(57)【要約】【課題】ターボ過給機付きの火花点火式直噴エンジンにおいて、加速時に燃料を吸気行程中に噴射して、スモークの発生を抑制するとともに、この時の噴射時期を制御して、ターボラグの改善を図る。【解決手段】燃料噴射弁５は、燃焼室４の吸気弁２よりも外周方向側で、噴射された燃料が、点火プラグ７近傍に向かうよう配置される。また、エンジン１は、ターボ過給機１５を備えている。燃料が、燃料噴射弁５から、吸気行程中に噴射される場合には、噴射された燃料が開弁した吸気弁２の弁体に付着しないように規制期間ＤＲを避けて噴射されるとともに、定常運転時は、規制期間ＤＲより進角側の第１期間Ｄ１で燃料噴射が実行され、加速時には規制期間ＤＲよりも遅角側の第２期間Ｄ２で燃料噴射が実行される。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室から排出される排気ガスにより、吸気を過給するターボ過給機と、
吸気通路と該燃焼室とを連通可能にするとともに、吸気行程の少なくとも所定の期間において開弁することにより、該ターボ過給機により過給された吸気を該燃焼室に供給する吸気弁と、
該燃焼室内に燃料を直接噴射するとともに、該燃焼室をピストン往復動方向から見た状態において、燃料が、該燃焼室の外周側から該燃焼室内に配置された点火プラグ近傍に指向して噴射されるよう配置された燃料噴射弁と、
該燃料噴射弁による燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えたターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
上記噴射時期制御手段は、吸気行程で燃料噴射時期が設定される場合において、上記吸気弁の開弁量が最大となる最大開弁時期の近傍で燃料噴射を規制する規制期間を設け、
エンジンが定常運転状態のときには、吸気行程中で規制期間より進角側となる第１期間に燃料噴射を実行し、定常運転状態からの加速時においては、吸気行程中で規制期間より遅角側の第２期間に燃料噴射を実行するよう制御することを特徴とするターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。
【請求項２】
上記噴射時期制御手段は、加速開始後、上記ターボ過給機により増大するエンジントルクが所定値に近づくような加速後期で、燃料噴射を第１期間に実行するよう制御することを特徴とする請求項１記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。
【請求項３】
上記噴射時期制御手段は、加速開始後、上記ターボ過給機により増大するエンジントルクが所定値に近づくような加速後期で、燃料噴射を第１期間及び第２期間に実行するよう制御することを特徴とする請求項１記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。
【請求項４】
上記ターボ過給機により過給された吸気の過給圧が所定値以上となった時に、該ターボ過給機上流の排気ガスの一部を該ターボ過給機の下流にバイパスするよう開弁動作するウエストゲートバルブを備え、
エンジンの定常運転状態とは、エンジンの運転状態が、吸気通路に配置されて吸気量を調整するスロットル弁が全開の時に該ウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転域内にあることを特徴とする請求項１記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。
【請求項５】
エンジンの燃焼室から排出される排気ガスにより、吸気を過給するターボ過給機と、
吸気通路と該燃焼室とを連通可能にするとともに、吸気行程の少なくとも所定の期間において開弁することにより、該ターボ過給機により過給された吸気を該燃焼室に供給する吸気弁と、
該燃焼室内に燃料を直接噴射するとともに、該燃焼室をピストン往復動方向から見た状態において、燃料が、該燃焼室の外周側から該燃焼室内に配置された点火プラグ近傍に指向して噴射されるよう配置された燃料噴射弁と、
該燃料噴射弁による燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えたターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
上記噴射時期制御手段は、吸気行程で燃料噴射時期が設定される場合において、上記吸気弁の開弁量が最大となる最大開弁時期の近傍で燃料噴射を規制する規制期間を設け、エンジンが定常運転状態のときは、吸気行程中で規制期間より進角側となる第１期間、あるいは、吸気行程中で規制期間より遅角側となる第２期間の少なくとも一方で燃料噴射を実行するとともに、定常運転状態からの加速時においては、第１期間及び第２期間で燃料噴射を実行し、且つ第２期間で実行される燃料噴射の噴射量を、第１期間で実行される燃料噴射の噴射量より多くしたことを特徴とするターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。
【請求項６】
上記ターボ過給機により過給された吸気の過給圧が所定値以上となった時に、該ターボ過給機上流の排気ガスの一部を該ターボ過給機の下流にバイパスするよう開弁動作するウエストゲートバルブを備え、
エンジンの定常運転状態とは、エンジンの運転状態が、吸気通路に配置されて吸気量を調整するスロットル弁が全開の時に該ウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転域内にある状態であって、
