(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂面とシリンダヘッド下面との間に形成された燃焼室の吸気側壁面に配設された燃料噴射弁により燃焼室内に燃料噴霧を直接噴射し、燃焼室のピストン頂面と対向する壁面の略中央部に配設された点火プラグによって火花点火を行う筒内噴射式内燃機関において、
前記燃料噴射弁と対向する燃焼室の排気側壁面に、高圧空気を噴射する空気噴射弁を配設すると共に、前記ピストン頂面に、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧及び空気噴射弁から噴射された高圧空気が周囲に拡散しないようにしつつ、燃料噴霧及び高圧空気をピストンの略中央部まで夫々ガイドするガイド溝を形成し、前記ガイド溝の略中央部において燃料噴霧と高圧空気とが衝突して可燃混合気を形成し、可燃混合気が前記点火プラグ下方に移送されるようにしたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記ガイド溝は、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧及び空気噴射弁から噴射された高圧空気の噴射方向に延び、かつ、燃料噴霧及び高圧空気の広がりに合わせてその横断面形状が形成された構成である請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記ピストン頂面は、そのエッジ部が滑らかに形成された構成である請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記空気噴射弁は、前記燃料噴射弁と同期して高圧空気を噴射する構成である請求項１〜３のいずれか１つに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
ブレーキ力を倍力するブレーキ倍力装置と、空気を圧縮供給するエアコンプレッサと、を備え、
前記エアコンプレッサは、前記ブレーキ倍力装置を介して吸気通路から取り出された吸入空気を圧縮して、前記空気噴射弁に供給する構成である請求項１〜４のいずれか１つに記載の筒内噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料噴霧を直接噴射して点火プラグによって火花点火を行う筒内噴射式内燃機関において、特に、広範囲な運転条件下での成層燃焼を可能にする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、筒内噴射式内燃機関としては、例えば、特開平６−２０７５４２号公報に開示されるように、成層燃焼運転時には、圧縮行程末期に燃料噴霧をピストン頂面のキャビティに向けて噴射し、筒内の旋回空気流（スワール）の作用とキャビティ側壁のガイド作用との相乗作用によって、燃料噴霧が点火プラグ下方に効率良く移送されるようにして可燃混合気の成層化を図り、成層燃焼を可能としたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料噴霧の点火プラグ下方への移送は、ピストン頂面のキャビティ形状と筒内の旋回空気流とによって制御されるため、機関運転条件が変化した場合には、筒内の旋回空気流の変化により、点火プラグ下方への可燃混合気の成層化が困難となり、成層燃焼が不可能となってしまう場合がある。このため、機関運転条件に応じて、吸気ポートに設けたスワールコントロールバルブを開閉して、筒内の旋回空気流を複雑に制御していたが、かかる制御は非常に困難なものであり、内燃機関の成層燃焼の制御をきわめて複雑なものとしていた。
【０００４】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、可燃混合気の形成方法及び移送方法を改良し、広範囲な運転条件下での成層燃焼を可能にした筒内噴射式内燃機関を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１記載の発明は、ピストン頂面とシリンダヘッド下面との間に形成された燃焼室の吸気側壁面に配設された燃料噴射弁により燃焼室内に燃料噴霧を直接噴射し、燃焼室のピストン頂面と対向する壁面の略中央部に配設された点火プラグによって火花点火を行う筒内噴射式内燃機関において、前記燃料噴射弁と対向する燃焼室の排気側壁面に、高圧空気を噴射する空気噴射弁を配設すると共に、前記ピストン頂面に、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧及び空気噴射弁から噴射された高圧空気が周囲に拡散しないようにしつつ、燃料噴霧及び高圧空気をピストンの略中央部まで夫々ガイドするガイド溝を形成し、前記ガイド溝の略中央部において燃料噴霧と高圧空気とが衝突して可燃混合気を形成し、可燃混合気が前記点火プラグ下方に移送されるようにした。
