JP2012002106A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを該筒内に備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、筒内に燃料を直接噴射した場合の性能を維持し、高い性能を得ることができる内燃機関を提供する。
【解決手段】排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段（ＥＧＲ装置）を備え、筒内への吸気中に、吸気通路に燃料を噴射することで筒内の乱れを強化し、燃焼安定性を向上する。特に、ＥＧＲを大量に導入する運転領域（主に低負荷、低負荷運転領域）で吸気行程噴射の割合を増やすと共に燃料圧力を高め、筒内の乱れを強化し、火炎伝播を促進して燃焼安定性を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置を該筒内に設けることなく性能向上を図ることができる内燃機関に関する。

内燃機関（エンジン）として、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを筒内に備えると共に、吸気通路に燃料を噴射するポート噴射インジェクタを吸気通路に備えたエンジンが知られている（例えば、特許文献１参照）。

直噴インジェクタとポート噴射インジェクタとを備えたエンジンでは、直噴インジェクタから筒内に高圧の燃料を直接噴射することで、点火プラグの周りに燃料が濃い混合気を集めることができる、所謂成層希薄燃焼によって、トータルとしての空燃比がリーンな状態で燃焼させることができ、燃費の大幅な低減が実現できる。そして、燃料の気化潜熱を吸気の冷却に利用し、混合気の温度を下げてノッキングの発生を抑制することができる。

更に、吸気の冷却により空気密度を高くできるので、全負荷時の吸入空気量を増大させて性能を向上させることができる。また、筒内に直接噴射した噴霧の運動量によって筒内の乱れを強化することができ、火炎伝播を促進し、燃焼安定性を向上させることができる。これによりＥＧＲ導入量を増加して、燃費が低減できる。また、ポート噴射インジェクタから吸気通路に燃料を噴射することで、筒内の流動が弱く、混合気の均質性が悪くなる低負荷の運転領域では、混合気の均質化を促進することができる。

しかし、直噴インジェクタとポート噴射インジェクタとを備えたエンジンでは、筒内に装着された直噴インジェクタの先端が、高温・高圧の燃焼ガスに曝されてしまう。このため、混合気の均質化を促進するためにポート噴射インジェクタから燃料を噴射する場合であっても、直噴インジェクタの先端を燃料噴射の冷却作用によって冷却するために、直噴インジェクタから燃料の噴射を継続する必要があり、ポート噴射インジェクタだけから燃料噴射を行うことができないのが現状であった。また、直噴インジェクタから噴射した燃料の一部は燃焼室壁に衝突し、液膜となった状態で燃焼するため、粒子状物質の排出が多いという問題があった。さらに、直噴インジェクタからは高圧で燃料を噴射する必要があるため、高圧ポンプの動力損失が性能に影響を及ぼす虞があった。

また、直噴インジェクタは耐温性・耐圧性の確保が必要になり、更に、先端が燃焼ガスに曝されるため、燃焼生成物や燃料の炭化により、運転条件によってはデポジットが堆積しやすく、デポジット対策が必要になっていた。このため、直噴インジェクタを備えた内燃機関では、燃料噴射系のコストが嵩んでしまう問題があった。

特開２００９−２２８４４７号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを該筒内に備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、筒内に燃料を直接噴射した場合の性能を維持し、高い性能を得ることができる内燃機関を提供することを目的とする。

特に、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段（ＥＧＲ装置）を備え、筒内への吸気中に、吸気通路に燃料を噴射することで筒内の乱れを強化し、燃焼安定性を向上させることができる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の内燃機関は、燃料を吸気通路内に噴射するインジェクタと、吸気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させる吸気行程噴射手段と、排気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させる排気行程噴射手段と、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段と、前記排気ガス還流手段による排気ガスの還流の状況を設定する設定手段と、前記設定手段による排気ガスの還流の状況に応じて前記吸気行程噴射手段と前記排気行程噴射手段の動作割合を制御する噴射制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、吸気行程噴射手段により吸気行程中に吸気通路内に燃料を噴射させ、吸気バルブが開いているときに燃料を筒内に流入させる。また、機関の回転速度及び負荷、燃料圧力に応じて、排気行程噴射手段により排気行程中に吸気通路内に燃料を噴射させる。吸気行程噴射手段と排気行程噴射手段の動作割合は噴射制御手段により制御される。

吸気行程噴射手段による燃料噴射では、吸気バルブが開いているときに燃料を噴射させることにより、壁面等への燃料の付着を抑制して燃料の気化潜熱を比熱の大きな壁面の冷却でなく、吸気の冷却に利用し、混合気の温度を下げてノッキングの発生を抑制すると共に、空気密度を高めて全負荷時の吸入空気量を増大させる。

