【手続補正書】
【提出日】平成15年12月24日(2003.12.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】内燃機関及び内燃機関の燃料噴射制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】燃焼室に供給される空気を加圧する過給機、
前記燃焼室内で前記加圧された空気に燃料を噴射する燃料噴射弁、
前記燃焼室内で混合された空気と燃料の混合気に点火する点火プラグ、
前記点火プラグの着火タイミングに当該点火プラグの周りに点火し易い燃料密度の混合気層を形成する燃料密度制御手段
を備えた内燃機関。
【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、前記燃料密度制御手段が前記点火プラグの着火タイミング前に必要供給燃料を２回に分割して噴射する燃料噴射弁を含んで構成されている内燃機関。
【請求項３】請求項１に記載のものにおいて、前記燃料密度制御手段が円錐コーン噴霧を基本噴霧形状とし、当該噴霧の一部に噴霧の内外の圧力を均衡させるための燃料密度が粗なスリット部分を有する燃料噴霧を呈する燃料噴射弁を含んで構成されている内燃機関。
【請求項４】請求項３に記載のものにおいて、前記燃料噴射弁が更に前記点火プラグの着火タイミング前に必要供給燃料を２回に分割して噴射するよう構成された内燃機関。
【請求項５】請求項２，４に記載のものにおいて、先行する第一噴霧と後続の第二噴霧が前記点火プラグの着火タイミングに前記点火プラグ位置で重なるよう構成された内燃機関。
【請求項６】請求項１乃至５に記載のものにおいて、過給下で圧縮行程初期に点火タイミングを有する内燃機関。
【請求項７】請求項２，４に記載のものにおいて、先行する第一噴霧と後続の第二噴霧の噴霧分担率、両噴霧の間隔、前記点火プラグの着火タイミングの少なくとも一つが機関の運転状態によって制御される内燃機関。
【請求項８】請求項７に記載のものにおいて、先行する第一噴霧と後続の第二噴霧の噴霧分担率，両噴霧の間隔、前記点火プラグの着火タイミングの少なくとも一つがバッテリー電圧によって制御される内燃機関。
【請求項９】燃焼室に供給される空気を加圧する過給機、
前記燃焼室内で前記加圧された空気に燃料を噴射する燃料噴射弁、
前記燃焼室内で混合された空気と燃料の混合気に点火する点火プラグ、
前記点火プラグの着火タイミングに当該点火プラグの周りに点火し易い燃料密度の混合気層を形成する燃料密度制御手段、
前記燃焼室からの排気流によって回転され、前記過給機を駆動する排気タービン、
前記燃焼室からの排気流内の有害成分を浄化する触媒装置、
内燃機関の始動時に、前記排気ターボをバイパスして前記触媒装置へ排気を送る制御弁を備えた内燃機関。
【請求項１０】請求項９に記載のものにおいて、前記制御弁によるターボチャージャバイパス制御の時間がエンジン冷却水温，排気温，エンジンの始動時を起点とするタイマーのいずれかにより調整可能に構成されている内燃機関。
【請求項１１】過給機を備え、燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁を設けたものにおいて、燃料と空気の混合促進装置を有し、燃料噴射開始の前後において前記混合促進装置を機能させることで燃料と空気の混合を計り、これによりスモークや未燃焼燃料の排出率を低減することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１２】燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁を設けたものにおいて、１回の燃焼サイクルに必要な燃料噴射量を、吸気行程から圧縮行程の間にかけて２回以上に分割して燃料を噴射するとともに、電源電圧の低下を検知し、前記電源電圧が低下した際に燃料噴射回数を減少させるか、または先の燃料噴射と後の燃料噴射との間の間隔を延長することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１３】燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁を設けたものにおいて、１回の燃焼サイクルに必要な燃料噴射量を吸気行程から圧縮行程の間の範囲で２回以上に分割して噴射するとともに、前記燃料噴射弁を電源電圧で駆動する駆動回路を備えたこと特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１４】過給機を備え、燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁を設けたものにおいて、１回の燃焼サイクルに必要な燃料噴射量を吸気行程から圧縮行程の間にかけて２回以上に分割して噴射することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１５】前記混合促進装置は、気筒内に空気流動を発生させる空気流動発生機構であることを特徴とする請求項１１項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１６】前記空気流動発生機構は、略ピストン往復方向において吸気ポートの通路面積比を可変させるバルブ機構を有することを特徴とする請求項１５項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１７】前記空気流動発生機構は気筒の周方向に吸気ポートの通路面積比を可変させるバルブ機構を有することを特徴とする請求項１５項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１８】２回に分割した際の燃料噴射の前と後の燃料噴射間隔を０.５ｍｓ 以上に設定することを特徴とする請求項１４項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１９】燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁を設けて、燃料を噴射するものにおいて、予め燃料と気体を混合して気筒内に噴射する予混合機構を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２０】前記予混合機構が、燃料に先行するか、または燃料と同時に圧縮天然ガスを噴射して燃料と混合するものであることを特徴とする請求項１９項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２１】前記燃料噴射弁は強貫通力噴射弁を用い、その噴霧形態は、噴射開始直後に先行して噴射されるリード噴霧と前記リード噴霧に導かれる着火用噴霧で形成されており、前記リード噴霧が噴霧先端の中央付近に存在する初期噴霧付き噴霧もしくは、燃料噴射弁の中心軸より偏向して噴射される偏向噴霧もしくは、両者を組み合わせた噴霧として形成され、かつ噴霧形状が周方向に見て部分的に燃料密度が低い隙間部分を有する形状であることを特徴とする請求項１項から２０項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２２】燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁を設けて、燃料を噴射する筒内噴射エンジンにおいて、空気流動発生機構を有し、前記空気流動発生機