JP4739836B2 - 火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内に直接に燃料を噴射する燃料噴射弁を備える火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置に関し、特に、自動車用エンジンとして用いて好適な火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置に関する。

近年、点火プラグにより火花点火する内燃機関であって、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える火花点火式筒内噴射型内燃機関が実用化されている。かかる火花点火式筒内噴射型内燃機関において、燃焼を促進させ燃費の向上を図る技術がいくつか提案されている。

例えば、特許文献１には、吸気ポートを上側ポートと下側ポートとに隔壁で仕切り、上側ポートと下側ポートとを選択的に絞るタンブル制御弁を有し、各燃焼形態に応じて燃焼室内に生成される順タンブル流動を適切に調節するようにした技術が開示されている。この技術によると、低負荷に対応する成層燃焼時、中負荷に対応する均質希薄燃焼時および高負荷に対応する均質理論空燃比燃焼時の各燃焼形態で安定した燃焼が実現されるとしている。

また、特許文献２には、頂面に隆起させた上がり勾配面が形成されたピストンの上がり勾配面に噴射口を対向させて燃料噴射弁を取付け、吸気行程に第１回目の燃料噴射を実行し、圧縮行程の後半に少量で混合気に乱れを生じさせ得る量の第２回目の燃料噴射を実行することで、圧縮比を低下させることなく燃焼の安定性を向上させることができるとする技術が開示されている。

さらに、特許文献３には、圧縮行程での要求燃料噴射量を、その圧縮行程において、燃料噴射弁の噴射特性が等しくなる複数の噴射期間に分割して噴射させることにより、燃料の分割噴射を的確に行い、燃焼室内において適切な位置に適切な集中度で燃料を分布させ、点火可能期間を運転領域全体に亘って充分に確保することができるとする技術が開示されている。

特開２００１−５５９２５号公報 特開２００３−３５１８８号公報 特開２００２−１１５５９３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術によれば、燃焼室内に順タンブル流動が適切に生成される領域であればそれなりの効果は期待できるが、機関の低速領域等の吸入空気流速が遅い領域においてはさほどの効果は得られず、全運転領域に亘って燃焼を促進させるのは困難である。

また、特許文献２に開示された技術では、ピストン頂面の隆起させた上がり勾配面に向けて燃料が噴射されるので、ピストン頂面への付着燃料量が増大する結果、筒内空気の乱れの生成が少なく、これも全運転領域に亘って燃焼を促進させる効果が充分には発揮されない。

さらに、特許文献３に開示された技術では、圧縮行程において複数の噴射期間に分割して噴射させるようにしているので、機関の高速領域等の吸入空気流速が速い領域においては点火可能な混合気の形成が制限され、これも全運転領域に亘って燃焼を促進させるのは困難である。

そこで、本発明の目的は、かかる運転条件や燃焼室形状等に制約を受けることなく、全運転領域に亘って燃焼を促進させ、燃費を向上することのできる火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置を提供することにある。

このため、本発明に係る火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置の一形態は、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備える火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置において、燃料噴射弁として噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁を用いると共に、該可変噴射特性燃料噴射弁の噴射特性を変更する噴射特性変更制御手段と、前記可変特性燃料噴射弁からの燃料噴射を吸気行程から圧縮行程にかけて複数の噴射期間に分割して行なわせる分割噴射制御手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記噴射特性は噴霧形状であり、前記噴射特性変更制御手段は、噴霧形状における噴霧広がり角を吸気行程噴射時には広角に、圧縮行程噴射時には狭角に変更制御するようにしてもよい。

また、前記噴射特性変更制御手段は、噴霧形状における噴霧広がり角が燃料噴射時のピストン位置に対応して最適となるように変更制御することが好ましい。

さらに、前記噴射特性は噴霧貫徹力であり、前記噴射特性変更制御手段は、噴霧貫徹力を吸気行程噴射時には弱く、圧縮行程噴射時には強くなるように変更制御するようにしてもよい。

そこで、前記噴射特性変更制御手段は、噴霧貫徹力が燃料噴射時のピストン位置に対応して最適となるように変更制御することが好ましい。

なお、前記噴射特性は噴射率であり、前記噴射特性変更制御手段は、噴射率を吸気行程噴射時には小さく、圧縮行程噴射時には大きくなるように変更制御するようにしてもよい。

ここで、前記噴射特性変更制御手段は、噴射率が燃料噴射時のピストン位置に対応して最適となるように変更制御することが好ましい。

さらに、前記噴射特性変更制御手段は、噴射率を機関回転速度に応じて変更制御するようにしてもよい。

本発明に係る火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置の一形態によれば、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備える火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置において、燃料噴射弁として噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁が用いられると共に、該可変噴射特性燃料噴射弁の噴射特性を変更する噴射特性変更制御手段が備えられている。そして、前記可変特性燃料噴射弁からの燃料噴射が分割噴射制御手段により吸気行程から圧縮行程にかけて複数の噴射期間に分割して行なわれることから、吸気行程での噴射特性と圧縮行程での噴射特性とを噴射特性変更制御手段により変更することによって、それぞれの噴射時期に適した噴射特性を選ぶことが可能であるので、運転条件や燃焼室形状等に制約を受けることなく、全運転領域に亘って燃焼を促進させ、燃費を向上させることができる。

