JP2008069695A

JP2008069695A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

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Publication number: JP2008069695A
Application number: JP2006248193A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Nokawa; 真一郎能川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-03-27
Anticipated expiration: 2026-09-13
Also published as: JP4715687B2

Abstract

【課題】シリンダボアへ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を具備して均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、シリンダボアへの燃料付着に伴うエンジンオイル希釈を抑制すると共に、機関回転数がかなり高くなった時にも噴射燃料を十分に気化させて良好な均質燃焼を実現可能とする燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁は、第一噴射圧力での燃料噴射と、第一噴射圧力より高圧の第二噴射圧力での燃料噴射とを実施可能であり、第一機関回転数Ｎ１と第一機関回転数より高い第二機関回転数Ｎ２とが設定され、機関回転数が第一機関回転数以下である時には、燃料噴射弁により第一噴射圧力での燃料噴射を分割して実施させ、機関回転数が第二機関回転数以上である時には、燃料噴射弁により第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させる。
【選択図】図８

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関において均質燃焼を実施するためには、吸気行程において気筒内に生成されるタンブル流を利用して噴射燃料を気筒内全体に分散させることが好ましい。そのためには、タンブル流の進行方向に沿ってタンブル流中へ燃料を噴射することが好ましく、燃料噴射弁が、気筒上部周囲の吸気弁側に配置されても、気筒上部略中心に配置されても、燃料噴射弁はシリンダボアの排気弁側へ向けて燃料を噴射することとなる。

しかしながら、こうしてシリンダボアに向けて燃料を噴射すると、多くの燃料はタンブル流と共に気筒内を旋回して意図するように気筒内全体に分散するが、一部の燃料がタンブル流を突き抜けてシリンダボアへ到達し、シリンダボアに付着してエンジンオイルを希釈させることがある。この問題を解決するために、必要燃料量を複数に分割して噴射し、分割により少量とされたことで各噴射燃料の貫徹力を小さくして、噴射燃料をシリンダボアへ到達しないようにすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１６１７９０

こうして、分割噴射によりエンジンオイルの希釈の問題は解決することができる。しかしながら、分割噴射においては、燃料噴射毎のインターバル（無噴射期間）が含まれるために燃料噴射時間が長くなり、機関回転数が高くなると、そのままでは、燃料噴射終了から点火までの時間が短くなって燃料が十分に気化せずに燃焼が悪化する。また、分割噴射をやめて一回の連続噴射として燃料噴射時間を短くしても、機関回転数がかなり高い時には、依然として噴射燃料の十分な気化時間を確保することができず、良好な均質燃焼を実現することはできない。

従って、本発明の目的は、シリンダボアへ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を具備して均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関において、シリンダボアへの燃料付着に伴うエンジンオイル希釈を抑制すると共に、機関回転数がかなり高くなった時にも噴射燃料を十分に気化させて良好な均質燃焼を実現可能とする燃料噴射制御装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、シリンダボアへ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を具備して均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射弁は、第一噴射圧力での燃料噴射と、前記第一噴射圧力より高圧の第二噴射圧力での燃料噴射とを実施可能であり、第一機関回転数と前記第一機関回転数より高い第二機関回転数とが設定され、機関回転数が前記第一機関回転数以下である時には、前記燃料噴射弁により前記第一噴射圧力での燃料噴射を分割して実施させ、機関回転数が前記第二機関回転数以上である時には、前記燃料噴射弁により前記第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が前記第一機関回転数と前記第二機関回転数との間である時には、前記燃料噴射弁により前記第二噴射圧力での燃料噴射を分割して実施させることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１又２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射弁は、前記第一噴射圧力より低圧の第三噴射圧力での燃料噴射も実施可能であり、前記第一機関回転数より低い第三機関回転数が設定され、機関回転数が前記第三機関回転数より低く機関負荷が第一機関負荷より低い時には、前記燃料噴射弁により前記第三噴射圧力での燃料噴射を分割して実施させることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記第二機関回転数は、機関負荷が低いほど高くなるように機関負荷毎に設定されていることを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が前記第一機関回転数以下である時に、前記燃料噴射弁により前記第一噴射圧力での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して実施させることを特徴とする。

本発明による請求項６に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１又は５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が前記第一機関回転数以下である時に、機関負荷が第二機関負荷より低ければ、前記燃料噴射弁により前記第一噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させることを特徴とする。

