JP2009036124A - 筒内直接噴射式エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼性能の低下を抑えて、エンジン出力の低下やエミッションの悪化を抑制できる吸気３弁構造の筒内直接噴射式エンジンを提供する。
【解決手段】１つの気筒に対してシリンダ配列方向に３つの吸気ポート１０を形成するシリンダヘッド４０を有する筒内直接噴射式エンジン１００であって、シリンダヘッド４０の吸気ポート側の側部に設置され、シリンダ軸心を通りシリンダ配列方向に対して直交する線からシリンダ配列方向に噴口をずらして配置した燃料噴射弁４１と、シリンダヘッド４０の上部に設置され、燃料噴射弁４１によって噴射された燃料に点火する点火プラグ４２と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼室内に燃料を噴射する筒内直接噴射式エンジンに関する。

従来から、１つの気筒に対して３つの吸気ポートが接続し、その吸気ポートを開閉する３つの吸気弁を備える構造（以下「吸気３弁構造」という。）の筒内直接噴射式エンジンが広く知られている。このような吸気３弁構造の筒内直接噴射式エンジンでは、吸気２弁構造の従来エンジンよりも吸気ポートと吸気弁との間の隙間（以下「吸気弁の開口面積」という。）の総和を大きく設定することができるので、１サイクルあたりの吸気量が増加して出力が向上する。

特許文献１には、燃料噴射弁と点火プラグとを隣接するようにシリンダヘッドに設置し、燃料噴射弁の軸心と点火プラグとの軸心とが燃焼室側から上方へ向かうにつれて離れるように傾斜させる吸気３弁構造の筒内直接噴射式エンジンが開示されている。この吸気３弁構造の筒内直接噴射式エンジンでは、燃料噴射弁や点火プラグの保守や点検作業を行う作業スペースをシリンダヘッド上部に確保することができ、保守・点検作業時の作業性が向上する。
特開平７−２０８１７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の筒内直接噴射式エンジンでは、燃焼温度が高くなるシリンダヘッドの燃焼室中心付近に燃料噴射弁を配置するので、燃焼室内に突出する燃料噴射弁の先端が高温になりやすい。燃料噴射弁の先端が高温になると、燃料噴射弁の噴口に残留した燃料がデポジットとなって噴口がつまり、燃料噴射量が要求量よりも少なくなって燃焼性能が低下するため、エンジン出力が低下したりエミッションが悪化したりするなどの問題がある。

そこで、本発明は、燃焼性能の低下を抑えて、エンジン出力の低下やエミッションの悪化を抑制できる吸気３弁構造の筒内直接噴射式エンジンを提供することを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、１つの気筒に対してシリンダ配列方向に３つの吸気ポート（１０）を形成するシリンダヘッド（４０）を有する筒内直接噴射式エンジン（１００）であって、シリンダヘッド（４０）の吸気ポート側の側部に設置され、シリンダ軸心を通りシリンダ配列方向に対して直交する線からシリンダ配列方向に噴口をずらして配置した燃料噴射弁（４１）と、シリンダヘッド（４０）の上部に設置され、燃料噴射弁（４１）によって噴射された燃料に点火する点火プラグ（４２）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃料噴射弁の噴口を、シリンダ軸心を通りシリンダ配列方向に対して直交する線からシリンダ配列方向にオフセットして配置し、点火プラグをシリンダヘッド上部に配置する。そのため、燃料噴射弁と点火プラグとの設置位置を離すことができ、燃料噴射弁の先端が燃焼熱の影響を受けにくくなって、燃料噴射弁の先端の温度上昇が抑制される。これにより、デポジットに起因する燃料噴射弁の噴口のつまりが防止され、燃焼性能の低下に起因するエンジン出力の低下やエミッションの悪化を抑制することができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。

図１は、第１実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００の構成を示す図である。図１（Ａ）は、吸気ポート１０と排気ポート２０の配置を示す燃焼室１の平面図である。また、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。

筒内直接噴射式エンジン１００では、図１（Ａ）に示すように、１つの気筒に対して、３つの吸気ポート１０と２つの排気ポート２０とが接続する。そして、吸気ポート１０ごとに吸気弁１２が設置され、同様に排気ポート２０ごとに排気弁２２が設置される。このように筒内直接噴射式エンジン１００は、吸気弁１２を３つ有する吸気３弁構造のエンジンである。吸気弁１２は、複数の気筒が配置されるシリンダ配列方向に設置されており、図面上側から下側に向けて順番に第１吸気弁１２ａ、第２吸気弁１２ｂ、第３吸気弁１２ｃとなる。

この筒内直接噴射式エンジン１００は、図１（Ｂ）に示すようにシリンダブロック３０とシリンダヘッド４０とを備える。

シリンダブロック３０には、ピストン３２を収装するシリンダ３１が形成される。そして、ピストン３２の冠面３２ａと、シリンダ３１の壁面と、シリンダヘッド４０の下面とによって燃焼室１を形成する。この燃焼室１で混合気が燃焼すると、ピストン３２は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ３１を往復動する。

