JPH0763142A - 直噴式エンジンの燃料噴射圧制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】噴射圧を不用に大きくすることなく、噴射燃料
の微粒化が始まるまでの分裂長さを常に所望の長さに維
持する。 【構成】ピストン３の頂面に凹部１１が形成されて、凹
部１１の底面から突設された隔壁部１２の内側に半球状
の主燃焼室１１３が形成され、隔壁部１２の外側に円環
状の外側燃焼室１４が形成される。主燃焼室１３に臨ま
せて点火プラグ１５が配置され、主燃焼室１３の内側面
１３ａに指向させて燃料噴射弁１６が配置される。燃料
噴射弁１６の噴射圧が、エンジン回転数、エンジン負
荷、充填効率等に応じて変更されて、噴射燃料の分裂長
さ（つまり燃料噴射弁１６の噴孔から噴射燃料の微粒化
が始まる位置までの長さ）Ｌｂが、常に、燃料噴射弁１
６の噴孔から内側面１３ａまでの距離Ｌ以下とされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料噴射弁から燃焼室
に直接燃料噴射を行なうと共に点火プラグにより着火を
行なうようにした直噴式エンジンの燃料噴射圧制御装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】点火プラグにより着火を行なうようにし
たオット−式のエンジンのなかには、燃料噴射弁から直
接燃焼室へ燃料噴射を行なうようにしたものがある（例
えば特開平１−２０３６１３号公報参照）。この場合、
ピストン頂面に凹部つまり燃焼キャビティを形成して、
噴射燃料が燃焼キャビティに指向されると共に、燃焼キ
ャビティの上方一において点火プラグが配設される。こ
のような直噴式火花点火エンジンにおいては、燃焼キャ
ビティ内での燃料の成層化によって、空燃比をリ−ン化
しつつ燃焼安定性を十分確保することができ、しかもＨ
Ｃを低減することができる。

【０００３】前述した直噴式火花点火エンジンにおいて
は、燃焼キャビティ内において燃料が十分微粒化つまり
気化、霧化していることが望ましいものである。すなわ
ち、微粒化していない燃料が燃焼キャビティの内壁面に
付着しないようにするのが要求される。一方、燃料噴射
弁から噴射された燃料は、ある距離まで到達すると急激
に微粒化されることになり、燃料噴射弁の噴孔から急激
な微粒化が行なわれる位置までの距離が、一般に分裂長
さと呼ばれている。そして、燃料噴射弁からの噴射圧を
大きくするほど分裂長さが短くなることが知られてい
る。特開昭６４−３５０１１号公報には、ディ−ゼルエ
ンジンではあるが、燃焼室内壁面に燃料が到達する前に
燃料の微粒化が行なわれるような設定を行なうものが開
示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】燃焼キャビティ内壁面
への燃料の付着を防止するには、前述した分裂長さを、
燃料噴射弁の噴孔と当該内壁面との間の距離以下となる
ように設定すればよいことになる。しかしながら、この
分裂長さは、燃焼室内の雰囲気圧等の影響を受けて変化
するので、広い運転状態に応じて常に前述した要求を満
足させようとするには、分裂長さを十分短く設定すれば
よいことになるが、この場合は、噴射圧を得るためのポ
ンプを駆動するための駆動損失が大きくなってしまい、
かつ周囲の空気利用率が低下してエンジン出力を確保す
る上で好ましくないという問題を生じる。

【０００５】したがって、本発明の目的は、噴射圧を不
用に大きくすることなく、燃料噴射弁から噴射される噴
射燃料の分裂長さを常に最適化し得るようにした直噴式
エンジンの燃料噴射圧制御装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明にあっては次のような構成としてある。すな
わち、燃料噴射弁から所定の燃焼室壁に向けて直接燃料
噴射を行なうと共に点火プラグにより着火を行なうよう
にした直噴式エンジンにおいて、燃料噴射弁からの燃料
噴射圧を調整する噴射圧調整手段と、エンジンの運転状
態に応じて前記噴射圧調整手段を制御して、噴射燃料の
分裂長さを常に、燃料噴射弁の噴孔から前記所定の燃焼
室壁までの間の距離以下の大きさになるようにする噴射
圧制御手段と、を備えた構成としてある。上記構成を前
提とした本発明の好ましい態様は、特許請求の範囲にお
ける請求項２以下に記載の通りである。

