JPH0979079A

JPH0979079A - 筒内噴射型火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JPH0979079A
Application number: JP7233092A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ichimoto; 和宏一本; Hiromitsu Ando; 弘光安東
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1995-09-11
Filing date: 1995-09-11
Publication date: 1997-03-25
Anticipated expiration: 2015-09-11
Also published as: JP3269350B2

Abstract

(57)【要約】【課題】有害排出ガス成分の増加を抑えながら、後期
噴射を行える負荷領域を極力広くした筒内噴射型火花点
火式内燃機関を提供する。【解決手段】燃料噴射制御マップにおいて、燃料噴射
弁４からの燃料噴霧８１がピストン７のキャビティ８内
に収まる第１上限負荷以下の第１負荷領域と、スモーク
発生限界となる第２上限負荷以下の第２負荷領域を求
め、両者が重なる部分を後期噴射リーン域として設定す
る。すなわち、第１上限負荷ラインＬ1と第２上限負荷
ラインＬ2との交点におけるエンジン回転速度Ｎexを境
に、それ以下の回転域ではキャビティ８内の空燃比がオ
ーバリッチとならない第２限界負荷領域で後期噴射を行
い、それ以上の回転域では燃料噴射弁４からの燃料噴霧
８１がピストン７のキャビティ８内に収まる第１限界負
荷領域で後期噴射を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車等に搭載さ
れる筒内噴射型火花点火式内燃機関に係り、詳しくは前
期噴射モードと後期噴射モードとを運転状態に応じて適
切に設定する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車等に搭載される燃料噴射火
花点火式内燃機関では、有害排出ガス成分の低減や燃費
の向上等を図るため、旧来の吸気管噴射型に代えて燃焼
室に直接燃料を噴射する筒内噴射型のもの（以下、筒内
噴射ガソリンエンジン）が種々提案されている。

【０００３】筒内噴射ガソリンエンジンでは、例えば、
燃料噴射弁からピストン頂部に設けたキャビティ内に燃
料を噴射することで、点火時点において点火プラグの周
囲に理論空燃比に近い空燃比の混合気を生成させてい
る。これにより、全体に希薄な空燃比でも着火が可能と
なり、ＣＯやＨＣの排出量が減少すると共に、アイドル
運転時や低負荷走行時の燃費を大幅に向上させることが
できる。また、燃料噴射量を増減させる際にも吸気管に
よる移送遅れがないため、加減速レスポンスも非常によ
くなる。ところが、キャビティ内に燃料を噴射する方法
では、要求燃料噴射量が増大する高負荷運転時に点火プ
ラグの近傍の空燃比がオーバリッチとなり失火が生じる
ため、安定した運転領域が狭いという問題がある。これ
は、燃料噴射弁の単位時間あたりの噴射量や噴射方向を
可変にすることが難しいために、点火プラグ近傍の空燃
比をエンジンの全作動領域に亘って最適値に保つことが
できないこと等に起因する。

【０００４】このような問題を解決するため、特開平５
−７９３７０号公報や特開平７−１０２９７６号公報等
では、負荷に応じて圧縮行程噴射モード（後期噴射モー
ド）と吸気行程噴射モード（前期噴射モード）とを切り
換えると共に、燃焼室の形状や燃料噴射弁の噴射方向等
をこれに合わせて設計したものが提案されている。これ
らのエンジンでは、低負荷運転時には、圧縮行程中にキ
ャビティ（深皿部や凹状溝）内に燃料を噴射し、点火プ
ラグの周囲やキャビティ内に理論空燃比に近い空燃比
（空気と燃料との重量比）の混合気を形成させる。これ
により、全体として希薄な空燃比でも着火が可能とな
り、ＣＯやＨＣの排出量が減少すると共に、アイドル運
転時や低負荷走行時における燃費が大幅に向上する。ま
た、高負荷走行時には、吸気行程中にキャビティ外に燃
料を噴射し、燃焼室内に均一な空燃比の混合気を形成さ
せる。これにより、吸気管噴射型のものと同様に、多量
の燃料を燃焼させることが可能となり、加速時や高速走
行時に要求される出力が確保される。尚、筒内噴射ガソ
リンエンジンでは、燃圧と要求燃料噴射量とから燃料噴
射弁の開弁時間が設定された後、吸気行程や圧縮行程中
に燃料の噴射が終了するように噴射終了時期が決定さ
れ、噴射開始時期は噴射終了時期と開弁時間とから決定
される。更に、後期噴射モードでは、不完全燃焼を避け
るべく、点火時点ではキャビティ内の燃料が気化してい
る必要があり、噴射終了時期と噴射開始時期とは燃料の
気化に要する時間も考慮して決定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、筒内噴射ガ
ソリンエンジンでは、燃費を考慮した場合、できるだけ
広い運転域（負荷およびエンジン回転速度）で希薄空燃
比を実現できる後期噴射モードで燃料噴射を行うことが
望ましい。ところが、後期噴射モードを適用する負荷域
を広げ過ぎた場合、排ガス性能が大幅に悪化するという
問題があった。例えば、負荷（すなわち、目標平均有効
圧Ｐe）が増加すると、これに伴って要求燃料噴射量も
増大し、後期噴射モードのままではキャビティ内に比較
的多量の燃料が噴射されることになる。その結果、キャ
ビティ内の空燃比がオーバリッチとなり、失火が生じて
排気ガスと共に大量の未燃燃料が排出されたり、不完全
燃焼が起こってスモーク（カーボンスートを主成分とす
る黒煙）が排出される。そのため、後期噴射モードは、
スモーク発生限界となる負荷レベルを求め、少なくとも
それ以下の負荷領域に設定せざるを得ない。