シリンダヘッド４０には、燃料噴射弁４１と点火プラグ４２とが設置される。

燃料噴射弁４１は、吸気ポート１０の下方であって、シリンダヘッド４０の側部に設置される。燃料噴射弁４１は、燃料を噴射する噴口を複数有するマルチホール型の燃料噴射弁であって、噴口が形成される燃料噴射弁４１の先端は燃焼室１の内部に突出している。この燃料噴射弁４１は、図示しない燃料供給パイプから供給された燃料を燃焼室内に噴射して混合気を形成する。

点火プラグ４２は、シリンダ３１の軸心上（燃焼室１の中心）のシリンダヘッド４０に設置される。点火プラグ４２の点火部は燃焼室１の内部に突出する。そして、この点火プラグ４２は、燃焼室１の内部に形成された混合気に点火する。

一方、上記したシリンダヘッド４０には、燃焼室１と連通するように吸気ポート１０と排気ポート２０とが形成される。

吸気ポート１０には、外部から取り込んだ新気を流す吸気通路１１が接続する。この吸気ポート１０には、ピストン３２の上下動に応じて駆動する第２吸気弁１２ｂが設置される。この第２吸気弁１２ｂは可変動弁装置２００によって駆動され、吸気ポート１０を開閉して燃焼室１に新気を導入する。第２吸気弁１２ｂのリフト量や作動角（バルブ特性）は、この可変動弁装置２００によって制御される。なお、図１（Ｂ）では図示しないが、第１吸気弁１２ａ及び第３吸気弁１２ｃも可変動弁装置２００によって駆動される構成となっている。この可変動弁装置２００の詳細については後述する。

排気ポート２０には、燃焼室１からの排気を外部に流す排気通路２１が接続する。この排気ポート２０には、ピストン３２の上下動に応じて駆動する排気弁２２が設置される。排気弁２２はカムシャフト２３により駆動され、排気ポート２０を開閉して、燃焼室１からの排気を排出する。排出された排気は、排気ポート２０に接続する排気通路２１に設置された図示しない触媒によって浄化される。

なお、上述した排気弁２２についても、吸気弁１２と同様に可変動弁装置２００によって駆動するようにしてもよい。

次に、吸気弁１２を駆動する可変動弁装置２００について図２及び図３を参照して説明する。

図２は、可変動弁装置２００の全体構成を示す概略図である。

可変動弁装置２００は、図２に示すように、揺動カム２１０と、その揺動カム２１０を揺動させる揺動カム駆動機構２２０と、吸気弁１２のリフト量を連続的に変化させ得るリフト量可変機構２３０とを備える。

揺動カム２１０は、シリンダ列方向に延びる駆動軸２２１の外周に回転自在に嵌合している。本実施形態では、一つの気筒に対して３つの吸気弁１２（第１吸気弁１２ａ〜第３吸気弁１２ｃ）を備えるので、一つの気筒に３つの揺動カム２１０ａ〜２１０ｃとバルブリフタ２１１ａ〜２１１ｃとが設けられる。この３つの揺動カム２１０ａ〜２１０ｃは、駆動軸２２１に対して回動自在に挿通された連結筒２２１ａによって同一位相状態で結合され、互いに同期して同一的に作動する。このため、揺動カム駆動機構２２０は１つの揺動カム（第１吸気バルブ１２ａを駆動する揺動カム２１０に対してのみ備えられる。

揺動カム駆動機構２２０の駆動軸２２１には、偏心カム２２２が圧入等によって固定されている。円形外周面を有する偏心カム２２２は、その外周面の中心が駆動軸２２１の軸心から所定量だけオフセットする。駆動軸２２１は、クランクシャフトの回転に連動して回転するため、偏心カム２２２は駆動軸２２１の軸心回りに偏心回転する。

偏心カム２２２の外周面には、第１リンク２２３の基端側の環状部２２４が回転可能に嵌合している。第１リンク２２３の先端は、連結ピン２２５を介してロッカアーム２２６の一端と連結する。また、ロッカアーム２２６の他端は、連結ピン２２７を介して第２リンク２２８の上端と連結する。第２リンク２２８の下端は、連結ピン２２９を介して、第１吸気弁１２ａを駆動する揺動カム２１０ａと連結する。なお、ロッカアーム２２６の略中央部は、リフト量可変機構２３０の制御軸２３１の偏心カム部２３２に揺動自在に支持される。

駆動軸２２１がエンジン回転に同期して回転すると、偏心カム２２２が偏心回転し、これにより第１リンク２２３が上下方向に揺動する。第１リンク２２３の揺動によりロッカアーム２２６が偏心カム部２３２の軸周りに揺動し、第２リンク２２８が上下に揺動して、揺動カム２１０ａを駆動軸２２１の軸回りに所定の回転角度範囲で揺動運動させる。このように揺動カム２１０ａ〜２１０ｃは互いに同期して同一に揺動することで、第１吸気弁１２ａ〜第３吸気弁１２ｃが図示しない吸気ポート１０を開閉する。

