(57)【要約】【課題】  均一で良好な混合気を作成でき、スモーク、有害エミッションの低減を可能とする内燃機関の制御装置を提供する。  【解決手段】  シリンダヘッド１６とシリンダ内に嵌挿されたピストン１４との間に形成された燃焼室３０と、該燃焼室に燃料を直接に噴射するインジェクタ４０と、該燃焼室に連なる吸気ポート１８および排気ポート２０をそれぞれ開閉する吸気バルブ３２および排気バルブ３４と、を備え、ピストン１４の排気上死点からの下降時、吸気バルブ３２および排気バルブ３４を閉じたままインジェクタ４０から燃料を噴射し、その後の所定期間に排気バルブ３４を開き、その所定期間後に吸気バルブ３２を開くように制御する。【選択図】  図１
2005083323.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドとシリンダ内に嵌挿されたピストンとの間に形成された燃焼室と、
該燃焼室に燃料を直接に噴射するインジェクタと、
吸気バルブおよび排気バルブと、を備え、
前記ピストンが排気上死点からの下降を開始してから吸気下死点に到達するまでの間に、前記吸気バルブおよび排気バルブを閉じたまま前記インジェクタから燃料を噴射すると共に燃料噴射後の所定期間に前記排気バルブを開き、その排気バルブを開いた後に前記吸気バルブを開くように制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記所定期間は、要求EGR量に対応させて設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記所定期間は、前記内燃機関の温度に応じて変えられることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、車両に搭載される筒内噴射型内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ディーゼル燃焼において、スモーク、NOx等の排気有害エミッションを低減するためには、空気と燃料との混合を促進することや可燃混合気の筒内分布を均一にすること等が重要である。そのために現状において種々の方策がとられている。その一つは、燃料を早期に噴射することによって燃料と空気との混合時間を確保するようにした、いわゆる予混合燃焼方式である。
【０００３】
ところで、この予混合燃焼方式では、早期に燃料を噴射することから、シリンダ壁面への燃料付着に起因する燃費の悪化、HCの増大、オイル希釈等の問題が発生する。
【０００４】
そこで、このような問題を解決するために、例えば、特許文献１に記載の技術を採用することが考えられる。このものは、筒内噴射型ガソリンエンジンにおいて、吸気行程でのピストンの下降時に所定期間に亘って吸気バルブを閉バルブ状態にし、これにより一時的に燃焼室を負圧状態とする。そして、燃焼室がこのような負圧状態にあるときに燃料噴射バルブから燃料を噴射することにより、噴射された燃料を減圧沸騰させて、ガソリン燃料の気化、拡散を促進するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２９９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ガソリン燃料の場合には蒸発性が高いので、この減圧沸騰による燃料の気化がある程度期待できるが、ディーゼル燃焼における燃料である軽油の場合には充分とはいえず、さらなる改良の余地があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、さらなる燃料蒸発の促進を図ることで、均一で良好な混合気を作成でき、スモーク、有害エミッションの低減を可能とする内燃機関の制御装置を提供することにある。  
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の一形態に係る内燃機関の制御装置は、シリンダヘッドとシリンダ内に嵌挿されたピストンとの間に形成された燃焼室と、該燃焼室に燃料を直接に噴射するインジェクタと、吸気バルブおよび排気バルブと、を備え、
