(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主として圧縮行程で燃料を噴射する圧縮行程噴射モードを含む複数の燃料噴射モードを運転状態に応じて選択的に切り換え可能な筒内噴射内燃機関であって、
前記圧縮行程噴射モードにおいて基準とする燃料噴射開始時期を、前記筒内噴射内燃機関が暖機後であると看做して噴射燃料量に応じてその燃料噴射が圧縮行程中に終了するタイミングとして設定する噴射時期設定手段と、前記筒内噴射内燃機関の機関温度を検出する温度検出手段と、検出された機関温度が上記暖機後の温度よりも低いときには、予め前記筒内噴射内燃機関に固有な値として機関温度に応じて求められている遅角を示す補正量Ｔとエンジン回転数に応じた補正係数Ｋ１とエンジン負荷に応じた補正係数Ｋ２とに従って、前記噴射時期設定手段にて求められた燃料噴射開始時期Ｔinjを
Ｔinj＝Ｔinj＋Ｔ・Ｋ１・Ｋ２
として補正する補正手段とを具備したことを特徴とする筒内噴射内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記補正手段は、少なくとも機関温度が暖機後温度よりも低いとき、予め求められている前記筒内噴射内燃機関に固有な燃料気化率と燃料層状度とにより示される特性に応じて前記燃料噴射開始時期を遅角補正することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記補正手段は、燃料噴射開始時期に対する遅角の補正量の最大値を規定する手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記筒内噴射内燃機関は、機関温度が高温である程、燃料噴射時期が進角すれば燃料の気化率が向上し、機関温度が低温である場合には燃料噴射時期に拘わらず燃料の気化率が変化しないものであって、更に燃料の層状度が機関温度に拘わらず同等であり、燃料噴射時期を遅角させた場合、燃料層状度が大きくなる特性を有することを特徴とする請求項１〜３に記載の筒内噴射内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は筒内噴射内燃機関における圧縮行程噴射モード時の燃料噴射タイミングを最適設定し、燃費の向上や燃焼の安定化を図ることのできる筒内噴射内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
近時、内燃機関からの有害排出ガス成分の低減や燃費向上等を図るべく、従来一般的な吸気管噴射型の内燃機関に代えて燃焼室に燃料を直接噴射する、所謂筒内噴射ガソリンエンジン（内燃機関）が提唱され、実用化されている。
ちなみに筒内噴射ガソリンエンジンでは、例えば燃料噴射弁からピストン頂部に設けたキャビティ内に燃料を噴射することで、その点火時に点火プラグの周囲に理論空燃比に近い空燃比の混合気を生成している。これにより全体に希薄な空燃比であっても確実な着火が可能となり、ＣＯやＨＣの排出量を減少させ、またアイドル運転時や低負荷走行時における燃費を大幅に向上させることができる。しかも燃料噴射量を増減させる際にも吸気管による燃料の移送遅れがないので加減速応答性を高めることができる。
【０００３】
しかしその反面、キャビティ内に燃料を直接噴射するので、例えば要求燃料噴射量が増大する高負荷運転時に点火プラグの近傍の空燃比がオーバリッチとなって失火が生じる虞がある。このような問題を解決するべく、例えば特開平５−７９３７０号公報や特開平７−１０２９７６号公報には、負荷に応じて圧縮行程噴射モード（後期噴射モード）と吸気行程噴射モード（前期噴射モード）とを切り換えることが提唱されている。
【０００４】
具体的には低負荷運転時には圧縮行程中に、深皿部や凹状溝からなるキャビティ内に燃料を噴射することで、点火プラグの周囲に理論空燃比に近い空燃比（空気と燃料との重量比）の混合気を局部的に形成するようにしている［圧縮行程噴射モード］。一方、高負荷走行時には吸気行程中にキャビティ外に燃料を噴射することで、燃焼室内の全域に亘って均一な空燃比の混合気を形成し、これによって吸気管噴射型のものと同様に多量の燃料を燃焼させるようにしている［吸気行程噴射モード］。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで筒内噴射ガソリンエンジンでは、燃圧と要求燃料噴射量とに基づいて燃料噴射弁の開弁時間が設定された後、吸気行程や圧縮行程中に燃料の噴射が終了するようにその噴射終了時期が決定される。また噴射開始時期は、上記噴射終了時期と開弁時間とに基づいて決定される。特に圧縮行程噴射モードでは、点火時点におけるキャビティ内の燃料を確実に気化させて不完全燃焼を避けるべく、燃料の気化に要する時間やその噴霧の拡散に要する時間等を考慮した上で上記噴射終了時期と噴射開始時期とが決定される。
