JP2009299569A - 筒内・ポート噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】効率良く成層燃焼を行うために燃焼室内での火炎伝播を促進させるようにした筒内・ポート噴射式内燃機関を提供する。
【解決手段】筒内・ポート噴射式内燃機関は、機関燃焼室２内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタ３ａと、機関吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路内噴射用インジェクタ３ｂとを具備する。成層燃焼運転時には、吸気行程中に筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行うと共に、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射開始後であって吸気弁１９の閉弁までに吸気通路内噴射用インジェクタから燃料噴射を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、筒内噴射用インジェクタと吸気通路内噴射用インジェクタとを備えた筒内・ポート噴射式内燃機関に関する。

機関燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと機関吸気通路内に燃料噴射を行う吸気通路内噴射用インジェクタとを具備する内燃機関において、機関高負荷運転時には均質燃焼を行うべくポート噴射用インジェクタから燃料噴射を行い、機関低負荷運転時には成層燃焼を行うべく筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行うようにすることが知られている（例えば、特許文献１、２）。

特に、特許文献１に記載の噴射制御装置では、均質燃焼を行う場合には筒内噴射用インジェクタのみから又は筒内噴射用インジェクタ及びポート噴射用インジェクタの両方から燃料噴射を行い、成層燃焼を行う場合には筒内噴射用インジェクタのみから燃料噴射を行うようにしている。いずれにせよ、筒内噴射用インジェクタ及び吸気通路内噴射用インジェクタの二つのインジェクタを具備する内燃機関では、成層燃焼を行う場合、筒内噴射用インジェクタのみから燃料噴射が行われる。

特開２００７−３２３５５号公報 特開２００２−３６４４０９号公報 実開平３−１２９７２６号公報 特開２００５−９０２５８号公報 特開２００４−３５３４６４号公報

ところで、特許文献３には吸気通路内噴射用インジェクタから燃焼噴射を行って成層燃焼を行わせようとする内燃機関が開示されている。この内燃機関は、三つの吸気ポートと、各吸気ポートに対応する三つの吸気弁と、三つの吸気ポートのうち中央に設けられたものに燃料を噴射するインジェクタとを有している。この内燃機関では、インジェクタから中央の吸気ポートを介して流れる空気中に燃料が噴射されて比較的リッチな混合気が生成され、この混合気は燃焼室の中央部に流入し、その後点火プラグにより点火が行われる。これにより、特許文献３に記載された内燃機関では、いわゆる成層燃焼が実現される。

しかしながら、特許文献３に記載された内燃機関のように吸気通路内噴射用インジェクタから燃料噴射を噴射して成層燃焼を行おうとする場合、より効率的に燃焼室内での燃焼を行うために燃焼室内での火炎伝播を促進させる必要がある。

そこで、本発明の目的は、効率良く成層燃焼を行うために燃焼室内での火炎伝播を促進させるようにした筒内・ポート噴射式内燃機関を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、機関燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと、機関吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路内噴射用インジェクタとを具備する筒内・ポート噴射式内燃機関において、成層燃焼運転時には、吸気行程中に筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行うと共に、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射開始後であって吸気弁の閉弁までに吸気通路内噴射用インジェクタから燃料噴射を行う。
第１の発明によれば、先に筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行うことにより、タンブル流を強化させることができると共に燃焼室内の空気全体に燃料を供給することができ、その結果点火後の火炎伝播を促進させることができる。また、吸気通路内噴射用インジェクタから吸気弁の閉弁直前に燃料噴射を行うことにより、吸気通路内噴射用インジェクタから噴射された燃料をより確実に点火プラグ近傍に偏在させることができる。

第２の発明では、第１の発明において、成層燃焼運転時には、吸気弁のリフト量が最大となった時期以降に筒内噴射用インジェクタ及びポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を行う。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、成層燃焼運転と均質燃焼運転とを切替可能であり、均質燃焼運転時にはポート噴射用インジェクタからの燃料噴射開始後に筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を行う。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、各気筒の燃焼室には三つの吸気ポートが連通しており、上記ポート噴射用インジェクタはこれら三つの吸気ポートのうちの中央の吸気ポート内を通過する空気内に燃料噴射を行い、成層燃焼運転時には、中央の吸気ポート内を通過する空気の流量が該中央の吸気ポートの両側にある各吸気ポート内を通過する空気の流量よりも多いときにポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を行う。

