(57)【要約】【課題】気筒２内の空気流動を利用して混合気の成層化を図るようにした直噴エンジン１において、特に湿度の変化に起因して混合気の成層化が阻害される不具合に着目し、これを解消することによって着火安定性の向上を図る。【解決手段】空調装置の湿度センサ６３からの信号に基づいて、エンジン１の気筒２内に吸入される吸気の湿度が所定以上に高い高湿度状態にあることを検出する（ステップＳ４，Ｓ５）。その検出時には、気筒２内の混合気の成層度合いが弱まるように、インジェクタ２０により燃料を２回に分けて噴射させる（ステップＳ７，Ｓ８）。このとき、前段の噴射時期を吸気の湿度が高いときほど進角させる。高湿度状態では吸気の流速が低くなるようにＴＳＣＶ３２の開度を増大補正する（ステップＳ９）。【選択図】　　　図６
2004068695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内の燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁を備え、エンジンを成層燃焼状態で運転するときに前記燃料噴射弁により少なくとも気筒の圧縮行程で燃料を噴射させるとともに、気筒内の空気流動を利用して混合気を点火プラグの電極周りに成層化させるようにした直噴エンジンの燃料制御装置において、
前記気筒内に吸入される吸気の湿度が所定以上に高い高湿度状態であることを検出する湿度状態検出手段と、
前記湿度状態検出手段による高湿度状態の検出時には、非検出時と比べて前記混合気の成層度合いが弱くなるように前記燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段とを備えることを特徴とする直噴エンジンの燃料制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
燃料噴射制御手段は、高湿度状態の検出時には燃料噴射弁により燃料を複数回に分割して噴射させる一方、高湿度状態の非検出時には燃料を一括して噴射させるように構成されていることを特徴とする直噴エンジンの燃料制御装置。
【請求項３】
請求項２において、
燃料噴射制御手段は、複数に分割したうちの最先の噴射作動の時期を吸気の湿度が高いときほど進角させるように構成されていることを特徴とする直噴エンジンの燃料制御装置。
【請求項４】
請求項１において、
気筒内に吸入される吸気の流速を調節可能な吸気流速調節手段と、
湿度状態検出手段による高湿度状態の検出時に、非検出時と比べて吸気の流速が低くなるように前記吸気流速調節手段を制御する吸気流速制御手段とを備えることを特徴とする直噴エンジンの燃料制御装置。
【請求項５】
請求項１において、
エンジンが車両に搭載され、
前記車両の空調装置の制御システムに湿度センサが含まれており、
湿度状態検出手段は、前記湿度センサからの信号に基づいて高湿度状態を検出するように構成されていることを特徴とする直噴エンジンの燃料制御装置。
【請求項６】
請求項５において、
湿度状態検出手段は、湿度センサ乃至空調装置の制御システムの故障時には、車両のワイパーの作動状態又は外部から入手する空気の湿度に関する情報の少なくとも一方に基づいて、高湿度状態を検出するように構成されていることを特徴とする直噴エンジンの燃料制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内の燃焼室に燃料を直接、噴射する直噴エンジンの燃料制御装置に関し、特に、気筒内の空気流動を利用した混合気形成の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の直噴エンジンとして、気筒内のスワールやタンブル等の空気流動を利用して、混合気をキャビティ内に閉じこめたり、点火プラグの電極側に輸送したりするものが知られている。例えば、特開平１１−１４１３３８号公報に開示されるものでは、エンジンを成層燃焼状態とするときには、気筒の圧縮行程中盤以降の所定のタイミングにて高圧の燃焼室内にインジェクタから燃料を噴射し、対向するタンブル流動との衝突によって燃料噴霧の微粒化や空気との混合を促しながら、その燃料噴霧を点火プラグ電極に向かうように輸送して、該電極の周りに混合気を成層化させるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記成層燃焼状態のときには、少なくとも気筒の点火タイミングにおいて点火プラグの電極付近に所要の濃度状態の混合気が存在しなくてはならないが、前記従来例のように空気流動によって燃料を輸送するようにしたものでは、点火プラグ電極の付近の混合気濃度は常に変化していて安定しない。
【０００４】
そこで、通常は前記電極付近の混合気の濃度が概ね点火タイミングの前後でピークとなり、しかも、その濃度の高い状態ができるだけ長く持続するように、燃料の噴射圧力や噴射タイミング、或いは空気流動の強さを制御するようにしているが、それでも、着火安定性の確保が難しい場合がある。
