JP4269895B2 - 内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射弁を備える内燃機関を均質燃焼領域において運転する場合における内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法に関する。

気筒内に直接燃料を噴射して点火する、いわゆる直噴の内燃機関は、圧縮行程中に気筒内へ直接燃料を噴射して、いわゆる成層燃焼を実現させて運転することにより、燃費を向上させるとともに、ＣＯ₂の排出量を低減させることができる。また、直噴の内燃機関は、吸入行程中に気筒内へ直接燃料を噴射して気筒内へ燃料を拡散させて燃焼させる、いわゆる均質燃焼の下で運転することもできる。これにより、直噴の内燃機関を均質燃焼領域で運転する際に高出力を得ることもできる。このような利点から、近年、直噴の火花点火式内燃機関が注目されており、実用化されている。

特許文献１には、均質燃焼で運転される場合において、吸気行程中に筒内噴射弁から燃料を噴射するとともに、少なくとも機関回転数が低回転のときには必要な燃料を複数回に分割して噴射することにより、スモークの発生を抑制する筒内噴射式の火花点火機関が開示されている。

特開平７−１１９５０７号公報

しかし、特許文献１に開示されたように、吸気行程中において複数回に分割して気筒内へ燃料を噴射する場合、燃料噴射の時期によっては燃料の拡散が不均一となって、内燃機関のトルクを減少させる場合もある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、均質燃焼時において、筒内に噴射された燃料の拡散不均一を抑制して、内燃機関のトルク低下を抑制できる内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上述の目的を達成するために鋭意研究した結果、特に頂部にキャビティを設けたピストンを備える内燃機関においては、吸気行程のある範囲で筒内噴射弁から噴射した燃料はキャビティの壁面に衝突し、キャビティの底面へ巻き込むように拡散することを見出した。そして、これにより、気筒内へ噴射した燃料は底面に偏在し、気筒内に導入された空気と十分に混合されず、内燃機関のトルク低下を招くことを見出した。本発明はかかる観点から完成されたものである。

上述の目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、筒内噴射弁と、側壁を有するキャビティが形成されたピストンとを備える内燃機関を制御するものであり、前記内燃機関の燃焼が均質燃焼領域か否かを判定する燃焼判定部と、均質燃焼領域である場合、前記筒内噴射弁から噴射される燃料が前記キャビティの側壁に衝突する期間においては、前記筒内噴射弁からの燃料噴射を禁止する噴射時期決定部と、を含んで構成されることを特徴とする。

このような構成により、この内燃機関の制御装置では、筒内噴射した燃料がピストンの側壁へ衝突するおそれを効果的に低減できる。これにより、気筒内に噴射された燃料の拡散不均一を抑制して、均質燃焼時において、キャビティを有するピストンを備える内燃機
関のトルク低下を抑制することができる。

また、次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、前記筒内噴射弁から噴射される燃料が前記キャビティの側壁に衝突する期間は、点火上死点前２６０度以上点火上死点前３００度以下の範囲であることを特徴とする。

このような範囲で筒内噴射弁からの燃料噴射を禁止すれば、筒内噴射した燃料がピストンの側壁へ衝突するおそれを効果的に低減できる。これにより、気筒内に噴射された燃料の拡散不均一を抑制して、均質燃焼時において、キャビティを有するピストンを備える内燃機関のトルク低下を抑制することができる。

また、次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、前記噴射時期決定部は、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも遅角側で燃料を噴射させる第１の噴射形態と、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも進角側で燃料を噴射させる第２の噴射形態とを選択できるとともに、前記内燃機関の機関回転数が所定の回転数よりも低い場合には前記第１の噴射形態を選択し、前記機関回転数が前記所定の回転数よりも高い場合には前記第２の噴射形態を選択して、前記筒内噴射弁から燃料を噴射させることを特徴とする。

このように、筒内噴射した燃料がピストンの側壁へ衝突する期間を避けて筒内噴射するので、筒内に噴射された燃料の拡散不均一を抑制できる。その結果、均質燃焼時において、キャビティを有するピストンを備える内燃機関のトルク低下を抑制することができる。さらに、本発明では、機関回転数に応じて筒内噴射弁による燃料噴射時期を変化させるので、空気冷却によるトルク向上効果と、燃料と空気との混合促進によるトルク向上効果とを有効に利用できる。その結果、内燃機関のトルクを向上させることができる。

また、次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、噴射時期決定部は、前記内燃機関の機関回転数が前記所定の回転数以上になったときに、前記筒内噴射弁の噴射形態を前記第１の噴射形態から前記第２の噴射形態に切り替えるとともに、噴射形態を切り替えるときには、前記第１の噴射形態と前記第２の噴射形態との両方により前記筒内噴射弁から燃料を噴射させることを特徴とする。

このような構成により、筒内に噴射された燃料の拡散不均一を抑制して、均質燃焼時において、キャビティを有するピストンを備える内燃機関のトルク低下を抑制できる。さらに、本発明では、筒内噴射弁の燃料噴射時期を切り替えるにあたっては、吸気上死点付近と吸気下死点付近との２回に分割して、所定の期間、筒内噴射弁から気筒内へ燃料を噴射する。これにより、筒内噴射弁の燃料噴射時期切替に起因するノッキングの発生を抑制できるとともに、燃料噴射時期切替時における円滑なトルク変化特性を実現できる。

