(57)【要約】      （修正有）【課題】筒内直接噴射式の内燃機関の低負荷領域での成層燃焼の安定化を実現する。【解決手段】気筒１の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関であり、吸気バルブを吸気下死点よりも早いタイミングで閉弁可能なものであって、アクセル開度が所定以下の低負荷領域において、吸気バルブの閉弁タイミングを吸気下死点よりも早めた上、その吸気バルブの閉弁後に燃料噴射を実行することにより低負荷領域での成層燃焼の安定化を実現した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関であり、吸気バルブを吸気下死点よりも早いタイミングで閉弁可能なものであって、
アクセル開度が所定以下の低負荷領域において、吸気バルブの閉弁タイミングを吸気下死点よりも早めた上、その吸気バルブの閉弁後に燃料噴射を実行する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な火花点火式内燃機関に実装されている点火装置では、イグナイタが消弧した際に点火コイルに発生する高電圧を点火プラグの中心電極に印加することで、点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起し、点火する。
【０００３】
近時では、気筒の燃焼室内にある混合気に確実に着火させ、安定した火炎を得ることができるようにするために、高周波発振器が出力する高周波またはマグネトロンが出力するマイクロ波を燃焼室内に放射する「アクティブ点火（アクティブ着火）」法が試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。アクティブ点火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間に高周波電界またはマイクロ波電界が形成され、この電界中で発生したプラズマが成長して、火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０２９１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
筒内直接噴射式の内燃機関では、燃費性能の向上を目論み、部分負荷領域（アクセル開度が全開ないし全開に近い高負荷ではない運転領域）にて、成層燃焼（層状燃焼）を行うことが通例である。成層燃焼とは、気筒の燃焼室内全体としては空燃比をリーンとしながら、点火プラグの電極近傍には着火燃焼に適した理論空燃比に近い混合気を配置する混合気の成層化を行うことで、希薄燃焼を成立させるものである。
【０００６】
しかし、アクセル開度が小さい低負荷領域では、燃料噴射量が顕著に少なくなり、燃焼室内に噴射した燃料が必要十分に拡散せず、点火プラグの電極の周辺に点火に適した空燃比を有する可燃混合気を配置することが難しいという問題が存在する。
【０００７】
本発明は、筒内直接噴射式の内燃機関の低負荷領域での成層燃焼の安定化を実現することを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関であり、吸気バルブを吸気下死点よりも早いタイミングで閉弁可能なものであって、アクセル開度が所定以下の低負荷領域において、吸気バルブの閉弁タイミングを吸気下死点よりも早めた上、その吸気バルブの閉弁後に燃料噴射を実行する内燃機関を構成した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、筒内直接噴射式の内燃機関の低負荷領域での成層燃焼の安定化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態の内燃機関の点火系の回路図。
【図３】同実施形態の内燃機関の点火系に付随する電界発生装置の構成を説明する図。
【図４】同電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。
【図５】同実施形態の内燃機関に付帯する可変バルブタイミング機構を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、筒内直接噴射式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒エンジン。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１には、その吸気ポートに臨む位置に、燃料を噴射するインジェクタ１１を設置している。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。
【００１２】
図２に、点火系の電気回路を示している。点火コイル１４は、点火プラグ１２に印加するべき火花放電用の高電圧を供給するものであり、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタ１３が受けると、まずイグナイタ１３が点弧して点火コイル１４の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１３が消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、点火コイル１４の一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この誘導電圧が点火プラグ１２の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電が生じる。
【００１３】
本実施形態の内燃機関では、その点火系に気筒１の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置６を付設している。この電界発生装置６は、燃焼室内でプラズマを生成する目的で高周波を発生させるものである。電界発生装置６の具体例としては、高周波の交流電圧を出力する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を出力する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。
【００１４】
図３及び図４に示すように、電界発生装置６は、車載のバッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路を含む。具体的には、バッテリが提供する約１２Ｖの直流電圧を１００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流電圧を利用して交流の高周波を出力する交流発振器たる高周波発生回路６２と、高周波発生回路６２が出力する交流の高周波をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス６３とを構成要素とする。
【００１５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ６１は、ＥＣＵ０からの指令ｌを受けて、高周波発生回路６２に印加する直流の駆動電圧の大きさを変化させることができ、ひいては、昇圧トランス６３の下流における高周波電圧の振幅を変化させることができる。昇圧トランス６３の下流における高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。
【００１６】
本実施形態において、高周波発生回路６２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流電圧を交流電圧に変換するＨブリッジ回路である。図４に、このＨブリッジ回路の構成例を示している。
