(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン冠面に燃焼室の一部となる凹部を有し、かつ燃料噴射弁によりシリンダ内に燃料を直接噴射する直噴型火花点火式内燃機関において、
機関の回転速度を検出する手段と、
ピストンが下降する吸気行程中に燃料噴射を行う場合に、燃料噴射弁の取付位置および取付角度と噴霧の速度から定まる噴霧の先端の位置と、クランク角により定まるピストン冠面凹部における燃料噴射弁と向かい合う外縁部の位置との関係から、上記噴霧の先端が上記ピストン冠面凹部の外縁部より該凹部の内側に入らないように機関回転速度に対応して燃料噴射開始時期を設定する手段と、
この燃料噴射開始時期設定手段で設定された噴射開始時期に応じて前記燃料噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、
を備えていることを特徴とする直噴型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
ピストン冠面に燃焼室の一部となる凹部を有し、かつ燃料噴射弁によりピストンが下降する吸気行程中にシリンダ内に燃料を直接噴射する直噴型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法において、
機関の回転速度を検出し、
燃料噴射弁の取付位置および取付角度と噴霧の速度から噴射開始後の経過時間に対応する噴霧の先端の位置を求め、
クランク半径、コンロッド長さおよびピストン冠面の形状から、ピストン冠面凹部における燃料噴射弁と向かい合う外縁部のクランク角に対応する位置を求め、
上記噴霧の先端が上記ピストン冠面凹部の外縁部より該凹部の内側に入らないように、機関回転速度に対応して燃料噴射開始時期を設定し、
この設定された噴射開始時期に応じて前記燃料噴射弁による燃料噴射を制御することを特徴とする直噴型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料を燃料噴射弁によりシリンダ内に直接噴射し、かつ点火栓により着火させる直噴型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置および制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電磁式燃料噴射弁の噴孔をシリンダ内に臨ませて設置し、該燃料噴射弁によって燃料をシリンダ内に直接噴射する構成の直噴型火花点火式内燃機関が知られている（例えば、特開昭５７一６２９１５号公報、特開平８−３５４２９号公報等参照）。この種の直噴型火花点火式内燃機関においては、混合気の成層化を実現するために、ピストン冠面に凹部を備えているものが多い。
【０００３】
この直噴型火花点火式内燃機関によれば、内燃機関の低負荷時には、主に圧縮行程中に、ピストン冠面に形成された凹部に向かって燃料を噴射することにより、混合気を成層化させて形成することができ、超希薄燃焼が可能となる。そのため、低負荷時における燃料消費率を低減できる。また、機関の高負荷時には、主に吸気行程中に燃料を噴射することで、均質な混合気を形成することができ、高いトルクを確保することできる、という利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記直噴型火花点火式内燃機関にあっては、均質な混合気を生成すべく主に吸気行程中に燃料噴射を行う場合に、噴射された燃料液滴がピストン冠面に形成された凹部内に進入してしまうと、ピストン凹部内にその燃料が滞留し、吸気行程から圧縮行程にかけてシリンダ全体に十分に拡散混合されないため、結果として圧縮上死点における燃焼室内の混合気分布に濃淡が生じ、燃焼が悪化してトルクが低減してしまう、という問題があった。
【０００５】
この問題を回避するためには、燃料がピストン凹部内に進入せずに良好な燃焼が得られる噴射開始時期を実験的に求める必要があり、時間的にも費用的にも大きな負担となる。特に、吸気行程中の燃料噴射における燃料噴射時期を固定的に設定したのでは、機関運転条件が変化したときに、燃料がピストン凹部内に進入してしまう恐れがあり、それだけ大きな余裕を見込まねばならないので、燃料噴射開始が過度に遅くなってしまう可能性がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、機関運転条件に応じた最適な燃料噴射開始時期を実験的手法によらずに得ることを目的とする。