JPH10212986A

JPH10212986A - 筒内噴射式エンジン

Info

Publication number: JPH10212986A
Application number: JP9017197A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Nishimura; 博文西村; Hiroyuki Yamashita; 洋幸山下; Yoichi Kuji; 洋一久慈; Muneyuki Oota; 統之太田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 1998-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】筒内噴射式エンジンにおいて、噴射燃料の少
なくとも一部が吸気行程で噴射されるときに、シリンダ
壁への燃料付着を抑制することにより、ＨＣ等の排出量
を低減し、エミッションを改善する。【解決手段】燃焼室５の略中央部に点火プラグ１０を
配置するとともに、上記燃焼室の周縁部にインジェクタ
１１を、斜め下方に向けて燃料を噴射するように配置
し、ピストン４の頂部に凹状のキャビティ１３を設け
る。そして、圧縮行程噴射では噴射方向が上記キャビテ
ィ１３内に向いて、キャビティ１３で反射された燃料が
点火プラグ１０付近に達するようにする一方、吸気行程
噴射では噴射方向が上記キャビティ１３から外れるよう
にし、吸気行程噴射の噴射開始時期をクランク角で上死
点後７０°±２０°の範囲内に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料を直接燃焼室
内に噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エンジン
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料を直接燃焼室内に噴射するイ
ンジェクタを備え、低負荷時等に、上記インジェクタか
ら圧縮行程後期に燃料を噴射することで点火プラグまわ
りに混合気が偏在する状態として所謂成層燃焼を行なう
ことにより、燃焼安定性を確保しつつ空燃比をリーンに
して燃費改善を図るようにした筒内噴射式エンジンは知
られている。

【０００３】この筒内噴射式エンジンにおいては、上記
のように圧縮行程で燃料を噴射すると成層燃焼が行わ
れ、一方、吸気行程で燃料を噴射すると燃料が拡散して
均一燃焼が行われる状態となるため、運転状態に応じて
圧縮行程噴射と吸気行程噴射とを選択的に行い、さら
に、運転状態によっては、吸気行程と圧縮行程とにそれ
ぞれ燃料を噴射する分割噴射を行うようにしている。

【０００４】例えば特開平８−１９３５３６号公報に示
されている筒内噴射式エンジンでは、エンジンの始動時
（クランキング中）に分割噴射を行なうようにしてい
る。また、エンジン冷機状態のとき吸気行程噴射を行な
うようにしたものもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように筒内噴射
式エンジンでは運転状態に応じて圧縮行程噴射、吸気行
程噴射、分割噴射等に燃料噴射状態が切換えられる。こ
のようなエンジンにおいて、吸気行程噴射時や分割噴射
時における吸気行程噴射では、噴射燃料が燃焼室内に拡
散されるが、その燃料の一部がシリンダ壁に付着するこ
とがある。そして、シリンダ壁に付着した燃料は燃焼し
難いので、シリンダ壁への燃料付着量が多くなるほどＨ
Ｃ排出量が増加し、エミッションの悪化する。とくに、
エンジン冷機時には、ＨＣ排出量が増加し易く、シリン
ダ壁への燃料の付着が問題となる。

【０００６】本発明は、上記の事情に鑑み、筒内噴射式
エンジンにおいて、噴射燃料の少なくとも一部が吸気行
程で噴射されるときに、シリンダ壁への燃料付着を抑制
することにより、ＨＣ等の排出量を低減し、大幅にエミ
ッションを改善することができる筒内噴射式エンジンを
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
シリンダボア内のピストンの上方に形成された燃焼室の
略中央部に点火プラグを配置するとともに、上記燃焼室
の周縁部にインジェクタを、斜め下方に向けて燃料を噴
射するように配置した筒内噴射式エンジンにおいて、エ
ンジンの特定運転状態で、上記インジェクタから噴射燃
料の少なくとも一部を吸気行程で噴射するように制御す
る燃料噴射制御手段を設けるとともに、この吸気行程で
の燃料噴射の噴射開始時期をクランク角で上死点後７０
°±２０°の範囲内に設定したものである。

【０００８】この構成によると、吸気行程噴射による噴
射燃料のシリンダ壁への付着が少なく抑えられる。つま
り、ピストンが上死点に極めて近い位置にある状態で燃
料が噴射されるとピストン頂部で反射した燃料がシリン
ダ壁へ多く付着し、また、ピストンが上死点から大きく
離れたところで燃料が噴射されると直接シリンダ壁まで
達して付着する燃料が多くなるが、クランク角で上死点
後７０°程度では、噴射燃料のピストン頂部での反射が
少なくなるとともに、ピストンの下降に伴い噴射燃料が
下方に引き込まれることにより、適度に燃料が拡散され
ながらもシリンダ壁への燃料付着が少なくなる。

【０００９】これにより、ＨＣ（及びＣＯ）の排出量が
低減され、エミッションが改善される。

【００１０】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
エンジンにおいて、エンジンの特定運転状態で、上記イ
ンジェクタから吸気行程と圧縮行程とにそれぞれ燃料を
噴射する分割噴射を行なうようにしたものである。

【００１１】このようにすると、分割噴射が行われたと
き、圧縮行程噴射により点火プラグ付近の区域に比較的
リッチな混合気が形成されるとともに、吸気行程噴射に
より点火プラグ付近の区域の周囲に比較的リーンな混合
気が形成され、このような混合気分布状態により、後に
実施形態の中で説明するようにＨＣ及びＮＯｘの低減等
に有利となる。そして、この場合の吸気行程噴射のタイ
ミングが上記のように設定されることでシリンダ壁への
燃料付着が少なくなることにより、ＨＣ等を低減する効
果が高められる。

【００１２】請求項３に係る発明は、請求項２に記載の
エンジンにおいて、上記ピストンの頂部に凹状のキャビ
ティを設け、圧縮行程噴射では噴射方向が上記キャビテ
ィ内に向いて、キャビティで反射された燃料が点火プラ
グ付近に達するようにする一方、吸気行程噴射では噴射
方向が上記キャビティから外れるように設定したもので
ある。

【００１３】このようにすると、圧縮行程噴射による燃
料は点火プラグ付近に比較的リッチな混合気を形成し、
吸気行程噴射による燃料は拡散して均一な混合気を形成
して、好ましい混合気分布状態が得られる。

