JP2009257336A - 筒内噴射式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高背圧下での超リタード燃焼を実現して、始動時のＨＣ排出量を可及的に低減することのできる筒内噴射式エンジン及びその制御装置を提供する。
【解決手段】ピストン７に、燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧が吹き込まれるキャビティ３０が形成されるとともに、該キャビティ３０に、前記吹き込まれた燃料噴霧を減速ないし停止させる段差３１等の障害手段が設けられ、また、燃料噴射弁１０は、それから噴射される燃料噴霧が、点火プラグ２０を指向し、かつ、点火プラグ２０を通り越す長さのペネトレーションを持つリード燃料噴霧１０１成分と、ピストン７を指向する主燃料噴霧１０２成分と、を持つように、その配置位置、配置姿勢、ノズル構造、噴口形状等が設定され、高背圧下での超リタード燃焼を可能とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射式エンジン及びその制御装置に係り、特に、始動時におけるＨＣ（の排出量）の低減を図るべく、ピストンの形状と燃料噴霧形状等を改善すると共に、点火時期を通常運転時より大幅にリタードさせて高背圧下での超リタード燃焼を可能とした筒内噴射式エンジン及びその制御装置に関する。

従来より、筒内噴射式エンジンにおいて、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧特性（形状、ペネトレーション等）、ピストン（の冠面）形状、燃焼室内における空気流動等を工夫改善して混合気の成層化を図り、燃費等を向上させる方法については、数多くの提案がなされている。近年は、ピストンに特殊な形状のキャビティ（窪み）を設け、このキャビティを利用して混合気を成層化する方法から、空気流動等を利用して燃焼室壁面等に付着する燃料量を少なくしてＨＣ（の排出量）を低減する方法、燃料噴霧を直接点火プラグに到達させ、燃焼安定性を向上させる方法へと、進化してきている。

その中でも、例えば、下記特許文献１には、ピストン冠面の断面がω形状となるように二つのキャビティを設け、該二つキャビティの片方に燃料噴霧を衝突させ、他方に順タンブルを形成し、燃料噴霧とタンブルを衝突させることにより、燃料と空気との混合を促進するとともに、可燃混合気を点火プラグへ到達させるようにされた筒内噴射式エンジンが提案されている。

同様に、下記特許文献２には、キャビティの底壁部における排気側に段差を設け、この段差で吹き上げた燃料噴霧と燃焼室内に形成されるタンブル（縦渦）とを衝突させ、点火プラグ周りへ成層化するようにされた筒内噴射式エンジンが提案されている。

これらの筒内噴射式エンジンでは、成層燃焼時に、燃料噴霧と空気流動の相互作用により、燃料の微粒化・空気との混合が促進され、点火プラグ付近に長期間可燃混合気を存在させられるメリットがある。

特開２０００−１２０４４０号公報 特開２００２−２９５２６１号公報

しかしながら、前記特許文献に所載の筒内噴射式エンジンでは、モード走行で排出ＨＣの多くが始動時の排出ＨＣで占められるという問題がある。始動時はエンジン温度が低いため、エンジンアウトＨＣ低減と、排気通路に設けられた排気浄化用触媒の早期活性化（昇温）が必要となる。そのためには、点火時期を圧縮上死点後できるだけ遅くして排気温を上昇させる超リタード燃焼が有効であることが知られているが、前記特許文献に所載の筒内噴射式エンジンでは、かかる事柄については考慮されておらず、キャビティ底壁部に設けられた段差もタンブルとの干渉を考慮して点火プラグの真下より相当排気側寄りに位置せしめられている。

前記超リタード燃焼では、例えば、圧縮上死点前２０度（２０ＢＴＤＣ）という高背圧条件での燃料噴射、圧縮上死点後２０度（２０ＡＴＤＣ）での点火が必要となる。かかる条件では、ピストンが上死点近くにあり、燃焼室が扁平な形状となっているため、タンブルは崩壊して、小さな渦の集合体となっている。また、燃焼室内の圧力が１ＭＰａ以上と高いことから、現在一般的に使われている、スワール燃料噴射弁の中空円錐燃料噴霧では、燃料噴霧を点火プラグに到達させることは難しい。

つまり、前記特許文献に所載の筒内噴射式エンジンでは、タンブルと燃料噴霧の衝突により混合気を点火プラグに到達させているため、超リタード燃焼のようなタンブルが崩壊した条件では、混合気が吹き上がらず、排気側へ流れ、可燃混合気の点火プラグへの到達・保持ができず、安定燃焼は困難と考えられる。

