JP2016180334A

JP2016180334A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2016180334A
Application number: JP2015060008A
Authority: JP
Inventors: 芦澤　剛; Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2035-03-23
Also published as: CN105986877A; JP6191641B2; US20160281589A1

Abstract

【課題】内燃機関に関し、点火時期の遅角を伴う成層燃焼を良好に安定させる。
【解決手段】燃焼室内にタンブル流が生成される内燃機関において、燃焼室の上壁面に配置された点火プラグと、成層燃焼運転が行われるときに、燃料噴霧がタンブル流によって点火プラグの周りに運ばれるように燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、ピストンピン孔１２ｂの軸線Ｌ１の直交方向Ｄに延びるように形成された凹部であって軸線Ｌ１の方向において深さが変化する凹部として２つの外側溝３８および内側溝４０を冠面１２ａに有するピストン１２と、点火時期を最適点火時期よりも遅角した状態で成層燃焼運転が行われる場合に、軸線Ｌ１の方向で相対的に深い内側溝４０に向けて吸気が案内されるように、吸気ポート内の吸気の流れに偏りを生じさせる気流制御弁２２およびＥＣＵと、を備える。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関に係り、特に、タンブル流を利用して成層燃焼運転が行われる内燃機関に関する。

特許文献１には、タンブル流を利用して成層燃焼運転を行う筒内噴射式火花点火内燃機関の吸気制御装置が開示されている。この吸気制御装置は、燃焼室内に導入される吸気の流動を強化するガス流動強化手段を備えている。ガス流動強化手段は、点火プラグ付近に向けて集中して吸気ポートから流入するように吸気の流れに偏りを生じさせる。

特開平１１−３４３８５５号公報国際公開第２０００／７７３６１号

筒内に生成したタンブル流を利用して成層燃焼運転を行う場合には、タンブル流が点火時期付近において崩壊するようになっていれば、点火プラグの周りでの混合気の乱れを増大させて燃焼速度を向上させることができる。ところで、筒内にタンブル流が生成される内燃機関では、触媒暖機時などにおいて点火時期を最適点火時期に対して大きく遅角させた状態で成層燃焼運転が行われることがある。筒内の混合気の乱れは、圧縮上死の前後ではクランク角が進むにつれて減衰していく。点火時期の遅角を伴う成層燃焼を良好に安定させるためには、遅角された点火時期での乱れを大きいことが望ましい。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、点火時期の遅角を伴う成層燃焼を良好に安定させることのできる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、燃焼室内にタンブル流が生成される内燃機関であって、点火プラグと、筒内噴射弁と、ピストンと、偏流生成装置とを備えている。点火プラグは、前記燃焼室の上壁面に配置されている。筒内噴射弁は、成層燃焼運転が行われるときに、燃料噴霧がタンブル流によって前記点火プラグの周りに運ばれるように前記燃焼室内に燃料を噴射する。ピストンは、ピストンピン孔の軸線の直交方向に延びるように形成された凹部であって前記軸線の方向において深さが変化する凹部を冠面に有する。偏流生成装置は、点火時期を最適点火時期よりも遅角した状態で成層燃焼運転が行われる場合に、前記凹部内において深さが前記軸線の方向で相対的に深い部位に向けて吸気が案内されるように、吸気ポート内の吸気の流れに偏りを生じさせる。

前記凹部は、前記軸線の方向における前記冠面の中央部において最も深くなるように形成されていることが好ましい。

前記偏流生成装置は、閉弁状態にあるときに前記凹部の前記部位に向けて吸気が案内されるように前記吸気ポート内の吸気の流れに偏りを生じさせる気流制御弁を含むものであってもよい。そして、前記偏流生成装置は、点火時期を最適点火時期よりも遅角した状態で成層燃焼運転が行われる場合には前記気流制御弁を閉じ、点火時期を最適点火時期に制御した状態で成層燃焼運転が行われる場合には前記気流制御弁を開くものであってもよい。

本発明によれば、点火時期を最適点火時期よりも遅角した状態で成層燃焼運転が行われる場合には、偏流生成装置によって凹部内の相対的に深い部位に向けて吸気が案内されるように、吸気ポート内の吸気の流れの偏りが生じさせられる。これにより、この場合には、凹部内の相対的に深い部位を使用してタンブル流が回転することになるので、タンブル流の崩壊が進行する時期が遅くなる。その結果、タンブル流の崩壊に伴う乱れの生成がより遅い時期まで継続されることになる。このため、本発明によれば、点火時期の遅角を伴う成層燃焼を良好に安定させることができる。

