JP2010048212A - 直噴ガソリンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】
高出力，燃費向上，ＨＣ低減し、触媒早期活性化をはかる直噴エンジン。
【解決手段】
吸気ポートからのタンブルを保存できるピストンの、点火プラグの略下部に当たる位置に突起を設ける。マルチホールインジェクタの噴霧をピストンに沿い、突起部に指向させる。また他の噴口１つ以上を点火プラグ近傍に指向させる。始動時には吸気行程，圧縮行程に分割して噴射を行い、プラグ近傍に濃い混合気を生成して着火性，燃焼安定性を向上させ、点火リタードで排気温度を上げて触媒の早期活性化を行いエミッション低減をはかる。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、主として点火により燃焼させる内燃機関に関する。

従来、シリンダ内に直接燃料を噴射する、筒内噴射式火花点火式ガソリンエンジン（ＤＩ−Ｇエンジン）が広く知られている。これ以前に主流であったマルチポート噴射システム（ＭＰｉシステム）を備えたエンジンに比べ、混合気の点火プラグ周り成層化による大幅なトータル空燃比の希薄化が可能になり、これにより燃費の低減を行うことができ、また、吸気冷却効果や、燃焼効率向上による出力の向上が見込まれている。

また、この種のエンジンに特徴的な技術として、始動時に圧縮行程に燃料を噴射し、混合気を点火プラグの近傍に偏らせて存在させ、同時に点火時期の遅角（リタード）を行うことにより、意図的に有効なトルクにならない燃焼分、いわゆる後燃えの割合を増やして排気温度を上げ、触媒の活性化を早めて排気中の未燃炭化水素（以下ＨＣ）を減少させる方法が広く知られている。

これに対応する技術として、特開平１０−２１２９８７号公報に示されているようなものがある。

この技術は、ピストン上に凹部を設け、具体的には燃焼室の吸気ポート近傍から気筒中心線に沿う方向に向けて円筒状噴霧を噴射するインジェクタを備えており、これを吸気行程と圧縮工程後半に噴射することにより、シリンダ内全体の空燃比を理論空燃比近傍としながら、点火プラグ周りにややリッチな混合気、それ以外の部分にややリーンな混合気を配置して、着火性の向上と、良好な後燃えにより、点火時期をリタードさせても安定した燃焼ができるとしている。これにより、触媒の活性化を早め、始動時の未燃炭化水素（ＨＣ）、および窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することができるとしている。

特開平１０−２１２９８７号公報

しかしながら、上記のような構成においては、次に示すような問題点があった。

すなわち、上記技術で指し示されているものは、噴霧の形態を円すい状噴霧とし、分割噴射のうち、特に圧縮工程後半に噴射する際に、ピストン上に設けられたキャビティ内に衝突させるよう、ピストンに略対向するように噴霧させており、このように構成すると、必然的に噴霧のほぼ全量がいったんピストンに付着してから点火プラグ方向に巻き上がるため、燃料の気化が悪くなり、ピストン上に残留した燃焼により、ＨＣやすす（ＳＯＯＴ）が排出されやすくなる。さらに、気化の悪い状態の噴霧がそのまま点火プラグに到達し、点火プラグがくすぶりやすくなり、失火を招くという問題点があった。

このとき、微粒化した燃料をそのまま点火プラグ近傍に到達させるには、噴霧を上向きに変更させる方法があるが、上記の構成では噴霧が点火プラグを通り過ぎてしまい、シリンダ対向壁、またはヘッド部分に付着してＨＣやＳＯＯＴ排出の原因となったり、また、オイルのガソリンによる希釈を起こし、オイルの性能低下を早めたり、甚だしい場合にはシリンダ壁のオイル切れによりピストンリングとシリンダ対向壁との間に異常な金属磨耗を起こしてエンジンの寿命を縮めてしまうといった問題点があった。

また、上記構成においては、ピストン形状，噴霧形状に合わせて燃焼室形状を変更し、点火プラグも、その電極が吸気側に向かうように傾けて配置させている。このように構成すると、ピストンや燃焼室からの放熱が多くなって熱効率が低下し、燃費の悪いエンジンとなってしまうという問題点があった。

さらに、上記構成においては、スワールやタンブルなどの空気流動を積極的に利用する構成となっていないため、空気と燃料との混合が悪く、燃焼が遅くなる。燃焼が遅いこと自体は、後燃えさせたいという目的に合致しているが、実際には燃焼速度のばらつきが大きくなってしまい、燃焼不安定を招きやすく、振動の大きなエンジンになってしまうという問題点があった。

また、点火プラグのある場所に必ずしも最適に混合気形成ができるわけではなく、余分な燃料を必要とし、燃焼が不安定になりやすく、十分な点火リタード量が確保できないと言う問題点があった。