上記した可変動弁装置２００では、駆動軸２２１の一端が図示しないカムスプロケットに挿入されており、駆動軸２２１はカムスプロケットに対して相対回転するように構成されている。そのため、駆動軸２２１はカムスプロケットに対する位相を変更でき、クランクシャフトに対する駆動軸２２１の回転位相を変更できる。

また、リフト量可変機構２３０の制御軸２３１の一端には、ギア等を介して図示しないアクチュエータが設けられている。このアクチュエータによって制御軸２３１の回転位置を変化させることで、ロッカアーム２２６の揺動中心となる偏心カム部２３２の軸心が制御軸２３１の回転中心周りを旋回し、これに伴いロッカアーム２２６の支点が変位する。これにより、第１リンク２２３及び第２リンク２２８の姿勢が変化して、揺動カム２１０の揺動中心とロッカアーム２２６の回転中心との距離が変化し、揺動カム２１０の揺動特性が変化する。

図３は、可変動弁装置２００によって駆動される吸気弁１２のリフト量及び作動角（バルブ特性）の一例を示す図である。実線は制御軸２３１を回転したときの吸気弁１２のバルブ特性を示し、破線は駆動軸２２１のカムスプロケットに対する位相を変更したときの吸気弁１２のバルブ特性を示す。可変動弁装置２００では、制御軸２３１の角度及び駆動軸２２１のカムスプロケットに対する位相を変更することで、図３に示すように吸気弁１２のリフト量や作動角（バルブ特性）を連続的に変更することが可能となる。本実施形態では、このような可変動弁装置２００を用いることで、第１吸気弁１２ａ〜第３吸気弁１２ｃを駆動し、車両の運転状態に応じてバルブ特性を変更する。つまり、第１吸気弁１２ａ〜第３吸気弁１２ｃのリフト量は、可変動弁装置２００によって、低負荷から高負荷になるにしたがって大きくなるように制御される。

上述の通り構成される第１実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００は、燃料噴射弁４１、点火プラグ４２や可変動弁装置２００を制御するためにコントローラ５０を備える。コントローラ５０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースから構成されている。このコントローラ５０には、図示しない吸気量センサやエンジン回転速度センサなどの車両運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。そして、コントローラ５０は、これら出力に基づいて燃料噴射弁４１の燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ４２の点火時期、吸気弁１２のバルブ特性を調整する。

ところで、特開平７−２０８１７７号公報に記載の従来手法による吸気３弁構造の筒内直接噴射式エンジンでは、燃料噴射弁と点火プラグとをシリンダヘッドの燃焼室中心付近に隣接するように配置するので、燃焼室内に突出する燃料噴射弁の先端が燃焼熱の影響によって高温になりやすい。燃料噴射弁の先端が高温になると、燃料噴射弁の噴口に残留した燃料がデポジットとなって料噴射弁の噴口がつまり、燃料噴射量が要求量よりも少なくなって燃焼性能が低下するため、エンジン出力が低下したりエミッションが悪化したりするなどの問題がある。

そこで、本実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００では、図４に示すように燃料噴射弁４１を吸気ポート１０よりも下方であって、シリンダヘッド４０の側部に設置することで上記問題を解決する。

図４は、燃料噴射弁４１の設置位置を示す燃焼室１の平面図である。

図４に示すように、燃料噴射弁４１は、シリンダ列方向において第１吸気弁側にオフセットされて、シリンダヘッド側部に設置される。ここで、燃料噴射弁４１の軸心Ｃ₀は、シリンダ軸心Ｐを通りシリンダ配列方向に対して直交する線（以下「シリンダ中心線」という。）Ｃ₁と平行になるように設定されている。また、燃料噴射弁４１の噴口と第１吸気弁１２ａの中心との距離Ｄ₁は、燃料噴射弁４１の噴口と第２吸気弁１２ｂの中心との距離Ｄ₂と略同一になるように設定されている。

図４（Ａ）のように設置された燃料噴射弁４１は、図４（Ｂ）に示すように、燃焼室内に３方向に燃料を噴射する。ここで、燃料噴射弁４１は、噴射される燃料の噴霧の中心線Ｌがシリンダ軸心Ｐを通るように燃料を噴射する。また、噴射された燃料の噴霧角度θは、図４（Ｂ）において中心線Ｌに対して線対称となるように設定されている。そのため、燃料噴射弁４１は、燃焼室内に混合気を均質に形成する。

このように本実施形態では、燃料噴射弁４１を点火プラグ４２（図４において図示せず）から離れた位置に設置するので、燃料噴射弁４１の先端は燃焼熱の影響を受けにくい。

一方、本実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００では、低負荷などの均質燃焼時において、第１吸気弁１２ａから燃焼室１に導入される吸気量を低下させることで、燃焼室内にガス流動を生起して燃焼性能の向上を図る。この燃焼室内に生起されるガス流動について図５及び図６を参照して説明する。

