(57)【要約】【課題】未燃ＨＣの排出量を大幅に低減する。【解決手段】燃焼室より排出された排気ガスを滞留させる容積部を備えた多気筒の筒内直接噴射式内燃機関において、筒内直接噴射式内燃機関は、複数の上記燃焼室を有し、容積部の排気上流側で、各燃焼室の内の少なくとも２つの燃焼室からの排気ガスを合流させている。これによって、容積部の排気上流側で、高温の排気ガス同士が合流し、酸化反応が促進されることにより容積部へ流入する排気ガスの温度が上昇し、容積部で未燃ＨＣの燃焼を十分に行うことができる。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
運転状態に応じて均質燃焼又は層状燃焼を行うよう該燃料噴射弁の駆動を制御する主噴射制御手段と、
上記燃焼室より排出される未燃ＨＣの排出量低減が要求された場合、上記主噴射制御手段による上記燃料噴射弁駆動後の膨張工程中に該燃料噴射弁より追加燃料を噴射させる追加燃料噴射制御手段と、
上記燃焼室より排出された排気ガスを滞留させる容積部と、を備えた多気筒の筒内直接噴射式内燃機関において、
上記筒内直接噴射式内燃機関は、複数の上記燃焼室を有し、
上記容積部の排気上流側で、上記各燃焼室の内の少なくとも２つの燃焼室からの排気ガスを合流させていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
上記容積部の排気上流側で、互いの点火順序が連続する少なくとも２つの燃焼室からの排気ガスを合流させていることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
現在燃焼している気筒を判別する気筒判別手段を有し、上記容積部の排気上流側で互いの排気ガスを合流させた燃焼室のなかで始めに燃焼が行われる燃焼室から上記追加燃料噴射を開始することを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
上記容積部の排気上流側で、互いの点火順序が不連続となる少なくとも２つの燃焼室からの排気ガスを合流させていることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
未燃ＨＣの排出量低減が要求される場合には、上記容積部の排気上流側で上記各燃焼室の内の少なくとも２つの燃焼室からの排気ガスが合流し、
未燃ＨＣの排出量低減が要求されない場合には、上記各燃焼室から排出された各排気ガスが上記容積部で始めて合流するよう、上記各燃焼室と上記容積部との間の排気経路を切り替えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか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】
現在、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内直接噴射式内燃機関が実用化されており、かかる筒内直接噴射式内燃機関では、燃料噴射のタイミングを自由に設定することができるため、低負荷運転域では圧縮行程で燃料噴射を行って、着火に十分な燃料濃度の混合気を点火プラグ近傍に部分的に集めて、いわゆる層状燃焼による超希薄燃焼を行い、より一層の燃費向上を図っている。このような筒内直接噴射式内燃機関においても、従来の内燃機関と同様、例えば、冷間始動時においては、燃焼室より排出される未燃ＨＣ等の低減及び排気通路に設けられた触媒の早期活性化を図り大気中に放出される未燃ＨＣ等の両を低減させたいという要求がある。そのため、筒内直接噴射式内燃機関に関する技術では、膨張行程初期から中期において主燃焼のための燃料噴射とは別の追加の燃料噴射を行い、この追加燃料噴射による追加燃料を主燃焼の火炎伝播により着火させて排気ガス温を上昇させ、燃焼室内から排気ポート内にかけて追加燃料を含む未燃ＨＣ等を燃焼させ、触媒の暖機を促進して早期活性化を図ったものが提案されている。
【０００３】
