JP2008208811A

JP2008208811A - 筒内噴射式エンジンの制御方法、当該制御方法を実施するための制御装置、当該制御装置に用いられる制御回路装置

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Publication number: JP2008208811A
Application number: JP2007048360A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Sukegawa; 義寛助川; Takashi Fujii; 敬士藤井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: EP1965062A3; US20080208438A1; EP1965062B1; EP1965062A2; US7983832B2; JP4379479B2

Abstract

【課題】
燃料の気化特性に応じてエンジンの出力をできるだけ大きくできる燃料噴射制御技術を得る。
【解決手段】
燃料の気化時間に影響を与える物理量が、燃料の気化時間が短くなる方向に変位するにつれて、吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。又、燃料の気化時間に影響を与える物理量が、燃料の気化時間が短くなるような状態のときの燃料噴射時期を、前記燃料の気化時間が長くなる状態のときの燃料噴射時期よりも吸気行程の終端に近い側に設定する。燃料の気化速度に応じて、エンジン出力が最大となるように燃料の噴射時期を制御する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、筒内（シリンダ）燃料を直接噴射するいわゆる筒内噴射式エンジンの制御方法に関し、特に燃料を筒内に噴射する燃料噴射弁の制御方法に関する。又、その制御方法を実施するための制御装置、あるいはその制御装置に用いられる制御回路装置にも関する。

エンジンの冷機始動時では排気通路に設けた触媒の温度が低くて、触媒が十分活性化できないため、エンジンからの未燃ガスがそのまま排出される。このため環境への影響が大きい。

従来、エンジンの冷機始動直後に排出される未燃炭化水素（ＨＣ）の低減を目的として、燃料噴射を圧縮行程の後期に行い、上死点以降に点火が行うことが提案されている。これによって、シリンダ内の混合気が膨張行程の中期、後期で燃焼する結果、排ガス温度を高温になり、触媒を早期に活性化することができる。燃料が重質の場合には圧縮行程後期における噴射時期と点火時期を進角補正することで、燃焼安定度の悪化を抑制する。さらに筒内噴射エンジンにおいて燃料の気化特性に応じて燃料噴射時期を変化させる技術が特開２００６−９０２０２号公報などで知られている。

特開２００６−９０２０２号公報

しかし上記従来技術においては、排気低減のために燃料の気化特性に応じた燃料噴射制御を行う技術は述べられているが、エンジン出力の向上とのマッチングについては考慮されていない。

筒内噴射エンジンでは、燃料の気化潜熱によってシリンダ内のガスが冷却される結果、体積効率が向上し、より多くのエンジン出力が得られるのが特徴である。すなわち筒内噴射エンジンは燃料の気化を用いてエンジンの出力向上を図るため、より多くの出力を得るには燃料の気化特性に応じた燃料噴射制御が必要である。

そこで本発明は、燃料の気化特性に応じてエンジンの出力をできるだけ大きくできるようにする燃料噴射制御技術を得ることを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、燃料の気化時間に影響を与える物理量が、燃料の気化時間が短くなる方向に変位するにつれて、吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせることで達成される。

又、同目的は、燃料の気化時間に影響を与える物理量が、燃料の気化時間が短くなるような状態のときの燃料噴射時期を、前記燃料の気化時間が長くなる状態のときの燃料噴射時期よりも吸気行程の終端に近い側に設定することで達成される。

以下具体的な構成は、実施例の説明で明らかとなる。

このように構成した本発明によれば、燃料の気化潜熱によってシリンダ内のガスが適正に冷却される結果、体積効率が向上し、より多くのエンジン出力が得られるので、筒内噴射式の内燃機関の出力を向上することができる。

本発明を図面に示す実施例に基づき以下詳細に説明する。

本実施例の特徴は以下の通りである。

１）燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、燃料の気化時間が変わるパラメータが、燃料の気化時間が短くなる方向に変わるにつれて、吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

２）燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、燃料の気化時間が変わるパラメータが、燃料の気化時間が短くなる状態での吸気行程における燃料の噴射時期を、燃料の気化時間が長くなる状態での吸気行程における燃料の噴射よりも遅くする。

３）燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、スロットル弁が全開の運転時に、燃料の気化時間が変わるパラメータが、燃料の気化時間が短くなる方向に変わるにつれて、吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

４）燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、スロットル弁が全開の運転時に、燃料の気化時間が変わるパラメータが、燃料の気化時間が短くなる状態での吸気行程における燃料の噴射時期を、燃料の気化時間が長くなる状態での吸気行程における燃料の噴射よりも遅くする。

