JPWO2003029635A1 - 内燃機関の成層混合気形成装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明では、直噴火花点火式内燃機関において、機関の運転条件に応じて、適切な濃度・大きさの混合気塊を、容積の固定されたピストンポウルを持つ燃焼室内に形成する。このため、機関負荷の上昇に伴って燃料噴射量を増加させると共に燃料噴霧のシリンダ軸方向の運動量を増加させ、かつ、燃料噴霧のシリンダ軸方向の運動量の増加率を燃料噴射量の増加率より大きくする。

Description

〔技術分野〕
本発明は、燃料を筒内に直接噴射して火花点火燃焼を行う内燃機関に関する。
〔背景技術〕
特開平１１−８２０２８号公報には、ピストンの頂面に形成されたキャビティへ向けて燃焼室上部から燃料を噴射して、キャビティとその上方の空間に成層混合気を形成し、この成層混合気を火花点火によって燃焼させる内燃機関が開示されている。
〔発明の開示〕
成層混合気の形成範囲（混合気塊の大きさ）は主にキャビティの大きさで決まるため、機関負荷が小さい（燃料噴射量が少ない）条件では混合気の空燃比が薄くなり、機関負荷が大きい（燃料噴射量が多い）条件では混合気の空燃比が濃くなる。すなわち、適度な空燃比（理論空燃比近傍）の混合気を形成可能な負荷条件の範囲がキャビティの大きさに応じて定まってしまい、広範な負荷条件で成層燃焼運転を行うことが困難である。
本発明は、かかる問題点に鑑みなされたもので、適度な空燃比の成層混合気を広範な負荷条件で形成可能な成層混合気形成装置及び方法を提供することを目的とする。
このため、本発明では、燃焼室上部の略中央に点火プラグを配設した内燃機関の成層混合気形成装置において、シリンダ内を往復動するピストンに向かって進行する燃料噴霧を形成する燃料噴射装置と、燃料噴霧のシリンダ軸方向運動量の増加率が燃料噴射量の増加率より大きくなるように、燃料噴射量に応じて噴霧の運動量を制御する制御装置と、を備えた構成とする。
かかる構成により、燃料噴射量（機関負荷）の増加に応じて成層混合気の形成範囲を積極的に大きくする作用が得られ、これにより適度な空燃比の混合気を広範な負荷条件で形成することが可能となる。
本発明の特徴的構成及びこれに基づく作用・効果は以下の実施形態によって更に明らかにされる。
〔発明を実施するための最良の形態〕
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る直噴火花点火式内燃機関の第１実施形態の構成を示すシステム図である。
この内燃機関は、シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３により画成される燃焼室４を有し、吸気バルブ５及び排気バルブ６を介して、吸気ポート７から新気を導入及び排気ポート８から排気を排出する。
混合気噴射弁（燃料噴射装置）９は、燃焼室４上部の略中央に配置されており、ピストン３に向けて、シリンダ軸に対し軸対称の噴霧形状で、燃料と空気との混合気を噴射することが可能となっている。ピストン３の混合気噴射弁９に対面する部分にはボウル部３ｂが形成されており、噴射された混合気は主にこのボウル部３ｂ内とその上方に成層化した混合気塊を形成する。そして、この混合気塊は燃焼室４上部の略中央に配設された点火プラグ１０により点火・燃焼せしめられる。
燃料噴射系について詳しく説明する。
排気バルブ６を駆動するカム軸６ａの端部には、カム軸６ａで駆動される燃料ポンプ１１が配置されている。燃料ポンプ１１は、燃料タンク内の燃料を吸引し、燃料配管１２を介して混合気噴射弁９に燃料を供給する。燃料配管１２内の燃料圧力は、常に一定圧に維持されている。
一方、吸気バルブ５を駆動するカム軸５ａの端部には、カム軸５ａで駆動される空気ポンプ１３が配置されている。空気ポンプ１３は、吸気コレクタ内の空気を吸引し、空気配管１４を介して混合気噴射弁９に空気を供給する。空気配管１４内の空気圧力は、圧力制御弁（気体圧力調整器）１３ｂによって任意に調整できるようになっている。
