(57)【要約】【課題】燃焼室内に噴射される燃料が十分に気化しないまま吸気行程が終了するといった不具合を生じることなく、パティキュレートの発生を抑制できる内燃機関を提供する。【解決手段】ピストンの往動により燃焼室に空気が吸込まれる吸気行程期間に筒内噴射インジェクタを断続的に動作させ、その筒内噴射インジェクタの動作ごとの燃料噴射量をピストンの位置が端部側にあるときよりも中央部側にあるときに多くする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内で往復動し同気筒内に容積可変の燃焼室を形成するピストンと、
前記燃焼室内に直接的に燃料を噴射する筒内噴射インジェクタと、
前記ピストンの往動により前記燃焼室に空気が吸込まれる吸気行程期間に前記筒内噴射インジェクタを断続的に動作させ、その筒内噴射インジェクタの動作ごとの燃料噴射量を前記ピストンの位置が端部側にあるときよりも中央部側にあるときに多くする制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記制御手段は、前記筒内噴射インジェクタの断続的な動作の動作時間を、前記ピストンの往動位置が始端域および終端域にあるときよりも中途域にあるときに長くする、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記燃焼室に連通する吸気管内に燃料を噴射する吸気管内噴射インジェクタ、をさらに備え、
前記制御手段は、前記吸気行程期間の前に前記吸気管内噴射インジェクタを動作させる、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼室内に燃料を直接的に噴射する筒内噴射インジェクタを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内に燃料を直接的に噴射する筒内噴射インジェクタを備えた内燃機関では、噴射された燃料がピストンやシリンダライナに付着し、それが熱を受けて微粒子状物質いわゆるパティキュレート（Particulate）となり、大気中に排出されるという問題（ＰＭ；Particulate Matter）がある。
【０００３】
対策として、シリンダ内のピストン位置が高くて噴射燃料がピストン頂面に付着しやすいときに燃料の噴射量を少なくし、ピストン位置が低くて噴射燃料がピストン頂面に付着し難いときに燃料の噴射量を多くするようにした内燃機関が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８８８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ただし、ピストン位置が低いときに燃料の噴射量を多くすると、吸気行程中に燃料を噴射する吸気行程噴射の場合に、噴射された燃料が十分に気化しないまま吸気行程が終了して圧縮行程に移行する可能性がある。そうなると、燃費の悪化やＨＣ（炭化水素）排出量の増加といった不具合を生じる。
【０００６】
この発明の目的は、燃焼室内に噴射される燃料が十分に気化しないまま吸気行程が終了するといった不具合を生じることなく、パティキュレートの発生を抑制できる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】
【０００７】
請求項１に係る発明の内燃機関は、気筒内で往復動し同気筒内に容積可変の燃焼室を形成するピストン、前記燃焼室内に直接的に燃料を噴射する筒内噴射インジェクタ、および制御手段を備える。制御手段は、前記ピストンの往動により前記燃焼室に空気が吸込まれる吸気行程期間に前記筒内噴射インジェクタを断続的に動作させ、その筒内噴射インジェクタの動作ごとの燃料噴射量を前記ピストンの位置が端部側にあるときよりも中央部側にあるときに多くする。
【０００８】
請求項２に係る発明の内燃機関は、請求項１に係る発明の制御手段について限定したもので、制御手段は、前記筒内噴射インジェクタの断続的な動作の動作時間を、前記ピストンの往動位置が始端域および終端域にあるときよりも中途域にあるときに長くする。
【０００９】
