JP3937874B2 - 筒内噴射式内燃機関における点火制御 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関に関し、より詳細には、筒内噴射式内燃機関における点火時期制御の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より一般的に用いられているポート噴射式内燃機関では、ポートに噴霧された燃料は吸気行程時に燃焼室内に導入されるので、点火時には混合気が燃焼室内に均一に行き渡る均質燃焼となり、点火プラグの位置に大きく依存することなく混合気に対する点火が可能であった。その一方で、混合気濃度が燃焼室内で均質になる均質燃焼では、混合気濃度の希薄化には限界がある。そこで、近年、シリンダ（燃焼室）内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関が実用化されている。筒内噴射式内燃機関では、任意のタイミングにて燃焼室に燃料を供給（噴霧）することができるため、内燃機関に要求される負荷が低い場合には、圧縮行程の後半に燃料を噴霧して点火プラグ周りに可燃濃度の混合気を形成する成層燃焼制御を実行し、超希薄燃焼を実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、成層燃焼制御では、点火プラグ周りに可燃濃度の混合気を形成することにより、燃焼室全体では理論空燃比よりも遙かに薄い空燃比を実現しているので、点火可能な混合気領域が限られているという問題がある。特に、低負荷時と高負荷時の双方を満足させる混合気領域を形成することは困難である。例えば、低負荷時には、燃料噴射量が少なく混合気の可燃域が狭くなるため点火プラグ周りに混合気を形成させる必要がある。一方、高負荷時には、燃料噴射量が多くなるため、低負荷時と同一のタイミングして点火を実行すると点火プラグ周りに形成された濃度が過剰に濃い混合気に点火することになり、燃焼効率が低下してしまうという問題がある。また、高負荷時に十分な拡散を待つ場合には、混合気領域が点火プラグの周辺領域から遠ざかってしまい、混合気に対する点火ができなくなってしまうという問題がある。
【０００４】
この他にも成層燃焼では、燃焼室に生じる混合気の濃淡に起因して安定した混合気の燃焼を実現することができない場合がある。これらの点を踏まえ、現在では、低負荷時に重点を置いた混合気形成並びに点火タイミングにて成層燃焼制御が実行されており、高負荷時には部分的な成層燃焼制御、または均質燃焼制御が実行されている。
【０００５】
したがって、低負荷時および高負荷時の双方において、幅広く成層燃焼を実行することが望まれる。特に、高負荷時においても成層燃焼制御を実行することができれば、燃費を向上させることができる。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、成層燃焼領域を拡大すること、成層燃焼時における混合気燃焼の安定を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室と、前記燃焼室に直接燃料を噴射すると共に、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、前記燃焼室に形成される混合気濃度の濃い領域から薄い領域にわたり前記シリンダヘッドに配置された複数の点火装置と、内燃機関に要求される負荷を検出する負荷検出手段と、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記混合気濃度の濃い領域に配置されている点火装置の点火時期を前記混合気濃度の薄い領域に配置されている点火装置の点火時期よりも進角させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、燃焼室に形成される混合気濃度の濃い領域から混合気濃度の薄い領域にかけて複数の点火装置が配置され、成層燃焼時であって、負荷が低い場合には、混合気濃度の濃い領域に配置された点火装置の点火時期を混合気濃度の薄い領域に配置された点火装置の点火時期よりも進角させることができる。したがって、濃度の濃い混合気に対して点火と、混合気に対する点火の補完を実行することができる。この結果、成層燃焼時における混合気燃焼を安定させることができる。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記点火制御手段は、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記混合気濃度の濃い領域に配置されている点火装置の点火時期を前記混合気濃度の薄い領域に配置されている点火装置の点火時期よりも遅角させても良い。かかる場合には、燃料噴射量の増大に伴い濃度の薄い混合気領域であっても十分に点火が可能であり、濃度の濃い混合気領域では却って混合気濃度が濃すぎる場合がある。したがって、混合気濃度の薄い領域に配置された点火装置によって十分点火可能な薄い混合気に点火し、続いて混合気濃度の濃い領域に配置された点火装置によって十分拡散して濃度が低減した濃い混合気に点火することができる。この結果、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００１０】
本発明の第１の態様係る筒内噴射式内燃機関において、前記複数の点火装置は、
前記燃焼室に形成される混合気濃度の濃い領域に対応して前記シリンダヘッ
ドに配置された第１の点火装置と、
前記燃焼室に形成される混合気濃度の薄い領域に対応して前記シリンダヘッ
ドに配置された第２の点火装置とを備え、
前記点火制御手段は、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記第１の点火装置の点火時期を前記第２の点火装置の点火時期よりも進角させても良い。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、燃焼室に形成される混合気濃度の濃い領域に対応して第１の点火装置が配置され、混合気濃度の薄い領域に対応して第２の点火装置が配置され、成層燃焼時であって、負荷が低い場合には、第１の点火装置の点火時期を第２の点火装置の点火時期よりも進角させることができる。したがって、第１の点火装置によって濃度の濃い混合気に対して点火することができると共に、第２の点火装置によって混合気に対する点火を補完することができる。この結果、成層燃焼時における混合気燃焼を安定させることができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記点火制御手段は、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記第１の点火装置の点火時期を前記第２の点火装置の点火時期よりも遅角させても良い。かかる場合には、燃料噴射量の増大に伴い濃度の薄い混合気領域であっても十分に点火が可能であり、濃度の濃い混合気領域では却って混合気濃度が濃すぎる場合がある。本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関では、かかる場合には、第２の点火装置、第１の点火装置の順序で点火処理を実行することができる。したがって、第２の点火装置によって十分点火可能な薄い混合気に点火し、続いて第１の点火装置によって十分拡散して濃度が低減した濃い混合気に点火することができる。この結果、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記燃料噴射装置は、前記燃焼室の周縁部に配置されていると共に、前記燃焼室の周縁部から中心部に向かって燃料を噴射し、これにより燃料噴射直後には、前記混合気濃度の濃い領域は前記燃焼室の中心部に形成され、前記混合気濃度の薄い領域は前記燃焼室の周縁部に形成され、前記第１の点火装置は前記燃焼室の中心部に対応する前記シリンダヘッドに配置され、前記第２の点火装置は前記燃焼室の周縁部に対応する前記シリンダヘッドに配置されていても良い。かかる場合には、低負荷時には先ず第１の点火装置によって、燃焼室の中心部に形成された濃度の濃い混合気に対して点火を実行することができると共に、高負荷時には先ず第２の点火装置によって、燃焼室の周縁部に形成された点火可能な薄い混合気に対して点火することができる。
【００１４】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記燃焼室は、前記燃料噴射により形成された前記周縁部から前記中心部へ向かう混合気の流れを、前記シリンダヘッドに沿って前記中心部から前記周縁部へと導く形状を有し、前記第１および第２の点火装置は、前記燃料の混合気の流れに対応して前記シリンダヘッドに配置されていても良い。かかる場合には、混合気流は、順次、第１の点火装置、第２の点火装置の近傍に供給されるので、低負荷時には第１の点火装置によって拡散前の濃い混合気に対して点火することができ、さらに、第２の点火装置によって第１の点火装置によって点火されなかった混合気に点火することができる。一方、高負荷時には第２の点火装置によって点火可能な薄い混合気に点火することができ、さらに、第１の点火装置によって十分拡散して濃度が低減された混合気に対して点火することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００１５】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記ピストンは、その上面に、前記燃料噴射により形成された前記周縁部から前記中心部へ向かう混合気の流れを、前記シリンダヘッドに沿って前記中心部から前記周縁部へと導く窪みを有し、前記燃料噴射装置は、前記燃焼室の周縁部に配置されていると共に、前記ピストンの窪みに向かって燃料を噴射し、前記第１の点火装置は、前記シリンダヘッドにおける、前記ピストンの窪みに対向する位置に配置され、前記第２の点火装置は、前記シリンダヘッドにおける、前記燃料噴射装置の近傍に配置されていても良い。かかる場合には、燃焼室において混合気を中心部から周縁部へと導くことができる。したがって、上述の作用効果を得ることができる。
【００１６】
本発明の第２の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第２の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させると共に、前記燃焼室の周縁部に配置されている燃料噴射装置と、前記ピストンの上面に形成され、前記燃料の噴射により形成された前記周縁部から前記中心部へ向かう混合気の流れを、前記シリンダヘッドに沿って前記中心部から前記燃料噴射装置が配置されている周縁部へと導く窪みと、前記シリンダヘッドにおける、前記窪みに対向する位置に配置された第１の点火装置と、前記シリンダヘッドにおける、前記燃料噴射装置の近傍に配置された第２の点火装置と、前記第１の点火装置と前記第２の点火装置を同時に点火させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第２の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、窪みによって形成された中心部から周縁部へと向かう混合気流が中心部と周縁部とで分断された場合であっても、窪みに対向する位置に配置された第１の点火装置および燃料噴射装置の近傍に配置された第２の点火装置によって、双方の混合気に対して点火を実行することができる。したがって、成層燃焼時における混合気燃焼を安定させることができる。
【００１８】
本発明の第３の態様は、筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第３の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室と、前記燃焼室に直接燃料を噴射すると共に、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、前記シリンダヘッドからの突出長さが異なる複数の点火装置とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第３の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、シリンダヘッドから様々な距離にて形成される混合気に対して点火を実行することができる。
【００２０】
本発明の第３の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記複数の点火装置は、前記シリンダヘッドからの突出長さが短い第１の点火装置と、前記第１の点火装置よりも前記シリンダヘッドからの突出長さが長い第２の点火装置とを含み、
さらに、
内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、成層燃焼時であって、前記回転数検出手段により検出された回転数が低い場合には、前記第１の点火装置を点火させ、前記回転数検出手段により検出された回転数が高い場合には、前記第２の点火装置を点火させる点火制御手段とを備えても良い。
【００２１】
本発明の第３の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、回転数が低い場合にはシリンダヘッドからの距離が短い位置に形成され易い混合気に対して、シリンダヘッドからの突出長さが短い第１の点火装置によって点火を実行し、回転数が高い場合にはシリンダヘッドからの距離が長い位置に形成されやすい混合気に対して、第１の点火装置よりもシリンダヘッドからの突出長さが長い第２の点火装置によって点火を実行することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができると共に、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００２２】
本発明の第４の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第４の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、燃料の噴射により形成された混合気を前記ピストンの周縁部へと拡散させる壁部を有し、前記ピストンの上面に形成された窪みと、前記壁部に沿って、シリンダヘッドに配置された複数の点火装置とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第４の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、壁部によってピストンの周縁部へと拡散される混合気に対して、壁部に沿って配置された複数の点火装置によって点火することができる。したがって、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００２４】
本発明の第５の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第５の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、燃料の噴射により形成された混合気を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散させる壁部を有し、前記ピストンの上面に形成された窪みと、前記壁部に沿って、シリンダヘッドに配置された複数の点火装置と、内燃機関に要求される負荷を検出する負荷検出手段と、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記複数の点火装置のうち前記ピストンの第１の周縁部の近傍に配置された点火装置を点火させ、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記複数の点火装置のうち前記ピストンの第２の周縁部の近傍に配置された点火装置を点火させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第５の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷時にはピストンの第１の周縁部に形成される濃い混合気に対して点火することができると共に、高負荷時にはピストンの第２の周縁部に形成される適度な濃度まで拡散した混合気に対して点火することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００２６】
