JP4779923B2

JP4779923B2 - 筒内噴射式内燃機関

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Publication number: JP4779923B2
Application number: JP2006284273A
Authority: JP
Inventors: 文昭服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: JP2008101528A

Description

この発明は、燃料噴射弁から気筒内に燃料を１サイクル当たり複数回に分割して直接噴射供給する筒内噴射式内燃機関に関する。

一般に、自動車のエンジン等として利用される内燃機関には、燃料噴射弁から気筒内に燃料を直接噴射するようにした筒内噴射式内燃機関がある。

このような筒内噴射式内燃機関では、内燃機関の低温状態での運転時に燃料噴射弁から噴射された噴射燃料がピストンヘッドに付着して気化が滞り、スモークの発生原因又は未燃焼の炭化水素（ＨＣ）の発生原因となり、さらにはシリンダ壁に衝突してピストンリングを介してオイルパンに流れ込み、潤滑オイルを希釈させる原因となることがある。

そこで、このような筒内噴射式内燃機関では、低温状態での運転時に、内燃機関に課される負荷等の機関運転条件に応じて要求される燃料の量（要求燃料噴射量）を燃料噴射弁で気筒内へ一度に噴射するのではなく、例えば要求燃料噴射量の燃料を吸気行程の前期と後期とに分割して燃料噴射弁から噴射するようにした所謂分割噴射を行なうことにより燃料噴射弁から噴射した噴射燃料を良好に拡散させ霧化させる手段が採られている。

このような、１気筒毎に１サイクル当たり複数の噴射段に分割して燃料噴射弁から燃料を気筒内へ直接噴射する筒内噴射式内燃機関では、分割されたときの１回当たりの噴射量が少なくなって微少噴射領域で燃料噴射弁を使用することになると、燃料噴射弁の固体差や経年変化により、１回当たりの燃料の微少噴射量を誤差なく一定に保つことが困難となる。

例えば、通電している時間だけ燃料の噴射動作を行うよう構成した燃料噴射弁では、分割されたときの１回当たりの噴射量を通電時間によって制御するときに、固体差や経年変化によって通電時間と燃料噴射量との対応関係にバラツキがあり、特に、微少噴射領域で噴射するときの微少な所定噴射量の燃料を安定して噴射することが難しい。

このため、従来の燃料噴射弁（インジェクタ）では、微少噴射領域における１回当たりの微少燃料噴射量のバラツキを抑制するため、燃料噴射弁制御用の最小通電時間を学習して設定すると共に、さらに適正に補正する手段が提案されている。

例えば、従来の燃料噴射弁では、必要燃料噴射量設定手段で設定された所定の安定燃焼を得るのに必要な１サイクル当たりの燃料噴射量に基づいて、燃焼状態制御手段によって少なくとも最小噴射量となる噴射段の通電時間を調整して所定の安定燃焼が得られるよう制御することにより複数の噴射段に分割して燃料噴射を行う。

このとき従来の燃料噴射弁では、学習手段により、燃焼状態制御手段で駆動制御して所定の安定燃焼が得られた時の最小噴射量となる噴射段の通電時間を、必要燃料噴射量設定手段により設定された必要燃料噴射量から割り出したその時の噴射段の噴射量に対応する通電時間の学習値として記憶更新して、その後の燃焼状態制御手段による制御に利用する。

さらに、この従来の燃料噴射弁では、排気浄化装置が目詰まりして排圧が上昇した状態となったときに学習精度が低下することを抑制し、燃費悪化の抑制をするため、学習手段が、排圧パラメータが所定値以上である時に学習値の記憶更新を抑制するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、内燃機関の運転状態に応じて要求される要求燃料噴射量が少なくなると、所定複数回の分割噴射を行うに際して一回に噴射する燃料噴射量が燃料噴射弁において制御可能な限界となる最小噴射量よりも少なくなることがある。

このため、従来の筒内噴射式内燃機関では、その電子制御装置が分割噴射を実行するのに際し、その分割して噴射される燃料の量が燃料噴射弁の最小噴射量を下回ると判断したときに減筒運転を実行する。

この電子制御装置による減筒運転では、一部の気筒での燃料噴射を停止するのに合わせて稼動気筒での要求燃料噴射量を増大させ、この増大された要求燃料噴射量と等しい量の燃料が分割して噴射されるように燃料噴射弁を制御するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２９３４８６号公報特開２００２−２７６４０２号公報

前述のような従来の筒内噴射式内燃機関では、所定複数回の分割噴射を行う際に１回当たりの燃料の微少噴射量を誤差なく所定量に保つよう燃料噴射弁を制御していた。

しかし、燃料噴射弁には、その性能上、一回に噴射する燃料噴射量を一定の噴射量に制御可能な限界である最小噴射量がある。

すなわち、従来の筒内噴射式内燃機関では、燃料噴射弁により所定複数回の分割噴射を行う際に、分割して噴射される燃料の量が燃料噴射弁の最小噴射量を下回ると、一回に噴射する燃料の噴射量を適切に制御できないため一回に噴射する燃料の噴射量が変動してしまう。

このため、従来の筒内噴射式内燃機関では、分割噴射を行う際に、燃料噴射弁を制御して、燃料噴射弁の最小噴射量を下回る適正で微少な燃料の噴射量だけを燃料噴射弁から一回毎に気筒内へ噴射させる動作を所定の分割回数だけ繰り返して行わせることにより、内燃機関の機関運転条件に応じて要求される適正な燃料の量（要求燃料噴射量）を供給する手段がなかった。

