JP3842047B2 - 直接噴射式内燃機関における吸気成層化方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を燃焼室に噴射する直接噴射式内燃機関において、燃焼室の吸気を成層化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気還流装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関において、特開平１１−１４８４２９号公報に開示されているように、排気中の有害物質を低減するため、燃焼室の吸気を成層化する技術が提案されている。
【０００３】
燃焼室は、同一方向のスワール流を同心状に形成する２個の吸気ポートを設け、スワール流の上流側の吸気ポートでは、燃焼室の中心部に小径のスワール流を、下流側の吸気ポートでは、燃焼室の周辺部に大径のスワール流を形成する。
【０００４】
上流側の吸気ポートを通過する吸気には還流排気を混入し、下流側の吸気ポートを通過する吸気には還流排気を混入せず、燃焼室中心部の円柱状領域には、還流排気を混入した吸気を、燃焼室周辺部の円環状領域には、還流排気を混入しない吸気を配置する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術においては、燃焼室に小径のスワール流と大径のスワール流を内外に形成するとしているが、スワール流は、径を拡大させる遠心力があるので、小径のスワール流は、遠心力によって外側に拡大し、燃焼室の周壁によって径が拡大しない大径のスワール流と衝突して混合することになる。従って、燃焼室の中心部の円柱状領域と周辺部の円環状領域に、組成の異なる吸気を配置することは困難である。
【０００６】
また、吸気行程において、燃焼室に小径と大径のスワール流が内外に形成されたとしても、次の圧縮行程には、ピストン頂面の周辺部上の吸気がピストン頂面の中央部のキャビティに流入するスキッシュ流が発生するので、燃焼室周辺部の大径のスワール流は、スキッシュ流によって燃焼室中心側に運ばれ、燃焼室中心部の小径のスワール流と衝突して混合することになる。従って、吸気行程において形成した吸気の内外の成層状態を圧縮行程の終期近傍まで維持することは困難である。
【０００７】
結局、燃料が燃焼室に噴霧されて燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍の時点では、組成の異なる吸気が燃焼室の中心部の円柱状領域と周辺部の円環状領域に配置されているものとは認められない。
【０００８】
燃焼室の吸気が燃料の燃焼開始時に所望の状態に成層化されていなければ、燃焼室における燃料の燃焼を所望の通りに制御することができない。
【０００９】
【課題を解決するための着眼と研究】
１）直接噴射式圧縮着火内燃機関において、燃焼室の吸気中に燃料噴射弁から噴射された燃料流は、根元側部分では、その周囲の空気を燃料流内部に巻き込むと共に、その周囲の空気を燃料流外周に連行し、燃料流に随伴する空気流を誘起する。
【００１０】
また、燃焼室の吸気中に噴射された燃料流は、高速で飛翔しながら、分裂して微粒化し、蒸気になり、蒸気になる先端側部分で燃焼して火炎を生ずる。なお、燃料流は、先端側部分より根元側で燃焼して火炎を生ずる場合もあるが、高温の火炎が大規模に発生する部分は、燃料流の先端側部分である。
【００１１】
燃焼室は、燃料を噴射して燃焼している間、燃料流の根元側に、燃料と空気を混合して混合気を形成する混合気形成領域が形成されると共に、燃料流の先端側に、混合気が激しく燃焼して高温の火炎が大規模に発生する火炎発生領域が形成され、混合気形成領域と火炎発生領域に大別される。
【００１２】
燃焼室の混合気形成領域において形成される混合気の組成は、燃料噴射時ないし燃焼開始時に、混合気形成領域に存在する吸気の組成に影響される。
【００１３】
また、燃焼室の混合気形成領域で形成された混合気は、燃料流ないし混合気流によって燃焼室の火炎発生領域に運ばれる。燃焼室の火炎発生領域は、混合気形成領域から火炎発生領域に運ばれた混合気と、燃焼開始前から火炎発生領域に存在した吸気、及び、火炎発生領域で燃料の燃焼により発生した気体が存在することになり、それらが混在した状態の中で燃料の燃焼が行われる。燃焼室の燃料の燃焼状態は、燃焼開始時に、火炎発生領域に存在する気体の組成に影響される。
【００１４】
換言すると、燃料噴射時ないし燃焼開始時に燃焼室の混合気形成領域に存在する気体に、所望の混合気を形成するのに適した組成の気体を選択すると共に、燃焼開始時に燃焼室の火炎発生領域に存在する気体に、所望の燃焼状態を発生させるのに適した組成の気体を選択すると、燃焼室の燃料の燃焼状態を所望の通りに制御することができる。
【００１５】
即ち、燃焼室の吸気を混合気形成領域と火炎発生領域に成層化することにより、燃焼室の燃料の燃焼状態を制御することができる。
【００１６】
２）燃料流の先端側部分において大規模な高温火炎の発生が始まる火炎発生開始位置は、燃料噴射弁の噴口から燃料流の分裂開始位置までの距離を噴霧分裂距離とすると、燃料噴射弁噴口位置から噴霧分裂距離の１〜１．５倍位離れた位置になる。なお、噴霧分裂距離＝１５．８（燃料密度／空気密度）1/2・（燃料噴射弁噴口径）である。
【００１７】
また、燃料噴射弁は、ピストン頂面と対面する燃焼室天井面の中心部に多数の噴口を配置し、噴射方向は、多数であって放射方向であり、燃焼室の半径方向からピストン頂面側に傾斜し、圧縮行程の終期近傍においてピストン頂面中央部のキャビティの周辺部に向かう。
【００１８】
従って、燃焼室の火炎発生領域は、各燃料噴射方向には燃焼室の燃料噴射弁噴口位置から噴霧分裂距離の約１〜１．５倍以上離れた領域になり、燃焼室の中心軸に対してほぼ対称になる。混合気形成領域は、各燃料噴射方向には燃焼室の燃料噴射弁噴口位置から噴霧分裂距離の約１〜１．５倍以内の領域になり、燃焼室の中心軸に対してほぼ対称になる。
【００１９】
これらのことから、燃料が燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍において、燃料が噴射される燃焼室の天井面中心部を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域と外側の領域に燃焼室の吸気を成層化することができると、上記の内側の領域と外側の領域にそれぞれ所望の組成の吸気を配置することにより、燃料の燃焼状態を制御することができる。
【００２０】
３）複数の吸気ポートで燃焼室に複数の同一方向の吸気スワール流を形成し、燃料を燃焼室にその天井面の中心部からピストン頂面中央部のキャビティの周辺部に向けて噴射する直接噴射式圧縮着火内燃機関において、燃焼室や吸気ポートの形状、従って、吸気のスキッシュ流やスワール流の流動特性を選択して吸気成層化装置を構成すると、吸気を次のように成層化することができる。
【００２１】
吸気行程において、図２に例示するように、スワール流の下流側の吸気ポート３では、燃焼室１の上部にその周壁に沿う第１吸気１１のスワール流を、上流側の吸気ポート４では、燃焼室１の下部にその周壁に沿う第２吸気１２のスワール流を形成する。図４と図５に例示するように、燃焼室１において組成の異なる第１吸気１１のスワール流と第２吸気１２のスワール流が上下に配置された状態は、圧縮行程の中程まで継続される。
【００２２】
