JP4872885B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、筒内燃焼空間内に気流を形成する内燃機関に関する。

従来、内燃機関において、吸気ポートから供給された空気または混合気が渦流、例えばタンブル流となって筒内燃焼空間を流動するように吸気ポートが形成される内燃機関がある。このような内燃機関では、前記タンブル流によって筒内燃焼空間に噴射された燃料を攪拌し、燃焼を促進させている。

例えば、特許文献１には、燃料噴射弁が気筒上部の吸気ポート側に配置されて先拡がり形状噴霧として燃料を噴射し、前記噴射された燃料は、縦方向の渦流を形成する気流に干渉することなく前記気流よりピストン頂面側に向けて噴射される技術が開示されている。

特開２００３−４９６５２号公報（段落番号０００７）

しかしながら、タンブル流には、特許文献１の図３に示されるように、主流であるタンブル流と、前記主流に対して反対方向の渦流である逆タンブル流とが存在する。これにより、タンブル流の一部または全部が、逆タンブル流によって打ち消されるおそれがある。よって、前記タンブル流による筒内燃焼空間内の燃料の攪拌が不十分となり、結果として内燃機関の燃焼が不十分になるおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、主渦流に対して反対方向の逆渦流による内燃機関の混合気の燃焼が不十分になることを抑制することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る内燃機関は、シリンダ内を往復運動するピストンと、空気と燃料との混合気が燃焼する筒内燃焼空間と、前記筒内燃焼空間内の排気ガスを前記筒内燃焼空間から排出する排気ポートと、前記排気ポートを介して所定のタイミングで前記筒内燃焼空間から前記排気ガスを排出する排気弁と、前記筒内燃焼空間に前記空気を導入すると共に前記筒内燃焼空間内に渦流を形成する吸気ポートと、前記ピストンが前記シリンダ内を２往復する間に少なくとも２回開弁することで前記吸気ポートを介して前記筒内燃焼空間に、前記２回の吸気のうち１回目の吸気期間では前記空気を導入し、２回目以降の吸気期間では前記空気または前記混合気を導入する吸気弁と、前記排気弁が閉弁状態であって、前記１回目の吸気期間である第１吸気期間の終了時期と２回目の吸気期間である第２吸気期間の開始時期との間に前記筒内燃焼空間に対して少なくとも１回前記燃料を噴射する燃料噴射手段と、を備え、前記渦流は、第１渦流と、前記第１渦流よりも渦流の強さが弱く前記第１渦流に対して反対方向に渦巻く渦流である第２渦流とから構成され、前記燃料噴射手段は、前記第１渦流の流れに沿うように前記燃料を噴射することを特徴とする。

上記構成により、本発明は、第１吸気期間中に筒内燃焼空間に形成された渦流によって、第２吸気期間中に筒内燃焼空間に形成された、渦流の強さの低下を抑制できる。これにより、筒内燃焼空間内の混合気は、前記渦流によって十分に攪拌される。よって、内燃機関の混合気の燃焼がより良好となる。

また、燃料噴射手段が筒内燃焼空間に燃料を噴射する期間中、吸気弁と排気弁とは閉弁状態である。このとき、ピストンが上死点から下死点に向かって移動すると、筒内燃焼空間内は減圧される。これによって、燃料噴射手段によって筒内燃焼空間に噴射された燃料は早期に気化する。よって、筒内燃焼空間内の混合気は、前記渦流によってより良好に攪拌され、内燃機関の混合気の燃焼がより良好となる。

さらに、燃料噴射手段によって筒内燃焼空間に噴射された燃料は早期に気化することで、本発明は、燃料のシリンダの内壁面への付着を抑制できる。これにより、筒内燃焼空間内の混合気は、前記渦流によってさらに良好に攪拌され、内燃機関の混合気の燃焼がさらに良好となる。

本発明の好ましい態様としては、前記燃料噴射手段は、前記第１吸気期間の終了時期以後に前記燃料の噴射を開始し、かつ、前記第２吸気期間の開始時期以前に前記燃料の噴射を終了することが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記第１吸気期間中に前記筒内燃焼空間に吸気される前記空気の容量は、前記第２吸気期間中に前記筒内燃焼空間に吸気される前記空気または前記混合気容量よりも小さいことが望ましい。

本発明の好ましい態様としては、前記第１吸気期間中に前記筒内燃焼空間に吸気される前記空気の量と、前記第２吸気期間中に前記筒内燃焼空間に吸気される前記空気の量との和は、前記筒内燃焼空間に存在する前記燃料の全てが燃焼するのに必要な必要空気量であることが望ましい。

本発明に係る内燃機関は、主渦流に対して反対方向の逆渦流による内燃機関の混合気の燃焼が不十分になることを抑制できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る内燃機関を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関１は、乗用車やトラックなどの車両に搭載されて動力発生源となる。内燃機関１は、シリンダ１０１内を往復運動するピストン１０２が２往復する間に、吸気行程と、圧縮行程と、膨張行程と、排気行程とからなる一連の４行程を行う、いわゆる４ストロークエンジンである。なお、内燃機関１は、ガソリンエンジンであってもよいし、ディーゼルエンジンでもよい。

内燃機関１は、シリンダ１０１と、ピストン１０２と、筒内燃焼空間１０３と、クランク室１０４とを備える。シリンダ１０１は、円筒形状に形成される。ピストン１０２は、シリンダ１０１内に支持されて、シリンダ１０１の中心軸であるシリンダ軸線ＳＬ方向に往復運動する。筒内燃焼空間１０３は、空気と燃料との混合気が燃焼する空間である。また、筒内燃焼空間１０３は、ピストン１０２を挟んでシリンダ軸線ＳＬ方向の一方側に設けられる。クランク室１０４は、筒内燃焼空間１０３とは反対側である他方側に設けられる。

内燃機関１は、さらに、吸気ポート１０５と、排気ポート１０６と、燃料噴射手段としてのインジェクタ１０７と、点火プラグ１０８と、クランクシャフト１０９とを備える。吸気ポート１０５は、筒内燃焼空間１０３に接続されて、筒内燃焼空間１０３内に空気を導入する。排気ポート１０６は、筒内燃焼空間１０３に接続されて、筒内燃焼空間１０３から混合気が燃焼した後の排気ガスを筒内燃焼空間１０３から排出する。

