JP5435237B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、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、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、点火プラグの周りに燃料が濃い混合気を集めることができる、所謂成層希薄燃焼によって、トータルとしての空燃比がリーンな状態で燃焼させることができ、燃費の大幅な低減が実現できる。また、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。

しかし、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、筒内に装着された直噴インジェクタの先端が、高温・高圧の燃焼ガスに曝されてしまう。このため、混合気の均質化を促進するためにポート噴射インジェクタから燃料を噴射する場合であっても、直噴インジェクタの先端を燃料噴射の冷却作用によって冷却するために、直噴インジェクタから燃料の噴射を継続する必要があり、ポート噴射インジェクタだけから燃料噴射を行うことができないのが現状であった。また、直噴インジェクタから噴射した燃料の一部は燃焼室壁に衝突し、液膜となった状態で燃焼するため、粒子状物質の排出が多いという問題があった。さらに、直噴インジェクタからは高圧で燃料を噴射する必要があるため、高圧ポンプの動力損失が性能に影響を及ぼす虞があった。

また、直噴インジェクタは耐温性・耐圧性の確保が必要になり、更に、先端が燃焼ガスに曝されるため，燃焼生成物や燃料の炭化により、運転条件によってはデポジットが堆積しやすく、デポジット対策が必要になっていた。このため、直噴インジェクタを備えた内燃機関では、燃料噴射系のコストが嵩んでしまう問題があった。

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、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、吸気行程時に吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、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、燃料を吸気通路内に噴射するインジェクタと、前記吸気通路と筒内とを連通する吸気開口と、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、前記吸気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させ、前記吸気開口から燃料を筒内に導入することで前記筒内に成層混合気を形成する制御手段とを備え、前記制御手段は、燃料噴射期間の中心位置が、吸気バルブが最大バルブリフトとなり閉動作方向の変位速度が生じる以前に位置するように、前記吸気行程噴射手段を動作させて前記インジェクタから燃料を噴射させ、機関の回転速度及び負荷に応じて燃料圧力を設定する燃料圧力設定手段を備え、前記燃料噴射手段は、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を有し、前記制御手段は、前記機関の前記回転速度及び前記負荷、前記燃料圧力設定手段で設定された燃料圧力に応じて前記吸気行程噴射手段と前記排気行程噴射手段の動作割合を制御し、前記インジェクタの燃料噴射時期を設定することを特徴とする。

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筒内に流入させる。制御手段は、吸気バルブに閉動作方向の変位速度が生じる以前に（吸気バルブの変位速度がゼロ以上である期間に）吸気行程噴射手段を動作させてインジェクタから燃料を噴射させ、燃料の筒内への吸引を促進して所定量の燃料を筒内に導入する。
そして、機関の回転速度及び負荷、燃料圧力に応じて、吸気行程噴射手段による吸気行程中の燃料の噴射と、排気行程噴射手段による排気行程中の燃料の噴射とを所定の割合で行う。吸気行程噴射手段と排気行程噴射手段の動作割合は噴射制御手段により制御される。

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、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。

吸気行程噴射手段による燃料噴射では、燃料の筒内への吸引が促進されることに加え、吸気バルブが開いているときに燃料を噴射させることにより、壁面等への燃料の付着を抑制して燃料の気化潜熱を比熱の大きな壁面の冷却でなく、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る。インジェクタによる燃料噴射は、吸気バルブが開いているときに弁座と傘部の間を通過して筒内に燃料が向かうようにされる。

排気行程噴射手段による燃料噴射では、予め吸気ポート内で空気と混合した燃料（混合気）が筒内に吸入されるので、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混合気の均質化を促進する。インジェクタは吸気通路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、高圧ポンプが不要で、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、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。

また、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、前記燃料圧力設定手段は、前記機関の前記回転速度が速く前記負荷が高いほど、前記燃料圧力が高く設定されていることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、機関の回転速度が速く負荷が高いほど、燃料圧力を高く設定されているので、各行程の期間（時間）が短く、要求燃料噴射量の多くなる、高速、高負荷運転時に燃料圧力を高くして短い噴射期間で必要な量の燃料を噴射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１もしくは請求項２に記載の内燃機関において、前記制御手段は、前記機関の前記回転速度が遅く前記負荷が高いほど、前記吸気行程噴射手段の動作割合が大きくなるように制御されることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、低速、高負荷運転時に吸気行程で燃料を噴射させる割合を大きくすることで、燃料の気化潜熱を吸気の冷却に利用し、ノッキングの発生を抑制すると共に、空気密度を高めて吸入空気量を増大させ、高出力が得られるようにする。

