JP2007032326A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 機関冷間時における筒内燃料噴射時期を適切に設定して、燃焼性および排気性状の改善を図る。
【解決手段】 エンジン低温時（エンジン水温Ｔｅｇ≦基準温度Ｔｔｈ）には、筒内燃料噴射開始タイミングを示すＤＩ開始角θは、機関冷却水温および負荷率に応じて決定される。ＤＩ開始角θは、冷却水温が低いほど燃料が霧化され難くなって燃焼性が悪化する点を考慮して、冷却水温が低くなるのに応じて相対的に進角側に設定される。さらに、エンジン負荷が高いほど燃料噴射量が多くなるため、この状態でピストン頂面が筒内噴射用インジェクタ１１０により近い時点での燃料噴射を行なうとピストン頂面への付着燃料が増加する点を考慮して、ＤＩ開始角θは、エンジン負荷率が高くなるのに応じて相対的に遅角側に設定される。
【選択図】 図１０

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、より特定的には、筒内に燃料噴射するための筒内噴射用インジェクタを少なくとも有する内燃機関における、均質燃焼運転時の燃料噴射制御に関する。

エンジンの燃焼室に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式火花点火エンジンの制御装置として、均質燃焼運転時において燃料噴霧がガス流動を受けてピストン冠面に押付けられるのを防止すべく、燃料噴射を燃料噴霧がガス流動を受けてピストン冠面に押付けられる期間の前後で２回に分けて行なう技術が開示されている（たとえば特許文献１）。これにより、エンジンの運転条件が低回転高負荷域にあるときにスモークの発生を防止するという効果が得られる。

また、筒内噴射用インジェクタと、吸気ポートに燃料噴射する吸気通路噴射用インジェクタとの両方を備えた内燃機関の構成が知られている。このような内燃機関を均質燃焼運転する際に、筒内噴射用インジェクタが高温に維持されることを好適に抑制するために、吸気通路噴射用インジェクタに加えて筒内噴射用インジェクタからも燃料噴射を併せて行なう構成が開示されている（たとえば特許文献２）。

特許文献２では、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射時期は、燃料と空気とのミキシングが良好に行なわれて混合気の好適な均質化が図られるように、機関回転速度および目標燃料噴射量に応じて電子制御される点が開示される。特に、機関回転速度が速く、かつ目標燃料噴射量が多い運転領域では、比較的早い時期と圧縮行程末期といった２つの燃料噴射時期が算出される点が開示されている。特許文献２では、実験などにより求められた、機関回転速度および目標燃料噴射量と、混合気の好適な均質化が図られる燃料噴射時期との関係に基づいて、燃料噴射時期が設定される。
特開２００２−１３００２５号公報 特開２００２−３６４４０９号公報

一般的に、筒内噴射用インジェクタにより気筒内に直接燃料噴射を行なう場合には、機関冷間時は気筒内における燃料の霧化が促進され難いため、燃焼性の悪化や噴射燃料の機関内への付着という問題点が発生する。特に、ピストン頂面に付着した燃料は、その後の機関燃焼時に徐々に霧化され、不完全燃焼して気筒内から排出されるようになる。その結果、黒煙の発生や未燃成分の増大等、排気性状の悪化を招くこととなる。

したがって、内燃機関の低温時には、このような点を考慮して、エンジン条件に応じて適切な燃料噴射時期の調整を行なうことが好ましい。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、内燃機関の低温時における筒内燃料噴射時期を適切に設定して、燃焼性および排気性状の改善を図ることである。

この発明による内燃機関の制御装置は、筒内に燃料を噴射するための第１の燃料噴射手段を少なくとも有する内燃機関を制御する。制御装置は、温度検知手段と、噴射時期制御手段とを備える。温度検知手段は、内燃機関の温度（代表的には、内燃機関の冷却水温により）を検知する。噴射時期制御手段は、内燃機関の状態に基づいて、第１の燃料噴射手段からの噴射開始タイミングを制御する。特に、噴射時期制御手段は、開始タイミング設定手段を含む。この開始タイミング設定手段は、温度検知手段によって検知された温度が所定の基準温度以下である場合に、内燃機関の温度および負荷に応じて噴射開始タイミングを設定する。

