JP2003106195A - 火花点火式直噴エンジンの制御装置 - Google Patents

火花点火式直噴エンジンの制御装置

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JP2003106195A
JP2003106195A JP2001302982A JP2001302982A JP2003106195A JP 2003106195 A JP2003106195 A JP 2003106195A JP 2001302982 A JP2001302982 A JP 2001302982A JP 2001302982 A JP2001302982 A JP 2001302982A JP 2003106195 A JP2003106195 A JP 2003106195A
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fuel injection
fuel
valve
spark ignition
combustion chamber
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JP2001302982A
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Hiroyuki Yamashita
洋幸 山下
Fumihiko Saito
史彦 斉藤
Keiji Araki
啓二 荒木
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Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
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Publication date
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/40—Engine management systems

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  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外気温度が著しく低い冷間始動時の着火性を
高め、極低温時の始動性を向上することができる火花点
火式直噴エンジンの制御装置を提供する。 【解決手段】 燃焼室６の周縁部に燃料噴射弁１８が設
置され、大気圧条件下での上記燃料噴射弁１８からの噴
霧エリア内に点火プラグ１６の電極が位置するように構
成された火花点火式直噴エンジンにおいて、燃料噴射制
御手段５１を備える。この燃料噴射制御手段５１は、外
気温度が０°Ｃ以下の冷間状態における始動時に、上記
燃料噴射弁１８からの燃料噴射時期を、圧縮行程におい
て燃焼室６内の圧力が所定圧力以上に上昇する所定期間
内とするように制御している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室周縁部に燃
料噴射弁を配置するとともにその噴霧エリア内に点火プ
ラグの電極が位置するように構成された火花点火式直噴
エンジンの制御装置に関し、特に始動時の燃料噴射の制
御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来から、火花点火式エンジンにおい
て、燃焼室周縁部に燃料噴射弁を配置し、低速低負荷側
の所定運転領域で、空燃比をリーンとするとともに上記
燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することにより成
層燃焼を行わせ、燃費改善を図るようにした火花点火式
直噴エンジンは種々知られている。
【０００３】この種の火花点火式直噴エンジンにおいて
エンジン始動時における燃料噴射の制御に関する技術と
しては、例えば特開平９−７９０６６号公報に示された
制御装置が知られている。この制御装置は、エンジン始
動時に、エンジンの冷却水温度が８０°Ｃ程度に高いと
きは圧縮行程で燃料を噴射し、エンジン始動時の冷却水
温度が低いほど燃料噴射時期を進角させ、例えば冷却水
温度が２０°Ｃ程度であれば吸気行程で燃料噴射を行わ
せるようにしている。このようにしているのは、エンジ
ン始動時にエンジン温度が低いときは燃料噴射時期から
点火時期までの期間を長くすることで燃料の気化、霧化
を図ろうとしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、火花点火式
直噴エンジンにも種々のタイプがあるが、燃焼室内に生
成されるタンブル流に対向させるように燃料噴射弁から
の燃料を噴射して、燃料噴霧がタンブル流に衝突してか
ら点火プラグ周りに達するようにしたものや、燃料噴射
弁からの燃料噴霧が直接点火プラグ周りに達するように
したものでは、通常、吸気弁近傍の燃焼室周縁部に燃料
噴射弁が設置されるとともに、大気圧条件下での上記燃
料噴射弁からの噴霧エリア内に点火プラグの電極が位置
するように燃料噴射弁と点火プラグとの位置関係及び燃
料噴射弁からの燃料噴射方向などが設定されている。
