JP2004293484A

JP2004293484A - 火花点火式エンジン

Info

Publication number: JP2004293484A
Application number: JP2003089452A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Nishimura; 博文西村; Masahiko Fujimoto; 昌彦藤本; Kohei Iwai; 浩平岩井; Takayuki Kuwabara; 孝之桑原; Yasushi Murakami; 康村上; Yoshihisa Nooi; 芳尚乃生; Naoyuki Yamagata; 直之山形; Akira Kageyama; 明陰山; Kazuaki Narahara; 和晃楢原
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】吸気通路に配置した弁体を低吸気量時に閉成させ、これにより部分的に絞られた吸気が吸気通路の湾曲部を通過することで、強力なタンブル流を生成させる場合において、高吸気量時は、ピストン頂部に形成した凸状部によりこの時に生成されるタンブル流を減衰させることによって、大幅な点火リタードを実行することなく、ノッキング防止及びエンジン出力向上を図る。
【解決手段】低吸気量状態のときは、吸気通路に配置した流動制御弁２０を閉成させて、これにより部分的に絞られた吸気は湾曲部５ｅを通過して強力なタンブル流ｆ１を生成する。高吸気量状態のときは、流動制御弁２０は開弁されるものの湾曲部５ｅにより強力なタンブル流ｆ１が発生することになり、ピストン頂部３ａに形成した凸状部３ｂによりこのタンブル流ｆ１を減衰させる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式エンジンに関し、特に、吸気通路形状と吸気通路の設けた弁体の閉弁制御との組み合わせにより、燃焼室内に強力なタンブル流を形成するよう構成された技術に属すものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、エンジンの燃焼室内において、ピストンの往復動方向に略沿った方向に旋回するタンブル流（縦渦流）を生成させることにより、成層燃焼による燃焼性を改善させたり、燃料と吸気とからなる混合気のミキシング性向上により燃焼性を改善させたりする技術が知られている。
このようなタンブル流は、例えば、吸気通路に設けた流動制御弁（弁体）と吸気通路に形成させた湾曲部とにより生成可能である。つまり、流動制御弁を閉成させて一部の吸気を絞り、これによって吸気通路の断面から見て、吸気を一部分に偏流させる。こうした偏流が、吸気通路の燃焼室への開口部の直ぐ上流側に形成されて吸気流の方向をピストン頂部が位置する方向に変更させる湾曲部の湾曲外方側を通過することで、燃焼室内に供給された偏流が、強力なタンブル流を生成する。
【０００３】
こうした技術に関し、例えば、下記特許文献１には、流動制御弁に切欠部を形成するとともに、吸気通路の燃焼室への開口部の直ぐ上流に湾曲部を設け、流動制御弁を閉成させて吸気を絞ることで、タンブル流が増大生成されることが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１０７７６４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなタンブル流の増大生成は、燃焼安定性を向上させるために有効な手段である。そこで、例えば、吸入空気量が少ない低吸気量状態に、空燃比を理論空燃比よりもリーンに設定させる、所謂、リーンバーン運転を行うエンジンや、排気ガスの一部を吸気に還流させるＥＧＲ装置を備えて、低吸気量状態に排気還流ガスを増量させるエンジンなどにおいては、このような低吸気量状態であっても燃焼安定性をより向上させることができるように、タンブル流を増大させ得る吸気通路形状と流動制御弁の位置や形状に関して日々検討し、改良を加えてきた。
このような吸気通路形状や流動制御弁の改良により、低吸気量状態におけるタンブル流は増大することが略可能となったが、一方で、この改良に伴って高吸気状態におけるタンブル流の増大生成も促進されることになった。ところが、高吸気状態ではタンブル流が強すぎて着火性が必要以上に向上し、自着火によるノッキング発生が増大することが判明した。そこで、こうしたノッキングを抑制するために、大幅な点火リタードを行うことが考えられるが、このような大幅な点火リタードを行うとエンジン出力が低減されてしまうといった問題が生じる。
【０００６】
本発明は、以上のような課題に勘案してなされたもので、その目的は、低吸気量運転領域で吸気通路に設けた弁体を閉成させ、この時にタンブル流が増大されるよう形成された吸気通路を備える火花点火式エンジンにおいて、該エンジンのピストン頂部に凸状部を形成することにより、高吸気運転領域におけるタンブル流の過剰な増大生成を抑制して大幅な点火リタードを実行することなく、エンジン出力を向上させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の請求項１記載の発明においては、燃焼室に供給される吸気が、ピストンの往復動方向に対して所定角度傾斜した方向で、該燃焼室に向かうよう形成された吸気通路と、該吸気通路と該燃焼室とを連通する開口部を開閉させる吸気弁と、該吸気弁上流の上記吸気通路に配置された弁体と、該弁体を、吸入空気量が少ない低吸気量運転領域で閉成させる弁体制御手段と、上記燃焼室において、上記ピストン頂部に対向する位置に配置された点火プラグにより、該燃焼室に供給された混合気を点火させる点火制御手段とを備え、上記吸気通路には、該弁体制御手段により上記弁体が閉成された状態及び開成された状態で、該弁体を通過する吸気が上記燃焼室内における吸気のタンブル流を増大生成させるように、上記開口部の直ぐ上流における該吸気通路の傾斜角度を所定角度より小さくさせる湾曲部が形成されるとともに、上記ピストンの頂部には、上記燃焼室の内方側に隆起した凸状部が形成されることを特徴としている。
このような構成により、吸入空気量が多い高吸気運転領域では、燃焼室内において一旦増大生成されたタンブル流が、ピストン頂部に形成された凸状部によって早期に減衰されることになる。従って、着火性が必要以上に促進されることを抑制することができるため、自着火に伴うノッキングの発生が抑制されることになり、高吸気運転領域といったエンジン出力の増大が要求されるような状態でも、大幅に点火リタードすることなく、エンジン出力向上を図ることが可能となる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１において、エンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段を備え、該空燃比制御手段は、上記低吸気量運転領域において、空燃比を理論空燃比よりもリーンに設定するとともに、吸入空気量が多い高吸気運転領域では、空燃比を理論空燃比近傍あるいは理論空燃比よりリッチに設定することを特徴としている。
このような構成により、低吸気量運転領域においてタンブル流を増大生成することで、リーンバーン運転時の燃焼性を向上できるとともに、高吸気運転領域においてタンブル流の増大生成を抑制してエンジン出力を向上させることが可能となる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１において、上記点火制御手段は、吸入空気量が多い高吸気運転領域では、圧縮上死点よりも前で燃焼室内において生成されたタンブル流が上記凸状部により減衰された後に、点火するよう点火時期を制御することを特徴としている。