本発明は、前記した如くの問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、タンブルのような空気流動に頼らず、高背圧下での超リタード燃焼を実現して、始動時のＨＣ排出量を可及的に低減することのできる筒内噴射式エンジン及びその制御装置を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成すべく、本発明に係る筒内噴射式エンジンは、基本的には、シリンダヘッドとピストンとの間に画成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに配在された吸気弁及び排気弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内に燃料を直接噴射すべく、前記ピストンの昇降方向に直交する燃焼室水平面に対して所定角度をもって配置された燃料噴射弁と、を備える。

そして、前記ピストンは、その冠面に前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が吹き込まれるキャビティを形成するとともに、該キャビティは、前記吹き込まれた燃料噴霧を減速ないし停止させる障害手段を備え、高背圧下での超リタード燃焼が可能とされていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記燃料噴射弁が前記燃焼室の吸気側に配置され、前記障害手段が前記キャビティの底壁部における前記点火プラグ直下もしくはその直下近傍よりも吸気側の部位に設けられる。

前記障害手段は、好ましくは、前記キャビティの底壁部に設けられた、吸気側が低く排気側が高い段差、前記キャビティの底壁部における吸気側と排気側とを分断する方向に伸びる凸部、前記キャビティの底壁部における吸気側と排気側とを分断する方向に伸びる凹部、前記キャビティの底壁部における吸気側に設けられた複数の段差等で構成される。この場合、前記凸部、凹部、又は段差の高さもしくは深さは、シリンダボア比１〜５％であることが好ましい。

また、前記障害手段を、表面粗さが排気側より吸気側の方が粗くされた前記キャビティの底壁部で構成してもよい。

前記燃料噴射弁は、好ましくは、それから噴射される燃料噴霧が、前記点火プラグを指向し、かつ、前記点火プラグを通り越す長さのペネトレーションを持つリード燃料噴霧成分と、前記ピストンを指向する主燃料噴霧成分と、を持つように、その配置位置、配置姿勢、ノズル構造、噴口形状等が設定される。

前記燃料噴射弁は、好ましい態様では、噴口と、該噴口の上流側に設けられた弁シートと、該弁シートに接離して燃料通路の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段と、前記噴口の上流側に設けられて燃料に旋回運動を与える旋回付与手段と、を備え、前記噴口に、該噴口の開口面を分断するように噴射弁中心軸線に沿う方向の段差が設けられる。

他の好ましい態様では、前記燃料噴射弁は、噴口と、該噴口の上流側に設けられた弁シートと、該弁シートに接離して燃料通路の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段と、前記噴口の上流側に設けられて燃料に旋回運動を与える旋回付与手段と、を備え、前記旋回付与手段として設けられた複数本の旋回溝のうちの少なくとも１本の高さもしくは幅が他の溝のそれより大きくされる。

別の好ましい態様では、前記燃料噴射弁は、噴口と、該噴口の上流側に設けられた弁シートと、該弁シートに接離して燃料通路の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段と、を備え、前記噴口は複数の孔で構成される。

一方、本発明に係る筒内噴射式エンジンの制御装置は、シリンダヘッドとピストンとの間に画成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに配在された吸気弁及び排気弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内に燃料を直接噴射供給すべく、前記ピストンの昇降方向に直交する燃焼室水平面に対して所定角度をもって配置された燃料噴射弁と、を備え、前記ピストンの冠面には、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が吹き込まれるキャビティが形成されるとともに、該キャビティに、前記燃料噴霧を減速ないし停止させる障害手段が設けられている筒内噴射式エンジンに適用されるもので、始動時に点火時期を通常運転時よりリタードさせて超リタード燃焼を実現する制御を行う制御手段を備える。

好ましい態様では、前記制御手段は、始動時に、点火時期を圧縮上死点後０〜６０度の範囲内に設定するとともに、前記燃料噴射弁に点火時期前５〜６０度の範囲内において少なくとも１回の燃料噴射を行わせるようにされる。

前記制御手段は、好ましくは、排気温、冷却水温、及び触媒温度のうちの少なくとも一つを検出もしくは推定し、該検出もしくは推定された温度に基づいて、エンジン構成部品がダメージを受ける危険温度もしくは危険温度上昇率に達する前に、点火時期をリタードさせる制御を解除するか、又は、リタード量を小さくする制御を行うようにされる。

