JP2006083765A

JP2006083765A - 火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2006083765A
Application number: JP2004269438A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Komori; 啓介小森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】均質燃焼運転時におけるノッキングの発生を抑制すると共に、成層燃焼をも良好に行える火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】２つの点火栓１１，１２と、燃料を燃焼室４内に直接噴射するように燃焼室のシリンダボア中心軸線Ｃ上またはほぼ燃焼室のシリンダボア中心軸線上に配置された燃焼室内噴射用の燃料噴射弁９を具備し、各点火栓が燃焼室のシリンダボア壁面からの距離が同じ距離またはほぼ同じ距離となるように燃焼室のシリンダボア中心軸線に関して両側に配置され、均質燃焼が行われるときには両点火栓が同時に作動せしめられ、成層燃焼が行われるときには点火栓近傍にのみ混合気が形成されるように上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から燃料が噴射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、火花点火内燃機関に関する。

筒内噴射式の火花点火内燃機関、すなわち、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射し、燃焼室内の燃料を点火栓によって点火するタイプの内燃機関が、特許文献１に記載されている。同文献記載の内燃機関は、燃焼室内に燃料を直接噴射する１つの燃料噴射弁と、燃焼室内の燃料に点火する２つの点火栓とを具備する。そして、同文献記載の内燃機関では、燃料噴射弁は、燃焼室のシリンダボアの略中心軸線上に配置され、一方の点火栓は燃料噴射弁近傍に配置され、他方の点火栓は燃料噴射弁から比較的離れたシリンダボア壁面近くに配置されている。

ところで、特許文献１記載の内燃機関では、機関運転状態に応じて、均質燃焼（燃焼室全体に均質に混合気を形成し、この混合気を燃焼させる燃焼形態）を行ったり、成層燃焼（点火栓近傍にのみ混合気を形成し、この混合気を燃焼させる燃焼形態）を行ったりしている。ここで、均質燃焼が行われるときには、燃料噴射弁近傍に配置されている点火栓によって混合気が点火され、一方、成層燃焼が行われるときには、燃料噴射弁から比較的離れたシリンダボア壁面近くに配置されている点火栓によって混合気が点火される。

特開平１０−２６０２４号公報特開平１１−２４７６６０号公報特開２０００−１７９４４１号公報

ところで、均質燃焼時、点火栓によって点火された混合気の火炎は、点火栓のところからシリンダボア壁面に向かって広がるように点火栓の周りへ伝播してゆく。ここで、特許文献１に記載の内燃機関では、均質燃焼運転時には、燃料噴射弁近傍の点火栓によって混合気が点火されるのであるが、この点火栓は、シリンダボア中心軸線からずれた位置に配置されているので、点火栓からの距離がシリンダボア壁面部分毎に異なる。このため、点火栓からの距離が比較的長いシリンダボア壁面部分近傍でノッキングが発生しやすい。

したがって、均質燃焼運転時においてノッキングの発生を抑制することが要望される。そして、均質燃焼運転と成層燃焼運転とを選択的に行う内燃機関においては、当然のことながら、均質燃焼運転時のノッキングの発生を抑制するようにしたとしても、成層燃焼運転を良好に行えることも要望される。そこで、本発明の目的は、均質燃焼運転時におけるノッキングの発生を抑制すると共に、成層燃焼運転をも良好に行える火花点火内燃機関を提供することにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、２つの点火栓と、燃料を燃焼室内に直接噴射するように燃焼室のシリンダボア中心軸線上またはほぼ燃焼室のシリンダボア中心軸線上に配置された燃焼室内噴射用の燃料噴射弁を具備し、各点火栓が燃焼室のシリンダボア壁面からの距離が同じ距離またはほぼ同じ距離となるように燃焼室のシリンダボア中心軸線に関して両側に配置され、均質燃焼が行われるときには両点火栓が同時に作動せしめられ、成層燃焼が行われるときには点火栓近傍にのみ混合気が形成されるように上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から燃料が噴射される。

２番目の発明では、１番目の発明において、上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁が異なる２つの方向へ燃料を燃焼室内に直接噴射し、該燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から噴射された２つの燃料噴霧を各点火栓それぞれに導くことができるキャビティがピストン上壁面に設けられており、成層燃焼が行われるときには上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から噴射される２つの燃料噴霧が上記キャビティによって各点火栓それぞれに導かれて各点火栓近傍にのみ混合気が形成される。

３番目の発明では、１番目の発明において、上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁が両点火栓に燃料が直接到達するように燃料を燃焼室内に直接噴射する。

