JP3952693B2 - 筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

筒内直接燃料噴射式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は筒内直噴式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内直噴式火花点火エンジンでは一般に所定の運転域で成層燃焼運転を行うが、この成層燃焼域においては、筒内（燃焼室内）のガス流動を利用して燃料噴射弁より圧縮行程で燃焼室内に直接噴射された燃料の噴霧を点火プラグ近傍へと導いて着火している（特開２０００−８７７５０号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、成層燃焼は、点火プラグ近傍に偏在させた濃い混合気に点火して燃焼させるものであるから、燃料噴射パルス信号によって噴射された燃料噴霧の作る混合気が、点火プラグに達するまでに長くなったり拡がったりしたのでは混合気の一部が可燃混合気濃度とならないため着火しても燃焼として拡がってゆかず成層燃焼を行わせることができない。逆に言えば燃料噴霧のつくる混合気が適度に密に、つまり混合気濃度が可燃混合気濃度の範囲の塊として点火プラグ近傍に到達するとき成層燃焼が安定して確実に行われる。
【０００４】
この場合、燃料噴霧の作る混合気が点火プラグに到達するまでにばらけたり寄せ集まったりする度合を混合気の成層度という概念で表現することがある。たとえば点火プラグ近傍に密に寄せ集まっている状態で混合気が到達すれば混合気の成層度が高いと、この逆に混合気が長くなったり拡がってしまった状態で点火プラグ近傍に到達すれば混合気の成層度が低いという。この意味で成層燃焼を行わせるエンジンでは混合気の成層度を高めることが望まれている。
【０００５】
そこで本発明の発明者は、エンジンの燃料噴射技術で公知の近接２回噴射の原理にヒントを得て、圧縮行程での分割２回噴射にこの近接２回噴射を応用し、燃料噴射パルス信号を同じパルス幅の２つに分割して実験したところ、混合気の成層度が高まることを確認した（図１１参照）。ここで、近接２回噴射の原理とは、１回目に噴射した燃料による空気流動（周囲の空気を引っ張り込む）により噴射弁近傍の圧力が低下するため噴射間隔を置かずに２回目の噴射を行うと、２回目に噴射した燃料噴霧が吸い込まれる現象が生じ、この現象により２回目噴射の燃料噴霧の作る混合気塊のほうが１回目噴射の燃料噴霧のつくる混合気塊より進行速度が速くなるというものである。したがってこの原理を応用した圧縮行程での分割２回噴射によれば、
▲１▼分割噴射の終了当初は各燃料噴霧の作る２つの混合気塊が別々に点火プラグへと向かって進み、
▲２▼その後は後発の混合気塊（２回目噴射の燃料噴霧のつくる混合気塊）が先行する混合気塊（１回目噴射の燃料噴霧のつくる混合気塊）を追いかけ、
▲３▼分割噴射の終了より一定時間後には後発の混合気塊が先行する混合気塊に追いついて両者が融合し、
▲４▼この状態からさらに時間が経過すると、後発の混合気塊が先行していた混合気塊を追い越す状態となり、融合した混合気塊が長く延びる
ことになる。
【０００６】
そこで本発明は、圧縮行程で出力される燃料噴射パルス信号をほぼ同じパルス幅の２つに分割し、分割された噴射パルス信号のうち１回目の噴射パルスによって噴射された燃料噴霧の作る混合気塊と、２回目の噴射パルスによって噴射された燃料噴霧の作る混合気塊とを点火時期を迎える点火プラグ近傍でタイミングよく融合させることにより、分割２回噴射を行わない１回のみの燃料噴射の場合より混合気の成層度を高め、成層燃焼を安定して行わせることを目的とする。
【０００７】
なお、成層燃焼を行わせるエンジンにおいて、圧縮行程で噴射間隔を置かずに複数回の噴射を行わせるものが特開平１１−８２０３０号公報に開示されている。
【０００８】
