(57)【要約】【課題】内燃機関の運転状態に適した燃料噴霧を供給することにより、燃費、排気エミッション及びエンジン出力等のエンジン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速度、噴霧粒径及び噴霧角等を制御するために、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】
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、点火プラグ近傍に燃料噴霧を集中させる成層燃焼と、前記燃焼室全体に燃料噴霧を均一に分散させる均一燃焼とを選択的に切り替えるように構成した内燃機関の燃料噴射制御装置において、
燃料噴霧速度を可変にするための噴霧速度可変手段と、燃料噴霧粒径を可変にするための噴霧粒径可変手段と、燃料噴霧角度を可変にするための噴霧角度可変手段との少なくとも一つを備えた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】
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、点火プラグ近傍に燃料噴霧を集中させる成層燃焼と、前記燃焼室全体に燃料噴霧を均一に分散させる均一燃焼とを選択的に切り替えるように構成した内燃機関の燃料噴射制御装置において、
燃料噴霧速度を可変にするための噴霧速度可変手段と、燃料噴霧粒径を可変にするための噴霧粒径可変手段と、燃料噴霧角度を可変にするための噴霧角度可変手段とを備えた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を含み、前記燃料噴霧速度、前記燃料噴霧粒径及び前記燃料噴霧角度を前記検出される運転状態に基づいて制御するために、前記噴霧速度可変手段、前記噴霧粒径可変手段及び前記噴霧角度可変手段の少なくとも一つを制御するための制御手段を備えた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、前記均一燃焼時に、前記燃料噴霧速度を相対的に中程度とし、前記燃料噴霧粒径を相対的に小さくし、前記燃料噴霧角度を相対的に中程度とするように前記噴霧速度可変手段、前記噴霧粒径可変手段及び前記噴霧角度可変手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関は、前記燃焼室を構成するシリンダ及びピストンを含むことと、燃料噴射タイミングを可変にするための噴射タイミング可変手段とを備え、前記制御手段は、前記均一燃焼時に、燃料噴霧が前記ピストンの上面又は前記シリンダの内壁に比較的弱く衝突する程度に前記燃料噴霧速度、前記燃料噴霧粒径及び前記燃料噴霧角度を前記燃料噴射タイミングと共に制御するために、前記噴霧速度可変手段、前記噴霧粒径可変手段、前記噴霧角度可変手段及び噴射タイミング可変手段を制御することを特徴とする請求項３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、前記成層燃焼時に、前記燃料噴霧速度を相対的に大きくし、前記燃料噴霧粒径を相対的に小さくし、前記燃料噴霧角度を相対的に小さくするように前記噴霧速度可変手段、前記噴霧粒径可変手段及び前記噴霧角度可変手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項７】
前記内燃機関は、前記燃焼室を構成するシリンダ及びピストンを含むことと、燃料噴射タイミングを可変にするための噴射タイミング可変手段とを備え、前記制御手段は、前記成層燃焼時に、燃料噴霧が前記ピストンの上面又は前記シリンダの内壁に比較的強く衝突するよう前記燃料噴霧速度、前記燃料噴霧粒径及び前記燃料噴霧角度を前記燃料噴射タイミングと共に制御するために、前記噴霧速度可変手段、前記噴霧粒径可変手段、前記噴霧角度可変手段及び前記噴射タイミング可変手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項８】
前記噴霧速度可変手段、前記噴霧粒径可変手段及び前記噴霧角度可変手段はエアブラスト式燃料噴射装置により構成され、
前記エアブラスト式燃料噴射装置は、
前記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を備えたことを特徴とする請求項１乃至７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９】
前記噴霧速度可変手段、前記噴霧粒径可変手段及び前記噴霧角度可変手段は燃料加熱式燃料噴射装置により構成され、
前記燃料加熱式燃料噴射装置は、
前記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、
前記噴射される燃料を加熱するための燃料加熱手段と
を備えたことを特徴とする請求項１乃至７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１０】
前記噴霧速度可変手段、前記噴霧粒径可変手段及び前記噴霧角度可変手段は可変燃圧式燃料噴射装置により構成され、
前記可変燃圧式燃料噴射装置は、
前記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、
前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を可変にするための燃圧可変手段と
を備えたことを特徴とする請求項１乃至７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、内燃機関の運転状態に適した燃料噴霧を供給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、その運転状態に適した燃料噴霧形態を供給するようにした燃料噴射制御装置が、例えば、下記の特許文献１乃至３に開示されている。
【０００３】
特許文献１には、筒内噴射式（直接噴射式）の内燃機関と、筒内噴射用燃料噴射弁が記載される。この文献１には、予混合燃焼を行わせる運転モードと、層状燃焼を行わせる運転モードとを切り替える内燃機関において、各運転モードに対応して燃料噴霧特性を切り替えることが記載される。具体的には、燃料噴射弁の燃料噴霧は、噴口から略第１の所定の距離までは噴口軸に対して略軸対称形状を有する噴霧パターンを採り、噴口から略第１の所定の距離より長い略第２の所定の距離以降では噴口軸に直交する断面形状が噴口軸に直交する一方向に広がりを持つ略点対称形状もしくは略線対称形状を有する噴霧パターンを採するようになっている。そして、層状燃焼を行わせる運転モードでは、略第１の所定の距離までの噴霧がピストンの圧縮行程中に噴霧される。また、予混合燃焼を行わせる運転モードでは、略第２の所定の距離以降の噴霧がピストンの吸気行程中に噴霧される。
