JP2005090389A - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】成層燃焼に際し、噴霧の広がりを制御して、エミッションを改善する。
【解決手段】ピストン１２の冠面にキャビティ１２１を形成するとともに、キャビティ１２１の中央部上方にインジェクタ１９を設置する。要求負荷に応じた量の燃料を２回の噴射動作により噴射し、１回目の噴射動作により噴射された噴霧を、２回目の噴射動作により噴射された噴霧により押し広げ、噴霧の広がりを制御する。キャビティ１２１は、中央部の内側キャビティ１２１ａと、その周囲の外側キャビティ１２１ｂとから構成し、内側キャビティ１２１ａを指向して２回の噴射動作を行わせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内噴射式内燃機関に関し、詳細には、ピストンの冠面にキャビティを設けるとともに、燃料供給用のインジェクタをこのキャビティの中央部上方に設置した筒内噴射式内燃機関に関する。

燃料供給用のインジェクタを燃焼室に臨ませて設置し、所定の運転領域での燃焼に際し、このインジェクタにより圧縮行程中に燃料を噴射させ、混合気を層状に形成する内燃機関が知られている。この筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷域及び中負荷域で混合気を層状化することで、これらの運転領域での燃料消費量を大幅に削減することができる。混合気を層状化して行う成層燃焼では、着火性を確保するため、燃料の噴霧を点火プラグ周りに集中させて混合気塊を形成することが必要である。

従来、筒内噴射式内燃機関として、次のものが知られている。すなわち、ピストンの冠面にキャビティを形成し、このキャビティの中央部に、キャビティの周壁面から滑らかに接続する隆起部を設ける一方、インジェクタを隆起部の上方に設置するとともに、点火プラグをインジェクタに隣接させて設置したものである（特許文献１）。このものによれば、インジェクタにより噴射された燃料の噴霧（以下「噴霧」という。）は、キャビティの周壁面沿いに案内されて中央部に向かい、さらに隆起部沿いに案内されてキャビティから上昇し、点火プラグに向かう。このため、成層燃焼に際し、噴霧を点火プラグ周りに集中させて混合気塊を形成することができる。
特開平１１−０８２０２８号公報（段落番号００１０〜００１２）

しかしながら、上記の筒内噴射式内燃機関には、次のような問題がある。成層燃焼では、混合気塊内で燃料をほぼ均一に、かつ適度な空燃比で分布させることが、特にエミッションの観点から重要となる。燃料が濃いリッチ部分の存在は、炭化水素（以下「ＨＣ」という。）及び一酸化炭素（以下「ＣＯ」という。）の増加や、局所的な燃焼温度の上昇による窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）の生成の原因となるし、また、燃料が薄いリーン部分の存在は、失火によるＨＣ及びＣＯの増加の原因となるからである。ここで、上記の筒内噴射式内燃機関では、成層燃焼に際し、噴霧を点火プラグ周りに集中させることができるものの、燃料噴射量によらず噴霧がキャビティ内で同様な経路で案内されるため、噴霧の広がりを制御することまではできない。このため、成層燃焼域のうち、燃料噴射量の多い高負荷側の領域では、混合気塊の空燃比が全体として減少するとともに、リッチ部分が発生し易い傾向にあり、また、燃料噴射量の少ない低負荷側の領域では、混合気塊の空燃比が全体として増大するとともに、リーン部分が発生し易い傾向にあり、いずれの領域でもエミッションの悪化が問題となる。

本発明は、着火性を確保することに加え、噴霧の広がりを制御することを可能として、成層燃焼時のエミッションを改善することを目的とする。

本発明は、筒内噴射式内燃機関において、ピストンの冠面にキャビティを設け、このキャビティの中央部上方に、燃料の噴射方向をピストンの移動方向と平行にしてインジェクタを設置し、インジェクタに隣接させて点火プラグを設置する。そして、インジェクタによる燃料噴射のため、圧縮行程中に第１の噴射期間と、この第１の噴射期間よりも遅い時期の第２の噴射期間とを設定し、燃料噴射を複数の時期に分けて行わせる。先の燃料噴射と、後の燃料噴射とは、ともに前記キャビティを指向して行わせる。