５）エンジンの冷却水温度が高くなるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

６）燃料の温度が高くなるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

７）外気温度が高くなるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

８）予め定めた所定の時間内において、エンジン始動からの経過時間が長くなるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

９）タンブル制御弁もしくはスワール制御弁の開度が、シリンダ内のタンブル流動もしくはスワール流動を強化する方向になるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

１０）燃料圧力が高くなるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

１１）燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、燃料の気化速度を検出する手段を設け、
前記検出手段によって検出された燃料の気化速度が速くなるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

１２）燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、
燃料の重軽質を判定する手段を設け、前記重軽質判定手段による燃料の軽質の度合いが高くなるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせる。

１３）燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、燃料の成分を検出する手段と、前記燃料の成分を検出する手段の結果に基づいて燃料の気化速度を推定する手段を設け、
前記推定手段によって検出された燃料の気化速度が、予め定めた基準の気化速度よりも速い場合には、吸気行程における燃料の噴射時期を予め定めた基準の噴射時期よりも遅らせ、
前記推定手段によって検出された燃料の気化速度が、予め定めた基準の気化速度よりも遅い場合には、吸気行程における燃料の噴射時期を予め定めた基準の噴射時期よりも早める。

このように構成した実施例では、燃料の気化潜熱によってシリンダ内のガスが適正に冷却される結果、体積効率が向上し、より多くのエンジン出力が得られる。つまり、燃料の気化が最適な状態になるように燃料の噴射時期を制御することで、エンジンの出力向上を図ることができるものである。

第１の実施例における筒内噴射エンジンの構成を図１及び図２に示す。図１は本実施例における筒内噴射エンジンの中心断面図であり、図２はエンジンの本実施例における筒内噴射エンジンの斜視図である。

シリンダヘッド１とシリンダブロック２、そしてシリンダブロック２に挿入されたピストン３により燃焼室が形成され、燃焼室の中心上部に点火プラグ４が設けられている。燃焼室に吸気管５と排気管６がそれぞれ開口しており、開口部を開閉する吸気弁７と排気弁８が設けられている。燃焼室の吸気側には燃焼室に直接燃料が噴射できるように燃料噴射弁９が設けられている。

第１の実施例で用いる燃料噴射弁９は、概ね１０〜２０ＭＰａに加圧された燃料を燃料噴射弁９のノズル先端に設けた微細な孔から高速に噴出することで微粒化した燃料を燃焼室に噴射するものである。燃料噴射弁９は図示しないエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）からの指令を受けて任意のタイミングと時間幅で燃料を噴射することができる。

燃料噴射弁９のノズル部の中心断面図を図３に、燃料噴射弁９のノズルを下からみた平面図を図４に示す。また燃料噴射弁９から噴射される噴霧形状の例を図５、図６に示す。

図３，図４に示されるように燃料噴射弁９の先端には円周上に複数の微細な噴口１３が設けられている。噴口の数は本例では６個であるが、本発明はこれに制約されるものではない。噴口１３の直径は例えば１００〜２００μｍである。この微細な噴口から、高圧
（例えば１０〜２０ＭＰａ）に加圧された燃料を噴射することで、ザウター平均粒径が５〜２０μｍ程度の微細な噴霧を形成する。燃料の噴射開始、噴射終了は、燃料噴射弁９内の弁を図示しない電磁石（ソレノイド），圧電（ピエゾ）素子，磁歪素子等で上下に駆動することで行われる。

図５は静止大気中に噴射した時の噴霧外観形状の一例を示しており、図６は図５のＡＡ断面位置での噴霧形状を示している。前述したように燃料噴射弁９の先端には円周上に複数の噴口１３が設けられており、各噴口から上側噴霧１０ａ，噴中心噴霧１１ａ，側方噴霧１２ａ〜１２ｄが形成される。燃料噴射弁９は上側噴霧１０ａが点火プラグ側になるように設置される。

本実施例において、燃料を噴射するタイミングは、エンジンの運転条件により種々変更される。例えば、エンジンの始動直後はエンジンの温度が低いため、燃焼を安定化するために圧縮行程での噴射が行われ、エンジンの暖気が完了した場合には、シリンダ内で燃料と空気を充分に混合させるため、吸気行程で燃料を噴射する。また、エンジンの暖気が完了した後でも、比較的エンジン負荷が小さい場合には燃費効率を上げるため、圧縮行程に燃料を噴射することで、点火プラグ周りに燃料を集めて、所謂成層リーンバーン燃焼を行う場合もある。これら燃料噴射時期の切り替えは、燃費，排気，出力を最適にすべく、内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）によって適宜行われる。

