JP2009228449A

JP2009228449A - 筒内直接噴射式内燃機関の燃圧設定装置

Info

Publication number: JP2009228449A
Application number: JP2008071566A
Authority: JP
Inventors: Yoshitatsu Nakamura; 吉辰中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】筒内直接噴射式内燃機関において、圧縮上死点付近で燃料噴射を行わせる場合に、燃料噴霧の貫徹力を維持して、成層燃焼の安定性を向上させる。
【解決手段】燃料噴射弁の噴射タイミングが圧縮上死点付近であるときに、前記噴射タイミングにおける筒内圧を推定又は検出し、前記噴射タイミングにおける筒内圧が高いほど前記燃料噴射弁に対する燃料供給圧の目標値を増大補正する。ここで、筒内圧の推定は、機関負荷・機関回転速度と共に、吸気バルブのバルブリフト量・バルブタイミング、更に、大気圧・吸気温度に基づいて行わせる。
【選択図】図５

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関の燃圧設定装置に関し、詳しくは、筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁に対する燃料の供給圧力を設定する技術に関する。

特許文献１には、筒内直接噴射式内燃機関において、圧縮行程の所定クランク角度範囲において、燃焼室内有効圧力を一定間隔で検出し、燃焼室内有効圧力の変化比から求めた重み因子で燃料供給圧力を補正することで、吸気バルブのバルブタイミングの変化による有効圧縮比の変化があっても、適正量の燃料噴射が行われるようにする燃料圧力設定方法が開示されている。
特開２００１−２０７８９２号公報

ところで、筒内直接噴射式内燃機関においては、成層混合気を形成すべく燃料噴射を２回に分けて行わせ、２回目の燃料噴射を、圧縮上死点付近で点火プラグ近傍を狙って行わせ、点火プラグ近傍に比較的濃い混合気塊を形成させる場合がある。
しかし、２回目の圧縮上死点付近での燃料噴射は、筒内の圧力が最大値に近い状態で行われるため、燃料噴射量が充分であったとしても、燃料噴霧の貫徹力が弱まることで、点火プラグの近傍に安定して燃料噴霧を到達させることができず、成層燃焼における燃焼安定性が悪化するという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みなれたものであり、圧縮上死点付近で燃料噴射を行わせる場合であっても、燃料噴霧の貫徹力を維持できるようにして、例えば点火プラグの近傍に混合気塊を狙い通りに形成させて、成層燃焼の安定性を向上させることを目的とする。

そのため、本発明では、燃料噴射弁の噴射タイミングにおける筒内圧を推定又は検出し、前記噴射タイミングにおける筒内圧に基づいて前記燃料噴射弁に対する燃料供給圧の目標値を補正するようにした。

上記発明によると、噴射タイミングにおける筒内圧を推定又は検出し、噴射タイミングでの筒内圧に見合った燃料供給圧の目標値を設定するから、圧縮上死点付近で燃料噴射を行わせる場合であっても、燃料噴霧の貫徹力を確保でき、例えば点火プラグの近傍に混合気塊を狙い通りに形成させて成層燃焼の安定性を向上させることが可能となる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関のシステム構成図である。
図１において、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ（吸気絞り弁）１０３ｂを開閉する電子制御スロットル装置１０４が介装され、該電子制御スロットル装置１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

また、各気筒には、燃料を直接筒内（燃焼室内）に噴射する燃料噴射弁１３１がそれぞれに設けられている。
前記燃料噴射弁１３１には、高圧に昇圧された燃料が供給され、マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールモジュール（ＥＣＭ）１１４から送られる噴射パルス信号の噴射パルス幅（開弁時間）に比例する量の燃料を噴射する。

そして、燃焼室１０６内の燃料は、点火プラグ１５１による火花点火によって着火燃焼する。
前記点火プラグ１５１には、それぞれパワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル１５２が直付けされており、前記エンジンコントロールモジュール１１４から前記パワートランジスタのオン・オフを制御する点火制御信号を出力することで、各気筒の点火時期が制御される。

即ち、内燃機関１０１は、筒内直接噴射式の火花点火内燃機関である。
燃焼室１０６内の燃焼排気は、排気バルブ１０７を介して排気管に排出され、フロント触媒コンバータ１０８及びリア触媒コンバータ１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記吸気バルブ１０５のリフト特性は、可変動弁機構としての可変リフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構１１３によって可変とされる。

前記可変リフト機構１１２は、吸気バルブ１０５の最大バルブリフト量をバルブ作動角と共に連続的に可変とする機構であって、最大バルブリフト量を増大（減少）変化させるとこれに伴ってバルブ作動角も同時に増大（減少）変化させる機構である。
尚、前記最大バルブリフト量とは、吸気バルブのリフト（開弁）が開始されてバルブリフト量が漸増し、その後漸減変化に移行して閉弁する一連の動作において、バルブリフト量が極大値となったときのバルブリフト量を示す。

