(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を有し、内燃機関の運転状態に応じて圧縮行程噴射モードと予混合燃焼を行う吸気行程噴射モードとを選択可能な筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置において、
内燃機関の始動完了状態を検出する始動完了検出手段と、
内燃機関の温度を検出する温度検出手段と、
前記始動完了検出手段により内燃機関の始動完了状態が検出され且つ前記温度検出手段により検出された温度が所定温度未満のとき、前記吸気行程噴射モードを選択し、燃料を吸気行程で複数回に分割して噴射するよう前記燃料噴射弁の駆動制御を行う燃料噴射制御手段と、
を備えたことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記燃料噴射制御手段は、前記複数回に分割する燃料の分割比を前記内燃機関の温度に応じて設定する分割比設定手段を含み、該分割比に基づいて前記燃料噴射弁を駆動制御することを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型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、筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置に係り、詳しくは筒内噴射型火花点火式内燃機関の始動時における燃料噴射制御技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
筒内噴射型火花点火式内燃機関は、シリンダ内に直接燃料を高圧で噴射可能な燃料噴射弁を備えており、内燃機関（エンジン）の運転状態に応じて燃料噴射モードを圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮行程噴射モードと吸気行程で燃料噴射を行う吸気行程噴射モードとに切換制御されている。そして、圧縮行程噴射モード、吸気行程噴射モードともに希薄空燃比（リーン空燃比）での運転が可能とされている。これにより、筒内噴射型火花点火式内燃機関では、特に圧縮行程噴射モードにおいて超希薄空燃比としながらもエンジン出力を適正に維持し且つ燃費の向上を図ることが可能となっている。
【０００３】
ところで、通常、エンジンが始動直後の状態にあるときには、温度が低く冷機状態にあることから、燃料が霧化し難い状態となっている。このように、燃料が霧化し難いと、燃料噴射から点火までの時間が極めて短い圧縮行程噴射モードでの燃料噴射は困難であり、故にこの場合には極力霧化時間の稼げる吸気行程噴射モードを選択するようにしている。また、この場合、確実に燃焼が行われるよう、燃料量を比較的多く噴射し、空燃比がややリッチになるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料量を多くすると、エンジン温度が低く、且つエンジン回転速度が小さく、つまり吸入空気量が少なく吸気流の遅い状況下では、吸気行程で燃料を噴射しても燃料の霧化は殆ど促進されず、燃料は比較的大きな粒状のまま燃焼室内を飛散することになる。燃料が大きな粒状のままとされると、高圧の燃料噴射圧の作用も相俟って燃料は慣性力が大きく、直進しようとする貫徹力が強くなり、燃料が燃料噴射弁に対向するシリンダ壁面に容易に付着してしまうことになる。そして、燃料がシリンダ壁面に付着すると、該付着した燃料が不完全燃焼等を起こし、スモークの発生原因となり好ましいことではない。
【０００５】
また一方において、スモークの発生を抑止することを目的として、エンジン回転速度が小さく低回転であるようなときには燃料を複数回に分割して噴射し、燃料を拡散させる技術が特開平７−１１９５０７号公報等に開示されているが、この技術はエンジン回転速度に応じて燃料噴射を制御するようなものであって、特にエンジン温度が影響するエンジン始動時のスモークの発生を考慮したものとはなっておらず、また、燃料のシリンダ壁面への付着防止を意識したものとはなっていない。
【０００６】
本発明は、上述した事情に基づきなされたもので、その目的とするところは、シリンダ壁面への燃料の付着を防止し、始動時におけるスモークの発生を確実に抑止可能な筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１の発明では、筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置において、内燃機関が始動完了状態にあり且つ内燃機関の温度が所定温度未満である場合には、吸気行程噴射モードを選択し、燃料を吸気行程で複数回に分割して噴射するので、内燃機関が始動直後であって暖機状態になく所謂冷機状態にあるような場合には、燃料が吸気行程で予混合燃焼可能に噴射されるとともに、燃料が複数回に分けて間欠的に噴射される。
