JP2007040310A - 筒内噴射式内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機関始動時から機関停止までに燃焼室から排出されるＨＣとＮＯｘを効果的に低減できる筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することにある。
【解決手段】排気管（１０）から吸気管（５）へ排気の一部を還流させるための外部ＥＧＲ通路（１１）と、外部ＥＧＲ通路（１１）に還流させる排気の量を制御するための外部ＥＧＲ制御弁（１２）と、吸気バルブ若しくは排気バルブの少なくとも一方のバルブの開閉タイミングを可変するバルブタイミング可変機構（９Ａ，９Ｂ）を有する。ＥＣＵ１００は、排気再循環を必要とする運転領域では、常にバルブタイミング可変機構（９Ａ，９Ｂ）を制御して、内部ＥＧＲを還流させるとともに、運転状態に応じて要求されるＥＧＲ量が、バルブタイミング可変機構（９Ａ，９Ｂ）による内部ＥＧＲ量で不足する場合には、外部ＥＧＲ制御弁（１２）を制御して、内部ＥＧＲに外部ＥＧＲを併用して、排気を還流する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射式内燃機関の制御装置に係り、特に、排気再循環装置を備えた筒内噴射式内燃機関の制御に用いるに好適な筒内噴射式内燃機関の制御装置に関する。

従来の排気再循環装置を備えた筒内噴射式内燃機関の制御装置としては、例えば、特開平２−２４５４６０号公報に記載されているように、燃焼室に対して、低負荷域においては内部ＥＧＲのみを還流させると共に、高負荷域では、外部ＥＧＲを還流させるものが知られている。

また、例えば、特開平６−３２３２０１号公報には、空気余剰率が低負荷域では高負荷域に比べ大きくなるように空燃比が制御され、燃焼室に対して高温な排気を還流させる第１ＥＧＲ装置と低温な排気を還流させる第２ＥＧＲ装置を備えた内燃機関において、低負荷域では、高温な排気と低温な排気とが共に還流され、低負荷域では高負荷域に比べ排気の燃焼室への総還流率を小さくするものが知られている。

これらのように、排気を燃焼室へ還流させると筒内の最高温度が低下するため、ＮＯｘを低減することができるものである。特に、低温な排気である外部ＥＧＲを燃焼室へ還流させた場合はその効果が顕著であり、外部ＥＧＲ量の増加に伴いＮＯｘは低減する。

また、高温な排気である内部ＥＧＲを燃焼室へ還流させた場合は、筒内が高温となるため、ＮＯｘの低減効果が減少するものの、燃料噴霧の微粒化促進、あるいは燃焼室壁面付着燃料の気化促進によりＮＯｘの低減と同時にＨＣを低減することが可能である。このように内部ＥＧＲはＨＣとＮＯｘを共に低減することができる。

特開平２−２４５４６０号公報 特開平６−３２３２０１号公報

しかしながら特開平２−２４５４６０号公報や、特開平６−３２３２０１号公報に記載されているように、低温な排気である外部ＥＧＲを燃焼室へ還流させた場合は、ＮＯｘの低減とは相反して、ＨＣは増加する傾向があり、過剰なＥＧＲを還流させると大量のＨＣが燃焼室から排出され、燃焼も不安定となるという問題があった。

また、内部ＥＧＲによって、燃焼室から排出されるＮＯｘを効果的に低減するには、大量の内部ＥＧＲが必要であるが、内部ＥＧＲを大量化するように可変バルブを制御すると、燃焼不安定あるいは機関トルク低下の問題が生じる。また、機関が冷間時に成層燃焼を行うと、噴射燃料が燃焼室壁面へ付着し大量のＨＣが排出されるという問題も生じる。

本発明の目的は、機関始動時から機関停止までに燃焼室から排出されるＨＣとＮＯｘを効果的に低減できる筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明は、排気管から吸気管へ排気の一部を還流させるための外部ＥＧＲ通路と、上記外部ＥＧＲ通路に還流させる排気の量を制御するための外部ＥＧＲ制御弁と、吸気バルブ若しくは排気バルブの少なくとも一方のバルブの開閉タイミングを可変するバルブタイミング可変機構を有する火花点火式の筒内噴射式内燃機関において、排気再循環を必要とする運転領域では、上記バルブタイミング可変機構を制御して、常時内部ＥＧＲを還流させるとともに、運転状態に応じて要求されるＥＧＲ量が、バルブタイミング可変機構による内部ＥＧＲ量で不足する場合には、上記外部ＥＧＲ制御弁を制御して、内部ＥＧＲに外部旦ＧＲを併用して、排気を還流する制御手段を備えるようにしたものである。かかる構成により、機関始動時から機関停止までに燃焼室から排出されるＨＣとＮＯｘを効果的に低減し得るものとなる。