スキッシュ流が発生する圧縮行程の後半において、ピストン頂面の周辺部上のスワール流は、スキッシュ流によってピストン頂面の中央部のキャビティ内に運ばれ、径の縮小に伴うスワール方向速度の増加による遠心力によって、キャビティの中心に向かわず、キャビティの周壁に沿って流れ、キャビティの底面に向かう。キャビティは、スキッシュ流の発生前には、全域に第２吸気が存在するが、スキッシュ流が発生すると、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に時間経過順に例示するように、中央領域に第１吸気１１が流入し、周辺領域と底部領域のみに第２吸気１２が存在することになる。
【００２３】
燃料が燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍においては、図１に例示するように、燃焼室１は、燃料が噴射される天井面中心位置を中心とする概略扁平半球面１３内の領域には、第１吸気１１が主に存在し、その外側の領域には、第２吸気１２が主に存在することになる。燃料の燃焼開始時に燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域と外側の領域に、組成の異なる吸気１１、１２が成層化されることになる。
【００２４】
４）排気還流装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関において、燃焼期間中に、燃料噴射弁から噴射される燃料流の根元側部分の周囲に、還流排気を分布させずに、新鮮空気を分布させると、燃料流ないし混合気流によってその先端部に新鮮空気が運ばれ、酸素不足状態で燃焼する燃料流先端部ないしキャビティ谷部に酸素が供給され、酸素濃度がスート（すす）生成抑制値以上に増加して、スートの生成が減少する。だだし、この時、酸素濃度がＮOx（窒素酸化物）生成値までには上昇しないように制御する。また、理論空燃比近傍のリーン側領域で高温燃焼してＮOxが発生する燃焼室のスキッシュエリアとキャビティ周辺部に、還流排気を混入した吸気を分布させると、酸素濃度、燃焼温度が低下して、ＮOxの生成が減少する。
【００２５】
内燃機関の負荷が多くて燃料の噴射終了時期が遅いとき、又は、内燃機関の回転数が高くて逆スキッシュ流が強いときには、燃料は、燃焼室のキャビティ外に流出する割合が高くなり、キャビティ外で酸素不足状態で燃焼し、キャビティ内で酸素過剰状態で燃焼する。すると、キャビティ外で主にスートが発生し、キャビティ内で主にＮOxが発生する。
【００２６】
このようなときには、燃焼室の成層パターンを逆にし、燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域に、還流排気が混入している吸気又は還流排気濃度が濃い吸気を、その外側の領域に、還流排気が混入していない吸気又は還流排気濃度が薄い吸気を配置する。すると、燃焼室のキャビティ外、スキッシュエリアでは、酸素濃度が増加し、スートの生成が抑制されると同時にスートの酸化が促進されて、スートが減少する。だだし、この時、酸素濃度がＮOx生成値までには上昇しないように制御して、ＮOxの増加を防ぐ。
【００２７】
即ち、内燃機関の運転条件に応じて、燃焼室１の成層パターンを変更する必要がある。燃焼室１の成層度も変更する必要がある。
【００２８】
図１〜図６に例示する内燃機関において、運転条件に応じて、スワール流の下流側の吸気ポート３を通過する第１吸気に混入される還流排気の量と、上流側の吸気ポート４を通過する第２吸気に混入される還流排気の量をそれぞれ増減すると、燃焼室１の成層パターンは、変更される。燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域でその外側の領域より還流排気の濃度が低くなる正成層パターンになる。また、燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域でその外側の領域より還流排気の濃度が高くなる逆成層パターンになる。更に、燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域とその外側の領域で還流排気の濃度が等しくなる均質パターンになる。
【００２９】
また、内燃機関の運転条件に応じて、第１吸気に混入される還流排気の量と、第２吸気に混入される還流排気の量をそれぞれ増減すると、燃焼室１の成層度が変更される。概略扁平半球面１３内の還流排気濃度に対する、概略扁平半球面１３外の還流排気濃度の比、成層度が増減する。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
１）複数の吸気ポートで燃焼室に複数の同一方向の吸気スワール流を形成し、燃料を燃焼室にそのピストン頂面と対面する天井面の中心部からピストン頂面中央部のキャビティの周辺部に向けて噴射する直接噴射式内燃機関において、
複数の吸気スワール流は、特定成分の濃度が異なる第１吸気と第２吸気にし、
吸気行程において、燃焼室の上部にその周壁に沿う第１吸気のスワール流を形成し、燃焼室の下部にその周壁に沿うスワール流を形成し、圧縮行程の中程まで、燃焼室において第１吸気のスワール流と第２吸気のスワール流が上下に配置された状態を継続し、
スキッシュ流が発生する圧縮行程の後半に、ピストン頂面中央部のキャビティにおいて、中央領域に第１吸気を流入させ、周辺領域と底部領域に第２吸気を残存させ、
燃料が燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍において、燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域に第１吸気を、外側の領域に第２吸気を主に配置し、内側の領域と外側の領域に、特定成分の濃度が異なる吸気を配置することを特徴とする吸気成層化方法。
【００３１】
２）上記の吸気成層化方法において、
直接噴射式内燃機関の運転条件に応じて、燃焼室の成層パターンを、上記の内側の領域で上記の外側の領域より吸気の特定成分の濃度が低くなる正成層パターン、上記の内側の領域で上記の外側の領域より吸気の特定成分の濃度が高くなる逆成層パターン、又は、上記の内側の領域と上記の外側の領域で吸気の特定成分の濃度が等しくなる均質パターンに変更することを特徴とする。
【００３２】
３）上記の吸気成層化方法において、
直接噴射式内燃機関の運転条件に応じて、燃焼室の成層度、上記の内側の領域における吸気の特定成分の濃度に対する、上記の外側の領域における吸気の特定成分の濃度の比を変更することを特徴とする。
【００３４】
４）上記の吸気成層化方法において、
燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面は、燃料の噴射方向には燃焼室の燃料噴射位置から噴霧分裂距離の１〜１．５倍位離れていることを特徴とする。
【００３５】
【発明の効果】
圧縮行程終期近傍の燃料の燃焼開始時に、燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域と外側の領域に、それぞれ、所望の組成の吸気、所望の成分濃度の吸気を配置し、燃料の燃焼状態を制御することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
［第１例（図１〜図８参照）］
本例の吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関は、図１に示すように、燃焼室１の天井面の中心部に燃料噴射弁２の多数の噴口を配置し、燃焼室１の天井面の一側側に２個の吸気ポート３、４と吸気弁５、６を、他側側に２個の排気ポート７と排気弁８を設け、ピストン頂面の中央部に中心軸対称形状のキャビティ９を形成し、キャビティ９の底面中央部に山部１０を設けている。
【００３７】
燃料噴射弁２は、圧縮行程の終期近傍において、燃料を多数の噴口から放射方向にキャビティ９の周辺部に向けて噴射する。
