JP4793108B2 - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、特に均質燃焼を意図する筒内直接噴射式内燃機関に関する。

従来、火花点火燃焼を行う内燃機関において、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射する筒内直接噴射式内燃機関が公知である。このような筒内直接噴射式内燃機関においては、燃焼形態として、主に吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行うことでストイキ運転（理論空燃比運転）を実現する均質燃焼がある。このとき、燃料噴射開始時期および燃料噴射期間はエンジン回転速度および目標トルクなどから決まる。
特許第３１６１２０４号公報

しかし、燃焼室内における燃料と空気の混合気の均質化は、燃焼室内の諸条件によって決まり、燃焼の安定性を高めるためにさらに混合気の均質化を促進することが望まれている。

そこで、本発明は筒内直接噴射式内燃機関の均質燃焼において、燃料分布の均質化を促進可能な筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、内燃機関のピストンによって画成される燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（１４）と、前記燃焼室内のガス流動強さを予測する予測手段（Ｓ１０３、Ｓ１０４）と、燃焼室内のガス流動強さに応じて前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段（Ｓ１０６、Ｓ１０７）と、を備える。

本発明は、内燃機関のピストンによって画成される燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室内のガス流動強さとして、機関回転数及び吸気弁リフト量に基づいて吸気弁近傍のガス流動強さを予測し、機関回転数に基づいてピストン挙動によるガス流動強さを予測する予測手段と、前記予測手段によって予測した吸気弁近傍のガス流動強さとピストン挙動によるガス流動強さとに応じて前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段と、を備える。

（第１実施形態）
以下、図面に基づき本発明の第一実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態におけるエンジンの構成図であり、１はエンジン、２はシリンダブロックである。

シリンダブロック２には、複数のシリンダ３が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド４が固定されている。シリンダ３内には、ピストン５が摺動可能に嵌合しており、このピストン５の上方に燃焼室６が形成されている。

シリンダヘッド４には、燃焼室６に開口する吸気ポート７および排気ポート８が形成されているとともに、各ポート７、８を開閉する吸気弁９および排気弁１０が設けられている。吸気弁９は吸気弁用カム１１によって開閉駆動され、排気弁１０は排気弁用カム１２によって開閉駆動される。

シリンダヘッド４には、その先端が燃焼室６内に臨むようにして点火プラグ１３がシリンダ３の略中央に対峙に配置される。

また、電磁式の燃料噴射弁１４が吸気ポート７の直ぐ下側に、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で配置されており、燃焼室６内に直接燃料を噴射するように、その先端部が燃焼室６内に臨んでいる。

さらに、エンジン１は、吸気弁９の作動角および作動角の位相を可変的に制御可能な可変動弁機構１６と、ピストン５のストローク特性を変化させて圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構１７とを備える。

点火プラグ１３、燃料噴射弁１４、可変動弁機構１６、可変圧縮比機構１７は、エンジンコントロールユニット１５（以下、「ＥＣＵ１５」と称す）によって制御される。ＥＣＵ１５は、エンジン回転速度や負荷等に応じて、要求燃料噴射量及び噴射時期を計算し、図示しない燃料ポンプに要求する燃圧を発生させ、噴射弁駆動信号を出力して燃料噴射を制御するとともに、エンジン回転速度や負荷等に応じて点火信号を出力して図示しない点火コイルを駆動制御し、点火プラグ１３を放電させて点火を制御する。

可変圧縮比機構１７の構成図である図２に基づいて、その構成および動作を説明する。

クランクシャフト２１は、複数のジャーナル２１ａとクランクピン２１ｂとを備えている。ジャーナル２１ａは、シリンダブロック２の図示しない主軸受に回転自在に支持されている。クランクピン２１ｂはジャーナル２１ａから所定量偏心しており、ここに第２リンクとなるロアーリンク２２の中央部が回転自在に連結されている。

ロアーリンク２２は、左右の２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔にクランクピン２１ｂが嵌合している。

第１リンクとなるアッパーリンク２３は、下端側が第１連結ピン２４によりロアーリンク２２の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン２５によりピストン５に回動可能に連結されている。ピストン５は燃焼圧力を受け、シリンダブロック２のシリンダ３内を往復運動する。

