JP4126977B2 - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−２６５８４１号公報には、燃焼室上面のほぼ中央に点火プラグおよびインジェクタを配設した筒内直噴エンジンにおいて、ピストン冠面の中央に深皿部を、その周囲に浅皿部を設ける技術が開示されている。この従来技術では、インジェクタからの噴霧形状を中空コーン状にするとともに、中低速運転領域では燃料噴射時期を圧縮行程後半に設定して噴霧を深皿部に当て、高速運転領域では燃料噴射時期を圧縮行程前半に設定して噴霧を浅皿部に当てるようにしている。噴霧を深皿部に当てた場合は深皿部の内部とその上方に混合気塊が形成される強成層状態が得られ、噴霧を浅皿部に当てた場合は浅皿部の内部とその上方に混合気塊が形成される弱成層状態が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、噴霧を浅皿部に当てた場合、噴霧は浅皿部の側壁面にガイドされて上方へ巻き上がり、その結果浅皿部の内部とその上方に混合気塊が形成されるのであるが、浅皿部の径や側壁面の形状によっては上方に形成される混合気塊がドーナツ状となり、点火プラグによる着火安定性が低くなる場合がある。また、側壁面を内側へ傾ける（リエントラント形状にする）と巻き上がる噴霧を燃焼室中央へ集めることができるが、傾きを大きくするほど燃焼室のＳ／Ｖ比が悪化して出力・燃費性能が悪化する。また、上方の混合気を燃焼室中央に集めることは弱成層状態を得るという本来の目的にも反している。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室上部の略中央に点火プラグと燃料噴射弁とを有し、ピストン冠面の略中心付近に位置する内側キャビティと、上記内側キャビティの外周を取り巻く外側キャビティと、を有し、機関運転条件の特定運転領域内あるとき、圧縮行程に２回の燃料噴射を行うとともに、１回目の燃料噴射では燃料が上記外側キャビティに入るよう噴射時期を設定し、２回目の燃料噴射では燃料が上記内側キャビティに入るよう噴射時期を設定し、上記内側キャビティの底面に衝突して燃焼室中央付近に形成された均質混合気塊が点火プラグにより点火され、上記外側キャビティに入るように噴射された燃料は、上記外側キャビティの底面に衝突した後、上記外側キャビティの上空へと向かい、上記外側キャビティの上空にドーナツ状の均質混合気塊を形成し、上記内側キャビティに入るよう噴射された燃料は、上記内側キャビティの底面に衝突した後、上記内側キャビティの上空へと向かい、上記外側キャビティ上空のドーナツ状の均質混合気塊の内側となる燃焼室中央付近に均質混合気塊を形成することを特徴としている。
【０００５】
【発明の効果】
本発明によれば、機関運転条件が特定運転領域にあるときに比較的大きな成層混合気塊が得られ、かつその中央部に希薄な混合気領域残される（混合気塊がドーナツ状となる）のを回避することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００７】
図１は、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の構成を示している。シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、ピストン３とによって画成された燃焼室４は、吸気弁５を介して吸気ポート６と、排気弁７を介して排気ポート８とそれぞれ連通している。吸気弁５と排気弁７は、それぞれ吸気弁用カム（図示せず）と、排気弁用カム（図示せず）とによって開閉駆動される。燃焼室４の上面（シリンダヘッド）の略中央付近には、燃料噴射弁９と、点火プラグ１０とが配置されており、機関コントロールユニット（ＥＣＵ）１１からの信号に基づいて、燃料噴射および点火が行われる。
【０００８】
ピストン３冠面の略中央付近には、内側キャビティ１２と外側キャビティ１３からなる二重キャビティが形成されている。詳述すれば、ピストン３冠面の略中心付近に位置する内側キャビティ１２と、この内側キャビティ１２の外周を取り巻く外側キャビティ１３とによって、径の異なる略同心の２重のキャビティが形成されている。そして、内側キャビティ１２の内径をＲｉ、外側キャビティ１３の外径をＲｏ、ボア径をＲ、とすると、Ｒｉ＜（１／２）Ｒ、（１／２）Ｒ≦Ｒｏ≦（３／４）Ｒ、となるよう内側キャビティ１２と外側キャビティ１３とはそれぞれ形成されている。
【０００９】
燃料噴射弁９は、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いものが好ましく、本実施例においては、図２に示すようなホールノズル噴射弁（マルチホール噴射弁）を用いている。
【００１０】
