JP2009236107A - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内直噴式の可変圧縮比内燃機関において、機関負荷が変化する過渡運転時にも適切な燃料噴射開始時期を設定する。
【解決手段】筒内直接噴射式内燃機関であって、ピストン上死点位置を変更することにより機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構と、目標圧縮比に比べて実際の圧縮比が高い場合には、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを組み合わせた燃料噴射を行う燃料噴射制御手段１４と、を備え、燃料噴射制御手段１４は実際の圧縮比の低下に応じて圧縮行程噴射の噴射開始時期を遅角させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御に関し、特に筒内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関の燃料噴射制御に関する。

燃料を筒内に直接噴射する、いわゆる筒内直噴式内燃機関の燃料噴射時期及び燃料噴射量の制御について、特許文献１には、中・高負荷運転等の特定運転領域で圧縮行程中に燃料を噴射して層状燃焼を行い、この層状燃焼時には圧縮行程中の噴射に先立って吸気行程中に燃料噴射を行う構成であって、吸気行程中に噴射した燃料が自己着火しないように、かつ圧縮行程及び吸気行程で噴射した合計の燃料噴射量から定まるトータル空燃比が理論空燃比近傍になるように噴射する構成が開示されている。なお、特許文献１では、ピストン冠面に設けたキャビティ内に向けて燃料を噴射し、層状燃焼を行っている。

特許３１８９７３４号公報

ところで、ピストン上死点位置を変化させることによって機関圧縮比を可変とし、例えば高負荷運転時には、ノッキング等の異常燃焼を防止するために低圧縮比にする内燃機関が知られている。このような可変圧縮比内燃機関において、機関圧縮比が変化する過渡状態で低圧縮比化に遅れが生じた場合、特許文献１に記載された燃料噴射制御を行うようにすると、過渡状態でノッキングを回避することができるようになる。ところが、ピストン上死点位置を変化させる圧縮比可変機構の応答遅れ等によって、目標圧縮比と実際の機関圧縮比とにずれが生じると、目標圧縮比に応じた目標噴射時期では、噴射燃料とピストンの相対位置関係が変化して、燃料噴霧がピストン冠面と強くあたり跳ね上がった燃料がシリンダボア壁に付着したり、噴射された燃料がキャビティ内に収まらなくなったりするおそれがある。

そこで、本発明では、筒内直噴式の可変圧縮比内燃機関において、機関負荷が変化する過渡運転時に、噴射された燃料とピストンの相対位置関係が変化することにより排気性能や燃焼性能が低下するのを抑制することを目的とする。

本発明の筒内直接噴射式内燃機関は、筒内に燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関であって、ピストン上死点位置を変更することにより機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構と、目標圧縮比に比べて実際の圧縮比が高い場合には、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを組み合わせた燃料噴射を行う燃料噴射制御手段と、を備え、燃料噴射制御手段は圧縮比の低下に応じて圧縮行程噴射の噴射開始時期を遅角させる。

本発明によれば、圧縮行程噴射の噴射開始時期を、実際の圧縮比、つまりピストン位置に応じて制御するので、圧縮比変更の過渡状態においても、噴射された燃料とピストンの相対位置関係が変化することにより排気性能や燃焼性能が低下することを抑制することができる。

（ａ）、（ｂ）は第１実施形態を適用するエンジンの正面図、側面図であり、（ｃ）はピストンの上面図である。 可変圧縮比機構の一例を示す図である。 可変圧縮比機構の動作を説明するための図であり、（ａ）は高圧縮比に設定した場合、（ｂ）は低圧縮比に設定した場合を示す図である。 運転領域ごとの燃焼方式を表す運転領域マップである（第１実施形態）。 運転領域ごとの機関圧縮比を表す運転領域マップである（第１実施形態）。 機関負荷が増大する過渡時における燃料噴射制御の制御ルーチンを表すフローチャートである。 圧縮比ごとのピストン位置を表す図である。 運転条件ごとの燃料噴射形態をまとめた図である。 燃料噴射タイミングを表すタイミングチャートである。 機関負荷が増大する過渡時の、燃料噴射量等のタイムチャートである。 運転領域ごとの燃焼方式を表す運転領域マップである（第２実施形態）。 運転領域ごとの機関圧縮比を表す運転領域マップである（第２実施形態）。 可変動弁装置の一例を表す図である。 吸気弁の作動角・リフト量の変化の様子を表す図である。 運転領域ごとの燃焼方式を表す運転領域マップである（第３実施形態）。 運転領域ごとの機関圧縮比を表す運転領域マップである（第３実施形態）。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１実施形態のシステム構成の概略図であり、図１（ａ）はエンジンのシリンダ周辺をエンジンのフロント側から見た断面図、図1（ｂ）は同じくエンジンの側方から見た断面図、図１（ｃ）はピストン冠面をエンジン上方から見た図である。

１はシリンダヘッド、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２に設けたシリンダ内を摺動するピストン、４はシリンダヘッド１下面とシリンダブロック２とピストン３の冠面とで形成する燃焼室、５は吸気通路、６は排気通路、７は吸気弁、８は排気弁、９は点火栓、１０は燃料噴射弁、１１は吸気カムシャフト、１２はスロットルバルブ、１３は排気カムシャフト、１４は燃料噴射制御手段としてのコントロールユニット、１５はノッキング検出センサ、１６は点火コイルである。

