JP5067566B2 - 筒内噴射型火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内に成層混合気を形成して燃焼を行う筒内噴射型火花点火式内燃機関に関する。

燃焼室内に燃料を直接噴射して混合気を形成する筒内噴射型火花点火式内燃機関、いわゆる直噴火花点火式エンジンには、吸気絞り損失の大きい部分負荷（低・中負荷）での熱効率改善のために成層希薄燃焼を行うものがある。混合気の成層化を行う手法として様々なものがあるが，スプレーガイド方式と呼ばれる手法が良く知られている。
スプレーガイド方式のエンジンでは、例えば特許文献１に開示されているように燃焼室に設けた燃料噴射弁から、圧縮行程において、燃料を直接、点火プラグの点火部近傍へ噴射させることで、筒内の全体を空気過剰状態としながら、点火プラグの点火部近傍には、点火に適した量論比に近い混合気を配置（混合気の成層化）し、希薄燃焼を成立させている。ここで、スプレーガイド方式では、燃料噴射から点火までの時間インターバルが短いため、過度の混合気の拡散を防止でき、また、ピストンへの燃料衝突も抑制できるので、未燃ＨＣの排出が少なく，高い燃焼効率を実現できる利点がある。

一方、スプレーガイド方式は、噴霧が点火部近傍を通過する期間、すなわち燃料噴射中から噴射直後の限られた期間に点火を行わないと燃焼が成立しないため、低回転域の点火時期や噴射時期の制御性が悪いという欠点がある。
この欠点を述べると、エンジンの１行程当たりに必要な燃料量は、概ねエンジン負荷によって決まり、エンジン回転数の影響は比較的小さい。また、エンジンに供給する燃料量は燃料噴射弁の開弁期間（以下，噴射期間と略）によって制御されるので，負荷が高ければ噴射期間は長く，負荷が低ければ噴射期間は短くなる。

また、一般に点火時期や噴射時期の制御はクランク角度刻み（例えば，点火時期を上死点前３０゜に設定など）で行われることが多く、時間に換算すると高回転では１°の期間が長く（例えば３０００ｒｐｍでは１゜は約０．０５６ｍｓに相当）、低回転になるにしたがい１°の期間が短くなる（例えば６００ｒｐｍでは１゜は約０．２７８ｍｓに相当）ため、低回転では時間分解能が小さくなってしまう（例えば，６００ｒｐｍでは３０００ｒｐｍの１／５の時間分解能になる）。このため、点火時期の設定自由度は、低回転になるほど、小さくなってしまう。
このように、スプレーガイド方式は低回転域では点火・噴射制御の設定自由度が小さくなり、外乱などに対応することが難しく、失火が生じやすい。

だからといって、スプレーガイド方式は、燃料噴射量が多い、すなわち噴射期間の長い中負荷運転領域には安定して対応できるかというと、そうでもない。すなわち、スプレーガイド方式では、点火部近傍に対して燃料が、直接、噴射されるため、点火部近傍における混合気の流速が速くなる特徴がある。このため、比較的燃料噴射量の多い運転領域では、高速の気流によって点火放電の吹き消えが発生しやすく、安定した点火が成立せず、成層希薄燃焼が成立しがたいという問題もある。

一方、スプレーガイド方式に対し、例えば特許文献２にも示されているようにウォールガイド方式で、燃焼室内に成層混合気を生成する直噴火花点火式エンジンもある。
ウォールガイド方式は、圧縮行程において、燃料を上昇するピストンの頂面へめがけて噴射させ、噴霧がピストンの頂面ですくい上げられ、点火プラグの点火部近傍に輸送され、同部分に点火に適した混合気を生成させるもので、スプレーガイド方式と同様、点火部近傍に量論比に近い混合気を配置して、成層希薄燃焼を実現する。