４番目の発明では、３番目の発明において、上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁が外側から燃料噴射孔を閉鎖する燃料噴射弁である。
５番目の発明では、３番目の発明において、上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の通り道に近接した壁面が設けられている。
６番目の発明では、３〜５番目の発明のいずれか１つにおいて、各点火栓が上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁に対して燃焼室内に突出する量が互いに異なる。
７番目の発明では、３〜６番目の発明のいずれか１つにおいて、上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から各点火栓まで距離が互いに僅かばかり異なる。

８番目の発明では、１〜７番目の発明のいずれか１つにおいて、燃料を吸気通路内に噴射するように配置された吸気通路内噴射用の燃料噴射弁を具備し、均質燃焼が行われるときには該吸気通路内噴射用の燃料噴射弁から燃料が噴射される。
９番目の発明では、２〜７番目の発明のいずれか１つにおいて、燃料を吸気通路内に噴射するように配置された吸気通路内噴射用の燃料噴射弁を具備し、燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から燃料が噴射されて成層燃焼が行われているときに燃焼室内において失火が生じたときには吸気通路内噴射用の燃料噴射弁から燃料が噴射されて均質燃焼が行われる。

本発明によれば、均質燃焼が行われるときに２つの点火栓が作動せしめられることから、燃焼室内における燃料が終了するまでにかかる時間が短く、また、２つの点火栓が燃焼室のシリンダボア壁面からの距離が同じ距離またはほぼ同じ距離に配置されていることから、均質燃焼が行われるときに両点火栓が同時に作動せしめられると、燃焼室内において一方の点火栓が配置されている側の領域と、もう一方の点火栓が配置されている側の領域とで、比較的バランス良く燃焼が進行する。このことから、均質燃焼が行われるときのノッキングの発生が抑制される。一方、成層燃焼が行われるときには、燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から点火栓近傍にのみ混合気が形成されるように燃料が噴射されることから、混合気が周りに形成されている点火栓によって混合気に点火することによって、成層燃焼を良好に行わせることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１〜図３は、本発明の第１実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関を示している。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿って見た図であり、図３は、図１の線Ｂ−Ｂに沿って見た図である。これら図において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブロック、３はピストン、４は燃焼室、５は吸気弁、６は吸気ポート、７は排気弁、８は排気ポートをそれぞれ示している。図２から分かるように、１つの燃焼室４に対して２つの吸気ポート６が設けられ、各吸気ポート６に吸気弁５が配置されている。また、同様に、１つの燃焼室４に対して２つの排気ポート８が設けられ、各排気ポート８に排気弁７が配置されている。

また、第１実施形態では、燃焼室４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（以下「筒内燃料噴射弁」という）９と、吸気ポート６に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下「ポート燃料噴射弁」という）１０とがシリンダヘッド１に配置されている。図２から分かるように、筒内燃料噴射弁９は、燃焼室４のシリンダボアの中心軸線Ｃ上に位置する。

また、第１実施形態では、燃焼室４内の燃料に点火する２つの点火栓１１，１２がシリンダヘッド１に配置されている。図２から分かるように、これら点火栓１１，１２は、シリンダボアの中心軸線Ｃに関して両側（すなわち、筒内燃料噴射弁９に関して両側）に位置する。したがって、これら点火栓１１，１２と筒内燃料噴射弁９とは一直線上（図２の直線Ｌ１上）にある。また、一方の点火栓１１は、吸気ポート６（吸気弁５）間に配置されている。他方の点火栓１２は、排気ポート８（排気弁７）間に配置されている。以下、吸気ポート６間に配置されている点火栓を「吸気側点火栓」と称し、排気ポート８間に配置されている点火栓を「排気側点火栓」と称す。

また、２つの点火栓１１，１２および筒内燃料噴射弁９上を走る直線Ｌ１が吸気ポート６側のシリンダボア壁面と交わる点を「Ｘ１」とし、同様に、直線Ｌ１が排気ポート８側のシリンダボア壁面と交わる点を「Ｘ２」とし、点Ｘ１と吸気側点火栓１１との間の距離を「Ｄ１」とし、吸気側点火栓１１と筒内燃料噴射弁９との間の距離を「Ｄ２」とし、筒内燃料噴射弁９と排気側点火栓１２との間の距離を「Ｄ３」とし、排気側点火栓１２と点Ｘ２との間の距離を「Ｄ４」としたとき、第１実施形態では、以下の式（１）が成立している。
Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄ３＝Ｄ４ …（１）

