JP2004100670A - Internal combustion engine compressing and self-igniting mixture, and combustion method for mixture - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To drastically suppress fuel consumption efficiency and the discharge amount of air pollutant, by drawing the maximum merit of compressing and self-igniting mixture. <P>SOLUTION: First mixture mixing fuel and air at a ratio with which the mixture does not self ignite only by being compressed in a combustion chamber is formed in the combustion chamber. A tumble flow is added to the first mixture, thereby forming a flow toward one direction on a piston top surface. Then, the fuel is injected into the combustion chamber on the flow of the piston top surface. The injected fuel is led by a top surface shape to move in an ignition plug in the combustion chamber, and forms second mixture having higher fuel concentration than the first mixture. Therefore, the ratio of the second mixture burned by spark ignition can be suppressed in regard to the first mixture compressed to self-ignite. The maximum merit of premixed compressing and self-igniting can be drawn. In addition to the tumble flow, a reversed tumble flow, squish flow, and swirl flow can be used. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮し、自着火させることによって動力を取り出す技術に関し、より詳しくは、混合気の自着火を制御することで、燃焼により生じる大気汚染物質の発生を抑制しつつ、高い効率で動力を取り出す技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、比較的小型でありながら大きな動力を発生させることができるので、自動車や、船舶、航空機など種々の移動手段の動力源として、あるいは工場などの定置式の動力発生源として広く使用されている。これら内燃機関はいずれも、燃焼室内で燃料を燃焼させ、このときに発生する圧力を、機械的仕事に変換して出力することを動作原理としている。
【０００３】
近年では、地球環境を保護するために、内燃機関から排出される大気汚染物質の排出量を低減させることが、強く要請されるようになってきた。また、地球の温暖化要因となる二酸化炭素の排出量を低減する観点から、あるいは内燃機関の運転コストを低減させるために、燃料消費量の更なる低減が強く要請されるようになってきた。
【０００４】
これらの要請に応えるべく、混合気を燃焼室内で圧縮自着火させる燃焼方式（本明細書では、この燃焼方式を「予混合圧縮自着火燃焼方式」と呼ぶ）の内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２など）。詳細には後述するが、予混合圧縮自着火燃焼方式を採用した内燃機関は、排気ガス中に含まれる大気汚染物質の排出量および燃料消費量が、従来の内燃機関に比べてたいへんに少ないという優れた特性を備えている。しかし、かかる燃焼方式は混合気を圧縮自着火させている関係上、内燃機関を高い負荷で運転すると、混合気が自着火する時期が早くなり過ぎて圧縮中に自着火し、強いノックが発生することがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３８００号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５４６６０号公報
【０００６】
本願の出願人は、負荷の高い運転条件でもノックを発生させることなく、混合気を圧縮自着火燃焼させるために、次のような技術を開発して既に出願済みである（特願２００２−１８８０４２号）。かかる技術においては、先ず初めに、燃料と空気との混合気を燃焼室内に形成する。この混合気を第１の混合気と呼ぶことにする。次いで、ピストンを上昇させて第１の混合気を圧縮する。負荷が低い運転条件では、こうしてピストンを上昇させて第１の混合気を圧縮するだけで、ほぼ圧縮上死点付近で自着火させることができる。一方、負荷が高い運転条件では、第１の混合気が圧縮中に自着火しないよう、空気に対する燃料の割合を少なくしておく。そして、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に燃料を燃焼室内に直接噴射し、燃焼室内の一部の領域に第２の混合気を形成して、圧縮上死点付近の所望のタイミングで第２の混合気に点火してやる。点火された第２の混合気は速やかに燃焼して燃焼室内の圧力を上昇させ、その結果、第１の混合気が圧縮されて自着火に至る。こうすれば、第２の混合気に点火する時期を制御することで、第１の混合気を所望の時期に自着火させることができる。従って、負荷の高い運転条件においてもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼を実現することが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
こうした出願済みの技術においては、燃料消費量および大気汚染物質の排出量をより一層低減するためには、できるだけ少ない燃料を用いて効率よく第２の混合気を形成することが望ましい。これは第２の混合気は、従来の燃焼方式と同じく火炎の伝播を伴った燃焼形態となっており、圧縮自着火しているわけではないので、第２の混合気として燃焼させる燃料が多くなるほど、大気汚染物質の排出量および燃料消費量の改善効果が目減りしてしまうためである。
【０００８】
しかし、第２の混合気を効率よく形成することは必ずしも容易なことではなく、従って、内燃機関から排出される大気汚染物質の排出量および燃料消費量を大幅に改善するべく、混合気を適切に形成することが可能な技術の開発が要請されている。
【０００９】
この発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、予混合圧縮自己着火燃焼方式を適用した内燃機関において、混合気を適切に形成するための技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに沿う方向から燃料を噴射し、該噴射した燃料を該圧縮面の形状によって前記燃焼室内を前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する手段であることを要旨とする。
【００１１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第１の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに沿う方向から燃料を噴射し、該噴射した燃料を該圧縮面の形状によって前記燃焼室内を前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する工程であることを要旨とする。
【００１２】
かかる第１の内燃機関および第１の燃焼方法においては、次のようにして燃焼室内に第１の混合気と第２の混合気とを形成する。ここで、第１の混合気は、ピストンで圧縮されただけでは自着火しない割合で燃料と空気とが混合した混合気であり、第２の混合気は該第１の混合気よりも燃料濃度の高い混合気である。初めに形成する第１の混合気は、ピストンの圧縮面上を一方向に向かって流れるように燃焼室内を旋回させる。そして、圧縮面上に形成されている流れに沿う方向から、ピストンに向かって燃料を噴射する。噴射された燃料は流れに乗って圧縮面上を移動し、該圧縮面の形状に導かれて燃焼室内を点火プラグの方向に向かう。この結果、点火プラグの近傍に第２の混合気が形成される。
【００１３】
こうすれば、噴射した燃料を点火プラグの近傍に確実に運ぶことができるので、僅かな燃料を噴射するだけで、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することができる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００１４】
こうした第１の内燃機関においては、燃料を燃料噴射弁から燃焼室に直接噴射することとして、吸気行程の半ば以前の適切な時期に該燃料噴射弁から燃料を噴射することによって、前記第１の混合気を形成することとしても良い。
【００１５】
燃料を吸気行程の前半に噴射しておけば、噴射した燃料を燃焼室内に流入した空気と十分に混ざり合わせることができるので、第１の混合気を均一な混合気とすることができる。第１の混合気が均一な混合気となっていれば、圧縮されたときにほぼ同時に自着火させることができ、燃焼を速やかに完了させることができる。この結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の有する特長である、燃料消費量と大気汚染物質の排出量とを同時に低減させることができるというメリットを十分に引き出すことが可能となるので好適である。
【００１６】
また、第２の混合気については、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に、前記燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射することによって形成することとしてもよい。
【００１７】
第２の混合気は点火プラグで点火することで燃焼を開始させる必要があるが、その一方で、第１の混合気よりも燃料濃度が高い分だけ自着火し易くなっている。点火プラグで点火する前に第２の混合気が自着火してしまったのでは、第１の混合気が自着火する時期を適切に制御することはできない。そこで、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に燃料を噴射することによって第２の混合気を形成してやる。こうすれば、燃料を噴射後ほどなく点火することになるので、第２の混合気が自着火する前に点火によって確実に燃焼を開始させることが可能となるので好ましい。
【００１８】
こうした第１の内燃機関は、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、該燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁とを備え、燃料噴射弁で燃料を吸気弁側から燃焼室内に噴射することとして、ピストンの圧縮面上を該吸気弁側から該排気弁側に向かって流れるように旋回する第１の混合気を形成することとしてもよい。
【００１９】
こうすれば、ピストンの圧縮面上の流れに沿った方向から燃料を噴射することになるので、噴射した燃料を点火プラグの近傍に導いて第２の混合気を確実に形成することができる。また、こうすれば、燃料噴射弁を排気弁側ではなく吸気弁側に設けることができるので、排気弁を通過する燃焼ガスからの熱を受けて燃料噴射弁が高温となるおそれがないので好ましい。
【００２０】
燃焼室内に吸気弁が開口する部分の近傍に、該吸気弁から排気弁に向かう空気の流れを妨げるようなマスク壁を設けておくこととしても良い。
【００２１】
こうしたマスク壁を設けておけば、吸気弁から燃焼室内に空気が流入する際に、排気弁の方向に流入する空気の流れが妨げられるため、自ずから空気は吸気弁側の燃焼室内を下降していき、ピストンの圧縮面上で吸気弁側から排気弁側に向きを変えることになる。従って、排気弁側にマスク壁を設けておけば、ピストンの圧縮面上を吸気弁側から排気弁側に向かう旋回流を、簡便に且つ確実に形成することが可能となるので好適である。
【００２２】
また、従来技術における前述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第２の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から燃料を噴射することで、該噴射した燃料を該圧縮面上の流れを利用して前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する手段であることを要旨とする。
【００２３】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第２の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から燃料を噴射することで、該噴射した燃料を該圧縮面上の流れを利用して前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する工程であることを要旨とする。
【００２４】
かかる第２の内燃機関および第２の燃焼方法においては、ピストンの圧縮面上を一方向に向かって旋回するような第１の混合気を形成しておき、この流れに対向する方向からピストンに向かって燃料を噴射する。こうすれば、噴射された燃料はピストンの圧縮面上を流れる第１の混合気と衝突する形となるので、方向転換して点火プラグの近傍に運ばれて、この領域に第２の混合気を形成することになる。
【００２５】
こうした第２の内燃機関およびこれに対応する第２の燃焼方法によれば、噴射した燃料を点火プラグの近傍に確実に運ぶことができるので、僅かな燃料を噴射するだけで、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することができる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００２６】
こうした第２の内燃機関においては、燃料を燃料噴射弁から燃焼室に直接噴射することとして、吸気行程の半ば以前の適切な時期に該燃料噴射弁から燃料を噴射することで前記第１の混合気を形成することとしても良い。また、第２の混合気については、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に、前記燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射することによって形成することとしてもよい。
【００２７】
燃料を吸気行程の前半に噴射してやれば、第１の混合気を燃料と空気とが十分に混ざり合った均一な混合気とすることができる。また、圧縮行程の後半の適切な時期に燃料を噴射して第２の混合気を形成してやれば、この混合気が自着火する前に、点火プラグで確実に点火することが可能となるので好適である。
【００２８】
こうした第２の内燃機関は、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、該燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁とを備え、燃料噴射弁で燃料を吸気弁側から燃焼室内に噴射することとして、ピストンの圧縮面上を該排気弁側から該吸気弁側に向かって流れるように旋回する第１の混合気を形成することとしてもよい。
【００２９】
こうすれば、燃料を自ずから、ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から噴射することになるので、点火プラグの近傍に確実に第２の混合気を形成することができる。また、こうすれば、燃料噴射弁を排気弁側ではなく吸気弁側に設けることができるので、燃料噴射弁が高温となるおそれがないので好ましい。
【００３０】
また、従来技術における前述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第３の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記燃焼室の縁部の少なくとも一部に形成されたスキッシュ領域に燃料を供給した後、前記ピストンの上昇に伴って該スキッシュ領域から前記燃焼室の略中央に向かって生じるスキッシュ流を利用して該スキッシュ領域の燃料を前記点火プラグ近傍に集めることにより、前記第２の混合気を形成する手段であることを要旨とする。
【００３１】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第３の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記燃焼室の縁部の少なくとも一部に形成されたスキッシュ領域に燃料を供給した後、前記ピストンの上昇に伴って該スキッシュ領域から前記燃焼室の略中央に向かって生じるスキッシュ流を利用して該スキッシュ領域の燃料を前記点火プラグ近傍に集めることにより、前記第２の混合気を形成する工程であることを要旨とする。
【００３２】
かかる第３の内燃機関および第３の燃焼方法においては、燃焼室の縁部の少なくとも一部の領域にスキッシュ領域を形成しておき、このスキッシュ領域に燃料を供給する。ピストンが上昇すると、スキッシュ領域からは燃焼室の略中央に向かってスキッシュ流が生じるので、スキッシュ領域に供給しておいた燃料をこのスキッシュ流を利用して点火プラグの近傍に集めることができる。こうすれば、噴射した燃料を点火プラグの近傍に確実に集めることができるので、僅かな燃料を噴射しただけで、点火プラグの近傍に第２の混合気を確実に且つ効率よく形成することができる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００３３】
こうした第３の内燃機関においても、吸気行程の半ば以前の適切な時期に燃料噴射弁から燃料を噴射することで前記第１の混合気を形成し、圧縮行程の半ば以降の適切な時期に燃料を噴射することによって前記第２の混合気を形成することとしてもよい。
【００３４】
こうすれば、第１の混合気を均一な混合気とするとともに、第２の混合気が自着火する前に点火プラグで確実に点火することが可能となる。
【００３５】
また、第３の内燃機関および第３の燃焼方法では、燃料をピストンに向かって噴射することで、噴射した燃料をピストンの圧縮面を利用してスキッシュ領域に導くようにしても良い。
【００３６】
ピストンの圧縮面を利用すれば、燃料を確実にスキッシュ領域に供給することができ、延いては第２の混合気を点火プラグの近傍に効率よく形成することができる。また、ピストンの圧縮面に沿って進む間に噴射した燃料を気化させて、第２の混合気を均一な混合気とすることができるという利点もある。更に、かかる方法によれば、圧縮面を適切な形状とすることで、噴射された燃料をスキッシュ領域に適切に導くことによって、更に効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【００３７】
こうした第３の内燃機関は、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、該燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁とを備え、燃料噴射弁で燃焼室内に吸気弁側からピストンの圧縮面に向かって燃料を噴射することにより、噴射した燃料を排気弁側に設けられたスキッシュ領域に供給することとしても良い。
【００３８】
こうすれば、燃料噴射弁を排気弁側ではなく吸気弁側に設けることができるので、燃料噴射弁が排気弁側からの熱を受けて、高温となるおそれがないので好ましい。
【００３９】
また、このように、排気弁側に設けられたスキッシュ領域に燃料を供給する場合には、冷却手段を用いてスキッシュ領域を冷却することとしても良い。冷却には、内燃機関に用いられている冷却水や潤滑油などを利用することができる。また、冷却する箇所としては、ピストンや燃焼室の排気弁側など、いずれの箇所とすることもできる。
【００４０】
こうしてスキッシュ領域を冷却してやれば、スキッシュ領域に供給された燃料が加熱されて、第２の混合気が点火プラグで点火する前に自着火してしまうことを、確実に防止することが可能となる。
【００４１】
また、燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、該燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備える第３の内燃機関においては、次のようにして第２の混合気を形成することとしても良い。先ず、ピストンの圧縮面の形状を、吸気弁側から噴射された燃料を再び吸気弁側に反転させるような形状に予め形成しておく。そして、燃焼室の吸気弁側からピストンの圧縮面に向かって燃料を噴射してやる。こうすれば、噴射された燃料はピストンの圧縮面の形状に導かれて、燃焼室の吸気弁側に設けられたスキッシュ領域に供給される。次いで、ピストンが上昇すると、スキッシュ流によって燃料が点火プラグの近傍に集められて、この領域に第２の混合気を形成する。
【００４２】
この様にしても、噴射した燃料を点火プラグの近傍に確実に運んで、この領域に第２の混合気を形成することができる。このため、僅かな燃料を噴射するだけで、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能となって好適である。
【００４３】
こうしたスキッシュ領域は、燃焼室の周縁部におおよそ三日月形状に設けることとしても良い。
【００４４】
スキッシュ領域をこの様な形状に設けておけば、スキッシュ流は燃焼室の周辺から中央方向に集まるような流れとなるので、スキッシュ領域に供給した燃料を点火プラグの近傍に効率よく集めることができる。このため、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能となる。
【００４５】
また、従来技術における前述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第４の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記点火プラグに向けて燃料を噴射することにより、前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を該点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備えることを要旨とする。
【００４６】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第４の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記点火プラグに向けて燃料を噴射することにより、前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を該点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備えることを要旨とする。
【００４７】
かかる第４の内燃機関および第４の燃焼方法においては、点火プラグに向けて燃料を噴射しているので、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能である。燃焼室内に燃料を噴射する通常の内燃機関では、点火プラグに向かって燃料を噴射した場合、ススが多量に発生したり、点火プラグが燃料で濡れて、点火不良を起こすといった問題が生じ易いので、従来は、点火プラグに向かって燃料を噴射することは避けられてきた。しかし、第４の内燃機関のように、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させる内燃機関では、高温且つ高圧の燃焼室内に燃料を噴射している。このため、噴射した燃料は速やかに気化し、更に燃料の到達距離も短いために、こうした問題が生じることなく、点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく第２の混合気を形成することができる。この結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００４８】
また、従来技術における前述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第５の内燃機関は次の構成を採用した。すなわち、
燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記燃焼室内を摺動して前記混合気を圧縮するピストンと、
前記燃焼室と前記ピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記第１の混合気の旋回中心の近傍に向けて燃料を噴射することによって、前記第２の混合気を形成する手段であることを要旨とする。
【００４９】
また、上記の内燃機関に対応する本発明の第５の燃焼方法は、
内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記燃焼室と前記ピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記第１の混合気の旋回中心の近傍に向けて燃料を噴射することによって、前記第２の混合気を形成する工程であることを要旨とする。
【００５０】
かかる第５の内燃機関および第５の燃焼方法においては、燃焼室とピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下する第１の混合気を形成し、この旋回流の中心付近に向けて燃料を噴射することによって第２の混合気を形成する。旋回流の中心付近は流速が比較的小さいため、第２の混合気は周囲の第１の混合気とあまり混じることが無い。従って、旋回流の中心付近に向けて燃料を噴射するこうした方法では、僅かな燃料を噴射しただけで、点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。この結果、予混合圧縮自着火燃焼方式の備えるメリットを十分に引き出して、燃料消費量および大気汚染物質の排出量を大きく減少させることが可能となる。
【００５１】
また、こうした方法においては、摺動面に沿って燃焼室内を降下する第１の混合気によって、吸気行程の直前に燃焼室内を満たしていた高温の燃焼ガスが燃焼室の中央付近に集められる。従って、第１の混合気の旋回中心に向けて燃料を噴射してやれば、中心付近に集められた燃焼ガスによって燃料を速やかに気化させることができる。その結果、こうして形成した第２の混合気を、燃料と空気とが均一に混ざり合った混合気とすることができるので好ましい。
【００５２】
こうした第５の内燃機関および第５の燃焼方法においては、吸気弁から燃料室内に空気を流入させる際に、吸気弁の上流側に設けた旋回ポートによって空気に旋回成分を付与することとしても良い。
【００５３】
こうすれば、燃焼室とピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下する旋回流を簡便に且つ確実に形成することができるので好ましい。
【００５４】
こうした内燃機関では、ピストンの圧縮面を次のような形状としても良い。すなわち、燃焼室とピストンとの摺動面に沿って旋回しながら降下する前記第１の混合気を、該旋回流の内側を上方に向かう流れに方向変換させるような形状に、ピストンの圧縮面を形成しておいてもよい。
【００５５】
ピストンの圧縮面をこの様な形状としておけば、摺動面に沿って降下する旋回流を変換して、旋回の内側を上昇するような流れを確実に形成することができる。その結果、燃焼室内を満たしていた高温の燃焼ガスを、燃焼室の上部中央付近、すなわち点火プラグの近傍に効率よく集めることができる。この領域に燃料を噴射してやれば、第２の混合気を点火プラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能となるので好適である。
【００５６】
【発明の実施の形態】
本発明の作用・効果をより明確に説明するために、次の順序に従って、本発明の実施例について説明する。
Ａ．各実施例に共通する事項：
Ａ−１．装置構成：
Ａ−２．エンジン制御の概要：
Ｂ．第１実施例：
Ｂ−１．第１実施例における燃焼室の構成：
Ｂ−２．第１実施例における混合気の燃焼方法：
Ｂ−３．変形例：
Ｃ．第２実施例：
Ｃ−１．第２実施例における燃焼室の構成：
Ｃ−２．第２実施例における混合気の燃焼方法：
Ｃ−３．変形例：
Ｄ．第３実施例：
Ｄ−１．第３実施例における燃焼室の構成：
Ｄ−２．第３実施例における混合気の燃焼方法：
Ｄ−３．変形例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．第５実施例：
Ｆ−１．第５実施例における燃焼室の構成：
Ｆ−２．第５実施例における混合気の燃焼方法：
Ｆ−３．変形例：
【００５７】
Ａ．各実施例に共通する事項：
以下では、各種実施例について説明する。これら実施例は、主に燃焼室の構成と、これに付随する混合気の燃焼方法が異なっているが、互いに共通する部分も多く存在している。そこで、先ず初めに各実施例に共通する事項について説明しておく。