本発明によれば、第１の噴射期間に噴射された噴霧（以下「第１の噴霧」という。）をキャビティにより案内して混合気の層状化を促すとともに、第２の噴射期間に噴射された噴霧（以下「第２の噴霧」という。）により第１の噴霧を適度に押し広げることができる。このため、噴霧に適度な広がりを持たせて混合気塊を形成することができ、混合気塊全体の空燃比を良好なものとするとともに、リッチ部分及びリーン部分の発生を防止し、エミッションを改善することができる。また、形成された混合気塊において、第２の噴霧は点火プラグ周りに分布することになるので、着火性を確保することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る筒内噴射式内燃機関（以下「エンジン」という。）１の構成を示している。
シリンダブロック１１には、ピストン１２が挿入されており、ピストン１２の冠面とシリンダヘッド１３の下面との間に形成される空間が、燃焼室１４となる。シリンダヘッド１３には、気筒中心軸ｍを基準とした一側に吸気ポート１５が形成されており、吸気ポート１５は、図示しない吸気マニホールドと接続して、吸気通路を形成している。吸気ポート１５は、吸気弁１６により開放及び遮断される。一方、気筒中心軸ｍを基準とした他側に排気ポート１７が形成されており、排気ポート１７は、図示しない排気マニホールドと接続して、排気通路を形成している。排気ポート１７は、排気弁１８により開放及び遮断される。また、シリンダヘッド１３には、燃焼室１４の上部略中央に臨ませてインジェクタ１９が設置されるとともに、このインジェクタ１９に隣接させて点火プラグ２０が設置されている。インジェクタ１９は、気筒中心軸ｍ上に配置されており、その噴射方向は、気筒中心軸ｍと平行に設定されている。ここで、インジェクタ１９により噴射される噴霧Ｓの中心線（以下「噴霧中心線」という。）を記号ｎで示している。インジェクタ１９からは、中空のコーン状に燃料が噴射される。噴霧中心線ｎは、気筒中心軸ｍと平行である。なお、ここでいう「平行」とは、完全な平行に限らず、実質的な平行を含む概念である。すなわち、噴霧中心線ｎは、気筒中心軸ｍと平行又はこれに近い状態にあり、噴霧を押し広げるという、後述する作用が得られる状態にあればよい。インジェクタ１９へは、燃料ポンプ２１により加圧された燃料が、燃料配管２２を介して規定圧力で供給される。燃料ポンプ２１は、エンジン１の出力により駆動される。

ピストン１２の冠面には、噴霧を案内するためのキャビティ１２１が形成されている。このキャビティ１２１は、冠面の中央部に形成された内側キャビティ１２１ａと、その周囲に形成された、内側キャビティよりも浅い外側キャビティ１２１ｂとから構成される。内側キャビティ１２１ａは、気筒中心軸ｍに垂直な断面で円形に形成されており、その中心は、噴霧中心線ｎ上に設定されている。一方、外側キャビティ１２１ｂは、同じ断面で環状に形成されている。これらのキャビティ１２１ａ，１２１ｂの底面は、いずれも平坦に形成されており、側面は、噴霧中心線ｎに沿って上方から下方に向けて噴霧中心線ｎからの距離が拡大されている。キャビティ１２１ａ，１２１ｂの底面と側面とは、適度な曲面により滑らかに接続されている。

エンジン１の運転は、コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）３１により統合的に制御される。エンジン１には、吸入空気量ＱＭを検出するエアフローメータ４１からの信号、アクセル開度ＡＰＯを検出するアクセルセンサ４２からの信号、クランク角センサ４３からの信号（この信号をもとに、エンジン回転数ＮＥを算出する。）、及び冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ４４からの信号が入力される。ＥＣＵ３１は、これらの信号をもとに、インジェクタ１９の燃料噴射量及び噴射時期、並びに点火プラグ２０の点火時期を演算し、設定する。

