(57)【要約】【課題】直噴式エンジンの運転状態に応じ燃料の噴霧貫徹距離又は噴霧粒径を変更して最適な燃料噴霧を得ることで燃料燃焼性能を向上させること。【解決手段】燃焼室に開口された燃料噴孔６９ａから加圧燃料を噴射する燃料噴射弁４３と、燃焼室に開口されたエア噴孔６９ｂから加圧エアを噴射するエア噴射弁４４と、エア噴流が燃料噴霧に衝突するようエア噴孔６９ｂと燃料噴孔６９ａの向きが設定されることと、エンジン運転状態を検出する各種センサと、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４を個別に制御する電子制御装置（ＥＣＵ）３０とを備える。ＥＣＵ３０は、燃料噴孔６９ａから噴射される燃料の噴霧貫徹距離、噴霧粒径及び噴霧形状を制御するために、検出運転状態に基づき燃料噴射弁４３を制御すると共にエア噴射弁４４によるエア噴射タイミング及びエア噴射期間の少なくとも一方を制御する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に開口された燃料噴孔を含み、その燃料噴孔から前記燃焼室へ加圧された燃料を噴射するための燃料噴射弁と、
前記燃焼室に開口された気体噴孔を含み、その気体噴孔から前記燃焼室へ加圧された気体を噴射するための気体噴射弁と、
前記気体噴孔から噴射される気体が前記燃料噴孔から噴射される燃料噴霧に衝突するように前記気体噴孔及び前記燃料噴孔の向きがそれぞれ設定されることと、
前記内燃機関の運転状態を検出するための運転状態検出手段と、
前記燃料噴射弁と前記気体噴射弁をそれぞれ独立に制御するための制御手段とを備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、
前記制御手段は、前記燃料噴孔から噴射される燃料噴霧の貫徹距離を制御するために、前記検出される運転状態に基づいて前記燃料噴射弁を制御すると共に前記気体噴射弁による気体噴射タイミング及び気体噴射期間の少なくとも一方を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
内燃機関の燃焼室に開口された燃料噴孔を含み、その燃料噴孔から前記燃焼室へ加圧された燃料を噴射するための燃料噴射弁と、
前記燃焼室に開口された気体噴孔を含み、その気体噴孔から前記燃焼室へ加圧された気体を噴射するための気体噴射弁と、
前記気体噴孔から噴射される気体が前記燃料噴孔から噴射される燃料噴霧に衝突するように前記気体噴孔及び前記燃料噴孔の向きがそれぞれ設定されることと、
前記内燃機関の運転状態を検出するための運転状態検出手段と、
前記燃料噴射弁と前記気体噴射弁をそれぞれ独立に制御するための制御手段とを備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、
前記制御手段は、前記燃料噴孔から噴射される燃料噴霧の粒径を制御するために、前記検出される運転状態に基づいて前記燃料噴射弁を制御すると共に前記気体噴射弁による気体噴射タイミング及び気体噴射期間の少なくとも一方を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、更に前記燃料噴孔から噴射される燃料噴霧の形状を制御するために、前記検出される運転状態に基づいて前記燃料噴射弁を制御すると共に前記気体噴射弁による気体噴射タイミング及び気体噴射期間の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記気体噴射弁による気体噴射タイミングを前記燃料噴射弁による燃料噴射タイミングと同じにしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記気体噴射弁による気体噴射タイミングを前記燃料噴射弁による燃料噴射タイミングより先行させたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記気体噴射弁による気体噴射期間を前記燃料噴射弁による燃料噴射期間と等しくしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記気体噴射弁による気体噴射期間を前記燃料噴射弁による燃料噴射期間より長くしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室へ燃料を直接噴射する直接噴射式の内燃機関に適用される燃料噴射制御装置に係る。詳しくは、燃料噴射弁から燃焼室に噴射される燃料と、気体噴射弁から燃焼室に噴射される気体とを互いに衝突させるように燃料噴射弁と気体噴射弁を制御するように構成した内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、直接噴射式の内燃機関において、燃料噴射弁に供給される燃料圧力を一定に保つようにしたものがある。この場合、内燃機関の冷間始動時には、燃焼室の壁面温度が低いことから、燃料噴射弁から噴射される燃料が壁面に付着して蒸発し難くなり、燃焼性能が低下して内燃機関の排気エミッションが悪化するおそれがあった。
【０００３】
この内燃機関の部分負荷運転時には、有効な成層燃焼を成立させるために、吸気流に負けない燃料噴霧をつくる必要がある。言い換えると、慣性力が強く、噴霧貫徹距離（燃料噴射後ある一定の経過時間における燃料噴射弁の燃料噴孔から噴霧先端までの距離）が大きくなる燃料噴霧を作る必要がある。また、直接噴射式の内燃機関では、その運転状態全域において燃料気化冷却による吸気効率向上を達成するために、燃料噴霧の微粒化が必要となる。
【０００４】
一方、燃料噴射弁に対する燃料圧力を可変とした場合でも、直接噴射式の内燃機関では、その始動時に燃料圧力が上昇しきらずに低いままとなり、燃料噴霧の微粒化が悪化するおそれがあった。また、通常使用される燃料噴射弁は、固定の燃料噴孔を有することから、燃料圧力を変更する以外に燃料の噴霧貫徹距離と噴霧粒径を変更することができなかった。
【０００５】
そこで、直接噴射式の内燃機関で、燃料噴射弁に対する燃料圧力を一定にした場合、冷間始動時や全負荷運転時には、燃料噴霧全体の微粒化を向上させると共に噴霧貫徹距離を短くし、部分負荷運転時には、燃料噴霧全体の微粒化を向上させると共に噴霧貫徹距離を長くすることが必要になる。ここで、一般に、燃料の噴霧形状は燃焼室の形状に合わせて設定されることから、噴霧形状は変化しないか、その相似性を保ったまま噴霧貫徹距離や噴霧粒径を可変にすることが望ましい。
【０００６】
ここで、例えば、下記の特許文献１乃至３には、燃料噴射弁から噴射される燃料と、空気噴射弁から噴射される空気を互いに関係付けた燃料噴射装置が開示されている。
【０００７】
特許文献１には、筒内噴射式（直接噴射式）火花点火機関において、空気噴射弁と燃料噴射弁の取付角度が、両噴射軸線が上下方向及び水平方向で交差し、かつ、噴射方向が共にキャビティ燃焼室に指向する角度に設定されることが記載される。上記構成により、空気噴射軸線と燃料噴射軸線とが交差することから、燃料の吸気行程噴射時に燃料噴霧の微粒化を行えること、噴射空気がキャビティ燃焼室に指向するため、燃料の噴霧形状が調整されてキャビティ燃焼室に対する燃料付着が抑制されてスモーク及び未燃ＨＣの発生を低下できることが、特許文献１には記載される。
【０００８】
特許文献２には、直接噴射式ではないが、燃料噴射式内燃機関において、燃料噴口をほぼ含む平面上で燃料噴口を両側から挟む位置に、噴射方向を相互に交差させるようにした一対のエアアシスト噴口が配置されることが記載される。上記構成により、燃料噴口からの燃料流が両側からの空気流により狭められて噴霧形状が全体として扁平になることが、特許文献２には記載される。
【０００９】
特許文献３には、燃料と空気をそれぞれ独立的に外部へ噴射させることを可能とし、内燃機関の運転状態に合わせた最適な噴霧形状を得られるようにした燃料噴射装置が記載される。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−９７０３２号公報（第５〜６頁，図１０，図１１）
【特許文献２】
特開平４−５０４６９号公報（第２〜６頁，図２）