第３リンクとなるコントロールリンク２６は、上端側が第２連結ピン２７によりロアーリンク２２の他端に回動可能に連結され、下端側がコントロールシャフト２８を介して機関本体の一部となるシリンダブロック２の下部に回動可能に連結されている。

コントロールリンク２６の下端側には偏心スリーブ軸受（図示省略）が設けられており、この偏心スリーブ軸受にコントロールシャフト２８の偏心軸部２９が回転可能に挿入されている。コントロールシャフト２８は、モータ付アクチュエータ３０によって回転させられる。

コントロールシャフト２８がモータ付アクチュエータ３０によって回動されると、偏心軸部２９の中心位置が変化し、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク２６の下端の揺動支持位置が変化する。

そして、コントロールリンク２６の揺動支持位置が変化すると、ピストン５の行程が変化し、ピストン上死点におけるピストン５の位置が高くなったり、低くなったりする（図３参照）。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。

高圧縮比制御時は、図３（イ）に示すように、コントロールリンク２６は偏心軸部２９によって下方向へ下げられ、これによってロアーリンク２２は時計回りに移動し、第１連結ピン２４が上げられるので、ピストン５の上死点の位置が上昇する。

低圧縮比制御時は、図３（ロ）に示すように、コントロールリンク２６は偏心軸部２９によって上方向へ上げられ、これによってロアーリンク２２は反時計回りに移動し、第２連結ピン２４が下げられるので、ピストン５の上死点の位置が下降する。

なお、図３（イ）、図３（ロ）は、高圧縮比状態と低圧縮比状態とを代表的に示しているが、可変圧縮比機構１７は、これらの間で圧縮比を連続的に変化可能である。

図４は、可変圧縮比機構におけるピストン特性である。上記のような複リンク式ピストン・クランク機構を用いた可変圧縮比機構１７においてのピストン５の挙動は、図４に示すように、通常リンク機構の場合と比較した場合、通常リンク機構のピストン速度が最大になるのが上死点後８０度付近になるのに対し、可変圧縮比機構１７のピストン速度が最大となる時期は，やや遅角側で上死点後１００〜１２０度付近となる。

可変動弁機構１６の構成を示す図５に基づいて、その構成および動作を説明する。

可変動弁機構１６は、吸気バルブリフト特性を連続的に変更可能な可変動弁機構として、制御軸４１の回転角度を変更することにより、吸気弁９のバルブリフト量および作動角を連続的に変更可能な第１可変動弁機構４２と、吸気弁９の作動角の中心位相を進角側および遅角側へ連続的に変更可能な第２可変動弁機構４３と、を有している。

吸気カムシャフト４４は、プーリ又はスプロケット５３を介してクランクシャフト２１から回転動力が伝達され、クランクシャフト２１の回転に連動して自身の軸回りに回転する。

吸気カムシャフト４４には、吸気弁９のバルブリフタ４５の上方に、吸気弁１０を開閉する揺動カム４６が揺動自在に外嵌、支持されている。

第１可変動弁機構４２は、吸気カムシャフト４４に偏心して固定又は一体形成された円形の偏心カム４７と、吸気カムシャフト４４と平行に気筒列方向へ延びる制御軸４１と、この制御軸４１に偏心して固定又は一体形成された円形の制御カム４８と、この制御カム４８に揺動可能に外嵌して取り付けられるロッカーアーム４９と、このロッカーアーム４９の一端と偏心カム４７とを連携するリング状の第１リンク５０と、ロッカーアーム４９の他端と揺動カム４６の先端とを連携するロッド状の第２リンク５１と、制御軸４１の回転角度を変更する第１アクチュエータ５２と、を有している。

第１リンク５０の一端は偏心カム４７に回転可能に外嵌して取り付けられている。

クランクシャフト２１に連動して吸気カムシャフト４４が回転すると、偏心カム４７に嵌合する第１リンク５０の一端が吸気カムシャフト４４の軸心に対して回転変位して、この第１リンク５０が全体としてほぼ並進作動し、この第１リンク５０に連携するロッカーアーム４９及び第２リンク５１を介して揺動カム４６が所定の揺動角度範囲内で揺動する。