図５は、第１吸気弁１２ａ〜第３吸気弁１２ｃの動作を示す図である。

第１吸気弁１２ａ〜第３吸気弁１２ｃは、図５（Ａ）に示すように可変動弁装置２００の揺動カム２１０ａ〜２１０ｃで駆動する。ここで、第１吸気弁１２ａを駆動する揺動カム２１０ａのカムプロフィールは、図５（Ａ）の破線で示すように、第２吸気弁１２ｂ及び第３吸気弁１２ｃを駆動するカムプロフィール２１０ｂ、２１０ｃとは異なる形状となっている。そのため、低負荷時などの均質燃焼時において、図５（Ｂ）の破線Ａで示される第１吸気弁１２ａのリフト量は、図５（Ｃ）の実線Ｃで示される第２吸気弁１２ｂ及び第３吸気弁１２ｃのリフト量よりも小さくなる。これに対して、図５（Ｂ）の破線Ｂで示される高負荷時の第１吸気弁１２ａのリフト量は、図５（Ｃ）の実線Ｄで示される第２吸気弁１２ｂ及び第３吸気弁１２ｃにリフト量と略同一になる。

なお、第１吸気弁１２ａのリフト量は、可変動弁装置２００によって、エンジン運転状態に応じて破線Ａから破線Ｂの間で連続的に調整される。同様に、第２吸気弁１２ｂ及び第３吸気弁１２ｃのリフト量は、可変動弁装置２００によって、エンジン運転状態に応じて実線Ｃから実線Ｄの間で連続的に調整される。

図６は、低負荷時などの均質燃焼時において生起される燃焼室内のガス流動を示す図である。

本実施形態では、低負荷時などの均質燃焼時に、燃料噴射弁４１は吸気行程時に燃料を噴射する。また、均質燃焼時には、第１吸気弁１２ａのリフト量が第２吸気弁１２ｂ及び第３吸気弁１２ｃのリフト量よりも小さくなるので（図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）参照）、第１吸気弁１２ａと吸気ポート１０との隙間から燃焼室１に導入される吸気量は低下する。そのため、吸気のほとんどは、第２吸気弁１２ｂと第３吸気弁１２ｃの側の吸気ポート１０から燃焼室１に流入する。そうすると、図６の矢印に示すように、燃料噴射弁４１の噴口が設置される位置から最も離れた位置にある第３吸気弁１２ｃと、第２吸気弁１２ｂとの間から、半時計回りのスワール流動が生起される。このスワール流動は、燃料噴射弁４１から第１吸気弁側に向かって噴射される噴霧Ｆ₁及びシリンダ中心を通る噴霧Ｆ₂と衝突するので、この衝突によって燃焼室１の内部にはより均質な混合気が形成されることになる。

以上により、本実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００は下記の効果を得ることができる。

筒内直接噴射式エンジン１００では、燃料噴射弁４１の噴口をシリンダ列方向において第１吸気弁側にオフセットしてシリンダヘッド側部に配置し、点火プラグ４２をシリンダ中心のシリンダヘッド４０に配置するので、燃料噴射弁４１と点火プラグ４２との設置位置を離すことができる。そのため、燃料噴射弁４１の先端が燃焼熱の影響を受けにくくなり、燃料噴射弁４１の先端の温度上昇が抑制される。また、燃料噴射弁４１の噴口は、排気側ではなく吸気側のシリンダヘッド側部に配置されるので、排気による燃料噴射弁４１の先端の温度上昇も抑制することができる。これにより、デポジットに起因する燃料噴射弁４１の噴口のつまりが防止され、燃焼性能の低下に起因するエンジン出力の低下やエミッションの悪化を抑制することができる。

また、燃料噴射弁４１は、その軸心とシリンダ中心線とが平行になるように設置するので、燃料噴射弁４１の後端側と燃料配管との組付けが容易となる。

さらに、筒内直接噴射式エンジン１００では、低負荷時などの均質燃焼時に、第１吸気弁１２ａのリフト量が、第２吸気弁１２ｂ及び第３吸気弁１２ｃのリフト量よりも小さくなるように設定するので、燃焼室内に吸気のスワール流動を生起することができる。このスワール流動は、燃料噴射弁４１の噴口が設置される位置から最も離れた位置にある第３吸気弁１２ｃと、第２吸気弁１２ｂとの間から生起されるので、燃料噴射弁４１から噴射された燃料の一部と衝突する。これにより、燃焼室内に均質な混合気が形成されて、燃焼性能が向上するので、エンジン出力の低下やエミッションの悪化を抑制することができる。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る筒内直接噴射式エンジン１００を示す図である。図７（Ａ）は、吸気ポート１０と排気ポート２０の配置を示す燃焼室１の正面図である。また、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。

第２実施形態の構成は第１実施形態とほぼ同様であるが、第３吸気弁１２ｃの側の吸気ポート１０に流動生起弁６０を備える点において一部相違する。つまり、エンジン運転状態に応じて流動生起弁６０を開閉することで燃焼室１の内部にガス流動を生起するようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

第２実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００では、図７（Ａ）に示すように第３吸気弁１２ｃの側の吸気ポート１０に、燃焼室内にガス流動を生起するための流動生起弁６０を設置する。この流動生起弁６０は、図７（Ｂ）に示すように吸気ポート１０を全閉可能な弁であって、エンジン運転状態に応じて吸気ポート１０を開閉する。

