(57)【要約】【課題】この発明は内燃機関に関し、良好な成層燃焼を安定的に得ることを目的とする。【解決手段】気筒１２の上部中央に点火プラグ１６を配置する。気筒１２内にタンブル流３６を発生させる。気筒１２内に燃料を噴射する筒内噴射弁１８を備える。筒内噴射弁１８は、タンブル流３６の高速部３８が筒内噴射弁１８に向かって移動してくる時期を噴射タイミングθａとして、高速部３８に向けて燃料を噴射する。高速部３８とは、タンブル流３６の一部であり、タンブル流３６の平均流速より速い流速を持つ一連の部分である。【選択図】図２
2016130495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒の上部中央に配置された点火プラグと、
気筒内にタンブル流を発生させるタンブル発生機構と、
気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、を備え、
前記筒内噴射弁は、タンブル流の高速部が前記筒内噴射弁に向かって移動してくる時期を噴射タイミングとして、当該高速部に向けて燃料を噴射し、
前記高速部とは、前記タンブル流の一部であり、当該タンブル流の平均流速より速い流速を持つ一連の部分であることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記噴射タイミングは、吸気上死点後１６０〜１８０°ＣＡ内のクランク角に対応する時点を含み、
前記筒内噴射弁は、吸気上死点後１６０〜１８０°ＣＡ時におけるタンブル流の高速部と衝突する方向に燃料を噴射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。  
【請求項３】
内燃機関の始動直後のアイドル回転速度を暖機終了後の通常アイドル回転速度より高い回転速度とするファストアイドルの実行条件を判定する制御ユニットを備え、
前記筒内噴射弁は、前記ファストアイドルの実行条件成立中に、前記噴射タイミングで燃料を噴射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。
【請求項４】
目標空燃比をストイキより薄いリーン空燃比とするリーンバーン運転の実行条件成否を判定する制御ユニットを備え、
前記筒内噴射弁は、前記リーンバーン運転の実行条件成立中に、前記噴射タイミングで燃料を噴射することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関。  
【請求項５】
前記タンブル発生機構は、
前記筒内噴射弁と、
前記タンブル流と同じ方向の気流を気筒内に発生させるタイミングで当該筒内噴射弁に燃料のプレ噴射を行わせる制御ユニットと、を含み、
前記噴射タイミングは、前記プレ噴射による燃料噴射量が多いほど進角されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関。  
【請求項６】
吸気通路に設けられたスロットル弁を備え、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記噴射タイミングは、前記スロットル弁の開度が大きいほど進角されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記タンブル流を発生させる吸気の流れを制御するタンブル制御弁を備え、
前記噴射タイミングは、前記タンブル制御弁の開度がタンブル流の強度を強める方向に制御されるほど進角されることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記噴射タイミングは、機関回転速度が高いほど進角されることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項９】
内燃機関の吸気弁の開弁タイミングを変化させる可変動弁機構を備え、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記噴射タイミングは、吸気弁の開弁タイミングが進角されるほど進角されることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記噴射タイミングは、１サイクル中に複数回設定され、１サイクル中に噴射すべき燃料噴射量は、前記複数回に分割されて噴射されることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項１１】
複数回に分割されて噴射される燃料の割合を演算する制御ユニットを備え、
前記制御ユニットは、１サイクル内における噴射の順番が遅いほど燃料噴射量が少量となるように前記割合を演算することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１２】
吸気通路に設けられたスロットル弁を備え、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記複数回の噴射タイミングのインターバルは、前記スロットル弁の開度が大きいほど短くなることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の内燃機関。
【請求項１３】
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記タンブル流を発生させる吸気の流れを制御するタンブル制御弁を備え、
前記複数回の噴射タイミングのインターバルは、前記タンブル制御弁の開度がタンブル流の強度を強める方向に制御されるほど短くなることを特徴とする請求項１０から１２の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記複数回の噴射タイミングのインターバルは、機関回転速度が高いほど短くなることを特徴とする請求項１０から１３の何れか１項に記載の内燃機関。
【請求項１５】
内燃機関の吸気弁の開弁タイミングを変化させる可変動弁機構を備え、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記複数回の噴射タイミングのインターバルは、吸気弁の開弁タイミングが進角されるほど短くなることを特徴とする請求項１０から１４の何れか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に係り、特に、車両への搭載に適した内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料を直接筒内に噴射する筒内噴射弁と、筒内の上部中央に配置された点火プラグとを備える筒内噴射式火花点火内燃機関が開示されている。この内燃機関の吸気系は、吸気の流れによって筒内にタンブル流が発生するように設けられている。また、特許文献１には、ピストン上面から筒内噴射弁に向かって吹き上げてくるタンブル流に衝突させるように燃料を噴射することで、良好な成層燃焼が得られることが開示されている。
【０００３】
ピストン上面から吹き上げてくるタンブル流に噴霧燃料を衝突させると、その燃料をタンブル流の中心側に偏向させることができる。タンブル流の中心付近は、その周囲に比べて低圧である。このため、タンブル流の中心側に偏向された燃料は、その中心部分に保持され易い。この状態で圧縮行程を進行させれば、気筒内の上部中央、即ち、点火プラグの設置位置に濃度の高い混合気を成層することができる。このため、上記従来の内燃機関によれば、高い確率で良好な成層燃焼を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１６２５７７号公報
【特許文献２】特開２００２−０３０９６９号公報
【特許文献３】特開２００２−３３２８４９号公報