揺動カム４６がバルブリフタ４５を押し下すことにより吸気弁９が開閉する。

そして、第１アクチュエータ５２により制御軸４１の回転角度を変更すると、ロッカーアーム４９の揺動中心となる制御カム４８の中心が制御軸４１の軸心に対して回転変位し、リンク５０，５１を介して揺動カム４６の初期姿勢（揺動範囲の中心位相）が変化する。

これにより、クランク角に対する吸気弁９の作動中心角の位相が略一定のままで、吸気弁１０の作動角及びバルブリフト量が連続的に変化する。

第２可変動弁機構４３は、クランクシャフト３と連動して回転するスプロケット（又はカムプーリ）を含む外部回転体５３と、この外部回転体５３の内部に収容され、吸気カムシャフト４４と一体的に回転する内部回転体（図示省略）と、を有し、油圧によって両回転体を相対回動することにより、クランク角に対する吸気弁９の作動中心角（吸気中心角）の位相、すなわち吸気弁９のバルブタイミングを進角・遅角するものである。

図６は、本発明における吸気弁９および排気弁１０のリフト量である。図６に示すように、可変動弁機構１６を備えた吸気弁９は、エンジン１の運転状態によってリフト量が変更される。すなわち、エンジン１が低負荷の場合は、特性６２に示すようにリフト量を小さくするとともに、閉弁時期を下死点よりも大きく進角させる。これにより、吸気弁９において吸気量を制限できるので、スロットル開度を開くことができ、ポンプロスを低減できる。

可変動弁機構１６は、負荷の上昇とともに吸気弁リフト量を大きくし、閉弁時期を遅角させる。例えば、図６において、エンジン１が中負荷の場合は特性６３に示すように低負荷の特性６２よりもリフト量が大きく、閉弁時期が遅角され、全負荷の場合は特性６４に示すように、中負荷よりもさらにリフト量が大きく、閉弁時期が遅角されるように設定される。

一方、可変動弁機構を有さない排気弁１０のリフト量は特性６１に示すように、負荷に関わらず、クランク角度に対して一意に決まる。

図７は、エンジン１の燃焼室６内のガス流動強さと燃料噴射弁１４による燃料噴射期間の関係を示したグラフである。図７に基づいて、本発明の概念について説明する。

図７のグラフは、横軸がクランク角度、縦軸がガス流動強さによって構成されている。ガス流動強さは、ガス流速×ガス流量で表される。

可変動弁機構１６および可変圧縮比機構１７を有するエンジン１において、燃焼室６内のガス流動を支配する最大因子は、吸気弁９またはピストン５の挙動である。すなわち、図８に示すように、燃焼室６内には、吸気弁９が開いている際に吸気ポート７から燃焼室６に流れ込む空気による吸気弁９近傍のガス流動Ａと、シリンダ３内を上下運動するピストン５の冠面近傍に発生するピストン挙動によるガス流動Ｂの２つの主ガス流動が発生している。吸気弁９近傍のガス流動Ａは、燃料噴射弁１４付近のガス流動強さよりも点火プラグ１３付近のガス流動強さの方が大きい。

本発明の要旨は、これらのガス流動強さに応じて燃料噴射時期を制御することにより、燃焼室６内における燃料分布の均質化の促進を図ることにある。

図７（イ）は、通常バルブリフト量、すなわち、可変動弁機構１６が作動していない場合のガス流量強さと燃料噴射期間を示すグラフである。図６の特性６４に示した通り、全負荷などにおいては吸気弁９のリフト量が最大に設定されるので、燃焼室６内においては、ピストン挙動によるガス流動よりも吸気弁近傍のガス流動が支配的となる。そこで、燃料噴射期間を吸気弁近傍のガス流動強さが大きくなる時期に合わせ、燃料噴射期間の略中心を吸気弁近傍のガス流動強さの最大付近に設定する。

