JPWO2019058452A1 - 火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法および燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

直上噴射方式の燃料噴射装置を備えた火花点火式内燃機関（１）において、燃料噴射弁（１０）の先端部における燃料温度（Ｔｆｕｅｌ）を機関運転条件等から推定し、吸気圧に基づいて設定されるフラッシュボイリング温度（Ｔｆｂ）と比較する。フラッシュボイリング温度（Ｔｆｂ）よりも高いときは、噴孔において燃料が急激に沸騰・気化するフラッシュボイリング現象が発生し、噴霧（Ｆ）のペネトレーションが短くなるので、吸気行程中の燃料噴射時期（ＩＴ）を進角側に補正する。これにより、燃費性能が向上する。

Description

この発明は、筒内に直接に燃料を噴射する火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法および燃料噴射装置に関する。

特許文献１には、燃焼室の天井面中央部つまり複数の吸気弁・排気弁に囲まれた領域内に、複数の噴孔を有する燃料噴射弁の先端部を配置し、ピストン冠面へ向けてほぼ垂直方向につまりシリンダ中心軸線に沿って燃料噴射を行う、いわゆる直上噴射方式の筒内直接噴射型火花点火式内燃機関が開示されている。複数の噴孔は、これら複数の噴孔によって形成される複数本の噴霧の個々の中心線が、シリンダ中心軸線をほぼ中心とした円錐の周面に沿うように配置される。

このような直上噴射方式の内燃機関において、通常の均質燃焼を行う場合には、吸気行程中に燃料噴射を行い、上死点前のＭＢＴ付近で点火プラグにより点火を行うこととなる。ここで、燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）は、排気に含まれる排気微粒子の性能指標であるＰＭ（Particulate Matter）やＰＮ（Particulate Number）に影響するとともに、点火時の混合気性状ひいては燃費性能に影響する。

すなわち、燃料噴射時期が早いほど点火までの時間が確保できることから混合気性状は良好となり、従って、燃料噴射時期が早いほど燃費（例えば図示燃料消費率）が向上する。しかし、ピストンが上死点から下死点へと移動する吸気行程の中で燃料噴射時期が過度に早いと、噴孔とピストンとの間の距離が短いことから、噴射された燃料が気化しないままピストン冠面に衝突して付着し、プール状の燃焼が行われる結果、排気微粒子性能（ＰＭないしＰＮ）が悪化する。

従って、一般に、燃料噴射時期は、排気微粒子性能の許容範囲内でできるだけ早い時期に設定されることとなる。そして、このような最適な燃料噴射時期は、内燃機関の運転条件（負荷、回転速度）によっても異なるため、例えば、負荷および回転速度をパラメータとする燃料噴射時期マップを予め備えておき、このマップに基づいて燃料噴射時期を制御することが一般的である。

ところで、燃料噴射弁には燃料が比較的高い圧力に加圧されて供給されており、弁体のリフトに伴い、噴孔を通して、相対的に低い圧力の空間である燃焼室内に噴射される。そのため、燃料は微細な液滴に微粒化された状態で細い噴霧となって噴出する。

ここで、本発明者の研究によれば、噴孔直前における燃料温度がある温度よりも高いと、高温高圧の燃料が噴孔を通して低い圧力に晒されたときに、燃料の瞬間的な沸騰つまり「フラッシュボイリング」が生じる、という新たな知見が得られた。一般的な内燃機関では、このフラッシュボイリングは、暖機後であっても常に生じている訳ではなく、負荷等により噴孔を通過する燃料の温度がフラッシュボイリング発生温度を越えたときにのみに生じる。そして、フラッシュボイリングが生じると、噴孔を出た瞬間に燃料の少なくとも一部が気化して膨張するので、噴孔から細い円錐状に噴出する個々の噴霧が太く拡がろうとする。つまり、フラッシュボイリングを伴うと、個々の噴霧のコーン角が大となる。

このように個々の噴霧が太く拡がる結果、フラッシュボイリングが発生している状況下では、燃料液滴の気化が促進されるとともに、噴霧のペネトレーション（つまり噴霧の到達距離）が小さくなる。

従って、直上噴射方式の内燃機関においては、フラッシュボイリングが発生している状況下では、同じ燃料噴射時期であってもピストン冠面への液状燃料の付着が生じにくい。従来は、このようなフラッシュボイリングが発生しているか否かを考慮せずに燃料噴射時期が制御されていたため、燃費性能の点でなお改善の余地があった。