【００１４】請求項４に係る発明は、請求項３に記載の
エンジンにおいて、吸気上死点と吸気行程噴射の噴射開
始時期との間のクランク角（θ１）と、圧縮行程噴射の
噴射開始時期と圧縮上死点との角のクランク角（θ２）
との関係が、θ１≧θ２となるように設定したものであ
る。

【００１５】このようにすると、上記のような混合気分
布状態が良好に得られる。

【００１６】請求項５に係る発明は、請求項１乃至４の
いずれかに記載のエンジンにおいて、燃焼室内にスワー
ルを生成するスワール生成手段を設けるとともに、上記
燃料噴射制御手段によって上記インジェクタから噴射燃
料の少なくとも一部を吸気行程で噴射するように制御さ
れているときに上記スワール生成手段が作動するように
したものである。

【００１７】請求項６に係る発明は、請求項１乃至４の
いずれかに記載のエンジンにおいて、燃焼室内にタンブ
ルを生成するタンブル生成手段を設けるとともに、上記
燃料噴射制御手段によって上記インジェクタから噴射燃
料の少なくとも一部を吸気行程で噴射するように制御さ
れているときに上記タンブル生成手段が作動するように
したものである。

【００１８】上記のようにスワール又はタンブルを形成
すると、吸気行程で噴射された燃料の燃焼性が向上され
ることにより、ＨＣ低減等の効果が高められる。

【００１９】請求項７に係る発明は、シリンダボア内の
ピストンの上方に形成された燃焼室の略中央部に点火プ
ラグを配置するとともに、上記燃焼室の周縁部にインジ
ェクタを、斜め下方に向けて燃料を噴射するように配置
した筒内噴射式エンジンにおいて、エンジンの特定運転
状態で、上記インジェクタから吸気行程と圧縮行程とに
それぞれ燃料を噴射する分割噴射を行なうように制御す
る燃料噴射制御手段を設けるとともに、上記ピストンの
頂部に凹状のキャビティを設け、圧縮行程噴射では噴射
方向が上記キャビティ内に向いて、キャビティで反射さ
れた燃料が点火プラグ付近に達するようにする一方、吸
気行程噴射では噴射方向が上記キャビティから外れるよ
うに設定したものである。

【００２０】請求項８に係る発明は、シリンダボア内の
ピストンの上方に形成された燃焼室の略中央部に点火プ
ラグを配置するとともに、上記燃焼室の周縁部にインジ
ェクタを、斜め下方に向けて燃料を噴射するように配置
した筒内噴射式エンジンにおいて、エンジンの特定運転
状態で上記インジェクタから吸気行程と圧縮行程とにそ
れぞれ燃料を噴射する分割噴射を行なうように制御する
燃料噴射制御手段を設けるとともに、上記ピストンの頂
部に凹状のキャビティを設け、圧縮行程噴射による噴射
燃料が上記キャビティで反射されて点火プラグ付近に達
するようにし、かつ、吸気上死点と吸気行程噴射の噴射
開始時期との間のクランク角（θ１）と、圧縮行程噴射
の噴射開始時期と圧縮上死点との角のクランク角（θ
２）との関係が、θ１≧θ２となるように設定したもの
である。

【００２１】上記の請求項７や請求項８の構成による
と、分割噴射が行われたとき、点火プラグ付近の区域に
比較的リッチな混合気が形成されるとともにその周囲に
比較的リーンな混合気が形成されるような混合気分布状
態が良好に得られる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１は筒内噴射式エンジンの燃焼室部分
の構造の一例を示している。この図において、１はエン
ジン本体であって、シリンダブロック２及びシリンダヘ
ッド３等からなり、複数のシリンダを備えており、その
各シリンダにはピストン４が嵌挿され、このピストン４
の頂面とシリンダヘッド３の下面との間に燃焼室５が形
成されている。この燃焼室５に対し、吸気ポート６及び
排気ポート７と、これらのポート６，７を開閉する吸気
弁８及び排気弁９と、点火プラグ１０とが配設されると
ともに、燃焼室５内に直接燃料を噴射するインジェクタ
１１が設けられている。

【００２３】これらの構造を具体的に説明する。上記シ
リンダヘッド３の下面側には燃焼室５を構成する所定形
状の凹部が設けられ、例えば図示のような断面略台形の
凹部により燃焼室５が構成されている。この燃焼室５の
上端面部に吸気ポート６が開口するとともに、傾斜面部
に排気ポート７が開口している。この吸気ポート６及び
排気ポート７は、図面上は１個ずつ表れているが、好ま
しくは、２個ずつ、紙面と直交する方向に並んで設けら
れる。そして、各吸気ポート６及び排気ポート７に吸気
弁８及び排気弁９がそれぞれ設けられており、これら吸
気弁８及び排気弁９は図外の動弁装置により駆動されて
所定タイミングで開閉するようになっている。

【００２４】上記点火プラグ１０は、燃焼室５のほほ中
央部に位置し、点火ギャップが燃焼室５内に臨む状態
で、シリンダヘッド３に取付けられている。

【００２５】また、上記インジェクタ１１は、燃焼室５
の周縁部に設けられている。図１に示す実施例形態で
は、燃焼室５の吸気ポート６側の側方部においてシリン
ダヘッド３にインジェクタ１１が取り付けられ、吸気ポ
ート６が開口する燃焼室上端面部分とシリンダブロック
２に対する合わせ面との間の壁面１２にインジェクタ１
１の先端が臨み、かつ、斜め下方に向けて燃料を噴射す
るようになっている。

【００２６】一方、燃焼室５の下面側を構成するピスト
ン４の頂部には、凹状のキャビティ１３が形成されてい
る。そして、ピストン４が上死点に近い位置となる圧縮
行程後半に燃料が上記インジェクタ１１からキャビティ
１３に向けて噴射され、さらにキャビティ１３で反射さ
れて点火プラグ１０付近に達するように、インジェクタ
１１の位置及び方向とキャビティ１３の位置と点火プラ
グ１０の位置との関係が予め設定されている。

