(57)【要約】【課題】タンブル流をできるだけ長く維持してタンブル流の崩壊を点火時期まで遅らせ、常に良好な均質燃焼を実現する。【解決手段】燃焼室１０内において吸気ポート１５側では上昇し、排気ポート１６側では下降するように旋回するタンブル流Ｔを、ピストン１３が吸気行程の下死点付近にあるときに、第１の燃料噴射を実行することにより増速させる。圧縮行程の末期に、排気ポート１６側の下降流を強化するために、第１の燃料噴射よりも少量の燃料を噴射する第２の燃料噴射を実行する。【選択図】図５
2009024627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内において吸気ポート側では上昇し、排気ポート側では下降するように旋回するタンブル流を、ピストンが吸気行程の下死点付近にあるときに前記燃焼室内に燃料を噴射することにより増速させる筒内噴射式火花点火内燃機関であって、
圧縮行程の末期に、前記排気ポート側の下降流を強化するために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】
前記下降流を強化するための燃料噴射量は前記下死点付近での燃料噴射よりも少量であ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】
燃料噴射弁がシリンダヘッドの中央付近に配設され、前記排気ポート側に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４】
前記燃料噴射弁の噴射孔が前記排気ポート側に形成されることを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項５】
点火プラグが前記燃料噴射弁よりも前記排気ポート側に設けられており、前記噴射孔が複数個形成され、かつ前記点火プラグに向けて噴射しないように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項６】
前記下降流を強化するための燃料噴射が複数回に分割して行われ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７】
前記下降流を強化するための燃料噴射の回数が、エンジン回転数が低いほど多く定められる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内燃機関。
【請求項８】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
燃焼室内において吸気ポート側では上昇し、排気ポート側では下降するように旋回するタンブル流を、ピストンが吸気行程の下死点付近にあるときに、前記燃料噴射弁に燃料を噴射させることにより増速させるタンブル流増速手段と、
圧縮行程の末期に、前記排気ポート側の下降流を強化するために前記燃料噴射弁を制御して、前記下死点付近での燃料噴射よりも少量の燃料を噴射させるタンブル流強化手段と
を備えることを特徴とする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し、特に、燃焼室内に生成されるタンブル流を強化するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内噴射式火花点火内燃機関において混合気の均質燃焼を実現するために、燃焼室内に供給される吸気によってタンブル流を形成することが知られている。タンブル流が圧縮行程末期まで持続されると、点火時期においてタンブル流の崩壊により発生する乱れによって均質混合気が生成され、燃焼速度が高められて良好な均質燃焼が実現される。
【０００３】
タンブル流は、吸気ポート側では上昇し排気ポート側では下降するように旋回する渦であり、このタンブル渦はピストンの上昇によって点火時期よりも早期に崩壊しやすい。そこでタンブル流を強化することを目的として、例えば特許文献１に開示されているように、吸気ポートに吸気流制御弁を設け、吸気ポート内を流れる吸気の流路を制御して燃焼室内に強いタンブル流を形成する構成が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−１８０２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし圧縮行程末期ではピストンの上昇速度が低下することに伴い、ピストン頂面の近傍のタンブル流に上向きの慣性力が働くため、タンブル流の下向き成分が多い排気ポート側において流速が大きく低下し、これによりタンブル渦の中心が排気ポート側に変位してタンブル渦が早期に崩壊しやすい。この現象は、特にエンジン回転数が相対的に低い状態で発生しやすく、吸気制御弁を設けた従来の構成では解消することが困難であった。
【０００５】
