(57)【要約】【課題】ポート噴射式火花点火式内燃機関において、成層運転モードと非成層運転モードを容易に切り替えることのできる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】燃料噴射弁２０から噴射される噴霧燃料Ｆの噴射方向Ｌ２０を２つの吸気弁７Ａ，７Ｂの中心よりも気筒１１の中心側へ向け、排気行程内で燃料噴射を終了する成層運転モードと圧縮行程から排気行程内で燃料噴射を終了する非成層運転モードによって燃料噴射弁２０の噴射時期を制御し、成層運転モード時の燃料噴射弁２０の噴射終了時期を、燃料噴射期間が成層運転モード時と同じ若しくはそれよりも短い非成層運転モード時の噴射終了時期よりも遅くする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの吸気開口部を有する気筒と、該気筒に接続され、前記２つの吸気開口部を介して前記気筒の燃焼室とそれぞれ連通される２つの吸気通路と、該２つの吸気通路内にそれぞれ配されて前記吸気開口部を開閉する２つの吸気弁と、前記２つの吸気通路内に燃料を噴射する１つ以上の燃料噴射弁とを備える内燃機関の制御装置であって、
前記燃料噴射弁は、噴射される噴霧燃料の噴射方向が前記２つの吸気弁の中心よりも該２つの吸気弁の中心を結ぶ線分の中点寄りに設定され、
前記制御装置は、少なくとも排気行程内で燃料噴射を終了する成層運転モードと、圧縮行程から排気行程までの間で燃料噴射を終了する非成層運転モードとで、前記燃料噴射弁の噴射時期を制御しており、
前記成層運転モードにおける前記燃料噴射弁の噴射終了時期は、該燃料噴射弁の燃料噴射期間が該成層運転モードと同じ若しくはそれよりも短い前記非成層運転モードにおける前記燃料噴射弁の噴射終了時期よりも相対的に遅いことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は２つであって、２つの該燃料噴射弁からそれぞれ異なる吸気通路内に前記燃料が噴射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】
前記燃料噴射弁は、該燃料噴射弁から２つの噴射方向に噴霧燃料を噴射し、前記２つの噴射方向に噴射された噴霧燃料がそれぞれ異なる吸気通路内に供給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４】
前記燃料噴射弁は、該燃料噴射弁が備える複数の噴口から旋回した燃料を噴射する噴射ノズルを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
燃料噴射弁から噴射される噴霧燃料の噴口での軸方向平均速度をＶ、ザウタ平均粒径をｄ、噴口から吸気弁までの距離をＬ、液相燃料密度をρ、空気粘性係数をμとしたときに、これらで定義されるストークス数Ｓｔ＝ρｄ２Ｖ／（１８μＬ）が１以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
点火時期が圧縮行程上死点以降の場合には、成層運転モードで前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
内燃機関暖機時には成層運転モードとすると共に点火時期を圧縮行程上死点以降にし、内燃機関暖機終了時には非成層運転モードとすると共に前記点火時期を圧縮行程上死点より早くすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記内燃機関の冷却水温度、排気温度、触媒温度の少なくともいずれか１つが所定の温度よりも低い場合には成層運転モードとすると共に点火時期を圧縮行程上死点以降にし、前記内燃機関の冷却水温度、排気温度、触媒温度の少なくともいずれか１つが所定の温度を越えた場合には非成層運転モードへ移行すると共に前記点火時期を圧縮行程上死点より早くすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記気筒の燃焼室内のＥＧＲ率が所定のＥＧＲ率より高い側に少なくとも成層運転モードを設け、前記気筒の燃焼室内のＥＧＲ率が所定のＥＧＲ率より低い側に少なくとも非成層運転モードを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記内燃機関の制御装置は、前記２つの吸気通路の上流部に設けられたスロットル弁と、前記２つの吸気通路と排気通路とを繋ぐＥＧＲ管を流れる排ガス流量を調整するためのＥＧＲ弁とをさらに備え、
前記スロットル弁の開度一定において、前記ＥＧＲ弁開度が所定の開度より大きい側に少なくとも成層運転モードを設け、前記ＥＧＲ弁開度が所定の開度より小さい側に少なくとも非成層運転モードを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記内燃機関の制御装置は、前記２つの吸気通路の上流部に設けられたスロットル弁と、前記２つの吸気通路と排気通路とを繋ぐＥＧＲ管を流れる排ガス流量を調整するためのＥＧＲ弁とをさらに備え、
前記ＥＧＲ弁の開度一定において、前記スロットル弁開度が所定の開度より小さい側に少なくとも成層運転モードを設け、前記スロットル弁開度が所定の開度より大きい側に少なくとも非成層運転モードを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記成層運転モードにおいて、前記吸気弁の開弁開始時期を吸気上死点以降とすることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記成層運転モードにおいて、前記吸気弁の開弁開始時期を吸気上死点以降とし、前記非成層運転モードにおいて、前記吸気弁の開弁開始時期を吸気上死点以前とすることを特徴とする請求項１〜１１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１４】
２つの吸気開口部を有する気筒と、該気筒に接続され、前記２つの吸気開口部を介して前記気筒の燃焼室とそれぞれ連通される２つの吸気通路と、該２つの吸気通路内にそれぞれ配されて前記吸気開口部を開閉する２つの吸気弁と、前記２つの吸気通路内に燃料を噴射する１つ以上の燃料噴射弁とを備える内燃機関の制御装置であって、
前記燃料噴射弁は、噴射される噴霧燃料の噴射方向が前記２つの吸気弁の中心よりも該２つの吸気弁の中心を結ぶ線分の中点寄りに設定され、
前記制御装置は、吸気上死点前に燃料噴射が終了する同一噴射継続時間または同一噴射量における燃料噴射弁の噴射終了時期を、排気行程の後期と該排気行程の後期よりも進角時期に切り替えることで、前記燃料噴射弁の噴射時期を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１５】
前記燃料噴射弁の噴射終了時期を排気行程の後期にしたときに、前記吸気弁の開弁開始時期を排気弁の閉弁時期以降にすることを特徴とする請求項１４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１６】
前記燃料噴射弁の噴射終了時期を排気行程の後期より進角時期にしたときに、前記吸気弁の開弁開始時期を前記排気弁の閉弁時期よりも早くすることを特徴とする請求項１５に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１７】
２つの吸気開口部を有する気筒と、該気筒に接続され、前記２つの吸気開口部を介して前記気筒の燃焼室とそれぞれ連通される２つの吸気通路と、該２つの吸気通路内にそれぞれ配されて前記吸気開口部を開閉する２つの吸気弁と、前記２つの吸気通路内に燃料を噴射する１つ以上の燃料噴射弁とを備える内燃機関であって、
前記燃料噴射弁は、噴射される噴霧燃料の噴射方向が前記２つの吸気弁の中心よりも該２つの吸気弁の中心を結ぶ線分の中点寄りに設定されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項１８】
前記燃料噴射弁は２つであって、２つの該燃料噴射弁からそれぞれ異なる吸気通路内に前記燃料が噴射されることを特徴とする請求項１７に記載の内燃機関。
【請求項１９】
前記燃料噴射弁は、該燃料噴射弁から２つの噴射方向に噴霧燃料を噴射し、前記２つの噴射方向に噴射された噴霧燃料がそれぞれ異なる吸気通路内に供給されることを特徴とする請求項１７に記載の内燃機関。
【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及び内燃機関に関し、特に成層燃焼と均質燃焼を容易に切り替えることのできる内燃機関の制御装置及び内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
火花点火式内燃機関においては、燃焼室内での混合気の燃料濃度を均一にして燃焼させる均質運転モードと、点火プラグ周りの燃料濃度を他の部分よりも高くして燃焼させる成層運転モードがあることが知られている。均質燃焼モードでは燃料と空気が良く混じった状態で燃焼するため、不完全燃焼や煤の排出が少ないといった特長がある。その一方で、成層燃焼モードでは混合気への着火性が良く、また初期の火炎伝播速度が早いことから、燃料の着火や初期火炎伝播の不良に伴うサイクル変動を抑制できるといった特長がある。従って、希薄な混合気や大量の排気再循環（ＥＧＲ)ガスによって希釈された混合気を安定的に燃焼させたい場合にはこの成層燃焼モードが使用されている。また、火花点火式内燃機関では、冷間始動直後において触媒を早く活性化させるために点火時期を膨張行程の初期にまで遅角化する事が知られており、この点火遅角時においても燃焼を安定化させるために前記成層運転モードが使用されている。このように、均質運転モードと成層運転モードにはそれぞれ異なる特長があることから、要求される運転状態に応じて内燃機関の運転モードを均質運転モードと成層運転モードで切り替えることが望ましい。