【特許文献４】特開２００９−１１４９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、気筒内に発生するタンブル流は、一様な流速を有するものではない。このため、タンブル流と衝突するように燃料を噴射しても、衝突箇所の流速が十分でなければ、燃料がタンブル流を貫徹してしまい、狙い通りの偏向が得られないことがある。この場合、点火プラグの周辺に高濃度の混合気を誘導することができず、良好な成層燃焼が得られない事態が生じ得る。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、噴霧燃料の貫徹力をタンブル流により安定的に抑制し、良好な成層燃焼を安定的に得ることのできる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関であって、
気筒の上部中央に配置された点火プラグと、
気筒内にタンブル流を発生させるタンブル発生機構と、
気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、を備え、
前記筒内噴射弁は、タンブル流の高速部が前記筒内噴射弁に向かって移動してくる時期を噴射タイミングとして、当該高速部に向けて燃料を噴射し、
前記高速部とは、前記タンブル流の一部であり、当該タンブル流の平均流速より速い流速を持つ一連の部分であることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記噴射タイミングは、吸気上死点後１６０〜１８０°ＣＡ内のクランク角に対応する時点を含み、
前記筒内噴射弁は、吸気上死点後１６０〜１８０°ＣＡ時におけるタンブル流の高速部と衝突する方向に燃料を噴射するように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
内燃機関の始動直後のアイドル回転速度を暖機終了後の通常アイドル回転速度より高い回転速度とするファストアイドルの実行条件を判定する制御ユニットを備え、
前記筒内噴射弁は、前記ファストアイドルの実行条件成立中に、前記噴射タイミングで燃料を噴射することを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１から第３の発明の何れかにおいて、
目標空燃比をストイキより薄いリーン空燃比とするリーンバーン運転の実行条件成否を判定する制御ユニットを備え、
前記筒内噴射弁は、前記リーンバーン運転の実行条件成立中に、前記噴射タイミングで燃料を噴射することを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第１から第４の発明の何れかにおいて、
前記タンブル発生機構は、
前記筒内噴射弁と、
前記タンブル流と同じ方向の気流を気筒内に発生させるタイミングで当該筒内噴射弁に燃料のプレ噴射を行わせる制御ユニットと、を含み、
前記噴射タイミングは、前記プレ噴射による燃料噴射量が多いほど進角されることを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、第１から第５の発明の何れかにおいて、
吸気通路に設けられたスロットル弁を備え、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記噴射タイミングは、前記スロットル弁の開度が大きいほど進角されることを特徴とする。
【００１３】
また、第７の発明は、第１から第６の発明の何れかにおいて、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記タンブル流を発生させる吸気の流れを制御するタンブル制御弁を備え、
前記噴射タイミングは、前記タンブル制御弁の開度がタンブル流の強度を強める方向に制御されるほど進角されることを特徴とする。
【００１４】
また、第８の発明は、第１から第７の発明の何れかにおいて、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記噴射タイミングは、機関回転速度が高いほど進角されることを特徴とする。
【００１５】
また、第９の発明は、第１から第８の発明の何れかにおいて、
内燃機関の吸気弁の開弁タイミングを変化させる可変動弁機構を備え、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記噴射タイミングは、吸気弁の開弁タイミングが進角されるほど進角されることを特徴とする。
【００１６】
また、第１０の発明は、第１から第９の発明の何れかにおいて、
前記噴射タイミングは、１サイクル中に複数回設定され、１サイクル中に噴射すべき燃料噴射量は、前記複数回に分割されて噴射されることを特徴とする。
【００１７】
また、第１１の発明は、第１０の発明において、
複数回に分割されて噴射される燃料の割合を演算する制御ユニットを備え、
前記制御ユニットは、１サイクル内における噴射の順番が遅いほど燃料噴射量が少量となるように前記割合を演算することを特徴とする。
【００１８】
また、第１２の発明は、第１０又は第１１の発明において、
吸気通路に設けられたスロットル弁を備え、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記複数回の噴射タイミングのインターバルは、前記スロットル弁の開度が大きいほど短くなることを特徴とする。
【００１９】
また、第１３の発明は、第１０から第１２の発明の何れかにおいて、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記タンブル流を発生させる吸気の流れを制御するタンブル制御弁を備え、
前記複数回の噴射タイミングのインターバルは、前記タンブル制御弁の開度がタンブル流の強度を強める方向に制御されるほど短くなることを特徴とする。
【００２０】
また、第１４の発明は、第１０から第１３の発明の何れかにおいて、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記複数回の噴射タイミングのインターバルは、機関回転速度が高いほど短くなることを特徴とする。
【００２１】
また、第１５の発明は、第１０から第１４の発明の何れかにおいて、
内燃機関の吸気弁の開弁タイミングを変化させる可変動弁機構を備え、
前記タンブル発生機構は、吸気の流れにより前記タンブル流を発生させるように構成された吸気系構造を含み、
前記複数回の噴射タイミングのインターバルは、吸気弁の開弁タイミングが進角されるほど短くなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
第１の発明によれば、筒内噴射弁から噴射される燃料を、タンブル流の高速部に衝突させることができる。高速部は、タンブル流の中で速い流速を有する部分であるから、燃料の貫徹力を良好に抑制することができる。このため、本発明によれば、気筒の上部中央に位置する点火プラグの周囲に高濃度の混合気層を安定的に導くことができ、良好な成層燃焼を安定的に発生させることができる。
【００２３】
第２の発明によれば、吸気上死点後１６０〜１８０°ＣＡ内のクランク角に対応する時点に筒内噴射弁から燃料を噴射させることができる。吸気上死点後１６０〜１８０°ＣＡは、ピストンの移動速度が最速となる吸気上死点後９０°ＣＡ付近にて吸気された高速の気流がタンブル流となって噴射弁方向に向かい始める期間である。本発明によれば、その高速の気流に燃料を衝突させることにより、燃料の貫徹力を良好に抑制することができる。
【００２４】
第３の発明によれば、ファストアイドルの実行中に、点火プラグの周囲に安定的に高濃度の混合気層を導くことができる。このため、本発明によれば、ファストアイドル時の燃焼特性に優れた内燃機関を提供することができる。
【００２５】
第４の発明によれば、リーンバーン運転の実行中に、点火プラグの周囲に安定的に高濃度の混合気層を導くことができる。このため、本発明によれば、リーンバーン運転時の燃焼特性に優れた内燃機関を提供することができる。
【００２６】
第５の発明によれば、燃料のプレ噴射によってタンブル流を発生させることができる。このタンブル流は、プレ噴射による燃料噴射量が多いほど高速となる。タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かい始める時期は、その流速が高いほど早くなる。本発明によれば、その時期の変化に噴射タイミングを合せることができるため、燃料の貫徹力を安定的に抑制することができる。
