(57)【要約】【課題】エンジンの筒内の混合気の成層化の度合をエンジン運転状態に応じた適正な度合に精度良く制御できるようにする。【解決手段】エンジン１１の吸気行程で燃料噴射弁２１から燃料を複数回（例えば２回）に分割して吸気ポート３１に噴射する分割噴射を行う際に、エンジン運転状態に基づいて目標成層度合を設定し、この目標成層度合に基づいて分割噴射の噴射条件を設定する。具体的には、目標成層度合が大きいほど分割噴射の最終回（２回目）の噴射の噴射割合を大きくする。また、分割噴射の１回目の噴射の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が速い時期又は上昇する時期に設定し、最終回の噴射の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が遅い時期又は下降する時期に設定すると共に、最終回の噴射の噴射終了時期を筒内から吸気ポート３１への吹き戻しが発生する直前の時期に設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気行程で燃料噴射弁から燃料を複数回に分割して吸気ポートに噴射する分割噴射を行う分割噴射制御手段を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、
前記分割噴射制御手段は、内燃機関の運転状態に基づいて筒内の混合気の成層化の目標度合（以下「目標成層度合」という）を設定し、該目標成層度合に基づいて前記分割噴射の噴射条件を設定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】
前記分割噴射制御手段は、前記目標成層度合が大きいほど前記分割噴射の最終回の噴射の噴射割合を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記分割噴射制御手段は、前記分割噴射の１回目の噴射の噴射時期を前記吸気ポート内の吸気流速が速い時期又は上昇する時期に設定し、前記分割噴射の最終回の噴射の噴射時期を前記吸気ポート内の吸気流速が遅い時期又は下降する時期に設定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】
前記分割噴射制御手段は、前記分割噴射の最終回の噴射の噴射終了時期を筒内から前記吸気ポートへの吹き戻しが発生する直前の時期に設定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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の筒内の混合気を成層化する機能を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される内燃機関においては、燃費節減や排気エミッション低減等を目的として、例えば、特許文献１（特開２００４−９２４８８号公報）に記載されているように、内燃機関の各気筒の膨張行程から排気行程において第１の燃料噴射を行って筒内にリーンな均質混合気を形成し、排気行程から吸気行程において第２の燃料噴射を行って点火プラグの近傍にリッチな混合気を形成して筒内の混合気を成層化することで、燃焼性を確保しながら空燃比をリーン化できるようにしたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−９２４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させるには、混合気の成層化の度合を運転状態に応じて適正に制御する必要がある。しかし、上記特許文献１の技術では、混合気の成層化の度合を運転状態に応じた適正な度合に精度良く制御することが困難であり、燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させることが困難である。
【０００５】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、混合気の成層化の度合を運転状態に応じた適正な度合に精度良く制御することができ、燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の吸気行程で燃料噴射弁から燃料を複数回に分割して吸気ポートに噴射する分割噴射を行う分割噴射制御手段を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、分割噴射制御手段は、内燃機関の運転状態に基づいて筒内の混合気の成層化の目標度合（以下「目標成層度合」という）を設定し、該目標成層度合に基づいて分割噴射の噴射条件を設定するようにしたものである。
【０００７】