【０００８】
故に、１回で噴射される燃料量が少なくされて噴射燃料が粒状の塊になり難くなり、燃料の微粒化、霧化が促進され、着火性のよい良好な燃焼が実現可能とされる。
また、１回で噴射される燃料量が少なくなることで、噴射燃料の慣性力が小さく、即ち貫徹力が弱くされることになり、燃料が燃料噴射弁と対向するシリンダの壁面にまで到達してしまうことがなくなり、シリンダの壁面に燃料が付着してしまうことが好適に防止される。これにより、シリンダの壁面に付着した燃料が不完全燃焼する等してスモークが発生することがなくなり、燃費の悪化が防止される。さらには、シリンダ壁面に塗布される作動油の燃料の付着による油膜切れが抑止され、内燃機関の焼き付きも防止される。
【０００９】
請求項２の発明では、複数回に分割する燃料の分割比が内燃機関の温度に応じて設定され、この分割比に基づいて燃料噴射弁が駆動制御されるので、分割される燃料が内燃機関の温度に応じてそれぞれ適量に設定されることになる。例えば、内燃機関の温度上昇に応じて第１回目の噴射燃料量を徐々に増加するようにすれば、内燃機関が冷機状態から暖機状態に移行し燃料の分割噴射を終了させたとしても燃焼制御が連続的に滑らかに継続可能とされ、燃焼状態が良好な状態のままに維持される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された筒内噴射型火花点火式内燃機関、即ち筒内噴射ガソリンエンジンの縦断面図及び制御装置の一実施形態を示す概略構成図が示されており、以下同図に基づき本発明に係る筒内噴射ガソリンエンジンの制御装置の構成を説明する。
【００１１】
符号１は自動車用の筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（以下、単にエンジンと記す）であり、燃焼室５や吸気装置等が筒内噴射専用に設計されている。エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に、点火プラグ３とともに電磁式の燃料噴射弁４がシリンダ６に対し斜めに取り付けられており、これにより燃焼室５内に燃料を直接噴射可能とされている。また、シリンダ６内を摺動して往復動するピストン７の頂面には、圧縮行程において燃料噴射弁４から噴射した燃料噴霧が上死点近傍で点火プラグ３に到達するよう半球状の窪み、即ちキャビティ８が形成されている。
【００１２】
動弁機構としてはＤＯＨＣ（ダブルオーバヘッドカム）型４弁式の機構が採用されており、シリンダヘッド２の上部には、吸排気弁９，１０をそれぞれ駆動するべく、吸気側カムシャフト１１と排気側カムシャフト１２とが回転自在に軸支されている。
シリンダヘッド２には、両カムシャフト１１，１２の間を抜けるようにして、略直立方向に延びて吸気ポート１３が形成されており、該吸気ポート１３を通過した吸気流が燃焼室５内で通常とは逆方向の逆タンブル流を生起可能とされている。排気ポート１４については、通常のエンジンと同様に略水平方向に形成されている。
【００１３】
図中符号１６は冷却水温（内燃機関の温度）Ｔw を検出する水温センサ（温度検出手段）であり、符号１７は各気筒の所定のクランク位置（本実施例では、５°BTDCおよび７５°BTDC）でクランク角信号ＳGTを出力するクランク角センサであり、クランク角のみならずエンジン回転速度Ｎeを検出可能とされている。尚、クランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフト１１には、気筒判別信号ＳGCを出力する気筒判別センサ（図示せず）が取り付けられており、これによりクランク角信号ＳGTがどの気筒のものか判別可能とされている。
【００１４】
なお、吸気ポート１３には、吸気マニホールド２１を介して、エアクリーナ、スロットルボディ、ステッパモータ式のアイドルスピードコントロールバルブ及びリニアソレノイド式で大型のエアバイパスバルブ等の設けられた吸気管が接続されているがここでは説明を省略する。
また、排気ポート１４には、Ｏ2 センサ４０が取付けられた排気マニホールド４１を介して、三元触媒やマフラー等を具えた排気管が接続されているがやはりここでは説明を省略する。
【００１５】
図中符号５０は、上記燃料噴射弁４に高圧の燃料を供給するための燃料供給ユニットであり、該燃料供給ユニット５０は、管路を介して燃料噴射弁４に接続される一方、燃料タンク５２に接続されている。詳しくは、燃料供給ユニット５０には、高圧燃料ポンプ５４が介装されており、当該高圧燃料ポンプ５４は、カムシャフト１２の端部に同期回転可能に連結されている。そして、この高圧燃料ポンプ５４により、高圧（例えば、５ＭＰａ）の燃料を燃料噴射弁４に供給可能となっている。なお、燃料供給ユニット５０には、図示しないが、高圧燃料ポンプ５４から吐出された燃料を所望の圧力に調圧する調圧弁等が設けられている。
