JP2016223411A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火時期が圧縮上死点後に設定されている場合でも、ピストンへの燃料付着を抑制してエミッション性能の悪化を防止しつつ、燃焼安定性を向上させることができる、エンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン(1)の制御装置は、気筒(2)内の燃焼室(16)に直接噴射した燃料の挙動をタンブル流(T)によって制御するエンジンの制御装置であって、燃焼室に燃料を直接噴射するインジェクタ(28)と、燃焼室内にタンブル流を生成する吸気ポート(18)と、冷間時、エンジンの点火プラグ(32)を圧縮上死点後に点火させ、気筒の吸気行程中に設定された吸気行程噴射時期と、気筒の圧縮工程前半に設定された圧縮工程前半噴射時期と、気筒の圧縮工程後半に設定された圧縮工程後半噴射時期に、燃料噴射弁から燃料を噴射させるＰＣＭ(48)とを有し、ＰＣＭは、圧縮工程前半噴射時期において、インジェクタからタンブル流の渦中心に向かって燃料を噴射させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンの制御装置に係わり、特に、気筒内の燃焼室に直接噴射した燃料の挙動をタンブル流によって制御するエンジンの制御装置に関する。

近年、自動車の排ガス規制が厳しくなっていることに伴い、燃費の向上とともにエンジンから排出される排気ガスの浄化性能の向上が強く要求されている。
自動車の排気経路には、エンジンの排気ガスに含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの未燃焼ガスを浄化する酸化還元触媒が設けられている。この触媒によって未燃焼ガスを浄化するには、触媒の温度を活性温度以上に維持する必要がある。
したがって、例えばエンジンの冷間始動直後のように排気温度が低く触媒の温度が活性温度まで達していない場合には、排気ガスの浄化性能を確保するために触媒の温度を早期に上昇させなければならない。

そこで、触媒の温度が低い冷間始動直後においては点火時期を圧縮上死点後まで遅らせることにより、高温の排気ガスを触媒に流入させて触媒の温度を上昇させることが検討されている。この場合、点火時期を圧縮上死点後まで遅らせると燃焼室内の温度及び圧力が低下することにより着火安定性が悪化し、着火できたとしても火炎伝播性が悪化する。そこで、特許文献１に記載された火花点火式直噴エンジンでは、冷間時、吸気工程と圧縮工程後半との２回に分割して燃料を噴射し、圧縮工程後半に噴射された燃料をピストンの頂面やキャビティに衝突させることにより、点火時期に点火プラグ周辺がリッチとなるようにし、着火安定性及び火炎伝播性（燃焼安定性）を高めるようにしている。

特開２０１０−１５０９７１号公報

しかしながら、上述したような従来の火花点火式直噴エンジンでは、圧縮工程後半に噴射された燃料がピストンの頂面やキャビティに衝突したときに、その一部がピストンに付着してしまう。ピストンへの燃料付着は、燃費の悪化を招くとともに、排気ガスに含まれるスモークやＨＣ（未燃焼ガス）増大させ、エミッション性能の悪化を引き起こす。

一方、ピストンへの燃料付着を抑制するため、圧縮工程後半における燃料噴射量を減少させると、圧縮上死点後の点火時期において点火プラグ周辺を十分リッチにすることができず、燃焼安定性が悪化する。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、点火時期が圧縮上死点後に設定されている場合でも、ピストンへの燃料付着を抑制してエミッション性能の悪化を防止しつつ、燃焼安定性を向上させることができる、エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のエンジンの制御装置は、気筒内の燃焼室に直接噴射した燃料の挙動をタンブル流によって制御するエンジンの制御装置であって、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内にタンブル流を生成するタンブル流生成手段と、冷間時、エンジンの点火プラグを圧縮上死点後に点火させる点火時期制御手段と、冷間時、気筒の吸気行程中に設定された吸気行程噴射時期と、気筒の圧縮工程前半に設定された圧縮工程前半噴射時期と、気筒の圧縮工程後半に設定された圧縮工程後半噴射時期に、燃料噴射弁から燃料を噴射させる燃料噴射弁制御手段とを有し、燃料噴射弁制御手段は、圧縮工程前半噴射時期において、燃料噴射弁からタンブル流の渦中心に向かって燃料を噴射させることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、冷間時、点火時期制御手段が点火時期を圧縮上死点後まで遅らせることにより触媒の早期暖機を図ると共に、燃料噴射弁制御手段は、冷間時、吸気行程噴射時期と、圧縮工程前半噴射時期と、圧縮工程後半噴射時期に、燃料噴射弁から燃料を噴射させ、圧縮工程前半噴射時期においては、燃料噴射弁からタンブル流の渦中心に向かって燃料を噴射させるので、圧縮工程前半噴射時期においては、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力を、燃料の噴射方向に直交する方向に流れるタンブル流の運動エネルギーによって低減させることで、燃料がタンブル流を貫徹してピストン冠面や燃焼室の壁面へ付着することなく、タンブル流内にリッチな領域を形成することができる。そして、このリッチな領域をタンブル流に伴って流動させ、圧縮工程後半噴射時期の燃料噴射によって点火プラグの方向へ巻き上げさせることにより、圧縮上死点後に設定された点火時期において、圧縮工程後半噴射時期に噴射された燃料と共に点火プラグの先端の周辺にリッチな領域を形成し、燃焼安定性を向上させることができる。また、圧縮工程における燃料噴射時期を圧縮工程前半噴射時期及び圧縮工程後半噴射時期に分割することにより、圧縮工程後半噴射時期の燃料噴射量を抑制し、ピストン冠面への燃料付着を低減することができる。これにより、触媒の早期暖機のために点火時期が圧縮上死点後に設定されている場合でも、ピストン冠面や燃焼室の壁面への燃料付着を抑制してエミッション性能の悪化を防止しつつ、燃焼安定性を向上させることができる。

