(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燃料噴射弁と点火プラグとを備え、かつ、機関運転条件に応じて、点火プラグ近傍に噴霧を集中させる成層運転と、燃焼室全体に噴霧を均質に分散させる均質運転と、が行われる直噴火花点火式内燃機関の燃焼制御装置において、
均質運転時に１サイクル中複数回の燃料噴射を実行するとともに機関回転速度および負荷に応じて各噴射の時間間隔および噴射量割合を可変とする分割噴射制御手段を備え、
この分割噴射制御手段は、噴射１回当たりの最大噴射パルス時間幅が機関回転速度に対して予め設定されており、１回の噴射がこの最大噴射パルス時間幅を超えないように噴射回数を設定するとともに、この最大噴射パルス時間幅は高速側ほど短く設定されていることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項２】
上記分割噴射制御手段は、複数回の噴射の間隔を、機関運転条件の変化に対し概略クランク角一定に保つことを特徴とする請求項１に記載の直噴火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項３】
上記分割噴射制御手段は、複数回の噴射の間隔を、機関運転条件の変化に対し概略クランク角一定に保つとともに、負荷の増加に伴って１サイクル中の噴射回数が増加することを特徴とする請求項１に記載の直噴火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項４】
上記分割噴射制御手段は、負荷および回転速度の増加に対し、最終回の噴射の噴射終了時期が所定のクランク角度位置よりも遅れないように、各噴射の所定の噴射間隔を短く補正することを特徴とする請求項２に記載の直噴火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項５】
上記分割噴射制御手段は、負荷および回転速度の増加に対し、噴射休止期間が所定の休止期間よりも短くならないように、噴射回数を減らすとともに、各噴射の所定の噴射間隔を長く補正することを特徴とする請求項２に記載の直噴火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項６】
上記分割噴射制御手段は、高回転域および高負荷域において、吸気行程から圧縮行程までの間に複数回の噴射を行った後、相対的に大きな休止期間を挟んで、残余の燃料を１回もしくは複数回で噴射することを特徴とする請求項１に記載の直噴火花点火式内燃機関の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用ガソリン機関のような４サイクル型の直噴火花点火式内燃機関に関し、特に、均質燃焼の際の吸気行程から圧縮行程中の燃料噴射において、複数回の分割噴射を行うことで所望の噴霧形態を得るようにした燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直噴火花点火式内燃機関の燃焼制御装置として、特開平９−２５６９３６号公報に記載のように、機関低速低負荷域での成層燃焼運転時に、少なくとも２回以上に分割した燃料噴射を行い、最も遅い時期の燃料噴射より前に噴射された燃料により燃焼室に均一な混合気を形成し、かつ最も遅い時期に噴射した燃料が点火プラグ近傍を通過中のタイミングで点火することにより、成層燃焼の実現を図り、また一方、機関の高速高負荷時には、噴霧が点火プラグ近傍を通過完了したタイミングで点火するようにすることで、燃焼安定性を向上しつつ燃料と空気の混合不足に起因する未燃炭化水素（ＨＣ）排出量を低減しようとする技術がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の装置によれば、最も遅い時期の燃料噴射より前に噴射された燃料は燃焼室全体へ分散し希薄な混合気を形成することになるため、燃料噴射量の少ない機関低負荷時においては過度に希薄な混合気が形成され、不完全燃焼を生ずることによりかえって未燃ＨＣ排出量を増大させる場合があった。
