(57)【要約】【課題】中央噴射式ＳＩ内燃機関において膨張行程中に点火と燃料噴射とを行う場合に、燃焼速度の低下を抑制し、これにより、燃焼安定性を向上させることを目的とする。【解決手段】吸気行程において気筒内に燃料を噴射し、膨張行程において点火を行い、かつ、膨張行程において前記点火のための放電期間中に燃料を噴射する。筒内噴射弁２６は、プラグギャップ部２４ａの下方に燃料を噴射する第１噴孔３０および第２噴孔３２を有する。気筒軸線方向から燃焼室壁面１４ａを見た場合に、一対の第１噴孔３０はプラグギャップ部２４ａを挟むように燃料を噴射し、第２噴孔３２は一対の第１噴孔３０の間においてプラグギャップ部２４ａに向けて燃料を噴射する。第２噴孔３２の径は、第１噴孔３０の径よりも小さく、かつ、火炎核が第１噴孔３０からの一対の燃料噴霧の間に引き込まれた後に第２噴孔３２からの燃料噴霧が火炎核に到達するように設定されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッド側の燃焼室壁面の中央部に配置された点火プラグを有する点火装置と、
前記中央部に配置され、前記点火プラグのプラグギャップ部とピストンの頂面との間に向けて燃料を噴射する第１噴孔および第２噴孔を有する筒内噴射弁と、
吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方において気筒内に燃料を噴射し、膨張行程において点火を行い、かつ、膨張行程において前記点火のための放電期間中に燃料を噴射するように前記点火装置と前記筒内噴射弁とを制御する制御装置と、
を備え、
前記第１噴孔は、気筒軸線方向から前記シリンダヘッド側の前記燃焼室壁面を見た場合に、前記プラグギャップ部を挟むように燃料を噴射するように一対で形成されており、
前記第２噴孔は、前記一対の第１噴孔の間に形成され、かつ、前記気筒軸線方向から前記シリンダヘッド側の前記燃焼室壁面を見た場合に、前記プラグギャップ部に向けて燃料を噴射するように形成されており、
前記第２噴孔の径は、前記第１噴孔の径よりも小さく、かつ、前記点火に伴って生じる火炎核が前記第１噴孔からの一対の燃料噴霧の間に引き込まれた後に前記第２噴孔からの燃料噴霧が前記火炎核に到達するように設定されていることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、筒内噴射式エンジンの制御装置が開示されている。このエンジンは、シリンダヘッドにおける吸気弁側の燃焼室の端部に筒内噴射弁を備えている。この制御装置は、排気浄化触媒が未暖機状態における高温状態にあると判定された場合に、吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方において燃料を噴射し、かつ、点火後の膨張行程において燃料噴射を行うように構成されている。膨張行程における燃料噴射は、燃焼室内もしくは排気通路内で燃焼が行われるようにするために実行される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１２０４７１号公報
【特許文献２】特開２００６−２００４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載のエンジンとは異なり、筒内噴射弁がシリンダヘッド側の燃焼室の壁面の中央部に点火プラグと近接して配置された内燃機関（中央噴射式ＳＩ内燃機関）が知られている。このような構成を有する内燃機関において、排気浄化触媒の暖機促進のために、吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方において気筒内に燃料を噴射し、膨張行程において点火を行い、かつ、膨張行程において当該点火のための放電期間中に燃料を噴射することが考えられる。このような燃焼形態を採用する場合には、次のような課題がある。
【０００５】