【０００５】
この点について、本願の発明者は、空気中に含まれる水蒸気の量によって空気流動の運動量が変化し、このことが混合気の形成に大きな影響を及ぼすことを見出して、本願発明を完成するに至った。すなわち、本願発明の目的は、気筒内の空気流動を利用して混合気の成層化を図るようにした直噴エンジンにおいて、特に湿度の変化に起因して混合気の成層化が阻害される点に着目し、斯かる不具合を解消することによって、着火安定性の向上を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明に係る直噴エンジンの燃料制御装置では、空気の湿度が所定以上に高いときに混合気の成層度合いが弱まるように燃料の噴射形態を変更して、気筒の点火タイミング近傍における点火プラグ電極付近の混合気濃度の変化が比較的穏やかなものとなるようにした。
【０００７】
具体的に、請求項１の発明では、気筒内の燃焼室に燃料を直接、噴射する燃料噴射弁を備え、エンジンを成層燃焼状態で運転するときに前記燃料噴射弁により少なくとも気筒の圧縮行程で燃料を噴射させるとともに、気筒内の空気流動を利用して混合気を点火プラグの電極周りに成層化させるようにした直噴エンジンの燃料制御装置を前提とする。そして、前記気筒内に吸入される吸気の湿度が所定以上に高い高湿度状態であることを検出する湿度状態検出手段と、この高湿度状態の検出時には、非検出時と比べて前記混合気の成層度合いが弱くなるように前記燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段とを備える構成とする。
【０００８】
前記の構成により、エンジンを成層燃焼状態で運転するときには、燃料噴射弁により少なくとも気筒の圧縮行程で燃料が噴射され、この燃料噴霧が気筒内の空気流動の影響を受けつつ移動しながら、その微粒化及び気化霧化が促進される。そして、当該気筒の点火タイミングの前後で点火プラグの電極の周りに混合気が成層化される。
【０００９】
その際、空気の湿度が特に高い高湿度状態では、空気中に多量の水蒸気が含まれることによって空気流動の運動量が過度に大きくなり、この影響で点火プラグ付近の混合気濃度がピークとなるタイミングが大きく変化することになるが、このときには、湿度状態検出手段によって高湿度状態が検出されて、燃料噴射制御手段により、点火プラグ周りに形成される混合気の成層度合いが弱くなるように燃料噴射弁が制御される。
【００１０】
このことで、点火タイミングの前後で点火プラグ付近の混合気濃度の変化が相対的に穏やかなものとなり、そのピークがずれたとしても、例えば燃料噴射量を増量等すれば比較的長い期間、混合気の濃度が高い状態を持続することができ、これにより着火安定性の向上が図られる。
【００１１】
請求項２の発明では、燃料噴射制御手段を、高湿度状態の検出時には燃料噴射弁により燃料を複数回に分割して噴射させる一方、高湿度状態の非検出時には燃料を一括して噴射させるものとする。
【００１２】
すなわち、燃料噴射弁により燃料を一括して噴射させるようにすれば、混合気の成層度合いが比較的高くなるので、燃料噴射量は少なくてもピークのときの混合気濃度は高くなる。従って、良好な着火性を確保しながら燃費を低減できる。一方、前記燃料噴射弁により燃料を分割して噴射するようにすれば、早期に噴射された燃料噴霧が比較的大きく分散し、それが後から噴射された燃料噴霧と一体となって、相対的に成層度合いの低い層状混合気を形成する。従って、請求項１の発明の作用効果が十分に得られる。
【００１３】
請求項３の発明では、請求項２の発明における燃料噴射制御手段として、複数に分割したうちの最先の噴射作動の時期を吸気の湿度が高いときほど進角させるものとする。こうすれば、気筒内の空気流動の運動量が大きくなって、その影響が大きくなるほど、最先の噴射作動のタイミングが進角して、成層度合いの低い層状混合気を形成する。これにより、請求項２の発明の作用効果がより確実なものとなる。
【００１４】
請求項４の発明では、気筒内に吸入される吸気の流速を調節可能な吸気流速調節手段と、湿度状態検出手段による高湿度状態の検出時に、非検出時と比べて吸気の流速が低くなるように前記吸気流速調節手段を制御する吸気流速制御手段とを備える構成とする。
【００１５】
このことで、湿度状態検出手段による高湿度状態の検出時には、非検出時と比べて吸気の流速が低くなるように吸気流速制御手段によって吸気流速調節手段が制御され、その吸気流速の低下によって気筒内の空気流動の運動量が低下することになる。つまり、高湿度による影響を流速の低下によって減殺し、空気流動の変動を緩和することができるので、混合気の成層度合いをあまり低くしなくても着火安定性を確保できるようになり、これにより、燃費の悪化を最小限度に抑えることができる。
【００１６】
