JPH11294219A

JPH11294219A - 直接噴射式内燃機関

Info

Publication number: JPH11294219A
Application number: JP10094989A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Umasaki; 政俊馬▲崎▼; Kimitaka Saito; 公孝斎藤; Masao Kano; 政雄加納; Motomare Otani; 元希大谷
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 1999-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は直接噴射式内燃機関に関し、ポンピ
ングロスを抑制しつつ大量の排気ガス再循環を実現する
ことを目的とする。【解決手段】大量ＥＧＲが必要な運転時に（ステップ
104 でイエス）、バルブオーバラップ量、背圧、吸気管
圧力を計測し（ステップ108)、背圧と吸気管圧力との差
圧を演算し（ステップ110)、所期のＥＧＲ量を得ること
ができる差圧が得られる開度に排気シャッタをバルブオ
ーバラップと同期して制御する（ステップ112)。また
は、気流制御弁を有する内燃機関において、外部ＥＧＲ
通路の下流端を吸気弁の下流の吸気ポートに接続し、要
求ＥＧＲ量の多いとき気流制御弁の開度を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は筒内に燃料、特に
ガソリン、を直接噴射する内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガソリン内燃機関において低燃費
の狙いから超希薄燃焼技術が数多く開発されている。希
薄燃焼において発生する窒素酸化物(Nox) の排出の低減
のための対策として大量の排気ガス再循環(EGR) を行う
ものが有力である。排気ガス再循環を行うため、内燃機
関の排気管と吸気管とを排気ガス再循環通路によって接
続し、かつ排気ガス再循環通路(EGR通路) に再循環排気
ガスの量を制御するための制御弁(EGR弁) を設けるのが
多く行われる（所謂外部ＥＧＲ方式）。例えば、特開平
8-189405号公報参照。即ち、外部ＥＧＲ方式とは吸気管
圧力に対する背圧の差圧によって排気管内の排気ガスを
外部のＥＧＲパイプを介して吸気管に戻す方式である。
これとは別の排気ガス再循環方式としては排気管に排気
絞り弁（排気シャッタ）を設け、排気絞り弁を閉鎖する
ことにより背圧を高め、排気管から燃焼室内に向け高背
圧により排気ガスを戻す所謂内部ＥＧＲ行うものもあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】直接燃料噴射方式にお
いては超希薄燃焼が行うことから、ポート噴射内燃機関
と比較して吸気絞り弁（スロットル弁）の開度はかなり
開き気味となり、吸入空気量を増加させることにより、
同一トルクを得ている。吸入空気量が多いため吸気管圧
力が高くなり、背圧との差圧が相対的に小さくなり、大
量ＥＧＲを行うために内径の大きなＥＧＲパイプの採用
が必要となる問題がある。また、気筒管での再循環排気
ガスの均等分配が困難となる問題もある。

【０００４】また、内部ＥＧＲ方式のみでは大量のＥＧ
Ｒを行うことは困難であり、また排気弁を絞ることによ
る大量の内部ＥＧＲは排気行程時のポンピングロス増加
により燃料消費効率が悪化する問題がある。この発明は
直接噴射内燃機関においてポンピングロスを抑制しつつ
大量の排気ガス再循環を実現することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を解
決するため請求項１、請求項２の技術手段を採用する。
請求項１に記載の技術手段によれば、要求される排気ガ
ス再循環量が多いとき、排気絞り弁をその開度を小さく
するように制御すると共に、バルブオーバラップが大き
くなるようにバルブタイミング機構を制御する制御手段
とを備えている。要求ＥＧＲが大きいとき排気絞り弁の
開度を小さくすることにより背圧が高められ、吸気管圧
力に対する背圧の差圧が大きくなり、大量ＥＧＲを行う
ことができるとともに、排気絞り弁の開度が小さくなる
のはバルブオーバラップの大きいときであり、ポンピン
グロスの低減が実現する。

