(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮比１０以上の高圧縮比筒内噴射内燃機関において、相対的にノッキングの発生し易い運転域（以下、ノッキング発生運転域、と記す）では、燃料を前段，後段に分けて、かつ少なくとも後段の燃料をシリンダ内に直接噴射供給するとともに、前段，後段の燃料供給量，供給時期をノッキングの発生が抑制されるように、少なくとも前段の燃料が点火された後に後段の燃料が供給されるように制御し、上記ノッキング発生運転域以外の運転域では、燃料を前段，後段に分けることなく一度に供給することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項２】
請求項１において、上記後段の燃料を供給後の最高燃焼圧力が後段の燃料を供給前の最高燃焼圧力より低くなるように、前段，後段の燃料の供給量及び供給時期を制御することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記後段の燃料供給量が前段の燃料供給量よりも少なくなるように制御することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項４】
請求項３において、前段，後段の燃料供給量の割合を機関回転数に応じて変化させることを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項５】
請求項３において、後段の燃料供給量を機関回転数の上昇に伴って減少させることを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項６】
請求項３において、前段の燃料供給量を負荷が大きいほど減少させることを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項７】
請求項３において、ノッキングが検出された時、前段の燃料供給量を、機関運転状態に応じてマップより求められた基本値をノッキングの発生が抑制される側に補正したノック発生時補正量に制御することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項８】
請求項７において、前段の燃料が、前段燃焼のリーン限界の範囲内で徐々に又は一度に減量補正されることを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項９】
請求項８において、前段燃料の減量補正によりノッキングが阻止されないときには点火時期が遅角側に補正されることを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１０】
請求項３において、エンジン温度が所定温度より低いコールド運転時の後段の燃料供給量を、所定温度より高いホット運転時より減少させることを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１１】
請求項１０において、コールド運転時の点火時期をホット運転時より遅角させることを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１２】
請求項１又は２において、上記後段の燃料供給開始時期を、前段の燃料により燃焼圧力が最高となった時点以降になるように制御することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１３】
請求項１又は２において、上記後段の燃料供給開始時期を、上死点以降に制御することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１４】
請求項１又は２において、ノッキングが検出された時、上記後段の燃料供給開始時期を、機関運転状態に応じてマップより求められた基本値をノッキングの発生が抑制される側に補正したノック発生時補正時期に制御することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１５】
請求項１又は２において、上記後段の燃料供給開始時期を、機関回転速度の増加に伴い進角させることを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１６】
請求項１５において、上記後段の燃料供給開始時期を、吸入空気量の増加に伴い遅角させることを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１７】
請求項１又は２，１２〜１６の何れかにおいて、上記前段の燃料供給開始時期を、排気弁と吸気弁とのオーバーラップ時より遅角させたことを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１８】
請求項１ないし１７の何れかにおいて、上記前段，後段の燃料供給量を理論空燃比を目標値として制御することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項１９】
請求項１ないし１８の何れかにおいて、上記燃料供給量をフィードバック制御により制御することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項２０】
請求項１ないし１８の何れかにおいて、上記燃料供給量をオープン制御により制御することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項２１】
請求項１ないし１６の何れかにおいて、排気圧力を利用した過給機を備え、上記燃料の一部を排気系に吹き抜けるように排気弁閉タイミング以前に供給することを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項２２】
