JP3812338B2 - 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンでは一般に所定の運転域で成層燃焼運転を行うが、この成層燃焼域においては、筒内（燃焼室内）のガス流動を利用して燃料噴射弁より燃焼室内に直接噴射された燃料の噴霧をまとめつつ点火プラグ近傍へと導き、この過程で混合気のかたまりとなったものに対して着火している（特開２０００−８７７５０号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】
ところで、燃料噴射弁より噴射された燃料を混合気のかたまり状態にして点火プラグに誘導する方法として、上記の従来装置においてはエアガイド方式を採用している。
【０００４】
ここで、エアガイド方式というのは、図３（ａ）に示したように、シリンダブロック４に穿設されたシリンダ５と摺動しつつ上下方向に往復動するピストン１３と、このピストン１３とこのピストン１３上方にあってシリンダヘッド２に穿設される凹所とで画成される燃焼室６と、燃焼室６の天井に位置して火花を飛ばす点火プラグ７と、燃焼室６の天井に開口して点火プラグ７と直接干渉しないピストン１３方向に吸気を導入する２つの独立吸気ポート８ａ、８ｂと、これら２つの吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部の間でかつ開口部の下方に位置して圧縮行程で燃焼室６の中央方向に燃料を噴射する燃料噴射弁２１とを備え、成層燃焼域（図４参照）で吸気ポート８ａ、８ｂ途中に設けられるタンブルコントロールバルブ２５（ガス流動生成手段）を閉じることによって吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部から燃焼室６に流入する吸気にタンブル（縦方向の渦）２６を生じさせ、このタンブル２６に燃料噴射弁２１より噴射された燃料が乗って点火プラグ７へと輸送されるように、吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への吸気流入角とピストン冠面に設けるキャビティ１４の形状とを決定したものである。なお、図３（ａ）は本発明の実施形態を示すものである。本発明でも基本的にエアガイド方式を採用するため本発明の実施形態を用いてエアガイド方式を説明したが、各部材の形状や燃料噴霧形状など従来装置と同じであることを示すものではない。
【０００５】
しかしながら、成層燃焼域においてもともと吸気量の少ない低回転速度低負荷域になると、図５に示すように弱いタンブル４１しか発生しない。しかも、従来装置では燃料噴射弁２１より噴射された燃料噴霧の形状４２が図示のように点火プラグ７を指向するものでなく、圧縮行程で噴射された燃料噴霧は筒内圧が高いためにせっかく噴射した燃料噴霧のかたまりが縮小気味となることもあって、タンブルが弱いと燃料を点火プラグ７近傍へと誘導することができず、成層燃焼が困難になるという問題があった。
【０００６】
これに対処するため、燃料噴霧の形状のみで点火プラグに直接到達させることが考えられるが、エンジン回転速度が高くなるにつれて燃料噴射してから点火するまでの時間が短くなるため、この状態でも燃料噴霧の形状に頼るだけだと点火プラグに到達させることはできるものの最適な点火時期に到達させることができなくなる。
【０００７】
そこで本発明は、十分なタンブルが期待できない低回転速度低負荷域では燃料噴霧の貫徹力で燃料を点火プラグ近傍へと到達させるとともに、それ以外の成層燃焼域では従来装置と同様に点火プラグと直接干渉しないピストン方向に導入した吸気をピストン冠面に衝突させることによってタンブルを形成し、このタンブルを用いて燃料を点火プラグ近傍へと誘導することにより、低回転速度低負荷域でも安定した成層燃焼を可能として成層燃焼可能な領域を拡大することを目的とする。
【０００８】
また、燃料噴射弁の噴孔からは、通常、円錐状の噴霧が四方に等分に広がるので、こうした燃料噴霧形状の燃料噴射弁を、燃料噴霧が点火プラグ７を指向しないように取り付けただけでは、図５に示したように燃料噴霧４２のうちピストン１３に向かう燃料噴霧がそのピストン冠面に衝突してしまい、低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量を増加させてしまう。
【０００９】
そこで本発明では、燃料噴霧の貫徹力で点火プラグ近傍へと燃料を到達させるに際して、ピストン方向への燃料噴霧の指向性を点火プラグ方向より弱くして、ピストン冠面に燃料が到達しないようにすることなどにより、低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量の増加を防止することをも目的とする。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、シリンダ内を上下方向に往復動するピストンと、このピストンとこのピストン上方にあってシリンダヘッドに穿設される凹所とで画成される燃焼室と、燃焼室の天井に位置する点火プラグと、燃焼室の天井に開口して点火プラグと直接干渉しないピストン方向に吸気を導入するとともに、内部にタンブルコントロールバルブを有する２つの独立吸気ポートと、これら２つの吸気ポートの燃焼室への開口部の間でかつ開口部の下方に位置して圧縮行程で燃焼室の中央方向に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、低回転速度低負荷域においては、燃焼室に流入する吸気のタンブルが極小となるように前記タンブルコントロールバルブを全開し、その状態で燃料噴射弁より噴射された燃料の一部がその燃料噴霧の貫徹力により点火プラグ近傍に到達可能となるように燃料噴射弁と点火プラグの相対位置関係を決定する一方で、低回転速度低負荷域よりも高回転速度側または高負荷側の成層燃焼域では、前記タンブルコントロールバルブを閉じることにより吸気ポートの燃焼室への開口部から燃焼室に流入する吸気にタンブル（縦方向の渦）を生じさせ、このタンブルに燃料噴射弁より噴射された燃料が乗って点火プラグ近傍へと輸送されるように、吸気ポートの燃焼室への吸気流入角とピストン冠面に設けるキャビティ形状とを決定する。
【００１１】
第２の発明では、第１の発明において燃焼室が両側に同じ傾斜で傾く２つのルーフを有するペントルーフ型であり、このペントルーフ型燃焼室の天井のほぼ中央に点火プラグを設け、前記一方のルーフに２つの吸気ポートを開口させ、かつこの吸気側のルーフの軒近くに燃料噴射弁を設ける場合に、低回転速度低負荷域でこの燃料噴射弁より噴射される円錐状の燃料噴霧のうち、点火プラグに最も近い円錐面が点火プラグの発火点を通りかつ燃料噴霧の貫徹力を燃料噴射弁の噴孔と点火プラグの発火点の間の距離より長くする。
【００１２】