また、請求項４に係る本発明の内燃機関は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関において、前記燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段を備え、前記制御手段は、前記燃料圧力検出手段で検出された実際の燃料圧力が目標となる燃料圧力と異なる時に、前記吸気行程噴射手段と前記排気行程噴射手段の動作割合を変更することを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、実際の燃料圧力が目標となる燃料圧力と異なる時に、即ち、燃料圧力制御中の時に、吸気行程噴射手段と排気行程噴射手段の動作割合を変更し、実際の運転状況に合わせた燃料噴射を実施する。

また、請求項５に係る本発明の内燃機関は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関において、前記吸気行程噴射手段は、前記吸気バルブの変位速度がゼロ以上である期間に前記インジェクタから燃料を噴射させ、この期間に所定量の前記燃料を噴射しきれないと判断された場合には、吸気バルブに閉じ動作方向の変位速度が生じる期間まで前記インジェクタからの燃料の噴射を延長することを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、吸気行程での燃料噴射は、吸気バルブの変位速度がゼロ以上である期間に吸気行程噴射手段を動作させて燃料を噴射させるので、混合気の筒内への吸引が最も促進される期間に燃料を噴射することができ、所定量の燃料を噴射しきれない場合には、吸気バルブに閉じ動作方向の変位速度が生じた後の期間も燃料の噴射を延長する。

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、吸気行程時に吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、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。

本発明の一実施形態例に係る内燃機関の概略構成図である。 図１中の要部構成図である。 噴射制御の機能を表した概略ブロック図である。 燃料噴射の制御フローチャートである。 燃料噴射の制御フローチャートである。 燃料圧力を設定する制御マップである。 吸気行程の噴射割合を設定する制御マップである。 燃料噴射状況とバルブ動作の経時変化の図である。 燃料噴射状況とバルブ動作の経時変化の図である。 燃料噴射状況とバルブ動作の経時変化の図である。 吸気バルブのリフト動作と変位速度の経時変化の図である。

図１、図２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には吸気ポート周りの構成を示してある。

図に示すように、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の燃焼室６側には吸気バルブ７がそれぞれ設けられている。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され、各吸気ポート５と燃焼室６との連通・遮断を行なうようになっている。

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。

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、燃焼室に流入する吸気に乱れを生じさせることができる。

一方、吸気マニホールド９にはタンブルフラップ２５が設けられ、タンブルフラップ２５は負圧アクチュエータ等のアクチュエータ２６によって開閉される。タンブルフラップ２５はバタフライバルブやシャッターバルブ等の開閉式のバルブで構成され、タンブルフラップ２５は、図１に示したように、吸気通路の下半分を開閉するようになっている。即ち、タンブルフラップ２５を閉じることにより、吸気通路の断面の上側に開口部を形成し、吸気通路の断面積を狭くすることで燃焼室６の内部に縦タンブル流を発生させるようになっている。

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。

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。また、燃料パイプ８にはインジェクタ１０に供給される燃料の圧力を検出する燃料圧力センサ６４が備えられている。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、燃料圧力センサ６４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には、可変動弁機構６３の情報が入力され、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の情報が送られる。

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、タンブルフラップ２５のアクチュエータ２６、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、タンブルフラップ２５の操作時期、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。

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。

図２に示すように、インジェクタ１０による燃料噴射は、吸気バルブ７が開いているときに吸気ポート５の弁座と吸気バルブ７の傘部の間を通過して燃焼室６内に燃料が向かうようにされる。この場合、弁軸を挟んで図中上側に燃料を偏在させることにより、燃料噴射の誘起する流動によって燃焼室６内でのタンブル流を強化することができる。また、弁軸を挟んで左右方向のいずれかに燃料を偏在させることにより、燃焼室６内でのスワール流を強化することができる。

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。

吸気行程中の燃料噴射と排気行程中の燃料噴射の割合は、エンジン１の運転状況に応じてＥＣＵ３１の噴射制御手段（制御手段）により設定される。図３から図１１に基づいて具体的な制御の状況を説明する。