請求項１ないし２１の何れかにおいて、ピストンの頂面に、上死点付近で噴射供給された上記後段の燃料を拡散させる拡散案内面を形成したことを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【請求項２３】
請求項１ないし２２の何れかにおいて、シリンダブロックとシリンダヘッドとを一体形成し、上記シリンダブロック部分に形成されたシリンダボアと上記シリンダヘッド部分に形成された燃焼凹部との境界部に噴射開口を形成し、該噴射開口に燃料噴射弁のノズルを位置させたことを特徴とする高圧縮比筒内噴射内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料（ガソリン）をシリンダ内に直接噴射するようにした圧縮比１０以上の高圧縮比筒内噴射内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料（ガソリン）をシリンダ内に直接噴射供給するようにした筒内噴射エンジンが提案されている。このような筒内噴射エンジンとして、例えば、特公平７−５９９１０号公報に記載されているように、エンジン運転状態に応じて求められた量の燃料をエンジンに供給する第１燃料噴射弁と、吸気行程終了付近にてシリンダ内に吸入されたシリンダ内空気量から求められた燃料量に対する不足分をシリンダ内に直接噴射供給する第２燃料噴射弁とを備えたものが提案されている。上記従来公報では、各気筒に対して常に最適な空燃比の混合気を供給することができるとされている。
【０００３】
また日本機械学会論文集５９巻５５７号３０４頁〜３０９頁には、燃料を１つの燃料噴射弁から２回に分けて噴射するとともに、１回目の噴射ではシリンダ内に希薄でほぼ均一な混合気を形成し、２回目の噴射で確実に点火プラグの近傍に点火可能な混合気を形成して成層化をはかり、希薄混合気燃焼を安定したものとする二段噴射式燃焼制御方法が開示されている。
【０００４】
上記論文集には、１回目の噴射時期は吸入行程の初め（上死点前３３０°）とし、２回目の噴射時期は上死点前３４°前後とすることが適切であり、また点火時期は２回目の噴射終了直後が良好である旨が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところでエンジン出力を増大させるには、圧縮比を高めることが有効であることが知られているが、圧縮比を高めるとノッキングが発生し易くなるとともに、燃焼温度が高くなり、窒素酸化物の発生量が増大する等の問題が生じる。
【０００６】
上記公報記載の筒内噴射エンジンの場合、燃料供給量を、まずエンジン運転状態に応じて求め、それをシリンダ内に実際に吸入された空気量に応じて補正するようにしているので、最適な空燃比を実現できるものの、高圧縮比とすることによる出力向上，及び高圧縮比とした場合の耐ノッキング性の改善に関しては何ら開示されていない。
【０００７】
また上記論文集の場合、あくまでも希薄混合気燃焼を安定したものとするためのものであり、窒素酸化物，一酸化炭素，及び炭化水素の排出量を減少することにより排気ガスを浄化するのが主目的であり、これも高圧縮比とすることによる出力向上，及び高圧縮比とした場合の耐ノッキング性の改善に関しては何ら開示されていない。また希薄混合気燃焼であるから、三元触媒の作用は期待できない。
【０００８】
本発明は、上記従来の状況に鑑みてなされたもので、理論空燃比燃焼を行い、かつ高圧縮比にしながら耐ノッキング性を改善できる筒内噴射内燃機関を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記公報あるいは論文集に記載されたものは、燃料を２段回に分けて噴射供給するものの、点火は後段の燃料噴射後に行われるから、燃焼自体は一段階で行われる。従って、高圧縮比にし、かつ目標空燃比を理論空燃比に設定すれば高負荷域でのノッキングの発生は避けられない。
【００１０】
本発明の基本的概念は、燃料を前段，後段に分けて供給するとともに、前段の燃料に点火した後に後段の燃料を供給する点にあり、換言すれば前段の燃料が燃焼開始した後に、後段の燃料を供給して燃焼させ、後段の燃料の燃焼を前段の燃料の燃焼に上乗せする点にある。これにより前段の燃料の燃焼開始時には、該燃料に対して空気が過剰であることから空燃比はリーン状態となっており、高圧縮比であってもノッキングの発生が抑制され、また燃焼温度が低いから窒素酸化物の発生が抑制される。そして後段の燃料により全体としての空燃比を理論空燃比とすることから、出力向上と三元触媒による排気ガスの浄化が達成される。
【００１１】
請求項１の発明は、圧縮比１０以上の高圧縮比筒内噴射内燃機関において、他の運転域に比較して相対的にノッキングの発生し易い運転域（ノッキング発生運転域）では、燃料を前段，後段に分けて、かつ少なくとも後段の燃料をシリンダ内に直接噴射供給するとともに、前段，後段の燃料供給量，供給時期をノッキングの発生が抑制されるように、少なくとも前段の燃料が点火された後に後段の燃料が供給されるように制御し、上記ノッキング発生運転域以外の運転域では、燃料を前段，後段に分けることなく一度に供給することを特徴としている。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１において、上記後段の燃料を供給後の最高燃焼圧力が後段の燃料を供給前の最高燃焼圧力より低くなるように、前段，後段の燃料の供給量及び供給時期を制御することを特徴としている。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１又は２において、上記後段の燃料供給量を前段の燃料供給量よりも少なくなるよう制御することを特徴としている。