インジェクタ１０７は、少なくとも１つ筒内燃焼空間１０３から突出して設けられ、前記筒内燃焼空間に所定のタイミングで燃料を噴射する。なお、内燃機関１は、インジェクタ１０７が燃料を噴射する前記所定のタイミングに特徴がある。よって、前記所定のタイミングは、後に詳細に説明する。点火プラグ１０８は、筒内燃焼空間１０３から突出して設けられ、前記筒内燃焼空間内の混合気に点火する。クランクシャフト１０９は、クランク室１０４に設けられ、ピストン１０２の往復運動を回転運動に変換する。

内燃機関１は、さらに、シリンダヘッド１１０と、シリンダブロック１１１と、クランクケース１１２と、コネクティングロッド１１３とを備える。シリンダヘッド１１０は、シリンダブロック１１１に連結される。クランクケース１１２は、シリンダヘッド１１０とは反対側のシリンダブロック１１１に連結される。シリンダブロック１１１の内部には、上述した円筒形状のシリンダ１０１が形成される。また、シリンダ１０１の内壁面であるシリンダ内壁面１０１ａを、ピストン１０２が摺動する。

上述したように、クランクケース１１２の内部には、クランクシャフト１０９が回転できるように支持される。コネクティングロッド１１３は、ピストン１０２と、コネクティングロッド１１３とを連結する。コネクティングロッド１１３は、一方の端部がピストン１０２と、ピストン１０２に対して回動できるように連結され、他方の端部が、クランクシャフト１０９とクランクシャフト１０９に対して回転できるように連結される。

上記構成により、ピストン１０２の往復運動は、コネクティングロッド１１３を介してクランクシャフト１０９の回転運動に変換される。クランクシャフト１０９によって回転運動に変換されたピストン１０２の往復運動は、内燃機関１の出力としてクランクシャフト１０９から取り出される。なお、クランクシャフト１０９は、その回転を円滑にするため、その軸周りにカウンタウェイト１０９ａを有する。

ここで、筒内燃焼空間１０３の構成を説明する。筒内燃焼空間１０３は、シリンダヘッド１１０においてシリンダ１０１側の端面である筒内天井部１０３ａと、シリンダ１０１のシリンダ内壁面１０１ａと、ピストン１０２のクランク室１０４とは反対側の端面であるピストン頂部１０２ａにより形成される空間である。

筒内燃焼空間１０３の筒内天井部１０３ａには、吸気ポート１０５が例えば２つ開口する。また、筒内燃焼空間１０３の筒内天井部１０３ａには、排気ポート１０６が例えば２つ開口する。また、筒内天井部１０３ａの略中央部には、点火プラグ１０８が突出する。なお、内燃機関１の点火プラグ１０８は、筒内天井部１０３ａの略中央部に突出して設けられるとしたが、本実施形態はこれに限定されない。点火プラグ１０８は、筒内燃焼空間１０３に突出していればよい。また、筒内燃焼空間１０３に突出する点火プラグ１０８の個数も限定されない。

また、吸気ポート１０５及び排気ポート１０６は、それぞれ２つずつの筒内天井部１０３ａに開口するとしたが、本実施形態はこれに限定されない。吸気ポート１０５は、少なくとも１つ筒内燃焼空間１０３に開口していればよい。また、排気ポート１０６は、少なくとも１つ筒内燃焼空間１０３に開口していればよい。

内燃機関１は、さらに、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１１４と、吸気弁１１５と、排気弁１１６と、吸気通路１１７と、排気通路１１８とを備える。ＥＣＵ１１４は、内燃機関１を構成する各構成要素の制御手段として、マイクロコンピュータを中心に構成される。ＥＣＵ１１４は、内燃機関１の各構成要素と電気的に接続され、前記各構成要素の各動作を制御する。

吸気弁１１５は、吸気ポート１０５に設けられて、吸気ポート１０５と筒内燃焼空間１０３とを連通する開口を所定のタイミングで開閉する。これにより、吸入空気は、所定のタイミングで、筒内燃焼空間１０３内に吸気ポート１０５を介して吸気される。なお、内燃機関１は、吸気弁１１５が開閉する前記所定のタイミングに特徴がある。前記所定のタイミングは、後に詳細に説明する。

吸気弁１１５は、ＥＣＵ１１４と電気的に接続されることで、所定のタイミングで開閉する電子弁である。なお、本実施形態はこれに限定されず、吸気弁１１５は、タイミングチェーンにより所定のタイミングで開閉されてもよい。但し、内燃機関１は、吸気弁１１５が開閉する前記所定のタイミングに特徴がある。よって、吸気弁１１５は、電子弁によって内燃機関１の運転状況により精密に制御されると好ましい。

また、吸気弁１１５は、開弁時間、つまり吸気ポート１０５と筒内燃焼空間１０３とが連通する時間を変えることで、筒内燃焼空間１０３内に導入する空気の量を調節できる。排気弁１１６は、排気ポート１０６に設けられて、筒内燃焼空間１０３と排気ポート１０６とを連通する開口を所定のタイミングで開閉する。これにより、所定のタイミングで、筒内燃焼空間１０３内の排気ガスを排気ポート１０６を介して排気できる。

吸気通路１１７は、一方の端部が大気に開口し、他方の端部が吸気ポート１０５に接続される。これにより、吸気通路１１７は、大気から空気を取り入れ、吸気ポート１０５に前記空気を導く。なお、吸気通路１１７上には、吸入した空気に含まれる塵を取り除くエアクリーナや、吸入した空気の量を検出するエアフロセンサなどが設けられる。

排気通路１１８は、一方の端部が排気ポート１０６に接続され、他方の端部が大気に開口する。これにより、排気通路１１８は、排気ポート１０６から排気ガスを大気に排出する。なお、排気通路１１８上には、排気ガスを浄化する触媒装置や、排気ガスに含まれる酸素量を検出する酸素量センサなどが設けられる。