また、直線Ｌ１に対して垂直な直線Ｌ２がシリンダボア壁面と交わる点をそれぞれ「Ｙ１」「Ｙ２」とし、点Ｙ１と筒内燃料噴射弁９との間の距離を「Ｄ５」とし、筒内燃料噴射弁９と点Ｙ２との間の距離を「Ｄ６」としたとき、第１実施形態では、以下の式（２）が成立している。
Ｄ５＝Ｄ６ …（２）

また、ピストン３の上壁面には、２つのキャビティ１３，１４が設けられている。これらキャビティ１３，１４は、ピストン３の中心軸線（すなわち、シリンダボアの中心軸線Ｃ）に関して対称であって、一方のキャビティ１３が吸気ポート６側に配置され、他方のキャビティ１４が排気ポート８側に配置されるように設けられている。

ところで、第１実施形態では、図４に示されているマップに基づいて、機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとに応じて、内燃機関の運転が制御される。すなわち、図４のマップの領域Ｓでは、成層燃焼が行われ、領域ＨＬでは、理論空燃比（ストイキ）よりも大きい空燃比（リーン）での均質燃焼が行われ、領域ＨＳでは、理論空燃比での均質燃焼が行われる。次に、これら成層燃焼および均質燃焼について説明する。

成層燃焼を行うときには、まず、図５の符号Ｆで示されているように（図中、矢印Ａはピストン３の移動方向を示している）、圧縮上死点直前のタイミングで、筒内燃料噴射弁９から燃料が噴射される。このとき、筒内燃料噴射弁９からは、それぞれ対応するキャビティ１３，１４に向かって２つの方向へのみ燃料が噴射される。キャビティ１３，１４内に入った燃料は、図６の符号Ｆで示されているように（図中、矢印Ａはピストン３の移動方向を示している）、キャビティ１３，１４を画成する壁面によって対応する点火栓１１，１２に向けられる。そして、キャビティ１３，１４を出た燃料は、図７の符号Ｆで示されているように、各点火栓１１，１２の発火点１１ａ，１２ａ近傍にのみ混合気を形成する（すなわち、各点火栓１１，１２の発火点１１ａ，１２ａ近傍に成層状に混合気を形成する）。最後に、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられ、燃料が点火される。

一方、均質燃焼を行うときには、まず、図８の符号Ｆで示されているように（図中、矢印Ａはピストン３の移動方向を示している）、吸気行程中のタイミングで、ポート燃料噴射弁１０から燃料が噴射される。これにより、吸気ポート６を介して燃焼室４内に流入する空気と共に、燃料が燃焼室４内に流入する。このように、燃料が空気と共に燃焼室４内に流入することによって、燃焼室４全体に均質な混合気が形成されることとなる。そして、図９に示されているように、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられ、燃料が点火される。

このように、均質燃焼を行うときに、距離Ｄ１と距離Ｄ４とが等しいようにシリンダボア中心軸線Ｃに関して両側に配置された２つの点火栓１１，１２が同時に作動せしめられることには、以下のような利点がある。すなわち、距離Ｄ１と距離Ｄ４とが等しいと、吸気側点火栓１１から伝播する火炎と排気側点火栓１２から伝播する火炎とは、同じようにして、それぞれ、吸気側のシリンダボア壁面と排気側のシリンダボア壁面とに到達する。これによれば、ノッキングの発生が抑制される。

また、第１実施形態では、筒内燃料噴射弁９がシリンダボア中心軸線Ｃ上に配置され、その両側に点火栓１１，１２が配置されているが、筒内燃料噴射弁９が異なる２つの方向へ燃料を噴射し、ピストン上壁面に上述したような２つのキャビティ１３，１４が設けられていることから、成層燃焼を確実に行うことができる。

なお、第１実施形態では、均質燃焼を行うときには、ポート燃料噴射弁１０から燃料を噴射しているが、筒内燃料噴射弁９から燃料を噴射するようにしてもよい。この場合には、吸気行程中のタイミングで、筒内燃料噴射弁９から燃料が噴射される。

また、燃焼室４を画成する壁面の面積が小さいほど、該壁面に付着する燃料が少なく、燃費を良くするという観点で好ましく、これに加えて、冷却損失を低減でき、燃焼改善効果が得られることから、ピストン上壁面に設けられるキャビティ１３，１４はできるだけ小さいほうが好ましい。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図１０に、本発明の第２実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関が示されている。また、図１１は、第２実施形態の内燃機関の燃料噴射弁を示している。第２実施形態の内燃機関は、筒内燃料噴射弁９の構成とピストン３の構成とが異なること以外は、第１実施形態の内燃機関と同じである。