本実施形態では、エンジン１の運転状態に応じ、拡散燃焼と成層燃焼とで燃焼形態を切り換える。拡散燃焼では、空燃比を理論空燃比に設定するとともに、燃料噴射時期を吸気行程中に設定し、噴霧を燃焼室１４全体に拡散させて混合気を形成する。成層燃焼では、空燃比を理論空燃比よりも高い値に設定するとともに、燃料噴射時期を圧縮行程中に設定し、点火プラグ２０近傍の領域に噴霧を集中させ、混合気を層状に形成する。

次に、成層燃焼時における燃料噴射制御について説明する。
本実施形態では、成層燃焼に際し、エンジン１の要求負荷に応じてインジェクタ１９の噴射形態を切り換える。すなわち、成層燃焼域のうち、要求負荷が比較的に低い低負荷域と、要求負荷が比較的に高い高負荷域とでは、設定した量の燃料を１回の噴射動作により噴射させる。また、これらの負荷領域に挟まれた中負荷域では、設定した量の燃料を２回の噴射動作により噴射させる。

図２は、成層燃焼時における噴射動作の概念を示している。本実施形態では、インジェクタ１９への燃料の供給圧力を一定とするとともに、噴射動作の開始時期（以下「噴射時期」という。）ＩＴｃｏｓから終了時期（以下「噴射終了時期」という。）ＩＴｃｏｅまでを噴射期間ΔＩＴとし、この噴射期間ΔＩＴの長さを要求負荷Ｔに応じて変化させる。すなわち、本実施形態では、噴射期間ΔＩＴの長さの調節により燃料噴射量を増減させることとする。

図２において、記号ＣＡ０は、インジェクタ１９により噴射された噴霧Ｓが、内側キャビティ１２１ａと外側キャビティ１２１ｂとの境界に衝突することとなる噴射時期を示している（図１の二点鎖線）。噴射時期ＩＴｃｏｓ及び噴射終了時期ＩＴｃｏｅが時期ＣＡ０よりもクランク角に関して早いときは、ピストン１２は比較的に低い位置にあり、噴霧Ｓは外側キャビティ１２１ｂの底面に衝突する（図１の実線）。このため、内側及び外側キャビティ１２１ａ，１２１ｂ内及びこれらの上方に噴霧が分布した混合気塊が形成される。噴射時期ＩＴｃｏｓが時期ＣＡ０よりもクランク角に関して遅いときは、ピストン１２は比較的に高い位置にあり、噴霧Ｓは内側キャビティ１２１ａの底面に衝突する（図１の点線）。このため、内側キャビティ１２１ａ内及びその上方に噴霧が分布した混合気塊が形成される。

要求負荷Ｔが低負荷域と中負荷域とを隔てる所定の負荷Ｔ１よりも低いときは、設定した量の燃料を１回の噴射動作により噴射させるための設定とする。すなわち、噴射時期ＩＴｃｏｓを時期ＣＡ０よりも遅角側に設定し、内側キャビティ１２１ａを利用して混合気塊を形成する。具体的には、噴射終了時期ＩＴｃｏｅを上死点ＴＤＣの直前に固定して設定し、この噴射終了時期ＩＴｃｏｅよりも要求負荷Ｔに応じたクランク角だけ進めた時期に噴射時期ＩＴｃｏｓを設定する。また、噴射時期ＩＴｃｏｓは、要求負荷Ｔの増大に応じて進角させる。

要求負荷Ｔが中負荷域と高負荷域とを隔てる所定の負荷Ｔ２（＞Ｔ１）よりも高いときは、設定した量の燃料を１回の噴射動作により噴射させるための設定とするが、噴射時期ＩＴｃｏｓ及び噴射終了時期ＩＴｃｏｅを時期ＣＡ０よりも進角側に設定し、外側キャビティ１２１ｂを利用して混合気塊を形成する。具体的には、噴射終了時期ＩＴｃｏｅを時期ＣＡ０の直前に固定して設定し、この噴射終了時期ＩＴｃｏｅよりも要求負荷Ｔに応じたクランク角だけ進めた時期に噴射時期ＩＴｃｏｓを設定する。また、前述同様に、要求負荷Ｔの増大に応じて噴射時期ＩＴｃｏｓを進角させる。なお、このような設定により良好な混合気塊が形成されず、外側キャビティ１２１ｂ内及びその上方に噴霧が集中し、内側キャビティ１２１ａ内及びその上方に分布する噴霧が少ないときは、噴射動作を２回に分け、外側キャビティ１２１ｂを指向して１回目の噴射動作を行わせるとともに、内側キャビティ１２１ａを指向して２回目の噴射動作を行わせるとよい。