【特許文献３】
特開平１１−２８０５９３号公報（第２〜４頁，図１〜５）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に記載された機関では、成層燃焼時（主に部分負荷運転時）に、要求空気量に相当する大量の空気を噴射して燃料に衝突させると、混合気が分散してしまい、成層燃焼に必要な混合気の成層化ができなくなる。このため、成層燃焼時には、空気との衝突による燃料噴霧の微粒化が行えず、結果として直接噴射式の機関で最適な燃焼性能を得るために機関の運転状態全域で燃料噴霧の微粒化を達成することができない。また、特許文献１には、噴霧貫徹距離を可変とする構成が何も記載されていない。このため、機関の冷間始動や部分負荷運転に合わせた燃焼性能を得るために噴霧貫徹距離を可変とすることができず、燃焼性能を向上させることができない。
【００１２】
また、特許文献２に記載された内燃機関でも、噴霧貫徹距離や噴霧粒径を可変とする構成が何も記載されていない。このため、内燃機関の冷間始動運転や部分負荷運転に合わせた燃焼性能を得るために噴霧貫徹距離又は噴霧粒径を可変とすることができず、燃焼性能を向上させることができない。
【００１３】
更に、特許文献３に記載された燃料噴射装置では、燃料と空気を衝突させないことから、噴霧貫徹距離又は噴霧粒径を全く可変とすることができない。このため、特許文献１及び２と同様に、内燃機関の冷間始動運転や部分負荷運転に合わせた燃焼性能を得るために噴霧貫徹距離又は噴霧粒径を可変とすることができず、燃焼性能を向上させることができない。
【００１４】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、直接噴射式の内燃機関においてその運転状態の違いに応じて燃料の噴霧貫徹距離又は噴霧粒径を変更して最適な燃料噴霧を得ることにより燃料の燃焼性能を向上させることを可能とした内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、内燃機関の燃焼室に開口された燃料噴孔を含み、その燃料噴孔から燃焼室へ加圧された燃料を噴射するための燃料噴射弁と、燃焼室に開口された気体噴孔を含み、その気体噴孔から燃焼室へ加圧された気体を噴射するための気体噴射弁と、気体噴孔から噴射される気体が燃料噴孔から噴射される燃料噴霧に衝突するように気体噴孔及び燃料噴孔の向きがそれぞれ設定されることと、内燃機関の運転状態を検出するための運転状態検出手段と、燃料噴射弁と気体噴射弁をそれぞれ独立に制御するための制御手段とを備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、制御手段は、燃料噴孔から噴射される燃料噴霧の貫徹距離を制御するために、検出される運転状態に基づいて燃料噴射弁を制御すると共に気体噴射弁による気体噴射タイミング及び気体噴射期間の少なくとも一方を制御することを趣旨とする。
【００１６】
上記発明の構成によれば、燃料噴射弁の燃料噴孔から燃焼室に燃料が噴射されることにより、燃焼室の中に燃料噴霧が形成される。一方、気体噴射弁の気体噴孔から燃焼室に気体が噴射されることにより、燃焼室の中に気体噴流が形成される。上記構成では、気体噴孔から噴射される気体が燃料噴孔から噴射される燃料噴霧に衝突するように気体噴孔及び燃料噴孔の向きがそれぞれ設定されるので、気体噴流が燃料噴霧に衝突することにより、燃料噴霧の形態が変えられる。
ここで、燃料噴射弁と気体噴射弁が、燃料噴孔から噴射される燃料噴霧の貫徹距離を制御するために、運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて制御手段によりそれぞれ独立に制御され、気体噴射弁による気体噴射タイミング及び気体噴射期間の少なくとも一方が制御される。これにより、内燃機関の運転状態に最適な燃料噴霧が得られる。
【００１７】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、内燃機関の燃焼室に開口された燃料噴孔を含み、その燃料噴孔から燃焼室へ加圧された燃料を噴射するための燃料噴射弁と、燃焼室に開口された気体噴孔を含み、その気体噴孔から燃焼室へ加圧された気体を噴射するための気体噴射弁と、気体噴孔から噴射される気体が燃料噴孔から噴射される燃料噴霧に衝突するように気体噴孔及び燃料噴孔の向きがそれぞれ設定されることと、内燃機関の運転状態を検出するための運転状態検出手段と、燃料噴射弁と気体噴射弁をそれぞれ独立に制御するための制御手段とを備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、制御手段は、燃料噴孔から噴射される燃料噴霧の粒径を制御するために、検出される運転状態に基づいて燃料噴射弁を制御すると共に気体噴射弁による気体噴射タイミング及び気体噴射期間の少なくとも一方を制御することを趣旨とする。
【００１８】
上記発明の構成によれば、燃料噴射弁の燃料噴孔から燃焼室に燃料が噴射されることにより、燃焼室の中に燃料噴霧が形成される。一方、気体噴射弁の気体噴孔から燃焼室に気体が噴射されることにより、燃焼室の中に気体噴流が形成される。上記構成では、気体噴孔から噴射される気体が燃料噴孔から噴射される燃料噴霧に衝突するように気体噴孔及び燃料噴孔の向きがそれぞれ設定されるので、気体噴流が燃料噴霧に衝突することにより、燃料噴霧の形態が変えられる。
ここで、燃料噴射弁と気体噴射弁が、燃料噴孔から噴射される燃料噴霧の粒径を制御するために、運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて制御手段によりそれぞれ独立に制御され、気体噴射弁による気体噴射タイミング及び気体噴射期間の少なくとも一方が制御される。これにより、内燃機関の運転状態に最適な燃料噴霧が得られる。
【００１９】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、制御手段は、更に燃料噴孔から噴射される燃料噴霧の形状を制御するために、検出される運転状態に基づいて燃料噴射弁を制御すると共に気体噴射弁による気体噴射タイミング及び気体噴射期間の少なくとも一方を制御することを趣旨とする。
【００２０】
上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、燃料噴射弁と気体噴射弁が、更に燃料噴孔から噴射される燃料噴霧の形状を制御するために、運転状態検出手段により検出される運転状態に基づいて制御手段によりそれぞれ独立に制御され、気体噴射弁による気体噴射タイミング及び気体噴射期間の少なくとも一方が制御される。これにより、内燃機関の運転状態に最適な燃料噴霧が得られる。
【００２１】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明において、制御手段は、気体噴射弁による気体噴射タイミングを燃料噴射弁による燃料噴射タイミングと同じにしたことを趣旨とする。
【００２２】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明の作用に加え、気体噴射弁による気体噴射タイミングを燃料噴射弁による燃料噴射タイミングと同じにしたことにより、燃料噴霧の貫徹距離が相対的に短くなり、かつ、燃料噴霧の粒径が相対的に小さくなる。
【００２３】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明において、制御手段は、気体噴射弁による気体噴射タイミングを燃料噴射弁による燃料噴射タイミングより先行させたことを趣旨とする。
【００２４】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明の作用に加え、気体噴射弁による気体噴射タイミングを燃料噴射弁による燃料噴射タイミングより先行させたことにより、燃料噴霧の貫徹距離が相対的に長くなり、かつ、燃料噴霧の粒径が相対的に小さくなる。
【００２５】