一方、特許文献２には、いわゆるサイド噴射方式の火花点火式内燃機関が開示されている。このサイド噴射方式は、吸気ポートの下側に燃料噴射弁が配置され、かつ一対の吸気弁の間に燃料噴射弁の先端部が位置している構成であり、この燃料噴射弁の複数の噴孔によって噴霧全体としてピストン冠面へ向かって扇状に拡がった扁平な噴霧が形成される。

本発明者の研究によれば、このようなサイド噴射方式の燃料噴射装置に用いられる燃料噴射弁にあっては、フラッシュボイリングが発生して個々の噴孔から延びる個々の噴霧が太くなると、個々の噴霧が互いに干渉して大きな噴霧に集合する、という現象が見られる。そして、このように大きな１つの噴霧に集合する結果、噴霧のペネトレーションが大となる。

従って、サイド噴射方式の内燃機関にあっては、フラッシュボイリングが発生すると、同じ燃料噴射時期であってもピストン冠面への燃料付着が増加する傾向となり、ＰＭないしＰＮが悪化する懸念がある。

特開２００６−１７０１２９号公報 特開２００３−３２２０４６号公報

この発明の第１の態様は、いわゆる直上噴射方式の燃料噴射装置を前提としており、燃料噴射弁の先端部における燃料温度を直接ないし間接に求め、この先端部燃料温度が噴孔における燃料のフラッシュボイリングに相関する温度閾値よりも高いときに、燃料噴射時期を進角する。

すなわち、フラッシュボイリングの発生に伴い、前述したように排気微粒子性能の観点で制限される燃料噴射時期の許容範囲が進角側に拡大するので、通常時の燃料噴射時期よりも進角することで、混合気性状が良好となり、燃費の向上が図れる。

また、この発明の第２の態様は、いわゆるサイド噴射方式の燃料噴射装置を前提としており、燃料噴射弁の先端部における燃料温度を直接ないし間接に求め、この先端部燃料温度が噴孔における燃料のフラッシュボイリングに相関する温度閾値よりも高いときに、燃料噴射時期を遅角する。

これにより、フラッシュボイリングの発生に伴う排気微粒子性能の悪化を回避できる。また、それだけフラッシュボイリング非発生時における燃料噴射時期を進角側に設定しておくことが可能となり、これにより燃費向上が図れる。

第１実施例の直上噴射方式のシステム構成を示す説明図。 燃焼室の天井面の構成を下方から示した説明図。 燃料温度と筒内圧とに対するフラッシュボイリング発生限界の特性を示した特性図。 第１実施例における燃料噴射時期に対するＰＮおよび図示燃料消費率の特性を示した特性図。 燃料噴射制御を示すフローチャート。 燃料温度推定用のマップを示した特性図。 燃料温度推定時の補正用マップを示した特性図。 第１実施例の燃料噴射時期の演算処理を示すフローチャート。 通常時燃料噴射時期マップを示す特性図。 第２実施例のサイド噴射方式のシステム構成を示す説明図。 複数の噴霧の配置を示す説明図。 第２実施例における燃料噴射時期に対するＰＮおよび図示燃料消費率の特性を示した特性図。 第２実施例の燃料噴射時期の演算処理を示すフローチャート。 基準燃料噴射時期マップを示す特性図。

初めに、この発明を直上噴射方式の燃料噴射装置に適用した第１実施例について説明する。図１は、第１実施例のシステム構成を示す説明図である。内燃機関１は、ピストン２が上下動する複数のシリンダ３を有し、ピストン２によってシリンダ３内に燃焼室４が形成されている。燃焼室４の天井面５には、吸気ポート６を開閉する一対の吸気弁７と、排気ポート８を開閉する一対の排気弁９とが設けられている。天井面５の中央部には、ソレノイドもしくは圧電素子等を介して弁体が開閉動作することで燃料噴射を行う多噴孔の燃料噴射弁１０が配置されている。また、燃料噴射弁１０に隣接して、混合気に火花点火を行う点火プラグ１１が配置されている。

詳しくは、図２に示すように、天井面５の一対の吸気弁７と一対の排気弁９とに囲まれた領域に、複数の噴孔を有する燃料噴射弁１０の先端部が位置している。この燃料噴射弁１０は、例えば６個の噴孔を有するホールノズル噴射弁であり、これら６個の噴孔によって形成される６本の噴霧Ｆが、シリンダ中心軸線ＣＬをほぼ中心とした円錐の周面に沿うように配置される。個々の噴霧Ｆは、やはり細い円錐形をなす。なお、噴孔の数は６個に限られるものではない。また、吸気弁７や排気弁９の数も２個に限られない。