本発明によれば、機関始動時から機関停止までに燃焼室から排出されるＨＣとＮＯｘを効果的に低減することができる。

以下、図１〜図１７を用いて、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の全体構成図である。

本実施形態による筒内噴射式内燃機関は、燃焼室１の側面に燃料噴射弁２と、燃焼室１の上面中央部に点火プラグ３とが配置されている。燃料噴射弁２は、吸気バルブ４の作動には関係なく、自由なタイミングで燃焼室１へ燃料を噴射できる。

筒内噴射式の特徴である成層燃焼時は、均質燃焼時に比べて、吸気管５の途中に設けた電子制御スロットル６の開度を大きく開き、吸入空気量を増加し、空燃比を確保する。

また、ＥＣＵ１００には、クランク角セン抄信号Ｓｃａや、アクセル開度センサＳａｐや、吸入空気量を計量するエアフロセンサ７からの吸入空気量信号Ｓｉａなどの多くの信号が入力されている。ＥＣＵ１００は、これらの信号に基づいて、運転条件に応じて、機関を制御する。

さらに、バルブタイミング可変機構９Ａ，９Ｂは、排気およびトルクをより向上させるために、吸気バルブ４と排気バルブ８の開閉タイミングを可変する。ハルブタイミング可変機構９Ａ，９Ｂは、ＥＣＵ１００からの指令に基づき制御される。外部ＥＧＲ通路１１は、排気管１０から吸気管５へ排気の一部を還流させるための通路である。外部ＥＧＲ制御弁１２は、外部ＥＧＲ通路１１に還流させる排気の量を制御するための制御弁である。外部ＥＧＲ制御弁１２は、機関温間時のＮＯｘを低減するために用いられ、ＥＣＵｌ００からの指令に基づき制御される。

次に、図２を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御内容について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置の制御内容を示すフローチャートである。

ステップｓ１００において、ＥＣＵ１００は、機関に備えた水温センサの出力により、機関冷却水温度を読み込む。

次に、ステップｓ１１０において、ＥＣＵ１００は、機関冷却水温度が所定値、例えば８０℃に到達しているかを判定する。機関冷却水温度が８０℃以下の場合はステップｓ１２０に進み、機関冷却水温度が８０℃より高い場合には、ステップｓ１５０に進む。

機関冷却水揖度が８０℃以下の場合、ステップｓ１２０において、ＥＣＵ１００は、バルブタイミング可変機構９Ｂを制御して、排気バルブ８の早閉じ制御を行う。

ここで、図３を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による排気バルブの早閉じ制御の内容について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による排気バルブの早閉じの制御の説明図である。

図３は、排気バルブ早閉じ制御における吸気上死点付近の吸・排気バルブカムプロファイルを拡大して示している。図３の実線Ｃ−１，Ｃ−２は、通常の吸気バルブ４及び排気バルブ８の開閉時期を示している。実線Ｃ−１に示すように、通常、排気バルブの閉時期は吸気上死点（ＴＤＣ）付近に設定されている。また、実線Ｃ−２に示すように、通常、吸気バルブの開時期は吸気上死点（ＴＤＣ）付近に設定されている。

それに対して、図中、点線Ａ−１で示すように、排気バルブ早閉じの場合は、ＥＣＵ１００は、バルブタイミング可変機構９Ｂを制御して、排気バルブ８の閉時期を、通常の排気バルブの閉時期よりも早くして、ピストンが上昇している途中で排気バルブを閉じるようにする。その結果、通常ではピストン上死点までの間に排気管へ排出される排気が、燃焼室内に閉じ込められ、内部ＥＧＲを実現できる。内部ＥＧＲを実現することにより、始動時等の水温が低温状態の場合の排気ガス中のＮＯｘやＨＣを低減することができる。なお、内部ＥＧＲを実現する方式としては、排気バルブの早閉じ制御以外にも、吸気バルブ及び排気バルブの可変制御により、内部ＥＧＲを還流させる手段であれば特に制約がないものである。

