JP5765289B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料噴射装置に関する。

従来、筒内噴射型火花点火式の内燃機関の燃焼モードとして成層燃焼が知られている。この成層燃焼を行う内燃機関は、圧縮行程において点火プラグの周囲に燃焼可能な混合比を有する混合気層が形成されるように、燃料噴射時期、ピストンの頂面の形状、気筒内の気流の流れ等が工夫されている。

例えば特許文献１には、ピストンの頂面に所定形状の凹部を設け、圧縮行程においてピストンの凹部に向けて燃料を噴霧状に噴射し、噴射された燃料噴霧がスワール流に乗って点火プラグの周囲に導かれることで点火プラグの周囲に混合気層を形成して成層燃焼を行う筒内噴射型火花点火式の内燃機関が開示されている。特許文献１に係る発明は、ピストンの凹部の形状を特徴的な形状にすることで、成層燃焼時の燃焼性の向上を図っている。

特開平１１−１４８３５５号公報

特許文献１に係る内燃機関では、燃料噴射弁からの噴射時期が適切でない場合には、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧がピストンの頂面に付着する量が増加するおそれがある。この場合、点火プラグ周囲の混合気層の混合比が内燃機関のサイクル毎にばらつくおそれがあり、その結果、成層燃焼を安定して行うことが困難になるおそれがある。一方、ピストンの凹部に付着する燃料噴霧量を低減させるために、噴射時期を圧縮行程の早い時期に変更することも考えられる。しかしながら、この場合、ピストンの凹部によって燃料噴霧を捕捉することが困難になり、その結果、成層燃焼を安定して行うことが困難になるおそれがある。

本発明は、成層燃焼の安定化を図ることができる燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料噴射装置は、気筒と前記気筒に配置されたピストンと前記ピストンに接続したクランクシャフトと前記気筒の天井部に配置された点火プラグとを有する内燃機関の前記気筒の中心軸よりも吸気側に配置され、前記気筒の内部に燃料噴霧が前記中心軸に対し斜め下方に向い、かつ当該燃料噴霧の中心軸である噴霧中心軸の周りに所定の広がりを有する扇形状になるように燃料を噴射する噴孔を備える燃料噴射弁と、前記内燃機関の圧縮行程の所定の噴射時期に前記燃料噴霧が噴射されるように前記燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備え、前記ピストンの頂面には前記吸気側を向く吸気側傾斜面を有する凸部が形成され、前記吸気側傾斜面は前記噴孔から噴射された前記燃料噴霧の進行方向を前記点火プラグに向かう方向に変更するように立ち上がっており、前記所定の噴射時期は、前記噴霧中心軸が前記ピストンの前記頂面に交わる点と前記噴孔との距離を前記燃料噴霧の噴霧長で除した値が１以上となる時期であり、且つ、前記気筒の前記中心軸を含み前記クランクシャフトの軸線方向を法線方向とする平面で前記内燃機関を切断した断面において、前記扇形状の前記燃料噴霧の前記頂面に近い側の側面に対応する線を第１線と定義し、前記扇形状の前記燃料噴霧の前記頂面から遠い側の側面に対応する線を第２線と定義し、前記噴孔と前記吸気側傾斜面の頂点とを結ぶ線を第３線と定義した場合に、前記第１線と前記第３線とのなす角を前記第１線と前記第２線とのなす角で除した値が０．８以上となる時期である。

本発明に係る燃料噴射装置によれば、圧縮行程において、燃料噴霧の中心軸である噴霧中心軸がピストンの頂面に交わる点と噴孔との距離を燃料噴霧の噴霧長で除した値が１以上となる時期に燃料噴霧が噴射されることから、燃料噴霧がピストンの頂面に付着する量を低減させることができる。また、圧縮行程において、第１線と第３線とのなす角を第１線と第２線とのなす角で除した値が０．８以上となる時期に燃料噴霧が噴射されることから、噴孔から噴射された燃料噴霧をピストンの頂面に形成された凸部の吸気側傾斜面によって点火プラグの方向へ導くことができる。したがって、本発明に係る燃料噴射装置によれば、成層燃焼の安定化を図ることができる。

上記構成において、前記所定の噴射時期は、前記内燃機関のクランク角で表した場合に１０度以上の範囲を有するように設定されていてもよい。この構成によれば、広範囲の内燃機関の回転数および内燃機関の負荷に対して成層燃焼の安定化を図ることができる。

上記構成において、前記ピストンの前記頂面には、前記内燃機関の均質燃焼時において前記気筒の内部に形成される旋回気流に沿うような湾曲形状を有する凹部がさらに形成されていてもよい。この構成によれば、旋回気流の減衰を抑制することができる。その結果、均質燃焼時における燃焼性を向上させることができる。

