JP2007085231A - 筒内直噴内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃焼室内のスモークの発生を抑制することができる筒内直噴内燃機関を提供すること。
【解決手段】スプレーガイド式の筒内直噴内燃機関１−１において、複数の気筒３０ａ〜ｄの燃焼室Ａと排気経路６との連通を行う排気弁をその開閉時期を可変可能な可変排気弁４２とし、可変排気弁４２の開閉時期を制御する可変排気弁制御部７４をさらに備え、可変排気弁制御部７４は、冷間始動時であって、かつ圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁２１により燃料を噴射する際に、可変排気弁４２の開時期を遅角側に制御する。

【選択図】 図１

Description

この発明は、スプレーガイド式の筒内直噴内燃機関内燃機関に関し、更に詳しくは、冷間始動時に、圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁により燃料を噴射する筒内直噴内燃機関に関する。
近年、複数の気筒の燃焼室内に燃料噴射弁により燃料を直接噴射する筒内直噴内燃機関が提案されている。この筒内直噴内燃機関では、内燃機関の運転状態に応じて、成層燃焼から均質燃焼へと移行する。成層燃焼は、主に始動時などの低負荷時、低回転時において行われる。この成層燃焼を行う場合、燃料は、燃料噴射弁により少なくとも圧縮行程または膨張行程において燃焼室内に噴射される。ここで、ウォールガイド式の筒内直噴内燃機関では、成層燃焼時において噴射された燃料は、シリンダの壁面あるいはピストンの頂部などに沿って、点火プラグに向かう。そして、この点火プラグに向かう際に、すでに吸気経路から燃焼室内に吸気された吸入空気と混合し、混合気となり、点火プラグが点火することでこの混合気が着火し、混合気内の燃料が燃焼することとなる。
このウォールガイド式の筒内直噴内燃機関では、始動時、特に冷間始動時に、燃焼室内の温度、すなわち筒内温度が低いため、成層燃焼時において噴射された燃料の一部が液体の状態でシリンダの壁面やピストンの頂部などに付着することとなる。この付着燃料は、液体であるため、気化し難いものである。従って、付着燃料は、混合気が点火し、燃料が燃焼する際にも、大部分が気化せず液体のまま付着することとなるため、燃焼室内に大量のスモークが発生する虞があった。
そこで、従来では、例えば特許文献１に示すように、縦渦（ダンブル流）を生成し、この縦渦を圧縮行程後期まで保存したり、点火プラグ側のペネトレーションがピストン側のペネトレーションよりも長い燃料噴射弁を備えたりする筒内直噴内燃機関が提案されている。この特許文献１に示すような筒内直噴内燃機関は、主にピストンの頂部への燃料の付着を抑制することで、発生するスモークを低減するものである。
また、スプレーガイド式の筒内直噴内燃機関が提案されている。このようなスプレーガイド式の筒内直噴内燃機関では、成層燃焼時において噴射された燃料は、すでに吸気経路から燃焼室に吸気された吸入空気と混合し、点火プラグ近傍において混合気となり、点火プラグが点火することでこの混合気が着火し、混合気内の燃料が燃焼することとなる。ここで、スプレーガイド式の筒内直噴内燃機関は、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射された燃料がシリンダの壁面やピストンの頂部に沿って点火プラグに向かうものではない。また、燃焼室内の吸入空気の気流によって、点火プラグに向かうものでもない。従って、スプレーガイド式の筒内直噴内燃機関は、燃料がシリンダの壁面やピストンの頂部に付着することを大幅に抑制することで、発生するスモークをさらに低減するものである。
特開２００４−３４００４０号公報
ところで、冷間始動時には、燃焼室の温度が低いため燃料が気化し難い。特に、点火プラグ近傍に混合気、特に濃い混合気を形成する成層燃焼を行うような場合には、燃焼室内には、局所的にオーバーリッチ領域が発生し、液あるいは滴燃料が浮遊している状態となる。従って、ウォールガイド式の筒内直噴内燃機関ほどではないが、燃焼室内の局所的なオーバーリッチ領域からスモークが発生する虞があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃焼室内のスモークの発生を抑制することができる筒内直噴内燃機関を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明では、圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁により燃焼室内に噴射された燃料が当該燃焼室内に吸気された吸入空気と混合し、点火プラグ近傍において混合気となる筒内直噴内燃機関において、複数の気筒の燃焼室と排気経路との連通を行う排気弁をその開閉時期を可変可能な可変排気弁とし、前記可変排気弁の開閉時期を制御する可変排気弁制御手段をさらに備え、前記可変排気弁制御手段は、冷間始動時であって、かつ圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁により燃料を噴射する際に、前記可変排気弁の開時期を遅角側に制御することを特徴とする。
この発明によれば、冷間始動時であって、かつ圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁により燃料を噴射する際には、可変排気弁の開時期を遅角側に制御し、燃焼室と排気経路との連通を遅らせる。ここで、燃焼室内が密閉状態であると、この燃焼室内に浮遊する気化していない燃料は、気化し、燃焼し続ける。従って、燃焼室内の密閉状態の維持時間を長くすることで、気化していない燃料を燃焼させ続ける時間を長くすることができる。これにより、燃焼室内のスモークの発生を抑制することができる。
