JP7505470B2

JP7505470B2 - 内燃機関

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Publication number: JP7505470B2
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Authority: JP
Inventors: 涼太山田
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Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
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Description

本発明は内燃機関に関する。

特許文献１には、従来の内燃機関として、燃焼室内全体の空燃比が理論空燃比となるように、吸気行程に行われる第１噴射で１燃焼サイクルあたりの全噴射量の８０～９０％を噴射して燃焼室内に均質なリーン混合気を形成すると共に、圧縮行程に行われる第２噴射で全噴射量の１０～２０％を噴射して点火プラグの周囲にリッチ混合気を形成するように構成されたものが開示されている。引用文献１によれば、この構成によって、燃焼を安定化させると共にスモーク（煤）の発生を抑制できるとされている。

特開２０１５－２１３８９号公報

燃焼室内全体に理論空燃比よりもリーンな混合気を形成して燃焼させる希薄燃焼を行うことで、ＮＯｘ排出量を抑制することができる。前述した従来の内燃機関のように、圧縮行程に行われる第２噴射によって点火プラグの周囲にリッチ混合気を形成することで、希薄燃焼を行った場合でも、その燃焼を安定化させることができる。

しかしながら、希薄燃焼の安定化を図るために、前述した従来の内燃機関のように第２噴射で全噴射量の１０～２０％を噴射してしまうと、第２噴射燃料量が多すぎて燃焼室内の点火プラグの周囲以外の箇所においても部分的にリッチ混合気が形成されてしまうおそれがある。その結果、リッチ混合気が形成された箇所の燃焼温度が高くなってしまって、ＮＯｘ排出量を十分に抑制できないおそれがある。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、希薄燃焼時の燃焼安定性を確保しつつ、ＮＯｘ排出量を一定以下に抑えることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様による内燃機関は、機関本体と、機関本体の燃焼室に臨むように電極部が配置された点火プラグと、機関本体の吸気通路又は燃焼室内に燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、燃焼室内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、を備える。この内燃機関では、燃焼室内に均質混合気を形成するための燃料が第１燃料噴射弁から噴射されると共に電極部の近傍に点火用混合気を形成するための点火用燃料が第２燃料噴射弁から噴射されて空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼が行われる燃焼サイクルにおいて、点火用燃料が、少なくとも、点火プラグの点火時期よりも２０度だけ進角側のクランク角度から点火時期までの間に、１．０［ｍｍ^３／ｍｓ］以上の噴射率で２５０［μｓ］以上の期間に亘って噴射され、点火用燃料の燃料量が、２．０［ｍｍ^３／ｓｔ］以下とされる。

本発明のこの態様によれば、点火用燃料の燃料量を一定以下に抑えつつ、点火プラグによって安定的に点火することが可能な空気過剰率を持つ点火用混合気を点火プラグの近傍に形成することができる。そのため、希薄燃焼時の燃焼安定性を確保しつつ、ＮＯｘ排出量を一定以下に抑えることができる。

図１は、本発明の第１実施形態による火花点火式の内燃機関、及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。図２は、燃焼室をシリンダヘッド側から見た模式図である。図３は、本発明の第１実施形態による希薄燃焼モード時における第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁の各燃料噴射時期と点火時期との一例を、縦軸に筒内圧力［ＭＰａ］、横軸にクランク角［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］を取って示した図である。図４は、機関負荷及び機関回転速度が同一の運転条件で、成層混合気の空気過剰率λ_０は変化させずに第２燃料噴射量［ｍｍ^３／ｓｔ］、すなわち第２混合気の空気過剰率λ_２のみを変化させた場合のＮＯｘ排出量の変化を示した図である。図５は、本発明の第２実施形態による希薄燃焼モード時における第１燃料噴射弁及び第２燃料噴射弁の各燃料噴射時期と点火時期との一例を、縦軸に筒内圧力［ＭＰａ］、横軸にクランク角［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］を取って示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による火花点火式の内燃機関１００の概略構成図である。

図１に示すように、内燃機関１００は、機関本体１と、第１燃料噴射弁２と、第２燃料噴射弁３と、点火プラグ４と、電子制御ユニット２００と、を備える。

機関本体１は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１に固定されたシリンダヘッド１２と、を備える。