ここで、前記噴射特性は噴霧形状であり、前記噴射特性変更制御手段が、噴霧形状における噴霧広がり角を吸気行程噴射時には広角に、圧縮行程噴射時には狭角に変更制御する形態によれば、吸気行程噴射時には広角な噴霧広がり角で燃焼室空間に燃料が噴射されるので混合気の均質性が向上し、一方、圧縮行程噴射時には狭角な噴霧広がり角で燃焼室空間に燃料が噴射されるので筒内混合気の強い流動を生起し、火炎伝播が促進される。かくて、燃焼速度が上昇するので、燃焼期間が短縮し熱発生量も増加する。

また、前記噴射特性変更制御手段が、噴霧形状における噴霧広がり角が燃料噴射時のピストン位置に対応して最適となるように変更制御する形態によれば、例えば、燃料噴射時期が吸気行程上死点側であるときにはピストン頂面への燃料付着が懸念されるが、このような場合には噴霧広がり角を広角に変更制御することによって、ピストン頂面への燃料付着を抑制しつつ噴霧の分散性を向上させることができる。

なお、前記噴射特性は噴霧貫徹力であり、前記噴射特性変更制御手段が、噴霧貫徹力を吸気行程噴射時には弱く、圧縮行程噴射時には強くなるように変更制御する形態によれば、吸気行程噴射時には弱い噴霧貫徹力で燃焼室空間に燃料が噴射されるので混合気の均質性が向上し、一方、圧縮行程噴射時には強い噴霧貫徹力で燃焼室空間に燃料が噴射されるので筒内混合気の強い流動を生起し、火炎伝播が促進される。かくて、燃焼速度が上昇するので、燃焼期間が短縮し熱発生量も増加する。

また、前記噴射特性変更制御手段が、噴霧貫徹力が燃料噴射時のピストン位置に対応して最適となるように変更制御する形態によれば、例えば、燃料噴射時期が吸気行程上死点側であるときにはピストン頂面への燃料付着が懸念されるが、このような場合には噴霧貫徹力を弱く変更制御することによって、ピストン頂面への燃料付着を抑制しつつ噴霧の分散性を向上させることができる。

さらに、前記噴射特性は噴射率であり、前記噴射特性変更制御手段が、噴射率を吸気行程噴射時には小さく、圧縮行程噴射時には大きくなるように変更制御する形態によれば、吸気行程噴射時には小さいないしは低い噴射率で燃焼室空間に燃料が噴射されるので混合気の均質性が向上し、一方、圧縮行程噴射時には大きいないしは高い噴射率で燃焼室空間に燃料が噴射されるので筒内混合気の強い流動を生起し、火炎伝播が促進される。かくて、燃焼速度が上昇するので、燃焼期間が短縮し熱発生量も増加する。

また、前記噴射特性変更制御手段が、噴射率が燃料噴射時のピストン位置に対応して最適となるように変更制御する形態によれば、例えば、燃料噴射時期が吸気行程上死点側であるときにはピストン頂面への燃料付着が懸念されるが、このような場合には噴射率を小さくないしは低く変更制御することによって、ピストン頂面への燃料付着を抑制しつつ噴霧の分散性を向上させることができる。

さらに、前記噴射特性変更制御手段が、噴射率を機関回転速度に応じて変更制御する形態によれば、機関回転速度が高くなるほど吸気行程における吸入空気の冷却時間が短くなるが、機関回転速度に応じて噴射率が変更制御されるので、短時間に気化潜熱により吸入空気を冷却し充填効率を上げることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明が適用される火花点火式筒内噴射型内燃機関（以下、単に、エンジンともいう）の制御装置の概要を示すシステム構成図であり、１０はエンジン本体である。エンジン本体１０は、シリンダが形成されたシリンダブロック１２およびシリンダヘッド１４を備え、１６はシリンダ内を往復動するピストン、１８はピストン１６の上部に形成される燃焼室である。２０は燃焼室１８へ直接に燃料噴射するように配設され、後述するように、その噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁としての筒内インジェクタであり、２２は点火プラグである。さらに、図示は省略するが、燃焼室１８にはトルク検出手段としての筒内圧センサが設けられている。なお、筒内インジェクタ２０は各々、高圧燃料ポンプ２４から高圧の燃料が供給される燃料デリバリパイプ２６に連通されている。

エンジン１０の吸気系では、吸気弁２８を介して燃焼室１８に連通する吸気ポート３０に吸気マニホルドを介して吸気通路３２が連通されている。吸気通路３２はスロットル弁３４が介装されたスロットルチャンバに連通されている。スロットル弁３４はスロットルモータ３６によって駆動され、その開度がスロットル開度センサ３５により検出される、いわゆる電子制御スロットルである。そして、このスロットルチャンバの上流に過給機３８（例えば、ターボチャージャのコンプレッサ）が配設されている。更に、過給機３８の上流には吸入空気流量を計測するためのエアフローメータ４０が配設されている。

一方、エンジン１０の排気系では、排気弁４２を介して燃焼室１８に連通する排気ポート４４に排気マニホルドを介して排気通路４６が連通されている。排気通路４６には前述の過給機３８のタービン（不図示）が介装され、その下流に、三元触媒４８が配設されている。本実施の形態の過給機３８としてのターボチャージャは、タービンに導入する排気のエネルギーによりコンプレッサが回転駆動され、空気を吸入、加圧して過給するものであるが、過給機３８としては、他の機械式過給機を用いることができる。

