(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気ポートの下方位置よりシリンダ略中央を指向してシリンダ内に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関の負荷が所定値未満の運転時に圧縮行程においてシリンダ内に噴射した燃料を点火栓近傍に導いて成層燃焼させ、機関の負荷が前記所定値以上の運転時に吸気行程においてシリンダ内に噴射した燃料をシリンダに一様に分布させて均質燃焼させるようにした筒内直接噴射式内燃機関において、吸気バルブのバルブタイミングを変化させ得る機構と、この機構を用いて暖機運転時に、燃料の噴射開始から吸気バルブの開時期までに噴射された燃料噴霧がピストン冠面あるいはシリンダ璧面に衝突する前に、燃料の噴射後に遅れてシリンダ内に流入する吸気の流れによって周囲をガイドされるように吸気バルブの開時期を前記吸気行程での燃料噴射の開始直後にまで遅らせる手段とを設けたことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
吸気ポートの下方位置よりシリンダ略中央を指向してシリンダ内に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関の負荷が所定値未満の運転時に圧縮行程においてシリンダ内に噴射した燃料を点火栓近傍に導いて成層燃焼させ、機関の負荷が前記所定値以上の運転時に吸気行程においてシリンダ内に噴射した燃料をシリンダに一様に分布させて均質燃焼させるようにした筒内直接噴射式内燃機関において、吸気バルブのバルブタイミングを変化させ得る機構と、この機構を用いて暖機運転時に、燃料の噴射開始から吸気バルブの開時期までに噴射された燃料噴霧がピストン冠面あるいはシリンダ璧面に衝突する前に、燃料の噴射後に遅れてシリンダ内に流入する吸気の流れによって周囲をガイドされるように吸気バルブの開時期を前記吸気行程での燃料噴射の開始から燃料噴射の終了までの途中に設定する手段とを設けたことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記吸気バルブの開時期は上死点以降であることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記吸気バルブの開弁速度を小さくすることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
吸気ポートの下方位置よりシリンダ略中央を指向してシリンダ内に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関の負荷が所定値未満の運転時に圧縮行程においてシリンダ内に噴射した燃料を点火栓近傍に導いて成層燃焼させ、機関の負荷が前記所定値以上の運転時に吸気行程においてシリンダ内に噴射した燃料をシリンダに一様に分布させて均質燃焼させるようにした筒内直接噴射式内燃機関において、吸気バルブのバルブタイミングおよびバルブリフト量を変化させ得る機構と、この機構を用いて暖機運転時に、燃料の噴射開始から吸気バルブの開時期までに噴射された燃料噴霧がピストン冠面あるいはシリンダ璧面に衝突する前に、燃料の噴射後に遅れてシリンダ内に流入する吸気の流れによって周囲をガイドされるように吸気バルブの開時期を前記吸気行程での燃料噴射の開始直後にまで遅らせるとともに、吸気バルブのバルブリフト量を通常時より小さくする手段とを設けたことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は筒内直接噴射式内燃機関において、特に冷間始動からの暖機完了までの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼室に臨んで燃料噴射弁を設け、機関圧縮行程において燃料を燃焼室に直接噴射し、点火時に点火栓の周辺に可燃混合気層を形成し、いわゆる成層燃焼により、全体的には超希薄混合気でありながら、安定した燃焼を実現可能とし、これに対して機関の高負荷時などには高出力を発生させるため、燃料の噴射時期を吸気行程に移し、燃料と空気を予め混合しておき、理論空燃比付近での均質燃焼を行わせるようにした筒内直接噴射式の内燃機関が、たとえば特開平８−３５４２９号公報等により提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来より上記の均質燃焼を行わせる場合、吸気バルブが開き始めてから燃料噴射を開始している。このとき、燃料噴霧Fuelは図５に示したように燃焼室７へと流入する空気の流れFairの影響を受けて、ピストン４の冠面へと押し下げられる。特に、噴射開始直後の粒径の大きな燃料液滴は、ピストン冠面やシリンダ壁面４１に衝突して付着しやすい。したがって、ピストン冠面やシリンダ壁面の温度が十分に上昇していない冷間始動から暖機完了までの暖機運転時は、そのピストン冠面やシリンダ壁面に付着した燃料の気化が点火や燃焼に間に合わず、排気行程で未燃のまま排出されてしまう。