【０００６】
しかしながら、圧縮行程噴射モードにおいては燃料の気化速度や噴霧の拡散速度はその雰囲気温度、具体的には内燃機関における筒内温度の影響を受けて変化し易いことが、本発明者らによる研究により明らかとなった。
即ち、噴霧をコンパクトに集結させて点火プラグ近傍に運ぶためには、噴霧が点火プラグに達する範囲内でその噴射時期を遅角することが好ましい。また燃料を十分気化させる為には、その噴射時期を進角する方が好ましい。更に燃料の気化速度は、圧縮圧が高くなる圧縮上死点に近付く程、気化のための温度確保と言う面で有利である。これらの原因により、設定すべき最適噴射時期は内燃機関温度によって変化する。
【０００７】
この為、例えば暖機運転時のように内燃機関温度が低いような場合、燃料の気化が不十分になる等して点火プラグの周囲に最適な空燃比の混合気が局部的に形成され難くなり、燃焼不良（失火）が生じたり、有害排出ガス成分が多少増えることがあった。これ故、従来では専ら暖機時には、最適噴射時期が変化することで燃焼に与える影響を受けやすい圧縮行程噴射モードを禁止し、吸気行程噴射モードを設定するようにしている。しかし燃費等の観点から暖機時においても圧縮行程噴射モードを設定して、有害排出ガス成分の低減や燃費向上等を図ろうとする要求が強い。
【０００８】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、筒内噴射内燃機関の運転状態に拘わらず、その圧縮行程噴射モード時における失火や有害排出ガス成分の発生を効果的に抑えることのできる筒内噴射内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明は、主として圧縮行程で燃料を噴射する圧縮行程噴射モードを含む複数の燃料噴射モードを、運転状態に応じて選択的に切り換え可能な筒内噴射内燃機関の制御装置に係り、
特に圧縮行程噴射モードにおける燃料の噴射開始時期を、前記筒内噴射内燃機関が暖機後であるとして、噴射燃料量に応じてその燃料噴射が圧縮行程中に終了するタイミングとして設定する噴射時期設定手段と、前記筒内噴射内燃機関の機関温度を検出する温度検出手段と、検出された機関温度が上記暖機後の温度よりも低いときには、予め前記筒内噴射内燃機関に固有な値として機関温度に応じて求められている遅角を示す補正量Ｔとエンジン回転数に応じた補正係数Ｋ１とエンジン負荷に応じた補正係数Ｋ２とに従って、前記噴射時期設定手段にて求められた燃料噴射開始時期Ｔinjを
Ｔinj＝Ｔinj＋Ｔ・Ｋ１・Ｋ２
として補正する補正手段とを具備したことを特徴としている。
【００１０】
つまり圧縮行程噴射モードが設定されたとき、該圧縮行程噴射モードにおいて基準となる燃料噴射開始時期を、前記筒内噴射内燃機関が暖機後であることを前提とし、噴射燃料量に応じてその燃料噴射が圧縮行程中に終了するタイミングとして設定すると共に、筒内噴射内燃機関の温度を、例えばエンジン冷却水温度として検出し、この温度に応じて上記燃料噴射開始時期を筒内噴射内燃機関に固有な特性に応じて補正することで、該筒内噴射内燃機関の温度に拘わることなしに点火時における燃料の気化状態や噴霧の拡散状態を最適化し、点火プラグ周辺に局部的で、且つ理想的な空燃比の混合気を形成して失火や有害排出ガス成分の発生を効果的に抑えるようにしたことを特徴とするものである。
【００１１】
特に請求項２に示すように前記補正手段においては少なくとも機関温度が暖機後温度よりも低いとき、上記燃料噴射開始時期を、予め求められている筒内噴射内燃機関に固有な燃料気化率と燃料層状度とにより示される特性に応じて遅角補正することを特徴としている。
【００１２】
更に請求項３に示すように前記補正手段に燃料噴射時期に対する遅角補正量の最大値を規定する手段を設け、これによって圧縮行程噴射モードを逸脱するような過度な遅角補正を防ぐようにしたことを特徴としている。
尚、前記筒内噴射内燃機関は、機関温度が高温である程、燃料噴射時期が進角すれば燃料の気化率が向上し、機関温度が低温である場合には燃料噴射時期に拘わらず燃料の気化率が変化しないものであって、更に燃料の層状度が機関温度に拘わらず同等であり、燃料噴射時期を遅角させた場合には燃料層状度が大きくなる特性を有するものからなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る筒内噴射内燃機関の制御装置について説明する。
図１は筒内噴射内燃機関の全体的なシステム構成図であり、図２は筒内噴射内燃機関（ガソリンエンジン）の要部縦断面図である。これらの各図において１は実施形態に係る自動車用の筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（以下、エンジンと略記す）であり、燃焼室を始めとして吸気装置やＥＧＲ装置等が筒内噴射専用に設計されている。