上記燃料噴射弁１０には、燃料ポンプ１２によって加圧された燃料が高圧燃料配管１３を介して導かれており、内部の弁体がリフトすることによって燃料噴射が行われる。燃料噴射量は、基本的に、燃料噴射時間に比例したものとなる。燃料噴射弁１０の燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）および燃料噴射量（つまり噴射期間）は、エンジンコントローラ１５によって制御される。エンジンコントローラ１５には、吸入空気量を検出するエアフロメータ１６、図示せぬスロットル弁よりも下流側の吸気コレクタ内の圧力を検出する吸気圧センサ１７、機関回転速度を示すクランク角センサ１８、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ１９、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ２０、燃料圧力を検出する燃圧センサ２１、等の種々のセンサ類が接続されている。

このように構成された内燃機関１においては、種々の燃焼モードが可能であるが、通常の均質燃焼モードでの運転においては、吸気行程噴射となる。すなわち、ピストン２が吸気上死点から吸気下死点へと下降する吸気行程中に燃料噴射を行い、その後、圧縮上死点前のＭＢＴ付近で混合気に点火することとなる。以下では、吸気行程噴射であることを前提に説明する。

図３は、加圧された燃料が噴孔から相対的に低い圧力空間である燃焼室４内に出たときに瞬間的に沸騰・気化する現象である「フラッシュボイリング」が生じるか否かを、噴孔直前（換言すれば燃料噴射弁１０の先端部）における燃料の温度と筒内圧（つまり燃焼室４内の圧力）とをパラメータとして示した特性図である。図示するように、燃料噴射弁１０の先端部における燃料温度が実線で示すフラッシュボイリング温度Ｔｆｂよりも高ければ、燃料が噴孔を通過して筒内圧に晒された瞬間に、少なくとも一部の燃料が急激に沸騰・気化する。つまりフラッシュボイリングが発生する。ここで、フラッシュボイリング温度Ｔｆｂは、筒内圧が低いほど低い温度となる。つまり、フラッシュボイリング温度Ｔｆｂは、筒内圧の関数となる。なお、吸気行程中は吸気弁７が開いていることから、吸気行程噴射であれば、フラッシュボイリングに関与する筒内圧はおおよそ吸気圧に等しいものとみなすことができる。

前述したように、噴孔においてフラッシュボイリングが発生すると、各々の噴孔によって形成される個々の噴霧Ｆは太くなり（つまり各噴霧Ｆのコーン角が大となる）、結果として、燃料液滴の気化が促進されるとともに、噴霧Ｆのペネトレーション（噴霧Ｆの到達距離）が小さくなる。従って、ピストン２冠面へ向けて噴射される燃料のピストン２冠面への付着が抑制される傾向となる。

なお、上述した燃料噴射弁１０の６個の噴孔は、フラッシュボイリング発生状態で個々の噴孔からの噴霧Ｆが互いに干渉しないように配向されている。つまり、各々の噴霧Ｆが過度に近付いていると、フラッシュボイリングの発生時に噴霧Ｆ同士が互いに干渉して集合してしまい、ペネトレーションがむしろ大となる。直上噴射方式では、一般に、図２に示したように、複数の噴霧Ｆが互いに離れて形成されるので、フラッシュボイリングの発生に伴い個々の噴霧Ｆが太くなったときでも互いに干渉することはない。

図４は、燃料噴射時期によって変化するＰＮおよび図示燃料消費率ＩＳＦＣの特性を示している。図示するように、燃料噴射時期が吸気行程の中で進角側であるほど、つまり上死点ＴＤＣに近いほど、図示燃料消費率ＩＳＦＣが低くなる。これは、早期に燃料を噴射するほど混合気性状が良好となり、燃焼が良好となるためである。このような燃費性能の傾向に対し、排気微粒子性能を示すＰＮは、線ＰＮｎｏｒｍ１で示すように、ある時期よりも進角側では急激に悪化する。従って、法規制等で定まるＰＮの許容限界をＰＮｌｉｍとすると、ＰＮの観点で制限される燃料噴射時期の許容範囲は、ピストン２がある程度下降した時点（一例では１００°ＡＴＤＣ前後）から下死点ＢＤＣまでの範囲α１となる。燃費性能の観点からはより進角側が好ましいので、結局、通常時（フラッシュボイリング非発生時）の燃料噴射時期は、範囲α１の中でできるだけ進角側（上死点ＴＤＣに近い側）に設定されることとなる。

