JP4821750B2 - ピストン往復動型内燃機関の燃料噴射時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えたピストン往復動型内燃機関の燃料噴射時期制御装置に関する。

従来から、内燃機関の排ガス中に含まれる微粒子の量（数）を低減するための種々の試みがなされている。このような微粒子は、例えば、その直径が２０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度のＳＯＦ及びＳｏｏｔ等の微粒子であり、パティキュレートマター、パティキュレート及びナノ粒子等とも称呼されている。微粒子は、例えば、燃料と酸素との結合が不十分となる場合に多く発生すると考えられている。

一方、近年、燃焼室内にガソリン燃料を直接噴射する燃料噴射弁（以下、「筒内噴射弁」とも称呼する。）を備えた内燃機関が普及して来ている。このような機関は、筒内噴射式内燃機関とも称呼される。微粒子は、筒内噴射式内燃機関の排ガス中にも当然含まれる。特に、筒内噴射式内燃機関においては、燃料が燃焼室内に直接噴射されるから、所定の噴射時期において噴射された燃料はピストン頂面に直接衝突する。このとき、ピストン頂面の温度が低いと、ピストン頂面に多量の燃料が付着し、その結果、燃料液膜が生じる。このような付着燃料は酸素との結合が不十分となるから、多量の微粒子を発生させる要因となる。

そこで、従来技術の一つは、燃焼室内の温度が所定温度より高い場合、吸気行程における燃料噴射時期を進角することにより、点火までの「燃料の気化時間及び霧化時間」を長くする。その結果、混合気の霧化状態が改善されるので、微粒子の量が低減され得る（例えば、特許文献１を参照）。なお、燃料噴射時期を進角させることにより、ピストン頂面に直接衝突する燃料の量は多くなる。しかし、そのような燃料噴射時期の進角は、燃焼室内の温度が高い場合、即ち、ピストン頂面温度が高い場合に行われる。従って、ピストン頂面に燃料が付着したとしても、付着した燃料の霧化・気化が十分に行われると考えられている。
特開２００６−７７６６８号公報

上記従来技術は、ピストン頂面の温度が低い場合、噴射された燃料がピストン頂面に直接衝突すると、ピストン頂面上に燃料液膜が形成され且つ燃料の霧化・気化が不完全となるので、微粒子量が増大することを教示している。しかしながら、本発明者は、以下に述べるように、筒内噴射式内燃機関の吸気弁及び燃料噴射弁の配置（燃料噴射方向の設定）が特定の場合、微粒子の量が「ピストン頂面上の燃料液膜の存在」のみならず、他の多くの要因によっても増大するとの知見を得た。

即ち、本発明による燃料噴射時期制御装置が適用される内燃機関は、ピストン往復動型の内燃機関であり、吸気弁及び燃料噴射弁（筒内噴射弁）等が以下に述べるように構成されている。

吸気弁は少なくとも傘部を有する通常の吸気弁である。この吸気弁は、通常の吸気弁と同様に駆動される。より具体的に述べると、傘部は吸気ポート開口を開閉する。吸気ポート開口は、「ピストンの頂面、シリンダボアの壁面及びシリンダヘッドの下面」により画定される燃焼室と、そのシリンダヘッドに形成された吸気ポートと、を連通するように「燃焼室を画定するシリンダヘッドの下面」に形成された開口（即ち、燃焼室に臨む吸気ポートの端部）である。

この吸気弁は、傘部が吸気ポート開口の周囲に形成された弁座部に着座しているとき、即ち、傘部の移動量（吸気弁の移動量）であるリフト量が「０」となっているとき、吸気ポート開口を閉じる。更に、この吸気弁は、傘部が燃焼室内に突出するように移動させられる。リフト量は、「０」から「最大リフト量」となるまで徐々に増大し、その後、「最大リフト量」から「０」となるまで徐々に減少する。このリフト量が「０」でない期間、即ち、傘部が弁座部から離れている期間である「吸気弁開弁期間」において、傘部は吸気ポート開口を開く。

燃料噴射弁は、前記燃焼室に露呈した噴孔を有している。燃料噴射弁は、噴射指示信号に応答して開弁することにより、噴孔から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁である。燃料噴射弁は、前記シリンダボアの中心軸線を含む一つの特定の平面に交差する向きであり且つ前記シリンダヘッドの下面から前記ピストンの頂面に向かう方向の成分を有する向きである燃料噴射方向に燃料を噴射するようになっている。更に、燃料噴射弁は、燃料を同噴孔から噴射し続けたと仮定した場合、その燃料噴射方向が以下の条件１及び条件２を満たすように燃焼室に対して配置（構成）されている。

（条件１）第１所定期間において、僅かな時間だけ過去の時点において噴孔から噴射され飛来してきた燃料が前記ピストンの頂面と前記シリンダボアの壁面とにより形成される角部である「燃焼室隅部」に直接衝突する。
（条件２）前記第１所定期間より後の期間であって前記リフト量が前記最大リフト量よりも小さい所定の閾値リフト量よりも大きくなる第２所定期間において、僅かな時間だけ過去の時点において噴孔から噴射され飛来してきた燃料が前記傘部の背面に直接衝突することにより同シリンダヘッドの下面側に反射される。

発明者は、吸気弁及び燃料噴射弁（筒内噴射弁）等が以上に述べたように構成されている場合について、次に述べる知見を得た。

即ち、吸気弁温度がピストン頂面温度よりも低いとき、噴孔から噴射された燃料が吸気弁の傘部の背面に直接衝突すると、その傘部の背面に多量の燃料が付着する。更に、傘部の背面にて反射され且つ低温の状態を維持した燃料が、十分に霧化・気化していないまま、燃焼室のシリンダヘッド下面近傍に滞留する（シリンダ下面近傍に極めてリッチな混合気が形成される。）。即ち、傘部の背面及びシリンダヘッド下面近傍に「過濃な燃料領域」が形成される。なお、「過濃な燃料領域」とは、「燃料が液体（ときに液膜）状態にて存在する領域」及び／又は「燃料が極めてリッチな混合気の状態にて存在する領域」を言う。この結果、その過濃な燃料領域に存在する燃料は酸素と十分に結合できないので、多量の微粒子が生成される。これに対し、吸気弁温度がピストン頂面温度よりも低いときには、ピストン頂面温度はある程度まで高い温度となっている。従って、噴孔から噴射された燃料がピストンの頂面に直接衝突しても、その燃料は十分に霧化・気化する。その結果、微粒子の量は減少する。

一方、吸気弁温度がピストン頂面温度よりも高いとき、吸気弁の傘部の背面に直接衝突した燃料は、その傘部から熱を受けて十分に霧化・気化する。その結果、生成される微粒子の量は極めて少なくなる。これに対し、吸気弁温度がピストン頂面温度よりも高いときには、ピストン頂面温度は比較的低い温度となっている。従って、噴孔から噴射された燃料がピストンの頂面に直接衝突すると、ピストンの頂面に多量の燃料が付着するか、或は、ピストン頂面近傍に極めてリッチな混合気が形成される。即ち、ピストン頂面近傍に「過濃な燃料領域」が形成される。その結果、その過濃な燃料領域に存在する燃料は酸素と十分に結合できないので、多量の微粒子が生成される。

更に、吸気弁温度及びピストン頂面温度に関わらず、燃料が前記ピストンの頂面と前記シリンダボアの壁面とにより形成される角部である「燃焼室隅部」に直接衝突すると、その燃焼室隅部の近傍に過濃な燃料領域が形成される。その結果、その過濃な燃料領域に存在する燃料は酸素との十分に結合できないので、多量の微粒子が生成される。

このような知見に基いてなされた「本発明による燃料噴射時期制御装置」は、吸気弁温度取得手段と、ピストン頂面温度取得手段と、判定手段と、燃料噴射時期制御手段と、を備える。

