JP2010038102A

JP2010038102A - 火花点火型内燃機関

Info

Publication number: JP2010038102A
Application number: JP2008204211A
Authority: JP
Inventors: Koshiro Kimura; 幸四郎木村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2010-02-18

Abstract

【課題】ＥＧＲガスの導入に伴う未燃炭化水素の発生を抑制できる火花点火型内燃機関を提供する。
【解決手段】気筒２に開口する第１吸気ポート８及び第２吸気ポート９と、気筒２に配置された点火プラグ１４と、排気通路６の排気の一部をＥＧＲガスとして第１吸気ポート８に限定的に導入するＥＧＲ装置１５と、第１吸気ポート８に燃料を噴射する第１燃料噴射弁１８と、第２吸気ポート９に燃料を噴射する第２燃料噴射弁１９と、吸気行程において第１吸気ポート８の吸気弁１０が開弁してから所定期間Ｔ１が経過するまで第１吸気ポート８への燃料の噴射を停止し、所定期間Ｔ１の経過後に第１吸気ポート８に燃料を噴射するように第１燃料噴射弁１８を制御するＥＣＵ２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気を吸気系に還流させる火花点火型内燃機関に関する。

火花点火型内燃機関として、燃焼室に２つの吸気ポートを設け、これら吸気ポートの一方のみにＥＧＲガスを導くことにより、ＥＧＲガスを含み火花プラグの近傍に位置する第１混合気層と、その第１混合気層の外側に位置するＥＧＲガスを含まない第２混合気層とを燃焼室内にそれぞれ形成し、ＥＧＲガスが導かれる側の吸気ポートに設けられた燃料噴射弁から燃焼室内のＥＧＲガスに燃料を噴射したものが知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜５が存在する。

特表２００１−５１２２０８号公報特開平５−１４１３０２号公報特開平７−３１０６０３号公報特開平５−２８０４３０号公報特開平７−２２４７２６号公報

特許文献１の内燃機関では、ＥＧＲガスに燃料を噴射しているのでＥＧＲガスと燃料とが混合される。また、ＥＧＲガスには酸素がほとんど含まれていないので、燃焼時にＥＧＲガスに混合された燃料が不完全燃焼して未燃炭化水素の発生量が増加するおそれがある。

そこで、本発明は、ＥＧＲガスの導入に伴う未燃炭化水素の発生を抑制できる火花点火型内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の火花点火型内燃機関は、気筒に開口する第１吸気ポート及び第２吸気ポートと、前記気筒に配置された点火プラグと、排気通路の排気の一部をＥＧＲガスとして前記第１吸気ポートに限定的に導入するＥＧＲ手段と、前記第１吸気ポートに燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、前記第２吸気ポートに燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、吸気行程において前記第１吸気ポートの吸気弁が開弁してから所定期間が経過するまで前記第１吸気ポートへの燃料の噴射を停止し、前記所定期間の経過後に前記第１吸気ポートに燃料を噴射するように前記第１燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

ＥＧＲ手段にて第１吸気ポートに導かれたＥＧＲガスは、第１吸気ポートの吸気弁が閉弁している間に第１吸気ポートに充満する。そして、その吸気弁が開弁すると第１吸気ポートに充満していたＥＧＲガスが気筒に導かれる。本発明の火花点火型内燃機関によれば、燃料噴射制御手段によって所定期間が経過するまで第１吸気ポートへの燃料の噴射を停止するように第１燃料噴射弁を制御するので、第１吸気ポートに充満したＥＧＲガスが気筒に導かれるまで第１吸気ポートへの燃料の噴射を停止することができる。これにより、第１吸気ポート内にＥＧＲガスが充満した状態での燃料噴射を回避できるので、ＥＧＲガス中に燃料が混合することを抑制することができる。続いて、燃料噴射制御手段によって所定期間の経過後に第１吸気ポートに燃料を噴射するように第１燃料噴射弁を制御するので、上流側から第１吸気ポートに導かれたＥＧＲガスを含まない空気（新気）に燃料を混合させることができる。これにより、第１吸気ポートに導かれる空気と燃料との混合気の空燃比と、第２吸気ポートに導かれる空気と燃料との混合気の空燃比のそれぞれを理論空燃比にすることができる。従って、気筒内の空燃比分布が理論空燃比に均一化されるので未燃炭化水素の発生を抑制できる。また、気筒内には第１吸気ポート側の下部にＥＧＲガスが上部に混合気がそれぞれ形成されるとともに、第２吸気ポート側に第２吸気ポートから導かれた混合気が形成される。このため、気筒内におけるＥＧＲガスの成層化を達成できる。これにより点火プラグがＥＧＲガスを含まない混合気に覆われるので安定的な燃焼を実現できる。また、気筒内全体の空燃比が理論空燃比となるので、排気通路に三元触媒を設けておけばその三元触媒を有効に活用することができる。