第５の発明では、第４の発明において、成層燃焼運転時には、上記中央の吸気ポートに対応する吸気弁の閉弁時期が上記両側にある吸気ポートに対応する吸気弁の閉弁時期よりも遅くされる。

第６の発明では、第４又は５の発明において、成層燃焼運転時には、上記中央の吸気ポートに対応する吸気弁のリフト量が上記両側にある吸気ポートに対応する吸気弁のリフト量よりも大きくされる。

第７の発明では、第４〜６のいずれか一つの発明において、成層燃焼運転時には、上記中央の吸気ポートに対応する吸気弁の開弁期間が上記両側にある吸気ポートに対応する吸気弁の開弁期間よりも長くされる。

第８の発明では、第４〜７のいずれか一つの発明において、上記中央の吸気ポートに対応する吸気弁のバルブ径が上記両側にある吸気ポートに対応する吸気弁のバルブ径よりも大きくされる。

本発明によれば、点火後の火炎伝播を促進させることができると共に吸気通路内噴射用インジェクタから噴射された燃料をより確実に点火プラグ近傍に偏在させることができるため、効率良く成層燃焼を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明では、同様な構成要素については同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の筒内・ポート噴射式内燃機関の全体を表す概略図である。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３ａは各燃焼室２内にそれぞれ燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ（筒内噴射用燃料噴射弁）、３ｂは吸気ポート（吸気通路）内に燃料を噴射するためのポート噴射用インジェクタ（ポート噴射用燃料噴射弁）、４は点火プラグ、５は吸気マニホルド、６は排気マニホルドをそれぞれ示す。吸気マニホルド４は吸気管７を介してエアクリーナ８に連結される。吸気管７内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁９が配置される。一方、排気マニホルド６は排気管１０を介して排気浄化触媒（例えば、三元触媒）１１を内蔵したケーシング１２に連結される。

各気筒について詳しく示す図２を参照すると、１５はシリンダブロック、１６はシリンダブロック１５上に固定されたシリンダヘッド、１７はシリンダブロック１５内で往復動するピストン、２はピストン１７とシリンダヘッド１６との間に形成された燃焼室、１８は一組の吸気ポート、１９は一組の吸気弁、２０は一組の排気ポート、２１は一組の排気弁をそれぞれ示している。シリンダヘッド１６の内壁面の中央部には筒内噴射用インジェクタ３ａが配置され、吸気マニホルド５の吸気枝管５ａにはポート噴射用インジェクタ３ｂが配置される。また、各気筒の吸気弁１９及び排気弁２１はそれぞれ吸気弁駆動装置２２及び排気弁駆動装置２３により開閉駆動され、吸気弁駆動装置２２及び排気弁駆動装置２３はそれぞれ吸気弁１９及び排気弁２１の位相角及び作用角を変更しつつ吸気弁１９及び排気弁２１を開閉することができる。

再び図１を参照すると、各筒内噴射用インジェクタ３ａは燃料リザーバ２５に連結される。この燃料リザーバ２５は燃料供給管２６を介して燃料タンク２７に接続される。燃料供給管２６には電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８が配置され、この燃料ポンプ２８によって燃料タンク２７内の燃料が燃料リザーバ２５に供給される。一方、各ポート噴射用インジェクタ３ｂは燃料リザーバ２９に連結される。この燃料リザーバ２９は燃料供給管３０を介して燃料タンク２７に接続される。燃料供給管３０には電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３１が配置され、この燃料ポンプ３１によって燃料タンク２７内の燃料が燃料リザーバ２９に供給される。

本実施形態では、両インジェクタ３から噴射される燃料を制御する噴射制御装置として電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０が用いられる。ＥＣＵ４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および出力ポート４６を具備する。吸気管７には吸気管７内を通過する空気の流量を検出するエアフロメータ４９が取り付けられ、また排気管１０には排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ５０が取付けられる。これらエアフロメータ４９及び空燃比センサ５０の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。

また、アクセルペダル５１にはアクセルペダル５１の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５２が接続され、負荷センサ５２の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。さらに入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５３が接続され、このクランク角センサ５３により機関回転数が検出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介してインジェクタ３、スロットル弁９駆動用のステップモータ、及び燃料ポンプ２８、３１に接続される。

