(57)【要約】  【課題】  機関冷間時における燃料気化促進及び燃焼安定性の向上を図る。  【解決手段】  燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気弁の開閉時期を変更する位相変更機構と、を有する。機関冷間時には、吸気弁の開閉時期を大幅に遅らせて（Ｐ１）、吸気弁閉時期ＩＶＯを吸気ＢＤＣよりも遅角させ（α）、混合気の一部を吸気ポートに戻すことによって、気化促進を図る。また、吸気行程中にマイナスオーバーラップ期間βを設け、負圧の発達する期間βの後半に燃料を噴射することにより（ＩＴ）、気化促進を図る。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気弁の開閉時期を変更する吸気可変動弁手段と、を有する筒内直噴式内燃機関の制御装置において、
機関冷間時には、吸気行程中に燃料を噴射するとともに、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも遅角させることを特徴とする筒内直噴式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
上記機関冷間時には、吸気行程中に吸気弁と排気弁の双方が閉じているマイナスオーバーラップ期間を設け、このマイナスオーバーラップ期間の後半に燃料噴射時期を設定したことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
排気弁の開閉時期を変更する排気可変動弁手段を有し、
上記機関冷間時には、排気弁閉時期を排気上死点よりも遅角させて、吸気行程前半に排気弁のみが開いている期間を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
排気弁の開閉時期を変更する排気可変動弁手段を有し、
上記機関冷間時には、排気弁閉時期を排気上死点よりも進角させて、排気行程後半に吸気弁及び排気弁の双方が閉じている期間を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気弁の開閉時期を変更する手段と、を有する筒内直噴式内燃機関の制御方法において、
機関冷間時には、吸気行程中に燃料を噴射するとともに、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも遅角させることを特徴とする筒内直噴式内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内直噴式内燃機関に関し、特に、機関冷間時に燃料の気化を促進する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料の気化を促進する技術として、特許文献１では、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射式内燃機関において、機関高負荷時に、吸気行程中に燃料を噴射して吸気弁の傘部背面に衝突させ、この燃料を吸気ポート側へ反射させることにより、吸気ポート内で燃料の気化を促進させることが記載されている。
【特許文献１】特開平８−７９３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直噴式内燃機関で、機関冷間時における燃料の気化を促進し、燃焼安定性を高めることをその技術的課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気弁の開閉時期を変更する吸気可変動弁手段と、を有する筒内直噴式内燃機関の制御において、機関冷間時には、吸気行程中に燃料を噴射するとともに、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも遅角させることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、機関冷間時に、吸気行程中に燃焼室内に燃料が噴射されて燃焼室内に混合気が形成され、かつ、吸気弁閉時期を吸気下死点よりも遅角させているために、燃焼室内の混合気の一部が吸気ポート側へ吹き返される。このように吸気ポートに吹き返された混合気は次回の吸気行程で吸気弁が開くことにより燃焼室内へ導入されるまでの期間、吸気ポートに滞留するために、この混合気（燃料）の気化が促進される。従って、機関冷間時における燃料の気化を促進し、良好な均質混合気を形成することができ、機関冷間時の燃料安定性を向上することができる。