本発明は上述した点に鑑み、筒内噴射式内燃機関で分割噴射を行う際に、燃料噴射弁を制御して、一回の噴射のときに燃料噴射弁の最小噴射量を下回る微少な噴射量の燃料を気筒内へ噴射させる動作を、所定の分割回数だけ繰り返して行わせることにより、トータルとして内燃機関の機関運転条件に応じて要求される適正な燃料の量（要求燃料噴射量）を供給可能とした筒内噴射式内燃機関を新たに提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関は、制御装置によって制御される燃料噴射弁から、１サイクル当たり複数回に分割して燃料を気筒内に直接噴射可能に構成した燃料供給装置、を備えた筒内噴射式内燃機関において、制御装置は、少なくとも燃料噴射弁により要求燃料噴射量を分割噴射する時の１回当たりの噴射量が燃料噴射弁で制御可能な最小噴射量以下であり、かつ要求燃料噴射量が、一定の間隔での分割噴射によって実際に噴射されたトータルの噴射量と要求燃料噴射量との間で比例関係が維持できない非線形性限界の閾値以上である場合に、要求燃料噴射量に相当するトータルの噴射量を分割噴射回数で除算して求めた、分割された１回分の噴射量を燃料噴射弁により一定の間隔で燃料噴射タイミングから点火プラグが点火するまでの間に分割噴射するトータル噴射量制御を行うことを特徴とする。

上述のように構成することにより、分割噴射を行う際に、燃料噴射弁で制御可能な最小噴射量以下で、かつ要求燃料噴射量が、一定の間隔での分割噴射によって実際に噴射されたトータルの噴射量と要求燃料噴射量との間で比例関係が維持できない非線形性限界の閾値以上となる微少な燃料の噴射量で、所定の分割回数だけ微少な噴射量の燃料を気筒内へ噴射させる動作を繰り返して行わせることにより、トータルとして適正な要求燃料噴射量を燃料噴射タイミングから点火プラグが点火するまでの間に気筒内へ供給できる。

本発明の請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関は、制御装置によって制御される燃料噴射弁から、１サイクル当たり複数回に分割して燃料を気筒内に直接噴射可能に構成した燃料供給装置、を備えた筒内噴射式内燃機関において、制御装置は、少なくとも燃料噴射弁により要求燃料噴射量を分割噴射する時の１回当たりの噴射量が前記燃料噴射弁で制御可能な最小噴射量以下であり、かつ要求燃料噴射量が、第１回目の噴射と第２回目の噴射との間隔と、第２回目の噴射と第３回目の噴射との間隔とを異ならせることで噴射間隔を相違させたパターンによる分割噴射によって実際に噴射されたトータルの噴射量と要求燃料噴射量との間で比例関係が維持できない非線形性限界の閾値以上である場合に、要求燃料噴射量に相当するトータルの噴射量を分割噴射回数で除算して求めた、分割された１回分の噴射量を燃料噴射弁によりパターンで燃料噴射タイミングから点火プラグが点火するまでの間に分割噴射するトータル噴射量制御を行うことを特徴とする。

上述のように構成することにより、分割噴射を行う際に、燃料噴射弁で制御可能な最小噴射量以下で、かつ要求燃料噴射量が、第１回目の噴射と第２回目の噴射との間隔と、第２回目の噴射と第３回目の噴射との間隔とを異ならせることで噴射間隔を相違させたパターンによる分割噴射によって実際に噴射されたトータルの噴射量と要求燃料噴射量との間で比例関係が維持できない非線形性限界の閾値以上となるより微少な燃料の噴射量で、所定の分割回数だけより微少な噴射量の燃料を気筒内へ噴射させる動作を繰り返して行わせることにより、トータルとして適正な要求燃料噴射量を燃料噴射タイミングから点火プラグが点火するまでの間に気筒内へ供給できる。

本発明の筒内噴射式内燃機関によれば、分割噴射を行う際に、一回の噴射動作での微少な燃料の噴射量が燃料噴射弁の最小噴射量を下回る場合であっても、所定の分割回数だけ微少な噴射量の燃料を気筒内へ噴射させる動作を繰り返して行わせることにより、トータルとして内燃機関の機関運転条件に応じて要求される適正な燃料の量（要求燃料噴射量）を気筒内へ供給できるという効果がある。

本発明の筒内噴射式内燃機関に関する実施の形態について、図１乃至図６により説明する。

図１は、筒内噴射式内燃機関が備える単一の気筒の要部を取り出して示す断面概略構成図であり、１は筒内噴射式内燃機関全体を示す。

この筒内噴射式内燃機関１は、燃料供給装置２と、複数の気筒３０ａ〜３０ｄ（例えば、４気筒）を備えた内燃機関本体３と、内燃機関本体３に接続される吸気経路５と、この内燃機関本体３に接続される排気経路６と、筒内噴射式内燃機関１の運転を制御する制御装置であるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）７とを有する。

このＥＣＵ７は、入力信号や出力信号の入出力を行う入出力部（Ｉ／Ｏ）７１と、処理部７２と、燃料噴射量マップなどの各種マップなどを格納する記憶部７３とを有する。処理部７２は、メモリおよびＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）により構成されている。なお、記憶部７３は、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）のような読み出しのみが可能なメモリ、あるいはＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）のような読み書きが可能なメモリ、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。