この場合、前記制御手段は、前記のように点火時期をリタードさせる制御を解除するか、又は、リタード量を小さくする制御を行う際に、燃料噴射時期も変更するようにされる。

本発明によれば、点火プラグ周りの混合気形成が改善されるので、点火時期を大幅にリタードさせて超リタード燃焼を行うことが可能となり、エンジンアウトＨＣの低減と共に、排気温が上昇して、触媒の早期活性化を図ることができ、このため、始動時のＨＣ排出量を大幅低減することが可能となる。

本発明に係る筒内噴射式エンジン及びその制御装置の一実施形態示す概略構成図。 図１に示されるエンジンの主要部を示す透視斜視図。 図１に示されるエンジンの主要部を示す部分切欠側面図。 ピストンに設けられたキャビティ及び障害手段としての段差の説明に供される図。 ピストンに設けられたキャビティ及び他の障害手段の例の説明に供される図。 燃料噴霧の説明に供される図。 超リタード燃焼時の燃料噴霧・混合気の挙動の説明に供される図。 リード燃料噴霧のペネトレーションが短い場合と長い場合とにおける作用効果の違いの説明に供される図。 超リタード燃焼を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の例を示す図。 ピストンに障害手段としての段差が設けられている場合（本発明実施形態）の作用効果を、段差が設けられていない場合と比較して説明するために供される図。 ピストンに障害手段としての段差が設けられている場合（本発明実施形態）には、超リタード燃焼を実現できることの説明に供される図。 燃料噴射弁のノズル先端部の構造の一例を示す図。 燃料噴射弁のノズル先端部の構造の他の例を示す図。 燃料噴射弁のノズル先端部の構造の他の例を示す図。 燃料噴射弁に設けられる旋回溝の幅あるいは高さを不均等にした場合の作用効果の説明に供される図。 燃料噴射弁のノズル先端部の構造の他の例を示す図。 燃料噴射弁のノズル先端部の構造の他の例を示す図。 点火時期及び燃料噴射時期のリタードについての説明に供される図。 超リタード燃焼を禁止する場合の説明に供される図。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る筒内噴射式エンジン及びその制御装置の一実施形態示す概略構成図、図２は、図１に示されるエンジンの主要部を示す透視斜視図、図３は、図１に示されるエンジンの主要部を示す部分切欠側面図である。

図示のエンジン２は、例えば直列４気筒の筒内噴射式ガソリンエンジンであって、シリンダブロック３と、シリンダヘッド４と、シリンダブロック３に摺動自在に嵌挿されたピストン７と、を有し、シリンダヘッド４とピストン７との間に燃焼室８が画成されている。ピストン７の冠面７ａには、断面円弧状（段付き）の底壁部３０ａと側面視三日月ないし半月状の側壁部３０ｂ、３０ｂを持つ浅皿状のキャビティ３０が形成されている。このキャビティ３０には、障害手段としての段差３１が設けられている（詳細は後述）。

前記燃焼室８には、それぞれ吸気通路１１（の２本の吸気ポート）と排気通路１２（の２本の排気ポート）が開口している。各吸気通路１１及び排気通路１２の吸気ポート及び排気ポートには、それらを開閉すべく、それぞれ吸気弁１３及び排気弁１４が配在されている。

燃焼室８の吸気側（吸気通路１１側）には、燃焼室８内に燃料としてのガソリンを直接噴射すべく、前記ピストン７の昇降方向に直交する燃焼室水平面に対して所定角度をもって燃料噴射弁１０が配置されている。燃料噴射弁１０は、前記２本の吸気ポート間に配在され、燃焼室８の中心軸線に対して先端部（噴口）が所定角度下向きに傾けられて取り付けられている。燃料噴射弁１０には、図示されていない燃料タンクや燃料ポンプ等を備えた燃料供給系から所定圧力をもって燃料が供給されるようになっている。

また、燃焼室８の天井部における中央部ないし排気側（排気通路１２側）には、点火プラグ２０が臨設され、その電極部が燃焼室８内に突き出している。

点火プラグ４は、点火コイル１８により電気エネルギーが供給され、電極により放電し、混合気の点火を行う。

排気通路１２には、排気浄化用触媒１７が設けられている。触媒１７としては、三元触媒が好ましいが、ＮＯｘ触媒やＨＣ吸着燃焼触媒等を用いることもでき、また、種類の異なる複数の触媒を組み合わせて用いてもよい。また、一つの触媒で、これら複数の触媒機能を複合しているもの（ハイブリッド触媒）を用いてもよい。