本発明によれば、成層燃焼の安定化を図ることができる燃料噴射装置を提供することができる。

図１は内燃機関システムを示す模式図である。 図２（ａ）は、燃料噴射弁の噴孔の詳細を説明するための模式図である。図２（ｂ）は、ピストンの頂面の詳細を説明するための模式的断面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は圧縮行程における所定の噴射時期を説明するための図である。 図４は噴孔からの距離に対する燃料噴霧の粒径の変化を示す模式図である。 図５（ａ）は、噴霧干渉距離ｌを噴霧長ｌｃで除した値（ｌ／ｌｃ）の噴射時期の違いによる変化を示している。図５（ｂ）は、第１線と第３線とのなす角θｔを第１線と第２線とのなす角θｃで除した値（θｔ／θｃ）の噴射時期の違いによる変化を示している。図５（ｃ）は、燃焼変動率の噴射時期の違いによる変化を示している。図５（ｄ）は、排気中の未燃炭化水素量の噴射時期の違いによる変化を示している。図５（ｅ）は、排気中のスモークの噴射時期の違いによる変化を示している。 図６は、成層燃焼が実行される場合において制御装置が燃料噴射弁および点火プラグを制御する際のフローチャートの一例を示す図である。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は、成層燃焼が実行される場合において実施例１に係る噴射時期に燃料が噴射された場合の気筒内の様子を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料噴射装置１００について説明する。まず、燃料噴射装置１００を備える内燃機関システム５全体について説明し、次いで燃料噴射装置１００の詳細について説明する。図１は内燃機関システム５を示す模式図である。内燃機関システム５は、内燃機関１０と燃料噴射装置１００とを備えている。内燃機関１０は、シリンダブロック２０と、シリンダヘッド３０と、ピストン４０と、コンロッド５０と、クランクシャフト６０と、吸気弁７０と、排気弁７５と、点火プラグ８０と、クランクポジションセンサ９０とを備えている。燃料噴射装置１００は、燃料噴射弁１１０と制御装置１２０とを備えている。

シリンダヘッド３０は、シリンダブロック２０の上方に配置されている。シリンダブロック２０およびシリンダヘッド３０には、気筒２５が形成されている。ピストン４０は気筒２５に配置されている。ピストン４０の上方側の面（具体的には後述する燃焼室に面した面）を頂面４１と称する。ピストン４０の頂面４１の詳細な構成は後述する。なお図１における上方は、必ずしも重力方向における上方と一致している必要はない。例えば図１における上方は、重力方向で水平の方向であってもよい。

コンロッド５０は、ピストン４０とクランクシャフト６０とを接続する接続部材である。クランクシャフト６０は、コンロッド５０を介してピストン４０に接続している。なお、図１においてクランクシャフト６０の軸線方向（クランクシャフト６０の回転中心軸の軸線に沿った方向）は、紙面に垂直な方向である。

気筒２５のうちシリンダブロック２０とシリンダヘッド３０とピストン４０とによって囲まれた領域に、燃焼室が形成されている。燃焼室は混合気が燃焼する室である。シリンダヘッド３０には、燃焼室に導入される吸気（本実施例においては空気）が通過する吸気ポート３１と、排気が通過する排気ポート３２とが設けられている。排気ポート３２の燃焼室側とは反対側の端部には排気管（図示せず）が接続され、この排気管には排気浄化用の触媒（図示せず）が配置されている。吸気弁７０は吸気ポート３１を開閉する弁であり、排気弁７５は排気ポート３２を開閉する弁である。点火プラグ８０は、火花を点火する装置である。点火プラグ８０は、気筒２５の燃焼室の天井部に配置されている。点火プラグ８０の天井部における配置箇所は、特に限定されるものではないが、本実施例においては天井部の略中央に配置されている。

クランクポジションセンサ９０は、クランクシャフト６０の位置を検出し、検出結果を制御装置１２０に伝える。制御装置１２０はクランクポジションセンサ９０の検出結果に基づいて、内燃機関１０のクランク角を取得する。なお、ピストン４０の位置、燃料噴射弁１１０の噴射時期、点火プラグ８０の点火時期等、内燃機関１０の運転状態を示す指標はクランク角を基準に設定されている。

本実施例に係る内燃機関１０は、旋回気流が気筒２５の燃焼室に形成される構造（以下、旋回気流形成構造と称する場合がある）を有している。旋回気流の種類は特に限定されるものではなく、タンブル流、スワール流等を用いることができる。本実施例においては旋回気流の一例として、タンブル流（Ｔ）を用いる。具体的には本実施例に係るタンブル流は、吸気行程において燃焼室に流入した吸気が点火プラグ８０、排気弁７５の下面、ピストン４０の頂面４１を順に通過するタンブル流である。

旋回気流形成構造の具体的な構成は、特に限定されるものではなく、例えば吸気ポート３１の吸気弁７０よりも吸気流動方向上流側にタンブルコントロールバルブ等の気流制御弁を備える構造を用いることができる。この場合、気流制御弁は、吸気ポート３１を通過する吸気が燃焼室に流入後にタンブル流となるように、吸気ポート３１を通過する吸気の流動方向を制御する。あるいは旋回気流形成構造は、この気流制御弁を備える構造に代えて、または気流制御弁を備える構造とともに、吸気ポート３１が吸気行程において吸気ポート３１を通過して燃焼室に吸入された吸気が燃焼室においてタンブル流となるように湾曲した構造を用いることもできる。

