JPH1136959A

JPH1136959A - 火花点火式筒内噴射型内燃機関

Info

Publication number: JPH1136959A
Application number: JP9198810A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Kuwabara; 一成桑原; Toshio Shudo; 登志夫首藤; Katsunori Kaneko; 勝典金子; Hiromitsu Ando; 弘光安東
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1997-07-24
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 1999-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】火花点火式筒内噴射型内燃機関において、失
火の発生や燃焼安定性の低下や排ガス中のスート発生を
招来しないようにしながら圧縮リーン運転等のリーン運
転における排ガス中のＮＯｘの低減を行なうようにす
る。【解決手段】シリンダ１Ａ内に燃料を直接噴射する燃
料噴射弁２１をそなえ、機関の特定運転領域で圧縮行程
中に燃料を噴射して層状燃焼を行なう火花点火式筒内噴
射型内燃機関において、該特定運転領域では、圧縮行程
中においてシリンダ１Ａ内に希薄な均一混合気を生成さ
せ得る第１燃料噴射と、該第１燃料噴射以降に該均一混
合気内に燃料噴射して着火源となる過濃な混合気を生成
させ得る第２燃料噴射とを行なうように、燃料噴射弁２
１の駆動を制御する制御手段１０３をそなえる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮行程中に燃料
を噴射して層状燃焼を行なうことのできる、火花点火式
筒内噴射型内燃機関に関し、特に、自動車用エンジンと
して用いて好適の、火花点火式筒内噴射型内燃機関に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、点火プラグにより火花点火する内
燃機関であって、シリンダ内に直接燃料を噴射する火花
点火式筒内噴射型内燃機関が、実用化されている。かか
る火花点火式筒内噴射型内燃機関では、燃料噴射タイミ
ングを自由に行なえ混合気の形成状態を自由に制御でき
る特性を利用して、機関の燃費性能の向上と出力性能の
向上とを両立させることができる。

【０００３】つまり、火花点火式筒内噴射型内燃機関で
は、圧縮行程で燃料を噴射することで、層状燃焼によ
り、点火プラグ近傍のみに過濃な混合気を集めながら着
火性を確保して全体的には燃料の極めて希薄な状態〔即
ち、総括空燃比が量論空燃比（ストイキオ）よりも極め
て大〕での運転（超リーン燃焼運転）を行なうことがで
き、その燃焼形態として超リーン運転モード（圧縮リー
ン運転モード）をそなえており、燃料消費率の大幅な向
上を実現することができる。

【０００４】この一方で、主として吸気行程で燃料を噴
射して予混合燃焼運転ももちろん行なえ、この場合に
は、燃焼室（シリンダ内）への直接燃料噴射により、噴
射燃料の大半をその燃焼サイクル内で確実に燃焼させる
ことができるため、出力向上にも寄与する。このような
予混合燃焼運転においても、超リーン運転モードほどで
はないが燃料の希薄な状態（即ち、空燃比が量論空燃比
よりも大）で運転を行なうリーン運転モード（吸気リー
ン運転モード）と、空燃比が量論空燃比となるようにＯ
₂ センサ情報等に基づいてフィードバック制御を行なう
ストイキオ運転モード（ストイキオフィードバック運転
モード）と、燃料の過濃な状態（即ち、空燃比が量論空
燃比よりも小）で運転を行なうエンリッチ運転モード
（オープンループモード）とを、燃焼形態として設定で
きる。

【０００５】そして、機関（以下、エンジンという）の
運転状態、つまり、エンジンの回転数や負荷状態に応じ
て、このような各種の運転モードのうちの適切なモード
を選択してエンジンの制御を行なうようにしている。一
般には、エンジンへの要求出力が小さければ、即ち、エ
ンジンの回転数が低く負荷も小さければ、圧縮リーン運
転モードとして燃費の向上を図り、これよりもエンジン
回転数やエンジン負荷が増大するにしたがって、吸気リ
ーン運転モード，ストイキオ運転モード，エンリッチ運
転モードの順に選択するように構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、リーン運
転、特に、圧縮リーン運転では、空燃比が量論空燃比よ
りも大（希薄側）になるため、三元触媒によって排ガス
中のＮＯｘを除去することができない。そこで、このよ
うな条件下でＮＯｘの排出を低減するには、「ＮＯｘの
排出は、量論空燃比付近（若干希薄側）で最大になり、
過濃側でも希薄側でもこの点から離れるにしたがって減
少する」という特性を利用して、以下のような手法が考
えられる。

【０００７】混合気の均質化を進め、燃焼領域の局所
空燃比をＮＯｘの排出最大点〔量論空燃比付近（若干希
薄側）〕からできるだけ希薄側に離れるようにする。強い層状混合気を実現して、燃焼領域の局所空燃比を
ＮＯｘ排出最大点よりもできるだけ過濃側とする。しかしながら、のように局所空燃比を希薄側にする手
法では、層状燃焼速度が低下して失火が発生したり燃焼
安定性が損なわれたりするので、このような事態を回避
するために何らかの燃焼活性化対策（例えば混合気流の
乱れの強化等）が必要になる。なお、このように空燃比
を希薄側にする場合は、ＥＧＲを利用すると燃焼安定性
をさらに悪化させるのでＥＧＲを利用することは難し
い。

【０００８】また、のように局所空燃比を過濃側にす
る手法では、燃焼領域で生成されるスートを周囲の空気
を用いて再燃焼させるなどの燃焼制御や、点火プラグの
くすぶり対策等が必要なる。本発明は、上述の課題に鑑
み創案されたもので、失火の発生や燃焼安定性の低下や
排ガス中のスート発生を招来しないようにしながら圧縮
リーン運転等のリーン運転における排ガス中のＮＯｘの
低減を行なうことができるようにした、火花点火式筒内
噴射型内燃機関を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１記載
の本発明の火花点火式筒内噴射型内燃機関は、燃料は燃
料噴射弁によりシリンダ内に直接噴射され、機関の特定
運転領域では圧縮行程中に燃料が噴射されて層状燃焼が
行なわれるようになっている。この特定運転領域での圧
縮行程中の燃料噴射は、燃料噴射弁の駆動を制御する制
御手段により、まず、第１燃料噴射が行なわれることに
より該シリンダ内に希薄な均一混合気が生成され、この
第１燃料噴射以降に、第２燃料噴射によって該均一混合
気内に燃料噴射が行なわれることにより着火源となる過
濃な混合気が生成されるようになっており、過濃な混合
気に点火することで確実に着火しさらに急速な初期燃焼
により続く希薄燃焼が安定して行なわれるようになる。
また、過濃混合気で生成されるスートは周囲の希薄混合
気の着火源となって確実に再燃焼する。しかも、これら
の燃焼の大部分を希薄混合気の元で進行させることがで
き、排ガス中のＮＯｘが効果的に低減されるようにな
る。