図７に吸気行程中期に燃料を噴射した場合の燃焼室内の噴霧形態を示す。本例は例えばエンジン回転数が２０００ｒ／min 、燃料の噴射開始時期が吸気上死点後７０°（７０°ＡＴＤＣ）の場合に、９０°ＡＴＤＣにおける燃焼室内の状態を示している。また、図８は図７と同じタイミングの燃焼室内の様子を上方（点火プラグ側）から見た平面図である。

燃料噴射弁９から噴射された上側噴霧１０ａが、点火プラグ４の電極部のやや下方に向かって噴かれており、側方噴霧１２ｃ，１２ｄがピストンの吸気側寄りに向けて噴かれている。このような噴霧形態では、燃焼室の壁面、例えばエンジンヘッドや吸気バルブ，排気バルブ，シリンダボア壁面，ピストン表面などに噴霧が衝突しにくく、また広い範囲に向けて噴射しているため、噴霧の燃焼室内への分散も良好になる。これは、壁面に燃料が衝突すると、壁面上に液膜が形成されるため燃料の気化速度が遅くなったり、燃焼室内の噴霧の分散が悪いと混合気の濃度むらが大きくなり、不完全燃焼を起こしたりするおそれがあるので、これらを防止するためである。図９は図７，図８に引き続いての圧縮行程後期（例えば圧縮上死点前４０°）での燃焼室内の状態を示した図であり、吸気行程内で噴射された燃料は吸気行程内で速やかに気化して空気と混合し、圧縮行程後期においてはほぼ均一な濃度の混合気が形成される。図示しないが、この後、圧縮上死点前に燃焼室内の混合気は点火プラグにより点火され燃焼が行われる。

図１０はエンジン全体の概略を示す。ピストン３はコンロッド１７を介してクランク軸１８と連結されており、クランク軸１８にはクランク角度とエンジン回転数を検出可能なクランク角センサ１９が設置されている。シリンダブロック２には冷却水の温度を検出する水温センサ２０が設置されている。アクセルペダル２１には運転者の踏み込み量を検出するアクセル開度センサ２２を備えている。吸気管５には吸入する空気量を調節可能な絞り弁２３が設けられており、その上流には吸入する空気量を検出可能なエアフローセンサ（図示しない）が設けられている。排気管６には三元触媒１４を備えており、その上流側には空燃比センサ１５を、下流にはＯ₂ センサ１６が設けられている。燃料噴射弁９には燃料配管２４によって燃料タンク２５内に設置された低圧ポンプ２６が接続されており、燃料配管２４の途中には燃料を更に昇圧する高圧ポンプ２７と燃料圧力を検出可能な燃料圧力センサ２８が設置されている。

電子制御装置（ＥＣＵ）２９は、設定されたプログラムに従って演算処理を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）３０，制御プログラムや演算に必要なデータを記憶しているリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）３１，演算結果を一時的に格納するためのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３２と、各センサからの信号を受信する入力回路３３，演算結果から各装置に信号を送信する出力回路３４で構成されている。

次に第１の実施例における吸気行程噴射モードでの動作について図１１から図１７により説明する。

吸気行程噴射モードに先立って、公知の種々の手法（例えば特開平９−１５１７７７号記載の方法）によって、現在使用している燃料の軽質度が求められる。ここで軽質度は燃料の気化のしやすさの指標であり、燃料の気化速度（単位時間あたりの気化量）に比例する数値と定義する。例えば軽質度は最重質ガソリンの場合０をとり、最軽質ガソリンの場合には１をとり、その間は燃料の気化速度に応じた連続的な数値をとるものとする。

吸気行程噴射モードにおける燃料噴射タイミングを図１１，図１２に示す。図１１は燃料の軽質度毎の燃料噴射タイミングチャートであり、図１２は燃料の軽質度に対する噴射開始時期、噴射終了時期の関係を示すグラフである。

吸気行程噴射モードでは、燃料噴射を吸気行程内に開始し、吸気行程内もしくは圧縮行程の初期に燃料噴射を終える。本実施例においては、燃料の軽質度に応じて吸気行程噴射モードでの噴射時期を変更する。すなわち、燃料の軽質度が低い、即ち気化の遅い燃料の場合には、噴射開始時期及び噴射終了時期を早くし、燃料の軽質度が高い、すなわち気化のしやすい燃料になるに従って噴射開始時期と噴射流量時期を遅くする。このとき、燃料の噴射開始時期と噴射終了時期の間隔（噴射継続時間）は、燃焼室内に吸入される空気の質量と噴射する燃料の質量との比である空燃比が所定の値（例えば１２〜１４.７）となるように決められる。