すなわち、上記燃焼形態が採用された場合には、膨張行程において噴射された燃料によって成層混合気が形成されることになる。また、膨張行程において筒内圧および筒内温度が低下した状態で点火が行われると、火炎伝播速度が通常燃焼に対して遅くなる。このため、上記点火によって生じた火炎核が成長して上記の成層混合気に引火するまでに時間を要してしまう。その結果、燃焼速度が低下し、燃焼が不安定になる可能性がある。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、中央噴射式ＳＩ内燃機関において膨張行程中に点火と燃料噴射とを行う場合に、燃焼速度の低下を抑制し、これにより、燃焼安定性を向上させることができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る内燃機関は、点火装置と筒内噴射弁と制御装置とを備えている。前記点火装置は、シリンダヘッド側の燃焼室壁面の中央部に配置された点火プラグを有する。前記筒内噴射弁は、前記中央部に配置され、前記点火プラグのプラグギャップ部とピストンの頂面との間に向けて燃料を噴射する第１噴孔および第２噴孔を有する。前記制御装置は、吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方において気筒内に燃料を噴射し、膨張行程において点火を行い、かつ、膨張行程において前記点火のための放電期間中に燃料を噴射するように前記点火装置と前記筒内噴射弁とを制御する。前記第１噴孔は、気筒軸線方向から前記シリンダヘッド側の前記燃焼室壁面を見た場合に、前記プラグギャップ部を挟むように燃料を噴射するように一対で形成されている。前記第２噴孔は、前記一対の第１噴孔の間に形成され、かつ、前記気筒軸線方向から前記シリンダヘッド側の前記燃焼室壁面を見た場合に、前記プラグギャップ部に向けて燃料を噴射するように形成されている。そして、前記第２噴孔の径は、前記第１噴孔の径よりも小さく、かつ、前記点火に伴って生じる火炎核が前記第１噴孔からの一対の燃料噴霧の間に引き込まれた後に前記第２噴孔からの燃料噴霧が前記火炎核に到達するように設定されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１噴孔は、気筒軸線方向からシリンダヘッド側の燃焼室壁面を見た場合に、プラグギャップ部を挟むように燃料を噴射するように一対で形成されており、第２噴孔は、一対の第１噴孔の間に形成され、かつ、気筒軸線方向からシリンダヘッド側の燃焼室壁面を見た場合に、プラグギャップ部に向けて燃料を噴射するように形成されている。そして、第２噴孔の径は、第１噴孔の径よりも小さく、かつ、膨張行程における点火に伴って生じる火炎核が第１噴孔からの一対の燃料噴霧の間に引き込まれた後に第２噴孔からの燃料噴霧が火炎核に到達するように設定されている。これにより、膨張行程において一対の第１噴孔から噴射された燃料の一対の噴霧によって上記火炎核を当該一対の噴霧に向けて引き寄せつつ、当該火炎核が一対の噴霧に到達する前に第２噴孔からの噴霧による混合気に火炎核から引火させられるようになる。これにより、第２噴孔からの噴霧を有しない場合と比べて、燃焼速度を早期に上昇させられるようになる。その結果、燃焼安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１における内燃機関の主要な構成を説明するための図である。
【図２】気筒軸線方向からシリンダヘッド側の燃焼室壁面を見た図である。
【図３】触媒暖機制御に用いられる燃料噴射期間および点火のための放電期間の一例を表した図である。
【図４】触媒暖機制御時の燃焼形態を説明するための図である。
【図５】図２中に示す筒内噴射弁のプラグ側部位を拡大して表した図である。
【図６】誘引効果の生成のための噴霧Ｆ１、Ｆ２の特性と、さらなる燃焼安定化のための噴霧Ｆ３の特性とを説明するための図である。
