JP4005941B2

JP4005941B2 - 筒内噴射エンジンの燃焼制御装置及び燃焼制御方法

Info

Publication number: JP4005941B2
Application number: JP2003158289A
Authority: JP
Inventors: 藤枝　　護; 純一山口; 敬士藤井; 大須賀　　稔
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: EP1484494A3; US20040244766A1; DE602004012478D1; EP1484494B1; EP1484494A2; DE602004012478T2; JP2004360524A; US7089908B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火筒内噴射エンジンの燃焼制御装置及び燃焼制御方法に係り、特に、排気（既燃ガス）の熱を利用して燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料の気化、ラジカル化を促進し、もって、燃焼性、燃費、排気浄化性等を向上させるようにした燃焼制御装置及び燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火花点火筒内噴射エンジンは、気筒内に直接燃料を噴射する。そのため、圧縮行程後半に燃料を噴射し、気筒内に混合気の濃淡をつけて燃焼させる成層燃焼時は、気筒内の圧縮された空気により燃料を気化でき、かつ、気筒内の圧力が高いため、噴霧の貫通力が下がり、気筒の壁面への燃料の付着が少なくなる。
【０００３】
しかし、理論空燃比近傍で燃焼する均質燃焼（ストイキ燃焼）においては、混合気を気筒内で均一にするための混合時間を稼ぐため、吸気行程の前半に燃料を噴射している。ところが、吸気行程時は、気筒内の圧力が吸気管圧力と同等になるため、特に冷間始動時は温度が下がり、燃料の気化に必要な熱量が得られず、気化が不充分で不均一な混合気となり易く、排気浄化性や燃費の悪化の原因となっている。
【０００４】
そのため、均質混合気を生成する場合、気筒内の温度を高めて、燃料蒸発（気化）に必要な熱量を確保する必要がある。その解決策の一つとして、排気行程の途中で排気弁を早閉じし、残存酸素を有する既燃ガス中に燃料を噴射して、排気行程の終わり近くで点火し、その熱量で吸気を加熱し、燃料の気化を促進するとともに、圧縮行程時の筒内圧力を高めるようにすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２５６９２４号公報（第１〜５頁、図１〜図６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記した如くの特許文献１等に所載の方策では、排気中に燃料を噴射し、かつ、その直後（排気行程終盤）に点火させて残存酸素で燃焼させるため、主燃焼（圧縮行程後半の燃焼）は、いわゆるリ−ンバーンである必要があり、そのため三元触媒が使用できず、排気中のＮＯｘ（特に排気行程時の燃焼で発生する）の除去に課題がある。また、排気中に噴射した燃料を排気行程で燃焼させるため、残存酸素に見合った燃料しか噴射できず、排気行程で噴射できる燃料量にも制限がある。
【０００７】
本発明は、前記の如くの問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、始動直後等の冷機時においても燃料を充分に気化させることができるとともに、混合気をストイキで燃焼させることができて、燃焼安定性、燃費、ＨＣやＮＯｘの低減化等を図ることができる筒内噴射エンジンの燃焼制御装置及び燃焼制御方法を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る燃焼制御装置は、基本的には、吸気弁及び／又は排気弁の弁開閉態様を変更することができる可変動弁機構と、該可変動弁機構による前記弁開閉態様を制御する弁開閉制御手段と、筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁による燃料噴射態様を制御する燃料噴射制御手段と、を備える。
【０００９】
そして、前記弁開閉制御手段は、前記排気弁及び／又は吸気弁の弁開閉態様を制御して、燃焼室内に排気を残留させ、前記燃料噴射制御手段は、一燃焼サイクル中の排気行程後半ないし吸気行程前半において少なくとも１回、前記燃料噴射弁から前記残留排気中に燃料を噴射させる制御を行うようにされていることを特徴としている。
【００１０】
好ましい態様では、圧縮行程後半において混合気の点火を行うようにされ、また、前記弁開閉制御手段及び前記燃料噴射制御手段は、混合気の燃焼がストイキ燃焼となるように前記制御を行うようにされ、さらに、好ましくは、前記弁開閉制御手段及び前記燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態が部分負荷域にあるときにおいて前記制御を行うようにされる。。