尚、燃料噴射弁９としては、スワール噴霧を噴射し、噴射された燃料の噴霧形状が、略中空円錐状で、かつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれた形状となるスワールノズル噴射弁を用いることも可能である。噴霧円錐の一部をきり欠いた噴霧を噴射するスワールノズル噴射弁としては、例えば特開２０００−３２９０３６に開示されているように、ノズル噴孔部に段差を有した構造とすることで、図３に示すような噴霧を形成することができる。
【００１１】
図４に、本発明の機関負荷に対する燃料噴射時期および燃料噴射量の制御方法の概略図を示す。
【００１２】
機関負荷が所定負荷Ｔ0より低いときは、１回のみの噴射を行い、負荷の上昇に対して燃料噴射開始時期を進角させる。その際、燃料噴霧は内側キャビティ１２に受け止められるように燃料噴射時期が設定される。つまり、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の燃料噴射量は、燃料噴射開始時期を調整することによって増減する。
【００１３】
そして、機関負荷の増大とともに噴射期間が伸びることで、燃料噴霧が内側キャビティ１２で受け止められないような噴射期間となる前に、圧縮行程中に１回のみ燃料噴射を行う制御から、圧縮行程中に燃料噴射を２回に分けて行う分割噴射に切り換える。
【００１４】
分割噴射を行う場合、２回目の燃料噴射は１回のみ燃料噴射を行うの場合に対して、燃料噴射開始時期を遅角するとともに、燃料噴射量を減じることで、１回のみ燃料噴射する場合と分割噴射する場合の２回目噴射の噴射終了時期は概ね同じ時期となるように設定する。尚、分割噴射を行う場合の２回目の燃料噴射の燃料噴射開始時期は、圧縮行程中に１回のみ燃料噴射を行う場合の燃料噴射開始時期の最進角時期よりも遅角側に設定されている。
【００１５】
また、分割噴射時における機関負荷の増大に対する燃料噴射量の増加は、１回目の燃料噴射量を増やすことによって対応し、その際、１回目の燃料噴射開始時期を進角し、燃料噴射終了時期は概ね同じとする。また、分割噴射を行う場合の１回目の燃料噴射の燃料噴射終了時期は、圧縮行程中に１回のみ燃料噴射を行う場合の燃料噴射開始時期の最進角時期よりも進角側に設定されている。
【００１６】
図５に、成層低負荷運転条件において、１回のみ燃料噴射した場合の燃料挙動を示す。
【００１７】
成層低負荷運転条件における燃料噴射時期は、燃料噴射弁９から噴射された燃料が内側キャビティ１２に受け止められるよう設定され、燃料噴霧は内側キャビティ１２底面に衝突する（図５ａ）。その後噴霧は、噴霧の貫徹力によって内側キャビティ１２底面に沿って進行し、燃焼室４上空へと向かう（図５ｂ）。燃料噴霧はピストン３によってその進行方向を変化させるとともに、燃焼室４上空をうずのように旋回し、周囲の空気を巻き込みながら、キャビティ上空に均質混合気が生成される（図５ｃ）。ここで、１回のみの燃料噴射を内側キャビティ１２を指向して行うために、形成される混合気塊は燃焼室４中央付近の比較的コンパクトな均質混合気となる。
【００１８】
図６に、成層高負荷運転条件における燃料挙動を示す。
【００１９】
成層高負荷運転条件では、２回の燃料噴射を行う。まず、圧縮行程の中期付近において、外側キャビティ１３を指向して１回目の燃料噴射を行う（図６ａ）。この一回目の燃料噴射による燃料噴霧は、外側キャビティ１３底面に衝突し、噴霧の貫徹力によって外側キャビティ１３底面を経由して燃焼室４上空へ向かい、周辺空気を巻き込みつつ、均質混合気を形成する（図６ｂ）。ここで、１回目の燃料噴射により形成される混合気塊の大きさは外側キャビティ１３の大きさに依存し、比較的大きな塊となり、かつ燃焼室４中央部分は希薄となる。
【００２０】
１回目の燃料噴射後、圧縮行程の後半、上死点に近い時期に、２回目の燃料噴射を内側キャビティ１２に向けて行う。つまり、２回目の燃料噴射時期は、１回目と同様な噴射角度であっても、内側キャビティ１２に確実に受け止められるような燃料噴射時期に設定されている。成層低負荷時の１回のみ噴射の場合と同様な混合気形成過程を経て、２回目の燃料噴射により小さな塊の均質混合気が形成され（図６ｃ）、１回目の燃料噴射によって形成された略ドーナツ状に近い混合気塊と２回目の燃料噴射によって形成されたコンパクトな混合気塊によって確実な着火がなされ（図６ｄ）、かつ、均質な混合気塊によって排気、燃費性能を損うことなく成層燃焼を達成することができる。
【００２１】
また、全負荷等の高出力運転時には、吸気行程中に燃料噴射を行い、十分な混合時間をとることで、筒内混合気分布を均質化する、いわゆる均質燃焼を行う。
【００２２】
このような実施形態の筒内直接噴射式内燃機関においては、機関運転条件が特定運転領域内にあるとき、圧縮行程に複数回の燃料噴射を行うとともに、複数回の燃料噴射のうち少なくとも１回の燃料噴射では燃料が内側キャビティ１２に入るよう噴射時期を設定し、残りの燃料噴射では燃料が外側キャビティ１３に入るよう噴射時期を設定したため、機関運転条件が特定運転領域内にあるときに比較的大きな成層混合気塊が得られ、かつ、その中央部に希薄な混合気領域が残される（混合気塊がドーナツ状となる）のを回避することができる。
