(57)【要約】【課題】燃料をシリンダ内に直接噴射する火花点火式の筒内噴射式内燃機関において、高出力と低燃費を両立できる。【解決手段】１シリンダ当たり２つのインジェクタを備え、第１インジェクタ１２２ａをシリンダの略頂点部分に、第２インジェクタ１２２ｂを吸気側に配置する。第２インジェクタのマルチ噴霧のうち1つ以上は点火プラグ１１３近傍を指向し、第１インジェクタによる燃料噴霧をシリンダ内にほぼ均等に分散させる。２つのインジェクタの燃料噴射量を、燃圧一定で、同じ噴射パルス幅の条件で噴射したときに、第１のインジェクタの燃料噴射量が第２のインジェクタの燃料噴射量より多い。均質では２つのインジェクタを吸気行程で、弱成層では第１インジェクタを吸気行程、第２インジェクタを圧縮行程で、成層では第２インジェクタを圧縮行程でそれぞれ噴射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料をシリンダ上部の燃焼室内に直接噴射するインジェクタを１シリンダ当たり２つ備えており、運転条件によって２つのインジェクタのうち、一方または両方を用いて燃料噴射を行なうように構成されている筒内噴射式内燃機関であって、
前記２つのインジェクタのうち第１のインジェクタは、燃料噴霧をシリンダ内にほぼ均等に分散させ、第２のインジェクタは、燃料噴霧の少なくとも一部を点火プラグ周りに指向させており、
前記２つのインジェクタを、燃圧一定で、同じ噴射パルス幅の条件で噴射したときに、前記第１のインジェクタの燃料噴射量が、前記第２のインジェクタの燃料噴射量よりも多いことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記２つのインジェクタのうち一方を、燃焼室上方のシリンダヘッドの中央付近に配置し、その他方を、吸気管下部のシリンダヘッドに配置したことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記第１のインジェクタの前記燃料噴射量は、前記第２のインジェクタの燃料噴射量の５倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記２つのインジェクタはそれぞれ複数の噴口を備えており、前記第１のインジェクタの噴口が６〜８個であり、前記第２のインジェクタの噴口が１〜６個であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記第２のインジェクタの噴口径は、前記第１のインジェクタの噴口径よりも小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記第１のインジェクタの噴口径を１としたとき、前記第２のインジェクタの噴口径が０．５以上であることを特徴とする請求項５に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置であって、
前記制御装置は、運転状態に基づいて要求トルクを演算し、
該要求トルクとエンジン回転数に基づいて、前記第２のインジェクタのみで燃料噴射する第１の燃料噴射制御、又は、前記２つのインジェクタで燃料噴射する第２の燃料噴射制御を選択することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記２つインジェクタは、それぞれに供給される燃料を別々に加圧して保持する系統を備え、前記制御装置は、それぞれの系統における前記供給燃圧を互いに独立して制御することを特徴とする請求項７に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記第１の燃料噴射制御を選択中に、所定のタイミングで、前記第２のインジェクタの燃料噴射を停止し、前記第１のインジェクタの燃料噴射を行うことを特徴とする請求項７又は８に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記制御装置は、前記要求トルクとエンジン回転数に基づいて、成層燃焼、弱成層燃焼、均質燃焼の制御を選択し、
前記均質燃焼を選択した場合には、前記第２の燃料噴射制御を選択し、前記第１、及び第２のインジェクタを吸気行程で噴射するように制御し、
前記弱成層燃焼を選択した場合には、前記第２の燃料噴射制御を選択し、前記第１のインジェクタを吸気行程で噴射し、前記第２のインジェクタを、圧縮行程で噴射するように制御し、
前記均質燃焼の制御を選択した場合には、前記第１の燃料噴射制御を選択し、前記第２のインジェクタを、圧縮工程で噴射するように制御することを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式内燃機関に係り、特に、インジェクタを２つ備え、点火プラグを備える火花点火式の筒内噴射式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリンダ内に直接燃料を噴射する、筒内噴射式火花点火式ガソリンエンジン（ＤＩ−Ｇエンジン）が広く知られている。これ以前に主流であったマルチポート噴射システム（ＭＰｉシステム）を備えたエンジンに比べ、混合気の点火プラグ周り成層化による大幅なトータル空燃比の希薄化が可能になり、これにより燃費の低減を行なうことができ、また、吸気冷却効果や、燃焼効率向上による出力の向上が見込まれている。
【０００３】
この種のエンジン、ことに、過給機を用いて高負荷域のトルクを向上させるように構成したものにあっては、たとえばアイドル時のような極低回転低負荷時には必要燃料量が極端に少なく、逆に高回転高負荷で過給を行なっている際には、短時間に非常に多くの燃料を供給する必要がある。
【０００４】
高負荷時に十分な流量を供給するには、インジェクタのノズル穴径を大きくするなどして対応することができるが、インジェクタにはダイナミックレンジと呼ばれる最大流量と最小流量の比が存在するために、最大流量を増やすと、精度良く噴射できる最小流量も自ずから増えてしまう。そのため、アイドル時に設定したい流量が最小燃料量付近、またはこれを下回り、燃料供給の精度が悪化し、燃焼が不安定になり、エンジンの回転変動が大きくなって乗り心地が悪化したり、ＨＣなどのエミッションが増加するといった問題点があった。または、これを回避するためアイドル回転数を低くできず、燃費が悪化するといった問題があった。
【０００５】
この点に鑑みた従来技術として、例えば、特許文献１に開示されている過給機付筒内噴射型エンジンがある。このエンジンでは、アイドル時などの極低回転時には燃圧を低下させ、同一の噴射パルス幅でも燃料供給量を小さくするとともに、吸気行程にて燃料噴射を行なうことにより、燃料の気化時間を確保して燃焼性を確保するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、別の従来技術として、例えば、特許文献２に開示されている過給機付筒内噴射型エンジンがある。このエンジンでは、多気筒エンジンの各気筒内に直接噴射する第１のインジェクタを高負荷時に用い、これより噴射量が少なく、サージタンクに設けられた第２のインジェクタをアイドル時を含む低負荷時に用いる。このように流量特性の異なる２種類のインジェクタを用いることにより、エンジンの広い運転域で安定燃焼が可能だとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２７４０７７号公報
【特許文献１】特開２００３−８３１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記のような構成においては、次に示すような問題点があった。すなわち、従来技術においてはアイドル時などの極低負荷時に燃圧を低下させたり、サージタンク等の吸気系において噴射を行なっているが、燃圧を下げると噴霧粒径が粗大化して気化が悪くなり、ピストンやヘッド、シリンダボアなどの壁面に付着しやすく、ＨＣ（未燃炭化水素）などのエミッションが悪化しやすいという問題点があった。