前記ピストンが排気上死点からの下降を開始してから吸気下死点に到達するまでの間に、前記吸気バルブおよび排気バルブを閉じたまま前記インジェクタから燃料を噴射すると共に燃料噴射後の所定期間に前記排気バルブを開き、その排気バルブを開いた後に前記吸気バルブを開くように制御することを特徴とする。  
ここで、前記所定期間は、要求EGR量に対応して設定されるのが好ましい。  
さらに、前記所定期間は、前記内燃機関の温度に応じて変えられることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一形態に係る内燃機関の制御装置によると、ピストンの排気上死点からの下降時、吸気ポートおよび排気ポートを閉じたままインジェクタから燃料が噴射されることにより、燃料が減圧沸騰して、その微粒化ないしは気化が促進される。そして、その後の所定期間に排気バルブが開かれることにより高温の排気ガス（EGR）が導入されて、燃料のさらなる蒸発および拡散が促進される。従って、均一で良好な混合気を作成でき、スモーク、有害エミッションの低減を可能とすることができる。なお、減圧沸騰後に新気を導入すると、微粒化ないしは気化された燃料が新気により冷却されて液化し、ピストンヘッド等の燃焼室壁面に付着してしまうおそれがあるが、本発明では、排気ガスが筒内に導入された後に新気が導入されるので、微粒化ないしは気化された燃料の液化が抑制される。すなわち、排気ガスが筒内に導入された後に新気が導入されることにより、ピストンヘッド等の燃焼室壁面近傍には高温の排気ガスの層が形成されるので、燃料の液化による付着が抑制されるのである。
【００１０】
また、排気バルブを開く所定期間を要求EGR量に対応して設定するようにすると、内部EGRと兼用できるので、EGR通路およびEGR制御バルブ等が不要となり全体構成が簡略化される。
【００１１】
さらに、排気バルブを開く所定期間を、内燃機関の温度に応じて変えるようにすると、機関低温時には減圧沸騰が充分に行われない可能性があるが、このときに排気ガスの導入量が多くなるようにできるので、燃料の蒸発ないしは拡散を充分に行わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１を参照するに、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の概略構成図が示されており、シリンダブロックとシリンダヘッドの部分が縦断面図で示されている。以下、図１を参照して本発明に係る筒内噴射型内燃機関の構成を説明する。
【００１３】
筒内噴射型内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、エンジンと略す）１０は、２個の吸気バルブと２個の排気バルブからなる４バルブ式のエンジン、例えば４気筒エンジンであって４気筒の全てについて吸気行程のみならず圧縮行程での燃料噴射も可能に構成されている。以下、ここでは４気筒のうちの１気筒を代表的に説明する。
【００１４】
エンジン１０には、吸気通路２および排気通路４が連通され、この吸気通路２および排気通路４は、EGR制御バルブ７が介設されたEGR通路６で連通されている。吸気通路２にはターボチャージャ５のコンプレッサ５Aが配設されると共に、その下流に吸気絞り３が設けられコンプレッサ５Aは排気通路４に配設されたタービン５Bで駆動されるよう構成されている。なお、本実施の形態におけるターボチャージャ５はタービンノズル部に流量可変機構を有する可変容量ターボチャージャであり、過給圧の制御が容量を変更することにより可能とされている。
【００１５】
また、図に示すように、シリンダブロック１２の円筒状のシリンダには、ピストン１４が嵌挿されている。シリンダヘッド１６には、一側に上述の吸気通路２に吸気マニホルドを介して連通する一対の吸気ポート１８、他側に上述の排気通路４に排気マニホルドを介して連通する一対の排気ポート２０が形成されている。吸気ポート１８は一対の吸気口２２においてシリンダヘッド１６の下面とピストン１４の頂面とで形成される燃焼室３０に臨んで開口しており、排気ポート２０は一対の排気口２４において燃焼室３０に臨んで開口している。
【００１６】