この筒内噴射式内燃機関１では、燃料供給装置２により燃料タンク２２内に貯留されている燃料（例えばガソリン）を各気筒３０ａ〜３０ｄに供給する。この燃料供給装置２は、燃料噴射弁（インジェクタ）２１と、燃料タンク２２と、フィードポンプである送給燃料ポンプ２３と、高圧ポンプ２４と、デリバリパイプ７５と、燃料供給配管（図示せず）とを備える。

また、この筒内噴射式内燃機関１を装着した車両には、燃料供給装置２を操作する指令を入力するためのアクセルペダルを設け、このアクセルペダルの踏み込み量に対応したアクセル開度を検出して、検出信号をＥＣＵ７へ伝達するアクセルペダルセンサ７４を設ける。

この燃料供給装置２では、内燃機関本体３の気筒３０ａ〜３０ｄごとに、図１及び図２に示すように、燃料噴射弁２１を配置する。各燃料噴射弁２１は、例えば各燃焼室部Ａの外周近くの所定位置に、燃料噴射弁２１の軸方向がピストンの摺動方向に対して傾斜するように配置する。

各燃料噴射弁２１は、共通のデリバリパイプ７５を介して高圧ポンプ２４に接続されている。このデリバリパイプ７５には、パイプ内の燃料圧を検出する燃圧センサ７６を設ける。この燃圧センサ７６は、検出した燃料圧の検出信号をＥＣＵ７へ送信するよう構成する。

図１に示すように、この燃料供給装置２では、燃料タンク２２内に貯留されている燃料（例えば、ガソリン）を送給燃料ポンプ２３により加圧して燃料配管内に送り込むことにより高圧ポンプ２４に圧送する。

この高圧ポンプ２４は、例えば図１に示すように、バルブ装置３６のインテークカムシャフト４３の回転力により駆動されるよう構成する。この高圧ポンプ２４は、ＥＣＵ７からの高圧ポンプ制御信号で制御されて、高圧ポンプ２４内に流入した燃料をさらに加圧し、デリバリパイプ７５を介して燃料噴射弁２１に圧送する。

この燃料噴射弁２１に圧送された燃料は、図２に示すように、燃料噴射弁２１が開動作されたときに内燃機関本体３の燃焼室部Ａ内に直接噴射される。図１に示すように、このときの燃料噴射弁２１の燃料噴射量（筒内噴射式内燃機関１に供給する燃料の供給量）や噴射タイミング等に関する燃料噴射制御は、アクセルペダルセンサ７４により検出されたアクセル開度等の指令信号に基づいて、制御装置であるＥＣＵ７で制御する。

この筒内噴射式内燃機関１の内燃機関本体３は、シリンダブロック３１と、このシリンダブロック３１に締結して一体化したシリンダヘッド３２と、気筒３０ａ〜３０ｄごとに設けられるピストン３３及びコンロッド３４と、クランクシャフト３５と、気筒３０ａ〜３０ｄごとに設けられる点火プラグ３６と、バルブ装置４とを有する。

図１及び図２に示すように、この内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜３０ｄには、それぞれピストン３３と、シリンダブロック３１の燃焼室と、シリンダヘッド３２とにより囲まれた燃焼室部Ａが構成される。

シリンダヘッド３２には、各気筒３０ａ〜３０ｄの燃焼室部Ａに対応して、吸気経路５に接続する吸気ポート３７と、排気経路６に接続する排気ポート３８とを形成する。

図１に示すように、各気筒３０ａ〜３０ｄに装着されるピストン３３は、コンロッド３４に回転自在に支受されている。コンロッド３４は、クランクシャフト３５に回転自在に支受されている。

すなわち、内燃機関本体３は、各気筒３０ａ〜３０ｄの筒内である燃焼室部Ａ内で吸入空気と燃料の混合ガスを燃焼させることによりピストン３３をシリンダブロック３１内で往復運動させ、この往復運動をクランクシャフト３５の回転運動に変換して出力するよう構成する。

なお、シリンダブロック３１には、ノック発生検出手段であるノックセンサＮを配置する。このノックセンサＮは、例えば振動により電圧が変化する圧電素子によって構成し、内燃機関本体３でノックが発生したときの振動により変化した電圧に基づいてノックを検出し、ＥＣＵ７に出力する。

内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜３０ｄには、点火プラグ３６を配置する。この点火プラグ３６は、点火時期調整手段として機能するＥＣＵ７からの点火信号を受けて点火し、各気筒３０ａ〜３０ｄの燃焼室部Ａ内の混合ガスを着火させる。点火プラグ３６の点火タイミング等に関わる点火制御は、制御装置であるＥＣＵ７で行う。

また、内燃機関本体３には、クランクシャフト３５の角度であるクランク角度（ＣＡ）を検出してＥＣＵ７に出力する、機関回転数検出手段として機能するクランク角度センサ３９を配置する。なお、ＥＣＵ７は、このクランク角度センサ３９により検出されたクランク角度から筒内噴射式内燃機関１の機関回転数の算出や各気筒３０ａ〜３０ｄにおける気筒の判別を行う。

この内燃機関本体３には、吸気バルブ４１と排気バルブ４２とに開閉動作を行わせるためのバルブ装置４を設ける。このバルブ装置４は、気筒３０ａ〜３０ｄごとに設けられる吸気バルブ４１及び排気バルブ４２と、インテークカムシャフト４３と、エキゾーストカムシャフト４４と、図示しない吸気バルブタイミング機構とを有する。

