(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気および燃料を燃焼室内に直接噴射するエアーアシスト式燃料噴射装置と、
排気弁の開閉タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング装置と、
始動時に該燃料噴射装置及び該可変バルブタイミング装置の作動を制御して、該排気弁の閉時期を通常よりも早めるとともに、該排気弁が閉じられ吸気弁が開き始めた後の吸気開始上死点付近で該燃料噴射装置から該圧縮空気のみを噴射させる制御手段とをそなえたことを特徴とする、筒内噴射型４サイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射型４サイクルエンジンの排出ガスに含まれる炭化水素，一酸化炭素の排出量を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排出ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ），一酸化炭素（ＣＯ）の排出量を低減する技術として様々な技術が実用化されている。
例えば、自動車技術ハンドブック設計編Ｐ．１３８に記載されたように、内燃機関の排気管の途中に２次空気導入路を設けて２次空気を導入し、サーマルリアクタで排気ガス中のＨＣ，ＣＯを燃焼させる技術がある。
【０００３】
また、特開平６−１１７２２６号公報に記載されたように、混合気を導く吸気通路とは別に、燃焼室に圧縮空気を噴射するための噴射弁を設け、圧縮空気を燃焼行程の上死点から排気行程の上死点までの間に噴射して、ＨＣ，ＣＯの酸化を促進させる技術もある。
さらに、３元触媒コンバータを用いて、ＨＣ，ＣＯを酸化させるとともに窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元を行なうことにより、各成分を無害な二酸化炭素，水蒸気，窒素に清浄化する技術も用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、サーマルリアクタを利用して排気ガス中のＨＣ，ＣＯを低減する技術の場合、低負荷域で大量の空気を導入すると、排気ガス温度の低下を招いて触媒の反応を低下させてしまうため、空気流量の制御が不可欠となる。このため、少なくとも空気を供給するエアポンプ，空気流量を調整するコントロールバルブ，コントロールバルブを制御するコントロールユニットが必要となり、全体の構成が複雑化し、コスト上昇を招いてしまうという課題がある。
【０００５】
また、特開平６−１１７２２６号公報に記載された技術では、通常のエンジンの構成とは別に圧縮空気を供給する手段を設ける必要が生じ、全体の構成が複雑化するとともにコストの上昇も招いてしまうという課題がある。
さらに、３元触媒コンバータに関しては、近年の希薄燃焼を行なうガソリンエンジンでは、排気ガスが酸素過剰雰囲気となるために有効に機能しない。そこで、特開平５−３８４５２号公報に記載されているように、リーンＮＯｘ触媒を使用することも提案されているが、いずれにしても、これらの３元触媒やリーンＮＯｘ触媒を利用する技術では、エンジン始動直後は、触媒の温度が上昇しないために触媒が活性化し難く、ＨＣ，ＣＯが発生しやすいという課題がある。
【０００６】
また、エンジン始動直後は、燃料を通常より多く噴射して排気温を高め、これにより触媒の活性化を促すことも行なわれているが、触媒が活性化していない始動初期はＨＣが発生しやすいという課題は依然として解決されていない。
本発明はこのような課題に鑑み創案されたもので、単純な構成で排気ガス中のＨＣ，ＣＯの排出量を抑えることを可能にした、筒内噴射型４サイクルエンジンを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明の筒内噴射型４サイクルエンジンでは、圧縮空気および燃料を燃焼室内に直接噴射するエアーアシスト式燃料噴射装置と、排気弁の開閉タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング装置と、始動時に該燃料噴射装置及び該可変バルブタイミング装置の作動を制御して、該排気弁の閉時期を通常よりも早めるとともに、該排気弁が閉じられ吸気弁が開き始めた後の吸気開始上死点付近で該燃料噴射装置から該圧縮空気のみを噴射させる制御手段とをそなえた。
【０００９】
