(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、少なくとも圧縮行程中に燃料噴射を行う運転条件を持つ直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
圧縮行程中に燃料噴射を行う場合の要求燃料噴射量を、前記燃料噴射弁の特性から決定される最短閉弁期間以上の噴射間隔をあけた複数回の噴射により分割して噴射すると共に、初回の噴射に対し、２回目以降の噴射を、噴射特性が異なる噴射期間にて行わせる分割噴射制御手段と、
前記分割噴射制御手段により分割噴射を行う場合にその分割噴射回数を機関回転速度に応じて変化させる分割噴射回数可変手段と、を設けたことを特徴とする直噴火花点火式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、２回目以降の噴射を、初回の噴射に対し、噴霧角が小、噴霧速度が大となるように、短い噴射期間と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燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記分割噴射制御手段は、２回目以降の噴射による噴霧が初回の噴射による噴霧とほぼ同一時期に点火プラグ近傍に到達するように、噴射間隔を制御する噴射間隔制御手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式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による２回目以降の噴射による噴霧が点火プラグ近傍に到達する時期に点火プラグによる点火を行わせる点火時期制御手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
機関温度検出手段を備え、機関冷間時に、前記分割噴射制御手段による分割噴射を禁止する分割噴射禁止手段を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
前記分割噴射回数可変手段は、機関回転速度が低いほど分割噴射回数を多くす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】
本発明は、例えば自動車用ガソリン機関のような４サイクル型の直噴火花点火式内燃機関において、成層燃焼のための圧縮行程中の燃料噴射において、複数回の分割噴射により、所望の噴霧形態を得る燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直噴式火花点火機関の燃料噴射制御装置としては、（１）特開平１０−２８１０３９号公報、（２）特開平１０−３１８０９６号公報に記載のように、スワール式燃料噴射弁において、スワーラの構成により、単一の噴射中の初期に噴霧角（噴霧広がり角）の狭い噴霧速度（噴霧軸方向速度）の大きないわゆる初期噴霧を噴射し、その後噴霧角の広い噴霧速度の小さな中空（ホローコーン）状の主噴霧を噴射することで、複合噴霧を生成する技術がある。
【０００３】
また、（３）特開平９−１３３０６１号公報に記載のように、スワール式燃料噴射弁において、スワーラ下流側に燃料バイパス通路を設けて、機関運転条件に応じてスワーラを通過する燃料流量を可変とし、全負荷時には噴射率が大きく噴霧角が小さい噴霧を得、部分負荷時には噴射率が小さく噴霧角が大きい噴霧を得る、すなわち機関負荷に応じて噴射特性および噴霧特性を同時に変化させる技術がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の直噴式火花点火機関の燃料噴射制御装置は以上のように構成されているので、上記（１），（２）の公報の方式によれば、図３に示すような初期噴霧と中空状の主噴霧とにより、それぞれ噴霧先端部および噴霧外周部に噴霧液滴密度の高いすなわち濃度の高い混合気が形成されるが、噴霧中心部の混合気濃度は低くなる（リーン領域）。
【０００５】
従って、混合気をタンブル（縦渦）流動により点火プラグ近傍に輸送する形式の直噴火花点火式内燃機関に、この燃料噴射制御装置を適用した場合、図６に示すように、点火プラグ近傍の空燃比が適正範囲にある期間、すなわち点火可能期間は、噴霧先端部および外周部による混合気が点火プラグ近傍に存在する期間に対応し、その後に噴霧中心部の希薄な混合気が点火プラグ近傍に到達する時期には点火が困難となるため、結果として点火可能期間の長さが機関性能上不充分となる場合があった。
【０００６】
上記形式の課題を解決するには、中実（ソリッドコーン）状の噴霧を生成する必要がある。上記（３）の公報の方式によれば、噴射率と噴霧角とが関連して変化するため、中実状の噴霧を生成可能であるが、その場合には噴霧角が小さくなってしまう欠点があった。
