(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより形成される燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを設けるとともに、リーン領域であるか否かにより前記インジェクタからの燃料の噴射タイミングを制御する制御手段を有する筒内噴射式エンジンにおいて、圧縮行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタからの燃料を一回噴射し、圧縮行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタからの燃料を分割噴射し、吸気行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタからの燃料を一回噴射し、吸気行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタからの燃料を分割噴射する機能を前記制御手段に付加して設けたことを特徴とする筒内噴射式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は筒内噴射式エンジンに係り、特に圧縮行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタからの燃料を一回噴射し、圧縮行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタからの燃料を分割噴射し、吸気行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタからの燃料を一回噴射し、吸気行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタからの燃料を分割噴射する機能を制御手段に付加し、制御手段によってエンジンの所定条件に応じてインジェクタからの燃料の噴射タイミングを分割し、霧化の促進によって噴射期間を短縮させることができ、燃費を向上し得る筒内噴射式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンには、シリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより形成される燃焼室にインジェクタによって直接燃料を噴射する筒内噴射式のものがある。
【０００３】
そして、近年、シリンダ内に直接燃料を噴射する筒内直噴ガソリンエンジンが数多く提案されている（例えば、特開平５−７１３５０号）。
【０００４】
このようなガソリンエンジンの多くは、低負荷運転時では、機関圧縮行程中に燃料をピストン頂面に設けられた凹部たるピストンキャビティに燃料を噴射し、点火プラグ近傍に燃料を集め、混合気を層状化することによって機関全体としては希薄状態で運転し、大幅な燃費向上を図り、高負荷運転時には、吸気行程中に燃料を噴射してシリンダ内に均一な混合気を生成し、理論空燃比もしくはリッチでの運転を行っている。そして、スワール噴射時期変更による気筒内圧の変化に伴って噴霧角及び飛散距離も変動することが一般的な特徴となっている。この変動は、気筒内圧が低い場合に噴霧角は小さく、飛散距離は長くなり、逆に気筒内圧が高い場合には、噴霧角は大きく、飛散距離が短くなる傾向にある。現在提案されている外部点火式筒内直噴エンジンの大部分は、このタイプのものである。
【０００５】
また、燃料の噴霧を微粒化するために、燃料圧力を高く（例えば５ＭＰａ以上）に保持している。この５ＭＰａとは、５０，０００ｈＰａであり、大気圧が１，０１３ｈＰａであるので、大気圧の約５０倍ということになる。
【０００６】
前記筒内噴射式エンジンとしては、特開平５−１１８２４４号公報に開示されるものがある。この公報に開示される内燃機関は、要求燃料噴射量を吸気行程と圧縮行程とに分割噴射する内燃機関において、吸気行程燃料噴射量を要求燃料噴射量に分割率を乗じて求めるとともに、圧縮行程燃料噴射量を要求燃料噴射量から吸気行程燃料噴射量を減じて求め、良好な燃焼を確保している。
【０００７】
また、特開平５−１１８２４５号公報に開示されるものがある。この公報に開示される内燃機関は、要求燃料噴射量を吸気行程と圧縮行程とに分割噴射する内燃機関において、吸気行程燃料噴射量を要求燃料噴射量に筒内圧に基づく分割率を乗じて求めるとともに、圧縮行程燃料噴射量を要求燃料噴射量から吸気行程燃料噴射量を減じて求め、良好な燃焼を確保している。
【０００８】
更に、特開平７−１１９５０７号公報に開示されるものがある。この公報に開示される筒内噴射式火花点火機関は、均一燃焼を実行する機関運転状態において吸気行程中に燃料噴射を開始する燃料噴射弁を有し、少なくとも機関運転状態における低回転時に必要燃料量を複数回に分割して噴射させ、均一燃焼時におけるスモークの発生を防止している。
【０００９】