【００３８】
２個の吸気ポート３、４は、吸気行程において、図２に示すように、燃焼室１に吸気のスワール流１１、１２を同一方向に形成する。スワール流の下流側の吸気ポート３は、図２と図３に示すように、ヘリカルポート形状であり、吸気がほぼ燃焼室１天井面に沿う向きに流出し、燃焼室１の天井面側の上部にその周壁に沿う強い第１吸気のスワール流１１を形成する。上流側の吸気ポート４は、タンジェンシャルポート形状であり、第１吸気のスワール流１１との衝突を避けるため、吸気が斜め下向きに流出し、燃焼室１のピストン頂面側の下部にその周壁に沿う第２吸気のスワール流１２を形成する。
【００３９】
本例の吸気成層化装置においては、吸気行程に、図２に示すように、燃焼室１の上部と下部に、それぞれ、その周壁に沿う第１吸気のスワール流１１、第２吸気のスワール流１２を形成すると、吸気行程の終期に、図４に示すように、燃焼室１に第１吸気のスワール流１１と第２吸気のスワール流１２が上下に成層化される。吸気行程の終期には、上流側の吸気ポート４から最後に流入した第２吸気１２の最後尾部分が燃焼室１の上部に存在するため、第１吸気１１と第２吸気１２の境界面１３は、ピストン頂面に平行する平面にならず、傾斜した凹凸曲面になる。
【００４０】
燃焼室１の組成の異なる第１吸気１１と第２吸気１２は、時間の経過に従って混ざり合い、一方の吸気にのみ含まれていた成分が他方の吸気にも含まれるようになり、その成分の濃度が連続して変化する状態になるので、その成分の濃度がほぼ中間値になる面を第１吸気１１と第２吸気１２の境界面１３とする。
【００４１】
圧縮行程になると、第２吸気１２の最後尾部分が燃焼室１の下部に移動し、第１吸気１１と第２吸気１２の混合が進行し、圧縮行程の中程には、図５に示すように、第１吸気１１と第２吸気１２の境界面１３は、ピストン頂面に平行する平面に近づく。燃焼室１に第１吸気スワール流１１と第２吸気スワール流１２が上下に成層化された状態は、圧縮行程の中程まで継続する。
【００４２】
スキッシュ流が発生する圧縮行程の後半には、ピストン頂面の周辺部上のスワール流は、スキッシュ流によってピストン頂面の中央部のキャビティ９内に運ばれ、径の縮小に伴うスワール方向速度の増加による遠心力によって、キャビティ９の中心に向かわず、キャビティ９の周壁に沿って流れ、キャビティ９の底面に向かう。キャビティ９内は、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に時間経過順に示すように、燃焼室１下部の第２吸気１２が充満した状態から、中央領域に燃焼室１上部の第１吸気１１が流入し、周辺領域と底部領域のみに第２吸気１２が残る。
【００４３】
燃料が燃料噴射弁２から噴射されて燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍には、図１に示すように、燃焼室１の燃料が噴射される天井面中心部を中心とする概略扁平半球面１３の内側の領域には、第１吸気１１が主に存在し、その外側の領域には、第２吸気１２が主に存在する。燃料の燃焼開始時に、燃焼室１の燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面１３の内側の領域と外側の領域に吸気１１、１２が成層化される。
【００４４】
上記の概略扁平半球面１３は、燃料噴射方向の半径を噴霧分裂距離の１〜１．５倍位にすると、燃焼室１の混合気形成領域と火炎発生領域に吸気１１、１２が成層化される。
【００４５】
圧縮行程の終期近傍において、第１吸気１１のスワール流が強過ぎると、図７（ａ）に示すように、第１吸気１１は、スキッシュ流によってキャビティ９の底面に運ばれる際、キャビティ９の周壁を下る逆トロイダル流になり、キャビティ９の底面に流入し、キャビティ９の周壁と底面に存在した第２吸気１２をキャビティ９の中央部に押し退ける。
【００４６】
本例においては、吸気１１、１２のスワール流とスキッシュ流が適度であるので、図７（ｂ）に示すように、第１吸気１１は、キャビティ９の山部１０と周壁の中間部を下るトロイダル流になり、その中間部に存在した第２吸気１２をキャビティ９の周辺領域と底部領域に押し退け、燃焼室１の燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面１３の内外に吸気１１、１２が成層化される。
【００４７】
本例の吸気成層化装置は、吸気１１、１２がこのように成層化されるように、吸気１１、１２のスキッシュ流やスワール流の流動特性を決定する燃焼室１や吸気ポート３、４の形状を選択している。これらの形状によって吸気１１、１２の成層の度合いや境界面１３の形状寸法を制御することができる。
【００４８】
上記の形状には、燃焼室１のキャビティ９形状、ピストン頂面周辺部と天井面周辺部との間の間隔や、天井面からの吸気弁５、６下面の凹み量が例示される。
【００４９】
模擬実験例
本例の吸気成層化装置において、燃焼室１に下流側の吸気ポート３から流入する第１吸気１１を新鮮空気１００％にし、上流側の吸気ポート４から流入する第２吸気１２を新鮮空気５０％と還流排気５０％にした場合について、圧縮行程の終期における燃焼室１の還流排気濃度の分布を数値計算により求めた。
【００５０】
図８はその結果を示し、同図（ｂ）は下流側と上流側の吸気ポート３、４の間を通る燃焼室１の中央縦断面、同図（ａ）はその中央縦断面に直交する中央縦断面における還流排気濃度（ＥＧＲ率）の分布を明度で示す。
【００５１】
これらの図から明らかなように、圧縮行程の終期に、燃焼室１の還流排気濃度分布の等高面が燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面状に現れ、燃料噴射位置に近付くに従って還流排気濃度が薄くなり、還流排気濃度の分布がほぼ軸対称になる。燃焼室１の吸気は、燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面の内外に吸気１１、１２が成層化されることを示している。
【００５２】
［第２例（図９参照）］
本例の吸気成層化装置は、第１例のそれにおいて、吸気の成層度を高めるため、下流側と上流側の吸気ポート３、４で吸気弁５、６の開放期間をずらす。
【００５３】
燃焼室１の上部に第１吸気１１を流入させる下流側の吸気ポート３では、図９に示すように、吸気弁５を遅い時期に開いて遅い時期に閉じる。燃焼室１の下部に第２吸気１２を流入させる上流側の吸気ポート４では、吸気弁６を早い時期に開いて早い時期に閉じる。
【００５４】
吸気行程の前期には、上流側の吸気ポート４の吸気弁６のみが開放し、燃焼室１の下部に配置する第２吸気１２のみが燃焼室１に流入する。吸気行程の中期には、両者の吸気ポート３、４の吸気弁５、６が開放して第１吸気１１と第２吸気１２が燃焼室１に流入する。吸気行程の後期には、下流側の吸気ポート３の吸気弁５のみが開放し、燃焼室１の上部に配置する第１吸気１１のみが燃焼室１に流入する。
【００５５】
下流側と上流側の吸気ポート３、４で吸気弁５、６の開放期間が一致する第１例の場合に比較して、吸気行程の終期に第１吸気１１と第２吸気１２が上下に成層化される度合いが高くなり、圧縮行程の終期に吸気１１、１２が燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面１３の内外に成層化される度合いが高くなる。
【００５６】
その他の点は、第１例におけるのと同様である。
【００５７】
［第３例（図１０参照）］
本例の吸気成層化装置は、第１例のそれにおいて、吸気の成層度を高めるため、上流側の吸気ポート４の片側のみから第２吸気１２を燃焼室１に流入させる。