【０００３】
ポート噴射式の火花点火式内燃機関において均質運転モードと成層運転モードを切り替える従来技術が、例えば特許文献１に開示されている。この従来技術は、２つの吸気ポートのそれぞれに備えられた燃料噴射弁から噴射された噴霧燃料が燃焼室の内部で交差するようにその噴射方向を設定し、燃焼形態を均質燃焼とする場合には吸気行程以前に燃料を噴射し、燃焼形態を成層燃焼とする場合には吸気行程で燃料を噴射するものである。これにより、吸気行程で２つの燃料噴射弁から噴射された噴霧燃料が燃焼室内で互いに衝突し、燃料が微粒化すると共に燃焼室への燃料の拡散が抑制されることで、燃焼室内で成層混合気が形成される。
【０００４】
また、ポート噴射式の火花点火式内燃機関において成層混合気を形成する別の従来技術が、特許文献２に開示されている。この従来技術は、着火手段側通路と反着火手段側通路に二分する隔壁を吸気ポートに設けると共に、この隔壁が吸気弁のステムよりも上流側の吸気ポートのほぼ全域に亘るように形成されているものである。このように吸気ポート内に隔壁を設けることで、運転条件に関わらず常に燃焼室内で成層混合気を形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２１６００４号公報
【特許文献２】特開平６−１０８９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、吸気行程で燃料を噴射すると、吸気弁の開口部を介して多くの噴霧燃料が直接燃焼室に流入する。一般に、噴霧燃料には様々な粒径の液滴が含まれているため、吸気行程で燃料を噴射すると、比較的粒径の大きな液滴も直接燃焼室に流入することになる。このような粒径の大きな液滴は強い慣性力を有し、燃焼室の壁面に衝突して液膜を形成し易く、燃焼室の壁面で液膜となった燃料は蒸発し難いため、未燃ＨＣや煤となって排出される可能性が高い。特許文献１に開示されている内燃機関においては、噴霧燃料を燃焼室内で衝突させることによって燃焼室壁面まで到達する液滴を減少させることができるものの、衝突によって二次的に飛散した液滴が壁面に付着するという問題がある。また、互いの噴霧燃料を燃焼室内で衝突させるために正確に燃料の噴射方向を規定する必要があり、内燃機関の製作公差が厳しくなるという問題もある。さらに、吸気行程で燃料を噴射すると、噴霧燃料の挙動が吸気行程で生じるガス流動に影響を受け易いため、内燃機関の回転数や負荷に対するロバスト性が低下するという問題もある。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている内燃機関においては、運転条件に関わらず常に成層混合気を形成することができるものの、既述した均質混合気の長所を享受することができない。また、吸気ポート内に隔壁を設けることで吸気ポートの流量係数が小さくなり、内燃機関の出力が低下するという問題や、内燃機関の製作工数が増加するという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、内燃機関の性能低下を抑制しながら、容易に成層運転モードと非成層運転モード（均質運転モード）を切り替えることのできる内燃機関の制御装置及び内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記する課題を解決するために、本発明にかかる内燃機関の制御装置は、２つの吸気開口部を有する気筒と、該気筒に接続され、前記２つの吸気開口部を介して前記気筒の燃焼室とそれぞれ連通される２つの吸気通路と、該２つの吸気通路内にそれぞれ配されて前記吸気開口部を開閉する２つの吸気弁と、前記２つの吸気通路内に燃料を噴射する１つ以上の燃料噴射弁とを備える内燃機関の制御装置であって、前記燃料噴射弁は、噴射される噴霧燃料の噴射方向が前記２つの吸気弁の中心よりも該２つの吸気弁の中心を結ぶ線分の中点寄りに設定されているものである。
【００１０】
上記する形態によれば、排気行程内で燃料噴射弁から２つの吸気弁の中心よりも前記２つの吸気弁の中心を結ぶ線分の中点寄りに燃料が噴射されることで、吸気弁の気筒中心側の表面近傍で多くの燃料液滴が浮遊する。ここで、噴射終了時期から吸気上死点までの期間が長いと、浮遊液滴が吸気弁表面全体に分散する。この状態で吸気弁が開いて吸気行程が始まると、燃料液滴は燃焼室内に均等に分散して均質混合気が形成されることとなる。一方、噴射終了時期を遅らせて噴射終了時期から吸気上死点までの期間を短くすると、浮遊液滴が吸気弁表面全体に分散する前に吸気行程が開始されて、吸気弁の気筒中心側の開口部からより多くの燃料液滴が燃焼室内に入るため、成層混合気が形成されることとなる。このように、吸気行程が開始する前に燃料を噴射することで、粒径が比較的大きな液滴が吸気弁上に付着し、粒径が比較的小さな液滴が選択的に吸気行程に流入して、未燃ＨＣや煤の排出の原因となる燃焼室壁面への燃料付着を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上の説明から理解できるように、本発明によれば、燃料噴射時期によって均質混合気と成層混合気の形成を容易に切り替えることできる。また、吸気ポート内の付加的な隔壁等が不要となると共に、内燃機関の出力や燃費の低下、内燃機関の製作工数の増大を抑制することができる。
【００１２】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る内燃機関の制御装置の実施例１が適用される内燃機関全体の縦断面図。
【図２】図１で示す内燃機関の燃料噴射部分の拡大上部平面図。
【図３】図２で示す燃料噴射弁の燃料噴射方向を示した図。
【図４】図２で示す燃料噴射弁から噴射される噴霧燃料の流量フラックス分布を説明した図であり、（ａ）は燃料噴射弁から噴射される噴霧燃料の定義を説明した図、（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ噴霧燃料の形態毎の流量フラックス分布を説明した等高線図。
【図５】図１で示す内燃機関のサイクルと吸気弁及び排気弁の開弁時期との関係を示した図。
【図６】図１で示す内燃機関始動後の制御フロー図。
【図７】図６で示す制御フローに基づいた制御操作の推移を時系列で示した図。
【図８】図６で示す制御フローに基づいた燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図であり、（ａ）は暖機モード時（成層運転モード）の燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図、（ｂ）は暖機モード終了時（非成層運転モード）の燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図。
【図９】実施例１における暖機モード時（成層運転モード）の噴霧燃料の形態を示した図であり、（ａ）は吸気上死点の噴霧燃料の形態を示した図、（ｂ）は吸気行程初期の噴霧燃料の形態を示した図。
【図１０】図９（ａ）で示す噴霧燃料の形態を排気側から見た模式図。
【図１１】図１で示す内燃機関における、吸気行程から圧縮行程の燃焼室内の空気流動を模式的に示した斜視図。
【図１２】図１で示す内燃機関における、暖機モード時（成層運転モード）の燃料点火時期における燃焼室内の混合気分布を模式的に示した斜視図。
【図１３】実施例１における暖機モード終了時（非成層運転モード）の噴霧燃料の形態を示した図であり、（ａ）は燃料噴射終了と吸気上死点の中間時期の噴霧燃料の形態を示した図、（ｂ）は吸気上死点の噴霧燃料の形態を示した図、（ｃ）は吸気行程初期の噴霧燃料の形態を示した図。
【図１４】図１３（ａ）で示す噴霧燃料の形態を排気側から見た模式図。
【図１５】図１３（ｂ）における吸気弁近傍の空気流動を示した模式図。
【図１６】ストークス数と燃料の壁面付着率との関係を示した図。
【図１７】ストークス数が１の場合の、燃料噴射速度とザウタ平均粒径の関係を示した図。
【図１８】実施例１に適した燃料噴射弁のノズル先端部の形態を示した縦断面図。
【図１９】図１８のＢ−Ｂ矢視図であって、オリフィスプレートと燃料の流動を説明した図。
【図２０】図１８で示す噴口から噴射される液膜を説明した縦断面図。
【図２１】本発明に係る内燃機関の制御装置の実施例２が適用される内燃機関の燃料噴射部分の拡大上部平面図。
【図２２】噴霧燃料の形態を説明した図であり、（ａ）は噴霧燃料の中心軸を説明した図、（ｂ）は噴霧燃料の流量フラックス分布を説明した等高線図、（ｃ）は（ｂ）で示す流量フラックスの積算を説明した図。
【図２３】本発明に係る内燃機関の制御装置の実施例３が適用される内燃機関の燃料噴射部分の拡大上部平面図。
【図２４】図２３で示す燃料噴射弁の噴射コーン角を説明した図。