【００１４】
請求項３において、請求項４の発明は、前段，後段の燃料供給量の割合を、機関回転数に応じて変化させることを特徴とし、請求項５の発明は、後段の燃料供給量を機関回転数の上昇に伴って減少させることを特徴とし、請求項６の発明は、前段の燃料供給量を、負荷が大きいほど減少させることを特徴としている。
【００１５】
また請求項３において、請求項７の発明は、ノッキングが検出された時、前段の燃料供給量を、機関運転状態に応じてマップより求められた基本値をノッキングの発生が抑制される側に補正したノック発生時補正量に制御し、請求項８の発明は、リーン限界の範囲内で前段の燃料を減量し、請求項９の発明ではさらに点火時期を遅角することを特徴としている。
【００１６】
請求項１０の発明は、コールド運転時の後段の燃料供給量をホット運転時より減少させることを特徴とし、請求項１１の発明は、請求項１０において、コールド運転時の点火時期をホット運転時より遅角させることを特徴としている。
【００１７】
また請求項１又は２において、請求項１２の発明は、上記後段の燃料供給開始時期を、前段の燃料による燃焼圧力が最高となった時点以降になるよう制御することを特徴とし、請求項１３の発明は、上記後段の燃料供給開始時期を、上死点以降に制御することを特徴とし、請求項１４の発明は、ノッキングが検出された時、上記後段の燃料供給開始時期を、機関運転状態に応じてマップより求められた基本値をノッキングの発生が抑制される側に補正したノック発生時補正時期に制御することを特徴とし、請求項１５の発明は、上記後段の燃料供給開始時期を、機関回転速度の増加に伴い進角させることを特徴とし、請求項１６の発明は、上記後段の燃料供給開始時期を、吸入空気量の増加に伴い遅角させることを特徴としている。
【００１８】
さらにまた請求項１７の発明は、請求項１又は２，１２〜１６の何れかにおいて、上記前段の燃料供給開始時期を、排気弁と吸気弁とのオーバーラップ時より遅角させたことを特徴としている。
【００１９】
また請求項１８の発明は、請求項１ないし１７の何れかにおいて、上記前段，後段の燃料供給量を理論空燃比を目標値として制御することを特徴とし、請求項１９の発明は、上記燃料供給量をフィードバック制御により制御することを、請求項２０の発明は、上記燃料供給量をオープン制御により制御することをそれぞれ特徴としている。
【００２０】
請求項２１の発明は、請求項１ないし１６の何れかにおいて、排気圧力を利用した過給機を備え、上記燃料の一部を排気系に吹き抜けるように排気弁閉タイミング以前に供給することを特徴としている。
【００２１】
請求項２２の発明は、請求項１ないし２１の何れかにおいて、ピストンの頂面に、上死点付近で噴射供給された上記後段の燃料を拡散させる拡散案内面を形成したことを特徴としている。
【００２２】
請求項２３の発明は、請求項１ないし２２の何れかにおいて、シリンダブロックとシリンダヘッドとを一体形成し、上記シリンダブロック部分に形成されたシリンダボアと上記シリンダヘッド部分に形成された燃焼凹部との境界部に噴射開口を形成し、該噴射開口に燃料噴射弁のノズルを位置させたことを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１〜図１６は本発明の一実施形態による高圧縮比筒内噴射エンジンを説明するための図であり、図１は該エンジンの構成図、図２は吸気，排気弁開口を通る平面で断面した断面正面図、図３は気筒軸線を含む平面で断面した断面正面図、図４はピストンを示す図、図５はノッキング発生運転域を示す特性図、図６は前段，後段の燃料割合とエンジン回転数，負荷（吸気負圧）との関係をしめすマップ図、図７はバルブタイミング，前，後段燃料噴射可能範囲を示す特性図、図８は前，後段燃料噴射可能範囲，筒内圧力曲線を示す特性図、図９〜１１は燃料噴射時期を示す特性図、図１２は筒内圧力（燃焼圧力）を示す特性図、図１３はＰ：Ｖ線図、図１４〜１６はフローチャート図である。
【００２４】
図１〜４において、１は水冷式４サイクル直列４気筒筒内噴射エンジンであり、該エンジン１は以下の概略構造を有している。エンジンブロック２は、シリンダブロック部３とシリンダヘッド部４とを一体鋳造したいわゆるモノブロックとなており、シリンダヘッド部４に形成されたカム室ａの開口合面にはヘッドカバー２０が装着されている。上記シリンダブロック部３内に並列に形成された４つのシリンダボア３ａ内にはピストン５が摺動自在に挿入され、該各ピストン５はコンロッド６でクランク軸（図示せず）のクランクピン６ａに連結されている。
【００２５】
また上記シリンダヘッド部４内には上記シリンダボア３ａ，及びピストン５の頂面とで燃焼室を形成する燃焼凹部４ｂが凹設されている。ここで本エンジン１の圧縮比（ピストン下死点時のシリンダ内容積／ピストン上死点時のシリンダ内容積）は、１１以上、好ましくは１３，１４程度に設定されている。
【００２６】
上記燃焼凹部４ｂには吸気弁開口４ｃ，排気弁開口４ｄがそれぞれ２個ずつ開口しており、また気筒軸中心部分に点火プラグ２４が螺挿されており、該点火プラグ２４の電極２４ａは上記４つの弁開口の中心部にて燃焼室内に突出している。
【００２７】
上記吸気弁開口４ｃ，４ｃは共通の吸気ポート４ｅによりエンジンブロック後壁２ａに導出されており、該吸気ポート４ｅの外部接続開口には吸気マニホールド７が接続されている。この吸気マニホールド７は、各気筒の吸気ポート４ｅに連通する枝管部７ａと、吸気弁開口からの圧力波が開放される容積を有し、横断面矩形状でクランク軸方向に延びるサージタンク７ｂとを有しており、枝管部７ａはサージタンク７ｂの底面に連通接続されている。そして上記サージタンク７ａの軸方向一端にはスロットル弁８を有する吸気管９が接続されており、該吸気管９の上流端にはエアクリーナ１０が接続されている。
