(57)【要約】【課題】内燃機関の各気筒へ連通する各吸気通路に配置された吸気流制御弁を具備し、各気筒へ供給される燃料が重質燃料であっても軽質燃料であっても良好な始動性を確保する。【解決手段】機関始動時において気筒内へ供給される燃料が重質燃料である時には吸気流制御弁を第一閉弁位置として吸気通路を絞り（ステップ１０４）、機関始動時において気筒内へ供給される燃料が軽質燃料である時には吸気流制御弁を第二閉弁位置として吸気通路を絞る（ステップ１０５）。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の各気筒へ連通する各吸気通路に配置された吸気流制御弁を具備し、機関始動時において気筒内へ供給される燃料が重質燃料である時には前記吸気流制御弁を第一閉弁位置として前記吸気通路を絞り、機関始動時において気筒内へ供給される燃料が軽質燃料である時には前記吸気流制御弁を第二閉弁位置として前記吸気通路を絞ることを特徴とする吸気流制御装置。
【請求項２】
前記吸気流制御弁の前記第一閉弁位置は、気筒内に生成される渦流を強める位置であり、前記吸気流制御弁の前記第二閉弁位置は、気筒内に生成される前記渦流を弱める又は無くす位置であることを特徴とする請求項１に記載の吸気流制御装置。
【請求項３】
前記吸気流制御弁の前記第一閉弁位置と前記第二閉弁位置とにおける前記吸気通路の開口面積は、ほぼ等しいことを特徴とする請求項２に記載の吸気流制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気流制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
サージタンクと各気筒とを連通する各吸気通路に吸気流制御弁を配置することが提案されている。吸気流制御弁により吸気通路を絞ることによって、吸気流速を速めたり、また、気筒内の負圧の程度を高めたりすることができる。
【０００３】
このような吸気流制御弁を筒内噴射式火花点火内燃機関に使用して、成層燃焼時に軽質燃料が噴射される場合には吸気流制御弁を全開とし、一方、成層燃焼時に重質燃料が噴射される場合には吸気流制御弁により吸気通路を絞って吸気が吸気通路の上壁に沿って気筒内へ供給されるようにすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
こうして、成層燃焼時に重質燃料が噴射される場合においては、高速の吸気が吸気通路の上壁に沿って気筒内へ供給され、気筒内には強いタンブル流が生成されるために、このタンブル流は燃料噴射時期である圧縮行程後半まで持続し、気化し難い重質燃料をタンブル流によって気化させることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−７０６２４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
タンブル流のような気筒内の乱れを重質燃料の気化に利用することは、成層燃焼だけでなく、筒内噴射又は吸気ポート噴射の均質燃焼にも有効である。それにより、燃焼方式に係らずに、内燃機関の機関始動時において、前述の従来技術のように、重質燃料が気筒内へ供給される場合には吸気流制御弁により吸気通路を絞り、軽質燃料が気筒内へ供給される場合には吸気流制御弁を全開とすることが考えられる。
【０００７】
機関始動時においては機関温度が低いために軽質燃料でも気化が悪化する。それにより、このような吸気流制御弁の制御では、機関始動時に軽質燃料が気筒内へ供給される場合に、吸気流制御弁が全開とされていると、吸気流制御による噴射燃料の気化が促進されないため、始動性の向上に改善の余地を残すものとなっている。
【０００８】