【００１０】請求項２記載の本発明の火花点火式筒内噴
射型内燃機関は、上記第１燃料噴射により噴射された燃
料が、該シリンダ内壁のシリンダライナまでは到達しな
いように設定されているので、未燃燃料の排出が抑制さ
れる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明すると、図１〜図７は本発明の
一実施形態としての火花点火式筒内噴射型内燃機関につ
いて示すものであり、図８はその燃料噴射モードの変形
例を示すものであり、図９は本内燃機関に追加しうる技
術について示すものである。

【００１２】まず、本実施形態にかかる火花点火式筒内
噴射型内燃機関（以下、筒内噴射エンジンともいう）の
構成について、図２を参照しながら説明する。

【００１３】図２において、１はエンジン本体、１Ａは
シリンダ（気筒）、１Ｂはピストン、２は吸気通路、３
はスロットル弁設置部分、４はエアクリーナ、５はバイ
パス通路（第２バイパス通路）、６はバイパス通路５内
を流通する空気量を調整しうる第２エアバイパスバルブ
である。吸気通路２は、上流側から吸気管７，サージタ
ンク８，吸気マニホールド９の順で接続され、バイパス
通路５はサージタンク８の上流側に設けられている。ま
た、バイパスバルブ６は、ステッパモータで所要の開度
に調整されるか、又は、電磁弁のデューティ制御により
開度調整されるようになっている。

【００１４】また、１２はアイドルスピードコントロー
ル機能部であり、バイパス通路（第１バイパス通路）１
３とバイパスバルブとしての第１エアバイパスバルブ１
４とからなり、第１エアバイパスバルブ１４は例えば図
示しないステッパモータで駆動される。１５はスロット
ルバルブであり、第１バイパス通路１３及び第２バイパ
ス通路５は、吸気通路２のスロットルバルブ１５の装着
部分をバイパスするようにしてそれぞれの上流端及び下
流端を吸気通路２に接続されている。

【００１５】これらの第２エアバイパスバルブ６，第１
エアバイパスバルブ１４の各開閉制御は、電子制御装置
（ＥＣＵ）１６を通じて行なわれる。また、１７は排気
通路、１８は燃焼室であり、前記吸気通路２及び排気通
路１７の燃焼室１８への開口部、即ち吸気ポート２Ａ及
び排気ポート１７Ａには、吸気弁１９及び排気弁２０が
装備されている。

【００１６】そして、２１は燃料噴射弁（インジェク
タ）であり、本エンジンでは、このインジェクタ２１が
燃焼室１８へ直接燃料噴射するように配設されている。
さらに、２２は燃料タンク、２３Ａ〜２３Ｅは燃料供給
路、２４は低圧燃料ポンプ（電動式ポンプ）、２５は高
圧燃料ポンプ（エンジン駆動ポンプ）、２６は低圧レギ
ュレータ、２７は高圧レギュレータ、２８はデリバリパ
イプであり、燃料タンク２２内の燃料を低圧燃料ポンプ
２４で駆動して、更にエンジンの作動と直接連動して作
動する高圧燃料ポンプ２５で加圧して、所定の高圧状態
で燃料供給路２３Ａ，２３Ｂ，デリバリパイプ２８を通
じてインジェクタ２１へ供給するようになっている。こ
の際、低圧燃料ポンプ２４から吐出された燃料圧力は低
圧レギュレータ２６で調圧され、高圧燃料ポンプ２５で
加圧されてデリバリパイプ２８に導かれる燃料圧力は高
圧レギュレータ２７で調圧されるようになっている。

【００１７】また、２９はエンジン１の排気通路１７内
の排出ガス（排ガス）を吸気通路２内に還流させる排ガ
ス還流通路（ＥＧＲ通路）、３０はＥＧＲ通路２９を通
じて吸気通路２内に還流する排ガスの還流量を調整する
排ガス量調整手段としてのステッパモータ式のバルブ
（ＥＧＲバルブ）であり、３１はブローバイガスを還元
する流路であり、３２はクランク室積極換気用の通路、
３３はクランク室積極換気用のバルブであり、３４はキ
ャニスタであり、３５は排ガス浄化用触媒（ここでは、
リーンＮＯｘ触媒）である。

【００１８】ところで、ＥＣＵ１６では、図２に示すよ
うに、第１及び第２エアバイパスバルブ１４，６の制御
のほかに、インジェクタ２１や点火プラグ４５（図１参
照）のための点火コイルやＥＧＲバルブの制御や高圧レ
ギュレータ２７による燃圧制御も行なうため、エアフロ
ーセンサ４４，吸気温度センサ３６，スロットル開度を
検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）３７，
アイドルスイッチ３８，エアコンスイッチ（図示略），
変速ポジションセンサ（図示略），車速センサ（図示
略），パワーステアリングの作動状態を検出するパワス
テスイッチ（図示略），スタータスイッチ（図示略），
第１気筒検出センサ４０，クランク角センサ４１，エン
ジンの冷却水温を検出する水温センサ４２，排ガス中の
酸素濃度を検出するＯ₂センサ４３等が設けられ、ＥＣ
Ｕ１６に接続されている。また、ＥＣＵ１６内には、ク
ランク角センサ４１に基づいて機関回転数（エンジン回
転数）を算出する機能がそなえられ、クランク角センサ
４１とこのエンジン回転数演算機能とからエンジン回転
数センサが構成されるが、ここではクランク角センサ４
１についても便宜上エンジン回転数センサとよぶ。