請求項５の発明では、エンジンは車両に搭載されるものであり、その車両の空調装置の制御システムには湿度センサが含まれていて、湿度状態検出手段は、前記湿度センサからの信号に基づいて高湿度状態を検出するものとする。このことで、湿度センサからの信号に基づいて高湿度状態を正確に検出することができる。
【００１７】
請求項６の発明では、請求項５の発明における湿度状態検出手段を、湿度センサ乃至空調装置の制御システムの故障時には、車両のワイパーの作動状態又は外部から入手する空気の湿度に関する情報の少なくとも一方に基づいて、高湿度状態を検出するように構成する。このことで、機器の故障によって湿度センサからの信号が得られなくなったときでも、高湿度状態の検出が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る直噴エンジン１の制御システムの全体的な構成を示す。同図においてエンジン１は、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）が直列に設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配置されたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内にはそれぞれピストン５が往復動可能に嵌挿されていて、そのピストン５の冠面とシリンダヘッド４の下面との間の気筒２内に燃焼室６が区画形成されている。ピストン５の往復動はコネクティングロッド７を介してクランク軸８の回転運動に変換され、このクランク軸８により出力される。また、前記シリンダブロック３には、クランク軸８の一端側においてその回転角度を検出する電磁式のクランク角センサ９と、各気筒２毎の燃焼圧の変動に基づいてノッキングを検出するためのノックセンサ１０と、図示しないウオータジャケットの内部に臨んで冷却水の温度（エンジン水温）を検出するエンジン水温センサ１１とがそれぞれ配設されている。
【００２０】
前記シリンダヘッド４には、各気筒２毎に燃焼室６の天井面に臨んで開口するように吸気ポート１２及び排気ポート１３が２つずつ開口していて、その各ポート開口部に吸気及び排気弁１４，１５が配置されている。これら吸気弁１４及び排気弁１５は、それぞれシリンダヘッド４の内部に軸支された吸気側及び排気側カム軸（図示せず）によって、前記クランク軸８の回転に同期して開作動されるようになっている。また、吸気側のカム軸には、その回転角度を検出するための電磁式のカム角センサ１６が付設されている。また、各気筒２毎に前記シリンダヘッド４を上下方向に貫通し且つ吸排気弁１４，１５に取り囲まれるようにして、点火プラグ１７が配設されている。この点火プラグ１７の先端の電極は燃焼室６の天井面から所定距離だけ下方に突出している。また、点火プラグ１７の基端部は、ヘッドカバーを貫通するように配設された点火回路１８（イグナイタ）に接続されている。
【００２１】
前記燃焼室６の底部となるピストン５の冠面は、外周側の部位が燃焼室６の天井面と略平行な形状とされる一方、ピストン５冠面の略中央部には平面視で略長円形状をなす凹部５ａ（図４参照）が設けられている。また、燃焼室６の吸気側の周縁部に噴口を臨ませて、インジェクタ（燃料噴射弁）２０が配設されている。このインジェクタ２０は、例えば、燃焼室６に臨む先端部の噴口から燃料を旋回流として噴出させて、軸心の延びる方向に沿うようにホローコーン状に噴射する公知のスワールインジェクタとすればよいが、これに限るものではなく、スリットタイプや多噴口タイプのインジェクタとしてもよく、或いは芯弁を圧電素子によって動作させる構成のものを用いてもよい。
【００２２】
前記インジェクタ２０の基端側は全気筒２，２，…に共通の燃料分配管２１に接続されていて、この燃料分配管２１により高圧燃料ポンプ２２から吐出される燃料が各気筒２毎のインジェクタ２０に分配されるようになっている。そして、詳しくは後述するが、インジェクタ２０により気筒２の圧縮行程で燃料が噴射されると、この燃料噴霧は燃焼室６内の吸気流動によって点火プラグ１７側に輸送されて、該点火プラグ１７の電極の周りに混合気塊を形成する。尚、前記燃料分配管２１には、インジェクタ２０から噴射される燃料の圧力状態（燃料噴射圧）を測定するための燃圧センサ２３が配設されていて、この燃圧センサ２３からの信号に基づいて、前記高圧燃料ポンプ２２のスピル弁の開度が後述のＥＣＵ５０によりフィードバック制御されるようになっている。換言すれば、高圧燃料ポンプ２２は、インジェクタ２０による燃料の噴射圧力を調節可能な噴射圧力調節手段を構成している。
【００２３】
