JP2023131577A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内のガス流動及び乱れを強化しつつ、スキッシュエリア内の燃焼促進を図って未燃ＨＣの発生を抑制する。【解決手段】内燃機関１００の制御装置２００は、電極部４ａの近傍に点火用燃料を第２燃料噴射弁３から噴射して点火用混合気を主点火時期に点火することで、主火炎をタンブル流に乗せて移流させながら均質混合気に火炎伝播させる希薄燃焼を実施し、さらに、点火用燃料の噴射時期よりも前の時期にスキッシュエリア内の燃焼促進用の燃料を第２燃料噴射弁３から噴射し、燃焼促進用燃料によって形成される燃焼促進用混合気をタンブル流に乗せて燃焼室１６内を移流させることによって主点火時期よりも後の副点火時期に点火するように構成される。副点火時期は、燃焼促進用混合気に点火することによって発生させた副火炎を逆スキッシュ流によってスキッシュエリア内に引き込むことができる時期に設定される。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に関する。

特許文献１には、従来の内燃機関として、空気過剰率が２．０近傍（空燃比換算で２８～３２の範囲となる空気過剰率）の成層混合気を形成して燃焼させるために、一燃焼サイクル当たりの燃料の一部を吸気行程から圧縮行程前半の第１時期に噴射し、残りの燃料の少なくとも一部を圧縮行程後半であって点火時期直前の第２時期に噴射するように構成されたものが開示されている。

国際公開第２０１８／２２９９３２号

燃焼室内に全体として理論空燃比よりもリーンな混合気を形成して燃焼させる希薄燃焼を行う場合、混合気が希薄なために燃焼速度（火炎伝播速度）が遅くなる。そのため、燃焼室内のガス流動及び乱れを高めて燃焼（火炎伝播）を促進させる必要がある。混合気の燃焼を促進させる方法としては、例えば燃焼室内にタンブル流を発生させると共に燃焼室の外周部にスキッシュエリアを設けて圧縮上死点近傍において燃焼室内にスキッシュ流及び逆スキッシュ流を発生させて、燃焼室内のガス流動及び乱れを強化することが有効である。

しかしながら、このように燃焼室内にタンブル流を発生させつつスキッシュ流及び逆スキッシュ流を発生させて燃焼室内のガス流動及び乱れを強化した場合、逆スキッシュ流が発生するタイミングにおいて、タンブル流に乗って移流する火炎が燃焼室内の一方側に偏在することがある。そうすると、燃焼室内の他方側のスキッシュエリアに火炎を引き込むことができず、その結果としてスキッシュエリア内の燃焼を促進させることができずに排気中の未燃ＨＣが増加するおそれがある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、燃焼室内にタンブル流を発生させると共にスキッシュ流及び逆スキッシュ流を発生させて燃焼室内のガス流動及び乱れを強化しつつ、スキッシュエリア内の燃焼促進を図って未燃ＨＣの発生を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様による内燃機関は、スキッシュエリアが形成された燃焼室を有する機関本体と、燃焼室に臨むように電極部が配置された点火プラグと、機関本体の吸気通路又は燃焼室内に燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、燃焼室内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、制御装置と、を備える。機関本体は、電極部を通過するタンブル流を燃焼室内に発生させることができるように構成され、第２燃料噴射弁は、電極部に向けてタンブル流の流れ方向と同一方向に直接燃料を噴射するように構成される。制御装置は、燃焼室内に均質混合気を形成するための燃料を第１燃料噴射弁から噴射すると共に、電極部の近傍に点火用混合気を形成するための点火用燃料を第２燃料噴射弁から噴射して点火用混合気を主点火時期に点火することで、点火用混合気に対して点火して発生させた主火炎をタンブル流に乗せて移流させながら均質混合気に火炎伝播させる希薄燃焼を実施するように構成される。制御装置はさらに、点火用燃料の噴射時期よりも前の時期にスキッシュエリア内の燃焼を促進させるための燃焼促進用燃料を第２燃料噴射弁から噴射し、燃焼促進用燃料によって形成される燃焼促進用混合気をタンブル流に乗せて燃焼室内を移流させることによって主点火時期よりも後の副点火時期に点火するように構成され、副点火時期は、燃焼促進用混合気に点火することによって発生させた副火炎を逆スキッシュ流によってスキッシュエリア内に引き込むことができる時期に設定される。

本発明のこの態様によれば、主点火時期に発生させた主火炎をタンブル流に乗せて燃焼室の一方側に移流させつつ、主点火時期よりも後の副点火時期に発生させた副火炎を燃焼室の他方側に存在させることができる。そのため、燃焼室内にタンブル流を発生させると共にスキッシュ流及び逆スキッシュ流を発生させて燃焼室内のガス流動及び乱れを強化した場合であっても、主火炎及び副火炎を逆スキッシュ流によってスキッシュエリア内に引き込むことができるので、スキッシュエリア内の燃焼を全体的に促進させて未燃ＨＣが発生するのを抑制することができる。

