JP4548204B2

JP4548204B2 - 筒内噴射内燃機関

Info

Publication number: JP4548204B2
Application number: JP2005129925A
Authority: JP
Inventors: 彰田山; 博文土田; 泰介白石; 大輔田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP2006307703A

Description

本発明は、筒内噴射内燃機関に関し、詳細には、いわゆる中央噴射タイプの筒内噴射内燃機関において、触媒の活性促進等を目的として、燃料の噴射期間が膨張行程中に設定される場合に、この期間に噴射された噴霧に対してピストンとの衝突前に点火する際の着火性を向上させるための技術に関する。

筒内噴射内燃機関は、シリンダヘッドに燃料供給用のインジェクタが設置され、このインジェクタにより筒内に燃料を直接噴射することで、層状の混合気を形成するものである。この筒内噴射内燃機関によれば、燃焼の大幅な希薄化が可能であるとともに、吸気に伴うポンプロスの低減の効果も相俟って、特に低負荷域における燃料消費量を低減し得ることが知られている。

筒内噴射内燃機関として、燃料供給用のインジェクタが気筒中心軸に対して傾斜させて、シリンダヘッドの側方から気筒中心に向けて配設された、いわゆる側方噴射タイプのもののほか、このインジェクタが気筒中心軸に対して平行に、シリンダヘッドの上方からピストンの冠面に対向させて配置された中央噴射タイプのものが知られている。

前者の側方噴射タイプの筒内噴射内燃機関に関するものであるが、暖機後における排気浄化触媒の活性維持を目的として、成層燃焼時に排気温度を上昇させる次のような技術が知られている（特許文献１）。すなわち、圧縮行程中に主として出力形成を目的とした燃料噴射を行い、点火プラグにより着火させて成層燃焼を行わせるとともに、成層燃焼後の筒内に対し、膨張行程中に追加の燃料噴射を行い、この追加の燃料噴射により供給された燃料の自己着火燃焼により、排気温度を上昇させるものである。
特開平１０−２１２９９５号公報（段落番号００１０〜００１３）

しかしながら、前掲特許文献１に記載された排気昇温技術（側方噴射タイプの筒内噴射内燃機関に関する。）には、次のような問題がある。すなわち、この技術は、排気昇温のための追加の燃料噴射による燃焼が自己着火燃焼の形態であるため、その噴射時期及び先行する成層燃焼のための点火時期を厳密に制御する必要があり、燃焼制御上の設定に自由がないことである。この問題を緩和させるための方法として、追加の燃料噴射による燃焼を点火により制御することが考えられるが、この追加の燃料噴射は、膨張行程中に、ピストンが下降している最中に行われるため、噴射された燃料が点プラグの位置にまで輸送され難い傾向にあり、着火が不安定となる。

前者の設定自由度の問題は、中央噴射タイプの筒内噴射内燃機関についても当てはまると考えられる。他方、後者の燃料輸送上の問題は、インジェクタの配置の相違から、中央噴射タイプのものについてそのまま当てはまるとは言い難いが、この場合は、点火プラグが一般的にインジェクタに隣接して配置されるため、点火プラグの位置を通過する際の噴霧が速過ぎて、確実な着火性を得難いという、別の問題がある。燃料噴射が実質的に終了し、インジェクタの弁体が閉じていく過程で噴霧の速度が低下するため、その過程のなかで点火時期を設定することも考えられるが、この場合の点火時期の設定許容範囲は、極めて制限されたものとなる。

本発明は、燃料供給用のインジェクタがピストンの冠面に対向させて配置された筒内噴射内燃機関において、膨張行程中に燃料を噴射する際の点火プラグによる着火性を向上させることを目的とする。

本発明は、筒内噴射内燃機関を提供する。
本発明に係る装置は、ピストンの冠面に対向させて配置され、筒内に燃料を直接噴射する燃料供給用のインジェクタと、このインジェクタに近接させて設置され、このインジェクタにより噴射された噴霧に点火する点火プラグと、機関の排気通路に設置された排気浄化用の触媒とを含んで構成される。