【００５８】
Ａ−１．装置構成：
以下に説明する各種実施例の内燃機関では、予混合圧縮自着火燃焼方式を用いて混合気を燃焼させる。図１は、予混合圧縮自着火燃焼方式を適用した本実施例のエンジン１０の構造を概念的に示した説明図である。本実施例のエンジン１０は、吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程を繰り返しながら燃焼室内で混合気を燃焼させることによって動力を出力する４サイクル式のエンジンである。図１では、エンジン１０の構造を示すために、燃焼室のほぼ中央で断面を取って表示している。図示されているようにエンジン１０の本体は、シリンダブロック１４０の上部にシリンダヘッド１３０が組み付けられて構成されている。シリンダブロック１４０の内部には、円筒形のシリンダ１４２が形成されており、このシリンダ１４２の内部には、ピストン１４４が摺動可能に設けられている。シリンダ１４２とピストン１４４とシリンダヘッド１３０の下面とで囲まれた空間が燃焼室となる。
【００５９】
ピストン１４４は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に接続されており、ピストン１４４はクランクシャフト１４８の回転にともなってシリンダ１４２内を上下に摺動する。
【００６０】
シリンダヘッド１３０には、燃焼室に吸入空気を取り入れるための吸気通路１２と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１４と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ１３６と、燃焼室内で発生した燃焼ガスを排出するための排気通路１６などが接続されている。また、シリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられている。吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、それぞれにカム機構によって駆動され、ピストン１４４の動きに同期して吸気通路１２および排気通路１６を開閉する。尚、図１では、燃料噴射弁１４が吸気バルブ１３２の側に設けられている場合を示しているが、これに限らず、排気バルブ１３４側に設けることとしても構わない。詳細には、各実施例の説明において後述する。
【００６１】
吸気通路１２の上流側にはエアクリーナ２０が設けられており、エアクリーナ２０には空気中の異物を除去するためのフィルタが内蔵されている。エンジンに吸入される空気は、エアクリーナ２０を通過する際にフィルタで異物を除去された後、燃焼室内に吸入される。また、吸気通路１２には、スロットル弁２２が設けられており、電動アクチュエータ２４を駆動してスロットル弁２２を適切な開度に制御することで、燃焼室内に吸入される空気量を制御することができる。
【００６２】
エンジン１０の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、ＣＰＵや、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換素子、Ｄ／Ａ変換素子などをバスで相互に接続して構成された周知のマイクロコンピュータである。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅ　やアクセル開度θａｃを検出し、これらに基づいてスロットル弁２２を適切な開度に制御するとともに、燃料噴射弁１４や、点火プラグ１３６を適切なタイミングで駆動する。エンジン回転速度Ｎｅ　は、クランクシャフト１４８の先端に設けたクランク角センサ３２によって検出することができる。アクセル開度θａｃは、アクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出することができる。
【００６３】
Ａ−２．エンジン制御の概要：
図１に示すような構成を有するエンジン１０は、ＥＣＵ３０の制御の下で、燃焼室内で混合気を圧縮自着火させながら動力を出力する。図２は、ＥＣＵ３０が行うエンジン運転制御ルーチンの流れを示したフローチャートである。以下、フローチャートに従って説明する。
【００６４】
エンジン制御ルーチンを開始すると、先ず初めにＥＣＵ３０は、エンジン１０が発生させるべき目標出力トルクを算出する処理を行う（ステップＳ１００）。目標出力トルクは、アクセル開度センサ３４で検出したアクセル開度θａｃに基づいて算出する。すなわち、エンジンの操作者は、エンジンの出力トルクを増やしたいと思った場合はアクセルペダルを踏み増す操作を行い、出力トルクを減らしたいと思った場合はアクセルペダルを戻す操作を行う。特に、エンジンからトルクを発生させる必要がないと考えた場合は、アクセルペダルを全閉状態とする。このことから、アクセルペダルの操作量はエンジンの操作者が要求しているトルクを代表していると考えることができる。ステップＳ１００では、こうした原理に基づいて、アクセル開度θａｃからエンジンが出力すべき目標出力トルクを算出する。
【００６５】
次いで、ＥＣＵ３０はエンジン回転速度Ｎｅ　を検出する（ステップＳ１０２）。エンジン回転速度Ｎｅ　は、クランク角センサ３２の出力に基づいて算出することができる。
【００６６】
目標出力トルクおよびエンジン回転速度を検出したら、制御方式を設定する処理を行う（ステップＳ１０４）。これは、次のような処理である。前述したように、予混合圧縮自着火燃焼方式を採用するエンジンは、大気汚染物質の排出量が少なく、燃料消費量も少ないという優れた特性を備えているが、エンジンの負荷が高くなるとノックを起こし易くなる。詳細には後述するが、こうした問題を解決するために、以下に説明する各実施例のエンジン１０は、エンジンの負荷が高い条件では、圧縮行程中の半ば以降の適切なタイミングで燃焼室内に追加の燃料を噴射して、燃焼室内の一部に燃料濃度の濃い混合気（第２の混合気）を形成し、この混合気に点火して残余の領域の混合気（第１の混合気）を圧縮し自着火に至らせることによって、ノッキングの発生を回避している。尚、第２の混合気は、第１の混合気に対して相対的に燃料濃度が高ければ良く、燃料濃度が過濃な混合気である必要はない。このように、異なる燃焼方式が実現可能であるため、ステップＳ１０４では、圧縮行程中に追加の燃料を噴射してノックの発生を回避するための制御を行うか、あるいは通常の予混合圧縮自着火燃焼させるための制御を行うかを、エンジンの負荷に応じて設定する処理を行う。具体的には、ＥＣＵ３０に内蔵されたＲＯＭには、エンジン回転速度と目標出力トルクとの組合せに応じて、低負荷条件あるいは高負荷条件のいずれの制御を行うかがマップの形式で予め記憶されており、低負荷条件であれば通常の予混合圧縮自着火燃焼の制御を、高負荷条件であれば圧縮行程中に追加の燃料を噴射してノックの発生を回避するための制御を行う。図３は、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されているマップを概念的に示したものである。
【００６７】
制御方式を設定したら、続いて燃焼室内に噴射する燃料量および吸入空気量を算出する処理を行う（ステップＳ１０６）。これらの燃料噴射量および吸入空気量の値は、低負荷条件あるいは高負荷条件のそれぞれに用意されているマップを参照することによって算出する。
【００６８】
図４は、低負荷条件用のマップを概念的に示した説明図である。低負荷条件用のマップは、吸入空気量のマップと燃料噴射量のマップの２つのマップが用意されており、それぞれのマップには、エンジン回転速度および目標出力トルクの組合せに応じて、それぞれ適切な吸入空気量あるいは燃料噴射量が設定されている。
【００６９】
ここで、図４に示すような吸入空気量および燃料噴射量を設定するための基本的な考え方について簡単に説明しておく。図５は、予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気を形成するための基本的な考え方を概念的に示したブロック図である。予混合圧縮自着火燃焼においては、先ず初めに内燃機関が出力すべきトルク（要求トルク）を設定する。要求トルクが決まると、この値に応じて、燃料量を決めることができる。すなわち、内燃機関は燃料を燃焼させて燃焼室内の圧力上昇させ、この圧力をトルクに変換して出力している。従って、トルクの発生量と燃料量とはほぼ一対一に対応しており、要求トルクが決まれば、これに応じて必要な燃料量を決めることができる。燃料量を決定したら、次に空気量を決定する。混合気を圧縮して自着火させるためには、空気と燃料とが所定の割合で混合していることが必要である。従って、燃料量を決めると、この燃料と混合すべき空気量を自ずから決定することができる。こうして決定した分量の燃料と空気とによる混合気を燃焼室内で圧縮自着火させれば、要求トルクを出力することができる。
【００７０】
図４に示したマップには、図５に示した考え方を基礎として、実験的な手法により求められた適切な値が設定されている。尚、低負荷条件用のマップは、目標出力トルクが小さな条件で参照されるマップであり、ある目標出力トルク以上の領域では、燃料噴射量のマップ値も吸入空気量のマップ値もクリップされた値が設定されている。理屈の上からは、低負荷条件用のマップは目標出力トルクが小さな領域のみマップ値が設定されていれば足りるが、何らかの原因で低負荷条件用の制御中に、目標出力トルクの高い領域を参照してしまった場合を考慮して、一応マップ値が設定されている。但し、ノックが発生しないように、小さな目標出力トルクのマップ値にクリップされている。
【００７１】
図６は、高負荷条件用のマップを概念的に示した説明図である。高負荷条件用のマップは、吸入空気量のマップと主燃料噴射量のマップと副燃料噴射量のマップとの合計３つのマップが用意されている。それぞれのマップには、エンジン回転速度と目標出力トルクとに応じて、吸入空気量、主燃料噴射量、副燃料噴射量がそれぞれ設定されている。これらのマップの設定値も、図５に示した考え方を基礎として、実験的な手法により求められた適切な値が設定されている。
【００７２】
図２のステップＳ１０６では、このように対応するマップを参照しながら、低負荷条件用の制御時には吸入空気量および燃料噴射量を算出し、高負荷条件用の制御時には吸入空気量および主燃料噴射量、副燃料噴射量をそれぞれ算出する処理を行う。
【００７３】
こうして吸入空気量および燃料噴射量（高負荷条件時には、主燃料噴射量および副燃料噴射量）を算出したら、算出した分量の空気が各燃焼室に吸入されるように、スロットル弁２２の開度を制御する処理を行う（ステップＳ１０８）。スロットル弁の開度の制御は周知の種々の方法で行うことができる。例えば、吸気通路１２に設けたエアフローセンサで吸入空気量を計測し、適切な空気量となるようにスロットル弁２２の開度を制御すればよい。あるいは、エアフローセンサを用いるのではなく、スロットル弁２２の下流側の吸気通路内圧力を計測して、吸入空気量を算出してもよい。簡便には、エンジン回転数に応じて適切な空気量が得られるようなスロットル開度を予めマップに設定しておき、このマップを参照してスロットル開度を設定することとしてもよい。
【００７４】
ＥＣＵ３０は、スロットル制御に続いて燃料噴射制御を行う（ステップＳ１１０）。燃料噴射制御では、ピストン１４４の動きに合わせて適切なタイミングで燃料噴射弁１４を駆動することにより、燃焼室内に燃料を噴射する。燃料の噴射量は、先にステップＳ１０６において算出されている。燃料噴射制御の詳細については、別図を用いて後述する。
【００７５】
図７は、ピストン１４４の動きに同期させて、吸気バルブ１３２、排気バルブ１３４、燃料噴射弁１４をそれぞれ駆動するタイミングをした説明図である。図中にＴＤＣと表示されているのは、ピストン１４４が上死点となるタイミングを示し、図中にＢＤＣと表示されているのは、ピストン１４４が下死点となるタイミングを示している。図示されているように吸気バルブ１３２は、ピストンが上死点に達する少し手前のタイミングで開き、ピストンが下死点に達した少し後のタイミングで閉じる。吸気バルブ１３２が開いている間にピストン１４４が降下することによって吸入空気が燃焼室内に吸い込まれ、この期間が吸気行程となる。また、吸気バルブ１３２を閉じた後は、ピストン１４４を上昇させるに連れて燃焼室内の混合気が圧縮される。吸気バルブ１３２を閉じてからピストンが上死点に達するまでの期間が圧縮行程となる。そして、ピストンが上死点を過ぎて排気バルブ１３４が開くまでの期間が膨張行程である。排気バルブ１３４は、ピストンが下死点になる少し前のタイミングで開き、上死点に達した少し後のタイミングで閉じてやる。排気バルブ１３４が開いている間にピストン１４４が上昇すると、これに伴って燃焼室内の燃焼ガスが排気バルブ１３４から排出され、この期間が排気行程となる。図２に示したステップＳ１１０の処理（燃料噴射制御）では、吸気行程中にハッチングを付して示した期間に燃料噴射弁１４を駆動して、燃焼室内に燃料を噴射する制御を行う。
【００７６】
こうして燃料噴射制御を行ったらＥＣＵ３０は、実行中の制御方式が高負荷条件用の制御か否かを判断する（ステップＳ１１２）。高負荷条件用の制御を行っている場合は（ステップＳ１１２：ｙｅｓ）、続いて副燃料噴射制御を行う（ステップＳ１１４）。これは、先にステップＳ１０６において副燃料噴射量として算出しておいた追加の燃料を、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から燃焼室内に噴射する制御である。更に続けて、圧縮上死点付近の適切なタイミングで点火プラグから火花を飛ばして混合気に点火する制御を行う（ステップＳ１１６）。図７には、副燃料噴射制御において燃料を噴射する期間、および点火制御において点火プラグ１３６から火花を飛ばすタイミングも例示されている。また、ステップＳ１１２において、高負荷条件用の制御を行っていないと判断された場合は（ステップＳ１１２：ｎｏ）、燃焼室内の混合気をピストンによる圧縮のみで自着火させることとして、副燃料噴射制御（ステップＳ１１４）や点火制御（ステップＳ１１６）はスキップする。
【００７７】
このように、本実施例のエンジン１０は、低負荷条件時には吸気行程中に形成した混合気を圧縮して自着火させ、また高負荷条件時には吸気行程および圧縮行程の２回に分けて形成した混合気に点火して燃焼させる。こうすることで、低負荷条件時あるいは高負荷条件時のいずれにおいても、ノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼を実現している。この理由については後述する。
【００７８】
こうして混合気を燃焼させると、燃焼室内の圧力が急激に上昇してピストン１４４を下方向に押し下げようとする。この力は、コネクティングロッド１４６を介してクランクシャフト１４８に伝えられ、クランクシャフト１４８でトルクに変換されて動力として出力される。
【００７９】
次いで、ＥＣＵ３０は、エンジンを停止する旨が設定されたか否かを確認し（ステップＳ１１８）、停止する旨が設定されていなければステップＳ１００に戻って続く一連の処理を繰り返す。エンジンを停止する旨が設定された場合は、そのままエンジン運転制御ルーチンを終了する。こうして、エンジン１０は、ＥＣＵ３０の制御の下で、図２の制御ルーチンに従って運転され、操作者の設定に応じたトルクを出力する。
【００８０】
ここで、本実施例のエンジン１０が、吸気行程および圧縮行程の２回に分けて燃料を噴射することで、高負荷条件時にもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼させることが可能な理由について説明する。
【００８１】
図８は、燃焼室内に混合気が形成されている様子を概念的に示している。図中に示した大きな円は燃焼室を模式的に表したものであり、燃焼室内に粗く斜線を付した領域は、吸気行程中に燃料を噴射することによって形成された混合気（第１の混合気）を表し、細かく斜線を付した領域は、圧縮行程中に燃料を噴射す得ることによって形成された混合気（第２の混合気）を表している。
【００８２】
高負荷条件では混合気が自着火し易いので、以下に説明する各実施例では、図８中で粗い斜線を付した領域の混合気（第１の混合気）は、ピストン１４４により圧縮されただけでは自着火しない程度に空気過剰率を大きな値に設定しておく。ここで空気過剰率とは、混合気中に含まれる空気量と燃料量との割合を示す指標である。空気過剰率が「１」とは、空気と燃料とが、互いに過不足無く燃焼するような比率で混合気に含まれていることを意味しており、空気過剰率が「２」とは、燃料を過不足無く燃やすために必要な割合の２倍の空気が混合気中に含まれていることを意味している。
【００８３】
次いで、圧縮行程の半ば以降のタイミングで、燃焼室内に追加の燃料を噴射することにより第２の混合気を形成する。追加の燃料は、第１の混合気が形成されている上に噴射されることから、第２の混合気の空気過剰率は第１の混合気に比べて小さな値となる。尚、本実施例では、第２の混合気は、空気過剰率が「１」よりは大きいものの、第１の混合気の空気過剰率よりは小さな値に設定されている。こうして形成された第２の混合気に、点火プラグ１３６から火花を飛ばして点火する。第２の混合気は空気過剰率が小さい（燃料濃度が高い）ので点火後は速やかに燃焼し、燃焼室内の圧力を上昇させる。この結果、第１の混合気は、ピストン１４４による圧縮に加えて、第２の混合気が燃焼したことによって圧縮され、ついには自着火に至る。図８中に示した黒い矢印は、第２の混合気が燃焼したことにより、周囲に形成されている第１の混合気を圧縮している様子を概念的に表したものである。
【００８４】
このように、吸気行程中に形成される第１の混合気は大きな空気過剰率に設定されているので、ピストン１４４が上昇している途中で自着火することを回避することができる。そして、圧縮行程の半ば以降に追加の燃料を噴射して点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成し、この第２の混合気に点火することで、第１の混合気を圧縮して自着火に至らしめる。こうすれば、第２の混合気に点火するタイミングを制御することで、第１の混合気を適切なタイミングで自着火させることが可能となる。第２の混合気は、第１の混合気に比べて空気過剰率が小さいので、その分だけ自着火し易いが、この混合気は形成された後、自着火する前に点火されるので、第２の混合気が自着火してしまうことはない。また、空気過剰率が小さくなっているために点火後は速やかに燃焼し、第１の混合気を圧縮して自着火させることができる。尚、図８では、第１の混合気が形成された上に燃料を噴射して第２の混合気を形成するものとして説明したが、第２の混合気の空気過剰率を、第１の混合気よりも小さくすることができれば、この様な方法に限らず他の方法を用いることとしても良い。例えば、第１の混合気が形成されている領域とは別の領域に燃料を噴射することによって第２の混合気を形成することとしても構わない。
【００８５】
以上に説明したように、ピストンによる圧縮では自着火しない第１の混合気と、第１の混合気よりも空気過剰率の小さな第２の混合気とを形成し、第２の混合気に点火してやれば、高負荷条件においてもノックを発生させることなく予混合圧縮自着火燃焼を実現することが可能である。しかし、第２の混合気については従来の燃焼方式と同様に、火炎の伝播を伴った燃焼形態となっており、自着火しているわけではない。従って、第２の混合気として燃焼させる部分については、予混合圧縮自着火燃焼させることによる効果は得られない。このことから明らかなように、本実施例のエンジン１０において、予混合圧縮自着火燃焼させるメリットを最大限に活かして、燃料消費量および大気汚染物質の排出量をより一層低減するためには、第２の混合気をできるだけ少ない燃料を用いて効率よく形成することが望ましい。更に、第２の混合気に確実に点火できるように、第２の混合気は点火プラグ１３６の近傍に形成してやる必要がある。こうしたことは、燃焼室の構成を工夫することによって実現することができる。以下では、こうした各種実施例について説明する。
【００８６】
Ｂ．第１実施例：
Ｂ−１．第１実施例における燃焼室の構成：
図９は、第１実施例における燃焼室の断面を拡大して示した説明図である。図示するように燃焼室は、シリンダブロック１４０に設けられたシリンダ１４２と、シリンダ１４２内を摺動するピストン１４４と、シリンダブロック１４０の上に組み付けられたシリンダヘッド１３０とによって形成されている。シリンダヘッド１３０には、吸気バルブ１３２と排気バルブ１３４とが設けられており、吸入空気は吸気ポート１３３から吸気バルブ１３２を通って燃焼室内に流入し、混合気が燃焼することによって生じた燃焼ガスは排気バルブ１３４から排気ポート１３５を通って排気ガスとして排出される。また、シリンダヘッド１３０の吸気側には燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁１４が設けられ、燃焼室のほぼ中央には点火プラグ１３６が設けられている。
【００８７】
第１実施例の燃焼室では、吸気バルブ１３２が開口する部分の排気側に、マスク壁１３８が設けられている。このため、吸気バルブ１３２が開いて燃焼室内に空気が流入する際に、マスク壁１３８に遮られて、排気側方向へは空気が流れ難くなっている。図９に即して説明すると、吸気バルブ１３２が開いて空気が流入する場合に、排気バルブ１３４の方向に向かう流れはマスク壁１３８で遮られてしまう。このため吸気バルブ１３２から流入する空気は、下方に向かって（図９に示した例では燃料噴射弁１４が設けられている方向に向かって）、主に流入することになる。
【００８８】
また、ピストン１４４の頂面には、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を点火プラグ１３６の方向に導くための凹部１４３が設けられている。第１実施例では、凹部１４３は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料がピストン頂面に衝突する付近から、点火プラグ１３６が設けられているほぼ中央付近に亘って形成されている。
【００８９】
Ｂ−２．第１実施例における混合気の燃焼方法：
こうした構成の燃焼室を有する第１実施例において、第１の混合気および第２の混合気を形成して燃焼させる様子について説明する。
【００９０】
先ず初めに、低負荷条件時の場合について説明する。図１０は、低負荷条件において燃焼室内に混合気を形成し、圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。図１０（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射している様子を示している。吸気バルブ１３２を開いてピストン１４４を降下させると、吸気バルブ１３２を通って空気が燃焼室内に流入する。ここで図９を用いて説明したように、第１実施例においては、吸気バルブ１３２が開口する部分の排気側にはマスク壁１３８が設けられている。このため、吸気バルブ１３２から排気側に向かう流れはマスク壁１３８に妨げられ、ほとんどの空気は、シリンダ１４２に沿って燃焼室内を下降する方向に流入する。図１０（ａ）には、吸気バルブ１３２からシリンダ１４２に沿って空気が流れる様子を、矢印で表している。こうして燃焼室内を下降した空気の流れはピストン１４４の頂面で向きを変え、ピストン頂面を横切った後、反対側のシリンダ１４２に衝突して今度は排気側の燃焼室内を上昇していく。この結果、図１０（ａ）に示すように、吸入した空気は燃焼室内を縦に旋回する流れ（いわゆる逆タンブル流）を形成することになる。
【００９１】
図７を用いて説明したように、燃料は吸気行程の前半の所定のタイミングで噴射してやる。図１０（ａ）では、噴射された燃料を細かいハッチングを付して表している。こうして噴射された燃料は、吸気バルブｂ１３２から流入した空気とともに燃焼室内を旋回しながら混合して、燃焼室内に均一な混合気を形成する。
【００９２】
吸気行程が終了すると、吸気バルブ１３２を閉じてピストン１４４を上昇させることにより、圧縮行程を開始する。図１０（ｂ）は、ピストン１４４を上昇させて燃焼室内の混合気を圧縮している様子を概念的に表している。燃焼室内には吸気行程中に逆タンブル流が形成されており、圧縮行程では、こうした旋回流を圧縮することになる。
【００９３】
ピストンによる圧縮は熱が周囲に逃げて行く速度に比べて極めて迅速に行われる。このため、混合気は断熱圧縮されて次第に温度が上昇し、ついには発火点温度を超えて自着火に至る。言うまでもなく燃焼室内の圧力は燃焼室内の位置によらず一様に上昇するから、混合気温度もほぼ一様に上昇する。従って、混合気の空気過剰率が均一であれば、燃焼室内の混合気はほぼ同時に自着火することになる。実際、燃料噴射弁１４から噴射された燃料は、空気とともに燃焼室内を旋回しながら混ざり合って十分に均一な混合気となっており、燃焼室内の混合気はほぼ同時に自着火する。図１０（ｃ）は、こうして燃焼室内の混合気がほぼ同時に自着火している様子を概念的に表している。
【００９４】
次に、図１１を参照しながら、高負荷条件の場合について説明する。前述したように高負荷条件では、燃焼室内に第１の混合気および第２の混合気を形成し、第２の混合気に点火することで第１の混合気を圧縮して自着火に至らしめる。図１１（ａ）は、高負荷条件時に吸気行程中に燃料を噴射することにより、第１の混合気を形成している様子を示している。高負荷条件時に第１の混合気を形成する様子は、前述した低負荷条件時に混合気を形成する様子と同様である。すなわち、吸気バルブ１３２から流入する空気は、マスク壁１３８の作用によって燃焼室内に逆タンブル流を形成する。そして、燃料噴射弁１４から噴射された燃料は、空気とともに燃焼室内を旋回しながら混合する。このため、第１の混合気は燃料と空気とが十分に混合した均一な混合気となっている。尚、第１の混合気の空気過剰率は、低負荷条件時に形成した混合気の空気過剰率よりも大きな値に設定されている。
【００９５】
次いで、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、燃料噴射弁１４からピストン１４４に向かって燃料を噴射することで、第２の混合気を形成する。図１１（ｂ）は、第１実施例において第２の混合気を形成する様子を概念的に表している。前述したように、吸気行程では、燃焼室内の混合気には逆タンブル流が付与されており、圧縮行程では、逆タンブル方向に旋回する第１の混合気を圧縮して行く。このとき、ピストン頂面では、第１の混合気は吸気側から排気側に向かって一方向に流れている。そして図１１（ｂ）に示したように、圧縮行程の半ば以降で追加の燃料を噴射するタイミングでも、燃焼室内にはこうした旋回流が残存している。圧縮行程の半ば以降のタイミングでは、このような状態の燃焼室内に、燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって燃料を噴射する。図１１（ｂ）では、噴射された燃料を細かいハッチングを付して表している。また、燃焼室内に付された粗いハッチングは、吸気行程に噴射された燃料によって第１の混合気が形成されていることを表している。前述したように燃料噴射弁１４は吸気側に設けられているから、燃料噴射弁１４から燃焼室内に燃料を噴射すると、燃焼室内で旋回している第１の混合気の流れに沿って燃料を噴射することになる。
【００９６】
噴射された燃料は、ピストン頂面に設けられた凹部１４３で受け止められた後、燃料の持つ勢いにより、凹部１４３に沿ってピストン頂面の中央方向に向かって進んで行く。ピストン頂面では、混合気は吸気側から排気側に向かって流れているので、この混合気の流れも燃料の進行を促進する方向に作用する。こうして凹部１４３に沿って進んだ燃料は、凹部１４３の形状によって進行方向を変えられて、燃焼室内を点火プラグ１３６の方向に向かう。図１１（ｂ）には、噴射された燃料が凹部１４３の壁面によって向きを変えられて点火プラグ１３６の方向に進んでいる様子が示されている。このように、ピストン頂面に設けられた凹部１４３は、圧縮行程中に噴射された燃料を受け止められるような位置に形成され、そして凹部１４３に沿って進んだ燃料が点火プラグ１３６に向かって方向転換するような形状に形成されている。
【００９７】
こうして、噴射された燃料を点火プラグ１３６の方向に向かわせれば、第２の混合気を確実に点火プラグ１３６の近傍に形成することができる。点火プラグ１３６から火花を飛ばして、こうして形成した第２の混合気に点火してやる。すると、第２の混合気が速やかに燃焼して燃焼室内圧力を上昇させて、第１の混合気を圧縮自着火させることができる。図１１（ｃ）は、点火プラグ１３６を用いて第２の混合気に点火することにより、第１の混合気を自着火させている様子を模式的に表している。
【００９８】
以上に説明したように、第１実施例においては、燃焼室内に形成した旋回流に沿った方向からピストン頂面に向けて燃料を噴射し、噴射した燃料をピストン頂面の形状で点火プラグ１３６の方向に導くことによって、第２の混合気を形成する。こうすれば、第２の混合気は、確実に点火プラグ１３６の近傍に形成されることになる。従って、噴射した燃料が僅かであっても、これら燃料は確実に点火プラグ１３６の近傍に運ばれるので、第２の混合気を効率よく形成し、点火プラグで確実に点火することが可能となる。
【００９９】
また、燃料は、燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって噴射された後、頂面の形状に導かれて直ちに点火プラグ１３６の方向に進んで第２の混合気を形成する。このように、燃料噴射弁１４から噴射された燃料が、点火プラグ１３６の周りに第２の混合気を形成するまでの間に燃焼室内を移動する距離が比較的短いので、燃料はさほど広い範囲に拡散することなく、点火プラグ１３６の近傍の狭い範囲に第２の混合気を形成することができる。従って、僅かな燃料を噴射しただけで、点火プラグ１３６の周りに十分な燃料濃度の混合気を形成することができるので、それだけ第２の混合気を効率よく形成することが可能となる。