図１は、本発明の一実施形態による火花点火式の内燃機関、及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。 図２は、燃焼室をシリンダヘッド側から見た模式図である。 図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれピストンが上死点近傍に位置しているときの燃焼室の概略断面図である。 図４は、第２燃料噴射弁をピストン側から見た模式図である。 図５は、希薄燃焼を実施する場合の第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁の各燃料噴射時期と点火時期との一例を、縦軸に筒内圧力［ＭＰａ］、横軸にクランク角［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］を取って示した図である。 図４は、機関負荷及び機関回転速度が同一の運転条件で、成層混合気の空気過剰率λ_０は変化させずに第２燃料噴射量、すなわち第２混合気の空気過剰率λ_２のみを変化させた場合のＮＯｘ排出量の変化を示した図である。 図７の（Ａ）から（Ｄ）は、図５に示したタイミングで各燃料噴射弁２，３からの燃料噴射と点火プラグ４による点火を行った場合の圧縮上死点前後の燃焼室１６内の様子を時系列的に示した模式図である。 図８の（Ａ）から（Ｅ）は、本発明の一実施形態による希薄燃焼モード時における圧縮上死点前後の燃焼室１６内の様子を時系列的に示した模式図である。 図９は、図８に示した燃焼を実現するための希薄燃焼モード時における第２燃料噴射弁の燃料噴射時期と点火プラグによる点火時期との一例を、横軸にクランク角［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ）］を取って、筒内圧力［ＭＰａ］と共に示した図である。 図１０は、希薄燃焼モード時に実行される各燃料噴射弁及び点火プラグの制御について説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の一実施形態による火花点火式の内燃機関１００の概略構成図である。

図１に示すように、内燃機関１００は、機関本体１と、第１燃料噴射弁２と、第２燃料噴射弁３と、点火プラグ４と、電子制御ユニット２００と、を備える。

機関本体１は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１に固定されたシリンダヘッド１２と、を備える。

シリンダブロック１１には、１つ以上のシリンダ１３が形成される。シリンダ１３の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ１３の内部を往復運動するピストン１４が収められる。ピストン１４は、コンロッド１５を介して図示しないクランクシャフトと連結されており、クランクシャフトによってピストン１４の往復運動が回転運動に変換される。シリンダヘッド１２の内壁面、シリンダ１３の内壁面及びピストン１４の冠面によって区画された空間が燃焼室１６となる。図２は、この燃焼室１６をシリンダヘッド１２側から見た模式図であり、図３の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれピストン１４が上死点近傍に位置しているときの燃焼室１６の概略断面図である。

図３の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本実施形態による機関本体１は、燃焼室１６内にスキッシュエリア１６ａが形成されるように、シリンダヘッド１２やピストン１４の形状が調整されている。スキッシュエリア１６ａは、ピストン１４の周縁部の冠面と、シリンダヘッド１２の内壁面（燃焼室１６の頂面）と、によって挟まれた空間のことである。

スキッシュエリア１６ａを設けることにより、図３の（Ａ）に示すように、圧縮行程において、ピストン１４の上昇に伴ってスキッシュエリア１６ａから燃焼室中央部に向かう押し出し流（以下「スキッシュ流」という。）を発生させることができる。また、図３の（Ｂ）に示すように、膨張行程において、ピストン１４の下降に伴って燃焼室中央部からスキッシュエリア１６ａに向かう引き込み流（以下「逆スキッシュ流」という。）を発生させることができる。このようにスキッシュ流及び逆スキッシュ流を燃焼室１６内に発生させることによって、燃焼室１６内のガス流動及び乱れを高めて燃焼（火炎伝播）を促進させることができる。

シリンダヘッド１２には、吸気通路の一部を構成する吸気ポート１７（図２参照）と、排気通路の一部を構成する排気ポート１８（図２参照）と、が形成される。吸気ポート１７及び排気ポート１８は、それぞれシリンダヘッド１２の内部で二股に分岐しており、燃焼室１６にはその二股に分岐した一対の吸気ポート１７ａ、１７ｂ及び一対の排気ポート１８ａ、１８ｂが開口している。

本実施形態では、吸気ポート１７の形状や燃焼室１６の形状を調整することで、吸気ポート１７を介して燃焼室１６内に流入する吸気によって燃焼室１６内にタンブル流が形成されるようにしている。本実施形態によるタンブル流は、図１に矢印で示すように、吸気ポート１７から燃焼室１６内に流入した後、まず燃焼室１６の頂面（シリンダヘッド１２の内壁面）に沿って吸気ポート１７側（図面左側）から排気ポート１８側（図面右側）へと流れ、その後、排気ポート１８側のシリンダ１３の内壁面に沿ってピストン１４側へと流れる。そしてピストン１４の冠面に沿って排気ポート１８側から吸気ポート１７側へと流れた後、吸気ポート１７側のシリンダ１３の内壁面に沿って吸気ポート１７側へと流れる。

なお、燃焼室１６内にタンブル流を形成する方法は、このように吸気ポート１７の形状や燃焼室１６の形状を調整する方法に限られるものではなく、例えば吸気ポート１７内に吸気ポート１７内を流れる吸気の流れに偏りを生じさせる制御弁を設け、当該制御弁の開度を調節することで形成するようにしても良い。

また、図示はしないが、シリンダヘッド１２には、燃焼室１６と吸気ポート１７との開口を開閉するための吸気弁と、燃焼室１６と排気ポート１８との開口を開閉するための排気弁と、吸気弁を開閉駆動する吸気カムシャフトと、排気弁を開閉駆動する排気カムシャフトと、が取り付けられている。

第１燃料噴射弁２は、吸気ポート１７内に燃料を噴射することができるように、例えば、吸気通路の一部を構成する吸気マニホールド１９に取り付けられる。第１燃料噴射弁２の開弁時間（噴射量）、及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更される。第１燃料噴射弁２が開弁されると第１燃料噴射弁２から吸気ポート１７内に燃料が噴射され、当該燃料が燃焼室１６に供給される。なお、第１燃料噴射弁２は、燃焼室１６内に直接燃料を噴射できるように、例えばシリンダヘッド１２に取り付けても良い。