ところで、ウォールガイド方式は、燃料をピストンの頂面を経て点火プラグの点火部近傍へ導くために、噴霧の流速は減速し，点火プラグの点火部近傍に、点火に適した混合気が滞留して、点火可能な期間が長くなる利点がある。また，点火部近傍の気流の流速も，スプレーガイド方式に比べて遅く，安定した点火が実現できる。しかし、エンジン回転が高まって、筒内の流動が速くなると，過度に混合気の拡散を促進して未燃ＨＣ排出の増大を招いてしまう。また、エンジン回転が高まったり、負荷が高くなって噴射期間が長くなると、噴射開始時期が早まるため、ピストン位置が遠くなって噴霧がピストンキャビティに捕捉できなくなり、効果的に点火部近傍に混合気を輸送できなくなってしまうという問題がある。

このため、スプレーガイド方式やウォールガイド方式を単独で採用したのでは、広範囲な希薄燃焼運転を確保するのは難しい。そこで、特許文献２に示されているようにエンジンの運転状態に応じて、２種類のスプレーガイド方式、ウォールガイド方式を使い分ける技術が提案されている。
特開平１０−５４２４６号公報 特開２００４−３５３５９４号公報

しかし、スプレーガイド方式、ウォールガイド方式を使い分けても、希薄燃焼が行える範囲は限られるので、様々な運転状態下で、点火部近傍に、点火に適した混合気を生成させるには困難である。特に燃料噴射量が多い運転領域はスプレーガイド方式，ウォールガイド方式ともに欠点があり、特許文献２では、そのため燃料の噴射圧力を変更したり、バルブの閉弁時期を変更したりするなど複雑な制御手段が講じている。それでも、安定した希薄燃焼の運転領域を拡大するのは難しい。

そこで、本発明の目的は、相対向する方向から燃料を衝突させて点火部近傍に混合気を滞留させる衝突噴射方式を採用して、安定した希薄燃焼運転領域の拡大が図れる筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、燃料噴射弁と並んで点火プラグが設けられた燃焼室を有する内燃機関と、内燃機関の圧縮行程中に燃料を間接的に点火プラグの点火部近傍へ噴射する間接供給方式、同じく燃料を直接に点火プラグの点火部近傍へ噴射する直接供給方式、同じく燃料を相対向する方向から衝突させて点火プラグの点火部近傍に滞留させる衝突噴射方式で、それぞれ燃料噴射が可能な燃料噴射手段と、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、内燃機関の運転状態に応じて間接供給方式、直接供給方式、衝突噴射方式を切り換える制御部とを設けた。

すなわち、希薄燃焼運転時は、内燃機関の運転状態に応じて、低回転域では点火・噴射時期の制御性に優れる間接供給方式を使い、それ以外の領域では未燃ＨＣの排出が少なく，燃焼効率の高い直接供給方式を使う。但し、間接供給，直接供給共に特性の悪化する中負荷域では、衝突噴射方式を使う。衝突噴射方式では、点火部近傍において相対向する方向から噴霧を衝突させることで、混合気を点火部近傍に配置・滞留させ、さらには互いの噴霧流速が衝突によりうち消し合うので、気流の流速も高まらないという特長があり，比較的負荷の高い領域でも良好な希薄燃焼特性を実現できる。
このように内燃機関の運転状態に応じて３種類の噴射モードを使い分けることで、希薄燃焼の運転領域の拡大が図れる。しかも、多くの複雑な制御を必要としない。

請求項２に記載の発明は、特に間接供給方式、直接供給方式、衝突噴射方式の良さが内燃機関の運転領域で十分に発揮されるよう、成層燃焼域と均質燃焼域との燃焼領域を有する内燃機関であって、制御部は、内燃機関が成層燃焼域における低回転数領域となるウォールガイド領域のときに間接供給方式に切換わり、内燃機関が成層燃焼域における低負荷であって、ウォールガイド領域より高い回転数領域となるスプレーガイド領域のときに直接供給方式に切換わり、内燃機関が成層燃焼域におけるウォールガイド領域より高い回転数でスプレーガイド領域より高い負荷領域となる衝突リーン領域のときに衝突噴射方式に切換わるように設定した。

