JP3532098B2

JP3532098B2 - 筒内直接噴射式内燃機関

Info

Publication number: JP3532098B2
Application number: JP14592998A
Authority: JP
Inventors: 慶則中山; 公孝斎藤; 政雄加納; 元希大谷
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 2004-05-31
Anticipated expiration: 2018-05-27
Also published as: JPH11336588A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気筒内へ直接にガ
ソリンのような燃料を噴射することができる内燃機関
（エンジン）、即ち「筒内直接噴射式内燃機関」に係
り、特に、筒内直接噴射式内燃機関のための燃料噴射装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の筒内直接噴射式内燃機関において
は、その名の通り、エンジンの吸気ポートのような吸気
通路内ではなく気筒（燃焼室）内へ直接に燃料を噴射す
ることができる燃料噴射弁を備えていて、エンジンの運
転条件に応じて燃焼のパターンを切り替えるのが普通で
ある。ここでいう燃焼のパターンとは、吸気行程におい
て筒内へ燃料を噴射する「均質燃焼」、圧縮行程におい
て筒内へ燃料を噴射する「成層燃焼」、および、吸気行
程と圧縮行程の双方において筒内へ燃料を噴射する「弱
成層燃焼」の３種のパターンであって、通常、低負荷時
には成層燃焼が、高負荷時には均質燃焼が、中負荷時に
はそれらの中間として弱成層燃焼が切り替えて行われ
る。

【０００３】筒内直接噴射式内燃機関において高負荷時
に行う吸気行程噴射では、通常の吸気管内噴射式内燃機
関に比べて一般的に、噴射された燃料が筒内全体に均一
に分散し難い傾向があるので、噴射燃料をより均一に筒
内へ拡散させるための色々な試みがなされている。例え
ば特開平５−７９３８６号公報あるいは特開平５−７９
３７０号公報に記載されたものでは、吸気行程噴射を行
うときに、吸気バルブの傘部の背面に向かって燃料を噴
射することによって、吸気バルブの傘部の背面に衝突し
た噴射燃料が吸気ポート内に向かって反射されるよう
に、燃料噴射弁によって燃料を従来の筒内直接噴射式内
燃機関の場合とは異なる方向に噴射することが提案され
ている。これによって、吸気ポート内へ反射された燃料
は、吸気ポートから筒内へ流出する空気と予め混合し
て、混合気となってから筒内へ流出するので、噴射燃料
が筒内全体に比較的均一に拡散することができる。

【０００４】しかしながら、前述の従来技術において
は、吸気バルブの傘部の背面によって噴射燃料を反射さ
せて吸気ポート内へ流入させるので、吸気ポート内へ流
入させ得る噴射燃料の量には限界があり、燃料噴射量が
非常に多くなる運転条件においては、吸気ポート内へ十
分な量の噴射燃料を流入させることが難しく、そのよう
な運転条件ではやはり噴射燃料を筒内全体に均一に拡散
させることができないという問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術の
前述のような問題点に鑑み、筒内直接噴射式内燃機関が
有する低燃費という利点を生かしながら、エンジンの運
転条件によっては吸気管内噴射を行い、筒内に均質な混
合気を形成してスモークの発生を抑え、従来以上の高出
力を得ること、および始動性の向上を図ることを目的と
している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、特許請求の範囲の各請求項に記載された手段を採
用することができる。請求項１に記載された手段によれ
ば、成層燃焼の運転領域にあるときには燃料を筒内へ噴
射することができるだけでなく、１気筒について１個の
燃料噴射弁を備えている筒内直接噴射式内燃機関であり
ながら、機関の運転条件に応じて燃料噴射弁からの燃料
の噴射方向を変更することによって、均質燃焼の運転領
域にあるときには燃料を吸気ポート内に向かって噴射す
ることができるので、吸気ポート内へ噴射された燃料は
吸気と予め混合してから筒内へ流出する。従って、筒内
には均質な混合気が形成されて良好な燃焼状態が得られ
る結果、排気エミッションを抑えた状態で低燃費と高出
力を併せて得ることができる。請求項１に記載された手
段においては、燃料噴射の時期を切り換えることも可能
であって、機関の運転条件に応じて、吸気行程噴射を行
うか、圧縮行程噴射を行うか、あるいは成層燃焼と均質
燃焼の中間の弱成層燃焼の運転領域にあるときに、それ
らを併せた２回噴射を行うかを選択することができる。

【０００７】請求項２に記載された手段によれば、機関
の運転条件によって、吸気行程噴射に加えて吸気行程の
前の排気行程においても燃料を噴射することができるの
で、吸気ポート内噴射であっても必要な噴射量を十分に
賄うことが可能になり、噴射量が不足することもない。