このような構成により、増大生成されたタンブル流が早期に減衰した後に点火が実行されるため、十分なタンブル流生成中の着火性が過剰に良すぎる状態で点火されて自着火が誘発されることを抑制しつつ、点火時期を進角側に設定でき、従ってノッキング防止とエンジン出力向上との両立を図ることが可能となる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１において上記ピストンの凸状部は、該ピストンが上死点に位置している状態において、該凸状部の頂部が上記点火プラグから所定距離離間するよう形成されることを特徴としている。
ピストン頂部に凸状部を設けた場合、点火後、火炎が短時間で凸状部に接触し、その後火炎伝播が凸状部の面に沿って進行することで冷損が増大するといった不具合が発生することがあるが、このような構成により、こうした冷損を防止してエンジン出力の向上が図れる。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１において、上記ピストンの凸状部は、該ピストンが上死点に位置している状態において、該凸状部の頂部と上記点火プラグとが、ピストンの往復動方向に平行な同じ線上に配置されないように形成されることを特徴としている。
ピストン頂部に凸状部を設けた場合、点火後、火炎が短時間で凸状部に接触し、その後火炎伝播が凸状部の面に沿って進行することで冷損が増大するといった不具合が発生することがあるが、このような構成により、こうした冷損を防止してエンジン出力の向上が図れる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（全体構成）
図１は、本実施形態の吸気ポート噴射式・レシプロ・ガソリンエンジン全体の概略図である。
エンジン１は例えば４気筒などの多気筒エンジンであり、その気筒（シリンダ）２にはピストン３が装填されてその上方側（ピストン３の往復動方向でピストン３の頂部３ａが指向する方向。以下同じ）に燃焼室４が形成されている。燃焼室４には吸気ポート５と排気ポート６とが形成され、これらは各々吸気弁７、排気弁８により開閉される。吸気弁７及び排気弁８は各々の頂部に設けられた吸気カムシャフト９，排気カムシャフト１０の回転によって駆動され、吸気弁７側の頂部１１には、吸気弁７の弁のリフト量（弁リフト量）を変化することができるように、切換え可能な複数のカムから成る弁リフト可変機構１２が設けられている。
【００１４】
燃焼室４の上部には、先端のスパーク部分が燃焼室４に臨むように点火プラグ１３が配設されている。また、シリンダヘッド１４には燃料噴射弁１５が配設され、この燃料噴射弁１５から吸気ポート５に燃料が噴射される。尚、燃料噴射弁１５は、図示しないニードル弁及びソレノイドを内蔵し、このソレノイドにパルス信号が印加されてパルス幅に応じた量の燃料を噴射する。
【００１５】
吸気ポート５には、独立吸気通路１６が接続され、該独立吸気通路１６の上流は、高速用通路１７と低速用通路１８とに分岐して、それぞれエンジン１の全ての気筒２、２、…に対し吸気を供給するサージタンク１９に接続されている。この場合、サージタンク１９から高速用通路１７を介した燃焼室４までの吸気通路の吸気管長さは、サージタンク１９から低速用通路１８を介した燃焼室４までの吸気通路の吸気管の長さよりも小さく設定されており、また、サージタンク１９から高速用通路１７を介した燃焼室４までの吸気管容積は、サージタンク１９から低速用通路１８を介した燃焼室４までの吸気管容積よりも小さく設定されている。
【００１６】
また、高速用通路１７には、低速用通路１８による燃焼室４への吸気の供給を行うか、あるいは高速用通路１７による吸気の供給を行うか、どちらか一方に切換えることにより、独立吸気通路１６内を流通する吸気の固有振動数を制御可能な固有振動数制御弁２１が設けられている。
また、独立吸気通路１６には、燃焼室４内で生成されるピストン３の往復動方向に略沿った乱流であるタンブル流（縦渦流）を制御する流動制御弁２０が設けられ、こうした、流動制御弁２０及び上記の固有振動数制御弁２１は、図示しないが、それぞれ弁開閉動作機構により動作される。
【００１７】
サージタンク１９の上流には、エンジン１の全ての気筒２、２、…に吸気を供給するための共通吸気通路２２が接続されており、該共通吸気通路には、その上流側から順に、大気から吸引した吸気中のダストを除去するエアーフィルター２３、全ての気筒２、２、…への新気の吸入空気量を検出するエアーフローセンサ２４、吸入空気量を調整するとともに図示しないステップモータ等の電気的なアクチュエータにより動作されるスロットル弁２５が配置される。なお、共通吸気通路２２に、スロットル弁２５をバイパスするバイパス通路を形成し、このパイバス通路にバイパス弁を設けて開閉することにより、アイドル運転時に吸入空気量を制御するアイドル回転数制御装置を構成させることもできる。
【００１８】
排気ポート６には、排気通路２６が接続され、その途中に三元触媒２７が配設され、酸化触媒２７のさらに下流側にはＮＯｘ吸収触媒２８が配設されている。三元触媒２７は、コージェライト製のハニカム担体に貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ）を含有するγ−アルミナから成る触媒層をコーティングしたものであり、排気ガス中に含有するＨＣ、ＣＯを浄化し、エンジン１の空燃比が理論空燃比（λ＝１）か理論空燃比よりも小さいリッチな状態でＮＯｘを浄化する。
ＮＯｘ吸収触媒２８は、コージライト製のハニカム担体に、ＮＯｘ吸収材（Ｂａなどのアルカリ土類金属、Ｋなどのアルカリ金属）と貴金属（Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ）と含有するγ−アルミナから成る触媒層をコーティングしたものである。これにより、エンジン１の空燃比が、定常的に理論空燃比よりも大きいリーン状態では排ガス中のＮＯｘをＮＯｘ吸収材に吸収させ、空燃比が、一時的に理論空燃比か理論空燃比よりも大きいリッチ状態となった時、吸収されたＮＯｘを放出且つ浄化する。
【００１９】
また、排気通路２６における三元触媒２７よりも上流側には、エンジン１の空燃比を検出するため、排ガスの酸素濃度を検出するＯ_２センサ２９が設けられている。
【００２０】
排気通路２６と吸気系のサージタンク１９の間には、排ガスの一部を吸気系に還流するＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路３０が接続され、このＥＧＲ通路３０は、図示しない弁開閉機構により開閉動作されるＥＧＲ弁３１によってＥＧＲ量（ＥＧＲガスの体積量）あるいはＥＧＲ率（ＥＧＲ量を、燃焼室４内に吸入される全ガス量で割った値）を調節可能になっている。
【００２１】
また、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）３２には、エアーフローセンサ２４、Ｏ_２センサ２９、クランク角センサ３３、アクセル開度センサ３４、エンジン水温センサ３５等からの検出信号が入力されるようになっている。
