JP4035859B2 - 過給機付筒内噴射式エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、吸気通路に過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平４−３６２２２１号公報に示されるように、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、低負荷時には上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより点火プラグ周りに燃料を偏在させる成層燃焼状態とし、高負荷時には上記インジェクタから吸気行程で燃料を噴射することにより燃焼室全体に燃料を拡散させる均一燃焼状態とするように燃料噴射形態を切替える筒内噴射式エンジンが知られている。
【０００３】
このエンジンにおいては、成層燃焼時に空燃比が例えば４０程度というような大幅なリーン状態とされる一方、均一燃焼時にはリーン状態にするとしても失火限界があるため空燃比が例えば２０程度までとされるが、成層燃焼から均一燃焼への切替わり時に空燃比が急変するとトルク変動によるショックが生じる。また、均一燃焼状態への切替わり後に空燃比変動の遅れにより均一燃焼時のリーン限界よりもリーンな状態が続くと失火を生じるという問題がある。
【０００４】
このような問題の対策として、上記公報に示されているエンジンでは、成層燃焼から均一燃焼への移行の際、ある程度の時間だけ成層燃焼状態を持続しつつその間に徐々に吸入空気量を減少させることで空燃比を次第にリッチ方向に変化させて、均一燃焼時の空燃比に達してから均一燃焼状態に切替えるようにするとともに、成層燃焼状態で徐々に空燃比をリッチ方向に変化させている期間に燃焼性悪化を補うべく燃料噴射量を補正するようにしている。なお、公報に示されているエンジンでは吸気通路に過給機を設けるとともに、過給機バイパス通路及びスロットルバイパス通路に弁を設け、上記のように成層燃焼状態を持続しつつその間に徐々に吸入空気量を減少させるときに上記各弁を制御するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に示されているエンジンでは、成層燃焼が行われる領域から均一燃焼が行われる領域へ運転状態が移行するときに、均一燃焼への切替の前に成層燃焼状態で空燃比をリッチ方向に変化させるようにしているため、成層燃焼による燃費改善の効果が低減されるという問題がある。
【０００６】
また、この種のエンジンの吸気通路に過給機を設ける場合、成層燃焼時及び均一燃焼時に過給作用を利用して燃費改善効果を高めることが望ましく、また、過給機駆動状態において成層燃焼時及び均一燃焼時の空燃比や燃焼状態を適切に調整することが望ましく、これらの点で改善の余地がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、成層燃焼よる燃費改善効果を高めつつ、成層燃焼状態から均一燃焼状態への切替わり時に速やかに空燃比を変化させて失火等の燃焼性悪化を防止し、かつ、トルクショックを軽減することができる過給機付筒内噴射式エンジンを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、低負荷域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ成層燃焼状態とし、高負荷域では均一燃焼状態とするように上記インジェクタからの燃料噴射形態を切替える噴射形態切替手段とを備えるとともに、吸気通路に過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、成層燃焼状態とする運転領域である成層燃焼領域のうちの少なくとも高負荷側を、上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域とするように設定する運転領域設定手段を設けるとともに、成層燃焼領域では上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼状態とする一方、均一燃焼領域のうちで成層 燃焼領域に隣接する所定運転領域では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分けて行なう分割噴射とし、この所定運転領域よりも高負荷側では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程のみで行なう吸気行程噴射とするように燃料噴射形態切替手段を構成し、かつ、圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射へ燃料噴射形態が切替わるときに、圧縮行程噴射による一定の噴射量に吸気行程での噴射を加えることにより総燃料噴射量を増量するようにしたものである。
【０００９】
この構成によると、過給を利用して比較的高負荷側まで成層燃焼が行われることにより、燃費改善効果が高められる。しかも、成層燃焼状態から分割噴射を経て吸気行程噴射による均一燃焼状態へ移行することで急激な燃料噴射形態の変動が避けられ、かつ、分割噴射時に圧縮行程での噴射が行われることで着火性が確保され、失火が防止される。
【００１０】
この発明において、理論空燃比よりもリーンな空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを吸着して、理論空燃比もしくはそれよりリッチな空燃比となったときにＮＯｘを還元、除去するようになっている触媒を排気通路に装備するとともに、均一燃焼領域のうちの低負荷側では空燃比を理論空燃比よりもリーンとし、圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射への切替わり時に、空燃比を一時的に理論空燃比もしくはこれよりリッチとなる程度まで変更するようにしておいてもよい（請求項２）。
【００１１】
また、上記過給機をバイパスする過給機バイパス通路に介設された開度変更可能なバイパス開閉弁と、高負荷域への運転状態の移行に伴って上記成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わったときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させることにより空燃比をリッチ方向に変更する過給状態変更手段とを設けること（請求項３）が好ましい。
【００１２】
請求項４に係る発明は、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、低負荷域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ成層燃焼状態とし、高負荷域では均一燃焼状態とするように上記インジェクタからの燃料噴射形態を切替える噴射形態切替手段とを備えるとともに、吸気通路に機械式過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、上記機械式過給機を駆動状態と停止状態とに切替えるクラッチ手段と、成層燃焼領域の中の低負荷側おける第１設定回転数以下の低回転域で過給機停止状態とし、第１設定回転数より高回転側で過給機駆動状態とするように上記クラッチ手段を制御するクラッチ制御手段とを設ける一方、上記第１設定回転数よりも高い第２設定回転数まで成層燃焼領域を設定し、第２設定回転数より高回転側を均一燃焼領域とするとともに、成層燃焼領域において過給機駆動状態とする運転領域ではバイパス開閉弁を全開より小さい開度とし、この領域からエンジン回転数が上昇して第２設定回転数より高回転側となったときにバイパス開閉弁を開作動するように構成したものである。
【００１３】
この構成によると、回転数が上昇したときにもそれに伴って過給機駆動状態及び燃料噴射形態が切替えられ、かつ、その燃料噴射形態切替わり時に失火を防止するとともにトルクショックを低減する作用が得られる。
【００１４】
この発明において、成層燃焼領域では上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼状態とする一方、均一燃焼領域のうちで成層燃焼領域に隣接する所定運転領域では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分けて行なう分割噴射とし、この所定運転領域よりも高負荷側では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程のみで行なう吸気行程噴射とするように燃料噴射形態切替手段を構成しておくこと（請求項５）が好ましい。
【００１５】
上記バイパス開閉弁は電気的な駆動手段により駆動されるようになっているものである こと（請求項６）が好ましく、このようにすると、成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わるときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させる制御が、応答性良く行われる。
