(57)【要約】【課題】内燃機関において、燃料の気化不足を高精度に判定して燃焼効率の向上を図る。【解決手段】燃焼室１６の上部に点火プラグ２８を設けると共に、この点火プラグ２８に隣接して着火部２８ａに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２７を設け、また、燃焼室１６の温度または圧力を上昇させる気化促進手段として吸気可変動弁機構２５を設け、ＥＣＵは、エンジン１０が成層燃焼中であるとき、プラグ温度センサ３３が検出した点火プラグ２８の着火部２８ａのプラグ温度に基づいて燃料の気化状態を判定し、気化不足と判定したときには吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の開閉時期を進角させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室と、該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、前記吸気ポート及び前記排気ポートをそれぞれ開閉可能な吸気弁及び排気弁と、前記燃焼室の混合気に着火する点火プラグと、前記燃焼室に突出した前記点火プラグの着火部に向けて燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記点火プラグの着火部の温度を検出するプラグ温度検出手段と、該プラグ温度検出手段の検出結果に基づいて燃料の気化状態を判定する気化状態判定手段と、前記燃焼室の温度または圧力を上昇させる気化促進手段と、前記気化状態判定手段が気化不足と判定したときに前記気化促進手段により前記燃焼室の温度または圧力を上昇させる制御手段とを具えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関において、前記気化不足状態判定手段は、前記燃料噴射手段が燃料を噴射して所定時間経過後に、前記プラグ温度検出手段が検出した前記点火プラグの着火部の温度に基づいて燃料の気化状態を判定することを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１に記載の内燃機関において、前記気化促進手段として前記吸気弁の閉止時期を変更可能な吸気可変動弁手段を設け、前記制御手段は、前記気化状態判定手段が気化不足と判定したときに前記吸気可変動弁手段により吸気弁の閉止時期を進角させることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内に燃料を噴射可能な内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料を吸気ポートではなく、燃焼室に直接噴射する筒内噴射式内燃機関が従来から知られている。この筒内噴射式内燃機関では、吸気弁の開放時に、空気が吸気ポートから燃焼室に吸入されてピストンで圧縮され、この高圧空気に対して燃料噴射弁から燃料が直接噴射される。すると、燃焼室にて、高圧空気と霧状の燃料とが混合し、この混合気が点火プラグに導かれて着火して爆発し、排気弁の開放時に、排気ガスが排気ポートから排出される。
【０００３】
そして、このような筒内噴射式内燃機関では、内燃機関の運転状態に応じて燃料の噴射時期を変えて燃焼形態を変更している。つまり、内燃機関の低負荷時には、圧縮行程時に高圧空気に対して燃料噴射を行って燃焼室内の限定された領域内に混合気を形成し、この高圧の混合気を点火プラグにより着火させて成層燃焼を行う。一方、内燃機関の中・高負荷時に吸気行程及び圧縮行程時に１回目の燃料噴射を行ってこの噴射燃料により燃焼室内全体に分散した混合気を形成し、圧縮行程時に２回目の燃料噴射を行ってこの噴射燃料により燃焼室内の限定された領域内に混合気を形成し、この限定された領域内の混合気を点火プラグにより着火させ、この着火混合気を火種として燃焼室全体に分散した混合気を燃焼する均質燃焼を行う。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−０６５３７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の筒内噴射式内燃機関にて、特に、点火プラグの着火部（電極部）に向けて燃料を噴射するスプレーガイド式燃料噴射装置を設けたものにあっては、上述した内燃機関が低負荷領域にあるとき、圧縮行程時に点火プラグの着火部に向けて燃料を噴射することで、この着火部の近傍に成層混合気を形成するようにしている。この場合、燃料噴射弁の噴射口から点火プラグの着火部までの距離が短いため、燃料温度が低いときや吸入空気温度が低いときには、燃料噴霧が十分に気化できずにその一部が液状のまま点火プラグの着火部に付着してしまう。すると、点火プラグの着火部の近傍に適正な成層混合気が形成されずに効率的な成層燃焼を実現することができない、また、着火部に燃料が付着することにより火花が飛ばない等が原因となり、空燃比が変動する等の理由により燃焼効率が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
