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1. (WO2015129285) 直噴ガソリンエンジンの制御装置
Document

明 細 書

発明の名称 直噴ガソリンエンジンの制御装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0006   0007  

課題を解決するための手段

0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030  

発明の効果

0031  

図面の簡単な説明

0032  

発明を実施するための形態

0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105   0106   0107   0108   0109   0110   0111   0112   0113   0114   0115   0116  

産業上の利用可能性

0117  

符号の説明

0118  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17  

明 細 書

発明の名称 : 直噴ガソリンエンジンの制御装置

技術分野

[0001]
 ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置に関するものである。

背景技術

[0002]
 従来より、燃焼室内において混合気の濃度分布や形状等を制御する技術が知られている。例えば、特許文献1に係るエンジンにおいては、スートの発生を抑制すべく、吸気行程中又は圧縮行程中に1回目の燃料噴射を行って燃焼室内に希薄混合気を形成し、その後、圧縮行程中に2回目の燃料噴射を行って燃焼室内に過濃混合気を形成している。
[0003]
 特許文献2には、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する外開弁式のインジェクタが記載されている。外開弁式のインジェクタは、弁本体のリフト量を変えることによって、燃料が噴射するノズル口の有効断面積が変化する。また、特許文献3には、VCO(Valve Covered Orifice)ノズルタイプのインジェクタが記載されている。VCOノズルタイプのインジェクタは、ニードル弁が、ノズル口が開口しているシート部に直接着座して、ノズル口を閉鎖するように構成されており、ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の内周面に発生するキャビテーション領域の大きさが変化する。その結果、VCOノズルタイプのインジェクタでは、外開弁式のインジェクタと同様に、ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の有効断面積が変化することになる。
[0004]
 特許文献4には、気筒中心軸上に配置されかつ、コーン状に燃料を噴射する外開弁式のインジェクタを備えたエンジンにおいて、圧縮行程の後期に気筒内に燃料を噴射することで、燃焼室内に混合気層と、その周囲のガス層(新気を含むガス層)とを形成することが記載されている。この特許文献4に記載されたエンジンでは、混合気層を形成する混合気の燃焼時に、周囲のガス層を断熱層として機能させることで、冷却損失を低減する。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 特開平11-101127号公報
特許文献2 : 特開2008-151043号公報
特許文献3 : 特許第4194564号公報
特許文献4 : 特開2013-57266号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0006]
 ところで、燃焼室に噴射される燃料噴霧は、燃焼室内の環境の影響を受ける。つまり、同じ噴射態様で燃料を噴射したとしても、燃焼室内に形成される混合気の濃度分布や形状等は燃焼室内の環境に応じて異なる。
[0007]
 ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室内の環境変化に起因する混合気の変化を抑制することにある。

課題を解決するための手段

[0008]
 ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置を対象としている。この直噴ガソリンエンジンの制御装置は、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、該インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、上記インジェクタは、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、上記制御部は、上記燃焼室の圧力状態を予測すると共に、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなるように調整する。
[0009]
 上記制御部は、同一の燃料噴射量であっても、予測した上記燃焼室の圧力が高くなるほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ調整するようにしてもよい。
[0010]
 ここで、「圧縮行程後半」とは、圧縮行程を前半と後半とに二等分した場合の後半を意味する。
[0011]
 仮に該パラメータを一定にして燃料を噴射すると、筒内圧力が高いほど燃料噴霧が広がりにくくなる。つまり、筒内圧力が高いほど、燃料噴霧の広がりが小さい混合気が形成される。それに対し、上記インジェクタは、上記パラメータを調整することによって燃料噴霧の広がりを調整することができる。燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータは、例えば、噴口の有効断面積や、多段噴射の場合の噴射間隔である。そして、筒内圧力が高くなるほど、燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ該パラメータが調整される。これにより、筒内圧力の上昇に起因して燃料噴霧が縮小してしまうことが抑制される。つまり、筒内圧力の変動による影響をできる限り排除して、所望の混合気を形成しやすくなる。
[0012]
 また、上記パラメータは、上記噴口の有効断面積であって、上記制御部は、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴口の有効断面積を大きくするようにしてもよい。
[0013]
 上記噴口の有効断面積を調整することによって、燃料噴霧の広がりを調整することができる。詳しくは、噴口の有効断面積が変わると、噴口から噴射される燃料噴霧の粒径が変化する。燃料噴霧の粒径が変わると、燃料噴霧の運動量が変化する。燃料噴霧の運動量が変わると、燃料噴霧の飛散距離が変化し、燃料噴霧の広がりが変化する。詳しくは、噴口の有効断面積が大きくなるほど、燃料噴霧の粒径が大きくなり、燃料噴霧の広がりが大きくなる。
[0014]
 さらに、上記パラメータは、多段噴射を行う場合の噴射間隔であって、上記制御部は、少なくとも圧縮行程後半において多段噴射を行わせ、且つ、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴射間隔を大きくするようにしてもよい。
[0015]
 また、多段噴射の場合には複数回の燃料噴射が断続的に行われ、そのときの噴射間隔を調整することによっても、燃料噴霧の広がりを調整することができる。詳しくは、燃料が噴射されると、コアンダ効果によって燃料噴射の中心軸の付近には負圧になる領域が発生する。この負圧領域の大きさは、噴射間隔に応じて変化する。詳しくは、噴射間隔が大きいときには、次の燃料が噴射されるまでの間に負圧領域の圧力が回復し得るため、負圧領域は小さくなる。負圧領域が小さい場合には、燃料噴霧は、負圧にあまり引き寄せられず、拡散しやすくなる。それに対し、噴射間隔が小さいときには、燃料が次々と噴射されることで、負圧領域の負圧が維持され、負圧領域は大きくなる。負圧領域が大きい場合には、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられ、広がりが抑制される。つまり、噴射間隔が大きいほど、燃料噴霧が広がりやすく、噴射間隔が小さいほど、燃料噴霧の広がりが抑制される。
[0016]
 尚、噴口の有効断面積は、燃料噴霧の負圧領域からの影響の受けやすさにも影響する。噴口の有効断面積が小さいと、燃料噴霧の粒径が小さいので、燃料噴霧は負圧領域からの影響を受けやすくなる。つまり、粒径の小さい燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられやすく、また、負圧領域により減速されやすい。そのため、噴口の有効断面積を小さくすることによって、燃料噴霧の広がりを抑制することができる。
[0017]
 このように、噴口の有効断面積及び噴射間隔の少なくとも一方を筒内圧力に応じて調整することによって、燃料噴霧の広がりを筒内圧力に応じて調整することができる。
[0018]
 さらにまた、上記パラメータは、上記噴口の有効断面積及び多段噴射を行う場合の噴射間隔であって、上記制御部は、少なくとも圧縮行程後半において多段噴射を行わせ、且つ、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴項の有効断面積と上記噴射間隔とを共に大きくするようにしてもよい。
[0019]
 上述の如く、噴口の有効断面積が大きくなるほど、燃料噴霧の広がりが大きくなる。また、噴射間隔が大きくなるほど、燃料噴霧の広がりが大きくなる。そのため、筒内圧力が高くなるほど、噴口の有効断面積を大きく、及び/又は、噴射間隔を大きくすることによって、筒内圧力の上昇による燃料噴霧の縮小が抑制される。その結果、筒内圧力の変動に起因する、混合気の濃度分布や形状等の変動を抑制することができる。
[0020]
 また、上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量に応じて該噴口の有効断面積が変化し、該弁体のリフト量が大きいほど該噴項の有効断面積が大きくなるように構成されていてもよい。
[0021]
 上記のインジェクタによれば、弁体のリフト量を調整することによって、噴口の有効断面積を調整することができ、ひいては、燃料噴霧の粒径を変更することができる。
[0022]
 また、ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置を対象としている。この直噴ガソリンエンジンの制御装置は、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、該インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、上記インジェクタは、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、上記制御部は、上記圧縮行程後半での上記インジェクタによる燃料噴射時期に対応して、燃料噴射時期が早いほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが小さくなるように調整する。
[0023]
 筒内圧力は、圧縮行程後半の燃料噴射時期によっても大きく左右され、同一エンジン負荷で燃料噴射量がほぼ同一であっても、例えば、エンジン回転数が高い場合は、燃料の気化時間(着火遅れ時間)を確保するために、燃料噴射の開始時期が早まる傾向にあり、その分、燃料噴射開始時の筒内圧力は低く、燃料噴霧が広がり易い。
[0024]
 よって、吸気充填量が同じであっても、インジェクタによる燃料噴射時期に対応して、燃料噴射時期が早いほど、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを、燃料噴霧の広がりが小さくなるように調整することで、燃料噴射時期が相違しても、燃料噴霧の拡がりを統一できる。
[0025]
 なお、このように燃料噴霧の拡がりを統一することで、燃焼室壁面と混合気層との間に、新気や既燃ガス等のガス層(燃焼時の断熱ガス層)の形成が可能となる。
[0026]
 上記パラメータは、上記噴口の有効断面積であって、上記制御部は、上記圧縮行程後半での上記インジェクタによる燃料噴射時期が早いときには、遅いときに対して、上記噴口の有効断面積を小さくするようにしてもよい。
[0027]
 また、上記制御部は、上記混合気層の混合気が着火する時点において、上記燃焼室を区画する壁面と上記混合気層との間に新気及び/又は既燃ガスのガス層が形成されるように、上記インジェクタにより圧縮行程後半において燃料噴射させるようにしてもよい。
[0028]
 この構成によれば、混合気層を形成する混合気が燃焼をするときには、その周囲のガス層は、混合気層と燃焼室を区画する壁面との間に介在する断熱層として機能し、冷却損失を大幅に低減することができる。
[0029]
 なお、ガス層は、燃料を実質的に含まない層(詳しくは、当量比φ=0.1以下の層)であり、新気や排気ガスを含んで構成される。
[0030]
 また、上記燃焼室の壁面は、上記ピストンの冠面に形成された凹状のキャビティの内壁面であってもよい。
この構成によれば、上記インジェクタから噴射された燃料噴霧は、ボリュームを有する凹状のキャビティ空間で混合気層が形成されるため、キャビティの内壁面と混合気層との間に、確実に上記ガス層が形成され、冷却損出を大幅に低減させることができる。