上記噴射制御手段は、該低回転域内におけるより低回転状態の時には、第１期間、あるいは第２期間の一方で燃料噴射を実行するとともに、該低回転域内における高回転状態の時には、第１期間及び第２期間の双方で燃料噴射を実行するよう制御することを特徴とする請求項６記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式エンジンの制御装置に関し、特にターボ過給機を備え、吸気弁が開弁している時に、燃料を燃焼室内に直接噴射する直噴エンジンの燃料噴射制御技術に属すものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エンジンの気筒内壁とシリンダヘッド下面とピストン頂部等とにより規定される燃焼室に点火プラグを配置し、この点火プラグにより、燃料と吸気とを含む混合気を着火させて燃焼トルクを得る火花点火式エンジンに関し、燃料噴射弁を燃焼室に臨むように配置させて、この噴射弁から燃焼室内に向けて燃料を直接噴射する、いわゆる直噴エンジンは知られている。
また、下記特許文献１には、このような火花点火式の直噴エンジンにおいて、当該エンジンの排気エネルギーを利用して吸気を過給するターボ過給機を設けた、ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの燃料噴射制御について開示されている。この特許文献１は、加速初期において、吸気行程と圧縮行程とで、燃料を分割噴射することにより、排気エネルギーを増大して排気ガス温度を上昇させて、加速時におけるターボ過給機のターボラグを防止する技術についても開示している。
【０００３】
また、下記特許文献２には、火花点火式の直噴エンジンにおいて、吸気行程中に燃料噴射する場合、吸気弁の開弁量（リフト量）が最大近傍となる期間中は燃料噴射を禁止し、煤などの発生を抑制する技術が開示されている。
具体的には、こうした直噴エンジンの燃焼室を、気筒内を往復動するピストンの往復動方向から見て、点火プラグは燃焼室内の中心部近傍に配置され、吸気弁及び排気弁は点火プラグの外周側に配置され、燃料噴射弁は、吸気弁が位置する方向で、吸気弁よりも更に外周側に配置されており、このような構造に対して、燃料は、燃料噴射弁から点火プラグのスパーク部か、あるいはスパーク部より若干ピストン側の位置、つまりエンジン上下方向における若干下側の位置に指向して噴射される。こうした構成において、吸気弁の開弁量が大きい状態で燃料噴射すると、燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が、開弁した吸気弁に付着してしまい、これにより煤が発生されるといった問題がある。そこで、噴射燃料が吸気弁に付着しないように噴射時期を制御することで、煤発生の防止を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−５４８９４号公報
【特許文献２】
特開平０８−８５７８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の特許文献１に開示されるターボ過給機付きのエンジンでは、排気ガス温度の上昇によりターボ過給機におけるターボラグの改善を図っているが、吸気行程と圧縮行程とで燃料噴射を実行するとスモークが多く発生するといった問題がある。これは、加速時において大量の燃料を圧縮行程中に噴射するために、このような噴射形態では、圧縮行程における燃料噴射の実行時期から点火時期までの期間が短く燃料の気化霧化が不十分となり、このような状態で混合気が着火されることに起因してスモークが多く発生していると思われる。
これに対し、スモークを低減させるために、圧縮行程での燃料噴射を禁止して吸気行程で燃料噴射することも考えられるが、単に吸気行程中に噴射実行するだけでは、排気エネルギーを効率良く利用して、ターボラグを改善することはできない。
また、上述の特許文献２に開示されるように、火花点火式直噴エンジンにおいては、吸気行程中に燃料噴射すると、煤などのスモークの発生が問題となる場合があり、燃料噴射時期を適切に設定しなければ、スモークの発生抑制とターボラグ改善との両立は困難である。
【０００６】
本発明は、以上のような課題に勘案してなされたもので、その目的は、ターボ過給機付きの火花点火式直噴エンジンにおいて、吸気行程中における燃料噴射の実行時期を工夫することにより、スモークの発生を抑制しつつ、ターボラグの改善を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の請求項１記載の発明においては、エンジンの燃焼室から排出される排気ガスにより、吸気を過給するターボ過給機と、吸気通路と該燃焼室とを連通可能にするとともに、吸気行程の少なくとも所定の期間において開弁することにより、該ターボ過給機により過給された吸気を該燃焼室に供給する吸気弁と、該燃焼室内に燃料を直接噴射するとともに、該燃焼室をピストン往復動方向から見た状態において、燃料が、該燃焼室の外周側から該燃焼室内に配置された点火プラグ近傍に指向して噴射されるよう配置された燃料噴射弁と、該燃料噴射弁による燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えたターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記噴射時期制御手段は、吸気行程で燃料噴射時期が設定される場合において、上記吸気弁の開弁量が最大となる最大開弁時期の近傍で燃料噴射を規制する規制期間を設け、エンジンが定常運転状態のときには、吸気行程中で規制期間より進角側となる第１期間に燃料噴射を実行し、定常運転状態からの加速時においては、吸気行程中で規制期間より遅角側の第２期間に燃料噴射を実行するよう制御することを特徴としている。
【０００８】