上記した特許文献１では、機関の冷却水温や吸入空気温度、筒内温度などが低いときには、吸気弁の開弁時期を進角することで、冷間時に多量の吸入空気量を確保して良好な期間運転を確保するようにしている。ところが、筒内噴射式内燃機関では、点火プラグの着火部に向けて燃料を噴射してこの近傍に成層混合気を形成しており、点火プラグの着火部の周辺での燃料気化が重要である。機関の冷却水温や吸入空気温度、筒内温度などにより機関の冷間状態はおおよそ推定できるものの、燃焼室、特に、点火プラグの着火部周辺での燃料の気化不足を高精度に推定することは困難である。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、燃料の気化不足を高精度に判定して燃焼効率の向上を図った内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の内燃機関は、該燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートと、前記吸気ポート及び前記排気ポートをそれぞれ開閉可能な吸気弁及び排気弁と、前記燃焼室の混合気に着火する点火プラグと、前記燃焼室に突出した前記点火プラグの着火部に向けて燃料を噴射する燃料噴射手段と、前記点火プラグの着火部の温度を検出するプラグ温度検出手段と、該プラグ温度検出手段の検出結果に基づいて燃料の気化状態を判定する気化状態判定手段と、前記燃焼室の温度または圧力を上昇させる気化促進手段と、前記気化状態判定手段が気化不足と判定したときに前記気化促進手段により前記燃焼室の温度または圧力を上昇させる制御手段とを具えたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の内燃機関では、前記気化不足状態判定手段は、前記燃料噴射手段が燃料を噴射して所定時間経過後に、前記プラグ温度検出手段が検出した前記点火プラグの着火部の温度に基づいて燃料の気化状態を判定することを特徴としている。
【００１０】
本発明の内燃機関では、前記気化促進手段として前記吸気弁の閉止時期を変更可能な吸気可変動弁手段を設け、前記制御手段は、前記気化状態判定手段が気化不足と判定したときに前記吸気可変動弁手段により吸気弁の閉止時期を進角させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の内燃機関によれば、燃焼室の混合気に着火する点火プラグを設けると共に、この燃焼室に突出した点火プラグの着火部に向けて燃料を噴射する燃料噴射手段を設け、また、点火プラグの着火部の温度を検出するプラグ温度検出手段と、このプラグ温度検出手段の検出結果に基づいて燃料の気化状態を判定する気化状態判定手段と、燃焼室の温度または圧力を上昇させる気化促進手段とを設け、制御手段は気化状態判定手段が気化不足と判定したときに気化促進手段により燃焼室の温度または圧力を上昇させるようにしたので、気化状態判定手段は、点火プラグの着火部の温度に基づいてこの着火部周辺に噴射された燃料の気化状態を高精度に判定することができ、気化不足が判定されたときには、燃焼室の温度または圧力を上昇させることで、燃焼室内での燃料噴霧の気化が促進されることとなり、燃焼効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００１３】
図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関を表す概略構成図、図２は、本実施例の内燃機関における燃料噴射制御を表すフローチャートである。
【００１４】
本実施例の内燃機関において、図１に示すように、内燃機関としてのエンジンは、筒内噴射式の火花点火エンジンである。このエンジンにて、シリンダブロック１１上にシリンダヘッド１２が締結されており、このシリンダブロック１１に形成された複数のシリンダボア１３にピストン１４がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１１の下部に図示しないクランクシャフトが回転自在に支持されており、各ピストン１４はコネクティングロッド１５を介してこのクランクシャフトにそれぞれ連結されている。
【００１５】
燃焼室１６は、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とピストン１４により構成されており、この燃焼室１６は、上部（シリンダヘッド１２の下面）の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この燃焼室１６の上部、つまり、シリンダヘッド１２の下面にそれぞれ２つの吸気ポート１７及び排気ポート１８が対向して形成されており、この吸気ポート１７及び排気ポート１８に対して吸気弁１９及び排気弁２０の下端部が位置している。この吸気弁１９排気弁２０は、シリンダヘッド１２に軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、吸気ポート１７及び排気ポート１８を閉止する方向に付勢支持されている。また、シリンダヘッド１２には、吸気カムシャフト２１及び排気カムシャフト２２が回転自在に支持されており、吸気カム２３及び排気カム２４が吸気弁１９及び排気弁２０の上端部に接触している。
