(57)【要約】【課題】噴射燃料により効率的に縦旋回流を強めることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁１から噴射される燃料の貫徹力によって気筒内の縦旋回流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は、気筒内空間の中心高さＨがシリンダボア直径Ｄとほぼ一致するピストン位置において、燃料を噴射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力によって気筒内の縦旋回流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、気筒内空間の中心高さがシリンダボア直径とほぼ一致するピストン位置において、燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
必要燃料量が第一設定量未満の時には、前記燃料噴射弁は、圧縮行程の前記ピストン位置において必要量の燃料を噴射し、必要燃料量が前記第一設定量以上の時には、前記燃料噴射弁は、吸気行程の前記ピストン位置において必要量の燃料を噴射する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内燃機関。
【請求項３】
必要燃料量が前記第一設定量より多い第二設定量以上の時には、前記燃料噴射弁は、必要量の燃料を二分割して、吸気行程の前記ピストン位置において二分割された燃料の一方を噴射し、圧縮行程の前記ピストン位置において二分割された燃料の他方を噴射することを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼において、気筒内へ供給された吸気により気筒内に形成されたタンブル流を圧縮行程後半まで持続させることができれば、タンブル流はピストンにより押し潰されて点火時期において気筒内に乱れを存在させることができ、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。
【０００３】
タンブル流を圧縮行程後半まで持続させるために、吸気ポート内に吸気流制御弁を配置し、この吸気流制御弁によって吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内へ供給することにより、気筒内に強いタンブル流を形成する筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１８０２４７
【特許文献２】特開２００３−１１３７１６
【特許文献３】特開２００５−６１２６５
【特許文献４】特開２００５−１２０９４２
【特許文献５】特開２００５−６１２６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、吸気流制御弁により吸気を吸気ポート上壁に沿わせて気筒内に供給する時には、吸気流制御弁により吸気ポートが絞られることになる。それにより、必要吸気量が比較的少ない時においては、特に問題なく強いタンブル流を気筒内に形成することができるが、必要吸気量が比較的多くなる時においては、吸気流制御弁により吸気ポートを絞ると吸気不足が発生することがあるために、吸気流制御弁によって強いタンブル流を気筒内に形成することはできない。
【０００６】
このような吸気流制御弁を設けなくても、筒内噴射式火花点火内燃機関においては、例えば、気筒上部略中心又は気筒上部周囲吸気弁側に燃料噴射弁を配置して、シリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射すれば、タンブル流の進行方向に沿って噴射される燃料によりタンブル流を強めることができる。しかしながら、単に燃料を噴射するだけでは、効率的にタンブル流のような縦旋回流を強めることができない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、噴射燃料により効率的に縦旋回流を強めることができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力によって気筒内の縦旋回流を強める筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、気筒内空間の中心高さがシリンダボア直径とほぼ一致するピストン位置において、燃料を噴射することを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、必要燃料量が第一設定量未満の時には、前記燃料噴射弁は、圧縮行程の前記ピストン位置において必要量の燃料を噴射し、必要燃料量が前記第一設定量以上の時には、前記燃料噴射弁は、吸気行程の前記ピストン位置において必要量の燃料を噴射することを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、必要燃料量が前記第一設定量より多い第二設定量以上の時には、前記燃料噴射弁は、必要量の燃料を二分割して、吸気行程の前記ピストン位置において二分割された燃料の一方を噴射し、圧縮行程の前記ピストン位置において二分割された燃料の他方を噴射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃料噴射弁は、気筒内空間の中心高さがシリンダボア直径とほぼ一致するピストン位置において、燃料を噴射するようになっており、それにより、燃料噴射時において、縦旋回流は気筒内をほぼ真円状態で旋回するために最もエネルギ損失が少なく、噴射燃料の貫徹力によって効率的に縦旋回流を強めることができる。
【００１２】
