JP4111122B2 - ディーゼル機関の燃料噴射装置および燃料噴射方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼル機関の燃料噴射装置および燃料噴射方法に関する。

内燃機関においては、吸気ポート内に燃料を噴射するポート内噴射弁を備え、該ポート内噴射弁から燃料を噴射することで予混合気を形成して予混合燃焼を行うものがある。また、より高出力を得るために、気筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁とポート内噴射弁とを併用する内燃機関もある。

このようなポート内噴射弁を備えた内燃機関では、吸気ポートの壁面に液状の燃料が付着する虞がある。そこで、このような液状の燃料の吸気ポート壁面への付着を抑制するために、例えば、燃料に旋回力を付与しつつ該燃料を吸気ポート内へ噴射するポート内噴射弁と、吸気ポートの断面積を変化させることで吸気の流速を変更する吸気流制御装置を備えた内燃機関の燃料噴射装置であって、内燃機関の運転状態が低負荷低回転のときは、燃料の噴霧を低ペネトレーション噴霧とすると共に、吸気流速を高める技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、吸気ポート内へ噴射するポート内噴射弁と、吸気ポートの断面積を変化させることで吸気の流速を変更する吸気流制御装置を備えた内燃機関の燃料噴射装置であって、ポート内噴射弁側の吸気ポート壁面とは対向する側の壁面に指向するように燃料の噴霧が生成されると共に、該燃料の噴霧を流速の高い吸気によって搬送する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。これらの技術によれば、ポート内噴射弁によって噴射された燃料が液状の燃料として吸気ポート壁面に付着することが抑制されるとともに、該燃料をより好適な時期に気筒内に供給することが出来る。

また、内燃機関においては、混合気をより良好に燃焼させるために、少なくとも1つの
吸気ポートをスワールポートとすることによって気筒内にスワールを生成するものがある。スワールポートとしては、吸気ポートの吸気弁周辺を渦巻き状にしたヘリカルポート等が知られている。
特開２００１−２６３１４２号公報 特開２００１−３１７４３４号公報 特開平３−１３０５７３号公報 特開平７−１５１０３９号公報 特開平８−９３６０１号公報 特開平１０−１４１１７９号公報 特開平１１−３０１６７号公報 実用新案登録第２５９４９９２号公報

ディーゼル機関において、吸気ポート内に燃料を噴射するポート内噴射弁を設けた場合、ディーゼル機関の燃料である軽油は揮発性が低いため、該ポート内噴射弁から噴射された燃料は微粒化しにくく液滴状となり易い。そのため、吸気ポートの壁面に液滴状の燃料が付着し易く、また、吸気ポートの壁面に付着しなくても吸気と共に液滴状の燃料が気筒内に流入し易くなる。

そして、このようなポート内噴射弁を備えたディーゼル機関がスワールポートを有しており、気筒内に流入する吸気の流れによって該気筒内にスワールが生成される場合、吸気と共に気筒内に流入した液滴状の燃料が、スワールによる遠心力によってボア壁面に運ば
れ該ボア壁面に付着する虞がある。また、吸気ポートの壁面に付着し該吸気ポート壁面を伝って気筒内に流入した液滴状の燃料も、吸気弁開弁時に発生する吸気流入時のボア壁面方向への吸気の流れ、および気筒内のスワールによる遠心力によって、ボア壁面方向に運ばれ該ボア壁面に付着する虞がある。特に、ポート内噴射弁が設けられた吸気ポートがヘリカルポートである場合、この吸気ポートから気筒内に流入する吸気は吸気弁の軸周りに旋回しつつ気筒内に流入するため、該吸気の一部はボア壁面方向へ流れ易い。そのため、液状の燃料がボア壁面に付着し易くなる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、吸気弁の軸周りを吸気が旋回するように形成された吸気ポート内に燃料を噴射するディーゼル機関において、液状の燃料がボア壁面に付着するのを抑制することが可能な技術を提供することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
即ち、本発明は、吸気弁の軸周りを吸気が旋回するように形成された吸気ポート内に燃料を噴射するポート内噴射弁を備えたディーゼル機関の燃料噴射装置において、ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの目標噴射位置を吸気ポート内での吸気の回転速度に応じて変更するものである。

より詳しくは、第一の発明に係るディーゼル機関の燃料噴射装置は、
吸気弁の軸周りを吸気が旋回するように形成された吸気ポート内において、該吸気ポートの気筒内への開口部に向けて燃料を噴射するポート内噴射弁を少なくとも備え、
少なくとも、ディーゼル機関が所定の運転状態にあるときに、前記ポート内噴射弁から吸気行程中に燃料を噴射することで予混合圧縮着火燃焼を行うディーゼル機関の燃料噴射装置であって、
前記ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの前記吸気ポートの前記気筒内への開口部における目標燃料噴射位置を、前記吸気ポート内での吸気の回転速度に応じて変更することを特徴とする。

本発明では、吸気ポートは、吸気弁の軸まわりを吸気が旋回するように形成されている（以下、この吸気ポートをヘリカルポートと称する）。そのため、該ヘリカルポートから流入した吸気の流れによって気筒内には該気筒の軸周りに旋回するスワールが生成される。

