JP2013122188A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダの内部に燃料を直接噴射する直噴インジェクタをシリンダの内部に備えることなく、シリンダ内に燃料を直接噴射した場合の性能を広い運転領域で維持する。
【解決手段】ノズル２６から高速な空気を供給して燃焼室６の内部に縦タンブル流（乱れ流）Ｑを生じさせることで、燃焼速度を向上させ、シリンダ内に燃料を直接噴射した場合の性能を広い運転領域で維持する。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気通路への燃料の噴射状態を的確に設定することで、シリンダの内部（筒内）に燃料を直接噴射する燃料噴射装置を該筒内に直接設けることなく、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、シリンダの内部（筒内）に備えられ筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタと、吸気通路に燃料を噴射するポート噴射インジェクタとを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、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、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。

近年、シリンダの内部に燃料を直接噴射する直噴インジェクタをシリンダの内部に備えることなく、吸気行程時における燃料噴射の状態を的確に制御することで、シリンダの内部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エンジンの開発が進められてきている。即ち、吸気行程時の吸気流動により燃料をシリンダの内部に直接送り込むようにしたエンジンの開発が進められてきている。

吸気行程時の吸気流動により燃料をシリンダの内部に直接送り込むようにしたエンジンにおいては、吸気ポートや吸気バルブへの燃料の付着を防止することができる。このため、例えば、過給運転時のバルブオーバラップ拡大による出力向上や、次の行程への燃料の持越しによる吹き抜け燃料の増加の防止、吸気冷却による充填効率の向上、ノッキング抑制による出力向上等、直噴インジェクタを備えた場合と同等の効果を得ることができる。

エンジンにおいてはシリンダ内の流体の流動状態を制御することで燃焼性能を向上できることが知られているが、吸気流動により燃料を送り込むようにしたエンジンであっても、シリンダ内の流体の流動状態を制御することで燃焼性能を向上させて広範囲の運転領域において燃焼性能を的確に向上させることができると考えられるのが現状である。

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、シリンダの内部に燃料を直接噴射する直噴インジェクタをシリンダの内部に備えることなく、シリンダの内部に燃料を直接噴射した場合の性能を維持し、シリンダ内の流体の流動状態を制御することで、広範囲の運転領域において燃焼性能を的確に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、吸気通路内に燃料を噴射するインジェクタと、前記吸気通路とシリンダの内部とを連通する吸気開口と、前記吸気開口の連通と遮断を行う吸気弁と、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を少なくとも含む燃料噴射手段と、前記インジェクタよりも吸気流れ方向下流側の前記吸気開口近傍の前記吸気通路内において、前記シリンダの中心部側に連なる吸気通路壁面から前記吸気弁の傘裏面の中心より前記シリンダの中心部側に向けて空気を供給する第１空気供給手段と、機関の運転状態に応じて、前記第１空気供給手段からの空気の供給を制御する空気供給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シリンダの内部に流入させる。空気供給制御手段により機関の運転状態に応じて第１空気供給手段からの空気の供給が制御され、シリンダの内部に乱れ流を生じさせて燃焼速度を向上させる。

これにより、シリンダの内部に燃料を直接噴射する直噴インジェクタをシリンダの内部に備えることなく、燃料の気化潜熱を吸気の冷却に利用してノッキングの発生を抑制し、また、吸気の冷却により空気密度を高くして、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。そして、運転状態に応じてシリンダ内の流体の流動状態を制御して（乱れ流を生じさせて）、広範囲の運転領域において燃焼性能を的確に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、前記第１空気供給手段は、前記吸気通路の前記吸気開口側のバルブスロート部に備えられていることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、第１空気供給手段から空気を供給することにより、バルブスロート部に沿ってシリンダの内部に空気を供給してシリンダ内にタンブル流を生じさせることができる。

