JP3832043B2 - 筒内噴射式エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平７−１１９５０７号公報に示されるように、エンジンの低負荷時に圧縮行程の後半から燃料の噴射を開始して成層燃焼を実行し、かつエンジンの高負荷時に吸気行程の前半から燃料の噴射を開始して均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行するエンジンの運転領域における低回転時、つまり高負荷低回転時に、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射することにより、一回当りに噴射される燃料の噴射量を少なくしてこの燃料を効果的に霧化拡散させ、良好に均一燃焼させてスモークの発生を防止することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載されたエンジンは、高負荷低回転の運転領域で吸気行程の前半から必要燃料量の半分を噴射し、残りの半分を吸気行程の末期に噴射することにより、燃料を良好に均一燃焼させて排気ガス中にスモークが発生するのを防止することができるが、上記高負荷低回転の運転領域においてエンジンの出力を増大させるという点について考慮されておらず、燃費を改善して高出力が得られるようにする上で改良の余地がある。
【０００４】
すなわち、エンジンの出力は、吸気の充填量と、混合気の均一度と、燃焼速度との影響を受けて変化することが知られている。そして、上記高負荷低回転の運転領域における吸気の充填量は、吸気の流速およびピストン等の燃焼室壁面に対する燃料の付着料に応じて変化し、図８（Ｉ）に示すように、燃料の噴射時期に応じて増減する。これは、燃料の噴射時期に応じてピストンに対する燃料の付着量に差が生じ、燃焼室内に噴射された燃料の気化熱に応じて燃焼室内における吸気の温度が変化することで吸気の充填効率が変化するためである。
【０００５】
また、混合気の均一度は、燃焼室に噴射された燃料の気化時間が充分に確保され、かつピストン等の燃焼室壁面に付着する燃料が少ない領域で最適状態となり、点火プラグの周囲に形成される混合気の空燃比と、燃焼室全体の平均空燃比との比較に基づいて測定できる。この空燃比は、図８（II）に示すように、燃料の噴射時期に応じて種々に変化し、点火プラグの周囲が平均空燃比となるポイントα，βで最良となる。さらに、上記燃焼速度は、噴射時期が遅くなるのに従って燃料の乱れが残り易くなるために速くなる。つまり、図８（III）に示すように、燃料の噴射時期が遅くなるのに従って燃焼時間が短くなって出力の増大が図れることになる。
【０００６】
上記のように高負荷低回転の運転領域におけるエンジン出力を決定する各要素は、それぞれ燃料の噴射時期の影響を受けるため、燃料の噴射圧力が高く、噴射時間の短い筒内噴射式エンジンの全回転領域で、上記各要素に基づいて要求される適正な噴射時期に燃料を噴射することにより、燃費を低減しつつエンジン出力を増大するように制御することは困難であった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、高負荷低回転の運転領域おいて、燃費を低減しつつエンジン出力を増大することができる筒内噴射式エンジンを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタを備え、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域にあるときに、吸気行程で上記インジェクタから燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段を設け、吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を実行する際に、吸気の充填効率が最大となる時期と、混合気の均一度が最適となる時期とに分割して燃料を噴射するように構成したものである。
【０００９】
上記構成によれば、均一燃焼を実行するエンジンの高負荷領域において、エンジン回転数が低い運転領域にある場合には、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料が複数回に分割されて噴射されることにより、吸気の充填量が充分に確保されるとともに、混合気が効果的に均一化された状態で適正に燃焼することになる。また、均一燃焼を実行するエンジンの高負荷領域において、エンジン回転数が低い運転領域にある場合には、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で、吸気の充填効率が最大となる時期と、混合気の均一度が最適となる時期とに分割されて燃料が噴射されことにより、吸気の充填量が充分に確保されるとともに、混合気が効果的に均一化された状態で適正に燃焼することになる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、上記請求項１記載の筒内噴射式エンジンにおいて、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量を、総噴射量の４〜６割の範囲内に設定したものである。
【００１３】
上記構成によれば、吸気行程で燃料を分割して噴射される燃料の噴射量が適度に設定され、混合気が適正に均一化された状態で燃焼することになる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、上記請求項１または２記載の筒内噴射式エンジンにおいて、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量を、後に噴射される燃料の噴射量よりも多くするように設定したものである。
【００１５】
上記構成によれば、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に多くの燃料が噴射されてこの燃料の気化および霧化時間が充分に確保されることになる。
【００１６】
請求項４に係る発明は、燃焼室の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されるようにインジェクタが設置されされるとともに、ピストンの頂部に上記燃料が吹き付けられるキャビティが設けられ、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域にあるときに、吸気行程で上記インジェクタから燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段を備え、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射開始時期を、吸気トップ後のクランク角が６０°以降の時期に設定したものである。
【００１７】
上記構成によれば、エンジンの高負荷時に吸気行程で燃料を分割して噴射する際には、吸気トップ後にピストンが所定の位置に低下した時点で、燃焼室の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されるため、この燃料がシリンダの周壁に付着することが効果的に防止されることになる。
【００１８】
請求項５に係る発明は、上記請求項４記載の筒内噴射式エンジンにおいて、燃料の噴射角度を水平方向に対して３０°以上傾斜させたものである。
【００１９】
上記構成によれば、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、燃焼室の周縁部から３０°以上の噴射角度をもって斜め下方に燃料が噴射され、シリンダの周壁に対する燃料の付着が効果的に抑制されることになる。
【００２０】
請求項６に係る発明は、上記請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼室に臨むように設置された点火プラグに向けて燃焼室の周縁部から燃料が噴射されるようにインジェクタを設置したものである。
【００２１】
上記構成によれば、燃焼室の上部から略水平に燃料が噴射されるため、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、ピストンの頂部において燃料が反射することに起因したシリンダ周壁への燃料の付着が抑制されることになる。
【００２２】
請求項７に係る発明は、上記請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼室の上部中央に臨むように点火プラグおよびインジェクタを設置するとともに、このインジェクタから噴射された燃料が吹き付けられるキャビティをピストンの頂部中央に形成したものである。
【００２３】
上記構成によれば、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、燃焼室の上方から下方に向けて燃料が噴射されることになる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明に係る筒内噴射式エンジンの実施形態を示している。このエンジンは、シリンダヘッド１およびシリンダブロック２によって構成された複数のシリンダを有し、各シリンダ内にピストン３がそれぞれ嵌挿されるとともに、その上方に燃焼室４が形成されている。上記シリンダヘッド１には、燃焼室４に連通する吸気ポート５および排気ポート６と、これらのポート５，６を開閉する吸気弁７および排気弁８と、火花を発生して燃料を燃焼させる点火プラグ９と、上記燃焼室４内に直接燃料を噴射するインジェクタ１０とが設置されている。
【００２５】
上記シリンダヘッド１の下面には、燃焼室４を形成するペントルーフ型の凹部が設けられ、このペントルーフ型凹部の傾斜面に上記吸気ポート５および排気ポート６がそれぞれ開口している。そして、上記吸気弁７および排気弁８が図外の動弁機構によって駆動されることにより、上記吸気ポート５および排気ポート６が所定のタイミングで開閉されるようになっている。
【００２６】
図１には上記吸気ポート５および排気ポート６が１個ずつ表示されているが、これらの吸気ポート５および排気ポート６は、図１の紙面と直交する方向にそれぞれ２個ずつ並列に配設されている。そして、上記両吸気ポート５の一方には吸気の流れを制御する制御弁が設けられ、この制御弁がステップモータ等からなるアクチュエータにより駆動されて全閉または部分開放されることにより、両吸気ポート５の一方における吸気の流通が制限された状態で、両吸気ポート５の他方に多く流される吸気によって図２の破線で示すように、燃焼室４の内周面に沿ったスワール（水平方向の渦流）が生成されるようになっている。
【００２７】
また、上記吸気ポート５は、その下流側部が斜め下方に伸びるように形成され、この吸気ポート５から燃焼室４内に流入する吸気によってタンブル（垂直方向の渦流）が形成されるように構成されている。したがって、上記制御弁の全閉時もしくは部分開放時には、上記スワールとタンブルとが合成されることにより、斜めスワールが燃焼室４内に生成されることになる。
【００２８】
