(57)【要約】【課題】燃焼室１の側部に配置される燃料噴射弁７から２つの吸気バルブ５Ａ、５Ｂの間を経由し燃焼室中心側へ燃料を噴射する直噴火花点火式内燃機関において、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モードの時に、吸気バルブ傘裏に燃料噴霧が付着するのを防止する。【解決手段】燃料噴射弁７からの燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に付着するが吸気バルブ傘裏の燃焼室壁面側に付着しないようなバルブリフト量となる期間を演算し、この期間の情報に基づいて、燃料噴射を行う。このときは、タンブル制御弁９を閉じて、吸入空気を吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に強く吹き付け、付着した燃料を吹き飛ばす。【選択図】  図２
2004316538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の側部に配置される燃料噴射弁から２つの吸気バルブの間を経由し燃焼室中心側へ燃料を噴射する直噴火花点火式内燃機関において、
吸気バルブを介して燃焼室内に流入させる空気を吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に吹き付けることのできるエアモーションデバイスを備える一方、
燃料噴射弁からの燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に付着するが吸気バルブ傘裏の燃焼室壁面側に付着しないようなバルブリフト量となる期間を演算する手段と、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モードの時に、前記期間の情報に基づいて、燃料噴射を制御する手段と、を備えることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
【請求項２】
前記エアモーションデバイスは、吸気ポートを上下の分割ポートに分割する仕切板と、下側の分割ポートを閉止可能な制御弁とを含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項３】
前記期間に基づき、燃料噴射弁から吸気バルブまでの燃料噴霧の到達時間を考慮して、燃料噴射開始許可時期及び燃料噴射禁止時期を算出する手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項４】
前記燃料噴射制御手段は、前記燃料噴射開始許可時期から前記燃料噴射禁止時期までの間に、燃料噴射を行うことを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項５】
前記燃料噴射制御手段は、燃料噴射を分割して、前記燃料噴射開始許可時期から前記燃料噴射禁止時期までの間に、一部の燃料噴射を行い、残りを、吸気バルブ閉弁後に噴射することを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、直噴火花点火式内燃機関では、特許文献１に示されるように、燃焼室の側部に配置される燃料噴射弁から２つの吸気バルブの間を経由し燃焼室中心側へ燃料を噴射している。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２９４２０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧縮行程にて燃料噴射を行う成層運転モードに対し、吸気行程にて燃料噴射を行う均質運転モードでは、吸気バルブがリフトしているため、噴射された燃料の一部が吸気バルブ傘裏に付着し、これが液滴となって流入することで、筒内での混合気形成を阻害し、機関から排出される未燃燃料（ＨＣ）が多くなるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、吸気行程噴射時に吸気バルブ傘裏に燃料噴霧が付着することによる未燃燃料の排出量の増加を防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、燃料噴射弁からの燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に付着するが吸気バルブ傘裏の燃焼室壁面側に付着しないようなバルブリフト量となる期間を演算し、この期間の情報に基づいて、燃料噴射を制御する。そして、吸気バルブを介して燃焼室内に流入させる空気を吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に吹き付けることのできるエアモーションデバイスを利用する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、吸気行程噴射において、燃料噴霧と吸気バルブとの干渉部位を吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に限定し、ここに付着した燃料（若しくは付着しようとする燃料）をエアモーションデバイスにより強化された空気流に乗せて吹き飛ばすことで、筒内での混合気形成に利用できるようにし、未燃燃料の排出量を低減することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関の平面レイアウト図、図２は同上内燃機関の要部断面図及びそのＡ矢視図ある。
