JP4032450B2 - 筒内直接噴射式火花点火エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて吸気系の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火プラグの近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に直接燃料を噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンとして、例えば特開平２−１１５５２０号公報に開示されたものは、吸気ポートの途中に吸気流速を高めるコントロールバルブを備え、コントロールバルブの開度を調節してシリンダ内に吸気旋回流を生起するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、シリンダ内に生起される吸気旋回流は、シリンダ中心線を中心に旋回するスワールの成分と、シリンダ中心線と直交する軸を中心に旋回するタンブルの成分を有し、タンブルの成分が大きいため、燃料を点火プラグの近傍に集めることが難しい。このため、安定した成層燃焼性が確保される運転条件が狭まるという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域を拡大することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、一つのシリンダに吸気を導入する２本の吸気ポートと、各吸気ポートをエンジン回転に同期して開閉する２本の吸気バルブと、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気ポートと、ピストンの冠部に燃料噴霧を受けるように窪むキャビティと、を備えた筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、前記２本の吸気ポートのうち一方に接続してシリンダに吸気を導く副通路を備え、副通路の中心線が前記エンジンの平面図上においてキャビティの外側かつ吸気ポートの中心線よりシリンダの径方向外側に位置し、かつ水平線に対する副通路の傾斜角度を吸気ポートの傾斜角度より小さく形成し、運転条件に応じて副通路に分流する吸気量を調節する流量調節手段として円盤状をしたコントロールバルブを吸気通路の副通路に対する下流側の接続部より上流側に回動可能に介装し、コントロールバルブの回転軸を前記エンジンの平面上において副通路を備える吸気ポート側に偏らせて略垂直方向に配置し、前記コントロールバルブが中間開度にある状態で吸気を副通路が接続していない一方の吸気ポートに導くように傾斜する構成とした。
【０００９】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、前記副通路をシリンダ外周部に近接する部位の断面積がシリンダ中央部に近接する部位の断面積より大きくなるように形成するものとした。
【００１１】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２のいずれか一つに記載の発明において、前記流量調節手段として吸気通路の副通路に対する接続部より上流側を開閉するコントロールバルブを備え、インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域にてコントロールバルブを開弁させ、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域にてコントロールバルブを閉弁させる構成とした。
【００１２】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項３に記載の発明において、前記成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域では中間開度、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定した。
【００１３】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項４に記載の発明において、前記成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域ではエンジン回転数の上昇に伴って漸次増大するように、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定とした。
【００１４】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、流量調節手段を介して吸気の大部分が副通路を通って一方の吸気ポートからシリンダ内に流入すると、吸気流速を高められ、シリンダ内に吸気旋回流が生起される。
【００１５】
水平線に対する副通路の傾斜角度を吸気ポートの傾斜角度より小さく形成することにより、シリンダ内に生起される吸気旋回流はスワールの成分がタンブルの成分より高められ、シリンダ内に吸気が略水平に旋回するスワールが生起される。
【００１６】
こうしてシリンダ内に生起される吸気旋回流のスワール成分が高められることにより、圧縮行程でインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料が吸気流によってキャビティ上から吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００１７】
この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００１８】
また、吸気が略水平に旋回するスワールが生起されることにより、インジェクタからシリンダ内に噴射された燃料噴霧が吸気流によって点火プラグの点火部へと直接的に運ばれて付着することを抑制し、失火を起こすことを防止できる。
【００１９】
一方、流量調節手段を介して吸気の大部分が副通路を通らずに吸気ポートからシリンダ内に流入する運転状態では、この吸気流が吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進むタンブルを生起する。これにより、吸気行程で噴射される燃料噴霧は、シリンダ内に生起されるタンブルのガス流動により均質混合気をつくる。また、吸気通路の断面積が副通路によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められ、出力性能の向上がはかれる。
【００２０】
また、副通路の通路中心線がキャビティの外側を通る構造のため、副通路を通過した吸気流は、吸気ポートから吸気バルブとバルブシートの間を通ってシリンダ内に流入し、キャビティのまわりをシリンダに沿って旋回するスワールを生起する。
【００２１】
こうして吸気がキャビティのまわりを旋回するスワールが生起されることにより、圧縮行程でインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料がキャビティ上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００２２】
この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２３】
さらに、副通路の通路中心線がシリンダの外周部を通る構造のため、副通路を通過した吸気流は、吸気ポートから吸気バルブとバルブシートの間を通ってシリンダの外周部に向かう速度成分が高められ、シリンダに沿って旋回するスワールが強化される。
【００２４】
こうしてシリンダ内に生起される吸気旋回流は水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、圧縮行程でインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料がキャビティ上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００２５】