特に、機関負荷が所定負荷Ｔ0より高いとき、圧縮行程に２回の燃料噴射を行うとともに、１回目の燃料噴射では燃料が外側キャビティ１３に入るよう噴射時期を設定し、２回目の燃料噴射では燃料が内側キャビティ１２に入るよう噴射時期を設定したため、燃料噴射量が多いときに比較的大きな成層混合気塊が得られる。
また、１回目の燃料噴射の噴射量のみを増減させて総燃料噴射量を増減させたため、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合に内側キャビティ１２を経由した燃料により形成される混合気（点火プラグ１０近傍の混合気）の濃度が総燃料噴射量の増減によらずほぼ一定に保たれ、常に良好な着火性が得られる。
また、燃料噴射開始時期を調整して１回目の燃料噴射を増減させたため、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合に外側キャビティ１３を経由した燃料により形成される混合気の大きさが噴射量の増加に伴って大きくなり、過濃領域の生成を抑制することが可能となる。
また、機関負荷が所定負荷Ｔ0より低いとき、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行うとともに、噴射した燃料が内側キャビティ１２に入るように噴射時期を設定したため、燃料噴射量が少ないときに比較的小さな成層混合気塊が得られる。
また、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の２回目の燃料噴射の噴射量を、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の噴射量の最大量よりも少なくしたため、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合に内側キャビティ１２を経由した燃料より形成される混合気と外側キャビティ１３を経由した燃料により形成される混合気とが重複して過濃領域の生成されるのを抑制することが可能となる。すなわち、外側キャビティ１３を経由した燃料により形成される混合気はドーナツ状となるが、時間の経過とともに内外へ拡散し、内側キャビティ１２を経由した燃料により混合気が形成されるべき領域にも広がってくる。この状態で圧縮行程に１回のみの燃料噴射を行う場合の噴射量の最大量と同じ量の燃料を２回目の燃料噴射量として噴射すると、点火プラグ１０近傍の混合気が過濃となる場合がある。従って、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の２回目の燃料噴射量を圧縮行程に１回のみの燃料噴射を行う場合の噴射量の最大量よりも少なくすることにより過濃領域の生成を抑制する。
また、１回のみの燃料噴射の噴射開始時期を調整して燃料噴射量を増減させたため、圧縮行程に１回のみの燃料噴射を行う場合に内側キャビティ１２を経由した燃料により形成される混合気の大きさが噴射量の増加に伴って大きくなり、過濃領域の生成を抑制することが可能となる。
また、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の２回目の燃料噴射の噴射開始時期を、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の噴射開始時期の最進角時期よりも遅角側に設定したため、噴射量を少なくして点火プラグ１０近傍に確実に着火可能な混合気を形成することができる。
また、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の１回目の燃料噴射の噴射終了時期を、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の噴射開始時期の最進角時期よりも進角側に設定することにより、内側キャビティ１２と外側キャビティ１３との境界部分に燃料が衝突することが避けられ、２つのキャビティを活用した混合気の形成を良好に達成することができる。
また、内側キャビティ１２及び上記外側キャビティ１３を円形とし、かつこれら２つのキャビティを略同心に配置するとともに、上記内側キャビティの外径をボア径の１／２未満に設定したため、極低負荷（アイドル負荷）から低負荷までの負荷範囲では内側キャビティ１２のみを使用して良好な成層混合気塊を形成し、中負荷から高負荷に負荷範囲では２つのキャビティを使用して良好な成層混合気塊を形成することができる。
ここで、幅広い負荷範囲において良好な成層燃焼を達成するためには、上述した２重同心のキャビティへ燃料噴射を最適な噴射量で確実に噴射し、受け止めることが重要である。
【００２３】