【００２７】図２は吸・排気系を含めたエンジン全体を
概略的に示しており、この図において、エンジン本体１
には吸気通路１５及び排気通路１６が接続されている。
上記吸気通路１５の下流側は吸気マニホールドにおいて
気筒別に分岐し、かつ、その気筒別通路１５ａには並列
に２つの通路（図面では１つの通路のみ示す）が形成さ
れて、その下流端の２つの吸気ポート７が図１に示す燃
焼室５に開口するとともに、一方の通路に吸気流動制御
弁１７が設けられている。そして、吸気流動制御弁１７
が閉じられたときに、他方の通路から燃焼室５に導入さ
れる吸気によって燃焼室５内にスワールが生成されるよ
うになっている。こうして、上記吸気流動制御弁１７等
でスワール生成手段が構成されている。

【００２８】また、吸気通路１５の途中にはスロットル
弁１８が設けられ、吸入空気量の制御が可能なようにス
テップモータ等の電気的なアクチュエータ１９によって
上記スロットル弁１８が作動されるようになっている。

【００２９】一方、排気通路１６には、排気中の空燃比
検出のためのＯ₂ センサ２１が設けられるとともに、排
気浄化用の触媒を備えた触媒装置２２が設けられてい
る。この触媒装置２２は、三元触媒により構成してもよ
いが、後述のように暖機後に空燃比をリーンにして成層
燃焼を行なうような場合の浄化性能を高めるため、理論
空燃比よりもリーンな空燃比でもＮＯｘを浄化する機能
を有するような触媒を用いることが望ましい。つまり、
一般に知られているように三元触媒によるとＨＣ、Ｃ
Ｏ、ＮＯｘの全てに対して高い浄化性能を有するのが理
論空燃比付近に限られるが、最近、三元触媒の機能に加
えて理論空燃比よりもリーンな空燃比でもＮＯｘを浄化
する機能を有する触媒が開発されているので、これを用
いてリーン運転時のＮＯｘを低減することが好ましい。

【００３０】上記排気通路１６における触媒装置２２の
位置としては、排気マニホールド１６ａの直下流（排気
マニホールドに直結）とすると高速高負荷時に触媒温度
が可動に上昇し易くなることから、この位置よりもエン
ジンから遠ざかるように、排気マニホールド１６ａに接
続されている排気管１６ｂの途中に触媒装置２２が介設
されている。

【００３１】排気通路１６と吸気通路１５との間には、
排気ガスの一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路２３が接
続され、このＥＧＲ通路２３にはＥＧＲバルブ２４が介
設されている。

【００３２】３０はエンジンの制御を行なうＥＣＵ（コ
ントロールユニット）であり、このＥＣＵ３０には、エ
ンジンのクランク角を検出するクランク角センサ２３、
アクセル開度（アクセルペダル踏み込み量）を検出する
アクセルセンサ２４、吸入空気量を検出するエアフロー
メータ２５、エンジン冷却水の水温を検出する水温セン
サ２６及び上記Ｏ₂ センサ２１等からの信号が入力され
ている。

【００３３】上記ＥＣＵ３０は、燃料噴射制御手段３１
を含んでいる。

【００３４】この燃料噴射制御手段３１は、インジェク
タ駆動回路３４を介してインジェクタ１１からの燃料噴
射の時期及び噴射量を制御するものであり、エンジンの
特定運転状態で、上記インジェクタから噴射燃料の少な
くとも一部を吸気行程で噴射するように制御する。つま
り、エンジンの特定運転領域で、上記インジェクタ１１
から吸気行程と圧縮行程とにそれぞれ燃料を噴射する分
割噴射を行なわせ、あるいは吸気行程でのみ燃料噴射を
行なわせる。例えば、後に詳述するように、上記触媒が
活性温度より低い触媒冷機状態のときに分割噴射を行な
わせ、触媒暖機後であってエンジンが冷機状態にあると
きに、吸気行程でのみ燃料噴射を行なわせるようになっ
ている。

【００３５】触媒及びエンジンの温度状態は上記水温セ
ンサ２６からの水温検出信号によって推定される。すな
わち、水温が第１設定温度未満であれば触媒冷機状態、
第１設定温度以上であれば触媒暖機状態と判定され、さ
らに、水温が第２設定温度未満であればエンジン冷機状
態、第２設定温度以上であればエンジン暖機状態と判定
される。通常、上記第２設定温度は第１設定温度よりも
高い値となる。なお、触媒暖機状態を判定するための温
度状態判別は、水温検出とエンジン始動からの経過時間
の判定とを併用して行なうようにしてもよく、また、触
媒温度を直接検出するようにしてもよい。

【００３６】このインジェクタ１１の制御のほかに上記
ＥＣＵ３０は、点火装置３５に制御信号を出力して、点
火時期をエンジンの運転状態に応じて制御する。また、
スロットル弁１８を駆動するアクチュエータ１９に制御
信号を出力することによって吸入空気量の制御も行なう
ようになっており、圧縮行程のみの燃料噴射により成層
燃焼が行われるときには空燃比をリーンとすべくスロッ
トル弁１８を開いて吸入空気量を増加させる等の制御を
行なう。さらにＥＣＵ３０は、分割噴射時等に燃焼室５
内にスワールを生じさせるべく、上記吸気流動制御弁１
７を制御するとともに、空燃比をリーンとする成層燃焼
時等にＥＧＲを行なうべくＥＧＲバルブ２４を制御す
る。

【００３７】図３は燃料系の構成の一例を示している。
この図において、インジェクタ１１と燃料タンク３６と
の間に燃料供給通路３７および燃料リターン通路３８が
接続され、上記燃料供給通路３７には、燃料タンク３６
側から順に低圧燃料ポンプ３９、フィルター４０及びエ
ンジン駆動の高圧燃料ポンプ４１が設けられ、一方、燃
料リターン通路３８には、高圧レギュレータ４２と、そ
の下流に位置する低圧レギュレータ４３が設けられてい
る。さらに、高圧燃料ポンプ４１をバイパスする通路４
４が設けられ、この通路４４にチェックバルブ４５が設
けられるとともに、高圧レギュレータ４２をバイパスす
る通路４６が設けられ、この通路４６にソレノイドバル
ブ４７が設けられている。

