(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、
上記内燃機関が所定の高回転・高負荷域で運転しているときに、上記噴射弁による燃料噴射を複数回に分割して実行して、上記内燃機関の空燃比を理論空燃比近傍に制御する燃料噴射制御手段と、
上記高回転・高負荷域内の位置に応じて、上記燃料噴射制御手段による各燃料噴射の分割比を設定する分割比設定手段と
を備えたことを特徴とする筒内噴射型内燃機関。
【請求項２】
上記分割比設定手段にて設定された分割比に応じて点火時期を補正する点火時期補正手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項３】
上記燃料噴射制御手段は、機関の吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射を実行し、上記分割比設定手段は、全燃料噴射量に対する圧縮行程での燃料噴射量が占める割合として上記分割比を設定すると共に、機関回転速度又は機関負荷の少なくとも一方の増加に伴って上記分割比を増加設定することを特徴とする請求項１又は２記載の筒内噴射型内燃機関。
【請求項４】
上記分割比設定手段は、機関のノッキング状況に基づいて設定された下限値とスモークの発生状況に基づいて設定された上限値との間で上記分割比を設定することを特徴とする請求項３記載の筒内噴射型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型の内燃機関（以下、エンジンという）に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
一般にガソリンエンジンでは、高負荷域で燃焼温度の上昇に伴ってノッキングが発生し易くなるため、点火時期をリタードさせてノッキングを抑制する手法が採られている。このため必然的に排気温度が上昇することから、例えば特公昭６２−５４９７７号公報に記載のように、高負荷域で機関の空燃比をリッチ側に制御することで排気系等の温度上昇を防止する所謂燃料冷却が実施されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料冷却は燃費の点で好ましいものではなく、特に燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型ガソリンエンジンでは、層状燃焼によるリーン運転で低負荷域の燃費低減を図っても、高負荷域での燃費悪化によって燃費低減効果が低下してしまい、本来の利点を十分に生かせないという問題が生じていた。
【０００４】
そこで、特開平３−２３３２７号公報に記載の過給式ガソリン内燃機関のように、リーン領域でノッキングを発生し難いガソリンエンジンの特性を利用して、上記とは逆に高負荷域の空燃比をリーン側に制御してノッキングを抑制することも考えられるが、特に運転者が高出力を要求する高回転・高負荷域でリーン化による出力低下を引き起こしてしまうことから、適切な対策とは言い難かった。
【０００５】
本発明の目的は上記問題を鑑みて、出力低下を引き起こすことなく高負荷域の燃料冷却による燃費悪化を防止して、筒内噴射の燃費面での利点を十分に生かすことができる筒内噴射型内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、内燃機関が所定の高回転・高負荷域で運転しているときに、噴射弁による燃料噴射を複数回に分割して実行して、空燃比を理論空燃比近傍に制御する燃料噴射制御手段と、高回転・高負荷域内の位置に応じて、燃料噴射制御手段による各燃料噴射の分割比を設定する分割比設定手段とを備えたものである。従って、例えば燃料噴射制御手段による燃料噴射の分割を吸気と圧縮に分けた場合、先行する燃料噴射で希薄な混合気が生成され、その混合気中に比較的点火に近いタイミングで後続の燃料噴射が行われることから、後続の噴射燃料は前駆反応が進行して自己着火に至る以前に燃焼を開始し、且つ、その燃焼の輝炎により、先行する燃料噴射の混合気が燃焼して、輝炎の急冷で発生するスモークが防止される。そして、高回転・高負荷域内の位置に応じて各燃料噴射の分割比が設定されるため、領域内のどの位置でも自己着火の抑制とスモークの防止作用が奏されて、結果として空燃比をリッチ化して燃料冷却を実施することなく、理論空燃比を保持したままノッキングを抑制可能となる。
【０００７】
請求項２の発明では、請求項１において、分割比設定手段にて設定された分割比に応じて点火時期を補正する点火時期補正手段を備えたものである。従って、分割比に応じて点火時期が補正されるため、例えばノッキングを抑制できる範囲内で可能な限り点火時期を進角させて、運転者のアクセル操作に応じた良好な加速感を実現可能となる。