更にまた、特開平９−３２６１９号公報に開示されるものがある。この公報に開示される筒内噴射型内燃機関は、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、空燃比を理論空燃比よりも大きくしてリーン燃焼運転を行い得る筒内噴射型内燃機関において、燃焼室から排気ガスを排出する排気通路と、排気通路に設置されてリーン燃焼運転時に排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を吸収するリーンＮＯｘ触媒と、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段によって検出された内燃機関の運転状態に基づいて内燃機関の排気行程で燃料噴射弁を作動させてリーンＮＯｘ触媒へ追加燃料を供給する燃焼噴射弁制御手段とを備え、トルク変動を招来しないようにしながら、リーンＮＯｘ触媒に吸着された浄化能力低下物質の除去を確実且つ適切に行っている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の筒内噴射式エンジンの圧縮行程噴射においては、ピストンの上面に形成した凹形状のピストンキャビティに燃料を確実にトラップさせるために、インジェクタからの燃料の噴射タイミングをなるべく遅角しなくてはならない。
【００１１】
一方、点火プラグにより確実に着火するためには、点火する時点でインジェクタから噴射された燃料が確実に霧化しなくてはならず（「燃焼準備期間」）、この燃焼準備期間を確保するためにインジェクタからの燃料の噴射タイミングをなるべく進角させる必要がある。
【００１２】
特に、高回転高負荷（圧縮行程噴射の範囲）になるに従い、クランクアングルに対する噴射期間や燃焼準備期間が長くなり、この２つの要求を同時に満足させることが困難でなり、改善が望まれていた。
【００１３】
また、前記筒内噴射式エンジンの圧縮行程噴射においては、特に高回転高負荷でクランクアングルに対する噴射期間が長くなり、十分な燃料の霧化時間を確保することができず、実用上不利であるという不都合がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明は、上述不都合を除去するために、エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより形成される燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを設けるとともに、リーン領域であるか否かにより前記インジェクタからの燃料の噴射タイミングを制御する制御手段を有する筒内噴射式エンジンにおいて、圧縮行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタからの燃料を一回噴射し、圧縮行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタからの燃料を分割噴射し、吸気行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタからの燃料を一回噴射し、吸気行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタからの燃料を分割噴射する機能を前記制御手段に付加して設けたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
上述の如く発明したことにより、制御手段によって、圧縮行程噴射における低回転または低負荷時には、インジェクタからの燃料を一回噴射し、圧縮行程噴射における高回転または高負荷時には、インジェクタからの燃料を分割噴射し、吸気行程噴射における低回転または低負荷時には、インジェクタからの燃料を一回噴射し、吸気行程噴射における高回転または高負荷時には、インジェクタからの燃料を分割噴射し、エンジンの所定条件に応じてインジェクタからの燃料の噴射タイミングを分割し、霧化の促進によって噴射期間を短縮させ、燃費を向上させている。
【００１６】
【実施例】
以下図面に基づいてこの発明の実施例を詳細に説明する。
【００１７】
図１〜図８はこの発明の実施例を示すものである。図２及び図３において、２は筒内噴射式エンジンである。
【００１８】
このエンジン２は、シリンダブロック４とシリンダヘッド６とピストン８とによって燃焼室１０を形成し、燃焼室１０の頂部中央部位に点火プラグ１２を配設している。
【００１９】
また、前記燃焼室１０に連絡する吸気通路１４を設けるとともに、この吸気通路１４に、上流側からエアクリーナ１６とエアフローメータ１８とスロットルバルブ２０とを順次配設し、このスロットルバルブ２０にはスロットルバルブ２０のスロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ２２を配設する。
【００２０】
更に、前記燃焼室１０にインジェクタ２４を配設する。このとき、インジェクタ２４を、燃焼室１０に直接燃料を噴射すべく、つまり燃焼室１０に指向、例えば燃焼室１０中央部位且つ少許下方向に指向させて配設するとともに、インジェクタ２４には燃料圧力を検出する燃料圧力センサ２６を設ける。
【００２１】
そして、前記ピストン８の上面たる頂面に凹形状のピストンキャビティ２８を設ける。
【００２２】
前記内燃機関２はインジェクタ２４からの燃料の噴射タイミングを制御する制御手段３０を有している。
【００２３】
この制御手段３０には、点火プラグ１２と、エアフローメータ１８と、スロットルポジションセンサ２２と、燃料圧力センサ２６と、インジェクタ２４を駆動するインジェクタ駆動回路３２と、図示しないクランクシャフトのクランク角を検出するクランク角センサ３４と、内燃機関２の排気通路３６内の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサ３８とを接続して設ける。
