(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関運転条件に応じて、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とに燃料噴射時期が切換制御される筒内直噴型内燃機関において、その燃料噴射時期に応じて、吸気行程噴射に適したバルブタイミングと圧縮行程噴射に適したバルブタイミングとに切り換えられるように構成されており、かつ燃料噴射時期の切換とバルブタイミングの切換とに時間差が設けられており、機関運転条件の変化に対し、燃料噴射時期の切換がバルブタイミングの切換よりも先に実行される筒内直噴型内燃機関であって、
吸気弁の開閉時期を可変制御する可変動弁機構を有し、燃料噴射開始時期が吸気行程中にあるときには吸気弁開時期を遅らせるとともに吸気弁閉時期を早め、かつ燃料噴射開始時期が圧縮行程中にあるときには吸気弁開時期を早めるとともに吸気弁閉時期を遅らせることを特徴とする筒内直噴型内燃機関。
【請求項２】
機関運転条件の変化に対し、全気筒の燃料噴射時期の切換が完了した後に、バルブタイミングの切換が実行されることを特徴とする請求項１記載の筒内直噴型内燃機関。
【請求項３】
アイドルを含む低負荷時には、燃料噴射時期の可変制御に拘わらず、バルブタイミングが所定時期に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直噴型内燃機関。
【請求項４】
燃料噴射時期の可変制御の異常時には、バルブタイミングが所定時期に固定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の筒内直噴型内燃機関。
【請求項５】
バルブタイミングを連続的に制御可能な可変動弁機構を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の筒内直噴型内燃機関。
【請求項６】
圧縮行程中にある噴射開始時期が、吸気弁閉時期と同時もしくは僅かに遅れていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の筒内直噴型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガソリン機関に代表される４サイクル火花点火式内燃機関に関し、特に、燃料をシリンダ内に直接噴射する筒内直噴型内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガソリン機関においても、電磁式燃料噴射弁をシリンダ内へ向けて配設し、燃料をシリンダ内に直噴噴射するようにした筒内直噴型のものが一部で実用化されている。
【０００３】
そして、その燃料噴射時期を機関運転条件に応じて可変制御することが既に行われている。具体的には、全開運転を含む高負荷高速領域においては、燃料を吸気行程中に噴射し、均一な混合を図るとともに、燃料気化による吸気冷却を行い、耐ノック性を向上させて高効率吸気を実現するようにしている。つまり、これにより、トルク向上が達成できる。また、これ以外の中低負荷領域においては、燃料を圧縮行程中に噴射し、層状混合を実現するようにしている。この層状混合により、空燃比３０〜４０程度の超希薄燃焼が可能であり、燃費低減を達成できるのである（三菱自動車工業（株）１９９５年５月発行の「筒内噴射ガソリンエンジン」参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の筒内直噴型内燃機関においては、上記のように燃料噴射時期を可変制御したとしても、これに対応したバルブタイミングの可変制御を行っていないため、ＮＯｘ低減やトルク向上の上で、なお改善の余地があった。
【０００５】
すなわち、燃料を圧縮行程中に噴射して層状混合とした場合には、燃焼室内で、空燃比が種々異なる部分が生じる。ここで、空燃比が理論空燃比に近い部分は、燃焼してＮＯｘが発生しても、排気系に設けた三元触媒により容易に低減できる。また、空燃比が３０〜４０程度の希薄な領域は、ＮＯｘ排出量自体が小さい。
【０００６】
しかしながら、空燃比が１６〜１７程度の中間層においては、ＮＯｘ排出量が多いにも拘わらず、三元触媒が十分には働かないため、そのまま機関外部へＮＯｘが排出されてしまう。つまり、圧縮行程中に噴射して希薄燃焼を行わせる場合に、内燃機関全体として、ＮＯｘを十分に低減することができない。
【０００７】