図３は各気筒内の上面を概略的に示した図である。図３から分かるように、各気筒には三つの吸気開口３４ａ、３４ｂ、３４ｃと、二つの排気開口３５ａ、３５ｂとが設けられている。各吸気開口３４ａ、３４ｂ、３４ｃはそれぞれ対応する吸気ポート１８ａ、１８ｂ、１８ｃに連通し、各排気開口３５ａ、３５ｂはそれぞれ対応する排気ポート２０に連通する。三つの吸気ポート１８ａ、１８ｂ、１８ｃは吸気マニホルド５の一つの吸気枝管５ａに連通する。なお、以下では、三つの吸気開口３４ａ、３４ｂ、３４ｃのうち、中央に位置する吸気開口３４ｂを中央吸気開口とし、中央吸気開口３４ｂの両側に位置する吸気開口３４ａ、３４ｃを側方吸気開口として説明する。また、中央吸気開口３４ｂに連通する吸気ポート１８ｂを中央吸気ポートとし、側方吸気開口３４ａ、３４ｃに連通する吸気ポート１８ａ、１８ｃを側方吸気ポートとして説明する。

図３に示したように、ポート噴射用インジェクタ３ｂは、燃料噴射を行う際に、中央吸気ポート１８ｂ内のみに燃料が供給されるように、すなわち側方吸気ポート１８ａ、１８ｃ内には燃料が供給されることのないように配置される。したがって、ポート噴射用インジェクタ３ｂは、一つの吸気枝管５ａから三つの吸気ポート１８への分岐点よりも下流側に配置されるか、或いはこの分岐点よりも上流側であってポート噴射用インジェクタ３ｂから噴射された燃料が側方吸気ポート１８ａ、１８ｃ内に進入しないような位置に配置される。したがって、本実施形態では、ポート噴射用インジェクタ３ｂから噴射された燃料は、中央吸気ポート１８ｂ及び中央吸気開口３４ｂを介して各気筒の燃料室２内に流入することになる。

本実施形態の内燃機関は、機関運転状態に応じて三つの運転モードで運転せしめられる。機関負荷及び機関回転数が低い場合（例えば、機関運転状態が図４の領域Ｉにある場合）には低燃費モードで運転が行われ、機関負荷及び機関回転数が中程度の場合（例えば、機関運転状態が図４の領域ＩＩにある場合）には低中負荷モードで運転が行われ、機関負荷及び機関回転数が高い場合（例えば、機関運転状態が図４の領域ＩＩＩにある場合）には中高負荷モードで運転が行われる。

ここで、低燃費モードは燃費を高めるべく燃焼室２内において成層燃焼が行われる運転モードである。一方、低中負荷モード及び中高負荷運転モードでは均質燃焼が行われる運転モードであり、このうち低中負荷モードでは筒内吸入空気量の比較的少ない状態で、中高負荷モードでは筒内吸入空気量の比較的多い状態で運転が行われる。

なお、均質燃焼とは、燃焼室全体に亘って混合気の空燃比をほぼ均一にしてから混合気に点火することによって行われる燃焼であり、燃焼室２内の混合気全体の空燃比をほぼ理論空燃比にする必要がある一方で、比較的高い出力を得ることができる。一方、成層燃焼とは、点火プラグ４近傍のみに燃料を偏在させた状態で混合気に点火することによって行われる燃焼であり、燃焼室２内の混合気全体としては非常に薄い（リーン）空燃比で燃焼を行うことができる一方、比較的低い出力しか得ることができない。

以下では、図５〜図１０を参照して、これら三つの運転モードについて説明する。まず、図５及び図６を参照して、低燃費モードについて説明する。図５は、吸気弁１９のバルブリフト、両インジェクタ３ａ、３ｂからの燃料噴射率等のクランク角推移及び点火時期を示す図である。また、図６は、吸気ポート１８及び燃焼室２内における吸気ガス及び噴射燃料の流れを示す概略図である。

図５に示したように、低燃費モードでは、吸気行程後半にまず筒内噴射用インジェクタ３ａからの燃料噴射（以下、「筒内噴射」という）が行われ、その後、吸気行程後半にポート噴射用インジェクタ３ｂからの燃料噴射（以下、「ポート噴射」という）が行われる。特に、本実施形態では、吸気弁１９のバルブリフトが最大となっている時期から、この時期と吸気弁１９の閉弁時期との間の時期ｐまでの期間（図５中の期間Ａ）内に筒内噴射（ＤＦＩ）が行われ、上記時期ｐから吸気弁１９の閉弁時期までの期間（図５中の期間Ｂ）内にポート噴射（ＰＦＩ）が行われる。その後、圧縮上死点直前（図５中の機関Ｃ）において点火プラグ４により燃焼室２内の混合気に対する点火が行われる。