【０００８】請求項３に記載された手段においては、燃
料噴射弁から噴射される燃料の噴射方向を変更するため
に、燃料噴射弁が回動することができるように構成され
ているので、外部から燃料噴射弁を回動させることによ
って噴射孔の方向が変化し、燃料を筒内に向かって噴射
するか、あるいは吸気ポート内に向かって噴射するかと
いう切り換えが可能になる。

【０００９】請求項４に記載された手段においては、燃
料噴射弁が燃料を筒内に向かって噴射する筒内側噴射孔
の他に、燃料を吸気ポート内に向かって噴射する吸気管
側噴射孔をも備えているので、それら２種類の噴射孔を
開閉することによって、噴射孔の方向を切り換えること
ができる。請求項５に記載された手段においては、成層
燃焼の運転領域にあるときに燃料を筒内へ噴射すること
ができるだけでなく、１気筒について１個の燃料噴射弁
を備えている筒内直接噴射式内燃機関でありながら、機
関の運転条件に応じて燃料噴射弁からの燃料の噴射方向
を変更することによって、均質燃焼の運転領域にあると
きには燃料を吸気ポート内に向かって噴射することがで
きるので、吸気ポート内へ噴射された燃料は吸気と予め
混合してから筒内へ流出する。従って、筒内には均質な
混合気が形成されて良好な燃焼状態が得られる結果、排
気エミッションを抑えた状態で低燃費と高出力を併せて
得ることができる。しかも、燃料噴射弁が燃料を筒内に
向かって噴射する筒内側噴射孔の他に、燃料を吸気ポー
ト内に向かって噴射する吸気管側噴射孔をも備えている
ので、それら２種類の噴射孔を開閉することによって、
噴射孔の方向を切り換えることができる。具体的に、請
求項６に記載された手段によれば、筒内側噴射孔が燃料
噴射弁のニードル弁によって開閉されるとともに、吸気
管側噴射孔がニードル弁とは異なる別の弁によって開閉
される。更に具体的に請求項７に記載された手段によれ
ば別の弁を電磁弁とするので、吸気管側噴射孔を自由に
開閉制御することができる。また、請求項８に記載され
た手段においては、別の弁として機関の吸気バルブを利
用して吸気管側噴射孔を開閉させることにより、新たな
別の弁を設ける必要がなくなって、構成が簡単になる。

【００１０】以上のように、本発明の筒内直接噴射式内
燃機関においては、筒内だけでなく噴射方向を切り換え
ることによって、吸気管内にも燃料を噴射することがで
きる燃料噴射弁を備えており、機関の運転条件に応じ
て、筒内噴射と吸気管噴射を切り換えることにより、従
来の筒内噴射だけでは十分に均質な混合気を筒内に形成
することが困難な場合であっても、同じ燃料噴射弁から
吸気管噴射を行うことによって、均質燃焼が行われる運
転条件においては常に均質な混合気を筒内に形成するこ
とができるのと、噴射量が不足する場合は吸気行程だけ
でなく、その前の排気行程にかけて燃料を噴射すること
ができるので、低燃費と高出力を併せて得ることができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の幾つか
の実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施
形態の全体構成を示すものであるが、実施形態の特徴部
分である燃料噴射装置６以外の部分については、本発明
の他の実施形態の全体構成をも併せて示すものである。
図１において、筒内直接噴射式内燃機関のシリンダブロ
ック２０には、通常のエンジンと同様にシリンダヘッド
２１が取り付けられ、その内部に形成される１つの気筒
の燃焼室２２には、それぞれ１個以上の吸気バルブ２３
と排気バルブ２４が設けられている。シリンダヘッド２
１には点火プラグ２５も取り付けられている。吸気通路
２６が燃焼室２２に向かって開口する部分、即ち、吸気
バルブ２３のすぐ上流側の吸気管部分は特別に吸気ポー
ト２７と呼ばれている。吸気通路２６の途中にはスロッ
トルバルブ２８が設けられている。なお、３０は排気バ
ルブ２４に接続する排気通路、３１はクランクシャフ
ト、３２はクランクシャフト３１に連結されるピストン
を示している。

【００１２】図１、あるいは図３および図４に拡大して
示すように、吸気ポート２７から吸気バルブ２３を経て
燃焼室２２内に出たところ、即ち、吸気ポート２７の延
長上であって図３のように吸気バルブ２３が閉弁状態に
あるときはその外側になり、図４のように吸気バルブ２
３が開弁状態にあるときはその内側になるような燃焼室
２２の壁面上の位置に、燃料噴射弁３３の先端３４が僅
かに突出するように、特別の位置を選んで燃料噴射弁３
３が設けられる。燃料噴射弁３３は燃料タンク３５に収
容されている燃料を所定の高さまで加圧する燃料ポンプ
３６から加圧された燃料の供給を受けて燃料を霧化して
噴射するが、本発明の特徴として、燃料噴射弁３３の噴
射方向はエンジンの運転条件によって変化させられる。