第２燃料噴射弁３は、燃焼室１６の頂面に沿って吸気ポート１７側から排気ポート１８側へと流れるタンブル流の流れ方向と同一方向に燃料を噴射することできるように、また、点火プラグ４の電極部４ａの近傍の空間に向けて直接燃料を噴射できるように、シリンダヘッド１２に取り付けられる。本実施形態では第２燃料噴射弁３は、図２に示すように、一対の吸気ポート１７ａ、１７ｂの間に取り付けられている。第２燃料噴射弁３の開弁時間（噴射量）、及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更される。第２燃料噴射弁３が開弁されると第２燃料噴射弁３から燃焼室１６内に燃料が噴射され、当該燃料が燃焼室１６に供給される。

なお図４は、第２燃料噴射弁３をピストン１４側から見た模式図であり、図４に示すように、本実施形態による第２燃料噴射弁３は、噴霧方向が点火プラグ４の電極部４ａの方向となる２つの噴孔３ａ，３ｂを備えている。２つの噴孔３ａ，３ｂは、各噴孔からそれぞれ噴射された燃料噴霧の中心間θの角度が３０度以下となるように設けられている。このように各噴孔から噴射された燃料噴霧の中心間θの角度を３０度以下に制限することで、各噴孔から噴射された各燃料噴霧が周囲の空気を巻き込んで互いに引っ張り合うようになるので、各燃料噴霧の方向が一致するようになって、あたかも１つの噴孔から点火プラグ４の電極部４ａに向けて燃料を噴射したかのように、各燃料噴霧の方向を点火プラグ４の電極部４ａの方向に一致させることができる。

点火プラグ４は、その電極部４ａが燃焼室１６に臨むようにシリンダヘッド１２に取り付けられる。本実施形態では点火プラグ４は、図２に示すように、一対の排気ポート１８ａ、１８ｂの間に取り付けられている。点火プラグ４は、燃焼室１６内に火花を生じさせて、燃焼室１６内に形成された燃料と空気との混合気に点火する。点火プラグ４の点火時期は、電子制御ユニット２００からの制御信号によって任意の時期に制御される。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、機関負荷を検出するための信号として、アクセルペダル２２１の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２１１の出力信号が入力される。また入力ポート２０５には、機関回転速度などを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２１２の出力信号が入力される。また入力ポート２０５には、機関本体１の温度を検出するための信号として、機関本体１を冷却する冷却水の温度（以下「機関冷却水温」という。）を検出する水温センサ２１３の出力信号が入力される。なお、機関本体１の温度を検出するための信号としては、水温センサ２１３の出力信号に限らず、例えば機関本体１の摩擦摺動部を潤滑する潤滑油の温度を検出する油温センサを備える場合には、当該油温センサの出力信号を用いてもよい。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６は、対応する駆動回路２０８を介して、第１燃料噴射弁２や第２燃料噴射弁３、点火プラグ４などの各制御部品に接続される。

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。

以下、電子制御ユニット２００が実施する内燃機関１００の制御について説明する。

電子制御ユニット２００は、機関本体１の温度（本実施形態では機関冷却水温）に応じて、機関本体１の運転モードをストイキ燃焼モード、又は希薄燃焼モードに切り替える。具体的には電子制御ユニット２００は、機関本体１の温度が所定温度未満であれば、すなわち混合気の着火性、ひいては燃焼安定性が相対的に低下する機関冷間時であれば、機関本体１の運転モードをストイキ燃焼モードに切り替える。一方で電子制御ユニット２００は、機関本体１の温度が所定温度以上であれば、機関本体１の運転モードを希薄燃焼モードに切り替える。

電子制御ユニット２００は、運転モードがストイキ燃焼モードのときには、燃焼室１６内に理論空燃比又は理論空燃比近傍の均質混合気を形成し、その均質混合気に点火して火炎伝播燃焼させる均質燃焼を実施して、機関本体１の運転を行う。

具体的には電子制御ユニット２００は、運転モードがストイキ燃焼モードのときには、前回の燃焼サイクルの排気行程から今回の燃焼サイクルの吸気行程までの間の任意の期間に、第１燃料噴射弁２から要求トルクに応じた目標燃料噴射量分の燃料を噴射して、燃焼室１６内に理論空燃比又は理論空燃比近傍の均質混合気を形成する。そして電子制御ユニット２００は、その均質混合気に点火プラグ４によって最適点火時期（最適点火時期がノック限界点火時期よりも進角側にある場合はノック限界時期）に点火することで火炎伝播燃焼させて機関本体１の運転を行う。

一方で電子制御ユニット２００は、運転モードが希薄燃焼モードのときには、燃焼室１６内に全体として理論空燃比よりもリーンな成層混合気を形成して燃焼させる希薄燃焼を実施して、機関本体１の運転を行う。成層混合気の空気過剰率λ_０は、例えば２．０以上に設定され、本実施形態では３．０近傍に設定される。

図５は、希薄燃焼を行う場合の第１燃料噴射弁２及び第２燃料噴射弁３の各燃料噴射時期と点火時期との一例を、縦軸に筒内圧力［ＭＰａ］、横軸にクランク角［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ（After Top Dead Center）］を取って示した図である。