第２実施形態の筒内燃料噴射弁９は、図１１に示されているように、燃料噴射孔１５をニードル弁１６によって外側から閉鎖するいわゆる外開式の燃料噴射弁である。図１１（Ａ）に示されている状態は、燃料噴射孔１５がニードル弁１６によって閉鎖されている状態であり、このとき、筒内燃料噴射弁９からは燃料は噴射されない。一方、図１１（Ｂ）に示されている状態は、ニードル弁１６が作動せしめられて燃料噴射孔１５が開放された状態であり、このとき、筒内燃料噴射弁９からは、図１１（Ｂ）に符号Ｆで示されているように、内側が中空な円錐形状をなして燃料が噴射される。

また、第１実施形態とは異なり、第２実施形態では、ピストン上壁面にキャビティは設けられておらず、ピストン上壁面は平坦な面となっている。

そして、第２実施形態でも、第１実施形態と同様に、図４に示されているマップに基づいて、内燃機関の運転が制御される。すなわち、図４の領域Ｓでは、成層燃焼が行われ、領域ＨＬでは、理論空燃比よりも大きい空燃比での均質燃焼が行われ、領域ＨＳでは、理論空燃比での均質燃焼が行われる。

第２実施形態では、成層燃焼を行うときには、まず、図１２の符号Ｆで示されているように（図中、矢印Ａはピストン３の移動方向を示している）、圧縮上死点直前のタイミングで、筒内燃料噴射弁９から燃料が噴射される。そして、筒内燃料噴射弁９から噴射された燃料の一部が、図１３の符号Ｆで示されているように（図中、矢印Ａはピストン３の移動方向を示している）、各点火栓１１，１２の発火点１１ａ，１２ａに直接到達する。そして、図１４の符号Ｆで示されているように、各点火栓１１，１２の発火点１１ａ，１２ａ近傍に成層状に混合気が形成され、ここで、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられ、燃料が点火される。

一方、第２実施形態における均質燃焼は、第１実施形態における均質燃焼と同様に行われる。すなわち、吸気行程中のタイミングでポート燃料噴射弁１０から燃料が噴射され、燃焼室４全体に均質な混合気が形成される。そして、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられ、燃料が点火される。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１５に、本発明の第３実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関が示されている。第３実施形態の内燃機関は、筒内燃料噴射弁９の構成と該筒内燃料噴射弁９周りの構成とピストン３の構成とが異なる以外は、第１実施形態の内燃機関と同じである。

第３実施形態の筒内燃料噴射弁９は、図１６に示されているように、燃料噴射孔１５をニードル弁１６によって内側から閉鎖するいわゆる内開式の燃料噴射弁である。図１６（Ａ）に示されている状態は、燃料噴射孔１５がニードル弁１６によって閉鎖されている状態であり、このとき、筒内燃料噴射弁９からは燃料は噴射されない。一方、図１６（Ｂ）に示されている状態は、ニードル弁１６が作動せしめられて燃料噴射孔１５が開放された状態であり、このとき、筒内燃料噴射弁９からは、図１６（Ｂ）に符号Ｆで示されているように、内側が中空な円錐形状をなして燃料が噴射される。

また、図１５に示されているように、筒内燃料噴射弁９の燃料噴射孔１５周りのシリンダヘッド壁面１７が、筒内燃料噴射弁９から広がる円錐面をなすように延びている。また、第１実施形態とは異なり、第３実施形態では、ピストン上壁面にキャビティは設けられておらず、ピストン上壁面は平坦な面となっている。

そして、第３実施形態でも、第１実施形態と同様に、図４に示されているマップに基づいて、内燃機関の運転が制御される。すなわち、図４の領域Ｓでは、成層燃焼が行われ、領域ＨＬでは、理論空燃比よりも大きい空燃比での均質燃焼が行われ、領域ＨＳでは、理論空燃比での均質燃焼が行われる。

第３実施形態では、成層燃焼を行うときには、まず、図１７の符号Ｆで示されているように（図中、矢印Ａはピストン３の移動方向を示している）、圧縮上死点直前のタイミングで、筒内燃料噴射弁９から燃料が噴射される。そして、筒内燃料噴射弁９から噴射された燃料は、該筒内燃料噴射弁９周りの円錐状の壁面１７に極めて近接しつつ一定の距離（例えば、好ましくは、１ｍｍ〜３ｍｍ）だけ開けて移動する。このように壁面１７に近接して燃料を移動させるようにすることで、燃料はコアンダ効果によって確実に壁面１７に沿って移動することから、燃料を所定の方向へと移動させることができる。