すなわち、この発明に係る直噴型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置は、図１に示すように、ピストン冠面に燃焼室の一部となる凹部を有し、かつ燃料噴射弁４によりシリンダ内に燃料を直接噴射する直噴型火花点火式内燃機関において、機関の運転状態を検出する手段１と、吸気行程中に燃料噴射を行う場合に、燃料噴射弁４の取付位置および取付角度と噴霧の速度から噴霧の先端の位置を求めるとともに、クランクピン半径、コンロッド長さおよびピストン冠面の形状から、ピストン冠面凹部における燃料噴射弁と向かい合う外縁部の位置を求め、上記噴霧の先端が上記ピストン冠面凹部の外縁部よりピストン冠面凹部の内側に入らないように燃料噴射開始時期を設定する手段２と、この燃料噴射開始時期設定手段で設定された噴射開始時期に応じて前記燃料噴射弁４による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段３と、を備えていることを特徴としている。
【０００７】
すなわち、吸気行程中に燃料が噴射される場合には、下降していくピストン冠面へ向けて燃料噴射弁４から燃料が噴射されることになるが、その噴霧の先端位置は、燃料噴射弁４の取付位置および取付角度と噴霧の速度から、噴射後の経過時間に対応して一義的に定まる。また、ピストンの下降位置はクランクピン半径とコンロッド長さとによってクランク角に対応して一義的に定まるので、この噴霧が向かおうとするピストン冠面凹部の外縁部の位置は、このピストン位置とピストン冠面の形状からクランク角に対応して定まる。取付角度に沿って進む燃料噴霧の先端がピストン冠面に到達したときに、噴霧の先端のピストン径方向の位置が、すでにピストン凹部より外側に位置していれば、燃料の少なくとも大部分はピストン凹部へ進入しない。従って、燃料噴射開始時期設定手段２では、噴霧の先端位置とピストン冠面凹部の外縁部位置との関係から、燃料噴霧がピストン凹部に進入しない燃料噴射開始時期を、機関運転状態に応じて逐次設定するのである。
【０００８】
より具体的には、請求項１の発明においては、機関の回転速度を検出する手段と、ピストンが下降する吸気行程中に燃料噴射を行う場合に、燃料噴射弁の取付位置および取付角度と噴霧の速度から定まる噴霧の先端の位置と、クランク角により定まるピストン冠面凹部における燃料噴射弁と向かい合う外縁部の位置との関係から、上記噴霧の先端が上記ピストン冠面凹部の外縁部より該凹部の内側に入らないように機関回転速度に対応して燃料噴射開始時期を設定する手段と、この燃料噴射開始時期設定手段で設定された噴射開始時期に応じて前記燃料噴射弁による燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、を備えている。
【０００９】
すなわち、前述のパラメータの中で、燃料噴射弁４の取付位置および取付角度と噴霧の速度、ならびに、クランク半径、コンロッド長さおよびピストン冠面の形状はいずれも内燃機関によって既知の値となり、また時間とクランク角との関係は、機関回転速度によって定まるので、機関回転速度に応じた最適燃料噴射開始時期を予め求めておけば、これから機関回転速度に対応する値を直ちに求めることができる。
【００１０】
また請求項２は、ピストン冠面に燃焼室の一部となる凹部を有し、かつ燃料噴射弁によりピストンが下降する吸気行程中にシリンダ内に燃料を直接噴射する直噴型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法に関するものであり、
機関の回転速度を検出し、
燃料噴射弁の取付位置および取付角度と噴霧の速度から噴射開始後の経過時間に対応する噴霧の先端の位置を求め、
クランクピン半径、コンロッド長さおよびピストン冠面の形状から、ピストン冠面凹部における燃料噴射弁と向かい合う外縁部のクランク角に対応する位置を求め、
上記噴霧の先端が上記ピストン冠面凹部の外縁部より該凹部の内側に入らないように、機関回転速度に対応して燃料噴射開始時期を設定し、
この設定された噴射開始時期に応じて前記燃料噴射弁による燃料噴射を制御することを特徴としている。
【００１１】
【発明の効果】