【０１００】
Ｂ−３．変形例：
上述した第１実施例には各種の変形例が存在する。以下では、これら変形例について簡単に説明する。
【０１０１】
上述した第１実施例では、吸気バルブ１３２から流入する空気は主にシリンダ１４２に沿って降下し、燃焼室内に逆タンブル流を形成するものとして説明した。しかし、燃焼室内にタンブル流を形成した場合にも、同様にして第２の混合気を効率よく形成することができる。以下では、図１２を参照しながら、こうした第１実施例の変形例について説明する。
【０１０２】
図１２は、タンブル流を形成する変形例において、燃焼室内に第２の混合気を効率よく形成する様子を概念的に示す説明図である。図１２（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射して、第１の混合気を形成している様子を概念的に示している。前述した第１実施例では、吸気バルブ１３２が燃焼室内に開口する部分の排気側にはマスク壁１３８が設けられており、このため、吸気バルブ１３２から流入する空気は、吸気側をシリンダ１４２に沿って降下していた。これに対して、図１２に示す変形例では、吸気バルブ１３２を通過する空気は主に排気側の開口部から、燃焼室内に流入する。こうした流れは、吸気ポートの形状を工夫することによって比較的容易に形成することができる。もちろん、吸気バルブ１３２が燃焼室内に開口する部分の吸気側にマスク壁を設けることとしてもよい。こうすれば、吸気側の開口部から空気が流入することが阻害され、主に排気側の開口部から流入することになる。
【０１０３】
こうして、吸気バルブ１３２の排気側の開口部から主に流入した空気は、排気バルブ１３４の上を通過してシリンダ１４２の排気側の内周面に沿って降下した後、ピストン１４４に達して方向を変え、ピストン頂面を横切るように流れる。図１２（ａ）では、こうした空気の流れを、矢印によって模式的に表している。この結果、燃焼室内には、ピストン頂面上を排気側から吸気側に向かって横切るような旋回流（タンブル流）が形成されることになる。吸気行程中に燃料噴射弁１４から噴射した燃料は、こうした空気の流れとともに燃焼室内を旋回して、均一な第１の混合気を形成する。圧縮行程では、このように燃焼室内で旋回している混合気を圧縮することになる。
【０１０４】
図１２（ｂ）は圧縮行程の半ば以降に追加の燃料を噴射して、第２の混合気を形成している様子を概念的に示している。第１実施例の変形例では、燃料噴射弁１４は排気側に設けられており、この燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって燃料を噴射する。吸気行程中に形成されたタンブル流は圧縮行程中にも残存しており、排気側からピストン頂面に向かって燃料を噴射してやれば、タンブル流に沿った方向から燃料を噴射することになる。
【０１０５】
噴射された燃料は、ピストン頂面に設けられた凹部１４３で受け止められた後、燃料自身の慣性によって、凹部１４３上をピストン頂面の中央付近に向かって流れていく。ピストン頂面を排気側から吸気側に向かう混合気の旋回流は、燃料の流れを促進する方向に作用する。そして、頂面のほぼ中央付近に達すると、凹部１４３によって流れの方向を変えられて、燃焼室内を点火プラグ１３６の方向に向かって進み、点火プラグの近傍に第２の混合気を形成する。
【０１０６】
この様にしても、圧縮行程の半ば以降に噴射した燃料を確実に点火プラグ１３６の近傍に運んで、第２の混合気を形成することができる。従って、燃料を僅かに噴射した場合でも、これら燃料を用いて、点火プラグ１３６の近傍に確実に第２の混合気を形成することが可能となる。
【０１０７】
尚、以上に説明した第１実施例では、燃焼室側に形成されたマスク壁１３８を用いているが、マスク壁１３８の代わりに、シュラウド弁を用いることとしても良いことはもちろんである。
【０１０８】
また、上述した第１実施例では、ピストン頂面に設けた凹部１４３で燃料の向きを変更するものとして説明した。しかし、ピストン頂面の形状は、燃料の向きを点火プラグ１３６の方向に変換することができさえすれば、どのような形状であっても良く、必ずしも凹んだ形状でなても構わない。例えば、ピストンの頂面に対して突部が形成されているような形状とすることも可能である。
【０１０９】
Ｃ．第２実施例：
上述した第１実施例では、燃焼室内に形成した旋回流に沿った方向から燃料を噴射している。しかし、これとは逆に、旋回流に対向する方向から燃料を噴射することで、点火プラグの近傍に効率よく第２の混合気を形成することも可能である。以下では、こうした第２実施例について説明する。
【０１１０】
Ｃ−１．第２実施例における燃焼室の構成：
図１３は、第２実施例の燃焼室の断面を拡大して示した説明図である。図１３に示した第２実施例は、図９に示した第１実施例とは異なり、マスク壁１３８は設けられていない。吸気ポート１３３の形状は、燃焼室内にタンブル流を形成するべく、吸気バルブ１３２の主に排気側の開口部から空気が燃焼室内に流入するような形状となっている。燃料噴射弁１４は吸気側に設けられている。また、前述した第１実施例とは異なり、ピストン１４４の頂面は、燃料を点火プラグ１３６に導くような特殊な形状とする必要はない。図１３に示した例では、ピストン頂面はほぼ平坦な形状となっている。尚、第２実施例においても、図９に示した第１実施例と同様にマスク壁１３８を設けた構成とすることも可能であるが、こうした変形例については後述する。
【０１１１】
Ｃ−２．第２実施例における混合気の燃焼方法：
図１３に示した第２実施例では、高負荷条件時に、次のようにして第１の混合気および第２の混合気を形成する。以下、図１４を参照しながら説明する。図１４（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射することによって、第１の混合気を形成している様子を概念的に示したものである。ここでは、吸気ポート１３３は、吸気バルブ１３２の排気側の開口部から空気を流入させるような形状に形成されており、このため燃焼室内には、図１４（ａ）に矢印で示すようなタンブル流が形成される。また、燃料噴射弁１４から燃焼室内に噴射された燃料は、タンブル流に乗って燃焼室内を旋回しつつ、空気と混合して均一な第１の混合気を形成する。図１４（ａ）では、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を細かいハッチングを付すことによって表している。
【０１１２】
図１４（ｂ）は、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から追加の燃料を噴射することにより、第２の混合気を形成している様子を示している。吸気行程中に形成したタンブル流は圧縮行程においても残存しており、追加の燃料を噴射するタイミングでは、第１の混合気は、ピストン頂面を排気側から吸気側に横切って流れている。第２実施例においては、このような状態の燃焼室内に燃料を噴射する。燃料噴射弁１４は吸気側に設けられているから、ピストン頂面に向かって燃料を噴射すると、燃焼室内で旋回する第１の混合気の流れに対向する方向から燃料を噴射することになる。噴射された燃料には慣性があるので、ピストン頂面に衝突した後も暫くは混合気の流れに逆らって進むが、やがて混合気に流れによって流れの向きを変えて、燃焼室内を点火プラグ１３６の方向に進み、第２の混合気を形成する。こうして点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成しておけば、所望のタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばすことによって、第２の混合気に確実に点火することができ、延いては第１の混合気を圧縮して自着火させることが可能となる。図１４（ｃ）は、第２の混合気に点火することにより、第１の混合気を自着火させている様子を概念的に表している。
【０１１３】
こうした第２実施例においても、前述した第１実施例と同様に、圧縮行程中に燃料噴射弁１４から噴射した燃料を点火プラグ１３６の近傍に運んで確実に第２の混合気を形成することができる。従って、噴射する燃料が僅かであっても、この燃料を点火プラグ１３６の近傍に確実に運んで、効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【０１１４】
また、こうした第２実施例では、ピストン頂面に燃料を導くための凹部を設ける必要がないので、燃料の分布が偏りにくく、第１の混合気をより均一なものとすることが可能となる。もちろん、第２実施例においても、混合気の流れによって方向を変えた燃料の向きを点火プラグ１３６の方向に導くための小さな凸部を設けておいても構わないことは言うまでもない。
【０１１５】
第２実施例では、燃焼室内に形成された混合気の流れに対向させて燃料を噴射し、混合気の流れを利用して燃料の向きを変えている。このことから、噴射した燃料が混合気の流れによって直ぐに押し戻されてしまうことの無いように、燃料噴射弁１４は噴霧の貫徹力の大きな噴射弁、例えば、ファンスプレーあるいは中実コーンタイプの噴射弁を用いることが望ましい。これに対して、前述した第１実施例では、混合気の流れに乗せて燃料を噴射していることから、第１実施例の燃料噴射弁１４としては、噴霧の貫徹力の小さな噴射弁、例えば、ホローコーンあるいは多孔衝突噴霧型の噴射弁を用いることが望ましい。
【０１１６】
また第２実施例では、燃料は、燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって噴射された後、混合気の流れによって点火プラグ１３６の方向に進路を変え、プラグの周辺に第２の混合気を形成する。すなわち、第２実施例においても、燃料が燃料噴射弁１４から噴射された後、点火プラグ１３６の周りに第２の混合気を形成するまでに燃焼室内を移動する距離は比較的短いので、燃料が広い範囲に拡散することなく、点火プラグ１３６の近傍の狭い範囲に第２の混合気を形成することができる。このため、僅かな燃料を噴射しただけで、点火プラグ１３６の周りに十分な燃料濃度の混合気を形成することができ、効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【０１１７】
Ｃ−３．変形例：
上述した第２実施例では、燃焼室内にタンブル流を形成するものとして説明したが、もちろん、逆タンブル流を形成しておき、この流れに対向する方向から燃料を噴射することとしても良い。逆タンブル流は、図９に示したようにマスク壁１３８を設けたり、あるいはシュラウド弁などを用いることによって形成することができる。逆タンブル流を形成した場合、ピストン頂面では、混合気は吸気側から排気側に向かって流れるので、燃料噴射弁１４を排気側に設けておけば良い。こうして、圧縮行程の半ば以降のタイミングで、ピストン頂面に向けて燃料を噴射してやれば、混合気の流れに対向する方向から燃料を噴射することになる。噴射した燃料は、ピストン頂面の混合気の流れによって進行方向を変えるので、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成することができる。
【０１１８】
Ｄ．第３実施例：
上述した各種実施例では、ピストン頂面の上を一方向に流れるような旋回流を燃焼室内に形成しておき、この旋回流を利用することによって点火プラグの近傍に第２の混合気を効率よく形成した。しかし、こうした旋回流を利用せずとも、点火プラグ１３６の近傍に効率よく第２の混合気を形成することは可能である。以下では、こうした第３の実施例について説明する。
【０１１９】
Ｄ−１．第３実施例における燃焼室の構成：
図１５は、第３実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。図１５（ａ）は燃焼室の断面を拡大して示した説明図であり、図１５（ｂ）は、シリンダヘッド１３０の下面側（シリンダブロック１４０の側）から見た燃焼室形状を示す説明図である。図１５に示されているように、第３実施例の燃焼室には、吸気側に燃料噴射弁１４が設けられており、排気側にスキッシュエリア１５０が設けられている。後述するように、スキッシュエリア１５０は、圧縮行程の後半に、ピストン１４４との間にある混合気を燃焼室の中央に向けて押し出すことにより、いわゆるスキッシュ流を発生させる機能を有している。また、第３実施例のスキッシュエリア１５０は、図１５（ｂ）に示されているように、燃焼室の周縁部に、おおよそ三日月形状に形成されている。
【０１２０】
第３実施例では、圧縮行程後半に発生するスキッシュ流を利用することにより、第２の混合気を点火プラグ１３６の近傍に効率よく形成する。従って、上述した第１実施例や第２実施例のように、吸気バルブ１３２の開口部周辺にマスク壁１３８を設けたり、あるいは吸気ポート１３３を特殊な形状にするといったことにより、燃焼室内に旋回流を付与してやる必要はない。また、図１５（ｂ）では、吸気バルブ１３２および排気バルブ１３４は、いずれも２つずつ設けられている場合を示しているが、それぞれのバルブの数はこれに限定されるものではない。例えば、吸気バルブ１３２あるいは排気バルブ１３４のいずれかが１つであってもよく、更にはどちらのバルブも１つであっても良い。
【０１２１】
また、第３実施例におけるピストン１４４の頂面は、ほぼ平坦な形状となっている。特に、シリンダヘッド１３０側のスキッシュエリア１５０に向かい合う部分は、圧縮行程後半で混合気を効率よく押し出すことができるように、スキッシュエリア１５０とほぼ並行な形状に形成されている。
【０１２２】
Ｄ−２．第３実施例における混合気の燃焼方法：
図１６を参照しながら、第３実施例において第１の混合気および第２の混合気を形成して燃焼させる方法について説明する。図１６は、高負荷条件時に燃焼室内に混合気を形成している様子を概念的に示した説明図である。
【０１２３】
図１６（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射して第１の混合気を形成している様子を表している。第３実施例では、前述した各種実施例のようにマスク壁１３８が設けられていたり、特殊な形状の吸気ポート１３３が採用されているわけではなく、吸入空気は吸気バルブ１３２のほぼ全周から燃焼室内に流入する。図１６（ａ）では、吸気バルブ１３２から流入する空気の流れを矢印で表している。第１の混合気は、吸気行程の前半の適切なタイミングでに燃料噴射弁１４から燃料を噴射することによって形成する。燃焼室内には、ピストン１４４の動きに伴って空気の流れが誘起されるので、噴射された燃料はこの空気の流れによって均一に攪拌され、燃焼室内に第１の混合気を形成する。尚、第３実施例においても、前述した各種実施例と同様にタンブル流あるいは逆タンブル流を形成することによって、均一な第１の混合気を形成しても構わない。
【０１２４】
圧縮行程ではピストン１４４を上昇させることにより、こうして形成した第１の混合気を圧縮する。図１６（ｂ）は、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、燃料噴射弁１４から追加の燃料を噴射している様子を概念的に示している。燃料噴射弁１４は吸気側に設けられているので、ピストン頂面に向かって燃料を噴射すると、噴射した燃料は頂面に沿って排気側に進み、スキッシュエリア１５０の下方の領域に集められる。第３実施例においては、ピストン１４４の頂面は噴射した燃料が、スキッシュエリア１５０の下方の領域に向かう流れを阻害しないような形状に形成されている。
【０１２５】
更にピストン１４４を上昇させて行くと、ピストン１４４の頂面がシリンダヘッド１３０に設けられたスキッシュエリア１５０に迫って行くので、スキッシュエリア１５０の下方にある空気が中央方向に向かって押し出され、スキッシュ流が発生する。図１６（ｃ）は、ピストン１４４の上昇に伴って、スキッシュエリア１５０から燃焼室の中央に向かってスキッシュ流が発生している様子を示している。前述したように、圧縮行程の後半に噴射された燃料はスキッシュエリア１５０に集められており、この燃料もスキッシュ流によって、燃焼室の中央の点火プラグ１３６に向かって押し出される。また、図１５（ｂ）に示したように、スキッシュエリア１５０は燃焼室の周縁部に略三日月形状に形成されており、このためスキッシュ流は、周囲から燃焼室のほぼ中央に設けられた点火プラグに向かって集まるような流れを形成することになる。
【０１２６】
こうしてスキッシュ流によって押し出された燃料は、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成する。図１６（ｄ）は、点火プラグ１３６の周りに、第２の混合気が形成されている様子を表している。続いて、圧縮上死点の近傍の適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばしてやれば、第２の混合気に確実に点火して燃焼させることができ、その結果、第１の混合気を確実に自着火させることが可能となる。
【０１２７】
以上に説明した第３実施例においては、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで噴射した燃料を、スキッシュエリア１５０内に集め、ピストン１４４の上昇に伴って発生するスキッシュ流を利用して点火プラグ１３６の方向に戻してやる。こうすれば、噴射した燃料を確実に点火プラグ１３６の近傍に集めることができる。従って、圧縮行程の半ば以降に噴射する燃料が僅かであっても、この燃料を用いて点火プラグ１３６の近傍に、第２の混合気を確実に且つ効率よく形成することが可能となる。
【０１２８】
また、上述した第３実施例では、ピストン１４４の頂面を比較的平坦な形状とすることができるので、吸気行程中に噴射した燃料の分布がピストン頂面によって偏るおそれがない。すなわち、第１の混合気を、燃料と空気とが十分に混ざった均一な混合気とすることができる。
【０１２９】
Ｄ−３．変形例：
上述した第３実施例についても各種の変形例が存在している。以下では、これら変形例について簡単に説明する。
【０１３０】
（１）第１の変形例：
図１７は、第３実施例における第１の変形例の燃焼室構造を示す説明図である。第１の変形例では、スキッシュエリア１５０に対向する部分のピストン１４４の内部に、クーリングチャネル１５２と呼ばれる空洞が設けられている。この空洞は、ピストン１４４の裏面側に開口する開口部が設けられている。シリンダブロック１４０に設けられた図示しないオイルギャラリからは、クーリングチャネル１５２の開口部を狙ってエンジンオイルが噴射されており、クーリングチャネル１５２内にエンジンオイルが供給されるようになっている。
【０１３１】
こうした第１の変形例においては、ピストン１４４の排気側を、クーリングチャネル１５２に供給されるエンジンオイルによって冷却することができる。このため、圧縮行程の半ば以降に噴射されてスキッシュエリア１５０の下方に集められた燃料が暖められ、点火プラグ１３６で点火する前に自着火してしまうことを回避することが可能となる。
【０１３２】
（２）第２の変形例：
図１８は、第３実施例における第２の変形例の燃焼室構造を示す説明図である。図１８（ａ）は、燃焼室の断面を拡大して示した説明図であり、図１８（ｂ）は、シリンダヘッド１３０の下面側（シリンダブロック１４０側）から見た燃焼室形状を示す説明図である。図示されているように、第２の変形例では、スキッシュエリア１５０も燃料噴射弁１４も、いずれも吸気側に設けられている。スキッシュエリア１５０の形状は、前述した実施例と同様に、おおよそ三日月状に形成されている。また、吸気側から噴射した燃料を、吸気側に設けたスキッシュエリア１５０の下方に集めるため、ピストン１４４の頂面には特殊な形状の凹部１５４が設けられている。凹部１５４の作用については後述する。
【０１３３】
図１９は、第３実施例の第２の変形例において、第２の混合気を形成する様子を示した説明図である。尚、第２の変形例においても、第１の混合気については上述した各種の実施例と同様に、吸気行程中に燃料を噴射することによって形成する。図１９（ａ）は、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、燃料噴射弁１４からピストン頂面に向かって追加の燃料を噴射している様子を示している。図中では噴射された燃料を、細かいハッチングを付すことによって表している。図示されているように、吸気側から噴射された燃料は、先ず初めに、ピストン頂面に設けられた凹部１５４で受け止められる。次いで、凹部１５４の形状に導かれて進行方向が反転させられた後、吸気側に設けられたスキッシュエリア１５０の下方の領域に集められる。
【０１３４】
ピストン１４４を上昇させると、スキッシュエリア１５０とピストン頂面との間が次第に狭まってくるので、この領域の混合気が燃焼室の中央付近に向かって押し出されてスキッシュ流が発生する。スキッシュエリア１５０の下方に集められていた燃料は、このようにして生じたスキッシュ流により、点火プラグ１３６の方向に押し出される。図１９（ｂ）は、スキッシュ流によって燃料が点火プラグ１３６の方向に押し出される様子を概念的に表している。
【０１３５】
スキッシュ流によって押し出された燃料は、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成する。図１９（ｃ）は、点火プラグ１３６の周りに第２の混合気が形成されている様子を表している。こうして形成された第２の混合気に点火してやれば、第１の混合気を圧縮して自着火させることが可能となる。
【０１３６】
こうした第２の変形例においては、スキッシュエリア１５０を吸気側に設けることができる。シリンダヘッド１３０もピストン頂面も、吸気側は排気側と異なり、比較的温度が低いので、クーリングチャネル１５２などを用いて冷却しなくても、第２の混合気が暖められて点火前に自着火するおそれが無い。
【０１３７】
また、第２の変形例においては、燃料噴射弁１４も吸気側に設けることができる。排気ポートから排出される排気ガスの熱を受けるため、燃焼室の排気側は高温になっている。このため、燃料噴射弁１４を排気側に設けた場合は、熱による悪影響を受けないような配慮が必要になる場合があるが、燃料噴射弁１４を吸気側に設けておけば、こうした特別な配慮は不要となる。
【０１３８】
Ｅ．第４実施例：
上述した各種実施例では、吸気行程中に生成したタンブル流または逆タンブル流などの旋回流を利用して、あるいは圧縮行程で生成したスキッシュ流を利用して、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気を形成した。もっとも、本実施例のように、圧縮行程の半ば以降のタイミングで燃料を噴射して第２の混合気を形成する場合には、燃料噴射弁１４から点火プラグ１３６に向けて直接燃料を噴射することとしても良い。
【０１３９】
図２０は、こうした第４実施例において、圧縮行程の後半に第２の混合気を形成している様子を示す説明図である。燃焼室内に付された粗いハッチングは、吸気行程中に燃料を噴射したことで第１の混合気が形成されている様子を概念的に表している。第４実施例では、燃料噴射弁１４は点火プラグ１３６に向けて燃料を噴射する。しかし、吸気行程中は吸気バルブ１３２から勢いよく空気が流れ込むので、点火プラグ１３６に向けて噴射しても燃料は流入する空気に流されながら燃焼室内に流入し、空気と均一に混合して第１の混合気を形成する。
【０１４０】
また図２０中で、燃焼室内に細かいハッチングを付された部分は、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から噴射された燃料を表している。圧縮行程では吸気行程のような強い空気の流れは存在しないので、噴射された燃料は点火プラグ１３６に向かって進み、プラグの近傍に第２の混合気を形成する。第２の混合気が形成される様子について補足して説明する。
【０１４１】
燃料を直接燃焼室内に噴射する、いわゆる筒内噴射エンジンでは、通常は、点火プラグ１３６に向かって燃料を噴射することは避けられてきた。これは、点火プラグ１３６に向けて燃料を噴射すると、次のような問題が生じるためである。先ず、噴射された燃料は直ぐに点火プラグ１３６に達してしまうので、燃料が十分に気化して空気と混合することができず、このため、点火プラグ１３６から火花を飛ばしても着火しなかったり、あるいは着火してもススが発生すると言う問題があった。また、気化しない燃料が点火プラグ１３６に付着すると、チャネリングと呼ばれる現象が生じて火花を飛ばすことができなくなったり、あるいは点火プラグ１３６のくすぶりが発生して、火花を飛ばせなくなってしまうことがあった。こうしたことから、点火プラグ１３６に向かって燃料を直接噴射することは、通常は避けられていた。
【０１４２】
ところが、本実施例のように、エンジンの負荷が高い運転条件で、しかも圧縮行程の後半に燃料を噴射する場合には、燃焼室内の混合気は、ピストンで圧縮されて十分に高温かつ高圧となっているので、噴射した燃料は速やかに気化してしまう。また、高圧雰囲気中に燃料を噴射すると、燃料噴霧の到達距離が短くなるので、点火プラグ１３６に達するまでに空気と均一に混合することも可能となる。このため、点火プラグ１３６に向かって燃料を直接噴射した場合でも、プラグの近傍に、燃料と空気とが十分に混合した第２の混合気を形成することができ、ススが発生したり、チャネリングや点火プラグのくすぶりなどが生じることはない。加えて、圧縮行程中には僅かな燃料しか噴射しないので、この点からも、こうした問題の発生を確実に回避することが可能となっている。
【０１４３】
このように、第４実施例においては、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、燃料噴射弁１４から点火プラグ１３６に向かって燃料を直接噴射することで、第２の混合気をプラグの近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能となる。
【０１４４】
Ｆ．第５実施例：
また、燃焼室内にスワール流を形成することによっても、第２の混合気を点火プラグ１３６の近傍に確実に且つ効率よく形成することが可能である。以下、こうした第５実施例について説明する。
【０１４５】
Ｆ−１．第５実施例における燃焼室の構成：
図２１は、第５実施例の燃焼室の構成を示すために、燃焼室の断面を拡大して示した説明図である。第５実施例では吸気ポート１３３として、いわゆるヘリカルポートが採用されている。１つの燃焼室に複数の吸気ポート１３３が設けられている場合は、全ての吸気ポート１３３をヘリカルポートとしても良いし、一部の吸気ポートのみをヘリカルポートとすることも可能である。ヘリカルポートは、ポートを通過する空気に、吸気バルブ１３２のバルブ軸を中心として旋回する速度成分を付与する機能を有している。
【０１４６】
Ｆ−２．第５実施例における混合気の燃焼方法：
図２２を参照しながら、第５実施例において第１の混合気および第２の混合気を形成して燃焼させる方法について説明する。図２２は、高負荷条件時に燃焼室内に混合気を形成している様子を概念的に示した説明図である。
【０１４７】
図２２（ａ）は、吸気行程中に燃料を噴射して第１の混合気を形成している様子を表している。第５実施例では、吸気ポート１３３にヘリカルポートが用いられているので、吸気バルブ１３２から流入する空気はバルブ軸周りに旋回しながら燃焼室内に流入し、燃焼室内にスワール流が形成される。図２２（ａ）中では空気の流れを矢印を用いて表すことにより、ヘリカルポートで空気の流れに旋回成分が付与されて、燃焼室内にスワール流が形成される様子を概念的に表している。また、図中に示した細かいハッチングは、燃料噴射弁１４から燃料が噴射されている様子を表している。噴射された燃料は、吸気バルブ１３２から流入する空気の流れに流されながら、空気と均一に混合して第１の混合気を形成する。
【０１４８】
図２２（ｂ）は、ピストン１４４がほぼ下死点付近まで降下した様子を概念的に示している。燃焼室内には、シリンダ１４２の内周面に沿って旋回しながら降下するスワール流が形成されている。また、シリンダ１４２の中心軸付近では、逆に上昇する流れが形成されている。シリンダの中心軸付近を上昇するこの様な流れは、次のようなメカニズムによって発生する。通常、吸気バルブ１３２から燃焼室内に流入する空気は、燃焼室の壁面に沿って流入する傾向がある。これは、吸気バルブ１３２の先端にはバルブ軸に直角に傘部が設けられているので、吸気バルブ１３２を通過する空気が、傘部によって燃焼室の壁面に沿う方向に進路を曲げられるためである。このため、燃焼室内に流入する空気の主流はシリンダ１４２の内周面を旋回しながら降下することになり、シリンダ１４２の中央部を降下する流れはほとんど生じない。シリンダ１４２の内周面に沿って降下した主流は、やがてピストン１４４の頂面にぶつかって、シリンダ１４２の中心軸の方向に流れの向きを変える。ピストン頂面の中央付近では、こうしてピストン頂面にぶつかった主流が向きを変えて周囲から流れ込み、そして衝突し合って、シリンダ１４２の中心軸付近を上昇する流れを発生させるのである。
【０１４９】
このように、吸気バルブ１３２から流入した空気は、先ずシリンダ１４２の内周面に沿って降下し、次いでピストン頂面で反転した後、シリンダの中心軸付近を上昇していく。このため、吸気行程の開始直前に燃焼室を満たしていた高温の燃焼ガスは、吸気の流れに押し出されるようにして、シリンダ上部の中央付近、すなわち点火プラグ１３６の近傍の領域に集められる。そして、その他の領域には、第１の混合気が形成されることになる。図２２（ｂ）中で、燃焼室内に粗いハッチングが付された領域は第１の混合気が形成されている領域を示し、燃焼室の中央付近のハッチングの付されていない領域は、高温の燃焼ガスが集められている領域を示している。
【０１５０】