【００１６】
従って、エンジン１０に同期して吸気カムシャフト２１及び排気カムシャフト２２が回転すると、吸気カム２３及び排気カム２４により吸気弁１９及び排気弁２０が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１７及び排気ポート１８を開閉し、吸気ポート１７と燃焼室１６、燃焼室１６と排気ポート１８とをそれぞれ連通することができる。
【００１７】
なお、図示しないが、吸気ポート１７には、インテークマニホールドを介して吸気管が連結される一方、排気ポート１８には、エギゾーストマニホールドを介して図示しない排気管が連結されている。
【００１８】
また、このエンジン１０の動弁機構は、運転状態に応じて吸気弁１９を最適な開閉タイミングに制御する吸気可変動弁機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing-intelligent）２５となっている。この吸気可変動弁機構２５は、例えば、吸気カムシャフト２１の軸端部にＶＶＴコントローラが設けられて構成され、油圧ポンプまたは電動モータによりカムスプロケットに対する吸気カムシャフト２１との位相を変更することで、吸気弁１９の開閉タイミングを進角または遅角することができるものである。この場合、吸気可変動弁機構２５は、吸気弁１９のリフト量（最大開放面積）及び作用角（開放期間）を一定としてその開閉時期を進角または遅角する。また、吸気カムシャフト２１には、その回転位相を検出するカムポジションセンサ２６が設けられている。
【００１９】
燃焼室１６の上部略中央には、この燃焼室１６に直接燃料（ガソリン）を噴射する燃料噴射弁（燃料噴射手段）２７が装着されている。この燃料噴射弁２７は、４つのポート１７，１８の間で、且つ、吸気ポート１７側に接近すると共に傾斜して設けられ、先端部の噴射口２７ａがシリンダヘッド１２の下面から所定量下方に突出して取付けられており、この噴射口２７ａから斜め下方に向けて燃料を噴射することができる。
【００２０】
また、燃焼室１６の上部略中央には、燃料噴射弁２７の近傍に隣接して点火プラグ２８が装着されている。この点火プラグ２８は４つのポート１７，１８の間で、且つ、排気ポート１８側に接近して設けられ、先端部の着火部２８ａがシリンダヘッド１２の下面から所定量下方に突出して取付けられている。この点火プラグ２８は、図示しないが、先端部の貫通穴に装着された中心電極と、先端部にこの中心電極と絶縁体を介して対向する位置に装着された接地電極とから構成されており、中心電極と接地電極との間には放電ギャップが設けられている。従って、点火装置により中心電極と接地電極との間に火花放電を発生させることで、燃焼室１６を流動する混合気に着火することができる。
【００２１】
本実施例では、エンジン１０の圧縮行程時に、燃焼室１６に燃料噴射を行って点火プラグ２８の近傍に高圧の成層混合気を生成し、この混合気に着火して成層燃焼を実行可能であり、燃料噴射弁２７からの燃料噴霧が点火プラグ２８の着火部２８ａの近傍に到達するように燃料の噴射角度が設定されている。一方、点火プラグ２８では、燃料噴射弁２７からの燃料噴霧が点火プラグ２８の着火部（電極部）２８ａへ直接付着しないように、この点火プラグ２８の着火部２８ａは燃料噴霧領域よりも若干上方に位置するように設定されている。
【００２２】
制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）２９は、燃料噴射弁２７の燃料噴射タイミング及び点火プラグ２８の点火時期などを制御可能となっている。即ち、ＥＣＵ２９は、エアフローセンサ３０が検出した吸入空気量Ｑ、スロットルポジションセンサ３１が検出したスロットル開度（またはアクセル開度）θ、クランク角センサ３２が検出したエンジン回転数Ｎｅなどのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定し、燃料噴射弁２７及び点火プラグ２８を制御している。本実施例のエンジン１０は、燃焼室１６に直接燃料を噴射する筒内噴射式エンジンであるため、エンジン回転数Ｎｅとスロットル開度θとに基づいて燃料噴射モードを決定している。例えば、エンジンの高負荷領域では、主に吸気行程中に燃料を噴射して理論空燃比で均質燃焼を行い、エンジンの中低負荷領域では、主に圧縮行程中に燃料を噴射してリーンな空燃比で成層燃焼を行う切換制御を実施可能としている。
【００２３】