また、本発明によれば、ピストンピン孔の軸線の方向における冠面の中央部において最も深くなるように凹部を形成している場合には、タンブル流が燃焼室における最も広い空間の中で回転することになる。このため、タンブル流の崩壊が進行する時期をより好適に遅くすることができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関のシステム構成を説明するための模式図である。本発明の実施の形態１において用いられる成層燃焼の実現手法を説明するための模式図である。ピストンおよび吸気ポートの周りの構成を模式的に示す斜視図である。ピストンの冠面を気筒の軸線方向において上方から見た図である。外側溝および内側溝の横断面を示す図である。外側溝および内側溝のそれぞれの縦断面図を示す図である。気流制御弁の具体的な構成を説明するための図である。気流制御弁の開閉動作に伴う吸気ポート内の吸気の流れの変化を説明するための図である。混合気の乱れを強くするための公知の手法を説明するための図である。ピストン冠面の溝深さと筒内平均乱れとの関係を表した図である。本発明の実施の形態１における制御の流れを表したフローチャートである。本発明の実施の形態１の制御により得られる混合気の乱れの生成特性を説明するための図である。本発明における凹部の第１の変形例を説明するためのピストンの横断面図である。本発明における凹部の第２の変形例を説明するためのピストンの横断面図である。本発明における凹部の第３の変形例を説明するためのピストンの横断面図である。本発明における凹部の第４の変形例を説明するためのピストンの横断面図である。燃焼室内に、吸気側で下降し排気側で上昇する逆タンブル流が生成されている様子を表した図である。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
（内燃機関の全体構成）
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０のシステム構成を説明するための模式図である。本実施形態のシステムは、火花点火式の内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の各気筒内には、ピストン１２が設けられている。ピストン１２の冠面１２ａの詳細な構成については、図３〜図６を参照して後述する。気筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６には、電子制御式のスロットル弁２０が設けられている。スロットル弁２０は、アクセル開度に応じて開度が調整されることで、吸入空気量を調整することができる。吸気通路１６には、スロットル弁２０よりも下流側の位置に、電子制御式の気流制御弁２２が配置されている。気流制御弁２２の詳細な構成については、図３、図４および図７を参照して後述する。

吸気通路１６において燃焼室１４に接続される部位である吸気ポート１６ａは、吸気の流れによって燃焼室１４内に縦回転の渦、すなわち、タンブル流を生成させられるように形成されている。吸気ポート１６ａには、当該吸気ポート１６ａを開閉する吸気弁２４が設けられている。後述の図３等に示すように、各気筒には、２つの吸気弁２４が軸線Ｌ１（図４参照）の方向に沿って隣り合うように備えられている。

内燃機関１０の各気筒には、燃焼室１４内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁２６が設けられている。また、各気筒には、混合気に点火するための点火装置（図示省略）の点火プラグ２８が設けられている。点火プラグ２８は、燃焼室１４の上壁面（すなわち、シリンダヘッド側の壁面）に（図１に示す構成では、一例として上壁面の中央部に）配置されている。

排気通路１８の排気ポート１８ａには、当該排気ポート１８ａを開閉する排気弁３０が設けられている。排気通路１８には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒３２が配置されている。また、内燃機関１０には、クランク角およびエンジン回転速度を検出するためのクランク角センサ３４が取り付けられている。

さらに、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３６を備えている。ＥＣＵ３６は、入出力インターフェースとメモリと演算処理装置（ＣＰＵ）とを備えている。入出力インターフェースは、内燃機関１０もしくはこれを搭載する車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関１０を制御するための各種アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。メモリには、内燃機関１０を制御するための各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて各種アクチュエータの操作信号を生成する。ＥＣＵ３６が信号を取り込むセンサには、上述したクランク角センサ３４等のエンジン運転状態を取得するための各種センサと、内燃機関１０を搭載する車両のアクセルペダルの踏む込み量（アクセル開度）を検出するためのアクセルポジションセンサ３７が含まれる。ＥＣＵ３６が操作信号を出すアクチュエータには、上述したスロットル弁２０、気流制御弁２２、筒内噴射弁２６および上記点火装置等が含まれる。

（タンブル流を利用する成層燃焼）
図２は、本発明の実施の形態１において用いられる成層燃焼の実現手法を説明するための模式図である。内燃機関１０では、上述のように、吸気ポート１６ａの形状の事前の選定によって、燃焼室１４内にタンブル流を生成させられるようになっている。より具体的には、本実施形態において生成されるタンブル流は、図２に示すように、吸気側で上昇し、排気側で下降する正タンブル流である。

本実施形態では、成層燃焼を実現するために、このタンブル流を利用するエアガイド方式、より具体的には、燃料噴霧をタンブル流によって点火プラグ２８の周りに運ぶ方式が用いられる。成層燃焼とは、点火時期において点火プラグ２８の近傍にその外側よりも空燃比がリッチな混合気層を形成して行う燃焼のことである。なお、図２は、圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）前９０°ＣＡ付近での状態を示している。

エアガイド方式を用いた成層燃焼を行えるようにするために、筒内噴射弁２６の噴射角度は、圧縮行程の中期内の所定タイミングにおいてタンブル流の渦中心に向けて燃料を噴射可能となるように設定されている。ここでいう圧縮行程の中期とは、好ましくは、圧縮ＴＤＣ前１２０〜６０°ＣＡである。所定タイミングは、ここでは一例として圧縮ＴＤＣ前９０°ＣＡとされている。

成層燃焼を行う際の燃料噴射としては、１サイクル中に噴射すべき燃料噴射量を複数回に分割して噴射する分割噴射が用いられる。ここでは、一例として、最初の燃料噴射を吸気行程中に行い、２番目の燃料噴射を上記所定タイミング（圧縮ＴＤＣ前９０°ＣＡ）にて行う２分割の燃料噴射が用いられる。最初の燃料噴射は、メインとなる燃料噴射であり、１サイクル中に噴射すべき燃料噴射量のほとんどがこの燃料噴射によって噴射される。２番目の燃料噴射は、成層化のために必要とされる少量での燃料噴射である。