【０００６】一方、負荷のみによって後期噴射モードを
設定した場合、エンジン回転速度が所定値以上に上昇す
ると、ＨＣの排出量が急増する。その理由は、エンジン
回転速度が上昇した場合、ピストンスピードはこれに比
例して上昇するが、燃料噴射弁からの単位時間あたりの
燃料噴射量や燃料の気化速度が一定であることによる。
例えば、燃圧と要求燃料噴射量とから決定された噴射開
始時期に基づき燃料噴射が開始されると、図８に示した
ように、低回転域で燃料噴射弁４からの燃料噴霧８１
（図中、ＬIは燃料噴射弁４の噴射軸線）がピストン７
（二点鎖線で示す）のキャビティ８内に収まる場合であ
っても、ピストンスピードが高くなる高回転域では同一
の燃料噴射量を確保するべく噴射開始時期（クランク
角）が早まるために、噴射開始時点ではピストン７（実
線で示す）の位置が未だ低く、キャビティ８外に燃料噴
霧８１が噴射されてしまう。そして、キャビティ８外に
噴射された燃料噴霧８１は、その一部が未燃燃料（すな
わち、ＨＣ）となり、排気ガスと共に排出される。この
傾向は、エンジン回転速度が上昇するにつれて顕著とな
り、最高回転付近では多量のＨＣが排出されることにな
る。したがって、後期噴射モードを高回転域側に広げる
には、燃料噴射弁の開弁時間を短くする、すなわち、要
求燃料噴射量の基となる負荷を小さくする必要がある。

【０００７】このように、筒内噴射ガソリンエンジンで
は、後期噴射モードの設定において負荷とエンジン回転
速度とがトレードオフの関係にあり、比較的高回転域ま
で後期噴射を行うには限界負荷を小さくし、逆に比較的
高負荷域まで後期噴射を行うには限界エンジン回転速度
を低くしなければならなかった。そのため、後期噴射モ
ードは、実際の運転状態に合わせ、比較的低負荷・低回
転域に設定せざるを得ず、燃費の向上を図る上で妥協を
強いられていた。

【０００８】本発明は上記状況に鑑みなされたもので、
有害排出ガス成分の増加を抑えながら、後期噴射を行え
る負荷領域を極力広くした筒内噴射型火花点火式内燃機
関を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の請求項
１では、ピストンが圧縮行程後期にあるときにその噴射
軸線が当該ピストンの頂面に形成されたキャビティ内に
向くように配設された燃料噴射弁と、ピストンが点火位
置にあるときに前記キャビティにより形成された混合気
流が到達する部位に配設された点火プラグとをシリンダ
ヘッドに有し、主として吸気行程で燃料噴射が行われる
前期噴射モードと、主として圧縮行程で燃料噴射が行わ
れる後期噴射モードとに基づき、燃焼室内に燃料が直接
噴射される筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前
記後期噴射モードは、前記燃料噴射弁から噴射される燃
料の実質的に全量が前記キャビティ内に収まる第１上限
負荷レベル以下の第１負荷領域に設定されたものを提案
する。

【００１０】また、請求項２では、請求項１の筒内噴射
型火花点火式内燃機関において、前記後期噴射モードで
は、燃料噴射時における前記燃料噴射弁の噴射軸線が前
記キャビティの内壁面から逸脱しないものを提案する。
また、請求項３では、ピストンが圧縮行程後期にあると
きにその噴射軸線が当該ピストンの頂面に形成されたキ
ャビティ内に向くように配設された燃料噴射弁と、ピス
トンが点火位置にあるときに前記キャビティにより形成
された混合気流が到達する部位に配設された点火プラグ
とをシリンダヘッドに有し、主として吸気行程で燃料噴
射が行われる前期噴射モードと、主として圧縮行程で燃
料噴射が行われる後期噴射モードとに基づき、燃焼室内
に燃料が直接噴射される筒内噴射型火花点火式内燃機関
において、前記後期噴射モードは、スモーク発生限界に
対応する第２上限負荷レベル以下の第２負荷領域に設定
されたものを提案する。

【００１１】また、請求項４では、ピストンが圧縮行程
後期にあるときにその噴射軸線が当該ピストンの頂面に
形成されたキャビティ内に向くように配設された燃料噴
射弁と、ピストンが点火位置にあるときに前記キャビテ
ィにより形成された混合気流が到達する部位に配設され
た点火プラグとをシリンダヘッドに有し、主として吸気
行程で燃料噴射が行われる前期噴射モードと、主として
圧縮行程で燃料噴射が行われる後期噴射モードとに基づ
き、燃焼室内に燃料が直接噴射される筒内噴射型火花点
火式内燃機関において、前記後期噴射モードは、エンジ
ン回転速度が所定値以下である場合には、スモーク発生
限界に対応する第２上限負荷レベル以下の第２負荷領域
に設定され、エンジン回転速度が前記所定値を超える場
合には、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の実質的に
全量が前記キャビティ内に収まる第１上限負荷レベル以
下の第１負荷領域に設定されたものを提案する。