シリンダブロック１１には、１つ以上のシリンダ１３が形成される。シリンダ１３の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ１３の内部を往復運動するピストン１４が収められる。ピストン１４は、コンロッド１５を介して図示しないクランクシャフトと連結されており、クランクシャフトによってピストン１４の往復運動が回転運動に変換される。シリンダヘッド１２の内壁面、シリンダ１３の内壁面及びピストン１４の冠面によって区画された空間が燃焼室１６となる。図２は、この燃焼室１６をシリンダヘッド１２側から見た模式図である。

シリンダヘッド１２には、吸気通路の一部を構成する吸気ポート１７（図２参照）と、排気通路の一部を構成する排気ポート１８（図２参照）と、が形成される。吸気ポート１７及び排気ポート１８は、それぞれシリンダヘッド１２の内部で二股に分岐しており、燃焼室１６にはその二股に分岐した一対の吸気ポート１７ａ、１７ｂ及び一対の排気ポート１８ａ、１８ｂが開口している。

本実施形態では、吸気ポート１７の断面形状や燃焼室１６の断面形状を調整することで、吸気ポート１７を介して燃焼室１６内に流入する吸気によって燃焼室１６内にタンブル流が形成されるようにしている。本実施形態によるタンブル流は、図１に矢印で示すように、吸気ポート１７から燃焼室１６内に流入した後、まず燃焼室１６の頂面（シリンダヘッド１２の内壁面）に沿って吸気ポート１７側（図面右側）から排気ポート１８側（図面左側）へと流れ、その後、排気ポート１８側のシリンダ１３の内壁面に沿ってピストン１４側へと流れる。そしてピストン１４の冠面に沿って排気ポート１８側から吸気ポート１７側へと流れた後、吸気ポート１７側のシリンダ１３の内壁面に沿って吸気ポート１７側へと流れる。

なお、燃焼室１６内にタンブル流を形成する方法は、このように吸気ポート１７の断面形状や燃焼室１６の断面形状を調整する方法に限られるものではなく、例えば吸気ポート１７内に吸気ポート１７内を流れる吸気の流れに偏りを生じさせる制御弁を設け、当該制御弁の開度を調節することで形成するようにしても良い。

また、図示はしないが、シリンダヘッド１２には、燃焼室１６と吸気ポート１７との開口を開閉するための吸気弁と、燃焼室１６と排気ポート１８との開口を開閉するための排気弁と、吸気弁を開閉駆動する吸気カムシャフトと、排気弁を開閉駆動する排気カムシャフトと、が取り付けられている。

第１燃料噴射弁２は、吸気ポート１７内に燃料を噴射することができるように、例えば、吸気通路の一部を構成する吸気マニホールド１９に取り付けられる。第１燃料噴射弁２の開弁時間（噴射量）、及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更される。第１燃料噴射弁２が開弁されると第１燃料噴射弁２から吸気ポート１７内に燃料が噴射され、当該燃料が燃焼室１６に供給される。なお、第１燃料噴射弁２は、燃焼室１６内に直接燃料を噴射できるように、例えばシリンダヘッド１２に取り付けても良い。

第２燃料噴射弁３は、燃焼室１６の頂面に沿って吸気ポート１７側から排気ポート１８側へと流れるタンブル流の流れ方向と同一方向に燃料を噴射することできるように、また、点火プラグ４の電極部４ａの近傍の空間に向けて直接燃料を噴射できるように、シリンダヘッド１２に取り付けられる。本実施形態では第２燃料噴射弁３は、図２に示すように、一対の吸気ポート１７ａ、１７ｂの間に取り付けられている。第２燃料噴射弁３の開弁時間（噴射量）、及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更される。第２燃料噴射弁３が開弁されると第２燃料噴射弁３から燃焼室１６内に燃料が噴射され、当該燃料が燃焼室１６に供給される。

点火プラグ４は、その電極部４ａが燃焼室１６に臨むようにシリンダヘッド１２に取り付けられる。本実施形態では点火プラグ４は、図２に示すように、一対の排気ポート１８ａ、１８ｂの間に取り付けられている。点火プラグ４は、燃焼室１６内に火花を生じさせて、燃焼室１６内に形成された燃料と空気との混合気に点火する。点火プラグ４の点火時期は、電子制御ユニット２００からの制御信号によって任意の時期に制御される。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、機関負荷を検出するための信号として、アクセルペダル２２１の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２１１の出力信号が入力される。また入力ポート２０５には、機関回転速度などを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２１２の出力信号が入力される。また入力ポート２０５には、機関本体１の温度を検出するための信号として、機関本体１を冷却する冷却水の温度（以下「機関冷却水温」という。）を検出する水温センサ２１３の出力信号が入力される。なお、機関本体１の温度を検出するための信号としては、水温センサ２１３の出力信号に限らず、例えば機関本体１の摩擦摺動部を潤滑する潤滑油の温度を検出する油温センサを備える場合には、当該油温センサの出力信号を用いてもよい。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６は、対応する駆動回路２０８を介して、第１燃料噴射弁２や第２燃料噴射弁３、点火プラグ４などの各制御部品に接続される。