本発明の１つの側面によれば、触媒の不活性時に燃料の噴射期間を機関の膨張行程中に設定するとともに、インジェクタの弁体のリフト量を触媒の活性時における弁体のリフト量よりも減少させて、触媒の不活性時に前記噴射期間の後期にインジェクタにより噴射される噴霧の速度を、触媒の活性時に前記噴射期間の後期にインジェクタにより噴射される噴霧の速度よりも低下させ、触媒の不活性時において、前記噴射期間の後期に噴射された噴霧に対して点火するための点火プラグの点火時期が設定される。
また、本発明の他の側面によれば、触媒の不活性時に燃料の噴射期間を機関の膨張行程中に設定するとともに、インジェクタの弁体の弁閉速度を触媒の活性時の弁体の弁閉速度よりも低下させて、触媒の不活性時に前記噴射期間の後期にインジェクタにより噴射される噴霧の速度を、触媒の活性時に前記噴射期間の後期にインジェクタにより噴射される噴霧の速度よりも低下させ、触媒の不活性時において、前記噴射期間の後期に噴射された噴霧に対して点火するための点火プラグの点火時期が設定される。

また、本発明の他の側面によれば、インジェクタにおいて、本体先端のノズル部のうち点火プラグの位置に向く一部の噴孔を形成する部分と、弁体との間に、この弁体の弁閉状態下で形成される燃料溜まりが設けられ、触媒の不活性時に燃料の噴射期間を機関の膨張行程中に設定し、点火プラグにより、弁閉後にこの燃料溜まりから噴射される噴霧に対して点火が行われる。

本発明によれば、燃料の噴射期間が機関の膨張行程中に設定される場合に、この期間の後期に噴射される噴霧の速度を低下させ、又は燃料溜まりにより弁閉後に速度の低い噴霧を形成したことで、点火プラグの位置を速度の低い噴霧が通過する期間の長さを確保し、膨張行程中に燃料を噴射する際の着火性を向上させることができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る筒内噴射内燃機関（以下「エンジン」）という。）１の構成を、気筒中心軸ｍを含む平面による断面で示している。エンジン１は、いわゆる中央噴射タイプの筒内噴射内燃機関である。

シリンダブロック１１には、ピストン１２が挿入され、ピストン１２の冠面１２１とシリンダヘッド１３の下面１３１との間に形成される空間１４が燃焼室となる。気筒中心軸ｍを基準としたシリンダヘッド１３の一側には、吸気ポート１５が形成され、吸気ポート１５は、図示しない吸気マニホールドと接続されて、吸気通路を形成している。吸気ポート１５は、吸気弁１６により開放及び遮断される。シリンダヘッド１３の他側には、排気ポート１７が形成され、排気ポート１７は、排気マニホールド１８と接続されて、排気通路を形成している。排気ポート１８は、排気弁１９により開放及び遮断される。吸気弁１６及び排気弁１９は、各弁１６，１９の上方に配置された、図示しない吸気カム又は排気カムにより開方向に駆動される。

また、シリンダヘッド１３には、気筒中心軸ｍ上に、ピストン１２の冠面に対向させて燃料供給用のインジェクタ（以下、単に「インジェクタ」という。）２１が設置されるとともに、インジェクタ２１に対して排気ポート１７側に隣接させて、点火プラグ２５が設置されている。本実施形態において、インジェクタ２１は、圧縮行程噴射時における噴霧形状の乱れを抑制し得るホールノズルタイプ又はアウトワードタイプのインジェクタであり、ピストン１２の冠面に向かって気筒中心軸ｍ上を進む中空円錐状の噴霧を形成する。点火プラグ２５は、プラグギャップの位置がこの噴霧の外縁に設定され、特定の運転領域での運転に際し、ピストン１２との衝突前の噴霧に対して点火を行うことができる。

インジェクタ２１及び点火プラグ２５の動作は、エンジンコントロールユニット３１により制御される。インジェクタ２１は、燃料ポンプ２２により所定の圧力に調整された燃料が燃料配管２３を介して供給され、この燃料をエンジンコントロールユニット３１により定められる所定の噴射期間に噴射する。燃料ポンプ２２は、エンジン１の出力により駆動される。他方、点火プラグ２５は、エンジンコントロールユニット３１により定められる所定の点火時期に点火を行う。本実施形態では、後述する排気昇温時における噴霧速度の調整のため、燃料ポンプ２２として、吐出圧力又はインジェクタ２１に対する燃料の供給圧力を変更可能な可変タイプのものが採用される。この可変ポンプには、公知のいかなるタイプのものが採用されてもよく、たとえば、弁開圧力が異なる２つの圧力レギュレータを選択的に動作可能に構成されたもの、又はクランクシャフトとポンプの駆動シャフトとの間の回転数比を調整可能に構成されたものが採用される。

燃焼後の排気は、排気弁１９の開期間に排気ポート１７から排気通路に排出される。排気通路には、排気マニホールド１８の下流に排気浄化触媒（以下、単に「触媒」という。）２０が設置されており、排気は、触媒２０を通過した後、大気中に放出される。

エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）３１へは、エンジン１の吸入空気量を検出するエアフローメータ４１の検出信号、エンジン１に対する要求負荷に相関するアクセル開度を検出するアクセルセンサ４２の検出信号、クランクシャフト（図示せず。）の基準位置及び単位位置を検出するクランク角センサ４３の検出信号（これをもとに、エンジン１の回転速度を算出することができる。）、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ４４の検出信号、燃料配管２３内の燃料の圧力（以下「燃圧」という。）を検出する燃圧センサ４５の検出信号、及び触媒２０への流入前の排気の空燃比を検出する排気センサ４６の検出信号等が入力される。ＥＣＵ３１は、入力した各種の検出信号をもとに、インジェクタ２１、点火プラグ２５及び燃料ポンプ２２等のエンジン制御デバイスに対する制御信号を形成する。

本実施形態では、エンジン１の運転状態に応じ、均質燃焼と成層燃焼との間で燃焼形態を切り換えて運転を行わせる。均質燃焼では、目標とする空燃比が理論値に設定されるとともに、燃料の噴射期間が吸気行程中に設定され、燃焼室１４の全体に噴霧を拡散させた状態で燃焼が行われる。他方、成層燃焼では、目標とする空燃比が理論値よりも大きな値に設定されるとともに、燃料の噴射期間が圧縮行程中に設定され、燃焼室１４のうち点火プラグ２５の近傍に噴霧を集中させた状態で燃焼が行われる。燃焼形態の切り換えの判断は、ＥＣＵ３１により行われる。

図２は、本実施形態に係る燃焼制御ルーチンのフローチャートを示している。このルーチンは、ＥＣＵ３１によりキースイッチ等の電源スイッチのオンにより開始され、所定の時間毎に実行される。このルーチンでは、暖機後の通常運転時における燃焼形態の切り換えが判断されるとともに、冷間始動に際し、暖機前における排気温度の上昇制御が行われる。

Ｓ１０１では、エンジン１の運転状態として、アクセル開度ＡＰＯ、エンジン回転数Ｎｅ及び冷却水温度Ｔｗ等を読み込む。

Ｓ１０２では、読み込んだＴｗが所定の温度Ｔ１以上であるか否かを判定する。Ｔ１以上であるときは、エンジン１の暖機が完了したとして、Ｓ１０３へ進み、Ｔ１未満であるときは、エンジン１の暖機が未完了（すなわち、触媒２０が未活性）であるとして、Ｓ１０７へ進む。

Ｓ１０３では、読み込んだＡＰＯ及びＮｅにより図示の傾向を持たせたマップデータを参照し、エンジン１の運転状態が属する領域Ａ，Ｂを判定する。

Ｓ１０４では、エンジン１の運転状態が比較的に低負荷側に設定された領域Ａに属するか否かを判定する。領域Ａに属するときは、Ｓ１０５へ進み、属さないときは、領域Ａよりも高負荷側に設定された領域Ｂに属するとして、Ｓ１０６へ進む。

Ｓ１０５では、成層燃焼を選択し、燃料の噴射期間を圧縮行程中に設定するとともに、点火時期を設定する。

Ｓ１０６では、均質燃焼を選択し、燃料の噴射期間を吸気行程中に設定するとともに、点火時期を設定する。

他方、冷間始動に際し、Ｓ１０２の処理により暖機前であると判定したときは、Ｓ１０７へ進み、本実施形態に係る排気昇温制御を実行する。この制御において、燃料の噴射期間は、圧縮行程中の第１の期間（以下「主期間」という。）と、膨張行程中の第２の期間（以下「後期間」という。）とに分けて設定される。膨張行程中に噴射された燃料により後燃えの効果を生じさせて、排気温度を上昇させることができる。前者の主期間は、エンジン１の出力形成上必要な量の燃料が噴射される長さに設定され、後者の後期間は、排気温度を所望の温度に上昇させるのに必要な量の燃料が噴射される長さに設定される。また、主期間は、出力形成後の２回目の燃焼に用いられる酸素を残存させるため、理論値よりも大きな値の空燃比が得られる長さである必要がある。他方、点火時期は、主期間及び後期間のそれぞれについて設定され、圧縮行程と膨張行程とに設定される。膨張行程中の点火時期は、後期間に噴射された噴霧に対し、ピストン１２との衝突前に点火が行われる時期に設定される。本実施形態では、後期間に噴射された噴霧の着火性を確保するため、この制御の一環として燃料ポンプ２２に制御信号を出力し、燃圧を暖機後の通常運転時のものよりも低下させることで、噴霧の速度を低下させる。

