JP2008215266A - 筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射によって、筒内に形成した渦気流を確実に強化して、燃焼の改善及び排気の向上を図ることができる筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】筒内５７に噴射する燃料ＦＥで、形成されている渦気流を強化する筒内噴射式の火花点火内燃機関５０の制御装置１Ａであって、前記筒内の空気密度を確認する空気密度確認手段と、燃料噴射時の前記空気密度に基づいて、前記燃料ＦＥの噴霧粒径及び噴霧回数の少なくとも一方を制御する燃料噴霧制御手段とを含むものである。燃料噴霧制御手段が燃料噴射時に筒内の空気密度に基づいて、燃料の噴霧粒径及び噴霧回数の少なくとも一方を制御するので、内燃機関の運転に応じて筒内の空気密度が変化しても燃料を噴射したときに渦気流をアシストして強化する効果を確実に得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関する。

筒内へ燃料を直接に噴射し点火することで駆動力を得る、直噴タイプと称される筒内噴射型の火花点火内燃機関が知られている。そして、このタイプの内燃機関に関しては、筒内にタンブル流、スワール流などの渦気流を形成して燃焼や排気エミッションの改善を図る技術が従来から種々提案されている。筒内に適度な渦気流を形成させると、点火時期において混合気の乱れを増大させることができ、燃焼速度が向上するので良好な燃焼を実現できる。また、これにより排気エミッションの改善を図ることもできる。

ところが、筒内へ燃料を直接に噴射する直噴型の内燃機関では、噴射された燃料が点火プラグ、シリンダ、或いは筒内壁面（シリンダ壁面）などに付着する場合がある。このように噴射された燃料が筒内の種々の箇所に付着すると、燃焼性能や排気を悪化させる原因となる。そこで、特許文献１は、燃焼室形状や燃焼性能に応じて、マルチホールインジェクタの噴孔からの燃料噴射の方向、噴霧貫徹力、噴霧粒径などの特性を設定する噴霧特性設定手段を備えた内燃機関の燃焼制御装置について提案する。この燃焼制御装置は、例えば噴霧粒径を一定以下にすることで、燃料がピストンキャビティへ付着するのを低減する。よって、特許文献１の燃焼制御装置は、燃焼性能や排気の悪化を抑制できるとされている。

特開２００５−２４８８５７号公報

しかしながら、特許文献１の燃焼制御装置は、燃料がシリンダ壁面などに付着すると点火性能や排気ガスが悪化するので、付着が発生しないように噴霧方向、噴霧貫徹力、噴霧粒径などを設定する噴霧特性設定手段を設けることだけを提案するものである。すなわち、この燃焼制御装置は単に筒内での燃料付着を低減することで、燃焼及び排気が悪化することを抑制するもので、積極的に燃焼性能の向上や排気改善を意図していない。よって、特許文献１の燃焼制御装置では、内燃機関の燃焼の改善や排気エミッションの向上を図ることができない。なお、特許文献１においては、燃料噴射でタンブル流をアシストして燃焼向上を図ること、また噴霧粒径や噴霧回数とアシスト強化の関係などについても何ら検討がされていない。

そこで、本発明の目的は、燃料噴射によって、筒内に形成した渦気流を確実に強化して、燃焼の改善及び排気の向上を図ることができる筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供することである。

上記目的は、筒内に噴射する燃料で、形成されている渦気流を強化する、筒内噴射式の火花点火内燃機関の制御装置であって、前記筒内の空気密度を確認する空気密度確認手段と、燃料噴射時の前記空気密度に基づいて、前記燃料の噴霧粒径及び噴霧回数の少なくとも一方を制御する燃料噴霧制御手段とを備える、ことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置によって達成できる。

本発明によると、燃料噴霧制御手段が燃料噴射時に筒内の空気密度に基づいて、燃料の噴霧粒径及び噴霧回数の少なくとも一方を制御するので、内燃機関の運転に応じて筒内の空気密度が変化しても、燃料を噴射したときに渦気流をアシストして強化する効果（以下、「噴流効果」と称する）を確実に得ることができる。よって、このような制御装置を適用した内燃機関は、燃焼の改善及び排気の向上を図ることができる。