第３の発明では、第１の発明において燃焼室が両側に同じ傾斜で傾く２つのルーフを有するペントルーフ型であり、このペントルーフ型燃焼室の天井のほぼ中央に点火プラグを設け、前記一方のルーフに２つの吸気ポートを開口させ、かつこの吸気側のルーフの円筒壁近くに燃料噴射弁を設ける場合に、燃料噴射弁の噴孔点と点火プラグの発火点とを結ぶ線に対して、低回転速度低負荷域で燃料噴射弁より噴射される円錐状の燃料噴霧のうち点火プラグの発火点に最も近い円錐面上の線がなす角（上端角）が±５ｄｅｇの範囲にある。
【００１３】
第４の発明では、第２または第３の発明においてピストン方向への燃料噴霧の指向性を点火プラグ方向より弱くして、ピストン冠面に燃料が到達しないようにする。
【００１４】
第５の発明では、第２または第３の発明において燃料噴霧の貫徹力が他方のルーフ（排気側のルーフ）に到達しないようにする。
【００１５】
第６の発明では、第１から第５までのいずれか一つの発明において低回転速度低負荷域で最弱となるタンブルにする。
【００１６】
【発明の効果】
第１の発明によれば、低回転速度低負荷域では、背圧（圧縮行程での高い筒内圧のこと）下で噴射された燃料が点火プラグ近傍に燃料噴霧の力だけで到達することから、十分なタンブルが期待できなくなるアイドルを含んだ低回転速度低負荷域においても安定かつ最適な性能を得るための成層燃焼運転が可能となる。一方、この状態から負荷が高くなるにつれて背圧が上昇すると、燃料噴霧形状が縮小気味となり、また回転速度が高くなるにつれて燃料を噴射してから点火するまでの時間が短くなるため、この状態でも燃料噴霧の貫徹力に頼るだけだと燃料の点火プラグ近傍への最適な点火時期における到達が間に合わなくなる。こうした運転条件、つまり低回転速度低負荷域を超える回転速度や負荷の所定運転域になると、ガス流動生成手段が作動することにより燃焼室内に十分なタンブルが得られる。つまり、この領域ではタンブルに直接燃料を干渉させて燃料を点火プラグ近傍へと輸送することにより成層燃焼運転が行われる。
【００１７】
このようにして、第１の発明では、成層燃焼域のうち低回転速度低負荷域とそれ以外の領域とでともに良好な成層燃焼が可能となり、成層燃焼運転による燃費向上効果を広い運転領域で実現することができる。
【００１８】
第２の発明はペントルーフ型の燃焼室の場合に燃料が点火プラグ近傍に燃料噴霧の力だけで到達することを可能としたもの、また第３の発明は点火プラグの取付位置、燃料噴射弁の取付位置や取付角度、ルーフ高さ、シリンダのボア径などに製作バラツキがあっても燃料が点火プラグ近傍に燃料噴霧の力だけで到達することを可能としたものである。いずれの場合にも、低回転速度低負荷域での燃料噴霧形状を決定するに当たっては、タンブルを考慮することが必要でなくなるため主に燃料噴射弁と点火プラグの相対位置関係だけを考慮すればよく、これに対してそれ以外の成層燃焼域では、タンブルの制御で最適な性能を得られるため、燃料噴霧形状への要求が簡潔となり、ディメンジョンの異なる燃焼室形状にも容易に対応できる。この結果、汎用性、生産性の面からコスト効果が高くなる。
【００１９】
第４、第５の発明によれば、低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量を抑制できる。
【００２０】
低回転速度低負荷域で燃料を点火プラグ近傍に燃料噴霧の力だけで到達させようとするときにタンブルがあるとかえって燃料噴霧を乱し、失火の原因ともなるのであるが、第６の発明によればタンブルが最弱の状態となるようにするので、低回転速度低負荷域での燃料噴霧の挙動に影響を与えることがない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１（ａ）はエンジン１の概略構成図、図１（ｂ）はピストン１３側よりシリンダヘッド２を見上げた図である。なお、以下では説明の便宜上ピストンが上下方向に往復動するものとして説明するが、実際のエンジンのピストンの動作方向を限定するものではない。実際のエンジンではピストンの動作する方向は鉛直方向であったり水平方向であったりあるいは鉛直方向に対して所定の角度を持っていたりするが、いずれの場合でもピストンが燃焼室内のガスを圧縮する方向が上方である。
【００２３】
エンジン１は基本的には燃焼室内に噴かれた燃料噴霧を、吸気ポートの配置とピストン冠面の形状とによって生成されたタンブルに乗せてまとめつつ燃焼室の天井に位置する点火プラグ近傍へと導く、エアガイド方式の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンであるが、低回転速度低負荷域での動作が従来装置と相違している。
【００２４】
以下詳述すると、シリンダヘッド２には、シリンダブロック４に穿設されるシリンダ５に対向して凹部が穿設される。すなわち、シリンダヘッド２の下面２ａより一定の高さを有する位置にその傾きが左右でほぼ対称となるように一対のルーフ（屋根）３ａ、３ｂが形成され、これらルーフとつながる円筒壁３ｃがシリンダヘッド２の下面２ａに開口している。
【００２５】
これらルーフ３ａ、３ｂ、円筒壁３ｃからなるシリンダヘッド２の凹部、シリンダ５、このシリンダ５をピストンリングを介して摺動するピストン１３によりいわゆるペントルーフ型の燃焼室６が画成される。こうした燃焼室６の形状は、シリンダ５のボア径（内径）、ピストン１３の冠面形状、シリンダヘッド２のルーフ高さＨ（シリンダヘッド下面２ａからルーフの稜線３ｄまでの高さ）、吸気バルブと排気バルブの摺動中心軸がなすバルブ挟み角θ１により規定される。上記２つのルーフ３ａ、３ｂが合わさる稜線３ｄ上であってそのほぼ中心（燃焼室６天井のほぼ中心）に中心電極７ａ、外側電極７ｂを燃焼室６内に突出させた点火プラグ７を備えている。
【００２６】
右側のルーフ６ａには２つの吸気ポート８ａ、８ｂが、また左側のルーフ６ｂには２つの排気ポート９ａ、９ｂが下向きに開口する。吸気ポート８ａ、８ｂは燃焼室６への吸気ポート開口部から下方のピストン１３方向（点火プラグ７に干渉しない方向）に導入した吸気をピストン冠面に衝突させることによって燃焼室６内にタンブル（図１（ａ）で縦方向の渦）を発生させるため、通常の予混合燃焼を行うエンジンの吸気ポートよりも立てて設けられる（吸気流入角θ２が大きい）とともに、タンブルを助長するためピストン１３冠面にほぼ浅皿状のキャビティ１４が凹設される。たとえば図２（同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は縦断面図）にピストン１３だけを取り出して示すと、ピストン冠面には、凹設されたキャビティ１４の周囲が凸部として残されており、この凸部が、吸気側の傾斜面１５および排気側の傾斜面１６、両者が交わる頂部１７（稜線又は水平面）および周囲を囲む円錐面１８とで構成されている（詳しくは特願２０００−３０６５１１号参照）。なお、図２は図１と左右が逆になっている。
