(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストン頂面が臨む燃焼室に点火部を配置して設けられた点火プラグと、
前記点火部と並んで噴射部を配置して設けられ、内燃機関の圧縮行程において前記噴射部から燃料を、噴流が前記点火部近傍を通過して前記ピストン頂面へ向かう１回目の間接供給と、噴流が直接に前記点火部近傍へ向かう２回目の直接供給とに分けて噴射する燃料噴射弁と、
前記ピストン頂面に設けられ前記ピストン頂面に到達した１回目の間接供給用の燃料の噴流を前記燃焼室の径方向においては当該燃料の噴射方向とは反対の方向から前記点火プラグの点火部へ向わせるキャビティと、
前記噴射部から前記圧縮行程の中期〜後期において前記１回目の間接供給用の燃料を噴射させ、当該燃料の噴流が前記キャビティで案内され前記点火プラグの点火部に到達する直前〜直後となる圧縮行程の後期のタイミングで前記２回目の直接供給用の燃料を噴射させ、両燃料の噴流を前記点火プラグの点火部近傍の地点で互いに向き合う方向から衝突させる制御部とを具備し、
前記点火プラグの点火部近傍で前記１回目の間接供給の燃料の噴流と前記２回目の直接供給の燃料の噴流を衝突させて双方の噴流のエネルギーを互いに打ち消し合わせ、前記点火プラグの点火部に点火に適した混合気を滞留させる
ことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に成層混合気を形成して燃焼を行う筒内噴射型火花点火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内に燃料を直接噴射して混合気を形成する筒内噴射型火花点火式内燃機関、いわゆる直噴火花点火式エンジンには、吸気絞り損失の大きい部分負荷（低・中負荷）での熱効率改善のために成層希薄燃焼を行うものがある。混合気の成層化を行う手法として様々なものがあるが、スプレーガイド方式と呼ばれる手法が良く知られている。
こうしたスプレーガイド方式のエンジンは、例えば特許文献１に開示されているように、燃料噴射弁の噴射部から、直接、燃料を点火プラグの点火部近傍へ噴射させて、燃焼室の全体を空気過剰状態としながら、点火プラグの点火部近傍には、点火に適した量論比に近い混合気を配置（混合気の成層化）し、希薄燃焼を成立させている。
【特許文献１】特開平１０−５４２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、成層混合気を形成するエンジンは、多くの運転領域で、安定した希薄燃焼を成立することが求められる。
ところが、スプレーガイド方式は、点火プラグの点火部に対して燃料が、直接、噴射されるため、点火プラグの点火部における燃料の流速は速く、点火に適した混合気は、ごく短い期間しか滞留しない。しかも、点火部では、燃料噴射が誘起した高い気流流速による放電の吹き消えが発生しやすく，安定した点火放電が困難となる。
【０００４】
点火は、この短い期間で行うことが求められるため、スプレーガイド方式では、安定した燃焼が得られる運転範囲が狭い。特にスプレーガイド方式は、利用頻度の高い、燃料噴射量の多い，比較的負荷が高い運転領域になると、気流の流速が速く、安定した希薄燃焼が成立しない。
これを補うためにスプレーガイド方式では、燃料を、点火部の手前で、障害物に衝突させて、衝突により反射した燃料を点火プラグの点火部近傍へ供給させて、点火部近傍に滞留する混合気の期間を長くすることが提案されているが、燃料噴射量の多い比較的負荷の高い領域では，点火部の気流が速くなってしまい、安定した希薄燃焼が成立しがたい。
【０００５】
このため、スプレーガイド方式を用いたエンジンでは、できるだけ点火部の気流を抑制しながら，点火に適した混合気を点火部に長く滞留させる技術が要望されている。