尚、一方のカム軸で２つのポンプを駆動してもよく、あるいは別に配置した電気モータで２つのポンプを駆動するようにしてもよい。
混合気噴射弁９は、図２に概略構造図を示すように、燃焼室内に臨む主インジェクタ（気体噴射弁）２１と、主インジェクタ２１の混合気室２１ａに臨む副インジェクタ２２とから構成される。
すなわち、混合気噴射弁９の本体である主インジェクタ２１の内部に、前記空気配管１４が接続される混合気室２１ａがあり、この混合気室２１ａは燃焼室内に臨む主インジェクタ２１の噴孔２１ｂに接続されている。この噴孔２１ｂは電磁駆動される針弁２１ｃによって開閉される。
また、副インジェクタ２２には前記燃料配管１２が接続されており、副インジェクタ２２の噴孔２２ｂは主インジェクタ２１の混合気室２１ａに臨んでいる。この噴孔２２ｂは電磁駆動される針弁２２ｃによって開閉される。
従って、主インジェクタ２１の混合気室２１ａには空気ポンプ１３で加圧された空気が導かれており、副インジェクタ２２の針弁２２ｃが開作動すると、燃料ポンプ１１で加圧された燃料が混合気室２１ａに噴射され、この燃料は混合気室２１ａ内の高圧空気と混合して混合気が形成される。この混合気は、主インジェクタ２１の針弁２１ｃが開作動したときに燃焼室内に噴射される。
尚、本実施形態では、燃料と空気とを１つの混合気噴射弁で燃焼室内に噴射する構成としたため、燃料噴射装置の構成が比較的単純となって燃焼室周辺の設計が容易となっている。但し、燃料噴射系と空気噴射系とが互いに独立で、燃料と空気とを別々に燃焼室内へ噴射する（但し２つの噴孔は隣接形成）ような燃料噴射装置でも本発明は実現可能であり、更には、燃料のみを噴射する噴射弁と空気のみを噴射する噴射弁とを隣接配置することでも本発明は実現可能である。
次に本実施形態の制御系について説明する。
この内燃機関は、制御装置であるエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）１５によって統合的に制御される。このため、ＥＣＵ１５には、クランクシャフトが所定角度（例えば１°）回転する毎に信号を出力するクランク角センサ１６、アクセルペダルの踏込み量に応じた信号を出力するアクセル開度センサ１７、機関冷却水の温度に応じた信号を出力する水温センサ１８等からの信号が入力される。ＥＣＵ１５は、内部で必要な演算・処理を行い、混合気噴射弁９、点火プラグ１０、圧力制御弁１３ｂ等を制御する。この際、混合気噴射弁９については、副インジェクタ２２の針弁２２ｃと、主インジェクタ２１の針弁２１ｃとを、独立に制御可能である。
図３は、所定時間（例えば１０ｍｓ）毎にＥＣＵ１５が実行する処理ルーチンを示す制御フローチャートである。このルーチンでは、混合気噴射弁９と圧力制御弁１３ｂとを制御するための制御値の算出が行われる。
先ずステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、ＥＣＵ１５内のメモリから機関回転速度Ｎｅとアクセル開度ＡＰＯとを読み込む。ＥＣＵ１５は、クランク角センサ１６からの信号に基づいて機関回転速度Ｎｅを逐次算出しており、最新の値がＥＣＵ１５内のメモリにストアされている。また、アクセル開度センサ１７の出力信号（ＡＰＯ）は所定の周期でサンプリングされており、最新の値がＥＣＵ１５内のメモリにストアされている。尚、アクセル開度ＡＰＯは機関負荷を代表するパラメータである。
次にステップ２では、機関回転速度Ｎｅとアクセル開度ＡＰＯとに基づいて主インジェクタ２１の噴射タイミングＩＴａ、開時間Ｔａ、及び、圧力制御弁１３ｂの目標空気圧力Ｐａを算出する。具体的には、機関回転速度とアクセル開度とに対応させてＩＴａ、Ｔａ、Ｐａを記憶させてある制御マップから、現在のＮｅ、ＡＰＯに対応する各値をルックアップする。図４に示すように、本実施形態では低回転・低負荷領域において成層燃焼を行い、それ以外の領域では均質燃焼を行うようになっている。そのため、機関運転条件（Ｎｅ、ＡＰＯ）が成層燃焼領域にある場合の噴射タイミングＩＴａは圧縮行程後半に設定され、均質燃焼領域にある場合の噴射タイミングＩＴａは吸気行程に設定される。さらに、成層燃焼領域における噴射タイミングＩＴａは機関負荷（アクセル開度ＡＰＯ）の上昇に伴って進角側に設定される。