ＥＣＵ１１４は、インジェクタ１０７、点火プラグ１０８、吸気弁１１５、排気弁１１６、などと電気的に接続される。これにより、ＥＣＵ１１４は、インジェクタ１０７の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ１０８の点火時期、吸気弁１１５の開閉、排気弁１１６の開閉などを制御する。

ここで、上述したように、内燃機関１は、ピストン１０２が２往復する間に、吸気行程と、圧縮行程と、膨張行程と、排気行程とからなる４行程を行う。以下に各行程における内燃機関１の動作を説明する。なお、内燃機関１は、吸気行程に特徴がある。よって、すでに筒内燃焼空間１０３に混合気が存在する状態から説明し、吸気行程については、後に詳細に説明する。

筒内燃焼空間１０３内には、吸気行程によって筒内燃焼空間１０３内に吸入された空気と、インジェクタ１０７によって噴射された燃料とが混合した混合気が存在する。ここで、圧縮行程では、ピストン１０２が下死点を経てシリンダ１０１内をシリンダヘッド１１０の筒内天井部１０３ａ側へ、つまり上死点側へ移動する。これにより、混合気が圧縮される。次に、膨張行程では、ピストン１０２が圧縮行程上死点に近づくと、点火プラグ１０８により混合気に点火される。これにより、筒内燃焼空間１０３内で混合気が燃焼し、その燃焼圧力によりピストン１０２が下死点側へ移動する。ここで、燃焼後の混合気は排気ガスとなる。

排気行程では、ピストン１０２が下死点を経て上死点に向かって移動することで排気ポート１０６及び排気通路１１８を介して筒内燃焼空間１０３から排気ガスが排気される。上記構成により、ピストン１０２を備える内燃機関１は、ピストン１０２が、シリンダ１０１内を２往復する間に、上記４行程を行うことで、クランクシャフト１０９から出力を発生させる。

図２は、従来に係る内燃機関の筒内燃焼空間を模式的に示す断面図である。ここで、従来の内燃機関２の問題点を説明する。内燃機関２は、ピストン１０２が、シリンダ１０１内を２往復する間に、筒内燃焼空間１０３内に空気を１回導入する。内燃機関２は、ピストン１０２が上死点から下死点に向かって移動する間に、吸気弁２１５を一度開く。これにより、筒内燃焼空間１０３内に吸気ポート１０５を介して空気が吸気される。

このとき、筒内燃焼空間１０３内には縦型渦流、いわゆるタンブル流が形成される。ここで、筒内燃焼空間１０３内には、吸気ポート１０５の形状や、吸気弁２１５の形状などの要因によって、タンブル流ＴＦ０５と逆タンブル流ＴＦ０６とが形成される。タンブル流ＴＦ０５は、筒内天井部１０３ａ側で吸気ポート１０５側から排気ポート１０６側へ向かう渦流である。また、逆タンブル流ＴＦ０６は、タンブル流ＴＦ０５とは反対側に渦巻く渦流である。

内燃機関２は、筒内燃焼空間１０３内に、互いに相反する方向に渦巻く渦流が存在するため、タンブル流ＴＦ０５と逆タンブル流ＴＦ０６とが衝突することによって、タンブル流が打ち消しあうおそれがある。これにより、内燃機関２は、タンブル流による筒内燃焼空間１０３内に噴射された燃料の攪拌が不十分となり、内燃機関における混合気の燃焼が不十分になるおそれがある。結果として、内燃機関２は、燃焼速度が低下し、未燃ガスが増大するおそれがある。

図３は、本実施形態に係る吸気弁の開閉時期と、インジェクタによる燃料噴射時期を示す説明図である。図３において、円は図１に示すクランクシャフト１０９の回転を示す。図３中、ＴＤＣは上死点を示し、ＢＤＣは下死点を示す。なお、以下の説明では、図１及び図３を用いる。

内燃機関１は、図１に示すピストン１０２が、シリンダ１０１内を２往復する間に、筒内燃焼空間１０３内に空気を少なくとも２回、所定のタイミングで導入する点に特徴がある。ここで、一回目の吸気タイミングを第１吸気期間としての第１吸気タイミングＶＴ０１、二回目の吸気タイミングを第２吸気期間としての第２吸気タイミングＶＴ０２とする。

また、内燃機関１は、第１吸気タイミングＶＴ０１と第２吸気タイミングＶＴ０２との間に、図１に示すインジェクタ１０７によって燃料を筒内燃焼空間１０３内に少なくとも一度噴射する。このタイミングを、燃料噴射タイミングＦＪとする。

まず、排気行程終了後、ピストン１０２は、下死点ＢＤＣ側から上死点ＴＤＣ近傍に至る。このとき、第１開弁タイミングＩＶｏ０１で、吸気弁１１５が開弁し、第１吸気期間の終了時期としての第１閉弁タイミングＩＶｃ０１で吸気弁１１５が閉弁する。

次に、ピストン１０２は、上死点ＴＤＣ側から下死点ＢＤＣに向かって移動する。この期間内に、インジェクタ１０７は筒内燃焼空間１０３内に燃料を噴射する。このとき、燃料噴射タイミングＦＪの期間中は、排気弁１１６は閉弁状態である。また、吸気弁１１５も閉弁状態である。

ここで、燃料噴射タイミングＦＪの開始時期である燃料噴射開始タイミングＦＪｓは、第１閉弁タイミングＩＶｃ０１よりも後であると好ましい。つまり、第１吸気タイミングＶＴ０１は、燃料噴射タイミングＦＪと重ならない方が好ましい。

次に、燃料噴射タイミングＦＪの終了時期である燃料噴射終了タイミングＦＪｅよりも後に、第２吸気タイミングＶＴ０２で、吸気弁１１５が開弁する。ここで、第２吸気タイミングＶＴ０２での吸気弁１１５の開弁時期である第２開弁タイミングＩＶｏ０２は、燃料噴射終了タイミングＦＪｅよりも後であると好ましい。つまり、第２吸気タイミングＶＴ０２は、燃料噴射タイミングＦＪと重ならない方が好ましい。なお、第２吸気タイミングＶＴ０２での吸気弁１１５は、第２閉弁タイミングＩＶｃ０２で閉弁する。

