JP2005030305A - 希薄燃焼内燃機関及び希薄燃焼内燃機関の混合気形成方法 - Google Patents
希薄燃焼内燃機関及び希薄燃焼内燃機関の混合気形成方法Info
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Abstract
【課題】安定した燃焼を実現しつつ、排出するＮＯｘ量を低減するとともに燃費の向上を図ることができる希薄燃焼内燃機関を提供する。
【解決手段】吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前に噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後に噴射させるように燃料噴射弁による噴射時期を制御する制御手段と、吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料を頂面に設けられたキャビティ内に溜めて当該キャビティ内で混合気を形成し、当該混合気を圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導くピストンと、を備える。燃焼室全体に渡って形成された均質な混合気よりも空燃比の低い混合気がキャビティ内に形成され、圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、安定した燃焼を実現することができる。また、空燃比を適切に制御することによりＮＯｘ排出量低減と低燃費を実現できる。
【選択図】 図２
【解決手段】吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前に噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後に噴射させるように燃料噴射弁による噴射時期を制御する制御手段と、吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料を頂面に設けられたキャビティ内に溜めて当該キャビティ内で混合気を形成し、当該混合気を圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導くピストンと、を備える。燃焼室全体に渡って形成された均質な混合気よりも空燃比の低い混合気がキャビティ内に形成され、圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、安定した燃焼を実現することができる。また、空燃比を適切に制御することによりＮＯｘ排出量低減と低燃費を実現できる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた希薄燃焼内燃機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、内燃機関の燃費を向上させることが要望されている。この要望に応えるための内燃機関として、気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする筒内噴射火花点火式内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
これは、吸気行程中に燃料の一部を噴射して気筒内に希薄で均質な混合気を形成するとともに、圧縮行程中に残りの燃料を噴射することで点火プラグ周辺に着火し易い混合気を形成するようにしたものである。
【０００４】
また、吸気ポートに燃料噴射弁を備える内燃機関においては、吸気弁が開弁する前の膨張行程あるいは排気行程中に燃料を噴射し、燃料の気化・霧化を促進することにより気筒内に均質な混合気を形成して、希薄な混合気の燃焼を可能にし、燃費の向上を図っている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−１３７８４号公報
【特許文献２】
特開平６−３１７１６１号公報
【特許文献３】
特開２００１−９８９４５号公報
【特許文献４】
特開２０００−２７４２４８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した筒内噴射火花点火式内燃機関においては、気筒内の混合気全体としてはリーンな空燃比であったとしても、点火プラグ周辺に形成される混合気は、圧縮行程中に噴射された燃料により形成されるものであるため、点火されるまでの時間が短く燃料が気化・霧化し難いので、部分的にリッチ空燃比となるおそれがある。そして、このリッチ空燃比である混合気が燃焼することにより大量の窒素酸化物（ＮＯｘ）が排出されるおそれがある。
【０００７】
一方、吸気ポートに燃料噴射弁を備える内燃機関においては、燃料の気化・霧化を促進して均質な混合気を形成したとしても、着火する空燃比には限界があるため、その限界を越えてリーンな空燃比にすると、内燃機関の運転中に失火するおそれがあり、安定した燃焼と燃費の向上の両立を実現することは困難である。
【０００８】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安定した燃焼を実現しつつ、排出するＮＯｘ量を低減するとともに燃費の向上を図ることができる希薄燃焼内燃機関を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る希薄燃焼内燃機関にあっては、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させるように前記燃料噴射弁による噴射時期を制御する制御手段と、前記吸気行程に噴射された残りの燃料を頂面に設けられたキャビティ内に溜めて当該キャビティ内で混合気を形成し、当該混合気を圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導くピストンと、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
吸気通路に燃料噴射弁を備える内燃機関においては、燃料の気化・霧化を促進して気筒内に均質な混合気を形成したとしても、着火する空燃比には限界があるため、その限界を越えてリーンな空燃比にすると、内燃機関の運転中に失火するおそれがあり、安定した燃焼を実現することが困難となるおそれがある。
【００１１】
これに対して本発明に係る希薄燃焼内燃機関にあっては、吸気通路に備えられた燃料噴射弁により、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部が、吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射されると、吸気弁が開弁される前に気化・霧化が促進され、気筒内に希薄で均質な混合気が形成される。一方、残りの燃料が、吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射されると、ピストンの頂面に設けられたキャビティ内に溜められて、当該キャビティ内で混合気が形成される。このキャビティ内に形成される混合気は、吸気弁が開弁される前に噴射された燃料による均質な混合気にさらに燃料が加えられることになるために、前記均質な混合気よりも空燃比が低い混合気となる。そして、ピストンにより、当該混合気が圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、前記均質な混合気のみである場合よりも着火し易くなり、混合気全体として希薄な混合気であったとしても、安定した燃焼を実現することができる。
【００１２】
さらに、前記制御手段が、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で第１のリーン空燃比となる均質な混合気を気筒内全体に渡って形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で前記キャビティ内に前記第１のリーン空燃比よりもリッチな第２のリーン空燃比となる混合気を形成するように前記燃料噴射弁による噴射燃料量をも制御することにより、キャビティ内に形成された混合気はリーン空燃比であるとともに、吸気行程に噴射された燃料はその後の行程中に気化・霧化が促進されキャビティ内の部分的にもストイキ近傍の空燃比の混合気が形成され難いので、ＮＯｘの排出を低減させることができる。また、キャビティ内の混合気が着火して火炎伝播することにより、燃焼室内の全体に渡って形成された第１のリーン空燃比である均質な混合気も燃焼するため、均質混合気の空燃比も高めることができ、燃費の向上を図ることができる。
