(57)【要約】【課題】燃焼室に吸入された空気に基づいて形成される旋回流の流れの方向の変化に応じて燃料噴射方向を制御する筒内直接噴射式内燃機関を提供する。【解決手段】筒内直接噴射式内燃機関は、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを介して燃焼室に吸入される空気によって燃焼室内に形成される旋回流（タンブルまたはスワール）を強化する方向に、燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタ６を備える。燃焼室への空気の吸入方向を変えることによって制御される旋回流の流れの方向に沿って燃料の噴射方向を制御する制御部を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気によって前記燃焼室内に形成される旋回流を強化する方向に、燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタと、
前記燃焼室への空気の吸入方向を変えることによって制御される前記旋回流の流れの方向に沿って前記燃料の噴射方向を制御する制御部とを備えることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記吸気バルブは、第１、第２吸気バルブを有し、
前記制御部は、前記第１、第２吸気バルブを介して前記燃焼室に吸入される空気の量を制御して前記形成される旋回流の流れの方向を制御し、前記第１吸気バルブを介して前記燃焼室に吸入される空気の量と前記第２吸気バルブを介して前記燃焼室に吸入される空気の量との差異に基づいて前記燃料の噴射方向を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記差異が小さい場合は、前記旋回流としてタンブルが形成され、
前記差異が大きい場合は、前記旋回流としてスワールが形成されることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記第１吸気バルブと前記第２吸気バルブの少なくとも一方はリフト量が可変であり、
前記差異は、前記第１吸気バルブと前記第２吸気バルブのリフト量差を制御することによって変動せしめられることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記インジェクタは、前記旋回流としてスワールが形成される場合に、前記スワールを強化する方向に前記燃料を噴射する主噴霧と、前記主噴霧よりも前記旋回流の外側で且つ遅い流速で前記燃料を噴射する副噴霧とを行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記インジェクタは、前記旋回流としてスワールが形成される場合に、前記スワールを強化する方向に前記燃料を噴射する主噴霧と、前記主噴霧による燃料の逆スワール方向への跳ね返りを抑制するために、前記跳ね返りが発生する空間に対して前記主噴霧よりも遅い流速で前記燃料を噴射する副噴霧とを行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項７】
燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタと、
吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気によって前記燃焼室内に前記タンブルが形成される場合には、前記インジェクタが縦方向噴射を行って前記タンブルを強化するように、前記燃焼室内に前記スワールが形成される場合には、前記インジェクタが横方向噴射を行って前記スワールを強化するように、前記燃料の噴射方向を制御する制御部とを備えることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関し、特に筒内噴射用のインジェクタから噴射される燃料を用いて燃焼室に吸入された空気によって形成された旋回流を強化する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１のように、２つの吸気バルブのリフト量差を利用して、タンブルまたはスワールの旋回流を形成する筒内直接噴射式内燃機関が提案されている。
【特許文献１】特開２００３−１０６１７７号公報
【０００３】
一方、吸気により形成されたタンブルを、燃料噴射を使ってアシストする手法が考えられ、これらを組み合わせると、タンブルを形成する旋回流を、燃料噴射を使って強化することが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、タンブルまたはスワールを形成する旋回流の流れの方向の変化に対応した燃料噴射方向の制御については従来検討されておらず、燃料噴射方向が旋回流の流れの方向の変化に十分に対応していないと、燃料噴射によって旋回流が効果的に強化されず、むしろ減衰せしめられることが起こり得る。