また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、必要燃料量が第一設定量未満の時には、噴射燃料量が比較的少ないために、燃料噴射弁は、気筒内空間の中心高さがシリンダボア直径とほぼ一致する圧縮行程のピストン位置において燃料を噴射し、噴射燃料によって縦旋回流をそれほど強めることができなくても、縦旋回流を圧縮行程後半まで確実に持続させるようにしている。また、必要燃料量が第一設定量以上の時には、噴射燃料量が比較的多くなるために、燃料噴射弁は、気筒内空間の中心高さがシリンダボア直径とほぼ一致する吸気行程のピストン位置において燃料を噴射し、噴射燃料によって縦旋回流を十分に強めて圧縮行程後半まで確実に持続させるようにすると共に、比較的多い噴射燃料を点火時期までの比較的長い時間によって十分に均質混合させるようにしている。
【００１３】
また、本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、必要燃料量が第一設定量より多い第二設定量以上の時には、噴射燃料量がさらに多くなるために、気筒内空間の中心高さがシリンダボア直径とほぼ一致する吸気行程のピストン位置において全ての燃料を噴射することは難しく、燃料噴射弁は、必要量の燃料を二分割して、吸気行程のこのピストン位置において二分割された燃料の一方を噴射し、気筒内空間の中心高さがシリンダボア直径とほぼ一致する圧縮行程のピストン位置においても、二分割された燃料の他方を噴射するようにしており、それにより、それぞれの噴射燃料の貫徹力によって非常に効率的に縦旋回流を強めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。同図において、１は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁１の近傍（本実施形態では排気弁側）に配置された点火プラグである。３は吸気弁４を介して気筒内へ連通する一対の吸気ポートであり、５は排気弁６を介して気筒内へ連通する一対の排気ポートである。７はピストンである。
【００１５】
本筒内噴射式火花点火内燃機関では、吸気行程において吸気ポート３から気筒内へ供給された吸気が、シリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するタンブル流ＴＢを形成する。本筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸気二弁式であるために、吸気行程初期では気筒内に互いに平行な二つの気流が形成されるが、これら二つの気流は一緒になって、気筒中心軸線と二つの吸気弁６の中間とを通る平面（図１の断面）を中心平面として旋回する単一のタンブル流ＴＢとなる。
【００１６】
ピストン７の頂面には、単一のタンブル流ＴＢの減衰を抑制するために、前述の平面に平行な部分円弧断面を有するキャビティ７ａが形成されている。しかしながら、ピストン７の頂面に、このようなキャビティ７ａを形成しただけでは、特別な工夫がされていない吸気ポート３により供給される吸気によって吸気行程において気筒内に形成されたタンブル流ＴＢは、圧縮行程前半において容易に消滅してしまう。
【００１７】
本筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により気筒内へ直接的に噴射された燃料によって均質混合気を形成して均質燃焼を実施するものであり、均質混合気の空燃比は、理論空燃比よりリーンとされ（好ましくは、ＮＯXの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制するようにしている。それにより、燃焼が緩慢となり易いために、タンブル流ＴＢを圧縮行程後半まで持続させてピストンにより押し潰すことにより点火時期において気筒内に乱れを発生させることができれば、燃焼速度を速めて良好な均質燃焼を実現することができる。もちろん、均質燃焼の空燃比は、理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。
【００１８】
本実施形態では、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１の燃料噴射方向をシリンダボアの排気弁側下部へ向くようにしており、それにより、燃料噴射弁１により噴射される燃料の貫徹力によって気筒内のタンブル流は進行方向に押され、タンブル流ＴＢを強めることができる。
【００１９】
しかしながら、単にタンブル流ＴＢ中へ燃料を噴射しても、タンブル流ＴＢを効率的に強めることはできない。図２は、同一噴射圧で同量の燃料が噴射される時のピストン位置に対するタンブル流ＴＢの強さの変化を示すグラフである。ピストン位置は、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比によって表されている。中心高さＨとは、気筒中心軸線に沿うシリンダヘッドとピストン頂面との間の距離である。この比が１．０の時には、ピストン位置によってもたらされる気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとが等しいことを表している。
【００２０】
図２に示すように、前述の比Ｈ／Ｄによってタンブル流の強さに違いが発生し、比Ｈ／Ｄがほぼ１．０の時のピストン位置、例えば、比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間のピストン位置において燃料が噴射される時に良好にタンブル流ＴＢを強めることができる。これは、このピストン位置において、タンブル流ＴＢは、図１に示すように、ほぼ真円状態で旋回するために、最もエネルギ損失が少ないためである。ピストン位置が低く（比Ｈ／Ｄ＞１．１）、タンブル流ＴＢが縦長の長円状態で旋回する時には、タンブル流ＴＢがシリンダボアと平行に進行する（下降及び上昇する）際にシリンダボアとの摩擦によってエネルギ損失が発生する。また、ピストン位置が高い時（比Ｈ／Ｄ＜０．９）には、タンブル流ＴＢがシリンダボアにより偏向される際の曲がり半径が小さくなって、この時のエネルギ損失が増大する。こうして、ほぼ真円状態で旋回する時のタンブル流ＴＢが最もエネルギ損失が少なく、この時において噴射燃料により効率的にタンブル流ＴＢを強めることができる。