本実施例においては、旋回気流形成構造の一例として、気流制御弁を備える構造を用いる。また、気流制御弁の一例として、タンブルコントロールバルブを用いる。なお旋回気流としてスワール流が採用される場合には、旋回気流形成構造として、スワールコントロールバルブを備える構造、吸気ポート３１が燃焼室に吸入された吸気が燃焼室においてスワール流となるように湾曲した構造等を用いることができる。

燃料噴射装置１００の燃料噴射弁１１０は、燃料を噴霧状に噴射する噴孔１１１を有している。噴孔１１１の詳細な説明は後述する。これ以降、噴孔１１１から噴射される燃料を燃料噴霧と称する。燃料噴射弁１１０は、噴孔１１１が燃料噴霧を内燃機関１０の気筒２５の内部に直接噴射するように内燃機関１０に配置されている。すなわち本実施例に係る内燃機関１０は、筒内噴射型火花点火式の内燃機関である。具体的には本実施例に係る燃料噴射弁１１０は、気筒２５の中心軸である気筒中心軸２００よりも吸気側（吸気ポート３１の側）に配置されている。より具体的には燃料噴射弁１１０は、噴孔１１１から噴射された燃料噴霧が斜め下方に向かうように、燃料噴射弁１１０の軸線方向が傾斜した状態で内燃機関１０の気筒中心軸２００よりも吸気側のさらに吸気ポート３１よりも下方側に配置されている。なお燃料の種類は、筒内噴射型火花点火式内燃機関に用いることができるものであれば特に限定されるものではない。本実施例においては燃料として、ガソリンを用いる。

制御装置１２０は、燃料噴射弁１１０、点火プラグ８０および気流制御弁を制御する制御部と、制御部の動作に必要な情報を記憶する記憶部とを備えている。制御部は、所定の噴射時期に燃料噴霧が噴射されるように燃料噴射弁１１０を制御する。また制御部は、所定の点火時期に火花が点火されるように点火プラグ８０を制御する。制御装置１２０として、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を用いることができる。本実施例においては、制御装置１２０の一例として、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２１、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１２２およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２３を備える電子制御装置を用いる。制御部の機能はＣＰＵ１２１によって実現され、記憶部の機能はＲＯＭ１２２およびＲＡＭ１２３によって実現される。

制御装置１２０の制御部は、内燃機関１０の燃焼モードが均質燃焼モードと成層燃焼モードとに切り替わるように、燃料噴射弁１１０、点火プラグ８０および気流制御弁を制御する。具体的には制御部は、燃焼モードが均質燃焼モードの場合（以下、均質燃焼時と称する場合がある）、吸気行程において気筒２５内に旋回気流としてのタンブル流が形成されるように気流制御弁を制御するとともに、吸気行程の所定の噴射時期に燃料噴霧が噴射されるように燃料噴射弁１１０を制御し、圧縮行程の所定の点火時期に火花が点火されるように点火プラグ８０を制御する。

また制御部は、燃焼モードが成層燃焼モードの場合（以下、成層燃焼時と称する場合がある）、気流制御弁によるタンブル流の生成が停止されるように気流制御弁を制御するとともに、圧縮行程の所定の噴射時期に燃料噴霧が噴射されるように燃料噴射弁１１０を制御し、圧縮行程の所定の点火時期に火花が点火されるように点火プラグ８０を制御する。成層燃焼時における燃料噴霧の噴射時期のより詳細な説明は、後述する。

なお制御部は、内燃機関１０の運転状態が所定の条件を満たした場合に、燃焼モードを均質燃焼モードから成層燃焼モードに切り替える。制御部が燃焼モードを成層燃焼モードに切り替える具体的な条件は、特に限定されるものではない。本実施例に係る制御部は、少なくとも内燃機関１０の運転状態が内燃機関１０の負荷が所定負荷より低い低負荷の場合に燃焼モードを成層燃焼モードにする。

具体的には制御部は、内燃機関１０の冷間始動直後において、点火時期を通常時（具体的には均質燃焼時）よりも遅角させることで排気浄化用の触媒の暖機運転を行う。制御部は、この触媒暖機運転時において燃焼モードを成層燃焼モードにする。

図２（ａ）は、燃料噴射弁１１０の噴孔１１１の詳細を説明するための模式図である。本実施例に係る噴孔１１１は、噴孔１１１から噴射される燃料噴霧が所定の広がり角（θａ）を有する扇形状（ファン形状）になるようなスリット形状を有している。すなわち本実施例に係る燃料噴射弁１１０は、いわゆるファンスリット噴霧を行っている。これ以降、燃料噴霧の中心軸を噴霧中心軸２１０と称する。