そして、吸気口２２には、吸気ポート１８と燃焼室３０との連通と遮断とを行う一対の吸気バルブ３２が設けられており、一方、排気口２４には、排気ポート２０と燃焼室３０との連通と遮断とを行う一対の排気バルブ３４が設けられている。吸気バルブ３２と排気バルブ３４とは、それぞれ、吸気バルブ駆動機構３６および排気バルブ駆動機構３８に連係されている。吸気バルブ駆動機構３６および排気バルブ駆動機構３８は、励磁電流が印加されたときに発生する電磁力を利用して、それぞれ、吸気バルブ３２と排気バルブ３４とを進退駆動する電磁駆動機構から構成され、後述する電子コントロールユニット（ECU）６０の信号に基づき、開閉のタイミングおよびリフト量が任意に制御可能に構成されている。従って、例えばECU６０からの信号に基づいて吸気バルブ駆動機構３６および／または排気バルブ駆動機構３８が作動されると、吸気バルブ３２および／または排気バルブ３４の開閉時期、延いては開期間が長く或いは短く可変制御されることになる。
【００１７】
また、シリンダヘッド１６には、燃焼室３０に向けて燃料を直接噴射可能に配設されたインジェクタ４０が設けられている。より詳しくは、インジェクタ４０は、同図に示すように、ほぼシリンダ軸線上でシリンダヘッド１６に取り付けられている。そして、該インジェクタ４０はECU６０に電気的に接続されている。なお、このインジェクタ４０は、不図示のコモンレールに連通され、その燃料噴射圧はエンジンの負荷に応じて変更制御されるようになっている。
【００１８】
ここで、ECU６０の出力側には、上述の吸気絞り３、EGR制御バルブ７、吸気バルブ駆動機構３６、排気バルブ駆動機構３８、およびインジェクタ４０が接続されている。一方、ECU６０の入力側には、クランク角センサ５１、気筒判別センサ５２、アクセル開度センサ５３、吸気マニホルドに配設された吸気圧センサ５４および吸気温センサ５５、排気マニホルドに配設された排気圧センサ５６および排気温センサ５７、および気筒内の燃焼室３０の圧力を検出する筒内圧センサ５８がそれぞれ接続されている。
【００１９】
なお、クランク角センサ５１はクランクの所定角度毎に発生するピックアップ信号からクランク角度ΘNeを検出し、また所定時間内の検出数からエンジン速度Neを得るためのものであり、気筒判別センサ５２はクランクの所定角度の検出により、制御対象の気筒を判別するためのものである。一方、アクセル開度センサ５３は、エンジンの負荷（以下、アクセル開度θacと称す）の検出のためのものであり、アクセルペダル５９の踏み込みに応じた信号を出力する。ここで、所定の運転状態において、エンジン１０の有害エミッション低減を含む良好な運転に必要とされる、要求燃料噴射量Qｖ、要求新気量GairNew、および要求EGR量Gegrは、アクセル開度θacと上記エンジン速度Neとに基づき設定されている。実際には、アクセル開度θacとエンジン速度Neとにより表される運転状態に応じて、それぞれの値が予めマップ化されて、ECU６０の所定のメモリーに記憶されている。
【００２０】
以下、このように構成されたエンジン１０の制御装置の制御の一形態について説明する。制御ルーチンのフローチャートが示された図２、および作動状態を概念的に示した図３を参照するに、特定の気筒が排気上死点から吸気行程に入ったことが気筒判別センサ５２からの信号により判別されると、この気筒の吸気バルブ３２および排気バルブ３４を閉じたまま（図３（A）参照）、ステップＳ１０において、先ず、エンジン速度Neとアクセル開度θac、排気マニホルド内圧力Pex、および排気マニホルド内温度Texが読み込まれる。そして、エンジン速度Neとアクセル開度θacとに基づき、要求燃料噴射量Qｖ、要求新気量GairNew、および要求EGR量Gegrが求められる。同時に、排気マニホルド内圧力Pexおよび排気マニホルド内温度Texに基づき、燃料噴射時期Θinjが求められる。
【００２１】
この状態においては、吸気バルブ３２および排気バルブ３４が閉じられたまま、ピストン１４が下降するので、燃焼室３０は減圧されていく。そして、次のステップＳ１１において、ピストン１４の下降に伴いクランク角度ΘNeが上述の燃料噴射時期Θinjと一致したときに、インジェクタ４０から噴射が開始される（図３（B）参照）。そして、上述の要求燃料噴射量Qｖを満たす噴射期間が経過したときにインジェクタ４０からの噴射は停止される。このインジェクタ４０から燃料が噴射されるときには、燃焼室３０内の減圧状態は進んでおり、この低圧（絶対値）下において噴射された燃料は減圧沸騰し、その結果として微粒化ないしは気化が促進される。