また、次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、噴射形態を切り替えるときには、前記第１の噴射形態と前記第２の噴射形態との両方をそれぞれ所定回数用いることを特徴とする。

このように、前記第１の噴射形態と前記第２の噴射形態との両方をそれぞれ所定回数用いれば、滑らかに筒内噴射弁の燃料噴射時期を切り替えることができる。

また、次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、前記内燃機関に対して噴射する全燃料噴射量が所定量以上となった場合に、前記第１の噴射形態と前記第２の噴射形態との両方を用いることを特徴とする。

内燃機関に対する全燃料噴射量は、燃料噴射時期切替に起因するノッキングやトルク変動と相関が強い。したがって、前記全燃料噴射量を用いれば、燃料噴射時期の切替時において、第１の噴射形態と第２の噴射形態との両方をそれぞれ所定回数用いるか否かを判定する精度が向上する。

また、次の本発明に係る内燃機関の制御方法は、筒内噴射弁と、側壁を有するキャビティが形成されたピストンとを備える内燃機関を制御するにあたり、前記内燃機関の燃焼が均質燃焼領域か否かを判定する手順と、均質燃焼領域である場合、前記筒内噴射弁から噴射される燃料が前記キャビティの側壁に衝突する期間においては、前記筒内噴射弁からの燃料噴射を禁止する手順と、を含むことを特徴とする。

このような構成により、筒内噴射した燃料がピストンの側壁へ衝突するおそれを効果的に低減できる。これにより、気筒内に噴射された燃料の拡散不均一を抑制して、均質燃焼時において、キャビティを有するピストンを備える内燃機関のトルク低下を抑制することができる。

また、次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の機関回転数が所定の回転数よりも低い場合には、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも遅角側で前記筒内噴射弁が燃料を噴射し、前記機関回転数が前記所定の回転数よりも高い場合には、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも進角側で前記筒内噴射弁が燃料を噴射することを特徴とする。

このように、筒内噴射した燃料がピストンの側壁へ衝突する期間を避けて筒内噴射するので、筒内に噴射された燃料の拡散不均一を抑制できる。その結果、均質燃焼時において、キャビティを有するピストンを備える内燃機関のトルク低下を抑制することができる。さらに、本発明では、機関回転数に応じて筒内噴射弁による燃料噴射時期を変化させるので、空気冷却によるトルク向上効果と、燃料と空気との混合促進によるトルク向上効果とを有効に利用できる。その結果、内燃機関のトルクを向上させることができる。

また、次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、前記所定の回転数よりも低い機関回転数から前記所定の回転数よりも高い機関回転数へ移行する際の所定期間は、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも進角側と遅角側との両方で前記筒内噴射弁が燃料を噴射することを特徴とする。

このような構成により、筒内に噴射された燃料の拡散不均一を抑制して、均質燃焼時において、キャビティを有するピストンを備える内燃機関のトルク低下を抑制できる。さらに、本発明では、筒内噴射弁の燃料噴射時期を切り替えるにあたっては、吸気上死点付近と吸気下死点付近との２回に分割して、筒内噴射弁から気筒内へ燃料を噴射する。これにより、筒内噴射弁の燃料噴射時期切替に起因するノッキングの発生を抑制できるとともに、燃料噴射時期切替時における円滑なトルク変化特性を実現できる。

また、次の本発明に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の制御装置において、前記内燃機関に対して噴射する全燃料噴射量が所定量以上となった場合に、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも進角側と遅角側との両方で筒内噴射弁が燃料を噴射することを特徴とする。

内燃機関に対する全燃料噴射量は、燃料噴射時期切替に起因するノッキングやトルク変動と相関が強い。したがって、前記全燃料噴射量を用いれば、燃料噴射時期の切替時において、第１の噴射形態と第２の噴射形態との両方をそれぞれ所定回数用いるか否かを判定する精度が向上する。

以上説明したように、この発明に係る内燃機関の制御装置及び内燃機関の制御方法によれば、均質燃焼時において、筒内に噴射された燃料の拡散不均一を回避して、内燃機関のトルク低下を抑制できる。

以下、本発明の実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、本発明はレシプロ式の内燃機関に対して好適に適用でき、特に乗用車やバス、あるいはトラック等の車両に搭載される内燃機関に対して好ましい。

実施例１の本発明に係る内燃機関の制御装置は、筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁を備えるとともに、ピストン頂部にキャビティが形成されている内燃機関の制御に用いられるものである。そして、実施例１の本発明に係る内燃機関の制御装置及び制御方法は、均質燃焼領域で前記内燃機関が運転される場合、前記筒内噴射弁から噴射される燃料が前記キャビティの側壁に衝突する期間においては、前記筒内噴射弁からの燃料噴射を禁止する点に特徴がある。

図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関の制御装置により内燃機関を制御する場合の一例を示す概念図である。内燃機関の制御装置１０の制御対象である内燃機関１はガソリンを燃料としたレシプロ式の内燃機関であり、気筒１ｓ内に燃料Ｆを噴射する筒内噴射弁２を備える。そして、筒内噴射弁２により、内燃機関１へ燃料Ｆを供給する。このように、内燃機関１は、筒内噴射弁２により直接気筒１ｓ内へ燃料Ｆを筒内噴射する、いわゆる直噴の内燃機関である。なお、本発明は、吸気通路４内に燃料を噴射するポート噴射弁３（図１では点線で示す）をさらに備える内燃機関に対しても適用することができる。