しかしながら、このものは本発明のヒントとなった近接２回噴射の原理を応用するものでなく、混合気の成層度を高める方法の根底にある技術的思想が本発明と相違している。具体的に説明すると、このものでは、たとえば圧縮行程で出力される燃料噴射パルス信号を３つに分割する場合に、分割された噴射パルス信号のうち１回目の噴射パルス幅Ｔ１を２回目、３回目の噴射パルス幅Ｔ２、Ｔ３より長く、かつ２回目の噴射パルス幅Ｔ２を３回目の噴射パルス幅Ｔ３より長く設定するとともに、１回目のパルス停止幅Ｉ１を２回目のパルス停止幅Ｉ２より短く、かつ２回目のパルス停止幅Ｉ２を３回目のパルス停止幅Ｉ３より短く設定することにより、燃料噴射を行って混合気を作っている。すなわち、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射が対等な関係を有する本発明に対して、このものでは１回目の燃料噴射が主、２、３回目の燃料噴射は従という関係になるため、１回目の噴射パルス信号により噴射される燃料噴射量が多ければ多いほど混合気の挙動（たとえば混合気濃度や燃料噴霧のペネトレーション）は、分割噴射を行わない１回のみの燃料噴射による混合気の挙動に近いものとなってしまう。また、同様の理由から燃料噴射弁に供給する燃料の燃圧、噴射パルス幅の自由度についても、分割噴射を行わない１回のみの燃料噴射時の要求から大きく変えることが困難となる。
【０００９】
また、燃料噴射パルス信号をほぼ同じ噴射パルス幅の２つに分割することで、１回分の燃料噴射パルス幅が、分割噴射を行わない１回のみの場合の噴射パルス信号の噴射パルス幅の略半分になるため融合後の混合気塊の大きさも略半分になる本発明に対して、このもののように１回目の噴射パルス幅が長いと、この１回目に噴射される燃料噴霧のつくる混合気塊の大ききが本発明より長くなり、その分混合気の成層度が悪くなる。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備え、所定運転域での圧縮行程で燃料噴射弁を開弁させる燃料噴射パルス信号を出力し、成層燃焼を行わせる筒内直噴式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置において、所定運転域での圧縮行程で出力される燃料噴射パルス信号をほぼ同じパルス幅の２つに分割し、分割された燃料噴射パルス信号のうち１回目の燃料噴射パルス信号によって噴射された燃料噴霧の作る混合気塊に対して、２回目の燃料噴射パルス信号によって噴射された燃料噴霧の作る混合気塊が、点火時期を迎える点火プラグ近傍で追いついて融合するように１回目と２回目の燃料噴射パルス信号のクランク角間隔を要求噴射間隔としてエンジン回転速度に応じて定める場合に、低い回転速度のとき高い回転速度のときより要求噴射間隔を長くし、エンジン回転速度が低回転速度側の領域で、エンジン回転速度が高いときよりも低いときに、燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を低くすることによって、前記要求噴射間隔を実現する。ここで、１回目と２回目の燃料噴射パルス信号の間隔は、たとえば１回目の燃料噴射パルス信号の立ち上がりから２回目の燃料噴射パルス信号の立ち上がりまでの区間である。
【００１３】
第２の発明では、第１の発明において要求噴射間隔が燃圧上限時の噴射間隔より短くなるとき、この燃圧上限時の噴射間隔に要求噴射間隔を制限する。
【００１４】
第３の発明では、第１又は第２の発明において要求噴射間隔が燃料噴射弁駆動に要する時間からの制限値より短くなるとき、この燃料噴射弁駆動に要する時間からの制限値に要求噴射間隔を制限する。
【００１５】
第４の発明では、第３の発明において燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変化させることにより要求噴射間隔を実現する。
【００１６】
【発明の効果】
第１の発明では、近接２回噴射の原理を応用していることから１回目の燃料噴射パルス信号によって噴射された燃料噴霧の作る混合気塊に対して、２回目の燃料噴射パルス信号によって噴射された燃料噴霧の作る混合気塊が、点火時期を迎える点火プラグ近傍で追いついて融合し、その融合した混合気塊に対して点火プラグにより着火され、成層燃焼が行われる。
【００１７】
この場合、燃料噴射パルス信号はほぼ同じパルス幅の２つに分割しているため、１回分の燃料噴射パルス信号のパルス幅が、分割噴射を行わず１回のみの燃料噴射パルス信号としたときの燃料噴射パルス幅の略半分になり、これによって融合後の混合気塊の大きさが、分割噴射を行わない１回のみの燃料噴射パルス信号のときの略半分になる。これに対して、たとえば点火時期を迎えたとき２つの混合気塊が融合しておらず、分離したままの状態であるときには混合気塊の大きさが１回のみの燃料噴射時とあまり変わらないことになる。
【００１８】
