(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に直接的に燃料を噴射すると共に、噴射燃料を点火栓により着火燃焼させるようにした筒内直接噴射式内燃機関において、
シリンダヘッドに一対の吸気弁及びこれらに連なる一対の平面的に見て互いに略平行な吸気ポートを設け、
吸気ポートの一方を高ポート、他方を低ポートに形成し、
これら吸気ポートの上流にそれぞれスワール制御弁を設け、
機関低負荷領域では低ポートのスワール制御弁の開口面積が高ポートのスワール制御弁の開口面積よりも相対的に大きく、かつ機関負荷の増加に応じて共に同時に開口面積を拡大し、高負荷領域で共に全開させる駆動手段を設けたことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記機関低負荷域では圧縮行程の後半に前記燃料を噴射し、前記点火栓近傍に可燃範囲の濃い混合気層を形成し、機関負荷高負荷域では燃料を吸気行程で噴射するようにした請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記駆動手段は、一方のスワール制御弁に設け、他方のスワール制御弁は連係機構を介して制御される請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記低ポートに設けるスワール制御弁はスワール外側に切欠を備え、機関低負荷時には切欠を介して吸気が流れる請求項１〜３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気筒内に直接的に燃料を噴射する内燃機関、とくに吸気ポートの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の圧縮行程において燃料を燃焼室に直接的に噴射し、点火時に点火栓の周辺に可燃混合気層を形成することで、全体的には希薄混合気であっても、安定した燃焼を実現可能とした筒内直接噴射式の内燃機関がある（特開平８−３５４２９号公報等参照）。
【０００３】
この内燃機関は、図１１、図１２に示すよう構成されている。
【０００４】
１はピストン、２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４は燃焼室であり、シリンダヘッド１には燃焼室中心に位置するように点火栓５が取付けられ、また一対づつの吸気弁６ａ，６ｂと排気弁７ａ，７ｂが配置される。
【０００５】
吸気ポート８ａ，８ｂは互いに並列に形成され、これら吸気ポート８ａ，８ｂの間に位置して、ピストン軸線に対して斜めで、かつ燃料噴霧が燃焼室中央に向かうように燃料噴射弁９が取付けられる。
【０００６】
機関負荷が比較的小さい運転領域では、燃料の噴射時期を圧縮行程の後半にすることで、噴射燃料の拡散を防いで点火栓５の近傍に可燃混合気層を形成し、同時に一方の吸気ポート８ａからのみ吸気を導入することにりよりスワールを生起し、全体的に希薄混合気であっても安定した成層燃焼を可能とする。また、機関負荷が大きい運転領域では、燃料を吸気行程において噴射し、両方の吸気ポート８ａ，８ｂから吸入した空気との混合を促進して、理論空燃比付近の混合気を確実に燃焼させ、高出力を確保する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この場合、成層混合気燃焼を行う部分負荷領域において、一方の吸気ポート８から吸気を導入することにより、シリンダ内にスワールを生起しているが、両吸気ポート８は共にシリンダへの流入角の大きいハイポートであって、とくにショートストローク機関のようにピストンストロークの小さい機関にあっては、スワールの勢いが不足し、希薄混合気での成層燃焼が不安定になるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃焼室に直接的に燃料を噴射すると共に、噴射燃料を点火栓により着火燃焼させるようにした筒内直接噴射式内燃機関において、シリンダヘッドに一対の吸気弁及びこれらに連なる一対の平面的に見て互いに略平行な吸気ポートを設け、吸気ポートの一方を高ポート、他方を低ポートに形成し、これら吸気ポートの上流にそれぞれスワール制御弁を設け、機関低負荷領域では低ポートのスワール制御弁の開口面積が高ポートのスワール制御弁の開口面積よりも相対的に大きく、かつ機関負荷の増加に応じて共に同時に開口面積を拡大し、高負荷領域で共に全開させる駆動手段を設ける。第２の発明は、前記機関低負荷域では圧縮行程の後半に前記燃料を噴射し、前記点火栓近傍に可燃範囲の濃い混合気層を形成し、機関負荷高負荷域では燃料を吸気行程で噴射するようにする。第３の発明は、前記駆動手段は、一方のスワール制御弁に設け、他方のスワール制御弁は連係機構を介して制御される。第４の発明は、前記低ポートに設けるスワール制御弁はスワール外側に切欠を備え、機関低負荷時には切欠を介して吸気が流れる。
【００１２】
【発明の作用・効果】