吸気行程噴射モードにおける燃料噴射時期の決め方について図１３及び図１４を用いて説明する。図１３は、吸気行程噴射モードにおける燃料噴射の決定手順を示したフローチャート図である。

エンジンの始動直後に、前述の公知の手法（例えば特開平９−１５１７７７号記載の方法）によって、現在使用している燃料の軽質度が求められ、軽質度がＥＣＵ内のＲＡＭに格納される（処理１００）。

次に、アクセル開度センサ，クランク角センサの出力値等から、ＥＣＵはエンジンの要求トルクを求め、この要求トルクや、水温センサで検出された冷却水温などの種々の情報に基づき、吸気行程噴射モードか否かを判断する（処理１０１）。

処理１０１で吸気行程噴射モードと判断された場合には、既にＲＡＭに格納された燃料の軽質度に基づき、噴射時期の補正値を求める。噴射時期の補正値は図１４に示すように、エンジンの要求トルクと回転数毎に、燃料の軽質度に対する噴射時期の補正値がＥＣＵのＲＡＭ内にテーブルもしくは関数として予め準備されており、このテーブルもしくは関数を用いて、現在の要求トルクと回転数に対する噴射時期補正値が求められる(処理102)。

次に処理１０３にて、噴射開始時期ＩＴｓが求められる。噴射開始時期ＩＴｓは、現在の要求トルクと回転数に対する基準噴射開始時期に処理１０２で求めた噴射時期補正値を足すことで求められる。ここで基準噴射開始時期は、燃料軽質度が０（最重質）の場合に、エンジン出力が最大となる噴射開始時期であり、エンジンの要求トルクと回転数毎に
ＥＣＵのＲＡＭ内にテーブルもしくは関数として予め準備されている。

次に処理１０４によって燃料噴射終了時期ＩＴｅが、処理１０３によって求めた燃料噴射開始時期ＩＴｓに噴射期間を足したものとして求められる。噴射期間は、燃料圧力センサによって検出された現在の燃料圧力にて、必要な燃料を噴射するのに必要な時間として求められる。必要な燃料量は、エアフローセンサによって検出された燃焼室内に吸入された空気質量と噴射する燃料質量との比である空燃比が予め定めた所定の値（例えば１２）になるよう求める。

次に処理１０４によって求まった燃料噴射終了時期ＩＴｅと予め定められた限界噴射時期ＩＴＬとが比較される（処理１０５）。ここでＩＴＬは吸気バルブの閉弁時期ＩＶＣより少し早いタイミングとして定義される（例えばＩＶＣが２２０°ＡＴＤＣに対してITLは２１０°ＡＴＤＣ）。また、ＩＴＬは必ずしも一定の値ではなく、エンジン回転数などによって変えてもよい。燃料噴射終了時期ＩＴｅが限界噴射時期ＩＴＬより大きいとき、すなわち燃料の噴射終了が限界噴射時期ＩＴＬより遅いときには、処理１０６により噴射開始時期ＩＴｓと噴射終了時期ＩＴｅを補正する。具体的には燃料の噴射期間を保ったまま、噴射終了時期ＩＴｅが限界噴射時期ＩＴＬと同じになるよう、噴射開始時期ＩＴｓと噴射終了時期ＩＴｅが進角補正される。

以上の手順により吸気行程内で燃料噴射を行うと、吸気行程に燃焼室内に空気が吸入されつつ、吸入した空気に燃料が噴射され、燃料の気化が行われる。燃料が気化するときには、燃料は吸入した空気から気化潜熱を奪うため空気の温度が低下する。この結果、燃焼室に吸入される空気の密度は増大する。燃焼室内の体積は一定であるため、密度が増加するとより多くの空気を燃焼室内に吸入することが可能となり、空燃比一定の条件ではより多くの燃料を燃焼室内に供給して燃焼することが可能となる。即ち、吸気行程中に燃料を噴射することで、燃料の気化潜熱による冷却効果によってエンジンの出力を増大することができる。

初期温度Ｔ₀，圧力Ｐのガスの密度は状態方程式により数式１で表される。

初期温度Ｔ₀，圧力Ｐのガスの温度がΔＴだけ低下したときのガス密度ρ₁はガスの状態方程式により数式２で表される。

燃料の気化による温度変化ΔＴは数式３で表される。

数式１〜数式３より、数式４が導かれる。

数式４は燃料の蒸発による気化冷却に伴う密度増加率を示している。図１５は数式４で示される密度増加率のガス初期温度Ｔ₀ に対する依存性を示したグラフであり、初期ガス温度が低いほど燃料が気化した後の密度増加率が大きくなることが示されている。