【０００７】

【発明の効果】本発明によれば、エンジンの運転状態に
応じて噴射圧を変更して噴射燃料の分裂長さを必要かつ
十分な長さとするので、最適な燃料の成層化を得つつ、
不用に噴射圧が高くするのを防止して駆動損失の増大や
空気利用率の低下を防止することができる。

【０００８】請求項２に記載したような構成とすること
により、燃焼室の雰囲気圧の変化に対応して噴射圧を最
適設定して、請求項１で得られる効果を得ることができ
る。

【０００９】請求項３に記載したような構成とすること
により、エンジン回転数やエンジン負荷に応じた最適な
燃料噴射時期を得つつ、この燃料噴射時期の変更に起因
して生じる分裂長さの変更を補償して、請求項１での効
果を得ることができる。

【００１０】請求項４に記載したような構成とすること
により、分裂長さに影響を与える充填効率を勘案して噴
射圧を変更して、請求項１で得られる効果を得ることが
できる。この場合、請求項５に記載したような構成とす
ることにより、充填効率を、吸気温度や吸気圧という一
般的なパラメ−タを利用して知ることことができる。

【００１１】請求項６に記載したような構成とすること
により、アイドル時の噴射圧を最低噴射圧として、駆動
損失を低減する上で好ましいものとなる。この場合、請
求項７に記載したような構成とすることにより、排気温
度が低温となったときは吸気を絞ることにより排気温度
を上昇させて排気ガス浄化触媒の十分な活性化を図りつ
つ、吸気を絞ることにより分裂長さが長くなってしまう
のを噴射圧を高めることで補償することができる。

【００１２】請求項８に記載したような構成とすること
により、過給式エンジンの場合においても噴射圧を適切
なものとして、請求項１で得られる効果を得ることがで
きる。

【００１３】請求項９に記載したような構成とすること
により、燃料の微粒化が悪化して分裂長さが長くなる冷
間時には、過給を行なうことによって空気密度を高める
と共に、雰囲気温度を高めて燃料の蒸発を促進させて、
分裂長さが長くなってしまうのを防止することができ
る。そして、この場合、過給に起因して行なわれる噴射
圧を小さくする補正を禁止して、この補正によって分裂
長さが長くなりすぎてしまう事態が防止されることにな
る。

【００１４】請求項１０に記載したような構成とするこ
とにより、加速に起因する燃料増量に対して過給による
空気増量が遅れる事態つまり分裂長さが長くなってしま
う事態を、過給に応じた噴射圧の低下補正を禁止するこ
とと、さらに加速時における噴射圧増大を行なうことと
によって、確実に防止することができる。

【００１５】請求項１１に記載したような構成とするこ
とにより主燃焼室内での燃料の成層化を得つつ、主燃焼
室から漏れ出た燃料を外側燃焼室でつまり極力主燃焼室
付近で燃焼させて、成層化燃焼の利点を十分発揮させる
ことができる。

【００１６】

【実施例】以下本発明の実施例を添付した図面に基づい
て説明する。図１において、１はシリンダブロック、２
はシリンダヘッド、３はピストンである。ピストン３の
頂面には凹部１１が形成され、この凹部１１の底部から
は環状の隔壁部１２が突設されている。これにより、凹
部１１内には、隔壁部１２の内側において略半球状の主
燃焼室１３が形成され、隔壁部１２の外側には主燃焼室
１３を取囲む円環状の外側燃焼室１４が形成される。凹
部１１つまり主燃焼室１３と外側燃焼室１４とは、ピス
トン３の直径方向において、ピストン３の中心軸線に対
して若干オフセットされている。