吸気通路４から気筒１ｓ内に導入される空気は、筒内噴射弁２から噴射される燃料Ｆと混合気を形成し、この混合気が点火プラグ７で着火されて燃焼する。混合気の燃焼圧力はピストン５に伝えられ、ピストン５を往復運動させる。ピストン５の往復運動はクランク軸６で回転運動に変換されて、内燃機関１の出力として取り出される。クランク軸６にはクランク角センサ４１が取り付けられており、クランク角センサ４１の出力をＥＣＵ（Engine Control Unit）３０が取得して、筒内噴射弁２に燃料を噴射させる時期の制御に使用する。

ＥＣＵ３０は、アクセル開度センサ４２、エアフローセンサ４３、その他の各種センサ類からの出力等の出力を取得して、内燃機関１の運転を制御する。また、この実施例において、本発明に係る内燃機関の制御装置１０はＥＣＵ３０に接続されており、本発明に係る内燃機関の制御方法を実現するにあたっては、ＥＣＵ３０が備える内燃機関１の制御機能機能を利用できるように構成されている。

この内燃機関１が備えるピストン５は、ピストン頂部５ｔにキャビティ５ｃが形成されている。このキャビティ５ｃは、側壁５ｃｗと底面５ｃｕとを有する。成層燃焼時においては、圧縮行程でピストン５が点火上死点近傍に位置したときに、筒内噴射弁２からキャビティ５ｃへ向かって燃料を噴射する。これにより、点火プラグ７近傍に燃料の濃い混合気を形成して、成層燃焼時においても、安定して燃料を燃焼させることができる。

図２−１は、吸気下死点付近で筒内に燃料を噴射した場合における燃料の拡散状態を示
す説明図である。図２−２は、吸気上死点付近で筒内に燃料を噴射した場合における燃料の拡散状態を示す説明図である。図２−３は、ＢＴＤＣ２６０度〜３００度で筒内に燃料を噴射した場合における燃料の拡散状態を示す説明図である。また、図３は、機関回転数と燃料噴射時期との関係を示す説明図である。気筒１ｓ内への燃料噴射時期は、点火上死点を０度としたときのクランク角ＣＡで表す。また、気筒１ｓ内への燃料噴射時期は、ＢＴＤＣ（Before Top Death Center：上死点前）で表し、このときの上死点は点火上死点である。図２−１〜図２−３は、いずれも均質燃焼領域における気筒内の状態を表しており、以下の説明は均質燃焼領域が前提である。そして、均質燃焼領域では吸気行程で気筒１ｓ内へ燃料を噴射する。

図２−１に示すように、吸気下死点付近（図３に示すＢゾーン）で筒内噴射弁２により気筒１ｓ内へ燃料を噴射した場合、燃料の噴霧５０は、ピストン５に形成されるキャビティ５ｃの外であって排気弁４７側のピストン頂部５ｔへ向かって噴射される。そして、気筒１ｓの内壁１ｓｗに沿ってシリンダヘッド１ｓｈに向かって拡散する。この場合には、気筒１ｓ内において燃料の噴霧５０が拡散する空間を大きくとることができるので、機関回転数ＮＥが比較的低い領域においては燃料と空気とが十分に混合される。その結果、燃料の気化潜熱による空気冷却効果を有効に利用して、空気の充填効率を向上させることにより、内燃機関１のトルクを向上させることができる。一方、燃料の噴射から点火までの時間は短くなるので、機関回転数ＮＥが大きくなると、燃料と空気との混合が不十分になりやすい。したがって、吸気下死点付近、すなわち図３に示すＢゾーンでの燃料噴射は、機関回転数ＮＥが低回転から中回転、より具体的には機関回転数ＮＥが４０００ｒｐｍ（Revolution Per Minute）前後までとすることが好ましい。

次に、図２−２に示すように、吸気上死点付近（図３に示すＡゾーン）で筒内噴射弁２により気筒１ｓ内へ燃料を噴射した場合、燃料の噴霧５０は、ピストン５のキャビティ５ｃ内へ噴射される。そして、底面５ｃｕを通って側壁５ｃｗに沿って拡散していく。ここで、側壁５ｃｗは、排気弁４７側の壁面であり、燃料の噴霧５０の進行方向側に位置する壁面である。この場合には、気筒１ｓ内において燃料の噴霧５０が拡散する空間を大きくとることができず、また、燃料の噴霧５０の拡散時間も十分に確保できない。しかし、燃料噴射から点火までの時間を確保することができるので、燃料噴射後における燃料と空気との混合を促進することができる。ここで、機関回転数ＮＥが大きい場合、内燃機関１のトルクを向上させるためには燃料と空気との混合を促進させることが効果的である。したがって、機関回転数ＮＥが高回転域（ＮＥが４０００ｒｐｍ前後以上）においては、吸気上死点付近、すなわち図３に示すＡゾーンで燃料を噴射することが好ましい。これにより、高回転域において、内燃機関１のトルクを向上させることができる。