【００１２】また、請求項５では、請求項４の筒内噴射
型火花点火式内燃機関において、前記前期噴射モード
は、エンジン回転速度が前記所定値以下である場合には
前記第２上限負荷レベルを超えた負荷領域に設定され、
エンジン回転速度が前記所定値を超えた場合には前記第
１上限負荷レベルを超えた負荷領域に設定されたものを
提案する。

【００１３】また、請求項６では、請求項１，２，４，
５の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記後期
噴射モードにおける圧縮行程時の前記ピストンの上昇時
に、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の実質的に全量
が前記キャビティ内に収まるように前記燃料噴射弁の噴
射時期の設定を行う噴射時期設定手段を備えたものを提
案する。

【００１４】また、請求項７では、請求項６記載の筒内
噴射型火花点火式内燃機関において、前記噴射時期設定
手段は、少なくとも前記第１上限負荷レベル近傍では、
エンジン回転速度が高くなるにしたがって、燃料噴射開
始時期を早めるものを提案する。また、請求項８では、
請求項６記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関におい
て、前記噴射時期設定手段は、燃料噴射の終了から点火
時期または圧縮上死点到達までの遅延時間を確保するべ
く、特に前記第１上限負荷レベル近傍では、エンジン回
転速度が高くなるにしたがって、燃料噴射終了時期を早
めるものを提案する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
一実施形態を詳細に説明する。図１は本発明を適用した
エンジン制御システムの一実施形態を示す概略構成図で
あり、図２は実施形態に係る筒内噴射ガソリンエンジン
の縦断面図である。これらの図において、１は自動車用
の筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（以下、単に
エンジンと記す）であり、燃焼室を始め吸気装置やＥＧ
Ｒ装置等が筒内噴射専用に設計されている。

【００１６】本実施形態の場合、エンジン１のシリンダ
ヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ３と共に電磁式の
燃料噴射弁４も取り付けられており、燃焼室５内に直接
燃料が噴射されるようになっている。また、シリンダ６
に上下摺動自在に保持されたピストン７の頂面には、圧
縮行程後期に燃料噴射弁４からの燃料噴霧が到達する位
置に、半球状のキャビティ８が形成されている。また、
このエンジン１の理論圧縮比は、吸気管噴射型のものに
比べ、高く（本実施形態では、１２程度）設定されてい
る。動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されてお
り、シリンダヘッド２の上部には、吸排気弁９，１０を
それぞれ駆動するべく、吸気側カムシャフト１１と排気
側カムシャフト１２とが回転自在に保持されている。

【００１７】シリンダヘッド２には、両カムシャフト１
１，１２の間を抜けるようにして、略直立方向に吸気ポ
ート１３が形成されており、この吸気ポート１３を通過
した吸気流が燃焼室５内で後述する逆タンブル流を発生
させるようになっている。一方、排気ポート１４につい
ては、通常のエンジンと同様に略水平方向に形成されて
いるが、斜め下方に大径のＥＧＲポート１５（図２には
図示せず）が分岐している。図中、１６は冷却水温Ｔw
を検出する水温センサであり、１７は各気筒の所定のク
ランク位置（本実施形態では、５°BTDCおよび75°BTD
C）でクランク角信号ＳＧＴを出力するベーン型のクラ
ンク角センサであり、１９は点火プラグ３に高電圧を出
力する点火コイルである。尚、クランクシャフトの半分
の回転数で回転するカムシャフトには、気筒判別信号Ｓ
ＧＣを出力する気筒判別センサ（図示せず）が取り付け
られ、クランク角信号ＳＧＴがどの気筒のものか判別さ
れる。

【００１８】図２に示したように、吸気ポート１３に
は、サージタンク２０を有する吸気マニホールド２１を
介して、エアクリーナ２２，スロットルボディ２３，ス
テッパモータ式のＩＳＣＶ（アイドルスピードコントロ
ールバルブ）２４を具えた吸気管２５が接続している。
更に、吸気管２５には、スロットルボディ２３を迂回し
て吸気マニホールド２１に吸入気を導入する、大径のエ
アバイパスパイプ２６が併設されており、その管路には
リニアソレノイド式で大型のＡＢＶ（エアバイパスバル
ブ）２７が設けられている。尚、エアバイパスパイプ２
６は、吸気管２５に準ずる流路面積を有しており、ＡＢ
Ｖ２７の全開時にはエンジン１の低中速域で要求される
量の吸入気が流通可能となっている。尚、スロットルボ
ディ２３には、流路を開閉するバタフライ式のスロット
ルバルブ２８と共に、スロットルバルブ２８の開度θTH
を検出するスロットルセンサ２９と、全閉状態を検出す
るアイドルスイッチ３０とが備えられている。図中、３
１は吸気管圧力Ｐbを検出するブースト圧（ＭＡＰ：Man
ifold Absolute Pressure）センサであり、サージタン
ク２０に接続している。