図５に示す例では、希薄燃焼を行うにあたって、まず、前回の燃焼サイクルの排気行程から今回の燃焼サイクルの吸気行程までの間の任意の期間に第１燃料噴射弁２から第１燃料を噴射することにより、当該第１燃料を燃焼室１６全体に拡散させて、燃焼室１６内に理論空燃比よりもリーンな均質混合気（以下「第１混合気」という。）を形成する。

次に、圧縮行程中に第２燃料噴射弁３から点火プラグ４の電極部４ａの近傍の空間に向けて点火アシスト用の第２燃料（点火用燃料）を噴射する。これにより、第２燃料が燃焼室１６全体に拡散する前に、一時的に点火プラグ４の電極部４ａの近傍に第１混合気よりも燃料割合の高い点火用混合気（以下「第２混合気」という。）を形成し、燃焼室１６内に成層混合気を形成する。そして、第２混合気に対して点火することで、第２混合気から第１混合気へと火炎を伝播させて成層混合気を火炎伝播燃焼させ、機関本体１の運転を行う。

このように、点火プラグ４の電極部４ａの近傍に相対的に燃料割合の高い第２混合気を一時的に形成して当該第２混合気に対して点火することで、例えば、燃焼室１６内に空気過剰率が２．０を超える希薄な成層混合気を形成した場合であっても、失火を防いで成層混合気の燃焼安定性を確保することができる。そして、成層混合気の希薄化を進めるほど、燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量を減少させることができる。

その一方で、成層混合気の空気過剰率λ_０が同じ場合は、第２混合気の空気過剰率λ_２を小さくするほど（第２混合気のリッチ度合いを大きくするほど）、成層混合気の燃焼安定性は向上するものの、第２混合気、ひいては成層混合気の燃焼温度が高くなるため、ＮＯｘ排出量が増加する。

図６は、機関負荷及び機関回転速度が同一の運転条件で、成層混合気の空気過剰率λ_０については一定（この例ではλ_０＝２．７）のまま変化させずに第２燃料噴射量［ｍｍ^３／ｓｔ（stroke）］のみを変化させて、全燃料噴射量（この例では概ね３０［ｍｍ^３／ｓｔ］）に対する第２燃料噴射量の割合（以下「第２燃料割合」という。）［％］を変化させた場合、すなわち成層混合気の空気過剰率λ_０は変化させずに第２混合気の空気過剰率λ_２のみを変化させた場合のＮＯｘ排出量の変化を示した図である。

図６に示すように、第２燃料噴射量を少なくして第２燃料割合を低下させるほど、第２混合気のリッチ度合いも小さくなるので、第２混合気、ひいては成層混合気の燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量を減少させることができる。

また、図６には、希薄燃焼モード時におけるＮＯｘ排出量の第１目標レベルと第２目標レベルとをそれぞれ破線で示している。第１目標レベルは、燃焼室１６内に理論空燃比よりもリーンな均質混合気を形成して火炎伝播燃焼させるリーン均質燃焼を実施してＮＯｘ排出量の低減を図る場合において、火花点火による着火限界まで当該均質混合気をリーン化したときのＮＯｘ排出量に概ね相当する。第２目標レベルは、第１目標レベルよりも厳しいＮＯｘ排出量の目標値であって、欧州排気規制（ＥＵＲＯ７）で定められたＮＯｘ排出量の規制値に相当する。

図６に示す通り、第１目標レベルを達成するには、第２燃料噴射量を概ね２．０［ｍｍ^３／ｓｔ］以下に抑えなければならないことが分かる。また、第２目標レベルを達成するには、第２燃料噴射量をそこからさらに少なくしていく必要があることが分かる。

換言すれば、第１目標レベルを達成するには、第２燃料噴射弁３の最小噴射量を、第１目標レベルを達成することが可能な所定の第１噴射量以下にする必要があり、第２目標レベルを達成するには、第２燃料噴射弁３の最小噴射量を、第２目標レベルを達成することが可能な所定の第２噴射量以下にする必要がある。

燃料噴射弁の「最小噴射量」とは、燃料噴射弁のフルリフト領域における最小噴射量のことであり、パーシャルリフト領域からフルリフト領域に切り替わるまでの間、すなわち燃料噴射弁のニードル弁のリフト量（以下「ニードルリフト量」という。）がゼロから最大リフト量になるまでの間に噴射される総燃料量のことである。パーシャルリフト領域とは、燃料噴射弁のニードルリフト量が最大リフト量より小さい噴射領域のことであり、フルリフト領域とは、燃料噴射弁のニードルリフト量が最大リフト量になった後の噴射領域のことである。

なお、本実施形態では、第２燃料噴射弁３の最小噴射量が第２噴射量未満となるように、また、第２燃料噴射弁３のフルリフト領域における単位時間当たりの噴射量（以下「燃料噴射率」という。）が、概ね１．０［ｍｍ^３／ｍｓ］～３．０［ｍｍ^３／ｍｓ］の範囲内となるように、第２燃料噴射弁３のニードルリフト量や噴孔径、燃圧などが調整されている。第２燃料噴射弁３の燃料噴射率をこのように或る一定の範囲内に収めているのは、以下の理由による。