これによって、燃焼室に付着した燃料を圧縮空気により気化させるとともに排気せずに燃焼させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図５は本発明の一実施形態としての筒内噴射型４サイクルエンジンを示すものであり、図１は本筒内噴射型４サイクルエンジンの概略構成を示したものである。なお、本筒内噴射型４サイクルエンジンとしては、例えば、４サイクル火花点火式の筒内噴射型直列４気筒エンジン（筒内噴射型エンジン）を適用することができる。
【００１１】
図１に示すように、筒内噴射型エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に燃焼室５の頂部中央に点火プラグ３がそなえられ、エアーアシスト式燃料噴射装置４がその噴射口４ａを燃焼室５に臨ませるように配置されている。また、シリンダヘッド２には燃焼室５を臨む吸気ポート６および排気ポート７が形成され、吸気ポート６は吸気弁６ａの駆動により開閉され、排気ポート７は排気弁７ａの駆動によって開閉されるようになっている。
【００１２】
シリンダヘッド２の上部には吸気側カムシャフト６ｂおよび排気側カムシャフト７ｂが回転自在に支持されており、吸気側カムシャフト６ｂの回転により吸気弁６ａが駆動され、排気側カムシャフト７ｂの回転により排気弁７ａが駆動されるようになっている。また、吸気側カムシャフト６ｂ，排気側カムシャフト７ｂには、それぞれ可変バルブタイミング装置６ｃ，７ｃ（以下、吸気側ＶＶＴ６ｃ，排気側ＶＶＴ７ｃという）がそなえられている。
【００１３】
吸気側ＶＶＴ６ｃ，排気側ＶＶＴ７ｃは従来より公知のものであり、異なるプロフィールの低速カムと高速カムとを切換える方法や、カムシャフトとタイミングプーリアッシとの噛み合わせを変更する方法等（例えば、実開平５−７３２０８号公報、特開平４−２８７８４６号公報に示される方法）を用いたもので、吸気弁６ａおよび排気弁７ａの基本的な開閉タイミングを変更可能にするものである。開閉タイミングの変更はＥＣＵ８からの指令により行なわれるようになっている。
【００１４】
また、シリンダブロック９内には、ピストン１０が上下方向に摺動自在に支持されている。
エアーアシスト式燃料噴射装置４について詳述すると、本筒内噴射型４サイクルエンジンにかかるエアーアシスト式燃料噴射装置としては、既知の構造のものを適用することができる。すなわち、燃焼室５内に配置された噴射口４ａと、この噴射口４ａを開閉制御する開閉弁４ｂと、開閉弁４ｂを駆動するソレノイド４ｃと、圧縮空気流入口４ｄと、圧縮空気流入口４ｄに連結された圧縮空気供給ポンプ４ｅと、圧縮空気通路４ｆと、圧縮空気通路４ｆ内に配置された燃料噴射弁４ｇとをそなえたものであり、ソレノイド４ｃおよび燃料噴射弁４ｇは、制御手段としてのＥＣＵ８により制御されるようになっている。
【００１５】
圧縮空気通路４ｆ内は、常時、圧縮空気供給ポンプ４ｅにより供給される圧縮空気によって満たされており、この圧縮空気内に燃料噴射弁４ｇから燃料が噴射されるようになっている。したがって、ＥＣＵ８からの指令により、燃料噴射弁４ｇから燃料を噴射した状態でソレノイド４ｃを励磁して開閉弁４ｂを開口した場合には、噴射口４ａから圧縮空気が燃料とともに燃焼室５内に噴射されることになる。
【００１６】
また、ＥＣＵ８からの指令により、燃料噴射弁４ｇから燃料を噴射せずに、開閉弁４ｂを開口することも可能であり、この場合には、燃焼室５内には圧縮空気のみが噴射されることになる。つまり、本筒内噴射型４サイクルエンジンでは、エアーアシスト式燃料噴射装置４を用いることによって、圧縮空気のみの噴射を、余分な構成を追加することなく単純で低コストな構成で実現することができるようになっているのである。
【００１７】
本発明の一実施形態としての筒内噴射型４サイクルエンジンは上述のように構成されているので、ＥＣＵ８は、以下のようにしてエアーアシスト式燃料噴射装置４の噴射制御を行なう。
まず、ＥＣＵ８では、所定のタイミングでエアーアシスト式燃料噴射装置４から燃料と圧縮空気とを燃焼室５内に噴射して、燃焼室５内で燃料を燃焼させ、エンジン１の出力を得る。このエアーアシスト式燃料噴射装置４の噴射タイミングは、エンジン回転数や負荷等の車両の運転状態に応じて制御され、例えば、加速走行時等のように高出力が必要と判断した場合には、吸気行程でエアーアシスト式燃料噴射装置４から燃料と圧縮空気とを噴射する。燃焼室５内に圧縮空気とともに噴射された燃料は、吸気ポート６から吸入される空気（新気）と均質に混合して理論空燃比付近の混合気となり、この理論空燃比付近の混合気を燃焼させることにより高出力が得られる。
【００１８】