【００１９】一方、排気ポート１４には、Ｏ₂センサ４
０が取付けられた排気マニホールド４１を介して、三元
触媒４２や図示しないマフラー等を具えた排気管４３が
接続している。また、ＥＧＲポート１５は、大径のＥＧ
Ｒパイプ４４を介して、吸気マニホールド２１の上流に
接続されており、その管路にはステッパモータ式のＥＧ
Ｒバルブ４５が設けられている。

【００２０】燃料タンク５０は、図示しない車体後部に
設置されている。そして、燃料タンク５０に貯留された
燃料は、電動式の低圧燃料ポンプ５１に吸い上げられ、
低圧フィードパイプ５２を介して、エンジン１側に送給
される。低圧フィードパイプ５２内の燃圧は、リターン
パイプ５３の管路に介装された第１燃圧レギュレータ５
４により、比較的低圧（以下、低燃圧と記す）に調圧さ
れる。エンジン１側に送給された燃料は、シリンダヘッ
ド２に取り付けられた高圧燃料ポンプ５５により、高圧
フィードパイプ５６とデリバリパイプ５７とを介して、
各燃料噴射弁４に送給される。本実施形態の場合、高圧
燃料ポンプ５５は斜板アキシャルピストン式であり、排
気側カムシャフト１２により駆動され、エンジン１のア
イドル運転時にも50〜60kg/mm²以上の吐出圧を発生す
る。デリバリパイプ５７内の燃圧は、リターンパイプ５
８の管路に介装された第２燃圧レギュレータ５９によ
り、比較的高圧（以下、高燃圧と記す）に調圧される。
図中、６０は第２燃圧レギュレータ５９に取付けられた
電磁式の燃圧切換弁であり、オン状態で燃料をリリーフ
して、デリバリパイプ５７内の燃圧を低燃圧に低下させ
る。また、６１は高圧燃料ポンプ５５の潤滑や冷却等を
行った燃料を燃料タンク５０に還流させるリターンパイ
プである。

【００２１】車室内には、図示しない入出力装置，制御
プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置
（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等），中央処理装置（Ｃ
ＰＵ），タイマカウンタ等を具えた、ＥＣＵ（エンジン
制御ユニット）７０が設置されており、エンジン１の総
合的な制御を行う。ＥＣＵ７０の入力側には、上述した
各種のセンサ類等からの検出情報が入力する。ＥＣＵ７
０は、これらの検出情報に基づき、燃料噴射モードや燃
料噴射量を始めとして、点火時期やＥＧＲガスの導入量
等を決定し、燃料噴射弁４や点火コイル１９，ＥＧＲバ
ルブ４５等を駆動制御する。尚、ＥＣＵ７０には、その
入力側に図示しない多数のスイッチやセンサ類が接続す
る一方で、出力側にも各種警告灯や機器類等が接続して
いる。

【００２２】次に、エンジン制御の基本的な流れを説明
する。冷機時において、運転者がイグニッションキーを
オン操作すると、ＥＣＵ７０は、低圧燃料ポンプ５１と
燃圧切換弁６０をオンにして、燃料噴射弁４に低燃圧の
燃料を供給する。これは、エンジン１の停止時やクラン
キング時には、高圧燃料ポンプ５５が全くあるいは不完
全にしか作動しないため、要求燃料噴射量を低圧燃料ポ
ンプ５１の吐出圧と燃料噴射弁４の開弁時間とから得る
しかないためである。次に、運転者がイグニッションキ
ーをスタート操作すると、図示しないセルモータにより
エンジン１がクランキングされ、同時にＥＣＵ７０によ
る燃料噴射制御が開始される。この時点では、ＥＣＵ７
０は、前期噴射モードを選択し、比較的リッチな空燃比
となるように燃料を噴射する。これは、冷機時には燃料
の気化率が低いため、後期噴射モード（すなわち、圧縮
行程）で噴射を行った場合、失火や未燃燃料（ＨＣ）の
排出が避けられないからである。また、ＥＣＵ７０は、
始動時にはＡＢＶ２７を閉鎖するため、燃焼室５への吸
入気はスロットルバルブ２８の隙間やＩＳＣＶ２４から
供給される。尚、ＩＳＣＶ２４とＡＢＶ２７とは、ＥＣ
Ｕ７０により一元管理されており、スロットルバルブ２
８を迂回する吸入気（バイパスエア）の必要導入量に応
じてそれぞれの開弁量が決定される。

【００２３】始動が完了してエンジン１がアイドル運転
を開始すると、高圧燃料ポンプ５５が定格の吐出作動を
始めるため、ＥＣＵ７０は、燃圧切換弁６０をオフにし
て燃料噴射弁４に高圧の燃料を供給する。この際には、
当然のことながら、要求燃料噴射量は高圧燃料ポンプ５
５の吐出圧と燃料噴射弁４の開弁時間とから得ることが
できる。そして、冷却水温Ｔwが所定値に上昇するまで
は、ＥＣＵ７０は、始動時と同様に前期噴射モードを選
択して燃料を噴射すると共に、ＡＢＶ２７も継続して閉
鎖する。また、エアコン等の補機類の負荷の増減に応じ
たアイドル回転数の制御は、吸気管噴射型と同様にＩＳ
ＣＶ２４によって行われる。更に、所定サイクルが経過
してＯ₂センサ４０が活性化されると、ＥＣＵ７０は、
Ｏ₂センサ４０の出力電圧に応じて空燃比フィードバッ
ク制御を開始し、有害排出ガス成分を三元触媒４２によ
り浄化させる。このように、冷機時においては、吸気管
噴射型と略同様の燃料噴射制御が行われるが、吸気管１
３の壁面への燃料滴の付着等がないため、制御の応答性
や精度は高くなる。