【０００９】
内燃機関の燃焼室１には、その上面（シリンダヘッド）側の略中央部に点火プラグ２が配置されている。そして、点火プラグ２を囲むように、２本ずつ吸気ポート３Ａ、３Ｂ及び排気ポート４Ａ、４Ｂが開口し、それぞれに吸気バルブ５Ａ、５Ｂ及び排気バルブ６Ａ、６Ｂが装着されている。
【００１０】
燃料噴射弁７は、燃焼室１の吸気バルブ５Ａ、５Ｂ側の側部に斜め下向きに（水平線（燃焼室中心線に対して垂直な線）に対して所定角度θだけ傾斜して）配置され、２つの吸気バルブ５Ａ、５Ｂの間を経由し燃焼室１中心側へ燃料を噴射するようになっている。尚、図中のαは燃料噴射弁７（噴霧点）からの燃料噴霧の下側の線が水平線に対してなす角であり、噴霧下端角という。
【００１１】
また、吸気ポート３Ａ、３Ｂには、吸入空気の流れを制御して筒内流動を強化するためのエアモーションデバイスが備えられる。エアモーションデバイスは、吸気ポート３Ａ、３Ｂを上下の分割ポートに分割する仕切板８と、下側の分割ポートの上流側にてこれを閉止可能で、閉止時に筒内流動を強化可能な制御弁９とから構成されている。本実施形態では、特に筒内流動の強化時に上側の分割ポートのみから吸入してタンブル流動を強化するようになっているので、制御弁９はタンブル制御弁（ＴＣＶ）と称する。このエアモーションデバイスでは、吸気バルブ５Ａ、５Ｂを介して燃焼室１内に流入させる空気を吸気バルブ５Ａ、５Ｂの傘裏の燃焼室中心側に偏在させて強く吹き付けることができる。
【００１２】
この内燃機関での運転モードには、成層運転モードと均質運転モードとがあり、成層運転モードでは、圧縮行程にて燃料噴射を行い、点火プラグ２の周囲に成層化された混合気塊を形成することで、全体としては極めてリーンな空燃比で成層燃焼を行わせる。これに対し、均質運転モードでは、吸気行程にて燃料噴射を行い、燃焼室１の全体に均質な混合気を形成することで、ストイキ又はリーン空燃比での均質燃焼を行わせる。
【００１３】
ここで、圧縮行程噴射の場合は、吸気バルブ５Ａ、５Ｂは閉じているため、燃料噴霧と吸気バルブ５Ａ、５Ｂとの干渉は問題とならないが、吸気行程噴射の場合は、吸気バルブ５Ａ、５Ｂがリフトしているため、燃料噴霧と吸気バルブ５Ａ、５Ｂとの干渉が問題となる。
【００１４】
そこで、本発明では、吸気行程にて燃料噴射を行う運転モード（均質運転モード）の時に、エアモーションデバイスを作動させることを前提にして、燃料噴射弁７からの燃料噴霧が吸気バルブ５Ａ、５Ｂの傘裏の燃焼室中心側にのみ付着し、吸気バルブ５Ａ、５Ｂの傘裏の燃焼室壁面側には付着しないようなバルブリフト量となる期間にて、燃料噴射を行わせる。
【００１５】
より具体的には、バルブリフト増大過程で燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に付着しなくなる時期、及び、バルブリフト減少過程で燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室壁面側に付着するようになる時期があるので、これらの時期の間にて、燃料噴射を行わせる。
【００１６】
このようにして、燃料噴霧の付着部位を吸気バルブ５Ａ、５Ｂの傘裏の燃焼室中心側に限定することで、エアモーションデバイスを作動させれば、吸気バルブ５Ａ、５Ｂの傘裏の燃焼室中心側に吸入空気を強く吹き付けることができるから、付着した燃料（若しくは付着しようとする燃料）を吸入空気により吹き飛ばして筒内流動に乗せることが可能となる。すなわち、タンブル制御弁９を閉じることで、吸気バルブ吸気バルブ５Ａ、５Ｂの一部に付着した燃料を吹き飛ばしながら流入する強タンブル流を作り、燃焼安定度を向上させつつＨＣの低減を図るのである。
【００１７】
次に、燃料噴射弁からの燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に付着するが吸気バルブ傘裏の燃焼室壁面側に付着しないようなバルブリフト量となる期間の演算について、説明する。
【００１８】
図３は前記期間の演算方法を説明するための図であり、図４は寸法線のみとした略図である。
図中の記号については、次の通りである。
【００１９】
Ｐｏｉｎｔ−Ａ：バルブリフト（ｄ）時の、吸気バルブ傘部の最大径の部分の、吸気バルブステム軸上の位置（但し、図は、Ｐｏｉｎｔ−Ａが吸気バルブステム軸と噴霧下端角（α）線との交点にきた時を示している。）