そこで本発明は、タンブル流をできるだけ長く維持してタンブル流の崩壊を点火時期まで遅らせ、常に良好な均質燃焼を実現できる筒内噴射式火花点火内燃機関を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関は、ピストンが吸気行程の下死点付近にあるときに燃焼室内に燃料を噴射する（第１の燃料噴射）ことによりタンブル流を増速させる内燃機関であって、圧縮行程の末期に、排気ポート側の下降流を強化するために燃料を噴射する（第２の燃料噴射）ことを特徴としている。なお本明細書では、第１の燃料噴射によってタンブル流の流速を上げることを「増速」と記載し、第２の燃料噴射によってタンブル流の流速を上げることを「強化」と記載している。
【０００７】
第２の燃料噴射の噴射量は第１の燃料噴射よりも少量であることが好ましい。すなわち、第１の燃料噴射において相対的に多量の燃料を噴射して形成された均質混合気に対して、第２の燃料噴射において少量の燃料を噴射すれば、混合気の均質度を維持することができる。
【０００８】
燃料噴射弁は例えばシリンダヘッドの中央付近に配設され、排気ポート側に燃料を噴射するように構成される。これによれば排気ポート側の下向き流を効果的に強化することができる。この場合、燃料噴射弁の噴射孔が排気ポート側に形成される。
【０００９】
点火プラグは例えば、燃料噴射弁よりも排気ポート側に設けられる。この場合、噴射孔が複数個形成され、かつ点火プラグに向けて噴射しないように配置されていることが好ましい。これにより、点火プラグが燃料噴射弁から噴射される燃料により濡れてアークの発生が阻害されることが防止される。
【００１０】
エンジン回転数が相対的に低いとき、下降流を強化するための第２の燃料噴射は複数回に分割して行われることが好ましい。燃料噴射量が同一のまま噴射回数を増加することにより、タンブル流の強化のための燃料噴射期間が延び、第１の燃料噴射により生じた混合気の均質度を維持しつつ、タンブル渦の崩壊を遅延させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、タンブル流が長く維持されて点火時期まで崩壊することがなく、良好な均質燃焼を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関の一実施形態を示す縦断面図である。図２はピストン頂面を示す平面図である。
【００１３】
シリンダブロック１１に形成されたシリンダボア１２内にはピストン１３が摺動自在に設けられ、シリンダブロック１１の上に設けられたシリンダヘッド１４には吸気ポート１５と排気ポート１６が２つずつ形成される。吸気ポート１５は吸気弁１７によって開閉され、排気ポート１６は排気弁１８によって開閉される。ピストン頂面１９の縁部には、吸気弁１７あるいは排気弁１８が干渉しないように、三日月状の窪み２０、２１が２つずつ形成されており、また中央部には、タンブル流を維持するために円弧状断面を有する凹陥部２２が形成されている。
【００１４】
シリンダヘッド１４において、その中央付近には燃料噴射弁２３が配設され、また燃料噴射弁２３の排気ポート１６側には点火プラグ２４が設けられる。すなわち燃料噴射弁２３は燃焼室１０内に直接臨んでいる。燃料噴射弁２３には、燃料タンク２５に貯留された燃料が燃料噴射ポンプ２６により加圧されて供給される。燃料噴射ポンプ２６による燃料の加圧と、燃料噴射弁２３による燃料の噴射時期と噴射量は、ＥＣＵ２７によって制御される。点火プラグ２４の点火時期の制御もＥＣＵ２７によって行われ、ＥＣＵ２７には、燃料噴射および点火時期の制御のためにクランク角センサ２８とカム角センサ２９が接続されている。すなわちＥＣＵ２７では、クランク角センサ２８とカム角センサ２９から入力される信号に基いて、クランク角とエンジン回転数が求められる。
【００１５】
図３はピストン頂面１９を上から見た平面図であり、燃料噴射弁２３による燃料噴射方向を示している。本実施形態において、燃料噴射弁２３には６個の噴射孔が形成されている。これらの噴射孔は燃焼室１０の中心よりも排気ポート１６側のみに形成され、排気ポート１６側に向けて放射状に燃料を噴射するように配置されている。また、これらの噴射孔のうち中央にある２つの噴射孔２３ａ、２３ｂは、点火プラグ２４に向けて燃料を噴射しないよう、２つの吸気ポート１５の間、および２つの排気ポート１６の間を通る平面Ｐを挟んで、相互に反対側に位置している。
【００１６】
図４は吸気行程の下死点付近において実行される第１の燃料噴射とタンブル流Ｔを示し、図５は圧縮行程の上死点前において実行される第２の燃料噴射とタンブル流Ｔを示している。１回の燃焼行程のために必要な燃料は、第１の燃料噴射と第２の燃料噴射に分けて燃焼室１０内に高圧噴射される。噴射量の割合は、例えば第１の燃料噴射において９５％、第２の燃料噴射において５％である。後述するように、第１の燃料噴射により、タンブル流Ｔが増速されるとともに均質な混合気が生成され、第２の燃料噴射により、混合気の均質度を維持しつつタンブル流Ｔが強化されて点火時期の直前までタンブル流の渦の崩壊が遅延される。