【００２７】
第６の発明によれば、吸気の流れによってタンブル流を発生させることができる。このタンブル流は、スロットル開度が大きく吸気量が多いほど高速となる。従って、タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かい始める時期は、スロットル開度が大きいほど早くなる。本発明によれば、その時期の変化に噴射タイミングを合せることができるため、燃料の貫徹力を安定的に抑制することができる。
【００２８】
第７の発明によれば、吸気の流れによってタンブル流を発生させることができ、その流速をタンブル制御弁で制御することができる。そして、タンブル制御弁の状態に応じて噴射タイミングを変化させることにより、タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かい始める時期と燃料噴射のタイミングとを安定的に同期させることができる。このため、本発明によっても、燃料の貫徹力を安定的に抑制することができる。
【００２９】
第８の発明によれば、吸気の流れによってタンブル流を発生させることができる。このタンブル流の流速は機関回転速度が高いほど高速となる。従って、タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かい始める時期は、機関回転速度が高いほど早くなる。本発明によれば、その時期の変化に噴射タイミングを合せることができるため、燃料の貫徹力を安定的に抑制することができる。
【００３０】
第９の発明によれば、吸気の流れによってタンブル流を発生させることができる。このタンブル流の流速は、吸気弁の開弁タイミングが進角されるほど高速となる。従って、タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かい始める時期は、その開弁タイミングが進角されるほど早くなる。本発明によれば、その時期の変化に噴射タイミングを合せることができるため、燃料の貫徹力を安定的に抑制することができる。
【００３１】
第１０の発明によれば、タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かってくるタイミングに合せて、噴射タイミングを１サイクル中に複数回設定することができる。噴射が複数回に分割されれば、一度に噴かれる場合に比して、各回の燃料噴射量は減少する。噴射された燃料の貫徹力は、噴射量が少ないほど弱くなる。このため、本発明によれば、燃料が一度に噴かれる場合に比して、噴射された燃料の貫徹力を抑制することができ、より安定的に良好な成層燃焼を発生させることができる。
【００３２】
第１１の発明によれば、１サイクル中に分割して噴射される燃料の割合を、噴射の進行と共に小さくすることができる。タンブル流の流速は、初回の燃料噴射の後、圧縮行程の進行に伴って遅くなる。そして、噴射された燃料の貫徹力に対するタンブル流の抑制効果は、その流速が遅くなるに連れ低下する。本発明によれば、その抑制力の大きさに合せて燃料噴射量を変化させることにより、全体として高い貫徹抑制効果を達成することができる。
【００３３】
第１２の発明によれば、タンブル流の流速は、スロットル開度が小さいほど低くなる。タンブル流は、流速が低いほど衰え易い。また、タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かう周期は、タンブル流の流速が衰えるほど長期化する。本発明によれば、噴射タイミングのインターバルを、スロットル開度に応じて変化させることにより、その周期に合せることができる。このため、本発明によれば、分割噴射される燃料のそれぞれに対して、高い貫徹力抑制効果を発生させることができる。
【００３４】
第１３の発明によれば、タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かう周期は、タンブル制御弁の状態に応じて変化する。本発明によれば、噴射タイミングのインターバルを、タンブル制御弁の状態に合せて変化させることにより、その周期に合せることができる。このため、本発明によれば、分割噴射される燃料のそれぞれに対して、高い貫徹力抑制効果を発生させることができる。
【００３５】
第１４の発明によれば、タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かう周期は、機関回転速度に応じて変化する。本発明によれば、噴射タイミングのインターバルを、機関回転速度に応じて変化させることにより、その周期に合せることができる。このため、本発明によれば、分割噴射される燃料のそれぞれに対して、高い貫徹力抑制効果を発生させることができる。
【００３６】
第１５の発明によれば、タンブル流の高速部が筒内噴射弁に向かう周期は、吸気弁の開弁タイミングに応じて変化する。本発明によれば、噴射タイミングのインターバルを、吸気弁の開弁タイミングに応じて変化させることにより、その周期に合せることができる。このため、本発明によれば、分割噴射される燃料のそれぞれに対して、高い貫徹力抑制効果を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１が用いる噴射タイミングθａが満たすべき条件を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１における燃料の噴射タイミングθａとスロットル開度との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１における燃料の噴射タイミングθａと、タンブル制御弁（ＴＣＶ）開度との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１において実行される処理ルーチンのフローチャートである。
【図６】燃料の噴射タイミングθａと機関回転速度との関係を説明するための図である。
【図７】燃料の噴射タイミングθａと吸気弁の開弁期間との関係を説明するための図である。
【図８】燃料の噴射タイミングθａと吸気弁の開弁タイミングとの関係を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態２が用いる噴射タイミングθａ、θbが満たすべき条件を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２における複数の噴射タイミングθａ、θbとスロットル開度との関係を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態２における複数の噴射タイミングθａ、θb、θcと、ＴＣＶ開度並びにスロットル開度との関係を説明するための図である。
【図１２】噴射タイミングθａ、θbにおけるタンブル流高速部の流速と、噴射タイミングθａ、θbにおいて噴射される燃料量の割合との関係を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態２において実行される処理ルーチンのフローチャートである。
【図１４】複数の噴射タイミングθａ、θbと機関回転速度との関係を説明するための図である。
【図１５】複数の噴射タイミングθａ、θbと吸気弁の開弁期間との関係を説明するための図である。
【図１６】複数の噴射タイミングθａ、θbと吸気弁の開弁タイミングとの関係を説明するための図である。
【図１７】本発明の実施の形態３で実行される燃料のプレ噴射及びメイン噴射とタンブル流高速部の位相との関係を説明するための図である。
【図１８】本発明の実施の形態３でプレ噴射の燃料割合を決定するための原理を説明するための図である。
【図１９】プレ噴射とメイン噴射のインターバルを定義するための図である。
【図２０】プレ噴射される燃料量とインターバルとの関係を示す図である。
【図２１】プレ噴射される燃料量とインターバルとメイン噴射される燃料量との関係を模式的に表した図である。
