(57)【要約】【課題】  混合気の着火性や燃焼改善に繋がり、エンジンの性能を向上させることができるガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法を提供する。【解決手段】  少なくとも１個の直噴インジェクタ１２０によりガス燃料をピストン１０４頂面に形成したキャビティ１０４Ｃに向けて直接に噴射し、点火プラグ１０９付近に可燃混合気を形成する成層燃焼モードを少なくとも一部の運転領域にて行うガス燃料直噴エンジンであって、成層燃焼モードにおける点火の時点で、ガス燃料の噴射による可燃混合気の乱れが点火プラグ１０９付近に存在し、且つ点火プラグ１０９付近に可燃混合気が留まるように、燃料噴射の終了から点火までのインターバルを設定するようにした。【選択図】  図１
2005337073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個の直噴インジェクタによりガス燃料をピストン頂面に形成したキャビティに向けて直接に噴射し、点火プラグ付近に可燃混合気を形成する成層燃焼モードを少なくとも一部の運転領域にて行うガス燃料直噴エンジンであって、
前記成層燃焼モードにおける点火の時点で、前記ガス燃料の噴射による可燃混合気の乱れが点火プラグ付近に存在し、且つ点火プラグ付近に可燃混合気が留まるように、燃料噴射の終了から点火までのインターバルを設定することを特徴とするガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
【請求項２】
前記成層燃焼モードにおけるエンジン運転条件に応じて決定される燃料噴射量に基づいて、前記燃料噴射の終了から点火までのインターバルを固定したまま燃料噴射の開始時期を変更することを特徴とする請求項１に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
【請求項３】
前記成層燃焼モードに加えて均質燃焼モードを有し、該均質燃焼モードにおいては、圧縮行程前半または吸気行程前半に主噴射を行なうと共に、前記燃料噴射の終了から点火までのインターバルを満たしつつ副噴射を行なうことを特徴とする請求項１に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
【請求項４】
前記主噴射による燃料噴射量は、要求される全燃料噴射量から前記副噴射による燃料噴射量を減じた量に設定することを特徴とする請求項３に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
【請求項５】
低温始動時には、圧縮行程前半または吸気行程前半に主噴射を行なうと共に、前記燃料噴射の終了から点火までのインターバルを満たしつつ副噴射を行なうことを特徴とする請求項１に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
【請求項６】
前記ガス燃料直噴エンジンは、前記直噴インジェクタに加えて吸気ポートにポートインジェクタを備え、
前記主噴射を該ポートインジェクタにより行い、前記副噴射を前記直噴インジェクタにより行なうことを特徴とする請求項３に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
【請求項７】
前記ガス燃料直噴エンジンは、筒内に２個の直噴インジェクタを備え、
前記副噴射を、より強い可燃混合気の乱れを発生させ得る方の直噴インジェクタにより行なうことを特徴とする請求項３に記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
【請求項８】
前記ガス燃料直噴エンジンは、前記直噴インジェクタに加えて吸気ポートにガソリンポートインジェクタを備えることを特徴とする請求項１、２または５のいずれかに記載のガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス燃料を筒内に噴射供給するガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、エネルギー対策や環境対策のために、圧縮天然ガス（ＣＮＧと称す）や水素ガスを燃料とする、いわゆるガス燃料エンジンが開発されている。このようなガス燃料エンジンにおいて、ガス燃料を吸気通路に噴射して供給するようにしたいわゆるポート噴射式エンジンが知られている。ところで、かかるポート噴射式エンジンでは、充填効率が充分でなく、充分な出力が得られないと共に燃費が悪化する恐れがある。
【０００３】
そこで、気体燃料を燃焼室に直接噴射して、このような充填効率の不充分さを補うようにした内燃機関の制御装置が特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された内燃機関の制御装置では、気体燃料の圧力低下に伴って気体燃料の噴射供給が困難となる結果、航続距離が短くなるのを防止するために、燃圧の低下時には吸気弁の閉弁時期を吸気下死点近傍に設定し、インジェクタからの噴射を吸気行程に行わせるようにしている。
【０００４】