請求項３に係る発明の内燃機関は、請求項１に係る発明において、さらに吸気管内噴射インジェクタを備える。制御手段は、前記吸気行程期間の前にこの吸気管内噴射インジェクタを動作させる。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、燃焼室内に噴射される燃料が十分に気化しないまま吸気行程が終了するといった不具合を生じることなく、パティキュレートの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の一実施形態の内燃機関の構成を示す図。
【図２】同実施形態の制御を示すフローチャート。
【図３】同実施形態の筒内噴射モードにおける筒内噴射インジェクタの動作を時間経過に伴って示すタイムチャート。
【図４】同実施形態の筒内噴射＋吸気管内噴射モードにおける筒内噴射インジェクタおよび吸気管内噴射インジェクタの動作を時間経過に伴って示すタイムチャート。
【図５】図３の動作の変形例を示すタイムチャート。
【図６】図４の動作の変形例を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１において、１０はレシプロ式の内燃機関で、例えば４気筒式ガソリンエンジンであり、本体２０、吸気管３１、排気管３２、制御部であるＥＣＵ（Electric Control Unit）５０を備える。なお、図１は、４つの気筒のうちの１つの気筒およびその気筒内の燃焼室を代表して示している。
【００１４】
本体２０は、シリンダブロック２１、およびこのシリンダブロック２１に組み付けたシリンダヘッド２２を備える。シリンダブロック２１は、内部にシリンダ２３を有する。このシリンダ２３内に、コンロッド１０１を介してクランクシャフト１００に連結されたピストン２４が収容される。このピストン２４がシリンダ２３内で上下方向に往復動することにより、シリンダ２３内に容積可変の燃焼室２５が形成される。なお、図中のコンロッド１０１については、一部を省略して示されている。
【００１５】
シリンダヘッド２２に、点火プラグ２６、吸気弁２７、および排気弁２８が設けられる。吸気弁２７は、シリンダヘッド２２に形成されて燃焼室２５に臨む吸気ポート２９を開閉する。排気弁２８は、シリンダヘッド２２に形成されて燃焼室２５に臨む排気ポート３０を開閉する。吸気ポート２９は、吸気管３１に連通する。排気ポート３０は、排気管３２に連通する。
【００１６】
ピストン２４の下降（往動）により、燃焼室２５内に吸気ポート２９を通して、空気、または、空気と燃料との混合気とが供給される（吸気行程）。吸気管３１には、吸気量を検出するエアーフローメータ３３、および吸気量（空気の量）を決定するスロットル弁３４が設けられる。
【００１７】
そして、シリンダヘッド２２に筒内噴射インジェクタ３５が設けられる。この筒内噴射インジェクタ３５は、燃料噴射口が燃焼室２５に臨み、その燃焼室２５内に燃料を直接的に噴射する。なお、この実施形態では、筒内噴射インジェクタ３５を１気筒に１つずつ設けているが、１気筒に複数個ずつ設けてもよい。
【００１８】
また、吸気管３１に吸気管内噴射インジェクタ３６が設けられる。この吸気管内噴射インジェクタ３６は、燃料噴射口が吸気ポート２９に向く状態に設けられ、吸気管３１内に燃料を噴射する。なお、この実施形態では、吸気管内噴射インジェクタ３６を１気筒に１つずつ設けているが、１気筒に複数個ずつ設けてもよい。
【００１９】
筒内噴射インジェクタ３５から燃焼室２５内に噴射される燃料は、燃焼室２５内で、吸気ポート２９を通って燃焼室２５内に流入する吸入空気または混合気（空気と燃料との混合気）と混合される。吸気管内噴射インジェクタ３６から噴射される燃料は、吸気管３１内で吸入空気と混合される。この混合気が吸気ポート２９を通って燃焼室２５内に流入する。
【００２０】
燃焼室２５内の混合気は、ピストン２４の上昇（復動）によって圧縮され（圧縮行程）、点火プラグ２６が発生する火花により点火して燃焼・爆発する（爆発行程）。この燃焼・爆発によってピストン２４が下降し、このピストン２４が再び上昇する前に排気弁２８が開き、燃焼室２５内のガスが排気ポート３０を通って排出される（排気行程）。そして、ピストン２４が再び下降し、燃焼室２５内に吸気ポート２９を通して、空気、または、空気と燃料との混合気とが供給される（吸気行程）