【００１３】
また、少なくともピストンあるいはシリンダヘッドのいずれかにより形成され、前記点火プラグの放電部に当てるようにスキッシュ流を発生させるスキッシュ流発生手段をさらに備えることが好適である。スキッシュ流が点火プラグの放電部に当たると、混合気の燃焼速度が速くなり、さらに燃焼を安定させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る希薄燃焼内燃機関の混合気形成方法にあっては、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁から、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させ、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で、ピストン頂面に設けられ上死点において点火プラグ近傍に位置するキャビティ内に混合気を形成することを特徴とする。
【００１５】
上述したように、かかる方法を用いると、気筒内全体に渡って均質な混合気が形成されるとともに、キャビティ内に前記均質な混合気よりも空燃比が低い混合気が形成され、当該混合気が圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、混合気全体として希薄な混合気であったとしても、燃焼を安定させることができる。
【００１６】
さらに、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って第１のリーン空燃比の均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料でキャビティ内に前記第１のリーン空燃比よりリッチな第２のリーン空燃比の混合気を形成することが好適である。
【００１７】
かかる方法を用いて形成された混合気を燃焼させると、上述したように、ＮＯｘの排出を低減させることができるとともに、燃費の向上を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関１の概略平面図であり、図１（ｂ）は概略縦断面図である。図１（ｂ）に示すように、燃焼室２は、シリンダヘッド３、シリンダブロック４、ピストン５、ピストンリング６、吸気弁７、排気弁８、点火プラグ９等により形成される。なお、ピストン５の頂面にはキャビティ５ａが形成されており、点火プラグ９の先端の電極は、ピストン５が上死点に位置する際に、キャビティ５ａに入り込むようになっている。
【００２０】
また、当該燃焼室２には２つの吸気通路１０と１つの排気通路１１が開口している。そして、基本的には、当該吸気通路１０に燃料を噴射する燃料噴射弁１２から噴射された燃料と空気の混合気が、図示しない吸気カムによって駆動される吸気弁７がリフトすることにより、吸気通路１０から燃焼室内に流入する。そして、燃焼室２内で燃焼した燃焼ガスは、図示しない排気カムによって駆動される排気弁８がリフトすることにより、排気通路１１に流入し、図示しない排気浄化触媒、マフラー等を介して大気中に排出される。
【００２１】
また、図１（ａ）に示すように、２つの吸気通路１０は上流で合流しており、その合流点より上流の吸気通路１０に噴出口が突出するように燃料噴射弁１２が備えられている。そして、燃料噴射弁１２は、内燃機関１を制御するために併設されている電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１３からの駆動信号により開弁し、その開弁時間が制御されて所望量の燃料を噴射する。
【００２２】
また、ＥＣＵ１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等からなる算術論理演算回路であり、機関内の冷却水温度を検出する水温センサ１４、吸入空気量を検出するエアフローメータ（図示省略）、クランク軸の回転角位置を検出するクランクポジションセンサ（図示省略）、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ（図示省略）、空燃比センサ（図示省略）等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１３に入力されるようになっている。
【００２３】
そして、ＥＣＵ１３は、例えばクランクポジションセンサからの出力信号に基づいて機関回転数を算出する等、入力された各種センサからの出力信号に基づいて所定の演算処理を行って、吸気通路に設けられ吸入空気量を制御するスロットル弁（図示省略）の開度を制御するスロットル制御、燃料噴射弁１２による燃料噴射量及び噴射時期を制御する燃料噴射制御、点火プラグ９による点火時期等を制御する点火時期制御等を実行することが可能になっている。
【００２４】
［燃料噴射制御の第１の実施例］
次に、本実施の形態に係る燃料噴射制御の第１の実施例について詳述する。
本実施の形態に係る内燃機関１においては、燃料噴射弁１２は吸気通路１０に備えられているため、吸気弁７が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに当該燃料噴射弁１２から燃料が噴射されると、特に吸気通路１０が高温となっている場合は、当該燃料は吸気通路１０内で気化・霧化するので、吸気通路１０から気筒内に流入する過程で、気筒内に吸入される空気との混合が促進され、気筒内全体に渡って均質な混合気が形成される。
【００２５】
一方、吸気弁７が開弁した後の、例えば吸気行程初期に噴射された燃料は、完全に気化する前に、気筒内に吸入される空気の流れにしたがって気筒内に流入し、図２に示すようにピストン５の頂面に形成されたキャビティ５ａに溜まり、キャビティ５ａ内で気化する。
【００２６】
そのため、吸気弁７が開弁する前後に噴射する燃料量を調節することで、気筒内全体に渡って、所定のリーン空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝３０、以下「第１のリーン空燃比」という。）の均質な混合気を形成するとともに、キャビティ５ａ内に前記第１のリーン空燃比よりもリッチなリーン空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝２０、以下「第２のリーン空燃比」という。）の混合気を形成することができる。
【００２７】
そして、キャビティ５ａ内の混合気は、圧縮行程において、点火プラグ近傍に導かれる。その後、点火プラグにより火花放電されると、当該第２のリーン空燃比の混合気は、例えばＡ／Ｆ＝約２０のリーン空燃比ではある場合は着火可能な空燃比であるため、着火して燃焼する。さらに、火炎伝播することにより、第１のリーン空燃比である均質な混合気の空燃比がＡ／Ｆ＝約３０であるとしても、当該均質な混合気も燃焼する。
【００２８】
ただし、吸気弁７が開弁した後に燃料を噴射したからといって、必ずキャビティ５ａ内に当該燃料が溜まるとは限らないので、吸気弁７が開弁した後の噴射による燃料をキャビティ内に溜まらすことができる噴射時期の限界（以下、「噴射限界時期」という。）を算出しておき、吸気弁７が開弁した後に噴射する場合は、当該噴射限界時期以前に噴射終了するようにする。
【００２９】
この噴射限界時期は、燃料噴射弁の位置，向き、吸気ポートの形状による燃料の流れ、キャビティの形状，大きさ、ピストンスピード（機関回転数）、吸入空気量等によって変化するものである。
【００３０】
ただし、内燃機関１毎に燃料噴射弁の位置，向き、吸気ポートの形状、キャビティの形状，大きさが固定されると、当該噴射限界時期は、機関回転数あるいは吸入空気量に応じて変化する。すなわち、同じクランク軸回転角度で噴射したとしても、機関回転数が低い場合は、キャビティ内に溜まらせることができる場合であっても、機関回転数が高い場合、つまり、ピストンの下降スピードが速い場合は、噴射された燃料がシリンダの対向壁面にぶつかるだけで、キャビティ内には溜まらないおそれがある。
【００３１】
そのため、内燃機関１の運転状態毎に、あらかじめ噴射限界時期を設定しておくことが必要となる。
【００３２】
なお、吸気弁開弁後に噴射された燃料を、気筒内に流入する混合気の流れにのせてキャビティ内に導くようなタンブル流を発生させるように吸気ポートを形成することで、噴射限界時期を遅らせることができる。
【００３３】
