(57)【要約】【課題】ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料の気化を促進する。【解決手段】気筒１の吸気ポートに連なる吸気通路３上に、吸気ポートを指向しない方向Ａに燃料を噴射するインジェクタ１１２を付設し、気筒１の吸気下死点後、当該気筒１の吸気バルブ１３が開いており一旦気筒１に吸引された吸気が吸気通路３における前記インジェクタ１１２の近傍を逆流するタイミングで、同インジェクタ１１２から燃料を噴射する内燃機関を構成した。【選択図】図２
2020133593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒の吸気ポートに連なる吸気通路上に、吸気ポートを指向しない方向に燃料を噴射するインジェクタを付設し、
気筒の吸気下死点後、当該気筒の吸気バルブが開いており一旦気筒に吸引された吸気が吸気通路における前記インジェクタの近傍を逆流するタイミングで、同インジェクタから燃料を噴射する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載されるポート噴射式の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
気筒の吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できる可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｔｉｍｉｎｇ）機構が付帯した車両用内燃機関が公知である（例えば、下記特許文献を参照）。
【０００３】
ＶＶＴ機構の用途の一つとして、ミラーサイクル（アトキンソンサイクル）の実現が挙げられる。即ち、吸気バルブを排気上死点よりも遅いタイミングで開き、及び／または、吸気下死点よりも遅いタイミングで閉じるようにバルブタイミングを設定することで、実効的に圧縮行程のストローク長を膨張行程のストローク長よりも短縮する。実圧縮比よりも実膨張比を大きくとるミラーサイクルは、排熱量を減少させて熱効率を高めることができる点で有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１２５８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関にあっては、インジェクタから噴射した液状燃料が吸気ポートの内壁面や吸気バルブの弁体の傘部に付着するポートウェットが発生する。そして、そのポートウェットの燃料が、気化せず液相のままで気筒の燃焼室内に流下することが起こり得る。
【０００６】
燃焼室内で液相を保っている燃料はプール燃焼を生じさせ、または蒸し焼きのような様相を呈し、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ）を生成したり、局所的に空燃比をリッチ化させたりして、エミッションの悪化を招く。
【０００７】
本発明は、ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料の気化を促進することを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するべく、本発明では、気筒の吸気ポートに連なる吸気通路上に、吸気ポートを指向しない方向に燃料を噴射するインジェクタを付設し、気筒の吸気下死点後、当該気筒の吸気バルブが開いており一旦気筒に吸引された吸気が吸気通路における前記インジェクタの近傍を逆流するタイミングで、同インジェクタから燃料を噴射する内燃機関を構成した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料の気化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態の内燃機関の吸気通路、インジェクタ、吸気ポート及び燃焼室を示す側断面図。
【図３】同実施形態の内燃機関の吸気通路、インジェクタ、吸気ポート及び燃焼室を模式的に示す平面図。
【図４】同実施形態の制御装置が制御する吸気バルブタイミング及び燃料噴射タイミングを示す図。
【図５】同実施形態の制御装置が制御する吸気バルブタイミングと燃料噴射量との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。４ストロークエンジンでは、気筒１の吸気行程−圧縮行程−膨脹行程−排気行程の一連を一サイクルとする。
【００１２】
本実施形態の内燃機関はいわゆるポート噴射式のものであり、各気筒１の吸気バルブ１３よりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍に、当該気筒１に燃料を供給するためのインジェクタ１１１、１１２を設けている。本実施形態では、同一気筒１に対して、複数のインジェクタ１１１、１１２から燃料を噴射する。図２に示すように、そのうちの一方のインジェクタ１１１は、既存のポート噴射式内燃機関におけるそれと同じく、対象の気筒１の吸気ポートを指向している。換言すれば、インジェクタ１１１は、吸気ポートに向けて燃料を噴射、即ち吸気通路３を気筒１に向かって流通する吸気の流れに沿う方向に燃料を噴射する。
【００１３】
これに対し、インジェクタ１１２は、既存のポート噴射式内燃機関におけるそれとは異なり、対象の気筒１の吸気ポートを指向していない。インジェクタ１１２が燃料を噴射する方向のベクトル（指向性の主軸）Ａは、インジェクタ１１１が燃料を噴射する方向のベクトルと逆であり、気筒１の吸気ポートに重ならない。つまるところ、インジェクタ１１２は気筒１の吸気ポートに向けて燃料を噴射しない。インジェクタ１１２が燃料を噴射する方向のベクトルＡは、吸気通路３を気筒１に向かって流通する吸気の流れと相反する方向の成分αを含む。
【００１４】