他の好ましい態様では、混合気がストイキで燃焼せしめられることから、排気浄化用の触媒として三元触媒を備える。
【００１１】
前記燃料噴射制御手段は、好ましくは、エンジンの運転状態が特定の条件を満たしているとき、一燃焼サイクル中における前記燃料量噴射弁による燃料噴射を複数回に分割して行うようにされ、より具体的な好ましい態様では、前記燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態に基づいて燃料噴射量を算出し、この算出された燃料噴射量が前記燃料噴射弁の最小制御可能量の２倍以上である場合、燃料噴射を複数回に分割して行うようにされる。
【００１２】
このように燃料噴射を複数回に分割して行う場合に、好ましい態様では、最後の回の燃料噴射を圧縮行程で行うようにされ、また、それぞれの回の燃料噴射量を均等に設定するか、あるいは、最後の回の燃料噴射量を一定とし、他の回の燃料噴射量を増減するようにされる。
【００１３】
他の好ましい態様では、前記弁開閉制御手段及び前記燃料噴射制御手段は、前記吸気弁を開く前に前記排気弁を閉じて、燃焼室内に排気を残留させ、前記吸気弁が開く以前に少なくとも１回は燃料噴射を行うようにされる。
【００１４】
この場合、好ましくは、前記弁開閉制御手段は、前記排気弁を排気行程上死点以前に閉じさせるようにされる。
前記弁開閉制御手段は、好ましくは、前記吸気弁を、排気行程上死点を中心に前記排気弁の閉時期と対称なクランク角位置にて開かせるようにされる。
【００１５】
前記可変動弁機構としては、好ましくは、前記吸気弁の開時期と弁リフト量、及び又は、前記排気弁の閉時期と弁リフト量を変更することができるようにされたもの、吸気弁及び又は排気弁の開時期と閉時期とを同時に移動させるようにされているもの、排気弁の開閉時期を固定するとともに、吸気弁の開閉時期を同時に移動させるようにされているもの、排気弁の開閉時期を同時に移動させとともに、吸気弁の開閉時期を固定するようにされているもの、等が挙げられる。
【００１６】
一方、本発明に係る筒内噴射エンジンの燃焼制御方法は、エンジンの運転状態が特定負荷域にあるとき、吸気弁及び又は排気弁の弁開閉態様を制御して、燃焼室内に排気を残留させ、一燃焼サイクル中の排気行程後半ないし吸気行程前半において少なくとも１回、前記残留排気中に燃料噴射弁から燃料を噴射させ、その後の圧縮行程後半において混合気の点火を行うようにされる。
【００１７】
好ましい態様では、燃焼時の混合気がストイキ状態となるように前記弁開閉態様及び燃料噴射態様の制御を行うようにされる。
他の好ましい態様では、エンジンの運転状態が特定の条件を満たしているとき、一燃焼サイクル中において燃料噴射を複数回に分割して行うようにされ、そのうちの最初の回の燃料噴射を排気行程後半ないし吸気行程前半で行い、最後の回の燃料噴射を圧縮行程で行うようにされる。
この場合、最後の回の燃料噴射量を一定とし、他の回の燃料噴射量を増減することが好ましい。
他の好ましい態様では、吸気弁を開く前に排気弁を閉じて、燃焼室内に排気を残留させ、前記吸気弁が開く以前に少なくとも１回は燃料噴射を行うようにされる。
【００１８】
このような構成とされた本発明に係る筒内噴射エンジンの燃焼制御装置及び燃焼制御方法の好ましい態様においては、エンジンが部分負荷域にあるとき、排気弁を早閉じするとともに、吸気弁を遅開きして、排気（既燃ガス）を燃焼室に残留（内部ＥＧＲ）させ、この残留排気中に燃料噴射弁から燃料を噴射するようにされているので、燃料噴射弁から噴射された燃料は、排気の熱で加熱されて気化されるとともに、好ましい態様では、さらにピストンで圧縮加熱され、燃料の気化、ラジカル化が促進される。このため、特に冷機時（始動直後等）においても、燃料を充分に気化、ラジカル化でき、その結果、燃焼安定性が増し、燃費の向上、ＨＣの低減化、始動性の向上等を図れる。
【００１９】
また、燃料の一部がラジカル化されることにより、燃焼時に周辺の燃料が自己着火し、燃焼時間が短縮され、燃費が向上（等容度が向上）するとともに、点火時期を遅らせることができるので、ＮＯｘを低減できる。
【００２０】
さらに、燃料噴射を分割して行うことにより、燃料噴霧の貫通力が小さくなり、燃料の壁面付着が低減され、ＨＣが低減されるとともに、混合気の成層化を実現でき、着火性が向上し、多量の排気が残留（内部ＥＧＲ）していても、安定燃焼を確保でき、かつ、内部ＥＧＲにより、ＮＯｘが低減できるとともに、ポンピングロス低減による燃費の向上等も図れる。
【００２１】