【００５８】
上流側の吸気ポート４においては、吸気が斜め下向きに流出して燃焼室１の周壁に斜めに衝突し、燃焼室１下部の周壁に沿うスワール流になる。タンジェンシャルポート形状の吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分を流出する吸気の方が、燃焼室１中心側部分を流出する吸気より、燃焼室１の周壁に衝突するまでの距離が短く、燃焼室１の下部に流入し易い。
【００５９】
そこで、上流側の吸気ポート４は、図１０に示すように、燃焼室１の周壁側部分と中心側部分に２分割する仕切り壁２１を設け、吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分に、還流排気のような特定成分の濃度を高くした第２吸気１２を流し、吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分から第２吸気１２を燃焼室１の下部に流入させる。吸気ポート４の燃焼室１中心側部分には、上流側の吸気ポート３と同様に第１吸気１１を流し、吸気ポート４の燃焼室１中心側部分から第１吸気１１を燃焼室１に流入させる。
【００６０】
吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分から燃焼室１に流入する第２吸気１２は、気流が細くなって、第１吸気１１と混合し難くなる。
【００６１】
上流側の吸気ポート４の全体から第２吸気１２を燃焼室１に流入させる第１例の場合に比較して、吸気行程の終期に第１吸気１１と第２吸気１２が上下に成層化される度合いが高くなり、圧縮行程の終期に吸気１１、１２が燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面１３の内外に成層化される度合いが高くなる。
【００６２】
その他の点は、第１例におけるのと同様である。
【００６３】
［第４例］
本例の吸気成層化装置は、第１例のそれにおいて、吸気の成層度を高めるため、燃焼室１の下部又は上部に吸気が流入し易いサブポートを設ける。
【００６４】
第３例における、燃焼室１の下部に吸気が流入し易い吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分と同様な補助吸気ポートを設け、補助吸気ポートから燃焼室１の下部に、特定成分の濃度を高くした第２吸気１２を流入させる。
【００６５】
［第５例（図１１参照）］
本例の吸気成層化装置は、第１例のそれにおいて、内燃機関の運転条件に応じて、燃焼室１の吸気の成層パターンと成層度を変更する。
【００６６】
第１例の内燃機関において、スワール流の下流側の吸気ポート３に接続した第１吸気通路２３に、図１１に示すように、第１流量制御弁２４を介して第１排気還流通路２５を接続し、また、上流側の吸気ポート４に接続した第２吸気通路２６に、第２流量制御弁２７を介して第２排気還流通路２８を接続する。第１流量制御弁２４の開度と第２流量制御弁２７の開度をそれぞれ内燃機関の運転条件に応じて制御する装置２９を設ける。
【００６７】
内燃機関の運転条件に応じて、第１流量制御弁２４の開度と第２流量制御弁２７の開度をそれぞれ制御すると、下流側の吸気ポート３を通過する第１吸気に混入される還流排気の量と、上流側の吸気ポート４を通過する第２吸気に混入される還流排気の量がそれぞれ増減し、燃焼室１の成層パターンは、変更される。燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域でその外側の領域より還流排気の濃度が低くなる正成層パターンになる。また、燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域でその外側の領域より還流排気の濃度が高くなる逆成層パターンになる。更に、燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域とその外側の領域で還流排気の濃度が等しくなる均質パターンになる。
【００６８】
また、内燃機関の運転条件に応じて、第１流量制御弁２４の開度と第２流量制御弁２７の開度をそれぞれ制御すると、燃焼室１の成層度が変更される。概略扁平半球面１３内の還流排気濃度に対する、概略扁平半球面１３外の還流排気濃度の比、具体的には、概略扁平半球面１３内の燃料噴射位置の還流排気濃度に対する、概略扁平半球面１３外のキャビティ底部周辺領域の還流排気濃度の比、成層度が増減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例における吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関の概略縦断面図。
【図２】同内燃機関における吸気行程中程の燃焼室の概略斜視図。
【図３】同内燃機関における燃焼室の概略平面図。
【図４】同内燃機関における吸気行程終期の燃焼室の概略斜視図。
【図５】同内燃機関における圧縮行程中程の燃焼室の概略斜視図。
【図６】同内燃機関における圧縮行程終期近傍の燃焼室の概略縦断面図で、吸気の流動状態を示す図。
【図７】内燃機関における圧縮行程終期の燃焼室の概略縦断面図で、吸気の流動状態を示す図。
【図８】同内燃機関における模擬実験例の圧縮行程終期の吸気成層化状態を示す図。
【図９】実施形態の第２例における吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関の吸気弁揚程図。
【図１０】第３例における吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関の燃焼室の概略平面図。
【図１１】第５例における吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関の吸気通路部分の概略図。
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ 燃料噴射弁
３ スワール流の下流側の吸気ポート
４ スワール流の上流側の吸気ポート
５ スワール流の下流側の吸気弁
６ スワール流の上流側の吸気弁
９ キャビティ
１１ 第１吸気
１２ 第２吸気
１３ 第１吸気と第２吸気の境界面、概略扁平半球面
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を燃焼室に噴射する直接噴射式内燃機関において、燃焼室の吸気を成層化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気還流装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関において、特開平１１−１４８４２９号公報に開示されているように、排気中の有害物質を低減するため、燃焼室の吸気を成層化する技術が提案されている。
【０００３】
燃焼室は、同一方向のスワール流を同心状に形成する２個の吸気ポートを設け、スワール流の上流側の吸気ポートでは、燃焼室の中心部に小径のスワール流を、下流側の吸気ポートでは、燃焼室の周辺部に大径のスワール流を形成する。
【０００４】
上流側の吸気ポートを通過する吸気には還流排気を混入し、下流側の吸気ポートを通過する吸気には還流排気を混入せず、燃焼室中心部の円柱状領域には、還流排気を混入した吸気を、燃焼室周辺部の円環状領域には、還流排気を混入しない吸気を配置する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術においては、燃焼室に小径のスワール流と大径のスワール流を内外に形成するとしているが、スワール流は、径を拡大させる遠心力があるので、小径のスワール流は、遠心力によって外側に拡大し、燃焼室の周壁によって径が拡大しない大径のスワール流と衝突して混合することになる。従って、燃焼室の中心部の円柱状領域と周辺部の円環状領域に、組成の異なる吸気を配置することは困難である。