上記２番目の燃料噴射が適切な噴霧貫徹力で行われることで、タンブル流によって燃料噴霧が包み込まれるようになる。そして、タンブル流によって包み込まれた燃料噴霧はピストン１２の上昇に伴って点火プラグ２８の周りに運ばれる。これにより、点火時期における点火プラグ２８の近傍の混合気層がその外側よりも空燃比がリッチな混合気層となるように、筒内ガスを成層化させることができる。

なお、図２は、気流制御弁２２が全開とされたときを一例として例示したものである。気流制御弁２２は、後述のように触媒暖機制御を行うときに全閉とされ、このような触媒暖機制御を行われないときには全開とされる。触媒暖機制御のために気流制御弁２２が閉じられるときについても、成層燃焼実現のための基本思想は上記と同じである。また、図２を参照して説明した手法は、タンブル流によって包み込んだ燃料噴霧をタンブル流によって輸送するという思想に基づくエアガイド方式である。しかしながら、本発明の対象となるエアガイド方式は、燃料噴霧がタンブル流によって点火プラグの周りに運ばれるようにできるものであれば、上記思想に基づく手法に限られない。すなわち、例えば、燃料噴射弁に向かって上昇してくるタンブル流に対向するように少量の燃料を噴射することによって、タンブル流とともに燃料噴霧が点火プラグに向けて運ばれるようにするという思想に基づくエアガイド方式が用いられてもよい。

（ピストンの冠面および気流制御弁の具体的な構成）
図３は、ピストン１２および吸気ポート１６ａの周りの構成を模式的に示す斜視図である。図４は、ピストン１２の冠面１２ａを気筒の軸線方向において上方から見た図である。図３に示すように、ピストン１２には、ピストン１２とコンロッド１３とを連結するためのピストンピン１５の挿入を受けるピストンピン孔１２ｂが形成されている。ピストンピン孔１２ｂの軸線Ｌ１の方向は、図示省略するクランク軸の軸線方向と平行である。

ピストン１２の冠面１２ａには、深さの異なる溝として、２つの外側溝３８と１つの内側溝４０とが形成されている。内側溝４０は、軸線Ｌ１の方向における中央側（この例では、２つの吸気弁２４の弁軸２４ａの中心線Ｌ２の内側）に設けられている。外側溝３８は、軸線Ｌ１の方向において内側溝４０の両側に隣接して設けられている。これらの内側溝４０および外側溝３８は、軸線Ｌ１の直交方向Ｄに延びるように形成されている。直交方向Ｄは、より具体的には、気筒の軸線方向から軸線Ｌ１を見た場合に当該軸線Ｌ１と直交する方向のことである。なお、ここでいう「直交方向Ｄに延びるように形成する」とは、厳密に直交方向Ｄに真っ直ぐに延びることまでを要求するものではなく、例えば、直交方向Ｄに対して僅かに傾斜した方向に延びる溝のように、実質的には直交方向Ｄに延びる溝も含まれる。また、このような思想に基づく溝であれば、その幅についても厳密に一定である必要はない。

図５は、外側溝３８および内側溝４０の横断面を示しており、図６は、外側溝３８および内側溝４０のそれぞれの縦断面図を示している。より具体的には、図５は、ピストンピン孔１２ｂの軸線Ｌ１にてピストン１２を切断した断面図に相当する。図６は、軸線Ｌ１の直交方向Ｄと平行するシリンダボアの中心線Ｌ３、および、同じく直交方向Ｄと平行する方向である吸気弁２４の中心線Ｌ２のそれぞれにおいてピストン１２を切断した断面図に相当する。

図５および図６に示すように、内側溝４０は、その両側に位置する外側溝３８よりも深くなるように形成されている。この例では、内側溝４０および外側溝３８は、それぞれ曲率が一定の溝として形成されている。内側溝４０の曲率は、外側溝３８の曲率よりも大きくなるように形成されている。

一方、図３等に示すように、気流制御弁２２は、２つに分岐している吸気ポート１６ａの合流部よりも上流側の位置において吸気通路１６に配置されている。図７は、気流制御弁２２の具体的な構成を説明するための図である。図７は、吸気の流れの下流側から気流制御弁２２を見た図である。気流制御弁２２は、吸気通路１６の流路面積を可変とするバタフライ式のバルブである。

気流制御弁２２の弁軸２２ａは、図４に示すように軸線Ｌ１と平行とされている。気流制御弁２２の弁体２２ｂでは、軸線Ｌ１の方向における中央部が全体的に切り欠かれており、したがって、弁体２２ｂは、軸線Ｌ１の方向における両端側に２分割した態様で弁軸２２ａに固定されている。このように構成された気流制御弁２２によれば、図７に示すように、全開状態においては吸気通路１６を全体的に開放する一方で、全閉状態においても、軸線Ｌ１の方向における中央部は開放されたままとなる。以下、便宜上、このように開度によらずに吸気通路１６を閉塞しない上記中央部を、気流制御弁２２の「非閉塞部２２ｃ」と称する。