なお、負荷Ｔ１は、内側キャビティ１２１ａを利用した場合に、形成される混合気塊が小さく、混合気塊全体の空燃比が低くなり過ぎることのない上限に設定する。また、負荷Ｔ２は、外側キャビティ１２１ｂを利用した場合に、形成される混合気塊が大きく、混合気塊全体の空燃比が高くなり過ぎることのない下限に設定する。
要求負荷Ｔが負荷Ｔ１以上、かつ負荷Ｔ２以下の中負荷域にあるときは、設定した量の燃料を２回の噴射動作により噴射させるための設定とする。すなわち、１回目の噴射動作のための噴射時期（以下「第１の噴射時期」という。）ＩＴｃｏｓ１を時期ＣＡ０よりも遅角させて設定するとともに、２回目の噴射動作のための噴射時期（以下「第２の噴射時期」という。）ＩＴｃｏｓ２を、１回目の噴射動作が終了した後に設定する。具体的には、２回目の噴射動作のための噴射終了時期（以下「第２の噴射終了時期」という。）ＩＴｃｏｅ２を上死点ＴＤＣの直前に固定して設定するとともに、１回目の噴射動作のための噴射終了時期（以下「第１の噴射終了時期」という。）ＩＴｃｏｅ１を第２の噴射終了時期ＩＴｃｏｅ２よりも所定のクランク角だけ進めた時期に固定して設定する。そして、第１の噴射時期ＩＴｃｏｓ１を第１の噴射終了時期ＩＴｃｏｅ１よりも要求負荷Ｔに応じたクランク角だけ進めた時期に設定し、第２の噴射時期ＩＴｃｏｓ２を第２の噴射終了時期ＩＴｃｏｅ２よりも所定のクランク角だけ進めた時期に設定する。第１の噴射終了時期ＩＴｃｏｅ１と第２の噴射終了時期ＩＴｃｏｅ２との間に充分な間隔を持たせることで、２回の噴射動作が実質的に連続した噴射動作とならないようにする。具体的には、１回目の噴射動作が終了した後、インジェクタ１９の先端部近傍におけるガス流動、すなわち、噴射方向に向かう空気の流れがある程度収まってから２回目の噴射動作を行わせるようにする。また、第１の噴射時期ＩＴｃｏｓ１は、要求負荷Ｔの増大に応じて進角させることとし、２回目の噴射動作に際して設定される噴射期間ΔＩＴ２（「第２の噴射期間」に相当する。）は、中負荷域全体に渡りクランク角に関して長さを一定とし、かつ１回目の噴射動作に際して設定される噴射期間ΔＩＴ１（「第１の噴射期間」に相当する。）よりも短くする。

なお、本実施形態では、第１の噴射時期ＩＴｃｏｓ１及び第１の噴射終了時期ＩＴｃｏｅ１は、いずれも低負荷域で設定される噴射時期ＩＴｃｏｓよりも進角側に設定する。また、１回目の噴射動作に際して設定される噴射期間ΔＩＴ１は、低負荷域の最小負荷に対応して設定される噴射期間以上の長さに設定する。一方、第２の噴射終了時期ＩＴｃｏｅ２は、低負荷域で設定される噴射終了時期ＩＴｃｏｅと同じ時期に設定し、所定の噴射期間ΔＩＴ２は、低負荷域の最小負荷に対応して設定される噴射期間よりも短くする。

次に、ＥＣＵ３１の動作をフローチャートにより説明する。
図３は、燃料噴射制御ルーチンのフローチャートであり、このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
Ｓ１０１では、吸入空気量ＱＭ、エンジン回転数ＮＥ及びアクセル開度ＡＰＯを読み込む。