図３には噴射制御の機能を表した概略ブロック、図４、図５には噴射制御手段による燃料噴射の状況を説明するフロー、図６には燃料圧力を設定するマップ、図７には吸気行程の噴射割合を設定するマップ、図８から図１０には燃料噴射状況とバルブ動作の経時変化状態、図１１には吸気バルブのリフト動作と変位速度の経時変化状態を示してある。

図３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、燃料圧力センサ６４の検出情報による実燃料圧力（Ｐｒｅａｌ）、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、エンジン１のエンジン回転速度（Ｎｅ）及び負荷（吸気量等）に応じて燃料圧力（目標燃料圧力：Ｐｏｂｊ）を設定する燃料圧力設定手段７１が備えられ、燃料圧力設定手段７１で設定された目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）は噴射制御手段７２に送られる。噴射制御手段７２では、目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）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。

また、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。

図４から図１１に基づいて具体的な処理の状況を説明する。

図４に示すように、処理がスタートすると、ステップＳ１でエンジン回転速度（Ｎｅ）とアクセル開度（θａｐｓ）から目標トルク（Ｔｏｂｊ）を算出する。ステップＳ２で目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）、目標総燃料噴射量（Ｑｏｂｊ）及び目標吸気行程噴射割合（Ｒｉｎ：０％〜１００％）をＥＣＵマップから読込・設定する。目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）及び目標吸気行程噴射割合（Ｒｉｎ：０％〜１００％）は、各運転ポイントで燃費・排ガス・出力が最適な状態になるように設定されている。

目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）は、図６に示すように、目標トルクとエンジン回転速度（Ｎｅ）との関係で設定され、エンジン回転速度（Ｎｅ）が速く目標トルク（負荷）が高いほど、燃料圧力（目標燃料圧力）が高く設定されている。つまり、各行程の期間（時間）が短く、要求燃料噴射量の多くなる、高速、高負荷運転時に燃料圧力を高くして短い噴射期間で必要な量の燃料を噴射させることができるようになっている。

また、目標吸気行程噴射割合（Ｒｉｎ：０％〜１００％）は、図７に示すように、エンジン回転速度（Ｎｅ）が遅く目標トルク（負荷）が高いほど、吸気行程噴射手段７３（図３参照）の動作割合が大きくなるように設定されている。つまり、低速、高負荷運転時に吸気行程で燃料を噴射させる割合を大きくし、ノッキングの発生を抑制すると共に、空気密度を高めて吸入空気量を増大させ、高出力が得られるようになっている。

ノッキングが発生しやすい高負荷の領域では、吸気行程噴射による吸気冷却効果でノッキングを抑制するため、吸気行程噴射割合を高め、燃料圧力が高めに設定される。スロットルバルブが全開となる全負荷では、吸気冷却効果による充填効率向上も実現できる。特に高回転のエンジン回転速度の領域では、吸気行程中に燃料を噴射可能な時間が短くなるため、燃料圧力を更に高く設定される。ノッキングが発生しない低負荷の領域では、燃料ポンプの動力損出を低減するため、燃料圧力が低く設定される。そして、燃料の混合の悪化を防ぐため、排気行程噴射割合を高めている。

図４のフローチャートに戻り、ステップＳ３で吸気行程噴射量（Ｑｏｂｊｉ）と排気行程噴射量（Ｑｏｂｊｅ）を以下の式により算出する。
Ｑｏｂｊｉ＝（Ｒｉｎ/１００）×Ｑｏｂｊ
Ｑｏｂｊｅ＝Ｑｏｂｊ−Ｑｏｂｊｉ
即ち、図７から読み込んだ目標吸気行程噴射割合（Ｒｉｎ：０％〜１００％）を目標総燃料噴射量（Ｑｏｂｊ）に乗じて吸気行程噴射量（Ｑｏｂｊｉ）を求め、目標総燃料噴射量（Ｑｏｂｊ）から吸気行程噴射量（Ｑｏｂｊｉ）を減じて排気行程噴射量（Ｑｏｂｊｅ）を求める。

ステップＳ４で吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）と排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）をＥＣＵマップから読込・設定する。目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）、吸気行程噴射量（Ｑｏｂｊｉ）、排気行程噴射量（Ｑｏｂｊｅ）、吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）及び排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）が設定されると、ステップＳ５で燃料圧力センサ６４から実燃料圧力（Ｐｒｅａｌ）を検出する。