【００１６】
また、成層燃焼領域の中で過給機停止状態とする運転領域と過給機駆動状態とする運転領域とはいずれも空燃比が理論空燃比よりもリーンで、かつ、過給機停止状態とする運転領域では過給機駆動状態とする運転領域と比べて空燃比がさらにリーンとなり、両運転領域の境界で空燃比に所定の段差が生じるように設定しておくと（請求項７）、過給機停止状態から過給機駆動状態に切替わったときに空燃比が所定量だけリッチ方向に変化することにより、過給機駆動抵抗によるトルクダウンが補われる。
【００２０】
請求項８に係る発明は、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、低負荷域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ成層燃焼状態とし、高負荷域では均一燃焼状態とするように上記インジェクタからの燃料噴射形態を切替える噴射形態切替手段とを備えるとともに、吸気通路に過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、上記過給機を機械式過給機とし、成層燃焼状態とする運転領域である成層燃焼領域のうちの高負荷側を、上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域とするように設定する運転領域設定手段と、上記過給機を駆動状態と停止状態とに切替えるクラッチ手段と、成層燃焼領域の中の低負荷側の運転領域で過給機停止状態とするように上記クラッチ手段を制御するクラッチ制御手段と、上記過給機をバイパスする過給機バイパス通路に介設された開度変更可能なバイパス開閉弁と、高負荷域への運転状態の移行に伴って上記成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わったときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させることにより空燃比をリッチ方向に変更する過給状態変更手段とを設けるとともに、成層燃焼領域において過給機駆動状態とする運転領域の中で低負荷高回転側の領域では高負荷低回転側の領域と比べてバイパス開閉弁の開度を大きくしたものである。
【００２１】
この構成によると、過給を利用して比較的高負荷側でも成層燃焼が行われるため燃費改善効果が高められ、また、成層燃焼状態から均一燃焼状態へ切替わったときに、均一燃焼状態でのリーン限界よりもリッチ側まで空燃比が速やかに変化し、失火が防止され、かつ、トルクショックが抑制される。さらに、低負荷側の運転領域で過給機の駆動抵抗による出力ロスが避けられる。また、トルク増大を必要としない低負荷高回転側で過給機の駆動抵抗が低減され、燃費改善に有利となる。
【００２２】
この発明において、上記バイパス開閉弁は電気的な駆動手段により駆動されるようになっているものであること（請求項９）が好ましく、このようにすると、成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わるときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させる制御が、応答性良く行われる。
【００２３】
また、成層燃焼領域の中で過給機停止状態とする運転領域と過給機駆動状態とする運転領域とはいずれも空燃比が理論空燃比よりもリーンで、かつ、過給機停止状態とする運転領域では過給機駆動状態とする運転領域と比べて空燃比がさらにリーンとなり、両運転領域の境界で空燃比に所定の段差が生じるように設定しておくと（請求項１０）、過給機停止状態から過給機駆動状態に切替わったときに空燃比が所定量だけリッチ方向に変化することにより、過給機駆動抵抗によるトルクダウンが補われる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は本発明の一実施形態による過給機付筒内噴射式エンジンを概略的に示したものである。この図において、エンジン本体１は複数の気筒２を有し、その各気筒２には、そのシリンダボアに挿入されたピストン３の上方に燃焼室４が形成されており、この燃焼室４には吸気ポート５及び排気ポート６が開口している。上記吸気ポート５及び各排気ポート６は、吸気弁７及び排気弁８によってそれぞれ開閉されるようになっている。
【００２６】
上記燃焼室４の中央部には点火プラグ９が配設され、そのプラグ先端が燃焼室４内に臨んでいる。また、燃焼室４内には側方からインジェクタ１０の先端部が臨み、このインジェクタ１０から燃焼室４内に直接燃料が噴射されるようになっている。
【００２７】
上記エンジン本体１に対し、吸気通路１１及び排気通路１２が配設され、吸気通路１１の下流端側が吸気ポート５に連通するとともに、排気通路１２の上流端側が排気ポート６に連通している。上記吸気通路１１は、上流側の共通吸気通路１３と、その下流に設けられたサージタンク１４と、このサージタンク１４から気筒別に分岐した独立吸気通路１５とを有している。上記共通吸気通路１３には、エアクリーナ１６、吸入空気量を検出するエアフローメータ１７、スロットル弁駆動用モータ１９により駆動されるスロットル弁１８が設けられるとともに、スロットル弁１８の下流に過給機が設けられ、当実施形態ではリショルム型の機械式過給機２０が設けられている。さらにこの機械式過給機２０の下流にインタークーラ２１が設けられている。
【００２８】
上記機械式過給機２０は、エンジン出力軸によりベルト伝動機構２２を介して駆動されるようになっている。上記ベルト伝動機構２２のプーリと機械式過給機２０との間には、機械式過給機２０への駆動力の伝達を断続する電磁クラッチ２３が設けられている。
【００２９】
さらに吸気通路１１には、機械式過給機２０をバイパスする過給機バイパス通路２４が設けられている。この過給機バイパス通路２４は、一端がスロットル弁１８と機械式過給機２０との間の共通吸気通路１３に接続されるとともに、他端がインタークーラ２１の下流の吸気通路１１に接続されており、この過給機バイパス通路２４の途中にバイパス開閉弁（ＡＢＶ）２５が設けられている。このバイパス開閉弁２５は、電気的な駆動手段である開閉弁駆動モータ２６により駆動されるようになっている。
【００３０】
上記スロットル弁駆動モータ１９及び開閉弁駆動モータ２６はステップモータからなり、これらのモータ１９，２６と上記電磁クラッチ２３が制御ユニット（ＥＣＵ）４０により制御される。また、インジェクタ１０からの燃料噴射時期及び噴射量も制御ユニット４０により運転状態に応じて制御される。この制御ユニット４０には、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサ２７及びエンジン回転数を検出する回転数センサ２８からの各検出信号が入力されるようになっている。
【００３１】
また、上記排気通路１２には、排気ガス浄化用の触媒装置３０が配設されている。この触媒装置３０は、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を浄化するもので、望ましくは、空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態にあるリーン運転時でもＮＯｘ浄化性能を有するような触媒が用いられる。
【００３２】
図２は、図１中に示した制御ユニット４０の構成を示す機能ブロック図である。この図において制御ユニット４０は、噴射形態切替手段４１、燃料噴射量制御手段４２、クラッチ制御手段４３、運転領域設定手段４４及び過給状態変更手段４５を含んでいる。
【００３３】
上記噴射形態切替手段４１は、上記インジェクタ１０からの燃料噴射の形態を切替えることにより、噴射燃料を点火プラグ９付近に偏在させる成層燃焼状態と噴射燃料を燃焼室全体に拡散させる均一燃焼状態とに変更し得るようになっている。すなわち、成層燃焼状態とするときは上記インジェクタ１０から圧縮行程で燃料を噴射させ、均一燃焼状態とするときは上記インジェクタ１０から噴射燃料の全部または一部を吸気行程で噴射させる。そして、後述の図３（ａ）に示すような領域設定に基づき、運転状態に応じた噴射形態の切替制御を行なうようになっている。なお、当明細書では、燃料を吸気行程と圧縮行程とに分けてインジェクタ１０から噴射する分割噴射により弱成層となる状態も均一燃焼状態の中に含ませている。
【００３４】
上記燃料噴射量制御手段４２は、アクセル開度等に応じて噴射パルス幅を演算することによりインジェクタ１０からの燃料噴射量を制御するもので、負荷が高くなるにつれて燃料噴射量を増加させるようになっている。また、後に説明するように、過給機停止状態から過給機駆動状態への切替わり時には燃料噴射量を増量するようになっている。
【００３５】
上記クラッチ制御手段４３は、上記電磁クラッチ２３のＯＮ，ＯＦＦを制御することにより過給機駆動状態と過給機停止状態の切替を行なうもので、後述の図３（ｂ）に示すような領域設定に基づき、運転状態に応じた電磁クラッチ２３のの制御を行なうようになっている。