次に、ステップｓ１３０において、ＥＣＵ１００は、触媒温度が例えば、２５０℃より高いか否かを判定する。２５０℃以下の場合には、ステップｓ１４０に進み、２５０℃より高い場合には、ステップｓ１４０はスキップする。なお、ここで、判定基準となる温度（２５０℃）は、触媒が活性化しているか否かを判断するためのものであり、必ずしも、２５０℃ある必要はなく、他の温度で触媒の活性化の有無を判断してもよいものである。

触媒温度が、例えば、２５０以下の場合、ステップｓ１４０において、ＥＣＵ１００は、バルブタイミング可変機構９Ｂを制御して、排気バルブ８の早開き制御を行う。

ここで、図４を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による排気バルブの早開き制御の内容について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による排気バルブの早開きの制御の説明図である。 図４は、排気バルブ早開き制御における排気バルブのカムプロファイルと、筒内温度（Ｔ）を拡大して示している。

図４の実線Ｃ−１は、通常の排気バルブ８の開時期を示している。それに対して、点線Ａ−１は、本実施形態による排気弁の早開き制御を行った場合の開時期を示している。実線Ｄは、膨張行程における筒内温度を示している。排気バルブを早開きすることにより、実線Ｃ−１で示した通常設定の排気バルブ開時期における筒内温度Ｔ１に比べ、排気バルブの早開き制御時には、筒内温度は、Ｔ２と高くなり、高温な排気が排気管へ排出される。その結果、機関が冷間状態にある場合であり、特に触媒が活性化するまの期間においては、高温な排気を触媒に供給でき、触媒活性化までの時間を短縮することができる。また、始動から触媒の温度が所定値に到達するまでの期間のみ本制御を実施してもよいものである。

しかしながら、この場合は高温な排気排出によるトルクの低下が懸念されるため、予めトルク低下分に相当する噴射燃料を増加するのが望ましいものである。

これにより、燃焼室から排出されるＨＣ及びＮＯｘ低減の効果と同時に、トルクの低下を伴うことなく触媒の卓期活性化の効果を得ることができる。

なお、触媒温度を検出するには、触媒温度センサを新たに設置する必要がある。触媒温度センサの設置によるコスト増を避けるには、ステップｓ１２０の後、ステップｓ１３０における判定を行うことなく、直ちに、ステップｓ１４０を実行するようにしてもよいものである。ステップｓ１１０の判定により、水温が８０℃以下ということは、始動時等のように、触媒温度も低下することが多いため、ステップｓ１３０を省略することもできる。

また、位相差式の吸・排気バルブを用いた筒内噴射式内燃機関の場合は、ステップｓ１２０を実行するために、排気バルブ早閉じを行うには、ステップｓ１４０による排気バルブ早開きを行う必要があり、ステップｓ１４０とステップｓ１２０は同時に実行されることになる。

次に、図２のステップｓ１１０の判定で、機関冷却水温度が８０℃より高い場合、ステップｓ１５０において、ＥＣＵ１００は、現状の燃焼形態が均質燃焼、成層燃焼のいずれであるかをフラグＦの値によって判定する。例えば、Ｆ＝０で均質燃焼の時は、ステップｓ１６０に進み、Ｆ＝１で成層燃焼の時は、ステップｓ１７０に進む。ここで、ＥＣＵ１００は、予めエンジンの回転数や要求トルクに基づいて、成層燃焼をすべきか、均質燃焼をすべきか判定して、その判定結果に基づいて、燃料噴射量やタイミングを制御している。従って、成層燃焼をすべきか、均質燃焼をすべきかの判定結果を、フラグＦとして、Ｆ＝０は均質燃焼であり、Ｆ＝１は成層燃焼であるというように保持しているので、このフラグＦにより、現状の燃焼状態を判定することができる。

均質燃焼の時は、ステップも１６０において、ＥＣＵ１００は、バルブタイミング可変機構９Ａ，９Ｂを制御して、吸気バルブ４の早閉じ及び排気バルブ８の遅閉じ制御を行う。

ここで、図５を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による吸気バルブの早閉じ及び排気バルブの遅閉じ制御の内容について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による吸気バルブの早閉じ及び排気バルブの遅閉じ制御の説明図である。図５は、吸気バルブの早閉じ及び排気バルブの遅閉じ制御における吸気上死点付近の吸・排気バルブカムプロファイルを拡大して示している。