【００３８】そして、通常は、上記ソレノイドバルブ４
７が閉じられた状態で、高圧燃料ポンプ４１が作動さ
れ、かつ、高圧レギュレータ４２が機能することによ
り、インジェクタ１１に作用する燃圧が圧縮行程後期の
噴射が可能な程度の高圧に調整される。また、上記高圧
燃料ポンプ４１が充分に作動されないエンジン始動時に
は、低圧燃料ポンプ３９が駆動されるとともに、上記ソ
レノイドバルブ４７が開かれて高圧レギュレータ４２が
バイパスされることで低圧レギュレータ４３が機能する
ため、インジェクタ１１に作用する燃圧が吸気行程噴射
が可能な程度の低圧に調整されるようになっている。

【００３９】図４は上記インジェクタ１１からの燃料噴
射が分割噴射とされるときの噴射タイミングを示してい
る。この図のように、分割噴射は吸気行程噴射と圧縮行
程噴射とからなる。圧縮行程噴射は、圧縮行程の後半に
燃料噴射を行うもので、図１に示すような燃焼室構造に
よる場合、ピストン４が上死点に近づいてインジェクタ
１１からの噴射燃料がピストン頂部のキャビティ１３内
に向かうようなタイミングとされる。具体的には、噴射
開始時期と圧縮上死点との間のクランク角θ２が５０°
〜６０°程度とされ、つまりＢＴＤＣ５０°〜６０°Ｃ
Ａ程度の時期に燃料噴射が開始される。ＢＴＤＣは上死
点前を意味し、ＣＡはクランク角を意味する。

【００４０】一方、吸気行程噴射は、吸気行程の前半に
燃料噴射を行うもので、圧縮行程噴射と比べるとピスト
ンの位置が上死点から遠ざかったときに噴射を行なうこ
とで噴射燃料が上記キャビティ１３から外れるようにす
る。つまり、吸気上死点と吸気行程噴射の噴射開始時期
との間のクランク角θ１と、噴射開始時期と圧縮上死点
との間のクランク角θ２との関係がθ１≧θ２となるよ
うにする。とくに、シリンダ壁面への燃料付着を抑制す
るため、吸気行程噴射の噴射開始時期はＡＴＤＣ７０°
ＣＡ程度が好ましく、ＡＴＤＣ７０°±２０°ＣＡの範
囲が有効である。ＡＴＤＣは上死点後を意味する。

【００４１】なお、吸気行程のみで燃料噴射が行なわれ
るときの噴射タイミングも、上記分割噴射における吸気
行程噴射の噴射タイミングと同様に設定される。

【００４２】筒内噴射式エンジンの制御パターンの一例
を、図５のタイムチャートを参照しつつ説明する。

【００４３】図５において、ｔ₀ はエンジンの始動開始
時点、ｔ₁ は始動完了時点であり、その間のエンジン始
動期間中(ｔ₀〜ｔ₁)は、インジェクタ１１からの燃料噴
射が吸気行程噴射のみとされる。このようにしているの
は、エンジン始動時に圧縮行程噴射を行なうと気化、霧
化が悪くて点火プラグへの燃料のかぶりによる失火を招
き易いことから、気化、霧化の時間を稼ぐべく吸気行程
噴射を行なうことが好ましく、また、前記のように図３
に示す燃料系では始動時に高圧ポンプが充分に作動しな
いため燃圧が吸気行程噴射が可能な程度の低圧とされる
ためである。

【００４４】エンジンの始動完了時点ｔ₁ 以後で、か
つ、触媒及びエンジンが冷機状態にあるときは、分割噴
射が行われ、つまり、インジェクタ１１からの燃料噴射
が吸気行程と圧縮行程とで行われる。この分割噴射時
に、燃焼室全体としての空燃比は略理論空燃比（λ≒
１）となるように総燃料噴射量が制御されつつ、そのう
ちの所定割合の燃料が吸気行程初期に噴射され、残りの
燃料が圧縮行程後期に噴射される。これにより、点火プ
ラグ１０付近に理論空燃比もしくはこれよりリッチな混
合気が形成されるとともに、その周囲に理論空燃比より
リーンな混合気が形成されるようにする。

【００４５】この場合、点火プラグ１０付近に理論空燃
比もしくはこれよりリッチな混合気が火種として有効な
程度に存在し、点火プラグ１０付近を除く燃焼室５の大
部分にリーンな混合気が分布するように、吸気行程での
噴射量を圧縮行程での噴射量よりも多くするとともに、
エンジン負荷が高くなるにつれて圧縮行程噴射に対する
吸気行程噴射の割合を多くすることが好ましい。

【００４６】また、触媒冷機時におけるインジェクタ１
１の総燃料噴射量の制御は、Ｏ₂ センサ２１が活性化す
るまではオープン制御、Ｏ₂ センサ活性後はフィードバ
ック制御とされる。そして、上記オープン制御時にも燃
焼室全体の空燃比が略理論空燃比となるように、吸入空
気量に応じて燃料噴射量が演算される。ただし、このオ
ープン制御時の空燃比（Ａ／Ｆ）は１３〜１７の範囲で
要求に応じて多少リーンもしくはリッチとしておいても
よい。なお、Ｏ₂ センサ２１の活性の判定は、Ｏ₂ セン
サ出力の反転を調べることにより行なう。あるいは、エ
ンジン始動から所定時間が経過したときにＯ₂ センサ２
１が活性化したと判定する。

【００４７】触媒冷機時における点火時期の制御として
は、同図に実線で示すようにＭＢＴ等の基本点火時期に
保つようにしておいてもよいが、同図に破線で示すよう
に始動完了後のある程度の期間に少しだけリタードさせ
てもよい。とくに、エンジンのアイドル時等の極低負荷
時で、燃料噴射量が少ないために分割噴射を行なうとパ
ルス幅と燃料噴射量との関係が線形特性を維持できなく
なる程度にまでパルス幅が小さくなる（図４中の二点鎖
線）ような場合には、点火時期のリタードを行なうとと
もに、空気量及び燃料噴射量の増量補正を行なうことが
好ましい。

