内のガスに点火プラグ方向の加速度を付する作用が最大限に得られる。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、超希薄空燃比で機関を運転する場合に、成層混合気の形成に際してタンブル流が減衰或いは崩壊したときでも、燃料噴霧を点火プラグに向けて確実に輸送することができる。従って、成層混合気を確実に形成することができ、安定した成層燃焼が可能となる。
【００１７】
請求項２に係る発明によれば、燃料噴霧の輸送方向が最適化され、点火に最適な混合気を点火プラグ近傍に集めることができるため、さらに安定した成層燃焼が可能となる。
【００１８】
請求項３に係る発明によれば、タンブル流による成層混合気の形成が可能な運転条件では副吸気弁を休止することで、消費エネルギを削減することができる。
また、高回転数領域での運転条件に基づく副吸気弁の作動角の制限や、リーク量の増大に伴う圧縮比の低下等を考慮する必要がなく、副吸気弁の制御が容易となる。
【００１９】
請求項４に係る発明によれば、副吸気弁の弁開期間が最適化されると共に、燃焼室内ガスのリーク量が低減されるため、燃料噴霧が効率よく輸送され、また圧縮比の低下による燃費の悪化を抑えることができる。
【００２０】
請求項５に係る発明によれば、シュラウドの作用により燃料噴射弁先端から点火プラグに向かう流れが強められることで、より確実に、且つ迅速に燃料噴霧を輸送することができる。
【００２１】
このため、リークガス流量を最小限に抑えることができる。
請求項６に係る発明によれば、ピストン冠面凹部内のガスに点火プラグ方向の加速度が付されることにより、ピストン冠面方向へ噴射された燃料噴霧を点火プラグ方向へ誘導することができる。
【００２２】
このため、成層混合気の形成がより最適になされ、熱効率の向上を図ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係る直接筒内噴射式火花点火機関の構成図を示したものである。
【００２４】
また、図２は、当該機関本体の平面図を示したものである。
これらを参照すると、図中１はシリンダブロック、２はシリンダブロック上に固定されたシリンダヘッド、３はシリンダブロック１内に摺動自在に挿入されたピストン、４はシリンダブロック１及びシリンダヘッド２の内壁面とピストン３の冠面との間に形成された燃焼室を示す。
【００２５】
シリンダヘッド２には、気筒列方向と直交する方向の一側に吸気ポート５が形成され、また他側には吸気ポート５と略対向して位置する排気ポート６が形成されている。
【００２６】
吸気ポート５は、吸気マニホールド７のブランチ部と接続して吸気通路を形成し、燃焼室４内に吸気を導入する。また、排気ポート６は、排気マニホールド８のブランチ部と接続して排気通路を形成し、燃焼室４内から排気を排出する。
【００２７】
ここで、吸気ポート５は、燃焼室４内に吸気の縦方向（矢印ａ）の旋回流動を形成し易い角度をもって燃焼室４と連通すると共に、吸気通路には図示しないタンブル流生成弁が設けられており、超希薄空燃比による燃焼に際し、混合気の成層化のため、強いタンブル流が形成される構造となっている。
【００２８】
また、吸気ポート５の開口部には吸気弁９が、排気ポート６の開口部には排気弁１０が介装されている。
これら吸気弁９及び排気弁１０は、各弁軸端部が有蓋円筒状の弁リフタ１１及び１２の頂部内面に当接して、該弁リフタ１１及び１２の頂部に摺接する吸気弁作動カム１３及び排気弁作動カム１４の機能により往復運動する。
【００２９】
シリンダヘッド２にはまた、点火プラグ１５が燃焼室４の略中央に位置するように埋設されると共に、燃料噴射弁１６が吸気弁９近傍の側部に埋設され、該燃料噴射弁１６から燃焼室４内に燃料を直接噴射するようにしてある。
【００３０】
更に、シリンダヘッド２には、吸気ポート５と比して小径の副吸気ポート１７が形成されている。
副吸気ポート１７は、図示のごとく吸気マニホールド７のブランチの一部において分岐したポート部と接続し、燃焼室４上方にて点火プラグ１５を回避して、燃料噴射弁１６と点火プラグ１５とを結ぶ延長上の排気弁１０近傍にて燃焼室４と連通し、副吸気通路を形成する。