バルブ装置４の吸気バルブ４１は、吸気ポート３７と燃焼室部Ａとの間の開口部分に配置され、インテークカムシャフト４３が回転することにより開閉動作が行われるように構成する。また、バルブ装置４の排気バルブ４２は、排気ポート３８と燃焼室部Ａとの間の開口部分に配置され、エキゾーストカムシャフト４４が回転することにより開閉動作が行われるように構成する。

バルブ装置４のインテークカムシャフト４３およびエキゾーストカムシャフト４４は、タイミングチェーンを介してクランクシャフト３５に連結し、このクランクシャフト３５の回転に連動して回転するよう構成する。

図示しないが、バルブ装置４の吸気バルブタイミング機構は、インテークカムシャフト４３とクランクシャフト３５との間の位置に配置する。この吸気バルブタイミング機構は、連続可変バルブタイミング機構として構成し、インテークカムシャフト４３の位相を連続的に変化させる。

なお、このバルブ装置４では、吸気バルブタイミング機構により、吸気バルブ４１の開閉時期を調整するが、これに限定されるものではなく、例えば排気バルブ４２の開閉時期を調整する排気バルブタイミング機構を設けても良い。

また、内燃機関本体３には、動弁機構として、運転状態に応じて吸気バルブ４１と排気バルブ４２とを最適な開閉タイミングに制御する吸気・排気可変動弁機構（ＶＶＴ：ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｖｅＴｉｍｉｎｇ−ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ）を設けても良い。

この吸気・排気可変動弁機構は、図示しないが、インテークカムシャフト４３とエキゾーストカムシャフト４４との軸端部にＶＶＴコントローラを装着し、オイルコントロールバルブからの油圧をこのＶＶＴコントローラの進角室及び遅角室に作用させることによりカムスプロケットに対するカムシャフトの位相を変更し、吸気バルブ４１と排気バルブ４２の開閉時期を進角または遅角に設定する。

また、バルブ装置４には、インテークカムシャフト４３の回転位置を検出してＥＣＵ７に出力するためのインテークカムポジションセンサ４６を設ける。

内燃機関本体３の吸気経路５は、外部から空気を吸気し、この吸入された空気を内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜３０ｄの筒内である燃焼室部Ａ内に導入する。この吸気経路５は、エアクリーナ５１と、エアフロメータ５２と、スロットルバルブ５３と、エアクリーナ５１から各気筒３０ａ〜３０ｄの吸気ポート３７までを連通する吸気通路５４とを有する。

この吸気経路５では、エアクリーナ５１により粉塵が除去された空気を吸気通路５４および吸気ポート３７を介して、各気筒３０ａ〜３０ｄの各燃焼室部Ａに導入する。この吸気経路５に設けるエアフロメータ５２は、吸入空気量検出手段であり吸気経路５から吸入され各気筒３０ａ〜３０ｄに導入される吸入空気量を検出し、ＥＣＵ７に出力する。

この吸気経路５に設ける、燃焼室部Ａに供給する吸入空気量を調整制御する空気量調整手段として機能するスロットルバルブ５３は、各気筒３０ａ〜３０ｄの燃焼室部Ａに導入する吸入空気量を調整する。この空気量調整手段として機能するスロットルバルブ５３は、ステッピングモータなどのアクチュエータ５３ａにより駆動されるよう構成する。この空気量調整手段として機能するスロットルバルブ５３のバルブ開度の制御、すなわちバルブ開度制御は、ＥＣＵ７がアクチュエータ５３ａによってスロットルバルブ５３のバルブ開度を調整することにより行われる。

また、内燃機関本体３に接続される排気経路６は、排気ガス浄化触媒６１と、図示しない消音装置と、各気筒３０ａ〜３０ｄの排気ポート３８から排気ガス浄化触媒６１を介して消音装置までを連通する排気通路６２と、Ａ／Ｆセンサ６３と、Ｏ₂センサ６４とを有する。

排気経路６に設けられる排気ガス浄化触媒６１は、排気通路６２を介して吸入された排気ガスに含まれる有害物質、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を浄化するものである。排気ガス浄化触媒６１で有害物質が浄化された排気ガスは、排気通路および図示しない消音装置を通って外部に排気される。

排気経路６に設けられるＡ／Ｆセンサ６３は、排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力特性を有する空燃比センサ（空燃比検出手段）で構成する。このＡ／Ｆセンサ６３は、排気通路６２のうち排気ガス浄化触媒６１の上流側に配置する。

このＡ／Ｆセンサ６３は、各燃焼室部Ａから排気経路６に排気された排気ガスのうち、排気ガス浄化触媒６１に吸入される前の排気ガスの排気ガス空燃比を検出し、ＥＣＵ７に出力する。なお、Ａ／Ｆセンサ６３は、Ｏ₂センサで構成してもよい。

また、ＥＣＵ７は、筒内噴射式内燃機関の運転時の制御において、Ａ／Ｆセンサ６３により検出された排気ガス空燃比に基づいて、吸入された空気と燃料とからなる混合ガスの空燃比、すなわち筒内噴射式内燃機関１の空燃比を算出する。

排気経路６に設けられるＯ₂センサ６４は、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ（酸素濃度検出手段）で構成する。このＯ₂センサ６４は、排気通路６２のうち排気ガス浄化触媒６１の下流側に配置する。このＯ₂センサ６４は、各燃焼室部Ａから排気経路６に排気された排気ガスのうち、排気ガス浄化触媒６１を通過した後の排気ガスの酸素濃度を検出し、ＥＣＵ７に出力する。