構は吸気弁もしくは排気弁の少なくともいずれか一方の弁開閉時期とストロークの少なくともいずれか一方が可変制御される吸排気弁駆動可変制御機構で構成され、前記吸排気弁駆動可変制御機構により既燃焼ガスを排気ポートより導入し、且つ左右の吸気弁と左右の排気弁の少なくともいずれか一方の開弁時期に位相差を持たせることで既燃焼ガスが気筒壁に沿うガス流動を生成するよう構成することで燃料と空気の混合促進を計ることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２３】前記吸排気弁駆動可変制御機構は、片側の吸気弁の開閉時期と片側の排気弁の開閉時期の少なくともいずれか一方を可変とすることでバルブオーバラップを制御することを特徴とする請求項２２項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２４】前記バルブ駆動可変制御機構は、左右の吸気弁に予め開時期に位相差が設けられかつ、左右の排気弁の開時期に予め位相差が設けられ、吸気弁の開閉時期を可変とし、かつ排気弁の開閉時期を可変とすることでバルブオーバーラップを制御することを特徴とする請求項２２項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２５】吸気弁が２弁式の弁機構を有し、片側の吸気弁の開閉時期を可変とし、かつ、又は排気弁のバルブリフトを増やすことでバルブオーバーラップを制御することを特徴とする請求項２２項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２６】ピストン冠面に圧縮行程中にタンブル流を保存する凹部を有し、前記凹部の排気側にスワールガイド部を有するピストンを用いた請求項１２項から２５項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、殊に燃焼室内に燃料を直接噴射する所謂、筒内噴射型の内燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。より具体的には過給機の付いた筒内噴射エンジンにも関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開２０００−５４８９４号公報では、過給機の付いた筒内噴射エンジンが開示されている。この従来技術においては加速状態を検知した際に、吸気行程から点火時期にかけての範囲で燃料を分割噴射するとともに、その後期側の噴射時期を圧縮行程の中期以降に設定する燃料噴射制御装置を設けている。このように構成することによって、燃焼ガスが着火からより短い時間で排気側に供給されるようにし、ターボ過給機のタービンに高いエネルギーを供給して、ターボ過給機の応答性を改善することが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特開２０００−５４８９４号公報に示される技術では、過給機によって圧力が高められた燃焼室内に燃料噴霧が噴射されると、燃料噴霧が燃焼室内の圧力によって押し潰され、燃料噴霧の中心部の燃料分布が高くなって（つまり燃料噴霧が特定の箇所に集中して）燃料の着火性が悪化する傾向があることが分かった。
【０００４】
また、上記従来技術では機関の加速前期と加速後期の間の加速中期に圧縮行程の前期と後期とに燃料を分割して噴射するように構成されている。
【０００５】
しかし、エンジンが比較的高負荷状態にある場合には、圧縮行程での燃料噴射に許容される時間が短くなるため、燃料噴射のトータル噴射時間が短くならざるを得ず、前期噴射と後期噴射が接近してしまい、分割噴射の効果が失われるという問題がある。
【０００６】
ここで、前期噴射と後期噴射が連続して噴射される成層運転領域での緩加速時を考えると（例えば、前期噴射と後期噴射との噴射間隔が１msec付近では）、噴射弁に印加される電圧の充電時間不足により駆動電流が低下し、結果的に後期側の噴射量が低下する虞がある。噴射量が低下するとＡ／Ｆ（空燃比）がリーンとなり、失火が発生する懸念がある。
【０００７】
また、エンジンの電気負荷は補機等の駆動により常に変動しているため、電源ライン電圧が変動する。このため電源ライン電圧の変動を検知して、排気や運転性に影響を与えないようにするための工夫が必要となる。
【０００８】
本発明は上記課題の少なくとも一つを解消することを目的とする。
【０００９】
ある発明は燃料噴霧が特定の箇所に集中するのを防ぐことによって、スモークやＨＣ（未燃焼燃料）の排出率を低減することを目的とする。
【００１０】
また別の発明は、過給機付きの筒内噴射型エンジンに好適な燃料制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
更に別の発明は、安定した分割噴射を行えるよう噴射弁の制御を工夫することで、成層運転領域を拡大し、これによって燃費低減を計ることを目的とする。
【００１２】
本発明は過給機付きの筒内噴射式エンジンに用いて好適であるが、過給機の付いていない筒内噴射エンジンに用いることも有効である。
【００１３】
そのため、特に過給機付きの筒内噴射式エンジンに用いて好適な発明については構成要件に過給機を構成要件として特定している。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題の少なくとも一つを解決するために第１の発明では、燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁を設けた過給機付きの内燃機関であって、過給下での点火プラグの着火タイミング時における点火プラグ周りの燃料と空気の混合気の燃料密度を、着火に適した密度になるよう制御する燃料密度制御手段を設けた。この構成によれば、過給下においても燃料噴霧の中心部密度が過大となることを防ぐことができ、点火プラグ周りの空燃比が過濃となることがないので過給機付き内燃機関の着火性が向上し、スモークや未燃焼燃料の排出量の低減が可能になる。
【００１５】
具体的には、燃料密度制御手段は、過給下で一回の燃焼に必要な燃料量を点火プラグの点火タイミング前において２回に分割して噴霧する分割噴霧とする。
【００１６】
あるいは、基本的噴霧形状が円錐コーン形状でこの円錐コーンの内部と外部との圧力を均衡させるための燃料の粗なるスリット部をこの円錐コーン噴霧に形成する。
【００１７】
また、分割噴霧の噴霧分担率，噴霧間隔の少なくとも一つは機関の運転状態としての例えばバッテリー電圧の電圧値によって調整可能である。
【００１８】
上記問題の少なくとも一つを解決するために本願第２の発明では、燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁を設けた過給機付きの内燃機関であって、過給下での点火プラグの着火タイミング時における点火プラグ周りの燃料と空気の混合気の燃料密度を、着火に適した密度になるよう制御する燃料密度制御手段を設けると共に、機関の始動時に、過給機を駆動する排気タービンをバイパスして触媒装置にのみ排気を供給する制御弁機構を設けた。この構成によれば、触媒の早期活性化も図れ、より有害排気物の放出を抑制することができる。
【００１９】
上記問題の少なくとも一つを解決するために本願第３の発明では、過給機を備え、燃焼室内に燃料を直接噴射するように燃料噴射弁を設けたものにおいて、燃料と空気の混合促進装置を設け、燃料噴射開始の前後においてこの混合促進装置を駆動するよう構成した。この構成によれば、燃料噴霧の中心部密度が過大となることを防ぐことができ、点火プラグ周りの空燃比が過濃となることがないので着火性が向上し、スモークや未燃焼燃料の排出量の低減が可能になる。