【００１７】シリンダヘッド２には、点火プラグ（点火
ギャップ）１５および燃料噴射弁１６が取付けられてい
る。点火プラグ１５は、主燃焼室１３の略中心の上方位
置に配設されている。燃料噴射弁１６は、ピストン３の
外周縁部付近に配設され、その位置は、凹部１１のオフ
セット方向とは反対側とされている。つまり、ピストン
３の直径方向線を考えたとき、その一端側へ凹部１１が
オフセットされ、他端側へ燃料噴射弁１６が配設されて
いる。

【００１８】燃料噴射弁（の噴孔）は、主燃焼室１３の
内側面のうち、燃料噴射弁１６から遠い側の内側面１３
ａに向けて指向されている。そして、燃料噴射弁１６
（の噴孔）と上記遠い側の内側面１３ａとの間の距離
が、符号Ｌで示される。なお、ピストン頂面、隔壁部１
２には、燃料噴射弁１６からの燃料が所望位置に到達す
るように、噴射燃料との干渉を避けるための部分的な切
欠３ａあるいは１２ａが形成されている。

【００１９】図２は、図１に示すような燃焼室構造を合
計４個備えた直列４気筒エンジンＥと、その制御系を示
す。すなわち、エンジンＥは、共通の吸気通路２１から
吸気マニホルド２２を経て各気筒に吸気が分配、供給さ
れるようになっており、吸気通路２１には、クラッチ２
３を介してエンジン出力軸により機械的に駆動される過
給機２４が配設されている。

【００２０】また、吸気通路２１には、過給機２４をバ
イパスするバイパス通路２５が設けられて、このバイパ
ス通路２５には、クラッチ２３を切断して過給機２４が
停止されたときに開かれる電磁開閉弁２６が接続されて
いる。さらに、吸気通路２１には、前記バイパス通路２
５よりも上流側において、吸気を絞るための絞り弁２７
が配設され、その駆動アクチュエ−タが符号２８で示さ
れる。なお、この絞り弁は、アイドル時において、排気
温度が所定温度以下の低温になったときのみ絞り作用を
行ない、その他のときは全開状態とされる。つまり、実
施例では、スロットル弁が存在しなくて、エンジンの負
荷制御（出力制御）は、燃料噴射量を制御することによ
って行なわれる。

【００２１】図２において、燃料噴射弁１６に対する燃
料供給経路が次のように構成される。先ず、燃料タンク
３１からフィ−ドポンプ３２によって汲み上げられた燃
料（ガソリン）が、高圧燃料ポンプ３３によって高圧と
されて、燃料蓄圧管３４に供給される、この燃料蓄圧管
３４に対して、各燃料噴射弁１６が個々独立して接続さ
れている。

【００２２】上記高圧燃料ポンプ３３での余剰燃料は、
リタ−ン通路３５を介して燃料タンク３１に戻され、こ
のリタ−ン通路３５には圧力調整弁３６が接続されてい
る。つまり、高圧燃料ポンプ３３から燃料タンク３１へ
は、圧力調整弁３６の設定圧よりも高圧となった燃料が
戻されることになる。また、燃料蓄圧管３４が、リリ−
フ通路３７を介して、リタ−ン通路３５のうち圧力調整
弁３６よりも高圧燃料ポンプ３３側に対して接続されて
いる。そして、リリ−フ通路３７には、可変式とされた
電磁式の圧力調整弁３８が接続されている。この圧力調
整弁３８の開弁圧力を変更することにより、燃料蓄圧管
３４内の圧力つまり燃料噴射弁１６からの噴射圧が変更
される。

【００２３】図２中Ｕはマイクロコンピュ−タを利用し
て構成された制御ユニットである。この制御ユニットＵ
は、前記各構成要素２３、２６、２８、３８を制御す
る。この制御のために、制御ユニットＵには、各センサ
あるいはスイッチＳ１〜Ｓ９からの信号が入力される。
センサＳ１は、燃料蓄圧管３４内の圧力つまり噴射圧を
検出するものである。センサＳ２はエンジン回転数を検
出するものである。センサＳ３は、エンジン負荷例えば
アクセル開度やこれに応じた燃料噴射量を検出するもの
である。センサＳ４は吸気圧を検出するものである。セ
ンサＳ５は吸気温度を検出するものである。センサＳ６
は加速を検出するもので、車体に作用する前後加速度あ
るいはアクセル開度の変化率を検出（演算）するものと
して構成できる。センサＳ７は排気温度を検出するもの
である。センサＳ８はエンジンＥの冷却水温を検出する
ものである。スイッチＳ９はアクセルペダルが踏込み操
作されていないときにＯＮとなるアイドルスイッチであ
る。