また、ＥＣＵ３２からは、スロットル弁２５の開閉をリニアに制御する制御信号、固定振動数制御弁２１の開閉動作を制御する制御信号、流動制御弁２０の開閉動作を制御する制御信号、燃料噴射弁１５によって所望する燃料供給量を所定時期に噴射するよう制御する制御信号、弁リフト可変機構１２に対し吸気弁７の弁リフト量を変更させるための制御信号、および点火プラグ１３に所定時期に点火させるための制御信号を出力している。
【００２２】
次に、図２から図６を参照して、吸気装置及びその周辺構造について詳細に説明する。
図２は、低吸気量状態におけるシリンダヘッド１４とその周辺構造に関する側断面の概略図である。
気筒２内には、気筒２の中心軸線の延長上に対応する頂面部３６、ピストン３、気筒２に開口する吸気ポート５の２つの開口部５ａ、５ａを開閉させるための夫々２つの吸気弁７、７、及び気筒２に開口する排気ポート６の２つの開口部６ａ、６ａを開閉させるための２つの排気弁８、８により閉塞されたペントルーフ型燃焼室４が形成されている。頂面部３６には火花を発生して燃焼室４内に充填、圧縮された混合気を着火させる点火プラグ１３が、シリンダヘッド１４に形成されたシリンダヘッド取付孔１３ａを介して配設されており、これにより点火プラグ１３先端のスパーク部分が燃焼室４に露出される。
【００２３】
また、本実施形態において、ピストン３の頂部３ａには、その中心部が燃焼室４に向かって隆起した凸状部３ｂが形成されている。これは、吸入空気量が多くタンブル流ｆ１が極めて強くなる場合に、タンブル流ｆ１を抑制させて、着火性が必要以上に促進されるのを防止するためで、これによりノッキングを伴うことなく点火時期を進角させてエンジン出力を向上することができる。これについては、後で詳細に説明する。
【００２４】
吸気弁７は、バルブステム３７の一端部に設けられたタペット３８が、シリンダヘッド１４上方側でシリンダヘッド１４に軸支された吸気カムシャフト９に形成される吸気カム３９に当接するよう配置されている。これにより、エンジン１のクランク軸（図示せず）に連結されこの回転に同期した吸気カムシャフト９の回転、つまり吸気カム３９の回転によって、吸気弁７は、開口部５ａの直上流までの開口通路（スロート部）５ｂの軸線と同軸に往復動するようにバルブガイド４０にて案内されて駆動される。このような構成により、吸気弁７と弁シート５ｄとが当接した状態では、開口部５ａは全閉となり、吸気弁７と弁シート５ｄとが離間した状態では、開口部５ａは開成状態となる。
【００２５】
排気ポート４には、吸気ポート５と同様に排気弁８が設けられ、排気弁８は、バルブステム４１の一端部に設けられたタペット４２が、シリンダヘッド１４の上部側でシリンダヘッド１４に軸支された排気カムシャフト１０に形成される排気カム４３に当接する。これにより、エンジン１のクランク軸に連結されこの回転に同期した排気カムシャフト１０の回転、つまり排気カム４３の回転によって、排気弁８は、開口部６ａ直上流までの通路の軸線と同軸に往復動するようにバルブガイド４４にて案内されるよう駆動される。
【００２６】
吸気カム３９は、吸気弁７の燃焼室４側へのリフト量である弁リフト量をエンジン回転数やエンジン負荷に応じて可変とするため、低リフトカム３９ａと高リフトカム３９ｂとを有しており、上述の弁リフト可変機構１２は、これら２つのカム３９ａ、３９ｂと、これらのカムを切換え可能とする切換え機構（図示せず）とにより構成される周知の構造である。
低リフトカム３９ａのカムプロフィールは、低リフトカム３９ａによる吸気弁７の最大の弁リフト量が、高リフトカム３９ｂによる最大弁リフト量より小さくなるように形成されている。そして、後述するように、吸気弁７は、エンジン１が希薄燃焼運転（リーンバーン運転）される低吸気運転領域においては低リフトカム３９ａにより駆動される。
また、高リフトカム３９ｂのカムプロフィールは、高リフトカム３９ｂによる吸気弁７の最大の弁リフト量が、低リフトカム３９ａによる最大弁リフト量より大きくなるように形成されており、後述するように、吸気弁７はエンジン１が高速運転され、且つ高負荷となる高吸気運転領域において高リフトカム３９ｂにより駆動される。
【００２７】
独立吸気通路１６は、吸気ポート５の上流端が開口しているシリンダヘッド１４端面に接続されており、流動制御弁２０は、この独立吸気通路１６のシリンダヘッド１４の端面近傍に配置されている。
図３は、図２における吸気ポート５と独立吸気通路１６におけるＸ−Ｘ断面について示した模式図であるが、図２及び図３に示すように、流動制御弁２０は、弁軸２０ａを中心として独立吸気通路１６内を流通する吸気流方向に沿って回動可能に支持されている。また、流動制御弁２０は、開成させた状態では燃焼室４の弁軸２０ａよりも上方側の一部が切断されたような形状であり、これにより流動制御弁２０が閉状態の場合は、独立吸気通路１６の流動制御弁２０が位置する部分を、流動制御弁２０の上流側から流動制御弁２０のある下流側を見て、通路内形状の下側（ピストン３が位置する側）の半分以上が遮断さられた形状となる。この場合、独立吸気通路１６内の流動制御弁２０上側の一部は開口しており、この開口空間を通過する吸気により燃焼室４内への必要量の吸気供給が可能となる。尚、図２及び図３は、流動制御弁２０が閉じた状態を示している。
【００２８】
図４は、図２において、流動制御弁２０が開弁し、且つ吸気弁７の弁リフト量が大きい状態を示しているが、このように流動制御弁２０が全開した状態では、独立吸気通路１６の流動制御弁２０が位置する部分を流動制御弁２０よりも上流側から見て、全通路内が開口した状態となっており、全通路内を通過する吸気によって、燃焼室４への十分な吸気供給が可能となる。
【００２９】
吸気ポート５は、シリンダヘッド１４における吸気ポート５の上流端から開口通路５ｂ部付近に至るまで１本で形成されているが、開口通路５ｂ付近の隔壁５ｅで互いに隣接して２本に分岐し、これらは２つある開口部５ａにそれぞれ接続されている。このような構成は、一般に、コモンポートと呼ばれており、こうしたポートの採用により吸気抵抗を低減できる効果がある。
【００３０】
また、吸気ポート５は、開口部５ａから全体的に斜め上方側に向かうように形成されており、開口部５ａの直ぐ上流の開口通路５ｂ付近では、上方側に向かうに従って、徐々にその傾斜が緩やかになるよう湾曲部５ｅが形成されている。
上流通路５ｃ近傍で吸気ポート５の傾斜が所定角度となると、吸気ポート５は、それから実質的に湾曲や段差を生じることなく、直線的に斜め上方に向けて、シリンダヘッド１４の端面まで延設形成される。更に独立吸気通路１６においても、流動制御弁２０が配置される位置までは、この所定角度の傾斜が維持されて、この角度のまま直線的に延設されている。
このような吸気ポート５及び独立吸気通路１６の形状により、吸気は、独立吸気通路１６から吸気ポート５の開口通路５ｂまでは吸気抵抗を殆ど受けることなく燃焼室４の位置より少し上方側の位置に向かって斜め下方に所定角度で吸気管路内を進む。その後、開口通路５ｂ近傍の湾曲部５ｅにおける湾曲外方の通路内壁面により、その進行方向がピストン３の頂部３ａ方向（下方向）に徐々に変更された後、燃焼室４内に流入することになる。こうして燃焼室４内に流入した吸気は、燃焼室４内で強力なタンブル流ｆ１を生成することになる。
【００３１】
また、流動制御弁２０が閉弁している状態で比較的吸入空気量が多い時は、特に吸気ポート５の上方側の面を沿って流れる吸気の流速が高まるため、湾曲部５ｅの湾曲外方の通路内壁面により湾曲される吸気が多くなり、更にタンブル流ｆ１は強化されることとなる。