【００２７】
上記タンブルに燃料噴霧を乗せるため、２つの吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部の間でかつ吸気ポート８ａ、８ｂのすぐ下方であるルーフ３ａの円筒壁３ｃ近くに高圧燃料噴射弁２１が燃焼室６に直接臨んで配設され、そのノズル２１ａ先端の噴孔２１ｂより燃料が圧縮行程において燃焼室６斜め下方（燃焼室６の中央方向）に向けて噴射される。１０ａ、１０ｂは吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部を開閉するための吸気バルブ、１１ａ、１１ｂは排気ポート９ａ、９ｂの燃焼室６への開口部を開閉するための排気バルブである。
【００２８】
また、上記各吸気ポート８ａ、８ｂには燃焼室６への開口部から少し離れた上流位置にガス流動生成手段としてのタンブルコントロールバルブ２５を備える。このタンブルコントロールバルブ２５を閉じると、各吸気ポート８ａ、８ｂの下側半分が閉じられ、各吸気ポート８ａ、８ｂの上側半分からのみ吸気が流入することになり吸気の流速が早まって、図３（ａ）に示したように燃焼室６内に十分な強さを有するタンブル２６が発生する。このタンブル２６によって燃料噴射弁２１より噴射された燃料噴霧２２が、点火プラグ７のある方向にまとめられつつ導かれ、その過程で着火可能な濃い混合気のかたまり２４を形成する。したがって、この点火プラグ７の発火点７ｃに達した混合気のかたまり２４に対して点火を行うことで、安定した成層燃焼運転が可能になる。なお、発火点は基本的に中心電極７ａと外側電極７ｂの間である。
【００２９】
さらに述べると、タンブルコントロールバルブ２５を閉じるのは、たとえば、中回転速度中負荷域までの運転領域（成層燃焼域）である。成層燃焼域といってもある程度の広がりをもつので、成層燃焼域の中で負荷、エンジン回転速度が相違すれば最適な燃料噴射量、最適な点火時期の要求が変わる。したがって、成層燃焼域のすべてにおいて最適な時期に点火プラグの発火点７ｃ近傍に混合気のかたまりを輸送するためのタンブルを得る必要がある。そのため吸気ポートの流入角度θ２、バルブ狭み角θ１、ピストン１３の冠面形状を最適に組合せることで強いタンブルの形成を実現している。
【００３０】
これに対して、成層燃焼域を外れて回転速度や負荷が大きくなった所定運転域は主に理論空燃比を目標とする均質燃焼域である。この領域になると、吸気の流量が多いことからタンブルコントロールバルブ２５を開いた状態でも燃焼室６内に縦方向の渦であるタンブルが発生する。したがって、均質燃焼域ではタンブルコントロールバルブ２５を開いた状態とし、燃焼室６内にタンブルを作りながら吸気行程で燃料を噴射することにより、燃焼室６全体に均質な混合気が生成され、これによって均質燃焼運転を行う。
【００３１】
さて、成層燃焼域でもアイドルを含んだ低回転速度低負荷域になると、十分強いタンブルを期待できなくなるため、この領域においては燃料が点火プラグ７の発火点７ｃ近傍に燃料噴霧の力だけで到達させるようにする。これを実現するためには、図１（ａ）において
▲１▼噴射ノズル先端の噴孔２１ｂより円錐状に広がる燃料噴霧の円錐面のうち、最も点火プラグの発火点７ｃに近い部分（図では円錐面上端３１ａ）が点火プラグの発火点７ｃを通ること、かつ
▲２▼燃料噴霧の貫徹力（燃料噴霧の到達距離のこと）Ｌ１が噴射ノズル先端の噴孔点２１ｂと点火プラグの発火点７ｃの間の距離Ｌ２より長いこと
が基本的条件である。
【００３２】
一方、燃料噴霧の形状は通常、噴射ノズルの中心軸２１ｃを対称軸として図１（ｂ）のように対称となる。しかしながら、図１（ａ）に示す上下方向についても噴射ノズルの中心軸２１ｃを対称軸として対称であれば、燃料噴霧の下端部のほうはピストンキャビティ１４に衝突して付着しこれに起因して低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量が増えることが考えられる（図５参照）。また、▲２▼の貫徹力Ｌ１は強ければ（長ければ）よいというものでもなく、燃料噴霧の貫徹力Ｌ１が強すぎて燃料が排気バルブ側のルーフ３ｂにまで達するときにはＨＣ排出量が増えることを実験により確認している。したがって、燃料がピストン冠面や排気側ルーフ３ｂに衝突することに起因するＨＣ排出量の増加を抑制するためには、
▲３▼点火プラグ７方向への燃料噴霧の指向性がピストン１３方向のそれより高いこと、かつ
▲４▼燃料噴霧の貫徹力Ｌ１は排気側ルーフ３ｂまでは長くないこと
が補助的条件となる。
【００３３】
したがって、上下方向でみると、▲１▼、▲２▼の基本的条件と▲３▼、▲４▼の補助的要件のすべてを満たす燃料噴霧の形状は図１（ａ）に示したようになる。すなわち、燃料噴霧３１の円錐面上端３１ａは点火プラグの発火点７ｃを過ぎても排気ポート１１ａ、１１ｂの燃焼室６への開口部までは到らず、これに対して燃料噴霧３１の円錐面下端３１ｂはピストンキャビティ１４に達していない。また、円錐面上端３１ａと円錐面下端３１ｂの間の燃料噴霧の先端３１ｃについてもピストンキャビティ１４や排気側ルーフ３ｂにまで達していない。
【００３４】
このように、上記▲１▼〜▲４▼の条件がすべて満たされるように、
〈１〉噴孔点２１ｂと発火点７ｃとの相対位置関係、
〈２〉燃料噴霧角度α、
〈３〉燃料噴霧先端角度β、
〈４〉燃料噴射弁２１の取付角度γ
を決定する。
【００３５】
実際には、点火プラグ７の取付位置、燃料噴射弁２１の取付位置や取付角度γ、ルーフ高さＨ、シリンダ５のボア径などに製作バラツキがあるので、実験してみたところ、燃料噴射弁の噴孔点２１ｂと点火栓の発火点７ｃとを結ぶ線３５に対して、燃料噴霧３１の円錐面上端３１ａ（点火プラグ７に最も近い円錐面上の線）がなす角を上端角δとして定義すれば、この上端角δが±５ｄｅｇの範囲に入っていれば、背圧下において燃料噴射を行ったとき、燃料が燃料噴霧の力だけで点火プラグの発火点７ｃ近傍に到達し、安定かつ最適な性能を得るための成層燃焼運転が可能となることを見出している。なお、背圧とは圧縮行程後半での筒内圧のことである。
【００３６】
また、成層燃焼域でも特にアイドルを含んだ低回転速度低負荷域で、このように燃料を点火プラグの発火点近傍に噴霧の力だけで到達させようとするときに、タンブルがあるとかえって燃料噴霧を乱し、失火の原因ともなるので、成層燃焼域でも特にアイドルを含んだ低回転速度低負荷域ではタンブルが極小（最弱）の状態となるようにタンブルコントロールバルブ２５を全開にする。なお、タンブルを全くなくすることが理想ではあるが、図３（ｂ）に示したように少しくらいのタンブル３６があっても、この領域での成層燃焼に影響ないことを実験により確認している。
【００３７】
次に、具体的にタンブルコントロールバルブ２５の制御マップを図４に示す。なお、同図ではタンブルコントロールバルブを「ＴＣＶ」で略記している。同図において制御域は次の３つに分かれている。