この発明に係る直噴型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置および方法によれば、時間の関数となる噴霧の先端位置とクランク角の関数となるピストン冠面凹部の外縁部位置との相対関係に基づいて、噴霧がピストン冠面凹部内に進入しないように燃料噴射開始時期を設定するので、主に機関高負荷時等において、燃焼室内の混合気の濃淡に起因する燃焼の悪化ならびにトルクの低下を防止できる。特に、このような最適な燃料噴射開始時期を、実験的手法によらずに設定することが可能となり、かつ機関運転条件の変化に拘わらず常に最適時期に維持することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図２は、本発明が適用される直噴型火花点火式内燃機関の機械的構成を示すもので、この内燃機関は、主にシリンダヘッド１１およびシリンダブロック１２から構成されており、かつシリンダブロック１２内に複数のシリンダ１３が形成されている。上記シリンダ１３にはピストン１４が摺動可能に嵌合しており、またシリンダ１３を覆うシリンダヘッド１１下面には、燃焼室の一部となる凹部が形成されているとともに、ここに一対の吸気ポート１５および一対の排気ポート１６が接続され、かつそれぞれを吸気弁１７および排気弁１８が開閉している。これらの４つの吸気弁１７，排気弁１８の中央つまりシリンダ１３の中心位置には、点火栓１９が配置されている。
【００１４】
またシリンダ１３の上端の吸気弁１７側の外周部には、噴射パルス信号によって開閉する電磁式燃料噴射弁２０が直接シリンダ１３内に臨んで配設されている。この燃料噴射弁２０は、先端の噴孔から該燃料噴射弁２０の中心軸線に沿って燃料を噴射するものであって、図示するように、斜め下方へ向けて傾斜した姿勢で取り付けられている。そのシリンダ水平面に対する取付角度はθｉｎｊである。
【００１５】
ピストン１４の冠面には、燃焼室の一部となる凹部２１が形成されている。この凹部２１は、ピストン１４の冠面の一方に偏った範囲、詳しくは燃料噴射弁２０側に偏った範囲に部分的に形成されており、ピストン１４の外周部付近からピストン１４中心を含むように形成されている。そして、この凹部２１の排気弁１８側の外縁部２１ａが燃料噴射弁２０の噴孔と対向するようになっている。
【００１６】
上記の燃料噴射弁２０や点火栓１９を制御する制御装置２２は、いわゆるマイクロコンピュータシステムとして、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏ等から構成ざれている。この制御装置２２には、内燃機関の吸入空気量を検出するエアフロメータ２３、機関クランク角位置を検出するクランク角センサ２４、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ２５等の機関運転状態を検出するセンサ類からの検出信号が入力されている。そして、後述するように、検出した機関運転状態に応じて燃料噴射開始時期を設定し、燃料噴射弁２０を駆動するようになっている。
【００１７】
次に、燃料噴霧をピストン１４冠面の凹部２１に進入させないように燃料噴射開始時期を設定する具体的手段について説明する。なお、基本的に、機関低負荷時には、燃料は主に圧縮行程中にピストン１４の凹部２１へ入るように噴射され、機関高負荷時には、均質な混合気を得るべく吸気行程中に噴射されるようになっている。吸気行程中に燃料噴射を行う場合には、クランク角に従って下降するピストン１４を、燃料噴射弁２０から噴射された燃料噴霧が追いかける形になる。
【００１８】
図２中に示すようにシリンダ１３の軸線方向をＹ軸、これと直交し、かつ燃料噴射弁２０を通る面に沿った方向をＸ軸とした座標軸に従って、燃料噴霧Ｆの先端の位置を（Ｘｓｐｒａｙ，Ｙｓｐｒａｙ）とし、ピストン凹部２１の噴射弁に対向する側の外縁部２１ａの位置を（Ｘｐｉｓ，Ｙｐｉｓ）とすると、燃料噴霧Ｆの先端がピストン凹部２１内に進入しない条件は、Ｙｓｐｒａｙ＞Ｙｐｉｓのとき、Ｘｓｐｒａｙ＞Ｘｐｉｓとなることである。
【００１９】
すなわち、燃料噴霧Ｆの先端がピストン１４冠面に到達したときに、噴霧Ｆの先端のＸ座標がすでにピストン凹部２１の外縁部２１ａより外側つまり排気弁１８側に位置していれば、燃料の少なくとも大部分は、ピストン凹部２１へ進入しない。
【００２０】
ここで、上記の各座標Ｘｓｐｒａｙ，Ｙｓｐｒａｙ，Ｘｐｉｓ，Ｙｐｉｓは、それぞれ以下のように計算することができる。
【００２１】
燃料噴霧の速度をＶｓｐｒａｙ、燃料が噴射開始されてからの経過時間をＴｓｐｒａｙ、燃料噴射弁２０の取付位置の座標を（Ｘｉｎｊ，Ｙｉｎｊ）、取付角度を上述のようにθｉｎｊとすると、噴霧の先端の座標（Ｘｓｐｒａｙ，Ｙｓｐｒａｙ）は、下記の式でそれぞれ示される。
【００２２】
【数１】
Ｘｓｐｒａｙ＝Ｘｉｎｊ十Ｖｓｐｒａｙ・Ｔｓｐｒａｙ・ｓｉｎ（θｉｎｊ）
【００２３】
【数２】
Ｙｓｐｒａｙ＝Ｙｉｎｊ十Ｖｓｐｒａｙ・Ｔｓｐｒａｙ・ｃｏｓ（θｉｎｊ）
また、ビストン凹部２１の燃料噴射弁２０に対向する側の外縁部２１ａの位置の座標は、ビストン１４の形状、クランク半径Ｒ、コンロッド長さＣＯＮＬおよび上死点からのクランク角度ＣＡを用いて、下記の式によりそれぞれ示される。