この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。さらに、コントロールバルブが中間開度にある状態で吸気を副通路が接続していない一方の吸気ポートに導くように傾斜するため、一部の吸気が副通路を通って一方の吸気ポートからシリンダに流入し、一部の吸気が傾斜するコントロールバルブを介して副通路が接続していない他方の吸気ポートに導かれる。これにより、シリンダに生起される吸気旋回流のスワール成分を小さくするとともに、タンブル成分を大きくして、濃混合気を点火プラグの近傍へと有効に集められ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００２６】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、副通路はシリンダ外周部に近接する部位の断面積がシリンダ中央部に近接する部位の断面積より大きくなる構造のため、副通路を通過した吸気流は、吸気ポートから吸気バルブとバルブシートの間を通ってシリンダの外周部に向かう速度成分が高められ、シリンダに沿って旋回するスワールが強化される。
【００２７】
こうしてシリンダ内に生起される吸気旋回流は水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、圧縮行程でインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料がキャビティ上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００２８】
この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００３０】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、圧縮行程でインジェクタから燃料が噴射される成層燃焼領域では、コントロールバルブが吸気ポート側を遮蔽するポジションに保持される。
【００３１】
これにより、吸気の大部分が副通路を通って吸気ポートからシリンダ内に流入し、シリンダ内に吸気が略水平に旋回するスワールが生起され、インジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料が吸気流によってキャビティ上から吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３２】
吸気行程でインジェクタから燃料が噴射される均質燃焼領域では、コントロールバルブが吸気ポートを遮蔽しないポジションに保持される。
【００３３】
これにより、吸気の大部分が副通路を通らずに各吸気ポートからシリンダ内に流入し、シリンダ内にタンブルが生起され、インジェクタから噴射された燃料と吸気の混合が促され、混合気の均質化がはかれるとともに、タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリッチ側限界値を拡大し、出力性能の向上がはかれる。
【００３４】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域では中間開度、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定したため、高速域でスワールの勢力が弱められ、吸気ポートからシリンダ内へと直進する吸気とともに燃料噴霧を短時間のうちに点火プラグの近傍に到達させ、混合気の成層化がはかれ、安定した成層燃焼が行われる。このため、成層燃焼性が確保される最高回転数を高められ、燃費の低減がはかれる。
【００３５】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域ではエンジン回転数の上昇に伴って漸次増大するように、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定することにより、加減速時にトルク段差が発生することを防止できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３７】
まず、本発明を説明するための参考例を図１、図２を参照して説明する。図１、図２に示すように、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２つの吸気ポート２１と図示しない２つの排気ポートが互いに対向するように開口している。
【００３８】
燃焼室天井壁２０は、各吸気ポート２１が開口する吸気ポート側傾斜面２５と、各排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面２６によって構成される。
【００３９】
燃焼室天井壁２０の中央部からシリンダ１４内に臨む点火プラグ４が設けられる。燃焼室天井壁２０には点火プラグ４を挟むようにして２本の吸気バルブと２本の排気バルブが互いに対向して設けられる。
【００４０】
燃焼室天井壁２０の側部からシリンダ１４内に臨むインジェクタ６が設けられる。インジェクタ６には図示しない燃料ポンプから吐出する燃料がプレッシャレギュレータを介して調圧された後に導かれる。インジェクタ６が開弁するのに伴ってその噴口からシリンダ１４内に燃料が噴射される。
【００４１】
インジェクタ６はその開弁時期（燃料噴射時期）と開弁期間（燃料噴射量）がコントロールユニットにより運転状態に応じて制御される。
【００４２】
コントロールユニットは、図示しない各センサによって検出された吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎとに基づいて基本噴射量Ｔｐを次式で算出する。
【００４３】
Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎ ‥‥（１）
ただし、Ｋ；定数
そして、所定の均質燃焼領域で空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収める一方、所定の成層燃焼領域で希薄混合気による成層燃焼を実現するための空燃比となるように最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式で算出して燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００４４】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ …（２）
ただし、αは空燃比フィードバック補正係数、ＣＯＥＦは冷却水温度補正係数、および成層燃焼のための補正係数等をパラメータとした各種補正係数の和、Ｔｓは無効噴射パルス幅である。
【００４５】
コントロールユニットは演算された燃料噴射量Ｔｉに対応するパルス信号をインジェクタ６の駆動回路（図示せず）に出力し、後述するようにインジェクタ６の燃料噴射制御を行う。
【００４６】
コントロールユニットはエンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼領域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に調節する。エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に調節する。
【００４７】
インジェクタ６が開弁するのに伴ってシリンダ１４内に噴射される燃料は、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１から吸入される空気と混合する。シリンダ１４内に形成された混合気はピストン１で圧縮された状態で点火プラグ４を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００４８】
インジェクタ６の開弁時期である燃料噴射時期は、予め設定されたマップに基づき、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼領域でピストン１が上昇する圧縮行程の後半に設定され、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域でピストン１が下降する吸気行程に設定されている。
【００４９】
インジェクタ６は各吸気バルブの傘部の側方で、かつ各傘部の間からシリンダ１４内に臨んでいる。インジェクタ６はその噴口の中心線がピストン１の冠部３０を指向するように水平線（シリンダ１４の中心線に対して直交する線）Ｌに対して所定角度だけ下向きに傾斜して取付けられる。これにより、インジェクタ６の噴口から噴射される燃料噴霧はピストン１の冠部３０に向けて放射状に拡散する。
【００５０】