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。

以下、電子制御ユニット２００が実施する内燃機関１００の制御について説明する。

電子制御ユニット２００は、機関本体１の温度（本実施形態では機関冷却水温）に応じて、機関本体１の運転モードをストイキ燃焼モード、又は希薄燃焼モードに切り替える。具体的には電子制御ユニット２００は、機関本体１の温度が所定温度未満であれば、すなわち混合気の着火性、ひいては燃焼安定性が相対的に低下する機関冷間時であれば、機関本体１の運転モードをストイキ燃焼モードに切り替える。一方で電子制御ユニット２００は、機関本体１の温度が所定温度以上であれば、機関本体１の運転モードを希薄燃焼モードに切り替える。

電子制御ユニット２００は、運転モードがストイキ燃焼モードのときには、燃焼室１６内に理論空燃比又は理論空燃比近傍の均質混合気を形成し、その均質混合気に点火して火炎伝播燃焼させる均質燃焼を実施して、機関本体１の運転を行う。

具体的には電子制御ユニット２００は、運転モードがストイキ燃焼モードのときには、前回の燃焼サイクルの排気行程から今回の燃焼サイクルの吸気行程までの間の任意の期間に、第１燃料噴射弁２から要求トルクに応じた目標燃料噴射量分の燃料を噴射して、燃焼室１６内に理論空燃比又は理論空燃比近傍の均質混合気を形成する。そして電子制御ユニット２００は、その均質混合気に点火プラグ４によって最適点火時期（最適点火時期がノック限界点火時期よりも進角側にある場合はノック限界時期）に点火することで火炎伝播燃焼させて機関本体１の運転を行う。

一方で電子制御ユニット２００は、運転モードが希薄燃焼モードのときには、点火プラグ４の電極部４ａの近傍に周囲の混合気（第１混合気）よりも燃料割合の高い混合気（第２混合気）を偏在させた理論空燃比よりもリーンな成層混合気を燃焼室１６内に形成し、その成層混合気に点火して火炎伝播燃焼させる希薄燃焼を実施して、機関本体１の運転を行う。

図３は、希薄燃焼モード時における第１燃料噴射弁２及び第２燃料噴射弁３の各燃料噴射時期と点火時期との一例を、縦軸に筒内圧力［ＭＰａ］、横軸にクランク角［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ（After Top Dead Center）］を取って示した図である。

図３に示すように、運転モードが希薄燃焼モードのときには、電子制御ユニット２００は、まず、前回の燃焼サイクルの排気行程から今回の燃焼サイクルの吸気行程までの間の任意の期間に第１燃料噴射弁２から第１燃料を噴射することにより、当該第１燃料を燃焼室１６全体に拡散させて、燃焼室１６内に理論空燃比よりもリーンな均質混合気（以下「第１混合気」という。）を形成する。

次に電子制御ユニット２００は、圧縮行程中（本実施形態では、点火時期の２０［ｄｅｇ．ＣＡ（Crank Angle）］前から点火時期までの期間中）に第２燃料噴射弁３から点火プラグ４の電極部４ａの近傍の空間に向けて点火アシスト用の第２燃料（点火用燃料）を噴射する。これにより、第２燃料が燃焼室１６全体に拡散する前に、一時的に点火プラグ４の電極部４ａの近傍に第１混合気よりも燃料割合の高い混合気（以下「第２混合気」という。）を形成し、燃焼室１６内に成層混合気を形成する。この成層混合気の空気過剰率λ_０は２．０以上に設定され、本実施形態では３．０近傍に設定される。そして電子制御ユニット２００は、最適点火時期に第２混合気に対して点火することで、第２混合気から第１混合気へと火炎を伝播させて成層混合気を火炎伝播燃焼させ、機関本体１の運転を行う。