これにともない、点火時期を予定よりも進角側に設定しなければならず、十分な燃焼の後燃えを行うことができず、触媒暖機の時間が長くなり、暖機時間全体で見た場合のＨＣ等のエミッションの増大を招いたり、燃料噴射から点火までの時間、すなわち気化時間を十分に長くとることができなくなり、未気化燃料の拡散燃焼によって生じるスート（すす，粒子状物質、以下スート）の低減を十分に行うことができなくなったりするという問題点があった。

また、暖気後、高負荷時の均質燃焼時にも、上記の円すい噴霧のみで混合気形成を行う場合では、運転条件によってはどうしても燃料噴霧の拡散が不十分になりやすく、特に壁面付近の空気利用率を高くすることができず、混合気の均質性が損なわれ、十分な出力が得られないと言う問題点があった。

以上より、本発明が解決すべき課題は次のようになる。

すなわち、出力および熱効率の向上を目的としたペントルーフ型燃焼室を維持しながら、燃料のシリンダ対向壁，ヘッド、およびピストンへの付着を出来る限り抑え、ＳＯＯＴやＨＣの低減をはかることのできる筒内噴射式ガソリンエンジンを提供することである。

また、上記課題を達成しながら、点火プラグ周りにややリッチな混合気を安定的に供給し、かつ点火プラグのくすぶりや失火を招かないような筒内噴射式ガソリンエンジンを提供することである。

さらに、混合気形成を最適化することにより、始動直後に十分な点火リタード量を確保でき、排気温度を上昇させて触媒の早期活性化をはかり、ＨＣを低減するとともに、燃料の気化時間を長く確保してＳＯＯＴの低減をはかることのできる、筒内噴射式ガソリンエンジンを提供することである。

上記課題を解決するために，本発明は次のような手段を有する。

まず、燃焼室は一般的なペントルーフ型燃焼室とする。

ピストンは、吸気ポートからのタンブルを保存できる形状とし、かつ、点火プラグの略下部に当たる位置に、高さ２mm程度の直線状、または円弧状の突起を設ける。

インジェクタの形態は、一つのインジェクタ毎に複数の噴口を持つマルチホールインジェクタであることが望ましい。

上記インジェクタの噴口は、シリンダの吸気ポートに挟まれた燃焼室の下部に開口させるようにする。

そして、上記噴口のうち１つ以上をピストンに沿い、上記突起部に向かうように指向させる。噴霧中心軸と、噴霧が到達するピストン冠面とのなす角度は、４０°以下になるようにする。

また、他の噴口のうち１つ以上については、点火プラグの近傍、具体的には１５ミリ以内の下側を直接指向するようにする。

そして、始動時に弱成層燃焼を行う場合には、上記インジェクタは、１回目の噴射を吸気行程、２回目の噴射を圧縮行程後半に、少なくとも２回に分割して行うようにする。必要に応じ、３回目の噴射を膨張行程に行っても良い。

暖機後に均質燃焼を行う場合には、主として吸気行程のみで噴射を行う。

暖機後に成層燃焼を行う場合には、主として圧縮行程のみで噴射を行う。

本発明の効果を列挙すると次のようになる。

まず、マルチホール噴霧とタンブルの利用により、燃料のピストン，ヘッド，シリンダ対向壁への付着が少なく、ＨＣ等のエミッションやスートを抑えることができる。

また、弱成層燃焼においては、シリンダ内にややリーンなベース混合気を生成し、かつ点火プラグ近傍に濃い混合気を安定して生成させることで、着火性，初期燃焼安定性を向上させ、これをもって全体の燃焼安定性を向上させて、安定して点火時期をリタードさせ、後燃えにより排気温度を上げて触媒の早期活性化を行い、合わせてＨＣ，ＳＯＯＴなどのエミッション低減をはかることができる。

さらに、始動時のリタード燃焼においては、点火時期のリタード量を可能なだけ大きくして排気温度を上げることができ、触媒の早期活性化に有利で、燃焼安定性を保ち、失火を防止しながら始動直後の排気低減、特にＨＣ，ＳＯＯＴの低減が可能である。

また、暖機後の均質燃焼においては、均質度を従来よりも上げることができ、より高出力のエンジンとすることができる。

さらに、暖機後に成層燃焼を行うことで、ポンピングロスの低減により燃費を向上することができる。

このとき、燃焼室の表面積が従来例と比べて小さいので熱効率が高くなり、この点でも出力および燃費の向上をはかることができる。

以下、本発明を実施するための実施例を示す。

図１から図２に、本発明の第１実施例におけるシステムの構成図を示す。図１は吸気系と排気系を略横側から、図２はエンジン上方から見たものである。なお、本実施例では主として多気筒エンジンを想定しているが、以降の図では簡単のために１つのシリンダについて説明する。

図１，図２において、吸気管１０１は、シリンダ壁１２３の端面と吸気制御弁１０３との間の区間において、仕切り板１０２によって上下に分割されている。上流部に設けられた吸気制御弁１０３は、この吸気管１０１の下部側通路を閉塞するように取り付けられている。