また、前記のようにＮＯｘを低減できるとともに、混合気をストイキ（略理論空燃比）で燃焼させることができるので、排気浄化システムとして、排気浄化性能の高い三元触媒を用いることができ、その結果、ＮＯｘ触媒を用いた場合に比して排気浄化システムの少容量化、低コスト化等を図れる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る燃焼制御装置の一実施形態が適用された火花点火筒内噴射エンジンの基本構成図である。図において、エンジン１には、ピストン２、吸気弁３、排気弁４が備えられる。吸気は、ＡＦＭ（空気流量計）２０から絞り弁１９に入り、分岐部であるコレクター１５より吸気管１０，吸気弁３を介してエンジン１に供給される。燃料は、燃料噴射弁５から、エンジン（気筒）１の燃焼室２１に噴射供給され、点火コイル７、点火プラグ６で点火される。エンジン１の排気は、排気弁４から排気管１１を介し、三元触媒１２で浄化され排出される。
【００２３】
ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）９には、エンジン１のクランク角度信号θやエンジンの回転速度（回転数）Ｎｅ、ＡＦＭ２０の空気量信号、排気の酸素濃度を検出する酸素センサ１３の信号等が入力される。また、コントロールユニット９からは、燃料噴射弁５へは燃料噴射信号が、点火プラグへは点火信号が、ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲ弁１４へは開閉制御信号が、それぞれ供給されるとともに、吸気弁３及び排気弁４に付設された可変動弁機構１６、１７にも弁制御信号が出力される。
【００２４】
前記可変動弁機構１６、１７としては、種々のタイプのものを使用でき、例えば、（Ａ）吸気弁３の開弁時期と弁リフト量、並びに、排気弁４の閉弁時期と弁リフト量、を変更できるようにしたもの、（Ｂ）吸気弁３及び又は排気弁４の開時期と閉時期とを同時に移動させることができるようにしたもの、（Ｃ）吸気弁３の開時期と弁リフト量、並びに、前記排気弁４の開時期と閉時期を変更できるようにしたもの、等が使用される。
【００２５】
かかる構成のもとで、コントロールユニット９は、吸入空気量等のエンジン負荷とエンジン回転数に基づいて、エンジン１の運転状態が、図３に示される部分負荷域（アイドルを含む低負荷低回転域）及び基準負荷域のいずれにあるかを判断し、各領域に応じて、吸気弁３及び排気弁４の弁開閉態様（開閉時期、リフト量）並びに燃料噴射弁５による燃料噴射態様（燃料噴射時期、燃料噴射量、噴射回数）を変更するようにされる。この場合、コントロールユニット９は、部分負荷域にあるときは、混合気の燃焼時の空燃比が気筒全体で略理論空燃比となるように、言い換えれば、混合気の燃焼がストイキ燃焼となるように前記弁開閉態様及び燃料噴射態様を制御するようにされる。なお、混合気をストイキ状態で燃焼させるようにすることで、燃料を早く噴射して気化混合時間を長くとれる。それに対し、成層リーンバーンでは、拡散を防止するため、噴射から点火までを比較的短くする必要がある。
【００２６】
図２は、可変動弁機構１６、１７として前記（Ａ）の吸気弁３の開弁時期と弁リフト量、並びに、排気弁４の閉弁時期と弁リフト量、を変更できるようにしたものが使用された場合の、基準負荷域及び部分負荷域にあるときにおける吸気弁３及び排気弁４の弁開閉態様（開閉時期、リフト量）並びに燃料噴射弁５による燃料噴射態様（噴射回数、燃料噴射時期）の一例を示したものである。
【００２７】
図２では、横軸に排気行程上死点を０度としたクランク角をとり、縦軸に吸気弁３、排気弁４の行程（リフト量）をとって、基準負荷域にあるときにおける弁開閉態様及び燃料噴射時期を破線で示し、部分負荷域にあるときにおける弁開閉態様及び燃料噴射時期を実線で示している（後述の図６、図７、図９〜図１７も同様）。
【００２８】
この例では、基準負荷域及び部分負荷域にあるときのいずれにおいても、排気弁４の開時期は膨張行程の終盤（−１８０度以前）とされるとともに、吸気弁３の閉時期は圧縮行程の初頭（＋１８０度以降）とされ、また、基準負荷域にあるときにおける排気弁４の閉時期及び吸気弁３の開時期は共に排気行程の略上死点（略０度）とされ、このときはリフト量も大きくされる。
【００２９】
それに対し、部分負荷域にあるときにおいては、両弁３、４のリフト量が基準負荷域にあるときより小さくされ、排気弁３の閉時期が基準負荷域にあるときより早められて排気行程の後半（早閉じ）とされ、吸気弁３の開時期が基準負荷域にあるときより遅くされて吸気行程の前半（遅開き）とされる。より詳しくは、排気弁３の閉時期が略−４５度で、吸気弁３の開時期が、排気行程上死点（０度）を中心に前記排気弁４の閉時期と対称なクランク角位置、つまり、略＋４５度とされている。
【００３０】