また、特許文献２の筒内噴射式ガス燃料機関では、燃料噴射圧の変化によって噴霧速度が変化することに起因して、筒内乱れや混合気形成が変化し、その結果として生ずる燃焼悪化や最適点火時期の変化に対処する技術が開示されている。すなわち、噴射されるガス燃料の圧力に応じて、スワールコントロールバルブの開度、ＥＧＲバルブの開度および点火時期を制御する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３２８９９７号公報
【特許文献２】特開２００２−２２１０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ガス燃料直噴エンジンにおいては、燃料噴射弁の噴射口から噴射されるガス燃料の噴流速度は音速を超えて極めて速く、且つ気化による速度減衰がないので、この噴流によって点火プラグ付近に強い乱れが生起される。しかしながら、この乱れは、噴流により生起されたものであることから、そのエネルギー量は小さく、ガス燃料の噴射の終了により噴流がなくなると減衰も速いという特性を有している。そこで、この乱れを有効に活用すれば、混合気の着火性や燃焼改善に繋がり、エンジンの性能を向上させることが可能である。しかし、上述の特許文献１および２のいずれも、この乱れの有効活用に関しては何等考慮されていない。
【０００７】
本発明の目的は、このような実情に鑑みて、混合気の着火性や燃焼改善に繋がり、エンジンの性能を向上させることができるガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の一形態に係るガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法は、少なくとも１個の直噴インジェクタによりガス燃料をピストン頂面に形成したキャビティに向けて直接に噴射し、点火プラグ付近に可燃混合気を形成する成層燃焼モードを少なくとも一部の運転領域にて行うガス燃料直噴エンジンであって、
前記成層燃焼モードにおける点火の時点で、前記ガス燃料の噴射による可燃混合気の乱れが点火プラグ付近に存在し、且つ点火プラグ付近に可燃混合気が留まるように、燃料噴射の終了から点火までのインターバルを設定することを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記成層燃焼モードにおけるエンジン運転条件に応じて決定される燃料噴射量に基づいて、前記燃料噴射の終了から点火までのインターバルを固定したまま燃料噴射の開始時期を変更することが好ましい。
【００１０】
なお、前記成層燃焼モードに加えて均質燃焼モードを有し、該均質燃焼モードにおいては、圧縮行程前半または吸気行程前半に主噴射を行なうと共に、前記燃料噴射の終了から点火までのインターバルを満たしつつ副噴射を行なうようにしてもよい。
【００１１】
ここで、前記主噴射による燃料噴射量は、要求される全燃料噴射量から前記副噴射による燃料噴射量を減じた量に設定することが好ましい。
【００１２】
さらに、低温始動時には、圧縮行程前半または吸気行程前半に主噴射を行なうと共に、前記燃料噴射の終了から点火までのインターバルを満たしつつ副噴射を行なうことが好ましい。
【００１３】
なお、前記ガス燃料直噴エンジンは、前記直噴インジェクタに加えて吸気ポートにポートインジェクタを備え、前記主噴射を該ポートインジェクタにより行い、前記副噴射を前記直噴インジェクタにより行なうようにしてもよい。
【００１４】
さらに、前記ガス燃料直噴エンジンは、筒内に２個の直噴インジェクタを備え、前記副噴射を、より強い可燃混合気の乱れを発生させ得る方の直噴インジェクタにより行なうようにしてもよい。
【００１５】
さらにまた、前記ガス燃料直噴エンジンは、前記直噴インジェクタに加えて吸気ポートにガソリンポートインジェクタを備えるものであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一形態に係るガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法によれば、少なくとも１個の直噴インジェクタによりガス燃料をピストン頂面に形成したキャビティに向けて直接に噴射し、点火プラグ付近に可燃混合気を形成する成層燃焼モードを少なくとも一部の運転領域にて行うガス燃料直噴エンジンにおいて、前記成層燃焼モードにおける点火の時点では、前記ガス燃料の噴射による可燃混合気の乱れが点火プラグ付近に存在し、且つ点火プラグ付近に可燃混合気が留まるように、燃料噴射の終了から点火までのインターバルが設定されるので、着火が確実に行なわれると共に着火した火炎が急速に伝播する。この結果、燃焼を改善しエンジン性能を向上させることができる。
【００１７】
また、前記成層燃焼モードに加えて均質燃焼モードを有し、該均質燃焼モードにおいては、圧縮行程前半または吸気行程前半に主噴射を行なうと共に、前記燃料噴射の終了から点火までのインターバルを満たしつつ副噴射を行なうようにした形態によれば、均質燃焼モードにおいても着火が確実に行なわれると共に着火した火炎が急速に伝播するので、燃焼を改善しエンジン性能を向上させることが可能である。
【００１８】
さらに、低温始動時には、圧縮行程前半または吸気行程前半に主噴射を行なうと共に、前記燃料噴射の終了から点火までのインターバルの所定値を満たしつつ副噴射を行なうようにした形態によれば、燃焼を改善でき、噴射量が少なくて済むので、燃費を向上することができる。さらに、点火時期を遅角側に設定できるので、触媒の早期暖機に有利でありエミッション低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
