(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に隣接して配置された２つの吸気弁と、これら２つの吸気弁と対向配置された排気弁と、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、シリンダヘッドの燃焼室中央部に配置された点火プラグと、ピストン冠面上の当該点火プラグの真下を含む領域で吸気弁設置側に偏寄して凹設されたキャビティ燃焼室と、を備えた筒内噴射式火花点火機関において、
前記２つの吸気弁のうち一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期よりも進角させて、これら両吸気弁の開弁時期に位相差を設定すると共に、ピストン冠面に前記一方の吸気弁に対応する位置のみに前記キャビティ燃焼室に部分的に跨るバルブリセスを形成し、
成層燃焼を行う低負荷領域では、前記一方の吸気弁の開弁に伴う吸気によって、前記キャビティ燃焼室内に、当該一方の吸気弁側から当該キャビティ燃焼室の排気弁側の周壁面に沿って他方の吸気弁側に向かうスワールを形成し、前記燃料噴射弁から噴射した噴霧燃料を前記バルブリセスを設けた側の前記周壁面に衝突させて、当該噴霧燃料をスワールに乗せて点火プラグ側へ移行させるようにしたことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
【請求項２】
２つの吸気弁のバルブタイミングを同時に進角および遅角させる可変動弁機構を備え、該可変動弁機構により成層燃焼を行う低負荷域では両吸気弁のバルブタイミングを進角側に制御し、均質燃焼を行う高負荷域では両吸気弁のバルブタイミングを遅角側に制御するようにした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機関。
【請求項３】
相互に隣接して配置された２つの吸気弁と、これら２つの吸気弁と対向配置された排気弁と、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、シリンダヘッドの燃焼室中央部に配置された点火プラグと、ピストン冠面上の当該点火プラグの真下を含む領域で吸気弁設置側に偏寄して凹設されたキャビティ燃焼室と、を備えた筒内噴射式火花点火機関において、
前記２つの吸気弁のうち一方の吸気弁のリフトカーブを切り換え可能な可変動弁機構を備え、該可変動弁機構により成層燃焼を行う低負荷域では前記一方の吸気弁の開弁時期が他方の吸気弁の開弁時期よりも進角するリフトカーブに切り換え、均質燃焼を行う高負荷域では該一方の吸気弁が他方の吸気弁と同一のバルブタイミングとなるリフトカーブに切り換えるようにし、
かつ、ピストン冠面に前記一方の吸気弁に対応する位置のみに前記キャビティ燃焼室に部分的に跨るバルブリセスを形成し、
成層燃焼を行う低負荷領域では、前記一方の吸気弁の開弁に伴う吸気によって、前記キャビティ燃焼室内に、当該一方の吸気弁側から当該キャビティ燃焼室の排気弁側の周壁面に沿って他方の吸気弁側に向かうスワールを形成し、前記燃料噴射弁から噴射した噴霧燃料を前記バルブリセスを設けた側の前記周壁面に衝突させて、当該噴霧燃料をスワールに乗せて点火プラグ側へ移行させるようにしたことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
【請求項４】
相互に隣接して配置された２つの吸気弁と、これら２つの吸気弁と対向配置された排気弁と、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、シリンダヘッドの燃焼室中央部に配置された点火プラグと、ピストン冠面上の当該点火プラグの真下を含む領域で吸気弁設置側に偏寄して凹設されたキャビティ燃焼室と、を備えた筒内噴射式火花点火機関において、
前記２つの吸気弁のうち一方の吸気弁のバルブタイミングを切り換え可能な可変動弁機構を備え、該可変動弁機構により成層燃焼を行う低負荷域では両吸気弁の閉弁時期を同一にした状態で一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期よりも進角するバルブタイミングに切り換え、均質燃焼を行う高負荷域では一方の吸気弁の開・閉弁時期が他方の吸気弁の開・閉弁時期と同一となるバルブタイミングに切り換えるようにし、
かつ、ピストン冠面に前記一方の吸気弁に対応する位置のみに前記キャビティ燃焼室に部分的に跨るバルブリセスを形成し、
成層燃焼を行う低負荷領域では、前記一方の吸気弁の開弁に伴う吸気によって、前記キャビティ燃焼室内に、当該一方の吸気弁側から当該キャビティ燃焼室の排気弁側の周壁面に沿って他方の吸気弁側に向かうスワールを形成し、前記燃料噴射弁から噴射した噴霧燃料を前記バルブリセスを設けた側の前記周壁面に衝突させて、当該噴霧燃料をスワールに乗せて点火プラグ側へ移行させるようにしたことを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。
【請求項５】
開弁時期が進角される一方の吸気弁を配設した第１吸気ポートと、他方の吸気弁を配設した第２吸気ポートとを、それぞれ独立したストレートポートとして構成したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項６】
第２吸気ポートには、成層燃焼時に該第２吸気ポートを遮蔽し、均質燃焼時に該第２吸気ポートを開放する遮蔽弁を設けたことを特徴とする請求項５に記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項７】
第１吸気ポートには、遮蔽弁と同期的に作動されて、成層燃焼時に該第１吸気ポートを部分的に遮蔽し、均質燃焼時に該第１吸気ポートを開放する部分遮蔽弁を設けたことを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射式火花点火機関。