請求項３に記載の発明は、衝突噴射方式の領域のうち、特に燃料噴射量が多く、筒内の空燃比が十分希薄な状態でなくなるような中負荷上限域では、点火部近傍が過濃となって不完全燃焼によるＣＯやスモーク排出量の増大や燃焼効率の低下を招いたり、点火プラグのくすぶりが生じたりするため、混合気の拡散性を高めて燃焼しやすくするよう、衝突噴射方式を行う領域のうち、均質燃焼域の境界領域とにかかる上限域だけが、高拡散モードに切り換わるようにした。

好ましくは、特に優れた混合気の拡散性が得られるよう、高拡散モードは、内燃機関の圧縮行程中に燃料を間接的に点火部近傍へ噴射する間接供給で行う。また、同じく、高拡散モードは、内燃機関の吸気行程から圧縮行程中期に燃料を噴射した後、それに続く圧縮行程中に、直接供給または間接供給により燃料を直接に点火部近傍へ噴射する分割噴射で行う。

請求項４に記載の発明は、衝突噴射方式として、間接供給方式による燃料と直接供給方式による燃料とを衝突させる方式を用いた。

請求項１の発明によれば、低回転域の成層燃焼に有利な間接供給方式と、中回転域の燃料噴射量が少ない領域で有利な直接供給方式と、燃料噴射量が多い中負荷域で有利な衝突噴射方式といった、３種類の噴射モードの使い分けにより、安定した希薄燃焼の運転領域を大幅に拡大することができる。しかも、多くの複雑な制御を必要としないですむ。
請求項２の発明によれば、間接供給方式、直接供給方式、衝突噴射方式の良さを内燃機関の運転領域で十分に発揮させることができる。

請求項３の発明によれば、特に衝突噴射を行う領域のうち、筒内の空燃比が十分希薄な状態でなくなりやすい中負荷上限域は、混合気の拡散性が高められ、有害物質の排出を抑制し、点火プラグのくすぶりも防止でき，燃料噴射量が多くなっても、一層、安定した希薄燃焼の成立が約束できる。
請求項４の発明によれば、衝突噴射方式では、間接供給方式の燃料と直接供給方式の燃料とを衝突させているため、燃料噴射手段に衝突噴射方式用の新たな噴射形態を設計する必要がない。

以下、本発明を図１〜図６に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は、自動車（車両）に走行用として搭載された筒内噴射型火花点火式内燃機関、例えば４サイクルの直噴ガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）の１気筒当たりの燃焼室構造を示す断面図を示す。
同エンジンの構造を説明すると、図１中１はエンジン本体を構成するシリンダブロック、２は同シリンダブロック１の上部に搭載されたシリンダヘッド、３はシリンダブロック１に形成されたシリンダライナ、４は同シリンダライナ３内に往復動可能に収められたピストンである。

このうちシリンダヘッド２のシリンダライナ３と向き合う下面には、例えばペントルーフ形の燃焼室６が形成されている。この燃焼室６の両側には、吸気ポート７からの吸気を制御する一対の吸気バルブ８（一方しか図示せず：いずれも破線）と、排気ポート９からの排気を制御する一対の排気バルブ１０（一方しか図示せず：いずれも破線）が設けられている。また燃焼室６の中央には、１個の燃料噴射弁１１（本願の燃料噴射手段に相当）が設けられている。燃料噴射弁１１は、先端に燃料を噴射する噴射部１２をもち、この噴射部１２が燃焼室６内へ露出している。

また燃焼室６には、燃料噴射弁１１と並んで点火プラグ１４が設けられている。点火プラグ１４は、先端部に点火部１５をもつ。点火部１５は、一般的な電極構造、具体的には中心電極１６と側極１７とを用いて、中心電極１６の先端と側極１７の先端間に放電部（点火位置）を形成したものである。この点火部１５が燃焼室６内に突き出て、噴射部１１と隣接している。