【００３８】
〔１〕低回転低負荷域（成層燃焼域でもある）、
〔２〕成層燃焼域のうち低回転低負荷域を除いた領域（低回転速度低負荷域より高回転速度側または高負荷側の所定運転域）、
〔３〕成層燃焼域より高回転速度側または高負荷側の領域、
各種センサからの信号が入力されるコントロールユニット（図示しない）では、そのときの運転条件が図４に示した３つの領域のいずれにあるかを判定し、判定した３つの各領域に応じて上記タンブルコントロールバルブ２５の開閉を制御する。同図ではエンジン回転速度がほぼ中回転速度である２５００ｒｐｍを超えるかまたはエンジン負荷がほぼ中負荷である４００ｋＰａを超える領域を均質燃焼域とし、エンジン回転速度が２５００ｒｐｍ以下かつエンジン負荷が４００ｋＰａ以下の領域（ほぼ中回転速度中負荷域までの領域）を成層燃焼域としており、したがって均質燃焼域であることを判定したときタンブルコントロールバルブ２５を開き、この状態から負荷や回転速度が低下して成層燃焼域になったことを判定するとタンブルコントロールバルブ２５を閉じ、さらに負荷や回転速度が低下して低回転速度低負荷域になったときには、タンブルコントロールバルブ２５を開く。
【００３９】
なお、コントロールユニットでは、成層燃焼域と均質燃焼域とに最適な燃料噴射量と燃料噴射時期を演算し、その演算結果に応じて燃料噴射量と燃料噴射時期を制御する。また、各燃焼域に最適な点火時期を演算し、その演算結果に応じて点火時期を制御する。
【００４０】
ここで、本実施形態の作用効果を図３を参照しながら説明すると、図３（ｂ）に示す低回転速度低負荷域（たとえばアイドル状態）では、背圧下で噴射された燃料が点火プラグの発火点７ｃに燃料噴霧の力だけで到達することから、十分強いタンブルが期待できなくなる低回転速度低負荷域においても安定かつ最適な性能を得るための成層燃焼運転が可能となる。
【００４１】
また、ピストン１３方向への燃料噴霧の指向性を点火プラグ７方向より弱くして、ピストン冠面１４に燃料が到達しないように、かつ燃料噴霧の貫徹力が排気側のルーフ３ｂに到達しないようにしているので、ピストン冠面１４や排気側のルーフ３ｂに燃料が付着することがなく、これによって低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量を抑制できる。
【００４２】
また、この領域ではタンブルコントロールバルブ２５が全開とされ極小のタンブル３６しか生じないようにされているので、燃料噴霧の力だけで点火プラグの発火点７ｃに到達しようとする燃料噴霧を乱すことがなく、これによって失火を抑制できる。
【００４３】
一方、この状態から負荷が高くなるにつれて背圧が上昇すると、燃料噴霧形状が縮小気味となり、また回転速度が高くなるにつれて燃料を噴射してから点火するまでの時間が短くなるため、この状態でも燃料噴霧の貫徹力に頼るだけだと燃料の点火プラグ７への最適な点火時期における到達が間に合わなくなる。こうした燃料噴霧の貫徹力だけでは燃料の点火プラグ７への最適な点火時期における到達が間に合わなくなる運転条件、つまり低回転速度低負荷域を超える回転速度や負荷の領域になると、コントロールユニットにより図３（ａ）に示したようにタンブルコントロールバルブ２５が閉じられることから、強いタンブル２６が十分に得られる。つまり、低回転速度低負荷域を除く成層燃焼域では、この強いタンブル２６に直接燃料を干渉させて燃料を点火プラグ７近傍へと輸送することにより成層燃焼運転が行われる。
【００４４】
このようにして本実施形態では、成層燃焼域のうち低回転速度低負荷域とそれ以外の領域とでともに良好な成層燃焼が可能となり、成層燃焼運転による燃費向上効果を成層燃焼域の全域にわたって（広い運転領域で）実現することができる。
【００４５】
また、低回転速度低負荷域での燃料噴霧形状を決定するに当たっては、タンブルを考慮することが必要でなくなるため主に上記の基本的要件、すなわち燃料噴射弁２１と点火プラグ７の相対位置関係だけを考慮すればよく、これに対してそれ以外の成層燃焼域では、タンブルの制御で最適な性能を得られるため、燃料噴霧形状への要求が簡潔となり、ディメンジョンの異なる燃焼室形状にも容易に対応できる。この結果、汎用性、生産性の面からコスト効果が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態のエンジンの概略構成図。
【図２】ピストンの概略構成図。
【図３】成層燃焼域での燃料噴霧とタンブルの関係を説明するための図。
【図４】タンブルコントロールバルブの作動領域図。
【図５】成層燃焼域のうち低回転速度低負荷域での従来装置における燃料噴霧とタンブルの関係を説明するための図。
【符号の説明】
１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ａ、３ｂ ルーフ
３ｃ 円筒壁
６ ペントルーフ型燃焼室
７ 点火プラグ
８ａ、８ｂ 吸気ポート
１３ ピストン
１４ キャビティ
２１ 燃料噴射弁
２５ タンブルコントロールバルブ（ガス流動生成手段）
【産業上の利用分野】
本発明は筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンでは一般に所定の運転域で成層燃焼運転を行うが、この成層燃焼域においては、筒内（燃焼室内）のガス流動を利用して燃料噴射弁より燃焼室内に直接噴射された燃料の噴霧をまとめつつ点火プラグ近傍へと導き、この過程で混合気のかたまりとなったものに対して着火している（特開２０００−８７７５０号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】
ところで、燃料噴射弁より噴射された燃料を混合気のかたまり状態にして点火プラグに誘導する方法として、上記の従来装置においてはエアガイド方式を採用している。
【０００４】
ここで、エアガイド方式というのは、図３（ａ）に示したように、シリンダブロック４に穿設されたシリンダ５と摺動しつつ上下方向に往復動するピストン１３と、このピストン１３とこのピストン１３上方にあってシリンダヘッド２に穿設される凹所とで画成される燃焼室６と、燃焼室６の天井に位置して火花を飛ばす点火プラグ７と、燃焼室６の天井に開口して点火プラグ７と直接干渉しないピストン１３方向に吸気を導入する２つの独立吸気ポート８ａ、８ｂと、これら２つの吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部の間でかつ開口部の下方に位置して圧縮行程で燃焼室６の中央方向に燃料を噴射する燃料噴射弁２１とを備え、成層燃焼域（図４参照）で吸気ポート８ａ、８ｂ途中に設けられるタンブルコントロールバルブ２５（ガス流動生成手段）を閉じることによって吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部から燃焼室６に流入する吸気にタンブル（縦方向の渦）２６を生じさせ、このタンブル２６に燃料噴射弁２１より噴射された燃料が乗って点火プラグ７へと輸送されるように、吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への吸気流入角とピストン冠面に設けるキャビティ１４の形状とを決定したものである。なお、図３（ａ）は本発明の実施形態を示すものである。本発明でも基本的にエアガイド方式を採用するため本発明の実施形態を用いてエアガイド方式を説明したが、各部材の形状や燃料噴霧形状など従来装置と同じであることを示すものではない。