また、吸気バルブが開いているときに燃料を噴射させることにより、筒内に成層混合気を形成し、燃料リッチ部分の混合気を点火プラグ周りに集め、火花点火による着火の安定性を向上させる。さらに、壁面への噴霧の衝突を抑制し、筒内に直接噴霧を流入させることで、噴霧の運動量によって筒内の乱れを強化することができ、火炎伝播を促進し、燃焼安定性を向上させる。インジェクタによる燃料噴射は、吸気バルブが開いているときに弁座と傘部の間を通過して筒内に燃料が向かうようにされる。

排気行程噴射手段による燃料噴射では、予め吸気ポート内で空気と混合した燃料（混合気）が筒内に吸入されるので、筒内の流動が弱く、混合気の均質性が悪くなる低負荷の運転領域で混合気の均質化を促進する。インジェクタは吸気通路に設けられているので、高温・高圧の燃焼ガスに曝されることがなく、耐温性・耐圧性の確保を要しない簡素な構造とされる。また、高圧の燃料を噴射する必要がないため、高圧ポンプが不要で、ポンプの動力損失による性能への影響を小さくすることができる。

そして、設定手段により排気ガス還流手段による排気ガスの還流の状況を設定し、排気ガスの還流の状況に応じて吸気行程噴射手段と排気行程噴射手段の動作割合を制御するので、排気ガスの還流量に応じて吸気行程で燃料を噴射することにより、筒内の乱れを強化することができる。

このため、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、即ち、吸気行程での燃料噴射と排気行程での燃料噴射の割合を運転状態に応じて設定することで、筒内に燃料を直接噴射した場合の性能を維持し、高い性能を得ることが可能になる。特に、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段（ＥＧＲ装置）を備え、筒内への吸気中に、吸気通路に燃料を噴射することで筒内の乱れを強化し、燃焼安定性を向上させることが可能になる。

そして、請求項２に係る本発明の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関において、前記設定手段は、機関の回転速度及び負荷に基づいて、前記排気ガスの目標還流量を設定することを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、排気ガスの目標還流量に基づいて吸気行程噴射手段と排気行程噴射手段の動作割合を制御することができる。

また、請求項３に係る本発明の内燃機関は、請求項１もしくは請求項２に記載の内燃機関において、前記噴射制御手段は、前記設定手段により設定された目標還流量が所定値を超えたと判断された場合、前記吸気行程噴射手段の動作割合を増やして吸気行程での燃料噴射割合を増加させることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、目標還流量が所定値を超えた際に、吸気行程噴射手段の動作割合を増やして吸気行程での燃料噴射割合を増加させ、筒内の乱れを強化することができる。

また、請求項４に係る本発明の内燃機関は、請求項３に記載の内燃機関において、前記噴射制御手段は、前記吸気行程噴射手段の動作割合を増やす際に、燃料圧力を高く設定することを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、吸気行程噴射手段の動作割合を増やす際に燃料圧力を高く設定することで、筒内の乱れを強化することができる。

また、請求項５に係る本発明の内燃機関は、請求項４に記載の内燃機関において、燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段を備え、前記排気ガス還流手段は、前記燃料圧力検出手段により検出された実燃料圧力が目標燃料圧力に満たない場合に、前記排気ガスの前記目標還流量を減少させることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、実際の燃料圧力が目標燃料圧力に満たない場合に、排気ガスの目標還流量を減少させて還流量を減量し、筒内の乱れの変化による燃費の悪化を抑制する。

本発明の内燃機関は、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを筒内に備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、筒内に燃料を直接噴射した場合の性能を維持し、高い性能を得ることが可能になる。

特に、排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段（ＥＧＲ装置）を備え、筒内への吸気中に（主に吸気の運動量の小さい低負荷、低回転領域）、吸気通路に燃料を噴射することで筒内の乱れを強化して火炎伝播を促進し、燃焼安定性を向上させることが可能になる。

本発明の一実施例に係る内燃機関の概略構成図である。 図１中の要部構成図である。 噴射制御の機能を表した概略ブロック図である。 燃料噴射の制御フローチャートである。 燃料噴射の制御フローチャートである。 ＥＧＲ量を設定するためのマップである。