ところが、排気ガスが燃焼室内から排気ポートへ排出される際の排気通路は、排気弁が開いた瞬間は非常に狭く、また、排気弁が開いた瞬間に高圧の排ガスが燃焼室内から排気ポートへ流れ出ようとするため、排気弁開時初期の排気ガスの流速は非常に大きくなる。このため、燃焼室内で燃焼していた追加燃料は、排気弁が開いた直接の狭い排気通路を高速で流れ出る際に消炎してしまい、燃え残った追加燃料は未燃ＨＣとして排出されてしまう。このとき、ある燃焼室から排出された排気ガスに未燃ＨＣが含まれていたとしても、他の燃焼室から排出された排気ガスが未だ燃焼していれば、この燃焼している排気ガスと混合することにより未燃ＨＣが再燃焼することが期待できる。そこで特開平１１−２９４１５７によれば、複数の燃焼室からの排気ガスを滞留させて未燃ＨＣの再燃焼を行うための容積部を排気通路に設けている。その際、未燃ＨＣが燃焼するのに十分に高い排気温度を確保するため、該容積部の設置位置は排気ポート出口直下としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排気ポート出口直下に該容積部を設けることは、エンジンルーム内のレイアウトに大きな制約を与えてしまうばかりか、排気干渉の影響や排気の慣性効果を効率的に利用できなくなる等の問題点があり、機関の出力性能が大幅に低下するという問題点があった。一方、該レイアウトの自由度を高め、出力性能の低下を抑制するために該容積部を排気通路下流部へ設けてしまうと、排気ガス温の低下により未燃ＨＣの燃焼が十分に行われず大気中に多くの該未燃ＨＣを排出してしまうという問題点があった。
【０００５】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、筒内直接噴射式内燃機関の排気通路に排気ガスを滞留させ未燃ＨＣを燃焼させるための容積部を有した場合に、エンジンルーム内のレイアウトに自由度を与え、機関の出力性能の低下を抑制し且つ未燃ＨＣの排出量を大幅に低減することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の筒内直接噴射式内燃機関は、複数の燃焼室より排出された排気ガスを滞留させる容積部を有し、この容積部の排気上流側で、上記各燃焼室の内の少なくとも２つの燃焼室からの排気ガスを合流させている。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、容積部の排気上流側で比較的高温の排気ガス同士が合流し、酸化反応が促進されることにより、容積部へ流入する排気ガス温が上昇し、容積部で未燃ＨＣの燃焼を十分に行うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
第１図は本発明の第１実施例の構成を示すものである。直列４気筒のエンジン２に吸入される空気は、エアフローメータ３で計量され、スロットルチャンバ４に導かれる。ここで吸入吸気量の制御が行われる。吸入空気はその後コレクタ５、インテークマニホールド６、吸気ポート７を経て、シリンダ８へと導かれる。シリンダ８では、吸気カムシャフト９により吸気バルブ１０を開きピストン１１の下降とともに吸気を導入する。シリンダ内への燃料の供給は、燃料噴射装置１２により筒内へ直接行う。ピストン１１の上昇により混合気を圧縮し、火花点火装置１３により点火を行う。その後、排気カムシャフト１４により排気バルブ１５を開き、ピストン１１の上昇とともに、排気を排気ポート１６に排出する。エキゾーストマニホールド１７は他の燃焼室からの排気通路を途中で合流させている（図２参照）。換言すれば、容積部１９（後述）の排気上流側で、他の燃焼室からの排気ガスを合流させている。
【００１０】
また、エキゾーストマニホールド１７にはＡ／Ｆセンサ１８から設けられ、ここで排気中のＡ／Ｆを計測し、エンジン２を任意のＡ／Ｆで運転する際はこの信号に基づきフィードバック制御を行う。エキゾーストマニホールド１７を通過した排気は、その下流に設けられた容積部１９で未燃ＨＣを燃焼し、その下流に設けられた排気浄化触媒２０を通過し、排出される。排気浄化触媒２０には温度を計測するための温度センサ２１が設けられている。なお、エンジン２のスロットル開度、燃料噴射量、噴射時期、火花点火時期はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１にて行う。ＥＣＵ１はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポートおよび出力ポートを具備する。ＥＣＵ１には、吸入空気量、Ａ／Ｆセンサ信号の他、回転数及びクランク角検出用の図示せぬクランク角センサ（気筒判別手段）からの信号、冷却水温、アクセルペダル開度信号が入力され、これらの信号を基に、前記の各制御を行う。