【０００５】
しかしながら、成層燃焼域においてもともと吸気量の少ない低回転速度低負荷域になると、図５に示すように弱いタンブル４１しか発生しない。しかも、従来装置では燃料噴射弁２１より噴射された燃料噴霧の形状４２が図示のように点火プラグ７を指向するものでなく、圧縮行程で噴射された燃料噴霧は筒内圧が高いためにせっかく噴射した燃料噴霧のかたまりが縮小気味となることもあって、タンブルが弱いと燃料を点火プラグ７近傍へと誘導することができず、成層燃焼が困難になるという問題があった。
【０００６】
これに対処するため、燃料噴霧の形状のみで点火プラグに直接到達させることが考えられるが、エンジン回転速度が高くなるにつれて燃料噴射してから点火するまでの時間が短くなるため、この状態でも燃料噴霧の形状に頼るだけだと点火プラグに到達させることはできるものの最適な点火時期に到達させることができなくなる。
【０００７】
そこで本発明は、十分なタンブルが期待できない低回転速度低負荷域では燃料噴霧の貫徹力で燃料を点火プラグ近傍へと到達させるとともに、それ以外の成層燃焼域では従来装置と同様に点火プラグと直接干渉しないピストン方向に導入した吸気をピストン冠面に衝突させることによってタンブルを形成し、このタンブルを用いて燃料を点火プラグ近傍へと誘導することにより、低回転速度低負荷域でも安定した成層燃焼を可能として成層燃焼可能な領域を拡大することを目的とする。
【０００８】
また、燃料噴射弁の噴孔からは、通常、円錐状の噴霧が四方に等分に広がるので、こうした燃料噴霧形状の燃料噴射弁を、燃料噴霧が点火プラグ７を指向しないように取り付けただけでは、図５に示したように燃料噴霧４２のうちピストン１３に向かう燃料噴霧がそのピストン冠面に衝突してしまい、低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量を増加させてしまう。
【０００９】
そこで本発明では、燃料噴霧の貫徹力で点火プラグ近傍へと燃料を到達させるに際して、ピストン方向への燃料噴霧の指向性を点火プラグ方向より弱くして、ピストン冠面に燃料が到達しないようにすることなどにより、低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量の増加を防止することをも目的とする。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、シリンダ内を上下方向に往復動するピストンと、このピストンとこのピストン上方にあってシリンダヘッドに穿設される凹所とで画成される燃焼室と、燃焼室の天井に位置する点火プラグと、燃焼室の天井に開口して点火プラグと直接干渉しないピストン方向に吸気を導入するとともに、内部にタンブルコントロールバルブを有する２つの独立吸気ポートと、これら２つの吸気ポートの燃焼室への開口部の間でかつ開口部の下方に位置して圧縮行程で燃焼室の中央方向に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、低回転速度低負荷域においては、燃焼室に流入する吸気のタンブルが極小となるように前記タンブルコントロールバルブを全開し、その状態で燃料噴射弁より噴射された燃料の一部がその燃料噴霧の貫徹力により点火プラグ近傍に到達可能となるように燃料噴射弁と点火プラグの相対位置関係を決定する一方で、低回転速度低負荷域よりも高回転速度側または高負荷側の成層燃焼域では、前記タンブルコントロールバルブを閉じることにより吸気ポートの燃焼室への開口部から燃焼室に流入する吸気にタンブル（縦方向の渦）を生じさせ、このタンブルに燃料噴射弁より噴射された燃料が乗って点火プラグ近傍へと輸送されるように、吸気ポートの燃焼室への吸気流入角とピストン冠面に設けるキャビティ形状とを決定する。
【００１１】
第２の発明では、第１の発明において燃焼室が両側に同じ傾斜で傾く２つのルーフを有するペントルーフ型であり、このペントルーフ型燃焼室の天井のほぼ中央に点火プラグを設け、前記一方のルーフに２つの吸気ポートを開口させ、かつこの吸気側のルーフの軒近くに燃料噴射弁を設ける場合に、低回転速度低負荷域でこの燃料噴射弁より噴射される円錐状の燃料噴霧のうち、点火プラグに最も近い円錐面が点火プラグの発火点を通りかつ燃料噴霧の貫徹力を燃料噴射弁の噴孔と点火プラグの発火点の間の距離より長くする。
【００１２】
第３の発明では、第１の発明において燃焼室が両側に同じ傾斜で傾く２つのルーフを有するペントルーフ型であり、このペントルーフ型燃焼室の天井のほぼ中央に点火プラグを設け、前記一方のルーフに２つの吸気ポートを開口させ、かつこの吸気側のルーフの円筒壁近くに燃料噴射弁を設ける場合に、燃料噴射弁の噴孔点と点火プラグの発火点とを結ぶ線に対して、低回転速度低負荷域で燃料噴射弁より噴射される円錐状の燃料噴霧のうち点火プラグの発火点に最も近い円錐面上の線がなす角（上端角）が±５ｄｅｇの範囲にある。
【００１３】
第４の発明では、第２または第３の発明においてピストン方向への燃料噴霧の指向性を点火プラグ方向より弱くして、ピストン冠面に燃料が到達しないようにする。
【００１４】
第５の発明では、第２または第３の発明において燃料噴霧の貫徹力が他方のルーフ（排気側のルーフ）に到達しないようにする。
【００１５】
第６の発明では、第１から第５までのいずれか一つの発明において低回転速度低負荷域で最弱となるタンブルにする。
【００１６】
【発明の効果】
第１の発明によれば、低回転速度低負荷域では、背圧（圧縮行程での高い筒内圧のこと）下で噴射された燃料が点火プラグ近傍に燃料噴霧の力だけで到達することから、十分なタンブルが期待できなくなるアイドルを含んだ低回転速度低負荷域においても安定かつ最適な性能を得るための成層燃焼運転が可能となる。一方、この状態から負荷が高くなるにつれて背圧が上昇すると、燃料噴霧形状が縮小気味となり、また回転速度が高くなるにつれて燃料を噴射してから点火するまでの時間が短くなるため、この状態でも燃料噴霧の貫徹力に頼るだけだと燃料の点火プラグ近傍への最適な点火時期における到達が間に合わなくなる。こうした運転条件、つまり低回転速度低負荷域を超える回転速度や負荷の所定運転域になると、ガス流動生成手段が作動することにより燃焼室内に十分なタンブルが得られる。つまり、この領域ではタンブルに直接燃料を干渉させて燃料を点火プラグ近傍へと輸送することにより成層燃焼運転が行われる。
