JPH05248277A

JPH05248277A - 筒内噴射式火花点火機関

Info

Publication number: JPH05248277A
Application number: JP4684192A
Authority: JP
Inventors: Kozo Matsuura; 幸三松浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1993-09-24

Abstract

(57)【要約】【目的】低負荷時に成層混合気燃焼を行う筒内噴射式
火花点火機関の成層混合気燃焼の状態を改善すると共
に、圧縮仕事による損失を低減する。【構成】可変バルブタイミング装置を用いて、吸排気
弁の開閉タイミングを同時に変更する。低、中負荷時
（図１（ａ））には排気弁閉弁時期（ＥＣ）と吸気弁閉
弁時期（ＩＣ）とを共に遅らせ、ＥＣの遅延により残留
既燃ガス量を増大させ、筒内ガス温度上昇による成層混
合気燃焼の改善を図ると共に、ＩＣの遅延により圧縮行
程時の筒内空気量を減らし圧縮損失を低減する。高負荷
時（図１（ｂ））にはＥＣ，ＩＣ共に進角し、吸気体積
効率の向上を図る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は筒内噴射式火花点火機関
に関する。

【０００２】

【従来の技術】気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁
を備え、燃料噴射量が少ない比較的低負荷の運転時には
要求燃料噴射量の少なくとも一部を気筒圧縮行程中に噴
射して点火栓近傍に混合気を成層させることにより希薄
混合気燃焼を行うようにした筒内直接噴射式火花点火機
関が公知である。

【０００３】この種の内燃機関の例としては本願出願人
により特開平２−１６９８３４号公報に提案されたもの
がある。同公報に提案された筒内直接噴射式火花点火機
関では、要求燃料噴射量が所定の第１の噴射量より少な
い場合には要求燃料噴射量の全量を気筒圧縮行程中に噴
射し、要求燃料噴射量が上記第１の噴射量より大きく、
かつ所定の第２の噴射量より小さい場合には要求燃料噴
射量の一部を圧縮行程中に噴射するようにして残りの燃
料は前もって吸気行程中に噴射するようにしている。

【０００４】このように燃料を分割噴射することによ
り、吸気行程中に噴射された燃料は筒内全体に火炎伝播
可能な均一希薄混合気を形成し、圧縮行程中に噴射され
た燃料は点火栓近傍に成層され、着火可能な比較的濃い
混合気を形成するため、混合気の着火と火炎の伝播が良
好になり、燃焼状態が向上する。また、要求燃料噴射量
が比較的多いときに燃料の全量を圧縮行程中に噴射した
場合に点火栓付近に局部的に過濃混合気が形成されるこ
とにより生じるスモーク発生や出力低下の問題が解決さ
れる。

【０００５】要求燃料量が更に増大して前記第２の噴射
量以上になり吸気行程噴射のみによっても点火栓により
着火可能な濃度の均一混合気を筒内全体に形成できるよ
うになると、圧縮行程噴射は停止し要求燃料噴射量の全
量が吸気行程中に噴射されるようにする。（或いは、こ
の場合も燃料噴射量の一部を圧縮行程中に噴射するよう
にしても良い。）上記のように分割燃料噴射を行うことにより燃料噴射量
の少ない低負荷領域では安定した着火を得るとともに、
燃料噴射量の多い領域では空気利用率を向上して良好な
燃焼を得ることが可能となっている。

【０００６】しかし、上述のように低負荷運転時に主と
して成層混合気燃焼を行うようにすると混合気成層領域
の周囲では燃焼によってもガス温度が充分に上昇しない
ため燃焼室壁温が比較的低くなる傾向がある。このた
め、燃焼室内で混合気が充分に昇温されず着火前の混合
気温度が低くなることから燃焼速度も低くなり気筒内の
燃焼ガス温度も低下する。これにより成層混合気燃焼中
は燃焼室壁温が上がらず、燃焼速度の低下による燃焼の
不安定化が生じ易い。

【０００７】本願出願人はこの問題を解決するために、
既に特願平２−３１１６５６号において、機関低負荷運
転時に高負荷運転時よりも吸排気弁のオーバラップを増
大させるようにした機関を提案している。すなわち、特
願平２−３１１６５６号に提案した機関は吸気弁に可変
バルブタイミング装置を設け、機関低負荷時には排気弁
のバルブタイミングは一定にしたまま吸気弁のバルブタ
イミングを進角させることにより吸排気弁のオーバラッ
プを増大させている。