第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を小さくするほど所定量の燃料を第２燃料噴射弁３から噴射しきるまでの時間が長くなる。そのため、燃料噴射率を小さくし過ぎると、第２燃料噴射弁３から第２燃料を噴射しきる間に第２燃料が燃焼室１６内に拡散してしまって、第２混合気の空気過剰率λ_２を、点火プラグ４によって安定的に点火することが可能な所定の空気過剰率λ_ｔｈｒ以下に維持することができなくなるためである。一方で、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を大きくし過ぎると、第２燃料噴射量を第１噴射量又は第２噴射量以下に抑えることができなくなるためである。すなわち、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を或る一定の範囲内に収めないと、点火プラグ４によって安定的に点火させことができ、かつＮＯｘ排出量を第１目標レベル又は第２目標レベル以下に抑えることが可能な空気過剰率を有する適切な第２混合気を形成することができないためである。

ところで、希薄燃焼を実施する場合、成層混合気の希薄化を図るほど燃焼速度（火炎伝播速度）が遅くなるので、燃焼室１６内のガス流動及び乱れを高めて燃焼（火炎伝播）を促進させる必要がある。そのため本実施形態では、燃焼室１６内にタンブル流を発生させると共に燃焼室１６の外周部にスキッシュエリア１６ａを設けて圧縮上死点近傍において燃焼室１６内にスキッシュ流及び逆スキッシュ流を発生させることで、燃焼室１６内のガス流動及び乱れを強化するようにしている。

しかしながら、このように燃焼室１６内にタンブル流を発生させると共にスキッシュ流及び逆スキッシュ流を発生させることで燃焼室１６内のガス流動及び乱れを強化しようとすると、特に燃焼室１６内に空気過剰率が２．０を超えるような希薄な成層混合気を形成して希薄燃焼を実施した場合に、膨張行程初期の逆スキッシュ流が発生するタイミングにおいて、タンブル流に乗って移流する火炎が燃焼室内の一方側に偏在することが分かった。そのため、燃焼室１６内の他方側のスキッシュエリア１６ａに火炎を引き込むことができず、スキッシュエリア１６ａ内の燃焼を促進させることができずに排気中の未燃ＨＣが増加するという問題が生じることが分かった。

以下、この問題について、図７を参照して説明する。図７の（Ａ）から（Ｄ）は、前述した図５に示したタイミングで各燃料噴射弁２，３からの燃料噴射と点火プラグ４による点火を行った場合の圧縮上死点前後の燃焼室１６内の様子を時系列的に示した模式図である。

図７の（Ａ）は、燃焼室１６内に第１混合気が形成された後の圧縮行程において、第２燃料噴射弁３から点火アシスト用の第２燃料が噴射されて点火プラグ４の電極部４ａの近傍に一時的に第２混合気が形成され、当該第２混合気に対して点火が行われる様子を示す。

図７の（Ｂ）から（Ｄ）は、第２混合気に対して点火することで発生した火炎がタンブル流に乗って移流しながら火炎伝播が進行する様子を示す。第２混合気に対して点火することで発生した火炎の伝播速度は、第１混合気が希薄な混合気であるために遅くなる。そのため、図７の（Ｂ）から（Ｄ）に示すように、第２混合気に対して点火することで発生した火炎が、排気側から吸気側へとタンブル流に乗って移流しながら伝播する燃焼形態となる。

この火炎が移流する過程において、図７の（Ｂ）に示すように、圧縮行程後半の点火時期直後は、火炎領域は排気側（図中右側）に存在し、排気側のスキッシュ流によって火炎の乱れが強化されて燃焼の促進が図られる。そしてその後、図６の（Ｃ）に示すように、火炎はタンブル流に乗って吸気側に移流し、図６の（Ｄ）に示すように、圧縮上死点直後は、火炎領域は吸気側（図中左側）に存在することになる。

そのため、吸気側においては、吸気側の逆スキッシュ流によって火炎の乱れを強化することができ、また、逆スキッシュ流によって吸気側のスキッシュエリア１６ａ内に火炎を引き込むこともできるので、吸気側のスキッシュエリア１６ａ内の燃焼を促進させることができる。

その一方で、排気側には火炎領域が存在せず、また先に発生させたスキッシュ流の影響もあるため、排気側のスキッシュエリア１６ａ内には逆スキッシュ流を発生させても火炎が引き込まれ難い。そのため、排気側のスキッシュエリア１６ａ内においては燃焼を促進させることができず、排気中の未燃ＨＣが増加することになる。

そこで本実施形態では、希薄燃焼モード時に、図８の（Ａ）から（Ｅ）に示すように、排気側のスキッシュエリア１６ａ内の燃焼を促進させることを目的とした燃焼促進用の第３燃料を、第２燃料よりも先に第２燃料噴射弁３から噴射し、第２燃料によって形成される第２混合気と第３燃料によって形成される第３混合気に対してそれぞれ別途に点火を行うことにより、排気側のスキッシュエリア１６ａ内の燃焼を促進させることとした。

具体的には図８の（Ａ）に示すように、本実施形態では、燃焼室１６内に第１混合気が形成された後の圧縮行程であって第２燃料の噴射時期よりも前の時期に、第２燃料噴射弁３から第３燃料を噴射し、これにより、タンブル流に乗せて燃焼室内を１周させた後に点火して排気側のスキッシュエリア１６ａ内の燃焼促進用の火炎を発生させるための第３混合気を形成する。

次に、図８の（Ｂ）に示すように、燃焼室１６内に第１混合気及び第３混合気が形成された後の圧縮行程において、前述した図７のときと同様に、第２燃料噴射弁３から第２燃料を噴射して点火プラグ４の電極部４ａの近傍に一時的に第２混合気を形成し、当該第２混合気に対して点火を行う。