ステップＳ６に進み、目標燃料圧力（Ｐｏｂｊ）と実燃料圧力（Ｐｒｅａｌ）が一致していないか否かがステップＳ６で判断される。ステップＳ６でＰｏｂｊとＰｒｅａｌが一致していると判断された場合、ステップＳ７で通常の状態で燃料噴射制御が実施される。即ち、目標吸気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｉ）、目標排気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｅ）、目標吸気行程噴射終了時期（目標θｅｏｉｉ）、目標排気行程噴射開始時期（目標θｓｏｉｅ）に基づいて燃料噴射が制御される。

通常の制御が実施された後、図５のフローチャートに移行して（Ａ）リターンとなる。尚、通常の制御を実施する場合、燃料圧力に余裕があれば燃料圧力を低下させて制御することも可能であり、燃料ポンプの動力損失を低減させることができる。

ステップＳ６でＰｏｂｊとＰｒｅａｌが一致していないと判断された場合、即ち、燃料圧力制御中であると判断された場合、図５のフローチャートに移行し（Ｂ）、実燃料圧力（Ｐｒｅａｌ）に基づいて燃料噴射期間を設定し、実燃料圧力（Ｐｒｅａｌ）に応じて吸気行程で最大限の燃料を噴射する状態に吸気行程での燃料噴射と排気行程での燃料噴射を制御する。

この場合、吸気行程での燃料噴射の噴射終了時期は、吸気ポート５への吹き返しや吸気バルブ７の傘部の付着量の変化による空燃比の変動を抑制するため、噴射終了時期を固定している。図１１に示すように、吸気バルブ７のリフトが開始されてからリフトが最大になるまでの期間は、吸気バルブ７の開き動作方向の変位速度が発生している期間とされ、燃料が吸気バルブ７に付着し難く、筒内に直入しやすい。一方、リフトが最大になった以降は吸気バルブ７に閉じ動作方向の変位速度が生じる期間とされ、燃料が吸気バルブ７に付着しやすく筒内に直入し難くなる。

このため、筒内への燃料の吸引を促進させるためには最大リフト時期までに（吸気バルブ７に閉動作方向の変位速度が生じる以前に）噴射を終了するのが望ましい。また、吸気下死点（吸気ＢＤＣ）以降で吸気バルブ７のリフトがゼロでない期間に燃料噴射を行うと、ピストンの上昇により筒内から吸気ポート５への吹き返しが起こり、燃料が筒内に直入しなくなるため望ましくない。即ち、吸気行程噴射における燃料噴射終了時期は、遅くとも吸気バルブ７のリフトがゼロとなるか、吸気ＢＤＣのいずれか早い方までに完了することが望ましい。

このため、燃料噴射期間の中心位置が、吸気バルブ７の閉じ動作以前に位置するように燃料を噴射し、筒内への燃料の吸引を促進している。この場合、吸気バルブ７の最大リフト時期までに（吸気バルブ７に閉動作方向の変位速度が生じる以前に）燃料噴射を終了させることも可能である。排気行程での燃料噴射の噴射終了時期は、吸気バルブ７の傘部の付着量の変化が小さく、筒内の空燃比に影響を及ぼさないため、噴射終了時期を可変としている。

図５に示すように、ステップＳ８で実燃料圧力（Ｐｒｅａｌ）と吸気行程噴射量（Ｑｏｂｊｉ）、排気行程噴射量（Ｑｏｂｊｅ）から吸気行程噴射期間（Ｄｆｉ）、排気行程噴射期間（Ｄｆｅ）を算出する。ステップＳ９で吸気行程噴射期間（Ｄｆｉ）と吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）から吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）を算出する。また、排気行程噴射期間（Ｄｆｅ）と排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）から排気行程噴射終了時期（θｅｏｉｅ）を算出する。

つまり、吸気行程での燃料噴射の噴射終了時期を固定し、排気行程での燃料噴射の噴射終了時期を可変としている。

ステップＳ１０でエンジン回転速度（Ｎｅ）、目標トルク（Ｔｏｂｊ）、バルブ位相、バルブリフト、カム諸元から燃料吸入開始時期θｖを算出する。燃料吸入開始時期θｖは、吸気バルブ７（図１参照）のリフトが所定値以上となり、吸気ポート５（図１参照）から筒内に空気の流入がある時期となっている。

ステップＳ１１で吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）が燃料吸入開始時期（θｖ）以上であるか否かが判断される。この場合、ピストンの圧縮上死点が０°とされ、吸気下死点が−１８０°、吸気上死点が−３６０°、排気下死点が−５４０°とされている時の、吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）の角度値と燃料吸入開始時期（θｖ）の角度値が比較される。