一方、燃料噴射時期は、基準負荷域にあるときは、吸気行程前半とされ、部分負荷域にあるときは、エンジンの運転状態に基づいて算出される燃料噴射量に応じて１回噴射と２回噴射に分けられる。詳しくは、算出された燃料噴射量が燃料噴射弁５の最小制御可能量の２倍未満である場合は、１回噴射とされ、その燃料噴射時期は、前記基準負荷域にある場合と同じ吸気行程前半とされ、前記最小制御可能量の２倍以上である場合は、２回噴射とされ、前記燃料噴射（量）を２回に分割して行う。この場合、１回目の噴射時期は、排気弁４が閉じられた後の排気行程後半とされ、２回目の噴射時期は、点火プラグ６による点火時期の直前である圧縮行程後半とされている。なお、この場合、各回の燃料噴射量を同じに（均等に分割）してもよいし、２回目の燃料噴射量（第２燃料噴射量）を固定し（いつも一定にし）、１回目の燃料噴射量（第１燃料噴射量）を運転状態に応じて増減するようにしてもよい（第２燃料噴射は、混合気の点火を容易とするための成層化を主目的としており、このときの噴射量を変えると点火時期等を変更する必要が生じる）。
【００３１】
上記のように吸気弁３及び排気弁４の弁開閉態様並びに燃料噴射弁５による燃料噴射態様が設定されたもとでの、エンジン１の各部の動作、作用効果を、エンジン１の運転状態が部分負荷域にあり、燃料噴射が２回行われる場合の例（第１実施例）について説明する。
【００３２】
本例（第１）においては、排気弁４が排気行程上死点に達する前の排気行程後半（略−４５度）で閉じるので、排気（既燃ガス）が燃焼室２１に残留（内部ＥＧＲ）し、この残留排気中に燃料噴射弁５から１回目の燃料噴射（第１燃料噴射）が行われ、噴霧８が燃焼室２２に形成される。このときは、残留排気の温度は高く、かつ、ピストン２が上昇を続けているが、吸気弁３はまだ閉じているので、排気が燃焼室２１内で圧縮される。このため、燃料噴射弁５から噴射された燃料は、排気の熱で加熱されて気化されるとともに、ピストン２が排気行程上死点に達するまでは、さらに圧縮加熱され、これにより、燃料の気化、ラジカル化が促進される。
【００３３】
排気行程上死点を過ぎると、ピストン２は下がり始め、吸気行程になる。しかし、吸気弁３は閉状態を保ち、排気弁４が閉じた排気行程上死点に対称なクランク角まで閉じている。このように、排気弁４の閉時期と吸気弁３の開時期を排気上死点を中心に対称な角度にすることにより、排気行程後半で圧縮に要した負の仕事を吸気行程前半の膨張仕事（正の仕事）で回収でき、エンジン１の効率を保つことができる。
【００３４】
その後、吸気弁３が開き、新気が燃焼室２１に吸入されるが、一旦気化した燃料は略そのままの気化状態が維持される。そして、吸気弁３が開いた後再び閉じるまでの吸気行程〜圧縮行程初頭においては必要量の新気が吸入され、圧縮行程において気化した燃料が混合せしめられた残留排気及び新気の混合気が圧縮され、圧縮行程後半において再度燃料が噴射される（第２燃料噴射）。この第２燃料噴射により、点火プラグ６近くには気筒全体よりも濃い目の混合気が形成され（気筒全体ではストイキ）、点火プラグ６で点火せしめられて燃焼され、燃焼ガス（排気）は、排気弁４が開かれる膨張行程の後半から排気行程後半に、排気管１１に排出され、三元触媒１２により有害成分（ＨＣ、ＮＯｘ等）が除去されて浄化された後、外部に排出され、これで一燃焼サイクルが完了する。
【００３５】
前記の如くの制御は、コントロールユニット９により行われるが、かかるコントロールユニット９が前記制御を行う際に実行するするプログラムの一例を、図４、図５に示す。
【００３６】
図４は、運転負荷域判定ルーチンを示し、このルーチンでは、まず、ステップＳ１で、図３に示されるエンジン回転数とエンジン負荷から運転領域を判定し、部分負荷域である場合は、ステップＳ２へ進み、前記弁開閉態様及び燃料噴射態様を部分負荷域のものとし、基準負荷域である場合は、ステップＳ３へ進み、前記各態様を基準負荷域のものとする。ステップＳ２へ進んだ場合は、図５の燃料噴射制御ルーチンを実行する。また、ステップＳ３に進んだ場合は、通常の燃料噴射制御を行う。
【００３７】
図５に示される部分負荷域にあるときにおける制御ルーチンにおいては、ステップＳ１１でエンジン１の運転状態（吸入空気量、エンジン回転数、冷却水温、吸気温等）に基づいて燃料噴射量Ｑｆを算出する。続くステップＳ１２で、算出された燃料噴射量Ｑｆが燃料噴射弁５の最小制御可能量の２倍以上であるか否かを判断し、Ｙｅｓであれば、２回噴射を行うべく、ステップＳ１３で噴射比率（第１燃料噴射量と第２燃料噴射量の比率）の設定を行い、ステップＳ１４、Ｓ１５でそれぞれ第１燃料噴射量、第２燃料噴射量を設定する。次に進むステップＳ１６では、第１燃料噴射時期の判定を行い、噴射時期（ここでは排気行程後半）になったら、ステップＳ１７で第１燃料噴射を行う。続いて、ステップＳ１８に進み、第２噴射時期の判定を行い、第２燃料噴射時期（ここでは圧縮行程後半）になったら、ステップＳ１９で第２燃料噴射を行い、元に戻る。
【００３８】
一方、ステップＳ１２での判断がＮｏの場合は、ステップＳ２０にて基準噴射量を設定し、ステップＳ２１で基準噴射時期の判定を行い、噴射時期（ここでは吸気行程前半）になったら、ステップＳ２２で基準燃料噴射を行い、元に戻る。
【００３９】
