(57)【要約】    【課題】混合気塊の大きさを負荷に応じて変化させるとともに、点火プラグに対する噴霧の未到達による着火性の低下を防止する。    【解決手段】成層燃焼域では、負荷に応じてインジェクタの噴射期間ΔＩＴを切り換え、高負荷時には早く、低負荷時には遅くに燃料を噴射する。高負荷時における噴射期間ΔＩＴ１では、外側キャビティの内端に向けて燃料が噴射され、噴射された燃料の噴霧を、外側及び内側キャビティの双方により案内させる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冠面にキャビティを有するピストンと、
キャビティの上方に位置し、燃料の噴射方向がピストンの移動方向と平行であるインジェクタと、
インジェクタにより噴射された燃料を着火させるための点火プラグと、
インジェクタの動作を制御するコントローラと、を含んで構成され、
ピストンは、キャビティとして、冠面中央部に形成された内側キャビティと、この内側キャビティの周囲に形成された外側キャビティとを有し、
コントローラは、インジェクタの噴射期間として、圧縮行程に含まれる第１の期間を設定し、
インジェクタは、中空のコーン状に燃料を噴射し、
第１の期間において、噴射方向線を基準とした各側で、外側キャビティの内端に向けて燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関。
【請求項２】
外側キャビティの底面が気筒中心軸に垂直な平面に対して傾斜し、気筒中心軸から離れるに従い外側キャビティの深さが増大する請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項３】
内側キャビティが、外側キャビティよりも浅い請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項４】
内側キャビティの底面が、最深部における外側キャビティの底面よりも上方に位置する請求項２又は３に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項５】
コントローラは、インジェクタの噴射期間として、第１の期間以外に、圧縮行程に含まれ、かつ第１の期間よりもクランク角に関して遅い時期の第２の期間を設定し、第１及び第２の期間をエンジンの運転状態に応じて切り換える請求項１〜４のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項６】
第２の期間において、内側キャビティに向けて燃料が噴射される請求項５に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項７】
コントローラは、エンジンの負荷に応じて第１及び第２の期間を切り換え、高負荷側の領域で第１の期間を、低負荷側の領域で第２の期間を設定する請求項５又は６に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項８】
コントローラは、噴射期間の始期を前後させて、インジェクタの噴射量を制御する請求項１〜７のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項９】
第１の期間が設定される場合に、コントローラは、第１の期間に加え、圧縮行程に含まれ、かつ第１の期間よりもクランク角に関して遅い時期の第３の期間を設定し、インジェクタは、一サイクル当たりに第１及び第３の期間のそれぞれで燃料を噴射し、第３の期間において、内側キャビティに向けて燃料が噴射される請求項１〜８のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１０】
第１及び第３の期間が設定される場合に、コントローラは、第１の期間のみの始期を前後させて、一サイクル当たりのインジェクタの噴射量を制御する請求項９に記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１１】
インジェクタが、噴射方向線を基準とした周方向に複数の噴孔を有するマルチホール型のものである請求項１〜１０のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関。
【請求項１２】
冠面にキャビティを有するピストンと、