前記吸気弁温度取得手段は、前記吸気弁の温度である吸気弁温度を、温度センサ又は計算による推定に基いて、取得するようになっている。
前記ピストン頂面温度取得手段は、前記ピストンの頂面の温度であるピストン頂面温度を、温度センサ又は計算による推定に基いて、取得するようになっている。
前記判定手段は、前記取得された吸気弁温度が前記取得されたピストン頂面温度より高いか否かを判定するようになっている。

前記燃料噴射時期制御手段は、燃料噴射時期を、
（１）前記取得された吸気弁温度が前記取得されたピストン頂面温度より高いと判定されたときには、「前記噴孔から噴射された燃料が前記燃焼室隅部に直接衝突するようになる期間である第１噴射時期よりも後の期間」であり且つ「前記噴孔から噴射された燃料が前記傘部の背面に直接衝突するようになる期間である第２噴射時期」に設定し、
（２）前記取得された吸気弁温度が前記取得されたピストン頂面温度より低いと判定されたときには、「前記第１噴射時期よりも前の期間」であり且つ「（前記噴孔から噴射された燃料が前記シリンダボアの壁面に直接衝突することなく）前記ピストンの頂面に直接衝突するようになる期間である第３噴射時期」に設定する、
ようになっている。
前記燃料噴射時期は、前記燃料噴射弁が前記噴射指示信号に応答して開弁し前記燃料を前記噴孔から噴射している期間である。

これによれば、吸気弁温度がピストン頂面温度より高い場合、燃料は前記第２噴射時期において噴孔から噴射される。従って、その噴射された燃料は、前記燃焼室隅部に直接衝突することなく、比較的高温となっている吸気弁の傘部の背面に直接衝突する。これにより、噴射された燃料は、吸気弁の傘部から熱を受けて十分に霧化・気化する。その結果、この燃料噴射時期制御装置は、生成される微粒子の量を低減することができる。

これに対し、ピストン頂面温度が吸気弁温度よりも高い場合、燃料は前記第３噴射時期において噴孔から噴射される。従って、その噴射された燃料は、比較的高温となっているピストンの頂面に直接衝突する。このとき、噴射された燃料は、吸気弁の傘部の背面に衝突してシリンダヘッドの下面側に反射されることなく、且つ、シリンダボアの壁面及び燃焼室隅部に直接衝突することがない。この結果、噴射された燃料は、ピストンの頂面から熱を受けて十分に霧化・気化する。従って、この燃料噴射時期制御装置は、生成される微粒子の量を低減することができる。

なお、第２噴射時期は、第２噴射時期にて噴射された燃料のうちの実質的に総ての燃料（例えば、噴射された燃料の量の７０％以上、より好ましくは８０％以上、最も好ましくは１００％の量の燃料）が前記吸気弁の傘部の背面に直接衝突するような噴射時期を含む。同様に、第３噴射時期は、第３噴射時期にて噴射された燃料のうちの実質的に総ての燃料（例えば、噴射された燃料の量の７０％以上、より好ましくは８０％以上、最も好ましくは１００％の量の燃料）が前記ピストンの頂面に直接衝突するようになる期間を含む。

本発明による内燃機関の燃料噴射時期制御装置において、
前記吸気ポート開口は、「前記特定の平面」に沿って「そのシリンダヘッド下面を二つの半円状領域」に分割したとき、二つの半円状領域のうちの一方の領域である第１領域における同吸気ポート開口の面積が同二つの半円領域のうちの他方の領域である第２領域における同吸気ポート開口の面積よりも大きくなるように形成される。
前記燃料噴射弁の噴孔は前記第１領域内に配置される。

更に、前記ピストンは、前記ピストンの頂面に形成された凹部であるキャビティ部と、前記ピストンの頂面に形成されたキャビティ部以外の部分である平面をなす平面部と、を備える。また、前記キャビティ部は、前記シリンダボアの中心軸線方向において前記第１領域に対向する前記ピストンの頂面の領域（第１ピストン頂面領域）における前記キャビティ部の面積が、前記第２領域に対向する前記ピストン頂面の領域（第２ピストン頂面領域）における前記キャビティ部の面積よりも大きくなるように形成されている。

そして、前記第３噴射時期は、その第３噴射時期において前記噴孔から噴射された燃料が、第２ピストン頂面領域に存在する「前記平面部」（即ち、ピストンの頂面における平面部の主要部）に直接衝突するようになる期間に設定されている。

発明者は、ピストンの頂面の前記第１ピストン領域に主としてキャビティ部が形成され、前記ピストンの頂面の前記第２ピストン領域に主として平面部が形成されている場合、噴射された燃料が「キャビティ部」及び「キャビティ部と平面部との境界領域（キャビティ部の縁、段差部）」に直接衝突すると、キャビティ部及びキャビティ部の縁の近傍に過濃な燃料領域が形成され、その結果、多量の微粒子が生成されるとの知見を得た。

従って、上述したように、第３噴射時期を、その第３噴射時期において前記噴孔から噴射された燃料が第２ピストン頂面領域に存在する「平面部」に直接衝突するようになる期間に設定することにより、キャビティ部の存在によって多量の微粒子が生成されることを回避することができる。なお、この場合の第３噴射時期は、第３噴射時期にて噴射された燃料のうちの実質的に総ての燃料（例えば、噴射された燃料の量の７０％以上、より好ましくは８０％以上、最も好ましくは１００％の量の燃料）が前記第２ピストン頂面領域に存在する「平面部」に直接衝突するようになる期間を含む。

また、本発明において、「前記取得された吸気弁温度が前記取得されたピストン頂面温度より高いと判定されるとき」には、「前記取得された吸気弁温度に０又は正の所定値を加えた温度が前記取得されたピストン頂面温度より高いと判定されたとき」が含まれる。同様に、「前記取得された吸気弁温度が前記取得されたピストン頂面温度より低いと判定されるとき」には、「前記取得された吸気弁温度に０又は正の所定値を加えた温度が前記取得されたピストン頂面温度より低いと判定されたとき」が含まれる。従って、上記判定手段には、「前記取得された吸気弁温度に０又は正の所定値を加えた温度が前記取得されたピストン頂面温度より高いか否かを判定する手段」が含まれる。

以下、本発明の実施形態に係るピストン往復動型内燃機関の燃料噴射時期制御装置（以下、単に「制御装置」と称呼することもある。）について図面を参照しながら説明する。
（概略構成）
図１は、本発明の実施形態に係る制御装置をピストン往復動型・火花点火式・ガソリン燃料・多気筒（例えば、４気筒）・４サイクルの内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。なお、図１は、特定の気筒の断面のみを図示しているが、他の気筒も同様な構成を備えている。

この内燃機関１０は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース及びオイルパン等を含むシリンダブロック部２０と、シリンダブロック部２０の上に固定されるシリンダヘッド３０と、シリンダブロック部２０に空気を供給するための吸気系統４０と、シリンダブロック部２０からの排ガスを外部に放出するための排気系統５０とを含んでいる。

シリンダブロック部２０は、シリンダボア（シリンダ）２１の壁面２１ａ、ピストン２２、コンロッド２３及びクランク軸２４を含んでいる。ピストン２２はシリンダボア２１の壁面２１ａに沿ってシリンダ内を往復動し、ピストン２２の往復動がコンロッド２３を介してクランク軸２４に伝達され、これによりクランク軸２４が回転するようになっている。ピストン２２の頂面２２ａ、シリンダボア２１の壁面２１ａ及びシリンダヘッド３０の下面３０ａは、燃焼室２５を画定（形成）している。

図２は、燃焼室２５及び燃焼室２５の近傍部位の拡大断面図である。図３はピストン２２の頂面２２ａの平面図（シリンダボア２１の中心軸線ＣＬ上の位置であって燃焼室２５の上部の位置からピストン２２の頂面２２ａを見た図）である。図４は燃焼室２５の平面図（シリンダボア２１の中心軸線ＣＬ上の位置であって燃焼室２５の上部の位置から燃焼室２５を形成するシリンダヘッド３０の下面３０ａを見た図）である。

