JP2003106177A

JP2003106177A - 火花点火式直噴エンジン

Info

Publication number: JP2003106177A
Application number: JP2001302978A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamashita; 洋幸山下; Motokimi Fujii; 幹公藤井; Kazuaki Umezono; 和明梅園
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2003-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】成層燃焼時にはタンブル流を利用して成層化
を行う一方、均一燃焼領域の特に高速高負荷域で、圧縮
行程における筒内流動の強さを増大させて燃料のミキシ
ング作用を高めることにより燃焼性を向上し、スモーク
を低減する。【解決手段】成層燃焼領域でタンブル流を利用して成
層燃焼を行わせ、均一燃焼領域で燃料を燃焼室全体に拡
散させて均一燃焼を行うようにしたものにおいて、燃焼
室６内での横方向旋回成分を増大させるように流動状態
を変化させるバルブリフト量可変手段１４等からなるス
ワール生成手段を設け、高速高負荷域でこのスワール生
成手段を作動させるようにしている。また、ターボ過給
機３３を設け、高速高負荷域でスワール生成手段の作動
による吸気充填量の低下を補うように過給圧を高めるよ
うにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室内に直接燃
料を噴射する燃料噴射弁を備え、かつ、成層燃焼領域で
は燃焼室内に生成されるタンブル流を利用して点火時期
に点火プラグ周りに可燃混合気を成層化させるようにし
た火花点火式直噴エンジンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、火花点火式エンジンにおい
て、燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を設け、低
速低負荷側の運転領域では、燃費改善のため、空燃比を
リーンとするとともに燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を
噴射して成層燃焼を行わせ、高速高負荷側の運転領域で
は、出力確保のため、空燃比を理論空燃比もしくはそれ
よりリッチとするとともに燃料噴射弁から吸気行程で燃
料を噴射して均一燃焼を行わせるようにした火花点火式
直噴エンジンは種々知られている。

【０００３】例えば特開２０００−１０４５５０号公報
に示されたエンジンでは、燃焼室内にタンブル流が生成
されるようにし、成層燃焼時には、圧縮行程で燃料噴射
弁から噴射される燃料とタンブル流とが正面衝突する設
定とすることにより、タンブル流を利用して点火プラグ
周りに可燃混合気を成層化し、均一燃焼時には、吸気行
程で燃料噴射弁から噴射される燃料をタンブルに乗せて
燃焼室内全体に拡散させるようにしている。

【０００４】また、特開２０００−２７４２７８号公報
に示されたエンジンでは、点火プラグと、燃焼室内へ直
接燃料を噴射する燃料噴射弁と、ターボ過給機とを備
え、低速低負荷時には過給を停止して筒内流動（タンブ
ル流）を弱めた状態で成層燃焼を実施し、高速高負荷時
には過給を行なわせることでタンブル流を強めた状態で
均一燃焼を実施するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の特開２０００−
１０４５５０号公報に示されるようにタンブル流を利用
して成層燃焼時の混合気の成層化及び均一燃焼時の燃料
の拡散を図るようにしたものでは、均一燃焼領域のうち
でも特に高速高負荷の領域で燃料と空気とのミキシング
性能を充分に高めることが難しい。

【０００６】すなわち、上記高速高負荷の領域では燃料
噴射量が非常に多く、かつ、エンジン1サイクル分の時
間が短くなるので、クランク角でみた燃料噴射期間は著
しく長くなり、例えば吸気上死点で燃料噴射を開始して
も燃料噴射期間は吸気下死点以後にまで及び、噴射終了
から点火までの時間が短くなるため、その間に充分に燃
料のミキシングを行わせるためには、圧縮行程後期にま
でわたって強い筒内流動が維持されることが要求され
る。しかし、後にも詳述するようにタンブル流は圧縮行
程後半に減衰、崩壊し易い。しかも、燃料噴霧をタンブ
ル流に乗せて流動させるだけではミキシング作用が乏し
い。

【０００７】また、特開２０００−２７４２７８号公報
に示されたエンジンでは高速高負荷時に過給によりタン
ブル流を強めるようにはしているが、このようにしても
タンブル流が圧縮行程後半に減衰、崩壊する傾向を充分
に補うことが難しい。

【０００８】そして、このように高速高負荷域で燃料の
ミキシングが不充分であると、燃焼性の悪化によりスモ
ークが発生し易くなる。

【０００９】本発明はこのような点に鑑み、成層燃焼時
にはタンブル流を利用して成層化を良好に行うようにす
る一方、均一燃焼領域の特に高速高負荷域で、圧縮行程
における筒内流動の強さを増大させて燃料のミキシング
作用を高めることにより燃焼性を大幅に向上し、スモー
クを低減することができる過給機付火花点火式直噴エン
ジンを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に係る発明は、燃焼室内にタンブル流を生
成するように吸気系を構成するとともに、燃焼室内に直
接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、低速低負荷側の特
定運転領域である成層燃焼領域では圧縮行程で上記燃料
噴射弁から燃料を噴射させ、かつ上記タンブル流を利用
して点火時期に点火プラグ周りに可燃混合気を偏在させ
ることにより成層燃焼を行わせ、上記成層燃焼領域以外
の特定運転領域である均一燃焼領域では上記燃料噴射弁
から噴射した燃料を燃焼室全体に拡散させるように燃料
噴射を制御することにより均一燃焼を行わせるように構
成された火花点火式直噴エンジンにおいて、燃焼室内に
流入する吸気の流動状態を強制的に変化させて、燃焼室
内での横方向の旋回流成分を増大させるスワール生成手
段と、高速高負荷域では上記スワール生成手段を作動さ
せることにより圧縮行程における燃焼室内の流動の強さ
を増大させるようにしつつ均一燃焼を行わせる制御手段
とを備えたものである。