従って、本発明の目的は、内燃機関の各気筒へ連通する各吸気通路に配置された吸気流制御弁を具備し、各気筒へ供給される燃料が重質燃料であっても軽質燃料であっても良好な始動性を確保することができる吸気流制御装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の吸気流制御装置は、内燃機関の各気筒へ連通する各吸気通路に配置された吸気流制御弁を具備し、機関始動時において気筒内へ供給される燃料が重質燃料である時には前記吸気流制御弁を第一閉弁位置として前記吸気通路を絞り、機関始動時において気筒内へ供給される燃料が軽質燃料である時には前記吸気流制御弁を第二閉弁位置として前記吸気通路を絞ることを特徴とする。この吸気流制御装置により、機関始動時において気筒内へ供給される燃料が軽質燃料であっても吸気流制御弁により吸気通路が絞られ、気筒内の負圧程度が高められる。
【００１０】
また、本発明による請求項２に記載の吸気流制御装置は、請求項１に記載の吸気流制御装置において、前記吸気流制御弁の前記第一閉弁位置は、気筒内に生成される渦流を強める位置であり、前記吸気流制御弁の前記第二閉弁位置は、気筒内に生成される前記渦流を弱める又は無くす位置であることを特徴とする。この吸気流制御装置により、機関始動時において気筒内へ供給される燃料が軽質燃料である時には、気筒内の負圧程度が高められるが、燃焼時において気筒内には渦流による乱れは殆ど発生しない。
【００１１】
また、本発明による請求項３に記載の吸気流制御装置は、請求項２に記載の吸気流制御装置において、前記吸気流制御弁の前記第一閉弁位置と前記第二閉弁位置とにおける前記吸気通路の開口面積は、ほぼ等しいことを特徴とする。この吸気流制御装置により、機関始動時において気筒内へ供給される燃料が重質燃料であっても軽質燃料であっても気筒内の負圧程度は同等に高められる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による吸気流制御装置が取り付けられた筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略気筒内縦断面図である。同図において、１は気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、２は気筒上部周囲から気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁である。また、３はピストンであり、その頂面には凹状のキャビティ４が形成されている。５は気筒上部に接続された吸気ポートであり、６は吸気ポート５の気筒内開口を開閉する吸気弁である。７は気筒上部に接続された排気ポートであり。８は排気ポート７の気筒内開口を開閉する排気弁である。燃料噴射弁２は、燃料のベーパを防止するために、気筒内において吸気流により比較的低温度となる吸気ポート側に配置されている。
【００１３】
各気筒の吸気ポート５にはインテークマニホルド（図示せず）の各枝管が接続され、インテークマニホルドの上流側にはサージタンク（図示せず）が接続されている。また、サージタンクの上流側にはスロットル弁（図示せず）が配置されている。本実施形態において、スロットル弁はアクセルペダルに機械的に連動するものではなく、ステップモータ等の駆動装置によってアクセルペダルの踏み込み量とは無関係に自由に開度設定可能なものである。
【００１４】
また、燃料噴射弁２は、例えば、スリット状の噴孔を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。成層燃焼を実施するためには、圧縮行程後半において燃料をピストン３の頂面に形成されたキャビティ４内へ噴射する。扇状に噴射された燃料は、キャビティ４の底壁４ａに沿って進行して幅方向に拡がる際に底壁の広範囲部分から熱吸収するために気化し易い。こうして気化しつつある燃料は、対向側壁４ｂによって上方向に偏向させられ、点火プラグ１近傍に一塊の可燃混合気を形成する。この可燃混合気を着火燃焼させることにより成層燃焼が実現される。
【００１５】
成層燃焼時において、スロットル弁は全開又は全開近傍とされるためにポンピング損失が十分に低減され、また、気筒内全体の燃焼空燃比は理論空燃比よりリーンとされ、それにより燃料消費を良好に低減することができる。しかしながら、全ての運転領域において成層燃焼を実施することはできず、例えば、多量の燃料を必要とする機関高負荷時には、圧縮行程後半での燃料噴射が困難となるために、スロットル弁により吸入空気量を制御すると共に吸気行程において燃料を噴射し、気筒内に理論空燃比の均質混合気を形成する均質燃焼が実施される。