【０００６】
また、吸気行程において、燃焼室に小径と大径のスワール流が内外に形成されたとしても、次の圧縮行程には、ピストン頂面の周辺部上の吸気がピストン頂面の中央部のキャビティに流入するスキッシュ流が発生するので、燃焼室周辺部の大径のスワール流は、スキッシュ流によって燃焼室中心側に運ばれ、燃焼室中心部の小径のスワール流と衝突して混合することになる。従って、吸気行程において形成した吸気の内外の成層状態を圧縮行程の終期近傍まで維持することは困難である。
【０００７】
結局、燃料が燃焼室に噴霧されて燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍の時点では、組成の異なる吸気が燃焼室の中心部の円柱状領域と周辺部の円環状領域に配置されているものとは認められない。
【０００８】
燃焼室の吸気が燃料の燃焼開始時に所望の状態に成層化されていなければ、燃焼室における燃料の燃焼を所望の通りに制御することができない。
【０００９】
【課題を解決するための着眼と研究】
１）直接噴射式圧縮着火内燃機関において、燃焼室の吸気中に燃料噴射弁から噴射された燃料流は、根元側部分では、その周囲の空気を燃料流内部に巻き込むと共に、その周囲の空気を燃料流外周に連行し、燃料流に随伴する空気流を誘起する。
【００１０】
また、燃焼室の吸気中に噴射された燃料流は、高速で飛翔しながら、分裂して微粒化し、蒸気になり、蒸気になる先端側部分で燃焼して火炎を生ずる。なお、燃料流は、先端側部分より根元側で燃焼して火炎を生ずる場合もあるが、高温の火炎が大規模に発生する部分は、燃料流の先端側部分である。
【００１１】
燃焼室は、燃料を噴射して燃焼している間、燃料流の根元側に、燃料と空気を混合して混合気を形成する混合気形成領域が形成されると共に、燃料流の先端側に、混合気が激しく燃焼して高温の火炎が大規模に発生する火炎発生領域が形成され、混合気形成領域と火炎発生領域に大別される。
【００１２】
燃焼室の混合気形成領域において形成される混合気の組成は、燃料噴射時ないし燃焼開始時に、混合気形成領域に存在する吸気の組成に影響される。
【００１３】
また、燃焼室の混合気形成領域で形成された混合気は、燃料流ないし混合気流によって燃焼室の火炎発生領域に運ばれる。燃焼室の火炎発生領域は、混合気形成領域から火炎発生領域に運ばれた混合気と、燃焼開始前から火炎発生領域に存在した吸気、及び、火炎発生領域で燃料の燃焼により発生した気体が存在することになり、それらが混在した状態の中で燃料の燃焼が行われる。燃焼室の燃料の燃焼状態は、燃焼開始時に、火炎発生領域に存在する気体の組成に影響される。
【００１４】
換言すると、燃料噴射時ないし燃焼開始時に燃焼室の混合気形成領域に存在する気体に、所望の混合気を形成するのに適した組成の気体を選択すると共に、燃焼開始時に燃焼室の火炎発生領域に存在する気体に、所望の燃焼状態を発生させるのに適した組成の気体を選択すると、燃焼室の燃料の燃焼状態を所望の通りに制御することができる。
【００１５】
即ち、燃焼室の吸気を混合気形成領域と火炎発生領域に成層化することにより、燃焼室の燃料の燃焼状態を制御することができる。
【００１６】
２）燃料流の先端側部分において大規模な高温火炎の発生が始まる火炎発生開始位置は、燃料噴射弁の噴口から燃料流の分裂開始位置までの距離を噴霧分裂距離とすると、燃料噴射弁噴口位置から噴霧分裂距離の１〜１．５倍位離れた位置になる。なお、噴霧分裂距離＝１５．８（燃料密度／空気密度）1/2・（燃料噴射弁噴口径）である。
【００１７】
また、燃料噴射弁は、ピストン頂面と対面する燃焼室天井面の中心部に多数の噴口を配置し、噴射方向は、多数であって放射方向であり、燃焼室の半径方向からピストン頂面側に傾斜し、圧縮行程の終期近傍においてピストン頂面中央部のキャビティの周辺部に向かう。
【００１８】
従って、燃焼室の火炎発生領域は、各燃料噴射方向には燃焼室の燃料噴射弁噴口位置から噴霧分裂距離の約１〜１．５倍以上離れた領域になり、燃焼室の中心軸に対してほぼ対称になる。混合気形成領域は、各燃料噴射方向には燃焼室の燃料噴射弁噴口位置から噴霧分裂距離の約１〜１．５倍以内の領域になり、燃焼室の中心軸に対してほぼ対称になる。
【００１９】
これらのことから、燃料が燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍において、燃料が噴射される燃焼室の天井面中心部を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域と外側の領域に燃焼室の吸気を成層化することができると、上記の内側の領域と外側の領域にそれぞれ所望の組成の吸気を配置することにより、燃料の燃焼状態を制御することができる。
【００２０】
３）複数の吸気ポートで燃焼室に複数の同一方向の吸気スワール流を形成し、燃料を燃焼室にその天井面の中心部からピストン頂面中央部のキャビティの周辺部に向けて噴射する直接噴射式圧縮着火内燃機関において、燃焼室や吸気ポートの形状、従って、吸気のスキッシュ流やスワール流の流動特性を選択して吸気成層化装置を構成すると、吸気を次のように成層化することができる。
【００２１】
吸気行程において、図２に例示するように、スワール流の下流側の吸気ポート３では、燃焼室１の上部にその周壁に沿う第１吸気１１のスワール流を、上流側の吸気ポート４では、燃焼室１の下部にその周壁に沿う第２吸気１２のスワール流を形成する。図４と図５に例示するように、燃焼室１において組成の異なる第１吸気１１のスワール流と第２吸気１２のスワール流が上下に配置された状態は、圧縮行程の中程まで継続される。
【００２２】
スキッシュ流が発生する圧縮行程の後半において、ピストン頂面の周辺部上のスワール流は、スキッシュ流によってピストン頂面の中央部のキャビティ内に運ばれ、径の縮小に伴うスワール方向速度の増加による遠心力によって、キャビティの中心に向かわず、キャビティの周壁に沿って流れ、キャビティの底面に向かう。キャビティは、スキッシュ流の発生前には、全域に第２吸気が存在するが、スキッシュ流が発生すると、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に時間経過順に例示するように、中央領域に第１吸気１１が流入し、周辺領域と底部領域のみに第２吸気１２が存在することになる。
【００２３】
燃料が燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍においては、図１に例示するように、燃焼室１は、燃料が噴射される天井面中心位置を中心とする概略扁平半球面１３内の領域には、第１吸気１１が主に存在し、その外側の領域には、第２吸気１２が主に存在することになる。燃料の燃焼開始時に燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域と外側の領域に、組成の異なる吸気１１、１２が成層化されることになる。
【００２４】
４）排気還流装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関において、燃焼期間中に、燃料噴射弁から噴射される燃料流の根元側部分の周囲に、還流排気を分布させずに、新鮮空気を分布させると、燃料流ないし混合気流によってその先端部に新鮮空気が運ばれ、酸素不足状態で燃焼する燃料流先端部ないしキャビティ谷部に酸素が供給され、酸素濃度がスート（すす）生成抑制値以上に増加して、スートの生成が減少する。だだし、この時、酸素濃度がＮOx（窒素酸化物）生成値までには上昇しないように制御する。また、理論空燃比近傍のリーン側領域で高温燃焼してＮOxが発生する燃焼室のスキッシュエリアとキャビティ周辺部に、還流排気を混入した吸気を分布させると、酸素濃度、燃焼温度が低下して、ＮOxの生成が減少する。