図１、図２に基づいて本発明の内燃機関を説明する。

図１には本発明の一実施例に係る内燃機関の全体の概略構成、図２には吸気ポート周りの構成を示してある。

図に示すように、内燃機関（エンジン）であるエンジン本体（以下、エンジンと称する）１のシリンダヘッド２には気筒毎に点火プラグ３が取り付けられ、点火プラグ３には高電圧を出力する点火コイル４が接続されている。シリンダヘッド２には気筒毎に吸気ポート５（吸気通路）が形成され、各吸気ポート５の燃焼室６側には吸気バルブ７がそれぞれ設けられている。吸気バルブ７は、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト（図示省略）のカムに倣って開閉作動され、各吸気ポート５と燃焼室６との連通・遮断を行なうようになっている。

各吸気ポート５には吸気マニホールド９の一端がそれぞれ接続され、各吸気ポート５に吸気マニホールド９が連通している。シリンダヘッド２（または吸気マニホールド９）には電磁式の燃料噴射弁（インジェクタ）１０が取り付けられ、燃料タンクから燃料パイプ８を介してインジェクタ１０に燃料が供給される。

また、シリンダヘッド２には気筒毎に排気ポート１１が形成され、各排気ポート１１の燃焼室６側には排気バルブ１２がそれぞれ設けられている。排気バルブ１２は、エンジン回転に応じて回転するカムシャフト（図示省略）のカムに倣って開閉作動され、各排気ポート１１と燃焼室６との連通・遮断を行うようになっている。そして、各排気ポート１１には排気マニホールド１３の一端がそれぞれ接続され、各排気ポート１１に排気マニホールド１３が連通している。

尚、このようなエンジンは公知のものであるため、構成の詳細については省略してある。

インジェクタ１０の上流側における吸気マニホールド９には吸気管１４が接続され、吸気管１４には電磁式のスロットルバルブ１５が取り付けられ、スロットルバルブ１５の弁開度を検出するスロットルポジションセンサ１６が設けられている。アクセルペダル６１の踏み込み量がアクセルポジションセンサ６２で検出され、アクセルポジションセンサ６２の検出情報に基づいてスロットルバルブ１５が動作される。

スロットルバルブ１５の上流側には吸入空気量を計測するエアフローセンサ１７が設けられている。エアフローセンサ１７としては、カルマン渦流式やホットフィルム式のエアフローセンサが使用される。また、吸気マニホールド９とスロットルバルブ１５との間における吸気管１４にはサージタンク１８が設けられている。

排気マニホールド１３の他端には排気管２０が接続され、排気マニホールド１３には排気ガス循環ポート（ＥＧＲポート）２１が分岐している。ＥＧＲポート２１にはＥＧＲ管２２の一端が接続され、ＥＧＲ管２２の他端はサージタンク１８の上流部の吸気管１４に接続されている。サージタンク１８に近接するＥＧＲ管２２にはＥＧＲバルブ２３が設けられ、ＥＧＲバルブ２３が開かれることにより排気ガスの一部がＥＧＲ管２２を介してサージタンク１８の上流部の吸気管１４に導入される。

つまり、ＥＧＲ管２２及びＥＧＲバルブ２３により排気ガス還流手段（ＥＧＲ装置）が構成されている。ＥＧＲ装置は、排気ガスの一部をエンジン１の吸気系（サージタンク１８）に還流させ、エンジン１の燃焼室６内の燃焼温度を低下させ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させるための装置であり、ＥＧＲバルブ２３が開閉動作されることにより開度に応じて所定のＥＧＲ率で排気ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気系に還流される。

また、ＥＧＲ装置により排気ガスをエンジン１の吸気系に還流させることにより、スロットルバルブ１５で規制される空気量を減らすことができ、即ち、スロットルバルブ１５を開いても大量の空気が流入することがなく、スロットルバルブ１５の絞り損失を減少させることができる。

一方、吸気マニホールド９にはタンブルフラップ２５が設けられ、タンブルフラップ２５は負圧アクチュエータ等のアクチュエータ２６によって開閉される。タンブルフラップ２５はバタフライバルブやシャッターバルブ等の開閉式のバルブで構成され、タンブルフラップ２５は、図１に示したように、吸気通路の下半分を開閉するようになっている。即ち、タンブルフラップ２５を閉じることにより、吸気通路の断面の上側に開口部を形成し、吸気通路の断面積を狭くすることで燃焼室６の内部に縦タンブル流を発生させるようになっている。

また、サージタンク１８の上流部の吸気管１４には過給機５１が備えられ、過給機５１はエンジン１の排気ガスが、排気マニホールド１３に設けられた排気タービン５１ａを回転させ、排気タービン５１ａに直結した吸気コンプレッサ５１ｂの作動により、吸気が加圧されて体積密度が高められ、加圧されて体積密度が高められた吸気が燃焼室６に送られる。つまり、吸気が過給されてトルクを増大させることができる。