【図２５】本発明に係る内燃機関の制御装置の実施例４が適用される内燃機関における、回転数とトルクに対するＥＧＲ量の設定を説明した図。
【図２６】実施例４におけるＥＧＲ運転時の制御フロー図。
【図２７】実施例４におけるＥＧＲ弁開度とスロットル弁開度に対する成層運転モードと非成層運転モードの設定領域を説明した図。
【図２８】実施例４における燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図であり、（ａ）は図２７で示すＡ点（非成層運転モード）における燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図、（ｂ）はＢ点（成層運転モード）における燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図。
【図２９】実施例４におけるＥＧＲ弁開度とスロットル弁開度に対する成層運転モードと非成層運転モードの設定領域を説明した図。
【図３０】実施例４における燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図であり、（ａ）は図２９で示すＣ点（非成層運転モード）における燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図、（ｂ）はＤ点（成層運転モード）における燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図、（ｄ）はＥ点（非成層運転モード）における燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図。
【図３１】内燃機関のサイクルに対する吸気弁と排気弁の開閉タイミングを示した図であり、（ａ）は成層運転モードに適した吸気弁と排気弁の開閉タイミングを示した図、（ｂ）は非成層運転モードに適した吸気弁と排気弁の開閉タイミングを示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
［実施例１］
まず、図１〜２２を参照して、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施例１について詳細に説明する。図１及び図２は、上記する実施例１が適用される内燃機関の基本構成を示したものであり、図１はその内燃機関全体の縦断面図、図２は内燃機関の燃料噴射部分の模式的な拡大上部平面図を示したものである。なお、以下で述べる実施例１〜４では、内燃機関が備える単一の気筒を抽出して説明するが、それらの実施例は、単気筒及び多気筒の内燃機関に適用することができる。
【００１６】
図１で示す内燃機関１は、シリンダブロック２と、シリンダヘッド９と、シリンダブロック２に挿入されたピストン３とを備え、このシリンダブロック２とシリンダヘッド９から内燃機関１の気筒１１が形成されると共に、気筒１１内には燃焼室４が形成されている。また、吸気ポート５と排気ポート６とが形成されており、この吸気ポート５と排気ポート６が気筒１１に接続され、気筒１１のシリンダヘッド９の吸気開口部１２と排気開口部１３を介して燃焼室４に開口してこの燃焼室４と流体連通されるようになっている。さらに、この吸気開口部１２と排気開口部１３を開閉するそれぞれ２つの吸気弁７と排気弁８（図２参照）が、シリンダヘッド９の吸気ポート５と排気ポート６内に配置されている。なお、図示しない可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）により、この吸気弁７の開弁時期、閉弁時期が変更可能となっている。そして、内燃機関１に備えられた燃料噴射弁２０から吸気ポート５内に噴射方向Ｌ２０で噴射された燃料Ｆは、吸気弁７の開弁時には、吸気開口部１２を介して吸気ポート５から燃焼室４へ供給されるようになっている。
【００１７】
また、吸気ポート５の上流部には、燃焼室４内に流入する空気の量を調整するためのスロットル弁２６と空気流量を検出するためのエアフローメータ２７が設けられている。さらに、排気ポート６と吸気ポート５とはＥＧＲ管（Exhaust Gas Recirculation：排気ガス再循環装置）２８によって繋がっており、排気ポート６の排ガスの一部がＥＧＲ管２８を通って吸気ポート５内へ戻るようになっている。なお、ＥＧＲ管２８を流れる排ガス流量はＥＧＲ弁２９の開度によって調整される。
【００１８】
また、排気ポート６の下流部には触媒コンバータ２３が設けられている。ここで、触媒コンバータ２３はアルミナやセリアなどの担体に白金やパラジウムなどを塗布した三元触媒システムであり、排ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）や未燃炭化水素（ＨＣ）の酸化反応と窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元反応によって、これらの有害３成分を同時に低減できるものである。なお、触媒コンバータ２３によって上記排ガスを効率良く浄化するために、触媒温度を活性化温度（例えば２５０℃）以上にする必要がある。
【００１９】
内燃機関制御ユニット（ＥＣＵ）２１は、マイコンと読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を主体に構成され、ＲＯＭ内に記憶された内燃機関制御プログラムを実行することで、燃料噴射弁２０による燃料噴射時期や燃料噴射量、点火プラグ１０による点火時期、スロットル弁２６の開度、ＥＧＲ弁２９の開度、ＶＴＣ位相角等を制御することができる。また、ＥＣＵ２１は冷却水温度センサ２５によって検出された内燃機関の冷却水温度や、触媒温度センサ２４によって検出された触媒温度、エアフローメータ２７によって検出された空気流量、図示しないアクセルペダルの踏込み量等を読み込み、これらの読み込み情報は、燃料噴射弁２０による燃料噴射時期や燃料噴射量、点火プラグ１０による点火時期、スロットル弁２６開度，ＥＧＲ弁２９開度、ＶＴＣ位相角などの制御に利用される。
【００２０】
また、図２に示すように、実施例１では、分岐吸気ポート（吸気通路）５Ａ，５Ｂの上流側であって、該分岐吸気ポート５Ａ，５Ｂが一体となった吸気ポート５に２つの燃料噴射弁２０Ａ，２０Ｂが配置されている。そして、燃料噴射弁２０Ａは吸気開口部１２Ａの吸気弁７Ａ、燃料噴射弁２０Ｂは吸気開口部１２Ｂの吸気弁７Ｂに向けて燃料の噴射が可能な位置に配置され、燃焼室４の中心上部には点火プラグ１０が設けられている。すなわち、燃料噴射弁２０Ａから噴射される噴霧燃料ＦＡの噴射方向Ｌ２０Ａは吸気弁７Ａ方向、燃料噴射弁２０Ｂから噴射される噴霧燃料ＦＢの噴射方向Ｌ２０Ｂは吸気弁７Ｂ方向にそれぞれ指向されている。また、燃料噴射弁２０Ａ，２０Ｂから噴射される噴霧燃料ＦＡ，ＦＢの液滴の粒径が充分に小さくなるように（例えば、ザウタ平均粒径ＳＭＤが２０μｍ程度になるように）、燃料噴射弁２０Ａ，２０Ｂのノズル形状や燃料噴射圧力が定められている。なお、吸気弁７Ａ，７Ｂの中心部には、この吸気弁７Ａ，７Ｂを軸方向に可動させるための吸気弁ステム７ＳＡ，７ＳＢがそれぞれ設けられていると共に、燃料噴霧方向に対して吸気弁７Ａ，７Ｂの下流側には、吸気弁７Ａ，７Ｂと同数の排気弁８Ａ，８Ｂが設けられている。
【００２１】
次いで、図３及び図４を参照して、燃料噴射弁２０によって噴射される噴霧燃料の噴射方向と噴霧形態についてより具体的に説明する。
【００２２】
図３は、２つの吸気弁７Ａ，７Ｂと２つの燃料噴射弁２０Ａ，２０Ｂから噴射される噴霧燃料ＦＡ，ＦＢの位置関係を模式的に示したものである。図示する実施例１では、２つの吸気弁７Ａ，７Ｂの中心７ＡＣ，７ＢＣを結ぶ線分の中点をＣとすると、吸気弁７Ａの中心よりも概ねＲ／２（Ｒは吸気弁７Ａの半径）だけ中点Ｃ側に寄った点ＴＡを噴霧燃料ＦＡの中心軸Ｌ２０Ａが通るように燃料噴射弁２０Ａが取り付けられており、また、吸気弁７Ｂの中心よりも概ねＲ／２（Ｒは吸気弁７Ｂの半径）だけ中点Ｃ側に寄った点ＴＢを噴霧燃料ＦＢの中心軸Ｌ２０Ｂが通るように燃料噴射弁２０Ｂが取り付けられている。なお、燃料噴射弁２０Ａ，２０Ｂの噴射方向Ｌ２０Ａ，Ｌ２０Ｂが対応する吸気弁７Ａ，７Ｂの中心７ＡＣ，７ＢＣよりも中点Ｃ側へ向くように燃料噴射弁２０Ａ，２０Ｂが内燃機関１に取り付けられていれば、以下で述べる効果と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
図４は、燃料噴射弁２０から噴射される噴霧燃料Ｆの例を示したものであり、図４（ａ）は燃料噴射弁２０から噴射される噴霧燃料Ｆの定義を説明したものであり、（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ噴霧燃料Ｆの図４（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図の燃料流量フラックス（単位面積当たりの燃料流量）分布の例を示したものである。ここで、Ａ−Ａ断面は、燃料噴射弁２０を内燃機関１に取り付けた際の、燃料噴射弁２０のノズルから吸気弁７表面までの距離における断面位置であり、例えばノズル下５０〜１００ｍｍの断面である。
【００２４】