図２（ｂ）は、ピストン４０の頂面４１の詳細を説明するための模式的断面図である。なお図２（ｂ）は、気筒中心軸２００を含みクランクシャフト６０の軸線方向を法線方向とする平面でピストン４０を切断した断面を模式的に示した図となっている。ピストン４０の頂面４１には、凹部４２と凸部４３とが形成されている。

具体的には図２（ｂ）の頂面４１は、中央近傍に凸部４３を有し、凸部４３の両脇に凹部４２を有し、凹部４２の凸部４３とは反対側の脇に平坦な部分（平坦部）を有する形状になっている。また別の視点から見ると、図２（ｂ）の頂面４１は、頂面４１の周縁部に平坦部が形成され、頂面４１の中央部に大きな凹部が形成され、この大きな凹部の底面の中央近傍に凸部４３が形成され、大きな凹部における凸部４３の両脇の部分に凹部４２が形成された形状を有している。なお凹部４２は、クランクシャフト６０の軸線方向（図２（ｂ）において紙面手前方向および紙面奥行方向）に対して所定の長さを有しており、凸部４３もクランクシャフト６０の軸線方向に対して所定の長さを有している。

凹部４２は湾曲形状を有している。凹部４２の湾曲形状の具体的な形状は特に限定されるものではないが、均質燃料時において気筒２５の内部の燃焼室に形成される旋回気流に沿うような湾曲形状であることが好ましい。この構成によれば、旋回気流が頂面４１によって減衰することを抑制できることから、均質燃焼時における燃料噴霧と吸気との混合をより均質化することができ、以って均質燃焼時における燃焼性を向上させることができる。

本実施例に係る凹部４２は、このような旋回気流に沿うような湾曲形状を有している。具体的には凹部４２は、均質燃焼を行う際に吸気行程から圧縮行程にかけて燃焼室に形成されるタンブル流に沿うように湾曲した形状を有している。それにより、タンブル流の減衰を抑制して、タンブル流を所定期間維持することが容易にできる。なお仮に旋回気流としてスワール流が採用される場合には、凹部４２はスワール流の減衰を抑制できるような湾曲形状、具体的にはスワール流に沿うような湾曲形状に設定されていればよい。

凸部４３は、吸気側を向いた傾斜面である吸気側傾斜面４４と、排気側を向いた傾斜面である排気側傾斜面４５とを有している。吸気側傾斜面４４は、燃料噴射弁１１０の噴孔１１１から噴射された燃料噴霧の進行方向を点火プラグ８０に向かう方向に変更するように立ち上がっている。具体的には図２（ｂ）に係る吸気側傾斜面４４は、斜め上方に立ち上がっている。このように立ち上がった凸部４３の吸気側傾斜面４４の頂点が、図２（ｂ）において頂点４６によって図示されている。

なお凸部４３は少なくとも吸気側傾斜面４４を有していればよく、排気側傾斜面４５は有していなくてもよい。しかしながら、本実施例のように凸部４３が排気側傾斜面４５を備える場合の方が、凸部４３が排気側傾斜面４５を備えない場合に比較して、タンブル流の減衰を効果的に抑制して均質燃焼時における燃焼性をより向上できる点で好ましい。具体的には、仮に凸部４３の排気側の面が傾斜せずに例えば鉛直面になっている場合、均質燃焼時において凹部４２に沿って流動したタンブル流がこの鉛直面によって減衰するおそれがある。これに対して本実施例に係る凸部４３によれば、排気側傾斜面４５を備えることから、凹部４２に沿って流動したタンブル流が減衰することを効果的に抑制することができる。その結果、凸部４３の排気側の面が傾斜していない場合に比較して、均質燃焼時における燃焼性をさらに向上させることができる。

続いて燃料噴射装置１００の詳細について説明する。具体的には燃焼モードが成層燃焼モードの場合における噴射時期の詳細について説明する。より具体的には燃焼モードが成層燃焼モードの場合における圧縮行程の所定の噴射時期の詳細について説明する。図３（ａ）および図３（ｂ）は圧縮行程における所定の噴射時期を説明するための図である。具体的には図３（ａ）および図３（ｂ）は、気筒中心軸２００を含み且つクランクシャフト６０の軸線方向を法線方向とする平面で内燃機関１０を切断した断面を模式的に図示している。

図３（ａ）に示すように、噴霧中心軸２１０がピストン４０の頂面４１に交わる点と噴孔１１１との距離を噴霧干渉距離ｌと定義する。また図３（ｂ）に示すように、気筒中心軸２００を含み且つクランクシャフト６０の軸線方向を法線方向とする平面で内燃機関１０を切断した断面において、扇形状の燃料噴霧の頂面４１に近い側の側面に対応する線を第１線３００と定義し、扇形状の燃料噴霧の頂面４１から遠い側の側面に対応する線を第２線３０１と定義し、噴孔１１１と吸気側傾斜面４４の頂点４６とを結ぶ線を第３線３０２と定義する。また図３（ｂ）には、第１線３００と第３線３０２とのなす角θｔと、第１線３００と第２線３０１とのなす角θｃとが図示されている。