【００１３】エンジンの運転条件は、回転数およびクラ
ンク角を検出するためにクランクシャフト３１に近接し
て設けられたクランク角センサ１、アクセルペダル２９
に取り付けられてアクセル開度を検出するアクセルポジ
ションセンサ２、スロットルバルブ２８の回動軸に設け
られてその開度を検出するスロットルポジションセンサ
３、吸気通路２６に設けられて吸入空気量を検出するエ
アフローメータ４、シリンダブロックの一部に取り付け
られて潤滑油あるいは冷却水の温度を検出する油水温度
センサ１８が検出した信号の、少なくとも１つの信号に
基づいてＥＣＵ（電子式制御装置、あるいはエンジンコ
ントロールユニット）５が判断する。

【００１４】即ち、これらの信号はＥＣＵ５に入力され
ており、ＥＣＵ５はそれらのうちの少なくとも１つの信
号によってエンジンが低負荷、中負荷、あるいは高負荷
のいずれの運転条件にあるかということを判断して、吸
気行程噴射を行うか、圧縮行程噴射を行うか、あるいは
２回噴射を行うかを選択することにより、燃料噴射のパ
ターンを決定する。ここで言う「２回噴射パターン」と
は、吸気行程と圧縮行程の両行程において燃料を噴射す
るパターンのことで、吸気行程噴射による均質燃焼、圧
縮行程噴射による成層燃焼に対して、弱成層燃焼とな
る。なお、排気通路３０に設けられた酸素センサ１９等
が検出した信号もＥＣＵ５に入力されて、運転条件の決
定の際に勘案される。

【００１５】第１実施形態のエンジンにおいて使用され
る燃料噴射装置６は、前述のようにその先端３４が特別
の位置にあるように設けられた燃料噴射弁３３を備えて
いるが、燃料噴射弁３３は図２に示したような構造を有
する。即ち、燃料噴射弁３３自体の構造は通常の筒内直
接噴射式内燃機関に用いられる燃料噴射弁と同様に、ニ
ードル弁３７やそれを駆動するソレノイド３８、ニード
ル弁３７を収容するノズル本体３９、それと連結された
バルブ本体４０等から構成されているが、ノズル本体３
９の先端３４には噴射孔７が斜めに設けられている。燃
料噴射弁３３のバルブ本体４０およびノズル本体３９
は、シリンダヘッド２１に形成された穴４１の中に所定
の角度範囲内において回転可能に緩やかに挿入、支持さ
れており、穴４１と燃焼室２２との間はシール４２によ
って軸封されている。

【００１６】図３および図４に示すように、バルブ本体
４０の円形の胴部４３の外周面にはゴム製のローラ４４
が摩擦接触しており、ローラ４４は、シリンダヘッド２
１に支持されたモータ４５の回転軸４６の先端に取り付
けられている。従って、例えば図３に示すように、モー
タ４５をＥＣＵ５の指令によって所定の角度だけ回動さ
せると、ローラ４４によって胴部４３が回動させられ
て、燃料噴射弁３３の噴射孔７が燃焼室２２の内部に向
くようになる。この状態では、燃料噴射弁３３の燃料噴
霧４７は直接に燃焼室２２内（筒内）へ噴射される。ま
た、図３の位置からモータ４５を反対方向に回動させる
と、図４に示したようにローラ４４によって胴部４３が
回動させられて、吸気バルブ２３が開弁している状態に
おいては、燃料噴射弁３３の噴射孔７が吸気ポート２７
の内部に指向するようになり、燃料噴射弁３３の燃料噴
霧４７が吸気の流れに逆らうように吸気ポート２７内へ
噴射される。

【００１７】このように、第１実施形態においては、Ｅ
ＣＵ５の指令によって燃料噴射弁３３自体をいずれかの
方向に回動させることによって、燃料噴射弁３３の噴射
孔７の方向が変化するので、噴射孔７から噴射される燃
料噴霧４７が図３のように燃焼室２２内へ直接に噴射さ
れる状態では、その噴射方向を点火プラグ２５の火花間
隙の近傍に向けることにより、低負荷時に適した成層燃
焼を行うことができると共に、噴射孔７から噴射される
燃料噴霧４７が、図４に示すように吸気行程において吸
気バルブ２３が開弁状態しているときに吸気ポート２７
内へ噴射される状態では、噴射された燃料噴霧４７は吸
気バルブ２３の背面に接触して加熱、気化されるだけで
なく、吸気ポート２７内を流れる吸気と混合してから燃
焼室２２内へ流出するので、燃焼室２２内の混合気が均
一になって高負荷時に適した均質燃焼を行うことができ
る。