図１乃至図３に示したように、ピストン２２の上部には、キャビティ部（凹部、キャビティ、断面が浅いＵ字状の有底の穴）２２ｂが形成されている。即ち、ピストン２２の頂面２２ａは、キャビティ部２２ｂ（の壁面）と、略平坦な平面部２２ｃと、から構成されている。

以下、説明を簡単にするため、次のように領域を定義する（図２乃至図４を参照。）。
（１）第１領域Ｂ１（図４）…シリンダボア２１の中心軸線ＣＬを含む一つの平面である「特定の平面ＰＬ」により、燃焼室２５を画定しているシリンダヘッド下面３０ａ（の部分）を二つの半円状領域に分割したときの、その二つの半円状領域のうちの一方の領域（図４において左側の領域）。
（２）第２領域Ｂ２（図４）…前記「特定の平面ＰＬ」により、燃焼室２５を画定している部分のシリンダヘッド下面３０ａを二つの半円状領域に分割したときの、その二つの半円状領域のうちの他方の領域（図４において右側の領域）。

（３）第１ピストン頂面領域Ｄ１（図３）…シリンダボア２１の中心軸線ＣＬ方向において、第１領域Ｂ１に対向するピストン頂面２２ａの領域（図３において左側の領域）。
（４）第２ピストン頂面領域Ｄ２（図３）…シリンダボア２１の中心軸線ＣＬ方向において、第２領域Ｂ２に対向するピストン頂面２２ａの領域（図３において右側の領域）。

キャビティ部２２ｂは、図２及び図３に示したように、第１ピストン頂面領域Ｄ１におけるキャビティ部２２ｂの面積（平面視における面積）が、第２ピストン頂面領域Ｄ２におけるキャビティ部２２ｂの面積（平面視における面積）よりも大きくなるように形成されている。即ち、キャビティ部２２ｂの主たる部分（大きな面積を占める部分）は、第１ピストン頂面領域Ｄ１に存在している。

平面部２２ｃは、ピストン２２の頂面２２ａのうちのキャビティ部２２ｂが形成されている部分を除いた部分である。平面部２２ｃは実質的に平面状である。即ち、平面部２２ｃは、前記特定の平面ＰＬに直交する平面を形成している。平面部２２ｃは、第１ピストン頂面領域Ｄ１における平面部２２ｃの面積（平面視における面積）が、第２ピストン頂面領域Ｄ２における平面部２２ｃの面積（平面視における面積）よりも小さくなるように形成されている。即ち、平面部２２ｃの主たる部分（大きな面積を占める部分）は、第２ピストン頂面領域Ｄ２に存在している。

再び図１を参照すると、シリンダヘッド３０は、燃焼室２５に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、吸気弁３２を開閉駆動する吸気弁駆動装置３３、燃焼室２５に連通した排気ポート３４、排気ポート３４を開閉する排気弁３５、排気弁３５を駆動するエキゾーストカムシャフト３６、点火プラグ３７、点火プラグ３７に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ３８及び燃料を燃焼室２５内に直接噴射する燃料噴射弁（筒内噴射弁、フューエルインジェクタ、燃料噴射手段）３９を備えている。

吸気ポート３１及び燃焼室２５は、図２に矢印Ａ１にて示したように、吸気ポート３１を介して燃焼室２５内に吸入される空気によって燃焼室２５内にタンブル流（順方向のタンブル流、順タンブル、縦スワール）が生成されるように形成されている。

吸気弁３２は、図３及び図４に示したように、一つの燃焼室２５に対して二つずつ設けられている。二つの吸気弁３２のそれぞれは、シリンダヘッド下面３０ａの前記第１領域Ｂ１に配設されている。

排気弁３５は、図３及び図４に示したように、一つの燃焼室２５に対して二つずつ設けられている。二つの排気弁３５のそれぞれは、シリンダヘッド下面３０ａの前記第２領域Ｂ２に配設されている。

図２及び図４に示したように、吸気ポート３１と燃焼室２５とは吸気ポート開口３１ａにて連通している。換言すると、吸気ポート開口３１ａは、燃焼室２５と、シリンダヘッド３０に形成された吸気ポート３１と、を連通するように「燃焼室２５を画定するシリンダヘッド３０の下面３０ａ」に形成された開口である。即ち、吸気ポート開口３１ａは、燃焼室２５に臨む吸気ポート３１の端部である。

図２に示したように、吸気弁３２は、軸部３２ａと、軸部３２ａの一端に連接された傘部３２ｂを有する周知の吸気弁である。この吸気弁３２は、周知の吸気弁と同様に駆動される。より具体的に述べると、吸気弁３２は、インテークカムシャフト及びインテークカム等を含む吸気弁駆動装置３３（図１参照。）により、傘部３２ｂが燃焼室２５内に突出するように往復動（移動、駆動）せしめられるようになっている。その結果、傘部３２ｂは吸気ポート開口３１ａを開閉するようになっている。

吸気ポート開口３１ａの周囲には吸気弁３２の傘部３２ｂ（傘部３２ｂの背面側の端部外周部）が着座するための弁座部３１ｂが形成されている。吸気弁３２は、傘部３２ｂが弁座部３１ｂに着座しているとき、即ち、傘部３２ｂの移動量（吸気弁３２の移動量）であるリフト量が「０」となっているとき、吸気ポート開口３１ａを閉じる。リフト量は、インテークカムのカムプロフィールにより決定され、「０」から「最大リフト量」となるまで徐々に増大し、その後、「最大リフト量」から「０」となるまで徐々に減少する。このリフト量が「０」でない期間、即ち、傘部３２ｂが弁座部３１ｂから離れている期間である「吸気弁開弁期間」において、傘部３２ｂ（吸気弁３２）は吸気ポート開口３１ａを開く。

燃料噴射弁３９は、図２に示したように、シリンダヘッド３０に固定され、且つ、燃焼室２５に露呈した噴孔３９ａを有している。燃料噴射弁３９は、噴射指示信号に応答して開弁することにより、噴孔３９ａから燃焼室２５内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁である。噴孔３９ａは、図４に示したように、第１領域Ｂ１内の二つの吸気弁３２，３２の間であって、図２及び図４に示したように、二つの吸気弁３２，３２よりも燃焼室２５の外周側に配置されている。燃料噴射弁３９は、図２に矢印Ａ２にて示したように、前記「特定の平面ＰＬ」に交差する向きであり、且つ、シリンダヘッド３０の下面３０ａからピストン２２の頂面２２ａに向かう方向の成分を有する向きに、噴孔３９ａから燃料を噴射するようになっている。換言すると、シリンダボア２１の中心軸線ＣＬに平行な方向であってシリンダヘッド３０側を上方、ピストン２２側を下方と定義するとき、燃料噴射弁３９は吸気弁３２から排気弁３５に向かう成分を有する「斜め」下方に燃料を噴射するようになっている。噴孔３９ａから噴射される燃料の飛行方向を「燃料噴射方向」とも称呼する。なお、実際には、燃料噴射弁３９は、矢印Ａ２にて示した軸線を中心軸線とし且つ噴孔３９ａを頂点とする円錐状（コーン状）に燃料を噴射する。

再び、図１を参照すると、吸気系統４０は、吸気ポート３１に連通し吸気ポート３１とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管４１、吸気管４１の端部に設けられたエアフィルタ４２、吸気管４１内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットル弁４３及びスロットル弁駆動手段を構成するＤＣモータからなるスロットル弁アクチュエータ４３ａを備えている。

排気系統５０は、排気ポート３４に連通したエキゾーストマニホールド５１、エキゾーストマニホールド５１に接続されたエキゾーストパイプ（排気管）５２、上流側の三元触媒５３及び下流側の三元触媒５４を備えている。上流側の三元触媒５３は、エキゾーストパイプ５２に配設されている。下流側の三元触媒５４は、上流側の三元触媒５３の下流においてエキゾーストパイプ５２に配設されている。排気ポート３４、エキゾーストマニホールド５１及びエキゾーストパイプ５２は、排気通路を構成している。