エンジン１の一側面（図の右側の側面）には、各気筒２毎の吸気ポート１２に連通するように吸気通路２５が接続されている。この吸気通路２５は、エンジン１の燃焼室６に対してエアクリーナ２６で濾過した吸気を供給するものであり、その上流側から下流側に向かって順に、エンジン１への吸入空気量を検出するホットワイヤ式エアフローセンサ２７と、吸気通路２５の断面積を変更する電気式スロットル弁２８及びその位置を検出するスロットルセンサ２９と、サージタンク３０とが配設されている。前記スロットル弁２８は、図外のアクセルペダルに対して機械的には連結されておらず、図示しない電動モータにより開閉されるようになっている。また、サージタンク３０には、スロットル弁２８よりも下流の吸気通路２５の圧力を検出するブーストセンサ３１が配設されている。
【００２４】
また、前記サージタンク３０よりも下流側の吸気通路２５は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、該各独立通路の下流端部はさらに２つに分岐してそれぞれ吸気ポート１２に個別に連通する分岐路となっている。この分岐路乃至独立通路には、燃焼室６内の吸気流動の強さ調節するための絞り弁３２（Ｔｕｎｂｌｅ　ＳｗｉｒｌＣｏｎｒｏｌ　Ｖａｌｖｅ：以下、ＴＳＣＶという）が配設されていて、例えばステッピングモータ等によって開閉作動される。このＴＳＣＶ３２の弁体には一部に切り欠きが形成されており、全閉状態ではその切り欠き部のみから下流側に流れる吸気が燃焼室６において強い空気流動を生成する。一方、ＴＳＣＶ３２が開かれるに従い、吸気は切り欠き部以外からも流通するようになって、気筒２内の空気流動の強さは徐々に低下するようになる。
【００２５】
エンジン１の他側面（図の左側の側面）には、気筒２内の燃焼室６から既燃ガス（排気ガス）を排出するための排気通路３４が接続されている。この排気通路３４の上流端側は、各気筒２毎の排気ポート１３に繋がる排気マニホルド３５により構成され、該排気マニホルド３５よりも下流側の排気通路３４には、排気ガス中の有害成分である炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための２つの触媒コンバータ３６，３７が直列に配設されている。
【００２６】
前記上流側の触媒コンバータ３６は、詳細は図示しないが、ケーシング内にハニカム構造の担体を収容したもので、この担体の各貫通孔の壁面にいわゆる三元触媒の触媒層が形成されている。この三元触媒３６は、従来より周知の通り、排気ガスの空燃比状態が略理論空燃比を含む所定の状態にあるときに、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを略完全に浄化可能なものである。また、下流側の触媒コンバータ３７は、１つのケーシング内に２つの担体を直列に収容し、そのうちの上流側の担体の各貫通孔壁面にいわゆるＮＯｘ吸蔵タイプの触媒層を形成して、上流側ＮＯｘ触媒３８を構成するとともに、下流側の担体にも同様にＮＯｘ触媒の触媒層を形成して、上流側ＮＯｘ触媒３９を構成したものである。
【００２７】
前記エンジン１の排気マニホルド３５の集合部付近には排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ４０（第１の酸素濃度センサ）が配設されており、主にこのセンサ４０からの信号に基づいてエンジン１の空燃比フィードバック制御が行われるようになっている。また、前記２つの触媒コンバータ３６，３７の中間には上流側の三元触媒３６の劣化状態を判定するための第２の酸素濃度センサ４１と、ＮＯｘ触媒３８へ流入する排気ガスの温度を検出する排気温度センサ４２とが配設され、さらに、上流側及び下流側の２つのＮＯｘ触媒３８，３９の中間には第３の酸素濃度センサ４３が配設されている。
【００２８】
また、前記排気マニホルド３５よりも下流側の排気通路３４には、そこから分岐するようにして排気ガスの一部を吸気通路２５に還流させる排気還流通路４５（以下、ＥＧＲ通路という）の上流端が連通している。このＥＧＲ通路４５の下流端は前記サージタンク３０の内部に臨んで開口していて、該下流端近傍のＥＧＲ通路４５にはデューティソレノイド弁からなるＥＧＲ弁４６が配設されている。このＥＧＲ弁４６によってＥＧＲ通路４５における排気の還流量が調節されるようになっている。尚、符号４７は、各気筒２の燃焼室６から漏れ出るブローバイガスをサージタンク３０まで導くパージ通路である。
【００２９】
上述した点火回路１８、インジェクタ２０、高圧燃料ポンプ２２、スロットル弁２８、ＴＳＣＶ３２等は、いずれもエンジンコントロールユニット５０（以下、ＥＣＵという）によって作動制御される。一方、このＥＣＵ５０には、図２にも示すように、少なくとも、前記クランク角センサ９、カム角センサ１６、エアフローセンサ２７等からの出力信号がそれぞれ入力され、さらに、アクセルペダルの操作量（以下、アクセル開度という）を検出するアクセル開度センサ５１からの出力信号と、エンジン回転速度（クランク軸８の回転速度）を検出する回転速度センサ５２からの出力信号とが入力されるようになっている。
【００３０】