【図２２】本発明の実施の形態３において実行される処理ルーチンのフローチャートである。
【図２３】逆タンブル流の高速部に燃料を衝突させた状態を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通又は対応する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３９】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０（以下、単に「内燃機関１０」とする）の構成を示す。内燃機関１０は、気筒１２内にピストン１４を備えている。気筒１２の上部中央には点火プラグ１６が備えられている。点火プラグ１６は、気筒１２の頂面に火花発生部を突出させるように組みつけられている。
【００４０】
気筒１２の上面には、更に、気筒１２内に燃料を噴射するための筒内噴射弁１８が設けられている。筒内噴射弁１８は、高圧の燃料供給を受けており、開弁時間ＴＡＵに応じた量の燃料を気筒１２内に噴射することができる。本実施形態において、筒内噴射弁１８は、気筒１２内の吸気側上部側方からピストン１４上面に向けて斜めに燃料を噴射するように構成されている。
【００４１】
気筒１２には、吸気通路２０が連通している。吸気通路２０が気筒１２に連通するポート部分２１には吸気弁２２が配置されている。本実施形態において、吸気通路２０のポート部分２１は、吸気の流れによって気筒１２内に強い縦回転の渦、即ち強いタンブル流が生成されるように形成されている。
【００４２】
吸気弁２２の上流には、タンブル制御弁（ＴＣＶ）２４が配置されている。ＴＣＶ２４は、吸気通路２０の流路面積を変化させるバタフライ式の弁機構であり、開度に応じた偏流を吸気に与えることでタンブル流の強さを変化させることができる。本実施形態では、具体的には、ＴＣＶ２４の開度を高めることにより、気筒１２内のタンブル強度を高めることができる。
【００４３】
吸気通路２０には、ＴＣＶ２４の更に上流にあたる位置にスロットル弁２６が配置されている。スロットル弁２６は、アクセル開度に応じて作動する電子制御式の弁機構であり、その開度に応じて吸入空気量を変化させることができる。
【００４４】
内燃機関１０の気筒１２には、排気通路２８が連通している。排気通路２８には、気筒１２と連通する部分に、排気弁３０が組み込まれている。また、内燃機関１０は、ピストン１４下方のクランクケースに装着されたクランク角センサ３２を備えている。クランク角センサ３２は、図示しないクランク軸の回転に応じた信号を発するセンサである。
【００４５】
図１に示すように、本実施の形態のシステムは、電子式の制御ユニット（ＥＣＵ）３４を備えている。ＥＣＵ３４には、上述したクランク角センサ３２が接続されている。ＥＣＵ３４は、クランク角センサ３２の出力信号に基づいて、クランク軸の回転位置、即ちクランク角と、機関回転速度ＮＥとを検知することができる。
【００４６】
ＥＣＵ３４にはまた、上述したＴＣＶ２４及びスロットル弁２６が接続されている。ＥＣＵ３４は、ＴＣＶ２４及びスロットル弁２６に対してそれぞれ開度の指示信号を供給することができると共に、それらから供給される信号に基づいて、それらの開度を検知することができる。
【００４７】
ＥＣＵ３４には更に、上述した点火プラグ１６及び筒内噴射弁１８が接続されている。ＥＣＵ３４は、点火プラグ１６に対して、所望の点火タイミングで火花の発生を指示することができ、また、筒内噴射弁１８に対して、所望の噴射タイミングで所望量の燃料噴射を指示することができる。
【００４８】
尚、図示は省略するが、ＥＣＵ３４には、上記のセンサ及びアクチュエータに加えて、吸入空気量を検出するエアフロメータ、冷却水温を検出する水温センサなど、一般的に内燃機関に搭載される各種センサが接続されている。
【００４９】
［燃料噴射タイミングθａの条件］
次に、図２乃至図４を参照して本実施形態の内燃機関１０の特徴について説明する。図２は、本実施形態において、内燃機関１０が用いる燃料の噴射タイミングθａの条件を説明するための図である。
【００５０】
図２において、左側に示す図形は、吸気上死点（ＴＤＣ）から吸気下死点（ＢＤＣ）に向けてクランク角が９０°ＣＡ程度変化した時点の状態を示している。図中、符号３６を付して示す円弧状の曲線は気筒１２内に発生した「タンブル流」を、符号３８を付して示す白抜きの矢印曲線はタンブル流３６の「高速部」を、それぞれ表している。
【００５１】
本実施形態の内燃機関１０では、吸気の過程において気筒１２内に空気が流入するのに伴い、気筒１２内にタンブル流３６が発生する。ピストン１４の速度は、吸気ＴＤＣ後９０°ＣＡ程度の時点で最も速くなる。この際、吸気の流速も早くなることから、タンブル流３６内に、他の部分に比して流速の速い高速部３８が生成される。尚、本実施形態では、タンブル流３６の平均流速より速い流速を持つ一連の部分、特に、平均流速より２０％程度以上速い流速を持つ一連の部分を高速部３８としている。
【００５２】
図２において、中央に示す図形は、高速部３８の渦流がピストン１４の上面に接する位相まで移動してきた状態を示している。この状態は、吸気ＴＤＣ後１６０〜１８０°ＣＡ程度の時点で形成される。
【００５３】
ここで、同図形中に符号４０を付して示す白抜き三角形は筒内噴射弁１８による噴射のイメージを表している。また、符号４２を付して示す太線の矢印は噴射された燃料の流動（以下、「噴霧流動」とする）を表している。この図形が示すように、本実施形態では、タンブル流３６の高速部３８の渦流がピストン１４の上面に接する状態となる適当な時点、つまり、吸気ＴＤＣ後１６０〜１８０°ＣＡ内の適当な時点を、燃料の噴射タイミングとして決定する。以下、この噴射タイミングを、その時点におけるクランク角「θａ」で表すこととする。
【００５４】
図２の中央に示す図形において、タンブル流３６の高速部３８は、ピストン１４の上面を掠めて、進行方向を上向きに変化させようとしている。つまり、高速部３８は、この時点で、筒内噴射弁１８に向かう方向の速度成分を持ち始めている。
【００５５】
筒内噴射弁１８が、気筒１２上方からピストン１４に向けて燃料を噴射するように構成されていることは上記の通りであるが、本実施形態の筒内噴射弁１８は、より具体的には、吸気ＴＤＣ後１６０〜１８０°ＣＡ程度の位置関係において、ピストン１４の中央部上面に向けて燃料を噴射することができるように構成されている。このため、図２の中央図形に対応する時点を噴射タイミングθａに決定すれば、噴霧流動４２を、これに向かって進行してくるタンブル流３６の高速部３８に衝突させることができる。
【００５６】
図２の右側に示す図形は、噴射タイミングθａの直後における噴霧流動４２の様子を表している。高い流速を持つ高速部３８は、タンブル流３６の他の領域と比べても高い能力で、噴射された燃料の貫徹力を抑制する。その結果、噴霧流動４２は、直進を維持することができず、タンブル流の回転中心に向けて、引いては気筒１２の頂面に向けて進行方向を変化させる。
【００５７】
タンブル流３６の渦の内外は、その渦の部分に比して低圧である。このため、噴霧流動４２がタンブル流３６の中央に向かうと、以後吸気から圧縮の行程にかけて、濃度の高い燃料がタンブル流３６の中に留まり、その結果、最終的に気筒１２の頂面、つまり点火プラグ１６の周囲に高濃度の混合気層が生成される。一方、燃料がタンブル流３６を貫徹してしまうと、その燃料が気筒１２の頂面には導かれず、点火プラグ１６の周囲に高濃度の混合気層が形成されにくい。
【００５８】
上述した通り、噴霧流動４２がタンブル流３６の高速部３８と衝突するように噴射タイミングθａを決定すると、噴霧流動４２がタンブル流３６を貫徹してしまうのを阻止し、その進行方向をタンブル流の中央（気筒１２の頂面）に向けることができる。そして、この場合、点火プラグ１６の周囲に高濃度の混合気層を安定的に生成することが可能となる。このため、本実施形態では、上記の条件が満たされるように噴射タイミングθａを決定する。
【００５９】
［燃料噴射タイミングθａの決定方法］
次に、燃料の噴射タイミングθａを決定する方法について説明する。