インジェクタ１２２は、シリンダ壁１２３の２つの吸気弁１１１に挟まれた下部から、排気側方向に向けて噴射するように取り付けられている。インジェクタ１２２の噴口は複数設けられており、通常その噴口または噴霧（ビーム）の数は６〜８である。

ここで、前記インジェクタ１２２の噴口のうち１つ以上から出る均質用噴霧１２５ａは、点火プラグ１１３の近傍、好ましくは点火ギャップを直撃しない範囲で、１５mm以内の下側を指向させる。

また、インジェクタ１２２の上記以外の噴口から出る噴霧のうち１つ以上を、ピストン１０７に沿う方向を指向させ、これを成層用噴霧１２５ｂとする。ピストン１０７上において成層用噴霧１２５ｂが到達する面と、成層用噴霧１２５ｂの中心軸とのなす角度は、４０°以下になるようにする。

図１および図２の右下側より空気が吸入され、エアクリーナ１０６を通り、エアフローメータ１０５で流量を計測し、電子制御スロットル１０４で流量を調節した後、コレクタ１１６で各気筒に分配される。その後、前述した吸気管１０１を通り、吸気弁１１１が開いた際にシリンダ壁１２３に流入する。シリンダ壁１２３内で燃焼したガスは、排気弁１１２，排気管１１０，触媒１１５を通り、消音器１１７を通って大気中に排気される。

また、燃料は図示されていない燃料タンクから、ポンプ１４０によって加圧され、逆止弁１４１，インジェクタ１２２への燃料を供給するコモンレールである燃料ギャラリ１３２を順に通り、インジェクタ１２２からシリンダ壁１２３内に向かって噴射される。

燃料ギャラリ１３２の圧力は、プレッシャレギュレータ一体型の燃圧センサ１３３によって計測され、また制御される。具体的には、プレッシャレギュレータにコンピュータ２０１から与えられる制御信号により、図示されていない燃料タンクへのリターン量を制御することにより、燃圧を設定した値に保つことができる。

ここで燃圧は、インジェクタの流量や微粒化，噴霧貫通力の程度を適切にするために適宜変更することが好ましい。すなわち、燃料が多く必要な高負荷域では燃圧を高くし、インジェクタの機構的な最小噴射量が問題になる低負荷域では燃圧を低くする。このようにすると、吸入空気量が少ない場合は燃圧を低くするため、噴霧貫通力が落ち、シリンダ壁面に燃料が衝突しにくくなり、ＨＣやＳＯＯＴの発生を防止できる。

これとは逆に、吸入空気量が多い場合は燃圧を上げて噴霧貫通力を上げ、強い空気流動や、高い背圧すなわち筒内圧に対抗して対向壁付近まで届くようにする。このようにしてエンジンが高負荷時の空気利用率を上げ、高出力化が可能になる。

インジェクタ１２２の燃料噴射時期，点火プラグ１１３の点火時期，吸気制御弁１０３，電子制御スロットル１０４の開度は、エアフローメータ１０５で計測された吸入空気量と、燃料ギャラリ１３２に取り付けられた、燃圧センサ１３３によって計測される燃料ギャラリ１３２内の燃料圧力、および、クランク角センサ３０１で求められたエンジン回転数，アクセルペダルの開度、そしてエンジン水温，車速（いずれもその入力側センサを図示していない）などの情報を元にしてコンピュータ２０１によって最適な値および時期に設定および制御される。

点火については、コンピュータ２０１から点火コイル１１４に点火パルス信号を与えると、高電圧が発生し、点火プラグ１１３に点火用の火花が飛ぶようになっている。

燃料噴射については、コンピュータ２０１からインジェクタ１２２に噴射パルス信号を与えると、それに応じた開弁時間でインジェクタ１２２の作動が行われる。なお、実際の燃料噴射量は、この開弁時間と、燃圧センサ１３３によって計測される燃料ギャラリ１３２内の圧力によって変わるため、コンピュータ２０１はこの燃圧を考慮してインジェクタ１２２に印加されるパルス幅を決定する。

エンジンにとって空気流動が必要な状態であると判断されると、コンピュータ２０１は、吸気制御弁１０３を閉じ方向に制御し、上下に分割された吸気通路の下側の閉塞度を変え、より最適なタンブル強度になるようにする。

図３および図４に、第１実施例におけるインジェクタの噴霧と、ピストン，点火プラグとの位置関係を示す。

ピストン１０７上には、タンブル保存キャビティ１０８が設けられており、この凹面に沿って、図１および図２に示した吸気管１０１からの流れが保存され、シリンダ壁１２３内を縦方向の渦、すなわちタンブル１２０となって回転する。