図３は、本実施形態に係る排気昇温制御（図２のＳ１０７）の概念を説明するものであり、噴霧の速度Ｖｓを示す上側の線図において、冷間始動時のものを実線で、通常運転時のものを一点鎖線で示している。なお、噴霧の速度Ｖｓ及び燃料濃度Ｄｓは、夫々噴霧が点火プラグ２５の位置を通過する際のものである。速度Ｖｓの変化の傾向は、噴射直後の速度（すなわち、初速）に基づいて容易に知ることができる。この初速の評価には、一般に理解されるいかなる方法のものが採用されてもよいが、たとえば、ホールノズルタイプのインジェクタ２１が採用される場合に、筒内と燃料配管２３内との燃圧の差、インジェクタ２１の噴孔の直径、及び他の係数による実験的な近似を採用することができる。

ピストン１２との衝突前の噴霧に対して点火が行われる燃焼形態は、成層燃焼に包括されるものとして、スプレーガイド燃焼として知られている。このスプレーガイド燃焼において、噴霧の着火性は、点火プラグ２５の位置を通過する際の噴霧の速度Ｖｓ及び燃料濃度Ｄｓに左右される。このうち、速度Ｖｓは、初速Ｖ０によるところが大きく、噴射期間Ｔの開始後、初速Ｖ０の増大により直ちに最大値を迎え、噴射期間Ｔの終了後、弁体の閉動作による初速Ｖ０の減少に伴い次第に減少していく。他方、燃料濃度Ｄｓは、噴射期間Ｔの全体に亘り増大し、噴射期間Ｔの終了後、初速Ｖ０の減少の影響を反映させて減少していく。噴霧の着火には、噴霧の速度Ｖｓ及び燃料濃度Ｄｓのそれぞれが着火可能範囲Ｒｖ，Ｒｄ内にあることが必要であり、点火時期は、速度Ｖｓが範囲Ｒｖ内にある期間Δｔｖと、燃料濃度Ｄｓが範囲Ｒｄ内にある期間Δｔｄとの重複期間（ここでは、Δｔｖ）内に制限される。本実施形態では、エンジン１の冷間始動に際し、燃料の噴射期間として膨張行程中の後期間を設定するとともに、燃圧を通常運転時のものよりも低下させるが、これは、燃圧の低下により噴射期間Ｔ（ここでは、特に後期間）の全体に亘り初速Ｖ０を低下させることで、弁体の閉動作時における初速Ｖ０を減少させ、かつこのときの初速Ｖ０の減少勾配を緩やかにして、点火プラグ２５の位置において、速度Ｖｓが着火可能範囲Ｒｖ内にある低速の噴霧が通過する期間Δｔｖが延長される効果を期待したものである。

本実施形態に関し、図２に示すフローチャートのＳ１０７のうち、燃圧を低下させる処理が「噴霧速度調整手段」に、点火時期を設定する処理が「点火時期設定手段」に相当する。

本実施形態によれば、燃料の噴射期間として膨張行程中の後期間が設定される場合に、燃圧の低下によりこの後期間、特に弁体の閉動作時に噴射される噴霧の速度Ｖ０を低下させ、これに伴い速度Ｖ０の減少勾配を緩やかにしたことで、点火プラグ２５の位置を低速の噴霧が通過する期間Δｔｖの長さを確保し、点火プラグ２５による着火性を向上させることができる。

また、本実施形態に係る噴霧速度の調整は、燃料ポンプ２２の簡単な制御により行うことができる。

なお、以上のように燃圧の低下による場合は、燃料の微粒化が進まなくなるため、主期間に係る１回目の燃焼時にＨＣ等の未燃成分が発生することが考えられる。この未燃成分は、後期間に係る２回目の燃焼により得られる高温の排気により、燃やし切ることができる。

以下に、本発明の他の実施形態について説明する。以下に示す各実施形態は、排気昇温時における噴霧速度の調整のための代替手段を提供するものである。このため、以下の説明は、関連箇所のみに止める。

