(57)【要約】【課題】均質燃焼に適した混合気を形成する。【解決手段】燃焼室５内に燃料を噴射する燃料噴射弁１８を有し、圧縮行程開始後、燃焼室５内のガスが吸気通路７内に逆流し始めた後に吸気弁６を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時期を圧縮行程中であって吸気弁６の開弁中に設定し、噴射された燃料噴霧３０を燃焼室５から吸気通路７内に向かう逆流のガス流れと共に吸気通路７内に流入させる。吸気通路７内に流入した燃料噴霧３０は、次回の吸気行程において吸気と共に燃焼室５内に導入される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時期を圧縮行程中であって吸気弁の開弁中に設定し、噴射された燃料を燃焼室から吸気通路内に向かう逆流のガス流れと共に吸気通路内に流入させ、吸気通路内に流入した燃料が次回の吸気行程において吸気と共に燃焼室内に導入される筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
前記燃料噴射が、噴射すべき燃料を分割して複数回に亘って行われる請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた均質燃焼を行う筒内噴射式火花点火内燃機関において、噴射すべき燃料を、早期噴射燃料と後期噴射燃料とに分割して吸気行程中に噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関が公知である（特許文献１参照）。この内燃機関では、ピストンの下降に伴う吸気の流動により、早期噴射燃料の気化を促進し、さらに後期噴射燃料がシリンダ壁面に付着して燃料の均質化が阻害されるのを回避すると共に、点火までの時間を長く確保して燃料の気化を促進するという効果を奏する。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２１８０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような吸気行程において燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関であっても、吸気通路に燃料を噴射するタイプの内燃機関に比べると、燃料噴射後点火までの時間が短いため、燃料が十分に気化せず、吸気と混合しない場合がある。そのため、均質燃焼に最適な燃焼室内に均一な混合気が得られず、良好な燃焼が得られないため、燃焼変動やＰＭ（粒子状物質）の増加といった問題が生じる。この問題は、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関においても同様に生じる問題である。
【０００５】
そこで本発明は、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気弁を介して吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼に適した混合気を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、圧縮行程開始後、燃焼室内のガスが吸気通路内に逆流し始めた後に吸気弁を閉弁する筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射時期を圧縮行程中であって吸気弁の開弁中に設定し、噴射された燃料を燃焼室から吸気通路内に向かう逆流のガス流れと共に吸気通路内に流入させ、吸気通路内に流入した燃料が次回の吸気行程において吸気と共に燃焼室内に導入される筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。
【０００７】
即ち、請求項１に記載の発明では、燃料が、一旦、燃焼室内に噴射されると同時に気化し始め、更に吸気通路内流入後も気化が進行する共に吸気通路内に存在する吸気との混合が行われるため、次のサイクルにおける吸気行程において燃焼室内に良好な混合気が形成されるという効果を奏する。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記燃料噴射が、噴射すべき燃料を分割して複数回に亘って行われる筒内噴射式火花点火内燃機関が提供される。
【０００９】
即ち、請求項２に記載の発明では、噴射すべき燃料を分割して複数回に亘って噴射することによって、噴射された燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）を小さくし、噴射された燃料噴霧が、燃焼室から吸気弁に向かうガス流れによって吸気通路内により流入しやすくなるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００１０】
各請求項に記載の発明によれば、均質燃焼に適した混合気を形成することができるという共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照しながら本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関について説明する。図１において、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気通路、８は排気弁、９は排気通路、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気通路７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内には吸入空気流量を検出するためのエアフローメータ１５と、ステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７とが配置される。また、燃焼室５内には燃焼室５内に燃料を噴射する電気制御式の燃料噴射弁１８が配置される。
【００１２】