【００１１】この構成によると、成層燃焼領域では、タ
ンブル流が利用されて点火プラグ周りに混合気が成層化
され、成層燃焼が良好に行われる。一方、均一燃焼領域
では、燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼室全体に拡
散して均一燃焼が行われる。

【００１２】特に均一燃焼領域内の高速高負荷領域で
は、スワール生成手段によって燃焼室内での横方向の旋
回流成分（スワール）が増大するように吸気の流動状態
が変えられ、このスワールは横断面円形の気筒周壁に沿
って旋回するので、タンブルよりも筒内流動の保存性が
高くて圧縮行程後期にまでわたり強い筒内流動を維持す
ることができるとともに、燃料噴霧に対して略直交する
横方向から衝突するのでミキシング性能が高い。このた
め、燃料噴射量が多く、かつ噴射終了から点火時期まで
の時間が短くなる高速高負荷領域でも、点火時期までの
間に燃料のミキシングが充分に行われ、燃料の気化、霧
化が促進されて燃焼性が向上され、スモークの発生が抑
制される。

【００１３】この発明において、上記スワール生成手段
は、１つの燃焼室に対して複数設けられた吸気弁のバル
ブリフト特性を互いに異ならせることによりスワールを
生じさせるものであること（請求項２）が好ましい。こ
のようにすれば、一部の吸気弁のバルブリフトを小さく
することで、他の吸気弁から流入する吸気が燃焼室の周
壁に沿って旋回し、横方向の旋回流成分が増大する。

【００１４】また、ターボ過給機と、このターボ過給機
の作動による過給圧が目標過給圧を越えないように規制
する過給圧規制手段とを備え、上記高速高負荷域で、上
記スワール生成手段が燃焼室内への吸気流入部分を絞る
ように作動するとともに、このスワール生成手段の作動
による吸気充填量低下を補うようにターボ過給機の目標
過給圧が調整されるようにすること（請求項３）が好ま
しい。具体的には、上記高速高負荷域以外の領域で予め
設定された第１の目標過給圧を越えないようにターボ過
給機の作動による過給圧を規制するとともに、上記高速
高負荷域で、上記第１の目標過給圧よりも高い第２の目
標過給圧を設定して、この第２の目標過給圧まで過給圧
が上昇することを許容するようにすればよい（請求項
４）。

【００１５】このようにすると、高速高負荷域で、ター
ボ過給機の余剰過給能力が利用されて過給圧が高められ
ることにより、スワール生成手段の作動による吸気充填
量低下が補われ、出力が確保されるとともに、スワール
が強化される。

【００１６】なお、成層燃焼領域では燃料噴射弁からタ
ンブル流に対向するように燃料を噴射させて、燃焼室内
でタンブル流と燃料噴霧とが略正面衝突するようにすれ
ば（請求項５）、効果的に成層燃焼が行なわれる。

【００１７】また、請求項６に係る発明は、燃焼室内に
タンブル流を生成するように吸気系を構成するととも
に、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
低速低負荷側の特定運転領域である成層燃焼領域では圧
縮行程で上記燃料噴射弁から燃料を噴射させ、かつ上記
タンブル流を利用して点火時期に点火プラグ周りに可燃
混合気を偏在させることにより成層燃焼を行わせ、上記
成層燃焼領域以外の特定運転領域である均一燃焼領域で
は上記燃料噴射弁から噴射した燃料を燃焼室全体に拡散
させるように燃料噴射を制御することにより均一燃焼を
行わせるように構成された火花点火式直噴エンジンにお
いて、燃焼室内に流入する吸気の流動状態を強制的に変
化させて、燃焼室内での横方向の旋回流成分を増大させ
るスワール生成手段を設けるとともに、少なくとも高速
高負荷域で、吸気弁の閉時期を、燃料噴射終了後であっ
て、吸気ポートへの混合気の吹き返しが生じる程度に遅
い時期に設定し、かつ、吸気弁閉時期を遅い時期に設定
した運転領域で上記スワール生成手段を作動する制御手
段を備えたものである。

【００１８】この構成によると、高速高負荷域で、吸気
弁が遅閉じとされることにより、有効圧縮比が小さくさ
れて排気温度の上昇が抑制されるとともに、噴射期間の
終了付近で噴射された燃料の一部が吸気ポートに吹き返
されて次のサイクルで燃焼室に供給されるため、燃料の
気化、霧化が促進される。さらに、スワールが生成され
ることにより燃料のミキシング作用が高められるととも
に、燃焼のサイクル毎の変動が抑制される。こうして、
スモークの発生が抑制されるとともに、運転性能が確保
される。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２０】図１は、本発明の一実施形態による火花点
火式直噴エンジンの全体的な構成を示す。この図におい
て、エンジン本体１は、複数の気筒２が配設されたシリ
ンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配置さ
れたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内にはピスト
ン５が上下方向に往復動可能に嵌挿されていて、そのピ
ストン５とシリンダヘッド４との間に燃焼室６が形成さ
れている。

【００２１】上記ピストン５は、シリンダブロック３の
下方部に回転自在に支持されたクランク軸７に、コネク
ティングロッド８を介して連結されている。クランク軸
７の一端側には、クランク角（クランク軸７の回転角
度）を検出する電磁式のクランク角センサ９が配置され
ている。

【００２２】各気筒２の燃焼室６は、その天井部が中央
部分からシリンダヘッドの下端まで延びる２つの傾斜面
で構成された所謂ペントルーフ型となっている。この燃
焼室６には複数の吸気ポート１０と排気ポート１１とが
開口し、当実施形態では天井部を構成する２つの傾斜面
に吸気ポート１０及び排気ポート１１がそれぞれ２つず
つ開口している。各ポート１０，１１の開口端には吸気
弁１２及び排気弁１３が設けられ、これら吸気弁１２及
び排気弁１３は、シリンダヘッド４の上部に軸支された
２本のカム軸等からなる動弁機構により、それぞれ各気
筒毎に所定のタイミングで開閉作動されるようになって
いる。