そして、本実施例に係る燃料噴射制御においては、図３の１回噴射パターンに示したように燃料噴射弁１２を１回だけ開弁させて、前記噴射限界時期を越えないように、かつ、上述したような空燃比となるように、噴射時期と噴射量（噴射弁開弁期間）を制御するようにする。
【００３４】
具体的には、ＥＣＵ１３が、以下のように燃料噴射弁１２による噴射燃料量及び噴射時期を制御する燃料噴射制御を実行する。これは、図４のフローチャート図に示した制御ルーチンにしたがって燃料噴射弁３を制御するものである。
【００３５】
この制御ルーチンは、予めＥＣＵ１３のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、一定時間の経過、あるいは上述したクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理としてＥＣＵ１３が実行するルーチンである。
【００３６】
本ルーチンでは、先ず、ステップ１００において、吸入空気量、アクセル開度、機関回転数を算出する。これは、上述したエアフローメータ、アクセル開度センサ、クランクポジションセンサの検出値を基にＥＣＵ１３が算出するものである。
【００３７】
その後ステップ１０１へ進み、要求燃料噴射量を算出する。これは、ステップ１００にて算出したアクセル開度及び機関回転数から、あらかじめ設定されたマップに基づいて目標空燃比を算出し、当該算出した目標空燃比とステップ１００にて算出した吸入空気量等をパラメータとして、例えばあらかじめ設定されたマップに基づいて、要求燃料噴射量を算出するものである。なお、上述したように、目標空燃比は、基本的には、吸気弁７が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料で第１のリーン空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝３０）の均質混合気を気筒内全体に渡って形成し、吸気弁７が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料で第１のリーン空燃比よりもリッチである第２のリーン空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝２０）の混合気をキャビティ５ａ内に形成できるようにマップに設定されている。
【００３８】
その後ステップ１０２へ進み、この要求燃料噴射量の内、吸気弁の開弁前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料量と吸気弁の開弁後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料量とを決定する。これは、前述したようにあらかじめ設定されたマップに基づいて決定するものである。また、ステップ１０１にて要求噴射量を算出し、ステップ１０２にて吸気弁の開弁前に噴射する燃料量と吸気弁の開弁後に噴射する燃料量とを決定するのではなく、単に、吸気弁の開弁前に噴射する燃料量と吸気弁の開弁後に噴射する燃料量とを算出するようにしてもよい。
【００３９】
その後ステップ１０３へ進み、吸気弁開弁後の噴射終了時期を決定する。これは、ステップ１０２にて算出した吸気弁開弁後に噴射する燃料量と噴射する燃料の圧力とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間を算出し、当該開弁時間を、機関回転数を基にクランク軸回転角度に換算する。そして、クランク軸回転角度で定められている吸気弁開弁開始時期に開弁時間を換算したクランク軸回転角度を加算して、吸気弁開弁後の噴射終了時期を決定するものである。なお、マップに設定された目標空燃比等が、吸気弁開弁後の噴射終了時期が前記噴射限界時期を越えないように設定されているので、本ステップの手法を用いて吸気弁開弁後の噴射終了時期を決定しても前記噴射限界時期を越えることはない。
【００４０】
その後ステップ１０４へ進み、吸気弁開弁前噴射開始時期を決定する。これは、ステップ１０２にて算出した吸気弁開弁前に噴射する燃料量と噴射する燃料の圧力とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間を算出し、当該開弁時間を、機関回転数を基にクランク軸回転角度に換算する。そして、クランク軸回転角度で定められている吸気弁開弁開始時期に吸気弁開弁前に噴射する燃料量を噴射終了するように、吸気弁開弁開始時期のクランク軸回転角度から、開弁時間を換算したクランク軸回転角度を減算して、吸気弁開弁前の噴射開始時期を決定するものである。
【００４１】
その後ステップ１０５へ進み、ステップ１０４にて決定した噴射開始時期に燃料を噴射開始させるように燃料噴射弁を制御する。
【００４２】
均質な混合気を燃焼させて希薄化を図るには、失火する等して燃焼が不安定になるために限界があるが、このように、吸気弁７が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料で第１のリーン空燃比の均質混合気を形成し、吸気弁７が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料で第１のリーン空燃比よりもリッチであるがリーン空燃比である第２のリーン空燃比の混合気をキャビティ５ａ内に形成し、当該第２のリーン空燃比の混合気を点火プラグ近傍に導いて点火することで、安定した燃焼と燃費向上との両立を実現することができる。
【００４３】
また、キャビティ内に形成された混合気はリーン空燃比であるとともに、吸気行程に噴射された燃料はその後の行程中に気化・霧化が促進されることによりキャビティ内の部分的にもストイキ近傍の空燃比の混合気が形成され難いので、ＮＯｘの排出を低減させることもできる。
【００４４】
［燃料噴射制御の第２の実施例］
第１の実施例で述べたのは、目標燃料量全てを燃料噴射弁の１度の開弁で噴射する場合について述べたが、本実施例に係る燃料噴射制御においては、図３の２回噴射パターンに示したように燃料噴射弁１２を２度開弁させ、２度の噴射量の総量が目標燃料噴射量となるようにするものである。
【００４５】
かかる場合も、吸気弁７が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料で第１のリーン空燃比の均質混合気を形成し、吸気弁７が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料で第１のリーン空燃比よりもリッチである第２のリーン空燃比の混合気をキャビティ内に形成できるように、吸気弁７の開弁前後で噴射する燃料量を調整するものである。
【００４６】
このように目標燃料噴射量を２回に分けて噴射することで、図３に示したような１回噴射パターンに比して、吸気弁７が開弁する前の早いタイミングで燃料が噴射されるので、吸気ポート内に噴射した燃料を長い時間ポート内に留めておくことができ、気筒内に流入する前に当該燃料が気化・霧化するのを促進させることができる。
【００４７】
但し、燃料噴射弁３が閉弁して再度開弁するにはインターバルが必要であるため、目標燃料噴射量、機関回転数等によっては燃料噴射弁３を２度開弁させることが困難な場合もある。例えば、高負荷高回転の運転状態においては、目標燃料噴射量も多く機関回転数も高いため、少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに燃料噴射弁３を１度開閉し、吸気弁７が開弁した後に再度燃料噴射弁３を開弁することができない場合もあり得る。
【００４８】
したがって、内燃機関１の目標燃料噴射量、機関回転数、機関温度、燃圧等に応じてどちらの噴射パターンを採用するかを決定することが好ましく、内燃機関１の運転状態に応じて第１の実施例の１回噴射パターンとするか第２の実施例の２回噴射パターンとするかを切り替えることが好適である。
【００４９】
次に、具体的に、本実施例に係るＥＣＵ１３が実行する燃料噴射制御について、図５のフローチャート図に示した制御ルーチンにしたがって説明する。
【００５０】
本ルーチンにおいては、先ず、ステップ２００において、吸入空気量、アクセル開度、機関回転数を算出し、その後ステップ２０１へ進み、要求燃料噴射量を算出する。そして、ステップ２０２へ進み、この要求燃料噴射量の内、吸気弁の開弁前の膨張行程あるいは排気行程に噴射する燃料量と吸気弁の開弁後に噴射する燃料量とを決定する。これらは、第１実施例と同一であるのでその説明は省略するこれは、
【００５１】