尚、過給機５１として、排気ターボ式の過給機を例示したが、エンジン１の出力軸から動力が伝達されて作動する過給機や、電動アクチュエータの動力により作動する過給機を適用することも可能である。

排気マニホールド１３に接続された排気管２０には、排気浄化触媒（例えば、三元触媒）５５が介装され、排気浄化触媒５５により排気ガスが浄化される。例えば、排気浄化触媒５５では、排気空燃比が理論空燃比（ストイキ）近傍の時に排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等が浄化される。また、排気空燃比が酸化雰囲気（リーン空燃比）になった際に、ＨＣやＣＯが酸化・浄化されると共に、排気空燃比が還元雰囲気（リッチ空燃比）となるまで酸素（Ｏ_２）がストレージされ、リッチ空燃比となった際に、ＮＯｘが還元・浄化されると共に、ストレージされたＯ_２が放出され、ＨＣやＣＯが酸化・浄化される。

エンジン１には、吸気バルブ７及び排気バルブ１２のリフト量及びリフト時期（バルブ動作状態）を任意に変更する可変動弁機構６３が設けられ、可変動弁機構６３によりカムの位相が変更される等して、吸気バルブ７及び排気バルブ１２の動作状態が任意に設定される。例えば、排気バルブ１２が閉じる前に吸気バルブ７を開いて、排気バルブ１２と吸気バルブ７の開弁期間にオーバラップが形成される。

排気バルブ１２と吸気バルブ７の開弁期間にオーバラップを形成することにより、吸気の一部が排気に吹き抜け、排気ガス流量が増大して排気タービン５１ａに流入する排気ガス量が増加し、過給機５１による過給圧を上げることができる。また、過給圧が一定であっても、排気バルブ１２と吸気バルブ７の開弁期間のオーバラップを大きくすることにより、筒内の残留ガスが掃気されて新気量が増加し、トルクを増大させることができる。

また、燃料パイプ８にはインジェクタ１０に供給される燃料の圧力（実燃料圧力）を検出する燃料圧力センサ６４が備えられている。更に、エンジン１には、クランク角を検出してエンジン回転速度（Ｎｅ）を求めるクランク角センサ３２、冷却水温を検出する水温センサ３３が備えられている。

ＥＣＵ（電子コントロールユニット）３１は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えている。このＥＣＵ３１により、エンジン１の総合的な制御が行われる。

ＥＣＵ３１の入力側には、上述したスロットルポジションセンサ１６、エアフローセンサ１７、クランク角センサ３２、水温センサ３３、アクセルポジションセンサ６２、燃料圧力センサ６４等の各種センサ類が接続され、これらセンサ類からの検出情報が入力される。また、ＥＣＵ３１には、可変動弁機構６３の情報が入力され、吸気バルブ７及び排気バルブ１２のリフト量及びリフト時期の情報が送られる。

一方、ＥＣＵ３１の出力側には、上述の点火コイル４、スロットルバルブ１５、インジェクタ１０の駆動装置、ＥＧＲバルブ２３、タンブルフラップ２５のアクチュエータ２６、可変動弁機構６３等の各種出力デバイスが接続されている。これら各種出力デバイスには、各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ３１で演算された燃料噴射量、燃料噴射期間、燃料噴射時期、点火時期、ＥＧＲバルブ２３の操作時期・操作量（排気ガスの還流量：ＥＧＲ量）、タンブルフラップ２５の操作時期、吸気バルブ７及び排気バルブ１２の動作状態（バルブ動作状態）等がそれぞれ出力される。

各種センサ類からの検出情報に基づき空燃比が適正な目標空燃比に設定され、目標空燃比に応じた量の燃料が適正なタイミングでインジェクタ１０から噴射され、また、スロットルバルブ１５が適正な開度に調整され、点火プラグ３により適正なタイミングで火花点火が実施される。

本実施例のエンジン１は、吸気行程中にインジェクタ１０から燃料を噴射すると共に排気行程中にインジェクタ１０から燃料を噴射するようにされる。尚、噴射した燃料が吸気バルブ７の近傍に到達した際に吸気バルブ７が開弁していれば吸気行程噴射と定義し、吸気バルブ７が開弁前である場合を排気行程噴射と定義する。実際にはインジェクタ駆動指令から燃料が吸気バルブ７の近傍に到達するまでインジェクタ針弁の開弁遅れやインジェクタ１０から吸気バルブ７までの輸送遅れなど時間遅れが存在するので、吸気行程噴射のインジェクタ駆動指令が排気行程中に行われる場合もある。