本実施形態の内燃機関１０には、特定の条件下で成層燃焼による運転が求められる。成層燃焼は、例えば、リーンバーン運転の際、或いはファストアイドル運転の際に求められる。リーンバーン運転は、特定の機関回転速度領域等で、ストイキに比して薄い所望のリーン空燃比を目標として行われる。リーンバーン運転の下では、安定した点火及び燃焼の伝播を得るうえで成層燃焼が必要とされる。ファストアイドル運転は、内燃機関１０の冷間始動直後等に、アイドル回転速度を、暖機終了後の通常アイドル回転速度より高く維持するために行われる。ファストアイドルの際に成層燃焼を行うこととすると、空燃比を大きくリッチ化することなく、点火プラグ１６の周囲にだけ燃料濃度の高い混合気層を生成することができ、冷間始動後の内燃機関１０の運転状態を安定化させることができる。
【００６０】
成層燃焼は、上記のような特定の環境下で要求されるのが通常であるが、そのような環境下でも内燃機関１０の運転状態は常に一定ではない。具体的には、成層燃焼が求められる環境化でも、例えば、スロットル開度やＴＣＶ開度には変化が生ずることがある。スロットル開度が変化すると、内燃機関１０の吸入空気量が変化して、タンブル流の速度に変化が生ずる。同様にＴＣＶ開度の変化によってもタンブル比には変化が現れる。
【００６１】
タンブル流の速度が変われば、タンブル流３６の高速部３８がピストン１４の上面を掠める時期、即ち、高速部３８が筒内噴射弁１８に向かう速度成分を持ち始める時期と、クランク角との関係にも変化が生ずる。このため、タンブル流３６による燃料の貫徹阻止の効果を十分に高めるためには、タンブル流の速度に合せて噴射タイミングθａを微修正することが必要である。
【００６２】
図３は、スロットル開度と燃料噴射タイミングθａとの関係を示している。尚、図３に示すＷＯＴ（Wide Open Throttle）とは全開開度を意味する。本実施形態の内燃機関１０では、スロットル開度が開くほどタンブル流は高速となり、高速部３８がピストン１４上面を掠めて筒内噴射弁１８に向かい始める時期が早まる。このため、噴射タイミングθａは、図３に示すように、スロットル開度が大きいほど進角させる必要がある。
【００６３】
図４は、ＴＣＶ開度と燃料噴射タイミングθａとの関係を示している。本実施形態の内燃機関１０では、ＴＣＶ開度が大きいほど吸気の偏流が強められ、タンブル流が高速となる。このため、噴射タイミングθａは、図４に示すように、ＴＣＶ開度が大きいほど進角させる必要がある。
【００６４】
［実施の形態１の制御］
ＥＣＵ３４は、図３及び図４の傾向をマップ化した２次元マップを記憶しており、成層燃料が求められる場合に、そのマップを参照して噴射タイミングθａを設定する。以下、図５を参照して、本実施形態においてＥＣＵ３４が実行する特徴的な制御について説明する。
【００６５】
図５は、ＥＣＵ３４が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、内燃機関１０の１サイクル毎に実行される。このルーチンが起動されると、先ず、内燃機関１０の運転状態に関する各種パラメータが読み込まれる（ステップ１００）。ここでは、具体的には、機関回転速度、スロットル開度、ＴＣＶ開度に加え、吸入空気量や冷却水温などが各種センサから読み込まれる。
【００６６】
次に、内燃機関１０において成層条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１０２）。本実施形態では、内燃機関１０の各種パラメータから、リーンバーン運転の実行が求められていると判断される場合、及びファストアイドル運転の実行が求められていると判断される場合に、成層条件が成立していると判断される。
【００６７】
上記ステップ１０２において、成層条件が成立していないと判定された場合は、点火プラグ１６の周辺に高濃度混合気を成層する必要がないことから、成層燃焼を行わない通常の燃料噴射タイミングが演算される（ステップ１０４）。
【００６８】
一方、成層条件の成立が判定された場合は、上述した噴射タイミングθａの演算が行われる（ステップ１０６）。本実施形態において、成層条件は、成層燃焼が求められる幾つかの場面で成立する。ＥＣＵ３４は、それらの場面毎に、上述した噴射タイミングθａの２次元マップを有している。本ステップでは、具体的には、先ず、今回の場面に対応する２次元マップが特定される。次いで、その２次元マップから、現在のスロットル開度及びＴＣＶ開度に対応する噴射タイミングθａが決定される。上記の処理によれば、現在の運転条件下で、タンブル流３６の高速部３８がピストン１４上面を掠めて筒内噴射弁１８に向かって進み始める時期と正確に整合するように、噴射タイミングθａを決めることができる。
【００６９】
上記の処理が終わると、演算した噴射タイミングで燃料を噴射する処理が実行され（ステップ１０８）、今回のルーチンが終了する。以上の処理によれば、成層条件の成立時には、タンブル流３６の高速部３８に燃料を衝突させることができ、噴霧流動４２を安定的にタンブル流３６の中心方向に向けさせることができる。このため、本実施形態によれば、成層燃焼が求められる場面において、点火プラグ１６の周辺に高濃度の混合気層が生成される状態を安定的に作り出すことができる。
【００７０】
［実施の形態１の変形例］
上述した実施の形態１は、スロットル開度とＴＣＶ開度の２次元マップに基づいて噴射タイミングθａを演算しているが、その演算手法はこれに限定されるものではない。例えば、スロットル開度及びＴＣＶ開度のそれぞれに関する１次元マップを用意し、２つのマップから得られた値を関数式に代入して噴射タイミングθａを演算するような手法を用いることとしてもよい。
【００７１】
また、上述した実施の形態１では、内燃機関１０がＴＣＶ２４を備えているが、ＴＣＶ２４は本発明に必須の要素ではない。内燃機関１０がＴＣＶ２４を備えていない場合には、ＴＣＶ開度を考慮することなく、スロットル開度に基づいて噴射タイミングθａを演算することができる。
【００７２】
また、上述した実施の形態１は、スロットル開度及びＴＣＶ開度がタンブル流の速度に与える影響を考慮して、それらの開度を噴射タイミングθａに反映させているが、この反映は本発明に必須の要素ではない。すなわち、噴射タイミングθａは、噴射した燃料を高速部３８に衝突させることができれば、特定のクランク角に固定してもよい。
【００７３】
また、上述した実施の形態１では、成層燃焼が求められる場面毎に２次元マップを準備することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、スロットル開度とＴＣＶ開度を除く他のパラメータの影響は無視して、成層条件が成立する全ての場面において、同一の２次元マップを用いることとしてもよい。
【００７４】
以上の変形例については、以下に説明する実施の形態２についても同様に展開することができる。重複した説明を避けるため、実施の形態２の欄では、これらについての説明は省略する。
【００７５】
上述した実施の形態１では、成層条件の成立時にタンブル流の速度に大きな影響を与えるパラメータは、スロットル開度とＴＣＶ開度だけであるとの前提の下、それらの影響を噴射タイミングθａに反映させることとしている。しかしながら、内燃機関１０においてタンブル流の速度に影響を与えるパラメータは、これら２つだけではない。例えば、タンブル流の速度は機関回転速度にも影響を受ける。また、吸気弁２２の開弁タイミングを変化させる可変動弁機構が内燃機関１０に備わっている場合には、その開弁タイミングによってもタンブル流の速度は変化する。このため、成層条件の成立時に、それらに大きな変化が生ずるのであれば、スロットル開度やＴＣＶ開度に加えて、或いはそれらに代えて、機関回転速度や、吸気弁２２の開弁タイミングを噴射タイミングθａに反映させることとしてもよい。
【００７６】
図６は、機関回転速度と燃料噴射タイミングθａとの関係を示している。本実施形態の内燃機関１０では、機関回転速度が高いほど吸気の流速が早くなり、その結果タンブル流が高速となる。このため、機関回転速度を噴射タイミングθａに反映させる場合は、図３に示すように、機関回転速度が高いほどθａを進角させることになる。