上記点火プラグ９は、燃焼室４の略中央部に配設され、そのプラグ先端が燃焼室４に臨むように取り付けられている。また、上記インジェクタ１０は、吸気ポート５の設置部側に位置する燃焼室４の周縁部に取り付けられるとともに、水平面に対して所定角度θ、例えば２５〜５０°の範囲内で傾斜して設置されることにより、このインジェクタ１０から燃焼室４内に向けて斜め下方に燃料を噴射するように構成されている。
【００２９】
上記インジェクタ１０は、図示を省略したニードル弁およびソレノイドを内蔵し、このソレノイドに後述する燃料制御手段から出力されたパルス信号の入力時点で、この信号のパルス幅に対応した量の燃料を、例えば４０°以上に設定された比較的広い噴霧角度をもって３〜１５ＭＰａの圧力で噴射するように構成されている。
【００３０】
ピストン３の頂部には、上記インジェクタ１０の設置部側に位置する周縁部から、上記点火プラグ９の設置部に対向する中央部にかけてキャビティ１１が形成されている。そして、ピストン３が上昇する圧縮行程の所定時期に噴射された燃料が上記キャビティ１１に捕集されて点火プラグ９の周囲に運ばれるように、インジェクタ１０の設置位置および傾斜角度と、キャビティ１１の形成範囲と、点火プラグ９の設置位置との関係が予め設定されている。
【００３１】
上記エンジンには、図３に示すように、クランク角を検出するクランク角センサ１２、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサ１３、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４およびエンジンの冷却水温度を検出する水温センサ１５等からなる各種のセンサ類が装備され、これらのセンサ類から出力された検出信号がＥＣＵ１６に入力されるようになっている。このＥＣＵ１６には、エンジンの運転状態判定手段１７と、インジェクタ１０から噴射される燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段１８とが設けられている。
【００３２】
上記運転状態判定手段１７は、各センサ類の検出手段に応じてエンジンが図４に示す各運転領域のいずれの領域に属するかを判定し、この判定信号を上記燃料制御手段１８に出力するように構成されている。上記運転領域は、エンジン回転数ＮｅおよびエンジントルクＰｅに基づいて設定され、燃料の噴射量の少ない低負荷低回転の運転領域Ａと、この低負荷低回転の運転領域Ａ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１と、燃料噴射量が中程度である中負荷中回転領域の運転Ｂと、この中負荷中回転の運転領域Ｂ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１と、燃料の噴射量が多い高負荷の運転領域Ｃと、この高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大（アクセル開度全開）で回転が低い運転領域Ｃ１と、高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大で回転が中程度の運転領域Ｃ２と、高負荷の運転領域Ｃ内で、負荷および回転がそれぞれ最大である運転領域Ｃ３とに区画されている。
【００３３】
燃料噴射量の少ない上記低回転低負荷の運転領域Ａにおいて負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１以外の領域では、図５の（Ｉ）に示すように、圧縮行程の中期から後期にかけての範囲内の所定時期、具体的にはＢＴＤＣ３０°〜１２０°ＣＡ（圧縮上死点前のクランク角３０°〜１２０°）の範囲内における所定時期に、上記インジェクタ１０から燃焼室４内に燃料を一括して噴射し、混合気をリーン状態で成層化して燃焼させる成層燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。上記運転領域Ａにおける成層燃焼は、スロットル開度を大きくして吸気量を増大させ、理論空燃比に比べて大幅なリーン状態とすることによって実行される。
【００３４】
また、上記低負荷低回転の運転領域Ａ内において負荷および回転が比較的高い領域Ａ１では、図５の（II）に示すように、圧縮行程の前期から中期にかけての所定範囲（ＢＴＤＣ６０°〜１８０°ＣＡ）内の時期と、圧縮行程の中期から後期にかけての所定範囲（ＢＴＤＣ３０°〜１２０°ＣＡ）内の時期とに分割して燃料ａ，ｂを噴射し、かつスロットル開度を大きくすることにより、混合気をリーン状態で成層化して燃焼させる成層燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。
【００３５】
また、燃料の噴射量が中程度である上記中負荷中回転の運転領域Ｂにおいて負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１以外の領域では、図５の（III）に示すように、吸気行程の所定範囲（ＢＴＤＣ２００°〜３６０°ＣＡ）内の時期と、圧縮行程の所定範囲（ＢＴＤＣ３０°〜１２０°ＣＡ）内の時期とに分割して燃料を噴射し、かつスロットル開度を大きくすることにより、混合気をリーン状態で弱成層化して燃焼させるように構成されている。
【００３６】
また、上記中負荷中回転の運転領域Ｂ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１では、図５の（IV）に示すように、吸気行程の所定範囲（ＢＴＤＣ２００°〜３６０°ＣＡ）内の時期に燃料を一括して噴射し、かつスロットル開度を大きくすることにより、混合気をリーン状態で均一化して燃焼させる均一燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。
【００３７】
また、燃料の噴射量が多い上記高負荷の運転領域Ｃにおいて負荷が最大となる運転領域Ｃ１〜Ｃ３以外の領域では、上記運転領域Ｂ１と同様に、吸気行程の所定範囲内の時期に燃料を一括して噴射し、かつ空気過剰率が１である理論空燃比下で燃料を均一化して燃焼させる均一燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。
【００３８】
さらに、高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大で回転が低い運転領域Ｃ１では、図５の（Ｖ）に示すように、吸気行程の前期から中期かけての所定範囲（ＢＴＤＣ２２０°〜３６０°ＣＡ）内の時期と、吸気行程の前期から中期かけての所定範囲（ＢＴＤＣ２４０°〜３６０°ＣＡ）内の時期とに分割して燃料ａ，ｂを噴射し、かつ混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させるように構成されている。上記領域Ｃ１で燃料を分割して噴射する際には、後に噴射される燃料ｂの噴射量が、総噴射量の４〜６割の範囲内となるように燃料の噴射量が制御され、好ましくは先に噴射される燃料ａの噴射量が後に噴射される燃料ｂの噴射量に比べて大きな値に設定されるようになっている。
【００３９】
また、エンジンが高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大で回転が中程度の運転領域Ｃ２では、上記領域Ｂ１および領域Ｃと同様に、吸気行程の所定時期に燃料を一括して噴射し、かつ混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させるように構成されている。
【００４０】
さらに、高負荷の運転領域Ｃ内で、負荷および回転がそれぞれ最大である運転領域Ｃ３では、図５の（VI）に示すように、排気行程の後半（ＢＴＤＣ３６０°〜４４０°ＣＡ）の所定時期から燃料の噴射を開始し、燃料を一括して噴射するし、かつ混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させる均一燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。
【００４１】
上記燃料制御手段１８において実行される制御動作を図６および図７に示すフローチャートに基づいて説明する。上記制御動作がスタートすると、まず水温センサ１５によって検出されたエンジンの冷却水温度に応じ、排気通路に設けられた排気ガス浄化用の触媒が非活性化状態にある可能性が高い冷間運転状態にあるか否かを判定し（ステップＳ１）、ＹＥＳと判定された場合には、上記触媒の暖機を促進する冷間時の燃焼制御を実行する（ステップＳ２）。
【００４２】
すなわち、上記冷間運転状態において触媒温度が低いことが確認された場合に、燃料を吸気行程と圧縮行程とに分割して噴射し、点火プラグ９周囲の混合気を理論空燃比またはこれよりもリッチな状態とするとともに、燃焼室４の全体を略理論空燃比とすることにより、触媒による排気ガスの浄化作用が充分に得られないエンジンの冷間運転時に、ＨＣ、ＮＯｘの排出量を低減しつつ、排気ガス温度を上昇させて上記触媒の暖機を促進するように燃料の噴射状態を制御する。
【００４３】
また、上記ステップＳ１でＮＯと判定され、エンジンが冷間運転状態にないことが確認された場合には、上記アクセルセンサ１３の検出信号に応じてエンジンが所定の加速運転状態にあるか否かを判定し（ステップＳ３）、ＹＥＳと判定された場合には、アクセルペダルが急激に大きく踏み込まれて吸入空気量が増大することに起因した失火の発生を防止する加速時の燃焼制御を実行する（ステップＳ４）。
【００４４】
すなわち、吸気行程で燃料の噴射が行われる均一燃焼領域を有する筒内噴射式エンジンにおいて、燃料噴射の開始時点における前後で吸入空気量の検出値に基づく吸気充填量の演算を行い、噴射開始時点で算出された吸気充填量に応じて上記燃料の噴射量を決定するとともに、噴射前の時点で算出された吸気充填量よりも噴射後の時点で算出された吸気充填量が多い場合に、その増大分に見合う量の燃料を圧縮行程の前半中に追加噴射するように構成することにより、吸気充填量の増大に起因する空燃比の過大化を防ぎ、ひいてはエンジンの失火等を防止するように燃焼状態を制御する。
【００４５】
また、上記ステップＳ３でＮＯと判定され、エンジンが通常運転状態にあることが確認された場合には、エンジン回転数とアクセル開度とをパラメータとするマップから読出されたエンジンの出力軸トルク、つまりエンジントルクＰｅが、予め設定された第１基準値Ｐ１よりも小さいか否かを判定することにより、燃料噴射量の少ない低負荷低回転の運転領域Ａにあるか否かを判別する（ステップＳ５）。
【００４６】
上記ステップＳ５でＹＥＳと判定された場合には、エンジントルクＰｅが、上記第１基準値Ｐ１以下の範囲内で予め設定された第２基準値Ｐ２よりも大きいか否かを判定することにより、上記低負荷低回転の運転領域Ａでエンジンの負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１にあるか否かを判別する（ステップＳ６）。上記ステップＳ６でＮＯと判定され、エンジンが低負荷低回転の運転領域Ａ内で上記領域Ａ１以外の運転領域にあることが確認された場合には、図５の（Ｉ）に示すように、圧縮行程の中期から後期にかけての範囲内の所定時期に、上記インジェクタ１０から燃焼室４内に燃料を一括して噴射し、かつ混合気をリーン状態で成層化して燃焼させる成層燃焼を実行する（ステップＳ７）。
【００４７】
