WO2025004178A1 - 燃料噴射装置の制御装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a control device that controls a fuel injection device of an internal combustion engine.
  • PN and HC are generated when fuel injected from a fuel injection device adheres to the piston and walls inside the cylinder. Reducing fuel adhesion is effective in suppressing PN and HC. PN tends to increase when there is a large equivalence ratio, which is the ratio of air to fuel, immediately before ignition, that is, when there is an area in the cylinder where a rich mixture of fuel is present.
  • HC is emitted in large amounts when an internal combustion engine is started when the catalyst is not activated.
  • ignition retard technology is known, which retards the ignition timing from the idle after the catalyst has been warmed up, increases exhaust loss, and raises the exhaust temperature, thereby heating the catalyst early.
  • the operating mode of an internal combustion engine in which the catalyst is warmed up by retarding ignition is also called "catalyst warm-up mode.”
  • Ignition retard is the process of retarding the ignition timing from the optimal ignition timing that provides the best fuel economy. Specifically, ignition retard retards the ignition timing until the expansion stroke, which is the stroke when the piston moves from top dead center to bottom dead center after the compression stroke ends.
  • ignition retard can easily make combustion unstable. To ensure reliable ignition and increase combustion stability, it is necessary to form a rich mixture around the spark plug, which is necessary for ignition.
  • An effective technique for forming a rich mixture around the spark plug at the ignition timing is to form a cavity on the piston crown and inject fuel during the compression stroke to swirl up the mixture that has been put into the cavity, thereby collecting the mixture around the spark plug.
  • Another effective technique for forming a rich mixture around the spark plug at the ignition timing is to place a fuel injection device near the spark plug (hereafter also referred to as "center injection") and inject fuel just before the ignition timing.
  • Patent Document 1 discloses a technology that shortens the period from the end of fuel injection during the expansion stroke to the ignition timing, the more the ignition timing during the expansion stroke is retarded, in order to ensure combustion stability.
  • the penetration (reaching distance) of the fuel spray injected from the fuel injection device is likely to change due to changes in pressure inside the cylinder.
  • the spark plug and the fuel injection position are close to each other, so in order to maintain the mixture around the spark plug at the ignition timing, fuel must be injected immediately before the ignition timing.
  • Patent Document 1 The more the ignition timing during the expansion stroke is retarded, the closer the end timing of the fuel injection to the ignition timing becomes, if the period from the end timing of the fuel injection during the expansion stroke to the ignition timing is shortened. In this case, the time available for the spray to vaporize becomes shorter, and the fuel is more likely to adhere to the piston and walls inside the cylinder at the ignition timing, which can increase PN.
  • the technology disclosed in Patent Document 1 does not take such problems into consideration at all, and there is room for improvement.
  • the present invention was made in consideration of the above, and aims to achieve both ensuring combustion stability of an internal combustion engine and suppressing PN when operating in a catalyst warm-up mode with ignition retard.
  • the fuel injection control device of the present invention is a fuel injection control device that directly injects fuel into the cylinders of an internal combustion engine operating in a catalyst warm-up mode in which the catalyst is warmed up by retarding the ignition timing until the expansion stroke, and is characterized in that, when operating in the catalyst warm-up mode, the fuel injection immediately before the ignition timing of the multiple fuel injections performed during one combustion cycle is performed during the expansion stroke, and the fuel injection device is controlled so that the more the ignition timing is retarded, the smaller the injection amount of the fuel injection immediately before the ignition timing becomes.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine having a fuel injection device.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine system including the internal combustion engine shown in FIG. 1 .
  • 2 is a vertical sectional view of the fuel injection device shown in FIG. 1 and a diagram showing a schematic configuration of a control device.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the vicinity of the movable element and the valve body in FIG. 3 . 4 is a diagram showing the relationship between the injection pulse output from the ECU, the drive voltage applied to the solenoid of the fuel injection device, the drive current supplied to the solenoid, and the displacement amount of the valve body and the movable element.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine having a fuel injection device.
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine system including the internal combustion engine shown in FIG. 1 .
  • 2 is a vertical sectional view of the fuel injection device shown in FIG
  • FIG. 5 is a diagram for explaining fuel injection control performed during operation in a catalyst warm-up mode.
  • FIG. 3 is a projection diagram of a spray injected from a fuel injector.
  • 4 is a diagram showing the relationship between the penetration of the spray injected from the fuel injector and the pressure inside the cylinder.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining a first embodiment of fuel injection control immediately before ignition timing performed during operation in a catalyst warm-up mode.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a second embodiment of fuel injection control immediately before ignition timing performed during operation in a catalyst warm-up mode.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between an injection pulse output from an ECU, a drive voltage applied to a solenoid of a fuel injection device, a drive current supplied to the solenoid, and a displacement amount of a valve body in the second embodiment.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the injection pulse width and the injection amount of a fuel injection device.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the ignition retard amount, the fuel pressure, the injection amount, and the rotation speed of the internal combustion engine, and the elapsed time from the start of the internal combustion engine.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a third embodiment of fuel injection control immediately before ignition timing performed during operation in a catalyst warm-up mode.
  • FIG 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine 10 having a fuel injection device 101.
  • the internal combustion engine 10 is a direct injection type internal combustion engine that injects fuel directly into the cylinder 615.
  • the internal combustion engine 10 includes a fuel injection device 101, a spark plug 604, an intake port 607, an exhaust port 608, a cylinder 614, a piston 609, an intake valve 605, and an exhaust valve 610.
  • the spark plug 604 is disposed at the top center of the cylinder 614.
  • the spark plug 604 has a negative electrode 612 and a positive electrode 613 exposed inside the cylinder 615.
  • the fuel injection device 101 is a center injection type fuel injection device disposed near the spark plug 604 and injects fuel into the cylinder 615.
  • the fuel injection device 101 may be a port injection type fuel injection device disposed in the intake port 607 and injects fuel into the intake port 607.
  • the crown surface 606 of the piston 609 on the spark plug 604 side has a flat surface.
  • a partition wall 602 is attached to the intake port 607 to block the flow between the upper part 620 and the lower part 611 of the intake port 607.
  • a valve 601 is provided upstream of the partition wall 602, and the valve 601 is configured so that its opening and closing can be controlled by the control device 150.
  • Figure 1 shows the valve 601 in a closed state.
  • FIG. 1 illustrates intake valve 605 and exhaust valve 610.
  • the intake valve 605 and exhaust valve 610 are not illustrated in a cross-sectional view passing through the central axis of cylinder 614.
  • FIG. 1 also illustrates the state (D1 to D8) of the spray in cylinder 615 immediately after fuel is injected from fuel injection device 101.
  • FIG. 2 is a diagram showing the schematic configuration of an internal combustion engine system 1 including the internal combustion engine 10 shown in FIG. 1.
  • Air flowing into the cylinder 615 of the internal combustion engine 10 passes through an air cleaner 701, a turbocharger chamber 704 in which a turbocharger turbine 702 is installed, an intercooler 705, a throttle valve 706, and an intake port 607.
  • the air cleaner 701 has the function of removing dust from the air and preventing it from being sucked into the cylinder 615, thereby suppressing wear on the cylinder 614 and piston 609.
  • the turbocharging chamber 704 is provided with turbines 702 on the intake and exhaust sides, and by connecting them with a shaft 707, the turbines 702 rotate according to the flow speed of the exhaust gas, increasing the amount of air flowing into the cylinder 615 and improving output.
  • the air that passes through the turbocharging chamber 704 is cooled by the intercooler 705, as its temperature increases due to supercharging by the turbine 702.
  • the cooled air passes through a throttle valve 706, which adjusts the amount of air, and the intake port 607 before flowing into the cylinder 615.
  • the air that flows into the cylinder 615 mixes with the fuel injected from the fuel injector 101 to form a mixture that is ignited by the spark plug 604 and combusted. This combustion pushes the piston 609 down, and after the driving force of the piston 609 is transmitted to the crankshaft 710, the exhaust valve 610 opens.
  • the exhaust gas in the cylinder 615 passes through the exhaust port 608, and rotates the turbine 702 at the flow rate of the exhaust gas, while passing through the catalytic device 703.
  • the exhaust gas passes through the catalytic device 703, where HC, NOx, and CO are reduced, and the exhaust gas is discharged outside the vehicle.
  • the catalytic device 703 is, for example, composed of a three-way catalyst.
  • the catalytic device 703 removes the HC, NOx, and CO contained in the exhaust gas by causing reduction and oxidation reactions with a catalyst using palladium, rhodium, platinum, or the like.
  • the catalytic device 703 has low reduction ability when the catalyst temperature is low. In particular, under low temperature conditions, such as when the internal combustion engine 10 is started, combustion is required to warm up the catalyst quickly.
  • FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the fuel injection device 101 shown in FIG. 1 and a diagram showing the schematic configuration of the control device 150.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the vicinity of the movable element 202 and the valve body 214 in FIG. 3.
  • the fuel injection of the fuel injection device 101 is controlled by an injection pulse output from an engine control unit (ECU) 104.
  • the ECU 104 is equipped with an A/D converter and an I/O port for receiving signals from various sensors.
  • the ECU 104 receives signals indicating the state of the internal combustion engine 10 from the various sensors, and calculates the pulse width of the injection pulse (injection pulse width) for controlling the amount of fuel injection, as well as the start and end timings of the fuel injection, according to the operating conditions or operating mode of the internal combustion engine 10.
  • the injection pulse output from the ECU 104 is input to the drive circuit 103 through a signal line 110.
  • the drive circuit 103 determines the drive current waveform to be supplied to the solenoid 205 of the fuel injection device 101 based on a command from the ECU 104, and supplies the drive current waveform to the solenoid 205 of the fuel injection device 101 for a period of time based on the injection pulse.
  • the ECU 104 communicates with the drive circuit 103 through a communication line 111.
  • the ECU 104 can switch the drive current waveform determined by the drive circuit 103 and change the current and time settings depending on the fuel pressure supplied to the fuel injection device 101 and the operating conditions or operating mode of the internal combustion engine 10.
  • the drive circuit 103 may be implemented as a component or board integrated with the ECU 104. In this embodiment, the drive circuit 103 and the ECU 104 are collectively referred to as the "control device 150."
  • the fuel injection device 101 is a normally closed solenoid valve (electromagnetic fuel injection device). As shown in FIG. 3, the fuel injection device 101 has a valve body 214 that closes or opens a fuel injection hole 219 through which fuel is injected.
  • the solenoid 205 When the solenoid 205 is not energized, the valve body 214 is biased in the valve closing direction (downward in FIG. 3) by the spring 210, which is a first spring, and is in close contact with the valve seat 218 to be in a closed state. In the closed state, the force of the return spring 212, which is a second spring, acts on the movable element 202 in the valve opening direction (upward in FIG. 3).
  • the force of the spring 210 acting on the valve element 214 is greater than the force of the return spring 212, so that the end face 302 of the movable element 202 comes into contact with the valve element 214, and the movable element 202 is stationary, as shown in FIG. 4.
  • the valve body 214 and the movable element 202 are configured to be relatively displaceable and are contained within the nozzle holder 201.
  • the nozzle holder 201 has an end surface 303 that serves as a spring seat for the return spring 212.
  • the force of the spring 210 is adjusted during assembly by the amount of pressure applied to the spring retainer 224 that is fixed to the inner surface of the stator (core) 207.
  • the fuel injection device 101 forms a magnetic circuit with the stator 207, the movable element 202, the nozzle holder 201, and the housing 203.