【００７７】
図７は、吸気弁２２の開弁期間と燃料噴射タイミングθａとの関係を示している。また、図８は、吸気弁２２の開弁タイミングと燃料噴射タイミングθａとの関係を示している。本実施形態の内燃機関１０では、吸気弁２２の開弁タイミング（開弁期間）が進角されるほど吸気の流速が早くなり、その結果タンブル流が高速となる。このため、吸気弁２２の開弁タイミング（開弁期間）を噴射タイミングθａに反映させる場合は、図７又は図８に示すように、開弁タイミング（開弁期間）が進角されるほど、噴射タイミングθａも進角させることになる。
【００７８】
図６に示す傾向、或いは図７及び図８に示す傾向は、θａの演算に用いられるマップ又は関数式にそれらの傾向を反映させることにより、噴射タイミングθａに反映させることができる。
【００７９】
尚、上述した実施の形態１においては、ポート部分２１を含む吸気系構造の全体が、前記第１の発明における「タンブル発生機構」に相当する。
【００８０】
実施の形態２．
次に、図１と共に図９乃至図１３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本発明の実施の形態２は、実施の形態１と同様に図１に示すハードウェア構成により実現することができる。
【００８１】
［実施の形態２の第１の特徴］
図９は、本実施形態において用いられる複数の噴射タイミングθａ及びθｂが満たすべき条件を説明するための図である。図９上段に示す３つの図形は、図２に示す３つの図形と同じであり、吸気圧縮行程前半の状態変化を表している。これに対して、図９下段に示す３つの図形は、吸気圧縮行程後半の状態変化を表している。
【００８２】
内燃機関１０の気筒１２内では、１回の吸気圧縮行程において、タンブル流３６が複数回縦回転する。このため、高速部３８がピストン１４の上面を掠めて筒内噴射弁１８に向かい始める時点は、１サイクル中に複数回発生する。図９に示す一連の動きの中では、上段の中央に示す時点（クランク角＝θａの時点）と、下段右側に示す時点（クランク角＝θｂの時点）とに、その状態が形成されている。
【００８３】
図９上段中央の状態は、図２中央の状態と同様に、吸気ＴＤＣ後１６０〜１８０°ＣＡ程度の時点で形成される。一方、図９下段右側の状態は、圧縮ＴＤＣ前８０〜１００°ＣＡの範囲で形成される。ここで、図９下段右側の図形中に符号４４を付して示す白抜き三角形は筒内噴射弁１８による噴射のイメージである。また、符号４６を付して示す太線の矢印はここで噴射された燃料の流動、つまり噴霧流動である。この図形が示すように、本実施形態では、高速部３８が筒内噴射弁１８に向かい始める２度目のタイミングに、２度目の燃料噴射を行う。以下、この噴射タイミングを、その時点におけるクランク角「θｂ」で表すこととする。
【００８４】
筒内噴射弁１８が噴射タイミングθｂで噴射した燃料は、タンブル流３６の高速部３８と衝突する。その結果、噴霧流動４６は、１度目の噴霧流動４２と同様、タンブル流３６の回転中心に向けて、引いては気筒１２の頂面に向けて進行方向を変化させる。このため、２度目に噴射された燃料も、最終的には、１度目に噴射された燃料と共に、点火プラグ１６の周辺に導かれることとなる。
【００８５】
１サイクル中に噴射する燃料を分割して噴射することとすれば、燃料がまとめて噴射される場合に比して、各回に噴かれる燃料量が少量となる。噴射された燃料がタンブル流を貫徹する力は、燃料が多量になるほど強くなる。このため、燃料を分割噴射することとすれば、噴射された燃料の貫徹力に対するタンブル流の抑制力を相対的に高めることができ、タンブル流を貫徹する燃料量を減らすことができる。従って、本実施形態によれば、実施の形態１の場合に比して更に安定的に、高濃度の混合気層を点火プラグ１６の周辺に作り出すことができる。
【００８６】
［実施の形態２の第２の特徴］
図１０は、本実施形態で用いられる複数の燃料噴射タイミングθａ、θｂとスロットル開度との関係を示す。図１０は、スロットル開度が大きく、タンブル流が高速であるほど、噴射タイミングθａが進角される点において実施の形態１（図３）の場合と同様である。第２の噴射タイミングθｂにも同様の傾向が現れているが、θｂに与える進角量はθａに与えた進角量と同じではない。
【００８７】
即ち、気筒１２内に生じたタンブル流は、その流速が高いほど減衰し難い。そして、タンブル流３６の高速部３８が筒内噴射弁１８に向かい始める１度目のタイミングから２度目のタイミングまでの周期は、タンブル流が衰え難いほど短くなる。このため、図１０において、２度目の噴射タイミングθｂは、スロットル開度が大きいほど、θａとθｂの間隔が短くなるように設定されている。
【００８８】
図１１は、本実施形態で用いられる複数の燃料噴射タイミングθａ、θｂとＴＣＶ開度との関係を示す。図１１に示す第１の噴射タイミングθａは、実施の形態１（図４）の場合と同様に、ＴＣＶ開度が大きくタンブル流が高速となるほど、進角されている。また、図１１に示す第２の噴射タイミングθｂは、上記図１０に示すθｂと同様に、ＴＣＶ開度が大きく、タンブル流が高速となるほど、θａとθｂの間隔が短くなるように設定されている。
【００８９】
第２の噴射タイミングθｂを上記のように設定すると、タンブル流がどのように減衰するかに関わらず、第２の噴射タイミングθｂの時点においても、燃料を正確に高速部３８に衝突させることができる。このため、本実施形態によれば、燃料が分割噴射される各回の全てにおいて、タンブル流３６により適切に燃料の貫徹を阻止することができる。
【００９０】
尚、図１１には、タンブル強度を最大とするＴＣＶ開度に対して、第３の噴射タイミングθｃが描かれている。内燃機関１０においては、ＴＣＶ２４が最大開度付近にまで作動した場合に、高速部３８がピストン１４上面を掠めて筒内噴射弁１８に向かい始める状態が１サイクル中に３回繰り返される場合がある。本実施形態では、そのような場合には、図１１に示すように、第３の噴射タイミングθｃを設定することとしている。
【００９１】
［実施の形態２の第３の特徴］
図１２は、タンブル流の高速部３８の流速と、分割噴射される燃料量の割合との関係を示す。図１２左側の図形は、第１の噴射タイミングθａにおける高速部３８の流速と、第２の噴射タイミングθｂにおける高速部３８の流速とを対比して表している。タンブル流３６は、吸気圧縮行程が進むに連れて押しつぶされ、流速を低下させる。このため、この図形が示すように、θａ時の流速は、θｂ時の流速に比して十分に高いものとなる。
【００９２】
図１２右側の図形は、本実施形態において演算される各回の燃料噴射量を対比して表している。この図形に示すように、本実施形態では、高速部３８の流速に合せて、第１の噴射タイミングθａにおける噴射量を、第２の噴射タイミングθｂにおける噴射量より多くすることとしている。より具体的には、本実施形態では、θａ時とθｂ時の噴射量比がθａ時とθｂ時の高速部３８の流速比と一致するように、各回の燃料噴射量を決定することとしている。
【００９３】
タンブル流３６の高速部３８は、流速が高いほど燃料の貫徹阻止に関して優れた効果を発揮する。一方、燃料は、その量が多いほど高い貫徹力を有するようになる。このため、一定量の燃料を分割して噴射して、トータルの燃料貫徹量を最小とするためには、流速の高い高速部３８に多量の燃料を衝突させ、流速の落ちた高速部３８に衝突させる燃料を少量とすることが望ましい。本実施形態では、上述した通り、分割噴射される燃料の各回の燃料量が、この要求が満たされるように設定される。このため、本実施形態によれば、噴射された燃料の貫徹を十分に抑制することができ、成層燃焼に適した良好化状況を安定的に形成することができる。
【００９４】
［実施の形態２の制御］
図１３に示すルーチンは、ステップ１０６がステップ１１０〜１１４に置き換えられている点、及びステップ１０８がステップ１１６に置き換えられている点を除いて、図５に示すルーチンと同様である。ここでは、重複する説明を避け、主に本ルーチンに特有の箇所について説明する。
【００９５】