また、このヘリカルポートにはポート内噴射弁が設けられている。そして、このポート内噴射弁は、ヘリカルポート内において、該ヘリカルポートの気筒内への開口部に向けて燃料を噴射する。また、このポート内噴射弁からの燃料噴射は吸気行程中に行われ、噴射された燃料は吸気と混ざり合いつつ気筒内に流入し予混合気を形成する。その結果、本発明に係るディーゼル機関では予混合圧縮着火燃焼が行われる。尚、本発明において、ディーゼル機関が所定の運転状態にあるときとは、例えば、該ディーゼル機関が低負荷運転状態にあるときのことである。

上述したように、ディーゼル機関において吸気ポート内に噴射された燃料（軽油）は液滴状になり易い。ヘリカルポート内で液滴状となった燃料の一部は、ヘリカルポートの気筒内への開口部近傍の壁面に付着し該壁面を伝って気筒内に流入する。また、ヘリカルポートの壁面に付着していない液滴状の燃料も吸気と共に気筒内に流入する。そして、このような液滴状の燃料は、吸気弁開弁時における吸気流入時のボア壁面方向への吸気の流れ、もしくは気筒内のスワールによる遠心力によって、ボア壁面方向に運ばれ該ボア壁面に付着する虞がある。

そこで、本発明では、ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの、ヘリカルポートの気筒内への開口部における目標燃料噴射位置を、ヘリカルポート内での吸気の回転速度に応じて変更する。ヘリカルポート内での吸気の回転速度は、機関回転数や吸気弁のリフト量等によって変化する。そして、ヘリカルポート内での吸気の回転速度が変化すると、該ヘリカルポートから気筒内へ流入するときの吸気の流れ方向が変化する。その結果、液滴状の燃料がヘリカルポートから気筒内へ流入するときに、気筒内において該液滴状の燃料が運ばれる方向も変化する。また、ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの目標燃料噴射位置が変更されると、ヘリカルポート内における液滴状の燃料が発生する位置も必然的に変化する。そのため、ヘリカルポートの気筒内への開口部における液滴状の燃料の気筒内への流入位置は目標燃料噴射位置近傍となる。

本発明によれば、ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの、ヘリカルポートの気筒内への開口部における目標燃料噴射位置を、ヘリカルポート内での吸気の回転速度に応じて変更することで、ヘリカルポートの気筒内への開口部における、吸気の流れ方向が気筒の中心付近方向となる位置に燃料を噴射することが出来る。その結果、ポート内噴射弁から燃料を噴射することによって発生した液滴状の燃料は、ヘリカルポートの気筒内への開口部において吸気の流れ方向が気筒の中心付近方向となっている位置から気筒内に流入する。そのため、気筒内に流入した液滴状の燃料は該気筒内の中心付近へ運ばれることになる。従って、吸気弁開弁時における吸気流入時のボア壁面方向への吸気の流れによって液滴状の燃料がボア壁面に運ばれるのを抑制することが出来る。また、液滴状の燃料は気筒内の中心付近に運ばれるため、気筒内のスワールによる遠心力によっても、該液滴状の燃料はボア壁面に運ばれにくくなる。従って、液状の燃料がボア壁面に付着するのを抑制することが出来る。

尚、本発明は、ポート内噴射弁に加えて、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁が設けられた構成であっても良い。また、本発明は、低負荷運転状態にあるときはポート内噴射弁から燃料を噴射することで予混合圧縮着火燃焼を行い、高負荷運転状態にあるときは筒内噴射弁から燃料を噴射することで拡散燃焼（従来のディーゼル燃焼）を行うディーゼル機関に適用されても良く、また、全ての運転領域においてポート内噴射弁から燃料を噴射することで予混合圧縮着火燃焼を行うディーゼル機関に適用されても良い。

また、本発明に係るディーゼル機関では、気筒毎に二つ吸気ポートを設け、一方の吸気ポートをヘリカルポートとし、他方の吸気ポートをストレートポートとしても良く、また、両方の吸気ポートをヘリカルポートとしても良い。さらに、気筒毎に三つ以上の吸気ポートを設け、少なくとも一つの吸気ポートをヘリカルポートとしても良い。

本発明においては、ヘリカルポート内での吸気の回転速度が遅い場合は、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を、該ヘリカルポートの気筒内への開口部における気筒の中心側の位置とし、一方、ヘリカルポート内での吸気の回転速度が速い場合は、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を、該ヘリカルポートの気筒内への開口部における、気筒の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置とするのが好ましい。

ヘリカルポート内での吸気の回転速度が遅い場合、ヘリカルポートから気筒内へ吸気が流入するときの気筒内への開口部における吸気の流れ方向は、該開口部の法線方向により近い方向となる。そのため、ヘリカルポートの気筒内への開口部における気筒の中心側の位置から気筒内に流入した吸気は気筒の中心付近に向かって流れる。また、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を、ヘリカルポートの気筒内への開口部における気筒の中心側の位置とすると、ポート内噴射弁からの燃料噴射によって発生する液滴状の燃料はこの位置近傍から気筒内に流入する。従って、ヘリカルポート内での吸気の回転速度が遅い場合に、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を、該ヘリカルポートの気筒内への開口部における気
筒の中心側の位置とすると、ヘリカルポート内で発生した液滴状の燃料が気筒内に流入したとき、該液滴状の燃料は吸気の流れによって気筒の中心付近に運ばれる。