【００１９】ここで、ＥＣＵ１６を通じた本エンジンに
関する制御内容について、図１を参照して説明する。本
エンジンでは、燃焼室１８内に均一に燃料を噴射するこ
とで成立しうる予混合燃焼と、燃焼室１８内に臨んだ点
火プラグ４５の周囲に噴射燃料を偏在させることで成立
しうる層状燃焼とを運転状態に応じて切り替えるエンジ
ンである。

【００２０】層状燃焼を実現するためには、燃焼室１８
内に噴射された燃料噴霧を点火プラグ４５の周囲に集め
る必要があり、本エンジンでは、図１の下部に示すよう
に、ピストン１Ｂの頂面のうちの吸気ポート２Ａの下方
（即ち、燃料噴射弁２１の設置される側）に、ほぼ球面
状の凹所１Ｃが形成されており、圧縮行程後期のピスト
ン１Ｂが適当な位置まで上昇した時点で、燃料噴射弁２
１から燃料を噴射すると、噴射された燃料は空気と混ざ
ってやや過濃な混合気となりながら凹所１Ｃ表面にぶつ
かりその後凹所１Ｃ表面に案内されて分散することなく
点火プラグ４５の近傍に流入するようになっている。

【００２１】この凹所１Ｃは、吸気ポート２Ａから流入
した吸気流を逆タンブル流Ｆとなるように案内するた
め、吸気行程や圧縮行程前期に噴射した燃料は、この逆
タンブル流Ｆに形成される吸気流による乱流混合によっ
て空気とのミキシングを促進されるようになり、燃焼室
１８内全体に均一な混合気が形成されるようになるた
め、凹所１Ｃは、予混合燃焼にとっても有効に作用す
る。

【００２２】そして、本エンジンには、エンジンの運転
モードとして、圧縮行程で燃料を噴射することで上記の
層状燃焼運転を行なう層状燃焼モードと、主として吸気
行程で燃料を噴射することで上記の予混合燃焼運転を行
なう予混合燃焼モードとが設けられている。さらに、層
状燃焼モードとして、圧縮行程燃料噴射による層状燃焼
によって燃料の極めて希薄な状態（即ち、空燃比が理論
空燃比よりも極めて大）での運転（超リーン燃焼運転）
を行なう超リーン運転モード（圧縮リーン運転モード）
のほかに、本機関の特徴であるモード、即ち、圧縮行程
内に複数回（ここでは２回）に分けて燃料噴射を行なっ
て、層状燃焼によって燃料のやや希薄な状態（即ち、総
括空燃比が理論空燃比よりもやや大）での運転（分割燃
料噴射運転）を行なう分割燃料噴射モード（以下、分割
噴射モードと省略する）が設けられている。

【００２３】また、予混合燃焼モードとしては、超リー
ン運転モードほどではないが燃料の希薄な状態（即ち、
空燃比が理論空燃比よりも大）で運転を行なうリーン運
転モード（吸気リーン運転モード）と、空燃比が理論空
燃比となるようにＯ₂ センサ情報等に基づいてフィード
バック制御を行なうストイキオ運転モード（ストイキオ
フィードバック運転モード）と、燃料の過濃な状態（即
ち、空燃比が理論空燃比よりも小）で運転を行なうエン
リッチ運転モード（オープンループモード）とが設けら
れている。

【００２４】圧縮リーン運転モードでは、最も希薄な燃
焼（空燃比が３０〜４０程度又はそれ以上）を実現で
き、このモードでは、燃料噴射を圧縮行程後期のように
極めて点火時期に近い段階で行ない、しかも燃料を点火
プラグの近傍に集めて部分的にはリッチにし全体的には
リーンとしながら着火性，燃焼安定性を確保しつつ節約
運転を行なうことができる。

【００２５】また、分割噴射モードでは、主として圧縮
行程前期に、図３（Ａ）に示すように一回目の燃料噴射
（第１燃料噴射）を行ない、主として圧縮行程後期に、
図３（Ｃ）に示すように二回目の燃料噴射（第２燃料噴
射）を行なう。このうち、第１燃料噴射では、図３
（Ｂ）に示すように噴射燃料が乱流混合により分散しな
がら空気と混合してシリンダ内に量論空燃比よりも希薄
な、即ち、ＮＯｘの排出最大点〔量論空燃比付近（若干
希薄側）〕よりも希薄側（例えば空燃比２０以上）の均
一混合気５１を生成させるように燃料噴射の期間及び時
期が制御される。

【００２６】また、第２燃料噴射では、この均一混合気
５１内に量論空燃比近傍（例えば量論空燃比よりもリッ
チな空燃比１２以下）で着火性のよいリッチ（過濃）な
混合気５２を点火プラグの近傍に部分的に生成させるよ
うに燃料噴射の期間及び時期が制御される。つまり、こ
の分割噴射モードの第２燃料噴射は、圧縮リーン運転モ
ードの燃料噴射と同様に、圧縮行程後期のように極めて
点火時期に近い段階で燃料噴射を行なう。ところが、圧
縮リーン運転モードでは、この圧縮行程後期の燃料噴射
よりも前には燃料噴射は行なわないので、ほとんど燃料
の存在しない燃焼室内に燃料噴射を行なうのに対して、
分割噴射モードでは、この圧縮行程後期の燃料噴射（第
２燃料噴射）よりも前の圧縮行程前期に燃料噴射（第１
燃料噴射）が行なわれ〔図３（Ａ）参照〕、燃焼室内に
希薄な均一混合気５１が形成されている〔図３（Ｂ）参
照〕ので、この希薄な均一混合気５１内に燃料噴射を行
なうことになる。

【００２７】したがって、この分割噴射モードでは、第
２燃料噴射による噴射燃料により比較的リッチに生成さ
れた混合気５２の周囲には、希薄な均一混合気５１が存
在することになる。また、第１燃料噴射により噴射され
た燃料は、着火時点でシリンダ１Ａ内壁のシリンダライ
ナ１Ｄまでは到達しないように設定されており、この第
１燃料噴射による噴射燃料の大半（本実施形態では全
て）が燃焼に供されるようになっている。