また、請求項３に係る本発明の内燃機関は、請求項２に記載の内燃機関において、前記吸気開口近傍の前記吸気通路内において前記シリンダの外周部側に連なる吸気通路壁面に沿うように空気を供給する第２空気供給手段を備え、前記空気供給制御手段は、予め設定された所定流速に対して前記吸入空気の流速が変化した際に、変化状況に基づいて、前記第１空気供給手段及び前記第２空気供給手段からの空気の供給を制御することを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、所定流速に対して吸入空気の流速が変化した際に、第２空気供給手段及び第１空気供給手段からの空気の供給が制御され、燃料の輸送状態が的確に維持されると共に、燃料が微粒化される。このため、広範囲の運転領域において燃焼性能を的確に向上させることが可能になる。

また、請求項４に係る本発明の内燃機関は、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の内燃機関において、前記機関の運転状態は、少なくとも空燃比をリッチにする運転を含むことを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、例えば、排気温度が高くなるため空燃比をリッチにする運転状態の時に、シリンダ内に乱れ流を生じさせて燃焼速度を向上させ、空燃比をリッチにする運転状態であっても排気温度を低下させて燃焼性能を的確に向上させる。

また、請求項５に係る本発明の内燃機関は、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の内燃機関において、前記機関の運転状態は、更に点火時期を遅角させる運転を含むことを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、例えば、触媒を早期に活性化させるために点火時期を遅角させて燃焼が不安定になる運転状態の時に、シリンダ内に乱れ流を生じさせて燃焼速度を向上させて燃焼性能を的確に向上させる。

また、請求項６に係る本発明の内燃機関は、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の内燃機関において、前記機関の運転状態は、更に排ガスの一部を吸気系に還流する運転を含むことを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、排ガスの一部を吸気系に還流して燃費を向上させる運転の時に、シリンダ内に乱れ流を生じさせて燃焼速度を向上させて燃焼性能を的確に向上させる。

本発明の内燃機関は、シリンダの内部に燃料を直接噴射する直噴インジェクタをシリンダの内部に備えることなく、シリンダの内部に燃料を直接噴射した場合の性能を維持し、運転状態に応じてシリンダ内の流体の流動状態を制御して（乱れ流を生じさせて）、広範囲の運転領域において燃焼性能を的確に向上させることが可能になる。

本発明の一実施形態例に係る内燃機関の全体の概略構成図である。 燃料噴射のブロック構成図である。 吸気ポート周りの構成図である。 空気供給のブロック構成図である。 燃料の滞留を説明するための吸気ポート周りの構成図である。 燃料の滞留を説明するための吸気ポート周りの構成図である。

図１から図６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形態例に係る内燃機関の全体の概略構成、図２には燃料噴射のブロック構成、図３には吸気ポート周りの構成、図４には空気供給のブロック構成、図５、図６には燃料の滞留を説明するための吸気ポート周りの構成を示してある。

図１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はバルブスロート部５ａを介して吸気開口５ｂに接続されている。

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、吸気バルブ７が開閉作動してバルブスロート部５ａに対して着座と非着座を繰り返すことで、各吸気ポート５と燃焼室６との連通・遮断が繰り返して行なわれる。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する。

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。吸気マニホールド９（またはシリンダヘッド２）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。

吸気開口５ｂの近傍における吸気ポート５には、吸気ポート５内のシリンダの中心部側に、即ち、点火プラグ３寄りに空気を供給する第１空気供給手段としてのノズル２６が備えられている。つまり、ノズル２６は、インジェクタ１０よりも吸気流れ方向下流側の吸気開口近傍の吸気ポート５において、シリンダの中心部側に連なる吸気ポート５の壁面（吸気通路壁面）から吸気バルブ７の傘裏面の中心よりシリンダの中心部側に向けて空気を供給するようになっている。

具体的には後述するが、エンジン１の運転状態に応じてノズル２６からの空気の供給が制御され、機関の運転状態に応じて、ノズル２６からの空気の供給を制御することによりシリンダの内部（燃焼室６の内部）の乱れが強化される。つまり、ノズル２６から空気を供給することにより、燃焼室６の内部にタンブル流を積極的に発生させることができる。