【０００８】このように吸気弁のバルブタイミングを進
角させて吸気弁の開弁時期を早めることにより、吸気弁
開弁時に吸気ポートに気筒内の既燃ガスを逆流させ、続
いて吸気行程でこの既燃ガスを再度気筒内に吸入するよ
うにして気筒内の残留既燃ガス量を増大させることがで
きる。気筒内に残留した高温の既燃ガスは吸入される新
気と混合して混合気の温度を上昇させるため着火前の筒
内ガス温度が上昇し、ガス温度低下に伴う成層燃焼時の
前述の問題を解消することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが低負荷時にバ
ルブオーバラップを増大させるために吸気弁の開弁時期
を早めた場合、吸気弁の閉弁時期もそれに応じて早くな
ってしまう問題が生じる。低負荷時に成層混合気燃焼を
行う機関では、通常、ポンピングロスを低減する目的で
吸気の絞り量を小さくしているため、燃料噴射量に比し
て吸入空気量が多く、吸入空気の大部分は燃焼に関与し
ていない。従って筒内に吸入した空気が増える程圧縮行
程では燃焼に関与しない空気を圧縮するための仕事が増
大することになる。このため低負荷時には吸気弁の閉弁
時期を圧縮行程の比較的遅い時期に設定して、吸気行程
で気筒内に吸入した空気の一部を圧縮行程で吸気ポート
に押し出すようにすることが好ましい。これにより気筒
内に残る吸入空気量が減少し、燃焼に関与しない空気を
圧縮するための仕事を低減できるからである。

【００１０】ところが上述のように低負荷時に吸気弁の
閉弁時期を早めると気筒内に残る吸入空気量は却って増
大してしまう。このため吸気弁のバルブタイミングを進
角させてオーバラップを増大させた場合には、残留既燃
ガス量の増加により成層混合気の燃焼状態の改善は図れ
るものの、燃焼に関与しない吸入空気の圧縮に要する仕
事が増大し、機関出力の低下や燃費の増大を生じる恐れ
がある。

【００１１】本発明は、上記に鑑み、出力損失の増加を
伴うことなく筒内噴射式火花点火機関の低負荷時の燃焼
を改善することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、気筒内
に燃料を直接噴射可能な燃料噴射弁を備え、機関負荷が
所定値以下の運転では気筒内に噴射した燃料を点火栓近
傍に導いて成層燃焼させ、機関負荷が所定値以上の運転
では気筒内に噴射した燃料を燃焼室内に一様に分布させ
て均質燃焼させる筒内噴射式火花点火機関において、吸
気弁と排気弁のバルブタイミングを変更する手段を設
け、機関負荷が所定値以下の場合には吸排気弁のオーバ
ラップを一定に保ったまま吸排気弁双方の閉弁時期を遅
延させることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関が提
供される。

【００１３】

【作用】本発明の作用は図１のバルブタイミング図によ
り説明される。図１は吸排気弁の開閉時期を示し、図１
（ａ）は機関低中負荷時のバルブタイミングを、図１
（ｂ）は高負荷時のバルブタイミングを示している。ま
た、図のＴＤＣ，ＢＤＣはそれぞれピストンの上死点と
下死点を示し、ＥＯ，ＥＣは排気弁の開弁時期と閉弁時
期を、ＩＯ，ＩＣは吸気弁の開弁時期と閉弁時期とを示
している。図中斜線で示した部分は吸、排気弁の両方が
開弁している時期（バルブオーバラップ）を示してい
る。図１（ａ），（ｂ）とも排気弁は膨張行程において
ピストンがＢＤＣに到達する前に開弁し、シリンダ内の
高圧高温の既燃ガスを排気系に排出して、ピストンが排
気行程のＴＤＣに達した後に閉弁する。

【００１４】本発明では、図１（ａ）に示すように低中
負荷時には高負荷時（図１（ｂ））に対して吸、排気弁
のバルブオーバラップを変更することなく排気弁閉弁時
期（ＥＣ）を遅らせており、このため、ピストンが吸気
行程に入ってから排気弁が開弁を続ける時間が長くなっ
ている。従って、排気行程で排気ポートに流出した既燃
ガスの一部が吸気行程で再び排気ポートから気筒内に流
入する、いわゆる内部ＥＧＲ量が増大し、気筒内の残留
既燃ガス量が増加する。

【００１５】これにより低、中負荷時（図１（ａ））に
はバルブオーバラップを変更することなく残留既燃ガス
量を増大でき、気筒内のガス温度が上昇し、成層混合気
の燃焼状態が改善される。また、本発明では低中負荷時
には排気弁の閉弁時期と共に吸気弁の閉弁時期（ＩＣ）
が遅延される（図１（ａ））。