そして、前記燃料噴霧制御手段は、噴射された燃料が前記渦気流を突き抜けないように、前記噴霧粒径及び噴霧回数の少なくとも一方を制御するようにすればよい。

また、前記空気密度確認手段は、前記筒内に吸気を供給する吸気通路の吸気圧及び吸気温度に基づいて、前記空気密度を推定するようにしてもよい。

そして、前記燃料噴霧制御手段は、前記空気密度に比例して前記噴霧粒径を変更することで、上記噴流効果が確実に得られるようにしてもよい。また、前記燃料噴霧制御手段は、前記空気密度が低いほど前記噴霧回数を増加させることで、上記噴流効果が確実に得られるようにしてもよい。

なお、前記渦気流がタンブル流であって、前記燃料噴霧制御手段は、吸気下死点近傍で燃料を噴射させることにより前記タンブル流をアシストして強化する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置として構成してもよい。

また、前記渦気流がスワール流であって、前記燃料噴霧制御手段は、吸気下死点近傍で燃料を噴射させることにより前記スワール流をアシストして強化する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置として構成してもよい。

本発明によれば、燃料噴射によって、筒内に形成した渦気流を確実に強化して、燃焼の改善及び排気の向上を図ることができる筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供できる。

以下、本発明に係る好ましい形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る制御装置が適用されている筒内噴射式の火花点火内燃機関５０（以下、単に内燃機関５０と称する）を含む内燃機関システム１００を模式的に示した図である。内燃機関システム１００は、内燃機関５０と、これに付属する吸気系１０、燃料噴射系２０、排気系３０などを含んで構成されている。この内燃機関システム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１Ａにより全体的に制御されている。そして、このＥＣＵ１Ａは、筒内の空気密度を確認し、これに応じて燃料の噴霧粒径を変更して筒内に形成されているタンブル流をアシストして強化する噴流効果を確実に得るための各手段としても機能する。このＥＣＵ１Ａについては、後に詳述する。

まず、図１を参照して内燃機関システム１００の概略を説明する。吸気系１０は、内燃機関５０に吸気（空気）を導入するための構成である。吸気系１０は、吸気を濾過するためのエアクリーナ１１、空気量を計測するエアフロメータ１２、吸気の流量を調節するスロットル弁１３、吸気を一時的に貯蔵するためサージタンク１４、吸気を内燃機関５０の各気筒に分配するインテークマニホールド１５、また内燃機関５０のシリンダヘッドに形成されている吸気ポート５２ａなどを含んで構成されている。よって、エアクリーナ１１より下流の通路、サージタンク１４、インテークマニホールド１５及び吸気ポート５２ａなど含んで、吸気通路が形成されている。

そして、本実施例ではインテークマニホールド１５に、吸気圧を検出する吸気圧センサ１６及び吸気温度を検出する吸気温度センサ１７が配備されている。これらセンサ１６、１７の出力はＥＣＵ１Ａへ供給されている。

燃料噴射系２０は、燃料ＦＥを圧送して燃焼室５７内（「筒内」とも称する）に直接噴射するための構成である。燃料噴射系２０はインジェクタ２１、このインジェクタ２１へ供給する燃料ＦＥを貯留する燃料タンク２２を含んでいる。インジェクタ２１と燃料タンク２２との間には、インジェクタ２１に向け燃料を供給する燃料フィードポンプ２３及びインジェクタ２１へ供給する燃料の圧力（以下、「燃圧」と称する）を変更する高圧ポンプ２４が配備されている。インジェクタ２１はＥＣＵ１Ａの制御下で適宜の噴射時期に開弁されて燃料ＦＥを筒内に噴射する。その燃料噴射量は、ＥＣＵ１Ａの制御の下でインジェクタ２１が閉弁されるまでの間の開弁期間の長さで調節される。すなわち、ＥＣＵ１Ａはインジェクタ２１の駆動を制御して、燃料噴射の回数や燃料噴射量を適宜に制御する。また、高圧ポンプ２４は噴霧粒径するための構成である。ＥＣＵ１Ａの制御下で高圧ポンプ２４を介して燃圧を制御すると、インジェクタ２１から噴射する燃料の噴射圧を変更して噴霧粒径を拡大或いは縮小できる。例えば、ＥＣＵ１Ａが燃圧を上昇させて噴霧圧を上げると、噴霧粒径はこれに比例して減少する。