その場合、燃料噴射は噴霧時期、つまりは筒内圧力によらず所定の方向へ飛翔しなければならない。燃料噴射時期が変わり、筒内圧力が変わった場合に燃料噴霧の噴射角度が変化してしまうと、キャビティ１２，１３で確実に決まった量の燃料を受け止められなくなる虞があるためである。また、内側キャビティ１２への過剰な燃料噴射をさけるために、中空な燃料噴霧であることが望まれる。
【００２４】
そこで、燃料噴射弁９としては、噴射背圧によって燃料噴射角度が変化しないマルチホール噴射弁を用いることによって、燃料噴霧の指向位置を確実にすることができ、２つのキャビティをそれぞれ経由した確実な混合気形成が可能となる。
また、燃料噴射弁９から噴射された燃料の噴霧形状を、略中空円錐状で、かつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれた形状としても、噴射背圧によって燃料噴霧角度が変化することなく、かつ円周上に比較的均質な噴射が可能となるため、均質な混合気分布を形成しやすい。
また、燃料噴射弁９としてスワールノズル噴射弁を用いて、噴射された燃料の噴霧形状を、略中空円錐状で、かつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれたスワール噴霧とすれば、噴射背圧によって燃料噴霧角度が変化することなく、より微粒化の進んだ燃料噴霧を噴射することで均質な混合気分布を形成することが出来る。
尚、キャビティの形状としては、図７に示すような各種形状のものも考えられる。キャビティの側壁を垂直より内側に傾かせることで燃料の集中度を増すことが可能となるが、均質燃焼時の均質度低下あるいはＳ／Ｖ比悪化により、全負荷性能および燃費性能悪化が跳ね返りとして存在し、機関諸元により最適化する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の構成を示す説明図。
【図２】ホールノズル噴射弁の説明図。
【図３】スワールノズル噴射弁の説明図。
【図４】本発明の機関負荷に対する燃料噴射時期及び燃料噴射量の制御方法の概略図。
【図５】成層低負荷運転条件において、１回のみ燃料噴射した場合の燃料挙動を示す説明図。
【図６】成層高負荷運転条件における燃料挙動を示す説明図。
【図７】その他のキャビティ形状を示す説明図。
【符号の説明】
３…ピストン
４…燃焼室
９…燃料噴射弁
１２…内側キャビティ
１３…外側キャビティ
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−２６５８４１号公報には、燃焼室上面のほぼ中央に点火プラグおよびインジェクタを配設した筒内直噴エンジンにおいて、ピストン冠面の中央に深皿部を、その周囲に浅皿部を設ける技術が開示されている。この従来技術では、インジェクタからの噴霧形状を中空コーン状にするとともに、中低速運転領域では燃料噴射時期を圧縮行程後半に設定して噴霧を深皿部に当て、高速運転領域では燃料噴射時期を圧縮行程前半に設定して噴霧を浅皿部に当てるようにしている。噴霧を深皿部に当てた場合は深皿部の内部とその上方に混合気塊が形成される強成層状態が得られ、噴霧を浅皿部に当てた場合は浅皿部の内部とその上方に混合気塊が形成される弱成層状態が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、噴霧を浅皿部に当てた場合、噴霧は浅皿部の側壁面にガイドされて上方へ巻き上がり、その結果浅皿部の内部とその上方に混合気塊が形成されるのであるが、浅皿部の径や側壁面の形状によっては上方に形成される混合気塊がドーナツ状となり、点火プラグによる着火安定性が低くなる場合がある。また、側壁面を内側へ傾ける（リエントラント形状にする）と巻き上がる噴霧を燃焼室中央へ集めることができるが、傾きを大きくするほど燃焼室のＳ／Ｖ比が悪化して出力・燃費性能が悪化する。また、上方の混合気を燃焼室中央に集めることは弱成層状態を得るという本来の目的にも反している。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の筒内直接噴射式内燃機関は、燃焼室上部の略中央に点火プラグと燃料噴射弁とを有し、ピストン冠面の略中心付近に位置する内側キャビティと、上記内側キャビティの外周を取り巻く外側キャビティと、を有し、機関運転条件の特定運転領域内あるとき、圧縮行程に２回の燃料噴射を行うとともに、１回目の燃料噴射では燃料が上記外側キャビティに入るよう噴射時期を設定し、２回目の燃料噴射では燃料が上記内側キャビティに入るよう噴射時期を設定し、上記内側キャビティの底面に衝突して燃焼室中央付近に形成された均質混合気塊が点火プラグにより点火され、上記外側キャビティに入るように噴射された燃料は、上記外側キャビティの底面に衝突した後、上記外側キャビティの上空へと向かい、上記外側キャビティの上空にドーナツ状の均質混合気塊を形成し、上記内側キャビティに入るよう噴射された燃料は、上記内側キャビティの底面に衝突した後、上記内側キャビティの上空へと向かい、上記外側キャビティ上空のドーナツ状の均質混合気塊の内側となる燃焼室中央付近に均質混合気塊を形成することを特徴としている。
