JP2012067681A

JP2012067681A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2012067681A
Application number: JP2010213164A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sakai; 洋志坂井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】この発明は、吸気弁の傘部への燃料付着による排気エミッションの悪化を良好に抑制することを目的とする。
【解決手段】同一気筒に対して備えられた２つの吸気ポート２４ａ、２４ｂと、当該吸気ポート２４ａ、２４ｂのそれぞれを開閉する吸気弁３０ａ、３０ｂと、吸気ポート２４ａ、２４ｂにそれぞれ設置され、燃料が吸気弁３０ａ、３０ｂの傘部３０ａ１、３０ｂ１と吸気ポート２４ａ、２４ｂの開口部との間を通過して直接筒内に流入するように噴射可能な燃料噴射弁２６ａ、２６ｂと、を備える。第１吸気弁３０ａおよび第２吸気弁３０ｂのリフト量を互いに異ならせることが可能な吸気可変動弁機構４２を備える。第１吸気弁３０ａと第２吸気弁３０ｂのリフト量との差が大きいほど、リフト量が小さい第２吸気弁３０ｂ側の第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力を弱くする。
【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１には、２つの吸気ポートと、これら２つの吸気ポートをそれぞれ開閉する２つの吸気弁と、これら２つの吸気ポートのそれぞれに設置された燃料噴射弁とを各気筒に備え、かつ、各気筒の上記２つの吸気弁のリフト量を互いに異ならせることが可能な可変動弁機構を更に備える可変動弁式内燃機関が開示されている。

また、従来、例えば特許文献２には、吸気弁の傘部と吸気ポートの開口部との間を通過して筒内に直接燃料が流入できるようにするために、吸気ポートにおける燃焼室に比較的近い部位に燃料噴射弁を備えるようにした内燃機関が開示されている。このような構成を有する燃料噴射弁を備えておくことで、吸気行程中において行われる燃料噴射（いわゆる、吸気同期噴射）を利用して、高圧ポンプ等を設けなくても筒内に燃料を直接噴射することができる。

特開２００７−３２１７６７号公報特開２００６−１２５３３３号公報

ところで、上記特許文献１に記載の燃料噴射弁を上記特許文献２に記載の構成のように燃焼室に近接させて配置した場合には、次のような問題が生ずる。すなわち、リフト量が小さい方の吸気弁では、リフト動作中の吸気弁の傘部と燃料噴射弁との距離が短くなる。そうすると、吸気弁と燃料噴射弁との距離に対し、燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力が過大となってしまう。その結果、燃料噴射時（吸気同期噴射時）に吸気弁の傘部に付着する燃料量が多くなる。これにより、所定の目標空燃比に対する実空燃比のずれが生じ、排気エミッションが悪化してしまうことが懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、複数の吸気ポートのうちの少なくとも２つにそれぞれ設置され、かつ、燃料が吸気弁の傘部と吸気ポートの開口部との間を通過して直接筒内に流入するように噴射可能な燃料噴射弁と、同一気筒内の第１吸気弁および第２吸気弁のリフト量を互いに異ならせることが可能な可変動弁機構を備える内燃機関において、吸気弁の傘部への燃料付着による排気エミッションの悪化を良好に抑制し得る内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、
同一気筒に対して備えられた複数の吸気ポートと、
前記複数の吸気ポートのそれぞれを開閉する吸気弁と、
前記複数の吸気ポートのうちの少なくとも２つにそれぞれ設置され、燃料が前記吸気弁の傘部と前記吸気ポートの開口部との間を通過して直接筒内に流入するように噴射可能な燃料噴射弁と、を備える内燃機関であって、
前記吸気弁は、前記少なくとも２つの燃料噴射弁が設置される前記少なくとも２つの吸気ポートのうちの１または複数を個別に開閉する第１吸気弁と、前記少なくとも２つの燃料噴射弁が設置される前記少なくとも２つの吸気ポートのうちの他の１または複数を個別に開閉する第２吸気弁と、を含み、
前記内燃機関は、
前記第１吸気弁および前記第２吸気弁のリフト量を互いに異ならせることが可能な可変動弁機構と、
前記第１およびまたは第２吸気弁のリフト量に応じて、前記少なくとも２つの燃料噴射弁のうちの少なくとも１つの燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を変更する燃料貫徹力制御手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第２吸気弁は、前記第１吸気弁に比してリフト量が小さくなるように制御される吸気弁であって、
前記燃料貫徹力制御手段は、前記第２吸気弁により開閉される前記吸気ポートに設置された前記燃料噴射弁（以下、「第２燃料噴射弁」という。）から噴射される燃料の貫徹力が、前記第１吸気弁により開閉される前記吸気ポートに設置された前記燃料噴射弁（以下、「第１燃料噴射弁」という。）から噴射される燃料の貫徹力よりも弱くなるように制御することを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記燃料貫徹力制御手段は、前記第１吸気弁と前記第２吸気弁とのリフト量の差が大きいほど、前記第１燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力と前記第２燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力との差が大きくなるように制御することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記燃料貫徹力制御手段は、前記燃料噴射弁に内蔵されるニードルのリフト量を変更することによって前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を変更することを特徴とする。