【０００６】請求項２に記載の技術手段によれば、要求
される排気ガス再循環量が多いとき、気流制御弁をその
開度を小さくするように制御する制御手段とを備えてい
る。要求ＥＧＲ量が大きいときに、気流制御弁への閉鎖
によりＥＧＲ導入口が負圧となり、背圧との差圧が大き
くなって、大量のＥＧＲを行うことができ、かつポンピ
ングロスが大きくならないようにできる。

【０００７】請求項３に記載の技術手段によれば、キャ
ニスタのパージ通路を気流制御弁の下流において吸気系
に接続することにより、希薄燃焼方式により、吸気絞り
弁の開度が相対的に大きくなっていても気流制御弁の閉
鎖時のその下流の吸気ポート圧力を利用して、効率的に
パージを実現することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】この発明の第１実施形態の内燃機
関の概略全体構成を示す図１において、１０はシリンダ
ブロック、１２はピストン、１４はコネクティングロッ
ド、１５はクランク軸、１６はシリンダボア、１８はシ
リンダヘッド、２０は吸気弁、２２は吸気ポート、２４
は排気弁、２６は排気ポート、２８は点火栓である。吸
気ポート２２は吸気管３０を介してスロットルボディ３
２に接続される。スロットルボディ３２内にスロットル
弁（吸気絞り弁）３４が配置される。スロットル弁３４
の上流にエアーフローメータ３６が配置される。

【０００９】燃料噴射弁４０はその燃料噴出端がシリン
ダヘッド１８に直接開口するように設けられ、燃料導入
端は燃料配管４２を介して燃料噴射ポンプ４４及び燃料
タンク４６に接続される。排気ポート２６は排気管５０
に接続され、排気管５０内にはバタフライ弁型の排気シ
ャッタ（排気絞り弁）５２が設けられる。排気シャッタ
５２の中心軸は回転駆動アクチュエータ５４に連結さ
れ、アクチュエータ５４からの回転駆動力が排気シャッ
タ５２の中心軸に加わることにより排気シャッタ５２の
開度、即ち、排気絞り量を制御することができる。

【００１０】６０は吸気弁２０及び排気弁２４間のバル
ブオーバラップを制御するタイプのバルブタイミング可
変機構を模式的に示している。このようなバルブタイミ
ング可変機構６０としては幾つかのタイプのものが公知
であり、例えば、バルブ駆動のカム軸（図示しない）を
クランク軸１５に対して相対的に回転させることにより
バルブタイミングを変化させるものがある。即ち、図２
において、曲線ｍは排気弁２４のリフト線図、曲線ｎは
吸気弁２０のリフト線図をクランク角度に対して示した
ものであり、通常のバルブオーバラップ期間はｐで表さ
れる。吸気弁駆動用のカム軸をクランク軸に対して相対
的に回転させることにより吸気弁のリフト曲線はｎ′の
ように進角方向に移動され、バルブオーバラップ期間は
ｐ′のように大きくされる。

【００１１】電子制御ユニット(ECU) ６２は各センサか
らの運転条件信号によって要求される排気ガス再循環量
が多いと判断されるとき、排気シャッタ５２をその開度
を小さくするように制御すると共に、バルブオーバラッ
プが大きくなるようにバルブタイミング可変機構６０を
制御するという第１実施形態の制御を行う。センサとし
ては、スロットル弁開度センサ６４はスロットル弁３４
の開度ＴＨＡに応じた信号を発生する。クランク角度セ
ンサ６６はクランク軸１５に固定される検出部材６８に
対抗して設けられ、クランク角度に応じた信号（パルス
信号）を発生する。このパルス間隔より周知のように機
関回転数Ｎｅを算出することができる。吸気ポート２２
及び排気ポート２６に圧力センサ70, 72が設けられ、吸
気管圧力、排気管圧力をそれぞれ計測し、こられの圧力
の差より排気シャッタ５２の制御が後述のように行われ
る。即ち、機関回転数とスロットル弁開度より大量ＥＧ
Ｒが必要な運転条件との判断が行われた場合は、バルブ
オーバラップ期間がｐ′のように大きな値となるように
バルブタイミング可変機構６０を制御すると共に排気シ
ャッタ５２を閉鎖側に制御し、背圧（排気ポート２６の
圧力）を高めることで、排気管圧力の吸気管圧力に対す
る差圧が増大され、排気ポート２６よりシリンダボア１
６を経て吸気ポート２２へ大量の排気ガスを吹き返させ
る（内部ＥＧＲを行う）ことができる。そして、例えば
バルブオーバラップ期間のみにおいて排気シャッタを閉
鎖側に制御することでポンピングされた排気ガスを吸気
側に逃すことができ、排気行程中のポンピングロスを更
に低減することができる。