一方、ヘリカルポート内での吸気の回転速度が速い場合、ヘリカルポートから気筒内へ吸気が流入するときの気筒内への開口部における吸気の流れ方向は、該開口部の接線方向により近い方向となる。そのため、ヘリカルポートの気筒内への開口部における気筒の中心側の位置から気筒内に流入した吸気はボア壁面に向かって流れる。従って、この場合に、ヘリカルポート内での吸気の回転速度が遅い場合と同様、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を、ヘリカルポートの気筒内への開口部における気筒の中心側の位置とすると、ヘリカルポート内で発生した液滴状の燃料が気筒内に流入したとき、該液滴状の燃料は吸気の流れによってボア壁面に運ばれ、該ボア壁面に付着する虞がある。

そこで、本発明では、ヘリカルポート内での吸気の回転速度が速い場合、上述したように、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を、ヘリカルポートの気筒内への開口部における、気筒の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置とする。ヘリカルポート内での吸気の回転速度が速い場合は、該ヘリカルポートの気筒内への開口部における、気筒の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置から気筒内に流入した吸気が気筒の中心付近に向かって流れる。また、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置をヘリカルポートの気筒内への開口部における、気筒の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置とすると、ポート内噴射弁からの燃料噴射によって発生する液滴状の燃料はこの位置近傍から気筒内に流入する。従って、ヘリカルポート内での吸気の回転速度が速い場合、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を、該ヘリカルポートの気筒内への開口部における、気筒の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置とすると、ヘリカルポート内で発生した液滴状の燃料が気筒内に流入したとき、該液滴状の燃料は吸気の流れによって気筒の中心付近に運ばれる。

上記のような目標燃料噴射位置の制御によれば、ヘリカルポート内で発生した液滴状の燃料が気筒内に流入したとき、該液滴状の燃料は気筒内の中心付近へ運ばれることになる。即ち、吸気弁開弁時における吸気流入時のボア壁面方向への吸気の流れによって液滴状の燃料がボア壁面方向に運ばれるのを抑制することが出来る。また、液滴状の燃料は気筒内の中心付近に運ばれるため、気筒内のスワールによる遠心力によっても、該液滴状の燃料はボア壁面に運ばれにくくなる。従って、液状の燃料がボア壁面に付着するのを抑制することが出来る。

また、上記のような目標燃料噴射位置の制御によれば、液滴状の燃料のみならず、ヘリカルポートから気筒内へ流入する混合気も気筒内の中心付近に流入し易くなる。従って、気筒内の中心付近に混合気が分布し易くなる。その結果、ボア壁面近傍等のクエンチゾーンに混合気が分布しにくくなるため失火を抑制することが出来、以て未燃燃料成分の排出量を低減することが出来る。また、気筒内の中心付近に混合気が分布することによって、該混合気が燃焼したときのボア壁面への熱損失を低減することが出来、以て燃費を向上させることが出来る。

尚、本発明においては、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を、ヘリカルポート内での吸気の回転速度が所定回転速度より速い場合と遅い場合との２段階で変更しても良く、また、ヘリカルポート内での吸気の回転速度に応じて３段階以上で変更しても良い。

また、本発明では上記課題を解決するために以下の手段を採用しても良い。
即ち、第二の発明に係るディーゼル機関の燃料噴射方法は、
吸気弁の軸周りを吸気が旋回するように形成された吸気ポート内において、該吸気ポートの気筒内への開口部に向けて燃料を噴射するポート内噴射弁を少なくとも備え、
少なくとも、ディーゼル機関が所定の運転状態にあるときに、前記ポート内噴射弁から吸気行程中に燃料を噴射することで予混合圧縮着火燃焼を行うディーゼル機関において、
前記吸気ポート内での吸気の回転速度を推定するステップと、
前記ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの、前記吸気ポートの前記気筒内への開口部における目標燃料噴射位置を、推定された前記吸気ポート内での吸気の回転速度に応じて決定するステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明に係るディーゼル機関では、吸気ポートはヘリカルポートとなっている。そのため、ヘリカルポートから流入した吸気の流れによって、気筒内に該気筒の軸周りに旋回するスワールが生成される。

また、このヘリカルポートにはポート内噴射弁が設けられている。そして、このポート内噴射弁は、ヘリカルポート内において、該ヘリカルポートの気筒内への開口部に向けて燃料を噴射する。また、このポート内噴射弁からの燃料噴射は吸気行程中に行われ、噴射された燃料は吸気と混ざり合いつつ気筒内に流入し予混合気を形成する。その結果、本発明に係るディーゼル機関では予混合圧縮着火燃焼が行われる。