【００４８】触媒暖機状態となった時点以後で、エンジ
ンが冷機状態にあるときは、吸気行程噴射のみ行なう状
態に切換えられる。さらに、エンジン暖機状態となった
時点以後は、圧縮行程噴射のみによる成層燃焼状態に切
換えられる。圧縮行程噴射のみによる成層燃焼状態とさ
れるときは、空燃比をリーンとすべく、スロットル弁が
１８が開かれる。なお、上記分割噴射から吸気行程噴射
への切換えは、触媒暖機状態となった時点からある程度
のタイムラグをもって行なうようにしてもよく、また、
吸気行程噴射から圧縮行程噴射への切換えも、ある程度
のタイムラグをもって行なうようにしてもよい。

【００４９】以上のような当実施形態の筒内噴射式エン
ジンによると、エンジン始動後において触媒が冷機状態
にあるときは、燃焼室全体としては略理論空燃比となる
ように燃料噴射量が制御されつつ、分割噴射が行なわれ
る。そして、吸気行程噴射により噴射燃料が拡散して、
上記点火プラグ１０付近の区域の周囲に理論空燃比より
もリーンな混合気が形成されるとともに、圧縮行程後期
の燃料噴射により点火プラグ１０付近の区域に理論空燃
比もしくはこれよりリッチな空燃比の混合気が形成され
る。

【００５０】このような燃料供給状態とされることによ
り、エンジン本体１から排気通路１６へ排出されるＨ
Ｃ、ＣＯ及びＮＯｘの量が低減されるとともに、触媒の
暖機が促進される。これらの作用を、図６を参照しつつ
具体的に説明する。

【００５１】図６（ａ）及び（ｂ）は、吸気ポートにイ
ンジェクタを備えたエンジンによる場合と、燃料を直接
燃焼室内に噴射するインジェクタを備えた筒内噴射式エ
ンジン（直噴エンジン）において吸気行程噴射のみを行
なった場合と、筒内噴射式エンジン（直噴エンジン）に
おいて吸気行程噴射と圧縮行程噴射の分割噴射を行なっ
た場合とについてそれぞれ、エンジン本体からのＨＣ排
出量及びＮＯｘ排出量の測定結果を示している。また、
同図（ｃ）及び（ｄ）は、筒内噴射式エンジン（直噴エ
ンジン）において吸気行程噴射のみを行なった場合と分
割噴射を行なった場合とにつき、排気ガス温度及び燃費
率の測定結果を示している。

【００５２】これらの測定結果は、エンジン回転数が１
５００ｒｐｍ、平均有効圧力がＰｅ＝３kg/cm²、空燃比
がλ＝１（理論空燃比）という条件下で行なった測定に
よるものである。

【００５３】なお、空燃比をλ＝１としているのは、リ
ッチであるとＨＣ排出量が増加し、リーンであると冷機
時における燃焼安定性や暖機促進等の面で不利となり、
また、触媒が完全暖機に至る前でもある程度触媒機能を
発揮し始める状態になってからは触媒による浄化性能を
できるだけ高めるためにλ＝１とする方が有利だからで
ある。つまり、当実施形態において分割噴射が行なわれ
ている触媒冷機状態のとき（触媒の完全暖機前）でも、
ある程度温度が高くなると触媒が次第に機能し始め、こ
のときに、三元触媒が用いられていれば理論空燃比でＨ
Ｃ、ＣＯおよびＮＯｘが浄化され、また、最近開発され
ているリーン状態でもＮＯｘをある程度浄化し得るよう
な触媒であっても、理論空燃比にある方がＮＯｘ浄化率
が高くなる。

【００５４】図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、筒内
噴射式エンジンで分割噴射を行なった場合は、ポート噴
射エンジンによる場合及び筒内噴射式エンジンで吸気行
程噴射を行なった場合のいずれと比べても、ＨＣの排出
量とＮＯｘの排出量がともに大幅に低減され、具体的に
はＨＣの排出量が４５％程度減少し、ＮＯｘの排出量が
５０％以上減少した。さらに、同図（ｃ）に示すよう
に、筒内噴射式エンジンの分割噴射によると、吸気行程
噴射と比べ、排気温度が大幅に（６５〜７０°Ｃ程度）
上昇した。

【００５５】また、同図（ｄ）に示すように、筒内噴射
式エンジンの分割噴射によると、吸気行程噴射と比べて
燃費は多少（４〜５％）悪化する。つまり、上記のよう
な排気温度上昇のために燃焼エネルギーが消費されるの
で、多少の燃費悪化はやむを得ない。もっとも、点火時
期をリタードさせた場合と比べると燃費悪化の度合は格
段に小さくなる。つまり、点火時期をリタードさせるこ
とによっても排気温度上昇およびＨＣ、ＮＯｘ低減の効
果は得られるが、点火時期のリタードによるだけでは排
気温度を５０°Ｃ程度上昇させようとすると燃費が２５
％程度も悪化し、これと比べ、上記分割噴射によると排
気温度が大幅に（６５〜７０°Ｃ程度）上昇しながら燃
費の悪化は４〜５％ですむ。

【００５６】上記分割噴射によりＨＣ、ＮＯｘ低減効果
及び排気温度上昇促進効果が得られる理由は、次の通り
である。

【００５７】分割噴射により点火プラグ１０付近の区域
にλ≦１の比較的リッチな混合気、その周囲にλ＞１の
リーンな混合気が存在している状態で着火されると、先
ず点火プラグ１０付近の混合気が燃焼し、この混合気は
比較的リッチであるため、初期燃焼速度が早くなるが、
余剰Ｏ₂ が存在しないことからＮＯｘの発生は抑制され
る。また、この段階では点火プラグまわりに余剰燃料が
存在する。

【００５８】次に、燃焼が周囲へ広がって主燃焼状態へ
と移行し、周囲の混合気はリーンであるため緩慢燃焼と
なる。この場合、一般に適度の余剰酸素が存在するＡ／
Ｆ＝１６〜１７程度のリーン空燃比での燃焼時にＮＯｘ
排出量が多くなる傾向があるが、上記余剰燃料がリーン
空燃比層の酸素を奪いつつ燃焼していくことで燃焼室内
の酸素濃度が低下するためＮＯｘの発生が抑制される。
また、単にリーン空燃比で着火、燃焼が行われる場合は
燃焼速度が遅くなることに対応して点火時期のＭＢＴは
進角側に移行するが、当実施形態による場合は上記初期
燃焼状態での燃焼速度が速いためにアドバンスさせなく
てよく、このことはリーン空燃比で点火時期をリタード
したのと同様となり、これによってもＮＯｘが低減さ
れ、かつ、排気温度上昇及びＨＣ低減の効果も得られ
る。さらに、初期燃焼により生じた既燃ガスが内部ＥＧ
Ｒ効果をもたらし、これによってもＮＯｘを低減する作
用が得られる。