【０００５】
【発明の効果】
本発明によれば、機関運転条件が特定運転領域にあるときに比較的大きな成層混合気塊が得られ、かつその中央部に希薄な混合気領域残される（混合気塊がドーナツ状となる）のを回避することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００７】
図１は、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の構成を示している。シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、ピストン３とによって画成された燃焼室４は、吸気弁５を介して吸気ポート６と、排気弁７を介して排気ポート８とそれぞれ連通している。吸気弁５と排気弁７は、それぞれ吸気弁用カム（図示せず）と、排気弁用カム（図示せず）とによって開閉駆動される。燃焼室４の上面（シリンダヘッド）の略中央付近には、燃料噴射弁９と、点火プラグ１０とが配置されており、機関コントロールユニット（ＥＣＵ）１１からの信号に基づいて、燃料噴射および点火が行われる。
【０００８】
ピストン３冠面の略中央付近には、内側キャビティ１２と外側キャビティ１３からなる二重キャビティが形成されている。詳述すれば、ピストン３冠面の略中心付近に位置する内側キャビティ１２と、この内側キャビティ１２の外周を取り巻く外側キャビティ１３とによって、径の異なる略同心の２重のキャビティが形成されている。そして、内側キャビティ１２の内径をＲｉ、外側キャビティ１３の外径をＲｏ、ボア径をＲ、とすると、Ｒｉ＜（１／２）Ｒ、（１／２）Ｒ≦Ｒｏ≦（３／４）Ｒ、となるよう内側キャビティ１２と外側キャビティ１３とはそれぞれ形成されている。
【０００９】
燃料噴射弁９は、圧縮行程後半における筒内圧力上昇時にも噴霧形状の変化が小さく、指向性の強いものが好ましく、本実施例においては、図２に示すようなホールノズル噴射弁（マルチホール噴射弁）を用いている。
【００１０】
尚、燃料噴射弁９としては、スワール噴霧を噴射し、噴射された燃料の噴霧形状が、略中空円錐状で、かつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれた形状となるスワールノズル噴射弁を用いることも可能である。噴霧円錐の一部をきり欠いた噴霧を噴射するスワールノズル噴射弁としては、例えば特開２０００−３２９０３６に開示されているように、ノズル噴孔部に段差を有した構造とすることで、図３に示すような噴霧を形成することができる。
【００１１】
図４に、本発明の機関負荷に対する燃料噴射時期および燃料噴射量の制御方法の概略図を示す。
【００１２】
機関負荷が所定負荷Ｔ0より低いときは、１回のみの噴射を行い、負荷の上昇に対して燃料噴射開始時期を進角させる。その際、燃料噴霧は内側キャビティ１２に受け止められるように燃料噴射時期が設定される。つまり、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の燃料噴射量は、燃料噴射開始時期を調整することによって増減する。
【００１３】
そして、機関負荷の増大とともに噴射期間が伸びることで、燃料噴霧が内側キャビティ１２で受け止められないような噴射期間となる前に、圧縮行程中に１回のみ燃料噴射を行う制御から、圧縮行程中に燃料噴射を２回に分けて行う分割噴射に切り換える。
【００１４】
分割噴射を行う場合、２回目の燃料噴射は１回のみ燃料噴射を行うの場合に対して、燃料噴射開始時期を遅角するとともに、燃料噴射量を減じることで、１回のみ燃料噴射する場合と分割噴射する場合の２回目噴射の噴射終了時期は概ね同じ時期となるように設定する。尚、分割噴射を行う場合の２回目の燃料噴射の燃料噴射開始時期は、圧縮行程中に１回のみ燃料噴射を行う場合の燃料噴射開始時期の最進角時期よりも遅角側に設定されている。
【００１５】
また、分割噴射時における機関負荷の増大に対する燃料噴射量の増加は、１回目の燃料噴射量を増やすことによって対応し、その際、１回目の燃料噴射開始時期を進角し、燃料噴射終了時期は概ね同じとする。また、分割噴射を行う場合の１回目の燃料噴射の燃料噴射終了時期は、圧縮行程中に１回のみ燃料噴射を行う場合の燃料噴射開始時期の最進角時期よりも進角側に設定されている。
【００１６】
図５に、成層低負荷運転条件において、１回のみ燃料噴射した場合の燃料挙動を示す。
【００１７】