【００２２】
さらに、ステップS１２において、この燃料の噴射の停止とほぼ同時に、排気バルブ３４が開かれる（図３（C）参照）。排気バルブ３４が開かれると、低圧下にある燃焼室３０内に高温の排気ガスが導入され、上述の減圧沸騰により微粒化ないしは気化された燃料のさらなる蒸発が促進されることになる。
【００２３】
さらに、ステップS１３に進み、前述のクランク角度ΘNeや、排気マニホルド内圧力Pex、および排気マニホルド内温度Tex、と共に、筒内圧センサ５８の検出による筒内圧力Pｓが読み込まれる。そして、これらに基づき燃焼室３０に導入されるEGR量が算出されると共に、ステップS１０において求められていた要求EGR量Gegrとの対比に基づき、排気バルブ３４の閉時期Θexcloseが求められる。すなわち、クランク角度ΘNeによりピストン１４の位置が分かるので、そのときの燃焼室３０の容積が分かり、排気マニホルド内圧力Pexと筒内圧力Pｓとの差圧から、例えば、単位クランク角度毎にどの程度のEGR量が筒内に導入されるかが分かる。従って、これを単位クランク角度毎に積算していけば、所定のクランク角度ΘNeにおいて合計してどの程度のEGR量が筒内に入るか分かるので、この予想されるEGR量が要求EGR量Gegrを満たすクランク角度ΘNeが、排気バルブ３４の開期間の終期を定める閉時期Θexcloseとして設定される。
【００２４】
そこで、ステップS１４に進み、クランク角度ΘNeが排気バルブ３４の閉時期Θexcloseと一致したとき、排気バルブ３４が閉じられる。なお、この排気バルブ３４の閉時期Θexcloseは、ステップS１３で設定した値を基準値として、エンジンの温度に応じて調整しつつ変えるようにしてもよい。なお、このエンジン温度は、例えば、不図示の水温センサによるエンジン冷却水温度や、排気温センサ５７による排気マニホルド内温度Tex等により代表させることができる。エンジンの温度が高いときほど燃料の蒸発、拡散が促進されるので、エンジン温度が高いほどピストンの排気上死点からの下降時に排気バルブ３４を開く期間を短くしてもよい。
【００２５】
そして、ステップS１５において、この排気バルブ３４が閉じられた後に吸気バルブ３２が開かれ（図３（D）参照）、燃焼室３０内に新気が導入され、前述の蒸発が促進された燃料と混合されることにより、運転状態に見合った適正で均一な混合気が形成されることになる。
【００２６】
ここで、再度、図３を参照して、本発明の制御装置により燃料噴射時期、排気バルブ３４の開閉時期ないしは開期間、および吸気バルブ３２の開時期が制御された場合の吸気行程の様子を説明する。図３では、吸気行程初期（A）、燃料噴射時期（B）、吸気行程中期（C）及び吸気行程後期（D）の順に示されている。吸気行程が開始されると、その初期（A）では、ピストン１４が吸気バルブ３２および排気バルブ３４が開かず、閉じたままの状態で下降することになり、燃焼室３０内が減圧され負圧状態となる。そして、この負圧状態でインジェクタ４０から燃料が噴射される（B）と、該燃料は所謂減圧沸騰して微粒化ないしは気化拡散することになる。そこで、吸気行程中期（C）において、排気バルブ３４が開かれ、高温の排気ガス（EGR）が導入されると、さらに良好に蒸発（気化）が促進される。そして、吸気行程後期（D）に吸気バルブ３２が開かれ、新気が導入されたときには、該気化した燃料は新気と良好に混合され、筒内にほぼ均一な混合気が形成されるのである。つまり、上記のような制御を実施することにより、燃料が液滴のまま燃焼室３０内を浮遊することがなくなり、また、燃料が液滴のままピストン１４の頂面や、シリンダ壁面の燃焼室壁面に付着することがなくなり、燃焼が緩慢となることなく未燃炭化水素（ＨＣ）やスモークの発生が好適に防止される。
【００２７】
また、燃料がシリンダ壁面に付着することがないため、シリンダ壁面上にピストン１４の上下動毎に塗布される潤滑油の油膜が燃料で希釈されてしまうこともなくなり、シリンダとピストン１４間の潤滑が良好に維持され、ピストンリングやシリンダ壁面の摩耗が好適に防止される。
【００２８】