一方、図２−３に示すように、クランク角ＣＡがＢＴＤＣ２６０度以上ＢＴＤＣ３００度以下で気筒１ｓ内に燃料を噴射した場合、燃料の噴霧５０はピストン５のキャビティ５ｃの側壁５ｃｗに衝突し、底面５ｃｕへ巻き込むように拡散する。これにより、気筒１ｓ内へ噴射した燃料の噴霧５０はピストン５の底面５ｃｕに偏在し、気筒１ｓ内に導入された空気と十分に混合されない。その結果、内燃機関１のトルク低下を招いてしまう。このため、ピストン５にキャビティ５ｃが形成されている場合、クランク角ＣＡがＢＴＤＣ２６０度以上３００度以下の領域、すなわち図３の燃料噴射禁止ゾーン（Ｃゾーン）においては、気筒１ｓ内への燃料噴射を禁止する。

実施例１の本発明では、燃料が側壁５ｃｗへ衝突して、燃料と空気との混合が悪化する領域での燃料噴射を禁止する。これにより、実施例１の本発明では、キャビティ５ｃへの燃料衝突に起因する燃料の拡散不均一を抑制できるので、キャビティ５ｃを有するピストン５を備える内燃機関１のトルク低下を抑制することができる。

さらに、実施例１の本発明においては、機関回転数ＮＥに応じて筒内噴射弁２による気筒１ｓ内への燃料噴射時期を切り替える。より具体的には、機関回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥｃよりも低い場合には、吸気下死点付近（図３のＢゾーン）で筒内噴射弁２から燃料を噴射し、機関回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥｃよりも大きい場合には、吸気上死点付近（図３のＡゾーン）で筒内噴射弁２から燃料を噴射するように切り替える。

すなわち、所定の回転数ＮＥｃと機関回転数ＮＥとに基づき、筒内噴射弁２による燃料の噴射が禁止される期間（図３のＣゾーン）を避けて、吸気上死点側（Ｃゾーンを基準に進角側）と吸気下死点側（Ｃゾーンを基準に遅角側）とで筒内噴射弁２から燃料を噴射する。これにより、機関回転数ＮＥに応じて異なる、空気冷却によるトルク向上効果と、燃料と空気との混合促進によるトルク向上効果とを効果的に利用して、内燃機関１のトルクを向上させることができる。

ここで、吸気上死点付近とは、クランク角ＣＡがＢＴＤＣ３００度以上ＢＴＤＣ３６０度以下の範囲であり、吸気下死点付近とは、クランク角ＣＡがＢＴＤＣ１８０度以上ＢＴＤＣ２６０度以下の範囲である。また、本発明でいう第１の噴射形態とは、筒内噴射弁２からの燃料噴射が禁止される期間（図３のＣゾーン）よりも遅角側で燃料を噴射させる噴射形態であり、吸気下死点付近（図３のＢゾーン）で筒内噴射弁２から燃料を噴射することを意味する。また、本発明でいう第２の噴射形態とは、筒内噴射弁２からの燃料噴射が禁止される期間（図３のＣゾーン）よりも進角側で燃料を噴射させる噴射形態であり、吸気上死点付近（図３のＡゾーン）で筒内噴射弁２から燃料を噴射することを意味する。

また、筒内噴射弁２による気筒１ｓ内への燃料噴射時期を、吸気下死点付近から吸気上死点付近へ切り替えるとき、所定の回転数ＮＥｃを超えると同時に燃料噴射時期を切り替えると、次のような問題が発生する。まず、空気冷却の効果が発揮されにくくなることにより充填効率が急激に変化するとともに、燃料と空気との混合が促進されるので、内燃機関１には急激なトルク変動が発生する。また、吸気上死点付近においては、ピストン５の表面温度が高いため、燃料噴射によるピストン５の表面温度が急激に低下することによる熱衝撃が発生したり、ノッキングが発生したりする。その結果、ドライバビリティを低下させたり、内燃機関１の耐久性を低下させたりするおそれがある。

かかる問題に対して、本発明では、噴射切替時期から所定の期間Δθ（図３）では、吸気上死点付近（Ａゾーン）と吸気下死点付近（Ｂゾーン）との２回に分割して、気筒１ｓ内へ燃料を噴射する。これにより、筒内噴射弁２の燃料噴射時期切替時におけるノッキングの発生を抑制できるとともに、燃料噴射時期切替時における円滑なトルク変化特性を実現できる。また、ピストン５表面の急激な温度変化を抑制して、熱衝撃によるピストン５の耐久性低下を抑制できる。

図４は、実施例１の本発明に係る内燃機関の制御装置の構成を示す説明図である。図４を用いて、本発明の実施例に係る内燃機関の制御装置１０の構成を説明する。内燃機関の制御装置１０は、処理部１０ｐと、記憶部１０ｍとを含んで構成される。処理部１０ｐは、さらに燃焼判定部２１と、噴射時期決定部２２と、噴射割合決定部２３とを含んで構成される。ここで、燃焼判定部２１と、噴射時期決定部２２と、噴射割合決定部２３とが、本発明に係る内燃機関の制御方法を実行する部分となる。

記憶部１０ｍと、燃焼判定部２１と、噴射時期決定部２２と、噴射割合決定部２３とは、内燃機関の制御装置１０の入出力ポート（Ｉ／Ｏ）２９を介して接続される。これにより、記憶部１０ｍと、燃焼判定部２１と、噴射時期決定部２２と、噴射割合決定部２３とは、それぞれ双方向でデータをやり取りできるように構成される。なお、装置構成上の必要に応じて片方向でデータを送受信するようにしてもよい。