図６（Ａ）は、図５の期間Ａにおける筒内噴射実行時の燃焼室２内の様子を示している。図６中の矢印は吸気ガスの流れを示している。図６（Ａ）に示したように、本実施形態では、筒内噴射用インジェクタ３ａからの燃料の噴射方向は、吸気ポート１８から燃焼室２内への吸気の流入方向と同様な方向、或いは燃焼室２内に生成されるタンブル流の旋回方向と同様な方向となっている。このため、期間Ａ中に筒内噴射用インジェクタ３ａからの燃料噴射によって、燃焼室２内に生成されるタンブル流を強くすることができる。また、吸気行程中に燃焼室２内に直接噴射を行うことによって、空燃比は高いながらも燃料を燃焼室２内全体に拡散させることができる。このように、期間Ａ中に筒内噴射用インジェクタ３ａから燃料噴射を行うと、タンブル流を強化すると共に燃料を拡散させることができ、その結果、点火プラグ４による混合気への点火後に燃焼室２内での火炎伝播が促進される。

図６（Ｂ）は、図５の期間Ｂにおけるポート噴射実行時の燃焼室２内の様子を示している。図６（Ｂ）に示したように、ポート噴射用インジェクタ３ｂからの燃料の噴射は、吸気開口３４に向けて行われる。このため、吸気弁１９の閉弁直前にポート噴射が行われても、ポート噴射された燃料のほとんどは燃焼室２内に流入することになる。そして、吸気弁１９の閉弁直前にポート噴射が行われることから、燃焼室２内に比較的強いタンブル流が発生しているとしても、ポート噴射により供給された燃料のほとんどは圧縮上死点直前において図６（Ｃ）に示したように点火プラグ４近傍に漂うことになり、燃焼室２内には適切な成層混合気が生成される。

したがって、本実施形態の低燃費モードでは、期間Ｂにポート噴射を行うことで適切な成層混合気を生成することができると共に、期間Ａに筒内噴射を行うことで燃焼室２内での混合気の燃焼時における火炎伝播を促進させることができる。このため、燃焼室２内では効率良く成層燃焼が行われ、その結果、燃費が向上せしめられる。

なお、上記実施形態では、吸気行程後半において筒内噴射が完了してからポート噴射が開始されているが、筒内噴射の開始後であれば筒内噴射の完了前にポート噴射を開始してもよい。すなわち、筒内噴射の開始後にポート噴射を開始すれば筒内噴射及びポート噴射は必ずしも上記期間Ａ及びＢに行わなくてもよく、また筒内噴射期間とポート噴射期間とが一時的に重なってもよい。

すなわち、上記期間Ａに限らず、吸気弁１９の開弁時期以降に筒内噴射を行えば、燃焼室２内のタンブル流を強化することができる。したがって、吸気弁１９の開弁時期以降であれば期間Ａよりも前に筒内噴射を行ってもよい。ただし、上記機関Ａに筒内噴射を行うことでタンブル流をより強くすることができる。また、上記期間Ｂに限らず、例えば吸気弁１９のリフト量が最大となる時期以降にポート噴射を行えば、圧縮上死点直前においてポート噴射された燃料の多くを点火プラグ４近傍に集めることができる。したがって、吸気弁１９のリフト量が最大となる時期以降であれば期間Ｂよりも前にポート噴射を行ってもよい。ただし、上記期間Ｂにポート噴射を行うことで、ポート噴射された燃料をより確実に点火プラグ４近傍に集めることができる。

また、低燃費モードでは、必ずしも筒内噴射を行う必要はなく、機関運転状態に応じて筒内噴射を停止してもよい。特に、筒内噴射を行わなくても要求負荷に応じた十分なトルクを発生させることができるような場合、例えばアイドル運転中には筒内噴射を停止してもよい。

次に、図７及び図８を参照して、低中負荷モードについて説明する。図７及び図８はそれぞれ図５及び図６と同様な図である。図７に示したように、低中負荷モードでは、吸気行程開始前までにポート噴射が行われ、その後吸気行程後半から圧縮行程前半までに筒内噴射が行われる。特に、本実施形態では、吸気弁１９の開弁前（リフト開始前）までの期間（図７中の期間Ａ’）内にポート噴射が行われ、吸気弁１９のバルブリフトが最大となっている時期から吸気弁１９の閉弁時期よりも遅い時期ｑまでの期間（図７中の期間Ｂ’）内に筒内噴射が行われる。その後、圧縮上死点直前（図７中の期間Ｃ）において点火プラグ４により燃焼室２内の混合気への点火が行われる。