キャビティの上方に位置し、かつ燃料の噴射方向がピストンの移動方向と平行であるインジェクタと、
インジェクタにより噴射された燃料を着火させるための点火プラグと、
インジェクタの動作を制御するコントローラと、を含んで構成され、
ピストンは、キャビティとして、冠面中央部に形成された内側キャビティと、この内側キャビティの周囲に形成された外側キャビティとを有し、
コントローラは、インジェクタの噴射期間として、圧縮行程に含まれる所定の期間を設定し、
インジェクタによりこの所定の期間に噴射された燃料の噴霧は、一部が外側キャビティに、他の一部が内側キャビティに到達する筒内噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式内燃機関に関し、詳細には、ピストンの冠面にキャビティを設けるとともに、燃料供給用のインジェクタをこのキャビティの上方に設置した筒内噴射式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料供給用のインジェクタを燃焼室に臨ませて設置し、所定の運転領域での燃焼に際し、このインジェクタにより圧縮行程中に燃料を噴射させ、混合気を層状に形成する内燃機関が知られている。この筒内噴射式内燃機関によれば、低負荷域及び中負荷域で混合気を層状化することで、これらの運転領域での燃料消費量を大幅に削減することができる。混合気を層状化して行う成層燃焼では、着火性を確保するため、燃料の噴霧を点火プラグ周りに集中させて混合気塊を形成することが必要である。
【０００３】
従来、筒内噴射式内燃機関として、次のものが知られている。すなわち、ピストンの冠面にキャビティを形成し、このキャビティの中央部に、キャビティの周壁面から滑らかに接続する隆起部を設ける一方、インジェクタをこの隆起部の上方に設置するとともに、点火プラグをインジェクタに隣接させて設置したものである（特許文献１）。このものによれば、インジェクタにより噴射された燃料の噴霧（以下、単に「噴霧」という。）は、キャビティの周壁面沿いに案内されて中央部に向かい、さらに隆起部沿いに案内されてキャビティから上昇し、点火プラグに向かう。このため、成層燃焼に際し、噴霧を点火プラグ周りに集中させて混合気塊を形成することができる。
【特許文献１】特開平１１−０８２０２８号公報（段落番号００１０〜００１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本出願人は、ピストンの冠面において、中央部に内側キャビティを設けるとともに、その周囲に外側キャビティを設けた二重キャビティ型の筒内噴射式内燃機関について検討している。このものでは、エンジンの負荷に応じ、内側キャビティと外側キャビティとの間で噴霧の案内に使用するキャビティを切り換えることで、負荷によらず、混合気塊の空燃比を常に適度なものとし、エミッションを低減することができる。すなわち、低負荷域では、内側キャビティを使用し、少ない量の燃料に対して比較的に小さな混合気塊を形成する一方、高負荷域では、外側キャビティを使用し、多くの量の燃料に対して低負荷域におけるよりも大きな混合気塊を形成し、成層燃焼域全体に渡り混合気塊の空燃比を一定にするのである。
【０００５】
また、このような二重キャビティ型の筒内噴射式内燃機関において、低負荷域での内側キャビティによる案内をより良好なものとするため、内側キャビティの底面を外側キャビティの底面よりも高い位置に形成し、点火プラグに近付けることが考えられる。この場合において、典型では、気筒中心軸に垂直な平面を基準平面として、この基準平面に対し、外側キャビティの底面を、気筒中心軸から離れるに従い外側キャビティの深さが増大するように傾斜させて、ピストンの冠面を形成する。
【０００６】
しかしながら、以上の二重キャビティ型の筒内噴射式内燃機関には、次のような問題がある。すなわち、外側キャビティの底面に対する噴霧の入射角度や、基準平面に対して外側キャビティの底面を傾斜させた場合の、底面の傾斜の大きさ次第では、ピストンの冠面自体が噴霧の流れを妨げることとなり、そのために底面に衝突した噴霧が適度な強さで冠面上を流れず、点火プラグ近傍の領域にまで到達しない場合があることである。この場合は、点火プラグ周りの混合気が希薄となり、着火性が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、複数のキャビティをエンジンの負荷に応じて使い分け、形成される混合気塊の大きさを制御するとともに、噴霧の未到達（不完全な場合を含む。）