また、可変バルブタイミング機構１１３は、クランクシャフト１２０に対して後述する吸気バルブ駆動軸３の回転位相を変化させることで、吸気バルブ１０５のバルブ作動角の中心位相を連続的に進遅角変化させる機構である。
また、前記排気バルブ１０７は、排気側カムシャフト１１０に設けられたカム１１１によって、一定の最大バルブリフト量，バルブ作動角，バルブ作動角の中心位相を保って開駆動される。

前記燃料噴射弁１３１には、燃料タンク１３５内の燃料が、電動式の低圧燃料ポンプ（フィードポンプ）１３６及び機関駆動式の高圧燃料ポンプ１３７を介して供給される。
前記低圧燃料ポンプ１３６は、前記高圧燃料ポンプ１３７に燃料タンク１３５内の燃料を供給するためのポンプであり、図示省略したプレッシャレギュレータによって高圧燃料ポンプ１３７への燃料の供給圧が一定に制御されるようになっている。

前記高圧燃料ポンプ１３７のポンプ室には、機関１０１のカムシャフトに設けたポンプ駆動用のカムによって往復動するプランジャが嵌挿され、また、前記ポンプ室内への低圧燃料の供給を制御する一方向弁である吸入弁と、前記吸入弁の開閉を制御するソレノイドとが設けられている。
前記エンジンコントロールモジュール１１４には、前記燃料噴射弁１３１に供給される燃料の圧力ＰＦを検出する燃圧センサ１３８の出力信号が入力され、前記燃圧センサ１３８で検出される燃料供給圧ＰＦが目標圧に近づくように、前記ソレノイドへの通電タイミングを制御し、以って、前記高圧燃料ポンプ１３７からの燃料の吐出量を制御する。

また、前記エンジンコントロールモジュール１１４は、予め記憶されたプログラムに従った演算処理によって、燃料噴射弁１３１，イグニッションコイル１５２に内蔵されたパワートランジスタ（図示省略），電子制御スロットル装置１０４，可変リフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構１１３に制御信号を出力する。
前記エンジンコントロールモジュール１１４には、各種センサからの検出信号が入力される。

前記各種センサとしては、内燃機関１０１の吸入空気量（質量流量）Ｑａを検出するホットワイヤ式のエアフローセンサ１１５、車両の運転者が操作するアクセルペダルの開度（踏込み量）ＡＰＳを検出するアクセルセンサ１１６、クランクシャフト１２０に支持させたシグナルプレートに設けた被検出部を検出することで、単位クランク角毎に単位クランク角信号ＰＯＳを出力するクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、内燃機関１０１の冷却水温度ＴＷを検出する水温センサ１１９、後述する吸気バルブ駆動軸３に支持されたシグナルプレートに設けた被検出部を検出することで、前記吸気バルブ駆動軸３の基準回転位置毎にカム信号ＣＡＭを出力するカムセンサ１３２、大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ１４１、吸気温度ＴＡを検出する吸気温度センサ１４２などが設けられている。

前記単位クランク角信号ＰＯＳは、内燃機関１０１の気筒間における行程位相差（点火間隔）に相当するクランク角度（４気筒で１８０°ＣＡ）毎に抜け（欠落）を生じるように、シグナルプレート上の前記被検出部が設定されており、前記単位クランク角信号ＰＯＳの抜け位置を、例えば単位クランク角信号ＰＯＳの出力周期に基づいて検出することで、前記行程位相差毎の基準クランク角位置ＲＥＦを検出することができるようになっている。

そして、前記カムセンサ１３２からのカム信号と前記基準クランク角位置ＲＥＦとの位相差から、前記可変バルブタイミング機構１１３によるバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）の進遅角量が検出される。
また、内燃機関１０１の回転速度ＮＥは、前記基準クランク角位置ＲＥＦの検出間隔時間に基づいて算出される。

図２は、前記可変リフト機構１１２の構造を示す斜視図である。但し、可変リフト機構１１２は、図２に示した構造のものに限定されない。
本実施形態の内燃機関１０１は、各気筒に一対の吸気バルブ１０５がそれぞれ設けられており、これら吸気バルブ１０５の上方に、前記クランクシャフト１２０によって回転駆動される吸気バルブ駆動軸３が気筒列方向に沿って回転可能に支持されている。