点火プラグ１４および燃料噴射弁１１は、制御部、例えばＥＣＵ２０（例えばマイクロコンピュータで構成される）に接続され、成層混合気を燃焼させる希薄燃焼運転が可能にしている。すなわち、ＥＣＵ２０の指令により、エンジンのサイクル（吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程）のうち、圧縮行程時、噴射部１１から燃料を噴射すると、燃焼室６の全体を空気過剰状態としながら、点火プラグ１４の点火部１５近傍に、点火に適した量論比近くの混合気エリアが形成され（成層混合気）、成層希薄燃焼が行われる。また吸気行程時に噴射部１１から燃料を噴射すると、燃焼室６の全体を均一の混合気とした燃焼（均質燃焼）が行われるようにしている。

このうち燃料噴射弁１１には、希薄燃焼運転用の３つの燃料噴射形態が用意されている。１つは間接供給方式であるウォールガイド方式で、例えば図１に示されるようにエンジンの圧縮行程中、燃料を間接的に点火部１５近傍へ噴射するものである。ここでは、噴射部１２から燃料を、圧縮行程中の上昇するピストン４の頂面へ向かって噴射させる。すると、噴霧がピストン４の頂面ですくい上げられて、点火部１５近傍に戻り、同部分に点火に適した混合気（可燃混合気）を生成し続ける。むろん、ピストン４でなく、他の壁面の反射で燃料を点火部１５近傍へ噴射させる形態でも構わない。このウォールガイド方式は、本願の「背景技術」の欄で述べたように、低回転域において点火・噴射時期の制御性に優れる特性をもつ。

２つ目は直接供給方式であるスプレーガイド方式である。同方式は、例えば図２に示されるようにエンジンの圧縮行程中、燃料を直接に点火部１５近傍へ噴射するものである。これにより、点火部１５近傍に、点火に適した混合気（可燃混合気）を生成する（燃料噴射期間から直後）。このスプレーガイド方式は、本願の「背景技術」の欄で述べたように、中回転域の燃料噴射量が少ない領域で、安定した燃焼が確保しやすく，また未燃ＨＣが少なく，燃焼効率が高いという有利な特性をもつ。

３つ目は衝突噴射方式である。同方式は、燃料を、相対向する方向から衝突させて点火部１５近傍に混合気を滞留させるものである。これは、例えば２回に分割した燃料を圧縮行程内において所定の時期に順に噴射させて行う。具体的には、１回目の燃料噴射は、ウォールガイド方式と同様のタイミング（圧縮行程の中期〜後期）で行い、この１回目の燃料の噴射流がピストン４の頂面を経て、点火部１５近傍に到達する直前から直後のタイミング（圧縮行程の後期）で、２回目の燃料噴射を行い、図３に示されるように１回目の燃料噴射によって生じたウォールガイド気流αと２回目の燃料噴射によって生じたスプレーガイド気流βとが、点火部１５近傍の地点で、互いに打ち消し合うように衝突して、点火部１５近傍に、点火に適した混合気（可燃混合気）を生成させる。この燃料衝突は、双方の気流のエネルギーが打ち消し合うので、点火部１５におけるガス流速は大幅に低下するうえ、可燃混合気が点火部１５近傍の地点に長い期間、停滞する。このため、衝突噴射方式は、図４の実線に示されるように成層希薄燃焼の安定燃焼域が、一点鎖線で示すスプレーガイド方式より、格段に広くなる利点がある。つまり、衝突噴射方式は、多くの燃料噴射量でも、点火部１５近傍に、点火に適した混合気を停滞させやすいという有利な特性をもつ。この衝突噴射方式は、他の仕方で成立させても構わない。