ピストン１の冠部３０には球面状に窪むキャビティ３５が形成される。キャビティ３５はピストン冠部３０の中央部から吸気ポート側傾斜面２５の下方に配置される。
【００５１】
キャビティ３５には点火プラグ４に向けて傾斜する壁面としてスロープ３６が形成される。成層燃焼領域においてインジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、後述するようにスロープ３６に沿って上昇することにより、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集められる。
【００５２】
ピストン冠部３０にはペントルーフ状の燃焼室天井壁２０に沿って傾斜するように隆起した凸部３７が形成される。これにより、ピストン１が上死点に到達するとき、ピストン１と燃焼室天井壁２０の間に画成される燃焼室３の容積をキャビティ３５に集中させて、高い圧縮比が得られる。
【００５３】
各吸気ポート２１は、そのスロート部の通路中心線Ｏ2が水平線Ｌに対して所定角度θだけ下向きに傾斜するように形成され、各排気ポート側傾斜面２６に連接するシリンダ１４に対向している。これにより、各吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入する吸気を、排気ポート側傾斜面２６およびシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させるタンブルを生起する。
【００５４】
一方の吸気ポート２１の途中には１本の副通路３１が接続される。副通路３１は直線状に延び、吸気ポート２１のスロート部の内壁面下部に開口している。
【００５５】
副通路３１の出口は、その通路中心線Ｏ3が図１の正面図上において水平線Ｌと平行に延び、図２の平面図上においてキャビティ３５の外側を通るように配置される。すなわち、副通路３１の出口は、ピストン１が図１に示すように上死点の近傍にある状態で、ピストン冠部３０の上方においてキャビティ３５の外側を通って燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６に対向するように形成される。副通路３１の通路中心線Ｏ3は、開弁した吸気バルブの傘裏部とバルブシートの間隙を通って排気ポート側傾斜面２６に到達している。これにより、各副通路３１から吸気ポート２１を経てシリンダ１４内に流入する吸気を水平面に沿って旋回するスワールを生起する。
【００５６】
副通路３１の出口断面積は吸気ポート２１のスロート部断面積より所定の比率で小さく形成される。
【００５７】
運転条件に応じて副通路３１に分流する吸気量を調節する流量調節手段として、各吸気ポート２１の分岐部２２より上流側かつ副通路３１の入口より下流側の吸気通路５にはバタフライ式のコントロールバルブ４０が介装される。すなわち、副通路３１はコントロールバルブ４０を迂回する吸気を吸気ポート２１のスロート部に導くようになっている。コントロールバルブ４０が吸気ポート２１を遮蔽することにより、吸気の略全量が副通路３１を通ってシリンダ１４内に吸入され、シリンダ１４内にスワールを生起する。
【００５８】
円盤状をしたコントロールバルブ４０は、吸気ポート２１にシャフト４１を介して回転可能に収装される。シャフト４１は図示しないクランクシャフトと平行に延びている。シャフト４１は図示しないアクチュエータを介して回動する。
【００５９】
アクチュエータの作動を制御するコントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼領域にて、コントロールバルブ４０を吸気通路５に略直交するポジション（全閉位置）に駆動して、吸気の大部分を副通路３１を通してシリンダ１４内に流入させ、強いスワールを生起する。一方、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域に、コントロールバルブ４０を吸気通路５に平行となるポジション（全開位置）に駆動して、吸気の大部分を副通路３１を通さずに各吸気ポート２１を通してシリンダ１４内に流入させ、タンブルを生起する。
【００６０】
成層燃焼領域におけるコントロールバルブ４０の開度は、図３に示すように、エンジン回転数が所定値Ｎ1以下の低速域で最小開度（全閉）に設定され、エンジン回転数が所定値Ｎ1を超えかつ所定値Ｎ2以下の中速域でエンジン回転数が上昇するのに伴って漸次大きく設定され、エンジン回転数が所定値Ｎ2を超えて上昇する高速域で最大開度（全開）に設定される。これにより、成層燃焼領域において、低速域で強いスワールが生起され、中速域でスワールの勢力がエンジン回転数が上昇するのに伴って次第に小さくなり、高速域で強いタンブルが生起される。
【００６１】
吸気通路５の途中には副通路３１の入口より上流側にスロットルバルブ１９が介装される。バタフライ式のスロットルバルブ１９は図示しないアクチュエータを介して回動する。アクチュエータの作動を制御するコントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数に応じてスロットルバルブ１９の開度を制御して、エンジンの吸入空気量を調節する。
【００６２】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００６３】
成層燃焼領域の低回転域では、図１に示すように、コントロールバルブ４０が吸気通路５と直交する全閉位置に保持され、吸気の大部分が副通路３１を通って一方の吸気ポート２１からシリンダ１４に流入し、シリンダ５内に吸気旋回流を生起する。
【００６４】
副通路３１の出口断面積を吸気ポート２１のスロート部の断面積に対して所定の比率で小さく形成することにより、副通路３１を通過する吸気流の速度を高めて、吸気旋回流の勢力を高められる。
【００６５】
副通路３１の出口は、その通路中心線Ｏ3が水平方向に延び、開弁した吸気バルブの傘裏部とバルブシートの間隙を介してキャビティ３５の外側を通る構造のため、副通路３１を通過した吸気流は、吸気ポート２１から吸気バルブとバルブシートの間隙を通ってシリンダ１４内に流入して、シリンダ１４に沿って略水平に旋回するスワールを生起する。
【００６６】
こうしてシリンダ１４内に生起される吸気旋回流は水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、図１に示すように、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００６７】
この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００６８】
また、シリンダ１４内にスワールが生起されることにより、インジェクタ６からシリンダ１４内に噴射された燃料噴霧が吸気流に吹き飛ばされて点火プラグ４の点火部に直接的に付着することを回避し、失火を起こすことを防止できる。
【００６９】
成層燃焼領域におけるエンジンの高速域でコントロールバルブ４０が各吸気ポート２１を開通させる全開位置に保持される。これにより、吸気は２本の吸気ポート２１に略均等に分流してシリンダ５内に吸入される。エンジンの高速域では、吸入から点火までの時間が短くなるが、シリンダ５に流入する吸気が各吸気ポート２１から直進することにより、燃料噴霧を吸入から点火までの短時間のうちに点火プラグ４の近傍に到達させ、混合気の成層化がはかれる。
【００７０】
成層燃焼領域の中速域でコントロールバルブ２６の開度をエンジン回転数が上昇するのに伴って次第に大きくすることにより、加減速時にトルク段差が発生することを防止できる。また、濃混合気を点火プラグ４の近傍へと有効に集められ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００７１】
一方、エンジン負荷または回転数が上昇した均質燃焼領域では、コントロールバルブ４０が各吸気ポート２１を開通させる全開位置に保持される。これにより、吸気通路５の断面積が副通路３１によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められるとともに、シリンダ１４内に生起されるガス流動により均質混合気をつくり、出力性能の向上がはかれる。
【００７２】
このとき、各吸気バルブが開かれるのに伴って吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に流入する吸気を、燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６に連接するシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させるタンブルを生起する。