前記吸気バルブ駆動軸３には、吸気バルブ１０５のバルブリフタ１０５ａに当接して吸気バルブ１０５を開閉駆動する揺動カム４が相対回転可能に外嵌されている。
前記吸気バルブ駆動軸３と揺動カム４との間に、吸気バルブ１０５のバルブ作動角及び最大バルブリフト量を連続的に変更するための可変リフト機構１１２が設けられている。
尚、図２では、一対の吸気バルブ１０５について、一方にのみ可変リフト機構１１２を図示し、他方については図示を省略してある。

前記吸気バルブ駆動軸３の一端部には、クランクシャフト１２０に対する前記吸気バルブ駆動軸３の回転位相を変化させることにより、吸気バルブ１０５のバルブ作動角の中心位相を連続的に変更する可変バルブタイミング機構１１３が配設されている。
前記可変リフト機構１１２は、図２及び図３に示すように、吸気バルブ駆動軸３に偏心して固定的に設けられる円形の駆動カム１１と、この駆動カム１１に相対回転可能に外嵌するリング状リンク１２と、吸気バルブ駆動軸３と略平行に気筒列方向へ延びる制御軸１３と、この制御軸１３に偏心して固定的に設けられた円形の制御カム１４と、この制御カム１４に相対回転可能に外嵌すると共に、一端がリング状リンク１２の先端に連結されたロッカアーム１５と、このロッカアーム１５の他端と揺動カム４とに連結されたロッド状リンク１６と、を有している。

前記制御軸１３は、モータ（アクチュエータ）１７によりギア列１８を介して回転駆動されるが、制御軸１３と一体的に設けられるストッパ１３ａが固定側に当接することで、予め設定された最小バルブリフト位置・最小バルブ作動角位置（以下では、単に最小バルブリフト位置という）に相当する角度位置でそれ以上のバルブリフト・バルブ作動角減少側への回動が制限されるようになっている。

上記の構成により、クランクシャフト１２０に連動して吸気バルブ駆動軸３が回転すると、駆動カム１１を介してリング状リンク１２がほぼ並進移動すると共に、ロッカアーム１５が制御カム１４の軸心周りに揺動し、ロッド状リンク１６を介して揺動カム４が揺動して吸気バルブ１０５が開閉駆動される。
また、前記モータ１７を駆動制御して制御軸１３の回転角度を変化させることにより、ロッカアーム１５の揺動中心となる制御カム１４の軸心位置が変化して揺動カム４の姿勢が変化する。

これにより、吸気バルブ１０５のバルブ作動角の中心位相が略一定のままで、吸気バルブ１０５のバルブ作動角及び最大バルブリフト量が連続的に変化する。
エンジンコントロールモジュール１１４には、前記制御軸１３の回転角を検出する角度センサ１３３からの検出信号ＣＡが入力され、目標バルブリフト量に対応する目標角度位置に前記制御軸１３を回動させるべく、前記角度センサ１３３の検出結果に基づいて前記モータ１７への供給電流をフィードバック制御する。

尚、電動アクチュエータであるモータ１７に代えて油圧式のアクチュエータで制御軸１３を回転駆動させることができる。
次に、前記可変バルブタイミング機構１１３の構成を、図４に基づいて説明する。
本実施形態では、可変バルブタイミング機構１１３として、ベーン式の可変バルブタイミング機構を採用している。

図４に示す可変バルブタイミング機構１１３は、クランクシャフト１２０によりタイミングチェーンを介して回転駆動されるカムスプロケット５１（タイミングスプロケット）と、吸気バルブ駆動軸３の端部に固定されてカムスプロケット５１内に回転自在に収容された回転部材５３と、該回転部材５３をカムスプロケット５１に対して相対的に回転させる油圧回路５４と、カムスプロケット５１と回転部材５３との相対回転位置を所定位置で選択的にロックするロック機構６０とを備えている。

前記カムスプロケット５１は、外周にタイミングチェーン（又はタイミングベルト）が噛合する歯部を有する回転部（図示省略）と、該回転部の前方に配置されて前記回転部材５３を回転自在に収容するハウジング５６と、該ハウジング５６の前後開口を閉塞するフロントカバー，リアカバー（図示省略）とから構成される。
前記ハウジング５６は、前後両端が開口形成された円筒状を呈し、内周面には、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング５６の軸方向に沿って設けられる４つの隔壁部６３が９０°間隔で突設されている。

前記回転部材５３は、前記吸気バルブ駆動軸３の前端部に固定されており、円環状の基部７７の外周面に９０°間隔で４つのベーン７８ａ，７８ｂ，７８ｃ，７８ｄが設けられている。
前記第１〜第４ベーン７８ａ〜７８ｄは、それぞれ断面が略逆台形状を呈し、各隔壁部６３間の凹部に配置され、前記凹部を回転方向の前後に隔成し、ベーン７８ａ〜７８ｄの両側と各隔壁部６３の両側面との間に、進角側油圧室８２と遅角側油圧室８３とを構成する。