圧縮行程における所定の噴射時期は、圧縮行程において噴霧干渉距離ｌを噴孔１１１から噴射された燃料噴霧の噴霧長ｌｃ（図示せず）で除した値（すなわちｌ／ｌｃ）が１以上となる時期（以下、第１時期と称する場合がある）であり、且つ、圧縮行程において第１線３００と第３線３０２とのなす角θｔを第１線３００と第２線３０１とのなす角θｃで除した値（すなわちθｔ／θｃ）が０．８以上となる時期（以下、第２時期と称する場合がある）である。なお第１時期および第２時期の単位は、クランク角である。

まず第１時期について説明する。第１時期は、噴孔１１１から噴射された燃料噴霧のピストン４０の頂面４１への付着量を効果的に低減させることができる時期として規定されたものである。ここで、第１時期に用いられる噴霧長ｌｃは、いわゆる燃料噴霧のペネトレーションを示す指標である。噴霧長ｌｃの技術的意義について以下に説明する。

図４は、噴孔１１１からの距離に対する燃料噴霧の粒径の変化を示す模式図である。横軸は燃料噴霧の噴孔１１１からの距離を示している。縦軸は燃料噴霧の粒径、具体的には燃料噴霧の平均粒径、より具体的には燃料噴霧のザウタ平均粒径（ＳＭＤ）を示している。噴孔１１１から噴射された燃料噴霧は、液滴２次分裂により微粒化が進展する結果、噴孔１１１からの距離が長くなるに従って微細になっていく。その結果、燃料噴霧の平均粒径は、噴孔１１１からの距離が燃料噴霧の微細化が完了する距離（ｌｃで図示されている）になるまでの間は噴孔１１１からの距離が長くなるほど小さくなり、噴孔１１１からの距離が燃料噴霧の微細化が完了する距離（ｌｃ）以上の距離になった場合は、ほぼ一定値になる。

噴霧長として、この燃料噴霧の微粒化が完了する噴孔１１１からの距離（ｌｃ）以上の距離を用いることによって、第１時期に噴射された燃料噴霧はピストン４０の頂面４１に接触する前に微粒化が完了することができる。それにより、燃料噴霧がピストン４０の頂面４１に付着する量を効果的に低減させることができる。そこで、本実施例においては噴霧長として、この燃料噴霧の微粒化が完了する噴孔１１１からの距離（ｌｃ）を用いる。この噴霧長ｌｃは、噴孔１１１から噴射された燃料噴霧の平均粒径が最小値となる噴孔１１１からの距離でもある。この噴霧長ｌｃは、実験、シミュレーション等によって求めることも可能であるが、本実施例においては噴霧長ｌｃとして、以下の手法によって算出された値を用いる。

具体的には本実施例においては、噴霧長ｌｃとして、噴孔１１１の面積、第１線３００と第２線３０１とのなす角θｃ、広がり角θａおよび内燃機関１０のクランク角に基づいて算出された噴霧長を用いる。噴霧長ｌｃは、噴孔１１１の面積、第１線３００と第２線３０１とのなす角θｃおよび広がり角θａに応じて変化するため、これらの指標に基づいて噴霧長ｌｃを算出することで、噴霧長ｌｃを適切に算出することができる。さらに、圧縮行程において燃料噴霧を噴射する場合、噴霧長ｌｃは気筒２５内の気体密度の影響を受ける。気筒２５内の気体密度は、ピストン４０の位置によって変化し、ピストン４０の位置はクランク角に基づいて把握することができる。したがって、クランク角に基づいて噴霧長ｌｃを算出することで、噴霧長ｌｃをさらに適切に算出することができる。噴霧長ｌｃを適切に算出することで、第１時期を精度よく算出することができ、以って、燃料噴霧がピストン４０の頂面４１に付着する量を効果的に低減させることができる。

より具体的には本実施例においては、噴霧長ｌｃとして下記式（１）に示す噴霧長算出式に基づいて算出された値を用いる。
ｌｃ＝Ｋａ×Ａ^１／２×（ｔａｎ（θｃ／２））^−１／２×θａ^−１／２×（Ｋｂ×ＣＡ^２＋Ｋｃ×ＣＡ＋Ｋｄ）・・・（１）

式（１）に示す噴霧長算出式において、Ａは噴孔１１１の面積であり、θｃは第１線３００と第２線３０１とのなす角であり、θａは広がり角である。ＣＡはクランク角（ｄｅｇＢＴＤＣ）であり、０≦ＣＡ≦９０の範囲の値である。Ｋａ、Ｋｂ、ＫｃおよびＫｄは所定の定数であり、本実施例においては、Ｋａ＝６８．７、Ｋｂ＝４．００×１０^−５、Ｋｃ＝３．３３×１０^−３、Ｋｄ＝１を用いる。この噴霧長算出式に基づいて算出された噴霧長ｌｃは、燃料噴霧の微粒化が完了したと考えられる噴霧長である。この噴霧長算出式で算出された噴霧長ｌｃを用いることにより、第１時期を精度よく算出することができ、その結果、燃料噴霧がピストン４０の頂面４１に付着する量を効果的に低減させることができる。それにより、成層燃焼をより安定化させることができる。