【００１８】図５のマップにエンジンの運転条件に応じ
た噴射時期を示す。この場合の運転条件はエンジン負荷
とエンジン回転数によって示されるので、ＥＣＵ５はこ
のようなマップによって、その運転条件に適した噴射パ
ターンが圧縮行程噴射、吸気行程噴射、あるいはそれら
２つを併せた２回噴射のいずれであるかを判断する。即
ち、Ｎ₁以下の低回転でＬ₁以下の低負荷時には圧縮行
程噴射による成層燃焼を行うように、Ｎ₂以上の高回転
でＬ₂以上の高負荷時には吸気行程噴射による均質燃焼
を行うように、更に、回転数がＮ₁以上Ｎ₂以下の中回
転で負荷がＬ₁以上Ｌ₂以下の中負荷時には吸気行程噴
射と圧縮行程噴射の２回噴射による弱成層燃焼を行うよ
うにＥＣＵ５が決定して指令を出す。

【００１９】図６に吸・排気弁（吸気バルブ２３および
排気バルブ２４）の開弁期間、圧縮行程噴射期間、吸気
行程噴射期間、および２回噴射の各噴射期間を示す。図
中に破線の領域として示しているが、図４に示すような
吸気管噴射の噴射期間だけでは全負荷や低温始動のよう
に多量の噴射量が必要な場合に噴射量が不足することが
あるので、第１実施形態においては、排気行程中にバル
ブオーバーラップによって吸気バルブ２３が開弁してい
る時期に吸気管噴射を行うことができる。この場合、排
気行程中から吸気行程にかけて連続して噴射を行うこと
もできるので、必要な噴射量が十分に確保される。ここ
では、この排気行程中から排気行程終了までの間に行う
噴射を「吸気行程前噴射」と言うことにする。

【００２０】このように、本発明では図３のような筒内
直接噴射と図４のような吸気管噴射をエンジンの運転条
件に応じて自由に切り換えて行うことができることを特
徴としているが、第１実施形態の燃料噴射装置６では、
燃料噴射弁３３をモータ４５によって回動させることに
よって噴射孔７の指向する方向を変化させている。この
場合、モータ４５によって燃料噴射弁３３を往復方向に
回動させるが、燃料噴射弁３３に接続される燃料配管や
ソレノイド３８に接続される電線等の接続部分を、それ
らが回動しても接続可能な構成とすれば、モータ４５は
一定の方向にのみ回動することによってパターンの切り
換えを行うように第１実施形態を設計変更することもで
きる。

【００２１】第１実施形態の燃料噴射装置６を用いたエ
ンジンの制御について、図７に示したフローチャートに
よって説明する。まず、エンジンの運転条件（エンジン
回転数Ｎｅ、負荷Ｌ、油水温Ｔ、等）から、ＥＣＵ５の
内部メモリに設定されている図示しないマップにより燃
料噴射量Ｑを決定する（ステップ６０１）。つぎに、Ｅ
ＣＵ５はエンジンの運転条件に基づいて噴射パターンを
決定する（ステップ６０２以下）。噴射方向、即ち燃料
噴射弁３３の噴射孔７が指向する方向は、この例では運
転条件を示す１つのデータである油水温Ｔが所定値Ｔ₁
よりも低いか否かによって吸気管内にするか、あるいは
筒内にするかが決定される。始動時のように油水温Ｔが
未だ十分に上昇しないでＴ≦Ｔ₁の場合はステップ６０
３に進むが、燃料噴射量Ｑが所定値Ｑ₁よりも小さいと
きは筒内噴射を行わず、すべての燃料が吸気管内に噴射
される（ステップ６１０）。これは、燃焼室２２内が未
だ十分に高温になっていないので、吸気管噴射によって
燃料噴霧４７の気化を促進するためである。また、ステ
ップ６０３において燃料噴射量Ｑ≦Ｑ₁でないと判定さ
れたとき、即ち、必要な噴射量Ｑが所定値Ｑ₁よりも大
きいときは、吸気前噴射として排気行程中から吸気管噴
射を行って、必要な噴射量Ｑを充足させる。この場合、
噴射量Ｑの大きさによっては排気行程中から吸気行程に
わたって連続して噴射することもできる（ステップ６１
１）。