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明において、制御手段は、気体噴射弁による気体噴射期間を燃料噴射弁による燃料噴射期間と等しくしたことを趣旨とする。
【００２６】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明の作用に加え、気体噴射弁による気体噴射期間を燃料噴射弁による燃料噴射期間と等しくしたことにより、燃料噴射期間の全域で燃料噴霧の粒径が相対的に小さくなる。
【００２７】
上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明において、制御手段は、気体噴射弁による気体噴射期間を燃料噴射弁による燃料噴射期間より長くしたことを趣旨とする。
【００２８】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れか一つに記載の発明の作用に加え、気体噴射弁による気体噴射期間を燃料噴射弁による燃料噴射期間より長くしたことにより、燃料噴霧の貫徹距離が相対的に長くなり、かつ、燃料噴霧の全域で粒径が相対的に小さくなる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した第１の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
図１に、本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した直接噴射式内燃機関システム（以下「直噴式エンジンシステム」と言う。）の概略構成図を示す。自動車に搭載された直噴式エンジンシステムは、周知の構造を有するレシプロタイプの多気筒エンジン１を含む。エンジン１の各気筒の燃焼室２のそれぞれには、直接噴射式燃料噴射装置（以下単に「燃料噴射装置」と言う。）３が設けられる。燃料噴射装置３は、燃料と空気を燃焼室２に対して直接噴射するように構成される。エンジン１は、吸気通路４を通じて吸入される空気と、燃料噴射装置３から噴射される燃料及び空気との可燃混合気を各気筒の燃焼室２で爆発・燃焼させ、その燃焼後の排気を排気通路５を通じて外部へ排出することにより、ピストン６を動作させてクランクシャフト７を回転させ、動力を得るようになっている。
【００３１】
吸気通路４に設けられたスロットルバルブ８は、同通路４を通じて各気筒の燃焼室２に吸入される空気空気量（吸気量）Ｇａを調節するために開閉される。このバルブ８は、運転席に設けられたアクセルペダル（図示略）の操作に連動して作動する。スロットルバルブ８に対応して設けられたスロットルセンサ２１は、同バルブ８の開度（スロットル開度）ＴＡを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。スロットルバルブ８がアクセルペダルの操作に連動するものであることから、スロットルセンサ２１により検出されるスロットル開度ＴＡには、アクセルペダルの操作が反映されることになる。吸気通路４のサージタンク９に設けられた吸気圧センサ２２は、スロットルバルブ８より下流の吸気通路４における吸入空気の圧力（吸気圧）ＰＭを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。
【００３２】
各燃料噴射装置３は、対応する燃焼室２の中に燃料と空気を直接噴射する。各燃料噴射装置３には、所定の燃料供給装置及び空気供給装置（共に図示略）により所定圧力の燃料と空気が供給される。各燃料噴射装置３に供給される燃料及び空気は、同装置３が作動することにより対応する燃焼室２へ噴射さる。吸気通路４には、エアクリーナ１０を通じて外部から空気が取り込まれる。吸気通路４に取り込まれた空気は、各燃料噴射装置３から噴射される燃料及び空気とともに可燃混合気を形成して各気筒の燃焼室２に取り込まれる。
【００３３】
各気筒の燃焼室２にそれぞれ設けられた点火プラグ１１は、イグニションコイル１２から出力される点火信号を受けて点火動作する。各点火プラグ１１及びイグニションコイル１２は、燃焼室２にて形成される可燃混合気に点火するための点火装置を構成する。
【００３４】
排気通路５に設けられた触媒コンバータ１３は、燃焼室２から排出される排気を浄化するための三元触媒を内蔵する。
【００３５】
排気通路５において、触媒コンバータ１３の上流側に設けられた酸素センサ２３は、燃焼室２から排気通路５へ排出される排気中の酸素濃度Ｏｘを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。
【００３６】
エンジン１に設けられた水温センサ２４は、エンジン１の内部を流れる冷却水の温度（冷却水温）ＴＨＷを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。同じくエンジン１に設けられた回転速度センサ２５は、クランクシャフト７の回転速度をエンジン回転速度ＮＥとして検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。この回転速度センサ２５は、クランクシャフト７の回転角（クランク角度）の変化を所定角度毎に検出し、その検出をパルス信号として出力するものでる。運転席に設けられたイグニションスイッチ２６は、エンジン１を始動するために同スイッチ２６がオンされたときには始動信号を、エンジン１を停止するために同スイッチ２６がオフされたときには停止信号をそれぞれ出力する。
【００３７】
この実施の形態で、前述したスロットルセンサ２１、吸気圧センサ２２、酸素センサ２３、水温センサ２４及び回転速度センサ２５等は、エンジン１の運転状態を検出するための本発明の運転状態検出手段に相当する。この実施の形態で、吸気量Ｇａは、吸気圧センサ２２及び回転速度センサ２５により検出される吸気圧ＰＭ及びエンジン回転速度ＮＥの値から換算される。
【００３８】
この実施の形態で、電子制御装置（ＥＣＵ）３０は、スロットルセンサ２１、吸気圧センサ２２、酸素センサ２３、水温センサ２４、回転速度センサ２５及びイグニションスイッチ２６から出力される各種信号を入力する。ＥＣＵ３０は、これら入力信号に基づいて燃料噴射制御及び点火時期制御等を実行し、各燃料噴射装置３及びイグニションコイル１２をそれぞれ制御する。
【００３９】
ここで、燃料噴射制御とは、エンジン１の運転状態に応じて各燃料噴射装置３を制御することにより、燃料噴射量、燃料噴射時期及び燃料噴霧を制御することである。点火時期制御とは、エンジン１の運転状態に応じてイグニションコイル１２を制御することにより、各点火プラグ１１による点火時期を制御することである。
【００４０】
周知のように、ＥＣＵ３０は中央処理装置（ＣＰＵ）３１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）３２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３３及びバックアップＲＡＭ（Ｂ．Ｕ．ＲＡＭ）３４等を含んで構成される。ＲＯＭ３２には、前述した各種制御に係る所定の制御プログラム等が予め記憶される。ＥＣＵ３０（ＣＰＵ３１）は、これらの制御プログラムに従って前述した各種制御等を実行する。
【００４１】
図２に、燃料噴射装置３のエンジン１に対する取付状態を断面図に示す。この燃料噴射装置３は、エンジン１の燃焼室２に燃料を噴射するための燃料噴射弁４３と、同じく燃焼室２に気体としてのエア（空気）を噴射するための気体噴射弁としてのエア噴射弁４４とを備える。エンジン１はシリンダブロック４５及びシリンダヘッド４６を含む。シリンダブロック４５に設けられたシリンダボア４７には、ピストン６が往復動可能に設けられる。燃焼室２は、シリンダボア４７と、ピストン６と、シリンダヘッド４６とで囲まれた空間として構成される。図１に示すように、シリンダヘッド４６には、各燃焼室２に通じる吸気ポート４ａ及び排気ポート５ａが設けられる。各吸気ポート４ａには、周知の吸気バルブ１４が、排気ポート５ａには、周知の排気バルブ１５が設けられる。燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４は、燃焼室２に対応して取付部材４９によりシリンダヘッド４６に一体的に取り付けられる。燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４は、両方の中心軸線Ｌ１，Ｌ２が互いに斜めに交差するように取付部材４９に組み付けられる。