【０００５】
したがって本発明の目的は、燃焼室に吸入された空気に基づいて形成される旋回流の流れの方向の変化に応じて燃料噴射方向を制御する筒内直接噴射式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】
【０００６】
本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関は、吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気によって燃焼室内に形成される旋回流を強化する方向に、燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタと、燃焼室への空気の吸入方向を変えることによって制御される旋回流の流れの方向に沿って燃料の噴射方向を制御する制御部とを備える。これにより、旋回流（タンブルまたはスワール）の流れの方向に応じて燃料噴射の方向が制御され、燃料噴射によって旋回流を効果的に強化することが可能になる。
【０００７】
好ましくは、吸気バルブは、第１、第２吸気バルブを有し、制御部は、第１、第２吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気の量を制御して形成される旋回流の流れの方向を制御し、第１吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気の量と第２吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気の量との差異に基づいて燃料の噴射方向を制御する。第１吸気バルブを介して吸入される空気の量と、第２吸気バルブを介して吸入される空気の量との差異が調整されることにより、旋回流の流れの方向が制御され、燃料噴射方向を、旋回流を強化する方向に制御することが可能になる。
【０００８】
さらに好ましくは、差異が小さい場合は、旋回流としてタンブルが形成され、差異が大きい場合は、旋回流としてスワールが形成される。
【０００９】
また、好ましくは、第１吸気バルブと第２吸気バルブの少なくとも一方はリフト量が可変であり、差異は、第１吸気バルブと第２吸気バルブのリフト量差を制御することによって変動せしめられる。吸気バルブのリフト量（最大リフト量）を調整することにより、旋回流の流れの方向が制御される。各バルブのリフト量の差異が小さい場合には、旋回流としてタンブルが形成され、差異が大きい場合には、旋回流としてスワールが形成される。
【００１０】
また、好ましくは、インジェクタは、旋回流としてスワールが形成される場合に、スワールを強化する方向に燃料を噴射する主噴霧と、主噴霧よりも旋回流の外側で且つ遅い流速で燃料を噴射する副噴霧とを行う。主噴霧により形成される逆スワール方向の跳ね返りを副噴霧で抑えることにより、燃料噴射による旋回流（スワール）の強化を効果的に行うことが可能になる。また、主噴霧と副噴霧の流速差によって、副噴霧が主噴霧方向に巻き込まれ、主噴霧を増速させて旋回流（スワール）を強化することが可能になる。
【００１１】
また、好ましくは、インジェクタは、旋回流としてスワールが形成される場合に、スワールを強化する方向に燃料を噴射する主噴霧と、主噴霧による燃料の逆スワール方向への跳ね返りを抑制するために、跳ね返りが発生する空間に対して主噴霧よりも遅い流速で燃料を噴射する副噴霧とを行う。主噴霧により形成される逆スワール方向の跳ね返りを副噴霧で抑えることにより、燃料噴射による旋回流（スワール）の強化を効果的に行うことが可能になる。また、主噴霧と副噴霧の流速差によって、副噴霧が主噴霧方向に巻き込まれ、主噴霧を増速させて旋回流（スワール）を強化することが可能になる。
【００１２】
また、本発明に係る他の筒内直接噴射式内燃機関は、燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタと、吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気によって燃焼室内にタンブルが形成される場合には、インジェクタが縦方向噴射を行ってタンブルを強化するように、燃焼室内にスワールが形成される場合には、インジェクタが横方向噴射を行ってスワールを強化するように、燃料の噴射方向を制御する制御部とを備える。これにより、タンブルまたはスワールの流れの方向に応じて燃料噴射の方向が制御され、燃料噴射によって旋回流を効果的に強化することが可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明によれば、燃焼室に吸入された空気に基づいて形成される旋回流の流れの方向の変化に応じて燃料噴射方向を制御する筒内直接噴射式内燃機関を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜３を用いて説明する。第１実施形態における内燃機関は、エンジン本体１、吸気通路３、電気制御スロットル弁４、筒内噴射用のインジェクタ６、点火プラグ７、排気通路８、触媒コンバータ９、ＥＣＵ２０、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂ、排気バルブ３２、及びバルブリフト量連続可変機構３８を備える。
