WO2013015023A1 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

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WO2013015023A1
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fuel
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timing
control device
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佳宏 今岡
尊雄 井上
鈴木　琢磨
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日産自動車株式会社
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection control device for an internal combustion engine.
  • JP 2008-31932A does not mention the relationship between fuel injection timing and pressure oscillation. Therefore, in the fuel injection control device of JP2008-31932A, there is a possibility that fuel will be injected at a timing when the charging efficiency becomes relatively low.
  • an object of the present invention is to provide a fuel injection control device capable of improving the charging efficiency of an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine that performs multi-stage injection.
  • the present invention is a fuel injection control device for a direct injection spark ignition type internal combustion engine that performs one or more fuel injections from the intake stroke to the compression stroke during homogeneous combustion. Based on the frequency determined based on the in-cylinder volume of the pressure vibration generated in the cylinder due to fuel injection, the fuel injection timing at which the filling efficiency is improved by the pressure vibration is calculated, and any one of the fuel injections is calculated. It is performed at timing.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a direct injection spark ignition type internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the charging efficiency and the fuel injection timing.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the in-cylinder average pressure and the fuel injection timing.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the intake air flow rate at the cylinder inlet and the fuel injection timing.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the charging efficiency and the fuel injection timing.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a fuel injection control routine of the first embodiment executed by the controller.
  • FIG. 7 is a map in which the number of injections is set based on the engine speed and the load.
  • FIG. 8 is a diagram showing the fuel injection timing for each load region.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a direct injection spark ignition type internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the charging efficiency and the fuel
  • FIG. 9 is a flowchart showing a fuel injection control routine of the second embodiment executed by the controller.
  • FIG. 10 is a map showing the fuel injection timing of the first stage of the three-stage injection or the second-stage injection.
  • FIG. 11 is a map showing the fuel injection timing of the second stage of the third stage injection or the second stage injection.
  • FIG. 12 is a map showing the third stage fuel injection timing of the third stage injection.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing one cylinder of an in-cylinder direct injection spark ignition internal combustion engine (hereinafter simply referred to as “internal combustion engine 1”) 1 according to a first embodiment of the present invention.
  • the internal combustion engine 1 includes a cylinder head 1A and a cylinder block 1B.
  • a piston 10 is housed in a cylinder 11 provided in the cylinder block 1B so as to be able to reciprocate.
  • a combustion chamber 14 is defined by the wall surface of the cylinder 11, the crown surface of the piston 10, and the lower surface of the cylinder head 1A.
  • An intake passage 2 and an exhaust passage 3 are formed in the cylinder head 1A. Both the intake passage 2 and the exhaust passage 3 are open to the combustion chamber 14, and the respective openings are opened and closed by the intake valve 6 and the exhaust valve 7. The intake valve 6 and the exhaust valve 7 are driven by the intake camshaft 4 and the exhaust camshaft 5, respectively.
  • the intake camshaft 4 includes a variable valve mechanism that can change the valve timing.
  • an ignition plug 8 and a fuel injection valve 9 are arranged so as to face the combustion chamber 14.
  • a collector tank 13 is interposed in the intake passage 2, and a throttle valve 12 is disposed on the upstream side of the intake flow of the collector tank 13.
  • the controller 20 executes the opening control of the throttle valve 12, the fuel injection control of the fuel injection valve 9, the fuel injection control such as the injection amount, and the ignition timing control of the spark plug 8.
  • the controller 20 executes each control described above based on detection signals from the accelerator opening sensor 21 and the crank angle sensor 22.
  • the controller 20 includes a microcomputer that includes a central processing unit (CPU), a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface). It is also possible to configure the controller 20 with a plurality of microcomputers.
  • the controller 20 sets a target fuel injection amount according to an operating state such as the engine speed and the required load, and further, the number of injections for injecting the target fuel injection amount, Set the injection timing.
  • multistage injection in which the target fuel injection amount per cycle is divided into a plurality of times for the purpose of improving the uniformity of the air-fuel mixture in the cylinder.
  • the target fuel injection amount per cycle is divided into a plurality of times for the purpose of improving the uniformity of the air-fuel mixture in the cylinder.
  • the time until spark ignition becomes longer, and the cooling effect due to the endothermic reaction when the fuel vaporizes decreases. That is, in the case of single-stage injection, the uniformity improvement effect and the cooling effect are in a trade-off relationship.
  • the multi-stage injection by setting two of the plurality of fuel injection timings to a timing close to the intake top dead center and a timing close to the ignition timing, it is possible to achieve both improved uniformity and a cooling effect. It becomes possible.
  • the fuel injection timing has a correlation with the charging efficiency.
  • the charging efficiency changes depending on the remaining fuel injection timing.
  • the relationship between the charging efficiency and the fuel injection timing will be described.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the charging efficiency and the fuel injection timing.
  • the vertical axis represents the charging efficiency (%)
  • the horizontal axis represents the fuel injection timing (deg. CA)
  • TDC represents the intake top dead center
  • IVC represents the intake valve closing timing.
  • Such a period of increase / decrease in the charging efficiency is considered to be caused by pressure vibration caused by fuel injection.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between in-cylinder average pressure and fuel injection timing.