【０００９】
また、多気筒エンジンにあっては、サージタンクに燃料を噴射した場合、吸気流によって、各気筒間の空燃比にばらつきが生じ、トルク変動の原因になるという問題があった。特にエンジン冷機時などでは、吸気系に燃料を噴射すると、その燃料が吸気ポート内で壁流となり、吸気弁が開いたときにシリンダ内に流れ込み、これらが十分に気化できず、スート（すす）やＨＣなどのエミッションの原因になるという問題点があった。
【００１０】
また、筒内噴射エンジンにあっては、その圧縮行程噴射を用いて混合気の成層化を行なうことによりポンピングロスを低減してアイドル時の燃費を低減することができるが、従来技術ではこの点が考慮されておらず、燃費低減が不十分であるという問題点があった。
【００１１】
さらに、最近では混合気の最適化をはかるために、例えば吸気行程と圧縮行程の２度に分けて噴射する、いわゆる分割噴射を行なう場合があるが、極低負荷時の燃料を主として吸気ポートから供給するとした従来例にあっては、このコントロールが実質不可能であり、混合気の最適化がはかれないといった問題点があった。
【００１２】
さらに、この種の筒内噴射エンジンにあっては、始動直後に混合気を点火プラグ周りにややリッチな混合気、すなわち弱成層混合気とし、点火時期をリタードさせることにより後燃えの割合を増やして排気温度を上げ、触媒の早期活性化を促してモードエミッションの低減を図る方法が知られているが、前記従来例においては、低回転時の混合気形成を主としてポート噴射に頼っているため、リタード時に点火プラグ周りに安定した弱成層混合気を形成することが難しく、十分なリタード量を確保することができないという問題点があった。
【００１３】
これらを総合すると、インジェクタのダイナミックレンジの拡大を優先したために、広い運転範囲における適正な混合気形成を十分に行なうことができず、筒内噴射エンジンの利点である燃費低減、エミッション低減などの効果が十分に得られていないという問題点があった。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、極低負荷時の最小流量と、高負荷時の最大流量の比率すなわちダイナミックレンジを大きく保ちながら、各運転条件での混合気の最適化により、低負荷時の燃費向上と、高負荷時の十分な燃焼性を確保できる筒内噴射式内燃機関を提供することである。
【００１５】
また、燃料の壁面付着を抑え、スートやＨＣの低減をはかることのできる筒内噴射式内燃機関を提供することである。さらに、混合気形成を最適化することにより、始動直後に十分な点火リタード量を確保でき、排気温度を上昇させて触媒の早期活性化をはかり、ＨＣを低減するとともに、燃料の気化時間を長く確保してスートの低減をはかる筒内噴射式内燃機関を提供することである。
【００１６】
また、成層混合気を作るためのインジェクタからの噴霧の微粒化、および気化を促進し、ＨＣ、スート等のエミッションの低減をはかる筒内噴射式内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成すべく、本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、燃料をシリンダ上部の燃焼室内に直接噴射するインジェクタを１シリンダ当たり２つ備えており、運転条件によって２つのインジェクタのうち、一方または両方を用いて燃料噴射を行なうように構成されている筒内噴射式内燃機関であって、前記２つのインジェクタのうち第１のインジェクタは、燃料噴霧をシリンダ内にほぼ均等に分散させ、第２のインジェクタは、燃料噴霧の少なくとも一部を点火プラグ周りに指向させており、前記２つのインジェクタを、燃圧一定で、同じ噴射パルス幅の条件で噴射したときに、前記第１のインジェクタの前記燃料噴射量が、前記第２のインジェクタの燃料噴射量よりも多いことを特徴とする。インジェクタの形態は、一つのインジェクタ毎に複数の噴口を持つマルチホールインジェクタであることが望ましく、第２のインジェクタの少なくとも１つの噴口を点火プラグに指向させることが望ましい。
【００１８】
前記のごとく構成された本発明の筒内噴射式内燃機関は、第１と第２のインジェクタを用いて異なる燃料噴射量で運転条件により燃料噴射を行なうことができるため、燃料噴射のダイナミックレンジを大きく保つことができると共に、各運転条件での燃料噴射の条件を決定して混合気の最適化を図ることができる。これにより、低負荷時の燃費向上と、高負荷時の十分な燃焼性を確保できる。また、燃料の壁面付着を抑え、スートやＨＣの低減を可能とする。
【００１９】
また、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の好ましい具体的な態様としては、前記２つのインジェクタのうち一方を、燃焼室上方のシリンダヘッドの中央付近に配置し、その他方を、吸気管下部のシリンダヘッドに配置しことを特徴としている。
【００２０】
このように構成された筒内噴射式内燃機関では、一方のインジェクタで、シリンダヘッドの中央付近からシリンダの燃焼室内に均一な状態で燃料を噴射し、他方のインジェクタで、吸気管下部のシリンダヘッド部分からシリンダ内へ燃料を局所的に噴射し、各種の運転条件に見合った燃料の噴射の最適化を行なうことで、低負荷時の燃費向上と、高負荷時の十分な燃焼性を確保できる。
【００２１】
例えば、一方のインジェクタとしての第１インジェクタの噴口をシリンダの略頂点部分に開口させ、他方のインジェクタとしての第２インジェクタの噴口をシリンダの２つの吸気ポートに挟まれた燃焼室の下部に開口するように構成することがより好ましい。この場合、第１のインジェクタは、燃焼室全体に噴霧が届くよう、インジェクタ中心線と噴霧のなす角度が４０°以上、すなわち噴霧角が略８０°以上であるように構成する。第２インジェクタに設けられた複数の噴口から噴射される噴霧のうち、少なくとも1つ以上はピストンを指向せず、点火プラグの近傍を指向するように構成する。
【００２２】
他の好ましい具体的な態様としては、前記第１のインジェクタの前記燃料噴射量は、第２のインジェクタの燃料噴射量の５倍以下である。すなわち、燃圧一定で、同じ噴射パルス幅の条件において噴射した場合、プラグ周りを指向する一方の第１のインジェクタの流量を１としたとき、第２のインジェクタの流量が１を超えて５以下になるように構成されることになる。なお、好ましくは、第１のインジェクタを吸気行程噴射用、第２のインジェクタを圧縮行程噴射用に使用する場合、その最大流量における流量割合を第１のインジェクタのほうが多くなるように、第２のインジェクタに対する第１インジェクタの比率は、１倍を超えて、５倍以下の範囲（第１のインジェクタの流量を５としたときに、第２インジェクタの流量が１以上５未満）になるように構成する。２つのインジェクタを合わせた全噴射量は、このエンジンの最大トルクをまかなえるように設定する。
【００２３】
また、別の好ましい具体的態様としては、２つのインジェクタはそれぞれ複数の噴口を備えており、第１のインジェクタの噴口数が６〜８個であり、第２のインジェクタの噴口数が１〜６個である。すなわち、２つのインジェクタのうち、点火プラグ周りを指向する噴霧に用いられる第２のインジェクタと、シリンダ内に噴霧を均等に分散させる第１のインジェクタとの噴口数または噴霧の本数が、第１のインジェクタのそれを６本から８本とすると、第２のインジェクタは１本から６本であることが好ましい。噴射量の比率は、主として噴口の穴数により調整する。例えば、流量の多い第１インジェクタの穴数を５とした場合、流量の少ない第２インジェクタでは略同じ穴径で１〜５穴とする。
【００２４】
さらに、別の好ましい具体的態様としては、第２のインジェクタの噴口径は、第１のインジェクタの噴口径よりも小さい。すなわち、第２のインジェクタの噴口径は、第２のインジェクタの噴口径よりも小さくすることにより、第２のインジェクタから噴霧された燃料を微細化することができ、スートやＨＣの低減を図ることができる。