ステップＳ１１で吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）が燃料吸入開始時期（θｖ）以上であると判断された場合、即ち、吸気バルブ７（図１参照）の開弁後に吸気行程噴射が開始されると判断された場合、ステップＳ１２で目標吸気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｉ）、目標排気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｅ）、吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）、吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）、排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）、排気行程噴射終了時期（θｅｏｉｅ）に基づき燃料噴射が制御され、リターンとなる。

つまり、吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）が燃料吸入開始時期（θｖ）以上であると判断された場合は、吸気行程中に燃料を噴射しきれる場合であり、図８に示すように、吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）から吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）の吸気行程噴射期間（Ｄｆｉ）で目標吸気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｉ）の燃料が噴射される。また、排気行程噴射開始時期（θｓｏｉｅ）から排気行程噴射終了時期（θｅｏｉｅ）の排気行程噴射期間（Ｄｆｅ）で目標排気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｅ）の燃料が噴射される。

ステップＳ１１で吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）が燃料吸入開始時期（θｖ）以上ではないと判断された場合、ステップＳ１３で目標トルク（Ｔｏｂｊ）が所定トルク以下か否かが判断される。つまり、吸気バルブ７（図１参照）の開弁前に吸気行程噴射が開始されると判断された場合、吸気行程中に燃料を噴射しきれない場合であり、吸気行程中に燃料を噴射しきれない時に所定のトルクが要求されているかいないかが判断される。

ステップＳ１３で目標トルク（Ｔｏｂｊ）が所定トルク以下であると判断された場合、吸気行程中に燃料を噴射しきれない時に所定のトルクは要求されていない場合であり、ステップＳ１４で吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）を吸気バルブ７（図１参照）の開弁時期（θｖ）に変更し、目標吸気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｉ）が減少した分（Δｔ）、目標排気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｅ）を増加させ、排気行程噴射終了時期（θｅｏｉｅ）を延長し、リターンとなる。減少した目標吸気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｉ）がａＱｏｂｊｉとなり（目標Ｑｏｂｊｉ＞ａＱｏｂｊｉ）、増加した目標排気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｅ）がａＱｏｂｊｅとなる（目標Ｑｏｂｊｅ＜ａＱｏｂｊｅ）。

つまり、図９に示すように、燃料吸入開始時期（θｖ）に合わせて吸気行程噴射期間を短縮し（ａＱｏｂｊｉ＝目標Ｑｏｂｊｉ−Δｔ）、吸気行程噴射期間の短縮分、排気行程噴射期間を延長している（ａＱｏｂｊｅ＝目標Ｑｏｂｊｅ＋Δｔ）。

従って、吸気行程中に燃料を噴射しきれない時に所定のトルクが要求されていない場合、ノッキングが発生しない低負荷の領域であるため、吸気行程噴射量を減量させてもノッキングが発生しないため、吸気行程噴射の割合を低くした分排気行程噴射の割合を高めて燃料噴射が実行され、必要量の燃料が噴射される。

ステップＳ１３で目標トルク（Ｔｏｂｊ）が所定トルク以下ではないと判断された場合、吸気行程中に燃料を噴射しきれない時に所定のトルクが要求されている場合であり、ステップＳ１５で目標吸気行程噴射量（目標Ｑｏｂｊｉ）を維持するために吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）を延長し、リターンとなる。

つまり、図１０に示すように、燃料吸入開始時期（θｖ）に合わせて吸気行程噴射開始時期（θｓｏｉｉ）を遅角してａθｓｏｉｉとし、その分（Δｔ）吸気行程噴射終了時期（θｅｏｉｉ）を延長してａθｅｏｉｉとしている。

従って、吸気行程中に燃料を噴射しきれない時に所定のトルクが要求されている場合、吸気行程中に燃料を噴射しきれない状態であるが、ノッキングが発生しやすい高負荷の領域であるので、吸気行程噴射による吸気冷却効果でノッキングを抑制するため、吸気行程噴射割合を低くすることができない。よって、吸気バルブ７の最大リフト以降まで吸気行程噴射終了時期を延ばし、必要量の燃料が噴射される。