【請求項８】
第１吸気ポートと第２吸気ポートの上流側の合流部には、第１吸気ポートに対応する部分に開口を備えて、成層燃焼時に第２吸気ポートを遮蔽すると共に第１吸気ポートを部分的に遮蔽し、均質燃焼時に第２吸気ポートと第１吸気ポートとを開放する遮蔽弁を設けたことを特徴とする請求項５に記載の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】
本発明は燃焼室に直接燃料を噴霧する筒内噴射式火花点火機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射式火花点火機関は、例えば特開平８−３５４２９号公報に示されているように、高負荷運転域（以下、単に高負荷域と称する）では燃焼室に略均質な空燃比の混合気を形成して所謂均質燃焼を行わせる一方、低負荷運転域（以下、単に低負荷域と称する）では点火プラグ周りにのみ比較的濃い混合気を形成し、平均的な空燃比を非常に大きく（稀薄化）して所謂成層燃焼を行わせるようにしたものである。
【０００３】
このような筒内噴射式火花点火機関は、ペントルーフタイプの燃焼室を形成するシリンダヘッドの一側部に２つの吸気弁を、および他側部に２つの排気弁を配設し、燃焼室中央部分に点火プラグを配設すると共に２つの吸気弁間に燃料噴射弁を配設する一方、ピストン冠面は燃焼室のペントルーフ形状に合わせて山形に形成して、該ピストン冠面の吸気弁設置側の一側部に偏寄して、前記点火プラグのプラグ電極を受容できる範囲にキャビティ燃焼室を凹設してある。
【０００４】
吸気弁をそれぞれ配設した吸気ポートは例えばサイヤミズドポートとしてそれぞれ独立ポートに形成し、そのうちの一方の吸気ポートは燃焼室で吸気に強いスワールを付与し得るようにヘリカルポートとして構成している。
【０００５】
そして、低負荷域では圧縮工程でピストン上死点付近において前記燃料噴射弁から、キャビティ燃焼室に生成された吸気のスワール（以下、単にスワールと称する）の上流側に向けて燃料を噴霧することにより前述した成層燃焼を可能としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
筒内噴射式火花点火機関にあっては前述のように、低負荷域では平均的な空燃比を非常に大きく（稀薄化）して成層燃焼を行わせるため、排気系に設けられる通常の３元触媒装置ではＮＯx の浄化機能を十分に果たせなくなってしまう。
【０００７】
従って、この筒内噴射式火花点火機関にあっては、成層燃焼時におけるＮＯx の発生を如何に抑えるかが重要な課題となってくるが、この燃焼室でのＮＯx 発生を抑制するための有効手段としては吸気弁の開弁時期を進角させて排気弁とのバルブオーバーラップを拡大して内部ＥＧＲを増大することが考えられる。
【０００８】
このＮＯx 発生の抑制のため吸気弁の開弁時期を進角させると、２つの吸気弁は１つの動弁機構によって同期作動するためピストンの冠面にはこれら２つの吸気弁との干渉を回避するために、該ピストン冠面の両吸気弁に対応する位置にバルブリセスを凹設する必要がある。
【０００９】
一方、ピストン冠面に凹設されるキャビティ燃焼室は圧縮比の兼ね合いで開口面積をむやみに大きくすることはできず、自ずとその開口形成エリアが制限されることから該ピストン冠面にバルブリセスを設けようとすると、該バルブリセスがキャビティ燃焼室の開口縁に跨るようになってしまう。
【００１０】
この結果、成層燃焼時の圧縮行程中に図１７のａに示すように燃料噴射弁１００からピストン１０１の冠面に凹設したキャビティ燃焼室１０２に矢印で示すスワールの上流側に向けて斜線で示すように燃料を噴霧すると、この燃料噴霧時点では燃料の拡散が進んでいないためスワール上流側のバルブリセス１０３からキャビティ燃焼室１０２外へ燃料が逃げることは少ないが、図１７のｂに示すように燃料噴霧がスワールに乗って点火プラグ１０５周りに移行し、該点火プラグ１０５により着火されると共に更にスワール下流側へ移行して拡散混合が促進されて該スワール下流側で後期燃焼が行われるようになると、該スワール下流側のバルブリセス１０４から図１７のＣに示すように燃料がキャビティ燃焼室１０２外へ逃げてしまい、成層燃焼の安定性が損なわれてしまうのみならず、未燃ＨＣが増大してしまう可能性がある。
【００１１】
そこで、本発明は成層燃焼の安定性を損なったり、未燃ＨＣの増大を招来することなく内部ＥＧＲを積極的に行えて、成層燃焼時のＮＯx 発生を可及的に抑制することができる筒内噴射式火花点火機関を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明にあっては、相互に隣接して配置された２つの吸気弁と、これら２つの吸気弁と対向配置された排気弁と、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、シリンダヘッドの燃焼室中央部に配置された点火プラグと、ピストン冠面上の当該点火プラグの真下を含む領域で吸気弁設置側に偏寄して凹設されたキャビティ燃焼室と、を備えた筒内噴射式火花点火機関において、前記２つの吸気弁のうち一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期よりも進角させて、これら両吸気弁の開弁時期に位相差を設定すると共に、ピストン冠面に前記一方の吸気弁に対応する位置のみに前記キャビティ燃焼室に部分的に跨るバルブリセスを形成し、成層燃焼を行う低負荷領域では、前記一方の吸気弁の開弁に伴う吸気によって、前記キャビティ燃焼室内に、当該一方の吸気弁側から当該キャビティ燃焼室の排気弁側の周壁面に沿って他方の吸気弁側に向かうスワールを形成し、前記燃料噴射弁から噴射した噴霧燃料を前記バルブリセスを設けた側の前記周壁面に衝突させて、当該噴霧燃料をスワールに乗せて点火プラグ側へ移行させるようにしたことを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明にあっては、請求項１に記載の２つの吸気弁のバルブタイミングを同時に進角および遅角させる可変動弁機構を備え、該可変動弁機構により成層燃焼を行う低負荷域では両吸気弁のバルブタイミングを進角側に制御し、均質燃焼を行う高負荷域では両吸気弁のバルブタイミングを遅角側に制御するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