なお、ステップＳ１３の噴射比率は、第１燃料噴射量と第２燃料噴射量とを同量としてもよいし、エンジン１の運転状態に応じて、比率を替えることも、燃焼性の確保や熱効率の向上に効果があり、有効である。また、算出された燃料噴射量Ｑｆが燃料噴射弁５の最小制御可能量の２倍より少ない場合は、基準噴射時期で１回のみ噴射するようにされている（吸気行程前半での噴射が最も均質化されやすい）、それに代えて、部分負荷域にあるときにおける第１燃料噴射時期（排気行程後半）に噴射するようにしてもよい。また、反対に第２燃料噴射時期のみに噴射することも可能である。
【００４０】
以上のように、本実施形態においては、エンジン１が部分負荷域にあるとき、排気弁４を早閉じするとともに、吸気弁３を遅開きして、排気（既燃ガス）を燃焼室２１に残留（内部ＥＧＲ）させ、この残留排気中に燃料噴射弁５から燃料を噴射するようにされているので、燃料噴射弁５から噴射された燃料は、排気の熱で加熱されて気化されるとともに、さらにピストン２で圧縮加熱され、燃料の気化、ラジカル化が促進される。このため、特に冷機時（始動直後等）においても、燃料を充分に気化、ラジカル化でき、その結果、燃焼安定性が増し、燃費の向上、ＨＣの低減化、始動性の向上等を図れる。
【００４１】
また、燃料の一部がラジカル化されることにより、燃焼時に周辺の燃料が自己着火し、燃焼時間が短縮され、燃費が向上（等容度が向上）するとともに、点火時期を遅らせることができるので、ＮＯｘを低減できる。
【００４２】
さらに、燃料噴射を分割して行うことにより、燃料噴霧の貫通力（ペネトレーション）が小さくなり、燃料の壁面付着が低減され、ＨＣが低減されるとともに、混合気の成層化を実現でき、着火性が向上し、多量の排気が残留（内部ＥＧＲ）していても、安定燃焼を確保でき、かつ、内部ＥＧＲにより、ＮＯｘが低減できるとともに、ポンピングロス低減による燃費の向上等も図れる。
【００４３】
また、前記のようにＮＯｘを低減できるとともに、混合気をストイキ（略理論空燃比）で燃焼させるようにされているので、排気浄化システムとして、排気浄化性能の高い三元触媒を用いることができ、その結果、ＮＯｘ触媒を用いた場合に比して排気浄化システムの少容量化、低コスト化等を図れる。
以下、前記弁開閉態様及び又は燃料噴射態様を、上述した例（第１）とは異なるものとした例を説明する。
【００４４】
図６に示される例（第２）は、第２燃料噴射を基準負荷域にある場合と同様に吸気行程前半に行うようにしたものである。本例（第２）では、排気弁４を早閉じして排気を残留させたこと（内部ＥＧＲ）による効果は、上述した図２に示される例（第１）より低下するが、混合気をより均一にできるので、燃焼効率が高められ、熱効率がよくなる。
【００４５】
図７に示される例（第３）は、運転状態に基づいて算出された燃料噴射量が燃料噴射弁５の最小制御可能量の３倍以上である場合には、燃料噴射を３回に分割して行うようにしたものである。燃料噴射を３回行う場合、１回目は排気行程後半、２回目は吸気行程前半、３回目は圧縮行程後半に行う。このようにされることにより、前記した如くの、排気弁４を早閉じして排気を残留させたこと（内部ＥＧＲ）による効果と混合気の均質化とが同時に達成される。より詳しくは、気筒全体の混合気をより均一にできるとともに、点火プラグ６近くの混合気を少し濃くできるため、大量に排気が残留していても点火性が低下せず、熱効率をよくできる。なお、第３燃料噴射量は、負荷が増減しても一定にし、他の回の燃料噴射量を負荷に応じて増減するのが、混合気の均質化の面から有利である。
【００４６】
図８に、図７に示される例（第３）についての燃料噴射制御ルーチンを示す。このルーチンでは、ステップＳ３１で燃料噴射量Ｑｆを算出し、ステップＳ３２で燃料噴射量Ｑｆが燃料噴射弁５の最小制御可能量の２倍以上であるか否かを判断し、Ｎｏであれば、ステップＳ４１に進んで基準噴射量の設定を行い、前述した図５に示される制御ルーチンにおけるステップＳ２０〜Ｓ２２と同様な処理を行い、元に戻る。ステップ３２における判断がＹｅｓの場合は、ステップＳ３３で最小制御可能量の３倍以上か否かを判断し、Ｎｏの場合は、算出された燃料噴射量Ｑｆが最小制御可能量の２倍以上で３倍未満であるので、２回噴射を行うべく、前述した図５に示される制御ルーチンにおけるステップＳ１３〜Ｓ１９と同様に、ステップＳ３４〜Ｓ４０を実行して元に戻る。ステップＳ３３の判断がＹｅｓの場合は、ステップＳ４４に進み、噴射比率の設定を行う。次に、ステップＳ４５、Ｓ４６、Ｓ４７でそれぞれ第１、第２、第３燃料噴射量を設定し、ステップＳ４８で第１噴射時期の判定を行い、ステップＳ４９で第１燃料噴射を行う。ステップＳ５０で第２噴射時期の判定を行い、ステップＳ５１で第２燃料噴射を行う。ステップＳ５２で第３噴射時期の判定を行い、ステップＳ５３で第３燃料噴射を行い、元に戻る。
【００４７】