【０００６】
吸気ポートへ戻されて次回のサイクルに繰り越される燃料量と、前回のサイクルで吸気ポートへ戻されて燃焼室内へ導入される燃料量と、がほぼ相殺されることとなるので、燃料噴射量の制御、例えば目標空燃比へ向けたフィードバック制御を敢えて変更する必要がなく、しかも新たな追加部品を必要としないので、既存の機関への適用が極めて容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図５及び図６は、本発明に係る内燃機関の吸・排気弁４（吸気弁４Ａ又は排気弁４Ｂ）の開閉時期を変更可能な可変動弁手段の例として、吸・排気弁４の作動角及びバルブリフト量の双方を連続的に変更可能なリフト作動角可変機構（ＶＥＬ）１と、吸・排気弁４のバルブリフト量や作動角を変化させることなく、その作動角の中心位相（クランク角に対する位相）を連続的に進角もしくは遅角させることにより、吸・排気弁４の開閉時期を連続的に変更可能な位相可変機構２と、を示している。なお、これらの機構１，２は既に公知であるため、ここでは簡単な説明にとどめる。
【０００８】
リフト・作動角可変機構１は、機関出力軸であるクランクシャフト（図示せず）により回転駆動される駆動軸６に偏心して設けられる偏心カム７と、油圧駆動式や電動式のアクチュエータ１６により回転位置が変更・保持される制御軸８と、この制御軸８に偏心して設けられる制御偏心カム９と、この制御偏心カム９に揺動可能に取り付けられるロッカアーム１０と、駆動軸６に揺動可能に取り付けられる揺動カム１２と、偏心カム７とロッカアーム１０の一端とを連係する第１リンク１３と、ロッカアーム１０の他端と揺動カム１２の先端とを連係する第２リンク１４と、を有している。
【０００９】
クランクシャフトの回転に連動して駆動軸６が回転すると、偏心カム７のカム作用によって第１リンク１３，ロッカアーム１０，第２リンク１４を介して揺動カム１２が所定の揺動範囲内を揺動して、バルブリフタ１１を介して吸・排気弁４をバルブスプリング反力に抗して押し下し、吸・排気弁４を開閉作動させる。また、エンジンコントロールユニット１７からの制御信号によってアクチュエータ１６により制御軸８の角度位置を変更すると、ロッカアーム１０の揺動支点である制御偏心カム９の初期位置が変化し、揺動カム１２の所期位相（揺動角）が変化して、吸・排気弁４のバルブリフト量（最大リフト量）及び作動角の双方が連続的に拡大又は縮小する。特に、このリフト・作動角可変機構１にあっては、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸・排気弁４の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化し、つまりリフト中心角は実質的に変化しない。
【００１０】
このようなリフト・作動角可変機構１は、コンパクトで機関搭載性に優れ、既存の直動型の動弁系に対して少ない設計変更で容易に適用できる。また、バネやスプリングのない機械的なリンク列で構成されているために損失が少なく、しかも、その摺動部分の多くが面接触であるために、信頼性・耐久性に優れ、潤滑も行い易い。
【００１１】
位相可変機構２は、図６にも示すように、クランクシャフトにより回転駆動されるスプロケット１９を備えた第１回転体２０と、駆動軸（又は固定動弁系のカムシャフト）６の前端部に固定され、この駆動軸６とともに回転する第２回転体２１と、を有している。第２回転体２１は第１回転体２０の内部に同軸上に収容配置されている。第１回転体２０には径方向内方へ張り出した凸部２２が４箇所に形成されており、隣り合う凸部２２間の空間が、第２回転体２１に設けられた４つのベーン２４によって、それぞれ、進角室２５と遅角室２６とに液密に隔てられている。再び図５を参照して、油圧制御弁２７には、進角室２５及び遅角室２６へ通ずる油路Ｙ１，Ｙ２と、油圧源である油圧ポンプ２８から油圧が供給される油圧供給油路Ｙ３と、オイルパン２９側へ作動油を排出するドレーン油路Ｙ４とが接続されている。エンジンコントロールユニット１７からの制御信号により油圧制御弁２７をＯＮ−ＯＦＦ駆動（デューティー制御）することにより、上記油路Ｙ１〜Ｙ４の接続状態が切り換えられて、進角室２５及び遅角室２６の油圧がそれぞれ調整され、第１回転体２０と第２回転体２１との相対回転位置が変化し、スプロケット１９と駆動軸６とが相対的に回転して、吸気弁のリフト量及び作動角が一定のまま、その中心角の位相が遅進し、吸・排気弁４の開閉時期が連続的に変化する。