このような構成により、エンジンが定常運転状態のときは、吸気行程中での燃料噴射によりスモークが発生し易い規制期間を避けて、規制期間よりも進角側の第１期間で燃料噴射を実行するので、元来スモークの発生が少ない吸気行程中における燃料噴射を、更にスモークの発生を抑制しながら実行することが可能となる。また、この時は、燃料噴射が早い時期に実行されることとなるため、噴射実行から点火実行までの長い期間に亘って、燃料が十分に吸気と混合されることになり、燃焼により生成されるＨＣ（炭化水素）を低減できる。
また、加速時には、吸気行程中において規制期間よりも遅角側の第２期間で燃料噴射が実行されるが、この時、気筒内においてピストンは下死点側に下がった状態となっており、こうした状態で噴射された燃料は、気筒内の吸気流動によって空気とのミキシングが向上するとともに気化潜熱によって短時間で気筒内の吸気温度を低下させる。これにより、多くの吸気の気筒内への吸入が促進され、吸気充填量の増大が図られて、排気ガス量が増大することから、ターボ過給機の過給性能を向上できる。また、上述した燃料と空気とのミキシング向上により、燃焼性が促進されてスモークの発生の抑制も可能となる。従って、加速時においては、吸気行程中で、然も規制期間を避けて燃料噴射を実行することにより、スモークの発生を抑制できるとともに、吸気充填量の増大に起因するターボ過給機の過給性能を向上させて、ターボラグの改善も図れる。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１において、上記噴射時期制御手段は、加速開始後、上記ターボ過給機により増大するエンジントルクが所定値に近づくような加速後期で、燃料噴射を第１期間に実行するよう制御することを特徴としている。
燃料噴射を第２期間で実行すると、燃料噴射を第１期間で実行するのに比べ、燃焼により燃焼室から排出されるＨＣが比較的多くなる。
しかしながら、請求項２に係る構成により、加速中であっても、ターボ過給機によりエンジントルクが高められた後の加速後期には、燃料噴射を第１期間に実行するので、加速中において高トルクを維持しつつ、燃焼室からのＨＣの排出を全体的に抑制できる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１において、上記噴射時期制御手段は、加速開始後、上記ターボ過給機により増大するエンジントルクが所定値に近づくような加速後期で、燃料噴射を第１期間及び第２期間に実行するよう制御することを特徴としている。
このような構成により、規制期間を除いた吸気行程中期付近において、気筒内の吸気流動が速い状態での燃料噴射が可能となることから、噴射燃料と空気とのミキシング性が向上でき、加速中において高トルク維持しつつ、燃焼室からのスモークの排出とＨＣの排出とを全体的に抑制できる。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１において、上記ターボ過給機により過給された吸気の過給圧が所定値以上となった時に、該ターボ過給機上流の排気ガスの一部を該ターボ過給機の下流にバイパスするよう開弁動作するウエストゲートバルブを備え、エンジンの定常運転状態とは、エンジンの運転状態が、吸気通路に配置されて吸気量を調整するスロットル弁が全開の時に該ウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転数域内にあることを特徴としている。
このような構成により、吸気通路に配置されたスロットル弁が全開の時に、ターボ過給機に供給される排気ガスをバイパスするウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転域となる運転状態からの加速時においてのみ、第２期間における燃料噴射が実行されることになる。従って、エンジン回転数が低回転域となる定常運転状態では、第２期間での燃料噴射は実行されないため、燃焼室からのＨＣ排出が抑制できる。また、この定常運転状態は、ターボ過給機による過給能力が低い状態であり、この運転状態からの加速時においてのみ、第２期間で燃料噴射を実行させることにより、ＨＣ排出量の増大を抑制しつつ、低回転状態により不足する排気エネルギーを補って、ターボラグの縮小とＨＣ排出量の低減とが図れる。
【００１２】
請求項５記載の発明は、エンジンの燃焼室から排出される排気ガスにより、吸気を過給するターボ過給機と、吸気通路と該燃焼室とを連通可能にするとともに、吸気行程の少なくとも所定の期間において開弁することにより、該ターボ過給機により過給された吸気を該燃焼室に供給する吸気弁と、該燃焼室内に燃料を直接噴射するとともに、該燃焼室をピストン往復動方向から見た状態において、燃料が、該燃焼室の外周側から該燃焼室内に配置された点火プラグ近傍に指向して噴射されるよう配置された燃料噴射弁と、該燃料噴射弁による燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えたターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記噴射時期制御手段は、吸気行程で燃料噴射時期が設定される場合において、上記吸気弁の開弁量が最大となる最大開弁時期の近傍で燃料噴射を規制する規制期間を設け、エンジンが定常運転状態のときは、吸気行程中で規制期間より進角側となる第１期間、あるいは、吸気行程中で規制期間より遅角側となる第２期間の少なくとも一方で燃料噴射を実行するとともに、定常運転状態からの加速時においては、第１期間及び第２期間で燃料噴射を実行し、且つ第２期間で実行される燃料噴射の噴射量を、第１期間で実行される燃料噴射の噴射量より多くしたことを特徴としている。