次にステップ３では、機関回転速度Ｎｅとアクセル開度ＡＰＯとに基づいて副インジェクタ２２の噴射タイミングＩＴｆ、開時間Ｔｆを算出する。具体的には、機関回転速度とアクセル開度とに対応させてＩＴｆ、Ｔｆを記憶させてある制御マップから、現在のＮｅ、ＡＰＯに対応する各値をルックアップする。尚、副インジェクタ２２の噴射タイミングＩＴｆは主インジェクタ２１の噴射タイミングＩＴａよりも若干進角側に設定される。
以上のようにして算出された各制御値は、一旦ＥＣＵ１５内のメモリにストアされ、混合気噴射弁９の制御と圧力制御弁１３ｂの制御とに使用される。具体的には、噴射タイミングＩＴｆに対応するクランク角となったときに開時間Ｔｆに対応するパルス幅の開弁信号を混合気噴射弁９の副インジェクタ２２へ送り、噴射タイミングＩＴａに対応するクランク角となったときに開時間Ｔａに対応するパルス幅の開弁信号を混合気噴射弁９の主インジェクタ２１へ送り、空気配管１４内の空気圧力を目標空気圧力Ｐａに一致させるための制御信号を圧力制御弁１３ｂへ送る。
次に、図３のルーチンで算出される各制御値の設定特性とそれによる噴霧特性とを図５を参照して説明する。尚、図５には機関回転速度を一定（図４のＮｅ１）とした条件下における各制御値と噴霧特性とを示してある。
図５のＡ）に主インジェクタ２１の開時間Ｔａと副インジェクタ２２の開時間Ｔｆの設定を示す。副インジェクタ２２の開時間Ｔｆは、負荷の上昇に伴って増加する設定となっている。また、主インジェクタ２１の開時間Ｔａは、成層領域では負荷の上昇に伴って増加する設定であり、均質領域では比較的短時間でかつ負荷によらない一定時間の設定となっている。また、成層領域における主インジェクタ２１の開時間Ｔａの増加率は副インジェクタ２２の開時間Ｔｆの増加率よりも大きくなっており、このため、開時間Ｔｆに対する開時間Ｔａの比率は負荷の上昇に伴って増加する。図６のＡ）に最小負荷（ＡＰＯ１）における主副インジェクタ２１、２２の作動タイムチャートを、図６のＢ）に成層領域の中間負荷（ＡＰＯ２）における主副インジェクタ２１、２２の作動タイムチャートを、それぞれ示す。
図５のＢ）に燃料配管１２内の燃料圧力Ｐｆと空気配管１４内の空気圧力Ｐａと主インジェクタ２１の噴射タイミングＩＴａにおける燃焼室４内の圧力Ｐｉｔａとを示す。燃料圧力Ｐｆは常に一定圧に維持される。また、空気圧力Ｐａは、成層領域では負荷の上昇に伴って増加する設定であり、均質領域では比較的低圧でかつ負荷によらない一定圧の設定となっている。また、主インジェクタ２１の噴射タイミングＩＴａは、成層領域では圧縮行程後半であってかつ負荷の上昇に伴って進角する設定であり、均質領域では吸気行程の設定であるから、噴射タイミングＩＴａにおける燃焼室内圧力Ｐｉｔａは、成層領域では負荷の上昇に伴って低くなり、均質領域では負荷によらない一定圧（大気圧近傍）となる。
図５のＣ）に主インジェクタ２１の噴射タイミングＩＴａにおける噴霧速度Ｖａｆを示す。本実施形態の場合、主インジェクタ２１から噴射される空気の速度Ｖａが噴霧速度Ｖａｆであり、噴射空気速度Ｖａは空気圧力Ｐａと燃焼室内圧力Ｐｉｔａとの差が大きいときほど大きくなる。従って、噴霧速度Ｖａｆは、成層領域では負荷の上昇に伴って増大し、均質領域ではほぼ一定となる。
図５のＤ）に燃料噴射量Ｍｆと空気噴射量Ｍａ及び噴射される空気と燃料の総量Ｍａｆを示す。燃料噴射量Ｍｆは燃料圧力Ｐｆと副インジェクタ２２の開時間Ｔｆとで定まる。従って、燃料噴射量Ｍｆは負荷の上昇に伴って増加する。また、空気噴射量Ｍａは噴射空気速度Ｖａと主インジェクタ２１の開時間Ｔａとで定まる。従って、空気噴射量Ｍａは、成層領域では負荷の上昇に伴って増加し、均質領域ではほぼ一定となる。また、成層領域における空気噴射量Ｍａの増加率は燃料噴射量Ｍｆの増加率より大きくなっており、このため、燃料噴射量Ｍｆに対する空気噴射量Ｍａの比率は負荷の上昇に伴って増加する。