図１６は燃焼室内ガス温度の時間履歴の一例を示している。吸気行程の初期では、燃焼室内に残留した燃焼ガスの影響で、燃焼室内のガス温度は非常に高い。吸気行程が進むに従い、ほぼ常温の空気（新気）が燃焼室内に吸入されるため温度は低下し、吸気下死点で燃焼室内のガス温度は最低となる。

このことから、吸気噴射モードにおいて燃焼室により多くの空気を吸入、充填して、より多くのエンジン出力を得るためには、燃焼室内の温度がより低いタイミングで燃料を噴射する必要がある。即ち、吸気行程での燃焼室内の温度は図１６に示すように時間の進行とともに下がるため、より多くのエンジン出力を得るためには、吸気行程のより遅いタイミングで噴射するのがよい。

一方で、前述した燃料の気化冷却によって燃焼室内への充填空気量を増加させるには、燃料は吸気バルブが開いている間に行う必要がある。すなわち、吸気バルブが閉じた以降で燃料気化によって空気が冷却しても、吸気バルブが閉じて外部からの空気流入が出来ないため、燃焼室内に充填される空気量は増大しない。そのため、噴射終了時期は吸気バルブの閉弁時期ＩＶＣから所定の気化時間を見込んだ分より早いタイミングに設定するのが望ましい。

軽質度の低い（気化速度が遅い）燃料の場合には、吸気バルブが閉じる前に気化を完了させるために、吸気行程の早いタイミングに噴射する必要がある。一方、軽質度の高い
（気化速度が速い）燃料の場合には、より遅い噴射タイミングにしても吸気弁の閉じる前に気化をほぼ完了させることができる。前述したように吸気行程内での噴射タイミングが遅い方がエンジンの出力をより増大することができる。よって、燃料の軽質度を検出して、軽質度が高い燃料ほど吸気行程の噴射タイミングを遅角補正することで、軽質燃料でより高いエンジン出力を得ることができる。また、燃料噴射終了時期を吸気閉弁時期ＩＶＣより所定のクランク角度分だけ進角した時期より遅くならないようにすることで、噴射時期の過度の遅角によって、吸気弁閉弁時期ＩＶＣ以降での燃料気化が増えエンジンの出力が低下することを防止できる。

なお本実施例においては図１２に示すように燃料の軽質度に応じて燃料の噴射時期を連続的に変更したが、噴射時期を不連続で変更してもよい。例えば図１７に示すように燃料の軽質度に閾値を設けて、その閾値より軽質度が高い場合には燃料噴射時期をステップ的に遅くしても同様の効果が得られる。この場合には、燃料軽質度を細かく検出する必要が無いため、重軽質判定の制御が簡単になる利点がある。

本実施例では、燃料の気化冷却効果を有効に使って燃焼室内に充填される空気量を増大することでエンジンの出力を向上するものである。従ってストットル弁が全開（Wide
Open Throttle：ＷＯＴ）の運転条件の時に特に効果が高い。そこで、図１８の処理フローに示すように、処理１０８でＷＯＴ運転モードか否かを判定し、ＷＯＴ運転モードのときのみ、燃料噴射時期を燃料の軽質度に応じて変更してもよい。処理１０８でＷＯＴ運転モードでないと判断したときには、燃料の軽質度に応じた噴射時期変更はしない。これは、ＷＯＴ以外の部分負荷運転モードで燃料噴射時期を燃料の軽質度に応じて変更すると、燃料が軽質の場合にエンジン出力（トルク）が増大し、所定の要求トルクを得るためのスロットル開度が小さくなる。そうするとスロットルによる絞り損失（ポンプ損失）が増え、燃費が悪くなるおそれがある。そこでＷＯＴ運転モードのみに燃料噴射時期を燃料の軽質度に応じて変更するようにすると、エンジンの最大トルクを増大しつつ部分負荷時の燃費悪化を防止できる。

燃料の軽質度に関連付けて噴射時期を変更する代わりに、その他の燃料の気化速度を変更するパラメータに関連付けて噴射時期を変更してもよい。燃料の気化速度を変更するパラメータとして、例えばエンジンの冷却水温度でもよい。すなわち冷却水温度が高いほど、機関の温度が高いため、燃焼室内に噴射された燃料がより気化しやすくなる。そこで図１９に示すように、冷却水温度センサによりエンジン冷却水の温度を検出し、温冷却水温度の上昇と共に吸気行程噴射モードでの燃料噴射時期を遅くすることで、エンジン出力を向上することができる。