【００１６】このため、高負荷時（図１（ｂ））に比し
て低中負荷時ではピストンが圧縮行程に入ってから吸気
弁が開弁を続ける期間が長くなる。従って、吸入行程で
気筒内に流入した新気のうち、圧縮行程で再び吸気ポー
トに押し出される新気の量が増大し、吸気弁閉弁時（Ｉ
Ｃ）に気筒内に残る空気量が低下する。低、中負荷時に
成層混合気燃焼を行う機関では、もともと筒内空気過剰
率が極めて大きいため上記の空気量低下により燃焼が悪
化することはなく、これにより圧縮行程での筒内空気量
が減少し、余分な圧縮仕事を低減することができる。

【００１７】

【実施例】図２は本発明を適用した４気筒ガソリンエン
ジンの一実施例の構成を示す。図において１はエンジン
本体、２は吸気管、３はエアクリーナ、４はサージタン
クを示す。本実施例においては吸気管にスロットルバル
ブは設けられておらず吸入空気量の制御は行っていな
い。また、図示していないが本実施例のエンジンは吸排
気弁をそれぞれ別のカム軸で駆動するダブルオーバヘッ
ドカムシャフト（ＤＯＨＣ）式の動弁機構を有してお
り、更にカム軸には後述する可変バルブタイミング装置
（ＶＶＴ）３０を備え、吸気弁と排気弁の開閉時期を同
時に同量ずつ変化させることができるようになってい
る。

【００１８】更に、本実施例のエンジンには各気筒内に
直接燃料を噴射する燃料噴射弁５が設けられている。燃
料噴射弁５は各気筒の１行程中に燃料の分割噴射を行う
ためピエゾ圧電素子を用いた作動速度の高いものが使用
されている。６は各枝管１４を通じて燃料噴射弁５に高
圧燃料を供給する高圧リザーバタンク、７は高圧導管８
を介して高圧燃料をリザーバタンク６に圧送するため
の、吐出圧制御可能な高圧燃料ポンプ、９は燃料タン
ク、１０は導管１１を介して燃料タンク９から高圧燃料
ポンプ７に燃料を供給する低圧燃料ポンプを夫々示す。
低圧燃料ポンプ１０の吐出側は、各燃料噴射弁５のピエ
ゾ圧電素子を冷却するための圧電素子冷却用導入管１２
に接続される。圧電素子冷却用燃料油戻管１３は燃料タ
ンク９に連結され、この戻管１３を介して圧電素子冷却
用導入管１２を流れる燃料を燃料タンク９に回収する。

【００１９】電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０はディジ
タルコンピュータからなり、エンジン１の各種制御を行
っている。これらの制御のため、ＥＣＵ２０にはクラン
ク角センサ２２から機関回転数Ｎｅに比例した出力パル
スが、またアクセル開度センサ２４からアクセルペダル
（図示せず）の操作量（アクセル開度）θ_Aに応じた出
力信号が入力されている。

【００２０】またＥＣＵ２０は図示しない点火回路を介
して各気筒に設けられた点火栓１６に接続され各気筒の
点火時期を制御している他、図示しない駆動回路を介し
て各燃料噴射弁５に接続され、燃料噴射時期、と燃料噴
射量とを制御している。また、同様にＶＶＴ３０も図示
しない駆動回路を介してＥＣＵ２０に接続されており、
ＥＣＵ２０からの信号に応じて吸、排気弁の開閉タイミ
ングが変更されるようになっている。

【００２１】前述のように本実施例のエンジンはスロッ
トル弁による吸入空気量制御を行っておらず、エンジン
の負荷は燃料噴射量をアクセル角度θ_Aとエンジン回転
数Ｎｅとに応じて変えることにより制御されている。従
って燃焼室内には常に大量の吸入空気が供給されるた
め、空燃比は通常のエンジンよりリーン側になってお
り、特に低負荷時には噴射した燃料を気筒内に均一に拡
散させてしまうと点火栓による着火ができなくなる。そ
こで本実施例ではエンジン低負荷時では、燃料噴射時期
を遅らせて、気筒圧縮行程後期に燃料噴射を行うように
している。図３は圧縮行程後期に燃料噴射を行った場合
の噴射燃料の拡散パターンを示すエンジンの縦断面図で
ある。