また、エンジン１０には、エンジン１０の回転数を検出するためのクランク角センサ（以下、回転数センサとも称す）５０や要求負荷（アクセル開度）を検出するためのアクセル開度センサ５２が設けられている。さらに、エンジン１０の冷却水温を検出する水温センサ５４や過給圧を制御するのに用いられる圧力センサ（不図示）が設けられている。さらに、本実施の形態では、上述の燃料デリバリパイプ２６内の燃料圧力、延いては筒内インジェクタ２０からの噴射圧を検出するための噴射圧センサ５６およびエンジン１０におけるノッキングを検出するためのノッキングセンサ５８が設けられ、これらの各種センサの出力がマイクロコンピュータ等で構成される電子制御ユニット１００に送られるようになっている。

電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）１００は、上述の各センサから送られてきた出力値に応じて、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、過給圧等を制御する。なお、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、過給圧等の制御のために使用される基本的な制御値は、例えば縦軸にスロットル開度や吸入空気量等で代表されるエンジンの負荷をとり、横軸にエンジン回転数（機関速度）をとったエンジン１０の運転状態を表す基本マップに、エンジン１０の要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値が制御値として設定されており、これらの基本マップは電子制御ユニット１００のテーブルに保存されている。

ここで、本実施の形態で用いられる噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁としての筒内インジェクタ２０について、まず基本的な構成を図２を参照して説明する。筒内インジェクタ２０は、ほぼ円筒状のインジェクタ本体２００、インジェクタ本体２００に摺動自在に嵌装されたニードル部材２２０およびインジェクタ本体２００に固着された噴孔形成部材２４０を備えている。

インジェクタ本体２００には、燃料チャンバ２０２、第１ピストン収容チャンバ２０４および両者を連通するニードル案内孔２０６がそれぞれ同心に形成されている。ニードル部材２２０はその先端部にニードル弁部２２２、後端部に拡径されたピストン部２２４および中間部に上記ニードル案内孔２０６に摺動自在に嵌装される摺動案内部２２６を備え、中心部にはピストン部２２４を貫通して延在すると共にニードル弁部２２２の上方で中心線に直交して分岐された燃料通路２２８が形成されている。そして、ニードル部材２２０は、ピストン部２２４が第１ピストン収容チャンバ２０４に収容され、その先端部のニードル弁部２２２が噴孔形成部材２４０に形成された後述する噴孔２５０を開閉すべく、中間部の摺動案内部２２６がニードル案内孔２０６に摺動自在に嵌装されている。かくて、第１ピストン収容チャンバ２０４はピストン部２２４によって、その上側のスプリング収容チャンバ２０４Ｕと下側の圧力チャンバ２０４Ｌとに画成されている。さらに、上述の噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁としての筒内インジェクタ２０の噴射特性を変更する噴射特性変更制御手段の一部を構成する圧力発生装置２６０が本実施の形態では筒内インジェクタ２０に組み込まれている。圧力発生装置２６０は、圧電素子２６２とこれに駆動されるピストン２６４とを備え、ピストン２６４はインジェクタ本体２００に形成された第２ピストン収容チャンバ２６６に収容されている。そして、第２ピストン収容チャンバ２６６にはピストン２６４によってその下側に加圧チャンバ２６６Ｌが画成されている。

そして、この加圧チャンバ２６６Ｌと上述の圧力チャンバ２０４Ｌとは連絡通路２６８を介して連通されており、さらに、加圧チャンバ２６６Ｌとスプリング収容チャンバ２０４Ｕとは途中に逆止弁２７０が介設された一方向連絡通路２７２を介して連通されている。なお、このスプリング収容チャンバ２０４Ｕにはピストン部２２４を押圧する形態でスプリング２１０が設けられており、ニードル部材２２０の先端部のニードル弁部２２２が噴孔形成部材２４０に形成された噴孔２５０を閉じる方向に付勢している。また、スプリング収容チャンバ２０４Ｕにはインジェクタ本体２００に形成された燃料供給通路２１２が連通されており、この燃料供給通路２１２は上述の燃料デリバリパイプ２６に連通されている。本実施の形態の筒内インジェクタ２０においては、燃料デリバリパイプ２６から供給された所定圧の燃料が燃料供給通路２１２、スプリング収容チャンバ２０４Ｕおよびニードル部材２２０の燃料通路２２８を介して燃料チャンバ２０２に充填される。また、この燃料は圧力発生装置２６０により発生された圧力を伝達する作動流体としても用いられるべく、加圧チャンバ２６６Ｌ、連絡通路２６８、圧力チャンバ２０４Ｌおよび一方向連絡通路２７２にも充満されている。

このように圧力発生装置２６０が組み込まれて構成された筒内インジェクタ２０においては、印加される電圧に応じてその膨張率が変化する圧電素子２６２によりピストン２６４が下方に押圧されて駆動される。ピストン２６４が下方に押圧されると、作動流体としての燃料が加圧チャンバ２６６Ｌから連絡通路２６８を介して圧力チャンバ２０４Ｌに導入され、ピストン部２２４延いてはニードル部材２２０をスプリング２１０の付勢力に抗って上方に押し上げる。かくて、ニードル部材２２０の先端部のニードル弁部２２２が噴孔形成部材２４０に形成された噴孔２５０を開くことになる。後述するように、圧電素子２６２への印加電圧を変え、その膨張率を変化させてピストン２６４の移動量を変えることにより、ニードル部材２２０のリフト量が可変となるように構成されている。