【００１４】
即ち、この実施形態の場合、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ３と共に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられており、燃焼室５内に燃料が直接噴射されるようになっている。またシリンダ６に上下摺動自在に保持されたピストン７の頂面には、その圧縮行程の後期に燃料噴射弁４からの燃料噴霧が到達する部位に位置して半球状のキャビティ８が形成されている。ちなみにこのエンジン１の圧縮比は、一般的な吸気管噴射型のものに比べて高く（本実施形態では１２程度）設定されている。また動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式のものが採用されており、シリンダヘッド２の上部には吸排気弁９,１０をそれぞれ駆動するべく、吸気側カムシャフト１１と排気側カムシャフト１２とがそれぞれ回転自在に保持されている。
【００１５】
一方、シリンダヘッド２には上記両カムシャフト１１,１２の間を抜けるようにして略直立方向に吸気ポート１３が形成されている。この吸気ポート１３を通過した吸気流が燃焼室５内で、後述する逆タンブル流を発生させる。また排気ポート１４については通常（吸気管噴射型）のエンジンと同様に略水平方向に形成されているが、該排気ポート１５の斜め下方には大径のＥＧＲポート１５（図２には図示せず）が分岐して設けられている。
【００１６】
尚、図中１６はエンジン冷却水温Ｔwを検出する水温センサであり、１７は各気筒の所定のクランク位置（例えばBTDC５°およびBTDC７５°）でクランク角信号ＳＧＴを出力するベーン型のクランク角センサ、また１９は点火プラグ３に高電圧を出力する点火コイルである。またクランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフトには、気筒判別信号ＳＧＣを出力する気筒判別センサ（図示せず）が取り付けられ、上記クランク角信号ＳＧＴがどの気筒のものかが判別されるようになっている。
【００１７】
さて図２に示すように吸気ポート１３には、サージタンク２０を有する吸気マニホールド２１を介して、エアフローセンサ３２，エアクリーナ２２，スロットルボディ２３，およびステップモータ式の第１のエアバイパスバルブ（＃１ＡＢＶ）２４を備えた吸気管２５が接続されている。更にこの吸気管２５には、スロットルボディ２３を迂回して前記吸気マニホールド２１に吸入気を導入する大径のエアバイパスパイプ２６が併設されており、その管路にはリニアソレノイド式で大型の第２のエアバイパスバルブ（＃２ＡＢＶ）２７が設けられている。尚、エアバイパスパイプ２６は前記吸気管２５に準ずる流路面積を有したもので、第２のエアバイパスバルブ（＃２ＡＢＶ）２７の全開時にはエンジン１の低中速域で要求される量の吸入気を適宜流通させる役割を担っている。
【００１８】
また前記スロットルボディ２３には、その流路を開閉するバタフライ式のスロットルバルブ２８と共に、スロットルバルブ２８の開度θTHを検出するスロットルセンサ２９と、該スロットルバルブ２８の全閉状態を検出するアイドルスイッチ３０とが設けられている。尚、実際にはスロットルセンサ２９からは開度θTHに応じたスロットル電圧ＶTHが出力され、このスロットル電圧ＶTHに基づいてスロットルの開度θTHが認識される。また前記エアフローセンサ３２は吸入空気量Ｑａを検出するものであって、例えばカルマン渦式エアフローセンサが使用される。尚、上記吸入空気量Ｑａについては、サージタンク２０にブースト圧センサを取り付け、このブースト圧センサにより検出される吸入管圧力から求めるようにしても良い。
【００１９】
更に前記排気ポート１４には、Ｏ2センサ４０が取付けられた排気マニホールド４１を介して、三元触媒４２や図示しないマフラー等を備えた排気管４３が接続されている。また前記ＥＧＲポート１５は、大径のＥＧＲパイプ４４を介して吸気マニホールド２１の上流に接続されており、その管路にはステップモータ式のＥＧＲバルブ４５が設けられている。
【００２０】
さて図示しない車体後部に設置された燃料タンク５０に貯留された燃料は、電動式の低圧燃料ポンプ５１により吸い上げられ、低圧フィードパイプ５２を介してエンジン１側に送給される。この低圧フィードパイプ５２内における供給燃料の圧力（燃圧）は、リターンパイプ５３の管路に介装された第１の燃圧レギュレータ５４により比較的低圧（低燃圧）に設定されている。そしてエンジン１側に送給された燃料は、シリンダヘッド２に取り付けられた高圧燃料ポンプ５５から高圧フィードパイプ５６，更にはデリバリパイプ５７を介して前記各燃料噴射弁４に送給される。
【００２１】