なお、第１開弁タイミングＩＶｏ０１は、ピストン１０２が上死点ＴＤＣに至るよりも前の時期である。さらに、第２吸気期間の開始時期としての第２開弁タイミングＩＶｏ０２は、ピストン１０２が下死点ＢＤＣよりも後の時期である。これは、吸気ポート１０５内を流動する空気には慣性が存在する。これにより、ピストン１０２が上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣに向かって移動していなくても、上死点ＴＤＣ及び下死点ＢＤＣ近傍であれば筒内燃焼空間１０３内に空気が吸気されるためである。よって、第１開弁タイミングＩＶｏ０１及び第２開弁タイミングＩＶｏ０２の時期は、上死点ＴＤＣと下死点ＢＤＣとの間の範囲に限定されず、筒内燃焼空間１０３内に空気を吸気できる範囲内で変更できる。

図４は、第１吸気タイミングの時の筒内燃焼空間内を模式的に示す断面図である。図４に示すように、第１吸気タイミングＶＴ０１では、ピストン１０２は、筒内天井部１０３ａ側に近づいている。この時、吸気弁１１５は開弁状態である。よって、吸気ポート１０５を介して、筒内燃焼空間１０３内に空気が吸気される。

ここで、筒内燃焼空間１０３内には、第１渦流としての第１タンブル流ＴＦ０１と、第２渦流としての第１逆タンブル流ＴＦ０２とが形成される。第１タンブル流ＴＦ０１は、筒内天井部１０３ａ側で吸気ポート１０５側から排気ポート１０６側へ向かう渦流である。また、第１逆タンブル流ＴＦ０２は、第１タンブル流ＴＦ０１とは反対側に渦巻く渦流である。

このとき、吸気ポート１０５の形状や吸気弁１１５の形状によって、筒内燃焼空間１０３内に形成される２つのタンブル流は、相対的に渦流の強さが強いタンブル流と、相対的に渦流の強さが弱いタンブル流となる。本実施形態では、吸気ポート１０５が筒内燃焼空間１０３に開口する開口部と吸気弁１１５との隙間のうち、点火プラグ１０８に近い側の隙間を通る第１タンブル流ＴＦ０１が、前記隙間において点火プラグ１０８から遠い側の隙間を通る第１逆タンブル流ＴＦ０２よりも渦流の強さが強いタンブル流とする。

ここで、渦流の強は、渦流の持つエネルギーの大きさと略同義である。つまり、第１タンブル流ＴＦ０１が有するエネルギーは、第１逆タンブル流ＴＦ０２が有するエネルギーよりも大きい。

上述したように、第１吸気タイミングＶＴ０１では、ピストン１０２は、筒内天井部１０３ａ近傍に位置する。よって、筒内天井部１０３ａに沿うように排気ポート１０６側へ流れる第１タンブル流ＴＦ０１に対して、ピストン１０２側へ流れる第１逆タンブル流ＴＦ０２は渦流が発生しにくい。もしくは、第１逆タンブル流ＴＦ０２は、その渦流の形状を保ちにくい。

つまり、上死点ＴＤＣ近傍で吸気弁１１５を開弁することによって、第１タンブル流ＴＦ０１とは反対方向に渦巻く第１逆タンブル流ＴＦ０２の渦流の強さが低減される。結果として、内燃機関１は、第１タンブル流ＴＦ０１の渦流の強さを弱める反対方向に渦巻く渦流である第１逆タンブル流ＴＦ０２の渦流の強さが低減されたことにより、第１タンブル流ＴＦ０１の渦流の強さの低下を抑制できる。

なお、第１吸気タイミングＶＴ０１で形成された第１タンブル流ＴＦ０１は、第２吸気タイミングＶＴ０２まで、渦流として筒内燃焼空間１０３内で保たれる。

図５は、燃料噴射タイミングの時の筒内燃焼空間内を模式的に示す断面図である。図５に示すように、燃料噴射タイミングＦＪでは、吸気弁１１５及び排気弁１１６は閉弁状態である。つまり、この時、筒内燃焼空間１０３内は密閉空間となる。

この時、筒内燃焼空間１０３内には、第１吸気タイミングＶＴ０１で形成された第１タンブル流ＴＦ０１が残っている。ここで、インジェクタ１０７の噴射口が、第１タンブル流ＴＦ０１の流れに沿う方向に向けられて筒内燃焼空間１０３に突出して設けられる。なお、前記噴射口とは、インジェクタ１０７において燃料が噴射される開口である。本実施形態では、インジェクタ１０７は、例えば、吸気ポート１０５側のシリンダヘッド１１０に設けられ、排気ポート１０６側に向けて燃料を噴射する。

これにより、インジェクタ１０７から噴射された燃料は、第１タンブル流ＴＦ０１の流れに沿うように噴射される。よって、第１タンブル流ＴＦ０１は、インジェクタ１０７から噴射された燃料が有する運動エネルギーが加わり、渦流の強さが増加する。

なお、インジェクタ１０７は筒内燃焼空間１０３に突出するように１つ設けられるものとして説明したが、本実施形態はこれに限定されない。インジェクタ１０７以外に、例えば、吸気ポート１０５に突出するようにインジェクタを設けてもよい。つまり、インジェクタ１０７によって筒内燃焼空間１０３内に燃料が噴射されると共に、インジェクタ１０７とは別のインジェクタによって、吸気ポート１０５内に補助として燃料が噴射されてもよい。

図６は、燃料噴射タイミングの時の他の筒内燃焼空間内を模式的に示す断面図である。なお、インジェクタ１０７は、吸気ポート１０５側のシリンダヘッド１１０に設けられ、排気ポート１０６側に向けて燃料を噴射すると説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、図６に示すように、インジェクタ１０７は、排気ポート１０６側のシリンダヘッド１１０に設けられ、ピストン頂部１０２ａ側に向けて燃料を噴射してもよい。これにより、第１タンブル流ＴＦ０１は、インジェクタ１０７から噴射された燃料が有する運動エネルギーが加わり、渦流の強さが増加する。

また、この期間中、ピストン１０２は上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣに向かって移動する。しかしながら、筒内燃焼空間１０３と筒内燃焼空間１０３の外部とを連通する吸気弁１１５及び排気弁１１６は閉弁状態である。これにより、筒内燃焼空間１０３内は、ピストン１０２が上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣに向かう程、吸気ポート１０５内の気体の圧力よりも減圧される。