上記内燃機関の制御装置によれば、機関冷間時における筒内燃料噴射の燃料噴射時期は、内燃機関の温度（たとえば冷却水温）および負荷に応じて調整される。機関冷間時に筒内燃料噴射の燃料噴射時期を相対的に進角化させると、燃料噴射から点火までの期間がより確保されて燃焼性を改善できる一方で、ピストン頂面がインジェクタにより近い時点での燃料噴射となるために燃料付着の増加によって排気性状が悪化する可能性が高くなるため、燃焼性悪化に影響の大きい機関冷間域での内燃機関の温度（たとえば冷却水温）および燃料噴射量の増大に影響の大きい内燃機関の負荷に応じて燃料噴射時期を調整するができる。これにより、機関冷間時の燃焼性および排気性状について、一方を悪化させることなくバランス良く改善できる。

好ましくは、この発明による内燃機関の制御装置では、開始タイミング設定手段は、内燃機関の温度（たとえば冷却水温）が低くなるのに応じて、噴射開始タイミングを相対的に進角させる。

上記内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の温度が低いほど筒内噴射された燃料が霧化され難くなり燃焼性が悪化する点を考慮して、内燃機関の温度が低くなるのに応じて筒内燃料噴射の燃料噴射時期を相対的に進角させて燃料噴射から点火までの期間を確保することができる。これにより、混合気の均質性を向上させて燃焼性を改善できる。

また好ましくは、この発明による内燃機関の制御装置では、開始タイミング設定手段は、内燃機関の負荷が高くなるのに応じて、噴射開始タイミングを相対的に遅角させる。

上記内燃機関の制御装置によれば、負荷が高いほど燃料噴射量が多くなるため、この状態でピストン頂面がインジェクタにより近い時点での筒内燃料噴射を行なうとピストン頂面への付着燃料が増加する点を考慮して、内燃機関の負荷が高くなるのに応じて筒内燃料噴射の燃料噴射時期を相対的に遅角させることができる。これにより、ピストンへの燃料付着増加を防止して排気性状の悪化を防止できる。

さらに好ましくは、内燃機関は、吸気通路内に燃料を噴射するための第２の燃料噴射手段をさらに有する。制御装置は、燃料噴射制御手段をさらに備え、燃料噴射制御手段は、内燃機関の状態に基づいて、内燃機関での全燃料噴射量および、第１および第２の燃料噴射手段の間での燃料噴射量の分担比率を制御する。特に、燃料噴射制御手段は、内燃機関の運転領域の一部において、内燃機関の負荷が高くなるのに応じて第２の燃料噴射手段による分担比率を増加させる領域を有する。

上記内燃機関の制御装置によれば、第１および第２の燃料噴射手段を有する内燃機関において、高負荷領域で第２の燃料噴射手段（吸気通路噴射用インジェクタ）からの燃料噴射を増大させるため、分担設定比率の設定面から混合気の均質性を向上させて燃焼性を改善できる。これにより、燃焼性改善のために筒内燃料噴射時期を進角化させる必要性が小さくなるので、排気性状を重視して、高負荷域への移行に伴い筒内燃料噴射時期を相対的に遅角させることができる。

この発明による内燃機関の制御装置によれば、筒内燃料噴射時期を内燃機関の状態に基づいて適切に制御することにより、機関冷間時における燃焼性および排気性状の改善を図ることができる。

以下においてこの発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付してその詳細な説明は原則的に繰返さないものとする。

図１に、この発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置であるエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）で制御されるエンジンシステムの概略構成図を示す。なお、図１には、エンジンとして直列４気筒ガソリンエンジンを示すが、この発明はこのようなエンジンに限定されるものではない。

図１に示すように、エンジン（内燃機関）１０は、４つの気筒１１２を備え、各気筒１１２はそれぞれ対応するインテークマニホールド２０を介して共通のサージタンク３０に接続されている。サージタンク３０は、吸気ダクト４０を介してエアクリーナ５０に接続され、吸気ダクト４０内にはエアフローメータ４２が配置されるとともに、電動モータ６０によって駆動されるスロットルバルブ７０が配置されている。このスロットルバルブ７０は、アクセルペダル１００とは独立してエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいてその開度が制御される。一方、各気筒１１２は共通のエキゾーストマニホールド８０に連結され、このエキゾーストマニホールド８０は三元触媒コンバータ９０に連結されている。

各気筒１１２に対しては、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ１１０と、吸気ポートまたは／および吸気通路内に向けて燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタ１２０とがそれぞれ設けられている。これらインジェクタ１１０、１２０はエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいてそれぞれ制御される。

