(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
を備え、
所定運転域での圧縮行程で燃料噴射弁を開弁させる燃料噴射パルス信号を出力し、成層燃焼を行わせる筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、
２つの点火コイルを１つの点火プラグに並列に接続し、
点火時期が近接する２つの点火信号を独立に作り、このうち点火時期の早い側の点火信号で一方の点火コイルの１次側電流を遮断して１回目の点火を行い、点火時期の遅い側の点火信号でもう一つの点火コイルの１次側電流を遮断して２回目の点火を行う構成とし、  圧縮行程でシリンダ内に噴射された燃料噴霧が作る混合気塊の先端が点火プラグ近傍にやってきたとき１回目の点火を行い、後からやってくる混合気に対して２回目の点火を行う
ことを特徴とする筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置。
【請求項２】
燃料噴射弁により噴射された燃料噴霧が点火プラグ周りに作る混合気塊の状態により点火間隔を変化させることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置。
【請求項３】
燃料噴射パルス信号の燃料噴射パルス幅に応じて点火間隔を設定することを特徴とする請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置。
【請求項４】
点火間隔に上限値を設定し、この上限値以上に点火間隔を広げないことを特徴とする請求項２または３に記載の筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置。
【請求項５】
シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
を備え、
所定運転域での圧縮行程で燃料噴射弁を開弁させる燃料噴射パルス信号を出力し、成層燃焼を行わせる筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、
２つの点火コイルを１つの点火プラグに並列に接続し、
燃料噴射弁により噴射された燃料噴霧が点火プラグ近傍に作る混合気塊の状態により１回点火と２回点火とを選択的に切換え、
２回点火に切換えたときには点火時期が近接する２つの点火信号を独立に作り、このうち点火時期の早い側の点火信号で一方の点火コイルの１次側電流を遮断して１回目の点火を行い、点火時期の遅い側の点火信号でもう一つの点火コイルの１次側電流を遮断して２回目の点火を行い、
１回点火に切換えたときには１つの点火信号を作り、いずれかの点火コイルの一次側電流を遮断して点火を行う構成とし、
前記２回点火に切換えたときに圧縮行程でシリンダ内に噴射された燃料噴霧が作る混合気塊の先端が点火プラグ近傍にやってきたとき１回目の点火を行い、後からやってくる混合気に対して２回目の点火を行う
ことを特徴とする筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置。
【請求項６】
燃料噴霧が作る混合気塊が長い状態で点火プラグ近傍に到達する場合に２回点火を、これに対して燃料噴霧が作る混合気塊が丸まった状態で点火プラグ近傍に到達する場合に１回点火を選択することを特徴とする請求項５に記載の筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置。
【請求項７】
混合気塊が長い状態で点火プラグ近傍に到達する場合は、燃料噴射弁より噴射された燃料がその燃料噴霧の貫徹力により点火プラグ近傍に到達する場合であることを特徴とする請求項６に記載の筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置。
【請求項８】
混合気塊が丸まった状態で点火プラグ近傍に到達する場合は、吸気ポートからシリンダに流入する吸気によりシリンダ内に生じるガス流動の助けを借りて、燃料噴射弁より噴射された燃料が点火プラグ近傍へと輸送される場合であることを特徴とする請求項６に記載の筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は筒内直噴式火花点火エンジンの点火時期制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内直噴式火花点火エンジンでは一般に所定運転域で成層燃焼運転を行うが、成層燃焼域においては、筒内（燃焼室内）のガス流動などを利用して燃料噴射弁より圧縮行程で燃焼室内に直接噴射された燃料の噴霧を点火プラグ近傍へと導いて着火するとともに、近接２回点火により放電期間を長くして成層燃焼を安定させようとするものがある（特開平９−１１２３９８号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、従来装置では点火コイルを１つしか備えていないので、１回目の点火による放電の後にいったん放電を中止し点火コイルに再び電磁エネルギが充電されるのを待たないと２回目の点火による放電を行わせることができない。すなわち、近接２回点火による放電期間の間に非放電期間が発生して点火エネルギの供給が止まり、この間着火の機会を失う。