この構成では、分割噴射の前半の噴射（例えば１回目の噴射）の噴射燃料が筒内のタンブル流（縦方向の渦流）にのって筒内を旋回するように噴射条件（例えば噴射割合や噴射時期）を設定することで、その噴射燃料と吸入空気との混合を促進して筒内にリーンな均質混合気を形成することができる。更に、分割噴射の後半の噴射（例えば最終回の噴射）の噴射燃料がタンブル流の影響をあまり受けないように噴射条件を設定することで、その噴射燃料を筒内の中心側（例えば点火プラグの近傍）に集めてリッチな混合気を形成することができ、これにより、筒内の混合気を成層化して燃焼させることができる。
【０００８】
その際、分割噴射の噴射条件（例えば噴射割合や噴射時期）によって筒内の混合気の成層化の度合（例えば均質混合気とリッチ混合気との分離度合）が変化するため、内燃機関の運転状態に基づいて目標成層度合を設定し、この目標成層度合に基づいて分割噴射の噴射条件を設定することで、混合気の成層化の度合を運転状態に応じた適正な度合（目標成層化度合）に精度良く制御することができる。これにより、混合気の成層化による燃焼安定性を更に向上させながら空燃比をリーン化することが可能となり、燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させることができる。
【０００９】
具体的には、請求項２のように、目標成層度合が大きいほど分割噴射の最終回の噴射の噴射割合を大きくするようにすると良い。このようにすれば、目標成層度合が大きいほど、リッチ混合気の形成に寄与する最終回の噴射の噴射量を増加させてリッチ混合気を濃くする（リッチ化する）ことができ、混合気の成層化の度合を大きくすることができる。
【００１０】
また、請求項３のように、分割噴射の１回目の噴射の噴射時期を吸気ポート内の吸気流速が速い時期又は上昇する時期に設定し、分割噴射の最終回の噴射の噴射時期を吸気ポート内の吸気流速が遅い時期又は下降する時期に設定するようにしても良い。分割噴射の１回目の噴射の噴射時期を吸気ポート内の吸気流速が速い時期又は上昇する時期に設定すれば、タンブル流が強い時期又は強くなる時期に燃料を噴射することができるため、確実に噴射燃料がタンブル流にのって筒内を旋回するようにできて、均質混合気を形成することができる。また、分割噴射の最終回の噴射の噴射時期を吸気ポート内の吸気流速が遅い時期又は下降する時期に設定すれば、タンブル流が弱い時期又は弱くなる時期に燃料を噴射することができるため、噴射燃料がタンブル流の影響をあまり受けないようできて、筒内の中心側にリッチ混合気を形成することができる。尚、本発明は、必ずしも分割噴射の１回目の噴射の噴射燃料を全て均質混合気の形成に用いる必要はなく、分割噴射の１回目の噴射の噴射燃料の少なくとも一部をリッチ混合気の形成に用いることも可能である。
【００１１】
更に、請求項４のように、分割噴射の最終回の噴射の噴射終了時期を筒内から吸気ポートへの吹き戻しが発生する直前の時期に設定するようにしても良い。このようにすれば、筒内から吸気ポートへの吹き戻しを利用して筒内の中心側（例えば点火プラグの近傍）にリッチ混合気を滞留させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】図２は分割噴射制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３は最終回の噴射割合のマップの一例を概念的に示す図である。
【図４】図４は１回目の噴射時期と最終回の噴射時期を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。
【００１４】
更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０に接続された吸気ポート３１又はその近傍に、それぞれ燃料を吸気ポート３１に噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。
【００１５】
一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。
【００１６】
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２７が取り付けられている。また、クランク軸２８の外周側には、クランク軸２８が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられ、このクランク角センサ２９の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
【００１７】
これら各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。
【００１８】
また、ＥＣＵ３０は、成層燃焼モード中（混合気を成層化して燃焼させるモード中）に後述する図２の分割噴射制御ルーチンを実行することで、エンジン１１の吸気行程で燃料噴射弁２１から燃料を複数回（例えば２回）に分割して吸気ポート３１に噴射する分割噴射を行う。