ただし，吸気ポート５への吹き返しや吸気バルブ７の傘部の付着の影響が大きくならないよう、バルブリフトがゼロとなるか、吸気ＢＤＣのいずれか早い方までに燃料噴射を完了する。この場合，最大リフト時期を過ぎると、吸気行程に筒内に直入する燃料量が減少し、ノッキングが発生する可能性があるので、ノッキング回避のため点火時期を遅角しても良い。

つまり、図１０に示した吸気行程の燃料噴射量の期間（Ｑｏｂｊｉ）は、吸気バルブ７のリフトが開始されてからリフトが最大になった以降までの期間とされている。つまり、図１１に示すように、吸気バルブ７のリフトが開始されてからリフトが最大になるまでの期間は、吸気バルブ７の開き動作方向の変位速度が発生している期間とされ、リフトが最大になった以降は吸気バルブに閉じ動作方向の変位速度が生じる期間とされている。このため、混合気の筒内への吸引が促進される期間に燃料を噴射し、所定量の燃料を噴射しきれない場合には、吸気バルブ７に開き動作方向の変位速度が生じている期間の後も燃料の噴射を延長して必要な燃料量を吸気行程の噴射で確保することができる。

上述したエンジン１では、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、インジェクタ１０から吸気通路への燃料噴射の状況と燃料圧力を制御することで、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と燃料圧力を運転状態に応じて設定し、排ガス・燃費・出力の最適化を実現している。

このため、高負荷の領域では、吸気行程での燃料噴射により、筒内に燃料を直接噴射した場合の吸気冷却状態、充填効率向上の状態を維持して、ノッキングを抑制する等の高い性能を得ることが可能になる。また、低負荷の領域では、燃料ポンプの動力損失を低減した状態で、排気行程での吸気通路への燃料噴射により、混合悪化を防ぐことが可能になる。

尚、上述した実施形態例では、吸気バルブ７の最大リフト時期までに（吸気バルブ７に閉動作方向の変位速度が生じる以前に）燃料噴射を終了させる吸気行程での燃料噴射の制御を、燃料圧力に応じて吸気行程噴射と排気行程噴射の割合を制御する場合に適用して説明したが、燃料圧力に拘わらず吸気行程噴射を実施する他の制御の場合にも適用することが可能である。

本発明は、吸気通路への燃料噴射の状況を制御することで、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 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
２５ タンブルフラップ
２６ アクチュエータ
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
６４ 燃料圧力センサ
７１ 燃料圧力設定手段
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 (5)

1. 燃料を吸気通路内に噴射するインジェクタと、
   前記吸気通路と筒内とを連通する吸気開口と、
   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、
   前記吸気行程中に前記インジェクタから燃料を噴射させ、前記吸気開口から燃料を筒内に導入することで前記筒内に成層混合気を形成する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   燃料噴射期間の中心位置が、吸気バルブが最大バルブリフトとなり閉動作方向の変位速度が生じる以前に位置するように、前記吸気行程噴射手段を動作させて前記インジェクタから燃料を噴射させ、
   機関の回転速度及び負荷に応じて燃料圧力を設定する燃料圧力設定手段を備え、
   前記燃料噴射手段は、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を有し、
   前記制御手段は、前記機関の前記回転速度及び前記負荷、前記燃料圧力設定手段で設定された燃料圧力に応じて前記吸気行程噴射手段と前記排気行程噴射手段の動作割合を制御し、前記インジェクタの燃料噴射時期を設定する
   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、
   前記燃料圧力設定手段は、
   前記機関の前記回転速度が速く前記負荷が高いほど、前記燃料圧力が高く設定されている
   ことを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１もしくは請求項２に記載の内燃機関において、
   前記制御手段は、
   前記機関の前記回転速度が遅く前記負荷が高いほど、前記吸気行程噴射手段の動作割合が大きくなるように制御される
   ことを特徴とする内燃機関。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   前記燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記燃料圧力検出手段で検出された実際の燃料圧力が目標となる燃料圧力と異なる時に、前記吸気行程噴射手段と前記排気行程噴射手段の動作割合を変更する
   ことを特徴とする内燃機関。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   前記吸気行程噴射手段は、
   前記吸気バルブに開き動作方向の変位速度が生じている期間に前記インジェクタから燃料を噴射させ、この期間に所定量の前記燃料を噴射しきれないと判断された場合には、吸気バルブに閉じ動作方向の変位速度が生じる期間まで前記インジェクタからの燃料の噴射を延長する
   ことを特徴とする内燃機関。

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