請求項３の発明にあっては、相互に隣接して配置された２つの吸気弁と、これら２つの吸気弁と対向配置された排気弁と、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、シリンダヘッドの燃焼室中央部に配置された点火プラグと、ピストン冠面上の当該点火プラグの真下を含む領域で吸気弁設置側に偏寄して凹設されたキャビティ燃焼室と、を備えた筒内噴射式火花点火機関において、前記２つの吸気弁のうち一方の吸気弁のリフトカーブを切り換え可能な可変動弁機構を備え、該可変動弁機構により成層燃焼を行う低負荷域では前記一方の吸気弁の開弁時期が他方の吸気弁の開弁時期よりも進角するリフトカーブに切り換え、均質燃焼を行う高負荷域では該一方の吸気弁が他方の吸気弁と同一のバルブタイミングとなるリフトカーブに切り換えるようにし、かつ、ピストン冠面に前記一方の吸気弁に対応する位置のみに前記キャビティ燃焼室に部分的に跨るバルブリセスを形成し、成層燃焼を行う低負荷領域では、前記一方の吸気弁の開弁に伴う吸気によって、前記キャビティ燃焼室内に、当該一方の吸気弁側から当該キャビティ燃焼室の排気弁側の周壁面に沿って他方の吸気弁側に向かうスワールを形成し、前記燃料噴射弁から噴射した噴霧燃料を前記バルブリセスを設けた側の前記周壁面に衝突させて、当該噴霧燃料をスワールに乗せて点火プラグ側へ移行させるようにしたことを特徴としている。
【００１５】
請求項４の発明にあっては、相互に隣接して配置された２つの吸気弁と、これら２つの吸気弁と対向配置された排気弁と、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、シリンダヘッドの燃焼室中央部に配置された点火プラグと、ピストン冠面上の当該点火プラグの真下を含む領域で吸気弁設置側に偏寄して凹設されたキャビティ燃焼室と、を備えた筒内噴射式火花点火機関において、前記２つの吸気弁のうち一方の吸気弁のバルブタイミングを切り換え可能な可変動弁機構を備え、該可変動弁機構により成層燃焼を行う低負荷域では両吸気弁の閉弁時期を同一にした状態で一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期よりも進角するバルブタイミングに切り換え、均質燃焼を行う高負荷域では一方の吸気弁の開・閉弁時期が他方の吸気弁の開・閉弁時期と同一となるバルブタイミングに切り換えるようにし、かつ、ピストン冠面に前記一方の吸気弁に対応する位置のみに前記キャビティ燃焼室に部分的に跨るバルブリセスを形成し、成層燃焼を行う低負荷領域では、前記一方の吸気弁の開弁に伴う吸気によって、前記キャビティ燃焼室内に、当該一方の吸気弁側から当該キャビティ燃焼室の排気弁側の周壁面に沿って他方の吸気弁側に向かうスワールを形成し、前記燃料噴射弁から噴射した噴霧燃料を前記バルブリセスを設けた側の前記周壁面に衝突させて、当該噴霧燃料をスワールに乗せて点火プラグ側へ移行させるようにしたことを特徴としている。
【００１６】
請求項５の発明にあっては、請求項１〜４に記載の開弁時期が進角される一方の吸気弁を配設した第１吸気ポートと、他方の吸気弁を配設した第２吸気ポートとを、それぞれ独立したストレートポートとして構成したことを特徴としている。
【００１７】
請求項６の発明にあっては、請求項５に記載の第２吸気ポートには、成層燃焼時に該第２吸気ポートを遮蔽し、均質燃焼時に該第２吸気ポートを開放する遮蔽弁を設けたことを特徴としている。
【００１８】
請求項７の発明にあっては、請求項６に記載の第１吸気ポートには、遮蔽弁と同期的に作動されて、成層燃焼時に該第１吸気ポートを部分的に遮蔽し、均質燃焼時に該第１吸気ポートを開放する部分遮蔽弁を設けたことを特徴としている。
【００１９】
請求項８の発明にあっては、請求項５に記載の第１吸気ポートと第２吸気ポートの上流側の合流部には、第１吸気ポートに対応する部分に開口を備えて、成層燃焼時に第２吸気ポートを遮蔽すると共に第１吸気ポートを部分的に遮蔽し、均質燃焼時に第２吸気ポートと第１吸気ポートとを開放する遮蔽弁を設けたことを特徴としている。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、２つの吸気弁にはそれらの開弁時期に位相差を設定してあって、一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期よりも進角させてあるため、成層燃焼時にはこの一方の吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが大きく積極的に内部ＥＧＲ量を増大することができて燃焼室でのＮＯx 発生を抑制することができる。
【００２１】