【００２０】
第３の発明に加えて、気筒内にタンブルやスワールの空気流動を発生する空気流動発生機構を設けるとより効果的である。この構成によれば、吸気行程にて生成した空気流動を利用して、気筒内において燃料と空気の混合を効果的に行うことができる。
【００２１】
更に、空気流動発生機構と分割噴射とを組み合わせて用いると効果的である。
【００２２】
上記問題の少なくとも一つを解決するために本願第４の発明では、吸気行程から圧縮行程の間にかけて２回以上に分けて燃料を噴射するよう燃料噴射制御を行うと共に、電圧変動に基づいて噴射量（噴射時間，噴射パルス幅，燃料圧力）を制御する。上記構成によれば、燃料噴射を分割したことで、一括噴射に比べ燃料噴霧の空気に対する接触面積が拡大し、燃料と空気の混合が進む効果がある。更に前噴射と後噴射の間の時間内に電圧変動が発生しても、噴射量低下による失火や燃焼の不安定によるトルク変動を防ぐことができる。
【００２３】
更に、分割噴射を行う際に電圧低下を検知した場合、分割噴射の回数を減らすか、もしくは噴射間隔の延長を行う。この構成によれば、分割噴射を実行中に電圧低下が発生しても失火を防いで燃焼安定性を維持できる。
【００２４】
上記問題の少なくとも一つを解決するために本願第５の発明では、１回の燃焼に必要な燃料を２回に分割して噴霧すると共に、当該燃料噴射弁の駆動を電源ライン電圧と略同じ電圧で行う。この構成によれば、昇圧回路が不要となるため、燃料噴射制御系の電子機器全体での消費電力が低減できる。
【００２５】
上記問題の少なくとも一つを解決するために本願第６の発明では、過給機を備えた筒内噴射エンジンにおいて、１回の燃焼に必要な燃料を吸気行程から圧縮行程にかけて２回に分割して噴霧する。この構成によれば、過給下においても着火タイミングを自然吸気型の筒内噴射エンジン並みに進角できる過給機付き筒内噴射エンジンが実現できる。
【００２６】
また、分割噴射の先行噴射と後続噴射との間隔について、最小噴射間隔を設定することで、後噴射での噴射弁のコイルにエネルギーを充電するに必要な時間を確保する。この構成によれば、燃料噴射量の低下による失火やトルク変動を防止できる。
【００２７】
上記問題の少なくとも一つを解決するために本願第６の発明では、第３の発明の応用例として、予め燃料と空気を混合させ、その混合気を気筒内に噴射する機構を設けても良い。
【００２８】
この時、混合手段として、圧縮天然ガスを用いることができる。この構成によれば、燃料のみの噴射、もしくは圧縮天然ガスのみの噴射も行うことが可能であり、液体燃料と気体燃料のいずれも使用する複数の燃料系統を持つエンジンを提供できる。
【００２９】
第３の発明の噴霧制御装置に用いる燃料噴射弁の噴霧形態として、噴霧の到達距離が長い噴霧、つまり強貫通力（ペネトレーションの長い噴霧）を持った噴射弁を用いることで、エンジン回転数がより高回転まで成層運転を行うことができる。
【００３０】
また、上記問題の少なくとも一つを解決するために本願第８の発明では吸排気弁の開閉時期を可変制御する機構を設け、且つ既燃焼ガスを燃焼室内に排気ポートより導入（以後、内部ＥＧＲと称する）し、吸気ポートより供給される空気流動とは別に、筒内に弱スワール流を生成する手段を設け、前記弱スワール流により既燃焼ガスが気筒壁に沿うようなガス流動を生成することも効果的である。
【００３１】
具体的には、吸排気弁の開閉時期可変制御が、排気弁の片側の閉時期を進角し、かつその排気弁と斜方向の吸気弁の開時期を遅角し、吸排気弁のそれぞれ左右の弁開閉時期に位相差を設けることで、スワール流を生成する。
【００３２】
また、左右バルブの開弁時期に位相差を設ける手段を、高回転運転領域から低回転運転領域まで段付きなく移行できるよう予め左右バルブに位相差を設けておく。
【００３３】
更に、吸排気弁の開閉時期可変制によってバルブオーバーラップを制御し、まず第１段階として、片側の吸気弁の弁開閉時期を可変とし、次に内部ＥＧＲを増大させる際には、第２段階として排気弁のバルブリフトを増やす２段階の吸排気弁開閉時期可変制御を行う。
【００３４】
更に、気筒壁に沿うガス流動を生成する手段として、ピストン冠面にスワールガイド部を設けると効果的である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、図を用いて説明する。本発明に係わる一実施例であるターボ過給機付き筒内噴射エンジンを、図１及び図２に示す。
【００３６】
図１はエンジンの構成の一実施形態を示している。また、図２は異なる構成の実施形態である。まず図１を用いてエンジン全体の構成を示す。
【００３７】
上記ターボ過給機付き筒内噴射エンジンは、エンジン本体１を構成するシリンダヘッドとシリンダブロック，シリンダブロックに挿入されたピストン２により燃焼室３が形成され、複数気筒設けられている。
【００３８】
一つの気筒である燃焼室３には、それぞれ２つの吸気ポート４と排気ポート５が開口しており、開口部を開閉する吸気弁６と、排気弁７がそれぞれ２本設けられている。燃焼室３の吸気側壁面に吸気弁６の間に燃料噴射弁８が、燃焼室の上部には点火プラグ９が設けられている。
【００３９】
燃料噴射弁８の上流には、燃料分配管１０，燃料圧センサ１１，燃料を圧送する高圧ポンプ１２，低圧ポンプ１３、及び燃料タンク１４がそれぞれ燃料配管で接続されており、燃料噴射弁８が燃焼室３内の圧力が高い状態でも燃料噴射を可能としている。高圧ポンプ１２はエンジンのカムシャフト（図示せず）の回転により連動するカム１５に駆動されて燃料圧力を上昇させ、高圧レギュレータ１６により所定の燃料圧力に調圧された燃料が燃料分配管１０に供給される。
【００４０】
エンジンで消費されない余剰の燃料は、低圧レギュレータ１７を経由して減圧された後、燃料タンク１４へ戻される。低圧ポンプ１３は、始動時にエンジンキーをオンにした時点から、低圧ポンプリレー１８により駆動され、以後の燃料噴射に備え高圧ポンプ１２に供給する燃料圧力の加圧を開始するように働く。
【００４１】
エンジンのクランクシャフトと同期して回転するリングギア１９の回転変動を検出する回転センサ２０が、エンジンクランクケースの適宜位置に設けられている。シリンダブロックの冷却水通路には、エンジンの暖機状態を判定するために温度検出手段の一つである水温センサ２１が適宜位置に備えられている。
【００４２】
上記吸気ポート４には、その上流側から順にエアクリーナ２２，空気流量センサ２３を介し、ターボ過給機のコンプレッサー２４を経由して、モータ駆動される電子制御スロットルボディ２５とが配設され、吸気管２６を経由して吸気ポート４に接続されている。吸気管２６内には、吸気通路内の圧力を測定する圧力センサ２７が備えられている。
【００４３】
次に、排気ポート５の下流には、排気マニホールド２８に接続されたターボ過給機のタービン２９を通り排気管３０が配設される。排気マニホールド２８と排気管３０は、ターボ過給機のタービン２９をバイパスするバイパス弁３１により接続されており、モータにより駆動されるロータリーバルブによって、バイパス通路の開口面積を可変できる構成となっている。
【００４４】
排気管３０の下流には、触媒コンバータ３２，消音器４０が配設される。
【００４５】