一方、燃料噴射弁１０の先端部における燃料温度がフラッシュボイリング温度Ｔｆｂよりも高くフラッシュボイリングが発生している条件下では、ＰＮの特性は線ＰＮｆｂ１で示すようになる。すなわち、フラッシュボイリング非発生時の線ＰＮｎｏｒｍ１に比べて全体としてＰＮが減少するとともに、ＰＮが急激に増加する燃料噴射時期ひいては許容限界ＰＮｌｉｍを上回ることとなる燃料噴射時期がより進角側（上死点ＴＤＣ側）に移行する。従って、ＰＮの観点で制限される燃料噴射時期の許容範囲は、より進角側へ拡大した範囲β１となる。そのため、この範囲β１の中で、例えばできるだけ進角側の時期を燃料噴射時期として用いることが可能となり、これにより、図示燃料消費率ＩＳＦＣが低下する。つまり、燃費性能の向上が図れる。

次に、図５は、第１実施例においてエンジンコントローラ１５が実行する燃料噴射制御の処理の流れを示すフローチャートである。このフローチャートに示すルーチンは、例えば各気筒のサイクル毎に繰り返し実行される。この実施例では、燃料噴射弁１０の先端部における燃料温度を間接的に推定する。ステップ１では、燃料温度の推定ならびに燃料噴射時期制御に必要な種々のパラメータを読み込む。少なくとも、内燃機関１の回転速度、負荷（例えば、吸入空気量、アクセル開度、燃料噴射量、等から求められる）、冷却水温、燃料噴射量、空燃比、吸気圧、を含むパラメータを読み込む。そして、ステップ２で、燃料噴射弁１０の先端部における燃料温度を推定する。

この燃料温度の推定は、冷却水温と回転速度と負荷とから燃料温度基本推定値を求める処理と、燃料噴射量と空燃比とから決まる補正係数によって燃料温度基本推定値を補正することで燃料温度推定値を求める処理と、からなる。図６に示すように、予め回転速度と負荷とをパラメータとして燃料温度基本推定値を割り付けたマップが水温毎に設けられており、このマップを用いることで、そのときの冷却水温と回転速度と負荷とに対応する燃料温度基本推定値が求められる。図６のマップの特性は、例えば、実験あるいは熱の流入・流出を考慮したシミュレーション等に基づいて設定することができる。基本的には、回転速度が高いほど単位時間当たりの熱量が大となるので、燃料温度が高いものとして推定される。また、図７に示すように、予め燃料噴射量と空燃比とをパラメータとして補正係数を割り付けたマップが設けられており、このマップを用いることで、そのときの燃料噴射量と空燃比とに対応する補正係数が求められる。この補正係数を例えば燃料温度基本推定値に乗じることによって最終的な燃料温度Ｔｆｕｅｌが得られる。すなわち、基本的に理論空燃比に近いほど燃料温度Ｔｆｕｅｌが高いものとして推定される。空燃比が常に一定である場合には、空燃比に基づく補正は省力することが可能である。

なお、本発明においては、熱電対等の温度検出手段を燃料噴射弁１０に設け、先端部（噴孔直前位置）における燃料温度を直接に検出するようにしてもよい。

ステップ３では、ステップ２で推定した燃料温度Ｔｆｕｅｌを考慮しつつ燃料噴射時期ＩＴを設定する。そして、ステップ４において燃料噴射時期ＩＴを例えばレジスタに書き込んで、一連の処理を終了する。図示しない燃料噴射ルーチンでは、設定された燃料噴射時期ＩＴにクランク角が達したときに燃料噴射を開始し、負荷に対応した燃料噴射量に相当する噴射期間の間、燃料噴射を行う。

図８は、上記ステップ３の燃料噴射時期設定の詳細を示すフローチャートである。ステップ１１では、通常時燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍを、そのときの回転速度、負荷および冷却水温に基づいて設定する。詳しくは、図９に示すように、予め回転速度と負荷とをパラメータとしてフラッシュボイリング非発生を前提として最適な燃料噴射時期を割り付けた通常時燃料噴射時期マップが、水温毎に設けられており、この通常時燃料噴射時期マップを参照して、そのときの通常時燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍが求められる。通常時燃料噴射時期マップは、基本的に、回転速度が高いほど燃料噴射時期が進角側となるように設定されている。なお、通常時燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍや最終的な燃料噴射時期ＩＴの値は、例えば、上死点後のクランク角（すなわち「degＡＴＤＣ」）を示している。

次に、ステップ１２において、そのときの吸気圧に対応するフラッシュボイリング温度Ｔｆｂを求める。すなわち、図３に示した筒内圧（換言すれば吸気圧）とフラッシュボイリング温度Ｔｆｂとの相関関係が例えばテーブルの形で予め与えられており、このテーブルを参照して、フラッシュボイリングに相関する温度閾値となるフラッシュボイリング温度Ｔｆｂが求められる。なお、吸気行程における筒内圧は内燃機関１の回転速度と負荷とによって概ね定まるので、吸気圧の検出に代えて、回転速度と負荷とからフラッシュボイリング温度Ｔｆｂを求めるようにしてもよい。あるいは、自然給気機関では、代表的な吸気圧に対応した固定値としてフラッシュボイリング温度Ｔｆｂを取り扱うようにしてもよい。