【０００４】
特許文献２には、燃焼性の良い燃料噴霧と点火性の良い燃料噴霧とを含む、いわゆる複合噴霧（中実状噴霧）を噴射することのできる燃料噴射弁とこれを用いた内燃機関について記載される。詳しくは、中実状噴霧として、慣性力を弱めてその到達距離を短くした広がり角度の大きい噴霧と、慣性力を強くして広がり角度の小さい噴霧とを作るために、噴射孔を有するノズル体と、弁体と、この弁体をその軸方向に駆動する駆動手段とを備えた燃料噴射弁が記載される。この噴射弁において、噴射孔の上流側に、燃料に旋回力を付与する二つの旋回力付与手段が、軸方向に配置されると共に、二つの旋回力付与手段の第一の旋回力付与手段と第二の旋回力付与手段とが各々異なるように構成される。
【０００５】
特許文献３には、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備え、内燃機関の運転条件に応じて、点火プラグ近傍に噴霧を集中させる成層運転と、燃焼室全体に噴霧を均一に分散させる均一運転とが行われる直接火花点火式内燃機関の燃焼制御装置が記載される。この文献３には、均一運転時に１サイクル中複数回の燃料噴射を実行する分割噴射制御手段が記載される。この分割噴射制御手段は、内燃機関の回転速度及び負荷に応じて各噴射の時間間隔及び噴射量割合を可変としている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−９７０３０号公報（第４〜６頁，図３）
【特許文献２】
特開平１０−３１８０９６号公報（第９頁，図７）
【特許文献３】
特開２００２−１６７９０号公報（第２〜５頁，図１〜６）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、成層燃焼に要求される燃料噴霧形態（点火プラグ周辺に混合気を集めるまとまりのある燃料噴霧）と、均一燃焼に要求される燃料噴霧形態（混合気が燃焼室全体に分散するような高分散燃料噴霧）とは、互いに相反する性質を有する。ところが、上記特許文献１又は２に記載の装置では、成層燃焼のための燃料噴霧形態に類似する一種類の燃料噴霧形態しか実現できなかった。このため、均一燃焼を有効に実現することがきず、二種類以上から燃焼形態を選択することができず、エンジン性能を向上させることができない。
【０００８】
また、特許文献３に記載の装置では、燃料噴射を数回に分けるので、噴射弁の過渡応答時間が複数となり、その間は燃料微粒化が悪くなる。このため、燃料噴霧粒径が大きくなることにより、燃料噴霧が空気から受ける抵抗が小さくなり、燃料噴霧到達距離が大きくなる傾向があった。更に、燃料噴霧到達距離は、主として単位時間当たりの噴射量（噴射率）に大きく影響するので、燃料噴射を複数回に分けても、上記のように燃料噴霧到達距離を短くすることが難しい。加えて、均一燃焼時にて、アイドル運転時などのようにエンジン回転速度が低い場合には、複数噴射をするための時間間隔を確保することは可能であるが、エンジン回転速度が高い全負荷運転時には、複数噴射をする時間的余裕がない。更に、多量の燃料を噴射する必要があるので、複数噴射により上記のような均一燃焼に適した燃料噴霧を提供することが難しい。
【０００９】
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、運転状態に応じて燃焼方式を切り替える内燃機関において、内燃機関の運転状態に適した燃料噴霧を供給することにより、燃費、排気エミッション及びエンジン出力等のエンジン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。
【００１０】
【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、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、点火プラグ近傍に燃料噴霧を集中させる成層燃焼と、前記燃焼室全体に燃料噴霧を均一に分散させる均一燃焼とを選択的に切り替えるように構成した内燃機関の燃料噴射制御装置において、燃料噴霧速度を可変にするための噴霧速度可変手段と、燃料噴霧粒径を可変にするための噴霧粒径可変手段と、燃料噴霧角度を可変にするための噴霧角度可変手段との少なくとも一つを備えたことを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、成層燃焼と均一燃焼とが選択的に切り替えられる直接噴射式の内燃機関において、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段の少なくとも一つを作動させることにより、燃料噴霧速度、燃料噴霧粒径及び燃料噴霧角度の少なくとも一つが変えられ、燃料噴霧特性が変えられる。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、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、点火プラグ近傍に燃料噴霧を集中させる成層燃焼と、燃焼室全体に燃料噴霧を均一に分散させる均一燃焼とを選択的に切り替えるように構成した内燃機関の燃料噴射制御装置において、燃料噴霧速度を可変にするための噴霧速度可変手段と、燃料噴霧粒径を可変にするための噴霧粒径可変手段と、燃料噴霧角度を可変にするための噴霧角度可変手段とを備えたことを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、成層燃焼と均一燃焼とが選択的に切り替えられる直接噴射式の内燃機関において、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段を作動させることにより、燃料噴霧速度、燃料噴霧粒径及び燃料噴霧角度が変えられ、燃料噴霧特性が変えられる。
【００１４】
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、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を含み、燃料噴霧速度、燃料噴霧粒径及び燃料噴霧角度を検出される運転状態に基づいて制御するために、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段の少なくとも一つを制御するための制御手段を備えたことを趣旨とする。