吸気通路５、排気通路６はそれぞれ燃焼室４に開口部を有し、吸気弁７は吸気通路５の開口部を開閉し、排気弁８は排気通路６の開口部を開閉する。吸気弁７及び排気弁８はそれぞれ吸気カムシャフト１１及び排気カムシャフト１３により駆動される。

なお、本実施形態は吸気弁７、排気弁８を各気筒にそれぞれ２つずつ備える、いわゆる吸排２弁式であり、吸気通路５及び排気通路６も気筒毎にそれぞれ２本ずつ備える。２本の吸気通路５は、シリンダヘッド１の一方の側面に一つの開口部を有する通路がシリンダヘッド１の内部で分岐したものである。また、２本の排気通路６はシリンダヘッド１内部で合流し、シリンダヘッド１の他方の側面に一つの開口部を有する。

点火栓９及び燃料噴射弁１０は、いずれも燃焼室４の天井面の中央近傍に臨むように設ける。コントロールユニット１４は燃料噴射弁１０の噴射時期、噴射量、噴射圧等の制御行い、また点火栓９の点火タイミングを演算し、これに応じて点火コイル１６への電力供給制御を行う。

スロットルバルブ１２は、各吸気通路５を横断するシャフトに回転可能に取り付けられ、コントロールユニット１４からの信号に応じて図示しないアクチュエータモータ等により駆動される。

ノッキング検出センサ１５は、燃焼室４内の振動を検出するセンサであって、例えば圧電センサ等を用いる。検出信号はコントロールユニット１４に入力され、ここで振動の周波数に応じてノッキングの有無を判断する。

ピストン３の冠面には、キャビティ１７を設ける。キャビティ１７は外周が略円形であって、ピストン３の冠面の中心からオフセットした位置に配置する。

コントロールユニット１４には、ノッキング検出センサ１５の他に、図示しないクランク角センサ、アクセル開度センサ、エアフローメータ等の検出信号が入力される。

図２は、本実施形態で用いる可変圧縮比機構の一例を示す図である。この可変圧縮比機構は特開２００１−２２７３６７や特開２００２−６１５０１等に記載された機構であるため、機構の概略についてのみ説明する。

この機構において、ピストン３は、第１リンク２０および第２リンク２１を介してクランク軸２３に連結される。第１リンク２０と第２リンク２１とは連結ピン２６を介して連結されている。第２リンク２１は、中央をクランク軸２３のクランクピン２８に回転可能に締結され、クランク軸２３とともに回転する。また、第２リンク２１の第１リンク２０と反対側には、第３リンク２２が連結ピン２７を介して回転可能に締結され、第３リンク２２はコントロールシャフト２４に連結ピン２９を介して固定される。コントロールシャフト２４の中心軸と第３リンク２２の締結部は軸が偏心しており、コントロールシャフト２４が回転することにより、連結ピン２９が移動し、第２リンク２１の傾きが変わることにより第１リンク２０およびピストン４の上死点位置が変わる。コントロールシャフト２４は、モータ付アクチュエータ２５により回転させられる。

コントロールシャフト２４の回転による上死点位置の変化について、図３を参照して説明する。図３は各リンク、連結ピン及びコントロールシャフト２４の位置関係を模式的に表した図であり、図３（ａ）はピストン３の上死点位置が高い、すなわち高圧縮比に設定した状態、図３（ｂ）はピストン３の上死点位置が低い、すなわち低圧縮比に設定した状態を表す。

コントロールシャフト２４を回転させることにより、連結ピン２９がコントロールシャフト２４の中心軸に対して低くなる方向に移動すると、連結ピン２７の位置も下がり、第２リンク２１はクランクピン２８を中心として図中時計回り方向に傾く。これによって連結ピン２６の位置は上昇し、ピストン３の上死点位置も上昇して圧縮比が高まる。

逆に、連結ピン２９がコントロールシャフト２４の中心軸よりも高くなる方向に移動すると、連結ピン２７の位置も上がり、第２リンク２１はクランクピン２８を中心として図中反時計回り方向に傾く。これによって連結ピン２６の位置は低くなり、ピストン３の上死点位置も下降して圧縮比が低くなる。

図４は、上記のような構成のエンジンの、運転領域ごとの燃焼方式について示した図である。図５は同様に運転領域ごとの機関圧縮比について示した図である。

低回転・低負荷領域では、理論空燃比よりも希薄な空燃比（リーン空燃比）とし、圧縮行程中にピストン３のキャビティ１７に向けて燃料噴射を行うことにより、成層化された混合気に火花点火を行う成層燃焼を行う。このとき、機関圧縮比は最高圧縮比（例えば１８程度）に設定し、大量のＥＧＲガスを導入する。これにより良好な燃費性能かつ低ＮＯｘ排出量の燃焼を実現することができる。また、全開運転時に近い大量の空気を導入することにより、ポンピングロスの低減を図る。

なお、吸気行程中に燃料噴射し、点火栓９による火花点火を行わずに、高圧縮比を利用した圧縮自己着火運転を行うようにしてもよい。

一方、高負荷領域及び高回転領域では、燃焼室４全体で均質な理論空燃比の混合気に火花点火を行うストイキ燃焼を行い、空気量で負荷を制御する。この領域では、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼を回避するために、機関負荷が大きくなるほど機関圧縮比は低くなるように、そして所定回転数以上、所定負荷以上の領域では最低圧縮比に設定する。