【００５９】また、上記のように点火プラグ付近に生じ
た余剰燃料は次第にリーン混合気層の酸素を奪って燃焼
し、その燃焼が最後まで続いて所謂後燃え状態となるこ
とにより、ＨＣを低減させるとともに、排気温度を上昇
させる。

【００６０】これらの現象で、ＨＣ、ＮＯｘ低減と排気
温度上昇の効果が得られる。

【００６１】このように、触媒冷機状態のときに分割噴
射を行なうと、エンジンからのＨＣ（及びＣＯ）とＮＯ
ｘの排出量が大幅に減少することにより触媒による浄化
作用が充分に得られない状況下でのエミッションが改善
されるとともに、排気温度の上昇が促進されることで触
媒の暖機が早められ、触媒の浄化作用が充分に得られな
い期間が短くなる。また、分割噴射時に燃焼室全体の空
燃比は略理論空燃比とされることにより、完全暖機前で
もある程度温度が上昇して触媒が機能し始める状態とな
ってからの浄化性能が高められる。これらの作用によ
り、エミッションが大幅に改善される。

【００６２】そして、点火時期は必ずしもリタードしな
くても分割噴射により上記効果が得られるが、分割噴射
に加えて図５中に破線で示すように点火時期をリタード
すれば、これらの相乗作用により、触媒暖機促進等の効
果がより一層高められる。

【００６３】とくに、燃料噴射量が極めて少ないアイド
ル時等の極低負荷時に、点火時期をリタードするととも
に、空気量及び燃料噴射量の増量補正を行なうようにす
ると、触媒暖機促進及びトルク制御が効果的に行われ
る。すなわち、一般にインジェクタはパルス幅が所定の
下限値より小さくなるとパルス幅と燃料噴射量との関係
が線形特性を維持できなくて充分な燃料コントロール精
度が得られなくなるため、燃料噴射量が極めて少ない極
低負荷に分割噴射を行なうとパルス幅が上記下限値より
小さくなる可能性がある。このような状況下で燃料噴射
量を増量補正すると分割噴射してもパルス幅を上記下限
値以上に保つことができ、燃料コントロール精度を維持
し得る。しかも、点火時期リタードによるトルク低下分
と空気量及び燃料噴射量の増量によるトルク上昇分とが
相殺されて要求トルクが維持される。そして、分割噴射
に加え、点火時期がリタードされること及び燃料噴射量
が増量されることによっても排気温度が上昇し、触媒暖
機が促進される。

【００６４】もっとも、このように点火時期をリタード
させるにしても、分割噴射を行なわずに点火時期リター
ドだけで排気温度上昇等の効果を同程度にもたせようと
する場合と比べると、リタード量は充分に小さくし得る
ため、燃費の悪化は抑制される。

【００６５】また、触媒暖機後においてエンジン暖機状
態となるまでは、空燃比が理論空燃比に保たれつつ吸気
行程噴射のみ行われる状態に切換えられ、これにより、
図６（ｄ）から理解されるように分割噴射に比べて燃費
が良くなる。そして、触媒暖機後は触媒による排気浄化
作用でエミッションが良好に保たれ、また、空燃比がリ
ーンとされる場合よりはエンジンの暖機促進に有利とな
る。

【００６６】エンジン暖機後は、少なくとも低負荷時
に、空燃比が大幅なリーン状態（例えばＡ／Ｆ≧３０）
とされつつ、圧縮行程噴射のみが行われる。これによ
り、点火プラグ１０付近に混合気が偏在する状態となっ
て成層燃焼が行われ、燃焼安定性が確保されつつ大幅な
リーン化により燃費が改善される。そして、このように
圧縮行程噴射で成層化が行われると空燃比（Ａ／Ｆ）が
３０程度のリーン状態でも充分に燃焼安定性が高められ
て、多量のＥＧＲを導入することも可能であるので、Ｅ
ＧＲバルブ２４を開いてＥＧＲ通路２３からＥＧＲを導
入することにより、ＮＯｘを低減することができる。

【００６７】なお、エンジンの高速高負荷時には、均一
燃焼を行なわせるべく吸気行程噴射とされるとともに、
空燃比が出力確保のために必要な程度にリッチ側に制御
される。この場合、触媒装置が排気通路中でエンジン本
体に近い位置（例えば排気マニホールドに直結）となっ
ていると、高速高負荷時に触媒の過熱防止のため、空燃
比を出力空燃比以上のオーバーリッチ状態として過剰燃
料の気化潜熱で排気温度の引き下げることが必要とな
り、燃費の悪化を招く。そこで当実施形態では、高速燃
費改善のため高速高負荷時に空燃比を出力空燃比（Ａ／
Ｆ＝１３程度）もしくはこれよりリーンにする一方、触
媒装置２２を排気マニホールド１６ａの下流の排気管１
６ｂの途中に設けてエンジン本体１から遠ざけるように
することで触媒の過熱を防止している。そして、このよ
うに触媒装置２２をエンジン本体１から遠ざけるとエン
ジン始動後の触媒暖機にとっては不利となるが、上記の
ように触媒冷機時には分割噴射により暖機促進及びＨ
Ｃ、ＮＯｘの低減が図られる。

【００６８】ところで、上記分割噴射が行なわれるとき
に、図１に示すような構造において吸気行程噴射及び圧
縮行程噴射の各タイミングが前記の図４に示すように設
定されることで好ましい混合気分布状態が得られる。

【００６９】すなわち、圧縮行程噴射時には、燃焼室５
の周縁部に設けられたインジェクタ１１からの噴射燃料
がピストン４の頂部のキャビティ１３内に向かうように
噴射開始時期が設定されることにより、噴射燃料がキャ
ビティ１３で反射されて点火プラグ１０付近に達し、点
火プラグ１０付近に比較的リッチな混合気層を形成す
る。