本発明の第６の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第６の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、燃料の噴射により形成された混合気を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散させる壁部を有し、前記ピストンの上面に形成された窪みと、前記壁部に沿って、シリンダヘッドに配置された複数の点火装置と、内燃機関に要求される負荷を検出する負荷検出手段と、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記複数の点火装置のうち前記ピストンの第１の周縁部の近傍に配置された点火装置の点火タイミングにて前記複数の点火装置を点火させ、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記複数の点火装置のうち前記ピストンの第２の周縁部の近傍に配置された点火装置の点火タイミングにて前記複数の点火装置を点火させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２７】
本発明の第６の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷時にはピストンの第１の周縁部に濃い混合気が形成されるタイミングにて点火することができると共に、高負荷時にはピストンの第２の周縁部に適度な濃度まで拡散した混合気が生成されるタイミングにて点火することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００２８】
本発明の第７の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第７の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、燃料の噴射により形成された混合気を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散させる壁部を有し、前記ピストンの上面に形成された窪みと、前記壁部に沿って、シリンダヘッドに配置された複数の点火装置と、内燃機関に要求される負荷を検出する負荷検出手段と、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記複数の点火装置を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと順次点火させ、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記複数の点火装置を前記ピストンの第２の周縁部から第１の周縁部へと順次点火させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２９】
本発明の第７の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷時にはピストンの第１の周縁部に形成される濃い混合気に対して点火することができると共にピストンの第２の周縁部へと拡散した混合気に対しても点火することができる。また、高負荷時にはピストンの第２の周縁部に形成される適度な濃度まで拡散した混合気に対して点火することができると共に、ピストンの第１の周縁部に残存する混合気に対しても点火することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができると共に、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００３０】
本発明の第８の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第８の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、前記燃料噴射装置から噴射された燃料によって形成される混合気流に沿った流線形状を有する複数の点火装置とを備えることを特徴とする。
【００３１】
本発明の第８の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、燃料噴射装置から噴射された燃料によって形成される混合気流に沿った流線形状を有する複数の点火装置とを備えるので、燃焼室内に形成されるタンブル流の乱れを防止することができる。したがって、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００３２】
なお、本発明はさらに、以下の態様によっても実現され得る。例えば、本発明の第４の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記壁部は、前記燃料噴射装置から噴射され前記窪みへ向かう混合気の流動方向に対して、略垂直方向に前記混合気の流動方向を変更しても良い。かかる場合には、混合気がピストンの周縁部へとより拡散しやすくなるので、燃料噴射装置による燃料噴射量が増加する高負荷時においても、混合気濃度が過剰に濃くなることがなく、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００３３】
また、本発明の第５ないし第７の態様のいずれかに係る筒内噴射式内燃機関において、前記燃料噴射装置は前記壁部のうち前記ピストンの第１の周縁部方向へと燃料を噴射しても良い。かかる場合には、より確実に混合気がピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散する。また、前記燃料噴射装置と前記壁部との距離は、前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へ向かって長くなっても良い。かかる場合には、混合気は、ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散する。さらに、前記壁部は、前記ピストンの第１の周縁部側に第１の半径を有する円弧状の第１の壁部と、前記ピストンの第２の周縁部側に第１の半径よりも大きな第２の半径を有する円弧状の第２の壁部とを有しても良い。かかる場合には、第１の壁部には濃い混合気が形成され、第２の壁部には第１の壁部に形成される混合気より薄い混合気が形成される。したがって、内燃機関の負荷が低く燃料量が少ない場合には第１の壁部に形成された濃い混合気に点火することができ、内燃機関の負荷が高く燃料量が多い場合には第２の壁部に形成された薄いが十分に燃焼可能な混合気に対して点火することができる。この結果、成層燃焼領域を拡大することができると共に、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００３４】
さらに、本発明の第８の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記点火装置は、シリンダヘッドに装着するための装着部を上部に備えても良い。かかる場合には、流線形形状を有する碍子部を燃焼室内に露出させることができると共に、シリンダヘッドへの装着を図ることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて本発明に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。
・第１の実施例：
図１〜図４を参照して第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。図１は第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図２は第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。図３は第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における制御系の概略を示すブロック図である。図４は第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【００３６】
筒内噴射式内燃機関１０は、燃焼室２０を区画形成するシリンダブロック１１、シリンダヘッド１２およびピストン１３を備えている。シリンダヘッド１２には、吸気ポート１２１、排気ポート１２２が形成されていると共に、吸気ポート１２１には吸気ポート１２１と燃焼室２０とを連通状態および遮断状態のいずれかの状態に切り替える吸気バルブ１２３が配置され、排気ポート１２２には排気ポート１２２と燃焼室２０との連通状態および遮断状態のいずれかの状態に切り替える吸気バルブ１２４が配置されている。
【００３７】
シリンダヘッド１２の周縁部であって吸気ポート１２１の近傍に燃料噴射弁１４が配置されている。燃料噴射弁１４は、いわゆる高圧タイプの噴射弁であり図示しない高圧燃料ポンプによって約８〜１３ＭＰａ程度まで昇圧された燃料を燃焼室２０に噴射する。
【００３８】
シリンダヘッド１２には、中央部に第１の点火プラグ３０、周縁部の燃料噴射弁１４の近傍に第２の点火プラグ３１が配置されている。各点火プラグ３０、３１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０によって点火時期が制御される。
【００３９】
ピストン１３の上面には、成層燃焼時に燃料噴射弁１４から噴射された燃料を受けて混合気を形成するための窪み（キャビティ）１３１が形成されている。成層燃焼時には、一般的に、圧縮行程の後半に燃料噴射弁１４から燃料が供給されるので、点火時期に間に合うように供給された燃料の混合気化（拡散）を促進する必要があると共に、点火プラグの周りに可燃混合気を集中させる必要がある。そこで、ピストン１３の上面にキャビティ１３１を形成し、小燃焼室としての機能を持たせることによって、成層燃焼時におけるこれらの要求を満足させる。
【００４０】
図２に示すように、キャビティ１３１はピストン１３の上面の内、燃料噴射弁１４側にオフセットして形成されていると共に、第１の点火プラグ３０から第２の点火プラグ３１に向かって広がる略扇形形状を有している。なお、図２中のキャビティ１３１は、点火プラグ３０，３１との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示すために破線で示している。また、キャビティ１３１は、図１に示すように、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成されたシリンダヘッド１２（燃焼室２０）の周縁部からシリンダヘッド１２（燃焼室２０）の中央部へ向かう混合気流をシリンダヘッド１２の内壁に沿ってシリンダヘッド１２の中央部から燃料噴射弁１４が配置されているシリンダヘッド１２の周縁部へと導くための反り返った壁部１３２を有している。
【００４１】
この結果、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気流は、先ず第１の点火プラグ３０の周囲に集められ、続いて第２の点火プラグ３１の周辺へと順次拡散していく。すなわち、燃料噴射弁１４から燃料が噴射されると第１の点火プラグ３０の周りに混合気濃度の濃い領域が形成され、第２の点火プラグ３１の周りには混合気濃度の薄い領域が形成される。
【００４２】
第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０は、図３に示すＥＣＵ４０によって制御されている。ＥＣＵ４０には、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ４１、車両速度を検出する車速センサ４２、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ４３といった内燃機関１０の運転状態を検出する各種センサが接続されている。ＥＣＵ４０には、燃料噴射弁１４、イグナイタ４４を介して点火プラグ３０、３１が接続されている。
【００４３】
第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０における点火時期制御について図４を参照して説明する。本処理ルーチンは所定のタイミングにて繰り返し実行される。ＥＣＵ４０はアクセルポジションセンサ４１、クランクポジションセンサ４３からの入力信号に基づいて内燃機関１０の運転状態が成層燃焼領域にあるか否かを判定する（ステップＳ１００）。ＥＣＵ４０は内燃機関１０の運転状態が成層燃焼領域にあると判定した場合には（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）、機関回転数と要求負荷とに基づいて第１および第２点火プラグ３０，３１の点火時期をマップに従い決定する（ステップＳ１１０）。
【００４４】
より具体的には、要求負荷が低い場合には、燃料噴射弁１４から噴射される燃料量も少なく混合気はシリンダヘッド１２の中央部に集中し易く、可燃混合気は第１点火プラグ３０の近傍に形成される。したがって、ＥＣＵ４０は、第１点火プラグ３０を先ず点火（スパーク）させて、続いて第２点火プラグ３１を点火（スパーク）させる。この結果、第１点火プラグ３０によってシリンダヘッド１２の中央部に形成された可燃混合気が燃焼し、仮に第１点火プラグ３０によって可燃混合気が燃焼し得なかった場合であっても、可燃混合気はシリンダヘッド１２の周縁部に移動した際に第２点火プラグ３１によって燃焼させられる。したがって、低負荷時において安定した混合気燃焼を実現することができる。
【００４５】
一方、要求負荷が高い場合には、燃料噴射弁１４から噴射される燃料量は多くシリンダヘッド１２の中央部に集中した混合気の濃度は過度に濃い状態となり、第１点火プラグ３０によって点火した場合には燃焼効率が低下する（燃料消費が多くなる）。したがって、ＥＣＵ４０は、第２点火プラグ３１を先ず点火（スパーク）させて、続いて第１点火プラグ３０を点火（スパーク）させる。この結果、第２点火プラグ３１によって、シリンダヘッド１２の中央部から周縁部へと拡散して適度な濃度を有する混合気を燃焼させることができる。また、第１点火プラグ３０によって、シリンダヘッド１２の中央部に残り拡散された混合気を燃焼させられる。したがって、高負荷時において燃焼効率を向上させることができると共に、従来、困難であった高負荷時における成層燃焼領域を拡大することができる。これに対して、シリンダヘッド１２の中央部にのみ点火プラグを備える場合に、混合気の拡散を待って点火を実行すると、点火時期には点火プラグの周りに混合気がなく、混合気の燃焼を実現することができなかった。
【００４６】
ＥＣＵ４０は内燃機関１０の運転状態が成層燃焼領域にないと判定した場合には（ステップＳ１００：Ｎｏ）、第１の点火プラグ３０のみ、あるいは、第１および第２点火プラグ３０，３１を同時に、所定のタイミングにて点火させて（ステップＳ１２０）、本処理ルーチンを終了する。均質燃焼時は、吸気行程において燃料噴射弁１４から燃料が噴射されており、点火時期には燃焼室２０内に可燃混合気が均一に拡散しているので第１および第２点火プラグ３０，３１の点火時期をずらすことなく混合気の安定した燃焼を実現することができる。
【００４７】
第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０によれば、上記効果の他に、次のような効果を得ることができる。かかる効果について図５および図６を参照して説明する。図５は燃料噴射弁１４からキャビティ１３１に対して燃料が噴射された際に形成される混合気の状態を示す説明図である。図６はピストン１３が圧縮行程の上死点に位置する際の混合気の状態を示す説明図である。
【００４８】