これにより、図８の（Ｃ）に示すように、前述した図７のときと同様に、第２混合気に対して点火することで発生した火炎（以下「主火炎」という。）は、タンブル流に乗って移流しながら火炎伝播が進行していくことによってその火炎領域が拡大していくことになる。その一方で第３混合気は、図８の（Ｂ）に示すように、既にタンブル流に乗ってピストン冠面に沿って排気側から吸気側に向けて移流しているため、主火炎が伝播することなく、図８の（Ｃ）に示すように、さらにタンブル流に乗って燃焼室１６の頂面に沿って吸気側から排気側へと移流することになる。

そして図８の（Ｄ）に示すように、第３混合気がタンブル流に乗って燃焼室内を１周して点火プラグ４の電極部４ａの近傍に到達した圧縮上死点直前のタイミングで第３混合気に対して点火する。

これにより、図８の（Ｅ）に示すように、圧縮上死点直後において、前述した図７では火炎が存在しなかった排気側に、第３混合気に対して点火することで発生した火炎（以下「副火炎」という。）を存在させることができる。

そのため、吸気側に存在する主火炎を逆スキッシュ流によって吸気側のスキッシュエリア１６ａ内に引き込むことができると共に、排気側に存在する副火炎を逆スキッシュ流によって排気側のスキッシュエリア１６ａ内に引き込むことができるので、吸気側のみならず、排気側のスキッシュエリア１６ａ内の燃焼も促進させることができる。そのため、排気中の未燃ＨＣの増加を抑制することができる。

図９は、図８に示した燃焼を実現するための希薄燃焼モード時における第２燃料噴射弁３の燃料噴射時期と点火プラグ４による点火時期との一例を、横軸にクランク角［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ）］を取って、筒内圧力［ＭＰａ］と共に示した図である。なお第１燃料噴射弁２の燃料噴射時期は、図３と同様であるので、ここでは図示を省略している。

図９において、主点火時期は、第２混合気に対して点火を行う時期であり、副点火時期は、第３混合気に対して点火を行う時期である。

主点火時期は、基本的に最適点火時期に設定され、この例では、概ね－５０～－４０ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］付近に設定されている。

第２燃料の噴射時期は、主点火時期を基準に点火プラグ４の電極部４ａの近傍に第１混合気よりも燃料割合の高い点火用混合気である第２混合気を形成することできる時期に設定される。この例では、第２燃料の噴射時期は、主点火時期よりも１０［ｄｅｇ．ＣＡ（Crank Angle）］前の時期に設定されている。

第２燃料の噴射量は、主点火時期における第２混合気の空気過剰率λ_２を、第２混合気に対して点火することが可能な空気過剰率（例えば１．３以下）に維持できる噴射量とされる。この例では第２燃料の噴射量は、全燃料噴射量の３％程度とされている。

副点火時期は、副火炎を逆スキッシュ流によって排気側のスキッシュエリア１６ａ内に引き込むことができる時期に設定され、本実施形態では、概ね－１０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］付近に設定される。

第３燃料の噴射時期は、第３燃料によって形成される第３混合気がタンブル流に乗って燃焼１６を１周し、再び点火プラグ４の電極部４ａの近傍に到達する時期が副点火時期と重なるように、副点火時期を基準として設定される。

なお、第３混合気がタンブル流に乗って燃焼室内を１周して点火プラグ４の電極部４ａの近傍に到達するまでの時間は、タンブル比によって変化する。そのため、第３燃料の噴射時期は、副点火時期とタンブル比とに基づいて設定されることになる。第３混合気がタンブル流に乗って燃焼室内を１周するために必要な時間は、クランク角に換算して、例えばタンブル比が４であれば概ね９０［ｄｅｇ．ＣＡ］の時間、タンブル比が５であれば概ね７２［ｄｅｇ．ＣＡ］の時間、タンブル比が６であれば概ね６０［ｄｅｇ．ＣＡ］の時間が必要になる。この例では、第３燃料の噴射時期は、副点火時期の８０～７０［ｄｅｇ．ＣＡ］前の期間に設定されている。

第３燃料の噴射量は、副点火時期における第３混合気の空気過剰率λ３を、第３混合気に対して点火することが可能な空気過剰率（例えば２．０以下）に維持できる噴射量とされる。ここで第３混合気は、タンブル流に乗って燃焼室内を１周している間にある程度拡散し、その拡散度合いはタンブル比が大きくなるほど早くなる。そのため、副点火時期における第３混合気の空気過剰率を点火可能な空気過剰率に維持できる噴射量は、タンブル比に応じて変化することになり、タンブル比が大きくなるほど噴射量を増やす必要がある。この例では、第３燃料の噴射量は、全燃料噴射量の２０％程度とされている。なお、第３混合気に対して点火することが可能な空気過剰率が、第２混合気に対して点火することが可能な空気過剰率よりも高いのは（すなわちリーンなのは）、第２混合気の点火時期である主点火時期よりも、第３混合気の点火時期である副点火時期の方が圧縮上死点に近く、また主火炎も既に発生しているため、筒内環境が混合気に対してより点火させやすい環境となっているためである。