ここで、図２に示すように、バイパス弁３１と触媒コンバータ３２間の排気通路３０には、適宜位置に排気温度を計測する排気温度センサ３９を設けてもよい。
【００４６】
次に、空気流動可変手段３３ｄについて異なる実施例である図２を用いて説明する。
【００４７】
コントロールユニット（以下ＥＣＵと記す）３３内には、空気流動可変手段３３ｄを構成するところの、タンブルコントロールバルブ（以下ＴＣＶと記す）４１の弁角度を制御するＴＣＶ可変制御手段３３ｅ、及びバルブ可変駆動部を制御するバルブ駆動可変制御手段３３ｆを備えている。
【００４８】
前記ＴＣＶ可変制御手段３３ｅは、吸気ポート４に臨んだ吸気通路に備えたＴＣＶ４１の開度を、ＴＣＶ駆動部４２をモータ駆動もしくはダイヤフラムアクチュエータにより駆動することで制御する。
【００４９】
また、吸気ポート４には吸気ポートを２分割する仕切り板４３が設けられている。上記の構成により、ＴＣＶ４１の開度を可変制御することで、気筒内に生成される空気流動、すなわち、主にタンブル流の強弱を制御できる。
【００５０】
次に、バルブ駆動可変制御手段３３ｆは、吸気弁６および排気弁７の開弁作動を制御することにより、吸気ポート４から排気ポート５にかけての空気流動を制御する。
【００５１】
ここで、吸気弁６は、ロッカーアームもしくはリフタを介して吸気カムシャフト３６により駆動されるよう接続されている。吸気カムシャフト３６は吸気弁６のバルブ開時期が可変制御できるように、吸気バルブ可変駆動部３５に接続されている。ここで、バルブ可変駆動部は特に詳述しないが、吸気カムシャフトのカムの作動角が変えられるよう、カムシャフト捻りやカム山切り替え等のバルブタイミング可変機構を備えている。同様に排気弁７が排気カムシャフト３８を介して排気バルブ可変駆動部３７に接続されている。
【００５２】
上記の構成とすることで、空気流動可変手段３３ｄは、上述のＴＣＶ可変制御手段33ｅ，バルブ駆動可変制御手段３３ｆを各々単独、もしくは組み合わせにより実行することで、エンジン運転条件に適する最も好適な設定値とするよう各種アクチュエータを駆動する。
【００５３】
次に実施例の制御系について、図１，図２を用いて説明する。
【００５４】
上述した回転センサ２０，水温センサ２１，圧力センサ２７等の各種センサ類の出力信号がＥＣＵ３３に入力され、エンジンが冷機状態もしくは暖機状態であるか、また、エンジン回転数とエンジン負荷の状態を判断して、均質運転もしくは成層運転が可能か否かを判定する。
【００５５】
そして、成層運転が可能な場合には、ＥＣＵ３３内にプログラムされた燃料噴射プログラム，回転変動検出プログラム，分割噴射制御プログラム等の各種プログラムを実行し、前述した燃料噴射弁８，吸気バルブ可変駆動部３５，排気バルブ可変駆動部３７等の各種アクチュエータに駆動信号を出力する。
【００５６】
例えばここで、分割噴射制御手段３３ａは、圧力センサ２７により検出された吸気管内圧力、及び燃料圧力センサ１１により検出された燃料圧力に応じて、気筒内に分割噴射される燃料の第１噴射と第２噴射の噴射量分担率，噴射時期，噴射間隔等を制御マップおよび制御テーブルから参照する。
【００５７】
成層運転中は、電圧低下検出手段３３ｂが電源電圧３４の電圧変動の監視を常時行っている。
【００５８】
次に、分割噴射制御手段３３ａは，第２噴射が問題なく実行できると判断した場合にのみ分割噴射制御を継続し第２噴射を許可する。
【００５９】
このように、エンジン状態に応じて燃料噴射を制御することで安定した成層運転を行うことができる。
【００６０】
次に、図３から図８を用いて、燃料と空気の混合を促進する方法について以下に述べる。
【００６１】
図３及び図４は過給下での噴霧状態について示した模式図である。図３は圧縮行程にて、燃料噴射を１回で行った噴射直後の状態を示す。過給機付き筒内噴射エンジンにおいては、圧縮行程の筒内圧が自然吸気式エンジンに対して、さらに高いために噴霧外形の収縮割合が大きい。
【００６２】
このため、噴霧中心部の燃料分布が過密になる燃料過密部４５が形成され易い。
【００６３】
図４は、さらにピストンが上昇し、点火直前の状態を示す。この時点では、燃料噴霧の移動に伴い、噴霧周囲部４４の燃料と空気の混合が進行し点火プラグ９には着火可能な混合気分布が存在しているが、混合が充分ではない燃料過密部４５が残っている。
【００６４】
この状態で点火すると、燃料過密部４５の燃料が燃焼不十分のまま、排気ポートにスモークまたは、未燃燃料として排出されてしまう。このような現象は、排気清浄化のためには避けなければならない。
【００６５】
従って、過給下で成層運転を行うためには、燃料と空気の混合促進を図ることが重要となる。
【００６６】
図５及び図６は、燃料と空気の混合促進手段の一つである分割噴射を示した図である。図５は、円錐コーン噴霧の噴射弁を用いて、圧縮行程にて２回噴射を行った、第２噴射終了直後の状態を示す。
【００６７】
第１噴射の燃料噴霧４６に続き、第２噴射の燃料噴霧４９を連続して噴射する。１回で噴射する場合に比べ分割して噴射することで、噴霧周囲部の表面積が拡大する。
【００６８】
これにより、燃料過密部４７，５０の燃料と空気の混合が進む。図６は、さらにピストンが上昇し、点火直前の状態を示す。この時点では、燃料噴霧の移動に伴い、噴霧周囲部４６の燃料と空気の混合が進行し、点火プラグ９付近には着火可能な混合気分布が存在している。
【００６９】
ここで、第１噴射は噴霧の混合が進むことにより噴霧移動速度が低下し、後から噴射された第２噴射はピストン上昇に伴い圧力が高まった気筒内を移動する。
【００７０】
そのため、点火プラグ付近では、第１噴射の混合気分布に第２噴射の混合気分布が重なるため、点火可能な点火時期の期間が増すので進角することができる。これにより、燃焼時間を充分確保できるので、スモークを低減できるうえ、さらにＨＣ排出率を低減することができる。
【００７１】
次に、別の異なる噴霧形態を用いた実施例について図７及び図８を用いて述べる。図７は、スプレーリード噴霧の燃料噴射弁を用いた場合の第２噴射直後の状態を示す。
【００７２】
スプレーリード噴霧では、噴霧周囲外形の一部を切り欠いたような、噴射方向垂直面に対して不連続な燃料分布となる。この不連続部５１ａ，５３ａにより噴霧内部と筒内の雰囲気とが連通するため、噴霧外形が縮小しづらいという特性を有する。
【００７３】
従って、過給圧の変動に対して、噴霧外形角θの変化幅が小さく点火プラグ方向への燃料供給量、言い換えると点火プラグ周りのＡ／Ｆに変動が少ないので、特に燃料噴霧分布の影響が大きい成層燃焼時の燃焼安定性が優れるという利点がある。
【００７４】
過給下で、このスプレーリード噴霧による分割噴射を行うと、先に延べた円錐コーン噴霧と同様に燃料と空気の混合が進む。スプレーリード噴霧は、円錐コーン噴霧に対して噴霧の貫通力が強いため噴霧速度が速く、噴霧自身の力で点火プラグに到達できるので、筒内の空気流動を特に必要としないという特徴がある。
【００７５】
一方、噴霧速度が速いことによる、速度ベクトルが強い噴霧先端部の混合が進まず、点火時期を進角できないという課題があった。
【００７６】
対策として、分割噴射を適用することにより、圧縮行程の早い時期でも着火可能とすることができた。図８は、点火直前の状態を示しており、混合気分布は、前述した円錐コーン噴霧の場合に比べ成層燃焼に適したＡ／Ｆ分布が点火プラグ周囲に多くなり、燃焼安定性が向上する。これにより着火可能な点火時期の選択範囲が広がり、燃焼パターンの好適な点火時期に設定できるので燃費向上にも効果がある。