成層燃焼時、燃焼室２０（キャビティ１３１）に噴射された燃料は、燃料自身の貫徹力によって壁部１３２に沿って第１の点火プラグ３０近傍へと移動し混合気を形成する（主流混合気）。このとき、キャビティ１３１の底部１３３に衝突した燃料の一部は、主流とは反対向きにシリンダヘッド１２の周縁部へと移動して混合気を形成する（副流混合気）。燃料噴射弁１４から噴射される燃料量が多い場合には、主流混合気および副流混合気は連続した混合気として存在し得るが、燃料量が少ない場合には主流混合気と副流混合気とが分離されることがある。点火プラグをシリンダヘッド１２の中央部にのみ備える場合、このように混合気が２つに分離した場合であっても、燃焼ガスが膨張し両混合気間の空間を押しつぶすことにより主流混合気の火炎が副流混合気に到達し副流混合気を燃焼させることができる。しかしながら、燃料量が少なくなるにつれて、両混合気間の空間距離は広がり、主流混合気の火炎が副混合気に到達し難くなってくる。かかる場合には、副流混合気は燃焼されることなく未燃ガスとして排出される。
【００４９】
この問題を 解決するためには、混合気の分離を防止すればよいが、混合気の分離は噴射された燃料が有する貫徹力に起因するものであり、貫徹力を弱めれば適当な主流混合気を形成することができなくなってしまう。
【００５０】
これに対して、第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０は、副流混合気が形成されるシリンダヘッド１２（燃焼室２０）の周縁部に第２の点火プラグ３１を備えているので、たとえ、混合気が主流混合気と副流混合気とに分離されたとしても、第１の点火プラグ３０によって主流混合気を燃焼させ、第２の点火プラグ３１によって副流混合気を燃焼させることができる。この結果、燃焼効率を向上させることができると共に、排出ガス中に含まれる未燃ガス成分を低減することができる。
【００５１】
・第２の実施例：
図７〜図１０を参照して第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。図７は第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、低回転時の混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図８は第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、高回転時の混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図９は第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。図１０は第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【００５２】
第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１００は、第１および第２の点火プラグ３３，３４の配置を除いて第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０と同様の構成要素を有するので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１００は、図７〜図９に示すように、第１および第２点火プラグ３３，３４を、キャビティ１３１の壁部１３２に沿うようにしてシリンダヘッド１２の略中央部に備える。第１の点火プラグ３３は、シリンダヘッド１２からの突出長さが、例えば、通常の点火プラグと同一の長さだけ突出するように配置されている。第２の点火プラグ３４は、シリンダヘッド１２からの突出長さが第１の点火プラグ３３の突出長さより長くなるよう配置されている。なお、突出長さとは、燃焼室２０に露出している点火プラグの長さ、例えば、シリンダヘッド１２の内壁面から点火プラグの接地電極までの長さを意味する。なお、図９中のキャビティ１３１は、点火プラグ３３，３４との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。
【００５４】
第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１００における点火時期制御について図１０を参照して説明する。本処理ルーチンは所定のタイミングにて繰り返し実行される。ＥＣＵ４０はアクセルポジションセンサ４１、クランクポジションセンサ４３からの入力信号に基づいて内燃機関１００の運転状態が成層燃焼領域にあるか否かを判定する（ステップＳ２００）。ＥＣＵ４０は内燃機関１００の運転状態が成層燃焼領域にあると判定した場合には（ステップＳ２００：Ｙｅｓ）、機関回転数に基づいて第１および第２の点火プラグ３３，３４の点火時期をマップに従い決定する（ステップＳ２１０）。
【００５５】
より具体的には、機関回転数が低い場合には、燃料噴射弁１４から噴射された燃料によって形成された混合気流の移動速度よりも、ピストン速度が遅いので、点火時期には、可燃混合気はシリンダヘッド１２の壁面中央部の近傍に存在する。したがって、ＥＣＵ４０は、第１の点火プラグ３３を点火（スパーク）させる。この結果、第１の点火プラグ３３によってシリンダヘッド１２の壁面中央部の近傍に形成された可燃混合気を着火、燃焼させることができる。
【００５６】
一方、機関回転数が高い場合には、燃料噴射弁１４から噴射された燃料によって形成された混合気流の移動速度よりも、ピストン速度が速いので、点火時期には、可燃混合気はピストン１３のキャビティ１３１内に存在する。したがって、ＥＣＵ４０は、第２の点火プラグ３４を点火（スパーク）させる。この結果、第２点火プラグ３４によって、キャビティ１３１の底部１３３近傍に形成された可燃混合気を着火、燃焼させることができる。
【００５７】
機関回転数が更に高くなった場合には、燃焼室２０内における可燃混合気のふらつきが大きくなり、上記２つの態様に分けることが困難になるため、ＥＣＵ４０は、第１および第の２点火プラグ３３、３４を点火（スパーク）させる。この結果、可燃混合気が燃焼室２０内においてふらついたとしても第１および第２の点火プラグ３３，３４のいずれか一方にて燃焼室２０内の可燃混合気を着火、燃焼させることができる。
【００５８】
一方、従来のシリンダヘッド１２からの突出長さの短い点火プラグを備える場合には、ピストン速度が高速になるにつれて、キャビティ１３１の底部１３３近傍に形成される可燃混合気を着火させることが困難となり、失火等を招く場合があり、安定した混合気の燃焼を実現することができなかった。これに対して第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１００は、機関回転数が高い場合にも成層燃焼を可能にし、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００５９】
ＥＣＵ４０は内燃機関１００の運転状態が成層燃焼領域にないと判定した場合には（ステップＳ２００：Ｎｏ）、第１の点火プラグ３３のみを点火させて（ステップＳ２２０）、本処理ルーチンを終了する。均質燃焼時は、吸気行程において燃料噴射弁１４から燃料が噴射されており、点火時期には燃焼室２０内に可燃混合気が均一に拡散しているので第１の点火プラグ３３のみによっても混合気の安定した燃焼を実現することができるからである。
【００６０】
・第３の実施例：
図１１〜図１４を参照して第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。図１１は第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図１２は第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。図１３は低負荷時における混合気の拡散の状態を従来型のキャビティと第３の実施例におけるキャビティとで比較して示す説明図である。図１４は高負荷時における混合気の拡散の状態を従来型のキャビティと第３の実施例におけるキャビティとで比較して示す説明図である。
【００６１】
第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関２００は、第１および第２の点火プラグ３５，３６の配置およびキャビティ２１０の形状を除いて第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０と同様の構成要素を有するので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６２】
第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関２００は、図１１および図１２に示すように、第１および第２点火プラグ３５，３６を、キャビティ２１０の壁部２１１に沿うようにしてシリンダヘッド１２の略中央部に備える。第１の点火プラグ３５および第２の点火プラグ３６のシリンダヘッド１２からの突出長さは同一である。なお、両点火プラグ３５、３６の離間距離は長い方が好ましい。なお、図１２中のキャビティ２１０は、点火プラグ３５，３６との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。
【００６３】
図１３および図１４では、上段に従来型のキャビティ６００を示し下段に第３の実施例に従うキャビティ２１０を示している。なお、図１３および図１４中のキャビティ２１０、６００は、点火プラグ３５，３６との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。従来型のキャビティ６００は、図１３および図１４から理解されるように、ピストン６０１の中心部から周縁部に向かって、燃料噴射弁１４の先端までの距離（燃料噴射弁１４の先端を中心とする円弧の曲率半径）が徐々に短くなる壁部６０２を有している。すなわち、従来型のキャビティ６００は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を、点火プラグが配置されているピストン６０１の中心部に集中させるために適した集中型形状を有していた。
【００６４】
これに対して、第３の実施例に従うキャビティ２１０は、ピストン１３の中心部から周縁部に向かって、燃料噴射弁１４の先端までの距離（燃料噴射弁１４の先端を中心とする円弧の曲率半径）がほぼ同一である壁部２１１を有している。このキャビティ２１０によれば、燃料噴射弁１４から噴射された燃料（混合気）は、ピストン１３の中心部から周縁部に向かって壁部２１１に沿って広く拡散する。したがって、キャビティ２１０は拡散型形状を有している。なお、第３の実施例では、第１および第２の点火プラグ３５、３６の点火時期は同一時期である。
【００６５】
従来型のキャビティ６００は、１個の点火プラグによって混合気を着火、燃焼させることを念頭においた形状を有しているため、キャビティ６００内の混合気はピストン６０１の中心部（燃焼室の中心部）に集中して存在している。かかる形状のキャビティ６００に対して、複数の点火プラグを適用すると、点火プラグの近傍には混合気が存在しない場合がある。特に、燃料噴射量が少ない低負荷時には、図１３に示すように、点火プラグ３５，３６の電極周りに十分な混合気が存在せず、混合気への安定した着火、燃焼を実現することができない。図１４に示す高負荷時においても、混合気のばらつきを考慮すれば点火プラグ３５，３６の電極周りに十分な混合気が存在しているとは言えない。
【００６６】
これに対して、第３の実施例に従うキャビティ２１０は、図１３および図１４に示すように、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気がピストン１３の中心部から周縁部へ向かって拡散する拡散型形状を有しているので、壁部２１１に沿って配置されている点火プラグ３５，３６の電極周りに十分な可燃混合気を提供することができる。すなわち、キャビティ２１０における可燃領域を拡大することができる。また、高負荷時においては、従来型のキャビティ６００では点火プラグ周りの混合気濃度が過度に濃くなり燃焼効率が悪くなり、また未燃ガスが発生するため成層燃焼を実行することができないという問題があった。これに対して、第３の実施例に従うキャビティ２１０によれば、混合気は十分に拡散され、適当な濃度となるため、燃焼効率を高いレベルで維持することができると共に、未燃ガスの発生を低減することができるので、高負荷時における成層燃焼領域を拡大することができる。
【００６７】
・第４の実施例：
図１５〜図１８を参照して第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。図１５は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図１６は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。図１７は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、低負荷時における混合気の拡散の状態を示す説明図である。図１８は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、高負荷時における混合気の拡散の状態を示す説明図である。
【００６８】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００は、第１および第２の点火プラグ３７，３８の配置およびキャビティ３１０の形状を除いて第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０と同様の構成要素を有するので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。なお、図１６〜図１８中のキャビティ３１０は、点火プラグ３７，３８との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。
【００６９】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００は、図１６に示すように、第１および第２点火プラグ３７，３８を、燃料噴射弁１４からの燃料の噴射方向にほぼ直交するように、すなわち、キャビティ３１０の壁部３１１にほぼ沿うようにしてシリンダヘッド１２の略中央部に備える。第１の点火プラグ３７および第２の点火プラグ３８のシリンダヘッド１２からの突出長さは同一であり、また、両点火プラグ３７、３８の離間距離は長い方が好ましい。
【００７０】
第４の実施例に従うキャビティ３１０は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気をピストン１３の第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへと拡散（移動）させる（燃料噴射弁１４に対して偏芯した）壁部３１１を有している。すなわち、キャビティ３１０は、ピストン１３の第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂに向かって、燃料噴射弁１４の先端までの距離（燃料噴射弁１４の先端を中心とする円弧の曲率半径）が徐々に長くなる壁部３１１を有している。かかる壁部３１１を備えることにより、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気は、燃料噴射弁１４からの距離が短い第１の周縁部１３ａに滞留し始める。キャビティ３１０上の空間体積は第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂにむかって増加するため、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気は、空間体積の大きな第２の周縁部１３ｂへ向かって拡散していく。なお、第１の点火プラグ３７は第１の周縁部１３ａ寄りに配置され、第２の点火プラグ３８は第２の周縁部１３ｂ寄りに配置されている。