【００１９】
この場合、分割噴射の前半の噴射（例えば１回目の噴射）の噴射燃料が筒内のタンブル流（縦方向の渦流）にのって筒内を旋回するように噴射条件（例えば噴射割合や噴射時期）を設定することで、その噴射燃料と吸入空気との混合を促進して筒内にリーンな均質混合気を形成することができる。更に、分割噴射の後半の噴射（例えば最終回の噴射）の噴射燃料がタンブル流の影響をあまり受けないように噴射条件を設定することで、その噴射燃料を筒内の中心側（例えば点火プラグ２２の近傍）に集めてリッチな混合気を形成することができ、これにより、筒内の混合気を成層化して燃焼させることができる。
【００２０】
その際、分割噴射の噴射条件（例えば噴射割合や噴射時期）によって筒内の混合気の成層化の度合（例えば均質混合気とリッチ混合気との分離度合）が変化するため、本実施例では、エンジン運転状態に基づいて筒内の混合気の成層化の目標度合（以下「目標成層度合」という）を設定し、この目標成層度合に基づいて分割噴射の噴射条件を設定することで、混合気の成層化の度合をエンジン運転状態に応じた適正な度合（目標成層化度合）に精度良く制御する。
【００２１】
以下、ＥＣＵ３０が実行する図２の分割噴射制御ルーチンの処理内容を説明する。
図２に示す分割噴射制御ルーチンは、成層燃焼モード中（混合気を成層化して燃焼させるモード中）に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいう分割噴射制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、エンジン運転状態として、冷却水温センサ２６で検出した冷却水温、クランク角センサ２９で検出したエンジン回転速度、エアフローメータ１４で検出した吸入空気量等を読み込む。
【００２２】
この後、ステップ１０２に進み、エンジン運転状態（冷却水温、エンジン回転速度、吸入空気量等）に基づいて目標成層度合を次のようにして設定する。
【００２３】
(1) 触媒早期暖機制御中の場合（例えば冷却水温が所定温度以下の場合）には、冷却水温に応じて目標成層度合をマップ又は数式等により設定する。この場合、目標成層度合のマップ又は数式等は、例えば、冷却水温が所定温度（例えば４０℃）以下の領域で冷却水温が低くなるほど目標成層度合が大きくなるように設定されている。
【００２４】
(2) リーン燃焼領域の場合（例えばエンジン負荷が低中負荷領域の場合）には、エンジン回転速度に応じて目標成層度合をマップ又は数式等により設定する。この場合、目標成層度合のマップ又は数式等は、例えば、エンジン回転速度が低くなるほど目標成層度合が大きくなるように設定されている。
【００２５】
(3) 外部ＥＧＲ増量領域（排気側から吸気側に還流する排出ガスを増量する領域）又は内部ＥＧＲ増量領域（筒内に残留する燃焼ガスを増量する領域）の場合には、エンジン回転速度に応じて目標成層度合をマップ又は数式等により設定する。この場合、目標成層度合のマップ又は数式等は、例えば、エンジン回転速度が低くなるほど目標成層度合が大きくなるように設定されている。
【００２６】
この後、ステップ１０３に進み、目標成層度合に応じて分割噴射の最終回の噴射割合（２回目の噴射の噴射割合）をマップ（図３参照）又は数式等により設定する。ここで、最終回の噴射割合のマップ（図３参照）又は数式等は、目標成層度合が大きくなるほど最終回の噴射割合が大きくなるように設定されている。これにより、目標成層度合が大きいほど、リッチ混合気の形成に寄与する最終回の噴射量（２回目の噴射の噴射量）を増加させてリッチ混合気を濃くする（リッチ化する）ことができ、混合気の成層化の度合を大きくすることができる。
【００２７】
この後、ステップ１０４に進み、エンジン運転状態（エンジン回転速度、吸入空気量等）に応じた要求噴射量に最終回の噴射割合を乗算して最終回の噴射量を求めた後、要求噴射量から最終回の噴射量を減算して１回目の噴射量（１回目の噴射の噴射量）を求める。
最終回の噴射量＝要求噴射量×最終回の噴射割合
１回目の噴射量＝要求噴射量−最終回の噴射量
【００２８】
この後、ステップ１０５に進み、図４に示すように、分割噴射の１回目の噴射時期（１回目の噴射の噴射時期）を例えば吸気行程前期に設定することで、１回目の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が速い時期又は上昇する時期に設定する。また、分割噴射の最終回の噴射時期（２回目の噴射の噴射時期）を例えば吸気行程後期に設定することで、最終回の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が遅い時期又は下降する時期に設定する。
【００２９】