【００２３】吸気弁１２を作動する動弁機構には、２つ
の吸気ポート１０にそれぞれ設けられた吸気弁１２のう
ち片方の吸気弁１２に対してそのバルブリフト量を可変
とするバルブリフト量可変手段１４が設けられている。
すなわち、図２に示すように、第１の吸気弁（２つの吸
気弁のうち一方）はバルブリフト量が比較的大きい一定
のバルブリフト特性ＶＬとされるが、第２の吸気弁（２
つの吸気弁のうち他方）は、バルブリフト量可変手段に
より、第１の吸気弁のバルブリフト特性ＶＬと同程度に
バルブリフト量が大きい高リフト特性ＶＬ１と、バルブ
リフト量が小さい低リフト特性ＶＬ２とに切換可能とさ
れている。なお、上記低リフト特性ＶＬ２は、バルブリ
フト量が０（つまり弁停止）であってもよい。

【００２４】上記バルブリフト量可変手段１４として
は、カムノーズの大きさが異なる２種類の動弁カムを切
換可能としたもの、或いは、カムと吸気弁との間に設け
られるタペットを油圧の給排によって高さ変更可能とし
たもの等を採用することができる。

【００２５】また、上記燃焼室６の中央部の上方には、
上記４つの吸排気弁に取り囲まれるように点火プラグ１
６が配置されており、この点火プラグ１６の先端が上記
天井部から燃焼室６内に突出している。この点火プラグ
１６には点火回路１７が接続され、各気筒２毎に所定の
タイミングで点火プラグ１６に通電するようになってい
る。さらに、上記燃焼室６の周縁部には、２つの吸気ポ
ート１０に挟まれるように燃料噴射弁１８が配置され、
この燃料噴射弁１８から燃焼室６内に直接燃料が噴射さ
れるようになっている。

【００２６】上記エンジン本体１の構造を、図３〜図６
を参照しつつさらに詳しく説明すると、上記両吸気ポー
ト１０は、燃焼室６から斜め上方に向かって直線的に延
びていて、エンジン本体１の一側面（図３で左側面）に
開口しており、２つの吸気ポート１０は互いに独立して
形成されている。そして、後述のスワール生成時以外
は、これらの吸気ポート１０を通って燃焼室６内に流入
する空気により燃焼室６内にタンブル流Ｔが生成される
ようになっている。図３のように燃焼室６の左側に吸気
ポート１０、右側に排気ポート１１が位置する断面にお
いては時計方向（図３中の矢印方向）にタンブル流Ｔが
生成される。

【００２７】上記燃料噴射弁１８からの燃料噴射方向は
燃焼室６内のタンブル流Ｔに対向するように設定されて
いる。すなわち、図３に示す断面において燃焼室６の左
側に位置する燃料噴射弁１８から斜め右下方に向けて燃
料が噴射されることにより、噴射された燃料がピストン
５の冠面上でタンブル流Ｔと逆行する方向に向かうよう
になっている。

【００２８】上記ピストン５の冠面には、上記断面にお
いてシリンダ軸線Ｚを挟んで左右両側にわたる所定範囲
に凹部５ａが形成されている。そして、図４に示すよう
に燃焼室６の天井部に沿った流れをタンブル順流Ｔｓ、
燃焼室６の底部に沿った流れをタンブル正流Ｔｍと定義
すると、上記凹部５ａ内に、タンブル正流Ｔｍと燃料噴
霧Ｆａとが互いに逆方向から導入されることにより、こ
の凹部５ａ内で上記タンブル正流Ｔｍと燃料噴霧Ｆａと
がほぼ正面衝突するようになっている。

【００２９】さらに図示の例では、上記凹部５ａのシリ
ンダ軸線Ｚよりも左側にオフセットした位置に、タンブ
ル正流Ｔｍを上方に偏向させる段部５ｂが形成され、こ
の段部５ｂの上端には、上記凹部２１の底面と略平行、
つまり略水平方向に延びる棚部５ｃが形成されている。
このようにしているのは、燃焼室天井部の傾斜面の角度
が大きくてピストン冠面から点火プラグ１６までの距離
が比較的大きい場合に、燃料噴霧Ｆａとタンブル正流Ｔ
ｍとの衝突により生成された混合気を、上記段部５ｂで
上方に偏向された気流（タンブル流の一部）により上方
に巻き上げて、点火プラグ周りに漂わせるようにするた
めである。

【００３０】図５に示すように平面視において、上記凹
部５ａは、燃料の噴射方向を長軸とし、これと直交する
方向を短軸とする略楕円状に形成されている。上記凹部
５ａの設置部を除いたピストン５の冠面の外周部分５ｄ
は、これに対向する燃焼室６の天井部の傾斜面に略沿う
ように形成され、気筒２の圧縮上死点前の所定期間、例
えばＢＴＤＣ４０°ＣＡ〜ＴＤＣの期間においてピスト
ン５の冠面の外周部分５ｄと、燃焼室６の天井部とによ
り挟まれる隙間がスキッシュエリアとなるように構成さ
れている。なお、ＴＤＣは上死点、ＢＴＤＣは上死点
前、ＣＡはクランク角を意味する。