【００２１】
本実施形態においては、図３に示すフローチャートに従って燃料噴射を実施するようになっている。先ず、ステップ１０１において、現在の要求機関負荷Ｌ及び現在の要求機関回転数Ｎが検出される。次いで、ステップ１０２において、要求機関負荷Ｌ及び要求機関回転数Ｎに基づく現在の要求機関運転状態が、図４のマップにおける低回転低負荷領域Ａであるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、必要燃料量が第一設定量未満であり、噴射燃料量が比較的少ないために、ステップ１０３において、燃料噴射弁１は、圧縮行程において、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間（時間的には、比Ｈ／Ｄが１．１となる時が０．９となる時より前である）となっている時に必要量の燃料を噴射する。好ましくは、圧縮行程において、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが１．０となる時を燃料噴射期間の中心として必要量の燃料を噴射する。
【００２２】
こうして、噴射燃料によりタンブル流ＴＢを効率的に強めることができるが、必要燃料量が比較的少ないために、噴射燃料によってタンブル流ＴＢをそれほど強めることができないことがある。しかしながら、タンブル流ＴＢは圧縮行程前半に強められるために、タンブル流ＴＢを圧縮行程後半まで確実に持続させることができる。それにより、低回転低負荷領域Ａにおいて、タンブル流ＴＢにより発生する乱れによって良好な均質燃焼を実現することができる。
【００２３】
一方、ステップ１０２の判断が否定される時には、ステップ１０４において、要求機関負荷Ｌ及び要求機関回転数Ｎに基づく現在の要求機関運転状態が、図４のマップにおける中回転中負荷領域Ｂであるか否かが判断される。この判断が肯定される時には、必要燃料量が第一設定量以上であり、噴射燃料量が比較的多いために、ステップ１０５において、燃料噴射弁１は、吸気行程において、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間となっている時に必要量の燃料を噴射する。好ましくは、吸気行程において、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが１．０となる時を燃料噴射期間の中心として必要量の燃料を噴射する。
【００２４】
こうして、噴射燃料によりタンブル流ＴＢを効率的に強めることができ、必要燃料量が比較的多いために、噴射燃料によってタンブル流ＴＢを十分に強めてタンブル流ＴＢを圧縮行程後半まで確実に持続させることができる。また、比較的多い噴射燃料は、吸気行程で噴射されるために、強められたタンブル流により点火時期までの十分な時間を使用して十分に気筒内に分散して均質化され、良好な均質混合気を形成することができる。それにより、中回転中負荷領域Ｂにおいて、タンブル流ＴＢにより発生する乱れと十分に均質化された均質混合気とによって、良好な均質燃焼を実現することができる。
【００２５】
一方、ステップ１０４の判断が否定される時には、要求機関負荷Ｌ及び要求機関回転数Ｎに基づく現在の要求機関運転状態が、図４のマップにおける高回転高負荷領域Ｃであるために、必要燃料量が第一設定量より多い第二設定量以上となり、噴射燃料量がさらに多くなる。この時には、吸気行程の一回の燃料噴射では、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間となっている時に必要量全ての燃料を噴射することが困難となる。
【００２６】
それにより、必要量の燃料を二分割して、ステップ１０６において、燃料噴射弁１は、吸気行程において、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間となっている時に二分割された必要量の燃料の一方を噴射する。好ましくは、吸気行程において、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが１．０となる時を燃料噴射期間の中心として二分割された必要量の燃料の一方を噴射する。
【００２７】
次いで、ステップ１０７において、燃料噴射弁１は、圧縮行程において、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間となっている時に二分割された必要量の燃料の他方を噴射する。好ましくは、圧縮行程において、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが１．０となる時を燃料噴射期間の中心として二分割された必要量の燃料の他方を噴射する。
【００２８】
こうして、タンブル流ＴＢは、吸気行程及び圧縮行程で噴射される燃料のそれぞれによって効率的に強められ、タンブル流を圧縮行程後半まで確実に持続させることができる。それにより、高回転高負荷領域Ｃにおいて、タンブル流により発生する乱れによって良好な均質燃焼を実現することができる。
【００２９】
必要燃料量を二分割する際には、吸気行程で噴射される一方の燃料量と圧縮行程で噴射される他方の燃料量とを略等しくしても良いが、一方の燃料量を第二設定量として、残りを他方の燃料としても良い。それにより、比較的多くの燃料量が吸気行程において噴射され、その分、圧縮行程で噴射される燃料量を少なくすることができ、これは噴射燃料の均質化に有利となる。
【００３０】