排気管３２に、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ３７、および排出ガスを浄化する触媒３８が設けられる。吸気管３１に、圧力センサ３９が設けられる。この圧力センサ３９は、スロットル下流の圧力を検出する。
【００２１】
４０は燃料タンクで、燃料を送り出すためのフィードポンプ４１を備える。このフィードポンプ４１から燃料パイプ４２に燃料が送り出され、その燃料が分岐パイプ４３ａおよびその分岐パイプ４３ａ上の高圧ポンプ４４によって筒内噴射インジェクタ３５に供給される。また、燃料パイプ４２内の燃料が分岐パイプ４３ｂによって吸気管内噴射インジェクタ３６に供給される。
【００２２】
一方、ＥＣＵ５０に、筒内噴射インジェクタ３５、吸気管内噴射インジェクタ３６、エアーフローメータ３３と、スロットル弁３４、空燃比センサ３７、圧力センサ３９、フィードポンプ４１、高圧ポンプ４４、点火コイル４５、クランク角センサ４６、冷却水温センサ４７、およびアクセル開度センサ４８などが接続される。
【００２３】
点火コイル４５は、点火プラグ２６に点火用の電圧を供給する。クランク角センサ４６は、ピストン２４の上下動に連動するクランクシャフト１００の位置ならびに回転角度を検出する。冷却水温センサ４７は、本体２０の冷却水温度を検出する。アクセル開度センサ４８は、アクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）を検出する。
【００２４】
そして、ＥＣＵ５０は、主要な機能として次の（１）〜（４）の手段を備える。  
（１）筒内噴射インジェクタ３５および吸気管内噴射インジェクタ３６のうち、筒内噴射インジェクタ３５のみ動作させる筒内噴射モード（ダイレクトインジェクションモード）、筒内噴射インジェクタ３５と吸気管内噴射インジェクタ３６の両方を動作させる筒内噴射＋吸気管内噴射モード（ダイレクトインジェクション＋マルチポイントインジェクションモード）、吸気管内噴射インジェクタ３６のみ動作させる吸気管内噴射モード（マルチポイントインジェクションモード）のいずれかを、当該内燃機関１０が搭載されている車両の走行負荷（例えば要求トルク）および筒内噴射インジェクタ３５の温度などに応じて選択的に設定する第１制御手段。
【００２５】
（２）筒内噴射モードが設定されているとき、ピストン２４の下降（往動）により燃焼室２５に空気が吸込まれる吸気行程期間に筒内噴射インジェクタ３５を断続的に動作させ（多段階動作ともいう）、その筒内噴射インジェクタ３５の動作ごとの燃料噴射量をピストン２４の位置が端部側にあるときよりも中央部側にあるときに多くする第２制御手段。ここでいう端部とは、最上部の上死点、および最下部の下死点のことである。中央部とは、上死点と下死点のほぼ中間の領域のことである。ピストン２４の移動速度は、上死点および上死点の付近で遅く、上死点と下死点のほぼ中間の領域で最も速い。筒内噴射インジェクタ３５の動作ごとの燃料噴射量については、具体的には、筒内噴射インジェクタ３５の断続動作のそれぞれの動作時間（つまり筒内噴射インジェクタ３５に対する駆動パルス電圧の供給時間）を調整することで制御できる。
【００２６】
（３）筒内噴射＋吸気管内噴射モードが設定されているとき、吸気行程期間の前つまりピストン２４の上昇（復動）により燃焼室２５内のガスが排出される排気行程において吸気管内噴射インジェクタ３６を動作させるとともに、吸気行程期間に筒内噴射インジェクタ３５を断続的に動作させ、その筒内噴射インジェクタ３５の動作ごとの燃料噴射量をピストン２４の位置が端部側にあるときよりも中央部側にあるときに多くする第３制御手段。
【００２７】
（４）吸気管内噴射モードが設定されているとき、排気行程において吸気管内噴射インジェクタ３６を動作させる第４制御手段。
【００２８】
つぎに、ＥＣＵ５０が実行する制御を図２のフローチャートと図３および図４のタイムチャートを参照しながら説明する。  
筒内噴射モードが設定されているとき（ステップ１０１のＹＥＳ）、図３に示すように、吸気行程期間において、筒内噴射インジェクタ３５を断続的に動作させ、その筒内噴射インジェクタ３５の動作ごとの燃料噴射量をピストン２４の位置に応じて制御する（ステップ１０２）。
【００２９】