【００７３】
こうしてシリンダ１４内にタンブルが生起されることにより、吸気行程にインジェクタ６から燃焼室３に噴射される燃料噴霧は、シリンダ１４内でタンブルとともに旋回して空気との混合が促され、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室３に均質な混合気が形成される。均質燃焼領域では、燃焼室３に供給される混合気の空燃比がストイキまたはリッチ側に調節されるため、均質な混合気に対して着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、出力性能の向上がはかれる。
【００７４】
各吸気ポート２１はシリンダ１４の中心線に対して大きく傾斜して設けられる構造のため、インテークマニホールド１５の取付け位置が高くなることを抑えられ、エンジンの大型化が避けられる。
【００７５】
次に、図４に示す参考例について説明する。なお、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００７６】
図４の平面図上において、副通路３１はその中心線Ｏ3が吸気ポート２１の中心線よりシリンダ１４の径方向外側を通るように配置される。
【００７７】
この場合、副通路３１の出口は、その通路中心線Ｏ3が水平方向に延び、開弁した吸気バルブの傘裏部とバルブシートの間隙を介してシリンダ１４の外周部を通る構造のため、副通路３１を通過した吸気流は、吸気ポート２１から吸気バルブとバルブシートの間隙を通ってシリンダ１４の外周部に向かう速度成分が高められ、シリンダ１４に沿って略水平に旋回するスワールが強化される。
【００７８】
こうしてシリンダ１４内に生起される吸気旋回流は、水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００７９】
他の参考例として、図５に示すように、副通路３１の出口をシリンダ外周部に近接する部位の断面積がシリンダ中央部に近接する部位の断面積より大きくなるように形成してもよい。
【００８０】
この場合、副通路３１を通過した吸気流は、吸気ポート２１から吸気バルブとバルブシートの間隙を通ってシリンダ１４の外周部に向かう速度分布がさらに高まり、シリンダ１４に沿って略水平に旋回するスワールが強化される。
【００８１】
こうしてシリンダ１４内に生起される吸気旋回流は、水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００８２】
また、副通路３１の断面積に対する設定自由度が大きくなり、シリンダ１４に生起される吸気旋回流の強さに対する設定幅が拡大する。
【００８３】
次に、図６に示す本発明の実施形態について説明する。なお、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００８４】
円盤状をしたコントロールバルブ４０の回動軸となるシャフト４１は、図示しないクランクシャフトと直交する垂直方向に延びている。シャフト４１は図示しないアクチュエータを介して回動する。
【００８５】
コントロールバルブ４０が図中２点鎖線で示すように中間開度にある状態で、吸気通路５の中心線に対して傾斜し、吸気を副通路３１が接続していない一方の吸気ポート２１に集める構成とする。
【００８６】
成層燃焼領域におけるコントロールバルブ４０の開度は、図７に示すように、エンジン回転数が所定値Ｎ1以下の低速域で最小開度（全閉）に設定され、エンジン回転数が所定値Ｎ1を超えかつ所定値Ｎ2以下の中速域で中間開度（半開）に設定され、エンジン回転数が所定値Ｎ2を超えて上昇する高速域で最大開度（全開）に設定される。
【００８７】
成層燃焼領域の低回転域では、コントロールバルブ４０が図６に実線で示すように吸気通路５と直交する全閉位置に保持され、吸気の大部分が副通路３１を通って一方の吸気ポート２１からシリンダ１４に流入し、シリンダ５内に吸気が略水平に旋回するスワールが生起される。これにより、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００８８】
成層燃焼領域の高速域でコントロールバルブ４０が吸気通路５と平行な全開位置に保持される。これにより、吸気は２本の吸気ポート２１に略均等に分流してシリンダ５内に吸入される。エンジンの高速域では、吸入から点火までの時間が短くなるが、シリンダ５に流入する吸気が各吸気ポート２１から直進することにより、燃料噴霧を吸入から点火までの短時間のうちに点火プラグ４の近傍に到達させ、混合気の成層化がはかれる。
【００８９】
成層燃焼領域の中速域でコントロールバルブ４０が図中２点鎖線で示すように中間開度に保持されることにより、一部の吸気が副通路３１を通って一方の吸気ポート２１からシリンダ１４に流入し、一部の吸気が傾斜するコントロールバルブ４０を介して副通路３１が接続していない他方の吸気ポート２１に導かれる。これにより、シリンダ１４に生起される吸気旋回流のスワール成分を小さくするとともに、タンブル成分を大きくして、濃混合気を点火プラグ４の近傍へと有効に集められ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を説明するための参考例を示すエンジンの概略断面図。
【図２】同じくエンジンの概略平面図。
【図３】同じくエンジン回転数とコントロールバルブによる開口率の関係を示す特性図。
【図４】他の参考例を示すエンジンの概略平面図。
【図５】さらに他の参考例を示す吸気通路の断面図。
【図６】本発明の実施形態を示すエンジンの概略平面図。
【図７】同じくエンジン回転数とコントロールバルブによる開口率の関係を示す特性図。
【符号の説明】
１ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火プラグ
５ 吸気通路
６ インジェクタ
７ 吸気バルブ
１４ シリンダ
１９ スロットルバルブ
２０ 燃焼室天井壁
２１ 吸気ポート
３０ ピストン冠部
３１ 副通路
３５ キャビティ
４０ コントロールバルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて吸気系の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
点火プラグの近傍に燃料を集める混合気の成層化をはかるため、シリンダ内にインジェクタ（燃料噴射弁）を臨ませ、シリンダ内に直接燃料を噴射するようにした筒内直接噴射式火花点火エンジンがある。
【０００３】
従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンとして、例えば特開平２−１１５５２０号公報に開示されたものは、吸気ポートの途中に吸気流速を高めるコントロールバルブを備え、コントロールバルブの開度を調節してシリンダ内に吸気旋回流を生起するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、シリンダ内に生起される吸気旋回流は、シリンダ中心線を中心に旋回するスワールの成分と、シリンダ中心線と直交する軸を中心に旋回するタンブルの成分を有し、タンブルの成分が大きいため、燃料を点火プラグの近傍に集めることが難しい。このため、安定した成層燃焼性が確保される運転条件が狭まるという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域を拡大することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、一つのシリンダに吸気を導入する２本の吸気ポートと、各吸気ポートをエンジン回転に同期して開閉する２本の吸気バルブと、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気ポートと、ピストンの冠部に燃料噴霧を受けるように窪むキャビティと、を備えた筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、前記２本の吸気ポートのうち一方に接続してシリンダに吸気を導く副通路を備え、副通路の中心線が前記エンジンの平面図上においてキャビティの外側かつ吸気ポートの中心線よりシリンダの径方向外側に位置し、かつ水平線に対する副通路の傾斜角度を吸気ポートの傾斜角度より小さく形成し、運転条件に応じて副通路に分流する吸気量を調節する流量調節手段として円盤状をしたコントロールバルブを吸気通路の副通路に対する下流側の接続部より上流側に回動可能に介装し、コントロールバルブの回転軸を前記エンジンの平面上において副通路を備える吸気ポート側に偏らせて略垂直方向に配置し、前記コントロールバルブが中間開度にある状態で吸気を副通路が接続していない一方の吸気ポートに導くように傾斜する構成とした。