【０００７】
つまり、前述の直噴火花点火式内燃機関にこの中実状の噴霧を適用すると、噴霧角が小さいため、点火プラグから噴霧までの距離が大きくなり、ガス流動による混合気の点火プラグ方向への輸送がなされ難い機関低回転時に、安定した燃焼が得られなくなる恐れがあった。
【０００８】
本発明は、このような実状に鑑み、噴霧角を変化させることなく、混合気分布を制御して、中実状の噴霧を生成することで、点火プラグ近傍での適正濃度混合気の存在時間を拡大し、機関燃焼安定性能を改善する直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、少なくとも圧縮行程中に燃料噴射を行う運転条件を持つ直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、圧縮行程中に燃料噴射を行う場合の要求燃料噴射量を、前記燃料噴射弁の特性から決定される最短閉弁期間以上の噴射間隔をあけた複数回の噴射により分割して噴射すると共に、初回の噴射に対し、２回目以降の噴射を、噴射特性が異なる噴射期間にて行わせる分割噴射制御手段と、前記分割噴射制御手段により分割噴射を行う場合にその分割噴射回数を機関回転速度に応じて変化させる分割噴射回数可変手段と、を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明では、前記分割噴射制御手段は、２回目以降の噴射を、初回の噴射に対し、噴霧角が小、噴霧速度が大となるように、短い噴射期間とすることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明では、前記分割噴射制御手段は、２回目以降の噴射による噴霧が初回の噴射による噴霧とほぼ同一時期に点火プラグ近傍に到達するように、噴射間隔を制御する噴射間隔制御手段を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明では、前記分割噴射制御手段による２回目以降の噴射による噴霧が点火プラグ近傍に到達する時期に点火プラグによる点火を行わせる点火時期制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明では、機関温度検出手段を備え、機関冷間時に、前記分割噴射制御手段による分割噴射を禁止する分割噴射禁止手段を設けたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、圧縮行程中に燃料噴射を行う場合の要求燃料噴射量を、燃料噴射弁の特性から決定される概略最短閉弁期間を挟んだ複数回の噴射により分割して噴射すると共に、初回の噴射に対し、２回目以降の噴射を、噴射特性が異なる噴射期間にて行わせることで、噴霧角を変化させることなく、中実状の噴霧を生成可能である。そして、混合気をタンブル流動により点火プラグ近傍に輸送する形式の直噴火花点火式内燃機関にこの燃料噴射制御装置を備えることで、中実状の噴霧により点火プラグ近傍での適正濃度混合気の存在時間を拡大し、機関燃焼安定性能を改善することができる。
また、分割噴射回数を機関回転速度に応じて変化させ、特に、タンブル流動強度が低下し、点火プラグ方向への混合気輸送がなされ難く、燃焼安定性が低下する場合がある機関低回転時には、多数回分割にして、噴霧の中実度合いを高めることで、燃焼安定性能を更に向上することができる。
【００１５】
請求項２に係る発明によれば、２回目以降の噴射を、初回の噴射に対し、噴霧角が小、噴霧速度が大となるように、短い噴射期間とすることで、すなわち、いわゆる初期噴霧を後半に噴射することで、噴霧角を変化させることなく、中実状の噴霧を確実に生成可能となる。
【００１７】
請求項３に係る発明によれば、２回目以降の噴射による噴霧が初回の噴射による噴霧とほぼ同一時期に点火プラグ近傍に到達するように、噴射間隔を制御することで、機関負荷により燃圧を変化させる場合においても、燃焼安定性能を向上し得る。
【００１８】
請求項４に係る発明によれば、２回目以降の噴射による噴霧が点火プラグ近傍に到達する時期に点火プラグによる点火を行わせることで、点火時期を最適化して、燃焼安定性能を更に向上し得る。
【００１９】
請求項５に係る発明によれば、機関壁面温度が高く、燃料の壁面付着が生じた場合にも燃焼性能への悪影響が少ない機関温間時にのみ分割噴射を行い、機関冷間時に分割噴射を禁止することで、壁面付着による燃焼の悪化を防止できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を直噴火花点火式内燃機関である４サイクル型の自動車用ガソリン機関に適用した実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１は本発明による直噴火花点火式内燃機関の側面断面図であり、圧縮行程における燃料噴射中の状態を示している。
