(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える筒内直接噴射式火花点火機関において、
燃料噴射弁を、その軸線を斜め下向きにして配置し、燃料噴射弁の噴口を、噴霧の中心が燃料噴射弁の軸線に対し偏向して、偏向した方向の噴霧貫徹力が反偏向側の噴霧貫徹力より大きくなるように構成する一方、
燃料噴射弁をその軸線回りに回動可能とし、
機関の温度状態に応じて、燃料噴射弁を回動して、機関冷間時に、燃料噴射弁の軸線より下側の噴霧貫徹力を強くし、暖機後は、燃料噴射弁の軸線より上側の噴霧貫徹力を強くする燃料噴射弁回動制御手段を設けたことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
機関冷間時と暖機後とで、燃料噴射弁をその軸線回りに１８０°回動することを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
機関冷間時と暖機後とで、燃料噴射弁をその軸線回りに１５０°〜２１０°の範囲で回動することを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式火花点火機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記燃料噴射弁回動制御手段と同期して、機関冷間時に燃料噴射弁への燃料圧力を暖機後より低くする燃料圧力制御手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式火花点火機関の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火機関の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒内直接噴射式火花点火機関では、例えば特開平８−３５４２９号公報に示されるように、ピストンの冠面にキャビティ（凹状燃焼室）を形成し、圧縮行程にてこのキャビティに向けて燃料を噴射することにより、点火栓回りに集中的に層状の混合気を形成して成層燃焼を行うようにしている。
【０００３】
また、機関運転条件により、吸気行程にて燃料を噴射することにより、燃焼室内に燃料を拡散させ均質の混合気を形成して均質燃焼を行うようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、筒内直接噴射式火花点火機関において、成層燃焼を行う場合、噴射時期から点火時期までの期間でいかに分散させずに燃料を気化させて点火栓近傍の混合気を良好な状態に保つかが要求される。
強いガス流動下でも確実に燃料を点火栓近傍に移送するには、十分な噴霧貫徹力（ペネトレーション）が必要である。燃料噴射弁の噴霧特性から、噴霧貫徹力を増大させるには、噴霧を集中させる（例えば噴霧角を狭める）必要があるが、噴霧の集中は、濃混合気塊を作りやすく、ガス流動が弱い条件下では、集中しすぎて、スート（煤）の発生や点火栓のくすぶりを招くという問題点がある。
【０００５】
そこで、本出願人は、特願平９−１４４１７４号あるいは特願平９−１３１１９９号において、燃料噴射弁を燃焼室の吸気弁側から排気弁側に斜め下向きの取付角で配置する一方、燃料噴射弁の噴口を、噴霧の中心が燃料噴射弁の取付角よりも水平方向に偏向して、偏向した方向の噴霧流速（噴霧貫徹力）が反偏向側の噴霧流速（噴霧貫徹力）より大きくなるように構成したものを提案している。
【０００６】
これによれば、噴霧角を小さくして噴霧を集中させることなく、言い換えれば噴霧貫徹力と相反する噴霧粒径を小さくしながら、噴霧の偏向側噴霧流速成分（噴霧流速の水平方向分力）を増大させ、すなわち点火栓方向への噴霧貫徹力を増大させて、成層燃焼を行う場合に、点火栓方向へ強化した噴霧貫徹力により、噴霧を点火栓近傍に確実に移送でき、スートやくすぶり等の跳ね返り不具合も防止できる。
【０００７】
また、均質燃焼を行う場合は、燃料噴霧の水平方向への偏向により、吸気弁から燃焼室内に流入する空気との交差角が大きくなり、これにより混合を促進し、安定した燃焼が可能となる。