【０００９】
請求項２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１に記載の発明において、前記副通路をシリンダ外周部に近接する部位の断面積がシリンダ中央部に近接する部位の断面積より大きくなるように形成するものとした。
【００１１】
請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項１または２のいずれか一つに記載の発明において、前記流量調節手段として吸気通路の副通路に対する接続部より上流側を開閉するコントロールバルブを備え、インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域にてコントロールバルブを開弁させ、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域にてコントロールバルブを閉弁させる構成とした。
【００１２】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項３に記載の発明において、前記成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域では中間開度、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定した。
【００１３】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンは、請求項４に記載の発明において、前記成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域ではエンジン回転数の上昇に伴って漸次増大するように、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定とした。
【００１４】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、流量調節手段を介して吸気の大部分が副通路を通って一方の吸気ポートからシリンダ内に流入すると、吸気流速を高められ、シリンダ内に吸気旋回流が生起される。
【００１５】
水平線に対する副通路の傾斜角度を吸気ポートの傾斜角度より小さく形成することにより、シリンダ内に生起される吸気旋回流はスワールの成分がタンブルの成分より高められ、シリンダ内に吸気が略水平に旋回するスワールが生起される。
【００１６】
こうしてシリンダ内に生起される吸気旋回流のスワール成分が高められることにより、圧縮行程でインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料が吸気流によってキャビティ上から吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００１７】
この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００１８】
また、吸気が略水平に旋回するスワールが生起されることにより、インジェクタからシリンダ内に噴射された燃料噴霧が吸気流によって点火プラグの点火部へと直接的に運ばれて付着することを抑制し、失火を起こすことを防止できる。
【００１９】
一方、流量調節手段を介して吸気の大部分が副通路を通らずに吸気ポートからシリンダ内に流入する運転状態では、この吸気流が吸気ポートに対向するシリンダ壁に沿って下降した後にピストン冠部へと進むタンブルを生起する。これにより、吸気行程で噴射される燃料噴霧は、シリンダ内に生起されるタンブルのガス流動により均質混合気をつくる。また、吸気通路の断面積が副通路によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められ、出力性能の向上がはかれる。
【００２０】
また、副通路の通路中心線がキャビティの外側を通る構造のため、副通路を通過した吸気流は、吸気ポートから吸気バルブとバルブシートの間を通ってシリンダ内に流入し、キャビティのまわりをシリンダに沿って旋回するスワールを生起する。
【００２１】
こうして吸気がキャビティのまわりを旋回するスワールが生起されることにより、圧縮行程でインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料がキャビティ上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００２２】
この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００２３】
さらに、副通路の通路中心線がシリンダの外周部を通る構造のため、副通路を通過した吸気流は、吸気ポートから吸気バルブとバルブシートの間を通ってシリンダの外周部に向かう速度成分が高められ、シリンダに沿って旋回するスワールが強化される。
【００２４】
こうしてシリンダ内に生起される吸気旋回流は水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、圧縮行程でインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料がキャビティ上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００２５】
この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。さらに、コントロールバルブが中間開度にある状態で吸気を副通路が接続していない一方の吸気ポートに導くように傾斜するため、一部の吸気が副通路を通って一方の吸気ポートからシリンダに流入し、一部の吸気が傾斜するコントロールバルブを介して副通路が接続していない他方の吸気ポートに導かれる。これにより、シリンダに生起される吸気旋回流のスワール成分を小さくするとともに、タンブル成分を大きくして、濃混合気を点火プラグの近傍へと有効に集められ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００２６】
請求項２に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、副通路はシリンダ外周部に近接する部位の断面積がシリンダ中央部に近接する部位の断面積より大きくなる構造のため、副通路を通過した吸気流は、吸気ポートから吸気バルブとバルブシートの間を通ってシリンダの外周部に向かう速度成分が高められ、シリンダに沿って旋回するスワールが強化される。
【００２７】
こうしてシリンダ内に生起される吸気旋回流は水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、圧縮行程でインジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料がキャビティ上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００２８】
この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００３０】
請求項３に記載の直接筒内噴射式火花点火エンジンにおいて、圧縮行程でインジェクタから燃料が噴射される成層燃焼領域では、コントロールバルブが吸気ポート側を遮蔽するポジションに保持される。
【００３１】
これにより、吸気の大部分が副通路を通って吸気ポートからシリンダ内に流入し、シリンダ内に吸気が略水平に旋回するスワールが生起され、インジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料が吸気流によってキャビティ上から吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグの点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリーン側限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００３２】