【図７】噴霧速度と噴孔径との関係を表した図である。
【図８】点火時における筒内ガス流動がプラグギャップ部側から筒内噴射弁の先端部側に向かう例を表した図である。
【図９】点火時における筒内ガス流動が筒内噴射弁の先端部側からプラグギャップ部側に向かう例を表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
（内燃機関の燃焼室周りの構成）
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０の主要な構成を説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、気筒内を往復移動するピストン１２を備えている。ピストン１２の頂面１２ａの側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６と排気通路１８とが連通している。吸気通路１６は吸気弁２０によって開閉され、排気通路１８は排気弁２２によって開閉される。図１においては図示を省略しているが、１つの気筒には、隣り合う２つの吸気弁２０と隣り合う２つの排気弁２２とが配置されている。
【００１１】
シリンダヘッド側の燃焼室壁面１４ａの中央部には、混合気に点火するための点火装置の点火プラグ２４が配置されている。また、燃焼室壁面１４ａの中央部には、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁２６が点火プラグ２４に近接して配置されている。ここでいう中央部とは、吸気弁２０および排気弁２２のそれぞれの弁軸に対して燃焼室１４の中央側の部位のことである。
【００１２】
上記点火装置および筒内噴射弁２６は、制御装置（ＥＣＵ）２８に電気的に接続されている。制御装置２８は、内燃機関１０は、図示省略する各種センサの出力値に基づいて上記点火装置および筒内噴射弁２６等の各種アクチュエータを制御する。
【００１３】
点火プラグ２４は、燃焼室１４内に突出した先端にプラグギャップ部２４ａを備えている。筒内噴射弁２６において燃焼室１４内に突出した部位を先端部２６ａと称する。先端部２６ａには、噴孔３０、３２（後述の図５参照）を含め、複数の噴孔が形成されている。燃料は、図１に示すように、これらの複数の噴孔から放射状に噴射される。また、先端部２６ａにおいてプラグギャップ部２４ａ側に面した部位をプラグ側部位２６ａ１と称する。
【００１４】
図２は、気筒軸線方向からシリンダヘッド側の燃焼室壁面１４ａを見た図である。図２には、筒内噴射弁２６の先端部２６ａのうちプラグ側部位２６ａ１のみが図示されている。本実施形態において着目する一対の第１噴孔３０と１つの第２噴孔３２とは、プラグ側部位２６ａ１に形成されている。ここでは、一対の第１噴孔３０からの一対の燃料噴霧を「噴霧Ｆ１、Ｆ２」と称し、第２噴孔３２からの燃料噴霧を「噴霧Ｆ３」と称する。
【００１５】
噴霧Ｆ１〜Ｆ３によって図１中に表されているように、燃焼室１４を気筒の側面方向（気筒軸線と垂直な方向）から見た場合には、噴孔３０および３２は、プラグギャップ部２４ａとピストン１２の頂面１２ａとの間に向けて燃料を噴射するように形成されている。また、噴霧Ｆ１〜Ｆ３によって図２中に表されているように、気筒軸線方向から燃焼室壁面１４ａを見た場合には、一対の第１噴孔３０は、気筒軸線方向から燃焼室壁面１４ａを見た場合に、プラグギャップ部２４ａを挟むように燃料を噴射するように一対で形成されている。一方、第２噴孔３２は、気筒軸線方向から燃焼室壁面１４ａを見た場合に、プラグギャップ部２４ａに向けて燃料を噴射するように形成されている。
【００１６】
なお、本実施形態の噴孔３０、３２の一例では、筒内噴射弁２６の中心軸に対する噴霧Ｆ１、Ｆ２の中心軸の角度と筒内噴射弁２６の中心軸に対する噴霧Ｆ３の中心軸の角度とは、ともにα（図１参照）で同じとされている。
【００１７】