排気系３０は、内燃機関５０の筒内で発生した排気ガスを機外へ排出するため構成である。排気系３０はシリンダヘッドに形成した排気ポート５２ｂ、エキゾーストマニホールド３１などを含んで構成されている。

図２は、図１で示している内燃機関５０を拡大して示した模式図である。同一の部位については、図１と同じ符号を付してある。この図２を参照して、内燃機関５０の構造をより詳細に説明する。

内燃機関５０は、一般の内燃機関と同様に、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２、ピストン５３、点火プラグ５４、吸気弁５５、及び排気弁５６などを含んで構成されている。本実施例１に示す内燃機関５０は、例えば直列４気筒の筒内噴射式火花点火内燃機関である。ただし、内燃機関５０は他の適宜の気筒配列構造及び気筒数を有していてもよい。また図２では内燃機関５０に関し、各気筒の代表としてシリンダ５１ａについて要部を示しているが本実施例では他の気筒についても同様の構造となっている。シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内には、ピストン５３が収容されている。

シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５７は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には燃焼室５７に吸気を導くための吸気ポート５２ａのほか、燃焼したガスを燃焼室５７から排気するための排気ポート５２ｂが形成されている。さらに、これら吸排気ポート５２ａ及び５２ｂを開閉するための吸気弁５５及び排気弁５６が配設されている。なお、内燃機関５０は１気筒あたりに適宜の数量の吸排気弁５５及び５６を備えた吸排気弁構造であってもよい。

点火プラグ５４は、燃焼室５７の上方略中央に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に固定されている。インジェクタ２１も燃焼室５７の上方で点火プラグ５４と隣り合う位置から燃焼室５７内に燃料噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。

吸気ポート５２ａには、燃焼室５７内にタンブル流（縦の渦気流）Ｔを生成するための吸気制御弁５８が配設されている。吸気制御弁５８は、ＥＣＵ１Ａの制御のもと吸気ポート５２ａ内で吸気ＡＲを偏流させて燃焼室５７内にタンブル流Ｔを生成させるための構造である。

吸気制御弁５８は弁体が板状であって、吸気ポート５２ａの内壁下側に設定した支軸５９を中心に回動するように設定されている。ここでは図示を省略しているが、ＥＣＵ１Ａにより駆動が制御されるアクチュエータにより吸気制御弁５８の開度が調整される。そして、図２は、吸気制御弁５８を閉じることにより吸気ポート５２ａ内の流路を絞って筒内にタンブル流Ｔを形成するようにした様子を例示している。ここで形成するタンブル流Ｔは、燃焼室５７内で吸気弁５５側を上昇するように時計回りに旋回する順タンブル流Ｔとなっている。

そして、ＥＣＵ１Ａの制御の下で、インジェクタ２１が吸気行程下死点近傍で燃料ＦＥを噴射するように設定されている。インジェクタ２１の噴孔２１ＨＬはタンブル流Ｔの流れに沿う方向に向けられている。これにより、噴射された燃料ＦＥはタンブル流Ｔをアシストして強化する。強化されたタンブル流Ｔは点火時期まで維持される。その結果、点火時期に混合気の乱れを増大させ、燃焼速度を適度に向上させることで良好な燃焼を得ることができる。

ところで、内燃機関５０が運転状態にあるときには、燃焼室５７内（筒内）の雰囲気（気体の状態）は刻々と変化する。より具体的には、内燃機関が低負荷状態にある場合と、高負荷状態にある場合とでは筒内の雰囲気が異なる。筒内に充填される混合気を構成している空気と燃料との重量比（Ａ／Ｆ）は、一般に負荷によらず理論空燃比（１４．３前後）に設定されているので少空気量となる低負荷では空気密度が低く、これとは逆に高負荷では空気密度が高くなる。

ここで、例えば空気密度が高である高負荷状態の方を基準として、燃料噴射時にタンブル流が強化されるように（噴流効果が得られるように）、インジェクタ２１の燃料噴射の条件を設定することが考えられる。しかし、このようにすると、内燃機関５０がアドリング運転されたときのように空気密度が低いときに、燃料噴射でタンブル流を強化できないという不都合が発生する場合がある。