  • a gap 301 is provided between the movable element 202 and the stator 207.
  • a magnetic restriction 211 is formed in a portion of the nozzle holder 201 corresponding to the gap 301 between the movable element 202 and the stator 207.
  • the solenoid 205 is attached to the outer periphery of the nozzle holder 201 while being wound around the bobbin 204.
  • a rod guide 215 is provided near the tip of the valve body 214 on the valve seat 218 side so as to be fixed to the nozzle holder 201.
  • valve body 214 The movement of the valve body 214 in the valve axis direction (up and down direction in FIG. 3) is guided by two sliding points, the stator 207 that contacts the spring seat 304 of the valve body 214, and the rod guide 215.
  • An orifice 216 with a valve seat 218 and a fuel injection hole 219 is fixed to the tip of the nozzle holder 201, sealing the internal space (fuel passage) between the movable element 202 and the valve body 214 from the outside.
  • the fuel supplied to the fuel injection device 101 is supplied from a rail piping provided upstream of the fuel injection device 101 and flows through the fuel passage hole 231 to the tip of the valve body 214, where the fuel is sealed by the tip of the valve body 214 on the valve seat 218 side and the valve seat 218.
  • a pressure difference is generated between the top and bottom of the valve body 214 due to the fuel pressure, and the valve body 214 is pushed in the valve closing direction by the pressure difference calculated by multiplying the fuel pressure by the pressure-receiving area of the inner diameter at the position of the valve seat 218, and the force of the spring 210.
  • the movable element 202 moves to the position of the stator 207 and collides with the stator 207. After the movable element 202 collides with the stator 207, it bounces back due to the reaction force from the stator 207, but the magnetic attraction force acting on the movable element 202 causes the movable element 202 to be attracted to the stator 207 and eventually stops. At this time, a force is acting on the movable element 202 in the direction of the stator 207 by the return spring 212, so the time until the bound converges can be shortened. Because the bound is small, the time during which the gap 301 between the movable element 202 and the stator 207 becomes large is shortened, and stable operation can be performed even for smaller injection pulse widths.
  • the movable element 202 and valve body 214 are stationary in the open valve state.
  • a gap is created between the valve body 214 and the valve seat 218, and fuel is injected from the fuel injection hole 219.
  • the fuel flows downstream through a central hole in the stator 207 and a fuel passage hole 305 in the movable element 202.
  • the solenoid 205 When the solenoid 205 is de-energized, the magnetic flux generated in the magnetic circuit disappears, and the magnetic attraction force also disappears. As the magnetic attraction force acting on the movable member 202 disappears, the movable member 202 and the valve body 214 are pushed back toward the closed position in contact with the valve seat 218 by the force of the spring 210 and the differential pressure.
  • valve body 214 moves from an open state to a closed state, the valve body 214 comes into contact with the valve seat 218, and then the movable element 202 moves away from the valve body 214 and the stator 207 in the valve closing direction, and after moving for a certain period of time, is returned to the initial position of the closed state by the return spring 212.
  • the movable element 202 separates from the valve body 214. This allows the fuel injection device 101 to reduce the mass of the movable member at the moment when the valve body 214 collides with the valve seat 218 by the mass of the movable element 202. Therefore, the fuel injection device 101 can reduce the collision energy when colliding with the valve seat 218, and can suppress the bounding of the valve body 214 caused by the valve body 214 colliding with the valve seat 218.
  • relative displacement occurs between the valve body 214 and the moving element 202 at the moment when the moving element 202 and the stator 207 collide when the valve is opened, and at the moment when the valve body 214 and the valve seat 218 collide when the valve is closed. This allows the fuel injection device 101 to suppress bounding of the moving element 202 against the stator 207 and bounding of the valve body 214 against the valve seat 218.
  • Figure 5 shows the relationship between the injection pulse output from the ECU 104, the drive voltage applied to the solenoid 205 of the fuel injection device 101, the drive current supplied to the solenoid 205, and the amount of displacement of the valve body 214 and the movable element 202.
  • the drive circuit 103 When an injection pulse is input to the drive circuit 103, the drive circuit 103 applies a high voltage 401 from a voltage source VH, which is boosted to a voltage higher than the battery voltage VB, to the solenoid 205, and starts supplying a drive current to the solenoid 205.
  • the drive circuit 103 stops applying the high voltage 401. Then, due to the back electromotive force caused by the inductance of the solenoid 205, the drive current supplied to the solenoid 205 is fed back to the voltage source VH side, and rapidly drops from the peak current value Ipeak as in current 402.
  • the drive circuit 103 applies the battery voltage VB to the solenoid 205, and controls it so that a predetermined current 403 is maintained.
  • the differential pressure acting on the valve body 214 increases, and the time it takes for the valve body 214 to reach the target opening becomes longer. As a result, the timing of reaching the target opening may be delayed relative to the time it takes for the peak current value Ipeak to be reached. If the drive current is rapidly reduced to current 402, the magnetic attraction force acting on the movable element 202 also rapidly decreases, causing the behavior of the valve body 214 to become unstable, and in some cases, the valve may start to close even while current is still flowing.
  • the drive circuit 103 causes the current generated by the back electromotive force to flow to the ground potential side, causing the current to regenerate within the circuit, the applied voltage of the solenoid 205 to become approximately 0 V, and the current 402 to gradually decrease.
  • This allows the drive circuit 103 to gradually decrease the magnetic attraction force acting on the movable element 202, and stabilize the behavior of the valve body 214 at high fuel pressures. Therefore, the drive circuit 103 can suppress variations in the injection amount.
  • the fuel injection device 101 is driven by such a driving current profile.
  • the movable element 202 and the valve element 214 start to displace at timing t41. Thereafter, the movable element 202 and the valve element 214 reach a predetermined maximum height position.
  • the movable element 202 collides with the stator 207 and bounds. Since the valve element 214 is configured to be displaceable relative to the movable element 202, it separates from the movable element 202, and the displacement of the valve element 214 overshoots beyond the maximum height position.
  • the movable element 202 is displaced in the valve opening direction by the magnetic attraction force generated by the current 403 and the force of the return spring 212 in the valve opening direction, and comes to rest at the maximum height position at timing t44.
  • the valve body 214 seats on the movable element 202 and displaces in the valve opening direction, and at timing t44, it comes to rest at the maximum height position and enters the open valve state.
  • the amount of displacement of the valve body 214 does not exceed the maximum height position, and the amount of displacement of the movable element 202 and the valve body 214 after reaching the maximum height position (after timing t42) is equal.
  • the height positions of the valve body 214 and the movable element 202 refer to the positions of the valve body 214 and the movable element 202 in the valve opening direction from the reference position, which is the position of the valve body 214 and the movable element 202 in the closed valve state where the valve body 214 is seated on the valve seat 218.
  • the displacement amount of the valve body 214 and the movable element 202 is the displacement amount of the valve body 214 and the movable element 202 from the reference position.
  • the maximum height position of the valve body 214 and the movable element 202 is determined in advance by the position of the stator 207 with which the movable element 202 collides.
  • the displacement amount of the valve body 214 is also referred to as the lift amount of the valve body 214.
  • the displacement amount of the valve body 214 when the valve body 214 reaches the maximum height position is also referred to as the maximum lift amount.
  • Figure 6 is a diagram explaining the fuel injection control performed when operating in catalyst warm-up mode.
  • the horizontal axis of FIG. 6 represents the angle of the crankshaft 710.
  • the angle of the crankshaft 710 at the top dead center (TDC) of the piston 609 during the intake stroke is -360 degrees
  • the angle of the crankshaft 710 at the bottom dead center (BDC) of the piston 609 is -180 degrees
  • the angle of the crankshaft 710 at the TDC of the piston 609 during the compression stroke is 0 degrees.
  • the dotted line in FIG. 6 represents the lift amount of the intake valve 605.
  • the dashed line in FIG. 6 represents the average value of the turbulence velocity in the cylinder 615.
  • the solid line in FIG. 6 represents the tumble in the cylinder 615.
  • the shaded portion in FIG. 6 represents the period during which fuel injection is performed.
  • the control device 150 controls the fuel injection device 101 to perform multiple fuel injections during one combustion cycle. At this time, the control device 150 may control the fuel injection device 101 to perform two or more fuel injections during the intake stroke 802 and one or more fuel injections during the expansion stroke 804. In the example of FIG. 6, the control device 150 controls the fuel injection device 101 to perform two fuel injections during the intake stroke 802 and one fuel injection during the expansion stroke 804. In the example of FIG. 6, the control device 150 performs ignition retard to retard the ignition timing to timing t86 within the expansion stroke 804. The ignition timing t86 changes depending on the timing of the catalyst temperature increase request and the environmental conditions, and is set in advance. The control device 150 needs to control the fuel injection device 101 to perform appropriate fuel injection for the desired ignition timing t86.
  • control device 150 starts opening intake valve 605 to allow air to flow into cylinder 615.
  • control device 150 starts a first fuel injection 805.
  • control device 150 starts a second fuel injection 806.
  • control device 150 starts a third fuel injection 807 at timing t84 immediately before ignition timing t86.
  • the control device 150 controls the start timing t84 and end timing t85 of the fuel injection so that the spray injected from the fuel injection device 101 forms a rich mixture around the spark plug 604 that is richer in fuel than the theoretical air-fuel ratio (stoichiometric).
  • the control device 150 sets the fuel split ratio between the intake stroke 802 and the expansion stroke 804 so that the intake stroke 802 has more fuel.
  • the control device 150 may set the intake stroke 802:expansion stroke 804 ratio to about 6:4, 7:3, 8:2, or 9:1.
  • the control device 150 performs ignition to ignite the mixture.
  • the control device 150 controls the fuel injection device 101 so that the more the ignition timing t86 is delayed, the shorter the period from the end timing t85 of the fuel injection immediately before the ignition timing t86 to the ignition timing t86 becomes.
  • Figure 7 is a projection of the spray injected from the fuel injection device 101.
  • Figure 7 shows a projection of the spray when the A-A' cross section of the spray shown in Figure 1 is viewed in the direction toward the fuel injection device 101.
  • the fuel injection device 101 is a multi-hole type fuel injection device in which the fuel injection hole 219 is composed of multiple holes.
  • the spray injected from the fuel injection device 101 is composed of eight sprays, for example: sprays D1 and D2 injected toward the spark plug 604, sprays D3 and D4 injected toward the piston 609, and sprays D5 to D8 injected toward the intake valve 605 side of sprays D3 and D4.
  • the concept of this embodiment is that, in the fuel injection just before the ignition timing, the sprays D1 and D2 form an air-fuel mixture between and around the negative electrode 612 and positive electrode 613 of the spark plug 604.
  • the fuel injection device 101 injects the sprays D1 and D2 so that the sprays D1 and D2 are positioned between the negative electrode 612 and the positive electrode 613. This allows the fuel injection device 101 to form a mixture richer than stoichiometric between and around the negative electrode 612 and the positive electrode 613, ensuring combustion stability.
  • Figure 8 shows the relationship between the penetration of the spray injected from the fuel injection device 101 and the pressure inside the cylinder 615.
  • the spray injected from the fuel injection device 101 is susceptible to changes in spray penetration due to changes in pressure inside the cylinder 615. As shown in FIG. 8, the lower the pressure inside the cylinder 615, the longer the spray penetration. When the spray penetration is longer, the spray is more likely to diffuse inside the cylinder 615, making it difficult to maintain the mixture around the spark plug 604 at the ignition timing.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a first embodiment of fuel injection control immediately before ignition timing performed when operating in catalyst warm-up mode.