【００２５】
より好ましくは、第１のインジェクタの噴口径を１としたとき、第２のインジェクタの噴口径が０．５以上である。すなわち、第２のインジェクタと、第１のインジェクタとの噴口径の比率が、第１のインジェクタを１としたとき、第２のインジェクタは０．５以上１未満の間であることが好ましい。このように構成すれば、筒内噴射式内燃機関の、各運転条件での混合気の最適化により、低負荷時の燃費向上と、高負荷時の十分な燃焼性を確保でき、スートやＨＣの低減をはかることができる。
【００２６】
さらに、前記した筒内噴射式内燃機関を制御するための好ましい制御装置として、制御装置は、運転状態に基づいて要求トルクを演算し、該要求トルクとエンジン回転数に基づいて、一方のインジェクタのみで燃料噴射する第１の燃料噴射制御、又は、双方のインジェクタで燃料噴射する第２の燃料噴射制御を選択する。なお、第１の燃料噴射制御及び第２の燃料噴射制御の選択は、後述する、要求トルクとエンジン回転数に基づいて選択された、成層燃焼、弱成層燃焼、又は均質燃焼の制御に応じて、選択されるものである。
【００２７】
本発明によれば、前記内燃機関が低トルクにおいての運転が要求される場合（要求トルクとエンジン回転数に基づいて、成層燃焼制御が選択された場合）には、点火プラグ周りを指向する第２のインジェクタから燃料噴射を行ない、前記内燃機関が高いトルクにおいて運転の運転が要求される場合（要求トルクとエンジン回転数に基づいて、均質燃焼制御が選択された場合）には、主として２つのインジェクタの双方から燃料噴射を行なうことができる。
【００２８】
より好ましくは、前記制御装置は、前記要求トルクとエンジン回転数に基づいて、成層燃焼、弱成層燃焼、均質燃焼の制御を選択し、前記均質燃焼を選択した場合には、前記第２の燃料噴射制御を選択し、前記第１、第２のインジェクタを吸気行程で噴射するように制御し、前記弱成層燃焼を選択した場合には、前記第２の燃料噴射制御を選択し、前記第１のインジェクタを吸気行程で噴射し、前記第２のインジェクタを、圧縮行程で噴射するように制御し、前記均質燃焼の制御を選択した場合には、前記第１の燃料噴射制御を選択し、前記第２のインジェクタを、圧縮工程で噴射するように制御する。
【００２９】
すなわち、要求トルクとエンジン回転数に基づいて、成層燃焼、弱成層燃焼、均質燃焼の制御を選択し、選択された燃焼制御に応じて、２つのインジェクタの噴射量及び噴射タイミングを制御する。具体的には、制御装置は、均質燃焼を選択した場合には、点火プラグを指向する第２のインジェクタと、均等分散させる第１のインジェクタとを、第１のインジェクタを吸気行程で噴射するように制御するか、または第１、第２のインジェクタを同時に吸気行程で噴射するように制御する。要求トルクとエンジン回転数に基づいて選択された燃焼制御により、弱成層燃焼を行なう（選択した）場合には、第１のインジェクタを吸気行程で噴射し、第２のインジェクタを、圧縮行程において、噴霧が混合気となって点火プラグ近傍に到着するタイミングとなるように噴射するように制御する。さらに、要求トルクとエンジン回転数に基づいて選択された燃焼制御により、成層燃焼を行なう（選択した）場合には、第２のインジェクタを圧縮行程で噴射するように制御する。
【００３０】
このように構成された筒内噴射式内燃機関では、内燃機関を低トルクで運転するとき、点火プラグ周りを指向するインジェクタから燃料噴射を行ない、主として均質燃焼にて運転される場合には２つのインジェクタの双方から燃料噴射を行なうことができるため、運転条件に最適な燃料の噴射制御を行なうことができるとともに、各種の運転条件に合せて、２つのインジェクタを用いて、より最適な燃料噴射制御を行なうことができ、低負荷時の燃費向上と、高負荷時の十分な燃焼性を確保できる。
【００３１】
好ましい具体的な態様としては、前記２つインジェクタは、それぞれに供給される燃料を別々に加圧して保持する系統を備え、前記制御装置は、それぞれの系統における前記供給燃圧を互いに独立して制御する。すなわち、前記点火プラグを指向する第２のインジェクタと、均等分散させる第１のインジェクタのそれぞれが別々の燃料を加圧して保持する系統を備えており、それぞれの系統における供給燃圧を互いに独立して制御するものである。
【００３２】
このように構成された筒内噴射式内燃機関では、一方のインジェクタ及び他方のインジェクタを別々の系統により燃料を加圧して保持し、供給燃圧を互いに独立して制御するため、大きいダイナミックレンジで、精度の良い燃料噴射制御を行なうことができる。これらの第１のインジェクタ、第２のインジェクタは、別々のフュエルギャラリ、すなわち高圧燃料配管に接続されており、これらの燃圧を別々に調整することにより、流量比率を調整することもできる。
【００３３】
さらに、好ましい具体的な他の態様としては、前記第１の燃料噴射制御を選択中に、所定のタイミングで、第２のインジェクタの燃料噴射を停止し、前記第１のインジェクタの燃料噴射を行う。すなわち、上述した低トルク時に噴射していない側のインジェクタを定期的に（所定のタイミングで）噴射するので、低トルク時には、点火プラグ周りを指向する側のインジェクタを噴射し、噴射させない側のインジェクタ（第１のインジェクタ）を定期的に噴射させることができる。このように構成すると、噴射させない側のインジェクタの噴射口にスート等が堆積するのを防止できる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の筒内噴射式内燃機関は、まず、高回転高負荷域、または過給を行なう場合にも十分な燃料を供給しながら、アイドル時などの低負荷条件でもインジェクタの最小流量の制御性を確保することができ、インジェクタのダイナミックレンジをこれまでの数倍から数十倍に大きくすることが可能である。
【００３５】
また、均質燃焼においては、均質度を従来よりも上げることができ、ＨＣ等のエミッションやスートを抑えながら、出力向上をはかることができる。弱成層燃焼においては、シリンダ内にややリーンなベース混合気を生成し、かつ点火プラグ近傍に濃い混合気を安定して生成させることで、着火性、初期燃焼安定性を向上させ、これをもって全体の燃焼安定性を向上させ、燃費向上、エミッション低減をはかることができる。
【００３６】
さらに、始動時のリタード燃焼においては、点火時期のリタード量を大きくして排気温度を上げることができ、触媒の早期活性化に有利で、燃焼安定性を保ち、失火を防止しながら始動直後の排気低減、特にＨＣ、スートの低減が可能である。また、成層燃焼用のインジェクタの流量を小さくしたので、従来と比べて燃料の微粒化をはかることができ、気化の向上により、壁面付着燃料の低減ができ、ＨＣやスートなどのエミッションの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る筒内噴射式内燃機関の第１の実施形態をシリンダ略横側から見た構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態の構成をエンジン上側から見た図。
【図３】第１の実施形態における第２インジェクタの噴霧と、ピストン、点火プラグとの位置関係を上側から見た図。
【図４】第１の実施形態における第２インジェクタの噴霧と、ピストン、点火プラグとの位置関係を横側から見た図。
【図５】第１の実施形態における運転領域ごとの燃焼状態を示した図。
【図６】第１の実施形態における、インジェクタの流量特性とダイナミックレンジの関係を示した図。
【図７】第１の実施形態において、中負荷域の燃料噴射制御のフローチャートを示した図。
【図８】第１の実施形態における第１インジェクタ１２２ａの燃圧制御マップ。
【図９】第１の実施形態における第２インジェクタ１２２ｂの燃圧制御マップ。
【図１０】第１の実施形態で、低回転低負荷時における、吸気行程の燃焼室の状態を表した図。
【図１１】第１の実施形態で、低回転低負荷時における、点火時期直前の燃焼室の状態を表した図。