そして、本発明は、ヘリカルポート内での吸気の回転速度を推定するステップを有している。ここで、例えば、この吸気の回転速度を、機関回転数や吸気弁のリフト量等から推定しても良い。そして、ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの、ヘリカルポートの気筒内への開口部における目標燃料噴射位置を、ヘリカルポート内での吸気の回転速度に応じて決定する。

ヘリカルポート内での吸気の回転速度が変化すると、該ヘリカルポートから気筒内へ吸気が流入するときの吸気の流れ方向が変化する。その結果、液滴状の燃料がヘリカルポートから気筒内へ流入するときに、気筒内において該液滴状の燃料が運ばれる方向も変化する。また、ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの目標燃料噴射位置が変更されると、ヘリカルポート内における液滴状の燃料が発生する位置も必然的に変化する。そのため、ヘリカルポートの気筒内への開口部における液滴状の燃料の気筒内への流入位置は目標燃料噴射位置近傍となる。

本発明によれば、ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの、ヘリカルポートの気筒内への開口部における目標燃料噴射位置を、ヘリカルポート内での吸気の回転速度に応じて決定することで、ヘリカルポートの気筒内への開口部における、吸気の流れ方向が気筒の中心付近となる位置に燃料を噴射することが出来る。その結果、ポート内噴射弁から燃料を噴射することによって発生した液滴状の燃料は、ヘリカルポートの気筒内への開口部において吸気の流れ方向が気筒の中心付近となっている位置から気筒内に流入する。そのため、気筒内に流入した液滴状の燃料は該気筒内の中心付近へ運ばれることになる。従って、吸気弁開弁時における吸気流入時のボア壁面方向への吸気の流れによって液滴状の燃料がボア壁面に運ばれるのを抑制することが出来る。また、液滴状の燃料は気筒内の中心付近に運ばれるため、気筒内のスワールによる遠心力によっても、該液滴状の燃料はボア壁面に運ばれにくくなる。従って、液状の燃料がボア壁面に付着するのを抑制することが出来る。

尚、本発明に係るディーゼル機関は、ポート内噴射弁に加えて、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁が設けられた構成であっても良い。また、本発明は、低負荷運転状態にあるときはポート内噴射弁から燃料を噴射することで予混合圧縮着火燃焼を行い、高負荷運転状態にあるときは筒内噴射弁から燃料を噴射することで拡散燃焼（従来のディーゼル燃焼）を行うディーゼル機関に適用されても良く、また、全ての運転領域においてポート
内噴射弁から燃料を噴射することで予混合圧縮着火燃焼を行うディーゼル機関に適用されても良い。

また、本発明に係るディーゼル機関では、気筒毎に二つ吸気ポートを設け、一方の吸気ポートをヘリカルポートとし、他方吸気ポートをストレートポートとしても良く、また、両方の吸気ポートをヘリカルポートとしても良い。さらに、気筒毎に三つ以上の吸気ポートを設け、少なくとも一つの吸気ポートをヘリカルポートとしても良い。

本発明に係るディーゼル機関の燃料噴射装置および燃料噴射方法によれば、吸気弁の軸周りを吸気が旋回するように形成された吸気ポート内に燃料を噴射するディーゼル機関において、液状の燃料がボア壁面に付着するのを抑制することが出来る。その結果、ボア壁面でのオイル希釈や未燃燃料成分の排出量増加、さらには燃費の悪化を抑制することが出来る。

以下、本発明に係るディーゼル機関の燃料噴射装置および燃料噴射方法の実施の形態について図面に基づいて説明する。

＜ディーゼル機関の概略構成＞
図１は、本実施例に係るディーゼル機関の燃料噴射装置および燃料噴射方法を適用したディーゼル機関およびその吸排気系とその制御系の概略構成を示す図である。図１の（ａ）は、本実施例に係るディーゼル機関を横から見たときの概略構成図である。図１の（ｂ）は、本実施例に係るディーゼル機関をシリンダヘッド上方から見たときの概略構成図である。

ディーゼル機関１のシリンダヘッド１２には、二つの吸気ポート５ａ，５ｂと二つの排気ポート６ａ，６ｂとが形成されている。吸気ポート５ａ，５ｂと排気ポート６ａ，６ｂとはそれぞれ気筒２内に開口しており、それぞれの開口部は吸気弁９ａ，９ｂまたは排気弁１０ａ，１０ｂによって開閉される。二つの吸気ポートのうち一方の吸気ポート５ａは、吸気弁９ａの周辺が渦巻き状に形成された所謂ヘリカルポートであり、該吸気ポート５ａ内を流通する吸気は吸気弁９ａの軸周りを旋回する。そのため、該吸気ポート５ａから流入した吸気の流れによって気筒２内には該気筒２の軸回りに旋回するスワールが生成される。尚、本実施例では、図１の（ｂ）に示すように、吸気ポート５ａの渦巻き形状は、シリンダヘッド１２上方から見た場合、右回りに形成されており、該吸気ポート５ａ内において吸気は吸気弁９ａの軸周りを右回りに旋回する。