【００１２】
制御部としてのエンジンコントロールユニット１７は、各種制御処理を記憶及び実行するものであり、クランク角センサ１８等により検出される機関回転数、負荷、油水温等に基づいて、上記のリフト・作動角可変機構１及び位相可変機構２の他、後述する燃料噴射弁３３や点火プラグ３４（図７参照）等へ制御信号を出力し、その動作を制御する。リフト・作動角可変機構１ならびに位相可変機構２の制御としては、実際のリフト・作動角あるいは位相を検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。
【００１３】
図３は本発明に係る内燃機関の一例を示しており、（Ａ）は吸気行程における燃料噴射直後、（Ｂ）は圧縮行程に吸気弁が未だ開いている状態を示している。この内燃機関は、シリンダ３０内に昇降可能に嵌合するピストン３１の上方に形成された燃焼室３２に直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁３３と、燃焼室３２内の混合気を火花点火する点火プラグ３４と、を有する筒内直接噴射式の火花点火内燃機関である。燃焼室３２には、吸気弁４Ａにより開閉される吸気ポート３５から吸気が供給され、排気弁４Ｂにより開閉される排気ポート３６から排気ガスが排出される。
【００１４】
図１〜図４は、それぞれ本発明の第１〜第４実施例に係る機関冷間時、つまり燃料の気化を促進して燃焼安定性を高める必要のある運転状態でのバルブリフト特性を示している。なお、図中、破線の特性は、機関冷間時を含めた一般的なバルブリフト特性つまり通常特性を示している。
【００１５】
図１に示す第１実施例では、吸気弁４Ａ側に位相可変機構２を適用している。排気弁４Ｂの開時期ＥＶＯは膨張ＢＤＣ（下死点）近傍、より詳しくは膨張ＢＤＣから僅かに進角側に固定され、排気弁の閉時期ＥＶＣは排気ＴＤＣ（上死点）近傍、より詳しくは排気ＴＤＣより僅かに遅角側に固定されている。そして、機関冷間時には、矢印Ｐ１に示すように位相可変機構２によって吸気弁の開閉時期を通常設定に対して大幅に遅らせることにより、吸気弁の開時期ＩＶＯを排気ＴＤＣ及び排気弁閉時期ＥＶＣよりも大幅に遅角させるとともに、吸気弁の閉時期ＩＶＣを吸気ＢＤＣに対よりも遅角分αだけ大幅に遅角させている。従って、吸気行程中に吸気弁と排気弁の双方が閉じているマイナスオーバーラップ区間βが確保されている。この機関冷間時における燃料噴射時期ＩＴは、吸気行程におけるマイナスオーバーラップ区間βの後半、より詳しくはＩＶＯの直前に設定されている。
【００１６】
このような本実施例によれば、機関冷間時には、図７（Ａ）にも示すように、吸気行程中に吸，排気弁４Ａ，４Ｂの双方が閉じている状態で燃焼室３２内に燃料が噴射されて燃焼室３２内に混合気が形成される。また、吸気弁閉時期ＩＶＯを吸気ＢＤＣよりも遅らせているために、図７（Ｂ）に示すように圧縮行程の前半では、吸気弁閉時期ＩＶＣまでの期間α、燃焼室３２内の混合気の一部が吸気ポート３５側へ吹き返される。この吹き返された燃料を含む混合気は次回の吸気行程で吸気弁４Ａが開くことにより燃焼室３２内へ再び供給されるまで吸気ポート３５内に残留されるため、この吸気ポート３５内で燃料の気化が十分に促進される。従って、機関冷間時における燃料の気化性能を向上して良好な均質混合気を形成することができ、安定した燃料安定性を得ることができる。
【００１７】
上述したように吸気ポート３５へ混合気（燃料）が逆流するものの、このように吸気ポート３５へ戻されて次回のサイクルに繰り越される燃料量と、前回のサイクルで吸気ポート３５へ戻されて燃焼室３２内へ導入される燃料量と、がほぼ相殺する形となるので、燃料噴射量や空燃比の既存の制御、例えば目標空燃比へ向けたフィードバック制御等を敢えて変更する必要がなく、しかも新たな追加部品を必要としないので、既存の内燃機関への適用が極めて容易である。
【００１８】
また、吸気行程中にマイナスオーバーラップ区間βが設定され、負圧の発達するマイナスオーバラップ区間βの後半に燃料を噴射しているために、燃料の気化が更に促進され、かつ、燃料噴射直後に吸気弁が開くことによって吸気ポート３５へ勢い良く混合気が吹き戻されるために、上記吸気ポート３５内での燃料気化効果をより一層効果的に得ることができる。
