(57)【要約】【課題】ノッキング対策等のためにリッチ気味の空燃比で運転しつつ三元触媒の浄化能力をフルに発揮させることを、構造を複雑化させることなく実現する。【解決手段】燃焼室１０に燃料噴射インジェクタ１１を望ませた直噴式内燃機関において、吸気バルブ１３と排気バルブ１５とが開いているオーバーラップ領域を従来よりも拡大すると共に、スーパーチャージャ２２から新気を排気ガスに吹き込むことにより、三元触媒２８に接触する排気ガスの酸素濃度を、理論空燃比の混合気が燃焼したときと略同じ酸素濃度に高める。これにより、三元触媒２８の能力をフルに発揮させて、排気ガスの浄化能力を向上できる。オーバーラップ領域の拡大は既存のＶＶＴ装置によって行えるため、新たな装置の追加は不要であるし、オーバーラップ領域での吹き込みであるためポンピングロスも生じない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料をシリンダボアに向けて直接噴射する燃料噴射インジェクタと、三元触媒方式の排気ガス浄化装置と、過給装置とを備えており、
排気行程終期と吸気行程初期とが重なって排気バルブと吸気バルブとが共に開いているオーバーラップ領域を有している構成であって、
前記オーバーラップ領域において前記過給装置によって新気を排気ガス中に吹き込むことにより、前記排気ガス浄化装置に至る排気ガスの酸素濃度が空燃比１４．７：１の混合気が燃焼したときの酸素濃度と略同じになるように制御される、
直噴式内燃機関。
【請求項２】
前記過給装置はスーパーチャージャである、
請求項１に記載した直噴式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、直噴式内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車用の火花点火式内燃機関（ガソリン機関）において、排気ガスの浄化手段として一般に三元触媒が使用されており、この三元触媒は、理論空燃比（１４．７：１）の混合気が完全燃焼したときに浄化能力が最大となるように設定されている。
【０００３】
他方、内燃機関の現実的な運転としては、燃料が気筒内で蒸発する際の潜熱を利用してノッキングを防止したり、排気ガスの過剰昇温を防止したりするために、空燃比を１２：１程度のリッチ気味に設定している。このため、三元触媒の能力がフルに発揮されていない場合があった。
【０００４】
この点について特許文献１には、動弁機構に、吸気行程から圧縮行程に至る過程において排気バルブを一時的に開く補助カムを設けて、燃料噴射前の空気を気筒から排気ガスに吹き込むことにより、排気ガスの酸素濃度を、理論空燃比の混合気が燃焼した場合と同様の酸素濃度と成して、三元触媒の能力をフルに発揮させるようにした技術が開示されている。
【０００５】
つまり、火花点火式内燃機関では、ノッキング対策等のために現実には空燃比を１２：１程度にせざる得ない状況がある一方、三元触媒は理論空燃比の混合気を前提にしているという乖離現象の下、特許文献１では、シリンダボア内に供給された吸気の一部を、ピストンのポンプ作用を利用して排気ガスに吹き込むことにより、空燃比をリッチ気味にせざるを得ない現実と理論空燃比を前提にした三元触媒の設定との乖離を解消せんとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第６００１９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、燃焼はリッチ気味の空燃比で行いつつ三元触媒の能力をフルに発揮できると云えるが、動弁機構に補助カムを設けなければならないため、動弁機構が著しく複雑化してコストが嵩むという問題がある。
【０００８】
また、気筒に取り込まれた吸気をピストンのポンプ作用によって排出するものであるため、ポンピングロスによって動力損失が発生するおそれや、吸気量の低下によって充填効率が低下したり空燃比が過剰にリッチ化したりするおそれも懸念される。更に、吸気にＥＧＲガスが添加されていると酸素量が低下するため、必要な量の新気を排気ガスに吹き込めない場合も想定されて、制御の安定性が欠けるおそれも考えられる。
【０００９】
本願発明はこのような現状を契機として成されたものであり、現実の空燃比はリッチ気味にしつつ三元触媒の能力をフルに発揮させるという課題を、より簡便な方法で実現しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明は、