また、この発明では、上記筒内直噴内燃機関において、前記筒内直噴内燃機関を循環する冷却水の水温を検出する水温検出手段をさらに備え、前記可変排気弁制御手段は、前記検出された冷却水の水温に応じて、前記排気弁の開時期の遅角量を制御することを特徴とする。
また、この発明では、上記筒内直噴内燃機関において、前記可変排気弁制御手段は、前記検出された冷却水の水温が低いほど、前記排気弁の開時期の遅角量を増加させることを特徴とする。
これらの発明によれば、冷間始動時における冷却水の水温に応じて、燃焼室内の密閉状態の維持時間を調整する。ここで、冷間始動時において冷却水の水温が低ければ低いほど、燃焼室内の温度、すなわち筒内温度も低下する。筒内温度が低いと、燃焼室内において燃料が燃焼し難い状態となり、燃焼室内に多くの気化していない燃料が浮遊する状態となる。従って、例えば、冷却水の水温が低いほど排気弁の開時期の遅角量を増加させ、燃焼室内の密閉状態の維持時間を長くすることで、この浮遊する多くの気化していない燃料を気化させ、燃焼させ続けることができる。これにより、燃焼室内のスモークの発生を確実に抑制することができる。
また、この発明では、上記筒内直噴内燃機関において、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の気化度合いを予測する気化度合い予測手段をさらに備え、前記可変排気弁制御手段は、前記予測された気化度合いに応じて、前記排気弁の開時期の遅角量を制御することを特徴とする。
また、この発明では、上記筒内直噴内燃機関において、前記可変排気弁制御手段は、前記予測された気化度合いが低いほど、前記排気弁の開時期の遅角量を増加させることを特徴とする。
また、この発明では、上記筒内直噴内燃機関において、前記気化度合い予測手段は、前記燃焼室内の温度、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の温度、当該燃料噴射弁から噴射された燃料の粒径の少なくともいずれか一つに基づいて、前記燃料の気化度合いを予測することを特徴とする。
これらの発明によれば、冷間始動時における燃料噴射弁から噴射された燃料の気化度合いに応じて、燃焼室内の密閉状態の維持時間を調整する。ここで、冷間始動時において燃料の気化度合いが低ければ低いほど、排気浄化装置の浄化触媒の温度が低いものとなるため燃焼室内の混合気の空燃比がオーバーリッチとなるとともに、燃焼室内に浮遊する燃料が気化し難くなる。つまり、燃料の気化度合いが低いと、燃焼室内に気化していない燃料が浮遊する状態となる。従って、例えば、燃料の気化度合いが低いほど排気弁の開時期の遅角量を増加させ、燃焼室内の密閉状態の維持時間を長くすることで、この浮遊する多くの気化していない燃料を気化させ、燃焼させ続けることができる。これにより、燃焼室内のスモークの発生を確実に抑制することができる。
また、この発明では、上記筒内直噴内燃機関において、前記点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御手段をさらに備え、前記点火時期制御手段は、前記筒内直噴内燃機関の冷間始動時であって、かつ圧縮行程または膨張行程において前記燃料噴射弁により燃料を噴射する際に、前記点火プラグの点火時期を遅角側に制御することを特徴とする。
冷間始動時には、排気浄化装置の浄化触媒の温度がこの浄化触媒を活性化することができる温度に到達していないため、この排気浄化装置に導入される排気ガスの温度が高いことが望ましい。従って、冷間始動時においては、点火プラグの点火時期を遅角側に制御し、点火時期を遅らせ、排気経路に排気される排気ガスの温度を上昇させる。ここで、点火時期が遅れると、混合空気内の燃料が燃焼することができる時間が短くなるため、浮遊する気化していない燃料の多くが気化せず、燃焼し続けないこととなる。つまり、燃焼室内に多くのスモークが発生する虞がある。しかしながら、この発明によれば、冷間始動時であって、かつ圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁により燃料を噴射する際に、点火プラグの点火時期を遅角側に制御するとともに、可変排気弁の開時期を遅角側に制御することで、排気浄化装置の浄化触媒の温度を短期間で上昇することができるとともに、燃焼室内のスモークの発生を抑制することができる。
この発明にかかる筒内直噴内燃機関は、燃焼室内の密閉状態の維持時間を長くし、この燃焼室内に浮遊する気化していない燃料を気化させ、燃焼させ続けることで、燃焼室内のスモークの発生を抑制することができる。
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記の実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
図１は、実施例１にかかるスプレーガイド式の筒内直噴内燃機関の構成例を示す図である。また、図２−１は、燃焼室に対する燃料噴射弁および点火プラグの配置を示す図である。また、図２−２は、図２―１のＡ−Ａ断面図を示す図である。図１に示すように、この実施例１にかかる筒内直噴内燃機関１−１は、燃料供給装置２と、複数の気筒（この実施例１では、直列４気筒）により構成される内燃機関本体３と、内燃機関本体３に接続される吸気経路５と、この内燃機関本体３に接続される排気経路６と、筒内直噴内燃機関１−１の運転を制御する運転制御装置であるＥＣＵ（Engine Control Unit）７とにより構成されている。