続いて第２時期（すなわち、θｔ／θｃ≧０．８となる時期）について説明する。図３（ｂ）を参照して、第２時期は、噴孔１１１から噴射された燃料噴霧を凸部４３の吸気側傾斜面４４によって効果的に捕集して点火プラグ８０の方向へ導くことができる時期として規定されたものである。以下、第２時期がどのようにして求められたのかについて説明する。

図５（ａ）は、噴霧干渉距離ｌを噴霧長ｌｃで除した値（ｌ／ｌｃ）の噴射時期の違いによる変化を示している。図５（ｂ）は、第１線３００と第３線３０２とのなす角θｔを第１線３００と第２線３０１とのなす角θｃで除した値（θｔ／θｃ）の噴射時期の違いによる変化を示している。図５（ｃ）は、燃焼変動率の噴射時期の違いによる変化を示している。なお燃焼変動率とは、図示平均有効圧（Ｐｍｉ）のサイクル変動率である。図５（ｄ）は、排気中の未燃炭化水素量の噴射時期の違いによる変化を示している。図５（ｅ）は、排気中のスモークの噴射時期の違いによる変化を示している。なお、図５（ｃ）、図５（ｄ）および図５（ｅ）の曲線は、実測値をプロットした点を結んだ曲線である。

図５（ａ）〜図５（ｅ）において、横軸は圧縮行程における噴射時期がクランク角（ｄｅｇＢＴＤＣ）を基準にして示されている。横軸のＸ１はθｔ／θｃが０．８となる時期であり（図５（ｂ）参照）、Ｘ２はｌ／ｌｃが１となる時期である（図５（ａ）参照）。Ｘ１より進角側の領域を領域Ｃと称し、Ｘ２より遅角側の領域を領域Ｂと称し、Ｘ１以上Ｘ２以下の領域を領域Ａと称する。なお前述したように第１時期はｌ／ｌｃ≧１を満たす時期であり、第２時期はθｔ／θｃ≧０．８を満たす時期であるため、本実施例に係る噴射時期は領域Ａの時期となっている。

図５（ｃ）、図５（ｄ）および図５（ｅ）に示すように、領域Ａにおける燃焼変動率、排気中の未燃炭化水素量およびスモーク量は領域Ｃおよび領域Ｂに比較して低くなっている。本実施例に係る第２時期における数値０．８は、図５（ｃ）、図５（ｄ）および図５（ｅ）の曲線から求めた値である。

具体的には第２時期における数値０．８は、図５（ｃ）、図５（ｄ）および図５（ｅ）にそれぞれ記載されている燃焼変動率、排気中の未燃炭化水素量およびスモーク量が相対的に低くなる時期（Ｘ１）に対応するθｔ／θｃの値を図５（ｂ）から導き出した結果得られた値である。その結果、本実施例に係る第２時期であるθｔ／θｃ≧０．８となる時期は、噴孔１１１から噴射された燃料噴霧が凸部４３の吸気側傾斜面４４によって効果的に捕集されて点火プラグ８０の方向へ導かれることで燃焼変動率、排気中の未燃炭化水素量およびスモーク量が相対的に低くなる時期となっている。

なお、領域Ａにおける燃焼変動率、排気中の未燃炭化水素量およびスモーク量が領域Ｃおよび領域Ｂに比較して低くなっているのは、以下の理由によるものと考えられる。まず領域Ｃにおいては、θｔ／θｃが０．８より小さいことから、噴孔１１１から噴射された燃料噴霧をピストン４０の凸部４３の吸気側傾斜面４４によって効果的に捕集することが困難な程、ピストン４０の位置が低過ぎる時期に燃料噴霧が噴射されたものと考えられる。この結果、吸気側傾斜面４４によって燃料噴霧を点火プラグ８０に向けて導くことが困難になり、それにより点火プラグ８０の周囲に燃焼可能な混合比（燃料噴霧と空気との混合比率）を有する混合気層を安定して形成することが困難になったことで安定した成層燃焼が実現できなかったものと考えられる。その結果、失火が発生することで、燃焼変動率が高くなり、また排気中の未燃炭化水素量も高くなったものと考えられる。そして、気筒２５内に付着した燃料が失火の発生した次のサイクルに持ち越された結果、スモーク量が高くなったものと考えられる。このような理由によって、領域Ｃにおける燃焼変動率、排気中の未燃炭化水素量およびスモーク量は領域Ａに比較して高くなったものと考えられる。