まず、図１を参照して、本発明が適用されるガス燃料直噴エンジン１００の概要を説明する。１０１はエンジン本体、１０２はシリンダブロック、１０３はシリンダヘッド、１０４はピストン、１０５は燃焼室、１０６は吸気ポート、１０７は排気ポート、１０８Ｉは吸気弁、１０８Ｅは排気弁、１０９は燃焼室１０５内の頂部に配置された点火栓をそれぞれ示している。
【００２１】
吸気ポート１０６は吸気マニフォルド１１０を介してサージタンク１１１に接続され、サージタンク１１１は吸気ダクト１１２を介してエアクリーナ１１３に接続されている。吸気ダクト１１２内にはステップモータ１１４により駆動されるスロットル弁１１５が配置されている。一方、排気ポート１０７は排気マニフォルド１１６および排気管１１７を介してＮＯｘ吸蔵触媒コンバータ１１８に接続されている。また、１１９はエンジン冷却水温を検出するための水温センサである。
【００２２】
図１のエンジン１００は、ガス燃料としてＣＮＧを用いるガス燃料供給系を備え、このガス燃料供給系は、筒内の燃焼室１０５に噴射口を介して噴射可能に配置されたガス燃料の直噴インジェクタとしてのＣＮＧ直噴インジェクタ１２０を具備し、このＣＮＧ直噴インジェクタ１２０は、ＣＮＧ供給ライン１２２を介し車載されたガス燃料容器としてのＣＮＧボンベ１２４に接続されている。なお、ＣＮＧ供給ライン１２２内には、図示しない燃料遮断弁および高圧レギュレータ１２６が配置されている。
【００２３】
ＣＮＧボンベ１２４内に、充填圧力ＰＦ（例えば、２０ＭＰa）で充填されているＣＮＧは、高圧レギュレータ１２６により一定の高調節圧ＰＨ（例えば、５ＭＰa）まで減圧され、通常のエンジン制御状態では、この高調節圧ＰＨでもってＣＮＧ直噴インジェクタ１２０から筒内に圧縮行程で噴射される。この高調節圧ＰＨは、運転状態にかかわらず常に圧縮行程で筒内噴射が可能な圧力であり、かかる点から、後の説明で通常噴射圧と称されることもある。このＣＮＧ直噴インジェクタ１２０は、電子制御ユニット３００からの出力信号に基づいて制御される。
【００２４】
さらに、図２に拡大して示すように、上述の点火プラグ１０９が吸気ポート１０６と排気ポート１０７との間の燃焼室１０５の上部中央に配設されている。そして、ガス燃料の直噴インジェクタとしてのＣＮＧ直噴インジェクタ１２０が吸気ポート１０６側にその噴射口がシリンダ中心線に対し所定の角度傾斜されて配設されている。さらに、ピストン１０４の上部には、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの噴射方向に適合されたピストンキャビティ１０４Ｃが、吸気ポート１０６側にオフセットされて形成されている。なお、このピストンキャビティ１０４ＣはＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの噴霧流が回り込んで点火プラグ１０９のギャップ付近に乱れを生起するように吸気ポート１０６側にオフセットされた舟底状に形成されている。また、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０のピストンキャビティ１０４Ｃに対する噴霧角および噴霧形状は、ピストンキャビティ１０４ＣでＣＮＧ燃料が成層燃焼可能なように設定されている。
【００２５】
再度図１に戻り、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）３００はデジタルコンピュータからなり、周知の如く、双方向性バスを介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２０、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３０、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４０、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）３５０、入力ポート３６０、および出力ポート３７０等を具備している。
【００２６】
また、吸気マニフォルド１１０に接続されたサージタンク１１１には、サージタンク１１１内の絶対圧に比例した出力電圧を発生する圧力センサ１４０が取り付けられている。ＣＮＧボンベ１２４の出口のＣＮＧ供給ライン１２２内には、ＣＮＧボンベ１２４内の残存ＣＮＧ量、すなわち、残圧に比例した出力電圧を発生するＣＮＧ残圧センサ１４１が配置されている。これらセンサ１４０および１４１の出力電圧は、それぞれ、対応するＡＤ変換器を介してＥＣＵ３００の入力ポートに入力される。さらに、入力ポートには、エンジン回転数Ｎを表す出力パルスを発生する回転数センサ１４３、スロットル弁１１５の回動角度を検出するスロットル開度センサ１４４、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ１４５等が接続されている。一方、ＥＣＵ３００の出力ポートは、それぞれ、対応する駆動回路を介して、点火栓１０９、ステップモータ１１４、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０等に接続されている。
【００２７】