発明の効果

[0031]
 上記構成によれば、燃焼室内の環境変化に起因する混合気の変化を抑制することができる。

図面の簡単な説明

[0032]
[図1] 図1は、直噴ガソリンエンジンを示す概略構成図である。
[図2] 図2は、インジェクタの内部構成を示す断面図である。
[図3] 図3は、エンジンの運転マップを例示する図である。
[図4] 図4は、燃焼室内に形成する混合気層の形状を概念的に示す断面図である。
[図5] 図5は、インジェクタから噴射する燃料噴霧の広がり方向を説明する図である。
[図6] 図6は、燃料の噴射間隔を示す図である。
[図7] 図7は、外開弁式のインジェクタのリフト量を示す図である。
[図8] 図8は、(A)燃料の噴射間隔が長いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、(B)燃料の噴射間隔が短いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。
[図9] 図9は、(A)インジェクタのリフト量が小さいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、(B)インジェクタのリフト量が大きいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。
[図10] 図10は、クランク角に対する筒内圧力の変化を示す図である。
[図11] 図11は、筒内圧力に対するリフト量の変化を示す図である。
[図12] 図12は、筒内圧力に対する噴射間隔の変化を示す図である。
[図13] 図13は、負荷が低いときの噴射態様を示す図である。
[図14] 図14は、負荷が高いときの噴射態様を示す図である。
[図15] 図15は、その他の実施形態に係るインジェクタの内部構成を示す断面図である。
[図16] 図16は、筒内圧力が相対的に高いときの(A)混合気層の形状状態と、(B)そのときの噴射態様である。
[図17] 図17は、筒内圧力が相対的に低いときの(A)混合気層の形状状態と、(B)そのときの噴射態様である。