上記のように高負荷で空気密度が高い状態に合わせた燃料噴射装条件は、相対的に噴霧速度を速くして、燃料を遠くへ飛ばすような設定となる。ところが、この条件設定を空気密度が低い雰囲気に適用すると、噴霧された燃料がアシストすべき対象であるタンブル流を突き抜けて（すなわち、噴霧がタンブル流の流れをアシストして強化する仕事をせずに）、燃焼室５７の壁面へ衝突する場合がある。これでは、空気密度が低く変更された場合には噴流効果が得られないことになる。

そして、上記とは逆に、低負荷で空気密度が低い状態のときに、噴流効果が得られように噴射条件を設定すると、反対の不都合が発生する。すなわち、内燃機関が高負荷で空気密度が高い雰囲気では、インジェクタ２１からの噴霧速度が低く過ぎてタンブル流を強化できないという事態になる。
よって、図１で示す内燃機関５０には、前述したように噴流効果が得られるように、ＥＣＵ１Ａにより実現される制御装置が適用されている。以下、この点について詳述する。

まず、内燃機関５０で採用している、筒内に直接に燃料噴を射することによりタンブル流をアシストし、強化するメカニズムの概略を説明する。
インジェクタ２１から噴射された噴霧の１粒の運動方程式は、次式（１）で表わすことができる。
ｍα＝（−Ｃｄ×ρ×Ｖ^２×Ｓ）／２・・・・・・（１）
ここで、 ｍ：噴霧粒の質量
α：噴霧の進行方向加速度
Ｃｄ：噴霧粒の空気抵抗係数
ρ：筒内の空気密度
Ｖ：噴霧速度
Ｓ：噴霧粒の前面投影面積 である。
上記式（１）を変形して、式（２）と表わすことができる。
α＝（−Ｃｄ×ρ×Ｖ^２×Ｓ）／（２×ｍ）・・・・・・（２）

ここで、直噴型の内燃機関の場合には、レイノルズ数（Reynolds number）が十分に大きいので、Ｃｄ値は条件によらず略一定となる。
なお、レイノルズ数は、流体中を運動する物体を特徴付ける指標で、速度×長さ÷流体の粘性係数によって表されるものである。レイノルズ数は、物体が大きいほど、速度が速いほど、そして粘性が小さいほどその値が大きくなる。よって、レイノルズ数が大きいということは、相対的に慣性作用が強い流れということになる。

筒内の空気密度ρは、定数Ｃ／（1＋0.00367×空気温度）×空気絶対圧、で求められる。また、噴霧粒半径ｒとすると、噴霧粒の前面投影面積Ｓはｒ^２に比例し、噴霧粒の質量ｍはｒ^３に比例することになる。

よって、上記式（２）は、更に下記の概略式（３）のように表示できる。
α＝（−（定数）×空気密度ρ）／（噴霧粒半径ｒ×噴霧速度Ｖ）・・・（３）
上記式（３）は、空気密度ρが増加したときに、噴霧粒半径ｒをこれに比例させて大きくすれば、（空気密度ρ）／（噴霧粒半径ｒ）は変化せず、時間に対する噴霧飛行距離を略同一にすることができることを示している。よって、筒内の空気密度が変化する場合には、噴霧粒半径ｒを空気密度ρに比例させて変化させることで、前述したような噴霧速度が速過ぎてタンブル流を突き抜けるなどの事態を抑制できる。これにより、燃料噴射によりタンブル流をアシストして強化するという「噴流効果」を確実に得ることができる。

本願発明者は、以上で説明したメカニズムに着目し、筒内の空気密度に応じて噴霧粒径を調整して噴流効果を確実に得ることができる制御装置を案出したものである。そして、前述したように内燃機関５０の制御装置は、ＥＣＵ１Ａによって実現されている。ＥＣＵ１Ａは、筒内の空気密度を確認する空気密度確認手段及び燃料噴霧制御手段として機能する。ＥＣＵ１Ａは、センサ１６、１７の出力に基づいて筒内の空気密度ρを推定することで確認し、そのときの筒内の雰囲気に適した噴霧条件を設定して、インジェクタ２１から燃料ＦＥを噴射させる。よって、筒内に形成されるタンブル流を安定的に強化することができる。

なお、図１で示すように内燃機関５０には、回転数ＮＥに比例した出力パルスを発生するクランク角センサ７１、内燃機関５０の水温を検出するための水温センサ７２、アクセルペダル（図示省略）の踏み込み量（アクセル開度）を検知するためのアクセルセンサ７３など各種のセンサが配設されてＥＣＵ１Ａに供給されている。よって、ＥＣＵ１Ａは内燃機関５０の運転状態も確認できる。

