(57)【要約】【課題】  エンジンの燃焼室内にエア噴射弁を介してエア（２次空気）を直接供給する、２次空気供給装置に関し、ダイレクト始動時の燃焼性を高めて、少ないエアで確実に且つ速やかにエンジンを始動できるようにする。【解決手段】  燃焼室１ａに燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室１ａ内に２次空気を供給するエア噴射弁と、２次空気の供給経路４上に設けられて２次空気の酸素濃度を高める酸素富化膜６とをそなえるとともに、エンジン１の始動時には、エンジン１の始動前に膨張行程で停止していた気筒に対して燃料及び２次空気を噴射するように構成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に直接燃料を噴射する火花点火式筒内噴射型エンジンに２次空気を供給する装置であって、
該燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
該燃焼室内に該２次空気を供給するエア噴射弁と、
該２次空気の供給経路上に設けられ、該２次空気の酸素濃度を高める酸素富化膜とをそなえるとともに、
該エンジンの始動時には、該エンジンの始動前に膨張行程で停止していた気筒に対して該燃料及び該２次空気を噴射する
ことを特徴とする、エンジンの２次空気供給装置。
【請求項２】
該燃料噴射弁と該エア噴射弁とが一体に構成されている
ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンの２次空気供給装置。
【請求項３】
該２次空気の供給経路上であって該酸素富化膜の上流側に該２次空気を取り込んで圧縮する圧縮機が設けられている
ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンの２次空気供給装置。
【請求項４】
該酸素富化膜の下流側に該２次空気を高圧で蓄圧する蓄圧器が設けられ、
該エンジンの始動時には該蓄圧器に蓄えられた２次空気を該燃焼室に供給する
ことを特徴とする、請求項３記載のエンジンの２次空気供給装置。
【請求項５】
該酸素富化膜の下流側に設けられ、該２次空気を高圧で蓄圧する蓄圧器と、
該酸素富化膜の上流側から分岐して該蓄圧器の下流側で合流するバイパス路と、
該蓄圧器の下流側であって該バイパス路の合流部の上流側に設けられた第１開閉弁と、
該バイパス路上に設けられた第２開閉弁とをそなえ、
該エンジンの始動時には、該蓄圧器の２次空気が所定圧力以上であると、該第１開閉弁を開くとともに該第２開閉弁を閉じ、該エンジンの始動後に、該第１開閉弁を閉じるとともに該第２開閉弁を開く
ことを特徴とする、請求項３記載のエンジンの２次空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの燃焼室内にエア噴射弁を介してエア（２次空気）を直接供給する、２次空気供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンの燃料噴射に関する技術として、燃料噴射時に２次空気を燃焼室内に供給するようにした技術が知られている。この技術は、吸気行程で吸入した新気以外に、燃料噴射と略同時にシリンダ内にエア（２次空気）を供給するものであって、このようなエアの追加によりシリンダ内における流れの乱れを促進でき、燃料の微粒化及び気化の促進を図ることができる。また、これにより燃焼効率が向上して燃費及び出力の向上を図ることができる。
【０００３】
ところで、近年では燃料を燃焼室内に直接噴射するようにした、火花点火式筒内噴射型エンジン（以下、単に筒内噴射エンジンという）が実用化されている。このような筒内噴射エンジンでは、空燃比が超リーンの状態でも運転可能であり、吸気ポートに燃料を噴射する一般的なエンジンよりも燃費を大幅に向上させることができる。
そして、このような筒内噴射エンジンと２次空気供給装置とを組み合わせることにより、さらなる燃費向上を図ることができる。なお、このような技術は、例えば下記の特許文献１にも開示されている。
【特許文献１】特開平１１−８２２２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述したような筒内噴射エンジンでは、エンジンの始動時には、それまで膨張行程で停止してた気筒に対して燃料を噴射して点火することで、速やかにエンジンを始動させることができる（以下、このような始動をダイレクト始動という）。しかしながら、このようなダイレクト始動では、新気を取り込んで圧縮するという行程がないため、シリンダ内のエアの残存容量は限られている。