【００４２】
燃料噴射弁４３は、周知の電磁弁である。燃料噴射弁４３は、ハウジング５１と、ハウジング５１に組み付けられたコア５２と、コア５２の内部に設けられた調整パイプ５３と、ハウジング５１とコア５２との間に設けられたソレノイド５４と、ハウジング５１の先端側に設けられたロワボディ５５と、ロワボディ５５の内部に設けられたノズルボディ５６と、ノズルボディ５６とコア５２との間に設けられた弁体部材５７とを備える。弁体部材５７は、先端に弁部５８ａを有する弁軸５８と、弁軸５８の基端に組み付けられたアーマチュア５９とを備える。
アーマチュア５９と調整パイプ５３との間には、圧縮スプリング６０が設けられる。コア５２の基端部は、燃料配管（図示略）に接続される配管コネクタ６１となっている。配管コネクタ６１の外周には、Ｏリング６２が設けられる。配管コネクタ６１の内部には、異物を除去するストレーナ６３が設けられる。ハウジング５１には、電気配線に接続される配線コネクタ６４が設けられる。ここで、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４の基本構成はほぼ同じであることから、エア噴射弁４４の構成については、燃料噴射弁４３の構成部材と同一符号を付して説明を省略する。
【００４３】
図３に、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４に係る電気配線、燃料配管及びエア配管に関する構成概念図を示す。図３に示すように、燃料噴射弁４３の配管コネクタ６１には、燃料配管７１が接続される。エア噴射弁４４の配管コネクタ６１には、エア配管７２が接続される。燃料配管７１には、プレッシャレギュレータ７３及び燃料ポンプ７４が設けられる。エア配管７２には、プレッシャレギュレータ７５及びエアポンプ７６が設けられる。各ポンプ７４，７６は、それぞれ対応するモータ７７，７８により駆動される。燃料ポンプ７４が駆動されることにより、燃料タンク（図示略）の燃料が同ポンプ７４から吐出され、プレッシャレギュレータ７３を介して一定の高圧燃料として燃料噴射弁４３へ供給される。
エアポンプ７６が駆動されることにより、同ポンプ７６からエアが吐出され、プレッシャレギュレータ７５を介して加圧エアとしてエア噴射弁４４へ供給される。
【００４４】
図３に示すように、燃料噴射弁４３の配線コネクタ６４及びエア噴射弁４４の配線コネクタ６４は、それぞれ電子制御装置（ＥＣＵ）３０に電気的に接続される。燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４は、それぞれＥＣＵ３０から送られる噴射信号に基づいて動作する。ＥＣＵ３０からの噴射信号に基づき燃料噴射弁４３が動作することにより、同噴射弁４３から高圧燃料が噴射される。また、ＥＣＵ３０からの噴射信号に基づきエア噴射弁３４が動作することにより、同噴射弁４４から加圧エアが噴射される。この実施の形態で、ＥＣＵ３０は、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４をそれぞれ独立に制御するための本発明の制御手段に相当する。
【００４５】
図４に、取付部材４９の先端部の拡大断面図を示す。図２〜４に示すように、ブロック状の取付部材４９は、燃焼室２に向けられる筒部４９ａと、燃料噴射弁４３のロワボディ５５が組み付けられる第１組付穴４９ｂと、エア噴射弁４４のノズルボディ５６が組み付けられる第２組付穴４９ｃとを含む。筒部４９ａと第１組付穴４９ｂは同一軸線上に配置され、隔壁４９ｄにより仕切られる。隔壁４９ｄの中心には、孔４９ｅが形成される。筒部４９ａの中心には、孔６６ａを有するチューブ６６が設けられる。第１組付穴４９ｂに組み付けられたノズルボディ５６には、弁部５８ａに対応する弁座５６ａが形成される。この弁座５６ａの弁孔５６ｂが、上記二つの孔４９ｅ，６６ａに整合して一本の燃料通路６７が構成される。取付部材４９には、第２組付穴４９ｃの中心から筒部４９ａの内側へ向かって伸びる孔４９ｆが形成される。この孔４９ｆは、筒部４９ａの中心に対して斜めに交差するよう配置される。第２組付穴４９ｃに組み付けられたノズルボディ５６には、弁部５８ａに対応する弁座５６ａが形成される。この弁座５６ａの弁孔５６ｂが、上記斜めの孔４９ｆに整合して一本のエア通路６８が構成される。筒部４９ａの開口端には、オリフィスプレート６９が固定される。このオリフィスプレート６９の中心には、一つの燃料噴孔６９ａが燃料噴射弁４３に対応して設けられる。この燃料噴孔６９ａは、燃焼室２に開口されると共に、燃料通路６７に整合する。また、このオリフィスプレート６９には、気体噴孔としての複数のエア噴孔６９ｂがエア噴射弁４４に対応して設けられる。これらエア噴孔６９ｂは、燃料噴孔６９ａの近傍に配置され、燃焼室２に開口され、筒部４９ａの内側に連通する。従って、燃料噴射弁４３から噴射される高圧燃料は、燃料通路６７を通ってオリフィスプレート６９の燃料噴孔６９ａから燃焼室２へ噴射される。また、エア噴射弁４４から噴射される加圧エアは、燃料通路６８を通って筒部６９ａの中に一旦噴射され、更にオリフィスプレート６９の各エア噴孔６９ｂから燃焼室２へ噴射される。
【００４６】
図５に、オリフィスプレート６９の平面図を示す。図６に、図５のＡ−Ａ線断面図を示す。図５，６に示すように、燃料噴孔６９ａは断面円形をなし、オリフィスプレート６９の端面に対して垂直に貫通する。複数のエア噴孔６９ｂは、同じく断面円形（開口端は楕円）をなし、オリフィスプレート６９の端面に対して斜めに貫通する。図５に示すように、複数（この場合８個）のエア噴孔６９ｂは、燃料噴孔６９ａを中心とする円周上に等角度間隔に配置される。この実施の形態で、燃料噴孔６９ａの内径は「０．６ｍｍ」に設定され、各エア噴孔６９ｂの内径は「１．０ｍｍ」に設定される。
【００４７】
図６に示すように、燃料噴孔６９ａの中心線と、各エア噴孔６９ｂの中心線は、互いに一点（以下「衝突点」と言う。）ＨＰで交差するように設定される。即ち、燃料噴孔６９ａから、この衝突点ＨＰへ向かって燃料が噴射されることにより、燃料噴霧が形成される。また、各エア噴孔６９ｂから、この衝突点ＨＰへ向かってエアが噴射されることにより、エア噴流が形成される。従って、燃料噴霧と各エア噴流は、この衝突点ＨＰを中心にして互いに衝突することになる。上記のように、この実施の形態では、各エア噴孔６９ｂから噴射されるエア噴流が燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧に衝突するように各エア噴孔６９ｂ及び燃料噴孔６９ａの向きがそれぞれ設定される。
【００４８】
図７（ａ）〜（ｃ）に燃料噴霧及びエア噴流の概念図を示す。図７（ａ）に示すように、燃料噴霧は正面及び側面ともほぼ同形な略円錐形をなす。この噴霧の広がり角度（噴霧角度）θ１は、オリフィスプレート６９における燃料噴孔６９ａの内径の大きさにより決定される。図７（ｂ）に示すように、１つのエア噴流（自由噴流）は正面及び側面ともほぼ同形な円錐形をなす。この噴流の広がり角度（噴流角度）θ２は、オリフィスプレート６９におけるエア噴孔６９ｂの内径の大きさ等により決定される。図７（ｃ）に示すように、複数のエア噴孔６９ｂから噴射される周囲からのエア噴流（多孔噴流）は正面及び側面ともほぼ同形な王冠形をなす。ここで、一般に、気体噴流の持つエネルギーは気体噴孔から遠ざかるほど小さくなる。そこで、この燃料噴霧における衝突点ＨＰは、エア噴流の持つエネルギーが燃料噴霧に干渉して燃料噴霧の微粒化及び噴霧貫徹距離や噴霧形状を調節できる程度にエア噴孔６９ｂからの距離が保たれた位置に設定される。また、各エア噴孔６９ｂから噴射されるエア噴流の衝突点ＨＰにおける大きさ（外径（幅））は、燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧の衝突点ＨＰにおける外径Ｄ１と同程度になるように設定される。ここで、燃料噴霧の外径Ｄ１と同程度になる「エア噴流の大きさ」とは、図９に示すエア噴流の「噴流角β」及び「エア噴流外径ｂ」と、図８に示すエア噴孔から衝突点ＨＰまでの「距離ｃ」と、所定の式「ｂ＝２＊ｃ＊ｔａｎ（β／２）」とから定義されるものである。