【００３１】このようなエンジン本体１の構造により、
両吸気ポート１０に設けられた吸気弁１２のバルブリフ
ト特性が同じであるときは両吸気ポート１０から流入す
る吸気によってタンブルＴが生成される。一方、バルブ
リフト量可変手段１４によって第２の吸気弁が低リフト
のバルブリフト特性ＶＬ２（図２参照）とされたとき
は、図６に示すように、第２の吸気弁が設けられた吸気
ポート（同図で下側の吸気ポート）からの吸気流入が制
限され、第１の吸気弁が設けられた吸気ポート（同図で
上側の吸気ポート）から主に吸気が流入することとなる
ので、燃焼室内での横方向の旋回流成分が増大して、ス
ワールＳが生成される。従って当実施形態では、上記バ
ルブリフト量可変手段１４によりスワール生成手段が構
成されている。

【００３２】また、上記燃料噴射弁１８に対する燃料供
給系２０の具体例を図７によって説明すると、燃料噴射
弁１８の基端部には全気筒２に共通の燃料分配管１９が
接続されていて、燃料供給系２０から供給される高圧の
燃料を各気筒に分配するようになっており、この燃料供
給系２０には、分配管１９と燃料タンク２１とを連通さ
せる燃料通路２２の上流側から下流側に向かって、低圧
ポンプ２３、低圧レギュレータ２４、燃料フィルタ２５
および高圧ポンプ２６が順に配設されている。そして、
上記低圧ポンプ２３により燃料タンク２１から吸い上げ
られた燃料が、低圧レギュレータ２４により調圧された
後、燃料フィルタ２５により濾過された状態で高圧ポン
プ２６に圧送されるようになっている。

【００３３】上記高圧ポンプ２６は、燃料の吐出量を広
い範囲に亘って調節可能な電磁ポンプ等からなり、燃料
分配管１９への燃料の吐出量を調節することにより、燃
圧（燃料噴射弁からの燃料の噴射圧力）を適正値（例え
ば略３ＭＰａ〜略１３ＭＰａ、好ましくは４ＭＰａ〜７
ＭＰａ程度）に制御するように構成されている。なお、
上記高圧ポンプ２６によって昇圧された燃料の一部を、
リターン通路から燃料タンク２１に戻すことにより、上
記燃料分配管１９に供給される燃料の圧力状態を適正値
に調節する高圧レギュレータを設けた構成としてもよ
い。

【００３４】図１に戻って、上記エンジン本体１の一側
面には、各気筒の吸気ポート１０に連通する吸気通路３
１が接続され、一方、エンジン本体１の他側面には、各
気筒の排気ポート１１に連通する排気通路３２が接続さ
れている。さらにエンジンにはターボ過給機３３が設け
られている。

【００３５】上記吸気通路３１は、エンジン本体１の各
気筒２の燃焼室６に対し図外のエアクリーナで濾過した
空気を供給するものであり、その上流側から順に、吸気
量を検出するエアフローセンサ（図示せず）と、ターボ
過給機３３のコンプレッサ３３ａと、過給された吸気を
冷却するインタークーラ３４と、電動式モータ３６によ
り駆動されて開閉する電気式スロットル弁３５と、サー
ジタンク３７とが配設されている。また、サージタンク
３７よりも下流の吸気通路３１は、各気筒２毎に分岐す
る独立吸気通路とされており、各独立吸気通路の下流端
部はさらに２つに分岐して、２つの吸気ポート１０にそ
れぞれ連通している。

【００３６】上記各吸気ポート１０の上流側には、燃焼
室６内におけるタンブル流の強度を調節するタンブル調
節弁３８が配設され、このタンブル調節弁３８が、例え
ばステッピングモータからなるアクチュエータ３９によ
り開閉駆動されるようになっている。上記タンブル調節
弁３８は、円形のバタフライ弁の一部、例えば弁軸より
も下側の部分を切り欠くことによって形成され、タンブ
ル調節弁３８が閉じられているときに、上記切欠き部分
を介して吸気を下流側に流動させることにより、燃焼室
６内にタンブル流を形成し、上記タンブル調節弁３８が
開かれるのに応じてタンブル流を徐々に弱めるように構
成されている。

【００３７】なお、上記吸気ポート１０やタンブル調節
弁３８の形状は、上記形状に限定されるものではなく、
例えば吸気ポート１０を、上流側で一つに合流する所謂
コモンポートタイプに構成してもよい。この場合、上記
タンブル調節弁３８は、コモンポートの断面形状に対応
する形状のものをベースとして、その一部分を切り欠い
た形状とすればよい。

【００３８】一方、上記排気通路３２は、燃焼室６から
既燃ガスを排出するものであり、その上流端側には各気
筒２の排気ポート１１に連通する排気マニフォールド３
２ａを備えている。この排気マニフォールド３２ａの集
合部には排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ₂センサ
４０が配設されている。このリニアＯ₂センサ４０は排
気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用い
られるもので、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲にお
いて酸素濃度に対しリニアな出力が得られるようになっ
ている。

【００３９】排気マニフォールド３２ａの集合部には排
気管３２ｂの上流端が接続され、この排気管３２ｂに
は、ターボ過給機３３のタービン３３ｂが設けられると
ともに、その下流側に排気を浄化するための触媒４１が
設けられている。

【００４０】上記タービン３３ｂと吸気通路３１内のコ
ンプレッサ３３ａとはタービンシャフト３３ｃを介して
連結され、タービン３３ｂが排気ガス流により駆動され
て回転するとそれに連動してコンプレッサ３３ａが回転
し、吸気を過給するようになっている。

【００４１】上記ターボ過給機３３に対し、過給圧が目
標過給圧を越えないように規制する過給圧規制手段とし
て、タービン３３ｂをバイパスするウエストゲート通路
４２と後記ＥＣＵ５１からの制御信号に応じて上記ウエ
ストゲート通路４２を開閉するウエストゲートバルブ４
３とが設けられ、過給圧が目標過給圧を越えたときにウ
エストゲートバルブ４３が開かれて排気ガスの一部がウ
エストゲート通路４２に逃がされることにより、過給機
駆動力（タービン３３ｂに与えられる排気エネルギー）
が減少するようになっている。