前記ロック機構６０は、ロックピン８４が、回転部材５３の最大遅角側の回動位置において係合孔（図示省略）に係入するようになっている。
前記油圧回路５４は、進角側油圧室８２に対して油圧を給排する第１油圧通路９１と、遅角側油圧室８３に対して油圧を給排する第２油圧通路９２との２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路９１，９２には、供給通路９３とドレン通路９４ａ，９４ｂとがそれぞれ通路切り換え用の電磁切換弁９５を介して接続されている。

前記供給通路９３には、オイルパン９６内の油を圧送する機関駆動のオイルポンプ９７が設けられている一方、ドレン通路９４ａ，９４ｂの下流端がオイルパン９６に連通している。
前記第１油圧通路９１は、回転部材５３の基部７７内に略放射状に形成されて各進角側油圧室８２に連通する４本の分岐路９１ｄに接続され、第２油圧通路９２は、各遅角側油圧室８３に開口する４つの油孔９２ｄに接続される。

前記電磁切換弁９５は、内部のスプール弁体が各油圧通路９１，９２と供給通路９３及びドレン通路９４ａ，９４ｂとを相対的に切り換え制御するようになっている。
前記エンジンコントロールモジュール１１４は、前記電磁切換弁９５を駆動する電磁アクチュエータ９９に対する通電量を、通電のオン時間割合を制御するデューティ制御信号に基づいて制御する。

例えば、電磁アクチュエータ９９にデューティ比０％の制御信号（ＯＦＦ信号）を出力すると、オイルポンプ４７から圧送された作動油は、第２油圧通路９２を通って遅角側油圧室８３に供給されると共に、進角側油圧室８２内の作動油が、第１油圧通路９１を通って第１ドレン通路９４ａからオイルパン９６内に排出される。
従って、遅角側油圧室８３の内圧が高、進角側油圧室８２の内圧が低となって、回転部材５３は、ベーン７８ａ〜７８ｂを介して最大遅角側に回転し、この結果、吸気バルブ１０５の開期間（開時期及び閉時期）が遅くなり、バルブオーバーラップが縮小する。

一方、電磁アクチュエータ９９にデューティ比１００％の制御信号（ＯＮ信号）を出力すると、作動油は、第１油圧通路９１を通って進角側油圧室８２内に供給されると共に、遅角側油圧室８３内の作動油が第２油圧通路９２及び第２ドレン通路９４ｂを通ってオイルパン９６に排出され、遅角側油圧室８３が低圧になる。
このため、回転部材５３は、ベーン７８ａ〜７８ｄを介して進角側へ最大に回転し、これによって、吸気バルブ１０５の開期間（開時期及び閉時期）が早くなり、バルブオーバーラップが拡大する。

上記燃料噴射弁１３１による燃料噴射の制御においては、燃焼室１０６内に均質混合気を形成する均質燃焼モードと、燃焼室１０６内に成層混合気を形成する成層燃焼モードとのいずれか一方が、運転条件（機関負荷・機関回転速度など）に応じて選択されるようになっている。
前記均質燃焼モードでは、吸気行程中に、１回の噴射で要求空燃比に見合う燃料を噴射させることで、燃焼室１０６内に均質混合気を形成させる。

一方、成層燃焼モードでは、基本的に空燃比を超リーンとするが、点火プラグ１５１による着火安定性を確保すべく、点火プラグ１５１回りに比較的に濃い混合気塊を形成し、その周囲が比較的薄い混合気で囲まれるように、混合気を成層化する。
成層燃焼モードで混合気を成層化するために、燃料噴射弁１３１による噴霧が点火プラグ１５１を指向するように設定され、かつ、成層燃焼モードでは、燃料噴射が２回に分けて行われ、１回目の燃料噴射を、吸気行程中期から圧縮行程前期において行わせ、２回目の燃料噴射を、圧縮行程後期（圧縮上死点付近）で行わせるようになっている。

前記成層燃焼モードの１回目の噴射タイミングは、前述のように、吸気行程中、例えば吸気行程中期（約吸気上死点後９０deg）〜圧縮行程前期とし、筒内へのガス流動が強くなる状態のときに噴射させるようにする。
尚、均質燃焼モードの噴射タイミングと、成層燃焼モードの１回目の噴射タイミングとを同じに設定することができる。

また、前記成層燃焼モードの１回目の噴射と２回目の噴射との噴射量比率は、５：５〜２：８の間に設定される。
ここで、前記２回目の燃料噴射は、前述のように、点火プラグ１５１回りに比較的に濃い混合気塊を形成するために行われるが、噴射タイミングが圧縮上死点付近であって筒内圧が最も高い条件であるため、燃料噴射弁１３１に対する燃料の供給圧が適切でないと、燃料噴霧の貫徹力の不足によって噴霧特性が大きく変化し、点火プラグ１５１回りに所望の混合気塊を形成できなくなって成層燃焼の安定性を損なってしまう。