【００１７】
このようにして、第１の発明では、成層燃焼域のうち低回転速度低負荷域とそれ以外の領域とでともに良好な成層燃焼が可能となり、成層燃焼運転による燃費向上効果を広い運転領域で実現することができる。
【００１８】
第２の発明はペントルーフ型の燃焼室の場合に燃料が点火プラグ近傍に燃料噴霧の力だけで到達することを可能としたもの、また第３の発明は点火プラグの取付位置、燃料噴射弁の取付位置や取付角度、ルーフ高さ、シリンダのボア径などに製作バラツキがあっても燃料が点火プラグ近傍に燃料噴霧の力だけで到達することを可能としたものである。いずれの場合にも、低回転速度低負荷域での燃料噴霧形状を決定するに当たっては、タンブルを考慮することが必要でなくなるため主に燃料噴射弁と点火プラグの相対位置関係だけを考慮すればよく、これに対してそれ以外の成層燃焼域では、タンブルの制御で最適な性能を得られるため、燃料噴霧形状への要求が簡潔となり、ディメンジョンの異なる燃焼室形状にも容易に対応できる。この結果、汎用性、生産性の面からコスト効果が高くなる。
【００１９】
第４、第５の発明によれば、低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量を抑制できる。
【００２０】
低回転速度低負荷域で燃料を点火プラグ近傍に燃料噴霧の力だけで到達させようとするときにタンブルがあるとかえって燃料噴霧を乱し、失火の原因ともなるのであるが、第６の発明によればタンブルが最弱の状態となるようにするので、低回転速度低負荷域での燃料噴霧の挙動に影響を与えることがない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１（ａ）はエンジン１の概略構成図、図１（ｂ）はピストン１３側よりシリンダヘッド２を見上げた図である。なお、以下では説明の便宜上ピストンが上下方向に往復動するものとして説明するが、実際のエンジンのピストンの動作方向を限定するものではない。実際のエンジンではピストンの動作する方向は鉛直方向であったり水平方向であったりあるいは鉛直方向に対して所定の角度を持っていたりするが、いずれの場合でもピストンが燃焼室内のガスを圧縮する方向が上方である。
【００２３】
エンジン１は基本的には燃焼室内に噴かれた燃料噴霧を、吸気ポートの配置とピストン冠面の形状とによって生成されたタンブルに乗せてまとめつつ燃焼室の天井に位置する点火プラグ近傍へと導く、エアガイド方式の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンであるが、低回転速度低負荷域での動作が従来装置と相違している。
【００２４】
以下詳述すると、シリンダヘッド２には、シリンダブロック４に穿設されるシリンダ５に対向して凹部が穿設される。すなわち、シリンダヘッド２の下面２ａより一定の高さを有する位置にその傾きが左右でほぼ対称となるように一対のルーフ（屋根）３ａ、３ｂが形成され、これらルーフとつながる円筒壁３ｃがシリンダヘッド２の下面２ａに開口している。
【００２５】
これらルーフ３ａ、３ｂ、円筒壁３ｃからなるシリンダヘッド２の凹部、シリンダ５、このシリンダ５をピストンリングを介して摺動するピストン１３によりいわゆるペントルーフ型の燃焼室６が画成される。こうした燃焼室６の形状は、シリンダ５のボア径（内径）、ピストン１３の冠面形状、シリンダヘッド２のルーフ高さＨ（シリンダヘッド下面２ａからルーフの稜線３ｄまでの高さ）、吸気バルブと排気バルブの摺動中心軸がなすバルブ挟み角θ１により規定される。上記２つのルーフ３ａ、３ｂが合わさる稜線３ｄ上であってそのほぼ中心（燃焼室６天井のほぼ中心）に中心電極７ａ、外側電極７ｂを燃焼室６内に突出させた点火プラグ７を備えている。
【００２６】
右側のルーフ６ａには２つの吸気ポート８ａ、８ｂが、また左側のルーフ６ｂには２つの排気ポート９ａ、９ｂが下向きに開口する。吸気ポート８ａ、８ｂは燃焼室６への吸気ポート開口部から下方のピストン１３方向（点火プラグ７に干渉しない方向）に導入した吸気をピストン冠面に衝突させることによって燃焼室６内にタンブル（図１（ａ）で縦方向の渦）を発生させるため、通常の予混合燃焼を行うエンジンの吸気ポートよりも立てて設けられる（吸気流入角θ２が大きい）とともに、タンブルを助長するためピストン１３冠面にほぼ浅皿状のキャビティ１４が凹設される。たとえば図２（同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は縦断面図）にピストン１３だけを取り出して示すと、ピストン冠面には、凹設されたキャビティ１４の周囲が凸部として残されており、この凸部が、吸気側の傾斜面１５および排気側の傾斜面１６、両者が交わる頂部１７（稜線又は水平面）および周囲を囲む円錐面１８とで構成されている（詳しくは特願２０００−３０６５１１号参照）。なお、図２は図１と左右が逆になっている。
【００２７】
上記タンブルに燃料噴霧を乗せるため、２つの吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部の間でかつ吸気ポート８ａ、８ｂのすぐ下方であるルーフ３ａの円筒壁３ｃ近くに高圧燃料噴射弁２１が燃焼室６に直接臨んで配設され、そのノズル２１ａ先端の噴孔２１ｂより燃料が圧縮行程において燃焼室６斜め下方（燃焼室６の中央方向）に向けて噴射される。１０ａ、１０ｂは吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部を開閉するための吸気バルブ、１１ａ、１１ｂは排気ポート９ａ、９ｂの燃焼室６への開口部を開閉するための排気バルブである。
【００２８】
また、上記各吸気ポート８ａ、８ｂには燃焼室６への開口部から少し離れた上流位置にガス流動生成手段としてのタンブルコントロールバルブ２５を備える。このタンブルコントロールバルブ２５を閉じると、各吸気ポート８ａ、８ｂの下側半分が閉じられ、各吸気ポート８ａ、８ｂの上側半分からのみ吸気が流入することになり吸気の流速が早まって、図３（ａ）に示したように燃焼室６内に十分な強さを有するタンブル２６が発生する。このタンブル２６によって燃料噴射弁２１より噴射された燃料噴霧２２が、点火プラグ７のある方向にまとめられつつ導かれ、その過程で着火可能な濃い混合気のかたまり２４を形成する。したがって、この点火プラグ７の発火点７ｃに達した混合気のかたまり２４に対して点火を行うことで、安定した成層燃焼運転が可能になる。なお、発火点は基本的に中心電極７ａと外側電極７ｂの間である。
【００２９】