その後ステップ２０３へ進み、吸気弁開弁後の燃料噴射時期を決定する。これは、上述したのと同様の手法により開弁時間を算出し、吸気弁の開弁開始から上述した噴射限界時期の範囲内で決定するものであり、例えばあらかじめ定められたマップに基づいて決定されるものである。
【００５２】
その後ステップ２０４へ進み、吸気弁開弁前噴射開始時期を決定する。これは、ステップ２０２にて算出した吸気弁開弁前に噴射する燃料量と噴射する燃料の圧力とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間を算出し、当該開弁時間を、機関回転数を基にクランク軸回転角度に換算する。そして、燃料噴射弁を閉弁させてから再度開弁させるまでのインターバルをも考慮して、吸気弁開弁前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射開始する時期を決定するものであり、例えばあらかじめ定められたマップに基づいて決定されるものである。
【００５３】
その後ステップ１０５へ進み、ステップ１０４にて決定した噴射開始時期に燃料を噴射開始させるように燃料噴射弁を制御する。
【００５４】
このようにすることで、上述したのと同様に、安定した燃焼を実現しつつ、排出するＮＯｘ量を低減するとともに燃費の向上を図ることができる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
本実施の形態においては、第１の実施の形態に対して、さらに、点火プラグ９の放電部に当てるようにスキッシュ流を発生させるスキッシュ流発生手段を備えた。
【００５６】
具体的には、図６に示すように、ピストン５の頂面の中央部にキャビティ５ａを設け、さらに、スキッシュエリアを設けたペントルーフ型燃焼室において、点火プラグ９をスキッシュエリア近傍に配置し、スキッシュ流が、燃焼室中央部へ向けて水平方向に吹き出し、点火プラグの放電部９ａに当たるように、ピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りし、その先端を丸形状にして、スキッシュ流発生手段を形成している。なお、当該スキッシュ流発生手段を設ける範囲は内燃機関毎に定められるものであるが、少なくとも点火プラグ９近傍の範囲に設けることが好適である。
【００５７】
第１の実施の形態においても、図７に示したようなスキッシュ流が発生し、燃焼速度が速くなるため燃費が向上する。しかし、単に図７に示したようなスキッシュ流を発生させたのでは、当該スキッシュ流は燃焼室頂部に向かうため、スキッシュ流が点火プラグ９の放電部９ａには当たらない。また、火炎がキャビティ５ａの底部に到達するのが遅いため、燃焼速度がピストンの降下に追いつかず、適切に火炎伝播せずに燃焼が不安定になるおそれがある。
【００５８】
そこで、本実施の形態においては、上述したように図６に示す形状とした。かかる形状にすることで、圧縮行程でピストン上昇によりスキッシュエリアから水平方向に向けて吹き出すスキッシュ流が、点火プラグ９の放電部９ａに当たることにより、火炎伝播が促進されるとともに、当該スキッシュ流が水平方向に向かうことにより燃焼室中央部に向かい、その後にキャビティ５ａの底部に到達するため、キャビティ５ａの底部に火炎伝播するのが速くなるので、安定した燃焼を実現することができる。
【００５９】
また、ピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りする代わりに、図８に示すように、スキッシュ流発生手段として、シリンダヘッド３の点火プラグ９近傍に燃焼室２内に突出させるような凸部を設け、スキッシュ流を点火プラグの放電部へ導くようにしてもよい。かかる場合も上述したように、圧縮行程でピストン上昇によりスキッシュエリアから水平方向に向けて吹き出すスキッシュ流が、点火プラグの放電部に当たることにより、火炎伝播が促進されるとともに、当該スキッシュ流が水平方向に向かうことにより燃焼室中央部に向かい、キャビティの底部に火炎伝播するのが速くなるので、安定した燃焼を実現することができる。
【００６０】
また、図９に示すように、スキッシュ流発生手段として、ピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りして、その先端を丸形状にするとともに、シリンダヘッド３の点火プラグ９近傍に、燃焼室２内に突出させるような凸部を設けるのが好適である。かかる場合も上述したように、圧縮行程でピストン上昇によりスキッシュエリアから水平方向に向けてスキッシュ流が吹き出すが、単にピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りすることあるいは燃焼室２内に突出させるような凸部をシリンダヘッド側に設けることと比較すると、その流速がさらに速くなり、点火プラグ９の放電部に当たることにより、火炎伝播がさらに促進される。また、当該スキッシュ流が水平方向に向かうことにより燃焼室中央部に向かい、キャビティの底部に火炎伝播するのがさらに速くなるので、さらに燃焼を安定させることができる。
【００６１】
なお、以上の第１の実施の形態及び第２の実施の形態においては、吸気弁を２つ、排気弁を１つ備え、点火プラグを２つ備えた構成の内燃機関を例示したが、図１０に示すように、吸気弁を２つ、排気弁を２つ備えた内燃機関であって、点火プラグを４つの弁の略中心に１つ備えた構成であるものにも適用することができる。かかる場合も、点火プラグ９近傍のキャビティ５ａ内に第２のリーン空燃比の混合気が形成されるように、吸気ポートの形状、キャビティの形状等を決定する。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、気筒内全体に渡って希薄で均質な混合気が形成されるとともに、キャビティ内に前記均質な混合気よりも空燃比が低い混合気が形成され、当該混合気が圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、安定した燃焼を実現しつつ、燃費の向上を図ることができる。
【００６３】
また、吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射された燃料の一部で第１のリーン空燃比となる均質な混合気が気筒内に形成され、吸気弁が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射された残りの燃料でキャビティ内に前記第１のリーン空燃比よりもリッチな第２のリーン空燃比となる混合気が形成されると、吸気行程に噴射された燃料は、その後の行程中に気化・霧化が促進されるためキャビティ内の部分的にもストイキ近傍の空燃比の混合気が形成され難くなり、ＮＯｘの排出を低減させることができる。また、キャビティ内の混合気が着火して火炎伝播することにより、燃焼室内の全体に渡って形成された第１のリーン空燃比である均質な混合気も燃焼するため、均質な混合気の空燃比も高めることができるので、燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、第１の実施の形態に係る内燃機関の概略平面図であり、（ｂ）は、概略縦断面図である。
【図２】吸気弁が開弁された後に噴射された燃料がピストンの頂面に設けられたキャビティ内に溜まる様子を示した図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料噴射制御による噴射パターンを示した図である。
【図４】燃料噴射制御の第１の実施例に係る制御ルーチンを示すフローチャート図である。
【図５】燃料噴射制御の第２の実施例に係る制御ルーチンを示すフローチャート図である。
【図６】第２の実施の形態に係る内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図７】第１の実施の形態に係る内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図８】第２の実施の形態に係る他の内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図９】第２の実施の形態に係る他の内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図１０】本発明を適用可能な他の内燃機関の概略平面図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 燃焼室
３ シリンダヘッド
４ シリンダブロック