そこで、前記エンジンコントロールモジュール１１４は、燃料噴霧が所望の貫徹力を維持し、これによって、点火プラグ１５１回りに所望の混合気塊を安定的に形成することができるように、燃料噴射弁１３１に対する燃料の供給圧を制御する機能を有しており、以下では、成層燃焼モードにおける燃料供給圧の制御機能を詳細に説明する。
図５は、前記燃料供給圧制御の第１実施形態における目標燃圧の設定手順を示すフローチャートである。

尚、前記図５のフローチャートに示すルーチンは所定微小時間毎に実行されるものとする。
図５のフローチャートにおいて、ステップＳ５０１では、目標燃圧の基本値ＦＰＢＡＳＥを、そのときの機関負荷ＴＰ及び機関回転速度ＮＥに基づいて演算する。
前記基本値ＦＰＢＡＳＥは、高負荷・高回転のときにより高い値に設定される。

尚、機関負荷ＴＰは、シリンダ吸入空気量や基本燃料噴射量などで代表させることができる。
次のステップＳ５０２では、成層燃焼における２回目の噴射タイミングＩＴＢＡＳＥ（噴射開始時期）を、そのときの機関負荷ＴＰ及び機関回転速度ＮＥに基づいて演算する。
前記噴射タイミングＩＴＢＡＳＥは、高負荷・高回転のときにより早いタイミングに設定され、該噴射タイミングＩＴＢＡＳＥに基づいて燃料噴射弁１３１に対する噴射パルス信号の出力が行われる。

ステップＳ５０３では、前記噴射タイミングＩＴＢＡＳＥが、圧縮上死点の前後の所定クランク角範囲内であるか否かを判断する。
前記所定クランク角範囲とは、例えば、圧縮上死点前３０°から圧縮上死点後３０°までの範囲とするが、圧縮上死点前後の３０°の範囲に限定されない。
前記噴射タイミングＩＴＢＡＳＥが、前記圧縮上死点の前後の所定クランク角範囲内でない場合には、ステップＳ５０４へ進み、前記基本値ＦＰＢＡＳＥをそのまま最終的な目標燃圧ＦＰＳにセットする。

これは、噴射タイミングＩＴＢＡＳＥでの筒内圧が比較的低く、前記基本値ＦＰＢＡＳＥの燃料供給圧で、燃料噴霧の貫徹力が充分に維持され、点火プラグ１５１回りに所望の混合気塊を形成させることができるためである。
一方、前記噴射タイミングＩＴＢＡＳＥが、前記所定クランク角範囲内であって圧縮上死点近傍であるときには、前記所定クランク角範囲外であるときよりも噴射タイミングＩＴＢＡＳＥでの筒内圧が高く、しかも、吸気バルブ１０５のリフト特性や大気圧・吸気温度などの条件で筒内圧が大きく変化し、これによって、燃料噴霧の貫徹力が失われて、点火プラグ１５１回りに所望の混合気塊を形成できなくなる場合がある。

そこで、前記噴射タイミングＩＴＢＡＳＥが前記所定クランク角範囲内である場合には、まず、ステップＳ５０５へ進んで、噴射タイミングでの筒内圧を推定する（筒内圧推定・検出手段）。
前記ステップＳ５０５における筒内圧の推定演算（筒内圧推定・検出手段）の詳細は、図６のブロック図に示してある。

基本筒内圧算出部６０１では、機関負荷ＴＰと機関回転速度ＮＥとに基づいて、前記所定クランク角範囲内における筒内圧の基本値ＰｉＢＡＳＥを算出する。
補正部６０２では、前記基本値ＰｉＢＡＳＥに、後述するようにして算出される補正量ＰｉＨＯＳを加算し、その結果を、噴射タイミングでの筒内圧ＰｉＣＡＬとして出力する。

前記補正量ＰｉＨＯＳは、補正量演算部６０３において、下式に従って算出される。
ＰｉＨＯＳ＝ＩＶＴＨＯＳ＋ＩＶＬＨＯＳ＋ＡＴＭＨＯＳ＋ＩＮＴＥＭＰＨＯＳ
上記演算式において、前記ＩＶＴＨＯＳは、前記可変バルブタイミング機構１１３によって可変とされる、吸気バルブ１０５のバルブ作動角の中心位相ＩＶＴに基づき設定されるバルブタイミング補正量であり、バルブタイミング補正量演算部６０４において、前記中心位相ＩＶＴが進角するほど大きな値に設定され、吸気バルブ１０５のバルブタイミングの進角時に、噴射タイミングでの筒内圧ＰｉＣＡＬがより高く補正されるようにしてある。