このように、点火プラグ４の電極部４ａの近傍に相対的に燃料割合の高い第２混合気を一時的に形成して当該第２混合気に対して点火することで、本実施形態のように燃焼室１６内に空気過剰率が２．０を超える希薄な成層混合気を形成した場合であっても、失火を防いで成層混合気の燃焼安定性を確保することができる。そして、成層混合気の希薄化を進めるほど、燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量を減少させることができる。

その一方で、成層混合気の空気過剰率λ_０が同じ場合は、第２混合気の空気過剰率λ_２を小さくするほど（第２混合気のリッチ度合いを大きくするほど）、成層混合気の燃焼安定性は向上するものの、第２混合気、ひいては成層混合気の燃焼温度が高くなるため、ＮＯｘ排出量が増大する。

図４は、機関負荷及び機関回転速度が同一の運転条件で、成層混合気の空気過剰率λ_０については一定（この例ではλ_０＝２．７）のまま変化させずに第２燃料噴射量［ｍｍ^３／ｓｔ（stroke）］のみを変化させて全燃料噴射量（この例では概ね３０［ｍｍ^３／ｓｔ］）に対する第２燃料噴射量の割合（以下「第２燃料割合」という。）［％］を変化させた場合、すなわち成層混合気の空気過剰率λ_０は変化させずに第２混合気の空気過剰率λ_２のみを変化させた場合のＮＯｘ排出量の変化を示した図である。

図４に示すように、第２燃料噴射量を少なくして第２燃料割合を低下させるほど、第２混合気のリッチ度合いも小さくなるので、第２混合気、ひいては成層混合気の燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量を減少させることができる。

また、図４には、希薄燃焼モード時におけるＮＯｘ排出量の第１目標レベルと第２目標レベルとをそれぞれ破線で示している。第１目標レベルは、燃焼室１６内に理論空燃比よりもリーンな均質混合気を形成して火炎伝播燃焼させるリーン均質燃焼を実施してＮＯｘ排出量の低減を図る場合において、火花点火による着火限界まで当該均質混合気をリーン化したときのＮＯｘ排出量に概ね相当する。第２目標レベルは、第１目標レベルよりも厳しいＮＯｘ排出量の目標値であって、欧州排気規制（ＥＵＲＯ７）で定められたＮＯｘ排出量の規制値に相当する。

図４に示す通り、第２燃料割合が従来の内燃機関（特許文献１参照）のように１０％以上だと、第１目標レベルも達成できていないことが分かる。そして、第１目標レベルを達成するには、第２燃料噴射量を概ね２．０［ｍｍ^３／ｓｔ］（第２燃料割合で言えば６～７［％］）以下に抑えなければならないことが分かる。また、第２目標レベルを達成するには、第２燃料噴射量をそこからさらに少なくしていく必要があることが分かる。

換言すれば、第１目標レベルを達成するには、第２燃料噴射弁３の最小噴射量を、第１目標レベルを達成することが可能な所定の第１噴射量以下にする必要があり、第２目標レベルを達成するには、第２燃料噴射弁３の最小噴射量を、第２目標レベルを達成することが可能な所定の第２噴射量以下にする必要がある。

なお、燃料噴射弁の「最小噴射量」とは、燃料噴射弁のフルリフト領域における最小噴射量のことであり、パーシャルリフト領域からフルリフト領域に切り替わるまでの間、すなわち燃料噴射弁のニードル弁のリフト量（以下「ニードルリフト量」という。）がゼロから最大リフト量になるまでの間に噴射される総燃料量のことである。パーシャルリフト領域とは、燃料噴射弁のニードルリフト量が最大リフト量より小さい噴射領域のことであり、フルリフト領域とは、燃料噴射弁のニードルリフト量が最大リフト量になった後の噴射領域のことである。

また、点火プラグ４によって安定的に第２混合気に点火するには、燃焼反応に必要な時間を確保するために、第２混合気の空気過剰率λ_２が所定の空気過剰率未満となっている期間と、点火プラグ４の電極部４ａで放電が行われている期間と、のオーバラップ期間を所定期間以上確保する必要があり、実験的に、この所定の空気過剰率は概ね１．３程度であり、所定期間は２５０［μｓ］程度であることが分かっている。

したがって、点火プラグ４によって安定的に第２混合気に点火しつつ、ＮＯｘ排出量を第１目標レベル又は第２目標レベルまで低下させるには、第２燃料噴射弁３の噴射期間を所定期間（２５０［μｓ］）以上確保して第２混合気の空気過剰率λ_２を所定の空気過剰率未満に維持しつつ、第２燃料噴射量を第１噴射量又は第２噴射量以下に抑える必要がある。