本発明の一形態において、前記所定期間は、前記第1吸気ポートの吸気弁が開弁してから前記第1吸気ポートに充満したＥＧＲガスが前記気筒内に導かれるまでの期間であってもよい（請求項２）。この形態によれば、第１吸気ポート内にＥＧＲガスが充満した状態での燃料噴射を確実に回避することができる。

第２燃料噴射弁の燃料の噴射時期は、第１燃料噴射弁による燃料噴射時期と独立して設定して構わない。例えば、本発明の一形態において、前記燃料噴射制御手段は、前記第２吸気ポートの吸気弁が開弁する前から前記第２吸気ポートに燃料を噴射するように前記第２燃料噴射弁を制御してもよい（請求項３）。この形態によれば、第２吸気ポートの吸気弁が開弁する前に燃料を噴射するので、第２吸気ポート内に充満している空気に燃料を均一に混合させることができる。

本発明の一形態において、前記燃料噴射制御手段は、前記第１燃料噴射弁の燃料の噴射期間が目標噴射量を噴射するのに必要な期間よりも短い場合、前記目標噴射量に対する不足噴射量を前記第２燃料噴射弁が噴射するように前記第２燃料噴射弁を制御してもよい（請求項４）。第１吸気ポートに充満するＥＧＲガスの量が増加するほど、そのＥＧＲガスが気筒に導かれるのに要する時間が長くなる。この場合、第１燃料噴射弁の燃料の噴射期間が短くなるので、第１吸気ポートに噴射される燃料量が少なくなる。本発明の形態によれば、第１燃料噴射弁の目標噴射量に対する不足噴射量を第２燃料噴射弁が追加するので、第１燃料噴射弁の燃料の噴射期間が目標噴射量を噴射するのに必要な期間よりも短い場合でも、気筒内全体の空燃比を目標値に維持することができる。

本発明の一形態において、前記第１吸気ポートには、ＥＧＲガスが導入される位置よりも上流側に前記第１吸気ポートを開閉する吸気ポート弁が設けられてもよい（請求項５）。内燃機関の運転状態によっては気筒のＥＧＲ率を高めたい場合がある。この形態によれば、第１吸気ポートの吸気弁が閉弁しているときに吸気ポート弁を開けることにより第１吸気ポートにＥＧＲガスを充満させることができる。また、第１吸気ポートの吸気弁が開弁したときに吸気ポート弁を閉めた状態にすることにより吸気ポート弁を開けた状態にした場合よりも第１吸気ポートの吸気弁と吸気ポート弁との間の区間の負圧が大きくなるので第１吸気ポートに導入されるＥＧＲガスの量が増加する。よって、気筒のＥＧＲ率を高めることができる。

本発明の一形態において、前記燃料噴射制御手段は間欠的に燃料が噴射されるように前記第１燃料噴射弁を制御してもよい（請求項６）。第１燃料噴射弁が第１吸気ポートに充満するＥＧＲガスにさらされると、第１燃料噴射弁の噴射口にデポジットが付着して固まり燃料を噴射できないといった不具合が生じる可能性がある。この形態によれば、第１燃料噴射弁が間欠的に燃料を噴射するので、第１燃料噴射弁の噴射口にデポジットが付着したとしても固まる前にそのデポジットを除去することができる。