ところで、図５において成層燃焼領域での運転中に、運転者から加速要求がなされて機関運転負荷が上昇すると、圧縮比可変機構の応答遅れ、例えばモータ付アクチュエータ２５の応答遅れにより、要求負荷が上昇しているにもかかわらず圧縮比が下がりきらない状況が生じ得る。このような状況ではノッキング等の異常燃焼が懸念されるので、圧縮行程中に燃料を噴射して層状燃焼を行わせ、この層状燃焼時には圧縮行程中の噴射に先立って吸気行程中にも燃料噴射を行う。吸気行程中の燃料噴射量は、噴射した燃料が点火栓による点火時期前に自己着火しないような、すなわちプレイグニッションを生じないような燃料量に制限され、圧縮行程及び吸気行程で噴射する燃料の総量（後述の追加噴射を含む場合には追加噴射を含めた総量）は、燃焼室全体のトータル空燃比を理論空燃比近傍とするような燃料量とされる。

また、空気量が多いリーン空燃比から空気量を制限する理論空燃比へ切り替えることになるが、スロットルバルブ１２の応答遅れや空気そのものの挙動の遅れ等により、空気量の制限が間に合わない場合もある。この場合、空気量に基づいて燃料噴射量を決定すると、実際の空気量は要求負荷に対して多いため燃料噴射量も過剰になり、出力が過大となって運転者に不快感を与えることになる。一方、要求負荷に合わせて燃料噴射量を決定すると、実際の空気量が要求負荷に応じた空気量より多いため空燃比がリーンとなってしまい、ＮＯｘ排出量が増大してしまうという問題がある。そこで、本実施形態では、次に説明するような方法で燃料噴射量を決定する。

図６は、図４のリーン空燃比領域から理論空燃比領域に切り替る際に、コントロールユニット１４が実行する燃料噴射制御の制御ルーチンを表すフローチャートである。以下、各ステップに沿って説明する。

ステップＳ１００では、機関負荷増大要求の有無を判定し、要求がある場合はステップＳ１１０及びステップＳ２４０へ進み、要求がない場合にはそのままリターンする。判定方法は、例えば機関回転数及びアクセル開度の変化を検出し、これらに基づいて算出した要求負荷が図４のリーン空燃比領域から外れる場合に、機関負荷増大要求有りと判定する。

ステップＳ１１０では、アクセル開度等から算出した目標機関負荷及び機関回転数から、図５のマップを検索することにより目標圧縮比を決定する。

ステップＳ１２０では、実際の圧縮比を検出する。圧縮比はモータ付アクチュエータ２５の動作量に応じて定まり、モータ付アクチュエータ２５はコントロールユニット１４からの信号に基づいて動作するので、実際の圧縮比はモータ付アクチュエータ２５の動作量に基づいて求めることができる。なお、筒内圧センサを設けることによっても求めることができる。

ステップＳ１３０では、圧縮行程中に行う燃料噴射の噴射開始時期を決定する。図７は上述した可変圧縮比機構による機関圧縮比ごとのピストン挙動を示す図であり、縦軸はピストン位置、横軸はクランク角度を表している。図７に示すように、機関圧縮比が高くなるほど、同一クランク角度におけるピストン位置が高くなっている。

このため、最適な圧縮行程中燃料噴射開始時期は機関圧縮比ごとに異なり、これを目標圧縮比毎の、クランク角度に対応した時期として決定してしまうと、噴射燃料とピストンの相対位置関係が変化して、ピストン冠面に強くあたって跳ね上がった噴射燃料のシリンダボア壁への付着や、ピストンキャビティからの燃料こぼれ等が懸念される。そこで、機関圧縮比からピストン位置を算出し、このピストン位置に応じて噴射開始時期を決定する。なお、最適な噴射開始時期は、機関圧縮比が低くなるほど遅角側にずれる。

ステップＳ１４０では、吸入空気量を予測する。ここでは、図示しないエアフローメータによって検出した、本制御を行う気筒の直前に吸気が行われた気筒、すなわち点火順序で一つ前の気筒の吸入空気量を、本制御を行う気筒の吸入空気量として用いる。ただし、一つ前の気筒と本制御を行う気筒では、圧縮比可変制御を行っている最中であることから、ピストン下死点位置が異なり、下死点における筒内容積が異なる状況となっている。そこで、この下死点における筒内容積の差に応じて吸入空気量の補正を行う。

なお、上記のように点火順序で一つ前の気筒の吸入空気量を用いることが望ましいが、それ以前の気筒の吸入空気量を用いることも可能である。
また、吸入空気量の変化量を逐次算出しておき、この変化量に基づいて制御対象である気筒の吸入空気量を演算することや、吸気管圧力と吸気弁閉時期とに基づいて予測することも可能である。

ステップＳ１５０では、要求される負荷を発生させるために必要な燃料噴射量を算出する。

ステップＳ１６０では、ステップＳ１４０で推定した吸入空気量及びステップＳ１５０で算出した燃料噴射量から空燃比を算出し、この空燃比が理論空燃比よりリーンであるか否かをステップＳ１７０で判定する。