更に、吸気弁６及び排気弁８には、それらの開弁動作を変更する可変動弁機構１９，２０がそれぞれ設けられる。ここで、開弁動作は例えばリフト量、開弁期間（作用角）及び開弁開始時期のうち一つ又は複数によって定められ、本実施形態の機構は公知のいずれの機構も使用可能であるため詳述はしない。
【００１３】
一方、排気通路９は排気枝管２１を介して小容量の三元触媒２２に連結され、三元触媒２２上流排気通路には空燃比を検出するための空燃比センサ２３が取り付けられる。機関本体１には機関冷却水温を検出するための水温センサ２４が取り付けられる。
【００１４】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量を検出するための負荷センサ５０が接続される。ここで、アクセルペダル４９の踏み込み量は要求負荷を表している。
【００１５】
エアフローメータ１５、空燃比センサ２３、水温センサ２４、及び負荷センサ５０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。更に入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。ＣＰＵ４４ではクランク角センサ５１の出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。
【００１６】
一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して点火栓１０、ステップモータ１６、燃料噴射弁１８、及び可変動弁機構１９，２０にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット４０からの出力信号に基づいて制御される。
【００１７】
三元触媒２２は、酸素吸蔵能力を有しており、これにより三元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中の酸素を吸蔵すると共に、三元触媒２２に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときには吸蔵している酸素を放出することにより排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯを酸化・浄化する。
【００１８】
本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、圧縮行程開始後、燃焼室５内のガスが吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流し始めた後に吸気弁６を閉弁する運転状態を有する。この運転状態が行われるのは、例えば、冷間始動時、（均質）リーン燃焼時、ミラーサイクル時等である。
【００１９】
次に、図２を参照しながら、本発明による燃料噴射時期に噴射された燃料噴霧３０の動きについて説明する。図２は、圧縮行程中であって吸気弁６が開弁中の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。なお、燃料噴霧３０’は、吸気弁６が閉弁された圧縮行程中に噴射された燃料を示す。この燃料噴射では、吸気通路７内に逆流するガス流れが発生していないため、貫徹力（ペネトレーション）によって直進することとなる。
【００２０】
まず、圧縮行程中であって吸気弁６の開弁中は、ピストン４が圧縮下死点から上昇し燃焼室５内のガスを押し上げているため、ガスは吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流している状態にある。そのため、このタイミングで燃料を噴射すると、噴射された燃料噴霧３０は、逆流するガス流れと共に吸気通路７内へ流入する。
【００２１】
より正確に言うと、圧縮行程開始直後は、吸気弁６が開弁中であっても、ガスの慣性力のためすぐに逆流は発生せず、所定時間経過後に逆流が発生する。そのため、より確実に、より多くの燃料噴霧３０を吸気通路７内に流入させるためには、逆流が発生してから燃料噴射を行うことが望ましい。
【００２２】
上述のように吸気通路７内に流入した燃料噴霧３０は、次の機関サイクルにおける吸気行程において、再び燃焼室５内に導入され、燃焼される。ここで、燃料噴霧３０は、燃焼室５内に噴射されてから再び燃焼室５内に導入されるまでの間、十分に気化して吸気との混合が行われる。即ち、噴射された燃料噴霧３０は、噴射直後から燃焼室５内で気化し始める。通常の機関運転によれば、噴射された燃料噴霧３０は、そのまま燃焼室内で吸気と混合し、圧縮され点火、燃焼する。しかし、本発明によれば、噴射された燃料噴霧３０は、吸気通路７内に流入し、その中で更に気化が進行すると共に吸気通路７内に存在する吸気との混合が行われる。
【００２３】
従って、本発明によれば、従来の筒内噴射式火花点火内燃機関に比べて、燃料を気化・混合させるための時間が多く確保できるため、再び燃焼室５内に導入されたあと、燃焼室５内でより良好な混合気を形成する。これは、燃料を最初に燃焼室５内に噴射し気化させた後、吸気通路７内に流入させる分だけ、最初から吸気通路に燃料を噴射するタイプの内燃機関よりも、更に良好な混合気を得ることが可能となる。以上より、次のサイクルにおいて良好な燃焼が行われ、燃焼変動やＰＭの増加といった上述の問題が解消される。
【００２４】
次に、噴射された燃料をより効率的に吸気通路７内に流入させるための方法について説明する。前述のように、燃料は、噴射されるとその貫徹力によって直進する傾向にある。そして、その貫徹力が大きいほどガス流れの影響を受けにくくなるため、ガスの逆流と共に吸気通路７内に流入する燃料量は減ってしまう。一方、貫徹力が小さいとガス流れの影響をより受けやすくなり、ガスの逆流と共に吸気通路７内に流入する燃料量を増やすことができる。燃料の気化や混合の観点で言えば、上述のように、一旦吸気通路７内に流入させた方が望ましく、そのため、貫徹力は小さい方が望ましい。
【００２５】
ところで、一般に、燃料噴霧３０の飛行速度が大きい方が、貫徹力が大きいと考えられるが、燃料噴射弁１８から噴射された燃料の初速は、通常、噴射すべき燃料量や運転状態によらず略一定である。そこで本発明による実施形態では、燃料噴霧３０の飛行速度を遅くするため、噴射すべき燃料を一度に噴射するのではなく、複数回に分割して噴射するようにしている。