そこで、本発明の目的は、点火プラグの点火部の気流を抑制しながら、点火部近傍に、点火に適した混合気を長く滞留させられる筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、内燃機関のピストン頂面が臨む燃焼室に点火部を配置して設けられた点火プラグと、点火部と並んで噴射部を配置して設けられ、内燃機関の圧縮行程において噴射部から燃料を、噴流が点火部近傍を通過してピストン頂面へ向かう１回目の間接供給と、噴流が直接に点火部近傍へ向かう２回目の直接供給とに分けて噴射する燃料噴射弁と、ピストン頂面に設けられピストン頂面に到達した１回目の間接供給用の燃料の噴流を燃焼室の径方向においては当該燃料の噴射方向とは反対の方向から点火プラグの点火部へ向わせるキャビティと、噴射部から圧縮行程の中期〜後期において１回目の間接供給用の燃料を噴射させ、当該燃料の噴流がキャビティで案内され点火プラグの点火部に到達する直前〜直後となる圧縮行程の後期のタイミングで２回目の直接供給用の燃料を噴射させ、両燃料の噴流を点火プラグの点火部近傍の地点で互いに向き合う方向から衝突させる制御部とを具備し、点火プラグの点火部近傍で１回目の間接供給の燃料の噴流と２回目の直接供給の燃料の噴流を衝突させて双方の噴流のエネルギーを互いに打ち消し合わせ、点火プラグの点火部に点火に適した混合気を滞留させるようにした。
すなわち、点火プラグの点火部近傍で、間接供給の燃料と直接供給の用燃料が、相対向する方向から衝突することによって、当該点火部近傍には点火に適した混合気が生成される。この混合気は、間接供給燃料の噴流と直接供給燃料の噴流との衝突により、点火部における気流流速が大幅に抑えられる。しかも、衝突により、長い期間、可燃混合気が点火部近傍に滞留する。また１つの燃料噴射弁で、燃料の間接供給と直接供給とが可能になるうえ、簡単な制御で、点火部近傍に点火に適した混合気が長く滞留する。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１の発明によれば、間接供給用燃料の噴流と直接供給用燃料の噴流との衝突により点火プラグの点火部での気流流速が大幅に低減できるから、点火プラグの点火部近傍に、長い期間、点火に適した混合気を滞留させることができる。
したがって、点火部近傍に生成される混合気の点火が安定して行え、希薄燃焼を安定して行うことができ、希薄燃焼の安定燃焼範囲を大きくすることができる。
【００１０】
しかも、１つの燃料噴射弁で、燃料の間接供給と直接供給が可能になる。
そのうえ、簡単な制御で、点火に適した混合気を点火部近傍に長く滞留させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を図１〜図６に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は筒内噴射型火花点火式内燃機関、例えば直接供給方式であるスプレーガイド式と間接供給方式であるウォールガイド式とを併用した４サイクルの直噴ガソリンエンジン（単にエンジンという）の１気筒当たりの燃焼室構造を示す断面図、図２および図３は燃料噴射の状態を順に示した断面図である。
【００１２】
エンジンの構造を説明すると、図１〜図３中１はエンジン本体を構成するシリンダブロック、２は同シリンダブロック１の上部に搭載されたシリンダヘッド、３はシリンダブロック１に形成されたシリンダライナ、４は同シリンダライナ３内に往復動可能に収められたピストンである。
このうちシリンダヘッド２のシリンダライナ３と向き合う下面には、例えばペントルーフ形の燃焼室６が形成されている。この燃焼室６の両側には、吸気ポート７からの吸気を制御する一対の吸気バルブ８（一方しか図示せず：いずれも破線で図示）と、排気ポート９からの排気を制御する一対の排気バルブ１０（一方しか図示せず：いずれも破線で図示）が設けられている。また燃焼室６の中央には、燃料噴射弁１１が設けられている。燃料噴射弁１１は、先端に燃料を噴射する噴射部１２をもち、この噴射部１２が燃焼室６内へ露出している。
【００１３】