本発明による請求項７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が前記第一機関回転数と前記第二機関回転数との間である時に、前記燃料噴射弁により前記第二噴射圧力での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して実施させることを特徴とする。

本発明による請求項８に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項２又は７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が前記第一機関回転数と前記第二機関回転数との間である時に、機関負荷が第三機関負荷より低ければ、前記燃料噴射弁により前記第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させることを特徴とする。

本発明による請求項９に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が前記第三機関回転数より低く機関負荷が前記第一機関負荷より低い時に、前記燃料噴射弁により前記第三噴射圧力での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して実施させることを特徴とする。

本発明による請求項１０に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項３又は９に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が前記第三機関回転数より低く機関負荷が前記第一機関負荷より低い時に、機関負荷が前記第一機関負荷より低い第四機関負荷より低ければ、前記燃料噴射弁により前記第三噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させることを特徴とする。

本発明による請求項１１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射弁は、気筒上部周囲の吸気弁側に配置され、シリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、機関回転数が第一機関回転数以下である時には、燃料噴射弁により低圧の第一噴射圧力での燃料噴射を分割して実施させるために、分割された各噴射燃料の貫徹力が弱くなり、各噴射燃料がシリンダボアへ到達してエンジンオイルを希釈することは抑制される。また、機関回転数が第二機関回転数以上となってかなり高い時には、燃料噴射弁により高圧の第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させるようになっている。それにより、燃料噴射時間が十分に短くなり、この時でも燃料噴射終了から点火までに十分な燃料気化時間を確保することができ、良好な均質燃焼を実現することができる。また、このように機関回転数がかなり高い時には、気筒内に生成されるタンブル流が強くなるために、高圧で連続的に噴射される燃料でもタンブル流に取り込まれて、ほぼ全てがタンブル流と共に移動し、シリンダボアへ到達してエンジンオイルを希釈することは抑制される。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が第一機関回転数と第二機関回転数との間である時には、機関回転数が第一機関回転数以下である時と同様に低圧の第一噴射圧力で分割噴射を実施すると、インターバルを含むために長くなる燃料噴射時間に対して燃料気化時間の確保が困難となるために、燃料噴射弁により高圧の第二噴射圧力での燃料噴射を分割して実施させ、それにより分割噴射であっても燃料噴射時間が短くなり、噴射燃料を十分に気化させて良好な均質燃焼を実現することができる。

本発明による請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項１又２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、第一機関回転数より低い第三機関回転数が設定され、機関回転数が第三機関回転数より低く機関負荷が第一機関負荷より低い時には、必要燃料量が少なく、機関回転数が第一機関回転数以下である時の第一噴射圧力で分割噴射を実施しようとしても、燃料噴射弁の最小開弁時間に伴う最少噴射量の存在によって分割が困難となるために、噴射圧力をさらに低圧の第三噴射圧力として最少噴射量を少なくし、燃料噴射弁により燃料噴射を確実に分割して実施させるようになっている。それにより、噴射燃料がシリンダボアに到達してエンジンオイルを希釈することは抑制されると共に分割回数を多くすることもでき、分割回数が多くなるほど、それぞれの噴射量が少なくなって、それぞれの噴射燃料が気化し易くなるために、良好な均質燃焼を実現することができる。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、第二機関回転数は、機関負荷が低いほど高くなるように機関負荷毎に設定されている。それにより、いずれの機関負荷においても機関回転数が第二機関回転数以上となる時には、気筒内へ供給される吸気量が多くなって気筒内に生成されるタンブル流が強くなるために、燃料噴射時間を短くして十分な燃料気化時間が確保されるように高圧の第二噴射圧力で分割せずに燃料噴射を実施させても、噴射燃料のほぼ全てをタンブル流と共に移動させることができ、噴射燃料がシリンダボアへ到達してエンジンオイルを希釈することは抑制される。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が第一機関回転数以下である時に、燃料噴射弁により第一噴射圧力での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して実施させるようになっており、それにより、分割された各燃料噴射の噴射量を十分に少なくすることができ、噴射燃料をシリンダボアへ確実に到達し難くしてエンジンオイルの希釈を抑制することができると共に、それぞれの噴射燃料が気化し易くなるために、良好な均質燃焼を実現することができる。