【００１５】
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、検出される内燃機関の運転状態に基づいて噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段が制御手段により制御されることにより、燃料噴霧速度、燃料噴霧粒径及び燃料噴霧角度が制御される。これにより、内燃機関の運転状態に応じて燃料噴霧特性が変えられる。
【００１６】
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３に記載の発明において、制御手段は、均一燃焼時に、燃料噴霧速度を相対的に中程度とし、燃料噴霧粒径を相対的に小さくし、燃料噴霧角度を相対的に中程度とするように噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段を制御することを趣旨とする。
【００１７】
上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、均一燃焼時には、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段が制御手段により制御されることにより、燃料噴霧速度が相対的に中程度に、燃料噴霧粒径が相対的に小さく、燃料噴霧角度が相対的に中程度になるように燃料噴霧特性が変えられる。
【００１８】
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３に記載の発明において、内燃機関は、燃焼室を構成するシリンダ及びピストンを含むことと、燃料噴射タイミングを可変にするための噴射タイミング可変手段とを備え、制御手段は、均一燃焼時に、燃料噴霧がピストンの上面又はシリンダの内壁に比較的弱く衝突する程度に燃料噴霧速度、燃料噴霧粒径及び燃料噴霧角度を燃料噴射タイミングと共に制御するために、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段、噴霧角度可変手段及び噴射タイミング可変手段を制御することを趣旨とする。
【００１９】
上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、均一燃焼時には、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段が噴射タイミング可変手段と共に制御手段により制御されることにより、料噴霧がピストンの上面又はシリンダの内壁に比較的弱く衝突する程度に燃料噴霧速度、燃料噴霧粒径及び燃料噴霧角度が燃料噴射タイミングと共に制御されて燃料噴霧特性が変えられる。
【００２０】
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３に記載の発明において、制御手段は、成層燃焼時に、燃料噴霧速度を相対的に大きくし、燃料噴霧粒径を相対的に小さくし、燃料噴霧角度を相対的に小さくするように噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段を制御することを趣旨とする。
【００２１】
上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、成層燃焼時には、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段が制御手段により制御されることにより、燃料噴霧速度が相対的に大きく、燃料噴霧粒径が相対的に小さく、燃料噴霧角度が相対的に小さくなるように燃料噴霧特性が変えられる。
【００２２】
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３に記載の発明において、内燃機関は、燃焼室を構成するシリンダ及びピストンを含むことと、燃料噴射タイミングを可変にするための噴射タイミング可変手段とを備え、制御手段は、成層燃焼時に、燃料噴霧がピストンの上面又はシリンダの内壁に比較的強く衝突するよう燃料噴霧速度、燃料噴霧粒径及び燃料噴霧角度を燃料噴射タイミングと共に制御するために、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段、噴霧角度可変手段及び噴射タイミング可変手段を制御することを趣旨とする。
【００２３】
上記発明の構成によれば、請求項３に記載の発明の作用に加え、成層燃焼時には、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段が噴射タイミング可変手段と共に制御手段により制御されることにより、料噴霧がピストンの上面又はシリンダの内壁に比較的強く衝突するよう燃料噴霧速度、燃料噴霧粒径及び燃料噴霧角度が燃料噴射タイミングと共に制御されて燃料噴霧特性が変えられる。
【００２４】
上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明において、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段はエアブラスト式燃料噴射装置により構成され、エアブラスト式燃料噴射装置は、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を備えたことを趣旨とする。
【００２５】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明の作用において、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段が特定の構造を備えたエアブラスト式燃料噴射装置により構成され、そのエアブラスト式燃料噴射装置により燃料噴霧特性が変えられる。
【００２６】
上記目的を達成するために、請求項９に記載の発明は、請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明において、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段は燃料加熱式燃料噴射装置により構成され、燃料加熱式燃料噴射装置は、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、噴射される燃料を加熱するための燃料加熱手段とを備えたことを趣旨とする。