図８（Ａ）は、図７の期間Ａ’におけるポート噴射実行時の燃焼室２及び吸気ポート１８の様子を示している。図８（Ａ）に示したように、本実施形態では、吸気弁１９の開弁前にポート噴射用インジェクタ３ｂからの燃料噴射が行われるため、噴射された燃料が吸気ポート１８内で空気と混合せしめられることから、燃料と空気とが均質に混合し易くなる。その後、吸気弁１９が開弁せしめられると、吸気ポート１８内で十分に混合された混合気が燃焼室２内に流入せしめられる。

図８（Ｂ）は、図７の期間Ｂ’における筒内噴射実行時の燃焼室２内の様子を示している。上述したように、筒内噴射用インジェクタ３ａから燃料噴射が行われると、燃焼室２内に生成されるタンブル流を強くすることができる。特に、本実施形態では、筒内噴射用インジェクタ３ａからの燃料噴射が吸気行程後半から圧縮工程前半に、すなわち比較的遅くに行われるため、筒内噴射用インジェクタ３ａからの燃料噴射により強化されたタンブル流が弱まる前に点火プラグ４による点火が行われることになる。すなわち、点火時期まで強いタンブル流が持続する。

したがって、本実施形態の低中負荷モードでは、上記期間Ａ’内にポート噴射を行うことで燃料が均質に分布した均質混合気が生成されると共に、上記期間Ｂ’内に筒内噴射を行うことで燃焼室２内において点火時期まで強いタンブル流を持続させることができる。このため、図８（Ｃ）に示したように、点火プラグ４による点火時には燃焼室２内に均質な混合気が分散されると共に強いタンブル流が生じており、よって燃焼室２内では効率良く均質燃焼が行われ、その結果、出力が増大せしめられる。

なお、上記実施形態では、筒内噴射を期間Ｂ’内に行っているが、必ずしも期間Ｂ’内に行わなくてもよく、例えば吸気弁１９のバルブリフトが最大となる時期よりも前や、吸気弁１９の閉弁後に筒内噴射を行ってもよい。ただし、上記期間Ｂ’内に筒内噴射を行うと、燃焼室２内への吸気ガスの流れと筒内噴射用インジェクタ３ａから噴射された燃料の噴流とが互いに打ち消し合うことがないため、タンブル流をより強くすることができる点で効果的である。

最後に、図９及び図１０を参照して、中高負荷モードについて説明する。図９及び図１０はそれぞれ図７及び図８と同様な図である。図９に示したように、中高負荷モードでは、吸気行程前半にポート噴射が行われ、その後、吸気行程後半から圧縮行程前半までに筒内噴射が行われる。特に、本実施形態では、吸気弁１９が開弁時期から吸気弁１９のバルブリフトが最大となっている時期までの期間（図９中の期間Ａ’’）内にポート噴射が行われ、吸気弁１９のバルブリフトが最大となっている時期から吸気弁１９の閉弁時期よりも遅い時期ｑまでの期間（図９中の期間Ｂ’’）内に筒内噴射が行われる。その後、圧縮上死点直前（図９中の期間Ｃ）において点火プラグ４により燃焼室２内の混合気への点火が行われる。

図１０（Ａ）は、図９中の期間Ａ’’におけるポート噴射実行時の燃焼室２及び吸気ポート１８の様子を示している。図１０（Ａ）に示したように、本実施形態では、吸気行程前半にポート噴射用インジェクタ３ｂからの燃料噴射が行われるため、燃料と空気が均質に混合し易くなる。また、燃焼室２内に流入した空気はポート噴射された燃料に気化潜熱を奪われることによりその体積が減少し、よって筒内へ流入する空気の流量が増大する。このため、燃焼室２内には強いタンブル流が発生する。

図１０（Ｂ）は、図９中の期間Ｂ’’における筒内噴射実行時の燃焼室２内の様子を示している。期間Ｂ’’は図７に示した期間Ｂ’と同様な期間であるため、期間Ｂ’’に筒内噴射を行うことで図８（Ｂ）に示した場合と同様に点火時期まで強いタンブル流を持続させることができる。