「燃料をシリンダボアに向けて直接噴射する燃料噴射インジェクタと、三元触媒方式の排気ガス浄化装置と、過給装置とを備えており、排気行程終期と吸気行程初期とが重なって排気バルブと吸気バルブとが共に開いているオーバーラップ領域を有している」
という構成において、
「前記オーバーラップ領域において前記過給装置によって新気を排気ガス中に吹き込むことにより、前記排気ガス浄化装置に至る排気ガスの酸素濃度が空燃比１４．７：１の混合気が燃焼したときの酸素濃度と略同じになるように制御される」
という特徴を有している。
【００１１】
本願発明において、過給装置としては、排気ターボ過給機や専用のコンプレッサ、或いは専用のエアインジェクタなども使用できるが、請求項２の発明では、過給装置としてスーパーチャージャ（機械式過給機）を使用している。
【００１２】
本願発明において、オーバーラップ領域において過給装置を使用して吸気系から排気ガスに新気を強制的に吹き込む場合、吸気弁の進角と排気弁の遅角とのうちいずれか一方又は両方を行ってオーバーラップ領域を広げると、排気ガスへの新気の強制的な吹き込みを確実化できて好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本願発明は、オーバーラップ領域において排気ガスに新気を吹き込んで三元触媒の能力を発揮させるものであるが、直噴方式の内燃機関であり、燃料噴射前のオーバーラップ領域において新気の吹き込みを行うものであるため、燃料が無駄に消費されることは皆無である一方、燃料噴射量は燃焼室に残っている吸気の量に応じて任意に設定できるため、現実の混合気の空燃比は任意に設定できる。
【００１４】
従って、混合気の現実の空燃比は１２：１程度のリッチ気味に維持してノッキングの防止や出力維持を図りつつ、三元触媒には理論空燃比の混合気が燃焼したのと同じ成分の排気ガスを送気できるのであり、これにより、燃費の悪化防止やノッキングの発生防止、出力維持を図りつつ、排気ガスの浄化性能を向上できる。
【００１５】
そして、新たな装置・機器の追加は不要であり、過給機を有効活用して加圧された新気を吹き込んだり、ＶＶＴ装置（可変バルブ装置）を使用してオーバーラップ領域を長くしたりすることで対応できるため、コストアップを防止できると共に、制御の確実性にも優れている。また、ＥＧＲガスが供給されている場合でも、過給装置による新気の供給は任意に設定できるため、新気を過不足なく供給できる。従って、制御の安定性にも優れている。
【００１６】
また、排気ガスへの新気の吹き込みはオーバーラップ領域において行うものであるため、ポンピングロスによる動力損失は生じない。更に、燃焼に必要な吸気量は確保できるため、充填効率の悪化や空燃比の過剰リッチ化の現象は発生せず、全負荷領域において安定した運転を実現できる。
【００１７】
請求項２のように過給手段としてスーパーチャージャを使用すると、オーバーラップ領域の全域において新気の圧力を排気ガスの圧力よりも高くできるため、新気が排気ガスに押し負けられてシリンダボアに滞留する現象は発生せず、オーバーラップの全領域において吸気ポートへの新気の吹き込みを確実化できる。
【００１８】
従って、三元触媒の能力がフルに発揮される範囲を広げて、浄化性能向上に大きく貢献できる。なお、多気筒内燃機関では、各シリンダボアから排気ガスが間断なく排出されており、１つの気筒の排気行程において吹き込まれた新気が、他の気筒において行われた次の排気行程で排出された排気ガスと混ざり合うと云えるため、三元触媒の能力を高い状態に維持できると解される（多少の変動はあるとしても。）。この点、スーパーチャージャの大きな利点である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一部を模式化した実施形態のブロック図である。
【図２】（Ａ）はオーバーラップ状態でのブロック図、（Ｂ）は吸気バルブと排気バルブとの開閉関係を示す行程図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向は、クランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。
【００２１】
(1).内燃機関の基本構造