【００１２】次に、大量ＥＧＲが必要となる運転条件に
ついて図３を参照にして説明すると、図３において緯軸
は機関回転数、縦軸はスロットル弁開度を示しており、
希薄燃焼域は斜線によって表される低回転・軽負荷域と
なる。そして、この希薄燃焼域での要求ＥＧＲ量は大き
くなっている。第１実施形態においては、希薄燃焼域に
おいてバルブオーバラップを大きく設定することにより
内部ＥＧＲを大きくしている。即ち、図３において等高
線ＯＬ_1,ＯＬ_2,ＯＬ₃はそれぞれバルブオーバラップの
大、中、小の等高線を示しており、希薄燃焼域である低
回転・軽負荷域において大きなバルブオーバラップの設
定となっている。従って、低回転・低負荷域で大きなＥ
ＧＲ率を得るためバルブオーバラップを大きくしてい
る。そして、機関出力が必要となる高回転・高負荷側で
は希薄燃焼を解除すると共にＥＧＲ率を小さくするため
バルブオーバラップを小さな設定としてかつ排気シャッ
タを全開している。

【００１３】次に、第１実施形態の動作を図４のフロー
チャートによって説明すると、ステップ１００は所定時
間（例えば６ｍ／ｓ）毎に実行される割込の開始を示
し、ステップ１０２ではクランク角度センサ６６からの
パルス間隔より得られた機関回転数Ｎｅ及びスロットル
弁開度センサ６４により得られたスロットル弁開度ＴＨ
Ａの読み込みが行われる。ステップ１０４では機関回転
数Ｎｅ及びスロットル弁開度ＴＨＡの実測値より大量Ｅ
ＧＲの必要な運転域か否かの判断が行われる。この判断
のため機関回転数Ｎｅが所定値Ｎｅ₁ より小さいか、ま
たスロットル弁開度ＴＨＡが所定値THA₁より小さいかと
いう判断が行われる。機関回転数Ｎｅが所定値Ｎｅ₁ よ
り小さくないとき、又は機関回転数Ｎｅが所定値Ｎｅ₁
より小さくてもスロットル弁開度ＴＨＡが所定値THA₁よ
り大きいときは、大量ＥＧＲの必要な運転域ではないと
見なされステップ１０６に進み、排気シャッタ５２が全
開されるようにアクチュエータ５４が制御される。