  • the vertical axis indicates the difference in in-cylinder average pressure (Pa) between when the fuel is injected and when the fuel is not injected, and the horizontal axis indicates the crank angle (deg. CA).
  • TDC indicates the intake top dead center.
  • IT1-IT5 shows the case where fuel is injected at the fuel injection timing of IT1-IT5 in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the intake air flow rate at the cylinder inlet and the fuel injection timing.
  • the vertical axis indicates the difference in intake air flow rate (m 3 / s) at the cylinder inlet when the fuel is injected and when the fuel is not injected, and the horizontal axis indicates the crank angle (deg. CA).
  • TDC indicates the intake top dead center.
  • IT1-IT5 shows the case where fuel is injected at the fuel injection timing of IT1-IT5 in FIG.
  • the in-cylinder average pressure is lower with the fuel injection than when the fuel is not injected. This is presumably because the inside of the cylinder was cooled by the latent heat of vaporization of the injected fuel.
  • the intake air flow rate at the cylinder inlet increases as the cylinder average pressure decreases. Thereafter, an increase in the in-cylinder pressure accompanying an increase in the intake air flow rate and a decrease in the intake air flow rate accompanying an increase in the in-cylinder pressure are repeated. As described above, pressure vibration is generated in the cylinder due to the fuel injection, and the intake air flow rate at the cylinder inlet is also vibrated. In the case of IT5, since the time until the intake valve closing timing is short, the in-cylinder pressure and the intake flow rate hardly oscillate.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the charging efficiency and the fuel injection timing in the same manner as in FIG. 2, and shows the measurement results for more fuel injection timings than in FIG.
  • solid lines A and B indicate cases where the valve timings are different, that is, the intake valve closing timings are different.
  • IT1-IT5 of the solid line B corresponds to IT1-IT5 of FIG.
  • the increase / decrease in filling efficiency has periodicity, and IT3 corresponds to the valley of the increase / decrease curve.
  • IT3 corresponds to the valley of the increase / decrease curve.
  • an increase in the intake air flow rate at the cylinder inlet means that the flow velocity of the intake air flowing into the cylinder is high, so that the in-cylinder flow can be enhanced.
  • it is desirable that the peak of the intake flow rate is closer to the intake valve closing timing. This is because if it is close to the intake valve closing timing, the time until the ignition timing is shortened, so that ignition can be performed while the in-cylinder flow is maintained.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a routine of fuel injection control executed by the controller 20. This control routine is repeatedly executed in a short cycle of about 10 milliseconds, for example. Hereinafter, it demonstrates according to a step.
  • step S100 the controller 20 reads the engine speed and the required load.
  • the engine speed is calculated based on the value detected by the crank angle sensor 22.
  • the required load is read based on the value detected by the accelerator opening sensor 21. All may be calculated by a known method.
  • step S110 the controller 20 sets the target fuel injection amount and the number of injections.
  • the target fuel injection amount is set by a map search or the like based on the engine speed and load as in the known fuel injection control.
  • the number of injections is set by, for example, creating a map in which the number of injections is set based on the engine speed and load as shown in FIG.
  • step S120 the controller 20 reads the valve timing. Specifically, the intake valve closing timing is read. Since the controller 20 also controls the variable valve mechanism, the current valve timing may be read.
  • step S130 the controller 20 calculates the optimal injection timing.
  • the period T_CA from the peak to the peak of the above-described filling efficiency is calculated by the equation (1).
  • B is a constant
  • l is the port length from the collector tank 13 outlet to the cylinder inlet
  • d is the average diameter of the port
  • V is the cylinder volume during fuel injection.
  • This equation is obtained by converting the frequency calculated by the equation (2) for calculating the resonance frequency of the Helmholtz resonator into a period (deg. CA).
  • C is the speed of sound and S is the cross-sectional area of the port.
  • the fuel injection timing IT_ ⁇ c corresponding to the peak of the vibration cycle of the charging efficiency is calculated by the equation (3) using the cycle T_CA.
  • step S140 the controller 20 sets the timing of each fuel injection according to the number of injections set in step S110.
  • the injection amount of each fuel injection is, for example, an amount obtained by dividing the target injection amount into three equal parts in the case of three-stage injection, and the ratio of the first injection quantity and the second injection quantity in the case of two-stage injection. To 7: 3.
  • the fuel injection timing is set as shown in FIG. That is, the first fuel injection timing is set to the advance side as much as possible, for example, 40 to 90 (degATDC) in order to improve uniformity. In order to improve the uniformity within the cylinder, it is desirable that the fuel injection timing be as advanced as possible.
  • a knock determination window is set in the vicinity of the top dead center, and if fuel injection is performed within this window, there is a risk of erroneous determination due to sound or vibration associated with the operation of the fuel injection valve 9. There are also constraints such as combustion limits and smoke limits. Therefore, under these restrictions, the fuel injection timing as described above is set so as to be as advanced as possible.
  • the second fuel injection timing is set to a timing that is a minimum injection interval from the first fuel injection.