請求項３の発明では、請求項１又は２において、燃料噴射制御手段が、機関の吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射を実行し、分割比設定手段が、全燃料噴射量に対する圧縮行程での燃料噴射量が占める割合として分割比を設定すると共に、機関回転速度又は機関負荷の少なくとも一方の増加に伴って分割比を増加設定するものである。従って、機関回転速度又は機関負荷の少なくとも一方が増加してノッキングが発生し易くなるほど、分割比の増加に伴って圧縮行程での噴射割合が増加することから、ノッキングの抑制作用が増加して確実にノッキングを抑制可能となる。
請求項４の発明では、請求項３において、分割比設定手段が、機関のノッキング状況に基づいて設定された下限値とスモークの発生状況に基づいて設定された上限値との間で分割比を設定するものである。従って、ノッキング状況に基づく下限値とスモークの発生状況に基づく上限値との間で分割比が設定され、この分割比に従って吸気行程と圧縮行程とで燃料噴射が行われるため、ノッキングの抑制とスモークの防止とを両立可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をターボチャージャを備えた筒内噴射型エンジンに具体化した一実施例を説明する。
図１の全体構成図において、１は自動車用の筒内噴射型ガソリンエンジンであり、燃焼室５や吸気系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と共に電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられており、図示しない燃料ポンプから供給された高圧燃料が、燃料噴射弁４より燃焼室５内に直接噴射されるようになっている。シリンダヘッド２には吸気ポート６が略直立方向に形成され、この吸気ポート６には吸気通路７が接続されている。吸気通路７から取入れられた吸入空気は吸気弁８の開弁に伴い吸気ポート６を経て燃焼室５内に導入され、その吸入空気中に燃料噴射弁４から燃料が噴射されて、点火プラグ３の点火により燃焼する。
【０００９】
吸気通路７には、吸入空気量Ａfを検出するエアフローセンサ（ＡＦＳ）９、吸入空気を過給するターボチャージャ１０のコンプレッサ１１、コンプレッサ１１による過給で温度上昇した吸入空気を冷却するインタクーラ１２、ステップモータ１３により開閉駆動されて吸入空気量を調整するスロットルバルブ１４が設けられている。又、シリンダヘッド２には排気ポート１５が略水平方向に形成され、この排気ポート１５には排気通路１６が接続されている。燃焼後の排ガスは、排気弁１７の開弁に伴って排気ポート１５及び排気通路１６を経て大気中に排出される。排気通路１６には、前記コンプレッサ１１と同軸上に結合されて、排ガスにより回転駆動されるターボチャージャ１０のタービン１８、及び図示しない触媒や消音器が設けられている。
【００１０】
車室内には、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，ＢＵＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３１が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３１の入力側には、前記したエアフローセンサ９の他に、運転者によるアクセル操作量ＡＰＳを検出するアクセルセンサ３２、所定クランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサ３３、ターボチャージャ１０による過給圧Ｐbを検出する過給圧センサ３４が接続されている。又、ＥＣＵ３１の出力側には、前記した点火プラグ３及び燃料噴射弁４が接続されると共に、ＥＴＶ−ＣＵ（電子スロットルバルブ制御ユニット）３５が接続され、このＥＴＶ−ＣＵ３５には、前記したスロットルバルブ１４のステップモータ１３が接続されている。
【００１１】
ＥＣＵ３１は、各センサからの検出情報に基づいて、燃料噴射モード（後述するように、燃料噴射を行う行程を表す）、燃料噴射量、点火時期等を決定して、燃料噴射弁４と点火プラグ３を駆動制御する。又、ＥＣＵ３１はアクセルセンサ３２にて検出されたアクセル操作量等からスロットル開度θTHを決定してＥＴＶ−ＣＵ３５側に出力し、その情報に基づいてＥＴＶ−ＣＵ３５がステップモータ１３を駆動制御する。
【００１２】
次に、以上のように構成されたＥＣＵ３１が実行する燃料噴射制御を説明するが、それに先立って燃料噴射モードの設定について説明する。