燃料供給装置２は、燃料タンク２２内に貯留されている燃料、例えばガソリンを筒内直噴内燃機関１−１に供給するものである。この燃料供給装置２は、燃料噴射弁２１と、燃料タンク２２と、低圧燃料ポンプ２３と、高圧燃料ポンプ２４と、図示しない燃料供給配管とにより構成されている。
燃料噴射弁２１は、内燃機関本体３の気筒３０ａ〜ｄごとに設けられており、この各気筒３０ａ〜ｄの燃焼室Ａに低圧燃料ポンプ２３および高圧燃料ポンプ２４により昇圧された燃料をそれぞれ噴射するものである。この燃料噴射弁２１は、図２−１および図２−２に示すように、スプレーガイドを可能とするために、後述する点火プラグ３６の近傍に配置されている。そして、燃料噴射弁２１は、成層燃焼時に、すなわち少なくとも圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁２１から燃焼室Ａ内に燃料を噴射する時、この燃焼室Ａ内に噴射された燃料Ｂがすでに吸気経路５から後述する可変吸気弁４１を介して燃焼室Ａ内に吸気された吸入空気と混合し、点火プラグ３６近傍において混合気となるように、燃料の噴射方向が設定さている。この燃料噴射弁２１の燃料噴射量や噴射タイミングなどの制御、すなわち燃料噴射制御は、ＥＣＵ７により行われる。
高圧燃料ポンプ２４は、低圧燃料ポンプ２３により昇圧された燃料タンク２２内に貯留されている燃料をさらに昇圧するものである。この高圧燃料ポンプ２４は、例えば可変バルブ装置４のインテークカムシャフト４３に取り付けられた図示しないポンプ用駆動カムが回転することによって駆動するものである。このインテークカムシャフト４３は、クランクシャフト３５の回転に連動して回転するものである。つまり、この高圧燃料ポンプ２４は、内燃機関１−１の出力によって駆動するものである。
この高圧燃料ポンプ２４には、図示しない電磁スピル弁が備えられており、この電磁スピル弁により、高圧燃料ポンプ２４に流入する低圧燃料ポンプ２３により昇圧された燃料の流入量を調整するものである。ここで、高圧燃料ポンプ２４への燃料の流入量などの制御、すなわち流入量制御は、この図示しない電磁スピル弁を用いてＥＣＵ７により行われる。
内燃機関本体３は、シリンダブロック３１と、このシリンダブロック３１に固定されたシリンダヘッド３２と、気筒３０ａ〜ｄごとに設けられるピストン３３およびコンロッド３４と、クランクシャフト３５と、気筒３０ａ〜ｄごとに設けられる点火プラグ３６と、可変バルブ装置４とにより構成されている。ここで、内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜ｄには、各気筒３０ａ〜ｄのピストン３３と、シリンダブロック３１と、シリンダヘッド３２とによりそれぞれ燃焼室Ａが形成されている。シリンダヘッド３２には、吸気ポート３７および排気ポート３８が気筒３０ａ〜ｄごとに形成されており、それぞれ吸気経路５および排気経路６に接続されている。ピストン３３は、コンロッド３４に回転自在に支持されており、このコンロッド３４は、クランクシャフト３５に回転自在に支持されている。つまり、クランクシャフト３５は、ピストン３３が燃焼室Ａ内の吸入空気と燃料の混合ガスが燃焼することによりシリンダブロック３１内を往復運動することで、回転するものである。
点火プラグ３６は、気筒３０ａ〜ｄごとに設けられており、ＥＣＵ７からの点火信号により、点火し、各気筒３０ａ〜ｄの燃焼室Ａ内の混合ガスを着火させるものである。点火プラグ３６は、図２−１および図２−２に示すように、スプレーガイドを可能とするために、上述のように、燃料噴射弁２１の近傍に配置されている。点火プラグ３６の点火時期などの制御、すなわち点火制御は、ＥＣＵ７により行われる。
なお、３９は、クランクシャフト３５の角度であるクランク角度（ＣＡ）を検出し、ＥＣＵ７に出力するクランク角度センサである。なお、ＥＣＵ７は、このクランク角度センサ３９により検出されたクランク角度から、内燃機関１−１の機関回転数や各気筒３０ａ〜ｄの気筒判別を行う。
可変バルブ装置４は、可変吸気弁４１および可変排気弁４２の開閉弁を行うものである。この可変バルブ装置４は、気筒３０ａ〜ｄごとに設けられる可変吸気弁４１および可変排気弁４２と、インテークカムシャフト４３と、エキゾーストカムシャフト４４と、可変吸気弁タイミング機構４５と、可変排気弁タイミング機構４６とにより構成されている。可変吸気弁４１は、吸気ポート３７と燃焼室Ａとの間に配置され、インテークカムシャフト４３が回転することにより開閉が行われる。また、可変排気弁４２は、排気ポート３８と燃焼室Ａとの間に配置され、エキゾーストカムシャフト４４が回転することにより開閉が行われる。インテークカムシャフト４３およびエキゾーストカムシャフト４４は、タイミングチェーンを介してクランクシャフト３５に連結されており、このクランクシャフト３５の回転に連動して回転するものである。
可変吸気弁タイミング機構４５は、インテークカムシャフト４３とクランクシャフト３５との間に配置されている。また、可変排気弁タイミング機構４６は、エキゾーストカムシャフト４４とクランクシャフト３５との間に配置されている。可変吸気弁タイミング機構４５および可変排気弁タイミング機構４６は、連続可変バルブタイミング機構であり、それぞれインテークカムシャフト４３およびエキゾーストカムシャフト４４の位相を連続的に変化させるものである。