分割噴射の１回目の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が速い時期又は上昇する時期に設定すれば、タンブル流が強い時期又は強くなる時期に燃料を噴射することができるため、確実に噴射燃料がタンブル流にのって筒内を旋回するようにできて、均質混合気を形成することができる。また、分割噴射の最終回の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が遅い時期又は下降する時期に設定すれば、タンブル流が弱い時期又は弱くなる時期に燃料を噴射することができるため、噴射燃料がタンブル流の影響をあまり受けないようできて、筒内の中心側にリッチ混合気を形成することができる。この場合、分割噴射の最終回の噴射の噴射終了時期を筒内から吸気ポート３１への吹き戻しが発生する直前（例えばＢＤＣの直前）の時期に設定する。このようにすれば、筒内から吸気ポート３１への吹き戻しを利用して筒内の中心側（例えば点火プラグ２２の近傍）にリッチ混合気を滞留させることができる。
【００３０】
尚、本発明は、必ずしも分割噴射の１回目の噴射燃料を全て均質混合気の形成に用いる必要はなく、分割噴射の１回目の噴射燃料の少なくとも一部をリッチ混合気の形成に用いることも可能である。
【００３１】
また、目標成層度合に応じて分割噴射の１回目の噴射時期や最終回の噴射時期を変化させるようにしても良く、この場合、例えば、目標成層度合が大きいほど最終回の噴射時期を吸気行程後期の期間内で遅くする（例えばＢＤＣに近付ける）ようにしても良い。
【００３２】
以上説明した本実施例では、エンジン１１の吸気行程で燃料噴射弁２１から燃料を複数回（例えば２回）に分割して吸気ポート３１に噴射する分割噴射を行う際に、エンジン運転状態に基づいて目標成層度合を設定し、この目標成層度合に基づいて分割噴射の噴射条件を設定するようにしたので、混合気の成層化の度合をエンジン運転状態に応じた適正な度合（目標成層化度合）に精度良く制御することができる。これにより、混合気の成層化による燃焼安定性を更に向上させながら空燃比をリーン化することが可能となり、燃費節減と排気エミッション低減を高い次元で両立させることができる。
【００３３】
例えば、触媒早期暖機制御中（点火時期遅角制御中）に混合気の成層化によって燃焼安定性を向上させることで、点火時期遅角量を増加させて触媒２５が活性温度に暖機されるまでの時間を短縮することが可能となり、その結果、触媒２５の排出ガス浄化率を速やかに高めて排気エミッションを低減することができる。また、混合気の成層化によって燃焼安定性を向上させることで、空燃比を更にリーン化することが可能となり、その結果、エンジン１１のポンプ損失や熱損失を低減して燃費を向上させることができる。
【００３４】
尚、上記実施例では、吸気行程で燃料を２回に分割して噴射する分割噴射を行うようにしたが、これに限定されず、吸気行程で燃料を３回以上に分割して噴射する分割噴射を行うようにしても良い。
【００３５】
また、上記実施例では、分割噴射の１回目の噴射時期を例えば吸気行程前期に設定することで１回目の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が速い時期又は上昇する時期に設定し、分割噴射の最終回の噴射時期を例えば吸気行程後期に設定することで最終回の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が遅い時期又は下降する時期に設定するようにしたが、これに限定されず、例えば、エンジン運転状態（エンジン回転速度、吸入空気量、バルブタイミング等）と吸気ポート３１内の吸気流速との関係をモデル化した吸気流速モデルを用いて、吸気ポート３１内の吸気流速を推定し、その吸気流速の推定値に基づいて、分割噴射の１回目の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が速い時期又は上昇する時期に設定し、最終回の噴射時期を吸気ポート３１内の吸気流速が遅い時期又は下降する時期に設定するようにしても良い。
【００３６】
また、上記実施例では、タンブル流を制御するタンブル制御弁を備えていないシステムに本発明を適用したが、これに限定されず、タンブル制御弁を備えたシステムに本発明を適用しても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１４…エアフローメータ、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、２５…触媒、２６…冷却水温センサ、２９…クランク角センサ、３０…ＥＣＵ（分割噴射制御手段）、３１…吸気ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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