【００７７】
次に図９を用いて、分割噴射の制御方法について述べる。
【００７８】
図９に、ＥＣＵ３３内部で制御される噴射弁駆動信号５７と噴射弁駆動電流５６、さらにはバッテリー３４から供給される電源ライン電圧のモニター値である瞬時電圧変動５５の関係を示す。
【００７９】
ここで、エンジン電気負荷の変動が大きい場合に、第２噴射の噴射時に主噴霧の噴射弁駆動電流（Ｔｃ）が低下してしまうと、トータル燃料噴射量が減少し、エンジン要求噴射量に対してＡ／Ｆリーンとなり失火に繋がる。
【００８０】
失火が発生してしまうと、排気エミッションが大幅に悪化するばかりでなく、サージトルク変動など運転性にも支障が現れるため避けなければならない。
【００８１】
次に、エンジン回転，エンジン負荷から要求されるトータル燃料噴射量が決定され、さらにエンジン運転条件に応じて、第１噴射と第２噴射の噴射分担率と噴射間隔が決定される。
【００８２】
図９に示すように、初期設定値の噴射弁駆動信号は、トータル噴射時間(Ｔｍ)＝第１噴射時間（Ｔｉ１）＋噴射間隔（Ｔｄ′）＋第２噴射時間（Ｔｉ２）が設定される。
【００８３】
ここで、第１噴射の噴射弁駆動信号５７が立ち上がり以後に何らかの要因により、電源ライン電圧の電圧降下（瞬時電圧変動）が発生する可能性を想定する必要がある。これは、エンジンの電気負荷は運転状態や車両状態により常に変動しているためである。
【００８４】
例えば、エンジン回転数の高低によるオルタネータ充電量の違い、エアコン作動，パワーウインドウやワイパー等のモータ作動等による補機の負荷変動によるバッテリー電圧変動があり、また、第１噴射の開弁駆動そのものによる電圧低下が考えられるからである。
【００８５】
前述した電圧変動要因を除外するために、分割噴射を実行する次の段階として、例えばＥＣＵ３３の電源供給ラインから瞬時電圧変動５５を常時モニターする。そして、第１噴射の噴射弁駆動電流のピーク値であるＩｐの値と、Ｉｐの立ち上がり時間であるＴｐを、前回と近似した運転条件、好ましくは代表運転条件の制御条件で、かつ近似した要求燃料噴射量である場合に、ＥＣＵ３３内に記憶保持した値と比較する。
【００８６】
その結果、第１噴射開始以後に電圧低下が認められた場合にＴｄ′を時間延長するため延長時間Ｔａが追加され、Ｔｄとして再設定される。ここで、延長時間Ｔａの設定は、運転条件（過給圧，エンジン回転数、及びエンジン負荷）により延長割合を変化させても良く、また制御マップにより一義的に規定してもよい。
【００８７】
また、噴射間隔Ｔｄを予め所定の時間間隔に決めておけば、分割噴射制御の際の演算負荷を軽減でき、よって噴射回数や噴射間隔の切り替えの応答性が良くなる。また、ＥＣＵ内のメモリー記憶容量の低減も計れる。
【００８８】
Ｔｄの時間間隔の設定は噴射可能期間が短時間となる高回転時を考慮して決定すればよく、最小時間間隔を、例えば０.５ｍｓ 以上とすれば、高回転から低回転まで分割噴射を柔軟に行うことができるとともに、切り替え時の応答性が上がるという効果がある。
【００８９】
図１０は、分割噴射途中に電圧低下が検知された際の噴射間隔Ｔｄを遅らせる制御をクランク角にて示した図である。
【００９０】
図２４は、後に述べるバルブ駆動可変制御により内部ＥＧＲを行い、分割噴射を行った際の、第１噴射の分担率を示す。ＥＧＲ率が増加するに従い、第１噴射の分担率を上げるよう制御する。
【００９１】
ＥＧＲ率を上げると、燃焼安定性が不安定になる傾向がある。本発明による実施例においては、内部ＥＧＲにより導入された既燃焼ガスにより燃料噴霧と空気の混合が進むため、ＥＧＲ率の多い運転条件では、第１噴射の分担率であるところの燃料噴射量を増やすことができる。
【００９２】
これにより、ＥＧＲ率をさらに上げることができるので、燃焼安定性を損なわずにNOx低減を計ることができる。
【００９３】
次に、図１１に、エンジンの運転条件によっては分割噴射を許可できない場合の対処方法について示す。圧縮上死点（ＴＤＣ）直前で燃料噴射を開始すると、高回転時には吸・排気弁のバルブオーバーラップが大きいために、未燃燃料が排気側に排出されてＨＣ排出率が増加する。
【００９４】
また、低回転時であっても、上昇したピストン冠面への燃料付着量の増加、もしくは点火プラグへ指向させた偏向噴霧を採用した場合は、噴霧燃料の燃焼室壁への付着量が増加するためＨＣ排出量が増加するので排気清浄化上好ましくない。
【００９５】
従って、運転条件にも左右されるが第２噴射終了限界は、例えば３０°ＢＴＤＣ以前が望ましい。
【００９６】
前記した分割噴射制御の結果、第２噴射が噴射終了限界の３０°ＢＴＤＣ以降になった場合は、分割噴射を許可せず１回噴射とする。
【００９７】
この場合、特にエンジン回転が高回転の場合は、第１噴射の噴射開始時期を進めるよう制御し、気化時間を確保する。
【００９８】
また、噴射時間Ｔｉ１，Ｔｉ２は燃料噴射弁の最小直線性補償流量Ｑmin の値よりも大きくなるように設定されている。
【００９９】
仮に第２噴射の燃料噴射量算出値がＱmin の値以下の場合は、分割噴射を許可せず、１回で噴射するよう制御する。
【０１００】
次に、空気流動可変手段を用いて、燃料と空気の混合促進を図る方法について図１２，図１３を用いて記述する。
【０１０１】
図１２は、吸気ポートにタンブル流生成手段であるＴＣＶ可変制御機構を有するエンジンであり、吸気行程の状態を示している。
【０１０２】
吸気ポート４内には内部を上下２分割する仕切り板４３が備えられている。吸気ポート４に臨んだ吸気管内２６には、モータもしくはダイヤフラムアクチュエータにより駆動される弁開閉機構４２が配設され、前記弁開閉機構のシャフト４８には開閉弁４１が同期回転するように支持されている。
【０１０３】
これにより、開閉弁４１が分割された吸気ポートの下側通路の開口面積を変化させることができ、吸気行程時に生成される空気流動の強さを増減できる構成となっている。
【０１０４】
図１２では、吸気ポート下側を閉じ、吸気ポート上部を通る通気量を多くすることで気筒内に順タンブル流５８を生成している。
【０１０５】
次に、図１３に同じエンジンでの圧縮行程の状態を示す。圧縮行程まで保存された順タンブル流５８は、ピストン冠面２ａから吸気弁付近を通り、点火プラグ９に向かうため、吸気弁側から点火プラグ９に向かって燃料噴霧６０が移動する。
【０１０６】
このように、過給下における１回噴射であっても燃料の過密部が、保存された順タンブル流によって噴霧外周部から燃料と空気の混合の進行度合いが増し、さらに点火プラグ９方向に押し上げるので点火に好適なＡ／Ｆの混合気に着火できる。
【０１０７】
しかしながら、吸気ポートに仕切り板を設ける構造であるため、吸入通路抵抗が増大するのでエンジン出力を重視するスロットル全開の運転領域では最高出力の低下を考慮する必要がある。
【０１０８】
次に予め燃料と空気を混合して気筒内に噴射する機構について、図１４から図１７を用いて述べる。図１４は本発明の１実施例である過給機付き筒内噴射エンジンの燃焼室上部を示す部分図である。燃料噴射弁８のノズル８４は混合ノズル８ｃとの間に旋回室８ｄを形成する。旋回室８ｄは気体通路７０を経由し、気体噴射弁６１の噴射バルブ６７に通じている。
【０１０９】
前記噴射バルブ６７は、導入口６８ａ，気体配管７３を経由して、切り替えバルブ７４に接続される。前記切り替えバルブ７４は空気供給系７５、及びＣＮＧ供給系７６に接続される（ＣＮＧ：液化天然ガス）。
【０１１０】