【００２４】エンジン１の暖機が終了すると、ＥＣＵ７
０は、吸気管圧力Ｐbやスロットル開度θTH等から得た
目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとに基づき、
図３の燃料噴射制御マップから現在の燃料噴射制御領域
を検索し、燃料噴射モードと燃料噴射量と燃料噴射時期
とを決定して燃料噴射弁４を駆動する他、ＡＢＶ２７や
ＥＧＲバルブ４５の開閉制御等も行う。尚、当然のこと
であるが、燃料噴射量は燃料噴射弁４の開弁時間幅と比
例関係にある。

【００２５】例えば、アイドル運転時や低速走行時等の
低負荷域は図３中の後期噴射リーン域となるため、ＥＣ
Ｕ７０は、後期噴射モードを選択すると共にＡＢＶ２７
を開放し、リーンな平均空燃比（本実施形態では、30〜
40程度）となるように燃料を噴射する。この時点では燃
料の気化率が上昇すると共に、図４に示したように吸気
ポート１３から流入した吸気流が矢印で示す逆タンブル
流８０を形成するため、燃料噴霧８１がピストン７のキ
ャビティ８内に保存される。その結果、点火時点におい
て点火プラグ３の周囲には理論空燃比近傍の混合気が層
状に形成されることになり、全体としてリーンな空燃比
でも着火が可能となる。これにより、ＣＯやＨＣの排出
が極く少量に抑えられると共に、ポンピングロスの低減
も相俟って燃費が大幅に向上する。そして、補機負荷等
の増減に応じたアイドル回転数の制御は、燃料噴射量を
増減させることにより行うため、制御応答性も非常に高
くなる。また、ＥＣＵ７０は、この制御領域ではＥＧＲ
バルブ４５を開放し、燃焼室５内に大量（本実施形態で
は、30％以上）のＥＧＲガスを導入することにより、Ｎ
Ｏ_Xも大幅に低減させる。

【００２６】また、定速走行時等の中負荷域は、その負
荷状態やエンジン回転速度Ｎeに応じて、図３中の前期
噴射リーン域あるいはストイキオフィードバック域とな
るため、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択すると共
に、所定の空燃比となるように燃料を噴射する。すなわ
ち、前期噴射リーン域では、比較的リーンな空燃比（本
実施形態では、20〜23程度）となるようにＡＢＶ２７の
開弁量と燃料噴射量とを制御し、ストイキオフィードバ
ック域では、ＡＢＶ２７とＥＧＲバルブ４５とを開閉制
御すると共に、Ｏ₂センサ４０の出力電圧に応じて空燃
比フィードバック制御を行う。この場合、図５に示した
ように吸気ポート１３から流入した吸気流が逆タンブル
流８０を形成するため、逆タンブル流８０による乱れの
効果により、リーンな空燃比でも着火が可能となる。
尚、ＥＣＵ７０は、この制御領域でもＥＧＲバルブ４５
を開放し、燃焼室５内に適量のＥＧＲガスを導入するこ
とにより、リーンな空燃比において発生するＮＯ_Xが大
幅に低減する。また、ストイキオフィードバック域で
は、比較的高い圧縮比により大きな出力が得られると共
に、有害排出ガス成分が三元触媒４２により浄化され
る。

【００２７】そして、急加速時や高速走行時等の高負荷
域は図３中のオープンループ制御域となるため、ＥＣＵ
７０は、前期噴射モードを選択すると共にＡＢＶ２７を
閉鎖し、スロットル開度θTHやエンジン回転速度Ｎe 等
に応じて、比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴
射する。この際には、圧縮比が高いことや吸気流が逆タ
ンブル流８０を形成することの他、吸気ポート１３が燃
焼室５に対して略直立しているため、慣性効果によって
も高い出力が得られる。

【００２８】更に、中高速走行中の惰行運転時は図３中
の燃料カット域となるため、ＥＣＵ７０は、燃料噴射を
停止する。これにより、燃費が向上すると同時に、有害
排出ガス成分も全く排出されなくなる。尚、燃料カット
は、エンジン回転速度Ｎeが復帰回転速度より低下した
場合や、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ場合には
即座に中止される。