ＥＣＵ７には、筒内噴射式内燃機関１を制御して運転するため、車両の各所に取り付けられたセンサから、各種入力信号が入力される。このＥＣＵ７に入力される入力信号には、例えば、クランクシャフト３５に取り付けられたクランク角度センサ３９により検出されたクランク角度、エアフロメータ５２により検出された吸入空気量、アクセル開度センサ７４により検出されたアクセル開度、Ａ／Ｆセンサ６３により検出された排気ガス空燃比、Ｏ₂センサ６４により検出された酸素濃度、車両の走行速度を検出するため車輪の回転軸に設けられた車速センサ（図示せず）から出力された車速を示す信号（車速信号）、ノッキング（ノック振動）を検知するノックセンサから出力された信号、デリバリパイプ７５内の燃料圧を検出した燃圧センサ７６の検出信号等がある。

このＥＣＵ７は、筒内噴射式内燃機関１の運転制御のため、上述した入力信号および記憶部７３に格納されている吸入空気量およびアクセル開度に基づいた燃料噴射量マップ等の各種マップ、後述するトータルの燃料噴射時間τと実際に噴射されたトータルの噴射燃料量ｑとの図３に示す内容に関わるデータマップ、及び後述するトータルの燃料噴射時間τと実際に噴射されたトータルの噴射燃料量ｑとの図４に示す内容に関わるデータマップ等に基づいて各種出力信号を出力する。

このＥＣＵ７が筒内噴射式内燃機関１の運転制御のため出力する出力信号には、例えば、燃料噴射弁２１の燃料噴射制御を行う噴射信号、点火プラグ３６の点火制御を行う点火信号、スロットルバルブ５３のバルブ開度制御を行うバルブ開度信号などがある。

この筒内噴射式内燃機関では、ＥＣＵ７に制御されて次のような運転動作を行う。

この筒内噴射式内燃機関では、燃料タンク２２内の燃料を送給燃料ポンプ２３から高圧ポンプ２４に供給して高圧に加圧してからデリバリパイプ７５に圧送する。

このようにしてデリバリパイプ７５に送られた高圧の燃料は、各燃料噴射弁２１に分配供給され、この燃料噴射弁２１の開弁動作時に噴孔部から燃焼室部Ａ内に噴射される。

この燃焼室部Ａでは、噴射された燃料と、吸気経路５を通じて供給された吸入空気とが混合されて燃焼される。そして、燃焼後の排気は、燃焼室部Ａから排気経路６に排出される。

このような筒内噴射式内燃機関の運転動作時に、ＥＣＵ７は、燃料噴射弁２１から実際に噴射される燃料の量を制御するため、燃料噴射時間である燃料噴射弁２１の開弁時間と、燃料噴射圧であるデリバリパイプ７５内の燃料圧とに応じて決定する。

このため、ＥＣＵ７は、機関運転状態に基づいてデリバリパイプ７５内の燃料圧の目標値である燃料噴射圧の目標値を設定すると共に、燃圧センサ７６の検出信号に基づいて燃料圧の実際値を検出する。

そして、ＥＣＵ７は、この実際の燃料圧がその目標値と一致するように、高圧ポンプ２４の吐出量をフィードバック制御する。すなわちＥＣＵ７は、高圧ポンプ２４の吐出量を制御することによって、燃料噴射圧を機関運転状態に応じて制御する。

また、ＥＣＵ７は、機関運転状態（例えば、通常はエンジン負荷Ｎeとエンジン回転数ＫＬとを利用するが、ここでは機関回転速度及びアクセル開度並びに機関冷却水温等）に基づいて燃料噴射量の要求値（要求燃料噴射量ｑｔ）を算出する。

そして、ＥＣＵ７は、要求燃料噴射量ｑｔと燃料噴射圧とに基づいて燃料噴射時間を算出し、この燃料噴射時間に基づいて各気筒の燃料噴射弁２１を開閉制御する。

次に、この筒内噴射式内燃機関において、ＥＣＵ７が実行する、燃料噴射制御に関わる燃料の分割（マルチ）噴射について説明する。

この筒内噴射式内燃機関をＥＣＵ７が制御して比較的に高速高負荷領域で運転する際に分割噴射の噴射調量を実行する場合に、複数回に分割して行なわれる各燃料噴射での燃料噴射時間τ（燃料噴射量）が、燃料噴射弁２１において制御可能な最小通電時間（最小噴射時間）τｍｉｎよりも長い（最小噴射量よりも多い）と判断されるときには、従来から行われている、１回の燃料噴射時に燃料噴射弁２１から噴射する噴射量を所要量に制御して噴射する動作を、所定回数繰り返す分割噴射の制御を実行する。

また、筒内噴射式内燃機関をＥＣＵ７が制御して比較的に低速低負荷運転領域で運転する際に分割噴射を実行する場合に、複数回に分割して行なわれる各燃料噴射での燃料噴射時間τ（燃料噴射量）が、燃料噴射弁２１において制御可能な最小通電時間（最小噴射時間）τｍｉｎよりも短い（最小噴射量よりも少ない）と判断されたときには、トータル噴射量で制御して噴射する噴射調量を行う、トータル噴射量制御方式の分割噴射の制御を実行する。

このトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御では、燃料噴射弁２１が複数回に分割して分割噴射したときのトータル噴射量を安定した噴射量に制御できる条件の範囲内で、ＥＣＵ７が、機関運転状態に基づいて算出された燃料噴射量の要求値である要求燃料噴射量ｑｔを分割噴射回数で除算して得た、１回当たりの燃料の噴射量を燃料噴射弁２１から噴射させる動作を分割した回数だけ繰り返す。