また、本発明において、好ましくは、タンブル流生成手段は、エンジンの吸気ポートであり、エンジンの点火プラグは、燃焼室の天井の中央部に設けられ、燃料噴射弁は、燃焼室の天井の周縁部の吸気ポート側に配置され、吸気ポート側からエンジンの排気ポート側へ向かって斜め下方に燃料を噴射し、エンジンのピストン冠面には、このピストン冠面における燃料噴射弁から離間した側の端部から燃料噴射弁側へ斜め上方に延びる斜面が形成されている。
このように構成された本発明においては、ピストン冠面には、このピストン冠面における燃料噴射弁から離間した側の端部から燃料噴射弁側へ斜め上方に延びる斜面が形成されているので、そのピストン冠面の斜面に沿って、燃料噴射弁側へ斜め上方に流れるタンブル流を生成し、燃料噴射弁からこのタンブル流の渦中心に向かって燃料を確実に噴射させることができ、これにより、燃料がタンブル流を貫徹してピストン冠面や燃焼室の壁面へ付着することなく、タンブル流内にリッチな領域を形成して、圧縮上死点後に設定された点火時期において、圧縮工程後半噴射時期に噴射された燃料と共に点火プラグの先端の周辺にリッチな領域を形成し、燃焼安定性を向上させることができる。

また、本発明において、好ましくは、燃料噴射弁制御手段は、燃料噴射弁により所定の拡がり角で噴射される燃料の噴射範囲を延長した領域が、燃焼室の中心軸線上において、ピストン冠面の斜面を含む平面よりも上方に位置する時期に設定された圧縮工程前半噴射時期に、燃料噴射弁から燃料を噴射させる。
このように構成された本発明においては、燃料噴射弁制御手段は、圧縮工程前半噴射時期において、ピストン冠面の斜面に沿って燃料噴射弁側へ斜め上方に流れるタンブル流の下部よりも上方の範囲に燃料を噴射するので、タンブル流の渦中心に向かって確実に燃料を噴射することができ、これにより、燃料がタンブル流を貫徹してピストン冠面や燃焼室の壁面へ付着することなく、タンブル流内にリッチな領域を形成して、圧縮上死点後に設定された点火時期において、圧縮工程後半噴射時期に噴射された燃料と共に点火プラグの先端の周辺にリッチな領域を形成し、燃焼安定性を向上させることができる。

また、本発明において、好ましくは、燃料噴射弁制御手段は、圧縮上死点前１６０°乃至１１０°の期間内に設定された圧縮工程前半噴射時期に、燃料噴射弁から燃料を噴射させる。
このように構成された本発明においては、噴射された燃料がタンブル流の渦中心に向かうタイミングで確実に燃料を噴射することができ、これにより、燃料がタンブル流を貫徹してピストン冠面や燃焼室の壁面へ付着することなく、タンブル流内にリッチな領域を形成して、圧縮上死点後に設定された点火時期において、圧縮工程後半噴射時期に噴射された燃料と共に点火プラグの先端の周辺にリッチな領域を形成し、燃焼安定性を向上させることができる。

本発明によるエンジンの制御装置によれば、点火時期が圧縮上死点後に設定されている場合でも、ピストンへの燃料付着を抑制してエミッション性能の悪化を防止しつつ、燃焼安定性を向上させることができる。

本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。 本発明の実施形態によるエンジンのインジェクタ及び点火プラグの詳細構造を示す斜視図である。 本発明の実施形態によるエンジンのピストンを示す図であり、図３（ａ）はピストンの平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。 本発明の実施形態によるエンジンの制御装置による燃料噴射タイミングを示すタイムチャートである。 本発明の実施形態による制御装置によって触媒早期暖機時の吸気行程中に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態による制御装置によって触媒早期暖機時の圧縮工程前半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態による制御装置によって触媒早期暖機時の圧縮工程前半に燃料が噴射された後の燃焼室内の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態による制御装置によって触媒早期暖機時の圧縮工程後半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態による制御装置による触媒早期暖機時の点火時期における燃焼室内の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態による制御装置によって冷間時の吸気行程前半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態による制御装置によって冷間時の吸気行程後半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態による制御装置によって冷間時の圧縮工程前半に燃料が噴射された後の燃焼室内の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態による制御装置による冷間時の点火時期における燃焼室内の状態を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を説明する。

［装置構成］
まず、図１により、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンの装置構成を説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。

図１において、符号１は本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンを示す。このエンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンである。エンジン１は、気筒２が設けられたシリンダブロック４（なお、図１では、１つの気筒２のみを図示するが、例えば４つの気筒２が直列に設けられる）と、このシリンダブロック４上に配設されたシリンダヘッド６と、シリンダブロック４の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン８とを有している。各気筒２内には、コンロッド１０を介してクランクシャフト１２と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。シリンダヘッド６と、気筒２と、ピストン１４とは、燃焼室１６を画定する。