５ ピストン
５ａ キャビティ
６ ピストンリング
７ 吸気弁
８ 排気弁
９ 点火プラグ
１０ 吸気通路
１１ 排気通路
１２ 燃料噴射弁
１３ ＥＣＵ
１４ 水温センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた希薄燃焼内燃機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、内燃機関の燃費を向上させることが要望されている。この要望に応えるための内燃機関として、気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする筒内噴射火花点火式内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
これは、吸気行程中に燃料の一部を噴射して気筒内に希薄で均質な混合気を形成するとともに、圧縮行程中に残りの燃料を噴射することで点火プラグ周辺に着火し易い混合気を形成するようにしたものである。
【０００４】
また、吸気ポートに燃料噴射弁を備える内燃機関においては、吸気弁が開弁する前の膨張行程あるいは排気行程中に燃料を噴射し、燃料の気化・霧化を促進することにより気筒内に均質な混合気を形成して、希薄な混合気の燃焼を可能にし、燃費の向上を図っている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００３−１３７８４号公報
【特許文献２】
特開平６−３１７１６１号公報
【特許文献３】
特開２００１−９８９４５号公報
【特許文献４】
特開２０００−２７４２４８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した筒内噴射火花点火式内燃機関においては、気筒内の混合気全体としてはリーンな空燃比であったとしても、点火プラグ周辺に形成される混合気は、圧縮行程中に噴射された燃料により形成されるものであるため、点火されるまでの時間が短く燃料が気化・霧化し難いので、部分的にリッチ空燃比となるおそれがある。そして、このリッチ空燃比である混合気が燃焼することにより大量の窒素酸化物（ＮＯｘ）が排出されるおそれがある。
【０００７】
一方、吸気ポートに燃料噴射弁を備える内燃機関においては、燃料の気化・霧化を促進して均質な混合気を形成したとしても、着火する空燃比には限界があるため、その限界を越えてリーンな空燃比にすると、内燃機関の運転中に失火するおそれがあり、安定した燃焼と燃費の向上の両立を実現することは困難である。
【０００８】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安定した燃焼を実現しつつ、排出するＮＯｘ量を低減するとともに燃費の向上を図ることができる希薄燃焼内燃機関を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る希薄燃焼内燃機関にあっては、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させるように前記燃料噴射弁による噴射時期を制御する制御手段と、前記吸気行程に噴射された残りの燃料を頂面に設けられたキャビティ内に溜めて当該キャビティ内で混合気を形成し、当該混合気を圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導くピストンと、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
吸気通路に燃料噴射弁を備える内燃機関においては、燃料の気化・霧化を促進して気筒内に均質な混合気を形成したとしても、着火する空燃比には限界があるため、その限界を越えてリーンな空燃比にすると、内燃機関の運転中に失火するおそれがあり、安定した燃焼を実現することが困難となるおそれがある。
【００１１】
これに対して本発明に係る希薄燃焼内燃機関にあっては、吸気通路に備えられた燃料噴射弁により、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部が、吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射されると、吸気弁が開弁される前に気化・霧化が促進され、気筒内に希薄で均質な混合気が形成される。一方、残りの燃料が、吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射されると、ピストンの頂面に設けられたキャビティ内に溜められて、当該キャビティ内で混合気が形成される。このキャビティ内に形成される混合気は、吸気弁が開弁される前に噴射された燃料による均質な混合気にさらに燃料が加えられることになるために、前記均質な混合気よりも空燃比が低い混合気となる。そして、ピストンにより、当該混合気が圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、前記均質な混合気のみである場合よりも着火し易くなり、混合気全体として希薄な混合気であったとしても、安定した燃焼を実現することができる。
【００１２】
さらに、前記制御手段が、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で第１のリーン空燃比となる均質な混合気を気筒内全体に渡って形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で前記キャビティ内に前記第１のリーン空燃比よりもリッチな第２のリーン空燃比となる混合気を形成するように前記燃料噴射弁による噴射燃料量をも制御することにより、キャビティ内に形成された混合気はリーン空燃比であるとともに、吸気行程に噴射された燃料はその後の行程中に気化・霧化が促進されキャビティ内の部分的にもストイキ近傍の空燃比の混合気が形成され難いので、ＮＯｘの排出を低減させることができる。また、キャビティ内の混合気が着火して火炎伝播することにより、燃焼室内の全体に渡って形成された第１のリーン空燃比である均質な混合気も燃焼するため、均質混合気の空燃比も高めることができ、燃費の向上を図ることができる。
【００１３】
また、少なくともピストンあるいはシリンダヘッドのいずれかにより形成され、前記点火プラグの放電部に当てるようにスキッシュ流を発生させるスキッシュ流発生手段をさらに備えることが好適である。スキッシュ流が点火プラグの放電部に当たると、混合気の燃焼速度が速くなり、さらに燃焼を安定させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る希薄燃焼内燃機関の混合気形成方法にあっては、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁から、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させ、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で、ピストン頂面に設けられ上死点において点火プラグ近傍に位置するキャビティ内に混合気を形成することを特徴とする。
【００１５】
上述したように、かかる方法を用いると、気筒内全体に渡って均質な混合気が形成されるとともに、キャビティ内に前記均質な混合気よりも空燃比が低い混合気が形成され、当該混合気が圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、混合気全体として希薄な混合気であったとしても、燃焼を安定させることができる。
【００１６】
さらに、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って第１のリーン空燃比の均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料でキャビティ内に前記第１のリーン空燃比よりリッチな第２のリーン空燃比の混合気を形成することが好適である。
【００１７】
かかる方法を用いて形成された混合気を燃焼させると、上述したように、ＮＯｘの排出を低減させることができるとともに、燃費の向上を図ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関１の概略平面図であり、図１（ｂ）は概略縦断面図である。図１（ｂ）に示すように、燃焼室２は、シリンダヘッド３、シリンダブロック４、ピストン５、ピストンリング６、吸気弁７、排気弁８、点火プラグ９等により形成される。なお、ピストン５の頂面にはキャビティ５ａが形成されており、点火プラグ９の先端の電極は、ピストン５が上死点に位置する際に、キャビティ５ａに入り込むようになっている。