また、燃料を吸気行程中に噴射する吸気行程噴射においては、均質混合気であるので、上述したようなＮＯｘの問題はなく、いかにトルクを高められるかが重要となるが、バルブタイミングを固定的に設定したものでは、吸気弁を介した混合気の吐き戻しによって充填効率が低下することがあり、必ずしもトルクを十分に高めることができない。
この発明は、機関運転条件に応じて燃料噴射時期が可変制御される筒内直噴型内燃機関において、その燃料噴射時期に応じて適切なバルブタイミングを得るようにし、特に、噴射時期の切換とバルブタイミングの切換とによるトルクショックを抑制することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、この発明は、機関運転条件に応じて燃料噴射時期が可変制御される筒内直噴型内燃機関において、その燃料噴射時期に応じてバルブタイミングが変化するように構成されており、かつ燃料噴射時期の切換とバルブタイミングの切換とに時間差が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
望ましくは、本発明の筒内直噴型内燃機関は、吸気弁の開閉時期を可変制御する可変動弁機構を有し、燃料噴射開始時期が吸気行程中にあるときには吸気弁閉時期を早め、かつ燃料噴射開始時期が圧縮行程中にあるときには吸気弁開時期を早める。
【００１０】
さらに望ましくは、燃料噴射開始時期が吸気行程中にあるときには吸気弁開時期を遅らせるとともに吸気弁閉時期を早め、かつ燃料噴射開始時期が圧縮行程中にあるときには吸気弁開時期を早めるとともに吸気弁閉時期を遅らせるようにするとよい。
【００１１】
前述したように、燃料を圧縮行程中に噴射して層状混合とした場合には、燃焼室内で、空燃比が種々異なる部分が生じる。ここで、空燃比が理論空燃比に近い部分は、燃焼してＮＯｘが発生しても、排気系に設けた三元触媒により容易に低減できる。また、空燃比が３０〜４０程度の希薄な領域は、ＮＯｘ排出量自体が小さい。これに対し、空燃比が１６〜１７程度の中間層においては、ＮＯｘ排出量が多いにも拘わらず、三元触媒が十分には働かないという問題がある。
【００１２】
しかしながら、この圧縮行程噴射の際に、吸気弁開時期を早めることにより、いわゆる内部ＥＧＲとして多量の排気を燃焼室に導入することができ、燃焼温度が低下する。これにより、ＮＯｘ排出量が減少する。
【００１３】
また、さらに吸気弁閉時期を遅らせれば、実圧縮比が下がり、燃焼温度がさらに低下するため、ＮＯｘ排出量は一層低減する。
【００１４】
一方、燃料を吸気行程中に噴射する場合には、均質混合気であるから、圧縮行程噴射のようなＮＯｘの問題はなく、いかにトルクを高めるかが課題となる。本発明では、吸気行程噴射の際に、吸気弁閉時期を早めることで、混合気の吸気ポートへの吐き戻しが減少し、充填効率が向上する。従って、トルクが向上する。
【００１５】
また、同時に吸気弁開時期を遅らせれば、バルブオーバーラップが減少し、筒内残留ガスが少なくなるので、充填効率がさらに向上し、トルクをさらに高めることができる。
【００１６】
なお、機関が高回転になるに従って混合気の吐き戻しが少なくなるので、高回転になるに従って徐々に吸気弁閉時期を遅らせるようにしてもよい。また、高回転になるに従って吸入効率は低下するので、吸気弁開弁角度が広がるように、高回転になるに従って吸気弁開時期を徐々に早めるようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明では、望ましくは、圧縮行程中にある噴射開始時期が、吸気弁閉時期と同時もしくは僅かに遅れている。
【００１８】
つまり、燃料噴射の開始時には、吸気弁が閉じている。これにより、燃料噴霧を伴ったガス流動が吸気ポート側に漏れることを確実に防止し、強いガス流動を確保できる。また着火までに霧化できる時間を確保でき、霧化の改善ひいては良好な燃焼を実現できる。
【００１９】
また、本発明では、燃料噴射時期の切換とバルブタイミングの切換とに時間差が設けられている。そして、望ましくは、機関運転条件の変化に対し、燃料噴射時期の切換がバルブタイミングの切換よりも先に実行される。
【００２０】
このように、時間差を与えることにより、噴射時期の切換によるトルク変化とバルブタイミングの切換によるトルク変化とが同時に発生せず、トルクショックが抑制される。そして、噴射時期の切換の方が瞬時に実行できるので、バルブタイミングの切換よりも噴射時期切換を先行させることにより、運転者のアクセル操作に良好に反応することができ、レスポンスが高くなる。
【００２１】
さらに請求項２の発明では、機関運転条件の変化に対し、全気筒の燃料噴射時期の切換が完了した後に、バルブタイミングの切換が実行される。
【００２２】