本実施形態に係る内燃機関の基本構造は従来と同様であり、機関本体の主要要素として、シリンダブロック１と、その頂面に固定されたシリンダヘッド２とを備えている。シリンダブロック１には、ピストン３を摺動自在には嵌め込んだ複数のシリンダボア４がクランク軸線方向に並んで形成されており、ピストン３の往復動は、コンロッド５を介してクランク軸６の回転に変換される。符号７はピストンピンを、符号８はクランクアームを、符号９はクランクピンをそれぞれ示している。
【００２２】
シリンダヘッド２には、各シリンダボア４に対応した山形の燃焼室１０が形成されており、各燃焼室１０の中央部には燃料噴射インジェクタ１１のノズルが望んでいる。また、燃焼室１０の傾斜面のうち前後２か所の部位に、点火プラグ１２が配置されている。なお、点火プラグ１２は１つのみでもよいし、配置位置は任意に選択できる。また、燃料噴射インジェクタ１１を燃焼室１０の傾斜面に配置して、中央部に１つの点火プラグ１２を配置することも可能である。
【００２３】
更に、シリンダヘッド２の各燃焼室１０には、吸気バルブ１３で開閉される一対ずつの吸気ポート１４と、排気バルブ１５で開閉される排気ポート１６とが、シリンダボア軸心を挟んだ左右両側において開口している。説明は省略するが、本実施形態では、少なくとも吸気バルブ１３は、ＶＶＴ装置（可変バルブタイミイング装置）によって少なくとも進角制御できるようになっている。吸気バルブ１３及び排気バルブ１５とも、進角制御及び遅角制御ができるようになっているのが好ましい。
【００２４】
一対の吸気ポート１４は、シリンダヘッド２の吸気側面１７にそれぞれ独立して開口するか、又は、シリンダヘッド２の吸気側面１７に開口した１つの集合部から分岐しており、シリンダヘッド２の吸気側面１７には、サージタンクを備えた吸気マニホールド１８が固定されている。
【００２５】
吸気マニホールド１８には、電子制御式のスロットルバルブ１９が接続されており、スロットルバルブ１９には、吸気通路２０を介してエアクリーナ２１が接続されている。本実施形態では、過給装置としてルーツ式や遠心式等のスーパーチャージャ２２を使用しており、スーパーチャージャ２２は、吸気通路２０に設けたパイパス通路２３に配置されている。スーパーチャージャ２２は、伝動機構を介してクランク軸６によって駆動されるか、又は、電動モータで駆動される。パイパス通路２３のうちスーパーチャージャ２２よりも下流側の部位に、過給量調節バルブ２４を介挿している。
【００２６】
各排気ポート１６の対は、それぞれシリンダヘッド２の排気側面２５に開口しているか、又は、全排気ポート１６がシリンダヘッド２に形成した１つの集合通路に連通していて、集合通路に連通した１つの排気出口が排気側面２５に開口している。
【００２７】
前者の態様では、シリンダヘッド２の排気側面２５には枝管を有する排気マニホールドが固定されて、その出口部に排気ガス浄化装置２６が接続される。他方、後者の態様では、シリンダヘッド２の排気側面２５に、排気ガス浄化装置２６が継手部を介して直接に接続される。排気ガスと新気との混合性を高める点では、後者の態様が好適である。排気ガス浄化装置２６は、触媒ケース２７の内部に三元触媒２８を充填した構造になっている。
【００２８】
触媒ケース２７には、Ｏ２センサー２９を設けている。また、内燃機関は、制御装置の中核になるＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）３０を備えており、Ｏ２センサー２９やスロットルバルブ１９、過給量調節バルブ２４は、ＥＣＵ３０と電気的に接続されている。
【００２９】
(2).制御態様
既述のとおり、内燃機関は、ノッキング防止や出力維持等のために空燃比１２：１で運転されているが、三元触媒２８は、混合気が理論空燃比である１４．７：１において完全燃焼した状態において浄化性能が最大になるように設定されており、現実の運転では、浄化性能の最大化のためには酸素量（空気量）が不足する。
【００３０】
他方、内燃機関では、図２に示すように、排気行程の終期と吸気行程の初期とが重複して、吸気バルブ１３と排気バルブ１５とが共に開いているオーバーラップ領域が存在している。そこで、従来のオーバーラップ領域θ１よりも吸気バルブ１３の開弁タイミングを早めて、オーバーラップ領域を従来よりもθ２だけ大きいθ３に拡大すると共に、過給量調節バルブ２４を開いてスーパーチャージャ２２から新気を排気ガスの圧力よりも高い圧力（又は同じ圧力）で送気することにより、不足している量の新気を排気ガス浄化装置２６に向けて吹き込む。