【００２８】つまり、圧縮行程前期では、着火までの間
に、噴射された燃料がシリンダ１Ａ内の多くの空気と混
合して希薄な均一混合気５１を形成しうるが、一般に、
シリンダ１Ａの内壁即ちシリンダライナ１Ｄまで到達す
る時間的余裕はない。もちろん、燃料噴射圧や、圧縮行
程のどの時点で燃料噴射を行なうかによっては、噴射し
た燃料がシリンダライナ１Ｄまで到達することも考えら
れ、ここでは、設定された噴射圧条件下で噴射燃料がシ
リンダライナ１Ｄまでは到達しえないタイミングで燃料
噴射を行なうように、燃料噴射弁２１の作動が制御され
るようになっている。また、本実施形態では、吸気流の
流れとピストン頂面形状とにより、噴射燃料がシリンダ
ライナ１Ｄまでは到達し得ないようになっている。

【００２９】したがって、点火プラグ４５による着火時
には、図４（Ａ）に示すように、点火プラグ４５の近傍
に、第２燃料噴射で生成された着火性のよいリッチな混
合気５２が局部的に存在し、このリッチな混合気５２の
周囲に、第１燃料噴射で生成されたＮＯｘの排出最大点
〔量論空燃比付近（若干希薄側）〕よりも希薄側のリー
ンな均一混合気５１がシリンダライナ１Ｄまでは到達し
ない範囲に存在する。

【００３０】このため、点火プラグ４５により着火を行
なうと、リッチな混合気５２が着火源となり、この混合
気５２から燃焼が開始して、混合気５２の周囲のリーン
な均一混合気５１へと燃焼が伝播していき、リッチな混
合気５２による確実な着火と、この混合気５２を通じた
リーンな均一混合気５１へと安定した希薄燃焼とが実現
するようになっている。

【００３１】特に、このようなリッチな混合気５２の燃
焼では、図４（Ｂ）に示すようにスートが生成される
が、このスートが混合気５２の周囲のリーンな均一混合
気５１の着火源となって再燃焼するので、スートの排出
が低減されるとともに、リーンな混合気５１の安定した
着火・燃焼に寄与するようになっている。つまり、濃い
混合気で生成されるスートと希薄な混合気が混在する状
況下では、本来なら火花点火を行なっても燃焼しえない
ほど希薄な混合気でも燃焼可能となるのである。また、
スートの生成量は、第２燃料噴射の噴射量を調整するこ
とだけでなく、その噴射時期を変えて混合時間を調整す
ることによって制御することができる。

【００３２】よって、第１燃料噴射で生成されたリーン
な混合気５１は、ＮＯｘの排出最大点〔量論空燃比付近
（若干希薄側）〕よりもできるだけ希薄側（ここでは、
空燃比２０以上）に設定することで、混合気５１の燃焼
によるＮＯｘの発生は十分に抑制され、しかも、着火源
となるリッチな混合気５２は、点火プラグ４５の付近に
極めて局部的に存在し、燃焼の大部分はリーンな混合気
５１の燃焼となるように設定することで、本分割噴射モ
ードでは、層状燃焼による燃費低減効果を得ながら、Ｎ
Ｏｘの発生を確実に低減しうるようになっている。

【００３３】また、吸気リーン運転モードも希薄燃焼
（空燃比が２０〜２４程度）を実現できるが、このモー
ドでは、燃料噴射を圧縮リーン運転モードよりも前の吸
気行程に行ない、燃料を燃焼室内に拡散させて全体空燃
比をリーンにしながら着火性，燃焼安定性を確保しつつ
ある程度の出力を確保するようにして、節約運転を行な
うことができる。

【００３４】ストイキオ運転モードは、Ｏ₂センサの出
力に基づいて、空燃比をストイキオ又はストイキオ近傍
の状態に維持しながら十分なエンジン出力を効率よく得
られるようにしている。また、オープンループ燃焼運転
モードでは、加速時や発進時等に十分な出力が得られる
ように、オープンループ制御によりストイキオ又はこれ
よりもリッチな空燃比（エンリッチ）での燃焼運転を行
なう。

【００３５】そして、このような各種の運転モードから
一つのモードを選択してエンジンの運転を制御すること
になるが、この運転モード選択は、エンジンの回転数Ｎ
ｅ及び負荷状態を示す有効圧力Ｐｅに基づき、図３に示
すようなマップに応じて行なうようになっている。な
お、上記の各運転モードの他に、燃料噴射を停止（カッ
ト）する燃料カットモードが設けられているが、この燃
料カットモードは、機関の回転速度が上限値を上回らな
いようにするためや、スロットルバルブ閉鎖時に一時的
に燃料消費を節約するためや余分なＨＣ排出を抑制して
触媒の過昇温を防ぐため等に行なうもので、特殊条件下
のモードなので、ここでは説明を省略する。

【００３６】図５に示すように、エンジンの回転数Ｎｅ
が低く負荷Ｐｅも小さい場合には、超リーン運転モード
（圧縮リーン運転モード）が選択され、エンジンの回転
数Ｎｅや負荷Ｐｅがこれよりも大きくなるのにしたがっ
て、分割噴射モード，リーン運転モード（吸気リーン運
転モード），ストイキオ運転モード（ストイキオフィー
ドバック運転モード），エンリッチ運転モード（オープ
ンループモード）が選択される。

【００３７】図５に示すように、分割噴射モード領域
は、圧縮リーン運転モード領域よりもエンジンの高回転
側及び高負荷側の領域に設定されているが、これは、分
割噴射モードによる運転では、圧縮リーン運転よりも、
多量な燃料を燃焼室１８内に噴射ししかもこれらの燃料
を残存することなく全て燃焼させるため、燃焼により発
生するエネルギは大きくなり、それだけ圧縮リーン運転
モードよりも高回転側及び高負荷側のエンジン運転領域
に適するものになる。