【００２８】
上記吸気マニホールド７の各枝管部７ａ内のシリンダヘッド接続部付近には、タンブル（気筒軸方向に形成される縦渦）を発生せるためのタンブル弁１１が装着されている。該タンブル弁１１は、４つの枝管部７ａ内をその軸心を横切って貫通するように１本の弁軸１１ａを挿通配置し、該弁軸１１ａに４つの弁板１１ｂの上流側端縁を固定してなるものである。
【００２９】
上記タンブル弁１１は、吸入空気量が相対的に少ない運転域において、弁板１１ｂが枝管部７ａの底壁側半分を閉じる全閉位置に回動される。このようにすると、吸気は、吸気ポート４ｅの天壁側に偏って流れ、吸気弁開口４ｃの気筒軸中心側寄りを通って気筒軸方向に方向付けされてシリンダボア内に導入され、さらにシリンダボア内面の排気側部分に沿って軸方向に流れ、ピストン頂面で反転する。このようにして吸入空気量が少ない運転域においてもタンブルが発生し（図２の破線の矢印参照）、希薄混合気の場合にも燃焼を安定化できる。
【００３０】
上記排気弁開口４ｄ，４ｄは共通の排気ポート４ｆによりエンジンブロック前壁２ｂに導出されており、該排気ポート４ｅの外部接続開口には排気マニホールド１２が接続されている。この排気マニホールド１２の各枝管部１２ａが合流する集合部１２ｂには排気ガスを浄化するための触媒ユニット１３を介して排気管１４が接続されている。なお、２３ｆは触媒部分の温度を検出する温度センサであり、該センサの検出温度が異常高温になる触媒保護処置が採られる。
【００３１】
また上記排気系と吸気系とは、排気ガスを吸気側に循環させるＥＧＲ機構１５で接続されている。このＥＧＲ機構１５は、上記排気マニホールド１２の１つの枝管部１２ａと上記吸気管９のスロットル弁下流側部分とをＥＧＲ通路１６で連通接続し、該通路１６の途中にダイヤフラム式流量制御弁１７を介設した構造となっている。該ＥＧＲ機構１５は、部分負荷といった運転域で作動され、これにより燃焼温度を低下させて窒素酸化物の発生を減少する。なお、ＥＧＲガスの供給については、排気マニホールドから還流させる外部ＥＧＲだけでなく、バルブ開閉時期可変機構により、吸排気弁のオーバーラップ量を大きくすることによる内部ＥＧＲも採用可能である。
【００３２】
また、上記吸気弁開口４ｃ，排気弁開口４ｄは、吸気弁１８，排気弁１９により開閉され、該吸気弁１８，排気弁１９は、上記シリンダヘッド部４のカム室ａ内に配設された吸気カム軸２１，排気カム軸２２により開閉駆動される。
【００３３】
そして上記エンジンブロック２の後壁部２ａには、各気筒毎に１つの燃料噴射弁２５が各吸気ポート４ｅと上下に重なり、かつカム軸方向に見ると吸気ポート軸線と略平行になるように配設されている。この燃料噴射弁２５は、後述するように、前段の燃料及び後段の燃料を噴射供給するものであるが、後段燃料の噴射時期は前段燃料による燃焼圧力が最大となる付近であるので、例えば１００ｋｇ／ｃｍ２  程度の噴射圧力のものが採用される。
【００３４】
上記燃料噴射弁２５と吸気ポート４ｅとの間には水冷ジャケット４ｆが形成されており、これにより該燃料噴射弁２５の過熱を防止している。また上記燃料噴射弁２５の噴射ノズル２５ａは、シリンダブロック部３とシリンダヘッド部４との境界部にて燃焼室内に開口するよう形成された噴射口２ｃ内に挿入されて、上死点に位置するピストン５の頂面コーナ部ｃに対向している。
【００３５】
ここで上記燃料噴射弁２５が吸気ポート４ｅ側に設けられているので、図２に破線で示すように、特にピストンが下降した状態で噴射される前段の燃料は吸入空気のタンブル流に対して狭角で供給されることとなり、これにより燃料がタンブル流に乗って流れ、シリンダボア内周面への燃料の付着が回避され、燃料のボア内周面付着によるＨＣの増加を防止できる。
【００３６】
上記ピストン５の頂面には、カム軸方向に延びる嶺線５ａを挟んで吸気側，排気側に向かって低くなるよう傾斜する吸気側傾斜平坦面５ｂと排気側傾斜平坦面５ｃとが形成されている。なお、５ｄ，５ｅは、ピストン５が上死点近くに上昇した際に、燃焼室周縁部の空気を燃焼室中心側に押し出す作用を果たす吸気側，排気側スキッシュ部であり、これは気筒軸と直角の平坦面になっている。また上記吸気側，排気側傾斜平坦面５ｂ，５ｃには、吸気弁１８，排気弁１９との干渉を回避する円形のリセス凹部５ｆ，５ｇがそれぞれ２組ずつ吸気弁１８，排気弁１９と対向するように凹設されている。
【００３７】
さらにまた上記吸気側傾斜平坦面５ｂの、上記リセス凹部５ｆ，５ｆ間には、後述する後段で噴射された燃料を拡散させるための拡散案内凹部５ｈが形成されている。この拡散案内凹部５ｈは吸気側スキッシュ部５ｄから気筒中心側に延び、該気筒中心側で分岐され、かつ吸気側リセス凹部５ｆより僅かに浅くなっている。本実施形態エンジンでは、燃料の一部が後段燃料として、上記燃料噴射弁２５から、ピストン５が圧縮上死点近傍に位置する期間において噴射される。そしてこの後段燃料は上記拡散案内凹部５ｈに当たるとともに、円形に形成されたリセス凹部５ｆに沿って回転しながら外方に拡散し、これにより短時間で均一混合気となり、良好な燃焼が行われる。
【００３８】
なお、上記燃料噴射弁２５の取付角度は、図３に二点鎖線で示す範囲θ内で自由に設定可能であり、この角度範囲内で燃料噴射弁２５を装着した場合には、後段燃料がピストン５の頂面の拡散案内凹部５ｈによって確実に拡散され、吸気との混合が均一になる。
【００３９】