インジェクタ１２２からの噴霧１２５のうち、点火プラグ１１３の近傍を指向して噴射された均質用噴霧１２５ａについては、このタンブル１２０によって排気弁１１２や、シリンダ壁１２３に向かう動きが押し止められ、点火プラグ１１３の近傍に滞留し、気化して成層混合気１２６ｂとなる。

また、噴霧１２５のうち、ピストン１０７に向かって噴射された成層用噴霧１２５ｂについては、このタンブル保存キャビティ１０８に沿って排気側に向かって進む。ここで、ピストン１０７の略中心には段差１０８ａが設けられており、この段差１０８ａの部分でシリンダ対向壁側からピストン１０７上を進んできた前述のタンブル１２０と成層用噴霧１２５ｂが衝突し、成層用噴霧１２５ｂが点火プラグ１１３の近傍に巻き上がり、気化する。このようにして、点火プラグ１１３の近傍に成層混合気１２６ｂを生成できる。

成層混合気１２６ｂを生成するためのインジェクタ１２２の適切な噴射タイミングは、噴霧の粒径，速度，噴霧貫通力などによって異なるが、おおむね圧縮行程の後半、好ましくは上死点前５０°から上死点前２０°で噴射を行う。これにより、背圧すなわちシリンダ筒内圧が高い状態で、噴射後の均質用噴霧１２５ａおよび成層用噴霧１２５ｂの速度が落ちるため、点火プラグ１１３の近傍に安定した成層混合気１２６ｂを形成することができる。

図５から図７に、第１実施例における、始動直後の冷機時、低回転低負荷時における燃焼室の状態を示す。図５は吸気行程、図６は圧縮行程、図７は点火時期である膨張行程初期における状態をそれぞれ示している。

この時には、前述したように点火リタードにより排気温度を上昇させて図１，図２に示した触媒１１５の早期活性化をはかる必要がある。

このため、インジェクタ１２２を吸気行程と圧縮行程後半の２回に分けて噴射する。

図５の吸気行程で噴射された噴霧は、図６から図７においてシリンダ壁１２３内に均一に広がる均質混合気１２６ａを形成し、図６の圧縮行程で噴射された噴霧は、点火プラグ１１３の近傍に直接向かう均質用噴霧１２５ａと、ピストン１０７の冠面付近を経由して、点火プラグ１１３の近傍に巻き上がる成層用噴霧１２５ｂが、図７において、ともに点火プラグの近傍に成層混合気１２６ｂを形成する。

図７に示すように、点火は膨張行程、好ましくは上死点後５°から３０°前後で行う。成層混合気１２６ｂは、この間いずれのクランク角でも安定して点火プラグ１１３の近傍に存在しているので、いずれの点火時期であっても安定して燃焼を行うことができる。

なお、場合により点火を複数回行っても良く、その場合には、例えば点火時期を上死点後２０°と３０°のように、ある程度の点火エネルギーのチャージ時間を空けて行う。

このようにして、シリンダ壁１２３全体として弱成層混合気を形成し、点火リタード時でも混合気の拡散を抑え、安定した燃焼を行わせることができる。

点火が通常の燃焼の場合よりも遅いため、ピストンを押し下げる力、すなわちトルクにならない後燃え分が多くなり、排気温度が上昇し、よって図１および図２に図示した触媒１１５の昇温を行うことができ、早期活性化によりエミッションの低減をはかることができる。

図８に、本発明の第１実施例における、暖気後の運転領域ごとの燃焼状態を示す。比較的低負荷低回転においては、領域（ａ）に示したように、圧縮行程噴射により成層燃焼を行い、空燃比のリーン化によりポンピングロスを抑え、燃費を低減する。その他の領域（ｂ），領域（ｃ）については吸気行程噴射を行って均質燃焼とする。各領域における運転の詳細に関しては後述する。

図９に、第１実施例における、アイドル時および低回転低負荷における、点火時期付近の圧縮行程の燃焼室の状態を示す。この状態は、図８の領域（ａ）に相当する。

この場合、図１，図２に示したコンピュータ２０１により、圧縮行程噴射、すなわち成層燃焼が選択される。スロットルチャンバは、前述の図５の場合と同じく、やや閉じ方向にセットされる。このとき、インジェクタ１２２から、圧縮行程、好ましくは、圧縮上死点前５０°から、圧縮上死点前２０°付近に至るまでに燃料が噴射される。そして、点火時期、例えば圧縮上死点前１５°で点火が行われる。

ここで、インジェクタ１２２から出た噴霧のうち、点火プラグ１１３の近傍に向かう均質用噴霧１２５ａが設けられており、これが点火プラグ近傍で気化して成層混合気１２６ｂを形成する。