による着火性の低下を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、筒内噴射式内燃機関を提供する。本発明に係る装置は、冠面にキャビティを有するピストンと、キャビティの上方に位置し、かつ燃料の噴射方向がピストンの移動方向と平行（実質的な平行を含む。）であるインジェクタと、インジェクタにより噴射された燃料を着火させるための点火プラグと、インジェクタの動作を制御するコントローラとを含んで構成される。ピストンの冠面において、キャビティとして、中央部に内側キャビティを形成するとともに、この内側キャビティの周囲に外側キャビティを形成する。インジェクタの噴射期間として、圧縮行程に含まれる第１の期間を設定する。インジェクタは、中空のコーン状に燃料を噴射するものとし、第１の期間において、噴射方向線を基準とした各側で、外側キャビティの内端に向けて燃料を噴射させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、インジェクタにより外側キャビティの内端に向けて燃料を噴射することとし、噴霧が外側及び内側キャビティの双方の壁面に衝突し、各キャビティにより案内されるようにした。このため、底面の傾斜等のために外側キャビティに到達した噴霧が適度な強さで流れず、この噴霧だけでは点火プラグ周りに適度な空燃比で燃料を分布させることができない場合であっても、この噴霧に対して内側キャビティ内から上昇する噴霧が合わさることで、噴霧全体によりこの領域に燃料を分布させ、良好な着火性を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る筒内噴射式内燃機関（以下「エンジン」という。）の構成を示している。
シリンダブロック１１には、ピストン１２が挿入されており、ピストン１２の冠面とシリンダヘッド１３の下面との間に形成される空間が、燃焼室１４となる。シリンダヘッド１３には、気筒中心軸ｍを基準とした一側に吸気ポート１５が形成されており、吸気ポート１５は、図示しない吸気マニホールドと接続して、吸気通路を形成している。吸気ポート１５は、吸気弁１６により開放及び遮断される。一方、気筒中心軸ｍを基準とした他側に排気ポート１７が形成されており、排気ポート１７は、図示しない排気マニホールドと接続して、排気通路を形成している。排気ポート１７は、排気弁１８により開放及び遮断される。また、シリンダヘッド１３には、燃焼室１４の上部略中央に臨ませてインジェクタ１９が設置されるとともに、このインジェクタ１９に隣接させて点火プラグ２０が設置されている。インジェクタ１９は、気筒中心軸ｍ上に配置されており、噴射方向線ｎが、気筒中心軸ｍと平行に設定されている。インジェクタ１９は、噴射方向線ｎを基準とした周方向に複数の噴孔を有する、マルチホール型のインジェクタであり、各噴孔から噴射された燃料は、全体として中空のコーン状噴霧を形成する。このコーンの中心線が、噴射方向線ｎに相当し、本実施形態では、噴射方向線ｎは、気筒中心軸ｍと一致している。なお、ここでいう「平行」とは、完全な平行に限らず、実質的な平行を含む概念である。すなわち、噴射方向線ｎは、気筒中心軸ｍと平行又はこれに近い状態にあり、キャビティにより噴霧を案内して、筒内に縦方向の循環流を形成するという、後述する作用が得られる状態にあればよい。インジェクタ１９へは、図示しない燃料ポンプにより加圧された燃料が規定圧力で供給される。この燃料ポンプは、エンジン１の出力により駆動される。
【００１１】
図２は、ピストン１２の冠面の形状を示している。
ピストン１２の冠面には、噴霧を案内するためのキャビティ１２１として、中央部に内側キャビティ１２２が、その周囲に外側キャビティ１２３が形成されている。内側キャビティ１２２は、気筒中心軸ｍに垂直な平面による断面で円形に形成されており、気筒中心軸ｍ上に中心を有する。一方、外側キャビティ１２３は、同じ断面で環状に、かつ内側キャビティ１２２と同心に形成されている。これらのキャビティ１２２，１２３の底面１２２ａ，１２３ａは、いずれも平坦に形成されているが、内側キャビティの底面１２２ａは、気筒中心軸ｍに垂直な面内で形成され、外側キャビティの底面１２３ａは、気筒中心軸ｍに垂直な平面に対して傾斜させて形成されている。