【００１７】
吸気行程において吸気ポート１５から供給された空気によって、燃焼室１０内には、吸気ポート１５側では上昇し排気ポート１６側では下降するように旋回するタンブル流Ｔが形成される。吸気行程の下死点付近になると第1の燃料噴射が実行される。燃料噴射弁２３の噴射孔は排気ポート１６側のみに形成されているので、燃料は図４に示されるように燃焼室１０の中心線Ｃよりも排気ポート１６側のみに高圧噴射される。すなわち燃料噴射の方向は、ピストン頂面１９の排気ポート１６に対向する部分を向いており、第１の燃料噴射が実行されることにより、タンブル流Ｔが増速される。またピストン頂面１９には、タンブル流に沿った円弧状断面の凹陥部２２が形成されており、これによりタンブル流の増速効果が高められる。
【００１８】
第１の燃料噴射の後、ピストン１３が上昇して、燃焼室１０内の混合気は圧縮される。この圧縮行程においてタンブル流Ｔの渦は、ピストン１３が上死点に近づくに従って、扁平になるとともに、凹陥部２２上のタンブル流に働く上向きの慣性力によって排気ポート１６側の下降流の流速が低下して、渦の中心Ｖが排気ポート１６側の領域（破線Ｂ１）に押され、タンブル流が崩壊しやすくなる。そこで、図５に示されるように圧縮行程の末期すなわち圧縮行程の上死点前（例えば上死点前４０°のクランク角）おいて、排気ポート１６側の下降流を強化するために、第２の燃料噴射が実行される。第２の燃料噴射も第１の燃料噴射と同様に排気ポート１６側のみに燃料を高圧噴射するものであるが、噴射量が相対的に少量であることと、タンブル渦が扁平に変形していることにより、第１の燃料噴射よりもさらに大きく傾斜した方向を向き、上死点付近にあるピストン頂面１９の排気ポート１６に対向する部分を向いている。第２の燃料噴射が実行されることにより、排気ポート１６側の下降流が増速されて、タンブル渦が維持され、渦中心は燃焼室１０の中心線Ｃ上に維持される。
【００１９】
図６は、第１の燃料噴射のみを実行したときにおける、クランク角（ＡＴＤＣ）に対する平均タンブル比（燃焼室内に形成されたタンブル流全体の平均流速）を示している。エンジンの運転条件としては、回転数は１２００rpm、ＷＯＴ（絞り弁全開）状態であり、燃料噴射は２００°ＢＴＤＣと設定した。この図において破線Ｂ２で囲んだ部分から理解されるように、平均タンブル比は圧縮行程の上死点前６０°を超えると急激に減少し始める。すなわちタンブル渦の運動エネルギーは上死点前６０°をピークとして急速に減衰し、第１の燃料噴射のみでは、上死点直前まで強いタンブル渦を保持することは困難であるが、例えば圧縮行程の上死点前４０°において、第２の燃料噴射を実行することにより、タンブル渦が早期に崩壊することが防止される。
【００２０】
以上のように本実施形態では、圧縮行程においてタンブル流が上死点直前まで維持されるので、点火時期にタンブル流の大きな渦が崩壊して乱れ（小さな多数の渦）に変化し、混合気が均一になって火炎の伝播速度が高められ、燃焼効率が改善される。また、燃料噴射弁２３に形成される複数の噴射孔のうち中央に位置する２つの噴射孔２３ａ、２３ｂが点火プラグ２４からずれた方向に燃料を噴射するように形成されているので、点火プラグ２４が燃料によって濡れることがなく、アークの発生が阻害されることはない。
【００２１】
上述した説明では第２の燃料噴射は圧縮上死点前４０°で実行されるとしたが、エンジン回転数が相対的に低い場合には複数回に分割して実行されることが好ましい。第２の燃料噴射を２回以上に分割して実行することにより、第１の燃料噴射により生じた混合気の均質度を維持することができ、タンブル渦を点火時期まで維持することと相俟って、燃焼効率を改善する効果が高まる。
【００２２】
図７は燃料噴射制御ルーチンのフローチャート、図８はタンブル流強化ルーチンのフローチャートである。図９は燃料噴射制御を示すタイミングチャートである。図９において、横軸はクランク角、縦軸は燃料噴射を行うための噴射信号を示し、噴射信号のパルス幅は噴射量に対応している。図７〜図９を参照して、燃料噴射制御の一例を説明する。
【００２３】
燃料噴射制御ルーチンは例えば吸気行程の上死点において起動される。
ステップ１０１ではエンジン回転数が４０００rpmよりも低いか否かが判定される。４０００rpm以上の高回転状態では、圧縮上死点付近において混合気の乱れが生じるため第２の燃料噴射を行う必要がないので、ステップ１０２において吸気下死点付近であることが検出されると、ステップ１０３において第１の燃料噴射が行われ、燃料噴射制御ルーチンは終了する。すなわち第２の燃料噴射は行われず、燃焼行程において必要な燃料は全て第１の燃料噴射によって噴射される（図９（ａ）の符号Ａ）。