【００１６】
また、機関始動時においては、確実な着火性を確保するために理論空燃比又はリッチ空燃比での均質燃焼を実施することが好ましい。機関始動時において、機関温度が比較的高ければ、噴射燃料は良好に気化するために特に問題はない。しかしながら、機関温度が低いと、噴射燃料の気化が不十分となって機関始動性が悪化してしまう。本実施形態は、吸気ポート５に配置された吸気流制御弁９を制御して、機関始動時の良好な均質燃焼を実現して機関始動性の悪化を抑制することを意図している。吸気流制御弁９は、円柱形状を有して自身の軸線回りに回動するロータリ弁であり、吸気ポート５とほぼ等しい断面形状の貫通穴９ａが形成されている。それにより、図１に示す吸気流制御弁９の全開位置において、吸気は吸気流制御弁９の貫通穴９ａを通過し、吸気ポート１は吸気流制御弁９により絞られることはない。
【００１７】
図２は吸気流制御弁９の二つの閉弁位置を示す吸気ポート５の断面図であり、（Ａ）は第一閉弁位置を示し、（Ｂ）は第二閉弁位置を示している。吸気流制御弁９には、貫通穴９ａに加えて、吸気ポート５における吸気流制御弁９の上流側と貫通穴９ａとを連通可能とする連通穴９ｂが形成されている。
【００１８】
第一閉弁位置において、連通穴９ｂが吸気ポート５の上壁に沿って開口する。また、第一閉弁位置において、貫通穴９ａは、吸気流制御弁９の上流側で吸気ポート５の下壁に沿って開口し、吸気流制御弁９の下流側で吸気ポート５の上壁に沿って開口する。それにより、吸気は、図２（Ａ）に矢印で示すように、吸気ポート５の上壁及び下壁に沿ってだけ吸気流制御弁９の貫通穴９ａへ流入し、貫通穴９からは吸気ポート５の上壁に沿ってだけ流出する。こうして、吸気ポート５は吸気流制御弁９により絞られ、吸気は吸気ポート５の上壁に沿ってだけ気筒内へ供給される。
【００１９】
一方、第二閉弁位置においては、連通穴９ｂは吸気ポート５の下壁に沿って開口する。また、第二閉弁位置において、貫通穴９ａは、吸気流制御弁９の上流側で吸気ポート５の上壁に沿って開口し、吸気流制御弁９の下流側で吸気ポート５の下壁に沿って開口する。それにより、吸気は、図２（Ｂ）に矢印で示すように、吸気ポート５の上壁及び下壁に沿ってだけ吸気流制御弁９の貫通穴９ａへ流入し、貫通穴９からは吸気ポート５の下壁に沿ってだけ流出する。こうして、吸気ポート５は吸気流制御弁９により絞られ、吸気は吸気ポート５の下壁に沿ってだけ気筒内へ供給される。
【００２０】
図３は機関始動時における吸気流制御弁９の制御を示すフローチャートである。本フローチャートは、イグニッションスイッチのオン信号と同時に実施される。先ず、ステップ１０１において、機関温度を示す冷却水温ＴＨＷが設定温度ＴＨＷ’以下であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、機関温度が比較的高く、機関始動時のリッチ空燃比での均質燃焼に際して、燃料噴射弁２により吸気行程で噴射される燃料が重質燃料でも点火までには良好に気化するために、ステップ１０２において、吸気流制御弁９は図１に示す全開位置とされ、吸気流制御弁９によるポンピング損失を発生させないようにしている。
【００２１】
しかしながら、ステップ１０１における判断が肯定される時には、機関温度が低くて噴射燃料を十分に気化させることができない。それにより、吸気流制御弁９を閉弁位置として、吸気ポート５を絞り、気筒内に発生する負圧の程度を高めて噴射燃料の気化を促進することが必要となる。
【００２２】
本フローチャートでは、機関温度が低い時にはステップ１０３において燃料噴射弁２から噴射される燃料が重質燃料であるか否かが判断される。この判断には、例えば、ノッキング防止のための点火時期制御により機関運転状態毎の点火時期がいずれも進角側とされている時には、現在の燃料タンク内の燃料は重質燃料であり、機関始動時においても燃料噴射弁２から噴射される燃料は重質燃料であると判断することができる。また、給油された燃料が重質燃料であることが分かっていれば、これにより、機関始動時において燃料噴射弁２から噴射される燃料が重質燃料であると判断することができる。