【００３１】
副吸気ポート１７の開口部には副吸気弁１８が介装されている。
副吸気弁１８は、図示しない弁ガイドに摺動自在に挿入され、弁スプリング（図示せず）により閉弁方向の作用力を受けている。
【００３２】
また、副吸気弁１８には、後述する可変ロッカーアーム１９を介して副吸気弁作動カム２０が摺接しており、機関の特定運転条件にて所定の時期に開弁するように往復運動する。
【００３３】
可変ロッカーアーム１９は、アクセル開度センサ２１及びクランク角センサ２２の検出信号を受けるエンジンコントロールユニット２３の出力信号に基づいて制御される。
【００３４】
図３を参照して、副吸気弁１８の動弁機構について説明する。
図３に示すカムシャフト３１は、排気弁作動カム１４を含んで構成されるものであり、同シャフトに副吸気弁作動カム２０を一体的に形成することにより、図示しないクランクシャフトにより回転駆動されて、排気弁１０及び副吸気弁１８に動力を伝達する構造となっている。
【００３５】
排気弁１０は、上述のごとく排気弁作動カム１４の機能により往復運動する。
一方、副吸気弁１８は、その弁軸端部が可変ロッカーアーム１９の底面に当接して、該可変ロッカーアーム１９の上面に摺接する副吸気弁作動カム２０の機能により往復運動する。
【００３６】
可変ロッカーアーム１９は、作動用ロッカーアーム１９ａと停止用ロッカーアーム１９ｂとから構成されており、これらが別体としてロッカーシャフト３２に回動自在に装着されている。
【００３７】
また、可変ロッカーアーム１９には、各アーム１９ａ及び１９ｂの連結、分離を行う油圧ピストン３３が内蔵されている。
本実施形態に係る油圧ピストン３３は、弾性体（スプリング等）の反力を利用した単動型（シリンダ室が１つ）のものであり、オイルポンプ（図示せず）から図示しない切換制御弁を介して作動油が流通している。
【００３８】
副吸気弁作動カム２０は、前記各アーム１９ａ及び１９ｂに対応して、断面がカム形状をなす作動部２０ａと、円形状をなす停止部２０ｂとから構成されている。
【００３９】
副吸気弁１８は、停止用ロッカーアーム１９ｂの底面に当接している。
ここで、油圧ピストン３３に弾性体の反力より低い作動油圧を付せば、各アームは分離して駆動し、副吸気弁１８は休止する。
【００４０】
一方、これより高い作動油圧を付せば、ピストンがシリンダ内を移動して各アームを連結し、各アームが一体として駆動するため、副吸気弁１８は所定の時期にて開弁する。
【００４１】
図４は、超希薄空燃比領域における各弁揚程を示したものであり、各曲線のうちＬe が排気弁を、Ｌi1が吸気弁を、Ｌi2が副吸気弁を示す。
機関を超希薄空燃比で運転する場合、燃料噴射時期は、燃料輸送及び噴霧形状の要求から圧縮行程後期となる。
【００４２】
このとき、アイドル域のような低回転数領域では、吸気の旋回流動が弱まり、圧縮行程の途中でタンブル流が減衰・崩壊するため、噴射された燃料は燃焼室４内に分散し、混合気が成層化されない。
【００４３】
このことは、異常燃焼の原因となる。
このため、上述の可変ロッカーアーム１９の機能により、アイドル域では副吸気弁１８を燃料噴射前後にて開弁し（図４ａ）、またアイドル域以外では副吸気弁１８を休止する（図４ｂ）。
【００４４】
ここで、弁開期間（作動角θa ）を、燃料噴射開始（クランク角 (ＣＡ)= Ai1）から点火（ＣＡ=Aig）までの間（図中θb ）で設定することが好ましい。
本実施形態では、作動角θa 及び弁揚程Ｌを微小とすると共に、副吸気弁１８を燃料噴射開始から燃料噴射終了（ＣＡ=Ai2）までの間に開弁し、また点火前に閉弁する。
【００４５】
このように、圧縮行程後期において副吸気弁１８を一時的に開弁すると、燃焼室４内に、図５の矢印で示すようなガス流動が生じる。
このガス流動は、燃焼室４と副吸気ポート１７の圧力差により、燃焼室内ガスが副吸気ポート１７へリークして生じるものであり、圧力変動は燃焼室４内全体に及ぶため、燃料噴射弁１６から噴射された燃料噴霧に対して燃料噴射弁１６先端から点火プラグ１５ヘ向かう加速度が付される。
【００４６】