なお、３種類の燃料噴射が的確に行われるよう、ここでは、ピストン４の頂面にピストンキャビティ２１が形成してある。
またＥＣＵ２０には、エンジンの運転状態を検出するセンサとして、例えばエンジン回転数センサを検知するエンジン回転数センサ２３やアクセル開度を検知するアクセル開度センサ２４（いずれも本願の運転状態検出手段に相当）が接続されている。またＥＣＵ２０には、エンジン回転数センサ２３からのエンジン回転数情報やアクセル開度センサ２４からのアクセル開度情報などから検出されるエンジンの運転状態にしたがい、上記３種類の噴射モードを使い分ける機能が設定されている。具体的には３種類の噴射モードは、例えば予めＥＣＵ２０に設定してある図５の運転マップのように、各モードの良さが最も発揮できるエンジンの運転領域に定められている。

すなわち、希薄燃焼運転時（成層燃焼時）、噴射モードを使い分ける運転マップ（図５）には、エンジンが低回転数域の低負荷〜中負荷領域に、ウォールガイド方式で燃料噴射を行うウォールガイド運転モードＴが設定され、エンジンが中回転数域の低負荷領域に、スプレーガイド方式で燃料噴射を行うスプレーガイド運転モードＵが設定され、エンジンが中回転数域の中負荷領域のときに、衝突噴射方式で燃料噴射を行う衝突リーン運転モードＳが設定してある。なお、残るエンジンの高回転数域で高負荷域に設定されている予混合運転モードＶは、通常の吸気行程時に燃料を噴射して、燃焼室６の全体を均一の混合気として燃焼（均質燃焼）を行う領域である。

こうしたウォールガイド方式、スプレー方式、衝突噴射方式の使い分け（切り換え）により、希薄燃焼運転が広範囲な領域で行えるようにしている。図６には、こうした燃料噴射を使い分ける制御を行うフローチャートが示されている。
同フローチャートを参照して、希薄燃焼運転時の燃料噴射の使い分け（切り換え）について説明すると、今、エンジンの運転により、自動車（車両）が走行しているとする。この走行中、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１により、エンジン回転数センサ２３やアクセル開度センサ２４で検知されるエンジン回転数やアクセル開度などエンジン情報からエンジンの運転状態を検出している。

このとき、エンジンの運転状態が低回転域の低・中負荷領域（アイドルを含む）であるとする。すると、ＥＣＵ２０は、ステップＳ２を経てステップＳ３へ進み、図５の運転マップ中のウォールガイド運転モードＴを選択し、同ウォールガイド運転モードＴにしたがい、燃料噴射弁１１を制御する。すると、燃料噴射弁１１の噴射部１２から、低負荷や中負荷に応じて求められた噴射量の燃料が、エンジンの圧縮行程内において、ウォールガイド方式により、点火プラグ１４の点火部１５近傍へ噴射される。

具体的には燃料は、例えば図１に示されるように圧縮行程の中期から後期のタイミングで、噴射部１２からピストン４の頂面のピストンキャビティ２１へ向かって噴射される。すると、噴射流は、ピストン４ですくい上げられて、点火部１５近傍に向かう。燃料は、この間に拡散し、点火部１５近傍に、点火に適した混合気（可燃混合気）を生成し続ける。

エンジンの低回転域は、低・中負荷域のいずれでも、この可燃混合気の生成中、点火プラグ１４の点火部１５で点火すれば、成層燃焼が安定して行われる。つまり、ウォールガイド方式の特徴を活かして、スプレーガイド方式のような点火・噴射制御の時間分解能の不足をきたさずに、点火や燃料噴射の制御ができる。これにより、筒内の全体を空気過剰状態とし、点火部１５近傍に量論比近くの混合気を配置することで希薄燃焼運転が安定して行われる。

また、エンジンの運転状態が中回転域の低負荷領域であると、ＥＣＵ２０は、ステップＳ４を経てステップＳ３へ進み、図５の運転マップ中のスプレーガイド運転モードＵを選択し、同スプレーガイド運転モードＵにしたがい、燃料噴射弁１１を制御する。すると、燃料噴射弁１１の噴射部１２から、低負荷に応じて求められた少ない噴射量の燃料が、エンジンの圧縮行程内において、スプレーガイド方式により、直接、点火部１５近傍へ噴射される。

