(57)【要約】    【課題】  成層燃焼により始動する際に、点火プラグ回りの空燃比を比較的長い時間範囲にわたって可燃状態に保ち、着火安定性を向上させる。    【解決手段】  燃料噴射弁６として、点火プラグ５を直接指向する噴霧Ｂ１とピストン冠面を指向する噴霧Ｂ２〜Ｂ５とを同時に噴射可能なマルチホール噴射弁を用いる。そして、始動時の圧縮行程噴射を複数回に分割して行う。これにより、１発目の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達する時期と、１発目の噴射のピストン冠面を指向する噴霧がピストン冠面により反射して点火プラグに到達する時期との間に、２発目以降の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達するようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の側部に燃料噴射弁を備え、始動時に、圧縮行程にて燃料を噴射し、点火プラグ近傍に混合気を成層化して成層燃焼を行わせる直噴火花点火式内燃機関において、
前記燃料噴射弁として、点火プラグを直接指向する噴霧とピストン冠面を指向する噴霧とを同時に噴射可能な燃料噴射弁を用いる一方、
始動時の圧縮行程噴射を複数回に分割して行うことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関。
【請求項２】
前記分割噴射は、１発目の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達する時期と、１発目の噴射のピストン冠面を指向する噴霧がピストン冠面により反射して点火プラグに到達する時期との間に、２発目以降の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達するように、行う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。
【請求項３】
前記分割噴射の噴射回数は、機関回転数に応じて設定す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。
【請求項４】
前記分割噴射の噴射回数は、初爆からファストアイドルまでの機関回転数を低、中、高に分け、低回転時に３回、中回転時に２回、高回転時に１回とすることを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項５】
前記分割噴射の各回の燃料噴射パルス幅が所定の最小パルス幅より小さくならないように、前記分割噴射の噴射回数を制限することを特徴とする請求項３又は請求項４記載の直噴火花点火式内燃機関。
【請求項６】
前記燃料噴射弁は、少なくとも１つの点火プラグを直接指向する噴孔と、少なくとも１つのピストン冠面を指向する噴孔とを有するマルチホール噴射弁であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関に関し、特に始動時の燃料噴射制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、直噴火花点火式内燃機関において、燃焼室の側部に燃料噴射弁を備え、圧縮行程にてピストン冠面に向けて燃料を噴射している。そして、気筒内壁に沿って上昇するタンブル流によって噴射燃料を点火プラグ近傍へ導き、点火時期において点火プラグ近傍に確実に可燃混合気を存在させるようにしている。また、必要量の燃料が多くなる高負荷時には、タンブル流を分断しないように、燃料噴射を複数回に分割している。
【特許文献１】特開２００４−１６２５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、始動時に成層燃焼を行わせる場合、クランキング後の初爆からファストアイドルまでのように、回転が急激に上昇し、かつ回転変動の大きな条件では、タンブル流による誘導のみでは、点火プラグ回りの混合気分布が安定せず、着火安定性、及び、燃焼安定性が悪化する恐れがある。
【０００４】
そこで、点火プラグを直接指向する噴霧とピストン冠面を指向する噴霧とを同時に噴射可能な燃料噴射弁を用い、点火プラグを直接指向する噴霧に点火することで着火安定性を向上させることが考えられているが、始動時のような極低回転の条件では、ピストン速度に対し噴霧速度が速く、噴霧が点火プラグをすぐに通りすぎてしまうなどの理由により、点火タイミングの設定が難しく、なお改善の余地がある。
【０００５】