【００２５】
内燃機関の負荷が多くて燃料の噴射終了時期が遅いとき、又は、内燃機関の回転数が高くて逆スキッシュ流が強いときには、燃料は、燃焼室のキャビティ外に流出する割合が高くなり、キャビティ外で酸素不足状態で燃焼し、キャビティ内で酸素過剰状態で燃焼する。すると、キャビティ外で主にスートが発生し、キャビティ内で主にＮOxが発生する。
【００２６】
このようなときには、燃焼室の成層パターンを逆にし、燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域に、還流排気が混入している吸気又は還流排気濃度が濃い吸気を、その外側の領域に、還流排気が混入していない吸気又は還流排気濃度が薄い吸気を配置する。すると、燃焼室のキャビティ外、スキッシュエリアでは、酸素濃度が増加し、スートの生成が抑制されると同時にスートの酸化が促進されて、スートが減少する。だだし、この時、酸素濃度がＮOx生成値までには上昇しないように制御して、ＮOxの増加を防ぐ。
【００２７】
即ち、内燃機関の運転条件に応じて、燃焼室１の成層パターンを変更する必要がある。燃焼室１の成層度も変更する必要がある。
【００２８】
図１〜図６に例示する内燃機関において、運転条件に応じて、スワール流の下流側の吸気ポート３を通過する第１吸気に混入される還流排気の量と、上流側の吸気ポート４を通過する第２吸気に混入される還流排気の量をそれぞれ増減すると、燃焼室１の成層パターンは、変更される。燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域でその外側の領域より還流排気の濃度が低くなる正成層パターンになる。また、燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域でその外側の領域より還流排気の濃度が高くなる逆成層パターンになる。更に、燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域とその外側の領域で還流排気の濃度が等しくなる均質パターンになる。
【００２９】
また、内燃機関の運転条件に応じて、第１吸気に混入される還流排気の量と、第２吸気に混入される還流排気の量をそれぞれ増減すると、燃焼室１の成層度が変更される。概略扁平半球面１３内の還流排気濃度に対する、概略扁平半球面１３外の還流排気濃度の比、成層度が増減する。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
１）複数の吸気ポートで燃焼室に複数の同一方向の吸気スワール流を形成し、燃料を燃焼室にそのピストン頂面と対面する天井面の中心部からピストン頂面中央部のキャビティの周辺部に向けて噴射する直接噴射式内燃機関において、
複数の吸気スワール流は、特定成分の濃度が異なる第１吸気と第２吸気にし、
吸気行程において、燃焼室の上部にその周壁に沿う第１吸気のスワール流を形成し、燃焼室の下部にその周壁に沿うスワール流を形成し、圧縮行程の中程まで、燃焼室において第１吸気のスワール流と第２吸気のスワール流が上下に配置された状態を継続し、
スキッシュ流が発生する圧縮行程の後半に、ピストン頂面中央部のキャビティにおいて、中央領域に第１吸気を流入させ、周辺領域と底部領域に第２吸気を残存させ、
燃料が燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍において、燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域に第１吸気を、外側の領域に第２吸気を主に配置し、内側の領域と外側の領域に、特定成分の濃度が異なる吸気を配置することを特徴とする吸気成層化方法。
【００３１】
２）上記の吸気成層化方法において、
直接噴射式内燃機関の運転条件に応じて、燃焼室の成層パターンを、上記の内側の領域で上記の外側の領域より吸気の特定成分の濃度が低くなる正成層パターン、上記の内側の領域で上記の外側の領域より吸気の特定成分の濃度が高くなる逆成層パターン、又は、上記の内側の領域と上記の外側の領域で吸気の特定成分の濃度が等しくなる均質パターンに変更することを特徴とする。
【００３２】
３）上記の吸気成層化方法において、
直接噴射式内燃機関の運転条件に応じて、燃焼室の成層度、上記の内側の領域における吸気の特定成分の濃度に対する、上記の外側の領域における吸気の特定成分の濃度の比を変更することを特徴とする。
【００３４】
４）上記の吸気成層化方法において、
燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面は、燃料の噴射方向には燃焼室の燃料噴射位置から噴霧分裂距離の１〜１．５倍位離れていることを特徴とする。
【００３５】
【発明の効果】
圧縮行程終期近傍の燃料の燃焼開始時に、燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域と外側の領域に、それぞれ、所望の組成の吸気、所望の成分濃度の吸気を配置し、燃料の燃焼状態を制御することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
［第１例（図１〜図８参照）］
本例の吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関は、図１に示すように、燃焼室１の天井面の中心部に燃料噴射弁２の多数の噴口を配置し、燃焼室１の天井面の一側側に２個の吸気ポート３、４と吸気弁５、６を、他側側に２個の排気ポート７と排気弁８を設け、ピストン頂面の中央部に中心軸対称形状のキャビティ９を形成し、キャビティ９の底面中央部に山部１０を設けている。
【００３７】
燃料噴射弁２は、圧縮行程の終期近傍において、燃料を多数の噴口から放射方向にキャビティ９の周辺部に向けて噴射する。
【００３８】
２個の吸気ポート３、４は、吸気行程において、図２に示すように、燃焼室１に吸気のスワール流１１、１２を同一方向に形成する。スワール流の下流側の吸気ポート３は、図２と図３に示すように、ヘリカルポート形状であり、吸気がほぼ燃焼室１天井面に沿う向きに流出し、燃焼室１の天井面側の上部にその周壁に沿う強い第１吸気のスワール流１１を形成する。上流側の吸気ポート４は、タンジェンシャルポート形状であり、第１吸気のスワール流１１との衝突を避けるため、吸気が斜め下向きに流出し、燃焼室１のピストン頂面側の下部にその周壁に沿う第２吸気のスワール流１２を形成する。
【００３９】
本例の吸気成層化装置においては、吸気行程に、図２に示すように、燃焼室１の上部と下部に、それぞれ、その周壁に沿う第１吸気のスワール流１１、第２吸気のスワール流１２を形成すると、吸気行程の終期に、図４に示すように、燃焼室１に第１吸気のスワール流１１と第２吸気のスワール流１２が上下に成層化される。吸気行程の終期には、上流側の吸気ポート４から最後に流入した第２吸気１２の最後尾部分が燃焼室１の上部に存在するため、第１吸気１１と第２吸気１２の境界面１３は、ピストン頂面に平行する平面にならず、傾斜した凹凸曲面になる。
【００４０】
燃焼室１の組成の異なる第１吸気１１と第２吸気１２は、時間の経過に従って混ざり合い、一方の吸気にのみ含まれていた成分が他方の吸気にも含まれるようになり、その成分の濃度が連続して変化する状態になるので、その成分の濃度がほぼ中間値になる面を第１吸気１１と第２吸気１２の境界面１３とする。