【図１２】第１の実施形態で、低中回転、中高負荷時における、吸気行程の燃焼室の状態を表した図。
【図１３】第１の実施形態で、低中回転、中高負荷時における、点火時期付近、圧縮行程の燃焼室の状態を表した図。
【図１４】第１の実施形態で、高回転高負荷時における、吸気行程の燃焼室の状態を表した図。
【図１５】第１の実施形態で、高回転高負荷時における、点火時期付近、圧縮行程の燃焼室の状態を表した図。
【図１６】第１の実施形態で、始動直後、低回転低負荷時、吸気行程における燃焼室の状態を表した図。
【図１７】第１の実施形態で、始動直後、低回転低負荷時、圧縮行程における燃焼室の状態を表した図。
【図１８】第１の実施形態で、始動直後、低回転低負荷時、点火時期付近、膨張行程における燃焼室の状態を表した図。
【図１９】第２の実施形態における第１インジェクタの噴霧と、ピストン、点火プラグとの位置関係を上側から見た図。
【図２０】第２の実施形態における第１インジェクタの噴霧と、ピストン、点火プラグとの位置関係を横側から見た図。
【図２１】本発明の第２の実施形態で、始動直後、低回転低負荷時、吸気行程における燃焼室の状態を表した図。
【図２２】第２の実施形態で、始動直後、低回転低負荷時、圧縮行程における燃焼室の状態を表した図。
【図２３】第２の実施形態で、始動直後、低回転低負荷時、点火時期における燃焼室の状態を表した図。
【図２４】低回転低負荷時における、インジェクタ詰まり防止制御の噴射パターンを示した図。
【図２５】中回転中負荷時における、インジェクタ分割噴射の例を示した図。
【図２６】第１の実施形態における、始動時のフローチャート。
【図２７】始動直後の低負荷低回転時における、従来例と本発明のリタード量と排気温度、エミッションを比較した図。
【図２８】始動後の低負荷低回転時における、従来例と本発明の性能差を表した図。
【図２９】暖機後の低負荷低回転時における、従来例と本発明の性能差を表した図。
【図３０】高回転高負荷時における、従来例と本発明の性能差を表した図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の第１の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１から図２に、本発明の第１の実施形態におけるシステムの構成図を示す。図１は吸気系と排気系を略横側から、図２はエンジン上方から見たものである。なお、本実施形態では主として多気筒エンジンを想定しているが、以降の図では簡単のために１つのシリンダについて説明する。
【００３９】
図１、図２において、吸気管１０１は、シリンダ１２３の端面と吸気制御弁１０３との間の区間において、仕切り板１０２によって上下に分割されている。上流部に設けられた吸気制御弁１０３は、この吸気管１０１の下部側通路を閉塞するように取り付けられている。吸気制御弁１０３により、吸気管１０１を通過する空気量と、その方向を制御することができる。
【００４０】
第１インジェクタ１２２ａは、燃焼室上方のシリンダヘッドの中央付近に配置され、具体的には、シリンダ１２３の頂点付近から、ピストン方向である下方に向かい、直接シリンダ１２３上部の燃焼室内に燃料を噴射するように取り付けられている。第１インジェクタ１２２ａは、燃料噴霧をシリンダ内にほぼ均等に分散させものである。第１インジェクタ１２２ａの燃料を噴射する噴口は複数設けられており、一般にマルチホールインジェクタと呼ばれる形式である。噴口、すなわち噴霧の数は通常は６〜８本程度とする。
【００４１】
また、第２インジェクタ１２２ｂは、吸気管下部のシリンダヘッドに配置されており、具体的には、シリンダ１２３の２つの吸気弁１１１に挟まれた下部から、排気側方向に向けて直接シリンダ上部の燃焼室内に燃料を噴射するように取り付けられている。この第２インジェクタ１２２ｂの噴口も、第１インジェクタ１２２ａと同様に複数設けられており、噴口または噴霧の数を１〜６本程度とする。ここで、前記第２インジェクタ１２２ｂの噴口のうち、少なくとも１つ以上から出る燃料噴霧が、点火プラグ１１３のやや下側に向く方向に噴射されるように構成される。すなわち、第２インジェクタ１２２ｂは、燃料噴霧の少なくとも一部を点火プラグ周りに指向させている。
【００４２】
また、２つのインジェクタ１２２ａ，１２２ｂを、燃圧一定で、同じ噴射パルス幅の条件で噴射したときに、第１のインジェクタ１２２ａの燃料噴射量が、第２のインジェクタ１２２ｂの燃料噴射量よりも多くなるように、２つのインジェクタ１２２ａ，１２２ｂが構成されている。好ましくは、第１インジェクタ１２２ａ、第２インジェクタ１２２ｂの、それぞれの全噴射時には、第１のインジェクタ１２２ａの燃料噴射量は、第２のインジェクタ１２２ｂの燃料噴射量の５倍以下である。すなわち、プラグ周りを指向する一方の第１のインジェクタ１２２ａの流量を１としたとき、第２のインジェクタ１２２ｂの流量が１を超えて５以下になるように構成されることになる。換言すると、第１インジェクタ１２２ａと第２インジェクタ１２２ｂの流量比率が５：５を超えて５：１の間になるように構成される。具体的には、第１のインジェクタ１２２ｂの噴口径、もしくはオリフィス径を第２のインジェクタ１２２ａのそれよりも小さくし、穴数も、第１インジェクタが６〜８噴口であるとき、第２インジェクタは１〜６噴口と少なくする。通常は第２インジェクタの噴口数が第１インジェクタの噴口数を上回ることはない。穴径については、第１インジェクタ１２２ａの穴径を１としたとき、第２インジェクタ１２２ｂの穴径は０．５以上１未満になるようにする。
【００４３】
図１および図２の右下側より空気が吸入され、エアクリーナ１０６を通り、エアフローメータ１０５で流量を計測し、電子制御スロットルチャンバ１０４で流量を調節した後、コレクタ１１６で各気筒に分配される。その後、コレクタ１１６で分配された空気は、前記した吸気管１０１を通り、吸気弁１１１が開いた際にシリンダ１２３に流入する。シリンダ１２３内で点火され燃焼したガスは、排気弁１１２、排気管１１０、触媒１１５を通り、消音器１１７を通って大気中に排気される。
【００４４】
また、燃料は図示されていない燃料タンクから、ポンプ１４０によって加圧され、逆止弁１４１ａおよび１４１ｂ、第１インジェクタ１２２ａへの燃料を供給するコモンレールである燃料ギャラリ１３２ａを通り、第１インジェクタ１２２ａから噴射される。第１インジェクタ１２２ａにより使われなかった燃料は、燃圧センサ一体型プレッシャレギュレータ１３３ａを通り、図示されていない燃料タンクに戻される。
【００４５】
または、第２インジェクタ１２２ｂへの燃料を供給する燃料ギャラリ１３２ｂを通り、第２インジェクタ１２２ｂから噴射される。第２インジェクタ１２２ｂにより使われなかった燃料は、燃圧センサ一体型プレッシャレギュレータ１３３ｂを通り、図示されていない燃料タンクに戻される。
【００４６】
各燃料ギャラリ１３２ａ、１３２ｂの圧力は、燃圧センサ一体型プレッシャレギュレータ１３３ａ、１３３ｂによって計測され、制御される。具体的には、各プレッシャレギュレータ１３３ａ、１３３ｂにコンピュータ（制御装置）２０１から与えられる制御信号により、図示されていない燃料タンクへのリターン量を制御することにより、燃圧を設定した値に保つことができる。この燃圧の値は、第１インジェクタ１２２ａと第２インジェクタ１２２ｂで異なっていても良く、それぞれのインジェクタの流量や微粒化、噴霧貫通力の程度を適切にするために用いることができる。
【００４７】
インジェクタ１２２ａおよび１２２ｂの燃料噴射時期、点火プラグ１１３の点火時期、吸気制御弁１０３、電子制御スロットル１０４の開度は、エアフローメータ１０５で計測された吸入空気量、それぞれの燃料ギャラリ１３２ａおよび１３２ｂに取り付けられた、燃圧センサ１３３ａ，１３３ｂによって計測される、燃料ギャラリ１３２ａ，１３２ｂ内の燃料圧力、クランク角センサ３０１で求められたエンジン回転数、アクセルペダルの開度、そしてエンジン水温、車速（いずれもその入力側センサを図示していない）などの情報を基にしてコンピュータ２０１によって最適な値および時期に設定および制御される。なお、クランク角センサ３０１は、クランク軸３００に固定されたセンサ板３０２の突起を検出してクランク角を検出する構成となっている。