【００２７】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明の作用ににおいて、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段が特定の構造を備えた燃料加熱式燃料噴射装置により構成され、その燃料加熱式燃料噴射装置により燃料噴霧特性が変えられる。
【００２８】
上記目的を達成するために、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明において、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段は可変燃圧式燃料噴射装置により構成され、可変燃圧式燃料噴射装置は、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、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を可変にするための燃圧可変手段とを備えたことを趣旨とする。
【００２９】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至７の何れか一つに記載の発明の作用ににおいて、噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段が特定の構造を備えた可変燃圧式燃料噴射装置により構成され、その可変燃圧式燃料噴射装置により燃料噴霧特性が変えられる。
【００３０】
【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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、本発明の噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段、噴霧角度可変手段及び噴射タイミング可変手段を構成するエアブラスト式燃料噴射装置であって、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。この燃料噴霧の広がり角度（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貫徹距離（以下「噴霧貫徹距離」と言う。）、燃料噴霧速度（以下「噴霧速度」と言う。）、燃料噴霧粒径（以下「噴霧粒径」と言う。）、燃料噴霧角度（以下「噴霧角」と言う。）及び燃料噴霧形状（以下「噴霧形状」と言う。）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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、その噴霧角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。
【００５４】
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貫徹距離や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、噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角及び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、噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角及び噴霧形状を調節することができるようになる。
【００５５】
ここで、「噴霧貫徹距離」とは、燃料噴射後の時間経過において燃料噴孔６９ａから燃料噴霧先端までの鉛直（噴射方向に投影したもの）距離を意味する。燃料噴霧の先端は、燃料噴霧に両側方からストロボを当ててその正面から撮影した場合に、燃料噴霧が存在する領域（白）と燃料噴霧が存在しない領域（黒）との濃淡差を「１」とした場合に、「０．５（基準）±０．２」となる噴霧境界をいう。また、「噴霧速度」とは、噴霧貫徹距離を時間微分した値、或いは、同じ燃料噴霧先端閾値（上記範囲には限らない）で噴霧貫徹距離を計測した場合における噴霧貫徹距離の増加割合を意味する。
【００５６】
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、燃料噴霧全体で噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角及び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。
【００５７】
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、噴霧速度及び噴霧形状を比較的容易に任意に設定することができる。
【００５８】
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、噴霧貫徹距離や噴霧速度等を好適に設定できることが分かる。
【００５９】
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。
【００６０】
次に、上記した燃料の噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角及び噴霧形状を制御するためである。即ち、ＥＣＵ３０は、噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角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。
【００６８】
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、燃焼室２の壁面衝突時における噴霧速度が相対的に小さく、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が噴霧角大となるような燃料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の上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。
【００６９】