気流制御弁２２において非閉塞部２２ｃが設けられる位置は、吸気の流れに関して、ピストン１２の冠面１２ａに形成された溝のうちで相対的に深い内側溝４０と対応している。このため、非閉塞部２２ｃの幅ｗは、厳密に同じである必要まではないが、内側溝４０の幅と同等とされている。

図８は、気流制御弁２２の開閉動作に伴う吸気ポート１６ａ内の吸気の流れの変化を説明するための図である。図８に示すように、気流制御弁２２が全開状態である場合には、吸気は、気流制御弁２２の存在によって流れに偏りを生じさせられることなく燃焼室１４内に流入する。

一方、気流制御弁２２が全閉状態である場合には、吸気通路１６を閉塞しない中央側の非閉塞部２２ｃのみを吸気が通過するように、気流制御弁２２の存在によって吸気の流れに偏りが与えられる。より具体的には、この場合には、図８に示すように、吸気ポート１６ａ内の吸気の流れに対して、冠面１２ａに形成された溝のうちで相対的に深い内側溝４０に向けて吸気が案内されるように、気流制御弁２２によって偏りを生じさせることができる。さらに言い換えると、気流制御弁２２によって、内側溝４０に向けて集中する態様で吸気が燃焼室１４内に流入するように、吸気ポート１６ａ内の吸気の流れに偏りを生じさせることができる。

（点火時期の遅角による触媒暖機制御と成層燃焼との組み合わせ）
本実施形態では、排気浄化触媒３２の温度が所定の活性温度よりも低いとき（基本的には、冷間始動後のファストアイドル運転時）に、点火時期の遅角による触媒暖機制御が行われる。より具体的には、この触媒暖機制御は、最適点火時期（ＭＢＴ（Minimum spark advance for Best Torque）点火時期）に対して点火時期を大きく遅角し、これにより、排気温度を高めて排気浄化触媒３２の早期活性を図るというものである。なお、ファストアイドル運転は、内燃機関１０の冷間始動直後等に、アイドル回転速度を、暖機終了後の通常アイドル回転速度より高く維持するために行われるものである。

本制御を行わない非触媒暖機運転時（すなわち、通常運転時）の点火時期は、最適点火時期を狙ったものとされる。最適点火時期は、内燃機関１０の運転状態（主にエンジン負荷率およびエンジン回転速度）に応じて変化する。したがって、非触媒暖機運転時の点火時期は、圧縮ＴＤＣよりも前の所定クランク角範囲（例えば、後述の図９等に示すように圧縮ＴＤＣ前３０°ＣＡ付近のクランク角範囲）Ｒ１とされる。一方、触媒暖機制御の実行時の点火時期は、最適点火時期を狙った通常運転時の値と比べて大幅に遅角される。より具体的には、この時の点火時期は、圧縮ＴＤＣよりも後の時期とされ、例えば、図９等に示すように圧縮ＴＤＣ後１５°ＣＡ付近のクランク角範囲Ｒ２とされる。なお、図９等において、触媒暖機制御の実行時の点火時期の使用範囲が非触媒暖機運転時のそれと比べて狭い理由は、本実施形態における触媒暖機制御を行う運転状態として、非触媒暖機運転が行われる運転状態と比べて限られた運転状態（すなわち、ファストアイドル状態）を対象としているためである。

［成層燃焼の実行に関する課題］
本実施形態では、触媒暖機制御を行うファストアイドル運転時に、上述のエアガイド方式を利用する成層燃焼が実施される。ファストアイドルの際に成層燃焼を行うこととすると、空燃比を大きくリッチ化することなく、点火プラグ２８の近傍にその外側と比べて燃料濃度の高い混合気層を生成することができるので、燃費低減を図りつつ冷間始動後の燃焼を安定化させることができる。

そのうえで、エアガイド方式を利用する成層燃焼を安定的に行えるようにするためには、筒内の混合気の乱れを有効に活用することが望ましい。筒内に生成された一塊のタンブル流は、上昇するピストン１２によって圧縮ＴＤＣ付近において押し縮められることにより崩壊し、小さな渦の集まりになる。その結果、筒内の混合気の乱れが強くなる。点火時期付近において乱れが強くなると、燃焼が良好となる（すなわち、燃焼速度が向上する）。その理由は、乱れが強くなることで、点火プラグ２８を中心に広がっていく（伝播していく）火炎の境界である火炎面の表面積が大きくなるためである。このため、エアガイド方式を利用する成層燃焼の安定のためには、点火時期付近において混合気の乱れを強くすることが重要である。

なお、成層燃焼を実現する方式として、上述のエアガイド方式の他に、ウォールガイド方式が知られている。ウォールガイド方式は、ピストンの冠面に形成されたキャビティに向けて燃料を噴射し、キャビティによって燃料噴霧を集めて点火プラグの周りに燃料噴霧を輸送するという思想に基づくものである。このウォールガイド方式の利用時には、タンブル流によって燃料噴霧が分散されることを抑制する必要があるため、タンブル流の発生は極力抑制されることが必要とされる。このように、ウォールガイド方式は、成層化のためにタンブル流を積極的に利用するエアガイド方式とは異なる思想に基づく成層燃焼の実現手法である。

上述のように、触媒暖機制御を実行する触媒暖機運転時と非触媒暖機運転時とでは、点火時期の使用範囲が大きく異なる。双方の運転時における成層燃焼を安定化させるためには、それぞれの点火時期付近での混合気の乱れを強くすることが要求される。しかしながら、筒内の混合気の乱れの基本特性は、圧縮上死点の前後ではクランク角が進むにつれて減衰していくというものである（例えば、後述の図９参照）。