図５の実線Ｃ−１，Ｃ−２は、図３と同様に、通常の吸気バルブ４及び排気バルブ８の開閉時期を示している。実線Ｃ−１に示すように、通常、排気バルブの閉時期は吸気上死点（ＴＤＣ）付近に設定されている。また、実線Ｃ−２に示すように、通常、吸気バルブの開時期は吸気上死点（ＴＤＣ）付近に設定されている。

それに対して、図中、点線Ａ−１で示すように、排気バルブ早閉じの場合は、ＥＣＵ１００は、バルブタイミング可変機構９Ｂを制御して、排気バルブ８の閉時期を、通常の排気バルブの閉時期よりも早くして、ピストンが上昇している途中で排気バルブを閉じるようにする。その結果、通常ではピストン上死点までの間に排気管へ排出される排気が、燃焼室内に閉じ込められ、内部ＥＧＲを実現できる。なお、内部ＥＧＲを実現する方式としては、排気バルブの早閉じ制御以外にも、吸気バルブ及び排気バルブの可変制御により、内部ＥＧＲを還流させる手段であれば特に制約がないものである。

それに対して、吸気バルブ遅閉じ、吸気バルブ早開きの場合は、ＥＣＵ１００は、バルブタイミング可変機構９Ａを制御して、点線Ｂ−１に示すように、吸気バルブ４の閉時期を、通常の排気バルブの閉時期よりも遅くし、また、点線Ｂ−２に示すように、排気バルブ８の開時期を、通常の吸気バルブの開時期よりも早くする。その結果、吸気バルブと排気バルブの開期間のオーバラップ量が増加する。すなわち、吸気バルブの早開きＢ−２により、排気の一部が吸気管へ噴き戻され、ピストン上死点以降に燃焼室へ再び吸入されると、同時に排気バルブの遅閉じＢ−１により、一度排気管へ排出された排気が再び吸入され、内部ＥＧＲが実現される。

次に、ステップｓ１７０において、ＥＣＵ１００は、クランク角センサから得られたクランク角センサ信号Ｓｃａのパルス間隔に基づいて、機関回転数や目標トルクを読み込む。

次に、ステップｓ１８０において、ＥＣＵ１００は、ステップｓ１６０で得られた機関回転数と目標トルクから、マッブ検索等により要求ＥＧＲ量を算出する。

次に、ステップｓ１９０において、ＥＣＵ１００は、機関回転数と目標トルクから燃焼悪化やトルク低下が生じない内部ＥＧＲ量（吸気及び排気バルブの可変量）が決定され、ステップｓ１８０で算出された要求ＥＧＲ量を満足しているかを判定する。内部ＥＧＲ量が要求ＥＧＲ量を満足していれば、ステップｓ１５０に進み、吸気バルブの早閉じ及び排気バルブの遅閉じ制御を実行する。また、内部ＥＧＲ量が要求ＥＧＲ量を満足していなければ、ステップｓ２００に進む。

ステップｓ２００において、ＥＣＵ１０Ｏは、要求ＥＧＲに対し不足している内部ＥＧＲ分を補えるだけのＥＧＲを、外部ＥＧＲ制御弁１２を制御することにより、それに相当する外部ＥＧＲを還流させる。

機関運転中は、ステップｓ１００〜ステップｓ２００の一連の動作を繰り返し、燃焼室から排出されるＨＣとＮＯｘの低減を図ることができる。

以上のようにして、本実施形態では、ステップｓ１９０の判定に基づく、ステップｓ１６０とステップｓ２００の制御内容から理解されるように、内部ＥＧＲで十分な場合には、内部ＥＧＲのみを実行し、内部ＥＧＲで不足する場合には、外部ＥＧＲを併用するようにしている。

ここで、図６〜図１０を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時の内部ＥＧＲと外部ＥＧＲの併用状態及び排気ガスの低減効果について説明する。
最初に、図６〜図８を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時の内部ＥＧＲと外部ＥＧＲの併用状態について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時のエンジン回転数ＮがＮ１の時の内部ＥＧＲと外部ＥＧＲの併用状態を示す説明図であり、図７は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時のエンジン回転数ＮがＮ２の時の内部ＥＧＲと外部ＥＧＲの併用状態を示す説明図であり、図８は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時のエンジン回転数ＮがＮ３の時の内部ＥＧＲと外部ＥＧＲの併用状態を示す説明図である。横軸は目標トルクＴＴを示し、縦軸はＥＧＲ量を示している。なお、エンジン回転数Ｎは、Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３の関係にある。また、領域Ｘは、内部ＥＧＲを用いる領域を示しており、領域Ｙは、外部ＥＧＲを用いる領域を示している。