尚、燃料噴射弁１５は、吸気ポート５が２本に分岐する手前で、上流通路５ｃの上方側の面に配置されており、これにより２つの開口部５ａ、５ａに向けた霧状燃料の噴射が可能となる。
【００３２】
（壁部）
次に壁部について、詳細に説明する。
マスク部４５は、シリンダヘッド１４から燃焼室４に突出した膨出部分であり、これには、吸気ポート５の２つの開口部５ａ、５ａの内壁から延出するように燃焼室４内に向けて突出した壁部４５ａが形成されている。そして、燃焼室４側からマスク部４５を見たときの模式図の図５（但し、吸気弁７は図５の紙面左に位置する。）に示すように、壁部４５ａは、開口部５ａの流動制御弁２０が位置する側の開口部５ａの略半周に亘って形成されている。また、壁部４５ａの高さ（膨出したマスク部４５の高さと同じ）、つまり燃焼室４への突出量は、吸気弁７が低リフトカム３９ａにより駆動される場合の最大弁リフト量よりも少し低く設定されている（２ｍｍから５ｍｍの間）。
【００３３】
このように吸気弁７が低リフトカム３９ａにより駆動される場合では、図６に示すように、２つの吸気ポート５、５とも、開口部５ａの全周において、燃焼室４と連通することになるが、開口部５ａにおいて、流動制御弁２０が位置する側、つまり開口通路５ｂ近傍の湾曲部５ｅの湾曲内方側を通過した吸気が燃焼室４内に流入する側の開口部５ａにおける、該壁部４５ａと吸気弁７との間隙は微小となる。また、開口部５ａにおいて、排気ポート８が位置する側、つまり開口通路５ｂ近傍の湾曲部５ｅの湾曲外方側を通過した吸気が燃焼室４内に流入する側の開口部５ａにおける、該開口部５ａと吸気弁７との間隙は大きい状態となる。従って、吸気弁７が低リフトカム３９ａにより駆動される場合では、排気ポート８が位置する側の開口部５ａから燃焼室４内に供給される吸気は多く、この吸気によって強力なタンブル流が生成される。一方、流動制御弁２０が位置する側の開口部５ａから燃焼室４へ供給される吸気は比較的少量に低減されているため、この開口部５ａから燃焼室４内に流入した吸気が、燃焼室４内で強力なタンブル流に対向することを防止でき、これによりタンブル流の生成の阻害を抑制できる。また、壁部４５ａと吸気弁７との間隙は少しではあるが開成されるので、これにより吸気抵抗を低減できて吸入充填量の増量を図ることができる。
尚、図６において破線で示す吸気弁５、５は、高リフトカム３９ｂにより開弁された時の吸気弁５、５の状態を概略的に示したものである。
【００３４】
一方、図７は、吸気弁７、７が、高リフトカム３９ａにより開弁された時の状態を概略的に示したものであるが、この状態では、吸気弁７、７が低リフトカム３９ａにより開弁された時よりも、吸気弁７と排気ポート６が位置する側の開口部５ａの開口、及び吸気弁７と流動制御弁２０が位置する側の開口部５ａの開口の双方は大きくなる。
従って、吸気弁７、７が、高リフトカム３９ａにより開弁された時には、開口部５ａの全周から燃焼室４内に吸気を大量に供給することが可能となるが、一方で、燃焼室４内におけるタンブル流の生成は抑制されることになる。
尚、図７において点線で示す吸気弁７、７は、低リフトカム３９ａにより開弁された時の吸気弁５、５の状態を概略的に示したものである。
【００３５】
吸気弁７の弁リフト量について、排気行程から吸気行程に架けての排気弁８と吸気弁７の弁リフト量変化を示した図８を参照して詳細に説明すると、吸気弁７が低リフトカム３９ａにより駆動されるときは、吸気弁７は破線ＩＶＬで示すようにその最大の弁リフト量が壁部４５ａの高さよりも若干高くなるよう駆動される。一方、吸気弁７が高リフトカム３９ｂにより駆動されるときは、吸気弁７は実線ＩＶＨで示すように、弁リフト量が壁部４５ａの高さよりも全般的に高くなるよう駆動されることになる。尚、図８において、ＥＶは、排気弁８の弁リフト量の変化を示している。
【００３６】
尚、マスク部４５の形状に関して、図２においては、マスク部４５（壁部４５ａ）はエンジン１のクランク軸方向（紙面に対して垂直な方向）から見て、その高さが略一定の略台形形状としたが、これに限らず、開口通路５ｂの流動制御弁２０が位置する側の壁部４５ａの高さを最大として、それから排気ポート６が位置する側の開口通路５ｂに向かって緩やかに低くするようなスラント状であってもよく（図２、図４の４５ｂ参照）、この場合、壁部４５ａ近傍を通過して燃焼室４内に流入する吸気の吸気抵抗をより低減できる。
【００３７】
上述したようにサージタンク１９の下流には、高速用通路１７と、高速用通路１７よりも管路が長く且つ高容量の低速用通路１８を設けるとともに、高速用通路１７には、固有振動数制御弁２１を設けている。サージタンク１９から独立吸気通路１６に対して吸気を供給する際には、固有振動数制御弁２１によって、これら２つの吸気通路を切換えることで、吸気管の有する固有振動数を調整し、吸気脈動を利用した吸気充填量の増量と、タンブル流の安定生成とを図っている。これについては、後で詳細に説明する。
【００３８】
（エンジン制御）
次に、以上のような吸気装置に対するエンジン制御について説明する。
ＥＣＵ３２は、入力されたアクセル開度センサ３４からの検出信号からアクセル開度量を算出し、クランク角センサ１１からの検出信号からエンジン回転数を算出し、これらの算出結果をＥＣＵ３２内のスロットル弁制御部（図示せず）に出力して基本的なスロットル弁開度量を設定する。そして、設定されたスロットル弁開度となるようスロットル弁２５の弁開閉機構に制御信号を出力することで、スロットル弁２５は、要求開度量に開度制御される。
【００３９】
このようなスロットル弁２５の制御により吸入空気量が変化し、エアフローセンサ２３はこれを検出し、その検出信号はＥＣＵ３２に出力される。ＥＣＵ３２は、燃料制御部（図示せず）によって、吸入空気量自体、あるいは吸入空気量から求まるエンジン負荷と、エンジン回転数とに基づいて燃料噴射量と燃料噴射時期とを決定し、燃料噴射弁１５から所望する噴射時期に、所望する燃料噴射量の燃料噴射が実行されるよう制御する。この場合、基本的に、燃料噴射量は吸入空気量が多い程あるいはエンジン回転数が高回転程増量されている。また、噴射時期は、排気行程から吸気行程に架けての所定時期に少なくとも１回噴射実行されるよう設定される。
【００４０】
本実施形態のエンジン１においては、エンジン回転数が所定回転以下の低回転で、エンジン負荷が所定負荷以下の運転状態のときは、成層燃焼によるリーンバーンを実行するよう制御される。
このために、ＥＣＵ３２は、図９に示すような横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷とする制御マップを記憶しており、このマップに基づいて、燃料噴射部は、エンジン回転数が所定値Ｎｅ１以下且つエンジン負荷が所定値Ｑａ１以下のリーンバーン運転領域Ｌ（低吸気量運転領域）のときには、エンジン１の空燃比が定常的に理論空燃比よりもリーン（例えばＡ／Ｆで１８から２５）となるように燃料噴射を制御する。
この制御は、現在の吸入空気量に基づいて空燃比が制御マップから決定された目標空燃比となるよう燃料噴射量を制御することで行われる。その際、リーンバーン運転領域Ｌ内においては、制御マップ上に、目標空燃比が、運転状態に応じて高回転程、及び高負荷程、理論空燃比に近づくように書込まれており、こうした制御マップから現在の運転状態に対応する目標空燃比を読込むことで、空燃比が制御されることになる。
尚、この時の空燃比制御は、Ｏ２センサ２９がリニアＯ２センサの場合であれば、これを用いて、実空燃比が目標のリーン空燃比となるように制御してもよい。