【０００４】
また、２回目の点火のためにいったん放電を中止して点火コイルに電磁エネルギを充電しなければならない、つまり途中充電期間が生じるので、１回目の点火と２回目の点火の間隔（この点火の間隔を以下単に「点火間隔」という）をこの途中充電期間より短くすることができない。特に途中充電期間が長引いて点火間隔が広くなるときには１回目の点火に失敗して２回目の点火により着火する場合に着火時期が大きく遅れ、着火時期の遅れは熱発生率のピークを遅らせるので、熱発生をエンジントルクとして取り出すことができないこともあり得る。
【０００５】
一方、点火エネルギーを大きくすることが成層燃焼の安定性に寄与する。このため、従来装置で点火エネルギを大きくしようとすると、点火コイルの１次側、２次側の各インダクタンスを大きくしなければならないが、インダクタンスを大きくしたのでは、点火間隔を拡大させてしまう。
【０００６】
このように、従来装置によれば、非放電期間（途中充電期間）で着火の機会が失われること、点火間隔を詰めることができないこと、点火エネルギを増加させようとすれば点火間隔に影響与えてしまうことなどの問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、２つの点火コイルを１つの点火プラグに並列に接続し、点火時期が近接する２つの点火信号を独立に作り、このうち点火時期の早い側の点火信号で一方の点火コイルの１次側電流を遮断して１回目の点火を行い、点火時期の遅い側の点火信号でもう一つの点火コイルの１次側電流を遮断して２回目の点火を行う構成とすることにより、近接２回点火を行う場合に非放電期間を無くして着火の機会を増やすこと、点火間隔を自在に設定可能とすること、あわせて点火エネルギの増大にも寄与させることを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、所定運転域（成層燃焼域）での圧縮行程で燃料噴射弁を開弁させる燃料噴射パルス信号を出力し、成層燃焼を行わせる筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、２つの点火コイルを１つの点火プラグに並列に接続し、点火時期が近接する２つの点火信号を独立に作り、このうち点火時期の早い側の点火信号で一方の点火コイルの１次側電流を遮断して１回目の点火を行い、点火時期の遅い側の点火信号でもう一つの点火コイルの１次側電流を遮断して２回目の点火を行う構成とし、圧縮行程でシリンダ内に噴射された燃料噴霧が作る混合気塊の先端が点火プラグ近傍にやってきたとき１回目の点火を行い、後からやってくる混合気に対して２回目の点火を行う。
【０００９】
第２の発明では、第１の発明において燃料噴射弁により噴射された燃料噴霧が点火プラグ周りに作る混合気塊の状態により点火間隔を変化させる。
【００１０】
第３の発明では、第２の発明において燃料噴射パルス信号の燃料噴射パルス幅に応じて点火間隔を設定する（燃料噴射パルス幅が短いときには点火間隔を狭く、逆に長いときには点火間隔を長くする）。
【００１１】
第４の発明では、第２または第３の発明において点火間隔に上限値を設定し、この上限値以上に点火間隔を広げない。
【００１２】
第５の発明は、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、所定運転域（成層燃焼域）での圧縮行程で燃料噴射弁を開弁させる燃料噴射パルス信号を出力し、成層燃焼を行わせる筒内直噴式火花点火エンジンにおいて、２つの点火コイルを１つの点火プラグに並列に接続し、燃料噴射弁により噴射された燃料噴霧が点火プラグ近傍に作る混合気塊の状態により１回点火と２回点火とを選択的に切換え、２回点火に切換えたときには点火時期が近接する２つの点火信号を独立に作り、このうち点火時期の早い側の点火信号で一方の点火コイルの１次側電流を遮断して１回目の点火を行い、点火時期の遅い側の点火信号でもう一つの点火コイルの１次側電流を遮断して２回目の点火を行い、１回点火に切換えたときには１つの点火信号を作り、いずれかの点火コイルの一次側電流を遮断して点火を行う構成とし、前記２回点火に切換えたときに圧縮行程でシリンダ内に噴射された燃料噴霧が作る混合気塊の先端が点火プラグ近傍にやってきたとき１回目の点火を行い、後からやってくる混合気に対して２回目の点火を行う。
【００１３】
第６の発明では、第５の発明において燃料噴霧が作る混合気塊が長い状態で点火プラグ近傍に到達する場合に２回点火を、これに対して燃料噴霧が作る混合気塊が丸まった状態で点火プラグ近傍に到達する場合に１回点火を選択する。
【００１４】
第７の発明では、第６の発明において混合気塊が長い状態で点火プラグ近傍に到達する場合が、燃料噴射弁より噴射された燃料がその燃料噴霧の貫徹力により点火プラグ近傍に到達する場合である。
【００１５】
第８の発明では、第６の発明において混合気塊が丸まった状態で点火プラグ近傍に到達する場合が、吸気ポートからシリンダに流入する吸気によりシリンダ内に生じるガス流動の助けを借りて、燃料噴射弁より噴射された燃料が点火プラグ近傍へと輸送される場合である。