すなわち、吸気行程期間において、ピストン２４の位置が上死点から少し離れたところに存するときに、筒内噴射インジェクタ３５を短めのｔ１時間だけ動作させる。続いて、ピストン２４の位置が上死点と下死点のほぼ中間の領域にあってピストン２４の移動速度が最も速くなるときに、筒内噴射インジェクタ３５をｔ１時間より長いｔ３時間だけ動作させる。次に、ピストン２４の位置が下死点の少し手前に存するときに、筒内噴射インジェクタ３５をｔ１時間より長くてｔ３時間より短いｔ２時間だけ動作させる。ｔ１時間，ｔ３間，ｔ２時間の関係は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３である。
【００３０】
ここで、筒内噴射インジェクタ３５をｔ１時間だけ動作させるというのは、一定の周期でオン,オフを繰り返す駆動パルス電圧を筒内噴射インジェクタ３５にｔ１時間だけ供給することである。筒内噴射インジェクタ３５をｔ３時間だけ動作させるというのは、同駆動パルス電圧を筒内噴射インジェクタ３５にｔ３時間だけ供給することである。筒内噴射インジェクタ３５をｔ２時間だけ動作させるというのは、同駆動パルス電圧を筒内噴射インジェクタ３５にｔ２時間だけ供給することである。そして、車両の走行負荷に見合う適切な量の燃料を燃焼室２５に供給するべく、同駆動パルス電圧のオン，オフデューティを調整する。
【００３１】
以上のように、ピストン２４が上死点付近に存するときは、ピストン２４の移動速度が遅くて、筒内噴射インジェクタ３５から噴射される燃料がピストン２４やシリンダ２３の内壁のシリンダライナに着き易いことを考慮し、筒内噴射インジェクタ３５の動作時間を短めのｔ１時間に抑え、燃焼室２５への燃料噴射量を少なめに抑える。少なめに抑えることで、ピストン２４やシリンダライナへの燃料の付着量を抑制することができる。ひいては、微粒子状物質いわゆるパティキュレートの発生を抑制することができる。
【００３２】
ピストン２４が下死点に近づいたときは、吸気行程期間が終盤で次の圧縮行程期間が近いことから、筒内噴射インジェクタ３５の動作時間をｔ３時間より短いｔ２時間に抑え、燃焼室２５への燃料噴射量を少なめに抑える。少なめに抑えることで、吸気行程期間の残された期間において、燃焼室２５に噴射される燃料を十分に気化させることができる。仮に、燃焼室２５内に噴射された燃料が十分に気化しないまま吸気行程が終了して圧縮行程に移行すると、燃費の悪化やＨＣ（炭化水素）排出量の増加を招く可能性があるが、そのような不具合を未然に防ぐことができる。
【００３３】
ピストン２４が上死点と下死点のほぼ中間の領域に存するときは、ピストン２４の移動速度が最も速くて、筒内噴射インジェクタ３５から噴射される燃料がピストン２４やシリンダ２３の内壁のシリンダライナに着き難いことを考慮し、筒内噴射インジェクタ３５の動作時間を長めのｔ３時間とし、燃焼室２５への燃料噴射量を多めにしている。多めにすることで、上死点側のｔ１時間の動作と下死点側のｔ２時間の動作とによる燃料噴射量の抑制分を補うことができる。
【００３４】
一方、筒内噴射＋吸気管内噴射モードでは（ステップ１０１のＮＯ、ステップ１０３のＹＥＳ）、図４に示すように、吸気行程期間の前の排気行程において吸気管内噴射インジェクタ３６をｔ０時間動作させる（ステップ１０４）。とくに、吸気管内噴射インジェクタ３６から噴射された燃料を吸気管３１内の空気が十分に混合させた状態で吸気行程に移行できるよう、排気行程期間の初期に吸気管内噴射インジェクタ３６を動作させる。
【００３５】
そして、吸気行程期間では、上記した筒内噴射モードと同じく、筒内噴射インジェクタ３５を断続的に動作させ、その筒内噴射インジェクタ３５の動作ごとの燃料噴射量をピストン２４の位置に応じて制御する（ステップ１０２）。
【００３６】
この場合、吸気管内噴射インジェクタ３６による燃料噴射と筒内噴射インジェクタ３５による燃料噴射とにより、車両の走行負荷に見合う適切な量の燃料を燃焼室２５に供給することになる。とくに、吸気管内噴射インジェクタ３６によるｔ０時間の燃料噴射があった分だけ、筒内噴射インジェクタ３５の動作時間を筒内噴射モードのときのｔ１時間，ｔ３間，ｔ２時間より少しずつ短いｔ１ｘ時間，ｔ３ｘ間，ｔ２ｘ時間に縮小することができる。ｔ１ｘ時間，ｔ３ｘ間，ｔ２ｘ時間の関係は、ｔ１ｘ＜ｔ２ｘ＜ｔ３ｘである。
【００３７】
このように、筒内噴射インジェクタ３５の動作時間をｔ１ｘ時間，ｔ３ｘ間，ｔ２ｘ時間に縮小できることにより、パティキュレートの発生を筒内噴射モードのときよりもさらに抑制することができる。