一方、吸気通路１１の上流部には、電制スロットル弁１６が設けられており、このスロットル弁１６により、燃焼室８内に充填される空気量が制御される。

そして、前記エンジン２の種々の制御、すなわち、前記した点火プラグ２０による点火時期、前記燃料噴射弁１０による燃料噴射量及び燃料噴射時期（噴射回数）、前記スロットル弁１６の開度等の制御を行うため、エンジン２に制御装置１の主要部を構成するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）５が備えられている。ＥＣＵ５には、吸気通路１１に設けられたエアフローセンサ２１から吸入空気量に応じた信号、クランク軸の回転を検出するクランク角センサ２２からエンジン回転数を表す信号、スタータスイッチ２７からの始動開始を伝える信号、シリンダブロック３に設けられた水温センサ２３から冷却水温に応じた信号、前記触媒１７の排気流入側に設けられた触媒温度センサ２４からの触媒温度に応じた信号、排気通路１２における触媒１７の下流に設けられた排気温センサ２５からの排気温に応じた信号等が供給され、ＥＣＵ５は、それらの信号に基づいて、始動時における点火時期を通常運転時より大幅に遅らせて超リタード燃料を実現する制御を行う（詳細は後述）。

前記のように、本実施形態では、ピストン７の冠面７ａには、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示される如くに、燃料噴射弁１０から噴射された燃料噴霧が吹き込まれる浅皿状で所定の幅Wを有するキャビティ３０が形成され、このキャビティ３０の底壁部３０ａに、前記吹き込まれた燃料噴霧を減速ないし停止させる障害手段としての段差３１が設けられている。この段差３１は、キャビティ３０の底壁部３０ａにおける点火プラグ直下（点火プラグ電極中心）もしくはその直下近傍（前記電極中心よりも排気側を含む）よりも吸気側（オフセットＧ）の部位（例えば、電極中心よりも1mm程度排気側の部位に段差を設けることを含む）に設けられ、吸気（Ｉｎ）側が低く排気（Ｅｘ）側が高さＨだけ高くされている。この場合、段差３１の高さＨが大きいと、角部のたまった燃料によるスモーク発生やスロットル弁全開時（高負荷時）の出力不足、燃費悪化という課題が発生することから、段差の高さＨはシリンダボア比（内径に対して）１〜５％の範囲内とするのが望ましい。このことから、本実施形態では、キャビティ３０の底壁部３０ａにおける吸気側より排気側がシリンダボア比１〜５％の範囲内である２ｍｍ高くされている。また、前記オフセットＧは、吸気側へシリンダボア比０〜４０％の範囲内であることが望ましく、それ以上ずれると、キャビティ３０に吹き込まれる主燃料噴霧から形成される混合気の巻き上がりを点火プラグ２０に到達させるのが難しくなる。

また、段差３１より吸気側の底壁部３０ａは半径Ｒｆの円筒面とされ、段差３１より排気側の底壁部３０ａは半径Ｒｅの円筒面とされ、さらに、段差３１部分の両端にはアールＲｄ、Ｒｃが施されている。このアールＲｃ、Ｒｄについては、双方のアールが干渉するまで、大きくしても構わない（図４（Ｅ）参照）。アールを大きくすることにより、主燃料噴霧がプラグ付近へ集中する効果が得られる。また、キャビティ３０の側壁部３０ｂ、３０ｂは、燃料噴霧の拡散防止機能を持たせるため、冠面７ａとの交差角θａが９０度〜６０度の範囲内となるように形成することが好ましい（本実施形態ではθａが略９０度）。また、段差３１の上下端にも適度なアールＲａ、Ｒｂが施されており、それぞれの壁面は適度な曲面で結ばれている。なお、前記アールＲａ．Ｒｂは、機能上は小さいことがよいが、ホットスポットとなる可能性や応力集中の懸念があるため、１ｍｍ以上とすることが望ましい。