【００２３】
こうして、ステップ１０３における判断が肯定される時、すなわち、機関温度の低い始動時において重質燃料が噴射される時には、ステップ１０４において、吸気流制御弁９は、図２（Ａ）に示す第一閉弁位置とされて吸気ポート５を絞るようになっている。それにより、気筒内に発生する負圧の程度は高められ、噴射燃料の気化が促進される。また、前述したように、吸気は吸気ポート５の上壁に沿ってだけ気筒内へ供給されるために、気筒内には、シリンダボアの排気ポート側に沿って下降してシリンダボアの吸気ポート側に沿って上昇する強い縦旋回流（タンブル流）が生成される。この強いタンブル流は、吸気行程で噴射される燃料を十分に攪拌して微粒化させる。それにより、燃料気化がさらに促進され、また、噴射燃料のシリンダボアへの付着も抑制することができる。さらに、強いタンブル流は、圧縮行程末期の点火時期においても持続して気筒内に乱れをもたらすために、燃焼速度の速い良好な燃焼を実現することができる。
【００２４】
しかしながら、重質燃料に比較して気化し易い軽質燃料が噴射される場合には、こうして気筒内に強いタンブル流を生成すると、燃料気化がほぼ完全となり、その上に燃焼速度が速められるために、燃焼としては非常に良好となるが、排気ガス温度が比較的低くなって機関排気系に設けられた触媒装置の暖機が不十分となってしまう。
【００２５】
従って、本フローチャートでは、ステップ１０３における判断が否定される時、すなわち、機関温度の低い始動時において軽質燃料が噴射される時には、ステップ１０５において、吸気流制御弁９は、図２（Ｂ）に示す第二閉弁位置とされて吸気ポート５を絞るようになっている。それにより、気筒内に発生する負圧の程度は高められ、噴射燃料の気化が促進され、軽質燃料を十分に気化することができる。この時に、前述したように、吸気は吸気ポート５の下壁に沿ってだけ気筒内へ供給されるために、気筒内には、タンブル流は生成されないか、又は、シリンダボアの吸気ポート側に沿って下降してシリンダボアの排気ポート側に沿って上昇する弱い縦旋回流（逆タンブル流）が生成される。いずれにしても強いタンブル流が生成されることはなく、圧縮行程末期の点火時期において気筒内に乱れをもたらすことはない。
【００２６】
こうして、十分に気化した軽質燃料により形成された均質混合気は、点火により燃焼を開始するが、この時に、気筒内には乱れが存在しないために、燃焼速度が速められることはなく、排気ガス温度を比較的高くすることができる。これは、触媒装置の早期暖機に有利となる。
【００２７】
図４は、機関始動時における車速、回転数、スロットル弁開度、及び吸気流制御弁９の位置の変化を示すタイムチャートである。吸気流制御弁９は、当初、図１に示す全開位置されており、時期ｔ１においてイグニッションスイッチがオンとされると同時に、前述のフローチャートによって全開位置又は閉弁位置（第一閉弁位置又は第二閉弁位置）に制御される。その後、時刻ｔ２においてスタータモータが駆動されて回転数が高められ、各気筒の燃焼が開始すれば、さらに回転数が高められる。この機関始動に際して、前述したように、機関温度が低くても、また、重質燃料が噴射されても軽質燃料が噴射されても、良好な機関始動性が確保される。回転数がアイドル回転数Ｎ’に達すれば、機関始動は完了し、燃料増量が中止され、アイドル運転となる。その後、時刻ｔ３において、アクセルペダルが踏み込まれれば、スロットル弁開度は０（アイドル時の吸気量を供給するための最少開度）から徐々に大きくされ、それに伴って回転数はアイドル回転数Ｎ’から高められ、車速も０から高められる。このアクセルペダルの踏み込みと同時に、閉弁位置とされている吸気流制御弁９は、全開位置とされる。
【００２８】