また、点火プラグ４２は、シリンダ３１の軸心から排気ポート側にずれた位置のシリンダヘッド４０に設置される。この点火プラグ４２の点火部は、燃焼室１の内部に突出する。

なお、第１吸気弁１２ａ〜第３吸気弁１２ｃは可変動弁装置２００によって駆動されるが、揺動カム２１０のカムプロフィールは第１実施形態と異なり、それぞれ同一形状で構成されている。そのため、第２実施形態では、第１吸気弁１２ａのリフト量に起因したスワール流動は生起されない。

ところで、従来手法による筒内直接噴射式エンジンにおいては、エンジン始動直後など、排気ポートに接続する排気通路に設置された触媒を早期に活性させる必要がある場合に、排気温度を昇温する。しかしながら、排気温度を昇温するために、点火時期を遅角しすぎると、失火してしまい燃焼性能が低下するという問題がある。

そこで、第２実施形態では、エンジン始動直後など排気温度を昇温する場合に、流動生起弁６０によって第３吸気弁１２ｃ側の吸気ポート１０を閉じることで、燃焼室内にガス流動を生起して燃焼性能の向上を図る。この燃焼室内に生起されるガス流動について図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照して説明する。

図８（Ａ）は燃料噴射弁４１から噴射される燃料の噴霧を示す。

図８（Ａ）に示すように、燃料噴射弁４１は第１実施形態と同様にシリンダ列方向において第１吸気弁１２ａの側にオフセットされて、シリンダヘッド側部に設置される。また、点火プラグ４２は、シリンダ中心線Ｃ₁上であって、シリンダ軸心Ｐから排気ポート側にオフセットされた位置に設置されている。

ここで、燃料噴射弁４１は、燃焼室１の内部に３方向に燃料を噴射する。噴射された燃料の噴霧の中心線Ｌは、シリンダ軸心Ｐではなく点火プラグ４２の点火部を通るように調整されている。また、燃料噴射弁４１の燃料噴射量は、中心線Ｌによって仕切られる燃焼室１の領域Ｑ及び領域Ｒにおいて、領域面積の小さい領域Ｑの側では少なくなるように設定され、領域面積の大きい領域Ｒ側では領域Ｑ側よりも多くなるように設定されている。

このように燃料噴射弁４１は、中心線Ｌに対して燃料噴射量が非対称となるように設定されているので、シリンダ軸心Ｐからオフセットされた点火プラグ４２を指向して燃料を噴射したとしても、燃焼室内に形成される混合気は均質となる。

図８（Ｂ）はエンジン始動直後において生起される燃焼室内のガス流動を示す図である。

第２実施形態では、エンジン始動直後など排気温度を昇温する場合には、燃料噴射弁４１は吸気行程時に燃料を噴射するとともに、流動生起弁６０によって第３吸気弁１２ｃ側の吸気ポート１０を閉じる。そのため、吸気ポート１０からの吸気は、第３吸気弁１２ｃの側の吸気ポート１０から燃焼室１に流入せず、第１吸気弁１２ａ及び第２吸気弁１２ｂの側の吸気ポート１０から燃焼室１に流入する。そうすると、図８（Ｂ）の矢印に示すように、燃料噴射弁４１の噴口が設置される位置に近い位置にある第１吸気弁１２ａ及び第２吸気弁１２ｂとの間から時計回りのスワール流動が生起される。このように燃料噴射弁４１の噴口に近い位置からスワール流動が生起することで、噴射された燃料の一部はスワール流動とともに流れて成層化することができ、この燃料の成層化により燃焼性能を安定させることができる。

以上により、第２実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００は下記の効果を得ることができる。

第２実施形態では、エンジン始動直後など排気温度を昇温する場合に、第３吸気弁１２ｃの側の吸気ポート１０を流動生起弁６０によって閉じる。そのため、燃料噴射弁４１の噴口に近い位置からスワール流動が生起することができ、燃料噴射弁４１から噴射された燃料の一部を成層化することができる。これにより、排気温度を昇温するために点火時期をピストン上死点位置から遅角したとしても失火を防止することができ、燃焼性能の低下を抑制することが可能となる。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態に係る筒内直接噴射式エンジン１００を示す図である。

筒内直接噴射式エンジン１００の構成は第１実施形態又は第２実施形態とほぼ同様であるが、ピストン３２とクランクシャフト３２０とを連結する構成において一部相違する。つまり、筒内直接噴射式エンジン１００では、ピストン３２とクランクシャフト３２０とを複数のリンクで接続することでピストンストロークのロングストロークを図り、燃費性能を改善するようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。

図９に示すように、筒内直接噴射式エンジン１００は、ピストン行程を変化させて機械圧縮比を変更する圧縮比可変機構３１０を備える。圧縮比可変機構３１０は、ピストン３２とクランクシャフト３２０とをアッパリンク３１１、ロアリンク３１２で連結して、コントロールリンク３１３でロアリンク３１２の姿勢を制御することで機械圧縮比を変更できるようになっている。