本発明による請求項６に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項１又は５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が第一機関回転数以下である時に、機関負荷が第二機関負荷より低ければ、必要燃料量が少なく燃料噴射弁の最少噴射量の存在により噴射燃料を分割することができないことがあり、燃料噴射弁により第一噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させる。しかしながら、このように燃料噴射量が少なければ、噴射燃料がシリンダボアへ到達してエンジンオイルを希釈することは十分に抑制される。

本発明による請求項７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が第一機関回転数と第二機関回転数との間である時に、燃料噴射弁により第二噴射圧力での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して実施させるようになっており、それにより、分割された各燃料噴射の噴射量を十分に少なくすることができ、噴射燃料をシリンダボアへ確実に到達し難くしてエンジンオイルの希釈を抑制することができると共に、それぞれの噴射燃料が気化し易くなるために、良好な均質燃焼を実現することができる。

本発明による請求項８に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項２又は７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が第一機関回転数と第二機関回転数との間である時に、機関負荷が第三機関負荷より低ければ、必要燃料量が少なく燃料噴射弁の最少噴射量の存在により噴射燃料を分割することができないことがあり、燃料噴射弁により第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させる。しかしながら、このように燃料噴射量が少なければ、噴射燃料がシリンダボアへ到達してエンジンオイルを希釈することは十分に抑制される。

本発明による請求項９に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が第三機関回転数より低く機関負荷が第一機関負荷より低い時に、燃料噴射弁により第三噴射圧力での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して実施させるようになっており、それにより、分割された各燃料噴射の噴射量を十分に少なくすることができ、噴射燃料をシリンダボアへ確実に到達し難くしてエンジンオイルの希釈を抑制することができると共に、それぞれの噴射燃料が気化し易くなるために、良好な均質燃焼を実現することができる。

本発明による請求項１０に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項３又は９に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関回転数が第三機関回転数より低く機関負荷が第一機関負荷より低い時に、機関負荷が第一機関負荷より低い第四機関負荷より低ければ、必要燃料量が少なく燃料噴射弁の最少噴射量の存在により噴射燃料を分割することができないことがあり、燃料噴射弁により第三噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させる。しかしながら、このように燃料噴射量が少なければ、噴射燃料がシリンダボアへ到達してエンジンオイルを希釈することは十分に抑制される。

本発明による請求項１１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、請求項１から１０のいずれか一項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、燃料噴射弁は、気筒上部周囲の吸気弁側に配置され、シリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射するようになっている。それにより、燃料噴射弁は、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して吸気弁側に沿って上昇するタンブル流の進行方向に沿ってタンブル流中へ燃料を噴射することができ、タンブル流を利用して噴射燃料を気筒内へ広く分散させることができると共に、噴射燃料の貫徹力によりタンブル流を強めることができ、タンブル流による乱れが点火時期において気筒内に存在すれば、均質燃焼の燃焼速度を速めることができる。

図１は本発明による燃料噴射制御装置により制御される筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、均質燃焼のための燃料噴射開始時期である吸気行程後半を示している。同図において、１は気筒上部略中心に配置された点火プラグであり、２は気筒上部周囲の吸気弁側に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁である。図示されていないが、気筒上部の右側には一対の吸気弁を介して一対の吸気ポート５が接続されており、左側には一対の排気弁を介して一対の排気ポート６が接続されている。この場合において、燃料噴射弁２は、二つの吸気弁の間に配置されている。３はピストンである。

燃料噴射弁２は、シリンダボアの排気弁側上部へ向けて、水平方向に対して僅かに斜め下方向へ燃料Ｆを噴射する。燃料噴射弁２の燃料噴射開始時期は、例えば、吸気行程後半とされ、それにより、燃料Ｆは、吸気ポート５を介して気筒内へ供給された吸気により、吸気行程において気筒内に生成されたタンブル流ＴＢの進行方向に沿ってタンブル流ＴＢ中へ噴射される。ここで、タンブル流ＴＢは、シリンダボアの排気弁側に沿って下降してシリンダボアの吸気弁側に沿って上昇するように気筒内を縦方向に旋回する気流である。