【００７１】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００では、燃料噴射弁１４の燃料噴射角（噴霧角）が小さく（狭く）設定されている。燃料噴射角を狭く設定することにより、第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへの混合気の拡散をより明瞭にすることができるからである。
【００７２】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００における点火時期制御について図１９を参照して説明する。図１９は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。本処理ルーチンは所定のタイミングにて繰り返し実行される。ＥＣＵ４０はアクセルポジションセンサ４１、クランクポジションセンサ４３からの入力信号に基づいて内燃機関３００の運転状態が成層燃焼領域にあるか否かを判定する（ステップＳ３００）。ＥＣＵ４０は内燃機関３００の運転状態が成層燃焼領域にあると判定した場合には（ステップＳ３００：Ｙｅｓ）、要求負荷に基づいて第１および第２の点火プラグ３７，３８のいずれの点火プラグを点火（スパーク）させるかをマップに従い決定する（ステップＳ３１０）。
【００７３】
より具体的には、要求負荷が低い場合には、燃料噴射弁１４から噴射される燃料量も少なく混合気は第１の周縁部１３ａ寄りのキャビティ３１０に集中し易く、可燃混合気は第１点火プラグ３７の近傍に形成される。したがって、ＥＣＵ４０は、第１点火プラグ３７を点火時期マップに従って点火（スパーク）させる（Ｓ３２０）。この結果、第１点火プラグ３７によって第１の周縁部１３ａ寄りのキャビティ３１０に形成された可燃混合気が燃焼させられる。したがって、低負荷時において安定した混合気燃焼を実現することができる。
【００７４】
一方、要求負荷が高い場合には、燃料噴射弁１４から噴射される燃料量は多く第１の周縁部１３ａ寄りのキャビティ３１０に集中した混合気の濃度は過度に濃い状態となり、第１点火プラグ３０によって点火した場合には燃焼効率の低下（燃料消費の増加）、未燃ガスの増加をもたらす。したがって、ＥＣＵ４０は、第２点火プラグ３８を点火時期マップに従って点火（スパーク）させる（Ｓ３３０）。この結果、第２点火プラグ３８によって、第２の周縁部１３ｂへと拡散して適度な濃度を有する混合気を燃焼させることができる。したがって、高負荷時において燃焼効率を向上させることができると共に、従来、困難であった高負荷時における成層燃焼領域を拡大することができる。
【００７５】
ＥＣＵ４０は内燃機関３００の運転状態が成層燃焼領域にないと判定した場合には（ステップＳ３００：Ｎｏ）、第１および第２点火プラグ３７，３８のいずれか、あるいは双方を同時に、所定のタイミングにて点火させて（ステップＳ３２０）、本処理ルーチンを終了する。均質燃焼時は、吸気行程において燃料噴射弁１４から燃料が噴射されており、点火時期には燃焼室２０内に可燃混合気が均一に拡散しているので第１および第２点火プラグ３７，３８の点火時期をずらすことなく混合気の安定した燃焼を実現することができる。
【００７６】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００によれば、従来はバルブ駆動等によってスワールを発生させることより実現されていた混合気の拡散制御を、キャビティ３１０の形状および点火プラグ３７，３８のレイアウトによって実現することができる。すなわち、混合気の拡散制御に当たって、バルブの開閉制御を削除することができる。なお、第１および第２のプラグ３７，３８の離間距離が長くなるにつれて、高負荷時における混合気の十分な拡散をもたらすことができる。
【００７７】
なお、上記説明では、第１および第２点火プラグ３７、３８のいずれか一方のみを点火制御しているが、第１の実施例における点火制御と同様にして、低負荷時には第１の点火プラグ３７、第２の点火プラグ３８の順に点火を実行し、高負荷時には第２の点火プラグ３８、第１の点火プラグ３７の順に点火を実行しても良い。かかる場合には、低負荷時における失火を防止して混合気燃焼を安定させることができると共に、高負荷時における燃焼効率の低下を防止することができる。
【００７８】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の態様について図２０〜図２２を参照して説明する。図２０は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第１の態様を説明する説明図である。図２１は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第２の態様を説明する説明図である。図２２は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第３の態様を説明する説明図である。なお、図２０〜図２２中のキャビティ３１０は、点火プラグ３７，３８との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。
【００７９】
図２０を参照して第１の態様について説明する。第１の態様は、燃料噴射弁１４の噴射方向を第１の周縁部１３ａへオフセットしたことを特徴とする。燃料噴射弁１４の燃料噴射方向を第１の周縁部１３ａへオフセットさせることにより、第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへの混合気の移動、拡散を更に促進することができる。
【００８０】
図２１を参照して第２の態様について説明する。第２の態様は、第１の態様の特徴に加え、バルブ駆動によりスワール流を生成し、第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへの混合気の移動、拡散を更に促進させることを特徴とする。燃料噴射量が多い場合に、混合気を迅速に拡散させることができる。
【００８１】
図２２を参照して第３の態様について説明する。第３の態様は、燃料噴射弁１４の燃料噴射角を大きく（広く）設定し、キャビティ３１０の壁部３１１に第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへの混合気の移動を妨げる突出部３１２を設けたことを特徴とする。この結果、キャビティ３１０の第１の周縁部１３ａ側には混合気が集中する集中型燃焼室が形成され、キャビティ３１０の第２の周縁部１３ｂ側には混合気が拡散する拡散型燃焼室が形成される。したがって、燃料量の少ない低負荷時には、第１の点火プラグ３７を用いて集中型燃焼室に存在する混合気に点火し、燃料量の多い高負荷時には、第２の点火プラグ３８を用いて拡散型燃焼室に存在する混合気に点火することにより、高負荷側における成層燃焼領域を拡大することができる。
【００８２】
・第５の実施例：
図２３〜図２６を参照して第５の実施例に係る、筒内噴射式内燃機関に用いられる点火プラグについて説明する。図２３は第５の実施例に係る点火プラグの平面図である。図２４は第５の実施例に係る点火プラグの正面図である。図２５は第５の実施例に係る点火プラグの底面図である。図２６は第５の実施例に係る点火プラグを用いた場合と通常の点火プラグを用いた場合における吸気量を比較する説明図である。
【００８３】
第５の実施例に係る点火プラグ３９は、第１から第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０、１００、２００、３００に対して適用することができるので、点火プラグ３９を適用可能な筒内噴射式内燃機関の構成についてはその説明を省略する。
【００８４】
第１から第４の実施例において説明したように、筒内噴射式内燃機関における成層燃焼領域の拡大、燃焼安定性等を図るためには、複数の点火プラグを用いることが効果的である。その一方で、点火プラグ３９を複数個用いることにより、燃焼室内に突出する点火プラグの電極数が増加するため、吸気時に吸気（吸入空気）流が乱され、吸気流速の低下、燃焼室内におけるタンブル流（垂直方向の流れ）の弱化が発生する。この結果、噴射された燃料と吸気との混合性が低下し、燃焼効率の低下、燃料消費の増大を招くことがある。その一方で、必要な碍子強度を確保するためには点火プラグの細径化にも限界がある。
【００８５】
本実施例では、点火プラグ３９の碍子３９１の形状を流線形とし、シリンダヘッド１２に装着される際には、流線形形状が吸気流れに沿うように装着される。すなわち、長径方向は従来の同等の径寸法を維持し、短径方向は従来よりも径寸法を小さくすることで、碍子強度と、吸気流の円滑な流れとを両立させた。従来の点火プラグは、外周にねじ部が形成されたハウジングを碍子下部に装着し、ハウジングのねじ部を介してシリンダヘッド１２に装着されていた。これに対して、本実施例に係る点火プラグ３９は、流線形の碍子３９１を燃焼室内に露出させる必要があるため、ねじを利用した回転装着を行うことができない。そこで、内部に六角部３９２を有する締めねじ部３９３を点火プラグ３９の上部に設け、かかる締めねじ部３９２を介して点火プラグ３９がシリンダヘッド１２に装着される。なお、シリンダヘッド１２側に点火プラグ３９の下部の流線形形状に合わせたプラグ装着口を形成することにより、点火プラグ３９の長径方向と吸気流の流動方向とを一致させることができる。
【００８６】
本実施例に係る点火プラグ３９によってもたらされる効果について図２６を参照して説明する。図２６はバルブリフト量に対する吸入空気量の関係を示すグラフであり、実線は本実施例に係る点火プラグ３９、破線は従来の円形形状の碍子を備える点火プラグのバルブリフト量に対する吸入空気量の関係を示す。図２６から理解されるように、本実施例に係る点火プラグ３９によれば、特に、バルブリフト量が大きくなり、吸気量が多くなる領域にて、より多くの吸入空気を得ることができる。すなわち、点火プラグの突出に起因する吸入抵抗が低減されるため、燃焼室内により多くの吸入空気を導入することが可能となり、出力を向上させることができる。
【００８７】
さらに、成層燃焼時に、可燃混合気を点火プラグの周りに存在させる必要のある筒内噴射式内燃機関では、吸入空気の流れを安定させて、点火プラグの周りに確実に可燃混合気を導くことが要求される。本実施例に係る点火プラグ３９によれば、燃焼室内（シリンダ内）における吸入空気の流動方向が安定するので、燃焼室内におけるタンブル流が強化され、燃料と吸入空気との混合が促進され、燃焼効率および燃費の向上を図ることができる。
【００８８】
以上、いくつか実施例に基づき本発明に係る筒内噴射式内燃機関および点火プラグを説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【００８９】
第１〜第４の実施例では、点火プラグを２本用いた例を用いて説明したが、必要に応じて３，４，５本といったように複数本用いても良い。また、複数の電極を有する点火プラグを用いても良い。かかる場合には、各電極間の距離を離間させることにより、点火プラグを複数個用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図２】第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。
【図３】第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における制御系の概略を示すブロック図である。
【図４】第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【図５】燃料噴射弁１４からキャビティ１３１に対して燃料が噴射された際に形成される混合気の状態を示す説明図である。
【図６】ピストン１３が圧縮行程の上死点に位置する際の混合気の状態を示す説明図である。
【図７】第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、低回転時の混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図８】第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、高回転時の混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図９】第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。
【図１０】第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【図１１】第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図１２】第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。
【図１３】低負荷時における混合気の拡散の状態を従来型のキャビティと第３の実施例におけるキャビティとで比較して示す説明図である。
【図１４】高負荷時における混合気の拡散の状態を従来型のキャビティと第３の実施例におけるキャビティとで比較して示す説明図である。
【図１５】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図１６】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。
【図１７】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、低負荷時における混合気の拡散の状態を示す説明図である。
【図１８】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、高負荷時における混合気の拡散の状態を示す説明図である。
【図１９】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【図２０】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第１の態様を説明する説明図である。
【図２１】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第２の態様を説明する説明図である。
【図２２】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第３の態様を説明する説明図である。
【図２３】第５の実施例に係る点火プラグの平面図である。
【図２４】第５の実施例に係る点火プラグの正面図である。
【図２５】第５の実施例に係る点火プラグの底面図である。
【図２６】第５の実施例に係る点火プラグを用いた場合と通常の点火プラグを用いた場合における吸気量を比較する説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、２００、３００…筒内噴射式内燃機関
１１…シリンダブロック
１２…シリンダヘッド
１２１…吸気ポート
１２２…排気ポート
１２３…吸気バルブ
１２４…排気バルブ
１３…ピストン
１３１、２１０、３１０…キャビティ
１３２、２１１、３１１…壁部
１３３…底部
１３ａ…第１の周縁部
１３ｂ…第２の周縁部
１４…燃料噴射弁
２０…燃焼室
３０、３３、３５、３７…第１の点火プラグ
３１、３４、３６、３８…第２の点火プラグ
３９…点火プラグ
４０…エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
４１…アクセルポジションセンサ
４２…車速センサ