内燃機関の制御装置１０とＥＣＵ３０とは、内燃機関の制御装置１０の入出力ポート（Ｉ／Ｏ）２９を介して接続されており、両者間で相互にデータをやり取りすることができる。これにより、内燃機関の制御装置１０はＥＣＵ３０が有する内燃機関制御データを取得したり、ＥＣＵを介して内燃機関１の各種センサからの情報を取得したり、あるいは内燃機関の制御装置１０の制御をＥＣＵ３０のエンジン制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。また、本発明に係る内燃機関の制御装置１０は、ＥＣＵ３０に組み込んでもよく、ＥＣＵ３０の機能の一部により、本発明に係る内燃機関の制御装置１０の機能を実現してもよい。

記憶部１０ｍには、本発明に係る内燃機関の制御方法の処理手順を含むコンピュータプログラムや、後述する燃料噴射割合マップ５５、その他のデータマップ等が格納されている。ここで、記憶部１０ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。また、処理部１０ｐは、メモリ及びＣＰＵにより構成することができる。

上記コンピュータプログラムは、処理部１０ｐやＥＣＵ３０にすでに記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、本発明に係る内燃機関の制御方法の処理手順を実現できるものであってもよい。この処理部１０ｐは、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、燃焼判定部２１、噴射時期決定部２２及び噴射割合決定部２３の機能を実現するものであってもよい。次に、この内燃機関の制御装置１０を用いて、本発明の実施例に係る内燃機関の制御方法を実現する手順を説明する。なお、この説明にあたっては、適宜図１、３、４を参照されたい。

図５は、実施例１の本発明に係る内燃機関の制御方法の制御手順を示すフローチャートである。本発明の実施例に係る内燃機関の制御方法を実現するにあたり、まず、ＥＣＵ３０が、内燃機関１の負荷や機関回転数ＮＥ等から、内燃機関１が必要とする全燃料噴射量ＴＡＵを算出する（ステップＳ１０１）。次に、内燃機関の制御装置１０の燃焼判定部２１が、均質燃焼領域であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。均質燃焼領域であるか否かは、内燃機関１のアクセル開度や吸気通路４の圧力等から判定する。均質燃焼領域は一般に高負荷運転領域であり、いわゆるＷＯＴ（Wide Open Throttle）の領域である。したがって、高負荷領域（ＷＯＴ領域）であれば均質燃焼領域と判断することができる。例えば、アクセル開度がおよそ８割以上の場合に、均質燃焼領域（高負荷運転領域）と判定される。また、実施例１の本発明では、ＢＴＤＣ２６０度以上３００度以下の領域においては、噴射時期決定部２２が筒内噴射弁２からの燃料噴射を禁止する。これにより、ピストン５に形成されたキャビティ５ｃへ燃料の噴霧５０が偏在することを回避できるので、内燃機関１のトルク低下を抑制できる。

燃焼判定部２１が均質燃焼領域ではないと判定した場合は（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、成層燃焼領域で内燃機関１を運転する（ステップＳ１１３）。均質燃焼領域であると燃焼判定部２１が判定した場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、噴射時期決定部２２が、筒内噴射弁２による燃料噴射時期を吸気上死点付近（Ａゾーン）とするか否かを判定する。この判定は、均質燃焼領域におけるトルク向上に対し、空気冷却が支配的か、燃料と空気との混合が支配的かを基準とする。より具体的には、例えば機関回転数ＮＥが、予め定めた所定の回転数ＮＥｃ以上であるか否かで判定する。（ステップＳ１０３）。すなわち、機関回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥｃ（図３参照）以上である場合には、燃料と空気との混合が支配的な領域なので、噴射時期決定部２２は筒内噴射弁２による燃料噴射時期を吸気上死点付近とする。所定の回転数ＮＥｃは、内燃機関１の仕様にもよるが、例えば４０００ｒｐｍ前後である。

燃料噴射時期を吸気上死点付近とする場合は（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を吸気下死点付近から吸気上死点付近に切り替える。このとき、本発明においては、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を切り替えるときから所定の期間Δθ（図３）は、吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で筒内噴射弁２により燃料を噴射させてから、燃料噴射時期を吸気上死点付近に切り替える。この実施例では、所定の回転数ＮＥｃになったときに筒内噴射弁２の燃料噴射時期を切り替えるが、この場合、例えば前記所定の期間Δθは、前記所定の回転数ＮＥｃから予め定めた回転数だけ内燃機関１が回転する期間とすることができる。

吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で筒内噴射弁２により燃料を噴射させる場合、噴射時期決定部２２は、フラグＦが０か否かを判定する（ステップＳ１０４）。このフラグＦは、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を吸気下死点付近から吸気上死点付近に切り替える際に、最初に機関回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥｃ以上となった場合にのみ、吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で、筒内噴射弁２により所定の期間（回数）だけ燃料を噴射させるために用いられる。なお、このフラグＦは、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を吸気下死点付近から吸気上死点付近に切り替える際に、吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で筒内噴射弁２により燃料を噴射させた場合にＦ＝１となる。

フラグＦが０のときには（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を吸気下死点付近から吸気上死点付近に切り替える際には、まだ吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で筒内噴射弁２により燃料を噴射していないと判断できる。このため、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を切り替える際に、吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で筒内噴射弁２により所定の期間（回数）、燃料を噴射させる。