よって、インジェクタ１０７からこの減圧された筒内燃焼空間１０３内に噴射された燃料は、筒内燃焼空間１０３内の気体が減圧される程気化しやすくなる。結果として、筒内燃焼空間１０３内に噴射された燃料は、インジェクタ１０７から噴射されてから気化するまでの時間が短くなる。これにより、燃料が早期に気化し、筒内燃焼空間１０３内に存在する第１タンブル流ＴＦ０１によって攪拌されることで、内燃機関１の混合気の燃焼がより良好となる。また、筒内燃焼空間１０３内に噴射された燃料が、早期に気化することによって、従来の問題であった燃料のシリンダ内壁面１０１ａへの付着を抑制できる。

なお、燃料がシリンダ内壁面１０１ａに付着すると、筒内燃焼空間１０３内での燃料の気化が遅れ、未燃ガスの発生や、内燃機関１の出力の低下などのおそれがある。特に、吸気弁１１５が、開度の少ない低リフト弁であったり、吸気弁１１５の開弁時間が短い場合は、未燃ガスは発生しやすい。よって、吸気弁１１５が上記のような低リフト弁であったり、吸気弁１１５の開弁時間が短い場合、内燃機関１が奏する未燃ガスの抑制効果は特に大きい。

また、燃料がシリンダ内壁面１０１ａに付着すると、ピストン１０２とシリンダ内壁面１０１ａとの隙間から、図１に示すクランク室１０４へ燃料が混入するおそれがある。クランク室１０４に混入した燃料は、クランク室１０４内で気化する。ここで、クランク室１０４内の気体を吸気通路１１７へ戻す機構を備える内燃機関では、クランク室１０４内で気化した燃料が、再度、筒内燃焼空間１０３に導入されることとなる。

ここで、上述したように、インジェクタ１０７は、ＥＣＵ１１４により、噴射する燃料を必要な量に制御される。つまり、クランク室１０４内で気化した燃料が、筒内燃焼空間１０３に導入された分、インジェクタ１０７が噴射する燃料の量は減少する。しかしながら、インジェクタ１０７には、最も少なく噴射できる燃料の量に限界がある。よって、クランク室１０４内に混入する燃料の量が増加すると、ＥＣＵ１１４によってインジェクタ１０７に要求される噴射する燃料の最適量が、インジェクタ１０７が最も少なく噴射できる燃料の量よりも小さくなることがある。これにより、ＥＣＵ１１４による内燃機関１の制御に不具合が生じるおそれがある。

内燃機関１は、燃料噴射タイミングＦＪ期間中に、インジェクタ１０７が燃料を噴射することにより、筒内燃焼空間１０３内に噴射された燃料が早期に気化する。これにより、内燃機関１は、燃料がシリンダ内壁面１０１ａに付着することを抑制できる。よって、内燃機関１は、クランク室１０４内に燃料が混入することを抑制できる。結果として、内燃機関１は、クランク室１０４内の気体を吸気通路１１７へ戻す機構を備える場合に、上述のようなＥＣＵ１１４による内燃機関１の制御に不具合が生じるおそれを抑制できる。

また、燃料のシリンダ内壁面１０１ａへの付着を抑制することにより、内燃機関１は、インジェクタ１０７の燃料の噴射量の低下も抑制できる。これにより、内燃機関１は、第１タンブル流ＴＦ０１に沿うようにインジェクタ１０７から噴射される燃料が有する運動エネルギーの低下を抑制できる。結果として、内燃機関１は、より好適に第１タンブル流ＴＦ０１の渦流の強さの低下を抑制できる。

図７は、第２吸気タイミングの時の筒内燃焼空間内を模式的に示す断面図である。図７に示すように、第２吸気タイミングＶＴ０２期間中は、吸気弁１１５は開弁状態である。また、筒内燃焼空間１０３内には、第１吸気タイミングＶＴ０１期間中に形成された第１タンブル流ＴＦ０１が残っている。

吸気弁１１５が開弁されると、筒内燃焼空間１０３内には、第２タンブル流ＴＦ０３と第２逆タンブル流ＴＦ０４とが形成される。第２タンブル流ＴＦ０３は、筒内天井部１０３ａ側で吸気ポート１０５側から排気ポート１０６側へ向かう渦流である。また、第２逆タンブル流ＴＦ０４は、第２タンブル流ＴＦ０３とは反対側に渦巻く渦流である。

このとき、吸気ポート１０５の形状や吸気弁１１５の形状によって、筒内燃焼空間１０３内に形成される２つのタンブル流は、相対的に渦流の強さが強いタンブル流と、相対的に渦流の強さが弱いタンブル流となる。ここで、第２タンブル流ＴＦ０３の渦流の強さは、第２逆タンブル流ＴＦ０４の渦流の強さより強いものとする。

なお、吸気ポート１０５が開弁すると、筒内燃焼空間１０３に開口する開口部と吸気弁１１５との間に隙間が形成される。第２タンブル流ＴＦ０３は、前記隙間のうち、点火プラグ１０８に近い側の隙間を通る。また、第２逆タンブル流ＴＦ０４は、前記隙間のうち、点火プラグ１０８から遠い側の隙間を通る。

上述のように、第２吸気タイミングＶＴ０２期間中、筒内燃焼空間１０３内には、第１タンブル流ＴＦ０１が渦流として残っている。なお、第１タンブル流ＴＦ０１は、第２タンブル流ＴＦ０３と同じ方向に渦巻く渦流である。よって、第２タンブル流ＴＦ０３は、第１タンブル流ＴＦ０１によって、渦流の強さが増加する。また、第１タンブル流ＴＦ０１は、第２逆タンブル流ＴＦ０４と反対方向に渦巻いている。よって、図７に示すように、第２逆タンブル流ＴＦ０４は、第１タンブル流ＴＦ０１と衝突する。これにより、第２逆タンブル流ＴＦ０４の渦流の強さは低減される。