尚、デリバリパイプ５７内の燃圧は、リターンパイプ５８の管路に介装された第２の燃圧レギュレータ５９によって比較的高圧（高燃圧）に調圧される。この第２の燃圧レギュレータ５９に取付けられた電磁式の燃圧切換弁６０は、オン状態で燃料をリリーフしてデリバリパイプ５７内の燃圧を低燃圧に低下させる役割を担う。また高圧燃料ポンプ５５の潤滑や冷却等を行った燃料は、リターンパイプ６１を介して燃料タンク５０に還流される。
【００２２】
さて前記エンジン１の総合的な制御を司るエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）７０は、図示しない入出力装置，制御プログラムや制御マップ等を記憶した記憶装置（ＲＯＭ,ＲＡＭ等），中央処理装置（ＣＰＵ），タイマカウンタ等を備えて構成される。そしてＥＣＵ７０は、前述した各種のセンサ類からの検出情報を入力し、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして、点火時期やＥＧＲガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁４や点火コイル１９，ＥＧＲバルブ４５等をそれぞれ駆動制御する。またこのＥＣＵ７０には、図示しない多数のスイッチやその他のセンサ類が接続されると共に、各種警告灯や機器類等が接続されている。
【００２３】
次に上述した如く構成される筒内噴射内燃機関（エンジン）における基本的なエンジン制御の流れについて簡単に説明する。
冷機時においてイグニッションキーをオン操作すると、ＥＣＵ７０は低圧燃料ポンプ５１と燃圧切換弁６０とをオンにし、燃料噴射弁４に低燃圧の燃料を供給する。この状態でイグニッションキーをスタート操作すると、図示しないセルモータによりエンジン１がクランキングされ、同時にＥＣＵ７０の制御の下で燃料噴射制御が開始される。但し、この時点においては燃料の気化率が低く、しかも燃圧も低いので、ＥＣＵ７０は比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。またこの始動時にはＥＣＵ７０によって第２のエアバイパスバルブ２７が閉鎖しているため、燃焼室５への吸入気はスロットルバルブ２８の隙間や第１のエアバイパスバルブ２４から供給される。尚、第１および第２のエアバイパスバルブ２４,２７はＥＣＵ７０により一元管理されており、これらの開弁量はスロットルバルブ２８を迂回する吸入気（バイパスエア）の必要導入量に応じてそれぞれ決定される。
【００２４】
始動が完了してエンジン１がアイドル運転を開始すると、高圧燃料ポンプ５５が定格の吐出作動を始める、これを受けてＥＣＵ７０は燃圧切換弁６０をオフにして燃料噴射弁４に高圧の燃料を供給する。そしてエンジン冷却水温Ｔwが所定値に上昇するまで、ＥＣＵ７０は始動時と同様に燃料を噴射してリッチな空燃比を確保すると共に、第２のエアバイパスバルブ２７も継続して閉鎖する。ちなみにエア・コンディショナ等の補助機能品類の負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、吸気管噴射型と同様に第１のエアバイパスバルブ２４によって行われる。更に所定サイクルが経過してＯ2センサ４０が活性化された場合、ＥＣＵ７０はＯ2センサ４０の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を開始し、有害排出ガス成分を三元触媒４２により浄化させる。このように冷機時においては吸気管噴射型エンジンの場合と略同様の燃料噴射制御が行われる。
【００２５】
一方、エンジン１の暖機が終了すると、ＥＣＵ７０は吸入空気量Ｑａ、またはスロットル開度θTH等から得た目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとに基づき、例えば図３に示す燃料噴射制御マップから現在の燃料噴射制御領域を検索する。そして燃料噴射モード、および燃料噴射量と燃料噴射時期とをそれぞれ決定して燃料噴射弁４を駆動する。更にはこれに関連して第１および第２のエアバイパスバルブ２４,２７やＥＧＲバルブ４５の開閉制御等も行う。尚、当然のことであるが、燃料噴射量は燃料噴射弁４の開弁時間幅と比例関係にある。
【００２６】
ちなみにアイドル運転時や低速走行時等の低負荷域においては、図３のマップに示されるように圧縮リーン域となるため、ＥＣＵ７０は圧縮行程噴射モードを選択する。そして第２のエアバイパスバルブ２７を開放し、リーンな平均空燃比（例えば３０〜４０程度）となるように燃料を噴射する。するとこの時点における燃料の気化率が上昇しているので、吸気ポート１３から流入した吸気流は逆タンブル流を形成し、その燃料噴霧はピストン７のキャビティ８内に保存される。その結果、点火時点においては点火プラグ３の周囲には理論空燃比近傍の混合気が層状に形成されることになり、全体としてリーンな空燃比でも着火が可能となる。この状態における補助機能品類の負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、例えば燃料噴射量を増減させることにより行われる。またこの制御領域においては、ＥＣＵ７０はＥＧＲバルブ４５を開放し、燃焼室５内に大量（例えば３０％以上）のＥＧＲガスを導入することによりＮＯｘの大幅な低減を図る。