図１０は、この本実施形態による希薄燃焼モード時に実行される各燃料噴射弁２，３及び点火プラグ４の制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、希薄燃焼モード時に本ルーチンを所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、クランク角センサ２１２の出力信号に基づいて算出された機関回転速度と、負荷センサ２１１によって検出された機関負荷と、を読み込み、機関運転状態（機関回転速度と機関負荷とによって規定される機関動作点）を検出する。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、予めＲＯＭ２０２に記憶されたマップ等を参照し、機関運転状態に基づいて、点火プラグの主点火時期ＩＴ１及び副点火時期ＩＴ２と、第１燃料の目標噴射量Ｑ１及び目標噴射時期Ａ１と、第２燃料の目標噴射量Ｑ２及び目標噴射時期Ａ２と、第３燃料の目標噴射量Ｑ３及び目標噴射時期Ａ３と、を設定する。

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、第１燃料の噴射量及び噴射時期が目標噴射量Ｑ１及び目標噴射時期Ａ１となるように第１燃料噴射弁２を制御すると共に、第２燃料の噴射量及び噴射時期が目標噴射量Ｑ２及び目標噴射時期Ａ２となるように、また第３燃料の噴射量及び噴射時期が目標噴射量Ｑ３及び目標噴射時期Ａ３となるように
第２燃料噴射弁３を制御する。また電子制御ユニット２００は、主点火時期ＩＴ１及び副点火時期ＩＴ２に点火が行われるように点火プラグ４を制御する。

以上説明した本実施形態による内燃機関１００は、スキッシュエリア１６ａが形成された燃焼室１６を有する機関本体１と、燃焼室１６に臨むように電極部４ａが配置された点火プラグ４と、機関本体１の吸気通路又は燃焼室１６内に燃料を噴射する第１燃料噴射弁２と、燃焼室１６内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁３と、電子制御ユニット２００（制御装置）と、を備える。

機関本体１は、電極部４ａを通過するタンブル流を燃焼室１６内に発生させることができるように構成され、第２燃料噴射弁３は、電極部４ａに向けてタンブル流の流れ方向と同一方向に直接燃料を噴射するように構成される。

電子制御ユニット２００は、燃焼室１６内に第１混合気（均質混合気）を形成するための第１燃料を第１燃料噴射弁２から噴射すると共に、電極部４ａの近傍に第２混合気（点火用混合気）を形成するための第２燃料（点火用燃料）を第２燃料噴射弁３から噴射して第２混合気を主点火時期に点火することで、第２混合気に対して点火して発生させた主火炎をタンブル流に乗せて移流させながら第１混合気に火炎伝播させる希薄燃焼を実施するように構成される。

また電子制御ユニット２００は、第２燃料の噴射時期よりも前の時期にスキッシュエリア１６ａ内の燃焼を促進させるための第３燃料（燃焼促進用燃料）を第２燃料噴射弁３から噴射し、第３燃料によって形成される第３混合気（燃焼促進用混合気）をタンブル流に乗せて燃焼室１６内を移流させることによって主点火時期よりも後の副点火時期に点火するように構成される。

そして副点火時期は、第３混合気に点火することによって発生させた副火炎を逆スキッシュ流によってスキッシュエリア１６ａ内に引き込むことができる時期に設定される。

これにより、主点火時期に発生させた主火炎をタンブル流に乗せて燃焼室１６の一方側（本実施形態では吸気側）に移流させつつ、主点火時期よりも後の副点火時期に発生させた副火炎を燃焼室１６の他方側（本実施形態では排気側）に存在させることができる。そして副点火時期は、副火炎を逆スキッシュ流によってスキッシュエリア１６ａ内に引き込むことができる時期に設定されているので、主火炎については燃焼室の一方側で発生する逆スキッシュ流によってスキッシュエリア１６ａ内に引き込むことができ、副火炎については燃焼室の他方側で発生する逆スキッシュ流によってスキッシュエリア１６ａ内に引き込むことができる。そのため、スキッシュエリア１６ａ内の燃焼を全体的に促進させることができるので、排気中の未燃ＨＣが増加するのを抑制することができる。

また本実施形態では、前記燃焼促進用燃料の噴射時期は、副点火時期と、第３混合気（燃焼促進用混合気）がタンブル流に乗って燃焼室１６内を１周して電極部４ａの近傍に戻ってくる時期と、が重なる時期に設定される。これにより、第２燃料よりも先に第２燃料噴射弁３から噴射した第３燃料を、第２燃料によって形成される第２混合気の点火時期（主点火時期）よりも後の副点火時期に適切に点火させることができる。

また本実施形態による第２燃料噴射弁３は、電極部４ａに向けてタンブル流の流れ方向と同一方向に直接燃料を噴射する２つの噴孔３ａ，３ｂを有し、２つの噴孔３ａ，３ｂは、各噴孔からそれぞれ噴射された燃料噴霧の中心間の角度が３０度以下となるように設けられている。これにより、各噴孔から噴射された各燃料噴霧が周囲の空気を巻き込んで引っ張り合うようになるので、各燃料噴霧の方向を点火プラグ４の電極部４ａの方向に精度良く一致させることができる。

そのため、点火プラグ４の電極部４ａの近傍に確実に第２混合気を形成して当該第２混合気に対して点火することができるので、失火を防いで成層混合気の燃焼安定性を確保することができる。また、タンブル流の流れ方向にも精度良く一致させることができるので、第３混合気がタンブル流に乗らずに第３混合気に対して点火できなくなるような事態になるのも抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記の実施形態では、一対の吸気ポート１７ａ，１７ｂの間に第２燃料噴射弁３を配置し、一対の吸気ポート１８ａ，１８ｂの間に点火プラグ４を配置していたが、タンブル流の向きを本実施形態と逆向きにして、一対の吸気ポート１７ａ，１７ｂの間に点火プラグ４を配置し、一対の吸気ポート１８ａ，１８ｂの間に第２燃料噴射弁３を配置して、第２燃料噴射弁３から点火プラグ４の電極部４ａに向けてタンブル流の流れ方向と同一方向に燃料を噴射するようにしてもよい。すなわち、第２燃料噴射弁３や点火プラグ４の取付位置やタンブル流の方向は、スキッシュエリア１６ａ内の燃焼を全体的に促進させて排気中の未燃ＨＣが増加するのを抑制するという効果が得られる範囲で適宜変更可能である。