【００１６】
【発明の効果】
第１の発明によれば、１つの点火プラグに対して２つの点火コイルを並列に備えるので、点火時期が近接する１回目の点火と２回目の点火の間で非放電期間が発生しないようにすることが可能となり、着火機会が増加する。また、２回目の点火からは２つの点火コイルからの点火エネルギが合わさって供給されるので、２回目の点火時期より点火エネルギが増大される。
【００１７】
このように、着火機会の増加により不安定な混合気場での燃焼である成層燃焼の安定性の悪化が防止され、また着火エネルギの増大によりリーン雰囲気での着火性が改善される。
【００１８】
さらに２つの点火コイルを独立に制御するので、点火間隔が狭い場合を含めて点火間隔を自在に設定することができる。
【００１９】
第２、第３の発明によれば、点火プラグ近傍に作る混合気塊の状態に応じて着火の機会を最適に与えることができる。たとえば、燃料噴射パルス幅は燃料噴射弁の開弁時間であるため燃料噴射パルス幅が長くなるとき、燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧が作る混合気塊も長くなる。長くなった混合気塊が点火プラグを通過する状態を考え、この混合気塊の先端が点火プラグ近傍にやってきたとき１回目の点火を行い、１回目の点火による着火に失敗したあとすぐ続けて２回目の点火を行うと、遅れてやってくる混合気に対して着火の機会を逃す。したがって、長い混合気塊のときには２回目の点火を遅らせたほうが、後からやってくる混合気に対しての着火の可能性が高まる。すなわち、長い混合気塊のときには短い混合気塊のときより点火間隔を広げることで長い混合気塊のときに最適な着火の機会が与えられる。
【００２０】
点火間隔が広がるほど１回目の点火による着火に失敗した後の２回目の点火による着火の時期が大幅に遅れ、着火時期の遅れは熱発生率のピークを遅らせるので、熱発生をエンジントルクとして取り出すことができないことがあり得るのであるが、第４の発明によれば、例えば熱発生をエンジントルクとして取り出すことができる最大の点火間隔を上限値として設定しておくことで、燃焼そのものは安定していてもその熱発生よりエンジントルクを取り出せない事態を避けることができる。
【００２１】
混合気塊は長いまま点火プラグ近傍へと到達するほか、ガス流動の助けがあれば丸まった状態で点火プラグに到達する。この丸まった状態では２回点火するまでもなく１回点火で十分着火可能となる。第５、第６、第７、第８の発明では、混合気塊が長い状態で点火プラグ近傍へと到達する場合に２回点火を、これに対して混合気塊が丸まった状態で点火プラグに到達する場合に１回点火を選択させることで、燃料噴霧が点火プラグ近傍に作る混合気塊の状態に応じた過不足のない点火が可能となる。点火プラグの耐摩耗性や点火コイルの発熱等の観点から常時２回点火とするのでは耐久性の低下や仕様の向上によるコストアップを伴うのであるが、２回点火を行うまでもないときに１回点火に切換えることで、これらの懸案を解消できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１に示すように、シリンダヘッド２と、シリンダブロック３に形成されるシリンダ４と、このシリンダ４を摺動するピストン５との間に燃焼室６が画成される。点火プラグ７が燃焼室中央部に臨み、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁には２本の吸気ポート８ａ、８ｂと２本の排気ポート９ａ、９ｂが点火プラグ７を挟むようにして互いに対向して設けられる。１０ａ、１０ｂは吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部を開閉するための吸気バルブ、１１ａ、１１ｂは排気ポート９ａ、９ｂの燃焼室６への開口部を開閉するための排気バルブである。
【００２４】
燃焼室天井壁にはその側部から燃焼室６に臨む燃料噴射弁１２が設けられる。燃料噴射弁１２は各吸気弁１０ａ、１０ｂの側方で、かつ各吸気ポート８ａ、８ｂの間に位置して燃焼室６に臨んでいる。
【００２５】
燃料噴射弁１２から所定のタイミングで燃焼室６に噴射される燃料噴霧は、各吸気バルブ１０ａ、１０ｂが開かれるのに伴って吸気ポート８ａ、８ｂからシリンダ４に吸入される空気と混合する。シリンダ４に形成された混合気はピストン５で圧縮された状態で点火プラグ７を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン５を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン５が上昇する排気行程中に排気バルブ１１ａ、１１ｂが開かれるのに伴って各排気ポート９ａ、９ｂから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００２６】