【０００６】
成層燃焼運転を行う場合には、圧縮行程末期に、燃料噴射弁からガイド溝に向けて燃料噴霧を噴射すると共に、燃料噴射と同期して空気噴射弁からガイド溝に向けて高圧空気を噴射する。ガイド溝に噴射された燃料噴霧及び高圧空気は、ガイド溝の内壁によって周囲への拡散が抑制されつつ、ガイド溝の略中央部まで夫々ガイドされる。ガイド溝の略中央部において、燃料噴霧と高圧空気とが衝突し、流体摩擦或いは高圧空気の持つ熱により、燃料噴霧の気化及び可燃混合気の形成が促進され、局所的な可燃混合気が形成される。そして、可燃混合気は、ガイド溝が開口する点火プラグ下方に移送され、点火プラグによって火花点火されて、成層燃焼が行われる。
【０００７】
一方、均質燃焼運転を行う場合には、吸入行程初期に、燃料噴射弁のみからガイド溝に向けて燃料噴霧を噴射する。ガイド溝に噴射された燃料噴霧は、燃焼室内に発生するタンブル流によって、燃料噴霧の気化及び可燃混合気の形成が促進されて燃焼室内に略均一に広がり、点火プラグによって火花点火されて、均質燃焼が行われる。
【０００８】
従って、従来のように筒内の旋回空気流を複雑に制御する必要がなく、スワールコントロールバルブ等の旋回空気流を複雑に制御する機構が不要となり、部品点数の削減によるコスト低減、及び、制御内容の簡略化によるコスト低減が図られる。また、空気噴射弁から噴射された高圧空気によって、積極的に燃料噴霧の気化及び可燃混合気の形成を促進しているので、広範囲の運転条件下で成層燃焼が行われるようになり、機関の燃料消費率が改善する。
【０００９】
請求項２記載の発明は、前記ガイド溝は、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧及び空気噴射弁から噴射された高圧空気の噴射方向に延び、かつ、燃料噴霧及び高圧空気の広がりに合わせてその横断面形状が形成された構成とした。
このようにすれば、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧は、ガイド溝の内壁に付着せず、かつ、周囲への拡散を抑制されつつ、ガイド溝の略中央部までガイドされる。一方、空気噴射弁から噴射された高圧空気は、燃料噴霧と同様に、周囲への拡散を抑制されつつ、ガイド溝の略中央部までガイドされる。そして、ガイド溝の略中央部において、燃料噴霧と高圧空気の略全量が衝突し、燃料噴霧の気化及び可燃混合気の形成の促進が効率的に行われる。また、ガイド溝の内壁への燃料噴霧の付着が低減されることにより、排気中に含まれるＨＣ等が低減し、排気性状が改善する。
【００１０】
請求項３記載の発明は、前記ピストン頂面は、そのエッジ部が滑らかに形成された構成とした。
このようにすれば、均質燃焼運転時において、燃焼室内に発生するタンブル流がピストン頂面のエッジ部で剥離することが低減し、機関の全開性能が向上する。
【００１１】
請求項４記載の発明は、前記空気噴射弁は、前記燃料噴射弁と同期して高圧空気を噴射する構成とした。
このようにすれば、空気噴射弁の高圧空気の噴射時期は、燃料噴射弁の燃料噴霧の噴射時期と同期するので、空気噴射弁の制御が簡略化され、信頼性の低下及びコスト上昇が極力抑制される。
【００１２】
請求項５記載の発明は、ブレーキ力を倍力するブレーキ倍力装置と、空気を圧縮供給するエアコンプレッサと、を備え、前記エアコンプレッサは、前記ブレーキ倍力装置を介して吸気通路から取り出された吸入空気を圧縮して、前記空気噴射弁に供給する構成とした。
