(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高負荷領域にて、要求される燃料の一部を燃焼室全体にリーンな混合気を形成するために噴射し、残りの燃料を圧縮行程中に筒内に直接噴射することで亜成層混合気を形成し、形成した亜成層混合気に点火して亜成層燃焼を行う直噴火花点火式内燃機関の制御装置において、
燃焼室全体にリーンな混合気を形成するために噴射する燃料と前記圧縮行程中に噴射する燃料との割合を機関の回転速度に応じて変化させるようにし、
機関の回転速度が低いほど前記圧縮行程中に噴射する燃料の割合を減少させることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
燃焼室の手前の吸気通路内に燃料を噴射する吸気部燃料噴射弁を備え、
排気行程中に該吸気部燃料噴射弁によって前記要求される燃料の一部を噴射することを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記排気行程中の燃料噴射は、その噴射終了時期が所定のタイミングとなるように制御されることを特徴とする請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
吸気行程中に前記要求される燃料の一部を筒内に直接噴射することを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記吸気行程中の燃料噴射は、その噴射開始時期が所定のタイミングとなるように制御されることを特徴とする請求項４記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記圧縮行程中の燃料噴射は、その噴射開始時期が所定のタイミングとなるように制御されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項７】
機関の回転速度が低いほど前記圧縮行程中の燃料噴射時期を遅角させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に直接燃料を噴射する直噴火花点火式内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から吸気行程中に燃料の一部を噴射して燃焼室内に均質な混合気を形成すると共に、圧縮行程中に残りの燃料を噴射することで点火プラグ周辺に層状の混合気を形成するようにした直噴火花点火式の内燃機関が知られており、所定の条件のもとで吸気行程及び圧縮行程で噴射する燃料の量を制御する技術が開示されている。
【０００３】
特開平５−１１８２４４号公報には、分割噴射を行う際に、機関のトルク変動を検出し、該トルク変動が大きく失火が判定されたときに吸気行程で噴射する燃料の量を制御するものが開示されており、また、特開平１１−１４８４０８号公報には、吸気行程中に希薄可燃限界よりもリーンとなるような量の燃料を噴射すると共に、圧縮行程中に噴射する燃料量を負荷の増大に伴い徐々に増加させるものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高負荷領域にて、上記のように燃料を吸気行程と圧縮行程とに分割して噴射することによりノックの発生を抑制することができる。すなわち、吸気行程で燃焼室内全体がリーンになる量の燃料を噴射し、圧縮行程で残りの燃料を噴射して燃焼室内に亜成層化することにより、エンドガス部をリーン化してノックの発生を抑制するのである。
【０００５】
この場合、問題となるのは、高負荷領域では要求される燃料量が多くなり圧縮行程で噴射される燃料量も多くなるため、ガス流動が弱い低回転領域では燃焼室中央部の混合気がリッチになりすぎてスモークの排出量が増大するおそれがあることである。
これに対して、圧縮行程での燃料噴射時期を進角させることでスモークの発生を低減することができるが、これではノックの抑制に対して不利な方向への制御になってしまいノックを抑制（又は、回避）するための制御が効果的に実行できなくなる。
【０００６】
上記従来の分割噴射方式における噴射量の割合の制御はノック対策用の制御でないため、ノック低減に対して効果がなかった。
本発明は、以上のような従来の問題を解決するためになされたものであり、分割して噴射される燃料量の割合を最適に制御し、ノック回避制御を効果的に行うことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は、高負荷領域にて、要求される燃料の一部を燃焼室全体にリーンな混合気を形成するために噴射し、残りの燃料を圧縮行程中に筒内に直接噴射することで亜成層混合気を形成し、形成した亜成層混合気に点火して亜成層燃焼を行う直噴火花点火式内燃機関の制御装置において、燃焼室全体にリーンな混合気を形成するために噴射する燃料と前記圧縮行程中に噴射する燃料との割合を機関の回転速度に応じて変化させるようにし、期間の回転速度が低いほど前記圧縮行程中に噴射する燃料の割合を減少させることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明は、燃焼室の手前の吸気通路内に燃料を噴射する吸気部燃料噴射弁を備え、排気行程中に該吸気部燃料噴射弁によって前記要求される燃料の一部を噴射することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記排気行程中の燃料噴射は、その噴射終了時期が所定のタイミングとなるように制御されることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、吸気行程中に前記要求される燃料の一部を筒内に直接噴射することを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明は、前記吸気行程中の燃料噴射は、その噴射開始時期が所定のタイミングとなるように制御されることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、前記圧縮行程中の燃料噴射は、その噴射開始時期が所定のタイミングとなるように制御されることを特徴とする。
【００１１】
請求項７に係る発明は、機関の回転速度が低いほど前記圧縮行程中の燃料噴射時期を遅角させることを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、燃焼室全体にリーンな混合気を形成するように要求される燃料の一部を噴射し、残りの燃料を圧縮行程中に筒内に直接噴射することで亜成層混合気を形成し、形成した亜成層混合気に点火して亜成層燃焼を行うので、エンドガス部をリーン化してノックの発生を抑制できる。
【００１３】
その際、燃焼室全体にリーンな混合気を形成するための燃料と圧縮行程中に直接筒内に噴射する燃料との割合を機関の回転速度に応じて変化させることにより、燃焼室内のガス流動を考慮した最適な状態の混合気を形成することができる。ここで、機関の回転速度が低いほど圧縮行程中に噴射する燃料量の割合を減少させるので、特に噴射する燃料量が多くなる高負荷領域においても、圧縮行程の燃料噴射時期を進角させたりすることなくスモークの増大を防止できる。これにより、高負荷領域において、スモークの増大を招くことなく、ノックの発生を効果的に抑制できる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、要求される燃料の一部を吸気部燃料噴射弁によって排気行程中に噴射するので、確実に燃焼室全体にリーンな混合気を形成することができる。
請求項３に係る発明によれば、前記排気行程中の燃料噴射を噴射終了時期制御としたので、十分に気化した燃料を均質に燃焼室内に導入することができる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、要求される燃料の一部を吸気行程中に直接筒内に噴射するので、１つの燃料噴射弁で亜成層混合気を形成することができる。
請求項５に係る発明によれば、前記吸気行程中の燃料噴射を噴射開始時期制御としたので、十分に気化した燃料でリーンな混合気を筒内に形成することができる。
【００１６】
請求項６に係る発明によれば、筒内に直接噴射する圧縮行程中の噴射を噴射開始時期制御としたので、燃料噴射時期の決定を最大限遅らせて時間を確保し、最適な燃料噴射時期を設定することができる。
請求項７に係る発明によれば、機関の回転速度が低いほど圧縮行程中の燃料噴射時期を遅角させるので、圧縮行程中に噴射した燃料による層状の混合気の拡散をできる限り防止して、ノックの発生をより効果的に抑制することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１に示すシステム図において、機関（エンジン）の燃焼室１は、シリンダヘッド２、シリンダブロック３及びピストン４により画成されており、該燃焼室１には吸気通路５及び排気通路６が接続されている。
【００１８】
吸気通路５の燃焼室１側の開口端には、図示しない吸気カムによって開閉駆動される吸気弁７が設けられ、排気通路６の燃焼室１側の開口端には、図示しない排気カムによって開閉駆動される排気弁８が設けられている。
吸気通路５には、吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ９、吸入空気量Ｑａを制御するスロットル弁１０、吸気部燃料噴射弁１１が設けられており、吸気部燃料噴射弁１１は燃料を燃焼室１手前の吸気通路５内に噴射する。
【００１９】
シリンダヘッド２の吸気通路５下方には、燃焼室１内に燃料を噴射する筒内直噴燃料噴射弁１２が設けられており、点火プラグ１３は、燃焼室１の略中央部を臨んで配設されている。
前記吸気部燃料噴射弁１１及び筒内直噴燃料噴射弁１２は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１４からの駆動信号により開弁し、その開弁時間が制御されて所定量の燃料を噴射する。
【００２０】
排気行程中に吸気部燃料噴射弁１１により燃料を噴射した場合、噴射された燃料は燃焼室１内に拡散して均質な混合気が形成される。