また、ＥＣＵ２９は、エンジン運転状態に基づいて吸気可変動弁機構２５を制御可能であり、カムポジションセンサ２６が検出した吸気カムシャフト２１の回転位相に基づいてフィードバック制御している。即ち、低温時、エンジン始動時、アイドル運転時や軽負荷時には、排気弁２０の閉止時期と吸気弁１９の開放時期のオーバーラップをなくすことで、排気ガスが吸気ポート１７または燃焼室１６に吹き返す量を少なくし、燃焼安定及び燃費向上を可能とする。また、中負荷時には、このオーバーラップを大きくすることで、内部ＥＧＲ率を高めて排ガス浄化効率を向上させると共に、ポンピングロスを低減して燃費向上を可能とする。更に、高負荷低中回転時には、吸気弁１９の閉止時期を進角することで、吸気が吸気ポート１７に吹き返す量を少なくし、体積効率を向上させる。そして、高負荷高回転時には、吸気弁１９の閉止時期を回転数にあわせて遅角することで、吸入空気の慣性力に合わせたタイミングとし、体積効率を向上させる。
【００２４】
ところで、エンジン１０は筒内噴射式エンジンであり、点火プラグ２８の着火部２８aに向けて燃料を噴射するスプレーガイド式の燃料噴射弁２７を有しており、燃料噴射弁２７の噴射口２７ａから点火プラグ２８の着火部２８ａまでの距離が短いため、燃料温度や吸入空気温度が低いときには、燃料噴霧が十分に気化できずにその一部が液状のままこの着火部２８ａに付着してしまい、適正な成層燃焼を実現することができない。
【００２５】
そこで、本実施例では、点火プラグ２８にその着火部２８ａの温度を検出するプラグ温度検出手段としてのプラグ温度センサ３３を設けると共に、燃焼室１６の温度または圧力を上昇させる気化促進手段として上述した吸気可変動弁機構２５を設け、ＥＣＵ２９は、プラグ温度センサ３３の検出結果に基づいて燃料の気化状態を判定（気化状態判定手段）し、気化不足と判定したときには、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉止時期を所定量進角させることで、燃焼室１６における有効圧縮比を高めて温度と圧力を上昇させるようにしている。
【００２６】
ここで、本実施例の内燃機関による制御を図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００２７】
図２に示すように、ステップＳ１にて、現在のエンジン１０の燃焼状態が成層燃焼かどうかを判定する。具体的には、エンジン回転数Ｎｅに対するエンジン負荷（例えば、エンジン回転数Ｎｅとスロットル開度θから算出）の制御マップに基づいて燃焼状態を判定する。ここで、現在のエンジン１０の燃焼状態が成層燃焼でないと判定されたときは、何もしないでこのルーチンを抜ける。
【００２８】
一方、ステップＳ１にて、現在のエンジン１０の燃焼状態が成層燃焼であると判定されると、ステップＳ２にて、燃料噴射弁２７から燃料を噴射後、所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで、燃料噴射してから所定時間を経過するまでは待機状態となり、所定時間を経過したらステップＳ３にて、プラグ温度センサ３３により点火プラグ２８の着火部２８ａの温度を検出し、ステップＳ４にて、プラグ温度センサ３３が検出した点火プラグ２８の着火部２８ａの温度に基づいて燃料噴霧の気化不足を判定する。
【００２９】
点火プラグ２８の着火部２８ａは、吸入行程で燃焼室１６に吸入される空気（新気）により冷却されてプラグ温度が低下することがあるため、圧縮行程での燃料噴射後におけるプラグ温度により気化不足を判定する。また、本実施例では、燃料噴射弁２７から噴射される燃料噴霧の一部が気化せずに点火プラグ２７の着火部２７ａに直接付着することが原因でプラグ温度が低下し、気化不足を確認することができるものであることから、燃料噴射弁２７が燃料を噴射してから点火プラグ２８の着火部２８ａに到達するまでの時間を考慮し、燃料噴射から所定時間経過後におけるプラグ温度により気化不足を判定するようにしている。
【００３０】
そして、ステップＳ４における燃料噴霧の気化不足判定は、プラグ温度検出センサ３３が検出したプラグ温度が、予め設定された判定温度以下にあるかどうかにより行う。この判定温度は、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷とから算出されるものであり、ステップＳ４では、プラグ温度検出センサ３３が検出したプラグ温度が判定温度以下にあるときに、燃料噴霧の気化不足と判定してステップＳ５に移行する一方、プラグ温度が判定温度より高ければ、燃料噴霧は十分に気化しているために何もしないでこのルーチンを抜ける。
【００３１】
ステップＳ４で燃料噴霧の気化不足が判定されると、ステップＳ５では、エンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷とに基づいて吸気可変動弁機構２５による進角要求値（要求ＶＶＴ)を算出する。この場合、吸気可変動弁機構２５の進角要求値は、プラグ温度の低下量に応じて進角要求値が設定される複数のマップに基づいて設定されるものであり、各マップは、エンジン回転数Ｎｅに対するエンジン負荷のグラフにおいて制御領域が設定されており、現在のエンジン運転状態がこの制御領域にあるとき、各マップの進角要求値を設定して吸気可変動弁機構２５を作動するようにしている。