図４は、本発明の第２の実施形態に係るインジェクタ２１の構成を示している。

本実施形態では、インジェクタ２１として、アウトワードタイプのものが採用され、アクチュエータ２１１として、ピエゾタイプのものが採用される。ポペットタイプの弁体２１２は、アクチュエータ２１１によりインジェクタ２１の中心軸ｎ上を外向きに開駆動され、本体との間に噴射方向に関して円錐状に広がる噴孔ｈ（図５）を形成する。インジェクタ２１の内部には、インジェクタ２１の本体である外筒２１３と、アクチュエータ２１１を収容する内筒２１４との間に燃料通路２１５が形成されており、燃料配管２３を介してインジェクタ２１に供給された燃料は、燃料通路２１５及び噴孔ｈを介して筒内に噴射される。

図５は、弁体２１２の動作を通常運転時（ａ）と冷間始動時（ｂ）とで比較して示している。

本実施形態では、弁体２１２のリフト量Ｌとして、インジェクタ２１を全開状態とする最大リフト量Ｌ１と、インジェクタ２１を半開状態とする中間リフト量Ｌ２（＜Ｌ１）とが設定される。リフト量Ｌの切り換えは、ＥＣＵ３１からの制御信号に基づいてアクチュエータ２１１への印加電圧を変化させることにより行われる。通常運転時では、燃料の噴射期間の全体に亘り最大リフト量Ｌ１が設定される一方、冷間始動時では、燃料の噴射期間として圧縮行程中の主期間及び膨張行程中の後期間が設定されるとともに、後期間において、その後期にリフト量Ｌを中間リフト量Ｌ２に切り換えることで、噴孔ｈの有効断面積を減少させ、燃料噴射率の減少によりこの後期における噴霧の速度（又は初速）Ｖ０を低下させる。

図６，７は、本実施形態に係るアクチュエータ２１１への通電プロフィールＡ及びインジェクタ２１の燃料噴射率Ｂを示している。図６は、通常運転時のものを、図７は、冷間始動時のものを示している。

通常運転時では、アクチュエータ２１１に対し、噴射期間Ｔの全体に亘り一定の駆動電圧ｖ（＝ｖ１）を印加することで、燃料噴射率ｒを増大させ、最大リフト量Ｌ１の達成により規定の値に保持し、更に電圧ｖの遮断により減少させる。

他方、冷間始動時では、噴射期間（ここでは、後期間）Ｔの後期Ｔｅ１〜Ｔｅ３にアクチュエータ２１１への印加電圧を切り換え、弁体２１２のリフト量Ｌを中間リフト量Ｌ２に切り換える。このための第1の方法として、図７ａは、後期間Ｔにおいて、駆動電圧ｖとして比較的に大きな値の第１の電圧ｖ１を印加した後、後期Ｔｅ１に電圧ｖを一旦遮断し、更に第１の電圧ｖ１よりも小さな値の第２の電圧ｖ２を印加するものを示している。また、第２の方法として、第２の電圧ｖ２を第1の電圧ｖ１から継続させて、段階的に減少するプロフィールＡ２として印加してもよく（図７ｂ）、又は第３の方法として、第２の電圧ｖ２を第１の電圧ｖ１から継続させて、連続的に減少するプロフィールＡ３として印加してもよい（図７ｃ）。

本実施形態によれば、ピエゾタイプのアクチュエータ２１１の採用により、中間リフト量Ｌ２の設定が可能であるので、噴霧速度の調整が容易である。

弁体２１２のリフト量Ｌの制御による噴霧速度の調整は、アウトワードタイプのインジェクタ２１に限らず、ホールノズルタイプのインジェクタに適用することもできる。

図８は、この場合のインジェクタとして、本発明の第３の実施形態に係るインジェクタ２１の構成を示しており、第２の実施形態のものと対応する部分には、同じ符号を付している。本実施形態では、インジェクタ２１として、中心軸ｎを基準とした周方向に複数の噴孔ｈ，ｈ・・・（図９）が形成されたマルチホールタイプのホールノズルインジェクタが採用される。

ホールノズルタイプのインジェクタ２１は、弁体２１２の開方向が内向きである点でアウトワードタイプのものと異なる。ピエゾタイプのアクチュエータ２１１は、駆動電圧ｖの印加により弁体２１２を引き上げ、噴孔ｈを開放させて、燃料を筒内に噴出させる。ホールノズルタイプのものでは、弁体２１２のリフト量Ｌの変化により噴孔ｈ自体の断面積を変化させることはできないが、リフト量Ｌを減少させることで、弁体２１２とその座面２１３ａとの間で流れが窄められるため、その下流の燃圧を減少させ、噴霧の速度Ｖ０を低下させることができる。

