(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気弁の閉時期または吸気弁の開時期を可変制御する弁作動制御装置と、
成層燃焼運転時において、前記弁作動制御装置により排気弁が閉じた後に吸気弁が開くようにマイナスオーバラップ制御が行われているときに、このときのマイナスオーバラップ量が大であるほど筒内の燃料気化が進んでいると判定する手段と、
前記筒内の燃料分布を操作する手段と、
前記燃料気化状態に基づき前記操作手段を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、燃料の気化が進んでいるときほど点火栓近傍に燃料が集中する方向に前記操作手段を制御するように設定されている成層燃焼機関。
【請求項２】
排気弁の閉時期を可変制御する弁作動制御装置と、
成層燃焼運転時において、前記弁作動制御装置により制御される排気弁閉時期が排気上死点よりも進角するほど筒内の燃料気化が進んでいると判定する手段と、
前記筒内の燃料分布を操作する手段と、
前記燃料気化状態に基づき前記操作手段を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、燃料の気化が進んでいるときほど点火栓近傍に燃料が集中する方向に前記操作手段を制御するように設定されている成層燃焼機関。
【請求項３】
成層燃焼運転時の筒内の燃料気化状態を判定する手段と、
前記筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁の燃料噴射率を制御する燃料噴射率制御手段と、
前記燃料気化状態に基づき前記燃料噴射率制御手段を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、燃料の気化が進んでいるときほど燃料噴射率が増大する方向に前記燃料噴射率を制御するように設定されている成層燃焼機関。
【請求項４】
排気弁の閉時期または吸気弁の開時期を可変制御する弁作動制御装置を備え、この弁作動制御装置により吸気弁が開いた後に排気弁が閉じるようにバルブオーバラップ制御が行われているときに、このときのバルブオーバラップ量が大であるほど燃料気化が進んでいると判定するようにした請求項３に記載の成層燃焼機関。
【請求項５】
吸気弁の開時期を可変制御する弁作動制御装置を備え、この弁作動制御装置により制御される吸気弁開時期が排気上死点よりも進角するほど燃料気化が進んでいると判定するようにした請求項３に記載の成層燃焼機関。
【請求項６】
吸気温度を検出する手段を備え、この検出吸気温度が高いときほど燃料気化が進んでいると判定するようにした請求項１から請求項５の何れかに記載の成層燃焼機関。
【請求項７】
機関吸気通路の途中に筒内のガス流動を制御するガス流動制御弁を備え、燃料気化が進むほどガス流動が減少する方向に前記ガス流動制御弁の開度を制御するようにした請求項１又は２に記載の成層燃焼機関。
【請求項８】
前記筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁の燃料噴射率を制御する燃料噴射率制御手段を備え、燃料気化が進むほど燃料噴射率が増大する方向に前記燃料噴射率制御手段を制御するようにした請求項１又は２に記載の成層燃焼機関。
【請求項９】
燃料噴射率制御手段は、燃料噴射弁の針弁リフト量を増大することにより噴射率を増大させるように構成されている請求項３又は８に記載の成層燃焼機関。
【請求項１０】
燃料噴射率制御手段は、燃料噴射弁に供給する燃料圧力を増大させることにより噴射率を増大させるように構成されている請求項３又は８に記載の成層燃焼機関。
【請求項１１】
筒内に臨む燃料噴射弁により圧縮行程中に燃料を噴射供給することにより成層燃焼運転を行うようにした請求項１から請求項１０までの何れかに記載の成層燃焼機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、特に成層燃焼を行う内燃機関において筒内の燃料分布を最適化することを目的とした改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
内燃機関のピストン冠面に設けたボウル状燃焼室に濃混合気を保持させたり、直接燃料噴射式機関において圧縮行程の途中で燃料を供給したりすることにより点火栓の近傍にのみ濃混合気層を形成し、これにより希薄空燃比での運転を可能にした成層燃焼機関というものが知られている。
【０００３】