エンジンの冷却水温度は冷機始動時に最も低く、エンジンの暖機が進むにつれて上昇し、完全暖機後はほぼ一定（８０〜９０℃）に保たれる。そこでエンジン冷却水温度の代わりに、エンジン始動からの経過時間に関連付けて、エンジン始動から暖機完了時間までの間は、時間経過と共に吸気行程噴射モードでの燃料噴射時期を遅くすることで、エンジン出力を向上することができる（図２０参照）。

燃料の気化速度を変更するパラメータとして、例えば外気温度でもよい。すなわち外気温度が高いほど、機関の温度、吸入するガス温度、燃料温度が高いため、燃焼室内に噴射された燃料がより気化しやすくなる。そこで図２１に示すように、外気温度センサで外気温度を検出し、外気温度の上昇と共に吸気行程噴射モードでの燃料噴射時期を遅くすることで、エンジン出力を向上することができる。

燃料の気化速度を変更するパラメータとして、例えば燃料温度でもよい。すなわち燃料温度が高いほど、燃焼室内に噴射された燃料がより気化しやすくなる。そこで図２２に示すように、燃料温度センサで燃料温度を検出し、燃料温度の上昇と共に吸気行程噴射モードでの燃料噴射時期を遅くすることで、エンジン出力を向上することができる。

燃料の気化速度を変更するパラメータとして、例えば燃料圧力でもよい。一般にインジェクタから噴射される噴霧の粒径は図２３に示すように、燃料圧力が高いほど小さくなる。すなわち燃料圧力が高いほど、燃焼室内に噴射された燃料がより気化しやすくなる。そこで図２４に示すように、燃料圧力センサで燃料圧力を検出し、燃料圧力の上昇と共に吸気行程噴射モードでの燃料噴射時期を遅くする。なお、インジェクタからの燃料噴射率
（単位時間あたりの噴射量）は図２４に示すように燃料圧力の上昇とともに大きくなるので、燃料圧力が上がると、所定量の燃料噴射するのに要する噴射期間は短くなる。従って、噴射終了時期の燃圧に対する変化率は、噴射開始時期の燃圧に対する変化率に比べて小さくなる。

燃焼室内での空気流動を強くするために、エンジンの吸気ポートにタンブル制御弁もしくはスワール制御弁を設けることが知られている。図２５はタンブル制御弁を設けたエンジン構成の一例である。図２５において、吸気ポート５の上流部にタンブル制御弁が設けられている。タンブル制御弁はモータ２１の揺動２２に半円形プレート２３を取り付けた構造となっている。図示しないＥＣＵからの指示によって半円形プレート２３が揺動軸
２２を中心として揺動する。図２６に示すように、タンブル制御弁が開いている場合には、吸気ポートの断面全体を通って燃焼室内に空気が入るため、燃焼室内に双方向の縦渦
（タンブル）が生成され、お互いの縦渦同士で渦流動を相殺しるため、燃焼室の渦流動は弱くなる。一方、タンブル制御弁が閉じているときは、吸気ポートの上側半分を通って燃焼室内に空気が入るため、燃焼室内には１方向の強い縦渦が生成される。この強い縦渦は燃焼室内に噴射された燃料噴霧と激しく干渉するため、噴霧の微粒化、気化を促進する。即ち、タンブル制御弁の開度によって、燃焼室内の燃料の気化速度を変更することができる。

そこで燃料の気化速度を変更するパラメータとして、例えばタンブル制御弁の開度でもよい。すなわちタンブル制御弁の開度が小さい（燃焼室内のタンブル強度が高い）ほど、燃焼室内に噴射された燃料がより気化しやすくなる。そこで図２７に示すように、タンブル制御弁の開度が小さくなると共に吸気行程噴射モードでの燃料噴射時期を遅くすることで、エンジン出力を向上することができる。

なお上記は燃焼室内に縦渦を生成するタンブル制御弁についてであるが、燃焼室内に横渦（スワール）を生成するスワール制御弁についても同様の制御を行うことでタンブル制御弁と同様の効果が得られる。