図１３に示すルーチンでは、ステップ１０２において成層条件の成立が認められた場合、次に、複数の噴射タイミングθａ、θｂ及びθｃ（θｃについては存在する場合のみ）が演算される（ステップ１１０）。本実施形態において、ＥＣＵ３４は、図１０及び図１１の傾向をマップ化した２次元マップを記憶している。また、ＥＣＵ３４は、実施の形態１の場合と同様に、成層燃焼が求められる幾つかの場面毎に、その２次元マップを有している。本ステップでは、図５に示すステップ１０６の場合と同様に、先ず、今回の成層燃焼の場面に対応する２次元マップが選択される。次いでそのマップから、現在のスロットル開度及びＴＣＶ開度に対応する複数の噴射タイミングθａ、θｂ及びθｃが決定される。本ステップの処理によれば、タンブル流３６の流速及び減衰に正確に対応した複数の噴射タイミングθａ、θｂ及びθｃを決定することができる。
【００９６】
上記の処理が終わると、次に、θａ、θｂ及びθｃの夫々の時点での高速部３８の流速が演算される（ステップ１１２）。本実施形態において、ＥＣＵ３４は、内燃機関１０の運転状態をパラメータとして、高速部３８の流速をクランク角との関係で定めたマップを記憶している。本ステップでは、このマップを参照することにより、θａ、θｂ及びθｃの夫々に対応する流速が演算される。
【００９７】
次に、分割して噴射される燃料の割合が演算される（ステップ１１４）。ここでは、具体的には、θａ、θｂ及びθｃの夫々に対応するものとして上記ステップ１１２において演算された高速部３８の流速の比が、そのままθａ、θｂ及びθｃの夫々における燃料噴射比となるように、各回の燃料割合が演算される。
【００９８】
図１３に示すルーチンでは、ステップ１０４又はステップ１１４の処理に続いて燃料噴射の処理が行われる（ステップ１１６）。本ステップの処理は、このステップがステップ１０４に続いて実行される場合は、図５に示すステップ１０８の場合と同様である。一方、本ステップが、ステップ１１４に次いで実行される場合には、以下の処理が行われる。
１．今回のサイクルで噴射すべき総燃料量を読み出す。
２．総燃料量に、上記ステップ１１４で演算した噴射割合を掛け合わせて、分割噴射の各回の燃料噴射量を算出する。
３．算出された各回の噴射量を、θａ、θｂ及びθｃのクランク角噴射タイミングにおいて筒内噴射弁１８に噴射させる。
【００９９】
上記の処理によれば、（１）一度に噴射される燃料が少量であること、（２）タンブル流の減衰によらず常に正確に燃料が高速部３８に衝突すること、並びに、（３）燃料の貫徹力（噴射量）が高速部３８の抑制力（流速）に応じて抑えられること、の３点により、燃料を効果的に点火プラグ１６の周辺に導くことが可能である。このため、本実施形態によれば、実施の形態１の場合に比して更に安定的に、点火プラグ１６の周辺に高濃度の混合気層が生成される状態を作り出すことができる。
【０１００】
［実施の形態２の変形例］
【０１０１】
上述した実施の形態２は、複数の噴射タイミングθａ、θｂ及びθｃを、スロットル開度とＴＣＶ開度とに基づいて設定している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、機関回転速度や、内燃機関１０が可変動弁機構を備えている場合には吸気弁２２の開弁タイミングを、噴射タイミングθａ、θｂ及びθｃに反映させることとしてもよい。
【０１０２】
図１４は、機関回転速度と、複数の燃料噴射タイミングθａ、θｂとの関係を示す。本実施形態の内燃機関１０では、機関回転速度が高いほど吸気の流速が早くなり、タンブル流が減衰し難い状態となる。このため、機関回転速度を噴射タイミングθａ、θｂに反映させる場合は、図１４に示すように、機関回転速度が高いほどθａとθｂとの間隔は短くなるように設定することになる。
【０１０３】
図１５は、吸気弁２２の開弁期間と、複数の燃料噴射タイミングθａ、θｂとの関係を示す。また、図１６は、吸気弁２２の開弁タイミングと、複数の燃料噴射タイミングθａ、θｂとの関係を示す。本実施形態の内燃機関１０では、吸気弁２２の開弁タイミング（開弁期間）が進角されるほど吸気の流速が早くなり、その結果タンブル流が減衰し難い状態となる。このため、吸気弁２２の開弁タイミング（開弁期間）を噴射タイミングθａ、θｂに反映させる場合は、図１５又は図１６に示すように、開弁タイミング（開弁期間）が進角されるほど、噴射タイミングθａとθｂとの間隔は短くなるように設定することになる。
【０１０４】
図１４に示す傾向、或いは図１５及び図１６に示す傾向は、θａ、θｂ及びθｃの演算に用いられるマップ又は関数式にそれらの傾向を反映させることにより、噴射タイミングθａ、θｂ及びθｃに反映させることができる。
【０１０５】
尚、上述した実施の形態２においては、実施の形態１の場合と同様に、ポート部分２１を含む吸気系構造の全体が、前記第１の発明における「タンブル発生機構」に相当する。
【０１０６】
実施の形態３．
［実施の形態３の構成］
次に、図１及び図１７乃至図２２を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態では、下記の点を除いて図１に示す構造と同様の構造を有する内燃機関が用いられる。便宜上、本実施形態の説明も図１を参照して行うこととし、内燃機関には符号１０を付することとする。
【０１０７】
内燃機関１０の気筒１２内に強いタンブル流が発生すると、その気流の影響で、気筒１２内の熱が冷損により失われ易くなる。本実施形態の内燃機関１０は、この冷損の低減を狙ってタンブル流を弱め、空間燃焼を狙った構成を有している。実施の形態１及び２では、吸気のポート部分２１が、強いタンブル流を発生するように形成されているが、本実施形態では、そのポート部分２１が、強いタンブル流を発生させない構成となっている。また、本実施形態では、吸気通路２０にＴＣＶ２４は備わっていないものとする。
【０１０８】
［実施の形態３の第１の特徴］  
本実施形態の内燃機関１０では、吸気行程の適切なタイミングで筒内噴射弁１８に燃料をプレ噴射させることにより、吸気の流速を増大させ、気筒１２内にタンブル流を発生させることができる。図１７左端の図形は、そのプレ噴射４８によって気筒１２内にタンブル流３６と、高速部３８が生成された状態を表している。
【０１０９】
プレ噴射４８によって生成されたタンブル流３６及び高速部３８は、実施の形態１又は２の場合に比して低速ではあるが、吸気圧縮行程の進行中に気筒１２内を縦方向に回転する。図１７右端の図形は、回転を続ける高速部３８が、ピストン１４上面を掠めて筒内噴射弁１８に向かい始める時点の状態を表している。また、この図形中に符号５０を付して示す白抜きの三角形は、この時点を噴射タイミングとして筒内噴射弁１８が行うメイン噴射のイメージを表している。
【０１１０】
上記の噴射タイミングでメイン噴射５０が実行されると、噴射された燃料はタンブル流３６の高速部３８に衝突する。その結果、実施の形態１又は２の場合と同様に、燃料が気筒１２の頂面付近に導かれ、点火プラグ１６の周辺に高濃度の混合気層が生成される。このため、本実施形態の内燃機関１０によれば、冷損低減を狙った構成を採用しながら、必要に応じて、成層燃焼に好適な状態を安定的に作り出すことができる。
【０１１１】
［プレ噴射とメイン噴射の割合］
図１８は、プレ噴射４８の割合と燃焼速度との関係（実線）、並びにプレ噴射の割合と達成される成層度との関係（破線）を示す。１サイクル中に噴射する燃料の総量は、内燃機関１０の状態に応じて決められるため、プレ噴射４８の割合が上がればメイン噴射５０の割合は下がる。このため、プレ噴射４８の割合は、燃焼速度及び成層度に、図１８に示すような影響を与える。
【０１１２】
内燃機関１０において実現するべき燃焼速度や成層度は、内燃機関１０の運転状態に応じて決定される。従って、内燃機関１０において実現するべきプレ噴射の割合も、図１８に示す関係から自ずと決定される。本実施形態において、ＥＣＵ３４には、そのようにして決定されるプレ噴射の割合が、内燃機関１０の運転状態との関係で記憶されている。ＥＣＵ３４は、成層燃焼による運転が求められる場合に、その関係を参照してプレ噴射の割合を決定する。