発明を実施するための形態

[0033]
 以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
[0034]
 図1は、直噴エンジン1(以下、単にエンジン1という)を概略的に示す。エンジン1は、エンジン本体に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するエンジン制御器100を含む。
[0035]
 エンジン1は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン1の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン1のエンジン本体は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えており、シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ(気筒)11が形成されている(図1では、シリンダ11を1つのみ示す)。シリンダブロック12及びシリンダヘッド13の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。
[0036]
 ここで、エンジン1の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。
[0037]
 各シリンダ11内には、ピストン15が摺動自在にそれぞれ嵌挿されている。ピストン15は、シリンダ11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画している。図例では、燃焼室17は所謂ペントルーフ型であり、その天井面(つまり、シリンダヘッド13の下面)は吸気側及び排気側の2つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン15の冠面は、上記天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部には、凹状のキャビティ(凹部)15aが形成されている。尚、上記天井面及びピストン15の冠面の形状は、後述の、高い幾何学的圧縮比が実現するのであれば、どのような形状であってもよい。例えば、天井面及びピストン15の冠面(つまり、キャビティ15aを除く部分)の両方が、シリンダ11の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよく、天井面が上記のように三角屋根状をなす一方、ピストン15の冠面(つまり、キャビティ15aを除く部分)がシリンダ11の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよい。
[0038]
 図1には1つのみ示すが、シリンダ11毎に2つの吸気ポート18がシリンダヘッド13に形成され、それぞれがシリンダヘッド13の下面(つまり、燃焼室17の天井面における吸気側の傾斜面)に開口することで燃焼室17に連通している。同様に、シリンダ11毎に2つの排気ポート19がシリンダヘッド13に形成され、それぞれがシリンダヘッド13の下面(つまり、燃焼室17の天井面の排気側の傾斜面)に開口することで燃焼室17に連通している。吸気ポート18は、シリンダ11内に導入される新気が流れる吸気通路(図示省略)に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁20が介設しており、エンジン制御器100からの制御信号を受けて、スロットル弁20の開度が調整される。一方、排気ポート19は、各シリンダ11からの既燃ガス(つまり、排気ガス)が流れる排気通路(図示省略)に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、1つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。触媒コンバータは、三元触媒を含む。
[0039]
 シリンダヘッド13には、吸気弁21及び排気弁22が、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を燃焼室17から遮断(閉)することができるように配設されている。吸気弁21は吸気弁駆動機構により、排気弁22は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁21及び排気弁22は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を開閉し、シリンダ11内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式、電動式又は機械式の位相可変機構(Variable Valve Timing:VVT)23を含んで構成されている。尚、VVT23と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構(CVVL(Continuous Variable Valve Lift))を備えるようにしてもよい。
[0040]
 また、シリンダヘッド13には、点火プラグ31が配設されている。この点火プラグ31は、例えば、ねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド13に取付固定されている。点火プラグ31は、図例では、シリンダ11の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取付固定されており、その先端部は燃焼室17の天井部に臨んでいる。この点火プラグ31の先端部は、後述のインジェクタ33のノズル口41の近傍に位置する。尚、点火プラグ31の配置はこれに限定されるものではない。本実施形態では、点火プラグ31は、プラズマ点火式のプラグであり、点火システム32はプラズマ発生回路を備える。そして、点火プラグ31は、点火システム32によって放電でプラズマを発生させ、そのプラズマを点火プラグ31の先端から気筒内にジェット状に噴射させて、燃料の点火を行う。点火システム32は、エンジン制御器100からの制御信号を受けて、点火プラグ31が所望の点火タイミングでプラズマを発生するよう、それに通電する。尚、点火プラグ31は、プラズマ点火式のプラグに限らず、一般によく使用されている火花点火式のプラグであってもよい。
[0041]
 シリンダヘッド13におけるシリンダ11の中心軸上には、気筒内(つまり、燃焼室17内)に燃料を直接噴射するインジェクタ33が配設されている。このインジェクタ33は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド13に取付固定されている。インジェクタ33の先端は、燃焼室17の天井部の中心に臨んでいる。
[0042]
 図2に示すように、インジェクタ33は、シリンダ11内に燃料を噴射するノズル口41が形成されたノズル本体40と、ノズル口41を開閉する外開弁42とを有する、外開弁式のインジェクタである。インジェクタ33は、所定の中心軸Sに対して傾斜する方向であって該中心軸Sを中心とする径方向外側へ広がる方向へ燃料を噴射すると共に、ノズル口41の有効断面積を調整可能に構成されている。ノズル口41は、噴口の一例であり、外開弁42は、弁体の一例である。
[0043]
 ノズル本体40は、中心軸Sに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル口41の開口縁は、ノズル本体40の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。ノズル本体40の基端側の端部は、内部にピエゾ素子44が配設されたケース45に接続されている。外開弁42は、弁本体42aと、弁本体42aからノズル本体40内を通ってピエゾ素子44に接続された連結部42bとを有している。弁本体42aは、ノズル本体40の先端においてノズル本体40から外側に露出している。弁本体42aの連結部42b側の部分が、ノズル口41の開口縁と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口41の開口縁に当接(つまり、着座)しているときには、ノズル口41が閉状態となる。
[0044]
 インジェクタ33は、中心軸Sがシリンダ11の中心軸X(つまり、気筒中心軸X)と一致し、ノズル口41が燃焼室17の天井部に臨む状態で配置されている。
[0045]
 ピエゾ素子44は、電圧の印加による変形により、外開弁42を中心軸方向に押圧してノズル本体40のノズル口41の開口縁からリフトさせることによって、ノズル口41を開放する。このとき、燃料がノズル口41から中心軸Sに対して傾斜した方向であって中心軸Sを中心とする半径方向へ広がる方向へ噴射される。具体的には、燃料は、中心軸Sを中心とするコーン状(詳しくはホローコーン状)に噴射される。そのコーンのテーパ角は、本実施形態では、90°~100°である(ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は70°程度である)。そして、ピエゾ素子44への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子44が元の状態に復帰することで、外開弁42がノズル口41を再び閉状態とする。このとき、ケース45内における連結部42bの周囲に配設された圧縮コイルバネ46がピエゾ素子44の復帰を助長する。
[0046]
 ピエゾ素子44に印加する電圧が大きいほど、外開弁42の、ノズル口41を閉じた状態からのリフト量(以下、単にリフト量という)が大きくなる(図7も参照)。このリフト量が大きいほど、ノズル口41の開度(つまり、有効断面積)が大きくなってノズル口41から気筒内に噴射される燃料噴霧の粒径が大きくなる。逆に、リフト量が小さいほど、ノズル口41の開度が小さくなってノズル口41から気筒内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。ピエゾ素子44の応答は速く、例えば1サイクル中に20回程度の多段噴射が可能である。但し、外開弁42を駆動する手段としては、ピエゾ素子44には限られない。
[0047]