【０００５】当発明者において調べたところによると、
このようなエンジンにおいて、外気温度が著しく低い冷
間始動時には、燃料の気化、霧化時間を稼ぐべく吸気行
程中に燃料噴射を行っても、必ずしも着火性が向上され
ず、失火が生じ易い。
【０００６】その理由を考察すると、後に詳しく説明す
るように、吸気行程中で吸気弁が比較的大きく開いてい
る期間に燃料噴射が行われた場合に、燃料噴射弁の噴霧
エリア内に介入する吸気弁の傘部に燃料噴霧の多くが衝
突して、そのまま吸気弁の傘部に付着したり、この部分
で反射して燃焼室天井部の壁面に付着したりし易い。そ
して、とくに外気温度が０°Ｃ以下というような極低温
時には、吸気弁の傘部ヤ燃焼室天井部の壁面に付着した
燃料が点火時期までに殆ど気化されないため、点火プラ
グ周りに到達する燃料が少なくなったり、燃料の液滴が
燃焼室天井部の壁面から点火プラグの電極部分に流れて
電極に付着したりすることで着火性が悪くなる。
【０００７】本発明はこのような点に鑑み、外気温度が
著しく低い冷間始動時の着火性を高め、極低温時の始動
性を向上することができる火花点火式直噴エンジンの制
御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に係る発明は、燃焼室周縁部に燃料噴射弁
が設置され、大気圧条件下での上記燃料噴射弁からの噴
霧エリア内に点火プラグの電極が位置するように構成さ
れた火花点火式直噴エンジンにおいて、外気温度が０°
Ｃ以下の冷間状態における始動時に、上記燃料噴射弁か
らの燃料噴射時期を、圧縮行程において燃焼室内の圧力
が所定圧力以上に上昇する所定期間内とするように制御
する燃料噴射制御手段を備えたものである。
【０００９】この構成によると、冷間状態における始動
時には、吸気弁が閉じているときに燃料噴射が行われる
ので、燃料噴霧が吸気弁の傘部に衝突することがない。
しかも、圧縮行程において燃焼室内の圧力が所定圧力以
上に上昇する所定期間内に燃料噴射が行われることによ
り、このときの燃焼室内の高い圧力が利用されて燃料噴
霧の飛びすぎが抑制され、燃焼室の周壁や天井部等に燃
料が付着することが少なくなって、燃料噴霧の多くが点
火プラグ付近に浮遊する状態で点火が行われる。このた
め、着火性が確保され、冷間状態での始動性が向上され
る。
【００１０】この発明において、上記所定圧力は、その
圧力下の燃焼室内の噴射される燃料の噴霧角を小さくす
るような圧力であること（請求項２）が好ましい。この
ようにすると、大気圧条件下での噴射と比べて噴霧の到
達距離が短くなるとともに噴霧角が狭められることによ
り、燃焼室の周壁や天井部等への付着が避けられる。
【００１１】なお、燃料噴射弁からの燃料の噴射圧力が
低いクランキング開始直後は圧縮行程の所定期間内に燃
料噴射を行うことが困難であるため、上記燃料噴射制御
手段は、燃料噴射時期を圧縮行程の所定期間内とする制
御を、冷間始動時のクランキング期間において燃料噴射
弁からの燃料の噴射圧力が圧縮行程の所定期間内に燃料
噴射が可能な所定噴射圧力に上昇してから行うようにな
っている（請求項３）。
【００１２】また、上記燃料噴射制御手段は、始動時の
燃料噴射時期を外気温度が高いほど進角させるように制
御するようになっていること（請求項４）が好ましい。
このようにすると、外気温度が高いときは燃料噴射から
点火までの時間が長くなることで気化、霧化が促進され
る。
【００１３】また、上記燃料噴射制御手段による冷間状
態における始動時の制御としては、燃料噴射を複数回に
分割して行わせるようにすること（請求項５）も効果的
である。このようにすると、燃料の気化、霧化に有利と
なる。
【００１４】請求項６に係る発明は、燃焼室周縁部に燃
料噴射弁が設置され、大気圧条件下での上記燃料噴射弁
からの噴霧エリア内に点火プラグの電極が位置するよう
に構成された火花点火式直噴エンジンにおいて、始動時
の燃料噴射時期を外気温度が高いほど進角させるように
制御する燃料噴射制御手段を備えたものである。
【００１５】この構成によると、外気温度が高いときは
燃料噴射から点火までの時間が長くなることで気化、霧
化が促進される。
【００１６】また、請求項７に係る発明は、燃焼室周縁
部に燃料噴射弁が設置され、大気圧条件下での上記燃料
噴射弁からの噴霧エリア内に点火プラグの電極が位置す
るように構成された火花点火式直噴エンジンにおいて、
外気温度が０°Ｃ以下の冷間状態における始動時に、上
記燃料噴射弁からの燃料噴射時期を、少なくとも吸気弁
のリフト量が大きい期間を除いた吸気行程後期とするよ
うに制御する燃料噴射制御手段を備えたものである。
【００１７】この構成によると、冷間状態における始動
時に、燃料噴霧が吸気弁の傘部に衝突することが避けら
れつつ、燃料噴射から点火までの間に燃料の気化、霧化
のための時間が稼がれる。
【００１８】この発明において、上記燃料噴射制御手段
は、燃料噴射弁からの燃料の噴射圧力が高くなるにつれ
て燃料噴射時期を圧縮行程に移すように制御すること
（請求項８）が好ましい。
【００１９】また、請求項９に係る発明は、燃焼室周縁
部に燃料噴射弁が設置され、大気圧条件下での上記燃料
噴射弁からの噴霧エリア内に点火プラグの電極が位置す
るように構成された火花点火式直噴エンジンにおいて、