本実施形態において、各吸気ポート８ａ、８ｂに均等に分流してシリンダ４内に流入する吸気流は、吸気ポート８ａ、８ｂの途中にあるタンブルコントロールバルブ１３が閉じられるときには図１（ａ）において各吸気ポート８ａ、８ｂの上側半分からのみ吸気が流入することになって吸気の流速が早まり、高回転速度域や高負荷域でなくとも図２（ａ）矢印で示すように、ピストン５の冠部上でシリンダ４中心線と直交する軸を中心に旋回するタンブルが十分な強さで生起する。なお、図１において５ａはタンブルを助長するためにピストン冠面に形成される浅皿状のキャビティである。図２（ｂ）ではタンブルがキャビティ５ａ底から広がりながら上昇するように描かれているが、これは縦方向の渦流であるタンブルを見やすくしたにすぎず、実際のタンブルがこのように傾いて発生するものでない。
【００２７】
燃料噴射弁１２の燃料噴射方向はタンブルの吸気流れ方向と略同一方向に設定される。図２に示すように、燃料噴射弁１２から噴射される燃料噴霧は、燃料噴射弁１２の中心線を中心とする円錐状に広がる。上記のタンブルによって燃料噴射弁２１より噴射された燃料噴霧は、点火プラグ７のある方向に導かれ、その過程で着火可能な混合気塊を形成する。そして、点火プラグ７近傍に達したこの混合気塊に対して点火を行うことで、安定した成層燃焼運転が可能になる。
【００２８】
これに対して、高回転速度域や高負荷域になると、タンブルコントロールバルブ１３を開いた状態でも燃焼室６内にタンブルが発生するため、タンブルコントロールバルブ２５を開いた状態とし、燃焼室６内にタンブルを作りながら吸気行程で燃料を噴射することにより、燃焼室６全体に均質な混合気を生成し、これによって均質燃焼運転を行う。つまり、図３に示すように、低回転速度側かつ低負荷側の所定運転域が成層燃焼域（成層燃焼で運転する領域）であり、これを超える回転速度や負荷の領域が均質燃焼域（均質燃焼で運転する領域）となる。
【００２９】
燃料噴射弁１２はその開弁時期（燃料噴射時期）と開弁期間（燃料噴射量）が図４に示すように、アクセル開度センサ１６からのアクセル開度（エンジン負荷相当）の信号、クランク角センサ１７からの基準位置の信号（点火時期や燃料噴射時期を制御するための信号となる）やクランク角１°毎の信号等が入力されるコントロールユニット１５により運転状態に応じて制御される。コントロールユニット１５は、演算された燃料噴射量に対応する噴射パルス信号を燃料噴射弁１２の駆動回路（図示せず）に出力する。これに伴って、駆動回路からパルス信号に対応する駆動電流が燃料噴射弁１２のアクチュエータに送られ、燃料噴射弁１２のニードルがリフトして噴孔を開弁する。燃料噴射パルス幅が長いほど燃料噴射弁１２の開弁期間が長くなり、燃料噴射量が増えるようになっている。
【００３０】
コントロールユニット１２は、図３に示す所定の均質燃焼域で燃料噴射時期をピストン５が下降する吸気行程に設定するとともに、空燃比を理論空燃比を中心とした狭い範囲に収める。一方、同じく図３に示す所定の成層燃焼域で燃料噴射時期をピストン５が上昇する圧縮行程の後半に設定するとともに、空燃比を理論空燃比より希薄側に制御する。
【００３１】
点火プラグ７はその放電ギャップで放電が開始される時期（点火時期）がコントロールユニット１５により運転状態に応じて制御される。すなわち、成層燃焼域においてエンジンの回転速度、負荷が変われば最適な点火時期が相違するため、コントロールユニット１５では、エンジンの回転速度、負荷に応じた最適な点火時期を演算し、演算された点火時期に対応する点火信号（トランジスタ駆動信号）を点火コイルの１次電流をＯＮ、ＯＦＦするためのパワートランジスタに出力する。点火時期の前にパワートランジスタをＯＮにすることで点火コイルに１次電流に応じた電磁エネルギーが蓄えられ、点火時期にパワートランジスタがＯＦＦにされると点火コイルの２次側に高電圧が誘起され、２次回路に直列に接続された放電ギャップの放電開始電圧に達したタイミングで放電が始まり、その放電は所定の時間継続する。
【００３２】
本実施形態ではさらに、図４に示すように２つの点火コイル１８ａ、１８ｂを１つの点火プラグ７に並列に接続しており（１気筒だけで代表させている）、コントロールユニット１５は点火時期が近接する２つの点火信号を独立に作り、このうち点火時期の早い側の点火信号で一方のたとえば点火コイル１８ａの１次側電流を遮断して１回目の点火を行い、点火時期の遅い側の点火信号でもう一つの点火コイル１８ｂの１次側電流を遮断して２回目の点火を行う。点火コイル１８ａ、１８ｂの１次側にスイッチング手段としてのパワートランジスタ（図示しない）が独立に備えられ、各パワートランジスタがＯＮの状態にあるときパワートランジスタががＯＮ状態にある点火コイルにバッテリ（図示しない）より１次電流が流れ、パワートランジスタがＯＦＦにされるとき、パワートランジスタがＯＦＦとなる点火コイルの１次電流が遮断される。
【００３３】
このように近接２回点火を行い、さらに各点火の後もある程度の大きさの点火エネルギを連続して点火プラグ７の放電ギャップに与えることができるように点火コイル１８ａ、１８ｂの電気的性能を決定する定数（１次エネルギ、２次巻き数、２次インダクタンスなど）を定め、１回目の点火と２回目の点火の間に非放電期間が生じないようにすることにより、着火機会を増やすことと点火エネルギを増大させることとを両立させている。