【００２７】
これに対して定速走行時等の中負荷域では、その負荷状態やエンジン回転速度Ｎeに応じて図３における吸気リーン域、或いはストイキオフィードバック域となるので、ＥＣＵ７０は吸気行程噴射モードを選択し、所定の空燃比となるように燃料を噴射する。即ち、吸気行程噴射モードの吸気リーン域にあっては、比較的リーンな空燃比（例えば２０〜２３程度）となるように第１および第２のエアバイパスバルブ２４,２７の開弁量と燃料噴射量とを制御する。またストイキオフィードバック域では、第２のエアバイパスバルブ２７とＥＧＲバルブ４５とを開閉制御し、Ｏ2センサ４０の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を行う。
【００２８】
この場合、吸気ポート１３から流入した吸気流が形成する逆タンブル流による乱れの効果によってリーンな空燃比でも着火が可能となる。またストイキオフィードバック域では、その有害排出ガス成分を三元触媒４２により浄化すると共にＥＧＲバルブ４５を制御し、燃焼室５内に適量のＥＧＲガスを導入することにより、有害排出ガスとして発生するＮＯｘ等の低減が図られる。
【００２９】
そして急加速時や高速走行時等の高負荷域にあっては、図３に示すオープンループ制御域となるため、ＥＣＵ７０は前期噴射モードを選択して第２のエアバイパスバルブ２７を閉鎖し、スロットル開度θTHやエンジン回転速度Ｎe等に応じて比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。尚、中高速走行中の惰行運転時は図３に示す燃料カット域となる為、ＥＣＵ７０は燃料噴射を停止する。この燃料カットはエンジン回転速度Ｎeが復帰回転速度より低下した場合や、アクセルペダルが踏み込まれた際、即座に中止される。
【００３０】
さて基本的には上述した如く、運転状態に応じて複数の燃料噴射モードが選択的に切り換え設定される筒内噴射内燃機関において、本発明の一実施形態に係る圧縮行程噴射モード時における燃料噴射時期の設定と、エンジン冷却水温Ｔw等から検出される内燃機関温度に基づく上記燃料噴射時期の補正は次のようにして行われる。
【００３１】
図４はその制御手順の一例を示すもので、内燃機関の運転状態を検出することから開始される［ステップＳ１］。この運転状態の検出は、前述した各気筒に対応したクランク角信号ＳＧＴや気筒判別信号ＳＧＣに基づいてクランクの回転に対する特定気筒を判別すると共にエンジン回転数Ｎeを検出し、またスロットルバルブ２８の開度θTHやその全閉状態を検出し、更には吸入空気量Ｑａを検出する等して行われる。このような運転状態の検出結果に従って内燃機関の負荷状態が判定され、前述した複数の燃料噴射モードが選択的に設定される。
【００３２】
しかる後、どの燃料噴射モードが設定されているか、或いはどの燃料噴射モードを選択すべきかの判定が行われ［ステップＳ２］、圧縮行程噴射モードが設定されている場合には、以下に示す圧縮行程燃料噴射の制御を行う。尚、前述した吸気行程噴射モードやストイキオ域での空燃比フィードバック制御モードが選択設定された場合、これらの各モードに応じた制御が実行されるが、ここでは本発明の要旨と直接関係がないのでその説明を省略する。
【００３３】
さて圧縮行程噴射モードが設定されると、先ず基準となる燃料の噴射時期および点火時期の計算が行われる［ステップＳ３］。この燃料噴射時期および点火時期の計算は、エンジンが暖機運転後の定常運転状態であることを前提として、筒内に噴射する燃料噴射量等に従い、点火プラグの周囲やキャビティ内に理論空燃比に近い空燃比（空気と燃料との重量比）の混合気が局部的に形成されるようなタイミングとして計算され、そのタイミングが設定される。
【００３４】
即ち、エンジンが定常運転状態にあることを前提として、燃圧と要求燃料噴射量とから、その燃料量を筒内に噴射するに必要な燃料噴射弁の開弁時間を求め、圧縮行程中に燃料の噴射が終了するようにその噴射終了時期を決定する。しかる後、決定された噴射終了時期と前記開弁時間とに基づいて燃料の噴射開始時期を決定し、また前記噴射終了時期に基づいて点火時期を決定する。特にこの圧縮行程噴射モードでは筒内における燃料の気化に要する時間やその噴霧の拡散に要する時間等を考慮し、点火時点におけるキャビティ内の燃料が確実に気化し、且つその噴霧が広く拡散することなく点火プラグの周囲に集まって局部的に理論空燃比近傍の混合気が層状に形成されるようなタイミングとして前記燃料の噴射時期と点火時期とが決定される。