外側キャビティ１２３は、気筒中心軸ｍから離れるに従い深さが増大している。キャビティ１２２，１２３の周壁面１２２ｂ，１２３ｂは、いずれも気筒中心軸ｍと平行に形成され、内側キャビティの周壁面１２２ｂは、底面１２２ａに対して小さな半径の曲面により、外側キャビティの周壁面１２３ｂは、底面１２３ａに対して大きな半径の曲面により、夫々滑らかに接続されている。内側キャビティ１２２と外側キャビティ１２３とは、隣接させて形成され、内側キャビティの周壁面１２２ｂと外側キャビティの底面１２３ａとが、ピストン１２の冠面上で交わっている。ここで、内側キャビティ１２２の深さｄ２は、外側キャビティ１２３の深さｄ１よりも小さな値に設定され、内側キャビティの底面１２２ａは、外側キャビティの底面１２３ａのうち、深さｄ１を定める部分（「最深部」に相当する。）１２３ｃよりも上方に位置している。
【００１２】
図１に戻り、エンジン１の運転は、コントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）３１により統合的に制御される。エンジン１には、吸入空気量ＱＭを検出するエアフローメータ４１からの信号、アクセル開度ＡＰＯを検出するアクセルセンサ４２からの信号、クランク角センサ４３からの信号（この信号をもとに、エンジン回転数ＮＥを算出する。）、及び冷却水温度Ｔｗを検出する温度センサ４４からの信号が入力される。ＥＣＵ３１は、これらの信号をもとに、インジェクタ１９の燃料噴射量及び噴射時期、並びに点火プラグ２０の点火時期を演算し、設定する。
【００１３】
なお、本実施形態では、エンジン１の運転状態に応じ、拡散燃焼と成層燃焼とで燃焼形態を切り換える。拡散燃焼では、空燃比を理論空燃比に設定するとともに、吸気行程中に燃料を噴射し、噴霧を燃焼室１４全体に拡散させて混合気を形成する。他方、成層燃焼では、空燃比を理論空燃比よりも高い値に設定するとともに、圧縮行程中に燃料を噴射し、点火プラグ２０近傍の領域に噴霧を集中させ、混合気を層状に形成する。
【００１４】
次に、成層燃焼時における燃料噴射制御について説明する。
まず、図４に示す噴射時期設定テーブルを参照して、成層燃焼時における噴射動作について説明する。
本実施形態では、インジェクタ１９への燃料の供給圧力を一定とするとともに、噴射動作の開始時期（以下「噴射開始時期」という。）ＩＴｃｓから終了時期（以下「噴射終了時期」という。）ＩＴｃｅまでを噴射期間ΔＩＴとし、この噴射期間ΔＩＴの長さをエンジン１の要求負荷に応じて変化させる。すなわち、本実施形態では、噴射期間ΔＩＴの長さを調節して、燃料噴射量Ｑｆを増減させる。
【００１５】
図４において、クランク角を示す縦軸上の記号ＣＡ１は、インジェクタ１９の噴孔の中心軸ｃ上を進む噴霧の先頭部分が、外側キャビティ１２３の内端（すなわち、内側キャビティの周壁面１２３ｂと外側キャビティの底面１２３ａとの交線上の点）に衝突することとなる、各噴孔からの燃料がこの内端に向けて噴射される時期を示している。噴射時期が時期ＣＡ１よりも早いときは、ピストン１２は比較的に低い位置にあり（図１の実線）、外側キャビティ１２２に向けて燃料が噴射される。噴射時期が時期ＣＡ１よりも遅いときは、ピストン１２は時期ＣＡ１におけるよりも高い位置にあり（図１の二点鎖線）、内側キャビティ１２２に向けて燃料が噴射される。
【００１６】
エンジン１の要求負荷が所定の負荷Ｔ１よりも低いときは、設定した量の燃料を内側キャビティ１２２に向けて噴射させるための設定とし、噴射開始時期ＩＴｃｓ２を時期ＣＡ１よりも遅角側に設定する。噴射終了時期ＩＴｃｅ２は、上死点ＴＤＣの直前に固定して設定し、この噴射終了時期ＩＴｃｅ２よりも負荷に応じたクランク角（ΔＩＴ２：「第２の期間」に相当する。）だけ進めた時期に噴射開始時期ＩＴｃｓ２を設定する。噴射開始時期ＩＴｃｓ２は、負荷の増大に応じて進角させる。
【００１７】
エンジン１の要求負荷が所定の負荷Ｔ１以上であるときは、噴射開始時期ＩＴｃｓ１を時期ＣＡ１よりも進角側に設定する一方、噴射終了時期ＩＴｃｅ１を時期ＣＡ１よりも遅角側に設定し、噴射期間ΔＩＴ１中に燃料が外側キャビティ１２３の内端に向けて噴射される時期ＣＡ１を経過するようにし、内側及び外側キャビティ１２２，１２３の双方に向けて燃料を噴射させる。先の低負荷時におけると同様に、噴射終了時期ＩＴｃｅ１を固定して設定するとともに、この噴射終了時期ＩＴｃｅ１よりも負荷に応じたクランク角（ΔＩＴ１：「第１の期間」に相当する。）だけ進めた時期に噴射開始時期ＩＴｃｓ１を設定する。噴射開始時期ＩＴｃｓ１を負荷の増大に応じて進角させることも、同様である。