よって、第２タンブル流ＴＦ０３の渦流の強さを弱める第２逆タンブル流ＴＦ０４渦流の強さが低減されたことにより、内燃機関１は、第２タンブル流ＴＦ０３の渦流の強さの低下を抑制できる。これにより、筒内燃焼空間１０３内の燃料は、第２タンブル流ＴＦ０３によって、または第１タンブル流ＴＦ０１及び第２タンブル流ＴＦ０３によってより良好に攪拌される。よって、燃料が早期に気化し、筒内燃焼空間１０３内に存在する第１タンブル流ＴＦ０１によって攪拌されることで、内燃機関１の混合気の燃焼がより良好となる。

図８は、第１吸気タイミングでの吸気量と第２吸気タイミングでの吸気量との関係を説明する説明図である。図８の横軸は、図１に示すクランクシャフト１０９の回転角度、つまり時間を示す。また縦軸は、吸気量を示す。なお、ＩＦはインジェクタ１０７による混合気への点火時期を示す。

図８に示すように、第１吸気タイミングＶＴ０１での吸気量は、第２吸気タイミングＶＴ０２での吸気量よりも小さい。ここで、図４に示すように、第１吸気タイミングＶＴ０１の時、ピストン１０２は、上死点ＴＤＣ近傍に位置する。そして、図５に示すように、第１吸気タイミングＶＴ０１以降、吸気弁１１５及び排気弁１１６が閉弁状態中に、ピストン１０２は上死点ＴＤＣ側から下死点ＢＤＣ側へ向かって移動する。

この時、筒内燃焼空間１０３内の気体の圧力が低くなる程、上述したように、インジェクタ１０７から筒内燃焼空間１０３内に噴射された燃料は気化しやすくなる。しかしながら、筒内燃焼空間１０３内の気体の圧力が低くなる程、ピストン１０２が上死点ＴＤＣ側から下死点ＢＤＣ側へ移動するのに必要な力が増大する。つまり、筒内燃焼空間１０３内の気体の圧力が低くなる程、ピストン１０２が上死点ＴＤＣ側から下死点ＢＤＣ側へ移動する時の抵抗力が増大する。

内燃機関１は、第１吸気タイミングＶＴ０１で、筒内燃焼空間１０３内に空気を導入することで、筒内燃焼空間１０３内の気体の圧力が過剰に低くなることを抑制できる。これにより、内燃機関１は、ピストン１０２が上死点ＴＤＣ側から下死点ＢＤＣ側へ移動する時の抵抗力を抑制できる。よって、内燃機関１は、内燃機関１のポンピングロスを抑制できる。

ここで、第２吸気タイミングＶＴ０２での吸気がメインの吸気であり、第１吸気タイミングＶＴ０１での吸気は、第２逆タンブル流ＴＦ０４の渦流の強さを低減するための第１タンブル流ＴＦ０１を筒内燃焼空間１０３内に形成するための吸気である。よって、第１吸気タイミングＶＴ０１での吸気量は、前記ポンピングロスを抑制できる量よりも多ければよい。結果として、第１吸気タイミングＶＴ０１での吸気量は、第２吸気タイミングＶＴ０２での吸気量よりも小さくなる。

これにより、内燃機関１は、前記ポンピングロスを抑制しつつ、燃料噴射タイミングＦＪにインジェクタ１０７から筒内燃焼空間１０３内に噴射された燃料を早期に気化できる。結果として、ポンピングロスによる内燃機関１の出力低下を抑制しつつ、内燃機関１の混合気の燃焼がより良好となる。

ここで、第１吸気タイミングＶＴ０１での吸気量のより良好な範囲は、燃料噴射タイミングＦＪの期間中、筒内燃焼空間１０３内が大気圧力よりも低くなり、ピストン１０２が上死点ＴＤＣ側から下死点ＢＤＣ側へ移動するときの前記抵抗力によって、図１に示すクランクシャフト１０９の回転が停止しない範囲の吸気量であると好ましい。

これにより、インジェクタ１０７から筒内燃焼空間１０３内に燃料が噴射されたとき、筒内燃焼空間１０３内の気体の圧力は大気圧以下となる。これにより、インジェクタ１０７から噴射された燃料は、早期に気化する。早期に気化した燃料が、筒内燃焼空間１０３内に存在する第１タンブル流ＴＦ０１、または第１タンブル流ＴＦ０１及び第２タンブル流ＴＦ０３によって十分に攪拌されることで、内燃機関１の混合気の燃焼がより良好となる。

また、インジェクタ１０７から噴射された燃料が早期に気化することにより、内燃機関１は、シリンダ内壁面１０１ａへの燃料の付着を抑制できる。これにより、内燃機関１は、クランク室１０４内に燃料が混入することを抑制できる。結果として、内燃機関１は、クランク室１０４内の気体を吸気通路１１７へ戻す機構を備える場合に、上述のようなＥＣＵ１１４による内燃機関１の制御に不具合が生じるおそれを抑制できる。

また、図８に示す、第２吸気タイミングＶＴ０２での吸気量は、ピストン１０２がシリンダ１０１内を２往復する間に内燃機関１が必要とするとする必要吸気量と、第１吸気タイミングＶＴ０１での吸気量とに基づいて求められる。具体的には、前記必要吸気量から第１吸気タイミングＶＴ０１での吸気量を減算することで第２吸気タイミングＶＴ０２での吸気量が求められる。

これにより、内燃機関１は、ピストン１０２がシリンダ１０１内を２往復する間に吸気した総合の吸気量が、必要吸気量よりも小さくなるおそれを抑制できる。よって、内燃機関１は、内燃機関１の混合気の燃焼が不十分になることによる、例えば、未燃ガスの増加を抑制できる。つまり、内燃機関１は、第１吸気タイミングＶＴ０１と、第２吸気タイミングＶＴ０２での吸気量との和必要吸気量よりも小さくなるおそれを抑制できる。なお、内燃機関１の運転状況により、前記総合の吸気量が前記必要吸気量に達しない場合は、第１吸気タイミングＶＴ０１での吸気量を増やすことで対応してもよい。