また、上記ステップＳ６でＹＥＳと判定され、エンジンが低負荷低回転の運転領域Ａ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１にあることが確認された場合には、図５の（II）に示すように、圧縮行程の前期から中期にかけての範囲内の所定時期と、圧縮行程の中期から後期にかけての範囲内の所定時期とに分割して燃料ａ，ｂを噴射し、かつ混合気をリーン状態で成層化して燃焼させる成層燃焼を実行する（ステップＳ８）。
【００４８】
上記ステップＳ５でＮＯと判定され、エンジントルクＰｅが上記第１基準値Ｐ１よりも大きいことが確認された場合には、エンジントルクＰｅが、上記第１基準値Ｐ１よりも大きな値に設定された第４基準値Ｐ４よりも小さいか否かを判定することにより、燃料噴射量が中程度である中負荷中回転の運転領域Ｂにあるか否かを判定する（ステップＳ９）。
【００４９】
上記ステップＳ９でＹＥＳと判定された場合には、エンジントルクＰｅが、上記第１基準値Ｐ１よりも大きく、かつ第４基準値Ｐ４よりも小さな値に予め設定された第３基準値Ｐ３よりも小さいか否かを判定することにより、エンジンが中負荷中回転の運転領域Ｂ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１にあるか否かを判別する（ステップＳ１０）。上記ステップＳ１０でＮＯと判定され、エンジンが中負荷中回転の運転領域Ｂで上記領域Ｂ１以外の運転領域にあることが確認された場合には、図５の（III）に示すように、圧縮行程の所定時期と、吸気行程の所定時期とに分割して燃料を噴射し、かつ混合気をリーン状態で弱成層化して燃焼させる弱成層化燃焼を実行する（ステップＳ１１）。
【００５０】
また、上記ステップＳ１０でＹＥＳと判定され、エンジンが上記中負荷中回転の運転領域Ｂ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１にあることが確認された場合には、図５の（IV）に示すように、吸気行程の所定時期に燃料を一括して噴射し、かつ空燃比を理論空燃比よりもリーン状態とするように燃料噴射量およびスロットル開度を制御することにより、混合気をリーン状態で均一化して燃焼させる均一燃焼を上記燃料制御手段１８において実行する（ステップＳ１２）。
【００５１】
また、上記ステップＳ９でＹＥＳと判定され、エンジントルクＰｅが上記第４基準値Ｐ４よりも大きい高負荷の運転領域Ｃにあることが確認された場合には、上記アクセルセンサ１３の検出信号に応じてアクセルが全開状態にあるか否か、つまりエンジン負荷が最大領域にあるか否かを判定する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３でＮＯと判定され、高負荷の運転領域Ｃ内においてアクセル開度が全開状態にないことが確認された場合には、吸気行程の所定時期に燃料を一括して噴射し、かつ理論空燃比とするように燃料噴射量およびスロットル開度を制御することにより、空気過剰率が１である理論空燃比下で燃料を均一化して燃焼させる均一燃焼制御を実行する（ステップＳ１４）。
【００５２】
また、上記ステップＳ１３でＹＥＳと判定され、アクセル開度が全開状態であることが確認された場合には、エンジン回転数Ｎｅが予め設定された第１基準値Ｎ１、例えば３０００ｒｐｍ未満か否かを判定する（ステップＳ１５）。このステップＳ１５でＹＥＳと判定され、エンジンの高負荷領域Ｃ内において、負荷が最大で回転が低い運転領域Ｃ１にあることが確認された場合には、図５の（Ｖ）に示すように、吸気行程の前期から中期かけての範囲内の所定時期に燃料を分割して噴射し、かつ空燃比を理論空燃比よりもリッチ状態とするように燃料の噴射量を制御することにより、混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させるように燃焼状態を制御する（ステップＳ１６）。
【００５３】
上記ステップＳ１５でＮＯと判定され、エンジン回転数Ｎｅが上記第１基準値Ｎ１以上であることが確認された場合には、エンジン回転数Ｎｅが、上記第１基準値Ｎ１よりも大きな値に設定された第２基準値Ｎ２、例えば５５００ｒｐｍよりも大きい高回転の運転状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１７）。このステップＳ１７でＮＯと判定され、高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大で回転数Ｎｅが中程度の運転領域Ｃ２にあることが確認された場合には、吸気行程の所定時期に燃料を一括して噴射し、かつ空燃比を理論空燃比よりもリッチ状態とするように燃料の噴射量を制御することにより、混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させるように制御する（ステップＳ１８）。
【００５４】
また、上記ステップＳ１７でＹＥＳと判定され、高負荷の運転領域Ｃ内で、負荷および回転がそれぞれ最大である運転領域Ｃ３にあることが確認された場合には、図５の（VI）に示すように、排気行程の後半の所定時期から燃料の噴射を開始するとともに、吸気行程の前半に亘る範囲内で燃料を一括して噴射し、かつ空燃比を理論空燃比よりもリッチ状態とするように燃料の噴射量を制御することにより、混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させる均一燃焼制御を上記燃料制御手段１８において実行する（ステップＳ１９）。
【００５５】
上記のように燃料を直接燃焼室４内に噴射するインジェクタ１０を備え、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域Ｃにあるときに、吸気行程で上記インジェクタ１０から燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域Ｃ内で、エンジンが低回転の運転領域Ｃ１にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を分割して噴射するように構成したため、上記運転領域で吸気の充填量を充分に確保するとともに、混合気を効果的に均一化させた状態で燃焼させることにより、燃費を低減しつつ、エンジン出力を増大させることができる。
【００５６】
すなわち、燃料噴射量が多い上記高負荷低回転の運転領域Ｃ１において、吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一化して燃焼させる場合、図８の（Ｉ）に示すように、燃料の噴射タイミングに応じて吸気の充填量が変化するとともに、これに対応して吸気の充填効率Ｃｅが、図９の（Ｉ）に示すように変化する。また、図８の（II）に示すように、燃料の噴射タイミングに応じて混合気の均一度が変化し、この混合気の均一度が最適（平均空燃比）となる燃料の噴射時期と、上記吸気の充填量が最大となる時期とが相違しているとともに、吸気の充填効率が最大となる時期および混合気の均一度が最適となる噴射時期は、それぞれ吸気行程の前期から中期にかけての範囲内において生じる。
【００５７】
このため、エンジンが上記高負荷低回転の運転領域Ｃ１にある場合には、上記吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を分割して噴射することにより、吸気の充填量が最大となる時期と、混合気の均一度が最適となる時期とに対応させてそれぞれ燃料を噴射することができ、これによって燃費を悪化させることなく、エンジン出力を効果的に増大させることができる。
【００５８】
なお、上記混合気の均一度が最適となる燃料の噴射時期は、混合気が弱成層化される領域を挟む２つのポイントα，βに形成されることになるが、図８の（III）に示すように、噴射時期が遅くなる程、燃焼時間が短くなるため、エンジン出力を増大させるためには、上記両ポイントα，βのうち遅い方のポイントβに合わせて燃料を噴射することにより、図９の（II）に示すように、図示平均有効圧力を最大とし、エンジン出力を効果的に増大させることができる。上記分割噴射を行う場合、その分割回数は二回に限られず、三回以上であってもよい。
【００５９】
また、上記のように吸気行程で燃料を分割して噴射することにより、一回当りにおける燃料の噴射量を減少させることができるため、噴霧内部で混合気が過度に集中するのを効果的に抑制して燃料の気化および霧化を促進させることができる。さらに、最初の噴射時点から点火時点までの時間が長くなり、混合気を充分に拡散させることができるとともに、燃料が空気と効率よく混合させることができるため、これによっても燃費の低減効果と、エンジン出力の増大効果が得られ、かつ排気ガス中のスモークおよびＣＯ等を減少させることができるとともに、排気温度を効果的に低減することができる。
【００６０】
また、吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を実行する際に、吸気の充填効率Ｃｅが最大（Ｃｅベスト）となる燃料の噴射時期と、上記混合気の均一度および燃焼速度に基づいて特定されるエンジントルクＰｅが最大（Ｐｅベスト）となる燃料の噴射時期とは、図１０に示すように、エンジン回転数Ｎｅに応じて変化する。このため、吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を実行する際に、上記吸気の充填効率Ｃｅが最大となる時期と、混合気の均一度が最適となってエンジントルクＰｅが最大となる時期とを、そのエンジン回転数Ｎｅに応じてそれぞれ設定し、これらの時期に燃料を噴射するように構成することにより、エンジン出力を、さらに効果的に増大させることができる。
【００６１】
さらに、上記実施形態では、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量を、総噴射量の４〜６割の範囲内に設定したため、いずれか一方の噴射時期に大量の燃料が噴射されるのを防止し、これにより噴霧内部で混合気が過度に集中するのを効果的に抑制して、上記燃料の気化および霧化を促進させることができる。なお、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量ａを、後に噴射される燃料の噴射量ｂよりも多くするように構成した場合には、先に噴射ａされた燃料が点火されまでの時間を充分に確保することができるため、この燃料ａを確実に分散させて混合気を効果的に均一化できるという利点がある。
【００６２】
また、上記実施形態に示すように、燃焼室４の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されるようにインジェクタ１０が設置されるとともに、ピストン３の頂部に上記燃料が吹き付けられるキャビティ１１が設けられた筒内噴射式エンジンにおいて、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料ａの噴射開始時期を、吸気トップ後のクランク角が６０°（圧縮トップ前のクランク角が３００°）以降の時期に設定した場合には、上記吸気行程で噴射された燃料がシリンダの周壁に付着するのを効果的に防止することができる。
【００６３】