【００２９】次に、図６を参照して、燃料噴射制御マッ
プにおける後期噴射リーン域の設定手順を説明する。本
実施形態では、後期噴射リーン域の設定にあたって、先
ず、燃料噴射弁４からの燃料噴霧８１がピストン７のキ
ャビティ８内に収まる第１上限負荷以下の第１負荷領域
を求める。例えば、要求燃料噴射量（すなわち、燃料噴
射弁４の開弁時間）が目標平均有効圧Ｐeから決定され
ると、噴射された燃料の気化に要する時間も実験等によ
り求められるため、燃料の噴射開始時期は点火時期に応
じて一義的に定まる。したがって、各目標平均有効圧
（Ｐe1，Ｐe2，Ｐe3…）に対して、噴射開始時期にピス
トン７のキャビティ８内に燃料噴霧８１（燃料噴射弁７
の噴射軸線ＬI）が収まるエンジン回転速度の上限（Ｎe
1，Ｎe2，Ｎe3…）をシュミレーション等により求め、
これを繋ぐことにより、図６に示す第１上限負荷ライン
Ｌ1が得られる。第１負荷領域はこの第１上限負荷ライ
ンＬ1を超えない領域となり、図７に示すように、この
領域内では燃料噴霧８１がキャビティ８の内壁面８ａか
ら逸脱しない。尚、燃料噴霧８１は、燃料噴射弁７の噴
射軸線ＬIに沿ったものが最も速度が早く、周囲のもの
はこれより若干遅れるため、噴射軸線ＬIがキャビティ
８の内壁面８ａから逸脱しなければ、その間のピストン
７の上昇により、燃料噴霧８１がキャビティ８の内壁面
８ａから逸脱することはない。

【００３０】本実施形態では、次に、スモーク発生限界
となる第２上限負荷以下の第２負荷領域を求める。スモ
ークはキャビティ８内の空燃比がオーバリッチとなるこ
とにより発生し、キャビティ８の容積が一定であること
から、これは燃料噴射量の絶対値すなわち平均空燃比が
所定値（本実施形態では、３０）以上となったときに起
こる。そして、平均空燃比は目標平均有効圧Ｐeにより
一義的に定まるため、図６に示すように、スモーク発生
限界となる第２上限負荷ラインＬ2は所定の限界目標平
均有効圧Ｐexにより規定されることになる。第２負荷領
域はこの第２上限負荷ラインＬ2を超えない領域とな
り、この領域内ではスモークが原則として発生しない。

【００３１】このようにして、第１負荷領域と第２負荷
領域とを求めると、本実施形態では、両者が重なる部分
を求めてこれを後期噴射リーン域として設定する。すな
わち、第１上限負荷ラインＬ1と第２上限負荷ラインＬ2
との交点におけるエンジン回転速度Ｎexを境に、それ以
下の回転域ではキャビティ８内の空燃比がオーバリッチ
とならない第２限界負荷領域で後期噴射を行い、それ以
上の回転域では燃料噴射弁４からの燃料噴霧８１がピス
トン７のキャビティ８内に収まる第１限界負荷領域で後
期噴射を行う。そして、これらの負荷領域を外れた場合
には、前期噴射リーン域やストイキオフィードバック域
等となるため、前期噴射モードでの燃料噴射を行う。

【００３２】このように、本実施形態では、後期噴射モ
ードを行う負荷領域を、燃料噴射弁７から噴射される燃
料の実質的に全量がキャビティ８内に収まる第１上限負
荷レベル以下の第１負荷領域と、スモーク発生限界に対
応する第２上限負荷レベル以下の第２負荷領域とから設
定するようにしたため、ＨＣやスモーク等の有害排出ガ
ス成分の増加を抑えながら、後期噴射を行える負荷領域
を限界まで広くすることができ、燃費を大幅に向上させ
ることが可能となった。

【００３３】更に、本実施形態における後期噴射モード
の燃料噴射時期の設定について説明する。燃料噴射弁４
から噴射された燃料が実際にキャビティ８内に到達する
までには遅延時間があり、その遅延時間の間はピストン
７が上昇を続けることになる。換言すれば、ピストン位
置を基準とした場合、キャビティ８内への燃料供給が可
能となる噴射開始時期より早い時期（クランク角）から
燃料噴射を行った場合であっても、キャビティ８への到
達までの遅延時間により実際の燃料はその全量がキャビ
ティ８内に収納されることになる。このことは、回転数
の増大によりピストン７の上昇速度が増大することを考
慮すれば、回転数の増大に対応させて燃料の噴射を開始
する時期（クランク角）を早くすることができることを
意味している。一方、噴射終了時期に関しては、噴射さ
れた燃料が十分に気化された状態で点火させるため、噴
射終了時期から圧縮上死点近傍での点火時期までの間に
一定時間を確保することが好ましい。このことは、ピス
トン７の上昇速度を考慮すれば、回転数の増大に対応さ
せて噴射終了時期を早めることが好ましいことを示して
いる。これらの点を考慮するべく、本実施形態において
は特に第１上限負荷ライン近傍の後期噴射域において、
回転数が高いほど噴射開始時期を早め（噴射終了時期を
早め）るように噴射時期を設定している。これにより、
噴射が占めるクランク角範囲が広いことから噴射時間の
自由度の少ない第１上限負荷ライン近傍においても後期
噴射による燃焼が確実に実施され、かつ後期噴射の運転
域も不必要に狭められることもなくなった。

【００３４】以上で、具体的実施形態の説明を終える
が、本発明の態様はこの実施形態に限るものではない。
例えば、上記実施形態は本発明を直列４気筒の筒内噴射
ガソリンエンジンに適用したものであるが、単気筒エン
ジンやＶ型６気筒エンジン等、気筒数やその配列が異な
る種々のエンジンに適用してもよいし、メタノール等の
ガソリン以外の燃料を使用するエンジンに適用してもよ
い。更に、制御システムの具体的構成等については、本
発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であ
る。