吸気ポート５ａ，５ｂはそれぞれ吸気通路７ａ，７ｂと接続されており、排気ポート６ａ，６ｂはそれぞれ排気通路８ａ，８ｂと接続されている。また、シリンダヘッド２には、吸気ポート５ａ内において該吸気ポート５ａの気筒２内への開口部方向に燃料を噴射するポート内噴射弁４と、気筒２内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁３と、が設置されている。

気筒２内にはピストン１１が摺動自在に設けられており、さらにディーゼル機関１には該ピストン１１の往復運動と連動して回転するクランクシャフトの回転角に対応した電気信号を出力するクランクポジションセンサ２１が設置されている。また、吸気弁９ａ，９ｂと排気弁１０ａ，１０ｂとは、それらの開閉動作がクランクシャフトの回転運動と連動されることで、燃焼サイクルにおける所定の時期に開閉される。

以上述べたように構成されたディーゼル機関１には、このディーゼル機関１を制御する
ためのＥＣＵ２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ディーゼル機関１の運転条件や運転者の要求に応じてディーゼル機関１の運転状態を制御するユニットである。ＥＣＵ２０は、クランクポジションセンサ２１等の各種センサと電気的に接続されており、各種センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。また、ＥＣＵ２０は、筒内噴射弁３およびポート内噴射弁４と電気的に接続されており、これらの燃料噴射弁３，４を制御することが可能になっている。本実施例では、ディーゼル機関１が低負荷運転状態にあるときは、吸気行程中にポート内噴射弁４から燃料が噴射されることによって気筒２内に予混合気が形成され予混合圧縮着火燃焼が行われる、一方、ディーゼル機関１が高負荷運転状態にあるときは、圧縮行程上死点近傍の時期に筒内噴射弁３から燃料が噴射されることによって拡散燃焼が行われる。

＜ポート内噴射の目標燃料噴射位置＞
次に、ポート内噴射弁４から燃料を噴射するときの、吸気ポート５ａの気筒２内への開口部における目標燃料噴射位置について図２に基づいて説明する。図２は、気筒２の上面における、各吸気ポート５ａ，５ｂおよび各排気ポート６ａ，６ｂの開口部を示す図である。開口部１５ａ，１５ｂはそれぞれ吸気ポート５ａ，５ｂの開口部を示し、開口部１６ａ，１６ｂはそれぞれ排気ポート６ａ，６ｂの開口部を示す。

本実施例では、吸気ポート５ａの気筒２内への開口部１５ａに向けてポート内噴射弁４から燃料が噴射される。そのため、開口部１５ａ近傍の吸気ポート５ａの壁面には液滴状の燃料が付着し易い。この吸気ポート５ａの壁面に付着した液滴状の燃料は該壁面を伝って気筒２内に流入する。また、吸気ポート５ａの壁面に付着していない液滴状の燃料も吸気と共に気筒２内に流入する。そして、このような液滴状の燃料は、吸気弁９ａ開弁時における吸気流入時のボア壁面方向への吸気の流れ、もしくは気筒２内のスワールによる遠心力によって、ボア壁面に運ばれ該ボア壁面に付着する虞がある。

そこで、本実施例では、気筒２内に流入した液滴状の燃料がボア壁面に付着するのを抑制するために、ポート内噴射弁４から燃料を噴射するときの、吸気ポート５ａの気筒２内への開口部における目標燃料噴射位置を、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度に応じて変更する。

つまり、本実施例では、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が遅い場合は、ポート内噴射弁４の目標燃料噴射位置を、図２の（ａ）の斜線部Ａの位置、即ち、吸気ポート５ａの気筒２内への開口部１５ａにおける気筒２の中心側の位置とする。

吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が遅い場合、吸気ポート５ａから気筒２内へ吸気が流入するときの開口部１５ａにおける該吸気の流れ方向は、図２の（ａ）に矢印で示すように、該開口部１５ａの法線方向により近い方向となる。そのため、開口部１５ａにおける気筒２の中心側の位置から気筒２内に流入した吸気は気筒２の中心付近に向かって流れる。また、ポート内噴射弁４の目標燃料噴射位置を、開口部１５ａにおける気筒２の中心側の位置とすると、ポート内噴射弁４からの燃料噴射によって発生する液滴状の燃料はこの位置近傍から気筒２内に流入する。従って、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が遅い場合に、ポート内噴射弁４の目標燃料噴射位置を、該吸気ポート５ａの開口部１５ａにおける気筒２の中心側の位置とすると、吸気ポート５ａ内で発生した液滴状の燃料が気筒２内に流入したとき、該液滴状の燃料は吸気の流れによって気筒２の中心付近に運ばれる。

一方、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が速い場合、吸気ポート５ａから気筒２内へ吸気が流入するときの開口部１５ａにおける該吸気の流れ方向は、図２の（ｂ）に矢印で示すように、該開口部１５の接線方向により近い方向となる。そのため、開口部１５ａ
における気筒２の中心側の位置から気筒２内に流入した吸気はボア壁面に向かって流れる。従って、この場合に、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が遅い場合と同様、ポート内噴射弁４の目標燃料噴射位置を開口部１５における気筒２の中心側の位置とすると、吸気ポート５ａ内で発生した液滴状の燃料が気筒２内に流入したとき、該液滴状の燃料は吸気の流れによってボア壁面に運ばれ、該ボア壁面に付着する虞がある。