本実施の形態では、成層燃焼モードにおいて噴流起因による乱れを有効に利用するために、噴射終了から点火までのインターバルＩｖが以下に説明するように設定され、上述のＲＯＭ３２０にマップ化されたデータとして格納されている。
【００２８】
まず、実験またはシュミレーションにより、点火プラグ周りの乱れの強さ（ｍ／ｓ）が求められる。図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は、横軸に噴射終了後のクランク角（deg）、縦軸に点火プラグ周りの乱れの強さ（ｍ／ｓ）を取って示すグラフであり、図３（Ａ）はエンジンの低速（１２００ｒｐｍ）低負荷域のとき、図３（Ｂ）は、その低速低負荷域から回転数を上昇（ＵＰ）させたとき、および図３（Ｃ）は、同じく低速低負荷域から負荷を増大（ＵＰ）させたときをそれぞれ示している。これらの実験またはシュミレーションによる図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）のグラフから、点火プラグ周りの乱れの傾向（噴射終了後の増加、減衰のタイミング）は、エンジンの負荷の変動によってはほとんど変化はないが、回転数の変動による影響は大きいことが分かる。
【００２９】
図３（Ａ）に示すエンジンの低速低負荷域では、乱れ強さのピークは噴射終了後クランク角１０°付近で生起されている。従って、この乱れ強さのピーク時点で点火されれば着火が確実に行なわれると云える。但し、この乱れ強さのピーク時点に限られず、乱れ強さが所定の閾値（破線で示す）以上にあれば、着火が確実に行なわれると共に燃焼改善にも繋がり得るので、これに基づき噴射終了から点火までのインターバルＩｖが設定される。すなわち、このエンジンの低速低負荷域では、例えば、噴射終了から点火までのインターバルＩｖが８〜２０°のクランク角に設定可能である。このクランク角内のインターバルＩｖの値は、エミッション、混合気濃度、エンジン性能等を考慮して最適な値に設定することができる。
【００３０】
一方、図３（Ｂ）に示すように、回転数を上昇させたときには、低速低負荷域に比べ乱れ強さのピークは小さくなると共に噴射終了後クランク角５°付近で生起され、乱れ強さが所定の閾値以上にあるクランク角の範囲は短縮される。従って、この場合には、例えば、噴射終了から点火までのインターバルＩｖが４〜７°のクランク角に設定可能である。なお、回転数が上昇した場合にはピストン速度が上昇するので、クランク角で表されたインターバルＩｖは時間に換算すると、ほとんど変化はない。
【００３１】
また、図３（Ｃ）に示すように、負荷を増加させたときには、乱れ強さのピークは小さくなると共に噴射終了後クランク角１５°付近で生起され、乱れ強さが所定の閾値以上にあるクランク角の範囲は図３（Ｂ）の場合よりは長いが短縮される。従って、この場合には、例えば、噴射終了から点火までのインターバルＩｖが１３〜２２°のクランク角に設定可能である。かくて、回転数および負荷を変動させた運転領域内における噴射終了から点火までの最適インターバルＩｖが設定され、上述の如くＲＯＭ３２０にマップ化されたデータとして格納される。
【００３２】
ここで、本発明に係るガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法の第１の実施形態による制御の一例を図４のフローチャートを参照して説明する。この第１の実施形態では、まず、ステップＳ４０１においてエンジンの運転状態を表すパラメータとして、圧力センサ１４０からの負荷信号および回転数センサ１４３からの回転数信号が読込まれる。そして、この負荷信号および回転数信号に基づき次のステップＳ４０２において、後述する成層燃焼モード領域であるか否かが判定される。成層燃焼モード領域であるときは、ステップＳ４０３に進み、上記負荷信号および回転数信号に基づく所定の燃料噴射量がマップから読み出され設定される。これは前述の通常噴射圧の下にＣＮＧ直噴インジェクタ１２０の開弁時間として設定される。また、次のステップＳ４０４においても、上記負荷信号および回転数信号に基づく所定の点火時期がマップから読み出され設定される。
【００３３】
そして、次のステップＳ４０５において、前述の噴射終了から点火までのインターバルＩｖが同じく格納されているマップから読み出され、上述の設定された所定の点火時期に対し、このインターバルＩｖと所定の燃料噴射量とにより燃料噴射開始時期が設定される。その後、この噴射時期にＣＮＧ直噴インジェクタ１２０から上昇過程にあるピストン１０４のピストンキャビティ１０４Ｃに向けての燃料噴射の開始、および、その噴射終了後のインターバルＩｖにおける点火プラグ１０９の点火が実行される。かくて、ピストンキャビティ１０４Ｃに向けてのＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの噴霧流が回り込むことにより生起された可燃混合気の乱れが点火プラグ１０９のギャップ付近に存在し、且つ点火プラグ１０９の付近に可燃混合気が留まるインターバルＩｖで点火が行われるので、着火が確実に行なわれると共に着火した火炎が急速に伝播する。この結果、燃焼を改善しエンジン性能を向上させることができるのである。
【００３４】