【００１７】
電界発生装置６の出力端には、第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５を介設する。第一ダイオード６４は、カソードが昇圧トランス６３の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル１４との結節点であるミキサ６６に接続している。第二ダイオード６５は、アノードが昇圧トランス６３の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地している。これら第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５は、昇圧トランス６３の下流において交流の高周波を半波整流して脈流化するとともに、点火タイミングにおいて点火コイル１４の二次側から流れ込む負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。
【００１８】
因みに、電界発生装置６として脈流電圧発生回路を採用する場合、当該脈流電圧発生回路は周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。ここに言う脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧や、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等を含む。
【００１９】
電界発生装置６が発生させる高周波の脈流電圧は、ミキサ６６を介して点火プラグ１２の中心電極に印加する。つまり、気筒１の燃焼室内に臨む点火プラグ１２の中心電極を、電界を放射するアンテナとする。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の中心電極と接地電極との間の空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電を行うことによりプラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。
【００２０】
上記は、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ちプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。
【００２１】
アクティブ点火を実行する場合の、点火プラグ１２の中心電極に高周波を印加するタイミングは、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前、または火花放電開始直後である。
【００２２】
勿論、本実施形態の内燃機関は、アクティブ点火ではない従来型の火花点火、即ち点火プラグ１２の中心電極からの高周波電界の放射を伴わない火花放電によって混合気に着火することもできる。安定的に着火して燃焼させることが容易な（燃焼不良に陥りにくい）状況下では、従来型の火花点火を実行することとして電力消費を抑制することが考えられる。
【００２３】
内燃機関の気筒１に吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００２４】
気筒１から排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００２５】
外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。
【００２６】
図５に示すように、本実施形態の内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフトからもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。
【００２７】
その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｔｉｍｉｎｇ）機構８を介設している。本実施形態におけるＶＶＴ機構８は、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブの開閉タイミングを変化させるものである。
【００２８】
ＶＶＴ機構８のハウジング８１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング８１とは一体となってクランクシャフトに同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ８２は、ハウジング８１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング８１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング８１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ８２の外周部に成形されたベーン８２１によって進角室８１２と遅角室８１１とに区画される。
【００２９】
ＶＶＴ機構８の液圧（特に、油圧）回路には、オイルパン８３１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８３２より供給される。液圧ポンプ８３２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８３２とＶＶＴ機構８との間には、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｖａｌｖｅ）９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８３１から汲み上げた作動液を進角室８１２または遅角室８１１に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング８１がロータ８２に対して相対回動し、吸気バルブの開閉タイミングを進角または遅角させることができる。
【００３０】
ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。スプール９６は、ソレノイド９７によって駆動する。即ち、制御信号ｎとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。
【００３１】
制御信号ｎのデューティ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８３２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室８１２に供給される一方、既に遅角室８１１に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８３１に向けて流下することとなり、進角室８１２の容積が拡大、遅角室８１１の容積が縮小するようにベーン８２１及びロータ８２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が進角して、吸気バルブのバルブタイミングが進角化する。
【００３２】