【００１８】
なお、所定の負荷Ｔ１は、内側キャビティ１２２を利用した場合に、形成される混合気塊が小さく、混合気塊の空燃比が全体として低くなり過ぎることのない範囲の上限に設定する。
次に、ＥＣＵ３１の動作をフローチャートにより説明する。
図３は、燃料噴射制御ルーチンのフローチャートであり、このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
【００１９】
Ｓ１０１では、吸入空気量ＱＭ、エンジン回転数ＮＥ、アクセル開度ＡＰＯ及び冷却水温度ＴＷ等、各種の運転状態を読み込む。
Ｓ１０２では、目標トルクＴＴＣを算出する。目標トルクＴＴＣは、エンジン１の要求負荷Ｔに対応するものであり、例えば、アクセル開度ＡＰＯに対応させて割り付けたテーブルデータをＥＣＵ３１に格納しておき、検出したＡＰＯによりこのテーブルを検索することにより算出する。目標トルクＴＴＣは、アクセル開度ＡＰＯが大きいときほど大きな値として算出する。
【００２０】
Ｓ１０３では、エンジン１の運転状態が成層燃焼域にあるか否かを判定する。成層燃焼域にあるか、拡散燃焼域にあるかの判断は、エンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣにより定められる運転状態が、所定の成層燃焼域にあるか否かを判断することにより行う。成層燃焼域は、エンジン１の運転領域全体のうち、負荷が比較的に低い領域として設定する。成層燃焼域にあるときは、Ｓ１０４へ進み、成層燃焼域にないときは、Ｓ１０９へ進む。
【００２１】
Ｓ１０４では、目標燃空比ＴＦＢＹＡを設定する。目標燃空比ＴＦＢＹＡは、エンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに対応させて割り付けたマップを検索して算出し、ＮＥが高く、かつＴＴＣが大きいときほど大きな値に設定する。なお、ここでいう目標燃空比ＴＦＢＹＡとは、空気過剰率λの逆数をいうものとする。
Ｓ１０５では、燃料噴射量Ｑｆａを算出する。燃料噴射量Ｑｆａの演算は、吸入空気量ＱＭ及びエンジン回転数ＮＥに基づいて理論空燃比相当の基本燃料噴射量Ｑｆｂａｓｅ（＝Ｋ×ＱＭ／ＮＥ：Ｋを定数とする。）を算出するとともに、算出したＱｆｂａｓｅに目標燃空比ＴＦＢＹＡを乗算することによる。算出したＱｆａに対し、冷却水温度Ｔｗ等に応じた補正を施し（ｃｏｅｆを増量補正係数とする。）、最終的な燃料噴射量Ｑｆａを設定する。
【００２２】
Ｑｆａ＝Ｋ×（ＱＭ／ＮＥ）×ＴＦＢＹＡ×ｃｏｅｆ  ・・・（１）
Ｓ１０６では、目標トルクＴＴＣが負荷Ｔ１に対応する所定のトルクＴＣ１以上であるか否かを判定する。ＴＣ１以上であるときは、Ｓ１０７へ進み、ＴＣ１未満であるときは、Ｓ１０８へ進む。
Ｓ１０７では、燃料噴射量Ｑｆａにより図４に示す傾向のマップを検索し、噴射開始時期ＩＴｃｓ１を設定する。
【００２３】
Ｓ１０８では、燃料噴射量Ｑｆａにより図４に示す傾向のマップを検索し、噴射開始時期ＩＴｃｓ２を設定する。
他方、Ｓ１０９〜１１１では、次のように拡散燃焼のための設定を行う。
Ｓ１０９では、目標燃空比ＴＦＢＹＡを１に設定する。
Ｓ１１０では、吸入空気量ＱＭ及びエンジン回転数ＮＥ等をもとに、（１）式により燃料噴射量Ｑｆａを算出する。
【００２４】
Ｓ１１１では、噴射開始時期ＩＴｉｓを設定する。噴射開始時期ＩＴｉｓは、エンジン回転数ＮＥ及び目標トルクＴＴＣに対応させて割り付けたマップを検索して設定し、吸気行程中の時期として、ＮＥが高く、かつＴＴＣが大きいときほど進角させて設定する。なお、噴射終了時期ＩＴｉｅは、吸気行程中の時期として、固定して設定する。
Ｓ１１２では、以上のように設定した噴射開始時期ＩＴｃｓ１，ＩＴｃｓ２，ＩＴｉｓにより燃料を噴射する。
【００２５】
次に、成層燃焼時における混合気形成について、概念的に説明する。
図５は、成層燃焼域のうち、負荷が比較的に低い領域でのものを示しており、（ａ）は、噴射開始時期ＩＴｃｓ２での状態を、（ｂ）は、点火時期での状態を示している。