【００３１】
これにより、三元触媒２８を通過する排気ガスにおける酸素及び窒素の濃度を、理論空燃比である１４．７：１の混合気が完全燃焼した状態での濃度と略同じにして、三元触媒２８の浄化能力をフルに発揮させることができる。従って、ノッキング防止や出力維持を図りつつ、排気ガスの浄化性能を向上できる。
【００３２】
そして、内燃機関は直噴方式であり、燃料が噴射される前のオーバーラップ領域において新気が吹き込まれるため、燃費悪化の問題はない。また、燃料の噴射量は任意に設定できるため、１２：１程度の空燃比は正確に維持できる。従って、ノッキング防止や出力維持といった現実的な要請には問題なく応えることができる。また、オーバーラップ領域ではピストンによる加圧はされていないため、ポンピングロスによる動力損失の問題も生じない。この点においても、燃費の悪化を防止できる。
【００３３】
Ｏ２センサー２９は、酸素濃度に基づいてスロットルバルブ１９の開度を制御するフィードバック制御に使用されているが、本実施形態においても、Ｏ２センサー２９で検出した酸素濃度に基づいて、オーバーラップ時の新気の吹き込み量や吸気バルブ１３の開きタイミングを制御することが可能である。
【００３４】
内燃機関において、過給は常に行っている訳ではなく、回転数や負荷に応じて過給量が制御されているが、排気ガスの浄化促進を目的とした新気の吹き込みは、全運転領域において行える。従って、低負荷・低回転域のように過給の必要がない運転領域では、オーバーラップ領域でのみスーパーチャージャ２２による新気の吹き込みを行ったらよい。
【００３５】
また、過給運転域では、スーパーチャージャ２２の出力は一定にして、オーバーラップ領域の拡大のみで対応することも可能であるし、オーバーラップ領域においてスーパーチャージャ２２による過給量を増大させることも可能である。オーバーラップ領域を拡大する制御や、スーパーチャージャ２２による新気の吹き込み量の制御は、予め設定したマップに基づいて定型的に行ってもよいし、Ｏ２センサー２９の検出値等に基づいて数値を決定してもよい。
【００３６】
また、三元触媒２８は所定温度に昇温しないと活性化しないという性質がある一方、排気ガスに新気を吹き込むと排気ガスの温度が低下して三元触媒２８の送気昇温を阻害することも有り得るため、コールドスタート時には、三元触媒２８の早期昇温を優先させて、新気の吹き込みを行わないという制御も可能である。この場合は、機関温度を冷却水温度によって検知して、冷却水温度が所定温度に昇温するまでオーバーラップ領域での新気吹き込みを行わないという制御が可能である。
【００３７】
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、過給装置として排気ターボ過給機を使用することも可能であり、この場合は、蓄圧器を付設して、オーバーラップ領域における吹き込み時に、蓄圧器から加圧した新気を吹き込むことが可能である。
【００３８】
オーバーラップ領域の拡大手段としては、排気バルブを遅角制御したり、吸気バルブの進角と排気バルブの遅角とを併用してもよい。また、オーバーラップ領域は拡大せずに、オーバーラップ領域において過給装置による過給量を増大させることにより、排気ガスの酸素濃度を目標値に到達させることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本願発明は、直噴式内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１  機関本体を構成するシリンダブロック
２  機関本体を構成するシリンダヘッド
１０  燃焼室
１１  燃料噴射インジェクタ
１２  点火プラグ
１３  吸気バルブ
１５  排気バルブ
１６  排気ポート
１８  吸気マニホールド
１９  スロットルバルブ
２２  過給装置の一例としてスーパーチャージャ
２４  過給量調節バルブ
２６  排気ガス浄化装置
２７  触媒ケース
２８  三元触媒
２９  Ｏ２センサー
３０  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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