【００３５】

【発明の効果】本発明の請求項１によれば、ピストンが
圧縮行程後期にあるときにその噴射軸線が当該ピストン
の頂面に形成されたキャビティ内に向くように配設され
た燃料噴射弁と、ピストンが点火位置にあるときに前記
キャビティにより形成された混合気流が到達する部位に
配設された点火プラグとをシリンダヘッドに有し、主と
して吸気行程で燃料噴射が行われる前期噴射モードと、
主として圧縮行程で燃料噴射が行われる後期噴射モード
とに基づき、燃焼室内に燃料が直接噴射される筒内噴射
型火花点火式内燃機関において、前記後期噴射モード
は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の実質的に全量
が前記キャビティ内に収まる第１上限負荷レベル以下の
第１負荷領域に設定されるようにしたため、キャビティ
からの燃料噴霧の逸脱に起因するＨＣの排出が抑制され
る。

【００３６】また、請求項２によれば、請求項１の筒内
噴射型火花点火式内燃機関において、前記後期噴射モー
ドでは、燃料噴射時における前記燃料噴射弁の噴射軸線
が前記キャビティの内壁面から逸脱しないものとしたた
め、キャビティからの燃料噴霧の逸脱がより確実に防止
される。また、請求項３によれば、ピストンが圧縮行程
後期にあるときにその噴射軸線が当該ピストンの頂面に
形成されたキャビティ内に向くように配設された燃料噴
射弁と、ピストンが点火位置にあるときに前記キャビテ
ィにより形成された混合気流が到達する部位に配設され
た点火プラグとをシリンダヘッドに有し、主として吸気
行程で燃料噴射が行われる前期噴射モードと、主として
圧縮行程で燃料噴射が行われる後期噴射モードとに基づ
き、燃焼室内に燃料が直接噴射される筒内噴射型火花点
火式内燃機関において、前記後期噴射モードは、スモー
ク発生限界に対応する第２上限負荷レベル以下の第２負
荷領域に設定されるようにしたため、キャビティ内の空
燃比がオーバリッチとなることに起因するスモークの排
出が抑制される。

【００３７】また、請求項４によれば、ピストンが圧縮
行程後期にあるときにその噴射軸線が当該ピストンの頂
面に形成されたキャビティ内に向くように配設された燃
料噴射弁と、ピストンが点火位置にあるときに前記キャ
ビティにより形成された混合気流が到達する部位に配設
された点火プラグとをシリンダヘッドに有し、主として
吸気行程で燃料噴射が行われる前期噴射モードと、主と
して圧縮行程で燃料噴射が行われる後期噴射モードとに
基づき、燃焼室内に燃料が直接噴射される筒内噴射型火
花点火式内燃機関において、前記後期噴射モードは、エ
ンジン回転速度が所定値以下である場合には、スモーク
発生限界に対応する第２上限負荷レベル以下の第２負荷
領域に設定され、エンジン回転速度が前記所定値を超え
た場合には、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の実質
的に全量が前記キャビティ内に収まる第１上限負荷レベ
ル以下の第１負荷領域に設定されるようにしたため、Ｈ
Ｃの排出とスモークの排出とが共に抑制される。

【００３８】また、請求項５によれば、請求項４の筒内
噴射型火花点火式内燃機関において、前記前期噴射モー
ドは、エンジン回転速度が前記所定値以下である場合に
は前記第２上限負荷レベルを超えた負荷領域に設定さ
れ、エンジン回転速度が前記所定値を超えた場合には前
記第１上限負荷レベルを超えた負荷領域に設定されるよ
うにしたため、有害排出ガス成分の増加を抑制しなが
ら、所望の出力を確保できる。

【００３９】また、請求項６によれば、請求項１，２，
４，５の筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記
後期噴射モードにおける圧縮行程時の前記ピストンの上
昇時に、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の実質的に
全量が前記キャビティ内に収まるように前記燃料噴射弁
の噴射時期の設定を行う噴射時期設定手段を備えるよう
にしたため、キャビティからの燃料噴霧の逸脱に起因す
るＨＣの排出が抑制される。

【００４０】また、請求項７によれば、請求項６記載の
筒内噴射型火花点火式内燃機関において、前記噴射時期
設定手段は、少なくとも前記第１上限負荷レベル近傍で
は、エンジン回転速度が高くなるにしたがって、燃料噴
射開始時期を早めるものとしたため、不必要に後期噴射
モードの運転域を狭めることが防止される。また、請求
項８では、請求項６記載の筒内噴射型火花点火式内燃機
関において、前記噴射時期設定手段は、燃料噴射の終了
から点火時期または圧縮上死点到達までの遅延時間を確
保するべく、特に前記第１上限負荷レベル近傍では、エ
ンジン回転速度が高くなるにしたがって、燃料噴射終了
時期を早めるものとしたため、高回転域でも噴射された
燃料の気化に要する時間が確保される。そして、このよ
うな燃料噴射終了時期の設定は噴射時期の自由度の少な
い第１上限負荷レベル近傍において特に効果が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るエンジン制御システムの一実施形
態を示す概略構成図である。