【００３８】また、分割噴射モード領域は、吸気リーン
運転モード領域よりもエンジンの低回転側及び低負荷側
の領域に設定されている。これは、分割噴射モードによ
る運転では、第１燃料噴射により生成される混合気５１
は例えば空燃比２０以上と希薄ではあるものの吸気リー
ン運転時の総合空燃比とほぼ同等かむしろこれよりも希
薄（リーン）であり、第２燃料噴射により生成される混
合気５２は例えば空燃比１２以下と過濃である。しか
し、分割噴射運転では、燃焼室１８の全域に均一混合気
５１が存在しているわけではなく、また、過濃な混合気
５２も極めて局部的に存在するだけなので、総合空燃比
は吸気リーン運転時よりも大きく、それだけ吸気リーン
運転モードよりも低回転側及び低負荷側のエンジン運転
領域に適するものになる。

【００３９】ただし、このような運転領域の設定は一例
であり、これとは異なり、例えば分割噴射モード領域と
吸気リーン運転モード領域とが部分的に逆転するモード
領域パターン等も考えられる。

【００４０】例えばエンジン回転数の低い領域に着目す
ると、図３に示すように、負荷状態に応じてエンジンの
運転モードが切り替わり、低負荷時には圧縮リーン運転
モード、低〜中負荷時には分割噴射モード、中〜高負荷
時には吸気リーン運転モード，中ストイキオ運転モー
ド，オープンループモードが選択される。したがって、
例えばエンジンのある低回転域における燃料噴射特性を
模式的に示すと図６のようになる。

【００４１】つまり、エンジンの低負荷時（Ｐｅが小の
時）には、圧縮リーン運転モードが選択され、図６中に
示す領域ＩＮＪ１のように、圧縮行程のある一定時点
（最適時）を燃料噴射終了時期として、負荷増に応じて
燃料噴射期間（従って、燃料噴射量）が増大するよう
に、負荷増に対応して燃料噴射開始時期が早められる。

【００４２】エンジンの低〜中負荷時（Ｐｅが小〜中の
時）には、分割噴射モードが選択され、燃料噴射は、図
６中に示す領域ＩＮＪ２Ａのような圧縮行程前期（第１
燃料噴射）と図６中に示す領域ＩＮＪ２Ｂのような圧縮
行程後期（第２燃料噴射）とで分けて行なわれる。この
場合も各噴射ＩＮＪ２Ａ，ＩＮＪ２Ｂの噴射終了時期及
び燃料噴射期間（燃料噴射量）は、ＮＯｘ及びスートの
排出のバランスを考慮したものとなっている。

【００４３】特に、圧縮行程前期噴射（第１燃料噴射）
ＩＮＪ２Ａの噴射時期は、混合気５１が着火時点でシリ
ンダ１Ａ内壁のシリンダライナ１Ｄまでは到達させない
ように設定されており、これは、圧縮行程前期噴射（第
１燃料噴射）ＩＮＪ２Ａの開始時期を早めてしまうと噴
射燃料により生成された混合気が着火時点でシリンダ１
Ａ内壁のシリンダライナ１Ｄまで到達してしまい、クエ
ンチング（消炎作用）による未燃炭化水素の排出量の増
大を招くおそれがあるためである。

【００４４】また、圧縮行程前期噴射（第２燃料噴射）
ＩＮＪ２Ｂの噴射時期は、スートによる再燃焼によって
圧縮行程前期噴射の燃料が全て燃焼されるように設定さ
れている。また、エンジンの中〜高負荷時（Ｐｅが中〜
大の時）には、負荷状態に応じて吸気リーン運転モー
ド，ストイキオ運転モード，オープンループモードが選
択され、これらのモードの場合、燃料噴射は吸気行程で
行なわれるので、図６中に示す領域ＩＮＪ３のように、
吸気行程のある一定時点（最適時）を燃料噴射終了時期
として、負荷増に応じて燃料噴射期間（従って、燃料噴
射量）が増大するように、負荷増に対応して燃料噴射開
始時期が早められる。

【００４５】本火花点火式筒内噴射型内燃機関では、上
述のような種々のエンジン運転モードから１つのモード
を選択するが、この選択は、エンジンの運転状態、即
ち、エンジンの負荷状態Ｐｅ，エンジン回転数Ｎｅに基
づいて行なう。また、各モードにおける燃料噴射制御、
即ち、燃料噴射弁（インジェクタ）２１の噴射制御、及
び、点火時期制御、即ち、点火プラグ４５の駆動制御に
ついても、エンジンの負荷状態Ｐｅ，エンジン回転数Ｎ
ｅといったエンジンの運転状態に基づいて行なうように
なっている。

【００４６】このため、本火花点火式筒内噴射型内燃機
関には、図１に示すように、エンジンの運転状態を検出
する運転状態検出手段１０１がそなえられ、検出された
エンジン運転状態情報がＥＣＵ１６に入力されるように
なっている。

【００４７】ＥＣＵ１６には、これらの運転状態情報及
び運転状態情報に基づき演算される情報（エンジンの負
荷状態Ｐｅとエンジンの回転数Ｎｅ）から、運転モード
を選択するモード選択手段１０２と、モード選択手段１
０２で選択された運転モードと上記情報（負荷Ｐｅ，回
転数Ｎｅ）とから燃料噴射時期（噴射終了時期及び噴射
開始時期）を設定しインジェクタ２１の駆動を制御する
燃料噴射制御手段１０３と、モード選択手段１０２で選
択された運転モードと上記情報（負荷Ｐｅ，回転数Ｎ
ｅ）とから燃料点火時期を設定し点火プラグ４５の駆動
を制御する点火時期制御手段１０４とがそなえられる。

【００４８】なお、エンジン負荷状態Ｐｅは、エンジン
回転数Ｎｅとスロットル開度θthとに基づいて算出され
るので、ＥＣＵ１６に入力されるエンジン運転状態のデ
ータは、エンジン回転数Ｎｅ及びスロットル開度θthで
あり、運転状態検出手段１０１は、エンジン回転数セン
サ４１及びスロットル開度センサ３７からなる。具体的
には、スロットル開度センサ３７で検出されたスロット
ル開度θthやアクセル開度センサの出力とクランク角セ
ンサからの検出情報に基づいたエンジン回転速度Ｎｅと
から、マップに基づいて目標エンジン負荷（目標有効圧
力）Ｐｅを設定する。