ＥＣＵ１Ａは、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、入出力回路などを有して構成されている。ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムや、プログラムで使用する一連のデータなどを格納するための構成であり、本実施例では内燃機関５０制御用プログラムのほか、吸気圧センサ１６及び吸気温度センサ１７から筒内の空気密度を推定して、これに基づいて噴霧粒径を設定するプログラムなどが格納してある。

本実施例では、ＥＣＵ１Ａが高圧ポンプ２４を制御して燃圧を変更する。そして、インジェクタ２１からの燃料噴射圧を変更する。ＥＣＵ１Ａは吸気圧センサ１６及び吸気温度センサ１７の出力から燃焼室５７内の空気密度を推定し、この推定した結果に応じて燃圧を変更する。より具体的には、ＥＣＵ１Ａは、空気密度が高くなる方へ変化した場合には、これに比例させて噴霧粒径を大きくする。これとは逆に、空気密度が低くなる方へ変化した場合には、これに比例させて噴霧粒径を小さくする。

図３は、燃料噴射時における筒内の空気密度と噴流効果を得るのに適した噴霧粒径との関係例を示した図である。ＥＣＵ１Ａは、図３で示すような空気密度と好ましい噴霧粒径（目標の噴霧粒径）とを関連付けたテーブルをＲＯＭなどに格納している。よって、ＥＣＵ１Ａは前述したように吸気圧センサ１６及び吸気温度センサ１７の出力から空気密度を推定したときに、目標の噴霧粒径を特定する。そして、ＥＣＵ１Ａは、インジェクタ２１からの噴霧粒径が目標の噴霧粒径となるように高圧ポンプ２４で燃圧を制御する。

図４は、上記ＥＣＵ１Ａによって実現される内燃機関５０の制御装置が実行するタンブル流強化の処理をまとめたフローチャートである。ＥＣＵ１Ａは、内燃機関５０のイグニッションスイッチがオン（ＯＮ）されたときに、このルーチンを起動する。ＥＣＵ１Ａは、図１の吸気圧センサ１６の出力からインテークマニホールド１５内の吸気圧、また吸気温度センサ１７の出力から吸気温度を確認する（Ｓ１０１）。そして、これら出力に基づいて、筒内の空気密度を推定する（Ｓ１０２）。なお、図１で示すように、インテークマニホールド１５に配備した吸気圧センサ１６及び吸気温度センサ１７の出力を利用すると筒内の空気密度を比較的容易に推定できる。しかし、このように空気密度を推定するのは、空気密度を確認する場合の単なる一実施例である。内燃機関５０の筒内圧を検出する筒内圧センサを配備してある場合は、その出力を利用してもよい。また、インテークマニホールドではなく、サージタンク１４に吸気圧センサ１６及び吸気温度センサ１７を配設して吸気圧及び吸気温度を検出してもよい。

つぎに、ＥＣＵ１Ａは求めた空気密度が変化しているか否かを確認する（Ｓ１０３）。ＥＣＵ１Ａは所定周期で上記ステップＳ１０１〜Ｓ１０３を実行して、空気密度の変化を周期的に監視する。そして、ＥＣＵ１Ａは、ステップＳ１０３で空気密度の変化を確認した場合、さらにそれ以前と比較して空気密度が増加したか否かを確認する（Ｓ１０４）。

上記ステップＳ１０４で、空気密度が増加していると判断した場合、ＥＣＵ１Ａは噴霧粒径が空気密度と比例して拡大するように燃圧を制御する（Ｓ１０５）。ＥＣＵ１Ａは、インジェクタ２１への燃圧を変更する高圧ポンプ２４を制御して噴霧圧を変更する。これによりインジェクタ２１からの噴霧粒径を拡大させ、そのときに筒内に形成されているタンブル流を確実に強化する。

一方、上記ステップＳ１０４で空気密度が増加していないと判断されるのは、空気密度が減少している場合である。このときには、ＥＣＵ１Ａは噴霧粒径が空気密度と比例して縮小（減少）するように燃圧を制御する（Ｓ１０６）。この場合も同様に、ＥＣＵ１Ａはインジェクタ２１への燃圧を変更する高圧ポンプ２４を制御して噴霧圧を変更する。これによりインジェクタ２１からの噴霧粒径を小さくさせて、そのときに筒内に形成されているタンブル流を確実に強化する。