アッパリンク３１１は、その上端でピストンピン３１４を介してピストン３２に連結する。また、アッパリンク３１１の下端は、連結ピン３１５を介してロアリンク３１２の一端に連結する。

ロアリンク３１２は、その一端が連結ピン３１５を介してアッパリンク３１１に連結する。また、ロアリンク３１２の他端は、連結ピン３１６を介してコントロールリンク３１３に連結する。ロアリンク３１２は、図中左右の２部材から分割可能に構成され、ほぼ中央に連結孔３１２ａを有する。ロアリンク３１２は、連結孔３１２ａにクランクシャフト３２０のクランクピン３２１を挿入し、クランクピン３２１を中心軸として揺動する。

クランクシャフト３２０は、クランクピン３２１、ジャーナル３２２及びカウンターウェイト３２３を備える。クランクピン３２１の中心はジャーナル３２２の中心から所定量偏心しており、このクランクピン３２１にロアリンク３１２が回転自在に連結する。ジャーナル３２２は、シリンダブロック３０とラダーフレーム３３０とによって回転自在に支持される。ジャーナル３２２の軸心は、クランクシャフト３２０の軸心と一致している。カウンターウェイト３２３は、クランクアームに一体形成されて、ピストン運動の回転１次振動成分を低減する。

コントロールリンク３１３の上端は、連結ピン３１６を介してロアリンク３１２に対して回動自在に連結する。また、コントロールリンク３１３の下端は、連結ピン３１７を介して、クランクシャフト３２０と平行に配置されるコントロールシャフト３４１に連結する。連結ピン３１７は、コントロールシャフト３４１の軸心から所定量偏心しており、コントロールリンク３１３がその偏心した連結ピン３１７を軸心として揺動する。このコントロールシャフト３４１は、その外周にギア３４２を形成する。このギア３４２がピニオン３４３と噛合する。ピニオン３４３は、シリンダブロック３０の側部に取付けられたアクチュエータ３４４の回転軸３４５に設けられている。

このように構成される第３実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００では、ピストン３２の往復運動はアッパリンク３１１に伝達され、ロアリンク３１２を介してクランクシャフト３２０の回転運動に変化される。この場合には、ロアリンク３１２はクランクピン３２１を中心軸として揺動しながら、クランクシャフト３２０の中心に対して図中反時計回りに回転する。ロアリンク３１２に連結するコントロールリンク３１３は、その下端に連結するコントロールシャフト３４１の連結ピン３１７を支点として揺動する。コントロールシャフト３４１と連結ピン３１７とは偏心しているため、アクチュエータ３４４によってコントロールシャフト３４１が回転すると、連結ピン３１７が移動する。この連結ピン３１７の移動によってコントロールリンク３１３の揺動中心が変化するため、これによりアッパリンク３１１及びロアリンク３１２の傾斜を変えることができ、ピストン３２の上死点位置を所定の範囲内で任意に調整できる。このように、筒内直接噴射式エンジン１００では、ピストン３２の上死点位置を調整することによって機械圧縮比が可変となる。そのため、車両の運転状態に応じて機械圧縮比を最適に制御して、燃焼効率を向上させて燃費性能を改善できる。例えば、低回転速度・低負荷側では機械圧縮比を高くして燃焼効率の向上を図り、高回転速度・高負荷側では機械圧縮比を低くしてノッキングの防止を図る。

第３実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００では、ピストンスカートを短縮したピストン３２を使用することで、ピストンストロークのロングストローク化を図り、燃費性能を改善する。以下では、筒内直接噴射式エンジン１００におけるピストンストロークのロングストローク化について、図１０〜図１２を参照して説明する。

図１０は、ピストン３２のサイドスラスト荷重の低減について説明する図である。

図１０に示すように、筒内直接噴射式エンジン１００では、圧縮比可変機構３１０のアライメントを選択することによって、燃焼室１の内部の圧力が最大となる膨張行程前半において、ピストン３２と連結するアッパリンク３１１を直立姿勢（シリンダ軸心に対するアッパリンク３１１の軸心の傾き角度θが０°に近い状態）に維持することができる。このようにアッパリンク３１１の傾き角度θが小さくなると、アッパリンク３１１の傾き角度θに応じて生じるピストン３２のサイドスラスト荷重は大幅に低減する。そのため、図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）に示すようにピストン３２のピストンスカート長さを短縮しても、ピストンスカート強度を確保することができる。つまり、筒内直接噴射式エンジン１００のピストン３２では、図１１（Ｃ）に示すようにピストンピン３１４が挿入される方向のピストンスカートを短縮することができる。

図１２は、ピストンストロークのロングストローク化を説明する図である。

筒内直接噴射式エンジン１００では、ピストンスカートが短縮されたピストン３２（図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）参照）を使用するので、図１２に示すようにクランクシャフト３２０のカウンターウェイト３２３は、ピストンピン３１４の側方を通過することができる。このため、アッパリンク３１１を最小限の長さとして、ピストン３２の下死点位置をクランクシャフト３２０に最接近させることで、ピストンスカートを短縮した分のピストンストロークを拡大することができる。