そして、筒内燃料噴射弁９から噴射された燃料の一部が、図１８の符号Ｆで示されているように（図中、矢印Ａはピストン３の移動方向を示している）、各点火栓１１，１２の発火点１１ａ，１２ａに直接到達する。そして、図１９の符号Ｆで示されているように、各点火栓１１，１２の発火点１１ａ，１２ａ近傍に成層状に混合気が形成され、ここで、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられ、燃料が点火される。

一方、第３実施形態における均質燃焼は、第１実施形態における均質燃焼と同様に行われる。すなわち、吸気行程中のタイミングでポート燃料噴射弁１０から燃料が噴射され、燃焼室４全体に均質な混合気が形成される。そして、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられ、燃料が点火される。

ところで、第２実施形態や第３実施形態の筒内燃料噴射弁９の構成では、時間の経過に伴って、筒内燃料噴射弁９の先端にデポジットが付着し、そこから噴射される燃料噴霧の形状が、所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状になってしまう。この場合、所定の点火タイミングにおいて燃料噴霧がいずれの点火栓１１，１２の発火点１１ａ，１２ａにも直接到達しなくなってしまうので、成層燃焼を良好に行うことができなくなってしまうことになる。

そこで、第４実施形態では、第２実施形態と同様の構成において、図２０に示されているように、シリンダヘッド１に配置される各点火栓１１，１２の位置は第２実施形態と同じとしつつ、シリンダヘッド１から燃焼室４内へ突出する量を各点火栓１１，１２毎に異ならせている。すなわち、第４実施形態では、一方の点火栓１１がシリンダヘッド１から燃焼室４内へ突出する量が、他方の点火栓１２がシリンダヘッド１から燃焼室４内へ突出する量よりも大きくされている。シリンダヘッド１から燃焼室４内へ突出する量が大きい方の点火栓は、吸気側点火栓１１であっても、排気側点火栓１２であってもよいが、図２０に示されている例では、吸気側点火栓１１である。

これによれば、筒内燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の形状が所期の円錐形状となっているときには、図２１に符号Ｆで示されているように、燃料噴霧は、所定の点火タイミングにおいて、少なくとも、排気側点火栓１２の発火点１２ａに直接到達する。一方、筒内燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の形状が所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状となってしまったときには、図２２に符号Ｆで示されているように、燃料噴霧は、所定の点火タイミングにおいて、少なくとも、吸気側点火栓１１の発火点１１ａに直接到達する。

これによれば、筒内燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の形状が所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状になってしまったとしても、少なくとも、所定の点火タイミングにおいて点火栓１１の発火点１１ａに燃料を直接到達させることができ、成層燃焼を良好に行うことができる。

なお、第３実施形態と同様の構成において、シリンダヘッド１に配置される各点火栓１１，１２の位置を第３実施形態と同じとしつつ、シリンダヘッド１から燃焼室４内へ突出する量を各点火栓１１，１２毎に異ならせてもよい。

また、第４実施形態でも、第１実施形態と同様に、図４に示されているマップに基づいて、内燃機関の運転が制御される。そして、第４実施形態において、成層燃焼を行うときには、第１実施形態と同様に、圧縮上死点直前のタイミングで、筒内燃料噴射弁９から燃料が噴射される。そして、筒内燃料噴射弁９から噴射された燃料の一部が、少なくとも一方の点火栓の発火点に到達し、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて点火栓が作動せしめられ、燃料が点火される。ここで、点火栓を作動せしめるとき、燃料噴霧が発火点に直接到達する点火栓のみを作動せしめてもよいし、燃料噴霧が発火点に直接到達しているか否かに係わらず、両点火栓を同時に作動せしめてもよい。しかしながら、両点火栓を同時に作動せしめるようにすると、燃料噴霧が発火点に直接到達しない点火栓も作動させることになるので、これには、その点火栓の発火点およびその近傍に付着している燃料を除去することができるという利点や、成層燃焼が行われるときにノッキングの発生をより抑制することができるという利点がある。

また、燃料噴霧が発火点に直接到達する点火栓のみを作動せしめるようにした場合、その点火栓の点火タイミングからクランク角度で３６０°後のタイミング（すなわち、排気工程中のタイミング）で、燃料噴霧が発火点に直接到達しない点火栓を作動させるようにしてもよい。これにも、燃料噴霧が発火点に直接到達しない点火栓の発火点およびその近傍に付着している燃料を除去することができるという利点がある。