逆に、制御信号ｎのデューティ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８３２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室８１１に供給される一方、既に進角室８１２に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８３１に向けて流下することとなり、遅角室８１１の容積が拡大、進角室８１２の容積が縮小するようにベーン８２１及びロータ８２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブのバルブタイミングが遅角化する。
【００３３】
内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００３４】
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するブレーキスイッチまたはマスタシリンダ圧センサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。
【００３５】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２に付随するイグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１に対して当該ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する駆動電圧の大きさを指令する電圧指令信号ｌ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｍ、ＯＣＶ９に対して制御信号ｎ等を出力する。
【００３６】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、燃焼室内に高周波電界を印加するか否かやその電界の強度、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、吸気バルブの開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。
【００３７】
本実施形態の内燃機関では、アクセル開度が全開ないし全開に近い高負荷ではない部分負荷の運転領域において、気筒１の燃焼室内全体としては空燃比をリーンとしながら、点火プラグ１２の電極近傍には着火燃焼に適した理論空燃比に近い混合気を配置して、これに着火する成層燃焼を実施することが可能である。
【００３８】
混合気の成層化を具現する手法は幾つかあるが、本実施形態ではいわゆるスプレーガイド方式を想定している。スプレーガイド方式とは、気筒１の圧縮行程中にインジェクタ１１から直接点火プラグ１２の電極に向けて燃料を噴射する方式である。燃料噴射から点火までの間隔が短いことから、燃料の過度の拡散を防止でき、燃料のピストンへの衝突も抑制できるので、未燃の燃料成分（特に、ＨＣ）の排出が少なく、高い燃焼効率を実現できる利点がある。
【００３９】
反面、スプレーガイド方式では、インジェクタ１１から噴射した燃料を確実に点火プラグ１２の電極近傍まで導かねばならず、また、その噴射した燃料が点火プラグ１２の電極近傍を通過するタイミングで点火を行う必要がある。アクセル開度が小さい低負荷領域では、燃料噴射量が顕著に少なくなり、燃焼室内に噴射した燃料が必要十分に拡散せず、点火プラグ１２の電極近傍に点火に適した空燃比を有する可燃混合気の層を配置することが難しい。
【００４０】
そこで、本実施形態では、アクセル開度が所定以下である低負荷の運転領域において、ＶＶＴ機構６を介して各気筒１の吸気行程における吸気バルブの閉弁タイミングを吸気下死点よりも一定以上進角させる早閉じ制御を実施するとともに、吸気バルブの閉弁後に燃料噴射を実行することとしている。
【００４１】
より具体的には、吸気下死点よりも早いタイミングで吸気バルブを閉弁し、その吸気バルブの閉弁後、吸気下死点前または吸気下死点後の比較的早い時期（吸気下死点からのクランク角度が所定範囲内にある圧縮行程の初期ないし中期）つまりは筒内圧力（気筒１の燃焼室内圧力）が低い時期に、インジェクタ１１から燃焼室内に燃料を噴射する。さすれば、この噴射した燃料が減圧沸騰を起こして気化し、インジェクタ１１から燃焼室内に拡散する。結果、燃料噴射量が少なくとも、点火プラグ１２の電極近傍に可燃混合気の層を配置することが可能となり、安定した成層燃焼を得られるようになる。
【００４２】
また、吸気バルブの早閉じ制御は、実効的に圧縮行程のストローク長を膨張行程のストローク長よりも短くするミラーサイクルを実現することにもなり、ポンピングロスを低減しながら排熱量を減少させて熱機械変換効率をより一層高めることができる。
【００４３】
但し、低負荷領域にて吸気バルブの早閉じ制御を実施すると、気筒１の吸気下死点における筒内温度（燃焼室内温度）が顕著に低下し、場合によっては氷点下に達する。筒内温度の低下は、混合気の着火燃焼の不安定化につながる懸念がある。アクセル開度が所定以下の低負荷領域において吸気バルブを早閉じ制御する場合には、上述のアクティブ点火を実行し、確実に混合気を着火燃焼させるようにすることが好ましい。
【００４４】
本実施形態では、気筒１の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関であり、吸気バルブを吸気下死点よりも早いタイミングで閉弁可能なものであって、アクセル開度が所定以下の低負荷領域において、吸気バルブの閉弁タイミングを吸気下死点よりも早めた上、その吸気バルブの閉弁後に燃料噴射を実行する内燃機関を構成した。
【００４５】
本実施形態によれば、燃料噴射量の少ない低負荷領域においても、点火プラグ１２の電極の周辺に可燃混合気を配置しやすくなる。即ち、低負荷領域において安定した成層燃焼を得られるようになるため、燃料消費量の削減及び未燃燃料成分の排出の抑止（燃費及びエミッションの良化）に資する。
【００４６】
また、混合気の燃焼の安定性が低下する低負荷領域での成層燃焼時等を除いた平常時は火花放電のみによる点火を行うようにし、低負荷領域での成層燃焼時に限って早閉じ制御とともにアクティブ点火による混合気の着火燃焼を遂行する態様をとることもできる。この場合には、燃焼室内への電界放射による電力消費を削減できる。
【００４７】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、低負荷領域において吸気バルブの早閉じ制御を伴う成層燃焼を実施する場合に、必ずアクティブ点火を実行しなければならないわけではない。混合気への着火が可能であるならば、従来型の火花点火によって混合気を燃焼させるようにしても構わない。
【００４８】
気筒１の燃焼室内に電界を印加するための電界発生装置６は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路に限定されない。電界発生装置６としてマイクロ波を出力するマグネトロン等を採用し、気筒１の燃焼室内にマイクロ波電界を印加してアクティブ点火を実行するものとしてもよい。
【００４９】
上記実施形態では、点火プラグ１２の中心電極を電界放射用のアンテナとしていたが、点火プラグ１２とは別体のアンテナを気筒１に設け、これを介して気筒１の燃焼室内に高周波電界またはマイクロ波電界を放射してもよい。
【００５０】
その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関として利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１２…点火プラグ、アンテナ
６…電界発生装置
【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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