【００４９】
図１０（ａ）〜（ｃ）に上記衝突点ＨＰにおける燃料噴霧の強度（噴霧強度）及びエア噴流の強度（噴流強度）の違いを概念図に示す。図１０（ａ）に示すように、燃料噴霧は正面及び側面とも同じ分布幅を有する噴霧強度を示す。図１０（ｂ）に示すように、１つのエア噴流（自由噴流）は正面及び側面とも同じ分布幅を有する噴流強度を示す。この噴流強度は、上記噴霧強度よりも若干低い。図１０（ｃ）に示すように、複数のエア噴流（多孔噴流）による噴流強度は、正面及び側面とも同じ分布幅を有する。この多孔噴流の噴流強度は、上記１つのエア噴流の噴流強度よりも高い。このように、燃料噴霧の強度分布に対してエア噴流の強度分布が均等に重なるように設定される。ここで、噴霧強度及び噴流強度は、流速と密度との積により計算することができる。
【００５０】
上記のように構成したこの実施の形態の燃料噴射装置３によれば、一つの燃料噴射弁４３から噴射される燃料が対応する一つの燃料噴孔６９ａから燃焼室２に噴射されることにより、燃焼室２の中に燃料噴霧が形成される。この燃料噴霧の形態は、燃料噴孔６９ａの形状、大きさ及び向きが特定されることにより決定される。一方、一つのエア噴射弁４４から噴射されるエアが対応する複数のエア噴孔６９ｂから燃焼室２に噴射されることにより、燃焼室２の中にエア噴流が形成される。このエア噴流の形態及び燃料噴霧に与える影響は、各エア噴孔６９ｂの数、形状、大きさ、向き及び燃料噴孔に対する配置が特定されることにより決定される。
【００５１】
ここで、各エア噴孔６９ｂからのエアの噴流軸線ＡＬ（図４参照）は、燃料噴孔６９ａからの燃料噴霧における最大径Ｄ１（図７（ａ）参照）の中央にて交差するように設定される。従って、燃料噴霧の形態に応じ、その全体に対して各エア噴流が衝突点ＨＰを中心に衝突することになり、燃料噴霧に対するエア噴流の強度分布が同等となる。この結果、燃料噴霧につき、噴霧全体において同等でより微細な燃料微粒化を図ることができ、燃料の微粒化を促進することができる。
これにより、直接噴射式のエンジン１について燃焼性能を向上させることができる。
【００５２】
特に、この実施の形態では、オリフィスプレート６９の燃料噴孔６９ａが円形をなすことから、燃料噴霧が円錐形となり、その燃料噴霧の噴霧角度θ１（図７（ａ）参照）は、燃料噴孔６９ａの内径の大きさにより決定される。また、オリフィスプレート６９の各エア噴孔６９ｂが円形をなすことから、各エア噴流が円錐形となり、それらエア噴流の噴流角度θ２（図７（ｂ）参照）は、各エア噴孔６９ｂの内径の大きさ等により決定される。ここで、燃料噴孔６９ａを中心とする円周上に複数のエア噴孔６９ｂが等角度間隔に配置され、図７（ｃ）に示すように、各エア噴孔６９ｂからの複数のエア噴流が一つの衝突点ＨＰへ向けて傾けられる。従って、円錐形の燃料噴霧に対し、その周囲に複数のエア噴流が衝突し、燃料噴霧に対するエア噴流の強度分布が同等となる。これにより、燃料噴霧の形状に応じて噴霧の幅方向全体に同等にエア噴霧を衝突させることができ、特に円錐形の燃料噴霧につき、その噴霧形状を大きく変えることなく、噴霧全体に同等でより微細な燃料微粒化を図ることができ、燃料の微粒化を促進することができる。
【００５３】
この実施の形態では、各エア噴孔６９ｂが燃料噴孔６９ａの近傍に配置される。ここで、エア噴流により燃料噴霧の噴霧貫徹距離や噴霧形状を調節するには、燃料噴霧とエア噴流との衝突点ＨＰにおいて、エア噴流の持つエネルギーが燃料噴霧に干渉し、燃料微粒化及び噴霧貫徹距離や噴霧形状を調節できる程度に保たれる必要がある。このエア噴流の持つエネルギーは、各エア噴孔６９ｂから遠ざかるほど小さくなる。従って、各エア噴孔６９ｂが燃料噴孔６９ａの近傍に配置されることにより、エア噴流と燃料噴霧との衝突点ＨＰが燃料噴孔６９ａの近くに設定されることになる。これにより、燃料微粒化及び噴霧貫徹距離や噴霧形状を調節することができるようになる。
【００５４】
この実施の形態では、各エア噴孔６９ｂから噴射されるエア噴流の大きさが燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧の大きさと同程度になるように設定される。従って、燃料噴霧の形態に対応し、その全体にエア噴流が衝突することになり、燃料噴霧全体で燃料微粒化及び噴霧貫徹距離や噴霧形状の調節が可能となる。
このため、燃料噴霧にそれと同程度の大きさのエア噴流を衝突させることにより、燃料噴霧全体でより微細な燃料微粒化を図ることができる。
【００５５】
この実施の形態では、燃料噴孔６９ａ及び各エア噴孔６９ｂが共に断面円形をなすことから、それら噴孔６９ａ，６９ｂの加工が比較的容易となる。このため、オリフィスプレート６９を比較的容易に製造することができる。また、圧力や各エア噴孔６９ｂの形状（例えば「テーパ」）を変えるだけで、エア噴流の広がり角度（噴流角度）θ２（図７（ｂ）参照）が変えられ、エア噴流の強度分布が調整される。更に、円形の燃料噴孔６９ａの内径を変えるだけで、燃料噴霧の広がり角度（噴霧角度）θ１（図７（ａ）参照）が変えられ、燃料噴霧の強度分布が調整される。これにより、微粒化される粒径レベルを比較的容易に任意に設定することができる。併せて、噴霧角度θ１及び噴流角度θ２の調整、燃料噴霧及びエア噴霧の向きをそれぞれ調整することにより、噴霧貫徹距離や噴霧形状を比較的容易に任意に設定することができる。
【００５６】
図１１に燃料噴霧に複数のエア噴流が衝突したときの概念図を示す。この実施の形態では、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、一つの衝突点ＨＰで同じ大きさと強度分布を有する複数のエア噴流を一つの燃料噴霧に衝突させるので、燃料噴霧自体の強度分布が不均一であっても、その噴霧全体に対して均一にエア噴流の影響を及ぼすことができる。これにより、燃料を好適に微粒化することができ、噴霧貫徹距離等を好適に設定できることが分かる。
【００５７】
この実施の形態では、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４が燃焼室２に対応して取付部材４９により一体的にシリンダヘッド４６に取り付けられる。従って、各噴射弁４３，４４を個別に取り付ける場合に比べ、燃料噴孔６９ａに対するエア噴孔６９ｂの位置精度が高くなり、取り付けのためのシリンダヘッド４６の加工や作業が少なくなる。また、予め取付部材４９に燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４を組み付けてアッセンブリ化しておけば、シリンダヘッド４６に取付部材４９を取り付けるだけで、各噴射弁４３，４４が同時にシリンダヘッド４６に取り付けられる。このため、燃料噴射装置の製造を簡略化することができる。
【００５８】
次に、上記した燃料の噴霧貫徹距離、噴霧粒径及び噴霧形状を可変とするためにＥＣＵ３０が実行する燃料噴射制御の処理内容について説明する。図１２に、その「燃料噴射制御ルーチン」をフローチャートに示す。ＥＣＵ３０は、このルーチンをエンジン１の運転中に所定時間毎に周期的に実行する。
【００５９】
先ず、ステップ１０１で、ＥＣＵ３０は、スロットルセンサ２１、吸気圧センサ２２、酸素センサ２３、水温センサ２４及び回転速度センサ２５による検出信号をそれぞれ読み込む。
【００６０】
ステップ１０２で、ＥＣＵ３０は、上記読み込まれた検出信号に基づいてエンジン１の運転状態を判定する。この実施の形態で、ＥＣＵ３０は、「低温始動運転」、「部分負荷運転」及び「全負荷運転」を含む運転状態を判定する。例えば、冷却水温ＴＨＷが相対的に低く、エンジン回転速度ＮＥが相対的に低く、スロットル開度ＴＡが相対的に小さい場合、ＥＣＵ３０は「低温始動運転」と判定する。また、冷却水温ＴＨＷがある程度高く、エンジン回転速度ＮＥがある程度高く、スロットル開度ＴＡに多少の変化がある場合、ＥＣＵ３０は「部分負荷運転」と判定する。更に、冷却水温ＴＨＷがある程度高く、エンジン回転速度ＮＥがある程度高く、スロットル開度ＴＡが全開へと変化する場合、ＥＣＵ３０は「全負荷運転」と判定する。