このように、第１の発明によれば、１回目と２回目の燃料噴射パルス信号によって噴射された燃料噴霧の作る２つの混合気塊がともに点火時期を迎える点火プラグ近傍で融合するように構成したので、融合後の混合気塊の大きさが略半分になって混合気の成層度が高まり、これによって従来より安定して成層燃焼を行わせることができる。
【００１９】
高い回転速度のときより低い回転速度のときのほうが燃料噴射の終了より点火時期までの時間が長くなるので、燃料噴射時期、点火時期があまり変わらないのに低い回転速度のときにも高い回転速度のときに最適な噴射間隔と同じであると、低い回転速度のときに点火プラグの手前で２つの混合気塊が融合し、点火時期を迎える点火プラグ近傍では再び分離してしまうが、第１、第２の発明によれば、低い回転速度のとき高い回転速度のときより要求噴射間隔を長くして２つの混合気塊が融合するのを遅らせるようにしているので、低い回転速度のときにも、高い回転速度のときと同じに２つの混合気塊をともに点火時期を迎える点火プラグ近傍で融合させることが可能となり、混合気の成層度を高めることができる。
【００２０】
第３、第４の発明によれば、燃料噴射弁駆動に要する時間からの制限に従う回転速度域で最小の噴射間隔を確保しつつ、近接２回噴射の原理を応用した圧縮行程での分割２回噴射を行わせることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１に示すように、シリンダヘッド２と、シリンダブロック３に形成されるシリンダ４と、このシリンダ４を摺動するピストン５との間に燃焼室６が画成される。点火プラグ７が燃焼室中央部に臨み、ペントルーフ型に傾斜する燃焼室天井壁には２本の吸気ポート８ａ、８ｂと２本の排気ポート９ａ、９ｂが点火プラグ７を挟むようにして互いに対向して設けられる。１０ａ、１０ｂは吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部を開閉するための吸気バルブ、１１ａ、１１ｂは排気ポート９ａ、９ｂの燃焼室６への開口部を開閉するための排気バルブである。
【００２３】
燃焼室天井壁にはその側部から燃焼室６に臨む燃料噴射弁１２が設けられる。燃料噴射弁１２は各吸気弁１０ａ、１０ｂの側方で、かつ各吸気ポート８ａ、８ｂの間に位置して燃焼室６に臨んでいる。
【００２４】
燃料噴射弁１２から所定のタイミングで燃焼室６に噴射される燃料噴霧は、各吸気バルブ１０ａ、１０ｂが開かれるのに伴って吸気ポート８ａ、８ｂからシリンダ４に吸入される空気と混合する。シリンダ４に形成された混合気はピストン５で圧縮された状態で点火プラグ７を介して燃料が着火燃焼する。燃焼したガスはピストン５を下降させてクランクシャフトを介して回転力を取り出した後、ピストン５が上昇する排気行程中に排気バルブ１１ａ、１１ｂが開かれるのに伴って各排気ポート９ａ、９ｂから排出される。これらの各行程が連続して繰り返される。
【００２５】
本実施形態において、各吸気ポート８ａ、８ｂに均等に分流してシリンダ４内に流入する吸気流は、吸気ポート８ａ、８ｂの途中にあるタンブルコントロールバルブ１３が閉じられるときには図１（ａ）において各吸気ポート８ａ、８ｂの上側半分からのみ吸気が流入することになって吸気の流速が早まり、高回転速度域や高負荷域でなくとも図２矢印で示すように、ピストン５の冠部上でシリンダ４中心線と直交する軸を中心に旋回するタンブルが十分な強さで生起する。なお、５ａはタンブルを助長するためにピストン冠面に形成される浅皿状のキャビティである。図２（ｂ）ではタンブルがキャビティ５ａ底から広がりながら上昇するように描かれているが、これは縦方向の渦流であるタンブルを見やすくしたにすぎず、実際のタンブルがこのように傾いて発生するものでない。
【００２６】
燃料噴射弁１２の燃料噴射方向はタンブルの吸気流れ方向と略同一方向に設定される。図２に示すように、燃料噴射弁１２から噴射される燃料噴霧は、燃料噴射弁１２の中心線を中心とする円錐状に拡がる。上記のタンブルによって燃料噴射弁２１より噴射された燃料噴霧は、点火プラグ７のある方向に導かれ、その過程で着火可能な混合気塊を形成する。そして、この点火プラグ７近傍に達したこの混合気塊に対して点火を行うことで、安定した成層燃焼運転が可能になる。
【００２７】
これに対して、高回転速度域や高負荷域になると、タンブルコントロールバルブ１３を開いた状態でも燃焼室６内に強いタンブルが発生するため、タンブルコントロールバルブ２５を開いた状態とし、燃焼室６内にタンブルを作りながら吸気行程で燃料を噴射することにより、燃焼室６全体に均質な混合気を生成し、これによって均質燃焼運転を行う（図３参照）。