さらに述べると、タンブルコントロールバルブ２５を閉じるのは、たとえば、中回転速度中負荷域までの運転領域（成層燃焼域）である。成層燃焼域といってもある程度の広がりをもつので、成層燃焼域の中で負荷、エンジン回転速度が相違すれば最適な燃料噴射量、最適な点火時期の要求が変わる。したがって、成層燃焼域のすべてにおいて最適な時期に点火プラグの発火点７ｃ近傍に混合気のかたまりを輸送するためのタンブルを得る必要がある。そのため吸気ポートの流入角度θ２、バルブ狭み角θ１、ピストン１３の冠面形状を最適に組合せることで強いタンブルの形成を実現している。
【００３０】
これに対して、成層燃焼域を外れて回転速度や負荷が大きくなった所定運転域は主に理論空燃比を目標とする均質燃焼域である。この領域になると、吸気の流量が多いことからタンブルコントロールバルブ２５を開いた状態でも燃焼室６内に縦方向の渦であるタンブルが発生する。したがって、均質燃焼域ではタンブルコントロールバルブ２５を開いた状態とし、燃焼室６内にタンブルを作りながら吸気行程で燃料を噴射することにより、燃焼室６全体に均質な混合気が生成され、これによって均質燃焼運転を行う。
【００３１】
さて、成層燃焼域でもアイドルを含んだ低回転速度低負荷域になると、十分強いタンブルを期待できなくなるため、この領域においては燃料が点火プラグ７の発火点７ｃ近傍に燃料噴霧の力だけで到達させるようにする。これを実現するためには、図１（ａ）において
▲１▼噴射ノズル先端の噴孔２１ｂより円錐状に広がる燃料噴霧の円錐面のうち、最も点火プラグの発火点７ｃに近い部分（図では円錐面上端３１ａ）が点火プラグの発火点７ｃを通ること、かつ
▲２▼燃料噴霧の貫徹力（燃料噴霧の到達距離のこと）Ｌ１が噴射ノズル先端の噴孔点２１ｂと点火プラグの発火点７ｃの間の距離Ｌ２より長いこと
が基本的条件である。
【００３２】
一方、燃料噴霧の形状は通常、噴射ノズルの中心軸２１ｃを対称軸として図１（ｂ）のように対称となる。しかしながら、図１（ａ）に示す上下方向についても噴射ノズルの中心軸２１ｃを対称軸として対称であれば、燃料噴霧の下端部のほうはピストンキャビティ１４に衝突して付着しこれに起因して低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量が増えることが考えられる（図５参照）。また、▲２▼の貫徹力Ｌ１は強ければ（長ければ）よいというものでもなく、燃料噴霧の貫徹力Ｌ１が強すぎて燃料が排気バルブ側のルーフ３ｂにまで達するときにはＨＣ排出量が増えることを実験により確認している。したがって、燃料がピストン冠面や排気側ルーフ３ｂに衝突することに起因するＨＣ排出量の増加を抑制するためには、
▲３▼点火プラグ７方向への燃料噴霧の指向性がピストン１３方向のそれより高いこと、かつ
▲４▼燃料噴霧の貫徹力Ｌ１は排気側ルーフ３ｂまでは長くないこと
が補助的条件となる。
【００３３】
したがって、上下方向でみると、▲１▼、▲２▼の基本的条件と▲３▼、▲４▼の補助的要件のすべてを満たす燃料噴霧の形状は図１（ａ）に示したようになる。すなわち、燃料噴霧３１の円錐面上端３１ａは点火プラグの発火点７ｃを過ぎても排気ポート１１ａ、１１ｂの燃焼室６への開口部までは到らず、これに対して燃料噴霧３１の円錐面下端３１ｂはピストンキャビティ１４に達していない。また、円錐面上端３１ａと円錐面下端３１ｂの間の燃料噴霧の先端３１ｃについてもピストンキャビティ１４や排気側ルーフ３ｂにまで達していない。
【００３４】
このように、上記▲１▼〜▲４▼の条件がすべて満たされるように、
〈１〉噴孔点２１ｂと発火点７ｃとの相対位置関係、
〈２〉燃料噴霧角度α、
〈３〉燃料噴霧先端角度β、
〈４〉燃料噴射弁２１の取付角度γ
を決定する。
【００３５】
実際には、点火プラグ７の取付位置、燃料噴射弁２１の取付位置や取付角度γ、ルーフ高さＨ、シリンダ５のボア径などに製作バラツキがあるので、実験してみたところ、燃料噴射弁の噴孔点２１ｂと点火栓の発火点７ｃとを結ぶ線３５に対して、燃料噴霧３１の円錐面上端３１ａ（点火プラグ７に最も近い円錐面上の線）がなす角を上端角δとして定義すれば、この上端角δが±５ｄｅｇの範囲に入っていれば、背圧下において燃料噴射を行ったとき、燃料が燃料噴霧の力だけで点火プラグの発火点７ｃ近傍に到達し、安定かつ最適な性能を得るための成層燃焼運転が可能となることを見出している。なお、背圧とは圧縮行程後半での筒内圧のことである。
【００３６】
また、成層燃焼域でも特にアイドルを含んだ低回転速度低負荷域で、このように燃料を点火プラグの発火点近傍に噴霧の力だけで到達させようとするときに、タンブルがあるとかえって燃料噴霧を乱し、失火の原因ともなるので、成層燃焼域でも特にアイドルを含んだ低回転速度低負荷域ではタンブルが極小（最弱）の状態となるようにタンブルコントロールバルブ２５を全開にする。なお、タンブルを全くなくすることが理想ではあるが、図３（ｂ）に示したように少しくらいのタンブル３６があっても、この領域での成層燃焼に影響ないことを実験により確認している。
【００３７】
次に、具体的にタンブルコントロールバルブ２５の制御マップを図４に示す。なお、同図ではタンブルコントロールバルブを「ＴＣＶ」で略記している。同図において制御域は次の３つに分かれている。
【００３８】
〔１〕低回転低負荷域（成層燃焼域でもある）、
〔２〕成層燃焼域のうち低回転低負荷域を除いた領域（低回転速度低負荷域より高回転速度側または高負荷側の所定運転域）、
〔３〕成層燃焼域より高回転速度側または高負荷側の領域、
各種センサからの信号が入力されるコントロールユニット（図示しない）では、そのときの運転条件が図４に示した３つの領域のいずれにあるかを判定し、判定した３つの各領域に応じて上記タンブルコントロールバルブ２５の開閉を制御する。同図ではエンジン回転速度がほぼ中回転速度である２５００ｒｐｍを超えるかまたはエンジン負荷がほぼ中負荷である４００ｋＰａを超える領域を均質燃焼域とし、エンジン回転速度が２５００ｒｐｍ以下かつエンジン負荷が４００ｋＰａ以下の領域（ほぼ中回転速度中負荷域までの領域）を成層燃焼域としており、したがって均質燃焼域であることを判定したときタンブルコントロールバルブ２５を開き、この状態から負荷や回転速度が低下して成層燃焼域になったことを判定するとタンブルコントロールバルブ２５を閉じ、さらに負荷や回転速度が低下して低回転速度低負荷域になったときには、タンブルコントロールバルブ２５を開く。
【００３９】
なお、コントロールユニットでは、成層燃焼域と均質燃焼域とに最適な燃料噴射量と燃料噴射時期を演算し、その演算結果に応じて燃料噴射量と燃料噴射時期を制御する。また、各燃焼域に最適な点火時期を演算し、その演算結果に応じて点火時期を制御する。
【００４０】
ここで、本実施形態の作用効果を図３を参照しながら説明すると、図３（ｂ）に示す低回転速度低負荷域（たとえばアイドル状態）では、背圧下で噴射された燃料が点火プラグの発火点７ｃに燃料噴霧の力だけで到達することから、十分強いタンブルが期待できなくなる低回転速度低負荷域においても安定かつ最適な性能を得るための成層燃焼運転が可能となる。
