(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する電磁式の燃料噴射弁を備える直噴火花点火式内燃機関において、
燃料噴射を行うときに、燃料噴射弁の開弁用コイルに対し、初めに比較的大きな電圧である駆動電圧を印加して燃料噴射弁を開弁動作させ、次いで比較的小さな電圧である開弁保持電圧を印加して燃料噴射弁を開弁状態に保持する構成とし、
機関運転条件に応じて前記燃料噴射弁の開弁速度を変化させるために、前記燃料噴射弁を開弁動作させるための駆動電圧と、その後の開弁保持電圧とのうち、前記駆動電圧の大きさを変化させる駆動電圧可変手段を設けたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記駆動電圧可変手段は、成層燃焼時に、機関回転数及び負荷に応じて、駆動電圧を変化させるものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記駆動電圧可変手段は、成層燃焼時に、機関回転数が増大する程、また機関負荷が減少する程、駆動電圧を大きくするものであることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記駆動電圧可変手段は、均質燃焼時に、高回転・高負荷程、駆動電圧を大きくするものであることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記駆動電圧可変手段による駆動電圧の変化に合わせて、噴射時間を決定するパルス幅を補正するパルス幅補正手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、特に機関運転条件に応じて燃料噴射率を変化させる燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置として、特開平７−６３０６１号公報に開示されているものがある。
このものでは、燃料噴射弁から燃焼室内に直接燃料噴射を行うと共に、点火プラグにより直接着火を行うようにした直噴火花点火式内燃機関において、燃焼室が、主燃焼室と、該主燃焼室を取り囲むように環状に形成された外側燃焼室とによって構成され、燃料噴射弁からの燃料噴射が、低負荷時には主燃焼室に向けて行われ、高負荷時には主燃焼室及び外側燃焼室に向けて行われるように設定されている。
【０００３】
燃料噴射弁は、燃焼室外周縁部に配置され、主燃焼室に指向する第１噴孔と、外側燃焼室に指向する第２噴孔とを有し、第１噴孔からの燃料噴射量に対する第２噴孔からの燃料噴射量の割合が、機関負荷が大きいときは、小さいときに比して、大きくされる。
このような制御のため、燃料噴射弁は、機関負荷に応じてリフトされる可変リフト弁を有し、第１噴孔と第２噴孔とが、可変リフト弁のリフト方向にオフセットして配設されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料噴射制御装置にあっては、次のような問題点があった。
燃料噴射率を制御する際、可変リフト弁にて行っているが、リフト量の可変機構は技術的に困難であり、実用化の可能性は極めて低い。
【０００５】
また、ホールノズル型の燃料噴射弁での複数噴射孔を想定しているが、スワールノズル型の燃料噴射弁を用いる場合、リフト方向にオフセットされた複数噴射孔を用いることは不可能である。
また、直噴火花点火式内燃機関の成層燃焼において、高回転側での燃料拡散による燃焼不安定と、高負荷側での過濃による燃焼不安定及びプラグくすぶりとは、トレードオフの関係にあり、解決困難な問題である。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑み、直噴火花点火式内燃機関において、より簡単な方法で、機関運転条件に応じ燃料噴射率を可変として、燃焼性能を向上させることのできる燃料噴射制御装置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】
このため、本発明者らは、鋭意研究の結果、直噴火花点火式内燃機関においては、高圧で燃料を噴射するため、噴射時間が比較的短いことから、燃料噴射弁を開弁動作させる駆動電圧を変化させることにより、燃料噴射弁の開弁動作時の開弁速度を変化させることで、燃料噴射率を変化させ得ることを見い出し、次のような発明に至った。
【０００８】
請求項１に係る発明では、燃焼室内に直接燃料を噴射する電磁式の燃料噴射弁を備える直噴火花点火式内燃機関において、機関運転条件に応じて前記燃料噴射弁の開弁速度を変化させるために、前記燃料噴射弁を開弁動作させるための駆動電圧を変化させる駆動電圧可変手段を設けて、燃料噴射制御装置を構成する。
ここでいう駆動電圧とは、燃料噴射弁を開弁動作させるための比較的大きな開弁動作電圧と、燃料噴射弁を開弁保持するための比較的小さな開弁保持電圧とのうち、前者である。
【０００９】
請求項２に係る発明では、前記駆動電圧可変手段は、成層燃焼（圧縮行程にて燃料を噴射することにより点火プラグ回りに集中的に層状の混合気を形成して行う成層燃焼）時に、機関回転数及び負荷に応じて、駆動電圧を変化させるものであることを特徴とする。