次いで、ピストン１４４を上昇させて第１の混合気を圧縮し、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで燃料噴射弁１４から燃料を噴射する。圧縮行程中もスワール流は保たれており、このため、点火プラグ１３６の近傍に集められた燃焼ガスは、周囲の混合気とさほど混合せず、温度も比較的高温に保たれている。第５実施例では、こうした高温の領域に向かって燃料を噴射するために、燃料を速やかに気化させることができる。図２２（ｃ）は、こうして燃料を噴射することにより、スワール流の中心付近に第２の混合気を形成している様子を概念的に表している。次いで、更にピストン１４４を上昇させれば、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気が形成されることになる。図２２（ｄ）は、点火プラグ１３６の近傍に第２の混合気が形成されている様子を概念的に表している。こうして第２の混合気を形成してやれば、あとは適切なタイミングで点火プラグ１３６から火花を飛ばすことで、第２の混合気に確実に点火することができる。その結果、第１の混合気が圧縮されて自着火することになる。
【０１５１】
以上に説明した第５実施例においては、燃焼室内にスワール流を形成しておき、圧縮行程の半ば以降の適切なタイミングで、スワール流の中心付近に向けて燃料を噴射することによって第２の混合気を形成する。前述したように、燃焼室内にスワール流を形成すると、高温の燃焼ガスを点火プラグ１３６の近傍に集めることができるので、この領域に燃料を噴射することで、第２の混合気を点火プラグ１３６の近傍に確実に形成することが可能となる。
【０１５２】
また、スワール流の中心付近は流れの速度が小さいので、回転中心の近くに第２の混合気を形成してやれば、第２の混合気はほとんど周囲に拡散することがない。このため、圧縮行程中に噴射する燃料が僅かであっても、点火プラグ１３６の近傍に効率よく第２の混合気を形成することが可能となる。
【０１５３】
Ｆ−３．変形例：
上述した第５実施例においては、ピストン頂面はほぼ平坦な形状であるものとして説明した。この様な場合でも、シリンダ１４２の中心軸付近を上昇する流れを発生させて、燃焼ガスを点火プラグ１３６の近傍に集めることができる。もっとも、こうした上昇流をより効率よく発生させるために、ピストン頂面を特殊な形状としてもよい。以下では、こうした第５実施例の変形例について簡単に説明する。
【０１５４】
図２３は、第５実施例の変形例における燃焼室構成を示す説明図である。変形例では、ピストン１４４の頂面上を旋回するスワール流を、僅かに中心方向に向かわせつつ上昇流に変換するように形成された斜面１５６が、ピストン頂面に設けられている。このため、図２２（ａ）および（ｂ）に示したように、吸気行程中に形成されたスワール流がシリンダ１４２の内周面に沿って降下しピストン頂面に達すると、ピストン頂面に形成された斜面１５６によってスワール流を導くことにより、シリンダ１４２の中心軸付近を上昇する流れに効率よく変換することが可能である。その結果、燃焼ガスを点火プラグ１３６の近傍に効率よく集めることができ、第２の混合気を確実に形成することが可能となる。
【０１５５】
以上、各種の実施例について説明してきたが、本発明は上記すべての実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各実施例に共通するエンジンの構造を示す説明図である。
【図２】エンジン運転制御ルーチンの流れを示すフローチャートである。
【図３】エンジン回転速度と目標出力トルクとの組合せに応じて、低負荷条件あるいは高負荷条件のいずれの制御を行うかがマップの形式で記憶されている様子を概念的に示した説明図である。
【図４】低負荷条件用のマップに燃料噴射量と吸入空気量が設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図５】予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気を形成するための基本的な考え方を概念的に示したブロック図である。
【図６】高負荷条件用のマップに主燃料噴射量と副燃料噴射量と吸入空気量とが設定されている様子を概念的に示した説明図である。
【図７】吸気バルブおよび排気バルブの開閉時期、燃料の噴射タイミング、点火タイミングの関係を概念的に示した説明図である。
【図８】燃焼室内で第２の混合気に点火することで、第１の混合気が圧縮される様子を概念的に示した説明図である。
【図９】第１実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１０】第１実施例において低負荷条件時に混合気を圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１１】第１実施例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成して圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１２】第１実施例の変形例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成して圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１３】第２実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１４】第２実施例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成して圧縮自着火させる様子を概念的に示した説明図である。
【図１５】第３実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１６】第３実施例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成する様子を概念的に示した説明図である。
【図１７】第３実施例における第１の変形例としての燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１８】第３実施例における第２の変形例としての燃焼室の構成を示す説明図である。
【図１９】第３実施例の第２の変形例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成する様子を概念的に示した説明図である。
【図２０】第４実施例において高負荷条件時に第２の混合気を形成する様子を概念的に示す説明図である。
【図２１】第５実施例の燃焼室の構成を示す説明図である。
【図２２】第５実施例において高負荷条件時に第１の混合気および第２の混合気を形成する様子を概念的に示した説明図である。
【図２３】第５実施例の変形例における燃焼室の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…吸気通路
１４…燃料噴射弁
１６…排気通路
２０…エアクリーナ
２２…スロットル弁
２４…電動アクチュエータ
３０…ＥＣＵ
３２…クランク角センサ
３４…アクセル開度センサ
１３０…シリンダヘッド
１３２…吸気バルブ
１３３…吸気ポート
１３４…排気バルブ
１３５…排気ポート
１３６…点火プラグ
１３８…マスク壁
１４０…シリンダブロック
１４２…シリンダ
１４３…凹部
１４４…ピストン
１４６…コネクティングロッド
１４８…クランクシャフト
１５０…スキッシュエリア
１５２…クーリングチャネル
１５４…凹部
１５６…斜面[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for extracting a power by compressing a mixture of fuel and air in a combustion chamber and causing the mixture to self-ignite. The present invention relates to a technology for extracting power with high efficiency while suppressing generation of power.
[0002]
[Prior art]
Since the internal combustion engine can generate large power while being relatively small, it is widely used as a power source for various transportation means such as automobiles, ships, and aircraft, or as a stationary power generation source in factories and the like. ing. All of these internal combustion engines operate on the principle that fuel is burned in a combustion chamber, and the pressure generated at this time is converted into mechanical work and output.
[0003]
In recent years, there has been a strong demand for reducing the amount of air pollutants emitted from internal combustion engines in order to protect the global environment. Further, from the viewpoint of reducing the emission of carbon dioxide, which causes global warming, or in order to reduce the operating cost of an internal combustion engine, there has been a strong demand for further reduction in fuel consumption.
[0004]
To meet these demands, there has been proposed an internal combustion engine of a combustion system in which a mixture is compressed and ignited in a combustion chamber (this combustion system is referred to as a "premixed compression ignition combustion system" in the present specification) ( For example, Patent Documents 1 and 2). As will be described in detail later, the internal combustion engine employing the homogeneous charge compression ignition combustion method has much less emission of air pollutants and fuel consumption contained in the exhaust gas than the conventional internal combustion engine. Has excellent characteristics. However, in such a combustion system, the mixture is self-ignited due to compression ignition, so when the internal combustion engine is operated at a high load, the self-ignition time of the air-fuel mixture becomes too early and self-ignition occurs during compression, resulting in strong knock. Sometimes.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-3800 A
[Patent Document 2]
JP 2001-254660 A
[0006]
The applicant of the present application has already filed an application by developing the following technology in order to cause the air-fuel mixture to perform compression auto-ignition combustion without generating knock even under high load operating conditions (Japanese Patent Application No. 2002-188042). issue). In such a technique, first, a mixture of fuel and air is formed in a combustion chamber. This mixture is referred to as a first mixture. Next, the piston is raised to compress the first air-fuel mixture. Under the operating condition with a low load, the self-ignition can be performed almost in the vicinity of the compression top dead center only by raising the piston and compressing the first air-fuel mixture. On the other hand, under operating conditions with a high load, the ratio of fuel to air is reduced so that the first air-fuel mixture does not self-ignite during compression. Then, at an appropriate time after the middle of the compression stroke, fuel is directly injected into the combustion chamber to form a second air-fuel mixture in a part of the combustion chamber, and the second air-fuel mixture is formed at a desired timing near the compression top dead center. I will ignite the mixture of 2. The ignited second air-fuel mixture burns quickly to increase the pressure in the combustion chamber, and as a result, the first air-fuel mixture is compressed and self-ignites. In this case, by controlling the timing of igniting the second air-fuel mixture, the first air-fuel mixture can be self-ignited at a desired time. Therefore, it is possible to realize homogeneous charge compression ignition combustion without generating knock even under a high load operating condition.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In such an applied technology, in order to further reduce fuel consumption and emission of air pollutants, it is desirable to efficiently form the second air-fuel mixture using as little fuel as possible. This is because the second air-fuel mixture is in a combustion mode accompanied by flame propagation as in the conventional combustion method and is not self-ignited by compression. Therefore, a large amount of fuel is burned as the second air-fuel mixture. This is because the effect of improving the emission of air pollutants and fuel consumption is reduced.
[0008]
However, it is not always easy to form the second air-fuel mixture efficiently, so that the air-fuel mixture should be appropriately formed in order to greatly improve the emission of air pollutants and fuel consumption from the internal combustion engine. There is a demand for the development of a technology that can be formed in a country.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems in the conventional art, and provides a technique for appropriately forming an air-fuel mixture in an internal combustion engine to which a homogeneous charge compression self-ignition combustion system is applied. Aim.
[0010]
[Means for Solving the Problems and Their Functions and Effects]
In order to solve at least a part of the problems described above, a first internal combustion engine of the present invention has the following configuration. That is,
An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston for compressing the air-fuel mixture;
A first air-fuel mixture is formed in the combustion chamber while swirling in the combustion chamber so as to flow in one direction on the compression surface of the piston, and mixing fuel and air at a ratio that does not self-ignite in compression by the piston. First air-fuel mixture forming means;
Second air-fuel mixture forming means for forming a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
Ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture and cause self-ignition;
With
The second air-fuel mixture forming means injects fuel toward the piston from a direction along a flow on a compression surface of the piston, and ignites the injected fuel in the combustion chamber according to a shape of the compression surface. The gist of the invention is that the second air-fuel mixture is formed by turning the plug in the direction of the plug.
[0011]
Further, the first combustion method of the present invention corresponding to the above internal combustion engine includes:
A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
A first air-fuel mixture is formed in the combustion chamber while swirling in the combustion chamber so as to flow in one direction on the compression surface of the piston, and mixing fuel and air at a ratio that does not self-ignite in compression by the piston. A first step of
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug;
A third step of driving the spark plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition;
With
In the second step, fuel is injected from the direction along the flow on the compression surface of the piston toward the piston, and the injected fuel is directed in the combustion chamber in the direction of the ignition plug by the shape of the compression surface. The point is that this is a step of forming the second mixture.
[0012]
In the first internal combustion engine and the first combustion method, the first air-fuel mixture and the second air-fuel mixture are formed in the combustion chamber as follows. Here, the first air-fuel mixture is a fuel-air mixture in which fuel and air are mixed at such a rate that the fuel-air mixture does not ignite simply by being compressed by the piston. The mixture is high. The first mixture formed first swirls in the combustion chamber so as to flow in one direction on the compression surface of the piston. Then, fuel is injected toward the piston from a direction along the flow formed on the compression surface. The injected fuel moves on the compression surface along with the flow, is guided by the shape of the compression surface, and travels in the combustion chamber toward the spark plug. As a result, a second air-fuel mixture is formed near the ignition plug.
[0013]
With this configuration, the injected fuel can be reliably transported to the vicinity of the ignition plug. Therefore, the second air-fuel mixture can be reliably and efficiently formed near the ignition plug by injecting a small amount of fuel. it can. As a result, the merit of the homogeneous charge compression ignition combustion system can be fully exploited, and the fuel consumption and the emission of air pollutants can be significantly reduced.
[0014]
In the first internal combustion engine, the fuel is directly injected from the fuel injection valve into the combustion chamber, and the fuel is injected from the fuel injection valve at an appropriate time before the middle of the intake stroke, whereby the first internal combustion engine is used. A mixture may be formed.
[0015]
If the fuel is injected in the first half of the intake stroke, the injected fuel can be sufficiently mixed with the air flowing into the combustion chamber, so that the first air-fuel mixture can be made a uniform air-fuel mixture. If the first air-fuel mixture is a uniform air-fuel mixture, self-ignition can be performed almost simultaneously when the air-fuel mixture is compressed, and combustion can be completed quickly. As a result, the advantage of the homogeneous charge compression ignition combustion system, that is, the ability to simultaneously reduce the fuel consumption and the emission of air pollutants, can be sufficiently brought out, which is preferable.
[0016]
The second air-fuel mixture may be formed by directly injecting fuel from the fuel injection valve into the combustion chamber at an appropriate time after the middle of the compression stroke.