ところで、上述した制御の一形態は、吸気行程の一部において排気バルブ３４を開くことによる、いわゆる内部EGRにより、外部EGRを行うことなく必要なEGR量が確保されること、および、排気バルブ３４を閉じた後に、吸気バルブ３２を開くことにより、必要な新気量が確保できるということを前提とした制御である。ところが、吸気行程は、クランク角度において、高々１８０°の回転区間に限られているので、エンジンの高速時等の運転状態によっては、必要なEGR量や新気量が不足する可能性がある。
【００２９】
そこで、例えば、EGR量を確保するために排気バルブ３４の開期間を長く取るような場合には、燃料噴射可能期間を短くせざるを得ないことになるが、この燃料噴射可能期間内に、運転状態から必要とされる要求噴射量Qvを噴射できないときには、吸気行程での噴射量は一定とし、その不足分につき圧縮上死点付近において燃焼室３０に噴射するようにしてもよい。
【００３０】
また、要求EGR量Gegrに対し、上述の排気バルブ３４の開期間のみではEGR量が不足するような場合には、例えば、排気バルブ３４の開期間を一定として、吸気バルブ３２が開かれた新気導入期間に外部EGRとして不足分を供給するようにしてもよい。この場合には、吸気絞り３、ターボチャージャ５の可変ノズルおよびEGR制御バルブ７の開度を適切に制御することにより、換言すると、吸気通路２と排気通路４との圧力差と両者を連通するEGR通路６の開口面積とを制御することにより、新気に加えられる外部EGR量を制御することになる。
【００３１】
さらに、上述した制御の一形態において、吸気バルブ３２の開期間内には充分な新気量が得られないと予測される場合には、吸気バルブ３２の開期間が一定の短期間とされても、前述のターボチャージャ５の可変ノズルを制御することによる過給圧を高めるような制御を行い、新気量の不足が生じないようにする。また、吸気バルブ３２の開時期は、排気バルブ３４が閉じられた後に限られることはなく、排気ガスの導入が先に行われる限り、吸気バルブ３２と排気バルブ３４とが多少のオーバーラップを伴って開かれるようにしてもよい。
【００３２】
なお、上述の本発明による制御は、エンジンの全運転範囲に亘って行うことも可能であるが、一部の運転領域においてのみ行わせるようにしてもよい。すなわち、予混合燃焼を行わせることが有効な運転領域に限って行わせ、他の領域においては、通常の吸排気バルブの開閉制御による圧縮行程噴射を行わせてもよい。
【００３３】
また、本実施の形態では、筒内圧力Pｓを検出するのに筒内圧センサ５８を用いるようにしたが、この筒内圧力Pｓは、所定のパラメータ値から計算によって求めることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態の概要を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態の制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態の吸気行程の様子を説明する線図であり、（A）は吸気行程初期、（B）は燃料噴射時期、（C）は吸気行程中期、および（D）は吸気行程後期を示す。
【符号の説明】
【００３５】
２    吸気通路
３    吸気絞り
４    排気通路
５    ターボチャージャ
６    EGR通路
７    EGR制御バルブ
１０    エンジン
１４    ピストン
３０    燃焼室
３２    吸気バルブ
３４    排気バルブ
３６    吸気バルブ駆動機構
３８    排気バルブ駆動機構
４０    インジェクタ
５１    クランク角センサ
５２    気筒判別センサ
５３    アクセル開度センサ
５４    吸気圧センサ
５５    吸気温センサ
５６    排気圧センサ
５７    排気温センサ
５８    筒内圧センサ
６０    ECU
ΘNe    クランク角度
Ne    エンジン速度
Θac    アクセル開度
Qｖ    要求燃料噴射量
GairNew    要求新気量
Gegr    要求EGR量
Pex    排気マニホルド内圧力
Tex    排気マニホルド内温度
Θinj    燃料噴射時期
Pｓ    筒内圧力
Θexclose    排気バルブの閉時期
【図１】
2005083323.tif 000003
【図２】
2005083323.tif 000004
【図３】
2005083323.tif 000005