つまり、全気筒の燃料噴射時期の切換完了を待つことにより、気筒間の空燃比のばらつきを小さくした後にバルブタイミングが変化することになり、過渡エミッションの発生を防止できる。また、トルクショック軽減の上でも有利となる。
【００２３】
また、本発明においては、望ましくは、アイドルを含む低負荷時には、燃料噴射時期の可変制御に拘わらず、バルブタイミングが所定時期に固定されている。
【００２４】
アイドルは、燃焼安定性が悪く、ストールによる機関の停止（いわゆるエンスト）を防止することが重要であるが、バルブタイミングの切換によって機関の停止を招く恐れがある。特に機関が低温状態にあるときにバルブタイミングを切り換えようとすると、可変動弁機構の応答ばらつきを生じることがあり、これに伴って、過渡的な燃焼の悪化が発生し、一層ストールを生じやすい。そこで、本発明では、アイドルを含む低負荷時に、燃料噴射時期の可変制御に拘わらず、バルブタイミングを所定時期に固定することにより、いわゆるエンストを防止できる。なお、一般には、吸気行程噴射用のバルブタイミングに固定される。
【００２５】
また、燃料噴射時期の可変制御が正常に作動しなくなると、燃焼が不安定化し、やはり機関が停止しやすい状態となる。そこで、本発明では、請求項４のように、燃料噴射時期の可変制御の異常時に、バルブタイミングが所定時期に固定されることが望ましい。これにより、バルブタイミングの切換に伴うエンストを回避できる。なお、このときのバルブタイミングを吸気行程噴射用の特性とすれば、始動性確保の上で有利となる。
【００２６】
また、本発明では、バルブタイミングを連続的に制御可能な可変動弁機構を用いることが望ましい。
【００２７】
これにより、バルブタイミングを段階的に切り換える場合のようなショックの発生がない。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、機関運転条件の変化に伴って燃料噴射時期を切り換える際に、燃料噴射時期に応じた適切なバルブタイミングを得ることができるとともに、燃料噴射時期の切換とバルブタイミングの切換とに時間差が設けられているので、噴射時期の切換によるトルク変化とバルブタイミングの切換によるトルク変化とが同時に発生せず、トルクショックを抑制することができる。
そして、燃料噴射時期の切換をバルブタイミングの切換よりも先に実行させることで、レスポンスの悪化を防止できる。
特に、希薄燃焼を行わせるべく圧縮行程噴射とした際に、吸気弁開時期を早めることにより、ＮＯｘ排出量を低減できるとともに、トルクを高めるべく吸気行程噴射とした際に、吸気弁閉時期を早めるとともに吸気弁開時期を遅らせることで、充填効率の向上ひいてはトルクの向上が図れる。
さらに、請求項２の発明によれば、気筒間の空燃比のばらつきによる過渡エミッションの発生を防止でき、トルクショック軽減の上でも有利となる。
さらに請求項３および請求項４によれば、ストールによる機関の停止を確実に防止できる。
また、請求項５のように、バルブタイミングを連続的に制御可能な可変動弁機構を用いれば、バルブタイミングを一層適切に維持でき、かつ大きなショックの発生を防止できる。
【００３０】
そして請求項６によれば、強いガス流動により霧化の改善ひいては良好な燃焼を実現できる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３６】
図１は、この発明に係る筒内直噴型内燃機関の一実施例を示すもので、シリンダブロック１に複数のシリンダ２が直列に配置されているともに、各シリンダ２内に直接燃料を噴射するように、電磁式燃料噴射弁３が各シリンダ２の上部に配設されている。この燃料噴射弁３には、圧縮行程中に燃料噴射が可能なように比較的高い圧力の燃料が供給されている。シリンダ２頂部を覆うシリンダヘッド４には、吸気弁５によって開閉される吸気ポート６と、排気弁７によって開閉される排気ポート８とが形成され、かつ点火栓９が装着されている。
【００３７】
排気弁７は、排気側カムシャフト１０によって固定的なバルブタイミングでもって開閉されるようになっている。これに対し、吸気弁５は、可変動弁機構１１によって、その開閉時期を可変制御できる構成となっている。
【００３８】
１２は、上記燃料噴射弁３の噴射時期ならびに吸気弁５のバルブタイミングを機関運転条件に応じて制御するマイクロコンピュータシステムからなるコントロールユニットであって、このコントロールユニット１２には、機関運転条件を示す回転数信号や負荷信号（例えば吸入空気量信号）等が入力されており、これらの検出信号に基づいて、各燃料噴射弁３および可変動弁機構１１の油圧制御弁１３に制御信号を出力している。