次に、このようにリフト量が可変に構成されているニードル部材２２０と共に用いられて、噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁を構成するニードル部材２２０と噴孔形成部材２４０との種々の形態につき図３乃至図５を参照して説明する。

まず、図３（Ａ）および図３（Ｂ）には、噴射特性として噴霧形状が変更可能にされる可変噴射特性燃料噴射弁のニードル部材２２０と噴孔形成部材２４０との異なる組合せ形態の一部が拡大して示されている。図３（Ａ）に示す形態の筒内インジェクタ２０_３Ａでは、ニードル部材２２０の先端の拡径されたニードル弁部２２２の外周に螺旋状の溝２２２Ａが形成されると共に、噴孔形成部材２４０においては、噴孔２５０に連通する截頭円錐状の凹部２４０Ａが形成され、この凹部２４０Ａの傾斜壁面とニードル弁部２２２とが当接するように構成されている。かくて、この筒内インジェクタ２０_３Ａでは、ニードル部材２２０のリフト量に応じて溝２２２Ａに流入する燃料の流速が変わり、溝２２２Ａへの追従度が変わるので、このリフト量を変更制御することにより、噴孔２５０からの噴霧形状が変更される。リフト量が大きいときには流入燃料の流速が速く、噴霧形状における噴霧広がり角が狭角になるのに対し、リフト量が小さいときには流速が遅く、噴霧形状における噴霧広がり角が広角になる。

また、図３（Ｂ）に示す形態の筒内インジェクタ２０_３Ｂでは、ニードル部材２２０の先端のニードル弁部２２２は円柱状であり、噴孔形成部材２４０においては、噴孔２５０に連通する截頭円錐状の凹部２４０Ｂが形成され、この凹部２４０Ｂの截頭面とニードル弁部２２２の先端面とが当接し噴孔２５０を閉じるように構成されている。かくて、この筒内インジェクタ２０_３Ｂでは、ニードル部材２２０のリフト量に応じてニードル弁部２２２の先端面と凹部２４０Ｂの截頭面との間の領域(図３（Ｃ）に「Ａ」で示す)における燃料の圧力が変わるので、このリフト量を変更制御することにより、噴孔２５０からの噴霧形状が変更される。リフト量が大きいときにはその領域「Ａ」の燃料の圧力が高くなるので、噴霧形状における噴霧広がり角が広角(図３（Ｃ）に「Ｉ」で示す)になるのに対し、リフト量が小さいときには圧力が低く、噴霧形状における噴霧広がり角が狭角(図３（Ｃ）に「ＩＩ」で示す)になる。

次に、図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）には、噴射特性として噴霧形状および噴霧貫徹力が変更可能にされる可変噴射特性燃料噴射弁のニードル部材２２０と噴孔形成部材２４０との組合せ形態の一部が拡大して示されている。ここで、図４（Ａ）はニードル部材２２０のリフト量がゼロのとき、図４（Ｂ）および図４（Ｃ）は、それぞれ、リフト量が小および大のときを示している。ここで、図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）においては、構成部品は同じでニードル部材２２０のリフト位置が異なるのみであるから、図面の理解の容易化のための煩雑さを避けるべく、重複する符号を適宜省略している。

図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）に示す形態の筒内インジェクタ２０_４では、ニードル部材２２０の先端のニードル弁部２２２は基本形状が円柱状であり、その軸方向の異なる位置に上側環状溝２２２ＢＵおよび下側環状溝２２２ＢＬが形成されている。そして、この筒内インジェクタ２０_４では、ニードル部材２２０の中心部に形成されている前述の燃料通路２２８に関してニードル弁部２２２の上方で中心線に直交して分岐されていた通路部分が省略され、ニードル弁部２２２の先端部まで貫通する燃料通路２２８Ａが形成されている。さらに、燃料通路２２８Ａは上記上側環状溝２２２ＢＵおよび下側環状溝２２２ＢＬにそれぞれ連通されている。

噴孔形成部材２４０においては、外形が截頭円錐状に形成されると共に、内部に上記ニードル部材２２０の先端部のニードル弁部２２２が嵌り合う凹部２４０Ｃが形成されている。そして、上側噴孔２５０Ｕおよび下側噴孔２５０Ｌがそれぞれ凹部２４０Ｃにおける軸方向の異なる「所定の位置」に開口しつつ、筒内インジェクタ２０_４の中心線に対して異なる角度（α、β、α＞β）をなすように放射状に複数個形成されている。なお、「所定の位置」とは、上述の上側環状溝２２２ＢＵおよび下側環状溝２２２ＢＬとの関係において、図４（Ａ）に示すニードル部材２２０のリフト量がゼロのときに、上側噴孔２５０Ｕおよび下側噴孔２５０Ｌがそれぞれ上側環状溝２２２ＢＵおよび下側環状溝２２２ＢＬとの連通が遮断され、図４（Ｂ）に示すリフト量が小のときに、上側噴孔２５０Ｕと上側環状溝２２２ＢＵとは連通されるが下側噴孔２５０Ｌと下側環状溝２２２ＢＬとの連通が遮断され、且つ、図４（Ｃ）に示すリフト量が大のときに、上側噴孔２５０Ｕと上側環状溝２２２ＢＵとの連通は遮断されるが下側噴孔２５０Ｌと下側環状溝２２２ＢＬとが連通される位置を云う。なお、上述の関係は逆であってもよい。