【００６１】
ステップ１０３で、ＥＣＵ３０は、上記判定された運転状態に応じた最適な燃焼パターンを決定する。この実施の形態では、各種運転状態に適した燃焼パターンが予め実験的に確認されて設定される。図１３に、運転状態と燃焼パターン等との関係を表に示す。この表から分かるように、「低温始動運転」の場合には、「暖機燃焼」が燃焼パターンとして決定される。「部分負荷運転」の場合には、「成層燃焼」が燃焼パターンとして決定される。「全負荷運転」の場合には、「均一燃焼」が燃焼パターンとして決定される。
【００６２】
ステップ１０４で、ＥＣＵ３０は、上記決定された燃焼パターンに応じて、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４による「燃料噴射期間」、「エア噴射期間」及び「燃料・エアの噴射タイミング差」をそれぞれ決定する。例えば、「暖機燃焼」の場合には、図１３に示すように「燃料・エアの噴射期間」が「同期間」に、燃料・エアの噴射タイミング差が「同タイミング」に決定される。また、「成層燃焼」の場合には、図１３に示すように「燃料・エアの噴射期間」が「エア噴射期間を長く」に決定され、燃料・エアの噴射タイミング差が「エア噴射タイミングを先行」に決定される。更に、「均一燃焼」の場合には、図１３に示すように「燃料・エアの噴射期間」が「エア噴射期間を若干長く」に決定され、燃料・エアの噴射タイミング差が「エア噴射タイミングを若干先行」に決定される。
【００６３】
ステップ１０５で、ＥＣＵ３０は、上記決定された「燃料・エアの噴射期間」と「燃料・エアの噴射タイミング差」から、クランク角度の変化に対応した燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングをそれぞれ設定する。例えば、「暖機燃焼」の場合には、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開きタイミングを、同様に角度ａ０から角度ａ３までの範囲に設定する。また、「成層燃焼」の場合には、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、燃料噴射弁４３の開きタイミングを、角度ａ２から角度ａ３までの範囲に設定すると共に、エア噴射弁４４の開きタイミングを、燃料噴射弁４３の角度ａ２より角度差ΔＡだけ先行させた角度ａ０から燃料噴射弁４３と同じく角度ａ３までの範囲に設定する。更に、「均一燃焼」の場合には、図１６（ａ）（ｂ）に示すように、燃料噴射弁４３の開きタイミングを、角度ａ２から角度ａ３までの範囲に設定すると共に、エア噴射弁４４の開きタイミングを、燃料噴射弁４３の角度ａ２より角度差ΔＢ（ΔＢ＜ΔＡ）だけ若干先行させた角度ａ１から燃料噴射弁４３と同じく角度ａ３までの範囲に設定する。
【００６４】
そして、ステップ１０６で、ＥＣＵ３０は、上記設定された開閉タイミングに応じた燃料噴射信号及びエア噴射信号を燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４にそれぞれ出力する。
【００６５】
上記のように燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御するのは、燃料噴射装置３による燃料の噴霧貫徹距離、噴霧粒径及び噴霧形状を制御するためである。即ち、ＥＣＵ３０は、燃料の噴霧貫徹距離、噴霧粒径及び噴霧形状を制御するために、燃料噴射弁４３による燃料噴射タイミング及び燃料噴射期間をクランク角度の変化に対応して一定に設定した上で、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミング及びエア噴射期間の両方を、エンジン１について判定された運転状態に基づいて制御するようにしている。より具体的には、ＥＣＵ３０は、「暖機燃焼」を達成するために、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミングを燃料噴射弁４３による燃料噴射タイミングと同じにすると共に、エア噴射弁４４によるエア噴射期間を燃料噴射弁４３による燃料噴射期間と等しくしている。また、ＥＣＵ３０は、「成層燃焼」及び「均一燃焼」を達成するために、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミングを燃料噴射弁４３による燃料噴射タイミングより先行又は若干先行させると共に、エア噴射弁４４によるエア噴射期間を燃料噴射弁４３による燃料噴射期間よりクランク角度による角度差ΔＡ又は角度差ΔＢだけ長くしている。
【００６６】
上記の燃料噴射制御によれば、図１３に示すように「暖機燃焼」において、燃料・エアの噴射期間を「同期間」に、噴射タイミング差を「同タイミング」にすることにより、噴霧貫徹距離が相対的に短く、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が噴霧角大となる噴霧特性が得られる。図１７に、この噴霧特性のイメージ図を示す。エンジン１の低温始動運転時には、ピストン６の頂面への燃料付着を防止するために噴霧貫徹距離を相対的に短く、燃料蒸発を促進するために噴霧粒径を相対的に小さく、燃料を燃焼室２の全体に分散させるために噴霧形状を噴霧角大にすることが望ましい。従って、上記の「暖機燃焼」のための噴霧特性は、エンジン１の低温始動運転時に適したものとなる。
【００６７】
一方、図１３に示すように「成層燃焼」において、燃料・エアの噴射期間を「エア噴射期間を長く」に、噴射タイミング差を「エア噴射タイミングを先行」にすることにより、噴霧貫徹距離が相対的に長く、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が噴霧角小となる噴霧特性が得られる。図１８に、この噴霧特性のイメージ図を示す。エンジン１の部分負荷動運転時には、燃焼室２の中の気流変動等の外乱に影響を受けずに毎サイクルに安定した混合気を点火プラグの周辺に集められるよう強い（貫徹距離が長い）噴霧が要求される。また、ピストン６から熱を受けるため、低温始動運転時ほどの高微粒化は要求されないものの、安定した混合気を形成できるよう現状より小さい噴霧粒径が望まれる。更に、噴霧の成層化に適した小さい噴霧角をなす噴霧形状が要求される。従って、上記の「成層燃焼」のための噴霧特性は、エンジン１の部分負荷運転時に適したものとなる。
【００６８】
一方、図１３に示すように「均一燃焼」において、燃料・エアの噴射期間を「エア噴射期間を若干長く」に、噴射タイミング差を「エア噴射タイミングを若干先行」にすることにより、噴霧貫徹距離が相対的に中程度に、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が噴霧角中となる噴霧特性が得られる。図１９に、この噴霧特性のイメージ図を示す。エンジン１の全負荷動運転時には、低温始動運転時と同等の条件ではあるが、燃焼室２の壁面から受ける熱も期待できる。そのため、噴霧貫徹距離を低温始動運転時のそれよりは長く、部分負荷運転時のそれよりは短くすることが要求される。また、安定した混合気を形成するために噴霧粒径を現状よりも小さくすることが要求される。更に、噴霧角を低温始動運転時のそれよりは小さく、部分負荷運転時のそれよりは大きくすることが要求される。従って、「均一燃焼」のための噴霧特性は、エンジン１の全負荷運転時に適したものとなる。
【００６９】
上記したこの実施の形態の燃料噴射制御装置によれば、燃料噴射装置３において燃料噴孔６９ａから燃焼室２に燃料が噴射されることにより、燃焼室２の中に燃料噴霧が形成される。一方、同装置３において各エア噴孔６９ｂから燃焼室２にエアが噴射されることにより、燃焼室２の中にエア噴流が形成される。この構成では、各エア噴孔６９ｂから噴射されるエア噴流が燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧に衝突するように各エア噴孔６９ｂ及び燃料噴孔６９ａの向きがそれぞれ設定されるので、エア噴流が燃料噴霧に衝突することにより、燃料噴霧の形態が変えられる。