また、これら両吸気弁の開弁時期に位相差を設定してあることによって、燃焼室で吸気にスワールを生成させることができると共に、ピストン冠面には一方の吸気弁に対応する部分にのみバルブリセスを設けてあって、スワール下流側となる部分にはバルブリセスを設けていないため、成層燃焼時にスワール下流側でスワールおよび噴霧燃料がキャビティ燃焼室外へ逃げるのを抑制できて、成層燃焼の安定性を維持することができると共に未燃ＨＣの発生を抑制することができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明によれば、上述した請求項１の効果を得ることができる。すなわち、２つの吸気弁にはそれらの開弁時期に位相差を設定してあって、一方の吸気弁の開弁時期を他方の吸気弁の開弁時期よりも進角させてあるため、成層燃焼時にはこの一方の吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが大きく積極的に内部ＥＧＲ量を増大することができて燃焼室でのＮＯx 発生を抑制することができる。また、これら両吸気弁の開弁時期に位相差を設定してあることによって、燃焼室で吸気にスワールを生成させることができると共に、ピストン冠面には一方の吸気弁に対応する部分にのみバルブリセスを設けてあって、スワール下流側となる部分にはバルブリセスを設けていないため、成層燃焼時にスワール下流側でスワールおよび噴霧燃料がキャビティ燃焼室外へ逃げるのを抑制できて、成層燃焼の安定性を維持することができると共に未燃ＨＣの発生を抑制することができる。
これに加えて、均質燃焼時には開弁時期に位相差が設定された２つの吸気弁のバルブタイミングが可変動弁機構によって同時に遅角側へ制御されるため、該均質燃焼時に吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップを小さくして均質燃焼の安定性を向上することができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明によれば、２つの吸気弁のうち一方の吸気弁は可変動弁機構によって成層燃焼時には開弁時期が他方の吸気弁の開弁時期よりも進角するリフトカーブに切り換えられるため、該一方の吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが拡大され、積極的に内部ＥＧＲ量を増大することができて燃焼室でのＮＯx 発生を抑制することができる。
【００２４】
また、この成層燃焼時には一方の吸気弁と他方の吸気弁の開弁時期に位相差が生じることによって、燃焼室で吸気にスワールを生成させることができると共に、ピストン冠面には一方の吸気弁に対応する部分にのみバルブリセスを設けてあって、スワール下流側となる部分にはバルブリセスを設けていないため、該成層燃焼時にスワール下流側でスワールおよび噴霧燃料がキャビティ燃焼室外へ逃げるのを抑制できて、成層燃焼の安定性を維持することができると共に未燃ＨＣの発生を抑制することができる。
【００２５】
一方、均質燃焼時には可変動弁機構によって一方の吸気弁が他方の吸気弁と同一のバルブタイミングとなるリフトカーブに切り換えられるため、該均質燃焼時に吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップを小さくして均質燃焼の安定性を向上することができると共に、特に吸気弁の閉弁時期が過遅角とならないため、低回転域における吸気体積効率が向上して高トルクを得ることができる。
【００２６】
請求項４に記載の発明によれば、２つの吸気弁のうち一方の吸気弁は可変動弁機構によって成層燃焼時には他方の吸気弁と閉弁時期を同一にした状態で開弁時期が該他方の吸気弁の開弁時期よりも進角するバルブタイミングに切り換えられるため、該一方の吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップが拡大され、積極的に内部ＥＧＲ量を増大することができて燃焼室でのＮＯx 発生を抑制することができる。
【００２７】
また、この成層燃焼時には一方の吸気弁と他方の吸気弁の開弁時期に位相差が生じることによって、燃焼室で吸気にスワールを生成させることができると共に、ピストン冠面には一方の吸気弁に対応する部分にのみバルブリセスを設けてあって、スワール下流側となる部分にはバルブリセスを設けていないため、該成層燃焼時にはスワール下流側でスワールおよび噴霧燃料がキャビティ燃焼室外へ逃げるのを抑制できて、成層燃焼の安定性を維持することができると共に未燃ＨＣの発生を抑制することができる。
【００２８】
更に、この成層燃焼時に両吸気弁の閉弁時期が一致して一方の吸気弁の閉弁時期が他方の吸気弁の閉弁時期よりも遅角側となることがないため、当該成層燃焼時に実圧縮比が高められて燃焼効率を改善することができる。
【００２９】
一方、均質燃焼時には可変動弁機構によって一方の吸気弁の開・閉弁時期が他方の吸気弁の開・閉弁時期と同一となるバルブタイミングに切り換えられるため、該均質燃焼時に吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップを小さくして均質燃焼の安定性を向上することができると共に、特に吸気弁の閉弁時期が過遅角とならないため、低回転域における吸気体積効率が向上して高トルクを得ることができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４の発明の効果に加えて、吸気弁をそれぞれ配設した第１吸気ポートおよび第２吸気ポートの何れも独立したストレートポートとして形成してあって、従来のようにスワール生成のため一方の吸気ポートをヘリカルポートとしてポート径を絞らなくてもよいから、均質燃焼時に吸気体積効率が向上して高トルクを得ることができる。
【００３１】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５の発明の効果に加えて、成層燃焼時には遮蔽弁によって第２吸気ポートを遮蔽することで、第１吸気ポートから燃焼室に吸入される吸気に強いスワールを生成させることができて、成層燃焼の燃焼効率を改善することができる。
【００３２】
請求項７に記載の発明によれば、請求項６の発明の効果に加えて、成層燃焼時に第１吸気ポートを部分遮蔽弁により部分的に遮蔽することで該第１吸気ポートから吸入される吸気の流速が増大し、燃焼室でより強いスワールを生成することができる。