【００１６】
車室内には、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）７０が設置されており、このＥＣＵ７０には図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等が備えられており、このＥＣＵ７０によりエンジン１の総合的な制御が行われる。
【００１７】
そして、ＥＣＵ７０の入力側には上述の水温センサ１６、クランク角センサ１７、Ｏ2 センサ４０等の各種センサ類が電気的に接続されており、一方、出力側には燃料噴射弁４、燃料供給ユニット５０等の各種駆動装置類が接続されている。
以下、このように構成された筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置の本発明に係る作用について説明する。
【００１８】
図２を参照すると、ＥＣＵ７０により実行される燃料噴射制御ルーチンのフローチャートが示されており、以下、該フローチャートに沿い本発明に係る燃料噴射制御の制御手順を説明する。
先ず、ステップＳ１０では、エンジン１が始動され始動完了状態にあるか否かを検出し判別する（始動完了検出手段）。具体的には、エンジン１が初爆から完爆状態となりエンジン回転速度Ｎeが極低速の所定値以上となっているか否かを検出し判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ１２に進む。
【００１９】
ステップＳ１２では、アイドル運転状態であるか否かを判別する。詳しくは、ここでは、エンジン回転速度Ｎeが所定のアイドル回転速度Ｎidであり、且つ、上記スロットルボディの開度、即ちスロットル開度θthがアイドル運転に対応した開度であるか否か等を判別する。または、アイドルスイッチを備えて該アイドルスイッチがオン状態であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）の場合には、ステップＳ１４に進む。
【００２０】
ステップＳ１４では、水温センサ１６からの情報に基づき、冷却水温Ｔwが所定値Ｔw0（例えば、５０℃）未満であるか否かを判別する。つまり、ここでは、エンジン１の暖機運転が完了しておらずエンジン１が冷機状態にあるか否かを判別する。
ステップＳ１４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、冷却水温Ｔwが所定値Ｔw0未満であり、エンジン１が例えば始動直後にして未だ冷機状態にある場合には、次にステップＳ１５に進む。
【００２１】
ステップＳ１５では、燃料噴射モードとして吸気行程噴射モード、即ち予混合燃焼モードを選択する。つまり、圧縮行程でなく吸気行程で燃料を噴射するようにする。
吸気行程噴射モードが選択されたら、次のステップＳ１６において、燃料噴射弁４から噴射する燃料量を設定する。通常、エンジンが冷機状態にある場合には、着火の確実性を重視して燃料を多少多めに噴射し、空燃比がややリッチな状態になるようにする。従って、ここでは、比較的多量の燃料量を設定することになる。詳しくは、燃料量は燃料噴射弁４の吐出圧と駆動時間で決定されるものであり、吐出圧一定のもとでは燃料量は燃料噴射弁４の駆動時間に比例して増加するものであるため、ここでは燃料噴射弁４の駆動時間を長く設定する。
【００２２】
ところで、燃料を吸気行程において高圧で多量に噴射することになると、前述したように、エンジン１が冷燃状態にある場合には、吸気流量が少なく且つ燃焼室５内が低温状態とされることから、燃料が霧化することなく比較的大きな粒状のまま燃焼室５内を飛散することになる。特に、上記のように燃料噴射弁４の駆動時間、即ち燃料噴射時間が長くなると、燃料の有する運動エネルギが大きくなり、燃料は大きな慣性力を保持し、即ち強い貫徹力を有した状態で燃焼室５内を直進することになり、燃料の大部分が燃料噴射弁４と対向するシリンダ６の壁面に付着することになる。このように燃料がシリンダ６の壁面に付着することは、燃料が霧化しないままに燃焼することを意味し、スモークの発生に繋がり好ましいことではない。
【００２３】
従って、本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置では、エンジン１が冷機状態にあって燃料を吸気行程において多量に噴射する場合には、燃料の噴射を複数回に分割して行い、これにより、１回の燃料噴射で噴射する燃料の噴射時間を短く燃料量を少なくして慣性力を小さく、即ち貫徹力を弱くするように図っている。
【００２４】