空気供給系７５は吸気弁の手前の吸気系、すなわち空気流量計２３から吸気ポート４の間の適宜位置から別配管を介して切り替えバルブ７４へ空気を導入するように構成される。ＣＮＧ供給系はここでは図示しないがＣＮＧ貯蔵タンクから気密保持される配管によって切り替えバルブ７４へＣＮＧを導入するように構成される。
【０１１１】
次に、気体噴射弁の構成について説明する。図１４では、電磁コイル式の気体噴射弁を用いている。気体噴射弁６１はＥＣＵ３３から駆動電流を受けるコネクタ６２，駆動電流が作用することにより磁気回路を構成するコイル６３，コア６４及びプランジャ６５，プランジャ６５に同期して動く噴射バルブ６７を有する。また、駆動電流が作用しないときは、ばね６６の伸び荷重により噴射バルブ６７を噴射ノズル６８のシート面６８ｂに押し付けることで、気体通路７０と導入口６８ａ間を密閉遮断する。
【０１１２】
次に気体噴射の噴射制御の方法について述べる。
【０１１３】
切り替えバルブ７４は空気供給系７５、もしくはＣＮＧ供給系７６のいずれかより気体（空気もしくはＣＮＧ）が供給できるようにバルブを開いている。次に、気体噴射が可能な吸気行程において、ＥＣＵ３３からコネクタ６２を介してコイル６３に駆動電流が加えられる。これにより、コア６４が磁化され吸引力が発生し、プランジャ６５がばね６６の不勢力に打ち勝ってコア６４の方向に変位する。プランジャ６５の変位に伴い噴射バルブ６７が噴射ノズルのシート面６８ｂから離れ、シート部が開口する。
【０１１４】
切り替えバルブ７４から、気体配管７３，導入口６８ａに導かれていた気体６９は気体通路７０を通り旋回室８ｂに流入する。
【０１１５】
一方、燃料噴射弁８はＥＣＵ３３より燃料噴射開始の駆動信号によりボールバルブ８ａがノズルのシート面から離れ燃料噴射が始まる。
【０１１６】
そして、旋回室８ｂに流入した空気６９は混合ノズル８ｃの手前で燃料噴霧と混合され、ジェット流７１を伴った燃料噴霧７２として燃焼室３に噴射される。なお、上述した動作は燃料噴射開始と気体噴射開始を同時としたが、気体噴射を先行させても良い。
【０１１７】
このように燃料噴射に気体噴射によるジェット流７１を加えることで、燃料噴霧の微粒化が計れるので、燃料噴霧と気体の混合が促進する。また、燃料噴射に伴い気体噴射を行う別の効果としては、燃料噴射弁のノズル８４の受熱を低減する効果がある。
【０１１８】
これは、燃料噴射弁のノズル８４が旋回室８ｂの空間により燃焼室壁と接しない構成とされるためであり、さらに気体噴射を行うと気体による排熱効果が加わることによる。燃料噴射弁のノズル部分の温度低下を計ると、燃焼により生じる生成物、いわゆるデポジットがノズル部分に付着する量を低減できるという効果がある。
【０１１９】
図１５は燃料噴射及び気体噴射が終了し、圧縮行程の状態を示す。
【０１２０】
気体通路７０を介して気体噴射弁の噴射バルブ６７に燃焼により高まった筒内圧が加わるが、噴射バルブの閉方向に加わるのでシート部が開放することがない。
【０１２１】
なお、上記構成によれば、気体噴射のみを行うこともできる。これにより、複数の燃料系統を有するエンジンにおいて、液体燃料と気体燃料を切り替えて供給することが可能である。
【０１２２】
次に、気体噴射弁を用いて燃料と空気の混合促進を図るエンジンの一実施例を図１６，図１７を用いて説明する。
【０１２３】
図１６に示すエンジンは気体噴射弁を備え、さらに吸気ポート４にタンブル流生成機構を備えている。また、燃料噴射弁８が吸気弁６と排気弁７の間に配置される。
【０１２４】
吸気行程において、吸気弁６が開弁すると、過給された空気が吸気ポート４内を通り吸気弁６とバルブシートの間隙から燃焼室３に流入する。
【０１２５】
ここで、吸気行程では均質運転を行っており出力重視の運転領域のため、開閉弁４１は開いている。次に、ＥＣＵから燃焼に好適な噴射時期にて駆動電流が出力され気体噴射弁６１が作動し、気体配管から導いた気体を混合ノズルから燃焼室３に噴射する。
【０１２６】
さらに、燃料噴射弁８が作動し燃料を噴射すると、混合ノズル内で気体と混合され微粒化した燃料噴霧が燃焼室内で先行するジェット流７２により旋回する。
【０１２７】
ここで燃料噴霧は、タンブル流５８およびピストン２による下降流が作用し攪拌されるが、ジェット流７２によりシリンダ壁周囲を回るような旋回をするので移動速度が低下することにより、更に微粒化が進む。
【０１２８】
従って、噴射弁のノズル近くに配置された点火プラグ９付近においても、燃料噴霧が過濃とならないため、着火後の火炎伝播が良くなり燃焼安定性が向上する。これにより排気が清浄化できる。
【０１２９】
次に、図１７はピストンが上昇途中の圧縮行程で噴射を行う成層運転の状態を示している。開閉弁４１は閉じており、吸気行程で生成されたタンブル流が圧縮行程までに保存され、燃料噴霧の周囲から中心に向けて混合が進むのは前述した通りである。
【０１３０】
ここでは、分割噴射を行い、第１噴射により形成された燃料噴霧に噴射間隔をおいて第２噴射を行う。
【０１３１】
更に圧縮行程が進むと、第１噴射及び第２噴射で形成された燃料噴霧４６，４９が重なるようになり、点火プラグ９の周囲に着火に好適なＡ／Ｆ濃度の燃料噴霧が存在することになる。
【０１３２】
従って、上述した過給機付き筒内噴射エンジンの構成によれば、特に成層運転時に、気化時間確保のため点火時期を進角する必要がなく、上死点付近で着火できるので燃焼による圧力上昇を有効に利用でき、よって燃費の向上が可能である。
【０１３３】
なお、圧縮行程時は筒内圧が高いため、気体噴射は行わないが、３ＭＰａ程度の加圧源を有する、もしくはエンジンにより駆動される圧縮エアポンプを備える場合は吸気行程以外に気体噴射を行っても良い。
【０１３４】
次に、図１８から図２４を用いてバルブ駆動可変手段を用いて燃料と空気の混合を促進する方法について以下に述べる。
【０１３５】
図１８は気筒の上面図を示し、図１９はバルブタイミングを示し、図２０は吸気行程での空気流動について示している。過給圧が低く、エンジン回転数が低回転の運転領域にある場合には、排気弁７ａの弁閉時期を遅角し、同時に排気弁７ａの斜方向にある吸気弁
６ａの弁開時期を遅角することで、吸排気弁１対においてバルブオーバラップが拡大される。
【０１３６】
これにより、排気ポート側の高温の既燃焼ガスが吸気行程中に気筒内に導入されることで内部ＥＧＲが行われる。
【０１３７】
ここで、図２０に示すように、本発明のエンジンにおいては、吸入された新気がピストン中央部から燃料噴射弁の配置された気筒壁側を経由し、点火プラグ方向に向かうタンブル流５８を生成するように吸気ポート形状が設定されている。ピストン冠面には前述したタンブル流５８を圧縮行程中においても保存するように、タンブルガイド溝２ａが設けられている。
【０１３８】
一方で、吸気弁の左右バルブの開弁時期に位相差が設けられているため、気筒内の空気流動が弱まる低回転時には相対的にスワール成分が強まる。
【０１３９】
また、前述したタンブルガイド溝２ａの排気側のピストン冠面には、シリンダ壁との間に一定間隔の凸部で形成したスワールガイド部２ｂを有している。
【０１４０】
これにより、吸気行程中に排気弁７ａ側から導かれる既燃焼ガスの大部分を、図１８に示すように排気側シリンダ壁に沿うような流動を生成することでＥＧＲガス領域を作るため、拡散を押さえることができる。
【０１４１】