【００４９】さらに、エアコンディショナのオン・オ
フ、パワーステアリングのオン・オフ等に応じて目標Ｐ
ｅが補正され、このようにして得られた補正後目標Ｐｅ
とエンジン回転速度Ｎｅとから、モード選択手段１０２
によるモード選択、燃料噴射制御手段１０３による燃料
噴射制御、点火時期制御手段１０４による点火時期制
御、エアバイパスバルブ制御等が行なわれるようになっ
ている。

【００５０】モード選択手段１０２によるモード選択
は、目標Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから図３に示す
ようなマップから選択するが、かかるマップは、燃料性
状に応じて複数種類の中から選択するようになってい
る。これにより、燃料性状に応じて適切な運転モードが
選択されるようになっている。また、燃料噴射制御手段
１０３による燃料噴射制御のためには、インジェクタの
噴射開始時期と噴射終了時期とを設定する必要がある
が、ここでは、前述のように、インジェクタ駆動時間と
インジェクタの噴射終了時期とを設定して、これに基づ
いて、インジェクタの噴射開始時期を逆算しながら、イ
ンジェクタの駆動のタイミングを決定している。

【００５１】つまり、インジェクタ駆動時間の設定に
は、まず、目標Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとからマッ
プ等に基づいて空燃比Ａ／Ｆを設定する。この場合の設
定マップは、各モード毎に設けられており、エンジンの
運転状態に応じたものが選択して用いられる。そして、
こうして得られた空燃比Ａ／Ｆと、エアフロセンサで検
出された吸気量Ｑpbとから、インジェクタ駆動時間Ｔin
j を算出して、このインジェクタ駆動時間Ｔinj に、気
筒別インジェクタ不均率補正及び気筒別デッドタイム補
正を施すほか、本機関の場合、図示しない燃料性状検出
手段で検出された燃料性状情報に応じて補正（燃料性状
補正）も施すようになっている。

【００５２】インジェクタの噴射終了時期の設定も、目
標Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから、マップに基づい
て噴射終了時期を設定するが、この場合の設定マップ
も、各モード毎に設けられており、エンジンの運転状態
に応じたものが選択して用いられる。こうして得られた
噴射終了時期に、圧縮リーン運転モードの場合について
は水温補正を施して、かかるインジェクタ駆動時間Ｔin
j 及び噴射終了時期に基づいて、インジェクタの駆動を
行なう。

【００５３】また、点火時期制御手段１０４による点火
時期制御、つまり点火コイルによる点火プラグの点火時
期制御についても、目標Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅと
から、マップに基づいて点火時期を設定する。この場合
の設定マップも、各モード毎に設けられており、エンジ
ンの運転状態に応じたものが選択して用いられる。そし
て、こうして得られた点火時期に各種リタード補正を施
して、これに基づいて点火コイルの制御を行なうように
なっている。

【００５４】また、エアバイパスバルブ制御について
は、まず、目標Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとからマッ
プに基づいて要求空気量（又は、目標吸入空気量）Ｑが
得られるように、エアバイパスバルブ１４，６のバルブ
開度制御量を設定する。このバルブ開度制御量の設定に
あたっては、複数のマップからエンジンの運転モードに
応じたものを選択して用いられ、エンジンの運転モード
に応じて信号が適宜出力される。また、アイドル運転状
態が成立した場合には、エンジン回転数のフィードバッ
クに基づいた要求空気量（又は、目標吸入空気量）に関
するのバルブ開度制御量主としてエアバイパスバルブ１
４の制御量）を設定する。このようにして得られたバル
ブ開度制御量に応じて、第２エアバイパスバルブ６，第
１エアバイパスバルブ１４が所要の状態に制御される。

【００５５】なお、ＥＧＲの流量制御についても、目標
Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから、マップに基づいて
ＥＧＲの流量を設定する。この場合の設定マップも、各
モード（後期リーン運転モード及びストイキオフィード
バック運転モード）毎に設けられており、こうして得ら
れたＥＧＲの流量を水温補正、ＥＧＲの流量制御を行な
うようになっている。

【００５６】本発明の一実施形態としての火花点火式筒
内噴射型内燃機関は、上述のように構成されているの
で、例えば図７に示すようにして分割噴射モード（分割
噴射制御）が行なわれる。つまり、まず、エンジンの運
転状態、即ち、エンジン回転数Ｎｅ，スロットル開度θ
th，冷却水温，吸入空気量，吸気温度，大気圧等を読み
込む（ステップＳ２０）。

【００５７】そして、ステップＳ４０に進み、分割噴射
ゾーンか否かを判定する。この判定は、例えば図５に示
すようなマップに応じてエンジンの目標負荷Ｐｅ及び回
転数Ｎｅに基づいて、分割噴射モードの領域か否かによ
り行なう。ステップＳ４０で分割噴射ゾーンでないと判
定されると、ステップＳ８０に進み、フラグＡを判定す
る。このフラグＡは、分割噴射制御時に１とされ、分割
噴射制御が行なわれていなければ０とされる。ここで、
フラグＡが１（即ち、分割噴射制御中）ならば、ステッ
プＳ９０に進み、分割噴射制御を解除（分割噴射制御終
了）させて、フラグＡを０に戻す。また、フラグＡが１
（即ち、分割噴射制御中）でなければ、そのままリター
ンする。

【００５８】ステップＳ４０で分割噴射ゾーンであると
判定されると、ステップＳ５０に進み、フラグＡを判定
する。ここで、フラグＡが１（即ち、分割噴射制御中）
ならば、そのままリターンする。一方、ステップＳ５０
でフラグＡが１でないとされると、ステップＳ６０に進
み、分割噴射制御（分割噴射モード）を実行する。そし
て、分割噴射制御終了後に、ステップＳ７０に進み、フ
ラグＡを１にセットしてリターンする。