このようにタンブル流ＴＢ内へ噴射された燃料Ｆは、タンブル流ＴＢと共に気筒内を旋回して気筒内全体に分散し、良好な均質混合気を形成し易い。図２は、図１のＰ−Ｐ断面図である。同図において、４は開弁中の一対の吸気弁であり、燃料噴射弁２は、例えば、スリット状噴孔を有し、比較的厚さの薄い平らな略扇形状の燃料噴霧Ｆを噴射する。略扇形状の燃料噴霧Ｆは、幅方向が水平面（気筒軸線に垂直な平面）に対して略平行とされ、進行方向が水平面に対して斜め下方向とされ、開弁中の吸気弁４に衝突しないようにされる。

もちろん、燃料噴射弁２から噴射される燃料噴霧形状は、略扇形状に限定されることなく、例えば、中空又は中実円錐形状、又は、中実柱形状等とすることができる。また、図２に対応する図３に示すように、複数の中実円形断面噴霧とすることもできる。この場合において、中心燃料噴霧Ｆ１二つの吸気弁４の間の下方を通りがシリンダボアの排気弁側上部へ向けて水平方向に対して僅かに斜め下方向へ噴射されるようにし、その他の燃料噴霧Ｆ２は中心燃料噴霧Ｆ１に対して僅かな角度で噴射されるようにし、いずれの燃料噴霧Ｆ１及びＦ２も開弁中の吸気弁４に衝突しないようにされる。

いずれの燃料噴霧の場合にも、燃料噴霧は貫徹力を有するために、タンブル流ＴＢの進行方向に沿ってタンブル流ＴＢ中へ噴射されると、タンブル流ＴＢを強めるように作用する。それによって、タンブル流ＴＢが圧縮行程後半まで持続するようになって、圧縮行程末期の点火時期において気筒内に乱れを発生させることができれば、燃焼速度を速めて良好な均質燃焼を実現することができる。

しかしながら、噴射燃料の貫徹力が強いと、タンブル流ＴＢを良好に強めることができても、一部の燃料がタンブル流ＴＢを突き抜けてシリンダボアに到達して付着することがある。この付着燃料は燃焼に寄与しなくなるだけでなく、エンジンオイルを希釈させてしまう。それにより、機関運転状態毎の必要燃料量は、分割して噴射され、分割されたそれぞれ噴射燃料を少量として貫徹力を小さくし、シリンダボアに到達し難くしている。

好ましくは、図４に示すタイムチャートのように、機関運転状態毎の必要燃料量を噴射するための燃料噴射開始時期ｔ１から燃料噴射終了時期ｔ２までの開弁時間Ｔは、等分割され（例えば、四等分Ｔ／４）とされ、間にインターバルＩ（例えば、２から２．５ｍｓ）を設けて分割噴射される。

図５は、低回転中負荷（三角印）及び低回転高負荷（丸印）においてそれぞれの必要燃料量が第一噴射圧力（例えば、１２ＭＰａ）で噴射された時の最大機関出力を発生させる燃料噴射終了時期（圧縮上死点前クランク角度）とシリンダボアへの燃料付着量との関係を分割回数毎（図中に示された数字が分割回数である）に示している。

図５に示すように、全体的には、必要燃料量が多い低回転高負荷時の方が、必要燃料量の少ない低回転中負荷時に比べて、同じ噴射圧力でも噴射燃料の貫徹力が強くなり、シリンダボアへの燃料付着量が多くなる。また、いずれの機関運転状態においても、分割しない燃料噴射（分割回数１）に比べて、分割すれば、それぞれの噴射量が少なくなって貫徹力が小さくなるために、燃料付着量が少なくなり、また、分割回数が多くなるほど、それぞれの噴射量がさらに少なくなってさらに貫徹力が小さくなるために、燃料付着量をさらに少なくすることができる。

こうして、本実施形態の燃料噴射制御装置は、図８に示すマップにおいて、機関回転数が第一機関回転数Ｎ１以下である時（領域Ａ、Ａ’、及びＤ）には、燃料噴射弁２により第一噴射圧力（１２ＭＰａ）での燃料噴射を分割して実施させるようにし、シリンダボアへの燃料付着量を低減してエンジンオイル希釈を抑制する。また、この時においては、前述したように、分割回数を多くした方が燃料付着量の減少に有利となる。しかしながら、燃料噴射弁２は、一般的に、アクチュエータの応答性に起因する最小開弁時間を有し、最小開弁時間に対応する最少噴射量が存在するために、最少噴射量より少なくなるように必要燃料量を分割することはできない。