このような構成により、ＥＧＲガスが新気と混合する割合が少なくなり、排気側のシリンダ壁周辺がより効果的に昇温されるため、燃料噴霧と空気の混合促進に有利となる。燃料噴射弁８より噴射される燃料噴霧は、点火プラグ９を指向するように、燃料噴射弁の軸中心線よりも点火プラグ方向とし、図２０に示す角度θｉの範囲で適宜設定できるようになっている。
【０１４２】
これにより、燃焼室上部の混合気分布をより点火に好適なＡ／Ｆ濃度とできるため燃焼安定性のロバスト性が向上するという効果が得られる。
【０１４３】
次に、バルブ駆動可変制御において、圧縮行程後半で分割噴射を行う実施例について述べる。図２は、過給機付き筒内噴射エンジンの構成を示しており、排気マニホールド２８からターボ過給機のタービン２９をバイパスして排気通路３０に接続するバイパス弁３１が設置されている。
【０１４４】
ここで、エンジンの冷機時に、分割噴射制御を圧縮行程の中期以降で行う。
【０１４５】
さらに、前述したバルブ駆動可変制御のいずれかの駆動方法にて、バルブオーバーラップを拡大し、未燃燃料を排気通路側に供給する。また、前記バイパス弁３１の開口面積を最大にして、ターボ過給機のタービン２９をバイパスさせることで触媒コンバータ３２の昇温を効果的にできる。
【０１４６】
以上の構成とすることで、冷機時に触媒コンバータ３２の早期活性化が計れるので、始動時の排気清浄化が可能である、なお、触媒コンバータの温度が上がり過ぎないよう、上記制御の時間設定は、水温センサ２１によるエンジン水温，排気通路３０に設置された排気温度センサ３９の信号により決めてもよく、また、始動時を制御の開始時点としてタイマーによって任意の時間設定しても良い。
【０１４７】
本発明が適用された実施例の筒内噴射エンジンは、燃料と空気の混合を促進する手段を有するため、燃料噴霧の形態を選ばないが、噴射された燃料噴霧自身の貫通力（ペネトレーション）によって点火プラグに噴霧を運ぶところのスプレーリード方式の燃焼コンセプトとして、強貫通力噴射弁を用いることもできる。
【０１４８】
次に、強貫通力噴射弁を用いることによる効果について以下に述べる。
【０１４９】
強噴霧噴射弁を用いることで、従来の、吸気管に備えた空気流動生成機構により生成したスワール流、又はタンブル流を主とした空気流動で燃料噴霧を運ぶ、いわゆる空気ガイド方式に対して、より高回転まで成層運転が可能である。
【０１５０】
具体的には３２００ｒ／min 程度まで成層運転ができることが台上エンジン実験により確認されている。
【０１５１】
成層運転の運転領域の拡大が計れれば、よりいっそうの燃費向上効果が期待できる。このため、強貫通力噴射弁は、高回転時にタンブル流が強くなっても点火プラグに安定して燃料噴霧を運ぶために噴霧貫通力を強めるよう設定されている。このような噴霧貫通力を強めた燃料噴射弁を用いる筒内噴射エンジンの燃焼コンセプトをスプレーリード方式と称している。
【０１５２】
一方で、高回転に適合した噴霧形状のままであると、噴射された燃料噴霧の移動速度が速いため、低回転時には噴霧が排気側のシリンダ壁に到達してしまい、ＨＣ排出率が増加する。また、前述の噴霧のシリンダ壁への接触により低回転時にスモーク排出率が増加し、成層運転が可能な運転領域が狭くなる。これらの課題を解決するため、圧縮行程での分割噴射を行うことで対策できる。
【０１５３】
分割噴射の方法については前述したが、過給機付き筒内噴射エンジンでは、自然吸気式エンジンに対して、特に燃料噴霧の縮小割合が大きいという課題がある。
【０１５４】
前記縮小割合は高過給時になるほど顕著となり、圧縮行程では筒内圧の上昇も加わるため、特に圧縮行程での燃料と空気の混合促進手段がスモークやＨＣ排出率の低減に効果がある。
【０１５５】
ここで、図５に示したように、第１噴射４６と第２噴射４９の噴射間隔を極短時間とすれば、圧縮行程中に燃料噴霧と空気の混合が促進されるので、２回の噴射による混合気が連続して分布するため、火炎伝播に支障はなく燃焼安定性が良好に保たれる。１回噴射では、燃料噴霧の移動速度が速いため、噴霧先端部の速度ベクトルが速いリード噴霧が、点火プラグ１８に到達した時点では気化不足により着火ができない。
【０１５６】
図４に示したように、さらに時間経過し、圧縮上死点にピストンが近づいて着火が可能な気化が進んだ状態となるが、この時点では噴霧全体がほぼ点火プラグ９を通過する。この結果、点火時期は圧縮上死点に近づき、燃焼期間が短くなってＨＣ低減に不利となる。
【０１５７】
一方、図５に示す分割噴射による混合気は通過速度が遅くなり、リード噴霧で着火可能となるので点火時期を進角しても燃焼期間を十分確保でき、よってＨＣ低減が計れるという効果が得られる。
【０１５８】
次に、バルブ駆動可変制御を用いて燃料噴霧と空気の混合を促進する実施例について以下に述べる。
【０１５９】
図１９は内部ＥＧＲを行う際のバルブタイミング図である。
【０１６０】
ここで、吸気弁の片側１７ａの弁開時期を遅角することで開弁時期に位相差を付け、さらに、排気バルブ側では、吸気弁７ａの斜方向に位置する排気弁６ａの開弁時期を遅角してバルブオーバーラップを拡大する。これにより、気筒壁に沿う弱スワール流を生成することで気筒の排気側にＥＧＲ領域を分布させる。図２１は別の内部ＥＧＲを行う方式であり、排気バルブの閉弁時期を進角するとともにさらに排気弁のバルブリフトを増大させて、ＥＧＲガスの導入量を補うように制御している。
【０１６１】
図２２に示す実施例では、吸気弁および排気弁のおのおの左右の弁開時期に予めクランク角において１０°程度の位相差が設けられている。
【０１６２】
低過給時ないし低回転時には、排気弁７，７ａの弁閉時期を遅角し、かつ吸気弁の開弁時期を進角させることでオーバーラップを拡大し、内部ＥＧＲを行う。
【０１６３】
吸排気弁の予めオーバーラップを設けるバルブ配置は、オーバーラップの拡大時に強めるスワール流の流れ方向と、燃料噴射弁の噴射方向を勘案して決定すればよく、本実施例に限定されるものではない。
【０１６４】
図２２，図２３に示した実施例の特徴としては、バルブ可変機構を、カムシャフトを捻る構造とすればよいため、左右バルブの位相差を可変制御する機構に比べて簡素な構造とすることができる。
【０１６５】
これにより、動弁機構の耐久性向上が計れ、また、軽量化が計れるという利点がある。さらには、高過給から低過給に移行する際に連続してバルブオーバーラップを増やせ、燃焼安定性を判断しながら制御できるため内部ＥＧＲに対してロバスト性が高くなる。
【０１６６】
ここで、内部ＥＧＲを行う際の燃焼安定性の判定方法としては、リングギア１９の回転変動や角速度変化を回転センサ２０で検知し、ＥＣＵ３３内の回転変動検知プログラムにより予め設定された制御マップを参照して判定する。これにより、燃料と空気の混合促進手段を複数の方式を組み合わせても燃焼安定性を損なうことがない。
【０１６７】
次に、前述したスプレーリード方式に用いる強貫通力噴射弁の噴霧形状、及び構成について図２５から図３１を用いて以下に述べる。
【０１６８】
図２５及び図２６に強貫通力噴射弁の一実施例である初期噴霧付き噴霧の噴霧形状を示す。ノズルから噴射された燃料噴霧は、噴射開始直後に噴射されるリード噴霧７７と、リード噴霧に追随して噴射される着火用噴霧７８で構成される。
【０１６９】
強貫通力噴射弁９１のノズル部８４は、ボールバルブ８ａと前記ボールバルブに接続されたロッド７９,噴霧に旋回力を与えるスワラー８０,ノズル部に設けられた噴射口８４ａ，リード噴霧の割合を調整する初期噴霧調整溝８３で概ね構成される。
【０１７０】
図２６ではノズル部の部分断面について示したが、ロッドのリフト量を電磁コイルへの通電により制御する内部機構は従来技術と同様であるためここでは記述しない。
