(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火式内燃機関において、筒内に燃料と空気とを直接噴射供給する噴射弁と、吸入行程にて筒内を無酸素状態とする無酸素状態形成手段と備え、部分負荷運転時には、無酸素状態とした筒内に圧縮行程にて前記噴射弁により当該運転状態に応じて噴射供給した燃料と空気とにより可燃混合気を形成して層状燃焼させることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記噴射弁は、加圧された燃料と空気とを共通のノズル部から同時に噴射供給する２流体噴射弁である請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記無酸素状態形成手段は、排気通路から吸気通路へと排気を還流させる排気還流装置で構成し、吸気行程において前記還流排気を筒内に導入して無酸素状態を形成する請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記無酸素状態形成手段は、吸気弁および排気弁の作動を制御可能な可変動弁装置で構成し、吸気行程にて吸気弁の開弁を抑制すると共に排気弁を開弁し続けることにより排気通路からの排気ガスを筒内に導入して無酸素状態を形成する請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記無酸素状態形成手段は、排気弁の作動を制御可能な可変動弁装置で構成し、排気弁を排気行程の初期に閉弁させることにより既燃焼ガスを筒内に残留させて無酸素状態を形成する請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記無酸素状態形成手段は、吸気弁の作動を制御可能な可変動弁装置で構成し、吸気行程にて吸気弁の開弁を抑制することにより新気の導入を制限して筒内に無酸素状態を形成する請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
前記無酸素状態形成手段は、吸気中の酸素を吸着する酸素トラップフィルタで構成し、当該酸素トラップフィルタにより酸素を除去した新気を導入することで筒内に無酸素状態を形成する請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
前記層状燃焼は部分負荷運転時にのみ行い、高負荷運転時には無酸素状態を形成することなく、吸気通路からの新気と噴射燃料とにより形成した可燃混合気により均質燃焼運転を行わせる請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直接噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
筒内直接噴射式内燃機関の一例として、特開平10-288039号公報に記載されているものがある。これは圧縮行程後半に筒内に直接燃料を噴射して点火栓近傍に可燃混合気を偏在させた成層燃焼を行い、スロットル弁による空気量制御を行うことなく部分負荷運転およびリーン燃焼運転を実現しようとするものである。しかしながら、このような燃焼方式によると、排気ガス中に燃焼に用いられなかった多量の酸素が存在しているため、理論空燃比付近での燃焼ガスを前提とする三元触媒を適用することができないという問題が生じる。
【０００３】
前記の問題に対しては、ＮＯｘトラップ機能を有する三元触媒を用いてリーン燃焼運転中のＮＯｘを触媒に吸着させておき、これをリッチスパイクという一時的な空燃比濃化制御により浄化処理するものが提案されている。しかしながら、ＮＯｘトラップ触媒を用いた排気浄化装置は高価であり、また一時的であっても燃料量を増大させるリッチスパイク制御は燃費悪化の要因となる。
【０００４】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、ＮＯｘトラップ触媒を用いることなくリーン空燃比での運転を継続的に行うことができ、さらにはポンピングロスを解消しうる筒内直接噴射式内燃機関を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、火花点火式内燃機関において、筒内に燃料と空気とを直接噴射供給する噴射弁と、吸入行程にて筒内を無酸素状態とする無酸素状態形成手段と備え、部分負荷運転時には、無酸素状態とした筒内に圧縮行程にて前記噴射弁により当該運転状態に応じて噴射供給した燃料と空気とにより可燃混合気を形成して層状燃焼させる。