この領域では、時期ＣＡ１よりも遅角側に設定された噴射期間ΔＩＴ２において、燃料は、内側キャビティ１２２に向けて噴射される。噴霧Ｓは、内側キャビティの底面１２２ａに衝突するとともに、底面１２２ａ及び周壁面１２２ｂにより上方へ案内され、点火プラグ２０へ向かう。点火時期には、内側キャビティ１２２内及びその上方に噴霧Ｓが集中した、比較的に小さな混合気塊Ｍが形成される。
【００２６】
図６は、成層燃焼域のうち、負荷が比較的に高い領域でのものを示している。（ａ）は、噴射期間ΔＩＴ１中の、時期ＣＡ１での状態を示し、（ｂ）は、点火時期での状態を示す。
この領域では、時期ＣＡ１を含む噴射期間ΔＩＴ１において、燃料は、内側及び外側キャビティ１２２，１２３の双方に向けて噴射される。外側キャビティ１２３に向かう噴霧Ｓ１１は、外側キャビティの底面１２３ａに衝突して、底面１２３ａに沿って外向きに広がるとともに、周壁面１２２ｂにより上方へ案内される。内側キャビティ１２２に向かう噴霧Ｓ１２は、内側キャビティの底面１２２ａに衝突するとともに、周壁面１２２ｂにより上方へ案内され、点火プラグ２０へ向かう。これらの噴霧Ｓ１１，Ｓ１２は、点火時期までにキャビティ１２１上方で合わさることとなり、点火時期には、低負荷時におけるよりも大きく、かつ点火プラグ２０周りに燃料が適度な空燃比で分布した混合気塊Ｍが形成される。
【００２７】
図７は、負荷Ｔ１以上の高負荷域において、外側キャビティ１２３に対し、内端よりも外側に向けて燃料を噴射した場合の比較例を示している。
この場合は、外側キャビティ１２３により案内された噴霧Ｓが点火プラグ２０近傍の領域にまで到達せず、この噴霧Ｓに合わさる他の噴霧もないため、形成される混合気塊Ｍにおいて、この領域が希薄となり、着火性が損なわれている。
【００２８】
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、成層燃焼域のうち、負荷が比較的に高い領域において、外側キャビティ１２３の内端に向けて燃料を噴射し、内側及び外側キャビティ１２２，１２３の双方により噴霧が案内されるようにした。このため、外側キャビティ１２３により案内された噴霧が点火プラグ２０近傍の領域にまで到達しない場合であっても、内側キャビティ１２２内から上昇する噴霧が合わさることで、点火プラグ２０周りに適度な空燃比で燃料を分布させ、着火性を維持することができる。
【００２９】
なお、外側キャビティの底面１２３ａを大きく傾斜させたものでは、案内の際に周壁面１２３ｂが流れを妨げることになるため、点火プラグ２０近傍の領域で混合気が希薄となる傾向が顕著となるが、本実施形態によれば、そのような場合にも点火プラグ２０周りに燃料を分布させ、着火性を維持することができる。
第２に、案内に使用するキャビティをエンジン1の負荷に応じて切り換え、低負荷域では内側キャビティ１２２を使用して、比較的に小さな混合気塊を形成する一方、高負荷域では外側キャビティ１２３を使用して、低負荷域におけるよりも大きな混合気塊を形成することとした。このため、負荷によらず、混合気塊の空燃比を常に適度なものとし、エミッションを低減することができる。
【００３０】
第３に、高負荷域での燃料噴射量Ｑｆａの制御において、噴射終了時期ＩＴｃｅ１を固定し、噴射開始時期ＩＴｃｓ１を前後させて燃料噴射量Ｑｆａを変化させることとした。このため、点火プラグ２０近傍の領域に到達させる噴霧Ｓ１２に含まれる燃料の量を負荷によらず一定とし、この領域において、燃料を一定の空燃比で分布させることができる。
第４に、インジェクタとして、マルチホール型のものを採用したことで、高い噴霧指向性が得られ、筒内圧力によらず、噴霧の形状を一定に保つことができる。
【００３１】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
本実施形態では、成層燃焼に際し、噴霧の案内に使用するキャビティをエンジン１の要求負荷に応じて切り換えるとともに、負荷が比較的に高い領域において、外側キャビティ１２３の内端に向けた噴射（以下「先の噴射」という。）に加え、これに遅れて、内側キャビティ１２２に向けた噴射（以下「後の噴射」という。）を行う。すなわち、成層燃焼域のうち、低負荷側の領域では、設定した量の燃料を１回の動作により噴射させる一方、高負荷側の領域では、設定した量の燃料を２回の動作に分けて噴射させる。
【００３２】
図９に示す噴射時期設定マップを参照して、本実施形態に係る成層燃焼時での噴射動作について説明する。