【００２２】図において６０はシリンダブロック、６１
はシリンダヘッド、６２はピストン、６３はピストン６
２の頂面に形成された略円筒状凹部、６４はピストン６
２頂面とシリンダヘッド６１内壁面間に形成されたシリ
ンダ室を夫々示す。点火栓１６はシリンダ室６４に臨ん
でシリンダヘッド６１のほぼ中央部に取り付けられる。
シリンダヘッド６１内には吸気ポートおよび排気ポート
が形成され、これら吸気ポートおよび排気ポートのシリ
ンダ室６４内への開口部には夫々吸気弁および排気弁が
配置されているが、図は圧縮行程後期の状態であり、吸
排気弁ともに閉弁しているため図面には示していない。
燃料噴射弁５はスワール型の燃料噴射弁であり、広がり
角が大きく貫徹力の弱い噴霧状の燃料を噴射する。燃料
噴射弁５は、斜め下方を指向して、シリンダ室６４の頂
部に配置され、点火栓６５近傍に向かって燃料噴射する
ように配置される。また、燃料噴射弁５の燃料噴射方向
および燃料噴射時期は、噴射燃料がピストン６２頂部に
形成された凹部６３を指向するように決められる。図示
したように圧縮行程後期に噴射された燃料は、シリンダ
室６４内圧力が上昇しており貫徹力が弱く、シリンダ室
６４内での空気の流動も低下した状態であるためシリン
ダ室６４内に拡散せず、点火栓１６近傍の領域Ｋに集中
して成層化する。この領域Ｋ内の燃料分布も不均一であ
り、リッチな混合気層から空気層まで変化しているた
め、この領域Ｋ内には最も着火しやすい混合気層が存在
する。従って燃料噴射量が少ない場合でも点火栓１６に
よる着火が可能となる。

【００２３】次に図４（ａ）から（ｄ）は中負荷より高
い負荷領域における燃料噴射を示している。中負荷以上
の負荷では燃料は吸入行程初期（図４（ａ））と圧縮行
程後期（図４（ｃ））との２回に分けて分割噴射が行わ
れる。これは、中負荷以上の領域では燃料噴射量も増大
するため、全燃料量を圧縮行程後期に噴射すると点火栓
１６近傍に形成される混合気領域が全体的に過濃とな
り、この領域で燃料空気量が不足して不完全燃焼を生じ
るため、排気スモークの発生や出力不足を生じることが
あるからである。

【００２４】図４（ａ）は吸気行程初期における第１回
の燃料噴射を示す。この状態では吸気弁６６が開弁して
おり吸気ポートからシリンダ室６４内に新気が流入して
いる。従って燃料噴射弁５から噴射された燃料は吸気ポ
ートから流入する新気流により生じる乱れＲによって拡
散され、吸気行程から圧縮行程に至る間にシリンダ室６
４内に均一な混合気Ｐが形成される（図４（ｂ））。こ
の混合気Ｐの空燃比はかなりリーンになっており点火栓
１６により直接着火することは困難であるが一旦着火し
た場合には着火火炎が伝播できる程度以上の空燃比とさ
れている。次いで吸気弁６６が閉弁した後、圧縮行程後
期（図４（ｃ））では第２回目の燃料噴射が行われる。
この圧縮行程後期に噴射された燃料は図３の場合と同様
に点火栓１６近傍に着火可能な濃度の混合気を含む混合
気領域Ｋを形成する。従って点火栓１６により着火が行
われると混合気領域Ｋを中心に燃焼が進行し、その周辺
から順次混合気Ｐに火炎が伝播し燃焼が進行する。中負
荷程度の領域においては燃料噴射量があまり多くないた
め、吸気行程時に全燃料を噴射させてシリンダ室６４内
に均一に拡散させると、点火栓１６による着火が困難と
なるが、上記のように吸気行程と圧縮行程とに分割して
燃料を噴射し、着火火炎伝播が可能な程度以上の濃度の
混合気と、点火栓１６による点火が可能な濃度の成層混
合気とを形成することにより、全体としてリーンな混合
気を着火、燃焼させることができる。また、本実施例で
は、負荷が増大して燃料噴射量が増大し、シリンダ室６
４内に点火栓１６による着火が可能な濃度の均一な混合
気を形成できる量に達したときには、圧縮行程中の噴射
は停止し、吸気行程初期に全量の燃料を噴射するように
さている。