【００５９】ステップＳ６０で行なう分割噴射制御は、
次のように行なわれる。まず、トータルＡ／Ｆを設定する。このトータルＡ／
Ｆは、エンジンの負荷Ｐｅ，エンジン回転数Ｎｅに応じ
て算出又はマップ等に基づいて設定する。トータルＡ／
Ｆの設定にあたっては、負荷Ｐｅが大きい場合には、ト
ータルＡ／Ｆを小さくしてリッチ側に調整する。

【００６０】次に、トータルＡ／Ｆと吸入空気量情報
（１サイクルで燃焼室内に吸入される空気量情報）とか
ら、１サイクルで噴射する燃料総量を算出する。ＮＯｘ低減効果を維持しつつスートの過度な生成は防
ぐという要求により、第１燃料噴射と第２燃料噴射との
最適噴射割合、第２燃料噴射から点火までの時間が決定
される。

【００６１】第１，第２燃料噴射の各燃料噴射終了時
期をエンジンの負荷Ｐｅ，エンジン回転数Ｎｅに応じて
設定する。第１燃料噴射の噴射量，第２燃料噴射の噴射量及び第
１燃料噴射の燃料噴射終了時期，第２燃料噴射の燃料噴
射終了時期から第１燃料噴射の燃料噴射開始時期，第２
燃料噴射の燃料噴射開始時期を算出する。

【００６２】圧縮行程前期の第１燃料噴射，圧縮行程
後期の第２燃料噴射を実施する。この分割噴射は、例え
ば図６中の領域ＩＮＪ２ＡとＩＮＪ２Ｂに示すような負
荷に対する特性で実施する。このような分割噴射によれば、図３（Ａ）に示すように
主として圧縮行程前期に行なった第１燃料噴射により、
図３（Ｂ）に示すようにシリンダ内に量論空燃比よりも
希薄な、即ち、ＮＯｘの排出最大点〔量論空燃比付近
（若干希薄側）〕よりも希薄側（例えば空燃比２０程
度）の均一混合気５１が生成され、次いで、主として圧
縮行程後期に行なった第２燃料噴射により、この均一混
合気５１内に量論空燃比近傍（例えば量論空燃比よりも
リッチな空燃比１４程度）で着火性のよいリッチ（過
濃）な混合気５２が点火プラグの近傍に部分的に生成さ
れる。

【００６３】また、第１燃料噴射により噴射された燃料
は、着火時点でシリンダ１Ａ内壁のシリンダライナ１Ｄ
までは到達しない。したがって、点火プラグ４５による
着火が行なわれると、図４（Ａ）に示すように、点火プ
ラグ４５の近傍に局部的に存在する着火性のよいリッチ
な混合気５２がまず着火して、この混合気５２から燃焼
が開始して、混合気５２の周囲のリーンな均一混合気５
１へと燃焼が伝播していく。したがって、このリッチな
混合気５２を通じて確実に着火が行なわれ、さらにこの
混合気５２の燃焼を通じてリーンな均一混合気５１の安
定した希薄燃焼が実現する。

【００６４】特に、このようなリッチな混合気５２の燃
焼では、図４（Ｂ）に示すようにスートが生成される
が、このスートが混合気５２の周囲のリーンな均一混合
気５１の着火源となって再燃焼する。このため、スート
の排出が低減される効果が得られるのとともに、リーン
な混合気５１の着火・燃焼をより安定して行なうことが
できる効果がある。

【００６５】そして、第１燃料噴射で生成されたリーン
な混合気５１は、ＮＯｘの排出最大点〔量論空燃比付近
（若干希薄側）〕よりも希薄側（ここでは、空燃比２０
程度）に設定されているので、混合気５１の燃焼による
ＮＯｘの発生は十分に抑制される。しかも、着火源とな
るリッチな混合気５２は、点火プラグ４５の付近に極め
て局部的に存在し、燃焼の大部分はリーンな混合気５１
の燃焼となるように設定されているので、本分割噴射モ
ードでは、層状燃焼による燃費低減効果を得ながら、Ｎ
Ｏｘの発生を確実に低減しうるのである。

【００６６】また、第１燃料噴射により噴射された燃料
は、着火時点でシリンダ１Ａ内壁のシリンダライナ１Ｄ
までは到達しないため、シリンダライナ１Ｄに付着して
未燃のまま排出されるような燃料も発生しなくなり、噴
射燃料が確実に燃焼して、燃費向上や排ガス浄化にも寄
与する利点がある。ところで、本実施形態では、第１燃
料噴射を主として圧縮行程前期に行なっているが、この
第１燃料噴射による燃料は予混合燃焼と同様に均一混合
気となればよいので、必ずしも圧縮行程前期に限定され
るものではない。

【００６７】本実施形態では、第１燃料噴射が早期（例
えば吸気行程）に行なわれると、燃料噴霧が着火時点で
シリンダ１Ａ内壁のシリンダライナ１Ｄまでは到達して
しまいシリンダライナ１Ｄに付着した燃料が未燃のまま
排出されてしまうおそれがあり、これを回避するため
に、第１燃料噴射を主として圧縮行程前期に行なってい
るのである。

【００６８】しかし、エンジン回転数が大きくなると、
圧縮行程前期を中心とした第１燃料噴射では分散期間が
短くなり、燃料の空気との混合が十分に行なえなくなる
とともに、第１燃料噴射により生成される混合気が着火
時点でシリンダ１Ａ内壁のシリンダライナ１Ｄまでは到
達するおそれも低下するので、第１燃料噴射を吸気行程
から圧縮行程にかけて行なったり、第１燃料噴射を吸気
行程のみに行なうことで燃料の分散を促進して確実に均
一混合気を生成できるようにすることも考えられる。

【００６９】さらには、エンジン負荷が大きくなると、
エンジン出力を十分に確保するという観点から、たとえ
第１燃料噴射による燃料噴霧がシリンダライナ１Ｄまで
は到達するおそれがあっても、第１燃料噴射を吸気行程
から又は吸気行程で行なうようにして、均一混合気を燃
焼室内の広い範囲に生成できるようにすることも考えら
れる。