【００３６】
上記運転領域設定手段４４は、運転状態に応じた噴射形態切替の制御と電磁クラッチ２３の制御とについて予め設定された運転領域のマップを記憶するメモリを有しており、この運転領域設定手段４４において、成層燃焼領域（成層燃焼状態とする運転領域）のうちの少なくとも高負荷側を、上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域とするように設定されている。
【００３７】
具体的には図３（ａ）（ｂ）に示すように運転領域のマップが設定されており、この図では縦軸を負荷（例えば平均有効圧力Ｐｅ）、横軸をエンジン回転数Ｎｅとして示している。すなわち、電磁クラッチ２３の制御のための領域設定としては、図３（ｂ）に示すように、第１設定負荷Ｐ１以下で且つ第１設定回転数Ｎ１以下の低負荷低回転領域ＣがクラッチＯＦＦの領域とされ、上記第１設定負荷Ｐ１より高負荷側及び上記第１設定回転数Ｎ１より高回転側の領域ＤがクラッチＯＮの領域とされる。上記第１設定負荷Ｐ１はスロットル弁下流の吸気圧力が大気圧となる負荷（一点鎖線）の近傍とされている。
【００３８】
噴射形態切替の制御のための領域設定としては、図３（ａ）に示すように、第２設定負荷Ｐ２以下で且つ第２設定回転数Ｎ２以下の領域Ａが成層燃焼領域とされ、上記第２設定負荷Ｐ２より高負荷側及び上記第２設定回転数Ｎ２より高回転側の領域Ｂが均一燃焼領域とされている。上記第２設定負荷Ｐ２は第１設定負荷よりＰ１よりも高く、成層燃焼領域Ａのうちの高負荷側は上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域となるように設定されている。また、上記第２設定回転数Ｎ２は第１設定回転数Ｎ１よりも高く、成層燃焼領域Ａのうちで第１設定回転数Ｎ１より高回転側では過給機駆動状態とされるようになっている。
【００３９】
上記均一燃焼領域Ｂのうち、第３設定負荷Ｐ３以下で且つ第３設定回転数Ｎ３以下の領域（成層燃焼領域Ａに隣接する領域）Ｂ１は分割噴射を行なう領域とされ、それ以外の領域Ｂ２，Ｂ３が吸気行程噴射を行なう領域とされている。
【００４０】
また、空燃比も図３（ａ）に示すマップの各運転領域に応じて次のように設定されている。すなわち、成層燃焼領域Ａでは理論空燃比と比べて大幅なリーン（例えば４０程度）とされ、均一燃焼領域のうちの分割噴射領域Ｂ１と、吸気行程噴射領域のうちの第４設定負荷Ｐ４以下で且つ第４設定回転数Ｎ４以下の領域Ｂ２では均一燃焼状態でのリーン限界を越えない程度のリーン（例えば１７〜２０）とされ、第４設定負荷Ｐ４より高負荷側及び第４設定回転数Ｎ４より高回転側の領域Ｂ３では理論空燃比もしくはそれよりリッチ（λ≦１）とされている。なお、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４、Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３＜Ｎ４である。
【００４１】
上記過給状態変更手段４５は、モータ２６を介してバイパス開閉弁２５を制御するものであり、後に詳述するように、成層燃焼領域Ａ内で過給機駆動状態とされる領域では負荷に応じて過給を行なわせるべくバイパス開閉弁２５の開度を全開よりも小さくし、成層燃焼状態から均一燃焼状態に切替わったときは一時的に過給バイパス量（過給バイパス通路２４の流量）を増大させるべくバイパス開閉弁２５の開度を大きくする。さらに、均一燃焼状態に切替わった後は、負荷の上昇につれてバイパス開閉弁２５の開度を小さくするようになっている。
【００４２】
以上のような当実施形態の過給機付筒内噴射式エンジンの動作を、図４及び図５を参照しつつ説明する。
【００４３】
図４は低回転低負荷からのエンジン負荷の上昇に応じた動作を示している。この図に示すように、低負荷低回転側の過給機停止領域Ｃでは、電磁クラッチ２３がＯＦＦとされることにより機械式過給機２０が停止状態とされるとともに、上記インジェクタ１０から圧縮行程で燃料が噴射されることにより成層燃焼が行われ、空燃比は例えば４０程度のリーンとなるように吸入空気量及びインジェクタ１０からの燃料噴射量がコントロールされる。そして、負荷が上昇するにつれて負荷に見合うように次第に燃料噴射量が増加するが、第１設定負荷Ｐ１に達するまではスロットル弁１８等で吸入空気量が調整されることにより大幅なリーン状態が保たれつつ成層燃焼が行われる。これにより、燃焼効率が高められるとともにポンピングロスが低減され、燃費が改善される。
【００４４】
エンジン負荷が第１設定負荷Ｐ１を越えると、電磁クラッチ２３がＯＮに切替わって機械式過給機２０が駆動状態になるが、第２設定負荷Ｐ２に達するまでは成層燃焼状態が維持される。当実施形態では、過給機駆動状態に切替わったときに、燃料噴射量が増量されることにより、過給機駆動抵抗によるトルクダウンが補われ、このときのトルクショックが防止される。このときに、燃料増量に見合うだけ過給量を増加させるべくバイパス開閉弁２５の開度は全開から所定量小さくされ、さらに、成層燃焼領域内で負荷の上昇に伴う燃料噴射量の増加に見合うようにバイパス開閉弁２５の開度が次第に小さくされることで過給量が増加され、空燃比は４０程度のリーンな状態に保たれる。
【００４５】
このようにして、第２設定負荷Ｐ２までの、過給が行われる領域も含めた広い運転領域で、大幅なリーン状態での成層燃焼が行われることにより、燃費改善効果が高められる。
【００４６】
上記第２設定負荷Ｐ２を越えたときは、圧縮行程噴射による成層燃焼から均一燃焼へ燃料噴射形態が切替えられ、当実施形態では分割噴射による弱成層状態へ切替えられる。このとき、バイパス開閉弁２５の開度が大きくされることにより、過給バイパス量が増加し、過給量が減少する。これよって空燃比はリッチ方向に変化し、例えば１７〜２０程度とされることにより、均一燃焼状態でも燃焼安定性が確保され、失火が防止される。この場合に、バイパス開閉弁２５が電気的な駆動手段であるモータ２６により駆動されるようになっているので、その作動が応答性良く行われ、速やかに空燃比が変化する。また、このように過給量の調節により空燃比は変化するがトルクが大きく変動することはなく、トルクショックが低減される。
【００４７】
この切替わり時に、燃料噴射量は実線のように負荷に応じてリニアに変化する状態に保ってもよいが、燃焼効率が多少低下する分を見込んで破線のように多少増量してもよい。とくに、当実施例のように圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射による弱成層状態へ切替えられる場合、圧縮行程での噴射量は成層燃焼時と同程度に保ちつつ、吸気行程での噴射を追加することで燃料を増量すれば、着火性が確保されて失火が確実に防止されるとともに、燃料噴射量の制御が容易になる。そして、燃焼形態は負荷の上昇に応じて成層燃焼状態から分割噴射による弱成層状態を経て吸気行程噴射による均一燃焼状態に移行するようになっているので、燃焼形態が大きく急変することがなく、スムーズに均一燃焼状態に移行する。
【００４８】
上記第２設定負荷Ｐ２を越えてからさらに負荷が上昇した場合、弱成層状態とされる領域を含む均一燃焼領域内の低負荷側の領域では、負荷が高くなるにつれて燃料噴射量が増加されるとともにバイパス開閉弁２５の開度が次第に小さくされて過給空気量が増加されることで空燃比が適度のリーンに保たれる。また、バイパス開閉弁２５が全閉となって最大過給状態に達した後は、負荷に応じた燃料の増加により空燃比が次第にリッチ方向に変化する。このように均一燃焼領域でも、過給を利用して可能な限り高負荷側までリーン状態とされることにより燃費が改善されるとともに、出力性能も満足される。
【００４９】
また、図５は低回転低負荷からのエンジン回転数の上昇に応じた動作を示している。この図のように、低負荷側においてエンジン回転数が変化する場合、第１設定回転数Ｎ１以下の過給機停止領域Ｃでは電磁クラッチ２３がＯＦＦとされることにより過給機停止状態とされるとともに、圧縮行程噴射による成層燃焼が行われ、第１設定回転数Ｎ１を越えると電磁クラッチ２３がＯＮとされることにより過給機駆動状態に切替えられ、かつ、成層燃焼状態が維持される。
【００５０】
そして過給機駆動状態への切替時にはバイパス開閉弁２５が全開より小さい開度にされてある程度過給が行われるとともにそれに応じて燃料噴射量が調整され、第２設定回転数Ｎ２に達するまでこのような制御状態とされる。この場合、低負荷高回転側では大きなトルクを必要としないので、高負荷低回転側の領域と比べ、バイパス開閉弁２５の開度を大きくすることで過給量を比較的少なくし、過給機駆動抵抗を小さくすることが望ましい。
【００５１】
上記第２設定回転数Ｎ２を越えると、均一燃焼状態（当実施形態では分割噴射による弱成層状態）に切替えられるとともに、バイパス開閉弁２５が全開状態に戻されることにより空燃比がリッチ方向に変更される。
【００５２】