以上で説明した実施例１の制御装置によると、筒内の空気密度の変化に応じてインジェクタからの噴霧粒径が調整されるので、内燃機関５０の変化に対処して燃料噴射したときにタンブル流を確実に強化できる。よって、このような制御装置を採用する内燃機関は、良好な燃焼及び排気エミッションを実現できる内燃機関として提供できる。

なお、上記実施例１の制御装置は、筒内の空気密度の変化に比例させて噴霧粒径を変更することにより「噴流効果」を確実に得るものである。ここで、筒内の空気密度が低いことは、内燃機関５０が低負荷にあることと同値であり、また、筒内の空気密度が高いことは、内燃機関５０が高負荷にあることと同値であるように理解される可能性がある。すなわち、内燃機関５０のアイドル運転時などは軽負荷であって空気密度が低い。また、内燃機関５０の高速時などは高負荷であって空気密度が高い。よって、一見すると、筒内の空気密度に応じて燃料の噴霧粒径を調整することは、内燃機関５０の負荷状態に応じて燃料の噴霧粒径を調整することと同じことであるかのように理解される可能性がある。しかしながら、この理解は誤りである。次の説明から、これが誤りであることが分かる。

一般的なガソリンエンジンでストイキは、Ａ／Ｆ値が１４．５程度である。これは、ガソリンが「１」に対して、空気が「１４．５」の重量ということである。これに対して、ストイキより薄い（リーン）混合気で燃焼させるリーンバーン（Lean burn）で燃焼を行うエンジンも知られている。このリーンバーンエンジンの場合は、ガソリンが「１」に対して、例えば空気が「２０」以上とされる。ここで、内燃機関の負荷はガソリン重量と理解できるので、ガソリン重量が共に「１」である、ストイキとリーンバーンとでは略同一の負荷となる。よって、内燃機関の負荷状態に応じて、燃料の噴霧粒径を調整するとした場合には噴霧粒径を変化させないことになる。

しかし、空気密度からストイキ状態とリーンバーン状態とを比較すると、リーンバーンの方が明らかに空気密度が高い。よって、ストイキからリーンバーン状態に変化したときには、空気密度の変化に比例して噴霧粒径を大きくすることになる。すなわち、この場合には前述した実施例１の制御装置が機能して、空気密度に応じて噴霧粒径が拡大するように燃圧を調整する。この説明から実施例１に係る手法が、内燃機関の負荷状態に応じて噴霧粒径を調整するのとは異なることが理解される。

更に、火花点火内燃機関に適用される実施例２に係る制御装置について説明する。上記実施例１は、空気密度の変化に応じて噴霧粒径を変更するものであった。実施例２は燃料噴射のパターンを変更することにより、筒内の空気密度の変化に対処して確実に噴流効果が得られるように構成したものである。より具体的には、実施例１の制御装置では噴霧粒径を空気密度と比例するように変更するものであったが、実施例２の制御装置では、空気密度が低くなるほど噴霧回数を増加させるという対処を実行する。本願発明者は、インジェクタ２１の噴霧回数を変更することによっても、噴霧粒径を変更する場合と同様に筒内の空気密度の変化に対処してタンブル流をアシストできることを確認したものである。よって、実施例２は、制御装置となるＥＣＵによって実行される空気密度変化への対処が、噴霧粒径による調整から噴霧回数による調整に変わるだけである。よって、制御装置としてのハード構成は、実施例２の場合も実施例１と同様である。そこで、実施例２は、図１、図２を流用して説明する。ただし、実施例１の場合と実施例２の場合とでは、ＥＣＵが実行する制御内容が異なる。よって、実施例１ではＥＣＵ１Ａ、実施例２ではＥＣＵ１Ｂとして区別している。