図５のＥ）に噴霧運動量と燃料噴射量とを示す。噴霧運動量は噴霧速度Ｖａｆと空気燃料噴射総量Ｍａｆとで定まる。従って、噴霧運動量は、成層領域では負荷の上昇に伴って大幅に増加し、均質領域では負荷の上昇に伴って微増する。尚、同図の噴霧運動量は最小噴霧運動量（ＡＰＯ１における噴霧運動量）を用いて無次元化した値（＝噴霧運動量／最小噴霧運動量）となっており、同様に、燃料噴射量は最小燃料噴射量（ＡＰＯ１における燃料噴射量）を用いて無次元化した値（＝燃料噴射量Ｍｆ／最小燃料噴射量）となっている。同図から明らかなように、成層領域における噴霧運動量の増加率は燃料噴射量の増加率より大きい。本実施形態では噴霧の噴射方向や噴霧の形状が変化しないので、噴霧全体の運動量の増加率と噴霧のシリンダ軸方向運動量の増加率とはほぼ等しくなる。従って、噴霧のシリンダ軸方向運動量の増加率は燃料噴射量の増加率より大きくなっている。同図の場合を具体的に説明すると、燃料噴射量が最小燃料噴射量に対し２５％程度増加する負荷条件（ＡＰＯ２）において、噴霧運動量は最小噴霧運動量の２倍前後まで増加している。
図７は本実施形態における燃焼室内での成層混合気の形成過程を模式的に示したものである。
燃料噴射量が少ない低負荷時においては、噴霧のシリンダ軸方向運動量が小さいため、混合気噴射弁９からピストン３冠面上のボウル部３ｂに向けて噴射された噴霧はボウル部３ｂ内に留まり、ボウル部３ｂの内部で拡散・混合が行われる。従って、成層混合気塊の大きさは比較的小さくなり、燃料噴射量が少なくても混合気の空燃比を所望の範囲内に維持できる。
燃料噴射量が多い高負荷時においては、噴霧のシリンダ軸方向運動量が大きいため、混合気噴射弁９からピストン３冠面上のボウル部３ｂに向けて噴射された噴霧は、ボウル部３ｂ内壁に衝突後、その運動量により大きく巻き上がり、ボウル部３ｂ上方の空気をも巻き込みつつ、拡散・混合が進む。従って、成層混合気塊の大きさは比較的大きくなり、燃料噴射量が多くても混合気の空燃比を所望の範囲内に維持できる。
以上のように、負荷に応じて噴霧のシリンダ軸方向運動量を制御することで、幅広い機関運転条件下において適切な大きさの成層混合気塊を形成することができる。
特に本実施形態によれば、燃料噴射装置（混合気噴射弁９）が、ピストンへ向けて気体を噴射する気体噴射弁（主インジェクタ２１）を含み、噴射された気体（空気）と燃料とで燃料噴霧を形成するよう構成されることで、気体側の制御のみで噴霧のシリンダ軸方向運動量を制御することが可能となる一方、気体噴射量（開時間Ｔａ）の制御、さらに、気体圧力（空気圧力Ｐａ）の制御により、負荷に応じた噴霧のシリンダ軸方向運動量の制御を確実に行うことができる。
尚、本実施形態においては、主インジェクタ２１の開時間Ｔａの増加率を副インジェクタ２２の開時間Ｔｆの増加率（＝燃料噴射量の増加率）よりも大きくしているが、必ずしもこのような設定にする必要はない。すなわち、開時間Ｔａの増加率が小さくても空気圧力Ｐａの増加率を大きくすれば噴霧運動量の増加率を燃料噴射量の増加率より大きくすることが可能である。極端な場合、主インジェクタ２１の開時間Ｔａを負荷によらない一定時間とし、空気圧力Ｐａだけを負荷の上昇に応じて増大させることも可能であるが、この場合は空気圧力Ｐａの変更幅を大きくする必要があるので、それだけ能力の高い空気ポンプ１３と圧力制御弁１３ｂが必要となる。
また、空気圧力Ｐａを負荷によらない一定圧とし、主インジェクタ２１の開時間Ｔａを負荷の上昇に応じて増加させることで噴霧運動量の増加率を燃料噴射量の増加率より大きくすることも可能であり、この場合は圧力制御弁１３ｂを省略することができる。但し、この場合は開時間Ｔａの増加率を燃料噴射量の増加率より大きくすることが必須となる。また、開時間Ｔａの増加だけで噴霧運動量を十分に増加させようとすると、高負荷時の開時間Ｔａが非常に長くなるので、高負荷時の主インジェクタ２１の噴射タイミングＩＴａを大きく進角させる必要が生じ、ピストン３のボウル部３ｂで成層混合気塊を形成することが困難となる。従って、空気圧力Ｐａの増加を合わせて行う方がより幅広い機関運転条件下において良好な成層燃焼を得ることができる。