図１において、１はシリンダヘッド、２はシリンダ、３はピストン、４は燃焼室、５は吸気ポート、６は排気ポートである。尚、吸気ポート５および排気ポート６は２本ずつ設けられる。
【００２２】
シリンダヘッド１には、燃焼室４の上側の略中心部に位置させて、点火プラグ７が取付けられると共に、２本の吸気ポート５，５間で下側寄りに位置させて、燃焼室４内に直接、点火プラグ７下方を指向して斜め下向きに、燃料を噴射するように、スワール式燃料噴射弁８が取付けられている。
【００２３】
ここにおいて、燃焼室４内には吸気ポート５の形状の作用により吸気行程中に吸入空気のタンブル（縦渦）流動が形成される。成層燃焼を行わせる場合、燃料噴射弁８は圧縮行程中に燃料噴霧を燃焼室４内（点火プラグ７下方）に噴射する。この時、燃料噴霧はタンブル流動により点火プラグ７方向に輸送され、点火プラグ７周囲に可燃混合気を層状に形成する。
【００２４】
次に本発明による混合気形成について更に詳しく説明する。
一般に、間欠的にスワール式燃料噴射弁から噴射される噴霧は、図２に示すように、噴射開始初期の噴霧角が小さく噴霧速度の高いいわゆる初期噴霧と、それに引き続く噴霧角が大きく噴霧速度の低い主噴霧と、により形成される。その結果、図３に示すように、噴霧の先端部および外周部に燃料が偏在し、中心部の混合気濃度が低い中空状の噴霧が形成される。
【００２５】
本発明では、図４のタイムチャートに示すように、圧縮行程中に燃料噴射を行う場合の要求燃料噴射量を、燃料噴射弁の特性により決定される概略最短閉弁期間τ２を挟んだ複数回の噴射により分割して噴射すると共に、初回の噴射に対し、２回目以降の噴射を、短い噴射期間として、燃料噴射弁の特性により決定される概略最短開弁期間τ１で行う。こうして、２回目以降の噴射を、初回の噴射に対し、噴霧角が小、噴霧速度が大となるようにする。
【００２６】
従って、初回の噴射は、噴射開始初期を除き、噴霧角が大、噴霧速度が小となり、２回目以降の噴射は、噴霧角が小、噴霧速度が大となるので、２回目以降に噴射された噴霧角が小さく噴霧速度の高いいわゆる初期噴霧（後噴射初期噴霧）は、初回に噴射された噴霧角が大きく噴霧速度の低い主噴霧中を進行し、全体の噴霧角は主噴霧とほぼ同一のまま、図５に模式的に示すような概略中実状の噴霧を形成する。
【００２７】
そして、タンブル流動により中実状の噴霧が連続的に点火プラグ方向に輸送されるため、図６に示すように、点火プラグ近傍の空燃比が適正範囲にある期間、すなわち点火可能期間は、噴霧先端部および外周部による混合気が点火プラグ近傍に存在する期間、および、その後の噴霧中心部による混合気が点火プラグ近傍に到達する期間を加えたものとなり、中空状の噴霧を用いた場合より長い期間となる。つまり、機関燃焼安定性能を改善することができる。
【００２８】
次に本発明による混合気形成のための制御について説明する。
図７は燃料噴射弁等の制御回路図である。
燃料噴射弁８の他、この燃料噴射弁８へ高圧燃料を供給するための燃料ポンプ９、および、点火プラグ７の作動は、エンジン制御用コントロールユニット（ＥＣＵ）１０により制御され、この制御のため、ＥＣＵ１０には、周知のクランク角センサ１１、気筒判別センサ１２、スロットルセンサ１３、空気量センサ１４、燃圧センサ１５、空燃比センサ１６、水温センサ１７等から信号が入力されている。
【００２９】
ＥＣＵ１０は、これら各種センサからの信号に基づき、機関回転速度と負荷に応じた要求燃料噴射量を計算し、燃料ポンプ９により要求燃圧を発生させ、噴射パルス信号により燃料噴射弁８を駆動して、燃料噴射を行わせ、また、点火信号により図示しない点火コイルを駆動し、点火プラグ７を放電させて点火を行うことで、機関を制御する。
【００３０】
図８は圧縮行程中に燃料噴射を行う成層燃焼運転条件での制御（主に燃料噴射制御）のフローチャートである。本フローが分割噴射制御手段に相当する。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、上記各種センサからの信号に基づいて、機関回転速度等の運転状態を検出する。
【００３１】
ステップ２では、検出された運転状態に基づいて、計算式やマップを用いて、燃料噴射量を計算する。
ステップ３では、この燃料噴射量と燃圧センサにより検出される燃圧とから、噴射パルス幅（全噴射期間）τを計算する。
【００３２】
ステップ４では、分割噴射（複数回噴射）を行うか、１回噴射を行うかを決定し、分割噴射モードの時はステップ５へ、１回噴射モードの時はステップ８へ進む。
【００３３】
ここで特に、水温センサ等の機関温度検出手段により機関の温度状態を検出し、機関壁面温度が高く、燃料の壁面付着が生じた場合にも燃焼性能への悪影響が少ない機関温間時にのみ分割噴射を行い、機関冷間時には分割噴射を行わないよう制御する。従って、この部分が分割噴射禁止手段に相当する。