  • FIG. 9(a) shows a case where the ignition retard amount is small
  • FIG. 9(b) shows a case where the ignition retard amount is large.
  • the dashed line in FIG. 9 represents the pressure inside the cylinder 615.
  • the load on the internal combustion engine 10 when operating in catalyst warm-up mode is the same.
  • the amount of ignition retard is the amount by which the ignition timing is retarded from the optimal ignition timing that provides the best fuel economy. The greater the amount of ignition retard, the more the ignition timing is retarded.
  • the control device 150 lengthens the fuel injection period 901, i.e., increases the injection amount, thereby increasing the penetration force of the spray and making it easier for the spray to diffuse inside the cylinder 615. This makes it easier for the control device 150 to maintain the mixture around the spark plug 604 at the ignition timing t93.
  • the control device 150 shortens the fuel injection period 902, i.e., reduces the injection amount, thereby reducing the penetration force of the spray and suppressing the diffusion of the spray. This makes it easier for the control device 150 to maintain the mixture around the ignition plug 604 at the ignition timing t96. As a result, the control device 150 can stably ignite the mixture, ensuring combustion stability.
  • the penetration of the spray tends to be long, so the fuel tends to adhere to the piston 609 and the wall surface inside the cylinder 615, and the PN tends to increase.
  • the control device 150 reduces the injection amount, so it is possible to suppress the adhesion of fuel to the piston 609, etc., and therefore the PN can be suppressed.
  • control device 150 controls the fuel injection device 101 so that the amount of fuel injected immediately before the ignition timing is reduced as the ignition timing is retarded. This allows the control device 150 to maintain the air-fuel mixture around the spark plug 604 at the ignition timing, and also suppress fuel adhesion to the piston 609, etc. Therefore, the control device 150 can ensure both combustion stability and PN suppression.
  • the control device 150 may perform control to keep the air-fuel ratio stoichiometric or constant by adjusting the amount of fuel injected during the intake stroke. Specifically, when the amount of fuel injected immediately before the ignition timing during the expansion stroke is reduced because the ignition retard amount is large, the control device 150 controls the fuel injection device 101 so that the amount of fuel injected during the intake stroke increases in response to the reduction in the injection amount. In this way, the control device 150 can reliably ensure combustion stability by suppressing PN and keeping the air-fuel ratio stoichiometric or constant.
  • the control device 150 may control the fuel injection device 101 so that the injection amount of the second and subsequent fuel injections during the intake stroke is increased.
  • the control device 150 may lengthen the fuel injection period or increase the injection pulse width so that the injection amount of the second and subsequent fuel injections during the intake stroke (e.g., fuel injection 806 in FIG. 6) is increased by the amount that the injection amount immediately before the ignition timing during the expansion stroke is reduced.
  • the fuel injection in the second intake stroke (e.g. fuel injection 806 in FIG. 6) is less likely to cause the mixture to diffuse. Therefore, increasing the amount of fuel injection in the second intake stroke can further increase the effect of forming a rich mixture over a wide area in the cylinder 615 and ensuring combustion stability. Also, compared to the first fuel injection in the intake stroke, the fuel injection in the second intake stroke has a slower injection timing, so the time it takes for the air and fuel to mix is longer, making it more difficult for the air and fuel to mix. Therefore, increasing the amount of fuel injection in the second intake stroke can further increase the effect of forming a rich mixture over a wide area around the spark plug 604 and ensuring combustion stability.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a second embodiment of fuel injection control immediately before ignition timing performed when operating in catalyst warm-up mode.
  • FIG. 10(a) shows a case where the ignition retard amount is small
  • FIG. 10(b) shows a case where the ignition retard amount is large.
  • the dashed line in FIG. 10 represents the pressure inside the cylinder 615.
  • the load on the internal combustion engine 10 when operating in catalyst warm-up mode is the same.
  • the control device 150 according to the second embodiment performs the following fuel injection control in addition to the fuel injection control according to the first embodiment, which controls the fuel injection device 101 so that the amount of fuel injected immediately before the ignition timing is reduced as the ignition retard amount increases. That is, the control device 150 according to the second embodiment controls the fuel injection device 101 so that the period from the end timing of the fuel injection immediately before the ignition timing to the ignition timing is shortened as the ignition retard amount increases, i.e., the ignition timing is retarded. Specifically, the control device 150 controls so that the period 1202 is shortened when the ignition retard amount is large, compared to the period 1201 from the end timing t23 of the fuel injection to the ignition timing t93 when the ignition retard amount is small.
  • the control device 150 according to the second embodiment can form a stable rich mixture around the ignition plug 604 and ensure combustion stability by shortening the period 1202 from the fuel injection end timing t25 to the ignition timing t96 as the ignition retard amount increases. However, if the period 1202 is made too short, the fuel injection end timing t25 approaches the ignition timing t96, shortening the time for the spray to vaporize, and there is a possibility that the mixture will ignite before the spray has finished vaporizing. However, the control device 150 according to the second embodiment can shorten the time required for the spray to vaporize by reducing the injection amount, thereby suppressing fuel adhesion to the piston 609, etc. at the ignition timing t96, and can suppress PN while ensuring combustion stability. Furthermore, by suppressing an extremely rich mixture, for example, with an equivalence ratio of 2 or more, it is possible to further suppress PN.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the injection pulse output from the ECU 104, the drive voltage applied to the solenoid 205 of the fuel injection device 101, the drive current supplied to the solenoid 205, and the amount of displacement of the valve body 214 in the second embodiment.
  • FIG. 11 corresponds to FIG. 5.
  • the dashed lines in FIG. 11 show the waveforms in the first embodiment shown in FIG. 5, and the solid lines in FIG. 11 show the waveforms in the second embodiment.
  • the control device 150 controls the valve element 214 so that the valve element 214 operates with the displacement transition 1301 shown in FIG. 11 during fuel injection immediately before the ignition timing. That is, the control device 150 controls the valve element 214 so that the valve element 214 displaces within a range of height positions lower than the maximum height position during fuel injection immediately before the ignition timing. In other words, the control device 150 according to the second embodiment controls the lift amount of the valve element 214 during fuel injection immediately before the ignition timing within a range smaller than a predetermined maximum lift amount.
  • the control device 150 then controls the fuel injection device 101 so that the lift amount of the valve body 214 becomes smaller as the ignition retard amount becomes larger, i.e., the more the ignition timing is retarded.
  • the lift amount of the valve body 214 By reducing the lift amount of the valve body 214, the pressure loss of the fuel flowing between the valve body 214 and the valve seat 218 increases, and the flow rate of the spray becomes slower. Therefore, even if the ignition timing is retarded and the pressure inside the cylinder 615 is low at the timing of fuel injection, it is possible to easily form an air-fuel mixture near the spark plug 604, and combustion stability can be ensured.
  • the control device 150 reduces the lift amount of the valve body 214 as the ignition retard amount increases, but when the ignition retard amount is small, the control device 150 may control the valve body 214 to reach its maximum height position. As a result, the upper limit value of the lift amount of the valve body 214 can be changed significantly depending on the ignition retard amount, making it easier to maintain the mixture around the spark plug 604 in response to changes in the pressure inside the cylinder 615 that change depending on the ignition retard amount.
  • FIG. 12 shows the relationship between the injection pulse width Ti and the injection amount of the fuel injection device 101.
  • FIG. 12 shows the injection amount characteristic Q141 when each waveform shown in FIG. 11 is used.
  • the valve body 214 does not start opening and fuel is not injected.
  • the force in the valve opening direction which is the resultant force of the magnetic attractive force acting on the movable member 202 and the return spring 212, does not exceed the force of the spring 210, the valve body 214 does not start opening and fuel is not injected.
  • the movable member 202 starts to displace, if the magnetic attractive force required for sliding through the gap 301 cannot be secured and the movable member 202 does not come into contact with the valve body 214, the valve body 214 does not start opening and fuel is not injected.
  • the movable member 202 collides with the valve body 214, and the valve body 214 moves away from the valve seat 218 and starts to displace.
  • the injection amount is less than the dashed line 1420, which is extrapolated from the linear region 1430 where the relationship between the injection pulse width Ti and the injection amount is approximately linear.
  • the valve element 214 starts to close immediately after reaching the maximum height position, and the trajectory of the valve element 214 becomes parabolic.
  • the kinetic energy of the valve element 214 in the valve opening direction is large, and the magnetic attraction force acting on the movable element 202 is large, so the proportion of the time required to close the valve increases, and the injection amount is greater than that of the dashed line 1420.
  • the region 1440 where the movable element 202 does not collide with the stator 207, i.e., where the valve element 214 does not reach the maximum height position and the trajectory of the valve element 214 becomes parabolic is also referred to as the "half lift region 1440.”
  • the region 1441 where the movable element 202 collides with the stator 207, i.e., where the valve element 214 reaches the maximum height position is also referred to as the "full lift region 1441.”
  • the solid line in FIG. 11 shows the case where the valve element 214 is displaced in the half lift region 1440.
  • the valve starts to close at the timing when the amount of bouncing of the valve body 214 caused by the movable element 202 colliding with the stator 207 is at its maximum.
  • the repulsive force generated when the movable element 202 and the stator 207 collide acts on the movable element 202, and the valve closing delay time from when the injection pulse is turned OFF until the valve body 214 closes is reduced.
  • the injection amount is less than the dashed line 1420.
  • the injection pulse width Ti at point 1404 is the case where the valve starts to close immediately after the bound of the valve body 214 has converged.
  • the injection amount increases approximately linearly with the increase in injection pulse width Ti.
  • the valve body 214 does not reach the maximum height position, or even if the valve body 214 reaches the maximum height position, the bound of the valve body 214 is not stable, so the injection amount fluctuates.
  • Fuel injection immediately before the ignition timing during the expansion stroke has a large effect on combustion stability if the injection amount fluctuates. Therefore, the control device 150 may adjust the injection pulse width Ti so that the valve body 214 is displaced in the half lift region 1440 or the linear region 1430. As a result, the control device 150 can more easily ensure combustion stability.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the ignition retard amount, fuel pressure, injection amount, and internal combustion engine 10 rotation speed, and the time elapsed since the start of internal combustion engine 10.
  • the ignition retard amount when the ignition retard amount is 0, this indicates a case where the ignition timing is set to the TDC timing of the compression stroke.
  • the ignition retard amount when the ignition retard amount is retarded, this indicates a case where the ignition timing is set to the retard side of the TDC of the compression stroke.
  • the ignition retard amount is advanced, this indicates a case where the ignition timing is set to the advanced side of the TDC of the compression stroke.
  • the control device 150 sets the ignition retard amount to the advance side (the ignition timing is more advanced than the TDC of the compression stroke) to achieve stable combustion and increase the temperature inside the cylinder 615.
  • the control device 150 shifts the ignition retard amount to the retard side (the ignition timing is more advanced than the TDC of the compression stroke) to increase exhaust loss and increase the temperature of the exhaust gas discharged from the inside of the cylinder 615 to the exhaust port 608.
  • the control device 150 can activate the catalyst of the catalytic device 703 early and reduce HC.
  • the transition period 1502 until the ignition retard amount shifts to the retard side, and the operation period 1503 in the catalyst warm-up mode, which is the period after the ignition retard amount shifts to the retard side there is a transient period 1504 during which the fuel pressure (hereinafter also referred to as "fuel pressure") supplied to the fuel injection device 101 changes (rises).