Ｓ１０２では、目標トルクＴＴＣを算出する。目標トルクＴＴＣは、エンジン１の要求負荷Ｔに対応するものであり、例えば、アクセル開度ＡＰＯに対応させて割り付けたテーブルデータをＥＣＵ３１に格納しておき、検出したＡＰＯによりこのテーブルを検索することにより算出する。目標トルクＴＴＣは、アクセル開度ＡＰＯが大きいときほど大きな値として算出する。

Ｓ１０３では、エンジン１が成層燃焼域にあるか否かを判定する。成層燃焼域にあるか、拡散燃焼域にあるかの判断は、エンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣにより定められるエンジン１の運転状態が、所定の成層燃焼域にあるか否かを判断することにより行う。成層燃焼域は、要求負荷Ｔに応じ、比較的に低負荷側の領域として設定する。成層燃焼域にあるときは、Ｓ１０４へ進み、成層燃焼域にないときは、Ｓ１１２へ進む。

Ｓ１０４では、目標燃空比ＴＦＢＹＡを設定する。目標燃空比ＴＦＢＹＡは、エンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに対応させて割り付けたマップを検索して算出し、ＮＥが高く、かつＴＴＣが大きいときほど大きな値に設定する。なお、目標燃空比は、空気過剰率の逆数とする。
Ｓ１０５では、燃料噴射量Ｑｆａを算出する。燃料噴射量Ｑｆａは、吸入空気量ＱＭ及びエンジン回転数ＮＥに基づいて理論空燃比相当の基本燃料噴射量（＝Ｋ×ＱＭ／ＮＥ：Ｋを定数とする。）を算出するとともに、算出した基本燃料噴射量に目標燃空比ＴＦＢＹＡを乗算して算出する。また、算出したＱｆａに対し、冷却水温度Ｔｗ等に応じた各種の補正を施し、最終的な燃料噴射量Ｑｆａを設定するようにしてもよい。

Ｓ１０６では、目標トルクＴＴＣが所定の負荷Ｔ１に対応するトルクＴＴＣ１以上、かつ負荷Ｔ２に対応するトルクＴＴＣ２以下の範囲にあるか否かを判定する。負荷Ｔ１及びＴ２は、図２の説明で述べた負荷領域を定めるためのものである。目標トルクＴＴＣがこの範囲にあるときは、Ｓ１０７へ進み、この範囲にないときは、Ｓ１１０へ進む。
Ｓ１０７〜１０９では、エンジン１が成層燃焼域の中負荷域にあるものとして、インジェクタ１９に対し、次のように２回の噴射動作を行わせる。

すなわち、Ｓ１０７では、１回目の噴射動作のための燃料噴射量Ｑｆ１を設定する。燃料噴射量Ｑｆ１は、Ｓ１０５で算出した燃料噴射量Ｑｆａから２回目の噴射動作のための燃料噴射量Ｑｆ２を減算して設定する（Ｑｆ１＝Ｑｆａ−Ｑｆ２）。ここで、燃料噴射量Ｑｆ２は、中負荷域全体に渡り一定の値に設定されている。燃料噴射量Ｑｆ２は、２回目の噴射動作により噴射される第２の噴霧により良好な着火性が得られるように、実験により決定する。

Ｓ１０８では、第１の噴射時期ＩＴｃｏｓ１及び第２の噴射時期ＩＴｃｏｓ２を設定する。第１の噴射時期ＩＴｃｏｓ１及び第２の噴射時期ＩＴｃｏｓ２は、燃料噴射量Ｑｆ１に対応させて割り付けたテーブル（図４）を検索して設定する。このテーブルにおいて、燃料噴射量Ｑｆ１１及びＱｆ１２は、負荷Ｔ１，Ｔ２に夫々対応する。また、第１の噴射時期ＩＴｃｏｓ１は、予め定められた第１の噴射終了時期ＩＴｃｏｅ１から燃料噴射量Ｑｆ１に応じた長さの噴射期間ΔＩＴ１だけ進角させた時期に、第２の噴射時期ＩＴｃｏｓ２は、予め定められた第２の噴射終了時期ＩＴｃｏｅ２から所定の噴射期間ΔＩＴ２だけ進角させた時期に、夫々設定する。