このような内燃機関において、成層燃焼運転時に吸排気弁のバルブオーバラップを増大させることにより筒内残留ガス量を増大させて燃焼性を改善するようにしたものが提案されている。これは筒内残留ガスにより着火前の新気を加熱して燃料気化を促進するようにしたもので、成層燃焼運転時の燃焼安定性ないしは燃焼速度を改善したり、ピストン冠面への燃料付着によるスモークやＨＣの排出を抑制したりする効果が得られるというものである（特開平4-183945号公報参照）。一方、成層燃焼機関においてスワールやタンブルなどの筒内ガス流動を生起することにより、点火栓の近傍に混合気を導いて着火性を向上させると共に燃焼性を改善できることが知られている。
【０００４】
しかしながら、成層燃焼機関において上述のようにして筒内混合気の燃料気化を促進すると、筒内ガス流動を与えることによって燃料が拡散しやすくなり、この結果として着火・燃焼不良が起こり、ＨＣやＣＯの排出量が増大してしまうおそれが生じる。また、ピストン冠面にボウル状燃焼室を設けた機関ではガス流動によりボウル内の燃料が外部にあふれてしまうことから同様の燃焼不良が起こる。
【０００５】
また、燃料噴射弁の噴射率が低い場合にも、早期に燃料噴射を開始する必要があるところから、それだけ燃料供給開始から着火までの時間が長くなって筒内での燃料気化が進んでしまい、この結果として上記と同様の燃焼不良が起こりうる。
【０００６】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、主として機関のバルブタイミングと筒内ガス流動の関係を適切に制御することにより混合気の成層化を最適化するようにした成層燃焼機関を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、排気弁の閉時期または吸気弁の開時期を可変制御する弁作動制御装置と、成層燃焼運転時において、前記弁作動制御装置により排気弁が閉じた後に吸気弁が開くようにマイナスオーバラップ制御が行われているときに、このときのマイナスオーバラップ量が大であるほど筒内の燃料気化が進んでいると判定する手段と、前記筒内の燃料分布を操作する手段と、前記燃料気化状態に基づき操作手段を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、燃料の気化が進んでいるときほど点火栓近傍に燃料が集中する方向に前記操作手段を制御するように設定する。
【０００８】
請求項２の発明では、排気弁の閉時期を可変制御する弁作動制御装置と、成層燃焼運転時において、前記弁作動制御装置により制御される排気弁閉時期が排気上死点よりも進角するほど筒内の燃料気化が進んでいると判定する手段と、前記筒内の燃料分布を操作する手段と、前記燃料気化状態に基づき前記操作手段を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、燃料の気化が進んでいるときほど点火栓近傍に燃料が集中する方向に前記操作手段を制御するように設定する。
【０００９】
請求項３の発明では、成層燃焼運転時の筒内の燃料気化状態を判定する手段と、前記筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁の燃料噴射率を制御する燃料噴射率制御手段と、前記燃料気化状態に基づき前記燃料噴射率制御手段を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、燃料の気化が進んでいるときほど燃料噴射率が増大する方向に前記燃料噴射率を制御するように設定する。
【００１０】
請求項４の発明では、上記請求項３の発明において、排気弁の閉時期または吸気弁の開時期を可変制御する弁作動制御装置を備え、この弁作動制御装置により吸気弁が開いた後に排気弁が閉じるようにバルブオーバラップ制御が行われているときに、このときのバルブオーバラップ量が大であるほど燃料気化が進んでいると判定するようにした。
【００１１】
請求項５の発明は、上記請求項３の発明において、吸気弁の開時期を可変制御する弁作動制御装置を備え、この弁作動制御装置により制御される吸気弁開時期が排気上死点よりも進角するほど燃料気化が進んでいると判定するようにした。
【００１２】
請求項６の発明は、上記各発明において、吸気温度を検出する手段を備え、この検出吸気温度が高いときほど燃料気化が進んでいると判定するようにした。
【００１３】
請求項７の発明は、上記請求項１又は２の発明において、機関吸気通路の途中に筒内のガス流動を制御するガス流動制御弁を備え、燃料気化が進むほどガス流動が減少する方向に前記ガス流動制御弁の開度を制御するようにした。