図５は、燃料噴射時における筒内の空気密度と噴流効果を得るのに適した噴霧回数との関係を模式的に示した図である。この図５では、空気密度が高い場合（大気に近い場合）は１回噴霧であるが、空気密度が低い程（負圧側になる程）に噴霧回数が増加するように設定してある。なお、ここで噴霧回数を増加するというのは、１回噴霧と同じ噴射量を複数回に増加するというではなく、１回分の噴射量を複数に分割して少量ずつ噴射する操作である。ＥＣＵ１Ｂは、図５で示すような筒内の空気密度とそのときの好ましい噴霧回数（目標の噴霧回数）とを関連付けたテーブルをＲＯＭなどに格納している。よって、ＥＣＵ１Ｂは吸気圧センサ１６及び吸気温度センサ１７の出力から空気密度を推定したときに、目標の噴霧回数を特定する。そして、ＥＣＵ１Ｂは、目標の噴霧回数でインジェクタ２１の開弁動作を実行する。

図６は、上記ＥＣＵ１Ｂによって実現される制御装置が実行するタンブル流の強化の処理をまとめたフローチャートである。ＥＣＵ１Ｂは、内燃機関５０のイグニッションスイッチがオン（ＯＮ）されたときに、このルーチンを起動する。ＥＣＵ１Ｂは、図１の吸気圧センサ１６の出力からインテークマニホールド１５内の吸気圧、また吸気温度センサ１７の出力から吸気温度を確認し（Ｓ２０１）、これら出力に基づいて空気密度を推定する（Ｓ２０２）。更に、ＥＣＵ１Ｂは空気密度が変化しているか否かを確認し（Ｓ２０３）、空気密度の変化を確認した場合には、それ以前と比較して空気密度が増加しかた否かを確認する（Ｓ２０４）。ここまでのステップＳ２０１〜Ｓ２０４は、実施例１と同様であるが、これ以後の処理が異なる。

上記ステップＳ２０４で、空気密度が増加していると判断した場合、ＥＣＵ１Ｂは増加した空気密度の変化とは逆に噴霧回数を減少させる（Ｓ２０５）。ＥＣＵ１Ｂはインジェクタ２１の開弁動作を制御して噴霧回数を減少させて、そのときに筒内に形成されているタンブル流を確実にアシストして強化する。ただし、最も噴霧回数を減少させた場合でも、１回の燃料噴射は実行する（図５参照）。

一方、上記ステップＳ２０４で空気密度が増加していないと判断されるのは、空気密度が減少している場合である。このときには、ＥＣＵ１Ｂは空気密度の変化と逆に噴霧回数を増加させる（Ｓ２０６）。この場合も同様に、ＥＣＵ１Ｂはインジェクタ２１の開弁動作を制御して噴霧回数を増加させて、そのときに筒内に形成されているタンブル流を確実にアシストする。

以上で説明した実施例２の制御装置によると、筒内の空気密度の変化に対応して噴霧回数が変更されるので、内燃機関５０の状態変化に対処しながら噴流効果を確実に得ることができる。

以上で説明した実施例１のＥＣＵ１Ａは、空気密度変化に比例して噴霧粒径を調整することで、燃料の噴霧がタンブル流を突き抜けて筒内壁面に到達しないようにしないように調整してタンブル流を確実に強化できる。また、実施例２のＥＣＵ１Ｂは、空気密度が低いほど噴霧回数を増加することで同様にタンブル流を強化できる。よって、実施例１、２の制御装置を適用した内燃機関は、筒内の状況変化に対応して形成したタンブル流を常に強化できるので燃焼及び排気の改善を図ることができる。なお、実施例１と実施例２との場合を組合せ、空気密度の変化に対応して、噴霧粒径及び噴霧回数を同時に調整する制御装置としてもよい。この場合には、それぞれの調整範囲（粒径と噴霧回数）を小さくすることができる。

以上で説明した実施例１、実施例２は、筒内（燃焼室５７内）にタンブル流（縦の渦気流）を形成する場合の実施例であった。筒内にスワール流（横の渦気流）形成することによっても同様の効果を得ることができる。以下で説明する実施例３は、スワール流を形成する場合である。図７は、実施例３に係る制御装置が適用されている内燃機関１５０を含む内燃機関システム２００を模式的に示した図である。なお、図７においては、図１と同じ部位に同じ符号を付して重複する説明を省略する。