シリンダヘッド６には、気筒２毎に、各々独立した２つの吸気ポート１８及び２つの排気ポート２０が形成されていると共に、これら吸気ポート１８及び排気ポート２０には、燃焼室１６側の開口を開閉する吸気バルブ２２及び排気バルブ２４がそれぞれ配設されている。吸気ポート１８は、燃焼室１６内に縦方向の渦流（タンブル流）を生成するタンブル流生成手段として機能する。
また、シリンダヘッド６の下面は、燃焼室１６の天井２６を形成している。この天井２６は、中央部からシリンダヘッド６下端まで延びる２つの対向する傾斜面を有する、いわゆるペントルーフ型となっている。

シリンダヘッド６にはまた、気筒２毎に、気筒２内に燃料を直接噴射する（直噴）インジェクタ２８が取り付けられている。インジェクタ２８は、その噴口３０が、燃焼室１６の天井２６の周縁部において２つの吸気ポート１８の間から斜め下方に向かってその燃焼室１６内に臨むように配設されている。このインジェクタ２８は、エンジン１の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１６内に直接噴射する。このインジェクタ２８の詳細構造については、後述する。

シリンダヘッド６にはまた、気筒２毎に、燃焼室１６内の混合気に強制点火する点火プラグ３２が取り付けられている。点火プラグ３２は、燃焼室１６の天井２６の中央部から下方へ延びるように、シリンダヘッド６内を貫通して配置されている。点火プラグ３２には、点火プラグ３２に電圧を供給する点火回路３４が接続されている。

シリンダヘッド６にはまた、各気筒２の吸気バルブ２２及び排気バルブ２４をそれぞれ駆動するバルブ駆動機構３６が設けられている。このバルブ駆動機構３６は、例えば、吸気バルブ２２及び排気バルブ２４のリフト量を変更することが可能な図外の可変バルブリフト機構（ＶＶＬ）、及び、クランクシャフト１２に対するカムシャフトの回転位相を変更することが可能な図外のバルブ位相可変機構（ＶＶＴ）を備えている。

図外の燃料タンクとインジェクタ２８との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、インジェクタ２８に所望の燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム３８が介設されている。インジェクタ２８に供給される燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更される。

エンジン１の一側面には、図１に示すように、各気筒２の吸気ポート１８に連通するように吸気通路４０が接続されている。一方、エンジン１の他側面には、各気筒２の燃焼室１６からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４２が接続されている。

排気通路４２の下流側には、排気ガスの浄化を行なう触媒コンバータ４４が接続されている。この触媒コンバータ４４には、触媒温度を検出する触媒温度センサ４６が設けられている。

エンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）４８によって制御される。ＰＣＭ４８は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ４８が制御器を構成する。

ＰＣＭ４８には、各種センサからの検出信号が入力される。具体的には、ＰＣＭ４８には、触媒温度センサ４６の他、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ、クランクシャフト１２の回転角を検出するクランク角センサ、車両のアクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサ等（何れも図示省略）の検出信号が入力される。
ＰＣＭ４８は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ２８、点火回路３４、バルブ駆動機構３６、燃料供給システム３８等へ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ４８は、エンジン１を運転する。詳細は後述するが、ＰＣＭ４８は、本発明におけるエンジン１の制御装置に相当し、点火時期制御手段及び燃料噴射弁制御手段として機能する。

［ピストン、インジェクタ及び点火プラグの詳細構造］
次に、図２及び図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジン１のピストン１４、インジェクタ２８及び点火プラグ３２の詳細構造を説明する。図２は、本発明の実施形態によるエンジン１のインジェクタ２８及び点火プラグ３２の詳細構造を示す斜視図である。また、図３は、本発明の実施形態によるエンジン１のピストン１４を示す図であり、図３（ａ）はピストン１４の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。

図２に示すように、インジェクタ２８は、複数の噴口３０を有する多噴口型のインジェクタである。このインジェクタ２８は、インジェクタ２８の軸線方向が水平方向から傾斜角αだけ下方に傾斜するように設けられている。これにより、インジェクタ２８の各噴口３０から噴射された燃料噴霧は、燃焼室１６の天井２６の周縁部から斜め下方に向かって、所定の拡がり角βで放射状に広がる。

図２及び図３に示すように、ピストン１４の頂部を形成するピストン冠面５０は、その中央に向かって隆起するように凸型に形成されている。具体的には、ピストン冠面５０は、ピストン冠面５０のインジェクタ２８側の端部からピストン冠面５０の中央に向かって斜め上方に延びるインジェクタ側斜面５２と、ピストン冠面５０のインジェクタ２８から離間した側（以下、必要に応じて「反インジェクタ側」）の端部からピストン冠面５０の中央に向かって傾斜角θで斜め上方に延びる反インジェクタ側斜面５４とを備えている。これらのインジェクタ側斜面５２及び反インジェクタ側斜面５４は、燃焼室１６の天井２６に沿うように形成されている。