【００１４】ステップ１０４で大量ＥＧＲ条件と判別さ
れたとき、即ち、機関回転数Ｎｅが所定値Ｎｅ₁ より小
さくかつスロットル弁開度ＴＨＡが所定値THA₁より小さ
いときはステップ１０８に進み、バルブオーバラップ
量、排気管圧力（背圧）、吸気管圧力の計測値が読み取
られる。そして、ステップ１１０では排気管圧力と吸気
管圧力との間の差圧が演算される。ステップ１１２はバ
ルブオーバラップ期間中の排気シャッタ５２の制御指令
を示す。図５は差圧とバルブオーバラップ量とに対する
等ＥＧＲ率線を示す。この図からバルブオーバラップ量
が大きく差圧が大きいほどＥＧＲ率は増加する、即ち、
バルブオーバラップ量が固定の場合、差圧が小さければ
規定のＥＧＲ率が得られるまで背圧の増加が得られるよ
う排気シャッタ５２の制御が行われる。差圧、バルブオ
ーバラップ量、ＥＧＲ率間のこのような関係はマップと
して電子制御回路に記憶されており、ステップ１０８で
のバルブオーバラップ量の読み取り値に対する差圧の演
算が行われる。この演算された差圧が得られるように排
気シャッタ５２の閉鎖信号がアクチュエータ５４に出力
される。例えば、バルブオーバラップ期間p, p' の開始
に同期して排気シャッタ５２が閉鎖され、バルブオーバ
ラップ期間p, p' の終了に同期して排気シャッタ５２が
開放されるようにアクチュエータ５４への駆動信号が形
成される。アクチュエータ５４からの駆動信号は所定の
遅れ時間をもって排気シャッタ５２の開閉が行われるこ
とから、排気シャッタ５２への閉鎖信号及び開放信号は
この遅れ時間を取り入れて制御が行われることはいうま
でもない。このような排気シャッタの制御により排気時
のポンピングロスなしに差圧は所期のＥＧＲ量を得るこ
とができる値に制御される。ステップ１１４は処理の終
わりを示す。

【００１５】第１実施形態における上記制御は各気筒毎
に行うことで従来技術において問題となっていた気筒分
配の困難を解消することができる。図６及び図７は第２
実施形態を示す。この第２実施形態では第１実施形態に
おける排気シャッタの閉鎖による内部ＥＧＲの代わりに
気流制御弁（スワール制御弁）を備えた内燃機関におい
て、気流制御弁閉鎖時その下流に生ずる負圧を利用する
ことによって背圧との差圧を高め外部ＥＧＲを行うこと
を特徴とするものである。まず、気流制御弁を備えた内
燃機関について吸気系の構造について図１との相違を説
明すると、この内燃機関は所謂４バルブ型であり、吸・
排気弁22, 24は２こづつ合計４個が設けられ、従って、
吸気ポート、排気ポートいずれも２つづつ設けられる。
吸気ポートは一つはストレートポート22-1であり、もう
一つはスワールポート22-2である。ストレートポート22
-1に気流制御弁８０が設けられる。周知のように、気流
制御弁８０は希薄燃焼が行われる低回転・軽負荷時は閉
鎖され、吸気の導入はスワールポート22-2のみから行わ
れる。そのため、シリンダボア１６内にスワールが形成
され、スワールによる成層作用によって希薄混合気の燃
焼が実現する。一方、高回転・高負荷時には気流制御弁
８０は開放され、ストレートポート22-1からの吸気が導
入されるためスワールポート22-2からの吸気のスワール
は解消され、理論空気燃料比付近における混合気による
均一混合燃焼が行われる。外部ＥＧＲパイプ８２は上流
端82-1が排気ポート２６に接続され、下流端82-2が気流
制御弁８０の下流におけるストレートポート22-1に接続
される。排気ガス還流制御弁（ＥＧＲ弁）８４はＥＧＲ
パイプ８２に設けられる。

【００１６】この実施形態において、希薄燃焼を行う低
回転・軽負荷時において気流制御弁８０が閉鎖され、ス
トレートポート22-1から吸気は導入されず、スワールポ
ート22-2からの吸気はスワールとなってシリンダボア１
６に導入される。そして、気流制御弁８０の閉鎖によっ
てその下流は負圧となり、従って、排気ポート２６の背
圧と吸気ポートの負圧との差圧が大きくなり、排気ポー
ト２６から吸気ポートへ向けて大量のＥＧＲガスを流す
ことができる。