  • the fuel pump that supplies high-pressure fuel to the fuel injection device 101 supplies high-pressure fuel to a fuel pipe communicating with the fuel injection device 101 by the compression operation of a plunger synchronized with the camshaft of the internal combustion engine 10. Therefore, when the rotation speed of the internal combustion engine 10 is low, a certain amount of time is required for the fuel pressure to reach the target pressure 1505.
  • a transient period 1504 during which the fuel pressure changes occurs between the start timing t51 of the internal combustion engine 10 and the timing t56 at which the catalyst warm-up ends.
  • the internal combustion engine 10 starts and stops more frequently than in vehicles equipped with only the internal combustion engine 10, so the fuel pressure when the internal combustion engine 10 starts changes frequently.
  • FIG. 14 is a diagram explaining a third embodiment of fuel injection control immediately before ignition timing performed when operating in catalyst warm-up mode.
  • FIG. 14(a) shows the case where the fuel pressure is low
  • FIG. 14(b) shows the case where the fuel pressure is high.
  • the ignition retard amount is the same in FIG. 14(a) and FIG. 14(b).
  • the spray penetration power is small, so the spray is less likely to diffuse within the cylinder 615.
  • the spray penetration power is large, so the spray is more likely to diffuse within the cylinder 615. Therefore, when the fuel pressure changes, it is desirable to adjust at least one of the injection amount and the end timing of the fuel injection immediately before the ignition timing.
  • the control device 150 controls the fuel injection device 101 so that the lower the fuel pressure supplied to the fuel injection device 101 at the start timing of the fuel injection immediately before the ignition timing, the longer the period from the end timing of the fuel injection immediately before the ignition timing to the ignition timing. Furthermore, the control device 150 controls the fuel injection device 101 so that the injection amount of the fuel injection immediately before the ignition timing becomes larger as the fuel pressure is lower.
  • the control device 150 controls the period 1601 from the end timing t65 of the fuel injection to the ignition timing t66 to be longer when the fuel pressure is low, compared to the period 1602 from the end timing t65 of the fuel injection to the ignition timing t66 when the fuel pressure is high. This allows the control device 150 to make the spray more easily diffused in the cylinder 615, making it easier for the mixture to reach the area around the spark plug 604 and ensuring combustion stability. Furthermore, the control device 150 controls the fuel injection period 906 to be longer when the fuel pressure is low, compared to the fuel injection period 907 when the fuel pressure is high. This allows the control device 150 to increase the penetration force of the spray to make it easier to diffuse, making it easier for the mixture to reach the area around the spark plug 604 and further ensuring combustion stability.
  • control device 150 controls the fuel injection device 101 so that the injection amount of the fuel injection immediately before the ignition timing decreases as the fuel pressure supplied to the fuel injection device 101 at the start timing of the fuel injection immediately before the ignition timing increases. Furthermore, the control device 150 controls the fuel injection device 101 so that the period from the end timing of the fuel injection immediately before the ignition timing to the ignition timing decreases as the fuel pressure increases.
  • the control device 150 controls the fuel injection period 907 to be shorter than the fuel injection period 906 when the fuel pressure is low.
  • the control device 150 can reduce the penetration force of the spray and suppress the diffusion of the spray, thereby suppressing fuel adhesion to the piston 609, etc., and suppressing PN while ensuring combustion stability.
  • the control device 150 controls the period 1602 to be shorter than the period 1601 from the end timing t62 of the fuel injection to the ignition timing t63 when the fuel pressure is low.
  • control device 150 can make it difficult for the spray to diffuse in the cylinder 615, make it easier to maintain the mixture around the ignition plug 604, and suppress fuel adhesion to the piston 609, etc., so that it is possible to achieve a high degree of both ensuring combustion stability and suppressing PN.
  • control device 150 can adjust at least one of the end timing and injection amount of the fuel injection just before the ignition timing in response to changes in fuel pressure, so that a mixture can be formed around the spark plug 604 even if the fuel pressure changes, and combustion stability can be ensured.
  • adjusting both can greatly control the diffusion state of the spray inside the cylinder 615, thereby ensuring combustion stability and further enhancing the effect of PN suppression.
  • the control device 150 is particularly effective when applied to a hybrid vehicle, and can further enhance the effects of ensuring combustion stability and suppressing PN in the hybrid vehicle.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modified examples.
  • the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.
  • each of the above configurations, functions, processing units, or processing means, etc. may be realized in part or in whole by hardware, for example by designing them as integrated circuits. Furthermore, each of the above configurations or functions, etc. may be realized by software, in which a processor interprets and executes a program that realizes each function. Information such as the programs, tables, or files that realize each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, or an SSD (solid state drive), or in a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