２６はエンジンの運転状態を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）であり、該ユニット２６には、エンジンの運転状態を表すパラメータとして、回転数センサからのエンジン回転数信号ａ，スロットルセンサ２３ａからのスロットル開度信号ｂ，負圧センサ２３ｂからの吸気負圧信号ｃ，ノックセンサ２３ｃからのノック検出信号ｄ，Ｏ２  センサ２３ｄからの空燃比信号ｅ，温度センサ２３ｅからのエンジン温度信号ｆが入力され、該コントロールユニット２６はこれらの信号に基づいて以下の要領でエンジンの運転制御を行う。
【００４０】
本実施形態エンジンでは、エンジンの運転域を、他の運転域に比較して相対的にノッキングの発生し易い運転域（ノッキング発生運転域）とそれ以外の運転域に分け、それぞれの運転域に応じた最適のエンジン運転制御が行われる。
【００４１】
上記ノッキング発生運転域とは、図５に斜線で示した運転域であり、概ねエンジン回転数とスロットル開度（発生トルク）によって表され、図中、カーブＡはスロットル全開ライン（最大トルクライン）であり、カーブＢは前段で全燃料を噴射した場合のノッキングの発生開始ラインである。同図から判るように、ノッキング発生運転域に含まれるスロットル開度範囲（トルク範囲）は、エンジン回転数が低いほど広く、エンジン回転数が高いほど狭くなっている。
【００４２】
上記上記ノッキング発生運転域では、燃料は前段，後段に分けてシリンダ内に直接噴射供給され、かつ前段，後段の燃料供給量，供給時期はノッキングの発生が抑制されるように制御される。この場合、前段の燃料に点火した後に後段の燃料が供給され、これにより二段燃焼が行われる。一方、上記ノッキング発生運転域以外の運転域では、燃料は上記前段，後段に分けることなく、概ね前段側にて一度に供給され、従来と同様に一段燃焼が行われる。
【００４３】
ここで空燃比制御については、エンジン温度が暖機完了温度より低い状態でのコールド（冷間）始動時，及びアイドル運転時以外の通常の運転域では、理論空燃比（λ＝１）を目標値として上記前段，後段の合計燃料供給量が制御される。この場合に、上記合計燃料供給量を、Ｏ２  センサ２３ｄからの空燃比信号ｅがλ＝１となるようにフィードバック制御する方法と、吸入空気量に基づいてλ＝１となるように演算された燃料量となるようにオープン制御する方法の何れも採用可能である。
【００４４】
また上記空燃比は、コールド始動時及びアイドル回転又は低負荷運転域においては、理論空燃比より希薄のリーン状態に制御される。なお、暖機完了温度より高い状態でのホット始動時においては、理論空燃比に制御される。
【００４５】
上記ノッキング発生運転域において、前段，後段の燃料供給量，供給時期をノッキングの発生が抑制されるように制御する方法として、上記後段の燃料を供給後の最高燃焼圧力が後段の燃料を供給前の最高燃焼圧力より低くなるように、前段，後段の燃料の供給量及び供給時期を制御する方法が採用されている。
【００４６】
上記ノッキングの発生を抑制するための燃料供給量の制御方法として、より具体的には、▲１▼上記後段の燃料供給量を前段の燃料供給量よりも少なくなるよう制御する方法、▲２▼前段，後段の燃料供給量の割合を、機関回転数に応じて変化させ、例えば後段の燃料供給量を機関回転数の上昇に伴って減少させる方法、▲３▼前段の燃料供給量を、負荷が大きいほど減少させる方法が採用される。
【００４７】
そして、前段の燃料供給量が、エンジン運転状態に応じてマップより求めた基本値となるように制御されている場合に、ノッキングが検出されると、上記前段の燃料供給量は、上記基本値をノッキングの発生が抑制される側に、具体的には減量側に補正したノック発生時補正量に制御される。
【００４８】
また上記コールド運転時の後段の燃料供給量をホット運転時より減少させるとともに、コールド運転時の点火時期をホット運転時より遅角させる制御が行われる。これによりノッキングの発生が抑制される。なお、コールド運転時は空燃比が濃いので火炎伝播速度が速く、点火時期の遅角が可能である。
【００４９】
また上記ノッキングの発生を抑制するための燃料供給時期の制御方法として、上記後段の燃料供給開始時期を、前段の燃料による燃焼圧力が最高となった時点以降になるように、より具体的には上記後段の燃料供給開始時期を、例えば上死点以降に制御する方法が採用される。ここで、前段の燃焼圧力が最高となった時点以降に後段の燃料供給を開始するとは、当然ながら、前段燃料が点火プラグにより点火された後に後段の燃料を供給するものである。
【００５０】
また上記後段の燃料供給開始時期が、エンジン運転状態に応じてマップより求められた基本値に制御されている場合に、ノッキングが検出されると、後段の燃料供給開始時期はノッキングの発生が抑制される側、具体的には遅角側に補正したノック発生時補正時期に制御される。
【００５１】
さらにまた、上記後段の燃料供給開始時期を、機関回転速度の増加に伴い進角させる一方、吸入空気量の増加に伴い遅角させる制御が行われる。これによりノッキングの発生が抑制される。
【００５２】
また上記前段の燃料の供給開始時期については、排気弁と吸気弁とのオーバーラップ時より遅角させる制御が行われる。
【００５３】
次に上記ＥＣＵ２６による燃料噴射量，噴射時期等の燃焼制御動作を主として図１４〜１６のフローチャートに沿うとともに他の図面を参照しながら説明する。プログラムがスタートすると、エンジン運転状態を表す各種信号、例えばエンジン回転数，スロットル開度，吸入空気量（吸気負圧），酸素濃度（空燃比），エンジン温度，及びノック検出信号等が読み込まれる（ステップＳ１）。
【００５４】
上記検出空燃比が目標空燃比（通常の運転域では理論空燃比  λ＝１）となるように合計燃料噴射量Ｑｔが演算されるとともに、エンジン回転数，スロットル開度等に応じた最適の点火時期が演算される（ステップＳ２，Ｓ３）。
【００５５】