図２には、図１に示された４つ気筒１１２のうちの１つを代表として示したエンジンの構成図である。

図２を参照して、エンジン１０は、シリンダブロック１０１と、シリンダブロック１０１の上部に連結されるシリンダヘッド１０２とを備えるシリンダ１１１と、シリンダ１１１内を往復動するピストン１０３とを有して構成される。このピストン１０３は、エンジン１０の出力軸であるクランクシャフト１０４に、クランクアーム１０５およびコンロッド１０６を介して連結される。コンロッド１０６は、ピストン１０３の往復運動をクランクシャフト１０４の回転に変換する。シリンダ１１１内においては、シリンダブロック１０１およびシリンダヘッド１０２の内壁とピストンの頂面とによって混合気を燃焼するための燃焼室１０７が区画形成されている。

シリンダヘッド１０２には、この燃焼室１０７に突出する態様で混合気に点火を行なう点火プラグ１１４と、燃焼室１０７に燃料を噴射供給する筒内噴射用インジェクタ１１０とが配設されている。さらに、吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、インテークマニホールド、すなわち吸気通路２０と燃焼室１０７との連通部分である吸気ポート２２または／および吸気通路２０に燃料を噴射供給するように配設されている。

吸気通路２０および／または吸気ポート２２に噴射された燃料を含む混合気は、吸気弁２４の開弁期間に燃焼室１０７内へ導かれる。点火プラグ１１４による点火により燃料が燃焼された後の排気は、排気弁８４の開弁期間に排気通路（エキゾーストマニホールド）８０を介して三元触媒コンバータ９０（図１）へ送られる。

なお、本実施の形態においては、２つのインジェクタが別個に設けられた内燃機関について説明するが、この発明はこのような内燃機関に限定されない。たとえば、筒内噴射機能と吸気通路噴射機能とを併せ持つような１個のインジェクタを有する内燃機関であってもよい。

再び図１を参照して、各筒内噴射用インジェクタ１１０は共通の燃料分配管１３０に接続されている。この燃料分配管１３０は、燃料分配管１３０に向けて流通可能な逆止弁１４０を介して、機関駆動式の高圧燃料ポンプ１５０に接続されている。高圧燃料ポンプ１５０の吐出側は電磁スピル弁１５２を介して高圧燃料ポンプ１５０の吸入側に連結されており、この電磁スピル弁１５２の開度が小さいときほど、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０内に供給される燃料量が増大され、電磁スピル弁１５２が全開にされると、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０への燃料供給が停止されるように構成されている。なお、電磁スピル弁１５２はエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいて制御される。

一方、各吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、共通する低圧側の燃料分配管１６０に接続されており、燃料分配管１６０および高圧燃料ポンプ１５０は共通の燃料圧レギュレータ１７０を介して、電動モータ駆動式の低圧燃料ポンプ１８０に接続されている。さらに、低圧燃料ポンプ１８０は燃料フィルタ１９０を介して燃料タンク２００に接続されている。燃料圧レギュレータ１７０は低圧燃料ポンプ１８０から吐出された燃料の燃料圧が予め定められた設定燃料圧よりも高くなると、低圧燃料ポンプ１８０から吐出された燃料の一部を燃料タンク２００に戻すように構成されている。したがって吸気通路噴射用インジェクタ１２０に供給されている燃料圧および高圧燃料ポンプ１５０に供給されている燃料圧が上記設定燃料圧よりも高くなるのを阻止している。

エンジンＥＣＵ３００は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス３１０を介して相互に接続されたＲＯＭ（Read Only Memory）３２０、ＲＡＭ（Random Access Memory）３３０、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３４０、入力ポート３５０および出力ポート３６０を備えている。

エアフローメータ４２は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、このエアフローメータ４２の出力電圧はＡ／Ｄ変換器３７０を介して入力ポート３５０に入力される。エンジン１０には機関冷却水温に比例した出力電圧を発生する水温センサ３８０が取付けられ、この水温センサ３８０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器３９０を介して入力ポート３５０に入力される。

燃料分配管１３０には燃料分配管１３０内の燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ４００が取付けられ、この燃料圧センサ４００の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４１０を介して入力ポート３５０に入力される。三元触媒コンバータ９０上流のエキゾーストマニホールド８０には、排気ガス中の酸素濃度に比例した出力電圧を発生する空燃比センサ４２０が取付けられ、この空燃比センサ４２０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４３０を介して入力ポート３５０に入力される。

本実施の形態に係るエンジンシステムにおける空燃比センサ４２０は、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比に比例した出力電圧を発生する全域空燃比センサ（リニア空燃比センサ）である。なお、空燃比センサ４２０としては、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかをオン−オフ的に検出するＯ₂センサを用いてもよい。