したがって、本実施形態の中高負荷モードでは、期間Ａ’’にポート噴射を行うことで、燃焼室２への混合気の流入開始時から燃焼室２内に強いタンブル流を発生させることができると共に、期間Ｂ’’に筒内噴射を行うことで燃焼室２内において点火時期まで強いタンブル流を持続させることができる。このため、図１０（Ｃ）に示したように、点火プラグ４による点火時には燃焼室２内には極めて強いタンブル流が生じており、よって混合気への点火後に火炎が伝播し易く、その結果、効率良く燃焼が行われる。

ところで、筒内噴射用インジェクタを有する内燃機関では、成層燃焼を行う際に、成層混合気が適切に形成されるような噴霧形態で筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行うことが考えられる。しかしながら、本実施形態の筒内噴射用インジェクタでは、上述したように燃焼室２内に生成されるタンブル流が強くなるように燃料噴射が行われており、筒内噴射用インジェクタによっては適切に成層燃焼を行わせることができない。すなわち、本実施形態のように燃焼室２内に生成されるタンブル流が強くなるような噴霧形態で筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行う場合、成層燃焼を行う際に筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行っても適切な成層混合気を形成させることが困難である。

これに対して、本実施形態では、成層燃焼を行う際に筒内噴射用インジェクタからではなくポート噴射用インジェクタから燃料噴射を行っているため、上述したような問題が発生せず、よって適切に成層燃焼を行わせることができる。

また、成層燃焼を行う際に筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行う内燃機関では、成層燃焼運転時に筒内噴射用インジェクタから噴射された燃料が燃焼室内全体に拡散してしまうことのないように、ピストンの上面にキャビティが設けられる。このようにピストンの上面にキャビティを設けると、このキャビティが機関高負荷運転時に燃焼室２内で旋回する空気流に対する抵抗となってしまう。一方、本実施形態のように、成層燃焼を行う際にポート噴射用インジェクタから燃料噴射を行う場合には、吸気行程後半にポート噴射用インジェクタから燃料噴射を行うことによって燃料を点火プラグ近傍に偏在させるようにしている。したがって、成層混合気が適切に形成されるような噴霧形態で筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行う内燃機関と異なり、ピストンの上面にキャビティを設ける必要がなく、よって機関高負荷運転時における燃焼室２内で旋回する空気流に対する抵抗を低減することができると共に、ピストンの設計・加工コストを低減することができる。

次に、図１１を参照して本発明の第二実施形態の内燃機関について説明する。第二実施形態の内燃機関の構成は基本的に第一実施形態の内燃機関の構成と同様である。ただし、第二実施形態の内燃機関では、低燃費モードにおいて、中央吸気開口３４ｂに対応する吸気弁（以下、「中央吸気弁」という）１９の開閉弁特性（すなわち、吸気弁の開弁時期、閉弁時期、リフト量、位相角、作用角等）が、側方吸気開口３４ａ、３４ｃに対応する吸気弁（以下、「側方吸気弁」という）１９の開閉弁特性とは異なるものとされる。

図１１に示したように、第二実施形態の内燃機関では、中央吸気弁１９の開弁時期は側方吸気弁１９の開弁時期よりも遅角側とされ、中央吸気弁１９の閉弁時期は側方吸気弁１９の閉弁時期よりも遅角側とされる。さらに、本実施形態では、中央吸気弁１９の開弁期間は側方吸気弁１９の開弁期間とほぼ同一とされる。

また、本実施形態においても、上記実施形態と同様に、吸気行程後半に筒内噴射が行われ、その後、吸気行程後半にポート噴射が行われる。特に、本実施形態では、中央吸気弁１９のバルブリフトが最大となっている時期から、この時期と中央吸気弁１９の閉弁時期との間の時期ｐまでの期間（図１１中の期間Ａ）内に筒内噴射が行われ、上記時期ｐから中央吸気弁１９の閉弁時期までの期間（図１１中の期間Ｂ）内にポート噴射が行われる。その後、圧縮上死点直前（図１１中の期間Ｃ）において点火プラグ４により燃焼室２内の混合気に対する点火が行われる。

本実施形態のように、中央吸気弁１９の開弁期間を側方吸気弁１９の開弁期間よりも遅角側にシフトさせると、時期ｒ以降においては中央吸気弁１９のリフト量の方が、側方吸気弁１９のリフト量よりも大きくなる。このため、時期ｒから全ての吸気弁が閉弁するまでの間は、側方吸気開口３４ａ、３４ｃを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスの流量よりも、中央吸気開口３４ｂを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスの流量の方が多くなる。このように、中央吸気開口３４ｂを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスの流量が多いと、中央吸気開口３４ｂを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスは、側方吸気開口３４ａ、３４ｃを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスの影響を受けにくくなり、比較的安定して燃焼室２内の中央領域に流入することになる。これにより、中央吸気開口３４ｂを通って燃焼室２内に流入する吸気ガス中に噴射された燃料が燃焼室２内に分散してしまうことが抑制され、よって良好な成層混合気を生成することができるようになる。