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、壁面衝突時における噴霧速度が相対的に大きく、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が噴霧角小となるような燃料噴霧特性が得られる。即ち、ＥＣＵ３０は、「成層燃焼時」に、噴霧速度を相対的に大きくし、噴霧粒径を相対的に小さくし、噴霧角を相対的に小さくするようにエアブラスト式燃料噴射装置３を制御するのである。また、ＥＣＵ３０は、「成層燃焼時」に、燃料噴霧がピストン６の上面又はシリンダボア４７の内壁に比較的強く衝突するよう噴霧速度、噴霧粒径及び噴霧角を燃料噴射タイミングと共に制御するために、エアブラスト式燃料噴射装置３を制御するのである。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（噴霧貫徹距離が長い）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。
【００７０】
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、壁面衝突時における噴霧速度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ような燃料噴霧特性が得られる。即ち、ＥＣＵ３０は、「均一燃焼時」に、噴霧速度を相対的に中程度とし、噴霧粒径を相対的に小さくし、噴霧角を相対的に中程度とするようにエアブラスト式燃料噴射装置３を制御するのである。また、ＥＣＵ３０は、「均一燃焼時」に、燃料噴霧がピストン６の上面又はシリンダボア４７の内壁に比較的弱く衝突する程度に噴霧速度、噴霧粒径及び噴霧角を燃料噴射タイミングと共に制御するために、エアブラスト式燃料噴射装置３を制御するのである。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」のための燃料噴霧特性は、エンジン１の全負荷運転時に適したものとなる。
【００７１】
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。
【００７２】
ここで、燃料噴射装置３の燃料噴孔６９ａから噴射される噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角及び噴霧形状を制御するために、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噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角及び噴霧形状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、運転状態に応じて燃焼方式を切り替えるエンジン１において、エンジン１の運転状態に適した燃料噴霧を供給することができ、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、燃費、排気エミッション及びエンジン出力等のエンジン性能を向上させることができる。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
次に、噴霧角及び噴霧形状の制御に関するメカニズムについて説明する。噴霧角及び噴霧形状が変わるのは、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。
【００７７】
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。
【００７８】
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、噴霧貫徹距離が相対的に長くなり、かつ、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。
【００７９】
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。
【００８０】
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、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。
【００８１】
ここで、本実施の形態における内燃機関の燃料噴射制御装置に関する作用効果を補足説明する。
【００８２】
図２１に、静止場に噴射された噴霧貫徹距離の変化曲線をグラフに示す。このグラフでは、エンジンの吸気行程相当の噴射場圧力における噴霧貫徹距離を実線で、圧縮行程相当の噴射場圧力における噴霧貫徹距離を破線でそれぞれ示す。このグラフから明らかなように、燃料噴射後の時間経過とともに噴霧貫徹距離の増加割合は小さくなることが分かる。これは噴射された燃料噴霧が空気との摩擦抵抗や拡散により噴射方向の慣性力を減ずることと、噴霧粒径が蒸発により時間経過とともに小さくなって空気抵抗が大きくなることによる。
【００８３】
一方、図２１のグラフから、圧縮行程相当の噴射場では、圧力が相対的に高くなることから、吸気行程相当の噴射場に比べ、燃料噴射後の時間経過における噴霧貫徹距離が相対的に小さくなることが分かる。ここで、吸気行程に噴射された燃料噴霧は、ある時間経過後にピストン上面やボア壁面（燃焼室壁面）に衝突することになるが、図２２に示すように、噴霧貫徹距離の変化曲線における傾きが相対的に大きい領域では、噴霧速度が相対的に大きい。このため、燃料噴霧が燃焼室壁面に衝突した場合、燃料が同壁面に強く付着し、ＨＣエミッションの低下や燃費の増加につながる。その逆に、図２２に曲線で示すように、噴霧貫徹距離の変化曲線において傾きが相対的に小さい領域では、燃料噴霧の慣性力が相対的に小さい。このため、燃料噴霧が燃焼室壁面に衝突しても、燃料が同壁面に付着しないか、逆に弾き飛ばされ、更に高分散化して均一燃焼に適した可燃混合気を形成する。
【００８４】
ところで、主にエンジンの圧縮行程で燃料を噴射する成層燃焼時には、均一燃焼時に比べて早期にピストン上面に燃料噴霧が衝突することになる。しかし、成層燃焼に必要なまとまりのある可燃混合気を形成するには、ピストン上面に衝突しても弾き飛ばされて分散しないような強い噴霧速度を持った状態で燃料噴霧を衝突させる必要がある。この際、燃料が壁面に付着しないように、粒径が小さい燃料噴霧となっていることが更に望ましい。
【００８５】
上記技術を達成するために、燃料噴射タイミングを調整する方法がある。しかし、燃料噴霧の可変機能を持たない燃料噴射弁では、噴射タイミングがエンジン回転速度やエンジン形状、固定された噴射条件によって制限されてしまい、上記機能を十分に発揮することができない。