吸気行程でインジェクタから燃料が噴射される均質燃焼領域では、コントロールバルブが吸気ポートを遮蔽しないポジションに保持される。
【００３３】
これにより、吸気の大部分が副通路を通らずに各吸気ポートからシリンダ内に流入し、シリンダ内にタンブルが生起され、インジェクタから噴射された燃料と吸気の混合が促され、混合気の均質化がはかれるとともに、タンブルのガス流動により火炎の伝播が促される。この結果、燃焼性が確保される空燃比のリッチ側限界値を拡大し、出力性能の向上がはかれる。
【００３４】
請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域では中間開度、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定したため、高速域でスワールの勢力が弱められ、吸気ポートからシリンダ内へと直進する吸気とともに燃料噴霧を短時間のうちに点火プラグの近傍に到達させ、混合気の成層化がはかれ、安定した成層燃焼が行われる。このため、成層燃焼性が確保される最高回転数を高められ、燃費の低減がはかれる。
【００３５】
請求項５に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域ではエンジン回転数の上昇に伴って漸次増大するように、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定することにより、加減速時にトルク段差が発生することを防止できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３７】
まず、本発明を説明するための参考例を図１、図２を参照して説明する。図１、図２に示すように、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁２０には２つの吸気ポート２１と図示しない２つの排気ポートが互いに対向するように開口している。
【００３８】
燃焼室天井壁２０は、各吸気ポート２１が開口する吸気ポート側傾斜面２５と、各排気ポートが開口する排気ポート側傾斜面２６によって構成される。
【００３９】
燃焼室天井壁２０の中央部からシリンダ１４内に臨む点火プラグ４が設けられる。燃焼室天井壁２０には点火プラグ４を挟むようにして２本の吸気バルブと２本の排気バルブが互いに対向して設けられる。
【００４０】
燃焼室天井壁２０の側部からシリンダ１４内に臨むインジェクタ６が設けられる。インジェクタ６には図示しない燃料ポンプから吐出する燃料がプレッシャレギュレータを介して調圧された後に導かれる。インジェクタ６が開弁するのに伴ってその噴口からシリンダ１４内に燃料が噴射される。
【００４１】
インジェクタ６はその開弁時期（燃料噴射時期）と開弁期間（燃料噴射量）がコントロールユニットにより運転状態に応じて制御される。
【００４２】
コントロールユニットは、図示しない各センサによって検出された吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎとに基づいて基本噴射量Ｔｐを次式で算出する。
【００４３】
Ｔｐ＝Ｋ・Ｑａ／Ｎ ‥‥（１）
ただし、Ｋ；定数
そして、所定の均質燃焼領域で空燃比が理論空燃比を中心とした狭い範囲に収める一方、所定の成層燃焼領域で希薄混合気による成層燃焼を実現するための空燃比となるように最終的な燃料噴射量Ｔｉを次式で算出して燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００４４】
Ｔｉ＝Ｔｐ×α×ＣＯＥＦ＋Ｔｓ …（２）
ただし、αは空燃比フィードバック補正係数、ＣＯＥＦは冷却水温度補正係数、および成層燃焼のための補正係数等をパラメータとした各種補正係数の和、Ｔｓは無効噴射パルス幅である。
【００４５】
コントロールユニットは演算された燃料噴射量Ｔｉに対応するパルス信号をインジェクタ６の駆動回路（図示せず）に出力し、後述するようにインジェクタ６の燃料噴射制御を行う。
【００４６】
コントロールユニットはエンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼領域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側に調節する。エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域で、シリンダ１４に供給される混合気の空燃比を理論空燃比またはリッチ側に調節する。
【００４７】
インジェクタ６が開弁するのに伴ってシリンダ１４内に噴射される燃料は、各吸気バルブ７が開かれるのに伴って吸気ポート２１から吸入される空気と混合する。シリンダ１４内に形成された混合気はピストン１で圧縮された状態で点火プラグ４を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン１を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン１が上昇する排気行程中に排気バルブが開かれるのに伴って各排気ポートから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００４８】
インジェクタ６の開弁時期である燃料噴射時期は、予め設定されたマップに基づき、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼領域でピストン１が上昇する圧縮行程の後半に設定され、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域でピストン１が下降する吸気行程に設定されている。
【００４９】
インジェクタ６は各吸気バルブの傘部の側方で、かつ各傘部の間からシリンダ１４内に臨んでいる。インジェクタ６はその噴口の中心線がピストン１の冠部３０を指向するように水平線（シリンダ１４の中心線に対して直交する線）Ｌに対して所定角度だけ下向きに傾斜して取付けられる。これにより、インジェクタ６の噴口から噴射される燃料噴霧はピストン１の冠部３０に向けて放射状に拡散する。
【００５０】
ピストン１の冠部３０には球面状に窪むキャビティ３５が形成される。キャビティ３５はピストン冠部３０の中央部から吸気ポート側傾斜面２５の下方に配置される。
【００５１】
キャビティ３５には点火プラグ４に向けて傾斜する壁面としてスロープ３６が形成される。成層燃焼領域においてインジェクタ６から噴射された燃料噴霧は、後述するようにスロープ３６に沿って上昇することにより、濃混合気が点火プラグ４の近傍に集められる。
【００５２】
ピストン冠部３０にはペントルーフ状の燃焼室天井壁２０に沿って傾斜するように隆起した凸部３７が形成される。これにより、ピストン１が上死点に到達するとき、ピストン１と燃焼室天井壁２０の間に画成される燃焼室３の容積をキャビティ３５に集中させて、高い圧縮比が得られる。
【００５３】
各吸気ポート２１は、そのスロート部の通路中心線Ｏ2が水平線Ｌに対して所定角度θだけ下向きに傾斜するように形成され、各排気ポート側傾斜面２６に連接するシリンダ１４に対向している。これにより、各吸気ポート２１からシリンダ１４内に流入する吸気を、排気ポート側傾斜面２６およびシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させるタンブルを生起する。
【００５４】
一方の吸気ポート２１の途中には１本の副通路３１が接続される。副通路３１は直線状に延び、吸気ポート２１のスロート部の内壁面下部に開口している。
【００５５】
副通路３１の出口は、その通路中心線Ｏ3が図１の正面図上において水平線Ｌと平行に延び、図２の平面図上においてキャビティ３５の外側を通るように配置される。すなわち、副通路３１の出口は、ピストン１が図１に示すように上死点の近傍にある状態で、ピストン冠部３０の上方においてキャビティ３５の外側を通って燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６に対向するように形成される。副通路３１の通路中心線Ｏ3は、開弁した吸気バルブの傘裏部とバルブシートの間隙を通って排気ポート側傾斜面２６に到達している。これにより、各副通路３１から吸気ポート２１を経てシリンダ１４内に流入する吸気を水平面に沿って旋回するスワールを生起する。