以上に説明したように、本発明の火花点火型内燃機関によれば、燃料噴射制御手段によって所定期間が経過するまで第１吸気ポートへの燃料の噴射を停止するように第１燃料噴射弁を制御するので、第１吸気ポートに充満したＥＧＲガスが気筒に導かれるまで第１吸気ポートへの燃料の噴射を停止することができる。これにより、第１吸気ポート内にＥＧＲガスが充満した状態での燃料噴射を回避できるので、ＥＧＲガス中に燃料が混合することを抑制することができる。続いて、燃料噴射制御手段によって所定期間の経過後に第１吸気ポートに燃料を噴射するように第１燃料噴射弁を制御するので、上流側から第１吸気ポートに導かれたＥＧＲガスを含まない空気（新気）に燃料を混合させることができる。これにより、第１吸気ポートに導かれる空気と燃料との混合気の空燃比と、第２吸気ポートに導かれる空気と燃料との混合気の空燃比のそれぞれを理論空燃比にすることができる。従って、気筒内の空燃比分布が理論空燃比に均一化されるので未燃炭化水素の発生を抑制できる。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る火花点火型内燃機関の要部を模式的に示した図であり、図２は図１の気筒とその周辺の断面図である。図１及び図２に示すように、内燃機関１は、複数の気筒２が形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に配置されたシリンダヘッド４と、気筒２のそれぞれに吸気を導くための吸気通路５と、気筒２からの排気が導かれる排気通路６とを備えている。気筒２には、ピストン７が往復動自在に挿入されている。

吸気通路５は、気筒２に開口するようにしてシリンダヘッド４に形成された第１吸気ポート８及び第２吸気ポート９を含んでいる。シリンダヘッド４には第１吸気ポート８を開閉する第１吸気弁１０と第２吸気ポート９を開閉する第２吸気弁１１とが設けられている。排気通路６は、気筒２に開口するようにしてシリンダヘッド４に形成された排気ポート１２を含んでいる。排気ポート１２は排気弁１３にて開閉される。また、図示を省略したが排気通路６には三元触媒が設けられていて、排気通路６を流れる排気はその三元触媒にて浄化される。シリンダヘッド４には、気筒２の天井面に先端部を臨ませるようにして配置された点火プラグ１４が設けられている。

内燃機関１には、排気を吸気系に還流させるためのＥＧＲ手段としてのＥＧＲ装置１５が設けられている。ＥＧＲ装置１５は、排気通路６と第１吸気ポート８とを結ぶＥＧＲ通路１６と、ＥＧＲ通路１６を開閉するＥＧＲ弁１７とを備えている。ＥＧＲ通路１６は排気通路６の排気の一部をＥＧＲガスとして第１吸気ポート８に導入することができる。内燃機関１には、第１吸気ポート８におけるＥＧＲ通路１６との接続部よりも上流側に設けられて第１吸気ポート８に燃料を噴射する第１燃料噴射弁１８と、第２吸気ポート９に設けられて第２吸気ポート９に燃料を噴射する第２燃料噴射弁１９とが設けられている。これら燃料噴射弁１８、１９の各動作はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０が各種センサからの信号を参照しつつ所定の制御プログラムを実行することにより制御される。ＥＣＵ２０はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を備えたコンピュータとして構成される。本発明に関連するセンサとしては、吸入空気量に応じた信号を出力するエアフローメータ２１と、機関回転数（回転速度）に応じた信号を出力するクランク角センサ２２とが設けられている。