一方、このシステムは、熱線式エアフローメータ６１、スロットルポジションセンサ６２、カムポジションセンサ６３、クランクポジションセンサ６４、吸気弁温度センサ６５、ピストン頂面温度センサ６６、冷却水温センサ６７、第１触媒５３の上流の排気通路に配設された空燃比センサ６８及びアクセル開度センサ６９を備えている。

熱線式エアフローメータ６１は、吸気管４１内を流れる吸入空気の単位時間あたりの質量流量を検出し、質量流量Gaを表す信号を出力するようになっている。スロットルポジションセンサ６２は、スロットル弁４３の開度を検出し、スロットル弁開度TAを表す信号を出力するようになっている。カムポジションセンサ６３は、インテークカムシャフトが所定角度から９０度、次いで９０度、更に１８０度回転する毎に一つのパルスを出力するようになっている。この信号はＧ２信号とも称呼される。クランクポジションセンサ６４は、クランク軸２４が１０度回転する毎にパルスを出力するようになっている。クランクポジションセンサ６４から出力されるパルスはエンジン回転速度ＮＥを表す信号に変換されるようになっている。更に、カムポジションセンサ６３及びクランクポジションセンサ６４からの信号に基いて、機関１０のクランク角度（クランク角θ）が求められるようになっている。

吸気弁温度センサ６５は、図１及び図２に示したように、吸気弁３２の傘部３２ｂに固定されている。吸気弁温度センサ６５は、吸気弁３２の温度（特に、傘部３２ｂの温度）を取得するようになっている。具体的には、吸気弁温度センサ６５は、図示しない温度検出用抵抗と抵抗値検出回路と発信機とを内蔵している。温度検出用抵抗は、温度に応じて抵抗値が変化する抵抗である。吸気弁温度センサ６５は、温度検出用抵抗の抵抗値を抵抗値検出回路により検出し、その検出した抵抗値に基いた値（吸気弁３２の温度ＴＫＢを表す値）を発信機を通して後述する電気制御装置７０に送信するようになっている。吸気弁温度センサ６５は、各気筒の二つの吸気弁３２の一方に設けられている。

ピストン頂面温度センサ６６は、図１及び図２に示したように、ピストン頂面２２ａの近傍（平面部２２ｃの近傍）であってピストン２２の内部においてピストン２２に固定されている。ピストン頂面温度センサ６６は、ピストン頂面２２ａの温度（特に、平面部２２ｃの温度）を取得するようになっている。具体的には。ピストン頂面温度センサ６６は、図示しない温度検出用抵抗と抵抗値検出回路と発信機とを内蔵している。ピストン頂面温度センサ６６は、温度検出用抵抗の抵抗値を抵抗値検出回路により検出し、その検出した抵抗値に基いた値（ピストン頂面２２ａの温度ＴＰＳを表す値）を発信機を通して後述する電気制御装置７０に送信するようになっている。ピストン頂面温度センサ６６は、各気筒毎に設けられている。

図１に示した冷却水温センサ６７は、機関１０の冷却水の温度を検出し、その冷却水温度ＴＨＷを表す信号を出力するようになっている。空燃比センサ６８は、触媒５３の上流の空燃比を検出し、その空燃比を表す信号を出力するようになっている。アクセル開度センサ６９は、運転者によって操作されるアクセルペダル８１の操作量を検出し、アクセルペダル８１の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。アクセルペダル８１の操作量Accpは機関１０の「負荷」の大きさを表す量である。

電気制御装置７０は、互いにバスで接続されたＣＰＵ７１、ＣＰＵ７１が実行するルーチン（プログラム）、テーブル（ルックアップテーブル、マップ）及び定数等を予め記憶したＲＯＭ７２、ＣＰＵ７１が必要に応じてデータを一時的に格納するＲＡＭ７３、電源が投入された状態でデータを格納するとともに格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ７４、並びに、ＡＤコンバータを含むインターフェース７５等からなるマイクロコンピュータである。

インターフェース７５は、上記センサ６１〜６４及び上記センサ６７〜６９と接続され、ＣＰＵ７１にこれらのセンサからの信号を供給するようになっている。更に、インターフェース７５は図示しない受信機を備えていて、吸気弁温度センサ６５及びピストン頂面温度センサ６６から送信されてきた信号を受信するとともに、受信した信号をＣＰＵ７１に供給するようになっている。加えて、インターフェース７５は、ＣＰＵ７１の指示に応じて各気筒の吸気弁駆動装置３３及びスロットル弁アクチュエータ４３ａ等に駆動信号を送出し、各気筒の燃料噴射弁３９に噴射指示信号を送出し、各気筒のイグナイタ３８に点火信号を送出するようになっている。

（燃料噴射弁からの燃料噴射方向の詳細）
次に、図５乃至図８を参照しながら、燃料が噴孔３９ａから継続的に噴射され続けているとの仮定下で燃料噴射方向について説明する。図５乃至図８のそれぞれは、燃焼室２５、燃料噴射弁３９、吸気弁３２及びピストン２２の頂面２２ａ近傍部を、前記シリンダボア２１の「中心軸線ＣＬ」を含み且つ前記「特定の平面ＰＬ」に直交する平面に沿って切断した部分断面図である。

図５はクランク角θが圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３１０°クランク角（即ち、吸気上死点後５０°クランク角）における燃料噴射状態、吸気弁３２の状態及びピストン２２の状態を示した図である。
図６はクランク角θが圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３００°クランク角（即ち、吸気上死点後６０°クランク角）における燃料噴射状態、吸気弁３２の状態及びピストン２２の状態を示した図である。
図７はクランク角θが圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２８０°クランク角（即ち、吸気上死点後８０°クランク角）における燃料噴射状態、吸気弁３２の状態及びピストン２２の状態を示した図である。
図８はクランク角θが圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２７０°クランク角（即ち、吸気上死点後９０°クランク角）における燃料噴射状態、吸気弁３２の状態及びピストン２２の状態を示した図である。

先ず、クランク角θが圧縮上死点前３７０°クランク角前後になると吸気弁３２のリフト量が０から徐々に大きくなり始める。即ち、吸気上死点前１０°クランク角前後の吸気弁開弁時期にて傘部３２ｂが弁座部３１ｂを離れ、吸気ポート開口３１ａが開かれ始める。ピストン２２は、クランク角θが圧縮上死点前３６０°クランク角（吸気上死点）となるまで上昇（前記上方に移動）し、その後、下降（前記下方へ移動）し始める。

クランク角θが圧縮上死点前３１０°クランク角（吸気上死点後５０°クランク角）になると、ピストン頂面２２ａの位置は図５に示した位置に到達する。このため、噴孔３９ａから噴射された燃料は、図５に示したように、上記第２ピストン頂面領域Ｄ２における「キャビティ部２２ｂと平面部２２ｃとの境界領域（段差部）」に直接衝突（到達）する（破線の円Ｍ１により囲んだ領域を参照。）。なお、この場合、噴孔３９ａから噴射された燃料とは、「極めて僅かな時間だけ過去に遡った時点にて噴射され且つ燃焼室２５内を飛行した燃料」を意味し、以下の説明において同様である。

次に、クランク角θが圧縮上死点前３００°クランク角（吸気上死点後６０°クランク角）になると、ピストン頂面２２ａの位置は図６に示した位置に到達する。このため、噴孔３９ａから噴射された燃料は、図６に示したように、上記第２ピストン頂面領域Ｄ２における「平面部２２ｃ」のみに直接衝突（到達）する（破線の円Ｍ２により囲んだ領域を参照。）。この場合、噴孔３９ａから噴射された燃料は、シリンダボア２１の「噴孔３９ａと対向している側の壁面２１ａ」、「キャビティ部２２ｂ」及び「キャビティ部２２ｂと平面部２２ｃとの境界領域」の何れにも直接衝突しない。このように燃料が「平面部２２ｃ」のみに直接衝突している期間を便宜上「第３所定期間」と称呼する。