なお、図３に示すように、各気筒１にそれぞれ複数の吸気ポートを形成し、インジェクタ１１１を配設する吸気ポートと、インジェクタ１１２を配設する吸気ポートとを異ならせてもよい。無論、一つの吸気ポートに対して両インジェクタ１１１、１１２を配設しても構わない。
【００１５】
また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を起こすものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１６】
吸気を気筒１に供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１７】
排気を気筒１から排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００１８】
排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。
【００１９】
本実施形態の内燃機関には、各気筒１の吸気バルブ１３の開閉タイミングを変化させることのできるＶＶＴ機構５が付随する。ＶＶＴ機構５は、例えば、各気筒１の吸気バルブ１３を駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を作動液圧（潤滑油圧）や電動機によって変化させ、以て吸気バルブ１３の開閉タイミングを進角／遅角するものである。カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトからエンジントルクの供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、トルクを伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構５は、カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブ１３の開閉タイミングを変更する。
【００２０】
本実施形態の内燃機関は、必要に応じ、吸気バルブ１３の閉弁タイミングを吸気下死点よりも大きく（例えば、５５°ＣＡ（クランク角度）以上）遅らせてミラーサイクル運転を実施することができる。ミラーサイクル運転を行うときの吸気バルブ１３の開弁タイミングは、排気上死点近傍ないし排気上死点から若干（例えば、５°ＣＡ程度）遅れたタイミングまで遅角する。
【００２１】
なお、ＶＶＴ機構５の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を進角／遅角させるもの以外にも、吸気バルブ１３を開弁駆動するカムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動機を介して変化させるもの、吸気バルブ１３を電磁ソレノイドバルブとしたもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。
【００２２】
本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。
【００２３】
ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、ブレーキペダルが踏まれていることまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサ（ブレーキスイッチやマスタシリンダ圧センサ等）から出力されるブレーキ信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。
【００２４】
ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、火花点火装置のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１１に対して燃料噴射（開弁）信号ｊ１、インジェクタ１１２に対して燃料噴射（開弁）信号ｊ２、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構５に対して吸気バルブタイミングの制御信号ｍ等を出力する。
【００２５】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に吸入される空気（新気）量）］を知得する。そして、吸入空気量に見合った要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、吸気バルブ１３の目標開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。
【００２６】
ＥＣＵ０は、比較的低回転及び／または低負荷の運転領域にて、ＶＶＴ機構５を介して気筒１の吸気バルブ１３の開閉タイミングを大きく遅角させ、内燃機関をミラーサイクル運転する。図４は、そのときの気筒１の吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉タイミングを示している。図中、破線の矢印Ｅが排気バルブ１４の開弁している期間を表し、実線の矢印Ｉが吸気バルブ１３の開弁している期間を表す。ミラーサイクル運転中の吸気バルブ１３は、気筒１の排気上死点近傍ないし排気上死点から若干遅れたタイミングで開き、吸気下死点から大きく遅れたタイミングで閉じる。
【００２７】
しかして、運転者の操作するアクセル開度により示される要求エンジントルクを達成するために必要な要求燃料噴射量のうちの一部を、本来的な燃料噴射タイミングｔ０、即ち気筒１の吸気バルブ１３が開弁する直前、開弁と同時、または開弁した直後のタイミングに、一方のインジェクタ１１１から噴射する。さらに、要求燃料噴射量のうちの残りを、同気筒１の圧縮行程における吸気下死点後吸気バルブ１３が閉弁するまでの期間Ｔ１中のタイミングｔ２、他方のインジェクタ１１２から噴射する。
【００２８】