  • a recording device such as a memory, a hard disk, or an SSD (solid state drive)
  • a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
  • control lines and information lines shown are those considered necessary for the explanation, and do not necessarily show all control lines and information lines on the product. In reality, it can be assumed that almost all components are interconnected.

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Abstract

点火リタードを伴う触媒暖機モードでの運転時において内燃機関の燃焼安定性の確保とＰＮ抑制とを両立させることを目的とする。制御装置１５０は、点火タイミングを膨張行程まで遅角する点火リタードによって触媒を暖機する触媒暖機モードで運転する内燃機関１０の気筒内６１５に燃料を直接噴射する燃料噴射装置１０１の制御装置である。制御装置１５０は、触媒暖機モードでの運転時、１燃焼サイクル中に行われる複数回の燃料噴射のうち点火タイミング直前の燃料噴射を膨張行程において行うと共に、点火タイミングが遅角するほど、点火タイミング直前の燃料噴射の噴射量が少なくなるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。

Description

燃料噴射装置の制御装置
　本発明は、内燃機関の燃料噴射装置を制御する制御装置に関する。
　近年、排気規制の強化に伴い、内燃機関では、ＷＬＴＣ等の燃費基準に定められた走行モードにおいて排出される未燃焼粒子（ＰＭ：Particulate Matter）の総量とその個数である未燃焼粒子数（ＰＮ：Particulate Number）、ＨＣ(炭化水素)、ＮＯｘ（窒素酸化物）を低減することが求められている。ＰＮ及びＨＣは、燃料噴射装置から噴射された燃料が気筒内のピストン及び壁面に付着することによって生じる。ＰＮ及びＨＣを抑制するためには、燃料付着を低減することが有効である。ＰＮは、点火の直前に空気と燃料との比である当量比が大きい、すなわち、気筒内に燃料が濃い（リッチ）混合気が存在する領域があると、増加する傾向にある。ＨＣは、触媒が活性化していない内燃機関の始動時に多く排出される。触媒の早期活性化を図る技術として、点火タイミングを触媒の暖機完了後のアイドルよりも遅角させ、排気損失を大きくし排気温度を高くすることによって、触媒を早期に昇温させる点火リタードの技術が知られている。点火リタードによって触媒を暖機する内燃機関の運転モードは「触媒暖機モード」とも称される。
　点火リタードは、燃費が最良となる最適点火タイミングから点火タイミングを遅角することである。具体的には、点火リタードは、圧縮行程が終了しピストンが上死点から下死点に到達するまでの行程である膨張行程まで、点火タイミングを遅角する。但し、点火リタードは、燃焼が不安定となり易い。確実に点火して燃焼安定性を高めるためには、点火プラグの周りに点火に必要なリッチな混合気を形成する必要がある。
　点火タイミングにおいて点火プラグの周りにリッチな混合気を形成する技術としては、ピストンの冠面にキャビティを形成し、圧縮行程に燃料を噴射してキャビティに入れた混合気を巻き上げることで、点火プラグの周りに混合気を集める技術が有効である。また、点火タイミングにおいて点火プラグの周りにリッチな混合気を形成する技術としては、燃料噴射装置を点火プラグ近傍に配置（以下「センター噴射式」とも称する）して、点火タイミング直前に燃料を噴射する技術が有効である。
　特許文献１には、燃焼安定性を確保するべく、膨張行程の点火タイミングが遅角するほど、膨張行程での燃料噴射の終了タイミングから点火タイミングまでの期間を短くする技術が開示されている。
国際公開第２０１６／１９４１８４号
　燃料噴射装置から噴射された燃料の噴霧は、気筒内の圧力の変化によって、噴霧のペネトレーション（到達距離）が変化し易い。膨張行程の点火タイミングが遅角するほど、気筒内の圧力が低くなるので、噴霧のペネトレーションが長くなり易い。噴霧のペネトレーションが長くなると、気筒内に噴霧が拡散し易く、点火タイミングにおいて点火プラグの周りに混合気を維持することが難しくなる。特に、燃料噴射装置を点火プラグ近傍に配置するセンター噴射式の場合、点火プラグと燃料噴射位置とが近いことから、点火タイミングにおいて点火プラグの周りに混合気を維持するためには、点火タイミングの直前に燃料噴射を行う必要がある。
　膨張行程の点火タイミングが遅角するほど、膨張行程での燃料噴射の終了タイミングから点火タイミングまでの期間を短くする場合、燃料噴射の終了タイミングが点火タイミングに近づく。この場合、噴霧が気化できる時間が短くなり、点火タイミングにおいて燃料が気筒内のピストン及び壁面に付着し易くなり、ＰＮが増加することがある。特許文献１に開示された技術は、このような問題について何ら考慮されておらず、改善の余地がある。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、点火リタードを伴う触媒暖機モードでの運転時において内燃機関の燃焼安定性の確保とＰＮ抑制とを両立させることを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係る燃料噴射装置の制御装置は、点火タイミングを膨張行程まで遅角する点火リタードによって触媒を暖機する触媒暖機モードで運転する内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置の制御装置であって、前記触媒暖機モードでの運転時、１燃焼サイクル中に行われる複数回の燃料噴射のうち前記点火タイミング直前の前記燃料噴射を前記膨張行程において行うと共に、前記点火タイミングが遅角するほど、前記点火タイミング直前の前記燃料噴射の噴射量が少なくなるよう、前記燃料噴射装置を制御することを特徴とする。
　本発明によれば、点火リタードを伴う触媒暖機モードでの運転時において内燃機関の燃焼安定性の確保とＰＮ抑制とを両立させることができる。
　上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
燃料噴射装置を有する内燃機関の概略構成を示す図。 図１に示す内燃機関を含む内燃機関システムの概略構成を示す図。 図１に示す燃料噴射装置の縦断面図と制御装置の概略構成とを示す図。 図３の可動子及び弁体の近傍を拡大した図。 ＥＣＵから出力される噴射パルスと、燃料噴射装置のソレノイドに印加される駆動電圧と、ソレノイドに供給される駆動電流と、弁体及び可動子の変位量との関係を示す図。 触媒暖機モードでの運転時に行われる燃料噴射制御を説明する図。 燃料噴射装置から噴射された噴霧の投影図。 燃料噴射装置から噴射された噴霧のペネトレーションと気筒内の圧力との関係を示す図。 触媒暖機モードでの運転時に行われる点火タイミング直前の燃料噴射制御における第１実施形態を説明する図。 触媒暖機モードでの運転時に行われる点火タイミング直前の燃料噴射制御における第２実施形態を説明する図。 実施形態２における、ＥＣＵから出力される噴射パルスと、燃料噴射装置のソレノイドに印加される駆動電圧と、ソレノイドに供給される駆動電流と、弁体の変位量との関係を示す図。 噴射パルス幅と燃料噴射装置の噴射量との関係を示す図。 点火リタード量、燃料圧力、噴射量及び内燃機関の回転数と、内燃機関の始動時からの経過時間との関係を示す図。 触媒暖機モードでの運転時に行われる点火タイミング直前の燃料噴射制御における第３実施形態を説明する図。
　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、各実施形態において同一の符号を付された構成又は機能については、特に言及しない限り、各実施形態において同様の構成又は機能を有し、その説明を省略する。
［実施形態１］
　図１～図９を用いて、実施形態１に係る燃料噴射装置１０１の制御装置１５０について説明する。図１は、燃料噴射装置１０１を有する内燃機関１０の概略構成を示す図である。
　内燃機関１０は、気筒内６１５に燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関である。内燃機関１０は、燃料噴射装置１０１と、点火プラグ６０４と、吸気ポート６０７と、排気ポート６０８と、気筒６１４と、ピストン６０９と、吸気バルブ６０５と、排気バルブ６１０と、を含んで構成される。
　点火プラグ６０４は、気筒６１４の上部中央に配置されている。点火プラグ６０４は、マイナス電極６１２とプラス電極６１３とが気筒内６１５に露出している。燃料噴射装置１０１は、点火プラグ６０４の近傍に配置されて燃料を気筒内６１５に噴射するセンター噴射式の燃料噴射装置である。なお、燃料噴射装置１０１は、吸気ポート６０７に配置されて燃料を吸気ポート６０７内に噴射するポート噴射式の燃料噴射装置であってもよい。
　ピストン６０９の点火プラグ６０４側の冠面６０６は、フラットな面を有している。吸気ポート６０７には、吸気ポート６０７の上部６２０と下部６１１との間の流れを遮断する隔壁６０２が取り付けられている。その隔壁６０２の上流には、バルブ６０１が設けられ、バルブ６０１は制御装置１５０で開弁及び閉弁を制御できるように構成される。図１では、バルブ６０１が閉弁している状態を示している。
　なお、図１では、説明の都合上、吸気バルブ６０５及び排気バルブ６１０を図示している。しかしながら、吸気バルブ６０５が２個、排気バルブ６１０が２個取り付けられている一般的な直噴式の内燃機関１０において、気筒６１４の中心軸を通る断面図には、吸気バルブ６０５及び排気バルブ６１０が図示されない。また、図１には、燃料噴射装置１０１から燃料が噴射された直後における気筒内６１５の噴霧の状態（Ｄ１～Ｄ８）が図示されている。
　図２は、図１に示す内燃機関１０を含む内燃機関システム１の概略構成を示す図である。
　内燃機関１０の気筒内６１５に流入される空気は、エアークリーナ７０１、過給機のタービン７０２が設けられた過給室７０４と、インタークーラ７０５と、スロットルバルブ７０６と、吸気ポート６０７とを通過して流入される。エアークリーナ７０１は、空気中のごみを取り除き、気筒内６１５に吸入されるのを防ぐ機能を有し、気筒６１４及びピストン６０９の磨耗を抑制する。
　過給室７０４には、吸気側と排気側にタービン７０２が設けられており、シャフト７０７で接続されることで、排気ガスの流速に応じてタービン７０２が回転し、気筒内６１５への流入空気量を増加させて、出力を向上する。過給室７０４を通過した空気は、タービン７０２による過給によって温度が上昇するので、インタークーラ７０５によって冷却される。冷却された空気は、空気量を調整するスロットルバルブ７０６、吸気ポート６０７を通過して気筒内６１５に流入する。
　気筒内６１５に流入された空気は、燃料噴射装置１０１から噴射された燃料と混合して混合気を形成し、点火プラグ６０４にて着火され、燃焼する。この燃焼によってピストン６０９が押し下げられ、ピストン６０９の駆動力がクランクシャフト７１０に伝達した後、排気バルブ６１０が開弁する。気筒内６１５の排気ガスは、排気ポート６０８を通過して、排気ガスの流速でタービン７０２を回転させると共に触媒装置７０３を通過する。
　排気ガスは、触媒装置７０３を通過することによってＨＣ、ＮＯｘ及びＣＯが低減され、車外へと排出される。触媒装置７０３は、例えば、３元触媒によって構成される。触媒装置７０３は、排気ガスに含まれるＨＣ、ＮＯｘ及びＣＯに対して、パラジウム、ロジウム及びプラチナ等を使用した触媒によって還元及び酸化反応を生じさせることによって、これらを除去する。但し、触媒装置７０３は、触媒温度が低い場合には還元能力が低い。特に、内燃機関１０の始動時等の低温条件においては、触媒を早期に暖機するための燃焼が必要となる。
　図３は、図１に示す燃料噴射装置１０１の縦断面図と制御装置１５０の概略構成とを示す図である。図４は、図３の可動子２０２及び弁体２１４の近傍を拡大した図である。
　燃料噴射装置１０１の燃料噴射は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１０４から出力される噴射パルスによって制御されている。ＥＣＵ１０４には、各種センサからの信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換器及びＩ／Ｏポートが備えられている。ＥＣＵ１０４では、内燃機関１０の状態を示す信号を各種センサから取り込み、内燃機関１０の運転条件又は運転モードに応じて、燃料噴射の噴射量を制御するための噴射パルスのパルス幅（噴射パルス幅）、並びに、燃料噴射の開始タイミング及び終了タイミングの演算を行う。ＥＣＵ１０４より出力された噴射パルスは、信号線１１０を通して駆動回路１０３に入力される。駆動回路１０３は、ＥＣＵ１０４からの指令に基づいて燃料噴射装置１０１のソレノイド２０５に供給される駆動電流波形を決定し、噴射パルスに基づく時間だけ燃料噴射装置１０１のソレノイド２０５に駆動電流波形を供給する。