【００２４】制御ユニットＵは、後述する噴射圧を制御
する他、次のような制御をも行なう。先ず、クラッチ２
３を制御して過給を行なうか否かの制御を行なうが、ク
ラッチ２３が接続されて過給機２４が作動されるのは、
次のいずれか１つの条件が満足されたときとされる。す
なわち、エンジン負荷が所定負荷以上の高負荷時である
とき、加速が検出されたとき、あるいはエンジンＥの冷
却水温が所定温度以下の冷間時のとき、のいずれかの条
件が満足されたときに過給が行なわれる。なお、クラッ
チ２３を切断して過給機２４が停止されたときは電磁弁
２６が開かれ、過給機２４が作動しているときは電磁弁
２６は閉じられる（電磁弁２６を利用して過給圧のリリ
−フを行なう場合は、所定過給圧以上のときに電磁弁２
６を開くようにしてもよい）次に、アイドル時であるこ
とを前提として、排気温度が所定温度以下の低温のと
き、例えば排気ガス浄化触媒が十分に活性化しない２０
０度Ｃ以下のときに、絞り弁２７を閉弁方向へ所定分作
動させて、吸気を絞る。

【００２５】次に、燃料噴射弁１６からの噴射圧の制御
の点について説明する。先ず、噴射圧の制御は、燃料噴
射弁１６からの噴射燃料（噴霧）の分裂長さが、図１に
示す距離Ｌ以下となるように制御される。そして、この
分裂長さを距離Ｌ以下とするには、噴射圧を十分高めれ
ば満足されるが（噴射圧が大きいほど分裂長さが短くな
る）、不必要に分裂長さを短くすることは、高圧燃料ポ
ンプ３３を駆動する駆動損失が大きくなり、かつ主燃焼
室１３へ燃料が到達する前に燃料の分裂が始まって好ま
しくないため、エンジンの種々の運転状態に応じて、分
裂長さが必要かつ十分となるように噴射圧が制御され
る。

【００２６】分裂長さは実験結果により次式（1)で表す
ことができる。ただし、Ｌｂ＝分裂長さ、Ｄ＝噴孔径、
Ｖ＝噴射初速度、Ｐａ＝雰囲気圧、ρａ＝空気密度、ρ
ｅ＝燃料密度、ａ＝係数、ｂ＝係数（０．１〜０．１
５）、ｃ＝係数（０．５）である。

【００２７】

【数１】

【００２８】噴射初速度であるＶを２乗した値は、噴射
圧と雰囲気圧との差圧△Ｐに比例するので、上記（1)式
より、次の関係式（2)が導かれる。ただし、ρｄ＝雰囲
気密度、α＝係数（３±０．５）である。

【００２９】

【数２】

【００３０】以上の説明から明らかなように、同じ長さ
の分裂長さを得るのであれば、雰囲気圧が小さくなるほ
噴射圧を大きくする必要がある。また、噴射圧設定に際
しては、次の事項が考慮される。第１に、エンジン回転
数Ｎが大きいほど燃料噴射開始時期の要求が進角（早
く）されることになるが、この進角により雰囲気圧が小
さくなるため、大きい噴射圧を必要とすることになる。
第２に、エンジン負荷Ｑが大きいほど、燃料噴射開始時
期の要求が進角されるため、この進角により噴射圧を大
きくする必要がある。ただし、噴射圧を大きくする度合
は、同じ進角量であればエンジン回転数に基づく噴射圧
を高める度合よりも小さいものとされる。第３に、雰囲
気圧が充填効率によっても変化するため、充填効率を考
慮する必要がある。