かくて、この筒内インジェクタ２０_４では、ニードル部材２２０のリフト量に応じて燃料通路２２８Ａにそれぞれ連通されている上側環状溝２２２ＢＵおよび下側環状溝２２２ＢＬと上側噴孔２５０Ｕおよび下側噴孔２５０Ｌとの連通または遮断状態が変わるので、このリフト量を変更制御することにより、噴霧形状および噴霧貫徹力が変更されるのである。図４（Ｂ）に示すリフト量が小のときには、上側噴孔２５０Ｕから噴霧広がり角が２αの広角で噴霧され、噴霧貫徹力が弱いのに対し、図４（Ｃ）に示すリフト量が大のときには、下側噴孔２５０Ｌから噴霧広がり角が２βの狭角で噴霧され、噴霧貫徹力が強くなる。

さらに、図５（Ａ）乃至図５（Ｄ）には、噴射特性として噴射率が変更可能にされる可変噴射特性燃料噴射弁のニードル部材２２０と噴孔形成部材２４０との組合せ形態の一部が拡大して示されている。ここで、図５（Ａ）はニードル部材２２０のリフト量がゼロのとき、図５（Ｂ）乃至図５（Ｄ）は、リフト量が小、中および大のときを、それぞれ、示している。ここで、図５（Ａ）乃至図５（Ｄ）においても、構成部品は同じでニードル部材２２０のリフト位置が異なるのみであるから、図面の理解の容易化のための煩雑さを避けるべく、重複する符号を適宜省略している。なお、「噴射率」とは、単位時間当たりの燃料噴射量を云う。

図５（Ａ）乃至図５（Ｄ）に示す形態の筒内インジェクタ２０_５では、ニードル部材２２０の先端のニードル弁部２２２が小、中および大径の段付円柱状に形成されている（以下、それぞれを２２２Ｓ、２２２Ｍおよび２２２Ｌと称す）。なお、燃料通路２２８に関しては図２に示した形態と同じである。そして、噴孔形成部材２４０においては、先端部外形が截頭円錐状に形成されると共に、内部に上記ニードル部材２２０の先端部のニードル弁部２２２の小径部２２２Ｓ、中径部２２２Ｍおよび大径部２２２Ｌがそれぞれ嵌り合う段付凹部２４０Ｄが形成されている（以下、それぞれの対応する凹部を２４０ＤＳ、２４０ＤＭおよび２４０ＤＬと称す）。そして、第１噴孔２５０_１、第２噴孔２５０_２および第３噴孔２５０_３が凹部２４０Ｄにおける上述の大径凹部２４０ＤＬ、中径凹部２４０ＤＭおよび小径凹部２４０ＤＳにそれぞれ開口しつつ、筒内インジェクタ２０_５の中心線に対して同じ角度γをなすように放射状に複数個形成されている。

かくて、この筒内インジェクタ２０_５では、図５（Ａ）に示すニードル部材２２０のリフト量がゼロのときに、ニードル部材２２０のニードル弁部２２２の小径部２２２Ｓ、中径部２２２Ｍおよび大径部２２２Ｌがそれぞれ対応する小径凹部２４０ＤＳ、中径凹部２４０ＤＭおよび大径凹部２４０ＤＬに嵌り合い、第１噴孔２５０_１、第２噴孔２５０_２および第３噴孔２５０_３が閉じられる。そして、図５（Ｂ）に示すリフト量が小のときには、ニードル弁部２２２の中径部２２２Ｍの一部が大径凹部２４０ＤＬに位置されて第１噴孔２５０_１のみが開かれる。また、図５（Ｃ）に示すリフト量が中庸のときには、ニードル弁部２２２の小径部２２２Ｓの一部が小径凹部２４０ＤＳに嵌り合ったまま、その残部は中径凹部２４０ＤＭに位置されて第１噴孔２５０_１および第２噴孔２５０_２が開かれる。さらに、図５（Ｄ）に示すリフト量が大のときには、ニードル弁部２２２の小径部２２２Ｓが小径凹部２４０ＤＳに嵌り合うことなくその全部が中径凹部２４０ＤＭおよび大径凹部２４０ＤＬに位置されて第１噴孔２５０_１、第２噴孔２５０_２および第３噴孔２５０_３の全てが開かれるのである。

このようにして、ニードル部材２２０のリフト量に応じて燃料通路２２８に連通される噴孔の数が変わるので、このリフト量を変更制御することにより、噴射率が変更されるのである。図５（Ｂ）に示すリフト量が小のときには噴射率が小、図５（Ｃ）に示すリフト量が中のときには噴射率が中、および図５（Ｄ）に示すリフト量が大のときには噴射率が大でそれぞれ噴射される。

なお、上記筒内インジェクタ２０は、ニードル部材２２０のリフト量に応じて噴霧広がり角、もしくは噴霧貫徹力、もしくは噴射率が変更可能なものであるが、これに限定されるものではなく、燃焼室１８内に噴射する噴霧広がり角、もしくは噴霧貫徹力、もしくは噴射率が変更可能なものであっても良い。