同じくインジェクタ１２２から出た噴霧のうち、ピストン１０７の冠面に向かう成層用噴霧１２５ｂが存在し、これは、ピストン１０７に設けられたタンブル保存キャビティ１０８に沿って進み、点火プラグ１１３の略下側に設けられた段落１０８ａにおいて、タンブル１２０と衝突し、点火プラグ１１３に向かって巻き上がる。そして、均質用噴霧１２５ａに由来する混合気と合体し、点火プラグ１１３の周りに安定した成層混合気１２６ｂを長時間にわたり形成する。このようにして、安定した成層燃焼を行わせることができる。

図１０および図１１に、第１実施例における、暖機後、中負荷域における燃焼室の状態を示す。図１０は吸気行程、図１１は点火時期付近の圧縮行程における状態をそれぞれ示している。この状態は図８の領域（ｂ）に相当する。

この場合コンピュータ２０１により、吸気行程噴射、すなわち均質燃焼が選択される。負荷は中負荷状態である。このとき、図１および図２に示したコンピュータ２０１からの指令により、電子制御スロットル１０４は図９のアイドル時または低負荷時と比べてやや開き方向に設定される。また、吸気制御弁１０３は閉とする。吸気管１０１で、仕切り板１０２の上側部分を通り、吸気弁１１１を通り、中量の空気がシリンダ壁１２３内に吸入され、タンブル１２０が生成される。

このとき、吸気行程、より詳しくは上死点後３０°前後から、下死点前６０°付近に至るまで、インジェクタ１２２から燃料が噴射される。他の燃焼と比べて早めに噴射が終了するので気化時間を比較的多くとることができ、シリンダ壁への燃料付着も少なく、ＨＣやＳＯＯＴが排出されにくい。また、タンブル１２０により空気と燃料の混合を促進し、効率良くトルクを得ることができ、燃費が向上する。

図１２および図１３に、第１実施例における、暖機後、高負荷域における燃焼室の状態を示す。図１２は吸気行程、図１３は点火時期付近の圧縮行程における状態をそれぞれ示している。この状態は図８の領域（ｃ）に相当する。

高負荷状態であるので、図１０および図１１の中負荷時と同じく、コンピュータ２０１により、吸気行程噴射、すなわち均質燃焼が選択される。このとき、図１および図２に示したコンピュータ２０１からの指令により、電子制御スロットル１０４は開き方向に設定される。吸気制御弁１０３も開方向に制御され、吸気管１０１の上下通路と、吸気弁１１１を通り、多くの空気がシリンダ壁１２３内に吸入されることになり、シリンダ壁１２３内にタンブル１２０が生成される。

このとき、吸気行程、より詳しくは上死点後２０°から、下死点前２０°付近に至るまで、インジェクタ１２２から燃料が噴射される。噴射時間が長いため多くの燃料供給が可能で、タンブル１２０により空気と燃料の混合を促進し、燃焼を早めて高トルクを得ることができる。

図１４から図１６に、本発明の第２実施例の、始動直後の低回転低負荷時における燃焼室の状態を示す。全体構成は第１実施例と同様であるので説明は省略する。図１４は吸気行程後半、図１５は圧縮行程、図１６は点火時期である膨張行程初期における状態をそれぞれ示している。

本実施例では、第１実施例の吸気行程噴射を、吸気行程前期、および中期の２回に分割している。インジェクタ１２２の１噴射あたりの流量が小さくなるため、この噴射が最小流量以下にならないよう、計３回の噴射パルス幅をほぼ均等にする。たとえば、１回目，２回目，３回目の噴射割合を、それぞれ全量の３０％，３０％，４０％のようにする。あるいは、全て３３.３％とし、計９９.９％すなわち１００％としてもよい。

このようにすることで、吸気行程中の噴霧の貫通力すなわちペネトレーションを抑え、シリンダ壁１２３への付着を抑える効果がある。

さらに、噴射を２分割から３分割とすることで、吸気行程噴射の割合を増やし、均質混合気１２６ａを相対的にリッチに、成層混合気１２６ｂを相対的にリーンとする。このようにして、プラグ周り混合気の空燃比が過度にリッチ化するのを防ぎ、また均質部分の燃焼速度を上げて安定した燃焼とすることができる。

図１７から図１９に、本発明の第３実施例の、始動直後の低回転低負荷時における燃焼室の状態を示す。全体構成は第１実施例と同様であるので説明は省略する。図１７は吸気行程、図１８は圧縮行程、図１９は点火時期である膨張行程初期における状態をそれぞれ示している。

本実施例では、燃料噴射を吸気行程前期、圧縮行程に加えて、膨張行程においても行っている。１回あたりの噴射が最小流量以下にならないよう、計３回の噴射パルス幅をほぼ均等にするのは第２実施例と同じである。たとえば、１回目，２回目，３回目の噴射割合を、それぞれ全量の４０％，３０％，３０％のようにする。