このような構成により、加速時には、吸気行程中で然も規制期間を避けて、ピストンの往復動速度が速く、気筒内の吸気流動が速い期間内で、燃料噴射を実行するため、これによりスモークの発生を大幅に抑制できる。また、第２期間における燃料噴射量を第１期間における燃料噴射量よりも増量して、第２期間での噴射を実行することにより、吸気充填量増大に起因して排気ガス量も増大でき、これによりターボ過給機の過給性能も向上させて、ターボラグの改善も図れる。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項５において、上記ターボ過給機により過給された吸気の過給圧が所定値以上となった時に、該ターボ過給機上流の排気ガスの一部を該ターボ過給機の下流にバイパスするよう開弁動作するウエストゲートバルブを備え、エンジンの定常運転状態とは、エンジンの運転状態が、吸気通路に配置されて吸気量を調整するスロットル弁が全開の時に該ウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転域内にある状態であって、上記噴射制御手段は、この低回転域内におけるより低回転状態の時には、第１期間、あるいは第２期間の一方で燃料噴射を実行するとともに、該低回転域内における高回転状態の時には、第１期間及び第２期間の双方で燃料噴射を実行するよう制御することを特徴としている。
このような構成により、エンジン回転数が低い低回転域内において、比較的エンジン回転数が高い運転状態からの加速時には、吸気行程中で、然も規制期間を避けた規制期間の前後の双方で、燃料噴射を実行することにより、気筒内の吸気流動がより速い状態での燃料噴射が可能となり、燃料と空気とのミキシング向上により、スモークの発生を大幅に抑制できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
（全体構成）
図１に示すように、本発明にかかるターボ過給機付火花点火式直噴エンジン１（以下、「エンジン１」という。）は、車両（図示せず）に対し、車輪（図示せず）を駆動可能に搭載される。また、エンジン１は、２つの吸気弁２（１つの吸気弁しか図示せず）が開かれたときには、吸気通路３から気筒１ａに形成される燃焼室４内に燃料燃焼用の吸気を吸入するようになっている。そして、この燃焼室４内に、所定の時期で燃料噴射弁５から燃料（ガソリン）が直接噴射され、混合気が形成される。
【００１７】
この混合気は、ピストン６によって圧縮され、所定の時期で点火プラグ７（火花点火装置）により点火されて燃焼する。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁８が開かれたときに排気通路９に排出される。
【００１８】
燃料噴射弁５には、燃料供給通路１０を介して、高圧燃料ポンプ１１によって燃料が供給される。このように、高圧燃料ポンプ１１が用いられているので、燃焼室４内が高圧となる圧縮行程後半でも支障なく燃料噴射を行うことができる。燃料噴射弁５はスワールノズル型インジェクタであって、燃料噴射孔が形成された燃料噴射弁５の先端部が燃焼室４に直接臨むように配置されている。また、ピストン６の頂部にはキャビティ６ａが形成されている。
【００１９】
吸気通路３には、吸気の流れ方向にみて、上流側から順に、吸入空気量を調整可能なスロットル弁１２と、吸気の流れを安定させるサージタンク３ａと、燃焼室４内においてタンブルを生成するために燃焼室４に対する吸気の流入方向を調整する流動制御弁１３とが設けられている。ここで、スロットル弁１２は、後述のコントロールユニット２２（ＥＣＵ）から出力される制御信号に応じて作動する電気式アクチュエータ１２ａによって駆動される。なお、吸気通路３に、スロットル弁１２をバイパスするバイパス通路を形成し、このパイバス通路にバイパス弁を設けて開閉することにより、アイドル運転時に吸入空気量を制御するアイドル回転数制御装置を構成させることもできる。
スロットル弁１２より上流側の吸気通路３には、上流から順に、大気から直接吸入された吸気に含有される埃などを除去するエアクリーナ（図示せず）、吸入空気量を検出するエアフローセンサ（図示せず）、後述するターボ過給機１５のコンプレッサ１５ｂ及びインタークーラー１８が設けられている。
【００２０】
排気通路９には、排気流れ方向にみて上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度ひいては空燃比をリニアに検出するリニアＯ２センサ１４（尚、理論空燃比、つまりλ＝１の近傍で出力が逆転する通常のλＯ２センサでもよい）と、ターボ過給機１５のタービン１５ａと、第１触媒コンバータ１６ａと、第２触媒コンバータ１６ｂとが設けられている。
【００２１】
ターボ過給機１５は、排気ガス流との接触により回転されるタービン１５ａと、タービン１５ａと機械的に連結されるとともに、吸気通路３に設けられて、タービン１５ａの回転に応じて回転することで吸気を過給可能なコンプレッサ１５ｂとから成っている。また、コンプレッサ１５ｂにより過給されて高温となった吸気を走行風などにより冷却して燃焼室４内における吸気充填量を増大させるインタークーラ−１８が、コンプレッサ１５ｂとスロットル弁１２との間の吸気通路３に設けられている。
【００２２】