【００３５】
以上のようにしてエンジンが定常運転状態にあることを前提とした圧縮行程噴射モードにおける燃料噴射時期Ｔinjと点火時期Ｔigとが基準タイミングとして設定されたならば、次に実際の機関温度の検出が行われる［ステップＳ４］。この機関温度の検出は、具体的には前述したエンジン冷却水温Ｔwを検出することによってなされる。そしてこの検出した機関温度（エンジン冷却水温Ｔw）に従い、雰囲気によって変化する燃料の気化率や拡散度に起因する点火プラグ周囲の混合気の状態変化を補正するべく、前記燃料噴射時期Ｔinjと点火時期Ｔigとに対する補正演算を行う［ステップＳ５］。
【００３６】
この補正演算は、例えば図５(ａ),(ｂ),(ｃ)に示すように予めエンジンに固有な特性として求められた、エンジン冷却水温Ｔwに対して設定される前記燃料噴射時期Ｔinjと点火時期Ｔigの進角・遅角補正量Ｔと、エンジン回転数Ｎeに応じて設定される補正係数Ｋ1、エンジン負荷に応じて設定される補正係数Ｋ2とに基づいて、
Ｔinj ＝ Ｔinj ＋ Ｔ・Ｋ1・Ｋ2
Ｔig  ＝ Ｔig  ＋ Ｔ・Ｋ1・Ｋ2
なる補正演算を施すことによってなされる。尚、この例では燃料噴射時期Ｔinjに対する補正処理と点火時期Ｔigに対する補正処理とを同一の補正量を用いて補正するものとなっているが、これらに対する補正量を相互に関連させながら別々に設定することも勿論可能である。
【００３７】
即ち、燃料の噴射時期に応じた筒内における燃料気化率と燃料層状度について考察すると、その特性はエンジン形式に応じて若干異なり、ある形式のエンジンにおいては図６(ａ),(ｂ)に示すような特性となり、また別の形式のエンジンにおいては図７(ａ),(ｂ)に示すような特性となる。尚、図６(ａ)および図７(ａ)は燃料噴射時期に応じた燃料気化率、つまり或る噴射時期に筒内に噴射した燃料が点火プラグによって点火されるまでにどの程度気化されているを示している。また図６(ｂ)および図７(ｂ)は燃料噴射時期に応じた燃料層状度、つまり或る噴射時期に筒内に噴射した燃料が、燃焼室の一部に縮小した噴霧として形成されているか（層状度が大）、或いは燃焼室の全体に亘って均一に拡散しているか（層状度が小）を示している。
【００３８】
しかして図６(ａ),(ｂ)に示す特性を持つエンジンにあっては、機関温度が高温である程、燃料噴射時期が進角（アドバンス）すれば、その気化率が向上することが示される。つまり燃焼室に吸入される空気の温度が高いために燃料が気化し易く、気化時間を多く確保するように燃料噴射時期を進角すると、その気化率が益々向上することが示される。また機関温度が低温の場合には、燃料噴射時期に拘わらず燃料の気化率が殆ど変化せず、燃料噴射時期を遅角（リタード）しても、燃料の気化率のさほど大きく悪化しないことが示される。つまり燃焼室に吸入される空気の温度が低いために燃料が気化し難く、燃料の気化を促進する要因は、むしろ燃焼室に吸入された空気の圧縮による温度上昇によると考えられる。従ってこのような低温時には、燃料の噴射時期を遅角させても、燃料の気化率にはさほど影響が生じないと言える。
【００３９】
これに対して燃料の層状度は、機関温度に拘わらず略同等であり、燃料の噴射時期を遅角させた場合、燃料層状度が大きくなる傾向がある。尚、圧縮行程噴射モードにおいては、所定の層状度以下では燃焼条件が成立しないため、所定の層状度以上となるように燃料の噴射時期を設定する必要がある。しかし燃料の噴射時期に応じた層状度は、エンジンの製造誤差やその経年変化に伴って変化するので、実際的には所定の層状度を得ようとする場合、或る程度の余裕を見込んで燃料の噴射時期を設定することが必要である。
【００４０】
以上のことを勘案した場合、図６(ａ),(ｂ)に示す特性を持つエンジンにあっては、高温時における最適燃料噴射時期は、燃料気化率が或る程度確保され、且つ層状度があまり低下しない範囲に設定することが望ましい。但し、この最適燃料噴射時期はエンジン形式等によって変化するので、図６(ａ),(ｂ)に例示するタイミングよりも進角側、或いは遅角側に設定する場合も勿論あり得る。しかし低温時においては、上述した最適燃料噴射時期に燃料を噴射すると、その気化率が高温時に比較して大幅に低下しているので、燃焼が不安定になる虞がある。従ってこの場合には、燃料噴射時期を遅角することで燃料層状度の向上を図れば、低温時における燃料噴射時期の遅角による気化率の悪化が殆どないことから、燃料層状度の向上分だけ燃焼の安定化を図ることが可能となる。
【００４１】