ここで、第２燃料噴射弁３の最小噴射量を下げる方法としては、第２燃料噴射弁３のニードルリフト量や噴孔径、噴孔数、燃圧などを調整して、第２燃料噴射弁３の単位時間当たりの噴射量（以下「燃料噴射率」という。）を減少させる方法が挙げられる。しかしながら、最小噴射量を下げるために第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を小さくしていくと、以下のような問題が生じる。

すなわち、第２燃料噴射弁３から同量の燃料を噴射する場合、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を小さくしていくほど、その量の燃料を第２燃料噴射弁３から噴射しきるまでの時間が長くなる。そのため、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を小さくし過ぎると、第２燃料噴射弁３から第２燃料を噴射しきる間に第２燃料が燃焼室１６内に拡散してしまって、第２混合気の空気過剰率λ_２を、点火プラグ４によって安定的に点火することが可能な所定の空気過剰率未満に維持することができなくなる。

一方で、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を大きくし過ぎると、第２燃料噴射弁３の噴射期間を所定期間以上確保した場合に、第２燃料噴射量を第１噴射量又は第２噴射量以下に抑えることができなくなる。

このような観点から、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率は或る一定の範囲内に収める必要があり、実験的に、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を１．０［ｍｍ^３／ｍｓ］～３．０［ｍｍ^３／ｍｓ］の範囲内に収めることで、第２燃料噴射弁３の噴射期間を所定期間（２５０［μｓ］）以上確保して第２混合気の空気過剰率λ_２を所定の空気過剰率未満に維持しつつ、第２燃料噴射量を第１噴射量又は第２噴射量以下に抑えることができることが分かった。

そこで本実施形態では、燃焼室１６内に均質混合気を形成するための第１燃料が第１燃料噴射弁２から噴射されると共に、電極部４ａの近傍に点火用混合気である第２混合気を形成するための第２燃料（点火用燃料）が第２燃料噴射弁３から噴射されて空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼が行われる希薄燃焼モード時の燃焼サイクルにおいて、第２燃料（点火用燃料）を、点火プラグの点火時期よりも２０度だけ進角側のクランク角度から点火時期までの間に、１．０［ｍｍ^３／ｍｓ］以上の噴射率で２５０［μｓ］以上の期間に亘って噴射し、第２燃料（点火用燃料）の燃料量を２．０［ｍｍ^３／ｓｔ］以下とした。

このように、点火プラグ４の点火時期よりも２０度だけ進角側のクランク角度から点火時期までの間に、１．０［ｍｍ^３／ｍｓ］以上の噴射率で２５０［μｓ］以上の期間に亘って、第２燃料噴射弁３から第２燃料（点火用燃料）を点火プラグ４の電極部４ａに向けて噴射することで、電極部４ａの近傍に点火用混合気である第２混合気を一時的に形成し、かつその第２混合気の空気過剰率λ_２を、少なくとも２５０［μｓ］以上の期間、点火用混合気を点火プラグによって安定的に点火することが可能な所定の空気過剰率（≒１．３）未満に維持することができる。そのため、空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼が行われる燃焼サイクルにおいても点火プラグ４によって安定的に第２混合気に点火することができるので、失火を防いで当該燃焼サイクルにおける燃焼安定性を確保することができる。

また、点火用混合気である第２混合気を形成するための点火用燃料の燃料量は２．０［ｍｍ^３／ｓｔ］以下とされるので、第２混合気の燃焼温度を一定以下に抑えることができる。そのため、ＮＯｘ排出量を一定以下に抑えることができる。

したがって本実施形態による内燃機関１００によれば、空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼を行う場合であっても、燃焼安定性を確保しつつ、ＮＯｘ排出量を一定以下に抑えることができる。

また本実施形態による内燃機関１００の機関本体１は、燃焼室１６の頂面に開口する吸気ポート１７側から排気ポート１８側に向かう方向に流れて電極部４ａを通過するタンブル流を燃焼室１６内に発生させることができるように構成され、第２燃料噴射弁３は、電極部４ａに向けてタンブル流の流れ方向と同一方向に直接燃料を噴射している。