そして上記エンジン回転数，スロットル開度から、図５に基づいてノッキング発生運転域か否かが判断され（ステップＳ４）、ノッキング発生運転域と判断された場合は、前段噴射量Ｑ１，後段噴射量Ｑ２が、エンジン運転状態に応じた割合となるように設定され（ステップＳ５）、続いて前段噴射開始時期ｔ１，後段噴射開始時期ｔ２が設定される（ステップＳ６）。なお、上記点火時期，噴射開始時期等はクランク角度で設定される。
【００５６】
ここで上記前段，後段噴射量Ｑ１，Ｑ２の割合は図６に示すように、エンジン回転数−負荷をパラメータとするマップに基づいて設定され、例えば２０００ｒｐｍ，スロットル全開（最大負荷）ではＱ１  ＝７０％，Ｑ２＝３０％に設定され、エンジン回転数が高くなるほど後段噴射量Ｑ２の割合が減少される。
【００５７】
またエンジン温度が所定の暖機完了温度より低い場合（コールド運転時）は高い場合（ホット運転時）に比較して後段の燃料噴射量の割合が減少され、さらにコールド運転時はホット運転時に比較して点火時期が遅角される。これによりホット運転時よりもノッキングが発生し易いコールド運転時においてもノッキングを抑制できる。
【００５８】
ここで上記前段噴射開始時期ｔ１の採用可能範囲は、吸気弁開後でかつ排気弁閉前の範囲であり、例えば排気行程上死点後３０°から圧縮上死点前４５°の範囲（図７（ｂ）参照）である。また後段噴射開始時期ｔ２の採用可能範囲は、例えば点火直後から圧縮上死点後２５°の範囲である（図７（ｃ）参照）。これらの前段，後段燃料噴射開始可能範囲は、クランク角度を展開して示せば図８の通りである。
【００５９】
上記後段噴射開始時期はさらに、▲１▼前段の燃料の最高燃焼圧発生以降、例えば圧縮（爆発）上死点後１５°以降とし、▲２▼エンジン回転数が高くなるほど上死点側に近づけ、▲３▼同一エンジン回転数であっても吸入空気量が多いほど遅らせる等の観点から設定される。
【００６０】
図９，１０は前段，後段燃料噴射開始時期の具体例である。図９は、前段の燃料の噴射開始時期を吸気弁，排気弁が同時に開いているオーバーラップより後、つまり排気弁が閉じてから所定クランク角度ｔｄ１経過後とする場合を示しており、この場合、燃料の吹き抜けを防止できるとともに、前段燃料の霧化時間が十分に得られ、混合気の均一化がより促進される。
【００６１】
図１０は、前段の燃料の噴射開始時期を圧縮行程開始後、つまり吸気下死点後所定クランク角度ｔｄ３経過後とする場合を示しており、このように噴射開始時期を設定することにより、燃料と空気とを成層化することができる。なお、図９，１０の何れにおいても、後段燃料の噴射開始時期は、圧縮（爆発）上死点後、所定クランク角度ｔｄ２経過後になっている。
【００６２】
そして上記ノック検出信号に基づいてノッキングが発生したか否かが判断され（ステップＳ７）、ノッキングが発生したと判断された場合は、前段噴射量Ｑ１をΔＱだけ減量することにより補正前段噴射量Ｑ１′が、及び後段噴射量Ｑ２をΔＱだけ増量することにより補正後段噴射量Ｑ２′がそれぞれ演算されるとともに、後段噴射開始時期ｔ２をΔｔだけ遅角することにより補正後段噴射開始時期ｔ２′が演算される（ステップＳ８，Ｓ９）。
【００６３】
上記前段噴射量Ｑ１の減量により、前段燃焼における空燃比がよりリーン側に補正され、燃焼圧力，燃焼温度の低下によりノッキングが抑制される。またこの場合、前段燃料の減量と同じだけ後段燃料が増量されるので、全体としては理論空燃比が維持され、出力が確保されるとともに三元触媒の作用に支障は生じない。
【００６４】
そして上記補正前段噴射量Ｑ１′を実現するための前段噴射時間（長さ）Ｌ１が、前段噴射開始時期ｔ１を参照して、また上記補正後段噴射量Ｑ２′を実現するための後段噴射時間（長さ）Ｌ２が補正後段噴射開始時期ｔ２′を参照してそれぞれ設定される（ステップＳ１０）。ここで噴射開始時期ｔ１，ｔ２′を参照するのは、この噴射時期によって筒内圧が異なるが、該筒内圧は所要の噴射量を確保するための噴射時間に大きく影響を与えるからである。例えば同じ噴射量であれば前段の方が筒内圧が低い分だけ噴射時間が短くて済む。なお、この場合、採用している燃料噴射弁の、筒内圧力と噴射量と関係を予め実験等によって求めておく必要がある。
【００６５】
また、上記噴射開始時期を参照する方法では、上記噴射開始時期と筒内圧力との関連マップを備えることとなるが、より好ましくは、筒内圧センサを備え、筒内圧力を検出するようにすれば良く、このようにした場合は燃料噴射量をより精度よく管理できる。
【００６６】
そして前段噴射開始時期ｔ１になると（ステップＳ１１）、前段燃料噴射が開始され、前段噴射時間Ｌ１が経過すると前段燃料噴射が終了し（ステップＳ１２〜Ｓ１４）、点火時期になると点火が行われる（ステップＳ１５，１６）。続いて補正後段噴射開始時期ｔ２′になると（ステップＳ１７）、後段の燃料噴射が開始され、後段噴射時間Ｌ２が経過すると後段の燃料噴射が終了し（ステップＳ１８〜２０）、ステップＳ１に戻って上記動作が繰り返される。
【００６７】
上記ステップＳ７において、ノッキングが発生しなかった場合には、前段，後段噴射量Ｑ１，Ｑ２の減量，増量を行ったり、後段燃料噴射開始時期ｔ２の遅角を行ったりする必要はなく、Ｑ１，ｔ１に基づいて前段噴射時間Ｌ１が、またＱ２，ｔ２に基づいて後段噴射時間Ｌ２がそれぞれ求められ（ステップＳ２８）、続いてステップＳ１１以降の処理が行われる。
【００６８】
なお、上記ステップＳ４においてノッキング発生運転域でないと判断された場合には、上記合計燃料の噴射開始時期及び上記合計燃料を前，後段に分けることなく一度で確保するための噴射時間が演算される（ステップＳ２１）。この場合の噴射開始時期は、吸気行程から圧縮行程の間に設定される。特にＥＧＲガスの導入が行われる運転域又はリーン設定において均一予混合燃焼を狙う場合には上記噴射開始時期は圧縮行程にかかる以前に設定され、また層状燃焼を狙う場合には圧縮行程の途中に設定される。さらにまたホット運転時の噴射時期はコールド運転時より遅角される。これにより成層化が促進され、ＥＧＲ率の限界値，Ａ／Ｆのリーン限界値等安定燃焼の限界を拡大することができる。