なお、段差３１の平面視形状は、図４（Ａ）に示される如くの直線状とせずに、図４（Ｅ）に示される如くに、半径Ｒｉの円弧状（３１’）等としてもよい。

また、障害手段としては、前記段差３１に限られることはなく、例えば、図５（ａ）に示される如くに、キャビティ３０の底壁部３０ａにおける吸気側と排気側とを分断する方向に伸びる凸部３２で構成してもよいし、図５（ｂ）に示される如くに、前記キャビティの底壁部に３０ａおける吸気側と排気側とを分断する方向に伸びる凹部３３で構成してもよいし、図５（ｃ）に示される如くに、表面粗さが排気側より吸気側の方が粗く（粗い部分３４）されたキャビティ３０の底壁部３０ａで構成してもよいし、図５（ｄ）に示される如くに、キャビティ３０の底壁部３０ｂにおける吸気側に設けられた複数の段差３５、３５、…で構成してもよい。また、図５（ｅ）に示される如くに、図５（ａ）に示される凸部３２において、底壁部３０ａと交わる部分にアールを施すことが難しい場合には、図の仮想線で示される如くに、アールの中心をずらして大きめのアールＲｊ、Ｒｋを施す（３２’）ようにしてもよい。なお、前記凸部３２、凹部３３、段差３５の高さもしくは深さは、前記段差３１と同様に、シリンダボア比（内径に対して）１〜５％の範囲内とするのが望ましい。

一方、本実施形態で用いられる燃料噴射弁１０は、従来のスワール燃料噴射弁の先端に段差加工を施したものであり、Ｌ−ｓｔｅｐ燃料噴射弁と呼称される。スワール燃料噴射弁を基本としているため、燃料噴霧形状は、図６に示される如くに、中空円錐形状であるが、その一部（下部）が欠けており、その欠けている部分にほぼ対向する位置に燃料噴霧の集中部１０１が存在する。集中部１０１をリード燃料噴霧、それ以外の燃料噴霧部分１０２を主燃料噴霧と呼称する。燃料噴射弁１０は、それから噴射される燃料噴霧が、前記点火プラグ２０を指向し、かつ、前記点火プラグ２０を通り越す長さのペネトレーション（飛距離、貫徹力）を持つ前記リード燃料噴霧１０１成分と、前記ピストン７（における主としてキャビティ３０の吸気側）を指向する前記主燃料噴霧１０２成分と、を持つように、その配置位置、配置姿勢、ノズル構造、噴口形状等が設定されている。より具体的には、噴口１０ａから噴射されるリード燃料噴霧１０１が点火プラグ２０方向に対して±１０度の範囲に収まるようにシリンダヘッド４（もしくはシリンダブロック３）における吸気側（２本の吸気ポートの間）に取り付け配置されている。

ここで、燃料噴射弁１０の噴口１０ａと点火プラグ２０の電極とを結ぶ直線Ｉ−Ｐ Ｌｉｎｅに対して、リード燃料噴霧１０１の最も長い部分がなす角度を先端上端角θｂ、噴口１０ａからリード燃料噴霧１０１先端までの距離をリードペネトレーションＬ２とする。

超リタード燃焼の実条件における燃料圧力、背圧１Ｍｐａにおいて加圧垂直断面を見た場合、リード燃料噴霧１０１のリードペネトレーションＬ２は、前記したように点火プラグ２０を通り越す長さが必要とされ、本実施形態では、シリンダボア比７０％程度、先端上端角θｂは０度〜５度となっている。ここでは、高温高背圧下でリード燃料噴霧１０１の方向が変わらず点火プラグ方向±１０度へ向いていることが重要である。

超リタード燃焼時は、図７に示される如くに、リード燃料噴霧１０１が点火プラグ付近５１（２０）を通過することにより、流れ５０が形成され、それに伴い点火プラグ付近５１が負圧となる。主燃料噴霧１０２はキャビティ３０内に吹き込まれてその底壁部３０ａに沿って流れ、段差３１で減速されることにより、段差３１付近に正圧部５３が生じる。点火プラグ付近５１（負圧）と正圧部５３との差圧により、上昇流５２が発生し、主燃料噴霧１０２を含んだ混合気が点火プラグ２０方向へ流れる。これにより、点火プラグ２０付近の混合気濃度が可燃範囲に保たれる。

リードペネトレーションが短い場合、点火プラグ２０へ混合気が届かず、図８に示される如くに、点火プラグ付近５１の混合気濃度の時間履歴が低くなる（可燃範囲に保たれる時間が短くなる）。一方、リードペネトレーションが長い場合は、リード燃料噴霧が到達したあとに、上記原理により巻き上げられた主燃料噴霧が到達するため、混合気濃度が高く、また、長い時間、点火プラグ２０へ滞留するため、燃焼が安定化する。