まず、図１７に示したように吸気行程で１回目の噴射を行い、燃焼室内に均質混合気１２６ａを生成する。

次に、図１８に示したように圧縮行程後半で２回目の噴射を行い、点火プラグ１１３の周りに成層混合気１２６ｂを生成する。

その後、図１９に示したように膨張行程初期，点火時期の前後に３回目の噴射を行い、この噴霧１２５から生じる混合気を、点火プラグ１１３からの火炎伝播によって燃焼させる。

点火は第１実施例と同様に、上死点後５°から３０°前後で行う。成層混合気１２６ｂは、いずれのクランク角でも安定して点火プラグ１１３の近傍に存在しているので、いずれの点火時期でも安定して燃焼を行うことができる。なお、第１実施例と同様に、場合により点火を複数回行っても良い。

このようにすることで、吸気行程に噴射した分の噴霧の貫通力、すなわちペネトレーションを抑え、シリンダ壁１２３への付着を抑える効果がある。

さらに、噴射を２分割から３分割とすることで、吸気行程噴射の割合を増やし、均質混合気１２６ａ，成層混合気１２６ｂをともにややリーンとし、プラグ周り混合気の空燃比が過度にリッチ化するのを防ぐ。

このようにして、シリンダ壁１２３内にさらに膨張行程噴射によって後燃え分を増やす事により、同じ負荷条件でも排気温度を上げることができ、図１に示した触媒１１５の早期活性化をはかることができる。

図２０から図２２にそれぞれ、本発明の第１実施例，第２実施例，第３実施例において、始動直後、低回転時の噴射パルス、および点火信号の代表的なクランク角設定を示す。例えば図２０では、吸気行程の前半に１回、圧縮行程の後半に１回噴射し、膨張行程で点火している。

図２３に、第１の実施例における始動時のフローチャートを示す。

イグニッションキーがオンになると、コンピュータ２０１が通電される。その後スタータスイッチがオンになると、スタータモータに通電され、エンジンの回転に伴い気筒判別が行われる。

次に、スタータを回し、エンジンを始動する。その後、始動後のファストアイドル状態であると判定されると、フローチャート右側の制御に進む。この制御では、前回の冷間時エンジン始動の際に記憶させておいた、点火時期ＡＤＶ，噴射時期ＩＴ１，ＩＴ２の気筒毎のテーブルを読み込み、コンピュータ２０１がインジェクタ１２２、および点火コイル１１４にパルス通電することにより、それぞれ燃料噴射および点火を行う。

次に、気筒別に点火時期および燃料噴射時期をリタードする。そして、全気筒について燃料噴射および点火を行った後、触媒温度センサ３０３または排気温度センサ３０４の温度を参照し、触媒が活性化する温度条件を満たしていれば、本発明の点火時期リタード制御は終了し、通常制御に移行する。触媒温度センサ３０３の温度がまだ上がっていない場合には、温度上昇が満たされるまで、再び１番気筒から順に燃料噴射，点火を行う。

図２４および図２５に、始動後の低回転低負荷時における、従来例と本発明の性能差を示す。

本発明では弱成層の混合気形成を非常に良好に行うことができるため、点火時期を遅らせても燃焼が安定しており、その分、さらに点火時期をリタードさせることが可能である。これにより排温が高く、後燃えが促進されるため、ＨＣがあっても燃えてしまい、テールパイプから排出される量は少なくなる。また、２つのインジェクタの連携により、必要以上の壁面付着を抑えることができ、この点でもＨＣやスートの排出を低く抑えることができる。

図２６に、暖機後の低回転低負荷時における、従来例と本発明の性能差を示す。

本発明では成層混合気の形成を非常に良好に行うことができる。

一般に、混合気をリーンにするとポンピングロスを小さくし、燃費を向上させることができるが、一方で燃焼速度の低下を招き、燃焼不安定や、時間損失の増大によりかえって燃費が低下する場合があり、あまり空燃比をリーンにすることができない。

しかし、本発明においては、空燃比をリーンにしても点火プラグ１１３の近傍にストイキまたはリッチな混合気を存在させ、初期燃焼速度を早く保ち、またそのサイクルばらつき、気筒間ばらつきを抑えて良好な燃焼を行わせることができ、エミッションの悪化を抑えながら、十分に燃費を低減することが可能である。

図２７に、高回転高負荷時における、従来例と本発明の性能差を示す。

従来のインジェクタでは、微小流量の制御性を確保するために、噴射量に上限があり、大きなダイナミックレンジを確保することが難しく、このため、良好な噴霧形成が行われていても、最高出力が制限される場合があった。

本発明では均質燃焼時には２本のインジェクタから同時に噴射するので、大きな流量を得ることができ、また、１本のインジェクタのみから噴射する場合よりも、より均質度の高い混合気を生成することが可能である。よって空気利用率を上げることができ、また、特に過給を行う場合など、高負荷域でも、過濃域が存在するために生じるスートの発生や、ノッキングを抑え、点火時期を進角させて、より高出力のエンジンとすることができる。