図９は、混合気の乱れを強くするための公知の手法を説明するための図であり、同一運転条件下において、ＴＣＶ（タンブルコントロールバルブ）の開度に応じて筒内平均乱れ（筒内の平均の乱れ強さ）をシミュレーションした結果を示している。ＴＣＶは、吸気通路に配置され、タンブル流の強さ（タンブル比）を可変とするためのバルブである。ＴＣＶ開度を小さくすると、吸気ポート内の吸気に与えられる偏流が大きくなり、タンブル流が強くなる。図９に示すように、ＴＣＶ開度を小さくしてタンブル流を強くすることで、ＴＣＶ開度が相対的に大きい場合と比べて、クランク角位置を問わずに（すなわち、圧縮ＴＤＣ付近においてタンブル流の崩壊に伴って生成される乱れを含めて）混合気の乱れを強くすることができる。

図９に示す手法を用いれば、触媒暖機運転時と非触媒暖機運転時の双方での点火時期付近での混合気の乱れを高めることができる。しかしながら、このようなＴＣＶを閉じるという手法は吸気通路の開度を大きく絞る必要があるため、ポンプロスが増大し、燃費が悪化してしまう。触媒暖機運転時と非触媒暖機運転時の双方での点火時期付近にて混合気の乱れを高めるという要求は、ポンプロスの増大を抑制しつつ満たされるようになっていることが望ましい。

［実施の形態１の特徴的な制御］
（ピストン冠面の溝深さと乱れの生成時期）
本件発明者による鋭意研究の結果、ピストンの冠面に形成される溝を深くすることにより、当該溝が相対的に浅い場合と比べて、タンブル流の崩壊に伴う乱れの生成時期を遅らせることができることが分かった。

図１０は、ピストン冠面の溝深さと筒内平均乱れとの関係を表した図である。より具体的には、図１０は、上記直交方向Ｄに延びるように冠面に形成される溝の深さが異なる２種類のピストンを対象として、冠面の溝深さの違いによる筒内平均乱れをシミュレーションした結果を示している。このシミュレーションは、同等の強さのタンブル流が生成される条件の下での比較に基づくものである。図１０より、圧縮ＴＤＣの前においては、溝が浅い場合の方が、溝が深い場合と比べて乱れが強くなっており、かつ、この関係は、圧縮ＴＤＣ付近において逆転し、圧縮ＴＤＣの後においては、溝が深い場合の方が、溝が浅い場合よりも乱れが強くなっていることが分かる。

上記のような特性が得られる理由は、次のようなものであると考えられる。すなわち、冠面の溝が浅いと、上昇するピストンによる一塊のタンブル流の崩壊が進行する時期が早いため、タンブル流の崩壊に伴って乱れが生成する時期が早い時期に集中する。一方、冠面の溝が深いと、圧縮ＴＤＣ近傍のクランク角位置においてタンブル流の回転のために残された空間（換言すると、燃焼室高さ）が、溝が浅い場合と比べて大きくなる。このため、タンブル流の崩壊が進行する時期が相対的に遅くなる。その結果、タンブル流の崩壊に伴う乱れの生成がより遅い時期まで継続されることになる。

（実施の形態１の特徴的な制御の概要）
本実施形態では、図１０に示す知見に着目して、タンブル流を利用して成層燃焼を行う場合に次のような制御を行うこととした。すなわち、当該制御の前提となるハードウェア構成として、既述したように、深さの異なる内側溝４０および外側溝３８が形成された冠面１２ａを有するピストン１２と、相対的に深い内側溝４０に対してタンブル流を集中させられるように吸気の流れを制御可能な気流制御弁２２とが備えられる。そのうえで、気流制御弁２２は、非触媒暖機運転時には全開とされ、触媒暖機運転時には全閉とされる。

気流制御弁２２が全開とされた場合には、図８を参照して既述したように吸気ポート１６ａの吸気の流れに偏りは生じない。このため、吸気は、２つの外側溝３８および１つの内側溝４０のうちの何れかに向けて偏ることなく均等に筒内に流入する。その結果、この場合のタンブル流は、２つの外側溝３８および１つの内側溝４０の全体を利用して回転する。したがって、この場合のタンブル流の回転は、２つの外側溝３８および１つの内側溝４０の平均の溝深さを有する単一の溝を利用して行われるタンブル流の回転と同等であるとみなせる。

一方、気流制御弁２２が全閉とされた場合には、図８を参照して既述したように吸気ポート１６ａの吸気の流れに偏りが生じることとなり、吸気は、軸線Ｌ１の方向に関しては内側溝４０が設けられた部位に集中して流入する。その結果、この場合のタンブル流の回転は、主に内側溝４０を利用して行われることになる。

内側溝４０の深さは、２つの外側溝３８および１つの内側溝４０の平均の溝深さよりも大きい。したがって、気流制御弁２２を開閉することで、単一のハードウェア構成を用いているにもかかわらず、図１０に示す知見に基づく特性、すなわち、冠面の溝深さの違いに伴う混合気の乱れの生成時期の変化特性を利用できるようになる。