可変吸気弁タイミング機構４５および可変排気弁タイミング機構４６には、その内部に図示しない進角室および遅角室がそれぞれ形成されている。この進角室あるいは遅角室のいずれか一方には、この可変バルブ装置４の図示しないオイルコントロールバルブからオイルが供給される。インテークカムシャフト４３およびエキゾーストカムシャフト４４は、進角室にオイルが供給されると進角方向に、遅角室にオイルが供給されると遅角方向にそれぞれの位相が変化する。可変バルブ装置４は、インテークカムシャフト４３およびエキゾーストカムシャフト４４の位相が変化することで、可変吸気弁４１および可変排気弁４２の開閉時期を調整、すなわち可変吸気弁４１および可変排気弁４２を進角側あるいは遅角側に調整、すなわち可変吸気弁４１および可変排気弁４２の進角量あるいは遅角量を調整する。
なお、図示しない可変吸気弁タイミング機構４５および可変排気弁タイミング機構４６に対応する２つのオイルコントロールバルブは、その内部に設けられたスプール弁の位置が移動することで、可変吸気弁タイミング機構４５および可変排気弁タイミング機構４６のそれぞれの進角室あるいは遅角室のいずれか一方にオイルを供給する。この２つのスプール弁の位置の制御、すなわち可変吸気弁４１の開閉時期の可変吸気弁制御および、可変排気弁４２の開閉時期の可変排気弁制御は、後述するＥＣＵ７により行われる。また、可変バルブ装置４には、インテークカムポジションセンサ４７およびエキゾーストカムポジションセンサ４８が備えられており、それぞれインテークカムシャフト４３およびエキゾーストカムシャフト４４の回転位置を検出し、ＥＣＵ７に出力する。また、この可変バルブ装置４は、可変吸気弁タイミング機構４５および可変排気弁タイミング機構４６により、可変吸気弁４１および可変排気弁４２の両方の開閉時期を調整するが、これに限定されるものではなく、例えば可変排気弁タイミング機構４６のみを備え、可変排気弁４２のみの開閉時期を調整するものであっても良い。
吸気経路５は、外部から空気を吸気し、この導入された空気を内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜ｄの燃焼室Ａに導入するものである。この吸気経路５は、エアクリーナ５１と、エアフロメータ５２と、スロットルバルブ５３と、エアクリーナ５１から各気筒３０ａ〜ｄの吸気ポート３７までを連通する吸気通路５４とにより構成されている。エアクリーナ５１により粉塵が除去された空気は、吸気通路５４および吸気ポート３７を介して、各気筒３０ａ〜ｄの燃焼室Ａに導入される。エアフロメータ５２は、各気筒３０ａ〜ｄに導入、すなわち吸入される空気の吸入空気量を検出し、ＥＣＵ７に出力するものである。スロットルバルブ５３は、ステッピングモータなどのアクチュエータ５３ａにより駆動され、各気筒３０ａ〜ｄの燃焼室Ａに吸気される吸入空気量を調整するものである。このスロットルバルブ５３の開度の制御、すなわちスロットルバルブ開度制御は、後述するＥＣＵ７により行われる。
また、排気経路６は、排気浄化装置６１と、図示しない消音装置と、各気筒３０ａ〜ｄの排気ポート３８から排気浄化装置６１を介して消音装置までを連通する排気通路６２とにより構成されている。排気浄化装置６１は、排気通路６２を介して導入された排気ガスに含まれる有害物質を浄化するものであり、有害物質が浄化された排気ガスは、図示しない消音装置を介して外部に排気される。また、排気浄化装置６１の上流側に位置する排気通路６２には、この排気通路６２に排気される排気ガスの空燃比を検出し、ＥＣＵ７に出力するＡ／Ｆセンサ６３が設けられている。なお、排気ガスの空燃比の検出は、このＡ／Ｆセンサ６３に限られず、例えばこの排気通路６２に排気される排気ガスの酸素濃度を検出するＯ2センサであっても良い。
ＥＣＵ７は、筒内直噴内燃機関１−１を運転制御することで、この筒内直噴内燃機関１−１を運転するものである。このＥＣＵ７には、筒内直噴内燃機関１−１が搭載された車両の各所に取り付けられたセンサから、各種入力信号が入力される。具体的には、クランクシャフト３５に取り付けられたクランク角度センサ３９により検出されたクランク角度、インテークカムポジションセンサ４７およびエキゾーストカムポジションセンサ４８により検出されたインテークカムシャフト回転位置およびエキゾーストカムシャフト回転位置、エアフロメータ５２により検出された吸入空気量、アクセルペダルセンサ８により検出されたアクセル開度、Ａ／Ｆセンサ６３により検出された空燃比、冷却水経路に取り付けられた水温センサ９により検出された筒内直噴内燃機関１−１を循環する冷却水の水温Ｔなどがある。
このＥＣＵ７は、これら入力信号および記憶部７３に格納されている各種マップに基づいて各種出力信号を出力する。具体的には、燃料噴射弁２１の燃料噴射制御を行う噴射信号、高圧燃料ポンプ２４の流入量制御を行う高圧燃料ポンプ制御信号、点火プラグ３６の点火制御を行う点火信号、可変吸気弁４１の可変吸気弁制御を行う可変吸気弁進角・遅角信号、可変排気弁４２の可変排気弁制御を行う可変排気弁進角・遅角信号、スロットルバルブ５３のスロットルバルブ開度制御を行うスロットルバルブ開度信号、などの出力信号などがある。
また、ＥＣＵ７は、上記入力信号や出力信号の入出力を行う入出力部（Ｉ／Ｏ）７１と、処理部７２と、上記燃料噴射量マップ、可変排気弁４２の開時期と冷却水の水温Ｔとに基づいた可変排気弁開時期マップなどの各種マップなどを格納する記憶部７３とにより構成されている。処理部７２は、少なくとも可変排気弁制御手段である可変排気弁制御部７４を有し、メモリおよびＣＰＵ（Central Processing Unit）により構成されている。この処理部７２は、筒内直噴内燃機関１−１の運転制御などに基づくプログラムをメモリにロードして実行することにより、この筒内直噴内燃機関１−１の運転制御などを実現させるものであっても良い。また、記憶部７３は、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような読み出しのみが可能な不揮発性のメモリ、あるいはＲＡＭ（Random Access Memory）のような読み書きが可能な揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。