それにより、機関負荷が高いほど、すなわち、必要燃料量が多くなるほど、燃料噴射を多数に分割して噴射するようにし、分割された噴射量が最少噴射量を下回ることなく、可能な限り多数に燃料噴射を分割して噴射するようにすれば、シリンダボアへの燃料付着量を最少としてエンジンオイル希釈を良好に抑制することができる。また、燃料噴射を多数の分割するほど、噴射燃料毎の一塊の燃料量が少なくなるために気化し易くなり、可能な限り多数に燃料噴射を分割することは良好な均質混合気を形成するのにも有効である。

機関負荷が低く、必要燃料量が燃料噴射弁２の最少噴射量の二倍より少ない時には、燃料噴射を分割することはできず、連続噴射することとなる。また、機関負荷が低く、必要燃料量が燃料噴射弁２の最少噴射量の二倍より僅かに多い時にも、この程度の噴射量では分割噴射しなくてもシリンダボアへの燃料付着量は僅かであり、連続噴射するようにしても良い。

しかしながら、このように分割噴射を実施する際には、図４に示すように、連続噴射に比較してインターバルＩが含まれるために燃料噴射終了時期ｔ２がｔ２’となり燃料噴射時間が長くなる。機関回転数が第一機関回転数Ｎ１以下でそれほど機関回転数が高くない時には、燃料噴射終了時期ｔ２’から点火時期までに比較的長い時間があり、この間で噴射燃料が十分に気化することができる。しかしながら、機関回転数がかなり高い時には、第一噴射圧力での燃料噴射を分割したのでは、燃料噴射終了時期ｔ２’から点火時期までの時間が非常に短くなって、この間では噴射燃料は十分に気化することができずに燃焼が悪化してしまう。

図６は、高回転高負荷時における噴射圧力と発生トルクとの関係を分割回数毎（図中に示された数字が分割回数である）に示している。分割回数が少なくなるほど含まれるインターバルＩの数が少なくなるために燃料噴射時間が短くなり、また、噴射圧力を高くするほど燃料噴射時間が短くなり、燃料噴射終了から点火までの時間が長くなって燃料が気化し易くなるために発生トルクが高くなる。

それにより、本実施形態の燃料噴射制御装置は、図８に示すマップにおいて、機関回転数が第二機関回転数Ｎ２以上である時（領域Ｂ及びＢ’）には、燃料噴射弁２により第一噴射圧力より高圧の第二噴射圧力（２０ＭＰａ）での燃料噴射を分割せずに実施させる。こうして、燃料噴射時間を短くして点火までの燃料気化時間を確保するようにしている。ところで、このように機関回転数が高い時には、吸気量が多くなり吸気行程において気筒内に生成されるタンブル流ＴＢが強くなるために、高圧で分割されずに噴射される燃料の貫徹力は非常に大きくなるが、このような噴射燃料でもタンブル流ＴＢと共に気筒内を旋回し、殆どタンブル流ＴＢを突き抜けることがなく、それにより、シリンダボアへの燃料付着量は十分に低減され、エンジンオイル希釈を抑制することができる。

また、図７は高回転高負荷時の連続噴射における燃料噴射開始時期（圧縮上死点前クランク角度）とスモーク発生量との関係を噴射圧力毎に示している。本実施形態の燃料噴射開始時期（吸気行程後半）である２７０度以降（数値が少ない側）においては、顕著に噴射圧力が低いほどスモーク発生量が増大している。これは、噴射圧力が低いほど噴射燃料の貫徹力が小さくなり、燃料噴射弁２から噴射された直後において、強いタンブル流ＴＢによりシリンダヘッド側へ押しやられてシリンダヘッドに付着し易くなるためである（図１参照）。それにより、このように機関回転数が高い時に、噴射圧力を高圧（第二噴射圧力）にすれば、スモークの発生を抑制するのにも有効である。また、噴射燃料の貫徹力を強くすると、飛行中の吸気との摩擦力が大きくなって噴射燃料は気化し易くなり、良好な均質混合気の形成にも有利である。