図３Ａ〜図３Ｃは第１吸気ポート８のＥＧＲガスの挙動を説明する説明図である。図３Ａは第１吸気弁１０が閉弁している状態、図３Ｂは吸気行程初期の状態、図３Ｃは吸気行程中期から吸気行程終了までの状態をそれぞれ示している。図３Ａに示すように、第１吸気弁１０が閉弁している状態ではＥＧＲ通路１６から導かれたＥＧＲガスＧ１が第１吸気ポート８に充満する。図３Ｂに示すように、第１吸気弁１０が開弁すると、第１吸気ポート８に充満していたＥＧＲガスＧ１が気筒２に導かれるとともに上流側からＥＧＲガスＧ１を含まない空気（以下、新気と呼ぶことがある。）が第１吸気ポート８に導かれる。図３Ｃに示すように、第１吸気弁１０が開弁してから幾らかの時間が経過すると、第１吸気ポート８に充満していたほぼ全てのＥＧＲガスＧ１が気筒２に導かれる。

次に、図４〜図６を参照しながら各燃料噴射弁１８、１９の制御について説明する。図４は本発明のＥＣＵ２０が実行する燃料噴射制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは内燃機関１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ２０はＥＧＲ率を算出する。ＥＧＲ率を算出するには、例えばＥＧＲ率と吸入空気量と機関回転数との対応関係を記述したマップ又は関数式を準備しておけばよい。吸入空気量及び機関回転数は、エアフローメータ２１の出力信号及びクランク角センサ２２の出力信号をそれぞれ参照することにより取得すればよい。

ステップＳ２では、吸気行程において第１吸気弁１０が開弁してから第１吸気ポートに充満したＥＧＲガスが気筒２に導かれるまでの所定期間Ｔ１を算出する。所定期間Ｔ１は、予め実験等によりステップＳ１で算出したＥＧＲ率と機関回転数とから所定期間Ｔ１が導き出せるマップや関数式を作成しておくことで取得することができる。

ステップＳ３では、各吸気ポート８、９を流れる空気量を算出する。各吸気ポート８、９を流れる空気量はステップＳ１にて算出したＥＧＲ率を用いて算出すればよい。つまり、ＥＧＲ率から第１吸気ポート８に充満するＥＧＲガス量がわかるので、予め第１吸気ポート８を流れる流体の流量と第２吸気ポート９を流れる流体の流量とをそれぞれ取得しておけば、各吸気ポート８、９を流れる空気量を求めることができる。

ステップＳ４では、所定期間Ｔ１が経過してから吸気行程終了までの第１燃料噴射弁１８の燃料の噴射期間Ｔ２が第１吸気ポート８に導かれる新気と燃料との混合気の空燃比を理論空燃比にするのに必要な要求噴射期間Ｔ３以上か否かを判断する。ステップＳ４にて噴射期間Ｔ２が要求噴射期間Ｔ３以上であると判断された場合（図５参照）、ＥＣＵ２０はステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、各燃料噴射弁１８、１９の燃料の噴射量を決定する。ＥＣＵ２０は、第１吸気ポート８に導かれる新気と燃料との混合気の空燃比が理論空燃比となるように第１燃料噴射弁１８の燃料の噴射量を決定する。また、ＥＣＵ２０は、第２吸気ポートに導かれる新気と燃料との混合気の空燃比が理論空燃比になるように第２燃料噴射弁の燃料の噴射量を決定する。ステップＳ５の処理後はステップＳ７に進む。

一方、ステップＳ４において否定判断がされた場合（図６参照）、ＥＣＵ２０はステップＳ６に進み、第１燃料噴射弁１８の不足噴射量を第２燃料噴射弁１９に追加する。なお、不足噴射量とは、要求噴射期間Ｔ３に対する不足期間Ｔ４に第１吸気ポート８に噴射されるべき噴射量である。つまり、第１吸気ポート８に噴射される燃料量は第１吸気ポート８に導かれる新気と燃料との混合気を理論空燃比にするのに必要な燃料量よりも少なく、第２吸気ポート９に噴射される燃料量は第２吸気ポートに導かれる新気と燃料との混合気を理論空燃比にするのに必要な燃料量よりも多くなる。ステップＳ６の処理後はステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、各燃料噴射弁１８、１９から燃料を噴射する。ＥＣＵ２０は、吸気行程において所定期間Ｔ１が経過するまで第１吸気ポート８への燃料の噴射を停止し、噴射期間Ｔ２に燃料を噴射するように第１燃料噴射弁１８を制御する。また、ＥＣＵ２０は、第２吸気弁１１が開弁する幾らか前から第２吸気ポート９に燃料を噴射するように第２燃料噴射弁１９を制御する。ステップＳ７の処理後、今回の制御ルーチンを終了する。