【００２４】
また、前記エンジン２において、エンジン２の所定条件、例えばエンジン回転数、吸気流量及びスロットル開度から算出される機関負荷に応じて、つまり、圧縮行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタ２４からの燃料を一回噴射し、圧縮行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタ２４からの燃料を分割噴射し、吸気行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタ２４からの燃料を一回噴射し、吸気行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタ２４からの燃料を分割噴射する機能を前記制御手段３０に付加して設ける構成とする。
【００２５】
詳述すれば、前記制御手段３０は、圧縮行程噴射における高回転または高負荷時に、前記インジェクタ２４からの燃料の噴射タイミングを分割すべく制御するとともに、吸気行程噴射における高回転または高負荷時に、前記インジェクタ２４からの燃料の噴射タイミングを分割すべく制御するものである。
【００２６】
つまり、前記制御手段３０は、エンジン２の運転状態をエアフローメータ１８やスロットルポジションセンサ２２、クランク角センサ３４等の各種センサからの出力信号によって判断し、低回転低負荷域（図４及び図５の領域１及び領域３）では、圧縮行程中に燃料をピストン８の上面たる頂面に凹形状のピストンキャビティ２８に向けて噴射し、燃料を層状化するとともに、高回転高負荷域（図４及び図５の領域２及び領域４）では、吸気行程中に燃料を噴射し、混合気を均一化する。
【００２７】
また、図６に前記インジェクタ２４の噴射期間（ｍｓ）と噴射量（ｇ／ｓｔ）との関係を示す。そして、図６に示す如く、両者の関係は略線形、つまり略比例関係にあり、一気筒分の吸気に対応する量の燃料を噴射する時間は略一定なので、回転数が上がれば、その噴射時間に対応するクランク角が大きくなり、また負荷が増加すれば、燃料の量も増加し噴射時間が長くなるので、やはり噴射時間に対応するクランク角が大きくなる。
【００２８】
しかしながら、図７及び図８に示す如く、噴射期間を２回もしくはそれ以上に分割することにより、１回目の噴射の影響（複数噴射の場合は前回の噴射）による水撃によって前記インジェクタ２４のノズル周りの圧力上昇を伴う動的効果が発生し、この動的効果によって後半の燃料噴射率が増大（場合によって減少）し、一回噴射の際のトータルの噴射期間θTAUA、分割噴射の際のトータルの噴射期間θTAUBとした場合に、
θTAUA＞θTAUB
となり、トータルの噴射期間を短くすることが可能となる。
【００２９】
また、燃料を複数回に分割して噴射することにより、燃料が筒内に波状に供給されることとなり、空気とのミキシングが良好となって燃料の霧化が促進され、一回噴射の際のトータルの燃料準備期間θPRA 、分割噴射の際のトータルの燃料準備期間θPRB とした場合に、
θPRA ＞θPRB
となり、燃料準備期間を短縮することができる。
【００３０】
そこで、噴射期間を短くすることを望まれる領域たる図４及び図５の領域３及び領域４において、前記制御手段３０が、前記インジェクタ２４からの燃料の噴射タイミングを分割すべく制御する。なお、領域３は、圧縮行程噴射における分割噴射の領域を示し、領域４は、吸気行程噴射における分割噴射の領域を示している。
【００３１】
次に図１の制御用フローチャートに沿って作用を説明する。
【００３２】
前記制御手段３０内の制御用プログラムがスタート（１００）すると、リーン領域であるか否かの判断（１０２）を行い、この判断（１０２）がＹＥＳの場合には、領域１であるか否かの判断（１０４）を行い、判断（１０２）がＮＯの場合には、領域２であるか否かの判断（１０６）を行う。
【００３３】
そして、領域１であるか否かの判断（１０４）においてＹＥＳの場合には、圧縮行程における一回噴射（１０８）を実行し、制御用プログラムのエンド（１１６）に移行させ、領域１であるか否かの判断（１０４）においてＮＯ、つまり領域３である場合には、圧縮行程における分割噴射（１１０）を実行し、制御用プログラムのエンド（１１６）に移行させる。
【００３４】
また、ストイキ内の領域２であるか否かの判断（１０６）においてＹＥＳの場合には、吸気行程における一回噴射（１１２）を実行し、制御用プログラムのエンド（１１６）に移行させ、領域２であるか否かの判断（１０６）においてＮＯ、つまり領域４である場合には、吸気行程における分割噴射（１１４）を実行し、制御用プログラムのエンド（１１６）に移行させる。
【００３５】
そして、図９に示す如く、一般的に用いられるスワール方式のインジェクタ２４の場合に、噴霧は中空のコーン形状を示すが、噴霧にスワール成分を与えるインジェクタ２４に設けられたスワーラより下流にある燃料が初期噴霧Ａとして排出される。この初期噴霧Ａの量は噴射機関によらず一定となる。そのため、噴射を分割した場合には、一回あたりの噴射量に占める初期噴霧Ａの割合が増加することになる。初期噴霧Ａの割合が増加した場合、圧縮行程中に燃料を噴射すると、初期噴霧Ａがない場合に比較して噴射角は小さくなることにより、インジェクタ２４の噴口穴の見かけ上の流量係数が上がり、噴射量が増加する。また、上述の如き作用のない吸気行程噴射でも、初期噴霧Ａはスワーラ下流の燃料が一気に噴出されるため、初期噴霧量の多い分割噴射では噴射量が増加する。なお符号Ｂは噴霧断面である。