【０００４】
また、混合気をタンブル（縦渦）流動により点火プラグ近傍に輸送する形式の直噴火花点火式内燃機関に、この従来の燃焼制御装置を適用した場合、噴霧の運動量に対しタンブル流動の運動量の大きさが相対的に小さくタンブル流動による混合気の点火プラグ方向への輸送がなされ難い機関低回転時、あるいは燃料噴射量が少なく混合気が希薄となり易い機関低負荷時においては、点火プラグ近傍での混合気濃度が適正範囲にある期間、すなわち点火可能期間を拡大することができないため、結果として点火可能期間の長さが機関性能上不十分となる場合があった。
【０００５】
一方、上記公報の技術における成層運転時の問題点を改善する方法として、点火プラグの近傍に混合気が集中するように燃料噴射系を構成することが考えられる。つまり、混合気をタンブル（縦渦）流動により点火プラグ近傍に輸送する形式の直噴火花点火式内燃機関において、燃料噴射弁の噴霧角を小さくし、また燃料噴射弁のシリンダ水平面に対する取付角を小さくすることで、点火プラグへ直接指向する噴霧の割合を増やすことが有効である。しかし、この方法では、噴霧角が小さいことによる噴霧貫徹力の増大と噴霧が水平に近い角度で噴射されることにより、均質運転時に噴霧が対向するボア壁面に衝突し、すすの発生とＨＣの増加が問題となる。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、均質運転時に、噴射を複数回に分割して噴霧の分散を図ることで、燃料が一部に集中することや、燃焼室壁面に付着することによるすすの発生を防止するようにし、これにより、低負荷域での成層運転時に点火プラグ近傍に適切な混合気を集中できる噴霧形状や燃料噴射弁の位置等の設定を可能とすることを目的としている。そして、ひいては、成層運転時と均質運転時の両方において機関燃焼安定性および排気性能を改善することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備え、かつ、機関運転条件に応じて、点火プラグ近傍に噴霧を集中させる成層運転と、燃焼室全体に噴霧を均質に分散させる均質運転と、が行われる直噴火花点火式内燃機関の燃焼制御装置において、
均質運転時に１サイクル中複数回の燃料噴射を実行する分割噴射制御手段を備え、この分割噴射制御手段は、機関回転速度および負荷に応じて各噴射の時間間隔および噴射量割合を可変とする。
【０００８】
すなわち、本発明は、噴射量の少ない噴霧の方が、噴射量の多い噴霧より、噴霧の到達長さが短くなる性質を利用し、均質運転時の噴霧の対向するボア壁面への付着を防止する。噴霧の噴射量が少ない方が噴霧の到達長さが短くなるのは、噴霧の到達長さは、燃料の持つ運動量により決まるためであり、噴射量が少ないと運動量が小さいため噴霧到達長さは短くなる。
【０００９】
燃料噴射量が比較的多くなる均質運転時に、噴射回数を複数回に分割することで、１回当たりの噴射量は小さくなる。これにより、個々の噴霧の到達長さは短くなり、筒内流動に載り易い噴霧となって、壁面付着が防止され、筒内への燃料の分散が促進される。
【００１０】
そして、このように均質運転時に、燃料を確実に分散して、ＨＣの低減やすすの発生の防止が図れることから、燃料噴射弁の噴霧角や取付角を、成層燃焼に適したものとすることが可能となる。つまり、混合気が点火プラグ近傍へ集中するように、例えば比較的狭い噴霧角の設定が可能となる。
【００１１】
さらに、例えばタンブルによる筒内のガス流動は、機関回転速度に連動して変化するので、複数回噴射の噴霧の干渉を防止して分散を促進するには、噴射の時間間隔を制御することが重要である。また、個々の噴射における燃料噴射量の制御も筒内の燃料の分散を促進するには重要であり、機関回転速度および負荷に応じて最適値に設定する必要がある。
【００１２】