なお、上述した実施形態では、中央吸気弁１９のリフト量が最大となっている時期から時期ｐまでの期間Ａ内に筒内噴射を行い、時期ｐから中央吸気弁１９の閉弁時期までの期間Ｂ内にポート噴射を行うこととしている。しかしながら、期間Ａよりも前に筒内噴射を行ってもよい（例えば、図１１中の期間ａ）。また、中央吸気弁１９のリフト量が両側方吸気弁１９のリフト量よりも大きくなった時期ｒ以降にポート噴射を行えば、圧縮上死点直前においてポート噴射された燃料の多くを点火プラグ４近傍に集めることができるため、中央吸気弁１９のリフト量が両側方吸気弁１９のリフト量よりも大きくなった時期ｒ以降であれば期間Ｂよりも前にポート噴射を行ってもよい（例えば、図１１中の期間ｂ）。

次に、図１２を参照して上記第二実施形態の変更例について説明する。本変更例では、低燃費モードにおいて、中央吸気弁１９の開弁期間を側方吸気弁１９の開弁期間よりも遅角側にシフトさせる代わりに、中央吸気弁１９のリフト量を側方吸気弁１９のリフト量よりも大きくしている。図１２に示したように、本変更例では、中央吸気弁１９と側方吸気弁１９とはその開弁期間が同一（すなわち、開弁時期及び閉弁時期が同一）であるが、開弁期間全体に亘って中央吸気弁１９のリフト量が側方吸気弁１９のリフト量よりも大きいものとされる。

本変更例のように、吸気弁１９の開弁期間全体に亘って中央吸気弁１９のリフト量を側方吸気弁１９のリフト量よりも大きくさせると、吸気弁１９の開弁期間全体に亘って側方吸気開口３４ａ、３４ｃを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスの流量よりも中央吸気開口３４ｂを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスの流量の方が多くなる。したがって、上述した第二実施形態と同様に、中央吸気開口３４ｂを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスは比較的安定して燃焼室２内の中央領域に流入することになる。

次に、図１３を参照して上記第二実施形態の別の変更例について説明する。本変更例では、低燃費モードにおいて、中央吸気弁１９の開弁期間を側方吸気弁１９の開弁期間よりも遅角側にシフトさせる代わりに、中央吸気弁１９の開弁時間を側方吸気弁１９の開弁時間よりも長くしている。図１３に示したように、本変更例では、中央吸気弁１９の開弁時期は側方吸気弁１９の開弁時期とほぼ同一の時期とされるが、中央吸気弁１９の閉弁時期は側方吸気弁１９の閉弁時期よりも遅角側とされる。

本変更例のように、中央吸気弁１９の開弁時間を側方吸気弁１９の開弁時間よりも長くすると、中央吸気弁１９のリフト量が両側方吸気弁１９のリフト量よりも大きくなった時期ｒ以降においては中央吸気弁１９のリフト量の方が、側方吸気弁１９のリフト量よりも大きくなる。このため、時期ｒから全ての吸気弁１９が閉弁するまでの間は、側方吸気開口３４ａ、３４ｃを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスの流量よりも、中央吸気開口３４ｂを通って燃焼室２内に流入する吸気ガスの流量の方が多くなる。これにより、上述したように燃焼室２内に流入した燃料が燃焼室２内に分散してしまうことが抑制され、よって良好な成層混合気を生成することができるようになる。

次に、図１４を参照して、上記第二実施形態の更なる別の変更例について説明する。本変更例では、中央吸気開口３４ｂ’の直径が側方吸気開口３４ａ’、３４ｃ’の直径よりも大きいものとされる。このため、燃焼室２内に吸気ガスが流入する際には、側方吸気開口３４ａ’、３４ｃ’を通って流れる吸気ガスの流量よりも中央吸気開口３４ｂ’を通って流れる吸気ガスの流量の方が多くなる。これにより、低燃費モードにおいては、上述したように燃焼室２内に流入した燃料が燃焼室２内に分散してしまうことが抑制され、よって良好な成層混合気を生成することができるようになる。