【００２０】
また、当該燃焼室２には２つの吸気通路１０と１つの排気通路１１が開口している。そして、基本的には、当該吸気通路１０に燃料を噴射する燃料噴射弁１２から噴射された燃料と空気の混合気が、図示しない吸気カムによって駆動される吸気弁７がリフトすることにより、吸気通路１０から燃焼室内に流入する。そして、燃焼室２内で燃焼した燃焼ガスは、図示しない排気カムによって駆動される排気弁８がリフトすることにより、排気通路１１に流入し、図示しない排気浄化触媒、マフラー等を介して大気中に排出される。
【００２１】
また、図１（ａ）に示すように、２つの吸気通路１０は上流で合流しており、その合流点より上流の吸気通路１０に噴出口が突出するように燃料噴射弁１２が備えられている。そして、燃料噴射弁１２は、内燃機関１を制御するために併設されている電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１３からの駆動信号により開弁し、その開弁時間が制御されて所望量の燃料を噴射する。
【００２２】
また、ＥＣＵ１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等からなる算術論理演算回路であり、機関内の冷却水温度を検出する水温センサ１４、吸入空気量を検出するエアフローメータ（図示省略）、クランク軸の回転角位置を検出するクランクポジションセンサ（図示省略）、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ（図示省略）、空燃比センサ（図示省略）等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ１３に入力されるようになっている。
【００２３】
そして、ＥＣＵ１３は、例えばクランクポジションセンサからの出力信号に基づいて機関回転数を算出する等、入力された各種センサからの出力信号に基づいて所定の演算処理を行って、吸気通路に設けられ吸入空気量を制御するスロットル弁（図示省略）の開度を制御するスロットル制御、燃料噴射弁１２による燃料噴射量及び噴射時期を制御する燃料噴射制御、点火プラグ９による点火時期等を制御する点火時期制御等を実行することが可能になっている。
【００２４】
［燃料噴射制御の第１の実施例］
次に、本実施の形態に係る燃料噴射制御の第１の実施例について詳述する。
本実施の形態に係る内燃機関１においては、燃料噴射弁１２は吸気通路１０に備えられているため、吸気弁７が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに当該燃料噴射弁１２から燃料が噴射されると、特に吸気通路１０が高温となっている場合は、当該燃料は吸気通路１０内で気化・霧化するので、吸気通路１０から気筒内に流入する過程で、気筒内に吸入される空気との混合が促進され、気筒内全体に渡って均質な混合気が形成される。
【００２５】
一方、吸気弁７が開弁した後の、例えば吸気行程初期に噴射された燃料は、完全に気化する前に、気筒内に吸入される空気の流れにしたがって気筒内に流入し、図２に示すようにピストン５の頂面に形成されたキャビティ５ａに溜まり、キャビティ５ａ内で気化する。
【００２６】
そのため、吸気弁７が開弁する前後に噴射する燃料量を調節することで、気筒内全体に渡って、所定のリーン空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝３０、以下「第１のリーン空燃比」という。）の均質な混合気を形成するとともに、キャビティ５ａ内に前記第１のリーン空燃比よりもリッチなリーン空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝２０、以下「第２のリーン空燃比」という。）の混合気を形成することができる。
【００２７】
そして、キャビティ５ａ内の混合気は、圧縮行程において、点火プラグ近傍に導かれる。その後、点火プラグにより火花放電されると、当該第２のリーン空燃比の混合気は、例えばＡ／Ｆ＝約２０のリーン空燃比ではある場合は着火可能な空燃比であるため、着火して燃焼する。さらに、火炎伝播することにより、第１のリーン空燃比である均質な混合気の空燃比がＡ／Ｆ＝約３０であるとしても、当該均質な混合気も燃焼する。
【００２８】
ただし、吸気弁７が開弁した後に燃料を噴射したからといって、必ずキャビティ５ａ内に当該燃料が溜まるとは限らないので、吸気弁７が開弁した後の噴射による燃料をキャビティ内に溜まらすことができる噴射時期の限界（以下、「噴射限界時期」という。）を算出しておき、吸気弁７が開弁した後に噴射する場合は、当該噴射限界時期以前に噴射終了するようにする。
【００２９】
この噴射限界時期は、燃料噴射弁の位置，向き、吸気ポートの形状による燃料の流れ、キャビティの形状，大きさ、ピストンスピード（機関回転数）、吸入空気量等によって変化するものである。
【００３０】
ただし、内燃機関１毎に燃料噴射弁の位置，向き、吸気ポートの形状、キャビティの形状，大きさが固定されると、当該噴射限界時期は、機関回転数あるいは吸入空気量に応じて変化する。すなわち、同じクランク軸回転角度で噴射したとしても、機関回転数が低い場合は、キャビティ内に溜まらせることができる場合であっても、機関回転数が高い場合、つまり、ピストンの下降スピードが速い場合は、噴射された燃料がシリンダの対向壁面にぶつかるだけで、キャビティ内には溜まらないおそれがある。
【００３１】
そのため、内燃機関１の運転状態毎に、あらかじめ噴射限界時期を設定しておくことが必要となる。
【００３２】
なお、吸気弁開弁後に噴射された燃料を、気筒内に流入する混合気の流れにのせてキャビティ内に導くようなタンブル流を発生させるように吸気ポートを形成することで、噴射限界時期を遅らせることができる。
【００３３】
そして、本実施例に係る燃料噴射制御においては、図３の１回噴射パターンに示したように燃料噴射弁１２を１回だけ開弁させて、前記噴射限界時期を越えないように、かつ、上述したような空燃比となるように、噴射時期と噴射量（噴射弁開弁期間）を制御するようにする。
【００３４】
具体的には、ＥＣＵ１３が、以下のように燃料噴射弁１２による噴射燃料量及び噴射時期を制御する燃料噴射制御を実行する。これは、図４のフローチャート図に示した制御ルーチンにしたがって燃料噴射弁３を制御するものである。
【００３５】
この制御ルーチンは、予めＥＣＵ１３のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、一定時間の経過、あるいは上述したクランクポジションセンサからのパルス信号の入力などをトリガとした割り込み処理としてＥＣＵ１３が実行するルーチンである。
【００３６】
本ルーチンでは、先ず、ステップ１００において、吸入空気量、アクセル開度、機関回転数を算出する。これは、上述したエアフローメータ、アクセル開度センサ、クランクポジションセンサの検出値を基にＥＣＵ１３が算出するものである。
【００３７】
その後ステップ１０１へ進み、要求燃料噴射量を算出する。これは、ステップ１００にて算出したアクセル開度及び機関回転数から、あらかじめ設定されたマップに基づいて目標空燃比を算出し、当該算出した目標空燃比とステップ１００にて算出した吸入空気量等をパラメータとして、例えばあらかじめ設定されたマップに基づいて、要求燃料噴射量を算出するものである。なお、上述したように、目標空燃比は、基本的には、吸気弁７が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料で第１のリーン空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝３０）の均質混合気を気筒内全体に渡って形成し、吸気弁７が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料で第１のリーン空燃比よりもリッチである第２のリーン空燃比（例えば、Ａ／Ｆ＝２０）の混合気をキャビティ５ａ内に形成できるようにマップに設定されている。
【００３８】