次に、本実施の形態のエンジン１０において、ＥＣＵ１００により実行される基本的制御内容について、図６を参照して説明する。このエンジン１０では、吸気行程と共に圧縮行程においても燃焼室１８内に燃料を噴射する、いわゆる分割噴射を行うことが可能なように設定されている。この分割噴射運転のときは、後述する所定の分割噴射率に応じてピストン１６の下降時の吸気行程における所定のクランク角位置から所定のクランク角間隔において全燃料噴射量のうちの吸気行程噴射分が噴射されると共に、その残量分が圧縮行程下死点（ＢＤＣ）後のピストン１６の上昇時の所定のクランク角位置から所定のクランク角間隔において噴射される。そして、本発明では、吸気行程における噴射特性と圧縮行程における噴射特性をピストン位置に対応させて変更制御することでもって、全運転領域に亘って燃焼を促進させ、燃費を向上させるようにしている。

そこで、本発明の第１の実施形態に係る制御装置による制御の一形態につき、図７に示すフローチャートを参照して説明する。なお、この制御ルーチンは例えば所定のクランク角毎に実行される。すなわち、制御が開始されるとまずステップＳ７０１において機関情報が読込まれる。ここでは、機関情報として、クランク角センサ（回転数センサ５０）によるエンジン回転数およびピストン１６の位置（以下、ピストン位置と称す）、スロットル開度センサ３５によるスロットル弁３４の開度(以下、スロットル開度と称す）および水温センサ５４により計測された冷却水温等が用いられる。次に、
ステップＳ７０２に進み、これらの機関情報のうちエンジン負荷を表すスロットル開度およびエンジン回転数に基づきマップから全燃料噴射量が取得される。そして、次のステップＳ７０３において、ステップＳ７０１で読込んだピストン位置に基づいて、エンジン１０が吸気行程にあるか否かが判定される。

ここで、吸気行程にあるときはステップＳ７０４に進み機関情報に基づく分割噴射率に対応させてマップから、吸気行程時の燃料噴射量が読込まれると共に、次のステップＳ７０５において吸気行程時の燃料噴射時期が読込まれる。さらに、次のステップＳ７０６において吸気行程時のニードル部材２２０のリフト量が読込まれる。他方、ステップＳ７０３における判定で吸気行程でないとされると、ステップＳ７０７に進み圧縮行程であるか否かが判定される。ここで、圧縮行程でないとき、例えば、排気行程や膨張行程にあるときはこの制御ルーチンは終了される。圧縮行程にあるときはステップＳ７０８に進み、上述のステップＳ７０１で読込んだ機関情報に基づく分割噴射率に対応させてマップから、圧縮行程時の燃料噴射量が読込まれると共に、次のステップＳ７０９において圧縮行程時の燃料噴射時期が読込まれる。さらに、次のステップＳ７１０において圧縮行程時のニードル部材２２０のリフト量が読込まれる。

かくて、ステップＳ７０４乃至ステップＳ７０６で読込まれた吸気行程時の燃料噴射量、燃料噴射時期およびニードル部材２２０のリフト量と、ステップＳ７０８乃至ステップＳ７１０で読込まれた圧縮行程時の燃料噴射量、燃料噴射時期およびニードル部材２２０のリフト量とに基づいて、所定の時期に各気筒における筒内インジェクタ２０が駆動される。

ここで、本第１の実施形態において噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁として噴霧形状が変更される図３（Ｂ）に示した筒内インジェクタ２０_３Ｂを用いた場合につきさらに詳述すると、上記ステップＳ７０６におけるニードル部材２２０のリフト量に関しては、噴霧形状における噴霧広がり角が吸気行程噴射時には広角に、圧縮行程噴射時には狭角になるように変更制御される。すなわち、噴射特性変更制御手段の一部を構成する圧力発生装置２６０の圧電素子２６２に印加される電圧が変更制御され、ピストン２６４の移動量延いてはピストン部２２４と一体のニードル部材２２０のリフト量が変更制御される。かくて、吸気行程噴射時にはニードル部材２２０のリフト量が大きい状態で筒内インジェクタ２０_３Ｂが開弁されるので、吸気行程噴射時には図８（Ａ）に示すように広角な噴霧広がり角（図３（Ｃ）の「I」に対応する）で燃焼室１８の空間に燃料が噴射され、燃焼室内での混合気の均質性が向上する。他方、圧縮行程噴射時にはニードル部材２２０のリフト量が小さい状態で筒内インジェクタ２０_３Ｂが開弁されるので、圧縮行程噴射時には図８（Ｂ）に示すように狭角な噴霧広がり角（図３（Ｃ）の「II」に対応する）で燃焼室１８の空間に燃料が噴射される。その結果、筒内混合気の強い流動を生起し、火炎伝播が促進される。かくて、燃焼速度が上昇するので、燃焼期間が短縮し熱発生量も増加するのである。

なお、上では噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁として噴霧形状が変更される図３（Ｂ）に示した筒内インジェクタ２０_３Ｂを用いた場合につき説明したが、図３（Ａ）に示した筒内インジェクタ２０_３Ａ、図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）に示す筒内インジェクタ２０_４および図５（Ａ）乃至図５（Ｄ）に示す筒内インジェクタ２０_５のいずれかを用いても同様の効果が得られる。