次のステップ１３では、ステップ２で推定した燃料噴射弁１０の先端部における燃料温度Ｔｆｕｅｌがフラッシュボイリング温度Ｔｆｂよりも高いか否かを判定する。燃料温度Ｔｆｕｅｌがフラッシュボイリング温度Ｔｆｂ以下であれば、フラッシュボイリングが発生しないと考えられるので、ステップ１４へ進み、通常時燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍを燃料噴射時期ＩＴとして設定する。

燃料温度Ｔｆｕｅｌがフラッシュボイリング温度Ｔｆｂより高い場合は、噴孔においてフラッシュボイリングが発生すると考えられる。この場合は、ステップ１５へ進み、燃料噴射時期ＩＴを「ＩＴｎｏｒｍ−３０°」として設定する。すなわち、通常時燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍに対し、３０°（ＣＡ）進角させる。

そして、ステップ１５からステップ１６へ進み、ステップ１５で求めた燃料噴射時期ＩＴを所定の噴射時期進角限界ＩＴｏｂと比較する。ステップ１５で求めた燃料噴射時期ＩＴが噴射時期進角限界ＩＴｏｂよりも進角側でなければ、ステップ１５で求めた燃料噴射時期ＩＴをそのまま最終的な燃料噴射時期ＩＴとして用いる。

噴射時期進角限界ＩＴｏｂは、他の種々の要件から定められる燃料噴射時期の進角側の限界であり、仮にステップ１５で求めた燃料噴射時期ＩＴが噴射時期進角限界ＩＴｏｂを越えていた場合には、ステップ１６からステップ１７へ進み、噴射時期進角限界ＩＴｏｂから微小クランク角度例えば２°（ＣＡ）だけ遅角させた値を、最終的な燃料噴射時期ＩＴとして設定する。

このように、上記の第１実施例では、フラッシュボイリングの発生に伴ってピストン２冠面への燃料付着が抑制されることに対応して、フラッシュボイリングが発生していると考えられる条件のときに、燃料噴射時期ＩＴを進角側に補正する。従って、排気微粒子性能（例えばＰＮ）の悪化を回避しつつ、燃費性能（例えば図示燃料消費率ＩＳＦＣ）の向上が図れる。

次に、この発明をサイド噴射方式の燃料噴射装置に適用した第２実施例について説明する。なお、第１実施例について既に記載した説明と重複する説明については、基本的に省略する。図１０は、第２実施例のシステム構成を示す説明図である。サイド噴射方式の燃料噴射装置にあっては、吸気ポート６の下側に燃料噴射弁１０Ａが配置されており、一対の吸気弁７の間に燃料噴射弁１０Ａの先端部が位置している。この燃料噴射弁１０Ａの噴射方向は、シリンダ中心軸線ＣＬに対し比較的大きく傾いており、ピストン２冠面へ向かって斜めに燃料を噴射する構成となっている。ここで、燃料噴射弁１０Ａは、例えば６個の噴孔を有するホールノズル噴射弁であり、この複数の噴孔によって噴霧全体としてピストン２冠面へ向かって扇状に拡がった扁平な噴霧Ｆを形成するように構成されている。

図１１は、理解を容易にするために、図１０に示す仮想平面ＰＬ上における６個の噴霧の配置を示している。図示するように、下側３個の噴霧Ｆ１〜Ｆ３は、左右に一直線上に並んで位置し、その上方に、３個の噴霧Ｆ４〜Ｆ６が三角形をなすように位置している。従って、全体として扁平な略三角形の領域をなすように、６個の噴霧が位置している。個々の噴霧Ｆは、やはり細い円錐形をなす。なお、本発明においては、噴孔の数は必ずしも６個に限られるものではなく、その配置も図１１の配置に限定されない。

上記燃料噴射弁１０Ａには、第１実施例と同様に燃料ポンプによって加圧された燃料が高圧燃料配管を介して導かれており、内部の弁体がリフトすることによって燃料噴射が行われる。燃料噴射弁１０Ａの燃料噴射時期（詳しくは燃料噴射開始時期）および燃料噴射量（つまり噴射期間）は、やはりエンジンコントローラ１５によって制御される。

このように構成された第２実施例の内燃機関１においては、やはり種々の燃焼モードが可能であるが、通常の均質燃焼モードでの運転においては、吸気行程噴射となる。すなわち、ピストン２が吸気上死点から吸気下死点へと下降する吸気行程中に燃料噴射を行い、その後、圧縮上死点前のＭＢＴ付近で混合気に点火することとなる。以下では、吸気行程噴射であることを前提に説明する。