その後、クランク角θが圧縮上死点前２８０°クランク角（吸気上死点後８０°クランク角）になると、ピストン頂面２２ａの位置は図７に示した位置に到達する。このため、噴孔３９ａから噴射された燃料は、図７に示したように、「ピストン２２の頂面２２ａ」とシリンダボア２１の「噴孔３９ａと対向している側の壁面２１ａ」とにより形成される角部である「燃焼室隅部」に直接衝突（到達）する（破線の円Ｍ３により囲んだ領域を参照。）。このように燃料が燃焼室隅部に衝突している期間を便宜上「第１所定期間」と称呼する。

更に、クランク角θが圧縮上死点前２７０°クランク角（吸気上死点後９０°クランク角）になると、ピストン頂面２２ａの位置は図８に示した位置に到達する。このとき、吸気弁３２のリフト量（傘部３２ｂの移動量）は、所定の閾値リフト量よりも大きくなる。この閾値リフト量は最大リフト量よりも小さい。このように、リフト量が閾値リフト量より大きくなっている期間を便宜上「第２所定期間」と称呼する。この第２所定期間中、噴孔３９ａから噴射された燃料は、傘部３２ｂの背面に直接衝突する。そして、その傘部３２ｂの背面に衝突した燃料は、図８のハッチング部Ｍ４により示したように、傘部３２ｂの背面近傍（背面側）及びシリンダヘッド３０の下面３０ａの近傍（下面３０ａ側）に反射される。

本実施形態においては、以上に述べたように、吸気弁３２のリフト量、ピストン頂面２２ａの位置及び燃料噴射弁３９からの燃料噴射方向が定められている。

（燃料時期の検討）
次に、本発明者が行った噴射時期の検討結果について図９を参照しながら説明する。図９は、燃料噴射時期θinjと排ガス中の微粒子の数（密度）との関係を実験により調べた結果を表すグラフである。なお、図９において、円形のプロットは機関１０が暖機中（冷却水温度＝４０℃）にある場合のデータを示し、三角形のプロットは機関１０が暖機を終了した後（冷却水温度＝８０℃）にある場合のデータを示している。また、本明細書において、燃料噴射時期θinjは、「燃料噴射弁３９が電気制御装置７０からの噴射指示信号に応答して開弁することにより燃料を噴孔３９ａから噴射している期間」と定義される。但し、この実験における燃料噴射時期（燃料噴射弁３９の開弁期間）は極めて短時間であるので、燃料噴射時期θinjとして燃料噴射開始時期Ａinjを採用した。

（考察１）図９において破線の楕円Ｋ１により囲んだ領域に示したように、機関１０が暖機後の状態である場合、燃料噴射時期θinjが圧縮上死点前３１０°〜３２０°クランク角（吸気上死点後４０°〜５０°クランク角）前後の時期（吸気行程初期、相当に進角側の時期）であるとき、微粒子の数は多くなった。この微粒子数の増大は、機関１０が暖機する前においては更に顕著に発生した。これは、図５に示したように、噴孔３９ａから噴射された燃料が「キャビティ部２２ｂと平面部２２ｃとの境界領域（段差部）」に直接衝突し、その境界領域に燃料が液体状となって滞留したためであると考えられる。即ち、その後の燃焼行程において酸素との結合が不十分となる燃料を含む「過濃な燃料領域」が「キャビティ部２２ｂと平面部２２ｃとの境界領域」に形成されたためであると考えられる。

（考察２）図９において破線の楕円Ｋ２により囲んだ領域に示したように、機関１０が暖機前の状態である場合、燃料噴射時期θinjが圧縮上死点前２９０°〜３１０°クランク角（吸気上死点後５０°〜７０°クランク角）前後の時期であるとき、微粒子の数は多くなった。これは、図６に示したように、噴孔３９ａから噴射された燃料が上記第２ピストン頂面領域Ｄ２における「平面部２２ｃ」に直接衝突し、その衝突した燃料が低温の平面部２２ｃ上に液体状（液膜状）となって滞留したためであると考えられる。即ち、過濃な燃料領域が「平面部２２ｃ」に形成されたためであると考えられる。

（考察３）これに対し、図９において破線の楕円Ｋ３により囲んだ領域に示したように、機関１０が暖機後の状態である場合、燃料噴射時期θinjが圧縮上死点前２９０°〜３１０°クランク角前後の時期であるとき、微粒子の数は少なくなった。これは、平面部２２ｃが高温となっているので、平面部２２ｃに直接衝突した燃料が十分に霧化・気化したため（液膜状に存在することがなくなったため）であると考えられる。

（考察４）図９において破線の楕円Ｋ４により囲んだ領域に示したように、燃料噴射時期θinjが圧縮上死点前２７５°〜２８５°クランク角（吸気上死点後７５°〜８５°クランク角）前後の時期（吸気行程中期）であるとき、微粒子の数は多くなった。この微粒子数の増大は、機関１０の暖機状態に関わらず発生した。これは、図７に示したように、噴孔３９ａから噴射された燃料が「燃焼室隅部」に直接衝突し、燃焼室隅部に燃料が滞留したためであると考えられる。即ち、過濃な燃料領域が「燃焼室隅部」に形成されたためであると考えられる。この過濃な燃料領域は、例えば、燃料が「シリンダボア２１の壁面２１ａ」と「ピストン２２の側面」との間等に侵入すること等によって発生すると考えられる。

（考察５）図９において破線の楕円Ｋ５により囲んだ領域に示したように、機関１０が暖機前の状態である場合、燃料噴射時期θinjが圧縮上死点前２００°〜２７０°クランク角（吸気上死点後９０°〜１６０°クランク角）前後の時期（吸気行程後期）であるとき、微粒子の数は多くなった。これは、図８に示したように、噴孔３９ａから噴射された燃料が傘部３２ｂの背面に直接衝突し且つ傘部３２ｂの温度が低いので傘部３２ｂの背面に液体状となって存在するため、及び、傘部３２ｂにてシリンダヘッド３０の下面３０ａの近傍に反射された燃料がシリンダヘッド３０の下面３０ａの近傍に滞留するためであると考えられる。即ち、その後の燃焼行程において酸素との結合が不十分となる過濃な燃料領域が、傘部３２ｂの背面及びシリンダヘッド３０の下面３０ａの近傍に形成されたためであると考えられる。

（考察６）これに対し、図９において破線の楕円Ｋ６により囲んだ領域に示したように、機関１０が暖機後の状態である場合、燃料噴射時期θinjが圧縮上死点前２００°〜２７０°クランク角前後の時期であるとき、微粒子の数は非常に少なくなった。これは、傘部３２ｂが高温となっているので、傘部３２ｂの背面に直接衝突した燃料が「高温となっている傘部３２ｂ」から熱を受けて十分に霧化・気化したためであると考えられる。

（燃料噴射時期制御の概要）
以上の考察から、本実施形態の制御装置は、吸気弁温度センサ６５により取得（検出）される吸気弁温度ＴＫＢと、ピストン頂面温度センサ６６により取得（検出）されるピストン頂面温度ＴＰＳと、に基いて、次に述べるように燃料噴射時期θinjを設定するようになっている。

（Ａ−１）吸気弁温度ＴＫＢがピストン頂面温度ＴＰＳより高いと判定されたとき
制御装置は、燃料噴射時期θinjを、噴孔３９ａから噴射された燃料が吸気弁３２の傘部３２ｂの背面のみに直接衝突するようになる期間である「第２噴射時期θinj2」に設定する。なお、吸気弁温度ＴＫＢに正の所定値αを加えた温度がピストン頂面温度ＴＰＳより高いと判定されたときに、燃料噴射時期θinjを第２噴射時期θinj2に設定してもよい。

これによれば、上記考察６にて述べたように、吸気弁温度ＴＫＢがある程度高いので、微粒子の数は図９の破線の楕円Ｋ６により囲んだ領域における数に近づく。従って、微粒子の数を低減することができる。