【０００４】
これに対して、特開平５−２４８２７７号公報に開示された従来装置では、成層燃焼を行わせる低負荷運転時に吸排気バルブの開閉タイミングを同時に変更することによりバルブオーバーラップを変更することなく燃焼室内に残留する既燃ガス量を増大させ、これによって燃焼室内ガス温度を高め、燃料の気化促進を図ろうとしている。
【０００５】
しかしながら、冷間始動から暖機完了までの暖機運転時（以下、単に暖機運転時という）はピストン冠面やシリンダ壁面に逃げる熱が暖機完了後より多く、燃焼室内ガス温度があまり上昇しないので、燃料の気化が良好に行えない。また、この従来装置の燃料噴射は、成層燃焼のために圧縮行程の後期に行っているので、燃焼室に流入するときの空気流動を燃料噴霧の拡散に利用することができない。
【０００６】
そこで本発明は、暖機運転時に、吸気バルブの開時期を吸気行程での燃料噴射の開始直後にまで遅らせることにより、暖機運転時の燃料の気化、拡散を促進して暖機運転時における均質燃焼の燃焼状態を改善し、排出ＨＣの低減を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、吸気ポートの下方位置よりシリンダ略中央を指向してシリンダ内に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関の負荷が所定値未満の運転時に圧縮行程においてシリンダ内に噴射した燃料を点火栓近傍に導いて成層燃焼させ、機関の負荷が前記所定値以上の運転時に吸気行程においてシリンダ内に噴射した燃料をシリンダに一様に分布させて均質燃焼させるようにした筒内直接噴射式内燃機関において、吸気バルブのバルブタイミングを変化させ得る機構と、この機構を用いて暖機運転時に、燃料の噴射開始から吸気バルブの開時期までに噴射された燃料噴霧がピストン冠面あるいはシリンダ璧面に衝突する前に、燃料の噴射後に遅れてシリンダ内に流入する吸気の流れによって周囲をガイドされるように吸気バルブの開時期を前記吸気行程での燃料噴射の開始直後にまで遅らせる手段とを設けた。
【０００８】
第２の発明は、吸気ポートの下方位置よりシリンダ略中央を指向してシリンダ内に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関の負荷が所定値未満の運転時に圧縮行程においてシリンダ内に噴射した燃料を点火栓近傍に導いて成層燃焼させ、機関の負荷が前記所定値以上の運転時に吸気行程においてシリンダ内に噴射した燃料をシリンダに一様に分布させて均質燃焼させるようにした筒内直接噴射式内燃機関において、吸気バルブのバルブタイミングを変化させ得る機構と、この機構を用いて暖機運転時に、燃料の噴射開始から吸気バルブの開時期までに噴射された燃料噴霧がピストン冠面あるいはシリンダ璧面に衝突する前に、燃料の噴射後に遅れてシリンダ内に流入する吸気の流れによって周囲をガイドされるように吸気バルブの開時期を前記吸気行程での燃料噴射の開始から燃料噴射の終了までの途中に設定する手段とを設けた。
【０００９】
第３の発明では、第１または第２の発明において前記吸気バルブの開時期が上死点以降である。
【００１０】
第４の発明では、第１から第３までのいずれか一つの発明において前記吸気バルブの開弁速度を小さくする。
【００１１】
第５の発明は、吸気ポートの下方位置よりシリンダ略中央を指向してシリンダ内に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関の負荷が所定値未満の運転時に圧縮行程においてシリンダ内に噴射した燃料を点火栓近傍に導いて成層燃焼させ、機関の負荷が前記所定値以上の運転時に吸気行程においてシリンダ内に噴射した燃料をシリンダに一様に分布させて均質燃焼させるようにした筒内直接噴射式内燃機関において、吸気バルブのバルブタイミングおよびバルブリフト量を変化させ得る機構と、この機構を用いて暖機運転時に、燃料の噴射開始から吸気バルブの開時期までに噴射された燃料噴霧がピストン冠面あるいはシリンダ璧面に衝突する前に、燃料の噴射後に遅れてシリンダ内に流入する吸気の流れによって周囲をガイドされるように吸気バルブの開時期を前記吸気行程での燃料噴射の開始直後にまで遅らせるとともに、吸気バルブのバルブリフト量を通常時より小さくする手段とを設けた。