【００４２】また、排気管３２ｂのタービン３３ｂより
上流側には、排気通路３２を流れる排気の一部を吸気通
路３１に還流させるＥＧＲ通路４４の上流端が接続され
ている。このＥＧＲ通路４４の下流端は吸気通路３１の
上記スロットル弁３５より下流、例えばサージタンク３
７に接続されている。ＥＧＲ通路４４の途中には開度調
節可能な電気式のＥＧＲ弁４５が配設されていて、ＥＧ
Ｒ通路４４による排気の還流量を調節できるようになっ
ている。

【００４３】上記バルブリフト量可変手段１４、点火回
路１７、燃料噴射弁１８、燃料供給系２０、スロットル
弁３５を駆動するモータ３６、タンブル調節弁３８のア
クチュエータ３９、ウエストゲートバルブ４３、電気式
ＥＧＲ弁４５等は、エンジンコントロールユニット５０
（以下、ＥＣＵという）によって制御されるようになっ
ている。このＥＣＵ５０には、上記クランク角センサ
９、エアフローセンサ、リニアＯ₂センサ４０等からの
信号が入力され、さらに、アクセル開度（アクセルペダ
ルの操作量）を検出するアクセル開度センサ４７からの
検出信号、エンジンの回転速度を検出する回転速度セン
サ４８からの検出信号等も入力されるようになってい
る。

【００４４】上記ＥＣＵ５０は、燃料噴射制御手段５
１、流動状態制御手段５２、過給制御手段５３を含んで
いる。

【００４５】上記燃料噴射制御手段５１は、燃料噴射弁
１８からの燃料噴射の時期及び噴射量の制御を行う。具
体的には、例えば図８に示すように、エンジンの低負荷
かつ低回転の運転領域（イ）を成層燃焼領域、それ以外
の領域（ロ）を均一燃焼領域と設定し、成層燃焼領域
（イ）では、燃料噴射弁１８から圧縮行程の所定時期
（例えば圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）４０°〜１４０°の
範囲）に燃料を噴射して成層燃焼を行わせるようにす
る。このとき、空燃比はリーン（例えばＡ／Ｆ＞２５）
とするように吸入空気量及び燃料噴射量を制御する。一
方、均一燃焼領域（ロ）では、燃料噴射弁１８から吸気
行程で燃料を噴射して均一燃焼を行わせるようにする。
このとき、空燃比は略理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）
とするように吸入空気量及び燃料噴射量を制御する。な
お、特に全負荷運転域及びそれに近い高負荷運転域では
空燃比を理論空燃比よりもリッチとしてもよい。

【００４６】上記流動状態制御手段５２は、バルブリフ
ト量可変手段１４の制御及びタンブル調節弁３８の制御
を行うことにより、燃焼室６内の吸気の流動状態を制御
する。具体的には、例えば上記成層燃焼領域（イ）では
タンブル調節弁３８を閉じ、もしくは小開度とすること
によりタンブル流を強化し、均一燃焼領域（ロ）ではタ
ンブル調節弁３８を開くように制御する。

【００４７】さらに、均一燃焼領域（ロ）のうちでも特
に高速高負荷領域（ハ）では、バルブリフト量可変手段
１４を制御して第２の吸気弁を低リフト特性ＶＬ２（図
２参照）とすることにより、燃焼室６内にスワールＳを
生成させるようにする（図６参照）。高速高負荷領域
（ハ）以外の均一燃焼領域（ロ）及び成層燃焼領域
（イ）では、第２の吸気弁を高リフト特性ＶＬ１（図２
参照）とするようにバルブリフト量可変手段１４を制御
する。

【００４８】また、過給制御手段５３は、上記高速高負
荷領域（ハ）で、第２の吸気弁が低リフト特性ＶＬ２と
されて燃焼室６への吸気流入部分（吸気ポート開口部）
が絞られることによる吸気充填効率の低下を補うように
目標過給圧を調整する。具体的には、例えば図９に示す
ように、上記高速高負荷領域（ハ）以外の運転領域で
は、予め定められた第1の目標過給圧Ｐ１を設定し、過
給圧がこの第1の目標過給圧Ｐ１を越えないようにウエ
ストゲートバルブ４３を制御する。この第1の目標過給
圧Ｐ１は、吸気流入部分が絞られていない状態でのエン
ジンの信頼性の面から定められた基本的な目標過給圧で
ある。

【００４９】一方、上記高速高負荷領域（ハ）では、上
記第1の目標過給圧Ｐ１よりも高い第２の目標過給圧Ｐ
２を設定して、この第２の目標過給圧Ｐ２まで過給圧が
上昇することを許容し、つまり過給圧が第２の目標過給
圧Ｐ２に達するまではウエストゲートバルブ４３を閉
じ、第２の目標過給圧Ｐ２を越えるとウエストゲートバ
ルブ４３を開くように制御する。この第２の目標過給圧
Ｐ２と第1の目標過給圧Ｐ１との差は、上記第２の吸気
弁が低リフトのバルブリフト特性ＶＬ２とされることに
よる吸気充填量低下分を補う程度とされる。

【００５０】以上のような当実施形態の装置によると、
成層燃焼領域（イ）では、空燃比がリーンとされつつ、
圧縮行程で燃料噴射弁１８から燃料が噴射され、かつ、
燃焼室６内にタンブル流Ｔが生成されて、このタンブル
流Ｔに対向するように燃料が噴射されることにより、燃
焼室６内でタンブル流Ｔと燃料噴霧Ｆａとが互いに衝突
し、燃料の気化、霧化が促進されつつ、点火時期に点火
プラグ１６付近に可燃混合気が生成され、成層燃焼が行
われる。