また、ピストン冠面５０のインジェクタ２８側の端部及び反インジェクタ２８側の端部には、ピストン冠面５０の基準面となる水平面５６が形成されている。
さらに、ピストン冠面５０のインジェクタ２８側の端部には、ピストン１４と吸気バルブ２２との接触を回避するように窪んだ吸気バルブリセス５８が形成され、反インジェクタ側斜面５４には、ピストン１４と排気バルブ２４との接触を回避するように窪んだ排気バルブリセス６０が形成されている。

また、ピストン冠面５０の中央には、平面視でほぼ円形に窪んだキャビティ６２が形成されている。このキャビティ６２は、平面視でほぼ円形の水平な底面６４と、その底面６４の外周から上方へ拡がるように傾斜して延びる側面６６とによって形成される。ピストン１４が上死点に位置した場合、点火プラグ３２の先端がキャビティ６２内に臨んで配置され、これにより、点火プラグ３２の先端を中心とした略球状の燃焼空間が構成される。

［燃料噴射タイミング］
次に、図４を参照して、本発明の実施形態によるエンジン１の制御装置による燃料噴射タイミングの制御を説明する。
図４は、本発明の実施形態によるエンジン１の制御装置による燃料噴射タイミングを示すタイムチャートであり、図４における横軸は圧縮上死点前のクランク角（ｄｅｇ ＢＴＤＣ）を示す。また、燃料噴射時期を示すバーの上の数字は、１サイクルにおける全燃料噴射量を１０とした場合における各燃料噴射時期の燃料噴射量を表している。

図４に示すように、ＰＣＭ４８は、エンジン１の運転状態が冷間始動直後で触媒が未活性であり、早期に暖機する（すなわち触媒を活性温度以上に昇温させる）必要がある場合（触媒早期暖機時）、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、エミッション性能の悪化防止及び燃焼安定性の向上を目的として、1サイクルにおける燃料の噴射を３回に分割して実施する。
具体的には、気筒２の吸気行程中、より詳細には２１５［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］付近に設定された吸気行程噴射時期と、気筒２の圧縮工程前半、より詳細には１６０乃至１１０［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］の期間内に設定された圧縮工程前半噴射時期と、気筒２の圧縮工程後半、より詳細には５５［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］付近に設定された圧縮工程後半噴射時期との３つの時期に分割して、インジェクタ２８から燃料を噴射させる。特に、圧縮工程前半噴射時期は、インジェクタ２８により所定の拡がり角βで噴射される燃料の噴射範囲を延長した領域が、燃焼室１６の中心軸線上において、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４を含む平面よりも上方に位置する時期に設定されている。
各噴射時期における燃料噴射量の比率は、１サイクルにおける全燃料噴射量を１０とした場合、吸気行程噴射時期：圧縮工程前半噴射時期：圧縮工程後半噴射時期＝３．４：３．３：３．３である。なお、１サイクルにおける全燃料噴射量は、混合気が全体として理論空燃比よりも薄いリーン状態となるように設定される。

また、ＰＣＭ４８は、エンジン１の運転状態が、触媒早期暖機後の冷間時である場合、点火時期を圧縮上死点前に設定するとともに、燃焼安定性の向上を目的として、1サイクルにおける燃料の噴射を３回に分割して実施する。
具体的には、気筒２の吸気行程前半、より詳細には２８０［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］付近に設定された吸気行程前半噴射時期と、気筒２の吸気行程後半、より詳細には２１５［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］付近に設定された吸気行程後半噴射時期と、気筒２の圧縮工程前半、より詳細には１６０乃至１１０［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］の期間内に設定された圧縮工程前半噴射時期との３つの時期に分割して、インジェクタ２８から燃料を噴射させる。各噴射時期における燃料噴射量の比率は、１サイクルにおける全燃料噴射量を１０とした場合、吸気行程前半噴射時期：吸気工程後半噴射時期：圧縮工程前半噴射時期＝３．４：３．３：３．３である。なお、１サイクルにおける全燃料噴射量は、混合気が全体として理論空燃比よりも薄いリーン状態となるように設定される。

また、ＰＣＭ４８は、エンジン１の運転状態が温間時である場合、気筒２の吸気行程中、より詳細には２８０［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］付近に設定された吸気行程噴射時期に、インジェクタ２８から燃料を一括噴射させる。
即ち、エンジン１の運転状態が燃焼安定性の高い温間時である場合には、吸気行程噴射時期に燃料を一括噴射して、燃料の気化を促進すると共に燃料を燃焼室１６内に均等に分布させることにより、エミッション性能の向上を図っている。

［燃料室内の状態］
次に、図５乃至図１３を参照して、本発明の実施形態によるエンジン１の制御装置が燃料噴射タイミングの制御を行ったときの燃焼室内の状態を説明する。
図５乃至図９は、本発明の実施形態によるエンジン１の触媒早期暖機時における燃焼室内の状態を示す断面図であり、図５は吸気行程中に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態、図６は圧縮工程前半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態、図７は圧縮工程前半に燃料が噴射された後の燃焼室内の状態、図８は圧縮工程後半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態、図９は点火時期における燃焼室内の状態を、それぞれ示す。
また、図１０乃至図１３は、本発明の実施形態によるエンジン１の冷間時における燃焼室内の状態を示す断面図であり、図１０は吸気行程前半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態、図１１は吸気行程後半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態、図１２は圧縮工程前半に燃料が噴射された後の燃焼室内の状態、図１３は点火時期における燃焼室内の状態を、それぞれ示す。