弁体２１２のリフト量Ｌの制御による噴霧速度の調整は、ソレノイドタイプのアクチュエータが採用されたインジェクタに適用することもできる。

図１０，１３は、この場合のインジェクタとして、本発明の第４及び第５の実施形態に係るインジェクタ２１の構成を示しており、第２の実施形態のものと対応する部分には、同じ符号を付している。図１０は、アウトワードタイプのものを、図１３は、ホールノズルタイプのものを示している。

図１０において、インジェクタ２１の本体２１３には、固定鉄心３０１が収容されており、固定鉄心３０１には、電磁コイル２１１が埋設されている。弁体２１２の基端には、円形プレートの可動鉄心３０２が固定されており、弁体２１２は、固定鉄心３０１と可動鉄心３０２との間に介装されたリターンスプリング３０３により閉方向に付勢されている。弁体２１２の周囲には、本体２１３及び固定鉄心３０１との間に燃料通路２１５が形成されており、燃料通路２１５は、可動鉄心３０２に形成された孔３０２ａを介して燃料配管２３内と連通している。電磁コイル２１１に駆動電圧ｖが印加されると、可動鉄心３０２が固定鉄心３０１に吸着されて、弁体２１２が開駆動され、噴孔ｈを介して燃料が筒内に噴射される。

噴霧速度の調整の概念は、ピエゾタイプのインジェクタ（図５，９：弁体２１２のリフト量Ｌの制御による。）におけると同様である。

図１１，１２は、第４の実施形態に係る電磁コイル２１１への通電プロフィールＡ及びインジェクタ２１の燃料噴射率Ｂを示している。

通常運転時のものを示す図１１において、電磁コイル２１１へは、噴射期間Ｔの初期に弁体移動のための大きな値の駆動電圧ｖ１が印加された後、可動鉄心３０２の吸着タイミングに合わせて弁体保持のための、比較的に小さな値の駆動電圧ｖ１に切り換えられる。燃料噴射率ｒは、弁体２１１の移動開始に伴い増大し、可動鉄心３０２の吸着により規定の値に保持され、更に電圧ｖ１の遮断により減少する。

冷間始動時のものを示す図１２において、噴射期間（ここでは、後期間）Ｔの後期Ｔｅ１〜Ｔｅ３における通電プロフィールを変更し、燃料噴射率ｒの減少により噴霧の速度Ｖ０を低下させる。電磁コイル２１１による場合は、ピエゾアクチュエータによる場合のように中間リフト量を設定することはできないが、駆動電圧ｖの制御により弁体２１２の弁閉速度を低下させることで、中間リフト量の設定による場合と同様な効果を得て、速度Ｖ０を低下させることができる。このための方法として、後期Ｔｅ１に駆動電圧ｖを一旦遮断した後、比較的に小さな値の第２の電圧ｖ２を印加してもよく（図１２ａ）、駆動電圧ｖを段階的に減少させてもよく（図１２ｂ）、又は駆動電圧ｖを連続的に減少させてもよい（図１２ｃ）。

本実施形態によれば、ソレノイドタイプのアクチュエータ２１１の採用により、インジェクタ２１の構成を簡単にすることができる。

図１３は、本発明の第５の実施形態に係るソレノイドタイプのホールノズルインジェクタ２１の構成を示している。

本実施形態に係る電磁コイル２１１への通電制御及びこれによる燃料噴射率ｒの変化は、第４の実施形態におけると同様である。

図１４は、本発明の第６の実施形態に係るインジェクタ２１の構成を示しており、第２の実施形態のものと対応する部分には、同じ符号を付している。本実施形態では、ソレノイドタイプのアウトワードインジェクタ２１が採用され、弁体駆動用の第１の電磁コイル２１１に加え、弁体２１２の弁閉速度を低下させる手段として、リターンスプリング３０３のバネ力を変化させるための第２の電磁コイル４０１が設けられる。

第１の電磁コイル２１１が埋設された固定鉄心３０１が本体２１１に収容されるとともに、弁体２１２の基端に可動鉄心３０２が固定され、固定鉄心３０１に対する可動鉄心３０２の吸着及び解放により弁体２１２が開閉するのは、第４の実施形態におけると同様である。