【００４８】
点火については、コンピュータ２０１から点火コイル１１４に点火パルス信号を与えると、点火コイル１１４の二次側から高電圧が発生し、点火プラグ１１３に点火用の火花が飛ぶようになっている。
【００４９】
燃料噴射については、コンピュータ２０１から第１インジェクタ１２２ａ、または第２インジェクタ１２２ｂに噴射パルス信号を与えると、それに応じた開弁時間でインジェクタ１２２ａおよび１２２ｂの作動が行なわれる。なお、実際の燃料噴射量は、この開弁時間と、燃圧センサ１３３ａ，１３３ｂによって計測される燃料ギャラリ１３２ａ，１３２ｂ内の圧力（燃圧）によって変わるため、コンピュータ２０１はこの燃圧を考慮してパルス幅を決定する。
【００５０】
エンジンの低負荷時など、エンジンにとって空気流動が必要な状態であると判断されると、コンピュータ２０１は、吸気制御弁１０３を閉じ方向に制御し、仕切り板１０２の下方の通路の流量を制御することにより、燃焼室内を、より最適なタンブル強度になるようにする。
【００５１】
図３および図４に、第１の実施形態における第２インジェクタの噴霧と、ピストン、点火プラグとの位置関係を示す。
【００５２】
ピストン１０７上には、シリンダ内にタンブル１２０を形成するタンブル保存用キャビティ１０８が設けられており、このキャビティの凹面に沿って、図１および図２に示した吸気管１０１からの流れが保存され、シリンダ１２３内に吸入された空気はシリンダ内を回転する。また、第２インジェクタ１２２ｂからの噴霧１２５ｂのうち、下側に噴射されたものについては、このタンブル保存キャビティ１０８に沿って進む。ここで、ピストン１０７の略中心には段差１０８ａが設けられており、この段差をきっかけとして、前述のタンブル１２０により、噴霧１２５ｂが点火プラグ１１３の近傍に巻き上がる働きをする。第２インジェクタ１２２ｂを圧縮行程の後半、好ましくは上死点前５０°から上死点前２０°で用いることにより、点火プラグ１１３の近傍に安定した成層混合気を形成することができる。
【００５３】
図５に、本発明の第１の実施形態における、暖気後の運転領域ごとの燃焼状態を示す。コンピュータ２０１は、要求トルクとエンジン回転数に基づいて、第２のインジェクタのみで燃料噴射する第１の燃料噴射制御、又は、双方のインジェクタで燃料噴射する第２の燃料噴射制御を選択する。なお、要求トルクは、後述する運転状態により演算されるものである。
【００５４】
具体的には、要求トルクとエンジン回転数に基づいて、図５に示すマップを用いて、成層燃焼、弱成層燃焼、均質燃焼の制御を選択し、選択された燃焼制御に応じて、インジェクタの第１の燃料噴射制御及び第二の燃料噴射制御を選択し、燃料の噴射を制御する。
【００５５】
比較的低負荷低回転においては、領域（ａ）に示したように第２インジェクタを用いて成層運転を行ない、空燃比のリーン化によりポンピングロスを抑え、燃費を低減する。具体的には、要求トルクとエンジン回転数により、図５に示す成層燃焼制御（成層運転）を選択した場合には、コンピュータ２０１は、点火プラグ周りを指向する第２のインジェクタで燃料噴射を行なう。
【００５６】
領域（ａ）よりも高回転側または高負荷側の領域（ｂ）では、第１インジェクタ１２２ａと第２インジェクタ１２２ｂの双方を使用する。このとき、要求トルクとエンジン回転数に基づいて弱成層燃焼制御（弱成層運転）を選択した場合には、コンピュータ２０１は、第１インジェクタ１２２ａを吸気行程に、第２インジェクタ１２２ｂを主として圧縮行程で噴射させる。これにより、シリンダ１２３内に弱成層混合気、すなわち、点火プラグ１１３の近傍がリッチで、その周辺が比較的リーンな混合気を形成することができる。
【００５７】
さらに高回転、または高負荷の領域（ｃ）では、第１インジェクタ１２２ａと第２インジェクタ１２２ｂの両方を用い、双方を吸気行程で大流量の燃料を噴射して高出力に対応する。すなわち、要求トルクとエンジン回転数に基づいて均質燃焼制御（均質運転）を選択した場合には、コンピュータ２０１は、第１インジェクタ１２２ａと第２インジェクタ１２２ｂの両方を用い、双方を吸気行程で大流量の燃料を噴射させる。各領域における運転の詳細に関しては後述する。
【００５８】
図６は、本発明の第１の実施形態における、インジェクタの流量特性とダイナミックレンジに関する説明図である。なお後述するが、実際には燃圧を変化させて使用するが、本図は簡単のために、あらかじめ燃圧一定の状態で特性を取得し、表示したものである。
【００５９】
通常、インジェクタをパルスによって駆動する場合、パルス幅と流量特性は略比例する関係にあるが、ある一定のパルス幅以下では、インジェクタに通電してもプランジャが開かず、燃料が噴射されない。これを一般に無効噴射パルス幅と呼んでいる。また、無効噴射パルス幅以上のパルス幅であっても、インジェクタの作動が不安定であるため、使用できないパルス幅がある。
【００６０】
第１インジェクタ１２２ａにおいて、使用できる最小パルス幅における流量をＱ１ｍｉｎとし、インジェクタの最大流量をＱ１ｍａｘとしたとき、ダイナミックレンジはＱ１ｍｉｎとＱ１ｍａｘの比で表され、現在の技術水準では、通常その比率は５〜７前後である。低負荷時の燃料消費量が少なく、かつ高負荷域のトルクが大きい過給直噴ガソリンエンジンでは、ダイナミックレンジが不足して問題になることが多い。
【００６１】
ここで、本発明では従来からの第１インジェクタ１２２ａに加えて、第１インジェクタ１２２ａよりも全噴射時の流量が少ない第２インジェクタ１２２ｂを備えている。これらのインジェクタの流量特性は、横軸をパルス幅、縦軸を燃料流量とすると、パルス幅の増加に対して燃料流量が増加する、傾きのある直線でほぼ表すことができる。図６中にはそれぞれの最大、最小流量の点も合わせて示している。
【００６２】
第１インジェクタのみでの通常のダイナミックレンジを表す式は
・Ｑ１ｍａｘ／Ｑ１ｍｉｎ＝７                                        …（１）
である。
【００６３】
第２インジェクタについても同様に
・Ｑ２ｍａｘ／Ｑ２ｍｉｎ＝７                                        …（２）
のように表すことができる。
【００６４】
ここで、第１インジェクタと第２インジェクタの流量比を５：１とする。
・Ｑ１ｍａｘ／Ｑ２ｍａｘ＝５                                        …（３）
・Ｑ１ｍｉｎ／Ｑ２ｍｉｎ＝５                                        …（４）
【００６５】
このとき、本発明の１シリンダあたりの最小噴射量は、第２インジェクタ１２２ｂのみの最小噴射量Ｑ２ｍｉｎになり、最大噴射量は、第１インジェクタ１２２ａおよび第２インジェクタ１２２ｂの合計の最大噴射量、すなわちＱ１ｍａｘ＋Ｑ２ｍａｘになるので、本発明におけるエンジンとしてのダイナミックレンジは、（Ｑ１ｍａｘ＋Ｑ２ｍａｘ）／Ｑ２ｍｉｎで表すことができ、その値は、（１）〜（４）式を順次代入して次のように求められる。
【００６６】
すなわち、
・（Ｑ１ｍａｘ＋Ｑ２ｍａｘ）／Ｑ２ｍｉｎ
＝Ｑ１ｍａｘ／Ｑ２ｍｉｎ＋Ｑ２ｍａｘ／Ｑ２ｍｉｎ                （上式を展開）
＝Ｑ１ｍａｘ／（Ｑ１ｍｉｎ×（１／５））＋Ｑ２ｍａｘ／Ｑ２ｍｉｎ
（（４）式を移項して代入）
＝５×（Ｑ１ｍａｘ／Ｑ１ｍｉｎ）＋Ｑ２ｍａｘ／Ｑ２ｍｉｎ
＝５×７＋７                                          （（１）、（２）式を代入）
＝４２                                                            …（５）