前述したように、燃料噴射弁１０Ａの噴孔においてフラッシュボイリングが発生すると、各々の噴孔によって形成される個々の噴霧Ｆは太くなる（つまり各噴霧Ｆのコーン角が大となる）。このとき、個々の噴霧Ｆのペネトレーションは小さくなるが、第２実施例のサイド噴射方式の燃料噴射弁１０Ａでは、噴霧が比較的に密に配置されることから、噴霧Ｆ同士の干渉が生じる。この結果、６個の噴霧Ｆが互いに干渉して１つの大きな噴霧に集合してしまう現象が生じ、結果として、ペネトレーション（噴霧の到達距離）がフラッシュボイリング非発生時よりも大となってしまう。

換言すれば、第２実施例では、燃料噴射弁１０Ａの複数の噴孔は、フラッシュボイリング非発生状態では個々の噴孔からの噴霧Ｆが個々に独立し、フラッシュボイリング発生状態では個々の噴霧Ｆが互いに干渉して大きな噴霧に集合するように配向されている。

図１２は、第２実施例において、燃料噴射時期によって変化するＰＮおよび図示燃料消費率ＩＳＦＣの特性を示している。フラッシュボイリング非発生時における基本的な特性は、第１実施例と同様の傾向を有する。すなわち、燃費性能としては、燃料噴射時期が吸気行程の中で進角側であるほど、つまり上死点ＴＤＣに近いほど、図示燃料消費率ＩＳＦＣが低くなる。これは、早期に燃料を噴射するほど混合気性状が良好となり、燃焼が良好となるためである。

このような燃費性能の傾向に対し、排気微粒子性能を示すＰＮは、線ＰＮｎｏｒｍ２で示すように、ある時期よりも進角側で急激に悪化する。従って、法規制等で定まるＰＮの許容限界をＰＮｌｉｍとすると、ＰＮの観点で制限される燃料噴射時期の許容範囲は、ピストン２がある程度下降した時点から下死点ＢＤＣまでの範囲α２となる。燃費性能の観点からはより進角側が好ましいので、結局、通常時（フラッシュボイリング非発生時）の燃料噴射時期は、範囲α２の中でできるだけ進角側（上死点ＴＤＣに近い側）に設定されることとなる。

一方、燃料噴射弁１０Ａの先端部における燃料温度がフラッシュボイリング温度Ｔｆｂよりも高くフラッシュボイリングが発生している条件下では、ＰＮの特性は線ＰＮｆｂ２で示すようになる。すなわち、下死点に近い遅角側の燃料噴射時期ではフラッシュボイリング非発生時の線ＰＮｎｏｒｍ２に比べて相対的にＰＮが減少するが、ＰＮが急激に増加する燃料噴射時期ひいては許容限界ＰＮｌｉｍを上回ることとなる燃料噴射時期がより遅角側（下死点ＢＤＣ側）に移行する。つまり、フラッシュボイリング発生により霧化ないし気化は向上するものの、ペネトレーションが大となった集合噴霧の先端がピストン２冠面付近に達するようになると、ＰＮが急激に悪化するものと考えられる。従って、ＰＮの観点で制限される燃料噴射時期の許容範囲は、より遅角側へ縮小した範囲β２となる。そして、この範囲β２の中で、例えばできるだけ進角側の時期を燃料噴射時期として用いることとなる。

これにより、フラッシュボイリング発生時においても、ＰＮの悪化を確実に回避することができる。従って、フラッシュボイリング非発生時については、燃料噴射時期をより進角側（例えばフラッシュボイリング発生時にはＰＮが許容範囲外となるタイミング）に設定することが可能であり、結果として、図示燃料消費率ＩＳＦＣが低下する。つまり、フラッシュボイリング発生に伴う排気微粒子性能の悪化を回避しつつ燃費性能の向上が図れる。

図１３は、第２実施例において、図５のフローチャートにおけるステップ３の燃料噴射時期設定の詳細を示すフローチャートである。なお、第１実施例と第２実施例とでは噴孔付近の燃料に対する熱の流入・流出の特性が互いに異なるものとなるので、例えば、図６や図７のマップの特性等は異なるものとなるが、図５のフローチャートに示す処理の流れは、第２実施例においても基本的に変わりがない。