本発明は、このような実状に鑑み、成層燃焼による安定した始動を可能とすべく、点火プラグ回りの空燃比を比較的長い時間範囲にわたって可燃状態に保つことができ、着火安定性及び燃焼安定性を向上させることができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明では、燃料噴射弁として、点火プラグを直接指向する噴霧とピストン冠面を指向する噴霧とを同時に噴射可能な燃料噴射弁を用い、始動時の圧縮行程噴射を複数回に分割して行う構成とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、分割噴射により、点火プラグを直接指向する噴霧が次々と点火プラグに到達し、更に、ピストン冠面を指向する噴霧もピストン冠面により反射して点火プラグに到達するので、点火プラグ回りの空燃比を長い時間範囲にわたって可燃状態に保つことができ、着火安定性及び燃焼安定性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す直噴火花点火式内燃機関の構成図である。
図１において、シリンダヘッド１とシリンダボア２とピストン３とにより、ペントルーフ型の燃焼室４が形成され、その上面中央部に点火プラグ５が配置されている。燃焼室４の側部（吸気側の側部）には、燃焼室４内に燃料を噴射する燃料噴射弁（インジェクタ）６が斜め下向きに配置されている。Ｃは燃料噴射弁中心軸（軸線）である。
【０００９】
燃料噴射弁６の先端面（平面又は半球面）には、図２に示すように、複数の噴孔Ａ１〜Ａ５が形成されている。
前記複数の噴孔Ａ１〜Ａ５は、円形の噴孔を燃料噴射弁の先端面に逆Ｖ字型に配列したものであり、逆Ｖ字の頂点に配置される噴孔Ａ１と、残りの４つの噴孔Ａ２〜Ａ５とに分けられる。
【００１０】
噴孔Ａ１は、燃料噴射弁中心軸Ｃに対し、上方向に大きく偏向して、ほぼ水平方向に、点火プラグ５を直接指向する噴霧（ビーム）Ｂ１を噴射する。
他の噴孔Ａ２〜Ａ５は、斜め下方に、ピストン３の冠面（詳しくはピストン冠面のキャビティ）を指向する噴霧Ｂ２〜Ｂ５を噴射する。
【００１１】
尚、ここでは、全噴孔数を５個としたが、これに限るものではない。また、点火プラグ５を直接指向する噴孔を複数としてもよい。
この内燃機関の運転モード（燃焼モード）には、均質運転モードと成層運転モードとがある。
【００１２】
均質運転モードでは、吸気行程にて燃料噴射弁６の燃料噴射を行い、点火プラグ５による点火時期までに、燃焼室４の全体に均質な混合気を形成することで、ストイキ又はリーン空燃比（Ａ／Ｆ＝２０〜３０）での均質燃焼を行わせる。
【００１３】
これに対し、成層運転モードでは、圧縮行程にて燃料噴射弁６の燃料噴射を行い、点火プラグ５の周囲に成層化された混合気塊を形成することで、全体として極めてリーンな空燃比（Ａ／Ｆ＝３０〜４０）で成層燃焼を行わせる。このとき、噴孔Ａ１からの点火プラグ５を直接指向する噴霧Ｂ１が点火プラグ回りに成層化されることはもちろん、噴孔Ａ２〜Ａ５からのピストン冠面を指向する噴霧Ｂ２〜Ｂ５は、ピストン冠面により反射され、また燃焼室内のタンブル流により誘導されて、点火プラグ５に向かい、点火プラグ５回りに成層化される。
【００１４】
ところで、始動時に成層燃焼を行う場合、言い換えれば、成層燃焼で始動して、始動時のＨＣ排出量の低減を図る場合、点火プラグ回りの空燃比を比較的長い時間範囲にわたって可燃状態に保つことが必要である。
【００１５】
図３は圧縮行程１回噴射の場合の点火プラグ回りの当量比（燃空比）の変化を示す図であり、低回転、中回転、高回転の場合について示している。
ここで、初爆からファストアイドルまでの機関回転数を低、中、高に分けて、低回転（例えば２００〜５００ｒｐｍ）、中回転（例えば５００〜８００ｒｐｍ）、高回転（例えば８００〜１２００ｒｐｍ）としている。
【００１６】
図３の最初の急峻な山は、点火プラグを直接指向する噴霧Ｂ１が点火プラグに到達したことによるもので、このとき着火限界（これ以下では着火しない当量比）φ１を超え、可燃状態（着火可能状態）となっている。また、２つめの大きな山は、ピストン冠面を指向する噴霧Ｂ２〜Ｂ５がピストン冠面により反射して点火プラグに到達したことによるもので、このときも着火限界φ１を超え、可燃状態（着火可能状態）となっている。
【００１７】
尚、２つめの山の立ち上がり時間が回転と共に上昇するのは（＝谷の幅が時間的に小さくなるのは）、回転上昇と共に燃圧が上がり、噴霧のペネトレーションが増大するためと、回転上昇による流動性アップとによる。
【００１８】
ところで、始動時のような極低回転の条件では、（１）ピストン速度に対し噴霧速度が速く、噴霧が点火プラグをすぐに通りすぎてしまう、（２）回転変動が大きい、（３）燃圧変動が大きい、等の理由により、点火プラグ回りの混合気分布が安定しない。それゆえ、ピストンを直接指向する噴霧が点火プラグに到達するタイミングにて点火するのは難しい。
【００１９】