【００１４】
請求項８の発明は、上記請求項１又は請求項２の発明において、筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁の燃料噴射率を制御する燃料噴射率制御手段を備え、燃料気化が進むほど燃料噴射率が増大する方向に前記燃料噴射率制御手段を制御するようにした。
【００１５】
請求項９の発明は、上記請求項３又は請求項８の発明の燃料噴射率制御手段を、燃料噴射弁の針弁リフト量を増大することにより噴射率を増大させるように構成した。
【００１６】
請求項１０の発明は、上記請求項３又は請求項８の発明の燃料噴射率制御手段を、燃料噴射弁に供給する燃料圧力を増大させることにより噴射率を増大させるように構成した。
【００１７】
請求項１１の発明は、上記各発明において、筒内に臨む燃料噴射弁により圧縮行程中に燃料を噴射供給することにより成層燃焼運転を行う成層燃焼機関である。
【００１８】
【作用・効果】
成層燃焼機関では全開時や高速回転時など特定の運転状態のときを除いて点火栓近傍にのみ比較的濃い混合気層を形成する成層燃焼運転を行う。成層燃焼時には主燃焼領域の局所的な空燃比をスモーク限界で制限される過濃空燃比から可燃限界で制限される希薄空燃比までの範囲に制御することが重要であり、この範囲を超えて過濃な部分が存在するとスモークやＣＯの排出量が増大し、あるいは過度に希薄な部分が存在するとＨＣの排出量が増大したり燃焼が不安定になったりする。
【００１９】
成層燃焼運転の安定性を高めるうえではバルブオーバラップの増大や吸気加熱等により燃料の気化を促進することが有効であるが、気化促進は同時に燃料の拡散を促すことにもなるため、燃焼改善および混合気成層化のために筒内にガス流動を生起した場合には点火時の点火栓近傍の混合気が希薄化して着火不良を起こしたり、あるいは燃焼領域が広がることで可燃域を超えた希薄部分を生成してＨＣ排出が増大したりするおそれを生じることにもなる。
【００２０】
これに対して本発明では、成層燃焼運転時の筒内での混合気の気化状態を判定すると共に、筒内の燃料分布を操作する手段を制御し、燃料の気化度合いに応じて、気化が進んでいるときほど点火栓近傍に燃料が集中するように前記燃料分布の操作手段を制御する。すなわち、混合気中の燃料が拡散しやすい条件のときほど点火栓近傍に燃料が集中するように図る。
【００２１】
燃料の気化状態は、例えばバルブの開閉タイミングで代表される。排気弁の閉時期または吸気弁の開時期を可変制御する弁作動制御装置を備えた機関では、この弁作動制御装置により排気弁が閉じた後に吸気弁が開くようにマイナスオーバラップ制御が行われているときに、このときのマイナスオーバラップ量が大であるほど筒内残留ガス量が大となって筒内温度が高くなるため、それだけ燃料気化が進んでいると判定できる。あるいは、排気弁の閉時期を可変制御する弁作動制御装置を備えた機関では、この弁作動制御装置により制御される排気弁閉時期が排気上死点よりも進角するほど、つまり早期に閉弁するほど、同様にして燃料気化が進んでいると判定できる。
【００２２】
または、排気弁の閉時期または吸気弁の開時期を可変制御する弁作動制御装置を備えた機関では、この弁作動制御装置により吸気弁が開いた後に排気弁が開くようにバルブオーバラップ制御が行われているときに、このときのバルブオーバラップ量がある程度以上に大きくなるほど内部ＥＧＲの作用により筒内温度が高くなるので、それだけ燃料気化が進んでいると判定できる。あるいは、吸気弁の開時期を可変制御する弁作動制御装置を備えた機関では、この弁作動制御装置により制御される吸気弁開時期が排気上死点よりも進角するほど同様にして燃料気化が進んでいると判定できる。
【００２３】
一方、燃料気化の程度には吸気温度も強く影響するので、吸気温度を検出し、吸気温度が高いときほど燃料気化が進んでいると判定することもできる。
【００２４】
これに対して、操作手段による制御対象としては、例えば筒内ガス流動の強さである。機関吸気通路の途中に筒内のガス流動を制御するガス流動制御弁を備えた機関では、このガス流動制御弁の開度を、燃料気化が進むほどガス流動が減少する方向に制御することにより、燃料気化状態に対して適切なガス流動状態を設定して燃料拡散を抑制することができる。
【００２５】