リーンの場合にはステップＳ１８０に進み、ステップＳ１５０で算出した要求される負荷を発生させるために必要な燃料噴射量を、機関負荷に応じた基本噴射量とするとともに、理論空燃比となる噴射量に対して不足する噴射量を追加噴射量（基本噴射量に基づく空燃比がリーンになる場合に空燃比を理論空燃比とするための追加噴射量）として決定し、ＡＦＦＬＡＧ＝ゼロとする。この場合、基本噴射量と追加噴射量の合計を、１サイクルで供給する燃料の総量に相当する目標噴射量とみなすことができる。

リーンでない場合にはステップＳ１９０に進み、理論空燃比となる噴射量を基本噴射量として決定し、ＡＦＦＬＡＧ＝１とする。具体的には、理論空燃比よりリッチの場合には、ステップＳ１５０で算出した要求される負荷を発生させるために必要な燃料噴射量にかかわらず理論空燃比となる噴射量に制限して、これを機関負荷に応じた基本噴射量とする。これによって、リッチ燃焼による未燃ＨＣの排出を抑制することができる。理論空燃比であった場合にはステップＳ１５０で算出した噴射量をそのまま機関負荷に応じた基本噴射量とする。これらの場合、いずれも基本噴射量を、１サイクルで供給する燃料の総量に相当する目標噴射量とみなすことができる。

ステップＳ２００では、実際の圧縮比が所定圧縮比より高いか否かの判定を行う。ここで用いる所定圧縮比は、例えば低負荷運転中に負荷増大要求があり、圧縮比変更制御を実行している際に、圧縮比可変機構の動作遅れ等によりノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼が問題となる圧縮比の下限値を用いる。例えば、最高圧縮比が１８、最低圧縮比が１２となる機関においては、１４程度の値とする。

判定の結果、所定圧縮比より小さければステップＳ２７０に進み、大きければステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０では、吸気行程中に燃料噴射を行う場合の噴射量の上限値（吸気行程噴射上限値Ａ）及び圧縮行程中の燃料噴射量の上限値（圧縮行程噴射上限値Ｂ）を算出する。

吸気行程噴射上限値Ａは、当該噴射による燃料混合気が、プレイグニッションの発生を回避できる噴射量である。これは機関圧縮比に応じて定まり、例えば機関圧縮比の低下に伴って多くなる。圧縮行程噴射上限値Ｂは、ステップＳ１３０で設定した圧縮行程噴射開始時期から所定の噴射終了時期までに噴射可能な噴射量であり、実際の機関圧縮比に応じて変化する。なお、「所定の噴射終了時期」は、例えばスモークが発生しない限界時期（スモーク限界）により決まる。

ステップＳ２２０では、吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程噴射上限値Ｂの和が基本噴射量以上か否か、すなわち吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程噴射上限値Ｂの合計の燃料噴射量が機関負荷に応じた基本噴射量をカバーできるかどうかの判定を行い、基本噴射量以上の場合にはステップＳ２３０に、少ない場合にはステップＳ２４０にそれぞれ進む。

ステップＳ２３０では、吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程噴射上限値Ｂの合計の燃料噴射量が機関負荷に応じた基本噴射量をカバーできることから、吸気行程噴射上限値Ａを吸気行程噴射量とし、基本噴射量、あるいは追加噴射量があるときには基本噴射量と追加噴射量の合計から吸気行程噴射上限値Ａを引いた量を圧縮行程噴射量として決定し、噴射を行う。尚、理論空燃比となる噴射量に対して不足する分を補うための追加噴射量がある場合（ＡＦＦＬＡＧ＝ゼロ）において、吸気行程噴射と圧縮行程噴射の合計の燃料噴射量が機関負荷に応じた基本噴射量をカバーできる場合には、過渡状態が長く続く訳ではないと考えて、基本噴射量と追加噴射量の合計を吸気行程と圧縮行程とで噴射することにしている。例えば、緩加速の際、要求負荷に応じた燃料が少ないにも関わらず加速初期には空気が多い（遅れる）ため、リーンを解消させるための追加の燃料が必要となる場合がある。しかし、そのような場合には、そもそも緩加速であることから圧縮比を大幅に変更する訳ではなく、過渡状態を直ぐに通過してしまうことから、追加燃料を点火前に噴射したことによるトルクの増大は無視できる範囲内と考え、ここでは全ての燃料を燃焼前の吸気行程と圧縮工程とで噴射することにして、簡略化している。

吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程噴射上限値Ｂの合計の燃料噴射量が機関負荷に応じた基本噴射量をカバーできない場合のステップＳ２４０では、ＡＦＦＬＡＧ＝ゼロであるか否かの判定を行い、ゼロの場合はステップＳ２５０に、１の場合はステップＳ２６０にそれぞれ進む。

ステップＳ２５０では、吸気行程噴射上限値Ａを吸気行程噴射量とし、圧縮行程噴射上限値Ｂを圧縮行程噴射量とし、基本噴射量と追加噴射量の合計から吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程噴射上限値Ｂとの和を引いた量を膨張行程噴射量として決定し、噴射を行う。ここでの加速は、理論空燃比となる噴射量に対して不足する分を補うための追加燃料量が必要になる程度の加速であり、負荷の要求はそれほど高くはないと考え、基本噴射量の残り分の燃料は全て追加燃料量と合わせて燃焼後の膨張行程に噴射することで、制御を簡略化している。