【０００６】
第２の発明は、前記噴射弁を、加圧された燃料と空気とを共通のノズル部から同時に噴射供給する２流体噴射弁で構成する。
【０００７】
第３の発明は、前記第１の発明の無酸素状態形成手段を、排気通路から吸気通路へと排気を還流させる排気還流装置で構成し、吸気行程において前記還流排気を筒内に導入して無酸素状態を形成する。
【０００８】
第４の発明は、前記第１の発明の無酸素状態形成手段を、吸気弁および排気弁の作動を制御可能な可変動弁装置で構成し、吸気行程にて吸気弁の開弁を抑制すると共に排気弁を開弁し続けることにより排気通路からの排気ガスを筒内に導入して無酸素状態を形成する。
【０００９】
第５の発明は、前記第１の発明の無酸素状態形成手段を、排気弁の作動を制御可能な可変動弁装置で構成し、排気弁を排気行程の初期に閉弁させることにより既燃焼ガスを筒内に残留させて無酸素状態を形成する。
【００１０】
第６の発明は、前記第１の発明の無酸素状態形成手段を、吸気弁の作動を制御可能な可変動弁装置で構成し、吸気行程にて吸気弁の開弁を抑制することにより新気の導入を制限して筒内に無酸素状態を形成する。
【００１１】
第７の発明は、前記第１の発明の無酸素状態形成手段を、吸気中の酸素を吸着する酸素トラップフィルタで構成し、当該酸素トラップフィルタにより酸素を除去した新気を導入することで筒内に無酸素状態を形成する。
【００１２】
第８の発明は、前記層状燃焼を部分負荷運転時にのみ行い、高負荷運転時には無酸素状態を形成することなく、吸気通路からの新気と噴射燃料とにより形成した可燃混合気により均質燃焼運転を行わせる。
【００１３】
【作用・効果】
第１の発明以下の各発明では、部分負荷運転時には、吸入行程において筒内を無酸素状態としたうえで当該運転状態に応じて噴射弁により筒内に直接噴射した空気と燃料とにより可燃混合気を形成して層状燃焼させる。これにより部分負荷運転時においても理論空燃比付近での運転を行って排気中の残存酸素量を充分に抑制できるので、ＮＯｘトラップ機能を持たない三元触媒（以下「従来型三元触媒」という。）を適用して低コストで排気浄化を図ることができ、またリッチスパイク制御が不要となるので燃費の点でも有利である。また運転状態に応じて可燃混合気を形成するので、火花点火式内燃機関においてスロットルバルブを用いずに負荷変動に対応することができ、部分負荷運転時の絞り損失の発生を抑えて燃費を改善することが可能となる。
【００１４】
前記噴射弁としては、空気と燃料を個別に噴射するものとしてもよいが、第２の発明として示したように空気と燃料とを共通のノズル部から同時に噴射供給する２流体噴射弁を適用することにより、燃料の霧化と空気との混合を促進してより良好な可燃混合気を形成することができる。
【００１５】
前記無酸素状態形成手段は、例えば第３〜第７の発明として示したように構成することができる。第３の発明によれば、排気還流により無酸素状態を形成するので、既存の排気還流装置を有する内燃機関の構成を大幅に変更することなく本発明を実施することができる。第４〜第６の発明によれば、可変動弁装置を介して吸気弁または排気弁の開閉を制御することで筒内に無酸素状態を形成するので、可変動弁装置を備えた内燃機関においては排気還流通路等の付加装置を設けることなく本発明の実施が可能となる。また、特に第３、第４の発明では、スロットルによる絞り損失ないしポンピング損失の発生がなく、燃費性能をより向上させることができる。なお第５の発明においてはさらに吸気弁の作動を停止させるようにしてもよい。
【００１６】
第７の発明によれば、新気から酸素を除去する構成であるので、排気還流や可変動弁装置を適用することなく、簡潔な構造で無酸素状態を形成することができる。
【００１７】
新気内に充分な量の酸素を必要とする高負荷運転時には筒内を無酸素状態とする運転を行う必要はなく、したがって第８の発明として示したように、無酸素状態を形成して層状燃焼を行わせる運転は部分負荷時にのみ行うものとしてもよい。
【００１８】
なお、第６の発明は吸気作用を抑制した状態では高圧縮比を得にくいが、高圧縮比機関においては本発明により部分負荷での実圧縮比を低減して効率向上を図ることも可能である。
【００１９】