【００２８】
燃料噴射弁１２はその開弁時期（燃料噴射時期）と開弁期間（燃料噴射量）が図４に示すように、アクセル開度センサ１６からのアクセル開度（エンジン負荷相当）の信号、クランク角センサ１７からの基準位置の信号（点火時期や燃料噴射時期を制御するための信号となる）やクランク角１°毎の信号等が入力されるコントロールユニット１５により運転状態に応じて制御される。コントロールユニット１５は、演算された燃料噴射量に対応するパルス信号を燃料噴射弁１２の駆動回路（図示せず）に出力する。これに伴って、駆動回路からパルス信号に対応する駆動電流が燃料噴射弁１２のアクチュエータに送られ、燃料噴射弁１２のニードルがリフトして噴孔を開弁する。燃料噴射パルス幅が長いほど燃料噴射弁１２の開弁期間が長くなり、燃料噴射量が増えるようになっている。
【００２９】
コントロールユニット１２は、所定の均質燃焼域で燃料噴射時期をピストン５が下降する吸気行程に設定するとともに、空燃比を理論空燃比を中心とした狭い範囲に収める。一方、所定の成層燃焼域で燃料噴射時期をピストン５が上昇する圧縮行程の後半に設定するとともに、空燃比を理論空燃比より希薄側に制御する。
【００３０】
コントロールユニット１５は、さらに成層燃焼域の圧縮行程で出力される燃料噴射パルス信号を噴射間隔を短くした同じ噴射パルス幅の２つに分割し、このうち１回目の噴射パルス信号によって噴射される燃料噴霧が移動の過程で生成する混合気塊を点火時期を迎える点火プラグ近傍に到達させるとともに、この混合気塊に対して、２回目の噴射パルス信号によって噴射される燃料噴霧が移動の過程で生成する混合気塊を同じく点火時期を迎える点火プラグ近傍に到達させ（つまり先行する混合気塊に追いつかせる）、２つの混合気塊を融合させることで、混合気塊の大きさを略半分にして混合気の成層度を上げ、安定した成層燃焼が得られるようにする。
【００３１】
これは、エンジンの燃料噴射技術で公知の近接２回噴射の原理を圧縮行程での分割２回噴射に応用するものである。近接２回噴射の原理は、１回目に噴射した燃料による空気流動（周囲の空気を引っ張り込む）により噴射弁近傍の圧力が低下するため噴射間隔を置かずに２回目噴射を行うと、２回目に噴射した燃料が吸い込まれる現象が生じ、この現象により２回目噴射の燃料噴霧の作る混合気塊のほうが１回目噴射の燃料噴霧の作る混合気塊より進行速度が速くなるというものである。この原理を応用して圧縮行程で出力されるパルス信号をほぼ同じパルス幅の２つに分割したとき、分割噴射の終了当初は、各燃料燃料噴霧のつくる２つの混合気塊が別々に点火プラグへと向かって進み、その後は後発の混合気塊が先行する混合気塊を追いかけ、分割噴射の終了より一定時間後に後発の混合気塊が先行する混合気塊に追いついて両者が融合し、この状態からさらに時間が経過すると、後発の混合気塊が先行していた混合気塊を追い越す状態となり、融合した混合気塊が長く延びることになるので、点火時期を迎える点火プラグ近傍でタイミングよく２つの混合気塊を融合させることができれば、分割噴射を行わない１回のみの燃料噴射の場合より混合気の成層度が高まり、成層燃焼を安定して行わせることができる。
【００３２】
この場合、成層燃焼域の中でエンジン回転速度が相違すれば、点火時期を迎える点火プラグ７近傍で２つの混合気塊がタイミングよく融合するための噴射間隔の要求（要求噴射間隔）が変わる。ここで、噴射間隔とは２つの噴射パルス信号の立ち上がりの間隔である（図１０参照）。したがって、成層燃焼域のすべてにおいて最適な点火時期に点火プラグ７近傍で２つの混合気塊をタイミングよく融合させるため、コントロールユニット１５では、図５に示したようにエンジン回転速度に応じた要求噴射間隔を設定する。
【００３３】
図５について説明すると、要求噴射間隔（太実線参照）としてまず最も低回転速度側の領域（Ａ領域）においてはエンジン回転速度が低いときのほうが高いときより長く設定する。これは、たとえば燃料噴射時期、点火時期が同じ条件のときで考えると、高い回転速度のときより低い回転速度のときのほうが燃料噴射の終了より点火時期までの時間が長くなるので、低い回転速度のときにも高い回転速度のときに最適な噴射間隔と同じであると、低い回転速度のときには点火プラグの手前で２つの混合気塊が融合し、点火プラグ近傍では２つの混合気塊が再び分離した状態となってしまうので、低い回転速度のときには高い回転速度のときより噴射間隔を長くし、これによって２つの混合気塊が融合するのを遅らせる必要があるからである。