次に混合ガソリンを使用する場合の実施例について説明する。

ガソリンにエタノールを混合した燃料が公知である。エタノールとガソリンでは、それぞれの飽和蒸気圧が異なるため、図２８に示すように混合するエタノールの割合によって、混合燃料の飽和蒸気圧が変化し、一般的にはエタノール濃度が高いほど混合燃料の飽和蒸気圧が上昇する。これは、エタノールの混合割合が高いほど燃料の気化速度が速くなることを意味する。そこで燃料中に含まれるエタノール濃度を検出し、図２９に示すように吸気行程噴射モードでの噴射時期をエタノール濃度が高いほど遅くすることで、エンジン出力を向上することができる。エタノール濃度の検出に関しては、例えば特開２００６−７７６８３号公報に記載の内容が利用できる。なお、エタノールはガソリンに比べて単位質量あたりの発熱量が小さいため、エタノール混合燃料は、同一発熱量を得るためには、ガソリン単体より多くの燃料を噴射する必要がある。よって、図２９に示すようにエタノール濃度が高くなるに従い噴射期間は長くなる。燃料の気化潜熱効果によって燃焼室内に充填される空気量を増大するには、噴射終了時期は吸気バルブの閉弁時期（ＩＶＣ）より前であることが必要である。一方でエタノール濃度が高くなるにつれて必要燃料量が増えて噴射期間が長くため、図３０に示すように噴射開始時間はエタノール濃度が高くなるに従い、早くする場合もある。この場合においても、噴射開始時期と噴射終了時期との中間、即ち平均噴射時間を、エタノール濃度が高いほど遅くなるようにすることで、エンジン出力を向上することができる。

本発明は、筒内噴射式の内燃機関に用いて好適な燃料噴射制御方法及び燃料噴射制御装置であり、燃料噴射弁のタイプ、シリンダ内の空気流動性世紀項の有無、燃料噴射弁の取付け位置（サイド噴射かセンタ噴射か）、燃料噴射の方法（１回噴射か複数回噴射か）には限定されず、相互に組み合わせて広く利用可能である。

実施例１におけるエンジン平面図を示す。実施例１におけるエンジン斜視図を示す。実施例１におけるインジェクタ先端断面図を示す。実施例１におけるインジェクタ先端平面図を示す。実施例１における噴霧外観図を示す。実施例１における噴霧断面図を示す。実施例１における燃焼室内の噴霧の様子を示す。実施例１における燃焼室内の噴霧の様子を示す。実施例１における燃焼室内の混合気の様子を示す。実施例１におけるエンジン構成図を示す。実施例１における噴射タイミングを示す。実施例１における燃料軽質度に対する噴射時期を示す。実施例１における噴射制御のフローチャートを示す。実施例１における燃料軽質度に対する噴射時期補正値を示す。ガス温度に対するガス密度増加率を示す。燃焼室内のガス温度変化の一例を示す。実施例１における燃料軽質度に対する噴射時期を示す。実施例２における噴射制御のフローチャートを示す。実施例３における冷却水温度に対する噴射時期を示す。実施例４における始動後経過時間に対する噴射時期を示す。実施例５における外気水温度に対する噴射時期を示す。実施例６における燃料温度に対する噴射時期を示す。燃料圧力に対する噴霧平均粒径の一例を示す。実施例７における燃料圧力に対する噴射時期を示す。実施例８におけるエンジン斜視図を示す。実施例８における燃焼室内の空気流動の様子を示す。実施例８におけるタンブル制御弁開度に対する噴射時期を示す。エタノール混合ガソリンの蒸気圧の一例を示す。実施例９におけるエタノール濃度に対する噴射時期を示す。実施例９におけるエタノール濃度に対する噴射時期を示す。