図９は、可変動弁機構１６、１７として、前記した（Ｂ）の吸気弁３及び排気弁４の開時期と閉時期とを同時に移動させることができるようにしたもの（ＶＴＣ）が使用された場合の、基準負荷域及び部分負荷域にあるときにおける吸気弁３及び排気弁４の弁開閉態様（開閉時期）並びに燃料噴射弁５による燃料噴射態様（噴射回数、燃料噴射時期）の一例（第４）を示したものである。この例では、部分負荷域にあるとき、排気弁４の開閉時期が、基準負荷域にあるときより約４５度だけ進角側に移動せしめられる（早められる）と同時に、吸気弁３の開閉時期が、基準負荷域にあるときより約４５度だけ遅角側に移動せしめられる（遅くされる）。このように、排気弁４の閉時期を早めることにより、排気行程で燃料噴射を行うことができ、前記した例と同様な燃焼改善効果が得られる。しかし、排気弁４の開時期も早くなるため、膨張行程の途中で排気弁４が開き、ブローダウンによる多少の効率の低下があり、また、吸気弁３の閉時期が圧縮行程にずれ込むことにより、吸気の吸気管１０への吹き戻りが生じ、吸気量が減少するが、可変動弁機構１６、１７の構成が、前記リフト量をも変更できるようにしたものに比して簡略化されるというメリットがある。
【００４８】
図１０に示される例（第５）は、図９に示される例（第４）を改善したものである。この例では、部分負荷域にあるとにおける排気弁４の開閉時期を、基準負荷域にあるときより遅角する（遅くする）。排気弁４の閉時期が遅れるため、膨張行程での、排気のブローダウンが無くなり、効率が改善される。しかしこの例では、排気行程中は排気弁４が開じており、排気の圧縮はできないので、排気行程での燃料噴射はあまり効果がない。そのため、部分負荷域にあるときにおける第１燃料噴射は、ピストン２が下がり始めてから、吸気弁３が開くまでに行なうのが、新気により排気が冷却されないため、燃料の気化の面で有利である。
【００４９】
図１１は、部分負荷域にあるときの燃料噴射を１回だけにした例（第６）を示す。燃料噴射が１回だけの場合は、吸気行程前半に噴射するのが、排気熱による燃料の気化が進み、混合気の均質性を得るのに有利である。
【００５０】
図１２は、排気弁４側の開閉時期のみを、可変動弁機構１７で移動させるようにした例（第７）である（したがって、吸気弁３側には可変動弁機構が不要である）。この例では、排気弁４の開閉時期を遅らすのが排気の圧縮損失がないため有利である。第１燃料噴射は、基準負荷域にあるときと略同じ時期でよい。また、第２燃料噴射を行うことで、大量の内部ＥＧＲに対して、安定した燃焼が確保できる。しかし、第２燃料噴射は省略しても、内部ＥＧＲ量を少なくすることにより、対処できる。また、排気弁４を進める場合は、排気の圧縮損が発生するが、排気と燃料の圧縮による気化の促進効果で、燃焼が改善されるため、十分な効果が期待できる。だだし、この場合は、吸気行程か圧縮行程に第２または第３の燃料噴射を行うとより効果が上がる。
【００５１】
図１３は、吸気弁３側の開閉時期のみを、可変動弁機構１６で移動させるようにした例（第８）である（したがって、排気弁４側には可変動弁機構が不要である）。この場合は、吸気弁３の開閉時期を早めるのが有利である。第１燃料噴射は、基準負荷域にあるときと略同じ時期でよい。また、第２燃料噴射を省略することもできるが、付加することで、大量の内部ＥＧＲに対して、安定した燃焼が確保できる。
【００５２】
図１４は、可変動弁機構１６、１７として、前記した（Ｃ）の排気弁４の開時期と閉時期並びに吸気弁３の開時期と弁リフト量を変更できるようにしたものが使用された場合の、基準負荷域及び部分負荷域にあるときにおける吸気弁３及び排気弁４の弁開閉態様（開閉時期、弁リフト量）並びに燃料噴射弁５による燃料噴射態様（噴射回数、燃料噴射時期）の一例（第９）を示したものである。この例では、排気弁４の閉時期が遅らされるとともに、吸気弁３の開時期も遅らされるが、吸気弁３の閉時期は変更されないので、排気のブローダウンを防止できるとともに、吸気の吹き戻しを防止でき、効率が向上する。
【００５３】
図１５は、可変動弁機構１６、１７として、図１４に示される例（第９）とは逆に、排気弁４に閉時期と弁リフト量を変える可変動弁機構，吸気弁４に開閉時期を同時に移動させる可変動弁機構を用いた場合の一例（第１０）を示す。この例では、排気弁４の閉時期が早められるとともに、吸気弁３の開時期も早められるが、吸気弁３の閉時期が遅らされるので、吸気弁３の閉時期の遅れによる、吸気の吹き戻しによる、デメリットがあるが、排気と燃料の圧縮行程での圧縮もでき、安価で高い効果が得られる。
【００５４】
図１６は、図２に示される例（第１）での、部分負荷域にあるときにおける燃料噴射を排気行程上死点前の１回のみにした例（第１１）を示す。この例では、基準負荷域にあるときと部分負荷域にあるときの切り替えは、燃料噴射時期の切り替えでよく、制御が簡単になる。
【００５５】
図１７は、図１４に示される例（第９）での、部分負荷域にあるときにおける燃料噴射を吸気弁３を開く前の１回のみにした例（第１２）である。この例（第１２）でも制御が簡単になる効果が期待できる。