筒内噴射型エンジン１では吸気行程のみならず圧縮行程でも燃料噴射可能なことから、燃料噴射モードを圧縮行程に設定して（以下、圧縮行程噴射という）、吸気ポート６から流入した逆タンブル流により点火プラグ３の周囲に理論空燃比近傍の混合気を確保した上で、全体として極めてリーンな空燃比（例えば、４０程度）で着火する層状燃焼を可能としている。この圧縮行程噴射では大量の吸気導入によるポンピングロスの低減と相俟って燃料消費を大幅に低減可能であり、本実施例のエンジン１では、図２に示すように低負荷域から中負荷域までの圧縮行程噴射を実施している。又、中負荷域から高負荷域にかけては、通常の吸気管噴射型エンジンと同様に吸気行程噴射を設定し、筒内に均一な混合気を形成して均一燃焼させることにより、ある程度のエンジントルクが保たれるように設定している。
【００１３】
加えて、本実施例のエンジン１では、従来はノッキングが発生し易く燃料冷却が実施されていた高回転・高負荷域（ハッチングで示す）で２段混合を併用している。２段混合はスモークを防止した上でノッキングを抑制することを目的として、圧縮行程より先行する吸気行程で予備的な燃料噴射を行う処理である。その原理を簡単に述べると、大半の燃料を点火直前の圧縮行程で噴射することにより、前駆反応が進行して自己着火に至る以前に燃焼を開始させてノッキングを抑制し、且つ、その燃焼の輝炎により、事前に吸気行程で生成された希薄な混合気を燃焼させることで、輝炎の急冷によって発生するスモークを防止するものである。
【００１４】
ここで、２段混合の実行時において、全噴射量に対し圧縮行程の噴射量が占める割合（以下、分割比Ｒという）を０％（全て吸気行程噴射）から１００％（全て圧縮行程噴射）まで変化させた場合、スモークの発生率及びノッキングを抑制した上で点火進角可能な限界進角量Ｋ1は、図３のように変化する。即ち、分割比Ｒが小の領域では、吸気行程での噴射燃料により輝炎の急冷を防止可能な空燃比が実現されるためスモーク発生率は低いものの、その吸気行程での燃料の前駆反応が進行してノッキングし易くなることから進角可能な限界を表す限界進角量Ｋ1は制限される。逆に分割比Ｒが大の領域では、ノッキングし難くなることから限界進角量Ｋ1を大きく設定可能であるが、吸気行程での噴射燃料による空燃比があまりにも希薄過ぎて燃焼しないためスモーク発生率が急増する。そして、図３にハッチングで示す中間域では、スモーク発生率と限界進角量Ｋ1とを共に満足可能な分割比Ｒ1〜Ｒ2が存在し、後述するように、２段混合ではこの領域内の分割比Ｒが適用される。
【００１５】
ＥＣＵ３１は図４に示すメインルーチンを所定の制御インターバルで実行する。まず、ステップＳ２で各センサからの検出情報を入力し、ステップＳ４でアクセルセンサ３２にて検出されたアクセル操作量ＡＰＳ、クランク角センサ３３からのクランク角信号から算出したエンジン回転速度Ｎe、過給圧センサ３４にて検出された過給圧Ｐb等から目標平均有効圧Ｐe（エンジン負荷を表す）を求め、その目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeに基づき、現在のエンジン１の運転状態が図２にハッチングで示した２段混合の領域内にあるか否かを判定する。
【００１６】
ステップＳ４の判定がＮＯ（否定）のときには、ステップＳ６に移行して分割比Ｒを１００％に設定し、ステップＳ８でその時点の目標平均有効圧Ｐeを達成すべく、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度θTH、図示しないＥＧＲバルブの開度等を制御した後、このルーチンを終了する。
又、前記ステップＳ４の判定がＹＥＳ（肯定）で、現在のエンジン１の運転状態が２段混合の領域内にあるときには、ステップＳ１０で領域内の位置に応じて分割比Ｒを決定する。詳述すると、図２の領域は予め矢印方向に無段階に区分されており、その区分方向に対応して図３の分割比Ｒが最小値Ｒ1から最大値Ｒ2まで設定されている。従って、矢印の基端に該当する領域では分割比Ｒとして最小値Ｒ1が設定され、エンジン回転速度Ｎeや目標平均有効圧Ｐeの増加に伴って運転状態が矢印の先端側に移行するほど分割比Ｒが増加設定されて、矢印の先端では分割比Ｒとして最大値Ｒ2が設定される。又、ステップＳ１０では決定した分割比Ｒに対応する限界進角量Ｋ1が設定されると共に、目標空燃比として理論空燃比が設定される。
【００１７】