または、操作手段による制御対象として、燃料噴射率を制御する。燃料噴射率を高めるほど、同一の要求燃料量を供給するのに必要な噴射時間が短くなるため、それだけ燃料の拡散を抑制することが可能となるからである。すなわち、燃料気化が進むほど燃料噴射率を増大させることで適切な層状燃焼状態が得られる。燃料噴射率を高めるには、例えば燃料噴射弁の針弁リフト量を増大させるか、または燃料噴射弁に供給する燃料圧力を増大させる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき説明する。図１は、本発明を適用した成層燃焼機関の機械的構成例を示す概略図である。図において１はアクセル開度センサであり、運転者によって操作されるアクセルペダルの開度ＡＰＳ（踏み込み量）を検出する。２はクランク角センサであり、エンジン４の単位クランク角毎のポジション信号および気筒間の行程位相差毎のリファレンス信号を発生し、これらに基づき点火時期または燃料噴射時期の制御に必要なクランク角位置および回転数Ｎｅを検出する。３はエアフローメータであり、エンジン４の吸入空気量Ｑａを検出する。５は水温センサであり、エンジン４の冷却水温Ｔｗを検出する。
【００２７】
エンジン４には、燃料を直接筒内に噴射する燃料噴射弁６および点火栓７が各気筒に設けられている。燃料噴射弁６には後述するコントローラ１１からの指令に応じた圧力で燃料を供給する燃料ポンプ１９が接続されている。９は吸気通路８の途中に設けられたスロットル弁、１０はそのアクチュエータである。
【００２８】
吸気通路８の途中には、筒内の吸気流動を制御するガス流動制御弁として、この場合その一部に切欠部を有するスワールコントロールバルブ１５が設けられている。１６はその開閉作動を行うアクチュエータである。スワールコントロールバルブ１５は、基本的にはその開度を減じるほど筒内のスワールを強める作用を有する。
【００２９】
また、排気通路２０には排気温度Ｔｅｘを検出するための排気温センサ１７、吸気通路８には吸気温度Ｔｉｎを検出するための吸気温センサ１８が、それぞれ設けられている。
【００３０】
一方、エンジン４の吸気弁１２および排気弁１３をそれぞれカム駆動する動弁装置には、各弁の開閉時期を可変制御する弁作動制御装置１４ａ，１４ｂが設けられている。弁作動制御装置１４ａ，１４ｂとしては、例えばカムスプロケットに対してカム軸の位相を変化させるようにしたもの、あるいはプロファイルまたは位相が互いに異なる複数のカムを選択的に使用するようにしたものなどが知られている。
【００３１】
吸排気弁の開閉タイミングは、弁作動制御装置１４ａ，１４ｂにより、通常は吸排気の効率を考慮して図２の（ａ）に示したように排気上死点前にまず吸気弁が開き始め、排気上死点を過ぎてから排気弁を閉ざすように設定され、吸気弁と排気弁が共に開いているバルブオーバラップ領域が設けられる。さらに、例えば図２の（ｂ）に示したように、排気上死点前に排気弁を閉ざし、その後排気上死点を経過した後に吸気弁を開くことによりマイナスオーバラップ領域を設定することもできる。弁作動制御装置１４ａ，１４ｂは、前記バルブオーバラップ量またはマイナスオーバラップ量を可変的に設定することができる。なお図２の（ａ）は均質燃焼運転時に比較して成層燃焼運転時の吸気弁の作動位相（開時期）を進めることによりバルブオーバラップ量を増大させた例を、図２の（ｂ）は同じく排気弁の作動位相を進めることによりマイナスバルブオーバラップ量を増大させた例を、それぞれ示している。
【００３２】
上記各種センサ類からの信号は、マイクロコンピュータ等からなるコントローラ１１に入力され、これらの検出信号に基づき、コントローラ１１はスロットル弁９の開度、点火時期、スワールコントロールバルブ１５の開度、弁作動制御装置１４ａ，１４ｂによる吸排気弁のオーバラップ量（またはマイナスオーバラップ量）をそれぞれ制御する。
【００３３】
さらに、コントローラ１１は、燃料噴射弁６の針弁リフト量または供給燃料圧力に基づき、燃料噴射率を可変制御できるように設定されている。燃料噴射率は単位時間または単位クランク角度あたりの燃料噴射量であり、針弁リフトを大とするほど、または燃料ポンプ１９による燃料圧力を大とするほど高くなる。
【００３４】
次に第１の実施形態のコントローラ１１による制御内容につき図３に示すフローチャートに従って説明する。本ルーチンは例えば１０msec毎に周期的に実行されるものである。この制御ではまずステップ（以下Ｓと表す）１の処理として、成層燃焼運転域での運転であるかを判定する。これは、エンジン運転状態（例えば回転数Ｎｅとアクセル開度ＡＰＳ）に基づいて成層燃焼運転域を定義したマップを参照することで判定する。このときもし成層燃焼運転時でなければ以下の処理は行わずに今回の制御ループは終了する。
【００３５】