【００８６】
この実施の形態では、噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角及び噴霧形状を可変とし、燃料噴霧をエンジン１の運転状態に適した状態に制御可能にしている。
【００８７】
ここで、この実施の形態では、噴霧速度を可変としていることから、燃料噴射後の同じ経過時間に対する噴霧速度を、▲１▼従来の燃料噴射の場合と比較してだいたい同じ割合で減少（成層燃焼時では増加）させるか、▲２▼異なった割合で変化させている。上記▲１▼の方法は、図２３に示すように、従来の燃料噴霧に係る噴霧速度にある係数を乗じた（同じ割合）噴霧速度になるように制御するものである。これは後述する噴霧角のみを可変とした場合や燃料噴霧の微粒化のみを可変制御とした場合等が相当する。上記▲２▼の方法は、図２４に示すように、従来の燃料噴霧に係る噴霧速度に依存しない噴霧速度を制御するもので、より効果的なものとなる。これは本実施の形態のエアブラスト式燃料噴射装置３を使用することにより実現可能である。
【００８８】
この実施の形態では、噴霧粒径を可変としていることから、噴霧粒径を相対的に小さくすることにより、気化冷却により吸気効率や燃焼効率を向上させることができる。また、噴霧粒径を可変にすることにより、燃料噴霧が受ける空気抵抗が噴霧粒径が相対的に小さくなるほど大きくなることから、噴霧速度を可変制御することができる。噴霧速度は、図２３に示すように、従来の燃料噴霧に対してだいたい同じ割合で噴霧速度が変化することになる。
【００８９】
この実施の形態では、噴霧角を可変としていることから、噴霧角を適度に大きくすることにより、均一燃焼時に、可燃混合気が燃焼室全体に形成されやすくなる。また、噴霧角を相対的に小さくすることにより、成層燃焼時に、必要なまとまりのある可燃混合気が燃焼室に形成されやすくなる。更に、噴霧角を変化させた分だけ噴射方向への燃料噴射流量が変わり、噴霧速度を可変制御することができる。噴霧速度は、図２３に示すように、従来の燃料噴霧に対しだいたい同じ割合で噴霧速度が変化することになる。
【００９０】
この実施の形態では、均一燃焼時であってエンジン回転速度が低い（例えば、アイドル運転時）場合、燃料噴射期間に余裕があるので（例えば、エンジン回転速度が「１０００ｒｐｍ」で吸気行程期間が「約３０ｍｓ」）、燃料噴射タイミングを早めることにより、燃料噴霧がピストン上面に強く衝突することが若干避けられる。「若干」としたのは、ピストンの移動速度よりも噴霧速度の方がはるかに大きく、ピストンを追いかけるように燃料噴霧を噴射したとしても、従来の燃料噴射方法では噴霧速度が落ちきらない時点でピストンに衝突してしまい（衝突場所は最大で下死点）、それほどエンジン性能を改善することはできないからである。従来の燃料噴射方法に対し、図２３に示すように、噴霧速度を減少させるように制御すれば、噴霧貫徹距離も相対的に小さくなる。このため、燃料噴射タイミングを早くする期間を大きくすることができ、噴霧速度も減少するので、衝突した場合にも、上記したように均一燃焼に適した可燃混合気を形成することができる。
【００９１】
また、均一燃焼時であってエンジン回転速度が高い（例えば、スロットルバルブ全開付近）場合では、燃料噴射期間に余裕がなくなり（例えば、エンジン回転速度が「６００ｒｐｍ」で吸気行程期間が「約５ｍｓ」）、かつ、大量の燃料を噴射しなければならないので、燃料噴霧には燃焼室全体に行き渡るように燃料噴射後の短時間に広がり、その後すぐに噴霧速度を減ずることが必要になる。この場合、図２３に示すように、ただ噴霧速度を減少させるだけでなく、図２４に示すように、燃料噴射後の短期間は、噴霧速度を大きくし、噴霧貫徹距離を稼ぎ、その後に噴霧速度を急落させるような制御が極めて有効となる。
【００９２】
一方、成層燃焼時には、燃料噴射後すぐにピストン上面等に燃料噴霧を衝突させることが多いため、燃料噴射後の短期間に、噴霧速度が大きければ良い。また、噴霧速度の制御範囲が大きいほど、燃料噴射タイミングの許容範囲が大きくなり、燃料燃焼制御が容易となる。このため、図２３に示すように、従来の燃料噴霧に対して噴霧速度を大きく制御できる場合により効果的となる。
【００９３】
［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。
【００９４】
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。
【００９５】
この実施の形態は、エアブラスト式燃料噴射装置３に代わって燃料加熱式燃料噴射装置とそのための制御装置が設けられる点で前記第１の実施の形態と構成が異なる。図２５に、この実施の形態の加熱式燃料噴射装置１０１とそれに係る電気配線及び燃料配管に関する構成概念図を示す。図２５に示すように、加熱式燃料噴射装置１０１は、燃焼室２に開口された燃料噴孔１０２ａを含み、その燃料噴孔１０２ａから燃焼室２へ加圧された燃料を噴射するための燃料噴射弁１０２と、その噴射される燃料を加熱するための燃料加熱手段としての抵抗式ヒータ１０３とを備える。ヒータ１０３は、燃料噴射弁１０２を構成するロワボディ５５の先端に内蔵される。燃料噴射弁１０２の配管コネクタ６１には、燃料配管７１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。ポンプ７４は、対応するモータ７７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１０２へ供給される。
【００９６】
図２５に示すように、燃料噴射弁１０２の配線コネクタ６４は、ＥＣＵ３０に電気的に接続される。燃料噴射弁１０２は、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１０２が動作することにより、同噴射弁１０２から高圧燃料が噴射される。
【００９７】
図２５に示すように、ヒータ１０３には、電流制御装置１０４及び電源１０５が直列に接続される。電流制御装置１０４はＥＣＵ３０に電気的に接続される。電流制御装置１０４は、ＥＣＵ３０から送られる加熱信号に基づいて動作する。ＥＣＵ３０からの加熱信号に基づき電流制御装置１０４が動作してヒータ１０３が通電制御されることにより、ヒータ１０３が発熱して燃料噴射弁１０２から噴射される燃料が加熱される。
【００９８】