【００３１】以上のことを総合勘案して、実施例では、
噴射圧ＰＦを、次式（3)によって演算するようにしてあ
る。ただし、Ｐ０＝最低噴射圧、マップ値はエンジン回
転数Ｎとエンジン負荷Ｑとをパラメ−タとして設定され
た記憶値であり、充填効率補正値は次式（4)で示され
る。

【００３２】 ＰＦ＝Ｐ０×マップ値×充填効率補正値 ・・・・（3)

【００３３】

【数３】

【００３４】ただし、（4)式において、Ａ＝係数、Ｐｉ
＝吸気圧、Ｔａ＝吸気温度、α＝係数（３±０．５）、
κ＝比熱比（１．３９）である。

【００３５】前述した（3)、（4)式に基づいて演算され
た噴射圧となるように、圧力センサＳ１の出力を見つつ
圧力調整弁３８がフィ−ドバック制御される。ただし、
アイドル時、エンジン冷却水温が所定温度以下の冷間
時、および加速時には、前記（3)、（4)式に基づくこと
なく、次のような特別の噴射圧に設定される。

【００３６】先ず、アイドル時には、噴射圧ＰＦが、基
本的に最低噴射圧Ｐ０に設定される。ただし、排気温度
が排気ガス浄化触媒の活性温度よりも低温のときは、絞
り弁２７を作動させて所定分吸気を絞ることにより、排
気温度を所定の下限値（例えば２００度Ｃ）よりも低下
しないようにする。この絞り弁２７が作動されたとき、
空気密度が低下するので、（3)、（4)式における充填効
率補正値による補正を合せて行なって噴射圧を最低噴射
圧Ｐ０よりも大きくするのが好ましく、この場合、充填
効率補正値を得るためのの（4)式における係数Ａを、ア
イドル時専用の係数Ｂに変更して、係数Ａで得られる噴
射圧よりも所定分大きな噴射圧が得られるようにするこ
ともできる。

【００３７】次に、冷間時には、温度が低いために燃料
の微粒化が悪くなり、分裂長さが長くなってしまう。こ
のため、過給を行なって、空気密度および吸気温を高
め、さらに燃料噴射時期を早めて蒸発時間を長くとるこ
とによって、分裂長さが長くなってしまうのを防止す
る。ただし、（3)、（4)式における充填効率補正値によ
る補正をそのまま行なってしまうと、過給に起因して吸
気圧が大きくなるため噴射圧が小さいものとなってしま
うため、吸気圧による補正（過給補正）が禁止される。
この吸気圧による補正の禁止は、（3)、（4)式に示す充
填効率補正値による補正そのものを禁止することにより
行なうこともできるが（充填効率補正値を「１」に固定
設定することと同じ）、充填効率補正値を得るパラメ−
タとしての吸気圧の大きさとして、センサＳ４で検出さ
れる吸気圧を用いる代りに冷間時用のある一定値を用い
るようにしてもよい。

【００３８】さらに、加速時には、燃料増量が行なわれ
ると共に過給が行なわれるが、過給による空気量の増大
が燃料増大に対して遅れるため、雰囲気圧が低下して分
裂長さが長くなってしまうことになる。このため、加速
時には、（3)、（4)式に示す充填効率補正値に基づく補
正を禁止して、代りに次式（5)で示すように、加速補正
値（１＋β×Ｇ）が用いられる。つまり、 ＰＦ＝Ｐ０×マップ値×（１＋β×Ｇ） ・・・（5) として設定される。なお、βは係数、Ｇは加速度（例え
ばアクセル開度変化率）である。

【００３９】前述した制御内容を、図３のフロ−チャ−
トに示してあるが、この図３において、Ｒ（ステップ−
以下同じ）２が（3)、（4)式におけるマップ値を決定す
る処理であり、Ｒ１１が（3)式における充填効率補正値
を決定する処理である。また、Ｒ４がアイドル用として
最低噴射圧Ｐ０に設定する処理であり、排気温度が低い
ときの処理がＲ６である。さらに、冷間時用の噴射圧設
定がＲ１０であり、加速用の噴射圧設定がＲ８である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された燃焼室構造の一例を示す側
面断面図。