前記ＩＶＴＨＯＳによる補正によって、前記可変バルブタイミング機構１１３によって吸気バルブ１０５のバルブ作動角の中心位相ＩＶＴが変更されても、噴射タイミング（圧縮上死点付近）での筒内圧を精度良く推定できる。
また、前記ＩＶＬＨＯＳは、前記可変リフト機構１１２によって可変とされる、吸気バルブ１０５の最大バルブリフト量ＩＶＬ（バルブ作動角）に基づき設定されるバルブリフト補正量であり、バルブリフト補正量演算部６０５において、最大バルブリフト量ＩＶＬが高く吸入空気量が多いときほど大きな値に設定され、吸気バルブ１０５の最大バルブリフト量が高いほど、噴射タイミングでの筒内圧ＰｉＣＡＬがより高く補正されるようにしてある。

前記ＩＶＬＨＯＳによる補正によって、前記可変リフト機構１１２によって吸気バルブ１０５の最大バルブリフト量ＩＶＬ（バルブ作動角）が変更されても、噴射タイミング（圧縮上死点付近）での筒内圧を精度良く推定できる。
また、前記ＡＴＭＨＯＳは、大気圧センサ１４１で検出される大気圧ＡＴＭに基づき設定される気圧補正量であり、気圧補正量演算部６０６において、大気圧ＡＴＭが高いほど（空気密度が高いほど）大きな値に設定され、大気圧ＡＴＭが高いほど、噴射タイミングでの筒内圧ＰｉＣＡＬがより高く補正されるようにしてある。

前記ＡＴＭＨＯＳによる補正によって、車両の走行路での大気圧（路面の高度）が変化しても、噴射タイミング（圧縮上死点付近）での筒内圧を精度良く推定できる。
更に、前記ＩＮＴＥＭＰＨＯＳは、吸気温度センサ１４２で検出される吸気温度ＩＮＴＥＭＰに基づき設定される吸気温補正量であり、吸気温補正量演算部６０７において、吸気温度ＩＮＴＥＭＰが高いほど（空気密度が低いほど）小さな値に設定され、吸気温度ＩＮＴＥＭＰが高いほど、噴射タイミングでの筒内圧ＰｉＣＡＬがより低く補正されるようにしてある。

前記ＩＮＴＥＭＰＨＯＳによる補正によって、車両の走行環境における吸気温度（大気温度）が変化しても、噴射タイミング（圧縮上死点付近）での筒内圧を精度良く推定できる。
尚、吸気バルブ１０５のバルブ作動角の中心位相ＩＶＴ（バルブタイミング）、吸気バルブ１０５の最大バルブリフト量ＩＶＬ（バルブ作動角）、大気圧ＡＴＭ、吸気温度ＩＮＴＥＭＰの全てを用いて補正量ＰｉＨＯＳを演算するのではなく、前記パラメータのうちの少なくとも１つに基づき補正量ＰｉＨＯＳを演算させることができる。

更に、排気バルブ１０７のバルブ作動角の中心位相を可変とする可変バルブタイミング機構を備える場合には、バルブオーバーラップの変化による充填効率の変化によって筒内圧が変化するから、排気バルブ１０７のバルブ作動角の中心位相に基づく補正量を演算させ、これに基づいて補正量ＰｉＨＯＳを演算させることができる。
図５のフローチャートのステップＳ５０５で、噴射タイミングでの筒内圧ＰｉＣＡＬを推定すると、次のステップＳ５０６では、前記筒内圧ＰｉＣＡＬに基づいて燃圧補正値ＦＰＨＯＳを決定する。

前記燃圧補正値ＦＰＨＯＳは、前記筒内圧ＰｉＣＡＬが高いほど大きな値に設定され、筒内圧ＰｉＣＡＬの条件下で燃料噴霧が所期の貫徹力を得られるように、実機による実験又はシミュレーションによって予め適合される。
そして、ステップＳ５０７（目標圧補正手段）では、目標燃圧の基本値ＦＰＢＡＳＥに前記補正値ＦＰＨＯＳを加算した結果を、最終的な目標燃圧ＦＰＳに設定する（ＦＰＳ＝ＦＰＢＡＳＥ＋ＦＰＨＯＳ）。

従って、噴射タイミングでの筒内圧ＰｉＣＡＬが高いほど目標燃圧ＦＰＳが増大補正されることになる。
前記エンジンコントロールモジュール１１４は、前記目標燃圧ＦＰＳと前記燃圧センサ１３８で検出される実際の燃料供給圧との差に基づいて、前記高圧燃料ポンプ１３７の動作（吸入弁の開閉を制御するソレノイドへの通電）をフィードバック制御することで、実際の燃料供給圧を前記目標燃圧ＦＰＳに近づける。