【００３９】
上記可変動弁機構１１は、特開平６−１８５３２１号公報や米国特許第５，３６５，８９６号明細書等において開示されているように、不等速軸継手の原理を応用して各気筒の円筒状カムシャフト２２を不等速回転させることでバルブリフト特性を連続的に可変制御し得るようにしたものである。
【００４０】
この機構自体は公知であるので、図１および図２を参照して簡単に説明すると、図において、２１は図外の機関クランク軸からタイミングチェーン１４（図２参照）を介して回転力が伝達される駆動軸、２２は該駆動軸２１の外周に回転自在に嵌合した中空円筒状のカムシャフトである。このカムシャフト２２は、各気筒毎に分割して構成されている。
【００４１】
上記カムシャフト２２は、シリンダヘッド４上端部のカム軸受に回転自在に支持されていると共に、外周に、各気筒一対の吸気弁５を開作動させる一対のカム２６が形成されている。また、カムシャフト２２は、上述したように複数個に分割形成されているが、その一方の分割端部に、第１フランジ部２７が設けられている。また、この複数に分割されたカムシャフト２２の端部間に、それぞれスリーブ２８と環状ディスク２９が配置されている。上記第１フランジ部２７には、半径方向に沿った細長い係合溝３０が形成されている。
【００４２】
上記スリーブ２８は、駆動軸２１に固定されているものであって、該スリーブ２８に、上記第１フランジ部２７に対向する第２フランジ部３２が形成されている。この第２フランジ部３２には、やはり半径方向に沿った細長い係合溝が形成されている。
【００４３】
両フランジ部２７，３２の間に位置する上記環状ディスク２９は、略ドーナツ板状を呈し、駆動軸２１の外周面との間に環状の間隙を有するとともに、ディスクハウジング３４の内周面に回転自在に保持されている。また、互いに１８０°異なる直径線上の対向位置にそれぞれ反対側へ突出する一対のピン３６，３７を有し、各ピン３６，３７が各係合溝に係合している。
【００４４】
ディスクハウジング３４は、略三角形をなし、その円形の開口部内に環状ディスク２９が保持されているとともに、三角形の頂部となる２カ所に、それぞれ第１カム嵌合孔３８および第２カム嵌合孔３９が貫通形成されている。
【００４５】
そして、上記第１カム嵌合孔３８および第２カム嵌合孔３９内には、それぞれ第１偏心カム４１および第２偏心カム４３の円形カム部４１ａ，４３ａが回動自在に嵌合している。
【００４６】
上記第２偏心カム４３は、図１に示すように、互いに所定量偏心している円柱状の軸部４３ｂと円形カム部４３ａとからなり、両者が回転可能に嵌合されて一体化されている。なお、円形カム部４３ａは、スナップリング３０により抜け止めされている。上記軸部４３ｂは、図１に示すように、フレーム３３の隔壁部に圧入固定されている。
【００４７】
また上記第１偏心カム４１は、機関前後方向に沿って複数気筒に亙って連続した制御カム軸４２と、該カム軸４２に各気筒に対応して固設された複数個の円形カム部４１ａとからなり、両者が所定量偏心している。なお、各気筒の円形カム部４１ａは、それぞれカム軸４２の所定の角度位置において偏心している。上記制御カム軸４２は、上記フレーム３３にカムブラケット３５を介して回転自在に保持されている。内燃機関の一端部に位置する上記制御カム軸４２の一端には、駆動機構として回転型の油圧アクチュエータ４６が取り付けられている。また、内燃機関の前部に位置する制御カム軸４２の他端には、該制御カム軸４２の回転位置つまり円形カム部４１ａの位相を検出する回転型のポテンショメータ４７が取り付けられている。
【００４８】
上記の可変動弁機構１１においては、第１偏心カム４１を介して環状ディスク２９の偏心位置を可変制御することにより、カムシャフト２２が不等速回転し、駆動軸２１との間で、その偏心量に応じた位相差が生じる。例えば、環状ディスク２９の中心と駆動軸２１の中心とが一致している状態では、カムシャフト２２が駆動軸２１と等速で同期回転するため、図３の（Ａ）の実線に示すようなバルブリフト特性が得られる。これに対し、環状ディスク２９の中心が一方へ偏心した状態では、図３（Ｂ）の一点鎖線に示すように偏心量に応じた位相差が生じ、これに伴って図３（Ａ）に一点鎖線で示すようなバルブリフト特性が得られる。すなわち、偏心量を制御することにより、吸気弁５の開時期と閉時期との双方を連続的に可変制御することができる。
【００４９】