【００４１】
また、ピストン１３方向への燃料噴霧の指向性を点火プラグ７方向より弱くして、ピストン冠面１４に燃料が到達しないように、かつ燃料噴霧の貫徹力が排気側のルーフ３ｂに到達しないようにしているので、ピストン冠面１４や排気側のルーフ３ｂに燃料が付着することがなく、これによって低回転速度低負荷域でのＨＣ排出量を抑制できる。
【００４２】
また、この領域ではタンブルコントロールバルブ２５が全開とされ極小のタンブル３６しか生じないようにされているので、燃料噴霧の力だけで点火プラグの発火点７ｃに到達しようとする燃料噴霧を乱すことがなく、これによって失火を抑制できる。
【００４３】
一方、この状態から負荷が高くなるにつれて背圧が上昇すると、燃料噴霧形状が縮小気味となり、また回転速度が高くなるにつれて燃料を噴射してから点火するまでの時間が短くなるため、この状態でも燃料噴霧の貫徹力に頼るだけだと燃料の点火プラグ７への最適な点火時期における到達が間に合わなくなる。こうした燃料噴霧の貫徹力だけでは燃料の点火プラグ７への最適な点火時期における到達が間に合わなくなる運転条件、つまり低回転速度低負荷域を超える回転速度や負荷の領域になると、コントロールユニットにより図３（ａ）に示したようにタンブルコントロールバルブ２５が閉じられることから、強いタンブル２６が十分に得られる。つまり、低回転速度低負荷域を除く成層燃焼域では、この強いタンブル２６に直接燃料を干渉させて燃料を点火プラグ７近傍へと輸送することにより成層燃焼運転が行われる。
【００４４】
このようにして本実施形態では、成層燃焼域のうち低回転速度低負荷域とそれ以外の領域とでともに良好な成層燃焼が可能となり、成層燃焼運転による燃費向上効果を成層燃焼域の全域にわたって（広い運転領域で）実現することができる。
【００４５】
また、低回転速度低負荷域での燃料噴霧形状を決定するに当たっては、タンブルを考慮することが必要でなくなるため主に上記の基本的要件、すなわち燃料噴射弁２１と点火プラグ７の相対位置関係だけを考慮すればよく、これに対してそれ以外の成層燃焼域では、タンブルの制御で最適な性能を得られるため、燃料噴霧形状への要求が簡潔となり、ディメンジョンの異なる燃焼室形状にも容易に対応できる。この結果、汎用性、生産性の面からコスト効果が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態のエンジンの概略構成図。
【図２】ピストンの概略構成図。
【図３】成層燃焼域での燃料噴霧とタンブルの関係を説明するための図。
【図４】タンブルコントロールバルブの作動領域図。
【図５】成層燃焼域のうち低回転速度低負荷域での従来装置における燃料噴霧とタンブルの関係を説明するための図。
【符号の説明】
１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ａ、３ｂ ルーフ
３ｃ 円筒壁
６ ペントルーフ型燃焼室
７ 点火プラグ
８ａ、８ｂ 吸気ポート
１３ ピストン
１４ キャビティ
２１ 燃料噴射弁
２５ タンブルコントロールバルブ（ガス流動生成手段）
Claims (6)
- シリンダ内を上下方向に往復動するピストンと、
このピストンとこのピストン上方にあってシリンダヘッドに穿設される凹所とで画成される燃焼室と、
燃焼室の天井に位置する点火プラグと、
燃焼室の天井に開口して点火プラグと直接干渉しないピストン方向に吸気を導入するとともに、内部にタンブルコントロールバルブを有する２つの独立吸気ポートと、
これら２つの吸気ポートの燃焼室への開口部の間でかつ開口部の下方に位置して圧縮行程でタンブルに燃料が乗るように燃焼室の斜め下方向に燃料を噴射する燃料噴射弁と
を備え、
低回転速度低負荷域においては、燃焼室に流入する吸気のタンブルが極小となるように前記タンブルコントロールバルブを全開し、その状態で燃料噴射弁より噴射された燃料の一部がその燃料噴霧の貫徹力により点火プラグ近傍に到達可能となるように燃料噴射弁と点火プラグの相対位置関係を決定する一方で、
低回転速度低負荷域よりも高回転速度側または高負荷側の成層燃焼域では、前記タンブルコントロールバルブを閉じることにより吸気ポートの燃焼室への開口部から燃焼室に流入する吸気にタンブルを生じさせ、このタンブルに燃料噴射弁より噴射された燃料が乗って点火プラグ近傍へと輸送されるように、吸気ポートの燃焼室への吸気流入角とピストン冠面に設けるキャビティ形状とを決定する
ことを特徴とする筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。 - 燃焼室が両側に同じ傾斜で傾く２つのルーフを有するペントルーフ型であり、
このペントルーフ型燃焼室の天井のほぼ中央に点火プラグを設け、
前記一方のルーフに２つの吸気ポートを開口させ、かつこの吸気側のルーフの軒近くに燃料噴射弁を設ける場合に、低回転速度低負荷域でこの燃料噴射弁より噴射される円錐状の燃料噴霧のうち、点火プラグに最も近い円錐面が点火プラグの発火点を通りかつ燃料噴霧の貫徹力を燃料噴射弁の噴孔と点火プラグの発火点の間の距離より長くする
ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。 - 燃焼室が両側に同じ傾斜で傾く２つのルーフを有するペントルーフ型であり、
このペントルーフ型燃焼室の天井のほぼ中央に点火プラグを設け、
前記一方のルーフに２つの吸気ポートを開口させ、かつこの吸気側のルーフの円筒壁近くに燃料噴射弁を設ける場合に、燃料噴射弁の噴孔点と点火プラグの発火点とを結ぶ線に対して、低回転速度低負荷域で燃料噴射弁より噴射される円錐状の燃料噴霧のうち点火プラグの発火点に最も近い円錐面上の線がなす角が±５ｄｅｇの範囲にある
ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。 - ピストン方向への燃料噴霧の指向性を点火プラグ方向より弱くして、ピストン冠面に燃料が到達しないようにする
ことを特徴とする請求項２または３に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。 - 燃料噴霧の貫徹力が他方のルーフに到達しないようにする
ことを特徴とする請求項２または３に記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。 - 低回転速度低負荷域で最弱となるタンブルにする
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の筒内直接燃料噴射式火花点火エンジン。
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