【００５６】
副通路３１の出口断面積は吸気ポート２１のスロート部断面積より所定の比率で小さく形成される。
【００５７】
運転条件に応じて副通路３１に分流する吸気量を調節する流量調節手段として、各吸気ポート２１の分岐部２２より上流側かつ副通路３１の入口より下流側の吸気通路５にはバタフライ式のコントロールバルブ４０が介装される。すなわち、副通路３１はコントロールバルブ４０を迂回する吸気を吸気ポート２１のスロート部に導くようになっている。コントロールバルブ４０が吸気ポート２１を遮蔽することにより、吸気の略全量が副通路３１を通ってシリンダ１４内に吸入され、シリンダ１４内にスワールを生起する。
【００５８】
円盤状をしたコントロールバルブ４０は、吸気ポート２１にシャフト４１を介して回転可能に収装される。シャフト４１は図示しないクランクシャフトと平行に延びている。シャフト４１は図示しないアクチュエータを介して回動する。
【００５９】
アクチュエータの作動を制御するコントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数が所定値以下の成層燃焼領域にて、コントロールバルブ４０を吸気通路５に略直交するポジション（全閉位置）に駆動して、吸気の大部分を副通路３１を通してシリンダ１４内に流入させ、強いスワールを生起する。一方、エンジンの負荷または回転数が所定値を超えて上昇する均質燃焼領域に、コントロールバルブ４０を吸気通路５に平行となるポジション（全開位置）に駆動して、吸気の大部分を副通路３１を通さずに各吸気ポート２１を通してシリンダ１４内に流入させ、タンブルを生起する。
【００６０】
成層燃焼領域におけるコントロールバルブ４０の開度は、図３に示すように、エンジン回転数が所定値Ｎ1以下の低速域で最小開度（全閉）に設定され、エンジン回転数が所定値Ｎ1を超えかつ所定値Ｎ2以下の中速域でエンジン回転数が上昇するのに伴って漸次大きく設定され、エンジン回転数が所定値Ｎ2を超えて上昇する高速域で最大開度（全開）に設定される。これにより、成層燃焼領域において、低速域で強いスワールが生起され、中速域でスワールの勢力がエンジン回転数が上昇するのに伴って次第に小さくなり、高速域で強いタンブルが生起される。
【００６１】
吸気通路５の途中には副通路３１の入口より上流側にスロットルバルブ１９が介装される。バタフライ式のスロットルバルブ１９は図示しないアクチュエータを介して回動する。アクチュエータの作動を制御するコントロールユニットは、エンジンの負荷および回転数に応じてスロットルバルブ１９の開度を制御して、エンジンの吸入空気量を調節する。
【００６２】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００６３】
成層燃焼領域の低回転域では、図１に示すように、コントロールバルブ４０が吸気通路５と直交する全閉位置に保持され、吸気の大部分が副通路３１を通って一方の吸気ポート２１からシリンダ１４に流入し、シリンダ５内に吸気旋回流を生起する。
【００６４】
副通路３１の出口断面積を吸気ポート２１のスロート部の断面積に対して所定の比率で小さく形成することにより、副通路３１を通過する吸気流の速度を高めて、吸気旋回流の勢力を高められる。
【００６５】
副通路３１の出口は、その通路中心線Ｏ3が水平方向に延び、開弁した吸気バルブの傘裏部とバルブシートの間隙を介してキャビティ３５の外側を通る構造のため、副通路３１を通過した吸気流は、吸気ポート２１から吸気バルブとバルブシートの間隙を通ってシリンダ１４内に流入して、シリンダ１４に沿って略水平に旋回するスワールを生起する。
【００６６】
こうしてシリンダ１４内に生起される吸気旋回流は水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、図１に示すように、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００６７】
この結果、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。また、冷間時において燃料噴射量を増やす必要がなく、エミッションを改善することができる。
【００６８】
また、シリンダ１４内にスワールが生起されることにより、インジェクタ６からシリンダ１４内に噴射された燃料噴霧が吸気流に吹き飛ばされて点火プラグ４の点火部に直接的に付着することを回避し、失火を起こすことを防止できる。
【００６９】
成層燃焼領域におけるエンジンの高速域でコントロールバルブ４０が各吸気ポート２１を開通させる全開位置に保持される。これにより、吸気は２本の吸気ポート２１に略均等に分流してシリンダ５内に吸入される。エンジンの高速域では、吸入から点火までの時間が短くなるが、シリンダ５に流入する吸気が各吸気ポート２１から直進することにより、燃料噴霧を吸入から点火までの短時間のうちに点火プラグ４の近傍に到達させ、混合気の成層化がはかれる。
【００７０】
成層燃焼領域の中速域でコントロールバルブ２６の開度をエンジン回転数が上昇するのに伴って次第に大きくすることにより、加減速時にトルク段差が発生することを防止できる。また、濃混合気を点火プラグ４の近傍へと有効に集められ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【００７１】
一方、エンジン負荷または回転数が上昇した均質燃焼領域では、コントロールバルブ４０が各吸気ポート２１を開通させる全開位置に保持される。これにより、吸気通路５の断面積が副通路３１によって絞られることがなく、エンジンの吸気充填効率を高められるとともに、シリンダ１４内に生起されるガス流動により均質混合気をつくり、出力性能の向上がはかれる。
【００７２】
このとき、各吸気バルブが開かれるのに伴って吸気ポート２１を通ってシリンダ１４内に流入する吸気を、燃焼室天井壁２０の排気ポート側傾斜面２６に連接するシリンダ１４に沿って下降させた後、ピストン冠部３０に沿って上昇させるタンブルを生起する。
【００７３】
こうしてシリンダ１４内にタンブルが生起されることにより、吸気行程にインジェクタ６から燃焼室３に噴射される燃料噴霧は、シリンダ１４内でタンブルとともに旋回して空気との混合が促され、ピストン１が上昇して点火時期を迎えるまでに燃焼室３に均質な混合気が形成される。均質燃焼領域では、燃焼室３に供給される混合気の空燃比がストイキまたはリッチ側に調節されるため、均質な混合気に対して着火が確実に行われるとともに、火炎の伝播が促され、出力性能の向上がはかれる。
【００７４】
各吸気ポート２１はシリンダ１４の中心線に対して大きく傾斜して設けられる構造のため、インテークマニホールド１５の取付け位置が高くなることを抑えられ、エンジンの大型化が避けられる。
【００７５】
次に、図４に示す参考例について説明する。なお、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００７６】
図４の平面図上において、副通路３１はその中心線Ｏ3が吸気ポート２１の中心線よりシリンダ１４の径方向外側を通るように配置される。
【００７７】
この場合、副通路３１の出口は、その通路中心線Ｏ3が水平方向に延び、開弁した吸気バルブの傘裏部とバルブシートの間隙を介してシリンダ１４の外周部を通る構造のため、副通路３１を通過した吸気流は、吸気ポート２１から吸気バルブとバルブシートの間隙を通ってシリンダ１４の外周部に向かう速度成分が高められ、シリンダ１４に沿って略水平に旋回するスワールが強化される。
【００７８】
こうしてシリンダ１４内に生起される吸気旋回流は、水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００７９】
他の参考例として、図５に示すように、副通路３１の出口をシリンダ外周部に近接する部位の断面積がシリンダ中央部に近接する部位の断面積より大きくなるように形成してもよい。
【００８０】
この場合、副通路３１を通過した吸気流は、吸気ポート２１から吸気バルブとバルブシートの間隙を通ってシリンダ１４の外周部に向かう速度分布がさらに高まり、シリンダ１４に沿って略水平に旋回するスワールが強化される。
【００８１】