［触媒早期暖機時の燃料室内の状態］
まず、触媒早期暖機時の吸気行程噴射時期においては、図５に示すように、吸気バルブ２２の開弁及びピストン１４の下降に応じて吸気ポート１８から燃焼室１６内に流入した吸気により、タンブル流Ｔ（縦方向の渦流）が発生している。ＰＣＭ４８がインジェクタ２８及び燃料供給システム３８を制御して、吸気行程噴射時期に燃料をインジェクタ２８から噴射させると、インジェクタ２８から噴射された燃料は、このタンブル流Ｔに伴って燃焼室１６内を流動する。特に、吸気行程噴射時期の２１５［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］付近は、燃焼室１６内の流動が大きい時期なので、燃焼室１６内に噴射された燃料の気化をより促進することができる。また、この吸気行程噴射時期から点火時期が到来するまでの時間が長いので、吸気行程噴射時期に噴射された燃料が気化する時間を確保できると共に、燃料を燃焼室１６内に均等に分布させることができる。

続いて、触媒早期暖機時の圧縮工程前半噴射時期においては、図６に示すように、吸気行程において発生したタンブル流Ｔが、ピストン１４の上昇に伴って上下方向につぶされながら、燃焼室１６の天井２６とピストン冠面５０との間を渦状に流動する。特に、タンブル流Ｔの下部は、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿って、インジェクタ２８側へ斜め上方に流れている。
この圧縮工程前半噴射時期の１６０乃至１１０［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］の期間では、インジェクタ２８により所定の拡がり角βで噴射される燃料の噴射範囲を延長した領域Ａが、燃焼室１６の中心軸線Ｏ上において、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４を含む平面Ｐよりも上方に位置している。
したがって、ＰＣＭ４８がインジェクタ２８及び燃料供給システム３８を制御して、圧縮工程後半噴射時期に燃料をインジェクタ２８から噴射させると、インジェクタ２８から噴射された燃料は、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿ってインジェクタ２８側へ斜め上方に流れるタンブル流Ｔの下部よりも上方において、タンブル流Ｔの渦中心に向かって噴射されることになる。
この場合、インジェクタ２８から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力は、燃料の噴射方向に直交する方向に流れるタンブル流Ｔの運動エネルギーによって低減されるので、燃料はタンブル流Ｔを貫徹せず、燃焼室１６の壁面への燃料付着が低減される。

また、上述のように、圧縮工程前半噴射時期は、インジェクタ２８により所定の拡がり角βで噴射される燃料の噴射範囲を延長した領域Ａが、燃焼室１６の中心軸線Ｏ上において、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４を含む平面Ｐよりも上方に位置する時期に設定されるので、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４の傾斜角θが大きくなるほど圧縮工程前半噴射時期は早い時期に設定されることになる。したがって、反インジェクタ側斜面５４の傾斜角θが大きくなるほど、即ちタンブル流Ｔの下部が反インジェクタ側斜面５４に沿って上昇する角度が大きくなり、タンブル流Ｔの渦中心が燃焼室１６の上方へシフトするほど、ＰＣＭ４８が燃料をインジェクタ２８から噴射させるタイミングが早く設定される。即ち、反インジェクタ側斜面５４の傾斜角θにかかわらず、圧縮工程前半噴射時期にインジェクタ２８から噴射された燃料はタンブル流Ｔの渦中心に向かって噴射される。

図６及び図７において一点鎖線で囲まれたハッチング領域により示すように、圧縮工程前半噴射時期の燃料噴射によりタンブル流Ｔの一部に形成された燃料がリッチな領域は、タンブル流Ｔに伴って燃焼室１６内を渦状に流動する。例えば、圧縮工程前半噴射時期の燃料噴射後の９０［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］付近では、図７に示すように、リッチな領域がピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４付近を流動している。

続いて、触媒早期暖機時の圧縮工程後半噴射時期においては、図８に示すように、タンブル流Ｔが、ピストン１４の上昇に伴って上下方向にさらにつぶされている。このとき、圧縮工程前半噴射時期の燃料噴射によりタンブル流Ｔの一部に形成された燃料がリッチな領域は、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿ってインジェクタ２８側へ斜め上方に流れ、キャビティ６２の上方に位置している。
この圧縮工程前半噴射時期の５５［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］付近では、インジェクタ２８による燃料の噴射方向は、キャビティ６２に向かって延びている。したがって、ＰＣＭ４８がインジェクタ２８及び燃料供給システム３８を制御して、圧縮工程後半噴射時期に燃料をインジェクタ２８から噴射させると、インジェクタ２８から噴射された燃料は、図８に示すように、キャビティ６２の底面６４及び側面６６に沿ってキャビティ６２の上方に向かって流れ、キャビティ６２の上方に位置しているリッチな領域を点火プラグ３２の方向へ巻き上げる。

圧縮工程後半噴射時期に噴射された燃料と、この燃料噴射によってキャビティ６２の上方から巻き上げられたリッチな領域は、点火プラグ３２の方向へ流動する。そして、圧縮上死点後に設定された点火時期が到来すると、図９に示すように、点火プラグ３２の先端の周辺にリッチな領域が形成されるようになる。これにより、燃焼安定性を向上させることができ、圧縮上死点後であっても燃焼安定性を確保することができる。