また、排気通路９において、タービン１５ａの上流と下流とをバイパスするバイパス通路１７ａには、ウエストゲートバルブ１７ｂが設けられている。ウエストゲートバルブ１７ｂは、ダイヤフラムタイプのアクチュエータ１７ｃに対して、吸気通路６においてコンプレッサ１５ｂとスロットル弁１２との間の過給された吸気が導入されるよう構成されており、これにより開閉駆動される。具体的には、過給された吸気の過給圧（正圧）が大気圧より大きいものの所定圧力以下では、ウエストゲートバルブ１７ｂが閉成状態となり、排気ガスの略全量がタービン１５ａを通過して過給されることになるが、過給圧が所定圧力より大きくなる場合には、ウエストゲートバルブ１７ｂの開成により、排気ガスの一部がタービン１５ａをバイパスして過剰な過給が抑制され、エンジン１の信頼性が維持される。この場合、スロットル弁１２が全開となる状態において、過給圧が所定圧力となりウエストゲートバルブ１７ｂが閉弁状態から開成への移行を開始する時のエンジン回転数を、一般に、インターセプト回転数と呼んでいる。
【００２３】
第１触媒コンバータ１６ａ、第２触媒コンバータ１６ｂの双方には、ハニカム担体（図示せず）が装填され、このハニカム担体の表面に、排気ガスの雰囲気が、理論空燃比相当の排気ガス雰囲気を挟んで、周期的に酸化雰囲気と還元雰囲気とに切換わることで、排気ガス中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ等を浄化可能な三元触媒材料がコートされている。尚、いずれの触媒コンバータ１６ａ、１６ｂも、その温度が活性化温度以上になると十分な浄化力を発揮するが、その温度が活性化温度より低いと、十分な浄化力は得られない。
尚、タービン１５ａとリニアＯ２センサ１４との間に、触媒コンバータ１６ａを配置しても良い。
【００２４】
エンジン１には、排気通路９内の排気ガスの一部を吸気通路３に戻すＥＧＲ通路１９（ＥＧＲは、”Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ”の略称）が設けられ、このＥＧＲ通路１９に、ＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲ制御弁２０が介設されている。
また、吸気弁２は、可変バルブタイミング機構２１により、運転状態に応じて、その開弁時期及び閉弁時期を変えることができる。
【００２５】
コントロールユニット２２は、エンジン１の総合的な制御装置であって、各種制御情報に基づいて種々のエンジン制御を行うようになっている。具体的には、コントロールユニット２２には、エアフローセンサから吸入空気量情報、車室内に設けられたアクセルペダル（図示せず）のアクセル開度情報、ピストン６の往復動により回転されるクランクシャフト（図示せず）のクランク角情報、エンジン冷却水のエンジン水温情報（エンジン温度）、リニアＯ２センサ１４からの空燃比情報等の各種制御情報が入力される。そして、コントロールユニット２２は、これらの制御情報に基づいて、燃料噴射弁５の燃料噴射量制御及び噴射時期制御を含む燃料噴射制御、点火プラグ７の点火時期の制御（点火時期制御）、スロットル弁１２の開度の制御、ＥＧＲ制御弁２０の開度の制御、流動制御弁１３の開度の制御、吸気弁２の開弁期間及び開閉タイミングの制御等を行う。
尚、本実施形態におけるエンジン１の燃料噴射制御においては、エンジン１の運転状態が、高回転及び高負荷状態以外の領域では、排気ガス中の酸素濃度に基づいて、空燃比が理論空燃比近傍となるよう空燃比のフィードバック制御が実行される。
【００２６】
次に、図２を参照して、燃料噴射弁５から噴射される燃料の噴霧形態について詳細に説明する。
図２に示すように、燃料噴射弁５の噴射口５ａは、吸気通路３と燃焼室４との連通開口２ａのピストン６の往復動方向における下側（クランクシャフト側）の燃焼室４内壁に位置しており、ピストン６の往復動方向から見ると、吸気弁２の外周側付近、つまり２つの吸気弁２の間の気筒１ａの外周側に位置している。燃料は、この噴射口５ａから、往復動方向の斜め下側に向けて、且つ円錐形状で、微粒化されて噴射される。具体的には、燃料噴射弁の傾斜角θ１（略円錐形状となる噴霧の中心線についての傾斜角θ１’と実質同じ）は、水平面（つまり、往復動方向に対して垂直な面）に対して２５°から４０°の間に設定されるとともに、噴霧角θ２は３５°から５０°の間（但し、大気圧条件下における値）に設定されている。
【００２７】
更に、こうした燃料噴射による噴霧の到達距離は、噴霧の上側（点火プラグ７側）では、点火プラグ７のスパーク部７ａか、あるいはこれよりも少し下側の位置を若干通過し、且つ排気弁８や、気筒１ａの排気弁８側の内壁よりも短い距離に設定されている。
以上のように噴霧領域Ｓを規定することにより、燃料の一部の気筒１ａ内壁への付着が防止されるとともに、スパーク部７ａ周辺に燃料を適度に存在させることができ、ＨＣの排出量を低減しつつ、着火性向上が図れることになる。
【００２８】
ところで、上述のように、着火性向上のために燃料の噴霧領域Ｓを規定した場合には、次のような問題が生じる。
つまり、吸気行程中で吸気弁２が開弁している状態で燃料噴射弁５から燃料噴射する場合において、吸気弁２の開弁量（リフト量）が最大近傍となるときに燃料噴射されると、図２に示すように、噴霧領域Ｓ内に、吸気弁２の弁体の一部が位置することとなり、これにより吸気弁２の弁体に、噴射された燃料の一部が大量付着することになる。
このように付着した燃料は、実質的に気化霧化されず、その後の燃焼によりスモークを発生させ、こうして発生したスモークは排気ガスとともに燃焼室から排出されて、エミッションを悪化させる。
【００２９】
図３は、このような現象を示す実験結果であり、エンジン１の吸気行程中において、燃料噴射開始時期（燃料噴射の実行は１回）を変化させた場合におけるスモーク発生量（燃焼室からの排出量）、トルク（エンジントルク）を示すものである。また、後述するように最適な燃料噴射時期の設定を検討するために、吸気充填量、ＨＣの燃焼室からの排出量をも同時に示している。