ステップ１０８では、発生トルクＴが現在の要求機関運転状態の要求トルクの許容値Ｔ’に達しているか否かが判断される。発生トルクは、例えば、特定気筒の爆発行程初期のクランク角加速度等に基づき推定することができる。タンブル流ＴＢが十分に強められて圧縮行程後半まで持続し、点火時期において気筒内に強い乱れを発生させることができれば、良好な均質燃焼が実現され、ステップ１０８の判断は肯定されて問題はない。しかしながら、例えば、燃料噴射時期にずれが発生して、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間となっていない時に、少なくとも一部の燃料が噴射されると、意図するようにタンブル流ＴＢを強めることができず、また、燃料の均質化が不十分となることもあり、発生トルクＴが低下してステップ１０８の判断が否定される。
【００３１】
ステップ１０８の判断が否定されると、ステップ１０９において、許容値Ｔ’と発生トルクＴとの差ΔＴが前回と比較して増加したか否かが判断される。ステップ１０８の判断が否定された当初は、この判断は否定され、ステップ１１０において、フラグＦは現状が維持される。次いで、ステップ１１２において、フラグＦが０であるか否かが判断され、当初は、フラグＦは０に設定されているために、ステップ１１２の判断が肯定され、ステップ１１３において、吸気行程及び圧縮行程の燃料噴射時期はいずれも設定量だけ進角される。
【００３２】
それにより、吸気行程及び／又は圧縮行程の燃料噴射が気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間となっている時に実施されるようになれば、発生トルクＴは許容値Ｔ’以上となり、ステップ１０８の判断が肯定される。
【００３３】
しかしながら、依然として、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間となっていない時に、吸気行程及び／又は圧縮行程の噴射燃料量の一部が噴射されている場合には、ステップ１０８の判断が否定され、この時に、ステップ１０９の判断が否定されるならば、ステップ１１３の進角によって燃料噴射時期は改善されており、ステップ１１３において、燃料噴射時期をさらに設定量だけ進角する。
【００３４】
また、ステップ１０８の判断が否定されて、ステップ１０９の判断が肯定される時には、ステップ１１３の進角によって燃料噴射時期は悪化されており、すなわち、燃料噴射が気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間となっていない時に噴射される燃料量が増加したと考えられ、ステップ１１１において、フラグＦを現状から入れ替える。すなわち、フラグＦが０である時には１とし、フラグＦが１である時には０とする。
【００３５】
それにより、現状は０であったフラグＦは１に入れ替えられるために、ステップ１１２の判断は否定され、ステップ１１４において、吸気行程及び圧縮行程の燃料噴射時期はいずれも設定量だけ遅角される。このような処理が繰り返されることにより、燃料噴射時期のずれが発生しても、吸気行程及び／又は圧縮行程において、気筒内空間の中心高さＨとシリンダボア直径Ｄとの比Ｈ／Ｄが０．９から１．１の間となっている時に確実に燃料を噴射することができ、良好にタンブル流ＴＢを強めることができる。
【００３６】
燃料噴射弁１の位置は気筒上部略中心に限定されることはなく、例えば、燃料噴射弁１を気筒上部周囲の吸気弁側に配置して、略水平方向（水平方向とは気筒軸線に対して垂直な平面に沿う方向である）にシリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射するようにしてもタンブル流ＴＢを強めることができる。また、燃料噴射弁１から噴射される燃料の貫徹力は、タンブル流ＴＢを確実に強めることができるように、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するように設定されることが好ましい。
【００３７】
燃料噴射弁１から噴射される噴射燃料の形状は、任意に設定可能であり、例えば、単一噴孔から噴射される中実又は中空の円錐形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、上側及び排気弁側を凸とする比較的厚さの薄い円弧状断面形状又は折れ線状断面形状としても良い。又は、複数噴孔からそれぞれに噴射される柱状としても良い。いずれにしても噴射燃料が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流ＴＢを加速させるようになっていれば良い。
【００３８】
これまで気筒内にはタンブル流ＴＢが形成される場合を説明したが、本発明の考え方は、タンブル流ＴＢに限定されることなく、シリンダボアの吸気弁側に沿って下降して排気弁側に沿って上昇する逆タンブル流を含む縦旋回流が気筒内に形成される場合に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。
【図２】同一噴射圧で同量の燃料が噴射される時のピストン位置に対するタンブル流の強さの変化を示すグラフである。
【図３】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射を実施するためのフローチャートである。
【図４】要求機関負荷と要求機関負荷とにより定められる機関運転状態の領域を示すマップである。
【符号の説明】
【００４０】
１    燃料噴射弁
２    点火プラグ
７    ピストン
ＴＢ    タンブル流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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