吸気流制御弁９は、始動完了後のアイドル運転中に全開位置とするようにしても良い。それにより、吸気流制御弁９によって燃料気化が促進されなくなるが、軽質燃料が噴射されている場合には、始動完了により僅かに機関温度が高められれば特に問題はない。しかしながら、重質燃料が噴射されている場合には、始動完了により僅かに機関温度が高められても依然として燃料気化は不十分であり、アイドル運転中に吸気流制御弁９を全開位置とすると、燃焼悪化により回転数が不安定となることがある。この時には、吸気流制御弁９を第一閉弁位置へ戻すことが好ましい。次回の機関始動に際して、これを利用して、現在の燃料タンク内の燃料が重質燃料であると判断することもできる。
【００２９】
吸気流制御弁９に連通穴９ｂが形成されていなくても、吸気流制御弁９を図２（Ａ）に示す第一閉弁位置とすれば、絞り効果により高速化された吸気を吸気ポート５の上壁に沿わせて気筒内へ供給することができ、また、吸気流制御弁９を図２（Ｂ）に示す第二閉弁位置とすれば、絞り効果により高速化された吸気を吸気ポート５の下壁に沿わせて気筒内へ供給することができる。しかしながら、本実施形態のように、連通穴９ｂを形成し、吸気流制御弁９を第一閉弁位置とした時に、図２（Ａ）に示すように、連通穴９ｂの軸線が吸気ポート５の軸線と略平行となるようにすれば、吸気ポート５の上壁に沿って連通穴９ｂから吸気流制御弁９内へ流入する吸気は、偏向によるエネルギ損失がなく吸気流制御弁９から流出するために、さらに高速化され、気筒内に生成されるタンブル流を非常に強いものとすることができる。
【００３０】
また、このように形成された連通穴９ｂは、図２（Ｂ）に示す第二閉弁位置においては吸気ポート５と平行とはならないために、吸気ポート５の下壁に沿って連通穴９ｂから吸気流制御弁９内へ流入する吸気は、偏向によるエネルギ損失によって、吸気流制御弁９から流出する際にはそれほど高速とはならず、それにより、気筒内にタンブル流（又は逆タンブル流）が生成されるとしても、これを確実に弱いものとすることができる。
【００３１】
また、連通穴９ｂによって、第一閉弁位置又は第二閉弁位置における吸気流制御弁９の上流側開口面積を下流側開口面積より大きくすることができ、これは、吸気流制御弁９内における圧力損失を低下させ、第一閉弁位置において、吸気ポート５の上壁に沿って吸気を流出する際の流速を速めるのに有利である。
【００３２】
また、本実施形態において、第一閉弁位置及び第二閉弁位置において、吸気流制御弁９の上流側開口面積（貫通穴９ａの一部及び連通穴９）は、ほぼ等しくされ、また、吸気流制御弁９の下流側開口面積（貫通穴９ａの一部）も、ほぼ等しくされている。それにより、吸気流制御弁９を第二閉弁位置とした時には、気筒内に強いタンブル流が生成されないようにされるが、気筒内の負圧の程度は、第一閉弁位置とした時とほぼ等しくすることができ、噴射される軽質燃料を負圧によって十分に気化させることができる。
【００３３】
図５は、吸気流制御弁のもう一つの実施形態を示す図２に相当する図である。
本実施形態の吸気流制御弁９’は、バタフライ弁であり、吸気ポート５の上壁近傍に切欠き又は貫通穴９ｂ’が形成されている。それにより、図５（Ａ）に示す第一閉弁位置において吸気流制御弁９’により吸気ポート５を絞ると、吸気は、矢印で示すように、貫通穴９ｂ’を介して高速化され、吸気ポート５の上壁に沿って気筒内へ供給される。こうして、気筒内の負圧の程度は高められると共に、気筒内には強いタンブル流が生成され、機関温度が低い機関始動時に重質燃料が噴射される場合に、噴射燃料を十分に気化させると共にタンブル流による気筒内の乱れによって燃焼速度を速めて良好な燃焼を実現し、機関始動性の悪化を抑制することができる。
【００３４】
また、図５（Ｂ）に示す第二閉弁位置において吸気流制御弁９’により吸気ポートを絞ると、吸気は、矢印で示すように、吸気ポート５の中央部を除き、吸気ポート５の上壁及び下壁に沿って気筒内へ供給される。こうして、気筒内の負圧の程度は高められるが、気筒内には強いタンブル流は生成されない。それにより、機関温度が低い機関始動時に軽質燃料が噴射される場合に、噴射燃料を良好に気化させて良好な燃焼を実現し、機関始動性の悪化を抑制することができる。また、この時には、燃焼速度を速め過ぎて排気ガス温度が低くなることを防止することができ、触媒装置の早期暖機に有利である。