【図２】図１に示す燃焼室構造を有するエンジンに対す
る全体制御系統図。

【図３】本発明における制御内容を示すフロ−チャ−
ト。

【符号の説明】

１：シリンダブロック ２：シリンダヘッド ３：ピストン １１：凹部 １２：隔壁部 １３：主燃焼室 １４：外側燃焼室 １５：点火プラグ １６：燃料噴射弁 ３３：高圧燃料ポンプ ３４：燃料蓄圧管 ３７：リリ−フ通路 ３８：圧力調整弁 Ｕ：制御ユニット Ｓ１：圧力センサ Ｓ２：エンジン回転数センサ Ｓ３：エンジン負荷センサ Ｓ４：吸気圧センサ Ｓ５：吸気温度センサ Ｓ６：加速センサ Ｓ７：排気温度センサ Ｓ８：水温センサ Ｓ９：アイドルスイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 41/04 ３４５ Ｃ 8011−3Ｇ 41/08 ３６０ 8011−3Ｇ 41/32 Ａ 8011−3Ｇ 45/00 ３０１ Ｅ Ｆ０２Ｍ 37/00 Ｑ Ｃ 61/14 ３１０ Ａ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料噴射弁から所定の燃焼室壁に向けて直
   接燃料噴射を行なうと共に点火プラグにより着火を行な
   うようにした直噴式エンジンにおいて、 燃料噴射弁からの燃料噴射圧を調整する噴射圧調整手段
   と、 エンジンの運転状態に応じて前記噴射圧調整手段を制御
   して、噴射燃料の分裂長さを常に、燃料噴射弁の噴孔か
   ら前記所定の燃焼室壁までの間の距離以下の大きさにな
   るようにする噴射圧制御手段と、を備えていることを特
   徴とする直噴式エンジンの燃料噴射圧制御装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 燃焼室内の雰囲気圧が低いほど噴射圧が高くされるも
   の。
3. 【請求項３】請求項１において、 エンジン回転数またはエンジン負荷の少なくとも一方の
   増大に伴って燃料噴射開始時期が進角されるように設定
   され、 前記進角が大きくなるにつれて噴射圧が大きくされるも
   の。
4. 【請求項４】請求項１において、 噴射圧が、燃焼室への充填効率に応じて変更されるも
   の。
5. 【請求項５】請求項４において、 充填効率を示すパラメ−タとして、吸気温度または吸気
   圧の少なくとも一方が用いられるもの。
6. 【請求項６】請求項１において、 アイドル時には、噴射圧が最低噴射圧に設定されるも
   の。
7. 【請求項７】請求項６において、 アイドル時に、排気温度が低温となったとき吸気を絞る
   絞り手段を備え、 前記絞り手段が作動されたとき、噴射圧が前記最低噴射
   圧よりも大きくされるもの。
8. 【請求項８】請求項１において、 吸気の過給を行なう過給機を備え、 過給圧が大きいときは小さいときに比して噴射圧を小さ
   くする基本補正手段を備えているもの。
9. 【請求項９】請求項８において、 エンジンの冷間時には、前記過給機を作動させて過給を
   行なうと共に、前記基本補正手段による補正が禁止され
   るもの。
10. 【請求項１０】請求項８において、 加速時には、前記過給機を作動させて過給を行なうと共
    に、前記基本補正手段による補正を禁止し、しかも加速
    が大きいほど噴射圧を大きくする加速補正が行なわれる
    もの。
11. 【請求項１１】請求項１ないし請求項１０のいずれか１
    項において、 ピストン頂面に凹部が形成されると共に該凹部の底壁よ
    り隔壁部が突設されて、該隔壁部の内側が主燃焼室とさ
    れると共に該隔壁部の外側が該主燃焼室を取囲む環状の
    外側燃焼室とされ、 燃料噴射弁からの噴射燃料が、前記主燃焼室の内側面に
    向けて指向されているもの。