ステップＳ２６０では、吸気行程噴射上限値Ａを吸気行程噴射量とし、圧縮行程噴射上限値Ｂを圧縮行程噴射量とし、基本噴射量から吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程噴射上限値Ｂとの和を引いた量を二度目の吸気行程噴射量として決定し、噴射を行う。

なお、二度目の吸気行程噴射は、後述する図９に示すように吸気下死点直後に行う。すなわち、ピストン位置を基準にすると圧縮行程初期に行うことになる。しかし、一般的に吸気バルブ閉時期は吸気慣性効果等を考慮して下死点以降に設定されるので、ここでは「二度目の吸気行程噴射」と呼ぶことにする。

一方、ステップＳ２００の判定で実際の圧縮比が所定の圧縮比より低かった場合には、ステップＳ２７０でＡＦＦＬＡＧがゼロか否かの判定を行い、ゼロの場合はステップＳ２８０へ進み、１の場合はステップＳ２９０に進む。

ステップＳ２８０では、基本噴射量を吸気行程噴射量とし、追加噴射量を膨張行程噴射量として決定し、噴射を行う。膨張行程噴射は膨張行程の後期に行うものとし、膨張行程中にすべての追加燃料を噴射し切れるように噴射開始時期を設定する。

ステップＳ２９０では、基本噴射量を吸気行程噴射量として決定し、噴射を行う。

上記の制御、つまり機関負荷要求が増大したために機関圧縮比を低下させる過渡時の燃料噴射制御をまとめると、図８のようになり、これを噴射タイミング図に示すと図９のようになる。なお、図９において、低負荷・高圧縮比運転時の噴射タイミングは圧縮自己着火運転を行う場合について示している。

実際の圧縮比が所定圧縮比より高い場合には、吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程噴射上限値Ｂの和が基本噴射量以上であれば、吸入空気量と要求負荷に応じた燃料噴射量との空燃比がリーン、リッチ、または理論空燃比のいずれであっても、吸気行程噴射及び圧縮行程噴射を行う（図６のＳ２３０、図８及び図９中の（１））。このとき空燃比は理論空燃比である。

実際の圧縮比が所定圧縮比より高く、吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程噴射上限値Ｂの和が基本噴射量より少なければ、吸入空気量と要求負荷に応じた燃料噴射量との空燃比がリーンの場合には基本噴射量を吸気行程噴射及び圧縮行程噴射にて噴射し、さらに膨張行程にて追加噴射量を噴射する（図６のＳ２５０、図８及び図９中の（２））。すなわち、要求負荷に対して燃料噴射量が十分だと判断され、かつ空燃比がリーンの場合には、膨張行程の後期に理論空燃比となるように燃料を追加噴射する。これにより、機関負荷には影響を与えずに、排気されるガスを理論空燃比にすることができる。すなわち、運転者が要求する負荷を確保しつつ、排気エミッションの悪化を防止することができる。同じく吸入空気量と要求負荷に応じた燃料噴射量との空燃比が理論空燃比またはリッチの場合には、吸気行程で２回噴射を行い、さらに圧縮行程噴射も行う（図６のＳ２６０、図８及び図９中の（３））。すなわち、吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程噴射上限値Ｂの和が要求負荷に応じた燃料噴射量に対して不足している場合には、不足する分を吸気行程の下死点付近で２回目の吸気行程噴射を行う。

実際の圧縮比が所定圧縮比より低い場合には、吸入空気量と要求負荷に応じた燃料噴射量との空燃比がリーンの場合には、吸気行程にて基本噴射量を噴射し、膨張行程にて追加噴射量を噴射する。これにより、排気されるガスの空燃比は理論空燃比となる（図６のＳ２８０、図８及び図９中の（４））。同じく吸入空気量と要求負荷に応じた燃料噴射量との空燃比が理論空燃比またはリッチの場合には、吸気行程にて基本噴射量を噴射する（図６のＳ２９０、図８及び図９中の（５））。

図１０は、図６に示す制御を実行した場合のタイムチャートである。ここでは、低負荷・高圧縮比運転中は吸気行程噴射する場合について説明する。

ｔ１で機関負荷増大要求があると、負荷の要求値はステップ的に変化するが、吸気量制御の遅れ等により実際の負荷は徐々に増大する。圧縮比も同様に、可変圧縮比機構の動作遅れ等があるため、実際の値は徐々に変化する。燃料噴射は吸気行程噴射と圧縮行程噴射の分割噴射に切り替る。

このとき、吸気行程噴射量はプレイグニッション発生を回避するために制限されるので、圧縮比の低下に伴って徐々に増加する。一方、圧縮行程噴射の噴射開始時期は、燃料噴霧が、ピストン冠面と強くあたり跳ね上がった燃料がシリンダボア壁に付着したり、キャビティ内から逸れたりするのを回避するため、低圧縮比化によりピストン位置が低くなるのに合わせて遅角化する必要がある。そして噴射終了時期はスモーク限界等により制限されるので、ピストン位置が低下するほど、つまり低圧縮比化するほど噴射可能な量は少なくなる。