図２のステップｓ１７０では、機関回転数と、目標トルクを読み込み、ステップｓ１８０において、要求ＥＧＲ量を算出している。エンジン回転数ＮがＮ１と比較的高くなると、要求ＥＧＲ量も多くなる。そこで、図６に示すように、目標トルクＴＴが例えば、ＴＴ２と小さい領域では、要求ＥＧＲ量が多くなり、内部ＥＧＲだけでは足りないため、外部ＥＧＲを併用する。但し、目標トルクＴＴが例えば、ＴＴ１と大きくなる領域では、要求ＥＧＲ量が少なくなるため、内部ＥＧＲだけでは足りることとなり、内部ＥＧＲだけを用いる。

一方、エンジン回転数ＮがＮ２，Ｎ３と比較的低くなると、要求ＥＧＲ量も少なくなる。そこで、図７、図８に示すように、内部ＥＧＲだけでは足りることとなり、内部ＥＧＲだけを用いる。

次に、図９及び図１０を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時の排気ガスの低減効果について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時の目標トルクが大きい領域における排気ガスの低減効果の説明図であり、図１０は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時の目標トルクが小さい領域における排気ガスの低減効果の説明図である。横軸は、ＨＣの排出量を示し、縦軸はＮＯｘの排出量を示している。

例えば、図６に示した例では、目標トルクＴＴが、ＴＴ１のとき、本実施形態では、内部ＥＧＲだけを用いている。図９に示す例において、点Ｚ１は、内部ＥＧＲも外部ＥＧＲも行っていない場合の排気ガスの排出量を示しており、ＨＣの排出量は、ＨＣ１であり、ＮＯｘの排出量は、ＮＯｘ１である。ここで、図６に示した本実施形態のように、目標トルクＴＴ１のとき、内部ＥＧＲを行うことにより、排気ガスは、点Ｚ２まで低減する。即ち、ＨＣの排出量は、ＨＣ１からＨＣ２まで低減し、ＮＯｘの排出量は、ＮＯｘ１からＮＯｘ２まで低減する。

一方、目標トルクＴＴ１のとき、従来のように、外部ＥＧＲを行ったとすると、排気ガスは、点Ｚ３まで変化する。即ち、ＨＣの排出量は、ＨＣ１からＨＣ３まで増加し、ＮＯｘの排出量は、ＮＯｘ１からＮＯｘ２まで低滅する。

即ち、ＥＧＲを行うことにより、ＥＧＲ量が同じであれば、ＮＯｘの低減量は同程度である。しかしながら、内部ＥＧＲを行うことにより、ＨＣは低減できるのに如して、外部ＥＧＲではＨＣは増加することになる。即ち、本実施形態では、基本的に内部ＥＧＲを用いることにより、ＮＯｘとＨＣを共に低減することができる。この点は、図７や図８に示した低回転数側の時は内部ＥＧＲのみを使用するため、同様である。

一方、図６に示した例では、目標トルクＴＴが、ＴＴＯのとき、本実施形態では、内部ＥＧＲと外部ＥＧＲを併用している。図１０に示す例において、点Ｚ４は、内部ＥＧＲも外部ＥＧＲも行っていない場合の排気ガスの排出量を示しており、ＨＣの排出量は、ＨＣ３であり、ＮＯｘの排出量は、ＮＯｘ３である。ここで、図６に示した本実旛形態のように、目標トルクＴＴ０のとき、内部ＥＧＲと外部ＥＧＲを併用することにより、排気ガス中のＮＯｘは、内部ＥＧＲの導入孔かにゆおり、点Ｚ５まで低減する。即ち、ＨＣの排出量は、ＨＣ３からＨＣ４まで低減し、ＮＯｘの排出量は、ＮＯｘ３からＮＯｘ４まで低減する。そして、目標トルクＴＴが増加するに従って、実線Ｚ６で示すように、ＮＯｘとＨＣが低減する。

一方、従来のように、外部ＥＧＲのみを行ったとすると、排気ガスは、点Ｚ４から実線Ｚ６のように変化する。即ち、ＮＯｘと、ＨＣの排出量は、低減するが、実線Ｚ５で示す内部ＥＧＲと外部ＥＧＲを併用した場合に比べて、特にＨＣの低減効果が少ないものである。即ち、本実施形態では、基本的に内部ＥＧＲを用いることにより、ＮＯｘとＨＣを共に効果的に低減することができる。