また、圧縮行程中に筒内直噴燃料噴射弁１２により燃料を噴射した場合、点火プラグ１３近傍に集中的な混合気が形成される。
従って、要求された燃料の一部を吸気部燃料噴射弁１１にて排気行程中の噴射し、残りの燃料を筒内直噴燃料噴射弁１２にて圧縮行程中に噴射することで筒内に亜成層混合気を形成できるので、この混合気を点火プラグ１３により点火することで亜成層燃焼を行うことができる、
一方、要求される燃料の全てを筒内直噴燃料噴射弁１２にて、吸気行程中に噴射し点火することで均質燃焼を、また、圧縮行程中の噴射し点火することで成層燃料を行うこともできる。
【００２１】
エンジンの排気は、排気弁８を介して燃焼室１から排気通路６に排出され、図示しない排気浄化触媒を介して大気中へ排出される。
ＥＣＵ１４には、吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ９、クランク軸の回転角位置を検出するクランク角センサ１５、エンジン冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１６、アクセル開度ＡＣＣを検出するアクセル開度センサ１７、図示しない空燃比センサ等からの信号が入力される。なお、エンジンの回転速度Ｎｅは、クランク角センサ１５からの信号に基づいて算出される。
【００２２】
そして、ＥＣＵ１４は、これらの入力された信号に基づいて所定の演算処理を行って、スロットル弁１０のスロットル開度制御、吸気部燃料噴射弁１１及び筒内直噴燃料噴射弁１２による燃料噴射量及び噴射時期制御、点火プラグ１３による点火時期制御等を行う。
なお、本エンジンの燃焼方式としては、空燃比制御との組み合わせで、成層リーン燃焼（目標空燃比ｔＡ／Ｆが４０程度）、均質リーン燃焼（目標空燃比ｔＡ／Ｆが２０〜３０程度）及び均質ストイキ燃焼に分けられ、エンジン運転条件（エンジン回転速度Ｎｅ、目標エンジントルクｔＴ）に従っていずれかの燃焼方式（及び目標空燃比ｔＡ／Ｆ）が設定される。
【００２３】
また、ノックが発生するおそれのある高負荷領域においては、要求される燃料を分割して噴射することにより、燃焼室１内の混合気を亜成層化してノックの発生を抑制し、回避するノック回避制御を行う。
具体的には、前記吸気部燃料噴射弁１１により排気行程中に燃料の一部を噴射（以下、排気行程噴射とする）して燃焼室１全体にリーンな混合気を形成すると共に、残りの燃料を前記筒内直噴燃料噴射弁１２により圧縮行程中に噴射（以下、圧縮行程噴射とする）して燃焼室１内に亜成層混合気を形成することにより、エンドガス部をリーン化してノックの発生を抑制（ノックを回避）する。
【００２４】
なお、ノック回避制御における燃料噴射量（すなわち、要求燃料量ｔＱｆ）は、排気行程噴射による燃料と圧縮行程噴射による燃料のトータルの燃料量であるが、全体としての空燃比が理論空燃比又は若干リッチな混合気（例えば、目標空燃比ｔＡ／Ｆが１２〜１４.７程度）が形成されるように設定される。
以下、高回転領域で実行するノック回避制御について説明する。
【００２５】
図２は、ノック回避制御を示すフローチャートであり、所定のタイミングで実行される。
ステップ１（図ではＳ１と記す。以下同様）では、吸入空気量Ｑａ、エンジン回転速度Ｎｅ、目標エンジントルクｔＴを読み込む。
ステップ２では、現在のエンジン運転条件が高負荷領域にあるか否かを判断する。エンジン運転条件が高負荷領域にあればステップ３に進み、高負荷領域でなければ本制御を終了し、運転条件に応じて、通常の成層リーン燃焼、均質ストイキ燃焼又は均質リーン燃焼を行うように設定される。
【００２６】
ステップ３では、目標空燃比ｔＡ／Ｆ、吸入空気量Ｑａに基づいて要求燃料噴射量ｔＱｆを、例えばあらかじめ設定されたマップを参照して算出する。
なお、上述したように、目標空燃比ｔＡ／Ｆは理論空燃比又は若干リッチにあらかじめ設定されており、要求燃料噴射量ｔＱｆは排気行程噴射で噴射する燃料量（排気行程噴射燃料量）Ｑｅと圧縮行程噴射で噴射する燃料量（圧縮行程噴射燃料量）Ｑｐとの合計として算出される。
【００２７】
ステップ４では、排気行程噴射燃料量Ｑｅと圧縮行程噴射燃料量Ｑｐを、図３に示すテーブル（エンジン回転速度Ｎｅ―圧縮噴射燃料量の比率ＫＰＡＲＴ）を参照して設定する。
最適な燃料比率は仕様等によって異なるが、本実施形態では、エンジン回転速度Ｎｅが１０００ｒｐｍのときは、排気行程噴射燃料量Ｑｅと圧程噴射燃料量Ｑｐの比率が５：５程度、エンジン回転速度Ｎｅが２０００ｒｐｍのときはＱｅとＱｐの比率が４：６程度、エンジン回転速度Ｎｅが３０００ｒｐｍのときはＱｅとＱｐの比率が３：７程度となるようにしている。
【００２８】
例えば、分割燃料噴射の（全体としての）出力空燃比ｔＡ／Ｆが１２〜１４．３程度であれば、エンジン回転速度Ｎｅが１０００ｒｐｍのときは、排気行程噴射時に全体の５０％程度となる量の燃料を噴射し（これが燃焼室周辺部の燃料量に該当する）、圧縮行程噴射時に残り５０％程度に相当する量の燃料を噴射して全体としての出力空燃比を１２〜１４.３とする。
【００２９】