こうして、エンジン回転数が上昇したときにもそれに伴って過給機駆動状態及び燃料噴射形態が切替えられ、かつ、その燃料噴射形態切替わり時に失火を防止するとともにトルクショックを低減する作用が得られる。
【００５３】
なお、図４中に示すような制御動作において、成層燃焼状態から均一燃焼状態に切替わるときに、同図に二点鎖線で示すようにバイパス開閉弁２５を大きく開くこと等により空燃比を一時的にλ≦１となるまでリッチ化させるようにしてもよい。あるいは、分割噴射における吸気行程での噴射による噴射量の増量によってこのように空燃比をリッチ化させてもよい。このようにするのは、排気通路中の触媒装置３０が、理論空燃比よりもリーンな空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを吸着して、理論空燃比もしくはそれよりリッチな空燃比となったときにＨＣ、ＣＯとの反応によりＮＯｘを還元、除去するような吸着型のＮＯｘ触媒を用いたものである場合に、その浄化性能を維持するためである。
【００５４】
すなわち、上記吸着型のＮＯｘ触媒は、理論空燃比よりリーンな状態が長時間続くとＮＯｘ吸着量が飽和して浄化能力が低下するが、上記のように均一燃焼状態への切替わり時に一時的にλ≦１となるまでリッチ化すれば、上記触媒の浄化能力が回復されることとなる。
【００５５】
図６は空燃比の制御の別の実施形態を示している。この実施例形態でも、燃料噴射形態の切替制御のためのマップ及び電磁クラッチ２３の切替制御のためのマップは図３（ａ）（ｂ）のように設定されており、第１設定負荷Ｐ１以下の低負荷域では過給機停止状態で成層燃焼が行われる。そしてこの状態では空燃比が例えば４０程度の大幅なリーンとされる。
【００５６】
第１設定負荷Ｐ１から第２設定負荷Ｐ２までの領域では、過給機駆動状態で成層燃焼が行われるが、当実施形態ではこの領域での空燃比が、理論空燃比と比べるとリーンであるが過給機停止状態での成層燃焼時よりはリッチとされている。このようにしているのは、過給によりリーン状態を高めようとすると過給機駆動抵抗が増大するため、ある程度以上はリーン化しても燃費改善効果が得られなくなるからである。また、このように過給機駆動状態と過給機停止状態とで空燃比に段差をもたせておけば、過給機駆動状態への切替わり時の過給機駆動抵抗によるトルクダウンの抑制にも有効である。
【００５７】
なお、上記実施形態では過給機として機械式過給機を用いているが、ターボ過給機を用いてもよい。この場合、電磁クラッチは有せず、低負荷低回転時に電磁クラッチをＯＦＦにして過給機停止状態とするというような制御は行われないが、成層燃焼状態と均一燃焼状態とを切替える制御及び過給機バイパス通路のバイパス開閉弁の制御は上記実施形態と同様に行なうようにすればよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、成層燃焼領域のうちの少なくとも高負荷側を過給運転領域とし、過給運転領域を含む成層燃焼領域では上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼状態とする一方、均一燃焼領域のうちで成層燃焼領域に隣接する所定運転領域では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分けて行なう分割噴射とし、この所定運転領域よりも高負荷側では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程のみで行なう吸気行程噴射とするように燃料噴射形態切替手段を構成し、かつ、圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射へ燃料噴射形態が切替わるときに、圧縮行程噴射による一定の噴射量に吸気行程での噴射を加えることにより総燃料噴射量を増量するようにしているため、過給を利用して比較的高負荷側まで成層燃焼を行うことで燃費改善効果を高め、しかも、成層燃焼状態から分割噴射を経て吸気行程噴射による均一燃焼状態へ移行することで急激な燃料噴射形態の変動を避け、かつ、分割噴射時に圧縮行程での噴射を行うことで着火性を確保し、失火を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による過給機付筒内噴射式エンジンの全体図である。
【図２】 制御ユニットの機能ブロック図である。
【図３】 （ａ）は燃料噴射形態の制御のための運転領域のマップを示す図、（ｂ）は過給機の駆動、停止の制御のための運転領域のマップを示す図である。
【図４】 エンジン負荷に応じた電磁クラッチ、バイパス開閉弁、空燃比及び燃料噴射量の変化を示す図である。
【図５】 エンジン回転数に応じたバイパス開閉弁の開度の変化を示す図である。
【図６】 別の実施形態による空燃比変化を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
４ 燃焼室
９ 点火プラグ
１０ インジェクタ
１５ 吸気通路
２０ 機械式過給機
２３ 電磁クラッチ
２４ 過給機バイパス通路
２５ バイパス開閉弁
３０ 触媒装置
４０ 制御ユニット
４１ 噴射形態切替手段
４３ クラッチ制御手段
４４ 運転領域設定手段
４５ 過給状態変更手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタを備えるとともに、吸気通路に過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平４−３６２２２１号公報に示されるように、燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタを備え、低負荷時には上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより点火プラグ周りに燃料を偏在させる成層燃焼状態とし、高負荷時には上記インジェクタから吸気行程で燃料を噴射することにより燃焼室全体に燃料を拡散させる均一燃焼状態とするように燃料噴射形態を切替える筒内噴射式エンジンが知られている。
【０００３】
このエンジンにおいては、成層燃焼時に空燃比が例えば４０程度というような大幅なリーン状態とされる一方、均一燃焼時にはリーン状態にするとしても失火限界があるため空燃比が例えば２０程度までとされるが、成層燃焼から均一燃焼への切替わり時に空燃比が急変するとトルク変動によるショックが生じる。また、均一燃焼状態への切替わり後に空燃比変動の遅れにより均一燃焼時のリーン限界よりもリーンな状態が続くと失火を生じるという問題がある。
【０００４】
このような問題の対策として、上記公報に示されているエンジンでは、成層燃焼から均一燃焼への移行の際、ある程度の時間だけ成層燃焼状態を持続しつつその間に徐々に吸入空気量を減少させることで空燃比を次第にリッチ方向に変化させて、均一燃焼時の空燃比に達してから均一燃焼状態に切替えるようにするとともに、成層燃焼状態で徐々に空燃比をリッチ方向に変化させている期間に燃焼性悪化を補うべく燃料噴射量を補正するようにしている。なお、公報に示されているエンジンでは吸気通路に過給機を設けるとともに、過給機バイパス通路及びスロットルバイパス通路に弁を設け、上記のように成層燃焼状態を持続しつつその間に徐々に吸入空気量を減少させるときに上記各弁を制御するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に示されているエンジンでは、成層燃焼が行われる領域から均一燃焼が行われる領域へ運転状態が移行するときに、均一燃焼への切替の前に成層燃焼状態で空燃比をリッチ方向に変化させるようにしているため、成層燃焼による燃費改善の効果が低減されるという問題がある。
【０００６】
また、この種のエンジンの吸気通路に過給機を設ける場合、成層燃焼時及び均一燃焼時に過給作用を利用して燃費改善効果を高めることが望ましく、また、過給機駆動状態において成層燃焼時及び均一燃焼時の空燃比や燃焼状態を適切に調整することが望ましく、これらの点で改善の余地がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、成層燃焼よる燃費改善効果を高めつつ、成層燃焼状態から均一燃焼状態への切替わり時に速やかに空燃比を変化させて失火等の燃焼性悪化を防止し、かつ、トルクショックを軽減することができる過給機付筒内噴射式エンジンを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、低負荷域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ成層燃焼状態とし、高負荷域では均一燃焼状態とするように上記インジェクタからの燃料噴射形態を切替える噴射形態切替手段とを備えるとともに、吸気通路に過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、成層燃焼状態とする運転領域である成層燃焼領域のうちの少なくとも高負荷側を、上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域とするように設定する運転領域設定手段を設けるとともに、成層燃焼領域では上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼状態とする一方、均一燃焼領域のうちで成層 燃焼領域に隣接する所定運転領域では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分けて行なう分割噴射とし、この所定運転領域よりも高負荷側では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程のみで行なう吸気行程噴射とするように燃料噴射形態切替手段を構成し、かつ、圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射へ燃料噴射形態が切替わるときに、圧縮行程噴射による一定の噴射量に吸気行程での噴射を加えることにより総燃料噴射量を増量するようにしたものである。