本実施形態では、固定鉄心３０１に第２の電磁コイル４０１が埋設されるとともに、第２の電磁コイル４０１により駆動されて、リターンスプリング３０３のバネ力を変化させる可動部材４０２が設けられる。可動部材４０２は、内面にリターンスプリング３０３及び後述するサブスプリング４０３の受けとなる突起が設けられた筒状に形成され、固定鉄心３０１の内面に形成された凹部に収められている。可動部材４０２の突起と本体２１３との間にサブスプリング４０３が介装されており、可動部材４０２は、サブスプリング４０３により、リターンスプリング３０３のバネ力に抗して付勢されている。第１及び第２の電磁コイル２１１，４０１への通電は、ＥＣＵ３１により制御される。第２の電磁コイル４０１への通電により可動部材４０３が固定鉄心３０１に吸着されると、これに伴いリターンスプリング３０３が収縮し、そのバネ力が増大するため、通常運転時における弁体２１２の速やかな閉動作が保障される。他方、冷間始動時には、第２の電磁コイル４０１への通電を遮断することで、可動部材４０２が退避位置に復帰して、リターンスプリング３０３のバネ力を低下させるため、弁体２１２の弁閉速度が低下する。

本実施形態によれば、リターンスプリング３０３のバネ力の調整により、弁体２１２の弁閉速度を構造的に低下可能としたことで、所望の弁閉速度を確実に実現することができる。

図１５は、本発明の第７の実施形態に係るソレノイドタイプのホールノズルインジェクタ２１の構成を示しており、第２の実施形態のものと対応する部分には、同じ符号を付している。弁体２１２の弁閉速度を低下させる手段として第２の電磁コイル４０１が設けられることは、第６の実施形態のものと同様である。

本実施形態では、弁体２１２の開方向の相違に起因して、第１及び第２の電磁コイル２１１，４０１の位置が第６の実施形態のものとは逆の関係にある。筒状の可動部材４０２には、内面に各スプリング３０３，４０３の受けとなる突起が設けられており、可動部材４０２は、第２の電磁コイル４０１への通電により駆動され、リターンスプリング３０３のバネ力を増大させる。

なお、弁閉速度の低下による噴霧速度の調整は、暖機後のアイドル時等の燃料の低流量時以外の条件で行われるのが好ましい。弁閉速度の低下により弁体２１２の閉動作時における燃料噴射量が増加する分、最大リフト時における燃料噴射量が減少することで、燃料噴射量全体のうち弁体２１２の閉動作時における燃料噴射量の占める割合が過大となる結果、インジェクタの個体間での動作特性のばらつきが顕著となるからである。

図１６は、本発明の第８の実施形態に係るインジェクタ２１の先端の構成を拡大して示している。

本実施形態では、インジェクタ２１として、ホールノズルタイプのものが採用される。アクチュエータには、ピエゾタイプ及びソレノイドタイプのいずれが採用されてもよい。

本体２１３において、先端のノズル部２１３ｂのうち点火プラグ２５の位置を向く（言い換えれば、プラグギャップに最も近い）噴孔ｈ１を形成する第１の部分２１３１が、これ以外の第２の部分２１３２よりも膨出している。このため、ノズル部２１３ｂと弁体２１２との間に形成される空間が、インジェクタ２１の中心軸ｎを基準とする周方向で拡縮され、第１の部分２１３１でこの空間が拡大されている。本実施形態では、噴孔ｈ１を形成する第１の部分２１３１と、全閉状態にある弁体２１２との間に燃料溜まり５０１が設けられ、弁閉後にこの燃料溜まり５０１内の燃料が慣性により噴射される。燃料溜まり５０１が閉空間であり、上流からの圧力伝播がないことから、この噴霧ｓの速度Ｖ０が抑えられ、点火プラグ２５の位置を通過する際の速度Ｖｓも充分に低い。このため、この噴霧ｓに対して点火するための着火可能期間Δｔｖ（図３）が確保され、着火性を向上させることができる。

なお、以上では、排気昇温制御を主に、エンジン１の冷間始動時における触媒２０の活性促進のために行う場合を例に説明した。しかしながら、本発明は、これに限らず、低排温運転が継続して、エンジン１の運転中に触媒２０が不活性化する惧れのある場合に適用し、触媒２０の活性維持を図ることもできる。この場合は、燃料の噴射期間として、出力形成のための吸気行程中又は圧縮行程中の主期間に加え、排気温度の上昇のための膨張行程中の後期間を設定する。