【００２５】図５は吸入行程時の燃料噴射量Ｑ_Sと圧縮
行程時の燃料噴射Ｑ_Cとの関係を示す図で、横軸は合計
噴射量Ｑ_T＝Ｑ_S＋Ｑ_Cを縦軸は合計噴射量Ｑ_Tの圧縮
行程噴射量Ｑ_cと吸入行程噴射量Ｑ_Sとへの配分を示し
ている。図からわかるように合計噴射量Ｑ_TがＱ₁以下
の場合（区間Ｉ）はＱ_Sはゼロとされ、全量が圧縮行程
中に噴射される。またＱ_TがＱ₁以上Ｑ₂以下である場
合（区間II）にはＱ_Cは点火栓近傍に着火可能な成層混
合気を形成するのに充分なＱ_C1まで減少され、それ以外
の量は吸気行程中に噴射される。また、Ｑ_TがＱ₂以上
になった場合（区間III)には圧縮行程噴射量Ｑ_Cはゼロ
とされ、全燃料が吸気行程中に噴射される。Ｑ₂はシリ
ンダ室６４内に点火栓１６による着火が可能な均一混合
気を形成するのに充分な燃料噴射量である。

【００２６】本実施例では合計燃料噴射量がＱ₂以下、
特にＱ₁より少ない領域ではシリンダ室内の燃焼は成層
混合気燃焼が中心となっている。このため前述のように
シリンダ壁温が上昇せず混合気温度も低くなることから
着火後の燃焼が不安定になりやすい。本実施例では負荷
（合計燃料噴射量）に応じて吸気弁と排気弁との両方の
開閉タイミングを変えることにより、成層混合気燃焼時
に気筒内既燃ガス量を増大させて燃焼を安定させると共
に圧縮仕事の増加を防止している。

【００２７】すなわち、本実施例では合計燃料噴射量Ｑ
_TがＱ₂以下の場合（図５、区間Ｉ，II) 、すなわち成
層混合気燃焼が行われる場合には吸気弁、排気弁の開閉
タイミングを同量ずつ遅らせて図１（ａ）の状態になる
ようにする。また合計燃料噴射量Ｑ_TがＱ₂以上の場合
（図５、区間III)、すなわち均一混合気燃焼が行われる
場合には吸、排気弁の開閉タイミングを同量ずつ進めて
図１（ｂ）の状態になるようにする。これにより低中負
荷時（図１（ａ））には気筒内の残留既燃ガス量を増大
させ、同時に圧縮行程で圧縮する空気量を減らすことに
より燃焼安定と出力損失低減との両方の効果を得られ
る。また、高負荷時（図１（ａ））には排気弁の閉弁時
期を早めることにより残留既燃ガス量が減少し、更に吸
気弁の閉弁時期を早めることにより圧縮行程で気筒内に
残る新気の量が増大するため、吸気体積効率が向上し、
大出力を確保することができる。

【００２８】次に図６に本実施例に使用する可変バルブ
タイミング装置３０を示す。本実施例では可変バルブタ
イミング装置３０として、特開昭５８−１３５３１０号
公報に記載したものを用いているが別の形式の可変バル
ブタイミング装置も使用可能である。以下図６から図８
を用いて特開昭５８−１３５３１０号公報の可変バルブ
タイミング装置について説明する。本実施例においては
吸気弁カム軸に本可変バルブタイミング装置を備え、ク
ランク軸に対する吸気カム軸の回転位相を変化させるこ
とにより吸気弁のバルブタイミングを変化させる。ま
た、図示していないが本実施例のエンジンでは排気カム
軸はギヤを介して吸気弁から同期駆動される形式であ
り、クランク軸に対する吸気カム軸の回転位相を変化さ
せることにより同時に排気カム軸の回転位相も同量だけ
変化するようになっている。すなわち、本実施例の可変
バルブタイミング装置は吸気弁と排気弁の開閉タイミン
グを同時に同一量だけ変化させるものである。

【００２９】図６は可変バルブタイミング装置の構造を
示す断面で、図６において２０１はカム軸駆動用のタイ
ミングギヤで、図示しないベルトによりクランク軸から
回転駆動されている。又２０２はカム軸で、吸気弁を駆
動しており、タイミングギヤ２０１とカム軸２０２とは
それぞれアウタスリーブ２０３とインナスリーブ２０４
とに固定されている。アウタスリーブ２０３と２０４と
は互いに相対回転可能に取付けられていて、それぞれの
スリーブの外周には図７に示すように軸対称の位置に１
対のスリット２０５，２０５Ｂと２０６，２０６Ｂとが
穿設されている。アウタスリーブ上のスリット２０５と
インナスリーブ上のスリット２０６とは図８に示すよう
にカム軸２０２の軸線方向に対して互いに反対方向に傾
斜して穿設され、スリット２０５と２０６との交叉部分
には互いに独立して回転できるローラベアリング２０７
と２０８とがそれぞれスリット２０５と２０６の内壁の
一方に接触するように設けられている。ここで図８に示
したものと軸対称の位置にあるスリット２０５Ｂと２０
６Ｂの内壁にも同様にローラベアリング２０７Ｂと２０
８Ｂとが接しているが、接触している内壁２０５，２０
６は図８とは反対になっている。従ってローラベアリン
グ２０７，２０８及び２０７Ｂ，２０８Ｂを同時にカム
軸の軸線方向に前後移動させることによりバックラッシ
ュを生じずにアウタスリーブ２０３とインナスリーブ２
０４とを相対的に回転させることができる。前述のよう
にアウタスリーブ２０３はタイミングギヤ２０１に、又
インナスリーブ２０４はカム軸２０２にそれぞれ一体に
固定されているため上記アウタスリーブ２０３とインナ
スリーブ２０４との相対回転によりタイミングギヤ２０
１とカム軸２０２との位相が変化することになりバルブ
開閉タイミングのクランク軸に対する位相角を変えるこ
とができる。