【０００５】
したがって、ダイレクト始動時に単に膨張行程の気筒に燃料を供給し点火しても十分な燃焼が得られない場合がある。そこで、このようなダイレクト始動時に、上述したような２次空気を供給することで始動性を高めることが考えられる。
しかしながら、始動時に要求されるエアの量は、通常運転時のエア噴射量に比べると大量であり、エア噴射弁からこのような大量のエアを供給するのは困難であるという課題がある。
【０００６】
なお、特許文献１の技術は、高負荷運転域又は高回転運転域にあるとエアの供給圧力を高め、エアの噴射量の増大を図るものであって、このような課題を解決するものではなかった。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、ダイレクト始動時の燃焼性を高めて、少ないエアで確実に且つ速やかにエンジンを始動できるようにした、エンジンの２次空気供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、本発明のエンジンの２次空気供給装置は、シリンダ内に直接燃料を噴射する火花点火式筒内噴射型エンジンに２次空気を供給する装置であって、該燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃焼室内に該２次空気を供給するエア噴射弁と、該２次空気の供給経路上に設けられ、該２次空気の酸素濃度を高める酸素富化膜とをそなえるとともに、該エンジンの始動時には、該エンジンの始動前に膨張行程で停止していた気筒に対して該燃料及び該２次空気を噴射することを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
なお、該燃料噴射弁と該エア噴射弁とを一体に構成するのが好ましい（請求項２）。
また、該２次空気の供給経路上であって該酸素富化膜の上流側に該２次空気を取り込んで圧縮する圧縮機を設けて構成してもよい（請求項３）。
さらに好ましくは、該酸素富化膜の下流側に該２次空気を高圧で蓄圧する蓄圧器が設けられ、該エンジンの始動時には該蓄圧器に蓄えられた２次空気を該燃焼室に供給するように構成する（請求項４）。
【０００９】
また、該酸素富化膜の下流側に設けられ、該２次空気を高圧で蓄圧する蓄圧器と、該酸素富化膜の上流側から分岐して該蓄圧器の下流側で合流するバイパス路と、該蓄圧器の下流側であって該バイパス路の合流部の上流側に設けられた第１開閉弁と、該バイパス路上に設けられた第２開閉弁とをそなえ、該エンジンの始動時には、該蓄圧器の２次空気が所定圧力以上であると、該第１開閉弁を開くとともに該第２開閉弁を閉じ、該エンジンの始動後に、該第１開閉弁を閉じるとともに該第２開閉弁を開くように構成してもよい（請求項５）。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のエンジンの２次空気供給装置によれば、エンジンの始動時には、酸素富化膜を透過して得られる酸素濃度の高い２次空気が、燃料とともに膨張行程の気筒に供給されるので、たとえ２次空気の供給量自体が少なくても始動時に安定した燃焼が得られ、速やかに且つ確実にエンジンを始動させることができる。なお、該燃料噴射弁と該エア噴射弁とを一体に構成することにより、装置全体の小型化を図ることができる。また、２次空気を圧縮機で圧縮しているので、高圧のシリンダ内にも確実に２次空気を供給することができる。
【００１１】
また、エンジンの始動時には蓄圧器に蓄えられた２次空気を燃焼室に供給するので、始動時に圧縮機が作動するよりも早く高圧な２次空気を供給することができる。また、エンジン始動後は、酸素富化膜をバイパスするバイパス路を介して２次空気を供給することにより、酸素富化膜を空気が透過する際に生じる圧力損失を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面により、本発明の一実施形態に係るエンジンの２次空気供給装置について説明すると、図１はその全体構成を示す模式図であって、図２及び図３はいずれもその作用を説明するためのフローチャートである。