次に、本発明に係るガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法の第２の実施形態による制御の一例を図４および５のフローチャートを参照して説明する。この第２の実施形態は、成層燃焼モードと均質燃焼モードとで燃料噴射形態を異ならせているエンジンに適用されている。すなわち、本第２の実施形態では、エンジンの運転領域が図６に示すように、低速低負荷の成層燃焼モード領域「１」とそれ以外の均質燃焼モード領域「２」とに分割され、均質燃焼モード領域「２」はさらに高負荷領域「２−１」とそれ以外の中負荷且つ高速低負荷領域「２−２」とに分割されている。
【００３５】
そこで、この第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、まず、ステップＳ４０１においてエンジンの運転状態を表すパラメータとして、圧力センサ１４０からの負荷信号および回転数センサ１４３からの回転数信号が読込まれ、そして、この負荷信号および回転数信号に基づき次のステップＳ４０２において、成層燃焼モード領域「１」であるか否かが判定される。成層燃焼モード領域であるときは、ステップＳ４０３以下に進み、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの噴射終了後のインターバルＩｖにおいて点火プラグ１０９の点火が実行されること上述の通りである。
【００３６】
一方、ステップＳ４０２において、成層燃焼モード領域「１」でない、すなわち、均質燃焼モード領域「２」と判定されると、図５のフローチャートのステップＳ５０１に進む。ステップＳ５０１では、上記負荷信号および回転数信号に基づく所定の燃料噴射量がマップから読み出され、且つ、この燃料噴射量が主燃料噴射量と副燃料噴射量とに分けられて設定される。換言すると、前記主噴射による燃料噴射量は、要求される全燃料噴射量から前記副噴射による燃料噴射量を減じた量に設定される。ここで、この副燃料噴射量としては、限定はされないが、点火プラグ１０９の周りに乱れを生起させるためのものであり、量が多すぎると混合気が層状となるおそれがあるので、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０の最小噴射量程度とするのが好ましい。そして、次のステップＳ５０２において、上記負荷信号および回転数信号に基づき所定の点火時期がマップから読み出され設定される。
【００３７】
さらに、ステップＳ５０３に進み、均質燃焼モード領域「２」において、高負荷領域「２−１」であるか否かが判定される。高負荷領域「２−１」、すなわち、「Ｙｅｓ」のときはステップＳ５０４に進み、主燃料噴射量の噴射開始時期が圧縮行程の開始時期である上死点前（ＢＴＤＣ）１８０°に設定されると共に、副噴射終了から点火までのインターバルＩｖがＲＯＭ３２０に格納されているマップから読み出され、上述の設定された所定の点火時期に対し、このインターバルＩｖと副燃料噴射量とにより副燃料噴射開始時期が設定される。そして、ステップＳ５０６に進み、上死点前（ＢＴＤＣ）１８０°にＣＮＧ直噴インジェクタ１２０から上昇過程にあるピストン１０４のピストンキャビティ１０４Ｃに向けての主噴射が開始される。
【００３８】
次に、上述のように設定された副燃料噴射開始時期に副噴射が行われ、その噴射終了後のインターバルＩｖにおいて点火プラグ１０９の点火が実行される。かくて、ピストンキャビティ１０４Ｃに向けてのＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの副噴射による噴霧流が回り込むことにより生起された可燃混合気の乱れが点火プラグ１０９のギャップ付近に存在し、且つ点火プラグ１０９の付近に可燃混合気が留まるインターバルＩｖで点火が行われるので、着火が確実に行なわれると共に着火した火炎の伝播が速やかに行われ燃焼が改善される。
【００３９】
一方、ステップＳ５０３の判定で、均質燃焼モード領域「２」において、高負荷領域「２−１」でない、すなわち、中負荷且つ高速低負荷領域「２−２」で「Ｎｏ」のときはステップＳ５０５に進み、主燃料噴射量の噴射開始時期が吸入空気とのミキシングを向上させるべく吸気行程の開始時期である上死点前（ＢＴＤＣ）３６０°に設定されると共に、副噴射終了から点火までのインターバルＩｖがＲＯＭ３２０に格納されているマップから読み出される。そして、上述のステップＳ５０２で設定された所定の点火時期に対し、このインターバルＩｖと副燃料噴射量とにより副燃料噴射開始時期が設定される。そして、ステップＳ５０６に進み、上死点前（ＢＴＤＣ）３６０°にＣＮＧ直噴インジェクタ１２０から下降過程にあるピストン１０４のピストンキャビティ１０４Ｃに向けての主噴射が開始される。そして、圧縮行程後半の上述のように設定された副燃料噴射開始時期に副噴射が行われ、その噴射終了後のインターバルＩｖにおいて点火プラグ１０９の点火が実行される。かくて、この領域「２−２」でも、上昇過程にあるピストンキャビティ１０４ＣにむけてのＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの副噴射による噴霧流が回り込むことにより生起された可燃混合気の乱れが点火プラグ１０９のギャップ付近に存在し、且つ点火プラグ１０９の付近に可燃混合気が留まるインターバルＩｖで点火が行われるので、着火が確実に行なわれると共に着火した火炎の伝播が速やかに行われ燃焼が改善される。
【００４０】