図４（ａ）に示すように、噴霧燃料Ｆは燃料噴射弁２０から噴霧コーン角θの角度で噴射され、Ａ−Ａ断面では幅Ｗを有している。図４（ｂ）はその噴霧燃料Ｆの形態の一例を示したものであり、Ａ−Ａ断面では噴霧燃料Ｆの中心で流量の極大値を取り、中心から半径方向外側に向かって直径Ｗまで同心円状に流量が低下している。なお、Ａ−Ａ断面における噴霧燃料の断面形状はこのような真円に限定するものではなく、例えば図４（ｃ）に示すように、噴霧断面形状は楕円形状であっても良い。また、図４（ｄ）に示すように、噴霧断面内に複数の流量極大値を有する分布であっても良い。また、図示しないが、中空ホロコーン噴霧のように、噴霧燃料の中央部の流量フラックスが周縁部の流量フラックスに比べ小さい噴霧形態であっても良い。さらに、図４（ａ）に示す噴霧コーン角θは、吸気弁位置での噴霧幅Ｗが吸気弁の半径Ｒと概ね等しくなるように設定するのが望ましい（図３参照）。
【００２５】
ここで、内燃機関１は図５に示すような４サイクル機関であり、吸気、圧縮、膨張、排気の各行程がクランク角１８０°毎に切り替わるものである。代表的な運転条件（例えば、暖機完了後の低負荷条件時）においては、吸気弁７は吸気行程開始時に開弁し、圧縮行程の初期に閉弁する。また、排気弁８は膨張行程後期に開弁し、排気行程終期に閉弁する。
【００２６】
この内燃機関１においては、燃料Ｆは主に排気行程中に噴射され、点火は主に圧縮行程の後期に行われる。また、燃料噴射弁２０からの燃料噴射量は噴射期間（Ｔｉ）によって調整されるようになっている。すなわち、燃料噴射量はＴｉにほぼ比例し、燃料噴射量が少ない場合にはＴｉは短く、燃料噴射量が多い場合にはＴｉは長くなる。例えば全負荷運転時などの燃料噴射量が多い場合には、Ｔｉは排気行程内に納まらず、燃料噴射弁２０からの噴射開始時期は排気行程であっても噴射終了時期は吸気行程内になる場合がある。また、その噴射開始時期は必ずしも排気行程内に限るものではなく、圧縮行程や膨張行程に設定される場合もある。このように、圧縮行程や膨張行程に噴射開始時期を設定すると、排気行程内に燃料噴射を開始する場合と比較して、燃料Ｆが噴射されてから燃焼室４内に流入するまでの期間が相対的に長くなるため、吸気ポート５内での燃料Ｆの気化や混合を促進することができる。
【００２７】
また、燃料Ｆを主に排気行程に噴射すると、吸気弁７の熱によって燃料Ｆの気化を促進することができ、燃焼室４内の壁面への噴霧燃料Ｆの付着を防止することができる。しかしながら、吸気弁７が開弁している吸気行程で燃料Ｆを噴射すると、吸気弁７の吸気開口部１２を通って燃焼室４内に噴霧燃料Ｆが直接流入し、その噴霧燃料Ｆが燃焼室４内の壁面に付着する。特に、噴霧燃料Ｆの中で粒径が比較的大きな液滴は慣性力が大きく、吸気行程で燃料Ｆを噴射すると燃焼室４内の壁面に付着し易い。また、吸気行程に燃料噴射すると、吸気ポート５を通って燃焼室４内に流入する空気の流れによって噴霧燃料Ｆの速度が加速されるため、燃焼室４内の壁面に付着し易くなってしまう。このように、燃焼室４内の壁面に噴霧燃料Ｆが付着すると、未燃炭化水素（ＨＣ）や煤の排出量が増大したり、燃焼室４内面の潤滑オイルが燃料Ｆによって希釈されてピストン３が焼き付いたりする可能性がある。
【００２８】
次に、図６及び図７を参照して、ＥＣＵ２１内の制御プログラムによって実行される内燃機関１の始動後の制御シーケンスについて説明する。
【００２９】
図６は、ＥＣＵ２１によって実行される内燃機関１の始動後の制御フローを示したものである。まず始めに、内燃機関１が始動される（Ｓ６０１）。内燃機関１の始動は、セルモータ等によって内燃機関１のクランク軸（不図示）を所定の速度で回転させ、吸気ポート５内に所定量の燃料Ｆを噴射することで行われる。次いで、ＥＣＵ２１は触媒温度Ｔｃを触媒温度センサ２４の出力から読み込み（Ｓ６０２）、触媒温度Ｔｃを予め定められた温度Ｔａと比較する（Ｓ６０３）。ここで、Ｔａは三元触媒の活性化状態を判定するための温度であり、例えば２５０℃に設定されている。触媒温度ＴｃがＴａよりも低い場合には、ＥＣＵ２１は三元触媒が活性化していないと判断し、暖機モードで内燃機関１を運転する（Ｓ６０４）と共に、Ｓ６０２に戻る。また、触媒温度ＴｃがＴａよりも高い場合には、ＥＣＵ２１は三元触媒が活性化したと判断し、非暖機切り替えを実施する（Ｓ６０５）と共に、その後は非暖機モードで内燃機関１を運転する（Ｓ６０６）。
【００３０】
なお、暖機モードか否かの判定については、触媒温度Ｔｃを用いる以外に、内燃機関１の冷却水温や排気温度を用いても良い。例えば、内燃機関１の冷却水温や排気温度が予め定めた温度よりも低い場合には暖機モードとし、内燃機関１の冷却水温や排気温度が予め定めた温度よりも高い場合には非暖機切り替えを実施してもよい。
【００３１】
また、内燃機関１始動からの経過時間を用いて暖機モードか否かの判定を実施してもよい。例えば、経過時間が予め定めた所定時間よりも短い場合には暖機モードとし、経過時間が予め定めた所定時間を超えた場合には非暖機切り替えを実施してもよい。ここで、前記所定時間は、内燃機関１始動時の冷却水温や吸気温度に基づいて定めても良い。
【００３２】
図７は、内燃機関１の始動から非暖機モードまでのアクセル操作（踏込み）量、そのアクセル操作に対応した内燃機関１の状態、図６に示した制御フローに基づいた制御操作の推移の一例を示したものである。
【００３３】
本実施例１では、図７を用いて、時刻ｔ０で内燃機関１を始動し、時刻ｔ０〜ｔ３までアクセル踏込み無し（アクセルＯＦＦ）を維持した後、時刻ｔ３でアクセルを一定量踏み込んだ（アクセルＯＮ）場合の内燃機関１の運転状態を想定して、この場合の内燃機関トルク、触媒温度Ｔｃ、燃料噴射終了時期、燃料の点火時期の時間推移の一例について説明する。
【００３４】
触媒温度Ｔｃが活性化判定温度Ｔａよりも低い時刻ｔ０〜ｔ１では、内燃機関１は暖機モードで運転される。そして、触媒温度Ｔｃが活性化判定温度Ｔａを超えた時刻ｔ１〜ｔ２では、内燃機関１は非暖機切り替えを実施し、時刻ｔ２で暖機モードが終了する。したがって、時刻ｔ２以降は内燃機関１は非暖機モードで運転されることとなる。
【００３５】
図８は、図６で示す制御フローに基づいた、暖機モード時（時刻ｔ０〜ｔ１）及び暖機モード終了時（時刻ｔ２）における燃料噴射時期と燃料点火時期を示したものであり、図８（ａ）は暖機モード時の燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図、図８（ｂ）は暖機モード終了時の燃料噴射時期と燃料点火時期を示した図である。なお、以下で述べるように、暖気モード時を成層運転モード、暖気モード終了時を非成層運転モードと称することができる。
【００３６】
図８（ａ）に示す暖機モード時（時刻ｔ０〜ｔ１）においては、燃料噴射Ｔｉ１の噴射終了時期θ−ＩＴ１は排気行程の後期（例えば吸気上死点前１０°）に設定される。また、暖機モード時の点火時期θ−ＩＧ１は圧縮行程の上死点以降（例えば圧縮上死点後１０°）に設定される。このように、暖機モード時において点火時期を圧縮行程の上死点以降にすることで、燃焼による熱発生時期を遅らせて排気温度を高くすることができ、触媒の昇温を迅速に行って、冷間始動直後の排気有害成分の排出を抑制することができる。
【００３７】
図８（ｂ）に示す暖機モード終了時（時刻ｔ２）においては、燃料噴射Ｔｉ２の噴射終了時期θ−ＩＴ２は暖機モード時（時刻ｔ０〜ｔ１）の噴射終了時期θ−ＩＴ１よりも進角側の排気行程内（例えば吸気上死点前９０°）に設定される。また、暖機モード終了時の点火時期θ−ＩＧ２は最高トルク発生点火時期（ＭＢＴ）に設定される。点火時期θ−ＩＧ２は通常、圧縮行程の後期となり、例えば圧縮上死点前１０°に設定される。ここで、暖機モード終了時の燃料噴射量は内燃機関トルクが暖機モード時と同じになるように設定されている。なお、暖機モード終了時の燃料噴射終了時期θ−ＩＴ２は排気行程内に限定されるものではなく、圧縮行程または膨張行程内であってもよく、この場合の噴射終了時期θ−ＩＴ２が暖機モード時の噴射終了時期θ−ＩＴ１よりも進角していることは自明である。
【００３８】
ここで、図８（ａ）と図８（ｂ）を比較すると、暖機モード終了時の燃料噴射期間Ｔｉ２は暖機モードにおける燃料噴射期間Ｔｉ１よりも相対的に短くなっている。これは、暖機モード終了時には既述するようにＭＢＴで内燃機関１が運転され、点火時期をＭＢＴより遅角化した暖機モードよりも燃費が良くなるために、要求燃料噴射量が少なくなることに起因している。
【００３９】
なお、図８（ａ）と図８（ｂ）の間の非暖機切り替え（時刻ｔ１〜ｔ２）においては、燃料噴射終了時期は図８（ａ）で示すθ−ＩＴ１から図８（ｂ）で示すθ−ＩＴ２に向かって滑らかに進角され、点火時期もθ−ＩＧ１からθ−ＩＧ２に向かって滑らかに進角される。また、非暖機切り替え時の燃料噴射量は、暖機モード時の内燃機関トルクが維持されるように燃料噴射時期や点火時期の変化に応じて適宜調整されるようになっている。これらの調整によって、暖機モードから暖機モード終了に移行する際のトルク段差の発生が効果的に防止される。
【００４０】
既述するように、本実施例１においては、噴霧燃料Ｆが２つの吸気弁７の内側に向かうように燃料噴射弁２０及び噴射方向Ｌ２０が設定されると共に、暖機モード時の燃料噴射弁２０の噴射終了時期θ−ＩＴ１が排気行程内で、かつ暖機モード終了時の燃料噴射弁２０の噴射終了時期θ−ＩＴ２に対して遅角側に設定されている。以下、このように燃料噴射Ｌ２０方向を規定し、噴射時期を暖機モードと暖機終了時とで変更することによる作用と効果について説明する。
【００４１】