【００３０】次に上記ローラベアリング２０７（Ｂ）と
２０８（Ｂ）とをカム軸の軸線方向に沿って移動させる
機構について説明する。図６と図７とに示すように、ロ
ーラベアリング２０７（Ｂ），２０８（Ｂ）は、スライ
ダ２０９の直径部貫通孔２１０に挿通支持されたベアリ
ング軸２１１に回転自在に支持されており、スライダ２
０９は軸方向には移動可能だが回転方向には固定された
非回転の駆動スリーブ２１２にベアリング２１３を介し
て回転自在に支持されている。ベアリング２１３はその
アウタレースとインナレースがそれぞれスライダ２０９
と駆動スリーブ２１２とに固定されている。このため駆
動スリーブ２１２が非回転のまま軸方向に移動するとス
ライダ２０９、ベアリング軸２１１はアウタスリーブ２
０３、インナスリーブ２０４と共にスライダ２０９の周
囲に回転自在に保持されたまま軸方向に移動することが
できる。また、上記駆動スリーブ内面には螺条が設けら
れており、ハウジング２１４に固定されたステップモー
タ２１５の出力軸２１６の螺条と螺合している。駆動ス
リーブ２１２はハウジングに設けた軸方向スプライン２
１７により回転に対して固定されているためステップモ
ータにより出力軸２１６を回転させると駆動スリーブ２
１２は軸方向に移動する。すなわちステップモータ２１
５を回転させることによりスライダ２０９とローラベア
リング２０７（Ｂ），２０８（Ｂ）がステップモータ２
１５の回転に応じた距離だけ軸方向に移動し、アウタス
リーブ２０３とインナスリーブ２０４を相対回転させカ
ム軸２０２のクランク軸に対する位相を変更することが
できる。なお、上述の説明から明らかなように本実施例
では吸気弁及び排気弁の開弁時期と閉弁時期とは同時に
同じ位相だけ変化し、開弁期間は一定に保たれる。

【００３１】本実施例では図９に示すように機関が比較
的低負荷（低トルク）で運転される領域、すなわち圧縮
行程で燃料噴射が行われる領域で吸、排気弁開閉時期の
遅角を行うようにして、成層混合気燃焼時の燃焼状態向
上と圧縮仕事の低減を図っている。次に図１０のフロー
チャートを用いて本実施例のＥＣＵ２０による制御動作
を説明する。

【００３２】図１０は燃料噴射制御ルーチンを示し、本
ルーチンは一定クランク角毎の割り込みによって実行さ
れる。図において、まずステップ１００において機関回
転数Ｎｅおよびアクセル開度θ_Aが読み込まれる。ステ
ップ１０２ではマップ１（図１１）から、Ｎｅおよびθ
_Aに基づいて要求燃料噴射量Ｑ_Tが算出される。図１１
を参照するとＱ_Tはθ _Aが増大するにつれて増大し、Ｎ
ｅが４０００ｒｐｍ付近で最大値を有する。