【００５６】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明に係る筒内噴射エンジンの燃焼制御装置及び燃焼制御方法は、排気弁を早閉じするとともに、吸気弁を遅開きして、排気（既燃ガス）を燃焼室に残留（内部ＥＧＲ）させ、この残留排気中に燃料噴射弁から燃料を噴射するようにされるので、燃料噴射弁から噴射された燃料は、排気の熱で加熱されて気化されるとともに、好ましい態様では、さらにピストンで圧縮加熱され、燃料の気化、ラジカル化が促進される。このため、特に冷機時（始動直後等）においても、燃料を充分に気化、ラジカル化でき、その結果、燃焼安定性が増し、燃費の向上、ＨＣの低減化、始動性の向上等を図れる。
【００５７】
また、燃料の一部がラジカル化されることにより、燃焼時に周辺の燃料が自己着火し、燃焼時間が短縮され、燃費が向上（等容度が向上）するとともに、点火時期を遅らせることができるので、ＮＯｘを低減できる。
【００５８】
さらに、燃料噴射を分割して行うことにより、燃料噴霧の貫通力が小さくなり、燃料の壁面付着が低減され、ＨＣが低減されるとともに、混合気の成層化を実現でき、着火性が向上し、多量の排気が残留（内部ＥＧＲ）していても、安定燃焼を確保でき、かつ、内部ＥＧＲにより、ＮＯｘが低減できるとともに、ポンピングロス低減による燃費の向上等も図れる。
【００５９】
更にまた、前記のようにＮＯｘを低減できるとともに、混合気をストイキ（略理論空燃比）で燃焼させることができるので、排気浄化システムとして、排気浄化性能の高い三元触媒を用いることができ、その結果、ＮＯｘ触媒を用いた場合に比して排気浄化システムの少容量化、低コスト化等を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射エンジンの燃焼制御装置の一実施形態を示す基本構成図
【図２】可変動弁機構として、吸気弁の開弁時期と弁リフト量並びに排気弁４の閉弁時期と弁リフト量を変更できるようにしたものが使用された場合の弁開閉態様及び燃料噴射態様の一例（第１）を示す図。
【図３】エンジンの運転状態が部分負荷域、基準負荷域のいずれににあるかを判断するために供せられる図
【図４】コントロールユニットが実行する負荷域判定ルーチンの一例を示すフローチャート。
【図５】コントロールユニットが実行する燃料噴射制御ルーチンの一例を示すフローチャート。
【図６】図２に示される例とは、第２燃料噴射時期が異なる例（第２）を示す図。
【図７】燃料噴射を３回行うようにした例（第３）を示す図。
【図８】図７に示される例（第３）についての燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート。
【図９】可変動弁機構として、吸気弁３及び排気弁４の開時期と閉時期とを同時に移動させることができるようにしたものが使用された場合の弁開閉態様並びに燃料噴射態様の一例（第４）を示す図。
【図１０】図９に示される例（第４）の改善した例（第５）を示す図。
【図１１】燃料噴射を１回だけにした例（第６）を示す図。
【図１２】排気弁の開閉時期のみを移動させるようにした例（第７）を示す図。
【図１３】吸気弁の開閉時期のみを移動させるようにした例（第８）を示す図。
【図１４】可変動弁機構として、排気弁の開時期と閉時期並びに吸気弁の開時期と弁リフト量を変更できるようにしたものが使用された場合の、弁開閉態様並びに燃料噴射態様の一例（第９）を示す図。
【図１５】可変動弁機構として、排気弁に閉時期と弁リフト量を変える可変動弁機構，吸気弁４に開閉時期を同時に移動させる可変動弁機構を用いた場合の一例（第１０）を示す図。
【図１６】図２に示される例での、部分負荷域にあるときにおける燃料噴射を排気行程上死点前の１回のみにした例（第１１）を示す図。
【図１７】図１４に示される例（第９）での、部分負荷域にあるときにおける燃料噴射を吸気弁を開く前の１回のみにした例（第１２）を示す図。
【符号の説明】
１…エンジン２…ピストン３…吸気弁４…排気弁５…燃料噴射弁６…点火プラグ７…点火コイル８…燃料噴霧９…ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１０…吸気管１１…排気弁１２…三元触媒１３…酸素センサ１４…ＥＧＲ弁１５…コレクタ１６…吸気弁の可変動弁機構１７…排気弁の可変動弁機構１８…ＥＧＲ通路１９…絞り弁２０…ＡＦＭ２１…燃焼室

Claims

吸気弁及び／又は排気弁の弁開閉態様を変更することができる可変動弁機構と、該可変動弁機構による前記弁開閉態様を制御する弁開閉制御手段と、筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁による燃料噴射態様を制御する燃料噴射制御手段と、を備え、
前記弁開閉制御手段は、前記吸気弁を開く前に前記排気弁を閉じて、燃焼室内に排気を残留させ、前記燃料噴射制御手段は、一燃焼サイクル中の排気行程後半ないし前記吸気弁が開く以前に少なくとも１回、前記燃料噴射弁から前記残留させた排気中に燃料を噴射させ、
前記残留させた排気と吸気行程で吸入した燃料および空気の混合気をその後の圧縮行程において点火するようにされていることを特徴とする筒内噴射エンジンの燃焼制御装置。