また、本実施形態では均質領域における空気噴射量Ｍａを比較的少量としているので、空気ポンプ１３の駆動で消費されるエネルギを低減することができる。また、本実施形態では均質領域における空気噴射量Ｍａを負荷によらない一定量としているが、例えば空気噴射量Ｍａと燃料噴射量Ｍｆとの比率が一定となるように空気噴射量Ｍａを設定し、均質領域における噴霧の空燃比をほぼ一定に保つようにしてもよい。
また、本実施形態では燃料とともに噴射する気体として空気を用いているが、他の気体、例えば機関自身の既燃ガス、いわゆるＥＧＲガス等であっても同様の効果を得ることが可能である。
次に、機関回転速度に対する噴霧運動量の設定を説明する。
一般的な内燃機関では、機関回転速度が高くなるほど燃焼室内のガス流動（乱れ）が強くなる。従って、機関回転速度が高くなるほど噴霧は拡散しやすくなる。このため、同一負荷条件における噴霧運動量の設定は、機関回転速度が高くなるほど噴霧運動量を小さくする特性とし、高回転運転時の噴霧の過拡散を防止する。
尚、排気量が大きく回転速度範囲が全体的に低速側にある機関や、ボア・ストローク比が非常に大きい機関では、噴霧の拡散に大きな影響を及ぼすほどガス流動が発達しない場合がある。このような機関の場合は、機関回転速度が高くなるほど噴霧運動量を大きくする特性としてもよい。
次に本発明の第２の実施形態を説明する。
図８は第２実施形態の構成を示すシステム図である。本実施形態では燃料噴射装置として燃料を単独で噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）３０を使用しており、そのため、第１実施形態のような空気ポンプは備えていない。また、吸気バルブ５を駆動するカム軸５ａの端部に燃料ポンプ１１が配置されている点と、燃料配管１２内の燃料圧力を任意に調整可能とする燃圧制御弁（燃料圧力調整器）１１ｂを備えている点も、第１実施形態と異なっている。
インジェクタ３０は、図９に概略構造図を示すように、噴孔３０ｂを開閉する針弁３０ｃの周囲にスワールチップを配置したスワール式インジェクタである。このインジェクタ３０のスワールチップは４つの部品３１〜３４で構成されている。
最上流側の部品３１は、針弁３０ｃの直径よりもわずかに径の大きい穴３１ａが中心に形成された円筒状の部品であり、外周面には軸方向へ延びる４箇所の燃料通路溝３１ｂが設けられている。これに隣接する部品３２は、部品３１と同様の穴３２ａと部品３１の燃料通路溝３１ｂに連続する燃料通路溝３２ｂとが設けられた円盤状の部品であり、端面には穴３２ａと燃料通路溝３２ｂとを接続する半径方向の燃料通路溝３２ｃが設けられている。これに隣接する部品３３は部品３２と同様の部品であるが、部品３３の半径方向燃料通路溝３３ｂは半径方向に対し所定の角度を持って形成されている。最先端側の部品３４も部品３２や部品３３と同様の部品であるが、部品３４の半径方向燃料通路溝３４ｂの形成角度は部品３３の半径方向燃料通路溝３３ｂの形成角度よりも大きくなっている。
以上のようなスワールチップ３１〜３４の構成により、このインジェクタ３０では、針弁３０ｃのリフト量を変更することで噴孔３０ｂ内に生起されるスワールの強さを変化させることが可能であり、これにより中空円錐状噴霧の噴霧角度θを変化させることができるようになっている。針弁３０ｃはピエゾ式のアクチュエータで駆動されるようになっており、開弁信号の大きさ（電圧）を制御することで任意のリフト量を実現することができる。尚、電磁コイル式のアクチュエータを用いる場合は、１つの開弁信号を複数の小パルスに分割してアクチュエータへ送るようにし、小パルスの幅を制御することでリフト量を調整することが可能である。
図１０は、所定時間（例えば１０ｍｓ）毎にＥＣＵ１５が実行する処理ルーチンを示す制御フローチャート図である。このルーチンでは、インジェクタ３０と燃圧制御弁１１ｂとを制御するための制御値の算出が行われる。