これにより、燃料噴霧が点火プラグ１５近傍へと輸送され、混合気が成層化される。
一方、アイドル域以外では、吸気の旋回流動が強く、圧縮行程においてタンブル流が崩壊することはないため、副吸気弁１８を開かずとも混合気の成層化が可能である。
【００４７】
また、別の実施形態として、燃料の輸送効率をより高めるため、図６〜図８に示すように、副吸気弁１８の傘部に、燃焼室内ガスのリーク方向を規制するシュラウド６１を設けてもよい。
【００４８】
シュラウド６１は、図７及び図８に示すように、副吸気弁１８の傘部裏面に、点火プラグ１５からみた弁軸後方において該弁軸を囲むように設置される。
これに伴い、副吸気弁１８の傘部略中央を、副吸気弁１８の全閉時においてピストン冠面に設けられた凹部端縁の上方に位置するように配置する。
【００４９】
即ち、図６に示すように、シリンダブロック１の中心軸から副吸気弁１８の傘部中央までの距離をＤ1 とし、シリンダブロック１の中心軸からピストン冠面の凹部端縁までの距離をＤ2 としたときに、これらが下式（１）を満たすようにするのである。
【００５０】
Ｄ１≒Ｄ２        ・・・（１）
以上の構成によれば、シュラウド６１によって点火プラグ１５からみた弁軸後方における燃焼室内ガスのリークが規制され、図９に示すように、燃焼室４の排気弁１０（副吸気弁１８）側の壁面近傍における流れが弱まり、燃料噴射弁１６先端から点火プラグ１５へ向かう流れが強まる。
【００５１】
このことにより、燃料噴霧が点火プラグ１５近傍へ確実、且つ迅速に輸送されるため、燃焼をより安定化することができ、副吸気弁１８の作動角θa 及び弁揚程Ｌをより小さく設定して、リークによるエネルギ損失を低減することができる。
【００５２】
また、リークによる圧力変動が燃焼室４内に最適に形成されて、ピストン冠面凹部内のガスに矢印ｂで示すような点火プラグ１５へ向かう加速度が付されるため、ピストン冠面方向に噴射された燃料噴霧が、矢印ｃで示すごとく、点火プラグ１５方向へ誘導される。
【００５３】
このことにより、混合気がより最適に成層化されるため、熱効率を向上することができる。
以上述べてきたように、本発明によれば、機関を超希薄空燃比で運転する場合に、タンブル流の崩壊後も、燃料噴霧を点火プラグ１５近傍へ確実に輸送することができるため、安定した成層燃焼が可能となり、また熱効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接筒内噴射式火花点火機関の構成図
【図２】同上直接筒内噴射式火花点火機関本体の平面図
【図３】副吸気弁の動弁機構を示す図
【図４】クランク角と弁揚程との関係を示す図
【図５】本発明の一実施形態による燃焼室内ガス流動を示す図
【図６】本発明の別の実施形態に係る直接筒内噴射式火花点火機関本体を示す図
【図７】シュラウドの設置例を示す図
【図８】本発明の別の実施形態に係る直接筒内噴射式火花点火機関本体の平面図
【図９】同上実施形態による燃焼室内ガス流動を示す図
【符号の説明】
１  シリンダブロック
２  シリンダヘッド
３  ピストン
４  燃焼室
５  吸気ポート
６  排気ポート
７  吸気マニホールド
８  排気マニホールド
９  吸気弁
１０  排気弁
１５  点火プラグ
１６  燃料噴射弁
１７  副吸気ポート
１８  副吸気弁
１９  可変ロッカーアーム
２０  副吸気弁作動カム
２１  アクセル開度センサ
２２  クランク角センサ
２３  エンジンコントロールユニット
３１  カムシャフト
３２  ロッカーシャフト
３３  油圧ピストン
６１  シュラウド
【図１】
0003956518.tif 000002
【図２】
0003956518.tif 000003
【図３】
0003956518.tif 000004
【図４】
0003956518.tif 000005
【図５】
0003956518.tif 000006
【図６】
0003956518.tif 000007
【図７】
0003956518.tif 000008
【図８】
0003956518.tif 000009
【図９】
0003956518.tif 000010