そこで先ず、上記のように燃料噴射を分割するにあたり、次のステップＳ１８において、先ず複数回に分ける燃料の燃料分割比γ（＝第１噴射量／全噴射量）を設定する。なお、ここでは、燃料噴射回数を第１噴射と第２噴射の２回とした場合を例に説明する。
燃料分割比γは、燃料噴射回数を例えば２回とした場合には、図３（ａ）に示すように予め設定されている。つまり、燃料分割比γは冷却水温Ｔwの変化に拘わらず所定値γ0（例えば、０．５、即ち第１噴射量と第２噴射量との比が１対１）に設定される。
【００２５】
より好ましくは、燃料分割比γは、図３（ｂ）に示すように、冷却水温Ｔwが所定値以上にまで上昇した後は、所定値γ0（例えば、０．５）から冷却水温Ｔwに比例して大きくなるよう設定するのがよい。つまり、冷却水温Ｔwが所定値以上に達した後は、全噴射量のうち先に噴射する第１噴射量を徐々に増加させ、後に噴射する第２噴射量を徐々に減少させ、連続的に通常の１回の燃料噴射に徐々に移行させるようにするのがよい。これにより、エンジン１の燃焼制御がより滑らかなものとされる。
【００２６】
燃料分割比γを設定したら、ステップＳ２０において、２回の燃料噴射の噴射間隔Intを設定する。噴射間隔Intは、図４に示すように、冷却水温Ｔwの変化に拘わらず所定値Int0（例えば、２msec）に設定されている。
次のステップＳ２２では、燃料の噴射終了時期Tendを設定する。この噴射終了時期Tendは、２回目の噴射、つまり第２噴射を終了するタイミングを意味しており、実際にはクランク位置で示されるものである。なお、噴射終了時期Tendは上記スロットル開度θthとエンジン回転速度Ｎeとに応じて決定される目標平均有効圧Ｐe、或いは、吸入空気流量Ｑaに応じて決定される充填効率ηvとエンジン回転速度Ｎeとに基づいて予め設定されたマップより読み出される。
【００２７】
そして、このように噴射終了時期Tendが設定されると、この噴射終了時期Tendから１回目の噴射、即ち第１噴射の開始タイミングが逆算により求められる。つまり、上記ステップＳ１６で求めた燃料量は上述したように燃料噴射弁４の吐出圧と駆動時間とに基づいて決定されるものであるため、燃料量が決まれば燃料噴射弁４の駆動時間が一義に決まることになり、故に、噴射終了時期Tendからこの燃料噴射弁４の駆動時間と上記噴射間隔Intとを逆算することで第１噴射の開始タイミングが求まるのである。
【００２８】
以上のようにして、燃料分割比γ、噴射間隔Int及び第１噴射の開始タイミングが求められたら、次のステップＳ２４において、分割噴射を実施する。つまり、上記各パラメータに基づいて燃料噴射弁４の開弁制御を行う。
図５を参照すると、吸気行程において上記制御に基づき燃料噴射を２回に分割して行った場合の燃料噴霧の様子が（ａ）乃至（ｃ）で示されており、以下同図に基づいて分割噴射を実施した場合の作用効果を説明する。
【００２９】
図（ａ）に示すように、ピストン７が上死点から下降を開始すると、先ず第１噴射が行われて燃料噴射弁４から燃料Ｆ1が噴射されることになる。そして、所定時間（例えば、２msec）が経過すると、図（ｂ）に示すように第２噴射が行われて燃料Ｆ2が噴射されることになる。しかしながら、このように分割して噴射された燃料Ｆ1，Ｆ2は、同図に示すように、それぞれ燃料量が比較的少なく、故に慣性力が小さく、即ち貫徹力が弱いものとなっている。従って、図（ｃ）に示すように、ピストン７が下死点にまで達して吸気行程が終了した時点においても、従来のように全燃料を１回で噴射した場合（破線で示す）と異なり、燃料Ｆ1，Ｆ2が燃料噴射弁４に対向するシリンダ６の壁面にまで達することはない。
【００３０】
即ち、上記のように燃料噴射を分割することで、シリンダ６の壁面に燃料が不用意に付着してしまうことが好適に防止されることになり、スモークの発生が良好に抑えられることとなるのである。
また、１回で噴射される燃料量が少なく、即ち貫徹力が弱いと、燃料は塊になり難く、燃料が霧化し易いことになる。従って、燃料噴射を分割すると、燃料の霧化促進という点でも極めて高い効果を奏することになる。つまり、図５（ｃ）中に示すように、第１噴射により噴射した燃料Ｆ1は、図（ｂ）の状態のときよりも微粒化が促進されて一様な燃料噴霧となり、着火性が向上するのである。
【００３１】
ところで、図２中の上記燃料噴射制御のステップＳ１０、ステップＳ１２及びステップＳ１４の判別結果がそれぞれ偽（Ｎｏ）であり、エンジン１が始動完了状態になく、またはアイドル運転状態になく、或いは冷却水温Ｔwが所定値Ｔw0（例えば、５０℃）以上であるような場合、即ちエンジン１が冷機状態にないような場合には、ステップＳ２６に進み、上記分割噴射を実施せず通常の燃料噴射制御を行う。つまり、燃料噴射回数を１回のみとする通常の燃料噴射制御を行う。
【００３２】