【図２】実施形態に係る筒内噴射ガソリンエンジンの縦
断面図である。

【図３】実施形態に係る燃料噴射制御マップである。

【図４】実施形態における後期噴射モード時の燃料噴射
形態を示す説明図である。

【図５】実施形態における前期噴射モード時の燃料噴射
形態を示す説明図である。

【図６】燃料噴射制御マップにおける後期噴射モードを
設定する手順を示したグラフである。

【図７】第１上限負荷における燃料噴霧とピストンとの
位置関係を示す説明図である。

【図８】本発明の背景を説明するための燃料噴霧とピス
トンとの位置関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１エンジン２シリンダヘッド３点火プラグ４燃料噴射弁５燃焼室６シリンダ７ピストン８キャビティ８ａキャビティの内壁面１３吸気ポート７０ＥＣＵ８１燃料噴霧ＬI 噴射軸線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンが圧縮行程後期にあるときにそ
の噴射軸線が当該ピストンの頂面に形成されたキャビテ
ィ内に向くように配設された燃料噴射弁と、ピストンが
点火位置にあるときに前記キャビティにより形成された
混合気流が到達する部位に配設された点火プラグとをシ
リンダヘッドに有し、主として吸気行程で燃料噴射が行
われる前期噴射モードと、主として圧縮行程で燃料噴射
が行われる後期噴射モードとに基づき、燃焼室内に燃料
が直接噴射される筒内噴射型火花点火式内燃機関におい
て、前記後期噴射モードは、前記燃料噴射弁から噴射される
燃料の実質的に全量が前記キャビティ内に収まる第１上
限負荷レベル以下の第１負荷領域に設定されたことを特
徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
【請求項２】前記後期噴射モードでは、燃料噴射時に
おける前記燃料噴射弁の噴射軸線が前記キャビティの内
壁面から逸脱しないことを特徴とする、請求項１記載の
筒内噴射型火花点火式内燃機関。
【請求項３】ピストンが圧縮行程後期にあるときにそ
の噴射軸線が当該ピストンの頂面に形成されたキャビテ
ィ内に向くように配設された燃料噴射弁と、ピストンが
点火位置にあるときに前記キャビティにより形成された
混合気流が到達する部位に配設された点火プラグとをシ
リンダヘッドに有し、主として吸気行程で燃料噴射が行
われる前期噴射モードと、主として圧縮行程で燃料噴射
が行われる後期噴射モードとに基づき、燃焼室内に燃料
が直接噴射される筒内噴射型火花点火式内燃機関におい
て、前記後期噴射モードは、スモーク発生限界に対応する第
２上限負荷レベル以下の第２負荷領域に設定されたこと
を特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
【請求項４】ピストンが圧縮行程後期にあるときにそ
の噴射軸線が当該ピストンの頂面に形成されたキャビテ
ィ内に向くように配設された燃料噴射弁と、ピストンが
点火位置にあるときに前記キャビティにより形成された
混合気流が到達する部位に配設された点火プラグとをシ
リンダヘッドに有し、主として吸気行程で燃料噴射が行
われる前期噴射モードと、主として圧縮行程で燃料噴射
が行われる後期噴射モードとに基づき、燃焼室内に燃料
が直接噴射される筒内噴射型火花点火式内燃機関におい
て、前記後期噴射モードは、エンジン回転速度が所定値以下
である場合には、スモーク発生限界に対応する第２上限
負荷レベル以下の第２負荷領域に設定され、エンジン回
転速度が前記所定値を超えた場合には、前記燃料噴射弁
から噴射される燃料の実質的に全量が前記キャビティ内
に収まる第１上限負荷レベル以下の第１負荷領域に設定
されたことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機
関。
【請求項５】前記前期噴射モードは、エンジン回転速
度が前記所定値以下である場合には前記第２上限負荷レ
ベルを超えた負荷領域に設定され、エンジン回転速度が
前記所定値を超えた場合には前記第１上限負荷レベルを
超えた負荷領域に設定されたことを特徴とする、請求項
４に記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。
【請求項６】前記後期噴射モードにおける圧縮行程時
の前記ピストンの上昇時に、前記燃料噴射弁から噴射さ
れる燃料の実質的に全量が前記キャビティ内に収まるよ
うに前記燃料噴射弁の噴射時期の設定を行う噴射時期設
定手段を備えたことを特徴とする、請求項１，２，４，
５のいずれか一項に記載の筒内噴射型火花点火式内燃機
関。
【請求項７】前記噴射時期設定手段は、少なくとも前
記第１上限負荷レベル近傍では、エンジン回転速度が高
くなるにしたがって、燃料噴射開始時期を早めることを
特徴とする、請求項６記載の筒内噴射型火花点火式内燃
機関。
【請求項８】前記噴射時期設定手段は、燃料噴射の終
了から点火時期または圧縮上死点到達までの遅延時間を
確保するべく、特に前記第１上限負荷レベル近傍では、
エンジン回転速度が高くなるにしたがって、燃料噴射終
了時期を早めることを特徴とする、請求項７記載の筒内
噴射型火花点火式内燃機関。