【００３４】
ステップ５では、図９に示すようなテーブルを参照し、機関回転速度から後噴射回数Ｎ（２回目以降の噴射回数で、分割噴射回数−１）を決定する。この部分が分割噴射回数可変手段に相当する。
【００３５】
ここで、機関回転速度が低いほど、後噴射回数Ｎを多くする。すなわち、タンブル流動強度が低下し、点火プラグ方向への混合気輸送がなされ難く、燃焼安定性が低下する場合がある機関低回転時には、多数回分割にし、機関回転速度増加に従い分割回数を減ずるよう、図９のテーブルを構成する。このようにして、機関低回転時に多数回分割噴射により噴霧の中実度合いを高めることで、燃焼安定性能を更に向上することができる。
【００３６】
ステップ６では、全噴射期間τ、後噴射回数Ｎ、および後噴射（２回目以降の噴射）の噴射パルス幅τ１から、初回噴射の噴射パルス幅（主噴射期間）τ０を、τ０＝τ−Ｎ×τ１の関係式より、算出する。
【００３７】
尚、後噴射の噴射パルス幅τ１は、燃料噴射弁の特性により決定される概略最短開弁期間で、図２中に示すような初期噴霧が噴射される期間と略同一に設定される。
【００３８】
ステップ７では、噴射間隔τ２を決定する。ここで、噴射間隔τ２は燃料噴射弁の特性により決定される概略最短閉弁期間とするが、以下のように制御するとよい。
【００３９】
一般に燃焼室内に噴射された燃料は時間と共に分散し、成層化された混合気塊の周囲に過薄混合気が生成され、未燃炭化水素排出の原因となる。そのため、図１０に示すように、機関負荷により噴射期間が増大する高負荷ほど燃圧を高く設定し、噴射率を高めることで、過度の噴射期間増大を抑制する。
【００４０】
このように機関負荷により燃圧を変化させる場合において、噴射間隔τ２を制御することで、噴射後半に噴射された速度の大きな初期噴霧と主噴霧とがほぼ同一時期に点火プラグ下方に到達するよう処理を行う。具体的には、図１１に示すように燃圧上昇に応じて噴射間隔τ２を増加させるテーブルデータにより処理する。この部分が噴射間隔制御手段に相当する。
【００４１】
引き続き、ステップ８では、機関回転速度と負荷とにより燃料噴射時期を決定するマップデータにより、燃料噴射開始時期を計算する。
ステップ９では、点火時期を計算する。ここでの点火時期の計算に際しては、噴射後半に噴射され噴霧速度の大きい初期噴霧が点火プラグ近傍に到達する時期に点火を行うよう、マップデータを用いて点火時期を計算する。この部分が点火時期制御手段に相当する。
【００４２】
以上のように、燃料噴射弁の特性により決定される概略最短閉弁期間を挟んだ複数回の噴射により分割して噴射すると共に、２回目以降の噴射を燃料噴射弁の特性により決定される概略最短開弁期間で行い、いわゆる初期噴霧を後半に噴射することで、噴霧角を変化させることなく、中実状の噴霧を生成可能となり、混合気をタンブル流動により点火プラグ近傍に輸送する形式の直噴火花点火式内燃機関において、中実状の噴霧により点火プラグ近傍での適正濃度混合気の存在時間を拡大し、機関燃焼安定性能を改善することができる。
【００４３】
尚、本実施形態では、スワール式燃料噴射弁を用いた構成について説明したが、噴射初期とそれ以降とで噴霧特性が同様な変化を示す他の形式の燃料噴射弁を用いるよう構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示す直噴火花点火式内燃機関の側面断面図
【図２】  噴射開始からの時間と噴霧角度および噴霧速度との関係を示す図
【図３】  単一噴射の場合の噴霧形態を示す図
【図４】  分割噴射のタイムチャート
【図５】  分割噴射の場合の噴霧形態を示す図
【図６】  噴霧形態による適正空燃比範囲を示す図
【図７】  制御回路のブロック図
【図８】  燃料噴射制御のフローチャート
【図９】  後噴射回数の設定用テーブルを示す図
【図１０】  燃圧の設定用テーブルを示す図
【図１１】  噴射間隔の設定用テーブルを示す図
【符号の説明】
４    燃焼室
７    点火プラグ
８    燃料噴射弁
１０  ＥＣＵ
【図１】
0004055292.tif 000002
【図２】
0004055292.tif 000003
【図３】
0004055292.tif 000004
【図４】
0004055292.tif 000005
【図５】
0004055292.tif 000006
【図６】
0004055292.tif 000007
【図７】
0004055292.tif 000008
【図８】
0004055292.tif 000009
【図９】
0004055292.tif 000010
【図１０】
0004055292.tif 000011
【図１１】
0004055292.tif 000012