【００１１】
また、この筒内直接噴射型式内燃機関では、燃料噴射の態様として、層状燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるために圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）で燃料噴射を行う後期噴射モードと、均質燃焼によるリーン運転を実現し、緩加速による出力を得るために吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行う前記噴射モードと、均質燃焼によるストイキ運転（理論空燃比運転）を実現し、前記噴射モードより出力を向上させるために吸気行程中に燃料噴射を行うストイキモードとが設けられており、運転状態に応じて選択されるようになっている。また、燃料噴射制御手段は、エンジン出力を得るための通常の燃焼を行うべく燃料を噴射する通常燃料噴射制御手段（主噴射制御手段）と、冷間始動時に未燃ＨＣの低減が要求された際に、膨張行程中に追加燃料を噴射するための追加燃料噴射制御手段とが備えられている。
【００１２】
次に本発明の第１実施例の作動を第３図のフローチャートで説明する。本ルーチンは例えば１秒毎に実行されるものである。
【００１３】
先ずステップ１１（以下、Ｓ１１と略記）でエンジン始動時の排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔを読み込む。Ｔｃａｔが所定温度ａ（例えば４００℃）未満の場合であれば排気浄化触媒２０が活性前と判断しＳ１２へ進む。Ｔｃａｔが所定温度ａ以上である場合は排気浄化触媒２０が活性状態であると判断しＳ１３へ進み通常のエンジン制御を行う。所定温度ａは予め実験で求めておく。なお、Ｓ１１では排気浄化触媒２０の温度Ｔｃａｔの代わりにエンジン２の水温を計測しそれを基に同様の判断を行う様にしてもよい。Ｓ１２では容積部１９に空燃比がリーンで且つ多量の未燃ＨＣを含む高温の排気ガスを導入するために、吸気行程もしくは圧縮行程中に行われる主噴射による目標空燃比Ｒ０を所定空燃比Ｒ（例えば４０以上）に設定し、膨張行程中に行われる追加燃料噴射により所定空燃比ｂ（例えば１５〜２０程度）に設定する。ここで、主燃料噴射量Ｔｐは吸入空気量Ｑａおよび所定空燃比Ｒより算出する。また、追加燃料噴射量はＴｐ、Ｑａ、所定空燃比Ｒ、所定空燃比ｂにより算出する。所定空燃比Ｒ及び所定空燃比ｂは予め実験で求めておく。
【００１４】
第４図は、図１に示すエンジンシステムにおいて容積部の上流側で二つの燃焼室からの排気ガスを合流させた構成（図４のＡ）と（図２の同義）、図１に示すエンジンシステムにおいて各燃焼室からの排気ガスを容積部で始めて合流させた構成（図４のＢ）と、を示している。尚、図４中に示すα〜εは、後述する図６に温度計測ポイントα〜εに対応している。
【００１５】
そして、第５図及び第６図は、図４に示す二つの構成における車両評価実験結果をそれぞれ示している。
【００１６】
第６図に示すように、他の燃焼室からの排気通路を途中で合流させた場合（図４のＡ）の方が冷間始動後の容積部入口温度（温度計測ポイントβでの温度）の上昇が顕著である。そのため、第５図に示すように、容積部における未燃ＨＣの燃焼が十分に行われている。容積部入口温度の上昇は、他の燃焼室からの排気ガスを合流させることにより、高温の排気ガス同士が排気通路内で合流することによる酸化反応促進の効果である。
【００１７】
一方、他の燃焼室からの排気通路を途中で合流させない場合（図４のＢ）には、容積部に到達するまでの間で排気ガスが冷やされるため、容積部において他の燃焼室からの排気ガスと合流しても、酸化反応が十分に行われる温度よりも低くなっているため、未燃ＨＣの燃焼効果は殆どない。
【００１８】
つまり、これらの結果より、燃焼室と容積部１９との間で他の燃焼室からの排気ガスを合流させることが望ましいことが判る。
【００１９】
すなわち、上述した第１実施例の構成においては、容積部１９の排気上流側で比較的高温の排気ガス同士が合流し、酸化反応が促進されることにより、容積部１９へ流入する排気ガス温が上昇し、容積部１９で未燃ＨＣの燃焼を十分に行うことができる。