（Ａ−２）吸気弁温度ＴＫＢがピストン頂面温度ＴＰＳより低いと判定されたとき
制御装置は、燃料噴射時期θinjを、噴孔３９ａから噴射された燃料が、第２ピストン頂面領域Ｄ２における平面部２２ｃのみに直接衝突するようになる期間である「第３噴射時期θinj3」に設定する。この第３噴射時期θinj3にて噴孔３９ａから噴射された燃料は、
・キャビティ部２２ｂと平面部２２ｃとの境界領域（段差部）及びキャビティ部２２ｂに直接衝突することなく、且つ、
・「燃焼室隅部」に直接衝突することなく、且つ、
・シリンダボア２１の壁面２１ａに直接衝突することがなく、且つ、
・吸気弁３２の傘部３２ｂの背面のみに直接衝突することがない。

なお、この第３噴射時期は、噴射された燃料が「燃焼室隅部」に直接衝突するようになる噴射時期（第１噴射時期θinj1）よりも前の期間（進角側の時期）である。また、吸気弁温度ＴＫＢに正の所定値αを加えた温度がピストン頂面温度ＴＰＳより低いと判定されたときに、燃料噴射時期θinjを第３噴射時期θinj3に設定してもよい。

これによれば、上記考察３にて述べたように、ピストン頂面温度ＴＰＳがある程度高いので、微粒子の数は図９の破線の楕円Ｋ３により囲んだ領域の数に近づく。従って、微粒子の数を低減することができる。

更に、上記（Ａ−１）及び（Ａ−２）に記載したように燃料噴射時期θinjを設定することにより、微粒子の数が「上記考察１、２、４及び５」においてそれぞれ述べた「図９の破線の楕円Ｋ１、Ｋ２、Ｋ４及びＫ５により囲んだ領域の数」となることを回避することができる。従って、この制御装置は、従来の燃料噴射時期制御装置に比べ、微粒子数を減少することができる。

（燃料噴射時期制御の詳細）
次に、上記のように構成された制御装置により行われる燃料噴射時期制御の詳細について説明する。この制御装置のＣＰＵ７１は、図１０にフローチャートにより示した燃料噴射制御ルーチンを、特定の気筒のクランク角が所定のクランク角度（例えば、吸気上死点前９０°クランク角）に一致する毎に繰り返し実行している。なお、ＣＰＵ７１は、他の気筒に対しても同様なルーチンを同様なタイミングにて実行するようになっている。

特定の気筒のクランク角度が前記所定のクランク角度に一致すると、ＣＰＵ７１は図１０のルーチンの処理をステップ１０００から開始し、ステップ１０１０〜ステップ１０３０にて以下の処理を行う。

ステップ１０１０：ＣＰＵ７１は、吸気弁温度センサ６５からの信号に基づいて吸気弁温度ＴＫＢを取得する。
ステップ１０２０：ＣＰＵ７１は、ピストン頂面温度センサ６６からの信号に基づいてピストン頂面温度ＴＰＳを取得する。
ステップ１０３０：ＣＰＵ７１は、アクセルペダル８１の操作量Accp（機関の負荷）及びエンジン回転速度ＮＥを、燃料噴射量決定テーブルＭａｐＴＡＵに適用して燃料噴射時間（燃料噴射量に応じた燃料噴射弁３９の開弁時間）ＴＡＵを求める。燃料噴射量決定テーブルＭａｐＴＡＵは、アクセルペダル８１の操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥと、燃料噴射時間ＴＡＵ、との関係を定めたルックアップテーブルであり、ＲＯＭ７２内に格納されている。

次に、ＣＰＵ７１はステップ１０４０に進み、取得した吸気弁温度ＴＫＢが取得したピストン頂面温度ＴＰＳよりも大きいか否かを判定する。なお、この場合、ＣＰＵ７１は、ステップ１０４０にて「取得した吸気弁温度ＴＫＢに「０又は正の所定値である値α」を加えた温度が、取得したピストン頂面温度ＴＰＳよりも大きいか否か」を判定してもよい。

このとき、取得した吸気弁温度ＴＫＢが取得したピストン頂面温度ＴＰＳよりも大きければ、ＣＰＵ７１はステップ１０４０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１０５０に進み、燃料噴射時期θinjに上述した第２燃料噴射時期θinj2を設定する。なお、実際には、ＣＰＵ７１は、「期間」である燃料噴射時期θinjの開始時期を定める燃料噴射開始時期Ａinjに、「期間」である第２燃料噴射時期θinj2の開始時期を定める第２燃料噴射開始時期Ａinj2を設定する。

これに対し、取得した吸気弁温度ＴＫＢが取得したピストン頂面温度ＴＰＳよりも小さければ、ＣＰＵ７１はステップ１０４０にて「Ｎｏ」と判定してステップ１０６０に進み、燃料噴射時期θinjに上述した第３燃料噴射時期θinj3を設定する。なお、実際には、ＣＰＵ７１は、燃料噴射開始時期Ａinjに、「期間」である第３燃料噴射時期θinj3の開始時期を定める第３燃料噴射開始時期Ａinj3を設定する。

その後、ＣＰＵ７１はステップ１０５０又はステップ１０６０からステップ１０７０に進み、「噴射指示信号」を特定の気筒の燃料噴射弁３９に送出する。この噴射指示信号は、特定の気筒のクランク角θが燃料噴射開始時期Ａinjに一致した時点から、同特定の気筒の燃料噴射弁３９を燃料噴射時間ＴＡＵだけ開弁させる（燃料噴射時間ＴＡＵだけ燃料を噴孔３９ａから噴射させる）ための信号である。そして、ＣＰＵ７１はステップ１０９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。これにより、第２燃料噴射時期θinj2及び第３燃料噴射時期θinj3の何れかの期間において燃料が噴孔３９ａから噴射される。

以上、説明したように、本発明の実施形態に係る燃料噴射時期制御装置によれば、吸気弁温度ＴＫＢと、ピストン頂面温度ＴＰＳと、に基いて、燃料噴射時期θinjが適切な時期に設定されるので、排ガス中の微粒子数を減少することができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、吸気弁温度センサ６５は、温度検出用抵抗と抵抗値検出回路と発信機とを内蔵していたが、これに代え、シリンダヘッド３０内であって吸気弁３２の近傍位置に配設された「赤外線を用いた温度センサ」であってもよい。

また、以下に述べるように、吸気弁温度ＴＫＢを計算により推定してもよい。いま、図１１に示した各熱量を以下のように定義する。
受熱量Ｑｉｎ：吸気弁３２が燃焼室２５から受ける熱の量、
傘部放熱量Ｑｏｕｔ１：傘部３２ｂが弁座部を介してシリンダヘッド３０に放出する熱の量、
軸部放熱量Ｑｏｕｔ２：軸部３２ａがバルブステムＶＳを介してシリンダヘッド３０に放出する熱の量、
吸気放熱量Ｑｏｕｔ３：燃焼室２５に吸気ポート３１を通して吸入される空気により吸気弁３２から持ち去られる熱の量。

ＣＰＵ７１はこれらの熱量に基いて吸気弁温度ＴＫＢを計算により推定する。より具体的に述べると、ＣＰＵ７１は図１２に示した吸気弁温度推定ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行する。従って、所定のタイミングにてＣＰＵ７１はステップ１２００から処理を開始し、以下に記載したステップ１２１０乃至ステップ１２６０の処理を順に行い、ステップ１２９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

ステップ１２１０：ＣＰＵ７１は、アクセルペダル８１の操作量Accp（機関の負荷）及びエンジン回転速度ＮＥを、受熱量推定テーブルＭａｐＱｉｎに適用することにより実際の受熱量Ｑｉｎを推定する。受熱量推定テーブルＭａｐＱｉｎは、アクセルペダル８１の操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥと、受熱量Ｑｉｎ、との関係を定めたルックアップテーブルであり、予め実験により求められ、ＲＯＭ７２内に格納されている。なお、受熱量推定テーブルＭａｐＱｉｎに使用されるパラメータとして、アクセルペダル８１の操作量Accpに代え、質量流量Ga及びエンジン回転速度ＮＥから求められる「一回の吸気行程における筒内吸入空気量（または負荷率）」、或は、「スロットル弁開度ＴＡ」を用いてもよい。