吸気行程中に（吸気バルブ７が開いている間に）燃料を噴射することにより、吸気ポート５や吸気バルブ７の傘部等への燃料の付着を抑制して燃料の気化潜熱を吸気の冷却に利用できる。

このため、混合気の温度を下げてノッキングの発生を抑制すると共に、空気密度を高めて全負荷時の吸入空気量を増大させ、ポート噴射であっても、吸気冷却の効果を最大限に引き出すことができる。また、吸気行程中に燃料を噴射することにより、筒内に成層混合気を形成し、燃料リッチ部分の混合気を点火プラグ周りに集めることで、火花点火による着火の安定性を向上することができる。

図２に示すように、インジェクタ１０による燃料噴射は、吸気バルブ７が開いているときに吸気ポート５の弁座と吸気バルブ７の傘部の間を通過して燃焼室６内に燃料が向かうようにされる。この場合、弁軸を挟んで図中上側に燃料を偏在させることにより、燃料噴射の誘起する流動によって燃焼室６内でのタンブル流を強化することができる。また、弁軸を挟んで左右方向のいずれかに燃料を偏在させることにより、燃焼室６内でのスワール流を強化することができる。

つまり、壁面への噴霧の衝突を抑制し、筒内に直接噴霧を流入することで、噴霧の運動量によって筒内流動及び乱れを強化することができ、火炎伝播を促進し、燃焼安定性を向上することができる。

排気行程中にインジェクタ１０から燃料を噴射することにより、吸気ポート５の内部で燃料と空気が十分に均質混合された混合気が得られる。インジェクタ１０は吸気ポート５に設けられているので、高温・高圧の燃焼ガスに曝されることがなく、耐温性・耐圧性の確保を要しない簡素な取り付け構造とされる。また、高圧の燃料を噴射する必要がないため、ポンプの動力損失による性能への影響を小さくすることができる。

このため、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを備えることなく、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、即ち、吸気行程での燃料噴射と排気行程での燃料噴射の割合を運転状態に応じて設定することで、筒内に燃料を直接噴射した場合の性能を維持し、高い性能を得ることが可能になる。

吸気行程中の燃料噴射と排気行程中の燃料噴射の割合は、エンジン１の運転状況に応じてＥＣＵ３１の噴射制御手段により設定される。

そして、ＥＧＲバルブ２３が開閉動作されることにより開度に応じて所定のＥＧＲ率で排気ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気系に還流され、エンジン１の燃焼室６内の燃焼温度が低下して、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が低減される。また、ＥＧＲ装置により排気ガスをエンジン１の吸気系に還流させることにより、スロットルバルブ１５で規制される空気量を減らし、スロットルバルブ１５の絞り損失を減らして燃費を低減させることができる。

このため、本実施例では、筒内流動および乱れの弱い、低負荷、低回転領域であっても、燃料噴射の運動量で吸気に乱れを生じさせることができることに着目し、ＥＧＲ装置により排気ガスを還流させることで燃費を低減する。具体的には、ＥＧＲ装置による排気ガスの還流量（ＥＧＲ量）に応じて、吸気行程噴射の割合を増やしている。一般に、排気ガスの還流量が増加すると、筒内の酸素濃度が低下して、燃焼安定性が悪化するが、吸気行程噴射の割合を増やすことにより、筒内の乱れを促進し、火炎伝播を促進して燃焼安定性を向上させることができる。

図３から図６に基づいて具体的な制御の状況を説明する。

図３には噴射制御の機能を表した概略ブロック、図４、図５には噴射制御手段による燃料噴射の状況を説明するフロー、図６にはＥＧＲ量を設定するためのマップを示してある。

図３に示すように、ＥＣＵ３１には、クランク角センサ３２の検出情報によるエンジン回転速度（Ｎｅ）、エアフローセンサ１７の検出情報、アクセルポジションセンサ６２の検出情報、燃料圧力センサ６４の検出情報による実燃料圧力（Ｐｒｅａｌ）、可変動弁機構６３の情報による位相・リフト情報（バルブ位相、バルブリフト）の情報が入力される。

ＥＣＵ３１には、エンジン１のエンジン回転速度（Ｎｅ）及び負荷（吸気量等）に応じて燃料圧力（目標燃料圧力：Ｐｏｂｊ）を設定する燃料圧力設定手段７１が備えられ、燃料圧力設定手段７１で設定された目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）は噴射制御手段７２に送られる。噴射制御手段７２では、目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）と、エンジン１のエンジン回転速度（Ｎｅ）及び負荷（吸気量等）に応じて、吸気行程噴射での燃料噴射と排気行程噴射での燃料噴射の割合が設定される。