すなわち、吸気行程で燃料を分割して噴射する際には、吸気トップ後のクランク角が６０°以降でピストン３が所定の位置に低下した時点で、燃焼室４の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されることになるため、ピストン３の頂部に衝突して反射する燃料が少量に抑えられ、シリンダの周壁に燃料が付着するのを効果的に防止することができる。
【００６４】
しかも、上記のように燃焼室４の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されるようにインジェクタ１０を設置するとともに、ピストン３の頂部に上記燃料が吹き付けられるキャビティ１１を設けた場合には、エンジンが低負荷低回転の運転領域Ａにあるときに、圧縮行程で上記インジェクタ１０から斜め下方に噴射された燃料がピストン１１のキャビティ１１に吹き付けられた捕集された後、点火プラグ９の周囲に運ばれることにより、この点火プラグ９の周囲がエンリッチ状態となって混合気が効果的に成層化されることになる。したがって、燃料の着火性を損なうことなく、上記混合気の成層燃焼を適正に実行して燃費を改善することができる。
【００６５】
特に、燃焼室４の周縁部から斜め下方に向けて燃料を噴射するように構成されたエンジンにおいて、水平方向に対する燃料の噴射角度θを３０°以上に設定した場合には、ピストン３の頂部に衝突して反射する燃料の量を、より効果的に低減することができるため、シリンダの周壁に燃料が付着するのを顕著に低減することができる。
【００６６】
上記のように燃料の噴射角度を３０°以上に設定した構成によると、均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域Ｃ１にあるときに、図１１に示すように、Ｃｅベストとなる噴射時期と、Ｐｅベストとなる噴射時期とのずれ量が大きくなる傾向がある。そして、上記運転領域Ｃ１において、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射することにより、吸気の充填量を充分に確保するとともに、混合気を効果的に均一化させた状態で燃焼させることができるため、上記のようにＣｅベストとなる噴射時期と、Ｐｅベストとなる噴射時期とが大きくずれることに起因する不都合を回避することができる。
【００６７】
なお、図１２に示すように、燃焼室４の周辺部から、燃焼室４の上部中央に臨むように設置された点火プラグ９に向けて燃料が噴射されるようにインジェクタ１０を１０〜２５°の傾斜角度で設置してなるエンジンにおいて、均一燃焼を実行する運転領域Ｃ内で、エンジンが低回転の運転領域Ｃ１にあるときに、吸気行程で燃料ａ，ｂを複数回に分割して噴射するように構成してもよい。この場合には、上記インジェクタ１０から２０°〜４０°程度の比較的狭い噴霧角度で噴霧するとともに、ピストン３の頂部において排気ポートの設置部側、つまりインジェクタ１０の設置部と反対側の部位に、ピストン３の周面に燃料が付着するのを防止するためのキャビティ１１を形成することが望ましい。
【００６８】
上記のように燃焼室４の周辺部から点火プラグ９に向けて燃料を噴射するように構成されたエンジンでは、燃焼室４の上部から略水平に燃料が噴射されるため、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、ピストン３の位置に影響を受けることなく、燃料の噴射時期を設定することができる。したがって、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、吸気トップ後のクランク角が６０°以前の時点で燃料の噴射を開始することも可能であり、燃料の噴射時期を早めることによってその霧化および気化を、さらに効果的に促進することができる。
【００６９】
さらに、図１３に示すように、燃焼室４の上部中央に臨むように点火プラグ９およびインジェクタ１０が設置されるとともに、ピストン３の頂部中央にキャビティ１１が形成されてなる中心噴射型のエンジンにおいても、本発明を適用することができる。
【００７０】
また、上記実施形態では、均一燃焼を実行する領域Ｃ内で、エンジンが低回転の運転領域Ｃ１にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御するとともに、エンジンが低負荷低回転の運転領域Ａにあって上記圧縮行程で燃料を噴射する領域内で、エンジンの負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１にあるときに、燃料を圧縮行程で複数回に分割して噴射するように構成したため、先に噴射された燃料ａを適度に拡散させてその気化および霧化を促進することにより、燃費を効果的に改善することができるとともに、後に噴射された燃料を点火プラグ９の周囲に集中させて燃焼安定性を確保することができる。これによって圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼させることにより、燃費を改善することができる領域を従来よりも広げることができる。
【００７１】
すなわち、上記圧縮行程で燃料を噴射する運転領域Ａ内で、エンジンの負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１にある場合には、燃料の噴射量が比較的多くなるとともに、燃料の噴射時点から点火時期までの時間が短くなるため、燃料を一括して噴射するように構成すると、点火プラグ９の周囲に燃料が過度に集中して空気とのミキシング性が低下することにより、燃焼効率が悪化する傾向が生じるとともに、燃料を気化および霧化させるための時間が不足することにより、不完全燃焼が引き起こされて燃焼安定性が損なわれる傾向がある。
【００７２】
これに対して上記のように圧縮行程で燃料を分割して噴射するように構成した場合には、先に噴射された燃料を適度に拡散させることができるため、点火プラグ９の周囲に燃料が過度に集中するのを防止して空気とのミキシング性を維持しつつ、燃料を気化および霧化させるための時間を適度に確保することにより、燃焼効率を効果的に改善することができる。また、後に噴射された燃料を点火プラグ９の周囲に集中させて適度の空燃比を有する混合気を形成することができるため、燃焼室４内の成層度を適正に維持することにより、燃料が不完全燃焼するのを防止して燃焼安定性を効果的に向上させることができるという利点がある。
【００７３】
また、上記実施形態では、均一燃焼を実行する上記高負荷の運転領域Ｃでエンジンが高回転の運転領域Ｃ３にあるときに、燃料の噴射開始時期を排気行程の後半に設定し、この排気行程の後半から燃料の噴射を開始するように構成したため、燃料の噴射時点から点火時点までの時間を充分に確保し、燃料を確実に気化および霧化した状態で燃焼させることにより、燃費を改善しつつ、エンジン出力を効果的に増大できるという利点がある。しかも、上記高回転の運転領域Ｃ３では、ピストン３の昇降速度が極めて早いため、排気行程の後半から燃料の噴射を開始するように構成した場合においても、インジェクタ１０から噴射された燃料が排気ポート６に到達する前に、排気ポート６が排気弁８により閉止されて燃料の吹き抜けが防止されることになる。
【００７４】
さらに、上記実施形態に示すように、燃焼室４の周縁の吸気ポート５側から燃焼室４内に燃料が噴射されるようにインジェクタ１０を設置した場合には、エンジンの高負荷高回転運転領域Ｃ３で、排気行程の後半から噴射された燃料が排気ポート８に到達するまでの時間を充分に確保することができるため、上記燃料の吹き抜けを、さらに効果的に防止することができる。なお、上記燃料の吹き抜けを確実に防止するためには、燃料の噴射方向を水平方向に対して３０°以上傾斜させるようにインジェクタ１０の傾斜角度θを設定することが望ましい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタを備え、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域にあるときに、吸気行程で上記インジェクタから燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段を設け、吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を実行する際に、吸気の充填効率が最大となる時期と、混合気の均一度が最適となる時期とに分割して燃料を噴射するように構成したため、上記運転領域で吸気の充填量を充分に確保するとともに、混合気を効果的に均一化させた状態で燃焼させることにより、エンジン出力を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【符号の説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射式エンジンの実施形態を示す説明図である。
【図２】上記エンジンのピストン頂部を示す平面図である。
【図３】上記エンジンの制御部を示すブロック図である。
【図４】上記エンジンの運転領域を示すマップである。
【図５】燃料の噴射時期を示すタイムチャートである。
【図６】燃料の噴射制御動作の第１行程を示すフローチャートである。
【図７】燃料の噴射制御動作の第２行程を示すフローチャートである。
【図８】吸気の充填量、空燃比および燃焼時間に変化状態を示すグラフである。
【図９】充填効率および図示平均有効圧力の変化状態を示すグラフである。
【図１０】ＣｅベストおよびＰｅベストの噴射タイミングの変化状態を示すグラフである。
【図１１】ＣｅベストおよびＰｅベストの噴射タイミングと、燃料の噴射角度との対応関係を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る筒内噴射式エンジンの別の実施形態を示す説明図である。
【図１３】本発明に係る筒内噴射式エンジンのさらに別の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
３ ピストン
４ 燃焼室
９ 点火プラグ
１０ インジェクタ
１１ キャビティ
１８ 燃料制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平７−１１９５０７号公報に示されるように、エンジンの低負荷時に圧縮行程の後半から燃料の噴射を開始して成層燃焼を実行し、かつエンジンの高負荷時に吸気行程の前半から燃料の噴射を開始して均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行するエンジンの運転領域における低回転時、つまり高負荷低回転時に、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射することにより、一回当りに噴射される燃料の噴射量を少なくしてこの燃料を効果的に霧化拡散させ、良好に均一燃焼させてスモークの発生を防止することが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載されたエンジンは、高負荷低回転の運転領域で吸気行程の前半から必要燃料量の半分を噴射し、残りの半分を吸気行程の末期に噴射することにより、燃料を良好に均一燃焼させて排気ガス中にスモークが発生するのを防止することができるが、上記高負荷低回転の運転領域においてエンジンの出力を増大させるという点について考慮されておらず、燃費を改善して高出力が得られるようにする上で改良の余地がある。