ステップ１２２０：ＣＰＵ７１は、傘部放熱量Ｑｏｕｔ１を、下記（１）式に従って推定する。ＴＫＢ（ｎ）は現時点にて求められている吸気弁温度ＴＫＢである。ＴＨＷは冷却水温センサ６７により検出された冷却水温であり、シリンダヘッド３０の温度を表す。η１は予め測定により求められた傘部３２ｂとシリンダヘッド３０との間の熱伝達係数である。
傘部放熱量Ｑｏｕｔ１＝η1・（ＴＫＢ（ｎ）−ＴＨＷ） …（１）

ステップ１２３０：ＣＰＵ７１は、軸部放熱量Ｑｏｕｔ２を、下記（２）式に従って推定する。η３は予め測定により求められた軸部３２ａとシリンダヘッド３０との間の熱伝達係数である。ＴＨＷは冷却水温センサ６７により検出された冷却水温であり、シリンダヘッド３０の温度を表す。
軸部放熱量Ｑｏｕｔ２＝η２・（ＴＫＢ（ｎ）−ＴＨＷ） …（２）

ステップ１２４０：ＣＰＵ７１は、アクセルペダル８１の操作量Accp（機関の負荷）及びエンジン回転速度ＮＥを、吸気放熱量推定テーブルＭａｐＱｏｕｔ３に適用することにより実際の吸気放熱量Ｑｏｕｔ３を推定する。吸気放熱量推定テーブルＭａｐＱｏｕｔ３は、アクセルペダル８１の操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥと、吸気放熱量Ｑｏｕｔ３、との関係を定めたルックアップテーブルであり、予め実験により求められ、ＲＯＭ７２内に格納されている。なお、吸気放熱量推定テーブルＭａｐＱｏｕｔ３に使用されるパラメータとして、アクセルペダル８１の操作量Accpに代え、質量流量Ga及びエンジン回転速度ＮＥから求められる「一回の吸気行程における筒内吸入空気量（または負荷率）」、或は、「スロットル弁開度ＴＡ」を用いてもよい。

ステップ１２５０：ＣＰＵ７１は、最新の吸気弁温度ＴＫＢ（ｎ＋１）を、下記（３）式に従って推定する。この最新の吸気弁温度ＴＫＢ（ｎ＋１）が図１０のステップ１０４０における吸気弁温度ＴＫＢとして使用される。ξは、熱量を吸気弁温度ＴＫＢの変化分に変換するための予め定められた定数である。

ステップ１２６０：ＣＰＵ７１は、求められた吸気弁温度ＴＫＢ（ｎ＋１）を次回の計算のために吸気弁温度ＴＫＢ（ｎ）として格納する。
以上の処理により、吸気弁温度ＴＫＢが推定される。なお、燃料が傘部３２ｂに付着して気化熱を奪うことを考慮してもよい。但し、この気化熱は他の上記熱量に比べ極めて小さいので無視することができる。

更に、以下に述べるように、ピストン頂面温度ＴＰＳを計算により推定してもよい。いま、図１３に示した各熱量を以下のように定義する。
ピストン受熱量ＱＰｉｎ：ピストン２２が燃焼室２５から受ける熱の量、
ピストン放熱量ＱＰｏｕｔ１：ピストン２２がシリンダボア２１の壁面２１ａを介して放出する熱の量。

ＣＰＵ７１はこれらの熱量に基いてピストン頂面温度ＴＰＳを計算により推定する。より具体的に述べると、ＣＰＵ７１は図１４に示したピストン頂面温度推定ルーチンを所定時間の経過毎に繰り返し実行する。従って、所定のタイミングにてＣＰＵ７１はステップ１４００から処理を開始し、以下に記載したステップ１４１０乃至ステップ１４４０の処理を順に行い、ステップ１４９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

ステップ１４１０：ＣＰＵ７１は、アクセルペダル８１の操作量Accp（機関の負荷）及びエンジン回転速度ＮＥを、ピストン受熱量推定テーブルＭａｐＱＰｉｎに適用することにより実際のピストン受熱量ＱＰｉｎを推定する。ピストン受熱量推定テーブルＭａｐＱＰｉｎは、アクセルペダル８１の操作量Accp及びエンジン回転速度ＮＥと、ピストン受熱量ＱＰｉｎ、との関係を定めたルックアップテーブルであり、予め実験により求められ、ＲＯＭ７２内に格納されている。なお、ピストン受熱量推定テーブルＭａｐＱＰｉｎに使用されるパラメータとして、アクセルペダル８１の操作量Accpに代え、質量流量Ga及びエンジン回転速度ＮＥから求められる「一回の吸気行程における筒内吸入空気量（または負荷率）」、或は、「スロットル弁開度ＴＡ」を用いてもよい。

ステップ１４２０：ＣＰＵ７１は、ピストン放熱量ＱＰｏｕｔ１を、下記（４）式に従って推定する。なお、ＴＰＳ（ｎ）は現時点にて求められているピストン頂面温度ＴＰＳである。ＴＨＷは冷却水温センサ６７により検出された冷却水温でり、シリンダボア２１の壁面２１ａの温度を表す。ε１は予め測定により求められたピストン２２とシリンダボア２１の壁面２１ａとの間の熱伝達係数である。
ピストン放熱量ＱＰｏｕｔ１＝ε1・（ＴＰＳ（ｎ）−ＴＨＷ） …（４）

ステップ１４３０：ＣＰＵ７１は、最新のピストン頂面温度ＴＰＳ（ｎ＋１）を、下記（５）式に従って推定する。この最新のピストン頂面温度ＴＰＳ（ｎ＋１）が図１０のステップ１０４０におけるピストン頂面温度ＴＰＳとして使用される。φは、熱量をピストン頂面温度ＴＰＳの変化分に変換するための予め定められた定数である。

ステップ１４４０：ＣＰＵ７１は、求められたピストン頂面温度ＴＰＳ（ｎ＋１）を次回の計算のためにピストン頂面温度ＴＰＳ（ｎ）として格納する。
以上の処理により、ピストン頂面温度ＴＰＳが推定される。なお、燃料がピストン２２に付着して気化熱を奪うことを考慮してもよい。但し、この気化熱は他の上記熱量に比べ極めて小さいので無視することができる。

更に、上記機関１０のピストン２２は、キャビティ部２２ｂを備えていたが、キャビティ部２２ｂを備えない機関にも本発明を適用することができる。その場合、上記（Ａ−２）において説明した「吸気弁温度ＴＫＢがピストン頂面温度ＴＰＳより低いと判定されたとき」の燃料噴射時期θinjは、噴孔３９ａから噴射された燃料が、第２ピストン頂面領域Ｄ２のみでなく第１ピストン頂面領域Ｄ１に形成された平面部のみに（即ち、ピストン２２の頂面２２ａのみに）直接衝突するようになる期間である「第３ａ噴射時期θinj3ａ」に設定される。

加えて、上記実施形態において、「第２噴射時期θinj2」は、その噴射時期にて噴射された燃料が吸気弁３２の傘部３２ｂの背面のみに直接衝突するようになる期間であった。しかしながら、「第２噴射時期θinj2」は、その噴射時期にて噴射された燃料のうちの実質的に総ての燃料（例えば、噴射された燃料の総量の７０％以上、より好ましくは８０％、最も好ましくは１００％の量の燃料）が吸気弁３２の傘部３２ｂの背面のみに直接衝突するような噴射時期であればよい。また、第２噴射時期θinj2は、第２噴射時期θinj2により定まる噴射開始時刻ｔ１と噴射終了時刻ｔ２との中間の時刻（ｔ１＋ｔ２）／２にて噴孔３９ａから噴射された燃料が、吸気弁３２の傘部３２ｂの背面のみに直接衝突するような噴射時期であるということもできる。