従って、点火タイミングが相対的にばらついても、図３の点火プラグを直接指向して点火プラグに到達した噴霧による山と、ピストン冠面から反射して点火プラグに到達した噴霧による山との、いずれかに点火できるようにすればよいが、２つの山の間は、着火できない当量比である。
【００２０】
尚、図３中の両端矢印の横線は、低回転、中回転、高回転での点火プラグの一定の放電時間での放電期間（クランク角）を示したもので、一番上の横線が、低回転での放電期間、真ん中の横線が中回転での放電期間、一番下の横線が高回転での放電期間である。
【００２１】
これによると、低回転の場合は、山と山の間で放電が行われるとすると、最悪の条件では、放電時間を３倍にしないと確実な着火を望むことができない。
中回転の場合は、山と山との間で放電が行われるとすると、最悪の条件では、放電時間を２倍にしないと確実な着火を望むことができない。
【００２２】
高回転の場合は、山と山との間で放電が行われるとしても、通常の放電時間で、ぎりぎりで着火可能となる。
そこで本発明では、点火プラグを直接指向する噴霧とピストン冠面を指向する噴霧とを同時に噴射可能な燃料噴射弁６を用いる一方、始動時の圧縮行程噴射を複数回に分割して行う構成とする。
【００２３】
より具体的には、前記分割噴射は、１発目の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達する時期と、１発目の噴射のピストン冠面を指向する噴霧がピストン冠面により反射して点火プラグに到達する時期との間に、２発目以降の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達するように、行う。
【００２４】
また、前記分割噴射の噴射回数は、機関回転数に応じて設定し、初爆からファストアイドルまでの機関回転数を低、中、高に分けると、低回転時に３回、中回転時に２回、高回転時に１回（分割無し）とする。
【００２５】
図４は低回転時の３回噴射の場合の点火プラグ回りの当量比の変化を示す図である。
１発目の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達する時期と、１発目の噴射のピストン冠面を指向する噴霧がピストン冠面により反射して点火プラグに到達する時期との間に、２発目の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧と３発目の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧とが点火プラグに到達することで、点火プラグ回りの当量比が長い時間可燃状態に保たれ、着火が確実となる。
【００２６】
図５は中回転時の２回噴射の場合の点火プラグ回りの当量比の変化を示す図である。
１発目の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達する時期と、１発目の噴射のピストン冠面を指向する噴霧がピストン冠面により反射して点火プラグに到達する時期との間に、２発目の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達することで、点火プラグ回りの当量比が長い時間可燃状態に保たれ、着火が確実となる。この場合、一時的に当量比が着火限界φ１未満となるが、その期間は、放電時間より短く、最悪条件でも着火可能である。
【００２７】
図６は始動時の分割噴射のフローチャートである。
Ｓ１では、始動のため、内燃機関をクランキングする。
Ｓ２では、燃料噴射弁へ高圧燃料を供給する燃料蓄圧管（コモンレール）での燃圧を検出し、燃圧が所定値（圧縮行程噴射可能な噴射許可燃圧）以上か否かを判定し、燃圧＞所定値となった段階でＳ３へ進む。
【００２８】
Ｓ３では、機関回転数Ｎを検出し、しきい値ＮＬ、ＮＭ、ＮＦと比較して、初爆〜ファストアイドルの範囲での低回転（Ｎ＜ＮＬ）、中回転（ＮＬ＜Ｎ＜ＮＭ）、高回転（ＮＭ＜Ｎ＜ＮＦ）、更にファストアイドル回転数以上（Ｎ＞ＮＦ）のいずれであるかを判別する。
【００２９】
低回転（Ｎ＜ＮＬ）の場合は、Ｓ４へ進んで、３回噴射可能か否かを判定する。これは分割噴射の各回の燃料噴射パルス幅が所定の最小パルス幅より小さくならないように、分割噴射の噴射回数を制限するためである。
【００３０】
具体的には、成層始動時は、一定量の燃料を噴射するため、燃圧によって燃料噴射パルス幅Ｐｗを定めるので、最小パルス幅をＰｗmin とすると、Ｐｗ／３＞Ｐｗmin か否かを判定する。
【００３１】
この結果、３回噴射可能（Ｐｗ／３＞Ｐｗmin ）の場合は、Ｓ５へ進み、圧縮行程での３回噴射（分割噴射）を実行する。
尚、成層始動時の燃料噴射時期は、点火時期と共に、機関回転数に応じて設定し、高回転になるほど進角しているが、１回目の噴射時期は、これと同じにする。