　なお、ＥＣＵ１０４は、通信ライン１１１を通して、駆動回路１０３と通信を行っている。ＥＣＵ１０４は、燃料噴射装置１０１に供給される燃料圧力、内燃機関１０の運転条件又は運転モードによって、駆動回路１０３によって決定される駆動電流波形を切り替えたり、電流及び時間の設定値を変更したりすることが可能である。駆動回路１０３は、ＥＣＵ１０４と一体の部品や基板として実装されていてもよい。本実施形態では、駆動回路１０３とＥＣＵ１０４とを纏めて「制御装置１５０」とも称する。
　燃料噴射装置１０１は、通常時閉型の電磁弁（電磁式燃料噴射装置）である。燃料噴射装置１０１は、図３に示すように、燃料が噴射される燃料噴射孔２１９を閉塞又は開放する弁体２１４を有する。弁体２１４は、ソレノイド２０５に通電されていない状態では、第１ばねであるスプリング２１０によって閉弁方向（図３の下方）に付勢されて、弁座２１８に密着して閉弁状態となっている。閉弁状態において、可動子２０２には、開弁方向（図３の上方）にかかる第２ばねである戻しばね２１２による力が作用する。このとき、弁体２１４に作用するスプリング２１０による力のほうが、戻しばね２１２による力に比べて大きいので、図４に示すように、可動子２０２の端面３０２が弁体２１４に接触して、可動子２０２は静止している。弁体２１４と可動子２０２とは、相対変位可能に構成されており、ノズルホルダ２０１に内包されている。ノズルホルダ２０１は、戻しばね２１２のばね座となる端面３０３を有している。スプリング２１０による力は、固定子（コア）２０７の内面に固定されるばね押さえ２２４の押し込み量によって組み立て時に調整されている。
　また、燃料噴射装置１０１は、固定子２０７、可動子２０２、ノズルホルダ２０１及びハウジング２０３によって磁気回路を構成している。可動子２０２と固定子２０７との間には、空隙３０１が設けられている。ノズルホルダ２０１の可動子２０２と固定子２０７との間の空隙３０１に対応する部分には、磁気絞り２１１が形成されている。ソレノイド２０５は、ボビン２０４に巻き付けられた状態でノズルホルダ２０１の外周側に取り付けられている。弁体２１４の弁座２１８側の先端部の近傍には、ロッドガイド２１５が、ノズルホルダ２０１に固定されるようにして設けられている。弁体２１４は、弁体２１４のばね台座３０４に接触する固定子２０７とロッドガイド２１５との２つの摺動箇所によって、弁軸方向（図３の上下方向）の動きをガイドされている。ノズルホルダ２０１の先端部には、弁座２１８と燃料噴射孔２１９とが形成されたオリフィス２１６が固定され、可動子２０２と弁体２１４との間に設けられた内部空間（燃料通路）を外部から封止している。
　燃料噴射装置１０１に供給される燃料は、燃料噴射装置１０１の上流に設けられたレール配管から供給され、燃料通路孔２３１を通って弁体２１４の先端まで流れ、弁体２１４の弁座２１８側の先端部と弁座２１８とで燃料をシールしている。閉弁状態では、燃料圧力によって弁体２１４の上部と下部の差圧が生じ、燃料圧力と弁座２１８の位置における内径の受圧面積とを乗じて求まる差圧力、及び、スプリング２１０の力によって、弁体２１４が閉弁方向に押されている。閉弁状態からソレノイド２０５に駆動電流が供給されると、磁気回路に磁界が生じ、固定子２０７と可動子２０２との間に磁束が通過して、可動子２０２に磁気吸引力が作用する。可動子２０２に作用する磁気吸引力が、差圧力及びスプリング２１０の力を越えるタイミングで、可動子２０２は、固定子２０７の方向（図３の上方）に変位を開始する。
　弁体２１４が開弁動作を開始した後、可動子２０２は、固定子２０７の位置まで移動し、固定子２０７に衝突する。この可動子２０２が固定子２０７に衝突した後には、可動子２０２は、固定子２０７からの反力を受けて跳ね返る動作（バウンド）をするが、可動子２０２に作用する磁気吸引力によって可動子２０２は固定子２０７に吸引され、やがて停止する。このとき、可動子２０２には戻しばね２１２によって固定子２０７の方向に力が作用しているので、バウンドが収束するまでの時間を短くすることができる。バウンドが小さいことで、可動子２０２と固定子２０７との間の空隙３０１が大きくなってしまう時間が短くなり、より小さい噴射パルス幅に対しても安定した動作が行えるようになる。
　このようにして開弁動作を終えた可動子２０２及び弁体２１４は、開弁状態で静止する。開弁状態では、弁体２１４と弁座２１８の間には隙間が生じており、燃料噴射孔２１９から燃料が噴射される。燃料は固定子２０７に設けられた中心孔と、可動子２０２に設けられた燃料通路孔３０５を通過して下流方向に流れるようになっている。
　ソレノイド２０５への通電が断たれると、磁気回路中に生じていた磁束が消滅し、磁気吸引力も消滅する。可動子２０２に作用する磁気吸引力が消滅することによって、可動子２０２及び弁体２１４は、スプリング２１０の力及び差圧力によって、弁座２１８に接触する閉弁位置に向かって押し戻される。
　弁体２１４が開弁状態から閉弁する際に、弁体２１４が弁座２１８に接触した後、可動子２０２が、弁体２１４及び固定子２０７から離隔して閉弁方向に移動し、一定時間運動した後に、戻しばね２１２によって、閉弁状態の初期位置まで戻される。
　弁体２１４が弁座２１８と衝突して閉弁完了する瞬間に、可動子２０２は弁体２１４から離隔する。これにより、燃料噴射装置１０１は、弁体２１４が弁座２１８と衝突する瞬間の可動部材の質量を可動子２０２の質量分だけ低減することができる。したがって、燃料噴射装置１０１は、弁座２１８と衝突する際の衝突エネルギーを小さくすことができ、弁体２１４が弁座２１８に衝突することによって生じる弁体２１４のバウンドを抑制できる。
　燃料噴射装置１０１では、弁体２１４と可動子２０２とには、開弁時の可動子２０２及び固定子２０７の衝突の瞬間、並びに、閉弁時の弁体２１４及び弁座２１８の衝突の瞬間に、相対的変位が生じる。これにより、燃料噴射装置１０１は、可動子２０２の固定子２０７に対するバウンド、及び、弁体２１４の弁座２１８に対するバウンドを抑制することができる。
　図５は、ＥＣＵ１０４から出力される噴射パルスと、燃料噴射装置１０１のソレノイド２０５に印加される駆動電圧と、ソレノイド２０５に供給される駆動電流と、弁体２１４及び可動子２０２の変位量との関係を示す図である。
　駆動回路１０３に噴射パルスが入力されると、駆動回路１０３は、バッテリ電圧ＶＢよりも高い電圧に昇圧された電圧源ＶＨから高電圧４０１をソレノイド２０５に印加し、ソレノイド２０５に駆動電流の供給を開始する。駆動回路１０３は、駆動電流の電流値が予めＥＣＵ１０４によって設定されたピーク電流値Ｉｐｅａｋに到達すると、高電圧４０１の印加を停止する。すると、ソレノイド２０５のインダクタンスによる逆起電力によって、ソレノイド２０５に供給されていた駆動電流は、電圧源ＶＨ側に帰還され、電流４０２のようにピーク電流値Ｉｐｅａｋから急速に低下する。駆動電流の電流値が所定の電流値４０４より小さくなると、駆動回路１０３は、バッテリ電圧ＶＢをソレノイド２０５に印加し、所定の電流４０３が保持されるように制御する。
　燃料噴射装置１０１に供給される燃料圧力が大きくなると、弁体２１４に作用する差圧力が増加し、弁体２１４が目標開度に到達するまでの時間が長くなる。この結果、ピーク電流値Ｉｐｅａｋの到達時間に対して目標開度への到達タイミングが遅れる場合がある。駆動電流を電流４０２のように急速に低下させると、可動子２０２に作用する磁気吸引力も急速に低下するので、弁体２１４の挙動が不安定となり、場合によっては、通電中にも関わらず閉弁を開始してしまう場合がある。
　駆動回路１０３は、ピーク電流値Ｉｐｅａｋから電流４０３への移行期間中、逆起電力による電流を接地電位側に流すことによって、電流が回路内を回生し、ソレノイド２０５の印加電圧は略０Ｖになり、電流４０２を緩やかに低下させることができる。これにより、駆動回路１０３は、可動子２０２に作用する磁気吸引力を緩やかに低下させることができ、高い燃料圧力での弁体２１４の挙動を安定化することができる。したがって、駆動回路１０３は、噴射量のばらつきを抑制することができる。
　このような駆動電流のプロファイルによって、燃料噴射装置１０１は、駆動される。高電圧４０１の印加からピーク電流値Ｉｐｅａｋに到達するまでの間、可動子２０２及び弁体２１４は、タイミングｔ４１で変位を開始する。その後、可動子２０２及び弁体２１４は、予め定められた最大高さ位置に到達する。可動子２０２は、最大高さ位置に到達したタイミングｔ４２で固定子２０７に衝突し、バウンドする。弁体２１４は、可動子２０２に対して相対変位可能に構成されているので、可動子２０２から離隔し、弁体２１４の変位は、最大高さ位置を越えてオーバーシュートする。その後、電流４０３によって生成される磁気吸引力と戻しばね２１２の開弁方向の力とによって、可動子２０２は、開弁方向に変位し、タイミングｔ４４において最大高さ位置の位置に静止する。弁体２１４は、タイミングｔ４３において可動子２０２に着座して開弁方向に変位し、タイミングｔ４４において最大高さ位置の位置で静止して開弁状態となる。弁体２１４と可動子２０２とが一体的に形成された燃料噴射装置の場合、弁体２１４の変位量は、最大高さ位置よりも大きくならず、最大高さ位置に到達後（タイミングｔ４２の後）の可動子２０２と弁体２１４の変位量は同等となる。
　なお、弁体２１４及び可動子２０２の高さ位置とは、弁体２１４が弁座２１８に着座した閉弁状態での弁体２１４及び可動子２０２の位置を基準位置として、当該基準位置から開弁方向における弁体２１４及び可動子２０２の位置を表している。すなわち、弁体２１４及び可動子２０２の変位量とは、弁体２１４及び可動子２０２の当該基準位置からの変位量である。弁体２１４及び可動子２０２の最大高さ位置は、可動子２０２が衝突する固定子２０７の位置によって予め定められている。弁体２１４の変位量は、弁体２１４のリフト量とも称される。本実施形態では、弁体２１４が最大高さ位置に到達した時の弁体２１４の変位量を、最大リフト量とも称する。
　図６は、触媒暖機モードでの運転時に行われる燃料噴射制御を説明する図である。
　図６の横軸は、クランクシャフト７１０の角度を表す。図６において、吸気行程でのピストン６０９の上死点（ＴＤＣ：Top dead center）におけるクランクシャフト７１０の角度を－３６０ｄｅｇ、ピストン６０９の下死点（ＢＤＣ）におけるクランクシャフト７１０の角度を－１８０ｄｅｇ、圧縮行程でのピストン６０９のＴＤＣにおけるクランクシャフト７１０の角度を０ｄｅｇとしている。図６の点線は、吸気バルブ６０５のリフト量を表す。図６の破線は、気筒内６１５の乱れ速度の平均値を表す。図６の実線は、気筒内６１５のタンブルを表す。図６の斜線部分は、燃料噴射が行われる期間を表す。
　触媒暖機モードでの運転時、制御装置１５０は、１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射を行うよう、燃料噴射装置１０１を制御する。この時、制御装置１５０は、吸気行程８０２において２回以上の燃料噴射を行うと共に、膨張行程８０４において１回以上の燃料噴射を行うよう、燃料噴射装置１０１を制御してもよい。図６の例では、制御装置１５０は、吸気行程８０２において２回の燃料噴射を行うと共に、膨張行程８０４において１回の燃料噴射を行うよう、燃料噴射装置１０１を制御する。図６の例では、制御装置１５０は、点火タイミングを膨張行程８０４内のタイミングｔ８６に遅角させる点火リタードを行っている。なお、点火タイミングｔ８６は、触媒の昇温要求のタイミング及び環境条件に応じて変化し、予め設定される。制御装置１５０は、所望の点火タイミングｔ８６に対して適切な燃料噴射が行われるよう燃料噴射装置１０１を制御する必要がある。
　具体的には、ピストン６０９がＴＤＣに到達するタイミングｔ８１であって、排気バルブ６１０が閉弁する直前又は同時のタイミングにおいて、制御装置１５０は、吸気バルブ６０５の開弁を開始させ、気筒内６１５に空気を流入させる。吸気バルブ６０５が開弁を開始し、最大リフト量に到達するまでの間のタイミングｔ８２において、制御装置１５０は、１回目の燃料噴射８０５を開始させる。その後、ピストン６０９がＢＤＣに到達するまでの間のタイミングｔ８３において、制御装置１５０は、２回目の燃料噴射８０６を開始させる。ピストン６０９がＢＤＣに到達し、圧縮行程８０３に入り、更にピストン６０９がＴＤＣに到達した後、点火タイミングｔ８６直前のタイミングｔ８４において、制御装置１５０は、３回目の燃料噴射８０７を開始させる。この３回目の燃料噴射８０７では、燃料噴射装置１０１から噴射された噴霧が点火プラグ６０４の周りにおいて、理論空燃比（ストイキ）よりも燃料が濃いリッチな混合気が形成されるよう、制御装置１５０は、燃料噴射の開始タイミングｔ８４及び終了タイミングｔ８５を制御する。制御装置１５０は、吸気行程８０２と膨張行程８０４との燃料の分割比を、吸気行程８０２が多くなるように設定する。例えば、制御装置１５０は、吸気行程８０２：膨張行程８０４＝６：４、７：３、８：２又は９：１程度に設定してもよい。