【００２６】
噴射された燃料噴霧３０は、燃焼室５内のガスと衝突することによって徐々にその飛行速度を落とす。ところが、図２に示すように噴射すべき燃料を一度に噴射してしまうと、最初に噴射された燃料のみ燃焼室５内のガスと衝突し、一連の後続の燃料噴霧は先頭の燃料噴霧によって燃焼室５内のガスが除かれた空間を追従することになる。そのため、燃料噴霧全体としてはガスの抵抗が少なくなり、飛行速度が落ちにくい。従って、高い貫徹力を有することとなり、吸気通路７内に流入しにくくなる。
【００２７】
一方、図３に示す実施形態では、噴射すべき燃料を分割して噴射すると、分割された個々の燃料噴霧３０に対するガスの抵抗が、上述の一度に噴射した場合に比べて相対的に大きくなる。そのため、燃料噴霧３０の飛行速度が落ちやすく、従って、貫徹力が小さくなる。そこで、本実施形態では、噴射すべき燃料を分割して噴射することによって、貫徹力を落とし、吸気通路７内に流入しやすくするようにしている。
【００２８】
図４は燃料噴射の分割回数Ｎのマップを示す図である。本実施形態では、分割回数Ｎは、分割された各燃料噴射の間隔（インターバル）を一定とした場合に、機関負荷を表す噴射燃料量Ｑ及び機関回転数Ｎｅの関数として予め実験又は計算によって求められ、図４に示されるようなマップの形で予めＲＯＭ４２内に記憶されている。なお、本実施形態においては、各燃料噴射のインターバルを一定としたが、一定でなくてもよい。例えば、或る機関サイクル内での各燃料噴射のインターバルが一定であれば、異なる機関サイクル間のインターバルが一定である必要はない。
【００２９】
図５及び図６は吸気弁６の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。横軸はクランク角であり、圧縮下死点（ＢＤＣ）前から圧縮上死点（ＴＤＣ）後の間を示している。吸気弁６の閉弁時期は、圧縮行程開始後から、ピストン４が圧縮下死点（ＢＤＣ）から上昇し燃焼室５内のガスが吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流し始めた後までの間に設定される。
【００３０】
図５に示される実施形態においては、燃料噴射は、圧縮下死点（ＢＤＣ）から開始され、噴射燃料量Ｑ及び機関回転数Ｎｅから図４によって決定された分割回数に従って、噴射すべき燃料が分割され、噴射される。
【００３１】
図６に示される実施形態においては、燃料噴射は、逆流の開始に合わせて開始される。それによって、上述のように、より効率的に燃料噴霧を吸気通路７内に流入させることができるようになる。
【００３２】
図７は、本発明による燃料噴射制御操作を示すフローチャートである。この操作は電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０によって予め定められた所定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。
【００３３】
まず、ステップ１０１において、機関冷却水温や空燃比といった機関運転状態を示す各種パラメータが検出され、ステップ１０２へと進む。次いで、ステップ１０２では、検出された各種パラメータに基づいて、現在の機関運転状態が、圧縮行程開始後、燃焼室５内のガスが吸気弁６を介して吸気通路７内に逆流し始めた後に吸気弁６を閉弁する運転状態であるか否か、即ち、吸気通路７内へのガスの逆流が発生する運転状態であるか否かが判定される。この条件を満たす場合とは、例えば、検出された機関冷却水温が所定温度以下である場合や、空燃比が所定空燃比以上のリーン領域にある場合や、ミラーサイクル領域である場合等である。
【００３４】
逆流発生条件が成立していない場合には、ステップ１０３へと進み、通常の燃料噴射条件を設定し、ステップ１０６へと進む。次いで、ステップ１０６では、本発明による燃料噴射制御を行わず、設定された燃料噴射条件に基づいて燃料噴射が実行され、ルーチンを終了する。
【００３５】
一方、ステップ１０２において、逆流発生条件が成立する場合には、ステップ１０４へと進む。次いで、ステップ１０４では、燃料噴射の開始時期、即ち、圧縮下死点（ＢＤＣ）から噴射を開始するか又は逆流が開始してから噴射を開始するか等が読み込まれ、ステップ１０５へと進む。次いで、ステップ１０５では、図４に示すマップに基づいて、噴射すべき燃料の分割回数が読み込まれ、ステップ１０６へと進む。次いで、ステップ１０６では、ステップ１０４で読み込まれた燃料噴射の開始時期及びステップ１０５で読み込まれた分割回数に基づいて燃料噴射が実行され、ルーチンを終了する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図２】吸気弁が開弁中の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図３】別の実施形態による吸気弁が開弁中の燃料噴射を示す筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図４】燃料噴射の分割回数のマップを示す図である。
【図５】吸気弁の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。
【図６】別の実施形態による吸気弁の開弁期間と燃料噴射時期との関係を示す図である。
【図７】燃料噴射制御操作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１    機関本体
４    ピストン
５    燃焼室
６    吸気弁
７    吸気通路
１０    点火プラグ
１８    燃料噴射弁
３０    燃料噴霧
【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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