ＥＣＵ３１では、エンジン１の運転状態、例えば、回転速度と負荷に基づいて、排気ガスの目標還流量（目標ＥＧＲ量）が設定され（設定手段）、また、目標ＥＧＲ量が所定値を超えているか否かが判断される。

また、ＥＣＵ３１には、吸気行程中にインジェクタ１０から燃料を噴射させる吸気行程噴射手段７３と、排気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させる排気行程噴射手段７４が備えられている。吸気行程噴射手段７３及び排気行程噴射手段７４からインジェクタ１０に駆動指令が送られ、所定の行程時期に所定量の燃料が噴射される。そして、噴射制御手段７２は、目標ＥＧＲ量に応じて吸気行程での燃料の噴射を増やすように吸気行程噴射手段７３の動作割合を増加させるようになっている。

吸気行程噴射手段７３及び排気行程噴射手段７４には、噴射制御手段７２で設定された吸気行程噴射での燃料噴射と排気行程噴射での燃料噴射の割合の情報が送られ、割合の情報に応じて吸気行程噴射手段７３及び排気行程噴射手段７４からインジェクタ１０に駆動指令が送られる。

また、ＥＣＵ３１により、吸気行程噴射手段７３の動作割合を増加させた際には、燃料噴射の燃料圧力が高く設定される。更に、ＥＣＵ３１により、実際の燃料圧力が目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）に満たない場合、目標ＥＧＲ量が減少するようにＥＧＲ装置が制御される。

図４から図６に基づいて具体的な処理の状況を説明する。

図４に示すように、処理がスタートすると、ステップＳ１でエンジン回転速度（Ｎｅ）とアクセル開度（θａｐｓ）から目標トルク（Ｔｏｂｊ）を算出する。ステップＳ２で目標ＥＧＲ量（目標ＥＧＲ導入量：Ｍｅｇｒ）をＥＣＵマップから読み込む。目標ＥＧＲ導入量（Ｍｅｇｒ）は、図６のＥＣＵマップに示すように、目標トルク及びエンジン回転速度が低い領域で、即ち、低負荷、低回転領域で大量のＥＧＲ導入量（大ＥＧＲ）となるように設定されている。

つまり、低負荷、低回転領域でＥＧＲ導入量を多くし、スロットルバルブ１５で規制される空気量を減らし、スロットルバルブ１５の絞り損失を減らして燃費を低減させることができる。また、燃焼室６内の燃焼温度を低下させ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させるようになっている。

ステップＳ３で目標ＥＧＲ導入量（Ｍｅｇｒ）が所定値よりも大きいか否かが判断され、目標ＥＧＲ導入量（Ｍｅｇｒ）が所定値（所定量）よりも大きいと判断された場合、即ち、低負荷、低回転領域などでＥＧＲ導入量が多いと判断され、図５のフローチャートに移行し（Ａ）、吸気行程での燃料の噴射が増加され、燃料圧力が高くされる。

ステップＳ３で目標ＥＧＲ導入量（Ｍｅｇｒ）が所定値よりも大きくないと判断された場合、即ち、ＥＧＲを大量に導入する運転領域ではないと判断され、図５のフローチャートに移行し（Ｂ）、運転状態に応じて吸気行程噴射手段７３及び排気行程噴射手段７４の動作割合が設定される。

つまり、詳細は図５のフローチャートで後述するが、低負荷、低回転領域などでＥＧＲ量が多い場合、吸気行程噴射の割合を増やし、筒内の乱れを強化することで、火炎伝播を促進して燃焼安定性を向上させるように制御する。

ステップＳ３で目標ＥＧＲ導入量（Ｍｅｇｒ）が所定値よりも大きいと判断された場合、図５のフローチャートのステップＳ４に移行する（Ａ）。ステップＳ４で目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）及び目標吸気行程噴射割合（Ｒｉｎ：％）をＥＣＵマップから読込・設定する。この時のＥＣＵマップは、目標ＥＧＲ導入量が大きい時のマップ（大ＥＧＲ用のマップ）であり、目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）がＰｈｅｇｒと設定され、目標吸気行程噴射割合（Ｒｉｎ）がＲｈｅｇｒと設定される。

Ｐｈｅｇｒは、後述する、ＥＧＲを大量に導入する運転領域ではない状況でのマップの燃料圧力（Ｐｌｅｇｒ）以上の値に設定されている（Ｐｈｅｇｒ≧Ｐｌｅｇｒ）。また、Ｒｈｅｇｒは、後述する、ＥＧＲを大量に導入する運転領域ではない状況でのマップの吸気行程噴射割合（Ｒｌｅｇｒ）よりも大きな値に設定されている（Ｒｈｅｇｒ＞Ｒｌｅｇｒ）。