次に、図１１を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の構成について説明する。
図１１は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の斜視図である。なお、図示する筒内噴射式内燃機関の構成は、本実施形態による制御装置によって制御するに好ましい構成であるが、これに限定されるものではない。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

吸気管５の中には、吸気管５を上下に２分割するように配置した空気流動生成板１３が設けられている。空気流動生成板１３の上流には、空気流動制御弁１４が配置されている。空気流動制御弁１４を閉じることにより、吸気行程中に吸入された空気は、燃焼室１内で縦の空気流動（タンブル）１５を形成する。

また、ピストン１６の冠面には、タンブル１５を保存するための溝１６が形成されている。成層燃焼時には、圧縮行程の後半に燃料噴射弁２から噴射された燃料は、タンブル１５によって、点火プラグ３の方向へ導びかれる。

次に、図１２〜図１４を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関に用いる燃料噴射弁の構成について説明する。
図１２は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。図１３は、本発明の一実施形態による筒内瞭射式内燃機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。また、図１４は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。なお、図示する燃料噴射弁の構成は、本実施形態による制御装置によって制御される内燃機関に用いるに好ましい構成であるが、これに限定されるものではない。

図１２は、本実施形態による燃料噴射弁２の側面構成を示している。燃料噴射弁２の先端部の破線で囲まれた領域Ｘを拡大したものが、図１３である。

図１２に示すように、燃料噴射弁２のノズル部１７は、ボール弁１８と、ボール弁１８に接続されたロッド１９と、噴霧に旋回力を与えるスワラー２０と、噴射口２１と、軸方向溝２２と、径方向溝２３とを備えている。本実施形態においては、ノズル部１７の先端に設けられた噴射口２１は左右対称ではなく、その一部に切り欠き２１ａが設けられている。図示の例では、切り欠き２１ａは、１８０度の範囲で設けられている。

ボール弁１８が開くと、軸方向溝２２、径方向溝２３に燃料が流れ、旋回力が与えられ、噴射口２１から燃料が噴射される。噴射口２１には、切り欠き２１ａが設けられているため、図１０及び図１１を用いて後述するように、リード噴霧と着火用噴霧とが形成される。

図１４に示す例において、矢印ＩＧＮ−Ｐ方向が点火プラグ側であり、矢印ＰＳＴＮ方向がピストン側である。即ち、噴射口２１の切り欠き２１ａが点火プラグ側を向くように、燃料噴射弁２１を設置することにより、リード噴霧が点火プラグの方向に噴霧される。

次に、図１５及び図１６を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状について説明する。
図１５は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。図１６は、図１５のＡ−Ａ断面図である。

図１５に示すように、燃料噴射弁２の噴射口２１から噴霧される燃料噴霧の形状は、噴射口に切り欠きが設けられているため、左右対称ではないものである。燃料噴射弁２の中心線に対するリード噴霧２４の噴霧角θ１は、例えば、３０度である。また、燃料噴射弁２の中心線に対する着火用噴霧２５の噴霧角θ２は、例えば、２０度である。

また、図１６に示すように、燃料噴霧の断面形状は、噴射口２１に設けられた切り欠きにより、噴霧の一部に隙間２４Ａのある形状となる。また、点火プラグ３に向けられるリード噴霧２４の流量密度は、着火用噴霧２５より高くなる。そのため、リード噴霧２４の噴霧到達距離は、着火用噴霧２５より長くなる。

なお、リード噴霧２４の噴霧角θ１や、着火用噴霧２５の噴霧角θ２は、噴射口２１に設けられた切り欠きの形状によって種々変更することが可能である 。なお、リード噴霧２４の噴霧角θ１や、着火用噴霧２５の噴霧角θ２は、噴射口２１に設けられた切り欠きの形状によって種々変更することが可能である。また、燃料噴射弁の構成は、上述のものに限らず、多孔などのリード流体を生成する手段を有する燃料噴射弁をも用いることができる。

以上により、点火プラグ方向の噴霧貫通力が上がるため、高回転においても燃料噴霧を点火プラグに運ぶことができ、成層燃焼運転が可能となる。これによって、既燃焼ガスと薪気の混合を押えて燃焼安定性を保ちつつ、噴射初期の燃料噴霧の気化を促進してＨＣ排出率を低減し、更には排気還流の効果によりＮＯｘ低減を可能とする。