まず、図９は、実施例１における暖機モード時の噴霧燃料の形態を示したものであり、図９（ａ）は吸気上死点の噴霧燃料の形態を示した図、図９（ｂ）は吸気行程初期の噴霧燃料の形態を示した図である。
【００４２】
図９（ａ）に示すように、吸気上死点では、燃料噴射弁２０Ａ，２０Ｂから噴射された噴霧燃料ＦＡ，ＦＢは、それぞれ分岐吸気ポート５Ａ，５Ｂを通って吸気弁７Ａ，７Ｂの中心（吸気弁ステム７ＳＡ，７ＳＢの中心）よりも内側（中点Ｃ側）に向かう。暖機モード時においては、燃料噴射の終了時期θ−ＩＴ１が排気行程後期に設定されているため（図８（ａ）参照）、噴射終了から吸気上死点までの時間が短く、噴霧燃料ＦＡ，ＦＢは吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に偏って分布することになる。図１０に示すように、図９（ａ）における噴霧状態を内燃機関１の排気側から見ると、噴霧燃料ＦＡ，ＦＢの粒径が小さいために（例えばザウタ平均粒径が２０μｍ）、噴射された噴霧燃料ＦＡ，ＦＢは分岐吸気ポート５Ａ，５Ｂ内の空気から受ける抵抗力によってその速度が減衰する。そして、噴射された噴霧燃料ＦＡ，ＦＢの中で比較的粒径が大きな液滴ＤＬＡＲＧＥＡ，ＤＬＡＲＧＥＢは液滴の慣性力が強いため、吸気弁７Ａ，７Ｂの表面に付着する。その一方で、比較的粒径が小さな液滴ＤＳＭＡＬＬＡ，ＤＳＭＡＬＬＢは液滴の慣性力が弱いため、吸気弁７Ａ，７Ｂに衝突することなく、吸気弁７Ａ，７Ｂ表面から巻き上がるガス流れＦＬ１Ａ，ＦＬ１Ｂに乗って吸気弁７Ａ，７Ｂの表面近傍で浮遊することとなる。ここで、ガス流れＦＬ１Ａ，ＦＬ１Ｂは、噴霧燃料ＦＡ，ＦＢと分岐吸気ポート５Ａ，５Ｂ内の空気間との摩擦によって生じる空気流れである。
【００４３】
次いで、図９（ｂ）に示すように、吸気行程の初期においては、図９（ａ）に示す吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に偏って浮遊していた液滴ＦＡ，ＦＢが、吸気開口部１２Ａ，１２Ｂにおける吸気弁７Ａ，７Ｂの内側の開口部を通って燃焼室４内へ流入する。ここで、既述したように、噴霧燃料ＦＡ，ＦＢの中で粒径が比較的大きな液滴ＤＬＡＲＧＥＡ，ＤＬＡＲＧＥＢは吸気弁７Ａ，７Ｂの表面に付着するため燃焼室４内には流入されず、慣性力が弱い比較的粒径の小さな液滴ＤＳＭＡＬＬＡ，ＤＳＭＡＬＬＢが燃焼室４内に流入する。その結果、燃焼室４に入った液滴は燃焼室４の壁面には付着し難い。その一方で、図９（ａ）に示すように、吸気弁７Ａ，７Ｂの外側には燃料液滴が存在しないため、吸気開口部１２Ａ，１２Ｂにおける吸気弁７Ａ，７Ｂの外側の開口部を通って燃焼室４内へ流入する液滴は殆ど存在しない。その結果、この吸気行程初期においては、燃焼室４の中心寄り（点火プラグ１０近傍）に多くの燃料液滴が存在することとなる。
【００４４】
図１１は、吸気行程から圧縮行程にかけての燃焼室４内の代表的な空気流動を示したものである。図示するように、燃焼室４内には、吸気弁７Ａ，７Ｂの開口部から流入した空気流れによって縦渦（タンブル流ともいう）ＴＦＡ，ＴＦＢが生じる。縦渦ＴＦＡ，ＴＦＢはその回転軸ＴＣに沿った方向のガス速度成分を殆ど有していないため、燃焼室４の中央寄りに集まった噴霧燃料とこの噴霧燃料から気化した燃料蒸気は、燃焼室４の外側（縦渦の回転軸ＴＣ方向）には殆ど分散せず、圧縮行程の後期においても燃焼室４の中央部に留まる。その結果、図１２に示すように、この暖機モード時の点火時期である膨張行程（圧縮行程後の行程）の初期においても、点火プラグ１０周りの燃料濃度が他の部分の濃度と比較して相対的に高くなり、所謂成層混合気が形成され、これによって、混合気への着火性が良くなり、点火時期を膨張行程の初期にまで遅らせてもサイクル変動の少ない安定的な燃焼が可能となる。また、既述するように、燃焼室４の壁面へ燃料が付着し難いため、未燃ＨＣや煤の排出を効果的に抑制することができる。
【００４５】
図９で示す暖機モード時に対して、図１３は、実施例１における暖機モード終了時の噴霧燃料の形態を示したものであり、図１３（ａ）は燃料噴射終了と吸気上死点の中間時期の噴霧燃料の形態を示した図、図１３（ｂ）は吸気行程上死点の噴霧燃料の形態を示した図、図１３（ｃ）は吸気行程初期の噴霧燃料の形態を示した図である。
【００４６】
図１３（ａ）に示すように、噴射終了と吸気上死点の中間程度の時期では、燃料噴射弁２０Ａ，２０Ｂから噴射された噴霧燃料ＦＡ，ＦＢは、それぞれ分岐吸気ポート５Ａ，５Ｂを通って吸気弁７Ａ，７Ｂの中心（吸気弁ステム７ＳＡ，７ＳＢの中心）よりも内側（中点Ｃ側）に向かい、噴霧燃料ＦＡ，ＦＢは吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に偏って分布することとなる。ここで、暖機モード時と同様に、比較的粒径の小さい噴霧燃料が吸気弁７Ａ，７Ｂの表面に付着することなく吸気弁７Ａ，７Ｂの表面近傍で浮遊する。暖機モード終了時においては、燃料噴射の終了時期が暖機モード時よりも進角側に設定されているため（図８（ｂ）参照）、噴射終了から吸気上死点までの時間は暖機モードと比較して相対的に長くなっている。したがって、図１３（ｂ）に示すように、吸気上死点においては、吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に偏って浮遊していた燃料液滴が吸気弁７Ａ，７Ｂの表面全体に分散する。すなわち、図１４に示すように、図１３（ａ）における噴霧状態を内燃機関１の排気側から見ると、噴霧によって生じたガス流れＦＬ１Ａ，ＦＬ１Ｂが吸気弁７Ａ，７Ｂ表面に衝突することで、衝突部分のガスの圧力は上昇する。図１５は、図１３（ｂ）で示す吸気上死点付近での吸気弁７Ａ，７Ｂ表面のガス流れを示したものであり、既述するように吸気弁７Ａ，７Ｂの内側のガス圧力が上昇することで、吸気弁７Ａ，７Ｂの内側から外側に向かう流れＦＬ２Ａ，ＦＬ２Ｂが生成され、この流れＦＬ２Ａ，ＦＬ２Ｂによって、吸気弁７Ａ，７Ｂの内側で浮遊していた燃料液滴ＦＡ，ＦＢが吸気弁７Ａ，７Ｂの表面に沿って吸気弁７Ａ，７Ｂの外側へそれぞれ運ばれ、吸気上死点で燃料液滴が吸気弁７Ａ，７Ｂの表面全体に分散することとなる。
【００４７】
次いで、図１３（ｃ）に示すように、吸気行程の初期においては、吸気弁７Ａ，７Ｂの表面近傍に浮遊していた液滴ＦＡ，ＦＢが、吸気弁７Ａ，７Ｂが開弁する吸気開口部１２Ａ，１２Ｂからほぼ均等に燃焼室４内へ流入する。このように、噴霧燃料ＦＡ，ＦＢがほぼ均等に燃焼室４内に入ることで、点火が行われる圧縮行程の後期において、燃焼室４内には燃料濃度のばらつきが小さい非成層混合気が形成されることとなる。この非成層混合気は成層混合気と比較して燃料と空気（酸素）とがより良好に混ざっているため、燃料の燃え残りが少なく、効率の高い燃焼が行われる。また、局所的な燃料リッチが生じないため、煤や未燃ＨＣの排出やノックの発生が抑制される。
【００４８】
このように、本実施例１では、暖機モードにおいて吸気弁７Ａ，７Ｂの内側表面近傍に浮遊した燃料液滴が分散する前に吸気を行うことで、点火プラグ１０周りに成層混合気を形成することができると共に、暖機モード終了時には、吸気弁７Ａ，７Ｂの内側表面近傍に浮遊した燃料液滴が吸気弁７Ａ，７Ｂ全体に分散するのを待って吸気を行うことで、容易に燃焼室４内に非成層混合気を形成することができる。
【００４９】
ところで、吸気ポート５内に噴射された燃料液滴が吸気弁７や吸気ポート５の壁面に多く付着すると、上記のように噴射時期を変更して成層混合気の形成と非成層混合気の形成を容易に切り替えることが困難となる。それは、壁面に付着した燃料の移動速度が極めて遅いために、燃料噴射時期を早めたとしても付着した燃料を吸気弁７全体に分散させることができず、また、燃料の壁面付着量が多いと吸気弁７表面近傍で浮遊する液滴が少なくなるために、燃料噴射時期を早めたとしても吸気弁７全体に分散する燃料量が減少してしまうことに起因する。すなわち、このような場合には、吸気弁７の開弁時において、燃料の噴射時期に関わらず吸気弁７の内側近傍に多くの燃料が存在することになり、燃焼室４内での非成層混合気の形成が困難となる。
【００５０】
したがって、吸気弁７の内側表面近傍に浮遊した燃料液滴が分散する前に吸気を行うことで点火プラグ１０周りに成層混合気を形成すると共に、吸気弁７の内側表面近傍に浮遊した燃料液滴が吸気弁７全体に分散するのを待って吸気を行うことで燃焼室４内に非成層混合気を形成するという作用を効果的に得るためには、より多くの量の液滴を吸気弁７表面近傍で浮遊させることが望ましい。
【００５１】
ここで、噴射された噴霧燃料の壁面への付着しやすさは、式（１）で定義されるストークス数Ｓｔで表わされる。
【００５２】
【数１】
2012154209.tif 000003
【００５３】
ここで、ρＰは液滴密度、ｄＰは噴霧燃料のザウタ平均粒径、ＶＰは液滴の噴射軸方向の平均噴射速度（＝単位時間当たりの噴射流量／噴口面積）、μｇは大気圧下における常温での空気の粘性係数、Ｌは燃料噴射弁２０ノズル先端から吸気弁７表面までの距離である。また、ザウタ平均粒径ｄＰは燃料噴射弁２０の噴口（図１８参照）で形成される液膜の分裂が完了した時点での粒径であり、燃料噴射弁２０のノズル下２０〜３０ｍｍでのザウタ平均粒径である。すなわち、上記する式（１）で定義されたストークス数Ｓｔは、液滴慣性力の大きさを表わす無次元数である。
【００５４】