ステップ２１では、基準燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍ２を、そのときの回転速度、負荷および冷却水温に基づいて設定する。ここでは、図１２のように相対的に遅角側となるフラッシュボイリング発生時を基準として基準燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍ２を定める。詳しくは、図１４に示すように、予め回転速度と負荷とをパラメータとしてフラッシュボイリング発生を前提として最適な燃料噴射時期を割り付けた基準燃料噴射時期マップが、水温毎に設けられており、この基準燃料噴射時期マップを参照して、そのときの基準燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍ２が求められる。基準燃料噴射時期マップは、基本的に、回転速度が高いほど燃料噴射時期が進角側となるように設定されている。

次に、ステップ２２において、そのときの吸気圧に対応するフラッシュボイリング温度Ｔｆｂを求める。前述したように、図３に示した筒内圧（換言すれば吸気圧）とフラッシュボイリング温度Ｔｆｂとの相関関係が例えばテーブルの形で予め与えられており、このテーブルを参照して、フラッシュボイリングに相関する温度閾値となるフラッシュボイリング温度Ｔｆｂが求められる。なお、吸気行程における筒内圧は内燃機関１の回転速度と負荷とによって概ね定まるので、吸気圧の検出に代えて、回転速度と負荷とからフラッシュボイリング温度Ｔｆｂを求めるようにしてもよい。あるいは、自然給気機関では、代表的な吸気圧に対応した固定値としてフラッシュボイリング温度Ｔｆｂを取り扱うようにしてもよい。

次のステップ２３では、ステップ２で推定した燃料噴射弁１０の先端部における燃料温度Ｔｆｕｅｌがフラッシュボイリング温度Ｔｆｂよりも高いか否かを判定する。燃料温度Ｔｆｕｅｌがフラッシュボイリング温度Ｔｆｂより高ければ、フラッシュボイリングが発生すると考えられるので、ステップ２４へ進み、フラッシュボイリング発生時を前提とした基準燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍ２をそのまま燃料噴射時期ＩＴとして設定する。

燃料温度Ｔｆｕｅｌがフラッシュボイリング温度Ｔｆｂ以下である場合は、フラッシュボイリングが発生しないと考えられるので、ステップ２５へ進み、燃料噴射時期ＩＴを「ＩＴｎｏｒｍ−３０°」として設定する。すなわち、フラッシュボイリング発生時を前提とした基準燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍに対し、３０°（ＣＡ）進角させる。

そして、ステップ２５からステップ２６へ進み、ステップ２５で求めた燃料噴射時期ＩＴを所定の噴射時期進角限界ＩＴｏｂと比較する。ステップ２５で求めた燃料噴射時期ＩＴが噴射時期進角限界ＩＴｏｂよりも進角側でなければ、ステップ２５で求めた燃料噴射時期ＩＴをそのまま最終的な燃料噴射時期ＩＴとして用いる。

噴射時期進角限界ＩＴｏｂは、前述したように、他の種々の要件から定められる燃料噴射時期の進角側の限界であり、仮にステップ２５で求めた燃料噴射時期ＩＴが噴射時期進角限界ＩＴｏｂを越えていた場合には、ステップ２６からステップ２７へ進み、噴射時期進角限界ＩＴｏｂから微小クランク角度例えば２°（ＣＡ）だけ遅角させた値を、最終的な燃料噴射時期ＩＴとして設定する。

従って、第２実施例では、フラッシュボイリング非発生時には、相対的に燃料噴射時期ＩＴが進角側となり、フラッシュボイリング発生時には、相対的に燃料噴射時期ＩＴが遅角側となる。これにより、排気微粒子性能（例えばＰＮ）の悪化を回避しつつ、燃費性能（例えば図示燃料消費率ＩＳＦＣ）の向上が図れる。

なお、図１３のフローチャートでは、相対的に遅角側となるフラッシュボイリング発生時に適した燃料噴射時期を基準燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍ２としているが、第１実施例と同様に、フラッシュボイリング非発生時に適した燃料噴射時期を通常時燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍとしてマップ等に割り付けておき、フラッシュボイリング発生時に、この通常時燃料噴射時期ＩＴｎｏｒｍを遅角側へ補正するようにしてもよい。この場合は、フラッシュボイリング発生時の燃料噴射時期ＩＴが、例えば「ＩＴｎｏｒｍ＋３０°」として演算される。

また、上述した第１，第２実施例では、フラッシュボイリング温度Ｔｆｂを吸気圧に関連して設定し、このフラッシュボイリング温度Ｔｆｂと燃料温度Ｔｆｕｅｌとを比較してフラッシュボイリングが発生するか否かを判別しているが、吸気圧（あるいは筒内圧）と燃料温度Ｔｆｕｅｌとに基づき、図３の特性からフラッシュボイリングが発生する条件であるか否かを判別するようにしてもよい。例えば、図３の特性をマップの形で具備することにより、容易に判別処理を行うことが可能である。