【００３４】
エンジン回転速度に応じて変化する低回転速度側でのこうした要求噴射間隔は、燃圧（燃料噴射弁に供給される燃料の圧力）を変化させることにより実現する。これについて詳述すると、図６は１回目と２回目の各燃料噴射量および各燃料噴射時期、点火時期をすべて同じ条件（たとえば１回目と２回目の噴射間隔を２０°ＣＡ、分割噴射の終了より点火時期までのクランク角を約２０°ＣＡ）として燃圧だけを相違させた場合に２つの混合気塊の点火プラグ７近傍への到達がどのように違ってくるかをモデルで示したもので、最上段は分割噴射終了時期での２つの混合気塊の状態、最下段は点火時期を迎えたときの２つの混合気塊の状態を、また縦方向下方に向かって途中の経過を示す。
【００３５】
高燃圧時（左半分参照）には、先行する混合気塊（１回目のパルス信号によって噴射される燃料噴霧の作る混合気塊）２１の進行速度が低燃圧時より速いため、点火時期を迎えたとき、先行する混合気塊２１が点火プラグ７を少し行き過ぎ、このとき後発の混合気塊（２回目のパルス信号によって噴射される燃料噴霧の作る混合気塊）２２がまだ追いついていない（左半分の最下段参照）。したがって、図示しないがこの場合にはさらにクランク角が経過したタイミングでやっと後発の混合気塊２２が先行する混合気塊２１に追いついて両者が融合することになる。つまり、これでは燃圧が高すぎるということである。
【００３６】
これに対して低燃圧にすることで（右半分参照）、先行する混合気塊２１の進行速度が遅くなった分、先行する混合気塊２１が点火時期を迎える点火プラグ近傍に具合よく到達するとともに、後発の混合気塊２２も同じく点火時期を迎える点火プラグ近傍に到達して両者が融合している（右半分の最下段参照）。
【００３７】
このように、燃圧が低いときのほうが高いときより２つの混合気塊が融合するのが遅れるので、図５に示すＡ領域で回転速度が低いときの要求噴射間隔を実現するには、回転速度が高いときより回転速度が低いときの燃圧を低くする。したがって、エンジンの最低回転速度Ｎ１のときの燃圧であるＦｐ１が最も低い値となる（図５のグラフにおいて燃圧Ｆｐは上にいくほど低い値となるように描かれている）。
【００３８】
さて、エンジン回転速度がＮ１より高くなるのに応じて燃圧を高くしてゆくのであるが、燃圧を高くするといっても、燃料を圧送する燃料ポンプ（図示しない）、この燃料供給ポンプの下流にあって燃圧を規定値に保持するためのプレッシャレギュレータ１４などからなる燃料供給装置に起因する上限があり、燃圧上限時の噴射間隔を書き入れたのが図示の細実線βである。エンジン回転速度が所定値Ｎ２にまで上昇すると、要求噴射間隔はβに達しこれ以上燃圧を高くできないので、Ｎ２以上の回転速度域になると、この燃圧上限時の噴射間隔を要求噴射間隔として設定する。なお、図示の細実線αは燃圧下限時の噴射間隔で、αとβの間であれば燃圧により自在に噴射間隔を定めることができる。
【００３９】
なお、燃圧を調整可能とするため、プレッシャレギュレータ１４はデューティ制御可能に構成されている。
【００４０】
一方、図５の下方にある右上がりの破線は、燃料噴射弁１２の駆動に要する時間（燃料噴射弁駆動に伴う応答遅れ）からの制限値である。分割噴射を行うには、１回目の噴射終了後に２回目の噴射を開始しなければならないが、１回目の噴射終了から２回目の噴射初めまでの時間を徐々に詰めてゆくと、燃料噴射弁１２の駆動回路に分割噴射指令を与えてもアクチュエータの応答遅れにより燃料噴射弁１２の噴孔が完全に閉じられず（１回目の噴射の後とぎれることなく２回目の噴射が継続する）分割噴射とならない事態が生じる。つまり、１回目の噴射終了から２回目の噴射初めまでの時間にはこれ以上短くすると分割噴射が不可能となる限界の時間があり、これが、燃料噴射弁の駆動に要する時間である。したがって、破線以下の領域は分割噴射が不可能な領域で、この領域の境界値は回転速度に応じて高くなっている。
【００４１】
このため、燃圧上限時の噴射間隔が破線と交わる所定値Ｎ３以上の回転速度域（Ｃ領域）になると破線を要求噴射間隔として設定する。Ｃ領域での要求噴射間隔はＡ領域と同様に燃圧を変化させる（低い回転速度のときより高い回転速度のときの燃圧を下げる）ことで実現する。所定値Ｎ４は成層燃焼域と均質燃焼域の切換回転速度である。したがって、要求噴射間隔の設定はＮ４までである。