（点火遅角を利用した触媒暖機制御）
制御装置２８は、エンジン始動直後のファストアイドル運転中に排気浄化触媒（図示省略）の暖機促進のために、次のような燃焼形態を利用する触媒暖機制御を実行する。図３は、触媒暖機制御に用いられる燃料噴射期間および点火のための放電期間の一例を表した図である。
【００１８】
触媒暖機制御では、図３に示すように、点火時期（点火開始時期）が膨張行程中の所定のタイミングとなるように遅角される。燃料噴射は、まず、吸気行程において実行され、次いで、膨張行程において実行される。吸気行程での燃料噴射によって、均質かつ理論空燃比よりも希薄な混合気が気筒内に形成される。ｌｐｍｐ吸気行程での燃料噴射は、膨張行程で行われる点火動作によって着火を行えるようにするための噴射である。なお、このような着火用の燃料噴射は、図３に示す例のように吸気行程で行われるものに代え、あるいはこれとともに圧縮行程で行われるものであってもよい。
【００１９】
一方、膨張行程での燃料噴射は、図３に示す一例では、点火のための放電期間中に実行される。なお、この燃料噴射は、図３に示す一例に代え、その開始タイミングが点火開始よりも早められていてもよい。
【００２０】
図４は、触媒暖機制御時の燃焼形態を説明するための図である。図４には、吸気行程で噴射された燃料の混合気に点火することによって生じた火炎核が表されている。図３に示す関係に従って点火の開始後の膨張行程において燃料噴射が実行されると、一対の噴霧Ｆ１、Ｆ２（図２参照）がプラグギャップ部２４ａを挟むように進行することで、噴霧Ｆ１、Ｆ２の間に負圧領域が発生する。その結果、噴霧Ｆ１、Ｆ２の周囲のガスを噴霧Ｆ１、Ｆ２の間に引き込む気流が形成される。したがって、点火により生じた火炎核は、図４に表されているように、経時的に成長（拡大）しつつ上記の気流によって噴霧Ｆ１、Ｆ２の間に引き込まれるようになる（以下、「誘引効果」と称する）。
【００２１】
膨張行程における放電期間中の燃焼室１４内には、膨張行程での燃料噴射によって高燃料濃度の成層混合気が形成される。上述の誘引効果によれば、そのような成層混合気への火炎核からの引火を促進できるようになる。触媒暖機制御は、点火時期を膨張行程に遅角して燃焼が行われる時期を遅らせることによって排気温度を高めるべく実行されるものである。以上説明した燃焼形態を利用することで、触媒暖機制御のために点火時期を遅角させた際の燃焼を促進できるようになる。
【００２２】
上述した燃焼形態自体は、第２噴孔３２からの噴霧Ｆ３（図２参照）の存在なしで成立するものである。そのうえで、本実施形態の内燃機関１０は、以下に説明する課題を解消するために、図５〜図７を参照して後述する噴孔径の設定を有する第２噴孔３２を備えている。以下、まず、ここでいう課題について説明する。
【００２３】
すなわち、膨張行程での点火時におけるプラグギャップ部２４ａ付近の混合気濃度は、吸気行程で噴射された燃料による混合気の濃度であり、化学量論的に薄くなっている。さらに、膨張行程において筒内圧および筒内温度が低下した状態で点火が行われると、火炎伝播速度が通常燃焼に対して遅くなるため、上記点火によって生じた火炎核が上記の成層混合気に引火するまでに時間を要してしまう。その結果、燃焼速度が低下し、燃焼が不安定になる可能性がある。このように、噴霧Ｆ１、Ｆ２による放電火花および火炎核の誘引が開始された時期と、適切な混合気濃度の供給時期（火炎核が噴霧Ｆ１、Ｆ２による成層混合気に到達する時期）との間にはずれがある。このずれを解消することで、上記燃焼形態を利用する燃焼の安定性をより向上させられるようになると考えられる。
【００２４】
図５は、図２中に示す筒内噴射弁２６のプラグ側部位２６ａ１を拡大して表した図である。上述の課題（上述の時期のずれ）を解消するためには、噴霧Ｆ１、Ｆ２によって放電火花および火炎核を引き寄せる誘引効果を生じさせつつ、火炎核が噴霧Ｆ１，Ｆ２に到達する前に噴霧Ｆ３を火炎核に到達させることが望ましい。