また燃焼室６には、燃料噴射弁１１と並んで点火プラグ１４が設けられている。点火プラグ１４は、先端部に点火部１５をもつ。点火部１５は、一般的な電極構造、具体的には中心電極１６と側極１７とを用いて、中心電極１６の先端と側極１７の先端間に放電部（点火位置）を形成した構造が用いてある。この点火部１４が燃焼室６内に突き出て、噴射部１１と隣接している。さらに述べれば、燃料噴射弁１１は、噴射部１１が点火部１４に近付く方向に傾き、点火プラグ１４は、点火部１４が噴射部１１に近付く方向に傾いていて、噴射部１１と点火部１４とは、ペントルーフ形の燃焼室６の中央で隣接して配置してある。
【００１４】
この点火プラグ１４および燃料噴射弁１１は、制御部２０（例えばマイクロコンピュータで構成される）に接続されていて、成層混合気を燃焼させる希薄燃焼運転を可能にしている。すなわち、エンジンのサイクル（吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程）のうち、圧縮行程時、噴射部１１から燃料を噴射すると、燃焼室６の全体を空気過剰状態としながら、点火プラグ１５の点火部１５近傍に、点火に適した量論比近くの混合気エリアが形成されて（成層混合気）、成層希薄燃焼が行われる。また吸気行程時に噴射部１１から燃料を噴射すれば、燃焼室６の全体を均一の混合気とした燃焼（均質燃焼）が行われる。
【００１５】
このうちの希薄燃焼を行うための成層混合気の生成の仕方に工夫が施されている。
この工夫には、点火部１５近傍の地点で、噴流が間接的に点火部１５近傍へ向かうウォールガイドの燃料と、噴流が直接に点火部１５近傍へ向かうスプレーガイドの燃料とを、互いに向き合う方向から衝突させる技術が採用されている。
具体的には、希薄燃焼運転時、噴射部１１は、制御部２０により、エンジンの圧縮行程内において、燃料を２回に分割して順に噴射される。そして、このうちの１回目の噴射にて、点火部１５近傍を通り過ぎ、ピストン４の頂面を経てから、点火部１５近傍へ向かう挙動のウォールガイド用燃料αを得る。また２回目に噴射される燃料βにて、直接、点火部１５近傍へ向かう挙動のスプレーガイド用燃料βを得るようにしている。なお、１回目の噴射、すなわちウォールガイド用の燃料でも点火部１５近傍を通り過ぎるように設定しているため、ウォールガイド用の噴射をスプレーガイド用に兼用でき、スプレーガイド用の新たな燃料噴射弁を設ける必要がない。また、燃料噴射弁の噴孔をウォールガイド用とスプレーガイド用の専用のものを設定する必要もなくコストに有利である。
【００１６】
制御部２０は、図１に示されるように１回目のウォールガイド用燃料αを噴射してから、同燃料αの噴流がピストン４の頂面を経て、点火プラグ１４の点火部１５近傍に到達する直前から直後のタイミングで、図３に示されるようにスプレーガイド用燃料βが噴射されるよう定めてある。具体的には燃料の噴射タイミングは、１回目のウォールガイド用燃料αはエンジンの圧縮行程の中期〜後期に行い、２回目のスプレーガイド用燃料βはエンジンの圧縮行程の後期に行うように定められていて、両燃料α、βの噴流が、点火部１５近傍の地点で、対向する方向から衝突するようにしている。つまり、噴射タイミングは、１回目の燃料噴射によって生じたウォールガイド気流と２回目の燃料噴射によって生じたスプレーガイド気流とが、点火部１５近傍の地点で、互いに打消し合うように衝突させるタイミングとしてある。
【００１７】
そして、この衝突が的確に行われるよう、ピストン４の頂面には、ウォールガイド気流を点火部１５近傍へ導く形状のピストンキャビティ２１が形成してある。
こうした噴射タイミングで行われる気流同士の衝突により、点火部１５近傍に、点火に適した混合気、すなわち可燃混合気が、長い期間、滞留されるようにしている。そして、点火プラグ１４の点火部１５は、制御部２０により、スプレーガイド用燃料βの噴射中または直後に点火が行われ、成層希薄燃焼が行われるようにしている。
【００１８】