そこで、本実施例では、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が速い場合、ポート内噴射弁４の目標燃料噴射位置を、図２の（ｂ）の斜線部Ｂの位置、即ち、開口部１５ａにおける気筒２の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置とする。本実施例では、図２の（ｂ）に矢印で示すように、吸気ポート５ａ内において吸気は右回り旋回しているため、ポート内噴射弁４の目標燃料噴射位置は、開口部１５ａにおける気筒２の中心側の位置から左回りの方向にずれた位置となる。

吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が速い場合は、開口部１５ａにおける、気筒２の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置から気筒２内に流入した吸気が気筒２の中心付近に向かって流れる。また、ポート内噴射弁４の目標燃料噴射位置を開口部１５ａにおける、気筒２の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置とすると、ポート内噴射弁４からの燃料噴射によって発生する液滴状の燃料はこの位置近傍から気筒２内に流入する。従って、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が速い場合に、ポート内噴射弁４の目標燃料噴射位置を、該吸気ポート５ａの開口部１５ａにおける、気筒２の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置とすると、吸気ポート５ａ内で発生した液滴状の燃料が気筒２内に流入したとき、該液滴状の燃料は吸気の流れによって気筒２の中心付近に運ばれる。

このような目標燃料噴射位置の制御によれば、吸気ポート５ａ内で発生した液滴状の燃料が気筒２内に流入したとき、該液滴状の燃料は気筒２内の中心付近に運ばれることになる。即ち、吸気弁９ａ開弁時における吸気流入時のボア壁面方向への吸気の流れによって液滴状の燃料がボア壁面に運ばれるのを抑制することが出来る。また、液滴状の燃料は気筒２内の中心付近に運ばれるため、気筒２内のスワールによる遠心力によっても、該液滴状の燃料はボア壁面に運ばれにくくなる。従って、液状の燃料がボア壁面に付着するのを抑制することが出来る。

また、このような目標燃料噴射位置の制御によれば、液滴状の燃料のみならず、吸気ポート５ａから気筒２内へ流入する混合気も気筒２内の中心付近に流入し易くなる。従って、気筒２内の中心付近に混合気が分布し易くなる。その結果、ボア壁面近傍等のクエンチゾーンに混合気が分布しにくくなるため失火を抑制することが出来、以て未燃燃料成分の排出量を低減することが出来る。また、気筒２内の中心付近に混合気が分布することによって、該混合気が燃焼したときのボア壁面への熱損失を低減することが出来、以て燃費を向上させることが出来る。

＜ポート内噴射弁の概略構成＞
ここで、本実施例に係るポート内噴射弁４の概略構成について図３に基づいて説明する。図３の（ａ）は、ポート内噴射弁４の先端部分の概略構成を示す断面図である。図３の（ｂ）は、ポート内噴射弁４の先端部分を下方から見たときの概略構成図である。

ポート内噴射弁４は、本体３０と、該本体３０の内部に軸方向に摺動自在に設けられたニードル弁３１を備えている。本体３０の内壁面とニードル弁３１との間には燃料通路３２が形成されている。本体３０の下端部は、その外壁面および内壁面が共に下方へ向かって縮径するテーパ状に形成されている。また、ニードル弁３１の下端部も、本体３０の下端部と同様、下方へ向かって縮径するテーパ状に形成されている。

テーパ状に形成された本体３０の下端部には複数の噴孔３３が形成されている。各噴孔３３は、図３の（ｂ）に示すように、本体３０の下端部において円周状に配置されている。そして、ニードル弁３１が下方に移動し該ニードル弁３１下端部のテーパ面が本体３０下端部の内壁面のテーパ面に押圧されると、該ニードル弁３１によって噴孔３３が塞がれる。一方、ニードル弁３１が上方に移動すると、該ニードル弁３１下端部のテーパ面と本体３０下端部の内壁面のテーパ面との間を通って燃料が噴孔３３に流入する。

さらに、本実施例においては、噴孔３３毎に、該噴孔３３を遮断もしくは開通する噴孔弁３４が設けられている。該噴孔弁３４は圧電素子からなるアクチュエータをそれぞれ備えており、ＥＣＵ２０は該アクチュエータへの電圧供給をそれぞれ制御することによって各噴孔弁３４の作動を制御する。

上記説明したようなポート内噴射弁４においては、ニードル弁３１が上方に移動した状態であっても、噴孔弁３４によって遮断された噴孔３３からは燃料は噴射されず、噴孔弁３４によって開通された噴孔３３のみから燃料が噴射される（図３の（ｂ）においては、斜線が引かれた噴孔３３が噴孔弁３４によって遮断された噴孔を表し、空白となっている噴孔３３が噴孔弁３４によって開通された噴孔を表している）。従って、このようなポート内噴射弁４によれば、各噴孔弁３４の作動をそれぞれ制御することで開通もしくは遮断させる噴孔３３を変更することが出来る。その結果、ポート内噴射弁４の下端部における燃料の噴射位置を変更することが出来、以てポート内噴射弁４から目標燃料噴射位置に向けて燃料を噴射することが出来る。