成層燃焼運転時であれば、次に排気温度Ｔｅｘ、吸気温度Ｔｉｎ、冷却水温度Ｔｗを上述した各センサからの信号により読み込む（Ｓ２〜４）。さらに、吸排気弁のマイナスオーバラップ量Ｏｌｍおよび燃料噴射量Ｆｍをそれぞれ読み込む（Ｓ５，Ｓ６）。これらの量は、運転状態に応じて決められた値を付与するように予め設定されたマップから読み込む。
【００３６】
次に、上述した各種読み込み値Ｔｅｘ，Ｔｉｎ，Ｔｗ，Ｏｌｍ，Ｆｍに基づいて燃料気化量Ｖｆを推定する（Ｓ７）。これは前記読み込み値に基づいて予め定められた演算式またはマップ読み込みを実行することにより推定する。筒内混合気中の燃料気化量は、基本的には吸気温度Ｔｉｎまたは水温Ｔｗが高いほど、または燃料噴射量Ｆｍが多いほど多くなる。また、マイナスオーバラップ量Ｏｌｍが大きくなるほどまたは排気温度Ｔｅｘが高くなるほど、筒内残留ガスによる加熱量が大となるため気化量が増大する。
【００３７】
次に、エンジン回転数Ｎｅを読み込み（Ｓ８）、これと上記燃料気化量Ｖｆとに基づいて、予め設定されたマップの読み込みによりスワールコントロールバルブ１５の開度を決定し、該開度となるようにアクチュエータ１６を駆動する（Ｓ９，Ｓ１０）。燃料気化量Ｖｆに対してスワールコントロールバルブ１５の開度を付与するマップの一例を図４に示す。図示したように燃料気化が進んでいるときほど開度を増やして筒内ガス流動を減殺する特性が設定されており、これにより燃料気化量が多いときの燃料の拡散を防止して適切な混合気成層状態を維持できるようにしている。なお筒内ガス流動は高速時ほど強くなる傾向があるので、図示しないがエンジン回転数Ｎｅについても、高速回転時ほどスワールコントロールバルブ１５の開度を大きくするようなマップ設定がなされている。
【００３８】
次に、図５に示したフローチャートに基づいて本発明の第２の実施形態につき説明する。本実施形態の機械的構成は上記第１の実施形態と同様である。本実施形態は、上記第１の実施形態に対して、ガス流動ではなく燃料噴射率を制御することで混合気の成層状態を最適化するようにした点で異なるものであり、図３との比較ではＳ９以下の処理が異なっている。すなわち、この実施形態では、エンジン回転数Ｎｅと燃料気化量Ｖｆとに基づいて、予め設定されたマップの読み込みにより燃料噴射率を決定し（Ｓ９）、該噴射率となるように燃料噴射弁６の針弁リフトまたは燃料ポンプ１９の吐出圧力を制御する（Ｓ１０）。燃料気化量Ｖｆに対して燃料噴射率を付与するマップの一例を図６に示す。図示したように燃料気化が進んでいるときほど噴射率を高くする特性が設定されており、これにより燃料気化量が多いときには短時間の間に要求燃料量を噴射させることで燃料の拡散を防止して適切な混合気成層状態を維持できるようにしている。
【００３９】
なお、上記各実施形態では燃料気化量を代表する第１パラメータとしてマイナスオーバラップ量Ｏｌｍを読み込むようにしているが、これに代えて通常のオーバラップ量つまり吸気弁を開いてから排気弁を閉ざすまでのクランク角度を用いるようにしてもよい。一般にバルブオーバラップ量がある程度以上に増大すると内部ＥＧＲの作用により筒内温度が高くなって燃料気化が促進する傾向を有するからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明が適用可能な内燃機関の機械的構成例の概略図。
【図２】  吸排気弁の開閉タイミング図。
【図３】  本発明の第１の実施形態の制御内容を示すフローチャート。
【図４】  スワールコントロールバルブ開度（スワール強度）と燃料気化量推定値との関係を示す説明図。
【図５】  本発明の第２の実施形態の制御内容を示すフローチャート。
【図６】  燃料噴射率と燃料気化量推定値との関係を示す説明図。
【符号の説明】
１    アクセル開度センサ
２    クランク角センサ
３    エアフローメータ
４    エンジン
５    水温センサ
６    燃料噴射弁
７    点火栓
８    吸気通路
９    スロットル弁
１０    スロットル弁のアクチュエータ
１１    コントローラ
１２    吸気弁
１３    排気弁
１４ａ，１４ｂ  弁作動制御装置
１５    ガス流動制御弁（スワールコントロールバルブ）
１６    ガス流動制御弁のアクチュエータ
１７    排気温センサ
１８    吸気温センサ
１９    燃料ポンプ
２０    排気通路
【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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