エンジン回転速度Ｎｅが２０００ｒｐｍのときは、排気行程噴射時に全体の４０％程度となる量の燃料を噴射し、圧縮行程噴射時に残り６０％程度に相当する量の燃料を噴射して全体として出力空燃比を１２〜１４．３とする。
エンジン回転速度Ｎｅが３０００ｒｐｍのときは、排気行程噴射時に全体の３０％程度となる量の燃料を噴射し、圧縮行程噴射時に残り７０％程度相当する量の燃料を噴射して全体として出力空燃比を１２〜１４．３とする。
【００３０】
なお、排気行程噴射燃料量Ｑｅは、排気行程噴射時の空燃比が必ずリーンとなるような範囲で設定される。
また、上記排気行程噴射燃料量Ｑｅと圧縮行程噴射燃料量Ｑｐの比率は、ピストン形状あるいはガス流動の強さ等により変化する値である。
ステップ５では排気行程噴射の終了時期を設定し、
ステップ６では排気行程噴射を実行する。
【００３１】
具体的には、図５（Ａ）に示すように、噴射終了時期制御とし、噴射終了時期（すなわち、閉弁時期）が３０°〜５０°ＢＴＤＣ（排気上死点前３０°〜５０°のクランク角位置）となるように吸気部燃料噴射弁１１を制御してステップ４で設定した排気行程噴射燃料量Ｑｅを噴射する。
なお、このように排気行程噴射を噴射終了時期制御とするのは、確実かつ十分に燃料を気化させて筒内に均質でリーンな混合気を形成するためである。
【００３２】
ステップ７では、圧縮行程噴射開始タイミングを図４に示すテーブル（エンジン回転速度Ｎｅ―噴射開始タイミングＩＴＣＯＭＰ）を参照して設定する。
最適な噴射開始時期は仕様等により異なるが、本実施形態では、噴射開始時期ＩＴＣＯＭＰを、エンジン回転速度Ｎｅが１０００ｒｐｍのときは２６０°ＡＴＤＣ（圧縮上死点後２６０°のクランク角位置）程度、エンジン回転速度Ｎｅが２０００ｒｐｍのときは２２０°ＡＴＤＣ程度、エンジン回転速度Ｎｅが３０００ｒｐｍのときは２００°ＡＴＤＣ程度に設定している。
【００３３】
ステップ８では、圧縮行程噴射を実行する。
具体的には、図５（Ａ）に示すように、噴射開始時期制御とし、噴射開始時期が（すなわち、開弁時期）をステップ７で設定した噴射開始タイミングとなるように筒内直噴燃料噴射弁１２を制御してステップ４で設定した圧縮行程噴射燃料量Ｑｐを噴射する。
【００３４】
なお、このように圧縮行程噴射を噴射開始時期制御とするのは、過渡時に噴射時期の決定を最大限遅らせることができ、ノック回避制御をより効果的に行えるからである。
以上のように、燃料を排気行程と圧縮行程とに分割して噴射するに際し、エンジン回転速度が低いほど圧縮行程噴射量Ｑｐを減少させることにより、高負荷領域において、スモークの発生を防止しつつ効果的にノックの発生を抑制できる。
【００３５】
なお、以上の説明では、筒内直噴燃料噴射弁１２とは別に吸気部燃料噴射弁１１を設け、これにより排気行程噴射を行っているが、これに限られず筒内直噴燃料噴射弁１２のみで吸気行程と圧縮行程との分割噴射により亜成層混合気を形成するようにしてもよい。
この場合は、図５（Ｂ）に示すように、吸気行程噴射、圧縮行程噴射共に噴射開始時期制御とする。例えば、吸気行程噴射開始時期が２０〜５０°ＡＴＤＣ程度になるように筒内直噴燃料噴射弁１２を制御する。このときのフローチャートを図６に示す。図中、図２のフローチャートのステップと同じものについては図２と同じ番号としている。なお、ステップ４'では吸気行程噴射燃料量Ｑｉを演算しており、ステップ５'では吸気行程噴射時期を設定している。ステップ６'ではステップ４'にて演算された吸気行程噴射燃料量Ｑｉを噴射し、圧縮行程噴射については、図２におけるステップ７、８と同様に行う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すシステム図。
【図２】第１実施形態に係るノック回避制御を示すフローチャート。
【図３】亜成層運転時の圧縮行程噴射の燃料比率算出用のテーブル。
【図４】亜成層運転時の圧縮行程噴射の噴射開始タイミング算出用のテーブル。
【図５】亜成層運転時の燃料噴射時期を示すタイミングチャート（Ａ：吸気部燃料噴射弁と筒内直噴燃料噴射弁とを併用した場合、Ｂ：筒内直噴燃料噴射弁のみで行う場合）。
【図６】他の実施形態に係るノック回避制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１    燃焼室
２    シリンダヘッド
３    シリンダブロック
１１    吸気部燃料噴射弁
１２    筒内直噴燃料噴射弁
１３    点火プラグ
１４    エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１５    クランク角センサ
１６    水温センサ
１７    アクセル開度センサ
【図１】
0003893909.tif 000002
【図２】
0003893909.tif 000003
【図３】
0003893909.tif 000004
【図４】
0003893909.tif 000005
【図５】
0003893909.tif 000006
【図６】
0003893909.tif 000007