以上の如くの構成の基で、本実施形態では、始動時に超リタード燃焼を行うのであるが、超リタード燃焼は、通常の均質燃焼・成層燃焼と比較して、燃料噴射・点火時期が大幅に遅くされる。図９に、本実施形態で実際に超リタード燃焼を行う場合の燃料噴射時期及び点火時期の例を示す。燃料噴射時期は、例えば、圧縮上死点前２５度（２５ＢＴＤＣ）、点火時期は、例えば、圧縮上死点後２０度（２０ＡＴＤＣ）である。さらに、燃料噴射は２回に分割し、１回目の噴射を上記時期、２回目の噴射を点火直前の圧縮上死点後１５度（１５ＡＴＤＣ）で行なう。これにより、後燃えを促進し、排気温上昇を図る。燃焼は１回目の噴射により混合気を形成して行ない、２回目の噴射はほとんどトルクに寄与せず、触媒昇温のために使われる。

混合気シミュレーションの例を図１０に示す。図１０（Ａ）、（Ｃ）は、前記段差３１が設けられていないノーマルピストンが用いられた場合（比較例）、図１０（Ｂ）、（Ｄ）は、前記段差３１が設けられた本実施形態のピストン７が用いられた場合を示す。双方とも、Ｌ−ｓｔｅｐ燃料噴射弁１０を使用している。段差３１が無い場合（図１０（Ａ）、（Ｃ））は、主燃料噴霧（を含んだ）混合気がキャビティ３０の底壁部３０ａを滑り、排気側へ抜けている。一方、段差３１がある本実施形態の場合（図１０（Ｂ）、（Ｄ））は、点火プラグ２０付近へ混合気が集中化しており、点火時期における、点火プラグ付近の混合気濃度は、段差３１がある場合の方が高く、５サイクルの変動を計算した結果、混合気のサイクル変動も段差３１がある場合の方が少ないことがわかる。

このように、本実施形態では、点火プラグ２０付近への混合気形成が改善され、図１１に示される如くに、ノーマルピストン使用時（Ａ）と比較して本実施形態のピストン７が用いられた場合（Ｂ）には、点火時期を大幅にリタードすることが可能となり、エンジンアウトＨＣの低減と共に、排気温が上昇して、触媒早期活性化を図ることができ、このため、始動時のＨＣ排出量を大幅低減することが可能となる。

次に、前記Ｌ−ＳＴＥＰ燃料噴射弁１０を、ノズル先端部の構造を示す図１２を参照しながら説明する。図示燃料噴射弁１０は、弁体をソレノイドで駆動する電磁弁とされ、その先端側がノズル４１となっている。ノズル４１は、噴口１０ａと、該噴口１０ａの上流側に設けられた弁シート４５と、該弁シート４５に接離して燃料通路の開閉を行う弁体４４と、を備え、弁体４４の上方には、図示はされていないが、弁体４４を前記弁シート４５に対して接離させるための駆動手段（ソレノイド）が配在されている。さらに、前記ノズル４１内における弁体４４の外周側には、前記噴口１０ａの上流側に設けられて燃料に旋回運動を与える旋回付与手段としての、旋回溝４３を有する旋回付与部材４２が配設されており、該旋回付与部材４２の旋回溝４３を燃料が通過することにより旋回力が与えられ、燃料は弁体４４と弁シート４５との間から噴口１０ａを介して外方に吐出される。

そして、前記噴口１０ａに、該噴口１０ａの先端開口面を分断するように噴射弁中心軸線に沿う方向のステップ段差４７（高さＨｃ）が設けられている。このようにステップ段差４７が設けられた構造により、図６に示される如くの燃料噴霧が形成される。なお、ステップ段差４７はテーパやアールの付いた形状でも構わない。また、ステップ段差４７の凸部分は噴口１０ａに対して図示のような１８０度の扇形に限らず、１度〜３５９度の間で、リード燃料噴霧が点火プラグ２０を指向するような形状であればよい。

燃料噴射弁１０は、ノズル４１の先端部を図１３、図１４に示される如くに構成してもよい。図１３に示されるノズル４１先端部は、旋回付与部材４２に設けられる旋回溝４３（４３’）の幅が不均等とされ、また、図１４に示されるノズル先端部４１は、旋回付与部材４２に設けられる旋回溝４３（４３’）の高さが不均等とされている。このように、旋回溝４３の幅あるいは高さを不均等にすることにより、図１５に示される如くに、片側に偏った中空円錐状の燃料噴霧形状とすることができる。使用時は、高濃度側を点火プラグ２０方向へ指向させる。なお、ステップ段差４７を設けた構成（図１２）と旋回溝４３の幅あるいは高さを不均等にした構成（図１３、図１４）を複合してもよい。