具体的には燃料は、例えば図２に示されるように圧縮行程の後期のタイミングで、噴射部１２から筒内へ噴射される。これにより、筒内の全体を空気過剰状態としながら、点火プラグの点火部１５近傍に、点火に適した混合気が生成される。そして、燃料噴射期間に概ね同期した短い期間に、混合気を点火プラグ１４の点火部１５で点火させる。
このエンジンの低負荷域は、燃料噴射が少なく（負荷に応じて定まるため）、点火部１５近傍におけるガス流速は遅いので、点火部１５近傍には、短い期間でも、スプレーガイドで、放電の吹き消えを抑えながら、点火に適した混合気が生成される。しかも、中回転域は、点火・噴射制御の時間分解能の不足がきたさずにすむので、スプレーガイド方式の特徴を活かして、点火や燃料噴射の制御が高い自由度のもとで行える。これにより、筒内の全体を空気過剰状態とし、点火部１５近傍に量論比近くの混合気を配置することで希薄燃焼運転が安定して行われる。

また、エンジンの運転状態が中回転域の中負荷域であると、ＥＣＵ２０は、ステップＳ６を経てステップＳ７へ進み、図５の運転マップ中の衝突リーン運転モードＳを選択し、同衝突リーン運転モードＳにしたがい、燃料噴射弁１１を制御する。すると、燃料噴射弁１１の噴射部１２から、中負荷に応じて求められた噴射量の燃料が、エンジンの圧縮行程内において、２回の分割噴射で、衝突噴射方式により、点火プラグ１４の点火部１５近傍へ噴射される。

すなわち、同噴射方式を説明すると、例えばピストン４が圧縮行程中期まで進むと、中負荷により求められた燃料噴射量の一部が、１回目、噴射部１２から、ウォールガイド用燃料として、ピストン４の頂面に向けて噴射される。この１回目に噴射されたウォールガイド用燃料は、図１に示されるように点火プラグ１４の点火部１５近傍を通り越して（点火プラグ１４は作動していない）、ピストンキャビティ２１内へ至り、燃料は上方へすくい上げられ、ピストン４とは反対側へ向かう。同燃料は、この間に拡散し、ウォールガイド混合気（点火に適した混合気）が生成される。この１回目の燃料噴射によって生じたウォールガイド気流α（噴流）は、矢印Ａのように噴射部１２とは反対の方向から点火部１５近傍へ向かう。

このウォールガイド気流αが、点火部１５近傍に到達する直前〜直後となる圧縮行程後期のとき、燃料噴射弁１１の噴射部１２から、残りの燃料噴射量が、図３に示されるように噴射部１２からスプレーガイド用燃料βとして、燃焼室６内へ噴射される。この２回目に噴射されたスプレーガイド用燃料βは、矢印Ｂのように点火部１５近傍へ向かう。そして、点火部１５近傍に到達する間に、スプレーガイド混合気（点火に適した混合気）が生成される。

このとき、１回目の燃料噴射により生じたウォールガイド気流α（噴流）と２回目の燃料噴射により生じたスプレーガイド気流β（噴流）は、点火部１５近傍の地点に対して、互いに向き合う方向（対向）から到達するから、当該点火部１５近傍の地点で気流同士の衝突が生じる（図３）。
この衝突により、双方の気流のエネルギーが打ち消し合い、点火部１５におけるガス流速は大幅に低下する。むろん、分割噴射は、１回の噴射量が少なく、燃料の流速が遅いから、それだけでも気流の流速低減に貢献する。しかも、点火に適した混合気は、衝突により、点火部１５近傍の地点に滞留し続ける。

これにより衝突噴射式は、燃料の噴射量が多い領域、特に中負荷域で、点火部１５近傍に、長い期間、点火に適した混合気（可燃混合気）が滞留し続けさせることができる特徴がある。このため、燃料の噴射量が多い中負荷運転領域は、２回目の燃料噴射中または直後に点火プラグ１４を点火することにより、同特徴を活かして、筒内の全体を空気過剰状態とし、点火部１５近傍に量論比近くの混合気を配置することで希薄燃焼運転が安定して行える。