この燃料噴射弁２１では、トータルの燃料噴射時間τと実際に噴射されたトータルの噴射燃料量ｑとの間に、図３に示すような関係があることが実験によって解った。

この図３に示す実験では、燃料噴射弁２１から１回から５回に渡りトータルで所要の燃料噴射時間τとなるようにする噴射調量で燃料を噴射させる制御を行って、実際に噴射されたトータルの噴射燃料量ｑを測定した。

この図３に示す実験では、１回だけで全量の要求燃料噴射量ｑｔを噴射させたときのデータをＬ１で示し、全量の要求燃料噴射量ｑｔを２回に分割して噴射させたときのデータをＬ２で示し、全量の要求燃料噴射量ｑｔを３回に分割して噴射させたときのデータをＬ３で示し、全量の要求燃料噴射量ｑｔを４回に分割して噴射させたときのデータをＬ４で示し、全量の要求燃料噴射量ｑｔを５回に分割して噴射させたときのデータをＬ５で示す。

この図３に示す実験結果から、筒内噴射式内燃機関では、単数又は複数回の噴射動作を行ったときに、トータルの燃料噴射時間τと、トータルの実際に噴射された噴射燃料量ｑとの間で、比例関係が維持できない非線形性限界（制御可能な最小噴射量の限界である最小噴射時間τｍｉｎ）となる閾値があることが判明した。

この図３に示す実験結果から解るように、トータルの噴射量で非線形性限界（噴射量のトータルで制御可能な最小噴射量の限界である最小噴射時間τｍｉｎ）となる閾値は、１回だけで全量の要求燃料噴射量ｑｔを噴射させたときのデータＬ１でのトータル最小噴射時間τｍｉｎ１から全量の要求燃料噴射量ｑｔを５回に分割して噴射させたときのデータＬ５でのトータル最小噴射時間τｍｉｎ５にかけて増加する傾向を示す。

しかし、全量の要求燃料噴射量ｑｔを５回に分割して噴射させたときのデータＬ５に示すトータル最小噴射時間τｍｉｎ５を５回に分割したときの１回の噴射時間τｍｉｎは、１回だけで全量の要求燃料噴射量ｑｔを噴射させたときのデータＬ１でのトータル最小噴射時間τｍｉｎ１と比較して、十分に小さくできることが、図３から確認できる。

その理由は、次のようなものであると考えられる。まず、デリバリパイプ７５内にある加圧された燃料は、燃料噴射弁２１から燃料を噴射するときに減圧されるので、微視的に見ると圧力変動の振動状態（いわゆる、燃圧うねりの状態）にあると考えられる。

このような燃圧うねりの状態で、燃料噴射弁２１から微少量の燃料噴射を行うと、デリバリパイプ７５内で生じている圧力変動の誤差に起因して、噴射燃料量に大きな誤差を生じることになる。

さらに、燃料噴射弁２１における燃料噴射動作に携わるインジェクタニードル挙動の変動も、噴射燃料量に大きな誤差を生じる要因であると考えられる。

よって、１回だけで全量の要求燃料噴射量ｑｔを噴射させたときのデータＬ１での最小噴射時間τｍｉｎ１が比較的大きな値となる。

しかし、複数回燃料噴射したときのトータルで全量の要求燃料噴射量ｑｔを噴射するように噴射調量を行った場合には、各噴射動作時における燃圧うねりの状態の誤差（ばらつき）とインジェクタニードル挙動の変動の誤差（ばらつき）等が、相互にキャンセルしあって、トータルとしての誤差が軽減されるので、噴射量のトータルで制御可能な最小噴射量の限界である最小噴射時間τｍｉｎＸ（トータルでの最小噴射量）が、１回で全量の要求燃料噴射量ｑｔを噴射させたときのデータＬ１での最小噴射時間τｍｉｎ１と比較して小さな値となると考えられる。

よって、複数回に分割して行なわれる各燃料噴射での燃料噴射時間τ（分割された１回の燃料噴射量）が、燃料噴射弁２１において制御可能な最小通電時間（最小噴射時間）τｍｉｎ（最小噴射量）以下の場合で、かつトータルの噴射量で非線形性限界（噴射量のトータルで制御可能な最小噴射量の限界である最小噴射時間τｍｉｎＸ）となる閾値以上の範囲内にあるという条件の下において、燃料噴射弁２１の燃料噴射量を制御するときには、トータル噴射量制御方式の分割噴射の制御が有効であることが解る。

すなわち、分割噴射時の１回の噴射量が、制御可能な最小通電時間（最小噴射時間τｍｉｎ（最小噴射量）以下で、かつ分割噴射時のトータルの噴射量が、トータルでの最小噴射時間τｍｉｎＸ以上である場合には、ＥＣＵ７がトータルでの最小噴射時間τｍｉｎＸを分割噴射回数で除算して求めた、分割された１回分の噴射時間τｍｉｎに噴射量を調量して噴射動作を行うトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御を実行する。

このトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御は、筒内噴射式内燃機関の冷間始動時であって、ＥＣＵ７が制御して比較的に低速低負荷運転領域で運転する際に実施することによって、噴射燃料が燃焼室部Ａの筒内壁面付着に起因するスモークの発生と潤滑オイルの希釈を抑制でき、排気ガス中に含まれる未燃焼炭化水素（ＨＣ）を低減させることができる。