燃料噴射弁１０の噴口１０ａは、図１６に示される如くに多数の孔で構成してもよい。この場合、ノズル４１内は、例えば、前記したように旋回溝４３の幅あるいは高さを不均等にした構成（図１３、図１４）として、噴口１０ａを構成する多数の孔のうち、濃度の高い燃料噴霧を噴射する孔を点火プラグ２０に向けて、そこから噴射される濃度の高い燃料噴霧を点火プラグ２０へ指向させるようにする。点火プラグ２０以外へ指向した燃料噴霧をピストン７の段差３１により点火プラグ２０方向へ吹き上げさせる。また、噴口１０ａを多数の孔で構成する場合、図１７（ａ）、（ｂ）に示される如くに多数の孔（燃料噴霧の筋１００）を等間隔で同心状に配列せずに、図１７（ｃ）に示される如くに、孔（燃料噴霧の筋１００）の幾本かを近接配置して、それを点火プラグ２０へ指向させるようにしてもよい、これにより、一層混合気の燃焼安定性が増す。孔の数は６に限らず、２以上であれば構わない。

次に、点火時期及び燃料噴射時期のリタードについて図１８を参照しながら説明する。

本実施形態では、ＥＣＵ５が、エアフローセンサ２１により検出される吸入空気量、クランク角センサ２２により検出されるエンジン回転数、スタータスイッチ２７により検出される始動開始時期、水温センサ２３により検出される冷却水温、触媒温度センサ２４により検出される触媒温度、排気温センサ２５により検出される排気温等に基づいて、前記した点火プラグ２０による点火時期、前記燃料噴射弁１０による燃料噴射量及び燃料噴射時期（噴射回数）、前記スロットル弁１６の開度等の制御を行うとともに、始動時における点火時期を通常運転時より大幅に遅らせて超リタード燃料を実現する制御を行うようにされる。

ここで、本実施形態においては、始動時（必要なら暖機時も）において点火時期が圧縮上死点後０度〜６０度（０〜６０ＡＴＤＣ）に設定され（通常運転時の点火時期は、例えば、圧縮上死点前３０度前後とされる）、それに伴い燃料噴射を点火時期より５度〜６０度前に少なくとも１回行うようにされる。燃料噴射は、１回だけでなく複数回行うようにしてもよい。点火直前もしくは直後（点火時期±１０度）に２回目の燃料噴射を行うことにより、後燃えを促進して排気温を上昇するようにしてもよい。また、点火前５度〜６０度の燃料噴射以外に吸気行程や圧縮行程にもう一度、燃料噴射を行うことにより、弱成層による燃焼安定化を図るようにしてもよい。

これらの手法を用いると、排気温が急速に上昇し、熱や、熱変形により、触媒１７等のエンジン構成部品にダメージを受ける可能性がある。よって、図１９に示される如くに、ＥＣＵ５は、排気温、冷却水温、及び触媒温度のうちの少なくとも一つを検出もしくは推定し、該検出もしくは推定された温度に基づいて、エンジン構成部品がダメージを受ける危険温度に達する前に、点火時期及び燃料噴射時期をリタードさせる制御を解除（リタードを禁止）するか、又は、リタード量を小さくする制御（アクティブ制御）を行うようにされる。加えて、ＥＣＵ５は、点火時期をリタードさせる制御を解除するか、又は、リタード量を小さくする制御を行う際に、燃料噴射時期も変更するようにされる。

また、ホットでの再始動時も同様に、触媒温度、水温が規定値以下であれば、超リタード燃焼を行う。その場合のリタード量は、必要な温度上昇量によって算出する。

１ エンジンの制御装置
２ 筒内噴射式エンジン
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
５ ＥＣＵ
７ ピストン
１０ 燃料噴射弁
１０ａ 噴口
２０ 点火プラグ
３０ キャビティ
３１ 段差（障害手段）
３２ 凸部（障害手段）
３３ 凹部（障害手段）
３４ 粗い部分（障害手段）
３５ 複数の段差（障害手段）
１０１ リード燃料噴霧
１０２ 主燃料噴霧

Claims (17)