図１において、符号１はエンジン、１ａは燃焼室又はシリンダ、１ｂはピストン、１ｃは点火プラグであって、本実施形態では、エンジン１は、燃焼室１ａ内に直接燃料を噴射する火花点火式筒内噴射型エンジン（以下、筒内噴射エンジンという）が適用されている。また、この筒内噴射エンジン１では、始動時には膨張行程の気筒に対して燃料を噴射して点火する、いわゆるダイレクト始動が実行されるようになっている。
【００１３】
また、このエンジン１には燃料及び２次空気（又は単にエアという）を直接燃焼室１ａ内に噴射可能なインジェクタ２が設けられている。ここで、インジェクタ２は、燃焼室１ａに燃料を噴射するフューエルインジェクタ（燃料噴射弁）と、燃焼室１ａ内にエアを供給するエアインジェクタ（エア噴射弁）とから構成されており、本実施形態では、これら２つのインジェクタが一体に構成されている。なお、以下では、エアインジェクタのみを指す場合についても符号２を用いる。
【００１４】
また、インジェクタ２には燃料を供給するための燃料供給ライン（燃料供給経路）３と、２次空気を供給するエア供給ライン（エア供給経路）４とが接続されている。このうち、燃料供給ライン３上には、図示はしないが、燃料タンク内の燃料を所定の圧力まで加圧する高圧ポンプや、燃料供給ライン３の燃料圧力を所定圧に調整するための調圧弁等が設けられている。
【００１５】
一方、エア供給ライン４上には、上流側から順に、コンプレッサ（圧縮機）５，酸素富化膜６，アキュムレータ（蓄圧器）７及び開閉弁（第１開閉弁）８が設けられている。このうち、コンプレッサ５は大気を取り込んで、圧縮行程時の燃焼室１ａ内の圧力よりも高い所定圧力までエアを加圧するものであり、エンジン１の駆動力により駆動されるようになっている。
【００１６】
また、酸素富化膜６は、空気中の物質のうち特に酸素を速やかに透過させる膜であって、具体的には厚さを０．１μｍ程度のシリコン製の薄膜により形成されている。そして、このような酸素富化膜６を設けることにより、この酸素富化膜６よりも下流側において、空気中の酸素濃度が高められるようになっている。また、アキュムレータ７は、エンジン１の運転中に、次回の始動に備えてエアを一時的に蓄えておくものであり、また、開閉弁８はエア供給ライン４を遮断したり連通させたりする弁である。
【００１７】
一方、図示するように、エア供給ライン４には、酸素富化膜６，アキュムレータ７及び第１開閉弁８をパイパスするバイパス路９が接続されている。具体的には、バイパス路９は、エア供給ライン４に対して酸素富化膜６の上流側から分岐して第１開閉弁８の下流側で合流している。また、バイパス路９上には、バイパス路９を遮断したり連通させたりする開閉弁（第２開閉弁）１０が設けられている。
【００１８】
また、図示はしないが、上記第１開閉弁８及び第２開閉弁１０の作動を制御するためのコントローラが設けられている。このコントローラには、エンジンの回転数を検出するエンジン回転数センサや、アキュムレータ７内の圧力を検出する圧力センサや、エンジンキーがスタート位置にあるか否かを検出するキースイッチ（いずれも図示省略）が接続されており、コントローラでは、これらの各センサ類からの情報に基づいて、各開閉弁８，１０に対する制御信号を設定するようになっている。なお、本実施形態では、各開閉弁８，１０は供給される電気信号のオンオフに基づいて作動する電磁弁が適用されている。
【００１９】
そして、本実施形態においては以下のようにして、各開閉弁８，１０が制御されるようになっている。すなわち、エンジン１の通常運転時においては、第１開閉弁８は閉状態、第２開閉弁は開状態に制御され、これにより、通常はコンプレッサ５で加圧されたエアがバイパス路９及びエア供給ライン４を介してエアインジェクタ２に供給される。
したがって、通常運転時には燃料とともにエア（２次空気）が供給され、このようなエアの追加によりシリンダ１ａ内における空気の乱れが促進される。この結果、燃料の微粒化が促進されるとともに燃料の気化が促進されて燃焼効率が向上し、燃費及び出力の向上が図られる。
【００２０】
一方、車両の減速運転（ブレーキオン又はアクセルオフ）等、所定の条件が成立した場合には、第１開閉弁８を閉状態に保持したまま、第２開閉弁１０を閉に切り替える。これにより、コンプレッサ５で加圧されたエアは、酸素富化膜６を透過した後、アキュムレータ７内に蓄えられる。
そして、圧力センサからの情報に基づいて、アキュムレータ７内の圧力Ｐが所定値Ｐｔ以上になったと判定すると、第２開閉弁１０を再び開状態に切り換えてエアをバイパス路９に流すようになっている。なお、アキュムレータ７に蓄えられたエアは、次回のエンジン始動時（後述）に用いられる。