Ｓ１０９では、設定した第１及び第２の噴射時期ＩＴｃｏｓ１，ＩＴｃｏｓ２により燃料噴射を実行する。
一方、Ｓ１１０，１１１では、エンジン１が成層燃焼域の低負荷域又は高負荷域にあるものとして、インジェクタ１９に対し、次のように１回の噴射動作を行わせる。
すなわち、Ｓ１１０では、噴射時期ＩＴｃｏｓを設定する。噴射時期ＩＴｃｏｓは、燃料噴射量Ｑｆａに対応させて割り付けたテーブル（図５）を検索して設定する。このテーブルにおいて、燃料噴射量Ｑｆａ１及びＱｆａ２は、負荷Ｔ１，Ｔ２に夫々対応する。また、噴射時期ＩＴｃｏｓは、予め定められた噴射終了時期ＩＴｃｏｅから燃料噴射量Ｑｆａに応じた長さの噴射期間だけ進角させた時期に設定する。

Ｓ１１１では、設定した噴射時期ＩＴｃｏｓにより燃料噴射を実行する。
Ｓ１１２〜１１５では、次のように拡散燃焼による運転を行う。
すなわち、Ｓ１１２では、目標燃空比ＴＦＢＹＡを１に設定する。
Ｓ１１３では、吸入空気量ＱＭ及びエンジン回転数ＮＥに基づいて燃料噴射量Ｑｆａ（＝Ｋ×ＱＭ／ＮＥ）を算出する。

Ｓ１１４では、噴射時期ＩＴｉｎｓを設定する。噴射時期ＩＴｉｎｓは、噴射動作の開始時期として、エンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに対応させて割り付けたマップを検索して設定する。噴射時期ＩＴｉｎｓは、吸気行程中の時期として、ＮＥが高く、かつＴＴＣが大きいときほど進角させて設定する。
Ｓ１１５では、設定した噴射時期ＩＴｉｎｓにより燃料噴射を実行する。

Ｓ１１６では、点火時期を設定する。成層燃焼域の中負荷域において、点火時期は、２回目の噴射動作により噴射された第２の噴霧がピストン１２の冠面に衝突する前の時期に設定する。
図６は、成層燃焼時に混合気塊が形成される様子を示している。
（ａ）は、低負荷域の場合を示している。低負荷域では、燃料は、１回の噴射動作により内側キャビティ１２１ａに向けて噴射される。噴射時に与えられる噴霧の運動量で内側キャビティ１２１ａ内に循環流が形成され、内側キャビティ１２１ａ内及びその上方に噴霧が集中した混合気塊Ｍが形成される。

（ｃ）は、高負荷域の場合を示している。高負荷域では、燃料は、１回の噴射動作により噴射されるが、噴射時期ＩＴｃｏｓが比較的に早い時期に設定されることで、外側キャビティ１２１ｂを指向して噴射される。噴射時に与えられる噴霧の運動量で外側キャビティ１２１ｂ内に循環流が形成され、内側キャビティ１２１ａ及び外側キャビティ１２１ｂ内、並びにこれらの上方に噴霧が広がった混合気塊Ｍが形成される。

（ｂ）は、中負荷域の場合を示している。中負荷域では、燃料は、２回の噴射動作により噴射される。１回目の噴射動作では、内側キャビティ１２１ａ内に燃料が噴射され、１回目の噴射動作が終了した後、上死点ＴＤＣに近い時期に２回目の噴射動作が行われる。２回目の噴射動作において、内側キャビティ１２１ａに向けて燃料が噴射されることで、１回目の噴射動作により内側キャビティ１２１ａ内に噴射された第１の噴霧Ｍ１が、２回目の噴射動作により噴射された第２の噴霧Ｍ２により上方から内側キャビティ１２１ａ内に押し込まれ、内側キャビティ１２１ａからはみ出すように広げられる。その結果、内側キャビティ１２１ａを利用して形成される混合気塊よりも大きいが、外側キャビティ１２１ｂを利用して形成される混合気塊よりは小さい、燃料噴射量Ｑｆａに応じた適度な大きさの混合気塊が形成される。なお、インジェクタがキャビティに対して横方向から燃料を噴射するサイド噴射式のものでは、２回の噴射動作により燃料を噴射したとしても、１回目に噴射動作によりキャビティ内に噴射された噴霧が２回目の噴射動作により噴射された噴霧により上方に吹き上げられることとなるので、混合気塊の大きさを制御することはできない。