なお、上述した第二実施形態及びその変更例又は変更例同士を互いに組み合わせて用いることも可能である。例えば、中央吸気開口の直径を側方吸気開口の直径よりも大きくすると共に、低燃費モードにおいて中央吸気弁１９の開弁期間が側方吸気弁１９の開弁期間よりも遅角側にシフトさせるようにしてもよい。

筒内・ポート噴射式内燃機関の全体を表す概略図である。 筒内・ポート噴射式内燃機関の概略断面図である。 各気筒内の上面を概略的に示した図である。 各運転モードでの運転領域を示す図である。 低燃費モードにおける両インジェクタからの燃料噴射率の推移等を示す図である。 低燃費モードにおける吸気ポート及び燃焼室内における吸気ガス及び噴射燃料の流れを示す概略図である。 低中負荷モードにおける両インジェクタからの燃料噴射率の推移等を示す図である。 低中負荷モードにおける吸気ポート及び燃焼室内における吸気ガス及び噴射燃料の流れを示す概略図である。 中高負荷モードにおける両インジェクタからの燃料噴射率の推移等を示す図である。 中高負荷モードにおける吸気ポート及び燃焼室内における吸気ガス及び噴射燃料の流れを示す概略図である。 第二実施形態における低燃費モードでの両インジェクタからの燃料噴射率の推移等を示す図である。 第二実施形態の変更例における低燃費モードでの両インジェクタからの燃料噴射率の推移等を示す図である。 第二実施形態の別の変更例における低燃費モードでの両インジェクタからの燃料噴射率の推移等を示す図である。 第二実施形態の更なる別の変更例における各気筒内の上面を概略的に示した図である。

符号の説明

１ 機関本体
２ 燃焼室
３ａ 筒内噴射用インジェクタ
３ｂ ポート噴射用インジェクタ
４ 点火プラグ
５ 吸気マニホルド
５ａ 吸気枝管
１８ 吸気ポート
１９ 吸気弁
２０ 排気ポート
２１ 排気弁
３４ 吸気開口
３５ 排気開口
４０ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 機関燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと、機関吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路内噴射用インジェクタとを具備する筒内・ポート噴射式内燃機関において、
   成層燃焼運転時には、吸気行程中に筒内噴射用インジェクタから燃料噴射を行うと共に、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射開始後であって吸気弁の閉弁までに吸気通路内噴射用インジェクタから燃料噴射を行う、筒内・ポート噴射式内燃機関。
2. 成層燃焼運転時には、吸気弁のリフト量が最大となった時期以降に筒内噴射用インジェクタ及びポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を行う、請求項１に記載の筒内・ポート噴射式内燃機関。
3. 成層燃焼運転と均質燃焼運転とを切替可能であり、
   均質燃焼運転時にはポート噴射用インジェクタからの燃料噴射開始後に筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を行う、請求項１又は２に記載の筒内・ポート噴射式内燃機関。
4. 各気筒の燃焼室には三つの吸気ポートが連通しており、上記ポート噴射用インジェクタはこれら三つの吸気ポートのうちの中央の吸気ポート内を通過する空気内に燃料噴射を行い、
   成層燃焼運転時には、中央の吸気ポート内を通過する空気の流量が該中央の吸気ポートの両側にある各吸気ポート内を通過する空気の流量よりも多いときにポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒内・ポート噴射式内燃機関。
5. 成層燃焼運転時には、上記中央の吸気ポートに対応する吸気弁の閉弁時期が上記両側にある吸気ポートに対応する吸気弁の閉弁時期よりも遅くされる、請求項４に記載の筒内・ポート噴射式内燃機関。
6. 成層燃焼運転時には、上記中央の吸気ポートに対応する吸気弁のリフト量が上記両側にある吸気ポートに対応する吸気弁のリフト量よりも大きくされる、請求項４又は５に記載の筒内・ポート噴射式内燃機関。
7. 成層燃焼運転時には、上記中央の吸気ポートに対応する吸気弁の開弁期間が上記両側にある吸気ポートに対応する吸気弁の開弁期間よりも長くされる、請求項４〜６のいずれか１項に記載の筒内・ポート噴射式内燃機関。
8. 上記中央の吸気ポートに対応する吸気弁のバルブ径が上記両側にある吸気ポートに対応する吸気弁のバルブ径よりも大きくされる、請求項４〜７のいずれか１項に記載の筒内・ポート噴射式内燃機関。

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