なお、インジェクタ１９への燃料の供給圧力を一定とし、噴射期間ΔＩＴの長さを調節して、燃料噴射量Ｑｆを増減させることは、先の実施形態におけると同様である。
エンジン１の要求負荷が所定の負荷Ｔ１よりも低いときは、噴射開始時期ＩＴｃｓ２を時期ＣＡ１よりも遅角側に設定し、設定した量の燃料を内側キャビティ１２２に向けた１回の動作により噴射させる。噴射終了時期ＩＴｃｅ２は、上死点ＴＤＣの直前に固定して設定し、この噴射終了時期ＩＴｃｅ２よりも負荷に応じたクランク角（「第２の期間」に相当する。）だけ進めた時期に噴射開始時期ＩＴｃｓ２を設定する。
【００３３】
エンジン１の要求負荷が所定の負荷Ｔ１以上であるときは、設定した量の燃料を２回の動作に分けて噴射させる。先の噴射のため、噴射開始時期ＩＴｃｓ１１を時期ＣＡ１よりも進角側に設定する一方、噴射終了時期ＩＴｃｅ１を時期ＣＡ１よりも遅角側に設定し、噴射期間（「第１の期間」に相当する。）ΔＩＴ１１中に燃料が外側キャビティ１２３の内端に向けて噴射される時期ＣＡ１を経過するようにする。他方、後の噴射のため、噴射開始時期ＩＴｃｓ１２（及び噴射終了時期ＩＴｃｅ１２）を時期ＣＡ１よりも遅角側に設定する。噴射終了時期ＩＴｃｅ１１，ＩＴｃｅ１２は、いずれも固定して設定し、先の噴射の噴射開始時期ＩＴｃｓ１１は、噴射終了時期ＩＴｃｅ１１よりも負荷に応じたクランク角（＝ΔＩＴ１１）だけ進めた時期に、後の噴射の噴射開始時期ＩＴｃｓ１２は、噴射終了時期ＩＴｃｅ１２よりも所定のクランク角（＝ΔＩＴ１２：「第３の期間」に相当する。）だけ進めた時期に設定する。この所定のクランク角は、負荷によらず一定とする。噴射開始時期ＩＴｃｓ１１のみを負荷の増大に応じて進角させて、燃料噴射量Ｑｆａを増減させる。
【００３４】
なお、先及び後の噴射により噴射された燃料の総量が一サイクル当たりの燃料噴射量Ｑｆａに相当する。後の噴射の噴射期間ΔＩＴ１２は、先の噴射により内側キャビティ１２２に向けて噴射される燃料を考慮して設定する。すなわち、噴射期間ΔＩＴ１２は、この期間に噴射された燃料と、先の噴射により内側キャビティ１２２に向けて噴射された燃料とにより点火プラグ２０近傍の領域に形成される混合気の空燃比が、着火性に関して適度なものとなるように設定する。
【００３５】
図８は、第２の実施形態に係る燃料噴射制御ルーチンのフローチャートであり、先の実施形態に対して相違する処理を行うステップのみを示している。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
ＥＣＵ３１の動作をこのフローチャートにより説明する。
Ｓ１０１〜１０５では、先の実施形態におけると同様の処理を行い、アクセル開度ＡＰＯ等の運転状態をもとに、目標トルクＴＴＣを算出し、運転状態が成層燃焼域にあるときに、１よりも小さな目標燃空比ＴＦＢＹＡを設定するとともに、燃料噴射量Ｑｆａを算出する。
【００３６】
Ｓ１０６では、目標トルクＴＴＣが所定のトルクＴＣ１以上であるか否かを判定し、ＴＣ１以上であるときは、Ｓ２０１へ進み、ＴＣ１未満であるときは、Ｓ１０８へ進む。
Ｓ２０１では、燃料噴射量Ｑｆａにより図９に示す傾向のマップを検索し、噴射開始時期ＩＴｃｓ１１，ＩＴｃｓ１２を設定する。
Ｓ１０８では、燃料噴射量Ｑｆａにより図９に示す傾向のマップを検索し、噴射開始時期ＩＴｃｓ２を設定する。
【００３７】
他方、Ｓ１０９〜１１１では、先の実施形態におけると同様に拡散燃焼のための設定を行い、Ｓ１１２では、負荷に応じ、噴射開始時期ＩＴｃｓ１１，ＩＴｃｓ１２，ＩＴｃｓ２，ＩＴｉｓにより燃料を噴射する。
次に、本実施形態に関し、成層燃焼時での混合気形成について、概念的に説明する。
成層燃焼域のうち、負荷が比較的に低い領域では、先の実施形態におけると同様に内側キャビティ１２２に向けて燃料が噴射され、内側キャビティ１２２により噴霧Ｓが案内され、点火時期には、内側キャビティ１２２内及びその上方に噴霧Ｓが集中した小さな混合気塊Ｍが形成される（図５）。
【００３８】
図１０は、成層燃焼域のうち、負荷が比較的に高い領域でのものを示している。（ａ）は、噴射期間ΔＩＴ１１中の時期ＣＡ１での状態を、（ｂ）は、噴射開始時期ＩＴｃｓ１２での状態を、（ｃ）は、点火時期での状態を示している。