（ポート内噴射弁の変形例）
本実施例に係るポート内噴射弁４は図４の（ａ）に示すような構成でも良い。図４の（ａ）は、ポート内噴射弁４の変形例の先端部分の概略構成を示す断面図である。図４の（ａ）に示すポート内噴射弁４は上述した噴孔弁３４の代わりに複数の噴孔制御板３５を備えている。

このポート内噴射弁４の本体３０には、下端部分が噴孔３３と交差するように制御板通路３６が形成されている。そして、該制御板通路３６内に複数の噴孔制御板３５が摺動可能に設置されている。噴孔制御板３５は、噴孔３３毎に設けられても良く、また、いくつかの噴孔３３毎に設けられても良い。

噴孔制御板３５には、図４の（ｂ）に示すように、その下端部分に噴射窓３７が形成されている。また、各噴孔制御板３５は、噴孔弁２４と同様、圧電素子からなるアクチュエータをそれぞれ備えており、該アクチュエータによって噴孔制御板３５は制御板通路３６内を上下方向に摺動する。そして、噴孔制御板３５が摺動することで、噴射窓３７の位置が噴孔３３の位置となるとこの噴孔３３は開通される。一方、噴射窓３７の位置が噴孔３３の位置から外れるとこの噴孔３３は遮断される。このように、図４の（ａ）に示すポート内噴射弁４の変形例においては、ＥＣＵ２０は、各噴孔制御板３５のアクチュエータへの電圧供給をそれぞれ制御することによって各噴孔制御板３５の作動を制御する。

このようなポート内噴射弁４の変形例によれば、各噴孔制御板３５の作動をそれぞれ制御することで開通もしくは遮断させる噴孔３３を変更することが出来る。その結果、ポート内噴射弁４の下端部における燃料の噴射位置を変更することが出来、以てポート内噴射弁４から目標燃料噴射位置に向けて燃料を噴射することが出来る。

＜ポート内燃料噴射制御ルーチン＞
次に、本実施例でのポート内噴射弁４によるポート内燃料噴射の制御について図５に基
づいて説明する。図５は、ポート内噴射弁４によるポート内燃料噴射の制御ルーチンを示すフローチャート図である。本ルーチンは、ＥＣＵ２０に予め記憶されたルーチンであって、ポート内噴射弁４から燃料を噴射する度に繰り返されるルーチンである。

本ルーチンでは、先ず、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０１において、クランクポジションセンサ２１の検出値から導出されるディーゼル機関１の機関回転数ｎから吸気ポート５ａ内の吸気の流速ｖを算出する。

次に、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０２に進み、クランクポジションセンサ２１の検出値であるクランクアングルθから吸気弁９ａのリフト量ｗを導出する。本実施例では、吸気弁９ａの開閉動作はクランクシャフトの回転運動と連動しているため、クランクアングルθから吸気弁９ａのリフト量ｗを導出することが出来る。

次に、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０３に進み、Ｓ１０１にて算出された吸気ポート５ａ内の吸気の流速ｖと、Ｓ１０２にて導出された吸気弁９ａのリフト量ｗと、から吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度ωを算出する。ここで、吸気ポート５ａ内の吸気の流速ｖと吸気弁９ａのリフト量ｗと吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度ωとの関係を予め実験的に求め、これらの関係をマップとしてＥＣＵ２０に記憶しておき、該マップから吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度ωを算出しても良い。

次に、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０４に進み、Ｓ１０３にて算出された吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度ωに応じて、ポート内噴射弁４から燃料を噴射するときの、吸気ポート５ａの気筒２内への開口部１５ａにおける目標燃料噴射位置を決定する。ここでは、この目標燃料噴射位置を、上述したように、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度ωが遅い場合は、吸気ポート５ａの気筒２内への開口部１５ａにおける気筒２の中心側の位置（図２の（ａ）における斜線部Ａの位置）とし、一方、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が速い場合は、吸気ポート５ａの気筒２内への開口部１５ａにおける、気筒２の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置（図２の（ｂ）における斜線部Ｂの位置）とする。

次に、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０５に進み、Ｓ１０４にて決定された目標燃料噴射位置に向けてポート内噴射弁４から燃料を噴射して本ルーチンの実行を一旦終了する。

本ルーチンによれば、ポート内噴射弁４から燃料を噴射するときの目標燃料噴射位置を、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度に応じて変更する。そのため、吸気ポート５ａ内に発生した液滴状の燃料が気筒２内に流入したときに、該液滴状の燃料が、吸気弁９ａ開弁時における吸気流入時のボア壁面への吸気の流れ、もしくは、気筒２内のスワールによる遠心力によって、ボア壁面に運ばれるのを抑制することが出来る。従って、液状の燃料がボア壁面に付着するのを抑制することが出来る。