すなわち、この希薄燃焼の挙動を説明すると、図１に示されるように、今、圧縮工で上昇するピストン４が圧縮行程中期まで進んだとする。すると、制御部２０の指令により、燃料噴射弁１１が作動し、エンジンの運転状態により求められた燃料噴射量の一部の量が、図１に示されるように噴射部１２からウォールガイド用燃料αとして、ピストン４の頂面に向けて噴射される（１回目の噴射）。
【００１９】
１回目に噴射されたウォールガイド用燃料αは、図２に示されるように点火プラグ１４の点火部１５近傍を通り越して（点火プラグ１４は作動していない）、ピストンキャビティ２１内へ進入し、当該ピストンキャビティ２１の壁面と衝突する。この衝突により、燃料αは上方へすくい上げられ、ピストン４とは反対側へ向かう。同燃料αは、この間に拡散し、ウォールガイド混合気（点火に適した混合気）が生成される（燃料気化による）。この１回目の燃料噴射によって生じたウォールガイド気流（噴流）は、ピストンキャビティ２１により案内されて、図２中の矢印Ａに示されるように噴射部１２とは反対の方向から点火部１５近傍へ向かう気流となる。
【００２０】
このウォールガイドされたウォールガイド気流は、ピストン４が圧縮行程後期へ進むにしたがい、点火部１５近傍の地点に到達する。
燃料噴射弁１１は、ウォールガイド気流が点火部１５近傍に到達する直前〜直後となる圧縮行程後期に、再び作動し、残りの燃料噴射量が、図３に示されるように噴射部１２からスプレーガイド用燃料βとして、燃焼室６内へ噴射される。この２回目に噴射されたスプレーガイド用燃料βは、点火部１５近傍へ向かう。そして、点火部１５近傍に到達する間に、スプレーガイド混合気（点火に適した混合気）が生成される。
【００２１】
このとき、１回目の燃料噴射により生じたウォールガイド気流（噴流）と２回目の燃料噴射により生じたスプレーガイド気流（噴流）は、点火部１５近傍の地点に対して、互いに向き合う方向（対向）から到達するから、図３に示されるように当該点火部１５近傍の地点で気流同士の衝突が生じる。
この衝突により、双方の気流のエネルギーが打ち消し合い、点火部１５におけるガス流速は大幅に低下する。しかも、衝突により、可燃混合気は点火部１５近傍の地点で滞留し続ける。
【００２２】
それ故、点火部１５近傍の地点で、ウォールガイド用燃料αとスプレーガイド用燃料βとを点火部１５近傍で衝突させることによって、点火部１５近傍には、長い期間、可燃混合気、すなわち点火に適した混合気を滞留させることができる。このため、可燃混合気の点火可能な期間は、長い期間、確保されるから、２回目の燃料噴射中または直後に点火プラグ１４が点火放電すると、成層希薄燃焼が安定して行える。
【００２３】
こうした衝突により可燃混合気を滞留させる技術の優位性は、シミュレーションの結果、確認された。すなわち、図４（ｂ）に示す点火部における空燃比の状況の線図から検証すると、実線で示す一実施形態の衝突により可燃混合気を滞留させるエンジンは、一点鎖線で示す従来のスプレーガイド方式で可燃混合気を生成するエンジンに比べ、点火に適した空燃比の混合気（可燃混合気）が、長い期間、点火プラグ１４の点火位置に滞留することが確認された。また図４（ａ）に示す点火位置におけるガス流速の線図からは、実線で示す衝突により可燃混合気を滞留させるエンジンは、一点鎖線で示す従来のスプレーガイド方式で可燃混合気を生成するエンジンに比べ、点火位置の流速が低減することが確認された。
【００２４】
このように可燃混合気は、長い期間、点火部１４近傍に滞留するので、図５に示されるように成層希薄燃焼の安定燃焼領域は、一点鎖線で示す従来のスプレーガイド方式で可燃混合気を生成するエンジンの安定燃焼領域に比べ、実線で示す衝突により可燃混合気を滞留させるエンジンの安定燃焼領域を、いずれの点火時期や噴射時期においても格段に広範囲とすることができる。
【００２５】