ここで、燃料噴射時期切替に起因するノッキングやトルク変動は、燃料噴射量に依存し、燃料噴射量が大きくなるほど顕著になる。このため、噴射時期決定部２２は、全燃料噴射量ＴＡＵと所定の基準燃料噴射量Ｑｃとを比較する（ステップＳ１０５）。ＴＡＵ＜Ｑｃのときは（ステップＳ１０５；Ｎｏ）、噴射割合決定部２３が吸気上死点付近（Ａゾーン）における燃料噴射量ＱＡ＝ＴＡＵとし、吸気下死点付近（Ｂゾーン）における燃料噴射量ＱＢ＝０にする（ステップＳ１１４）。そして、噴射時期決定部２２は、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を吸気上死点付近に設定し、切り替える（ステップＳ１１１）。筒内噴射弁２は吸気上死点付近、すなわち、クランク角ＣＡがＢＴＤＣ３００度以上ＢＴＤＣ３６０度以下の範囲で燃料を噴射する（ステップＳ１１２）。このとき、吸気上死点側と吸気下死点側との両方で燃料を噴射する期間Δθは設けない。

次に、ＴＡＵ≧Ｑｃの場合（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）、噴射時期決定部２２は、吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で筒内噴射弁２により燃料を噴射させるように燃料噴射時期を決定する。このとき、吸気上死点付近における燃料噴射量をＱＡ、吸気下死点付近における燃料噴射量をＱＢとすると、噴射割合決定部２３は、ＱＡ＝ＱＢ＝ＴＡＵ／２となるように燃料噴射量を設定する（ステップＳ１０６）。そして、筒内噴射弁２は、噴射時期決定部２２の決定した燃料噴射時期に基づいて、吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で燃料を噴射する（ステップＳ１０７）。なお、実施例１においてはＱＡ：ＱＢ＝１：１としたが、両者の比率はこれに限定されるものではない。また、上記例では、吸気下死点付近の噴射から吸気上死点付近の噴射へ切り替える際、全燃料噴射量ＴＡＵが所定の基準燃料噴射量Ｑｃ以上の場合にのみ、吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で筒内噴射弁２が燃料を噴射する。しかし、これに限られず、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を切り替える際には、全燃料噴射量ＴＡＵの大きさにかかわらず、常に吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で、筒内噴射弁２に所定の回数だけ燃料を噴射させてもよい。

このように、実施例１の本発明では、内燃機関１の全燃料噴射量に基づいて、吸気上死点付近と吸気下死点付近との２回に分割して筒内噴射するか否かを判定する。燃料噴射時期切替に起因するノッキングやトルク変動は、内燃機関１の全燃料噴射量ＴＡＵと相関が強い。したがって、全燃料噴射量ＴＡＵを用いれば、吸気上死点付近と吸気下死点付近との２回に分割して筒内噴射するか否かの判定精度が向上する。これによって、より確実に燃料噴射時期切替に起因するノッキングやトルク変動を抑制することができる。

実施例１において、吸気上死点側及び吸気下死点側の両方で燃料を噴射させる前記所定の期間Δθは、燃料噴射回数ｎによって判定する。燃料噴射回数ｎが所定の燃料噴射回数ｎ₂（この例では２０回）に達するまで、すなわち、機関回転数ＮＥが２×ｎ₂回転するまで、吸気行程における吸気上死点側及び吸気下死点側の両方に分割して燃料を噴射させる（ステップＳ１０８；Ｙｅｓ）。このときには、吸気上死点側及び吸気下死点側それぞれにおいてｎ₂回づつ、筒内噴射弁２から燃料を噴射する。

燃料噴射回数ｎが所定の燃料噴射回数ｎ₂に達したら（ステップＳ１０８；Ｎｏ）、噴射時期決定部２２は、フラグＦを１とする（ステップＳ１０９）。これにより、最初に機関回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥｃ以上となったときにのみ、吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で筒内噴射弁２により、所定の機関（回数）だけ燃料を噴射させることができる。フラグＦ＝１としたら、噴射割合決定部２３は、吸気上死点付近（Ａゾーン）における燃料噴射量ＱＡ＝ＴＡＵに設定し、吸気下死点付近（Ｂゾーン）における燃料噴射量ＱＢ＝０に設定する（ステップＳ１１０）。そして、噴射時期決定部２２は、筒内噴射弁２による燃料噴射時期を吸気上死点付近における燃料噴射に設定し、切り替える（ステップＳ１１１）。筒内噴射弁２は吸気上死点付近、すなわち、クランク角ＣＡがＢＴＤＣ３００度以上ＢＴＤＣ３６０度以下の範囲で燃料を噴射する（ステップＳ１１２）。

ここで、ピストン前記所定の期間Δθは、ピストン５の温度（例えば内燃機関１の冷却水温度から推定）や内燃機関１のボア・ストロークの違い等に応じて、最適な値を決定する。さらに、機関回転数ＮＥが上昇するときのみならず、機関回転数ＮＥが下降するときにおける燃料噴射時期の切替においても、吸気上死点側及び吸気下死点側の両方で燃料を噴射してもよい。