これにより、電極部４ａの近傍に一時的に形成した第２混合気に点火することによって発生させた火炎を、タンブル流に乗せて燃焼室１６全体に移流させることができるので、当該火炎を燃焼室１６全体に伝播させ易くして、希薄燃焼時の燃焼安定性をより一層確保することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第２混合気を形成するための点火用燃料以外にも、第２燃料噴射弁３を気化潜熱によって冷却するための冷却用燃料を第２燃料噴射弁３から噴射する点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。

第１実施形態では、第２燃料噴射弁３からは第２混合気を形成するための微小量の点火用燃料しか噴射されないことになる。そのため、燃料噴射時に気化潜熱によって第２燃料噴射弁３を十分に冷却することができず、第２燃料噴射弁３が高温になり過ぎるおそれがある。その結果、例えば、噴孔へのデポジットの堆積が促進したり、熱変形したりして、第２燃料噴射弁３の噴射性能が低下するおそれがある。

そこで本実施形態では、図５に示すように、第１実施形態において希薄燃焼モード時に第１燃料噴射弁２から噴射していた第１燃料の一部を、冷却用燃料として第２燃料噴射弁３から噴射することとした。これにより、冷却用燃料の気化潜熱によって第２燃料噴射弁３を冷却することができるので、第２燃料噴射弁３が高温になり過ぎてしまうのを抑制することができる。

なお図５に示すように、冷却用燃料は、吸気行程から圧縮行程の前半までの期間、具体的には－３６０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］から－９０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］までのクランク角の範囲内に噴射される。このように、冷却用燃料の噴射開始時期を早くとも－３６０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］とし、噴射終了時期を遅くとも－９０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］としたのは、以下の理由による。

すなわち第２燃料噴射弁３から噴射される冷却用燃料は、第１燃料噴射弁２から噴射される燃料と共に第１混合気を形成するための燃料でもあり、機関出力トルクを要求トルクするための燃料の一部である。そのため、冷却用燃料を－３６０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］よりも早い時期、すなわち排気弁が開いている排気行程に燃焼室１６内に噴射してしまうと、冷却用燃料が排気ポート１８から燃焼室１６外に排出されてしまい、機関出力トルクが低下するおそれがあるためである。また、冷却用燃料を－９０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］よりも遅い時期まで噴射していると、点火時期までの間の期間が短くなる。そうすると、冷却用燃料の予混合時間が不足して第１混合気の均質化を十分に図れなくなるので、未燃ガス（ＨＣやＣＯ等）が増加し、排気エミッションが悪化するおそれがあるためのである。

この－３６０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］から－９０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］までのクランク角範囲内であれば、冷却用燃料として噴射する燃料量に特に上限はないが、冷却用燃料としては、必要な冷却効果が得られる量を噴射すれば十分である。本実施形態では、第２燃料噴射弁３から噴射される点火用燃料及び冷却用燃料の総量は、第１燃料噴射弁２及び第２燃料噴射弁３から噴射される総燃料量の三分の一以下である。

以上説明した本実施形態による内燃機関１００は、燃焼室１６内に均質混合気を形成するための第１燃料が第１燃料噴射弁２から噴射され、電極部４ａの近傍に点火用混合気である第２混合気を形成するための第２燃料（点火用燃料）が第２燃料噴射弁３から噴射されて空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼が行われる燃焼サイクルにおいて、第２燃料噴射弁３を冷却するための冷却用燃料が、点火用燃料とは別に第２燃料噴射弁３から噴射される。

これにより、冷却用燃料の気化潜熱によって第２燃料噴射弁３を冷却することができるので、第２燃料噴射弁３が高温になり過ぎてしまうのを抑制することができる。

また本実施形態において、冷却用燃料は、圧縮上死点前３６０度（＝－３６０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］）から圧縮上死点前９０度（＝－９０［ｄｅｇ．ＡＴＤＣ］）までのクランク角度範囲内で噴射される。

これにより、冷却用燃料が排気ポート１８から燃焼室１６外に排出されるのを抑制することができる。また、冷却用燃料の予混合時間を確保することができるので、排気エミッションが悪化するのを抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば上記の各実施形態では、内燃機関１００は、燃焼室内に均質混合気を形成するための第１燃料噴射弁２と、燃焼室内に点火用混合気を形成するための第２燃料噴射弁３とを備えていたが、例えば噴孔数やニードルリフト量を自在に変更可能に構成された、第１燃料噴射弁２及び第２燃料噴射弁３に求められる噴射性能を同時に満足することが可能な燃料噴射弁があれば、第１燃料噴射弁２と第２燃料噴射弁３とが一体化したそのような燃料噴射弁を１つ設けて燃焼室内に燃料を噴射することができるようにしてもよい。