アクセルペダル１００は、アクセルペダル１００の踏込み量に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサ４４０に接続され、アクセル開度センサ４４０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４５０を介して入力ポート３５０に入力される。また、入力ポート３５０には、機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数センサ４６０が接続されている。エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０には、上述のアクセル開度センサ４４０および回転数センサ４６０により得られる機関負荷率および機関回転数に基づき、運転状態に対応させて設定されている燃料噴射量の値や機関冷却水温に基づく補正値などが予めマップ化されて記憶されている。

エンジンＥＣＵ３００は、所定プログラムの実行により各センサからの信号に基づいて、エンジンシステムの全体動作を制御するための各種制御信号を生成する。これらの制御信号は、出力ポート３６０および駆動回路４７０を介して、エンジンシステムを構成する機器・回路群へ送出される。

図１に示したエンジンシステムでは、このような特性の異なる２種類のインジェクタを以下に説明するようにエンジン１０の回転数と負荷率で使い分けることにより、エンジン１０が通常運転状態である場合には主に均質燃焼が行なわれるようにしている。

一方、エンジン１０が、アイドル時の触媒暖機時を始めとする非通常運転状態であるときには成層燃焼が行なわれる。

均質燃焼運転時には、上記のように算出された全燃料噴射量に対する、筒内噴射用インジェクタ１１０および吸気通路噴射用インジェクタ１２０の間での燃料噴射量分担比率は、以下に説明するように制御される。

図３および図４は、図１に示したエンジンシステムにおける、均質燃焼運転時における筒内噴射用インジェクタ１１０と、吸気通路噴射用インジェクタ１２０との燃料噴射量分担比率（噴分け比率）の設定マップの第１の例を説明する図である。

図３および図４を参照して、エンジン１０の運転状態に対応させた情報である、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０との噴き分け比率（以下、ＤＩ比率ｒとも記載する。）を表わすマップについて説明する。これらのマップは、エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０に記憶される。図３は、エンジン１０の温間用マップであって、図４は、エンジン１０の冷間用マップである。

図３および図４に示すように、これらのマップは、エンジン（内燃機関）１０の回転数を横軸にして、負荷率を縦軸にして、筒内噴射用インジェクタ１１０の分担比率がＤＩ比率ｒとして百分率で示されている。

図３および図４に示すように、エンジン１０の回転数と負荷率とに定まる運転領域ごとに、ＤＩ比率ｒが設定されている。「ＤＩ比率ｒ＝１００％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０からのみ燃料噴射が行なわれる領域であることを意味し、「ＤＩ比率ｒ＝０％」とは、吸気通路噴射用インジェクタ１２０からのみ燃料噴射が行なわれる領域であることを意味する。「ＤＩ比率ｒ≠０％」、「ＤＩ比率ｒ≠１００％」および「０％＜ＤＩ比率ｒ＜１００％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０とで燃料噴射が分担して行なわれる領域であることを意味する。

なお、概略的には、筒内噴射用インジェクタ１１０は、出力性能の上昇に寄与し、吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、混合気の均一性に寄与する。このような特性の異なる２種類のインジェクタを、エンジン１０の回転数と負荷率とで使い分けることにより、エンジン１０が通常運転状態である場合には、均質燃焼が行なわれるようにしている。

さらに、これらの図３および図４に示すように、温間時のマップと冷間時のマップとに分けて、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０のＤＩ分担率ｒを規定した。エンジン１０の温度が異なると、筒内噴射用インジェクタ１１０および吸気通路噴射用インジェクタ１２０の制御領域が異なるように設定されたマップを用いて、エンジン１０の温度を検知して、エンジン１０の温度が予め定められた温度しきい値以上であると図３の温間時のマップを選択して、そうではないと図４に示す冷間時のマップを選択する。それぞれ選択されたマップに基づいて、エンジン１０の回転数と負荷率とに基づいて、筒内噴射用インジェクタ１１０および／または吸気通路噴射用インジェクタ１２０を制御する。

図３および図４に設定されるエンジン１０の回転数と負荷率について説明する。図３のＮＥ（１）は２５００〜２７００ｒｐｍに設定され、ＫＬ（１）は３０〜５０％、ＫＬ（２）は６０〜９０％に設定されている。また、図４のＮＥ（３）は２９００〜３１００ｒｐｍに設定されている。すなわち、ＮＥ（１）＜ＮＥ（３）である。その他、図３のＮＥ（２）や、図４のＫＬ（３）、ＫＬ（４）も適宜設定されている。