また、吸気開口５ｂの近傍における吸気ポート５には、吸気ポート５内の下方に空気を供給する第２空気供給手段としての下部ノズル２５が備えられている。下部ノズル２５は、吸気開口近傍の吸気ポート５において、シリンダの外周部側に連なる吸気ポート５の壁面（吸気通路壁面）に沿うように空気を供給するようになっている。具体的には後述するが、下部ノズル２５及びノズル２６からの空気の供給は、エンジン１の運転状態に応じて制御され、吸気ポート５の内壁への燃料の付着が抑制される。

一方、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。また、低速、低回転領域であっても、燃焼室６に流入する吸気に乱れを生じさせることができる。

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（過給される）。

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。

排気浄化触媒５５の活性状態（例えば、冷態状態か否か）は、エンジン１の運転状態等からＥＣＵ（電子コントロールユニット）３１で推定（演算）されて管理される。また、センサを用いて直接温度を検出して排気浄化触媒５５の活性状態を管理することも可能である。

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。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の指令により、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が任意に設定され、可変動弁機構６３に動作の指示情報が送られる。

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、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、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。

図２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、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）が入力される。

ＥＣＵ３１には、噴射制御手段７２が備えられ、噴射制御手段７２では、目標燃料圧力と、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。

そして、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（燃料噴射手段）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７４（燃料噴射手段）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。

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。

これにより、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。そして、排ガス性能を向上させて燃費を改善することができ、出力トルクの向上を実現することができる。

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、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。

つまり、吸気行程時の吸気流動により燃料をシリンダの内部に直接送り込むようにしたエンジン１においては、吸気ポート５や吸気バルブ７への燃料の付着を防止することができ、例えば、過給運転時のバルブオーバラップ拡大による出力向上や、次の行程への燃料の持越しによる吹き抜け燃料の増加の防止、吸気冷却による充填効率の向上、ノッキング抑制による出力向上等、直噴インジェクタを備えた場合と同等の効果を得ることができる。

図３に示すように、上述したエンジン１の吸気ポート５には、ノズル２６が備えられている。即ち、シリンダの中心部寄り、即ち、点火プラグ３（図１参照）寄りの吸気ポート５（バルブスロート部５ａ）にはノズル２６が設けられ、ノズル２６の吹き出し口２６ａが下方に（吸気開口５ｂ側）に向けられている。つまり、ノズル２６の吹き出し口２６ａから吸気ポート５内に空気が供給されることにより、点火プラグ３（図１参照）寄りのバルブスロート部５ａの壁面に沿って下向きに空気２６ｂが噴出される（矢印Ｂ方向）。

ノズル２６からの空気の供給は、エンジン１の運転状態に応じて制御され、ノズル２６から高速な空気を供給することで、燃焼室６の内部に縦タンブル流（乱れ流）Ｑを生じさせるようになっている。縦タンブル流（乱れ流）Ｑを生じさせて乱れを強化することにより、エンジン１の運転条件に応じて、燃焼速度を向上させることができる。

エンジン１の運転条件として、中速以上でスロットルバルブ１５（図１参照）が全開状態の領域（全開領域）の場合、排気温度が高くなり、排気浄化触媒５５が溶損する虞がある。このため、通常は、最もトルクが得られる空燃比である出力空燃比よりもリッチに制御して排気浄化触媒５５の溶損を回避している。

中速以上で全開領域の時に、ノズル２６から高速な空気を供給して燃焼室６の内部に縦タンブル流（乱れ流）Ｑを生じさせることで、燃焼速度を向上させて排気温度を低下させることができる。この結果、空燃比のリーン設定が可能になり、排気浄化触媒５５の溶損を回避した状態で最もトルクが得られる出力空燃比に設定することができ、燃費及びトルクを向上させることが可能になる。

ノズル２６には、例えば、エアフローセンサ１７（図１参照）の下流側の吸気管１４から吸入空気が抽出されて供給される（空気供給デバイス）。このため、空燃比に影響を与えることなくノズル２６から空気を供給することができる。空気供給デバイスとしては、エアフローセンサ１７の下流側の吸気管１４から抽出するものだけでなく、別途専用の経路を用いて空気を供給するデバイスを用いることも可能である。この場合、空燃比に対する影響が考慮されて空気の供給が制御される。