次に、この実施の形態の加熱式燃料噴射装置１０１を使用して噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角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２６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。
【００９９】
先ず、ステップ１０１〜１０３の処理は、第１の実施の形態で説明した図１２のフローチャートにおけるステップ１０１〜１０３の処理と同じである。
【０１００】
ステップ１０３から移行してステップ２０４で、ＥＣＵ３０は、決定された燃焼パターンに応じて、ヒータ１０３により加熱される燃料温度を決定する。例えば、「暖機燃焼」の場合には、図２７に示すように「燃料温度」が「高」に決定される。また、「成層燃焼」の場合には、図２７に示すように「燃料温度」が「低」に決定される。更に、「均一燃焼」の場合には、図２７に示すように「燃料温度」が「中」に決定される。
【０１０１】
次いで、ステップ２０５で、ＥＣＵ３０は、決定された燃焼パターンに応じて、クランク角度の変化に対応した燃料噴射弁１０２の開閉タイミングを設定する。
【０１０２】
そして、ステップ２０６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を燃料噴射弁１０２に出力し、上記決定された燃料温度に応じた加熱信号をヒータ１０３に出力する。
【０１０３】
上記のように燃焼パターンに応じてヒータ１０３を制御することにより、燃料噴射弁１０２から噴射される燃料の温度を変えるようにしている。燃料温度を変えることにより、燃料液滴が蒸発しやすくなり、噴霧粒径が小さくなり、噴霧速度、噴霧粒径及び噴霧角を可変制御することができる。この実施の形態では、燃料加熱式燃料噴射装置１０１により、本発明の噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段、噴霧角度可変手段及び噴射タイミング可変手段が構成される。
【０１０４】
具体的には、図２７に示すように「暖機燃焼」において、燃料温度を高くすることにより、噴霧貫徹距離が相対的に短く、燃焼室２の壁面衝突時における噴霧速度が相対的に小さく、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が蒸発促進により噴霧角大となるような燃料噴霧特性が得られる。噴霧速度の可変効果としては、噴霧微粒化による空気抵抗の増大が主となり、噴霧速度減少方向の効果を発揮することが可能となる。
【０１０５】
一方、図２７に示すように「成層燃焼」において、燃料温度を低くすることにより、噴霧貫徹距離が相対的に長く、壁面衝突時における噴霧速度が相対的に大きく、噴霧粒径が相対的に大きく、噴霧形状が噴霧角小となるような燃料噴霧特性が得られる。
【０１０６】
更に、図２７に示すように「均一燃焼」において、燃料温度を中程度にすることにより、噴霧貫徹距離が相対的に中程度に、壁面衝突時における噴霧速度が相対的に中程度に、噴霧粒径が相対的に中程度に、噴霧形状が噴霧角中となるような燃料噴霧特性が得られる。
【０１０７】
従って、この実施の形態においても、運転状態に応じて燃焼方式を切り替えるエンジン１において、エンジン１の運転状態に適した燃料噴霧を供給することができ、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、燃費、排気エミッション及びエンジン出力等のエンジン性能を向上させることができる。
【０１０８】
［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。
【０１０９】
この実施の形態は、エアブラスト式燃料噴射装置３に代わって可変燃圧式燃料噴射装置とそのための制御装置が設けられる点で前記第１の実施の形態と構成が異なる。図２８に、この実施の形態の可変燃圧式燃料噴射装置１１１とそれに係る電気配線及び燃料配管に関する構成概念図を示す。図２８に示すように、可変燃圧式燃料噴射装置１１１は、燃焼室２に開口された燃料噴孔１１２ａを含み、その燃料噴孔１１２ａから燃焼室２へ加圧された燃料を噴射するための燃料噴射弁１１２と、燃料噴射弁１１２に供給される燃料の圧力を可変にするための燃圧可変手段としての可変プレッシャレギュレータ１１３とを備える。燃料噴射弁１１２の配管コネクタ６１には、燃料配管７１が接続される。燃料配管７１には、可変プレッシャレギュレータ１１３及び燃料ポンプ７４が設けられる。ポンプ７４は、対応するモータ７７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、可変プレッシャレギュレータ７３を介して高圧燃料として燃料噴射弁１１２へ供給される。
【０１１０】
図２８に示すように、燃料噴射弁１１２の配線コネクタ６４は、ＥＣＵ３０に電気的に接続される。燃料噴射弁１１２は、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１１２が動作することにより、同噴射弁１１２から高圧燃料が噴射される。
【０１１１】
図２８に示すように、可変プレッシャレギュレータ１１３は、ＥＣＵ３０に電気的に接続される。可変プレッシャレギュレータ１１３は、ＥＣＵ３０から送られる圧力信号に基づいて動作する。ＥＣＵ３０からの圧力信号に基づき可変プレッシャレギュレータ１１３が制御されることにより、燃料噴射弁１１２へ供給される燃料圧力が変えられる。
【０１１２】
次に、この実施の形態の可変燃圧式燃料噴射装置１１１を使用して噴霧貫徹距離、噴霧速度、噴霧粒径、噴霧角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２９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。
【０１１３】
先ず、ステップ１０１〜１０３の処理は、第１の実施の形態で説明した図１２のフローチャートにおけるステップ１０１〜１０３の処理と同じである。
【０１１４】
ステップ１０３から移行してステップ３０４で、ＥＣＵ３０は、決定された燃焼パターンに応じて、可変プレッシャレギュレータ１１３により調整される燃料圧力を決定する。例えば、「暖機燃焼」の場合には、図３０に示すように「燃料圧力」が「小」に決定される。また、「成層燃焼」の場合には、図３０に示すように「燃料圧力」が「大」に決定される。更に、「均一燃焼」の場合には、図３０に示すように「燃料圧力」が「中」に決定される。
【０１１５】