  • the minimum injection interval is a restriction on the mechanism of the fuel injection valve 9, for example, the time from the end of the previous fuel injection until the next fuel injection can be started, the time from when the applied voltage peaks until the start of injection, It depends on the minimum injection pulse width and the like. In the low-medium load region, the amount of intake air is relatively small, and the atomized fuel and air are difficult to mix. Thus, the second fuel injection is also set to the timing of the advance side as much as possible, so that the mixing is performed. It can be promoted to improve the uniformity.
  • the third fuel injection timing is set to the fuel injection timing determined by equation (3) to enhance the in-cylinder flow.
  • a knock determination window is also set near the bottom dead center, it is necessary to avoid this.
  • the fuel injection timing as shown in FIG. 8B is set. That is, the first fuel injection timing is set in the same manner as in the low / medium load region.
  • the second fuel injection timing is set to the fuel injection timing determined by the equation (3) to increase the intake flow rate.
  • the third fuel injection timing is set to a fuel injection timing as close as possible to the intake valve closing timing, for example, 140 to 240 degATDC, as long as the fuel injection end timing does not reach the knock determination window near the bottom dead center.
  • the specific fuel injection timing is obtained in advance by experiments or the like.
  • the fuel injection timing is set in the order of priority of fuel injection timing for improving uniformity, fuel injection timing for improving cooling effect, and fuel injection timing for improving fluidity. This is because in a region where knocking may occur, it is necessary to suppress knocking in addition to improving combustion efficiency and isovolume.
  • the fuel injection timing as shown in FIG. 8C is set. That is, the first fuel injection timing is set in the same manner as in the low / medium load region.
  • the second fuel injection timing is set to the fuel injection timing determined by Equation (3), thereby improving the charging efficiency.
  • the third fuel injection timing is set to the fuel injection timing for the cooling effect as in the high load region.
  • the fuel injection timing is set in the order of priority of the fuel injection timing for improving the charging efficiency, the fuel injection timing for the cooling effect, and the fuel injection timing for improving the uniformity. This is because in the fully open region, the highest priority is given to improving the filling efficiency in order to generate a larger torque.
  • step S140 fuel injection is executed in step S150.
  • the fuel injection timing at which the charging efficiency is improved is calculated based on the frequency of the in-cylinder pressure vibration, and any one of the multi-stage injections is injected at the fuel injection timing.
  • the fuel injection timing is calculated based on the intake passage diameter, the distance from the collector tank to the combustion chamber inlet, the combustion chamber volume, the intake valve closing timing, and the engine speed. The injection timing can be set.
  • the fuel injection timing that can increase the charging efficiency or enhance the in-cylinder flow also changes, but these fuel injection timings are calculated according to the operating state, so in the transient time when the operating state changes Can also set an appropriate fuel injection timing.
  • the effect that should be prioritized varies depending on the operating state, but the combination of the fuel injection timing for improving the uniformity, the fuel injection timing for improving the cooling effect, and the fuel injection timing for improving the charging efficiency depends on the operating state. Therefore, an appropriate effect can be obtained.
  • the fuel injection timing is set to at least one of the fuel injection timing for improving the uniformity and the fuel injection timing for enhancing the in-cylinder flow. If injection is performed at both fuel injection timings, it is possible to achieve both improvement in uniformity and in-cylinder flow enhancement. Either of them can be improved even when the number of injections is small.
  • the fuel injection timing is set in the priority order of the fuel injection timing for improving the uniformity, the fuel injection timing for improving the cooling effect, and the fuel injection timing for enhancing the in-cylinder flow.
  • the uniformity can be increased, but also knocking can be reliably suppressed in a region where knocking may occur.
  • the fuel injection timing is set in the priority order of the fuel injection timing for improving the charging efficiency or in-cylinder flow, the fuel injection timing for improving the cooling effect, and the fuel injection timing for improving the uniformity.
  • the configuration of the internal combustion engine 1 to which the second embodiment is applied is the same as that of the first embodiment. However, it differs from the first embodiment in that each fuel injection timing of multi-stage injection is mapped in advance and searched and set. Therefore, a fuel injection timing setting routine will be described.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a fuel injection control routine executed by the controller 20 in the second embodiment. This control routine is repeatedly executed in a short cycle of about 10 milliseconds, for example. Hereinafter, it demonstrates according to a step.
  • Steps S200 and S210 are the same as steps S100 and S120 in FIG.
  • step S220 the controller 20 sets a target fuel injection amount and the number of injections, and further sets each fuel injection timing.
  • the setting of the target fuel injection amount and the number of injections is the same as step S110 in FIG.
  • Each fuel injection timing is set using a map prepared in advance.
  • 10, 11 and 12 are maps for setting the first, second and third fuel injection timings, respectively.
  • the vertical axis represents the load
  • the horizontal axis represents the engine speed.
  • the map in FIG. 10 is obtained by assigning the fuel injection timing for improving the uniformity as the first fuel injection to the map for setting the number of injections in FIG. Assuming that the first fuel injection timing is, for example, 60 degATDC within the range described in the first embodiment, the first fuel injection timing is set to 60 degATDC in both cases of three-stage injection and two-stage injection.