かくして、低回転域の成層燃焼に有利なウォールガイド方式と、中回転域の燃料噴射量が少ない領域で有利なスプレーガイド方式と、燃料噴射量が多い中負荷域で有利な衝突噴射方式といった、３種類の噴射モードの採用により、安定した希薄燃焼の運転領域を大幅に拡大することができる。しかも、３種類の噴射モードを切り換えるだけで、大幅に希薄燃焼の運転領域が拡大されるから、複雑な制御を必要としないですむ。

特に、エンジンが低回転数域の低負荷〜中負荷領域のときにウォールガイド方式に切換わり、中回転数域の低負荷領域のときにスプレーガイド方式に切換わり、中回転数域の中負荷領域のときに衝突噴射に切換わるようにすると、ウォールガイド方式、スプレー方式、衝突噴射方式の良さをエンジンの運転領域で十分に発揮させることができる。
図７および図８は、本発明の第２の実施形態を示す。

本実施形態について説明すると、衝突リーン運転モードＳの領域のうち、中負荷上限域は、特に燃料噴射量が多く、空燃比が十分に希薄な状態でなくなりやすい傾向にある。このため、図７の運転マップに示す衝突リーン運転モードＳの中負荷上限域Ｓ１だけは、その状態に適した混合気の拡散性に優れる高拡散モードに切り換えようとしたものである。具体的には本実施形態では、図７に示す運転マップのように衝突リーン運転モードＳの上限域Ｓ１に、高拡散モードとして、燃料噴射量が多くとも、混合気の拡散が期待できるウォールガイド方式の噴射モードを設定した。この高拡散用噴射モードは、図８に示すフローチャートのようにステップＳ６とステップＳ１２との間に、同モードを実行するステップＳ８，Ｓ９のルーチンを介在させて、衝突リーン運転モードＳの中負荷上限域Ｓ１のとき、高拡散用ウォールガイド（高拡散モード）に切り換わるようにした。

このようにすると、エンジンの中回転の中負荷上限域といった、燃料噴射量が多く、筒内の空燃比が十分に希薄な状態でない運転状態のとき、筒内における混合気の拡散により、点火部１５近傍や筒内が過濃（不完全燃焼によるＣＯやスモーク排出量の増大や燃焼効率の低下を招く）に成るのを防止し、燃焼しやすい環境となり、有害物質の排出が抑制され、点火プラグ１４のくすぶりが防止され、一層、安定した希薄燃焼運転が行えるようになる。

但し、図７に示す運転マップや図８に示すフローチャートのうち、第１の実施形態と同じ部分は、同一符号を付してその説明を省略した。
図９および図１０は、本発明の第３の実施形態を示す。
本実施形態は、第２の実施形態の変形例で、衝突リーン運転モードＳの中負荷上限域Ｓ１の高拡散モードとして、分割噴射で行う分割リーンモードを用いたものである。

具体的には分割リーンモードには、燃料噴射弁１１から、負荷により求められた燃料噴射量の一部の燃料を、エンジンの吸気行程中に、１回目として噴射して、吸気行程や圧縮行程の中期までを利用して燃料を拡散させ、筒内を均一な混合気にする。その後、吸気行程に続く圧縮行程中、例えば圧縮行程の中期や後期のとき、燃料噴射弁１１から、残りの燃料をスプレーガイドで点火部１５近傍へ噴射して、均一混合気の点火部１５近傍に量論比に近い混合気を生成させるという、分割噴射が採用してある。

図９に示す運転マップには、衝突リーン運転モードＳの上限域Ｓ１に、この分割リーンモードが設定してある。また図１０に示すフローチャートには、第２の実施形態のステップＳ９に代えて、分割噴射リーンモード（吸気行程での燃料噴射と、圧縮行程での燃料噴射）を実行するためのステップＳ１０を設けて、衝突リーン運転モードＳの中負荷上限域Ｓ１のとき、高拡散用分割噴射に切り換わるようにした。