そこで、機関負荷を実現するために必要な燃料量が、吸気行程噴射上限値Ａと圧縮行程上限値Ｂとの和を超えると（ｔ２〜ｔ３間）、図８の（２）または（３）のように、吸気行程中に２度目の噴射を行うか、膨張行程中に不足分を噴射する。

そして、圧縮比が十分に低くなり、要求負荷を実現するために必要な燃料量を吸気行程噴射上限値Ａで賄えるようになったら、吸気行程噴射のみを行う（ｔ３以降）。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
（１）筒内直接噴射式内燃機関であって、ピストン上死点位置を変更することにより機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構と、目標圧縮比に比べて実際の圧縮比が高い場合には、吸気行程噴射と、圧縮行程噴射とを組み合わせた燃料噴射を行う燃料噴射制御手段と、を備え、実際の圧縮比の低下に応じて圧縮行程噴射の噴射開始時期を遅角させるので、過渡状態においてもピストン３に対する燃料噴霧の相対的な位置関係を目標通りに保つことができる。これにより、燃料噴霧がピストン冠面と強くあたり跳ね上がった燃料がシリンダボア壁に付着したり、キャビティ１７から燃料噴霧がこぼれたりすることを防止し、未燃ＨＣの排出を抑制することができる。

（２）目標圧縮比を変更する過渡運転状態における圧縮行程噴射の噴射終了時期を、スモーク限界時期に制限するので、スモークの発生を確実に回避することができる。

（３）噴射終了時期をスモーク限界時期に制限することによって燃料噴射量が目標噴射量に対して不足する場合には、不足する分を圧縮行程噴射とは別に噴射するので、１サイクル中の総噴射量が要求負荷に応じて必要となる燃料噴射量に対して不足することを防止することができ、さらに、この不足する分を吸気下死点付近で噴射するので、要求負荷に対してトルクが不足することもない。

（４）噴射終了時期をスモーク限界時期に制限することによって燃料噴射量が目標噴射量に対して不足する場合には、不足する分を膨張行程の後期に噴射するので、１サイクル中の総噴射量が目標空燃比にするために必要となる燃料噴射量に対して不足することを防止することができる。

（５）機関負荷に応じた基本噴射量と、基本噴射量に基づく空燃比がリーンになる場合に空燃比を理論空燃比とするための追加噴射量と、を求め、吸気行程噴射と圧縮行程噴射の合計の燃料噴射量が、機関負荷に応じた基本噴射量をカバーすることができないときに、吸気行程噴射の噴射量と圧縮行程噴射の噴射量を上限の噴射量に一致させるとともに、追加噴射量があるときには、追加噴射量の燃料噴射を膨張行程の後期に行い、追加噴射量がないときには、吸気行程噴射と圧縮行程噴射の合計の燃料噴射量がカバーできなかった基本噴射量の残り分を、吸気行程噴射および圧縮行程噴射とは別に設けた吸気下死点付近の噴射により噴射するので、要求負荷に対するトルクと目標空燃比とを両立することができる。

第２実施形態について説明する。

図１１、図１２は、本実施形態を適用する機関の運転領域マップである。図４、図５との違いは、低負荷領域にリーン空燃比で運転する領域を持たずに、全回転・負荷領域で理論空燃比にて運転する点である。この場合、要求負荷に基づいて吸入空気量及び機関圧縮比が設定され、これに応じてスロットルバルブ１２及びモータ付アクチュエータ２５が制御される。

このような運転を行う機関においては、低負荷領域で運転中に加速要求等により機関負荷が増大する場合、スロットルバルブ１２の応答遅れがあると、実際の空気量が要求負荷に応じた空気量よりも少なくなるので、要求負荷に応じた燃料量を噴射すると空燃比がストイキよりもリッチになってしまう。また、圧縮比可変機構の応答遅れや動作時間により低圧縮比化が遅れると、ノッキングの発生が懸念される。

そこで、第１実施形態と同様に図６に示した制御ルーチンを実行する。これによれば、実際の吸入空気量と要求負荷に応じた燃料噴射量とから空燃比を算出し、空燃比がリッチになるようであれば燃料噴射量を理論空燃比となるように制限される。したがって、要求負荷に対する出力を犠牲にすることになるものの、未燃ＨＣの排出量増大等による排気エミッションの悪化の防止や、圧縮行程噴射を行うことによるノッキングの発生防止をすることができる。

第３実施形態について説明する。

本実施形態は、図１の吸気カムシャフト１１に替えて図１３に示す可変動弁装置Ｖを用いることにより、吸気弁７のリフト量及び作動角（以下、リフト量等という）を連続的に可変制御し、吸入空気量の制御を行う。このため、スロットルバルブ１２は不要となる。

なお、ここでいうリフト量とは最大リフト量のことをいう。また、リフト量の可変制御とは最大リフト量を可変制御することをいい、クランクシャフトの回転に同期して開閉する際のリフト量変化は除くものである。

吸気側可変動弁装置Ｖは、吸気弁７のリフト量及び作動角を変化させるリフト・作動角可変機構４３と、そのリフトの中心角の位相（クランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構４２と、が組み合わされて構成されている。

なお、このリフト・作動角可変機構４３は、本出願人が先に提案し、位相可変機構４２とともに特開２００２−８９３０３号公報や特開２００２−８９３４１号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。