ステップＳ５で吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）と排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）をＥＣＵマップから読込・設定する。この時のＥＣＵマップは、目標ＥＧＲ導入量が大きい時のマップ（大ＥＧＲ用のマップ）である。燃料の噴射は、吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）と排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）が固定され、吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）及び排気行程噴射終了時期（θｅｏｉｅ）が可変とされる。

ステップＳ６に進み、燃料圧力センサ６４から実燃圧（Ｐｒｅａｌ）が検出され、ステップＳ７で実燃圧（Ｐｒｅａｌ）が目標燃圧（Ｐｏｂｊ）以上か否かが判断される。ステップＳ７で実燃圧（Ｐｒｅａｌ）が目標燃圧（Ｐｏｂｊ）以上であると判断された場合、ステップＳ８で目標スロットル開度（θｔｐｓ）、ＥＧＲバルブ２３の目標となる開度である目標ＥＧＲバルブ開度（θｅｇｒ）及び目標燃料噴射量（θｏｂｊ）、吸気行程噴射期間（Ｄｆｉ）、排気行程噴射期間（Ｄｆｅ）を演算・設定し、リターンとなる。

つまり、低負荷、低回転領域などでＥＧＲ量が多く燃焼安定性が悪化する条件で、吸気行程噴射の割合を増加して筒内に燃料を噴射し、筒内の乱れを強化する。これにより、火炎伝播を促進して燃焼安定性を向上させることが可能になる。

これにより、吸気行程噴射の割合を増加しない場合に比べて、ＥＧＲ導入量を多く設定することができ、スロットルバルブ１５で規制される空気量を減らし、スロットルバルブ１５の絞り損失を減らして燃費を低減させることができる。

ステップＳ７で実燃圧（Ｐｒｅａｌ）が目標燃圧（Ｐｏｂｊ）以上ではないと判断された場合、即ち、実燃圧（Ｐｒｅａｌ）が目標燃圧（Ｐｏｂｊ）を下回ると判断された場合、ステップＳ９で目標ＥＧＲ導入量を減量してステップＳ８に移行する。実燃圧（Ｐｒｅａｌ）が目標燃圧（Ｐｏｂｊ）を下回ると判断された場合は、過渡時に実燃圧（Ｐｒｅａｌ）が低下した場合も含むものである。

ステップＳ８では、減量した目標ＥＧＲ導入量に応じて目標スロットル開度（θｔｐｓ）、ＥＧＲバルブ２３の目標となる開度である目標ＥＧＲバルブ開度（θｅｇｒ）及び目標燃料噴射量（θｏｂｊ）、吸気行程噴射期間（Ｄｆｉ）、排気行程噴射期間（Ｄｆｅ）を演算・設定し、リターンとなる。

ステップＳ３で目標ＥＧＲ導入量（Ｍｅｇｒ）が所定値よりも大きくはないと判断された場合、図５のフローチャートのステップＳ１１に移行する（Ｂ）。ステップＳ１１で目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）及び目標吸気行程噴射割合（Ｒｉｎ：％）をＥＣＵマップから読込・設定する。この時のＥＣＵマップは、目標ＥＧＲ導入量が大きくない時のマップ（小ＥＧＲ用のマップ）であり、目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）がＰｌｅｇｒと設定され、目標吸気行程噴射割合（Ｒｉｎ）がＲｌｅｇｒと設定される。

Ｐｌｅｇｒは、前述した、ＥＧＲを大量に導入する運転領域でのマップの燃料圧力（Ｐｈｅｇｒ）以下の値に設定されている（Ｐｈｅｇｒ≧Ｐｌｅｇｒ）。また、Ｒｌｅｇｒは、前述した、ＥＧＲを大量に導入する運転領域でのマップの吸気行程噴射割合（Ｒｈｅｇｒ）よりも小さな値に設定されている（Ｒｈｅｇｒ＞Ｒｌｅｇｒ）。

ステップＳ１２で吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）と排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）をＥＣＵマップから読込・設定する。この時のＥＣＵマップは、目標ＥＧＲ導入量が小さい時のマップ（小ＥＧＲ用のマップ）である。燃料の噴射は、吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）と排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）が固定され、吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）及び排気行程噴射終了時期（θｅｏｉｅ）が可変とされる。