次に、実施例１にかかる筒内直噴内燃機関１−１の動作、特に成層燃焼時における可変排気弁制御について説明する。図３は、実施例１にかかる筒内直噴内燃機関の動作フローを示す図である。また、図４は、可変排気弁開時期マップを示す図である。まず、同図に示すように、ＥＣＵ７の処理部７２は、筒内直噴内燃機関１−１の運転状態が冷間始動時であるか否かを判断する（ステップＳＴ１０１）。例えば、処理部７２は、図示しないイグニッションセンサがイグニッションのＯＮを検出した後、水温センサ９により検出された冷却水の水温Ｔが温間始動時水温未満であるか否かを判断する。ここで、温間始動時水温とは、筒内直噴内燃機関１−１の停止後に時間が十分に経過しておらず、排気浄化装置の浄化触媒の温度や、筒内温度が筒内直噴内燃機関１−１の運転時と比較して十分に低下していない際の温度をいう。
次に、ＥＣＵ７の処理部７２は、筒内直噴内燃機関１−１の運転状態が冷間始動時であると判断すると、成層燃焼時であるか否かを判断する（ステップＳＴ１０２）。つまり、処理部７２は、燃料噴射弁２１による各気筒３０ａ〜３０ｄの燃焼室Ａへの燃料の噴射がこの各気筒３０ａ〜３０ｄの少なくとも圧縮行程または膨張行程において行われているか否かを判断する。
次に、ＥＣＵ７の処理部７２は、筒内直噴内燃機関１−１の運転状態が成層燃焼時であるか否かを判断すると、水温センサ９により検出された冷却水の水温Ｔを取得する（ステップＳＴ１０３）。
次に、処理部７２の可変排気弁制御部７４は、上記検出、すなわち取得された冷却水の水温Ｔと、図４に示す記憶部７３に格納されている可変排気弁開時期と冷却水の水温Ｔとに基づいた可変排気弁開時期マップとから可変排気弁開時期を算出する（ステップＳＴ１０４）。ここで、図４に示すように、可変排気弁開時期のマップは、冷却水の水温Ｔが所定水温Ｔ１よりも低いと、可変排気弁４２の開時期が筒内直噴内燃機関１−１の運転状態に応じた可変排気弁４２の開時期、すなわち通常開時期Ｓ１よりも遅角側となるように設定されている。特に、冷却水の水温Ｔが所定水温Ｔ１よりも低ければ低いほど、可変排気弁４２の開時期の遅角量が増加するように設定されている。従って、取得された冷却水の水温Ｔが所定水温Ｔ１であると、算出される可変排気弁開時期は、通常開時期Ｓ１よりも遅角側となる。ここで、所定水温Ｔ１とは、例えば上記温間始動時水温と同じ値であっても良い。つまり、所定水温Ｔ１とは、その水温未満であると冷間始動時における水温であると判断できる水温をいう。例えば、筒内直噴内燃機関１−１の停止後に時間が十分に経過しており、排気浄化装置の浄化触媒の温度や、筒内温度が筒内直噴内燃機関１−１の運転時と比較して十分に低下した際の温度をいう。
次に、処理部７２の可変排気弁制御部７４は、上記算出された可変排気弁開時期Ｓに基づいて、可変排気弁４２の開閉時期の制御である可変排気弁制御を実行する（ステップＳＴ１０５）。例えば、処理部７２の可変排気弁制御部７４は、上記算出された可変排気弁開時期Ｓと通常開時期Ｓ１との差である遅角量に基づいて、上述した可変排気弁タイミング機構４６の遅角室にオイルを供給することで、可変排気弁４２の開時期を遅角側に制御する。つまり、可変排気弁制御部７４は、筒内直噴内燃機関１−１の運転状態が冷間始動時であって、かつ圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁２１により燃料を噴射する際には、可変排気弁４２の開時期を遅角側に制御し、燃焼室Ａと排気経路５との連通を遅らせる。なお、可変排気弁制御部７４は、取得された冷却水の水温Ｔが所定水温Ｔ１以上となったと判断すると可変排気弁開時期Ｓが通常開時期Ｓ１となるように、可変排気弁制御を実行する。
可変排気弁４２の開時期を遅角側に制御することで、燃焼室Ａ内の密閉状態の維持時間が長くなるため、気化していない燃料が気化し、燃焼し続ける時間を長くすることができる。特に、この実施例１では、例えば冷間始動時において冷却水の水温が低ければ低いほど、可変排気弁４２の開時期の遅角量を増加するなど、冷間始動時における冷却水の水温に応じて、燃焼室Ａ内の密閉状態の維持時間を調整する。従って、排気浄化装置６１の浄化触媒の温度が低い状態で、燃焼室Ａ内の温度、すなわち筒内温度の低下とともに低下する冷却水の水温が低いほど可変排気弁４２の開時期の遅角量を増加させ、燃焼室Ａ内の密閉状態の維持時間を長くする。これにより、この浮遊する多くの気化していない燃料を気化させ、燃焼させ続けることができ、燃焼室Ａ内のスモークの発生を確実に抑制することができる。
実施例２にかかる筒内直噴内燃機関１−２は、実施例１にかかる筒内直噴内燃機関１−１と同様にスプレーガイド式である。図５は、実施例２にかかるスプレーガイド式の筒内直噴内燃機関の構成例を示す図である。この図５に示す筒内直噴内燃機関１−２が図１に示す筒内直噴内燃機関１−１と異なる点は、冷却水の水温Ｔのかわりに燃料噴射弁２１から噴射された燃料の気化度合いＥＶに応じて、可変排気弁４２の開時期の遅角量を制御する点である。なお、この実施例２にかかる筒内直噴内燃機関１−２の基本的構成のうち、実施例１にかかる筒内直噴内燃機関１−１の基本的構成と同一部分（図１および図５において同一符号部分）は、簡略化あるいは省略して説明する。