リフト・作動角可変機構４３は、シリンダヘッド上部の図示せぬカムブラケットに回転自在に支持された中空状の駆動軸３１と、この駆動軸３１に圧入等により固定された偏心カム３２と、駆動軸３１の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸３１と平行に配置された制御軸３７と、この制御軸３７の偏心カム部３８に揺動自在に支持された可変動弁用ロッカーアーム３４と、一方の端部付近が可変動弁用ロッカーアーム３４の一方の端部付近と連結ピン３９を介して連結されるリンク部材３５と、駆動軸３１と同軸状に配置されリンク部材３５の他方の端部付近と連結ピン４１で連結された揺動カム３６と、を備えている。また、駆動軸３１の回転角を検出する駆動軸角センサ４７と、制御軸３７の回転角を検出する制御軸角センサ４８とを備える。これらのセンサの検出値はコントロールユニット１４に読み込まれる。

駆動軸３１は、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。

偏心カム３２は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸３１の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム３３の環状部３３ａが回転可能に嵌合している。

可変動弁用ロッカーアーム３４は、略中央部を上記偏心カム部３８が回転可能に貫通し、一端が連結ピン４０を介してリンクアーム３３と連結され、他端が連結ピン３９を介してリンク部材３５と連結されている。偏心カム部３８は、制御軸３７の軸心から偏心しており、従って、制御軸３７の角度位置に応じて可変動弁用ロッカーアーム３４の揺動中心は変化する。

揺動カム３６は、駆動軸３１の外周に嵌合して回転自在に支持されており、駆動軸３１の軸方向に対して直角方向へ延びた端部付近に、前述したようにリンク部材３５の下端部が連結ピン４１を介して連結している。この揺動カム３６の下面には、駆動軸３１と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から上記端部へと所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム３６の揺動位置に応じて吸気弁７上部に備えたバルブリフタ７ａに接触するようになっている。

すなわち、基円面はベースサークル区間として、リフト量がゼロとなる区間であり、揺動カム３６が揺動してカム面がバルブリフタ７ａに接触すると、吸気弁７は徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。

制御軸３７は、一方の端部に設けられたリフト・作動角制御用モータ（以下、単に「モータ」という）４４によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このモータ４４への電力供給は、コントロールユニット１４からの制御信号に基づいて制御されている。

また、モータ４４は、作動角を変更する際に制御軸３７を目標角度に回転させるのみならず、運転中に制御軸３７の角度が目標角度からずれないように保持する機能も有する。この目標角度を保持するためにモータ４４に流す電流、つまり目標角度を保持するために必要なトルク（保持トルク）を発生させるのに必要な電流を保持電流とよぶ。

このリフト・作動角可変機構４３の作用を説明する。駆動軸３１が回転すると、偏心カム３２のカム作用によってリンクアーム３３が上下動し、これに伴って可変動弁用ロッカーアーム３４が制御軸３７を揺動軸として揺動する。この可変動弁用ロッカーアーム３４の揺動は、リンク部材３５を介して揺動カム３６へ伝達され、該揺動カム３６が揺動する。この揺動カム３６のカム作用によって、吸気弁７がリフトする。

ここで、モータ４４を介して制御軸３７の角度が変化すると、可変動弁用ロッカーアーム３４の揺動中心位置が変化し、ひいては揺動カム３６の初期揺動位置が変化する。

例えば、偏心カム部３８が上方に位置しているとすると、可変動弁用ロッカーアーム３４は全体として上方へ位置し、連結ピン４１が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム３６の初期揺動位置は、そのカム面３６ｂがバルブリフタ７ａから離れる方向に傾く。従って、駆動軸３１の回転に伴って揺動カム３６が揺動した際に、基円面が長い間バルブリフタ７ａに接触し続け、カム面がバルブリフタ７ａに接触する期間は短い。このためリフト量が全体として小さくなり、かつ、その開時期から閉時期までの角度範囲、すなわち作動角も縮小する。

逆に、偏心カム部３８が下方へ位置しているとすると、可変動弁用ロッカーアーム３４は全体として下方へ位置し、揺動カム３６の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム３６の初期揺動位置は、そのカム面がバルブリフタ７ａに近付く方向に傾く。従って、駆動軸３１の回転に伴って揺動カム３６が揺動した際に、バルブリフタ７ａと接触する部位が基円面からカム面へと直ちに移行する。このためリフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。

上記の偏心カム部３８の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性も連続的に変化する。つまり、図１４に示すようにリフト量ならびに作動角を、両者同時にかつ連続的に拡大，縮小させることができる。

位相可変機構４２は、駆動軸３１の前端部に設けられたスプロケット４５と、このスプロケット４５と駆動軸３１とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ４６と、から構成されている。

スプロケット４５は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトと同期して回転している。位相制御用アクチュエータ４６は、コントロールユニット１４からの制御信号に基づいて制御される。この位相制御用アクチュエータ４６の制御によって、スプロケット４５と駆動軸３１とが相対的に回転し、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も連続的に得ることができる。位相可変機構４２としては、油圧式、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能であるが、本実施形態では油圧式アクチュエータを用いることとする。