なお、内側溝４０および外側溝３８の深さは、溝幅（軸線Ｌ１の方向の溝長さ）の選定とともに、次のような要件を充足するように選定されることが好ましい。すなわち、触媒暖機運転時および非触媒暖機運転時の双方の点火時期付近において要求される混合気の乱れの強さは、燃焼変動を所定の許容値内に収めるために必要な値として把握される。したがって、内側溝４０および外側溝３８のそれぞれの深さおよび幅は、点火時期付近における乱れの強さが上記のように把握される値を充足するように選定されることが好ましい。

（実施の形態１における具体的処理）
図１１は、本発明の実施の形態１における制御の流れを表したフローチャートである。ＥＣＵ３６は、内燃機関１０が始動したときに、このフローチャートの処理を開始する。ＥＣＵ３６は、まず、ステップ１００において、排気浄化触媒３２の温度を取得する。この触媒温度の取得は、例えば、温度センサを用いて行うものであってもよく、或いは、所定の推定手法を用いて行うものであってもよい。当該推定手法としては、例えば、外気温度、直前の排気ガス温度、および内燃機関１０の前回の停止からの経過時間に基づいて触媒温度を推定するという公知の手法を用いることができる。

次に、ＥＣＵ３６は、ステップ１０２に進み、触媒温度が所定の活性温度よりも低いか否かを判定する。この活性温度とは、事前に行われた触媒単体試験の結果に基づいて決定された値である。

ステップ１０２の判定が不成立となる場合には、ＥＣＵ３６はステップ１１２に進む。一方、ステップ１０２の判定が成立する場合、すなわち、触媒温度が活性温度よりも低い場合には、ＥＣＵ３６は、ステップ１０４に進む。ステップ１０４では、アクセルポジションセンサ３７を用いて、アクセル開度が読み込まれる。

次に、ＥＣＵ３６は、ステップ１０６に進み、アクセル開度がゼロであるか否かを判定する。その結果、アクセル開度がゼロではない場合、すなわち、アクセルペダルが踏み込まれているために内燃機関１０がアイドル状態ではないと判断できる場合には、ＥＣＵ３６は、ステップ１１２に進む。

一方、ステップ１０６の判定が成立する場合、すなわち、内燃機関１０がアイドル状態であると判断できる場合には、ＥＣＵ３６は、ステップ１０８に進む。ステップ１０８では、気流制御弁２２が全閉とされる。次いで、ＥＣＵ３６は、ステップ１１０に進む。ステップ１１０では、触媒暖機運転時の点火時期の使用範囲Ｒ２内の値（例えば、圧縮ＴＤＣ後１５°ＣＡ付近の値）となるように点火時期が設定される。すなわち、最適点火時期に対して大きく遅角した点火時期が使用される。

ＥＣＵ３６は、ステップ１１０の処理を実行した後は、ＥＣＵ３６の演算周期における次回のタイミングにおいてステップ１００以降の処理を繰り返し実行する。これにより、触媒温度が活性温度よりも低く、かつ、内燃機関１０がアイドル状態（すなわち、ファストアイドル状態）である状況下では、気流制御弁２２を全閉に制御した状態で点火時期の遅角による触媒暖機制御が継続されることになる。

上記の触媒暖機制御は、その実行中に触媒温度が活性温度に達した場合、もしくはアクセルペダルが踏み込まれてアイドル状態ではなくなった場合に終了される。この場合には、ステップ１１２において、気流制御弁２２が全開とされる。次いで、ステップ１１４において、非触媒暖機運転時の点火時期の使用範囲（例えば、圧縮ＴＤＣ前４０〜１０°ＣＡ）Ｒ１内の値となるように点火時期が設定される。すなわち、この場合の点火時期としては、最適点火時期が使用される。ステップ１１４の処理が実行された場合には、ＥＣＵ３６は、図１１に示すフローチャートに従う本実施形態の制御を終了する。

（実施の形態１の内燃機関の利点）
図１２は、本発明の実施の形態１の制御により得られる混合気の乱れの生成特性を説明するための図である。本実施形態の気流制御弁２２の制御によれば、図１２に示すように、気流制御弁２２を全開とした場合には、圧縮ＴＤＣよりも前の時期（すなわち、非触媒暖機運転時の点火時期付近）において、全閉時と比べて混合気の乱れが強くなる特性が得られる。一方、気流制御弁２２を全閉とした場合には、圧縮ＴＤＣよりも後の時期（すなわち、触媒暖機運転時の点火時期付近）において、全開時と比べて混合気の乱れが強くなる特性が得られる。このように、本実施形態の制御によれば、単一のハードウェア構成を用いて、触媒暖機運転時および非触媒暖機運転時のそれぞれの点火時期付近における混合気の乱れの確保を両立できるようになる。

また、図１２において比較のために破線で示す波形は、２つの外側溝３８および１つの内側溝４０の平均の溝深さ相当の深さで形成された単一の溝を有するピストンを備え、かつ、気流制御弁２２ではなくＴＣＶを備える内燃機関を対象として行われる「比較制御」時の波形である。ここでいう「比較制御」とは、当該内燃機関において、気流制御弁２２を全閉とした場合と同等の強さの乱れを触媒暖機運転時の点火時期付近にて得るためにＴＣＶを閉じてタンブル流を強くする制御のことである。このような制御の実行は、既述したように、ポンプロスが大きく増大することが懸念される。これに対し、本実施形態の制御によれば、このようなポンプロスの増大を抑制しつつ、触媒暖機運転時および非触媒暖機運転時のそれぞれの点火時期付近における混合気の乱れの確保を両立できるようになる。