【００４２】
このようにして要求噴射間隔が定まるので、図５から要求噴射間隔を実現するための燃圧（目標燃圧ｔＦｐ）だけを取り出すと、エンジン回転速度に対する目標燃圧ｔＦｐの特性は図７のようになる。すなわち、目標燃圧はＮ１からＮ２となるまで上昇し、Ｎ２からＮ３の間で一定となり、Ｎ３からＮ４となるまで下降する。なお、簡単のため、図５、図７においてはＡ領域における要求噴射間隔の特性を直線で示したが、これに限られるものでなく、曲線となることも考えられる。
【００４３】
一方、点火プラグ７はその点火時期がコントロールユニット１５により運転状態に応じて制御される。すなわち、成層燃焼域においてエンジンの回転速度、負荷が変われば最適な点火時期が相違するため、コントロールユニット１５では、エンジンの回転速度、負荷に応じた最適な点火時期を演算し、演算された点火時期に対応する点火信号を点火コイル１３ａ、１３ｂ（図４参照）の駆動回路に出力する。これに伴って点火コイル１３ａ、１３ｂの２次電流が遮断され、点火プラグ７の電極間に火花が飛ぶ。
【００４４】
このように成層燃焼域でエンジン回転速度に応じて点火時期が変化すると、要求噴射間隔が影響を受けるので、図５に示した要求噴射間隔の具体的な数値は点火時期をも考慮してマッチングにより定めることになる。
【００４５】
次に、図８のフローチャートは、成層燃焼域で２つに分割される噴射パルス信号の各噴射パルス幅Ｔ１、Ｔ２および目標燃圧ｔＦｐを演算するためのルーチンを示す。このルーチンはコントロールユニット１５において一定周期毎に実行される。
【００４６】
まずステップ１で、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン負荷等の運転条件を検出し、これらから１シリンダ当たりの要求燃料量をステップ２において演算する。
【００４７】
ステップ３ではエンジン回転速度Ｎｅから図７を内容とするテーブルを検索して分割噴射時の目標燃圧ｔＦｐを演算し、この目標燃圧ｔＦｐで燃料噴射弁１２を開いたときに上記の要求燃料量を供給するための総噴射パルス幅Ｔ［ｍｓ］をステップ４で演算する。ステップ５では１回目の噴射と２回目の噴射の分割比率を１対１として、すなわちＴ１の１／２ずつを１回目の噴射パルス信号の噴射パルス幅Ｔ１［ｍｓ］、２回目の噴射パルス信号の噴射パルス幅Ｔ２［ｍｓ］として算出する。もちろん、Ｔ１＋Ｔ２＝Ｔである。ステップ６ではこれらをレジスタに移す。
【００４８】
また、ステップ７では目標燃圧をプレッシャレギュレータ１４の駆動回路（図示しない）に出力する。燃圧はデューティ制御可能なプレッシャレギュレータ１４により調整しており、したがって、プレッシャレギュレータ１４の駆動回路では目標燃圧が得られるようにデューティ制御が行われる。
【００４９】
図９のフローチャートは、成層燃焼域で２つに分割される噴射パルス信号の立ち上がりの時期（各噴射開始時期）ＩＴ１、ＩＴ２を演算するためのルーチンを示す。このルーチンもコントロールユニット１５において一定周期毎に実行される。
【００５０】
まずステップ１で、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン負荷等の運転条件を検出し、これらから１回目の噴射開始時期［°ＣＡ ＢＴＤＣ］をステップ２において演算する。ステップ３ではエンジン回転速度Ｎｅから図５を内容とするテーブルを検索して要求噴射間隔Ｄｉ［°ＣＡ］を演算し、ステップ４では上記１回目の噴射開始時期ＩＴ１からこのＤｉだけ遅角側の値を２回目の噴射開始時期ＩＴ２［°ＣＡ ＢＴＤＣ］として算出する。ステップ５では２つの噴射開始時期ＩＴ１、ＩＴ２をレジスタに移す。これら２つの噴射開始時期ＩＴ１、ＩＴ２が圧縮行程にあることはいうまでもない。
【００５１】
図示しない燃料噴射制御ルーチンでは、上記噴射パルス幅Ｔ１、Ｔ２および噴射開始時期ＩＴ１、ＩＴ２に基づいて、図１０に示したように２つの噴射パルス信号からなる燃料噴射パルス信号を作り、燃料噴射弁１２の開閉を制御する。
【００５２】
ここで本実施形態の作用効果を説明する。
【００５３】