 燃料供給システム34は、外開弁42(ピエゾ素子44)を駆動するための電気回路と、インジェクタ33に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。エンジン制御器100は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を上記電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子44及び外開弁42を作動させて、所望量の燃料を、気筒内に噴射させる。上記噴射信号の非出力時(つまり、噴射信号の電圧が0であるとき)には、外開弁42によりノズル口41が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子44は、エンジン制御器100からの噴射信号によって、その作動が制御される。こうしてエンジン制御器100は、ピエゾ素子44の作動を制御して、インジェクタ33のノズル口41からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。
[0048]
 上記燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、インジェクタ33が作動する(つまり、外開弁42がリフトされる)ことによって、上記コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口41から噴射される。
[0049]
 エンジン制御器100は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置(CPU)と、例えばRAMやROMにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力(I/O)バスと、を備えている。エンジン制御器100は、制御部の一例である。
[0050]
 エンジン制御器100は、少なくとも、エアフローセンサ71からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ72からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ73からのアクセル開度信号、及び、車速センサ74からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器100は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン1の制御パラメータを計算する。そして、エンジン制御器100は、それらの信号を、スロットル弁20(正確には、スロットル弁20を動かすスロットルアクチュエータ)、燃料供給システム34(正確には、上記電気回路)、点火システム32、及び、VVT23等に出力する。
[0051]
 また、図示は省略するが、このエンジン1は、吸気通路と排気通路とをつなぐEGR通路が設けられており、排気ガスの一部を吸気に還流させるEGRシステムを備えている。エンジン制御器100は、EGRシステムを通じた排気ガスの還流量を、エンジン1の運転状態に応じて調整する。
[0052]
 このエンジン1の幾何学的圧縮比εは、15以上40以下とされている。本実施形態では、エンジン1は圧縮比=膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン1でもある。幾何学的圧縮比を高くすることによって、熱効率の向上を図る。
[0053]
 燃焼室17は、図1に示すように、シリンダ11の壁面と、ピストン15の冠面と、シリンダヘッド13の下面(つまり、天井面)と、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。そして、このエンジン1では、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層61,62,63,64,65を設けることによって、燃焼室17を断熱化している。尚、以下において、これらの断熱層61~65を総称する場合は、断熱層に符号「6」を付す場合がある。断熱層6は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層61は、ピストン15が上死点に位置した状態で、そのピストンリング14よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層61上をピストンリング14が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面の断熱層61はこの構成に限らず、断熱層61を下向きに延長することによって、ピストン15のストロークの全域、又は、その一部に断熱層61を設けてもよい。また、燃焼室17を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート18や排気ポート19における、燃焼室17の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。尚、図1に図示する各断熱層61~65の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。
[0054]
 燃焼室17の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室17の断熱構造は、上述の如く、燃焼室17を区画する各区画面に設けた断熱層61~65によって構成されるが、これらの断熱層61~65は、燃焼室17内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室17を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ11の壁面に設けた断熱層61については、シリンダブロック12が母材であり、ピストン15の冠面に設けた断熱層62についてはピストン15が母材であり、シリンダヘッド13の天井面に設けた断熱層63については、シリンダヘッド13が母材であり、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層64,65については、吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック12、シリンダヘッド13及びピストン15については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁21及び排気弁22については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。
[0055]
 また、断熱層6は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室17内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室17の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室17を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。
[0056]
 一方で、冷却損失は、冷却損失=熱伝達率×伝熱面積×(ガス温度-区画面の温度)によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室17の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層6の熱容量を小さくして、燃焼室17の区画面の温度が、燃焼室17内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。
[0057]
 上記断熱層6は、例えば、母材上にZrO 等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、断熱層6の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。
[0058]
 また、本実施形態では、図1に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ181を、シリンダヘッド13に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート18に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート18を通過するときに、シリンダヘッド13から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによってシリンダ11内に導入する新気の温度(初期のガス温度)が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室17の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート18に設ける断熱層の構成は、ポートライナ181の鋳ぐるみに限定されない。
[0059]
 このエンジン1では、上述の通り幾何学的圧縮比εを15≦ε≦40に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率η thは、η th=1-1/(ε κ-1)であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率η thは高くなる。しかしながら、エンジン(正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン)の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε(例えば15程度)でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。上述したように、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、冷却損失を増大させることになるためである。
[0060]