図１６は、ストークス数Ｓｔと噴霧燃料の壁面付着率（＝燃料の壁面付着量／燃料噴射量）との関係を示したものである。なお、本結果は、数値流体シミュレーションを用いて、常温で大気圧の静止空間に噴射した燃料液滴の挙動を計算し、その液滴の噴射口下に配置された平板壁面への付着量を計算したものであり、噴霧燃料のザウタ平均粒径ｄＰ、噴射速度ＶＰ、噴射点から壁面までの距離Ｌを種々に変更することで、ストークス数Ｓｔを変化させたものである。図示するように、上記計算により、ストークス数Ｓｔが小さくなる（液滴の慣性力が小さくなる）に従い、燃料の壁面付着率は減少し、ストークス数Ｓｔが１以下になるとその壁面付着はほぼゼロになることが解った。したがって、本実施例１による作用を効果的に得るには、式（１）で表わされるストークス数Ｓｔが１以下になるように、燃料噴射弁２０から噴射される噴霧燃料の速度、粒径、燃料噴射弁２０と吸気弁７の距離を設定するのが望ましい。
【００５５】
なお、ストークス数Ｓｔを１以下にするためには、式（１）から明らかなように、粒径及び燃料噴射速度の小さい噴霧燃料の形成が要求される。例えば、液滴密度ρＰを７５０ｋｇ／ｍ３（ガソリン）、燃料噴射弁２０のノズル先端と吸気弁７表面の距離Ｌを５０ｍｍ、空気粘性係数μｇを１９μＰａｓ（１気圧、３００Ｋ）とすると、ストークス数Ｓｔ＝１となる燃料噴射速度ＶＰとザウタ平均粒径ｄＰとの関係は図１７に示す関係となる。火花点火式ポート噴射式内燃機関で用いられる燃料噴射弁に供給される燃料の圧力は通常３気圧程度であり、噴霧燃料の噴射速度は通常２０〜３０ｍ／ｓ程度であることから、この燃料噴射速度の場合にストークス数Ｓｔを１以下にするには、図１７に示すように、ザウタ平均粒径ｄＰを概ね３０μｍ以下とする必要がある。しかしながら、火花点火式ポート噴射式内燃機関の燃料噴射弁として一般に用いられる単孔スワール弁や多孔弁（マルチホールインジェクタ）のザウタ平均粒径ｄＰは、燃料圧力３気圧において５０μｍ〜１００μｍ程度である。したがって、例えばストークス数Ｓｔを１以下とするためには、本実施例１ではより微粒化の良い燃料噴射弁を使用することが望ましい。一般に、燃料噴射弁に供給する燃料圧力を上げれば粒径を小さくすることは可能であるが、図１７から明らかなように、燃料噴射速度が上がることで、ストークス数Ｓｔを１以下にするために、燃料の更に小さな粒径が要求される。また、燃料圧力を上げるとコストが増大してしまうという問題もある。
【００５６】
そこで、図１８及び図１９を参照して、比較的低燃圧で粒径の細かい噴霧状燃料を形成することができる、本実施例１に適した燃料噴射弁の実施例について説明する。
【００５７】
図１８は、燃料噴射弁２０のノズル先端部の形態を示した縦断面図である。同図において、１１２はノズルパイプ、１１４はシート部材、１１１は弁体、１１３はガイド部材、１１６はオリフィスプレートを示している。ここで、弁体１１１は図示しないバネ機構によってシート部材１１４に常時押し付けられている。燃料噴射時には、図示しない磁気駆動機構によって弁体１１１が引き上げられ、矢印１１０Ａで示すように加圧された燃料が弁体１１１とシート部材１１４の隙間を通って、オリフィスプレート１１６に設けられた燃料流入口１１５へ流入する。そして、燃料流入口１１５に入った燃料は旋回室１１８に入り、その後噴口１１９から噴射される。
【００５８】
図１９は、図１８におけるＢ−Ｂ矢視図であり、同図を参照してオリフィスプレート１１６に設けられた燃料流入口１１５に流入した燃流の流動について説明する。断面略円形状の燃料流入口１１５に入った燃料は、燃料流入口１１５の法線方向に設けられた３つの燃料通路１１７を通って、それぞれの燃料通路１１７と連通した旋回室１１８に入る。燃料通路１１７は旋回室１１８の外壁の接線方向に向いているため、それぞれの旋回室１１８に入った燃料は旋回しながら噴口１１９から噴射されることとなる。なお、オリフィスプレート１１６には、既述のように複数個の噴口１１９が設けられており、それぞれの噴口１１９から旋回した燃料が噴射されるのが好ましい。また、燃料通路１１７や旋回室１１８、墳口１１９の基数や燃料流入口１１５等の形状は、上記形態に限定されるものではない。
【００５９】
次に、図２０は、図１９で示す噴口１１９から噴射された液膜の態様を示した縦断面図である。既述するように、噴口１１９の内壁に沿って旋回しながら燃料Ｆが流出することで、噴口１１９の出口部ではその遠心力によって中空コーン形状の液膜１２０が形成される。液膜１２０は先端に進むにつれて（すなわち、墳口１１９から離れるにつれて）厚みが薄くなり、やがて分裂して微細な液滴１２１が形成される。このように墳口から噴出される燃料を旋回させることで、墳口１１９近傍で薄い液膜を形成して燃料を微粒化させることができ、比較的低い燃料圧力で粒径の細かい噴霧状燃料を生成することができる。また、複数の噴口を設けることで、噴口１つあたりの燃料流量を少なくでき、単一の噴口を設ける場合と比較してより薄い液膜を噴口部に形成することができるため、燃料の微粒化を促進することができる。さらに、旋回によって噴口の半径方向に燃料が広がって噴射されるため、噴霧燃料の噴射方向（噴口軸方向）の速度が低下し、軸方向に対して貫徹力の弱い噴霧が形成される。このように、本実施例１に適した燃料噴射弁２０を使用することで、粒径が細かく、軸方向速度の遅い噴霧が得られるため、容易にストークス数Ｓｔを１以下とすることができ、燃料の壁面付着を効果的に回避することが可能となる。
【００６０】
［実施例２］
次に、図２１及び図２２を参照して、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施例２について詳細に説明する。なお、同図において実施例１と同様の構成については、同じ符号を付して示している。
【００６１】
上記実施例１は、内燃機関１に設けられた単数あるいは複数の気筒１１のうち、１つの気筒１１に対して２本の燃料噴射弁２０が使用された実施例である。それに対して実施例２は、図２１で示すように、内燃機関１に設けられた単数あるいは複数の気筒１１のうちの１つの気筒１１に対して１本の燃料噴射弁２０を使用した実施例である。図示するように、実施例２では、分岐吸気ポート（吸気通路）５Ａ，５Ｂがその上流側で一体となった吸気ポート５の略中央部に１つの燃料噴射弁２０が設けられており、燃料噴射弁２０から２方向の噴霧燃料ＦＡ，ＦＢが噴射される。すなわち、燃料噴射弁２０から吸気弁７Ａに向けて噴霧燃料ＦＡが噴射され、吸気弁７Ｂに向けて噴霧燃料ＦＢが噴射される。ここで、噴霧燃料ＦＡの中心軸（噴射方向）Ｌ２０Ａは吸気弁７Ａの中心（吸気弁ステム７ＳＡの中心）よりも２つの吸気弁７Ａ，７Ｂの中点Ｃ側に寄っており、また、噴霧燃料ＦＢの中心軸（噴射方向）Ｌ２０Ｂは吸気弁７Ｂの中心（吸気弁ステム７ＳＢの中心）よりも２つの吸気弁７Ａ，７Ｂの中点Ｃ側に寄っている。なお、燃料噴射弁２０の噴射時期や燃料噴射量、点火プラグ１０による燃焼室４内の燃料の点火時期がＥＣＵ２１によって制御されるようになっている。
【００６２】
図２２は、図２１で示す噴霧燃料の形態を説明した図であり、図２２（ａ）は噴霧燃料ＦＡ，ＦＢの中心軸Ｌ２０Ａ，Ｌ２０Ｂの定義について説明した図であり、図２２（ｂ）は、特に燃料噴射弁２０のノズル先端からから距離Ｈ（例えば５０ｍｍ）離れた断面における噴霧燃料の流量フラックス分布を説明した等高線図であり、図２２（ｃ）は図２２（ｂ）で示す流量フラックスの積算を説明した図である。なお、図２２（ｂ）で示す流量フラックス分布は、例えば位相ドップラー粒子計測計（ＰＤＰＡ）やシート受止め法などで計測される。
【００６３】
図２２（ａ）で示すように、まず、燃料噴射弁２０のノズル先端からから距離Ｈ（例えば５０ｍｍ）離れた断面における噴霧燃料ＦＡ，ＦＢの噴霧中心を、それぞれ（ＸＡ，ＹＡ）、（ＸＢ，ＹＢ）とする。そして、燃料噴射弁２０の先端中心から噴霧中心座標（ＸＡ，ＹＡ）を結んだ軸を噴霧燃料ＦＡの中心軸Ｌ２０Ａと定義する。また、燃料噴射弁２０の先端中心から噴霧中心座標（ＸＢ，ＹＢ）を結んだ軸を噴霧燃料ＦＢの中心軸Ｌ２０Ｂと定義する。
【００６４】
次いで、図２２（ｂ）で示すように、流量フラックス分布の計測断面をＸ−Ｙ平面とすると、例えばそれぞれの噴霧燃料ＦＡ，ＦＢの中心で流量の極大値を取り、中心から半径方向外側に向かって流量が低下する流量フラックス分布を得ることができる。
【００６５】
そして、図２２（ｂ）で示すＸ軸方向に流量フラックスを積分した結果が図２２（ｃ）である。なお、本実施例２で使用した燃料噴射弁２０は、２方向に向けて噴霧燃料ＦＡ，ＦＢを噴射するため、図２２（ｃ）では各噴霧燃料ＦＡ，ＦＢについてそれぞれの流量積算を行った。本実施例２においては、この積算流量がそれぞれ総積算流量の５０％になるＸ座標ＸＡ，ＸＢが各噴霧燃料ＦＡ，ＦＢのＸ方向の中心である。同様に、Ｙ方向についても各噴霧燃料ＦＡ，ＦＢの中心座標ＹＡ，ＹＢを求めることができる。すなわち、上記で求めた座標（ＸＡ，ＹＡ）は噴霧燃料ＦＡの計測断面内の重心座標であり、座標（ＸＢ，ＹＢ）は噴霧燃料ＦＢの計測断面内の重心座標を表わすものである。
【００６６】
このように、１本の燃料噴射弁２０から２方向の噴霧燃料ＦＡ，ＦＢを吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に向かって噴射すると共に、燃料噴射弁２０の燃料噴射終了時期を変化させることで、実施例１と同様に、運転条件に合わせて成層混合気と非成層混合気の形成を容易に切り替えることができる。