1. シリンダヘッドとピストンとの間に画成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに配在された吸気弁及び排気弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内に燃料を直接噴射すべく、前記ピストンの昇降方向に直交する燃焼室水平面に対して所定角度をもって配置された燃料噴射弁と、を備えた筒内噴射式エンジンであって、
   前記ピストンは、その冠面に前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が吹き込まれるキャビティを形成するとともに、該キャビティは、前記吹き込まれた燃料噴霧を減速ないし停止させる障害手段を備え、高背圧下での超リタード燃焼が可能とされていることを特徴とする筒内噴射式エンジン。
2. 前記燃料噴射弁が前記燃焼室の吸気側に配置され、前記障害手段が前記キャビティの底壁部における前記点火プラグ直下もしくはその直下近傍よりも吸気側の部位に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
3. 前記障害手段は、前記キャビティの底壁部に設けられた、吸気側が低く排気側が高い段差で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
4. 前記障害手段は、前記キャビティの底壁部における吸気側と排気側とを分断する方向に伸びる凸部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
5. 前記障害手段は、前記キャビティの底壁部における吸気側と排気側とを分断する方向に伸びる凹部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
6. 前記障害手段は、前記キャビティの底壁部における吸気側に設けられた複数の段差で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
7. 前記凸部、凹部、又は段差の高さもしくは深さは、シリンダボア比１〜５％であることを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載の筒内噴射式エンジン。
8. 前記障害手段は、表面粗さが排気側より吸気側の方が粗くされた前記キャビティの底壁部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
9. 前記燃料噴射弁は、それから噴射される燃料噴霧が、前記点火プラグを指向し、かつ、前記点火プラグを通り越す長さのペネトレーションを持つリード燃料噴霧成分と、前記ピストンを指向する主燃料噴霧成分と、を持つように、その配置位置、配置姿勢、ノズル構造、噴口形状等が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
10. 前記燃料噴射弁は、噴口と、該噴口の上流側に設けられた弁シートと、該弁シートに接離して燃料通路の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段と、前記噴口の上流側に設けられて燃料に旋回運動を与える旋回付与手段と、を備え、前記噴口に、該噴口の開口面を分断するように噴射弁中心軸線に沿う方向の段差が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
11. 前記燃料噴射弁は、噴口と、該噴口の上流側に設けられた弁シートと、該弁シートに接離して燃料通路の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段と、前記噴口の上流側に設けられて燃料に旋回運動を与える旋回付与手段と、を備え、前記旋回付与手段として設けられた複数本の旋回溝のうちの少なくとも１本の高さもしくは幅が他の溝のそれより大きくされていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
12. 前記燃料噴射弁は、噴口と、該噴口の上流側に設けられた弁シートと、該弁シートに接離して燃料通路の開閉を行う弁体と、該弁体を駆動する駆動手段と、を備え、前記噴口は複数の孔で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジン。
13. シリンダヘッドとピストンとの間に画成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに配在された吸気弁及び排気弁と、前記燃焼室に臨設された点火プラグと、前記燃焼室内に燃料を直接噴射供給すべく、前記ピストンの昇降方向に直交する燃焼室水平面に対して所定角度をもって配置された燃料噴射弁と、を備え、前記ピストンの冠面には、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が吹き込まれるキャビティを形成するとともに、該キャビティに、前記燃料噴霧を減速ないし停止させる障害手段を備えている筒内噴射式エンジンの制御装置であって、
    始動時に点火時期を通常運転時よりリタードさせて超リタード燃焼を実現する制御を行う制御手段を備えていることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
14. 前記制御手段は、始動時に、点火時期を圧縮上死点後０〜６０度の範囲内に設定するとともに、前記燃料噴射弁に点火時期前５〜６０度の範囲内において少なくとも１回の燃料噴射を行わせるようにされていることを特徴とする請求項１３に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
15. 前記制御手段は、排気温、冷却水温、及び触媒温度のうちの少なくとも一つを検出もしくは推定し、該検出もしくは推定された温度に基づいて、エンジン構成部品がダメージを受ける危険温度に達する前に、点火時期をリタードさせる制御を解除するか、又は、リタード量を小さくする制御を行うようにされていることを特徴とする請求項１３に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
16. 前記制御手段は、排気温、冷却水温、及び触媒温度のうちの少なくとも一つを検出もしくは推定し、該検出もしくは推定された温度に基づいて、エンジン構成部品がダメージを受ける危険温度上昇率に達する前に、点火時期をリタードさせる制御を解除するか、又は、リタード量を小さくする制御を行うようにされていることを特徴とする請求項１３に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
17. 前記制御手段は、点火時期をリタードさせる制御を解除するか、又は、リタード量を小さくする制御を行う際に、燃料噴射時期も変更するようにされていることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。

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