【００４１】
一方、制御マップに基づき、エンジン回転数が所定値Ｎｅ１以上あるいはエンジン負荷が所定値Ｑａ１以上の領域Ｓ（高吸気量運転領域）では、Ｏ２センサ２９の検出信号により、理論空燃比を目標空燃比とする空燃比Ｆ／Ｂ（フィードバック）制御が行われ、これにより実空燃比が理論空燃比を含む微小な空燃比の範囲（ウインド）で理論空燃比を挟んでリーンとリッチとを繰返すよう制御して、三元触媒２７の触媒機能の向上を図っている。
【００４２】
また、ＥＣＵ３２は、流動制御弁２０を制御する制御部（図示せず）を備えており、これにより、流動制御弁２０は、上記の図９の制御マップに基づいて、リーンバーン運転領域Ｌにおいて閉成されるよう制御される。具体的には、図９に示すように、エンジン回転数が所定値Ｎｅ１以下且つエンジン負荷が所定値Ｑａ１以下の運転領域Ｌのときに、流動制御弁２０は閉じられ、一方、エンジン回転数が所定値Ｎｅ１以上、あるいはエンジン負荷が所定値Ｑａ１以上の高吸気運転領域Ｓのときに、流動制御弁２０は全開状態に開成される。
このように、リーンバーン運転領域Ｌでは、流動制御弁２０が閉成されて流動制御弁２０によるタンブル流ｆ１の強化が図れるが、高吸気量状態となる領域Ｓでは、流動制御弁２０が開成されるために流動制御弁２０によるタンブル流ｆ１の強化は行われないことになる。
【００４３】
また、ＥＣＵ３２は弁リフト可変機構１２を制御する弁リフト可変機構制御部（図示せず）を備えており、これによって、弁リフト可変機構１２による吸気弁７の弁リフト量の可変制御が、図９の制御マップに基づいて行われることになる。具体的には、図９に示すように、リーンバーンを行う領域Ｌの時には、弁リフト可変機構１２は、吸気カム３９を低リフトカム３９ａに切換え、理論空燃比での運転を行う領域Ｓのときは吸気カム３９を高リフトカム３９ｂに切換えている。
これにより、リーンバーン運転領域Ｌでは、弁リフト可変機構１２により低リフトカム３９ａが選択されることになる。
【００４４】
また、ＥＣＵ３２は、固有振動数制御弁２１を制御する制御部（図示せず）を備えており、これによって、固有振動数制御弁２１の制御が、図９の制御マップに基づいて行われることになる。
具体的には図９に示すように、エンジン負荷に関係なくエンジン回転数がＮｅ２より高回転のときは、固有振動数制御弁２１を開弁させて、サージタンク１９から燃焼室４に架けての吸気管が有する固有振動数が高くなるよう設定し、これにより高回転での吸気脈動を大きくすることで、燃焼室４内に流入する吸気の吸気充填量を増量している。
一方、エンジン負荷に関係なくエンジン回転数がＮｅ２よりも低回転のときは、固有振動数制御弁２１を全閉させて、サージタンク１９から燃焼室４の直ぐ上流（つまり、開口部５ａ）に架けての吸気管が有する固有振動数が低くなるよう設定し、これにより低回転での吸気脈動を大きくすることで、低回転での吸気充填量が増量している。こうして、エンジンの多様な運転領域において、エンジン出力を向上できる。
【００４５】
ところで、エンジン回転数がＮｅ２よりも低回転のときであっても、流動制御弁２０を閉成させるリーンバーン運転領域Ｌでは、固有振動数制御弁２１を開弁させて、これにより安定したタンブル流ｆ１の生成を図っている。これは、流動制御弁２０を閉成させた状態で固有振動数制御弁２１を全閉にすると、タンブル流ｆ１の安定した生成が阻害されるためである。
この理由は、流動制御弁２０を閉成させた状態で固有振動数制御弁２１を全閉にすると、吸気は、閉成された流動制御弁２０の上端部と独立吸気通路１６の内壁面との間の狭められた開口部分を通過することとなる。この狭められた開口を通過する吸気に対し、サージタンク１９から低速用通路１８を介した燃焼室４の直ぐ上流までの吸気管に基づく低い固有振動数による吸気脈動が大きく影響を及ぼしているものと考えられる。
【００４６】
これに対して、固有振動数制御弁２１を開成させることで、サージタンク１９から高速用通路１７を介した燃焼室４の直ぐ上流までの吸気管に基づく高い固有振動数による吸気脈動が発生することになる。この吸気脈動は、高周波で生成されるため、その分減衰するのも早く、これにより狭められた開口を通過する吸気に対する吸気脈動の影響も早急に低減されて、比較的安定なタンブル流ｆ１の生成が可能となるものと考えられる。また、この時は、エンジン回転数は低回転であり、固有振動数制御弁２１を開成させると、サージタンク１９から高速用通路１７を介した燃焼室４の直ぐ上流までの吸気管による固有振動数と、この時のエンジン回転数とが同調し難くなり、これにより吸気脈動自体が小さくなって、安定したタンブル流ｆ１の生成が可能となるものとも考えられる。
【００４７】
更に、本実施形態において、リーンバーン運転領域Ｌでは、流動制御弁２０を閉成させるだけでなく、弁リフト可変機構１２により吸気弁７の弁リフト量を低減させ、吸気弁７と開口部５ａとの開口面積を減少している。特に開口部５ａの壁部４５ａが形成された側における、吸気弁７と壁部４５ａとの開口は、微小に狭められる。この状態で、固有振動数制御弁を全閉にした場合も、流動制御弁２０を閉成た時と同様にタンブル流ｆ１の安定生成が阻害されることになる。
この理由は、流動制御弁２０を閉成た時と同様で、この狭められた開口を通過する吸気に対し、サージタンク１９から低速用通路１８を介した燃焼室４直前までの吸気管に基づく低い固有振動数による吸気脈動が、大きく影響を及ぼしているものと考えられる。
これに対して、固有振動数制御弁２１を全閉させることで、上述と同様に吸気脈動を低減させることができ、安定したタンブル流ｆ１の生成が可能となる。
【００４８】
また、ＥＣＵ３２は、点火制御部（図示せず）によって、エンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて点火時期を決定し、点火プラグ１３により所望の点火時期に、点火するよう制御する。
この場合、本実施形態では、特に高吸気量運転領域Ｓにおいては、ピストン頂部３ａに形成された凸状部３ｂによって、燃焼室４内で増大生成されたタンブル流ｆ１が略減衰された後に、点火が実行されるよう点火時期を設定する。これはノッキングを防止するためであり、これについては後述する。
また、リーンバーン運転領域では、運転状態に応じた目標空燃比に対し、予め設定された最適な点火時期で点火するよう制御する。
【００４９】
（タンブル流）
次に、上述のエンジン１とタンブル流ｆ１との関係について説明する。
エンジン１の運転状態が、リーンバーン運転領域Ｌにある時（エンジン回転数がＮｅ１より低回転で、エンジン負荷Ｑａ１より低負荷の場合）は、ＥＣＵ３２により弁リフト量可変機構１２は、吸気カム３９を低リフトカム３９ａに切換えるため、吸気ポート５と燃焼室４との全体の開口面積は小さくなる。特に、この時、開口部５ａの内、流動制御弁２０が位置する側の開口部５ａは、壁部４５ａにより更に微小となる。
【００５０】
また、このようなリーンバーン運転領域Ｌにおいて、流動制御弁２０は閉成されるように切換えられる。
リーンバーン状態で流動制御弁２０が閉成されると、独立吸気通路１６の上流から流入する吸気は、流動制御弁２０により独立吸気通路１６と吸気ポート５との上方側の面に沿って、この面に偏って流通する。こうした吸気流は、開口通路５ｂの排気ポート６側で進行方向を大きく下側（ピストン３の頂部３ａが位置する方向）に湾曲され、開口部５ａの内の排気ポート６が位置する側の開口部５ａから燃焼室４に流入することになる。また、この吸気は、流動制御弁２０により絞れられて、流速が増大されており、これにより燃焼室４内では低吸気量状態でありながら強力なタンブル流ｆ１が生成されることになる（図２参照）。