【００６７】
［実施例３］
次に、図２３及び図２４を参照して、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施例３について詳細に説明する。なお、同図において実施例１，２と同様の構成については、同じ符号を付して示している。
【００６８】
図２３は、内燃機関１に設けられた単数あるいは複数の気筒１１のうち、１つの気筒１１に対して１本の燃料噴射弁２０を使用した別の実施例３を示したものである。本実施例３では、燃料噴射弁２０から２つの吸気弁７Ａ，７Ｂに燃料が噴射されるように、１方向の噴霧燃料Ｆが噴射される。ここで、噴霧燃料Ｆの中心軸（噴射方向）Ｌ２０は吸気弁７Ａの中心（吸気弁ステム７ＳＡの中心）と吸気弁７Ｂの中心（吸気弁ステム７ＳＢの中心）を結んだ線分の中点Ｃ側を指向している。また、噴霧燃料Ｆは吸気弁７Ａ，７Ｂの位置において噴霧燃料の幅Ｗ（図２４参照）が概ね２つの吸気弁７Ａ，７Ｂの間隔と等しくなるようにその位置と噴霧コーン角が定められる。吸気ポート５に配置された燃料噴射弁２０から噴射された噴霧燃料Ｆは、分岐部５１で２つの分岐吸気ポート（吸気通路）５Ａ，５Ｂに分岐され、吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に供給されて、吸気弁７Ａ，７Ｂの開弁時には、吸気開口部１２Ａ，１２Ｂを介して燃焼室４内へ流入する。なお、燃料噴射弁２０の噴射時期や燃料噴射量、点火プラグ１０による燃焼室４内の燃料の点火時期がＥＣＵ２１によって制御されるようになっている。
【００６９】
図２４に示すように、燃料噴射弁２０のノズル先端から吸気弁７Ａ，７Ｂまでの距離をＬ、２つの吸気弁７Ａ，７Ｂの中心間の間隔をＷとすると、噴霧コーン角θｃは概ね式（２）で与えられる角度となるように定められる。
【００７０】
【数２】
2012154209.tif 000004
【００７１】
このように、１本の燃料噴射弁２０から１方向の噴霧燃料Ｆを吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に向かって噴射すると共に、燃料噴射弁２０の燃料噴射終了時期を変化させることで、実施例１，２と同様に、運転条件に合わせて成層混合気と非成層混合気の形成を容易に切り替えることができる。
【００７２】
実施例２，３においては、気筒１１当たりの燃料噴射弁２０が１つとなるために低廉で、かつ燃料噴射弁２０を取り付けるためのスペースを抑制することができる。その一方で、１本の燃料噴射弁２０から２つの吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に向けて燃料Ｆを噴射するため、噴霧燃料Ｆが吸気ポート５の分岐部５１に衝突して壁流が形成される可能性がある。これに対して実施例１では、気筒１１当たりに２本の燃料噴射弁２０を使用することで、実施例２，３よりも吸気ポート５の分岐部５１から離れた位置から吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に向かって燃料Ｆを噴射することができ、分岐部５１への噴霧衝突が発生しにくくなり、壁流の形成を抑制して、多くの燃料液滴を吸気ポート５内に浮遊させることができる。
【００７３】
上記する実施例１では、特に暖機モード時と暖機モード終了時における成層運転と非成層運転の切り替えの実施例について説明した。しかしながら、成層混合気と非成層混合気との切り替えは、このような暖機モードと暖機モード終了時のみに限定されず、例えば排気再循環（ＥＧＲ）を行う場合でも要求されるものである。火花点火式内燃機関においては、ポンプ損失を低減するため、また窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を低減するために排気の一部を燃焼室内に戻すＥＧＲ運転を行う場合がある。ポンプ損失の低減やＮＯｘ排出の低減には、より多くの排気を燃焼室に戻し、高いＥＧＲ率（燃焼室内の排ガス質量/燃焼室内の総ガス質量）で内燃機関を運転することが望ましい。しかし、ＥＧＲ率が高くなると、希釈効果によって初期火炎の伝播速度が低下するために燃料の燃焼が不安定になる傾向がある。そこで、ＥＧＲ率が高い場合には成層混合気を形成して点火プラグ周りの燃料濃度を高くし、初期の火炎伝播速度を向上させて、燃料の燃焼を安定化させることが考えられる。その一方で、ＥＧＲ率が低く燃料の燃焼が安定している場合には、非成層混合気を形成して空気と燃料を良く混合して燃焼効率を向上させることが考えられる。
【００７４】
［実施例４］
そこで、図２５〜３１を参照して、本発明に係る内燃機関の制御装置をＥＧＲ運転時へ適用した場合の実施例４について詳細に説明する。なお、本実施例４では、図１〜３に示した実施例１と同様の構成を備えた内燃機関１を使用して説明するが、その実施例１に代えて実施例２，３を適用することもできる。また、本実施例４においても実施例１と同様の構成については、同じ符号を付して説明する。
【００７５】
図１で説明したように、内燃機関１においては、ＥＧＲ管２８によって排気の一部が吸気ポート５に戻され、新気と共に気筒１１の燃焼室４内に吸入される。ここで、ＥＧＲの量はＥＧＲ弁２９の開度及びスロットル弁２６の開度によって定められる。例えば、ＥＧＲ弁２９の開度を大きくして、スロットル弁２６の開度を小さくすることで、より多くの排ガスを燃焼室４内に吸入できると共に、ＥＧＲ率（燃焼室内の排ガス質量／燃焼室内の総ガス質量）を高くすることができる。なお、このスロットル弁２６開度及びＥＧＲ弁２９開度はＥＣＵ２１からの指示によって定められるものである。
【００７６】
図２５は、本実施例４における内燃機関１の回転数とトルクに対するＥＧＲ率の設定マップを示したものである。これらのＥＧＲ率は、内燃機関１の燃費、排気、出力、運転性（サイクル変動）などを勘案して予め定められており、内燃機関の負荷や回転数に応じて、ＥＣＵ２１でスロットル弁２６開度やＥＧＲ弁２９開度が決められると、図２５で示すマップに従って予め定められたＥＧＲ率に設定される。ここで、図示するように、非ＥＧＲ領域または低，中ＥＧＲ領域では非成層混合気で内燃機関１を運転し、高ＥＧＲ領域では、燃焼の不安定性を改善するために成層混合気で内燃機関１を運転する。すなわち、本実施例４においては、図２６に示すように、ＥＣＵ２１で、現在の回転数やトルクで設定されているＥＧＲ率が予め定めたＥＧＲ率（ＥＧＲｃ）よりも大きいと判断した（Ｓ２６０１）場合には成層運転モードで内燃機関１を運転し（Ｓ２６０２）、ＥＧＲｃよりも小さいと判断した（Ｓ２６０１）場合には非成層運転モードで内燃機関１を運転する（Ｓ２６０３）。
【００７７】
図２７は、本実施例４におけるＥＧＲ弁２９開度とスロットル弁２６開度に対するＥＧＲ率の変化を示したものである。既述したように、ＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁２９の開度が大きく、スロットル弁２６の開度が小さいほど高くなるため、図２７においては左上から右下に向かうに従ってＥＧＲ率が高くなっている。図示する領域Ｅ１ではＥＧＲ率がＥＧＲｃより大きいために成層運転モードで内燃機関１が運転され、領域Ｅ１以外の領域ではＥＧＲ率がＥＧＲｃより小さいために非成層運転モードで運転される。なお、スロットル弁２６の開度が所定の開度よりも小さい場合には、ＥＧＲ弁２９の開度に関わらず、常に非ＥＧＲ領域として非成層運転モードで運転されるようになっている。
【００７８】
ここで、図２８を参照して、図２７に示すＡ点とＢ点での燃料噴射制御について説明する。Ａ点とＢ点ではスロットル弁２６開度が一定であるものの、ＥＧＲ弁２９開度はＢ点の方が大きく、Ａ点では中ＥＧＲ率（ＥＧＲ率＜ＥＧＲｃ）、Ｂ点では高ＥＧＲ率（ＥＧＲ率＞ＥＧＲｃ）であるため、Ａ点では非成層運転モード、Ｂ点では成層運転モードで内燃機関１が運転されるようになっている。
【００７９】
図２８（ａ）に示すように、非成層運転モードで内燃機関１が運転されるＡ点では、燃料噴射弁２０の噴射終了時期θ−ＩＴＡは吸気上死点よりも充分前（例えば吸気上死点前９０°ＣＡ）に設定される。また、点火時期θ−ＩＧＡは圧縮上死点の後期（例えば圧縮上死点前２０°ＣＡ）に設定される。このように、Ａ点においては、燃料噴射弁２０の噴射終了時期θ−ＩＴＡを吸気上死点よりも充分前にして、吸気弁７の内側表面近傍に浮遊した燃料液滴を吸気弁７全体に分散させた後に吸気を行うことで、燃焼室４内に非成層混合気を形成することができる。
【００８０】
その一方で、図２８（ｂ）に示すように、成層運転モードで内燃機関１が運転されるＢ点では、噴射終了時期θ−ＩＴＢはＡ点の噴射終了時期θ−ＩＴＡよりも遅く、排気行程後期（例えば吸気上死点前１０°ＣＡ）に設定される。また、点火時期θ−ＩＧＢはＡ点と同等か、あるいは若干早い時期（例えば圧縮上死点前２５°ＣＡ）に設定される。ここで、Ｂ点の点火時期θ−ＩＧＢをＡ点の点火時期θ−ＩＧＡよりも若干早くすることで、Ｂ点でＥＧＲ率の増加によって燃焼速度が低下して熱発生時期が遅れてしまうのを補正することができる。このように、Ｂ点においては、燃料噴射弁２０の噴射終了時期θ−ＩＴＢを排気行程の後期にして、吸気弁７の内側表面近傍に浮遊した燃料液滴が吸気弁７全体に分散する前に吸気を行うことで、燃焼室４内に成層混合気を形成することができる。