一方、第４実施形態における均質燃焼は、第１実施形態における均質燃焼と同様に行われる。すなわち、吸気行程中のタイミングでポート燃料噴射弁１０から燃料が噴射され、燃焼室４全体に均質な混合気が形成される。そして、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられ、燃料が点火される。

ところで、筒内燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の形状が所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状になってしまったとしても、少なくとも、所定の点火タイミングにおいて点火栓の発火点に燃料を直接到達させるために、以下のような構成の第５実施形態を採用することもできる。

すなわち、第５実施形態では、第２実施形態と同様の構成において、筒内燃料噴射弁９からの距離を各点火栓１１，１２毎に異ならせている。すなわち、第５実施形態では、図２３に示されているように、一方の点火栓１１を第１実施形態と同じ位置に配置すると共に、該一方の点火栓１１と筒内燃料噴射弁９との間の距離ＤＩよりも他方の点火栓１２と筒内燃料噴射弁９との間の距離ＤＥの方が、僅かばかり、短くなるように、他方の点火栓１２を配置している。ここで、筒内燃料噴射弁９からの距離が小さい方の点火栓は、吸気側点火栓１１であっても、排気側点火栓１２であってもよいが、図２３に示されている例では、排気側点火栓１２である。なお、ここで、均質燃焼が行われるときのノッキングの発生を確実に抑制するためには、上記距離ＤＥを上記距離ＤＩよりも極端に短くしないことが重要である。

これによれば、筒内燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の形状が所期の円錐形状となっているときには、図２４に符号Ｆで示されているように、所定の点火タイミングにおいて、燃料噴霧は、少なくとも、吸気側点火栓１１の発火点１１ａに直接到達する（図２４に示した例では、結果的には、燃料噴霧は、排気側点火栓１２の発火点１２ａにも直接到達している）。一方、筒内燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の形状が所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状となってしまったときには、図２５に符号Ｆで示されているように、所定の点火タイミングにおいて、燃料噴霧は、少なくとも、排気側点火栓１２の発火点１２ａに直接到達する。

これによれば、筒内燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の形状が所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状となってしまったとしても、少なくとも、所定の点火タイミングにおいて、点火栓の発火点に燃料を直接到達させることができ、成層燃焼を良好に行うことができる。

なお、第３実施形態と同様の構成において、筒内燃料噴射弁９からの距離を各点火栓毎に異ならせてもよい。

また、第５実施形態でも、第１実施形態と同様に、図４に示されているマップに基づいて、内燃機関の運転が制御される。そして、第５実施形態において、成層燃焼を行うときには、第１実施形態と同様に、圧縮上死点直前のタイミングで、筒内燃料噴射弁９から燃料が噴射される。そして、筒内燃料噴射弁９から噴射された燃料の一部が、少なくとも一方の点火栓の発火点に到達し、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて点火栓が作動せしめられ、燃料が点火される。ここで、点火栓を作動せしめるとき、第４実施形態と同様に、燃料噴霧が発火点に直接到達する点火栓のみを作動せしめてもよいし、燃料噴霧が発火点に直接到達しているか否かに係わらず、両点火栓を同時に作動せしめてもよい。

また、第４実施形態と同様に、燃料噴霧が発火点に直接到達する点火栓のみを作動せしめるようにした場合、その点火栓の点火タイミングからクランク角度で３６０°後のタイミング（すなわち、排気工程中のタイミング）で、燃料噴霧が発火点に直接到達しない点火栓を作動させるようにしてもよい。

一方、第５実施形態における均質燃焼は、第１実施形態における均質燃焼と同様に行われる。すなわち、吸気行程中のタイミングでポート燃料噴射弁１０から燃料が噴射され、燃焼室４全体に均質な混合気が形成される。そして、ピストン３が圧縮上死点に達したところの所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられ、燃料が点火される。

なお、第５実施形態において、筒内燃料噴射弁９からの距離が小さい方の点火栓を排気側点火栓１２としていることには、均質燃焼が行われるときのノッキングの発生をより抑制することができるという利点がある。すなわち、一般的に、燃焼室４内の温度は、吸気弁５近傍の領域よりも排気弁７近傍の領域の方が高い。このため、筒内燃料噴射弁９からの距離が両点火栓１１，１２において等しい場合、吸気弁５近傍の領域よりも、排気弁７近傍の領域の方が、より早く燃焼が終了することになるので、吸気弁５近傍の領域の方が、排気弁７近傍の領域よりも、ノッキングが発生しやすいと言える。これに対し、第５実施形態のように、筒内燃料噴射弁９からの距離が小さい方の点火栓を排気側点火栓１２としていること、すなわち、吸気側点火栓１１から吸気弁５近傍のシリンダボア壁面までの距離を、排気側点火栓１２から排気弁７近傍のシリンダボア壁面までの距離よりも小さくしていることにより、吸気弁５近傍の領域と排気弁７近傍の領域とで、略同時に燃焼が終了することになる。このことから、筒内燃料噴射弁９からの距離が小さい方の点火栓を排気側点火栓１２とすると、均質燃焼が行われるときのノッキングの発生をより抑制することができるのである。