このようにすれば、成層燃焼運転中において、吸気通路内に発生する負圧が小さくとも、エアコンプレッサの作動により負圧が発生し、この負圧を利用することで、ブレーキ倍力装置が有効に作動するようになる。従って、ブレーキ倍力装置を作動させるための負圧ポンプを別途設ける必要がなくなり、部品点数の削減によるコスト低減が図られる。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、燃焼室内の旋回空気流を複雑に制御する機構が不要となり、部品点数の削減によるコスト低減、及び、制御内容の簡略化によるコスト低減を図ることができる。また、空気噴射弁から噴射された高圧空気によって、積極的に燃料噴霧の気化及び可燃混合気の形成を促進しているので、広範囲の運転条件下で成層燃焼が行われるようになり、機関の燃料消費率を改善することができる。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、ガイド溝の略中央部において、燃料噴霧と高圧空気の略全量が衝突するので、燃料噴霧の気化及び可燃混合気の形成の促進を効率的に行うことができる。また、ガイド溝の内壁への燃料噴霧の付着が低減されることにより、排気中に含まれるＨＣ等が低減し、排気性状を改善することもできる。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、均質燃焼運転時において、燃焼室内に発生するタンブル流がピストン頂面のエッジ部で剥離することが低減し、機関の全開性能を向上することができる。
請求項４記載の発明によれば、空気噴射弁の制御が簡素化され、信頼性の低下及びコスト上昇を極力抑制することができる。
【００１６】
請求項５記載の発明によれば、ブレーキ倍力装置を作動させるための負圧ポンプを別途設ける必要がなくなり、部品点数の削減によるコスト低減を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明の筒内噴射式内燃機関の一実施形態を示す構成図である。
ピストン１０の頂面（以下「ピストン頂面」という）１０ａとシリンダヘッド１１の下面との間には、所定容積を有する燃焼室１２が形成される。燃焼室１２の上部に位置するシリンダヘッド１１の壁面、即ち、シリンダヘッド１１の下部に形成されたシリンダヘッド燃焼室１２ａの壁面には、吸気弁１３によって開閉される吸気ポート１４、及び、排気弁１５によって開閉される排気ポート１６が、夫々並列して２つ形成される。
【００１８】
シリンダヘッド１１の両吸気ポート１４間には、燃料噴霧を噴射する電子制御式の燃料噴射弁１７が、燃料噴射弁１７に対向するシリンダヘッド１１の両排気ポート１６間には、高圧空気を噴射する電子制御式の空気噴射弁１８が、夫々ピストン頂面１０ａに対して所定角度を有するように配設される。即ち、燃料噴射弁１７と空気噴射弁１８とは、略同一線上に配設される。また、シリンダヘッド燃焼室１２ａの壁面の略中央部には、燃料と空気との可燃混合気を火花点火する点火プラグ１９が配設される。
【００１９】
燃料噴射弁１７には、高圧燃料ポンプ２０によって加圧される燃料が、高圧燃料配管２１を介して供給される。そして、燃料噴射弁１７は、燃料噴射弁ドライブユニット２２によって開弁駆動され、機関運転条件に応じた所定量の燃料を噴射する。なお、図中の符号２３は、燃料噴射弁１７に供給される燃料が所定圧力になるように調圧する高圧燃料圧力レギュレータである。
【００２０】
空気噴射弁１８には、高圧空気コンプレッサ２４（エアコンプレッサ）によって加圧される空気が、高圧空気配管２５を介して供給される。そして、空気噴射弁１８は、空気噴射弁ドライブユニット２６によって開弁駆動され、燃料噴射弁１７と同期して高圧空気を噴射する。なお、図中の符号２７は、空気噴射弁１８に供給される空気が所定圧力になるように調圧する高圧空気圧力レギュレータである。
【００２１】
高圧空気コンプレッサ２４には、吸気コレクタ２８から取り出された吸入空気が、空気供給配管２９を介して供給される。空気供給配管２９の途中には、負圧タンク３０が介装され、ここからブレーキ力を倍力するブレーキブースタ３１（ブレーキ倍力装置）に負圧が供給される。
ところで、筒内噴射式内燃機関では、成層燃焼運転中には、吸気通路に発生する負圧が小さく、ブレーキブースタ３１を有効に作動させる負圧が得にくい。そこで、吸気コレクタ２８と高圧空気コンプレッサ２４との間に、負圧タンク３０を介してブレーキブースタ３１を介装すると、高圧空気コンプレッサ２４の作動により空気供給配管２９内に負圧が発生し、この負圧を負圧タンク３０を介して利用すれば、ブレーキブースタ３１が有効に作動するようになる。従って、ブレーキブースタ３１を作動させるための負圧ポンプを別途設ける必要がなく、部品点数の削減によるコスト低減が図られる。
【００２２】
なお、以上説明しなかった図中の符号３２は、マイクロコンピュータ内蔵のメインコントロールユニットであり、機関運転状態に基づいて燃料噴射弁ドライブユニット２２及び空気噴射弁ドライブユニット２６を制御する。