【００５１】一方、均一燃焼領域（ロ）では、空燃比が
理論空燃比もしくはそれよりリッチとされつつ、吸気行
程で燃料噴射弁１８から燃料が噴射され、その燃料が点
火時期までに燃焼室全体に拡散して、均一燃焼が行われ
る。

【００５２】ところで、特に高速高負荷領域（ハ）で
は、燃料噴射量が増大するとともに、エンジン1サイク
ル分の時間が短くなる。一方、燃料噴射量が少ない領域
での燃料制御の精度を確保するため燃料噴射弁の噴射率
（単位時間当りの噴射量）はあまり大きくするわけには
いかない。そのため、この領域（ハ）ではクランク角で
みた燃料噴射期間が著しく長くなり、例えば図１０に示
すように吸気上死点（ＴＤＣ）で燃料噴射を開始しても
噴射終了は吸気下死点（ＢＤＣ）より後となる。

【００５３】このように噴射期間が長いと、噴射期間の
初期の吸気上死点付近で噴射された燃料はピストンに多
く付着するため、また、噴射期間の後期に噴射された燃
料は点火までの時間が短いため、それぞれ気化、霧化が
悪化しやすい。

【００５４】これに対し、高速高負荷領域（ハ）で第２
の吸気弁が高リフトＶＬ２（図２参照）とされることに
より燃焼室内にスワールＳが生成されるため、燃料の気
化、霧化が促進される。

【００５５】すなわち、タンブルＴは縦断面で非円形の
壁に囲われた空間を旋回する（図３、図４参照）ので、
圧縮行程後半に減衰、崩壊が生じ易いが、スワールＳは
横断面円形の気筒周壁に沿って旋回する（図６参照）の
で、減衰しにくく、圧縮行程にまでわたって強い筒内流
動を維持することができる。しかも、スワールＳは燃料
噴霧Ｆａに対して略直交する横方向から衝突するので、
ミキシング性能が高い。

【００５６】従って、高速高負荷領域（ハ）で上記のよ
うにスワールを生成することにより、燃料噴射量が多く
ても燃料が噴射されてから点火時期までの間に燃料のミ
キシングが充分に行われ、燃料の気化、霧化が促進され
る。

【００５７】しかも、この領域（ハ）では、基本的な目
標過給圧（第1の目標過給圧Ｐ１）よりも高い第２の目
標過給圧Ｐ２が設定されて、スワール生成のために吸気
流入部分が絞られることに伴う吸気充填量を補うように
過給圧が高められる。つまり、従来では目標過給圧の規
制により高速高負荷域では捨てられていた余剰の過給能
力が利用されて過給圧が高められることにより、吸気充
填量が補われて高速高負荷域の出力が確保されるととも
に、スワールが強化される。

【００５８】このようにして、均一燃焼が良好に行われ
ることにより、図１１にも示すように、従来と比べ、高
速高負荷領域でのスモークの発生が大幅に抑制される。
この図１１に示すデータを説明すると、この図の中で
「従来例」というのは、火花点火式直噴エンジンで、タ
ーボ過給機を備えているが、高速高負荷領域でスワール
を生成させる手段を有せず、かつ、ターボ過給機の目標
過給圧を高速高負荷領域で高めるようにしていないもの
を意味し、「本発明」とは当実施形態によるものを意味
する。そして、「従来例」及び「本発明」とも、エンジ
ン回転数が６０００ｒｐｍの全負荷時において空燃比を
Ａ／Ｆ＝１０に制御した場合の吸気圧力及びスモーク発
生量を調べたものである。

【００５９】この図のように、吸気圧力（過給圧）は
「従来例」より「本発明」の方が高いが、その差ΔＰは
スワール生成のために吸気流入部分が絞られることに伴
う吸気充填量を補うものであるので、吸気充填量及び燃
料噴射量は「従来例」と略同じである。それに対し、ス
モーク発生量は従来と比べて大幅に減少（ΔＳ分減少）
している。

【００６０】なお、本発明のエンジンの具体的構成は上
記実施形態に限定されず、種々変更可能であり、その数
例を以下に説明する。

【００６１】スワール生成手段として、上記実施形態
ではバルブリフト可変手段１４を用いたが、これに替え
て、一方の吸気ポート中にこの吸気ポートを絞るスワー
ル調節弁を設けるようにしてもよい。

【００６２】また、複数の吸気ポートの途中にそれぞれ
絞り弁を設け、成層燃焼領域においてはこれら絞り弁の
全てを閉じることによりタンブルを強化し、均一燃焼領
域内の高速高負荷域においては一方の吸気ポートの絞り
弁を積極的に閉じ、かつ他方の吸気ポートの絞り弁を開
くことにより、スワールを生成させるようにしてもよ
い。

【００６３】過給圧規制手段として、上記実施形態で
はウエストゲート通路４２及びウエストゲートバルブ４
３を用いたが、これらに替えて、吸気通路におけるター
ボ過給機のコンプレッサの下流から過給気をリリーフす
る通路及び弁を設けるようにしてもよい。

【００６４】高速高負荷時に燃料の気化、霧化を向上
するための別の実施形態として、少なくとも高速高負荷
域で、図１２に示すように、吸気弁の閉時期を、燃料噴
射終了後であって、吸気ポートへの混合気の吹き返しが
生じる程度に遅い時期に設定するとともに、このように
吸気弁を遅閉じに設定した運転領域でスワール生成手段
を作動させるように構成してもよい。

【００６５】この場合、例えば２つの吸気弁のうち一方
に対し、図１２に示すような遅閉じのバルブタイミング
と通常のバルブタイミングとに切換可能なバルブタイミ
ング可変手段を設けるとともに、他方の吸気弁に対して
前述の図２中に示したようにバルブリフト量を変更可能
とするバルブリフト量可変手段を設け、高速高負荷域で
一方の吸気弁を遅閉じタイミングとするとともに、他方
の吸気弁を低リフト特性とすればよい。エンジン本体の
構造は前記実施形態と同様（図３〜図６）とすればよ
い。