特に本発明では、上記分割噴射制御手段は、噴射１回当たりの最大噴射パルス時間幅が機関回転速度に対して予め設定されており、１回の噴射がこの最大噴射パルス時間幅を超えないように噴射回数を設定するとともに、この最大噴射パルス時間幅は高速側ほど短く設定されていることを特徴としている。つまり、所定の最大噴射パルス時間幅を超えないように、噴射回数が設定される。また、筒内のガス流動は、機関回転速度が高くなると活発となるが、高速側で最大噴射パルス時間幅を短くすることで噴霧の到達距離は短くなり、対向するボア壁面への衝突が回避される。
【００１３】
また請求項２の発明では、上記分割噴射制御手段は、複数回の噴射の間隔を、機関運転条件の変化に対し概略クランク角一定に保つことを特徴としている。筒内流動は、機関回転速度と概略１：１で連動するので、噴射の間隔を概略クランク角一定に保てば、噴霧の重なりが確実に防止され、噴霧の分散を促進できる。なお、時間による間隔としては、低回転ほど長くなることになる。
【００１４】
さらに、請求項１の発明に従属する請求項３の発明は、上記分割噴射制御手段は、複数回の噴射の間隔を、機関運転条件の変化に対し概略クランク角一定に保つとともに、負荷の増加に伴って１サイクル中の噴射回数が増加することを特徴としている。１サイクル中に必要な噴射量は、負荷の上昇に伴って増加するが、機関回転速度が高くなると噴射パルス幅は上記最大噴射パルス時間幅によって短く制限される。そして、噴射間隔をクランク角で概略一定に保ったまま負荷に応じて噴射回数が増加する。
【００１５】
また請求項２の発明に従属した請求項４の発明では、上記分割噴射制御手段は、負荷および回転速度の増加に対し、最終回の噴射の噴射終了時期が所定のクランク角度位置よりも遅れないように、各噴射の所定の噴射間隔を短く補正することを特徴としている。つまり、基本的には各噴射の間隔がクランク角で概略一定に保たれるが、特に高負荷でかつ高回転速度のときには、噴射量が多いことと単位時間に対応するクランク角が長くなることにより、１サイクル中の噴射期間全体が相対的に長いクランク角度期間に亘って行われることになる。この結果、最終回の噴射の噴射終了時期が所定のクランク角度位置よりも遅れると、筒内の均質度が妨げられる虞がある。そのため、この場合には、最終回の噴射の噴射終了時期が所定のクランク角度位置よりも遅れないように、各噴射の所定の噴射間隔を短く補正する。
【００１６】
また、請求項５の発明では、上記分割噴射制御手段は、負荷および回転速度の増加に対し、噴射休止期間が所定の休止期間よりも短くならないように、噴射回数を減らすとともに、各噴射の所定の噴射間隔を長く補正することを特徴としている。すなわち、負荷および回転速度が増加すると、噴射休止期間が相対的に短くなるが、これが過度に短くなると、噴射を分割する効果が低下する。そのため、この場合には、噴射休止期間が所定の休止期間よりも短くならないように、噴射回数を減らすとともに、各噴射の所定の噴射間隔を長く補正する。
【００１７】
さらに請求項６の発明では、上記分割噴射制御手段は、高回転域および高負荷域において、吸気行程から圧縮行程までの間に複数回の噴射を行った後、相対的に大きな休止期間を挟んで、残余の燃料を１回もしくは複数回で噴射することを特徴としている。すなわち、１サイクル中に必要な燃料量が多く、予め設定されたクランク角度までに全量を噴射できない場合、残量の噴射は、筒内で均質に分散させることを狙うよりも、燃料室内で適切な位置に配置させたほうが、すすの発生の防止とＨＣの増加の防止に効果がある。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、均質運転時に噴霧を適切な位置に分散させ、かつ壁面付着を防止することが可能である。従って、例えば混合気をタンブル流動により点火プラグ近傍へ輸送することで成層燃焼を実現する形式の直噴火花点火式内燃機関に適用することで、成層運転においては貫徹力の強い狭い噴霧を用いて、確実な成層燃焼を実現できると同時に、均質燃焼におけるすすの発生やＨＣの増加を防止し、良好な性能を得ることができる。
【００１９】
特に、機関回転速度の増加に伴い最大噴射パルス時間幅を短くすることで、噴霧の到達長さを短く規制でき、機関回転速度の増加に伴い増加する筒内流動下でも、噴霧が対向するボア壁面に衝突することを防止できる。