この燃料噴射弁２１から噴射された燃料の気化度合いＥＶは、燃焼室Ａ内の温度、すなわち筒内温度、燃料噴射弁２１から噴射される燃料の燃料温度Ｆ、燃料噴射弁２１から噴射された燃料の粒径に起因するものである。従って、この実施例２では、筒内温度に影響を与える冷却水の水温Ｔおよび燃焼室Ａに吸気される吸入空気の吸気温度Ｉ、上記燃料温度Ｆ、燃料の粒径に影響を与える燃料噴射弁２１から噴射される燃料の燃圧Ｐおよび燃料噴射弁２１のリフト量Ｌに基づいて燃料の気化度合いＥＶを算出する。
燃料供給装置２は、燃料温度センサ２５および燃圧センサ２６が設けられている。燃料温度センサ２５は、この実施例２では燃料タンク２２に取り付けられており、燃料噴射弁２１から噴射される燃料の燃料温度Ｆを検出し、ＥＣＵ７に出力するものである。また、燃圧センサ２６は、この実施例２では高圧燃料ポンプ２４と燃料噴射弁２１との間に取り付けられており、燃料噴射弁２１から噴射される燃料の燃圧Ｐを検出し、ＥＣＵ７に出力するものである。
吸気経路４は、吸気温度センサ５５が設けられている。この吸気温度センサ５５は、この実施例２では吸気経路５の吸気通路５４に取り付けられており、吸気経路５から吸気ポート３７を介して燃焼室Ａ内に吸気される吸入空気の吸気温度Ｉを検出し、ＥＣＵ７に出力するものである。
また、ＥＣＵ７の処理部７２は、吸気温度Ｉ、冷却水の水温Ｔ、燃料温度Ｆ、燃圧Ｐ、リフト量Ｌに基づいて燃料の気化度合いＥＶを算出する気化度合い予測手段である気化度合い予測部７５を有する。さらに、ＥＣＵ７の記憶部７３には、気化度合い係数ＥＶIと吸気温度Ｉとに基づいた気化度合いＥＶIマップ、気化度合い係数ＥＶTと冷却水の水温Ｔとに基づいた気化度合いＥＶTマップ、気化度合い係数ＥＶFと燃料温度Ｆとに基づいた気化度合いＥＶFマップ、気化度合い係数ＥＶPと燃圧Ｐとに基づいた気化度合いＥＶPマップ、気化度合い係数ＥＶLとリフト量Ｌとに基づいた気化度合いＥＶLマップ、可変排気弁４２の開時期と気化度合いＥＶとに基づいた可変排気弁開時期マップが格納されている。
気化度合い係数ＥＶIマップでは、図示は省略するが、吸気温度Ｉが低ければ低いほど、気化度合い係数ＥＶIが小さくなるように設定されている。これは、この吸気温度Ｉが低ければ低いほど、この吸気温度Ｉが影響を与える筒内温度が低くなり、この筒内温度が低下することで燃料が気化し難くなるためである。気化度合い係数ＥＶTマップでは、図示は省略するが、冷却水の水温Ｔが低ければ低いほど、気化度合い係数ＥＶTが小さくなるように設定されている。これは、冷却水の水温Ｔが低ければ低いほど、この冷却水の水温Ｔが影響を与える筒内温度が低くなり、この筒内温度が低下することで燃料が気化し難くなるためである。気化度合い係数ＥＶFマップでは、図示は省略するが、燃料温度Ｆが低ければ低いほど、燃料が気化しにくくなるため、気化度合い係数ＥＶFが小さくなるように設定されている。気化度合い係数ＥＶPマップでは、図示は省略するが、燃圧Ｐが低ければ低いほど、気化度合い係数ＥＶPが小さくなるように設定されている。これは、この燃圧Ｐが低ければ低いほど、この燃圧Ｐが影響を与える燃料の粒径が大きくなり、この燃料の粒径が大きくなることで燃料が気化し難くなるためである。気化度合い係数ＥＶLマップでは、図示は省略するが、燃料噴射弁２１のリフト量Ｌが大きければ大きいほど、気化度合い係数ＥＶLが小さくなるように設定されている。これは、このリフト量Ｌが大きければ大きいほど、このリフト量Ｌが影響を与える燃料の粒径が大きくなり、この燃料の粒径が大きくなることで、燃料が気化し難くなるためである。つまり、各気化度合い係数ＥＶI〜ＥＶPは、燃料が気化し難い状態であるとその値が小さくなるものである。
次に、実施例２にかかる筒内直噴内燃機関１−２の動作、特に成層燃焼時における可変排気弁制御について説明する。図６は、実施例２にかかる筒内直噴内燃機関の動作フローを示す図である。また、図７は、可変排気弁開時期マップを示す図である。なお、図６に示す筒内直噴内燃機関１−２の成層燃焼時における可変排気弁の動作のうち、図３に示す筒内直噴内燃機関１−１の成層燃焼時における可変排気弁の動作と同一部分については、簡略化して説明する。
まず、同図に示すように、ＥＣＵ７の処理部７２は、筒内直噴内燃機関１−２の運転状態が冷間始動時であるか否かを判断する（ステップＳＴ２０１）。処理部７２は、筒内直噴内燃機関１−２の運転状態が冷間始動時であると判断すると、成層燃焼時であるか否かを判断する（ステップＳＴ２０２）。
次に、処理部７２の気化度合い予測部７５は、筒内直噴内燃機関１−２の運転状態が成層燃焼時であるか否かを判断すると、吸気温度センサ５５より検出された吸気温度Ｉを取得する（ステップＳＴ２０３）。次に、気化度合い予測部７５は、上記検出、すなわち取得された吸気温度Ｉと、気化度合い係数ＥＶIマップとから気化度合い係数ＥＶIを算出する（ステップＳＴ２０４）。
次に、処理部７２の気化度合い予測部７５は、気化度合い係数ＥＶIを算出すると、水温センサ９により検出された冷却水の水温Ｔを取得する（ステップＳＴ２０５）。次に、気化度合い予測部７５は、上記検出、すなわち取得された冷却水の水温Ｔと、気化度合い係数ＥＶTマップとから気化度合い係数ＥＶTを算出する（ステップＳＴ２０６）。
次に、処理部７２の気化度合い予測部７５は、気化度合い係数ＥＶTを算出すると、燃料温度センサ２５により検出された燃料噴射弁２１から噴射される燃料の燃料温度Ｆを取得する（ステップＳＴ２０７）。次に、気化度合い予測部７５は、上記検出、すなわち取得された燃料温度Ｆと、気化度合い係数ＥＶFマップとから気化度合い係数ＥＶFを算出する（ステップＳＴ２０８）。