【００３４】
コントロールユニット１５はさらに燃料噴射パルス信号の燃料噴射パルス幅Ｔｉ［ｍｓ］に応じて図５に示したように要求点火間隔ＡＤＶＩＮＴ［°ＣＡ］を設定する。
【００３５】
図５においてまず燃料噴射パルス幅Ｔｉが小さいＴ１の範囲で燃料噴射パルス幅Ｔｉが長くなるほど要求点火間隔を広げているのは次の理由からである。燃料噴射パルス幅Ｔｉは燃料噴射弁１２の開弁時間であるため燃料噴射パルス幅Ｔｉが長くなると、燃料噴射弁１２より噴射された燃料噴霧がつくる混合気塊も長くなる。この長くなった混合気塊が点火プラグ７を通過する状態を考え、この混合気塊の先端が点火プラグ７近傍にやってきたとき１回目の点火を行い、１回目の点火による着火に失敗した後にすぐ続けて２回目の点火を行うと、遅れてやってくる混合気塊に着火する機会を逃す。したがって、点火プラグ７近傍に長い混合気塊が作られるときには短い混合気塊のときより２回目の点火を遅らせたほうが、後からやってくる混合気塊に対して着火の可能性が高まる。そこで、燃料噴射パルス幅が長くなるほど長い混合気塊がつくられるとみなして要求点火間隔を広げるようにしたものである。
【００３６】
一方、要求点火間隔には破線で示す上限を設けている。これは、点火間隔を広げるにしても限度があり、これ以上広げると燃焼はするものの熱発生率のピークが大幅に遅れてエンジントルクとして取り出すことができなくなるからである。
【００３７】
これについて説明すると、近接２回点火による着火時期が熱発生率のパターンに及ぼす影響を図６に示す（ただし負荷、回転速度は一定の条件）。同図において左側に示すのは点火波形（曲線）である。点火波形は横軸に時間を、縦軸に仕事率を採っている。仕事率は下方にゆくほど正で大きくなる値である。
【００３８】
左側上段に示す２回点火は点火間隔を短くしたもので、１回目の点火波形Ａと２回目の点火波形Ｂ１とが時間的に少しずれて重なっている。Ｃは２回目の点火波形Ｂ１を１回目の点火波形Ａに重ねた総和としての波形である。これに対して、左側中段に示す２回点火は点火間隔を左側上段の２回点火より長くしたもので、１回目の点火波形Ａからの２回目の点火波形Ｂ２の時間的ずれが大きくなっている。
【００３９】
さて、左側上段、中段の各２回点火によれば１回目の点火波形Ａにより着火したとき熱発生率ｄＱ／ｄθのパターンは右側に示すａのようになり熱発生率のピークが圧縮上死点前にきている。これに対して２回点火のうち１回目の点火波形Ａでは着火せず点火間隔の狭い２回目の点火波形Ｂ１（左側上段）により着火したときには熱発生率のパターンは右側に示すｂ１となって熱発生率のピークが圧縮上死点まで遅れ、点火間隔の広い２回目の点火波形Ｂ２（左側中段）により着火したときには熱発生率のパターンが右側に示すｂ２となって熱発生率のピークがさらに圧縮上死点後まで遅れる。
【００４０】
これより、点火間隔が熱発生率のパターンに影響を及ぼし、１回目の点火による着火に失敗した場合に点火間隔が長くなるほど熱発生率のピークが圧縮上死点より遅角側にずれてゆくことがわかる。
【００４１】
ここで、熱発生よりエンジントルク（回転力）として取り出すには熱発生率のピークはピストン５が圧縮上死点より下がり初めて少し経ったときにくる（つまり熱発生率のピークが圧縮上死点後の所定のクランク角範囲に収まる）必要があり、ピストン５がほとんど下死点近くまで低下した状態で熱発生率のピークがきたのでは、エンジントルクとして有効に取り出すことができない。そこで、熱発生率のピークが圧縮上死点後の所定のクランク角範囲に収まる限界に点火間隔を制限するため上限値を設けたものである。
【００４２】
なお、図６左側に示す点火波形では、その点火波形の曲線と横軸とで囲まれる面積が点火エネルギを表す。２回点火においては１回目の点火による放電により点火エネルギが放出されている途中で２回目の点火による放電による点火エネルギが加わることになり、２回目の点火時期より点火エネルギが増大する。これに対して、図６左側下段に参考として示したように１回点火によっても左側中段の２回点火の場合とほぼ同じ放電期間を実現することはできる。しかしながら、左側中段の２回点火の場合には２回目の点火時期より点火エネルギが増大するに対して１回点火の場合には途中で点火エネルギを増加させることは不可能なので、２回点火のほうが１回点火の場合より着火性が向上する。
【００４３】
次に、図７のフローチャートは、成層燃焼域で作る２つの独立の点火信号の各点火時期ＡＤＶ１、ＡＤＶ２を演算するためのルーチンを示す。このルーチンはコントロールユニット１５において一定周期毎に実行される。
【００４４】
まずステップ１、２でエンジン回転速度Ｎｅ、エンジン負荷等の運転条件を検出するとともに、基本噴射パルス幅Ｔｐ、燃料噴射パルス幅Ｔｉを読み込む。ここで、Ｔｐ、Ｔｉは燃料噴射量の演算ルーチン（図示しない）において演算される値である。このうちＴｐは成層燃焼を行わせるのに最適な１シリンダ当たりの燃料量を与える。Ｔｉはこれに各種補正を施した最終値を与え、燃料噴射パルス信号の燃料噴射パルス幅である。
【００４５】