【０００９】
この構成によると、過給を利用して比較的高負荷側まで成層燃焼が行われることにより、燃費改善効果が高められる。しかも、成層燃焼状態から分割噴射を経て吸気行程噴射による均一燃焼状態へ移行することで急激な燃料噴射形態の変動が避けられ、かつ、分割噴射時に圧縮行程での噴射が行われることで着火性が確保され、失火が防止される。
【００１０】
この発明において、理論空燃比よりもリーンな空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを吸着して、理論空燃比もしくはそれよりリッチな空燃比となったときにＮＯｘを還元、除去するようになっている触媒を排気通路に装備するとともに、均一燃焼領域のうちの低負荷側では空燃比を理論空燃比よりもリーンとし、圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射への切替わり時に、空燃比を一時的に理論空燃比もしくはこれよりリッチとなる程度まで変更するようにしておいてもよい（請求項２）。
【００１１】
また、上記過給機をバイパスする過給機バイパス通路に介設された開度変更可能なバイパス開閉弁と、高負荷域への運転状態の移行に伴って上記成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わったときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させることにより空燃比をリッチ方向に変更する過給状態変更手段とを設けること（請求項３）が好ましい。
【００１２】
請求項４に係る発明は、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、低負荷域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ成層燃焼状態とし、高負荷域では均一燃焼状態とするように上記インジェクタからの燃料噴射形態を切替える噴射形態切替手段とを備えるとともに、吸気通路に機械式過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、上記機械式過給機を駆動状態と停止状態とに切替えるクラッチ手段と、成層燃焼領域の中の低負荷側おける第１設定回転数以下の低回転域で過給機停止状態とし、第１設定回転数より高回転側で過給機駆動状態とするように上記クラッチ手段を制御するクラッチ制御手段とを設ける一方、上記第１設定回転数よりも高い第２設定回転数まで成層燃焼領域を設定し、第２設定回転数より高回転側を均一燃焼領域とするとともに、成層燃焼領域において過給機駆動状態とする運転領域ではバイパス開閉弁を全開より小さい開度とし、この領域からエンジン回転数が上昇して第２設定回転数より高回転側となったときにバイパス開閉弁を開作動するように構成したものである。
【００１３】
この構成によると、回転数が上昇したときにもそれに伴って過給機駆動状態及び燃料噴射形態が切替えられ、かつ、その燃料噴射形態切替わり時に失火を防止するとともにトルクショックを低減する作用が得られる。
【００１４】
この発明において、成層燃焼領域では上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼状態とする一方、均一燃焼領域のうちで成層燃焼領域に隣接する所定運転領域では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分けて行なう分割噴射とし、この所定運転領域よりも高負荷側では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程のみで行なう吸気行程噴射とするように燃料噴射形態切替手段を構成しておくこと（請求項５）が好ましい。
【００１５】
上記バイパス開閉弁は電気的な駆動手段により駆動されるようになっているものである こと（請求項６）が好ましく、このようにすると、成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わるときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させる制御が、応答性良く行われる。
【００１６】
また、成層燃焼領域の中で過給機停止状態とする運転領域と過給機駆動状態とする運転領域とはいずれも空燃比が理論空燃比よりもリーンで、かつ、過給機停止状態とする運転領域では過給機駆動状態とする運転領域と比べて空燃比がさらにリーンとなり、両運転領域の境界で空燃比に所定の段差が生じるように設定しておくと（請求項７）、過給機停止状態から過給機駆動状態に切替わったときに空燃比が所定量だけリッチ方向に変化することにより、過給機駆動抵抗によるトルクダウンが補われる。
【００２０】
請求項８に係る発明は、エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、低負荷域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ成層燃焼状態とし、高負荷域では均一燃焼状態とするように上記インジェクタからの燃料噴射形態を切替える噴射形態切替手段とを備えるとともに、吸気通路に過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、上記過給機を機械式過給機とし、成層燃焼状態とする運転領域である成層燃焼領域のうちの高負荷側を、上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域とするように設定する運転領域設定手段と、上記過給機を駆動状態と停止状態とに切替えるクラッチ手段と、成層燃焼領域の中の低負荷側の運転領域で過給機停止状態とするように上記クラッチ手段を制御するクラッチ制御手段と、上記過給機をバイパスする過給機バイパス通路に介設された開度変更可能なバイパス開閉弁と、高負荷域への運転状態の移行に伴って上記成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わったときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させることにより空燃比をリッチ方向に変更する過給状態変更手段とを設けるとともに、成層燃焼領域において過給機駆動状態とする運転領域の中で低負荷高回転側の領域では高負荷低回転側の領域と比べてバイパス開閉弁の開度を大きくしたものである。
【００２１】
この構成によると、過給を利用して比較的高負荷側でも成層燃焼が行われるため燃費改善効果が高められ、また、成層燃焼状態から均一燃焼状態へ切替わったときに、均一燃焼状態でのリーン限界よりもリッチ側まで空燃比が速やかに変化し、失火が防止され、かつ、トルクショックが抑制される。さらに、低負荷側の運転領域で過給機の駆動抵抗による出力ロスが避けられる。また、トルク増大を必要としない低負荷高回転側で過給機の駆動抵抗が低減され、燃費改善に有利となる。
【００２２】
この発明において、上記バイパス開閉弁は電気的な駆動手段により駆動されるようになっているものであること（請求項９）が好ましく、このようにすると、成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わるときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させる制御が、応答性良く行われる。
【００２３】