【００１５】
まず、エンジン本体１の動作について説明する。エンジン本体１の各シリンダーの燃焼室５には、吸気通路３を介し、電気制御スロットル弁４の制御を受けて、空気が吸入される。空気が吸入される量は、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂのリフト量によって制御される。筒内噴射用のインジェクタ６から噴射された燃料ｍｆは、吸入された空気と混ざって混合気を形成する。ＥＣＵ２０からの点火信号に基づく点火プラグ７の点火によって、混合気は燃焼する。エンジン本体１からの排気は、排気バルブ３２の開弁時に排気通路８より排出され、排気通路８に設けられた触媒コンバータ９により浄化される。
【００１６】
第１吸気バルブ３１ａのリフト量（最大リフト量）は変動しない。第２吸気バルブ３１ｂのリフト量（最大リフト量）は、バルブリフト量連続可変機構３８を介して内燃機関の運転状態に応じて変動せしめられる。そのため、バルブリフト量連続可変機構３８によって、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂのリフト量の差（リフト量差ＤＶＬ）が調整される。
【００１７】
リフト量差ＤＶＬが小さい場合（リフト量差閾値ＤＶＬ０より小さい場合）に、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを介して、燃焼室５に吸入される空気の流れ（旋回流）が排気バルブ３２側を下降して第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂ側を上昇するように旋回する順タンブル（図２、図３の太破線参照）を形成するように、吸気通路３の吸気ポートの形状などが設定される。
【００１８】
リフト量差ＤＶＬが大きい場合（リフト量差閾値ＤＶＬ０以上の場合）には、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを介して、燃焼室５に吸入される空気の流れ（旋回流）が、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂのうちリフト量の大きい吸気バルブ（本実施形態では第１吸気バルブ３１ａ）側から排気バルブ３２側に旋回し、排気バルブ３２側からリフト量の小さい吸気バルブ（本実施形態では第２吸気バルブ３１ｂ）側に旋回するスワール（図４、図５の太破線参照）が形成される。
【００１９】
本実施形態における筒内噴射用インジェクタ６は、筒内噴射用インジェクタノズル（不図示）内のニードル弁の偏心状態を調節することにより、シリンダー内における燃料ｍｆを噴射する方向が変動せしめられる。なお、燃料ｍｆを噴射する方向の制御は、ニードル弁の偏心状態の調節に限らず、他の形態であってもよい。
【００２０】
インジェクタ６から噴射される燃料ｍｆの方向は、ＥＣＵ２０によって制御される。具体的には、吸気によりタンブルが形成された場合には、燃料ｍｆの噴射方向は、排気バルブ３２側を向いて（上面視で、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを結ぶ線分に対する略垂直二等分線上であって、排気バルブ３２側を向いて）、タンブルの流れの方向に一致して、タンブルを強化する１方向に設定される（図２、図３参照）。
【００２１】
吸気によりスワールが形成された場合には、燃料ｍｆの噴射方向は、リフト量の大きい吸気バルブ側を向いて、スワールの流れの方向に一致して、スワールを強化する方向（主噴霧方向）と、スワールを強化する方向への噴霧による跳ね返りが発生する方向（リフト量の大きい第１吸気バルブ３１ａと燃焼室５の壁面との間の方向、副噴霧方向）との２方向に設定される（図４、図５参照）。
【００２２】
すなわち、インジェクタ６からの燃料は、吸気によって形成された旋回流（タンブルまたはスワール）の流れの方向に沿って（排気バルブがある側に向けて）噴射され、かかる燃料噴射が旋回流（タンブルまたはスワール）を増速させる。旋回流の方向は、タンブルとスワールで異なり、スワールの度合い（横回転成分の程度）によっても異なる。本実施形態では、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂのリフト量の差異（リフト量差ＤＶＬ）から、形成された旋回流がタンブルかスワールか、及びスワールの度合いを算出して、燃料ｍｆの噴射方向を制御する。