図５に、ＥＣＵ０がＶＶＴ機構５を介して具現する吸気バルブ１３の開閉タイミングと、二基のインジェクタ１１１、１１２のそれぞれから噴射する燃料噴射量との関係を示す。図中、横軸は、吸気行程のために開いた吸気バルブ１３を閉じるタイミングのクランク角度であり、右方にゆくほど吸気バルブ１３の閉弁タイミングが遅角していることを意味する。吸気バルブタイミングは、そのときの内燃機関の運転領域等に依存する。縦軸は、各インジェクタ１１１、１１２から噴射する燃料の量の供給燃料噴射量に占める割合のパーセンテージである。破線がインジェクタ１１２による燃料噴射の割合を表し、実線がインジェクタ１１１による燃料噴射の割合を表している。
【００２９】
比較的低回転または低負荷の運転領域にあって、ＥＣＵ０は、気筒１の吸気行程における吸気バルブ１３の開弁と同期した本来のタイミングｔ０でインジェクタ１１１を開弁し、気筒１に供給するべき燃料の一部を噴射する。なおかつ、気筒１の圧縮行程における吸気下死点後吸気バルブ１３の閉弁前の期間Ｔ１内のタイミングｔ１でインジェクタ１１２を開弁して、気筒１に供給するべき燃料の残部を噴射する。
【００３０】
吸気下死点後吸気バルブ１３の閉弁までの期間Ｔ１中は、気筒１内を吸気下死点から圧縮上死点に向かって運動するピストンが、一旦は気筒１に吸引した吸気の一部を吸気ポート及び吸気通路３側に押し戻す。インジェクタ１１２は、気筒１から押し出され吸気通路３を逆流する吸気が当該インジェクタ１１２の近傍を流れるタイミングｔ１に合わせて、その逆流の流れに沿う方向に燃料を噴射する。逆流する吸気は、気筒１の燃焼室の天井部やシリンダボアから受熱して昇温している。従って、インジェクタ１１２から噴出する液状燃料は、逆流する吸気の熱により効率よく気化される。
【００３１】
圧縮行程における吸気下死点後のタイミングｔ１でインジェクタ１１２が噴射する燃料は、当該気筒１の同一サイクル中に当該気筒１に吸引されることはなく、気筒１から吸気通路３に押し出される吸気とよく混じり合うとともに、吸気バルブ１３の閉弁後も吸気ポート付近に滞留し続ける。この燃料が当該気筒１に吸引されるのは、同気筒１が次サイクルの吸気行程を迎えて吸気バルブ１３が再び開弁した後である。つまり、吸気下死点後のタイミングｔ１で噴射した燃料には、同一サイクルの圧縮行程、膨脹行程及び排気行程の間、十分に気化するための時間的猶予が与えられる。
【００３２】
圧縮行程における吸気下死点後のタイミングｔ１でインジェクタ１１２から噴射した燃料は、次サイクルの吸気行程に対応する本来のタイミングｔ０インジェクタ１１１から噴射した燃料とともに、次サイクルの吸気行程にて気筒１に吸引される。そして、それらの燃料の合算が、要求されたエンジントルクを出力するために必要な要求燃料噴射量に合致する。
【００３３】
ＥＣＵ０は、エンジン回転数が上昇するほど、またはエンジン負荷率が増大するほど、ＶＶＴ機構５を介して吸気バルブ１３の開閉タイミングを進角させる。その帰結として、吸気バルブ１３が気筒１の排気上死点前のタイミングで開くようになり、吸気バルブ１３及び排気バルブ１４が同時に開くバルブオーバラップの期間が拡大する。並びに、吸気下死点後に吸気バルブ１３が開いている期間Ｔ１の長さが短縮する。
【００３４】
そして、インジェクタ１１１が噴射する燃料の量と、インジェクタ１１２が噴射する燃料の量との比は、吸気バルブ１３の開閉タイミングに応じて変動する。傾向として、吸気バルブ１３の閉弁タイミングが遅角するほど、即ち吸気下死点後の開弁期間Ｔ１が長くなるほど、インジェクタ１１２が噴射する燃料の量が増加し、インジェクタ１１１が噴射する燃料の量が減少する。吸気バルブタイミングが最遅角位置をとるときには、要求燃料噴射量の全量をタイミングｔ１にてインジェクタ１１２から噴射し、タイミングｔ０にてインジェクタ１１１から燃料を噴射しない。吸気バルブタイミングが最遅角位置から所定クランク角度以上進角しているときには、要求燃料噴射量の全量をタイミングｔ０にてインジェクタ１１１から噴射し、タイミングｔ１にてインジェクタ１１２から燃料を噴射しない。
【００３５】
本実施形態では、気筒１の吸気ポートに連なる吸気通路３上に、吸気ポートを指向しない方向Ａに燃料を噴射するインジェクタ１１２を付設し、気筒１の吸気下死点後、当該気筒１の吸気バルブ１３が開いており一旦気筒１に吸引された吸気が吸気通路３における前記インジェクタ１１２の近傍を逆流するタイミングｔ１にのみ、同インジェクタ１１２を開弁して当該インジェクタ１１２から燃料を噴射する内燃機関を構成した。
【００３６】
本実施形態によれば、一旦気筒１に吸引されたものの圧縮行程の初期に気筒１から押し出される一部の吸気が持つ排熱を有効利用して、インジェクタ１１２から噴射した燃料の気化を促進することが可能となる。そして、ポートウェット量を低減し、液相燃料の液滴が気筒１の燃焼室内に侵入することを効果的に抑制できる。従って、燃焼室内でプール燃焼が生起されず、ＰＭの生成量を削減できる。加えて、燃焼室内で局所的に空燃比がリッチ化することも避けられる。ひいては、ＰＭやＨＣ、ＣＯ等の有害物質の排出量を低減してエミッションを良化することが可能となる。噴射した燃料の気化の促進は、混合気の燃焼効率の向上にも資する。
【００３７】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１１、１１２…インジェクタ
１３…吸気バルブ
３…吸気通路
５…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｇ…カム角信号
ｊ１、ｊ２…燃料噴射信号
ｍ…吸気バルブタイミングの制御信号
ｔ０…本来的な燃料噴射タイミング
ｔ１…追加的な燃料噴射タイミング
【図１】
2020133593.tif 000003
【図２】
2020133593.tif 000004
【図３】
2020133593.tif 000005
【図４】
2020133593.tif 000006
【図５】
2020133593.tif 000007