【００２１】
また、上記の所定の条件は、減速運転に限定されるものではなく、エンジンの出力要求が低い運転状態であれば種々適用可能である。例えば変速機がニュートラルレンジ又はパーキングレンジにある時や、パーキングブレーキ作動時や、車速＝０の時などを適用することができる。
次に、エンジン１の始動時について説明すると、始動時には、まずキースイッチからの情報に基づいて図示しないスタータの始動を判定する。そして、スタータの始動が判定されると、第１開閉弁８が開状態、第２開閉弁１０が閉状態に切り替えられる。これにより、エアインジェクタ２からは、アキュムレータ７に蓄えられたエアが燃焼室内１ａ内に供給される。ここで、アキュムレータ７に蓄えられたエアは、酸素富化膜６を透過した酸素濃度の高いエアであるので、このためエアの供給量自体が少なくても確実に燃料を燃焼させることができる。
【００２２】
つまり、すでに説明したように、筒内噴射エンジンではダイレクト始動を実行することで速やかにエンジンを始動させることができる利点があるものの、従来は、膨張行程にある気筒は始動時には空気の残存容量が少なく、始動時に安定した燃焼が得られないという課題があった。この場合、エアインジェクタ２から十分な量のエアを供給すれば、燃焼安定性を高めることはできるが、エアインジェクタ２からは始動時ほどの多量のエアを供給することが困難であり、従来は、エアインジェクタ２のエア供給量では十分な燃焼安定性を得ることができなかった。
【００２３】
これに対して、本装置では、上述したよう、エンジン１の始動時に酸素富化膜６を透過した酸素濃度の高いエアを燃焼室１ａに供給することにより、エンジン１の始動時にエア自体の供給量が少なくても燃料を燃焼させることができるので、燃焼安定性が向上し速やかに且つ確実にエンジン１を始動させることができる。また、通常運転時には、酸素富化膜６をバイパスするので、酸素富化膜６を透過する際に生じる圧力損失を回避することができる。
【００２４】
なお、エンジン始動前の前回の運転時に予めアキュムレータ７にエアを蓄えておくのは、エンジン始動時にはコンプレッサ５からの加圧エアの供給が間に合わないからである。つまり、エンジン始動と同時にコンプレッサ５を作動させても、エンジン１が始動するまでの間に十分に高圧なエアを速やかに供給するのが困難である。特に、本実施形態のようにエンジン１により駆動されるコンプレッサ５では、エンジン１のクランキング時には十分な加圧ができない。このため、エンジン１の運転時に、次回の始動に備えて酸素濃度の高いエアを予めアキュムレータ７に蓄えるようにしているのである。
【００２５】
本発明の一実施形態に係るエンジンの２次空気供給装置は、上述のように構成されているので、図２及び図３に示すフローチャートを用いてその作用を説明すると以下のようになる。
まず、始動時にスタータの作動が検出されると（ステップＳ１）、アキュムレータ７の圧力Ｐが検出され（ステップＳ２）、検出された圧力Ｐが所定圧力Ｐｔ以上か否かが判定される（ステップＳ３）。なお、ステップＳ１でスタータの作動が検出されなかった場合にはリターンする。
【００２６】
そして、アキュムレータ７の圧力Ｐが所定圧力Ｐｔ以上であれば、第１開閉弁８を開くとともに第２開閉弁１０を閉じて（ステップＳ４）、インジェクタ２から燃焼室１ａ内に向けて燃料及びエアを噴射し（ステップＳ５）、点火する（ステップＳ６）。これにより、始動時には、酸素富化膜６を透過した酸素濃度の高い空気がアキュムレータ７からエア供給ライン４を介して燃焼室１ａ内に供給されるので、ダイレクト始動時の燃焼安定性が向上し、速やかにエンジン１を始動させることができるようになる。
【００２７】
その後、第１開閉弁８を閉じるとともに第２開閉弁１０を開いて（ステップＳ７）、バイパス路９からエアを供給する。次に、エンジン回転数Ｎｅを検出し（ステップＳ８）、検出されたエンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｔ以上か否かが判定される（ステップＳ９）。なお、所定回転数Ｎｅｔは、エンジンの始動完了を判定するための回転数である。そして、エンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｔ以上であれば、スタータの作動をオフにして（ステップＳ１０）リターンする。また、エンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｔ未満の場合には所定回転数Ｎｅｔ以上となるまで、ステップＳ８，Ｓ９を繰り返す。