また、図２にのみ示すが、前記ＥＣＵ５０には、路車間通信システムに対応した車外通信用アンテナ５５からの信号と、車両に搭載されたナビゲーションシステム５６からの信号と、車両に搭載された空調装置のコントローラ６０からの信号と、車両のワイパー操作スイッチ６５からの信号とが入力されるようになっている。ここで、前記空調装置のコントローラ６０は、少なくとも、車室内の温度を検出する室内温センサ６１からの信号と、外気の温度を検出する室外温センサ６２からの信号と、外気の湿度を検出する湿度センサ６３からの信号と、車室内の温度の目標値を設定する目標温度設定スイッチ６４からの信号とを入力し、これらに応じて図示しない空調装置の作動を制御するようになっている。
【００３１】
（エンジンの運転制御の概要）
次に、前記ＥＣＵ５０によるエンジン１の運転制御の概要について説明すると、ＥＣＵ５０は、上述した各センサからの信号に基づいて、主にエンジン１への吸入空気量や各気筒２毎の燃料噴射量、噴射時期及び点火時期等を制御し、さらに、気筒２内の吸気流動の強さや排気の還流割合等を制御するものである。例えば、図３に制御マップの一例を示すように、エンジン１の温間の全運転領域のうち低速低負荷側には予め成層燃焼領域（Ｓ）が設定されていて、ここでは、インジェクタ２０により主に気筒２の圧縮行程で燃料を噴射させて、点火プラグ１７の電極の周りに偏在させた混合気を燃焼させる成層燃焼モードになる。この際、スロットル弁２８は比較的大きく開いてポンプ損失を低減するようにしており、この結果、各気筒２の燃焼室６における平均的な空燃比は理論空燃比よりも大幅にリーンな状態（例えばＡ／Ｆ＞３０）になる。
【００３２】
一方、前記成層燃焼領域（Ｓ）以外はいわゆる均一燃焼領域（Ｈ）であり、ここではインジェクタ２０により主に気筒２の吸気行程で燃料を噴射させて、燃焼室６内で吸気と燃料とを十分に混合し、該燃焼室６全体に概ね均一な混合気を形成した上で燃焼させる均一燃焼モードになる。この均一燃焼領域（Ｈ）のうちの大部分の領域では、燃料噴射量やスロットル弁２８の開度等を、混合気の空燃比が略理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）になるように制御するが、特に全負荷付近では理論空燃比よりもリッチな状態（例えばＡ／Ｆ＝１２〜１４）になるように制御して、高負荷に対応した大出力を得られるようにしている。
【００３３】
本発明の特徴は、主として前記成層燃焼領域（Ｓ）における混合気形成にある。詳しくは、この実施形態のエンジン１では、図４に示すように気筒中心線Ｚに直交する方向から見て、インジェクタ２０を燃焼室６の吸気側の周縁部からやや下向きに（ピストン５冠面向きに）燃料を噴射するよう、気筒２の横断面に対して傾斜させて配置している。このインジェクタ２０の傾斜角度は、同図に示すように、燃料の噴射タイミングにおいてピストン５冠面の凹部５ａに沿って流れるタンブル流Ｔに対し、円錐形状の燃料噴霧の下側の部分が略正対して衝突するように設定されている。
【００３４】
そして、前記インジェクタ２０から燃料が噴射されると、この燃料噴霧の一部が燃焼室６の天井部に沿って流れるタンブル流Ｔに載って、点火プラグ１７側に移動するとともに、前記のようにタンブル流Ｔと衝突して下方への移動速度を失った燃料噴霧の下側の部分は、ピストン５の冠面へ付着することなくタンブル流Ｔにより上向き（燃焼室６天井部の向き）に指向される。つまり、燃料噴霧は、全体としてタンブル流Ｔに載って点火プラグ１７の電極に向かい輸送され、この間に気化霧化が促されて、気筒２の点火タイミング近傍において、点火プラグ１７の電極の周囲に層状に分布する混合気塊を形成するようになる。換言すれば、この実施形態のエンジン１は、成層燃焼状態のときに、インジェクタ２０により気筒２の圧縮行程中期以降に噴射した燃料噴霧の挙動を燃焼室６内のタンブル流Ｔを利用して制御し、点火タイミングまでに点火プラグ１７の電極周りに混合気を成層化させるようにしたものである。
【００３５】
ところで、前記のように気筒２内の空気流動によって燃料噴霧を輸送するようにした場合、何らかの理由でタンブル流Ｔの強さが所期のものよりも低くなると、混合気が点火タイミングまでに点火プラグ１７周りに到達しない虞れがある。また、一旦、点火プラグ１７周りに成層化した混合気はさらにタンブル流Ｔによって流されたり、或いは拡散することになるから、点火プラグ１７の電極付近における混合気の濃度は常に変化することになる。例えば、図５は点火プラグ１７の電極付近の所定位置における局所的な空燃比の変化を示すもので、同図に実線で示すように、空燃比は混合気塊の到着とともにリッチ化して一時的に可燃範囲に入るものの、その後リッチのピークを経て、比較的短い時間の後に可燃範囲よりもリーンな状態に戻ってしまう。
【００３６】