【００２２】ステップ６０２において油水温ＴがＴ≦Ｔ
₁でない、即ちエンジンが十分に暖機されていると判定
された場合は、ステップ６０４に進んで、ＥＣＵ５はエ
ンジンの運転条件を示す回転数Ｎｅと負荷Ｌの値から、
吸気行程噴射を行う（ステップ６０５）か、圧縮行程噴
射を行う（ステップ６０８）か、あるいは２回噴射を行
う（ステップ６０９）かを決定する。この場合は図５に
示したようなマップが参照される。このうち吸気行程噴
射を行う（ステップ６０５）場合はステップ６１２に進
んで、燃料噴射量Ｑが所定値Ｑ₂よりも小さいか否かを
判定し、燃料噴射量Ｑ≦Ｑ₂のときはステップ６１３に
進んで、ＥＣＵ５はそのときの運転条件によって噴射方
向を決定してそれに必要な制御を実行する。即ち、吸気
管噴射のときはステップ６０６へ、筒内噴射のときはス
テップ６０７へ進む。

【００２３】ステップ６１３においてＥＣＵ５によって
筒内噴射を行うと決定されたとき、燃料噴射弁３３の噴
射孔７の噴射方向が燃焼室２２内側にあればそのまま噴
射する。噴射孔７の噴射方向が吸気ポート２７側にあれ
ば、モータ４５により噴射孔７を燃焼室２２内側に回転
させて筒内へ燃料を噴射する。ＥＣＵ５により吸気管噴
射を行うと決定されたとき、燃料噴射弁３３の噴射孔７
の噴射方向が燃焼室２２内側にあれば、モータ４５によ
り燃料噴射弁３３を吸気ポート２７側へ回転させて、吸
気管噴射を行う。燃料噴射弁３３の噴射方向が吸気ポー
ト２７側にあればそのまま噴射する。また、ステップ６
１２において燃料噴射量Ｑ≦Ｑ₂でないときは吸気行程
前噴射（ステップ６１４）になり、ステップ６１５に進
んで吸気管噴射を行う。

【００２４】ステップ６０４においてＥＣＵ５によって
圧縮行程噴射と決定された場合は、ステップ６０８に進
んで筒内噴射が行われる。このため、燃料噴射弁３３の
噴射方向が燃焼室２２内側に指向していればそのまま噴
射する。燃料噴射弁３３の噴射方向が吸気ポート２７側
にあれば、モータ４５により燃料噴射弁３３の噴射孔７
を筒内側に回転させて筒内へ噴射する。ステップ６０４
においてＥＣＵ５によって２回噴射と決定された場合
は、ステップ６０９に進んで吸気行程および圧縮行程に
おいてそれぞれ噴射を行うが、吸気行程噴射を行うとき
はそれを筒内噴射とするか、あるいは吸気管噴射とする
かの別も併せて決定される。

【００２５】ＥＣＵ５により筒内噴射をすると決定され
たとき、燃料噴射弁３３の噴射方向が筒内側にあればそ
のまま噴射する。燃料噴射弁３３の噴射方向が吸気管側
にあれば、モータ４５によりインジェクタを筒内側に回
転させて筒内へ噴射する。吸気管噴射をすると決定され
たときは、燃料噴射弁３３の噴射方向が筒内側にあれ
ば、モータ４５により燃料噴射弁３３を吸気管側に回転
させて吸気ポート２７内へ噴射する。燃料噴射弁３３の
噴射孔７の噴射方向が吸気ポート２７側にあればそのま
ま噴射する。圧縮行程噴射を行うときは筒内噴射を行う
ため、燃料噴射弁３３の向きは筒内側にする必要がある
ので、燃料噴射弁３３の噴射方向が筒内側にあればその
まま噴射し、吸気管側にあればモータ４５により燃料噴
射弁３３を筒内側に回転させて筒内へ噴射する。２回噴
射（ステップ６０９）の吸気行程噴射では、ＥＣＵ５が
全負荷運転などによって多量の燃料噴射量が必要と判断
したとき、排気行程中から噴射を開始することができ、
また排気行程から吸気行程にわたって連続して噴射する
こともできる。

【００２６】図８から図１０は本発明の第２実施形態を
示すもので、第２実施形態の燃料噴射装置８においては
図８に示すような構造の燃料噴射弁４８を用いる。この
燃料噴射弁４８は、ノズル本体４９の側面に吸気管側噴
射孔１２と、先端に筒内側噴射孔１３を設けられてお
り、吸気管側噴射孔１２によって吸気管噴射を行うとと
もに、筒内側噴射孔１３によって筒内噴射を行うことが
できる。その他の点では第２実施形態の燃料噴射弁４８
は第１実施形態の燃料噴射弁３３と実質的に同様な構造
のものでよく、その先端３４も第１実施形態の場合と同
様に、吸気ポート２７から吸気バルブ２３を経て燃焼室
２２内に出たところに僅かに突出するように位置決めさ
れている。第２実施形態における吸気管噴射は、吸気側
噴射孔１２と吸気管までの間に噴霧通路１０を設け、さ
らにこの噴霧通路１０にはそれを開閉する電磁弁１１を
設けて行う。即ち、第２実施形態の燃料噴射装置８は、
燃料噴射弁４８と噴霧通路１０および電磁弁１１によっ
て構成される。