次いで、ステップ３０５で、ＥＣＵ３０は、決定された燃焼パターンに応じて、クランク角度の変化に対応した燃料噴射弁１１２の開閉タイミングを設定する。
【０１１６】
そして、ステップ３０６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を燃料噴射弁１１２に出力し、上記決定された燃料圧力に応じた圧力信号を可変プレッシャレギュレータ１１３に出力する。
【０１１７】
上記のように燃焼パターンに応じて可変プレッシャレギュレータ１１３を制御することにより、燃料噴射弁１１２から噴射される燃料の圧力を変えるようにしている。燃料圧力を変えることにより、燃料噴射弁１１２からの単位時間当たりの燃料噴射量が変わり、燃料噴射エネルギーも変わり、噴霧速度及び噴霧粒径を可変制御することができる。但し、噴霧角については、燃料噴霧の微粒化による効果と噴霧速度変化による効果が相殺し合うことからさほど変わりはない。この実施の形態では、可変燃圧式燃料噴射装置１１１により、本発明の噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段、噴霧角度可変手段及び噴射タイミング可変手段が構成される。
【０１１８】
具体的には、図３０に示すように「暖機燃焼」において、燃料圧力を小さくすることにより、噴霧貫徹距離が相対的に短く、壁面衝突時における噴霧速度が相対的に小さく、噴霧粒径が相対的に大きく、噴霧形状が普通になるような燃料噴霧特性が得られる。噴霧速度の可変効果としては、噴霧速度の増加あるいは減少方向の効果を発揮することが可能となる。
【０１１９】
一方、図３０に示すように「成層燃焼」において、燃料圧力を大きくすることにより、噴霧貫徹距離が相対的に長く、壁面衝突時における噴霧速度が相対的に大きく、噴霧粒径が相対的に小さく、噴霧形状が普通になるような燃料噴霧特性が得られる。
【０１２０】
更に、図３０に示すように「均一燃焼」において、燃料圧力を中程度にすることにより、噴霧貫徹距離が相対的に中程度に、壁面衝突時における噴霧速度が相対的に中程度に、噴霧粒径が相対的に中程度に、噴霧形状が普通になるような燃料噴霧特性が得られる。
【０１２１】
従って、この実施の形態においても、運転状態に応じて燃焼方式を切り替えるエンジン１において、エンジン１の運転状態に適した燃料噴霧を供給することができ、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、燃費、排気エミッション及びエンジン出力等のエンジン性能を向上させることができる。
【０１２２】
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。
【０１２３】
（１）前記第１の実施の形態では、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。
【０１２４】
（２）前記第２の実施の形態では、燃料を加熱するための燃料加熱手段としてのヒータ１０３を燃料噴射弁１０２に設けたが、燃料噴射弁の直前にて燃料配管に燃料加熱手段を設けてもよい。あるいは、応答性確保のために、複数の燃料供給通路のそれぞれに燃料を異なる温度に加熱する燃料加熱手段をそれぞれ設け、それらの通路を選択的に切り替えて使用するようにしてもよい。
【０１２５】
（３）前記第２の実施の形態、前記第３の実施の形態では、それぞれ燃料加熱式燃料噴射装置１０１、可変燃圧式燃料噴射装置１１１を個別に設けたが、これらの機能を複合させてもよい。この場合は、燃料噴霧特性の可変範囲を相対的に大きいものにすることができる。
【０１２６】
（４）前記各実施の形態では、本発明の噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段を構成するエアブラスト式燃料噴射装置３、燃料加熱式燃料噴射装置１０１及び可変燃圧式燃料噴射装置１１１を設けたが、本発明の噴霧速度可変手段、噴霧粒径可変手段及び噴霧角度可変手段の少なくとも一つを構成する燃料噴射装置を設けてもよい。
【０１２７】
【発明の効果】
請求項１乃至１０の何れか一つに記載の発明によれば、運転状態に応じて燃焼方式を切り替える内燃機関において、内燃機関の運転状態に適した燃料噴霧を供給することができ、燃費、排気エミッション及びエンジン出力等のエンジン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】噴射後経過時間と噴霧貫徹距離との関係を示すグラフ。
【図２２】噴射後経過時間と噴霧貫徹距離との関係を示すグラフ。
【図２３】噴射後経過時間と噴霧貫徹距離との関係を示すグラフ。
【図２４】噴射後経過時間と噴霧貫徹距離との関係を示すグラフ。
【図２５】第２の実施の形態に係り、加熱式燃料噴射装置等を示す構成概念図。
【図２６】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート。
【図２７】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２８】第３の実施の形態に係り、加熱式燃料噴射装置等を示す構成概念図。
【図２９】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート。
【図３０】エンジン運転状態と燃焼パターン等との関係を示す表。
【符号の説明】
１        エンジン（内燃機関）
２        燃焼室
３        エアブラスト式燃料噴射装置
６        ピストン
１１      点火プラグ
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
４５      シリンダブロック
６９ａ    燃料噴孔
６９ｂ    エア噴孔
１０１    加熱式燃料噴射装置
１０２    燃料噴射弁
１０２ａ  燃料噴孔
１０３    ヒータ（燃料加熱手段）
１１１    可変燃圧式燃料噴射装置
１１２    燃料噴射弁
１１２ａ  燃料噴孔
１１３    可変プレッシャレギュレータ（燃圧可変手段）
【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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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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