圧縮行程後半において混合気の点火を行うようにされていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼制御装置。
前記弁開閉制御手段及び前記燃料噴射制御手段は、混合気の燃焼がストイキ燃焼となるように前記制御を行うようにされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
排気浄化用の触媒として三元触媒を備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃焼制御装置。
前記燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態が特定の条件を満たしているとき、一燃焼サイクル中における前記燃料量噴射弁による燃料噴射を複数回に分割して行うようにされていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃焼制御装置。
前記燃料噴射制御手段は、エンジンの運転状態に基づいて燃料噴射量を算出し、この算出された燃料噴射量が前記燃料噴射弁の最小制御可能量の２倍以上である場合、燃料噴射を複数回に分割して行うようにされていることを特徴とする請求項５に記載の燃焼制御装置。
前記燃料噴射制御手段は、燃料噴射を複数回に分割して行う場合に、最後の回の燃料噴射を圧縮行程で行うようにされていることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃焼制御装置。
前記燃料噴射制御手段は、燃料噴射を複数回に分割して行う場合に、それぞれの回の燃料噴射量を均等に設定するようにされていることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の燃焼制御装置。
前記燃料噴射制御手段は、燃料噴射を複数回に分割して行う場合に、最後の回の燃料噴射量を一定とし、他の回の燃料噴射量を増減するようにされていることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の燃焼制御装置。
前記弁開閉制御手段は、前記排気弁を排気行程上死点以前に閉じさせるようにされていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の燃焼制御装置。
前記弁開閉制御手段は、前記吸気弁を、排気行程上死点を中心に前記排気弁の閉時期と対称なクランク角位置にて開かせるようにされていることを特徴とする請求項１０に記載の燃焼制御装置。
前記可変動弁機構は、前記吸気弁の開時期と弁リフト量、及び／又は、前記排気弁の閉時期と弁リフト量を変更することができるようにされていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の燃焼制御装置。
前記可変動弁機構は、吸気弁及び／又は排気弁の開時期と閉時期とを同時に移動させるようにされていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の燃焼制御装置。
前記可変動弁機構は、排気弁の開閉時期を固定するとともに、吸気弁の開閉時期を同時に移動させるようにされていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の燃焼制御装置。
前記可変動弁機構は、排気弁の開閉時期を同時に移動させとともに、吸気弁の開閉時期を固定するようにされていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の燃焼制御装置。
エンジンの運転状態が特定負荷域にあるとき、吸気弁及び／又は排気弁の弁開閉態様を制御して、前記吸気弁を開く前に前記排気弁を閉じて、燃焼室内に排気を残留させ、一燃焼サイクル中の排気行程後半ないし前記吸気弁が開く以前において少なくとも１回、前記残留させた排気中に燃料噴射弁から燃料を噴射させ、前記残留させた排気と吸気行程で吸入した燃料および空気の混合気をその後の圧縮行程において点火するようにされた筒内噴射エンジンの燃焼制御方法。
燃焼時の混合気がストイキ状態となるように前記吸気弁及び／又は排気弁の弁開閉態様及び燃料噴射態様の制御を行うことを特徴とする請求項１６に記載の燃焼制御方法。
エンジンの運転状態が特定の条件を満たしているとき、一燃焼サイクル中において燃料噴射を複数回に分割して行うようにされ、そのうちの最初の回の燃料噴射を排気行程後半ないし前記吸気弁が開く以前に行い、最後の回の燃料噴射を圧縮行程で行うことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の燃焼制御方法。
燃料噴射を複数回に分割して行う場合に、最後の回の燃料噴射量を一定とし、他の回の燃料噴射量を増減するようにされていることを特徴とする請求項１８に記載の燃焼制御方法。