【００１２】
【発明の効果】
第１の発明によれば、噴射された燃料の噴霧は、シリンダに流入する空気流動によってピストン冠面へと押し下げられることなく、シリンダ略中央に向かって進みながら拡散する。そして、対向するピストン冠面あるいはシリンダ壁面に衝突する前に、噴射開始直後に遅れてシリンダ内に流入してきた空気の流れにガイドされ、ピストン冠面やシリンダ壁面に燃料噴霧が付着するのが抑制される。これによって、燃料噴霧と空気との混合が進んで良好に燃料が気化、拡散される。この結果、均質燃焼を行われる暖機運転時における燃焼状態が改善され、機関より排出されるＨＣが低減する。
【００１３】
第２の発明によれば、燃料噴射の開始から吸気バルブの開作動までに噴射された燃料噴霧について、第１の発明と同様の効果が得られる。
【００１４】
これに対して、吸気バルブの開作動以降に噴射された燃料の噴霧は、シリンダに流入する空気の流れによってピストン冠面へと押し下げられるが、燃料の噴射開始時に比べるとピストン位置が下がっており、かつ燃料の噴射開始直後の燃料噴霧のように粒径の大きな燃料液滴が混ざることが少ないので、ピストン冠面への燃料付着は少ない。逆に、流入直後の流速の大きい空気流に直接、燃料噴霧を混ぜ込むことができるので、良好な気化、拡散を行わせることができる。この結果、第１の発明と同様に、均質燃焼を行われる暖機運転時における燃焼状態が改善され、機関より排出されるＨＣが低減する。
【００１５】
第３の発明によれば、吸気バルブの開時期が上死点前にある場合よりもシリンダ内の負圧が上昇する（絶対圧力が低くなる）ことから、噴き始めの燃料噴霧の微粒化を促進できる。
【００１６】
第４、第５の各発明によれば、吸気バルブの開弁速度の低下でポート出口の吸気流速が上昇しかつその継続時間が長くなることから、空気流による燃料噴霧をガイドする効果がより良く得られ、これによって燃料のガス流動による気化、拡散をさらに促進することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１において、１はエンジン本体、２は吸気通路、３は排気通路である。ピストン４の頂面（冠面）には浅皿ボール状のキャビティ５が形成され、このキャビティ５に向けて、吸気ポートの下方に位置する燃料噴射弁６より燃料が直接に噴射される。点火栓８を設けた燃焼室７には、吸気バルブ９を介して吸気通路２からの吸気が導入され、燃焼ガスが排気バルブ１０を介して排気通路３へと流れる。なお、吸気バルブ９と排気バルブ１０は各気筒についてそれぞれ２つずつ配置されている。
【００１８】
吸気通路２の各ブランチ（図示しない）には、スワールコントロールバルブ１１が配置され、成層燃焼時に一方の吸気バルブ９から吸気を導入し、燃焼室７内にスワールを生起する。
【００１９】
コントロールユニット２１は燃料噴射弁６の燃料噴射（燃料噴射量と燃料噴射開始時期）を制御し、またスワールコントロールバルブ１１の開度も制御する。このため、コントロールユニット２１には、エアフローメータ２２からの吸入空気量信号、アクセル開度センサ２３からのアクセル開度信号、クランク角センサ２４からの回転数信号、スロットル開度センサ２５からのスロットルバルブ開度信号などが入力し、これらに基づいて上記した各制御を実行する。
【００２０】
ここで、この制御の内容を概説すると、燃料噴射弁６は、機関低負荷域などにおいて燃料を圧縮行程の後半に噴射し、これにより圧縮上死点付近において、点火栓８の近傍のキャビティ５に可燃混合気層を形成し、点火栓８による点火に伴い燃料を成層燃焼させ、全体としては超希薄燃焼を行う。また、機関の高負荷域では燃料を吸気行程で噴射し、燃料と空気の混合を早め、燃焼室７の全域を均質的な混合気で満たし、理論空燃比付近の混合気による均質燃焼を行う。
【００２１】
さて、従来より上記の均質燃焼を行わせる場合、吸気バルブが開き始めてから燃料噴射を開始している。このとき、燃料噴霧は、燃焼室７へと流入する空気の流れの影響を受けて、ピストン冠面へと押し下げられる。特に、噴射開始直後の粒径の大きな燃料液滴は、ピストン冠面やシリンダ壁面に衝突して付着しやすい。したがって、ピストン冠面やシリンダ壁面の温度が十分に上昇していない暖機運転時は、そのピストン冠面やシリンダ壁面に付着した燃料の気化が点火や燃焼に間に合わず、排気行程で未燃のまま排出されることになる。