本実施形態では、近接２回噴射の原理を応用し、圧縮行程で出力される燃料噴射パルス信号をパルス幅が同じの２つに分割し、このうち１回目の噴射パルス信号によって噴射される燃料噴霧の作る混合気塊に対して、２回目の噴射パルス信号によって噴射される燃料噴霧の作る混合気塊を追いかけさせ、点火時期を迎える点火プラグ７近傍でタイミングよく追いついて２つの混合気塊が融合するように２つの噴射パルス信号の立ち上がりの間隔（分割２回噴射の噴射間隔）の要求値が要求噴射間隔Ｄｉとして定められ（図５参照）、この要求噴射間隔を有する噴射パルス信号が燃料噴射弁１２の駆動回路に出力される。分割噴射を行わない１回のみの噴射パルス信号ではその噴射パルス幅がＴになるところ、本実施形態では１回分の噴射パルス幅Ｔ１（あるいはＴ２）がそのＴの半分になるため、融合後の混合気塊の大きさも略半分になる。このとき燃焼室６内で実際の混合気塊の形状がどうなるかを図１１に示すと、上段に示す３１が先行する混合気塊、３２が後発の混合気塊である。上段に示したように分割２回噴射により２つの混合気塊３１、３２を生成させたほうが、下段に示す１回のみの噴射により生成される混合気塊３３より、全体として混合気塊の大きさの範囲が狭くなっていることがわかる。
【００５４】
これに対して、点火時期を迎えたとき２つの混合気塊が融合しておらず、分離したままの状態であると、混合気塊の大きさが１回のみの噴射時と変わらない。
【００５５】
このように、本実施形態によれば、１回目と２回目の燃料噴射パルス信号によって噴射された燃料噴霧の作る２つの混合気塊がともに点火時期を迎える点火プラグ近傍で融合するように構成したので、融合後の混合気塊の大きさが略半分になって混合気の成層度が高まり、これによって従来より安定して成層燃焼を行わせることができる。
【００５６】
また、図５の最も低回転速度側のＡ領域において、高い回転速度のときより低い回転速度のときのほうが燃料噴射の終了より点火時期までの時間が長くなるので、燃料噴射時期、点火時期があまり変わらないのに低い回転速度のときにも高い回転速度のときに最適な噴射間隔と同じであると、低い回転速度のときに点火プラグ７の手前で２つの混合気塊が融合し、点火時期を迎える点火プラグ７近傍では再び分離してしまうが、本実施形態では、Ａ領域において低い回転速度のときには高い回転速度のときより要求噴射間隔を長くして２つの混合気塊が融合するのを遅らせるようにしているので、Ａ領域における低い回転速度のときにも、Ａ領域における高い回転速度のときと同じに２つの混合気塊をともに点火時期を迎える点火プラグ近傍で融合させることが可能となり、混合気の成層度を高めることができる。
【００５７】
また、要求噴射間隔が燃圧上限時の噴射間隔に設定される回転速度域（図５のＢ領域）ではできるだけ噴射間隔を短くすることができる。
【００５８】
また、燃料噴射弁の駆動に要する時間からの制限値が要求噴射間隔として設定される回転速度域（図５のＣ領域）では最小の噴射間隔を確保しつつ近接２回噴射の原理を応用した圧縮行程での分割２回噴射を行わせることができる。
【００５９】
実施形態では、燃料噴射弁１２より噴射された燃料噴霧の作る混合気を点火プラグ７に誘導する方法としてエアガイド方式を採用している場合で述べたが、これに限らず、ウォールガイド方式のものにも適用がある。
【００６０】
なお、エアガイド方式というのは、図１、図２に示したように、シリンダ４と、ピストン５と、燃焼室６と、燃焼室６の天井に位置して火花を飛ばす点火プラグ７と、燃焼室６の天井に開口して点火プラグ７と直接干渉しないピストン５方向に吸気を導入する２つの独立吸気ポート８ａ、８ｂと、これら２つの吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部の間でかつ開口部の下方に位置して圧縮行程で燃焼室６の中央方向に燃料を噴射する燃料噴射弁１２とを備え、成層燃焼域（図３参照）で吸気ポート８ａ、８ｂ途中に設けられるタンブルコントロールバルブ２５（ガス流動生成手段）を閉じることによって吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への開口部から燃焼室６に流入する吸気にタンブル（縦方向の渦）を生じさせ、このタンブルに燃料噴射弁１２より噴射された燃料が乗って点火プラグ７へと輸送されるように、吸気ポート８ａ、８ｂの燃焼室６への吸気流入角とピストン冠面に設けるキャビティの形状とを決定したものである。これに対して、ウォールガイド方式は、点火プラグ近傍へ混合気の輸送方法が異なり、ガス流動生成手段により生成されるスワール（横方向の渦）を用いて燃料噴霧の作る混合気をピストン冠面に凹設されるキャビティの立壁に沿って誘導しつつ点火プラグ近傍へと導くようにするものである（たとえば特開平１０−３３９１３８号公報参照）。