【００７０】このように、第１燃料噴射を吸気行程から
又は吸気行程で行なうようにする特殊分割噴射モード
（吸気行程噴射を含む分割噴射モード）は、例えば図８
に示すように、通常分割噴射（圧縮行程のみによる分割
噴射）よりも高負荷・高エンジン回転数側に設定するこ
とができ、ここでは、この特殊分割噴射モードよりも高
負荷・高エンジン回転数側に吸気リーンモード領域が設
定されるが、この吸気リーンモードを省略しこの領域ま
で特殊分割噴射モードを設定することも考えられる。

【００７１】また、第１燃料噴射による噴射燃料の分散
を抑制するために、図９に示すように、スワール流を利
用することも考えられる。つまり、例えば実開平１−１
２４０４２号や特開平７−２１７４３６号に開示されて
いるが、図９（Ａ）に示すように、ツイン吸気ポート２
Ａ，２Ａの一方にスワールコントロールバルブ６０を設
けて、ツイン吸気ポート２Ａ，２Ａからの燃焼室１８内
に流入する吸気流の流心を左右いずれかに偏在させるこ
とで、燃焼室１８内にスワール流５３を形成するように
構成し、図９（Ｂ）に示すように、このスワール流５３
が第１燃料噴射による混合気５１回りに形成されるよう
にすることで、第１燃料噴射による混合気５１の分散を
抑制することも考えられる。

【００７２】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１記載の本
発明の火花点火式筒内噴射型内燃機関によれば、第１燃
料噴射によりシリンダ内に生成される希薄な均一混合気
内に、第２燃料噴射により過濃な混合気が生成され、こ
の過濃な混合気が着火源となって確実な着火が行なわれ
さらに急速な初期燃焼により続く希薄燃焼が安定して行
なわれ、この際、過濃混合気で生成されるスートは周囲
の希薄混合気の着火源となって確実に再燃焼し、しか
も、これらの燃焼の大部分を希薄混合気の元で進行させ
ることができるので、失火の発生や燃焼安定性の低下や
排ガス中のスート発生を招来することなく、排ガス中の
ＮＯｘを効果的に低減することができるようになる効果
がある。

【００７３】請求項２記載の本発明の火花点火式筒内噴
射型内燃機関によれば、上記第１燃料噴射により噴射さ
れた燃料が、該シリンダ内壁のシリンダライナまでは到
達しないように分散を抑制されるので、未燃燃料の排出
が抑制されることになり、排ガス悪化を防止する効果と
ともに燃費向上に寄与しうる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としての火花点火式筒内噴
射型内燃機関の要部構成を示す模式的なブロック図であ
る。

【図２】本発明の一実施形態としての火花点火式筒内噴
射型内燃機関の構成を示す図である。

【図３】本発明の一実施形態としての火花点火式筒内噴
射型内燃機関における分割噴射による燃料噴射の過程を
説明する機関の要部断面図であり、（Ａ）は第１燃料噴
射の状態を示し、（Ｂ）は第１燃料噴射による混合気の
形成状態を示し、（Ｃ）は第２燃料噴射後の混合気の形
成状態を示す。

【図４】本発明の一実施形態としての火花点火式筒内噴
射型内燃機関における分割噴射による燃焼過程を説明す
る機関の要部断面図であり、（Ａ）は点火直後の燃焼初
期の状態を示し、（Ｂ）はその後の燃焼後期の状態を示
す。

【図５】本発明の一実施形態としての火花点火式筒内噴
射型内燃機関における運転モードを説明する図（マッ
プ）である。

【図６】本発明の一実施形態としての火花点火式筒内噴
射型内燃機関における分割噴射を含む燃料噴射特性を説
明する図である。

【図７】本発明の一実施形態としての火花点火式筒内噴
射型内燃機関における分割噴射制御を説明するフローチ
ャートである。

【図８】本発明の一実施形態としての火花点火式筒内噴
射型内燃機関の変形例の運転モードを説明する図（マッ
プ）である。

【図９】本発明の火花点火式筒内噴射型内燃機関に適用
しうる技術を説明する図であり、（Ａ）は第１燃料噴射
直後の状態を示し、（Ｂ）はその後の状態を示す。

【符号の説明】

１エンジン本体１Ａシリンダ１Ｂピストン１Ｃ凹所１Ｄシリンダライナ２吸気通路２Ａ吸気ポート１６制御手段としての電子制御装置（ＥＣＵ）１７排気通路１７Ａ排気ポート１８燃焼室１９吸気弁２０排気弁２１燃料噴射弁（インジェクタ）３７スロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）４１クランク角センサ（エンジン回転数センサ）４５点火プラグ５１第１燃料噴射による希薄な均一混合気５２第２燃料噴射による過濃な混合気５３スワール流６０スワールコントロールバルブ１０１運転状態検出手段１０２モード選択手段１０３燃料噴射制御手段１０４点火時期制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 41/02 ３２５Ｆ０２Ｄ 41/02 ３２５Ｆ 45/00 ３６２ 45/00 ３６２Ｈ３６４３６４Ｇ (72)発明者安東弘光東京都港区芝五丁目33番８号三菱自動車工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ内に燃料を直接噴射する燃料噴
射弁をそなえ、機関の特定運転領域で圧縮行程中に燃料
を噴射して層状燃焼を行なう火花点火式筒内噴射型内燃
機関において、該特定運転領域では、圧縮行程中において該シリンダ内
に希薄な均一混合気を生成させ得る第１燃料噴射と、該
第１燃料噴射以降に該均一混合気内に燃料噴射して着火
源となる過濃な混合気を生成させ得る第２燃料噴射とを
行なうように、該燃料噴射弁の駆動を制御する制御手段
をそなえていることを特徴とする、火花点火式筒内噴射
型内燃機関。
【請求項２】上記第１燃料噴射により噴射された燃料
が、該シリンダ内壁のシリンダライナまでは到達しない
ように設定されていることを特徴とする、請求項１記載
の火花点火式筒内噴射型内燃機関。