また、吸気ポート５の吸気の流速に対してノズル２６から噴出される空気の流速が速くなるように設定されている。即ち、ノズル２６の流路を絞ることで、吸気ポート５の吸気の流速に対してノズル２６から噴出される空気の流速が速くされている。ノズル２６から噴出される空気の流速を速くすることで、縦タンブル流（乱れ流）Ｑを確実に生じさせることができる。

ノズル２６から噴出される空気の流速を速くするために、加圧供給手段（圧送ポンプ等）を設けることも可能である。

ノズル２６からの空気の供給はエンジン１の運転状態（運転条件）に応じて制御される。図４に示すように、ノズル２６は空気供給デバイス２８により空気が供給される。空気供給デバイス２８は空気供給制御手段２９の指令により作動され、空気供給制御手段２９の指令に基づいて所望の状況でノズル２６から空気が供給される。

エンジン１の運転条件として、部分負荷領域では、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に導入し（ＥＧＲ導入）、燃費向上を図っている。ＥＧＲ導入において、導入される排気ガスが過剰になると安定した燃焼が困難になる。このため、ＥＧＲ導入の際にノズル２６から高速な空気を供給して燃焼室６の内部に縦タンブル流（乱れ流）Ｑを生じさせることで、燃焼速度を向上させて燃焼を安定させることができる。この結果、燃焼を悪化させることなく排気ガスの一部を大量に導入することができ、燃費を向上させることが可能になる。

エンジン１の運転条件として、冷態始動直後のアイドル条件では、排気浄化触媒５５の浄化性能が低いため、早期に昇温させて活性化させる必要がある。早期に排気浄化触媒５５を昇温させるためには点火時期を遅角させることが有効になるが、点火時期を大幅に遅角させると燃焼が不安定になる。このため、排気浄化触媒５５の活性化のために点火時期を遅角させる際に、ノズル２６から高速な空気を供給して燃焼室６の内部に縦タンブル流（乱れ流）Ｑを生じさせることで、燃焼速度を向上させて燃焼を安定させることができる。この結果、燃焼を悪化させることなく点火時期を大幅に遅角させることができ、排気浄化触媒５５の早期の昇温が可能になる。

一方、図３に示すように、上述したエンジン１の吸気ポート５には、下部ノズル２５が備えられている。そして、下部ノズル２５からの空気の供給は、ノズル２６からの空気の供給と共にエンジン１の運転状態に応じて制御され、吸気ポート５の内壁への燃料の付着が抑制される。例えば、吸入空気の流速に応じて下部ノズル２５及びノズル２６からの空気の供給が制御される。

即ち、吸気開口５ｂの近傍における吸気ポート５の下側壁には下部ノズル２５が設けられ、下部ノズル２５の吹き出し口２５ａが下流側（吸気バルブ７側）に向けられている。つまり、下部ノズル２５の吹き出し口２５ａから吸気ポート５内に空気が供給されることにより、吸気ポート５の下側壁に沿って吸気バルブ７側に向けて空気２５ｂが噴出される（矢印Ａ方向）。

下部ノズル２５には、ノズル２６と同様に、例えば、エアフローセンサ１７の下流側の吸気管１４から吸入空気が抽出されて供給される（空気供給デバイス）。このため、空燃比に影響を与えることなく下部ノズル２５から空気を供給することができる。

また、吸気ポート５の吸気の流速に対して下部ノズル２５から噴出される空気の流速が速くなるように設定されている。即ち、ノズル２６と同様に、下部ノズル２５の流路を絞ることで、吸気ポート５の吸気の流速に対して下部ノズル２５から噴出される空気の流速が速くされている。下部ノズル２５から噴出される空気の流速を速くすることで、吸気ポート５の内壁に燃料が付着することを確実に抑制することができる。

下部ノズル２５から噴出される空気の流速を速くするために、加圧供給手段（圧送ポンプ等）を設けることも可能である。また、下部ノズル２５から噴出される空気の流速を速くすることは必ずしも必要ではなく、吸気ポート５の内壁への燃料の付着を抑制することができる状態の流速で空気が供給されればよい。