【００１９】
図２に示す第２実施例では、吸気弁４Ａに作動角可変機構１と位相可変機構２の双方を適用している。そして、機関冷間時には、通常設定に対して、矢印Ｐ１に示すように位相可変機構２により吸気弁の開閉時期を大幅に進角させるとともに、矢印Ｐ２に示すように作動角可変機構１により吸気弁のリフト・作動角を大幅に縮小している。これによって、第１実施例と同様の効果が得られることに加え、吸気ＢＤＣからＩＶＣまでの遅角量α及びマイナスオーバラップ区間βを更に大きく確保することができ、燃料の気化をより一層促進し、燃焼安定性を更に向上することができる。
【００２０】
図３に示す第３実施例では、上記第２実施例に加え、更に排気弁４Ｂ側にも位相可変機構２を適用している。そして、機関冷間時には、上記第２実施例と同様に吸気弁側のリフト特性を設定するとともに、矢印Ｐ３に示すように排気弁側の位相変更機構によって排気弁の開閉時期を通常設定よりも大幅に遅角させている。そして、排気ＴＤＣから排気弁閉時期ＥＶＣまでの遅角量γ、つまり吸気行程の前半に排気弁のみが開いている期間γを確保している。そして、この期間γの後に上記のマイナスオーバーラップ期間βが確保されている。従って、上記第２実施例と同様の効果が得られることに加え、排気弁が開いている吸気行程前半に一旦排気ポート３６へ排出された排気ガスの一部が燃焼室３２へ戻される、いわゆる内部ＥＧＲ効果によって、筒内温度を向上し、更なる気化促進を図ることができる。
【００２１】
図４に示す第４実施例では、第３実施例と同様、排気弁４Ｂ側にも上記の位相変更機構２を適用している。そして、機関冷間時には、矢印Ｐ４に示すように排気弁側の位相変更機構によって排気弁の開閉時期を上記第３実施例とは逆に通常設定よりも大幅に進角させている。これによって、排気弁閉時期ＥＶＣを排気ＴＤＣよりも大幅に進角させ、排気行程の後半に吸気弁と排気弁の双方が閉じている期間γ’を確保している。そして、この期間γ’の後、つまり排気ＴＤＣ後に、マイナスオーバーラップ期間βを十分に確保することができる。従って、上記第２実施例と同様の効果が得られることに加え、排気行程の途中で排気弁が閉じることにより排気ガスの一部が燃焼室３２内に封じ込められる、いわゆる内部ＥＧＲ効果によって、上記第３実施例と同様、筒内温度を向上し、更なる気化促進を図ることができる。また、この第４実施例では、第３実施例に対し、ＴＤＣ近傍で吸，排気弁がともに閉じているためにピストンとの干渉のおそれがなく、またポンピング損失が抑制される点で有利である。
【００２２】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、吸気弁や排気弁の開閉時期を変更する可変動弁手段としては、上記のリフト・作動角可変機構や位相可変機構に限られず、低速・高速カム切換機構や電磁動弁等の他の手法を用いるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施例に係る機関冷間時のバルブリフト特性の設定を示す特性図。
【図２】本発明の第２実施例に係る機関冷間時のバルブリフト特性の設定を示す特性図。
【図３】本発明の第３実施例に係る機関冷間時のバルブリフト特性の設定を示す特性図。
【図４】本発明の第４実施例に係る機関冷間時のバルブリフト特性の設定を示す特性図。
【図５】本発明の可変動弁手段の一例としてのリフト・作動角可変機構を簡略的に示す斜視図。
【図６】本発明の可変動弁手段の一例としての位相変更機構を示す断面対応図。
【図７】本発明に係る筒内噴射式内燃機関の一例を示し、（Ａ）が吸気行程中の燃料噴射直後、（Ｂ）が圧縮行程前半の様子を示す説明図。
【符号の説明】
【００２４】
１…リフト・作動角可変機構（可変動弁手段）
２…位相変更機構（可変動弁手段）
４Ａ…吸気弁
４Ｂ…排気弁
１７…エンジンコントロールユニット
３３…燃料噴射弁
【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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【図６】
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【図７】
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