【００２０】
以下、本発明の他の実施例について順次説明する。尚、上述した第１実施例と重複する構成は、同一の符号を付し説明を省略する。
【００２１】
第７図は、本発明の第２実施例を示している。尚、第７図中の▲１▼〜▲４▼は、各燃焼室の点火順序を示している。この第２実施例は、上述した図１のエンジンシステムにおいて、容積部１９の排気上流側で、燃焼が連続する燃焼室からの排気ガスを合流させている。すなわち、互いの点火順序が連続する２つの燃焼室からの排気ガスを、燃焼室と容積部１９との間（第７図中の位置Ｐ）で合流させている。
【００２２】
また、第８図は、本発明の第３実施例を示している。尚、第８図中の▲１▼〜▲４▼は、各燃焼室の点火順序を示している。この第３実施例は、上述した図１のエンジンシステムにおいて、容積部１９の排気上流側の２箇所（図８中の位置Ｑ１，Ｑ２）で、燃焼が連続する燃焼室からの排気ガスを合流させている。すなわち、互いの点火順序が連続する２つの燃焼室からの排気ガスを、燃焼室と容積部１９との間の２箇所でそれぞれ合流させている。
【００２３】
上述した第２実施例及び第３実施例においては、燃焼が連続する２つの燃焼室からの排気ガスを容積部１９の排気上流側で合流させることにより、燃焼直後のより高温の排気ガス同士が合流することになり、酸化反応により排気通路内での排気ガス温度が更に上昇し、容積部１９で未燃ＨＣの燃焼を十分に行うことができる。
【００２４】
また、第２実施例は、２箇所で排気ガスを合流させる第３実施例に比べて、エンジンルーム内のレイアウト状の自由度が高くなると共に、４気筒のうち２気筒の排気干渉がないため出力も確保することができる。
【００２５】
一方、第３実施例は、燃焼室から排出された排気ガスが容積部１９の排気上流側で他の燃焼室から排出された排気ガスと必ず合流するため、第２実施例に比べてより一層容積部１９での未燃ＨＣの燃焼を促進させることができる。
【００２６】
第９図は、本発明の第４実施例を示している。尚、第９図中の▲１▼〜▲４▼は、各燃焼室の点火順序を示している。この第４実施例は、上述した図１のエンジンシステムにおいて、容積部１９の排気上流側で、燃焼が不連続となる燃焼室からの排気ガスを合流させている。すなわち、互いの点火順序が不連続となる２つの燃焼室からの排気ガスを、燃焼室と容積部１９との間（図９中の位置Ｒ）で合流させている。
【００２７】
また、第１０図は、本発明の第５実施例を示している。尚、第１０図中の▲１▼〜▲４▼は、各燃焼室の点火順序を示している。この第５実施例は、上述した図１のエンジンシステムにおいて、容積部１９の排気上流側の２箇所（図１０中の位置Ｓ１，Ｓ２）で、燃焼が不連続となる燃焼室からの排気ガスを合流させている。すなわち、互いの点火順序が不連続となる２つの燃焼室からの排気ガスを、燃焼室と容積部１９との間の２箇所でそれぞれ合流させている。
【００２８】
これら第４実施例及び第５実施例においては、燃焼が不連続となる２つの燃焼室からの排気ガスを容積部１９の排気上流側で合流させることにより、排気干渉を低減し、機関の出力性能の向上と排気ガス温上昇による容積部１９での未燃ＨＣの燃焼が可能となる。
【００２９】
また、第４実施例は、２箇所で排気ガスを合流させる第５実施例に比べて、エンジンルーム内のレイアウト状の自由度が高くなる。
【００３０】
一方、第５実施例は、燃焼室から排出された排気ガスが容積部１９の排気上流側で他の燃焼室から排出された排気ガスと必ず合流するため、第４実施例に比べてより一層容積部１９での未燃ＨＣの燃焼を促進させることができる。
【００３１】
第１１図は、本発明の第６実施例を示している。この第６実施例は、本発明をＶ型６気筒エンジンに適用した例であり、各バンクの３つの燃焼室からの排気通路を容積部の排気上流側で一度に合流させることにより、排気ガス温を上昇させることが可能となり、容積部で未燃ＨＣの燃焼を十分に行うことができる。また、排気慣性効果を利用することが可能となるため、高い出力特性を得ることができる。
【００３２】