【００５１】
また、この状態では、壁部４５ａにより、開口部５ａの内、流動制御弁２０が位置する側の開口部５ａにおける壁部４５ａと吸気弁７との間は狭まっているため、この部分を通過して燃焼室４に供給される吸気が減少される。従って、この部分から燃焼室４に供給される吸気が、燃焼室４内で既に生成されてタンブル流ｆ１に対向することで、タンブル流ｆ１が抑制されるのを防止できる。こうして、流動制御弁２０の閉弁によって生成された強力なタンブル流ｆ１の勢いを衰えさせることなく、その強度を比較的長時間維持でき、リーンバーン運転時の燃焼性を向上できる。
【００５２】
しかも、この時、固有振動数制御弁２１が全閉されて、サージタンク１９下流から燃焼室４の直ぐ上流までの吸気通路の有する固有振動数が高い振動数に設定される。これにより、流動制御弁２０の閉成による狭められた開口に作用する吸気脈動の影響や、吸気弁７の弁リフト量の低減とによる狭められた開口に作用する吸気脈動の影響によって、これらの開口を通過する吸気流が不安定となるのを防止できる。従って、上述のような流動制御弁２０の閉成、及び壁部４５ａと吸気弁７の弁リフト量の低減とによる強力なタンブル流ｆ１の生成が、吸気脈動により阻害されるのを防止でき、タンブル流ｆ１の安定した生成が可能となる。
【００５３】
また、上述のように流動制御弁２０が閉成された低吸気量状態であっても、例えば、吸入空気量が比較的少ない極低吸気量状態では、タンブル流ｆ１の生成が阻害される場合がある。これは、流動制御弁２０により一旦絞られた吸気が、流動制御弁２０と開口部５ａとの間で不安定な乱流を発生させ、これにより、開口部５ａの流動制御弁２０が位置する側から燃焼室４内に流入する吸気が増量することで、こうした吸気が燃焼室４内のタンブル流ｆ１に対向し、タンブル流ｆ１を打ち消してしまうことに起因するものと考えられている。
しかしながら、壁部４５ａと弁リフト量の制御とにより、開口部５ａの内、流動制御弁２０が位置する側の開口部５ａの開口は狭まっており、この部分を通過して燃焼室４に流入する吸気が減少されるので、タンブル流ｆ１の抑制が防止できる。
【００５４】
当然ながら、極低吸気量状態においても固有振動数制御弁２１の全閉による吸気脈動の低減は図られているので、開口部５ａの内、排気ポート６が位置する側の開口部５ａを通過する吸気の安定化を図り、タンブル流ｆ１を確実に生成するとともに、一方、壁部４５ａが近傍に位置する開口部５ａを通過する吸気の安定化を図り、タンブル流ｆ１に対向する吸気を、確実に減少させることができる。
【００５５】
以上のように、リーンバーン運転領域Ｌの低吸気量状態では、流動制御弁２０の閉弁と壁部４５ａと吸気弁７の弁リフト量の制御とによって、常に強力で安定したタンブル流ｆ１を生成させることができるとともに、この時は固有振動数制御弁２１も全閉することで、タンブル流ｆ１を更に安定生成させることが可能となる。従って、燃焼安定性が向上し、リーンバーン運転時の燃焼安定限界がよりリーンな状態にシフトするため、リーンバーン運転領域Ｌにおける目標空燃比をより大きく設定することができ、燃費向上とＮＯｘ低減との両立が図れる。
【００５６】
次にエンジン１の運転状態が、理論空燃比での運転状態にある時（エンジン回転数がＮｅ１より高回転、あるいはエンジン負荷Ｑａ１より高負荷の場合）の吸気装置と吸気流との関係について説明する。
エンジン回転数がＮｅ１より高回転、あるいはエンジン負荷Ｑａ１より高負荷となる高吸気量状態の場合（領域Ｓ）には、エンジン１の出力増大が要求される領域であり、リーンバーン運転ではこのような出力増大を賄うことが困難となるため、燃料噴射制御部は、理論空燃比による運転に切換える（図９参照）。但し、運転状態が、全負荷に近い領域では、空燃比は理論空燃比よりもリッチに制御され、これにより触媒が異常高温となるのを防止している。
流動制御弁２０は、このような高吸気量状態では開弁されることになり、これにより流動制御弁２０によるタンブル流ｆ１の増大生成は抑制されるものの、開弁によりポンピング損失が低減するため、燃費の向上が図れる。（図４参照）
【００５７】
また、弁リフト量可変機構１２は、この状態において、ＥＣＵ３２の弁リフト可変機構制御部により吸気カム３９を高リフトカム３９ｂに切換えて、開口部５ａの開口をその全周に亘って大きくする。この時は、開口部５ａの内、壁部２１ａがある側の開口部５ａも大きく開口することになり、これによりタンブル流ｆ１の生成が抑制されるが、多量の吸入空気量を燃焼室４内に供給することが可能となり、高いエンジン出力を確保することができる。（図４、図７参照）
【００５８】
ところで、開口通路５ｂの排気ポート６側に形成される湾曲部５ｅの湾曲外方は、流動制御弁２０が閉弁した状態において、流動制御弁２０を通過する吸気が燃焼室４内でタンブル流ｆ１を増大生成しやすいように形成されているが、これは、高吸気量運転状態でも有効である。従って、上述のように流動制御弁２０の開成、及び吸気弁７の弁リフト量の増大制御によって、吸入空気量が増大された状態でも、湾曲部５ｅによるタンブル流ｆ１の増大生成が行われることになり、しかも、この時の吸気の流速は速いため、タンブル流ｆ１の勢いは、低吸気量状態と比べ衰えることはない。
【００５９】
こうした状態において、特に高負荷運転状態にある時は、ノッキングが発生し易くなる。これは、吸入空気量の増大とタンブル流ｆ１の増大生成とにより着火性が大きく促進されて、自着火が発生しやすくなることに起因する。
従来であれば、こうしたノッキングに対して点火時期を遅角側に設定することでこれを防止してきたが、点火時期の遅角化により燃焼が緩慢に行われてエンジンの発生トルクのピークが圧縮行程上死点よりも大きく遅角側が発生することなるため、エンジン出力が悪化するといった問題が生じていた。
【００６０】
これに対し、本実施形態では、ピストン３頂部３ａにタンブル流ｆ１を早期に崩壊させて減衰させる凸状部３ｂを形成させた。これにより、高吸気量状態において、燃焼室４内で生成されたタンブル流は、凸状部３ｂによって圧縮行程中の比較的早い時期から崩壊して乱れエネルギに変換し始めることになるため、これに対応して、点火時期を、乱れエネルギーが早急に減衰された後に設定することで、高負荷時のノッキング防止とエンジン出力の向上とを図っている。以下、図１０を参照してこれを詳細に説明する。
【００６１】
図１０は、クランク角に対応する燃焼室４内の点火プラグ１３近傍における吸気の乱流強度（乱れエネルギー）を測定した結果を示している。ラインＡ（プロット：＋）が、ピストン頂部３ａに凸状部３ｂを形成させたエンジンに関するデータで、ラインＢ（プロット：×）が、ピストン頂部３ａが平面状に形成されたエンジンに関するデータである。実験条件は、エンジン回転数が低回転でエンジン負荷が高負荷の状態とした。尚、エンジン回転数が低回転でエンジン負荷が低負荷の状態であっても、乱流強度の大きさは全体的に低下するが同様な傾向を示す。
この図１０によれば、ピストン頂部３ａが凸状に形成された場合は、平面状に形成された場合に比べ、乱流強度が大きい状態が進角側で見られることが理解できる。
【００６２】
このように乱流強度が大きい状態では、着火性が過度に良好な状態となっていることに加えて、高吸気量状態では吸入空気量が多いことによっても着火性が向上しているため、この状態で点火されると、自着火が発生し易くなりノッキングの発生頻度が増大する。一方、乱流強度が小さい状態では、元々、高吸気量状態のときであれば吸入空気量が多く着火性が向上されているので、この状態で点火さると自着火は抑制されることになる。