以上により、第３実施形態の筒内直接噴射式エンジン１００は下記の効果を得ることができる。

第３実施形態では、圧縮比可変機構３１０のアライメントによって、ピストン３２に生じるサイドスラスト荷重を低減できるので、ピストン３２のピストンスカートを短縮することができ、これによりピストンストロークのロングストローク化を図ることができる。そのため、排気量を低下させることなくボア径を小径にすることができ、Ｓ／Ｖ比が低減されて燃費性能の向上を図ることができる。また、ボア径を小径とすると、燃焼室形状が扁平になりにくく、吸気弁１２や燃料噴射弁４１のレイアウト性が向上する。

本発明は上記した実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなし得ることは明白である。

例えば、第１実施形態では第１吸気弁１２ａのリフト量に基づいてスワール流動を生起するようにしたが、第２実施形態のように第１吸気弁１２ａ側の吸気ポート１０に流動生起弁を備えるようにしてもよい。この場合には、低負荷時などの均質燃焼時に、流動生起弁６０によって第１吸気弁１２ａ側の吸気ポート１０を閉じる。これにより、燃料噴射弁４１の噴口が設置される位置から最も離れた位置にある第３吸気弁１２ｃと、第２吸気弁１２ｂとの間からスワール流動を生起することができる。

また、第２実施形態では、第３吸気弁１２ｃの側の吸気ポート１０に備えた流動生起弁６０に基づいてスワール流動を生起するようにしたが、第１実施形態のように第３吸気弁１２ｃのリフト量に基づいてスワール流動を生起するようにしてもよい。この場合には、エンジン始動直後など排気温度を昇温する場合に、第３吸気弁１２ｃのリフト量が、第１吸気弁１２ａ及び第２吸気弁１２ｂのリフト量よりも小さくなるように設定する。これにより、燃料噴射弁４１の噴口が設置される位置に近い位置にある第１吸気弁１２ａ及び第２吸気弁１２ｂの間からスワール流動を生起することができる。

さらに、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせて、低負荷などの均質燃焼時に燃料噴射弁４１の噴口が設置される位置から最も離れた位置にある第３吸気弁１２ｃと、第２吸気弁１２ｂとの間からスワール流動を生起し、エンジン始動直後などの排気温度の昇温時に燃料噴射弁４１の噴口が設置される位置に近い位置にある第１吸気弁１２ａ及び第２吸気弁１２ｂの間からスワール流動を生起するようにしてもよい。このように燃焼室内に生起されるスワール流動を切り換えることで、エンジン運転状態に応じて燃焼性能の向上を図ることが可能となる。

さらに、第２実施形態では、エンジン始動直後など触媒温度を昇温する場合に、圧縮行程後半から膨張行程前半において燃料を噴射するように燃料噴射弁４１の噴射時期を調整するようにしてもよい。これによれば点火プラグ４２の点火部近傍において噴射された燃料を成層化でき、燃焼性能の向上を図ることが可能となる。

第１実施形態の筒内直接噴射式エンジンの構成を示す図である。 可変動弁装置の全体構成を示す概略図である。 可変動弁装置によって駆動される吸気弁のリフト量及び作動角（バルブ特性）を示す図である。 燃焼室をシリンダヘッド側から見たときの燃料噴射弁の設置位置を示す図である。 第１吸気弁〜第３吸気弁の動作を示す図である。 低負荷時などの均質燃焼時において生起される燃焼室内のガス流動を示す図である。 第２実施形態の筒内直接噴射式エンジンの構成を示す図である。 エンジン始動直後において生起される燃焼室内のガス流動を示す図である。 第３実施形態の筒内直接噴射式エンジンの構成を示す図である。 ピストンのサイドスラスト荷重の低減について説明する図である。 ピストンの構成を示す図である。 ピストンのピストンストロークのロングストローク化を説明する図である。

符号の説明

１００ 筒内直接噴射式エンジン
１ 燃焼室
１０ 吸気ポート
１２ａ 第１吸気弁
１２ｂ 第２吸気弁
１２ｃ 第３吸気弁
３２ ピストン
４０ シリンダヘッド
４１ 燃料噴射弁
４２ 点火プラグ
５０ コントローラ
６０ 流動生起弁（噴口側吸気調整手段、反噴口側吸気調整手段）
２００ 可変動弁装置（噴口側吸気調整手段、反噴口側吸気調整手段）
２１０ 揺動カム
２２０ 揺動カム駆動機構
２２１ 駆動軸
２３０ リフト量可変機構
２３１ 制御軸
３１０ 圧縮比可変機構
３１１ アッパリンク（第１リンク）
３１２ ロアリンク（第２リンク）
３１３ コントロールリンク（第３リンク）
３２０ クランクシャフト
３２３ カウンターウェイト
３４１ コントロールシャフト

Claims (16)