その後ステップ１０２へ進み、この要求燃料噴射量の内、吸気弁の開弁前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料量と吸気弁の開弁後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料量とを決定する。これは、前述したようにあらかじめ設定されたマップに基づいて決定するものである。また、ステップ１０１にて要求噴射量を算出し、ステップ１０２にて吸気弁の開弁前に噴射する燃料量と吸気弁の開弁後に噴射する燃料量とを決定するのではなく、単に、吸気弁の開弁前に噴射する燃料量と吸気弁の開弁後に噴射する燃料量とを算出するようにしてもよい。
【００３９】
その後ステップ１０３へ進み、吸気弁開弁後の噴射終了時期を決定する。これは、ステップ１０２にて算出した吸気弁開弁後に噴射する燃料量と噴射する燃料の圧力とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間を算出し、当該開弁時間を、機関回転数を基にクランク軸回転角度に換算する。そして、クランク軸回転角度で定められている吸気弁開弁開始時期に開弁時間を換算したクランク軸回転角度を加算して、吸気弁開弁後の噴射終了時期を決定するものである。なお、マップに設定された目標空燃比等が、吸気弁開弁後の噴射終了時期が前記噴射限界時期を越えないように設定されているので、本ステップの手法を用いて吸気弁開弁後の噴射終了時期を決定しても前記噴射限界時期を越えることはない。
【００４０】
その後ステップ１０４へ進み、吸気弁開弁前噴射開始時期を決定する。これは、ステップ１０２にて算出した吸気弁開弁前に噴射する燃料量と噴射する燃料の圧力とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間を算出し、当該開弁時間を、機関回転数を基にクランク軸回転角度に換算する。そして、クランク軸回転角度で定められている吸気弁開弁開始時期に吸気弁開弁前に噴射する燃料量を噴射終了するように、吸気弁開弁開始時期のクランク軸回転角度から、開弁時間を換算したクランク軸回転角度を減算して、吸気弁開弁前の噴射開始時期を決定するものである。
【００４１】
その後ステップ１０５へ進み、ステップ１０４にて決定した噴射開始時期に燃料を噴射開始させるように燃料噴射弁を制御する。
【００４２】
均質な混合気を燃焼させて希薄化を図るには、失火する等して燃焼が不安定になるために限界があるが、このように、吸気弁７が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料で第１のリーン空燃比の均質混合気を形成し、吸気弁７が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料で第１のリーン空燃比よりもリッチであるがリーン空燃比である第２のリーン空燃比の混合気をキャビティ５ａ内に形成し、当該第２のリーン空燃比の混合気を点火プラグ近傍に導いて点火することで、安定した燃焼と燃費向上との両立を実現することができる。
【００４３】
また、キャビティ内に形成された混合気はリーン空燃比であるとともに、吸気行程に噴射された燃料はその後の行程中に気化・霧化が促進されることによりキャビティ内の部分的にもストイキ近傍の空燃比の混合気が形成され難いので、ＮＯｘの排出を低減させることもできる。
【００４４】
［燃料噴射制御の第２の実施例］
第１の実施例で述べたのは、目標燃料量全てを燃料噴射弁の１度の開弁で噴射する場合について述べたが、本実施例に係る燃料噴射制御においては、図３の２回噴射パターンに示したように燃料噴射弁１２を２度開弁させ、２度の噴射量の総量が目標燃料噴射量となるようにするものである。
【００４５】
かかる場合も、吸気弁７が開弁する前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射する燃料で第１のリーン空燃比の均質混合気を形成し、吸気弁７が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射する燃料で第１のリーン空燃比よりもリッチである第２のリーン空燃比の混合気をキャビティ内に形成できるように、吸気弁７の開弁前後で噴射する燃料量を調整するものである。
【００４６】
このように目標燃料噴射量を２回に分けて噴射することで、図３に示したような１回噴射パターンに比して、吸気弁７が開弁する前の早いタイミングで燃料が噴射されるので、吸気ポート内に噴射した燃料を長い時間ポート内に留めておくことができ、気筒内に流入する前に当該燃料が気化・霧化するのを促進させることができる。
【００４７】
但し、燃料噴射弁３が閉弁して再度開弁するにはインターバルが必要であるため、目標燃料噴射量、機関回転数等によっては燃料噴射弁３を２度開弁させることが困難な場合もある。例えば、高負荷高回転の運転状態においては、目標燃料噴射量も多く機関回転数も高いため、少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに燃料噴射弁３を１度開閉し、吸気弁７が開弁した後に再度燃料噴射弁３を開弁することができない場合もあり得る。
【００４８】
したがって、内燃機関１の目標燃料噴射量、機関回転数、機関温度、燃圧等に応じてどちらの噴射パターンを採用するかを決定することが好ましく、内燃機関１の運転状態に応じて第１の実施例の１回噴射パターンとするか第２の実施例の２回噴射パターンとするかを切り替えることが好適である。
【００４９】
次に、具体的に、本実施例に係るＥＣＵ１３が実行する燃料噴射制御について、図５のフローチャート図に示した制御ルーチンにしたがって説明する。
【００５０】
本ルーチンにおいては、先ず、ステップ２００において、吸入空気量、アクセル開度、機関回転数を算出し、その後ステップ２０１へ進み、要求燃料噴射量を算出する。そして、ステップ２０２へ進み、この要求燃料噴射量の内、吸気弁の開弁前の膨張行程あるいは排気行程に噴射する燃料量と吸気弁の開弁後に噴射する燃料量とを決定する。これらは、第１実施例と同一であるのでその説明は省略するこれは、
【００５１】
その後ステップ２０３へ進み、吸気弁開弁後の燃料噴射時期を決定する。これは、上述したのと同様の手法により開弁時間を算出し、吸気弁の開弁開始から上述した噴射限界時期の範囲内で決定するものであり、例えばあらかじめ定められたマップに基づいて決定されるものである。
【００５２】
その後ステップ２０４へ進み、吸気弁開弁前噴射開始時期を決定する。これは、ステップ２０２にて算出した吸気弁開弁前に噴射する燃料量と噴射する燃料の圧力とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間を算出し、当該開弁時間を、機関回転数を基にクランク軸回転角度に換算する。そして、燃料噴射弁を閉弁させてから再度開弁させるまでのインターバルをも考慮して、吸気弁開弁前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射開始する時期を決定するものであり、例えばあらかじめ定められたマップに基づいて決定されるものである。
【００５３】
その後ステップ１０５へ進み、ステップ１０４にて決定した噴射開始時期に燃料を噴射開始させるように燃料噴射弁を制御する。
【００５４】
このようにすることで、上述したのと同様に、安定した燃焼を実現しつつ、排出するＮＯｘ量を低減するとともに燃費の向上を図ることができる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
本実施の形態においては、第１の実施の形態に対して、さらに、点火プラグ９の放電部に当てるようにスキッシュ流を発生させるスキッシュ流発生手段を備えた。
【００５６】
具体的には、図６に示すように、ピストン５の頂面の中央部にキャビティ５ａを設け、さらに、スキッシュエリアを設けたペントルーフ型燃焼室において、点火プラグ９をスキッシュエリア近傍に配置し、スキッシュ流が、燃焼室中央部へ向けて水平方向に吹き出し、点火プラグの放電部９ａに当たるように、ピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りし、その先端を丸形状にして、スキッシュ流発生手段を形成している。なお、当該スキッシュ流発生手段を設ける範囲は内燃機関毎に定められるものであるが、少なくとも点火プラグ９近傍の範囲に設けることが好適である。
【００５７】
第１の実施の形態においても、図７に示したようなスキッシュ流が発生し、燃焼速度が速くなるため燃費が向上する。しかし、単に図７に示したようなスキッシュ流を発生させたのでは、当該スキッシュ流は燃焼室頂部に向かうため、スキッシュ流が点火プラグ９の放電部９ａには当たらない。また、火炎がキャビティ５ａの底部に到達するのが遅いため、燃焼速度がピストンの降下に追いつかず、適切に火炎伝播せずに燃焼が不安定になるおそれがある。