図３および図４を比較すると、図３に示す温間用マップのＮＥ（１）よりも図４に示す冷間用マップのＮＥ（３）の方が高い。これは、エンジン１０の温度が低いほど、吸気通路噴射用インジェクタ１２０の制御領域が高いエンジン回転数の領域まで拡大されるということを示す。すなわち、エンジン１０が冷えている状態であるので、（たとえ、筒内噴射用インジェクタ１１０から燃料を噴射しなくても）筒内噴射用インジェクタ１１０の噴口にデポジットが堆積しにくい。このため、吸気通路噴射用インジェクタ１２０を使って燃料を噴射する領域を拡大するように設定され、均質性を向上させることができる。

図３および図４を比較すると、エンジン１０の回転数が、温間用マップにおいてはＮＥ（１）以上の領域において、冷間用マップにおいてはＮＥ（３）以上の領域において、「
ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。また、負荷率が、温間用マップにおいてはＫＬ（２）以上の領域において、冷間用マップにおいてはＫＬ（４）以上の領域において、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」である。これは、予め定められた高エンジン回転数領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されること、予め定められた高エンジン負荷領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されるということを示す。すなわち、高回転領域や高負荷領域においては、筒内噴射用インジェクタ１１０のみで燃料を噴射しても、エンジン１０の回転数や負荷が高く吸気量が多いので筒内噴射用インジェクタ１１０のみでも混合気を均質化しやすいためである。このようにすると、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料は燃焼室内で気化潜熱を伴い（燃焼室から熱を奪い）気化される。これにより、圧縮端での混合気の温度が下がる。これにより対ノッキング性能が向上する。また、燃焼室の温度が下がるので、吸入効率が向上し高出力が見込める。

図３に示す温間マップでは、負荷率ＫＬ（１）以下では、筒内噴射用インジェクタ１１０のみが用いられる。これは、エンジン１０の温度が高いときであって、予め定められた低負荷領域では筒内噴射用インジェクタ１１０のみが使用されるということを示す。温間時においてはエンジン１０が暖まった状態であるので、筒内噴射用インジェクタ１１０の噴口にデポジットが堆積しやすい。しかしながら、筒内噴射用インジェクタ１１０を使って燃料を噴射することにより噴口温度を低下させることができるので、デポジットの堆積を回避することも考えられ、また、筒内噴射用インジェクタの最小燃料噴射量を確保して、筒内噴射用インジェクタ１１０を閉塞させないことも考えられる。このため、この領域では、筒内噴射用インジェクタ１１０を用いた燃料噴射を行なっている。

図３および図４を比較すると、図４の冷間用マップにのみ「ＤＩ比率ｒ＝０％」の領域が存在する。これは、エンジン１０の温度が低いときであって、予め定められた低負荷領域（ＫＬ（３）以下）では吸気通路噴射用インジェクタ１２０のみが使用されるということを示す。これはエンジン１０が冷えていてエンジン１０の負荷が低く吸気量も低いため燃料が霧化しにくい。このような領域においては筒内噴射用インジェクタ１１０による燃料噴射では良好な燃焼が困難であるため、また、特に低負荷および低回転数の領域では筒内噴射用インジェクタ１１０を用いた高出力を必要としないため、筒内噴射用インジェクタ１１０を用いないで、吸気通路噴射用インジェクタ１２０のみを用いる。

また、通常運転時以外の場合、エンジン１０がアイドル時の触媒暖機時の場合（非通常運転状態であるとき）、成層燃焼を行なうように筒内噴射用インジェクタ１１０が制御される。このような触媒暖機運転中にのみ成層燃焼させることで、触媒暖機を促進させ、排気エミッションの向上を図る。

図５および図６には、図１に示したエンジンシステムにおけるＤＩ比率ｒの設定マップの第２の例が示される。

図５（温間時）および図６（冷間時）に示された設定マップは、図３および図４に示された設定マップと比較して、低回転数領域の高負荷領域におけるＤＩ比率設定が異なる。

エンジン１０では、低回転数領域の高負荷領域においては、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料により形成される混合気のミキシングが良好ではなく、燃焼室内の混合気が不均質で燃焼が不安定になる傾向を有する。このため、このような問題が発生しない高回転数領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタの噴射比率を増大させるようにしている。また、このような問題が発生する高負荷領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を減少させるようにしている。これらのＤＩ比率ｒの変化を図５および図６に十字の矢印で示す。