【００４１】
圧縮行程になると、第２吸気１２の最後尾部分が燃焼室１の下部に移動し、第１吸気１１と第２吸気１２の混合が進行し、圧縮行程の中程には、図５に示すように、第１吸気１１と第２吸気１２の境界面１３は、ピストン頂面に平行する平面に近づく。燃焼室１に第１吸気スワール流１１と第２吸気スワール流１２が上下に成層化された状態は、圧縮行程の中程まで継続する。
【００４２】
スキッシュ流が発生する圧縮行程の後半には、ピストン頂面の周辺部上のスワール流は、スキッシュ流によってピストン頂面の中央部のキャビティ９内に運ばれ、径の縮小に伴うスワール方向速度の増加による遠心力によって、キャビティ９の中心に向かわず、キャビティ９の周壁に沿って流れ、キャビティ９の底面に向かう。キャビティ９内は、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に時間経過順に示すように、燃焼室１下部の第２吸気１２が充満した状態から、中央領域に燃焼室１上部の第１吸気１１が流入し、周辺領域と底部領域のみに第２吸気１２が残る。
【００４３】
燃料が燃料噴射弁２から噴射されて燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍には、図１に示すように、燃焼室１の燃料が噴射される天井面中心部を中心とする概略扁平半球面１３の内側の領域には、第１吸気１１が主に存在し、その外側の領域には、第２吸気１２が主に存在する。燃料の燃焼開始時に、燃焼室１の燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面１３の内側の領域と外側の領域に吸気１１、１２が成層化される。
【００４４】
上記の概略扁平半球面１３は、燃料噴射方向の半径を噴霧分裂距離の１〜１．５倍位にすると、燃焼室１の混合気形成領域と火炎発生領域に吸気１１、１２が成層化される。
【００４５】
圧縮行程の終期近傍において、第１吸気１１のスワール流が強過ぎると、図７（ａ）に示すように、第１吸気１１は、スキッシュ流によってキャビティ９の底面に運ばれる際、キャビティ９の周壁を下る逆トロイダル流になり、キャビティ９の底面に流入し、キャビティ９の周壁と底面に存在した第２吸気１２をキャビティ９の中央部に押し退ける。
【００４６】
本例においては、吸気１１、１２のスワール流とスキッシュ流が適度であるので、図７（ｂ）に示すように、第１吸気１１は、キャビティ９の山部１０と周壁の中間部を下るトロイダル流になり、その中間部に存在した第２吸気１２をキャビティ９の周辺領域と底部領域に押し退け、燃焼室１の燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面１３の内外に吸気１１、１２が成層化される。
【００４７】
本例の吸気成層化装置は、吸気１１、１２がこのように成層化されるように、吸気１１、１２のスキッシュ流やスワール流の流動特性を決定する燃焼室１や吸気ポート３、４の形状を選択している。これらの形状によって吸気１１、１２の成層の度合いや境界面１３の形状寸法を制御することができる。
【００４８】
上記の形状には、燃焼室１のキャビティ９形状、ピストン頂面周辺部と天井面周辺部との間の間隔や、天井面からの吸気弁５、６下面の凹み量が例示される。
【００４９】
模擬実験例
本例の吸気成層化装置において、燃焼室１に下流側の吸気ポート３から流入する第１吸気１１を新鮮空気１００％にし、上流側の吸気ポート４から流入する第２吸気１２を新鮮空気５０％と還流排気５０％にした場合について、圧縮行程の終期における燃焼室１の還流排気濃度の分布を数値計算により求めた。
【００５０】
図８はその結果を示し、同図（ｂ）は下流側と上流側の吸気ポート３、４の間を通る燃焼室１の中央縦断面、同図（ａ）はその中央縦断面に直交する中央縦断面における還流排気濃度（ＥＧＲ率）の分布を明度で示す。
【００５１】
これらの図から明らかなように、圧縮行程の終期に、燃焼室１の還流排気濃度分布の等高面が燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面状に現れ、燃料噴射位置に近付くに従って還流排気濃度が薄くなり、還流排気濃度の分布がほぼ軸対称になる。燃焼室１の吸気は、燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面の内外に吸気１１、１２が成層化されることを示している。
【００５２】
［第２例（図９参照）］
本例の吸気成層化装置は、第１例のそれにおいて、吸気の成層度を高めるため、下流側と上流側の吸気ポート３、４で吸気弁５、６の開放期間をずらす。
【００５３】
燃焼室１の上部に第１吸気１１を流入させる下流側の吸気ポート３では、図９に示すように、吸気弁５を遅い時期に開いて遅い時期に閉じる。燃焼室１の下部に第２吸気１２を流入させる上流側の吸気ポート４では、吸気弁６を早い時期に開いて早い時期に閉じる。
【００５４】
吸気行程の前期には、上流側の吸気ポート４の吸気弁６のみが開放し、燃焼室１の下部に配置する第２吸気１２のみが燃焼室１に流入する。吸気行程の中期には、両者の吸気ポート３、４の吸気弁５、６が開放して第１吸気１１と第２吸気１２が燃焼室１に流入する。吸気行程の後期には、下流側の吸気ポート３の吸気弁５のみが開放し、燃焼室１の上部に配置する第１吸気１１のみが燃焼室１に流入する。
【００５５】
下流側と上流側の吸気ポート３、４で吸気弁５、６の開放期間が一致する第１例の場合に比較して、吸気行程の終期に第１吸気１１と第２吸気１２が上下に成層化される度合いが高くなり、圧縮行程の終期に吸気１１、１２が燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面１３の内外に成層化される度合いが高くなる。
【００５６】
その他の点は、第１例におけるのと同様である。
【００５７】
［第３例（図１０参照）］
本例の吸気成層化装置は、第１例のそれにおいて、吸気の成層度を高めるため、上流側の吸気ポート４の片側のみから第２吸気１２を燃焼室１に流入させる。
【００５８】
上流側の吸気ポート４においては、吸気が斜め下向きに流出して燃焼室１の周壁に斜めに衝突し、燃焼室１下部の周壁に沿うスワール流になる。タンジェンシャルポート形状の吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分を流出する吸気の方が、燃焼室１中心側部分を流出する吸気より、燃焼室１の周壁に衝突するまでの距離が短く、燃焼室１の下部に流入し易い。
【００５９】
そこで、上流側の吸気ポート４は、図１０に示すように、燃焼室１の周壁側部分と中心側部分に２分割する仕切り壁２１を設け、吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分に、還流排気のような特定成分の濃度を高くした第２吸気１２を流し、吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分から第２吸気１２を燃焼室１の下部に流入させる。吸気ポート４の燃焼室１中心側部分には、上流側の吸気ポート３と同様に第１吸気１１を流し、吸気ポート４の燃焼室１中心側部分から第１吸気１１を燃焼室１に流入させる。
【００６０】
吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分から燃焼室１に流入する第２吸気１２は、気流が細くなって、第１吸気１１と混合し難くなる。
【００６１】