【００２３】
燃料ｍｆを吸気下死点近傍で旋回流の流れの方向に沿って噴射することにより、吸気によって形成された旋回流を、噴射燃料の貫徹力を利用して強化することが出来、点火時期まで旋回流を良好に持続させて良好な燃焼を得ることが出来る。
【００２４】
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、これに基づいて演算処理して、各部の動作制御を行う。特に、本実施形態では、ＥＣＵ２０は、吸気によって形成された旋回流の流れの方向を算出し、旋回流を強化するように、燃料ｍｆを噴射する。
【００２５】
具体的には、ＥＣＵ２０は、バルブリフト量連続可変機構３８の状態（設定値）から、第１吸気バルブ３１ａのリフト量と、第２吸気バルブ３１ｂのリフト量の差異を算出し、差異が小さい場合には吸気によって燃焼室５にはタンブルが形成されているとして、タンブルを強化する方向（タンブルの流れの方向に一致する方向）への燃料ｍｆの噴射を吸気下死点近傍で行い（縦方向噴射、図２、図３参照）、差異が大きい場合には吸気によって燃焼室５にはスワールが形成されているとして、差異に基づいてスワールを強化する方向（スワールの流れの方向に一致する方向）への燃料ｍｆの噴射（主噴霧）と、主噴霧による跳ね返りが発生する空間に向けて主噴霧よりも少ない燃料ｍｆの噴射（副噴霧）を吸気下死点近傍で行う（横方向噴射、図４、図５参照）。すなわち、副噴霧では、吸気によって形成されたスワールの流れに沿う方向で且つスワールの流れの外側（燃焼室５の壁面寄り）に向かって燃料ｍｆの噴射が行われる。
【００２６】
インジェクタ６は、シリンダーの上面側部近傍で、且つ上面からみて第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを結ぶ線分に対する略垂直二等分線上に設置され、インジェクタノズルに設けられた主噴霧用孔、及び副噴霧用孔から所定のタイミングで（同時に）燃料ｍｆを噴射する。流速が大きくなるように主噴霧用孔の孔径は副噴霧用孔の孔径よりも小さく設定され、噴射量が多くなるように副噴霧用孔よりも多くの噴射孔を有する。
【００２７】
タンブルを強化する燃料ｍｆの噴射を行う場合には、主噴霧用孔、及び副噴霧用孔からの燃料ｍｆは、上面から見て、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを結ぶ線分に対する略垂直二等分線と平行に、すなわち同じ方向に噴射される。
【００２８】
スワールを強化する燃料ｍｆの噴射を行う場合には、主噴霧孔からの燃料ｍｆは、上面から見て、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを結ぶ線分に対する略垂直二等分線と第１角度θ１（＞０度）で交差する方向で且つリフト量が大きい吸気バルブ（本実施形態では第１吸気バルブ３１ａ）側に向けて噴射される。副噴霧孔からの燃料ｍｆは、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを結ぶ線分に対する略垂直二等分線と第２角度θ２（＞θ１）で交差する方向で且つリフト量の大きい吸気バルブと燃焼室５の壁面との間の方向に向けて噴射される（図４参照）。
【００２９】
スワールを強化する燃料ｍｆの噴射を行う場合、主噴霧用孔から噴射された燃料ｍｆの殆どは、吸気により形成されたスワールを強化する方向に流れる（図４、図５の太破線参照）。主噴霧用孔から噴射された燃料ｍｆの一部は、逆スワール方向（スワールの旋回方向と逆回転方向）に跳ね返る（図４、５の点線参照）。しかしながら、副噴霧用孔から噴射された燃料ｍｆは、主噴霧用孔から噴射された燃料ｍｆとの流速差により巻き込まれ、主噴霧用孔からの燃料ｍｆの逆スワール方向の跳ね返りを抑制する（図４、図５の細実線参照）。また、巻き込まれることにより、主噴霧が増速される。これにより、逆スワール方向に跳ね返った燃料ｍｆによってスワールの流れが弱められることなく、噴射された燃料ｍｆを効果的に利用してスワールの強化を行うことが可能になる。
【００３０】
次に、ＥＣＵ２０による燃料噴射方向制御の手順について、図６のフローチャートを用いて説明する。図６のフローチャートに示す制御は、エンジン本体１が運転中の所定クランク角ごとに行われる。ステップＳ１１で、リフト量差ＤＶＬがリフト量差閾値ＤＶＬ０より小さいか否かが判断される。具体的には、運転状態に応じて設定された現在の第２吸気バルブ３１ｂの最大リフト量を検出または推定し、かかる最大リフト量と第１吸気バルブ３１ａの最大リフト量（固定値）との差異（リフト量差ＤＶＬ）と、リフト量差閾値ＤＶＬ０と比較する。小さい場合には、吸気によって形成される旋回流がタンブルであるとして、ステップＳ１２に進められる。小さくない場合は、吸気によって形成される旋回流がスワールであるとして、ステップＳ１３に進められる。