これに対して図７(ａ),(ｂ)に示す特性を持つエンジンにあっては、先のエンジンと同様に機関温度が高温であれば、燃料噴射時期を進角（アドバンス）すればその気化率が向上することが示される。しかし機関温度が低温の場合には、燃料噴射時期を進角することで、高温時の場合程ではないが、その気化率が若干向上する。つまり燃焼室に吸入された空気の圧縮による温度上昇による気化率の向上効果が、前述したエンジンよりも若干高いと言える。具体的には、前記図６(ａ),(ｂ)に示す特性を持つエンジンに比較して、例えば燃料の筒内流動が比較的小さく、低温時であると雖も燃料が、比較的断熱された筒内空気によって気化されるので、燃料噴射時期の進角によりその気化時間を長くすることで、気化率を高め得ると考えられる。
【００４２】
またこのエンジンにおける層状度は、機関温度に拘わらず略同等であり、また燃料噴射時期を或る程度遅角しても層状度に殆ど変化がないことが示される。特にこのような傾向は、燃料の筒内流動が比較的小さいエンジンにおいて顕著である。従ってこの図７(ａ),(ｂ)に示す特性を持つエンジンにあっては、前述したエンジンと同様に、高温時における最適燃料噴射時期は、燃料気化率が或る程度確保され、且つ層状度があまり低下しない範囲に設定することが望ましいと言える。その反面、機関温度が低い場合には、燃料噴射時期を進角して燃料気化率を少しでも向上させれば、この燃料噴射時期の進角による層状度の悪化が殆どないので、その分、燃焼の安定化を図ることが可能となる。
【００４３】
前述した燃料噴射時期の補正は、このような観点に立脚してなされるもので、エンジンの形式に応じて予め求められている図５(ａ),(ｂ),(ｃ)に示す如き補正関数に基づいて実行される。
この補正関数である、エンジン冷却水温Ｔwに対する進角・遅角補正量Ｔについて簡単に説明すると、このエンジンの場合、上記進角・遅角補正量Ｔは、例えば図５(ａ)に例示するようにエンジン１が安定動作する暖機後水温を基準としてエンジン冷却水温Ｔwが上記暖機後水温よりも低い場合には、燃料噴射時期Ｔinjを遅角（リタード）した方が、燃焼の安定化を図り得ることが示される。また逆にエンジン冷却水温Ｔwが上記暖機後水温を或る程度越えて高くなった場合には、燃料噴射時期Ｔinjを進角（アドバンス）した方が、燃焼の安定化を図り得ることが示される。燃料噴射時期Ｔinjに対する進角／遅角の補正量Ｔは、基本的には図５(ａ)に示すようなエンジンに固有な特性に基づき、機関温度（エンジン冷却水温Ｔw）に応じて決定される。尚、この進角／遅角補正量Ｔは、圧縮行程噴射を実現する所定の条件下でその最大値が規定された上で設定される（クリップ制御）。
【００４４】
一方、エンジン回転数Ｎeに関する補正係数Ｋ1、およびエンジン負荷に関する補正係数Ｋ2は、エンジンの運転状態に応じて前記進角／遅角補正量Ｔをそれぞれ補正する為のものである。これらの補正係数Ｋ1,Ｋ2についても、エンジンに固有な特性として予め求められる。特に補正係数Ｋ1は、エンジン回転数Ｎeが或る回転数以上となったとき、進角／遅角補正量Ｔを増大させる如く設定されている。また補正係数Ｋ2は、エンジン負荷が或る程度以上に大きくなったとき、進角／遅角補正量Ｔを減少させる如く設定されている。
【００４５】
前述したステップＳ５に示す補正演算では、先ず前記図５(ａ)に示す特性に従って、エンジンの安定動作状態における圧縮行程噴射モードにおいて最適化された燃料噴射時期Ｔinjを、更に最適化すべき補正量Ｔを、前記エンジン冷却水温Ｔwに基づいて求めている。この補正量はクランク角を基準とした進角／遅角時間Ｔ、例えばCA５°,CA１０°等として求められる。その上でこの進角／遅角時間Ｔを、前述した如くエンジン回転速度やエンジン負荷の状況に応じて補正するべく図５(ａ)(ｂ)に示す特性からその補正係数Ｋ1,Ｋ2を求め、これを前記進角／遅角時間Ｔに乗じることにより、前記燃料噴射時期Ｔinjに対する補正量を決定する。
【００４６】
この際、筒内に噴射した混合気の塊が拡散する前にこれを点火するように点火時期Ｔigを設定する。具体的には上述した如く進角／遅角補正したタイミングで噴射した燃料が、筒内で十分に気化する時間を確保し、且つ確実に点火して安定な燃焼を実現するべく、点火時期Ｔigについても前述したエンジン冷却水温Ｔwに応じて進角／遅角制御する。
【００４７】
尚、上述したようにして燃料噴射時期を遅角補正した場合、噴射燃料がピストン７の頂面のキャビティ８に衝突し易くなるが、その噴射タイミングが前述したように筒内圧力が高い状態であるので燃料は直ぐに気化して混合気を形成する。従って噴射燃料がキャビティ８等に付着して燃焼悪化が生じる等の不具合が生じることがない。
【００４８】
以上のようにしてエンジン冷却水温Ｔwに応じて燃料噴射時期Ｔinjおよび点火時期Ｔigを進角／遅角補正してそのタイミングが決定されたならば、その設定されたタイミングの下で圧縮行程噴射モードでの燃料噴射制御および点火制御を実行する［ステップＳ６］。そして燃料噴射モードが変更されるまで、エンジン冷却水温Ｔwの変化に応じて上記補正量を変えながら圧縮行程噴射モードでのエンジン１の運転を行うことになる。
【００４９】