また、成層燃焼領域の中で過給機停止状態とする運転領域と過給機駆動状態とする運転領域とはいずれも空燃比が理論空燃比よりもリーンで、かつ、過給機停止状態とする運転領域では過給機駆動状態とする運転領域と比べて空燃比がさらにリーンとなり、両運転領域の境界で空燃比に所定の段差が生じるように設定しておくと（請求項１０）、過給機停止状態から過給機駆動状態に切替わったときに空燃比が所定量だけリッチ方向に変化することにより、過給機駆動抵抗によるトルクダウンが補われる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は本発明の一実施形態による過給機付筒内噴射式エンジンを概略的に示したものである。この図において、エンジン本体１は複数の気筒２を有し、その各気筒２には、そのシリンダボアに挿入されたピストン３の上方に燃焼室４が形成されており、この燃焼室４には吸気ポート５及び排気ポート６が開口している。上記吸気ポート５及び各排気ポート６は、吸気弁７及び排気弁８によってそれぞれ開閉されるようになっている。
【００２６】
上記燃焼室４の中央部には点火プラグ９が配設され、そのプラグ先端が燃焼室４内に臨んでいる。また、燃焼室４内には側方からインジェクタ１０の先端部が臨み、このインジェクタ１０から燃焼室４内に直接燃料が噴射されるようになっている。
【００２７】
上記エンジン本体１に対し、吸気通路１１及び排気通路１２が配設され、吸気通路１１の下流端側が吸気ポート５に連通するとともに、排気通路１２の上流端側が排気ポート６に連通している。上記吸気通路１１は、上流側の共通吸気通路１３と、その下流に設けられたサージタンク１４と、このサージタンク１４から気筒別に分岐した独立吸気通路１５とを有している。上記共通吸気通路１３には、エアクリーナ１６、吸入空気量を検出するエアフローメータ１７、スロットル弁駆動用モータ１９により駆動されるスロットル弁１８が設けられるとともに、スロットル弁１８の下流に過給機が設けられ、当実施形態ではリショルム型の機械式過給機２０が設けられている。さらにこの機械式過給機２０の下流にインタークーラ２１が設けられている。
【００２８】
上記機械式過給機２０は、エンジン出力軸によりベルト伝動機構２２を介して駆動されるようになっている。上記ベルト伝動機構２２のプーリと機械式過給機２０との間には、機械式過給機２０への駆動力の伝達を断続する電磁クラッチ２３が設けられている。
【００２９】
さらに吸気通路１１には、機械式過給機２０をバイパスする過給機バイパス通路２４が設けられている。この過給機バイパス通路２４は、一端がスロットル弁１８と機械式過給機２０との間の共通吸気通路１３に接続されるとともに、他端がインタークーラ２１の下流の吸気通路１１に接続されており、この過給機バイパス通路２４の途中にバイパス開閉弁（ＡＢＶ）２５が設けられている。このバイパス開閉弁２５は、電気的な駆動手段である開閉弁駆動モータ２６により駆動されるようになっている。
【００３０】
上記スロットル弁駆動モータ１９及び開閉弁駆動モータ２６はステップモータからなり、これらのモータ１９，２６と上記電磁クラッチ２３が制御ユニット（ＥＣＵ）４０により制御される。また、インジェクタ１０からの燃料噴射時期及び噴射量も制御ユニット４０により運転状態に応じて制御される。この制御ユニット４０には、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサ２７及びエンジン回転数を検出する回転数センサ２８からの各検出信号が入力されるようになっている。
【００３１】
また、上記排気通路１２には、排気ガス浄化用の触媒装置３０が配設されている。この触媒装置３０は、排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を浄化するもので、望ましくは、空燃比が理論空燃比よりもリーンな状態にあるリーン運転時でもＮＯｘ浄化性能を有するような触媒が用いられる。
【００３２】
図２は、図１中に示した制御ユニット４０の構成を示す機能ブロック図である。この図において制御ユニット４０は、噴射形態切替手段４１、燃料噴射量制御手段４２、クラッチ制御手段４３、運転領域設定手段４４及び過給状態変更手段４５を含んでいる。
【００３３】
上記噴射形態切替手段４１は、上記インジェクタ１０からの燃料噴射の形態を切替えることにより、噴射燃料を点火プラグ９付近に偏在させる成層燃焼状態と噴射燃料を燃焼室全体に拡散させる均一燃焼状態とに変更し得るようになっている。すなわち、成層燃焼状態とするときは上記インジェクタ１０から圧縮行程で燃料を噴射させ、均一燃焼状態とするときは上記インジェクタ１０から噴射燃料の全部または一部を吸気行程で噴射させる。そして、後述の図３（ａ）に示すような領域設定に基づき、運転状態に応じた噴射形態の切替制御を行なうようになっている。なお、当明細書では、燃料を吸気行程と圧縮行程とに分けてインジェクタ１０から噴射する分割噴射により弱成層となる状態も均一燃焼状態の中に含ませている。
【００３４】
上記燃料噴射量制御手段４２は、アクセル開度等に応じて噴射パルス幅を演算することによりインジェクタ１０からの燃料噴射量を制御するもので、負荷が高くなるにつれて燃料噴射量を増加させるようになっている。また、後に説明するように、過給機停止状態から過給機駆動状態への切替わり時には燃料噴射量を増量するようになっている。
【００３５】
上記クラッチ制御手段４３は、上記電磁クラッチ２３のＯＮ，ＯＦＦを制御することにより過給機駆動状態と過給機停止状態の切替を行なうもので、後述の図３（ｂ）に示すような領域設定に基づき、運転状態に応じた電磁クラッチ２３のの制御を行なうようになっている。
【００３６】
上記運転領域設定手段４４は、運転状態に応じた噴射形態切替の制御と電磁クラッチ２３の制御とについて予め設定された運転領域のマップを記憶するメモリを有しており、この運転領域設定手段４４において、成層燃焼領域（成層燃焼状態とする運転領域）のうちの少なくとも高負荷側を、上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域とするように設定されている。
【００３７】
具体的には図３（ａ）（ｂ）に示すように運転領域のマップが設定されており、この図では縦軸を負荷（例えば平均有効圧力Ｐｅ）、横軸をエンジン回転数Ｎｅとして示している。すなわち、電磁クラッチ２３の制御のための領域設定としては、図３（ｂ）に示すように、第１設定負荷Ｐ１以下で且つ第１設定回転数Ｎ１以下の低負荷低回転領域ＣがクラッチＯＦＦの領域とされ、上記第１設定負荷Ｐ１より高負荷側及び上記第１設定回転数Ｎ１より高回転側の領域ＤがクラッチＯＮの領域とされる。上記第１設定負荷Ｐ１はスロットル弁下流の吸気圧力が大気圧となる負荷（一点鎖線）の近傍とされている。
【００３８】
噴射形態切替の制御のための領域設定としては、図３（ａ）に示すように、第２設定負荷Ｐ２以下で且つ第２設定回転数Ｎ２以下の領域Ａが成層燃焼領域とされ、上記第２設定負荷Ｐ２より高負荷側及び上記第２設定回転数Ｎ２より高回転側の領域Ｂが均一燃焼領域とされている。上記第２設定負荷Ｐ２は第１設定負荷よりＰ１よりも高く、成層燃焼領域Ａのうちの高負荷側は上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域となるように設定されている。また、上記第２設定回転数Ｎ２は第１設定回転数Ｎ１よりも高く、成層燃焼領域Ａのうちで第１設定回転数Ｎ１より高回転側では過給機駆動状態とされるようになっている。
【００３９】
上記均一燃焼領域Ｂのうち、第３設定負荷Ｐ３以下で且つ第３設定回転数Ｎ３以下の領域（成層燃焼領域Ａに隣接する領域）Ｂ１は分割噴射を行なう領域とされ、それ以外の領域Ｂ２，Ｂ３が吸気行程噴射を行なう領域とされている。
【００４０】
また、空燃比も図３（ａ）に示すマップの各運転領域に応じて次のように設定されている。すなわち、成層燃焼領域Ａでは理論空燃比と比べて大幅なリーン（例えば４０程度）とされ、均一燃焼領域のうちの分割噴射領域Ｂ１と、吸気行程噴射領域のうちの第４設定負荷Ｐ４以下で且つ第４設定回転数Ｎ４以下の領域Ｂ２では均一燃焼状態でのリーン限界を越えない程度のリーン（例えば１７〜２０）とされ、第４設定負荷Ｐ４より高負荷側及び第４設定回転数Ｎ４より高回転側の領域Ｂ３では理論空燃比もしくはそれよりリッチ（λ≦１）とされている。なお、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４、Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３＜Ｎ４である。
【００４１】
上記過給状態変更手段４５は、モータ２６を介してバイパス開閉弁２５を制御するものであり、後に詳述するように、成層燃焼領域Ａ内で過給機駆動状態とされる領域では負荷に応じて過給を行なわせるべくバイパス開閉弁２５の開度を全開よりも小さくし、成層燃焼状態から均一燃焼状態に切替わったときは一時的に過給バイパス量（過給バイパス通路２４の流量）を増大させるべくバイパス開閉弁２５の開度を大きくする。さらに、均一燃焼状態に切替わった後は、負荷の上昇につれてバイパス開閉弁２５の開度を小さくするようになっている。
【００４２】
以上のような当実施形態の過給機付筒内噴射式エンジンの動作を、図４及び図５を参照しつつ説明する。
【００４３】