この点について、通常は前記点火プラグ１７の電極付近の局所空燃比が概ね点火タイミング近傍でピークとなり、かつ、そのリッチな状態ができるだけ長く持続するように、インジェクタ２０による燃料の噴射圧力や噴射タイミング、或いは空気流動の強さを制御しているのだが、そのようにしていても、図示の如く、点火プラグ１７周りの局所空燃比が可燃範囲にある期間はあまり長くはないので、この期間と点火タイミングとがずれると、着火安定性が損なわれることがあった。
【００３７】
本願の発明者は、前記のような点火プラグ１７周りの層状混合気の形成過程とこれに伴う局所空燃比の変化について鋭意、研究を重ねた結果、空気中に含まれる水蒸気の量によって空気流動の運動量さが大きく変化し、このことが点火プラグ１７周りの混合気形成に大きな影響を及ぼすことを見出した。すなわち、この実施形態のエンジン１の場合は、例えば空気の湿度が高いときには気筒２内にて生成するタンブル流Ｔの運動量が大きくなり、この結果として混合気が点火プラグ１７周りに到達する時期が早くなるとともに、その後の混合気の移動や拡散も早くなって、点火プラグ１７周りの局所空燃比が点火タイミングの前にリーンになってしまい、このことで着火安定性が大幅に低下することになる。
【００３８】
これに対し、この実施形態では、エンジン１が成層燃焼モードにあるときに、該エンジン１の各気筒２に吸入される吸気の湿度を推定し、この湿度が所定以上に高いときには（高湿度状態）、意図的に混合気の成層度合いを弱めることによって、点火タイミングの近傍における点火プラグ１７周りの局所空燃比、即ち混合気濃度の変化を相対的に穏やかなものとして、このことによって点火プラグ１７周りの局所空燃比が前記可燃範囲にある期間を延長するようにした。
【００３９】
以下、前記ＥＣＵ５０によるエンジン１の具体的な制御手順について図６に示すフローチャート図に基づいて説明すると、まず、スタート後のステップＳ１では、クランク角センサ９、カム角センサ１６、エアフローセンサ２７、アクセル開度センサ５１、回転速度センサ５２等からの出力信号を入力し、さらにＥＣＵ５０のＲＡＭに一時的に記憶されているデータを読み込む。続いて、ステップＳ２において、回転速度センサ５２からの信号に基づいてエンジン回転速度を演算し、この演算したエンジン回転速度とアクセル開度センサ５１からの信号とに基づいて、目標負荷を演算する。この目標負荷の演算方法としては、例えば、エンジン回転速度とアクセル開度とに対応する最適な値を予め実験的に求めてマップとして設定し、このマップをＥＣＵ５０のＲＡＭに電子的に格納する。そして、そのマップから現在のエンジン回転速度及びアクセル開度に対応する値を読み出すようにすればよい。
【００４０】
続いて、ステップＳ３において、前記の如く求めたエンジン１の目標負荷とエンジン回転速度とに基づいて、図３の如き制御マップからエンジン１の現在の運転モードを判定する。すなわち、エンジン１が図示の均一燃焼領域（Ｈ）にあれば均一燃焼モードで判定がＮＯとなり、後述のステップＳ１０に進む一方、エンジン１が成層燃焼領域（Ｓ）にあれば成層燃焼モードで判定がＹＥＳとなり、ステップＳ４に進んで、吸気の湿度に関する情報を取得する。具体的には、湿度センサ６３からの信号を空調装置のコントローラ６０及び車内ＬＡＮを介してＥＣＵ５０に入力する。
【００４１】
また、仮に前記湿度センサ６３やコントローラ６０が故障していたり、或いは通信系統に不良等があったりして、前記のように湿度センサ６３からの信号を入力できない状況であれば、そのときにはワイパー操作スイッチ６５の状態（オンオフ状態）や車外からの湿度に関する情報（ナビゲーションシステム５６によって検出される車両の現在位置に対応するピンポイントの気候情報や路車間通信によって得られる地域の気候情報等）によって、吸気の湿度を推定する。そして、ステップＳ５において、前記の如く検出或いは推定した吸気の湿度が予め設定した所定値以上かどうか判定し、この判定がＮＯで吸気の湿度が所定値よりも低いときには、ステップＳ６に進んで、エンジン１が通常通り成層燃焼状態となるように、各気筒２の圧縮行程においてインジェクタ２０により燃料を一括して噴射させる（図７（ａ）を参照）。
【００４２】
一方、前記ステップＳ５における判定がＹＥＳで、吸気の湿度が所定値以上のとき、即ち吸気の湿度が所定以上に高い高湿度状態であることを検出したときには、ステップＳ７に進んで、各気筒２毎にインジェクタ２０による燃料噴射量を増量補正するとともに、その燃料を２分割して噴射させるべく、前段の（複数に分割したうちの最先の）噴射時期と後段の噴射時期とをそれぞれ設定する。この際、図７（ｂ）に模式的に示すように、後段の噴射時期は、その噴射作動においてインジェクタ２０の噴口が閉じられる時期が前記した一括噴射の場合（図（ａ））と略同じになるように設定し、一方、前段の噴射時期は、前記湿度センサ６３による検出値に基づいて、同図（ｂ）に矢印で示すように吸気行程の中盤から圧縮行程の前半なでの範囲において吸気の湿度が高いときほど進角側になるように設定する。
【００４３】