その理由は、第１に、トータル噴射量制御方式の分割噴射の制御によって、燃焼室部Ａ内に分割して噴射される燃料噴射量をトータルの噴射量が所定量となるように管理する制御を行うので、燃焼室部Ａ内へ噴射される燃料の総量を正確に管理できるためである。

第２に、このトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御では、所定の分割回数だけ微少な噴射量の燃料を気筒内へ噴射させる動作により、１回の噴射で燃焼室部Ａ内へ必要な貫徹力まで弱めて噴射して噴射燃料が燃焼室部Ａの筒内壁面に付着することを抑制し、この後に開いた吸気バルブ４１側から空気が吸入されてから次回の噴射で燃料を燃焼室部Ａ内へ必要な貫徹力まで弱めて噴射し、さらに空気が吸入されてから次回の噴射を行うという動作の繰り返しによって、噴射燃料を吸入空気と十分に混合できるためである。

次に、トータル噴射量制御方式の分割噴射の制御を行う際に、分割噴射の間隔を所定の噴射パターンに設定して、トータルの燃料噴射時間τと、実際に噴射されたトータルの噴射燃料量ｑとの、τ−ｑの線形関係の式ｑ_t＝ａτ_t＋ｂにおける係数ａ、ｂを変えて制御調量を実施する場合について、図４により説明する。

この図４に示すトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御では、３回の分割噴射を行うときに、第１回目の噴射と第２回目の噴射との間隔と、第２回目の噴射と第３回目の噴射との間隔とを異ならしめるようにした所定の噴射パターンとなるように制御する。

この図４に示すトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御では、第１回目の噴射から最終の第Ｎ回目の噴射までにおける各噴射間隔を相違させたパターン（相互の近接度の変動させるように間隔を設定したパターン又は不等間隔に設定したパターン）の内、トータルの噴射量で非線形性限界（噴射量のトータルで制御可能な最小噴射量の限界である最小噴射時間τｍｉｎＸ）となる閾値を、より小さくできるパターンを実験等で予め求めて単数又は複数のパターン（例えば、図４に示す全量の要求燃料噴射量ｑｔを３回に分割し、間隔を変えて噴射させたときのデータをＬ３Ａ、と他の分割噴射間隔にしたときのデータをＬ３Ｂ）を用意しておき、τ−ｑの線形関係の式ｑ_t＝ａτ_t＋ｂにおける係数ａ、ｂを変えて制御調量を特定して実施できるように準備しておく。

そして、図４に示すトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御では、予め用意したパターンの内から所要のパターンを選択し、このパターンに基づいて各分割噴射のタイミングを設定して制御する。

この図４に示すトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御では、トータルの噴射量で非線形性限界（噴射量のトータルで制御可能な最小噴射量の限界である最小噴射時間τｍｉｎＸ）となる閾値を、より小さくできるので、制御の性能を向上できる。

この図４に示すトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御では、燃料噴射弁２１から第１回目の燃料噴射を行うと、例えば図６に示すように、燃圧うねり（燃料の圧力振動）を生じる。

そこで、この図４に示すトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御では、第１回目の燃料噴射によって生じる燃料の圧力振動上の圧力の最大点ＦＡで、第２回目の燃料噴射を行うことにより、燃料の圧力振動の振幅を抑制して、トータルの噴射量で非線形性限界（噴射量のトータルで制御可能な最小噴射量の限界である最小噴射時間τｍｉｎＸ）となる閾値をより小さくさせるようにする。

または、この図４に示すトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御では、第１回目の燃料噴射によって生じる燃料の圧力振動上の平均値の圧力となった時点ＦＢで、第２回目の燃料噴射を行うことにより、分割噴射を行う各タイミングにおいてデリバリパイプ７５内の燃料の圧力が一定となるようにして、トータルの噴射量で非線形性限界（噴射量のトータルで制御可能な最小噴射量の限界である最小噴射時間τｍｉｎＸ）となる閾値をより小さくさせるようにしても良い。

次に、この筒内噴射式内燃機関でＥＣＵ７により、燃料噴射の制御を行う場合における具体的な処理手順の一例について、図５のフローチャートにより説明する。

この筒内噴射式内燃機関の燃料噴射の制御では、ＥＣＵ７が、ステップＳ１で、機関運転状態（例えば機関回転速度及びアクセル開度並びに機関冷却水温等）に基づいて燃料噴射量の要求値である要求燃料噴射量ｑｔを算出し、次のステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、ＥＣＵ７が、筒内噴射式内燃機関において、分割噴射の処理を行う条件に適合するか否かを判断し、分割噴射の処理を行うと判断したときにステップＳ３へ進み、分割噴射の処理を行わないと判断したときにステップＳ４へ進む。

ステップＳ４では、ＥＣＵ７が、分割噴射の処理を行わない場合であるから、要求燃料噴射量ｑｔを、燃料噴射弁２１から１回で噴射する処理を実行し、この制御ルーチンを終了する。

また、ステップＳ３へ進んだ場合には、複数回に分割して行なわれる各燃料噴射での燃料噴射時間τ（燃料噴射量）が、燃料噴射弁２１において制御可能な最小通電時間（最小噴射時間）τｍｉｎよりも短い（最小噴射量よりも少ない）か否かをＥＣＵ７が判断し、分割噴射での１回の燃料噴射時間τが、最小通電時間τｍｉｎよりも短いと判断（肯定判定）された場合にステップＳ５へ進み、長いと判断（否定判定）されたときにステップＳ６へ進む。