先ずステップ１１では、ＥＣＵ１５内のメモリから機関回転速度Ｎｅとアクセル開度ＡＰＯとを読み込む。
次にステップ１２では、機関回転速度Ｎｅとアクセル開度ＡＰＯとに基づいてインジェクタ３０の噴射タイミングＩＴｆ、針弁３０ｃのリフト量Ｌｆ、開時間Ｔｆ、及び、燃圧制御弁１１ｂの目標燃料圧力Ｐｆを算出する。具体的には、機関回転速度とアクセル開度とに対応させてＩＴｆ、Ｌｆ、Ｔｆ、Ｐｆを記憶させてある制御マップから現在のＮｅ、ＡＰＯに対応する各値をルックアップする。以上のようにして算出された各制御値は、一旦ＥＣＵ１５内のメモリにストアされ、インジェクタ３０の制御と燃圧制御弁１１ｂの制御とに使用される。
次に、図１０のルーチンで算出される各制御値の設定特性とそれによる噴霧特性とを図１１（第１実施形態の図５に対応）を参照して説明する。
図１１のＡ）にインジェクタ３０の開時間Ｔｆの設定を示す。インジェクタ３０の開時間Ｔｆは、成層領域では負荷の上昇に伴って微増する設定であり、均質領域では負荷の上昇に伴って増加する設定である。
図１１のＢ）に燃料配管１２内の燃料圧力Ｐｆの設定を示す。燃料圧力Ｐｆは、成層領域では負荷の上昇に伴って増加する設定であり、均質領域では比較的低圧でかつ負荷によらない一定圧の設定となっている。
図１１のＣ）に針弁３０ｃのリフト量Ｌｆの設定を示す。リフト量Ｌｆは、成層領域では負荷の上昇に伴って増加する設定であり、均質領域では比較的低リフトでかつ負荷によらない一定リフト量の設定となっている。従って、燃料噴霧の噴霧角度θは、成層領域では負荷の上昇に伴って小さくなり、均質領域ではほぼ一定となる。
図１１のＤ）に噴霧速度（噴射燃料速度）Ｖｆと噴霧速度のシリンダ軸方向成分Ｖｆｃｙｌとを示す。噴霧速度Ｖｆは、燃料圧力Ｐｆが大きいほど大きくなる。従って、噴霧速度Ｖｆは、成層領域では負荷の上昇に伴って増大し、均質領域ではほぼ一定となる。また、噴霧速度をシリンダ軸方向成分とシリンダ半径方向成分とに分けた場合、シリンダ軸方向成分は噴霧角度θが小さいほど大きくなる。従って、成層領域における噴霧速度のシリンダ軸方向成分Ｖｆｃｙｌの増加率は噴霧速度Ｖｆの増加率よりも大きくなる。
図１１のＥ）にシリンダ軸方向の噴霧運動量と燃料噴射量（何れも無次元化された値）を示す。燃料噴射量はインジェクタ３０の開時間Ｔｆと燃料圧力Ｐｆとリフト量Ｌｆとで定まり、負荷の上昇に伴って増加するようになっている。また、シリンダ軸方向の噴霧運動量は、噴霧速度のシリンダ軸方向成分Ｖｆｃｙｌと燃料噴射量とで定まる。同図から明らかなように、成層領域におけるシリンダ軸方向の噴霧運動量の増加率は燃料噴射量の増加率より大きい。
以上のように、負荷に応じて噴霧のシリンダ軸方向運動量を制御することで、幅広い機関運転条件下において適切な大きさの成層混合気塊を形成することができる。
特に本実施形態によれば、燃料噴射装置を燃料噴射弁（インジェクタ３０）のみで構成でき、構成を簡素化できる一方、燃料圧力Ｐｆの制御、さらに、リフト量Ｌｆによる噴霧角度θの制御により、負荷に応じた噴霧の軸方向運動量の制御を確実に行うことができる。
尚、燃料圧力Ｐｆのみ、あるいはリフト量Ｌｆのみを負荷に応じて増加させることでシリンダ軸方向の噴霧運動量の増加率を燃料噴射量の増加率より大きくすることも可能である。
〔産業上の利用可能性〕
以上説明したように本発明によれば、適度な空燃比の成層混合気を広範な負荷条件で形成可能となり、成層燃焼運転の領域を拡大することができる。従って、産業上の利用性は大である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施形態のシステム図である。
図２は、混合気噴射弁の概略構造図である。
図３は、制御の流れを示すフローチャートである。
図４は、回転及び負荷に対する燃焼形態の切換えを示す図である。
図５は、制御値の設定特性と噴霧特性を示す図である。
図６は、燃料及び空気噴射のタイムチャートである。
図７は、筒内混合気形成過程を示す図である。