【０００４】
すなわち、エンジンの出力は、吸気の充填量と、混合気の均一度と、燃焼速度との影響を受けて変化することが知られている。そして、上記高負荷低回転の運転領域における吸気の充填量は、吸気の流速およびピストン等の燃焼室壁面に対する燃料の付着料に応じて変化し、図８（Ｉ）に示すように、燃料の噴射時期に応じて増減する。これは、燃料の噴射時期に応じてピストンに対する燃料の付着量に差が生じ、燃焼室内に噴射された燃料の気化熱に応じて燃焼室内における吸気の温度が変化することで吸気の充填効率が変化するためである。
【０００５】
また、混合気の均一度は、燃焼室に噴射された燃料の気化時間が充分に確保され、かつピストン等の燃焼室壁面に付着する燃料が少ない領域で最適状態となり、点火プラグの周囲に形成される混合気の空燃比と、燃焼室全体の平均空燃比との比較に基づいて測定できる。この空燃比は、図８（II）に示すように、燃料の噴射時期に応じて種々に変化し、点火プラグの周囲が平均空燃比となるポイントα，βで最良となる。さらに、上記燃焼速度は、噴射時期が遅くなるのに従って燃料の乱れが残り易くなるために速くなる。つまり、図８（III）に示すように、燃料の噴射時期が遅くなるのに従って燃焼時間が短くなって出力の増大が図れることになる。
【０００６】
上記のように高負荷低回転の運転領域におけるエンジン出力を決定する各要素は、それぞれ燃料の噴射時期の影響を受けるため、燃料の噴射圧力が高く、噴射時間の短い筒内噴射式エンジンの全回転領域で、上記各要素に基づいて要求される適正な噴射時期に燃料を噴射することにより、燃費を低減しつつエンジン出力を増大するように制御することは困難であった。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、高負荷低回転の運転領域おいて、燃費を低減しつつエンジン出力を増大することができる筒内噴射式エンジンを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタを備え、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域にあるときに、吸気行程で上記インジェクタから燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段を設け、吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を実行する際に、吸気の充填効率が最大となる時期と、混合気の均一度が最適となる時期とに分割して燃料を噴射するように構成したものである。
【０００９】
上記構成によれば、均一燃焼を実行するエンジンの高負荷領域において、エンジン回転数が低い運転領域にある場合には、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料が複数回に分割されて噴射されることにより、吸気の充填量が充分に確保されるとともに、混合気が効果的に均一化された状態で適正に燃焼することになる。また、均一燃焼を実行するエンジンの高負荷領域において、エンジン回転数が低い運転領域にある場合には、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で、吸気の充填効率が最大となる時期と、混合気の均一度が最適となる時期とに分割されて燃料が噴射されことにより、吸気の充填量が充分に確保されるとともに、混合気が効果的に均一化された状態で適正に燃焼することになる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、上記請求項１記載の筒内噴射式エンジンにおいて、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量を、総噴射量の４〜６割の範囲内に設定したものである。
【００１３】
上記構成によれば、吸気行程で燃料を分割して噴射される燃料の噴射量が適度に設定され、混合気が適正に均一化された状態で燃焼することになる。
【００１４】
請求項３に係る発明は、上記請求項１または２記載の筒内噴射式エンジンにおいて、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量を、後に噴射される燃料の噴射量よりも多くするように設定したものである。
【００１５】
上記構成によれば、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に多くの燃料が噴射されてこの燃料の気化および霧化時間が充分に確保されることになる。
【００１６】
請求項４に係る発明は、燃焼室の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されるようにインジェクタが設置されされるとともに、ピストンの頂部に上記燃料が吹き付けられるキャビティが設けられ、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域にあるときに、吸気行程で上記インジェクタから燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段を備え、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射開始時期を、吸気トップ後のクランク角が６０°以降の時期に設定したものである。
【００１７】
上記構成によれば、エンジンの高負荷時に吸気行程で燃料を分割して噴射する際には、吸気トップ後にピストンが所定の位置に低下した時点で、燃焼室の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されるため、この燃料がシリンダの周壁に付着することが効果的に防止されることになる。
【００１８】
請求項５に係る発明は、上記請求項４記載の筒内噴射式エンジンにおいて、燃料の噴射角度を水平方向に対して３０°以上傾斜させたものである。
【００１９】
上記構成によれば、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、燃焼室の周縁部から３０°以上の噴射角度をもって斜め下方に燃料が噴射され、シリンダの周壁に対する燃料の付着が効果的に抑制されることになる。
【００２０】
請求項６に係る発明は、上記請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼室に臨むように設置された点火プラグに向けて燃焼室の周縁部から燃料が噴射されるようにインジェクタを設置したものである。
【００２１】
上記構成によれば、燃焼室の上部から略水平に燃料が噴射されるため、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、ピストンの頂部において燃料が反射することに起因したシリンダ周壁への燃料の付着が抑制されることになる。
【００２２】
請求項７に係る発明は、上記請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の筒内噴射式エンジンにおいて、燃焼室の上部中央に臨むように点火プラグおよびインジェクタを設置するとともに、このインジェクタから噴射された燃料が吹き付けられるキャビティをピストンの頂部中央に形成したものである。
【００２３】
上記構成によれば、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、燃焼室の上方から下方に向けて燃料が噴射されることになる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明に係る筒内噴射式エンジンの実施形態を示している。このエンジンは、シリンダヘッド１およびシリンダブロック２によって構成された複数のシリンダを有し、各シリンダ内にピストン３がそれぞれ嵌挿されるとともに、その上方に燃焼室４が形成されている。上記シリンダヘッド１には、燃焼室４に連通する吸気ポート５および排気ポート６と、これらのポート５，６を開閉する吸気弁７および排気弁８と、火花を発生して燃料を燃焼させる点火プラグ９と、上記燃焼室４内に直接燃料を噴射するインジェクタ１０とが設置されている。
【００２５】
上記シリンダヘッド１の下面には、燃焼室４を形成するペントルーフ型の凹部が設けられ、このペントルーフ型凹部の傾斜面に上記吸気ポート５および排気ポート６がそれぞれ開口している。そして、上記吸気弁７および排気弁８が図外の動弁機構によって駆動されることにより、上記吸気ポート５および排気ポート６が所定のタイミングで開閉されるようになっている。
【００２６】
図１には上記吸気ポート５および排気ポート６が１個ずつ表示されているが、これらの吸気ポート５および排気ポート６は、図１の紙面と直交する方向にそれぞれ２個ずつ並列に配設されている。そして、上記両吸気ポート５の一方には吸気の流れを制御する制御弁が設けられ、この制御弁がステップモータ等からなるアクチュエータにより駆動されて全閉または部分開放されることにより、両吸気ポート５の一方における吸気の流通が制限された状態で、両吸気ポート５の他方に多く流される吸気によって図２の破線で示すように、燃焼室４の内周面に沿ったスワール（水平方向の渦流）が生成されるようになっている。
【００２７】
また、上記吸気ポート５は、その下流側部が斜め下方に伸びるように形成され、この吸気ポート５から燃焼室４内に流入する吸気によってタンブル（垂直方向の渦流）が形成されるように構成されている。したがって、上記制御弁の全閉時もしくは部分開放時には、上記スワールとタンブルとが合成されることにより、斜めスワールが燃焼室４内に生成されることになる。
【００２８】
上記点火プラグ９は、燃焼室４の略中央部に配設され、そのプラグ先端が燃焼室４に臨むように取り付けられている。また、上記インジェクタ１０は、吸気ポート５の設置部側に位置する燃焼室４の周縁部に取り付けられるとともに、水平面に対して所定角度θ、例えば２５〜５０°の範囲内で傾斜して設置されることにより、このインジェクタ１０から燃焼室４内に向けて斜め下方に燃料を噴射するように構成されている。
【００２９】
上記インジェクタ１０は、図示を省略したニードル弁およびソレノイドを内蔵し、このソレノイドに後述する燃料制御手段から出力されたパルス信号の入力時点で、この信号のパルス幅に対応した量の燃料を、例えば４０°以上に設定された比較的広い噴霧角度をもって３〜１５ＭＰａの圧力で噴射するように構成されている。
【００３０】
ピストン３の頂部には、上記インジェクタ１０の設置部側に位置する周縁部から、上記点火プラグ９の設置部に対向する中央部にかけてキャビティ１１が形成されている。そして、ピストン３が上昇する圧縮行程の所定時期に噴射された燃料が上記キャビティ１１に捕集されて点火プラグ９の周囲に運ばれるように、インジェクタ１０の設置位置および傾斜角度と、キャビティ１１の形成範囲と、点火プラグ９の設置位置との関係が予め設定されている。
【００３１】