【００２７】このように、第２実施形態の燃料噴射装置
８における燃料噴霧の通路は、燃料噴射弁４８のソレノ
イド３８を付勢することによってリフトするニードル弁
３７によって開く筒内側噴射孔１３から筒内（燃焼室２
２内）へ直接に燃料が噴射される経路（図９参照）と、
常に燃料ポンプ３６から加圧された燃料が供給されてい
るノズル本体４９の内部の燃料通路から、電磁弁１１が
付勢されて開弁したときに吸気管側噴射孔１２と噴霧通
路１０を経て吸気ポート２７内へ燃料が噴射される経路
（図１０参照）との２系統がある。なお、図９のように
筒内へ直接に燃料を噴射する場合は電磁弁１１は閉じた
状態にあり、噴射孔１３からのみ筒内へ噴射される。そ
れと反対に、図１０のように吸気ポート２７内へ燃料を
噴射する場合は、燃料噴射弁４８のニードル弁３７は閉
じており、噴霧通路１０の電磁弁１１だけが開弁して吸
気管噴射を行う。

【００２８】第２実施形態の燃料噴射装置８を用いたエ
ンジンの制御を、第１実施形態と同様に図７に示したフ
ローチャートによって説明する。まず、エンジンの運転
条件（エンジン回転数Ｎｅ、負荷Ｌ、油水温Ｔ、等）か
ら、ＥＣＵ５の内部メモリに設定されている図示しない
マップにより燃料噴射量Ｑを決定する（ステップ６０
１）。つぎに、エンジンの運転条件をＥＣＵ５によって
判断して噴射パターンを決定する（ステップ６０２以
下）。噴射方向は油水温Ｔの高さによって、即ちエンジ
ンの暖機が完了しているか否かによって、吸気ポート２
７内に噴射するか、燃焼室２２内に噴射するかが決ま
る。油水温Ｔが所定値Ｔ₁よりも低い場合はステップ６
０３へ進む。そこで燃料噴射量Ｑが所定値Ｑ₁よりも少
ないときは筒内噴射は行わず、すべて吸気管内に噴射さ
れる（ステップ６１０）。このため、燃料噴射弁４８の
ニードル弁３７が閉で、電磁弁１１が開となる。

【００２９】ステップ６０３において燃料噴射量Ｑ≦Ｑ
₁でないときはステップ６１１へ進んで、吸気行程前噴
射として排気行程中から吸気管噴射を行う。このとき、
ＥＣＵ５の判断によって排気行程中から吸気行程にわた
って連続して噴射することもできる。ステップ６０２に
おいて油水温ＴがＴ≦Ｔ₁でない場合は、ステップ６０
４へ進んで、エンジン回転数Ｎｅと負荷ＬからＥＣＵ５
によって吸気行程噴射（ステップ６０５）とするか、圧
縮行程噴射（ステップ６０８）とするか、あるいは２回
噴射（ステップ６０９）とするかが決定される。このう
ちステップ６０５の吸気行程噴射の場合は、ステップ６
１２に進み、更に燃料噴射量Ｑ≦Ｑ₂のときにステップ
６１３に進んで、吸気管噴射（ステップ６０６）とする
か、筒内噴射（ステップ６０７）とするかがＥＣＵ５に
よって決定される。

【００３０】筒内噴射を行うときは、ステップ６０７に
進んで、図９に示すように燃料噴射弁４８のニードル弁
３７が開で、電磁弁１１が閉とされる。吸気管噴射を行
うときはステップ６０６に進んで、図１０に示すように
燃料噴射弁４８のニードル弁３７が閉で、電磁弁１１が
開とされる。また、ステップ６１２において燃料噴射量
Ｑ≦Ｑ₂でないときは、ステップ６１４に進んで吸気行
程前噴射となり、ステップ６１５において吸気管噴射を
行う。ステップ６０４において圧縮行程噴射と決定され
た場合は筒内に噴射されるので、燃料噴射弁４８のニー
ドル弁３７が開で、電磁弁１１が閉となる。

【００３１】２回噴射の場合はステップ６０９へ進ん
で、吸気行程と圧縮行程においてそれぞれ噴射を行う
が、吸気行程噴射を行うときはそれを筒内噴射とする
か、あるいは吸気管噴射とするかということも、ＥＣＵ
５によって併せて決定される。吸気行程において筒内噴
射を行うときは、燃料噴射弁４８のニードル弁３７が開
で電磁弁１１が閉とされる。これに対して吸気管噴射を
行うときは、燃料噴射弁４８のニードル弁３７が閉で電
磁弁１１が開とされる。圧縮行程においては筒内に噴射
されるので、燃料噴射弁４８のニードル弁３７が開で電
磁弁１１が閉となる。ステップ６０９における２回噴射
のうちの吸気行程噴射では、全負荷運転時や暖機運転時
のように、ＥＣＵ５が多量の噴射量が必要と判断したと
きには、排気行程中から噴射を開始することができ、ま
た排気行程中から吸気行程にわたって連続して噴射する
こともできる。