成層低負荷運転条件における燃料噴射時期は、燃料噴射弁９から噴射された燃料が内側キャビティ１２に受け止められるよう設定され、燃料噴霧は内側キャビティ１２底面に衝突する（図５ａ）。その後噴霧は、噴霧の貫徹力によって内側キャビティ１２底面に沿って進行し、燃焼室４上空へと向かう（図５ｂ）。燃料噴霧はピストン３によってその進行方向を変化させるとともに、燃焼室４上空をうずのように旋回し、周囲の空気を巻き込みながら、キャビティ上空に均質混合気が生成される（図５ｃ）。ここで、１回のみの燃料噴射を内側キャビティ１２を指向して行うために、形成される混合気塊は燃焼室４中央付近の比較的コンパクトな均質混合気となる。
【００１８】
図６に、成層高負荷運転条件における燃料挙動を示す。
【００１９】
成層高負荷運転条件では、２回の燃料噴射を行う。まず、圧縮行程の中期付近において、外側キャビティ１３を指向して１回目の燃料噴射を行う（図６ａ）。この一回目の燃料噴射による燃料噴霧は、外側キャビティ１３底面に衝突し、噴霧の貫徹力によって外側キャビティ１３底面を経由して燃焼室４上空へ向かい、周辺空気を巻き込みつつ、均質混合気を形成する（図６ｂ）。ここで、１回目の燃料噴射により形成される混合気塊の大きさは外側キャビティ１３の大きさに依存し、比較的大きな塊となり、かつ燃焼室４中央部分は希薄となる。
【００２０】
１回目の燃料噴射後、圧縮行程の後半、上死点に近い時期に、２回目の燃料噴射を内側キャビティ１２に向けて行う。つまり、２回目の燃料噴射時期は、１回目と同様な噴射角度であっても、内側キャビティ１２に確実に受け止められるような燃料噴射時期に設定されている。成層低負荷時の１回のみ噴射の場合と同様な混合気形成過程を経て、２回目の燃料噴射により小さな塊の均質混合気が形成され（図６ｃ）、１回目の燃料噴射によって形成された略ドーナツ状に近い混合気塊と２回目の燃料噴射によって形成されたコンパクトな混合気塊によって確実な着火がなされ（図６ｄ）、かつ、均質な混合気塊によって排気、燃費性能を損うことなく成層燃焼を達成することができる。
【００２１】
また、全負荷等の高出力運転時には、吸気行程中に燃料噴射を行い、十分な混合時間をとることで、筒内混合気分布を均質化する、いわゆる均質燃焼を行う。
【００２２】
このような実施形態の筒内直接噴射式内燃機関においては、機関運転条件が特定運転領域内にあるとき、圧縮行程に複数回の燃料噴射を行うとともに、複数回の燃料噴射のうち少なくとも１回の燃料噴射では燃料が内側キャビティ１２に入るよう噴射時期を設定し、残りの燃料噴射では燃料が外側キャビティ１３に入るよう噴射時期を設定したため、機関運転条件が特定運転領域内にあるときに比較的大きな成層混合気塊が得られ、かつ、その中央部に希薄な混合気領域が残される（混合気塊がドーナツ状となる）のを回避することができる。
特に、機関負荷が所定負荷Ｔ0より高いとき、圧縮行程に２回の燃料噴射を行うとともに、１回目の燃料噴射では燃料が外側キャビティ１３に入るよう噴射時期を設定し、２回目の燃料噴射では燃料が内側キャビティ１２に入るよう噴射時期を設定したため、燃料噴射量が多いときに比較的大きな成層混合気塊が得られる。
また、１回目の燃料噴射の噴射量のみを増減させて総燃料噴射量を増減させたため、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合に内側キャビティ１２を経由した燃料により形成される混合気（点火プラグ１０近傍の混合気）の濃度が総燃料噴射量の増減によらずほぼ一定に保たれ、常に良好な着火性が得られる。
また、燃料噴射開始時期を調整して１回目の燃料噴射を増減させたため、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合に外側キャビティ１３を経由した燃料により形成される混合気の大きさが噴射量の増加に伴って大きくなり、過濃領域の生成を抑制することが可能となる。
また、機関負荷が所定負荷Ｔ0より低いとき、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行うとともに、噴射した燃料が内側キャビティ１２に入るように噴射時期を設定したため、燃料噴射量が少ないときに比較的小さな成層混合気塊が得られる。
また、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の２回目の燃料噴射の噴射量を、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の噴射量の最大量よりも少なくしたため、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合に内側キャビティ１２を経由した燃料より形成される混合気と外側キャビティ１３を経由した燃料により形成される混合気とが重複して過濃領域の生成されるのを抑制することが可能となる。すなわち、外側キャビティ１３を経由した燃料により形成される混合気はドーナツ状となるが、時間の経過とともに内外へ拡散し、内側キャビティ１２を経由した燃料により混合気が形成されるべき領域にも広がってくる。この状態で圧縮行程に１回のみの燃料噴射を行う場合の噴射量の最大量と同じ量の燃料を２回目の燃料噴射量として噴射すると、点火プラグ１０近傍の混合気が過濃となる場合がある。従って、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の２回目の燃料噴射量を圧縮行程に１回のみの燃料噴射を行う場合の噴射量の最大量よりも少なくすることにより過濃領域の生成を抑制する。