第１の発明によれば、第１およびまたは第２吸気弁のリフト量に応じて、少なくとも２つの燃料噴射弁のうちの少なくとも１つの燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力が変更される。このような構成を有する本発明の内燃機関によれば、リフト量が小さく制御される第１およびまたは第２吸気弁により開閉される吸気ポートに設置された燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を弱めることにより、吸気弁の傘部への燃料付着による排気エミッションの悪化を良好に抑制することができる。

第２の発明によれば、リフト量が小さく制御される第２吸気弁により開閉される吸気ポートに設置された燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を弱めることにより、第２吸気弁の傘部への燃料付着による排気エミッションの悪化を良好に抑制することができる。

第２吸気弁のリフト量がより小さく制御されるほど、第２吸気弁の傘部に付着する燃料量がより多くなる。第３の発明によれば、第１吸気弁と第２吸気弁とのリフト量の差が大きいほど、第１燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力と第２燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力との差が大きくなるように制御される。これにより、上記リフト量差の増大に伴う第２吸気弁の傘部への燃料付着量の増加を良好に防止することができる。

第４の発明によれば、ニードルのリフト量を変更することによって燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を変更することにより、例えば、燃料ポンプを制御して燃料噴射弁に供給される燃料圧力を調整する場合と比べ、より応答性良く燃料の貫徹力を変更することが可能となる。

本発明の実施の形態１の内燃機関の構成を説明するための図である。図１に示す吸気ポートの周辺の詳細な構成を説明するための図である。図１に示す燃料噴射弁の内部構造を説明するための断面図である。燃料の貫徹力とニードルのリフト量との関係を示す図である。第１および第２吸気弁のリフト量差に応じた、第１および第２燃料噴射弁のニードルのリフト量の設定を示す図である。本発明の実施の形態１の構成の効果を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０の構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）１０を備えている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２が設けられている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２の頂部側に燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６の入口近傍には、吸気通路１６に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。エアフローメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２は、アクセル開度と独立してスロットル開度を制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。

内燃機関１０の各気筒の吸気ポート２４には、燃料を噴射するための燃料噴射弁２６が設けられている。また、内燃機関１０が備えるシリンダヘッドには、燃焼室１４の頂部から燃焼室１４内に突出するように点火プラグ２８が取り付けられている。各吸気ポート２４の端部には、吸気ポート２４を開閉するための吸気弁３０が設けられており、各排気ポート３２の端部には、排気ポート３２を開閉するための排気弁３４が設けられている。

図２は、図１に示す吸気ポート２４の周辺の詳細な構成を説明するための図である。図２に示すように、本実施形態の内燃機関１０は、同一気筒に対して２つの吸気ポート２４と、これら２つの吸気ポート２４のそれぞれを開閉するための吸気弁３０としての第１吸気弁３０ａおよび第２吸気弁３０ｂとを備えている。以下、説明の便宜上、第１吸気弁３０ａにより開閉される吸気ポート２４を「第１吸気ポート２４ａ」と称し、第２吸気弁３０ｂにより開閉される吸気ポート２４を「第２吸気ポート２４ｂ」と称する。

また、図２に示すように、上記燃料噴射弁２６は、それぞれ、燃料を吸気弁３０ａ、３０ｂの傘部３０ａ１、３０ｂ１（図６参照）と吸気ポート２４ａ、２４ｂの開口部との間を通過させて直接筒内に流入できるようにするために、各吸気ポート２４ａ、２４ｂに近接して設置されている。以下、説明の便宜上、第１吸気ポート２４ａに設置される燃料噴射弁２６を「第１燃料噴射弁２６ａ」と称し、第２吸気ポート２４ｂに設置される燃料噴射弁２６を「第２燃料噴射弁２６ｂ」と称する。

図３は、図１に示す燃料噴射弁２６の内部構造を説明するための断面図である。図３に示すように、燃料噴射弁２６は、燃料が噴射される噴孔３６と、燃料噴射弁２６の内部を電磁力により往復移動するニードル３８とを備えている。ニードル３８の周囲には、燃料タンク（図示省略）から燃料ポンプ（図示省略）を用いて圧送された高圧の燃料が供給されている。燃料噴射弁２６に供給された燃料は、ニードル３８がシート部４０に着座した状態では噴孔３６から噴射されず、ニードル３８がシート部４０から離座することにより噴孔３６から外部へ噴射される。また、燃料噴射弁２６は、後述するＥＣＵ５０に電気的に接続されており、ＥＣＵ５０により燃料噴射弁２６の電磁力が制御されることにより、ニードル３８のリフト量が調整可能となっている。