 これに対し、このエンジン1では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、上述の通り、燃焼室17の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室17の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。
[0061]
 一方で、燃焼室17を断熱化して冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン1では、上述したように、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、このエンジン1は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。
[0062]
 このエンジン1では、上記の燃焼室17及び吸気ポート18の断熱構造に加えて、気筒内(燃焼室17内)において断熱ガス層(以下、ガス層という場合もある。)による断熱層を形成することで、冷却損失をさらに低減するようにしている。以下、このことについて詳細に説明する。
[0063]
 図3は、エンジン1の温間時の運転マップを例示している。このエンジン1は、基本的には、運転領域の全域において、燃焼室17内の混合気を圧縮自己着火によって燃焼させるように構成されている。図3に示す運転マップにおいて、所定負荷よりも低い低負荷領域、及び、低負荷領域よりも負荷の高い中負荷領域において、燃焼室17内にガス層による断熱層を形成する。つまり、エンジン負荷が比較的低くかつ、それによって燃料噴射量が比較的少ない運転状態においては、燃焼室17内にガス層による断熱層を形成することによって、冷却損失を低減し、熱効率の向上を図る。ここで、低負荷領域及び中負荷領域はそれぞれ、エンジンの負荷領域を低、中、及び高の3つの領域に区分(例えば、三等分)したときの、低領域及び中領域に相当する、と定義してもよい。また、特に中負荷領域は、例えば全開負荷に対する所定負荷以下(例えば70%負荷以下)の領域としてもよい。
[0064]
 図4は、低負荷及び中負荷領域において、燃焼室17内に形成する混合気層の形状を概念的に示している。燃焼室17内にガス層による断熱層を形成するとは、同図に示すように、燃焼室17内の中央部に混合気層G1を形成すると共に、その周囲に新気を含むガス層G2を形成することである。
[0065]
 ここでいう混合気層G1は、可燃混合気(例えば当量比φ=0.1以上の混合気)によって構成される層と定義している。また、燃料の噴射開始から時間が経過すればするほど、燃料噴霧は拡散することから、混合気層G1の大きさは、着火時点での大きさである。さらに、着火とは、例えば、燃料の燃焼質量割合が1%以上となることをもって判定することができる。
[0066]
 また、ガス層G2は、φ=0.1未満の混合気によって構成される層と定義している。ガス層G2は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス(つまり、EGRガス)を含んでいてもよい。尚、後述の通り、ガス層G2が断熱層の役割を果たす限度において、ガス層G2に少量の燃料が混じることは許容される。
[0067]
 尚、燃料室内の混合気層G1及びガス層G2は、シュリーレン法、又は燃料にシリコンオイルを混入させ該燃料の噴霧を光学的に読み取る手法等によって可視化することができる。そして、可視化された燃料噴霧に基づいて、当量比φを求めることができ、混合気層G1及びガス層G2を判別することができる。例えば、所定の当量比φに相当する輝度により、混合気層G1とガス層G2とを判別することができる。
[0068]
 混合気層G1の表面積(S)と体積(V)との比(S/V比)を小さくすることによって、燃焼時に周囲のガス層G2との伝熱面積が小さくなると共に、混合気層G1とシリンダ11の壁面との間のガス層G2により、混合気層G1の火炎がシリンダ11の壁面及びキャビティ15aの内壁15bに接触することが抑制され、また、ガス層G2自体が断熱層となって、シリンダ11の壁面及びキャビティ15aの内壁15bからの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。
[0069]
 エンジン制御器100は、燃焼室17内の中央部に混合気層G1が形成され且つ、混合気層G1の周囲にガス層G2が形成されるように、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間にインジェクタ33のノズル口41からシリンダ11内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム34の電気回路に噴射信号を出力する。ここで、圧縮行程後半は、圧縮行程を、前半と後半との2つの領域に区分(例えば、二等分)したときの後半である。また、膨張行程初期は、膨張行程を、初期、中期及び終期の3つの領域に区分(例えば、三等分)したときの初期である。
[0070]
 低負荷領域においては、燃料噴射量が相対的に少ないことから、シリンダ11の中心軸X上に配設されたインジェクタ33から、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間に、シリンダ11内に燃料を噴射することによって燃料噴霧の広がりを抑制して、燃焼室17内の中央部の混合気層G1と、その周囲のガス層G2とを形成することが比較的、容易に実現する。しかしながら、燃焼噴射量が増えるに従い、燃料噴射期間が長くなることから、燃料噴霧は特にシリンダ11の中心軸Xの方向に広がるようになり、その結果、混合気層G1は、例えばキャビティ15aの内壁15bを含むピストン15の冠面に触れるようになる。つまり、混合気層G1の周囲のガス層G2が確実に形成されなくなる。上述の通り、このエンジン1は、幾何学的圧縮比が高く、それに伴い燃焼室(つまり、ピストンが圧縮上死点に位置したときのシリンダ内空間)の容積が小さい。そのため、このエンジン1は、燃料噴霧がシリンダ11の中心軸Xの方向に広がったときに、混合気層G1はキャビティ15aの内壁15bを含むピストン15の冠面に触れやすい。
[0071]
 そこで、このエンジン1は、燃料噴射量が増える中負荷領域においても燃焼室17内の中心部の混合気層G1とその周囲のガス層G2とを確実に形成するために、燃焼室17内に形成する混合気層G1の形状をコントロールする。具体的には、図4に白抜きの矢印で示すように、燃料噴射量が増えたときには、燃料噴霧を、シリンダ11の中心軸Xに交差する径方向の外方に広がるようにする。そのことによって、混合気層G1の中心軸Xの方向の長さが長くなることを抑制して混合気層G1がキャビティ15aの内壁15bを含むピストン15の冠面に触れることを回避しつつ、中心軸Xの方向よりも空間的な余裕のある径方向の外方に混合気層G1を広げることによって、混合気層G1がシリンダ11の内壁に触れることも回避する。燃焼室17内に形成する混合気層G1の形状をコントロールすることは、燃焼室17内に形成される混合気層G1の中心軸方向の長さをL、径方向の幅をWとしたときに、長さLと幅Wとの比(L/W)を調整することであり、上述のS/V比を小さくする上で、L/W比を所定以上にしつつも、燃料噴射量が増えたときには、L/W比を小さくすることになる。
[0072]
 このような混合気層G1の形状のコントロールを実現するために、エンジン1では、インジェクタ33による燃料噴射の間隔(図6参照)とリフト量(図7参照)とがそれぞれ調整される。これにより、図5に示すように、燃料噴霧の進行方向への広がりと燃料噴霧の径方向への広がりとが独立して制御される。燃料噴射の間隔は、図6に概念的に示すように、燃料噴射の終了から、次の燃料噴射の開始までの間隔と定義される。上述の通り、このインジェクタ33は高応答であり、1~2msecの間に、20回程度の多段噴射が可能である。また、インジェクタ33のリフト量は、図7に概念的に示すように、燃料の噴射開口面積に比例し、上述の通り、リフト量が大きいほど、噴射開口面積(即ち、ノズル口41の有効断面積)は大きくなり、リフト量が小さいほど、噴射開口面積は小さくなる。
[0073]
 図8は、インジェクタ33のリフト量を一定にした上で、燃料の噴射間隔を長くしたとき(同図(A))と、噴射間隔を短くしたとき(同図(B))との燃料噴霧の広がりの違いを、概念的に示している。インジェクタ33からホローコーン状に噴射された燃料噴霧は、燃焼室17内を高速で流れる。そのため、コアンダ効果により、ホローコーンの内側においてインジェクタ33の中心軸Sに沿うように、負圧領域が発生する。燃料噴射間隔が長いときには、燃料噴射から次の燃料噴射までの間に、負圧領域の圧力が回復するようになるため、負圧領域は小さくなる。これに対し、燃料噴射間隔が短いときには、間を空けずに燃料噴射が繰り返されるため、負圧領域の圧力回復が抑制される。その結果、負圧領域は、図8(B)に示すように、大きくなる。
[0074]
 燃料噴霧は、この負圧に引き寄せされるようになる。負圧領域は中心軸Sを中心とする径方向の中央側に形成されるため、負圧領域が相対的に大きいときには、図8(B)に示すように、燃料噴霧の径方向への広がりは抑制される。これに対し、負圧領域が相対的に小さいときには、図8(A)に示すように、燃料噴霧は、あまり引き寄せられないため、径方向へ広がりやすくなる。つまり、インジェクタ33の燃料の噴射間隔を短くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる一方、その噴射間隔を長くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる。
[0075]