【００３６】
これにより、前記制御手段３０によって、圧縮行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタ２４からの燃料を一回噴射し、圧縮行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタ２４からの燃料を分割噴射し、吸気行程噴射における低回転または低負荷時には、前記インジェクタ２４からの燃料を一回噴射し、吸気行程噴射における高回転または高負荷時には、前記インジェクタ２４からの燃料を分割噴射し、エンジンの所定条件に応じて前記インジェクタ２４からの燃料の噴射タイミングを分割することができ、霧化の促進によって噴射期間を短縮させることができ、燃費を向上し得て、経済的に有利である。
【００３７】
また、前記制御手段３０は、圧縮行程噴射における高回転または高負荷時に、前記インジェクタ２４からの燃料の噴射タイミングを分割すべく制御することにより、霧化を促進させることができ、噴射期間を短縮し得て、希薄運転領域を拡大させることができ、燃費を向上し得て、経済的に有利である。
【００３８】
更に、前記制御手段３０は、吸気行程噴射における高回転または高負荷時に、前記インジェクタ２４からの燃料の噴射タイミングを分割すべく制御することにより、噴射期間を短縮でき、高回転高負荷時での噴射期間を確保し得る。
【００３９】
更にまた、前記インジェクタ２４からの燃料噴射を噴数の要素噴射に分割し各要素噴射間にインターバルをおくことで、夫々霧化を行う要素噴射の粒子状燃料や霧化燃料からなる混合気帯Ｃの間に、図１０に示す如く、空気層Ｄを設けることとなる。よって、各混合気帯Ｃの表面積を大きく採れ、周囲の空気及び空気層との接触面積が大きくなるので、急速に霧化が促進され、霧化の促進によって燃費を向上し得て、経済的に有利である。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳細に説明した如くこの発明によれば、エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとピストンとにより形成される燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタを設けるとともに、リーン領域であるか否かによりインジェクタからの燃料の噴射タイミングを制御する制御手段を有する筒内噴射式エンジンにおいて、圧縮行程噴射における低回転または低負荷時には、インジェクタからの燃料を一回噴射し、圧縮行程噴射における高回転または高負荷時には、インジェクタからの燃料を分割噴射し、吸気行程噴射における低回転または低負荷時には、インジェクタからの燃料を一回噴射し、吸気行程噴射における高回転または高負荷時には、インジェクタからの燃料を分割噴射する機能を制御手段に付加して設けたので、前記制御手段によってエンジンの所定条件に応じてインジェクタからの燃料の噴射タイミングを分割することができ、霧化の促進によって噴射期間を短縮させることができる。また、前記インジェクタからの燃料噴射を噴数の要素噴射に分割し各要素噴射間にインターバルをおくことで、夫々霧化を行う要素噴射の粒子状燃料や霧化燃料からなる混合気帯の間に、空気層を設けることとなる。よって、各混合気帯の表面積を大きく採れ、周囲の空気及び空気層との接触面積が大きくなるので、急速に霧化が促進され、霧化の促進によって燃費を向上し得て、経済的に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例を示す筒内噴射式エンジンの制御用フローチャートである。
【図２】筒内噴射式エンジンの概略構成図である。
【図３】燃料室周りの要部拡大図である。
【図４】第１のパターンの領域を示す図である。
【図５】第２のパターンの領域を示す図である。
【図６】インジェクタの噴射期間（ｍｓ）と噴射量（ｇ／ｓｔ）との関係を示す図である。
【図７】吸気行程噴射を示し、（ａ）は一回噴射の図、（ｂ）は分割噴射の図である。
【図８】圧縮行程噴射を示し、（ａ）は一回噴射の図、（ｂ）は分割噴射の図である。
【図９】スワール方式のインジェクタの概略拡大図である。
【図１０】混合気帯を示すインジェクタの概略拡大図である。
【符号の説明】
２  筒内噴射式エンジン
４  シリンダブロック
６  シリンダヘッド
１０  燃焼室
１４  吸気通路
２０  スロットルバルブ
２４  インジェクタ
２６  燃料圧力センサ
２８  ピストンキャビティ
３０  制御手段
３４  クランク角センサ
３６  排気通路
３８  Ａ／Ｆセンサ
【図１】
0003693211.tif 000002
【図２】
0003693211.tif 000003
【図３】
0003693211.tif 000004
【図４】
0003693211.tif 000005
【図５】
0003693211.tif 000006
【図６】
0003693211.tif 000007
【図７】
0003693211.tif 000008
【図８】
0003693211.tif 000009
【図９】
0003693211.tif 000010
【図１０】
0003693211.tif 000011