ステップ３ではエンジン回転速度Ｎｅと基本噴射パルス幅Ｔｐ（エンジン負荷相当）から所定のマップを検索して近接２回点火のうちの１回目の点火時期ＡＤＶ１［°ＣＡ ＢＴＤＣ］を演算する。この値ＡＤＶ１の単位は圧縮上死点から進角側に測ったクランク角である。ＡＤＶ１として、成層燃焼域で１回点火しか行わない筒内直噴式火花点火エンジンに採用される点火時期をそのまま採用してもよいし、近接２回点火用に改めてこの１回目の点火時期ＡＤＶ１をマッチングにより定めてもかまわない。
【００４６】
ステップ４では燃料噴射パルス幅Ｔｉから前述の図５を内容とするテーブルを検索して要求点火間隔ＡＤＶＩＮＴ［°ＣＡ］を演算し、ステップ５では上記１回目の点火時期ＡＤＶ１からこのＡＤＶＩＮＴだけ遅角側の値を近接２回点火のうちの２回目の点火時期ＡＤＶ２［°ＣＡ ＢＴＤＣ］として算出する。ステップ６では２つの点火時期ＡＤＶ１、ＡＤＶ２をレジスタに移す。
【００４７】
図示しない点火時期制御ルーチンでは、点火時期ＡＤＶ１、ＡＤＶ２に基づいて、図８に示したように２つのトランジスタ駆動信号（点火信号）を独立に作り、図８上段の信号で一方のたとえば点火コイル１８ａの１次電流断続用パワートランジスタを、図８下段の信号で他方の点火コイル１８ｂの１次電流断続用パワートランジスタをＯＮ、ＯＦＦする。
【００４８】
ここで本実施形態の作用効果を説明する。
【００４９】
本実施形態では１つの点火プラグ７に対して２つの点火コイル１８ａ、１８ｂを並列に接続し、コントロールユニット１５により点火時期が近接する２つの点火信号を独立に作り、このうち点火時期の早い側の点火信号（図８上段のトランジスタ駆動信号）で一方の点火コイル１８ａの１次側電流を遮断して１回目の点火を行い、点火時期の遅い側の点火信号（図８下段のトランジスタ駆動信号）でもう一つの点火コイル１８ｂの１次側電流を遮断して２回目の点火を行う構成とした。すなわち、本実施形態によれば、２つの点火コイル１８ａ、１８ｂを並列に備えるので、点火コイル１８ａ、１８ｂの電気的性能を決定する定数（１次エネルギ、２次巻き数、２次インダクタンスなど）を適切に定めることで、点火時期が近接する１回目の点火と２回目の点火の間で非放電期間が発生しないようにすることが可能となる。また、２回目の点火からは２つの点火コイル１８ａ、１８ｂからの点火エネルギが合わさって供給されるので、２回目の点火時期より点火エネルギが増大する。この結果、着火機会の増加により不安定な混合気場での燃焼である成層燃焼の燃焼安定性の悪化が防止され、また、着火エネルギの増大によりリーン雰囲気での着火性が改善される。
【００５０】
さらに、２つの点火コイル１８ａ、１８ｂを独立に制御するので、点火間隔が狭い場合を含めて点火間隔を自在に設定することができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、燃料噴射弁１２により噴射された燃料噴霧が点火プラグ７近傍に作る混合気塊の状態に応じて着火の機会を最適に与えることができる。たとえば、燃料噴射パルス幅Ｔｉは燃料噴射弁１２の開弁時間であるため燃料噴射パルス幅Ｔｉが長くなるとき、燃料噴射弁１２より噴射された燃料噴霧が生成する混合気塊も長くなる。長くなった混合気塊が点火プラグ７を通過する状態を考え、この混合気塊の先端が点火プラグ７近傍にやってきたとき１回目の点火を行い、１回目の点火による着火に失敗したあとすぐ続けて２回目の点火を行うと、遅れてやってくる混合気に対して着火の機会を逃す。したがって、長い混合気塊のときには２回目の点火を遅らせたほうが、後からやってくる混合気に対して着火の可能性が高まる。すなわち、長い混合気塊のときには短い混合気塊のときより点火間隔を広くすることで、長い混合気塊のときに最適な着火の機会が与えられる。
【００５２】
また、点火間隔が広がるほど１回目の点火による着火に失敗した後の２回目の点火による着火の時期が大きく遅れ、着火時期の遅れは熱発生率のピークを遅らせるので、熱発生をエンジントルクとして取り出すことができないことがあり得るのであるが、本実施形態によれば、熱発生をエンジントルクとして取り出すことができる最大の点火間隔を上限値として設定しておくことで、燃焼そのものは安定していても熱発生よりエンジントルクを取り出せない事態を避けることができる。
【００５３】
次に、図９は第２実施形態の筒内直噴式火花点火エンジンの概略構成図である。このものは、シリンダ４内を上下方向に往復動するピストン５と、このピストン５とこのピストン５上方にあってシリンダヘッド２に穿設される凹所とで画成される燃焼室６と、燃焼室６の天井に位置する点火プラグ７と、燃焼室７の天井に開口して点火プラグ７と直接干渉しないピストン５方向に吸気を導入する２つの独立吸気ポート８ａ、８ｂと、これら２つの吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部の間でかつ開口部の下方に位置して圧縮行程で燃焼室６の中央方向に燃料を噴射する燃料噴射弁２１とを備え、低回転速度低負荷域においては燃料噴射弁２１より噴射された燃料がその燃料噴霧の貫徹力により点火プラグ７近傍に到達可能となるように燃料噴射弁２１と点火プラグ７の相対位置関係を決定する一方で、低回転速度低負荷域より高回転速度側または高負荷側の所定運転域