図７（ロ）は、吸気弁のリフト量を中リフトとし、かつ、開閉弁時期を進角させた場合のガス流量強さと燃料噴射期間を示すグラフである。図６の特性６３に示した通り、全負荷より負荷が低い高負荷領域や中負荷などにおいては、吸気弁のリフト量は通常バルブリフト量よりも小さく設定され、かつ、開閉弁時期が進角されるので、吸気弁９から流入するガス流動強さのピークも進角側に移動する。また、この場合でも、燃焼室６内においては、ピストン挙動により生成されるガス流動よりも吸気弁近傍のガス流動が支配的なので、全負荷より負荷が低い高負荷流域や中負荷などにおいては、燃料噴射期間を吸気弁近傍のガス流動強さが大きくなる時期に合わせ、燃料噴射期間の略中心を吸気弁近傍のガス流動強さの最大付近に設定する。

図７（ハ）は、吸気弁のリフト量を小リフト量とし、かつ開閉弁時期が進角させた場合のガス流量強さと燃料噴射期間を示すグラフである。図６の特性６２に示した通り、低負荷などにおいては、吸気弁９のリフト量は、中負荷のときよりもさらに小さく設定され、開閉弁時期は進角される。したがって、吸気弁９より吸入されるガス流動強さは小さくなり、ピストン挙動が生成するガス流動が支配的になる。よって、低負荷などにおいては、燃料噴射期間をピストン挙動によるガス流動強さが大きくなる時期に合わせ、燃料噴射期間の略中心をピストン挙動によるガス流動強さの最大付近に設定する。

図９、図１０は、本実施形態における制御のフローチャートおよび制御に用いるマップである。

図９は、ＥＣＵ１５にて一定の微少時間毎に実施される制御フローである。以下、図９に基づいて、本実施形態における制御について説明する。

まず、ステップＳ１０１において、機関回転数および負荷を読み込む。また、ステップＳ１０２において吸気弁開閉時期およびリフト量を読み込む。なお、可変動弁機構１６により回転並びに負荷に応じて、吸気弁開閉時期およびリフト量は決定されている。

ステップＳ１０３において、吸気弁近傍のガス流動強さを予測する。図１０（イ）は、吸気弁近傍のガス流動強さの予測に使用するマップである。吸気弁近傍のガス流動強さは、機関回転数および吸気弁リフト量により予測が可能であり、図１０（イ）のマップは、横軸が回転数、縦軸が吸気弁リフト量から構成されている。図１０（イ）に示すように、吸気弁近傍のガス流動強さは、機関回転数が高いほど、また、吸気弁リフト量が大きいほど強くなる。

次に、ステップＳ１０４において、ピストン挙動によるガス流動強さを予測する。図１０（ロ）は、ピストン挙動によるガス流動強さの予測に使用するマップである。ピストン挙動によるガス流動強さは、機関回転数から予測が可能であり、図１０（ロ）のマップは、横軸が機関回転数、縦軸がピストン挙動によるガス流動強さから構成されている。図１０（ロ）に示すように、ピストン挙動によるガス流動強さは、機関回転数が高いほど強くなる。

続いて、ステップＳ１０５において、ステップＳ１０３で予測した吸気弁近傍のガス流動強さと、ステップＳ１０４で予測したピストン挙動によるガス流動強さを比較し、吸気弁近傍のガス流動強さがピストン挙動によるガス流動強さよりも大きいか否かを判定する。吸気弁近傍のガス流動強さがピストン挙動によるガス流動強さよりも大きい場合は、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、燃料噴射期間の中心を吸気弁近傍のガス流動強さが最大となる付近、すなわち、吸気弁最大リフト付近に設定し、本フローを終了する。

一方、ステップＳ１０５において、吸気弁近傍のガス流動強さがピストン挙動によるガス流動強さよりも小さい場合は、ステップＳ１０７に進み、燃料噴射期間の中心をピストン挙動によるガス流動強さが最大となる付近、すなわち、ピストン速度が最大となる時期付近に設定し、ステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８では、燃料噴射弁１４の燃料噴射圧力を、吸気弁近傍のガス流動強さがピストン挙動によるガス流動強さよりも大きい場合に比べて高く設定し、本フローを終了する。