【００３８】
なお、吸気管内噴射モードでは（ステップ１０１のＮＯ、ステップ１０３のＮＯ）、吸気行程期間の前の排気行程において吸気管内噴射インジェクタ３６を所定時間動作させる（ステップ１０５）。この吸気管内噴射インジェクタ３６による燃料噴射により、車両の走行負荷に見合う適切な量の燃料を燃焼室２５に供給する。
【００３９】
［変形例］  
上記実施形態では、筒内噴射モードにおいて吸気管内噴射インジェクタ３６を吸気期間内で３回に分けてｔ１時間，ｔ３間，ｔ２時間ずつ動作させたが、図５に示すように、吸気期間内で例えば５回に分けて動作させてもよい。
【００４０】
この場合、ピストン２４の位置が上死点から少し離れたところに存するときに、筒内噴射インジェクタ３５を短めのｔ１１時間ずつ３回に分けて動作させる。ｔ１１時間は、ｔ１時間より短い。
【００４１】
続いて、ピストン２４の位置が上死点と下死点のほぼ中間の領域にあってピストン２４の移動速度が最も速くなるときに、筒内噴射インジェクタ３５をｔ１２時間およびｔ１３時間ずつ２回に分けて動作させる。ｔ１３時間はｔ３時間より短く、ｔ１２時間はｔ２時間より短い。ｔ１１時間，ｔ１３間，ｔ１２時間の関係は、ｔ１１＜ｔ１２＜ｔ１３である。
【００４２】
ピストン２４が下死点に近づくタイミングでは、筒内噴射インジェクタ３５を動作させない。
【００４３】
このように、ピストン２４が上死点付近に存するときは、ピストン２４の移動速度が遅くて、筒内噴射インジェクタ３５から噴射される燃料がピストン２４やシリンダ２３の内壁のシリンダライナに着き易いことを考慮し、筒内噴射インジェクタ３５を短めのｔ１１時間ずつ複数回動作させ、燃焼室２５への燃料噴射量を少なめに抑える。これにより、ピストン２４やシリンダライナへの燃料の付着量を抑制することができる。ひいては、微粒子状物質いわゆるパティキュレートの発生を抑制することができる。
【００４４】
ピストン２４が下死点に近づいたときは、吸気行程期間が終盤で次の圧縮行程期間が近いことから、筒内噴射インジェクタ３５を動作させない。これにより、燃焼室２５内に噴射された燃料が十分に気化しないまま圧縮行程に移行するという不具合を確実に防ぐことができる。
【００４５】
ピストン２４が上死点と下死点のほぼ中間の領域に存するときは、ピストン２４の移動速度が最も速くて、筒内噴射インジェクタ３５から噴射される燃料がピストン２４やシリンダ２３の内壁のシリンダライナに着き難いことを考慮し、筒内噴射インジェクタ３５の動作時間を長めのｔ１３時間およびｔ１２時間ずつ動作させ、燃焼室２５への燃料噴射量を多めにする。多めにすることで、ｔ１１時間ずつの３回の動作による燃料噴射量の抑制分を補うことができる。
【００４６】
また、筒内噴射＋吸気管内噴射モードでは、図６に示すように、吸気行程期間の前の排気行程において吸気管内噴射インジェクタ３６をｔ０時間動作させるとともに、吸気行程期間において筒内噴射インジェクタ３５を先ずｔ１１ｘ時間ずつ３回動作させてからｔ１３時間およびｔ１２時間ずつ２回動作させる。ｔ１１ｘ時間，ｔ１３ｘ間，ｔ１２ｘ時間は、ｔ１１時間，ｔ１３時間，ｔ１２ｘ時間よりそれぞれ少し短く、ｔ１１ｘ＜ｔ１２ｘ＜ｔ１３ｘの関係を有する。筒内噴射インジェクタ３５の動作時間をｔ１１ｘ時間，ｔ１３ｘ間，ｔ１２ｘ時間に縮小できることにより、パティキュレートの発生を筒内噴射モードのときよりもさらに抑制することができる。
【００４７】
なお、吸気行程期間における筒内噴射インジェクタ３５の動作の回数については、３回や５回に限らず、筒内噴射インジェクタ３５の特性や燃焼室２５の容積などに応じて適宜に定めればよい。
【００４８】
その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…内燃機関、２０…本体、２１…シリンダブロック、２２…シリンダブロック、２３…シリンダ、２４…ピストン、２５…燃焼室、３１…吸気管、３５…筒内噴射インジェクタ、３６…吸気管内噴射インジェクタ、５０…ＥＣＵ（制御部）、１００…クランクシャフト、１０１…コンロッド
【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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