【００２２】
これに対して、吸排気バルブの開閉タイミングを同時に変更することで、低中負荷時にバルブオーバーラップを確保しつつ、残留既燃ガス量を増大させて筒内ガス温度を上昇させ、燃料の気化促進を図ろうとするものがある。
【００２３】
しかしながら、暖機運転時はピストン冠面やシリンダボア壁面に逃げる熱が暖機完了後より多く、筒内ガス温度があまり上昇しないので、燃料の気化が良好に行えない。
【００２４】
これに対処するため、コントロールユニット２１では、暖機運転時に吸気バルブの開時期を吸気行程での燃料噴射の開始から終了までの噴射期間中に設定する。
【００２５】
これを図２により具体的に説明すると、同図はバルブタイミングに燃料噴射期間を重ねたものである。暖機完了までは均質燃焼を行わせるため、吸気行程で燃料噴射が行われるのであるが、従来は、この吸気行程での燃料噴射の開始前に吸気バルブの開時期ＩＶＯが設定されていた。これに対して、本発明では、吸気バルブの開時期ＩＶＯを燃料噴射の開始後に設定している。
【００２６】
ただし、このように吸気バルブの開時期を燃料噴射の開始時期より遅らせるのは暖機運転時だけであり、暖機完了後にはそのときの運転条件に応じた適切な吸気バルブの開時期へと切り換えられることになる。
【００２７】
なお、吸気バルブのバルブタイミングが暖機運転時と暖機完了後とで可変的に切換えられるように、周知のバルブタイミング可変機構３１（図１参照）が備えられる。この可変機構３１は、たとえば吸気バルブ９を駆動するカムシャフトの回転角度を相対的に進角あるいは遅角させるもので、遅角させることによって吸気バルブ９のバルブタイミング（開時期と閉時期）が遅れる。
【００２８】
以上のように構成され、次に作用について図３を参照しながら説明する。
【００２９】
暖機運転時において燃料の噴射開始から吸気バルブの開時期までに噴射された燃料噴霧は、燃焼室７へと流入する空気流れによって押し下げられることがないので、噴射弁の噴射方向、つまり燃焼室７の略中央に向かって進みながら拡散する。次に、この燃料噴霧Fuelは、噴射弁６に対向するピストン冠面あるいはシリンダ壁面に衝突する前に、燃料の噴射直後に遅れて流入してくる空気の流れFairにより周囲をガイドされ（図３の状態）、ピストン冠面あるいはシリンダ壁面に燃料噴霧が付着するのが抑制される。そして、空気流にガイドされた燃料噴霧Fuelと空気との混合が進み、燃料が良好に気化、拡散される。
【００３０】
これに対して、吸気バルブの開弁以降に噴射された燃料噴霧は、燃焼室７に流入する空気流れによってピストン冠面へと押し下げられる。しかしながら、このとき、燃料の噴射開始時に比べればピストン位置が下がっており、かつ燃料の噴射開始直後の噴霧のように粒径の大きな燃料液滴が混ざることも少ないので、ピストン冠面への燃料付着は少ないものとなる。逆に、燃焼室７に流入した直後の流速の大きい空気流れに直接、燃料噴霧を混ぜ込むことができるので、燃料の良好な気化、拡散を行わせることができる。
【００３１】
この結果、均質燃焼が行われる暖機運転時における燃焼状態が改善され、機関より排出されるＨＣが減少する。
【００３２】
次に、図４に示す吸気バルブのバルブリフト特性により他の実施形態を説明する。
【００３３】
これは、暖機運転時に吸気バルブの開時期を、先の実施形態と同じに吸気行程での燃料噴射の開始時期よりも遅らせることに加えて、吸気バルブのバルブリフト量を通常時（暖機完了後）より小さくするものである。
【００３４】
吸気バルブのバルブリフト量を小さくしたとき、リフト曲線の立ち上がりの角度（吸気バルブの開弁速度に相当）が小さくなる。これにより、吸気ポート出口の吸気流速が上昇しかつその継続時間が長くなるので、空気流による燃料噴霧のガイド効果がより良く得られ、これによって燃料のガス流動による気化、拡散が一段と促進される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す制御システム図。
【図２】バルブタイミング図。
【図３】空気流れと燃料噴霧の関係を示す縦断面図。
【図４】他の実施形態を示す吸気バルブのバルブリフト特性図。
【図５】従来装置の縦断面図。
【符号の説明】
４  ピストン
６  燃料噴射弁
９  吸気バルブ
２１  コントロールユニット
３１  バルブタイミング可変機構
【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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