下部ノズル２５及び前述したノズル２６からの空気の供給はエンジン１の運転状態に応じて制御される。図４に示すように、下部ノズル２５及びノズル２６は空気供給デバイス２８により空気が供給される。空気供給デバイス２８は空気供給制御手段２９の指令により作動され、空気供給制御手段２９の指令に基づいて所望の状況で下部ノズル２５及びノズル２６から空気が供給される。

エンジン１では、燃料の噴霧形状や噴射方向は、所定の運転条件を対象にし、吸気流動が考慮されて最適化されている。つまり、特定の吸気の流速に基づいて燃料の噴霧形状や噴射方向が最適化されている。吸気ポート５の内部の吸入空気の流速が変化すると、燃料噴霧の流れが不十分になったり、燃料噴霧の流れが過剰になったりする虞がある。燃料噴霧の流れが不適切になると、吸気ポート５の内壁に燃料が滞留して付着することが考えられる。

吸気ポート５の内壁に燃料が付着すると、吸気行程中に燃料を噴射した際の利点が損なわれる虞がある。特に、過給機５１を備えたエンジン１では、吸気圧力が高くなり排気圧力との差が大きくなるので、吸気から排気への吹き抜けが多くなる。吸気ポート５の内壁に燃料が付着していると、付着している燃料が次行程に持ち越されて一気に吹き抜けてしまい、排ガス性能が悪化する虞があった。

このため、上述したエンジン１は、吸気ポート５の内部の吸入空気の流速の変化に応じて、下部ノズル２５及びノズル２６からの空気の供給が制御され、吸気ポート５の内部の吸入空気の流速が変化しても、燃料噴霧の流れが最適に維持され、吸気ポート５の内壁に燃料が付着することを防止している。

図５に示すように、予め設定された所定の流速に対し吸入空気の流速が遅い場合、燃料の噴霧が吸入空気に流され難くなり、吸気開口５ｂの近傍の吸気ポート５の下側の部位に燃料の噴霧が滞留しやすくなる（図中Ｓ１）。このため、吸気ポート５の下側の部位の内壁への燃料の付着が増大する。

この場合、空気供給制御手段２９（図４参照）により吸入空気の流速が遅くなったことを検出し、図３に示すように、下部ノズル２５の吹き出し口２５ａから、吸入空気の流速よりも速い流速で、吸気ポート５内に空気を供給する。これにより、吸気ポート５の下側壁に沿って吸気バルブ７側に向けて空気２５ｂが噴出される（矢印Ａ方向）。下部ノズル２５から空気２５ｂが噴出されることにより、燃料の噴霧が高速の空気に流され、吸気ポート５の下側の壁面への燃料の付着が抑制される。

下部ノズル２５の吹き出し口２５ａからの空気２５ｂの噴出が過剰になった場合、吸気ポート５の上部の内壁やライナーに燃料が付着する虞がある。この場合、ノズル２６の吹き出し口２６ａから、バルブスロート部５ａの壁面に沿って下向きに空気２６ｂを噴出させ、吸気の流れ方向を下向きに変更することで、吸気ポート５の上部の内壁やライナーに燃料が付着することが抑制される。

図６に示すように、予め設定された所定の流速に対し吸入空気の流速が速い場合、燃料の噴霧が吸入空気に過度に流され、吸気開口５ｂの近傍の吸気ポート５の上側の部位（バルブスロート部５ａ）に燃料の噴霧が滞留しやすくなる（図中Ｓ２）。このため、点火プラグ３（図１参照）の近傍における吸気ポート５の上側の部位の内壁への燃料の付着が増大する。

この場合、空気供給制御手段２９（図４参照）により吸入空気の流速が速くなったことを検出し、図３に示すように、ノズル２６の吹き出し口２６ａから、吸入空気の流速よりも速い流速で、吸気ポート５内に空気を供給する。これにより、バルブスロート部５ａの壁面に沿って下向きに空気２６ｂが噴出される（矢印Ｂ方向）。ノズル２６から空気２６ｂが噴出されることにより、吸気開口５ｂの近傍の吸気ポート５の上側の部位（バルブスロート部５ａ）への燃料の付着が抑制される。