なお、第１タンブル流ＴＦ０１の渦流の強さは、第１逆タンブル流ＴＦ０２の渦流の強さよりも強いとして説明したが、本実施形態はこれに限定されない。吸気ポート１０５の形状や、吸気弁１１５の形状などにより、第１逆タンブル流ＴＦ０２の渦流の強さが、第１タンブル流ＴＦ０１の渦流の強さよりも強くなり、第２逆タンブル流ＴＦ０４の渦流の強さが、第２タンブル流ＴＦ０３の渦流の強さよりも強くなる場合もある。

この場合、インジェクタ１０７は、渦流の強さが相対的に強い第１逆タンブル流ＴＦ０２の流れの方向に沿って燃料を噴射するように設ければよい。これにより、内燃機関１は、上述の効果と同等の効果を奏する。

以上、内燃機関１は、シリンダ１０１内を往復運動するピストン１０２と、空気と燃料との混合気が燃焼する筒内燃焼空間１０３と、筒内燃焼空間１０３内の排気ガスを筒内燃焼空間１０３から排出する排気ポート１０６と、排気ポート１０６を介して所定のタイミングで筒内燃焼空間１０３から排気ガスを排出する排気弁１１６と、筒内燃焼空間１０３に空気を導入すると共に筒内燃焼空間１０３内に渦流を形成する吸気ポート１０５と、ピストン１０２がシリンダ１０１内を２往復する間に少なくとも２回開弁することで吸気ポート１０５を介して筒内燃焼空間１０３に空気または混合気を少なくとも２回導入する吸気弁１１５と、排気弁１１６が閉弁状態であって、２回の吸気のうち１回目の吸気期間である第１吸気タイミングＶＴ０１の第１閉弁タイミングＩＶｃ０１と２回目の吸気期間である第２吸気タイミングＶＴ０２の第２開弁タイミングＩＶｏ０２との間に筒内燃焼空間１０３に対して少なくとも１回燃料を噴射するインジェクタ１０７と、を備える。

また、インジェクタ１０７は、第１吸気タイミングＶＴ０１の第１閉弁タイミングＩＶｃ０１以後に燃料の噴射を開始し、かつ、第２吸気タイミングＶＴ０２の第２開弁タイミングＩＶｏ０２以前に燃料の噴射を終了する。

図９は、シリンダ軸線と直交する面での筒内燃焼空間を模式的に示す断面図である。また、筒内燃焼空間１０３内に渦流として縦型の渦流であるタンブル流が形成されるものとして説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、筒内燃焼空間１０３内に渦流として横型の渦流であるスワール流が形成される場合であってもよい。

図９に示すように、筒内燃焼空間１０３内には、第１スワール流ＳＦ０１と第１逆スワール流ＳＦ０２とが形成される。第１逆スワール流ＳＦ０２は、第１スワール流ＳＦ０１とは反対側に渦巻く渦流である。

このとき、吸気ポート１０５の形状や吸気弁１１５の形状によって、筒内燃焼空間１０３内に形成される２つのスワール流は、相対的に渦流の強さが強いスワール流と、相対的に渦流の強さが弱いスワール流となる。第１吸気タイミングＶＴ０１で形成された第１スワール流ＳＦ０１は、第２吸気タイミングＶＴ０２まで、渦流として筒内燃焼空間１０３内で保たれる。

燃料噴射タイミングＦＪでは、筒内燃焼空間１０３内には、第１吸気タイミングＶＴ０１で形成された第１スワール流ＳＦ０１が残っている。ここで、インジェクタ１０７の噴射口が、第１スワール流ＳＦ０１の流れに沿う方向に向けられて筒内燃焼空間１０３に突出して設けられる。これにより、インジェクタ１０７から噴射された燃料は、第１スワール流ＳＦ０１の流れに沿うように噴射される。よって、第１スワール流ＳＦ０１は、インジェクタ１０７から噴射された燃料が有する運動エネルギーが加わり、渦流の強さが増加する。

第２吸気タイミングＶＴ０２期間中、筒内燃焼空間１０３内には、第１吸気タイミングＶＴ０１期間中に形成された第１スワール流ＳＦ０１が残っている。吸気弁１１５が開弁されると、筒内燃焼空間１０３内には、第２スワール流ＳＦ０３と第２逆スワール流ＳＦ０４とが形成される。第２スワール流ＳＦ０３は、第１スワール流ＳＦ０１と同じ方向に渦巻く渦流である。また、第２逆スワール流ＳＦ０４は、第２スワール流ＳＦ０３とは反対側に渦巻く渦流である。

このとき、吸気ポート１０５の形状や吸気弁１１５の形状によって、筒内燃焼空間１０３内に形成される２つのタンブル流は、相対的に渦流の強さが強いタンブル流と、相対的に渦流の強さが弱いタンブル流となる。ここで、第２スワール流ＳＦ０３の渦流の強さは、第２逆スワール流ＳＦ０４の渦流の強さより強いものとする。

上述のように、第２吸気タイミングＶＴ０２期間中、筒内燃焼空間１０３内には、第１スワール流ＳＦ０１が渦流として残っている。よって、第２スワール流ＳＦ０３は、第１スワール流ＳＦ０１によって、渦流の強さが増加する。また、第１スワール流ＳＦ０１は、第２逆スワール流ＳＦ０４と反対方向に渦巻いている。よって、第２逆スワール流ＳＦ０４は、第１スワール流ＳＦ０１と衝突する。これにより、第２逆スワール流ＳＦ０４の渦流の強さは低減される。

第２スワール流ＳＦ０３の渦流の強さを弱める第２逆スワール流ＳＦ０４の渦流の強さが低減されたことにより、内燃機関１は、第２スワール流ＳＦ０３の渦流の強さの低下を抑制できる。これにより、内燃機関１は、筒内燃焼空間１０３内にタンブル流を形成する場合と同等の効果を奏する。

図１０は、本実施形態に係る他の吸気弁の開閉時期と、インジェクタによる燃料噴射時期を示す説明図である。また、図３に示すように、第１吸気タイミングＶＴ０１は、燃料噴射タイミングＦＪと重ならない方が好ましいと説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、図１０に示すように、第１閉弁タイミングＩＶｃ０１は、燃料噴射開始タイミングＦＪｓ以後でもよい。