【００３２】
２回目以降の噴射時期は、噴射間隔が最小の一定時間（Ｔmin ）となるように、機関回転数Ｎに基づいて、クランク角での噴射間隔ΔＣＡを次式により演算して、制御する。
ΔＣＡ[deg] ＝Ｎ×３６０÷６０×Ｔmin 
３回噴射不能（Ｐｗ／３＜Ｐｗmin ）の場合は、後述のＳ６へ進む。
【００３３】
中回転（ＮＬ＜Ｎ＜ＮＭ）の場合は、Ｓ６へ進んで、２回噴射可能か否かを判定する。これも分割噴射の各回の燃料噴射パルス幅が所定の最小パルス幅より小さくならないようにするためである。
【００３４】
具体的には、燃圧によって定められる燃料噴射パルス幅Ｐｗについて、最小パルス幅をＰｗmin とすると、Ｐｗ／２＞Ｐｗmin か否かを判定する。
この結果、２回噴射可能（Ｐｗ／２＞Ｐｗmin ）の場合は、Ｓ７へ進み、圧縮行程での２回噴射（分割噴射）を実行する。
【００３５】
２回噴射不能（Ｐｗ／２＜Ｐｗmin ）の場合は、後述のＳ８へ進む。
高回転（ＮＭ＜Ｎ＜ＮＦ）の場合は、Ｓ８へ進んで、圧縮行程での１回噴射を実行する。従って、分割噴射は行わない。
【００３６】
従って、クランキング後、初爆からファストアイドルまで、機関回転数の上昇に伴って、３回噴射→２回噴射→１回噴射を行う。
機関回転数がファストアイドル回転数以上（Ｎ＞ＮＦ）になった場合は、Ｓ３での判定により、本ルーチンを終了し、通常のファストアイドル制御へ移行する。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態によれば、点火プラグを直接指向する噴霧Ｂ１とピストン冠面を指向する噴霧Ｂ２〜Ｂ５とを同時に噴射可能な燃料噴射弁６を用いる一方、始動時の圧縮行程噴射を複数回に分割して行うことにより、特に、１発目の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達する時期と、１発目の噴射のピストン冠面を指向する噴霧がピストン冠面により反射して点火プラグに到達する時期との間に、２発目以降の噴射の点火プラグを直接指向する噴霧が点火プラグに到達するように、分割噴射を行うにより、点火プラグ回りの当量比を長い時間範囲にわたって可燃状態に保つことができ、着火安定性及び燃焼安定性を向上させることができる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、分割噴射の噴射回数は、機関回転数に応じて設定することにより、特に、初爆からファストアイドルまでの機関回転数を低、中、高に分け、低回転時に３回、中回転時に２回、高回転時に１回（分割無し）とすることにより、機関回転数の変化にかかわらず、所望の着火安定性を確保することができる。
【００３９】
また、本実施形態によれば、分割噴射の各回の燃料噴射パルス幅が所定の最小パルス幅より小さくならないように、分割噴射の噴射回数を制限することにより、噴射特性の悪化（パルス幅−噴射量特性の非直線領域の使用）を回避しつつ、着火安定性を確保することができる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、燃料噴射弁は、少なくとも１つの点火プラグを直接指向する噴孔Ａ１と、少なくとも１つのピストン冠面を指向する噴孔Ａ２〜Ａ５とを有するマルチホール噴射弁としている。このようなマルチホール噴射弁を用いることで、各噴孔によりそれぞれの指向性を決定できるため、いずれの方向に対しても所望の指向性を得ることができる。
【００４１】
しかし、本発明の適用範囲はマルチホール噴射弁に限るものではない。例えば、斜め下方に向けて中空円錐状の噴霧を噴射する燃料噴射弁を用い、その上縁側を点火プラグを直接指向する噴霧、下縁側をピストン冠面を指向する噴霧としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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構成図
【図２】燃料噴射弁の先端面の噴孔配置図
【図３】１回噴射の場合の点火プラグ回りの当量比の変化を示す図
【図４】低回転時の３回噴射の場合の点火プラグ回りの当量比の変化を示す図
【図５】中回転時の２回噴射の場合の点火プラグ回りの当量比の変化を示す図
【図６】始動時の分割噴射のフローチャート
【符号の説明】
【００４３】
１  シリンダヘッド
２  シリンダボア
３  ピストン
４  燃焼室
５  点火プラグ
６  燃料噴射弁（マルチホール噴射弁）
Ａ１〜Ａ５  噴孔
Ｂ１〜Ｂ５  噴霧（ビーム）
【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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