請求項３に係る発明では、前記駆動電圧可変手段は、成層燃焼時に、機関回転数が増大する程、また機関負荷が減少する程、駆動電圧を大きくするものであることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に係る発明では、前記駆動電圧可変手段は、均質燃焼（吸気行程にて燃料を噴射することにより燃焼室内に燃料を拡散させ均質な混合気を形成して行う均質燃焼）時に、高回転・高負荷程、駆動電圧を大きくするものであることを特徴とする。
請求項５に係る発明では、前記駆動電圧可変手段による駆動電圧の変化に合わせて、噴射時間を決定するパルス幅を補正するパルス幅補正手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、直噴火花点火式内燃機関において、機関運転条件に応じて燃料噴射弁への駆動電圧を変化させることにより、燃料噴射弁の開弁動作時の開弁速度を変化させることで、燃料噴射率を変化させることができる。よって、極めて簡単な方法で、機関運転条件に応じ燃料噴射率を可変として、燃焼性能を向上させることができる。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、成層燃焼時に、機関回転数及び負荷に応じて、駆動電圧を変化させることで、成層燃焼は一般的に低回転・低負荷の燃料噴射量が比較的小さい領域で行われるので、駆動電圧による燃料噴射率の変化が顕著であり、また層状化の程度（燃料のかたまり具合）が燃焼性能に大きき影響することから、極めて有効である。
【００１３】
請求項３に係る発明によれば、成層燃焼時に、機関回転数が増大する程、また機関負荷が減少する程、駆動電圧を大きくすることで、トレードオフの関係を解決できる。すなわち、高回転側では、流動の影響を受けて燃料が拡散しやすくなるが、駆動電圧を大きくして燃料噴射率を大きくすることで、燃料の拡散を防止して、良好な成層燃焼を実現できる。また、高負荷側では、燃料噴射量が比較的大きくなることから、点火プラグ回りに燃料が集中し過ぎてプラグのくすぶり等を生じることがあるが、駆動電圧を小さくして燃料噴射率を小さくすることで、燃料をある程度拡散させ、プラグのくすぶり等を防止できる。
【００１４】
請求項４に係る発明によれば、均質燃焼時に、高回転・高負荷程、駆動電圧を大きくすることで、成層燃焼時ほどの効果はないものの、燃焼性能をある程度改善できる。
請求項５に係る発明によれば、駆動電圧の変化に合わせて噴射時間を決定するパルス幅を補正することで、空燃比のずれを確実に防止できる。。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すシステム図である。
直噴火花点火式内燃機関１において、ピストン２の頂面の偏心位置に凹部（キャビティ）３が形成されて、シリンダヘッド４との間に燃焼室５が形成される。そして、シリンダヘッド４の略中心位置に点火プラグ６が取付けられて、燃焼室５に臨んでいる。一方、燃料噴射弁７は、シリンダ壁に取付けられて、燃焼室５に臨んでいる。
【００１６】
ここにおいて、燃料噴射弁７から圧縮行程にて燃料を噴射することにより点火プラグ６回りに集中的に層状の混合気を形成して、成層燃焼を行わせることができ、また、吸気行程にて燃料を噴射することにより燃焼室５内に燃料を拡散させ均質な混合気を形成して、均質燃焼を行わせることができる。
燃料噴射弁７は、電磁式（ソレノイド駆動式）であり、図２〜図４に示すように構成されている。
【００１７】
図２を参照し、ターミナル１１を介してコイル１２に電圧信号が印加されると、コイル１２に電流が流れ、コア１３、ヨーク１４、プランジャ１５で磁気回路が構成され、プランジャ１５がスプリング１６に抗してコア１３側に吸引される。プランジャ１６が移動すると、これと一体になっているボール弁１７が移動して、ノズル１８のシート面１９から離れ、噴孔２０を開口する。これにより、燃料噴射がなされる。
【００１８】
また、ボール弁１７を囲んで、筒状のスワラー２１が設けられている。このスワラー２１には、図３及び図４に示すように、接線方向に燃料を案内する複数の燃料溝２２が形成されており、これにより噴射燃料に旋回力が付与される。
この燃料噴射弁７への電圧信号は、図１中の駆動回路８より印加される。
駆動回路８は、図１中のコントロールユニット９から、エンジン回転に同期した燃料噴射タイミング（成層燃焼時は圧縮行程、均質燃焼時は吸気行程）にて出力される噴射パルス信号（機関運転条件に応じて演算されたパルス幅を持つ信号）と、駆動電圧の指令値とを受け、パルスの立上がり部分の一定時間が指令された比較的大きな駆動電圧（開弁動作電圧）で、その後部分が比較的小さな一定の開弁保持電圧である電圧信号（図５参照）を生成して、燃料噴射弁７に与える。
【００１９】
ここで、コントロールユニット９内にソフトウエア的に構成される駆動電圧可変手段９Ａにより、機関運転条件に応じて、駆動電圧が可変制御される。また、パルス幅補正手段９Ｂにより、駆動電圧の変化に合わせて、パルス幅を補正する。