４３…クランクポジションセンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関に関し、より詳細には、筒内噴射式内燃機関における点火時期制御の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より一般的に用いられているポート噴射式内燃機関では、ポートに噴霧された燃料は吸気行程時に燃焼室内に導入されるので、点火時には混合気が燃焼室内に均一に行き渡る均質燃焼となり、点火プラグの位置に大きく依存することなく混合気に対する点火が可能であった。その一方で、混合気濃度が燃焼室内で均質になる均質燃焼では、混合気濃度の希薄化には限界がある。そこで、近年、シリンダ（燃焼室）内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関が実用化されている。筒内噴射式内燃機関では、任意のタイミングにて燃焼室に燃料を供給（噴霧）することができるため、内燃機関に要求される負荷が低い場合には、圧縮行程の後半に燃料を噴霧して点火プラグ周りに可燃濃度の混合気を形成する成層燃焼制御を実行し、超希薄燃焼を実現している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、成層燃焼制御では、点火プラグ周りに可燃濃度の混合気を形成することにより、燃焼室全体では理論空燃比よりも遙かに薄い空燃比を実現しているので、点火可能な混合気領域が限られているという問題がある。特に、低負荷時と高負荷時の双方を満足させる混合気領域を形成することは困難である。例えば、低負荷時には、燃料噴射量が少なく混合気の可燃域が狭くなるため点火プラグ周りに混合気を形成させる必要がある。一方、高負荷時には、燃料噴射量が多くなるため、低負荷時と同一のタイミングして点火を実行すると点火プラグ周りに形成された濃度が過剰に濃い混合気に点火することになり、燃焼効率が低下してしまうという問題がある。また、高負荷時に十分な拡散を待つ場合には、混合気領域が点火プラグの周辺領域から遠ざかってしまい、混合気に対する点火ができなくなってしまうという問題がある。
【０００４】
この他にも成層燃焼では、燃焼室に生じる混合気の濃淡に起因して安定した混合気の燃焼を実現することができない場合がある。これらの点を踏まえ、現在では、低負荷時に重点を置いた混合気形成並びに点火タイミングにて成層燃焼制御が実行されており、高負荷時には部分的な成層燃焼制御、または均質燃焼制御が実行されている。
【０００５】
したがって、低負荷時および高負荷時の双方において、幅広く成層燃焼を実行することが望まれる。特に、高負荷時においても成層燃焼制御を実行することができれば、燃費を向上させることができる。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、成層燃焼領域を拡大すること、成層燃焼時における混合気燃焼の安定を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室と、前記燃焼室に直接燃料を噴射すると共に、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、前記燃焼室に形成される混合気濃度の濃い領域から薄い領域にわたり前記シリンダヘッドに配置された複数の点火装置と、内燃機関に要求される負荷を検出する負荷検出手段と、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記混合気濃度の濃い領域に配置されている点火装置の点火時期を前記混合気濃度の薄い領域に配置されている点火装置の点火時期よりも進角させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、燃焼室に形成される混合気濃度の濃い領域から混合気濃度の薄い領域にかけて複数の点火装置が配置され、成層燃焼時であって、負荷が低い場合には、混合気濃度の濃い領域に配置された点火装置の点火時期を混合気濃度の薄い領域に配置された点火装置の点火時期よりも進角させることができる。したがって、濃度の濃い混合気に対して点火と、混合気に対する点火の補完を実行することができる。この結果、成層燃焼時における混合気燃焼を安定させることができる。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記点火制御手段は、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記混合気濃度の濃い領域に配置されている点火装置の点火時期を前記混合気濃度の薄い領域に配置されている点火装置の点火時期よりも遅角させても良い。かかる場合には、燃料噴射量の増大に伴い濃度の薄い混合気領域であっても十分に点火が可能であり、濃度の濃い混合気領域では却って混合気濃度が濃すぎる場合がある。したがって、混合気濃度の薄い領域に配置された点火装置によって十分点火可能な薄い混合気に点火し、続いて混合気濃度の濃い領域に配置された点火装置によって十分拡散して濃度が低減した濃い混合気に点火することができる。この結果、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００１０】
本発明の第１の態様係る筒内噴射式内燃機関において、前記複数の点火装置は、
前記燃焼室に形成される混合気濃度の濃い領域に対応して前記シリンダヘッ
ドに配置された第１の点火装置と、
前記燃焼室に形成される混合気濃度の薄い領域に対応して前記シリンダヘッ
ドに配置された第２の点火装置とを備え、
前記点火制御手段は、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記第１の点火装置の点火時期を前記第２の点火装置の点火時期よりも進角させても良い。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、燃焼室に形成される混合気濃度の濃い領域に対応して第１の点火装置が配置され、混合気濃度の薄い領域に対応して第２の点火装置が配置され、成層燃焼時であって、負荷が低い場合には、第１の点火装置の点火時期を第２の点火装置の点火時期よりも進角させることができる。したがって、第１の点火装置によって濃度の濃い混合気に対して点火することができると共に、第２の点火装置によって混合気に対する点火を補完することができる。この結果、成層燃焼時における混合気燃焼を安定させることができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記点火制御手段は、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記第１の点火装置の点火時期を前記第２の点火装置の点火時期よりも遅角させても良い。かかる場合には、燃料噴射量の増大に伴い濃度の薄い混合気領域であっても十分に点火が可能であり、濃度の濃い混合気領域では却って混合気濃度が濃すぎる場合がある。本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関では、かかる場合には、第２の点火装置、第１の点火装置の順序で点火処理を実行することができる。したがって、第２の点火装置によって十分点火可能な薄い混合気に点火し、続いて第１の点火装置によって十分拡散して濃度が低減した濃い混合気に点火することができる。この結果、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記燃料噴射装置は、前記燃焼室の周縁部に配置されていると共に、前記燃焼室の周縁部から中心部に向かって燃料を噴射し、これにより燃料噴射直後には、前記混合気濃度の濃い領域は前記燃焼室の中心部に形成され、前記混合気濃度の薄い領域は前記燃焼室の周縁部に形成され、前記第１の点火装置は前記燃焼室の中心部に対応する前記シリンダヘッドに配置され、前記第２の点火装置は前記燃焼室の周縁部に対応する前記シリンダヘッドに配置されていても良い。かかる場合には、低負荷時には先ず第１の点火装置によって、燃焼室の中心部に形成された濃度の濃い混合気に対して点火を実行することができると共に、高負荷時には先ず第２の点火装置によって、燃焼室の周縁部に形成された点火可能な薄い混合気に対して点火することができる。
【００１４】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記燃焼室は、前記燃料噴射により形成された前記周縁部から前記中心部へ向かう混合気の流れを、前記シリンダヘッドに沿って前記中心部から前記周縁部へと導く形状を有し、前記第１および第２の点火装置は、前記燃料の混合気の流れに対応して前記シリンダヘッドに配置されていても良い。かかる場合には、混合気流は、順次、第１の点火装置、第２の点火装置の近傍に供給されるので、低負荷時には第１の点火装置によって拡散前の濃い混合気に対して点火することができ、さらに、第２の点火装置によって第１の点火装置によって点火されなかった混合気に点火することができる。一方、高負荷時には第２の点火装置によって点火可能な薄い混合気に点火することができ、さらに、第１の点火装置によって十分拡散して濃度が低減された混合気に対して点火することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００１５】
本発明の第１の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記ピストンは、その上面に、前記燃料噴射により形成された前記周縁部から前記中心部へ向かう混合気の流れを、前記シリンダヘッドに沿って前記中心部から前記周縁部へと導く窪みを有し、前記燃料噴射装置は、前記燃焼室の周縁部に配置されていると共に、前記ピストンの窪みに向かって燃料を噴射し、前記第１の点火装置は、前記シリンダヘッドにおける、前記ピストンの窪みに対向する位置に配置され、前記第２の点火装置は、前記シリンダヘッドにおける、前記燃料噴射装置の近傍に配置されていても良い。かかる場合には、燃焼室において混合気を中心部から周縁部へと導くことができる。したがって、上述の作用効果を得ることができる。
【００１６】
本発明の第２の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第２の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させると共に、前記燃焼室の周縁部に配置されている燃料噴射装置と、前記ピストンの上面に形成され、前記燃料の噴射により形成された前記周縁部から前記中心部へ向かう混合気の流れを、前記シリンダヘッドに沿って前記中心部から前記燃料噴射装置が配置されている周縁部へと導く窪みと、前記シリンダヘッドにおける、前記窪みに対向する位置に配置された第１の点火装置と、前記シリンダヘッドにおける、前記燃料噴射装置の近傍に配置された第２の点火装置と、前記第１の点火装置と前記第２の点火装置を同時に点火させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第２の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、窪みによって形成された中心部から周縁部へと向かう混合気流が中心部と周縁部とで分断された場合であっても、窪みに対向する位置に配置された第１の点火装置および燃料噴射装置の近傍に配置された第２の点火装置によって、双方の混合気に対して点火を実行することができる。したがって、成層燃焼時における混合気燃焼を安定させることができる。
【００１８】
本発明の第３の態様は、筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第３の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室と、前記燃焼室に直接燃料を噴射すると共に、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、前記シリンダヘッドからの突出長さが異なる複数の点火装置とを備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第３の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、シリンダヘッドから様々な距離にて形成される混合気に対して点火を実行することができる。
【００２０】
本発明の第３の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記複数の点火装置は、前記シリンダヘッドからの突出長さが短い第１の点火装置と、前記第１の点火装置よりも前記シリンダヘッドからの突出長さが長い第２の点火装置とを含み、
さらに、
内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、成層燃焼時であって、前記回転数検出手段により検出された回転数が低い場合には、前記第１の点火装置を点火させ、前記回転数検出手段により検出された回転数が高い場合には、前記第２の点火装置を点火させる点火制御手段とを備えても良い。
【００２１】
本発明の第３の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、回転数が低い場合にはシリンダヘッドからの距離が短い位置に形成され易い混合気に対して、シリンダヘッドからの突出長さが短い第１の点火装置によって点火を実行し、回転数が高い場合にはシリンダヘッドからの距離が長い位置に形成されやすい混合気に対して、第１の点火装置よりもシリンダヘッドからの突出長さが長い第２の点火装置によって点火を実行することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができると共に、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００２２】
本発明の第４の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第４の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、燃料の噴射により形成された混合気を前記ピストンの周縁部へと拡散させる壁部を有し、前記ピストンの上面に形成された窪みと、前記壁部に沿って、シリンダヘッドに配置された複数の点火装置とを備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第４の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、壁部によってピストンの周縁部へと拡散される混合気に対して、壁部に沿って配置された複数の点火装置によって点火することができる。したがって、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００２４】
本発明の第５の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第５の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、燃料の噴射により形成された混合気を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散させる壁部を有し、前記ピストンの上面に形成された窪みと、前記壁部に沿って、シリンダヘッドに配置された複数の点火装置と、内燃機関に要求される負荷を検出する負荷検出手段と、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記複数の点火装置のうち前記ピストンの第１の周縁部の近傍に配置された点火装置を点火させ、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記複数の点火装置のうち前記ピストンの第２の周縁部の近傍に配置された点火装置を点火させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第５の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷時にはピストンの第１の周縁部に形成される濃い混合気に対して点火することができると共に、高負荷時にはピストンの第２の周縁部に形成される適度な濃度まで拡散した混合気に対して点火することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００２６】