ステップＳ６では、ＥＣＵ７が筒内噴射式内燃機関を制御して、従来から行われている、１回の燃料噴射時に燃料噴射弁２１から噴射する噴射量を所要量に制御して噴射する動作を、所定回数繰り返す分割噴射の制御を実行し、この制御ルーチンを終了する。

また、ステップＳ５では、ＥＣＵ７がトータル噴射量制御方式の分割噴射の制御を行う際に、分割噴射の間隔が異なる所定の噴射パターンに基づいて制御する条件に適合するか否かを判断し、所定の噴射パターンに基づいて制御しないと判断（否定判定）した場合にステップＳ７へ進み、所定の噴射パターンに基づいて制御すると判断（肯定判定）した場合にステップＳ８へ進む。

ステップＳ７では、トータル噴射量制御方式において、ＥＣＵ７が図３に示すような一定の間隔で分割噴射の制御を実行し、この制御ルーチンを終了する。

また、ステップＳ８では、トータル噴射量制御方式において、ＥＣＵ７が図４に示すような所定パターンに基づく異なる間隔で分割噴射の制御を実行し、この制御ルーチンを終了する。

上述した図５のフローチャートに示される一連の処理は、筒内噴射式内燃機関における各気筒の燃料噴射タイミングが到来する毎にＥＣＵ７によって繰り返し実行される。

なお、前述した本実施の形態では、複数回に分割して行なわれる各燃料噴射での燃料噴射時間τ（燃料噴射量）が、燃料噴射弁２１において制御可能な最小通電時間（最小噴射時間）τｍｉｎよりも長い（最小噴射量よりも多い）と判断されるときに、従来から行われている１回の燃料噴射時に燃料噴射弁２１から噴射する噴射量を所要量に制御して噴射する動作を、所定回数繰り返す分割噴射の制御を実行するものについて説明したが、このときに、トータル噴射量で制御して噴射する噴射調量を行う、図３で説明した等間隔で分割噴射する制御又は図４で説明した不等間隔で分割噴射する制御による、トータル噴射量制御方式の分割噴射の制御を実行するようにしても良いことは勿論である。

また、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その他種々の構成を採り得ることは勿論である。

本発明の筒内噴射式内燃機関の実施の形態に係る、制御システムを備えた筒内噴射式内燃機関の要部を示す概略説明図である。本発明の筒内噴射式内燃機関の実施の形態に係る、一つの気筒の要部を取り出して、燃料噴射を行う状態を示す要部断面概略構成図である。本発明の筒内噴射式内燃機関の実施の形態に係る、等間隔で分割噴射した際のトータルの燃料噴射時間τと実際に噴射されたトータルの噴射燃料量ｑとの関係を示す線図である。本発明の筒内噴射式内燃機関の実施の形態に係る、異なる間隔で分割噴射した際のトータルの燃料噴射時間τと実際に噴射されたトータルの噴射燃料量ｑとの関係を示す線図である。本発明の筒内噴射式内燃機関の実施の形態に係る、燃料噴射の制御における具体的な処理手順を示すフローチャートである。本発明の筒内噴射式内燃機関の実施の形態に係る、燃料噴射弁へ加圧された燃料を供給するデリバリパイプ内の圧力が、１回の燃料噴射で燃圧うねりを生じた状態を示す説明図である。

符号の説明

１筒内噴射式内燃機関
２燃料供給装置
３内燃機関本体
７ＥＣＵ
２１燃料噴射弁
２４高圧ポンプ
３０ａ〜３０ｄ気筒
３３ピストン
７２処理部
７３記憶部
７４アクセルペダルセンサ
７５デリバリパイプ
７６燃圧センサ

Claims

制御装置によって制御される燃料噴射弁から、１サイクル当たり複数回に分割して燃料を気筒内に直接噴射可能に構成した燃料供給装置、を備えた筒内噴射式内燃機関において、
前記制御装置は、
少なくとも前記燃料噴射弁により要求燃料噴射量を分割噴射する時の１回当たりの噴射量が前記燃料噴射弁で制御可能な最小噴射量以下であり、かつ前記要求燃料噴射量が、一定の間隔での分割噴射によって実際に噴射されたトータルの噴射量と前記要求燃料噴射量との間で比例関係が維持できない非線形性限界の閾値以上である場合に、
前記要求燃料噴射量に相当するトータルの噴射量を分割噴射回数で除算して求めた、分割された１回分の噴射量を前記燃料噴射弁により前記一定の間隔で燃料噴射タイミングから点火プラグが点火するまでの間に分割噴射するトータル噴射量制御を行う
ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
制御装置によって制御される燃料噴射弁から、１サイクル当たり複数回に分割して燃料を気筒内に直接噴射可能に構成した燃料供給装置、を備えた筒内噴射式内燃機関において、
前記制御装置は、
少なくとも前記燃料噴射弁により要求燃料噴射量を分割噴射する時の１回当たりの噴射量が前記燃料噴射弁で制御可能な最小噴射量以下であり、かつ前記要求燃料噴射量が、第１回目の噴射と第２回目の噴射との間隔と、第２回目の噴射と第３回目の噴射との間隔とを異ならせることで噴射間隔を相違させたパターンによる分割噴射によって実際に噴射されたトータルの噴射量と前記要求燃料噴射量との間で比例関係が維持できない非線形性限界の閾値以上である場合に、
前記要求燃料噴射量に相当するトータルの噴射量を分割噴射回数で除算して求めた、分割された１回分の噴射量を前記燃料噴射弁により前記パターンで燃料噴射タイミングから点火プラグが点火するまでの間に分割噴射するトータル噴射量制御を行う
ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。