【０１７１】
次に、ボールバルブ８ａが開くと、開弁直後には、旋回溝８２より下流に設けられた初期噴霧調整溝８３に予め貯えられた燃料が噴射し、リード噴霧７７を形成する。続いて、燃料通路８１を経由して、旋回溝８２に燃料が流れ、旋回力が与えられつつ燃料噴射が継続されるのでリード噴霧７７に追随して、微粒化された着火用噴霧７８が噴射される。
【０１７２】
図２５に示すように、燃料噴霧の中心部にリード噴霧が分布し、この分布割合は噴射方向の半径方向分布において３〜１０％程度に設定されている。
【０１７３】
噴霧到達距離は前述した初期噴霧調整溝８３の容積によって調整可能であり、容積を増やせばリード噴霧割合が増えるとともに、噴霧到達距離が伸びることになる。
【０１７４】
他の異なる実施例の強貫通力噴射弁の噴霧形状、およびに構成ついて図２７，図２８を用いて以下に述べる。
【０１７５】
図２７は噴霧形状を偏向噴霧とした実施例を示す。強貫通力噴射弁９１から噴射される燃料噴霧は、点火プラグに向けて噴射されるリード噴霧８５と、ピストン側に向けて噴射される着火用噴霧８６で構成される。
【０１７６】
リード噴霧側は噴霧到達距離が長くなっている。ここで、Ｌｐ１はリード噴霧側が形成する稜線長さであり、Ｌｐ２は着火用噴霧側が形成する稜線長さである。
【０１７７】
また、θ１は偏向角度であり、強貫通力噴射弁の中心軸から燃料噴射方向の振れ角を示す。
【０１７８】
図２８に示すように、ノズル部８４に設けられた噴射口８４ａの端面８４ｂは、強貫通力噴射弁の中心軸方向に対して傾けられている。
【０１７９】
このため、ボールバルブ８ａのシート部からノズル端面８４ｂまでの距離が異なることになる。ここで、旋回溝８２で与えられた旋回力は、噴射口の距離ＬＮ１とＬｎ２では、Ｌｎ２のほうが短いため、旋回エネルギーが保存されやすい。
【０１８０】
従って、ノズル端面８４ｂのＬｎ２側から噴射された燃料は雰囲気とのせん断力により微粒化されつつ、Ｌｎ２側に偏向した噴霧形状を形成する。Ｌｐ１／Ｌｐ２の比率が大きい程、噴霧貫通力が上がるため噴霧到達距離が長くなる。Ｌｐ１／Ｌｐ２の比率は約1.2程度に設定される。
【０１８１】
図２９は噴射口８４ａを強貫通力噴射弁の中心軸方向に対して傾けた、異なるノズル部の一実施例を示す。
【０１８２】
次に、異なる実施例における強貫通力噴射弁の構成、および燃料噴霧形状について図３０，図３１を用いて以下に述べる。強貫通力噴射弁９１から噴射される燃料噴霧は点火プラグに向けて噴射されるリード噴霧８９と、ピストン側に向けて噴射される着火用噴霧９０で構成される。
【０１８３】
本噴霧形状はスプレーリード噴霧であり、前述した２つの噴霧形状に対して、特に、ＡＡ断面に示すように、リード噴霧と反対側の噴霧が一部隙間若しくは、一部に噴霧分布が希薄な部分を有する形状となることを特徴としている。
【０１８４】
また、点火プラグに向けたリード噴霧８９の流量密度は、着火用噴霧９０より高くなる。そのため、リード噴霧８９の噴霧到達距離は着火用噴霧９０より長くなる。
【０１８５】
図３１に本スプレーリード噴霧を生成するノズル部の断面を示す。
【０１８６】
噴射口８４ｄの切り欠きが点火プラグ側になるように設置されている。さらに、ノズル端面形状を噴射口の略半分まで切り欠いたような段付き形状とすることで、噴射された燃料と雰囲気間のせん断力が周方向で異なることを利用して、噴霧外形の一部に隙間や、噴霧分布の希薄な部分を生成する。
【０１８７】
以上により、点火プラグ方向の噴霧貫通力が上がるため、高過給かつ高回転においても燃料噴霧を点火プラグに運ぶことができ、安定した成層運転が可能となる。
【０１８８】
【発明の効果】
本発明によれば、１燃焼サイクルにおいて、吸気行程から圧縮行程にかけて、燃料噴射を２回以上に分割して噴射することで過給下においても、噴射燃料と空気の混合を促進できるため、スモーク及びＨＣ排出率の低減に効果がある。
【０１８９】
別の発明では、分割して噴射を行う際に、電圧検知制御を行うことで失火の発生を防ぐことができ、安定した成層燃焼が可能となる。
【０１９０】
従って、排気の清浄化や燃費向上に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】過給機付き筒内噴射エンジンの構成を示す一実施例。
【図２】過給機付き筒内噴射エンジンの構成を示す異なる実施例。
【図３】１回噴射時の噴射直後を示す気筒の縦断面図。
【図４】１回噴射時の上死点付近における気筒の縦断面図。
【図５】２回噴射時の噴射直後を示す気筒の縦断面図。
【図６】２回噴射時の上死点付近における気筒の縦断面図。
【図７】異なる噴霧による２回噴射時の噴射直後を示す気筒の縦断面図。
【図８】異なる噴霧による２回噴射時の上死点付近における気筒の縦断面図。
【図９】電圧低下検知の制御方法を示すチャート図。
【図１０】電圧低下検知の制御方法を示すクランク角を示す図。
【図１１】電圧低下検知の異なる制御方法を示すクランク角を示す図。
【図１２】空気流動機構を示す吸気行程での気筒の縦断面図。
【図１３】空気流動機構を示す圧縮行程での気筒の縦断面図。
【図１４】気体噴射弁を用いた機構の噴射状態を示す縦断面図。
【図１５】気体噴射弁を用いた機構の閉弁状態を示す縦断面図。
【図１６】気体噴射弁を用いたエンジンの吸気行程での縦断面図。
【図１７】気体噴射弁を用いたエンジンの圧縮行程での縦断面図。
【図１８】内部ＥＧＲを行った際のＥＧＲガスの流れを示す上面図。
【図１９】可変バルブ駆動制御のバルブタイミング図。
【図２０】内部ＥＧＲを行った際のＥＧＲガスの流れを示す側面図。
【図２１】異なる可変バルブ駆動制御のバルブタイミング図。
【図２２】異なる可変バルブ駆動制御のバルブタイミング図。
【図２３】図２２の段階からバルブタイミングが移行した状態を示す図。
【図２４】第１噴射の噴射分担率を示す図。
【図２５】初期噴霧付き噴霧の噴霧形状。
【図２６】図２５に示す強貫通力噴射弁のノズル構造。
【図２７】偏向噴霧の噴霧形状。
【図２８】図２７に示す強貫通力噴射弁のノズル構造。
【図２９】図２７に示す他の強貫通力噴射弁のノズル構造。
【図３０】スプレーリード噴霧の噴霧形状。
【図３１】図３０に示す強貫通力噴射弁のノズル構造。
【符号の説明】
８…燃料噴射弁、３３…コントロールユニット、３３ａ…分割噴射制御手段、３３ｂ…電圧低下検出手段、３５…吸気バルブ可変駆動部、３６…排気バルブ可変駆動部、４１…開閉弁、４９…第２噴射、６１…気体噴射弁、７７…リード噴霧、７８…着火用噴霧、
９１…強貫通力噴射弁。


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2002206446.tif 000001
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2002206446.tif 000002
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2002206446.tif 000003
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１４】
2002206446.tif 000004
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２０】
2002206446.tif 000005