本発明の第６の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第６の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、燃料の噴射により形成された混合気を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散させる壁部を有し、前記ピストンの上面に形成された窪みと、前記壁部に沿って、シリンダヘッドに配置された複数の点火装置と、内燃機関に要求される負荷を検出する負荷検出手段と、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記複数の点火装置のうち前記ピストンの第１の周縁部の近傍に配置された点火装置の点火タイミングにて前記複数の点火装置を点火させ、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記複数の点火装置のうち前記ピストンの第２の周縁部の近傍に配置された点火装置の点火タイミングにて前記複数の点火装置を点火させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２７】
本発明の第６の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷時にはピストンの第１の周縁部に濃い混合気が形成されるタイミングにて点火することができると共に、高負荷時にはピストンの第２の周縁部に適度な濃度まで拡散した混合気が生成されるタイミングにて点火することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００２８】
本発明の第７の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第７の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、燃料の噴射により形成された混合気を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散させる壁部を有し、前記ピストンの上面に形成された窪みと、前記壁部に沿って、シリンダヘッドに配置された複数の点火装置と、内燃機関に要求される負荷を検出する負荷検出手段と、成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記複数の点火装置を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと順次点火させ、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記複数の点火装置を前記ピストンの第２の周縁部から第１の周縁部へと順次点火させる点火制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２９】
本発明の第７の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷時にはピストンの第１の周縁部に形成される濃い混合気に対して点火することができると共にピストンの第２の周縁部へと拡散した混合気に対しても点火することができる。また、高負荷時にはピストンの第２の周縁部に形成される適度な濃度まで拡散した混合気に対して点火することができると共に、ピストンの第１の周縁部に残存する混合気に対しても点火することができる。したがって、成層燃焼領域を拡大することができると共に、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００３０】
本発明の第８の態様は、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明の第８の態様に係る筒内噴射式内燃機関は、成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、前記燃料噴射装置から噴射された燃料によって形成される混合気流に沿った流線形状を有する複数の点火装置とを備えることを特徴とする。
【００３１】
本発明の第８の態様に係る筒内噴射式内燃機関によれば、燃料噴射装置から噴射された燃料によって形成される混合気流に沿った流線形状を有する複数の点火装置とを備えるので、燃焼室内に形成されるタンブル流の乱れを防止することができる。したがって、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００３２】
なお、本発明はさらに、以下の態様によっても実現され得る。例えば、本発明の第４の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記壁部は、前記燃料噴射装置から噴射され前記窪みへ向かう混合気の流動方向に対して、略垂直方向に前記混合気の流動方向を変更しても良い。かかる場合には、混合気がピストンの周縁部へとより拡散しやすくなるので、燃料噴射装置による燃料噴射量が増加する高負荷時においても、混合気濃度が過剰に濃くなることがなく、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００３３】
また、本発明の第５ないし第７の態様のいずれかに係る筒内噴射式内燃機関において、前記燃料噴射装置は前記壁部のうち前記ピストンの第１の周縁部方向へと燃料を噴射しても良い。かかる場合には、より確実に混合気がピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散する。また、前記燃料噴射装置と前記壁部との距離は、前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へ向かって長くなっても良い。かかる場合には、混合気は、ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散する。さらに、前記壁部は、前記ピストンの第１の周縁部側に第１の半径を有する円弧状の第１の壁部と、前記ピストンの第２の周縁部側に第１の半径よりも大きな第２の半径を有する円弧状の第２の壁部とを有しても良い。かかる場合には、第１の壁部には濃い混合気が形成され、第２の壁部には第１の壁部に形成される混合気より薄い混合気が形成される。したがって、内燃機関の負荷が低く燃料量が少ない場合には第１の壁部に形成された濃い混合気に点火することができ、内燃機関の負荷が高く燃料量が多い場合には第２の壁部に形成された薄いが十分に燃焼可能な混合気に対して点火することができる。この結果、成層燃焼領域を拡大することができると共に、成層燃焼時における混合気の燃焼を安定させることができる。
【００３４】
さらに、本発明の第８の態様に係る筒内噴射式内燃機関において、前記点火装置は、シリンダヘッドに装着するための装着部を上部に備えても良い。かかる場合には、流線形形状を有する碍子部を燃焼室内に露出させることができると共に、シリンダヘッドへの装着を図ることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて本発明に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。
・第１の実施例：
図１〜図４を参照して第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。図１は第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図２は第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。図３は第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における制御系の概略を示すブロック図である。図４は第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【００３６】
筒内噴射式内燃機関１０は、燃焼室２０を区画形成するシリンダブロック１１、シリンダヘッド１２およびピストン１３を備えている。シリンダヘッド１２には、吸気ポート１２１、排気ポート１２２が形成されていると共に、吸気ポート１２１には吸気ポート１２１と燃焼室２０とを連通状態および遮断状態のいずれかの状態に切り替える吸気バルブ１２３が配置され、排気ポート１２２には排気ポート１２２と燃焼室２０との連通状態および遮断状態のいずれかの状態に切り替える吸気バルブ１２４が配置されている。
【００３７】
シリンダヘッド１２の周縁部であって吸気ポート１２１の近傍に燃料噴射弁１４が配置されている。燃料噴射弁１４は、いわゆる高圧タイプの噴射弁であり図示しない高圧燃料ポンプによって約８〜１３ＭＰａ程度まで昇圧された燃料を燃焼室２０に噴射する。
【００３８】
シリンダヘッド１２には、中央部に第１の点火プラグ３０、周縁部の燃料噴射弁１４の近傍に第２の点火プラグ３１が配置されている。各点火プラグ３０、３１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０によって点火時期が制御される。
【００３９】
ピストン１３の上面には、成層燃焼時に燃料噴射弁１４から噴射された燃料を受けて混合気を形成するための窪み（キャビティ）１３１が形成されている。成層燃焼時には、一般的に、圧縮行程の後半に燃料噴射弁１４から燃料が供給されるので、点火時期に間に合うように供給された燃料の混合気化（拡散）を促進する必要があると共に、点火プラグの周りに可燃混合気を集中させる必要がある。そこで、ピストン１３の上面にキャビティ１３１を形成し、小燃焼室としての機能を持たせることによって、成層燃焼時におけるこれらの要求を満足させる。
【００４０】
図２に示すように、キャビティ１３１はピストン１３の上面の内、燃料噴射弁１４側にオフセットして形成されていると共に、第１の点火プラグ３０から第２の点火プラグ３１に向かって広がる略扇形形状を有している。なお、図２中のキャビティ１３１は、点火プラグ３０，３１との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示すために破線で示している。また、キャビティ１３１は、図１に示すように、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成されたシリンダヘッド１２（燃焼室２０）の周縁部からシリンダヘッド１２（燃焼室２０）の中央部へ向かう混合気流をシリンダヘッド１２の内壁に沿ってシリンダヘッド１２の中央部から燃料噴射弁１４が配置されているシリンダヘッド１２の周縁部へと導くための反り返った壁部１３２を有している。
【００４１】
この結果、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気流は、先ず第１の点火プラグ３０の周囲に集められ、続いて第２の点火プラグ３１の周辺へと順次拡散していく。すなわち、燃料噴射弁１４から燃料が噴射されると第１の点火プラグ３０の周りに混合気濃度の濃い領域が形成され、第２の点火プラグ３１の周りには混合気濃度の薄い領域が形成される。
【００４２】
第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０は、図３に示すＥＣＵ４０によって制御されている。ＥＣＵ４０には、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ４１、車両速度を検出する車速センサ４２、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ４３といった内燃機関１０の運転状態を検出する各種センサが接続されている。ＥＣＵ４０には、燃料噴射弁１４、イグナイタ４４を介して点火プラグ３０、３１が接続されている。
【００４３】
第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０における点火時期制御について図４を参照して説明する。本処理ルーチンは所定のタイミングにて繰り返し実行される。ＥＣＵ４０はアクセルポジションセンサ４１、クランクポジションセンサ４３からの入力信号に基づいて内燃機関１０の運転状態が成層燃焼領域にあるか否かを判定する（ステップＳ１００）。ＥＣＵ４０は内燃機関１０の運転状態が成層燃焼領域にあると判定した場合には（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）、機関回転数と要求負荷とに基づいて第１および第２点火プラグ３０，３１の点火時期をマップに従い決定する（ステップＳ１１０）。
【００４４】
より具体的には、要求負荷が低い場合には、燃料噴射弁１４から噴射される燃料量も少なく混合気はシリンダヘッド１２の中央部に集中し易く、可燃混合気は第１点火プラグ３０の近傍に形成される。したがって、ＥＣＵ４０は、第１点火プラグ３０を先ず点火（スパーク）させて、続いて第２点火プラグ３１を点火（スパーク）させる。この結果、第１点火プラグ３０によってシリンダヘッド１２の中央部に形成された可燃混合気が燃焼し、仮に第１点火プラグ３０によって可燃混合気が燃焼し得なかった場合であっても、可燃混合気はシリンダヘッド１２の周縁部に移動した際に第２点火プラグ３１によって燃焼させられる。したがって、低負荷時において安定した混合気燃焼を実現することができる。
【００４５】
一方、要求負荷が高い場合には、燃料噴射弁１４から噴射される燃料量は多くシリンダヘッド１２の中央部に集中した混合気の濃度は過度に濃い状態となり、第１点火プラグ３０によって点火した場合には燃焼効率が低下する（燃料消費が多くなる）。したがって、ＥＣＵ４０は、第２点火プラグ３１を先ず点火（スパーク）させて、続いて第１点火プラグ３０を点火（スパーク）させる。この結果、第２点火プラグ３１によって、シリンダヘッド１２の中央部から周縁部へと拡散して適度な濃度を有する混合気を燃焼させることができる。また、第１点火プラグ３０によって、シリンダヘッド１２の中央部に残り拡散された混合気を燃焼させられる。したがって、高負荷時において燃焼効率を向上させることができると共に、従来、困難であった高負荷時における成層燃焼領域を拡大することができる。これに対して、シリンダヘッド１２の中央部にのみ点火プラグを備える場合に、混合気の拡散を待って点火を実行すると、点火時期には点火プラグの周りに混合気がなく、混合気の燃焼を実現することができなかった。
【００４６】
ＥＣＵ４０は内燃機関１０の運転状態が成層燃焼領域にないと判定した場合には（ステップＳ１００：Ｎｏ）、第１の点火プラグ３０のみ、あるいは、第１および第２点火プラグ３０，３１を同時に、所定のタイミングにて点火させて（ステップＳ１２０）、本処理ルーチンを終了する。均質燃焼時は、吸気行程において燃料噴射弁１４から燃料が噴射されており、点火時期には燃焼室２０内に可燃混合気が均一に拡散しているので第１および第２点火プラグ３０，３１の点火時期をずらすことなく混合気の安定した燃焼を実現することができる。
【００４７】
第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０によれば、上記効果の他に、次のような効果を得ることができる。かかる効果について図５および図６を参照して説明する。図５は燃料噴射弁１４からキャビティ１３１に対して燃料が噴射された際に形成される混合気の状態を示す説明図である。図６はピストン１３が圧縮行程の上死点に位置する際の混合気の状態を示す説明図である。
【００４８】
成層燃焼時、燃焼室２０（キャビティ１３１）に噴射された燃料は、燃料自身の貫徹力によって壁部１３２に沿って第１の点火プラグ３０近傍へと移動し混合気を形成する（主流混合気）。このとき、キャビティ１３１の底部１３３に衝突した燃料の一部は、主流とは反対向きにシリンダヘッド１２の周縁部へと移動して混合気を形成する（副流混合気）。燃料噴射弁１４から噴射される燃料量が多い場合には、主流混合気および副流混合気は連続した混合気として存在し得るが、燃料量が少ない場合には主流混合気と副流混合気とが分離されることがある。点火プラグをシリンダヘッド１２の中央部にのみ備える場合、このように混合気が２つに分離した場合であっても、燃焼ガスが膨張し両混合気間の空間を押しつぶすことにより主流混合気の火炎が副流混合気に到達し副流混合気を燃焼させることができる。しかしながら、燃料量が少なくなるにつれて、両混合気間の空間距離は広がり、主流混合気の火炎が副混合気に到達し難くなってくる。かかる場合には、副流混合気は燃焼されることなく未燃ガスとして排出される。