また、１回のみの燃料噴射の噴射開始時期を調整して燃料噴射量を増減させたため、圧縮行程に１回のみの燃料噴射を行う場合に内側キャビティ１２を経由した燃料により形成される混合気の大きさが噴射量の増加に伴って大きくなり、過濃領域の生成を抑制することが可能となる。
また、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の２回目の燃料噴射の噴射開始時期を、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の噴射開始時期の最進角時期よりも遅角側に設定したため、噴射量を少なくして点火プラグ１０近傍に確実に着火可能な混合気を形成することができる。
また、圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の１回目の燃料噴射の噴射終了時期を、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の噴射開始時期の最進角時期よりも進角側に設定することにより、内側キャビティ１２と外側キャビティ１３との境界部分に燃料が衝突することが避けられ、２つのキャビティを活用した混合気の形成を良好に達成することができる。
また、内側キャビティ１２及び上記外側キャビティ１３を円形とし、かつこれら２つのキャビティを略同心に配置するとともに、上記内側キャビティの外径をボア径の１／２未満に設定したため、極低負荷（アイドル負荷）から低負荷までの負荷範囲では内側キャビティ１２のみを使用して良好な成層混合気塊を形成し、中負荷から高負荷に負荷範囲では２つのキャビティを使用して良好な成層混合気塊を形成することができる。
ここで、幅広い負荷範囲において良好な成層燃焼を達成するためには、上述した２重同心のキャビティへ燃料噴射を最適な噴射量で確実に噴射し、受け止めることが重要である。
【００２３】
その場合、燃料噴射は噴霧時期、つまりは筒内圧力によらず所定の方向へ飛翔しなければならない。燃料噴射時期が変わり、筒内圧力が変わった場合に燃料噴霧の噴射角度が変化してしまうと、キャビティ１２，１３で確実に決まった量の燃料を受け止められなくなる虞があるためである。また、内側キャビティ１２への過剰な燃料噴射をさけるために、中空な燃料噴霧であることが望まれる。
【００２４】
そこで、燃料噴射弁９としては、噴射背圧によって燃料噴射角度が変化しないマルチホール噴射弁を用いることによって、燃料噴霧の指向位置を確実にすることができ、２つのキャビティをそれぞれ経由した確実な混合気形成が可能となる。
また、燃料噴射弁９から噴射された燃料の噴霧形状を、略中空円錐状で、かつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれた形状としても、噴射背圧によって燃料噴霧角度が変化することなく、かつ円周上に比較的均質な噴射が可能となるため、均質な混合気分布を形成しやすい。
また、燃料噴射弁９としてスワールノズル噴射弁を用いて、噴射された燃料の噴霧形状を、略中空円錐状で、かつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれたスワール噴霧とすれば、噴射背圧によって燃料噴霧角度が変化することなく、より微粒化の進んだ燃料噴霧を噴射することで均質な混合気分布を形成することが出来る。
尚、キャビティの形状としては、図７に示すような各種形状のものも考えられる。キャビティの側壁を垂直より内側に傾かせることで燃料の集中度を増すことが可能となるが、均質燃焼時の均質度低下あるいはＳ／Ｖ比悪化により、全負荷性能および燃費性能悪化が跳ね返りとして存在し、機関諸元により最適化する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の構成を示す説明図。
【図２】ホールノズル噴射弁の説明図。
【図３】スワールノズル噴射弁の説明図。
【図４】本発明の機関負荷に対する燃料噴射時期及び燃料噴射量の制御方法の概略図。
【図５】成層低負荷運転条件において、１回のみ燃料噴射した場合の燃料挙動を示す説明図。
【図６】成層高負荷運転条件における燃料挙動を示す説明図。
【図７】その他のキャビティ形状を示す説明図。
【符号の説明】
３…ピストン
４…燃焼室
９…燃料噴射弁
１２…内側キャビティ
１３…外側キャビティ
Claims (13)