しかしながら、筒内直接噴射式火花点火機関では、機関冷間時（暖機中）には均質燃焼を行うが、均質燃焼時はピストンがかなり低い位置で燃料を噴射するため、燃料噴霧の水平方向への偏向により、貫徹力の強い側の噴霧が対面のボア面に到達して、ボア面の温度（壁温）が低いことから付着して残り、ボア面のオイルを希釈してしまうために、ボア面の摩耗を生じ易くする懸念があった。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑み、機関冷間時のボア面でのオイル希釈の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】
このため、請求項１に係る発明では、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える筒内直接噴射式火花点火機関において、燃料噴射弁を、その軸線を斜め下向きにして配置し、燃料噴射弁の噴口を、噴霧の中心が燃料噴射弁の軸線に対し偏向して、偏向した方向の噴霧貫徹力が反偏向側の噴霧貫徹力より大きくなるように構成する一方、燃料噴射弁をその軸線回りに回動可能とし、機関の温度状態に応じて、燃料噴射弁を回動して、機関冷間時に、燃料噴射弁の軸線より下側の噴霧貫徹力を強くし、暖機後は、燃料噴射弁の軸線より上側の噴霧貫徹力を強くする燃料噴射弁回動制御手段を設けて、筒内直接噴射式火花点火機関の燃料噴射制御装置を構成する。
【００１０】
また、請求項２に係る発明では、機関冷間時と暖機後とで、燃料噴射弁をその軸線回りに１８０°回動することを特徴とする。
また、請求項３に係る発明では、機関冷間時と暖機後とで、燃料噴射弁をその軸線回りに１５０°〜２１０°の範囲で回動することを特徴とする。
また、請求項４に係る発明では、前記燃料噴射弁回動制御手段と同期して、機関冷間時に燃料噴射弁への燃料圧力を暖機後より低くする燃料圧力制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、機関冷間時に、燃料噴射弁を回動して、燃料噴射弁の軸線より下側の噴霧貫徹力を強くすることで、すなわち、強い貫徹力の噴霧を下側に噴射し、弱い貫徹力の噴霧を上側に噴射することで、ボア面に燃料噴霧が付着することを回避でき、オイル希釈によるボア面の摩耗等の防止できる。
【００１２】
その一方、暖機後は、燃料噴射弁の軸線より上側の噴霧貫徹力を強くすることで、すなわち、強い貫徹力の噴霧を上側に噴射し、弱い貫徹力の噴霧を下側に噴射することで、成層燃焼時の点火栓近傍への燃料輸送を確実にし、また均質燃焼時に吸入空気との混合を促進できる。尚、暖機後は、ボア面の温度が高いので、付着燃料はすぐに気化し、オイル希釈の問題は生じない。
【００１３】
また、請求項２に係る発明によれば、１８０°回動することで、上側噴射と下側噴射との違いを最も顕著にでき、効果的である。
また、請求項３に係る発明によれば、１８０°きっちり回動させなくても、±３０°の範囲であれば、ほぼ十分な効果が得られ、精度が低くても構わないのでコスト低減を図れる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明では、機関冷間時に、燃料噴射弁を回動して、燃料噴射弁の軸線より下側の噴霧貫徹力を強くする際に、燃料噴射弁への燃料圧力を低くすることで、ボア面側への噴霧貫徹力を更に弱めて、燃料のボア面への付着を更に抑制できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は筒内直接噴射式火花点火機関の要部断面図、図２はピストン下降位置で噴射したときの要部断面図、図３は燃料噴射弁を回動したときの要部断面図、図４は燃料噴射弁の噴口部の概略図である。
【００１６】
図１において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブロックのボア面、３はピストンであり、これらにより燃焼室４が画成される。