次に、図１７及び図１８を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関における成層燃焼時の筒内での噴霧挙動について説明する。
図１７は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関における成層燃焼時の燃料噴射前の筒内での噴霧挙動の説明図であり、図１８は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関における成層燃焼時の燃料噴射後の筒内での噴霧挙動の説明図である。

図１７に示すように、成層燃焼の場合は、燃料を噴射する前の筒内には、空気流動生成弁の開度の制御により、機関回転数と目標トルクに応じた強度のタンブル１５が形成されている。

一方、図１８に示すように、燃料噴射後は、例えば図１２〜図１６で説明したような構造及び燃料噴霧形状を形成できる燃料噴射弁２の適用することで、タンブル１５とは別にリード噴霧２４の移動により、後続する着火用噴霧２５に先行して、点火プラグ３方向に向けて供給される流体流れを生成することができるため、上記リード噴霧２４によって生成された流体にリードされて、点火時期において着火用噴霧２５から気化した混合気をより確実に点火プラグ３へ導くことができる。

次に、図１９〜図２２を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による燃料噴射制御方法について説明する。
最初に、図１９を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による燃料噴射制御方法の制御内容について説明する。なお、この制御方法は、触媒が活性化するまでの間、行われるものである。
図１９は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による燃料噴射制御方法の制御内容を示すフローチャートである。

ステップｓ２００において、ＥＣＵ１００は、機関に備えた触媒温度センサにより触媒温度を読み込む。

次に、ステップｓ２１０において、ＥＣＵ１００は、触媒温度が所定値、例えば２５０℃に到達しているかを判定する。触媒温度が２５０℃以上の場合には処理を触媒活性化前の制御処理は終了して、通常の燃料噴射制御を実行する。通常の燃料噴射制御とは、燃料噴射を圧縮行程中にユ回で噴射する。それに対レて、触媒活性化前のときには、燃料噴射を圧縮行程中に２回で噴射するようにしている。

ここで、図２０〜図２２を用いて、本実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による燃料噴射制御方法の制御内容について説明する。
図２０は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装匿による燃料噴射制御方法の制御内容の説明図である。図２１は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による触媒活性化後の燃料噴射制御時の燃料噴霧の状態の説明図であり、図２２は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による触媒活性化前の燃料噴射制御時の燃料噴霧の状態の説明図である。

図２０（Ａ）に示すように、触媒が活性化した後は、燃料噴射を圧縮行程（ＣＯＭ）中に１回で噴射する。それに対して、図２０（Ｂ）に示すように、触媒が活性化する前は、燃料噴射１ＮＪ１，１ＮＪ２を、圧縮行程（ＣＯＭ）中に２回に分割して噴射する。触媒が活性化するまでの期間においては、触媒の排気浄化効率が不十分であるため、燃焼室から排出されるＨＣの多くが大気へ放出されてしまう。このことから、触媒が活性化するまでの期間においては、燃焼室からＨＣが排出されないような燃焼が要求される。特に触媒活性化前のような機関冷間時に、燃焼室壁面へ付着した燃料は、燃焼室壁面が冷えているため、気化しづらく未燃ＨＣとして排出される。

そこで、触媒活性化までの期間は、図２１に示すような１回噴射時の燃料噴霧到達距離Ｌ１に比べて、図１７に示すように、燃料噴霧到達距離Ｌ２が短くなる２回噴射を行うことで、ピストンヘの燃料付着を抑制する。内部ＥＧＲによる燃料噴霧の気化促進効果と合わせ、燃焼室から排出される未燃ＨＣを大幅に低減することができる。

その具体的な制御について、説明するに、触媒温度が２５０℃より低い場合には、図１９のステップｓ２２０に進む。

そして、ステップｓ２２０において、ＥＣＵ１００は、目標トルクや目標当量比を読み込む。

次に、ステップｓ２３０において、ＦＣＵ１００は、ステップｓ２２０で得られた目標トルクと目標当量比からマップ検索等により必要燃料量に相当する第１燃料噴射パルス幅Ｔｉ１と第２燃料噴射パルス幅Ｔｉ２を算出する。