【００３３】
請求項８に記載の発明によれば、請求項５の発明の効果に加えて、吸気ポートの合流部および部分開口を有する遮蔽弁を２つの吸気弁の近くに設定することができ、成層燃焼時にこの１つの遮蔽弁により第２吸気ポートを遮蔽すると共に、第１吸気ポートを吸気弁近くで部分的に遮蔽することによって、該第１吸気ポートから吸入される吸気の流速をより一層増大させて燃焼室でより強いスワールを生成することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面と共に詳述する。
【００３５】
図１，２において、１はシリンダブロック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４はこれらシリンダブロック１，ピストン２およびシリンダヘッド３とで形成された燃焼室を示す。
【００３６】
燃焼室４はペントルーフタイプの燃焼室形状に形成してあって、前記ピストン２の冠面はこの燃焼室４のペントルーフ形状に合わせて冠面中央部に稜線を有する頂部を持つ山形に形成して周縁部にスキッシュエリアＳを形成してある。
【００３７】
シリンダヘッド３は２つの吸気弁５と、該吸気弁５と対向配置した２つの排気弁６を備え、一側の吸気ポート７から吸気して他側の排気ポート８から排気するクロスフローポート構造としてある。
【００３８】
吸気弁５を配設した第１吸気ポート７Ａと第２吸気ポート７Ｂは、何れも独立したストレートポートとして構成してあり、下流側を２股に分岐させてサイヤミズド構造とした吸気マニホールド９に連通接続してある。
【００３９】
シリンダヘッド３には燃焼室４の略中央部にプラグ電極１０ａを臨ませて点火プラグ１０を配設してあると共に、２つの吸気弁５Ａ，５Ｂの間に直接燃料を燃焼室４に噴霧する燃料噴射弁１１を設けてある。
【００４０】
この燃料噴射弁１４は成層燃焼時に後述するキャビティ燃焼室１２に向けて燃料を噴霧し得る任意の角度で取付けてある。
【００４１】
ピストン２の冠面には頂部の稜線を境に前記吸気弁５を設置した側に偏寄した略半部にキャビティ燃焼室１２を形成してある。
【００４２】
ここで、前記２つの吸気弁５のうち、第１吸気ポート７Ａに配設した吸気弁５Ａは、図３のバルブ開閉特性図に示すようにその開弁時期を、第２吸気ポート７Ｂに配設した吸気弁５Ｂの開弁時期よりも所要角度進角させて、これら吸気弁５Ａ，５Ｂの開弁時期に位相差を設定してある。
【００４３】
この吸気弁５Ａ，５Ｂの開弁時期の位相差の設定は、例えば図３の吸気弁開閉特性図に併記した吸気弁動弁系のカム配置によって行うことができる。
【００４４】
即ち、同一の吸気弁駆動用カムシャフト２０に固設した２つのカム２１，２２のうち、吸気弁５Ａ側のカム２１を吸気弁５Ｂ側のカム２２よりも前記所要の進角分だけカム回転方向に位相をずらして設けることによって、前記開弁時期の位相差を容易に設定することができる。同図において、２３は吸気弁５Ａおよびカム２１に対応するロッカーアーム、２４は吸気弁５Ｂおよびカム２２に対応するロッカーアームで、何れも同一のロッカーシャフト２５に回転自在に軸支してある。
【００４５】
一方、前記ピストン２の冠面には前記一方の吸気弁５Ａに対応する位置に、該吸気弁５Ｂとの干渉を避けるバルブリセス１３を凹設してある。
【００４６】
このバルブリセス１３は前述のように吸気弁５Ａの対応位置に所要深さで凹設されるため、キャビティ燃焼室１２に部分的に跨り、従って、キャビティ燃焼室１２の開口縁はこのバルブリセス１３によって部分的に切欠かれた状態となっている。
【００４７】
以上の実施形態の構造によれば、吸気弁５Ａと５Ｂにはそれらの開弁時期に位相差を設定してあって、吸気弁５Ａの開弁時期を吸気弁５Ｂの開弁時期よりも進角させてあるため、成層燃焼を行う低負荷域では吸気弁５Ａと排気弁６とのバルブオーバーラップが図３に示すように大きく、積極的に内部ＥＧＲ量を増大することができて燃焼室４でのＮＯx 発生を抑制することができる。
【００４８】
また、これら吸気弁５Ａ，５Ｂの開弁時期に位相差を設定してあって、初めに第１吸気ポート７Ａから吸気が行われ、続いて第２吸気ポート７Ｂから吸気が行われることによって、図４のａに矢印で示すように燃焼室４で吸気にスワールを付与することができる。
【００４９】
従って、成層燃焼時に圧縮工程の上死点付近で燃料噴射弁１１からキャビティ燃焼室１２に図４の斜線で示すように燃料を噴霧すると、この燃料の噴霧はキャビティ燃焼室１２内のスワールに乗って吸気弁５Ａ側のスワール上流側から吸気弁５Ｂ側のスワール下流側へ拡散混合しながら移行し、点火プラグ１０周りに濃い混合気を形成させることができて確実な着火を行わせることができると共にスワール下流側で燃焼を継続させることができて、平均的な空燃比を非常に大きく（稀薄化）した状態での成層燃焼が可能となる。
【００５０】
ここで、ピストン冠面には吸気弁５Ａに対応する位置にキャビティ燃焼室１２に跨ってバルブリセス１３を設けて吸気弁５Ａとの干渉を回避するようにしてあるが、前記成層燃焼時に燃料噴射弁１１からキャビティ燃焼室１２に燃料を噴霧した初期時点では、噴霧燃料はキャビティ燃焼室１２内のスワール流によってバルブリセス１３を設けた側の周壁面に衝突するようになるが、この時点では燃料の拡散が進んでいないため燃料がバルブリセス１３からキャビティ燃焼室１２外へ逃げ出ることはなく、図４のｂに示すように燃料の全てをスワールに乗せて点火プラグ１０側へ移行させることができる。
【００５１】
そして、噴霧燃料の拡散混合と気化が促進されて前記点火プラグ１０による着火後に後期燃焼が行われる吸気弁５Ｂ側のスワール下流側では、ピストン冠面にキャビティ燃焼室１２に跨るバルブリセスを設けていないため、該スワール下流側で図４のＣに示すように燃料をキャビティ燃焼室１２内に確保して燃料がキャビティ燃焼室１２外へ逃げるのを抑制することができ、従って、成層燃焼の安定性を維持することができると共に未燃ＨＣの発生を抑制することができる。