この領域では、時期ＣＡ１を含む噴射期間ΔＩＴ１１に先の噴射が行われ、この期間ΔＩＴ１１において、内側及び外側キャビティ１２２，１２３の双方に向けて燃料が噴射される。外側キャビティ１２３に向かう噴霧Ｓ１１が外側キャビティの底面１２３ａに衝突して、底面１２３ａに沿って外向きに広がるとともに、周壁面１２２ｂにより上方へ案内され、内側キャビティ１２２に向かう噴霧Ｓ１２が内側キャビティの底面１２２ａに衝突するとともに、周壁面１２２ｂにより上方へ案内され、点火プラグ２０へ向かうことは、先の実施形態におけると同様である。これらの噴霧Ｓ１１，Ｓ１２は、点火時期までにキャビティ１２１上方で合わさり、一体の混合気塊Ｍを形成する。先の噴射に続き、上死点ＴＤＣ直前の噴射期間ΔＩＴ１２に後の噴射が行われ、この期間ΔＩＴ１２において、内側キャビティ１２２に向けて残りの燃料が噴射される。ここで噴射された燃料の噴霧Ｓ２は、内側キャビティ１２２により案内され、先の噴霧Ｓ１１，Ｓ１２の経路上にない、内側キャビティ１２２内及びその上方の空間に混合気を形成する。このため、点火時期には、キャビティ１２１内及びその上方に噴霧Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２が集中した、均一であり、かつ適度な空燃比の大きな混合気塊Ｍが形成されることになる。
【００３９】
図１１は、負荷Ｔ１以上の高負荷域において、２回の動作による噴射を行うこととするが、先の噴射を外側キャビティ１２３の内端よりも外側に向けて行う場合の比較例を示している。
この場合は、後の噴射により混合気塊Ｍの中心部付近に燃料を分布させることができるものの、先の噴射による噴霧Ｓ１が点火プラグ２０近傍の領域にまで到達しないため、この噴霧Ｓ１と後の噴射による噴霧Ｓ２との間に燃料の薄い希薄領域が形成され、この領域で未燃炭化水素及び一酸化炭素が発生する。
【００４０】
本実施形態によれば、第1の実施形態について述べた上記第１〜４の効果に加え、特に次のような効果を得ることができる。
すなわち、成層燃焼域のうち、負荷が比較的に高い領域において、燃料を２回の動作に分けて噴射し、先の噴射は、外側キャビティ１２３の内端に向けて、後の噴射は、内側キャビティ１２２に向けて行うこととした。このため、先の噴射により大きな混合気塊Ｍを形成するとともに、点火プラグ２０周りに適度な空燃比で燃料を分布させることができ、他方、後の噴射により混合気塊Ｍの内部で希薄領域が形成されるのを防止し、混合気塊Ｍの空燃比を均一にすることができる。
【００４１】
また、負荷によらず、先の噴射により点火プラグ２０近傍の領域に到達させる噴霧Ｓ１２に含まれる燃料の量を一定とするとともに（上記第３の効果）、噴射期間ΔＩＴ１２を一定とし、後の噴射により混合気塊Ｍの中心部付近に分布させる燃料の量を一定とした。このため、点火プラグ２０近傍の領域の空燃比を常に適度なものとし、着火性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの構成
【図２】同上エンジンのピストンの冠面
【図３】燃料噴射制御ルーチンのフローチャート
【図４】成層燃焼用の噴射時期設定テーブル
【図５】内側キャビティに向けて噴射した場合の混合気形成の概念
【図６】外側キャビティの内端に向けて噴射した場合の混合気形成の概念
【図７】外側キャビティに対し、内端よりも外側に向けて噴射した場合の単段噴射の比較例
【図８】本発明の他の実施形態に係る燃料噴射制御ルーチンのフローチャート
【図９】同上実施形態に係る成層燃焼用の噴射時期設定テーブル
【図１０】外側キャビティの内端に向けた噴射を含む２段噴射による場合の混合気形成の概念
【図１１】先の噴射を外側キャビティの内端よりも外側に向けて行う場合の２段噴射の比較例
【符号の説明】
【００４３】
１…エンジン、１１…シリンダブロック、１２…ピストン、１２１…キャビティ、１２２…内側キャビティ、１２２ａ…内側キャビティの底面、１２３…外側キャビティ、１２３ａ…外側キャビティの底面、１３…シリンダヘッド、１４…燃焼室、１５…吸気ポート、１６…吸気弁、１７…排気ポート、１８…排気弁、１９…インジェクタ、２０…点火プラグ、３１…コントロールユニット、４１…エアフローメータ、４２…アクセルセンサ、４３…クランク角センサ、４４…冷却水温度センサ、Ｓ…噴霧、ｃ…噴孔の中心軸、ｍ…気筒中心軸、ｎ…噴射方向線。
【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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