 図9は、燃料の噴射間隔を一定にした上で、インジェクタ33のリフト量を小さくしたとき(同図(A))と、リフト量を大きくしたとき(同図(B))との燃料噴霧の広がりの違いを、概念的に示している。この場合、噴射間隔が同じであるため、燃焼室17内の負圧領域は同じになるものの、リフト量が相違することによって、燃料噴霧の粒径が異なる。つまり、インジェクタ33のリフト量を小さくしたときには、燃料噴霧の粒径も小さくなるため、燃料噴霧の運動量が小さくなる。このため、燃料噴霧は、負圧によって径方向の中央側に引き寄せられやすくなり、図9(A)に示すように、径方向の外方への広がりが抑制される。これに対し、インジェクタ33のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の粒径が大きくなるため、燃料噴霧の運動量が大きくなる。このため、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられにくくなり、図9(B)に示すように、径方向の外方に広がり易くなる。つまり、インジェクタ33のリフト量を大きくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる一方、そのリフト量を小さくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる。
[0076]
 また、粒径が大きい燃料噴霧は、運動量が大きいので、進行方向への飛散距離も長くなる。さらに、粒径が大きい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しにくく、このことによっても飛散距離が長くなる。それに対し、粒径が小さい燃料噴霧は、運動量が小さいので、進行方向への飛散距離が短くなる。さらに、粒径が小さい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しやすく、このことによっても飛散距離が短くなる。
[0077]
 このように、インジェクタ33の噴射間隔及びリフト量を変更することによって、燃料噴霧の広がりを、径方向と進行方向との2方向について独立して制御することが可能になる。そこで、このエンジン1では、リフト量が相対的に大きく且つ噴射間隔が相対的に大きい複数回の燃料噴射を含む第1噴射群と、リフト量が相対的に小さく且つ噴射間隔が相対的に小さい複数回の燃料噴射を含む第2噴射群とを組み合わせて、混合気層G1の形状を制御している。何れの噴射群においても、複数回の燃料噴射を行う多段噴射が実行される。ここで、多段噴射とは、燃料の噴射間隔(燃料噴射の終了から次の燃料噴射の開始までの間隔)が0.5ms以下の断続的な燃料噴射を意味する。
[0078]
 詳しくは、第1噴射群は、インジェクタ33のリフト量を第2噴射群よりも大きくし且つ、燃料の噴射間隔を第2噴射群よりも大きくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を広くすることによって負圧領域が小さくなる。それに加えて、リフト量を大きくして燃料噴霧の粒径を大きくすることによって、燃料噴霧の運動量が大きくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ径方向へ広がった燃料噴霧が形成される。
[0079]
 第2噴射群は、インジェクタ33のリフト量を第1噴射群よりも小さくし且つ、燃料の噴射間隔を第1噴射群よりも小さくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を狭くすることによって負圧領域が拡大される。それに加えて、リフト量を小さくして燃料噴霧の粒径を小さくすることによって、燃料噴霧の運動量が小さくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に短く且つ径方向への広がりが抑制された燃料噴霧が形成される。
[0080]
 エンジン制御器100は、エンジン1の運転状態に応じて第1噴射群と第2噴射群との割合を変更することによって、混合気層G1をエンジン1の運転状態に応じた形状に制御している。基本的な原理としては、第1噴射群の割合を多くすることによって、径方向外方へ広がった混合気層G1が形成される一方、第2噴射群の割合を多くすることによって、径方向外側への広がりが抑制された混合気層G1が形成される。
[0081]
 尚、エンジン1の運転状態によっては、第1噴射群が省略され、第2噴射群だけが実行される場合や、第1噴射群に含まれる燃料噴射が1回だけで、あとは第2噴射群となる場合や、第2噴射群が省略され、第1噴射群だけが実行される場合や、第2噴射群に含まれる燃料噴射が1回だけで、あとは第1噴射群となる場合もある。また、第1噴射群の後に第2噴射群を実行してもよいし、第2噴射群のあとに第1噴射群を実行してもよい。
[0082]
 エンジン制御器100は、上述の多段噴射を前提として、エンジン1の運転状態に応じて噴射態様をさらに細かく制御している。図10は、クランク角に対する筒内圧力の変化を示す図である。図11は、筒内圧力に対するリフト量の変化を示す図である。図12は、筒内圧力に対する噴射間隔の変化を示す図である。
[0083]
 具体的には、エンジン制御器100は、エンジン1の運転状態が図4に示す低負荷及び中負荷領域に含まれるときには、多段噴射におけるインジェクタ33のリフト量及び噴射間隔を、燃焼室17の圧力(筒内圧力)に応じて調整する。
[0084]
 筒内圧力は、運転状態に応じて様々に変化する。例えば、筒内圧力は、エンジン負荷に応じて変化する。詳しくは、エンジン制御器100は、エンジン負荷に応じて吸気弁21の閉弁時期を下死点よりも遅角させることによって、吸気充填量を燃料量に応じた量に調整している。そのため、図10に示すように、エンジン負荷が大きくなると、吸気充填量が増加し、その結果、圧縮行程中の筒内圧力が全体的に上昇する。一方、エンジン負荷が小さくなると、吸気充填量が減少し、圧縮行程中の筒内圧力が全体的に減少する。
[0085]
 エンジン制御器100は、スロットル弁20の開度、吸気弁21の閉弁時期及びクランク角等に基づいて筒内圧力を求め、求めた筒内圧力に応じて、インジェクタ33の噴射態様を以下のように調整する。
[0086]
 エンジン制御器100は、筒内圧力が高くなるほど、インジェクタ33の噴射態様を燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ調整する。具体的には、エンジン制御器100は、図11に示すように、筒内圧力が高くなるほど、リフト量を大きくする。それに加えて、エンジン制御器100は、図12に示すように、筒内圧力が高くなるほど、噴射間隔を大きくする。つまり、リフト量及び噴射間隔は、燃料噴霧の広がりを調整するための、インジェクタ33が有するパラメータである。
[0087]
 ここでの筒内圧力は、燃焼サイクルごとの代表的な筒内圧力である。例えば、エンジン制御器100は、各燃焼サイクルにおける噴射開始時期の筒内圧力に応じて、リフト量及び噴射間隔を上述のように調整する。尚、各燃焼サイクルにおいて、どの時点での筒内圧力に応じてリフト量及び噴射間隔を調整するかは、任意に設定することができる。例えば、噴射開始時期ではなく、噴射終了時期の筒内圧力を採用してもよいし、圧縮上死点における筒内圧力を採用してもよい。つまり、燃焼室17内の燃料噴霧の広がりやすさを判定できるタイミングであれば、どの時点の筒内圧力を採用してもよい。
[0088]
 リフト量は、筒内圧力に対して線形的に増加させる。
[0089]
 一方、噴射間隔は、或る間隔以上広げても、燃料噴霧の広がりに対する影響が小さくなるので、筒内圧力が高くなるにつれて噴射間隔の増加量を減少させている。また、筒内圧力が高いときは、燃料量が多いときであり、燃料の噴射期間が長い。それに加えて、噴射間隔を大きくすると、噴射期間がさらに長くなってしまう。そのため、筒内圧力が高くなるにつれて噴射間隔の増加量を減少させることによって、燃料量が多いときの噴射期間の長期化を防止している。これにより、圧縮行程後半という限られた期間の中で必要な燃料量を、自己着火燃焼を適切な時期に生じさせるための所定の時期までに噴射し切ることができる。
[0090]
 具体的な噴射態様を図13,14に示す。図13は、筒内圧力が相対的に低いときの噴射態様であり、図14は、筒内圧力が相対的に高いときの噴射態様である。いずれの場合も、エンジン制御器100は、第1噴射群8及び第2噴射群9を実行する。そして、エンジン制御器100は、筒内圧力が高いほど、第1噴射群8におけるリフト量及び噴射間隔、並びに、第2噴射群9におけるリフト量及び噴射間隔を低負荷領域に比べて大きくする。リフト量を大きくすることによって、燃料噴霧が飛散しやすくなり、燃料噴霧が広がりやすくなる。また、噴射間隔を大きくすることによって、負圧領域が小さくなり、このことによっても燃料噴霧が広がりやすくなる。
[0091]
 ところで、リフト量及び噴射間隔を大きくしても、筒内圧力が高いので、実際の燃料噴霧は、リフト量及び噴射間隔の調整量ほどは広がらない。つまり、燃料噴霧が広がりやすい噴射態様によって、燃料噴霧が広がりにくい筒内環境を相殺している。これにより、所望の混合気を形成しやすくなる。
[0092]
 例えば、低負荷及び中負荷領域では、上述の如く、燃焼室17内の中央部の混合気層G1が形成され、その周囲のガス層G2が形成される。ここで、エンジン負荷が上昇すると、燃料量が増加し、それに応じて筒内圧力が高くなり、燃料噴霧が広がりにくい筒内環境となる。そのため、混合気層G1が小さくなる傾向にある。燃料量が多いことに加えて、混合気層G1が小さくなると、局所的に燃料がリッチな部分が発生しやすくなり、過早着火の可能性が高まる。
[0093]
 それに対し、筒内圧力が高くなるほどリフト量及び噴射間隔を大きくすることによって、燃料噴霧の広がりにくい環境に対向して、燃料噴霧の広がりやすい噴射態様とする。これにより、筒内圧力の上昇に起因する混合気層G1の縮小を抑制することができる。例えば、燃料噴霧、即ち、混合気層G1の広がりを筒内圧力が低いときよりも大きくするか、あるいは、筒内圧力が低いときと同程度にすることができる。これにより、過早着火を抑制することができる。
[0094]
 尚、エンジン負荷が変わると、燃料噴射時期も変化する。例えば、燃焼騒音が問題とならない、比較的低負荷の運転領域(即ち、燃焼時の圧力上昇率dP/dθが比較的小さい領域)では、燃料量が増加するほど燃料噴射の開始タイミングは進角される。これは、適切な着火遅れ時間を確保して、自己着火燃焼を適切な時期に生じさせるための所定の時期までに必要な燃料を噴射し切る必要があるためである。一方、燃料量が多く、燃焼騒音が問題となる運転領域(即ち、燃焼時の圧力上昇率dP/dθが比較的大きい領域)では、自己着火燃焼の発生時期をリタードさせて圧力上昇率dP/dθを減少させるべく、燃料噴射の開始タイミングが遅角される。圧縮行程中の筒内圧力は、図10に示すように、クランク角に応じて変化するので、燃料噴射時期が変わると、燃料噴射時及び燃料噴霧が飛散しているときの筒内圧力も変化する。例えば、燃料噴射を圧縮行程後半に行うとしても、圧縮行程後半の始めの方で燃料を噴射するのと、終わりの方で燃料を噴射するのでは、筒内圧力は大きく異なる。