本実施形態に関し、図３に示すフローチャートのＳ１０７及び１０８の処理のうち、第１の噴射時期ＩＴｃｏｓ１の設定が第１の噴射期間設定手段を、Ｓ１０８の処理のうち、第２の噴射時期ＩＴｃｏｓ２の設定が第２の噴射期間設定手段を、Ｓ１１０の処理のうち、低負荷時における噴射時期ＩＴｃｏｓの設定が低負荷時噴射期間設定手段を、Ｓ１１０のうち、高負荷時における噴射時期ＩＴｃｏｓの設定が高負荷時噴射期間設定手段を、アクセルセンサ４２及びクランク角センサ４３が運転状態検出手段を、図３に示すフローチャートのＳ１１６の処理が点火時期設定手段を構成する。

本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、ピストン１２の冠面にキャビティ１２１を形成し、このキャビティ１２１の中央部上方にインジェクタ１９を設置するとともに、成層燃焼に際し、中負荷域では燃料を２回の噴射動作により噴射することとした。このため、１回目の噴射動作により噴射された第１の噴霧を２回目の噴射動作により噴射された第２の噴霧により押し広げ、適度な広がりを持たせることができるので、混合気塊全体の空燃比をほぼ均一に、かつ良好なものとするとともに、リッチ部分及びリーン部分の発生を防止し、エミッションを改善することができる。また、形成された混合気塊において、第２の噴霧は点火プラグ周りに分布することになるので、着火性を確保することができる。

第２に、キャビティ１２１を中央部の内側キャビティ１２１ａと、その周囲の外側キャビティ１２１ｂとから構成し、低負荷時には内側キャビティ１２１ａを、高負荷時には外側キャビティ１２１ｂを指向して噴射動作を行わせることとした。このため、中負荷域ばかりでなく、低負荷域及び高負荷域でも燃料噴射量Ｑｆａに応じた適度な大きさの混合気塊を形成することができる。

なお、中負荷域に相当する量の燃料を１回の噴射動作により噴射した場合は、次のようにエミッション及び燃料消費量の悪化が問題となる。
図７は、噴射形態に応じた燃料消費量ＣＯＮＳを示している。中負荷域において、１回の噴射動作により内側キャビティ１２１ａを指向して混合気を形成した場合は、燃料噴射量に対して形成される混合気塊が小さく、混合気塊全体の空燃比が低くなり過ぎる（図８ａ）。このため、スモークの増大及びＮＯｘの生成が問題となるうえ、燃料が過度に濃くなることから、燃焼安定性が損なわれ、燃料消費量が増大する。一方、中負荷域において、１回の噴射動作により外側キャビティ１２１ｂを指向して混合気塊を形成した場合は、燃料噴射量に対して形成される混合気塊が大きく、混合気塊全体の空燃比が高くなり過ぎる（図８ｂ）。このため、失火によるＨＣ及びＣＯの増大が問題となるうえ、燃料が不足しがちであることから、燃焼安定性が損なわれ、燃料消費量が増大する。これに対し、本実施形態によれば、２回の噴射動作を行わせ、第１の噴霧を第２の噴霧により押し広げることで、形成される混合気塊の大きさが適度なものとなり、エミッションが良く、失火も生じない安定した燃焼を実現することができ、燃料消費量を低減することができる。

第３に、点火時期を設定し、（キャビティ１２１や燃焼室１４の壁面により案内され、点火プラグ２０へ向かうものでなく）ピストン１２の冠面に向かう途中の第２の噴霧に対して点火を行うこととした。このため、点火プラグ２０周りに燃料が充分な空燃比で存在している状態で点火を行うことができ、良好な着火性を確保することができる。また、第２の噴霧がピストン１２の冠面に衝突する前に点火を行うことで、第１の噴霧が広がり過ぎ、リーン部分が発生するのを防止することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの筒内噴射式内燃機関の構成 成層燃焼時における噴射形態別の噴射期間 燃料噴射制御ルーチンのフローチャート 中負荷域における第１及び第２の噴射時期のテーブル 低負荷域及び高負荷域における噴射時期のテーブル 噴射形態に応じた混合気塊の形成概念 本発明の一実施形態に係るエンジンの燃料消費量 中負荷域で１回のみの噴射動作を行う場合の混合気塊