図４は、本発明の燃料噴射時期とバルブタイミングとの関係を示したタイムチャートであって、図示するように、燃料噴射時期が、機関運転条件に応じて２通りに切り換えられる。すなわち、ピストンが圧縮行程にある間に噴射する圧縮行程噴射と、ピストンが吸気行程にある間に噴射する吸気行程噴射とに、適宜切り換えられる。図中、ＧＯは噴射開始時期、ＧＣは噴射終了時期であって、噴射量の大小に関係なく、噴射開始時期ＧＯが、圧縮行程噴射の場合には圧縮行程中に、吸気行程噴射の場合には吸気行程中に含まれるように、それぞれ制御される。
【００５０】
そして、燃料噴射時期が圧縮行程噴射である場合と吸気行程噴射である場合とで、それぞれ吸気弁５の開閉時期が異なっている。具体的には、圧縮行程噴射の場合には、吸気行程噴射の場合に比較して、吸気弁５の開時期ＩＶＯが相対的に早くなっているとともに、閉時期ＩＶＣが相対的に遅くなっている。また、圧縮行程噴射時に、燃料噴射開始時期ＧＯは、吸気弁閉時期ＩＶＣより僅かに遅くなっている。
【００５１】
図５および表１は、機関運転条件と上述した燃料噴射時期およびバルブタイミングの関係をまとめて示したものであって、高速高負荷側の領域Ａでは、表１のように、吸気行程噴射となり、かつこれに対応して、吸気弁５の開時期ＩＶＯが遅く、閉時期ＩＶＣが早くなる。中負荷の領域Ｂでは、希薄燃焼を行うために、圧縮行程噴射となり、かつこれに対応して、吸気弁５の開時期ＩＶＯが早く、閉時期ＩＶＣが遅くなる。
【００５２】
さらに、アイドルを含む低速低負荷側の領域Ｃでは、燃料噴射時期は、機関温度条件によって異なるものとなる。機関の暖機後は、燃費向上を図るために、圧縮行程噴射とする。また、極低温の冷機時には、始動性確保のために、吸気行程噴射とし、霧化時間を長く確保するようにしている。そして、バルブタイミングは、この噴射時期の切換と無関係に、吸気行程噴射のための特性に固定されている。従って、例えば極低温の冷間始動後にアイドルのまま放置した場合に、機関温度が多少上昇した時点で燃料噴射時期は圧縮行程噴射に切り換えられるが、バルブタイミングの切換はなされないので、このバルブタイミングの切換に起因するストールひいては機関の停止を回避できる。
【００５３】
なお、図示は省略するが、燃料噴射時期の切換が何らかの異常で正常になされない場合には、やはりバルブタイミングが固定される。この場合、吸気行程噴射の特性に固定するようにすれば、やはり始動性確保の上で有利である。
【００５４】
【表１】
0003861847.tif 000002
【００５５】
次に図６は、多気筒内燃機関、一例として４気筒内燃機関における燃料噴射時期およびバルブタイミングの切換時期を説明するタイムチャートであって、具体的には、加速時の変化を示している。ここで、黒丸は、圧縮行程噴射であることを示し、白丸は、吸気行程噴射であることを示している。この図６に示すように、内燃機関のスロットル開度が増加して運転条件が前述した領域Ｂから領域Ａへ変化すると、これと同時に、噴射時期の切換、具体的には、圧縮行程噴射から吸気行程噴射への切換が実行される。但し、この切換は、実際には、点火順に従って４気筒について順次なされるので、全気筒について切換が完了するまでには、機関の１サイクルが必要である。そして、この噴射時期の切換が全気筒で完了した後、可変動弁機構１１を介してバルブタイミングが一斉に切り換えられる。具体的には、制御カム軸４２が所定位置まで回転駆動される。
【００５６】
このように、燃料噴射時期の切換とバルブタイミングの切換とに、僅かな時間差を与えることで、トルクショックを抑制できる。また、燃料噴射時期の切換は、機械的な遅れを伴わずに即座に実行されるので、トルクショックを抑制しつつ加速応答性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内直噴型内燃機関の一実施例を示す構成説明図。
【図２】その可変動弁機構の構成を示す要部の斜視図。
【図３】この可変動弁機構における駆動軸とカムシャフトとの回転位相差およびバルブリフト特性を対比して示す特性図。
【図４】燃料噴射時期とバルブタイミングとの関係を示すタイムチャート。
【図５】機関運転領域を示す特性図。
【図６】多気筒内燃機関における燃料噴射時期とバルブタイミングとの切換時期を示すタイムチャート。
【符号の説明】
２…シリンダ
３…燃料噴射弁
５…吸気弁
１１…可変動弁機構
【図１】
0003861847.tif 000003
【図２】
0003861847.tif 000004
【図３】
0003861847.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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