そこで、本発明により得られる効果の実験結果を噴射特性を変更しない従来技術との対比で図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示す。図９（Ａ）は横軸にクランク角、縦軸に熱発生率を採り、図９（Ｂ）は横軸に同じくクランク角、縦軸に熱発生量を採って示すグラフである。図９（Ａ）のグラフから明らかなように、火炎伝播の促進により急速な燃焼が実現され、熱発生率の傾きが急となり燃焼期間が短縮される。その結果、図９（Ｂ）のグラフから明らかなように、熱発生量も従来技術に比べ大幅に増加するのである。

次に、本発明の第２の実施形態に係る制御装置による制御の一形態につき、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。この第２の実施形態が上述の第１の実施形態と主に異なる点は、第１の実施形態の制御に加えて、噴射特性がピストン位置に対応して最適となるように変更制御するようにしたことである。従って、図１０のフローチャートにおいては、理解の容易化を図るために、図７に示したフローチャートのステップの符号をそのまま用い、その一部としての追加変更されたステップをＳ１０００台で表す。

この第２の実施形態においては、上述の第１の実施形態におけるステップＳ７０４乃至ステップＳ７０６での吸気行程時の燃料噴射量、燃料噴射時期およびニードル部材２２０のリフト量の読込みの次にステップＳ１００１に進み、このときのピストン位置が再度読込まれる。そして、このステップＳ１００１の後のステップＳ１００２において、このピストン位置が所定位置（下死点からの距離）を超えているか否か、換言すると、所定位置より上死点側であるか否かが判定される。ピストン位置が所定位置を超えていないと判定されたときは、この制御ルーチンは終了される。すなわち、後述するステップＳ１００３の補正を行なうことなく、ステップＳ７０６で読込まれたリフト量に基づいて、所定の時期に筒内インジェクタ２０が駆動される。

ところで、ステップＳ１００２の判定においてピストン位置が所定位置を超えている、すなわち、上死点側にあるときはステップＳ１００３に進みニードル部材２２０のリフト量の補正量が読込まれる。このリフト量の補正量は、例えば、図１１（Ａ）乃至図１１（Ｃ）に示すように、用いられる筒内インジェクタ２０の噴射特性に対応させて設定されている。図１１（Ａ）に示す例は、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示した噴霧広がり角を変更可能な筒内インジェクタ２０_３Ａおよび筒内インジェクタ２０_３Ｂに適した噴射特性の変化の様子を示しており、いずれも、燃料噴射時のピストン位置が所定位置（ｄ_０で示す）を超えて吸気上死点に近い程、噴霧広がり角が広くなるようにされており、リフト量の補正量はこれを満たすように設定されている。図１１（Ｂ）に示す例は、図４（Ａ）乃至図４（Ｃ）に示す噴霧形状および噴霧貫徹力を変更可能な筒内インジェクタ２０_４に適した噴射特性の変化の様子を示しており、燃料噴射時のピストン位置が所定位置（ｄ_０で示す）を超えて吸気上死点に近い程、噴霧貫徹力が弱くなるようにされており、リフト量の補正量はこれを満たすように設定されている。さらに、図１１（Ｃ）に示す例は、図５（Ａ）乃至図５（Ｄ）に示す噴射率を変更可能な筒内インジェクタ２０_５に適した噴射特性の変化の様子を示しており、燃料噴射時のピストン位置が所定位置（ｄ_０で示す）を超えて吸気上死点に近い程、噴射率が小さくなるようにされており、リフト量の補正量はこれを満たすように設定されている。

このように、ピストン位置に応じて噴射特性が最適となるように変更制御するのは、吸気行程上死点側の噴射ではスモーク発生の要因となるピストン頂面への付着燃料を極力抑制するためであり、燃料噴射時期が吸気行程上死点側であるときにピストン位置に応じて、噴霧広がり角、噴霧貫徹力ないしは噴霧率を最適に変更制御することによって、ピストン頂面への燃料付着を抑制しつつ噴霧の分散性を向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る制御装置による制御の一形態につき、図１２に示すフローチャートを参照して説明する。この第３の実施形態が上述の第１の実施形態と主に異なる点は、第１の実施形態における噴射率の変更制御において、さらにエンジン回転数に応じて変更制御するようにしたことである。従って、図１２のフローチャートにおいては、理解の容易化を図るために、共通部分については図７に示したフローチャートのステップの符号をそのまま用い、その一部を変更して追加されたステップをＳ１２００台で表す。

この第３の実施形態においては、上述の第１の実施形態におけるステップＳ７０４およびステップＳ７０６での吸気行程時の燃料噴射量および燃料噴射時期の読込みの次にステップＳ１２０１に進み、エンジン回転数が再度読込まれる。そして、次のステップＳ１２０２において、この読込まれたエンジン回転数に応じて、ニードル部材２２０のリフト量が読込まれる。このリフト量は、例えば、図１３に示す噴射率の変化に対応するように設定されている。すなわち、図１３に示す例は、エンジン回転数が高くなるに従い噴射率が大きくなるように噴射特性が変わるべくリフト量が設定されている。図５（Ａ）乃至図５（Ｄ）に示す筒内インジェクタ２０_５では、エンジン回転数が高くなる程リフト量が大とされ、単位時間当たりの燃料噴射量が多くされるのである。

この第３の実施形態によれば、エンジン回転速度が高くなるほど吸気行程における吸入空気の冷却時間が短くなるが、エンジン回転速度が高くなるほど噴射率が大きくなるように変更制御されるので、気化潜熱により吸入空気を短時間で冷却することができ、充填効率を上げることができる。