ステップＳ１２で吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）と排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）が設定された後、ステップＳ１３に進み、燃料圧力センサ６４から実燃圧（Ｐｒｅａｌ）が検出され、ステップＳ８に移行する。ステップＳ８では、ＥＧＲを大量に導入しない状況に応じて目標スロットル開度（θｔｐｓ）、ＥＧＲバルブ２３の目標となる開度である目標ＥＧＲバルブ開度（θｅｇｒ）及び目標燃料噴射量（θｏｂｊ）、吸気行程噴射期間（Ｄｆｉ）、排気行程噴射期間（Ｄｆｅ）を演算・設定し、リターンとなる。

上述したエンジン１では、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタを備えることなく、インジェクタ１０から吸気通路への燃料噴射の状況と燃料圧力を制御することで、即ち、吸気行程での燃料噴射と排気行程での燃料噴射の割合と燃料圧力を運転状態に応じて設定し、排気ガス・燃費・出力の最適化を実現している。

このため、高負荷の領域では、吸気行程での燃料噴射により、筒内に燃料を直接噴射した場合の吸気冷却状態、充填効率向上の状態を維持して、ノッキングを抑制する等の高い性能を得ることが可能になる。また、低負荷の領域では、燃料ポンプの動力損失を低減した状態で、排気行程での吸気通路への燃料噴射により、混合悪化を防ぐことが可能になる。

そして、ＥＧＲを大量に導入する運転領域（主に低速、低負荷運転領域）には、吸気行程噴射の割合を増やすと共に燃料圧力を高め、筒内の乱れを強化している。従って、低負荷、低回転領域などでＥＧＲ量が多い場合、吸気行程噴射の割合を増やし、筒内の乱れを強化することで火炎伝播を促進し、燃焼安定性を向上させることが可能となり、ＥＧＲ導入量を増加することで、スロットルバルブ１５で規制される空気量を減らし、スロットルバルブ１５の絞り損失を減らして燃費を低減させることができる。

尚、上記実施形態では排気ガス還流手段としてＥＧＲ管及びＥＧＲバルブを用いて説明したが、吸気バルブの開弁タイミングや排気バルブの閉弁タイミングを変更することによりＥＧＲ導入量を制御するものにも適用できる。

本発明は、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置を該筒内に設けることなく性能向上を図ることができる内燃機関の産業分野で利用することができる。

１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ 点火プラグ
４ 点火コイル
５ 吸気ポート
６ 燃焼室
７ 吸気バルブ
８ 燃料パイプ
９ 吸気マニホールド
１０ 燃料噴射弁（インジェクタ）
１１ 排気ポート
１２ 排気バルブ
１３ 排気マニホールド
１４ 吸気管
１５ スロットルバルブ
１６ スロットルポジションセンサ
１７ エアフローセンサ
１８ サージタンク
２０ 排気管
２１ 排気ガス循環ポート（ＥＧＲポート）
２２ ＥＧＲ管
２５ タンブルフラップ
２６ アクチュエータ
３１ ＥＣＵ
３２ クランク角センサ
３３ 水温センサ
５１ 過給機
５５ 排気浄化触媒
６１ アクセルペダル
６２ アクセルポジションセンサ
６３ 可変動弁機構
６４ 燃料圧力センサ
７１ 燃料圧力設定手段
７２ 噴射制御手段
７３ 吸気行程噴射手段
７４ 排気行程噴射手段

Claims (5)

1. 燃料を吸気通路内に噴射するインジェクタと、
   吸気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させる吸気行程噴射手段と、
   排気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させる排気行程噴射手段と、
   排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気ガス還流手段と、
   前記排気ガス還流手段による排気ガスの還流の状況を設定する設定手段と、
   前記設定手段による排気ガスの還流の状況に応じて前記吸気行程噴射手段と前記排気行程噴射手段の動作割合を制御する噴射制御手段とを備えた
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記設定手段は、
   機関の回転速度及び負荷に基づいて、前記排気ガスの目標還流量を設定する
   ことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１もしくは請求項２に記載の内燃機関において、
   前記噴射制御手段は、
   前記設定手段により設定された目標還流量が所定値を超えたと判断された場合、前記吸気行程噴射手段の動作割合を増やして吸気行程での燃料噴射割合を増加させる
   ことを特徴とする内燃機関。
4. 請求項３に記載の内燃機関において、
   前記噴射制御手段は、
   前記吸気行程噴射手段の動作割合を増やす際に、燃料圧力を高く設定する
   ことを特徴とする内燃機関。
5. 請求項４に記載の内燃機関において、
   燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段を備え、
   前記排気ガス還流手段は、
   前記燃料圧力検出手段により検出された実燃料圧力が目標燃料圧力に満たない場合に、前記排気ガスの前記目標還流量を減少させる
   ことを特徴とする内燃機関。
   
   

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