また、第２吸気タイミングＶＴ０２は、燃料噴射タイミングＦＪと重ならない方が好ましいと説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、第２開弁タイミングＩＶｏ０２は、燃料噴射終了タイミングＦＪｅ以前でもよい。

内燃機関１は、第１吸気タイミングＶＴ０１と、第２吸気タイミングＶＴ０２との間に少なくとも１回、燃料を筒内燃焼空間１０３に噴射すればよい。より詳細には、内燃機関１は、第１閉弁タイミングＩＶｃ０１と、第２開弁タイミングＩＶｏ０２との間に少なくとも１回、燃料を筒内燃焼空間１０３に噴射すればよい。

また、燃料噴射タイミングＦＪは、第１閉弁タイミングＩＶｃ０１と、第２開弁タイミングＩＶｏ０２との間において、連続していなくてもよい。つまり、第１閉弁タイミングＩＶｃ０１と、第２開弁タイミングＩＶｏ０２との間に複数回、筒内燃焼空間１０３内に燃料を噴射してもよい。

上記のように、内燃機関１を構成しても、内燃機関１は、第２タンブル流ＴＦ０３の渦流の強さの低下を抑制できる。また、筒内燃焼空間１０３は、ピストン１０２が上死点ＴＤＣ側から下死点ＢＤＣ側へ移動することで減圧される。これにより、インジェクタ１０７によって筒内燃焼空間１０３に噴射された燃料は、早期に気化する。結果として、内燃機関１は、上述の効果と略同様の効果を奏する。

以上のように、本発明に係る内燃機関は、筒内燃焼空間内に渦流を形成する内燃機関に有用であり、特に、渦流の強さの低下による内燃機関の混合気の燃焼が不十分になることを抑制することに適している。

本実施形態に係る内燃機関を模式的に示す断面図である。 従来に係る内燃機関の筒内燃焼空間を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る吸気弁の開閉時期と、インジェクタによる燃料噴射時期を示す説明図である。 第１吸気タイミングの時の筒内燃焼空間内を模式的に示す断面図である。 燃料噴射タイミングの時の筒内燃焼空間内を模式的に示す断面図である。 燃料噴射タイミングの時の他の筒内燃焼空間内を模式的に示す断面図である。 第２吸気タイミングの時の筒内燃焼空間内を模式的に示す断面図である。 第１吸気タイミングでの吸気量と第２吸気タイミングでの吸気量との関係を説明する説明図である。 シリンダ軸線と直交する面での筒内燃焼空間を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る他の吸気弁の開閉時期と、インジェクタによる燃料噴射時期を示す説明図である。

符号の説明

１、２ 内燃機関
１０１ シリンダ
１０１ａ シリンダ内壁面
１０２ ピストン
１０２ａ ピストン頂部
１０３ 筒内燃焼空間
１０３ａ 筒内天井部
１０４ クランク室
１０５ 吸気ポート
１０６ 排気ポート
１０７ インジェクタ
１０８ 点火プラグ
１０９ クランクシャフト
１０９ａ カウンタウェイト
１１０ シリンダヘッド
１１１ シリンダブロック
１１２ クランクケース
１１３ コネクティングロッド
１１４ ＥＣＵ
１１５、２１５ 吸気弁
１１６ 排気弁
１１７ 吸気通路
１１８ 排気通路
ＦＪ 燃料噴射タイミング
ＦＪｓ 燃料噴射開始タイミング
ＦＪｅ 燃料噴射終了タイミング
ＩＶｏ０１ 第１開弁タイミング
ＩＶｃ０１ 第１閉弁タイミング
ＩＶｏ０２ 第２開弁タイミング
ＩＶｃ０２ 第２閉弁タイミング
ＴＦ０１ 第１タンブル流
ＴＦ０２ 第１逆タンブル流
ＴＦ０３ 第２タンブル流
ＴＦ０４ 第２逆タンブル流
ＴＦ０５ タンブル流
ＴＦ０６ 逆タンブル流
ＶＴ０１ 第１吸気タイミング
ＶＴ０２ 第２吸気タイミング
ＴＤＣ 上死点
ＢＤＣ 下死点
ＳＬ シリンダ軸線

Claims (4)

1. シリンダ内を往復運動するピストンと、
   空気と燃料との混合気が燃焼する筒内燃焼空間と、
   前記筒内燃焼空間内の排気ガスを前記筒内燃焼空間から排出する排気ポートと、
   前記排気ポートを介して所定のタイミングで前記筒内燃焼空間から前記排気ガスを排出する排気弁と、
   前記筒内燃焼空間に前記空気を導入すると共に前記筒内燃焼空間内に渦流を形成する吸気ポートと、
   前記ピストンが前記シリンダ内を２往復する間に少なくとも２回開弁することで前記吸気ポートを介して前記筒内燃焼空間に、前記２回の吸気のうち１回目の吸気期間では前記空気を導入し、２回目以降の吸気期間では前記空気または前記混合気を導入する吸気弁と、
   前記排気弁が閉弁状態であって、前記１回目の吸気期間である第１吸気期間の終了時期と２回目の吸気期間である第２吸気期間の開始時期との間に前記筒内燃焼空間に対して少なくとも１回前記燃料を噴射する燃料噴射手段と、
   を備え、
   前記渦流は、第１渦流と、前記第１渦流よりも渦流の強さが弱く前記第１渦流に対して反対方向に渦巻く渦流である第２渦流とから構成され、
   前記燃料噴射手段は、前記第１渦流の流れに沿うように前記燃料を噴射することを特徴とする内燃機関。
2. 前記燃料噴射手段は、前記第１吸気期間の終了時期以後に前記燃料の噴射を開始し、かつ、前記第２吸気期間の開始時期以前に前記燃料の噴射を終了することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記第１吸気期間中に前記筒内燃焼空間に吸気される前記空気の容量は、前記第２吸気期間中に前記筒内燃焼空間に吸気される前記空気または前記混合気の容量よりも小さいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記第１吸気期間中に前記筒内燃焼空間に吸気される前記空気の量と、前記第２吸気期間中に前記筒内燃焼空間に吸気される前記空気の量との和は、前記筒内燃焼空間に存在する前記燃料の全てが燃焼するのに必要な必要空気量であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関。

Images