【００２０】
請求項２に係る発明によれば、噴射の間隔を概略クランク角一定に保つことにより、噴霧の重なりを確実に防止して、噴霧の分散を促進できる。
【００２１】
請求項３に係る発明によれば、負荷が増加した条件下でも、噴射間隔を一定に保ったまま噴射回数を増加させることで、噴霧の分散を促進できる。
【００２２】
請求項４に係る発明によれば、高負荷でかつ高回転速度のときにも、最終回の噴射の噴射終了時期が所定のクランク角度位置よりも遅れることがなく、筒内の均質度の低下を防止できる。
【００２３】
請求項５に係る発明では、負荷および回転速度が増加したときに、噴射休止期間が過度に短くなることを防止でき、噴射を分割して行うことによる燃料分散効果を確実に維持できる。また、燃料噴射弁の作動回数の過度の増加を防止し、燃料噴射弁の耐久性が向上する。
【００２４】
請求項６に係る発明によれば、予め設定されたクランク角度までに全量を噴射できない場合に、残余の燃料を燃焼室内で適切な位置に配置させることができ、すすの発生の防止とＨＣの増加の防止が図れる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を直噴火花点火式内燃機関である４サイクル型の自動車用ガソリン機関に適用した一実施例を図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、この直噴火花点火式内燃機関の断面図であり、特に、圧縮行程における燃料噴射中の状態を示している。図１において、１はシリンダヘッド、２はシリンダ、３はピストン、４はシリンダ２内にピストン３によって形成された燃焼室、５は吸気ポート、６は排気ポート、をそれぞれ示している。上記吸気ポート５および排気ポート６は、各気筒にそれぞれ２本ずつ設けられている。
【００２７】
上記シリンダヘッド１には、上記燃焼室４の上面側の略中心部に位置するように、点火プラグ７が取り付けられているとともに、２本の吸気ポート５，５間の下寄り部分に、燃焼室４内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁８が取り付けられている。この燃料噴射弁８は、噴霧角が比較的狭いものであって、点火プラグ７の下方付近を指向して、水平から斜め下向きに燃料を噴射するような姿勢で取り付けられている。
【００２８】
ここで、燃焼室４内には、吸気ポート５の形状の作用あるいは図示せぬ吸気制御弁の利用などによって、吸気行程中に矢印Ｔで示すタンブル（縦渦）流動が形成されるようになっており、ピストン３頂面には、このタンブルに対応した凹部が形成されている。成層燃焼を行わせる場合、燃料噴射弁８は、圧縮行程の比較的遅い時期に、燃料を燃焼室４内（点火プラグ７下方）に噴射する。この噴射による燃料噴霧は、筒内のタンブル流動により点火プラグ７方向に輸送され、点火プラグ７周囲に可燃混合気を層状に形成することになる。
【００２９】
次に本発明による混合気形成について更に詳しく説明する。
【００３０】
燃料噴射弁８の取付角が小さく、かつ噴霧角が狭いと、噴霧（図中に符号Ｆで示す）は、図１に示すように、成層運転時は、点火プラグ７下方へ直接向かうことから、該点火プラグ７近傍に可燃混合気を形成することができ、成層運転での燃焼安定性および排気性能が良好なものとなる。その反面、均質燃焼となる高負荷時は、図２に示すように、狭い噴霧角によって噴霧到達長さが大きくなるため、対向するボア壁面への壁面付着が増加し、ＨＣやすすを増大させる問題がある。
【００３１】
図３は、噴射量と噴霧到達距離との関係を示したもので、図示するように、噴射量の少ない噴霧の方が、噴射量の多い噴霧よりも、噴霧の到達長さが短くなる。本発明では、このような性質を利用し、燃料噴射量が増大する均質燃焼時に、燃料噴射を複数回に分割することで個々の噴射の噴霧到達距離を短くし、対向するボア壁面への壁面付着を防止して、ＨＣやすすの増大を防止するようにしたものである。ここで、噴霧の噴射量が少ない方が噴霧の到達長さが短くなるのは、噴霧の到達長さは、燃料の持つ運動量により決まるためであり、噴射量が少ないと運動量が小さいため噴霧到達長さは短くなる。