また領域Ｂにおいては、ｌ／ｌｃが１より小さいことから、燃料噴霧がピストン４０の頂面４１に付着する量が多くなった結果、点火プラグ８０の周囲に混合気層を安定して形成することが困難になり、安定した成層燃焼が実現できなかったものと考えられる。その結果、領域Ｂにおける燃焼変動率、排気中の未燃炭化水素量およびスモーク量は領域Ａに比較して高くなったものと考えられる。これに対して、領域Ａにおいては、燃料噴霧がピストン４０の頂面４１に付着する量が領域Ｃおよび領域Ｂの場合に比較して少なく、且つ燃料噴霧を凸部４３の吸気側傾斜面４４によって効果的に捕集して点火プラグ８０の方向へ導くことができた結果、安定した成層燃焼が実現できたため、燃焼変動率、排気中の未燃炭化水素量およびスモーク量が領域Ｃおよび領域Ｂに比較して低くなったものと考えられる。

ここで領域Ａに対応する噴射時期、すなわち第１時期が満たされ第２時期も満たされる時期は、クランク角で１０度以上の範囲となっていることが好ましい。この場合、広範囲の内燃機関１０の回転数および内燃機関１０の負荷に対して成層燃焼の安定化を図ることができるからである。そこで本実施例においては、第１時期および第２時気が満たされる時期は、クランク角で１０度以上の範囲となるように設定されている。すなわち本実施例に係る成層燃焼時における圧縮行程の所定の噴射時期は、クランク角で１０度以上の範囲を有するように設定されている。

なお、第１時期および第２時気が満たされる時期をクランク角で１０度以上の範囲に設定する具体的な手法は、特に限定されるものではない。例えば、噴孔１１１の形状、ピストン４０の頂面４１の形状等を調整することによって、第１時期および第２時気が満たされる時期をクランク角で１０度以上の範囲に設定することができる。式（１）に用いられるＡ、θｃ、θａは噴孔１１１の形状を調整することによって変更することができ、その結果、ｌ／ｌｃの値を調整することができるからである。また、θｔは、噴孔１１１の形状の調整によって変更することができるとともに、吸気側傾斜面４４の頂点４６の位置等の頂面４１形状を調整することによっても変更することができるからである。

以上をまとめると本実施例に係る制御装置１２０の記憶部には、成層燃焼が実行される際における圧縮行程の所定の噴射時期として、第１時期および第２時期を満たす時期が予め記憶されている。さらにこの第１時期および第２時期を満たす時期は、クランク角で１０度以上の範囲に設定されている。また記憶部には、圧縮行程における所定の点火時期も記憶されている。制御部は成層燃焼を実行する場合において、クランクポジションセンサ９０の検出結果に基づいて取得したクランク角が記憶部に記憶されている噴射時期になったときに燃料噴霧が噴射されるように、燃料噴射弁１１０を制御する。その後、制御部はクランク角が記憶部に記憶されている点火時期になったときに火花が点火されるように、点火プラグ８０を制御する。このようにして本実施例に係る制御部は、成層燃焼を実行している。

図６は、成層燃焼が実行される場合において制御装置１２０が燃料噴射弁１１０および点火プラグ８０を制御する際のフローチャートの一例を示す図である。制御装置１２０の制御部は、図６のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。まず制御部は、クランクポジションセンサ９０の検出結果に基づいて取得したクランク角が記憶部に記憶されている噴射時期であるか否か、具体的には第１時期および第２時期を満たす時期であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０においてクランク角が記憶部の噴射時期であると判定された場合、制御部は噴孔１１１から燃料噴霧が噴射されるように燃料噴射弁１１０を制御する（ステップＳ２０）。次いで制御部は、クランクポジションセンサ９０の検出結果に基づいて取得したクランク角が記憶部に記憶されている点火時期であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。なお点火時期は、ステップＳ２０において噴射された燃料噴霧によって点火プラグ８０の周囲に燃焼可能な混合比を有する混合気層が形成された以降の時期であれば、特に限定されるものではない。点火時期としては、適切な時期を実験、シミュレーション等によって予め求めておき、記憶部に記憶させておけばよい。

ステップＳ３０においてクランク角が記憶部の点火時期であると判定された場合、制御部は火花が点火されるように点火プラグ８０を制御する（ステップＳ４０）。次いで制御部はフローチャートの実行を終了する。ステップＳ１０およびステップＳ３０において否定判定（Ｎｏ）された場合、制御部はフローチャートの実行を終了する。

図７（ａ）〜図７（ｃ）は、成層燃焼が実行される場合において本実施例に係る噴射時期に燃料が噴射された場合の気筒２５内の様子を模式的に示す断面図である。図７（ａ）に示すように、本実施例に係る第１時期および第２時期を満たす噴射時期に燃料噴霧（Ｆ）が噴射された場合、噴射された燃料噴霧がその微粒化が完了する前にピストン４０の頂面４１に付着することが抑制されている。