一方、一定車速での走行時等のように負荷が小さく高出力が要求されない場合には、圧縮行程（特に、圧縮行程後期）でエアーアシスト式燃料噴射装置４から燃料と圧縮空気とを噴射する。そして、エアーアシスト式燃料噴射装置４からの燃料噴射が終了した圧縮行程末期において、燃焼室５内の混合気への点火を行なう。
【００１９】
このとき、エアーアシスト式燃料噴射装置４から圧縮空気とともに噴射された燃料は、吸気ポート６から吸入された流入空気による縦渦流により、燃焼室５の頂部中央に配設された点火プラグ３の近傍に集められ、点火プラグ３の近傍のみが理論空燃比又はリッチな空燃比となっており、逆に点火プラグ３から離隔した部分では極めてリーンな空燃比状態となる。これにより、燃焼室５内全体の空燃比は理論空燃比に比べて十分リーンな空燃比でありながら、点火プラグ３により点火された燃焼室５内の混合気は安定した層状燃焼を行なうことができ、低燃費が実現される。
【００２０】
さらに、ＥＣＵ８では、上述のように吸気行程若しくは圧縮行程においてエアーアシスト式燃料噴射装置４から燃料と圧縮空気とを噴射した後、排気行程において再びエアーアシスト式燃料噴射装置４を作動させる。ただし、ここでは燃料噴射弁４ｇから燃料を噴射せず、圧縮空気のみを燃焼室５内に噴射する。なお、図２は、排気行程から吸気行程にかけての吸気弁６ａ及び排気弁７ａのリフト量（吸気ポート６及び排気ポート７の開閉量）とエアーアシスト式燃料噴射装置４の圧縮空気の噴射タイミングとを示したものであり、吸気開始上死点を０°としている。また、図３は、圧縮空気噴射時の燃焼室内の模式図である。
【００２１】
図２に示すように、排気弁７ａは排気行程が開始される下死点（−１８０°）よりもやや早めに開き始め、ＢＴＤＣ９０°（−９０°）付近で最大となり、吸気開始上死点（ＴＤＣ）をやや過ぎたところで完全に閉じる。一方、吸気弁６ａは吸気開始上死点（ＴＤＣ）よりもやや早めに開き始め、ＡＴＤＣ９０°（９０°）付近で最大となり、下死点（１８０°）をやや過ぎたところで完全に閉じる。そして、ＥＣＵ８では、排気行程中の吸気弁６ａが閉じている間の所定のタイミング（例えば、排気弁７ａのリフト量が最大となる直前からその後しばらくの間、すなわち、図２中のＡで示すタイミング）で、エアーアシスト式燃料噴射装置４から圧縮空気を噴射させる。
【００２２】
このようなタイミングで圧縮空気のみを噴射することにより、図３に示すように、燃焼室５内に残された排気にエアーアシスト式燃料噴射装置４から噴射された圧縮空気が混合する。燃焼室５内は高温であるため、その中に残留する排気温も高温に保たれており、排気中のＨＣ，ＣＯは圧縮空気中の酸素と反応して、無害なＨ2 Ｏ，ＣＯ2 へと変化する。これにより、燃焼室５内から排気される排気中のＨＣ，ＣＯ濃度は大幅に低減される。
【００２３】
さらに、ＥＣＵ８では、必要に応じて以下のようなタイミングでエアーアシスト式燃料噴射装置４を作動させ、燃焼室５内に圧縮空気を噴射する。なお、図４は、このときの排気行程から吸気行程にかけての吸気弁６ａ及び排気弁７ａのリフト量（吸気ポート６及び排気ポート７の開閉量）とエアーアシスト式燃料噴射装置４の圧縮空気の噴射タイミングとを示したものであり、吸気開始上死点を０°としている。また、図５は、圧縮空気噴射時の燃焼室内の模式図である。
【００２４】
図４に示すように、ここでは、ＥＣＵ８は、排気側ＶＶＴ７ｃに指令を送り、排気弁７ａを通常より早期に、すなわち、吸気開始上死点（ＴＤＣ）よりもやや早めに閉じる。なお、図中のＢで示した点線は通常の排気弁７ａの開閉タイミングを示したものである。吸気弁６ａに関しては通常のタイミングで開閉され、丁度、排気弁７ａが閉じる頃に開き始める。そして、ＥＣＵ８では、排気弁７ａが閉じられ、吸気弁６ａが開き始めた後の吸気開始上死点（ＴＤＣ）付近の所定のタイミング（例えば、図４中のＣで示すタイミング）で、エアーアシスト式燃料噴射装置４から圧縮空気を噴射させる。
【００２５】
このようなタイミングで圧縮空気のみを噴射することにより、図５に示すように、ピストン１０，燃焼室５内壁等に付着した燃料１１は、エアーアシスト式燃料噴射装置４から噴射された圧縮空気により吹き飛ばされて気化する。さらに、気化された燃料は、排気側ＶＶＴ７ｃにより排気弁７ａは閉じられた状態であるため燃焼室５内から排気されることなく、一端吸気ポート６に戻る（燃焼室５内に止まる燃料も存在する）。そして、吸気ポート６に戻った燃料は再び吸気行程を経て再度燃焼室５内に戻され、次の膨張行程で有効に燃焼される。したがって、特に低温始動時に、ピストン１０頂部表面や燃焼室５内壁等に付着した燃料が未燃のまま燃焼室から排出される結果、排気ガス中のＨＣ濃度が増加してしまうことが防止される。なお、上記制御は特に始動時に行なうことが望ましい。