図７は吸気行程終了直後の気筒２の上面図である。図８は図７のVIII−VIII線に沿った断面図、図９は図７のIX−IX線に沿った断面図をそれぞれ示している。これら図に示すように、気筒２には第１吸気ポート８側の下部にＥＧＲガスＧ１が上部に混合気Ｇ２がそれぞれ形成されるとともに、第２吸気ポート９側に第２吸気ポート９から導かれた混合気Ｇ３が形成される。

本形態の内燃機関１は、第１吸気ポート８に充満したＥＧＲガスが気筒２に導かれるまでの所定期間が経過するまで第１燃料噴射弁１８の燃料の噴射を停止しておき、その所定期間が経過した後に第１燃料噴射弁１８の燃料を噴射するので、ＥＧＲガスに燃料が混合することを抑制しつつ、第１吸気ポート８に導かれる新気にのみ燃料を混合させることができる。また、第１吸気ポート８及び第２吸気ポート９のそれぞれで形成される混合気の空燃比が理論空燃比になるように各燃料噴射弁１８、１９の燃料の噴射量を制御しているので、気筒２内の空燃比分布を理論空燃比に均一化することができる。これにより、未燃炭化水素の発生を抑制することができる。また、気筒２内全体の空燃比も理論空燃比となるので三元触媒を有効活用することができる。さらに、図７〜図９に示したように、気筒２内におけるＥＧＲガスの成層化を達成でき、点火プラグ１４がＥＧＲガスを含まない混合気に覆われるので安定的な燃焼を実現できる。また、第１燃料噴射弁１８の燃料の噴射期間が要求噴射期間よりも短くなるような場合でも、要求噴射期間に対する不足期間に第１吸気ポート８に噴射されるべき噴射量を第２燃料噴射弁１９が追加しているので、気筒２内全体の空燃比を理論空燃比に維持することができる。さらに、本形態の内燃機関１によれば、第２吸気弁１１が開弁する幾らか前から第２吸気ポート９に燃料を噴射しているので、第２吸気ポート９に充満している新気に燃料を均一に混合させることができる。

（第２の形態）
図１０は本発明の第２の形態に係る内燃機関１の要部を示している。なお、図１０は図１の一部に対応しており、上述した図１と共通する部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。図１０に示すように、本形態では、第１吸気ポート８の上流側端部に第１吸気ポート８を開閉する吸気ポート弁２３が追加されている。これにより、第１吸気弁１０が閉弁している時に吸気ポート弁２３を開けることで第１吸気ポート８にＥＧＲガスＧ１を充満させることができる。また、第１吸気弁１０が開弁した時に吸気ポート弁２３を閉めた状態にすることにより吸気ポート弁２３を開けた状態にした場合よりも第１吸気ポート８内の負圧が大きくなる。これにより、ＥＧＲ通路１６と第１吸気ポート８との差圧が大きくなるので第１吸気ポート８に導かれるＥＧＲガスＧ１の量が増加する。従って、吸気ポート弁２３を利用して気筒２のＥＧＲ率を高めることができる。

なお、本形態の吸気ポート弁２３を設ける位置は、第１吸気ポート８におけるＥＧＲ通路１６の接続部よりも上流であれば任意に設定することができる。

本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、ＥＣＵ２０は間欠的に燃料が噴射されるように第１燃料噴射弁１８を制御してもよい。これにより、第１吸気ポート８に充満したＥＧＲガスにより第１燃料噴射弁１８の噴射口にデポジットが付着したとしても固まる前にそのデポジットを除去することができる。第２燃料噴射弁１９の燃料の噴射時期は任意である。第２吸気弁１１が開弁してから燃料を噴射してもよい。