この図から分かるように、吸気弁２の開弁量が最大近傍となる吸気行程上死点（ＴＤＣ）後略８０°クランク角（以下、クランク角をＣＡとする。）から略１２０°ＣＡとなる規制期間ＤＲでは、燃料噴射弁５から噴射された燃料の一部が開弁した吸気弁２に付着するため、スモークの発生量が増大するとともにトルクも若干低下している。
また、燃料噴射開始時期をこの規制期間ＤＲよりも徐々に進角させると、スモーク発生量は徐々に低下するものの、その後ＴＤＣに近づくにしたがって増大する。この時、ＨＣ排出量はスモーク発生量と略同様の傾向を示し、トルク及び吸気充填量は、燃料噴射開始時期がＴＤＣに近づくにしたがって減少する。
一方、燃料噴射開始時期を規制期間ＤＲより徐々に遅角させると、スモーク発生量は徐々に低下した後、ＢＤＣ（吸気行程下死点）付近から徐々に急増する。この時、トルクは、ＢＤＣに近づくにしたがって大きく減少し、吸気充填量は、徐々に増大し、ＨＣ排出量は、徐々に増大した後ＢＤＣ付近から急増する。
【００３０】
スモーク発生量やトルクが、燃料噴射開始時期を規制期間ＤＲよりも少し進角側、あるいは遅角側に設定することで向上する理由は、気筒１ａ内の吸気流動が速い状態となる吸気行程中の所定クランク角範囲（つまり、クランク機構の幾何学的関係においてピストン６の往復動に伴う速度が速くなり、吸気流動がや早くなるＴＤＣ付近とＢＤＣ付近のクランク角期間を除いた範囲）で燃料噴射されることにより、噴射された燃料と空気とのミキシングが良好となり、更に、噴射された燃料の吸気弁２への付着量が徐々に減少するためである。
また、燃料噴射開始時期をＴＤＣやＢＤＣに近づける程、スモーク発生量やトルクが悪化する理由は、噴射された燃料のピストン６の頂部等への付着量が増量することと、気筒１ａ内の吸気流動が遅く噴射燃料と空気とのミキシング性が低下することに起因して、燃料の気化霧化が全体的に促進されていないことによるためと考えられる。
【００３１】
また、燃料噴射開始時期を、吸気行程中において徐々に遅角させることで、吸気充填量が増大する理由は、燃料噴射に起因する吸気冷却効果に起因するものと考えられる。つまり、噴射燃料の気化により周辺の吸気は冷却されて、これにより吸気の体積は縮小され、より多くの吸気を燃焼室４内へ導入させることが可能となる。従って、吸気行程の後期で燃料噴射した場合、このような吸気冷却により、吸気弁２の閉弁直前で大量の吸気を燃焼室４内に導入させることができる。一方で、吸気行程前期で燃料噴射した場合は、一旦はこのような吸気冷却効果が得られるものの、ピストン６の下降にしたがって折角冷却された吸気が気筒１ａ壁面などに接触して暖められしまい、吸気弁２が閉弁する時点では、吸気冷却効果が得られなくなってしまう。従って、吸気行程前期で燃料噴射されても、吸気充填量は増量されない。
【００３２】
また、燃料噴射開始時期を、吸気行程の前期の中間ぐらいに設定することでＨＣ排出量が改善する理由は、上述の気筒１ａ内の速い吸気流動の利用に加えて、燃料噴射を早期に行うことで点火までの期間が長くなるため、この間で噴射された燃料の気化霧化が長時間に亘って促進されるためである。尚、噴射時期をＴＤＣ近傍まで進角させると、噴射された燃料がピストン６の頂部などに大量に付着してしまい、この大量の付着燃料によりＨＣが悪化するものと考えられる。
【００３３】
（燃料噴射制御）
以上のような、実験結果に基づき、ターボ過給機１５を搭載した直噴エンジン１に関する本実施形態においては、燃料噴射時期を図４に示すように設定する。
エンジン回転数が、インターセプト回転数以下となる運転領域における定常運転状態、具体的には、低回転及び低負荷状態となる運転領域（但し、中回転及び中負荷状態での運転領域を含んでも良い）での定常運転状態では、規制期間ＤＲから進角した第１期間Ｄ１内の所定時期で、  燃料噴射を実行する。この第１期間Ｄ１とは、気筒１ａ内の吸気流動が速く、スモークの発生量が少ない領域であり、この時は、トルクも比較的大きく、ＨＣ排出量も少ないが、吸気充填量はやや小さいために排気ガス量（つまり、排気エネルギー）はそれ程大きくはない。具体的には、第１期間Ｄ１は、吸気行程上死点後で、４０°ＣＡから８０°ＣＡの範囲が好ましい。尚、燃料噴射を第１期間Ｄ１より更に進角させて実行すると、スモークの発生量及びＨＣ排出量が増大し、トルクも低下する。
【００３４】
エンジンの運転状態が、このような定常運転領域から加速に移行した場合、この加速開始直後の加速初期は、燃料噴射を第２期間Ｄ２内の所定時期で実行する。この第２期間Ｄ２とは、規制期間ＤＲから遅角した期間で、気筒１ａ内の吸気流動が速く、スモークの発生量が少ない領域で、この時は、トルクも大きく、吸気充填量も大きいために排気エネルギーを増大できターボ過給機１５の過給効率を向上できる。一方、ＨＣ排出量は、第１期間Ｄ１で燃料噴射を実行した場合に比べ大きくなる。具体的には、第２期間Ｄ２は、吸気行程上死点後、１２０°ＣＡから１６０°ＣＡの範囲（吸気行程下死点前、２０°ＣＡから６０°ＣＡ）が好ましく、燃料噴射を第２期間Ｄ２より更に遅角させて実行すると、スモークの発生量及びＨＣ排出量が増大し、トルクも低下する。
加速開始後の加速後期で、例えば、エンジンのトルクが、全開トルク（スロットル弁１２の開度が全開状態における定常運転時において、この状態で得られる吸気充填量に対して発生可能なエンジンのトルクで、エンジン回転数毎変化するもの。）に近づくようになり、過給によるトルク増大効果が十分得られるようになると、燃料噴射時期を、第１期間Ｄ１に戻して、ＨＣ排出量が少ない状態で加速を行う。
【００３５】
このように燃料噴射時期を制御することで、定常運転時や過給によるトルク増大効果が十分得られる加速後期では、スモークとＨＣとの発生を抑制でき、早急に過給が必要となる加速初期では、スモークの発生を抑制しつつ、吸気充填量を増量してターボ過給機１５のターボラグを改善できる。