Ｐｏｉｎｔ−Ｂ：燃焼室中心線（ボアセンター）と吸気バルブステム軸との交点
α  ：噴霧下端角（図２に示したように燃料噴射弁からの燃料噴霧の下側の線が水平線となす角度であるが、図３、図４では、Ｐｏｉｎｔ−Ａが吸気バルブステム軸と噴霧下端角（α）線との交点にきた時であるので、Ｐｏｉｎｔ−Ａから見た噴霧下端角αとして示している。）
β  ：吸気バルブ挟角（ボアセンターと吸気バルブステム軸とのなす角）
ａ１  ：シリンダヘッド下面〜Ｐｏｉｎｔ−Ｂ間の距離
ｂ１  ：Ｐｏｉｎｔ−Ｂ〜バルブリフト０ｍｍ時Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離
ｃ  ：噴霧点〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ボア径方向）
ｄ  ：バルブリフト量
ｆ  ：噴霧点〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ストローク方向）
ｇ  ：ボアセンター〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ボア径方向）
ｈ１  ：Ｐｏｉｎｔ−Ｂ〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ストローク方向）
ｉ  ：シリンダヘッド下面〜噴霧点間の距離（ストローク方向）
ｊ  ：ボアセンター〜噴霧点間の距離（ボア径方向）。
【００２０】
バルブリフト量ｄの時に噴霧下端がＰｏｉｎｔ−Ａを通過する場合、
噴霧点〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ボア径方向）ｃは、
2004316538.tif 000003
となり、
噴霧点〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ストローク方向）ｆは、
2004316538.tif 000004
となる。
【００２１】
このため、バルブリフト量ｄ及び噴霧下端角αについて、下記の式１の関係が成立している場合に、燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室中心（ボアセンター）側に付着するが、燃焼室壁面側には付着しないことになる。
【００２２】
2004316538.tif 000005
これにより、噴霧下端角αの時、上記式１が成立するバルブリフト量ｄは、
2004316538.tif 000006
となる。
【００２３】
更に、燃料噴射開始許可時期及び燃料噴射禁止時期の算出について説明する。
図５のバルブリフト特性を参照し、上記式２におけるバルブリフト量ｄがｄ０のときのバルブタイミングｋ及びＬを算出する。尚、カム軸に対し吸気バルブ駆動用のカムの相対角度（カムひねり角）を変更することにより、機関運転条件に応じてバルブタイミングを変更する可変動弁装置を備える場合は、図５のバルブリフト特性は基準状態（最遅角状態）でのバルブリフト特性として、後で補正する。
【００２４】
ここで、バルブタイミングｋに噴霧がＰｏｉｎｔ−Ａに到達するようにするには、ｋのΔＴ前に燃料噴射を行う必要があるので、ΔＴを算出する。
燃圧がＰの時、噴霧速度Ｖは、図６に示すような関係（燃料噴射弁の特性）から求められる。
【００２５】
噴霧速度がＶの時、距離ｃを進むのに必要な時間は、
2004316538.tif 000007
となり、
エンジン回転数をＮ（ｒｐｍ）  として、これをクランク角に変換すると、
2004316538.tif 000008
となる。
【００２６】
これより、噴射開始許可タイミングｍは、可変動弁装置によるカムひねり角をｕ（進角側が＋）とすると、
2004316538.tif 000009
となる。
【００２７】
同様に、噴射禁止タイミングｎは、
2004316538.tif 000010
となる。
【００２８】
このようにカムひねり角による補正を行うことで、可変動弁装置を用いた内燃機関でも常にＨＣ低減効果を得られる最適噴射タイミングを算出可能となる。
よって、噴射許可範囲ｓは、クランク角にて、ｍ≦ｓ≦ｎとなり、この範囲にて噴射タイミングｑを設定する。
【００２９】
また、このときの噴射パルス幅ｒが、ｒ≧ｓ−（ｑ−ｍ）の場合、クランク角＝ｎとなった時点で、燃料噴射を一度禁止し、吸気バルブ閉弁（ＩＶＣ）後に残り分の再噴射を行う。
【００３０】
次に、燃料噴射弁からの燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に付着するが吸気バルブ傘裏の燃焼室壁面側に付着しないようなバルブリフト量となる期間の演算について、他の例を、説明する。
【００３１】