なお上記の各実施形態において、燃焼室内に均質混合気を形成するための第１燃料噴射弁２を、燃焼室内に点火用混合気を形成するための第２燃料噴射弁３とは別途に設けている理由は、以下の通りである。

前述した通り、点火プラグ４によって安定的に第２混合気に点火しつつ、ＮＯｘ排出量を第１目標レベル又は第２目標レベルまで低下させるには、第２燃料噴射弁３の噴射期間を所定期間（２５０［μｓ］）以上確保して第２混合気の空気過剰率λ_２を所定の空気過剰率未満に維持しつつ、第２燃料噴射量を第１噴射量又は第２噴射量以下に抑える必要があり、そのためには、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を或る一定の範囲内に収める必要がある。

そして、第２燃料噴射弁３の燃料噴射率を或る一定の範囲内に収めた場合、第１燃料噴射弁２を設けずに、燃焼室内に均質混合気を形成するための第１燃料を第２燃料噴射弁３によって第２燃料とは別途に噴射しようとすると、要求トルクが増加して目標燃料噴射量が増加したとき、すなわち第２燃料噴射弁３から噴射する均質混合気形成用の燃料量（すなわち第１燃料量）が増加したときに、燃料噴射率が低すぎて、均質混合気を形成可能な燃料噴射期間内に均質混合気を形成するために必要な燃料量の全量を噴射し終えることができなくなるためである。そのため、上記の各実施形態では、燃焼室内に均質混合気を形成するための第１燃料噴射弁２と、燃焼室内に点火用混合気を形成するための第２燃料噴射弁３と、を併用している。

また上記の各実施形態において、空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼が行われる全ての燃焼サイクル、すなわち空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼を行う機関運転領域の全域で、第２燃料を、点火プラグの点火時期よりも２０度だけ進角側のクランク角度から点火時期までの間に、１．０［ｍｍ^３／ｍｓ］以上の噴射率で２５０［μｓ］以上の期間に亘って噴射し、第２燃料（点火用燃料）の燃料量を２．０［ｍｍ^３／ｓｔ］以下とする必要性はなく、空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼が行われる一部の燃焼サイクル、例えば、燃焼安定性を確保しつつＮＯｘの排出を抑制したい所定の機関運転領域に限って、第２燃料の噴射率や噴射期間、噴射量を上記の通りとしてもよい。

１機関本体
２第１燃料噴射弁
３第２燃料噴射弁
４点火プラグ
４ａ電極部
１６燃焼室
１００内燃機関

Claims

機関本体と、
前記機関本体の燃焼室に臨むように電極部が配置された点火プラグと、
前記機関本体の吸気通路又は燃焼室内に燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、
前記燃焼室内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、
を備える内燃機関であって、
前記燃焼室内に均質混合気を形成するための燃料が前記第１燃料噴射弁から噴射されると共に前記電極部の近傍に点火用混合気を形成するための点火用燃料が前記第２燃料噴射弁から噴射されて、空気過剰率が２．０以上の希薄燃焼が行われる燃焼サイクルにおいて、
前記点火用燃料は、少なくとも、前記点火プラグの点火時期よりも２０度だけ進角側のクランク角度から前記点火時期までの間に、１．０［ｍｍ^３／ｍｓ］以上の噴射率で２５０［μｓ］以上の期間に亘って噴射され、
前記点火用燃料の燃料量は、２．０［ｍｍ^３／ｓｔ］以下であり、
前記機関本体は、前記燃焼室の頂面に開口する吸気ポート側から排気ポート側に向かう方向に流れて前記電極部を通過するタンブル流を前記燃焼室内に発生させることができるように構成され、
前記第２燃料噴射弁は、前記電極部に向けて前記タンブル流の流れ方向と同一方向に直接燃料を噴射する、
内燃機関。
前記燃焼サイクルにおいて、前記第２燃料噴射弁を冷却するための冷却用燃料が、前記点火用燃料とは別に前記第２燃料噴射弁から噴射される、
請求項１に記載の内燃機関。
前記冷却用燃料は、圧縮上死点前３６０度から圧縮上死点前９０度までのクランク角度範囲内で噴射される、
請求項２に記載の内燃機関。