こうしてシリンダ１４内に生起される吸気旋回流は、水平に旋回するスワール成分が大きく、垂直に旋回するタンブル成分が小さいことにより、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００８２】
また、副通路３１の断面積に対する設定自由度が大きくなり、シリンダ１４に生起される吸気旋回流の強さに対する設定幅が拡大する。
【００８３】
次に、図６に示す本発明の実施形態について説明する。なお、図２との対応部分には同一符号を付す。
【００８４】
円盤状をしたコントロールバルブ４０の回動軸となるシャフト４１は、図示しないクランクシャフトと直交する垂直方向に延びている。シャフト４１は図示しないアクチュエータを介して回動する。
【００８５】
コントロールバルブ４０が図中２点鎖線で示すように中間開度にある状態で、吸気通路５の中心線に対して傾斜し、吸気を副通路３１が接続していない一方の吸気ポート２１に集める構成とする。
【００８６】
成層燃焼領域におけるコントロールバルブ４０の開度は、図７に示すように、エンジン回転数が所定値Ｎ1以下の低速域で最小開度（全閉）に設定され、エンジン回転数が所定値Ｎ1を超えかつ所定値Ｎ2以下の中速域で中間開度（半開）に設定され、エンジン回転数が所定値Ｎ2を超えて上昇する高速域で最大開度（全開）に設定される。
【００８７】
成層燃焼領域の低回転域では、コントロールバルブ４０が図６に実線で示すように吸気通路５と直交する全閉位置に保持され、吸気の大部分が副通路３１を通って一方の吸気ポート２１からシリンダ１４に流入し、シリンダ５内に吸気が略水平に旋回するスワールが生起される。これにより、圧縮行程の後半にインジェクタ６からキャビティ３５に向けて噴射された燃料がキャビティ３５上から吸気流によって吹き飛ばされることが抑えられ、濃混合気を点火プラグ４の点火部の近傍に集める混合気の成層化がはかれる。
【００８８】
成層燃焼領域の高速域でコントロールバルブ４０が吸気通路５と平行な全開位置に保持される。これにより、吸気は２本の吸気ポート２１に略均等に分流してシリンダ５内に吸入される。エンジンの高速域では、吸入から点火までの時間が短くなるが、シリンダ５に流入する吸気が各吸気ポート２１から直進することにより、燃料噴霧を吸入から点火までの短時間のうちに点火プラグ４の近傍に到達させ、混合気の成層化がはかれる。
【００８９】
成層燃焼領域の中速域でコントロールバルブ４０が図中２点鎖線で示すように中間開度に保持されることにより、一部の吸気が副通路３１を通って一方の吸気ポート２１からシリンダ１４に流入し、一部の吸気が傾斜するコントロールバルブ４０を介して副通路３１が接続していない他方の吸気ポート２１に導かれる。これにより、シリンダ１４に生起される吸気旋回流のスワール成分を小さくするとともに、タンブル成分を大きくして、濃混合気を点火プラグ４の近傍へと有効に集められ、燃焼性が確保される希薄空燃比の限界値を拡大し、燃費の低減がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を説明するための参考例を示すエンジンの概略断面図。
【図２】同じくエンジンの概略平面図。
【図３】同じくエンジン回転数とコントロールバルブによる開口率の関係を示す特性図。
【図４】他の参考例を示すエンジンの概略平面図。
【図５】さらに他の参考例を示す吸気通路の断面図。
【図６】本発明の実施形態を示すエンジンの概略平面図。
【図７】同じくエンジン回転数とコントロールバルブによる開口率の関係を示す特性図。
【符号の説明】
１ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火プラグ
５ 吸気通路
６ インジェクタ
７ 吸気バルブ
１４ シリンダ
１９ スロットルバルブ
２０ 燃焼室天井壁
２１ 吸気ポート
３０ ピストン冠部
３１ 副通路
３５ キャビティ
４０ コントロールバルブ
Claims (5)
- 一つのシリンダに吸気を導入する２本の吸気ポートと、
各吸気ポートをエンジン回転に同期して開閉する２本の吸気バルブと、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内から排気を排出する排気ポートと、
ピストンの冠部に燃料噴霧を受けるように窪むキャビティと、
を備えた筒内直接噴射式火花点火エンジンにおいて、
前記２本の吸気ポートのうち一方に接続してシリンダに吸気を導く副通路を備え、
副通路の中心線が前記エンジンの平面図上においてキャビティの外側かつ吸気ポートの中心線よりシリンダの径方向外側に位置し、かつ水平線に対する副通路の傾斜角度を吸気ポートの傾斜角度より小さく形成し、
運転条件に応じて副通路に分流する吸気量を調節する流量調節手段として円盤状をしたコントロールバルブを吸気通路の副通路に対する下流側の接続部より上流側に回動可能に介装し、
コントロールバルブの回転軸を前記エンジンの平面上において副通路を備える吸気ポート側に偏らせて略垂直方向に配置し、
前記コントロールバルブが中間開度にある状態で吸気を副通路が接続していない一方の吸気ポートに導くように傾斜する構成としたことを特徴とする筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記副通路をシリンダ外周部に近接する部位の断面積がシリンダ中央部に近接する部位の断面積より大きくなるように形成したことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
- 前記流量調節手段として吸気通路の副通路に対する接続部より上流側を開閉するコントロールバルブを備え、
インジェクタの燃料噴射時期を吸気行程とする均質燃焼領域にてコントロールバルブを開弁させ、インジェクタの燃料噴射時期を圧縮行程とする成層燃焼領域にてコントロールバルブを閉弁させる構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。 - 前記成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域では中間開度、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定する構成としたことを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
- 前記成層燃焼領域にてコントロールバルブの開度を、エンジン回転数が所定値Ｎ１以下の低速域では略全閉、所定値Ｎ１を超えかつ所定値Ｎ２以下の中速域ではエンジン回転数の上昇に伴って漸次増大するように、所定値Ｎ２を超える高速域では略全開に設定する構成としたことを特徴とする請求項４に記載の筒内直接噴射式火花点火エンジン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12199497A JP4032450B2 (ja) | 1997-05-13 | 1997-05-13 | 筒内直接噴射式火花点火エンジン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12199497A JP4032450B2 (ja) | 1997-05-13 | 1997-05-13 | 筒内直接噴射式火花点火エンジン |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10311221A JPH10311221A (ja) | 1998-11-24 |
| JP4032450B2 true JP4032450B2 (ja) | 2008-01-16 |
Family
ID=14824941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12199497A Expired - Lifetime JP4032450B2 (ja) | 1997-05-13 | 1997-05-13 | 筒内直接噴射式火花点火エンジン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4032450B2 (ja) |
-
1997
- 1997-05-13 JP JP12199497A patent/JP4032450B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10311221A (ja) | 1998-11-24 |
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