このようにすると、燃焼が不安定であることに起因するエンジンの出力トルクの変動を抑制することができる。なお、これらのことは、予め定められた低回転数領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を減少させることや、予め定められた低負荷領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を増大させることと、略等価であることを確認的に記載する。また、このような領域（図５および図６で十字の矢印が記載された領域）以外の領域であって筒内噴射用インジェクタ１１０のみで燃料を噴射している領域（高回転側、低負荷側）においては、筒内噴射用インジェクタ１１０のみでも混合気を均質化しやすい。このようにすると、筒内噴射用インジェクタ１１０から噴射された燃料は燃焼室内で気化潜熱を伴い（燃焼室から熱を奪い）気化される。これにより、圧縮端での混合気の温度が下がる。これにより対ノッキング性能が向上する。また、燃焼室の温度が下がるので、吸入効率が向上し高出力が見込める。

なお、図３〜図６を用いて説明したこのエンジン１０において、均質燃焼は筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを基本的には吸気行程とすることにより、成層燃焼は筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを圧縮行程とすることにより実現できる。すなわち、筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを圧縮行程とすることで、点火プラグ周りにリッチ混合気が偏在させることにより燃焼室全体としてはリーンな混合気に着火する成層燃焼を実現することができる。また、筒内噴射用インジェクタ１１０の燃料噴射タイミングを吸気行程としても点火プラグ周りにリッチ混合気を偏在させることができれば、吸気行程噴射であっても成層燃焼を実現できる。

また、ここでいう成層燃焼には、成層燃焼と以下に示す弱成層燃焼の双方を含むものである。弱成層燃焼とは、吸気通路噴射用インジェクタ１２０を吸気行程で燃料噴射して燃焼室全体にリーンで均質な混合気を生成して、さらに筒内噴射用インジェクタ１１０を圧縮行程で燃料噴射して点火プラグ周りにリッチな混合気を生成して、燃焼状態の向上を図るものである。このような弱成層燃焼は触媒暖気時に好ましい。これは、以下の理由による。すなわち、触媒暖気時には高温の燃焼ガスを触媒に到達させるために点火時期を大幅に遅角させ、かつ良好な燃焼状態（アイドル状態）を維持する必要がある。また、ある程度の燃料量を供給する必要がある。これを成層燃焼で行なおうとしても燃料量が少ないという問題があり、これを均質燃焼で行なおうとしても良好な燃焼を維持するために遅角量が成層燃焼に比べて小さいという問題がある。このような観点から、上述した弱成層燃焼を触媒暖気時に用いることが好ましいが、成層燃焼および弱成層燃焼のいずれであっても構わない。

次に、この発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置による燃料噴射時期制御を説明する。まず、図７を用いて各インジェクタからの燃料噴射時期について説明する。

図７を参照して、吸気弁２４（図２）の開弁期間５００および排気弁８４（図２）の開弁期間５１０は、バルブタイミング制御によって設定される。一般的に、吸気弁開弁期間５００は、上死点（ＴＤＣ）よりも先に開始され、下死点（ＢＤＣ）よりも遅れて終了される。同様に、排気弁開弁期間５１０は、下死点（ＢＤＣ）に先立って開始され、上死点（ＴＤＣ）よりも遅れて終了される。このため、上死点（ＴＤＣ）を挟んで、吸気弁２４および排気弁８４の両方が開弁されるオーバラップ期間５１５が設けられる。

一般的に、吸気弁開弁期間５００および排気弁開弁期間５１０は、周知のバルブタイミング可変制御機構により、主に運転状態に応じた適切なオーバラップ期間５１５が設けられるように、逐次制御される。

吸気通路噴射用インジェクタ１２０からの燃料噴射時期（以下、「ＰＦＩ噴射時期」とも称する）５２０は、吸気弁開弁期間５００に合せて吸気行程に設けられる。同様に、均質燃焼運転時には、筒内噴射用インジェクタ１１０からの燃料噴射時期（以下、「ＤＩ噴射時期」とも称する）５３０も、均質燃焼運転のため基本的には吸気行程に設けられる。

なお、筒内噴射用インジェクタ１１０および吸気通路噴射用インジェクタ１２０からの燃料噴射量は、インジェクタの開弁期間に比例するので、ＰＦＩ噴射時期５２０およびＤＩ噴射時期５３０の長さは、ＤＩ比率に従って各インジェクタによって分担される燃料噴射量に応じてそれぞれ決まる。したがって、筒内噴射用インジェクタ１１０からの燃料噴射時期は、ＤＩ噴射開始タイミング５５０（以下、ＤＩ噴射開始タイミング５５０の位相θをＤＩ開始角θとも称する）の設定により制御される。

図８には、本発明の実施の形態に従う内燃機関の制御装置によるＤＩ噴射時期の設定を説明するフローチャートが示される。

図８を参照して、エンジンＥＣＵ３００は、ステップＳ１００により、水温センサ３８０によって検知される機関冷却水温および、エンジン１０の回転数・負荷率に代表されるエンジン状態を示す諸量を取得する。