図７は前記期間の演算方法を説明するための図であり、図８は寸法線のみとした略図である。尚、図３及び図４では、説明を簡略化するため、燃焼室中心線（ボアセンター）と吸気バルブステム軸との交点であるＰｏｉｎｔ−Ｂを基準としているが、図７及び図８では、通常の機関設計で用いることの多い、吸気バルブステム軸と排気バルブステム軸との交点であるＰｏｉｎｔ−Ｃを基準としている。
【００３２】
図中の記号については、次の通りである。
Ｐｏｉｎｔ−Ａ：バルブリフト（ｄ）時の、吸気バルブ傘部の最大径の部分の、吸気バルブステム軸上の位置（但し、図は、Ｐｏｉｎｔ−Ａが吸気バルブステム軸と噴霧下端角（α）線との交点にきた時を示している。）
Ｐｏｉｎｔ−Ｃ：吸気バルブステム軸と排気バルブステム軸との交点
α  ：噴霧下端角
β  ：吸気バルブ挟角
ａ２  ：シリンダヘッド下面〜Ｐｏｉｎｔ−Ｃ間の距離
ｂ２  ：Ｐｏｉｎｔ−Ｃ〜バルブリフト０ｍｍ時Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離
ｃ  ：噴霧点〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ボア径方向）
ｄ  ：バルブリフト量
ｅ  ：吸排気バルブステム軸交点のボアセンターからのオフセット量
ｆ  ：噴霧点〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ストローク方向）
ｇ  ：ボアセンター〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ボア径方向）
ｈ２  ：Ｐｏｉｎｔ−Ｃ〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ストローク方向）
ｉ  ：シリンダヘッド下面〜噴霧点間の距離（ストローク方向）
ｊ  ：ボアセンター〜噴霧点間の距離（ボア径方向）
尚、Ｐｏｉｎｔ−Ａ、α、β、ｃ、ｄ、ｆ、ｇ、ｉ、ｊは、図３、図４での説明と同じである。
【００３３】
バルブリフト量ｄの時に噴霧下端がＰｏｉｎｔ−Ａを通過する場合、
噴霧点〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ボア径方向）ｃは、
2004316538.tif 000011
となり、
噴霧点〜Ｐｏｉｎｔ−Ａ間の距離（ストローク方向）ｆは、
2004316538.tif 000012
となる。
【００３４】
このため、バルブリフト量ｄ及び噴霧下端角αについて、下記の式５の関係が成立している場合に、燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室中心（ボアセンター）側に付着するが、燃焼室壁面側には付着しないことになる。
【００３５】
2004316538.tif 000013
これにより、噴霧下端角αの時、上記式５が成立するバルブリフト量ｄは、
2004316538.tif 000014
となる。
【００３６】
更に、燃料噴射開始許可時期及び燃料噴射禁止時期の算出について説明する。
図５のバルブリフト特性を参照し、上記式５におけるバルブリフト量ｄがｄ０となるバルブタイミングｋ及びＬを算出する。
【００３７】
ここで、バルブタイミングｋに噴霧がＰｏｉｎｔ−Ａに到達するようにするには、ｋのΔＴ前に燃料噴射を行う必要があるので、ΔＴを算出する。
燃圧がＰの時、噴霧速度Ｖは、図６に示すような関係から求められる。
【００３８】
噴霧速度がＶの時、距離ｃを進むのに必要な時間は、
2004316538.tif 000015
となり、
エンジン回転数をＮ（ｒｐｍ）  として、これをクランク角に変換すると、
2004316538.tif 000016
となる。
【００３９】
これより、噴射開始許可タイミングｍは、可変動弁装置によるカムひねり角をｕ（進角側が＋）とすると、
2004316538.tif 000017
となる。
【００４０】
同様に、噴射禁止タイミングｎは、
2004316538.tif 000018
となる。
【００４１】
よって、噴射許可範囲ｓは、クランク角にて、ｍ≦ｓ≦ｎ  となり、この範囲にて噴射タイミングｑを設定する。
また、このときの噴射パルス幅ｒが、ｒ≧ｓ−（ｑ−ｍ）の場合、クランク角＝ｎとなった時点で、燃料噴射を一度禁止し、吸気バルブ閉弁（ＩＶＣ）後に残り分の再噴射を行う。
【００４２】
図９は制御系の構成図であり、点火プラグ２、燃料噴射弁７、タンブル制御弁（ＴＣＶ）９、可変動弁装置１０の作動を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１に、エンジン回転数Ｎを検出可能な回転数センサ１２、負荷（例えばアクセル開度）Ｌを検出可能な負荷センサ１３などと共に、燃圧Ｐを検出可能な燃圧センサ１４の信号を入力してある。
【００４３】
図１０は燃料噴射制御のフローチャートである。
Ｓ１では、均質運転領域か否かを判定し、ＮＯの場合は、Ｓ２へ進んで成層運転（圧縮行程噴射）を行う。ＹＥＳの場合は、Ｓ３へ進む。
【００４４】