上記したように本実施形態によれば、燃焼室６内の最も支配的なガス流動強さに応じて燃料噴射時期を決めているので、強いガス流動場へ燃料が供給され、燃料の気化が促進されて、燃料分布が均質化される。

さらに、燃焼室６内の最も支配的なガス流動強さが最大となる時期に燃料噴射時期の中心を設定するので、最も強いガス流動場へ燃料が供給され、燃料の気化がより促進されて、燃料分布が均質化される。

特に、吸気弁近傍のガス流動強さとピストン挙動によるガス流動強さを予測、比較し、いずれか強さが大きい方のガス流動強さに合わせて燃料を噴射するので、強いガス流動場へ燃料が供給され、燃料の気化が促進されて、燃料及び空気の混合がより一層均質化される。

また、吸気弁近傍のガス流動強さがピストン挙動によるガス流動強さよりも小さい場合は、吸気弁近傍のガス流動強さがピストン挙動によるガス流動強さよりも大きい場合に比べて燃料噴射圧力を高く設定するので、吸気弁近傍のガス流動強さが小さく、燃料分布の均質化を確保するのが困難な場合においても、噴霧の貫徹力が燃焼室６内のガス流動に伝わり、燃焼室６内のガス流動を強化して、燃料分布の均質化を図れる。

さらに、可変圧縮比機構１７のような、ピストン挙動によるガス流動強さが最大となる時期が通常のピストン・クランク機構と比べて遅角され、吸気弁近傍のガス流動強さが最大となる時期とピストン挙動によるガス流動強さが最大となる時期がずれる複リンク式ピストン・クランク機構を備える内燃機関に本発明を適用したので、このようにガス流動強さが最大となる時期がずれる場合においても、燃料分布の均質化に好適な燃料噴射時期を決定することができ、燃料と空気の混合の均質化を促進させることができる。

また、複リンク式ピストン・クランク機構は、通常のピストン・クランク機構に比べてピストンの上死点付近滞在時間が長く、ガス流動強さが強くなるので、複リンク式ピストン・クランク機構を備える内燃機関に本発明を適用することによって、ガス流動強さを利用して燃料分布の均質化を図る本発明の効果をより得ることができる。

加えて、機関圧縮比が高い程、ピストンの上死点付近滞在時間が長くなるので、可変圧縮比機構を備える内燃機関に本発明を適用することによって、ガス流動強さを利用して燃料分布の均質化を図る本発明の効果をより得ることができる。
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について図１１に基づいて説明する。

本実施形態は、ＥＣＵ１５における燃料噴射時期および燃料噴射圧力の決定方法が前記第１の実施形態と相違している。機関構成は第１の実施形態と同じである。図１１は、第２実施形態において燃料噴射時期を求めるための燃料噴射時期マップである。

図１１の燃料噴射時期マップにおいては、横軸が機関負荷、縦軸が燃料噴射時期から構成されており、機関負荷に基づいて燃料噴射時期（期間）を求める。この燃料噴射時期マップでは、吸気弁近傍のガス流動強さとピストン挙動によるガス流動強さの大小が入れ替わる所定の負荷を予め求めておき、所定の負荷よりも低い負荷領域においては、ピストン挙動によるガス流動強さが吸気弁近傍のガス流動強さよりも大きいとして、ピストン挙動によるガス流動強さが最大になる時期に燃料噴射時期が合わさるようにマップを設定してある。

また、所定の負荷よりも高い負荷領域においては、吸気弁近傍のガス流動強さがピストン挙動によるガス流動強さよりも大きいとして、吸気弁付近のガス流動強さが最大になる時期に燃料噴射期間の略中心が合わさるようにマップを設定してある。

図１２は、図１１の燃料噴射時期マップで用いる吸気弁近傍のガス流動強さとピストン挙動によるガス流動強さの大小が入れ替わる所定の負荷と機関回転数の関係を示したグラフである。

吸気弁近傍のガス流動強さは機関回転数及び吸気弁９のリフト量によって決まり、機関回転数が高いほど、また、吸気弁９のリフト量が大きいほど吸気弁近傍のガス流動強さは大きくなる。吸気弁９のリフト量は機関負荷が高いほど大きく設定されるので、図１２に示す通り所定の負荷は機関回転数が高くなるにつれて小さく設定され、ＥＣＵ１５は機関回転数に応じて複数の燃料噴射マップを有している。