[0095]
 そこで、エンジン制御器100は、燃焼サイクルごとの代表的な筒内圧力に応じて、リフト量及び噴射間隔を調整するだけでなく、燃料の噴射時期の変化に応じて、リフト量及び噴射間隔をさらに調整する。つまり、燃料の噴射時期が進角され、筒内圧力が比較的低い時期から燃料を噴射する際には、リフト量及び噴射間隔が小さめに調整される。一方、燃料の噴射時期が遅角され、筒内圧力が比較的高い時期に燃料を噴射する際には、リフト量及び噴射間隔が大きめに調整される。
[0096]
 以上のように、エンジン1は、シリンダ11内に設けられたピストン15を有し、該シリンダ11及び該ピストン15によって燃焼室17が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室17内にノズル口41を介して噴射するインジェクタ33と、少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタ33に燃料噴射を行わせ、該インジェクタ33の噴射態様を制御するエンジン制御器100とを備え、上記インジェクタ33は、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、上記エンジン制御器100は、上記燃焼室17の圧力が高くなるほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ調整する。
[0097]
 具体的には、エンジン1は、シリンダ11内に設けられたピストン15を有し、該シリンダ11及び該ピストン15によって燃焼室17が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室17内にノズル口41を介して噴射するインジェクタ33と、少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタ33に燃料噴射を行わせ、該インジェクタ33の噴射態様を制御するエンジン制御器100とを備え、上記インジェクタ33は、上記ノズル口41の有効断面積を調整可能に構成されており、上記エンジン制御器100は、上記燃焼室17の圧力に応じて、上記ノズル口41の有効断面積及び、多段噴射を行う場合の噴射間隔の少なくとも一方を調整する。
[0098]
 より詳しくは、上記エンジン制御器100は、上記燃焼室17の圧力が高くなるほど、上記ノズル口41の有効断面積を大きくする及び/又は、多段噴射を行う場合の噴射間隔を大きくする。
[0099]
 この構成によれば、燃焼室17の圧力が高くなって、燃料噴霧が広がりにくい筒内環境になるほど、燃料噴霧が広がりやすい態様にインジェクタ33の噴射態様が調整される。これにより、筒内圧力の上昇に起因する燃料噴霧の縮小を抑制することができ、所望の混合気を形成することができる。
[0100]
 《その他の実施形態》
 以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
[0101]
 上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
[0102]
 例えば、筒内圧力に応じてリフト量及び噴射間隔を調整するのは、低負荷及び中負荷領域に限られるものではない。それ以外の運転領域において、筒内圧力に応じたリフト量及び噴射間隔の調整を行ってもよい。
[0103]
 上記実施形態では、リフト量及び噴射間隔の両方を調整することによって、燃料噴霧の広がりやすさを調整しているが、これに限られるものではない。リフト量及び噴射間隔の何れか一方だけを調整することによって、燃料噴霧の広がりやすさを調整してもよい。
[0104]
 燃料噴霧の広がりやすさを調整するためのパラメータは、リフト量及び噴射間隔に限られない。例えば、燃料圧力を調整することによって、燃料噴霧の広がりやすさを調整してもよい。燃料圧力を高くすることによって、燃料噴霧の運動エネルギが大きくなるので、燃料噴霧が広がりやすくなる。さらに、リフト量、噴射間隔及び燃料圧力を組み合わせることによって、混合気層の形状の変更幅をさらに拡大することができる。つまり、燃料圧力を高くすることによって、インジェクタ33のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の運動エネルギがより大きくなり、燃料噴射間隔を狭くしたときには、負圧の程度が高くなって負圧領域がより拡大する。その結果、混合気層の形状の変更幅が、さらに拡大する。
[0105]
 筒内圧力の上昇に応じてリフト量及び噴射間隔を大きくした場合に形成される混合気層G1の形状は、リフト量及び噴射間隔を調整しない場合と比較して大きくなっていればよく、必ずしも、筒内圧力が低いときと比較して大きくなっている必要はない。
[0106]
 また、図11,12に示す、筒内圧力に対するリフト量及び噴射間隔の変化は、一例にすぎず、これ以外の態様でリフト量及び噴射間隔を変化させてもよい。
[0107]
 上記実施形態では、筒内圧力に基づくリフト量及び噴射間隔の調整は、各燃焼サイクルの燃料噴射全体に一律に実施される。しかし、各燃焼サイクルの一連の燃料噴射に対し、部分的にリフト量及び噴射間隔を調整してもよい。例えば、各燃焼サイクルの一連の燃料噴射のうち、筒内圧力が低い部分のリフト量及び噴射間隔を小さく、筒内圧力が高い部分のリフト量及び噴射間隔を大きくしてもよい。
[0108]
 上記実施形態では、低負荷及び中負荷領域において、燃料を圧縮行程後半に噴射しているが、これに限られるものではない。圧縮行程後半の燃料噴射に加えて、圧縮行程後半以前から燃料噴射を開始してもよいし、燃料噴射を圧縮上死点を超えて継続させてもよい。
[0109]
 また、図13,14に示すように、第1噴射群8及び第2噴射群9の多段噴射により燃料噴射しているが、この噴射態様に限られるものではない。例えば、第1噴射群8、又は、第2噴射群9のどちらか一方でも良いし、図16、図17に示すように、一括噴射でも良い。
[0110]
 なお、図16と図17は、吸気弁21の閉弁時期の相違により、筒内圧力が相違する状態でのインジェクタ33のリフト量を示している。筒内圧力が相対的に高い状態を示す図16ではリフト量が多く、筒内圧力が相対的に低い状態を示す図17ではリフト量が少ないが、燃焼室17内に形成される混合気層の大きさは変わらない。なお、燃料噴射量もほぼ同一である。筒内圧力が高い状態では燃料噴霧が飛び難く、大きな抵抗を受けるため、インジェクタ33から噴出される燃料量も少なくなるからである。
[0111]
 また、インジェクタの構成は、上記実施形態に限られるものではない。噴口の有効断面積を変更できる限り、任意のインジェクタを採用することができる。例えば、図15に示すような、VCO(Valve Covered Orifice)ノズルタイプのインジェクタ233であってもよい。図15は、インジェクタ233の内部構成を示す断面図である。
[0112]
 詳しくは、インジェクタ233は、シリンダ11内に燃料を噴射するノズル口241が形成されたノズル本体240と、ノズル口241を開閉するニードル弁242とを有する。ノズル本体240は、所定の中心軸Sに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル本体240の先端部は、円錐状に形成されている。ノズル本体240の先端部の内周面には、すり鉢状のシート部243が形成されている。ノズル本体240の先端部に、複数のノズル口241が貫通形成されている。ノズル口241の一端は、シート部243に開口している。ノズル口241は、中心軸S回りに等間隔で複数配置されている。ニードル弁242の先端部は、円錐状に形成され、ノズル本体240のシート部243に着座するようになっている。ノズル口241は、ニードル弁242がシート部243に着座することによって閉鎖されるようになっている。ノズル口241は、噴口の一例であり、ニードル弁242は、弁体の一例である。
[0113]
 ニードル弁242は、インジェクタ33と同様にピエゾ素子により駆動される。ニードル弁242が駆動され、シート部243からリフトされると、シート部243とニードル弁242との間に燃料が流通可能な隙間が形成され、この隙間を流通する燃料がノズル口241を介してノズル本体240の外部に噴射される。
[0114]
 このとき、ノズル口241の内周面には、燃料が流通する際にキャビテーションが発生する。このキャビテーションの度合い(例えば、キャビテーションが発生する領域の大きさ)は、ニードル弁242とシート部243との隙間、即ち、ニードル弁242のリフト量に応じて変化する。具体的には、ニードル弁242のリフト量が小さく、ニードル弁242とシート部243との隙間が小さいときには、キャビテーションが発生する領域も大きくなる。一方、ニードル弁242のリフト量が大きく、ニードル弁242とシート部243との隙間が大きいときには、キャビテーションが発生する領域も小さくなる。キャビテーションが発生する領域が大きいと、ノズル口241の有効断面積は小さくなる。キャビテーションが発生する領域が小さいと、ノズル口241の有効断面積は大きくなる。つまり、ニードル弁242のリフト量が小さいほど、ノズル口241の有効断面積は小さくなり、ニードル弁242のリフト量が大きいほど、ノズル口241の有効断面積は大きくなる。
[0115]
 尚、上記の例では、燃焼室17及び吸気ポート18の断熱構造を採用するようにしたが、ここに開示する技術は、燃焼室17及び吸気ポート18の断熱構造を採用しないエンジンにも適用することができる。
[0116]
 また、前記エンジン1は、運転領域の全域において圧縮自己着火による燃焼を行っているが、これに限られるものではない。点火プラグでの点火により燃焼を行わせる構成であってもよいし、圧縮自己着火と点火とを運転領域に応じて使い分ける構成であってもよい。