また、燃料の噴射期間は、以上のように主期間及び後期間に分けて設定するに限らず、分割せず、膨張行程中の１つの期間として設定してもよい。この場合は、出力形成のための燃料噴射も膨張行程中に行われることになるので、仕事ではなく熱に変換される燃料量の増加分を燃料噴射量に補う必要がある。この膨張行程中のみの噴射によれば、燃焼の極端な遅角化により、後燃えの効果が顕著に得られるため、排気温度を大幅に上昇させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る筒内噴射内燃機関の構成同上実施形態に係る燃焼制御ルーチンのフローチャート同上実施形態に係る、燃圧の低下による噴霧速度調整の概念本発明の第２の実施形態に係るピエゾタイプのアウトワードインジェクタの構成同上実施形態に係る、弁体の低リフト化による噴霧速度調整の概念同上実施形態に係る通常運転時における弁駆動電圧プロフィール同上実施形態に係る冷間始動時における弁駆動電圧プロフィール本発明の第３の実施形態に係るピエゾタイプのホールノズルインジェクタの構成同上実施形態に係る、弁体の低リフト化による噴霧速度調整の概念本発明の第４の実施形態に係るソレノイドタイプのアウトワードインジェクタの構成同上実施形態に係る通常運転時における弁駆動電圧プロフィール同上実施形態に係る冷間始動時における弁駆動電圧プロフィール本発明の第５の実施形態に係るソレノイドタイプのホールノズルインジェクタの構成バネ力を可変とした、本発明の第６の実施形態に係るアウトワードインジェクタの構成バネ力を可変とした、本発明の第７の実施形態に係るホールノズルインジェクタの構成燃料溜まりが形成された、本発明の第８の実施形態に係るホールノズルインジェクタの構成

符号の説明

１…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…ピストン、１３…シリンダヘッド、１４…燃焼室、１５…吸気ポート、１６…吸気弁、１７…排気ポート、１８…排気マニホールド、１９…排気弁、２０…排気浄化触媒、２１…インジェクタ、２２…燃料ポンプ、２３…燃料配管、２５…点火プラグ、３１…エンジンコントロールユニット、４１…エアフローメータ、４２…アクセルセンサ、４３…クランク角センサ、４４…水温センサ、４５…燃圧センサ、４６…排気センサ。

Claims

ピストンの冠面に対向させて配置され、筒内に燃料を直接噴射する燃料供給用のインジェクタと、
前記インジェクタに近接させて設置され、前記インジェクタにより噴射された噴霧に点火する点火プラグと、
機関の排気通路に設置された排気浄化用の触媒と、
前記触媒の不活性時に燃料の噴射期間を機関の膨張行程中に設定するとともに、前記インジェクタの弁体のリフト量を前記触媒の活性時における前記弁体のリフト量よりも減少させて、前記触媒の不活性時に前記噴射期間の後期に前記インジェクタにより噴射される噴霧の速度を、前記触媒の活性時に前記噴射期間の後期に前記インジェクタにより噴射される噴霧の速度よりも低下させる噴霧速度調整手段と、
前記触媒の不活性時において、前記噴射期間の後期に噴射された噴霧に対して点火するための前記点火プラグの点火時期を設定する点火時期設定手段と、
を含んで構成される筒内噴射内燃機関。
ピストンの冠面に対向させて配置され、筒内に燃料を直接噴射する燃料供給用のインジェクタと、
前記インジェクタに近接させて設置され、前記インジェクタにより噴射された噴霧に点火する点火プラグと、
機関の排気通路に設置された排気浄化用の触媒と、
前記触媒の不活性時に燃料の噴射期間を機関の膨張行程中に設定するとともに、前記インジェクタの弁体の弁閉速度を前記触媒の活性時の前記弁体の弁閉速度よりも低下させて、前記触媒の不活性時に前記噴射期間の後期に前記インジェクタにより噴射される噴霧の速度を、前記触媒の活性時に前記噴射期間の後期に前記インジェクタにより噴射される噴霧の速度よりも低下させる噴霧速度調整手段と、
前記触媒の不活性時において、前記噴射期間の後期に噴射された噴霧に対して点火するための前記点火プラグの点火時期を設定する点火時期設定手段と、
を含んで構成される筒内噴射内燃機関。
ピストンの冠面に対向させて配置され、筒内に燃料を直接噴射する燃料供給用のインジェクタと、
前記インジェクタに近接させて設置され、前記インジェクタにより噴射された噴霧に点火する点火プラグと、
機関の排気通路に設置された排気浄化用の触媒と、を含んで構成され、
前記インジェクタにおいて、本体先端のノズル部のうち前記点火プラグの位置に向く一部の噴孔を形成する部分と、弁体との間に、この弁体の弁閉状態下で形成される燃料溜まりが設けられ、
前記触媒の不活性時に燃料の噴射期間を機関の膨張行程中に設定し、前記点火プラグにより、弁閉後に前記燃料溜まりから噴射される噴霧に対して点火する筒内噴射内燃機関。