[0017]
It is necessary to start combustion of the second air-fuel mixture by igniting it with a spark plug, but on the other hand, it is easier to self-ignite because of the higher fuel concentration than the first air-fuel mixture. If the second air-fuel mixture self-ignites before being ignited by the spark plug, the timing at which the first air-fuel mixture self-ignites cannot be properly controlled. Therefore, the second air-fuel mixture is formed by injecting fuel at an appropriate time after the middle of the compression stroke. In this case, since the fuel is ignited shortly after the injection, the combustion can be reliably started by the ignition before the second air-fuel mixture self-ignites, which is preferable.
[0018]
Such a first internal combustion engine includes an intake valve for taking in air into the combustion chamber, and an exhaust valve for discharging combustion gas burned in the combustion chamber, and the fuel is injected from the intake valve side by the fuel injection valve. By injecting into the room, a first air-fuel mixture swirling on the compression surface of the piston so as to flow from the intake valve side toward the exhaust valve side may be formed.
[0019]
With this configuration, since the fuel is injected from the direction along the flow on the compression surface of the piston, the injected fuel can be guided to the vicinity of the ignition plug to reliably form the second air-fuel mixture. Further, in this case, since the fuel injection valve can be provided not on the exhaust valve side but on the intake valve side, the fuel injection valve is not likely to be heated to a high temperature due to the heat from the combustion gas passing through the exhaust valve. .
[0020]
A mask wall may be provided near the portion where the intake valve opens in the combustion chamber so as to block the flow of air from the intake valve to the exhaust valve.
[0021]
By providing such a mask wall, when air flows into the combustion chamber from the intake valve, the flow of air flowing in the direction of the exhaust valve is obstructed, so that the air naturally descends in the combustion chamber on the intake valve side. Then, the direction changes from the intake valve side to the exhaust valve side on the compression surface of the piston. Therefore, it is preferable to provide a mask wall on the exhaust valve side, since a swirling flow from the intake valve side to the exhaust valve side can be easily and reliably formed on the compression surface of the piston.
[0022]
Further, in order to solve at least a part of the above-described problems in the related art, the second internal combustion engine of the present invention employs the following configuration. That is,
An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston for compressing the air-fuel mixture;
A first air-fuel mixture is formed in the combustion chamber while swirling in the combustion chamber so as to flow in one direction on the compression surface of the piston, and mixing fuel and air at a ratio that does not self-ignite in compression by the piston. First air-fuel mixture forming means;
Second air-fuel mixture forming means for forming a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
Ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture and cause self-ignition;
With
The second air-fuel mixture forming means uses the flow on the compression surface by injecting the fuel toward the piston from a direction opposite to the flow on the compression surface of the piston. The gist is a means for forming the second air-fuel mixture by directing the mixture to the direction of the spark plug.
[0023]
Further, the second combustion method of the present invention corresponding to the above-described internal combustion engine includes:
A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
A first air-fuel mixture is formed in the combustion chamber while swirling in the combustion chamber so as to flow in one direction on the compression surface of the piston, and mixing fuel and air at a ratio that does not self-ignite in compression by the piston. A first step of
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug;
A third step of driving the spark plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition;
With
In the second step, fuel is injected toward the piston from a direction opposite to a flow on a compression surface of the piston, and the injected fuel is ignited by utilizing a flow on the compression surface. The point is that this is a step of forming the second air-fuel mixture by turning the plug in the direction of the plug.
[0024]
In the second internal combustion engine and the second combustion method, a first air-fuel mixture that swirls in one direction on the compression surface of the piston is formed, and the first air-fuel mixture is formed on the piston from a direction opposite to this flow. Inject fuel toward. With this configuration, the injected fuel collides with the first air-fuel mixture flowing on the compression surface of the piston, so that the fuel is changed in direction and carried near the spark plug, and the second air-fuel mixture is supplied to this region. Will be formed.
[0025]
According to the second internal combustion engine and the corresponding second combustion method, the injected fuel can be reliably transported to the vicinity of the spark plug. Air can be reliably and efficiently formed near the spark plug. As a result, the merit of the homogeneous charge compression ignition combustion system can be fully exploited, and the fuel consumption and the emission of air pollutants can be significantly reduced.
[0026]
In the second internal combustion engine, the fuel is directly injected from the fuel injection valve into the combustion chamber, and the fuel is injected from the fuel injection valve at an appropriate time before the middle of the intake stroke, whereby the first mixing is performed. It is good also as forming mind. The second air-fuel mixture may be formed by directly injecting fuel from the fuel injection valve into the combustion chamber at an appropriate time after the middle of the compression stroke.
[0027]
If the fuel is injected in the first half of the intake stroke, the first mixture can be made a uniform mixture in which the fuel and the air are sufficiently mixed. Further, if the second mixture is formed by injecting fuel at an appropriate time in the latter half of the compression stroke, it is possible to reliably ignite the mixture with a spark plug before self-igniting the mixture. It is.
[0028]
Such a second internal combustion engine includes an intake valve for taking in air into the combustion chamber, and an exhaust valve for discharging combustion gas burned in the combustion chamber, and the fuel is injected from the intake valve side by the fuel injection valve. By injecting into the chamber, a first air-fuel mixture swirling on the compression surface of the piston so as to flow from the exhaust valve side toward the intake valve side may be formed.
[0029]
In this case, the fuel is naturally injected from the direction opposite to the flow on the compression surface of the piston, so that the second air-fuel mixture can be reliably formed near the ignition plug. Further, this configuration is preferable because the fuel injection valve can be provided not on the exhaust valve side but on the intake valve side, and there is no possibility that the fuel injection valve will become hot.
[0030]
Further, in order to solve at least part of the above-described problems in the related art, a third internal combustion engine of the present invention employs the following configuration. That is,
An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston for compressing the air-fuel mixture;
First air-fuel mixture forming means for forming a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at such a rate that they do not self-ignite in compression by the piston, in the combustion chamber;
Second air-fuel mixture forming means for forming a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
Ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture and cause self-ignition;
With
The second air-fuel mixture forming means supplies fuel to a squish area formed at least at a part of an edge of the combustion chamber, and then moves from the squish area to substantially the center of the combustion chamber with the rise of the piston. The point is that the second mixture is formed by collecting the fuel in the squish region near the ignition plug using the squish flow generated toward the second air-fuel mixture.
[0031]
Further, the third combustion method of the present invention corresponding to the above-described internal combustion engine includes:
A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
A first step of forming a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at such a ratio that they do not self-ignite in compression by the piston, in the combustion chamber;
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug;
A third step of driving the spark plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition;
With
In the second step, after supplying fuel to a squish area formed at least at a part of an edge of the combustion chamber, the squish area moves from the squish area to a substantially center of the combustion chamber as the piston rises. The point is that the second mixture is formed by collecting the fuel in the squish region near the ignition plug using the generated squish flow.
[0032]
In the third internal combustion engine and the third combustion method, a squish region is formed in at least a part of the edge of the combustion chamber, and fuel is supplied to the squish region. When the piston rises, a squish flow is generated from the squish region toward substantially the center of the combustion chamber, so that the fuel supplied to the squish region can be collected near the spark plug using the squish flow. This makes it possible to reliably collect the injected fuel in the vicinity of the ignition plug. Therefore, it is possible to reliably and efficiently form the second mixture in the vicinity of the ignition plug by injecting a small amount of fuel. it can. As a result, the merit of the homogeneous charge compression ignition combustion system can be fully exploited, and the fuel consumption and the emission of air pollutants can be significantly reduced.
[0033]
In the third internal combustion engine as well, the first air-fuel mixture is formed by injecting fuel from the fuel injection valve at an appropriate time before the middle of the intake stroke, and the fuel mixture is formed at an appropriate time after the middle of the compression stroke. May be formed to form the second air-fuel mixture.
[0034]
This makes it possible to make the first air-fuel mixture uniform and to reliably ignite the second air-fuel mixture with the spark plug before self-ignition.
[0035]
Further, in the third internal combustion engine and the third combustion method, the fuel may be injected toward the piston, and the injected fuel may be guided to the squish region by using the compression surface of the piston.
[0036]
If the compression surface of the piston is used, the fuel can be reliably supplied to the squish region, and the second air-fuel mixture can be efficiently formed near the spark plug. In addition, there is an advantage that the fuel injected during advancing along the compression surface of the piston is vaporized, so that the second mixture can be made a uniform mixture. Further, according to such a method, the second mixture can be formed more efficiently by appropriately guiding the injected fuel to the squish region by forming the compression surface in an appropriate shape.
[0037]
Such a third internal combustion engine is provided with an intake valve for taking air into the combustion chamber, and an exhaust valve for discharging combustion gas burned in the combustion chamber, and the fuel injection valve enters the combustion chamber from the intake valve side. By injecting the fuel toward the compression surface of the piston, the injected fuel may be supplied to a squish area provided on the exhaust valve side.
[0038]
In this case, since the fuel injection valve can be provided not on the exhaust valve side but on the intake valve side, there is no possibility that the fuel injection valve receives heat from the exhaust valve side and becomes high temperature.
[0039]
When fuel is supplied to the squish area provided on the exhaust valve side as described above, the squish area may be cooled using a cooling unit. For cooling, cooling water, lubricating oil, or the like used in the internal combustion engine can be used. In addition, the location to be cooled may be any location such as the piston or the exhaust valve side of the combustion chamber.
[0040]
By cooling the squish region in this way, it is possible to reliably prevent the fuel supplied to the squish region from being heated and causing the second air-fuel mixture to self-ignite before being ignited by the spark plug. .
[0041]
Also, in a third internal combustion engine including an intake valve for taking in air into the combustion chamber, an exhaust valve for discharging combustion gas burned in the combustion chamber, and a fuel injection valve for injecting fuel into the combustion chamber. May form the second air-fuel mixture as follows. First, the shape of the compression surface of the piston is formed in advance so as to reverse the fuel injected from the intake valve side to the intake valve side again. Then, fuel is injected from the intake valve side of the combustion chamber toward the compression surface of the piston. In this way, the injected fuel is guided to the shape of the compression surface of the piston, and is supplied to the squish area provided on the intake valve side of the combustion chamber. Then, as the piston rises, fuel is collected near the spark plug by the squish flow to form a second mixture in this region.
[0042]
Also in this case, the injected fuel can be reliably transported to the vicinity of the spark plug, and the second air-fuel mixture can be formed in this region. Therefore, the second air-fuel mixture can be reliably and efficiently formed in the vicinity of the ignition plug by injecting a small amount of fuel, which is preferable.
[0043]
Such a squish area may be provided in a crescent shape at the periphery of the combustion chamber.
[0044]
If the squish region is provided in such a shape, the squish flow is such that it gathers from the periphery of the combustion chamber toward the center, so that the fuel supplied to the squish region can be efficiently collected near the ignition plug. . For this reason, the second air-fuel mixture can be reliably and efficiently formed near the spark plug.
[0045]
Further, in order to solve at least part of the above-described problems in the related art, a fourth internal combustion engine of the present invention employs the following configuration. That is,
An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston for compressing the air-fuel mixture;
First air-fuel mixture forming means for forming a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at such a rate that they do not self-ignite in compression by the piston, in the combustion chamber;
A second air-fuel mixture forming means for injecting fuel toward the ignition plug to form a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
Ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture and cause self-ignition;
The gist is to provide
[0046]
A fourth combustion method of the present invention corresponding to the above-described internal combustion engine includes:
A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
A first step of forming a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at such a ratio that they do not self-ignite in compression by the piston, in the combustion chamber;
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug by injecting fuel toward the ignition plug;
A third step of driving the spark plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition;
The gist is to provide
[0047]
In the fourth internal combustion engine and the fourth combustion method, since the fuel is injected toward the spark plug, the second air-fuel mixture can be reliably and efficiently formed near the spark plug. is there. In a normal internal combustion engine that injects fuel into the combustion chamber, when the fuel is injected toward the spark plug, a large amount of soot is generated, and the problem that the spark plug gets wet with fuel and causes poor ignition easily occurs. Conventionally, injection of fuel toward the spark plug has been avoided. However, in an internal combustion engine that compresses and ignites an air-fuel mixture in a combustion chamber like the fourth internal combustion engine, fuel is injected into a high-temperature and high-pressure combustion chamber. For this reason, the injected fuel is quickly vaporized, and the reach of the fuel is short, so that such a problem does not occur, and the second mixture can be reliably and efficiently formed in the vicinity of the ignition plug. . As a result, the merit of the homogeneous charge compression ignition combustion system can be fully exploited, and the fuel consumption and the emission of air pollutants can be greatly reduced.
[0048]
Further, in order to solve at least a part of the above-described problems in the related art, a fifth internal combustion engine of the present invention employs the following configuration. That is,
An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston that slides in the combustion chamber to compress the air-fuel mixture;
While descending while swirling in the combustion chamber along the sliding surface between the combustion chamber and the piston, a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at a rate that does not self-ignite by compression by the piston, First air-fuel mixture forming means formed in the combustion chamber;
Second air-fuel mixture forming means for forming a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
Ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture and cause self-ignition;
With
The second air-fuel mixture forming means is a means for forming the second air-fuel mixture by injecting fuel toward the vicinity of the center of rotation of the first air-fuel mixture.
[0049]
Further, the fifth combustion method of the present invention corresponding to the above-described internal combustion engine includes:
A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
While descending while swirling in the combustion chamber along the sliding surface between the combustion chamber and the piston, a first air-fuel mixture is formed in which fuel and air are mixed at a ratio that does not self-ignite when compressed by the piston. A first step;
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug;
A third step of driving the spark plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition;
With
The gist of the second step is to form the second air-fuel mixture by injecting fuel toward the vicinity of the swirl center of the first air-fuel mixture.
[0050]
In the fifth internal combustion engine and the fifth combustion method, a first air-fuel mixture descending while swirling in the combustion chamber along the sliding surface between the combustion chamber and the piston is formed, and the center of the swirling flow is formed. A second air-fuel mixture is formed by injecting fuel toward the vicinity. Since the flow velocity is relatively small near the center of the swirling flow, the second air-fuel mixture does not mix very much with the surrounding first air-fuel mixture. Therefore, in such a method of injecting fuel toward the vicinity of the center of the swirling flow, it is possible to reliably and efficiently form the second mixture in the vicinity of the ignition plug by injecting a small amount of fuel. . As a result, the merit of the homogeneous charge compression ignition combustion system can be fully exploited, and the fuel consumption and the emission of air pollutants can be greatly reduced.
[0051]
Further, in such a method, the first air-fuel mixture descending along the sliding surface in the combustion chamber collects high-temperature combustion gas filling the combustion chamber immediately before the intake stroke near the center of the combustion chamber. Therefore, if the fuel is injected toward the center of swirling of the first mixture, the fuel can be quickly vaporized by the combustion gas collected near the center. As a result, the second air-fuel mixture thus formed is preferable because the air-fuel mixture can be uniformly mixed with the fuel.
[0052]
In the fifth internal combustion engine and the fifth combustion method, when air flows from the intake valve into the fuel chamber, a swirl component may be provided to the air by a swirl port provided upstream of the intake valve. .
[0053]
This is preferable because a swirling flow descending while swirling in the combustion chamber along the sliding surface between the combustion chamber and the piston can be easily and reliably formed.
[0054]
In such an internal combustion engine, the compression surface of the piston may have the following shape. That is, the compression surface of the piston is shaped so as to change the direction of the first air-fuel mixture, which descends while swirling along the sliding surface between the combustion chamber and the piston, into an upward flow. May be formed in advance.
[0055]
If the compression surface of the piston is formed in such a shape, the swirling flow descending along the sliding surface can be converted, and a flow that rises inside the swirl can be surely formed. As a result, the high-temperature combustion gas filling the combustion chamber can be efficiently collected near the upper center of the combustion chamber, that is, near the spark plug. Injecting fuel into this region is preferable because the second air-fuel mixture can be reliably and efficiently formed near the ignition plug.
[0056]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In order to more clearly explain the operation and effect of the present invention, embodiments of the present invention will be described in the following order.
A. Items common to each embodiment:
A-1. Device configuration:
A-2. Overview of engine control:
B. First embodiment:
B-1. Configuration of the combustion chamber in the first embodiment:
B-2. Combustion method of air-fuel mixture in the first embodiment:
B-3. Modification:
C. Second embodiment:
C-1. Configuration of the combustion chamber in the second embodiment:
C-2. Combustion method of mixture in the second embodiment:
C-3. Modification:
D. Third embodiment:
D-1. Configuration of Combustion Chamber in Third Embodiment:
D-2. Combustion method of air-fuel mixture in the third embodiment:
D-3. Modification:
E. FIG. Fourth embodiment:
F. Fifth embodiment:
F-1. Configuration of combustion chamber in fifth embodiment:
F-2. Combustion method of mixture in the fifth embodiment:
F-3. Modification:
[0057]
A. Items common to each embodiment:
Hereinafter, various embodiments will be described. These embodiments differ mainly in the configuration of the combustion chamber and the associated method of burning the air-fuel mixture, but there are also many common parts. Therefore, first, matters common to the respective embodiments will be described.
[0058]
A-1. Device configuration:
In the internal combustion engines of the various embodiments described below, the air-fuel mixture is burned by using a homogeneous charge compression ignition combustion system. FIG. 1 is an explanatory diagram conceptually showing the structure of an engine 10 of the present embodiment to which a homogeneous charge compression ignition combustion system is applied. The engine 10 of this embodiment is a four-cycle engine that outputs power by burning an air-fuel mixture in a combustion chamber while repeating four steps of intake, compression, expansion, and exhaust. In FIG. 1, in order to show the structure of the engine 10, a cross section is shown at almost the center of the combustion chamber. As shown, the main body of the engine 10 is configured such that a cylinder head 130 is mounted on an upper part of a cylinder block 140. A cylindrical cylinder 142 is formed inside the cylinder block 140, and a piston 144 is slidably provided inside the cylinder 142. A space surrounded by the cylinder 142, the piston 144, and the lower surface of the cylinder head 130 is a combustion chamber.
[0059]
The piston 144 is connected to the crankshaft 148 via a connecting rod 146, and the piston 144 slides up and down in the cylinder 142 as the crankshaft 148 rotates.
[0060]
The cylinder head 130 has an intake passage 12 for taking intake air into the combustion chamber, a fuel injection valve 14 for injecting fuel into the combustion chamber, an ignition plug 136 for igniting a mixture in the combustion chamber, An exhaust passage 16 and the like for discharging the combustion gas generated in the above are connected. Further, the cylinder head 130 is provided with an intake valve 132 and an exhaust valve 134. The intake valve 132 and the exhaust valve 134 are each driven by a cam mechanism, and open and close the intake passage 12 and the exhaust passage 16 in synchronization with the movement of the piston 144. Although FIG. 1 shows the case where the fuel injection valve 14 is provided on the intake valve 132 side, the invention is not limited to this, and the fuel injection valve 14 may be provided on the exhaust valve 134 side. Details will be described later in the description of each embodiment.
[0061]
An air cleaner 20 is provided upstream of the intake passage 12, and the air cleaner 20 has a built-in filter for removing foreign substances in the air. The air taken into the engine is drawn into the combustion chamber after foreign substances are removed by a filter when passing through the air cleaner 20. Further, a throttle valve 22 is provided in the intake passage 12, and by controlling the throttle valve 22 to an appropriate opening by driving the electric actuator 24, the amount of air taken into the combustion chamber can be controlled. Can be.
[0062]
The operation of the engine 10 is controlled by an engine control unit (hereinafter, ECU) 30. The ECU 30 is a well-known microcomputer configured by mutually connecting a CPU, a RAM, a ROM, an A / D conversion element, a D / A conversion element, and the like by a bus. The ECU 30 detects the engine rotation speed Ne and the accelerator opening θac, controls the throttle valve 22 to an appropriate opening based on these, and drives the fuel injection valve 14 and the ignition plug 136 at appropriate timing. The engine rotation speed Ne can be detected by the crank angle sensor 32 provided at the tip of the crankshaft 148. The accelerator opening θac can be detected by an accelerator opening sensor 34 built in the accelerator pedal.
[0063]
A-2. Overview of engine control:
The engine 10 having the configuration as shown in FIG. 1 outputs power under the control of the ECU 30 while compressing and igniting the air-fuel mixture in the combustion chamber. FIG. 2 is a flowchart showing a flow of an engine operation control routine performed by the ECU 30. Hereinafter, description will be made according to the flowchart.
[0064]
When the engine control routine is started, first, the ECU 30 performs a process of calculating a target output torque to be generated by the engine 10 (step S100). The target output torque is calculated based on the accelerator opening θac detected by the accelerator opening sensor 34. That is, the operator of the engine performs an operation of stepping on the accelerator pedal when it is desired to increase the output torque of the engine, and performs an operation of returning the accelerator pedal when it is desired to reduce the output torque. In particular, when it is not considered necessary to generate torque from the engine, the accelerator pedal is fully closed. From this, it can be considered that the operation amount of the accelerator pedal is representative of the torque required by the operator of the engine. In step S100, based on such a principle, a target output torque to be output by the engine is calculated from the accelerator opening θac.
[0065]
Next, the ECU 30 detects the engine rotation speed Ne (Step S102). The engine rotation speed Ne can be calculated based on the output of the crank angle sensor 32.
[0066]
When the target output torque and the engine rotation speed are detected, a process for setting a control method is performed (step S104). This is the following processing. As described above, engines employing the homogeneous charge compression ignition combustion method have excellent characteristics such as low emission of air pollutants and low fuel consumption, but knocks when the engine load increases. It is easy to get up. As will be described later in detail, in order to solve such a problem, the engine 10 of each embodiment described below is added to the combustion chamber at an appropriate timing after the middle of the compression stroke under a high engine load condition. To form a mixture having a high fuel concentration (second mixture) in a part of the combustion chamber, and igniting this mixture, the mixture in the remaining region (first mixture) By compressing and causing self-ignition, the occurrence of knocking is avoided. The second air-fuel mixture need only have a higher fuel concentration relative to the first air-fuel mixture, and need not be an air-fuel mixture having an excessively high fuel concentration. As described above, since a different combustion system can be realized, in step S104, control is performed to prevent the occurrence of knock by injecting additional fuel during the compression stroke, or the normal premixed compression ignition is performed. Processing for setting whether to perform control for combustion is performed according to the load of the engine. Specifically, the ROM incorporated in the ECU 30 stores in advance in the form of a map which control under the low load condition or the high load condition is to be performed in accordance with the combination of the engine rotation speed and the target output torque. Under low load conditions, normal premixed compression auto-ignition combustion control is performed, and under high load conditions, control for injecting additional fuel during the compression stroke to avoid knocking is performed. FIG. 3 conceptually shows a map stored in the ROM of the ECU 30.