【００６３】
そこで、本実施形態では、ピストン頂部３ａを凸状形成にするとともに、点火制御部により高吸気量状態における点火時期を、乱流強度が増大後に所定値以下に小さくなった時期θｉより遅角側に設定している。しかも、エンジン出力が大きく低下しないように当該時期θｉよりも遅角側となる所定時期θｆを予め求め、点火時期を、上記の時期θｉと上記時期θｆとの間の所定期間内における所定時期に設定している。尚、好ましくは、点火時期を、乱流強度が増大後に所定値以下に小さくなった直後の所定時期（時期θｉ近傍）に設定すれば良い。
具体的には、この所定期間はエンジンの種類によって絶対的な点火時期は若干異なるが、図１０によれば、クランク角で圧縮行程上死点の略１８°前以降から、略５°前の間が好ましい。（より好ましくは、圧縮行程上死点の略１８°前以降から、略１０°前の間。）これにより、高吸気量状態において、ノッキングを抑制しつつ、エンジン出力を向上できることになる。
【００６４】
一方、ピストン頂部３ａを平面形状にした場合では、乱流強度が小さくなる期間は、圧縮上死点の５°以降となるが、これより進角側で点火すると、着火性は上述のように過度に良好であるためノッキングを発生する。また、これより遅角側で点火すると、ノッキングは防止されるが燃焼トルクは低下する。
従って、ピストン頂部３ａが平面形状の場合では、高吸気量運転状態の特に高負荷において、ノッキングを抑制しつつ、エンジン出力を向上させることはできない。
【００６５】
尚、このようなピストン頂部３ａの凸状部３ｂは、以下のように、上述のリーンバーン運転領域Ｌでの点火時期制御においても有効である。
つまり、リーンバーン運転領域Ｌとなる低吸気量状態において、リーンバーン運転中は燃焼速度が遅く、燃焼性が悪化し易いため、従来はリーンバーン運転中は、理論空燃比での運転時に比べ点火時期を進角側に設定することで、燃焼性を向上させていたが、本実施形態のようにピストン頂部３ａに凸状部３ｂを形成することで、点火時期の進角による燃焼性向上効果をより高めることができる。
具体的には、点火時期を乱流強度が大きくなる時よりも進角側、例えば図１０によれば、最適には、圧縮上死点の３５°前から３０°前ぐらいに設定する。これにより、点火後、凸状部３ｂによる乱流強度が比較的大きい状態で、初期燃焼中（噴射された燃料の１０％前後による初期の燃焼）させることができ、これにより初期燃焼の燃焼性を改善し、燃焼変動を低減することになる。こうした燃焼性向上により、リーン限界空燃比がよりリーン空燃比にシフトされ、目標空燃比をより大きな空燃比に設定することができ、燃費向上が図れる。
更に、このような点火時期の進角化により、初期燃焼後のトルクを実質的に生じさせる主燃焼（初期燃焼後、残りの噴射燃料による燃焼）の発生も、圧縮上死点近傍の比較的進角した時期に設定することが可能となり、リーンバーンによるエンジン出力の改善もでき、これによって燃費向上が図れる。
また、このように乱流エネルギーの発生時期を進角化できるため、ポンピング損失低減やＮＯｘ低減を目的として流動制御弁２０の下流にＥＧＲガスを供給するような場合でも、エンジン出力の改善が可能となる。
つまり、通常ＥＧＲガスを供給すると燃焼速度が低下することになるが、本実施形態のように、凸状部３ｂにより乱流強度を初期燃焼時期に合致させることができるため、これによって、燃焼速度の低下を抑制できる。しかも、この時の燃焼性も向上でき、エンジン出力が改善することになる。
【００６６】
（実験結果）
次に、高吸気量状態における本実施形態の実験結果を、図１１を参照して以下に説明する。
図１１は、エンジン回転数に対する点火時期特性を示しており、実線のラインＭＴ（プロット：▲）は、ピストン頂部３ａに凸状部３ｂを形成した場合において、各回転数に対する最大トルクを発生する点火時期（ＭＢＴ）を示し、実線のラインＦＴ（プロット：◆）は、ピストン頂部３ａを平面状に形成した場合において、各回転数に対する最大トルクを発生する点火時期を示す。また、破線のラインＭＮ（プロット：△）は、ピストン頂部３ａに凸状部３ｂを形成した場合において、各回転数に対するノッキング限界（これより進角側でノッキングが発生する限界値）となる点火時期を示し、破線のラインＦＮ（プロット：◇）は、ピストン頂部３ａを平面状に形成した場合において、各回転数に対するノッキング限界となる点火時期を示す。
尚、実験条件は、エンジン回転数が低回転で、エンジン負荷が全負荷状態で実験を行った。
【００６７】
これによると、ノッキング限界となる点火時期は、いずれの回転数においても、ピストン頂部３ａに凸状部３ｂを形成したエンジンの方が、ピストン頂部３ａが平面状のエンジンよりも、ＭＢＴに近づいており、従って、凸状部３ｂを形成したエンジンの方が、トルク改善効果が大きいことが分かる。
【００６８】
次に、エンジン回転数が増大して、エンジン回転数が負荷に関係なくＮｅ２以上となった時について説明する。
この状態では、固有振動数制御弁の制御部により固有振動数制御弁２１は開成されて、高速用通路１７を利用した吸気脈動による吸入空気量増大が図られて、これにより更に高いエンジン出力を確保できることになる。
また、この状態においても、高負荷状態においては、上述のような乱れエネルギーの減衰性能の向上によるノッキング防止、及びエンジン出力の向上が図れる。
【００６９】
（本実施形態に係る作用及び効果）
次に、以上のような実施形態による作用及び効果を説明する。
リーンバーン運転領域Ｌのような低吸気量状態では、流動制御弁２０を閉弁させたり、あるいは、吸気ポート５の開口部５ａ近傍に壁部４５ａを設けて、吸気弁７の弁リフト量を減少させることにより、燃焼室４内で生成されるタンブル流ｆ１を強化させ、且つピストン頂部３ａに凸状部３ｂを形成させることで、最適な点火時期を設定した場合、燃焼初期に乱れエネルギーを大きくすることができる。これにより、燃焼性が向上できるとともに燃焼安定性も向上するため、空燃比をよりリーンに設定して、燃費向上とリーン化に伴うＮＯｘ低減とを図ることが可能となる。
【００７０】
一方、上述のように低吸気量状態でタンブル流ｆ１を増大生成し易いように吸気装置を構成させると、高吸気量状態時においても、吸入空気量が増大された吸気によるタンブル流ｆ１の増大生成がおこなわれることになり、これにより、特に高負荷時はノッキングが発生し易くなる。これを改善しようとして点火時期の遅角設定（点火リタード）を行うとするとエンジン出力が損なわれることになる。
これに対し、本実施形態では、ピストン３の頂部３ａに凸状部３ｂを形成するとともに、これによるタンブル流ｆ１の崩壊によって乱流強度が増大した後に該乱流強度が所定値以下に低下した時期より遅角側で、且つ点火によりエンジン出力が比較的悪化する時期より進角側の所定期間内に点火時期を設定した。これにより、高吸気量状態において、ノッキングを防止しつつエンジン出力の悪化を防止できる。
また、リーンバーン運転領域において、点火時期を進角側に設定させることにより、ピストン３の凸状部３ｂによって生成されるタンブル流ｆ１崩壊に起因する乱流発生中に、点火による初期燃焼を行わせることができる。これにより、初期燃焼の燃焼性を改善して燃焼変動を低減できるとともに、同時に主燃焼の発生時期を圧縮上死点近傍に合致させることができるので、これらによって、リーンバーン運転中での燃費向上が図れる。