【００４９】
この問題を 解決するためには、混合気の分離を防止すればよいが、混合気の分離は噴射された燃料が有する貫徹力に起因するものであり、貫徹力を弱めれば適当な主流混合気を形成することができなくなってしまう。
【００５０】
これに対して、第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０は、副流混合気が形成されるシリンダヘッド１２（燃焼室２０）の周縁部に第２の点火プラグ３１を備えているので、たとえ、混合気が主流混合気と副流混合気とに分離されたとしても、第１の点火プラグ３０によって主流混合気を燃焼させ、第２の点火プラグ３１によって副流混合気を燃焼させることができる。この結果、燃焼効率を向上させることができると共に、排出ガス中に含まれる未燃ガス成分を低減することができる。
【００５１】
・第２の実施例：
図７〜図１０を参照して第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。図７は第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、低回転時の混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図８は第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、高回転時の混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図９は第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。図１０は第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【００５２】
第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１００は、第１および第２の点火プラグ３３，３４の配置を除いて第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０と同様の構成要素を有するので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５３】
第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１００は、図７〜図９に示すように、第１および第２点火プラグ３３，３４を、キャビティ１３１の壁部１３２に沿うようにしてシリンダヘッド１２の略中央部に備える。第１の点火プラグ３３は、シリンダヘッド１２からの突出長さが、例えば、通常の点火プラグと同一の長さだけ突出するように配置されている。第２の点火プラグ３４は、シリンダヘッド１２からの突出長さが第１の点火プラグ３３の突出長さより長くなるよう配置されている。なお、突出長さとは、燃焼室２０に露出している点火プラグの長さ、例えば、シリンダヘッド１２の内壁面から点火プラグの接地電極までの長さを意味する。なお、図９中のキャビティ１３１は、点火プラグ３３，３４との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。
【００５４】
第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１００における点火時期制御について図１０を参照して説明する。本処理ルーチンは所定のタイミングにて繰り返し実行される。ＥＣＵ４０はアクセルポジションセンサ４１、クランクポジションセンサ４３からの入力信号に基づいて内燃機関１００の運転状態が成層燃焼領域にあるか否かを判定する（ステップＳ２００）。ＥＣＵ４０は内燃機関１００の運転状態が成層燃焼領域にあると判定した場合には（ステップＳ２００：Ｙｅｓ）、機関回転数に基づいて第１および第２の点火プラグ３３，３４の点火時期をマップに従い決定する（ステップＳ２１０）。
【００５５】
より具体的には、機関回転数が低い場合には、燃料噴射弁１４から噴射された燃料によって形成された混合気流の移動速度よりも、ピストン速度が遅いので、点火時期には、可燃混合気はシリンダヘッド１２の壁面中央部の近傍に存在する。したがって、ＥＣＵ４０は、第１の点火プラグ３３を点火（スパーク）させる。この結果、第１の点火プラグ３３によってシリンダヘッド１２の壁面中央部の近傍に形成された可燃混合気を着火、燃焼させることができる。
【００５６】
一方、機関回転数が高い場合には、燃料噴射弁１４から噴射された燃料によって形成された混合気流の移動速度よりも、ピストン速度が速いので、点火時期には、可燃混合気はピストン１３のキャビティ１３１内に存在する。したがって、ＥＣＵ４０は、第２の点火プラグ３４を点火（スパーク）させる。この結果、第２点火プラグ３４によって、キャビティ１３１の底部１３３近傍に形成された可燃混合気を着火、燃焼させることができる。
【００５７】
機関回転数が更に高くなった場合には、燃焼室２０内における可燃混合気のふらつきが大きくなり、上記２つの態様に分けることが困難になるため、ＥＣＵ４０は、第１および第の２点火プラグ３３、３４を点火（スパーク）させる。この結果、可燃混合気が燃焼室２０内においてふらついたとしても第１および第２の点火プラグ３３，３４のいずれか一方にて燃焼室２０内の可燃混合気を着火、燃焼させることができる。
【００５８】
一方、従来のシリンダヘッド１２からの突出長さの短い点火プラグを備える場合には、ピストン速度が高速になるにつれて、キャビティ１３１の底部１３３近傍に形成される可燃混合気を着火させることが困難となり、失火等を招く場合があり、安定した混合気の燃焼を実現することができなかった。これに対して第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１００は、機関回転数が高い場合にも成層燃焼を可能にし、成層燃焼領域を拡大することができる。
【００５９】
ＥＣＵ４０は内燃機関１００の運転状態が成層燃焼領域にないと判定した場合には（ステップＳ２００：Ｎｏ）、第１の点火プラグ３３のみを点火させて（ステップＳ２２０）、本処理ルーチンを終了する。均質燃焼時は、吸気行程において燃料噴射弁１４から燃料が噴射されており、点火時期には燃焼室２０内に可燃混合気が均一に拡散しているので第１の点火プラグ３３のみによっても混合気の安定した燃焼を実現することができるからである。
【００６０】
・第３の実施例：
図１１〜図１４を参照して第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。図１１は第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図１２は第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。図１３は低負荷時における混合気の拡散の状態を従来型のキャビティと第３の実施例におけるキャビティとで比較して示す説明図である。図１４は高負荷時における混合気の拡散の状態を従来型のキャビティと第３の実施例におけるキャビティとで比較して示す説明図である。
【００６１】
第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関２００は、第１および第２の点火プラグ３５，３６の配置およびキャビティ２１０の形状を除いて第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０と同様の構成要素を有するので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６２】
第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関２００は、図１１および図１２に示すように、第１および第２点火プラグ３５，３６を、キャビティ２１０の壁部２１１に沿うようにしてシリンダヘッド１２の略中央部に備える。第１の点火プラグ３５および第２の点火プラグ３６のシリンダヘッド１２からの突出長さは同一である。なお、両点火プラグ３５、３６の離間距離は長い方が好ましい。なお、図１２中のキャビティ２１０は、点火プラグ３５，３６との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。
【００６３】
図１３および図１４では、上段に従来型のキャビティ６００を示し下段に第３の実施例に従うキャビティ２１０を示している。なお、図１３および図１４中のキャビティ２１０、６００は、点火プラグ３５，３６との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。従来型のキャビティ６００は、図１３および図１４から理解されるように、ピストン６０１の中心部から周縁部に向かって、燃料噴射弁１４の先端までの距離（燃料噴射弁１４の先端を中心とする円弧の曲率半径）が徐々に短くなる壁部６０２を有している。すなわち、従来型のキャビティ６００は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を、点火プラグが配置されているピストン６０１の中心部に集中させるために適した集中型形状を有していた。
【００６４】
これに対して、第３の実施例に従うキャビティ２１０は、ピストン１３の中心部から周縁部に向かって、燃料噴射弁１４の先端までの距離（燃料噴射弁１４の先端を中心とする円弧の曲率半径）がほぼ同一である壁部２１１を有している。このキャビティ２１０によれば、燃料噴射弁１４から噴射された燃料（混合気）は、ピストン１３の中心部から周縁部に向かって壁部２１１に沿って広く拡散する。したがって、キャビティ２１０は拡散型形状を有している。なお、第３の実施例では、第１および第２の点火プラグ３５、３６の点火時期は同一時期である。
【００６５】
従来型のキャビティ６００は、１個の点火プラグによって混合気を着火、燃焼させることを念頭においた形状を有しているため、キャビティ６００内の混合気はピストン６０１の中心部（燃焼室の中心部）に集中して存在している。かかる形状のキャビティ６００に対して、複数の点火プラグを適用すると、点火プラグの近傍には混合気が存在しない場合がある。特に、燃料噴射量が少ない低負荷時には、図１３に示すように、点火プラグ３５，３６の電極周りに十分な混合気が存在せず、混合気への安定した着火、燃焼を実現することができない。図１４に示す高負荷時においても、混合気のばらつきを考慮すれば点火プラグ３５，３６の電極周りに十分な混合気が存在しているとは言えない。
【００６６】
これに対して、第３の実施例に従うキャビティ２１０は、図１３および図１４に示すように、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気がピストン１３の中心部から周縁部へ向かって拡散する拡散型形状を有しているので、壁部２１１に沿って配置されている点火プラグ３５，３６の電極周りに十分な可燃混合気を提供することができる。すなわち、キャビティ２１０における可燃領域を拡大することができる。また、高負荷時においては、従来型のキャビティ６００では点火プラグ周りの混合気濃度が過度に濃くなり燃焼効率が悪くなり、また未燃ガスが発生するため成層燃焼を実行することができないという問題があった。これに対して、第３の実施例に従うキャビティ２１０によれば、混合気は十分に拡散され、適当な濃度となるため、燃焼効率を高いレベルで維持することができると共に、未燃ガスの発生を低減することができるので、高負荷時における成層燃焼領域を拡大することができる。
【００６７】
・第４の実施例：
図１５〜図１８を参照して第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関について説明する。図１５は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。図１６は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。図１７は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、低負荷時における混合気の拡散の状態を示す説明図である。図１８は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、高負荷時における混合気の拡散の状態を示す説明図である。
【００６８】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００は、第１および第２の点火プラグ３７，３８の配置およびキャビティ３１０の形状を除いて第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０と同様の構成要素を有するので、同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。なお、図１６〜図１８中のキャビティ３１０は、点火プラグ３７，３８との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。
【００６９】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００は、図１６に示すように、第１および第２点火プラグ３７，３８を、燃料噴射弁１４からの燃料の噴射方向にほぼ直交するように、すなわち、キャビティ３１０の壁部３１１にほぼ沿うようにしてシリンダヘッド１２の略中央部に備える。第１の点火プラグ３７および第２の点火プラグ３８のシリンダヘッド１２からの突出長さは同一であり、また、両点火プラグ３７、３８の離間距離は長い方が好ましい。
【００７０】
第４の実施例に従うキャビティ３１０は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気をピストン１３の第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへと拡散（移動）させる（燃料噴射弁１４に対して偏芯した）壁部３１１を有している。すなわち、キャビティ３１０は、ピストン１３の第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂに向かって、燃料噴射弁１４の先端までの距離（燃料噴射弁１４の先端を中心とする円弧の曲率半径）が徐々に長くなる壁部３１１を有している。かかる壁部３１１を備えることにより、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気は、燃料噴射弁１４からの距離が短い第１の周縁部１３ａに滞留し始める。キャビティ３１０上の空間体積は第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂにむかって増加するため、燃料噴射弁１４から噴射された燃料により形成された混合気は、空間体積の大きな第２の周縁部１３ｂへ向かって拡散していく。なお、第１の点火プラグ３７は第１の周縁部１３ａ寄りに配置され、第２の点火プラグ３８は第２の周縁部１３ｂ寄りに配置されている。
【００７１】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００では、燃料噴射弁１４の燃料噴射角（噴霧角）が小さく（狭く）設定されている。燃料噴射角を狭く設定することにより、第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへの混合気の拡散をより明瞭にすることができるからである。
【００７２】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００における点火時期制御について図１９を参照して説明する。図１９は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。本処理ルーチンは所定のタイミングにて繰り返し実行される。ＥＣＵ４０はアクセルポジションセンサ４１、クランクポジションセンサ４３からの入力信号に基づいて内燃機関３００の運転状態が成層燃焼領域にあるか否かを判定する（ステップＳ３００）。ＥＣＵ４０は内燃機関３００の運転状態が成層燃焼領域にあると判定した場合には（ステップＳ３００：Ｙｅｓ）、要求負荷に基づいて第１および第２の点火プラグ３７，３８のいずれの点火プラグを点火（スパーク）させるかをマップに従い決定する（ステップＳ３１０）。