図４は、燃料の貫徹力とニードル３８のリフト量との関係を示す図である。図４に示すように、燃料噴射弁２６により噴射された燃料の貫徹力（噴射された燃料の到達距離を表す指標値）は、ニードル３８のリフト量が大きくなるほど、燃料噴射弁２６内の絞り部の圧力損失が低減するので、より強くなる。

また、図１に示すように、本実施形態の内燃機関１０は、各気筒の吸気弁３０を駆動するための吸気可変動弁機構４２を備えている。吸気可変動弁機構４２は、各気筒において、第１吸気弁３０ａおよび第２吸気弁３０ｂのリフト量を互いに異ならせることが可能な公知の機構であるものとする。また、吸気可変動弁機構４２は、ここでは、第２吸気弁３０ｂのリフト量が、必要に応じて第１吸気弁３０ａのリフト量よりも小さくなるように制御されるものであるとする。

図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力には、上述したエアフローメータ２０等の内燃機関１０の運転状態を検知するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力には、上述した各種のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御するものである。

上述した燃料噴射弁２６は、吸気行程中において行われる燃料噴射（いわゆる、吸気同期噴射）時に、吸気弁３０の傘部と吸気ポート２４の開口部との間を通過して筒内に直接流入できるように燃料を噴射可能である。しかしながら、吸気同期噴射時に上記吸気可変動弁機構４２を用いて第１吸気弁３０ａおよび第２吸気弁３０ｂのリフト量を互いに異ならせる場合、リフト量が小さい方の第２吸気弁３０ｂでは、リフト動作中の第２吸気弁３０ｂの傘部３０ｂ１と第２燃料噴射弁２６ｂとの距離が短くなる。そうすると、第２吸気弁３０ｂと第２燃料噴射弁２６ｂとの距離に対し、第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力が過大となってしまう。その結果、燃料噴射時（吸気同期噴射時）に第２吸気弁３０ｂの傘部３０ｂ１に付着する燃料量が多くなる。これにより、所定の目標空燃比に対する実空燃比のずれが生じ、排気エミッション（例えばＣＯやＨＣの排出量）が悪化してしまうことが懸念される。また、傘部３０ｂ１への燃料の付着増大により、燃料の気化潜熱による吸気の冷却効果が低下してしまうことが懸念される。

そこで、本実施形態では、第１吸気弁３０ａのリフト量と第２吸気弁３０ｂのリフト量との差に応じて、第１燃料噴射弁２６ａと比べて第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力を変更するようにした。より具体的には、以下の図５に示すように、第１吸気弁３０ａのリフト量と第２吸気弁３０ｂのリフト量との差に応じて、第２燃料噴射弁２６ｂのニードル３８のリフト量を変更するようにした。

図５は、第１および第２吸気弁３０ａ、３０ｂのリフト量差に応じた、第１および第２燃料噴射弁２６ａ、２６ｂのニードル３８のリフト量の設定を示す図である。
既述したように、燃料噴射弁２６ａ、２６ｂから噴射される燃料の貫徹力は、ニードル３８のリフト量を変更することによって変更することができる。そこで、本実施形態では、図５に示すように、第１吸気弁３０ａのリフト量と第２吸気弁３０ｂのリフト量との差が大きくなるほど、第２燃料噴射弁２６ｂのニードル３８のリフト量を、上記リフト量差に応じて変更されない第１燃料噴射弁２６ａのニードル３８のリフト量に比べて、より小さくなるようにした。言い換えれば、上記リフト量差が大きくなるほど、第１燃料噴射弁２６ａから噴射される燃料の貫徹力と第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力との差が大きくなるようにした。

図６は、本発明の実施の形態１の構成の効果を説明するための図であり、吸気同期噴射時の第１および第２燃料噴射弁２６ａ、２６ｂの動作を示している。
上記図５に示す設定によれば、リフト量の小さい第２吸気弁３０ｂ側では、図６（Ｂ）に示すように、第２燃料噴射弁２６ｂのニードル３８のリフト量が、図６（Ａ）に示す第１燃料噴射弁２６ａのニードル３８のリフト量に比べて小さくされる。これにより、図６（Ｂ）に示すように、第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力が、図６（Ａ）に示す第１燃料噴射弁２６ａの貫徹力よりも弱くなるように制御される。