図８は、本発明の第２実施形態のシステム図である。
図９は、インジェクタの概略構造図である。
図１０は、第２実施形態の制御の流れを示すフローチャートである。
図１１は、第２実施形態の制御値の設定特性と噴霧特性を示す図である。

Claims (12)

1. 燃焼室上部の略中央に点火プラグを配設した内燃機関の成層混合気形成装置において、
   シリンダ内を往復動するピストンに向かって進行する燃料噴霧を形成する燃料噴射装置と、
   燃料噴霧のシリンダ軸方向運動量の増加率が燃料噴射量の増加率より大きくなるように、燃料噴射量に応じて噴霧の運動量を制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の成層混合気形成装置。
2. 前記燃料噴射装置は、シリンダ軸に対して軸対称形状をなす燃料噴霧を形成することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
3. 前記燃料噴射装置は、ピストンへ向けて気体を噴射する気体噴射弁を含み、噴射された気体と燃料とで燃料噴霧を形成するよう構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
4. 前記制御装置は、燃料噴射量に応じて前記気体噴射弁の気体噴射量を制御することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
5. 前記制御装置は、燃料噴射量の増加に伴って燃料噴射量に対する気体噴射量の比率が増加するよう前記気体噴射弁を制御することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
6. 前記燃料噴射装置へ供給する気体の圧力を調整する気体圧力調整器をさらに備え、
   前記制御装置は、燃料噴射量に応じて前記気体圧力調整器を制御することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
7. 前記制御装置は、燃料噴射量の増加に伴って気体圧力が増加するよう前記気体圧力調整器を制御することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
8. 前記燃料噴射装置へ供給する燃料の圧力を調整する燃料圧力調整器をさらに備え、
   前記燃料噴射装置は、前記燃料圧力調整器によって調圧された燃料をピストンへ向けて噴射する燃料噴射弁を含み、
   前記制御装置は、燃料噴射量に応じて前記燃料圧力調整器を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
9. 前記制御装置は、燃料噴射量の増加に伴って燃料圧力が増加するよう前記燃料圧力調整器を制御することを特徴とする請求項８記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
10. 前記燃料噴射装置は、噴霧角度を変更可能でかつ燃料をピストンへ向けて噴射する燃料噴射弁を含み、
    前記制御装置は、燃料噴射量に応じて前記燃料噴射弁の噴霧角度を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
11. 前記制御装置は、燃料噴射量の増加に伴って噴霧角度が減少するよう前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項１０記載の内燃機関の成層混合気形成装置。
12. 燃焼室上部の略中央に点火プラグを配設した内燃機関の成層混合気形成方法であって、
    シリンダ内を往復動するピストンに向かって進行する燃料噴霧を形成する一方、燃料噴霧のシリンダ軸方向運動量の増加率が燃料噴射量の増加率より大きくなるように、燃料噴射量に応じて噴霧の運動量を制御することを特徴とする内燃機関の成層混合気形成方法。

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