【００２４】
エンジン回転数が４０００rpmよりも低いとき、ステップ１０４において吸気下死点付近にあることが検出されると、ステップ１０５において第１の燃料噴射が行われた後、ステップ２００においてタンブル流強化噴射ルーチン（図８）が実行される。すなわち１回の燃焼行程のために必要な燃料は分割され、第１の燃料噴射として９５％が、第２の燃料噴射として５％が噴射される。
【００２５】
タンブル流強化噴射ルーチンを、図８を参照して説明する。なお、ステップ２０１における判定基準で用いられる回転数Ｎ１はステップ２０２の判定基準の回転数Ｎ２よりも低く、例えば回転数Ｎ１は１０００rpm、回転数Ｎ２は２０００rpmである。
【００２６】
エンジン回転数Ｎが２０００rpm以上であるとき、ステップ２０１、２０２が実行されてステップ２０３へ進み、圧縮行程の上死点前４０°に到達したか否かが判定される。上死点前４０°になるとステップ２０４においてタンブル流強化噴射すなわち第２の燃料噴射（図５）が実行され（図９（ｂ）の符号Ｂ）、このルーチンは終了する。
【００２７】
エンジン回転数Ｎが１０００rpm以上であり２０００rpmよりも低いとき、ステップ２０２からステップ２０５へ進み、圧縮行程の上死点前６０°に到達したか否かが判定される。上死点前６０°になるとステップ２０６においてタンブル流強化噴射すなわち第２の燃料噴射が実行される（図９（ｃ）の符号Ｃ１）。この場合の噴射量はステップ２０４における噴射量の半分である。その後、ステップ２０７において圧縮行程の上死点前４０°に到達したか否かが判定され、上死点前４０°になるとステップ２０８において再び第２の燃料噴射が実行される（図９（ｃ）の符号Ｃ２）。ステップ２０８における噴射量はステップ２０６と同じである。ステップ２０８の実行により、このルーチンは終了する。
【００２８】
エンジン回転数Ｎが１０００rpmよりも低いときは、ステップ２０１からステップ２１１へ進み、圧縮行程の上死点前８０°に到達したか否かが判定される。上死点前８０°になるとステップ２１２においてタンブル流強化噴射すなわち第２の燃料噴射が実行される（図９（ｄ）の符号Ｄ１）。この場合の噴射量はステップ２０４における噴射量の３分の１である。その後、ステップ２１３において圧縮行程の上死点前６０°に到達したか否かが判定され、上死点前６０°になるとステップ２１４において再び第２の燃料噴射が実行され（図９（ｄ）の符号Ｄ２）、このときの噴射量はステップ２１２と同じである。ステップ２１５において圧縮行程の上死点前４０°に到達したか否かが判定され、上死点前４０°になるとステップ２１６において再び第２の燃料噴射が実行され（図９（ｄ）の符号Ｄ３）、このときの噴射量はステップ２１２と同じである。ステップ２１６の実行により、このルーチンは終了する。
【００２９】
なお上記実施形態では、燃料噴射弁２３は燃焼室１０の中央付近に位置しているが、シリンダヘッド１４のシリンダブロック１１側であって、２つの吸気ポート１５の間に設けられ、シリンダボア内壁の排気ポート１６の下側に向かって燃料を噴射するように構成されたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の筒内噴射式火花点火内燃機関の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】ピストン頂面を示す平面図である。
【図３】燃料噴射弁による燃料噴射方向を示す図である。
【図４】吸気下死点付近において実行される第１の燃料噴射とタンブル流を示す図である。
【図５】圧縮行程の上死点直前において実行される第２の燃料噴射とタンブル流を示す図である。
【図６】クランク角（ＡＴＤＣ）に対する平均タンブル比を示す図である。
【図７】燃料噴射制御ルーチンのフローチャートである。
【図８】タンブル流強化噴射ルーチンのフローチャートである。
【図９】燃料噴射制御の一例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３１】
１０  燃焼室
１３  ピストン
１５  吸気ポート
１６  排気ポート
２３  燃料噴射弁
Ｔ  タンブル流
【図１】
2009024627.tif 000003
【図２】
2009024627.tif 000004
【図３】
2009024627.tif 000005
【図４】
2009024627.tif 000006
【図５】
2009024627.tif 000007
【図６】
2009024627.tif 000008
【図７】
2009024627.tif 000009
【図８】
2009024627.tif 000010
【図９】
2009024627.tif 000011