【００６７】
このように、（５）式に示したように本発明におけるダイナミックレンジは４２にでき、１シリンダ当たり１つのインジェクタを使用する従来の場合と比べて非常に大きいダイナミックレンジを得ることができる。
【００６８】
図７に、第１の実施形態における燃料噴射制御のフローチャートを示す。この制御は第１インジェクタ１２２ａ、第２インジェクタ１２２ｂの双方から噴射する場合、すなわち主として図５の領域（ｂ）と（ｃ）の場合について記述している。
【００６９】
まず、コンピュータ２０１に、クランク角センサ３０１からの情報をもとにエンジン回転数が読み込まれる（Ｓ１）。その後、エンジン水温（Ｓ２）、アクセル開度、ギヤ位置（Ｓ３）などの情報が読み込まれ、要求トルクが演算される（Ｓ４）。そして、エンジン回転数および要求トルクの情報を基に、第１インジェクタの燃圧マップＭ１を参照し、目標燃圧ｐ１ｔを取得する（Ｓ５）。
【００７０】
ここで、第１インジェクタが取り付けられている燃料ギャラリの燃圧センサ１３３ａで計測した燃圧ｐ１と、ｐ１ｔを比較する。燃圧ｐ１が、マップＭ１で得られた目標値ｐ１ｔよりもｈ１以上高い場合（Ｓ６）には、燃圧レギュレータＲ１のリリーフ量を制御量ｉだけ大きくする（Ｓ７）。ｈ１はヒステリシスであり、本発明では例えば０．１ＭＰａに設定される定数である。燃圧ｐ１が、マップＭ１で得られた目標値ｐ１ｔよりもｈ１以上低い場合（Ｓ８）には、燃圧レギュレータＲ１のリリーフ量を制御量ｉだけ小さくする（Ｓ９）。
【００７１】
同様に第２インジェクタのマップＭ２を参照して目標燃圧ｐ２ｔを求め（Ｓ１０）、燃圧センサ１３３ｂで計測された燃圧ｐ２と比較し（Ｓ１１、Ｓ１３）、ヒステリシスｈ２として同様に燃圧レギュレータＲ２を制御する（Ｓ１２、Ｓ１４）。以上のようにして、燃料系の燃圧を目標値に近くセットすることができる。
【００７２】
次に、マップから、ｉ番目気筒の第１インジェクタの噴射時期ＩＴ１、パルスＴｉ１、第２インジェクタの噴射時期ＩＴ２、パルス幅Ｔｉ２、点火時期ＡＤＶを読み取る（Ｓ１５）。
【００７３】
そして、クランク角がＩＴ１、ＩＴ２になったとき、第１インジェクタ、第２インジェクタの噴射をそれぞれ行なう（Ｓ１６、Ｓ１７）。２つのインジェクタの噴射は略同時に行なわれる場合もあり、また、第１インジェクタ１２２ａの噴射が吸気行程に、第２インジェクタ１２２ｂの噴射が圧縮行程に行なわれる場合もある。次に、クランク角ＡＤＶで点火を行なう（Ｓ１８）。以上の操作を第１気筒からｉ番目気筒まで行ない（Ｓ１９、Ｓ２０）、全ての気筒に順次噴射および点火を行なうようにする。
【００７４】
図８および図９に、本発明の第１の実施形態における燃圧制御マップを示す。図８が第１インジェクタ１２２ａの燃圧制御マップＭ１、図９が第２インジェクタ１２２ｂの燃圧制御マップＭ２である。これらの燃圧マップは、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジントルクとして表示している。図７のフローチャートに示したように、エンジン回転数、トルクから目標の燃圧ｐ１ｔ、ｐ２ｔをそれぞれ求め、燃圧レギュレータのリリーフ量を制御することにより、各噴射系統の燃圧を独立して制御することができる。
【００７５】
図８で、低回転低負荷域では第１インジェクタの燃圧の値（括弧付きの数値）は例えば１０ＭＰａに設定されているが、この値は図２４で後述する詰まり防止制御時を除き、実際には使用されることがない。負荷、または回転数が高くなり、図５に示した領域（ｂ）に達すると、主に燃圧１０ＭＰａで噴射を行なう。さらに高負荷側すなわち図の上部では、流量を満足し、また、シリンダ内の均質性を高めるため、燃圧を１５ＭＰａと高くする。
【００７６】
図９において、低回転または低負荷域では、必要燃料流量が小さくても精度良く噴射を行なえるよう、燃圧を小さく設定する。本実施形態では例えば５ＭＰａのように設定する。負荷、または回転数が高くなると、燃料の微粒化を向上させるため、燃圧を１５ＭＰａと高くする。
【００７７】
さらに高負荷域では領域（ｃ）で均質噴射を行なう。領域（ｃ）の中でも比較的低負荷な領域では、噴霧の貫通力を弱めて噴霧が対向壁に付着するのを防ぐために、燃圧を例えば１０ＭＰａと小さくする。負荷が高くなると、空気量が増え、これに対応して流量を多くするとともに、噴霧の貫通力を上げて均質性を確保するため、再び燃圧を高く設定する。さらに高負荷な領域では、例えば目標燃圧を２０ＭＰａとする。
【００７８】
図８、図９に示したものは一例であり、第１、第２インジェクタのそれぞれについて必要な場合には適宜燃圧マップの変更を行ない、各運転条件に即した適切な燃圧に設定することができる。
【００７９】
図１０から図１１に、第１の実施形態における、低回転低負荷における燃焼室の状態を示す。図１０は吸気行程、図１１は点火時期付近の圧縮行程の状態を示している。この状態は、図５の領域（ａ）に相当する。
【００８０】
この場合、図１、図２に示したコンピュータ２０１により、圧縮行程噴射、すなわち成層燃焼が選択される。吸入制御弁１０３は、前述の図５の場合と同じく、やや閉じ方向にセットされる。このとき、第２のインジェクタのみから、圧縮行程、好ましくは、圧縮上死点前５０°から、圧縮上死点前２０°付近に至るまでに燃料が噴射される。そして、点火時期、例えば上死点前１５°で点火が行なわれる。
【００８１】
ここで、第２インジェクタ１２２ｂから出た噴霧のうち、点火プラグ１１３に向かう噴霧１２５ｃが、点火プラグ近傍に到達するまでに気化して成層混合気を形成する。
【００８２】
同じく第２のインジェクタ１２２ｂから出た噴霧のうち、ピストン１０７の冠面に向かう噴霧１２５ｄは、ピストン１０７に設けられたタンブル保存キャビティ１０８に沿って進み、シリンダ１２３内の空気と混合しながら、点火プラグ１１３の略下側で、シリンダ１２３内のタンブル１２０の影響を受け、点火プラグ１１３に向かって持ち上がる。そして、噴霧１２５ｃに由来する混合気に追従する形で、点火プラグ１１３の周りに安定した成層混合気１２６ｂを長時間にわたり形成する。このようにして、安定した成層燃焼を行なわせることができる。
【００８３】
図１２および図１３に、第１の実施形態における、低中回転、中高負荷域における燃焼室の状態を示す。図１２は吸気行程、図１３は点火時期付近の圧縮行程における状態をそれぞれ示している。この状態は図５の領域（ｂ）に相当する。
【００８４】
この場合、エンジンの回転数はアイドル回転数以上の低速または中速回転であり、コンピュータ２０１により、弱成層燃焼が選択される。このとき、図１および図２に示したコンピュータ２０１からの指令により、吸気制御弁１０３は開き方向に設定され、吸気弁１１１を通り、多くの空気がシリンダ１２３内に吸入されることになる。
【００８５】
このとき、吸気行程、より詳しくは上死点後２０°から、下死点前２０°付近に至るまで、シリンダ上部に配置された第１インジェクタ１２２ａから燃料が噴射され、噴霧１２５ａが形成される。次に、圧縮行程後半、好ましくは、圧縮上死点前５０°から、圧縮上死点前２０°付近に至るまで、吸気管１０１下部に配置された第２インジェクタ１２２ｂから燃料が噴射され、噴霧１２５ｃ、１２５ｄが形成される。
【００８６】
吸気行程における噴霧はシリンダ１２３全体に略均質な混合気１２６ｂを形成し、圧縮行程における噴霧は、点火プラグ１１３近傍にのみ混合気１２６ａを形成する。そして、点火時期、例えば上死点前１５°で点火が行なわれる。この噴霧では、点火プラグ１１３付近のみをリッチな混合気とすることができ、点火直後の燃焼速度を上げることで、全体の燃焼を早め、機関の燃焼効率を上げて低燃費なエンジンとすることができる。
【００８７】
図１４および図１５に、第１の実施形態における、高回転高負荷域における燃焼室の状態を示す。図１４は吸気行程、図９は点火時期付近の圧縮行程の状態をそれぞれ示している。この状態は、図５の領域（ｃ）に相当する。