ところで、第４実施形態または第５実施形態において、成層燃焼を行うときに一方の点火栓のみを作動させている場合に、燃焼室４内で失火が生じたときには、一方の点火栓の作動を禁止し、他方の点火栓を作動させるようにしてもよい。さらに、このように他方の点火栓を作動させても、燃焼室４内で失火が生じたときには、筒内燃料噴射弁９からの燃料噴射を禁止し、ポート燃料噴射弁１０から燃料を噴射させ、両点火栓１１，１２を同時に作動させる（すなわち、均質燃焼を行わせる）ようにしてもよい。これによれば、燃焼室４内での失火を確実に抑制することができる。図２６は、こうした制御を実行するルーチンの一例を示している。なお、こうした制御は、広義には、筒内燃料噴射弁９から燃料を噴射して成層燃焼を行っているときに、失火が生じた場合に、ポート燃料噴射弁１０から燃料を噴射して均質燃焼を行うようにするものとも言える。したがって、こうした考え方は、第４実施形態や第５実施形態のみならず、第１実施形態〜第３実施形態にも適用可能である。

次に、図２６のルーチンについて説明する。図２６のルーチンでは、まず始めに、ステップ１０において、成層燃焼を行わせるべきであるか否か、すなわち、機関運転状態ＥＮが図４のマップの領域Ｓにある（ＥＮ＝Ｓ）か否かが判別される。ここで、ＥＮ≠Ｓであると判別されたとき、すなわち、機関運転状態が図４のマップの領域ＨＳ、または、領域ＨＬにあるときには、ステップ１６において、均質燃焼制御Ｉが行われる。この均質燃焼制御Ｉによれば、上述した第４実施形態または第５実施形態に従って通常の均質燃焼が行われる。すなわち、吸気行程中のタイミングでポート燃料噴射弁１０から要求負荷に応じた所定量の燃料が噴射され、所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられる。

一方、ステップ１０において、ＥＮ＝Ｓであると判別されたときには、ステップ１１において、成層燃焼制御Ｉが行われる。この成層燃焼制御Ｉによれば、上述した第４実施形態または第５実施形態に従って通常の成層燃焼が行われる。すなわち、圧縮上死点直前のタイミングで筒内燃料噴射弁９から要求負荷に応じた所定量の燃料が噴射され、所定の点火タイミングにおいて所定の点火栓（第４実施形態において、燃料噴霧の形状が所期の円錐形状となっているときには排気側点火栓１２であり、燃料噴霧の形状が所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状となっているときには吸気側点火栓１１であり、第５実施形態において、燃料噴霧の形状が所期の円錐形状となっているときには吸気側点火栓１１であり、燃料噴霧の形状が所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状となっているときには排気側点火栓１２である）が作動せしめられる。

次いで、ステップ１２において、燃焼室４内で失火が生じているか否かが判別される。ここで、失火が生じていないと判別されたときには、ルーチンは終了する。一方、ステップ１２において、失火が生じていると判別されたときには、ステップ１３において、成層燃焼制御ＩＩが行われる。この成層燃焼制御ＩＩによれば、圧縮上死点直前のタイミングで筒内燃料噴射弁９から要求負荷に応じた所定量の燃料が噴射され、所定の点火タイミングにおいて上記所定の点火栓とは別の点火栓が作動せしめられる。

次いで、ステップ１４においても、燃焼室４内で失火が生じているか否かが判別される。ここで、失火が生じていないと判別されたときには、ルーチンは終了する。一方、ステップ１４において、失火が生じていると判別されたときには、ステップ１５において、均質燃焼制御ＩＩが行われる。この均質燃焼制御ＩＩによれば、吸気行程中のタイミングでポート燃料噴射弁１０から要求負荷に応じた所定量の燃料が噴射され、所定の点火タイミングにおいて両点火栓１１，１２が同時に作動せしめられる。