1. １つの気筒に対してシリンダ配列方向に３つの吸気ポートを形成するシリンダヘッドを有する筒内直接噴射式エンジンであって、
   前記シリンダヘッドの吸気ポート側の側部に設置され、シリンダ軸心を通りシリンダ配列方向に対して直交する線からシリンダ配列方向に噴口をずらして配置した燃料噴射弁と、
   前記シリンダヘッドの上部に設置され、前記燃料噴射弁によって噴射された燃料に点火する点火プラグと、
   を備えることを特徴とする筒内直接噴射式エンジン。
2. 前記燃料噴射弁の軸心は、シリンダ軸心を通りシリンダ配列方向に対して直交する線と平行になる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式エンジン。
3. 前記燃料噴射弁は、シリンダ軸方向から見て、おおよそ燃焼室中心に向かって燃料を噴射する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内直接噴射式エンジン。
4. 前記燃料噴射弁は、シリンダ軸方向から見て、噴射された燃料噴霧の中心線が燃焼室中心を通り、噴霧形状がその中心線に対して線対称となるように、燃料を噴射する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式エンジン。
5. 前記点火プラグは、前記シリンダヘッドの上部にシリンダ軸心からずらして配置され、
   前記燃料噴射弁は、シリンダ軸方向から見て、噴射された燃料噴霧の中心線が前記点火プラグの点火部を通り、その中心線によって仕切られる燃焼室の領域のうち領域面積の大きい領域側では領域面積の小さい領域よりも燃料噴射量が多くなるように、燃料を噴射する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内直接噴射式エンジン。
6. 前記燃料噴射弁の噴口は、シリンダ軸方向から見て、３つの吸気弁のうち中央に配置される吸気弁と、両側に配置される吸気ポートのうちの一方の吸気ポートに配置される吸気弁との間に位置するように設置される、
   ことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式エンジン。
7. 前記燃料噴射弁の噴口と前記中央の吸気ポートの吸気弁との距離は、前記噴口と前記一方の吸気ポートの吸気弁との距離と等しくなる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の筒内直接噴射式エンジン。
8. 前記両側に配置される吸気ポートのうち、前記燃料噴射弁の噴口がずらされる方向と同方向に配置される噴口側吸気ポートから燃焼室に流入する吸気をエンジン運転状態に応じて調整する噴口側吸気調整手段を備え、
   前記噴口側吸気調整手段は、均質燃焼時に前記噴口側吸気ポートから燃焼室に流入する吸気量を他の吸気ポートから流入する吸気量よりも低下させて燃焼室内にガス流動を生起する、
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の筒内直接噴射式エンジン。
9. 前記噴口側吸気調整手段は、
   前記噴口側吸気ポートを開閉する吸気弁の少なくともリフト量を可変にする可変動弁装置を備え、
   前記可変動弁装置は、均質燃焼時に前記噴口側吸気ポートの吸気弁のリフト量を他の吸気ポートの吸気弁よりも小さく設定する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の筒内直接噴射式エンジン。
10. 前記噴口側吸気調整手段は、
    前記噴口側吸気ポートに設置され、その吸気ポートを開閉する開閉弁を備え、
    前記開閉弁は、均質燃焼時に前記噴口側吸気ポートを閉じる、
    ことを特徴とする請求項８に記載の筒内直接噴射式エンジン。
11. 前記両側に配置される吸気ポートのうち、前記燃料噴射弁の噴口がずらされる方向と反対方向に配置される反噴口側吸気ポートから燃焼室に流入する吸気をエンジン運転状態に応じて調整する反噴口側吸気調整手段を備え、
    前記反噴口側吸気調整手段は、排気温度の昇温時に前記反噴口側吸気ポートから燃焼室に流入する吸気量を他の吸気ポートから流入する吸気量よりも低下させて燃焼室内にガス流動を生起する、
    ことを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式エンジン。
12. 前記反噴口側吸気調整手段は、
    前記反噴口側吸気ポートを開閉する吸気弁の少なくともリフト量を可変にする可変動弁装置を備え、
    前記可変動弁装置は、排気温度の昇温時に前記反噴口側吸気ポートの吸気弁のリフト量を他の吸気ポートの吸気弁よりも小さく設定する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の筒内直接噴射式エンジン。
13. 前記反噴口側吸気調整手段は、
    前記反噴口側吸気ポートに設置され、その吸気ポートを開閉する開閉弁を備え、
    前記開閉弁は、排気温度の昇温時に前記反噴口側吸気ポートを閉じる、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の筒内直接噴射式エンジン。
14. 前記燃料噴射弁は、吸気行程において燃料を噴射する、
    ことを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式エンジン。
15. 前記燃料噴射弁は、圧縮行程後半から膨張行程前半の間において燃料を噴射する、
    ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式エンジン。
16. 前記気筒内を往復動するピストンに揺動自由に連結する第１リンクと、
    前記第１リンクに回動自由に連結するとともに、クランクシャフトに回転自由に装着される第２リンクと、
    前記第２リンクに連結ピンを介して回転自由に連結されるとともに、シリンダブロックに設けられた支持部を揺動軸心として揺動可能な第３リンクとを備え、
    前記クランクシャフトのカウンターウェイトが、前記ピストンと前記第１のリンクとを連結するピストンピンの側方を通過するようにした、
    ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式エンジン。

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