図２８および図２９に、本発明の第４実施例におけるインジェクタの噴霧と、ピストン，点火プラグとの位置関係を示す。発明の基本部分に関しては第１実施例の図３および図４に示したものと略同じであり、説明は省略する。

ピストン１０７上には、タンブル保存キャビティ１０８が設けられており、その略中心には段差１０８ａが、これより排気側には別の段差１０８ｂが設けられている。

インジェクタ１２２からの噴霧１２５のうち、もっとも上側に配置された成層用噴霧１２５ｂについては、第１実施例のように点火プラグ１１３を直接指向せず、そのやや下側、段差１０８ｂを指向する。そしてこの段差１０８ｂによって遮られて止まり、これより排気側に向かう動きは抑制される。

次に、成層用噴霧１２５ｂよりやや下側から噴射された成層用噴霧１２５ｃについては、ピストンの略中心にある段差１０８ａを指向し、ピストン上で段差１０８ａや、タンブル１２０によって排気弁１１２や、シリンダ壁１２３に向かう動きが押し止められるとともに、先行する成層用噴霧１２５ｂによって生じた流れに乗る形で上方に持ち上げられてシリンダの中心に向かって進み、点火プラグ１１３の近傍に滞留し、気化して成層混合気１２６ｂとなる。

さらに噴霧１２５のうち、ピストン１０７に向かって噴射された成層用噴霧１２５ｄについては、このタンブル保存キャビティ１０８内を排気側に向かって進み、成層用噴霧１２５ｃと同様に段差１０８ａによって押し止められ、タンブル１２０によってシリンダ壁１２３に向かう動きが抑制されるとともに、先行する成層用噴霧１２５ｂによって生じた流れに乗る形でシリンダの中心付近で点火プラグ１１３に向かって上方に持ち上げられ、点火プラグ１１３の近傍に滞留し、気化して成層混合気１２６ｂとなる。

以上のようにして、点火プラグ１１３の近傍に安定した成層混合気１２６ｂを生成でき、着火および燃焼安定性を向上させることができる。

なお、本発明では、始動時の燃料噴射を吸気行程噴射１回または２回、圧縮行程噴射１回、必要に応じて膨張行程噴射１回に分けて行うと説明したが、インジェクタの最小噴射量や、噴射時間が十分確保できる条件であれば、もちろん噴射回数をさらに細分化することも考えられる。例えば吸気行程で２回、圧縮行程で１回、膨張行程で１回としても良く、これら吸気行程，圧縮行程，膨張行程の噴射を自由に組み合わせたものも当然本発明の範囲に含まれるものである。

さらに、インジェクタの噴射方向に関しても、本実施例では、下方向すなわちピストンに向かう噴霧と、点火プラグ近傍を指向する噴霧の２種類が存在するものとして示したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、プラグ周りに良好な成層混合気を形成できる構成であれば、例えば全ての噴霧を点火プラグ近傍に指向させても良いし、あるいは全ての噴霧をピストンに向けて噴射しても良く、これらも本発明の範囲に含まれるものである。

また、今回の実施例では点火プラグがシリンダの略中心部に１本ある場合について説明したが、点火プラグの配置は必ずしも中央でなくても良く、適切な均質混合気、ならびに成層混合気が形成できるのであれば、シリンダ内の任意の場所に点火プラグを設けても良い。またその本数についても、１本ではなく、２本以上でもよく、その場合でも本実施例で説明したようなインジェクタの構成を用いることにより、適切な成層および均質混合気を形成することができ、これらも当然本発明で意図した範囲に含まれるものである。

本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、点火プラグを有するエンジンであれば、自動車用のみならず幅広い機器の動力源として応用が可能と考えられる。