吸気側可変動弁装置Ｖにおいて、吸気弁７の作動角は、コントロールユニット１４により、作動角をエンジン１の回転数及び負荷に割り付けた制御用マップに基づいて制御される。制御用マップは、例えば図１５に示すように、機関負荷が大きくなるほど吸気バルブ閉時期が遅角する（下死点に近づく）ように、つまり作動角が大きくなるように設定したマップを用いる。

なお、圧縮比の設定は、図１６に示すように第２実施形態と同様であり、機関負荷が増大するのに伴って圧縮比を低下させる。

上記のように、吸入空気量を吸気バルブ閉時期で制御し、負荷の上昇とともに吸気弁７の閉時期を遅角する場合、吸気バルブ閉時期を制御目標値に近づける際の微小制御値が問題となる。微小制御値とは、単位時間当りに吸気バルブ閉時期をどの程度変化させるかを表す値であり、コントロールユニット１４から吸気バルブ閉時期変更の指令が入力されたときに、モータ４４及び位相制御用アクチュエータ４６が単位時間（例えば１０ｍｓ）あたりにどの程度動作するように設定するかによって定まる。

仮に微小制御値を大きくすれば、実際の吸気バルブ閉時期が制御目標値を追い越してしまい、吸入空気量が目標とする吸入空気量より多くなってしまう、いわゆるオーバーシュートが生じるおそれがあり、逆に小さくすれば、空気量の制御に要する時間が長くなって加速性能が犠牲となる。

オーバーシュートが生じると、第１実施形態と同様に機関負荷の増大に伴って機関圧縮比が低下する過渡時に、空燃比が過剰にリーンになってしまうことが懸念される。一方、吸気バルブ閉時期の遅角が遅れると、第２実施形態と同様に機関負荷の増大に伴って機関圧縮比が低下する過渡時に空燃比がリッチになってしまうことが懸念される。

しかし、いずれの場合も、第１、第２実施形態と同様に図６に示す制御ルーチンを実行することにより、排気エミッションの悪化やノッキング等の異常燃焼の発生を防止することができる。したがって、本実施形態のように可変動弁装置Ｖを使用する場合に、微小制御値を大きく設定することができ、加速性能の低下を防止することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ 吸気バルブ
８ 排気バルブ
９ 点火栓
１０ 燃料噴射弁
１１ 吸気カムシャフト
１２ スロットルバルブ
１３ 排気カムシャフト
１４ コントロールユニット
１５ ノッキング検出センサ
１６ 点火コイル
１７ キャビティ
２０ 第１リンク
２１ 第２リンク
２２ 第３リンク
２３ クランク軸
２４ コントロールシャフト
２５ モータ付アクチュエータ
３１ 駆動軸
３２ 偏心カム
３３ リンクアーム
３４ 可変動弁用ロッカーアーム
３５ リンク部材
３６ 揺動カム
３７ 制御軸
３８ 偏心カム部
４２ 位相可変機構
４３ リフト・作動角可変機構
４４ モータ
４５ スプロケット
４６ 位相制御用アクチュエータ
４７ 駆動軸角センサ
４８ 制御軸角センサ

Claims (6)

1. 筒内に燃料を噴射する筒内直接噴射式内燃機関であって、
   ピストン上死点位置を変更することにより機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構と、
   目標圧縮比に比べて実際の圧縮比が高い場合には、吸気行程噴射と圧縮行程噴射とを組み合わせた燃料噴射を行う燃料噴射制御手段と、
   を備え、
   前記燃料噴射制御手段は圧縮比の低下に応じて前記圧縮行程噴射の噴射開始時期を遅角させることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
2. 前記燃料噴射制御手段は、前記吸気行程噴射の燃料噴射量を、当該噴射による燃料混合気がプレイグニッションを生じないような燃料噴射量に制限するとともに、前記圧縮行程噴射の噴射終了時期を、スモーク限界時期より遅角側にならないように制限することを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. 前記燃料噴射制御手段は、前記吸気行程噴射と圧縮行程噴射の合計の燃料噴射量が目標噴射量に対して不足する場合に、不足する分を前記吸気行程噴射および圧縮行程噴射とは別に吸気下死点付近で噴射することを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. 前記燃料噴射制御手段は、前記吸気行程噴射と圧縮行程噴射の合計の燃料噴射量が目標噴射量に対して不足する場合に、不足する分を膨張行程の後期に噴射することを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 前記燃料噴射制御手段は、機関負荷に応じた基本噴射量と、基本噴射量に基づく空燃比がリーンになる場合に空燃比を理論空燃比とするための追加噴射量と、を求め、
   前記吸気行程噴射と圧縮行程噴射の合計の燃料噴射量が、機関負荷に応じた前記基本噴射量をカバーすることができないときに、吸気行程噴射の噴射量と圧縮行程噴射の噴射量を上限の噴射量に一致させるとともに、
   追加噴射量があるときには、前記追加噴射量の燃料噴射を膨張行程の後期に行い、
   追加噴射量がないときには、吸気行程噴射と圧縮行程噴射の合計の燃料噴射量がカバーできなかった基本噴射量の残り分を、前記吸気行程噴射および圧縮行程噴射とは別に設けた吸気下死点付近の噴射により噴射することを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
6. 前記機関負荷に応じた基本噴射量は、吸入空気量に応じた空燃比が理論空燃比よりリッチになる場合、空燃比が理論空燃比となるように制限されることを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。

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