次に、処理部７２の気化度合い予測部７５は、気化度合い係数ＥＶFを算出すると、燃圧センサ２６により検出された燃料の燃圧Ｐを取得する（ステップＳＴ２０９）。次に、気化度合い予測部７５は、上記検出、すなわち取得された燃圧Ｐと、気化度合い係数ＥＶPマップとから気化度合い係数ＥＶPを算出する（ステップＳＴ２１０）。
次に、処理部７２の気化度合い予測部７５は、気化度合い係数ＥＶPを算出すると、燃料噴射弁２１のリフト量Ｌを取得する（ステップＳＴ２１１）。ここでリフト量Ｌは、燃料噴射弁２１から噴射される燃料の燃料噴射量と燃圧Ｐとにより決定される。従って、気化度合い予測部７５は、上記各種入力信号と上記燃料噴射量マップとから算出された燃料噴射量を取得し、この燃料噴射量と上記取得した燃圧Ｐとからリフト量Ｌを算出する。次に、気化度合い予測部７５は、上記取得されたリフト量Ｌと、気化度合い係数ＥＶLマップとから気化度合い係数ＥＶLを算出する（ステップＳＴ２１２）。
次に、処理部７２の気化度合い予測部７５は、各気化度合い係数ＥＶI，ＥＶT，ＥＶF，ＥＶP，ＥＶLに基づいて気化度合いＥＶを算出する（ステップＳＴ２１３）。例えば、気化度合いＥＶは、各気化度合い係数ＥＶI，ＥＶT，ＥＶF，ＥＶP，ＥＶLをかけること算出しても良いし、各気化度合い係数ＥＶI，ＥＶT，ＥＶF，ＥＶP，ＥＶLを足すことで算出しても良い。
次に、処理部７２の可変排気弁制御部７４は、上記算出された気化度合いＥＶと、図７に示す記憶部７３に格納されている可変排気弁開時期と気化度合いＥＶとに基づいた可変排気弁開時期マップとから可変排気弁開時期を算出する（ステップＳＴ２１４）。ここで、図７に示すように、可変排気弁開時期のマップは、気化度合いＥＶが所定気化度合いＥＶ１よりも小さい、すなわち燃料が気化し難いと、可変排気弁４２の開時期が筒内直噴内燃機関１−２の運転状態に応じた可変排気弁４２の開時期、すなわち通常開時期Ｓ２よりも遅角側となるように設定されている。特に、気化度合いＥＶが所定気化度合いＥＶ１よりも小さければ小さいほど、可変排気弁４２の開時期の遅角量が増加するように設定されている。従って、算出された気化度合いＥＶが所定気化度合いＥＶ１未満であると、算出される可変排気弁開時期Ｓは、通常開時期Ｓ２よりも遅角側となる。ここで、所定気化度合いＥＶ１とは、その気化度合い未満であると燃料の気化が不十分であり、燃焼室Ａ内にスモークが発生すると判断できる気化度合いをいう。例えば、筒内直噴内燃機関１−２の停止後に時間が十分に経過しており、排気浄化装置の浄化触媒の温度や、筒内温度が筒内直噴内燃機関１−１の運転時と比較して十分に低下した際の温度をいう。
次に、処理部７２の可変排気弁制御部７４は、上記算出された可変排気弁開時期Ｓに基づいて、可変排気弁４２の開閉時期の制御である可変排気弁制御を実行する（ステップＳＴ２１５）。ここでは、処理部７２の可変排気弁制御部７４は、上記算出された可変排気弁開時期Ｓと通常開時期Ｓ１との差である遅角量に基づいて、上述した可変排気弁タイミング機構４６の遅角室にオイルを供給することで、可変排気弁４２の開時期が遅角側に制御する。つまり、ＥＣＵ７の処理部は、筒内直噴内燃機関１−１の運転状態が冷間始動時であって、かつ圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁２１により燃料を噴射する際には、可変排気弁４２の開時期を遅角側に制御し、燃焼室Ａと排気経路５との連通を遅らせる。
可変排気弁４２の開時期を遅角側に制御することで、燃焼室Ａ内の密閉状態の維持時間が長くなるため、燃料の気化度合いが小さくても、燃焼室Ａ内に浮遊する気化していない燃料が気化し、燃焼し続ける時間を長くすることができる。特に、この実施例２では、例えば冷間始動時において気化度合いが小さければ小さいほど、可変排気弁４２の開時期の遅角量を増加するなど、冷間始動時における気化度合いに応じて、燃焼室Ａ内の密閉状態の維持時間を調整する。従って、排気浄化装置の浄化触媒の温度が低い状態で、燃焼室Ａ内の混合気の空燃比がオーバーリッチであり、かつ燃焼室内に気化していない燃料が多く浮遊することとなる気化度合いが小さいほど可変排気弁４２の開時期の遅角量を増加させ、燃焼室Ａ内の密閉状態の維持時間を長くする。これにより、この浮遊する多くの気化していない燃料を気化させ、燃焼させ続けることができ、燃焼室Ａ内のスモークの発生を確実に抑制することができる。
なお、上記実施例１，２において、可変排気弁制御を行うために点火プラグ３６の点火時期が通常の点火時期の判断をさらに加えても良い。つまり、ＥＣＵ７の処理部７２は、点火プラグ３６の点火時期が遅角側であるか否かを判断し、遅角側であると判断すると、図３および図６に示す算出された可変排気弁開時期Ｓに基づいて可変排気弁制御を実行しても良い。
これは、筒内直噴内燃機関１−１，１−２の冷間始動時には、排気浄化装置６１の浄化触媒の温度がこの浄化触媒を活性化することができる温度に到達していないため、この排気浄化装置に導入される排気ガスの温度が高いことが望ましいためである。従って、冷間始動時においては、点火プラグ３６の点火時期を遅角側に制御し、点火時期を遅らせることで、排気経路に排気される排気ガスの温度を上昇させる。しかしながら、点火プラグ３６の点火時期が遅れると、混合空気内の燃料が燃焼することができる時間が短くなるため、浮遊する気化していない燃料の多くが気化せず、燃焼し続けないこととなる。つまり、燃焼室Ａ内に多くのスモークが発生する虞があるが、点火プラグ３６の点火時期を遅角側に制御するとともに、可変排気弁４２の開時期を遅角側に制御することで、排気浄化装置６１の浄化触媒の温度を短期間で上昇することができるとともに、燃焼室Ａ内のスモークの発生を抑制することができる。