燃料噴射圧力は図１３の燃料噴射圧力マップに基づいて決める。この燃料噴射圧力マップは、横軸が機関回転数、縦軸が負荷から構成されている。

境界線７２より低負荷領域では、ポンプロスを低減するために吸気弁９のリフト量変更制御が行われ、リフト量が小さくなるとともに閉弁時期が下死点よりも進角されるので、燃焼室６内のガス流動が弱く、燃焼安定性を確保するのが困難である。よって、機関回転数及び負荷が低いほど燃料噴射圧力を高く設定する。

詳しくは、境界線７２と、図１２に示した所定の負荷のグラフと全く同一である境界線７３とに挟まれた領域では、吸気弁近傍のガス流動強さが支配的であるとみなされるので、燃料噴射圧力は中程度に設定する。また、境界線７３より低負荷領域においては、ピストン挙動によるガス流動が支配的となり、吸気弁近傍のガス流動は弱いとみなされるので、燃料噴射圧力は設定可能な最大値とする。

一方、境界線７２より高負荷領域では、吸気弁９のリフト量変更制御が行われず、リフト量が大きくて燃焼室６内のガス流動が強い。よって、燃焼安定性の確保が容易なため、燃料ポンプの駆動の機械損失を低減すべく、境界線７２より低負荷領域に比べて同機関回転数においては燃料噴射圧力を下げる。しかし、境界線７２より高負荷領域において機関回転数が高く、燃料噴射期間が十分に取れないような場合は、燃料噴射圧力を設定可能な最大値とし、燃料噴射期間が短くなるように設定する。

なお、図１３では燃料噴射圧力を低、中、高の３段階で切り換えているが、連続的に切り換えてもよい。

本実施形態によれば、所定の負荷によって燃料噴射時期の制御を切り換えるので、吸気弁近傍のガス流動強さとピストン挙動によるガス流動強さを予測、比較する必要がなく、制御の切り換えが素早くでき、運転性が向上される。

また、吸気弁９のリフト量が小さく、ガス流動が弱く燃焼安定性を確保できない低負荷域において、機関回転数及び負荷が低いほど燃料噴圧力を高く設定するので、吸気弁近傍のガス流動強さが小さく、燃料分布の均質化を確保するのが困難な場合においても、噴霧の貫徹力が燃焼室６内のガス流動に伝わり、燃焼室６内のガス流動を強化して、燃料分布の均質化を図れる。

さらに、吸気弁９のリフト量が大きくて燃焼室６内のガス流動が強い高負荷領域では、低負荷領域に比べて燃料噴射圧力を低く設定するので、燃料ポンプ駆動の機械損失を低減できる。

加えて、機関回転数が高くなるにつれて所定の負荷を小さくするので、燃料噴射圧力を高く設定する範囲を必要最小限におさえることができる。
（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について図１４および図１５に基づいて説明する。

本実施形態は、特に機関構成が第１および第２の実施形態と相違している。第１の実施形態においては、可変圧縮比機構１７を有するエンジン１に本発明を適用しているが、可変圧縮比機構を持たない複リンク式ピストン・クランク機構内燃機関にも本発明は適用できる。

図１４は、第３実施形態におけるピストンの図である。図１４（イ）はショートスカートピストン７１の斜視図であり、図１４（ロ）は図１４（イ）のＢ−Ｂ断面図であり、図１４（ハ）は図１４（イ）のＣ−Ｃ断面図である。

ショートスカートピストン７１は、図１４に示されているように、ピストンスカートが大幅に短縮されている。

このようなショートスカートピストン７１を使用すれば、図１５（イ）に示すように、カウンターウエイト６２がピストンピン２５の側方を通過できる。このためアッパーリンク２３を最小限の長さとして、ショートスカートピストン７１の下死点位置をクランクシャフト２１に最接近させることで、その分のピストンストロークを拡大することができる。なお、このような構成にするためにはピストンスカート部の強度が課題となるが、図１５(ロ)に示すように、複リンク式ピストン・クランク機構の特性を利用し、ショートスカートピストン７１の上死点位置においてアッパーリンク２３が略直立になるようにすることでショートスカートピストン７１にかかる横方向荷重(スラスト荷重)を低減できる。これにより、ピストンスカート部の強度は確保される。