シリンダヘッド１には、吸気ポート５及び排気ポート（図示せず）が形成されていて、それぞれの燃焼室開口部に吸気弁６及び排気弁（図示せず）が装着されている。尚、図には排気弁を表していないが、シリンダ中心に対し吸気弁６と反対側に設けられる。また、実際には、１気筒に吸気弁を２つ、排気弁を２つ備えている。
【００１７】
ピストン３の冠面には、吸気弁６寄りの位置にキャビティ（凹状燃焼室）７が形成され、このキャビティ７のピストン中心部側の外縁はピストン中心部よりやや排気弁側に位置にして、盛り上がり、稜線８を形成している。
点火栓は、図示９の位置に、すなわち、シリンダヘッド１の吸気弁と排気弁との間で、略シリンダ中心、詳しくはキャビティ７内のピストン中心部側の片隅に位置するように、わずかに排気弁側にオフセットされて配置されている。
【００１８】
燃料噴射弁１０は、燃焼室４内に直接燃料を噴射するように、吸気弁６と燃焼室４外周部との間、周方向で見ると、２つの吸気弁６の間に、軸線（長手方向中心線）Ｌを燃焼室４の吸気弁６側から排気弁側に斜め下向きにして配置されている。
そして、図４に示すように、燃料噴射弁１０のバルブボディ１１の噴口１２をニードルバルブ１３のストローク中心に対し偏向するように加工することで、図１に示すように、噴霧の中心Ｆが燃料噴射弁１０の軸線Ｌに対し偏向角θをもって偏向して、偏向した方向の噴霧流速（噴霧貫徹力）が反偏向側の噴霧流速（噴霧貫徹力）より大きくなるように構成してある。
【００１９】
また、燃料噴射弁１０はその軸線Ｌ回りに回動可能に設けられ、モータ等の回動用アクチュエータ２１によりギヤ２２等を介して回動するようになっている。尚、回動機構については、特願平９−１６６５０２号にも開示されている。
回動用アクチュエータ２１は、機関の温度状態検出手段としての水温センサ２３からの信号が入力されるコントロールユニット２４により制御される。
【００２０】
コントロールユニット２４は、燃料噴射弁回動制御手段として機能し、機関の温度状態に応じて、回動用アクチュエータ２１を制御して燃料噴射弁１０を回動し、機関冷間時に、燃料噴射弁１０の軸線Ｌより下側の噴霧貫徹力を強くし、暖機後は、燃料噴射弁１０の軸線Ｌより上側の噴霧貫徹力を強くする。
すなわち、機関の暖機後は、図１に示すように、所定の回動位置で、燃料噴霧の中心Ｆが燃料噴射弁１０の軸線Ｌより上側（水平方向）に偏向して、軸線Ｌより上側の噴霧貫徹力が強くなるようする。
【００２１】
そして、機関冷間時は、燃料噴射弁を図１の状態から１５０°〜２２０°、好ましくは１８０°回動して、図３に示すように、燃料噴霧の中心Ｆが燃料噴射弁１０の軸線Ｌより下側（垂直方向）に偏向して、軸線Ｌより下側の噴霧貫徹力が強くなるようにする。
また、コントロールユニット２４は、燃料圧力制御手段としても機能し、燃料噴射弁１０の回動制御と同期して、機関冷間時にプレッシャレギュレータ２５を調整して燃料噴射弁１０への燃料圧力を暖機後より低くする。
【００２２】
次に作用を説明する。
機関の暖機後は、図１に示すように、燃料噴霧の中心Ｆが燃料噴射弁１０の軸線Ｌより上側（水平方向）に偏向して、軸線Ｌより上側の噴霧貫徹力が強くなるようにする。
このように、強い貫徹力の噴霧を上側に噴射し、弱い貫徹力の噴霧を下側に噴射することで、成層燃焼時の点火栓近傍への燃料輸送を確実にし、また均質燃焼時に吸入空気との交差角を大きくして混合を促進できる。
【００２３】
また、均質燃焼時は、図２に示すように、ピストン３が下降した位置で燃料を噴射するが、暖機後は、ボア面２の温度が高いので、ボア面２の付着燃料はすぐに気化し、オイル希釈の問題は生じない。
しかし、機関冷間時は、図２に示すように、ピストン３が下降した位置で燃料を噴射すると、ボア面２の温度が低いので、ボア面２に燃料が付着して残り、オイル希釈の問題を生じる。
【００２４】
そこで、機関冷間時は、燃料噴射弁１０を回動して、図３に示すように、燃料噴霧の中心Ｆが燃料噴射弁１０の軸線Ｌより下側（垂直方向）に偏向して、燃料噴射弁１０の軸線Ｌより下側の噴霧貫徹力が強くなるようにする。