図８に示すマップにおいて、機関回転数が第一機関回転数Ｎ１と第二機関回転数Ｎ２との間である時（領域Ｃ及びＣ’）には、第一機関回転数Ｎ１以下である時と同様に第一噴射圧力での燃料噴射を分割して実施したのでは、第二機関回転数Ｎ２以上である時ほどではないが、燃料噴射終了時期から点火時期までの時間が短くなるために、十分な燃料気化時間を確保することができなくなる。それにより、第二機関回転数Ｎ２以上である時と同様に第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施しても良い。しかしながら、この時には、気筒内にそれほど強いタンブル流ＴＢは生成されないために、第二噴射圧力での連続噴射では、シリンダボアへの燃料付着量が多少増大してしまう。

本実施形態の燃料噴射制御装置では、機関回転数が第一機関回転数Ｎ１と第二機関回転数Ｎ２との間である時（領域Ｃ及びＣ’）には、燃料噴射弁２により第二噴射圧力（２０ＭＰａ）での燃料噴射を分割して実施させる。それにより、第一噴射圧力での分割噴射に比較して、噴射圧力が高い分、燃料噴射時間を短くすることができ、燃料噴射終了時期から点火時期までの時間が長くなって、十分な燃料気化時間を確保することができると共に、分割されたそれぞれの燃料噴射の貫徹力は連続噴射に比較して小さくなるために、シリンダボアへの燃料付着量は増大することなく、エンジンオイル希釈を抑制することができる。

また、機関回転数が第一機関回転数Ｎ１より低い第三機関回転数Ｎ３より低く、機関負荷が第一機関負荷Ｌ１より低い図８のマップの領域Ｄにおいては、第一噴射圧力での燃料噴射を分割して実施しても良いが、必要燃料量が少なくなるために、燃料噴射弁の最少噴射量の存在により分割回数が少なくなってしまう。それにより、本実施形態の燃料噴射制御装置は、噴射圧力を第一噴射圧力（１２ＭＰａ）より低い第三噴射圧力（例えば、４ＭＰａ）として燃料噴射弁２の同じ最小開弁時間に対する最少噴射量を少なくし、燃料噴射弁２により分割噴射を実施させる。

それにより、分割回数を多くすることができるために、分割されたそれぞれの燃料噴射において、噴射量が少なくなるためにそれぞれの噴射燃料は気化し易くなって良好な均質混合気が形成され、貫徹力が小さくなるためにシリンダボアへの燃料付着量が減少してエンジンオイル希釈を抑制することができる。

機関運転状態毎の必要燃料量は、吸気量に対して気筒内に理論空燃比の均質混合気が形成される燃料量とされる。もちろん、吸気量に対して所望リーン空燃比又は所望リッチ空燃比の均質混合気が形成される燃料量としても良い。また、図８のマップにおける領域Ａ’、Ｂ’、及びＣ’は、最大負荷領域であり、高い機関出力が必要とされるために、必要燃料量は、吸気量に対してリッチ空燃比（例えば１２．５）の均質混合気が形成される燃料量とすることが好ましい。この場合において、領域Ａ’、Ｂ’、及びＣ’においては、領域Ａ、Ｂ、及びＣにおけるより、同じ吸気量に対する必要燃料量が多くなる。

図９は、図８のマップにおいて分割された領域において機関負荷毎に燃料噴射の分割回数（図中の数字が分割回数である）を設定したマップである。但し、図９においては、第二機関回転数Ｎ２は、機関負荷に対して一定ではなく、機関負荷が低いほど高くなるように設定されている。現在の機関回転数が現在の機関負荷に対してこのように設定された第二機関回転数以上である時には、燃料噴射弁２により第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させる（分割回数１）。

実際的には、気筒内へ供給される吸気量は、機関回転数だけでなく機関負荷によっても変化し、現在の機関回転数が現在の機関負荷に対する第二機関回転数（機関負荷が低いほど高くなるように設定された）以上である時には、気筒内への吸気量が十分に多くなって吸気行程において気筒内に生成されるタンブル流ＴＢは確実に強くなるために、この時には、前述したようにシリンダヘッドへの燃料付着の問題もあり、高圧の第二噴射圧力（２０ＭＰａ）で燃料噴射を分割せずに実施することが良好な均質燃焼にとって好ましく、図９のマップによってタンブル流が強くなる時には確実に第二噴射圧力での連続噴射が実施される。