【００３３】ステップ１０４では、要求燃料噴射量Ｑ_T
がＱ₁（図５参照）以下か否か判定される。肯定判定さ
れた場合、ステップ１０６以下で要求燃料噴射量Ｑ_Tの
全量が圧縮行程において噴射される。すなわち、ステッ
プ１０６で圧縮行程燃料噴射量Ｑ_Cが要求燃料噴射量Ｑ
_Tに設定され、ステップ１０８で吸気行程燃料噴射量Ｑ
_Sは０とされる。ステップ１１０で圧縮行程燃料噴射期
間Ｔ_Cがマップ２（図１２）からＱ_Cに基づいて算出さ
れる。図１２を参照するとＴ_CはＱ_Cが増大するにつれ
て直線的に増大する。ステップ１１２では吸気行程燃料
噴射期間Ｔ_Sが０とされる。ステップ１１４ではマップ
３（図１３）から圧縮行程燃料噴射量Ｑ _Cおよび機関回
転数Ｎｅに基づいて圧縮行程燃料噴射開始時期Ｔ_CIが算
出されステップ１１５でフラグθ_RTDに１をセットして
本ルーチンを終了する。図１３を参照すると、Ｔ_CIは圧
縮上死点からの噴射進角で示されている。Ｔ_CIは、Ｎｅ
およびＱ_Cが増大するにつれ早められる。θ_RTDは後述
するように吸排気弁開閉タイミングを表わすフラグであ
りθ_RTD＝１のとき吸排気弁開閉タイミングは所定量遅
角される。

【００３４】ステップ１０４で否定判定された場合は次
にステップ１１６で要求燃料噴射量Ｑ_TがＱ₂（図４参
照）以下か否かが判定される。肯定判定された場合ステ
ップ１１８以下で要求燃料噴射量Ｑ_Tは圧縮行程と吸気
行程とに分割噴射される。ステップ１１８では圧縮行程
燃料噴射量Ｑ_CにＱ_C1（図５参照）が入れられる。ステ
ップ１２０では吸気行程燃料噴射量Ｑ_SにＱ_T−Ｑ_C1が
入れられる。すなわち吸気行程燃料噴射量Ｑ_Sと圧縮行
程燃料噴射量Ｑ_Cとの和が要求噴射量Ｑ_Tになるように
される。ステップ１２２と１２４ではマップ２（図１
２）からＱ_C,Ｑ_Sに基づいて圧縮行程燃料噴射期間Ｔ_C
と吸気行程燃料噴射期間Ｔ_Sとがそれぞれ算出される。

【００３５】次にステップ１２６ではマップ４（図１
４）から要求噴射量Ｑ_Tおよび機関回転数Ｎｅに基づい
て圧縮行程燃料噴射開始時期Ｔ_CIが算出される。図１４
を参照すると、Ｔ_CIは圧縮上死点からの噴射進角で示さ
れており、Ｔ_CIはＮｅおよびＱ _Tが増大するにつれて早
められる。ステップ１２８ではマップ５（図１５）から
吸気行程燃料噴射量Ｑ_Sおよび機関回転数Ｎｅに基づい
て吸気行程燃料噴射開始時期Ｔ_SIが算出される。図１５
を参照すると、Ｔ_SIは圧縮上死点からの噴射進角で示さ
れており、Ｔ_SIはＮｅが増大するにつれて早められる
が、Ｑ_Sによっては変化せしめられない。これは、吸気
行程噴射では燃料が拡散して混合気を形成するのに十分
な時間があるため、Ｑ_Sの多少に応じて変化させる必要
がないからである。以上のステップ終了後ステップ１２
９でフラグθ_RTDに１をセットしてルーチンを終了す
る。

【００３６】ステップ１１６で否定判定された場合はス
テップ１３０以下で要求燃料噴射量Ｑ_Tの全量が吸気行
程中に噴射される。すなわち、ステップ１３０では吸気
行程燃料噴射量Ｑ_Sは要求燃料噴射量Ｑ_Tに設定され、
ステップ１３２で圧縮行程燃料噴射量Ｑ_Cは０とされ
る。またステップ１３４で圧縮行程燃料噴射期間Ｔ_Cも
０とされ、ステップ１３６でマップ２（図１２）からＱ
_Sに基づいて吸気行程燃料噴射期間Ｔ_Sが算出される。
次にステップ１３８ではＱ_SとＮｅとに基づいてマップ
５（図１５）から吸気行程燃料噴射開始時期Ｔ_SIが算出
され、ステップ１３９でフラグθ_RTDを０にリセットし
てルーチンを終了する。

【００３７】以上のステップ終了後図示しない他のルー
チンによって燃料噴射が実行される。また同様に図示し
ない他のルーチンによって要求燃料噴射量Ｑ_Tと機関回
転数Ｎｅとに基づいて点火時期が設定される。次に図１
６は吸排気弁の開閉タイミング制御を示すルーチンであ
る。本ルーチンは一定クランク角毎の割込によって実行
される。図においてステップ１５０ではθ_RTDが１か否
かの判定が行われ、θ_RTDが１であっは場合は吸気弁開
閉タイミングを遅延させるため、吸気弁開弁時期θ_Iは
所定のクランク角θ_aにセットされる（ステップ１５
２）。吸気弁の開弁時期θ_Iがθ_aに遅角設定されると
吸気カム軸からギヤを介して駆動される排気カム軸もク
ランク軸に対して同量だけ位相が変化し排気弁の開閉時
期も遅延設定される（図１（ａ））。これにより気筒内
の残留既燃ガス量は増大し、同時に圧縮仕事は低減され
る。