【００３５】
機関始動時の機関温度が比較的高く、重質燃料が噴射されても、これを良好に気化させることができる時には、吸気流制御弁９’は吸気ポート５を絞ることなく全開される。こうして、本実施形態のバラフライ弁式の吸気流制御弁９’によっても、前述したロータリ弁式の吸気流制御弁９と同じ制御によって同様な効果を得ることができる。但し、本実施形態の吸気流制御弁９’では、第二閉弁位置での吸気ポート５の開口面積が、第一閉弁位置での開口面積より大きくなってしまうために、第二閉弁位置において気筒内に発生する負圧の程度は、第一閉弁位置におけるより低くなる。
【００３６】
二つの実施形態において、吸気流制御弁は、シリンダヘッド内の吸気ポート５に配置したが、これは本発明を限定するものではない。例えば、吸気流制御弁は、サージタンク下流側のインテークマニホルドの各枝管に配置されても良く、すなわち、各気筒へ連通する各吸気通路に配置されていれば良い。二つの実施形態において、内燃機関は、成層燃焼と均質燃焼とを切り換えて実施する筒内噴射式火花点火内燃機関としたが、これは本発明を限定するものではない。本発明は、機関始動時において吸気行程中の燃料気化を促進することを意図するものであり、機関始動時において均質燃焼を実施する内燃機関であれば、例えば、均質燃焼だけを実施する筒内噴射式火花点火内燃機関又は吸気ポート噴射式火花点火内燃機関にも適用可能である。
【００３７】
また、吸気流制御弁の第一閉弁位置において、気筒内には強いタンブル流が生成されるようにしたが、この時に気筒内に生成される強い渦流は、スワール流（シリンダボアの軸線回りに旋回する横旋回流）でも良い。また、図３に示すフローチャートにおいて、冷却水温ＴＨＷが設定水温ＴＨＷ’より高い時には、吸気流制御弁９を全開位置としたが、この冷却水温の判断を省略しても良い。すなわち、機関始動時においては冷却水温に係らずに吸気流制御弁９を閉弁位置とすることとし、重質燃料が噴射される時には第一閉弁位置が選択され、軽質燃料が噴射される時には第二閉弁位置が選択されるようにしても良い。それにより、機関始動時には、いずれの閉弁位置が選択されても、常に、吸気ポートが絞られて少量の吸気しか気筒内へ供給されないために、所望空燃比（例えば、リッチ空燃比）とするのに必要な燃料量を少なくすることができ、機関始動時の燃料消費を低減することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明による請求項１に記載の吸気流制御装置によれば、機関始動時において気筒内へ供給される燃料が軽質燃料であっても吸気流制御弁により吸気通路が絞られ、気筒内の負圧程度が高められるために、燃料気化が促進されて良好な燃焼が実現され、各気筒へ供給される燃料が重質燃料であっても軽質燃料であっても良好な始動性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による吸気流制御装置が取り付けられた筒内噴射式火花点火内燃機関の概略気筒内縦断面図である。
【図２】吸気流制御弁の二つの閉弁位置を示す吸気ポートの断面図であり、（Ａ）は第一閉弁位置、（Ｂ）は第二閉弁位置を示している。
【図３】機関始動時における吸気流制御弁の制御を示すフローチャートである。
【図４】機関始動時における車速、回転数、スロットル弁開度、及び吸気流制御弁の位置の変化を示すタイムチャートである。
【図５】もう一つの吸気流制御弁の二つの閉弁位置を示す吸気ポートの断面図であり、（Ａ）は第一閉弁位置、（Ｂ）は第二閉弁位置を示している。
【符号の説明】
１…点火プラグ
２…燃料噴射弁
３…ピストン
５…吸気ポート
７…排気ポート
９…吸気流制御弁
【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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