本発明の第１実施例をシリンダ略横側から見た構成図。 本発明の第１実施例の構成をエンジン上側から見た図。 第１実施例におけるインジェクタの噴霧と、ピストン，点火プラグとの位置関係を上側から見た図。 第１実施例におけるインジェクタの噴霧と、ピストン，点火プラグとの位置関係を横側から見た図。 第１実施例で、始動直後、低回転低負荷時、吸気行程における燃焼室の状態を表した図。 第１実施例で、始動直後、低回転低負荷時、圧縮行程における燃焼室の状態を表した図。 第１実施例で、始動直後、低回転低負荷時、点火時期における燃焼室の状態を表した図。 第１実施例における運転領域ごとの燃焼状態を示した図。 第１実施例で、アイドル時または低回転低負荷時における、圧縮行程の燃焼室の状態を表した図。 第１実施例で、中負荷時における、吸気行程の燃焼室の状態を表した図。 第１実施例で、中負荷時における、点火時期直前の燃焼室の状態を表した図。 第１実施例で、高回転または高負荷時における、吸気行程の燃焼室の状態を表した図。 第１実施例で、高回転または高負荷時における、圧縮行程の燃焼室の状態を表した図。 本発明の第２実施例で、始動直後、低回転低負荷時、吸気行程における燃焼室の状態を表した図。 第２実施例で、始動直後、低回転低負荷時、圧縮行程における燃焼室の状態を表した図。 第２実施例で、始動直後、低回転低負荷時、点火時期における燃焼室の状態を表した図。 本発明の第２実施例で、始動直後、低回転低負荷時、吸気行程における燃焼室の状態を表した図。 第２実施例で、始動直後、低回転低負荷時、圧縮行程における燃焼室の状態を表した図。 第２実施例で、始動直後、低回転低負荷時、点火時期における燃焼室の状態を表した図。 第１実施例における、クランク角と噴射パルス、ならびに点火信号の代表的な例を表した図。 第２実施例における、クランク角と噴射パルス、ならびに点火信号の代表的な例を表した図。 第３実施例における、クランク角と噴射パルス、ならびに点火信号の代表的な例を表した図。 第１実施例における、始動時のフローチャート。 始動後の低負荷低回転時における、従来例と本発明のリタード量と排気温度、エミッションを比較した図。 始動後の低負荷低回転時における、従来例と本発明の性能差を表した図。 暖機後の低負荷低回転時における、従来例と本発明の性能差を表した図。 高負荷高回転時における、従来例と本発明の性能差を表した図。 本発明の第４実施例におけるインジェクタの噴霧と、ピストン，点火プラグとの位置関係を上側から見た図。 第４実施例におけるインジェクタの噴霧と、ピストン，点火プラグとの位置関係を横側から見た図。

符号の説明

１０１ 吸気管
１０２ 仕切り板
１０３ 吸気制御弁
１０４ 電子制御スロットル
１０５ エアフローメータ
１０６ エアクリーナ
１０７ ピストン
１０８ タンブル保存キャビティ
１０８ａ 段差
１１０ 排気管
１１１ 吸気弁
１１２ 排気弁
１１３ 点火プラグ
１１４ 点火コイル
１１５ 触媒
１１６ コレクタ
１１７ 消音器
１１８ シリンダヘッド
１２０ タンブル
１２２ インジェクタ
１２３ シリンダ壁
１２５ 燃料噴霧
１２５ａ 均質用噴霧
１２５ｂ，１２５ｃ，１２５ｄ 成層用噴霧
１２６ａ 均質混合気
１２６ｂ 成層混合気
１３２ 燃料ギャラリ
１３３ 燃圧センサ
２０１ コンピュータ
３００ クランク軸
３０１ クランク角センサ
３０３ 触媒温度センサ
３０４ 排気温度センサ

Claims (7)

1. 燃料をシリンダ内に直接噴射するガソリンエンジンにおいて、
   燃焼室内にタンブルを生成する機構と、
   前記タンブルを保持する機構、および噴霧をガイドする機構を備えたピストンと、
   を備えており、
   エンジンの始動時、または始動直後に、内燃機関の吸気行程および圧縮行程において燃料を噴射し、このうち、圧縮行程において噴射された燃料噴霧が、ピストンの略中心においてタンブルとの衝突によって跳ね上げられ、点火プラグ周りにリッチな混合気を形成させるように構成したことを特徴とする、直噴ガソリンエンジン。
2. 前記請求項１に記載のガソリンエンジンにおいて、
   当該インジェクタは、燃焼室に向かう２つの独立吸気ポートの間に設けられており、
   当該噴霧の中心軸と、噴霧が接するピストン冠面とのなす角度が４０度以下であることを特徴とする、直噴ガソリンエンジン。
3. 前記請求項１または２に記載のガソリンエンジンにおいて、
   当該インジェクタは複数の燃料噴口を備えており、うち１本ないし２本の噴霧は点火プラグのギャップ近傍、具体的には距離１５mm以内の地点を指向していることを特徴とする、直噴ガソリンエンジン。
4. 前記請求項１に記載のガソリンエンジンにおいて、
   ピストン上の、噴霧とタンブルが衝突する部分に突起を設けたことを特徴とする、直噴ガソリンエンジン。
5. 前記請求項１に記載のガソリンエンジンにおいて、
   インジェクタからの噴霧のうち、プラグ近傍に向かう噴霧について、その噴霧貫通力を弱めるように構成したことを特徴とする、直噴ガソリンエンジン。
6. 前記請求項１に記載のガソリンエンジンにおいて、
   点火プラグを１本以上備えており、
   ２つのインジェクタのうち少なくとも１本の噴口が、前記点火プラグのうちいずれかのギャップ近傍、具体的には１５mm以内の場所に指向するように配置されていることを特徴とする、直噴ガソリンエンジン。
7. 前記請求項４に記載のガソリンエンジンにおいて、
   ピストン上に１つ以上の突起または段差を備えており、
   噴霧をこれらの段差に当てることにより、噴霧の過剰な流動を抑制することを特徴とする、直噴ガソリンエンジン。

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