【００３２】
図４は、高負荷時の燃料噴射量が多い状態において、噴射回数を複数回に分割した場合の噴霧Ｆの形成状況を示している。上述したように、複数回の噴射に分割して１回当たりの噴射量を小さくすることにより、各噴射の噴霧到達長さが短くなり、図示するように、筒内のガス流動に載り易い噴霧となる。そのため、壁面付着を防止でき、筒内への燃料の分散を促進して、ＨＣを低減できるとともに、すすの発生を防止できる。
【００３３】
次に本発明による混合気形成のための制御について説明する。
【００３４】
図５は、上記の直噴火花点火式内燃機関における燃料噴射弁８等の制御装置を示すブロック図である。
【００３５】
上記の燃料噴射弁８および点火プラグ７の作動は、上記燃料噴射弁８へ高圧燃料を供給するための燃料ポンプ９とともに、エンジン制御用コントロールユニット（ＥＣＵ）１０により制御される。これらの制御のために、ＥＣＵ１０には、周知のクランク角センサ１１、気筒判別センサ１２、スロットルセンサ１３、空気量センサ１４、燃圧センサ１５、空燃比センサ１６、水温センサ１７、等からそれぞれ信号が入力されている。
【００３６】
ＥＣＵ１０は、これら各種センサからの信号に基づき、機関回転速度と負荷に応じて１サイクル中に必要な燃料噴射量を計算し、かつ燃料ポンプ９の制御により要求燃圧を発生させ、噴射パルス信号により燃料噴射弁８を駆動して燃料噴射を行わせ、また、点火信号により図示しない点火コイルを駆動し、点火プラグ７を放電させて点火を行うことで機関を制御する。
【００３７】
以下、燃料の噴射制御について説明する。
【００３８】
図６は、本発明の均質燃焼時における燃料噴射の基本的なパターンを示す。複数回噴射時の噴射パターンは、最初の噴射の噴射開始時期と噴射期間τ１、次の噴射の噴射開始時期（つまり噴射間隔τ１２、τ２３…）と噴射期間（τ２、τ３…）を設定することで制御される。これらの噴射開始時期、噴射期間は、機関回転速度および負荷に応じて可変に設定される。
【００３９】
図７は、同一の負荷で低速時の場合と高速時の場合とを対比して示している。機関回転速度の増加に伴い、１回あたりの最大噴射パルス時間幅が短く設定されるため、これを越えないように、高速時には、噴射回数が多くなっており、噴射パルス時間幅が短くなっている。
【００４０】
図８は、請求項４の内容に対応するものであり、負荷および回転の増加に伴い、噴射回数を増加させた場合に、最終回の噴射の噴射終了時期が、（Ａ）のように所定のクランク角度位置θ１よりも遅れてしまうことがある。このような場合に、均質度の低下を回避するために、最終回の噴射の噴射終了時期が、予め設定されたクランク角度位置θ１となるように、予め設定された噴射間隔（τ１２，τ２３）を短く補正する。
【００４１】
図９は、請求項５の内容に対応するものであり、負荷及び回転の増加に伴い、噴射休止期間が予め設定された休止期間よりも短くなってしまう場合（図（Ａ）参照）に、（Ｂ）に示すように、噴射回数を減らすとともに、予め設定された噴射間隔（τ１２）を長く補正する。
【００４２】
図１０は、請求項６の内容に対応するものであり、高回転時および高負荷時において、吸気行程から圧縮行程までに複数回の噴射を行い、その後、一定期間の休止の後に、少なくとも１回以上の燃料噴射によって残余の燃料を噴射するようにしている。
【００４３】
次に、図１１は、機関回転速度と負荷とに応じて、噴射回数を切り替える場合の制御マップを示している。図示するように、低速低負荷側の領域で成層燃焼となり、このときには、１回で全量が噴射される。そして、均質燃焼領域では、噴射回数が１回〜４回の範囲で制御され、概ね、高速高負荷側で噴射回数が多くなる。
【００４４】
図中のＡのラインは、噴射量が同じ場合に、機関回転速度の増加に伴い噴射回数を増加させることを示し、図７で示した請求項２の制御を行う領域を示す。