【００８８】
この場合、図１、図２に示したコンピュータ２０１により、吸気行程噴射、すなわち均質燃焼が選択される。吸気制御弁１０３は、略全開に設定され、吸気弁１１１を通り、多くの空気がシリンダ１２３内に吸入されることになる。
【００８９】
高回転域で吸気行程噴射を行なう場合、第１インジェクタ１２２ａからの噴霧１２５ａのみでは燃料噴射量および噴射期間が十分ではないため、第２インジェクタ１２２ｂも同じく吸気行程で噴射を行なう。噴射時期は、第１、第２のインジェクタとも、例えば上死点から下死点までとする。これにより、噴霧１２５ａと１２５ｂがシリンダ１２３内に供給され、その後、圧縮行程を経て、図１５の均質混合気１２６ａが生成される。その後点火時期、例えば上死点前１０°において点火が行なわれる。これらの構成により、十分な燃料量を確保しながら空気と燃料の混合を促進して空気利用率を高め、スートやノッキングの発生を抑えながら点火時期を進角させ、高出力を得ることができる。
【００９０】
図１６から図１８に、第１の実施形態における、始動直後の冷機時、低回転低負荷時における燃焼室の状態を示す。図１６は吸気行程、図１７は圧縮行程、図１８は点火時期である膨張行程初期における状態をそれぞれ示している。
【００９１】
この時には、前述したように点火リタードにより排気温度を上昇させて図１、図２に示した触媒１１５の早期活性化をはかる必要がある。このため、第１インジェクタ１２２ａを吸気行程に噴射し、第２インジェクタ１２２ｂを圧縮行程に噴射する。それぞれの混合気の挙動は、図１２または図１３に記したものと略同様である。
【００９２】
第１インジェクタ１２２ａの噴霧１２５ａはシリンダ１２３内に均一に広がる混合気１２６ａを形成し、第２インジェクタ１２２ｂの噴霧は、点火プラグ１１３の近傍に直接向かう噴霧１２５ｃと、ピストン１０７の冠面１０８付近を経由して、点火プラグ１１３の近傍に巻き上がる噴霧１２５ｄが、ともに点火プラグの近傍に成層混合気１２６ｂを形成する。
【００９３】
図１８に示すように、点火は膨張行程、好ましくは上死点後５°から３０°前後で行なう。成層混合気１２６ｂは、いずれのクランク角でも安定して点火プラグ１１３の近傍に存在しているので、いずれの点火時期であっても安定して燃焼を行なうことができる。なお、場合により点火を複数回行なっても良く、その場合には、例えば点火時期を上死点後２０°と３０°のように、ある程度の点火エネルギーのチャージ時間を空けて行なう。
【００９４】
このようにして、シリンダ１２３全体として弱成層混合気を形成し、点火リタード時でも混合気の拡散を抑え、安定した燃焼を行なわせることができる。点火が通常の燃焼の場合よりも遅いため、トルクにならない後燃え分が多くなり、排気温度が上昇し、よって図１および２に図示した触媒１１５の昇温を行ない、早期活性化によりエミッションの低減をはかることができる。
【００９５】
つぎに、本発明に係る筒内噴射式内燃機関の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図１９から図２０に、本発明の第２の実施形態における第１インジェクタの噴霧と、ピストン、点火プラグとの位置関係を示す。
【００９６】
第１の実施形態と異なり、本実施形態では、シリンダ１２３の上部に取り付けられた第２インジェクタ１２２ｂを、主に成層混合気の形成のために使用し、吸気弁１１１の側に配置される第１インジェクタ１２２ａを、主に均質混合気の生成のために使用する。この場合も、第２インジェクタ１２２ｂが、燃料噴霧の少なくとも一部を点火プラグ周りに指向されている。
【００９７】
第１および第２インジェクタ１２２ａ、１２２ｂの流量比は、それぞれ５：１から５：５になるように決定される。第２インジェクタ１２２ｂは噴口径を小さくし、噴霧貫通力も小さくする。噴霧の広がりについては、シリンダ中心と噴霧のなす角がおおむね４０°、噴霧角は約８０°とする。
【００９８】
第１インジェクタの流量は、中高負荷時でも十分な燃料をシリンダ１２３内に供給できる流量とする。均質用の噴霧であるので、第１の実施形態と異なり、必ずしも点火プラグ１１３を指向する必要はなく、シリンダ１２３のボア壁に付着しない程度に、拡散した噴霧ビームの構成としてよい。具体的には、噴霧貫通力はシリンダボア径程度に抑え、タンブル保存キャビティ１０８に収まる程度の噴霧とする。
【００９９】
図２１から図２３に、本発明の第２の実施形態の、始動直後の低回転低負荷時における燃焼室の状態を示す。全体構成は第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。図２１は吸気行程、図２２は圧縮行程、図２３は点火時期である膨張行程初期における状態をそれぞれ示している。
【０１００】
まず、エンジンの吸気行程において、第１インジェクタ１２２ａを噴射する。噴射時期はおおむね上死点後２０°から、下死点前２０°までとする。この噴霧により、吸気行程、圧縮行程を経て、シリンダ１２３内に均質混合気１２６ａが形成される。
【０１０１】
次に圧縮行程において、第２インジェクタ１２２ｂを噴射する。噴射時期はおおむね上死点前５０°から２０°程度である。この噴霧により、点火プラグ１１３の近傍にコンパクトな噴霧を形成し、よって成層混合気１２６ｂが形成される。
【０１０２】
点火は第１の実施形態と同様に、上死点後５°から３０°前後で行なう。成層混合気１２６ｂは、いずれのクランク角でも安定して点火プラグ１１３の近傍に存在しているので、いずれの点火時期でも安定して燃焼を行なうことができる。なお、第１の実施形態と同様に、場合により点火を複数回行なっても良い。
【０１０３】
このようにして、シリンダ１２３全体として弱成層混合気を形成し、点火リタード時でも混合気の拡散を抑え、安定した燃焼を行なわせることができる。その他の運転条件における使用法は、インジェクタの使用法が位置によって異なる以外は第１の実施形態と略同じであるので、説明は省略する。
【０１０４】
図２４に、低回転低負荷時における、インジェクタ詰まり防止制御の例を示す。この例では、図１０または図１１に示したように、低回転低負荷時には第２インジェクタ１２２ｂのみを使用する（第１の燃料噴射制御を選択する）が、この運転条件が長く続くと、使用していない第１インジェクタ１２２ａの噴口にデポジット（固着物）が堆積し、噴射量変化によりエンジンが不調となる恐れがある。そこで、第１の燃料噴射制御を選択した場合、第２インジェクタ１２２ｂのみを使用しているときには時間に応じてカウンタの加算を行ない、カウンタが最大値になった（所定のタイミングになった）時、切り替え許可フラグをＯＮにする。切り替え許可フラグがＯＮであるときには、第２インジェクタ１２２ｂからの圧縮行程噴射を停止し、第１インジェクタ１２２ａから吸気行程噴射を行なう。このようにして、定期的に（所定のタイミングで）第１インジェクタ１２２ａの噴射を行ない、詰まりを防止する。
【０１０５】
図２５に、中回転中負荷時における、インジェクタ分割噴射の例を示す。第２インジェクタ１２２ｂの流量が小さいため、運転条件に応じて噴射を２回、または３回以上に分割することができる。本図では、第２インジェクタ１２２ｂの噴霧を２回に分割した場合について示す。
【０１０６】
吸気行程では、第１インジェクタ１２２ａと第２インジェクタ１２２ｂの両方から略同時に噴射する。吸気行程であるので気化時間が長く取れ、またシリンダ１２３の内圧が低いのでシリンダ１２３内に均質混合気１２５ａが形成できる。圧縮行程では、第２インジェクタのみから噴射を行なう。分割された微量の燃料を点火プラグ１１３近傍に供給でき、点火プラグ１１３のごく近傍のみにリッチな混合気を形成して着火性、初期燃焼速度を早め、安定して燃焼させることができる。
【０１０７】
図２６に、第１の実施形態における始動時のフローチャートを示す。イグニッションキーがオンになると（Ｓ２１）、コンピュータ２０１が通電される（Ｓ２２）。その後スタータスイッチがオンにする（クランキング開始）（Ｓ２３）と、スタータモータに通電され、エンジンが始動される（Ｓ２４）。エンジンの回転に伴い気筒判別が行なわれる（Ｓ２５）。