【００５８】
そこで、本実施の形態においては、上述したように図６に示す形状とした。かかる形状にすることで、圧縮行程でピストン上昇によりスキッシュエリアから水平方向に向けて吹き出すスキッシュ流が、点火プラグ９の放電部９ａに当たることにより、火炎伝播が促進されるとともに、当該スキッシュ流が水平方向に向かうことにより燃焼室中央部に向かい、その後にキャビティ５ａの底部に到達するため、キャビティ５ａの底部に火炎伝播するのが速くなるので、安定した燃焼を実現することができる。
【００５９】
また、ピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りする代わりに、図８に示すように、スキッシュ流発生手段として、シリンダヘッド３の点火プラグ９近傍に燃焼室２内に突出させるような凸部を設け、スキッシュ流を点火プラグの放電部へ導くようにしてもよい。かかる場合も上述したように、圧縮行程でピストン上昇によりスキッシュエリアから水平方向に向けて吹き出すスキッシュ流が、点火プラグの放電部に当たることにより、火炎伝播が促進されるとともに、当該スキッシュ流が水平方向に向かうことにより燃焼室中央部に向かい、キャビティの底部に火炎伝播するのが速くなるので、安定した燃焼を実現することができる。
【００６０】
また、図９に示すように、スキッシュ流発生手段として、ピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りして、その先端を丸形状にするとともに、シリンダヘッド３の点火プラグ９近傍に、燃焼室２内に突出させるような凸部を設けるのが好適である。かかる場合も上述したように、圧縮行程でピストン上昇によりスキッシュエリアから水平方向に向けてスキッシュ流が吹き出すが、単にピストン頂部のキャビティ周縁部を面取りすることあるいは燃焼室２内に突出させるような凸部をシリンダヘッド側に設けることと比較すると、その流速がさらに速くなり、点火プラグ９の放電部に当たることにより、火炎伝播がさらに促進される。また、当該スキッシュ流が水平方向に向かうことにより燃焼室中央部に向かい、キャビティの底部に火炎伝播するのがさらに速くなるので、さらに燃焼を安定させることができる。
【００６１】
なお、以上の第１の実施の形態及び第２の実施の形態においては、吸気弁を２つ、排気弁を１つ備え、点火プラグを２つ備えた構成の内燃機関を例示したが、図１０に示すように、吸気弁を２つ、排気弁を２つ備えた内燃機関であって、点火プラグを４つの弁の略中心に１つ備えた構成であるものにも適用することができる。かかる場合も、点火プラグ９近傍のキャビティ５ａ内に第２のリーン空燃比の混合気が形成されるように、吸気ポートの形状、キャビティの形状等を決定する。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、気筒内全体に渡って希薄で均質な混合気が形成されるとともに、キャビティ内に前記均質な混合気よりも空燃比が低い混合気が形成され、当該混合気が圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導かれるので、安定した燃焼を実現しつつ、燃費の向上を図ることができる。
【００６３】
また、吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射された燃料の一部で第１のリーン空燃比となる均質な混合気が気筒内に形成され、吸気弁が開弁した後の少なくとも吸気行程に噴射された残りの燃料でキャビティ内に前記第１のリーン空燃比よりもリッチな第２のリーン空燃比となる混合気が形成されると、吸気行程に噴射された燃料は、その後の行程中に気化・霧化が促進されるためキャビティ内の部分的にもストイキ近傍の空燃比の混合気が形成され難くなり、ＮＯｘの排出を低減させることができる。また、キャビティ内の混合気が着火して火炎伝播することにより、燃焼室内の全体に渡って形成された第１のリーン空燃比である均質な混合気も燃焼するため、均質な混合気の空燃比も高めることができるので、燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、第１の実施の形態に係る内燃機関の概略平面図であり、（ｂ）は、概略縦断面図である。
【図２】吸気弁が開弁された後に噴射された燃料がピストンの頂面に設けられたキャビティ内に溜まる様子を示した図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料噴射制御による噴射パターンを示した図である。
【図４】燃料噴射制御の第１の実施例に係る制御ルーチンを示すフローチャート図である。
【図５】燃料噴射制御の第２の実施例に係る制御ルーチンを示すフローチャート図である。
【図６】第２の実施の形態に係る内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図７】第１の実施の形態に係る内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図８】第２の実施の形態に係る他の内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図９】第２の実施の形態に係る他の内燃機関の燃焼室周辺の概略縦断面図である。
【図１０】本発明を適用可能な他の内燃機関の概略平面図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 燃焼室
３ シリンダヘッド
４ シリンダブロック
５ ピストン
５ａ キャビティ
６ ピストンリング
７ 吸気弁
８ 排気弁
９ 点火プラグ
１０ 吸気通路
１１ 排気通路
１２ 燃料噴射弁
１３ ＥＣＵ
１４ 水温センサ
Claims (5)
- 吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させるように前記燃料噴射弁による噴射時期を制御する制御手段と、
前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料を頂面に設けられたキャビティ内に溜めて当該キャビティ内で混合気を形成し、当該混合気を圧縮行程後半に点火プラグ近傍に導くピストンと、
を備えたことを特徴とする希薄燃焼内燃機関。 - 前記制御手段は、前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で第１のリーン空燃比となる均質な混合気を気筒内全体に渡って形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で前記キャビティ内に前記第１のリーン空燃比よりもリッチな第２のリーン空燃比となる混合気を形成するように前記燃料噴射弁による噴射燃料量をも制御することを特徴とする請求項１に記載の希薄燃焼内燃機関。
- 少なくともピストンあるいはシリンダヘッドのいずれかにより形成され、前記点火プラグの放電部に当てるようにスキッシュ流を発生させるスキッシュ流発生手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の希薄燃焼内燃機関。
- 吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁から、内燃機関の運転状態に応じて要求される燃料の一部を吸気弁が開弁される前の少なくとも膨張行程あるいは排気行程のいずれかに噴射させ、残りの燃料を吸気弁が開弁された後の少なくとも吸気行程に噴射させ、
前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料で、ピストン頂面に設けられ上死点において点火プラグ近傍に位置するキャビティ内に混合気を形成することを特徴とする希薄燃焼内燃機関の混合気形成方法。 - 前記吸気弁が開弁される前に噴射された要求される燃料の一部で気筒内全体に渡って第１のリーン空燃比の均質な混合気を形成し、前記吸気弁が開弁された後に噴射された残りの燃料でキャビティ内に前記第１のリーン空燃比よりリッチな第２のリーン空燃比の混合気を形成することを特徴とする請求項４に記載の希薄燃焼内燃機関の混合気形成方法。
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