【００６９】
上記噴射開始時期に達すると（ステップＳ２２）、上記合計燃料が噴射開始され、上記噴射時間が経過すると噴射が終了し（ステップＳ２３〜２５）、また上記点火時期に達すると点火が行われ（ステップＳ２６，２７）、ステップＳ１戻って上記動作が繰り返される。
【００７０】
図１２は筒内圧力（燃焼圧力）のクランク角に対応した特性を示しており、上死点前の所定点火時期において点火されると、前段燃料の燃焼により燃焼圧力は図中実線で示すようにＰｍａｘ  まで上昇した後下降するが、該Ｐｍａｘ  の直後に後段燃料が噴射され、該後段燃料が燃焼する。図中、破線は前段，後段に分けることなく燃料を供給した場合，及び上述の公報，論文集記載の従来技術のように、燃料を前，後段に分けて供給し、かつ両方の燃料とも点火の前に供給した場合の燃焼圧力を示しており、この場合の最高圧力Ｐｍａｘ  ′は本実施形態の最高圧力Ｐｍａｘ  よりΔＰだけ高くなっている。このことから本実施形態では最高圧力が低くなっている分だけノッキングが発生し難くなっていることが判る。
【００７１】
一方、図１２及び図１３のＰ−Ｖ線図に示すように、後段燃料による仕事量Ｗ２が前段燃料による仕事量Ｗ１に上乗せされており、上記最高圧力が低くなったことによる仕事量の減少分を補償していることが判る。
【００７２】
このように本実施形態では、ノッキング発生運転域では、燃料を前段，後段に分けて、かつ前段の燃料が点火された後に後段の燃料を供給開始したので、燃焼が二段階で行われ、全燃料を一段階で燃焼させるようにした場合に比較して、燃焼圧力が低くなり、ノッキングの発生を抑制でき、そのため高圧縮比とすることができ、その結果、燃焼状態が良好となり、出力の向上，燃費の低減を図ることができる。また、未燃焼ガス排出量を低減でき、触媒部分での反応ガス量が少なく、触媒の異常温度上昇を防止でき、さらに高圧縮比により、排気ガス温度を低減でき、これらの点から触媒の耐久性を向上できる。
【００７３】
また本実施形態では、二段燃焼を行い、前段をリーン燃焼としながら全体としては理論空燃比で運転するので、全体をリーン燃焼する場合に比較して出力向上が容易であり、また三元触媒による排気浄化作用が確実に行われる。
【００７４】
図１１は、請求項１８の発明の一実施形態を説明するための図であり、これは排気系に排気ガス圧力を利用した過給機を備えた高圧縮比筒内噴射エンジンにおける前段，後段燃料供給制御の具体例を示す。この例では、前段の燃料の噴射開始時期は、吸気弁及び排気弁の両方が開いているオーバーラップ時に設定されている。これにより、上記前段燃料の一部が排気系に吹き抜けることとなる。
【００７５】
上記排気系に流出した燃料は、排気管の中で燃焼し、過給機に高い排気ガス圧力を作用させることとなり、これにより過給機の回転力が高まり、過給圧が上昇し、吸気量が増加して出力が増大する。なお、この場合においても、後段燃料は前段燃料が点火された後に供給開始される。
【００７６】
なお、上記実施形態では、ピストン５の頂面が嶺線５ａを有する山型の場合を説明したが、本発明のピストンは、図１７に示すように頂面が平坦になっているものでも構わない。図１７の例では、ピストン５の頂面に形成された弁との干渉を避けるためのリセス凹部５ｆ′，５ｇ′は半円状となっている。また後段燃料の拡散させるための拡散案内凹部５ｈ′は平坦面に沿って形成されており、平面視形状は図４の場合と同様になっている。
【００７７】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、ノッキング発生運転域では、燃料を前段，後段に分けてシリンダ内に直接噴射供給するとともに、前段，後段の燃料供給量，供給時期をノッキングの発生が抑制されるように、少なくとも前段の燃料が点火された後に後段の燃料が供給されるように制御したので、最高燃焼圧力が、燃料を一度に供給した場合，及び前，後の燃料とも点火の前に供給した場合に比較して、最高燃焼圧力が低くなり、それだけノッキングの発生を抑制でき、またそのため圧縮比を高めることができ、結果的に熱効率の向上，未燃焼ガス排出量の低減，高負荷域での排気ガス温度の抑制，及び高負荷域での窒素酸化物排出量の低減を図ることができる効果がある。
【００７８】
請求項２の発明によれば、上記後段の燃料を供給後の最高燃焼圧力が後段の燃料を供給前の最高燃焼圧力より低くなるように、前段，後段の燃料の供給量及び供給時期を制御したので、上記最高圧力の低下を実現できる。
【００７９】
請求項３の発明によれば、上記後段の燃料供給量を前段の燃料供給量よりも少なくなるよう制御したので、安定した着火性を確保して上記最高燃焼圧力の低下を図りながら出力の向上，燃費の向上を図ることができる。
【００８０】
請求項４の発明では、前段，後段の燃料供給量の割合を、機関回転数に応じて変化させたので、請求項５の発明では、後段の燃料供給量を機関回転数の上昇に伴って減少させたので、請求項６の発明では、前段の燃料供給量を、負荷が大きいほど減少させたので、前段燃料と後段燃料との割合を機関運転状態により則したものとすることができる。
【００８１】
また請求項７の発明では、ノッキングが検出された時、前段の燃料供給量をノッキングの発生が抑制される側に、例えば請求項８の発明のように前段燃料を減量し、さらに請求項９の発明のように点火時期を遅角したので、より一層確実にノッキングの発生を抑制できる。
【００８２】