【００７１】
（他の実施形態）
上述のような実施形態においては、ピストン頂部３ａの凸状部３ｂの頂部をその先が尖るように形成させたが、これに代えて、凸状部３ｂの頂部は、ピストン３が圧縮上死点近傍に位置する状態で、点火プラグ１３のスパーク部分から所定距離離間するように平面状に形成させたり、あるいは凹状に形成させても良い。（図２の３ｃ参照）
これにより、点火プラグ１３による点火後、大部分の火炎伝播が凸状部３ｂに接触しながらこれに沿って進行することがないので、冷損を抑制して燃焼性を改善でき、燃焼効率の向上が図れる。
【００７２】
また、これと同様に、点火プラグ１３のスパーク部分と凸状部３ｂの頂部とが、ピストン３の往復動方向に平行な同じ軸線上に配置されないように形成させても良い。つまり、ピストン３が圧縮行程上死点近傍に位置する状態において、凸状部３ｂの頂点は、点火プラグ１３のスパーク部分に対向する地点に位置せず、エンジン１の前後方向（図２の紙面の表裏方向）から見て、横方向にオフセットするように位置される（図２の３ｄ参照）。これによっても冷損の抑制による燃焼効率の向上が可能である。
【００７３】
また、本実施形態においては、リーンバーン運転を行うエンジンに対して、本発明を適用した場合について説明したが、これに代えて、低回転あるいは低負荷でＥＧＲ量あるいはＥＧＲ率を増量制御してＮＯｘ低減やポンピング損失低減を図るエンジンにも適応可能である。
この場合において、エンジン１のＥＣＵ３２は、ＥＧＲ制御部（図示せず）によりＥＧＲ弁３１の開度を制御可能であるとともに、図９に示す制御マップと同様に運転状態を区画した制御マップを記録している。制御マップは、全負荷に近い高回転あるは高負荷を除いて、基本的に理論空燃比での運転を行うよう設定するとともに、領域ＬでＥＧＲ量の増量制御を行うよう設定している。流動制御弁の制御部による流動制御弁２０の開閉制御と、弁リフト可変機構制御部による弁リフト量の切換制御と、固有振動数制御弁の制御部による固有振動数制御弁２１の切換制御は、上述の実施例と同じである。
これにより、低吸気量運転領域において、強力なタンブル流ｆ１によりＥＧＲ増量に対する燃焼性を向上させるとともに、高吸気量運転状態において、ノッキング防止とエンジン出力向上とを図ることができる。
【００７４】
また、本実施形態においては、マスク部４５により形成される壁部４５ａによって、開口部から流入してタンブル流ｆ１を抑制する吸気流を低減させたが、これに限らず、吸気ポート５の開口通路５ｂの流動制御弁２０側の内壁に窪みや凸部を設けることで、開口部５ａから流入してタンブル流ｆ１を抑制する吸気流を低減させてもよい。
また、吸気流動制御弁２０は、本実施形態の構造に限定されず、例えばロータリタイプの弁であっても良い。
また、本実施形態においては、ＥＧＲ弁３１の制御により排気還流量を制御したが、これに代えてあるいは併用して、弁リフト可変機構１２に、更に吸気弁７の開弁時期を調整する機構を設け、これにより吸気弁７と排気弁８との開弁時期とのオーバーラップ期間を可変にし、例えば第２の実施形態におけるＥＧＲ量制御のように燃焼室４に残留する燃焼ガス（既燃ガス）量を制御してもよい。また、吸気弁７の開弁時期を制御するのではなく、排気弁８の開弁時期を制御する開弁時期制御機構を排気弁８に設けて、これにより吸気弁７と排気弁８とのオーバーラップ期間を調整して、既燃ガス量を制御しても良い。
また、エンジン１は、直噴ガソリンエンジンであっても構わない。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、低吸気量運転領域で吸気通路に設けた弁体を閉成させ、この時にタンブル流が増大されるよう形成された吸気通路を備える火花点火式エンジンにおいて、該エンジンのピストン頂部に凸状部を形成することにより、高吸気運転領域におけるタンブル流の過剰な増大生成を抑制して、耐ノッキング性を向上できるため、これにより大幅な点火リタードを実行することなく、エンジン出力を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジンを示す全体構成図。
【図２】シリンダヘッド及びその周辺部の吸気装置に関し、吸気弁７が低リフト量状態となる時の側断面を模式的に示した概略図。
【図３】図２のＸ−Ｘ断面を模式的に示した概略図。
【図４】シリンダヘッド１４及びその周辺部の吸気装置に関し、吸気弁７が高リフト量状態となる時の側断面を模式的に示した概略図。
【図５】燃焼室４側からマスク部４５を見た図。
【図６】吸気弁７が低リフト量状態となるときの吸気弁７の開弁状態を示す模式図。
【図７】吸気弁７が高リフト量状態となるときの吸気弁７の開弁状態を示す模式図。
【図８】吸気弁７の弁リフト量について説明する説明図。
【図９】ＥＣＵ３２の制御マップを示す説明図。
【図１０】クランク角と乱流強度との関連を示すグラフ。
【図１１】エンジン回転数に対する点火時期特性の実験結果を示すグラフ。
【符号の説明】
２：気筒
３：ピストン
３ａ：ピストン頂部
３ｂ：凸状部
４：燃焼室
５：吸気ポート
５ｅ：湾曲部
７：吸気弁
１２：弁リフト可変機構
１３：点火プラグ
２０：流動制御弁（弁体）
３１：ＥＧＲ弁（排気還流制御手段）
４５ａ：壁部
ｆ１：タンブル流
Ｌ：リーンバーン運転領域（低吸気量運転領域）
Ｓ：理論空燃比運転領域（高吸気量運転領域）

Claims

燃焼室に供給される吸気が、ピストンの往復動方向に対して所定角度傾斜した方向で、該燃焼室に向かうよう形成された吸気通路と、
該吸気通路と該燃焼室とを連通する開口部を開閉させる吸気弁と、
該吸気弁上流の上記吸気通路に配置された弁体と、
該弁体を、吸入空気量が少ない低吸気量運転領域で閉成させる弁体制御手段と、
上記燃焼室において、上記ピストン頂部に対向する位置に配置された点火プラグにより、該燃焼室内の混合気を点火させる点火制御手段とを備え、
上記吸気通路には、該弁体制御手段により上記弁体が閉成された状態及び開成された状態で、該弁体を通過する吸気が上記燃焼室内における吸気のタンブル流を増大生成させるように、上記開口部の直ぐ上流における該吸気通路の傾斜角度を所定角度より小さくさせる湾曲部が形成されるとともに、
上記ピストンの頂部には、上記燃焼室の内方側に隆起した凸状部が形成されることを特徴とする火花点火式エンジン。
エンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段を備え、
該空燃比制御手段は、上記低吸気量運転領域において、空燃比を理論空燃比よりもリーンに設定するとともに、吸入空気量が多い高吸気運転領域では、空燃比を理論空燃比近傍あるいは理論空燃比よりリッチに設定することを特徴とする請求項１記載の火花点火式エンジン。
上記点火制御手段は、吸入空気量が多い高吸気運転領域では、圧縮上死点よりも前で燃焼室内において生成されたタンブル流が上記凸状部により減衰された後に、点火するよう点火時期を制御することを特徴とする請求項１記載の火花点火式エンジン。
上記ピストンの凸状部は、該ピストンが上死点に位置している状態において、該凸状部の頂部が上記点火プラグから所定距離離間するよう形成されることを特徴とする請求項１記載の火花点火式エンジン。
上記ピストンの凸状部は、該ピストンが上死点に位置している状態において、該凸状部の頂部と上記点火プラグとが、ピストンの往復動方向に平行な同じ線上に配置されないように形成されることを特徴とする請求項１記載の火花点火式エンジン。