例えば上記の実施形態では、内燃機関１００は、燃焼室内に均質混合気を形成するための第１燃料噴射弁２と、燃焼室内に点火用混合気を形成するための第２燃料噴射弁３とを備えていたが、例えば噴孔数やニードルリフト量を自在に変更可能に構成された、第１燃料噴射弁２及び第２燃料噴射弁３に求められる噴射性能を同時に満足することが可能な燃料噴射弁があれば、第１燃料噴射弁２と第２燃料噴射弁３とが一体化したそのような燃料噴射弁を１つ設けて燃焼室内に燃料を噴射することができるようにしてもよい。

なお上記の実施形態において、燃焼室内に均質混合気を形成するための第１燃料噴射弁２を、燃焼室内に点火用混合気を形成するための第２燃料噴射弁３とは別途に設けている理由は、以下の通りである。

前述した通り、点火プラグ４によって安定的に点火させことができ、かつＮＯｘ排出量を第１目標レベル又は第２目標レベル以下に抑えることが可能な空気過剰率を有する適切な第２混合気を形成するためには、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を或る一定の範囲内に収める必要がある。

そして、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を或る一定の範囲内に収めた場合、第１燃料噴射弁２を設けずに、燃焼室内に均質混合気を形成するための第１燃料を第２燃料噴射弁３によって第２燃料とは別途に噴射しようとすると、要求トルクが増加して目標燃料噴射量が増加したとき、すなわち第２燃料噴射弁３から噴射する均質混合気形成用の燃料量（すなわち第１燃料量）が増加したときに、燃料噴射率が低すぎて、均質混合気を形成可能な燃料噴射期間内に均質混合気を形成するために必要な燃料量の全量を噴射し終えることができなくなる。そのため、上記の各実施形態では、燃焼室内に均質混合気を形成するための第１燃料噴射弁２と、燃焼室内に点火用混合気を形成するための第２燃料噴射弁３と、を併用している。

また上記の実施形態において、空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼を行う機関運転領域の全域で、第２燃料（点火用燃料）の燃料量を微小量に設定した希薄燃焼を行う必要はなく、例えば燃焼安定性を確保しつつＮＯｘの排出を抑制したい所定の機関運転領域に限って行うようにしてもよい。

１ 機関本体
２ 第１燃料噴射弁
３ 第２燃料噴射弁
４ 点火プラグ
４ａ 電極部
１６ 燃焼室
１６ａ スキッシュエリア
１００ 内燃機関
２００ 電子制御ユニット（制御装置）

Claims (4)

1. スキッシュエリアが形成された燃焼室を有する機関本体と、
   前記燃焼室に臨むように電極部が配置された点火プラグと、
   前記機関本体の吸気通路又は前記燃焼室内に燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、
   前記燃焼室内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、
   制御装置と、
   を備える内燃機関であって、
   前記機関本体は、前記電極部を通過するタンブル流を前記燃焼室内に発生させることができるように構成され、
   前記第２燃料噴射弁は、前記電極部に向けて前記タンブル流の流れ方向と同一方向に直接燃料を噴射するように構成され、
   前記制御装置は、
   前記燃焼室内に均質混合気を形成するための燃料を前記第１燃料噴射弁から噴射すると共に、前記電極部の近傍に点火用混合気を形成するための点火用燃料を前記第２燃料噴射弁から噴射して前記点火用混合気を主点火時期に点火することで、前記点火用混合気に対して点火して発生させた主火炎を前記タンブル流に乗せて移流させながら前記均質混合気に火炎伝播させる希薄燃焼を実施するように構成され、
   前記制御装置はさらに、
   前記点火用燃料の噴射時期よりも前の時期に前記スキッシュエリア内の燃焼を促進させるための燃焼促進用燃料を前記第２燃料噴射弁から噴射し、前記燃焼促進用燃料によって形成される燃焼促進用混合気を前記タンブル流に乗せて前記燃焼室内を移流させることによって前記主点火時期よりも後の副点火時期に点火するように構成され、
   前記副点火時期は、
   前記燃焼促進用混合気に点火することによって発生させた副火炎を、逆スキッシュ流によって前記スキッシュエリア内に引き込むことができる時期に設定される、
   内燃機関。
2. 前記燃焼促進用燃料の噴射時期は、
   前記副点火時期と、前記燃焼促進用混合気が前記タンブル流に乗って前記電極部の近傍に戻ってくる時期と、が重なる時期に設定される、
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記第２燃料噴射弁は、前記電極部に向けて前記タンブル流の流れ方向と同一方向に直接燃料を噴射する２つの噴孔を有し、
   前記２つの噴孔は、前記２つの噴孔からそれぞれ噴射された燃料噴霧の中心間の角度が３０度以下となるように設けられる、
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記制御装置は、
   空気過剰率が２．０以上の前記希薄燃焼を実施するように構成される、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の内燃機関。

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