[0067]
After the control method is set, processing for calculating the amount of fuel injected into the combustion chamber and the amount of intake air is performed (step S106). The values of the fuel injection amount and the intake air amount are calculated by referring to maps prepared under the low load condition or the high load condition.
[0068]
FIG. 4 is an explanatory diagram conceptually showing a map for a low load condition. Two maps are prepared for the low load condition, that is, a map of the amount of intake air and a map of the amount of fuel injection, and each map has an appropriate map according to the combination of the engine speed and the target output torque. An appropriate intake air amount or fuel injection amount is set.
[0069]
Here, a basic concept for setting the intake air amount and the fuel injection amount as shown in FIG. 4 will be briefly described. FIG. 5 is a block diagram conceptually showing a basic concept for forming an air-fuel mixture in the homogeneous charge compression ignition combustion system. In the homogeneous charge compression ignition combustion, first, a torque (required torque) to be output by the internal combustion engine is set. When the required torque is determined, the fuel amount can be determined according to this value. That is, the internal combustion engine burns fuel to increase the pressure in the combustion chamber, converts this pressure into torque, and outputs it. Therefore, the amount of generated torque and the amount of fuel substantially correspond to each other, and if the required torque is determined, the required amount of fuel can be determined according to the required torque. After determining the fuel amount, the air amount is next determined. In order to self-ignite by compressing the air-fuel mixture, it is necessary that air and fuel are mixed at a predetermined ratio. Therefore, when the fuel amount is determined, the amount of air to be mixed with the fuel can be determined by itself. The required torque can be output by compressively igniting the mixture of fuel and air in the determined amount in the combustion chamber.
[0070]
In the map shown in FIG. 4, appropriate values obtained by an experimental method are set based on the concept shown in FIG. Note that the map for the low load condition is a map referred to under the condition that the target output torque is small. In a region where the target output torque is equal to or more than a certain target output torque, both the map value of the fuel injection amount and the map value of the intake air amount are clipped. A value has been set. From a theoretical point of view, it is sufficient for the map for the low load condition that the map value is set only in the region where the target output torque is small. The map value is temporarily set in consideration of the case where the reference has been made. However, the map value is clipped to a small target output torque map value so that knock does not occur.
[0071]
FIG. 6 is an explanatory diagram conceptually showing a map for a high load condition. As the map for the high load condition, a total of three maps are prepared: a map of the intake air amount, a map of the main fuel injection amount, and a map of the sub fuel injection amount. In each map, an intake air amount, a main fuel injection amount, and a sub fuel injection amount are set according to the engine rotation speed and the target output torque. The set values of these maps are also set to appropriate values obtained by an experimental method based on the concept shown in FIG.
[0072]
In step S106 of FIG. 2, the intake air amount and the fuel injection amount are calculated at the time of the control for the low load condition while referring to the corresponding map, and the intake air amount and the main fuel injection amount are obtained at the time of the control for the high load condition. A process for calculating the amount and the auxiliary fuel injection amount is performed.
[0073]
After calculating the intake air amount and the fuel injection amount (the main fuel injection amount and the sub fuel injection amount under high load conditions), the opening degree of the throttle valve 22 is adjusted so that the calculated amount of air is sucked into each combustion chamber. Is performed (step S108). The opening degree of the throttle valve can be controlled by various known methods. For example, the amount of intake air may be measured by an air flow sensor provided in the intake passage 12, and the opening of the throttle valve 22 may be controlled so as to obtain an appropriate amount of air. Alternatively, instead of using an air flow sensor, the intake air amount may be calculated by measuring the pressure in the intake passage downstream of the throttle valve 22. For simplicity, the throttle opening may be set in advance in a map so that an appropriate amount of air can be obtained according to the engine speed, and the throttle opening may be set with reference to this map.
[0074]
ECU 30 performs fuel injection control following throttle control (step S110). In the fuel injection control, fuel is injected into the combustion chamber by driving the fuel injection valve 14 at an appropriate timing in accordance with the movement of the piston 144. The fuel injection amount has been previously calculated in step S106. Details of the fuel injection control will be described later using another drawing.
[0075]
FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating timings of driving the intake valve 132, the exhaust valve 134, and the fuel injection valve 14 in synchronization with the movement of the piston 144. In the drawing, TDC indicates the timing at which the piston 144 is at the top dead center, and BDC in the drawing indicates the timing at which the piston 144 is at the bottom dead center. As shown, the intake valve 132 opens at a timing slightly before the piston reaches the top dead center, and closes at a timing slightly after the piston reaches the bottom dead center. When the piston 144 descends while the intake valve 132 is open, the intake air is sucked into the combustion chamber, and this period is the intake stroke. After closing the intake valve 132, the air-fuel mixture in the combustion chamber is compressed as the piston 144 is raised. The period from when the intake valve 132 is closed to when the piston reaches the top dead center is the compression stroke. The period from when the piston passes the top dead center to when the exhaust valve 134 opens is the expansion stroke. The exhaust valve 134 opens at a timing slightly before the piston reaches the bottom dead center, and closes at a timing slightly after the piston reaches the top dead center. If the piston 144 rises while the exhaust valve 134 is open, the combustion gas in the combustion chamber is exhausted from the exhaust valve 134 with this, and this period is the exhaust stroke. In the process of step S110 (fuel injection control) shown in FIG. 2, the fuel injection valve 14 is driven during the period indicated by hatching during the intake stroke to control the fuel to be injected into the combustion chamber.
[0076]
After performing the fuel injection control in this way, the ECU 30 determines whether the control method being executed is control for a high load condition (step S112). If the control for the high load condition is being performed (step S112: yes), the sub fuel injection control is subsequently performed (step S114). This is control for injecting the additional fuel previously calculated as the sub fuel injection amount in step S106 from the fuel injection valve 14 into the combustion chamber at an appropriate timing after the middle of the compression stroke. Further, control is performed to ignite the air-fuel mixture by discharging a spark from the spark plug at an appropriate timing near the compression top dead center (step S116). FIG. 7 also exemplifies a period during which fuel is injected in the auxiliary fuel injection control and a timing at which a spark is emitted from the ignition plug 136 in the ignition control. If it is determined in step S112 that the control for the high load condition is not performed (step S112: no), the air-fuel mixture in the combustion chamber is self-ignited only by compression by the piston, and the secondary fuel injection control is performed. (Step S114) and the ignition control (Step S116) are skipped.
[0077]
As described above, the engine 10 according to the present embodiment compresses the air-fuel mixture formed during the intake stroke under a low load condition and self-ignites the mixture, and separately forms the intake stroke and the compression stroke under a high load condition. The mixture is ignited and burned. By doing so, the homogeneous charge compression ignition combustion is realized without knocking under either a low load condition or a high load condition. The reason will be described later.
[0078]
When the air-fuel mixture is burned in this manner, the pressure in the combustion chamber rapidly rises, and the piston 144 tends to be pushed downward. This force is transmitted to the crankshaft 148 via the connecting rod 146, converted into torque by the crankshaft 148, and output as power.
[0079]
Next, the ECU 30 checks whether or not the stop of the engine is set (step S118). If the stop is not set, the ECU 30 returns to step S100 and repeats a series of processes that follow. When the setting to stop the engine is set, the engine operation control routine is ended as it is. Thus, the engine 10 is operated according to the control routine of FIG. 2 under the control of the ECU 30, and outputs a torque according to the setting of the operator.
[0080]
Here, the engine 10 of the present embodiment injects fuel in two stages, the intake stroke and the compression stroke, so that the homogeneous charge compression ignition combustion can be performed without generating knock even under a high load condition. The reason will be described.
[0081]
FIG. 8 conceptually shows a state in which an air-fuel mixture is formed in the combustion chamber. The large circles shown in the figure schematically represent the combustion chamber, and the roughly hatched area in the combustion chamber indicates the mixture (first mixture) formed by injecting fuel during the intake stroke. The region indicated by hatching is a mixture (second mixture) formed by injecting fuel during the compression stroke.
[0082]
Since the air-fuel mixture easily ignites under a high load condition, the air-fuel mixture (first air-fuel mixture) in the region hatched in FIG. 8 is compressed by the piston 144 in each embodiment described below. The excess air ratio is set to a large value to such an extent that self ignition does not occur. Here, the excess air ratio is an index indicating the ratio between the amount of air and the amount of fuel contained in the air-fuel mixture. An excess air ratio of “1” means that air and fuel are included in the air-fuel mixture at such a ratio that they burn each other without excess and deficiency, and an excess air ratio of “2” means This means that the air-fuel mixture contains twice as much air as necessary to burn the fuel without excess or shortage.
[0083]
Next, at a timing after the middle of the compression stroke, a second air-fuel mixture is formed by injecting additional fuel into the combustion chamber. Since the additional fuel is injected after the first air-fuel mixture is formed, the excess air ratio of the second air-fuel mixture is smaller than that of the first air-fuel mixture. In this embodiment, the second air-fuel mixture is set to a value smaller than the excess air ratio of the first air-fuel mixture, though the excess air ratio is larger than “1”. The second air-fuel mixture thus formed is ignited by a spark from a spark plug 136. Since the second air-fuel mixture has a small excess air ratio (high fuel concentration), the second air-fuel mixture burns quickly after ignition, and increases the pressure in the combustion chamber. As a result, in addition to the compression by the piston 144, the first air-fuel mixture is compressed by the combustion of the second air-fuel mixture, and eventually reaches the self-ignition. The black arrows shown in FIG. 8 conceptually represent a state in which the first air-fuel mixture formed therearound is compressed by the combustion of the second air-fuel mixture.
[0084]
As described above, since the first air-fuel mixture formed during the intake stroke is set to a large excess air ratio, it is possible to avoid self-ignition while the piston 144 is rising. Then, after the middle of the compression stroke, additional fuel is injected to form a second air-fuel mixture in the vicinity of the ignition plug 136, and the second air-fuel mixture is ignited to compress the first air-fuel mixture. To self-ignition. In this way, by controlling the timing of igniting the second air-fuel mixture, the first air-fuel mixture can be self-ignited at an appropriate timing. Since the second air-fuel mixture has a smaller excess air ratio than the first air-fuel mixture, it is easy to self-ignite by that amount, but since this air-fuel mixture is formed and ignited before self-ignition, The second mixture does not self-ignite. Further, since the excess air ratio is small, the fuel is burned quickly after ignition, and the first air-fuel mixture can be compressed and self-ignited. In FIG. 8, it has been described that the second air-fuel mixture is formed by injecting fuel after the first air-fuel mixture is formed. However, the excess air ratio of the second air-fuel mixture is defined as the first air-fuel ratio. As long as the air-fuel mixture can be made smaller than the mixture, other methods may be used instead of the above method. For example, the second mixture may be formed by injecting fuel into a region different from the region where the first mixture is formed.
[0085]
As described above, the first air-fuel mixture which does not self-ignite by compression by the piston and the second air-fuel mixture having a smaller excess air ratio than the first air-fuel mixture are formed, and the second air-fuel mixture is ignited. Then, it is possible to realize homogeneous charge compression ignition combustion without generating knock even under high load conditions. However, as with the conventional combustion method, the second air-fuel mixture is in a combustion mode with flame propagation, and is not self-igniting. Therefore, for the portion that is burned as the second mixture, the effect of performing the homogeneous charge compression ignition combustion cannot be obtained. As is clear from this, in the engine 10 of the present embodiment, in order to further reduce the fuel consumption and the emission of air pollutants by making the most of the merit of the premixed compression ignition combustion, It is desirable to efficiently form the second mixture using as little fuel as possible. Further, in order to reliably ignite the second air-fuel mixture, the second air-fuel mixture needs to be formed near the ignition plug 136. This can be realized by devising the configuration of the combustion chamber. Hereinafter, these various embodiments will be described.
[0086]
B. First embodiment:
B-1. Configuration of the combustion chamber in the first embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an enlarged cross section of the combustion chamber in the first embodiment. As shown in the figure, the combustion chamber is formed by a cylinder 142 provided in the cylinder block 140, a piston 144 sliding in the cylinder 142, and a cylinder head 130 assembled on the cylinder block 140. The cylinder head 130 is provided with an intake valve 132 and an exhaust valve 134. The intake air flows into the combustion chamber from the intake port 133 through the intake valve 132, and the combustion gas generated by burning the air-fuel mixture Is exhausted from the exhaust valve 134 through the exhaust port 135 as exhaust gas. A fuel injection valve 14 for injecting fuel into the combustion chamber is provided on the intake side of the cylinder head 130, and an ignition plug 136 is provided substantially at the center of the combustion chamber.
[0087]
In the combustion chamber of the first embodiment, a mask wall 138 is provided on the exhaust side where the intake valve 132 is opened. Therefore, when the intake valve 132 is opened and air flows into the combustion chamber, the air is hardly flown toward the exhaust side because the mask wall 138 blocks the air. Referring to FIG. 9, when the intake valve 132 is opened and air flows in, the flow toward the exhaust valve 134 is blocked by the mask wall 138. Therefore, the air flowing from the intake valve 132 mainly flows downward (in the example shown in FIG. 9, in the direction in which the fuel injection valve 14 is provided).
[0088]
In addition, a recess 143 for guiding the fuel injected from the fuel injection valve 14 toward the ignition plug 136 is provided on the top surface of the piston 144. In the first embodiment, the concave portion 143 is formed from the vicinity where the fuel injected from the fuel injection valve 14 collides with the top surface of the piston to substantially the vicinity of the center where the spark plug 136 is provided.
[0089]
B-2. Combustion method of air-fuel mixture in the first embodiment:
In the first embodiment having the combustion chamber having such a configuration, how to form and burn the first air-fuel mixture and the second air-fuel mixture will be described.
[0090]
First, a case under a low load condition will be described. FIG. 10 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which an air-fuel mixture is formed in a combustion chamber under a low load condition and compression ignition is performed. FIG. 10A shows a state in which fuel is injected during the intake stroke. When the intake valve 132 is opened to lower the piston 144, air flows into the combustion chamber through the intake valve 132. Here, as described with reference to FIG. 9, in the first embodiment, the mask wall 138 is provided on the exhaust side where the intake valve 132 is opened. Therefore, the flow from the intake valve 132 toward the exhaust side is hindered by the mask wall 138, and most of the air flows in the direction down the combustion chamber along the cylinder 142. In FIG. 10A, the flow of air from the intake valve 132 along the cylinder 142 is indicated by arrows. The air flow that has thus descended in the combustion chamber changes its direction on the top surface of the piston 144, crosses the top surface of the piston 144, collides with the cylinder 142 on the opposite side, and then rises in the combustion chamber on the exhaust side. As a result, as shown in FIG. 10A, the sucked air forms a flow (a so-called reverse tumble flow) that vertically swirls in the combustion chamber.
[0091]
As described with reference to FIG. 7, fuel is injected at a predetermined timing in the first half of the intake stroke. In FIG. 10A, the injected fuel is represented by fine hatching. The fuel thus injected mixes with the air flowing from the intake valve b132 while swirling in the combustion chamber to form a uniform mixture in the combustion chamber.
[0092]
When the intake stroke is completed, the compression stroke is started by closing the intake valve 132 and raising the piston 144. FIG. 10B conceptually shows a state in which the air-fuel mixture in the combustion chamber is compressed by raising the piston 144. A reverse tumble flow is formed in the combustion chamber during the intake stroke, and such a swirl flow is compressed in the compression stroke.
[0093]
Compression by the piston occurs very quickly compared to the rate at which heat escapes to the surroundings. For this reason, the air-fuel mixture is adiabatically compressed and its temperature gradually rises, and eventually exceeds the ignition point temperature and leads to self-ignition. Needless to say, the pressure in the combustion chamber rises uniformly irrespective of the position in the combustion chamber, so that the mixture temperature also rises almost uniformly. Therefore, if the excess air ratio of the air-fuel mixture is uniform, the air-fuel mixture in the combustion chamber self-ignites almost simultaneously. Actually, the fuel injected from the fuel injection valve 14 mixes with the air while swirling in the combustion chamber to form a sufficiently uniform mixture, and the mixture in the combustion chamber self-ignites almost simultaneously. FIG. 10 (c) conceptually shows a state in which the air-fuel mixture in the combustion chamber self-ignites almost simultaneously.
[0094]
Next, the case of a high load condition will be described with reference to FIG. As described above, under the high load condition, the first air-fuel mixture and the second air-fuel mixture are formed in the combustion chamber, and the first air-fuel mixture is compressed by igniting the second air-fuel mixture, leading to self-ignition. Close. FIG. 11A shows a state in which a first air-fuel mixture is formed by injecting fuel during an intake stroke under a high load condition. The manner in which the first mixture is formed under high load conditions is the same as the manner in which the first mixture is formed under low load conditions. That is, the air flowing from the intake valve 132 forms a reverse tumble flow in the combustion chamber by the action of the mask wall 138. The fuel injected from the fuel injection valve 14 mixes with the air while swirling in the combustion chamber. Therefore, the first air-fuel mixture is a uniform air-fuel mixture in which fuel and air are sufficiently mixed. The excess air ratio of the first air-fuel mixture is set to a value larger than the excess air ratio of the air-fuel mixture formed under a low load condition.
[0095]
Next, at an appropriate timing after the middle of the compression stroke, fuel is injected from the fuel injection valve 14 toward the piston 144 to form a second air-fuel mixture. FIG. 11 (b) conceptually shows how the second mixture is formed in the first embodiment. As described above, in the intake stroke, a reverse tumble flow is given to the air-fuel mixture in the combustion chamber, and in the compression stroke, the first air-fuel mixture swirling in the reverse tumble direction is compressed. At this time, on the piston top surface, the first air-fuel mixture flows in one direction from the intake side to the exhaust side. Then, as shown in FIG. 11B, such a swirling flow remains in the combustion chamber even at the timing of injecting additional fuel after the middle of the compression stroke. At the timing after the middle of the compression stroke, fuel is injected from the fuel injection valve 14 toward the piston top surface into the combustion chamber in such a state. In FIG. 11B, the injected fuel is represented by fine hatching. The rough hatching in the combustion chamber indicates that the first air-fuel mixture is formed by the fuel injected during the intake stroke. As described above, since the fuel injection valve 14 is provided on the intake side, when fuel is injected from the fuel injection valve 14 into the combustion chamber, the fuel is injected along the flow of the first air-fuel mixture swirling in the combustion chamber. Will be injected.
[0096]
The injected fuel is received by the concave portion 143 provided on the piston top surface, and then proceeds toward the center of the piston top surface along the concave portion 143 by the momentum of the fuel. On the top surface of the piston, the air-fuel mixture flows from the intake side to the exhaust side, so that the flow of the air-fuel mixture also acts in a direction that promotes the progress of fuel. The direction of the fuel that has proceeded along the concave portion 143 is changed by the shape of the concave portion 143, and travels in the combustion chamber toward the spark plug 136. FIG. 11B shows a state in which the injected fuel is changed in direction by the wall surface of the concave portion 143 and proceeds toward the spark plug 136. As described above, the concave portion 143 provided on the piston top surface is formed at a position where the fuel injected during the compression stroke can be received, and the fuel advanced along the concave portion 143 is directed toward the ignition plug 136. It is formed in a shape that converts.
[0097]
By directing the injected fuel toward the spark plug 136, the second air-fuel mixture can be reliably formed near the spark plug 136. A spark is blown from the spark plug 136 to ignite the second air-fuel mixture thus formed. Then, the second air-fuel mixture is quickly burned, the pressure in the combustion chamber is increased, and the first air-fuel mixture can be compressed and ignited. FIG. 11C schematically illustrates a state in which the first air-fuel mixture is self-ignited by igniting the second air-fuel mixture using the ignition plug 136.
[0098]
As described above, in the first embodiment, the fuel is injected from the direction along the swirl flow formed in the combustion chamber toward the piston top surface, and the injected fuel is formed in the shape of the piston top surface by the ignition plug 136. To form a second air-fuel mixture. This ensures that the second mixture is formed near the ignition plug 136. Therefore, even if the amount of injected fuel is small, these fuels are surely conveyed to the vicinity of the ignition plug 136, so that the second air-fuel mixture can be efficiently formed, and the ignition plug can reliably ignite. .
[0099]
Further, after the fuel is injected from the fuel injection valve 14 toward the piston top surface, the fuel is guided to the shape of the top surface and immediately proceeds in the direction of the ignition plug 136 to form a second air-fuel mixture. As described above, since the distance that the fuel injected from the fuel injection valve 14 travels in the combustion chamber until the second air-fuel mixture is formed around the ignition plug 136 is relatively short, the fuel is spread over a very wide range. The second air-fuel mixture can be formed in a narrow range near the ignition plug 136 without diffusing into the air-fuel mixture. Therefore, a mixture having a sufficient fuel concentration can be formed around the ignition plug 136 by only injecting a small amount of fuel, so that the second mixture can be efficiently formed.
[0100]
B-3. Modification:
There are various modifications in the first embodiment described above. Hereinafter, these modifications will be briefly described.
[0101]
In the first embodiment described above, the air flowing from the intake valve 132 mainly descends along the cylinder 142 to form a reverse tumble flow in the combustion chamber. However, even when a tumble flow is formed in the combustion chamber, the second air-fuel mixture can be efficiently formed in the same manner. Hereinafter, a modification of the first embodiment will be described with reference to FIG.
[0102]
FIG. 12 is an explanatory diagram conceptually showing how a second air-fuel mixture is efficiently formed in a combustion chamber in a modification in which a tumble flow is formed. FIG. 12A conceptually illustrates a state in which fuel is injected during the intake stroke to form a first air-fuel mixture. In the above-described first embodiment, the mask wall 138 is provided on the exhaust side of the portion where the intake valve 132 opens into the combustion chamber, so that the air flowing from the intake valve 132 passes the intake side to the cylinder 142. Was descending along. On the other hand, in the modification shown in FIG. 12, the air passing through the intake valve 132 flows into the combustion chamber mainly from the opening on the exhaust side. Such a flow can be formed relatively easily by devising the shape of the intake port. Of course, a mask wall may be provided on the intake side where the intake valve 132 opens into the combustion chamber. In this case, air is prevented from flowing through the opening on the intake side, and flows mainly through the opening on the exhaust side.