【００４５】
図中のＢのラインは、機関回転速度および負荷の増加に伴い噴射回数を増加させるラインを示し、請求項３の制御を行う領域を示す。
【００４６】
図中のＣのラインは、機関回転速度および負荷の増加に伴い噴射間隔を短くするラインを示し、図８で示した請求項４の制御を行う領域を示す。
【００４７】
図中のＤのラインは、機関回転速度および負荷の増加に対し、休止期間を確保するために噴射回数を減らすラインを示し、図９で示した請求項５の制御を行う領域を示す。
【００４８】
図中のＥのラインは、１サイクル当たりの総噴射量が非常に多い領域であり、複数回の噴射をした後、一定の休止期間を経てから、残余の燃料を再度噴射するラインを示し、図１０で示した請求項６の制御を行う領域を示す。
【００４９】
次に、図１２は上述した燃料噴射制御の流れを示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理によって分割噴射制御手段が実現される。
【００５０】
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、上記各センサからの検出信号に基づいて、機関回転速度、冷却水温等の運転状態を検出する。
【００５１】
ステップ２では、検出された運転状態に基づいて、所定の計算式やマップを用いて、１サイクルに必要な燃料噴射量を計算する。そしてステップ３では、この燃料噴射量と燃圧センサ１５により検出される燃圧とから、１サイクル中に必要な噴射パルス幅（全噴射期間）τを計算する。
【００５２】
ステップ４では、図１１に示したようなテーブルを参照し、機関回転速度および負荷から噴射のパターンを決定し、噴射回数、１回で噴射できる最大噴射量（最大噴射パルス幅）、最初の噴射の噴射開始時期、噴射間隔、をそれぞれ読み込む。
【００５３】
ステップ５では、噴射の各パターンに応じて、各噴射のパルス幅を計算する。例えば、Ｎ回噴射と設定された場合、最初の噴射から（Ｎ−１）回目の噴射までの噴射パルス幅を、そのときの１回当たりの最大噴射パルス幅に設定するとともに、Ｎ回目の噴射のパルス幅を、「全噴射期間−（Ｎ−１）＊（その回転での１回で噴射できる最大噴射パルス幅）」として求める。
【００５４】
ステップ６では、噴射間隔の補正計算を行い、ステップ７で、最初の噴射開始時期と噴射間隔から各噴射の開始時期を計算する。そしてステップ８で、点火時期を計算する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る直噴火花点火式内燃機関の成層運転時の状態を示す断面図。
【図２】  均質燃焼時において噴射を分割しなかった場合の噴霧の状態を示す説明図。
【図３】  噴霧先端到達距離と噴射量との関係を示す特性図。
【図４】  均質燃焼時において噴射を分割した場合の噴霧の状態を示す説明図。
【図５】  制御装置のブロック図。
【図６】  本発明による基本的な噴射パターンを示す説明図。
【図７】  請求項１の内容に対応する噴射パターンを示す説明図。
【図８】  請求項４の内容に対応する噴射パターンを示す説明図。
【図９】  請求項５の内容に対応する噴射パターンを示す説明図。
【図１０】  請求項６の内容に対応する噴射パターンを示す説明図。
【図１１】  噴射パターン設定用のテーブルを示す特性図。
【図１２】  この発明の噴射制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…シリンダヘッド
２…シリンダ
３…ピストン
４…燃焼室
５…吸気ポート
６…排気ポート
７…点火プラグ
８…燃料噴射弁
１０…エンジン制御用コントロールユニット
【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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【図１２】
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