また、機関回転数が第一機関回転数Ｎ１以下である時には、低圧の第一噴射圧力（１２ＭＰａ）での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して噴射するようにし、シリンダボアへの燃料付着量を最少としてエンジンオイル希釈を良好に抑制する。また、燃料噴射を多数の分割するほど、噴射燃料毎の一塊の燃料量が少なくなるために気化し易くなり、可能な限り多数に燃料噴射を分割することは良好な均質混合気を形成するのにも有効である。

また、前述したように、必要燃料量が燃料噴射弁２の最少噴射量の二倍より少ない時には、燃料噴射を分割することはできず、また、必要燃料量が燃料噴射弁２の最少噴射量の二倍より僅かに多い時にも、この程度の噴射量では分割噴射しなくてもシリンダボアへの燃料付着量は僅かであり、このように、機関負荷が第二機関負荷Ｌ２より低い時には、低圧の第一噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施する（分割回数１）。

現在の機関回転数が、第一機関回転数Ｎ１と現在の機関負荷に対する第二機関回転数との間である時には、噴射圧力を高圧の第二噴射圧力（２０ＭＰａ）として燃料噴射時間を短くし、燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して噴射するようにしている。それにより、シリンダボアへの燃料付着量を最少としてエンジンオイル希釈を良好に抑制し、また、噴射燃料を気化させ易くして良好な均質混合気を形成することができる。

機関負荷が低く、必要燃料量が燃料噴射弁２の第二噴射圧力での最少噴射量の二倍より少ない時には、燃料噴射を分割することはできず、連続噴射することとなる。また、機関負荷が低く、必要燃料量が燃料噴射弁２の最少噴射量の二倍より僅かに多い時にも、この程度の噴射量では分割噴射しなくてもシリンダボアへの燃料付着量は僅かであり、このように、機関負荷が第三機関負荷Ｌ３より低い時には、高圧の第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施する（分割回数１）。第二噴射圧力の最少噴射量は第一噴射圧力の最少噴射量より多くなるために、第三機関負荷Ｌ３は第二機関負荷Ｌ２より高く設定される。

また、機関回転数が第三機関回転数Ｎ３より低く、機関負荷が第一機関負荷Ｌ１より低い時には、噴射圧力を第一噴射圧力（１２ＭＰａ）より低い第三噴射圧力（例えば、４ＭＰａ）として燃料噴射弁２の同じ最小開弁時間に対する最少噴射量を少なくし、燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して噴射するようにしている。それにより、分割回数を可能な限り多くすることができ、分割されたそれぞれの燃料噴射において、噴射量が少なくなるためにそれぞれの噴射燃料は気化し易くなって良好な均質混合気が形成され、貫徹力が小さくなるためにシリンダボアへの燃料付着量が減少してエンジンオイル希釈を抑制することができる。

機関負荷が低く、必要燃料量が燃料噴射弁２の第三噴射圧力での最少噴射量の二倍より少ない時には、燃料噴射を分割することはできず、連続噴射することとなる。また、機関負荷が低く、必要燃料量が燃料噴射弁２の最少噴射量の二倍より僅かに多い時にも、この程度の噴射量では分割噴射しなくてもシリンダボアへの燃料付着量は僅かであり、このように、機関負荷が第四機関負荷Ｌ４より低い時には、極低圧の第三噴射圧力（４ＭＰａ）での燃料噴射を分割せずに実施する（分割回数１）。第三噴射圧力の最少噴射量は第一噴射圧力の最少噴射量より少なくなるために、第四機関負荷Ｌ４は第二機関負荷Ｌ２より低く設定することができる。

本実施形態において、噴射圧力は低圧の第一噴射圧力（例えば、１２ＭＰａ）と、高圧の第二噴射圧力（例えば、２０ＭＰａ）と、極低圧の第三噴射圧力（例えば、４ＭＰａ）との三段階に切り換え可能となっている。このような噴射圧力の切り換えは、各気筒の燃料噴射弁へ燃料を供給する蓄圧室内の燃料圧力を変化させることにより実施される。また、噴射圧力の切り換えは、噴射時における燃料噴射弁の弁体のリフト量を変化させて、噴孔に連通する燃料溜内の燃料圧力を変化させる（リフト量を小さくするほど燃料溜内の燃料圧力は低くなる）ことでも実施可能である。