尚、加速後期においては、燃料噴射を第１期間Ｄ１と第２期間Ｄ２との双方で実行し、加速完了後に第１期間Ｄ１に戻すようにしてもよく、この場合には、規制期間ＤＲを除いた吸気行程中期付近において、気筒１ａ内の吸気流動が速い状態での燃料噴射が可能となり、更に、第１期間Ｄ１で噴射された燃料に対して第２期間Ｄ２で噴射された燃料が重ならないことから（つまり、大量の燃料を一括で噴射する場合において、噴射初期の燃料噴霧に、その後に噴射された燃料の噴霧が重なることがないことから）、噴射された燃料と空気とのミキシング性が向上し、スモークとＨＣとの発生を抑制しつつ、高いトルクが確保できる。（図４の破線で示す噴射の一形態を参照）
【００３６】
次に、本実施形態における制御手順について、図５の制御フローチャートを参照して詳細に説明する。
図５は、クランク角が所定角度になる毎にスタートするフローチャートを示しており、スタート後、ステップＳ１で、クランク角情報や吸入空気量情報等を入力する。尚、クランク角情報に基づいてエンジン回転数が決定され、吸入空気量情報に基づいてエンジン負荷が決定される。また、エンジンコントロールユニット２２は、この燃料噴射制御とは別に、アクセル開度信号等に基づいてスロットル弁１２の開度を制御しており、これにより吸入空気量は調整される。
次に、ステップＳ２で、低回転且つ低負荷運転領域からの急加速か否かを判断し、加速要求が高い急加速であれば、ステップＳ３へ、そうでなければ定常運転状態、若しくは緩加速状態、若しくはターボラグが極めて小さい高回転領域からの急加速状態であるとしてステップＳ４へ進む。この時の急加速の判定は、エンジン回転数がインターセプト回転数以下となる低回転域内で、吸入空気量の変化割合（単位時間当たりの変化量）が所定値以上となった時に加速と判断する。尚、急加速判定はこれに限定されるものではなく、エンジン回転数がターボ過給機１５の特性に基づくインターセプト回転数以下の低回転域内で、アクセル開度の変化量、あるいはそのなまし値等の関連値が所定値以上となった時に基づいて判定しても良い。
【００３７】
ステップＳ４では、制御マップ（図示せず）に基づいて噴射形態を設定する。具体的には、制御マップは、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷とし、これらに基づいて、各運転状態毎、燃料噴射時期の形態と噴射量とが記憶されるものであって、これにより、エンジン回転数が低回転域内となる運転状態では、燃料噴射時期を第１期間Ｄ１内の所定時期に設定する。また、エンジン回転数がインターセプト回転数以上となる高回転域では、高出力が要求されるため、吸入空気量の変化割合の大小に拘わらず（つまり、急加速、緩加速に拘わらず）、燃料噴射時期を第１期間Ｄ１内の所定時期と第２期間Ｄ２内の所定時期との２回に設定する。
尚、この制御マップにおいて燃料噴射量は、エンジン回転数が大きい程、あるいは、エンジン負荷が大きい程、増量設定されている。
【００３８】
ステップＳ３では、加速初期か否かを判断し、加速初期であればステップＳ５へ、加速初期ではなく加速後期であると判断された場合ステップＳ６へ進む。
この時の判断は、図６の制御マップにより判断されるもので、この制御マップによると、予めエンジン回転数に応じてエンジン１の全開トルクが求められている。加速判定時で、現在のエンジン回転数における現在のトルクが、図６の制御マップのラインＬより小さい時（同図のＡ点）は、加速初期と判断され、その後、現在のトルクが、ラインＬとラインＬに対し所定トルクだけ少ないラインＬ’との間で規定される範囲内となり、ラインＬに近づいた時（同図のＢ点）は、加速後期であると判断している。尚、現在のトルクは、吸入空気量と燃料噴射量とにより求める。
尚、加速初期の判定はこれに限定されるものではなく、例えば、加速開始後、所定時間経過までを加速初期と判断して、所定期間経過後を加速後期と判断しても良い。
【００３９】
ステップＳ５では、加速初期であるので、燃料噴射時期を第２期間Ｄ２内の所定時期に設定する。ステップＳ６では、加速後期であるので、燃料噴射時期を第１期間Ｄ１内、あるいは第１期間Ｄ１内の所定時期及び第２期間Ｄ２内の所定時期に設定する。尚、これらステップＳ５、Ｓ６においては、燃料噴射量は、ステップＳ４の制御マップの燃料噴射量特性と同様に設定された燃料噴射量用制御マップにより設定される。
ステップＳ４、Ｓ５、Ｓ６において、それぞれ燃料噴射形態を設定した後は、燃料噴射弁により、設定された燃料噴射時期となったときに、設定された燃料噴射量で、燃料噴射を実行し（ステップＳ７）、リターンする。
【００４０】
（第２の実施形態）
本発明の第１の実施形態においては、加速初期において、燃料噴射を第２期間Ｄ２内でのみ実行するエンジン１について記載したが、これに代えて、加速初期に燃料噴射を、第１期間Ｄ１と第２期間Ｄ２との双方で実行しても良く、以下、これについて、詳細に説明する。この場合、第２の実施形態の全体構成や基本的な制御等は、第１の実施形態と同じである。
図７に示すように、第１の実施形態と同様に、定常運転状態では、燃料噴射を第１期間Ｄ１内の所定時期に実行する。尚、運転状態に応じて、燃料噴射を、第２期間Ｄ２内の所定時期に追加的、あるいは第１期間Ｄ１内での燃料噴射に代えて、実行しても良い。（図７の破線で示した燃料噴射Ｆａｄｄ参照）具体的には、運転状態が、定常運転状態であって、エンジン回転数が低回転側の領域では、第１期間Ｄ１内での所定時期に燃料噴射するか、第２期間Ｄ２内での所定時期に燃料噴射するとともに、運転状態が、定常運転状態であって、エンジン回転数が高回転側の領域では、第１期間Ｄ１内での所定時期と、第２期間Ｄ２内での所定時期に夫々燃料噴射しても良い。
【００４１】