【００３２】図１１から図１５に本発明の第３実施形態
を示す。第３実施形態においては図１１の（ａ）および
（ｂ）に示したような構造の燃料噴射弁１５を用いる。
燃料噴射弁１５には、図１１（ｂ）に拡大して示したよ
うに２つの噴射孔１６および１７が設けられており、ど
ちらか一方が筒内噴射方向に、他方が吸気管噴射方向に
指向している。例えば、噴射孔１６が吸気管内へ、噴射
孔１７が筒内へ噴射するように設定すれば、燃料噴射弁
１５の先端３４を位置決めすることと、筒内噴射のみの
時期を吸気バルブ２３の閉弁タイミングに合わせること
によって、筒内噴射の時には、噴射孔１６が図１２およ
び図１３に示すように吸気バルブ２３のシート面によっ
て塞がれるために、吸気ポート２７内の方向には噴射さ
れずに、噴射孔１７から燃焼室２２内のみに向かって噴
射されるようになる。

【００３３】第３実施形態の方式では吸気管内だけの噴
射は行わず、噴射孔１６による吸気管噴射が行われると
きは同時に筒内噴射も行われる「筒内噴射＋吸気管噴
射」の噴射モードとなる。即ち、この場合は図１４に示
すように、吸気バルブ２３が開弁している時期が選定さ
れるので、噴射孔１６は開放していて、噴射孔１６から
一方の燃料噴霧４７’が吸気管方向に噴射される。その
燃料は吸入空気と混合されてから筒内へ送られる。それ
と同時に、噴射孔１７からも筒内方向への噴射が行われ
て燃料噴霧４７”が形成され、燃焼室２２内において燃
料噴霧４７’の混合気と混合する。

【００３４】第３実施形態の燃料噴射弁１５を用いたエ
ンジンの制御について、図１５のフローチャートを用い
て説明する。まず、エンジンの運転条件（回転数Ｎｅ、
負荷Ｌ、油水温Ｔ、等）から、ＥＣＵ５の内部メモリに
設定されている図示しないマップにより燃料噴射量Ｑを
決定する（ステップ７０１）。つぎに、エンジンの運転
条件をＥＣＵ５によって判断するが、前述の場合と同様
に油水温Ｔによって噴射パターンを決定する（ステップ
７０２）。油水温ＴがＴ≦Ｔ₁の場合は吸気行程におい
て吸気管噴射が行われる（ステップ７０３）。ステップ
７０２において油水温ＴがＴ≦Ｔ₁でない場合は、ステ
ップ７０４に進んで、エンジン回転数Ｎｅと負荷Ｌから
ＥＣＵ５によって吸気行程噴射とする（ステップ７０
５）か、圧縮行程噴射（ステップ７０６）とするか、あ
るいは２回噴射（ステップ７０７）とするかが決定され
る。

【００３５】このうち吸気行程噴射の場合（ステップ７
０５）は、筒内と吸気管の両方へ同時に噴射が行われ
る。圧縮行程噴射の場合（ステップ７０６）は、吸気管
方向の噴射孔１６が吸気バルブ２３によって塞がれるた
め、筒内方向にのみ噴射が行われる。２回噴射の場合
（ステップ７０７）は、吸気行程と圧縮行程のそれぞれ
において噴射を行うが、吸気行程における噴射のとき
は、筒内と吸気管の両方に同時に噴射が行われ、圧縮行
程の噴射のときは吸気バルブ２３が閉じていて、吸気管
方向への噴射孔１６を閉塞しているため、筒内にのみ噴
射が行われる。

【００３６】以上の説明から明らかなように、いずれの
実施形態の場合でも、高負荷、高回転時、あるいは始動
時に吸気管噴射を行うことによって、吸気管内に吸入さ
れた空気と噴射された燃料噴霧が吸気管内で混合され、
混合気となって筒内に均質に拡散するため、未燃ＨＣ、
スモーク等の排気エミッションの発生量を低減すること
ができ、また、筒内直接噴射式内燃機関でありながら、
必要に応じて排気行程から吸気行程にかけての吸気管噴
射を行うことができるので、要求される多量の噴射量が
充足されて、始動性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の全体構成を示すシステム構
成図である。