上記各形態では、第１吸気ポート８に充満したＥＧＲガスに燃料が混合されないように吸気行程において第１吸気弁１０が開弁してから所定期間が経過するまで燃料の噴射を停止しておき、その所定期間の経過後に燃料を噴射するように第１燃料噴射弁１８を制御しているが、こうした噴射時期の制御は内燃機関１の全運転領域で行われなくても良い。特定の運転状態においては噴射時期を任意に設定し、各吸気ポート８、９内が目標空燃比（理論空燃比）となるように燃料噴射量を制御することも可能である。

本発明の一形態に係る火花点火型内燃機関の要部を模式的に示した図。図１の気筒とその周辺の断面図。第１吸気ポートのＥＧＲガスの挙動を説明する説明図であって、第１吸気弁が閉弁している状態を示す図。第１吸気ポートのＥＧＲガスの挙動を説明する説明図であって、吸気行程初期の状態を示す図。第１吸気ポートのＥＧＲガスの挙動を説明する説明図であって、吸気行程中期から吸気行程終了までの状態を示す図。本発明のＥＣＵが実行する燃料噴射制御ルーチンの一例を示すフローチャート。第１燃料噴射弁の燃料の噴射期間が要求噴射期間以上の状態を説明するための図。第１燃料噴射弁の燃料の噴射期間が要求噴射期間よりも短い状態を説明するための図。吸気行程終了直後の気筒の上面図。図７のVIII−VIII線に沿った断面図。図７のIX−IX線に沿った断面図。本発明の第２の形態に係る火花点火型内燃機関を説明するための図。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
５吸気通路
６排気通路
８第１吸気ポート
９第２吸気ポート
１０第１吸気弁
１４点火プラグ
１５ＥＧＲ装置（ＥＧＲ手段）
１８第１燃料噴射弁
１９第２燃料噴射弁
２０エンジンコントロールユニット（燃料噴射制御手段）
Ｇ１ＥＧＲガス
Ｇ２第１吸気ポートに導かれる新気と燃料との混合気
Ｇ３第２吸気ポートに導かれる新気と燃料との混合気

Claims

気筒に開口する第１吸気ポート及び第２吸気ポートと、
前記気筒に配置された点火プラグと、
排気通路の排気の一部をＥＧＲガスとして前記第１吸気ポートに限定的に導入するＥＧＲ手段と、
前記第１吸気ポートに燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、
前記第２吸気ポートに燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、
吸気行程において前記第１吸気ポートの吸気弁が開弁してから所定期間が経過するまで前記第１吸気ポートへの燃料の噴射を停止し、前記所定期間の経過後に前記第１吸気ポートに燃料を噴射するように前記第１燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、を備えることを特徴とする火花点火型内燃機関。
前記所定期間は、前記第1吸気ポートの吸気弁が開弁してから前記第1吸気ポートに充満したＥＧＲガスが前記気筒内に導かれるまでの期間である請求項１に記載の火花点火型内燃機関。
前記燃料噴射制御手段は、前記第２吸気ポートの吸気弁が開弁する前から前記第２吸気ポートに燃料を噴射するように前記第２燃料噴射弁を制御する請求項１又は２に記載の火花点火型内燃機関。
前記燃料噴射制御手段は、前記第１燃料噴射弁の燃料の噴射期間が目標噴射量を噴射するのに必要な期間よりも短い場合、前記目標噴射量に対する不足噴射量を前記第２燃料噴射弁が噴射するように前記第２燃料噴射弁を制御する請求項１〜３のいずれか一項に記載の火花点火型内燃機関。
前記第１吸気ポートには、ＥＧＲガスが導入される位置よりも上流側に前記第１吸気ポートを開閉する吸気ポート弁が設けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載の火花点火型内燃機関。
前記燃料噴射制御手段は間欠的に燃料が噴射されるように前記第１燃料噴射弁を制御する請求項１〜５のいずれか一項に記載の火花点火型内燃機関。