【００２５】
そこで、本実施形態では、図５に示すように、噴霧Ｆ３を生成する第２噴孔３２は、噴霧Ｆ１、Ｆ２を生成する一対の第１噴孔３０の中間に設けられている。そのうえで、第２噴孔３２の径は、第１噴孔３０の径よりも小さく、かつ、点火に伴って生じる火炎核が第１噴孔３０からの一対の噴霧Ｆ１、Ｆ２の間に引き込まれた後に第２噴孔３２からの噴霧Ｆ３が火炎核に到達するように設定されている。以下、図６および図７を参照して、この設定に関して説明を補足する。
【００２６】
図６は、誘引効果の生成のための噴霧Ｆ１、Ｆ２の特性と、さらなる燃焼安定化のための噴霧Ｆ３の特性とを説明するための図である。図７は、噴霧速度と噴孔径との関係を表した図である。膨張行程での点火が開始されてから当該点火により生じた火炎核が噴霧Ｆ１、Ｆ２（成層混合気）に到達するまでの時間をｔ０とする。この到達時間ｔ０は、（層流）燃焼速度と噴霧Ｆ１、Ｆ２による放電火花および火炎核の誘引速度との和Ｖ０と、プラグギャップの中心から噴霧Ｆ１、Ｆ２の外郭までの距離ΔＹとに依存し、概ねこれらの比（ΔＹ／Ｖ０）によって表すことができる。
【００２７】
また、膨張行程での噴射が開始されてから、誘引効果の生成に必要な噴霧Ｆ１、Ｆ２がプラグギャップ部２４ａの下方に到達するまでの時間をｔ１とする。この到達時間ｔ１は、第１噴孔３０の中心軸と平行な方向における第１噴孔３０からプラグギャップの中心までの距離Ｌと、噴霧Ｆ１、Ｆ２の速度Ｖｆとの比（Ｌ／Ｖｆ）に依存する。
【００２８】
また膨張行程での噴射が開始されてから、噴霧Ｆ３がプラグギャップ部２４ａの下方に到達するまでの時間をｔ２とする。この到達時間ｔ２も、上記到達時間ｔ１と同様の考え方によって評価することができる。本実施形態では、噴霧Ｆ３を、噴霧Ｆ１、Ｆ２による火炎核の誘引効果が生じ始めた直後にプラグギャップ部２４ａの下方に到達させることとしている。以上のことから、本実施形態の第２噴孔３２の径の設定を実現するためには、噴霧Ｆ３の到達時間ｔ２が、噴霧Ｆ１、Ｆ２の到達時間ｔ１よりは長く、かつ、この到達時間ｔ１と火炎核の噴霧Ｆ１、Ｆ２への到達時間ｔ０との和（ｔ１＋ｔ０）よりは短くなるように設定すればよいといえる。
【００２９】
ここで、噴孔からの噴霧速度は、噴孔径を変更することで調整することができる。具体的には、噴霧速度と噴孔径との間には図７に示すように、ある範囲内の噴孔径では、噴孔径が多いほど噴霧速度が高くなるという関係がある。したがって、噴孔径を小さくすることで、噴霧速度（噴射速度）を減少させることができる。本実施形態の第２噴孔３２の径の設定が得られるようにするためには、図６および図７を参照して示す知見に基づいて第２噴孔３２の径を設定すればよい。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態では、誘引効果の生成のための一対の第１噴孔３０の間に第２噴孔３２を備え、かつ、第２噴孔３２の径が上述のように設定されている。これにより、噴霧Ｆ３の速度が両側の噴霧Ｆ１、Ｆ２の速度よりも遅いために、プラグギャップ部２４ａの下方には、噴霧Ｆ３よりも先に噴霧Ｆ１、Ｆ２が到達するようになる。その結果、火炎核を噴霧Ｆ１、Ｆ２の間に誘引させることができる。そして、このような誘引効果が生じ始めた後に火炎核が噴霧Ｆ１、Ｆ２に到達するよりも前に噴霧Ｆ３を火炎核に到達させられるようになる。このため、噴霧Ｆ１、Ｆ２による成層混合気に火炎核が到達する前に噴霧Ｆ３による混合気に火炎核から引火させることができる。この引火により、噴霧Ｆ３を有しない場合と比べて燃焼速度を早期に上昇させられるようになる。その結果、誘引効果を利用して行われる遅角燃焼の安定性をより向上させられるようになる。したがって、燃焼を良好に安定させつつ、遅角燃焼によって排気温度を高めて触媒暖機を促進させられるようになる。
【００３１】