符号の説明

１…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…ピストン、１２１…キャビティ、１２１ａ…内側キャビティ、１２１ｂ…外側キャビティ、１３…シリンダヘッド、１４…燃焼室、１５…吸気ポート、１６…吸気弁、１７…排気ポート、１８…排気弁、１９…インジェクタ、２０…点火プラグ、２１…燃料ポンプ、３１…コントロールユニット、４１…エアフローメータ、４２…アクセルセンサ、４３…クランク角センサ、４４…水温センサ、Ｓ…噴霧、ｍ…気筒中心軸、ｎ…噴霧中心線。

Claims (10)

1. 冠面にキャビティを有するピストンと、
   前記キャビティの中央部上方に位置し、かつ燃料の噴射方向がピストンの移動方向と平行であるインジェクタと、
   インジェクタに隣接して位置する点火プラグと、
   インジェクタによる第１の燃料噴射のため、圧縮行程に含まれる第１の噴射期間を設定する第１の噴射期間設定手段と、
   インジェクタによる第２の燃料噴射のため、前記圧縮行程に含まれ、かつ第１の噴射期間よりも遅い時期の第２の噴射期間を設定する第２の噴射期間設定手段と、を含んで構成され、
   第１及び第２の燃料噴射が、ともに前記キャビティを指向して行われる筒内噴射式内燃機関。
2. ピストンは、冠面の中央部に形成された内側キャビティと、内側キャビティの周囲に形成された外側キャビティとを有し、
   第１及び第２の燃料噴射が、ともに内側キャビティを指向して行われる請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
3. 第１及び第２の噴射期間設定手段は、エンジンが中負荷運転領域にあるときの噴射期間を設定するものであり、
   エンジンが低負荷運転領域にあるときのインジェクタの噴射期間を、圧縮行程に含まれ、かつ噴射された燃料の噴霧が内側及び外側キャビティのうち、内側キャビティに衝突する時期に設定する低負荷時噴射期間設定手段と、
   エンジンが高負荷運転領域にあるときのインジェクタの噴射期間を、圧縮行程に含まれ、かつ噴射された燃料の噴霧が内側及び外側キャビティのうち、外側キャビティに衝突する時期に設定する高負荷時噴射期間設定手段と、を更に含んで構成される請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
4. 第１の噴射期間設定手段により設定される第１の噴射期間の始期が、低負荷時噴射期間設定手段により設定される噴射期間の始期よりもクランク角に関して早い請求項３に記載の筒内噴射式内燃機関。
5. 第１の噴射期間設定手段により設定される第１の噴射期間の始期が、高負荷時噴射期間設定手段により設定される噴射期間の終期よりもクランク角に関して遅い請求項３又は４に記載の筒内噴射式内燃機関。
6. インジェクタの噴射期間を制御してエンジンへの燃料供給量を調節する場合に、
   エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段を更に含んで構成され、
   第１の噴射期間設定手段は、第1の噴射期間を、検出したエンジンの運転状態に応じた長さに設定する請求項１〜５のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
7. 第１の噴射期間設定手段は、第１の噴射期間の始期を前後させて、第１の噴射期間を設定した長さに調節する請求項６に記載の筒内噴射式内燃機関。
8. 第２の燃料噴射による燃料噴射量が第１の燃料噴射による燃料噴射量よりも少ない請求項１〜７のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
9. 点火プラグの点火時期を設定する点火時期設定手段を更に含んで構成され、
   点火時期設定手段は、点火時期を、第２の燃料噴射により噴射され、ピストンの冠面に向かう途中の燃料の噴霧に対して点火が行われる時期に設定する請求項１〜８のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
10. 点火時期設定手段は、点火時期を、第２の燃料噴射により噴射された燃料の噴霧がピストンの冠面に衝突する前に点火が行われる時期に設定する請求項９に記載の筒内噴射式内燃機関。

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