【００２４】
【数３】
Ｘｐｉｓ（＝ｃｏｎｓｔ．）
【００２５】
【数４】
Ｙｐｉｓ＝Ｙｐｉｓ１＋Ｙｐｉｓ２＝（Ｒ＋ＣＯＮＬ−Ｒ・ｃｏｓ（ＣＡ）−ｓｑｒｔ（ＣＯＮＬ２−（Ｒ・ｓｉｎ（ＣＡ））２））＋Ｙｐｉｓ２
ここでＹｐｉｓ１はシリンダ３上端からピストン１４上面までの距離、Ｙｐｉｓ２はピストン１４上面から外縁部２１ａ先端までの距離である。なお、ｓｑｒｔは平方根である。
【００２６】
燃料噴射を開始するクランク角度をＣＡｉｎｊとすると、ＴｓｐｒａｙとＣＡｉｎｊとの間には、次式の関係がある。
【００２７】
【数５】
Ｔｓｐｒａｙ＝（６０／Ｎｅ）・１０００・（１／３６０）・（ＣＡ‐ＣＡｉｎｊ）
ここで、Ｎｅは機関回転速度（ｒｐｍ）である。
【００２８】
以上の式より、Ｙｓｐｒａｙ＞Ｙｐｉｓのときに、Ｘｓｐｒａｙ＞Ｘｐｉｓとなる燃料噴射開始クランク角度ＣＡｉｎｊの範囲を求めることができる。この演算は、制御装置２２によって逐次行うことも可能ではあるが、機関回転速度Ｎｅ以外は予め知り得るパラメータであるため、各機関回転速度Ｎｅに対応する燃料噴射開始クランク角ＣＡｉｎｊを予め計算により求めて、制御装置２２内に記憶させておき、機関運転状態に応じてこれを引用する手法が現実的である。なお、燃料噴霧の速度Ｖｓｐｒａｙは、燃料噴射弁２０の特性と燃圧とによって定まる。
【００２９】
次に、図３および図４を用いて本発明の作用を説明する。図３は、本発明によらない燃料噴射開始時期の設定方法において発生する現象を説明するものである。吸気行程初期に燃料噴射弁２０から噴射された燃料は、ピストン１４が上死点に近い位置に存在するため、その多くがピストン１４冠面の凹部２１に進入してしまう。その後、ピストン１４の下降に伴い燃料噴霧はシリンダ１３内全体に拡散するようになるが、ピストン１４の凹部２１内に捉えられた燃料は、吸気〜圧縮行程にかけても、ほとんど拡散・混合が進まず、圧縮上死点まで凹部２１内に留まり続ける。その結果、圧縮上死点において、燃焼室内の混合気は、点火栓１９近傍がリーンでピストン凹部２１内がリッチとなった濃淡のある分布となり、これが原因で燃焼が悪化し、トルクの低下等を生じることがある。
【００３０】
これに対して、本発明によって設定された燃料噴射開始時期ＣＡｉｎｊによれば、図４に示すように、下降するピストン１４を追うように燃料が噴射されるが、燃料噴霧の先端はピストン１４の凹部２１に達することがない。仮に噴霧先端がピストン１４に追いついたとしても、噴霧中心は凹部２１よりも排気弁１８側の冠面に衝突することになり、燃料は殆ど凹部２１内に進入しない。従って、燃料噴霧はシリンダ３内全体に拡散・混合する。その結果、圧縮上死点において均質な混合気が形成され、良好な燃焼が得られる。そのためトルク低下等を生じることがない。
【００３１】
図２に示した各部の寸法等に具体的な数値を入れて、上記計算を行ってみると、Ｘｉｎｊ＝−４０（ｍｍ）、Ｙｉｎｊ＝−８（ｍｍ）、Ｘｐｉｓ＝７（ｍｍ）、Ｙｐｉｓ２＝−６（ｍｍ）、Ｖｓｐｒａｙ＝２０（ｍｍ／ｍｓ）、Ｒ＝４３（ｍｍ）、ＣＯＮＬ＝１３６（ｍｍ）、θｉｎｊ＝３３（ｄｅｇ．）、Ｎｅ＝１６００（ｒｐｍ）のときに、燃料噴霧がピストン１４冠面の凹部２１に進入しない燃料噴射開始時期ＣＡｉｎｊは、ＣＡｉｎｊ≧８０ｄｅｇ．ＡＴＤＣとなる。
【００３２】
図５は、燃料噴射開始時期（クランク角）をパラメータとする軸トルクの変化を、上記の寸法を有する実機を用いた実験によって測定した結果を示している。なお、機関回転速度は１６００ｒｐｍである。この場合、図示するように、燃料噴射開始クランク角度がおよそ８０ｄｅｇ．ＡＴＤＣ以前においてはトルクの低下が見られる。これは上述した混合気の不均一に起因するものと考えられる。これに対し、およそ８０ｄｅｇ．ＡＴＤＣ以降では、トルク低下は発生しておらず、良好な燃焼が行われている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す機能ブロック図。
【図２】本発明の一実施例の構成を示す構成説明図。
【図３】本発明によらない燃料噴射開始時期による混合気形成の状態を示す説明図。
【図４】本発明による燃料噴射開始時期による混合気形成の状態を示す説明図。
【図５】本発明の効果を示す実験結果を示した特性図。
【符号の説明】
１…運転状態検出手段
２…燃料噴射開始時期設定手段
３…燃料噴射制御手段
４…燃料噴射弁
【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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