その後、ステップＳ８でエンジン１の各種制御を実行するが、その際の燃料噴射制御では、前記ステップＳ１０で決定した分割比Ｒに基づいて２段混合を実施すると共に、その全体空燃比（吸気行程及び圧縮行程の総噴射量に基づく空燃比）を理論空燃比とすべく燃料噴射量を制御する。又、点火時期制御では、図３に示した特性に基づき、分割比Ｒに対応した限界進角量Ｋ1に基づいて点火進角する。そして、本実施例では、以上のステップＳ４、ステップＳ８、ステップＳ１０の処理を実行するときのＥＣＵ３１が燃料噴射制御手段として機能し、ステップＳ１０の処理を実行するときのＥＣＵ３１が分割比設定手段及び点火時期補正手段として機能する。
【００１８】
以上説明したＥＣＵ３１の処理により、燃料噴射制御は以下のように実施される。
エンジン１の運転状態が高回転・高負荷域以外（図２のハッチング外）のときには、運転状態に応じて吸気行程噴射又は圧縮行程噴射が実施され、これにより運転者のアクセル要求に応じたエンジン出力を確保した上で、燃費節減が図られる。
【００１９】
又、運転状態が高回転・高負荷域に移行すると、エンジン１の燃焼温度は上昇する。特にターボチャージャ１０を備えた本実施例のエンジン１では、この領域で過給圧Ｐbがオーバブースト値付近まで増加することから、燃焼温度が急激に上昇してノッキングを発生し易くなる。このとき、領域内の矢印方向の位置から設定された分割比Ｒに基づいて２段混合が実施されて、ノッキングを発生し難い燃焼状態が形成される。従って、従来例のように空燃比をリッチ化して燃料冷却を実施したり、或いは逆にノッキング抑制のためにリーン化したりすることなく、理論空燃比を保持したままノッキングを抑制でき、十分な動力性能を確保した上で高回転・高負荷域での燃料冷却による燃費悪化を防止して、筒内噴射の燃費面での利点を十分に生かすことができる。
【００２０】
しかも、高回転・高負荷域内では分割比Ｒに対応して限界進角量Ｋ1を設定して、ノッキングを抑制できる範囲内で可能な限り点火時期を進角させている。目標平均有効圧Ｐeやエンジン回転速度Ｎeの増加は、運転者の出力要求が高まることを意味するが、その要求に応じて点火進角によりエンジン出力が増加されることから、運転者のアクセル操作に応じた良好な加速感を実現することができる。
【００２１】
又、従来のようにノッキング抑制を目的に点火時期を大きく進角させる必要がなくなり、これに起因して発生していた排気温上昇の問題も解決できる。
以上で実施例の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施例では筒内噴射型エンジン１にターボチャージャ１０を備えたが、ターボチャージャ１０を備えない自然吸気の筒内噴射型エンジンとして具体化してもよい。又、上記実施例では、高回転・高負荷域内で目標平均有効圧Ｐeやエンジン回転速度Ｎeに応じて分割比Ｒと限界進角量Ｋ1を変更したが、これらの値を予め設定した固定値としてもよい。
【００２２】
更に、上記実施例では、高回転・高負荷領域でのノッキングを抑制するために、燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分割する２段混合を実施したが、同様のノッキング抑制作用が得られる制御内容であれば、その噴射タイミングや分割数等を変更してもよく、例えば、同一行程（吸気行程や圧縮行程）内で複数回に分割して燃料噴射を行ってもよい。
【００２３】
一方、点火直前に燃料を噴射する圧縮行程噴射では、高回転域において燃料霧化の時間的余裕が極めて短くなることから、エンジン１の仕様によっては安定した燃焼状態を維持できない状況もあり得る。そこで、例えば図２に示す所定回転速度Ｎemax以上の領域では２段混合を中止して、通常の吸気行程噴射で空燃比をリッチ化して燃料冷却を実施するようにしてもよい。この場合であっても、常用回転域では２段混合によって燃料冷却を廃止できるため、十分な燃費低減を達成できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、出力低下を引き起こすことなく高負荷域の燃料冷却による燃費悪化を防止して、筒内噴射の燃費面での利点を十分に生かすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の筒内噴射型エンジンを示す全体構成図である。
【図２】燃料噴射モードを決定するためのマップを示す説明図である。
【図３】分割比に対するスモーク発生率と限界進角量との関係を示す説明図である。
【図４】ＥＣＵが実行するメインルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
４    燃料噴射弁
３１  ＥＣＵ（燃料噴射制御手段、分割比設定手段、点火時期補正手段）
【図１】
0003758014.tif 000002
【図２】
0003758014.tif 000003
【図３】
0003758014.tif 000004
【図４】
0003758014.tif 000005