  • the fuel injection timing for improving the charging efficiency or enhancing the in-cylinder flow as the second fuel injection.
  • the fuel injection timing shifts to the advance side as the speed decreases.
  • the fuel injection timing shifts to the advance side as the speed increases.
  • the timing is set at a minimum injection interval from the first injection described above.
  • the 12 shows the fuel injection timing for improving the cooling effect as the third fuel injection.
  • the fuel injection timing shifts to the advance side as the speed increases.
  • step S220 fuel injection is executed in step S230.

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Abstract

　均質燃焼時に吸気行程から圧縮行程にかけて１回または複数回の燃料噴射を行う筒内直接噴射火花点火式内燃機関（１）の燃料噴射制御装置において、燃料噴射に伴い筒内に生じる圧力振動の、筒内容積に基づいて定まる周波数に基づいて、圧力振動に応じて充填効率が向上する燃料噴射タイミングを算出し、いずれかの燃料噴射を当該燃料噴射タイミングで行う。

Description

燃料噴射制御装置
　本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
　筒内に燃料を直接噴射する火花点火式内燃機関の燃料噴射制御として、要求燃料噴射量を複数回に分けて噴射する多段噴射が知られている。例えば、ＪＰ２００８－３１９３２Ａでは、多段噴射を行うにあたって、ピストンスピードが速い期間中の噴射を禁止している。これにより、タンブル流動が壊されることを防止し、筒内流動を利用して筒内混合気の均一性の向上を図っている。
　ところで、筒内直接噴射火花点火式内燃機関の場合、燃料噴射に起因して筒内に圧力振動が生じる。そして、この圧力振動に応じて充填効率が周期的に変動する。
　しかし、ＪＰ２００８－３１９３２Ａでは燃料噴射タイミングと圧力振動の関係については言及されていない。したがって、ＪＰ２００８－３１９３２Ａの燃料噴射制御装置では、充填効率が相対的に低くなるタイミングで燃料を噴射することになるおそれがある。
　本発明の目的は、したがって、多段噴射を行う筒内直接噴射火花点火式内燃機関について、充填効率の向上を図ることができる燃料噴射制御装置を提供することである。
　上記目的を達成するため、本発明は、均質燃焼時に吸気行程から圧縮行程にかけて１回または複数回の燃料噴射を行う筒内直接噴射火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置である。そして、燃料噴射に伴い筒内に生じる圧力振動の、筒内容積に基づいて定まる周波数に基づいて、圧力振動により充填効率が向上する燃料噴射タイミングを算出し、いずれかの燃料噴射を当該燃料噴射タイミングで行うことを特徴とする。
　この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。
図１は、本発明の第１実施形態にかかる筒内直接噴射火花点火式内燃機関の構成図である。 図２は、充填効率と燃料噴射タイミングの関係を示す図である。 図３は、筒内平均圧力と燃料噴射タイミングとの関係を示す図である。 図４は、筒内入口における吸気流量と燃料噴射タイミングとの関係を示す図である。 図５は、充填効率と燃料噴射タイミングの関係を示す図である。 図６は、コントローラが実行する第１実施形態の燃料噴射制御のルーチンを示すフローチャートである。 図７は、機関回転数と負荷に基づいて噴射回数を設定したマップである。 図８は、負荷領域毎の燃料噴射タイミングを示す図である。 図９は、コントローラが実行する第２実施形態の燃料噴射制御のルーチンを示すフローチャートである。 図１０は、３段噴射または２段噴射の１段目の燃料噴射タイミングを示すマップである。 図１１は、３段噴射または２段噴射の２段目の燃料噴射タイミングを示すマップである。 図１２は、３段噴射の３段目の燃料噴射タイミングを示すマップである。
　（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態にかかる筒内直接噴射火花点火式内燃機関（以下、単に「内燃機関１」という）１の一つの気筒について示す構成図である。