かくして上述した如く圧縮行程噴射モード時における燃料噴射時期Ｔinjおよび点火時期Ｔigを内燃機関温度（エンジン冷却水温Ｔw）に応じて補正し、空燃比が最適化された状態の混合気を安定に形成した上で点火するように制御を実行する本装置によれば、例えばエンジン始動直後の暖機時であって機関温度が低い場合であっても筒内に噴射した燃料を確実に燃焼させることが可能となる。
【００５０】
図８(ａ),(ｂ)に内燃機関が低温（３５℃）であるときの圧縮行程噴射モードにおける失火頻度とＮＯx排出量の実験例を示すように、内燃機関が暖機運転後の定常動作状態にある時を想定して計算される燃料噴射時期および点火時期の下でその制御を行う場合に比較して、燃料噴射時期および点火時期をリタード補正（例えば５°リタード，８°リタード）することにより失火の頻度を抑えることができ、またＮＯｘの排出量も抑えることが可能となる。特に上述した燃料噴射時期Ｔinjおよび点火時期Ｔigの補正制御に加えてＥＧＲ量の補正制御を加えることにより、例えば失火頻度を更に低く抑えることが可能となる等の効果が奏せられる。つまり暖機運転を行う低温時であっても、燃料噴射時期および点火時期を遅角（リタード）補正することで効果的な圧縮行程噴射モードによる運転を実現することができ、燃費の向上を図ることが可能となる。
【００５１】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば燃料噴射時期および点火時期に対する進角／遅角補正量は、内燃機関の仕様や燃料の性状に応じて定めれば良いものである。また上記進角／遅角補正量の最大値については圧縮行程噴射モードの条件を逸脱しないタイミングの範囲で設定すれば良く、回転数や負荷に基づく補正係数Ｋ1,Ｋ2についても、内燃機関の運転特性等に応じて定めれば良い。またエンジン冷却水温についても補正量Ｔや上記補正係数Ｋ1,Ｋ2については、予めテーブル上にマッピングしておき、そのマップデータから求めるようにしても良い。その他、本発明はその要旨の範囲で種々変形して実施することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、主として圧縮行程で燃料を噴射する圧縮行程噴射モードを含む複数の燃料噴射モードを、運転状態に応じて選択的に切り換え可能な筒内噴射内燃機関において、圧縮行程噴射モードにおいて基準となる燃料噴射開始時期を、該筒内噴射内燃機関が暖機後であるとして噴射燃料量に応じてその燃料噴射が圧縮行程中に終了するタイミングとして設定すると共に、前記筒内噴射内燃機関の機関温度に応じて前記燃料噴射開始時期を遅角補正する手段を備えているので、筒内噴射内燃機関の温度に拘わることなしに点火時における燃料の気化状態や噴霧の拡散状態を最適化し、その燃焼の安定化・確実化を図ることができる。そして失火や有害排出ガス成分の発生を効果的に抑えながら、燃費の向上を図ることができる。特に内燃機関温度が低温の暖機運転時での圧縮行程噴射モードによる運転を可能とすると言う、実用上多大な効果が奏せられる。
【００５３】
また請求項２に示すように機関温度が暖機後温度よりも低いとき、エンジン固有の特性に応じて燃料噴射時期を進角／遅角補正するので、簡易にして効果的に安定な燃焼（運転）を実現することができる。更には請求項３に示すように進角／遅角補正量の最大値を規定する手段を備えるので、圧縮行程噴射モードを逸脱するような過度な進角／遅角補正を効果的に防ぐことができ、安定した圧縮行程噴射モードによる運転を実現し得る効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る筒内噴射内燃機関の全体的なシステム構成図。
【図２】本発明の実施形態に係る筒内噴射ガソリンエンジンの要部縦断面図。
【図３】筒内噴射ガソリンエンジンにおける燃料噴射制御の動作域の例を示す図。
【図４】実施形態に係る圧縮行程噴射モードにおける燃料噴射時期および点火時期の制御手順の例を示す図。
【図５】図４に示す制御処理において用いられる補正データの例を示す図。
【図６】或る形式のエンジンにおける、燃料噴射時期に対する燃料気化率と燃料層状度の関係を示す図。
【図７】別の形式のエンジンにおける、燃料噴射時期に対する燃料気化率と燃料層状度の関係を示す図。
【図８】低温時における燃料噴射時期および点火時期の遅角制御による効果を示す失火頻度およびＮＯｘ排出量についての特性図。
【符号の説明】
１  エンジン
２  シリンダヘッド
３  点火プラグ
４  燃料噴射弁
５  燃焼室
６  シリンダ
７  ピストン
８  キャビティ
１３  吸気ポート
７０  ＥＣＵ
【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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