図４は低回転低負荷からのエンジン負荷の上昇に応じた動作を示している。この図に示すように、低負荷低回転側の過給機停止領域Ｃでは、電磁クラッチ２３がＯＦＦとされることにより機械式過給機２０が停止状態とされるとともに、上記インジェクタ１０から圧縮行程で燃料が噴射されることにより成層燃焼が行われ、空燃比は例えば４０程度のリーンとなるように吸入空気量及びインジェクタ１０からの燃料噴射量がコントロールされる。そして、負荷が上昇するにつれて負荷に見合うように次第に燃料噴射量が増加するが、第１設定負荷Ｐ１に達するまではスロットル弁１８等で吸入空気量が調整されることにより大幅なリーン状態が保たれつつ成層燃焼が行われる。これにより、燃焼効率が高められるとともにポンピングロスが低減され、燃費が改善される。
【００４４】
エンジン負荷が第１設定負荷Ｐ１を越えると、電磁クラッチ２３がＯＮに切替わって機械式過給機２０が駆動状態になるが、第２設定負荷Ｐ２に達するまでは成層燃焼状態が維持される。当実施形態では、過給機駆動状態に切替わったときに、燃料噴射量が増量されることにより、過給機駆動抵抗によるトルクダウンが補われ、このときのトルクショックが防止される。このときに、燃料増量に見合うだけ過給量を増加させるべくバイパス開閉弁２５の開度は全開から所定量小さくされ、さらに、成層燃焼領域内で負荷の上昇に伴う燃料噴射量の増加に見合うようにバイパス開閉弁２５の開度が次第に小さくされることで過給量が増加され、空燃比は４０程度のリーンな状態に保たれる。
【００４５】
このようにして、第２設定負荷Ｐ２までの、過給が行われる領域も含めた広い運転領域で、大幅なリーン状態での成層燃焼が行われることにより、燃費改善効果が高められる。
【００４６】
上記第２設定負荷Ｐ２を越えたときは、圧縮行程噴射による成層燃焼から均一燃焼へ燃料噴射形態が切替えられ、当実施形態では分割噴射による弱成層状態へ切替えられる。このとき、バイパス開閉弁２５の開度が大きくされることにより、過給バイパス量が増加し、過給量が減少する。これよって空燃比はリッチ方向に変化し、例えば１７〜２０程度とされることにより、均一燃焼状態でも燃焼安定性が確保され、失火が防止される。この場合に、バイパス開閉弁２５が電気的な駆動手段であるモータ２６により駆動されるようになっているので、その作動が応答性良く行われ、速やかに空燃比が変化する。また、このように過給量の調節により空燃比は変化するがトルクが大きく変動することはなく、トルクショックが低減される。
【００４７】
この切替わり時に、燃料噴射量は実線のように負荷に応じてリニアに変化する状態に保ってもよいが、燃焼効率が多少低下する分を見込んで破線のように多少増量してもよい。とくに、当実施例のように圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射による弱成層状態へ切替えられる場合、圧縮行程での噴射量は成層燃焼時と同程度に保ちつつ、吸気行程での噴射を追加することで燃料を増量すれば、着火性が確保されて失火が確実に防止されるとともに、燃料噴射量の制御が容易になる。そして、燃焼形態は負荷の上昇に応じて成層燃焼状態から分割噴射による弱成層状態を経て吸気行程噴射による均一燃焼状態に移行するようになっているので、燃焼形態が大きく急変することがなく、スムーズに均一燃焼状態に移行する。
【００４８】
上記第２設定負荷Ｐ２を越えてからさらに負荷が上昇した場合、弱成層状態とされる領域を含む均一燃焼領域内の低負荷側の領域では、負荷が高くなるにつれて燃料噴射量が増加されるとともにバイパス開閉弁２５の開度が次第に小さくされて過給空気量が増加されることで空燃比が適度のリーンに保たれる。また、バイパス開閉弁２５が全閉となって最大過給状態に達した後は、負荷に応じた燃料の増加により空燃比が次第にリッチ方向に変化する。このように均一燃焼領域でも、過給を利用して可能な限り高負荷側までリーン状態とされることにより燃費が改善されるとともに、出力性能も満足される。
【００４９】
また、図５は低回転低負荷からのエンジン回転数の上昇に応じた動作を示している。この図のように、低負荷側においてエンジン回転数が変化する場合、第１設定回転数Ｎ１以下の過給機停止領域Ｃでは電磁クラッチ２３がＯＦＦとされることにより過給機停止状態とされるとともに、圧縮行程噴射による成層燃焼が行われ、第１設定回転数Ｎ１を越えると電磁クラッチ２３がＯＮとされることにより過給機駆動状態に切替えられ、かつ、成層燃焼状態が維持される。
【００５０】
そして過給機駆動状態への切替時にはバイパス開閉弁２５が全開より小さい開度にされてある程度過給が行われるとともにそれに応じて燃料噴射量が調整され、第２設定回転数Ｎ２に達するまでこのような制御状態とされる。この場合、低負荷高回転側では大きなトルクを必要としないので、高負荷低回転側の領域と比べ、バイパス開閉弁２５の開度を大きくすることで過給量を比較的少なくし、過給機駆動抵抗を小さくすることが望ましい。
【００５１】
上記第２設定回転数Ｎ２を越えると、均一燃焼状態（当実施形態では分割噴射による弱成層状態）に切替えられるとともに、バイパス開閉弁２５が全開状態に戻されることにより空燃比がリッチ方向に変更される。
【００５２】
こうして、エンジン回転数が上昇したときにもそれに伴って過給機駆動状態及び燃料噴射形態が切替えられ、かつ、その燃料噴射形態切替わり時に失火を防止するとともにトルクショックを低減する作用が得られる。
【００５３】
なお、図４中に示すような制御動作において、成層燃焼状態から均一燃焼状態に切替わるときに、同図に二点鎖線で示すようにバイパス開閉弁２５を大きく開くこと等により空燃比を一時的にλ≦１となるまでリッチ化させるようにしてもよい。あるいは、分割噴射における吸気行程での噴射による噴射量の増量によってこのように空燃比をリッチ化させてもよい。このようにするのは、排気通路中の触媒装置３０が、理論空燃比よりもリーンな空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを吸着して、理論空燃比もしくはそれよりリッチな空燃比となったときにＨＣ、ＣＯとの反応によりＮＯｘを還元、除去するような吸着型のＮＯｘ触媒を用いたものである場合に、その浄化性能を維持するためである。
【００５４】
すなわち、上記吸着型のＮＯｘ触媒は、理論空燃比よりリーンな状態が長時間続くとＮＯｘ吸着量が飽和して浄化能力が低下するが、上記のように均一燃焼状態への切替わり時に一時的にλ≦１となるまでリッチ化すれば、上記触媒の浄化能力が回復されることとなる。
【００５５】
図６は空燃比の制御の別の実施形態を示している。この実施例形態でも、燃料噴射形態の切替制御のためのマップ及び電磁クラッチ２３の切替制御のためのマップは図３（ａ）（ｂ）のように設定されており、第１設定負荷Ｐ１以下の低負荷域では過給機停止状態で成層燃焼が行われる。そしてこの状態では空燃比が例えば４０程度の大幅なリーンとされる。
【００５６】
第１設定負荷Ｐ１から第２設定負荷Ｐ２までの領域では、過給機駆動状態で成層燃焼が行われるが、当実施形態ではこの領域での空燃比が、理論空燃比と比べるとリーンであるが過給機停止状態での成層燃焼時よりはリッチとされている。このようにしているのは、過給によりリーン状態を高めようとすると過給機駆動抵抗が増大するため、ある程度以上はリーン化しても燃費改善効果が得られなくなるからである。また、このように過給機駆動状態と過給機停止状態とで空燃比に段差をもたせておけば、過給機駆動状態への切替わり時の過給機駆動抵抗によるトルクダウンの抑制にも有効である。
【００５７】
なお、上記実施形態では過給機として機械式過給機を用いているが、ターボ過給機を用いてもよい。この場合、電磁クラッチは有せず、低負荷低回転時に電磁クラッチをＯＦＦにして過給機停止状態とするというような制御は行われないが、成層燃焼状態と均一燃焼状態とを切替える制御及び過給機バイパス通路のバイパス開閉弁の制御は上記実施形態と同様に行なうようにすればよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、成層燃焼領域のうちの少なくとも高負荷側を過給運転領域とし、過給運転領域を含む成層燃焼領域では上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼状態とする一方、均一燃焼領域のうちで成層燃焼領域に隣接する所定運転領域では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分けて行なう分割噴射とし、この所定運転領域よりも高負荷側では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程のみで行なう吸気行程噴射とするように燃料噴射形態切替手段を構成し、かつ、圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射へ燃料噴射形態が切替わるときに、圧縮行程噴射による一定の噴射量に吸気行程での噴射を加えることにより総燃料噴射量を増量するようにしているため、過給を利用して比較的高負荷側まで成層燃焼を行うことで燃費改善効果を高め、しかも、成層燃焼状態から分割噴射を経て吸気行程噴射による均一燃焼状態へ移行することで急激な燃料噴射形態の変動を避け、かつ、分割噴射時に圧縮行程での噴射を行うことで着火性を確保し、失火を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による過給機付筒内噴射式エンジンの全体図である。