以上のような複リンク式ピストン-クランク機構内燃機関においても、そのピストン挙動は図４に示したように、通常リンクのピストン-クランク機構に比べて、ピストン速度が最大となる時期が遅角される。

本実施形態のような、ピストン挙動によるガス流動強さが最大となる時期が通常のピストン・クランク機構と比べて遅角され、吸気弁近傍のガス流動強さが最大となる時期とピストン挙動によるガス流動強さが最大となる時期がずれる複リンク式ピストン・クランク機構を有する内燃機関に本発明を適用したので、このようにガス流動強さが最大となる時期がずれる場合においても、燃料分布の均質化に好適な燃料噴射時期を決定することができ、燃料と空気の混合の均質化を促進させることができる。

また、複リンク式ピストン・クランク機構は、通常のピストン・クランク機構に比べてピストンの上死点付近滞在時間が長く、ガス流動強さが強くなるので、複リンク式ピストン・クランク機構に本発明を適用することによって、ガス流動強さを利用して燃料分布の均質化を図る本発明の効果をより得ることができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、本発明の実施形態では、可変動弁機構によって吸気弁近傍のガス流動強さが変化するエンジンに本発明を適用したが、可変動弁機構を有さず、スワールコントロールバルブを吸気ポート内に備えるエンジンに本発明を適用してもよい。この場合、スワールコントロールバルブの開閉度により、燃焼室内に流入する吸気の流動強さが変化し、吸気弁近傍のガス流動強さは、図１６のマップを用いて予測できる。

第１実施形態におけるエンジンの構成図である。 第１実施形態における可変圧縮比機構の構成図である。 第１実施形態における可変圧縮比機構のリンク位置を示した概略図である。 第１実施形態における可変圧縮比機構のピストン特性図である。 第１実施形態における可変動弁機構の構成図である。 第１実施形態における吸気弁および排気弁のリフト量を示すグラフである。 第１実施形態における燃焼室内のガス流動強さと燃料噴射弁による燃料噴射期間の関係を示したグラフである。 第１実施形態における燃焼室内の吸気弁近傍のガス流動とピストン挙動によるガス流動を示す概略図である。 第１実施形態における制御フローチャートである。 同じくその制御に用いるマップである。 第２実施形態における燃料噴射時期を求めるための燃料噴射時期マップである。 第２実施形態における所定の負荷と機関回転数の関係を示すグラフである。 機関回転数と負荷から燃料噴射圧力を決めるための燃料噴射圧力マップである。 第３実施形態におけるショートスカートピストンの図である。 第３実施形態における複リンク式ピストン-クランク機構の構成図である。 スワールコントロールバルブを備えるエンジンにおける吸気弁近傍のガス流動強さを求めるマップである。

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダブロック
３ シリンダ
４ シリンダヘッド
５ ピストン
６ 燃焼室
７ 吸気ポート
８ 排気ポート
９ 吸気弁
１０ 排気弁
１１ 吸気弁用カム
１２ 排気弁用カム
１３ 点火プラグ
１４ 燃料噴射弁
１５ ＥＣＵ
１６ 可変動弁機構
１７ 可変圧縮比機構
２１ クランクシャフト
２１ａ ジャーナル
２１ｂ クランクピン
２２ ロアーリンク
２３ アッパーリンク
２４ 第１連結ピン
２５ ピストンピン
２６ コントロールリンク
２７ 第２連結ピン
２８ コントロールシャフト
２９ 偏心軸部
３０ モータ付アクチュエータ
４１ 制御軸
４２ 第１可変動弁機構
４３ 第２可変動弁機構
４４ 吸気カムシャフト
４５ バルブリフタ
４６ 揺動カム
４７ 偏心カム
４８ 制御カム
４９ ロッカーアーム
５０ 第１リンク
５１ 第２リンク
５２ 第１アクチュエータ
５３ 外部回転体
７１ ショートスカートピストン