　内燃機関１は、シリンダヘッド１Ａとシリンダブロック１Ｂとを含んで構成されている。シリンダブロック１Ｂに設けたシリンダ１１にはピストン１０が往復動可能に収められている。シリンダ１１の壁面とピストン１０の冠面とシリンダヘッド１Ａの下面とで燃焼室１４が画成されている。
　シリンダヘッド１Ａには、吸気通路２及び排気通路３が形成されている。吸気通路２及び排気通路３はいずれも燃焼室１４に開口しており、それぞれの開口部は吸気弁６、排気弁７により開閉される。吸気弁６と排気弁７はそれぞれ吸気カムシャフト４、排気カムシャフト５により駆動される。なお、吸気カムシャフト４はバルブタイミングを変更し得る可変動弁機構を備える。
　また、シリンダヘッド１Ａには、点火栓８と燃料噴射弁９が燃焼室１４に臨むように配置されている。
　吸気通路２にはコレクタタンク１３が介装され、コレクタタンク１３の吸気流れ上流側にはスロットルバルブ１２が配置されている。
　スロットルバルブ１２の開度制御、燃料噴射弁９の噴射タイミング、噴射量等の燃料噴射制御、及び点火栓８の点火時期制御は、コントローラ２０が実行する。
　コントローラ２０は、アクセル開度センサ２１やクランクアングルセンサ２２等の検出信号に基づいて上記各制御を実行する。コントローラ２０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ２０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。
　上記のような構成の内燃機関１において、コントローラ２０は例えば機関回転数と要求負荷といった運転状態に応じた目標燃料噴射量を設定し、さらに、目標燃料噴射量を噴射するための噴射回数、各噴射のタイミングを設定する。
　均質燃焼を行う場合に、筒内の混合気の均一度を向上させる等の目的で、１サイクルあたりの目標燃料噴射量を複数回に分けて噴射する多段噴射が知られている。単段噴射の場合、均一度を高めるには、燃料が霧化して空気と混合する時間を長くすること、つまり、吸気上死点に近いクランクアングルで燃料を噴射することが望ましい。しかし、吸気上死点に近いクランクアングルで燃料噴射すると火花点火までの時間が長くなり、燃料が気化する際の吸熱反応による冷却効果が低下する。つまり、単段噴射の場合には、均一度向上効果と冷却効果とはトレードオフの関係にある。この点、多段噴射によれば、複数の燃料噴射タイミングのうち２つを吸気上死点に近いタイミングと点火時期に近いタイミングに設定することで、均一度向上と冷却効果とを両立することが可能となる。
　ところで、燃料噴射タイミングは充填効率とも相関がある。例えば３段噴射の場合に、３回の燃料噴射のうち２回を均一度向上と冷却効果を両立させるために上述したタイミングを設定すると、残りの燃料噴射タイミングによって充填効率が変化する。ここで、充填効率と燃料噴射タイミングの関係について説明する。
　図２は、充填効率と燃料噴射タイミングの関係を示す図である。縦軸は充填効率（％）、横軸は燃料噴射タイミング（ｄｅｇ．ＣＡ）であり、ＴＤＣは吸気上死点を、ＩＶＣは吸気弁閉タイミングを示している。
　ＩＴ１－ＩＴ５の５パターンの燃料噴射タイミングでの充填効率を測定したところ、図２に示すように、充填効率はＩＴ１からＩＴ３にかけて徐々に低下し、ＩＴ４で上昇している。そして、吸気弁閉時期に近いＩＴ５で再び低下している。
　このような充填効率の増減の周期は、燃料噴射により生じる圧力振動に起因すると考えられる。
　図３は筒内平均圧力と燃料噴射タイミングとの関係を示す図である。縦軸は燃料噴射をした場合としない場合との筒内平均圧力（Ｐａ）の差分を示し、横軸はクランクアングル（ｄｅｇ．ＣＡ）を示している。ＴＤＣは吸気上死点を示している。ＩＴ１－ＩＴ５はそれぞれ図２のＩＴ１－ＩＴ５の燃料噴射タイミングで燃料噴射した場合について示している。
　図４は、筒内入口における吸気流量と燃料噴射タイミングとの関係を示す図である。縦軸は燃料噴射をした場合としない場合との筒内入口における吸気流量（ｍ３/ｓ）の差分を示し、横軸はクランクアングル（ｄｅｇ．ＣＡ）を示している。ＴＤＣは吸気上死点を示している。ＩＴ１－ＩＴ５はそれぞれ図２のＩＴ１－ＩＴ５の燃料噴射タイミングで燃料噴射した場合について示している。
　図３に示すように、いずれの燃料噴射タイミングで噴射した場合でも、燃料噴射に伴って筒内平均圧力が燃料噴射しない場合より低くなっている。これは、噴射した燃料の気化潜熱により筒内が冷却されたためと考えられる。
　そして、図４に示すように、この筒内平均圧力の低下に伴って筒内入口の吸気流量が増加している。その後は、吸気流量の増加に伴う筒内圧力の増大と、筒内圧力の増大に伴う吸気流量の減少を繰り返す。このように燃料噴射に起因して筒内に圧力振動が生じ、筒内入口における吸気流量も振動する。なお、ＩＴ５の場合には、吸気弁閉タイミングまでの時間が短いため、筒内圧力及び吸気流量は殆ど振動しない。
　図３と図２とを対比すると、充填効率が低下する燃料噴射タイミングであるＩＴ３の場合、筒内入口における吸気流量の増減周期と燃料噴射開始から吸気弁閉タイミングまでのクランクアングルが一致している。
　図５は、図２と同様に充填効率と燃料噴射タイミングの関係を示す図であり、図２より多くの燃料噴射タイミングについて測定した結果を示している。なお、図中に実線Ａ、Ｂは、それぞれバルブタイミングが異なる場合、つまり吸気弁閉タイミングが異なる場合について示している。また、実線ＢのＩＴ１－ＩＴ５は、図２のＩＴ１－ＩＴ５に相当する。