内燃機関１５０の場合には吸気ポート５２ａに、燃焼室５７内にスワール流Ｓを生成するための吸気制御弁１５８が配設されている。この吸気制御弁１５８は、ＥＣＵ１Ｃの制御のもと吸気ポート５２ａ内で吸気ＡＲを偏流させて燃焼室５７内にスワール流Ｓを生成させる。吸気制御弁１５８は板状であって、吸気ポート５２ａの内壁側部に設定した支軸１５９を中心に回動するように設定されている。上述した実施例１、２では弁体が吸気ポート５２ａ内で下側に寝るように配置され、斜めに起き上がるような姿勢を形成してタンブル流を形成していた。本実施例３では、弁体が側部から横斜めに出て吸気ポート５２ａ内を絞ることでスワール流Ｓを形成する。なお、スワール流Ｓを形成する場合についても、吸気行程の下死点近傍で燃料ＦＥを噴射するように設定しておくのが好ましい。これにより、噴射した燃料ＦＥでスワール流Ｓを確実にアシストして強化できる。

内燃機関システム２００のＥＣＵ１Ｃは、実施例１のＥＣＵ１Ａのように筒内の空気密度の変化に応じてインジェクタからの噴霧粒径を制御するようにしてもよいし、実施例２のＥＣＵ１Ｂのように筒内の空気密度の変化に応じて噴霧回数を制御するようにしてもよい。内燃機関システム２００は内燃機関１５０の変化に対処して燃料噴射したときにスワール流を確実に強化できる。よって、このような制御装置を採用する内燃機関１５０は、良好な燃焼及び排気エミッションを実現できる内燃機関として提供できる。

また、以上で説明した実施例１、実施例２はタンブル流を形成する場合、また実施例３はスワール流を形成する場合を一例として示すものである。タンブル流とスワール流とを組合わせて斜め渦気流を形成する場合にも本発明を同様に適用できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例１に係る制御装置が適用されている筒内噴射式の火花点火内燃機関を含む内燃機関システムを模式的に示した図である。 図１で示している内燃機関を拡大して示した模式図である。 燃料噴射時における筒内の空気密度と噴流効果を得るのに適した噴霧粒径との関係例を示した図である。 実施例１のＥＣＵによって実現される内燃機関の制御装置が実行するタンブル流強化の処理をまとめたフローチャートである。 燃料噴射時における筒内の空気密度と噴流効果を得るのに適した噴霧回数との関係を模式的に示した図である。 実施例２のＥＣＵによって実現される制御装置が実行するタンブル流の強化の処理をまとめたフローチャートである。 実施例３に係る制御装置が適用されている筒内噴射式の火花点火内燃機関を含む内燃機関システムを模式的に示した図である。

符号の説明

１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ） ＥＣＵ（筒内空気密度確認手段、燃料噴霧制御手段）
１０ 吸気系
２０ 燃料噴射系
３０ 排気系
５０、１５０ 内燃機関
５５ 吸気弁
５８ 吸気制御弁（タンブル流を形成させる構造）
１５８ 吸気制御弁（スワール流を形成させる構造）
１００、２００ 内燃機関システム
ＦＥ 燃料
Ｔ タンブル流(渦気流)
Ｓ スワール流(渦気流)

Claims (7)

1. 筒内に噴射する燃料で、形成されている渦気流を強化する、筒内噴射式の火花点火内燃機関の制御装置であって、
   前記筒内の空気密度を確認する空気密度確認手段と、
   燃料噴射時の前記空気密度に基づいて、前記燃料の噴霧粒径及び噴霧回数の少なくとも一方を制御する燃料噴霧制御手段とを備える、ことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料噴霧制御手段は、噴射された燃料が前記渦気流を突き抜けないように、前記噴霧粒径及び噴霧回数の少なくとも一方を制御する、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制御装置。
3. 前記空気密度確認手段は、前記筒内に吸気を供給する吸気通路の吸気圧及び吸気温度に基づいて、前記空気密度を推定する、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制御装置。
4. 前記燃料噴霧制御手段は、前記空気密度に比例して前記噴霧粒径を変更する、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制御装置。
5. 前記燃料噴霧制御手段は、前記空気密度が低いほど前記噴霧回数を増加させる、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制御装置。
6. 前記渦気流がタンブル流であって、
   前記燃料噴霧制御手段は、吸気下死点近傍で燃料を噴射させることにより前記タンブル流をアシストして強化する、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
7. 前記渦気流がスワール流であって、
   前記燃料噴霧制御手段は、吸気下死点近傍で燃料を噴射させることにより前記スワール流をアシストして強化する、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。

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