上記のように、噴射タイミングが、圧縮上死点付近で筒内圧が高い場合であっても、そのときの筒内圧に見合う目標燃圧を設定して、該目標燃圧に近づくように高圧燃料ポンプ１３７の吐出量を制御するから、燃料噴霧の貫徹力を維持できる。
これによって、圧縮上死点付近で噴射された燃料を点火プラグ１５１の近傍に到達させて、点火プラグ１５１回りに所望の混合気塊を安定的に形成でき、成層燃焼における燃焼安定性を確保できる。

ところで、上記実施形態では、圧縮上死点付近の噴射タイミングでの筒内圧を、機関負荷，機関回転速度，吸気バルブ１０５の開特性（最大バルブリフト量・バルブ作動角・バルブ作動角の中心位相），大気圧，吸気温度などに基づいて推定したが、図７に示すように、筒内圧を直接的に検出する筒内圧センサ１４３を備える場合には、該筒内圧センサ１４３によって噴射タイミングでの筒内圧を検出して、目標燃圧の補正値ＦＰＨＯＳを設定させることができる。

図７に示す筒内圧センサ１４３は、点火プラグ１５１と一体型の圧電素子タイプのものであり、点火プラグ１５１と共にシリンダヘッドに固定され、筒内圧の変化によって点火プラグ１５１と共に筒内圧センサ１４３自体が撓むことによって、筒内圧に応じた検出信号を出力する。
但し、筒内圧センサ１４３を、上記の点火プラグ１５１と一体型の圧電素子タイプに限定するものではなく、公知の種々の筒内圧センサを適宜採用できる。

筒内圧センサ１４３で筒内圧を直接的に検出する場合には、そのときの大気圧・吸気温度による筒内圧の違いも検出されることになるので、図７に示すシステムでは、大気圧センサ１４１及び吸気温度センサ１４２を省略してある。
図８のフローチャートは、筒内圧センサ１４３を備える第２実施形態における目標燃圧の設定手順を示す。

ステップＳ７０１及びステップＳ７０２では、前記ステップＳ５０１及びステップＳ５０２と同様にして、目標燃圧の基本値ＦＰＢＡＳＥ及び噴射タイミングＩＴＢＡＳＥを演算する。
ステップＳ７０３では、ステップＳ５０３と同様に、前記噴射タイミングＩＴＢＡＳＥ（噴射開始時期）が、圧縮上死点の前後の所定クランク角範囲内であるか否かを判断し、前記所定クランク角範囲外であれば、ステップＳ７０４へ進み、ステップＳ５０４と同様に、前記基本値ＦＰＢＡＳＥをそのまま最終的な目標燃圧ＦＰＳにセットする。

一方、前記噴射タイミングＩＴＢＡＳＥが、圧縮上死点の前後の所定クランク角範囲内であれば、ステップＳ７０５へ進む。
ステップＳ７０５では、前記所定クランク角範囲内の噴射タイミングＩＴＢＡＳＥにおける筒内圧ＰｉＮＯＷを、前記筒内圧センサ１４３の出力信号に基づいて検出する（筒内圧推定・検出手段）。

ここで、噴射タイミングＩＴＢＡＳＥに相当するクランク角位置での筒内圧センサ１４３による検出結果を、そのまま噴射タイミングＩＴＢＡＳＥにおける筒内圧ＰｉＮＯＷとすることができる。
また、噴射タイミングＩＴＢＡＳＥを含む角度領域内で、一定角度又は一定時間毎に筒内圧センサ１４３による検出を行わせ、複数の検出結果の単純平均値や、クランク角位置に応じて重み付けを行った平均値に基づいて、筒内圧ＰｉＮＯＷを検出させることができる。

更に、一定角度又は一定時間毎に筒内圧センサ１４３による検出を行わせる角度領域を、前記所定クランク角範囲としたり、噴射開始時期から噴射終了時期までの間としたりすることができる。
また、噴射タイミングＩＴＢＡＳＥにおける筒内圧ＰｉＮＯＷの変化に対して実際の燃料圧力の変化は遅れるので、例えば、筒内圧センサ１４３で検出された筒内圧ＰｉＮＯＷの変化速度から現時点よりも先の時点での筒内圧を推定させ、該推定値に基づいて目標燃圧を設定させることもできる。

ステップＳ７０６では、前記筒内圧ＰｉＮＯＷが高いほど大きな燃圧補正値ＦＰＨＯＳを設定する。
次のステップＳ７０７（目標圧補正手段）では、前記補正値ＦＰＨＯＳを前記基本値ＦＰＢＡＳＥに加算した結果を、最終的な目標燃圧ＦＰＳに設定する（ＦＰＳ＝ＦＰＢＡＳＥ＋ＦＰＨＯＳ）。