- 燃焼室上部の略中央に点火プラグと燃料噴射弁とを有し、ピストン冠面の略中心付近に位置する内側キャビティと、上記内側キャビティの外周を取り巻く外側キャビティと、を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、
機関運転条件の特定運転領域内あるとき、圧縮行程に２回の燃料噴射を行うとともに、１回目の燃料噴射では燃料が上記外側キャビティに入るよう噴射時期を設定し、２回目の燃料噴射では燃料が上記内側キャビティに入るよう噴射時期を設定し、上記内側キャビティの底面に衝突して燃焼室中央付近に形成された均質混合気塊が点火プラグにより点火され、
上記外側キャビティに入るように噴射された燃料は、上記外側キャビティの底面に衝突した後、上記外側キャビティの上空へと向かい、上記外側キャビティの上空にドーナツ状の均質混合気塊を形成し、上記内側キャビティに入るよう噴射された燃料は、上記内側キャビティの底面に衝突した後、上記内側キャビティの上空へと向かい、上記外側キャビティ上空のドーナツ状の均質混合気塊の内側となる燃焼室中央付近に均質混合気塊を形成することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。 - 上記特定運転領域は、機関負荷が所定負荷より高いときであることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- １回目の燃料噴射の噴射量のみを増減させて総燃料噴射量を増減させることを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 燃料噴射開始時期を調整して１回目の燃料噴射を増減させることを特徴とする請求項３に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 機関負荷が上記所定負荷より低いとき、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行うとともに、噴射した燃料が上記内側キャビティに入るように噴射時期を設定することを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の２回目の燃料噴射の噴射量を、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の噴射量の最大量よりも少なくすることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- １回のみの燃料噴射の噴射開始時期を調整して燃料噴射量を増減させることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の２回目の燃料噴射の噴射開始時期を、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の噴射開始時期の最進角時期よりも遅角側に設定することを特徴とする請求項７に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 圧縮行程に２回の燃料噴射を行う場合の１回目の燃料噴射の噴射終了時期を、圧縮行程に１回のみ燃料噴射を行う場合の噴射開始時期の最進角時期よりも進角側に設定することを特徴とする請求項７に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 上記内側キャビティ及び上記外側キャビティを円形とし、かつこれら２つのキャビティを略同心に配置するとともに、上記内側キャビティの外径をボア径の１／２未満に設定し、上記外側キャビティの外径をボア径の１／２以上３／４未満の範囲に設定することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 上記燃料噴射弁はマルチホール噴射弁であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 上記燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧形状は、略中空円錐状で、かつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれた形状となっていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
- 上記燃料噴射弁はスワール噴霧を噴射するスワールノズル噴射弁であり、このスワールノズル噴射弁から噴射された燃料の噴霧形状は、略中空円錐状で、かつこの中空円錐の一部が燃料噴射方向に沿って切り欠かれた形状となっていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
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