また、本実施形態のピストン１２の冠面１２ａに形成された外側溝３８および内側溝４０では、軸線Ｌ１の方向において冠面１２ａの中央部に位置する溝である内側溝４０が最も深くなるように形成されている。この中央部位は、タンブル流が回転する際のシリンダボアの長さを最も長く確保できる部位であって、かつ、一般的に燃焼室高さを最も確保できる部位でもある。つまり、当該中央部位では、軸線Ｌ１の方向の端部側と比べて広い断面積上でタンブル流を回転させることができる。このため、当該中央部位では、タンブル流が潰れにくく、長く維持され易くなる。本実施形態のピストン１２では、このような中央部位として、冠面１２ａの溝における深い部位（すなわち、内側溝４０）が相当する。このため、タンブル流の崩壊に伴う乱れの生成が行われる時期を良好に遅らせることができる。その結果、触媒暖機運転時の点火時期付近での乱れを強くし易くすることができる。

［実施の形態１の変形例］
ところで、上述した実施の形態１においては、図５等に示すように、軸線Ｌ１の方向において深さが段階的に変化する凹部として２つの外側溝３８と１つの内側溝４０とを冠面１２ａに有するピストン１２を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明におけるピストンの冠面に形成される凹部は、上記形状に限られるものではなく、例えば、以下の図１３〜図１５に示すような形状のものであってもよい。なお、図１３〜図１５は、図５と同一方向から見た図である。

図１３は、本発明における凹部の第１の変形例を説明するためのピストン４４の横断面図である。図１３に示すピストン４４の冠面４４ａには、本発明における凹部としての溝４６が形成されている。溝４６は、軸線Ｌ１の方向において深さが連続的に変化するように形成されているという点で、内側溝４０と外側溝３８との組み合わせによる実施の形態１の凹部と相違している。より具体的には、溝４６は、軸線Ｌ１の方向における冠面４４ａの中央部において最も深くなるように形成されている。したがって、この溝４６を有するピストン４４を対象として吸気ポート内の吸気の流れの偏りを制御する場合には、実施の形態１と同様に、軸線Ｌ１の方向における中央部に非閉塞部２２ｃが設けられた気流制御弁２２を用いるようにし、触媒暖機運転時には気流制御弁２２を全閉とすればよい。

図１４は、本発明における凹部の第２の変形例を説明するためのピストン４８の横断面図である。図１４に示すピストン４８の冠面４８ａには、本発明における凹部としての２つの外側溝５０と１つの内側溝５２とが形成されている。この例では、実施の形態１の例とは逆に、軸線Ｌ１の方向において、相対的に浅い内側溝５２の両側に隣接して、相対的に深い外側溝５０が形成されている。また、この例には、気流制御弁５４が備えられている。図１４に模式的に表された気流制御弁５４は、全閉状態でのものである。気流制御弁５４は、外側溝５０と内側溝５２の形状の設定と対応して、全閉時には、浅い方の内側溝５２と対応する吸気通路１６の部位を閉塞するとともに深い方の外側溝５０に対応する吸気通路１６の部位は開放できるように形成されている。このような構成によれば、気流制御弁５４を全閉とすることで、軸線Ｌ１の方向において相対的に深い外側溝５０に向けて吸気が案内されるように吸気ポート１６ａ内の吸気の流れに偏りを生じさせることができる。

図１５は、本発明における凹部の第３の変形例を説明するためのピストン５６の横断面図である。図１４に示すピストン５６の冠面５６ａには、本発明における凹部としての浅溝５８と深溝６０とが形成されている。より具体的には、冠面５６ａは、軸線Ｌ１の方向において浅溝５８と深溝６０とによって深さに高低が設けられた凹部を備えている。また、この例には、気流制御弁６２が備えられている。図１５に模式的に表された気流制御弁６２は、全閉状態でのものである。気流制御弁６２は、浅溝５８と深溝６０の形状の設定と対応して、全閉時には、浅溝５８と対応する吸気通路１６の部位を閉塞するとともに深溝６０に対応する吸気通路１６の部位は開放できるように形成されている。このような構成によれば、気流制御弁６２を全閉とすることで、軸線Ｌ１の方向において相対的に深い深溝６０に向けて吸気が案内されるように吸気ポート１６ａ内の吸気の流れに偏りを生じさせることができる。

また、上述した実施の形態１においては、図６に示すように、それぞれ曲率が一定の溝として形成された内側溝４０および外側溝３８を備えている。しかしながら、本発明における凹部は、曲率が一定とされた断面形状を有するものに限られない。すなわち、凹部は、例えば、曲率が段階的にもしくは連続的に変化する断面形状を有するものであってもよい。また、例えば、以下の図１６に示すような断面形状が用いられていてもよい。なお、図１６は、図６と同一方向から見た図である。