そのように燃料を２分割して噴射した場合、インジェクタ２０の前段の噴射作動による燃料噴霧は相対的に大きく気筒２内に分散し、これに後段の噴射作動による燃料噴霧が追いついて、一括噴射の場合に比べて成層度合いの低い、即ち空燃比の空間分布における変化が緩やかな層状混合気が形成される。このことで、図５に一点鎖線で示すように、点火プラグ１７周りの局所空燃比の変化が比較的穏やかなものとなり、一括噴射の場合と比べて相対的に長い期間、可燃範囲に留まることになるから、着火安定性が顕著に向上する。
【００４４】
そして、前記のように設定した前段及び後段の噴射時期になれば、各気筒２毎にそれぞれインジェクタ２０を開作動させて燃料を噴射させる（ステップＳ８）。続いて、ステップＳ９において、吸気の湿度が高いほどＴＳＣＶ３２が大きく開くようにその目標開度を補正する開度補正値を設定し、この開度補正値をＥＣＵ５０のＲＡＭに記憶して、しかる後にリターンする。すなわち、詳しい説明は省略するが、図６のフローに示す制御プログラムと並行して、ＥＣＵ５０のＣＰＵによりＴＳＣＶ３２の制御プログラムが実行されており、この制御においてＴＳＣＶ３５２の目標開度を決定する際には、前記開度補正値をＲＡＭから読み出して用いるようになっている。
【００４５】
一方、前記ステップＳ３においてエンジン１が均一燃焼モードであると判定して進んだステップＳ１０では、図７（ｃ）に示すように、エンジン１の各気筒２毎に吸気行程においてインジェクタ２０により燃料を噴射させ、エンジン１を均一燃焼状態として、しかる後にリターンする。
【００４６】
前記図６のフローチャートに示すエンジン制御の手順は、ＥＣＵ５０のメモリに電子的に格納されているプログラムがＣＰＵにより実行されることによって実現されるものであり、このことで、前記ＥＣＵ５０は、以下の発明の構成要件をソフトウエア的に備えている。すなわち、前記フローのステップＳ４、ステップＳ５によって、エンジン１の気筒２内に吸入される吸気の湿度が所定以上に高い高湿度状態であることを検出する湿度状態検出手段５０ａが構成され、この湿度状態検出手段５０ａは、基本的には車両の空調装置の湿度センサ６３からの信号に基づいて高湿度状態を検出するとともに、該湿度センサ６３乃至空調装置の制御システムが故障したときには、車両のワイパーの作動状態や外部から入手する空気の湿度に関する情報等に基づいて、高湿度状態を検出するように構成されている
また、前記フローのステップＳ７、ステップＳ８によって、前記高湿度状態の検出時に、非検出時と比べて混合気の成層度合いが弱くなるようにインジェクタ２０の作動制御を行う燃料噴射制御手段５０ｂが構成されている。そして、この燃料噴射制御手段５０ｂは、高湿度状態の検出時にはインジェクタ２０により燃料を２等分して噴射させるとともに、吸気の湿度が高いときほど前段の噴射時期を進角させるように構成されている。
【００４７】
さらに、ステップＳ９により、高湿度状態の検出時には非検出時と比べて吸気の流速が低くなるようにＴＳＣＶ３２の開度を補正する吸気流速制御手段５０ｃが構成されている。
【００４８】
したがって、この実施形態に係る直噴エンジンの燃料制御装置Ａによると、エンジン１が低速低負荷側の成層燃焼領域（Ｓ）にあって成層燃焼モードで運転されるときには、インジェクタ２０により少なくとも気筒２の圧縮行程で燃料が噴射され、この燃料噴霧が気筒２内のタンブル流Ｔによって輸送されながら、その微粒化及び気化霧化が促進されて、当該気筒２の点火時期近傍において点火プラグ１７周りに混合気が成層化される。
【００４９】
その際、空気の湿度が特に高くない通常の範囲（予め設定すればよい）にあれば、各気筒２毎のインジェクタ２０により燃料を一括して噴射させるようにしており、このことで、混合気の成層度合いが比較的高くなるので、燃料噴射量は少なくてもピークのときの混合気濃度を十分に高くすることができて、良好な着火性を確保しながら、燃費の低減が図られる。
【００５０】
一方、空気の湿度が特に高いときには（高湿度状態）、空気中の水蒸気によってタンブル流Ｔの運動量が大きくなり、このことによって点火プラグ１７周りの局所空燃比がピークとなるタイミングが大きく変動することになるが、このときには、インジェクタ２０により燃料を２回に分割して噴射させることで、混合気の成層度合いを弱めて局所空燃比の変動を穏やかなものとし、燃料の増量とも相俟って比較的長い期間、空燃比のリッチな状態を持続して、高い着火安定性を確保することができる。しかも、吸気の湿度が高いときほど前段の噴射時期を進角させて、混合気の成層度合いを弱めるようにしているので、前記の作用効果をより確実に得ることができる。
【００５１】
加えて、前記高湿度状態では、吸気の湿度が高いほどＴＳＣＶ３２の開度を大きくして、吸気流速を低くするようにしており、このことによって気筒２内のタンブル流Ｔの運動量を低下させて、高湿度による影響を減殺することができる。従って、上述の如く、高湿度状態では混合気の成層度合いを弱めて局所空燃比の変動を緩和するのであるが、この際、混合気の成層度合いをあまり弱くしなくても十分な効果が得られるようになり、これに伴い燃料の増量も最小限度に留めることができるから、燃費の悪化が最小限度に抑えられる。