【００５２】
また、第１吸気ポート７Ａおよび第２吸気ポート７Ｂは何れもストレートポートとして構成してあり、従来のようにスワール生成のため第１吸気ポート７Ａをヘリカルポートとしてポート径を絞らなくてもよいから、成層燃焼、均質燃焼の何れの燃焼時にも吸気体積効率が向上して高トルクを得ることができる。
【００５３】
一方、均質燃焼を行う高負荷域にも前記吸気弁５Ａと５Ｂは開弁時期に位相差をもったまま開閉することになるが、吸気弁５Ａの開弁時期の進角度を排気ポート８で生じる排気脈動の負圧サイクルに整合し得るように任意に調整しておけば、この均質燃焼時には吸気弁５Ａと排気弁６とのバルブオーバーラップが拡大されることによって掃気効果が助長されて吸気体積効率を高めることができる。
【００５４】
図５は前記実施形態における開弁時期に位相差を設定した吸気弁５Ａと５Ｂのバルブタイミングを、後述する可変動弁機構３０によって成層燃焼時には同時に進角側へ制御し、均質燃焼時には同時に遅角側へ制御するようにした例を示している。
【００５５】
このように吸気弁５Ａと５Ｂとを開弁時期に位相差をもったまま可変動弁機構３０によりバルブタイミングを同時に進角側あるいは遅角側へ制御することによって、成層燃焼時にはバルブタイミングの進角側への制御（図５のａ）によって前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる一方、均質燃焼時にはバルブタイミングが遅角側へ制御される（図５のｂ）ことによって、吸気弁５Ａと排気弁６とのバルブオーバーラップが小さくなり均質燃焼の安定性を向上することができる。
【００５６】
前記吸気弁５Ａ，５Ｂのバルブタイミングを同時に進角側、遅角側へ制御する可変動弁機構３０としては、例えば図６に示す公知（特開平５−３３２１１２号公報参照）の可変バルブタイミング装置を用いることができる。
【００５７】
この可変バルブタイミング装置３０は、吸気弁駆動用カムシャフト２０とその軸端のカムプーリー３１との軸装部分の間に、これら両者にヘリカルギヤ３３で噛合したプランジャ３２を内装し、前記吸気弁駆動用カムシャフト２０の油孔２０ａに連通したドレーン孔２０ｂに設けられた制御バルブ３４を、機関運転状態に応じてコントロールユニット３５を介してＯＮ・ＯＦＦ制御される可変バルブタイミング制御用ソレノイド３６によって駆動し、シリンダブロックオイルギャラリ３７から前記プランジャ３２の一端側への油圧供給制御を行うことにより、吸気弁駆動用カムシャフト２０をタイミングベルトとの相対位置関係が固定的なカムプーリー３１に対して周方向へ回動させて相対位置を変化させ、該吸気弁駆動用カムシャフト２０に所謂ひねりを付与するものである。
【００５８】
従って、この可変バルブタイミング装置３０によって、成層燃焼を行う低負荷域では吸気弁駆動用カムシャフト２０に吸気弁５Ａ，５Ｂのバルブタイミングが進角側へ移行する方向にひねりを与え、均質燃焼を行う高負荷域ではこれら吸気弁５Ａ，５Ｂのバルブタイミングが遅角側へ移行するように吸気弁駆動用カムシャフト２０をイニシャル位置へ復元させることによってバルブタイミングを適切に可変制御することができる。
【００５９】
図７は前記２つの吸気弁５Ａ，５Ｂのうち、一方の吸気弁５Ａのリフトカーブを後述する可変動弁機構４０によって、成層燃焼時に図７のａに示すように該一方の吸気弁５Ａの開弁時期が他方の吸気弁５Ｂの開弁時期よりも進角するリフトカーブに切り換え、均質燃焼時に図７のｂに示すように該一方の吸気弁５Ａが他方の吸気弁５Ｂと同一のバルブタイミングとなるリフトカーブに切り換えるようにした例を示している。
【００６０】
この実施形態のように、可変動弁機構４０によって成層燃焼時に一方の吸気弁５Ａのリフトカーブを開弁時期が他方の吸気弁５Ｂの開弁時期よりも進角するリフトカーブ（図７のａ）に切り換えることにより、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる一方、均質燃焼時には該可変動弁機構４０によって前記一方の吸気弁５Ａが他方の吸気弁５Ｂと同一のバルブタイミングとなるリフトカーブ（図７のｂ）に切り換えられることによって、当該均質燃焼時に一方の吸気弁５Ａと排気弁６とのバルブオーバーラップを小さくして均質燃焼の安定性を向上することができることに加えて、特に該均質燃焼時に吸気弁５Ａの閉弁時期が過遅角とならないため、低回転域における吸気体積効率が向上して高トルクを得ることができる。
この吸気弁５Ａのリフトカーブを切り換え制御する可変動弁機構４０としては、例えば図８〜１０に示す公知（特開平５−３３２１１２号公報，特開平６−１２３２０７号公報参照）の可変バルブリフト装置を用いることができる。
【００６１】
この可変バルブリフト装置４０にあっては、一方の吸気弁５Ａに対応して平面略方形のメインロッカーアーム２３Ａが設けられている。このメインロッカーアーム２３Ａの基端はロッカーシャフト２５を介してシリンダヘッド３に揺動自在に支持され、その先端には吸気弁５Ａのステム頂部を当接させるアジャストスクリュー４１を配設してある。
【００６２】
吸気弁駆動用カムシャフト２０には前記メインロッカーアーム２３Ａに対応して２つのカム２１Ａと２１Ｂとを設けてある。
【００６３】
カム２１Ａは他方の吸気弁５Ｂのカム２２と同一のカムプロフィルに形成してある一方、カム２１Ｂはカム２１Ａよりもバルブリフト量が大きくなり、かつ、開弁時期を進角させ得るバルブ作動角の所要のカムプロフィルに形成してある。
【００６４】
メインロッカーアーム２３Ａにはカム２１Ａに対応する位置にローラー４２を回転自在に軸支して、該ローラー４２をカム２１Ａに転接させている。
【００６５】
メインロッカーアーム２３Ａのカム２１Ｂに対応する位置にはサブロッカーアーム４３を支軸４４を介してメインロッカーアーム２３Ａと相対回転可能に軸支してある。