【００２８】
なお、上述のステップＳ３において、アキュムレータ７の圧力Ｐが所定圧力Ｐｔ未満であれば、第１開閉弁８を閉じるとともに第２開閉弁１０を開いて（ステップＳ１１）、パイパス路９からエアを供給して、燃料とともに燃焼室１ａ内に噴射する。
次に、図３を用いてアキュムレータ７への蓄圧時の作用について説明すると、まず、図示しないセンサ類からの情報に基づいて、蓄圧を実行するための所定の条件（蓄圧条件）が成立したか否かが判定される（ステップＳ５１）。なお、この場合は、上述したように、エンジンの出力要求が低い運転状態、例えば車両が減速運転になると所定の条件が成立したと判定される。
【００２９】
そして、所定の条件が成立していると判定されると、第１開閉弁８及び第２開閉弁１０がともに閉じられ（ステップＳ５２）、これにより酸素富化膜６を透過した酸素濃度の高いエアがアキュムレータ７に蓄えられる。また、上述のステップＳ５１において、所定の条件が成立していない場合には後述のステップＳ５５に進む。
次に、アキュムレータ７の圧力Ｐを検出し（ステップＳ５３）、アキュムレータ７の圧力Ｐが所定圧力Ｐｔ以上か否かが判定される（ステップＳ５４）。そして、圧力Ｐが所定圧力Ｐｔ以上となると、第１開閉弁８を閉じたまま第２開閉弁１０のみ開弁し（ステップＳ５５）、アキュムレータ７へのエアの蓄圧が終了するとともに、コンプレッサ５で加圧されたエアはバイパス路９を介してエアインジェクタ２にエアが供給される。
【００３０】
したがって、エンジン１の出力要求がないような運転状態において確実に酸素濃度の高いエアをアキュムレータ７に蓄えることができ、次回の始動を速やかに実行することができる。
以上詳述したように、本発明の一実施形態に係るエンジンの２次空気供給装置によれば、エンジン１の始動時には、酸素富化膜６を透過して得られる酸素濃度の高いエア（２次空気）が、燃料とともに膨張行程の気筒に供給されるので、たとえ２次空気の供給量自体が少なくても安定した燃焼が得られ、速やかに且つ確実にエンジンを始動させることができるという利点がある。また、エンジン１の始動後は、酸素富化膜６をバイパスしてエアを供給することにより、酸素富化膜６を透過する際に生じる圧力損失を回避することができるという利点がある。また、エンジン１の始動時にはアキュムレータ７に蓄えられたエアを燃焼室１ａに供給するので、始動時に速やかにエアを供給することができる。
【００３１】
また、本実施形態ではフューエルインジェクタとエアインジェクタ２とを一体に構成しているので、装置全体の小型化を図ることができる。また、エアをコンプレッサで圧縮しているので、例えば圧縮行程時の高圧のシリンダ１ａ内にも確実にエアを供給することができるという利点がある。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、上記の実施の形態ではバイパス路を設けたが、このようなバイパス路を設けず、エンジンの通常運転時にも常に酸素富化膜を透過したエアを燃焼室に供給するようにしても良い。また、上述したエアインジェクタ及びフューエルインジェクタをそれぞれ別体にして燃焼室に設けても良いし、コンプレッサを他の駆動源（例えばモータ）により駆動するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの２次空気供給装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るエンジンの２次空気供給装置の説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態に係るエンジンの２次空気供給装置の説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１  エンジン
１ａ  燃焼室又はシリンダ
１ｂ  ピストン
２  エアインジェクタ（エア噴射弁）
３  燃料供給ライン（燃料供給経路）
４  エア供給ライン（エア供給経路）
５  コンプレッサ（圧縮機）
６  酸素富化膜
７  アキュムレータ（蓄圧器）
８  第１開閉弁
９  バイパス路
１０  第２開閉弁
【図１】
2005291029.tif 000003
【図２】
2005291029.tif 000004
【図３】
2005291029.tif 000005