【００３１】
ステップＳ１２で、タンブル強化用の燃料噴射（縦方向噴射）設定が行われる。具体的には、上面から見て、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを結ぶ線分に対する略垂直二等分線と平行に、主噴霧用孔、及び副噴霧用孔からの燃料ｍｆの噴射方向が設定される。
【００３２】
ステップＳ１３で、スワール強化用の燃料噴射（横方向噴射）設定が行われる。具体的には、主噴霧孔からの燃料ｍｆは、上面から見て、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを結ぶ線分に対する略垂直二等分線と第１角度θ１で交差する方向で且つリフト量が大きい吸気バルブ（本実施形態では第１吸気バルブ３１ａ）側に、主噴霧孔からの燃料ｍｆの噴射方向が設定され、第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂを結ぶ線分に対する略垂直二等分線と第２角度θ２で交差する方向で且つリフト量の大きい吸気バルブと燃焼室５の壁面との間の方向に、副噴霧孔からの燃料ｍｆの噴射方向が設定される。第１、第２角度θ１、θ２の値は、リフト量差ＤＶＬの値から算出または推定されるスワールの度合いに基づいて設定される。
【００３３】
ステップＳ１４で、吸気下死点近傍に設定された噴射タイミングで、ステップＳ１２またはステップＳ１３で設定された噴射方向に向けて燃料ｍｆが噴射される。
【００３４】
本実施形態では、バルブリフト量連続可変機構３８などによって変動せしめられる複数の吸気バルブ（第１、第２吸気バルブ３１ａ、３１ｂ）のリフト量の差異（リフト量差ＤＶＬ）に応じて燃料ｍｆの噴射方向を制御し、リフト量を略一致させて燃焼室５にタンブルを形成する場合（リフト量差ＤＶＬ＜リフト量差閾値ＤＶＬ０）には、燃料ｍｆの縦方向噴射によってタンブルを強化し、リフト量を異ならしめて燃焼室５にスワールを形成する場合（リフト量差ＤＶＬ≧リフト量差閾値ＤＶＬ０）には、スワール度合いに応じた方向に対する燃料ｍｆの横方向噴射によってスワールを強化する。この複数の吸気バルブのリフト量の差異に基づいて燃料ｍｆの噴射方向を制御することによって、吸気により形成された旋回流の流れ（タンブルやスワール）を、燃料噴射を使って効果的に強化することが可能になる。
【００３５】
なお、本実施形態では、主噴霧用孔から噴射される燃料と、副噴霧用孔から噴射される燃料との流速差を、１つのインジェクタで、噴霧孔の大きさを異ならしめることにより成立させたが、他の形態で流速差を成立させてもよい。例えば、２つのインジェクタを使って、噴霧孔の大きさを異ならしめる形態、あるいは、２つのインジェクタを使って、噴霧孔は同じ大きさで、燃圧を異ならしめる形態が考えられる（燃圧が高いと流速が早くなる）。
【００３６】
また、噴射方向可変のインジェクタ６を使って、タンブルを強化するための縦方向噴射と、スワールを強化するための横方向噴射とを切り替えて行う形態を説明したが、複数のインジェクタを使って、縦方向噴射用のインジェクタと横方向噴射用のインジェクタとを使い分ける形態であってもよい。
【００３７】
また、バルブリフト量連続可変機構３８を介して吸気バルブのリフト量を調整することにより、複数の吸気バルブを介して吸入される空気の量を調整する形態を説明したが、吸気ポートなどに設けられた気流制御弁を使って吸入される空気の量を調整してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本実施形態における内燃機関の構成図である。
【図２】旋回流がタンブルを形成する場合の、上面からみた構成図で、燃料の噴射方向と、旋回流の流れ方向を示す。
【図３】旋回流がタンブルを形成する場合の、側面からみた斜視図で、燃料の噴射方向と、旋回流の流れ方向を示す。
【図４】旋回流がスワールを形成する場合の、上面からみた構成図で、燃料の噴射方向と、旋回流の流れ方向を示す。
【図５】旋回流がスワールを形成する場合の、側面からみた斜視図で、燃料の噴射方向と、旋回流の流れ方向を示す。
【図６】燃料噴射方向制御の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１  エンジン本体
３  吸気通路
４  電気制御スロットル弁
６  筒内噴射用のインジェクタ
７  点火プラグ
８  排気通路
９  触媒コンバータ
２０  ＥＣＵ
３１ａ、３１ｂ  第１、第２吸気バルブ
３２  排気バルブ
３８  バルブリフト量連続可変機構
【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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