図５は駆動電圧を大きくした場合と駆動電圧を小さくした場合とを示し、図６は駆動電圧大の場合の弁リフト特性と駆動電圧小の場合の弁リフト特性とを示している。
【００２０】
駆動電圧を可変とすると、弁の移動速度が可変となり、その結果、燃料噴射率が可変となる。具体的には、駆動電圧を大きくすると、弁の移動速度が早くなり、燃料噴射率が大きくなる。
同量の燃料を噴射する場合、駆動電圧が大きいと、燃料噴射率が大きくなるため、パルス幅（噴射時間）は短くする（図５参照）。
【００２１】
図７には燃料噴射率の大小による成層燃焼時の筒内燃料の動きを示している。噴射率の違いにより、燃料の空間密度が異なる。噴射率が大きい場合、図７（Ａ）に示すように、筒内に燃料が拡散しにくく、その結果、成層燃焼の安定につながる。噴射率が小さい場合、図７（Ｂ）に示すように、筒内の燃料が拡散しやすく、成層燃焼での高負荷側で燃料の過濃を防ぎ、プラグのくすぶりを防止できる。また、均質燃焼時に筒内の燃料の混合が促進され、燃焼の安定及び排気エミッションの低減につながる。
【００２２】
次により具体的な制御例について説明する。
図８は制御例１のフローチャートである。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、機関回転数及び負荷（例えば吸入空気量）を読込む。
ステップ２では、機関回転数と負荷とをパラメータとして駆動電圧を定めた図９（Ａ）のマップを参照して、駆動電圧を設定する。この部分が駆動電圧可変手段に相当する。
【００２３】
ステップ３では、図９（Ａ）のマップと対応させて、機関回転数と負荷とをパラメータとしてパルス幅を定めた図９（Ｂ）のマップを参照して、パルス幅を設定する。この部分がパルス幅補正手段に相当する。
ここで、図９（Ａ）のマップは、低回転・低負荷領域での成層燃焼時には、機関回転数が増大する程、また、機関負荷が減少する程、駆動電圧を大きくしてある。
【００２４】
これにより、成層燃焼時の高回転側では、流動の影響を受けて燃料が拡散しやすくなるが、駆動電圧を大きくして燃料噴射率を大きくすることで、燃料の拡散を防止して、良好な成層燃焼を実現できる。また、成層燃焼時の高負荷側では、燃料噴射量が比較的大きくなることから、点火プラグ回りに燃料が集中し過ぎてプラグのくすぶり等を生じることがあるが、駆動電圧を小さくして燃料噴射率を小さくすることで、燃料をある程度拡散させ、プラグのくすぶり等を防止できる。
【００２５】
また、均質燃焼時は、高回転・高負荷程、駆動電圧を大きくすることで、成層燃焼時ほどの効果はないものの、燃焼性能をある程度改善できる。
また、図９（Ｂ）のマップは、機関回転数及び負荷に応じた基本パルス幅にそのときの駆動電圧に対応させた補正分を含んで設定されるもので、駆動電圧が高い場合にパルス幅を短く、駆動電圧が低い場合にパルス幅を長くする。
【００２６】
図１０は制御例２のフローチャートである。
ステップ１１では、機関回転数及び負荷（例えば吸入空気量）を読込む。
ステップ１２では、機関回転数と負荷とをパラメータとして駆動電圧が一定（基本駆動電圧）の場合を想定して基本パルス幅を定めた図１１（Ａ）のマップを参照して、基本パルス幅を設定する。
【００２７】
ステップ１３では、図１１（Ａ）のマップと対応させて、機関回転数と負荷とをパラメータとして電圧補正係数を定めた図１１（Ｂ）のマップを参照して、電圧補正係数を設定する。
ステップ１４では、基本駆動電圧（定数）に電圧補正係数を乗算して、駆動電圧を設定する。この部分が駆動電圧可変手段に相当する。
【００２８】
ステップ１５では、基本パルス幅を電圧補正係数で除算し（基本パルス幅に電圧補正係数の逆数を乗算し）、更に補正係数（実験などによりマッチングされる定数）を乗算して、パルス幅を設定する。この部分がパルス幅補正手段に相当する。
この制御例２は、制御例１と方法が異なるのみで、特性的には同じである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示すシステム図
【図２】  燃料噴射弁の断面図
【図３】  燃料噴射弁のノズル部の拡大図
【図４】  図３のＡ−Ａ’断面図
【図５】  駆動電圧の説明図
【図６】  駆動電圧の大小による弁リフト特性を示す図
【図７】  噴射率の大小による成層燃焼時の筒内燃料の動きを示す図
【図８】  制御例１のフローチャート
【図９】  制御例１で用いるマップを示す図
【図１０】  制御例２のフローチャート
【図１１】  制御例２で用いるマップを示す図
【符号の説明】
１  直噴火花点火式内燃機関
５  燃焼室
６  点火プラグ
７  燃料噴射弁
８  駆動回路
９  コントロール
９Ａ  駆動電圧可変手段
９Ｂ  パルス幅補正手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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