ところで、本筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁２の位置は、気筒上部周囲の吸気弁側としたが、これは本発明を限定するものではなく、タンブル流又は逆タンブル流（内燃機関によってはシリンダボアの吸気弁側に沿って下降して排気弁側に沿って上昇するようなタンブル流とは逆方向に気筒内を縦旋回する逆タンブル流が生成されることもある）の進行方向に沿ってタンブル流又は逆タンブル流内へ燃料を噴射するために、燃料噴射弁は任意の位置に配置することができる。例えば、燃料噴射弁は気筒上部略中心に配置しても良く、いずれにしても、このように燃料を噴射する場合には、燃料噴射弁は吸気行程（吸気行程後半の燃料噴射開始時期から）においてシリンダボアに向けて燃料を噴射することとなる。

本発明による燃料噴射制御装置により制御される筒内噴射式火花点火内燃機関を示す概略縦断面図である。図１のＰ−Ｐ断面図である。図１のもう一つのＰ−Ｐ断面図である。燃料噴射時間を示すタイムチャートである。分割回数毎の噴射終了時期とシリンダボアへの燃料付着量との関係を示す図である。噴射圧力と発生トルクとの関係を示す図である。噴射圧力毎の噴射開始時期とスモーク発生量との関係を示す図である。燃料噴射制御のための機関回転数と機関負荷とに基づき分割された領域を示すマップである。燃料噴射制御のための機関回転数と機関負荷とに基づき分割された領域における燃料噴射の分割回数を示すマップである。

符号の説明

１点火プラグ
２燃料噴射弁
３ピストン
４吸気弁
ＴＢタンブル流
Ｆ噴射燃料

Claims

シリンダボアへ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を具備して均質燃焼を実施する筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射弁は、第一噴射圧力での燃料噴射と、前記第一噴射圧力より高圧の第二噴射圧力での燃料噴射とを実施可能であり、第一機関回転数と前記第一機関回転数より高い第二機関回転数とが設定され、機関回転数が前記第一機関回転数以下である時には、前記燃料噴射弁により前記第一噴射圧力での燃料噴射を分割して実施させ、機関回転数が前記第二機関回転数以上である時には、前記燃料噴射弁により前記第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
機関回転数が前記第一機関回転数と前記第二機関回転数との間である時には、前記燃料噴射弁により前記第二噴射圧力での燃料噴射を分割して実施させることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記燃料噴射弁は、前記第一噴射圧力より低圧の第三噴射圧力での燃料噴射も実施可能であり、前記第一機関回転数より低い第三機関回転数が設定され、機関回転数が前記第三機関回転数より低く機関負荷が第一機関負荷より低い時には、前記燃料噴射弁により前記第三噴射圧力での燃料噴射を分割して実施させることを特徴とする請求項１又２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記第二機関回転数は、機関負荷が低いほど高くなるように機関負荷毎に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
機関回転数が前記第一機関回転数以下である時に、前記燃料噴射弁により前記第一噴射圧力での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して実施させることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
機関回転数が前記第一機関回転数以下である時に、機関負荷が第二機関負荷より低ければ、前記燃料噴射弁により前記第一噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させることを特徴とする請求項１又は５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
機関回転数が前記第一機関回転数と前記第二機関回転数との間である時に、前記燃料噴射弁により前記第二噴射圧力での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して実施させることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
機関回転数が前記第一機関回転数と前記第二機関回転数との間である時に、機関負荷が第三機関負荷より低ければ、前記燃料噴射弁により前記第二噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させることを特徴とする請求項２又は７に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
機関回転数が前記第三機関回転数より低く機関負荷が前記第一機関負荷より低い時に、前記燃料噴射弁により前記第三噴射圧力での燃料噴射を機関負荷が高いほど多数に分割して実施させることを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
機関回転数が前記第三機関回転数より低く機関負荷が前記第一機関負荷より低い時に、機関負荷が前記第一機関負荷より低い第四機関負荷より低ければ、前記燃料噴射弁により前記第三噴射圧力での燃料噴射を分割せずに実施させることを特徴とする請求項３又は９に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記燃料噴射弁は、気筒上部周囲の吸気弁側に配置され、シリンダボアの排気弁側上部へ向けて燃料を噴射することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置。