【０１１３】
［実施の形態３の第２の特徴］
図１９は、プレ噴射４８とメイン噴射５０のインターバルを定義するための図である。図１９に示すように、ここでは、プレ噴射４８の終了時からメイン噴射５０の開始時までを両者の「インターバル」とする。
【０１１４】
図２０は、プレ噴射４８の燃料量と上記のインターバルとの関係を示す。本実施形態において、プレ噴射４８は、タンブル流３６を促進するタイミングで行われる。従って、タンブル流３６の流速は、プレ噴射４８の燃料量が多いほど高くなる。そして、プレ噴射４８によって生じた高速部３８（図１７左端参照）が、ピストン１４上面を掠めて筒内噴射弁１８に向かう位相（図１７右端参照）に回転してくるまでの時間は、タンブル流３６の流速が早いほど短時間となる。このため、プレ噴射からメイン噴射までのインターバルは、図２０に示すように、プレ噴射４８の燃料量が多いほど短時間となる。
【０１１５】
尚、プレ噴射４８は、インターバルの後メイン噴射５０を行うことを前提として実行される。このため、そのインターバルは、筒内噴射弁１８の最小噴射期間taumin、即ち、筒内噴射弁１８の開閉に要する最小時間より短くすることはできない。一方、プレ噴射４８の燃料量は、インターバルが最小値に達する値以上には増やすことができない。このため、インターバルの最小値とプレ噴射の最大燃料量とは、最小噴射期間tauminとの関係で決められる。図２０には、参考のため、それらの関係を併記している。
【０１１６】
図２１は、プレ噴射４８の燃料割合と、メイン噴射５０の噴射タイミングとの関係を模式的に表した図である。図２１に示すように、本実施形態では、プレ噴射４８の燃料割合が大きいほど、メイン噴射５０の燃料量が少なくなり、かつ、メイン噴射５０の噴射タイミングが進角される。このような手法によれば、メイン噴射５０の燃料をタンブル流３６の高速部３８に正確に衝突させることができ、所望の成層度を実現するのに好適な状態を安定的に作り出すことができる。
【０１１７】
［実施の形態３の制御］
図２２に示すルーチンは、ステップ１０６がステップ１２０及び１２２に置き換えられている点、及びステップ１０８がステップ１２４に置き換えられている点を除いて、図５に示すルーチンと同様である。ここでは、重複する説明を避け、主に本ルーチンに特有の箇所について説明する。
【０１１８】
図２２に示すルーチンでは、ステップ１０２において成層条件の成立が認められた場合、次に、プレ噴射４８の燃料割合が演算される（ステップ１２０）。上述した通り、ＥＣＵ３４には、図１８に示す関係に基づいて、プレ噴射４８の噴射割合を内燃機関１０の運転状態との関係で定めたマップを記憶している。本ステップでは、そのマップに従って、現在の運転状態に適合するプレ噴射４８の噴射割合が算出される。
【０１１９】
次に、メイン噴射５０の噴射タイミングが演算される（ステップ１２２）。本実施形態において、ＥＣＵ３４は、図２１に示す傾向が反映されるように、メイン噴射５０の噴射タイミングをクランク角との関係で定めたマップを記憶している。本ステップ１２２では、このマップに従って、プレ噴射４８の噴射割合に対応するメイン噴射５０の噴射タイミングが決定される。この処理によれば、メイン噴射５０の噴射タイミングを、燃料を正確に高速部３８に衝突させることのできる時点に設定することができる。
【０１２０】
図２２に示すルーチンでは、ステップ１０４又はステップ１２２の処理に続いて燃料噴射の処理が行われる（ステップ１２４）。本ステップの処理は、このステップがステップ１０４に続いて実行される場合は、図５に示すステップ１０８の場合と同様である。一方、本ステップが、ステップ１２２に次いで実行される場合には、以下の処理が行われる。
１．今回のサイクルで噴射すべき総燃料量を読み出す。
２．総燃料量に、上記ステップ１２０で演算したプレ噴射４８の噴射割合を掛け合わせてプレ噴射４８の燃料量を算出する。
３．総燃料量からプレ噴射４８の噴射量を減じてメイン噴射５０の噴射量を算出する。
４．算出された各回の噴射量を、プレ噴射４８の噴射タイミング（固定）と、ステップ１２２で決定されたメイン噴射５０の噴射タイミングにおいて筒内噴射弁１８に噴射させる。
【０１２１】
以上の処理によれば、冷損の低減を狙った吸気系を有する内燃機関１０において、必要に応じて、成層燃焼の運転に必要な成層度を安定的に作り出すことができる。
【０１２２】
［実施の形態３の変形例］
上述した実施の形態３では、プレ噴射４８の噴射タイミングを特定のクランク角に固定することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、最も効率的にタンブル流を発生（促進）させることができるプレ噴射４８の噴射タイミングを内燃機関１０の運転状態との関係で予め定めており、その噴射タイミングを、内燃機関１０の運転状態に応じて適宜設定することとしてもよい。
【０１２３】
また、上述した実施の形態３では、吸気のポート部分２１に強いタンブル流を発生させないこととしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、プレ噴射４８によりタンブル流を発生（促進）させ、プレ噴射４８の噴射割合に応じてメイン噴射５０の噴射タイミングを定める思想は、実施の形態１又は２の構成と組み合わせて用いることとしてもよい。
【０１２４】
尚、上述した実施の形態３においては、筒内噴射弁１８と、筒内噴射弁１８にプレ噴射４８を実行させるＥＣＵ３４とが、前記第１の発明における「タンブル流発生機構」に相当している。
【０１２５】
［実施の形態１乃至３に共通の変形例］
上述した実施の形態１乃至３では、タンブル流が、吸気側で上昇し排気側で下降する正タンブル流とされている。しかしながら、本発明の適用が可能なタンブル流はこれに限定されるものではない。
【０１２６】
図２３は、気筒１２内に、吸気側で下降し排気側で上昇する逆タンブル流５２が発生しており、その逆タンブル流５２の高速部５４に、燃料が衝突している様子を表している。この図に示すように、本発明は、逆タンブル流５２を発生させる内燃機関に対しても適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１２７】
１０  内燃機関
１２  気筒
１６  点火プラグ
１８  筒内噴射弁
２１  ポート部分
２４  タンブル制御弁（ＴＣＶ）
２６  スロットル弁
３４  制御ユニット（ＥＣＵ）
３６；５２  タンブル流
３８；４４；５４  高速部
４２；４６  噴霧流動
４８  プレ噴射
５０  メイン噴射
θａ，θｂ，θｃ  噴射タイミング
【図１】
2016130495.tif 000003
【図２】
2016130495.tif 000004
【図３】
2016130495.tif 000005
【図４】
2016130495.tif 000006
【図５】
2016130495.tif 000007
【図６】
2016130495.tif 000008
【図７】
2016130495.tif 000009
【図８】
2016130495.tif 000010
【図９】
2016130495.tif 000011
【図１０】
2016130495.tif 000012
【図１１】
2016130495.tif 000013
【図１２】
2016130495.tif 000014
【図１３】
2016130495.tif 000015
【図１４】
2016130495.tif 000016
【図１５】
2016130495.tif 000017
【図１６】
2016130495.tif 000018
【図１７】
2016130495.tif 000019
【図１８】
2016130495.tif 000020
【図１９】
2016130495.tif 000021
【図２０】
2016130495.tif 000022
【図２１】
2016130495.tif 000023
【図２２】
2016130495.tif 000024
【図２３】
2016130495.tif 000025