Claims (15)

1. 内燃機関のピストンによって画成される燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃焼室内のガス流動強さとして、機関回転数及び吸気弁リフト量に基づいて吸気弁近傍のガス流動強さを予測し、機関回転数に基づいてピストン挙動によるガス流動強さを予測する予測手段と、
   前記予測手段によって予測した吸気弁近傍のガス流動強さとピストン挙動によるガス流動強さとに応じて前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段と、
   を備えることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. 前記燃料噴射制御手段が、前記予測手段が予測した吸気弁近傍のガス流動強さとピストン挙動によるガス流動強さを比較し、いずれか強いと判定した方のガス流動強さに応じて前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. 前記予測手段が、機関回転数が高いほど、また、吸気弁リフト量が大きいほど吸気弁近傍のガス流動強さが強いと判定する請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. 前記予測手段が、機関回転数が高いほど、ピストン挙動によるガス流動強さが強いと判定する請求項２または３に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 前記燃料噴射弁の燃料噴射時期がピストン挙動によるガス流動強さに応じて設定されている場合は、吸気弁近傍のガス流動強さに応じて設定されている場合よりも、前記燃料噴射制御手段が前記燃料噴射弁の燃料噴射圧力を高くする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
6. 前記燃料噴射制御手段が、前記燃料噴射弁による燃料噴射時期を、
   内燃機関の負荷が所定値よりも低い場合はピストン挙動によるガス流動強さに応じて設定し、
   内燃機関の負荷が所定値よりも高い場合は吸気弁近傍のガス流動強さに応じて設定する請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
7. 前記燃料噴射制御手段が、機関回転数及び機関負荷に基づいて燃料噴射圧力を制御し、内燃機関の負荷が前記所定値よりも低い場合は、内燃機関の負荷が前記所定値よりも高い場合に比べて前記燃料噴射圧力を高くする請求項６に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
8. 前記燃料噴射制御手段が、前記所定値を機関回転数が高くなるにつれて小さく設定する請求項６または７に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
9. 前記ピストンに第１連結ピンを介して連結される第１リンクと、
   クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着されるとともに、前記第１リンクに第２連結ピンを介して連結される第２リンクと、
   前記第２リンクに第３連結ピンを介して連結され、シリンダブロックに設けられた支点を中心に揺動する第３リンクとから構成される、
   クランクとピストンとを締結する複リンク式ピストン・クランク機構を備える請求項１ないし８のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
10. 前記複リンク式ピストン・クランク機構が、前記シリンダブロックに設けられた支点の位置を変更し、内燃機関の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構である請求項９に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
11. さらに、吸気弁の作動角および作動角の位相を可変とする可変動弁機構を備える、請求項１ないし１０のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
12. 前記燃料噴射制御手段が、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期の略中心を前記燃焼室内のガス流動強さが最大となる時期に制御する請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
13. 前記ガス流動強さが最大となる時期が、吸気弁近傍のガス流動強さにおいては吸気弁リフト量が最大となる時期であり、ピストン挙動によるガス流動強さにおいてはピストン速度が最大となる時期であるとする請求項１２の筒内直接噴射式内燃機関。
14. 内燃機関のピストンによって画成される燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
    吸気ポート内に設けられ、前記燃焼室内に吸気スワールを生起するスワール生成手段と、
    前記燃焼室内のガス流動強さとして、機関回転数及び前記スワール生成手段の開度に基づいて吸気弁近傍のガス流動強さを予測し、機関回転数に基づいてピストン挙動によるガス流動強さを予測する予測手段と、
    前記予測手段によって予測した吸気弁近傍のガス流動強さとピストン挙動によるガス流動強さとに応じて前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御手段と、
    を備えることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
15. 前記予測手段が、機関回転数が高いほど、また、前記スワール生成手段の開度が小さいほど吸気弁近傍のガス流動強さが強いと判定するとともに、機関回転数が高いほど、ピストン挙動によるガス流動強さが強いと判定する請求項１４に記載の筒内直接噴射式内燃機関。