尚、本発実施例においては、ポート内噴射弁４の目標燃料噴射位置を、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度が所定回転速度より速い場合と遅い場合との２段階で変更しても良く、また、吸気ポート５ａ内での吸気の回転速度に応じて３段階以上で変更しても良い。

また、本実施例に係るディーゼル機関１は、全ての運転領域においてポート内噴射弁４から燃料を噴射することで予混合圧縮着火燃焼を行うディーゼル機関であっても良い。

また、吸気ポート５ａと吸気ポート５ｂとの両方がヘリカルポートである構成でも良い。また、気筒２において、吸気ポート５ａおよび吸気ポート５ｂの他にさらに一以上の吸気ポートを設けた構成であっても良い。

本発明の実施例に係るディーゼル機関の燃料噴射装置および燃料噴射方法を適用したディーゼル機関およびその吸排気系とその制御系の概略構成を示す図。図１の（ａ）は、本発明の実施例に係るディーゼル機関を横から見たときの概略構成図。図１の（ｂ）は、本発明の実施例に係るディーゼル機関をシリンダヘッド上方から見たときの概略構成図。 図２は、気筒の上面における、各吸気ポートおよび各排気ポートの開口部を示す図。図２の（ａ）は、吸気ポート（ヘリカルポート）内での吸気の回転速度が遅い場合の、該吸気ポートの開口部における吸気の流れ方向と、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を示す図。図２の（ｂ）は、吸気ポート（ヘリカルポート）内での吸気の回転速度が速い場合の、該吸気ポートの開口部における吸気の流れ方向と、ポート内噴射弁の目標燃料噴射位置を示す図。 本発明の実施例に係るポート内噴射弁の概略構成を示す図。図３の（ａ）は、ポート内噴射弁の先端部分の概略構成を示す断面図。図３の（ｂ）は、ポート内噴射弁の先端部分を下方から見たときの概略構成図。 図４の（ａ）は、本発明の実施例に係るポート内噴射弁の変形例の先端部分の概略構成を示す断面図。図４の（ｂ）は、噴孔制御板の概略構成を示す図。 ポート内噴射弁によるポート内燃料噴射の制御ルーチンを示すフローチャート図。

符号の説明

１・・・ディーゼル機関
２・・・気筒
４・・・ポート内噴射弁
５ａ・・吸気ポート
９ａ・・吸気弁
１２・・シリンダヘッド
１５ａ・・開口部
２０・・ＥＣＵ
２１・・クランクポジションセンサ
３０・・本体
３１・・ニードル弁
３３・・噴孔
３４・・噴孔弁
３５・・噴孔制御弁
３７・・噴射窓

Claims (3)

1. 吸気弁の軸周りを吸気が旋回するように形成された吸気ポート内において、該吸気ポートの気筒内への開口部に向けて燃料を噴射するポート内噴射弁を少なくとも備え、
   少なくとも、ディーゼル機関が所定の運転状態にあるときに、前記ポート内噴射弁から吸気行程中に燃料を噴射することで予混合圧縮着火燃焼を行うディーゼル機関の燃料噴射装置であって、
   前記ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの前記吸気ポートの前記気筒内への開口部における目標燃料噴射位置を、前記吸気ポートの気筒内への開口部における吸気の流れ方向が前記気筒の中心付近方向となる位置に燃料が噴射されるように、前記吸気ポート内での吸気の回転速度に応じて変更し、それによって、前記吸気ポート内に発生する液滴状の燃料が前記気筒の中心付近へ運ばれるようにすることを特徴とするディーゼル機関の燃料噴射装置。
2. 前記吸気ポート内での吸気の回転速度が遅い場合は、前記目標燃料噴射位置を、前記吸気ポートの前記気筒内への開口部における前記気筒の中心側の位置とし、一方、前記吸気ポート内での吸気の回転速度が速い場合は、前記目標燃料噴射位置を、前記吸気ポートの前記気筒内への開口部における、前記気筒の中心側の位置から吸気の旋回方向とは反対方向にずれた位置とすることを特徴とする請求項１記載のディーゼル機関の燃料噴射装置。
3. 吸気弁の軸周りを吸気が旋回するように形成された吸気ポート内において、該吸気ポートの気筒内への開口部に向けて燃料を噴射するポート内噴射弁を少なくとも備え、
   少なくとも、ディーゼル機関が所定の運転状態にあるときに、前記ポート内噴射弁から吸気行程中に燃料を噴射することで予混合圧縮着火燃焼を行うディーゼル機関において、
   前記吸気ポート内での吸気の回転速度を推定するステップと、
   前記ポート内噴射弁から燃料を噴射するときの前記吸気ポートの前記気筒内への開口部における目標燃料噴射位置を、前記吸気ポートの気筒内への開口部における吸気の流れ方向が前記気筒の中心付近方向となる位置に燃料が噴射されるように、推定された前記吸気ポート内での吸気の回転速度に応じて決定し、それによって、前記吸気ポート内に発生する液滴状の燃料が前記気筒の中心付近へ運ばれるようにするステップと、
   を含むことを特徴とするディーゼル機関の燃料噴射方法。

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