フラグＦが１のときには（ステップＳ１０４；Ｎｏ）、すでに吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で筒内噴射弁２により所定の機関（回数）だけ燃料を噴射して、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を吸気上死点付近に切り替えた場合であると判断できる。このため、噴射割合決定部２３は、吸気上死点付近（Ａゾーン）における燃料噴射量ＱＡ＝ＴＡＵに設定し、吸気下死点付近（Ｂゾーン）における燃料噴射量ＱＢ＝０に設定する（ステップＳ１１５）。そして、噴射時期決定部２２は、筒内噴射弁２による燃料噴射時期を吸気上死点における燃料噴射として（ステップＳ１１１）。筒内噴射弁２は吸気上死点付近、すなわち、クランク角ＣＡがＢＴＤＣ３００度以上ＢＴＤＣ３６０度以下の範囲で燃料を噴射する（ステップＳ１１２）。なお、一旦フラグＦ＝１とした後は、機関回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥｃよりも小さくなった場合にフラグＦを０にして、その後ＮＥ≧ＮＥｃとなった場合の燃料噴射時期の切替に備えるようにしてもよい。

機関回転数ＮＥが所定の回転数ＮＥｃよりも小さい場合、噴射時期決定部２２は空気冷却が支配的な領域と判定する（ステップＳ１０３；Ｎｏ）。このとき、噴射割合決定部２３は、吸気下死点付近（Ｂゾーン）における燃料噴射量ＱＢ＝ＴＡＵに、吸気上死点付近（Ａゾーン）における燃料噴射量ＱＡ＝０となるように燃料噴射量を設定する（ステップＳ１１６）。噴射時期決定部２２は、燃料噴射時期を吸気下死点付近（Ｂゾーン）に設定し、切り替える（ステップＳ１１７）。筒内噴射弁２は、吸気下死点付近、すなわちクランク角ＣＡがＢＴＤＣ１８０度以上ＢＴＤＣ２６０度以下の範囲で、燃料噴射量ＱＢ＝Ｔ
ＡＵで燃料を噴射する（ステップＳ１１８）。

以上、実施例１の本発明では、筒内噴射した燃料がピストンの側壁へ衝突して、燃料と空気との混合が悪化する領域での燃料噴射を禁止する。これにより、気筒内に噴射された燃料の拡散不均一を抑制して、キャビティを有するピストンを備える内燃機関のトルク低下を抑制することができる。

また、実施例１の本発明においては、筒内噴射した燃料がピストンの側壁へ衝突する期間を避けるとともに、機関回転数に応じて筒内噴射弁による気筒内への燃料噴射時期を切り替える。これにより、上記作用・効果に加え、さらに空気冷却によるトルク向上効果と、燃料と空気との混合促進によるトルク向上効果とを効果的に利用できるので、内燃機関１のトルクを向上させることができる。

また、実施例１の本発明では、噴射切替時期から所定の期間は、吸気上死点付近と吸気下死点付近との２回に分割して、筒内噴射弁から気筒内へ燃料を筒内噴射する。これにより、筒内噴射弁の燃料噴射時期切替に起因するノッキングの発生を抑制できるとともに、燃料噴射時期切替時においては円滑なトルク変化特性を実現できる。また、ピストン表面の急激な温度変化を抑制して、熱衝撃によるピストンの耐久性低下を抑制できる。なお、実施例１で開示した構成は、以下の実施例においても適宜適用することができる。

実施例２の本発明は、上記実施例１とほぼ同様の構成であるが、吸気上死点付近及び吸気下死点付近の両方で燃料を噴射する際に、吸気上死点付近での燃料噴射量と吸気下死点付近での燃料噴射量とを機関回転数に応じて変化させる点に特徴がある。次の説明において、上記実施例１と同様の構成についてはその説明を省略する。

実施例２の本発明では、吸気上死点付近での噴射に切り替える際に、吸気上死点付近と吸気下死点付近との両方で筒内噴射するにあたり、機関回転数ＮＥに応じて吸気上死点付近と吸気下死点付近との燃料噴射量を変化させる。実施例２においては、機関回転数ＮＥの上昇とともに、吸気上死点付近（Ａゾーン）での燃料噴射割合を増加させる。図６は、実施例２の本発明に係る内燃機関の制御装置及び制御方法に用いる燃料噴射割合マップを示す説明図である。ここで、図６は、吸気上死点付近における燃料噴射割合（以下Ａゾーン噴射割合）ｄａと機関回転数との関係を示し、機関回転数ＮＥの増加とともに、Ａゾーン噴射割合ｄａを増加させる。

内燃機関１の全燃料噴射量をＴＡＵとすると、吸気上死点付近（Ａゾーン）での筒内噴射弁２による燃料噴射量ＱＡ、及び吸気下死点付近（Ｂゾーン）での筒内噴射弁２による燃料噴射量ＱＢは、次のように決定される。
ＱＡ＝ｄａ×ＴＡＵ
ＱＢ＝（１−ｄａ）×ＴＡＵ
これにより、吸気上死点付近における燃料噴射量ＱＡを機関回転数ＮＥの増加とともに増加させ、吸気下死点付近における燃料噴射量ＱＢを機関回転数の増加とともに減少させることができる。

このように制御するためのデータを記述した燃料噴射割合マップ５５は、内燃機関の制御装置１０の記憶部１０ｍに格納されている。そして、噴射割合決定部２３が機関回転数ＮＥをこの燃料噴射割合マップ５５に与え、機関回転数ＮＥに応じた吸気上死点付近及び吸気下死点付近での燃料噴射量ＱＡ及びＱＢを決定する。筒内噴射弁２は、噴射割合決定部２３で決定された燃料噴射量ＱＡ、ＱＢ、及び噴射時期決定部２２によって決定された燃料噴射時期に基づいて、燃料を気筒１ｓ内へ噴射する。なお、燃料噴射割合マップ５５
に記述されるＡゾーン噴射割合ｄａは、図６の実線に示すような線形のみならず、図６に示す点線あるいは一点鎖線に示すような非線形としてもよい。