また請求項１０の発明では、冷機運転時の後段の燃料供給量を暖機後運転時より減少させたので、さらにまた請求項１１の発明では、冷機運転時の点火時期を暖機後運転時より遅角させたので、冷機運転時でのノッキングが発生しにくくなり、燃比，出力の向上を図ることができる。
【００８３】
また請求項１２の発明では、後段燃料の供給開始時期を、前段の燃料による燃焼圧力が最高となった時点以降になるよう制御したので、請求項１３の発明では、後段燃料の供給開始時期を、上死点以降に制御したので、最高燃焼圧力を前，後に分割することなく供給した場合，及び両方とも点火前に供給した場合に比較して、最高燃焼圧力を低くすることができ、ノッキングの発生を抑制できる。
【００８４】
さらにまた請求項１４の発明では、ノッキングが検出された時、上記後段燃料の供給開始時期をノッキングの発生が抑制される側、即ち遅角側に補正したので、ノッキングの発生を抑制できる。
【００８５】
請求項１５の発明では、上記後段燃料の供給開始時期を、機関回転速度の増加に伴い進角させたので、また請求項１６の発明は、上記後段燃料の供給開始時期を吸入空気量の増加に伴い遅角させたので、ノッキングの発生を抑制できる。
【００８６】
さらにまた請求項１７の発明では、前段燃料の供給開始時期を、排気弁と吸気弁とのオーバーラップ時より遅角させたので、燃料の吹き抜けを回避しながら前段燃料の均一拡散を図ることができる。
【００８７】
また請求項１８の発明では、上記前段，後段の燃料供給量をλ＝１を目標値とするとともに、請求項１９の発明ではフィードバック制御を行い、請求項２０の発明ではオープン制御を行ったので、前段でリーン燃焼行いながら全体としては理論空燃比となり、三元触媒の機能を十分に発揮させることができる。
【００８８】
請求項２１の発明では、筒内噴射を行うとともに、排気ガス過給機を備えた場合に、上記燃料の一部を排気系に吹き抜けるように排気弁閉タイミング以前に供給したので、該吹き抜けた燃料の燃焼圧力が上記過給機に作用し、該過給機の回転力を増加できる。
【００８９】
請求項２２の発明では、後段燃料はピストンが上死点付近に位置する時点で噴射されるが、このピストンの頂面に拡散案内面を形成したので、上記後段の燃料は、上記拡散案内面に確実に当たり拡散し、後段燃料を上死点付近で噴射しながら均一混合することができる。
【００９０】
請求項２３の発明では、上記シリンダブロックとシリンダヘッドとの合面部分、つまりシリンダボアと燃焼凹部との境界部に燃料噴射弁を配置するにあたり、シリンダブロックとシリンダヘッドとを一体形成したので、上記境界部分に燃料噴射弁の噴射ノズルを支障なく配置できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態エンジンの構成図である。
【図２】上記実施形態エンジンの吸気，排気弁開口を通る平面で断面した断面正面図である。
【図３】上記実施形態エンジンの気筒軸線を含む平面で断面した断面正面図である。
【図４】上記実施形態エンジンのピストンを示す図である。
【図５】上記実施形態におけるノッキング発生運転域を示す特性図である。
【図６】上記実施形態における前段，後段の燃料割合とエンジン回転数，負荷（吸気負圧）との関係をしめすマップ図である。
【図７】上記実施形態のバルブタイミング及び前段，後段燃料噴射可能範囲を示す特性図である。
【図８】上記実施形態の前段，後段燃料噴射可能範囲を示す特性図である。
【図９】上記実施形態の燃料噴射時期を示す特性図である。
【図１０】上記実施形態の燃料噴射時期を示す特性図である。
【図１１】上記実施形態の燃料噴射時期を示す特性図である。
【図１２】上記実施形態における筒内圧力（燃料圧力）を示す図である。
【図１３】上記実施形態におけるＰ−Ｖ線図である。
【図１４】上記実施形態の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図１５】上記実施形態の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図１６】上記実施形態の動作を説明するためのフローチャート図である。
【図１７】上記実施形態のピストンの頂面形状の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１        エンジン（高圧縮比筒内噴射式内燃機関）
２        エンジンブロック
２ｃ      噴射開口
３        シリンダブロック部
３ａ      シリンダボア
４        シリンダヘッド部
５        ピストン
５ｈ      拡散案内凹部（拡散案内面）
２５      燃料噴射弁
２５ａ    ノズル
【図１】
0003544257.tif 000002
【図２】
0003544257.tif 000003
【図３】
0003544257.tif 000004
【図４】
0003544257.tif 000005
【図５】
0003544257.tif 000006
【図６】
0003544257.tif 000007
【図７】
0003544257.tif 000008
【図８】
0003544257.tif 000009
【図９】
0003544257.tif 000010
【図１０】
0003544257.tif 000011
【図１１】
0003544257.tif 000012
【図１２】
0003544257.tif 000013
【図１３】
0003544257.tif 000014
【図１４】
0003544257.tif 000015
【図１５】
0003544257.tif 000016
【図１６】
0003544257.tif 000017
【図１７】
0003544257.tif 000018