【００６６】この実施形態によると、高速高負荷域で、
バルブタイミングが遅閉じとされることにより、有効圧
縮比が小さくなることで排気温度の上昇が抑制されて信
頼性が高められるとともに、噴射期間の終了付近で噴射
された燃料（点火時期までの時間が短いため気化が悪く
なり易い燃料）の一部が吸気ポートに吹き返されて次の
サイクルで燃焼室に供給されることにより、燃料の気
化、霧化が向上される。

【００６７】また、このように燃料が吹き返されると、
燃料供給量の制御精度が悪くなって燃焼のサイクル毎の
変動が生じ易くなるが、スワールが生成されることによ
り、燃料のミキシング作用が高められるとともに、燃焼
のサイクル毎の変動が抑制される。

【００６８】高速高負荷時に燃料の気化、霧化を向上
するための別の手法として、燃料噴射弁に、ピエゾ素子
等を用いて噴射率（単位時間当りの噴射量）を変更可能
とする噴射率可変手段を設け、この噴射率可変手段によ
り、図１３に示すように、噴射率を、吸気弁のリフト特
性に対応させて吸気上死点付近及び吸気下死点付近で低
く、吸気行程途中で高くなるように制御してもよい。

【００６９】このようにすれば、気化が悪くなり易い噴
射開始側及び噴射終了側で噴射量が少なくて、吸気流量
及び吸気流速が高い吸気行程途中で燃料が多く噴射され
るので、気化、霧化の促進に有利となる。

【００７０】成層燃焼領域でタンブル流を利用して成
層化を図る構造として、前記実施形態では燃料噴霧とタ
ンブル流とを略正面衝突させるようにしているが、ピス
トン冠面に燃料噴霧とタンブル流とをそれぞれガイドす
る湾曲面を設けて、燃焼室中央部付近で燃料噴霧がタン
ブル流と合流して点火プラグ方向に輸送されるようにし
た構造等も採用することができる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のエンジン
は、成層燃焼領域でタンブル流を利用して成層燃焼を行
わせ、均一燃焼領域で燃料を燃焼室全体に拡散させて均
一燃焼を行うようにしたものにおいて、燃焼室内での横
方向旋回成分を増大させるように流動状態を変化させる
スワール生成手段を設け、高速高負荷域でこのスワール
生成手段を作動させるようにしているため、高速高負荷
領域ではスワールにより圧縮行程までにわたり燃焼室内
の流動を強化することができる。そして、スワールはタ
ンブルよりも筒内流動の保存性が高くて圧縮行程後期に
までわたり強い筒内流動を維持することができるととも
に、燃料噴霧に対して略直交する横方向から衝突するの
でミキシング性能が高いため、燃料噴射量が多く、かつ
噴射終了から点火時期までの時間が短くなる高速高負荷
領域でも、点火時期までの間に燃料のミキシングを充分
に行い、気化、霧化を促進して燃焼性を向上し、スモー
クの発生を抑制することができる。

【００７２】この発明において、ターボ過給機と、この
ターボ過給機の作動による過給圧が目標過給圧を越えな
いように規制する過給圧規制手段とを備え、高速高負荷
域で、目標過給圧を調整することでターボ過給機の余剰
過給能力を利用して過給圧を高めることにより、スワー
ル生成手段の作動による吸気充填量低下を補うようにす
れば、高速高負荷域で要求される出力を確保しつつ、ス
モークの発生を効果的に抑制することができる。

【００７３】また、成層燃焼領域でタンブル流を利用し
て成層燃焼を行わせ、均一燃焼領域で燃料を燃焼室全体
に拡散させて均一燃焼を行うようにしたものにおいて、
燃焼室内での横方向旋回成分を増大させるように流動状
態を変化させるスワール生成手段を設けるとともに、少
なくとも高速高負荷域で、吸気弁の閉時期を、燃料噴射
終了後であって、吸気ポートへの混合気の吹き返しが生
じる程度に遅い時期に設定し、かつ、スワール生成手段
を作動させるようにした構成によると、高速高負荷域
で、排気温度の上昇を抑制するとともに、吸気ポートへ
の混合気の吹き返しが生じる程度に吸気弁を遅閉じとし
たことによる燃料の気化、霧化の促進及びスワールによ
るミキシング向上により燃焼性を良くし、スモークの発
生を抑制することができる。しかも、吸気ポートへの混
合気の吹き返しにより燃焼のサイクル毎の変動が生じ易
くなる傾向をスワールによるミキシング向上により抑制
し、運転性能を良好に保つことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による火花点火式直噴エン
ジンの全体構造の一例を示す概略図である。

【図２】吸気弁のバルブリフト特性を示す図である。

【図３】エンジン本体の断面図である。

【図４】ピストンの具体的形状を示す断面図である。

【図５】ピストン、吸気ポート、燃料噴射弁等の配置及
び燃料の噴射状態並びにタンブル生成状態を示す平面図
である。

【図６】ピストン、吸気ポート、燃料噴射弁等の配置及
び燃料の噴射状態並びにスワール生成状態を示す平面図
である。

【図７】燃料供給系を示すブロック図である。

【図８】成層燃焼領域、均一燃焼領域等を設定した制御
マップの一例を示す図である。

【図９】エンジン回転数と過給圧との関係を示す図であ
る。

【図１０】高速高負荷時の燃料噴射時期及び噴射期間を
示す図である。

【図１１】従来例と本発明とにつき、吸気圧力及びスモ
ーク発生量を比較して示すグラフである。

【図１２】本発明の別の実施形態による吸気弁の開弁期
間を示す図である。

【図１３】本発明のさらに別の実施形態による燃料噴射
弁からの燃料の噴射率の制御特性を示す図である。

【符号の説明】

１エンジン本体６燃焼室１０吸気ポート１２吸気弁１４バルブリフト量可変手段１６点火プラグ１８燃料噴射弁３３ターボ過給機３８タンブル調節弁５０ＥＣＵ５１燃料噴射制御手段５２流動状態制御手段５３過給制御手段