符号の説明

３ピストン
４点火プラグ
９燃料噴射弁
１０上側噴霧
１１中心噴霧
１２側方噴霧
１３噴口
２３タンブル制御弁の弁体

Claims

少なくとも吸気行程に燃料を筒内に直接噴射し、その後筒内において気化した燃料に着火する筒内噴射式エンジンの制御方法において、
燃料の気化時間に影響を与える物理量が、前記燃料の気化時間が短くなる方向に変位するにつれて、燃料の噴射時期を吸気行程の終端に近づく側に向かって変位させることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
少なくとも吸気行程に燃料を筒内に直接噴射し、その後筒内において気化した燃料に着火する筒内噴射式エンジンの制御方法において、
燃料の気化時間に影響を与える物理量が前記燃料の気化時間が短くなるような機関の運転状態での燃料の噴射時期を、前記燃料の気化時間が長くなるような機関の運転状態での燃料の噴射時期よりも吸気行程の終端に近い側に設定することを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項１若しくは２に記載のものにおいて、
前記筒内噴射エンジンの気筒に供給される空気量を制御するスロットル弁が全開となる運転時に前記制御方法を実行する
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項１に記載したものにおいて、
前記物理量がエンジンの冷却水温度である場合、
当該エンジンの冷却水温度が高くなるにつれて燃料の噴射時期を吸気行程の終端に近づく側に向かって変位させる
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項２に記載したものにおいて、
前記物理量がエンジンの冷却水温度である場合、
当該エンジンの冷却水温度が特定の温度より高い温度状態での燃料の噴射時期を、前記エンジンの冷却水温度が特定の温度より低い温度状態での燃料の噴射時期よりも吸気行程の終端に近い側に設定する
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項１に記載したものにおいて、
前記物理量が燃料の温度である場合、
当該燃料の温度が高くなるにつれて燃料の噴射時期を吸気行程の終端に近づく側に向かって変位させる
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項２に記載したものにおいて、
前記物理量が燃料の温度である場合、
当該燃料の温度が特定の温度より高い温度状態での燃料の噴射時期を、前記燃料の温度が特定の温度より低い温度状態での燃料の噴射時期よりも吸気行程の終端に近い側に設定する
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項１に記載したものにおいて、
前記物理量が外気温度である場合、
当該外気温度が高くなるにつれて燃料の噴射時期を吸気行程の終端に近づく側に向かって変位させる
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項２に記載したものにおいて、
前記物理量が外気温度である場合、
当該外気温度が特定の温度より高い温度状態での燃料の噴射時期を、前記外気温度が特定の温度より低い温度状態での燃料の噴射時期よりも吸気行程の終端に近い側に設定する
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項１に記載したものにおいて、
前記物理量がエンジン始動からの経過時間である場合、
当該エンジン始動からの経過時間が長くなるにつれて燃料の噴射時期を吸気行程の終端に近づく側に向かって変位させる
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項２に記載したものにおいて、
前記物理量がエンジン始動からの経過時間である場合、
当該エンジン始動からの経過時間が特定の経過時間より長い状態での燃料の噴射時期を、前記エンジン始動からの経過時間が特定の時間より短い状態での燃料の噴射時期よりも吸気行程の終端に近い側に設定する
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項１に記載したものにおいて、
前記物理量が吸気通路に設けたタンブル制御弁もしくはスワール制御弁の弁開度である場合、
当該弁開度がシリンダ内のタンブル流動もしくはスワール流動を強化する開度に変位するにつれて燃料の噴射時期を吸気行程の終端に近づく側に向かって変位させる
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項２に記載したものにおいて、
前記物理量が吸気通路に設けたタンブル制御弁もしくはスワール制御弁の弁開度である場合、
当該弁開度が特定の開度よりシリンダ内のタンブル流動もしくはスワール流動を強化する開度状態での燃料の噴射時期を、前記弁開度が特定の開度よりシリンダ内のタンブル流動もしくはスワール流動を弱める開度状態での燃料の噴射時期よりも吸気行程の終端に近い側に設定する
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項１に記載したものにおいて、
前記物理量が燃料圧力である場合、
当該燃料圧力が高くなるにつれて燃料の噴射時期を吸気行程の終端に近づく側に向かって変位させる
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
請求項２に記載したものにおいて、
前記物理量が燃料圧力である場合、
当該燃料圧力が特定の燃料圧力より高い状態での燃料の噴射時期を、前記燃料圧力が特定の燃料圧力より低い状態での燃料の噴射時期よりも吸気行程の終端に近い側に設定する
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁、
燃料の気化時間に影響を与える物理量を測定する測定手段、
当該測定手段の信号に基づいて前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御する制御回路
を有する請求項１若しくは２に記載の内燃機関の制御方法を実施する内燃機関の制御装置。
少なくとも燃料の気化時間に影響を与える物理量を測定する測定手段の出力を入力信号として取込む入力端子、
少なくとも筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御信号として出力する出力端子
を有する請求項１若しくは２に記載の内燃機関の制御方法を実行するのに用いる制御回路装置。
少なくとも燃料の気化時間に影響を与える物理量を測定する測定手段の出力を入力信号として取込む入力端子、
少なくとも筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御信号として出力する出力端子
を有する請求項１６に記載の内燃機関の制御装置に用いる制御回路装置。
燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、
燃料の気化速度を検出する手段を設け、
前記検出手段によって検出された燃料の気化速度が速くなるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、
燃料の重軽質を判定する手段を設け、前記重軽質判定手段による燃料の軽質の度合いが高くなるにつれて吸気行程における燃料の噴射時期を遅らせることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。
燃料を筒内に直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、
燃料の成分を検出する手段と、前記燃料の成分を検出する手段の結果に基づいて燃料の気化速度を推定する手段を設け、
前記推定手段によって検出された燃料の気化速度が、予め定めた基準の気化速度よりも速い場合には、吸気行程における燃料の噴射時期を予め定めた基準の噴射時期よりも遅らせ、
前記推定手段によって検出された燃料の気化速度が、予め定めた基準の気化速度よりも遅い場合には、吸気行程における燃料の噴射時期を予め定めた基準の噴射時期よりも早めることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御方法。