ここで、上述した本発明の第１および第２の実施形態における燃料噴射量（主燃料噴射量と副燃料噴射量を含む）とそのタイミングおよび点火時期との関係を図７のタイムチャートに示す。図７において、均質燃焼モード領域「２」における中太線は主噴射、極太線は副噴射のそれぞれ開始と終了とを示している。また、成層燃焼モード領域「１」おける極太線は、燃料噴射の開始と終了とを示している。なお、星印は点火、Ｉｖは噴射終了から点火までのインターバルを表している。
【００４１】
次に、本発明に係るガス燃料直噴エンジンの燃焼制御方法の第３の実施形態による制御の一例を図８のフローチャートを参照して説明する。この第３の実施形態は、低温始動時に本発明を適用したものであり、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされ、スタータ（ＳＴＡ）がオンされたときに制御が開始される。そこで、ステップＳ８０１において、水温センサ１１９により検出されたエンジンの冷却水温が所定値（例えば、０℃）以下か否かが判定される。所定値以下、すなわち、「Ｙｅｓ」のときはステップＳ８０２に進み、点火時期が２段噴射用に設定される。すなわち、点火時期が上死点よりも遅らされた遅角側に設定される。そして、次のステップＳ８０３において、副噴射終了からこの遅角側に設定された点火までのインターバルＩｖがＲＯＭ３２０に格納されているマップから読み出され、上述のステップＳ８０２で設定された点火時期に対し、このインターバルＩｖと副燃料噴射量とにより副燃料噴射開始時期が設定される。さらに、ステップＳ８０４において、主燃料噴射量の噴射開始時期が吸入空気とのミキシングを向上させるべく吸気行程の開始時期である上死点前（ＢＴＤＣ）３６０°に設定される。なお、この主燃料噴射量と上述の副燃料噴射量との合計は、エンジンの冷却水温に応じて適切な量が予め実験等により求められてマップに保存されており、この量がそれぞれ設定される。
【００４２】
そして、ステップＳ８０５に進み、前述した図７のタイムチャートにおける中負荷且つ高速低負荷領域「２−２」の場合と同じ噴射形態で、上死点前（ＢＴＤＣ）３６０°にＣＮＧ直噴インジェクタ１２０から下降過程にあるピストン１０４のピストンキャビティ１０４Ｃに向けての主噴射が開始され、圧縮行程後半に設定された副燃料噴射開始時期に副噴射が行われ、その噴射終了後のインターバルＩｖにおいて点火プラグ１０９の点火が実行されて始動される。かくて、この低温始動時においては主噴射と副噴射との２段噴射とすることにより低温時のミキシングが改善され、そして点火プラグ１０９のギャップ付近に生起された乱れを利用することで着火が確実に行なわれる。
【００４３】
一方、上記ステップＳ８０１の判定でエンジンの冷却水温が所定値を超えているときは、ステップＳ８０６に進み、通常モードでの始動が行われる。この通常モードの始動は、エンジンの冷却水温に応じた適切な燃料量が吸気行程中に１回噴射されることにより行われる。
【００４４】
なお、ステップＳ８０５およびＳ８０６の後は、それぞれ、ステップＳ８０７に進み、始動が終了したか否かが判定される。この判定は、エンジンの回転数が所定の完爆回転数を超えたか否かにより行うことができ、始動に成功するまで上述のルーチンが繰り返され、始動が終了すると通常運転中の燃焼制御へ進む。
【００４５】
この低温始動時制御においても、副噴射による噴霧流が回り込むことにより生起された比較的濃い可燃混合気の強い乱れが点火プラグ１０９のギャップ付近に存在し、且つ点火プラグ１０９の付近に可燃混合気が留まるインターバルＩｖで点火が行われるので、着火が確実に行なわれると共に着火した火炎の伝播が速やかに行われ燃焼が改善される。また、噴射量が少なくて済むので、燃費を向上することができる。さらに、点火時期を遅角側に設定できるので、触媒１１８の早期暖機に有利でありエミッション低減を図ることができるのである。
【００４６】
次に、本発明の第４の実施形態につき図９（Ａ）および（Ｂ）を参照しつつ説明する。この第４の実施形態は、前述の実施形態がＣＮＧ直噴インジェクタ１２０を１個備えた、いわゆるシングルインジェクタエンジンに本発明を適用したのに対し、インジェクタを２個備えた、いわゆるダブルインジェクタエンジンに本発明を適用したものである。図９（Ａ）に示すダブルインジェクタエンジン２００では、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０に加えてＣＮＧポートインジェクタ１３０を備え、図９（Ｂ）に示すダブルインジェクタエンジン２５０では、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０に加えて第２のＣＮＧ直噴インジェクタ１２０−２を備えている。
【００４７】