エンジンＥＣＵ３００は、ステップＳ１１０では、エンジン１０が燃焼状態の悪化が懸念される低温領域であるかどうかを判定する。具体的には、ステップＳ１００で取得された機関冷却水温を基準温度Ｔｔｈと比較することによって、ステップＳ１１０での判定は実行される。基準温度Ｔｔｈは、筒内での燃料霧化状況に依存した燃焼性を実験的に確認することによって決定できる。なお、ステップＳ１１０での基準温度Ｔｔｈは、図３〜図６に示したＤＩ比率マップの選択におけるエンジンの冷間時／温間時を区別するための温度しきい値とは、基本的に独立の値とされる。ただし、エンジンの特性によっては、両者を共通の値としても良い。

エンジン非低温時（ステップＳ１１０におけるＹＥＳ判定時）には、エンジンＥＣＵ３００は、ステップＳ１２０により、図９に示したＤＩ開始角マップに従って、ＤＩ噴射開始タイミング５５０を決定する。

図９を参照して、エンジン非低温時におけるＤＩ開始角θは、エンジンの回転数および負荷率に応じて決定される。すなわち、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷率とする二次元平面上の各点でのＤＩ開始角θ（１，１）〜θ（ｍ，ｎ）を予め設定したマップを、ステップＳ１００で取得したエンジン回転数および負荷率に基づいて参照することにより、今回のＤＩ開始角θ、すなわちＤＩ噴射開始タイミング５５０が決定される。

エンジン非低温時には、燃料霧化促進の低下による燃焼悪化や、ピストンへの燃料付着による排気性状悪化の問題が発生し難いので、運転状態に応じた適切なエンジン出力を得る点を重視してＤＩ噴射時期は設定される。たとえば、運転状態に応じたバルブタイミング可変制御により、吸気弁２４（図２）の開弁期間が主にエンジン負荷および回転数に従って制御されるのに連動させて、ＤＩ噴射開始タイミング５５０は適切に設定される。

再び図８を参照して、エンジン低温時（ステップＳ１１０におけるＮＯ判定時）には、エンジンＥＣＵ３００は、ステップＳ１３０により、図１０に示したＤＩ開始角マップに従って、ＤＩ噴射開始タイミング５５０を決定する。

図１０を参照して、エンジン低温時におけるＤＩ開始角θは、機関冷却水温および負荷率に応じて決定される。すなわち、横軸を冷却水温、縦軸をエンジン負荷率とする二次元平面上の各点でのＤＩ開始角θ（１，１）〜θ（ｋ，ｌ）を予め設定したマップを、ステップＳ１００で取得した機関冷却水温およびエンジン負荷率に基づいて参照することにより、今回のＤＩ開始角θ、すなわちＤＩ噴射開始タイミング５５０が決定される。

図１０のマップの横軸方向については、冷却水温が低いほど燃料が霧化され難くなって燃焼性が悪化する点を考慮して、ＤＩ開始角θは、冷却水温が低くなるのに応じて、相対的に進角側に設定される。これにより、ＤＩ噴射時期を相対的に進角させて、燃料噴射から点火までの期間を確保することにより、混合気の均質性を向上させて燃焼性を改善できる。

また、図１０のマップの縦軸方向については、エンジン負荷が高いほど燃料噴射量が多くなるため、この状態でピストン頂面が筒内噴射用インジェクタ１１０により近い時点での燃料噴射を行なうとピストン頂面への付着燃料が増加する点を考慮して、ＤＩ開始角θを設定する。すなわち、ＤＩ開始角θは、エンジン負荷率が高くなるのに応じて、相対的に遅角側に設定される。これにより、ＤＩ噴射時期を相対的に遅角させることにより、燃料噴射量そのものが多い高負荷時におけるピストンへの燃料付着増加を防止して、排気性状の悪化を防止できる。

なお、図６に示したＤＩ比率マップ（冷間時）を用いて燃料噴射分担比率を制御する場合には、高負荷領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射比率を減少させる、すなわち、吸気通路噴射用インジェクタ１２０からの燃料噴射を増大させるため、ＤＩ比率設定の面から混合気の均質性を向上させて燃焼性を改善できる。これにより、燃焼性改善のためにＤＩ噴射時期を進角化させる必要性が小さくなるので、排気性状を重視して、高負荷域への移行に伴いＤＩ噴射時期を相対的にさらに遅角させることができる。