ところで、上述した実施の形態１においては、筒内噴射弁２６の中心軸に対する噴霧Ｆ１、Ｆ２の中心軸の角度と、筒内噴射弁２６の中心軸に対する噴霧Ｆ３の中心軸の角度とが、ともにα（図１参照）で同じとされた噴孔３０、３２を一例として取り上げた。しかしながら、筒内噴射弁２６の中心軸に対する噴霧Ｆ３の中心軸の角度は、噴霧Ｆ３の外郭線がプラグギャップ部２４ａよりも下方側（ピストン１２側）となることを条件として、筒内噴射弁２６の中心軸に対する噴霧Ｆ１、Ｆ２の中心軸の角度よりも大きく設定されていてもよい。そして、このような設定を採用する場合（すなわち、噴霧Ｆ３の噴射方向が噴霧Ｆ１、Ｆ２の噴射方向に対して上側（シリンダヘッド側）とする場合）には、噴霧Ｆ３に対する火炎伝搬距離が短くなる。このため、この場合には、噴霧Ｆ３がプラグギャップ部２４ａの近傍に到達するまでの時間ｔ２を短縮させる必要がある。したがって、噴霧Ｆ３を生成する第２噴孔の径は、実施の形態１の第２噴孔３２の径よりも大きくすればよい。
【００３２】
また、内燃機関では、燃焼速度の確保のために、気筒内のガス流動の強化（タンブル流の強化）が実施される場合がある。筒内ガス流動が強化された場合には、膨張行程においても流動成分の一部が残存する。そこで、図８および図９を参照して、このような筒内ガス流動の強化が実施された場合に用いるうえで好適な膨張行程での燃料噴射量の設定手法について説明する。
【００３３】
図８は、点火時における筒内ガス流動がプラグギャップ部２４ａ側から筒内噴射弁２６の先端部２６ａ側に向かう例を表した図であり、図９は、点火時における筒内ガス流動が筒内噴射弁２６の先端部２６ａ側からプラグギャップ部２４ａ側に向かう例を表した図である。
【００３４】
図８および図９に示すように、点火による放電火花および火炎核の移動方向は、筒内ガス流動の影響を受け、基本的には筒内ガス流動方向に沿ったものとなる。このように、筒内ガス流動方向の相違に起因して放電火花および火炎核の移動方向が異なると、火炎核が噴霧Ｆ１、Ｆ２の間に到達するまでの距離と時間が変化する。このため、筒内ガス流動の影響を考慮した場合には、上述した実施の形態１における噴霧Ｆ１〜Ｆ３の特性（すなわち、噴霧Ｆ１、Ｆ２による誘引効果を生じさせつつ、火炎核が噴霧Ｆ１，Ｆ２に到達する前に噴霧Ｆ３を火炎核に到達させるための特性）を実現するために必要とされる放電火花および火炎核の誘引速度が異なる。また、誘引速度と燃料噴射量とは比例関係にある。したがって、必要誘引速度が異なると、上記特性の実現のための必要燃料噴射量も異なるものとなる。
【００３５】
具体的には、図８に示すように点火時における筒内ガス流動がプラグギャップ部２４ａ側から筒内噴射弁２６の先端部２６ａ側に向かう場合には、誘引される放電火花および火炎核と噴霧Ｆ１、Ｆ２との相対速度が高くなる。このため、この場合には、筒内ガス流動の強化なしの場合と比べて、膨張行程での燃料噴射量を低減させることで、誘引速度を下げることが好ましい。
【００３６】
一方、図９に示すように点火時における筒内ガス流動が筒内噴射弁２６の先端部２６ａ側からプラグギャップ部２４ａ側に向かう場合には、誘引される放電火花および火炎核と噴霧Ｆ１、Ｆ２との相対速度が低くなる。このため、この場合には、筒内ガス流動の強化なしの場合と比べて、膨張行程での燃料噴射量を増加させることで、誘引速度を上げることが好ましい。
【符号の説明】
【００３７】
１０  内燃機関
１２  ピストン
１２ａ  ピストンの頂面
１４  燃焼室
１４ａ  燃焼室壁面
２４  点火プラグ
２４ａ  点火プラグのプラグギャップ部
２６  筒内噴射弁
２６ａ  筒内噴射弁の先端部
２６ａ１  筒内噴射弁の先端部のプラグ側部位
２８  制御装置
３０  第１噴孔
３２  第２噴孔
【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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