【００１７】図８は第３実施形態を示し、第２実施形態
において、気流制御弁８０の閉鎖時の大量ＥＧＲに合わ
せて、キャニスタからの大量パージを行うようにしたも
のである。即ち、キャニスタ９０からのパイプ９１は燃
料タンク４６の燃料より上方に開口しており、燃料タン
ク４６よりの蒸発燃料を一時的に吸着し、吸着燃料を吸
気負圧により離脱し、燃焼に供するようになっている。
この実施形態では離脱燃料パイプ９４がストレートポー
ト22-1における気流制御弁８０の下流の位置に開口して
いる。そのため、気流制御弁８０の閉鎖する低回転・軽
負荷時に吸気負圧によってキャニスタに吸着されていた
燃料を離脱（パージ）し、吸気管より燃焼用に導入する
ことができる。

【００１８】従来の直接噴射内燃機関では希薄燃焼時に
スロットル弁３４の開度が相対的に大きくなっており、
スロットル弁３４の下流からパージする従来方式では十
分なパージが行いえなかったが、この実施形態では気流
制御弁８０の閉鎖時のその下流の吸気ポート圧力を利用
して、効率的にパージを実現することができる。尚、本
発明においては、機関の運転中に燃焼室から排出された
既燃ガスを燃焼室に大量に戻す大量ＥＧＲが可能である
ことを示したが、機関の始動時に限って本発明を実施す
れば、機関にまだ初爆が入らない状態では、燃焼室から
排出された未燃の燃料が再度、大量に燃焼室に戻ること
により、燃焼室内に再度混合気が形成されて、始動性の
向上や、エミッション低減といった付随的な効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の第１の実施形態の直接噴射内
燃機関の概略構成図である。

【図２】図２は吸・排気弁のオーバラップを説明する図
である。

【図３】図３は機関回転数及びスロットル弁開度に対す
る希薄燃焼域及びバルブオーバラップの設定を説明する
図である。

【図４】図４は第１実施形態の作動を説明するフローチ
ャートである。

【図５】図５はバルブオーバラップ及び差圧に対する等
ＥＧＲ量曲線を示す図である。

【図６】図６は第２実施形態を示す図である。

【図７】図７は図６の内燃機関のポート構成を示す図で
ある。

【図８】図８は第３実施形態を示す図である。

【符号の説明】

２０…吸気弁２４…排気弁４０…燃料噴射弁５２…排気シャッタ６０…バルブタイミング可変機構８０…気流制御弁８２…ＥＧＲパイプ９０…キャニスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 45/00 ３１０Ｆ０２Ｄ 45/00 ３１０Ｂ３６４３６４ＤＦ０２Ｍ 25/07 ５１０Ｆ０２Ｍ 25/07 ５１０Ｂ５７０５７０Ａ (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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料を筒内に直接燃料噴射する内燃機関
において、内燃機関の排気系に設けられた排気絞り弁
と、吸・排気弁のバルブオーバラップを可変とするバル
ブタイミング可変機構と、要求される排気ガス再循環量
が多いとき、排気絞り弁をその開度を小さくするように
制御すると共に、バルブオーバラップが大きくなるよう
にバルブタイミング機構を制御する制御手段とを備えた
直接噴射式内燃機関。
【請求項２】燃料を筒内に直接燃料噴射する内燃機関
において、内燃機関の吸気系に設けられた気流制御弁
と、一端が機関の排気系に接続され他端が気流制御弁の
下流において吸気系に接続された排気ガス再循環通路
と、要求される排気ガス再循環量が多いとき、気流制御
弁をその開度を小さくするように制御する制御手段とを
備えた直接噴射式内燃機関。
【請求項３】請求項２に記載の発明において、キャニ
スタのパージ通路を気流制御弁の下流において吸気系に
接続する直接噴射式内燃機関。
【請求項４】請求項１又は２に記載の発明において、
機関の始動時に限って実施され、機関の回転数が完爆回
転数のような所定の回転数となったときに、請求項１又
は２における制御を解除することを特徴とする直接噴射
式内燃機関。