また、上記実施例１，２において、可変排気弁４２の開時期の遅角量は、冷却水の温度Ｔあるいは気化度合いＥＶに応じて制御されているが、例えば上記所定水温Ｔ１あるいは上記所定気化度合いＥＶ１よりも低いと判断された際に、一定量、可変排気弁４２の開時期を遅角側にするように、可変排気弁制御を実行しても良い。
なお、上記実施例１，２における可変排気弁制御は、筒内直噴内燃機関１−１，１−２の運転状態が冷間始動時においてのみ実行されるものである。つまり、筒内直噴内燃機関１−１，１−２の運転状態が温間始動時においては、実行されるものではない。
以上のように、この発明にかかる筒内直噴内燃機関は、スプレーガイド式の筒内直噴内燃機関に有用であり、特に、燃焼室内のスモークの発生を抑制するのに適している。
実施例１にかかるスプレーガイド式の筒内直噴内燃機関の構成例を示す図である。 燃焼室に対する燃料噴射弁および点火プラグの配置を示す図である。 図２―１のＡ−Ａ断面図を示す図である。 実施例１にかかる筒内直噴内燃機関の動作フローを示す図である。 可変排気弁開時期マップを示す図である。 実施例２にかかるスプレーガイド式の筒内直噴内燃機関の構成例を示す図である。 実施例２にかかる筒内直噴内燃機関の動作フローを示す図である。 可変排気弁開時期マップを示す図である。
符号の説明
１−１，１−２ 筒内直噴内燃機関
２ 燃料供給装置
２１ 燃料噴射弁
２２ 燃料タンク
２３ 低圧燃料ポンプ
２４ 高圧燃料ポンプ
３ 内燃機関本体
３０ａ〜ｄ 気筒
３１ シリンダブロック
３２ シリンダヘッド
３３ ピストン
３４ コンロッド
３５ クランクシャフト
３６ 点火プラグ
３７ 吸気ポート
３８ 排気ポート
３９ クランク角度センサ
４ バルブ装置
４１ 可変吸気弁
４２ 可変排気弁
４３ インテークカムシャフト
４４ エキゾーストカムシャフト
４５ 可変吸気弁タイミング機構
４６ 可変排気弁タイミング機構
４７，４８ カムポジションセンサ
５ 吸気経路
５１ エアクリーナ
５２ エアフロメータ
５３ スロットルバルブ
６ 排気経路
６１ 排気浄化装置
６２ 排気通路
６３ Ａ／Ｆセンサ
７ ＥＣＵ
７１ 入出力部
７２ 処理部
７３ 記憶部
７４ 可変排気弁制御部（可変排気弁制御手段）
７５ 気化度合い予測部（気化度合い予測手段）
８ アクセルペダルセンサ
９ 水温センサ

Claims (7)

  1. 圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁により燃焼室内に噴射された燃料が当該燃焼室内に吸気された吸入空気と混合し、点火プラグ近傍において混合気となる筒内直噴内燃機関において、
    複数の気筒の燃焼室と排気経路との連通を行う排気弁をその開閉時期を可変可能な可変排気弁とし、前記可変排気弁の開閉時期を制御する可変排気弁制御手段をさらに備え、
    前記可変排気弁制御手段は、冷間始動時であって、かつ圧縮行程または膨張行程において燃料噴射弁により燃料を噴射する際に、前記可変排気弁の開時期を遅角側に制御することを特徴とする筒内直噴内燃機関。
  2. 前記筒内直噴内燃機関を循環する冷却水の水温を検出する水温検出手段をさらに備え、
    前記可変排気弁制御手段は、前記検出された冷却水の水温に応じて、前記排気弁の開時期の遅角量を制御することを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴内燃機関。
  3. 前記可変排気弁制御手段は、前記検出された冷却水の水温が低いほど、前記排気弁の開時期の遅角量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の筒内直噴内燃機関。
  4. 前記燃料噴射弁から噴射された燃料の気化度合いを予測する気化度合い予測手段をさらに備え、
    前記可変排気弁制御手段は、前記予測された気化度合いに応じて、前記排気弁の開時期の遅角量を制御することを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴内燃機関。
  5. 前記可変排気弁制御手段は、前記予測された気化度合いが低いほど、前記排気弁の開時期の遅角量を増加させることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴内燃機関。
  6. 前記気化度合い予測手段は、前記燃焼室内の温度、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の温度、当該燃料噴射弁から噴射された燃料の粒径の少なくともいずれか一つに基づいて、前記燃料の気化度合いを予測することを特徴とする請求項４または５に記載の筒内直噴内燃機関。
  7. 前記点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御手段をさらに備え、
    前記点火時期制御手段は、前記筒内直噴内燃機関の冷間始動時であって、かつ圧縮行程または膨張行程において前記燃料噴射弁により燃料を噴射する際に、前記点火プラグの点火時期を遅角側に制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の筒内直噴内燃機関。
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