　点火プラグ６０４のマイナス電極６１２とプラス電極６１３との間及びその周辺にリッチな混合気が形成されたタイミングｔ８６において、制御装置１５０は、点火を行い混合気に着火させる。この点火タイミングｔ８６において、点火プラグ６０４の周りの混合気を維持するためには、点火タイミングｔ８６直前の燃料噴射の終了タイミングｔ８５を、点火タイミングｔ８６に近づけるとよい。すなわち、制御装置１５０は、点火タイミングｔ８６が遅角するほど、点火タイミングｔ８６直前の燃料噴射の終了タイミングｔ８５から点火タイミングｔ８６までの期間が短くなるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。
　図７は、燃料噴射装置１０１から噴射された噴霧の投影図である。図７は、図１に示す噴霧のＡ－Ａ’断面を燃料噴射装置１０１に向かう方向に視た場合の噴霧の投影図を示している。
　燃料噴射装置１０１は、燃料噴射孔２１９が複数の孔によって構成されたマルチホールタイプの燃料噴射装置である。燃料噴射装置１０１から噴射される噴霧は、例えば、点火プラグ６０４に向けて噴射される噴霧Ｄ１，Ｄ２と、ピストン６０９に向けて噴射される噴霧Ｄ３，Ｄ４と、噴霧Ｄ３，Ｄ４よりも吸気バルブ６０５側に向けて噴射される噴霧Ｄ５～Ｄ８と、の８つの噴霧によって構成される。
　本実施形態のコンセプトは、点火タイミング直前の燃料噴射では、点火プラグ６０４のマイナス電極６１２とプラス電極６１３との間及びその周辺に、噴霧Ｄ１，Ｄ２によって混合気を形成することである。燃料噴射装置１０１は、噴霧Ｄ１，Ｄ２がマイナス電極６１２とプラス電極６１３を挟み込んで配置されるよう噴霧Ｄ１，Ｄ２を噴射する。これにより、燃料噴射装置１０１は、マイナス電極６１２とプラス電極６１３との間及びその周辺に、ストイキよりもリッチな混合気を形成することができ、燃焼安定性を確保することができる。
　図８は、燃料噴射装置１０１から噴射された噴霧のペネトレーションと気筒内６１５の圧力との関係を示す図である。
　燃料噴射装置１０１から噴射された噴霧は、気筒内６１５の圧力の変化によって、噴霧のペネトレーションが変化し易い。図８に示すように、気筒内６１５の圧力が低いほど、噴霧のペネトレーションが長くなる。噴霧のペネトレーションが長くなると、気筒内６１５に噴霧が拡散し易く、点火タイミングにおいて点火プラグ６０４の周りに混合気を維持することが難しくなる。
　図９は、触媒暖機モードでの運転時に行われる点火タイミング直前の燃料噴射制御における第１実施形態を説明する図である。図９（ａ）は点火リタード量が小さい場合を示し、図９（ｂ）は点火リタード量が大きい場合を示す。なお、図９の破線は、気筒内６１５の圧力を表す。図９（ａ）及び図９（ｂ）において、触媒暖機モードでの運転時における内燃機関１０の負荷は同一とする。
　点火リタード量とは、燃費が最良となる最適点火タイミングから点火タイミングが遅角された量のことである。点火リタード量が大きいほど、点火タイミングは大きく遅角する。
　図９（ａ）に示すように、点火リタード量が小さい場合、燃料噴射の開始タイミングｔ９１がＴＤＣと近いので、気筒内６１５の圧力は高い。この場合、噴霧のペネトレーションは長くなり難いので、混合気が気筒内６１５に拡散し難い。この場合、制御装置１５０は、燃料噴射期間９０１を長くする、すなわち、噴射量を多くすることによって、噴霧の貫徹力を大きくし、噴霧を気筒内６１５において拡散し易くする。これにより、制御装置１５０は、点火タイミングｔ９３において混合気を点火プラグ６０４の周りに維持し易くすることができる。
　図９（ｂ）に示すように、点火リタード量が大きい場合、燃料噴射の開始タイミングｔ９４での気筒内６１５の圧力は、図９（ａ）の場合に比べて低くなる。この場合、噴霧のペネトレーションは長くなり易いので、混合気が気筒内６１５に拡散し易くなる。この場合、制御装置１５０は、燃料噴射期間９０２を短くする、すなわち、噴射量を少なくすることによって、噴霧の貫徹力を小さくし、噴霧の拡散を抑制する。これにより、制御装置１５０は、点火タイミングｔ９６において、混合気を点火プラグ６０４の周りに維持し易くすることができる。この結果、制御装置１５０は、安定的に混合気に着火することができるので、燃焼安定性を確保することができる。
　更に、図９（ｂ）に示す場合、噴霧のペネトレーションは長くなり易いので、燃料が気筒内６１５のピストン６０９及び壁面に付着し易くなり、ＰＮが増加し易い。しかしながら、制御装置１５０は、噴射量を少なくするので、ピストン６０９等への燃料付着を抑制することができ、ＰＮを抑制することができる。
　このように、制御装置１５０は、点火タイミングが遅角するほど、点火タイミング直前の燃料噴射の噴射量が少なくなるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。これにより、制御装置１５０は、点火タイミングにおいて混合気を点火プラグ６０４の周りに維持することができると共に、ピストン６０９等への燃料付着を抑制することができる。よって、制御装置１５０は、燃焼安定性の確保とＰＮ抑制とを両立させることができる。
　また、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すような、膨張行程において行われる点火タイミング直前の燃料噴射の噴射量が点火リタード量に応じて変化する場合、制御装置１５０は、吸気行程の燃料噴射の噴射量を調整することで、空燃比をストイキ又は一定に保つ制御を行うとよい。具体的には、点火リタード量が大きいことから、膨張行程において行われる点火タイミング直前の燃料噴射の噴射量を少なくする場合、制御装置１５０は、当該噴射量の減少に応じて、吸気行程において行われる燃料噴射の噴射量が増えるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。これにより、制御装置１５０は、ＰＮを抑制しつつ、空燃比をストイキ又は一定に保って燃焼安定性を確実に確保することができる。
　更に、吸気行程において２回以上の燃料噴射を行う場合、制御装置１５０は、吸気行程において２回目以降に行われる燃料噴射の噴射量が増加するよう、燃料噴射装置１０１を制御するとよい。例えば、制御装置１５０は、膨張行程において行われる点火タイミング直前の噴射量が少なくなった分だけ、吸気行程の２回目以降に行われる燃料噴射（例えば図６の燃料噴射８０６）の噴射量が増えるよう、燃料噴射期間を長くしたり、噴射パルス幅を大きくしたりするとよい。
　吸気行程１回目の燃料噴射（例えば図６の燃料噴射８０５）に比べて、吸気行程２回目の燃料噴射（例えば図６の燃料噴射８０６）の方が、混合気が拡散し難い。したがって、吸気行程２回目の燃料噴射の噴射量を増加させた方が、リッチな混合気を広範囲にわたって気筒内６１５に形成して燃焼安定性を確保できる効果を、より高めることができる。また、吸気行程１回目の燃料噴射に比べて、吸気行程２回目の燃料噴射の方が、噴射のタイミングが遅いので、空気と燃料とが混合する時間が長くなり、空気と燃料とが混合し難い。したがって、吸気行程２回目の燃料噴射の噴射量を増加させた方が、点火プラグ６０４の周りの広範囲にリッチな混合気を形成することができ易く、燃焼安定性を確保できる効果を、より高めることができる。
［実施形態２］
　図１０～図１２を用いて、実施形態２に係る燃料噴射装置１０１の制御装置１５０について説明する。実施形態２に係る燃料噴射装置１０１の制御装置１５０において、実施形態１と同様の構成及び動作については、説明を省略する。
　図１０は、触媒暖機モードでの運転時に行われる点火タイミング直前の燃料噴射制御における第２実施形態を説明する図である。図１０（ａ）は点火リタード量が小さい場合を示し、図１０（ｂ）は点火リタード量が大きい場合を示す。なお、図１０の破線は、気筒内６１５の圧力を表す。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）において、触媒暖機モードでの運転時における内燃機関１０の負荷は同一とする。
　実施形態２に係る制御装置１５０は、点火リタード量が大きいほど点火タイミング直前の燃料噴射の噴射量が少なくなるよう燃料噴射装置１０１を制御する実施形態１に係る燃料噴射制御に加えて、次のような燃料噴射制御を行う。すなわち、実施形態２に係る制御装置１５０は、点火リタード量が大きいほど、すなわち、点火タイミングが遅角するほど、点火タイミング直前の燃料噴射の終了タイミングから点火タイミングまでの期間が短くなるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。具体的には、制御装置１５０は、点火リタード量が小さい場合における当該燃料噴射の終了タイミングｔ２３から点火タイミングｔ９３までの期間１２０１に対して、点火リタード量が大きい場合では、当該期間１２０２が短くなるよう制御する。
　点火リタード量が大きい場合は、小さい場合に比べて、燃料噴射の開始タイミングｔ２４での気筒内６１５の圧力が低くなるので、噴霧のペネトレーションが長くなり、混合気が気筒内６１５に拡散し易くなる。その結果、点火タイミングｔ９６において、点火プラグ６０４の周りにリッチな混合気を維持することが難しい。
　実施形態２に係る制御装置１５０は、点火リタード量が大きいほど燃料噴射の終了タイミングｔ２５から点火タイミングｔ９６までの期間１２０２を短くすることによって、安定的にリッチな混合気を点火プラグ６０４の周りに形成し、燃焼安定性を確保することができる。但し、当該期間１２０２を短くし過ぎると、燃料噴射の終了タイミングｔ２５が点火タイミングｔ９６に近づくので、噴霧が気化できる時間が短くなり、噴霧が気化し終わる前に混合気に着火する場合があった。しかしながら、実施形態２に係る制御装置１５０は、噴射量を少なくすることによって、噴霧が気化に要する時間を短くすることができるので、点火タイミングｔ９６においてピストン６０９等への燃料付着を抑制することができ、燃焼安定性を確保しつつＰＮを抑制することができる。更に、例えば当量比２以上の極端にリッチな混合気を抑制することにより、ＰＮをより一層抑制することが可能となる。
　図１１は、実施形態２における、ＥＣＵ１０４から出力される噴射パルスと、燃料噴射装置１０１のソレノイド２０５に印加される駆動電圧と、ソレノイド２０５に供給される駆動電流と、弁体２１４の変位量との関係を示す図である。図１１は、図５に対応する図である。図１１の破線は、図５に示した実施形態１に係る各波形を示し、図１１の実線は、第２実施形態に係る各波形を示す。
　実施形態２に係る制御装置１５０は、点火タイミング直前の燃料噴射において、弁体２１４が図１１に示すような変位量の推移１３０１で動作するように、弁体２１４を制御する。すなわち、制御装置１５０は、点火タイミング直前の燃料噴射において、弁体２１４が最大高さ位置よりも低い高さ位置の範囲で変位するように弁体２１４を制御する。言い換えると、実施形態２に係る制御装置１５０は、点火タイミング直前の燃料噴射における弁体２１４のリフト量を予め定められた最大リフト量より小さい範囲において制御する。
　そして、制御装置１５０は、点火リタード量が大きいほど、すなわち、点火タイミングが遅角するほど、弁体２１４のリフト量が小さくなるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。弁体２１４のリフト量が小さくなることで、弁体２１４と弁座２１８との間を流れる燃料の圧力損失が大きくなり、噴霧の流速が遅くなる。したがって、点火タイミングが遅角して、燃料噴射のタイミングにおいて気筒内６１５の圧力が低くなった場合であっても、混合気を点火プラグ６０４の近傍に形成し易くすることができ、燃焼安定性を確保することができる。
　なお、制御装置１５０は、点火リタード量が大きいほど、弁体２１４のリフト量を小さくするが、点火リタード量が小さい場合には、弁体２１４が最大高さ位置に到達するよう制御しても良い。この結果、点火リタード量に応じて弁体２１４のリフト量の上限値を大きく変化させることができ、点火リタード量に応じて変化する気筒内６１５の圧力の変化に対して、混合気を点火プラグ６０４の周りに維持し易くすることができる。
　図１２は、噴射パルス幅Ｔｉと燃料噴射装置１０１の噴射量との関係を示す図である。図１２は、図１１に示す各波形を用いた場合の噴射量特性Ｑ１４１を示している。
　噴射パルス幅Ｔｉが所定時間に達しない時には、可動子２０２に作用する磁気吸引力及び戻しばね２１２の合力である開弁方向の力が、スプリング２１０の力を上回らない場合では、弁体２１４は開弁を開始せず、燃料は噴射されない。或いは、可動子２０２が変位を開始したとしても空隙３０１を滑走するのに必要な磁気吸引力が確保できず、可動子２０２が弁体２１４に接触しない場合では、弁体２１４は開弁を開始せず、燃料は噴射されない。また、噴射パルス幅Ｔｉが短い、例えば、図１２の点１４０１のような場合では、可動子２０２が弁体２１４に衝突して、弁体２１４は弁座２１８から離隔し、変位を開始する。しかし、弁体２１４が最大高さ位置に到達する前に閉弁を開始するので、噴射パルス幅Ｔｉと噴射量との関係が略直線となる線形領域１４３０から外挿される一点鎖線１４２０に対して噴射量は少なくなる。
　また、点１４０２の噴射パルス幅Ｔｉ場合では、弁体２１４が最大高さ位置に到達した直後で閉弁を開始し、弁体２１４の軌跡が放物運動となる。この場合においては、弁体２１４が有する開弁方向の運動エネルギーが大きく、可動子２０２に作用する磁気吸引力が大きいので、閉弁に要する時間の割合が大きくなり、一点鎖線１４２０に対して噴射量が多くなる。