　図５に示すように、充填効率の増減には周期性があり、ＩＴ３が増減曲線の谷にあたる。そして、吸気弁閉タイミングが変わると充填効率の増減曲線の山谷の位置はずれるが、山から次の山までの周期（図５でいうとＴ１）は変化しない。
　そこで、充填効率の増減周期の谷にあたらず、筒内入口における吸気流量が多くなるタイミングで燃料噴射すれば、充填効率を向上させることができる。
　また、筒内入口における吸気流量が多くなるということは、筒内に流入する吸気流速が高いということなので、筒内流動の強化も図れる。ただし、筒内流動強化を目的とする場合には、吸気流量の振動の山が吸気弁閉タイミングにより近いことが望ましい。吸気弁閉タイミングに近ければ点火タイミングまでの時間が短くなるので、筒内流動が維持された状態で点火することができるからである。
　なお、タンブルコントロールバルブやスワールコントロールバルブといった吸気流動デバイスを備える場合には、吸気流動デバイスの状態によっても充填効率が向上するタイミングが変化する。したがって、吸気流動デバイスの状態毎の、充填効率が向上するタイミングを測定する必要がある。
　次に、燃料噴射制御について説明する。
　図６は、コントローラ２０が実行する燃料噴射制御のルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、例えば１０ミリ秒程度の短いサイクルで繰り返し実行する。以下、ステップにしたがって説明する。
　ステップＳ１００で、コントローラ２０は機関回転数及び要求負荷を読み込む。機関回転数はクランクアングルセンサ２２の検出値に基づいて演算したものを読み込む。要求負荷は、アクセル開度センサ２１の検出値に基づいて演算したものを読み込む。いずれも公知の手法で演算すればよい。
　ステップＳ１１０で、コントローラ２０は目標燃料噴射量及び噴射回数を設定する。目標燃料噴射量は、公知の燃料噴射制御と同様に機関回転数と負荷に基づいてマップ検索等により設定する。噴射回数は、例えば図７のように機関回転数と負荷に基づいて噴射回数を設定したマップを予め作成しておき、これを検索することで設定する。
　ステップＳ１２０で、コントローラ２０はバルブタイミングを読み込む。具体的には吸気弁閉タイミングを読み込む。コントローラ２０は可変動弁機構の制御も行っているので、現在のバルブタイミングを読み込めばよい。
　ステップＳ１３０で、コントローラ２０は最適噴射タイミングを演算する。まず、上述した充填効率の山から山までの周期Ｔ＿ＣＡを式（１）により算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、Ｂは定数、ｌはコレクタタンク１３出口から筒内入口までのポート長さ、ｄは同ポートの平均径、Ｖは燃料噴射時における筒内容積である。
　この式は、ヘルムホルツレゾネータの共振周波数を算出する式（２）により算出した周波数を、周期（ｄｅｇ．ＣＡ）に変換したものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　なお、Ｃは音速、Ｓは上記ポートの断面積である。
　次に、周期Ｔ＿ＣＡを用いて式（３）により充填効率の振動周期の山に当たる燃料噴射タイミングＩＴ＿ηｃを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　なお、α＝０．５、１．５、２．５、・・・、Ａは定数とする。
　ステップＳ１４０で、コントローラ２０はステップＳ１１０で設定した噴射回数に応じて、各燃料噴射のタイミングを設定する。以下、燃料噴射タイミングの設定について負荷領域毎に説明する。なお、各燃料噴射の噴射量は、例えば、３段噴射の場合には目標噴射量を３等分した量とし、２段噴射の場合には１回目の噴射量と２回目の噴射量の比が７対３になるようにする。
　（低中負荷領域）
　点火時期を最適点火時期（ＭＢＴ）とすることが可能な低中負荷領域では、図８の（Ａ）に示すように燃料噴射タイミングを設定する。すなわち、１回目の燃料噴射タイミングは、均一度向上のためにできるだけ進角側、例えば４０～９０（ｄｅｇＡＴＤＣ）に設定する。筒内の均一度向上のためには、燃料噴射タイミングはできるだけ進角側であることが望ましい。しかし、上死点付近にはノック判定ウィンドウが設定されており、このウィンドウ内で燃料噴射を行うと燃料噴射弁９の作動に伴う音や振動が原因で誤判定するおそれがある。また、燃焼限界やスモーク限界等の制約もある。そこで、これらの制約のもとで、できるだけ進角側ということで、上記のような燃料噴射タイミングを設定する。
　２回目の燃料噴射タイミングは、１回目の燃料噴射から最小噴射間隔をあけたタイミングに設定する。最小噴射間隔とは、燃料噴射弁９の機構上の制約、例えば前回の燃料噴射終了から次回の燃料噴射が開始可能になるまでの時間、印加電圧がピークになってから噴射開始までの時間、最小噴射パルス幅等、により定まる。低中負荷領域では吸入空気量が相対的に少なく、霧化した燃料と空気とが混合しにくいので、このように２回目の燃料噴射もできるだけ進角側のタイミングに設定することで、混合を促進させて均一度を向上させることができる。