上記エンジンには、図３に示すように、クランク角を検出するクランク角センサ１２、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサ１３、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４およびエンジンの冷却水温度を検出する水温センサ１５等からなる各種のセンサ類が装備され、これらのセンサ類から出力された検出信号がＥＣＵ１６に入力されるようになっている。このＥＣＵ１６には、エンジンの運転状態判定手段１７と、インジェクタ１０から噴射される燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段１８とが設けられている。
【００３２】
上記運転状態判定手段１７は、各センサ類の検出手段に応じてエンジンが図４に示す各運転領域のいずれの領域に属するかを判定し、この判定信号を上記燃料制御手段１８に出力するように構成されている。上記運転領域は、エンジン回転数ＮｅおよびエンジントルクＰｅに基づいて設定され、燃料の噴射量の少ない低負荷低回転の運転領域Ａと、この低負荷低回転の運転領域Ａ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１と、燃料噴射量が中程度である中負荷中回転領域の運転Ｂと、この中負荷中回転の運転領域Ｂ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１と、燃料の噴射量が多い高負荷の運転領域Ｃと、この高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大（アクセル開度全開）で回転が低い運転領域Ｃ１と、高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大で回転が中程度の運転領域Ｃ２と、高負荷の運転領域Ｃ内で、負荷および回転がそれぞれ最大である運転領域Ｃ３とに区画されている。
【００３３】
燃料噴射量の少ない上記低回転低負荷の運転領域Ａにおいて負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１以外の領域では、図５の（Ｉ）に示すように、圧縮行程の中期から後期にかけての範囲内の所定時期、具体的にはＢＴＤＣ３０°〜１２０°ＣＡ（圧縮上死点前のクランク角３０°〜１２０°）の範囲内における所定時期に、上記インジェクタ１０から燃焼室４内に燃料を一括して噴射し、混合気をリーン状態で成層化して燃焼させる成層燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。上記運転領域Ａにおける成層燃焼は、スロットル開度を大きくして吸気量を増大させ、理論空燃比に比べて大幅なリーン状態とすることによって実行される。
【００３４】
また、上記低負荷低回転の運転領域Ａ内において負荷および回転が比較的高い領域Ａ１では、図５の（II）に示すように、圧縮行程の前期から中期にかけての所定範囲（ＢＴＤＣ６０°〜１８０°ＣＡ）内の時期と、圧縮行程の中期から後期にかけての所定範囲（ＢＴＤＣ３０°〜１２０°ＣＡ）内の時期とに分割して燃料ａ，ｂを噴射し、かつスロットル開度を大きくすることにより、混合気をリーン状態で成層化して燃焼させる成層燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。
【００３５】
また、燃料の噴射量が中程度である上記中負荷中回転の運転領域Ｂにおいて負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１以外の領域では、図５の（III）に示すように、吸気行程の所定範囲（ＢＴＤＣ２００°〜３６０°ＣＡ）内の時期と、圧縮行程の所定範囲（ＢＴＤＣ３０°〜１２０°ＣＡ）内の時期とに分割して燃料を噴射し、かつスロットル開度を大きくすることにより、混合気をリーン状態で弱成層化して燃焼させるように構成されている。
【００３６】
また、上記中負荷中回転の運転領域Ｂ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１では、図５の（IV）に示すように、吸気行程の所定範囲（ＢＴＤＣ２００°〜３６０°ＣＡ）内の時期に燃料を一括して噴射し、かつスロットル開度を大きくすることにより、混合気をリーン状態で均一化して燃焼させる均一燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。
【００３７】
また、燃料の噴射量が多い上記高負荷の運転領域Ｃにおいて負荷が最大となる運転領域Ｃ１〜Ｃ３以外の領域では、上記運転領域Ｂ１と同様に、吸気行程の所定範囲内の時期に燃料を一括して噴射し、かつ空気過剰率が１である理論空燃比下で燃料を均一化して燃焼させる均一燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。
【００３８】
さらに、高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大で回転が低い運転領域Ｃ１では、図５の（Ｖ）に示すように、吸気行程の前期から中期かけての所定範囲（ＢＴＤＣ２２０°〜３６０°ＣＡ）内の時期と、吸気行程の前期から中期かけての所定範囲（ＢＴＤＣ２４０°〜３６０°ＣＡ）内の時期とに分割して燃料ａ，ｂを噴射し、かつ混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させるように構成されている。上記領域Ｃ１で燃料を分割して噴射する際には、後に噴射される燃料ｂの噴射量が、総噴射量の４〜６割の範囲内となるように燃料の噴射量が制御され、好ましくは先に噴射される燃料ａの噴射量が後に噴射される燃料ｂの噴射量に比べて大きな値に設定されるようになっている。
【００３９】
また、エンジンが高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大で回転が中程度の運転領域Ｃ２では、上記領域Ｂ１および領域Ｃと同様に、吸気行程の所定時期に燃料を一括して噴射し、かつ混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させるように構成されている。
【００４０】
さらに、高負荷の運転領域Ｃ内で、負荷および回転がそれぞれ最大である運転領域Ｃ３では、図５の（VI）に示すように、排気行程の後半（ＢＴＤＣ３６０°〜４４０°ＣＡ）の所定時期から燃料の噴射を開始し、燃料を一括して噴射するし、かつ混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させる均一燃焼を上記燃料制御手段１８において実行するように構成されている。
【００４１】
上記燃料制御手段１８において実行される制御動作を図６および図７に示すフローチャートに基づいて説明する。上記制御動作がスタートすると、まず水温センサ１５によって検出されたエンジンの冷却水温度に応じ、排気通路に設けられた排気ガス浄化用の触媒が非活性化状態にある可能性が高い冷間運転状態にあるか否かを判定し（ステップＳ１）、ＹＥＳと判定された場合には、上記触媒の暖機を促進する冷間時の燃焼制御を実行する（ステップＳ２）。
【００４２】
すなわち、上記冷間運転状態において触媒温度が低いことが確認された場合に、燃料を吸気行程と圧縮行程とに分割して噴射し、点火プラグ９周囲の混合気を理論空燃比またはこれよりもリッチな状態とするとともに、燃焼室４の全体を略理論空燃比とすることにより、触媒による排気ガスの浄化作用が充分に得られないエンジンの冷間運転時に、ＨＣ、ＮＯｘの排出量を低減しつつ、排気ガス温度を上昇させて上記触媒の暖機を促進するように燃料の噴射状態を制御する。
【００４３】
また、上記ステップＳ１でＮＯと判定され、エンジンが冷間運転状態にないことが確認された場合には、上記アクセルセンサ１３の検出信号に応じてエンジンが所定の加速運転状態にあるか否かを判定し（ステップＳ３）、ＹＥＳと判定された場合には、アクセルペダルが急激に大きく踏み込まれて吸入空気量が増大することに起因した失火の発生を防止する加速時の燃焼制御を実行する（ステップＳ４）。
【００４４】
すなわち、吸気行程で燃料の噴射が行われる均一燃焼領域を有する筒内噴射式エンジンにおいて、燃料噴射の開始時点における前後で吸入空気量の検出値に基づく吸気充填量の演算を行い、噴射開始時点で算出された吸気充填量に応じて上記燃料の噴射量を決定するとともに、噴射前の時点で算出された吸気充填量よりも噴射後の時点で算出された吸気充填量が多い場合に、その増大分に見合う量の燃料を圧縮行程の前半中に追加噴射するように構成することにより、吸気充填量の増大に起因する空燃比の過大化を防ぎ、ひいてはエンジンの失火等を防止するように燃焼状態を制御する。
【００４５】
また、上記ステップＳ３でＮＯと判定され、エンジンが通常運転状態にあることが確認された場合には、エンジン回転数とアクセル開度とをパラメータとするマップから読出されたエンジンの出力軸トルク、つまりエンジントルクＰｅが、予め設定された第１基準値Ｐ１よりも小さいか否かを判定することにより、燃料噴射量の少ない低負荷低回転の運転領域Ａにあるか否かを判別する（ステップＳ５）。
【００４６】
上記ステップＳ５でＹＥＳと判定された場合には、エンジントルクＰｅが、上記第１基準値Ｐ１以下の範囲内で予め設定された第２基準値Ｐ２よりも大きいか否かを判定することにより、上記低負荷低回転の運転領域Ａでエンジンの負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１にあるか否かを判別する（ステップＳ６）。上記ステップＳ６でＮＯと判定され、エンジンが低負荷低回転の運転領域Ａ内で上記領域Ａ１以外の運転領域にあることが確認された場合には、図５の（Ｉ）に示すように、圧縮行程の中期から後期にかけての範囲内の所定時期に、上記インジェクタ１０から燃焼室４内に燃料を一括して噴射し、かつ混合気をリーン状態で成層化して燃焼させる成層燃焼を実行する（ステップＳ７）。
【００４７】
また、上記ステップＳ６でＹＥＳと判定され、エンジンが低負荷低回転の運転領域Ａ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１にあることが確認された場合には、図５の（II）に示すように、圧縮行程の前期から中期にかけての範囲内の所定時期と、圧縮行程の中期から後期にかけての範囲内の所定時期とに分割して燃料ａ，ｂを噴射し、かつ混合気をリーン状態で成層化して燃焼させる成層燃焼を実行する（ステップＳ８）。
【００４８】
上記ステップＳ５でＮＯと判定され、エンジントルクＰｅが上記第１基準値Ｐ１よりも大きいことが確認された場合には、エンジントルクＰｅが、上記第１基準値Ｐ１よりも大きな値に設定された第４基準値Ｐ４よりも小さいか否かを判定することにより、燃料噴射量が中程度である中負荷中回転の運転領域Ｂにあるか否かを判定する（ステップＳ９）。
【００４９】
上記ステップＳ９でＹＥＳと判定された場合には、エンジントルクＰｅが、上記第１基準値Ｐ１よりも大きく、かつ第４基準値Ｐ４よりも小さな値に予め設定された第３基準値Ｐ３よりも小さいか否かを判定することにより、エンジンが中負荷中回転の運転領域Ｂ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１にあるか否かを判別する（ステップＳ１０）。上記ステップＳ１０でＮＯと判定され、エンジンが中負荷中回転の運転領域Ｂで上記領域Ｂ１以外の運転領域にあることが確認された場合には、図５の（III）に示すように、圧縮行程の所定時期と、吸気行程の所定時期とに分割して燃料を噴射し、かつ混合気をリーン状態で弱成層化して燃焼させる弱成層化燃焼を実行する（ステップＳ１１）。