上流側の吸気ポート４の全体から第２吸気１２を燃焼室１に流入させる第１例の場合に比較して、吸気行程の終期に第１吸気１１と第２吸気１２が上下に成層化される度合いが高くなり、圧縮行程の終期に吸気１１、１２が燃料噴射位置を中心とする概略扁平半球面１３の内外に成層化される度合いが高くなる。
【００６２】
その他の点は、第１例におけるのと同様である。
【００６３】
［第４例］
本例の吸気成層化装置は、第１例のそれにおいて、吸気の成層度を高めるため、燃焼室１の下部又は上部に吸気が流入し易いサブポートを設ける。
【００６４】
第３例における、燃焼室１の下部に吸気が流入し易い吸気ポート４の燃焼室１周壁側部分と同様な補助吸気ポートを設け、補助吸気ポートから燃焼室１の下部に、特定成分の濃度を高くした第２吸気１２を流入させる。
【００６５】
［第５例（図１１参照）］
本例の吸気成層化装置は、第１例のそれにおいて、内燃機関の運転条件に応じて、燃焼室１の吸気の成層パターンと成層度を変更する。
【００６６】
第１例の内燃機関において、スワール流の下流側の吸気ポート３に接続した第１吸気通路２３に、図１１に示すように、第１流量制御弁２４を介して第１排気還流通路２５を接続し、また、上流側の吸気ポート４に接続した第２吸気通路２６に、第２流量制御弁２７を介して第２排気還流通路２８を接続する。第１流量制御弁２４の開度と第２流量制御弁２７の開度をそれぞれ内燃機関の運転条件に応じて制御する装置２９を設ける。
【００６７】
内燃機関の運転条件に応じて、第１流量制御弁２４の開度と第２流量制御弁２７の開度をそれぞれ制御すると、下流側の吸気ポート３を通過する第１吸気に混入される還流排気の量と、上流側の吸気ポート４を通過する第２吸気に混入される還流排気の量がそれぞれ増減し、燃焼室１の成層パターンは、変更される。燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域でその外側の領域より還流排気の濃度が低くなる正成層パターンになる。また、燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域でその外側の領域より還流排気の濃度が高くなる逆成層パターンになる。更に、燃焼室１の概略扁平半球面１３内の領域とその外側の領域で還流排気の濃度が等しくなる均質パターンになる。
【００６８】
また、内燃機関の運転条件に応じて、第１流量制御弁２４の開度と第２流量制御弁２７の開度をそれぞれ制御すると、燃焼室１の成層度が変更される。概略扁平半球面１３内の還流排気濃度に対する、概略扁平半球面１３外の還流排気濃度の比、具体的には、概略扁平半球面１３内の燃料噴射位置の還流排気濃度に対する、概略扁平半球面１３外のキャビティ底部周辺領域の還流排気濃度の比、成層度が増減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の第１例における吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関の概略縦断面図。
【図２】同内燃機関における吸気行程中程の燃焼室の概略斜視図。
【図３】同内燃機関における燃焼室の概略平面図。
【図４】同内燃機関における吸気行程終期の燃焼室の概略斜視図。
【図５】同内燃機関における圧縮行程中程の燃焼室の概略斜視図。
【図６】同内燃機関における圧縮行程終期近傍の燃焼室の概略縦断面図で、吸気の流動状態を示す図。
【図７】内燃機関における圧縮行程終期の燃焼室の概略縦断面図で、吸気の流動状態を示す図。
【図８】同内燃機関における模擬実験例の圧縮行程終期の吸気成層化状態を示す図。
【図９】実施形態の第２例における吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関の吸気弁揚程図。
【図１０】第３例における吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関の燃焼室の概略平面図。
【図１１】第５例における吸気成層化装置を備えた直接噴射式圧縮着火内燃機関の吸気通路部分の概略図。
【符号の説明】
１ 燃焼室
２ 燃料噴射弁
３ スワール流の下流側の吸気ポート
４ スワール流の上流側の吸気ポート
５ スワール流の下流側の吸気弁
６ スワール流の上流側の吸気弁
９ キャビティ
１１ 第１吸気
１２ 第２吸気
１３ 第１吸気と第２吸気の境界面、概略扁平半球面
Claims (7)
- 複数の吸気ポートで燃焼室に複数の同一方向の吸気スワール流を形成し、燃料を燃焼室にそのピストン頂面と対面する天井面の中心部からピストン頂面中央部のキャビティの周辺部に向けて噴射する直接噴射式内燃機関において、
複数の吸気スワール流は、特定成分の濃度が異なる第１吸気と第２吸気にし、
吸気行程において、燃焼室の上部にその周壁に沿う第１吸気のスワール流を形成し、燃焼室の下部にその周壁に沿うスワール流を形成し、圧縮行程の中程まで、燃焼室において第１吸気のスワール流と第２吸気のスワール流が上下に配置された状態を継続し、
スキッシュ流が発生する圧縮行程の後半に、ピストン頂面中央部のキャビティにおいて、中央領域に第１吸気を流入させ、周辺領域と底部領域に第２吸気を残存させ、
燃料が燃焼を開始する圧縮行程の終期近傍において、燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面の内側の領域に第１吸気を、外側の領域に第２吸気を主に配置し、内側の領域と外側の領域に、特定成分の濃度が異なる吸気を配置することを特徴とする吸気成層化方法。 - 直接噴射式内燃機関の運転条件に応じて、燃焼室の成層パターンを、上記の内側の領域で上記の外側の領域より吸気の特定成分の濃度が低くなる正成層パターン、上記の内側の領域で上記の外側の領域より吸気の特定成分の濃度が高くなる逆成層パターン、又は、上記の内側の領域と上記の外側の領域で吸気の特定成分の濃度が等しくなる均質パターンに変更することを特徴とする請求項１に記載の吸気成層化方法。
- 直接噴射式内燃機関の運転条件に応じて、上記の内側の領域における吸気の特定成分の濃度に対する、上記の外側の領域における吸気の特定成分の濃度の比を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の吸気成層化方法。
- 燃焼室の燃料噴射位置を中心とする概略半球面ないし概略扁平半球面は、燃料の噴射方向には燃焼室の燃料噴射位置から噴霧分裂距離の１〜１．５倍位離れていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の吸気成層化方法。
- 直接噴射式内燃機関は、圧縮着火内燃機関であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の吸気成層化方法。
- 燃焼室の上部に第１吸気のスワール流を形成する吸気ポートと、燃焼室の下部に第２吸気のスワール流を形成する吸気ポートとで吸気弁の開放期間をずらし、吸気行程の前期には、後者の吸気ポートの吸気弁のみが開放して第２吸気のみが燃焼室に流入し、吸気行程の中期には、両者の吸気ポートの吸気弁が開放して第１吸気と第２吸気が燃焼室に流入し、吸気行程の後期には、前者の吸気ポートの吸気弁のみが開放して第１吸気のみが燃焼室に流入することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の吸気成層化方法。
- 吸気の特定成分は、吸気に混入した還流排気であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の吸気成層化方法。
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