[0103]
Thus, the air mainly flowing from the exhaust-side opening of the intake valve 132 passes over the exhaust valve 134, descends along the inner peripheral surface of the cylinder 142 on the exhaust side, and reaches the piston 144 in the direction. And flows across the top of the piston. In FIG. 12A, such an air flow is schematically represented by arrows. As a result, a swirling flow (tumble flow) is formed in the combustion chamber so as to cross the top surface of the piston from the exhaust side toward the intake side. The fuel injected from the fuel injection valve 14 during the intake stroke swirls in the combustion chamber together with the flow of air to form a uniform first air-fuel mixture. In the compression stroke, the air-fuel mixture swirling in the combustion chamber is compressed.
[0104]
FIG. 12B conceptually shows a state in which additional fuel is injected after the middle of the compression stroke to form a second air-fuel mixture. In a modification of the first embodiment, the fuel injection valve 14 is provided on the exhaust side, and injects fuel from the fuel injection valve 14 toward the piston top surface. The tumble flow formed during the intake stroke remains even during the compression stroke. If fuel is injected from the exhaust side toward the piston top surface, the fuel will be injected from the direction along the tumble flow.
[0105]
The injected fuel is received by the concave portion 143 provided on the piston top surface, and then flows over the concave portion 143 toward the vicinity of the center of the piston top surface due to the inertia of the fuel itself. The swirling flow of the air-fuel mixture flowing from the exhaust side to the intake side on the piston top surface acts in a direction that promotes the fuel flow. Then, when reaching the vicinity of substantially the center of the top surface, the flow direction is changed by the concave portion 143, and the flow proceeds in the combustion chamber toward the spark plug 136 to form a second air-fuel mixture near the spark plug.
[0106]
Even in such a case, the fuel injected after the middle of the compression stroke can be reliably transported to the vicinity of the ignition plug 136 to form the second air-fuel mixture. Therefore, even when the fuel is slightly injected, it is possible to reliably form the second air-fuel mixture in the vicinity of the ignition plug 136 by using these fuels.
[0107]
In the first embodiment described above, the mask wall 138 formed on the combustion chamber side is used. However, a shroud valve may be used instead of the mask wall 138.
[0108]
In the first embodiment, the direction of the fuel is changed by the concave portion 143 provided on the top surface of the piston. However, the shape of the piston top surface may be any shape as long as the direction of the fuel can be changed to the direction of the spark plug 136, and may not necessarily be a concave shape. For example, it is also possible to adopt a shape in which a protrusion is formed on the top surface of the piston.
[0109]
C. Second embodiment:
In the first embodiment described above, fuel is injected from a direction along the swirl flow formed in the combustion chamber. However, conversely, by injecting fuel from a direction opposite to the swirling flow, it is possible to efficiently form the second air-fuel mixture near the spark plug. Hereinafter, such a second embodiment will be described.
[0110]
C-1. Configuration of the combustion chamber in the second embodiment:
FIG. 13 is an explanatory diagram showing an enlarged cross section of the combustion chamber of the second embodiment. The second embodiment shown in FIG. 13 differs from the first embodiment shown in FIG. 9 in that the mask wall 138 is not provided. The shape of the intake port 133 is such that air flows into the combustion chamber mainly from the opening on the exhaust side of the intake valve 132 so as to form a tumble flow in the combustion chamber. The fuel injection valve 14 is provided on the intake side. Also, unlike the first embodiment described above, the top surface of the piston 144 does not need to have a special shape to guide the fuel to the ignition plug 136. In the example shown in FIG. 13, the piston top surface has a substantially flat shape. In the second embodiment, a configuration in which the mask wall 138 is provided as in the first embodiment shown in FIG. 9 is also possible, but such a modified example will be described later.
[0111]
C-2. Combustion method of mixture in the second embodiment:
In the second embodiment shown in FIG. 13, the first air-fuel mixture and the second air-fuel mixture are formed as follows under a high load condition. Hereinafter, description will be made with reference to FIG. FIG. 14A conceptually illustrates a state in which the first air-fuel mixture is formed by injecting fuel during the intake stroke. Here, the intake port 133 is formed in such a shape as to allow air to flow in from the exhaust-side opening of the intake valve 132. Therefore, a tumble flow indicated by an arrow in FIG. A flow is formed. Further, the fuel injected from the fuel injection valve 14 into the combustion chamber rides on the tumble flow in the combustion chamber and mixes with the air to form a uniform first air-fuel mixture. In FIG. 14A, the fuel injected from the fuel injection valve 14 is represented by fine hatching.
[0112]
FIG. 14B shows a state in which the second fuel-air mixture is formed by injecting additional fuel from the fuel injection valve 14 at an appropriate timing after the middle of the compression stroke. The tumble flow formed during the intake stroke remains even during the compression stroke, and at the timing of injecting additional fuel, the first air-fuel mixture flows across the top surface of the piston from the exhaust side to the intake side. In the second embodiment, fuel is injected into the combustion chamber in such a state. Since the fuel injection valve 14 is provided on the intake side, when fuel is injected toward the piston top surface, the fuel is injected from a direction opposite to the flow of the first air-fuel mixture swirling in the combustion chamber. Since the injected fuel has inertia, it proceeds against the flow of the air-fuel mixture for a while after colliding with the top surface of the piston. However, the flow direction of the air-fuel mixture is changed by the flow of the air-fuel mixture, and the ignition plug 136 flows through the combustion chamber. To form a second air-fuel mixture. If the second air-fuel mixture is formed in the vicinity of the ignition plug 136 in this manner, the second air-fuel mixture can be reliably ignited by blowing a spark from the ignition plug 136 at a desired timing. The first air-fuel mixture can be compressed and self-ignited. FIG. 14C conceptually shows a state in which the first air-fuel mixture is self-ignited by igniting the second air-fuel mixture.
[0113]
In the second embodiment, as in the first embodiment, the fuel injected from the fuel injection valve 14 during the compression stroke is carried to the vicinity of the ignition plug 136 to reliably form the second air-fuel mixture. Can be. Therefore, even if the amount of fuel to be injected is small, it is possible to surely carry the fuel to the vicinity of the ignition plug 136 and efficiently form the second air-fuel mixture.
[0114]
Further, in the second embodiment, since it is not necessary to provide a concave portion for guiding fuel on the top surface of the piston, the distribution of fuel is less likely to be uneven, and the first air-fuel mixture can be made more uniform. . Of course, in the second embodiment, it is needless to say that a small convex portion may be provided for guiding the direction of the fuel, the direction of which has been changed by the flow of the air-fuel mixture, toward the direction of the ignition plug 136.
[0115]
In the second embodiment, the fuel is injected opposite to the flow of the air-fuel mixture formed in the combustion chamber, and the direction of the fuel is changed using the flow of the air-fuel mixture. For this reason, the fuel injection valve 14 is an injection valve having a large spray penetration force, such as a fan spray or a solid cone type injection valve, so that the injected fuel is not immediately pushed back by the flow of the air-fuel mixture. It is desirable to use On the other hand, in the above-described first embodiment, since the fuel is injected along with the flow of the air-fuel mixture, as the fuel injection valve 14 of the first embodiment, an injection valve having a small spray penetration force, For example, it is desirable to use a hollow cone or multi-hole collision spray type injection valve.
[0116]
In the second embodiment, after the fuel is injected from the fuel injection valve 14 toward the top surface of the piston, the fuel changes its course in the direction of the ignition plug 136 by the flow of the air-fuel mixture, and the second air-fuel mixture flows around the plug. To form That is, also in the second embodiment, after the fuel is injected from the fuel injection valve 14, the distance that the fuel moves through the combustion chamber until the second air-fuel mixture is formed around the ignition plug 136 is relatively short. The second air-fuel mixture can be formed in a narrow range near the ignition plug 136 without being diffused in a wide range. For this reason, a mixture with a sufficient fuel concentration can be formed around the ignition plug 136 by injecting a small amount of fuel, and the second mixture can be formed efficiently.
[0117]
C-3. Modification:
In the above-described second embodiment, the description has been made assuming that the tumble flow is formed in the combustion chamber. However, it is needless to say that a reverse tumble flow may be formed, and the fuel may be injected from a direction opposed to this flow. The reverse tumble flow can be formed by providing a mask wall 138 as shown in FIG. 9 or by using a shroud valve or the like. When the reverse tumble flow is formed, the air-fuel mixture flows from the intake side to the exhaust side on the top surface of the piston, so the fuel injection valve 14 may be provided on the exhaust side. In this way, if the fuel is injected toward the piston top surface at a timing after the middle of the compression stroke, the fuel is injected from the direction opposite to the flow of the air-fuel mixture. The direction of travel of the injected fuel is changed by the flow of the air-fuel mixture on the top surface of the piston, so that a second air-fuel mixture can be formed near the ignition plug 136.
[0118]
D. Third embodiment:
In the various embodiments described above, a swirl flow that flows in one direction on the top surface of the piston is formed in the combustion chamber, and the second air-fuel mixture is efficiently produced near the spark plug by using the swirl flow. Well formed. However, it is possible to efficiently form the second mixture in the vicinity of the ignition plug 136 without using such a swirling flow. Hereinafter, such a third embodiment will be described.
[0119]
D-1. Configuration of Combustion Chamber in Third Embodiment:
FIG. 15 is an explanatory diagram showing the configuration of the combustion chamber of the third embodiment. FIG. 15A is an explanatory view showing an enlarged cross section of the combustion chamber, and FIG. 15B is a view showing the shape of the combustion chamber viewed from the lower surface side of the cylinder head 130 (the side of the cylinder block 140). FIG. As shown in FIG. 15, in the combustion chamber of the third embodiment, a fuel injection valve 14 is provided on the intake side, and a squish area 150 is provided on the exhaust side. As will be described later, the squish area 150 has a function of generating a so-called squish flow by pushing out the air-fuel mixture between the piston 144 and the center of the combustion chamber in the latter half of the compression stroke. Further, the squish area 150 of the third embodiment is formed in an approximately crescent shape at the periphery of the combustion chamber as shown in FIG.
[0120]
In the third embodiment, the second air-fuel mixture is efficiently formed near the ignition plug 136 by using the squish flow generated in the latter half of the compression stroke. Therefore, as in the first and second embodiments described above, the swirl into the combustion chamber is achieved by providing the mask wall 138 around the opening of the intake valve 132 or by making the intake port 133 a special shape. There is no need to give a flow. FIG. 15B shows a case where two intake valves 132 and two exhaust valves 134 are provided, but the number of each valve is not limited to this. For example, either one of the intake valve 132 and the exhaust valve 134 may be provided, and both valves may be provided as one.
[0121]
Further, the top surface of the piston 144 in the third embodiment has a substantially flat shape. In particular, the portion of the cylinder head 130 facing the squish area 150 is formed in a shape substantially parallel to the squish area 150 so that the air-fuel mixture can be efficiently pushed out in the latter half of the compression stroke.
[0122]
D-2. Combustion method of air-fuel mixture in the third embodiment:
With reference to FIG. 16, a description will be given of a method of forming and burning the first air-fuel mixture and the second air-fuel mixture in the third embodiment. FIG. 16 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which an air-fuel mixture is formed in the combustion chamber under a high load condition.
[0123]
FIG. 16A shows a state in which fuel is injected during the intake stroke to form a first air-fuel mixture. In the third embodiment, the mask wall 138 is not provided as in the various embodiments described above, and the intake port 133 having a special shape is not employed. It flows into the combustion chamber. In FIG. 16A, the flow of air flowing from the intake valve 132 is indicated by arrows. The first air-fuel mixture is formed by injecting fuel from the fuel injection valve 14 at an appropriate timing in the first half of the intake stroke. Since a flow of air is induced in the combustion chamber by the movement of the piston 144, the injected fuel is uniformly stirred by the flow of air, and forms a first air-fuel mixture in the combustion chamber. In the third embodiment, a uniform first air-fuel mixture may be formed by forming a tumble flow or a reverse tumble flow as in the above-described various embodiments.
[0124]
In the compression stroke, the first air-fuel mixture thus formed is compressed by raising the piston 144. FIG. 16B conceptually shows a state in which additional fuel is injected from the fuel injection valve 14 at an appropriate timing after the middle of the compression stroke. Since the fuel injection valve 14 is provided on the intake side, when fuel is injected toward the piston top surface, the injected fuel proceeds to the exhaust side along the top surface and is collected in a region below the squish area 150. In the third embodiment, the top surface of the piston 144 is formed in such a shape that the injected fuel does not obstruct the flow toward the area below the squish area 150.
[0125]
When the piston 144 is further raised, the top surface of the piston 144 approaches the squish area 150 provided in the cylinder head 130, so that the air below the squish area 150 is pushed toward the center, and Flow occurs. FIG. 16C shows a state in which a squish flow is generated from the squish area 150 toward the center of the combustion chamber as the piston 144 rises. As described above, the fuel injected in the latter half of the compression stroke is collected in the squish area 150, and this fuel is also pushed out by the squish flow toward the ignition plug 136 in the center of the combustion chamber. Further, as shown in FIG. 15 (b), the squish area 150 is formed in a substantially crescent shape at the periphery of the combustion chamber. This will create a flow that gathers towards the plug.
[0126]
The fuel pushed out by the squish flow forms a second air-fuel mixture near the ignition plug 136. FIG. 16D shows a state in which the second air-fuel mixture is formed around the ignition plug 136. Subsequently, if a spark is blown from the ignition plug 136 at an appropriate timing near the compression top dead center, the second air-fuel mixture can be reliably ignited and burned, and as a result, the first air-fuel mixture is burned. Self-ignition can be ensured.
[0127]
In the third embodiment described above, the fuel injected at an appropriate timing after the middle of the compression stroke is collected in the squish area 150, and the spark plug is generated by utilizing the squish flow generated as the piston 144 rises. Return to the direction of 136. In this way, the injected fuel can be reliably collected near the ignition plug 136. Therefore, even if the amount of fuel injected after the middle of the compression stroke is small, it is possible to reliably and efficiently form the second mixture in the vicinity of the ignition plug 136 using this fuel.
[0128]
Further, in the third embodiment described above, since the top surface of the piston 144 can be made relatively flat, there is no possibility that the distribution of the fuel injected during the intake stroke is biased by the top surface of the piston. That is, the first air-fuel mixture can be a uniform air-fuel mixture in which fuel and air are sufficiently mixed.
[0129]
D-3. Modification:
There are various modifications of the third embodiment described above. Hereinafter, these modifications will be briefly described.
[0130]
(1) First modification:
FIG. 17 is an explanatory diagram showing a combustion chamber structure according to a first modification of the third embodiment. In the first modification, a cavity called a cooling channel 152 is provided inside the piston 144 at a portion facing the squish area 150. This cavity is provided with an opening that opens on the back side of the piston 144. Engine oil is injected from an oil gallery (not shown) provided in the cylinder block 140 toward the opening of the cooling channel 152, and the engine oil is supplied into the cooling channel 152.
[0131]
In the first modification, the exhaust side of the piston 144 can be cooled by the engine oil supplied to the cooling channel 152. For this reason, it is possible to prevent the fuel injected after the middle of the compression stroke and collected below the squish area 150 from being warmed and self-ignited before being ignited by the ignition plug 136.
[0132]
(2) Second modification:
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a combustion chamber structure according to a second modification of the third embodiment. FIG. 18A is an explanatory view showing an enlarged cross section of the combustion chamber, and FIG. 18B is a view showing the shape of the combustion chamber viewed from the lower surface side of the cylinder head 130 (cylinder block 140 side). FIG. As shown, in the second modification, both the squish area 150 and the fuel injection valve 14 are provided on the intake side. The shape of the squish area 150 is formed approximately in a crescent shape, similarly to the above-described embodiment. In order to collect the fuel injected from the intake side below the squish area 150 provided on the intake side, a concave portion 154 having a special shape is provided on the top surface of the piston 144. The operation of the recess 154 will be described later.
[0133]
FIG. 19 is an explanatory diagram showing a state in which a second air-fuel mixture is formed in a second modification of the third embodiment. In the second modification as well, the first air-fuel mixture is formed by injecting fuel during the intake stroke, as in the various embodiments described above. FIG. 19A shows a state in which additional fuel is injected from the fuel injection valve 14 toward the piston top surface at an appropriate timing after the middle of the compression stroke. In the figure, the injected fuel is represented by fine hatching. As shown, the fuel injected from the intake side is first received by a recess 154 provided on the top surface of the piston. Next, after being guided by the shape of the concave portion 154 and the traveling direction is reversed, it is collected in a region below the squish area 150 provided on the intake side.
[0134]
When the piston 144 is raised, the space between the squish area 150 and the top surface of the piston gradually narrows, so that the air-fuel mixture in this area is pushed toward the vicinity of the center of the combustion chamber, and a squish flow is generated. The fuel collected below the squish area 150 is pushed out toward the spark plug 136 by the squish flow thus generated. FIG. 19B conceptually illustrates a state in which fuel is pushed out toward the spark plug 136 by the squish flow.
[0135]
The fuel pushed out by the squish flow forms a second air-fuel mixture near the spark plug 136. FIG. 19C illustrates a state where the second air-fuel mixture is formed around the ignition plug 136. If the second air-fuel mixture thus formed is ignited, the first air-fuel mixture can be compressed and self-ignited.
[0136]
In the second modification, the squish area 150 can be provided on the intake side. Since both the cylinder head 130 and the piston top surface have a relatively low temperature on the intake side different from the exhaust side, the second air-fuel mixture is warmed and self-ignition before ignition without cooling using the cooling channel 152 or the like. There is no risk of ignition.
[0137]
In the second modification, the fuel injection valve 14 can also be provided on the intake side. The exhaust side of the combustion chamber has a high temperature due to the heat of the exhaust gas discharged from the exhaust port. For this reason, when the fuel injection valve 14 is provided on the exhaust side, it may be necessary to take care not to be adversely affected by heat. However, if the fuel injection valve 14 is provided on the intake side, such a special case may be required. No consideration is needed.
[0138]
E. FIG. Fourth embodiment:
In the various embodiments described above, the second swirl flow such as the tumble flow or the reverse tumble flow generated during the intake stroke or the squish flow generated during the compression stroke is used to place the second A mixture was formed. However, when the fuel is injected at the timing after the middle of the compression stroke to form the second air-fuel mixture as in the present embodiment, the fuel is directly injected from the fuel injection valve 14 toward the ignition plug 136. It is good.
[0139]
FIG. 20 is an explanatory diagram showing a state in which the second air-fuel mixture is formed in the latter half of the compression stroke in the fourth embodiment. The rough hatching in the combustion chamber conceptually represents a state in which the first air-fuel mixture is formed by injecting fuel during the intake stroke. In the fourth embodiment, the fuel injection valve 14 injects fuel toward the ignition plug 136. However, during the intake stroke, the air flows vigorously from the intake valve 132. Therefore, even if the fuel is injected toward the ignition plug 136, the fuel flows into the combustion chamber while being flowed by the inflowing air, and is uniformly mixed with the air. A mixture is formed.
[0140]
Also, in FIG. 20, a portion hatched in the combustion chamber represents fuel injected from the fuel injection valve 14 at an appropriate timing after the middle of the compression stroke. Since there is no strong airflow in the compression stroke as in the intake stroke, the injected fuel travels toward the spark plug 136 and forms a second mixture near the plug. The manner in which the second mixture is formed will be additionally described.
[0141]
In a so-called in-cylinder injection engine in which fuel is directly injected into a combustion chamber, injection of fuel toward the ignition plug 136 has normally been avoided. This is because the following problem occurs when fuel is injected toward the ignition plug 136. First, since the injected fuel reaches the ignition plug 136 immediately, the fuel cannot be sufficiently vaporized and mixed with the air. Therefore, even if a spark is emitted from the ignition plug 136, the fuel does not ignite, Alternatively, there is a problem that soot is generated even when the fire is ignited. In addition, when fuel that does not vaporize adheres to the spark plug 136, a phenomenon called channeling occurs, which makes it impossible to fly a spark, or smolders the spark plug 136, making it impossible to fly a spark. . For this reason, directly injecting fuel toward the spark plug 136 has usually been avoided.
[0142]
However, when the fuel is injected in the latter half of the compression stroke under the operating condition where the load of the engine is high as in the present embodiment, the air-fuel mixture in the combustion chamber is compressed by the piston to a sufficiently high temperature and high pressure. As a result, the injected fuel is quickly vaporized. Further, when the fuel is injected into the high-pressure atmosphere, the fuel spray reaches a shorter distance, so that the fuel can be uniformly mixed with the air before reaching the ignition plug 136. Therefore, even when the fuel is directly injected toward the ignition plug 136, a second air-fuel mixture in which the fuel and the air are sufficiently mixed can be formed near the plug, soot is generated, and channeling occurs. There is no occurrence of smoldering or spark plugs. In addition, since only a small amount of fuel is injected during the compression stroke, it is possible to reliably avoid such a problem from this point as well.
[0143]
As described above, in the fourth embodiment, fuel is directly injected from the fuel injection valve 14 toward the ignition plug 136 at an appropriate timing after the middle of the compression stroke, so that the second air-fuel mixture is brought into the vicinity of the plug. Thus, it is possible to surely and efficiently form the semiconductor device.
[0144]
F. Fifth embodiment:
Also, by forming a swirl flow in the combustion chamber, the second air-fuel mixture can be surely and efficiently formed near the ignition plug 136. Hereinafter, such a fifth embodiment will be described.
[0145]
F-1. Configuration of combustion chamber in fifth embodiment:
FIG. 21 is an explanatory diagram showing an enlarged cross section of the combustion chamber in order to show the configuration of the combustion chamber of the fifth embodiment. In the fifth embodiment, a so-called helical port is employed as the intake port 133. When a plurality of intake ports 133 are provided in one combustion chamber, all of the intake ports 133 may be helical ports, or only some of the intake ports may be helical ports. The helical port has a function of giving a velocity component that turns around the valve axis of the intake valve 132 to the air passing through the port.
[0146]
F-2. Combustion method of mixture in the fifth embodiment:
With reference to FIG. 22, a method of forming and burning the first mixture and the second mixture in the fifth embodiment will be described. FIG. 22 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which an air-fuel mixture is formed in the combustion chamber under a high load condition.