【００７０】
ここで、燃料噴射装置３の燃料噴孔６９ａから噴射される燃料噴霧の噴霧貫徹距離、噴霧粒径及び噴霧形状（噴霧角）を制御するために、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４が、エンジン１の運転状態に基づいて、ＥＣＵ３０によりそれぞれ独立に制御される。この制御では、特に、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミング及びエア噴射期間の両方が制御される。これにより、直接噴射式のエンジン１においてその運転状態の違いに応じて燃料の噴霧貫徹距離、噴霧粒径及び噴霧形状（噴霧角）を変更することができ、その運転状態に最適な特性を有する燃料噴霧を得ることができる。この結果、エンジン１の燃焼室２における燃料の燃焼性能を向上させることができる。これにより、エンジン１の排気エミッションを改善することができ、エンジン１の燃費及び出力を向上させることができる。
【００７１】
ここで、噴霧貫徹距離の制御に関するメカニズムについて説明する。噴霧貫徹距離が相対的に短くなるのは、図１４に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御することにより、エア噴射タイミングを燃料噴射タイミングと同じに、エア噴射期間を燃料噴射期間と同じにしたときである。
これは、燃料噴霧と同時に形成されるエア噴流が、燃料噴霧の抵抗となることによるものである。一方、噴霧貫徹距離が相対的に長くなるのは、図１５及び図１６に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御することにより、エア噴射タイミングを燃料噴射タイミングより先行又は若干先行させたときである。これは、燃料噴霧に先行又は若干先行して形成されるエア噴流が、燃料噴霧に勢いを与えることによるものである。従って、燃料噴射タイミングに対するエア噴射タイミングの先行度合いを変えることにより、噴霧貫徹距離を可変にすることができる。
【００７２】
図２０（ａ）〜（ｃ）に、噴霧貫徹距離に関する制御例を示す。図２０（ａ）〜（ｃ）は、燃料噴射装置３を使用して形成された燃料噴霧の状態を示す。図２０（ａ）は、燃料噴射の際にエア噴射を行わない場合の燃料噴霧を示す。図２０（ｂ）は、燃料噴射に対して「１．０ｍｓ」だけエア噴射を先行させた場合の燃料噴霧を示す。図２０（ｃ）は、燃料噴射に対して「２．０ｍｓ」だけエア噴射を先行させた場合の燃料噴霧を示す。この図２０（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、燃料噴射に対するエア噴射の先行を早めるほど噴霧貫徹距離が相対的に長くなることが分かる。
【００７３】
次に、噴霧粒径の制御に関するメカニズムについて説明する。噴霧粒径が相対的に小さくなるのは、図１４〜図１６に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御することにより、エア噴射タイミングと燃料噴射タイミングの関係、エア噴射期間と燃料噴射期間の関係をそれぞれ変えるときの全ての場合である。これは、何れの場合も、燃料噴霧にエア噴流が衝突することにより、燃料噴霧の粒が分割されることによるものである。
【００７４】
次に、噴霧形状の制御に関するメカニズムについて説明する。噴霧形状（噴霧角）が変わるのは、図１４〜図１６に示すように、燃料噴射弁４３及びエア噴射弁４４の開閉タイミングを制御することにより、エア噴射タイミングと燃料噴射タイミングの関係、エア噴射期間と燃料噴射期間の関係をそれぞれ変えるときの全ての場合である。図１３に示すように、「暖機燃焼」のための制御により「噴霧角大」となるのは、燃料・エアの噴射期間と燃料・エアの噴射タイミングが同じであることから、燃料とエアが衝突するときの周囲への分散が良くなるからである。図１３に示すように、「成層燃焼」のための制御により「噴霧角小」となるのは、エア噴射を先行させることにより燃料噴霧が気流に乗って噴射方向へ伸びやすくなり噴霧貫徹距離が長くなり、それと同時に幅方向はエアの衝突があっても長さが伸びる分だけ広がりが小さくさるからである。図１３に示すように、「均一燃焼」のための制御により「噴霧角中」となるのは、エア噴射の先行度合いが「成層燃焼」のそれよりも小さいからである。
【００７５】
上記の「暖機燃焼」、「成層燃焼」及び「均一燃焼」のための燃料噴射制御では、燃料・エアの噴射タイミングの変更と、燃料・エアの噴射期間の変更とを互いに組み合わせた場合について説明したが、燃料・エアの噴射タイミングと、燃料・エアの噴射期間のそれぞれを個別に変更した場合には、以下のような作用効果があると考えられる。
【００７６】
ＥＣＵ３０が、エア噴射弁４４によるエア噴射タイミングを燃料噴射弁４３による燃料噴射タイミングより先行させた場合は、燃料の噴霧貫徹距離が相対的に長くなり、かつ、燃料の噴霧粒径が相対的に小さくなり、成層燃焼に適した特性の燃料噴霧が得られる。これにより、エンジン１における燃料の燃焼性能を向上させることができる。
【００７７】
また、ＥＣＵ３０が、エア噴射弁４４によるエア噴射期間を燃料噴射弁４３による燃料噴射期間と等しくした場合は、燃料噴射期間の全域で燃料の噴霧粒径が相対的に小さくなる。これにより、エンジン１における燃料の燃焼性能を向上させることができる。
【００７８】
更に、ＥＣＵ３０が、エア噴射弁４４によるエア噴射期間を燃料噴射弁４３による燃料噴射期間より長くした場合は、燃料の噴霧貫徹距離が相対的に長くなり、かつ、燃料噴霧の全域で噴霧粒径が相対的に小さくなる。これにより、エンジン１における燃料の燃焼性能を向上させることができる。
【００７９】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した第２の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００８０】
尚、この実施の形態を含む以下の各実施の形態において、前記第１の実施の形態と同じ構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、以下には異なった点を中心に説明する。
【００８１】
この実施の形態は、燃料噴射装置がエア噴射弁の機能を燃料噴射弁に一体に設けたものである点で前記第１の実施の形態と構成が異なる。その他の燃料噴射制御に関する構成は、基本的には、第１の実施の形態のそれと同じである。
【００８２】
図２１にエア噴射弁一体型燃料噴射弁８１の断面図を示す。この実施の形態の一体型燃料噴射弁８１は、そのロワボディ５５の先端に筒部５５ａが一体的に設けられる。この筒部５５ａの先端にオリフスプレート９０が固定される。ロワボディ５５には、筒部５５ａに開口するエア通路８２が設けられる。エア通路８２には、エア配管（図示略）を通じて加圧エアが供給される。ロワボディ５５の基端部には、別のソレノイド８３が設けられる。ロワボディ５５には、エア通路８２を開閉する弁体８４が設けられる。この弁体８４が、ソレノイド８３の励磁・消磁に基づいて動作することにより、エア通路８２が開閉され、筒部５５ａの中に加圧エアが供給され、オリフィスプレート９０のエア噴孔９０ｂから加圧エアが噴射され、エア噴流が形成されるようになっている。また、筒部５５ａの中心に一体的に設けられたチューブ６６の孔６６ａを通じて噴射される燃料が、オリフィスプレート９０の燃料噴孔９０ａから噴射され、燃料噴霧が形成されるようになっている。
【００８３】
従って、この実施の形態では、エア噴射弁一体型燃料噴射弁８１を使用することから、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４を別々に設けた前記１の実施の形態よりも、燃料噴射装置をコンパクトに構成することができる。この実施の形態におけるその他の作用効果は、基本的には、前記第１の実施の形態におけるそれと同じである。