なお、このステップＳ２６で実行される通常の燃料噴射制御では、エンジン回転速度Ｎeと上記目標平均有効圧Ｐeとに応じて燃料噴射モードも切換え制御される。即ち、例えば、エンジン回転速度Ｎeが低く、目標平均有効圧Ｐeも低いような低負荷運転時には、圧縮行程噴射モードが選択されて圧縮行程で燃料噴射が行われるとともにリーン空燃比運転が行われる。また、中負荷運転時には、吸気行程噴射モードが選択されて吸気行程で燃料噴射が行われるとともにリーン空燃比運転が行われる。さらに、高負荷運転時には、吸気行程噴射モードが選択されて吸気行程で燃料噴射が行われるとともに主として理論空燃比運転が行われることになる。
【００３３】
以上、説明したように、本発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置では、エンジン１が冷機状態にあり、燃料を吸気行程において多量に噴射するような運転時には、燃料の噴射を複数回（例えば、２回）に分割して行い、１回の燃料噴射で噴射する燃料量を少なく燃料の慣性力を小さく、即ち貫徹力を弱くするようにしている。
【００３４】
従って、燃料が燃料噴射弁４に対向するシリンダ６の壁面に不用意に付着してしまうことがなくなり、エンジン１の始動時において、スモークの発生が抑止されるとともに燃費の悪化が好適に防止される。また、シリンダ６の壁面に燃料を付着させないことで、該壁面に塗布される潤滑油の燃料付着に伴う油膜切れを防止することができ、エンジン１の焼き付きを未然に防ぐこともできる。
【００３５】
さらに、１回で噴射される燃料量が少ないと燃料が塊になり難いことから、燃料噴射の分割によって燃料の微粒化の促進が図られ、やはりスモークの発生を抑止できるとともに着火性のよい燃焼効率の高い良好な燃焼を実現することができる。
また、当該吸気行程噴射モードでの燃料の分割噴射の実施によって冷却水温Ｔwが上昇し、該冷却水温Ｔwが圧縮行程噴射モードでの希薄空燃比（リーン空燃比）運転が可能な温度に達した後、燃料噴射モードを吸気行程噴射モードから圧縮行程噴射モードに移行するようにすれば、さらに燃費が向上する。
【００３６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明に係る請求項１の筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置によれば、内燃機関が始動完了状態にあり且つ所定温度未満であるような冷機状態の場合には、吸気行程噴射モードを選択し、燃料を吸気行程で複数回に分割して噴射するので、１回で噴射される燃料量を少なくして燃料の慣性力を小さく、即ち貫徹力を弱くでき、シリンダの壁面に燃料が付着してしまうことを好適に防止できる。
【００３７】
従って、内燃機関始動時において、シリンダの壁面に付着した燃料の不完全燃焼等によるスモークの発生、燃費の悪化を好適に防止でき、また、１回で噴射される燃料量が少なく燃料が粒状の塊になり難いことから、燃料の微粒化、霧化を促進でき、着火性のよい良好な燃焼を実現することができる。
また、請求項２の筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置によれば、分割される燃料を内燃機関の温度に応じてそれぞれ適量に設定でき、例えば、内燃機関の温度上昇に応じて第１回目の噴射燃料量を徐々に増加するようにすれば、内燃機関が冷機状態から暖機状態に移行して燃料の分割噴射が終了したとしても燃焼制御を連続的に滑らかに継続でき、燃焼状態を好適に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】筒内噴射ガソリンエンジンの縦断面図及びその制御装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る燃料噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】冷却水温Ｔwと燃料の分割比γとの関係を示すグラフである。
【図４】冷却水温Ｔwと噴射間隔Intとの関係を示すグラフである。
【図５】燃焼室内の燃料の状態変化を示す図であって、図３のフローチャートの実行結果を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン（内燃機関）
４  燃料噴射弁
５  燃焼室
６  シリンダ
７  ピストン
１３  吸気ポート
１６  水温センサ（温度検出手段）
１７  クランク角センサ
５０  燃料供給ユニット
５２  燃料タンク
５４  高圧燃料ポンプ
７０  電子コントロールユニット（ＥＣＵ）
【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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