【００５０】
また、上記ステップＳ１０でＹＥＳと判定され、エンジンが上記中負荷中回転の運転領域Ｂ内で負荷および回転が比較的高い運転領域Ｂ１にあることが確認された場合には、図５の（IV）に示すように、吸気行程の所定時期に燃料を一括して噴射し、かつ空燃比を理論空燃比よりもリーン状態とするように燃料噴射量およびスロットル開度を制御することにより、混合気をリーン状態で均一化して燃焼させる均一燃焼を上記燃料制御手段１８において実行する（ステップＳ１２）。
【００５１】
また、上記ステップＳ９でＹＥＳと判定され、エンジントルクＰｅが上記第４基準値Ｐ４よりも大きい高負荷の運転領域Ｃにあることが確認された場合には、上記アクセルセンサ１３の検出信号に応じてアクセルが全開状態にあるか否か、つまりエンジン負荷が最大領域にあるか否かを判定する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３でＮＯと判定され、高負荷の運転領域Ｃ内においてアクセル開度が全開状態にないことが確認された場合には、吸気行程の所定時期に燃料を一括して噴射し、かつ理論空燃比とするように燃料噴射量およびスロットル開度を制御することにより、空気過剰率が１である理論空燃比下で燃料を均一化して燃焼させる均一燃焼制御を実行する（ステップＳ１４）。
【００５２】
また、上記ステップＳ１３でＹＥＳと判定され、アクセル開度が全開状態であることが確認された場合には、エンジン回転数Ｎｅが予め設定された第１基準値Ｎ１、例えば３０００ｒｐｍ未満か否かを判定する（ステップＳ１５）。このステップＳ１５でＹＥＳと判定され、エンジンの高負荷領域Ｃ内において、負荷が最大で回転が低い運転領域Ｃ１にあることが確認された場合には、図５の（Ｖ）に示すように、吸気行程の前期から中期かけての範囲内の所定時期に燃料を分割して噴射し、かつ空燃比を理論空燃比よりもリッチ状態とするように燃料の噴射量を制御することにより、混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させるように燃焼状態を制御する（ステップＳ１６）。
【００５３】
上記ステップＳ１５でＮＯと判定され、エンジン回転数Ｎｅが上記第１基準値Ｎ１以上であることが確認された場合には、エンジン回転数Ｎｅが、上記第１基準値Ｎ１よりも大きな値に設定された第２基準値Ｎ２、例えば５５００ｒｐｍよりも大きい高回転の運転状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１７）。このステップＳ１７でＮＯと判定され、高負荷の運転領域Ｃ内において、負荷が最大で回転数Ｎｅが中程度の運転領域Ｃ２にあることが確認された場合には、吸気行程の所定時期に燃料を一括して噴射し、かつ空燃比を理論空燃比よりもリッチ状態とするように燃料の噴射量を制御することにより、混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させるように制御する（ステップＳ１８）。
【００５４】
また、上記ステップＳ１７でＹＥＳと判定され、高負荷の運転領域Ｃ内で、負荷および回転がそれぞれ最大である運転領域Ｃ３にあることが確認された場合には、図５の（VI）に示すように、排気行程の後半の所定時期から燃料の噴射を開始するとともに、吸気行程の前半に亘る範囲内で燃料を一括して噴射し、かつ空燃比を理論空燃比よりもリッチ状態とするように燃料の噴射量を制御することにより、混合気をエンリッチ状態で均一化して燃焼させる均一燃焼制御を上記燃料制御手段１８において実行する（ステップＳ１９）。
【００５５】
上記のように燃料を直接燃焼室４内に噴射するインジェクタ１０を備え、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域Ｃにあるときに、吸気行程で上記インジェクタ１０から燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域Ｃ内で、エンジンが低回転の運転領域Ｃ１にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を分割して噴射するように構成したため、上記運転領域で吸気の充填量を充分に確保するとともに、混合気を効果的に均一化させた状態で燃焼させることにより、燃費を低減しつつ、エンジン出力を増大させることができる。
【００５６】
すなわち、燃料噴射量が多い上記高負荷低回転の運転領域Ｃ１において、吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一化して燃焼させる場合、図８の（Ｉ）に示すように、燃料の噴射タイミングに応じて吸気の充填量が変化するとともに、これに対応して吸気の充填効率Ｃｅが、図９の（Ｉ）に示すように変化する。また、図８の（II）に示すように、燃料の噴射タイミングに応じて混合気の均一度が変化し、この混合気の均一度が最適（平均空燃比）となる燃料の噴射時期と、上記吸気の充填量が最大となる時期とが相違しているとともに、吸気の充填効率が最大となる時期および混合気の均一度が最適となる噴射時期は、それぞれ吸気行程の前期から中期にかけての範囲内において生じる。
【００５７】
このため、エンジンが上記高負荷低回転の運転領域Ｃ１にある場合には、上記吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を分割して噴射することにより、吸気の充填量が最大となる時期と、混合気の均一度が最適となる時期とに対応させてそれぞれ燃料を噴射することができ、これによって燃費を悪化させることなく、エンジン出力を効果的に増大させることができる。
【００５８】
なお、上記混合気の均一度が最適となる燃料の噴射時期は、混合気が弱成層化される領域を挟む２つのポイントα，βに形成されることになるが、図８の（III）に示すように、噴射時期が遅くなる程、燃焼時間が短くなるため、エンジン出力を増大させるためには、上記両ポイントα，βのうち遅い方のポイントβに合わせて燃料を噴射することにより、図９の（II）に示すように、図示平均有効圧力を最大とし、エンジン出力を効果的に増大させることができる。上記分割噴射を行う場合、その分割回数は二回に限られず、三回以上であってもよい。
【００５９】
また、上記のように吸気行程で燃料を分割して噴射することにより、一回当りにおける燃料の噴射量を減少させることができるため、噴霧内部で混合気が過度に集中するのを効果的に抑制して燃料の気化および霧化を促進させることができる。さらに、最初の噴射時点から点火時点までの時間が長くなり、混合気を充分に拡散させることができるとともに、燃料が空気と効率よく混合させることができるため、これによっても燃費の低減効果と、エンジン出力の増大効果が得られ、かつ排気ガス中のスモークおよびＣＯ等を減少させることができるとともに、排気温度を効果的に低減することができる。
【００６０】
また、吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を実行する際に、吸気の充填効率Ｃｅが最大（Ｃｅベスト）となる燃料の噴射時期と、上記混合気の均一度および燃焼速度に基づいて特定されるエンジントルクＰｅが最大（Ｐｅベスト）となる燃料の噴射時期とは、図１０に示すように、エンジン回転数Ｎｅに応じて変化する。このため、吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を実行する際に、上記吸気の充填効率Ｃｅが最大となる時期と、混合気の均一度が最適となってエンジントルクＰｅが最大となる時期とを、そのエンジン回転数Ｎｅに応じてそれぞれ設定し、これらの時期に燃料を噴射するように構成することにより、エンジン出力を、さらに効果的に増大させることができる。
【００６１】
さらに、上記実施形態では、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量を、総噴射量の４〜６割の範囲内に設定したため、いずれか一方の噴射時期に大量の燃料が噴射されるのを防止し、これにより噴霧内部で混合気が過度に集中するのを効果的に抑制して、上記燃料の気化および霧化を促進させることができる。なお、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量ａを、後に噴射される燃料の噴射量ｂよりも多くするように構成した場合には、先に噴射ａされた燃料が点火されまでの時間を充分に確保することができるため、この燃料ａを確実に分散させて混合気を効果的に均一化できるという利点がある。
【００６２】
また、上記実施形態に示すように、燃焼室４の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されるようにインジェクタ１０が設置されるとともに、ピストン３の頂部に上記燃料が吹き付けられるキャビティ１１が設けられた筒内噴射式エンジンにおいて、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料ａの噴射開始時期を、吸気トップ後のクランク角が６０°（圧縮トップ前のクランク角が３００°）以降の時期に設定した場合には、上記吸気行程で噴射された燃料がシリンダの周壁に付着するのを効果的に防止することができる。
【００６３】
すなわち、吸気行程で燃料を分割して噴射する際には、吸気トップ後のクランク角が６０°以降でピストン３が所定の位置に低下した時点で、燃焼室４の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されることになるため、ピストン３の頂部に衝突して反射する燃料が少量に抑えられ、シリンダの周壁に燃料が付着するのを効果的に防止することができる。
【００６４】
しかも、上記のように燃焼室４の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されるようにインジェクタ１０を設置するとともに、ピストン３の頂部に上記燃料が吹き付けられるキャビティ１１を設けた場合には、エンジンが低負荷低回転の運転領域Ａにあるときに、圧縮行程で上記インジェクタ１０から斜め下方に噴射された燃料がピストン１１のキャビティ１１に吹き付けられた捕集された後、点火プラグ９の周囲に運ばれることにより、この点火プラグ９の周囲がエンリッチ状態となって混合気が効果的に成層化されることになる。したがって、燃料の着火性を損なうことなく、上記混合気の成層燃焼を適正に実行して燃費を改善することができる。
【００６５】
特に、燃焼室４の周縁部から斜め下方に向けて燃料を噴射するように構成されたエンジンにおいて、水平方向に対する燃料の噴射角度θを３０°以上に設定した場合には、ピストン３の頂部に衝突して反射する燃料の量を、より効果的に低減することができるため、シリンダの周壁に燃料が付着するのを顕著に低減することができる。
【００６６】