また本発明は、燃料噴射時期として燃料噴射終了時期を機関運転条件に応じた目標時期に制御する構成の制御方法ないし制御装置においても、同様に適用することが可能である。

Claims (17)

1. 燃焼室天井面の吸排気弁に囲まれた領域内に、複数の噴孔を有する燃料噴射弁の先端部が位置し、これら噴孔からピストン冠面へ向かって燃料噴射を行う火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法において、
   上記燃料噴射弁の先端部における燃料温度を直接ないし間接に求め、
   この先端部燃料温度が噴孔における燃料のフラッシュボイリングに相関する温度閾値よりも高いときに、燃料噴射時期を進角する、
   火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
2. 内燃機関の負荷と回転速度とをパラメータとして通常時燃料噴射時期が予め設定されており、先端部燃料温度が上記温度閾値よりも高いときに、上記通常時燃料噴射時期に所定量の進角補正量を加えて燃料噴射時期とする、請求項１に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
3. 上記温度閾値は、吸気圧の関数として設定される、請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
4. 上記温度閾値は、代表的な吸気圧に対応した固定値である、請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
5. 上記先端部燃料温度は、内燃機関の負荷と回転速度と冷却水温とに基づいて推定される、請求項１〜４のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
6. 推定された先端部燃料温度を、内燃機関の空燃比に基づいてさらに補正する、請求項５に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
7. 上記複数の噴孔は、フラッシュボイリング発生状態で個々の噴孔からの噴霧が互いに干渉しないように配向されている、請求項１〜６のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
8. 吸気ポートの下側に燃料噴射弁が配置され、かつ一対の吸気弁の間に上記燃料噴射弁の先端部が位置し、この燃料噴射弁の複数の噴孔によって噴霧全体としてピストン冠面へ向かって扇状に拡がった扁平な噴霧が形成される火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法において、
   上記燃料噴射弁の先端部における燃料温度を直接ないし間接に求め、
   この先端部燃料温度が噴孔における燃料のフラッシュボイリングに相関する温度閾値よりも高いときに、燃料噴射時期を遅角する、
   火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
9. 内燃機関の負荷と回転速度とをパラメータとして通常時燃料噴射時期が予め設定されており、先端部燃料温度が上記温度閾値よりも高いときに、上記通常時燃料噴射時期に所定量の遅角補正量を加えて燃料噴射時期とする、請求項８に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
10. 上記温度閾値は、吸気圧の関数として設定される、請求項８または９に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
11. 上記温度閾値は、代表的な吸気圧に対応した固定値である、請求項８または９に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
12. 上記先端部燃料温度は、内燃機関の負荷と回転速度と冷却水温とに基づいて推定される、請求項８〜１１のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
13. 推定された先端部燃料温度を、内燃機関の空燃比に基づいてさらに補正する、請求項１２に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
14. 上記複数の噴孔は、フラッシュボイリング非発生状態では個々の噴孔からの噴霧が個々に独立し、フラッシュボイリング発生状態では個々の噴霧が互いに干渉して大きな噴霧に集合するように配向されている、請求項８〜１３のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
15. 上記燃料噴射時期は、燃料噴射開始時期である、請求項１〜１４のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
16. 燃焼室天井面の吸排気弁に囲まれた領域内に、複数の噴孔を有する先端部が位置し、これら噴孔からピストン冠面へ向かって燃料噴射を行う燃料噴射弁と、
    この燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御するコントローラと、
    を備え、
    上記コントローラは、
    内燃機関の負荷と回転速度とに対応する燃料噴射時期を割り付けた通常時燃料噴射時期マップを備えているとともに、
    直接ないし間接に求めた上記燃料噴射弁の先端部における燃料温度が、噴孔における燃料のフラッシュボイリングに相関する温度閾値よりも高いときに、燃料噴射時期を進角補正する、
    火花点火式内燃機関の燃料噴射装置。
17. 吸気ポートの下側に配置されるとともに、一対の吸気弁の間に複数の噴孔を有する先端部が位置し、これら噴孔によって噴霧全体としてピストン冠面へ向かって扇状に拡がった扁平な噴霧を形成する燃料噴射弁と、
    この燃料噴射弁の燃料噴射時期を制御するコントローラと、
    を備え、
    上記コントローラは、
    内燃機関の負荷と回転速度とに対応する燃料噴射時期を割り付けた通常時燃料噴射時期マップを備えているとともに、
    直接ないし間接に求めた上記燃料噴射弁の先端部における燃料温度が、噴孔における燃料のフラッシュボイリングに相関する温度閾値よりも高いときに、燃料噴射時期を遅角補正する、
    火花点火式内燃機関の燃料噴射装置。

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