同様に、上記実施形態において、「第３噴射時期θinj3」は、その噴射時期にて噴射された燃料が第２ピストン頂面領域Ｄ２における平面部２２ｃのみに直接衝突するようになる期間であった。しかしながら、「第３噴射時期θinj3」は、その噴射時期にて噴射された燃料のうちの実質的に総ての燃料（例えば、噴射された燃料の総量の７０％以上、より好ましくは８０％以上、最も好ましくは１００％の量の燃料）が第２ピストン頂面領域Ｄ２における平面部２２ｃのみに直接衝突するような噴射時期であればよい。また、第３噴射時期θinj3は、第３噴射時期θinj3により定まる噴射開始時刻ｔ３と噴射終了時刻ｔ４との中間の時刻（ｔ３＋ｔ４）／２にて噴孔３９ａから噴射された燃料が、第２ピストン頂面領域Ｄ２における平面部２２ｃのみに直接衝突するような噴射時期であるということもできる。

更に、吸気弁駆動装置３３は、インテークカムシャフトとインテークカムとの相対回転角度（位相角度）を油圧により調整・制御する周知の構成を備え、吸気弁３２の開弁時期（吸気弁開弁時期）を変更することができるようになっていてもよい。この場合、第２噴射時期θinj２は吸気弁開弁時期に応じて変更される。

本発明の実施形態に係る燃料噴射時期制御装置を適用した内燃機関の概略図である。 図１に示した燃焼室及び同燃焼室の近傍部位の拡大断面図である。 図１に示したピストンの頂面の平面図である。 図１に示した燃焼室の平面図である。 クランク角が圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３１０°クランク角（即ち、吸気上死点後５０°クランク角）である場合における燃料噴射状態、吸気弁の状態及びピストンの状態を示した図である。 クランク角θが圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３００°クランク角（即ち、吸気上死点後６０°クランク角）である場合における燃料噴射状態、吸気弁の状態及びピストンの状態を示した図である。 クランク角θが圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２８０°クランク角（即ち、吸気上死点後８０°クランク角）である場合における燃料噴射状態、吸気弁の状態及びピストンの状態を示した図である。 クランク角θが圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２７０°クランク角（即ち、吸気上死点後９０°クランク角）である場合における燃料噴射状態、吸気弁の状態及びピストンの状態を示した図である。 燃料噴射時期と排ガス中の微粒子の数（密度）との関係を実験により調べた結果を表すグラフである。 図１に示したＣＰＵが実行する燃料噴射制御ルーチンを示したフローチャートである。 吸気弁が受ける熱量及び吸気弁が放出する熱量を説明するための図である。 図１に示したＣＰＵが実行する吸気弁温度推定ルーチンを示したフローチャートである。 ピストンが受ける熱量及びピストンが放出する熱量を説明するための図である。 図１に示したＣＰＵが実行するピストン頂面温度推定ルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

１０…内燃機関、２０…シリンダブロック部、２１…シリンダボア、２１ａ…シリンダボア壁面、２２…ピストン、２２ａ…ピストン頂面、２２ｂ…キャビティ部（キャビティ）、２２ｃ…平面部、２３…コンロッド、２４…クランク軸、２５…燃焼室、３０…シリンダヘッド（シリンダヘッド部）、３０ａ…シリンダヘッド下面、３１…吸気ポート、３１ａ…吸気ポート開口、３１ｂ…弁座部、３２…吸気弁、３２ａ…軸部、３２ｂ…傘部、３３…吸気弁駆動装置、３４…排気ポート、３５…排気弁、３６…エキゾーストカムシャフト、３７…点火プラグ、３９…燃料噴射弁、３９ａ…噴孔、４０…吸気系統、５０…排気系統、６５…吸気弁温度センサ、６６…ピストン頂面温度センサ、６７…冷却水温センサ、６９…アクセル開度センサ、７０…電気制御装置、７１…ＣＰＵ。

Claims (2)

1. ピストン往復動型内燃機関の燃料噴射時期制御装置であって、
   ピストンの頂面、シリンダボアの壁面及びシリンダヘッドの下面により画定される燃焼室と同シリンダヘッドに形成された吸気ポートとを連通するように同シリンダヘッドの下面に形成された吸気ポート開口を開閉する傘部を有するとともに、同傘部が同吸気ポート開口の周囲に形成された弁座部に着座して同傘部の移動量であるリフト量が０となっているとき同吸気ポート開口を閉じ、且つ、同傘部が同燃焼室内に突出するように移動させられて同リフト量が０から最大リフト量へと変化した後に再び０になるまでの期間であって同傘部が同弁座部から離れている吸気弁開弁期間において同吸気ポート開口を開く吸気弁と、
   前記燃焼室に露呈した噴孔を有するとともに噴射指示信号に応答して開弁することにより前記シリンダボアの中心軸線を含む一つの特定の平面に交差する向きであり且つ前記シリンダヘッドの下面から前記ピストンの頂面に向かう方向の成分を有する向きである燃料噴射方向に燃料を同噴孔から同燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁であって、同燃料噴射方向が、同燃料を同噴孔から噴射し続けたと仮定した場合、第１所定期間において同燃料が前記ピストンの頂面と前記シリンダボアの壁面とにより形成される角部である燃焼室隅部に直接衝突し且つ同第１所定期間より後の期間であって前記リフト量が前記最大リフト量よりも小さい所定の閾値リフト量よりも大きくなる第２所定期間において同燃料が前記傘部の背面に直接衝突することにより同シリンダヘッドの下面側に反射されるような燃料噴射方向となるように同燃焼室に対して配置構成された燃料噴射弁と、
   前記吸気弁の温度である吸気弁温度を取得する吸気弁温度取得手段と、
   前記ピストンの頂面の温度であるピストン頂面温度を取得するピストン頂面温度取得手段と、
   前記取得された吸気弁温度が前記取得されたピストン頂面温度より高いか否かを判定する判定手段と、
   前記燃料噴射弁が前記噴射指示信号に応答して開弁し前記燃料を前記噴孔から噴射している期間である燃料噴射時期を、前記取得された吸気弁温度が前記取得されたピストン頂面温度より高いと判定されたとき同噴孔から噴射された燃料が前記燃焼室隅部に直接衝突するようになる期間である第１噴射時期よりも後の期間であり且つ同噴孔から噴射された燃料が前記傘部の背面に直接衝突するようになる期間である第２噴射時期に設定し、同取得された吸気弁温度が同取得されたピストン頂面温度より低いと判定されたとき同第１噴射時期よりも前の期間であり且つ同噴孔から噴射された燃料が前記ピストンの頂面に直接衝突するようになる期間である第３噴射時期に設定する燃料噴射時期制御手段と、
   を備えた燃料噴射時期制御装置。
2. 請求項１に記載のピストン往復動型内燃機関の燃料噴射時期制御装置において、
   前記吸気ポート開口は、前記特定の平面に沿って同シリンダヘッド下面を二つの半円状領域に分割したとき同二つの半円状領域のうちの一方の領域である第１領域における同吸気ポート開口の面積が同二つの半円領域のうちの他方の領域である第２領域における同吸気ポート開口の面積よりも大きくなるように形成され、
   前記燃料噴射弁の噴孔は前記第１領域内に配置され、
   前記ピストンは、同ピストンの頂面に形成された凹部であるキャビティ部と同ピストンの頂面に形成された平面部とを備えるとともに、前記シリンダボアの中心軸線方向において前記第１領域に対向する同ピストンの頂面の領域における同キャビティ部の面積が前記第２領域に対向する同ピストンの頂面の領域における同キャビティ部の面積よりも大きくなるように形成され、
   前記第３噴射時期は、同第３噴射時期において前記噴孔から噴射された燃料が、前記シリンダボアの中心軸線方向において前記第２領域に対向する前記ピストンの頂面の領域内の前記平面部に直接衝突するようになる期間に設定された、
   燃料噴射時期制御装置。

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