[0147]
FIG. 22A illustrates a state in which fuel is injected during the intake stroke to form a first air-fuel mixture. In the fifth embodiment, since a helical port is used as the intake port 133, the air flowing from the intake valve 132 flows into the combustion chamber while turning around the valve axis, and a swirl flow is formed in the combustion chamber. In FIG. 22A, the flow of the air is represented by arrows, and a swirl component is given to the flow of the air at the helical port to conceptually represent a state in which a swirl flow is formed in the combustion chamber. . The fine hatching shown in the figure indicates a state in which fuel is being injected from the fuel injection valve 14. The injected fuel is uniformly mixed with the air while flowing in the flow of the air flowing from the intake valve 132 to form a first air-fuel mixture.
[0148]
FIG. 22 (b) conceptually shows a state in which the piston 144 has almost dropped to near the bottom dead center. In the combustion chamber, a swirl flow that descends while turning along the inner peripheral surface of the cylinder 142 is formed. In the vicinity of the central axis of the cylinder 142, a flow that rises in the opposite direction is formed. Such a flow ascending near the center axis of the cylinder is generated by the following mechanism. Normally, air flowing into the combustion chamber from the intake valve 132 tends to flow along the wall surface of the combustion chamber. This is because the head of the intake valve 132 is provided with an umbrella at a right angle to the valve axis, so that the air passing through the intake valve 132 is bent by the umbrella in a direction along the wall surface of the combustion chamber. is there. For this reason, the main flow of the air flowing into the combustion chamber descends while turning around the inner peripheral surface of the cylinder 142, and almost no flow descends in the center of the cylinder 142. The main flow that has descended along the inner peripheral surface of the cylinder 142 eventually hits the top surface of the piston 144 and changes its direction in the direction of the central axis of the cylinder 142. In the vicinity of the center of the piston top surface, the main flow thus hitting the piston top surface changes direction, flows in from the surroundings, and collides with each other to generate a flow rising near the central axis of the cylinder 142.
[0149]
As described above, the air flowing from the intake valve 132 first descends along the inner peripheral surface of the cylinder 142, then reverses at the piston top surface, and then rises near the central axis of the cylinder. Therefore, the high-temperature combustion gas that has filled the combustion chamber immediately before the start of the intake stroke is pushed out by the flow of the intake air, and is collected near the center of the upper portion of the cylinder, that is, in the region near the ignition plug 136. Then, a first air-fuel mixture is formed in other areas. In FIG. 22 (b), a region with rough hatching in the combustion chamber indicates a region where the first air-fuel mixture is formed, and a region without hatching near the center of the combustion chamber indicates a high-temperature region. The area where the combustion gases are collected is shown.
[0150]
Next, the piston 144 is raised to compress the first air-fuel mixture, and fuel is injected from the fuel injection valve 14 at an appropriate timing after the middle of the compression stroke. The swirl flow is maintained even during the compression stroke, so that the combustion gas collected near the ignition plug 136 does not mix so much with the surrounding air-fuel mixture, and the temperature is maintained at a relatively high temperature. In the fifth embodiment, since fuel is injected toward such a high-temperature region, the fuel can be quickly vaporized. FIG. 22 (c) conceptually illustrates a state in which the fuel is injected to form the second air-fuel mixture near the center of the swirl flow. Next, when the piston 144 is further raised, a second air-fuel mixture is formed near the ignition plug 136. FIG. 22D conceptually illustrates a state in which the second air-fuel mixture is formed near the ignition plug 136. Once the second air-fuel mixture is thus formed, the second air-fuel mixture can be reliably ignited by blowing a spark from the ignition plug 136 at an appropriate timing thereafter. As a result, the first air-fuel mixture is compressed and self-ignites.
[0151]
In the fifth embodiment described above, the swirl flow is formed in the combustion chamber, and the fuel is injected toward the vicinity of the center of the swirl flow at an appropriate timing after the middle of the compression stroke. A mixture is formed. As described above, when a swirl flow is formed in the combustion chamber, high-temperature combustion gas can be collected in the vicinity of the ignition plug 136. By injecting fuel into this region, the second air-fuel mixture is separated from the ignition plug 136. Can be reliably formed in the vicinity of.
[0152]
Further, since the flow speed is low near the center of the swirl flow, if the second air-fuel mixture is formed near the center of rotation, the second air-fuel mixture hardly diffuses to the surroundings. Therefore, even if the amount of fuel injected during the compression stroke is small, it is possible to efficiently form the second air-fuel mixture in the vicinity of the ignition plug 136.
[0153]
F-3. Modification:
In the fifth embodiment described above, the piston top surface has been described as having a substantially flat shape. Even in such a case, a flow that rises near the central axis of the cylinder 142 can be generated, and the combustion gas can be collected near the ignition plug 136. However, in order to generate such an upward flow more efficiently, the piston top surface may have a special shape. Hereinafter, a modified example of the fifth embodiment will be briefly described.
[0154]
FIG. 23 is an explanatory diagram showing a combustion chamber configuration in a modification of the fifth embodiment. In a modified example, an inclined surface 156 is formed on the piston top surface so as to convert the swirl flow swirling on the top surface of the piston 144 into an upward flow while slightly moving toward the center. For this reason, as shown in FIGS. 22A and 22B, when the swirl flow formed during the intake stroke descends along the inner peripheral surface of the cylinder 142 and reaches the piston top surface, the swirl flow forms on the piston top surface. By guiding the swirl flow by the formed slope 156, it is possible to efficiently convert the swirl flow into a flow that rises near the central axis of the cylinder 142. As a result, the combustion gas can be efficiently collected in the vicinity of the ignition plug 136, and the second air-fuel mixture can be reliably formed.
[0155]
Although various embodiments have been described above, the present invention is not limited to all the above embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a structure of an engine common to each embodiment.
FIG. 2 is a flowchart showing a flow of an engine operation control routine.
FIG. 3 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which whether a low load condition or a high load condition is controlled in accordance with a combination of an engine rotation speed and a target output torque is stored in the form of a map. It is.
FIG. 4 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which a fuel injection amount and an intake air amount are set in a map for a low load condition.
FIG. 5 is a block diagram conceptually showing a basic concept for forming an air-fuel mixture in a homogeneous charge compression ignition combustion system.
FIG. 6 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which a main fuel injection amount, an auxiliary fuel injection amount, and an intake air amount are set in a map for a high load condition.
FIG. 7 is an explanatory diagram conceptually showing the relationship between the opening / closing timing of an intake valve and an exhaust valve, fuel injection timing, and ignition timing.
FIG. 8 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which a first air-fuel mixture is compressed by igniting a second air-fuel mixture in a combustion chamber.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a configuration of a combustion chamber of the first embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which the air-fuel mixture is compressed and ignited under a low load condition in the first embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which a first air-fuel mixture and a second air-fuel mixture are formed and compressed and ignited under a high load condition in the first embodiment.
FIG. 12 is an explanatory view conceptually showing a state in which a first air-fuel mixture and a second air-fuel mixture are formed and compression self-ignition is performed under a high load condition in a modification of the first embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a configuration of a combustion chamber of a second embodiment.
FIG. 14 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which a first air-fuel mixture and a second air-fuel mixture are formed and compressed and self-ignited under a high load condition in the second embodiment.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a configuration of a combustion chamber of a third embodiment.
FIG. 16 is an explanatory diagram conceptually showing how a first air-fuel mixture and a second air-fuel mixture are formed under a high load condition in the third embodiment.
FIG. 17 is an explanatory diagram showing a configuration of a combustion chamber as a first modification of the third embodiment.
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a configuration of a combustion chamber as a second modification of the third embodiment.
FIG. 19 is an explanatory diagram conceptually showing a state in which a first air-fuel mixture and a second air-fuel mixture are formed under a high load condition in a second modified example of the third embodiment.
FIG. 20 is an explanatory diagram conceptually showing how a second air-fuel mixture is formed under a high load condition in the fourth embodiment.
FIG. 21 is an explanatory diagram showing a configuration of a combustion chamber of a fifth embodiment.
FIG. 22 is an explanatory diagram conceptually showing how a first air-fuel mixture and a second air-fuel mixture are formed under a high load condition in the fifth embodiment.
FIG. 23 is an explanatory diagram showing a configuration of a combustion chamber in a modification of the fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
10 ... Engine
12 ... intake passage
14 ... Fuel injection valve
16 Exhaust passage
20 ... Air cleaner
22 ... Throttle valve
24 ... Electric actuator
30 ... ECU
32 ... Crank angle sensor
34 Accelerator opening sensor
130 ... Cylinder head
132 ... intake valve
133 ... intake port
134 ... exhaust valve
135 ... Exhaust port
136 ... Spark plug
138: Mask wall
140 ... cylinder block
142 ... cylinder
143 ... recess
144 ... piston
146… Connecting rod
148 ... Crankshaft
150 ... Squish area
152: Cooling channel
154: recess
156 ... Slope

Claims (19)

燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに沿う方向から燃料を噴射し、該噴射した燃料を該圧縮面の形状によって前記燃焼室内を前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston for compressing the air-fuel mixture;
A first air-fuel mixture is formed in the combustion chamber while swirling in the combustion chamber so as to flow in one direction on the compression surface of the piston, and mixing fuel and air at a ratio that does not self-ignite in compression by the piston. First air-fuel mixture forming means;
Second air-fuel mixture forming means for forming a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
Ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition;
The second air-fuel mixture forming means injects fuel toward the piston from a direction along a flow on a compression surface of the piston, and ignites the injected fuel in the combustion chamber by a shape of the compression surface. An internal combustion engine which is a means for forming the second air-fuel mixture by being directed toward a plug. 請求項１記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、
前記燃焼室に燃料を前記吸気弁側から噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と
を備え、
前記第１の混合気形成手段は、前記第１の混合気として、前記ピストンの圧縮面上を前記吸気弁側から前記排気弁側に向かって流れるように旋回する混合気を形成する手段である内燃機関。The internal combustion engine according to claim 1,
An intake valve for taking air into the combustion chamber,
A fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber from the intake valve side,
An exhaust valve for discharging combustion gas burned in the combustion chamber,
The first air-fuel mixture forming means is a means for forming, as the first air-fuel mixture, an air-fuel mixture swirling so as to flow on the compression surface of the piston from the intake valve side to the exhaust valve side. Internal combustion engine. 前記燃焼室には、前記吸気弁から前記排気弁に向かう空気の流れを妨げるマスク壁が、該吸気弁の開口部近傍に設けられている請求項２記載の内燃機関。The internal combustion engine according to claim 2, wherein a mask wall that obstructs a flow of air from the intake valve to the exhaust valve is provided in the combustion chamber near an opening of the intake valve. 燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から燃料を噴射することで、該噴射した燃料を該圧縮面上の流れを利用して前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston for compressing the air-fuel mixture;
A first air-fuel mixture is formed in the combustion chamber while swirling in the combustion chamber so as to flow in one direction on the compression surface of the piston, and mixing fuel and air at a ratio that does not self-ignite in compression by the piston. First air-fuel mixture forming means;
Second air-fuel mixture forming means for forming a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
Ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition;
The second air-fuel mixture forming means uses the flow on the compression surface by injecting the fuel toward the piston from a direction opposite to the flow on the compression surface of the piston. The internal combustion engine is means for forming the second air-fuel mixture by directing the air-fuel mixture toward the spark plug. 請求項４記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、
前記燃焼室内に燃料を前記吸気弁側から噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と
を備え、
前記第１の混合気形成手段は、前記第１の混合気として、前記ピストンの圧縮面上を前記排気弁側から前記吸気弁側に向かって流れるように旋回する混合気を形成する手段である内燃機関。The internal combustion engine according to claim 4, wherein
An intake valve for taking air into the combustion chamber,
A fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber from the intake valve side,
An exhaust valve for discharging combustion gas burned in the combustion chamber,
The first air-fuel mixture forming means is a means for forming, as the first air-fuel mixture, an air-fuel mixture swirling on the compression surface of the piston so as to flow from the exhaust valve side to the intake valve side. Internal combustion engine. 燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記燃焼室の縁部の少なくとも一部に形成されたスキッシュ領域に燃料を供給した後、前記ピストンの上昇に伴って該スキッシュ領域から前記燃焼室の略中央に向かって生じるスキッシュ流を利用して該スキッシュ領域の燃料を前記点火プラグ近傍に集めることにより、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston for compressing the air-fuel mixture;
First air-fuel mixture forming means for forming a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at such a rate that they do not self-ignite in compression by the piston, in the combustion chamber;
Second air-fuel mixture forming means for forming a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
Ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition;
The second air-fuel mixture forming means supplies fuel to a squish region formed at least at a part of an edge of the combustion chamber, and then moves from the squish region to a substantially center of the combustion chamber with the rise of the piston. An internal combustion engine that forms the second air-fuel mixture by collecting fuel in the squish region near the ignition plug by using a squish flow generated toward the fuel cell. 請求項６記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、
前記燃焼室内に燃料を前記吸気弁側から噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンの圧縮面に向かって燃料を噴射することで、該噴射した燃料を前記排気弁側に設けられた前記スキッシュ領域に供給することによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。The internal combustion engine according to claim 6, wherein
An intake valve for taking air into the combustion chamber,
A fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber from the intake valve side,
An exhaust valve for discharging combustion gas burned in the combustion chamber,
The second air-fuel mixture forming means injects the fuel toward the compression surface of the piston to supply the injected fuel to the squish area provided on the exhaust valve side, whereby the second mixture is formed. An internal combustion engine which is a means for forming a mixture of the above. 前記排気弁側に設けられたスキッシュ領域を冷却する冷却手段を備えている請求項７記載の内燃機関。The internal combustion engine according to claim 7, further comprising a cooling unit that cools a squish area provided on the exhaust valve side. 請求項６記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れるための吸気弁と、
前記燃焼室内に燃料を前記吸気弁側から噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室内で燃焼した燃焼ガスを排出するための排気弁と
を備え、
前記ピストンは、前記圧縮面の形状が、前記吸気弁側から噴射された燃料を該吸気弁側に反転させるような形状に形成されたピストンであり、
前記第２の混合気形成手段は、前記ピストンの圧縮面に向かって燃料を噴射することで、該噴射した燃料を前記吸気弁側に設けられた前記スキッシュ領域に供給することによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。The internal combustion engine according to claim 6, wherein
An intake valve for taking air into the combustion chamber,
A fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber from the intake valve side,
An exhaust valve for discharging combustion gas burned in the combustion chamber,
The piston is a piston formed in such a shape that the shape of the compression surface reverses fuel injected from the intake valve side to the intake valve side,
The second air-fuel mixture forming means injects fuel toward a compression surface of the piston to supply the injected fuel to the squish area provided on the intake valve side. An internal combustion engine which is a means for forming a mixture of air and water. 前記スキッシュ領域が、前記燃焼室の周縁に略三日月状に設けられている請求項６ないし請求項９のいずれかに記載の内燃機関。The internal combustion engine according to any one of claims 6 to 9, wherein the squish region is provided in a substantially crescent shape at a periphery of the combustion chamber. 燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記混合気を圧縮するピストンと、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記点火プラグに向けて燃料を噴射することにより、前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を該点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備える内燃機関。An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston for compressing the air-fuel mixture;
First air-fuel mixture forming means for forming a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at such a rate that they do not self-ignite in compression by the piston, in the combustion chamber;
A second air-fuel mixture forming means for injecting fuel toward the ignition plug to form a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
An internal combustion engine comprising: ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture and cause self-ignition. 燃焼室内で燃料と空気との混合気を圧縮した後、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして動力を発生させる内燃機関であって、
前記燃焼室内を摺動して前記混合気を圧縮するピストンと、
前記燃焼室と前記ピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の混合気形成手段と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の混合気形成手段と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する点火プラグ駆動手段と
を備え、
前記第２の混合気形成手段は、前記第１の混合気の旋回中心の近傍に向けて燃料を噴射することによって、前記第２の混合気を形成する手段である内燃機関。An internal combustion engine that compresses a mixture of fuel and air in a combustion chamber, and then generates power by flying sparks from a spark plug in the combustion chamber,
A piston that slides in the combustion chamber to compress the air-fuel mixture;
While descending while swirling in the combustion chamber along the sliding surface between the combustion chamber and the piston, a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at a rate that does not self-ignite by compression by the piston, First air-fuel mixture forming means formed in the combustion chamber;
Second air-fuel mixture forming means for forming a second air-fuel mixture having a higher fuel concentration than the first air-fuel mixture near the ignition plug;
Ignition plug driving means for driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition;
The internal combustion engine, wherein the second air-fuel mixture forming means is means for forming the second air-fuel mixture by injecting fuel toward a vicinity of a swirl center of the first air-fuel mixture. 請求項１２記載の内燃機関であって、
前記燃焼室内に空気を取り入れる吸気弁と、
前記吸気弁の上流側に設けられて、該吸気弁を通過する空気に旋回成分を付与する旋回ポートと
を備える内燃機関。The internal combustion engine according to claim 12,
An intake valve for taking air into the combustion chamber,
A swirl port provided upstream of the intake valve for imparting a swirl component to air passing through the intake valve. 請求項１２記載に内燃機関であって、
前記ピストンは、前記圧縮面の形状が、前記燃焼室と該ピストンとの摺動面に沿って旋回しながら降下する前記第１の混合気を、該旋回流の内側を上方に向かう流れに方向変換させるような形状に形成されたピストンである内燃機関。An internal combustion engine according to claim 12,
In the piston, the shape of the compression surface causes the first air-fuel mixture that descends while rotating along the sliding surface between the combustion chamber and the piston to flow in the upward direction inside the swirl flow. An internal combustion engine that is a piston formed into a shape to be converted. 内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに沿う方向から燃料を噴射し、該噴射した燃料を該圧縮面の形状によって前記燃焼室内を前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する工程である混合気の燃焼方法。A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
A first air-fuel mixture is formed in the combustion chamber while swirling in the combustion chamber so as to flow in one direction on the compression surface of the piston, and mixing fuel and air at a ratio that does not self-ignite in compression by the piston. A first step of
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug;
A third step of driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture, thereby compressing the first air-fuel mixture and causing auto-ignition,
In the second step, fuel is injected from the direction along the flow on the compression surface of the piston toward the piston, and the injected fuel is caused to flow in the combustion chamber in the direction of the spark plug by the shape of the compression surface. A method of burning the air-fuel mixture, which is a step of forming the second air-fuel mixture. 内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記ピストンの圧縮面上を一方向に流れるように前記燃焼室内で旋回するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、該燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記ピストンに向かって、該ピストンの圧縮面上の流れに対向する方向から燃料を噴射することで、該噴射した燃料を該圧縮面上の流れを利用して前記点火プラグの方向に向かわせることによって、前記第２の混合気を形成する工程である混合気の燃焼方法。A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
A first air-fuel mixture is formed in the combustion chamber while swirling in the combustion chamber so as to flow in one direction on the compression surface of the piston, and mixing fuel and air at a ratio that does not self-ignite in compression by the piston. A first step of
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug;
A third step of driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture, thereby compressing the first air-fuel mixture and causing auto-ignition,
In the second step, the fuel is injected toward the piston from a direction opposite to a flow on a compression surface of the piston, so that the injected fuel is ignited by utilizing a flow on the compression surface. A method of burning an air-fuel mixture, which is a step of forming the second air-fuel mixture by directing the air-fuel mixture toward a plug. 内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記燃焼室の縁部の少なくとも一部に形成されたスキッシュ領域に燃料を供給した後、前記ピストンの上昇に伴って該スキッシュ領域から前記燃焼室の略中央に向かって生じるスキッシュ流を利用して該スキッシュ領域の燃料を前記点火プラグ近傍に集めることにより、前記第２の混合気を形成する工程である混合気の燃焼方法。A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
A first step of forming a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at such a ratio that they do not self-ignite in compression by the piston, in the combustion chamber;
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug;
A third step of driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture, thereby compressing the first air-fuel mixture and causing auto-ignition,
In the second step, after supplying fuel to a squish region formed at least at a part of an edge of the combustion chamber, the squish region is moved from the squish region to substantially the center of the combustion chamber with the rise of the piston. A method of burning the air-fuel mixture, comprising forming the second air-fuel mixture by collecting the fuel in the squish region near the ignition plug using the generated squish flow. 内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
燃料と空気とが前記ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を、前記燃焼室内に形成する第１の工程と、
前記点火プラグに向けて燃料を噴射することにより、前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を該点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備える混合気の燃焼方法。A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
A first step of forming a first air-fuel mixture in which fuel and air are mixed at such a ratio that they do not self-ignite in compression by the piston, in the combustion chamber;
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug by injecting fuel toward the ignition plug;
A third step of driving the spark plug to ignite and burn the second air-fuel mixture so as to compress the first air-fuel mixture to cause self-ignition. 内燃機関の燃焼室の一部を構成するピストンで圧縮された燃料と空気との混合気を、該燃焼室内で点火プラグから火花を飛ばして燃焼させるための燃焼方法であって、
前記燃焼室と前記ピストンとの摺動面に沿って該燃焼室内を旋回しながら降下するとともに、燃料と空気とが該ピストンによる圧縮では自着火しない割合で混合した第１の混合気を形成する第１の工程と、
前記第１の混合気よりも燃料濃度の高い第２の混合気を、前記点火プラグの近傍に形成する第２の工程と、
前記第２の混合気に点火して燃焼させることにより、前記第１の混合気を圧縮し自着火に至らしめるべく、前記点火プラグを駆動する第３の工程と
を備え、
前記第２の工程は、前記第１の混合気の旋回中心の近傍に向けて燃料を噴射することによって、前記第２の混合気を形成する工程である混合気の燃焼方法。A combustion method for burning a mixture of fuel and air compressed by a piston constituting a part of a combustion chamber of an internal combustion engine by flying a spark from a spark plug in the combustion chamber,
While descending while swirling in the combustion chamber along the sliding surface between the combustion chamber and the piston, a first air-fuel mixture is formed in which fuel and air are mixed at a ratio that does not self-ignite when compressed by the piston. A first step;
A second step of forming a second mixture having a higher fuel concentration than the first mixture in the vicinity of the ignition plug;
A third step of driving the ignition plug to ignite and burn the second air-fuel mixture, thereby compressing the first air-fuel mixture and causing auto-ignition,
The method for burning a mixture according to claim 2, wherein the second step is a step of forming the second mixture by injecting fuel toward a vicinity of a center of rotation of the first mixture.

Images