このように、本実施の形態従うＤＩ噴射時期設定によれば、燃焼性悪化に影響の大きい機関冷間域での冷却水温および燃料噴射量の増大に影響の大きい内燃機関の負荷の両者に応じて燃料噴射時期を調整することにより、燃焼性および排気性状について一方を悪化させることなくバランス良く改善できる。

なお、本実施の形態では、各気筒に筒内噴射用インジェクタ１１０および吸気通路噴射用インジェクタ１２０を有するエンジンを例示したが、筒内噴射用インジェクタ１１０のみを有するエンジンの燃料噴射時期についても、本願発明に従って設定することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置により制御されるエンジンシステムの概略構成図である。 図１に示したエンジンの構成を説明する図である。 図１に示したエンジンシステムにおける、均質燃焼運転時のＤＩ比率設定マップ（機関温間時）の第１の例を説明する図である。 図１に示したエンジンシステムにおける、均質燃焼運転時のＤＩ比率設定マップ（機関冷間時）の第１の例を説明する図である。 図１に示したエンジンシステムにおける、均質燃焼運転時のＤＩ比率設定マップ（機関温間時）の第２の例を説明する図である。 図１に示したエンジンシステムにおける、均質燃焼運転時のＤＩ比率設定マップ（機関冷間時）の第２の例を説明する図である。 各インジェクタからの燃料噴射時期について説明する概念図である。 本発明の実施の形態に従う内燃機関の制御装置によるＤＩ噴射時期の設定を説明するフローチャートである。 機関非冷間時におけるＤＩ開始角の設定マップを説明する概念図である。 機関冷間時におけるＤＩ開始角の設定マップを説明する概念図である。

符号の説明

１０ エンジン、２０ インテークマニホールド（吸気通路）、２２ 吸気ポート、２４ 吸気弁、３０ サージタンク、４０ 吸気ダクト、４２ エアフローメータ、５０ エアクリーナ、６０ 電動モータ、７０ スロットルバルブ、８０ エキゾーストマニホールド、８４ 排気弁、９０ 三元触媒コンバータ、１００ アクセルペダル、１０１ シリンダブロック、１０２ シリンダヘッド、１０３ ピストン、１０４ クランクシャフト、１０５ クランクアーム、１０６ コンロッド、１０７ 燃焼室、１１０ 筒内噴射用インジェクタ、１１１ シリンダ、１１２ 気筒、１１４ 点火プラグ、１２０ 吸気通路噴射用インジェクタ、１３０，１６０ 燃料分配管、１４０ 逆止弁、１５０ 高圧燃料ポンプ、１５２ 電磁スピル弁、１７０ 燃料圧レギュレータ、１８０ 低圧燃料ポンプ、１９０ 燃料フィルタ、２００ 燃料タンク、３００ エンジンＥＣＵ、３８０ 水温センサ、４００ 燃料圧センサ、４２０ 空燃比センサ、４４０ アクセル開度センサ、４６０ 回転数センサ、５００ 吸気弁開弁期間、５１０ 排気弁開弁期間、５１５ オーバラップ期間、５５０ 筒内噴射開始タイミング、ｒ ＤＩ比率、Ｔｔｈ 基準温度、θ ＤＩ開始角。

Claims (4)

1. 筒内に燃料を噴射するための第１の燃料噴射手段を少なくとも有する内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の温度を検知する温度検知手段と、
   前記内燃機関の状態に基づいて、前記第１の燃料噴射手段からの噴射開始タイミングを制御する噴射時期制御手段とを備え、
   前記噴射時期制御手段は、前記温度検知手段によって検知された温度が所定の基準温度以下である場合に、前記温度および前記内燃機関の負荷に応じて前記噴射開始タイミングを設定する開始タイミング設定手段を含む、内燃機関の制御装置。
2. 前記開始タイミング設定手段は、前記内燃機関の温度が低くなるのに応じて、前記噴射開始タイミングを相対的に進角させる、請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記開始タイミング設定手段は、前記内燃機関の負荷が高くなるのに応じて、前記噴射開始タイミングを相対的に遅角させる、請求項１記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記内燃機関は、吸気通路内に燃料を噴射するための第２の燃料噴射手段をさらに有し、
   前記制御装置は、
   前記内燃機関の状態に基づいて、前記内燃機関での全燃料噴射量および、前記第１および第２の燃料噴射手段の間での燃料噴射量の分担比率を制御する燃料噴射制御手段をさらに備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の運転領域の一部において、前記内燃機関の負荷が高くなるのに応じて前記第２の燃料噴射手段による分担比率を増加させる領域を有する、請求項３記載の内燃機関の制御装置。

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