【００６１】
実施形態では、成層燃焼域の圧縮行程で出力される燃料噴射パルス信号をちょうど同じ噴射パルス幅の２つに分割する場合で説明したが、これに限定されるものでなく、１回目と２回目の２つの噴射パルス幅がある程度ずれている場合であっても適用があることはいうまでもない。
【００６２】
実施形態では、図１０に示したように２つの噴射パルス信号の立ち上がりの間隔（つまり図１０のＤｉ）を噴射間隔として説明したが、これに限定されるものでなく、１回目の噴射パルス信号の立ち下がりより２回目の噴射パルス信号の立ち上がりまで（つまりＴ１の右端からＩＴ２までの区間）を噴射間隔としてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の筒内直噴式火花点火エンジンの概略構成図。
【図２】燃料噴射弁より噴射される燃料噴霧とこの燃料噴霧に対して干渉するタンブルとを説明するための図。
【図３】運転領域図。
【図４】筒内直噴式火花点火エンジンの制御システム図。
【図５】エンジン回転速度に応じた要求噴射間隔の特性図。
【図６】分割２回噴射における燃圧の影響を説明するための図。
【図７】エンジン回転速度に応じた目標燃圧の特性図。
【図８】燃料噴射パルス幅の演算を説明するためのフローチャート。
【図９】燃料噴射時期の演算を説明するためのフローチャート。
【図１０】燃料噴射パルス信号を示す波形図。
【図１１】燃焼室内の燃料噴霧の作る混合気塊の挙動を示す図。
【符号の説明】
１ エンジン
２ シリンダヘッド
６ ペントルーフ型燃焼室
７ 点火プラグ
８ａ、８ｂ 吸気ポート
１２ 燃料噴射弁
１３ タンブルコントロールバルブ（ガス流動生成手段）

Claims (4)

  1. シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
    シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    を備え、
    所定運転域での圧縮行程で燃料噴射弁を開弁させる燃料噴射パルス信号を出力し、成層燃焼を行わせる筒内直噴式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置において、
    所定運転域での圧縮行程で出力される燃料噴射パルス信号をほぼ同じパルス幅の２つに分割し、
    分割された燃料噴射パルス信号のうち１回目の燃料噴射パルス信号によって噴射された燃料噴霧の作る混合気塊に対して、２回目の燃料噴射パルス信号によって噴射された燃料噴霧の作る混合気塊が、点火時期を迎える点火プラグ近傍で追いついて融合するように１回目と２回目の燃料噴射パルス信号のクランク角間隔を要求噴射間隔としてエンジン回転速度に応じて定める場合に、低い回転速度のとき高い回転速度のときより要求噴射間隔を長くし、
    エンジン回転速度が低回転速度側の領域で、エンジン回転速度が高いときよりも低いときに、燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を低くすることによって、前記要求噴射間隔を実現する、
    ことを特徴とする筒内直噴式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置。
  2. 要求噴射間隔が燃圧上限時の噴射間隔より短くなるとき、この燃圧上限時の噴射間隔に要求噴射間隔を制限する
    ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置。
  3. 要求噴射間隔が燃料噴射弁駆動に要する時間からの制限値より短くなるとき、この燃料噴射弁駆動に要する時間からの制限値に要求噴射間隔を制限する
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置。
  4. 燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変化させることにより要求噴射間隔を実現する
    ことを特徴とする請求項３に記載の筒内直噴式火花点火エンジンの燃料噴射制御装置。
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