でガス流動生成手段（たとえば吸気ポート途中に設けられるタンブルコントロールバルブ１３）を作動させることにより吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部から燃焼室６に流入する吸気にタンブル（縦方向の渦）を生じさせ、このタンブルに燃料噴射弁２１より噴射された燃料が乗って点火プラグ７近傍へと輸送されるように、吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への吸気流入角とピストン冠面に設けるキャビティ５ａ形状とを決定するようにしたもので、これにより成層燃焼域のうち低回転速度低負荷域とそれ以外の領域とでともに良好な成層燃焼が可能となり、成層燃焼運転による燃費向上効果を広い運転領域で実現することができる。
【００５４】
たとえば、低回転速度低負荷域では、図９（ｂ）に示すように背圧（圧縮行程での高い筒内圧のこと）下で噴射された燃料が点火プラグ７近傍に燃料噴霧３１の力だけで到達することから、十分なタンブルが期待できなくなるアイドルを含んだ低回転速度低負荷域においても安定かつ最適な性能を得るための成層燃焼運転が可能となる。
【００５５】
この状態から負荷が高くなるにつれて背圧が上昇すると、燃料噴霧形状が縮小気味となり、また回転速度が高くなるにつれて燃料を噴射してから点火するまでの時間が短くなるため、この状態でも燃料噴霧の貫徹力に頼るだけだと燃料の点火プラグ７近傍への最適な点火時期における到達が間に合わなくなる。こうした運転条件、つまり低回転速度低負荷域を超える回転速度や負荷の所定運転域になると、図９（ａ）に示すようにタンブルコントロールバルブ１３が閉作動することにより燃焼室６内に十分なタンブル２６が得られる。つまり、この領域ではタンブルに直接燃料噴霧３５を干渉させて燃料を点火プラグ７近傍へと輸送することにより成層燃焼運転が行われる。
【００５６】
したがって、図９に示したこのようなエンジンに対してはタンブルコントロールバルブ（図ではＴＣＶで略記）１３の制御領域図が図１０に示したようになる。すなわち、タンブルコントロールバルブ１３は成層燃焼域のうちの低回転速度低負荷域で開かれ、低回転速度低負荷域を除く成層燃焼域で閉じられ、それより回転速度または負荷の高い領域になると開かれる。
【００５７】
このようなエンジンに対して本発明の点火制御装置を適用する場合にはタンブル（ガス流動）の有無を考慮する必要がある。いま図９の（ａ）、（ｂ）に示した２つの場合のガス流動と混合気の関わりを改めて図１１の（ａ）、（ｂ）に示すと、図１１（ａ）は図９（ｂ）に対応しタンブルがない場合、図１１（ｂ）は図９（ａ）に対応しタンブル２６がある場合である。すなわち、図１１（ａ）では燃料噴霧の作る混合気塊３２が長いまま点火プラグ７近傍へと到達するのに対して、図１１（ｂ）では燃料噴霧の作る混合気塊３６がタンブル２６により丸まった状態で点火プラグ７近傍に到達している。
【００５８】
第１実施形態は図１１（ａ）と同様に長い混合気塊３２が点火プラグ７近傍へと到達することを前提として近接２回点火を行うものであったが、図１１（ｂ）に示したようにタンブル２６により丸まった状態の混合気塊３６が点火プラグ７近傍に到達するときには２回点火するまでもなく１回点火で十分着火可能となる。
【００５９】
そこで、第２実施形態ではコントロールユニット１５が成層燃焼域でもタンブルにより丸まった状態の混合気塊が点火プラグ７近傍に到達する運転域（図１０において低回転速度低負荷域を除いた成層燃焼域）になると、２回点火から１回点火に切換える。
【００６０】
コントロールユニット１５で行われるこの制御を図１２により説明する。図１２において第１実施形態の図７と同一部分には同一のステップ番号を付けている。第１実施形態と相違する部分を主に説明すると、ステップ１１で運転条件が図１０に示す低回転速度低負荷域にあるかどうかみる。低回転速度低負荷域であるときには長い混合気塊３２が点火プラグ７近傍へと到達するので、ステップ３〜６に進み、第１実施形態と同様にして近接２回点火における２つの点火時期ＡＤＶ１、ＡＤＶ２を演算する。
【００６１】
低回転速度低負荷域でない成層燃焼域のときには丸まった状態の混合気塊が点火プラグ７近傍に到達するので、ステップ１２〜１４、６に進み、１回点火を行う。すなわち、ステップ１２でエンジン回転速度Ｎｅと基本噴射パルス幅Ｔｐ（エンジン負荷相当）から所定のマップを検索して点火時期ＡＤＶ０［°ＣＡ ＢＴＤＣ］を演算する。この値ＡＤＶ０の単位は圧縮上死点から進角側に測ったクランク角である。ＡＤＶ０は、成層燃焼域で１回点火しか行わない筒内直噴式火花点火エンジンに採用される点火時期である。
【００６２】
ステップ１３ではＡＤＶ０の値をＡＤＶ１に移し、また２回目の点火を行わせないようにするためステップ１４でＡＤＶ２＝０としたあとステップ６の処理を実行する。
【００６３】
図示しない点火時期制御ルーチンでは、このときの点火時期ＡＤＶ１、ＡＤＶ２（＝０）に基づくときには１つのトランジスタ駆動信号（点火信号）しか作られず、この信号でいずれか一方（たとえば点火コイル１８ａ）の１次電流断続用パワートランジスタをＯＮ、ＯＦＦする。他方の点火コイル１８ｂの１次電流断続用パワートランジスタはＯＦＦ状態のままである。