また、ピストン頂面１０ａには、図２に示すように、燃料噴射弁１７から噴射される燃料噴霧及び空気噴射弁１８から噴射される高圧空気の噴射方向に延び、かつ、燃料噴霧及び高圧空気の広がりに合わせてその横断面が形成されたガイド溝１０ｂが形成される。即ち、ガイド溝１０ｂは、燃料噴射弁１７から噴射された燃料噴霧及び空気噴射弁１８から噴射された高圧空気を、周囲に拡散しないようにしつつガイド溝１０ｂの略中央部までガイドし、ガイド溝１０ｂの略中央部で燃料噴霧と高圧空気とが正面衝突するようにする。このとき、燃料噴霧がガイド溝１０ｂの内壁に付着して排気中のＨＣ等が増加することを防止するため、燃料噴霧の広がりより大きくガイド溝１０ｂの横断面形状を形成する。一方、空気噴射弁１８から噴射される高圧空気に関しては、ガイド溝１０ｂの内壁に空気が付着するということはないが、ガイド溝１０ｂの略中央部で段差が生じることを防止するため、燃料噴射側のガイド溝１０ｂと略同一形状にガイド溝１０ｂを形成する。
【００２３】
次に、かかる構成からなる筒内噴射式内燃機関の作用について、図３を参照しつつ説明する。
成層燃焼運転時の圧縮行程末期に、燃料噴射弁１７から燃料噴霧Ｆをガイド溝１０ｂに向けて噴射すると同期して、空気噴射弁１８から高圧空気Ａをガイド溝１０ｂに向けて噴射する（図３(a) 参照）。
【００２４】
ガイド溝１０ｂ内に噴射された燃料噴霧Ｆ及び高圧空気Ａは、ガイド溝１０ｂの内壁によって周囲への拡散が抑制されつつ、ガイド溝１０ｂの略中央部まで夫々ガイドされる。そして、ガイド溝１０ｂの略中央部において、燃料噴霧Ｆと高圧空気Ａとが正面衝突し、流体摩擦或いは高圧空気の持つ熱により、燃料噴霧Ｆの気化及び可燃混合気Ｍの形成が促進され、局所的な可燃混合気Ｍが形成される（図３(b) 参照）。
【００２５】
そして、可燃混合気Ｍは、ガイド溝１０ｂが開口する点火プラグ１９の下方に移送され、点火プラグ１９下方に可燃混合気Ｍの成層化が行われる（図３(c) 参照）。
その後、点火プラグ１９によって可燃混合気Ｍが火花点火され、成層燃焼が行われる。
【００２６】
また、機関の高負荷運転時には、吸入行程初期に燃料噴射弁１７のみから燃料噴霧を噴射すると、燃焼室１２内に発生するタンブル流によって、燃料噴霧の気化及び可燃混合気の形成が促進され、燃焼室１２内に略均一な可燃混合気が形成される。そして、可燃混合気は、点火プラグ１９によって火花点火され、高出力を発生する均質燃焼が行われる。
【００２７】
このようにすれば、従来の筒内噴射式内燃機関のように、筒内の旋回空気流を複雑に制御しなくとも、空気噴射弁１８から噴射される高圧空気によって燃料噴霧の気化及び可燃混合気の形成が促進されると共に、点火プラグ１９の下方に可燃混合気の移送が行われ、広範囲の運転条件下で成層燃焼が行われるようになる。
【００２８】
従って、筒内の旋回空気流を複雑に制御する機構が不要となり、例えば、スワールコントロールバルブによって旋回空気流を制御するものにあっては、部品点数の削減及び制御の簡略化によるコスト低減を促進することができる。また、成層燃焼運転可能の領域が拡大するため、機関の燃料消費率を改善することができる。
【００２９】
なお、ピストン頂面１０ａは、図４に示すように、そのエッジ部を滑らかに形成してもよい。
このようにすれば、機関の高負荷運転時における均質燃焼運転時に、ピストン頂面１０ａのエッジ部によって剥離されるタンブル流が低減し、機関の全開性能をより向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態を示す構成図
【図２】  同上のガイド溝の一実施形態を示し、(a) は上面図、(b) は(a) 中のＡ−Ａ断面図、(c) は(a) 中のＢ−Ｂ断面図
【図３】  同上の作用を説明し、(a) は燃料噴霧及び高圧空気を噴射した直後を示す図、(b) はガイド溝内における可燃混合気の形成を示す図、(c) は点火プラグ下方への可燃混合気の移送を示す図
【図４】  同上のガイド溝の他の実施形態を示し、(a) は上面図、(b) は(a) 中のＣ−Ｃ断面図、(c) は(a) 中のＤ−Ｄ断面図
【符号の説明】
１０  ピストン
１０ａ  ピストン頂面
１０ｂ  ガイド溝
１１  シリンダ
１２  燃焼室
１２ａ  シリンダヘッド燃焼室
１７  燃料噴射弁
１８  空気噴射弁
２４  高圧空気コンプレッサ
３１  ブレーキブースタ
【図１】
0003837833.tif 000002
【図２】
0003837833.tif 000003
【図３】
0003837833.tif 000004
【図４】
0003837833.tif 000005