産業上の利用可能性

[0117]
 以上説明したように、ここに開示された技術は、直噴ガソリンエンジンの制御装置について有用である。

符号の説明

[0118]
1    エンジン
11   シリンダ(気筒)
15   ピストン
15a  キャビティ
15b  内壁
17   燃焼室
33   インジェクタ
40   ノズル本体
41   ノズル口(噴口)
42   外開弁(弁体)
100  エンジン制御器(制御部)
233  インジェクタ
241  ノズル口(噴口)
242  ニードル弁(弁体)
S    中心軸
X    中心軸

請求の範囲

[請求項1]
 気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、
 少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
 少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、該インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、
 上記インジェクタは、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、
 上記制御部は、上記燃焼室の圧力状態を予測すると共に、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなるように調整する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
[請求項2]
 請求項1に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
 上記制御部は、同一の燃料噴射量であっても、予測した上記燃焼室の圧力が高くなるほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが大きくなる方へ調整する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
[請求項3]
 請求項1又は2に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
 上記パラメータは、上記噴口の有効断面積であって、
 上記制御部は、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴口の有効断面積を大きくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
[請求項4]
 請求項1又は2に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
 上記パラメータは、多段噴射を行う場合の噴射間隔であって、
 上記制御部は、少なくとも圧縮行程後半において多段噴射を行わせ、且つ、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴射間隔を大きくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
[請求項5]
 請求項1又は2に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
 上記パラメータは、上記噴口の有効断面積及び多段噴射を行う場合の噴射間隔であって、
 上記制御部は、少なくとも圧縮行程後半において多段噴射を行わせ、且つ、予測した上記燃焼室の圧力が高いときは、低いときよりも、同一の燃焼噴射量であっても、上記噴項の有効断面積と上記噴射間隔とを共に大きくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
[請求項6]
 請求項3に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
 上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量に応じて該噴口の有効断面積が変化し、該弁体のリフト量が大きいほど該噴項の有効断面積が大きくなるように構成されている直噴ガソリンエンジンの制御装置。
[請求項7]
 気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、
 少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
 少なくとも圧縮行程後半に上記インジェクタに燃料噴射を行わせ、該インジェクタの噴射態様を制御する制御部とを備え、
 上記インジェクタは、燃料噴霧の広がりを調整するためのパラメータを有し、
 上記制御部は、上記圧縮行程後半での上記インジェクタによる燃料噴射時期に対応して、燃料噴射時期が早いほど、上記パラメータを燃料噴霧の広がりが小さくなるように調整する直噴ガソリンエンジンの制御装置。
[請求項8]
 請求項7に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
 上記パラメータは、上記噴口の有効断面積であって、
 上記制御部は、上記圧縮行程後半での上記インジェクタによる燃料噴射時期が早いときには、遅いときに対して、上記噴口の有効断面積を小さくする直噴ガソリンエンジンの制御装置。
[請求項9]
 請求項1~8の何れか1つに記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
 上記制御部は、上記混合気層の混合気が着火する時点において、上記燃焼室を区画する壁面と上記混合気層との間に新気及び/又は既燃ガスのガス層が形成されるように、圧縮行程後半において上記インジェクタに燃料噴射を行わせる直噴ガソリンエンジンの制御装置。
[請求項10]
 請求項9に記載の直噴ガソリンエンジンの制御装置において、
 上記燃焼室の壁面は、上記ピストンの冠面に形成された凹状のキャビティの内周面である直噴ガソリンエンジンの制御装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]

[ 図 12]

[ 図 13]

[ 図 14]

[ 図 15]

[ 図 16]

[ 図 17]