加速初期及び加速後期では、燃料噴射は、第１期間Ｄ１及び第２期間Ｄ２のそれぞれ所定の時期で噴射される。この場合、燃料噴射量は、第２期間Ｄ２での燃料噴射における噴射量の方が、第１期間Ｄ１での燃料噴射における噴射量よりも多くなる。一方、加速後期では、燃料噴射量は、第２期間Ｄ２での燃料噴射における噴射量の方が、第１期間Ｄ１での燃料噴射における噴射量よりも少なくなる。
このような構成によっても、規制期間ＤＲを除いた吸気行程中期付近において、気筒１ａ内の吸気流動がより速い状態での燃料噴射が可能となり、更に、第１期間Ｄ１で噴射された燃料に対して第２期間Ｄ２で噴射された燃料が重ならないことから、噴射された燃料と空気とのミキシング性が向上し、スモークとＨＣとの発生を抑制しつつターボラグが改善できる。
【００４２】
（他の実施形態）
尚、上述の実施形態においては、高回転且つ高負荷の運転状態以外の領域で、エンジン１の空燃比を理論空燃比にして運転を実行するエンジンについて説明したが、これに限定されるものではなく、これに代えて、エンジン１が、所謂リーンバーン運転を行うリーンバーンエンジンであっても良い。つまり、リーンバーンエンジンでは、図８に示すように、エンジンの運転状態が、低回転及び低負荷となる領域Ｒ１では、エンジンの空燃比（Ａ／Ｆ）を、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）よりもリーンとなる例えば１８から５０ぐらいに設定しており、この時、燃料噴射を、圧縮行程中期から後期までの所定時期に実行する。また、領域Ｒ１より高回転、高負荷側の領域Ｒ２では、空燃比を理論空燃比に設定されており、この時、燃料噴射を、吸気行程における第１期間Ｄ１内あるいは第２期間Ｄ２内の、所定時期に設定する。
【００４３】
このようなエンジンにおいて、運転状態が領域Ｒ１で定常運転を実行している時には、燃料噴射は、圧縮行程の中期に実行されて成層燃焼によるリーンバーンが実行される（図８のＣ１）。この状態から加速が判定されると、運転状態が領域Ｒ１内であったとしても、加速初期では、燃料噴射を吸気行程における第２期間Ｄ２内の所定時期で実行する（図８のＣ２）。この時、全燃料噴射量の半分以下の燃料を、追加的に第１期間Ｄ１内の所定期間で実行しても良い。その後、加速後期に移行すると、燃料噴射を吸気行程における第１期間Ｄ１内の所定時期で実行する。
【００４４】
このような構成により、ターボ過給機付き直噴リーンバーンエンジンにおいても、加速中のスモークの発生を抑制しつつ、加速初期におけるターボ過給機１５のターボラグを改善して加速性能の向上が図れる。
【００４５】
また、以上の実施形態においては、第１期間Ｄ１内、あるいは第２期間Ｄ２内における所定時期の燃料噴射を１回として説明したが、第１期間Ｄ１内で複数回に分けて噴射を実行したり、あるいは第２期間Ｄ２内で複数回に分けて噴射を実行するものであっても構わない。
また、以上の実施形態において、燃料噴射弁５としてスワールノズル型インジェクタを用いたが、これに限定されず、例えば、燃料噴射弁５としては噴霧角が狭角で貫徹力の高いタイプを使用し、ピストン６が上死点側に位置している状態で、燃料をピストン６の頂部や吸気流動に衝突するように噴射させるものであっても良い。
また、可変バルブタイミング機構２１により吸気弁２が最大開弁量となる時期を運転状態に応じて求め、第１期間Ｄ１及び第２期間Ｄ２を、これに基づいて運転状態に応じて変更されるように制御してもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る第１発明においては、エンジンが定常運転状態のときは、吸気行程中において規制期間よりも進角側の第１期間で燃料噴射を実行するので、元来スモークの発生が少ない吸気行程中における燃料噴射を、更にスモークの発生を抑制して実行することが可能となる。また、この時は、燃料噴射が早い時期に実行されることとなるため、ＨＣの生成を抑制できる。また、加速時には、吸気行程中で規制期間よりも遅角側の第２期間で燃料噴射を実行するので、スモークの発生を抑制しつつ、吸気充填量の増大に起因するターボ過給機の過給性能向上により、ターボラグを改善できる。
また、本発明に係る第２発明のおいては、加速時には、吸気行程中で規制期間よりも遅角側の第２期間での燃料噴射を、第１期間での燃料噴射よりも噴射量を増量して実行するので、燃料の分割噴射により燃料と空気とのミキシング性を向上させることができ、これにより、スモークの発生を抑制しつつ吸気充填量の増大に起因するターボ過給機の過給性能を向上させて、ターボラグを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジン１の概略を示す全体構成図。
【図２】燃料噴射弁５から燃焼室４内へ噴射される燃料の噴霧形態を示す概略図。
【図３】吸気行程において燃料噴射時期を変更した時のスモーク発生量等各種データに関する実験結果を示すグラフ。
【図４】第１の実施形態に係る燃料噴射動作の形態を示す模式図。
【図５】第１の実施形態に係る制御手順を示すフローチャート図。
【図６】加速初期の判定方法を説明する模式図。
【図７】第２の実施形態に係る燃料噴射動作の形態を示す模式図。
【図８】リーンバーンエンジンにおける運転状態を示す模式図
【符号の説明】
２：吸気弁
４：燃焼室
５：燃料噴射弁
７：点火プラグ
１５：ターボ過給機
Ｄ１：第１期間
Ｄ２：第２期間
ＤＲ：規制期間
【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】
2005002967.tif 000008
【図７】
2005002967.tif 000009
【図８】
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