以上説明したように、本実施形態では、第２吸気弁３０ｂのリフト量が小さい場合には、第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力を弱めることにより、燃料を吸気流により多く乗せながら筒内に流入させられるようになる。これにより、第２吸気弁３０ｂの傘部３０ｂ１に直接付着する燃料噴霧を減少させることができる。その結果、排気エミッション（例えばＣＯやＨＣの排出量）が悪化してしまうのを防止することができる。また、燃料の気化潜熱による吸気の冷却効果の低下を防止することができる。

また、第２吸気弁３０ｂのリフト量がより小さく制御されるほど、第２吸気弁３０ｂの傘部３０ｂ１に付着する燃料量がより多くなる。本実施形態では、第１吸気弁３０ａと第２吸気弁３０ｂとのリフト量の差が大きいほど、第１燃料噴射弁２６ａから噴射される燃料の貫徹力と第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力との差が大きくなるように制御される。これにより、上記リフト量差の増大に伴う第２吸気弁３０ｂの傘部３０ｂ１への燃料付着量の増加を良好に防止することができる。

また、本実施形態では、第２燃料噴射弁２６ｂのニードル３８のリフト量を変更することによって、第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力を変更するようにしている。燃料の貫徹力は、ニードル３８のリフト量の変更以外にも、例えば、燃料ポンプを制御して第２燃料噴射弁２６ｂに供給される燃料圧力を調整することによっても変更することができる。しかしながら、本実施形態のようにニードル３８のリフト量の変更を用いることによって、より応答性良く燃料の貫徹力を変更することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、第１吸気弁３０ａのリフト量と第２吸気弁３０ｂのリフト量との差に応じて、第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力を変更するようにしている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第１吸気弁３０ａのリフト量および第２吸気弁３０ｂのリフト量のそれぞれの変化に応じて、第１燃料噴射弁２６ａおよび第２燃料噴射弁２６ｂのそれぞれから噴射される燃料の貫徹力を変更するものであってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が上記図５に示す設定に従って第２燃料噴射弁２６ｂから噴射される燃料の貫徹力を変更することにより前記第１の発明における「燃料貫徹力制御手段」が実現されている。

１０内燃機関
１４燃焼室
１６吸気通路
２４吸気ポート
２４ａ第１吸気ポート
２４ｂ第２吸気ポート
２６燃料噴射弁
２６ａ第１燃料噴射弁
２６ｂ第２燃料噴射弁
３０吸気弁
３０ａ第１吸気弁
３０ａ１第１吸気弁の傘部
３０ｂ第２吸気弁
３０ｂ１第２吸気弁の傘部
３６噴孔
３８ニードル
４０シート部
４２吸気可変動弁機構
５０ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims

同一気筒に対して備えられた複数の吸気ポートと、
前記複数の吸気ポートのそれぞれを開閉する吸気弁と、
前記複数の吸気ポートのうちの少なくとも２つにそれぞれ設置され、燃料が前記吸気弁の傘部と前記吸気ポートの開口部との間を通過して直接筒内に流入するように噴射可能な燃料噴射弁と、を備える内燃機関であって、
前記吸気弁は、前記少なくとも２つの燃料噴射弁が設置される前記少なくとも２つの吸気ポートのうちの１または複数を個別に開閉する第１吸気弁と、前記少なくとも２つの燃料噴射弁が設置される前記少なくとも２つの吸気ポートのうちの他の１または複数を個別に開閉する第２吸気弁と、を含み、
前記内燃機関は、
前記第１吸気弁および前記第２吸気弁のリフト量を互いに異ならせることが可能な可変動弁機構と、
前記第１およびまたは第２吸気弁のリフト量に応じて、前記少なくとも２つの燃料噴射弁のうちの少なくとも１つの燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を変更する燃料貫徹力制御手段と、
を更に備えることを特徴とする内燃機関。
前記第２吸気弁は、前記第１吸気弁に比してリフト量が小さくなるように制御される吸気弁であって、
前記燃料貫徹力制御手段は、前記第２吸気弁により開閉される前記吸気ポートに設置された前記燃料噴射弁（以下、「第２燃料噴射弁」という。）から噴射される燃料の貫徹力が、前記第１吸気弁により開閉される前記吸気ポートに設置された前記燃料噴射弁（以下、「第１燃料噴射弁」という。）から噴射される燃料の貫徹力よりも弱くなるように制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
前記燃料貫徹力制御手段は、前記第１吸気弁と前記第２吸気弁とのリフト量の差が大きいほど、前記第１燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力と前記第２燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力との差が大きくなるように制御することを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
前記燃料貫徹力制御手段は、前記燃料噴射弁に内蔵されるニードルのリフト量を変更することによって前記燃料噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を変更することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関。