　本実施形態では、噴射量特性Ｑ１４１において、可動子２０２が固定子２０７と衝突しない、すなわち、弁体２１４が最大高さ位置に到達せずに弁体２１４の軌跡が放物運動となる領域１４４０を、「ハーフリフト領域１４４０」とも称する。本実施形態では、噴射量特性Ｑ１４１において、可動子２０２が固定子２０７と衝突する、すなわち、弁体２１４が最大高さ位置に到達する領域１４４１を、「フルリフト領域１４４１」とも称する。図１１の実線は、弁体２１４がハーフリフト領域１４４０で変位する場合を示している。
　点１４０３の噴射パルス幅Ｔｉでは、可動子２０２が固定子２０７に衝突することで生じる弁体２１４のバウンド量が最大となるタイミングにおいて閉弁を開始する場合である。これにより、可動子２０２と固定子２０７とが衝突する際の反発力が可動子２０２に働き、噴射パルスをＯＦＦにしてから弁体２１４が閉弁するまでの閉弁遅れ時間が小さくなる。その結果、噴射量は一点鎖線１４２０に対して少なくなる。
　点１４０４の噴射パルス幅Ｔｉは、弁体２１４のバウンドが収束した直後のタイミングに閉弁を開始する場合である。点１４０４より大きい噴射パルス幅Ｔｉでは、噴射パルス幅Ｔｉの増加に応じて噴射量が略線形的に増加する。燃料噴射が開始されてから、点１４０４の噴射パルス幅Ｔｉまでの領域では、弁体２１４が最大高さ位置に到達しないか、若しくは、弁体２１４が最大高さ位置に到達したとしても弁体２１４のバウンドが安定しないので、噴射量が変動する。膨張行程において行われる点火タイミング直前の燃料噴射は、噴射量が変動する場合、燃焼安定性に与える影響が大きい。したがって、制御装置１５０は、弁体２１４がハーフリフト領域１４４０又は線形領域１４３０で変位するよう、噴射パルス幅Ｔｉを調整するとよい。この結果、制御装置１５０は、燃焼安定性を更に確保し易くなる。
［実施形態３］
　図１３及び図１４を用いて、実施形態３に係る燃料噴射装置１０１の制御装置１５０について説明する。実施形態３に係る燃料噴射装置１０１の制御装置１５０において、実施形態１，２と同様の構成及び動作については、説明を省略する。
　図１３は、点火リタード量、燃料圧力、噴射量及び内燃機関１０の回転数と、内燃機関１０の始動時からの経過時間との関係を示す図である。図１３において、点火リタード量が０の場合は、点火タイミングが圧縮行程のＴＤＣのタイミングに設定される場合を示す。図１３において、点火リタード量が遅角の場合は、点火タイミングが圧縮行程のＴＤＣよりも遅角側に設定される場合を示す。図１３において、点火リタード量が進角の場合は、点火タイミングが圧縮行程のＴＤＣよりも進角側に設定される場合を示す。
　内燃機関１０の始動タイミングｔ５１から燃焼が安定するまでのクランキング期間１５０１では、制御装置１５０は、点火リタード量を進角側（点火タイミングを圧縮行程のＴＤＣよりも進角側）に設定することによって、安定的な燃焼を実現し、気筒内６１５の温度を上昇させる。クランキングが終了したタイミングｔ５２以降、制御装置１５０は、点火リタード量を遅角側（点火タイミングを圧縮行程のＴＤＣよりも遅角側）に移行させることによって、排気損失を大きくし、気筒内６１５から排気ポート６０８に排出される排気ガスの温度を上昇させる。その結果、制御装置１５０は、触媒装置７０３の触媒を早期に活性化させることができ、ＨＣを低減することができる。
　また、クランキング期間１５０１、点火リタード量が遅角側に移行するまでの移行期間１５０２、及び、点火リタード量が遅角側に移行後の期間である触媒暖機モードでの運転期間１５０３においては、燃料噴射装置１０１に供給される燃料圧力（以下「燃圧」とも称する）が変化（上昇）する過渡期間１５０４が存在する。燃料噴射装置１０１に高圧燃料を供給する燃料ポンプは、内燃機関１０のカムシャフトと同期したプランジャの圧縮動作によって高圧燃料を、燃料噴射装置１０１と連通する燃料配管に供給する。したがって、内燃機関１０の回転数が低い場合、燃料圧力が目標圧力１５０５に到達するまでには、一定の時間が必要となる。すなわち、内燃機関１０の始動タイミングｔ５１から触媒暖機が終了するタイミングｔ５６までの間には、燃料圧力が変化する過渡期間１５０４が生じる。特に、内燃機関１０及び電動モータが搭載されたハイブリッド車両（ＨＥＶ、ＳＨＥＶ、ＰＨＥＶ）では、内燃機関１０のみを搭載する車両に比べて、内燃機関１０の始動及び停止の頻度が増加するので、内燃機関１０の始動時の燃料圧力が頻繁に変化する。
　図１４は、触媒暖機モードでの運転時に行われる点火タイミング直前の燃料噴射制御における第３実施形態を説明する図である。図１４（ａ）は燃料圧力が低い場合を示し、図１４（ｂ）は燃料圧力が高い場合を示す。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）において、点火リタード量は同一であるとする。
　燃料圧力が低い場合には、噴霧の貫徹力が小さくなるので、噴霧は気筒内６１５において拡散し難くなる。燃料圧力が高い場合には、噴霧の貫徹力が大きくなるので、噴霧は気筒内６１５において拡散し易くなる。したがって、燃料圧力が変化する場合、点火タイミング直前の燃料噴射の終了タイミング及び噴射量の少なくとも１つを調整することが望ましい。
　実施形態３に係る制御装置１５０は、点火タイミング直前の燃料噴射の開始タイミングにおいて燃料噴射装置１０１に供給される燃料圧力が低いほど、点火タイミング直前の燃料噴射の終了タイミングから点火タイミングまでの期間が長くなるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。更に、制御装置１５０は、当該燃料圧力が低いほど、点火タイミング直前の燃料噴射の噴射量が多くなるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。
　具体的には、制御装置１５０は、燃料圧力が高い場合における当該燃料噴射の終了タイミングｔ６５から点火タイミングｔ６６までの期間１６０２に対して、燃料圧力が低い場合では、当該期間１６０１が長くなるよう制御する。これにより、制御装置１５０は、噴霧を気筒内６１５において拡散し易くすることができるので、混合気を点火プラグ６０４の周りに到達させ易くすることができ、燃焼安定性を確保することができる。更に、制御装置１５０は、燃料圧力が高い場合における燃料噴射期間９０７に対して、燃料圧力が低い場合では、燃料噴射期間９０６が長くなるよう制御する。これにより、制御装置１５０は、噴霧の貫徹力を大きくして拡散し易くすることができるので、混合気を点火プラグ６０４の周りに到達させ易くすることができ、燃焼安定性を更に確保することができる。
　一方、実施形態３に係る制御装置１５０は、点火タイミング直前の燃料噴射の開始タイミングにおいて燃料噴射装置１０１に供給される燃料圧力が高いほど、点火タイミング直前の燃料噴射の噴射量が少なくなるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。更に、制御装置１５０は、当該燃料圧力が高いほど、点火タイミング直前の燃料噴射の終了タイミングから点火タイミングまでの期間が短くなるよう、燃料噴射装置１０１を制御する。
　具体的には、制御装置１５０は、燃料圧力が低い場合における燃料噴射期間９０６に対して、燃料圧力が高い場合では、燃料噴射期間９０７が短くなるよう制御する。これにより、制御装置１５０は、噴霧の貫徹力を小さくして噴霧の拡散を抑制することができるので、ピストン６０９等への燃料付着を抑制することができ、燃焼安定性を確保しつつＰＮを抑制することができる。更に、制御装置１５０は、燃料圧力が低い場合における当該燃料噴射の終了タイミングｔ６２から点火タイミングｔ６３までの期間１６０１に対して、燃料圧力が高い場合では、当該期間１６０２が短くなるよう制御する。これにより、制御装置１５０は、噴霧を気筒内６１５において拡散し難くすることができ、混合気を点火プラグ６０４の周りに維持し易くすることができると共に、ピストン６０９等への燃料付着を抑制することができるので、燃焼安定性の確保とＰＮ抑制とを高度に両立させることができる。
　このように、制御装置１５０は、燃料圧力の変化に応じて、点火タイミング直前の燃料噴射の終了タイミング及び噴射量の少なくとも１つを調整することができるので、燃料圧力が変化した場合であっても点火プラグ６０４の周りに混合気を形成でき、燃焼安定性を確保することができる。点火タイミング直前の燃料噴射の終了タイミング及び噴射量は、それぞれを単独で調整しても有効であるが、両方を調整することによって気筒内６１５における噴霧の拡散状況を大きく制御することができるので、燃焼安定性の確保及びＰＮ抑制の効果をより高めることができる。
　また、内燃機関１０及び電動モータが搭載されたハイブリッド車両（ＨＥＶ、ＳＨＥＶ、ＰＨＥＶ）では、前述のように内燃機関１０の始動時の燃料圧力が頻繁に変化する。したがって、実施形態３に係る制御装置１５０は、ハイブリッド車両に適用されることが特に有効であり、ハイブリッド車両における燃焼安定性の確保及びＰＮ抑制の効果をより高めることができる。
　なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、或る実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、或る実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　また、上記の各構成、機能、処理部又は処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路にて設計する等によりハードウェアによって実現してもよい。また、上記の各構成又は機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアによって実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル又はファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク若しくはＳＳＤ（solid state drive）等の記録装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード若しくはＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
　１０…内燃機関、１０１…燃料噴射装置、１５０…制御装置、２１４…弁体、２１９…燃料噴射孔、６１５…気筒内

Claims (6)

  1. 　点火タイミングを膨張行程まで遅角する点火リタードによって触媒を暖機する触媒暖機モードで運転する内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置の制御装置であって、
    　前記触媒暖機モードでの運転時、１燃焼サイクル中に行われる複数回の燃料噴射のうち前記点火タイミング直前の前記燃料噴射を前記膨張行程において行うと共に、前記点火タイミングが遅角するほど、前記点火タイミング直前の前記燃料噴射の噴射量が少なくなるよう、前記燃料噴射装置を制御する
    　ことを特徴とする燃料噴射装置の制御装置。
  2. 　前記点火タイミングが遅角するほど、前記点火タイミング直前の前記燃料噴射の終了タイミングから前記点火タイミングまでの期間が短くなるよう、前記燃料噴射装置を制御する
    　ことを特徴とする請求項１に記載された燃料噴射装置の制御装置。
  3. 　吸気行程において２回以上の燃料噴射を行うと共に、前記点火タイミング直前の前記燃料噴射の前記噴射量の減少に応じて、前記吸気行程において２回目以降に行われる前記燃料噴射の噴射量が増えるよう、前記燃料噴射装置を制御する
    　ことを特徴とする請求項１に記載された燃料噴射装置の制御装置。
  4. 　前記燃料噴射装置は、前記燃料が噴射される燃料噴射孔を閉塞又は開放する弁体を有し、
    　前記制御装置は、前記点火タイミング直前の前記燃料噴射における前記弁体のリフト量を予め定められた最大リフト量より小さい範囲において制御し、前記点火タイミングが遅角するほど前記リフト量が小さくなるよう、前記弁体を制御する
    　ことを特徴とする請求項１に記載された燃料噴射装置の制御装置。
  5. 　点火タイミングを膨張行程まで遅角する点火リタードによって触媒を暖機する触媒暖機モードで運転する内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射装置の制御装置であって、
    　前記触媒暖機モードでの運転時、１燃焼サイクル中に行われる複数回の燃料噴射のうち前記点火タイミング直前の前記燃料噴射を前記膨張行程において行うと共に、前記点火タイミング直前の前記燃料噴射の開始タイミングにおいて前記燃料噴射装置に供給される燃料圧力が高いほど、前記点火タイミング直前の前記燃料噴射の終了タイミングから前記点火タイミングまでの期間が短くなるよう、前記燃料噴射装置を制御する
    　ことを特徴とする燃料噴射装置の制御装置。
  6. 　前記点火タイミング直前の前記燃料噴射の開始タイミングにおいて前記燃料圧力が高いほど、前記点火タイミング直前の前記燃料噴射の噴射量が少なくなるよう、前記燃料噴射装置を制御する
    　ことを特徴とする請求項５に記載された燃料噴射装置の制御装置。
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