第１、第２の発明では、成層混合気燃焼が行われる機関の部分負荷領域において、吸気ポートのうち、低ポートに設けたスワール制御弁が開き、高ポートのスワール制御弁は閉じているため、シリンダ内にはもっぱら低ポートからの吸気が導入され、高ポートのときに比較して、シリンダ内周に沿って強力なスワールを発生する。このスワールの強さはスワール制御弁の開度にも依存し、開度が小さいほど強力なスワールが発生する。
【００１３】
圧縮行程の後期に燃料を噴射することで燃料噴霧の拡散を防ぎ、スワールに乗せて点火栓の近傍に可燃混合気層を形成する。そして点火栓近傍の可燃混合気層に着火されると、スワールによるガス流動により、火炎が急速に伝播し、安定した希薄混合気燃焼が実現する。
【００１４】
機関負荷が大きくなり、均質混合気燃焼が行われる運転領域では、燃料を吸気行程で噴射し、このとき両方の吸気ポートから吸気を導入することで、吸気効率の悪化を防ぎつつ、点火までの間に燃料を吸気と十分に混合、撹拌できる。また、両方のスワール制御弁が全開する高負荷時にあっても、一方の低ポートからのスワールが相対的に強いため、両方のスワールが衝突しても、シリンダ内にはガス流動が維持され、燃焼の改善に寄与する。
【００１６】
第３の発明では、スワール制御弁の開度を制御するのに駆動手段が一つですみ、構造の簡略化とコストダウンが可能となる。
【００１７】
第４の発明では、低ポートのスワール制御弁には切欠があり、全閉状態にあっても吸気が流れ、成層混合気燃焼時にスワールの制御が容易になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図面に基づいて本発明の最良の実施形態を説明する。
【００１９】
図１、図２において、１はピストン、２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４はこれらにより画成された燃焼室である。
【００２０】
シリンダヘッド２には、平面的に見て、ほぼ燃焼室中心に位置して点火栓５が配置され、シリンダ中心を含むシリンダ列中心線Ｍとほぼ平行となり、かつこれらシリンダ列中心線Ｍを挟んで、互いに対向するように、一対の吸気弁６ａ，６ｂと、排気弁７ａ，７ｂが配置される。
【００２１】
各吸気弁６ａ，６ｂを介して燃焼室４に対して、一対の吸気ポート１０と１１が接続する。これら吸気ポート１０と１１はポート軸線が互いにほぼ平行に形成され、かつ前記シリンダ列中心線Ｍと略直交するように形成される。
【００２２】
そして、一方の吸気ポート１０は、ピストン軸線（シリンダ軸線）と直交する面に対する傾斜角の小さい、つまりシリンダ内への流入角の小さい、低ポートに形成され、これに対して他方の吸気ポート１１は、よりピストン軸線方向から吸気が流入するように傾斜角の大きい高ポートに形成される。
【００２３】
各吸気ポート１０と１１の上流にはそれぞれスワール制御弁１２と１３が介装される。各スワール制御弁１２と１３はリンク機構１４を介して駆動手段としてのアクチュエータ１５と連結し、図示しない制御回路からの制御電流がアクチュエータ１５に供給され、スワール制御弁１２，１３の開度が制御される。
【００２４】
図３にも示すように、低ポート側のスワール制御弁１２には切欠１２ａが設けられ、この切欠１２ａはスワール外側に位置するように形成され、スワール制御弁１２が全閉状態にあっても切欠１２ａを介して吸気を流す。
【００２５】
成層混合気燃焼を行う機関部分負荷領域において主として低ポートである一方の吸気ポート１０から吸気を流し、シリンダ内に強いスワールを生成し、均質混合気燃焼を行う高負荷領域では両方のスワール制御弁１２，１３が全開し、両方の吸気ポート１０，１１から吸気を流入させる。
【００２６】
吸気ポート１０と１１の間で、かつその下方に位置して燃料噴射弁９が設けられる。燃料噴射弁９は吸気ポート１０，１１と干渉しない範囲でシリンダ軸線に対して傾斜して設けられ、かつ燃焼室中心に燃料噴霧が向かうように取り付けられる。
【００２７】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００２８】
まず、成層混合気燃焼を行う運転領域のうちでも、機関負荷が小さいときは、スワール制御弁１２，１３は共に閉じるが、図３のように、切欠１２ａを介して一方の吸気ポート１０からのみ吸気が導入される。
【００２９】
吸気ポート１０は低ポートであり、他方の高ポートの吸気ポート１１に比較して、吸気の流入角の小さく、シリンダ内周に沿ってのスワールが強くなる。
【００３０】
燃料噴射弁６からは圧縮行程の後半に燃料が噴射される。燃料噴射時にはピストン１が上昇し、燃料噴射弁９から噴射された燃料噴霧は、燃焼室中央の点火栓５に向かう。燃料の噴射時期が圧縮行程の後半のため、ピストン１が圧縮上死点に達するまでの時間が短く、燃料噴霧が燃焼室内に均等には拡散せず、点火時に点火栓５の近傍には可燃範囲の濃い混合気層が形成、維持される。
【００３１】
点火栓５の点火作用により可燃混合気層に着火され、この部分を中心にしてスワールによるガス流動に乗って燃焼が周囲の希薄混合気層へと伝播する。このため全体的には希薄な混合気であっても、安定した燃焼が行われる。
【００３２】