【０１０８】
次に、エンジンを始動した後、始動後のファストアイドル状態であると判定されると（Ｓ２６）、フローチャート右側の制御に進む。ファストアイドル状態でないと判定されると（Ｓ２８）、Ｓ２６に戻る。右側の制御では、気筒数のカウンタを確認し（Ｓ２７）、このあと、前回の冷間時エンジン始動の際に記憶させておいた、点火時期ＡＤＶ、噴射時期ＩＴ１、ＩＴ２の気筒毎のテーブルを読み込み（Ｓ２９）、コンピュータ２０１がインジェクタ１２２ａおよび１２２ｂ、および点火コイル１１４にパルス通電することにより、それぞれ燃料噴射および点火を行なう（Ｓ３０〜Ｓ３２）。
【０１０９】
次に、気筒別に点火時期および燃料噴射時期をリタードする。そして、全気筒について燃料噴射および点火を行なった後（Ｓ３３〜Ｓ３４）、触媒温度センサ３０３または排気温度センサ３０４の温度を参照し、触媒が活性化する温度条件を満たしていれば（Ｓ３５）、本発明の点火時期リタード制御は終了し、通常制御に移行する。触媒温度センサ３０３の温度がまだ上がっていない場合には、温度上昇が満たされるまで、再び１番気筒から順に燃料噴射、点火を行なう。
【０１１０】
図２７に、従来例と本発明における、始動直後の性能差を示す。横軸は点火時期を示し、縦軸は排気温度、ＨＣ量、ＳＯＯＴ（すす）量を示している。従来では混合気形成が不安定であるため、例えば上死点後１８°程度まで点火時期を遅らせると燃焼安定性が限界値まで悪化していたが、本発明では例えば上死点後３０°前後まで安定して点火リタードを行なうことができる。このため、排気温度を高くすることができ、ＨＣやスートの後燃えを促進し、これらの排出を抑えることが可能である。
【０１１１】
図２８に、始動後の低回転低負荷時における、従来例と本発明の性能差を示す。図２７でも説明したように、本発明では弱成層の混合気形成を非常に良好に行なうことができるため、点火時期を遅らせても燃焼が安定しており、その分、さらに点火時期をリタードさせることが可能である。これにより排気温度が高く、後燃えが促進されるため、ＨＣがあっても燃えてしまい、テールパイプから排出される量は少なくなる。また、２つのインジェクタの連携により、必要以上の燃料の壁面付着を抑えることができ、この点でもＨＣやスートの排出を低く抑えることができる。
【０１１２】
図２９に、暖機後の低回転低負荷時における、従来例と本発明の性能差を示す。本発明では成層混合気の形成を非常に良好に行なうことができる。一般に、混合気をリーンにするとポンピングロスを小さくし、燃費を向上させることができるが、一方で燃焼速度の低下を招き、燃焼不安定や、時間損失の増大によりかえって燃費が低下する場合があり、あまり空燃比をリーンにすることができない。
【０１１３】
しかし、本発明においては、空燃比をリーンにしても点火プラグ１１３の近傍にストイキまたはリッチな混合気を存在させ、初期燃焼速度を早く保ち、またそのサイクルばらつき、気筒間ばらつきを抑えて良好な燃焼を行なわせることができ、エミッションの悪化を抑えながら、十分に燃費を低減することが可能である。
【０１１４】
さらに、成層混合気を供給するインジェクタは噴口を小さく設定しているため、燃料の微粒化が良く、この点でも未燃燃料による異常燃焼の可能性を抑えることが可能である。さらに、成層混合気を供給するインジェクタは、流量を均質用よりも小さく設定しているため、微小流量の制御性に優れ、例えば２回、３回などの噴射を行なう場合であっても、従来不可能な微小流量を正確に噴射でき、混合気形成における自由度が増している。
【０１１５】
図３０に、高回転高負荷時における、従来例と本発明の性能差を示す。従来のインジェクタでは、微小流量の制御性を確保するために、噴射量に上限があり、大きなダイナミックレンジを確保することが難しく、このため、良好な噴霧形成が行なわれていても、最高出力が制限される場合があった。
【０１１６】
本発明では均質燃焼時には２本のインジェクタから同時に噴射するので、大きな噴射量を得ることができ、また、１本のインジェクタのみから噴射する場合よりも、より均質度の高い混合気を生成することが可能である。よって空気利用率を上げることができ、また、特に過給を行なう場合など、高負荷域でも、過濃域が存在するために生じるスートの発生や、ノッキングを抑え、点火時期を進角させて、より高出力のエンジンとすることができる。
【０１１７】
なお、今回の実施形態ではいわゆる横噴きタイプのインジェクタと、直上タイプのインジェクタの組合せを用いた構成で説明したが、本発明の範囲は必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、横噴きタイプのインジェクタの代わりに斜め噴きタイプのインジェクタをシリンダヘッドの外周面に配置したり、あるいは、横噴きタイプのインジェクタと斜め噴きタイプのインジェクタを組合せたりするなどの組合せが可能であり、これらの構成も明らかに本発明の範囲に含まれるものである。
【０１１８】
さらに、各インジェクタの噴射方向に関しても、前記した実施形態では、横噴きインジェクタについては上方向と下方向の組合せを示したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、均質または成層混合気を効率良く形成できる構成であれば、例えば２つのインジェクタともシリンダ上側を指向して噴射しても良いし、あるいは、対向する噴霧を、互いにシリンダ上からみて右側に噴き分ける形で噴射するなどしても良く、これらも本発明の範囲に含まれるものである。
【０１１９】
またさらに、インジェクタの噴射時期に関しても、例えば始動直後の点火リタード燃焼に関して、吸気−圧縮行程の２回噴射について説明したが、エミッションや燃焼安定性を悪化させない範囲であれば、例えば圧縮−膨張の２回噴射を行なっても良く、これらの噴射タイミング、噴射回数の増減、各インジェクタにおける噴射タイミングを多様に設定することは十分に可能であり、これらも当然、本発明で意図した範囲に含まれるものである。
【０１２０】
また、前記した実施形態では点火プラグがシリンダの略中心部に１本ある場合について説明したが、点火プラグの配置は必ずしも中央でなくても良く、適切な均質混合気、ならびに成層混合気が形成できるのであれば、シリンダ内の任意の場所でも良い。また、前記した２つの実施形態で説明したようなマルチホールインジェクタの構成を用いることなく、適切な成層および均質混合気を形成することができれば、これらも当然本発明で意図した範囲に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、点火プラグを有するエンジンであれば、自動車用のみならず幅広い機器の動力源として応用が可能と考えられる。
【符号の説明】
【０１２２】
１０１…吸気管、１０２…仕切り板、１０３…吸気制御弁、１０４…電子制御スロットルチャンバ、１０５…エアフローメータ、１０６…エアクリーナ、１０７…ピストン、１０８…タンブル保存キャビティ、１１０…排気管、１１１…吸気弁、１１２…排気弁、１１３…点火プラグ、１１４…点火コイル、１１５…触媒、１１６…コレクタ、１１７…消音器、１１８…シリンダヘッド、１２０…タンブル、１２２ａ…第１インジェクタ、１２２ｂ…第２インジェクタ、１２３…シリンダまたはシリンダ壁、１２５a…均質用噴霧、１２５ｂ…成層用噴霧、１２６ａ…均質混合気、１２６ｂ…成層混合気、１３２ａ、１３２ｂ…燃料ギャラリ、１３３ａ、１３３ｂ…燃圧センサ、２０１…コンピュータ、３００…クランク軸、３０１…クランク角センサ、３０３…触媒温度センサ、３０４…排気温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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