【００６４】
このように第２実施形態では、長い状態の混合気塊が点火プラグ７近傍に到達する場合（成層燃焼域のうち低回転速度低負荷域）に２回点火を、これに対して丸まった状態の混合気塊が点火プラグ７近傍に到達する場合（低回転速度低負荷域を除く成層燃焼域）に１回点火を選択するようにしたので、燃料噴霧が点火プラグ７近傍に作る混合気塊の状態に応じた過不足のない点火が可能となる。すなわち、成層燃焼域のうち低回転速度低負荷域においては、２回点火により第１実施形態と同様に着火機会の増加と点火エネルギの増大との相乗効果で成層燃焼を安定させることができる。また、点火プラグの耐摩耗性や点火コイルの発熱等の観点から常時２回点火とするのでは耐久性の低下や仕様の向上によるコストアップを伴うが、２回点火を行うまでもない低回転速度低負荷域を除く成層燃焼域になると、１回点火に切換えることで、これらの懸案を解消できる。
【００６５】
なお、点火プラグの耐摩耗性や点火コイルの発熱等の観点を別とすれば、低回転速度低負荷域を除く成層燃焼域においても２回点火とすることで点火エネルギの増大の効果は得られる。
【００６６】
実施形態では、燃料噴射弁１２より噴射された燃料噴霧の作る混合気を点火プラグ７近傍に誘導する方法としてエアガイド方式を採用している場合で述べたが、これに限らず、ウォールガイド方式のものにも適用がある。
【００６７】
なお、エアガイド方式というのは、図１、図２に示したように、シリンダ４と、ピストン５と、燃焼室６と、燃焼室６の天井に位置して火花を飛ばす点火プラグ７と、燃焼室６の天井に開口して点火プラグ７と直接干渉しないピストン５方向に吸気を導入する２つの独立吸気ポート８ａ、８ｂと、これら２つの吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部の間でかつ開口部の下方に位置して圧縮行程で燃焼室６の中央方向に燃料を噴射する燃料噴射弁１２とを備え、成層燃焼域（図３参照）で吸気ポート８ａ、８ｂ途中に設けられるタンブルコントロールバルブ１３（ガス流動生成手段）を閉じることによって吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部から燃焼室６に流入する吸気にタンブル（縦方向の渦）を生じさせ、このタンブルに燃料噴射弁１２より噴射された燃料が乗って点火プラグ７へと輸送されるように、吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への吸気流入角とピストン冠面に設けるキャビティ５ａの形状とを決定したものである。これに対して、ウォールガイド方式は、点火プラグ近傍へ混合気の輸送方法が異なり、ガス流動生成手段により生成されるスワール（横方向の渦）を用いて燃料噴霧の作る混合気をピストン冠面に凹設されるキャビティの立壁に沿って誘導しつつ点火プラグ近傍へと導くようにするものである（たとえば特開平１０−３３９１３８号公報参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の筒内直噴式火花点火エンジンの概略構成図。
【図２】燃料噴射弁より噴射される燃料噴霧とこの燃料噴霧に対して干渉するタンブルとを説明するための図。
【図３】運転領域図。
【図４】筒内直噴式火花点火エンジンの制御システム図。
【図５】燃料噴射パルス幅に応じた要求点火間隔の特性図。
【図６】着火時期と熱発生率のパターンとの関係を示す図。
【図７】点火時期の演算を説明するためのフローチャート。
【図８】２つの独立した点火信号を示す波形図。
【図９】第２実施形態の筒内直噴式火花点火エンジンの概略構成図。
【図１０】タンブルコントロールバルブの制御領域図。
【図１１】タンブルの有無が点火プラグ近傍に到達する混合気塊の状態に及ぼす影響を説明するための図。
【図１２】第２実施形態の点火時期の演算を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
１  エンジン
２  シリンダヘッド
４  シリンダ
６  燃焼室
７  点火プラグ
８ａ、８ｂ  吸気ポート
１２  燃料噴射弁
１３  タンブルコントロールバルブ（ガス流動生成手段）
１５  コントロールユニット
１８ａ、１８ｂ  点火コイル
１２  燃料噴射弁
【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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【図７】
0003767383.tif 000008
【図８】
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【図９】
0003767383.tif 000010
【図１０】
0003767383.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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