このようにすると、第２の実施形態と同様、エンジンの中回転の中負荷上限域といった、燃料噴射量が多く、筒内の空燃比が十分に希薄な状態でない運転状態のとき、分割噴射により、点火部１５近傍や筒内が過濃に成るのを防止し，成層燃焼しやすい環境が確保されるので、一層、安定した希薄燃焼運転が行える。しかも、同分割噴射は、ウォールガイドのようにピストン位置の影響を受けないので、図９に示されるようにエンジン回転数が高い領域でも十分に発揮し得る利点がある。

但し、図９に示す運転マップや図１０に示すフローチャートのうち、第１の実施形態と同じ部分は、同一符号を付してその説明を省略した。
なお、本発明は上述したいずれの実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施してもよい。例えば上述した実施形態では、１個の燃料噴射弁を用いて、衝突噴射を実現したが、複数個（例えば２個）の燃料噴射弁を用いて、衝突噴射を実現しても構わない。

本発明の第１の実施形態に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃焼室構造を、間接供給方式で供給した燃料の噴射流と共に示す断面図。 直接供給方式で供給した燃料の噴射流を説明する示す断面図。 衝突噴射方式で供給した燃料の噴射流を説明する断面図。 衝突噴射方式がもたらす成層希薄燃焼の燃焼安定性を説明する線図。 間接供給方式、直接供給方式、衝突噴射方式を切り換える運転マップを示す線図。 同運転マップにしたがい切り換える制御を説明するフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る要部となる中負荷上限域に高拡散モードを採用した運転マップを示す線図。 同運転マップにしたがい切り換える制御を説明するフローチャート。 本発明の第３の実施形態に係る要部となる中負荷上限域に高拡散モードを採用した運転マップを示す線図。 同運転マップにしたがい切り換える制御を説明するフローチャート。

符号の説明

４ ピストン
６ 燃焼室
１１ 燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２０ ＥＣＵ（制御部）
２３，２４ エンジン回転数センサ、アクセル開度センサ（運転状態検出手段）

Claims (4)

1. 燃料噴射弁と並んで点火プラグが設けられた燃焼室を有する内燃機関と、
   前記内燃機関の圧縮行程中に燃料を間接的に前記点火プラグの点火部近傍へ噴射する間接供給方式、同じく燃料を直接に前記点火プラグの点火部近傍へ噴射する直接供給方式、同じく燃料を相対向する方向から衝突させて前記点火プラグの点火部近傍に滞留させる衝突噴射方式で、それぞれ燃料噴射が可能な燃料噴射手段と、
   内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記内燃機関の運転状態に応じて前記間接供給方式、前記直接供給方式、前記衝突噴射
   方式を切り換える制御部と
   を具備したことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
2. 成層燃焼域と均質燃焼域との燃焼領域を有する内燃機関であって、
   前記制御部は、前記内燃機関が成層燃焼域における低回転数領域となるウォールガイド領域のときに前記間接供給方式に切換わり、
   前記内燃機関が成層燃焼域における低負荷であって、前記ウォールガイド領域より高い回転数領域となるスプレーガイド領域のときに前記直接供給方式に切換わり、
   前記内燃機関が成層燃焼域における前記ウォールガイド領域より高い回転数でスプレーガイド領域より高い負荷領域となる衝突リーン領域のときに前記衝突噴射方式に切換わるように設定される
   ことを特徴とする請求項1に筒内噴射型火花点火式内燃機関。
3. さらに、前記衝突噴射方式を行う領域のうち、前記均質燃焼域の境界領域とにかかる上限域だけが、高拡散モードに切り換わることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。
4. 前記衝突噴射方式は、間接供給方式による燃料と直接供給方式による燃料とを衝突させることを特徴とする請求項1ないし請求項３のいずれか１つに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。

Images