本発明の第１実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関を示す図である。図１の線Ａ−Ａに沿って見たところを示す図である。図１の線Ｂ−Ｂに沿って見たところを示す図である。第１実施形態の内燃機関の燃焼形態を制御するために用いられるマップを示す図である。図１と同様の図であって、成層燃焼が行われる場合の燃料噴射直後の状態を示した図である。図５と同様の図であるが、図５に示されている状態の後の状態を示した図である。図６と同様の図であるが、図６に示されている状態の後（燃料点火直前）の状態を示した図である。図１と同様の図であって、均質燃焼が行われる場合の燃料噴射直後の状態を示した図である。図８と同様の図であるが、図８に示されている状態の後（燃料点火直前）の状態を示した図である。本発明の第２実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関を示す図である。第２実施形態の筒内燃料噴射弁を示す図であり、（Ａ）は閉弁時の状態を示し、（Ｂ）は開弁時の状態を示している。図１０と同様の図であって、成層燃焼が行われる場合の燃料噴射直後の状態を示した図である。図１２と同様の図であるが、図１２に示されている状態の後の状態を示した図である。図１３と同様の図であるが、図１３に示されている状態の後（燃料点火直前）の状態を示した図である。本発明の第３実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関を示す図である。第３実施形態の筒内燃料噴射弁を示す図であり、（Ａ）は閉弁時の状態を示し、（Ｂ）は開弁時の状態を示している。図１５と同様の図であって、成層燃焼が行われる場合の燃料噴射直後の状態を示した図である。図１７と同様の図であるが、図１７に示されている状態の後の状態を示した図である。図１８と同様の図であるが、図１８に示されている状態の後（燃料点火直前）の状態を示した図である。本発明の第４実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関を示す図である。図２０と同様の図であって、燃料噴霧の形状が所期の円錐形状となっているときの状態を示した図である。図２０と同様の図であって、燃料噴霧の形状が所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状となっているときの状態を示した図である。本発明の第４実施形態の筒内噴射式火花点火内燃機関を示す図である。図２３と同様の図であって、燃料噴霧の形状が所期の円錐形状となっているときの状態を示した図である。図２３と同様の図であって、燃料噴霧の形状が所期の円錐形状よりも内側に凹んだ形状となっているときの状態を示した図である。本発明に従った機関運転制御ルーチンの一例を示す図である。

符号の説明

４燃焼室
５吸気弁
７排気弁
９筒内燃料噴射弁
１０ポート燃料噴射弁
１１，１２点火栓
Ｃシリンダボア中心軸線

Claims

２つの点火栓と、燃料を燃焼室内に直接噴射するように燃焼室のシリンダボア中心軸線上またはほぼ燃焼室のシリンダボア中心軸線上に配置された燃焼室内噴射用の燃料噴射弁を具備し、各点火栓が燃焼室のシリンダボア壁面からの距離が同じ距離またはほぼ同じ距離となるように燃焼室のシリンダボア中心軸線に関して両側に配置され、均質燃焼が行われるときには両点火栓が同時に作動せしめられ、成層燃焼が行われるときには点火栓近傍にのみ混合気が形成されるように上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から燃料が噴射されることを特徴とする火花点火内燃機関。
上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁が異なる２つの方向へ燃料を燃焼室内に直接噴射し、該燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から噴射された２つの燃料噴霧を各点火栓それぞれに導くことができるキャビティがピストン上壁面に設けられており、成層燃焼が行われるときには上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から噴射される２つの燃料噴霧が上記キャビティによって各点火栓それぞれに導かれて各点火栓近傍にのみ混合気が形成されることを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関。
上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁が両点火栓に燃料が直接到達するように燃料を燃焼室内に直接噴射することを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関。
上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁が外側から燃料噴射孔を閉鎖する燃料噴射弁であることを特徴とする請求項３に記載の火花点火内燃機関。
上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の通り道に近接した壁面が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の火花点火内燃機関。
各点火栓が上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁に対して燃焼室内に突出する量が互いに異なることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の火花点火内燃機関。
上記燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から各点火栓まで距離が互いに僅かばかり異なることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載の火花点火内燃機関。
燃料を吸気通路内に噴射するように配置された吸気通路内噴射用の燃料噴射弁を具備し、均質燃焼が行われるときには該吸気通路内噴射用の燃料噴射弁から燃料が噴射されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の火花点火内燃機関。
燃料を吸気通路内に噴射するように配置された吸気通路内噴射用の燃料噴射弁を具備し、燃焼室内噴射用の燃料噴射弁から燃料が噴射されて成層燃焼が行われているときに燃焼室内において失火が生じたときには吸気通路内噴射用の燃料噴射弁から燃料が噴射されて均質燃焼が行われることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つに記載の火花点火内燃機関。