上述したエンジン１では、所定流速に対して吸入空気の流速が変化した際に、下部ノズル２５及びノズル２６からの空気の供給が制御されるので、吸気ポート５の内壁への燃料の付着を抑制することができる。このため、吸入空気の流速に拘わらず燃料の噴霧の輸送状態が的確に維持され、運転状態に応じて吸気行程時における燃料の輸送状態が的確に制御され、広範囲の運転領域において燃焼性能を的確に向上させることが可能になる。

上述したエンジン１においては、ノズル２６から高速な空気を供給して燃焼室６の内部に縦タンブル流（乱れ流）Ｑを生じさせることで、燃焼速度を向上させている。また、吸入空気の流速が変化した際に下部ノズル２５及びノズル２６からの空気の供給を制御し、吸気ポート５の内壁への燃料の付着を抑制している。

下部ノズル２５及びノズル２６から空気を供給することにより、燃料噴霧と空気が干渉することで燃料の微粒化が促進され、部分負荷領域や冷態始動直後のアイドル条件での燃焼安定化に加えて、燃焼効率の向上によるＨＣ排出の低減（燃費の向上）を実現することができる。また、高負荷領域での粒子状物質（ＰＭ）の低減を実現することができる。

従って、上述したエンジン１では、シリンダの内部に燃料を直接噴射する直噴インジェクタをシリンダの内部に備えることなく、燃料の付着の防止、例えば、過給運転時のバルブオーバラップ拡大による出力向上、次の行程への燃料の持越しによる吹き抜け燃料の増加の防止、吸気冷却による充填効率の向上、ノッキング抑制による出力向上等、シリンダの内部に燃料を直接噴射した場合の性能（メリット）を維持し、広い運転領域でメリットを最大限に活かすことが可能になる。

本発明は、吸気通路への燃料の噴射状態を的確に設定することで、シリンダの内部（筒内）に燃料を直接噴射する燃料噴射装置を該筒内に直接設けることなく、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 内燃機関（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
２３ ＥＧＲバルブ
２５ 下部ノズル
２６ ノズル
２８ 空気供給デバイス
２９ 空気供給制御手段
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
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 (6)

1. 吸気通路内に燃料を噴射するインジェクタと、
   前記吸気通路とシリンダの内部とを連通する吸気開口と、
   前記吸気開口の連通と遮断を行う吸気弁と、
   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を少なくとも含む燃料噴射手段と、
   前記インジェクタよりも吸気流れ方向下流側の前記吸気開口近傍の前記吸気通路内において、前記シリンダの中心部側に連なる吸気通路壁面から前記吸気弁の傘裏面の中心より前記シリンダの中心部側に向けて空気を供給する第１空気供給手段と、
   機関の運転状態に応じて、前記第１空気供給手段からの空気の供給を制御する空気供給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、
   前記第１空気供給手段は、
   前記吸気通路の前記吸気開口側のバルブスロート部に備えられている
   ことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項２に記載の内燃機関において、
   前記吸気開口近傍の前記吸気通路内において前記シリンダの外周部側に連なる吸気通路壁面に沿うように空気を供給する第２空気供給手段を備え、
   前記空気供給制御手段は、
   予め設定された所定流速に対して前記吸入空気の流速が変化した際に、変化状況に基づいて、前記第１空気供給手段及び前記第２空気供給手段からの空気の供給を制御する
   ことを特徴とする内燃機関。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の内燃機関において、
   前記機関の運転状態は、少なくとも空燃比をリッチにする運転を含む
   ことを特徴とする内燃機関。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の内燃機関において、
   前記機関の運転状態は、更に点火時期を遅角させる運転を含む
   ことを特徴とする内燃機関。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の内燃機関において、
   前記機関の運転状態は、更に排ガスの一部を吸気系に還流する運転を含む
   ことを特徴とする内燃機関。
   
   
   
   
   

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