上述したように、触媒早期暖機時において、ＰＣＭ４８は、燃料噴射時期を、吸気行程噴射時期、圧縮工程前半噴射時期、及び圧縮工程後半噴射時期の３つの時期に分割すると共に、各噴射時期における燃料噴射量の比率が、吸気行程噴射時期：圧縮工程前半噴射時期：圧縮工程後半噴射時期＝３．４：３．３：３．３となるように、インジェクタ２８から燃料を噴射させる。
即ち、吸気行程噴射時期の燃料噴射によって燃料を燃焼室１６内に均等に分布させることによりエミッション性能の向上を図り、圧縮工程前半噴射時期及び圧縮工程後半噴射時期の燃料噴射によって圧縮上死点後の点火時期において点火プラグ３２周辺にリッチ領域を形成することにより、燃焼安定性を向上させている。特に、圧縮工程における燃料噴射時期を圧縮工程前半噴射時期及び圧縮工程後半噴射時期に分割することにより、圧縮工程後半噴射時期の燃料噴射量を抑制し、ピストン冠面５０への燃料付着を低減している。

［冷間時の燃料室内の状態］
次に、触媒早期暖機後の冷間時の吸気行程前半噴射時期においては、図１０に示すように、吸気バルブ２２の開弁及びピストン１４の下降に応じて吸気ポート１８から燃焼室１６内に流入した吸気により、タンブル流Ｔ（縦方向の渦流）が発生している。ＰＣＭ４８がインジェクタ２８及び燃料供給システム３８を制御して、吸気行程前半噴射時期に燃料をインジェクタ２８から噴射させると、インジェクタ２８から噴射された燃料は、このタンブル流Ｔに伴って燃焼室１６内を流動する。特に、吸気行程噴射時期の２８０［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］付近はピストン１４の下降速度が最も速い時期であり、燃焼室１６内の流動が最も大きい時期なので、燃焼室１６内に噴射された燃料の気化をより促進することができる。また、この吸気行程噴射時期から点火時期が到来するまでの時間が長いので、吸気行程噴射時期に噴射された燃料が気化する時間を確保できると共に、燃料を燃焼室１６内に均等に分布させることができる。

次に、触媒早期暖機後の冷間時の吸気行程後半噴射時期においては、図１１に示すように、吸気行程前半において発生したタンブル流Ｔが、ピストン１４の下降に伴って上下方向に拡大されている。このタイミングで、ＰＣＭ４８がインジェクタ２８及び燃料供給システム３８を制御して、燃料をインジェクタ２８から噴射させると、燃料はタンブル流Ｔの上端付近に向かって噴射される。このタンブル流Ｔの上端付近では、タンブル流Ｔは吸気ポート１８から排気ポート２０へ向かう方向、即ちインジェクタ２８から離れる方向へ流れている。従って、インジェクタ２８から噴射された燃料は、タンブル流Ｔの上端付近の流れ方向と同じ方向へ噴射されるので、この燃料噴射によりタンブル流Ｔが強化され、これにより、点火時期が到来するまで燃焼室１６内の混合気流動の乱れを維持することができ、火炎伝播速度の向上及び均質な燃焼を得ることができる。

さらに、触媒早期暖機後の冷間時の圧縮工程前半噴射時期においては、図１２に示すように、吸気行程において発生したタンブル流Ｔが、ピストン１４の上昇に伴って上下方向につぶされながら、燃焼室１６の天井２６とピストン冠面５０との間を渦状に流動する。特に、タンブル流Ｔの下部は、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿って、インジェクタ２８側へ斜め上方に流れている。
この圧縮工程前半噴射時期の１６０乃至１１０［ｄｅｇ ＢＴＤＣ］の期間では、触媒早期暖機時の圧縮工程前半噴射時期と同様に、インジェクタ２８により所定の拡がり角βで噴射される燃料の噴射範囲を延長した領域Ａが、燃焼室１６の中心軸線Ｏ上において、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４を含む平面Ｐよりも上方に位置している。
したがって、ＰＣＭ４８がインジェクタ２８及び燃料供給システム３８を制御して、圧縮工程後半噴射時期に燃料をインジェクタ２８から噴射させると、インジェクタ２８から噴射された燃料は、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿ってインジェクタ２８側へ斜め上方に流れるタンブル流Ｔの下部よりも上方において、タンブル流Ｔの渦中心に向かって噴射されることになる。
この場合、インジェクタ２８から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力は、燃料の噴射方向に直交する方向に流れるタンブル流Ｔの運動エネルギーによって低減されるので、燃料はタンブル流Ｔを貫徹せず、燃焼室１６の壁面への燃料付着が低減される。
また、反インジェクタ側斜面５４の傾斜角θが大きくなるほど、即ちタンブル流Ｔの下部が反インジェクタ側斜面５４に沿って上昇する角度が大きくなり、タンブル流Ｔの渦中心が燃焼室１６の上方へシフトするほど、ＰＣＭ４８が燃料をインジェクタ２８から噴射させるタイミングが早く設定される。即ち、反インジェクタ側斜面５４の傾斜角θにかかわらず、圧縮工程前半噴射時期にインジェクタ２８から噴射された燃料はタンブル流Ｔの渦中心に向かって噴射される。