図１６は、本発明における凹部の第４の変形例を説明するためのピストン６４の横断面図である。図１６に示すピストン６４の冠面６４ａには、本発明における凹部としての溝６６が形成されている。本発明における凹部の断面形状は、図１６に示される溝６６のように、複数の直線を組み合わせて得られるのであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、点火時期の遅角による触媒暖機制御を行うアイドル運転時において、気流制御弁２２を全閉とすることとしている。しかしながら、本発明における偏流生成装置によって吸気ポート内の吸気の流れに偏りを生じさせる対象となる成層燃焼運転時とは、点火時期を最適点火時期よりも遅角した状態で行われるものであれば、触媒暖機制御を行うアイドル運転時に限られない。

また、上述した実施の形態１においては、成層燃焼を行う際の燃料噴射として、筒内噴射弁２６を用いた分割噴射を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明の対象となる内燃機関は、筒内噴射弁とともに、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁を備え、メインとなる最初の燃料噴射をポート噴射弁を用いて行い、成層化のために必要とされる少量での燃料噴射を筒内噴射弁を用いて行うものであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、燃焼室１４内に生成されるタンブル流として、吸気側で上昇し排気側で下降する正タンブル流を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明の適用が可能なタンブル流はこれに限定されるものではない。図１７は、燃焼室１４内に、吸気側で下降し排気側で上昇する逆タンブル流が生成されている様子を表した図である。この図１７に示すように、本発明は、筒内に逆タンブル流が生成される内燃機関に対しても適用することが可能である。

なお、上述した実施の形態１においては、気流制御弁２２とＥＣＵ３６とが本発明における「偏流生成装置」に相当している。

１０内燃機関
１２、４４、４８、５６、６４ピストン
１２ａ、４４ａ、４８ａ、５６ａ、６４ａピストンの冠面
１２ｂピストンピン孔
１３コンロッド
１４燃焼室
１５ピストンピン
１６吸気通路
１６ａ吸気ポート
１８排気通路
１８ａ排気ポート
２０スロットル弁
２２、５４、６２気流制御弁
２２ａ気流制御弁の弁軸
２２ｂ気流制御弁の弁体
２２ｃ気流制御弁の非閉塞部
２４吸気弁
２４ａ吸気弁の弁軸
２６筒内噴射弁
２８点火プラグ
３０排気弁
３２排気浄化触媒
３４クランク角センサ
３６ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
３７アクセルポジションセンサ
３８、５０外側溝
４０、５２内側溝
４６、６６溝
５８浅溝
６０深溝

筒内に生成したタンブル流を利用して成層燃焼運転を行う場合には、タンブル流が点火時期付近において崩壊するようになっていれば、点火プラグの周りでの混合気の乱れを増大させて燃焼速度を向上させることができる。ところで、筒内にタンブル流が生成される内燃機関では、触媒暖機時などにおいて点火時期を最適点火時期に対して大きく遅角させた状態で成層燃焼運転が行われることがある。筒内の混合気の乱れは、圧縮上死点の前後ではクランク角が進むにつれて減衰していく。点火時期の遅角を伴う成層燃焼を良好に安定させるためには、遅角された点火時期での乱れが大きいことが望ましい。

図１５は、本発明における凹部の第３の変形例を説明するためのピストン５６の横断面図である。図１５に示すピストン５６の冠面５６ａには、本発明における凹部としての浅溝５８と深溝６０とが形成されている。より具体的には、冠面５６ａは、軸線Ｌ１の方向において浅溝５８と深溝６０とによって深さに高低が設けられた凹部を備えている。また、この例には、気流制御弁６２が備えられている。図１５に模式的に表された気流制御弁６２は、全閉状態でのものである。気流制御弁６２は、浅溝５８と深溝６０の形状の設定と対応して、全閉時には、浅溝５８と対応する吸気通路１６の部位を閉塞するとともに深溝６０に対応する吸気通路１６の部位は開放できるように形成されている。このような構成によれば、気流制御弁６２を全閉とすることで、軸線Ｌ１の方向において相対的に深い深溝６０に向けて吸気が案内されるように吸気ポート１６ａ内の吸気の流れに偏りを生じさせることができる。

Claims

燃焼室内にタンブル流が生成される内燃機関であって、
前記燃焼室の上壁面に配置された点火プラグと、
成層燃焼運転が行われるときに、燃料噴霧がタンブル流によって前記点火プラグの周りに運ばれるように前記燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
ピストンピン孔の軸線の直交方向に延びるように形成された凹部であって前記軸線の方向において深さが変化する凹部を冠面に有するピストンと、
点火時期を最適点火時期よりも遅角した状態で成層燃焼運転が行われる場合に、前記凹部内において深さが前記軸線の方向で相対的に深い部位に向けて吸気が案内されるように、吸気ポート内の吸気の流れに偏りを生じさせる偏流生成装置と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
前記凹部は、前記軸線の方向における前記冠面の中央部において最も深くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記偏流生成装置は、閉弁状態にあるときに前記凹部の前記部位に向けて吸気が案内されるように前記吸気ポート内の吸気の流れに偏りを生じさせる気流制御弁を含み、
前記偏流生成装置は、点火時期を最適点火時期よりも遅角した状態で成層燃焼運転が行われる場合には前記気流制御弁を閉じ、点火時期を最適点火時期に制御した状態で成層燃焼運転が行われる場合には前記気流制御弁を開くことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。