【図２】 制御ユニットの機能ブロック図である。
【図３】 （ａ）は燃料噴射形態の制御のための運転領域のマップを示す図、（ｂ）は過給機の駆動、停止の制御のための運転領域のマップを示す図である。
【図４】 エンジン負荷に応じた電磁クラッチ、バイパス開閉弁、空燃比及び燃料噴射量の変化を示す図である。
【図５】 エンジン回転数に応じたバイパス開閉弁の開度の変化を示す図である。
【図６】 別の実施形態による空燃比変化を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
４ 燃焼室
９ 点火プラグ
１０ インジェクタ
１５ 吸気通路
２０ 機械式過給機
２３ 電磁クラッチ
２４ 過給機バイパス通路
２５ バイパス開閉弁
３０ 触媒装置
４０ 制御ユニット
４１ 噴射形態切替手段
４３ クラッチ制御手段
４４ 運転領域設定手段
４５ 過給状態変更手段
Claims (10)
- エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、低負荷域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ成層燃焼状態とし、高負荷域では均一燃焼状態とするように上記インジェクタからの燃料噴射形態を切替える噴射形態切替手段とを備えるとともに、吸気通路に過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、成層燃焼状態とする運転領域である成層燃焼領域のうちの少なくとも高負荷側を、上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域とするように設定する運転領域設定手段を設けるとともに、成層燃焼領域では上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼状態とする一方、均一燃焼領域のうちで成層燃焼領域に隣接する所定運転領域では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分けて行なう分割噴射とし、この所定運転領域よりも高負荷側では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程のみで行なう吸気行程噴射とするように燃料噴射形態切替手段を構成し、かつ、圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射へ燃料噴射形態が切替わるときに、圧縮行程噴射による一定の噴射量に吸気行程での噴射を加えることにより総燃料噴射量を増量するようにしたことを特徴とする過給機付筒内噴射式エンジン。
- 理論空燃比よりもリーンな空燃比のときに排気ガス中のＮＯｘを吸着して、理論空燃比もしくはそれよりリッチな空燃比となったときにＮＯｘを還元、除去するようになっている触媒を排気通路に装備するとともに、均一燃焼領域のうちの低負荷側では空燃比を理論空燃比よりもリーンとし、圧縮行程噴射による成層燃焼状態から分割噴射への切替わり時に、空燃比を一時的に理論空燃比もしくはこれよりリッチとなる程度まで変更するようにしたことを特徴とする請求項１記載の過給機付筒内噴射式エンジン。
- 上記過給機をバイパスする過給機バイパス通路に介設された開度変更可能なバイパス開閉弁と、高負荷域への運転状態の移行に伴って上記成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わったときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させることにより空燃比をリッチ方向に変更する過給状態変更手段とを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の過給機付筒内噴射式エンジン。
- エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、低負荷域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ成層燃焼状態とし、高負荷域では均一燃焼状態とするように上記インジェクタからの燃料噴射形態を切替える噴射形態切替手段とを備えるとともに、吸気通路に機械式過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、上記機械式過給機を駆動状態と停止状態とに切替えるクラッチ手段と、成層燃焼領域の中の低負荷側おける第１設定回転数以下の低回転域で過給機停止状態とし、第１設定回転数より高回転側で過給機駆動状態とするように上記クラッチ手段を制御するクラッチ制御手段とを設ける一方、上記第１設定回転数よりも高い第２設定回転数まで成層燃焼領域を設定し、第２設定回転数より高回転側を均一燃焼領域とするとともに、成層燃焼領域において過給機駆動状態とする運転領域ではバイパス開閉弁を全開より小さい開度とし、この領域からエンジン回転数が上昇して第２設定回転数より高回転側となったときにバイパス開閉弁を開作動するように構成したことを特徴とする過給機付筒内噴射式エンジン。
- 成層燃焼領域では上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼状態とする一方、均一燃焼領域のうちで成層燃焼領域に隣接する所定運転領域では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程と圧縮行程とに分けて行なう分割噴射とし、この所定運転領域よりも高負荷側では上記インジェクタからの燃料噴射を吸気行程のみで行なう吸気行程噴射とするように燃料噴射形態切替手段を構成したことを特徴とする請求項４記載の過給機付筒内噴射式エンジン。
- 上記バイパス開閉弁は電気的な駆動手段により駆動されるようになっているものであることを特徴とする請求項４または５記載の過給機付筒内噴射式エンジン。
- 成層燃焼領域の中で過給機停止状態とする運転領域と過給機駆動状態とする運転領域とはいずれも空燃比が理論空燃比よりもリーンで、かつ、過給機停止状態とする運転領域では過給機駆動状態とする運転領域と比べて空燃比がさらにリーンとなり、両運転領域の境界で空燃比に所定の段差が生じるように設定したことを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の過給機付筒内噴射式エンジン。
- エンジンの燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタと、低負荷域では燃焼室全体の空燃比を理論空燃比よりもリーンとしつつ成層燃焼状態とし、高負荷域では均一燃焼状態とするように上記インジェクタからの燃料噴射形態を切替える噴射形態切替手段とを備えるとともに、吸気通路に過給機を設けた過給機付筒内噴射式エンジンにおいて、上記過給機を機械式過給機とし、成層燃焼状態とする運転領域である成層燃焼領域のうちの高負荷側を、上記過給機の作動により吸気圧力が大気圧以上となる過給運転領域とするように設定する運転領域設定手段と、上記過給機を駆動状態と停止状態とに切替えるクラッチ手段と、成層燃焼領域の中の低負荷側の運転領域で過給機停止状態とするように上記クラッチ手段を制御するクラッチ制御手段と、上記過給機をバイパスする過給機バイパス通路に介設された開度変更可能なバイパス開閉弁と、高負荷域への運転状態の移行に伴って上記成層燃焼状態から均一燃焼状態へ燃料噴射形態が切替わったときに一時的に過給バイパス通路の流量を増大させることにより空燃比をリッチ方向に変更する過給状態変更手段とを設けるとともに、成層燃焼領域において過給機駆動状態とする運転領域の中で低負荷高回転側の領域では高負荷低回転側の領域と比べてバイパス開閉弁の開度を大きくしたことを特徴とする過給機付筒内噴射式エンジン。
- 上記バイパス開閉弁は電気的な駆動手段により駆動されるようになっているものであることを特徴とする請求項８記載の過給機付筒内噴射式エンジン。
- 成層燃焼領域の中で過給機停止状態とする運転領域と過給機駆動状態とする運転領域とはいずれも空燃比が理論空燃比よりもリーンで、かつ、過給機停止状態とする運転領域では過給機駆動状態とする運転領域と比べて空燃比がさらにリーンとなり、両運転領域の境界で空燃比に所定の段差が生じるように設定したことを特徴とする請求項８または９記載の過給機付筒内噴射式エンジン。
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