しかも、圧縮行程内における燃料の２回噴射により、ウォールガイド用燃料αの噴流を点火部１５近傍へ向かわせ、当該ウォールガイド用燃料αが点火部１５に到達するタイミング（直前〜直後）に合わせて、スプレーガイド用燃料βの噴流を反対方向から点火部１５近傍へ向かわせ、点火部１５近傍の地点で両噴流を衝突させる技術は、点火部１５近傍の地点で噴流同士を衝突させやすく、簡単な制御で、点火部１５近傍に可燃混合気を長く滞留させることができる。分割噴射は、１回の噴射量が少なく、燃料の流速が遅いから、それだけでもガス流速の低減に貢献する。特に噴流同士の衝突は、１回目のウォールガイド用燃料αがエンジンの圧縮行程の中期〜後期に噴射され、２回目のスプレーガイド用燃料βがエンジンの圧縮機行程の後期に噴射されると最も有効である。しかも、１回目の噴射量（ウォールガイド用燃料）を、２回目の噴射量（スプレーガイド用燃料）よりも多い比率にすると、気流の抑制効果が大きい。
【００２６】
そのうえ、ピストン４の頂面にガイド機能の有るピストンキャビティ２１を形成すると、的確に噴流同士を点火部１５近傍の地点で衝突させることができる。そのため、常に点火部１５近傍の地点において、点火に適した混合気を、長い期間、滞留させることができる。
特に、部分負荷の希薄燃焼の安定燃焼域が格段に広くなる特徴を用いて、図６に示されるようなエンジンの運転マップを設定すると、広範囲な成層燃焼域に渡り、安定した希薄燃焼運転が可能となる。すなわち、図６に示すエンジン運転マップは、使用頻度の高いエンジンの中回転域で中負荷域となる広い領域においては、ウォールガイド気流とスプレーガイド気流とを衝突させて、点火部近傍に可燃混合気を生成する衝突リーン運転モードＳを設定する。さらにエンジンの低回転域の領域においては、低回転数で安定した燃焼が得やすい、ウォールガイド方式（ウォールガイド用燃料αだけの噴射）で燃料噴射を行って、点火部１５近傍に可燃混合気を生成するウォールガイド運転モードＴを設定する。さらにエンジンの中回転域で低負荷となる領域は、燃料噴射量が少なく、筒内の空燃比が大幅に希薄になる傾向にあるので、当該空燃比で安定した燃焼が得やすいスプレーガイド方式（スプレーガイド用燃料βだけの噴射）で燃料噴射を行って、点火部１５近傍に可燃混合気を生成するスプレーガイド運転モードＵを設定する。
【００２７】
このように運転モードを設定すると、ウォールガイド方式、スプレーガイド方式、噴流衝突方式のそれぞれの特徴を活用して、広範囲な成層燃焼域において、安定した希薄燃焼運転ができる。特に衝突リーン運転モードＳの、均質燃焼が行われる高負荷モードＶとの境界の領域は、筒内の空燃比が十分に希薄な状態でなくなるので、この領域Ｓ１は、混合気の拡散に優れた燃料噴射、例えば図６に示すようにウォールガイド方式で運転しても構わない。
【００２８】
なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼室構造を示す斜視図。
【図２】１回目に噴射されたウォールガイド用燃料がピストン頂面を経て点火部近傍へ向かう挙動を示す断面図。
【図３】1回目のウォールガイド用燃料が点火部近傍に到達するとき、２回目のスプレーガイド用燃料が噴射され、両噴流が点火部近傍で衝突するときを示す断面図。
【図４】点火に適した混合気が長い期間、滞留することを説明するための線図。
【図５】同混合気が長い期間、滞留することで得られた安定燃焼範囲を、従来のスプレー方式の安定燃焼範囲と対比して示す線図。
【図６】当該噴射で得られる希薄燃焼を有効に活用したエンジンの運転マップを示す線図。
【符号の説明】
【００３０】
４  ピストン
６  燃焼室
１１  燃料噴射弁
１２  噴射部
１４  点火プラグ
１５  点火部
２０  制御部
α  ウォールガイド用燃料（間接供給用の燃料）
β  スプレーガイド用燃料（直接供給用の燃料）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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