上記のように燃料の噴射角度を３０°以上に設定した構成によると、均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域Ｃ１にあるときに、図１１に示すように、Ｃｅベストとなる噴射時期と、Ｐｅベストとなる噴射時期とのずれ量が大きくなる傾向がある。そして、上記運転領域Ｃ１において、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射することにより、吸気の充填量を充分に確保するとともに、混合気を効果的に均一化させた状態で燃焼させることができるため、上記のようにＣｅベストとなる噴射時期と、Ｐｅベストとなる噴射時期とが大きくずれることに起因する不都合を回避することができる。
【００６７】
なお、図１２に示すように、燃焼室４の周辺部から、燃焼室４の上部中央に臨むように設置された点火プラグ９に向けて燃料が噴射されるようにインジェクタ１０を１０〜２５°の傾斜角度で設置してなるエンジンにおいて、均一燃焼を実行する運転領域Ｃ内で、エンジンが低回転の運転領域Ｃ１にあるときに、吸気行程で燃料ａ，ｂを複数回に分割して噴射するように構成してもよい。この場合には、上記インジェクタ１０から２０°〜４０°程度の比較的狭い噴霧角度で噴霧するとともに、ピストン３の頂部において排気ポートの設置部側、つまりインジェクタ１０の設置部と反対側の部位に、ピストン３の周面に燃料が付着するのを防止するためのキャビティ１１を形成することが望ましい。
【００６８】
上記のように燃焼室４の周辺部から点火プラグ９に向けて燃料を噴射するように構成されたエンジンでは、燃焼室４の上部から略水平に燃料が噴射されるため、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、ピストン３の位置に影響を受けることなく、燃料の噴射時期を設定することができる。したがって、吸気行程で燃料を分割して噴射する際に、吸気トップ後のクランク角が６０°以前の時点で燃料の噴射を開始することも可能であり、燃料の噴射時期を早めることによってその霧化および気化を、さらに効果的に促進することができる。
【００６９】
さらに、図１３に示すように、燃焼室４の上部中央に臨むように点火プラグ９およびインジェクタ１０が設置されるとともに、ピストン３の頂部中央にキャビティ１１が形成されてなる中心噴射型のエンジンにおいても、本発明を適用することができる。
【００７０】
また、上記実施形態では、均一燃焼を実行する領域Ｃ内で、エンジンが低回転の運転領域Ｃ１にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御するとともに、エンジンが低負荷低回転の運転領域Ａにあって上記圧縮行程で燃料を噴射する領域内で、エンジンの負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１にあるときに、燃料を圧縮行程で複数回に分割して噴射するように構成したため、先に噴射された燃料ａを適度に拡散させてその気化および霧化を促進することにより、燃費を効果的に改善することができるとともに、後に噴射された燃料を点火プラグ９の周囲に集中させて燃焼安定性を確保することができる。これによって圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼させることにより、燃費を改善することができる領域を従来よりも広げることができる。
【００７１】
すなわち、上記圧縮行程で燃料を噴射する運転領域Ａ内で、エンジンの負荷および回転が比較的高い運転領域Ａ１にある場合には、燃料の噴射量が比較的多くなるとともに、燃料の噴射時点から点火時期までの時間が短くなるため、燃料を一括して噴射するように構成すると、点火プラグ９の周囲に燃料が過度に集中して空気とのミキシング性が低下することにより、燃焼効率が悪化する傾向が生じるとともに、燃料を気化および霧化させるための時間が不足することにより、不完全燃焼が引き起こされて燃焼安定性が損なわれる傾向がある。
【００７２】
これに対して上記のように圧縮行程で燃料を分割して噴射するように構成した場合には、先に噴射された燃料を適度に拡散させることができるため、点火プラグ９の周囲に燃料が過度に集中するのを防止して空気とのミキシング性を維持しつつ、燃料を気化および霧化させるための時間を適度に確保することにより、燃焼効率を効果的に改善することができる。また、後に噴射された燃料を点火プラグ９の周囲に集中させて適度の空燃比を有する混合気を形成することができるため、燃焼室４内の成層度を適正に維持することにより、燃料が不完全燃焼するのを防止して燃焼安定性を効果的に向上させることができるという利点がある。
【００７３】
また、上記実施形態では、均一燃焼を実行する上記高負荷の運転領域Ｃでエンジンが高回転の運転領域Ｃ３にあるときに、燃料の噴射開始時期を排気行程の後半に設定し、この排気行程の後半から燃料の噴射を開始するように構成したため、燃料の噴射時点から点火時点までの時間を充分に確保し、燃料を確実に気化および霧化した状態で燃焼させることにより、燃費を改善しつつ、エンジン出力を効果的に増大できるという利点がある。しかも、上記高回転の運転領域Ｃ３では、ピストン３の昇降速度が極めて早いため、排気行程の後半から燃料の噴射を開始するように構成した場合においても、インジェクタ１０から噴射された燃料が排気ポート６に到達する前に、排気ポート６が排気弁８により閉止されて燃料の吹き抜けが防止されることになる。
【００７４】
さらに、上記実施形態に示すように、燃焼室４の周縁の吸気ポート５側から燃焼室４内に燃料が噴射されるようにインジェクタ１０を設置した場合には、エンジンの高負荷高回転運転領域Ｃ３で、排気行程の後半から噴射された燃料が排気ポート８に到達するまでの時間を充分に確保することができるため、上記燃料の吹き抜けを、さらに効果的に防止することができる。なお、上記燃料の吹き抜けを確実に防止するためには、燃料の噴射方向を水平方向に対して３０°以上傾斜させるようにインジェクタ１０の傾斜角度θを設定することが望ましい。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタを備え、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域にあるときに、吸気行程で上記インジェクタから燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段を設け、吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を実行する際に、吸気の充填効率が最大となる時期と、混合気の均一度が最適となる時期とに分割して燃料を噴射するように構成したため、上記運転領域で吸気の充填量を充分に確保するとともに、混合気を効果的に均一化させた状態で燃焼させることにより、エンジン出力を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【符号の説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射式エンジンの実施形態を示す説明図である。
【図２】上記エンジンのピストン頂部を示す平面図である。
【図３】上記エンジンの制御部を示すブロック図である。
【図４】上記エンジンの運転領域を示すマップである。
【図５】燃料の噴射時期を示すタイムチャートである。
【図６】燃料の噴射制御動作の第１行程を示すフローチャートである。
【図７】燃料の噴射制御動作の第２行程を示すフローチャートである。
【図８】吸気の充填量、空燃比および燃焼時間に変化状態を示すグラフである。
【図９】充填効率および図示平均有効圧力の変化状態を示すグラフである。
【図１０】ＣｅベストおよびＰｅベストの噴射タイミングの変化状態を示すグラフである。
【図１１】ＣｅベストおよびＰｅベストの噴射タイミングと、燃料の噴射角度との対応関係を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る筒内噴射式エンジンの別の実施形態を示す説明図である。
【図１３】本発明に係る筒内噴射式エンジンのさらに別の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
３ ピストン
４ 燃焼室
９ 点火プラグ
１０ インジェクタ
１１ キャビティ
１８ 燃料制御手段
Claims (7)
- 燃料を直接燃焼室内に噴射するインジェクタを備え、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域にあるときに、吸気行程で上記インジェクタから燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段を備え、吸気行程で燃料を噴射して均一燃焼を実行する際に、吸気の充填効率が最大となる時期と、混合気の均一度が最適となる時期とに分割して燃料を噴射するように構成したことを特徴とする筒内噴射式エンジン。
- 吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量を、総噴射量の４〜６割の範囲内に設定したことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式エンジン。
- 吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射量を、後に噴射される燃料の噴射量よりも多くするように設定したことを特徴とする請求項１または２記載の筒内噴射式エンジン。
- 燃焼室の周縁部から斜め下方に向けて燃料が噴射されるようにインジェクタが設置されされるとともに、ピストンの頂部に上記燃料が吹き付けられるキャビティが設けられ、エンジンが少なくとも高負荷の運転領域にあるときに、吸気行程で上記インジェクタから燃料を噴射することにより混合気を均一化して燃焼させる均一燃焼を実行するように構成された筒内噴射式エンジンにおいて、上記均一燃焼を実行する領域内で、エンジンが低回転の運転領域にあるときに、吸気行程の前期から中期にかけての範囲内で燃料を複数回に分割して噴射するように燃料の噴射状態を制御する燃料制御手段を備え、吸気行程で燃料を複数回に分割して噴射する際に、先に噴射される燃料の噴射開始時期を、吸気トップ後のクランク角が６０°以降の時期に設定したことを特徴とする筒内噴射式エンジン。
- 燃料の噴射角度を水平方向に対して３０°以上傾斜させたことを特徴とする請求項４記載の筒内噴射式エンジン。
- 燃焼室に臨むように設置された点火プラグに向けて燃焼室の周縁部から燃料が噴射されるようにインジェクタを設置したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の筒内噴射式エンジン。
- 燃焼室の上部中央に臨むように点火プラグおよびインジェクタを設置するとともに、このインジェクタから噴射された燃料が吹き付けられるキャビティをピストンの頂部中央に形成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の筒内噴射式エンジン。
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