圧縮工程前半噴射時期の燃料噴射によりタンブル流Ｔの一部に形成された燃料がリッチな領域は、タンブル流Ｔに伴って燃焼室１６内を渦状に流動する。そして点火時期が到来すると、図１３に示すように、点火プラグ３２の先端の周辺にリッチな領域が形成されるようになる。これにより、燃焼安定性を向上させることができ、燃焼が不安定になりやすい冷間時においても燃焼安定性を確保することができる。

上述したように、触媒早期暖機後の冷間時において、ＰＣＭ４８は、燃料噴射時期を、吸気行程前半噴射時期、吸気行程後半噴射時期、及び圧縮工程前半噴射時期の３つの時期に分割すると共に、各噴射時期における燃料噴射量の比率が、吸気行程前半噴射時期：吸気工程後半噴射時期：圧縮工程前半噴射時期＝３．４：３．３：３．３となるように、インジェクタ２８から燃料を噴射させる。
即ち、吸気行程前半噴射時期及び吸気行程後半噴射時期の燃料噴射によって燃料を燃焼室１６内に均等に分布させることによりエミッション性能の向上を図り、圧縮工程前半噴射時期の燃料噴射によって圧縮上死点前の点火時期において点火プラグ３２周辺にリッチ領域を形成することにより、燃焼安定性を向上させている。特に、燃料噴射時期を、吸気行程前半噴射時期、吸気行程後半噴射時期、及び圧縮工程前半噴射時期の３つの時期に分割することにより、圧縮工程前半噴射時期の燃料噴射量を抑制し、ピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面への燃料付着を低減している。

次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
まず、上述した実施形態では、シリンダヘッド６には、気筒２毎に、各々独立した２つの吸気ポート１８及び２つの排気ポート２０が形成されていると説明したが、これとは異なる数の吸気ポート１８及び排気ポート２０が形成されていてもよい。

また、上述した実施形態では、ＰＣＭ４８は、触媒温度センサ４６、水温センサ、クランク角センサ、アクセル開度センサ等から入力された検出信号に基づいてエンジン１の運転状態を特定すると説明したが、これら以外のセンサから入力された検出信号を用いてエンジン１の運転状態を特定してもよい。

また、上述した実施形態では、１サイクルにおける全燃料噴射量は、混合気が全体として理論空燃比よりも薄いリーン状態となるように設定されると説明したが、混合気が全体として理論空燃比に等しい状態となるように全燃料噴射量を設定してもよい。

次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるエンジン１の制御装置の作用効果を説明する。

まず、ＰＣＭ４８は、触媒早期暖機時、吸気行程噴射時期と、圧縮工程前半噴射時期と、圧縮工程後半噴射時期に、インジェクタ２８から燃料を噴射させ、圧縮工程前半噴射時期においては、インジェクタ２８からタンブル流Ｔの渦中心に向かって燃料を噴射させるので、圧縮工程前半噴射時期においては、インジェクタ２８から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力を、燃料の噴射方向に直交する方向に流れるタンブル流Ｔの運動エネルギーによって低減させることで、燃料がタンブル流Ｔを貫徹してピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面へ付着することなく、タンブル流Ｔ内にリッチな領域を形成することができる。そして、このリッチな領域をタンブル流Ｔに伴って流動させ、圧縮工程後半噴射時期の燃料噴射によって点火プラグ３２の方向へ巻き上げさせることにより、圧縮上死点後に設定された点火時期において、圧縮工程後半噴射時期に噴射された燃料と共に点火プラグ３２の先端の周辺にリッチな領域を形成し、燃焼安定性を向上させることができる。また、圧縮工程における燃料噴射時期を圧縮工程前半噴射時期及び圧縮工程後半噴射時期に分割することにより、圧縮工程後半噴射時期の燃料噴射量を抑制し、ピストン冠面５０への燃料付着を低減することができる。これにより、点火時期が圧縮上死点後に設定されている場合でも、ピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面への燃料付着を抑制してエミッション性能の悪化を防止しつつ、燃焼安定性を向上させることができる。

また、エンジン１のピストン冠面５０には、このピストン冠面５０におけるインジェクタ２８から離間した側の端部からインジェクタ２８側へ斜め上方に延びる反インジェクタ側斜面５４が形成されているので、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿って、インジェクタ２８側へ斜め上方に流れるタンブル流Ｔを生成し、インジェクタ２８からこのタンブル流Ｔの渦中心に向かって燃料を確実に噴射させることができ、これにより、燃料がタンブル流Ｔを貫徹してピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面へ付着することなく、タンブル流Ｔ内にリッチな領域を形成して、圧縮上死点後に設定された点火時期において、圧縮工程後半噴射時期に噴射された燃料と共に点火プラグ３２の先端の周辺にリッチな領域を形成し、燃焼安定性を向上させることができる。