その後、図７（ｂ）に示すようにピストン４０が上昇した場合、燃料噴霧（Ｆ）は凸部４３の吸気側傾斜面４４によって効果的に捕集されて点火プラグ８０の方向へ導かれている。その結果、図７（ｃ）に示すように、点火プラグ８０の周囲に燃焼可能な混合比を有する混合気層が安定的に形成されている。なお図７（ｃ）において図示されている混合気層中の燃料噴霧濃度は、燃焼室における混合気層の外側の領域に存在する気体中の燃料噴霧濃度よりも高くなっている。すなわち、点火プラグ８０の周囲に燃料噴霧濃度の相対的に高い領域が偏在することによって、燃焼室における気体は成層化されている。このように点火プラグ８０の周囲に混合気層が形成された状態で、点火プラグ８０から火花が点火される。その結果、成層燃焼が安定して行われる。

以上説明したように燃料噴射装置１００によれば、圧縮行程の所定の噴射時期として、第１時期および第２時期を満たす時期に燃料が噴射されることから、燃料噴霧がピストン４０の頂面４１に付着する量を低減させつつ燃料噴霧を凸部４３の吸気側傾斜面４４によって効果的に捕集して点火プラグ８０の方向へ導くことができる。その結果、圧縮行程において点火プラグ８０の周囲に混合気層を安定して形成することができることから、成層燃焼の安定化を図ることができる。それにより、燃焼変動率を低減させることができる。また、排気中の未燃炭化水素量およびスモーク量を低減させることができる。それにより、排気エミッションを低減させることができる。

また燃料噴射装置１００によれば、所定の噴射時期は内燃機関１０のクランク角で表した場合に１０度以上の範囲を有するように設定されていることから、広範囲の内燃機関１０の回転数および内燃機関１０の負荷に対して成層燃焼の安定化を図ることができる。

また燃料噴射装置１００によれば、内燃機関１０のピストン４０の頂面４１には内燃機関１０の均質燃焼時において気筒２５の内部の燃焼室に形成される旋回気流に沿うような湾曲形状を有する凹部４２が形成されていることから、旋回気流の減衰を抑制することができる。その結果、均質燃焼時における燃焼性を向上させることができる。したがって、本実施例に係る燃料噴射装置１００によれば、成層燃焼時における燃焼変動率の低減および排気エミッションの低減と均質燃焼時における燃焼性の向上とを図ることができる。但し燃料噴射装置１００が適用される内燃機関１０の構成はこれに限定されるものではなく、燃料噴射装置１００が適用される内燃機関１０は、凹部４２が形成されていないピストンを備えていてもよい。この場合にも、成層燃焼の安定化を図ることは可能である。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５ 内燃機関システム
１０ 内燃機関
２５ 気筒
４０ ピストン
４１ 頂面
４２ 凹部
４３ 凸部
４４ 吸気側傾斜面
４５ 排気側傾斜面
４６ 頂点
６０ クランクシャフト
８０ 点火プラグ
１００ 燃料噴射装置
１１０ 燃料噴射弁
１１１ 噴孔
２００ 気筒中心軸
２１０ 噴霧中心軸
３００ 第１線
３０１ 第２線
３０２ 第３線

Claims (3)

1. 気筒と前記気筒に配置されたピストンと前記ピストンに接続したクランクシャフトと前記気筒の天井部に配置された点火プラグとを有する内燃機関の前記気筒の中心軸よりも吸気側に配置され、前記気筒の内部に燃料噴霧が前記中心軸に対し斜め下方に向い、かつ当該燃料噴霧の中心軸である噴霧中心軸の周りに所定の広がりを有する扇形状になるように燃料を噴射する噴孔を備える燃料噴射弁と、
   前記内燃機関の圧縮行程の所定の噴射時期に前記燃料噴霧が噴射されるように前記燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備え、
   前記ピストンの頂面には前記吸気側を向く吸気側傾斜面を有する凸部が形成され、前記吸気側傾斜面は前記噴孔から噴射された前記燃料噴霧の進行方向を前記点火プラグに向かう方向に変更するように立ち上がっており、
   前記所定の噴射時期は、前記噴霧中心軸が前記ピストンの前記頂面に交わる点と前記噴孔との距離を前記燃料噴霧の噴霧長で除した値が１以上となる時期であり、且つ、前記気筒の前記中心軸を含み前記クランクシャフトの軸線方向を法線方向とする平面で前記内燃機関を切断した断面において、前記扇形状の前記燃料噴霧の前記頂面に近い側の側面に対応する線を第１線と定義し、前記扇形状の前記燃料噴霧の前記頂面から遠い側の側面に対応する線を第２線と定義し、前記噴孔と前記吸気側傾斜面の頂点とを結ぶ線を第３線と定義した場合に、前記第１線と前記第３線とのなす角を前記第１線と前記第２線とのなす角で除した値が０．８以上となる時期である、燃料噴射装置。
2. 前記所定の噴射時期は、前記内燃機関のクランク角で表した場合に１０度以上の範囲を有するように設定されている請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 前記ピストンの前記頂面には、前記内燃機関の均質燃焼時において前記気筒の内部に形成される旋回気流に沿うような湾曲形状を有する凹部がさらに形成されている請求項１または２に記載の燃料噴射装置。

Images