同じ成層混合気燃焼であっても機関負荷が増加すると、図４にも示すようにスワール制御弁１２，１３が少し開き、他方の吸気ポート１１からのシリンダ内へと吸気が流入する。これにより図５にも示すように、スワールはいくらか弱まるが、吸気効率が改善され、希薄混合気燃焼による良好な燃費を維持しつつ機関の出力特性を確保する。
【００３３】
一方、機関負荷が大きい均質混合気燃焼運転領域にあっては、燃料噴射弁６からの燃料噴射は吸気行程へと早められ、また吸気ポート１０，１１のスワール制御弁１２，１３は全開する。
【００３４】
このため、吸気は両方の吸気ポート１０と１１からシリンダ内に流入し、吸気効率がなお一層高められる。
【００３５】
また、両方の吸気ポート１０，１１から吸気が流入しても、一方は低ポート、他方は高ポートのため、両方のスワールが衝突しても、低ポートからのスワールの方が強いことから、全体的にはほどよいスワールが維持され、これにより、点火までの間に混合気の均一化が促進され、むらのない安定した燃焼が実現し、機関の高出力を確保し、また未燃ＨＣ、ＣＯも低減される。
【００３６】
なお、この発明はピストンストロークの大きいロングストローク機関よりもスワールが減衰しやすいショートストローク機関についてより一層有効となる。
【００３７】
次に図６〜図８に示す本発明の参考例について説明する。
【００３８】
これは、スワール制御弁１２，１３を共通のアクチュエータ１５で駆動するのではなく、それぞれにアクチュエータ１５ａ，１５ｂを設け、図示しない制御回路からの信号により、それぞれの回転量を機関負荷に応じて制御するようにしたものである。
【００３９】
つまり、図７に示すように、機関負荷の小さい領域ではまず吸気ポート１０のスワール制御弁１２を開き始め、負荷の増加を応じて開度を拡大し、これが全開してから吸気ポート１１のスワール制御弁１３を開き始め、機関負荷の大きい領域で全開する。なお、この場合、空燃比は機関負荷に応じて変化させ、負荷の小さい領域では超希薄空燃比による成層混合気燃焼とし、負荷の増加に伴い空燃比を小さくしていき、両方のスワール制御弁１２，１３が全開したときには、ほぼ理論空燃比による均質混合気燃焼を行う。
【００４０】
この場合には、図８の実線で示すように、スワール制御弁１２，１３の全閉から全開までの単位開度変化に対するスワール比の変化率が略一定化し、スワール比の制御精度が高まる。このため、スワール制御弁１２，１３の開度を負荷に応じて一定の比率で変化させたときにスワール比の急激な変化がなく、成層混合気燃焼域での負荷変化に対するスワール制御弁の制御特性が簡略化する。
【００４１】
さらに図９の参考例を説明する。
【００４２】
これは、低ポート側のスワール制御弁１２の軸端にバネ（図示せず）を介してアクチュエータ１５を取付け、このアクチュエータ１５によりスワール制御弁１２を回転させ、スワール制御弁１２が全開位置に停止すると、それ以上はバネを伸ばしながらアクチュエータ１５が回転する。他方のスワール制御弁１３の軸端に固定したレバー１６ａと、アクチュエータ１５の回転軸に軸支したフリーレバー１６ｂとがロッド１６ｃを介して連係するが、フリーレバー１６ｂはスワール制御弁１２が全開する回転角以上でのみアクチュエータ回転軸と係止するように構成され、それ以上のアクチュエータ１５の回転によりスワール制御弁１３を全開まで開いていく。なお、１７はリタンースプリングである。
【００４３】
これにより、一つのアクチュエータ１５であっても、両方のスワール制御弁１２，１３を負荷に応じて順序よく開弁してことができ、構造が簡略となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】同じく平面図である。
【図３】スワール制御弁の作動状態（全閉）を示す説明図である。
【図４】同じくスワール制御弁の作動状態（中間開度）を示す説明図である。
【図５】スワール制御弁の開度とスワール比の関係を示す特性図である。
【図６】参考例の要部の概略構成図である。
【図７】スワール制御弁の開弁特性図である。
【図８】スワール制御弁の開度とスワール比の関係を示す特性図である。
【図９】さらに他の参考例を示す要部の側面図である。
【図１０】同じくその正面図である。
【図１１】従来例の縦断面図である。
【図１２】同じくその平面図である。
【符号の説明】
１ ピストン
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ 燃焼室
５ 点火栓
９ 燃料噴射弁
１０ 吸気ポート
１１ 吸気ポート
１２ スワール制御弁
１３ スワール制御弁
１５ アクチュエータ
【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】
0003744122.tif 000008
【図８】
0003744122.tif 000009
【図９】
0003744122.tif 000010
【図１０】
0003744122.tif 000011
【図１１】
0003744122.tif 000012
【図１２】
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