【００７０】一方、吸気行程噴射時には、上記インジェ
クタ１１からの噴射燃料が上記キャビティ１３からはず
れるような噴射タイミングとされることにより噴射燃料
が拡散し、点火プラグ１０付近の区域の周囲に均一でリ
ーンな混合気層を形成する。とくに、吸気行程噴射の噴
射開始時期がＡＴＤＣ７０°±２０°ＣＡとされること
により、シリンダ壁への燃料付着が抑制され、ＨＣ排出
量が低減される。この効果を図７に示すデータを参照し
つつ説明する。

【００７１】図７は、吸気行程噴射タイミングを種々変
えた場合のシリンダ壁への燃料付着割合の変化とそれに
伴うＨＣ排出量の変化についてのデータを示すものであ
り、黒丸印は、図１に示す構造で吸気行程噴射の噴射開
始時期がＡＴＤＣ４５°ＣＡ、ＡＴＤＣ９０°ＣＡ、Ａ
ＴＤＣ１３５°ＣＡ、ＡＴＤＣ１８０°ＣＡの各場合に
ついてＣＦＤにより求めたシリンダ壁への燃料付着割合
を示しており、白丸印は図１に示す構造の実機を用いて
吸気行程噴射の噴射開始時期を種々変えた場合のＨＣ排
出濃度の測定データを示している。また、三角印は、イ
ンジェクタを燃焼室の中央に設けて下向きに燃料を噴射
するようにした構造で吸気行程噴射の噴射開始時期がＡ
ＴＤＣ９０°ＣＡ、ＡＴＤＣ１３５°ＣＡ、ＡＴＤＣ１
８０°ＣＡの各場合についてＣＦＤにより求めたシリン
ダ壁への燃料付着割合を示している。

【００７２】この図のように、インジェクタを燃焼室の
中央に設けて下向きに燃料を噴射する場合は噴射タイミ
ングが変化しても上記燃料付着割合はあまり変化しない
が、図１のようにインジェクタ１１を燃焼室５の周縁部
に設けた場合は噴射タイミングによって上記燃料付着割
合が大きく変化し、それに伴ってＨＣ排出量も変動す
る。そして、ＡＴＤＣ７０°ＣＡ程度でＨＣ排出量が最
も少なくなる。このような傾向が生じるのは、次のよう
な理由によるものと推測される。

【００７３】すなわち、ピストン４が上死点に極めて近
い位置にある状態で燃料が噴射されるとピストン頂部で
反射した燃料がシリンダ壁へ多く付着する。ピストン４
が上死点からある程度離れた位置で下降している状態に
あるＡＴＤＣ７０°ＣＡ程度では、噴射燃料のピストン
頂部での反射が少なくなるとともに、ピストンの下降に
伴い燃料が下方に引き込まれることにより、適度に燃料
が拡散されながらもシリンダ壁への燃料付着が少なくな
る。また、ピストン４が上死点から大きく離れたところ
で燃料が噴射されると直接シリンダ壁まで達して燃料付
着が多くなる。

【００７４】そして、シリンダ壁に付着した燃料は燃焼
し難く、ＨＣ（及びＣＯ）として排出されるため、シリ
ンダ壁への燃料付着量に対応してＨＣ排出量が変化す
る。

【００７５】このようなデータから、吸気行程噴射の開
始時期をＡＴＤＣ７０°ＣＡ程度（ＡＴＤＣ７０°±２
０°ＣＡの範囲）とすれば、シリンダ壁への燃料付着が
極力少なくされ、吸気行程噴射時のＨＣ排出量が低減さ
れる。

【００７６】上記分割噴射時に、上記吸気流動制御弁１
７を閉じることによってスワールを生成すれば、燃焼室
内の混合気の燃焼性が向上され、とくに吸気行程噴射に
よるリーン混合気層での燃焼性が向上されるため、ＨＣ
排出量がより一層低減される。

【００７７】また、上記分割噴射時のほかに、触媒暖機
後でエンジン冷機状態のとき等、吸気行程のみで燃料噴
射が行なわれるときにも、その噴射タイミングを上記分
割噴射における吸気行程噴射の噴射タイミングと同様に
設定されることにより、ＨＣ排出量が低減される。

【００７８】なお、筒内噴射式エンジンの制御パターン
は、図５に示すものに限定されず、種々変更可能であ
る。

【００７９】例えば、エンジンの始動が完了してからの
触媒冷機時の制御として、エンジン始動完了直後は燃料
の気化霧化を良くするため吸気行程噴射とした状態で点
火時期をリタードし、触媒冷機状態でもある程度エンジ
ン温度が上がった状態となってから分割噴射を行なうよ
うにしてもよい。

【００８０】また、上記実施形態では、触媒暖機後でエ
ンジンが冷機状態のときは理論空燃比での吸気行程噴射
を行なうようにしているが、触媒暖機後もエンジンが冷
機状態にあるときに分割噴射を行なうようにしてもよ
い。このようにすると、この上記実施形態と比べ、触媒
暖機からエンジン暖機までの期間をおいて、燃費は多少
悪くなるものの、暖機促進及びエミッション改善の効果
は高められる。つまり、この期間は触媒が既に活性化し
ていることにより、所定の浄化率でＨＣ及びＮＯｘが浄
化されるが、同じ浄化率でもエンジン本体からのＨＣ、
ＮＯｘの排出量が変わればそれに応じて浄化後のＨＣ、
ＮＯｘの量が変化するので、分割噴射によりエンジンか
らのＨＣ、ＮＯｘの排出量を低減すればエミッションが
より一層改善される。

【００８１】また、エンジン暖機後でも低負荷運転域等
で分割噴射を行なうようにすれば、エンジンからのＨ
Ｃ、ＮＯｘの排出量が低減されることにより、触媒によ
る浄化後のＨＣ、ＮＯｘの量がより一層低減される。

【００８２】また、上記実施形態では分割噴射時等に吸
気流動制御弁１７を制御することで燃焼室内にスワール
を生成するようにしているが、スワールの代りにタンブ
ルを生成するようにしてもよい。