Ｓ３では、タンブル制御弁（ＴＣＶ）が閉状態か否かを判定し、ＮＯ（開状態）の場合は、Ｓ４へ進んで通常制御（通常の吸気行程噴射）による均質運転を行う。ＹＥＳ（閉状態）の場合は、Ｓ５へ進む。
【００４５】
Ｓ５では、エンジン回転数Ｎ、燃圧Ｐ、可変動弁装置のカムひねり角ｕを読込む。
Ｓ６では、前述の式３（若しくは式７）に基づいて、噴射開始許可タイミングｍの算出を行い、また、前述の式４（若しくは式８）に基づいて噴射禁止タイミングｎの算出を行う。噴射許可範囲ｓは、クランク角にて、ｍ≦ｓ≦ｎとなり、この範囲にて噴射タイミングｑを設定する（例えばｑ＝ｍとする）。
【００４６】
Ｓ７では、要求噴射パルス幅ｒを読込む。
Ｓ８では、要求噴射パルス幅ｒを噴射許可範囲ｓ（ｍ〜ｎ）において噴射可能か否か、すなわち、ｒ≦ｓ−（ｑ−ｍ）を判定する。
【００４７】
ＹＥＳの場合は、Ｓ９へ進み、噴射タイミングｑにて１回の燃料噴射を行って、均質運転（ＨＣ低減１回噴射）を行う。
ＮＯの場合は、分割噴射を行うこととして、Ｓ１０にて、吸気バルブ閉弁時期（ＩＣＶ）以降に２回目の分割噴射タイミングｑ２を設定し、噴射タイミングｑにて噴射許可範囲ｓ内で噴射可能な量の１回目の燃料噴射を行い、また、吸気弁閉弁時期以降の噴射タイミングｑ２にて残り分についての２回目の燃料噴射を行って、均質運転（ＨＣ低減分割噴射）を行う。
【００４８】
本実施形態によれば、燃料噴射弁からの燃料噴霧が吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に付着するが吸気バルブ傘裏の燃焼室壁面側に付着しないようなバルブリフト量となる期間を演算し、この期間の情報に基づいて燃料噴射を制御することにより、吸気バルブへの燃料噴霧の付着部位を限定し、ここに付着した燃料をエアモーションデバイスにより強化された空気流に乗せて吹き飛ばして、筒内での混合気形成に利用することで、ＨＣの排出量を低減することができる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、エアモーションデバイスは、吸気ポートを上下の分割ポートに分割する仕切板と、下側の分割ポートを閉止可能な制御弁とを含んで構成されることで、吸気バルブを介して燃焼室内に流入させる空気を吸気バルブ傘裏の燃焼室中心側に確実かつ強力に吹き付けることができる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、前記期間に基づき、少なくともエンジン回転数（更には燃圧）に基づくなど、燃料噴射弁から吸気バルブまでの燃料噴霧の到達時間を考慮して、燃料噴射開始許可時期及び燃料噴射禁止時期を算出する手段を備えることにより、最適タイミングでの燃料噴射が可能となる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、前記燃料噴射開始許可時期から前記燃料噴射禁止時期までの間に、燃料噴射を行うことにより、ＨＣ低減効果を最大限に発揮させることができる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、燃料噴射を分割して、前記燃料噴射開始許可時期から前記燃料噴射禁止時期までの間に、一部の燃料噴射を行い、残りを、吸気バルブ閉弁後に噴射することにより、要求噴射量が多い場合にも、ＨＣ低減効果を最大限に発揮させることができる。従って、ＨＣを低減できる領域を高負荷域まで広げられる。
【００５３】
但し、要求噴射量が多い場合でも、主たる噴射期間が前記期間に重なるようにするなど、吸気バルブ傘裏の燃焼室壁面側への燃料噴霧の付着が最小となるように噴射するようにして、ＨＣ低減効果を向上させることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す内燃機関の平面レイアウト図
【図２】同上内燃機関の要部断面図及びそのＡ矢視図
【図３】期間演算方法の説明図
【図４】図３の略図
【図５】バルブリフト特性図
【図６】燃圧と噴霧速度との関係図
【図７】期間演算方法の他の例の説明図
【図８】図７の略図
【図９】制御系の構成図
【図１０】燃料噴射制御のフローチャート
【符号の説明】
１  燃焼室
２  点火プラグ
３Ａ、３Ｂ  吸気ポート
５Ａ、５Ｂ  吸気バルブ
７  燃料噴射弁
８  仕切板
９  タンブル制御弁
１０  可変動弁装置
１１  ＥＣＵ
【図１】
2004316538.tif 000019
【図２】
2004316538.tif 000020
【図３】
2004316538.tif 000021
【図４】
2004316538.tif 000022
【図５】
2004316538.tif 000023
【図６】
2004316538.tif 000024
【図７】
2004316538.tif 000025
【図８】
2004316538.tif 000026
【図９】
2004316538.tif 000027
【図１０】
2004316538.tif 000028