第１２図は、本発明の第７実施例を示している。この第７実施例は、上述した図１のエンジンシステムにおいて、容積部１９の排気上流側で排気通路を切り換えられる切り換えバルブ３０，３０を有している。そして、冷間始動時は排気バルブ３０、３０を第１２図中Ａのように制御し、他の燃焼室の排気ガスを合流させることにより排気ガス温を上昇させることが可能となり、容積部１９で未燃ＨＣの燃焼を十分に行うことができる。一方、排気浄化触媒２０の暖機後は排気バルブ３０，３０を第１２図中Ｂのように制御し、他の燃焼室の排気ガスを合流させずに排気干渉を抑制し、エンジン出力の向上を行うことができる。これらの制御により、冷間始動時の未燃ＨＣの低減と出力性能との両立が可能となる。
【００３３】
図１３及び図１４は本発明の第８実施例を示している。尚、第１３図中の▲１▼〜▲４▼は、各燃焼室の点火順序を示している。この第８実施例は、上述した図１のエンジンシステムにおいて、容積部１９の排気上流側で、燃焼が連続する燃焼室からの排気ガスを合流させている。すなわち、互いの点火順序が連続する２つの燃焼室からの排気ガスを、燃焼室と容積部１９との間で合流させている。そして、気筒判別手段としてのクランク角センサを用いて現在燃焼している気筒を判別し、膨張行程中に追加燃料噴射を行う際には、容積部１９の排気上流側で互いの排気ガスを合流させた燃焼室のなかで始めに燃焼が行われる燃焼室から追加燃料噴射を開始させている。
【００３４】
図１４に、この第８実施例の制御の流れを示すフローチャートを示す。
【００３５】
Ｓ２１で現在燃焼している気筒を判断する。燃焼している気筒が３番気筒の場合、Ｓ２２へ進み２度噴射を開始する。一方、３番気筒以外の場合は２度噴射を行わない。第１３図に示すように、燃焼が連続する気筒からの排気通路が合流している場合、冷間始動時において未燃ＨＣを低減するための２度噴射の開始を、例えば、第１３図中の４番気筒から２度噴射を行った場合、４番気筒→２番気筒→１番気筒から排出される高濃度の未燃ＨＣが十分に燃焼されること無く大気中へ放出されてしまうこととなる。一方、燃焼が連続している最初の気筒（第１３図中の３番気筒）から行うことにより、２度噴射を行った際の排気ガス中の高濃度未燃ＨＣが続いて燃焼（４番気筒）した高温の排気ガスと合流した際に酸化され、排気ガス温が上昇することにより容積部で十分に燃焼可能となり、追加燃料噴射による高濃度未燃ＨＣ大気中への放出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関のシステム図。
【図２】本発明の第１実施例におけるエキゾーストマニホールドの説明図。
【図３】本発明の第１実施例における制御の流れを示すフローチャート。
【図４】容積部の上流側で二つの燃焼室からの排気ガスを合流させた構成（図４のＡ）と、図１に示すエンジンシステムにおいて各燃焼室からの排気ガスを容積部で始めて合流させた構成（図４のＢ）と、を示す説明図。
【図５】図４に示す二つの構成における車両評価実験結果を示す説明図。
【図６】図４に示す二つの構成における車両評価実験結果を示す説明図。
【図７】本発明の第２実施例におけるエキゾーストマニホールドの説明図。
【図８】本発明の第３実施例におけるエキゾーストマニホールドの説明図。
【図９】本発明の第４実施例におけるエキゾーストマニホールドの説明図。
【図１０】本発明の第５実施例におけるエキゾーストマニホールドの説明図。
【図１１】本発明の第６実施例を示す説明図。
【図１２】本発明の第７実施例におけるエキゾーストマニホールドの説明図。
【図１３】本発明の第８実施例におけるエキゾーストマニホールドの説明図。
【図１４】本発明の第８実施例における制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
２…エンジン
３…エアフローメータ
４…スロットルチャンバ
５…コレクタ
６…インテークマニホールド
７…吸気ポート
８…シリンダ
９…吸気カムシャフト
１０…吸気バルブ
１１…ピストン
１２…燃料噴射装置
１３…火花点火装置
１４…排気カムシャフト
１５…排気バルブ
１６…排気ポート
１７…エキゾーストマニホールド
１８…Ａ／Ｆセンサ
１９…容積部
２０…排気浄化触媒
２１…温度センサ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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