【００７３】
より具体的には、要求負荷が低い場合には、燃料噴射弁１４から噴射される燃料量も少なく混合気は第１の周縁部１３ａ寄りのキャビティ３１０に集中し易く、可燃混合気は第１点火プラグ３７の近傍に形成される。したがって、ＥＣＵ４０は、第１点火プラグ３７を点火時期マップに従って点火（スパーク）させる（Ｓ３２０）。この結果、第１点火プラグ３７によって第１の周縁部１３ａ寄りのキャビティ３１０に形成された可燃混合気が燃焼させられる。したがって、低負荷時において安定した混合気燃焼を実現することができる。
【００７４】
一方、要求負荷が高い場合には、燃料噴射弁１４から噴射される燃料量は多く第１の周縁部１３ａ寄りのキャビティ３１０に集中した混合気の濃度は過度に濃い状態となり、第１点火プラグ３０によって点火した場合には燃焼効率の低下（燃料消費の増加）、未燃ガスの増加をもたらす。したがって、ＥＣＵ４０は、第２点火プラグ３８を点火時期マップに従って点火（スパーク）させる（Ｓ３３０）。この結果、第２点火プラグ３８によって、第２の周縁部１３ｂへと拡散して適度な濃度を有する混合気を燃焼させることができる。したがって、高負荷時において燃焼効率を向上させることができると共に、従来、困難であった高負荷時における成層燃焼領域を拡大することができる。
【００７５】
ＥＣＵ４０は内燃機関３００の運転状態が成層燃焼領域にないと判定した場合には（ステップＳ３００：Ｎｏ）、第１および第２点火プラグ３７，３８のいずれか、あるいは双方を同時に、所定のタイミングにて点火させて（ステップＳ３２０）、本処理ルーチンを終了する。均質燃焼時は、吸気行程において燃料噴射弁１４から燃料が噴射されており、点火時期には燃焼室２０内に可燃混合気が均一に拡散しているので第１および第２点火プラグ３７，３８の点火時期をずらすことなく混合気の安定した燃焼を実現することができる。
【００７６】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００によれば、従来はバルブ駆動等によってスワールを発生させることより実現されていた混合気の拡散制御を、キャビティ３１０の形状および点火プラグ３７，３８のレイアウトによって実現することができる。すなわち、混合気の拡散制御に当たって、バルブの開閉制御を削除することができる。なお、第１および第２のプラグ３７，３８の離間距離が長くなるにつれて、高負荷時における混合気の十分な拡散をもたらすことができる。
【００７７】
なお、上記説明では、第１および第２点火プラグ３７、３８のいずれか一方のみを点火制御しているが、第１の実施例における点火制御と同様にして、低負荷時には第１の点火プラグ３７、第２の点火プラグ３８の順に点火を実行し、高負荷時には第２の点火プラグ３８、第１の点火プラグ３７の順に点火を実行しても良い。かかる場合には、低負荷時における失火を防止して混合気燃焼を安定させることができると共に、高負荷時における燃焼効率の低下を防止することができる。
【００７８】
第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の態様について図２０〜図２２を参照して説明する。図２０は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第１の態様を説明する説明図である。図２１は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第２の態様を説明する説明図である。図２２は第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第３の態様を説明する説明図である。なお、図２０〜図２２中のキャビティ３１０は、点火プラグ３７，３８との位置関係を説明するために示したものであり、ピストン１３の下面から透視した状態を示す。
【００７９】
図２０を参照して第１の態様について説明する。第１の態様は、燃料噴射弁１４の噴射方向を第１の周縁部１３ａへオフセットしたことを特徴とする。燃料噴射弁１４の燃料噴射方向を第１の周縁部１３ａへオフセットさせることにより、第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへの混合気の移動、拡散を更に促進することができる。
【００８０】
図２１を参照して第２の態様について説明する。第２の態様は、第１の態様の特徴に加え、バルブ駆動によりスワール流を生成し、第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへの混合気の移動、拡散を更に促進させることを特徴とする。燃料噴射量が多い場合に、混合気を迅速に拡散させることができる。
【００８１】
図２２を参照して第３の態様について説明する。第３の態様は、燃料噴射弁１４の燃料噴射角を大きく（広く）設定し、キャビティ３１０の壁部３１１に第１の周縁部１３ａから第２の周縁部１３ｂへの混合気の移動を妨げる突出部３１２を設けたことを特徴とする。この結果、キャビティ３１０の第１の周縁部１３ａ側には混合気が集中する集中型燃焼室が形成され、キャビティ３１０の第２の周縁部１３ｂ側には混合気が拡散する拡散型燃焼室が形成される。したがって、燃料量の少ない低負荷時には、第１の点火プラグ３７を用いて集中型燃焼室に存在する混合気に点火し、燃料量の多い高負荷時には、第２の点火プラグ３８を用いて拡散型燃焼室に存在する混合気に点火することにより、高負荷側における成層燃焼領域を拡大することができる。
【００８２】
・第５の実施例：
図２３〜図２６を参照して第５の実施例に係る、筒内噴射式内燃機関に用いられる点火プラグについて説明する。図２３は第５の実施例に係る点火プラグの平面図である。図２４は第５の実施例に係る点火プラグの正面図である。図２５は第５の実施例に係る点火プラグの底面図である。図２６は第５の実施例に係る点火プラグを用いた場合と通常の点火プラグを用いた場合における吸気量を比較する説明図である。
【００８３】
第５の実施例に係る点火プラグ３９は、第１から第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関１０、１００、２００、３００に対して適用することができるので、点火プラグ３９を適用可能な筒内噴射式内燃機関の構成についてはその説明を省略する。
【００８４】
第１から第４の実施例において説明したように、筒内噴射式内燃機関における成層燃焼領域の拡大、燃焼安定性等を図るためには、複数の点火プラグを用いることが効果的である。その一方で、点火プラグ３９を複数個用いることにより、燃焼室内に突出する点火プラグの電極数が増加するため、吸気時に吸気（吸入空気）流が乱され、吸気流速の低下、燃焼室内におけるタンブル流（垂直方向の流れ）の弱化が発生する。この結果、噴射された燃料と吸気との混合性が低下し、燃焼効率の低下、燃料消費の増大を招くことがある。その一方で、必要な碍子強度を確保するためには点火プラグの細径化にも限界がある。
【００８５】
本実施例では、点火プラグ３９の碍子３９１の形状を流線形とし、シリンダヘッド１２に装着される際には、流線形形状が吸気流れに沿うように装着される。すなわち、長径方向は従来の同等の径寸法を維持し、短径方向は従来よりも径寸法を小さくすることで、碍子強度と、吸気流の円滑な流れとを両立させた。従来の点火プラグは、外周にねじ部が形成されたハウジングを碍子下部に装着し、ハウジングのねじ部を介してシリンダヘッド１２に装着されていた。これに対して、本実施例に係る点火プラグ３９は、流線形の碍子３９１を燃焼室内に露出させる必要があるため、ねじを利用した回転装着を行うことができない。そこで、内部に六角部３９２を有する締めねじ部３９３を点火プラグ３９の上部に設け、かかる締めねじ部３９２を介して点火プラグ３９がシリンダヘッド１２に装着される。なお、シリンダヘッド１２側に点火プラグ３９の下部の流線形形状に合わせたプラグ装着口を形成することにより、点火プラグ３９の長径方向と吸気流の流動方向とを一致させることができる。
【００８６】
本実施例に係る点火プラグ３９によってもたらされる効果について図２６を参照して説明する。図２６はバルブリフト量に対する吸入空気量の関係を示すグラフであり、実線は本実施例に係る点火プラグ３９、破線は従来の円形形状の碍子を備える点火プラグのバルブリフト量に対する吸入空気量の関係を示す。図２６から理解されるように、本実施例に係る点火プラグ３９によれば、特に、バルブリフト量が大きくなり、吸気量が多くなる領域にて、より多くの吸入空気を得ることができる。すなわち、点火プラグの突出に起因する吸入抵抗が低減されるため、燃焼室内により多くの吸入空気を導入することが可能となり、出力を向上させることができる。
【００８７】
さらに、成層燃焼時に、可燃混合気を点火プラグの周りに存在させる必要のある筒内噴射式内燃機関では、吸入空気の流れを安定させて、点火プラグの周りに確実に可燃混合気を導くことが要求される。本実施例に係る点火プラグ３９によれば、燃焼室内（シリンダ内）における吸入空気の流動方向が安定するので、燃焼室内におけるタンブル流が強化され、燃料と吸入空気との混合が促進され、燃焼効率および燃費の向上を図ることができる。
【００８８】
以上、いくつか実施例に基づき本発明に係る筒内噴射式内燃機関および点火プラグを説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【００８９】
第１〜第４の実施例では、点火プラグを２本用いた例を用いて説明したが、必要に応じて３，４，５本といったように複数本用いても良い。また、複数の電極を有する点火プラグを用いても良い。かかる場合には、各電極間の距離を離間させることにより、点火プラグを複数個用いた場合と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図２】第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。
【図３】第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における制御系の概略を示すブロック図である。
【図４】第１の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【図５】燃料噴射弁１４からキャビティ１３１に対して燃料が噴射された際に形成される混合気の状態を示す説明図である。
【図６】ピストン１３が圧縮行程の上死点に位置する際の混合気の状態を示す説明図である。
【図７】第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、低回転時の混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図８】第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、高回転時の混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図９】第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における混合気流と点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。
【図１０】第２の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【図１１】第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図１２】第３の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。
【図１３】低負荷時における混合気の拡散の状態を従来型のキャビティと第３の実施例におけるキャビティとで比較して示す説明図である。
【図１４】高負荷時における混合気の拡散の状態を従来型のキャビティと第３の実施例におけるキャビティとで比較して示す説明図である。
【図１５】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッド周りの概略縦断面図である。
【図１６】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、点火プラグの位置関係を示すシリンダヘッドを燃焼室側から見た説明図である。
【図１７】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、低負荷時における混合気の拡散の状態を示す説明図である。
【図１８】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における、高負荷時における混合気の拡散の状態を示す説明図である。
【図１９】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関における第１の点火プラグと第２の点火プラグの点火時期を制御する処理ルーチンのフローチャートである。
【図２０】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第１の態様を説明する説明図である。
【図２１】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第２の態様を説明する説明図である。
【図２２】第４の実施例に係る筒内噴射式内燃機関３００の他の第３の態様を説明する説明図である。
【図２３】第５の実施例に係る点火プラグの平面図である。
【図２４】第５の実施例に係る点火プラグの正面図である。
【図２５】第５の実施例に係る点火プラグの底面図である。
【図２６】第５の実施例に係る点火プラグを用いた場合と通常の点火プラグを用いた場合における吸気量を比較する説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、２００、３００…筒内噴射式内燃機関
１１…シリンダブロック
１２…シリンダヘッド
１２１…吸気ポート
１２２…排気ポート
１２３…吸気バルブ
１２４…排気バルブ
１３…ピストン
１３１、２１０、３１０…キャビティ
１３２、２１１、３１１…壁部
１３３…底部
１３ａ…第１の周縁部
１３ｂ…第２の周縁部
１４…燃料噴射弁
２０…燃焼室
３０、３３、３５、３７…第１の点火プラグ
３１、３４、３６、３８…第２の点火プラグ
３９…点火プラグ
４０…エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
４１…アクセルポジションセンサ
４２…車速センサ
４３…クランクポジションセンサ
Claims (1)
- シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンによって区画形成される燃焼室の中心部に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関であって、
成層燃焼時には燃焼室に混合気の濃度の濃淡領域を形成させる燃料噴射装置と、
燃料の噴射により形成された混合気を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと拡散させる壁部を有し、前記ピストンの上面に形成された窪みと、
前記壁部に沿って、シリンダヘッドに配置された複数の点火装置と、
内燃機関に要求される負荷を検出する負荷検出手段と、
成層燃焼時であって、前記負荷検出手段により検出された負荷が低い場合には、前記複数の点火装置を前記ピストンの第１の周縁部から第２の周縁部へと順次点火させ、前記負荷検出手段により検出された負荷が高い場合には、前記複数の点火装置を前記ピストンの第２の周縁部から第１の周縁部へと順次点火させる点火制御手段とを備える筒内噴射式内燃機関。
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