　３回目の燃料噴射タイミングは、式（３）により定まる燃料噴射タイミングに設定することで、筒内流動の強化を図る。ただし、下死点付近にもノック判定ウィンドウが設定されているので、これを避ける必要がある。
　２段噴射の場合には、上記の１回目または３回目の噴射タイミングのいずれか一方を選択する。ノッキング発生のおそれが無い領域では、均一度向上と筒内流動強化により燃焼効率、等容度を向上させて、燃費性能を向上させるためである。
　（高負荷領域）
　ノッキング発生のおそれがある高負荷領域では、図８の（Ｂ）に示すような燃料噴射タイミングを設定する。すなわち、１回目の燃料噴射タイミングは、低中負荷領域と同様に設定する。
　２回目の燃料噴射タイミングは、式（３）により定まる燃料噴射タイミングに設定することで、吸気流量の増大を図る。
　３回目の燃料噴射タイミングは、燃料噴射の終了タイミングが下死点付近のノック判定ウィンドウにかからない範囲でできるだけ吸気弁閉タイミングに近い燃料噴射タイミング、例えば１４０～２４０ｄｅｇＡＴＤＣ、を設定する。燃料噴射タイミングを吸気弁閉タイミングに近づけることで、燃料の気化潜熱による冷却効果が大きくなり、ノッキング防止に効果的である。なお、具体的な燃料噴射タイミングは実験等により予め求めておく。
　２段以下の噴射の場合には、均一度向上の燃料噴射タイミング、冷却効果向上の燃料噴射タイミング、流動性向上の燃料噴射タイミング、の優先順位で燃料噴射タイミングを設定する。ノッキング発生のおそれがある領域においては、燃焼効率及び等容度の向上の他に、ノッキングを抑制する必要があるためである。
　（全開領域）
　全開領域では、図８の（Ｃ）に示すような燃料噴射タイミングを設定する。すなわち、１回目の燃料噴射タイミングは、低中負荷領域と同様に設定する。
　２回目の燃料噴射タイミングは、式（３）により定まる燃料噴射タイミングに設定することで、充填効率の向上を図る。
　３回目の燃料噴射タイミングは、高負荷領域と同様に冷却効果のための燃料噴射タイミングに設定する。
　２段以下の噴射の場合には、充填効率向上のための燃料噴射タイミング、冷却効果のための燃料噴射タイミング、均一性向上のための燃料噴射タイミング、の優先順位で燃料噴射タイミングを設定する。全開領域では、より大きなトルクを発生させるために充填効率を向上させることが最優先されるからである。
　フローチャートの説明に戻る。
　ステップＳ１４０で、各燃料噴射タイミングを設定したら、ステップＳ１５０で燃料噴射を実行する。
　内燃機関では運転領域毎に必要とされる効果が変化するが、上述した制御ルーチンによれば、各運転領域で必要とされる効果が得られる燃料噴射タイミングを設定することができる。
　以上のように本実施形態によれば、筒内圧力振動の周波数に基づいて充填効率が向上する燃料噴射タイミングを算出し、多段噴射のいずれかの噴射をその燃料噴射タイミングで燃料噴射する。これにより、充填効率の向上または筒内流動の強化を図ることができる。また、その燃料噴射タイミングを、吸気通路径、コレクタタンクから燃焼室入口までの距離、燃焼室容積、吸気弁閉タイミング、及び機関回転数に基づいて算出するので、簡易的な演算で適切な燃料噴射タイミングを設定できる。
　また、バルブタイミングを変更すると、充填効率を高めたり筒内流動を強化できる燃料噴射タイミングも変化するが、これらの燃料噴射タイミングを運転状態に応じて演算するので、運転状態が変化する過渡時においても適切な燃料噴射タイミングを設定できる。
　運転状態によって優先すべき効果が異なるが、均一度向上のための燃料噴射タイミング、冷却効果向上のための燃料噴射タイミング、及び充填効率向上等のための燃料噴射タイミングの組み合わせを、運転状態に応じて切り替えるので、適切な効果が得られる。
　低中負荷領域では、均一度向上のための燃料噴射タイミングまたは筒内流動強化のための燃料噴射タイミングの少なくとも一方の燃料噴射タイミングに設定する。両方の燃料噴射タイミングで噴射すれば、均一度向上と筒内流動強化を両立させることができる。噴射回数が少ない場合でもいずれかを向上させることができる。
　高負荷領域では、均一度向上のための燃料噴射タイミング、冷却効果向上のための燃料噴射タイミング、筒内流動強化のための燃料噴射タイミングの優先順位で燃料噴射タイミングを設定する。これにより均一度を高めるだけでなく、ノッキング発生のおそれがある領域で確実にノッキングを抑制することができる。
　全開運転では、充填効率向上または筒内流動強化のための燃料噴射タイミング、冷却効果向上のための燃料噴射タイミング、均一度向上のための燃料噴射タイミング、の優先順位で燃料噴射タイミングを設定する。これにより、より高い出力が要求される領域で、充填効率向上または筒内流動強化により出力を向上させることができる。
　（第２実施形態）
　第２実施形態は、適用する内燃機関１の構成は第１実施形態と同様である。しかし、多段噴射の各燃料噴射タイミングを予めマップ化し、これを検索して設定する点が第１実施形態とは異なる。そこで、燃料噴射タイミングの設定ルーチンについて説明する。