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｂ 31/00 ３０１Ｆ０２Ｂ 31/00 ３０１Ｆ 31/02 31/02 Ｌ 37/12 ３０２ 37/12 ３０２ＺＦ０２Ｄ 23/00 Ｆ０２Ｄ 23/00 Ｋ 41/02 ３０１ 41/02 ３０１Ａ 41/04 ３０５ 41/04 ３０５Ｄ３２０３２０ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｒ３０１Ｕ３０１Ｚ (72)発明者梅園和明広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内Ｆターム(参考） 3G005 EA04 EA16 FA37 GA02 GB28 GE01 GE09 HA08 HA09 HA12 HA19 JA02 JA23 JA39 3G023 AA07 AA18 AB03 AC05 AD07 AD12 AD14 AF03 AG01 AG03 3G084 AA04 BA08 BA09 BA15 BA20 BA21 BA23 CA03 CA04 CA09 DA10 FA07 FA10 FA29 FA33 FA38 3G092 AA06 AA10 AA11 AA17 BA04 BA06 BB06 DA03 DB03 DG08 DG09 EA05 EA07 FA18 GA05 GA06 GA17 GA18 HA01Z HA13X HA15X HB02Z HD05Z HD07X HE01Z HE03Z HF08Z 3G301 HA04 HA11 HA13 HA16 HA17 HA19 JA24 KA08 KA09 KB03 KB04 LA07 LB04 LC03 MA01 MA19 NE13 NE15 PA01Z PB05Z PD04Z PE01Z PE03Z PF03Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室内にタンブル流を生成するように
吸気系を構成するとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射
する燃料噴射弁を備え、低速低負荷側の特定運転領域で
ある成層燃焼領域では圧縮行程で上記燃料噴射弁から燃
料を噴射させ、かつ上記タンブル流を利用して点火時期
に点火プラグ周りに可燃混合気を偏在させることにより
成層燃焼を行わせ、上記成層燃焼領域以外の特定運転領
域である均一燃焼領域では上記燃料噴射弁から噴射した
燃料を燃焼室全体に拡散させるように燃料噴射を制御す
ることにより均一燃焼を行わせるように構成された火花
点火式直噴エンジンにおいて、燃焼室内に流入する吸気の流動状態を強制的に変化させ
て、燃焼室内での横方向の旋回流成分を増大させるスワ
ール生成手段と、高速高負荷域では上記スワール生成手
段を作動させることにより圧縮行程における燃焼室内の
流動の強さを増大させるようにしつつ均一燃焼を行わせ
る制御手段とを備えたことを特徴とする火花点火式直噴
エンジン。
【請求項２】上記スワール生成手段は、１つの燃焼室
に対して複数設けられた吸気弁のバルブリフト特性を互
いに異ならせることによりスワールを生じさせるもので
あることを特徴とする請求項１記載の火花点火式直噴エ
ンジン。
【請求項３】ターボ過給機と、このターボ過給機の作
動による過給圧が目標過給圧を越えないように規制する
過給圧規制手段とを備え、上記高速高負荷域で、上記ス
ワール生成手段が燃焼室内への吸気流入部分を絞るよう
に作動するとともに、このスワール生成手段の作動によ
る吸気充填量低下を補うようにターボ過給機の目標過給
圧が調整されることを特徴とする請求項１又は２記載の
火花点火式直噴エンジン。
【請求項４】上記高速高負荷域以外の領域で予め設定
された第１の目標過給圧を越えないようにターボ過給機
の作動による過給圧を規制するとともに、上記高速高負
荷域で、上記第１の目標過給圧よりも高い第２の目標過
給圧を設定して、この第２の目標過給圧まで過給圧が上
昇することを許容するようにしたことを特徴とする請求
項３記載の火花点火式直噴エンジン。
【請求項５】成層燃焼領域では燃料噴射弁からタンブ
ル流に対向するように燃料を噴射させて、燃焼室内でタ
ンブル流と燃料噴霧とが略正面衝突するようにしたこと
を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の火花点
火式直噴エンジン。
【請求項６】燃焼室内にタンブル流を生成するように
吸気系を構成するとともに、燃焼室内に直接燃料を噴射
する燃料噴射弁を備え、低速低負荷側の特定運転領域で
ある成層燃焼領域では圧縮行程で上記燃料噴射弁から燃
料を噴射させ、かつ上記タンブル流を利用して点火時期
に点火プラグ周りに可燃混合気を偏在させることにより
成層燃焼を行わせ、上記成層燃焼領域以外の特定運転領
域である均一燃焼領域では上記燃料噴射弁から噴射した
燃料を燃焼室全体に拡散させるように燃料噴射を制御す
ることにより均一燃焼を行わせるように構成された火花
点火式直噴エンジンにおいて、燃焼室内に流入する吸気の流動状態を強制的に変化させ
て、燃焼室内での横方向の旋回流成分を増大させるスワ
ール生成手段を設けるとともに、少なくとも高速高負荷
域で、吸気弁の閉時期を、燃料噴射終了後であって、吸
気ポートへの混合気の吹き返しが生じる程度に遅い時期
に設定し、かつ、吸気弁閉時期を遅い時期に設定した運
転領域で上記スワール生成手段を作動する制御手段を備
えたことを特徴とする火花点火式直噴エンジン。