【００２６】
このように、本筒内噴射型４サイクルエンジンによれば、エアーアシスト式燃料噴射装置４は、排気行程中の吸気弁７ａが閉じている間に圧縮空気のみを燃焼室５内に噴射するので、燃焼室５内に残されたＨＣ，ＣＯを圧縮空気中の酸素と反応させることができ、高温の燃焼室５内に圧縮空気を噴射するので低温始動時でもＨＣ，ＣＯは空気と反応しやすく、排気中のＨＣ，ＣＯ濃度を効果的に下げることができるという利点がある。
【００２７】
また、吸気弁７ａが閉じている間に圧縮空気を噴射するので、吸気が流入して燃焼室５内の温度が低下する前の反応が起こりやすい状態でＨＣ，ＣＯと空気とを反応させることができるという利点もある。
さらに、本筒内噴射型４サイクルエンジンによれば、エアーアシスト式燃料噴射装置４は、排気弁７ａが閉じられ、吸気弁6ａが開き始めた後の吸気ＴＤＣ付近のタイミングで圧縮空気のみを燃焼室５内に噴射するので、ピストン１０，燃焼室５内壁等に付着した燃料１１を圧縮空気噴射により吹き飛ばして気化させることができ、さらに気化された燃料は排気されることなく一端吸気ポート７に戻り、再び吸気行程を経て再度燃焼室５内に戻されるので、次の膨張行程で有効に燃焼させることができるという利点がある。
【００２８】
したがって、特に低温始動時に、ピストン１０頂部表面等の燃焼室５内壁に付着した燃料が未燃のまま燃焼室から排出される結果、排気ガス中のＨＣ濃度が増加してしまうという問題を解決するのに大変効果的である。
なお、本発明は上述の実施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内で種々変形して実施できることは言うまでもない。例えば、上述した排気行程中の圧縮空気噴射と吸気行程中の圧縮空気噴射とは、同一のサイクルにおいて行なう以外に、排気行程中の圧縮空気噴射の次に必要に応じて吸気行程中の圧縮空気噴射を行なったり、排気行程中の圧縮空気噴射，吸気行程中の圧縮空気噴射をそれぞれ別々のサイクルにおいて行なったり、また、排気行程中の圧縮空気噴射のみや吸気行程中の圧縮空気噴射のみを行なってもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１記載の本発明の筒内噴射型４サイクルエンジンによれば、制御手段が、圧縮空気および燃料を燃焼室内に直接噴射するエアーアシスト式燃料噴射装置及び可変バルブタイミング装置の作動を制御して、排気弁の閉時期を通常よりも早めるとともに、排気弁が閉じられ吸気弁が開き始めた後の吸気開始上死点付近で圧縮空気のみを噴射するので、燃焼室内壁等に付着した燃料を吹き飛ばして気化させることができ、気化された燃料は排気されることなく次の膨張行程で有効に燃焼させることができ、排気ガス中のＨＣ，ＣＯの排出量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態としての筒内噴射型４サイクルエンジンの構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明の一実施形態としての筒内噴射型４サイクルエンジンにかかる圧縮空気の噴射タイミングを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態としての筒内噴射型４サイクルエンジンにかかる図２の噴射タイミングに対応した圧縮空気噴射時の燃焼室内の模式図である。
【図４】本発明の一実施形態としての筒内噴射型４サイクルエンジンにかかる圧縮空気の他の噴射タイミングを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態としての筒内噴射型４サイクルエンジンにかかる図４の噴射タイミングに対応した圧縮空気噴射時の燃焼室内の模式図である。
【符号の説明】
１  筒内噴射型エンジン（筒内噴射型４サイクルエンジン）
２  シリンダヘッド
３  点火プラグ
４  エアーアシスト式燃料噴射装置
４ａ  噴射口
４ｄ  圧縮空気流入口
４ｅ  圧縮空気供給ポンプ
４ｆ  圧縮空気通路
４ｇ  燃料噴射弁
５  燃焼室
６  吸気ポート
６ａ  吸気弁
６ｂ  吸気側カムシャフト
６ｃ  吸気側ＶＶＴ
７  排気ポート
７ａ  排気弁
７ｂ  排気側カムシャフト
７ｃ  排気側ＶＶＴ（可変バルブタイミング装置）
８  制御手段（ＥＣＵ）
【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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