　図９は、第２実施形態でコントローラ２０が実行する燃料噴射制御のルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、例えば１０ミリ秒程度の短いサイクルで繰り返し実行する。以下、ステップにしたがって説明する。
　ステップＳ２００、Ｓ２１０は、それぞれ図６のステップＳ１００、Ｓ１２０と同様なので説明を省略する。
　ステップＳ２２０で、コントローラ２０は目標燃料噴射量及び噴射回数を設定し、さらに各燃料噴射タイミングを設定する。目標燃料噴射量と噴射回数の設定については図６のステップＳ１１０と同様なので説明を省略する。
　各燃料噴射タイミングの設定は、予め作成しておいたマップを用いて行う。図１０、図１１、図１２は、それぞれ１回目、２回目、３回目の燃料噴射タイミングを設定するためのマップである。いずれも縦軸は負荷、横軸は機関回転数である。
　図１０のマップは、図７の噴射回数を設定する為のマップに、１回目の燃料噴射としての、均一度向上の為の燃料噴射タイミングを割り付けたものである。１回目の燃料噴射タイミングを、第１実施形態で説明した範囲内の例えば６０ｄｅｇＡＴＤＣとすると、３段噴射、２段噴射のいずれの場合も、第１回目の燃料噴射タイミングを６０ｄｅｇＡＴＤＣに設定する。
　図１１のマップは、２回目の燃料噴射としての充填効率向上または筒内流動強化の為の燃料噴射タイミングを示している。３段噴射の場合には、低回転側へ行くほど燃料噴射タイミングは進角側へずれる。一方、２段噴射の場合には、高回転側へ行くほど燃料噴射タイミングは進角側へずれる。なお、３段噴射の場合、低負荷側の気化燃料と空気とが混合し難い領域（図１１中のＳ１）では、上述した１回目の噴射から最小噴射間隔をあけたタイミングとする。
　図１２のマップは、３回目の燃料噴射としての冷却効果向上の為の燃料噴射タイミングを示している。燃料噴射タイミングは、高回転側へいくほど進角側へずれる。
　ステップＳ２２０で各燃料噴射タイミングを設定したら、ステップＳ２３０で燃料噴射を実行する。
　上記のようにマップを用いることで、第１実施形態に比べて低い演算負荷で運転状態に適した各燃料噴射タイミングを設定することができる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　本願は２０１１年７月２８日に日本国特許庁に出願された特願２０１１－１６５５９５に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (8)

  1. 　均質燃焼時に吸気行程から圧縮行程にかけて１回または複数回の燃料噴射を行う筒内直接噴射火花点火式内燃機関（１）の燃料噴射制御装置において、
    　燃料噴射に伴い筒内に生じる圧力振動の、筒内容積に基づいて定まる周波数に基づいて、前記圧力振動に応じて充填効率が向上する燃料噴射タイミングを算出し、いずれかの燃料噴射を当該燃料噴射タイミングで行う燃料噴射制御装置。
  2. 　請求項１に記載の燃料噴射制御装置において、
    　前記充填効率が向上する燃料噴射タイミングを、吸気通路径、コレクタタンク（１３）から燃焼室（１４）入口までの距離、燃焼室容積、吸気弁閉タイミング、及び機関回転数に基づいて算出する燃料噴射制御装置。
  3. 　請求項２に記載の燃料噴射制御装置において、
    　前記充填効率が向上する燃料噴射タイミングを予め算出して作成したマップを有し、運転状態に応じて前記マップを検索することによって燃料噴射タイミングを設定する燃料噴射制御装置。
  4. 　請求項２に記載の燃料噴射制御装置において、
    　前記充填効率が向上する燃料噴射タイミングを、運転状態に応じて演算することによって燃料噴射タイミングを設定する燃料噴射制御装置。
  5. 　請求項１から４のいずれかに記載の燃料噴射制御装置において、
    　筒内の混合気の均一度を向上させるための燃料噴射タイミング、燃料の気化潜熱による冷却効果を向上させるための燃料噴射タイミング、及び前記充填効率が向上する燃料噴射タイミングの組み合わせを、運転状態に応じて切り替える燃料噴射制御装置。
  6. 　請求項５に記載の燃料噴射制御装置において、
    　前記筒内直接噴射火花点火式内燃機関（１）が低中負荷領域の場合は、前記均一度を向上させるための燃料噴射タイミングまたは前記充填効率が向上する燃料噴射タイミングの少なくとも一方の燃料噴射タイミングに設定する燃料噴射制御装置。
  7. 　請求項５または６に記載の燃料噴射制御装置において、
    　前記筒内直接噴射火花点火式内燃機関（１）が高負荷領域の場合は、前記均一度を向上させるための燃料噴射タイミング、前記燃料の気化潜熱による冷却効果を向上させるための燃料噴射タイミング、前記充填効率が向上する燃料噴射タイミングの優先順位で燃料噴射タイミングを設定する燃料噴射制御装置。
  8. 　請求項５から７のいずれかに記載の燃料噴射制御装置において、
    　前記筒内直接噴射火花点火式内燃機関（１）が全開運転の場合は、前記充填効率が向上する燃料噴射タイミング、前記燃料の気化潜熱による冷却効果を向上させるための燃料噴射タイミング、前記均一度を向上させるための燃料噴射タイミング、の優先順位で燃料噴射タイミングを設定する燃料噴射制御装置。
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