【００６６】
このサブロッカーアーム４３は吸気弁５Ａに当接する部位は持たず、その先端上面にはカム２１Ｂに当接するカムフオロワ４５を設けてあり、その下側には該カムフオロワ４５をカム２１Ｂに押し付けるロストモーションスプリング４６を配設してある。
【００６７】
また、サブロッカーアーム４３の先端にはサブロッカーアーム４３のメインロッカーアーム２３Ａに対する相対回転を停止（ロック）させるための連結手段４７を設けてある。
【００６８】
この連結手段４７はサブロッカーアーム４３とメインロッカーアーム２３Ａとに跨って同軸上に隣接配置した複数個のプランジャを備え、ロッカーシャフト２５の中心部に設けたオイルギャラリ４８を介して該プランジャ連の一端側に作動油圧が供給されることによりロック作動してサブロッカーアーム４３の相対回転を停止（ロック）し、作動油圧が解除されることによってロック解除作動するもので、この作動油圧の切換制御は図外のソレノイドバルブによって行われ、成層燃焼を行う低負荷域で前記連結手段４７への油圧供給を行い、均質燃焼を行う高負荷域では油圧解除を行わせるようにしてある。
【００６９】
即ち、この可変バルブリフト装置４０は成層燃焼を行う低負荷域ではサブロッカーアーム４３が連結手段４７によってロックされることにより、２つのカム２１Ａ，２１Ｂのうちカム２１Ｂによるバルブタイミングが優先され（ローラー４２はカム２１Ａから離間する）、該カム２１Ｂのカムプロフィルによって吸気弁５Ａのバルブリフト量が拡大されると共にその開弁時期が進角される。
【００７０】
そして、均質燃焼を行う高負荷域では前記連結手段４７がロック解除作動することによってサブロッカーアーム４３の相対回転が許容されるから、カム２１Ｂの回転によってもサブロッカーアーム４３が空振り回転するだけで、吸気弁５Ａはカム２１Ａのカムプロフィルで設定されたバルブタイミングに，即ち、他方の吸気弁５Ｂと同一のバルブタイミングとなるリフトカーブに切り換えられ、従って、前述のように成層燃焼と均質燃焼の何れの燃焼時にあっても安定性を向上することができる。
【００７１】
図１１は前記２つの吸気弁５Ａ，５Ｂのうち、一方の吸気弁５Ａのバルブタイミングを後述する可変動弁機構５０によって、成層燃焼時に図１１のａに示すように両吸気弁５Ａ，５Ｂの閉弁時期を同一にした状態で該一方の吸気弁５Ａの開弁時期が他方の吸気弁５Ｂの開弁時期よりも進角するバルブタイミングに切り換え、均質燃焼時に図１１のｂに示すように該一方の吸気弁５Ａの開・閉弁時期が他方の吸気弁５Ｂの開・閉弁時期と同一となるバルブタイミングに切り換えるようにした例を示している。
【００７２】
この実施形態のように、可変動弁機構５０によって成層燃焼時に一方の吸気弁５Ａをその閉弁時期を他方の吸気弁５Ｂの閉弁時期と同一にした状態で、該一方の吸気弁５Ａの開弁時期を他方の吸気弁５Ｂの開弁時期よりも進角するバルブタイミング（図１１のａ）に切り換えることにより、前記実施形態と同様の効果が得られる他、該成層燃焼時に両吸気弁５Ａ，５Ｂの閉弁時期が一致して一方の吸気弁５Ａの閉弁時期が他方の吸気弁５Ｂの閉弁時期よりも遅角側となることがないため、当該成層燃焼時に実圧縮比が高められて燃焼効率が改善され、より一層成層燃焼の安定性の向上と出力の向上とを図ることができる。
【００７３】
また、均質燃焼時には可変動弁機構５０によって前記第３実施形態と同様に、一方の吸気弁５Ａの開・閉弁時期が他方の吸気弁５Ｂの開・閉弁時期と同一となるバルブタイミング（図１１のｂ）に切り換えることによって、該均質燃焼時に吸気弁５Ａと排気弁６とのバルブオーバーラップを小さくして均質燃焼の安定性を向上することができると共に、特に吸気弁５Ａの閉弁時期が過遅角とならないため、低回転域における吸気体積効率が向上して高トルクを得ることができる。
【００７４】
この吸気弁５Ａのバルブタイミングを切り換える可変動弁機構５０としては、例えば図１２，１３に示す可変バルブタイミング装置を用いることができる。
【００７５】
この可変バルブタイミング装置５０は、一方の吸気弁５Ａのロッカーアーム２３に転接するカム２１をカムシャフト２０に対して回転自在に軸支してあって、このカム２１の一側には周側に突出するフォーク部２１Ｃを一体に形成してある。
【００７６】
カムシャフト２０にはフォーク部２１Ｃに隣接して該フォーク部２１Ｃと反対側に突出するフォーク部材５１を固設してあって、フォーク部２１Ｃとフォーク部材５１との間に円環状のディスク５２を配置してある。
【００７７】
ディスク５２はピン５３，５４を介してフォーク部２１Ｃとフォーク部材５１とに係合連結してあって、該ディスク５２はその外周が制御リング５５に回転自在に支持されている。
【００７８】
制御リング５５は外周の下側の突起５６を介してシリンダヘッド３に揺動自在に支持されていて、外周の上側に形成した歯車部５７を前記ロッカーアーム２３を回転自在に軸支するロッカーシャフト２５に設けた歯車環５８に噛合させている。
【００７９】
歯車環５８は図外の駆動機構により機関運転状態に応じて正逆回転され、以て、制御リング５５を突起５６の支持点を中心に揺動させるようにしてある。
【００８０】
ディスク５２の中心Ｐが図１２に示すようにカムシャフト２０の中心と一致していると、ディスク５２はカムシャフト２０と同期回転し、カム２１をカムシャフト２０と同期回転させる。
【００８１】
制御リング５５が一方向に揺動されるとディスク５２の中心Ｐがカムシャフト２０の中心に対して制御リング５５の揺動方向に偏心し、カムシャフト２０の１回転毎にカム２１の回転位相がディスク５２に対して変化し、ディスク５２のカムシャフト２０に対する位相差の２倍の位相差で回転するようにしてある。
【００８２】
従って、成層燃焼を行う低負荷域でディスク５２を一方の吸気弁５Ａの開弁時にカムシャフト２０に対して偏心させ、閉弁時に復元させることによって、該吸気弁５Ａの開弁時期のみが進角され、閉弁時期が他方の吸気弁５Ｂと一致するバルブタイミングに切り換えられる。