次に、ステップＳ２４０において、ＥＣＵ１００は、クランク角センサからのパルス間隔より得られた機関回転数を読み込む。

次に、ステップｓ２５０において、ＥＣＵ１００は、ステップｓ２４０で得られた機関回転数に基づき、第１燃料噴射タイミングＩＴ１と、第２燃料噴射タイミングＩＴ２を算出する。

触媒温度が２５０℃に到達するまで、ステップｓ２２０〜ｓ２５０までの制御を繰り返し実施する。

以上説明したように、本実施形態によれば、機関始動時から機関停止までに燃焼室から擁出されるＨＣとＮＯｘを効果的に低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の全体構成図である。 図２は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置の制御内容を示すフローチャートである。 図３は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による排気バルブの早閉じの制御の説明図である。 図４は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による排気バルブの早開きの制御の説明図である。 図５は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による吸気バルブの早閉じ及び排気バルブの遅閉じ制御の説明図である。 図６は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時のエンジン回転数ＮがＮ１の時の内部ＥＧＲと外部ＥＧＲの併用状態を示す説明図である。 図７は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時のエンジン回転数ＮがＮ２の時の内部ＥＧＲと外部ＥＧＲの併用状態を示す説明図である。 図８は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時のエンジン回転数ＮがＮ３の時の内部ＥＧＲと外部ＥＧＲの併用状態を示す説明図である。 図９は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による制御時の目標トルクが大きい領域における排気ガスの低減効果の説明図である。 図１０は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の糊御装置による制御時の目標トルクが小さい領域における排気ガスの低減効果の説明図である。 図１１は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の斜視図である。 図１２は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関に用いる燃料噴射弁の全体側面図である。 図１３は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関に用いる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。 図１４は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関に用いる燃料噴射弁の要部底面図である。 図１５は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関に用いる燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の形状を示す側面図である。 図１６は、図１５のＡ−Ａ断面図である。 図１７は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関における成層燃焼時の燃料噴射前の筒内での噴霧挙動の説明図である。 図１８は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関における成層燃焼時の燃料噴射後の筒内での噴霧挙動の説明図である。 図１９は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による燃料噴射制御方法の制御内容を示すフローチャートである。 図２０は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による燃料噴射制御方法の制御内容の説明図である。 図２１は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による触媒活性化後の燃料噴射制御時の燃料噴霧の状態の説明図である。 図２２は、本発明の一実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置による触媒活性化前の燃料噴射制御時の燃料噴霧の状態の説明図である。

符号の説明

５…吸気管
９Ａ，９Ｂ…バルブタイミング可変機構
１０…排気管
１１…外部ＥＧＲ通路
１２…外部ＥＧＲ制御弁
１００…ＥＣＵ

Claims (6)

1. 排気管から吸気管へ排気の一部を還流させるための外部ＥＧＲ通路と、
   上記外部ＥＧＲ通路に還流させる排気の量を制御するための外部ＥＧＲ制御弁と、
   吸気バルブ若しくは排気バルブの少なくとも一方のバルブの開閉タイミングを可変するバルブタイミング可変機構を有する火花点火式の筒内噴射式内燃機関において、
   排気再循環を必要とする運転領域では、上記バルブタイミング可変機構を制御して、常に内部ＥＧＲを還流させるとともに、
   運転状態に応じて要求されるＥＧＲ量が、バルブタイミング可変機構による内部ＥＧＲ量で不足する場合には、上記外部ＥＧＲ制御弁を制御して、内部ＥＧＲに外部ＥＧＲを併用して、排気を還流する制御手段を備えたことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
2. 請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
   上記制御手段は、エンジンの水温が所定値以下の場合は、内部ＥＧＲのみを還流させることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
3. 請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
   上記制御手段は、触媒の温度が所定値以下の場合は、内部ＥＧＲのみを還流させることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
4. 請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
   上記制御手段は、燃焼形態が均質燃焼である場合は、内部ＥＧＲのみを還流させることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
5. 請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
   上記筒内噴射式内燃機関は、吸気ポートにより燃焼室に供給される空気流動とは別に、後続する着火用燃料に先行して点火プラグ方向に向けて供給される流体流れを生成するリード流体生成手段を備え、
   このリード流体生成手段によって生成された流体にリードされて、点火時期において着火用燃料噴霧から気化した混合気を点火プラグに供給することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
6. 請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
   上記制御手段は、始動時の触媒が活性化するまでの期間は、燃料噴射を圧縮行程中に２回に分割して噴射することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。

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