【００３２】
そして、ステップＳ６にて、ＥＣＵ２９は吸気可変動弁機構２５を制御し、吸気弁１９の開閉時期が進角要求値となるように進角させる。即ち、点火プラグ２８のプラグ温度が低くて燃料噴霧が気化不足にあるときは、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の閉止時期を早めることで、燃焼室１６内に吸入される空気量を増加する。すると、燃焼室１６での有効圧縮比が高められ、筒内温度及び筒内圧力を上昇させることができ、燃料噴霧の気化が促進され、適正な成層燃焼を実現することができる。
【００３３】
このように本実施例の内燃機関にあっては、燃焼室１６の上部に点火プラグ２８を設けると共に、この点火プラグ２８に隣接して着火部２８ａに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２７を設け、また、燃焼室１６の温度または圧力を上昇させる気化促進手段として吸気可変動弁機構２５を設け、ＥＣＵは、エンジン１０が成層燃焼中であるとき、プラグ温度センサ３３が検出した点火プラグ２８の着火部２８ａのプラグ温度に基づいて燃料の気化状態を判定し、気化不足と判定したときには吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の開閉時期を進角させるようにしている。
【００３４】
従って、吸気温度や燃料温度が低いときには、燃料噴射弁２７からの燃料噴霧が十分に気化せずに点火プラグ２８の着火部２８ａに付着してしまうため、この点火プラグ２８の着火部２８ａのプラグ温度の変化を検出することで、この着火部２８ａ周辺に噴射された燃料噴霧の気化状態を高精度に判定することができる。そして、燃料噴霧の気化不足が判定されたときには、吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の開閉時期を進角させることで、有効圧縮比を上げて燃焼室１６の温度や圧力を上昇させることができ、燃焼室１６内での燃料噴霧の気化が促進されることとなり、燃焼効率の向上を図ることができる。
【００３５】
また、本実施例では、エンジン１０の圧縮行程での燃料噴射後におけるプラグ温度により気化不足を判定している。点火プラグ２８の着火部２８ａは、吸入行程で燃焼室１６に吸入される空気により冷却されてプラグ温度が低下することがあり、圧縮行程における燃料噴射後に検出したプラグ温度により気化不足を判定することで、誤判定を抑制して高精度な判定が可能となる。更に、燃料噴射から所定時間を経過した後におけるプラグ温度により気化不足を判定している。燃料噴射弁２７から噴射される燃料噴霧の一部が気化せずに点火プラグ２８の着火部２８ａに直接付着することが原因でプラグ温度が低下するものであることから、燃料噴射後に所定時間経過後のプラグ温度により気化不足を判定することで、更に高精度な判定が可能となる。
【００３６】
また、気化促進手段として吸気可変動弁機構２５を設け、気化不足と判定されたときには、この吸気可変動弁機構２５により吸気弁１９の開閉時期を進角させて有効圧縮比を上げることで、燃焼室１６の温度や圧力を上昇させるようにしており、燃料噴霧の気化を促進させるために別の機構を設けることなく、既存の機構で対応することができ、製造コストの増加を抑制することができる。
【００３７】
なお、上述の実施例では、気化促進手段として吸気可変動弁機構２５を適用し、プラグ温度の低下量に応じて設定されたエンジン回転数Ｎｅとエンジン負荷の複数のマップに基づいて進角要求値を算出するようにしたが、この方法に限らず、吸入空気量Ｑとエンジン回転数Ｎｅのマップに基づいて進角要求値を算出するようしてもよい。また、気化促進手段として吸気可変動弁機構２５を設けたが、この機構に限定されるものではなく、燃焼室内の有効圧縮比を変更可能な可変圧縮機構や吸入空気を加熱可能な吸気ヒータなどであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、点火プラグのプラグ温度に基づいて燃料の気化状態を判定するものであり、筒内噴射式の内燃機関であれば、いずれの種類の内燃機関に用いても好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例に係る内燃機関を表す概略構成図である。
【図２】本実施例の内燃機関における燃料噴射制御を表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１６  燃焼室
１７  吸気ポート
１８  排気ポート
１９  吸気弁
２０  排気弁
２５  吸気可変動弁機構（気化促進手段）
２７  燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２８  点火プラグ
２９  電子制御ユニット（制御手段、ＥＣＵ）
３３  プラグ温度センサ（プラグ温度検出手段）
【図１】
2006144573.tif 000003
【図２】
2006144573.tif 000004