図９（Ａ）に示すダブルインジェクタエンジン２００では、成層燃焼モード領域「１」においては、上述した本発明の第１および第２の実施形態について説明したように、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からのみの噴射が図７のタイムチャートに示す点火時期との関係のタイミングで行われる。そして、均質燃焼モード領域「２」の中負荷且つ高速低負荷領域「２−２」においては、同じく図７に示す主噴射がＣＮＧポートインジェクタ１３０により行われ、副噴射がＣＮＧ直噴インジェクタ１２０により行われる。なお、主燃料噴射量は運転状態で必要とされる全燃料量から副燃料噴射量を減じた量である。なお、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０およびＣＮＧポートインジェクタ１３０の両者から燃料を噴射しつつ運転を行う場合には、ＣＮＧポートインジェクタ１３０からの噴射量およびタイミングはそのままで、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの噴射タイミングを前述のインターバルＩｖを満たし乱れを生起し得る時期にずらすようにすればよい。
【００４８】
また、図９（Ｂ）に示すダブルインジェクタエンジン２５０では、成層燃焼モード領域「１」においては、上述した本発明の第１および第２の実施形態について説明したように、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０または第２のＣＮＧ直噴インジェクタ１２０−２からの噴射が図７のタイムチャートに示す点火時期との関係のタイミングで行われる。そして、均質燃焼モード領域「２」の中負荷且つ高速低負荷領域「２−２」においては、同じく図７に示す主噴射が第２のＣＮＧ直噴インジェクタ１２０−２により行われ、副噴射がより強い乱れを生起し得るＣＮＧ直噴インジェクタ１２０により行われる。なお、主燃料噴射量は運転状態で必要とされる全燃料量から副燃料噴射量を減じた量であることは上述の通りである。
【００４９】
次に、本発明の第５の実施形態につき同じく図９（Ａ）および（Ｂ）を参照しつつ説明する。この第５の実施形態は、前述の第４実施形態がＣＮＧインジェクタを２個備えた、いわゆるＣＮＧダブルインジェクタエンジンに本発明を適用したのに対し、少なくとも１個のＣＮＧ直噴インジェクタと他の液体、例えばガソリンインジェクタとを備える、いわゆるバイフューエルエンジンに本発明を適用したものである。なお、以下のバイフューエルエンジンについての説明では、エンジン本体の構成はインジェクタを除き上述のＣＮＧダブルインジェクタエンジンと変わることはないので、図９（Ａ）および図９（Ｂ）において括弧内に付した参照符号を用いる。そこで、図９（Ａ）に示すバイフューエルエンジン４００では、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０に加えてガソリンポートインジェクタ１４０を備え、図９（Ｂ）に示す、バイフューエルエンジン５００では、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０に加えてガソリン直噴インジェクタ１５０を備えている。
【００５０】
図９（Ａ）に示すバイフューエルエンジン４００では、成層燃焼モード領域「１」においては、上述した本発明の第１および第２の実施形態について説明したように、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からのみの噴射が図７のタイムチャートに示す点火時期との関係のタイミングで行われる。そして、均質燃焼モード領域「２」の中負荷且つ高速低負荷領域「２−２」においては、同じく図７に示す主噴射がガソリンポートインジェクタ１４０により行われ、副噴射がＣＮＧ直噴インジェクタ１２０により行われる。なお、ガソリンである主燃料噴射量は運転状態で必要とされる全燃料量から等発熱量換算によるＣＮＧの副燃料噴射量を減じた量である。さらに、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０およびガソリンポートインジェクタ１４０の両者から燃料を噴射しつつ運転を行う場合には、ガソリンポートインジェクタ１４０からの噴射量およびタイミングはそのままで、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの噴射タイミングを前実施の形態と同様に、乱れを生起し得る時期にずらすようにすればよい。
【００５１】
また、図９（Ｂ）に示すバイフューエルエンジン５００では、成層燃焼モード領域「１」においては、上述した本発明の第１および第２の実施形態について説明したように、ＣＮＧ直噴インジェクタ１２０からの噴射が図７のタイムチャートに示す点火時期との関係のタイミングで行われる。そして、均質燃焼モード領域「２」の中負荷且つ高速低負荷領域「２−２」においては、同じく図７に示す主噴射がガソリン直噴インジェクタ１５０により行われ、副噴射が強い乱れを生起し得るＣＮＧ直噴インジェクタ１２０により行われる。なお、主燃料噴射量は運転状態で必要とされる全燃料量から等発熱量換算による副燃料噴射量を減じた量であることは上述の通りである。
【００５２】
ところで、上述したバイフューエルエンジン４００、５００における本発明に係る制御では、ＣＮＧ燃料量が所定値を超えて十分に残存している状態で行われ、ＣＮＧ燃料量が所定値を下回った場合には、最寄の補給所までの航続距離等を考慮して、ガソリン燃料を用いての本発明に係る乱れ活用なしの通常制御が行われる。
【００５３】