【００８１】
なお、上記するＡ点とＢ点においてはスロットル弁２６開度が一定であるため、燃焼室４内に吸入する新気量はほぼ同等である。したがって、Ａ点とＢ点の燃料噴射量はほぼ同等であり、Ａ点の燃料噴射期間ＴｉＡとＢ点の燃料噴射期間ＴｉＢにはＴｉＡ≒ＴｉＢの関係が成立する。
【００８２】
このように、ＥＧＲ率が所定値よりも高い場合には成層運転モードで内燃機関１を運転することで、ＥＧＲ率が高い時の燃焼不安定を低減することができる。また、ＥＧＲ率が所定値よりも低い場合には非成層モードで内燃機関１を運転することで、空気と燃料が良く混合して、燃焼効率を向上させることができる。
【００８３】
次に、図２９に示すスロットル弁２６開度とＥＧＲ弁２９開度のマップ上でのＣ点、Ｄ点、Ｅ点における燃料噴射制御について説明する。なお、図示するマップは、図２７で示すマップと同じものである。ここで、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点ではＥＧＲ弁２９開度が一定であるもの、スロットル弁２６開度はＣ点＞Ｄ点＞Ｅ点の関係を有していて、Ｃ点では中ＥＧＲ率（ＥＧＲ率＜ＥＧＲｃ）、Ｄ点では高ＥＧＲ率（ＥＧＲ率＞ＥＧＲｃ）であるため、Ｃ点では非成層運転モード、Ｄ点では成層運転モードで内燃機関１が運転されるようになっている。また、Ｅ点では、図２７で説明したように、スロットル弁２６開度が所定値よりも低いために非ＥＧＲ領域であって、非成層運転モードで内燃機関１が運転されるようになっている。
【００８４】
図３０は、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点における燃料噴射時期と点火時期を示したものである。
【００８５】
図３０（ａ），（ｃ）で示すように、非成層運転モードで内燃機関１が運転されるＣ点及びＥ点では、燃料噴射弁２０の噴射終了時期θ−ＩＴＣ，θ−ＩＴＥは吸気上死点よりも充分前（例えば吸気上死点前９０°ＣＡ）に設定される。また、点火時期θ−ＩＧＣ，θ−ＩＧＥは圧縮上死点の後期（例えば圧縮上死点前２０°ＣＡ）に設定される。このように、Ｃ点及びＥ点においては、燃料噴射弁２０の噴射終了時期θ−ＩＴＣ，θ−ＩＴＥを吸気上死点よりも充分前にして、吸気弁７の内側表面近傍に浮遊した燃料液滴を吸気弁７全体に分散させた後に吸気を行うことで、燃焼室４内に非成層混合気を形成することができる。
【００８６】
その一方で、図３０（ｂ）で示すように、成層運転モードで内燃機関１が運転されるＤ点では、燃料噴射弁２０の噴射終了時期θ−ＩＴＤは非成層運転モードで運転されるＣ点及びＥ点の噴射終了時期θ−ＩＴＣ，θ−ＩＴＥよりも遅く、排気行程後期（例えば吸気上死点前１０°ＣＡ）に設定される。また、点火時期θ−ＩＧＤはＣ点の点火時期θ−ＩＧＣと同等か、あるいは若干早い時期（例えば圧縮上死点前２５°ＣＡ）に設定される。ここで、Ｄ点の点火時期θ−ＩＧＤをＣ点の点火時期θ−ＩＧＣよりも若干早くすることで、Ｄ点でＥＧＲ率の増加によって燃焼速度が低下して熱発生時期が遅れてしまうのを補正することができる。このように、Ｄ点においては、燃料噴射弁２０の噴射終了時期θ−ＩＴＤを排気行程の後期にして、吸気弁７の内側表面近傍に浮遊した燃料液滴が吸気弁７全体に分散する前に吸気を行うことで、燃焼室４内に成層混合気を形成することができる。
【００８７】
なお、スロットル弁２６開度はＣ点＞Ｄ点＞Ｅ点の関係があるため、Ｃ点の燃料噴射期間ＴｉＣとＤ点の燃料噴射期間ＴｉＤとＥ点の燃料噴射期間ＴｉＥの間にはＴｉＣ＞ＴｉＤ＞ＴｉＥの関係が成立する。
【００８８】
このように、ＥＧＲ率が所定値よりも高い場合には成層運転モードで内燃機関１を運転することで、ＥＧＲ率が高い時の燃焼不安定を低減することができる。また、ＥＧＲ率が所定値よりも低い場合には非成層運転モードで内燃機関１を運転することで、空気と燃料が良く混合して、燃焼効率を向上させることができる。
【００８９】
上記するように、本実施例１〜４では、暖機モードにおいて吸気弁７の内側表面近傍に浮遊した燃料液滴が分散する前に吸気を行うことで、燃焼室４の点火プラグ１０周りに成層混合気を形成することができる。その一方で、暖機モード終了時には吸気弁７の内側表面近傍に浮遊した燃料液滴が吸気弁７全体に分散するのを待って吸気を行うことで、燃焼室４内に非成層混合気を形成することができる。すなわち、本実施例１〜４においては、吸気上死点前の吸気ポート５内の噴霧燃料の分布がその後の混合気形成に影響を及ぼしている。
【００９０】
ところで、吸気ポート５内の噴霧燃料の挙動は、吸気弁７及び排気弁８の開弁及び閉弁タイミングによって変化するものである。そこで、本実施例１〜４における最適な吸気弁７及び排気弁８の開弁及び閉弁タイミングについて、図３１を参照して説明する。
【００９１】
図３１（ａ）は、成層運転モードに適した吸気弁７と排気弁８の開閉タイミングを示したものである。成層運転モードにおいては、吸気弁７の開弁時期を排気弁８の閉弁時期以降にするのが望ましい。すなわち、吸気弁７の開弁時期と排気弁８の開弁時期がオーバラップしていないことが望ましい。吸気弁７の開弁時期が排気弁８の閉弁時期以降であれば、燃焼室４内の燃焼ガスが分岐吸気ポート５Ａ，５Ｂを含む吸気ポート５内へ吹き返すことが無く、２つの吸気弁７Ａ，７Ｂの内側に向けて噴射された噴霧燃料Ｆが吹き返しガスによって分岐吸気ポート５Ａ，５Ｂを含む吸気ポート５内へ分散されるのを防止することができる。
【００９２】
図３１（ｂ）は、非成層運転モードに適した吸気弁７と排気弁８の開閉タイミングを示したものである。非成層モードにおいては、吸気弁７の開弁時期を排気弁８の閉弁時期よりも早くするのが望ましい。すなわち、吸気弁７の開弁時期と排気弁８の開弁時期がオーバラップしていることが望ましい。吸気弁７の開弁時期が排気弁８の閉弁時期よりも早ければ、燃焼室４内の燃焼ガスが分岐吸気ポート５Ａ，５Ｂを含む吸気ポート５内へ吹き返すため、この吹き返しガスによって分岐吸気ポート５Ａ，５Ｂを含む吸気ポート５内での燃料分散と気化を促進することができる。
【００９３】
以上、本発明の４つの実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。
【００９４】
以上の説明から理解できるように、実施例１〜４によれば燃料噴射終了時期を排気行程の後期にすることで点火プラグ周りに燃料リッチな成層混合気が形成され、冷機始動直後の暖機モードや高いＥＧＲ率での運転時に発生する燃焼のサイクル変動を抑制することができる。これにより、暖機運転では点火遅角量を大きくすることができ、触媒活性化時間が短縮されて未燃ＨＣの排出を低減できる。さらに、ＥＧＲ率を高くすることができるため、ポンプ損失を低減して燃費効率を向上させることができる。また、燃料噴射終了時期を成層運転モードに比べて進角することで燃焼室内に燃料を分散することができるため、空気と燃料が良く混合して燃焼効率を向上させることができる。このように、燃料の噴射方向を吸気弁の内側に向けて燃料の噴射時期を変更するだけで、成層運転モードと非成層運転モードとを容易に切り替えることができるため、装置の構成や制御の方法が簡便となる。
【００９５】
なお、本発明は上記した実施例１〜４に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例１〜４は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例１〜４の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００９６】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１…内燃機関、２…シリンダブロック、３…ピストン、４…燃焼室、５…吸気ポート、５Ａ，５Ｂ…分岐吸気ポート（吸気通路）、６…排気ポート、７，７Ａ，７Ｂ…吸気弁、７ＳＡ，７ＳＢ…吸気弁ステム、８，８Ａ，８Ｂ…排気弁、９…シリンダヘッド、１０…点火プラグ、１１…気筒、１２，１２Ａ，１２Ｂ…吸気開口部、１３，１３Ａ，１３Ｂ…排気開口部、２０，２０Ａ，２０Ｂ…燃料噴射弁、２１…ＥＣＵ（内燃機関制御ユニット）、２３…触媒コンバータ、２４…触媒温度センサ、２５…冷却水温度センサ、２６…スロットル弁、２７…エアフローメータ、２８…ＥＧＲ管、２９…ＥＧＲ弁、１１１…弁体、１１２…ノズルパイプ、１１３…ガイド部材、１１４…シート部材、１１５…燃料流入口、１１６…オリフィスプレート、１１７…燃料通路、１１８…旋回室、１１９…噴口、１２０…液膜、１２１…液滴、Ｃ…２つの吸気弁の中心を結んだ線分の中点、ｄＰ…噴霧燃料のザウタ平均粒径、Ｆ，ＦＡ，ＦＢ…噴霧燃料、Ｌ…燃料噴射弁のノズル先端と吸気弁表面までの距離、Ｌ２０，Ｌ２０Ａ，Ｌ２０Ｂ…噴霧燃料の中心軸、Ｓｔ…ストークス数、Ｔｉ…燃料噴射期間、ＶＰ…噴射方向の平均噴射速度、Ｗ…２つの吸気弁の中心間の距離、θｃ…噴霧燃料のコーン角度、μｇ…空気の粘性係数、ρＰ…液滴密度
【図１】
2012154209.tif 000005
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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