上記第２実施形態によると、筒内圧センサ１４３で噴射タイミングにおける筒内圧を直接的に検出するから、機関１０１の運転条件や環境条件が種々に変化しても、噴射タイミングにおける筒内圧に見合った目標燃圧ＦＰＳに確実に補正でき、成層燃焼における燃焼安定性を確保できる。
尚、本実施形態では、成層燃焼において燃料噴射が２回に分けて行われる場合を例示したが、圧縮上死点付近で１回のみ燃料噴射を行う場合についても、上記実施形態と同様に、噴射タイミングにおける筒内圧を推定又は検出して燃料供給圧を設定することで、同様の作用・効果を得ることができる。

また、２回目の噴射が点火プラグ１５１を指向して行われるものに限定されず、例えば、ピストン冠面のキャビティを指向させて燃料噴射を行わせる場合にも適用可能である。
また、燃料供給圧の設定においては、噴射タイミングとしての噴射開始時期が圧縮上死点前後の所定範囲内であるか否かを判断させることとしたが、噴射の終了時期、又は、噴射期間の中心クランク角位置が前記所定範囲内であるか否かを判断させることができ、更には、噴射開始から終了までの期間の所定割合以上が前記所定範囲内に含まれている場合に、筒内圧の推定・検出値に基づく燃料供給圧の補正を行わせる構成とすることができる。

更に、燃料供給圧の補正を行わせる噴射タイミングの所定範囲を、機関負荷・機関回転速度・機関温度などの機関運転条件に応じて可変に設定させることができる。

第１実施形態における車両用内燃機関のシステム図。実施形態における吸気バルブの可変リフト機構の詳細を示す斜視図。前記可変リフト機構の作動角変更機構を示す断面図。実施形態における吸気バルブの可変バルブタイミング機構の詳細を示す断面図。前記第１実施形態における目標燃圧の設定手順を示すフローチャート。前記第１実施形態における筒内圧の推定処理を示すブロック図。第２実施形態における車両用内燃機関のシステム図。前記第２実施形態における目標燃圧の設定手順を示すフローチャート。

符号の説明

３…吸気バルブ駆動軸、１３…制御軸、１７…モータ、１０１…内燃機関、１０３ａ…スロットルモータ、１０３ｂ…スロットルバルブ、１０４…電子制御スロットル装置、１０５…吸気バルブ、１１２…可変リフト機構、１１３…可変バルブタイミング機構、１１４…エンジンコントロールモジュール、１１５…エアフローセンサ、１１６…アクセルペダルセンサ、１１７…クランク角センサ、１２０…クランクシャフト、１３２…カムセンサ、１３３…角度センサ、１３５…燃料タンク、１３６…低圧燃料ポンプ、１３７、高圧燃料ポンプ、１３８…燃圧センサ、１４１…大気圧センサ、１４２…吸気温度センサ、１４３…筒内圧センサ、１５１…点火プラグ

Claims

筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、
前記燃料噴射弁の噴射タイミングにおける筒内圧を推定又は検出する筒内圧推定・検出手段と、
前記筒内圧推定・検出手段で推定又は検出された噴射タイミングにおける筒内圧に基づいて前記燃料噴射弁に対する燃料供給圧の目標値を補正する目標圧補正手段と、
を含んで構成されたことを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関の燃圧設定装置。
前記噴射タイミングが圧縮上死点付近であるときに、前記筒内圧推定・検出手段が、圧縮上死点付近での筒内圧を推定又は検出し、かつ、前記目標圧補正手段が、前記筒内圧推定・検出手段で推定又は検出された筒内圧に基づいて前記目標値を補正することを特徴とする請求項１記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃圧設定装置。
前記目標圧補正手段が、機関負荷及び機関回転速度に基づき設定される燃料供給圧の基本目標値を、噴射タイミングにおける筒内圧に基づいて設定した補正値で補正することを特徴とする請求項１又は２記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃圧設定装置。
前記筒内圧推定・検出手段が、機関負荷と機関回転速度とに基づく筒内圧の基本値を、吸気温度，大気圧，機関バルブの開特性のうちの少なくとも１つに応じて補正して、噴射タイミングにおける筒内圧を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃圧設定装置。
前記筒内直接噴射式内燃機関が、吸気バルブのバルブリフト量及び／又は吸気バルブのバルブ作動角の中心位相を可変とする可変動弁機構を備え、前記機関バルブの開特性が、前記可変動弁機構によって可変とされる吸気バルブのバルブリフト量及び／又はバルブ作動角の中心位相であることを特徴とする請求項４記載の筒内直接噴射式内燃機関の燃圧設定装置。