次に、本発明の第６の実施形態につき説明する。この第６の実施形態は、前実施の形態において説明した直噴インジェクタからの噴流による乱れを活用することに起因する不都合を回避しようとするものである。つまり、この噴流による乱れを活用すると燃焼が改善されることは前述の通りであるが、反面、乱れは噴流および火炎の筒内流動も盛んにさせるので、シリンダブロック１０２およびシリンダヘッド１０３へ熱が逃げる冷却損失も大きく、結果として、熱効率の向上に限界があるのである。そこで、本発明の第６の実施形態では、かかる冷却損失を低減することにより、さらなる熱効率の向上を図っている。
【００５４】
そのための制御ルーチンの一例を図１０のフローチャートを参照して説明する。この制御ルーチンは、ＥＣＵ３００において所定時間（例えば、１０ｍｓ）毎の時間割り込みにて周期的に実行される。そこで、この制御ルーチンがスタートすると、ステップＳ１００１において、エンジン運転状態を表すパラメータに基づき、前第１および第２の実施形態で説明した如き噴流による乱れを活用した燃焼領域か否かが判定される。そして、「Ｙｅｓ」のときはステップＳ１００２に進み、さらに熱効率が低下する領域か否かが判定される。この熱効率が低下する領域は、予め実験により求められマップに保存されているが、例示すると、図６に示したグラフにおける成層燃焼モード領域「１」内の比較的低負荷領域および均質燃焼モード領域「２」の高負荷領域「２−１」内における、低速で比較的低負荷領域を挙げることができる。そこで、ステップＳ１００２で「Ｙｅｓ」のときはステップＳ１００３に進み、不図示の電動式等の制御可能なウォータポンプの回転を低減させるか停止させることによる冷却能力の低減制御が実行される。そして、ステップＳ１００４に進み、水温センサ１１９からの検出に基づき、冷却水温が上限以上か否かが判定され、上限を超えていないときはこのルーチンを終了する。
【００５５】
一方、上述のステップＳ１００１およびステップＳ１００２の判定で、いずれも「Ｎｏ」ときは、ステップＳ１００７に進んで、通常の燃焼制御を行なってこのルーチンを終了する。なお、ステップＳ１００４の判定において、冷却水温が上限以上のときには、ステップＳ１００５に進み、ウォータポンプを通常の使用回転で駆動するように制御し、これは次のステップＳ１００６における判定で冷却水温が上限を超えなくなるまで継続される。そして、冷却水温が上限を超えなくなるとこのルーチンを終了する。
【００５６】
なお、本発明は、少なくとも１個の直噴インジェクタによりガス燃料を噴射供給するようにしたガス燃料エンジンとして、ＣＮＧを用いるエンジンにつき説明したが、このガス燃料としては、例示したＣＮＧや水素ガスに限らず、プロパンガスやジメチルエーテルガス等を用いることができ、要するに、ガス状態で筒内に噴射供給する形式のエンジンには全て適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明が適用される少なくとも１個の直噴インジェクタを備えるガス燃料エンジンを示す概略構成図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】点火プラグ周りに生起される乱れ強さを示すグラフであり、（Ａ）は低速低負荷時、（Ｂ）はその状態で回転数を上昇させたとき、（Ｃ）は同じく負荷を増加させたときである。
【図４】本発明の第１の実施の形態における制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態における制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第１および第２の実施の形態における、成層燃焼モード領域と均質燃焼モード領域に分割されたエンジンの運転領域を示すグラフである。
【図７】本発明の第１および第２の実施形態における燃料噴射量（主燃料噴射量と副燃料噴射量を含む）とそのタイミングおよび点火時期との関係を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の第３の実施の形態における制御手順の一例を示すフローチャートである。
【図９】（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、本発明の第４および第５の実施の形態におけるダブルインジェクタエンジンおよびバイフューエルエンジンの要部を、それぞれ示す側断面図である。
【図１０】本発明の第６の実施の形態における制御手順の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１００    ガス燃料直噴エンジン
１０３    シリンダヘッド
１０４    ピストン
１０４Ｃ  キャビティ
１０５    燃焼室
１０９    点火プラグ
１２０    ＣＮＧ直噴インジェクタ
１２０−２    第２のＣＮＧ直噴インジェクタ
１３０    ＣＮＧポートインジェクタ
１４０    ガソリンポートインジェクタ
１５０    ガソリン直噴インジェクタ
２００、２５０    ダブルインジェクタエンジン
３００    電子制御ユニット
４００，５００    バイフューエルエンジン
【図１】
2005337073.tif 000003
【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】
2005337073.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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