【００８３】
また、均質燃焼を行う高負荷域では、ディスク５２とカムシャフト２０とを同心状態に維持することにより、両方の吸気弁５Ａ，５Ｂの開・閉時期が同一となるバルブタイミングに切り換えられる。
【００８４】
図１４〜１６に示す実施形態は、何れも成層燃焼時に燃焼室４内で強いスワールを生成させるようにした例を示している。
【００８５】
これらの実施形態では何れも前記第１実施形態と同様に、第１吸気ポート７Ａおよび第２吸気ポート７Ｂは何れも独立したストレートポートとして構成してあって、図１４に示す実施形態にあっては前記第２吸気ポート７Ｂに、成層燃焼を行う低負荷域では該第２吸気ポート７Ｂを遮蔽し、均質燃焼を行う高負荷域では運転状態に合わせて弁開度が制御されて該第２吸気ポート７Ｂを開放する遮蔽弁６０を配設してある。
【００８６】
従って、この実施形態の構造によれば、成層燃焼時には前記各実施形態のように吸気弁５Ａと吸気弁５Ｂの開弁時期の位相差で吸気にスワールを付与するのではなくこの位相差で内部ＥＧＲ量の増大を図り、該成層燃焼時には遮蔽弁６０によって第２吸気ポート７Ｂを遮蔽し、第１吸気ポート７Ａからのみ吸気を行わせて図１４の矢印で示すように燃焼室４で吸気に強いスワールを生成することができるため、前記各実施形態の効果に加えて、燃焼のサイクル変動が低減する他、吸気および噴霧燃料の筒内流動が強化されて圧縮上死点付近での乱れ強さが大きくなって燃焼が促進され、従って、成層燃焼の燃焼効率を一段と改善することができる。
【００８７】
図１５に示す実施形態にあっては、前記図１４に示した構造を基本構造として、第１吸気ポート７Ａに遮蔽弁６０と同期的に作動されて、成層燃焼時に該第１吸気ポート７Ａを部分的に遮蔽し、均質燃焼時に該第１吸気ポート７Ａを開放する部分遮蔽弁６１を設けたものである。
【００８８】
従って、この実施形態によれば前記図１４に示した第５実施形態に較べて、成層燃焼時には部分遮蔽弁６１により第１吸気ポート７Ａの開口面積を小さくすることによって吸気流速が増大し、燃焼室４でより強いスワールを生成することができる。
【００８９】
図１６に示す実施形態は、第１吸気ポート７Ａと第２吸気ポート７Ｂの上流側の合流部に、第１吸気ポート７Ａに対応する部分に開口６３を備えて、成層燃焼時に第２吸気ポート７Ｂを遮蔽すると共に第１吸気ポート７Ａを部分的に遮蔽し、均質燃焼時には第２吸気ポート７Ｂと第１吸気ポート７Ａとを開放する遮蔽弁６２を設けたものである。
【００９０】
この実施形態によれば、前記第５，６実施形態に較べて、吸気ポート７の合流部および遮蔽弁６２を２つの吸気弁５Ａ，５Ｂの近くに設定することができ、成層燃焼時にこの１つの遮蔽弁６２によって第２吸気ポート７Ｂを遮蔽すると共に第１吸気ポート７Ａを吸気弁５Ａの近くで部分的に遮蔽して開口面積を小さくすることで、該第１吸気ポート７Ａから吸入される吸気の流速を更に高めて燃焼室４でより強いスワールを生成させることができる。
【００９１】
なお、前述の各実施形態では吸気ポート７の第１吸気ポート７Ａおよび吸気ポート７Ｂを何れも独立したストレートポートとした構造を示したが、従来のように第１吸気ポート７Ａをヘリカルポートとし、ストレートポートの第２吸気ポート７Ｂにスワールコントロールバルブを設けた吸気系構造としても所期の目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射式火花点火機関を示す断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視図。
【図３】本発明の第１実施形態のバルブ開閉特性図。
【図４】同実施形態の吸気ポート構造およびピストン冠面構造を示す平面図。
【図５】本発明の第２実施形態のバルブ開閉特性図。
【図６】同実施形態に用いられる可変動弁機構の説明図。
【図７】本発明の第３実施形態のバルブ開閉特性図。
【図８】同実施形態に用いられる可変動弁機構の平面図。
【図９】図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図１０】図８のＣ−Ｃ線に沿う断面図。
【図１１】本発明の第４実施形態のバルブ開閉特性図。
【図１２】同実施形態に用いられる可変動弁機構の説明図。
【図１３】図１２のＤ−Ｄ線に沿う断面図。
【図１４】本発明の第５実施形態の吸気ポート構造およびピストン冠面構造を示す平面図。
【図１５】本発明の第６実施形態の吸気ポート構造およびピストン冠面構造を示す平面図。
【図１６】本発明の第７実施形態の吸気ポート構造およびピストン冠面構造を示す平面図。
【図１７】２つのバルブリセスを設けたピストン冠面の構造例を示す平面図。
【符号の説明】
２  ピストン
４  燃焼室
５Ａ  一方の吸気弁
５Ｂ  他方の吸気弁
６  排気弁
７Ａ  第１吸気ポート
７Ｂ  第２吸気ポート
１１  燃料噴射弁
１２  キャビティ燃焼室
１３  バルブリセス
３０，４０，５０  可変動弁機構
６０，６２  遮蔽弁
６１  部分遮蔽弁
６３  開口
【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】
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【図１２】
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【図１３】
0004092442.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0004092442.tif 000016
【図１６】
0004092442.tif 000017
【図１７】
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