【００８３】

【発明の効果】本発明の筒内噴射式エンジンは、燃焼室
の略中央部に点火プラグを配置するとともに、上記燃焼
室の周縁部にインジェクタを、斜め下方に向けて燃料を
噴射するように配置した筒内噴射式エンジンにおいて、
吸気行程で燃料噴射を行なうときの噴射開始時期をクラ
ンク角で上死点後７０°±２０°の範囲内に設定したこ
とにより、吸気行程噴射による噴射燃料を燃焼室内で適
度に拡散させながら、シリンダ壁への燃料付着を少なく
することができる。このため、ＨＣ、ＣＯの排出量を低
減し、エミッションを改善することができる。

【００８４】また、特定運転域で、吸気行程と圧縮行程
とにそれぞれ燃料を噴射する分割噴射を行なった場合、
点火プラグ付近に比較的リッチな混合気が形成されると
ともにその周囲に比較的リーンな混合気が形成されるよ
うな混合気分布状態となって、ＨＣ及びＮＯｘの低減等
に有利となるが、この場合にも吸気行程噴射のタイミン
グを上記のように設定することで、ＨＣ等の排出量をよ
り一層低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジン
のエンジン本体部分の構造を示す断面図である。

【図２】筒内噴射式エンジン全体の概略図である。

【図３】燃料系統の構成説明図である。

【図４】インジェクタにより分割噴射が行われるときの
吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の噴射パルスを示す図で
ある。

【図５】制御パターンの一例を示すタイムチャートであ
る。

【図６】ポート噴射エンジン、直噴エンジンによる吸気
行程噴射及び分割噴射の各場合の比較データを示すグラ
フであって、（ａ）はＨＣ排出量、（ｂ）はＮＯｘ排出
量、（ｃ）は排気温度、（ｄ）は燃費率をそれぞれ示し
ている。

【図７】筒内噴射式エンジンにおいて吸気行程噴射のタ
イミングを種々変えた場合のシリンダ壁への燃料付着割
合及びＨＣ排出量の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１エンジン本体４ピストン５燃焼室１０点火プラグ１１インジェクタ１３キャビティ１７吸気流動制御弁３０ＥＣＵ３１燃料噴射制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 41/34 Ｆ０２Ｄ 41/34 ＨＦ (72)発明者太田統之広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダボア内のピストンの上方に形成
された燃焼室の略中央部に点火プラグを配置するととも
に、上記燃焼室の周縁部にインジェクタを、斜め下方に
向けて燃料を噴射するように配置した筒内噴射式エンジ
ンにおいて、エンジンの特定運転状態で、上記インジェ
クタから噴射燃料の少なくとも一部を吸気行程で噴射す
るように制御する燃料噴射制御手段を設けるとともに、
この吸気行程での燃料噴射の噴射開始時期をクランク角
で上死点後７０°±２０°の範囲内に設定したことを特
徴とする筒内噴射式エンジン。
【請求項２】エンジンの特定運転状態で、上記インジ
ェクタから吸気行程と圧縮行程とにそれぞれ燃料を噴射
する分割噴射を行なうようにしたことを特徴とする請求
項１記載の筒内噴射式エンジン。
【請求項３】上記ピストンの頂部に凹状のキャビティ
を設け、圧縮行程噴射では噴射方向が上記キャビティ内
に向いて、キャビティで反射された燃料が点火プラグ付
近に達するようにする一方、吸気行程噴射では噴射方向
が上記キャビティから外れるように設定したことを特徴
とする請求項２記載の筒内噴射式エンジン。
【請求項４】吸気上死点と吸気行程噴射の噴射開始時
期との間のクランク角（θ１）と、圧縮行程噴射の噴射
開始時期と圧縮上死点との角のクランク角（θ２）との
関係が、θ１≧θ２となるように設定したことを特徴と
する請求項３記載の筒内噴射式エンジン。
【請求項５】燃焼室内にスワールを生成するスワール
生成手段を設けるとともに、上記燃料噴射制御手段によ
って上記インジェクタから噴射燃料の少なくとも一部を
吸気行程で噴射するように制御されているときに上記ス
ワール生成手段が作動するようにしたことを特徴とする
請求項１乃至４のいずれかに記載の筒内噴射式エンジ
ン。
【請求項６】燃焼室内にタンブルを生成するタンブル
生成手段を設けるとともに、上記燃料噴射制御手段によ
って上記インジェクタから噴射燃料の少なくとも一部を
吸気行程で噴射するように制御されているときに上記タ
ンブル生成手段が作動するようにしたことを特徴とする
請求項１乃至４のいずれかに記載の筒内噴射式エンジ
ン。
【請求項７】シリンダボア内のピストンの上方に形成
された燃焼室の略中央部に点火プラグを配置するととも
に、上記燃焼室の周縁部にインジェクタを、斜め下方に
向けて燃料を噴射するように配置した筒内噴射式エンジ
ンにおいて、エンジンの特定運転状態で、上記インジェ
クタから吸気行程と圧縮行程とにそれぞれ燃料を噴射す
る分割噴射を行なうように制御する燃料噴射制御手段を
設けるとともに、上記ピストンの頂部に凹状のキャビテ
ィを設け、圧縮行程噴射では噴射方向が上記キャビティ
内に向いて、キャビティで反射された燃料が点火プラグ
付近に達するようにする一方、吸気行程噴射では噴射方
向が上記キャビティから外れるように設定したことを特
徴とする筒内噴射式エンジン。
【請求項８】シリンダボア内のピストンの上方に形成
された燃焼室の略中央部に点火プラグを配置するととも
に、上記燃焼室の周縁部にインジェクタを、斜め下方に
向けて燃料を噴射するように配置した筒内噴射式エンジ
ンにおいて、エンジンの特定運転状態で上記インジェク
タから吸気行程と圧縮行程とにそれぞれ燃料を噴射する
分割噴射を行なうように制御する燃料噴射制御手段を設
けるとともに、上記ピストンの頂部に凹状のキャビティ
を設け、圧縮行程噴射による噴射燃料が上記キャビティ
で反射されて点火プラグ付近に達するようにし、かつ、
吸気上死点と吸気行程噴射の噴射開始時期との間のクラ
ンク角（θ１）と、圧縮行程噴射の噴射開始時期と圧縮
上死点との角のクランク角（θ２）との関係が、θ１≧
θ２となるように設定したことを特徴とする筒内噴射式
エンジン。