ここで、本明細書において「無酸素状態」とは、必ずしも酸素が完全に排除された状態のみを示すものではなく、技術的に可能な限り酸素を除去した状態、もしくは三元触媒により所期の排気浄化作用が得られる限度で酸素が除去されている状態をも意味するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る内燃機関を火花点火式のガソリンエンジンに適用した第１の実施形態の概略構成を示している。図中の１はピストン、２は燃焼室、３は燃料と空気とを同時に噴射供給する２流体噴射弁、４は吸気通路、５は吸気弁、６は排気通路、７は排気弁、８は点火プラグ、９は吸気弁６または排気弁７の開閉作動を制御する可変動弁装置、１０は運転状態に応じて２流体噴射弁３による空気−燃料噴射、点火プラグ８による点火、および可変動弁装置９による吸気弁５または排気弁７の開閉作動を制御するコントローラである。１１と１２は前記コントローラ１０に運転状態信号としてエンジン回転数信号と負荷信号を出力する回転数センサおよび負荷センサである。前記負荷センサ１２により検出される負荷としてはアクセルペダル操作量やスロットル弁開度または燃料供給量等である。
【００２１】
前記２流体噴射弁３は、図示しない空気および燃料の供給系統から筒内圧に対抗しうる高圧に加圧された空気と燃料の供給をうけ、それぞれを所定の割合で燃焼室２に噴射する。この実施形態では、２流体噴射弁３からの空気および燃料は理論空燃比の可燃混合気を形成する。
【００２２】
コントローラ１０はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータとして構成され、前記検出運転状態に応じて、吸気行程中に空気と燃料を供給する均質燃焼制御または圧縮行程から膨張行程のある期間内に空気と燃料を噴射する成層燃焼制御とを切り換える。このために、コントローラ１０には、運転条件に応じて均質燃焼と成層燃焼のいずれかの燃焼方式で運転を行うかを判定する燃焼パターン判定部１０ａと、均質燃焼運転時の制御パラメータを決定する均質燃焼制御部１０ｂと、成層燃焼運転時の制御パラメータを決定する成層燃焼制御部１０ｃとを備える。
【００２３】
コントローラ１０の燃焼パターン判定部１０ａでは、図２に示したように均質燃焼領域と成層燃焼領域を割り付けたマップを参照してエンジン回転数と負荷とから運転領域を判定する。この場合、図示したように中速中負荷以下の運転域では成層燃焼運転を行い、それよりも負荷または回転数が高い運転域では均質燃焼運転を行う。
【００２４】
均質燃焼領域では均質燃焼制御部１０ｂが、成層燃焼領域では成層燃焼制御部１０ｃが、それぞれ運転状態に応じて燃料の噴射量および噴射時期を演算し、その結果に基づいて噴射弁８を制御する。このときの燃料噴射量および噴射時期の演算手法は任意であり、例えば噴射量については、吸入空気量とエンジン回転数に基づいてマップ検索により基本燃料噴射量を定め、これを冷却水温や始動対応などの必要に応じて補正したものを制御量とする。なお、成層燃焼運転時の空気および燃料は基本的に２流体噴射弁３のみから供給されるが、均質燃焼運転時には他の燃料供給装置、例えば吸気ポートに燃料噴射を行う低圧燃料噴射弁から燃料供給を行うようにしてもよい。
【００２５】
また、均質燃焼制御部１０ｂと成層燃焼制御部１０ｃは、それぞれの運転領域において可変動弁装置９を介して吸気弁５または排気弁７の作動を制御する。図３は前記可変動弁装置９による弁作動制御パターンの一例を示したバルブタイミングチャートである。図において(a)は均質燃焼運転時、(b)は成層燃焼運転時の弁作動状態をそれぞれ示している。図示したように、均質燃焼運転時には排気弁は排気行程域にて、吸気弁は吸気行程域にて開弁する通常のタイミングで開閉作動するように制御される。これに対して、成層燃焼運転時には排気弁は排気行程の初期から吸気行程の終了に至るまで開いたままに制御される。このとき、吸気弁は均質燃焼運転時と同様のタイミングで開閉するか、もしくは閉弁保持する。
【００２６】
次に、前記各燃焼領域での作用について説明する。均質燃焼領域では、吸入行程にて吸気通路４からの新気が筒内に吸入され、この間に噴射弁３から噴射された燃料および空気により筒内にストイキ付近の空燃比を有する均質な混合気が形成される。続く圧縮行程の末期付近で点火プラグ８により混合気に着火され燃焼が開始される。燃焼行程終了付近で排気弁７が開弁し、排気行程の末期までに筒内の燃焼ガスは排気通路６を介して外部に排出される。理論空燃比域での燃焼であるので、このときの排気は従来型三元触媒により容易に浄化できる。この運転領域での負荷変動に対しては必要に応じてスロットルバルブにより空気量を制御することで対応する。高負荷運転域ではスロットルバルブを使用してもポンピングロスはそれほど大きくない。