特に、ＰＣＭ４８は、インジェクタ２８により所定の拡がり角βで噴射される燃料の噴射範囲を延長した領域Ａが、燃焼室１６の中心軸線Ｏ上において、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４を含む平面Ｐよりも上方に位置する時期に設定された圧縮工程前半噴射時期に、インジェクタ２８から燃料を噴射させるので、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿ってインジェクタ２８側へ斜め上方に流れるタンブル流Ｔの下部よりも上方において、タンブル流Ｔの渦中心に向かって確実に燃料を噴射することができ、これにより、燃料がタンブル流Ｔを貫徹してピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面へ付着することなく、タンブル流Ｔ内にリッチな領域を形成して、圧縮上死点後に設定された点火時期において、圧縮工程後半噴射時期に噴射された燃料と共に点火プラグ３２の先端の周辺にリッチな領域を形成し、燃焼安定性を向上させることができる。

また、ＰＣＭ４８は、圧縮上死点前１６０°乃至１１０°の期間内に設定された圧縮工程前半噴射時期に、インジェクタ２８から燃料を噴射させるので、タンブル流Ｔの渦中心に向かって確実に燃料を噴射することができ、これにより、燃料がタンブル流Ｔを貫徹してピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面へ付着することなく、タンブル流Ｔ内にリッチな領域を形成して、圧縮上死点後に設定された点火時期において、圧縮工程後半噴射時期に噴射された燃料と共に点火プラグ３２の先端の周辺にリッチな領域を形成し、燃焼安定性を向上させることができる。

また、ＰＣＭ４８は、触媒早期暖機後の冷間時、点火時期を圧縮上死点前に設定し、吸気行程前半噴射時期と、吸気行程後半噴射時期と、圧縮工程前半噴射時期に、インジェクタ２８から燃料を噴射させるので、燃料噴射時期を、吸気行程前半噴射時期、吸気行程後半噴射時期、及び圧縮工程前半噴射時期の３つの時期に分割することにより、圧縮工程前半噴射時期の燃料噴射量を抑制し、ピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面への燃料付着を低減できると共に、圧縮工程前半噴射時期に燃料噴射を行うことにより、タンブル流Ｔ内に燃料がリッチな領域を形成することができる。そして、このリッチな領域をタンブル流Ｔに伴って流動させることにより、圧縮上死点前に設定された点火時期において点火プラグ３２の先端の周辺にリッチな領域を形成し、燃焼安定性を向上させることができる。また、吸気行程前半噴射時期及び吸気行程後半噴射時期の燃料噴射によって燃料を燃焼室１６内に均等に分布させることによりエミッション性能の向上を図ることができる。

また、ＰＣＭ４８は、エンジン１の冷間始動直後のように排気温度が低く触媒の温度が活性温度まで達していない場合、点火時期を圧縮上死点後まで遅らせるので、高温の排気ガスを触媒に流入させて触媒の温度を早期に上昇させることができ、これにより、ピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面への燃料付着を抑制してエミッション性能の悪化を防止すると共に燃焼安定性を向上させつつ、エンジン１の冷間始動直後から排気ガスの浄化性能を確保することができる。

１ エンジン
２ 気筒
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１８ 吸気ポート
２０ 排気ポート
２６ 天井
２８ インジェクタ
３０ 噴口
３２ 点火プラグ
４４ 触媒コンバータ
４８ ＰＣＭ
５０ ピストン冠面
５４ 反インジェクタ側斜面
Ｔ タンブル流

Claims (4)

1. 気筒内の燃焼室に直接噴射した燃料の挙動をタンブル流によって制御するエンジンの制御装置であって、
   上記燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   上記燃焼室内にタンブル流を生成するタンブル流生成手段と、
   冷間時、上記エンジンの点火プラグを圧縮上死点後に点火させる点火時期制御手段と、
   冷間時、上記気筒の吸気行程中に設定された吸気行程噴射時期と、上記気筒の圧縮工程前半に設定された圧縮工程前半噴射時期と、上記気筒の圧縮工程後半に設定された圧縮工程後半噴射時期に、上記燃料噴射弁から燃料を噴射させる燃料噴射弁制御手段とを有し、
   上記燃料噴射弁制御手段は、上記圧縮工程前半噴射時期において、上記燃料噴射弁から上記タンブル流の渦中心に向かって燃料を噴射させることを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 上記タンブル流生成手段は、上記エンジンの吸気ポートであり、
   上記エンジンの点火プラグは、上記燃焼室の天井の中央部に設けられ、
   上記燃料噴射弁は、上記燃焼室の天井の周縁部の上記吸気ポート側に配置され、上記吸気ポート側から上記エンジンの排気ポート側へ向かって斜め下方に燃料を噴射し、
   上記エンジンのピストン冠面には、このピストン冠面における上記燃料噴射弁から離間した側の端部から上記燃料噴射弁側へ斜め上方に延びる斜面が形成されている、請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 上記燃料噴射弁制御手段は、上記燃料噴射弁により所定の拡がり角で噴射される燃料の噴射範囲を延長した領域が、上記燃焼室の中心軸線上において、上記ピストン冠面の斜面を含む平面よりも上方に位置する時期に設定された上記圧縮工程前半噴射時期に、上記燃料噴射弁から燃料を噴射させる請求項２に記載のエンジンの制御装置。
4. 上記燃料噴射弁制御手段は、圧縮上死点前１６０°乃至１１０°の期間内に設定された上記圧縮工程前半噴射時期に、上記燃料噴射弁から燃料を噴射させる請求項１乃至３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。

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