このように、強い貫徹力の噴霧を下側に噴射し、弱い貫徹力の噴霧を上側に噴射することで、ボア面２に燃料噴霧が付着することを回避でき、オイル希釈によるボア面２の摩耗等を防止できる。
【００２５】
また、機関冷間時に、燃料噴射弁１０を回動して、燃料噴射弁１０の軸線Ｌより下側の噴霧貫徹力を強くする際に、プレッシャレギュレータ２５を調整して、燃料噴射弁１０への燃料圧力を低くすることで、ボア面２側への噴霧貫徹力を更に弱めて、燃料のボア面２への付着を更に抑制できる。
図５には燃料噴射弁回動制御（及び燃料圧力制御）をフローチャートで示す。
【００２６】
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、水温センサ２３からの信号に基づいて水温Ｔｗを検出する。この部分が水温センサ２３と共に機関の温度状態検出手段に相当する。
ステップ２では、検出された水温Ｔｗを所定値と比較することにより、機関冷間時（Ｔｗ≦所定値）か否かを判定する。
【００２７】
機関冷間時（Ｔｗ≦所定値）の場合は、ステップ３へ進んで、均質ストイキ燃焼を行わせるように設定する。この場合、燃料噴射時期は吸気行程に設定する。そして、ステップ４で、現在の燃料噴射弁１０の回動位置が燃料噴射弁１０の軸線Ｌより上側の噴霧貫徹力が大きい状態（図１の状態で、以下「上向き」という）か否かを判定する。
【００２８】
この結果、上向きの場合は、ステップ５で、回動用アクチュエータ２１により、燃料噴射弁１０を１８０°回動して、軸線Ｌより下側の噴霧貫徹力が大きい状態（図３の状態で、以下「下向き」という）にする。この部分が機関冷間時の燃料噴射弁回動制御手段に相当する。
また、同時に、ステップ６で、プレッシャレギュレータ２５を調整して、燃料噴射弁１０への燃料圧力を低下させる。この部分が機関冷間時の燃料圧力制御手段に相当する。
【００２９】
機関暖機後（Ｔｗ＞所定値）の場合は、ステップ７へ進んで、成層燃焼／均質燃焼に限らず、リーン燃焼を許可し、機関運転条件に従って、成層リーン燃焼、均質リーン燃焼、又は均質ストイキ燃焼を行わせる。燃料噴射時期は成層燃焼の場合は圧縮行程、均質燃焼の場合は吸気行程に設定する。
そして、ステップ８で、現在の燃料噴射弁１０の回動位置が下向きか否かを判定する。
【００３０】
この結果、下向きの場合は、ステップ９で、回動用アクチュエータ２１により、燃料噴射弁１０を１８０°逆方向に回動して、上向きにする。この部分が機関暖機後の燃料噴射弁回動制御手段に相当する。
また、同時に、ステップ１０で、プレッシャレギュレータ２５を調整して、燃料噴射弁１０への燃料圧力を上昇させる。この部分が機関暖機後の燃料圧力制御手段に相当する。
【００３１】
尚、この実施形態では、機関冷間時と暖機時とで１８０°回動するようにしたが、１８０°きっちり回動させなくても、±３０°の範囲、すなわち、１５０°〜２２０°の範囲であれば、ほぼ十分な効果が得られ、精度が低くても構わないのでコスト低減を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示す機関の要部断面図
【図２】  ピストン下降位置で噴射したときの要部断面図
【図３】  燃料噴射弁を回動したときの要部断面図
【図４】  燃料噴射弁の噴口部の概略図
【図５】  燃料噴射弁回動制御のフローチャート
【符号の説明】
１  シリンダヘッド
２  シリンダブロックのボア面
３  ピストン
４  燃焼室
５  吸気ポート
６  吸気弁
７  キャビティ
８  稜線
９  点火栓（の位置）
10  燃料噴射弁
11  バルブボディ
12  噴口
13  ニードルバルブ
21  回動用アクチュエータ
22  ギヤ
23  水温センサ（機関の温度状態検出手段）
24  コントロールユニット
（燃料噴射弁回動制御手段及び燃料圧力制御手段）
25  プレッシャレギュレータ
【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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