【００５２】
尚、本発明の構成はこの実施形態のものに限定されることはなく、その他の種々の構成をも包含するものである。一例を挙げれば、この実施形態では、高湿度状態のときにインジェクタ２０により燃料を２分割して噴射させるようにしているが、これに限らず、燃料を３回以上に分割して噴射させるようにしてもよい。また、燃料噴霧を成層化させるために利用する気筒２内の空気流動は、この実施形態のようにタンブル流に限ることはなく、スワール流であってもよい。
【００５３】
さらに、この実施形態の図６のフローのステップＳ９において、ＴＳＣＶ３２の開度を補正する代わりに、高湿度状態ではインジェクタ２０による燃料の噴射圧力が低くなるように、燃圧を補正するようにしてもよい。こうすれば、高湿度状態でタンブル流Ｔの運動量が大きくなっても、高圧供給ポンプ２２の制御によって燃圧が低下することで燃料噴霧の運動量が小さくなり、これにより、ＴＳＣＶ３２の開度を補正したのと同様の作用効果が得られる。また、こうすれば、前記ステップＳ９により、高湿度状態の検出時には非検出時と比べて燃圧が高くなるように高圧供給ポンプ２２を制御する噴射圧力制御手段が構成される。
【００５４】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係る直噴エンジンの制御装置によると、気筒内の空気流動を利用して混合気を成層化させようにしたものにおいて、空気の湿度が所定以上に高いときには混合気の成層度合いが弱まるように燃料噴射弁を制御して、点火プラグの電極付近の混合気濃度の変化を相対的に穏やかなものとすることで、比較的長い期間、混合気の濃度が高い状態を持続することができ、これにより着火安定性を向上できる。
【００５５】
請求項２の発明によると、通常は燃料を一括して噴射させることで、混合気の成層度合いを比較的高くして、良好な着火性を確保しながら燃費を低減できる。一方、高湿度状態では燃料を分割して噴射させることで、相対的に成層度合いの低い層状混合気を形成することができ、これにより、請求項１の発明の効果が十分に得られる。
【００５６】
請求項３の発明によると、吸気の湿度が高いときほど、最先の噴射作動のタイミングを進角させて混合気の成層度合いを低くすることで、請求項２の発明の効果がより確実なものとなる。
【００５７】
請求項４の発明によると、高湿度状態の検出時には、非検出時と比べて吸気の流速が低くなるように吸気流速調節手段を制御することで、高湿度による空気流動の運動量の増大を減殺することができる。従って、混合気の成層度合いをあまり低くしなくても着火安定性を確保できるようになり、よって、燃費の悪化が最小限度に抑えられる。
【００５８】
請求項５の発明によると、車両の空調装置の制御システムに含まれる湿度センサからの信号に基づいて、高湿度状態を正確に検出することができる。
【００５９】
請求項６の発明によると、機器の故障によって湿度センサからの信号が得られなくなったときでも、ワイパーの作動状態や外部から入手する空気の湿度に関する情報等に基づいて、高湿度状態の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る直噴エンジンの全体構成を示す図である。
【図２】エンジンの制御システムの概略ブロック図である。
【図３】エンジンを成層燃焼状態又は均一燃焼状態とする運転領域をそれぞれ設定した制御マップの一例を示す図である。
【図４】タンブル流による層状混合気の形成過程を示す説明図である。
【図５】点火プラグ周りの局所空燃比の変化を示すグラフ図である。
【図６】エンジン制御の概要を示すフローチャート図である。
【図７】前段及び後段の噴射時期を模式的に示した説明図である。
【符号の説明】
Ａ　　　直噴エンジンの燃料制御装置
Ｔ　　　タンブル流（気筒内空気流動）
１　　　エンジン
２　　　気筒
６　　　燃焼室
１７　　点火プラグ
２０　　インジェクタ（燃料噴射弁）
３２　　ＴＳＣＶ（吸気流速調節手段）
５０　　ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
５０ａ　湿度状態検出手段
５０ｂ　燃料噴射制御手段
５０ｃ　吸気流速制御手段
６０　　空調装置のコントローラ（空調装置の制御システム）
６３　　湿度センサ
【図１】
2004068695.tif 000003
【図２】
2004068695.tif 000004
【図３】
2004068695.tif 000005
【図４】
2004068695.tif 000006
【図５】
2004068695.tif 000007
【図６】
2004068695.tif 000008
【図７】
2004068695.tif 000009