【図２】第１実施形態における燃料噴射弁の構造を示す
もので、（ａ）は全体構造を示す縦断正面図、（ｂ）は
（ａ）の要部を拡大して示す縦断正面図である。

【図３】第１実施形態における１つの噴射モードを示す
縦断正面図である。

【図４】第１実施形態における他の噴射モードを示す縦
断正面図である。

【図５】エンジンの運転条件によって噴射モードを決定
するためのマップを例示する線図である。

【図６】噴射モード別に燃料噴射弁の開弁および閉弁の
時期を例示したタイムチャートである。

【図７】第１実施形態および第２実施形態においてＥＣ
Ｕが実行する制御の手順を示すフローチャートである。

【図８】第２実施形態における燃料噴射弁の構造を示す
縦断正面図である。

【図９】第２実施形態における１つの噴射モードを示す
縦断正面図である。

【図１０】第２実施形態における他の噴射モードを示す
縦断正面図である。

【図１１】第３実施形態における燃料噴射弁の構造を示
すもので、（ａ）は全体構造を示す縦断正面図、（ｂ）
は（ａ）の要部を拡大して示す縦断正面図である。

【図１２】第３実施形態における１つの噴射モードを示
す縦断正面図である。

【図１３】図１２の要部を拡大して示す縦断正面図であ
る。

【図１４】第３実施形態における他の噴射モードを示す
縦断正面図である。

【図１５】第３実施形態においてＥＣＵが実行する制御
の手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１…クランク角センサ２…アクセルポジションセンサ３…スロットルポジションセンサ４…エアフローメータ５…ＥＣＵ（電子式制御装置）６…燃料噴射装置（第１実施形態）７…噴射孔８…燃料噴射装置（第２実施形態）１０…噴霧通路１１…電磁弁１２…吸気管側噴射孔１３…筒内側噴射孔１５…燃料噴射弁（第３実施形態）１６…吸気管側噴射孔１７…筒内側噴射孔１８…油水温センサ２１…シリンダヘッド２２…燃焼室（筒内）２３…吸気バルブ２７…吸気ポート（吸気管内）３３…燃料噴射弁（第１実施形態）３４…燃料噴射弁の先端３７…ニードル弁３９…ノズル本体４０…バルブ本体４３…燃料噴射弁の胴部４４…ローラ４５…モータ４７…燃料噴霧４８…燃料噴射弁（第２実施形態）４９…ノズル本体

フロントページの続き (72)発明者加納政雄愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者大谷元希愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (56)参考文献特開平５−79386（ＪＰ，Ａ) 特開平10−121950（ＪＰ，Ａ) 特開平７−103050（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−171667（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/02 330 F02M 61/14 310 F02M 61/18 320 F02M 63/02 F02M 69/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】１気筒について１個の燃料噴射弁を備え
ている筒内直接噴射式内燃機関において、前記機関の運
転条件に応じて前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を
変更することができるように構成されており、前記機関
の運転条件に応じて、燃料を吸気ポート内に向かって噴
射する吸気行程噴射を行うか、燃料を筒内に向かって噴
射する圧縮行程噴射を行うか、あるいはそれらを併せた
２回噴射を行うかを選択することができるように構成さ
れていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】前記機関において吸気行程噴射を行う場
合に、前記機関の運転条件に応じて、前記吸気行程噴射
に加えて吸気行程の前の排気行程においても燃料を噴射
することを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式内
燃機関。
【請求項３】前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を
変更するために、前記燃料噴射弁が回動することができ
るように構成されていることを特徴とする請求項１また
は２のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を
変更するために、前記燃料噴射弁が燃料を筒内に向かっ
て噴射する筒内側噴射孔の他に、燃料を吸気ポート内に
向かって噴射する吸気管側噴射孔をも備えていることを
特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の筒内直
接噴射式内燃機関。
【請求項５】１気筒について１個の燃料噴射弁を備え
ている筒内直接噴射式内燃機関において、前記機関の運
転条件に応じて前記燃料噴射弁からの燃料の噴射方向を
変更することができるように構成されており、前記機関
の運転条件が成層燃焼の運転領域にあるときには燃料を
筒内に向かって噴射する一方、前記機関の運転条件が均
質燃焼の運転領域にあるときには燃料を吸気ポート内に
向かって噴射するとともに、前記燃料噴射弁からの燃料
の噴射方向を変更するために、前記燃料噴射弁が燃料を
筒内に向かって噴射する筒内側噴射孔の他に、燃料を吸
気ポート内に向かって噴射する吸気管側噴射孔をも備え
ていることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】前記筒内側噴射孔が前記燃料噴射弁のニ
ードル弁によって開閉されるとともに、前記吸気管側噴
射孔が前記ニードル弁とは異なる別の弁によって開閉さ
れるように構成されていることを特徴とする請求項５に
記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】前記別の弁が電磁弁であることを特徴と
する請求項６に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】前記別の弁が前記機関の吸気バルブであ
ることを特徴とする請求項６に記載の筒内直接噴射式内
燃機関。