以上、実施例２の本発明によれば、筒内噴射弁２の燃料噴射時期を切り替える際に発生する内燃機関１のトルク変動をさらに抑制できる。また、この切替に際して発生するノッキングや、ピストン５に対する熱衝撃もより緩和することができる。その結果、吸気上死点付近及び吸気下死点付近における筒内噴射弁２の燃料噴射量を一定にした場合と比較して、より滑らかに筒内噴射弁２の燃料噴射時期を切り替えることができる。

以上のように、本発明に係る内燃機関の制御装置及び制御方法は、筒内噴射弁と、キャビティが形成されたピストンとを備える内燃機関に適し、特に均質燃焼領域でトルクを向上させることに適している。

本発明の実施例１に係る内燃機関の制御装置により内燃機関を制御する場合の一例を示す概念図である。 吸気下死点付近で筒内に燃料を噴射した場合における燃料の拡散状態を示す説明図である。 図２−２は、吸気上死点付近で筒内に燃料を噴射した場合における燃料の拡散状態を示す説明図である。 図２−３は、ＢＴＤＣ２６０度〜３００度で筒内に燃料を噴射した場合における燃料の拡散状態を示す説明図である。 機関回転数と燃料噴射時期との関係を示す説明図である。 実施例１の本発明に係る内燃機関の制御装置の構成を示す説明図である。 実施例１の本発明に係る内燃機関の制御方法の制御手順を示すフローチャートである。 実施例２の本発明に係る内燃機関の制御装置及び制御方法に用いる燃料噴射割合マップを示す説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１ｓ 気筒
１ｓｈ シリンダヘッド
１ｓｗ 内壁
２ 筒内噴射弁
３ ポート噴射弁
４ 吸気通路
５ ピストン
５ｃ キャビティ
５ｃｕ 底面
５ｃｗ 側壁
ｔ ストン頂部
１０ 内燃機関の制御装置
１０ｍ 記憶部
１０ｐ 処理部
２１ 燃焼判定部
２２ 噴射時期決定部
２３ 噴射割合決定部
４７ 排気弁
５０ 燃料の噴霧

Claims (8)

1. 筒内噴射弁と、側壁を有するキャビティが形成されたピストンとを備える内燃機関を制
   御するものであり、
   前記内燃機関の燃焼が均質燃焼領域か否かを判定する燃焼判定部と、
   均質燃焼領域である場合、前記筒内噴射弁から噴射される燃料が前記キャビティの側壁に衝突する期間においては、前記筒内噴射弁からの燃料噴射を禁止する噴射時期決定部と、
   を含んで構成され、
   前記噴射時期決定部は、
   前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも遅角側で燃料を噴射させる第１の噴射形態と、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも進角側で燃料を噴射させる第２の噴射形態とを選択できるとともに、
   前記内燃機関の機関回転数が所定の回転数よりも低い場合には前記第１の噴射形態を選択し、前記機関回転数が前記所定の回転数よりも高い場合には前記第２の噴射形態を選択して、前記筒内噴射弁から燃料を噴射させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記筒内噴射弁から噴射される燃料が前記キャビティの側壁に衝突する期間は、点火上死点前２６０度以上点火上死点前３００度以下の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記噴射時期決定部は、
   前記内燃機関の機関回転数が前記所定の回転数以上になったときに、前記筒内噴射弁の噴射形態を前記第１の噴射形態から前記第２の噴射形態に切り替えるとともに、
   噴射形態を切り替えるときには、前記第１の噴射形態と前記第２の噴射形態との両方により前記筒内噴射弁から燃料を噴射させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 噴射形態を切り替えるときには、前記第１の噴射形態と前記第２の噴射形態との両方をそれぞれ所定回数用いることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関に対して噴射する全燃料噴射量が所定量以上となった場合に、前記第１の噴射形態と前記第２の噴射形態との両方を用いることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 筒内噴射弁と、側壁を有するキャビティが形成されたピストンとを備える内燃機関を制御するにあたり、
   前記内燃機関の燃焼が均質燃焼領域か否かを判定する手順と、
   均質燃焼領域である場合、前記筒内噴射弁から噴射される燃料が前記キャビティの側壁に衝突する期間においては、前記筒内噴射弁からの燃料噴射を禁止する手順と、
   を含み、前記内燃機関の機関回転数が所定の回転数よりも低い場合には、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも遅角側で前記筒内噴射弁が燃料を噴射し、
   前記機関回転数が前記所定の回転数よりも高い場合には、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも進角側で前記筒内噴射弁が燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の制御方法。
7. 前記所定の回転数よりも低い機関回転数から前記所定の回転数よりも高い機関回転数へ移行する際の所定期間は、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも進角側と遅角側との両方で前記筒内噴射弁が燃料を噴射することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御方法。
8. 前記内燃機関に対して噴射する全燃料噴射量が所定量以上となった場合に、前記筒内噴射弁からの燃料噴射が禁止される期間よりも進角側と遅角側との両方で前記筒内噴射弁が燃料を噴射することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の制御方法。

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