【００８４】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した第３の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００８５】
この実施の形態は、燃料噴射装置がエア噴射弁の噴射機能を燃料噴射弁に設けたものである点で前記各実施の形態と構成が異なる。図２２に燃料噴射弁８５の断面図を示す。この実施の形態の燃料噴射弁８５は、ロワボディがハウジング４１と一体的に設けられる。このハウジング５１の先端にオリフィスプレート９０が直接固定される。ハウジング５１の先端部には、オリフィスプレート９０の燃料噴孔９０ａとノズルボディ５６の弁孔５６ｂとの間を連通する燃料通路８６が設けられる。同じく、ハウジング５１の先端部には、燃料通路８６の周囲にエア通路８７が設けられる。このエア通路８７には、別途のエア制御弁（図示略）を通じて加圧エアが供給される。エア制御弁が制御されることにより、エア通路８７を通じてオリフィスプレート９０のエア噴孔９０ｂから加圧エアが噴射され、エア噴流が形成されるようになっている。また、弁座５６ａに対して弁部５８ａが開閉することにより、燃料通路８６及びオリフィスプレート９０の燃料噴孔９０ａを通じて燃料が噴射され、燃料噴霧が形成されるようになっている。
【００８６】
従って、この実施の形態では、エア噴射弁の機能を燃料噴射弁８５に設けていることから、燃料噴射弁４３とエア噴射弁４４を別々に設けた前記各実施の形態に比べ、燃料噴射装置に関するエンジン周りの構成をコンパクトにすることができる。この実施の形態におけるその他の作用効果は、基本的には、前記各実施の形態におけるそれと同じである。
【００８７】
尚、この発明は前記各実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して次のように実施することもできる。
【００８８】
（１）前記各実施の形態では、燃料に衝突させる気体としてエア（空気）を使用したが、空気以外の特定の気体を使用してもよい。
【００８９】
（２）前記第１の実施の形態では、一つの燃料噴孔６９ａと、その燃料噴孔６９ａを中心に等角度間隔に配置された複数のエア噴孔６９ｂとを含むオリフィスプレート６９を設けた。これに対し、スリット状の燃料噴孔と、その燃料噴孔の片側又は両側に配置された一つ又は複数のエア噴孔とを含むオリフィスプレートを設けてもよい。つまり、オリフィスプレートにおける燃料噴孔及びエア噴孔の形状、大きさ及び配置は、適宜に変更してもよい。
【００９０】
（３）前記第１の実施の形態において、以下のような構成を採用することにより、燃料噴霧の噴霧貫徹距離を短くしたり、長くしたりすることができる。
図２３に示す燃料噴霧とエア噴流との衝突角度θ３をある程度大きく（例えば、「７５°」）設定すると、エア噴射タイミングの設定により噴霧貫徹距離を短くしたり、長くしたりすることが可能となる。例えば、燃料とエアの同時噴射では、衝突時に発生する気流の逆流と噴霧微粒化により噴霧−気流間の空気抵抗が増大する。この空気抵抗の増大作用が、燃料噴霧とエア噴流との衝突と重なり、噴霧貫徹距離がエアを噴射しない場合より短くなる。その逆に、エアを燃料に先んじて噴射させた場合には、衝突時に噴霧が伸びる方向にも気流が発生するため、噴霧貫徹距離が長くなる。但し、この場合の噴霧貫徹距離の可変効果は、下記に説明するように衝突角度θ３を小さく設定する場合に比べて小さくなることが分かっている（制御の方向性が一方向である場合の方が効果が大きくなる。）。一方、衝突角度θ３を小さく（例えば、「４５°」）設定すると、エア噴射タイミングの設定により噴霧貫徹距離を長くすることが可能になる。これは燃料噴霧を押す方向にエア噴流を燃料噴霧に衝突させるためである。燃料とエアの同時噴射では、噴霧貫徹距離が長くなり、エアを燃料に先んじて噴射させた場合には、噴射時に長くなるような気流が存在しているため、噴霧貫徹距離は更に長くなる。この場合、噴霧貫徹距離の可変量は、上記した衝突角度θ３を大きく設定した場合に比べて大きくなるので、基本となる燃料噴霧は、燃料圧力を減少（例えば、１２ＭＰａから２ＭＰａへ減少）させたとしても、その燃料圧力の減少による噴霧微粒化の悪化をエアブラストにより改善することができる。このため、燃料圧力を減少させたまま燃料とエアの噴射タイミングにより燃料噴霧とエア噴流を制御することにより、噴霧貫徹距離を可変制御することができる。例えば、燃料とエアを同時噴射した場合には、噴霧貫徹距離を長く（燃圧を１２ＭＰａとし、エアブラストを無しにしたときより短い）することが可能となり、エアを燃料に先んじて噴射した場合には、噴霧貫徹距離を更に長くすることが可能となる（噴霧粒径は、燃圧を１２ＭＰａとし、エアブラストを無しとしたときよりも小さくできることは確認済み。）。
【００９１】
【発明の効果】
請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明によれば、直接噴射式の内燃機関においてその運転状態の違いに応じて燃料の噴霧貫徹距離又は噴霧粒径を変更して最適な特性の燃料噴霧を得ることができ、それにより内燃機関における燃料の燃焼性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係り、直噴式エンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】燃料噴射装置のエンジン取付状態を示す断面図。
【図３】燃料噴射弁とエア噴射弁に係る電気配線等を示す構成概念図。
【図４】取付部材の先端部を示す拡大断面図。
【図５】オリフィスプレートを示す平面図。
【図６】図５のＡ−Ａ線断面図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は燃料噴霧及びエア噴流を示す概念図。
【図８】衝突点での燃料噴霧と気体噴流との衝突を示す概念図。
【図９】気体噴流を示す概念図。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は衝突点での噴霧強度と噴流強度の違いを示す概念図。
【図１１】燃料噴霧にエア噴流が衝突したときの概念図。
【図１２】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート。
【図１３】エンジン運転状態と燃焼パターン等との関係を示す表。
【図１４】（ａ），（ｂ）は、燃料噴射弁及びエア噴射弁の開閉タイミングを示すタイムチャート。
【図１５】（ａ），（ｂ）は、燃料噴射弁及びエア噴射弁の開閉タイミングを示すタイムチャート。
【図１６】（ａ），（ｂ）は、燃料噴射弁及びエア噴射弁の開閉タイミングを示すタイムチャート。
【図１７】暖機燃焼の噴霧特性を示すイメージ図。
【図１８】成層燃焼の噴霧特性を示すイメージ図。
【図１９】均一燃焼の噴霧特性を示すイメージ図。
【図２０】（ａ）〜（ｃ）は、燃料噴霧の貫徹距離の違いを示す説明図。
【図２１】第２の実施の形態に係り、一体型燃料噴射弁を示す断面図。
【図２２】第３の実施の形態に係り、燃料噴射弁を示す断面図。
【図２３】別の実施の形態に係り、燃料噴霧にエア噴流が衝突したときの概念図。
【符号の説明】
１      エンジン（内燃機関）
２      燃焼室
２１    スロットルセンサ
２２    吸気圧センサ
２３    酸素センサ
２４    水温センサ
２５    回転速度センサ
３０    ＥＣＵ（制御手段）
４３      燃料噴射弁
４４      エア噴射弁
６９    オリフィスプレート
６９ａ  燃料噴孔
６９ｂ  エア噴孔
８１    燃料噴射弁
８５    燃料噴射弁
９０    オリフィスプレート
９０ａ  燃料噴孔
９０ｂ  エア噴孔
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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