【００２７】
一方、成層燃焼領域では、図４の(a)に示したように吸入行程においても排気弁７が開き続けているので、内部ＥＧＲ作用により筒内は前サイクルにおける燃焼ガスで満たされ、無酸素状態となる。ついで吸入行程の終了時期付近で排気弁７が閉ざされ、続く圧縮行程の途中、所定のタイミングで噴射弁３から運転状態に応じた量の空気および燃料が燃焼室２に噴射供給され、これにより図４の(b)に示したように既燃ガスＧｂで満たされた燃焼室２の点火プラグ８の付近にストイキの可燃混合気層Ｇａが形成される。この可燃混合気には圧縮上死点付近で点火プラグ８により着火され、膨張行程に入る。膨張行程の末期には図４の(c)に示したように、排気弁７が開き筒内の燃焼ガスは排気通路６へと押し出されるが、次の吸入行程においても排気弁７は開き続いているため、排気通路６から燃焼ガスの一部が筒内へと吸い戻され（図４の(a)）、再び前述した無酸素状態となる。このサイクルの繰り返しにより運転が継続されることにより、排気通路６は常に酸素が存在しない無酸素状態に保たれるので、リーン燃焼運転でありながらリッチスパイク制御は不要であり、安価な従来型三元触媒による排気浄化を行うことが可能である。また比較的負荷および回転数の低い領域でスロットルバルブを用いずに負荷変動に対応できるので絞り損失も発生せず、総合して大きな燃費改善効果が得られる。
【００２８】
図５に本発明によるＮＯｘ低減効果を示す。従来の筒内直噴式内燃機関において従来型三元触媒を適用し、中〜低負荷域でリーン燃焼を行うと、この負荷域では排気中に多量に存在する酸素により触媒が機能しなくなるため多量のＮＯｘが排出されてしまう。これに対して本発明によれば、幅広い負荷域にわたって排気中の酸素量を抑制して触媒の転化効率を高く維持できるので、運転状態にかかわらずＮＯｘの排出量を低減することができる。
【００２９】
次に吸入行程から圧縮行程にかけて筒内を無酸素状態とするための吸気弁５または排気弁７の開閉タイミングに関する他の実施形態につき説明する。図３の(c)は排気弁を排気行程の早い時期に閉弁させるようにしたものである。このようにすると排気行程で筒内残留ガスを圧縮するためのポンピングロスが発生するが、続く吸入行程時まで筒内を既燃ガスによる無酸素状態とすることができる。この場合、吸気弁は図(a)に示したような通常のタイミングで開閉させてもよいし、または閉弁保持としてもよい。図の(d)は排気弁は通常のタイミングで開閉させる一方、吸気弁を閉弁保持するようにした実施形態である。この場合、排気行程に続く吸気行程において吸入作用が妨げられることから、筒内は残留既燃焼ガスで一部満たされた無酸素状態となる。
【００３０】
前記第７の発明として示したように、吸気通路４の途中または上流に吸気中の酸素を吸着する酸素トラップフィルタ（図示せず）を設けて、当該酸素トラップフィルタにより酸素を除去した新気を導入することでも無酸素状態を形成できる。この場合、吸気通路に酸素トラップフィルタをバイパスする通路と切換弁とを設けて、無酸素状態と通常状態との切換を可能とすることが望ましい。このような構成によれば可変動弁装置を用いることなく所期の目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内直噴式内燃機関の一実施形態の概略を示す縦断面図。
【図２】均質燃焼領域と成層燃焼領域に関する説明図。
【図３】実施形態による成層燃焼運転時の作用説明図。
【図４】成層燃焼運転時の吸排気弁の作動パターンを示すタイミングチャート。
【図５】本発明による効果を従来例との比較において示した説明図。
【符号の説明】
１    ピストン
２    燃焼室
３    ２流体噴射弁
４    吸気通路
５    吸気弁
６    排気通路
７    排気弁
８    点火プラグ
９    可変動弁装置
１０    コントローラ
１１    回転数センサ
１２    負荷センサ
【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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