【００３８】また、ステップ１５０でθ_RTDが０であっ
た場合は、吸気弁開閉タイミングは所定量進角され、吸
気弁開弁時期θ_Iはクランク角θ_bにセットされる（ス
テップ１５４）。これにより吸、排気弁の開閉時期は図
１（ｂ）の状態に設定され、吸気体積効率の向上により
高出力を確保することができる。上記によりθ_Iの設定
が完了するとステップ１５６でθ_Iの値を可変バルブタ
イミング装置の駆動回路に出力し、可変バルブタイミン
グ装置３０のステップモータ２１５を駆動し吸気弁開弁
時期が変更される。

【００３９】なお、本実施例では、吸気弁開閉タイミン
グは、通常値θ_aと進角値θ_bとの２通りに固定されて
いるが、圧縮行程燃料噴射量又は吸気行程燃料噴射量に
応じて吸気弁開閉タイミングを連続的に変化させても良
い。また、本実施例では可変バルブタイミング装置３０
を吸気カム軸に設け、排気カム軸を吸気カム軸からギヤ
を介して駆動することにより吸、排気弁のバルブタイミ
ングを同時に変化させているが、本発明はこれに限定さ
れるわけではなく、例えばクランク軸からベルト、チェ
ーン等を用いてカム軸を駆動する場合に、クランク軸と
プーリ又はスプロケットとの間に可変バルブタイミング
装置を介装し、吸排気弁のバルブタイミングを同時に変
化させるようにしても良い。

【００４０】

【発明の効果】本発明による筒内噴射式火花点火機関
は、機関低負荷時には、高負荷時より吸気弁と排気弁の
両方の閉弁時期を遅延させるようにしたことにより、低
負荷運転時においては成層混合気燃焼の安定化と圧縮仕
事による損失低減を、また高負荷運転時には大出力の確
保を図ることができる優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】吸排気弁のバルブタイミング変更による本発明
の作用を説明する図である。

【図２】本発明を適用した機関の一実施例を示す全体構
成図である。

【図３】圧縮行程燃料噴射時のシリンダ室内の混合気状
態を示す図である。

【図４】分割噴射時のシリンダ室内の混合気状態を示す
図である。

【図５】圧縮行程噴射と吸気行程噴射の燃料噴射量を示
す図である。

【図６】可変バルブタイミング装置の構造を示す図であ
る。

【図７】可変バルブタイミング装置の構造を示す図であ
る。

【図８】可変バルブタイミング装置の構造を示す図であ
る。

【図９】燃料噴射の方式とバルブタイミング設定との関
係を示す図である。

【図１０】燃料噴射制御動作を示すフローチャートであ
る。

【図１１】燃料噴射量θ_T設定に用いるマップを示す図
である。

【図１２】燃料噴射期間Ｔ_C設定に用いるマップを示す
図である。

【図１３】燃料噴射開始時期Ｔ_CI設定に用いるマップを
示す図である。

【図１４】燃料噴射開始時期Ｔ_CI設定に用いるマップを
示す図である。

【図１５】燃料噴射開始時期Ｔ_SI設定に用いるマップを
示す図である。

【図１６】吸排気弁バルブタイミング制御動作を示すフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１…エンジン本体２…吸気管３…エアクリーナ４…サージタンク５…燃料噴射弁６…高圧リザーバ７…高圧ポンプ９…燃料タンク１０…低圧ポンプ１６…点火栓２０…電子制御ユニット３０…可変バルブタイミング装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気筒内に燃料を直接噴射可能な燃料噴射
弁を備え、機関負荷が所定値以下の運転では気筒内に噴
射した燃料を点火栓近傍に導いて成層燃焼させ、機関負
荷が所定値以上の運転では気筒内に噴射した燃料を燃焼
室内に一様に分布させて均質燃焼させる筒内噴射式火花
点火機関において、吸気弁と排気弁のバルブタイミングを変更する手段を設
け、機関負荷が所定値以下の場合には吸排気弁のオーバ
ラップを一定に保ったまま吸排気弁双方の閉弁時期を遅
延させることを特徴とする筒内噴射式火花点火機関。