なお、上述した実施の形態では、噴射特性を変更する噴射特性変更制御手段の一部を構成する圧力発生装置２６０が筒内インジェクタ２０に一体に組み込まれた例につき説明したが、これは別体としてもよい。

本発明が適用される、過給機を備えた火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置の概要を示すシステム構成図である。 本発明の実施形態で用いられる噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁としての筒内インジェクタの基本的な構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態で用いられる可変噴射特性燃料噴射弁において、噴射特性として噴霧形状を変更可能とした筒内インジェクタのニードル部材と噴孔形成部材との組合せ形態の一部を示す拡大断面図であり、（Ａ）はニードル弁部が螺旋状、（Ｂ）はニードル弁部が円柱状のときを示し、（Ｃ）はニードル部材のリフト量に対する噴霧形状を示す。 本発明の実施の形態で用いられる可変噴射特性燃料噴射弁において、噴射特性として噴霧形状および噴霧貫徹力を変更可能とした筒内インジェクタのニードル部材と噴孔形成部材との組合せ形態の一部を示す拡大断面図であり、（Ａ）はニードル部材のリフト量がゼロのとき、（Ｂ）はリフト量が小、および（Ｃ）はリフト量が大のときを示している。 本発明の実施の形態で用いられる可変噴射特性燃料噴射弁において、噴射特性として噴射率を変更可能とした筒内インジェクタのニードル部材と噴孔形成部材との組合せ形態の一部を示す拡大断面図であり、（Ａ）はニードル部材のリフト量がゼロのとき、（Ｂ）はリフト量が小、（Ｃ）はリフト量が中、および、（Ｄ）はリフト量が大のときを示している。 本発明に用いられる吸気行程と共に圧縮行程においても燃焼室内に燃料を噴射する分割噴射制御を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る制御装置による制御の一形態を示すフローチャートである。 噴霧形態を示す断面図であり、（Ａ）は吸気行程噴射時における広角な噴霧広がり角、（Ｂ）は圧縮行程噴射時における狭角な噴霧広がり角での噴射である。 本発明により得られる効果の実験結果を噴射特性を変更しない従来技術との対比で示すグラフであり、（Ａ）は熱発生率、（Ｂ）は熱発生量を示している。 本発明の第２の実施形態に係る制御装置による制御の一形態を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態において、噴射時期または噴射時ピストン位置に対応させて噴射特性を変更制御する際のニードル部材のリフト量の補正量の一例示すグラフであり、（Ａ）は噴霧広がり角、（Ｂ）は噴霧貫徹力、および、（Ｃ）は噴射率の場合を示している。 本発明の第３の実施形態に係る制御装置による制御の一形態を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態において、エンジン回転速度に対応させて噴射特性を変更制御する際のニードル部材のリフト量の補正量の一例示すグラフである。

符号の説明

１０ エンジン本体
２０、２０_３Ａ、２０_３Ｂ、２０_４、２０_５ 筒内インジェクタ
３４ スロットル弁
５０ クランク角センサ（回転数センサ）
１００ 電子制御ユニット
２００ インジェクタ本体
２０４ 第１ピストン収容チャンバ
２０４Ｕ スプリング収容チャンバ
２０４Ｌ 圧力チャンバ
２１０ スプリング
２１２ 燃料供給通路
２２０ ニードル部材
２２２ ニードル弁部
２２２Ａ 溝
２２２ＢＵ 上側環状溝
２２２ＢＬ 下側環状溝
２２２Ｓ 小径部
２２２Ｍ 中径部
２２２Ｌ 大径部
２２４ ピストン部
２２８、２２８Ａ 燃料通路
２４０ 噴孔形成部材
２４０Ａ、２４０Ｂ、２４０Ｃ 凹部
２４０ＤＬ 大径凹部
２４０ＤＭ 中径凹部
２４０ＤＳ 小径凹部
２５０ 噴孔
２５０Ｕ 上側噴孔
２５０Ｌ 下側噴孔
２５０_１ 第１噴孔
２５０_２ 第２噴孔
２５０_３ 第３噴孔
２６０ 圧力発生装置
２６２ 圧電素子
２６４ ピストン
２６６ 第２ピストン収容チャンバ
２６６Ｌ 加圧チャンバ
２６８ 連絡通路
２７０ 逆止弁
２７２ 一方向連絡通路

Claims (3)

1. 燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備える火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置において、
   燃料噴射弁として噴射特性が変更可能な可変噴射特性燃料噴射弁を用いると共に、
   該可変噴射特性燃料噴射弁の噴射特性を変更する噴射特性変更制御手段と、
   前記可変噴射特性燃料噴射弁からの燃料噴射を吸気行程から圧縮行程にかけて複数の噴射時期に分割して行わせる分割噴射制御手段と、を備え、
   前記噴射特性は噴射率であり、前記噴射特性変更制御手段は、噴射率を吸気行程噴射時には小さく、圧縮行程噴射時には大きくなるように変更制御することを特徴とする火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置。
2. 前記噴射特性変更制御手段は、燃料噴射時のピストン位置が下死点からの所定位置を超えて吸気上死点に近い程、噴射率が小さくなるように変更制御することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置。
3. 前記噴射特性変更制御手段は、機関回転速度が高くなるに従い噴射率が大きくなるように変更制御することを特徴とする請求項２に記載の火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置。

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