吸気弁のリフト量を変更可能にするバルブリフト量可変
手段と、外気温度が０°Ｃ以下の冷間状態における始動
時に、吸気弁のリフト量を小さくしつつ上記燃料噴射弁
からの燃料噴射を吸気行程で行わせるようにバルブリフ
ト量可変手段及び燃料噴射弁を制御する制御手段と備え
たものである。
【００２０】この構成によっても、冷間状態における始
動時に、燃料噴霧が吸気弁の傘部に衝突することが避け
られつつ、燃料噴射から点火までの間に燃料の気化、霧
化のための時間が稼がれる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。
【００２２】図１は、本発明の一実施形態による火花点
火式直噴エンジンの全体的な構成を示す。この図におい
て、エンジン本体１は、複数の気筒２が配設されたシリ
ンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配置さ
れたシリンダヘッド４とを有し、各気筒２内にはピスト
ン５が上下方向に往復動可能に嵌挿されていて、そのピ
ストン５とシリンダヘッド４との間に燃焼室６が形成さ
れている。
【００２３】上記ピストン５は、シリンダブロック３の
下方部に回転自在に支持されたクランク軸７に、コネク
ティングロッド８を介して連結されている。クランク軸
７の一端側には、クランク角（クランク軸７の回転角
度）を検出する電磁式のクランク角センサ９が配置され
ている。
【００２４】各気筒２の燃焼室６は、その天井部が中央
部分からシリンダヘッドの下端まで延びる２つの傾斜面
で構成された所謂ペントルーフ型となっている。この燃
焼室６には複数の吸気ポート１０と排気ポート１１とが
開口し、当実施形態では天井部を構成する２つの傾斜面
に吸気ポート１０及び排気ポート１１がそれぞれ２つず
つ開口している。各ポート１０，１１の開口端には吸気
弁１２及び排気弁１３が設けられ、これら吸気弁１２及
び排気弁１３は、シリンダヘッド４の上部に軸支された
２本のカム軸１４等からなる動弁機構により、それぞれ
各気筒毎に所定のタイミングで開閉作動されるようにな
っている。
【００２５】上記燃焼室６の中央部の上方には、上記４
つの吸排気弁に取り囲まれるように点火プラグ１６が配
置されており、この点火プラグ１６の先端が上記天井部
から燃焼室６内に突出している。この点火プラグ１６に
は点火回路１７が接続され、各気筒２毎に所定のタイミ
ングで点火プラグ１６に通電するようになっている。ま
た、上記燃焼室６の周縁部には、２つの吸気ポート１０
に挟まれるように燃料噴射弁１８が配置され、この燃料
噴射弁１８から燃焼室６内に直接燃料が噴射されるよう
になっている。
【００２６】上記エンジン本体１の構造を、図２〜図４
を参照しつつさらに詳しく説明すると、上記両吸気ポー
ト１０は、燃焼室６から斜め上方に向かって直線的に延
びていて、エンジン本体１の一側面（図２で左側面）に
開口しており、２つの吸気ポート１０は互いに独立して
形成されている。これらの吸気ポート１０を通って燃焼
室６内に流入する空気により燃焼室６内にタンブル流Ｔ
が生成されるようになっている。図２のように燃焼室６
の左側に吸気ポート１０、右側に排気ポート１１が位置
する断面においては時計方向（図２中の矢印方向）にタ
ンブル流Ｔが生成される。
【００２７】上記燃焼室６の天井部を形成する二つの傾
斜面は、この傾斜面と略直交するように設置される吸気
弁１２および排気弁１３の設置角度（挟み角度）αが比
較的大きな値、例えば３５°以上となるように、傾斜角
度が設定されている。このように傾斜面の角度が大きな
値に設定されることにより、上記吸気ポート１０および
排気ポート１１が大きく屈曲することが防止され、吸気
および排気の流動抵抗が小さな値に設定されるようにな
っている。
【００２８】上記燃料噴射弁１８及び点火プラグ１６
は、大気圧条件下で燃料噴射弁１８からの噴霧エリア内
に点火プラグ１６の電極が位置するように、これらの位
置関係及び燃料噴射弁１８からの噴射方向等が設定され
ている。
【００２９】特に当実施形態では、タンブル流を利用し
て成層化を図るべく、燃料噴射弁１８からの燃料噴射方
向が燃焼室６内のタンブル流Ｔに対向するように設定さ
れている。すなわち、図２に示す断面において燃焼室６
の左側に位置する燃料噴射弁１８から斜め右下方に向け
て燃料が噴射されることにより、噴射された燃料がピス
トン５の冠面上でタンブル流Ｔと逆行する方向に向かう
ようになっている。
【００３０】上記ピストン５の冠面には、上記断面にお
いてシリンダ軸線Ｚを挟んで左右両側にわたる所定範囲
に凹部５ａが形成されている。そして、図３に示すよう
に燃焼室６の天井部に沿った流れをタンブル順流Ｔｓ、
燃焼室６の底部に沿った流れをタンブル正流Ｔｍと定義
すると、上記凹部５ａ内に、タンブル正流Ｔｍと燃料噴
霧Ｆａとが互いに逆方向から導入されることにより、こ
の凹部５ａ内で上記タンブル正流Ｔｍと燃料噴霧Ｆａと
が正面衝突するようになっている。
【００３１】図４に示すように平面視において、上記凹
部５ａは、燃料の噴射方向を長軸とし、これと直交する
方向を短軸とする略楕円状に形成されている。上記凹部
５ａの設置部を除いたピストン５の冠面の外周部分５ｂ
は、これに対向する燃焼室６の天井部の傾斜面に略沿う
ように形成され、気筒２の圧縮上死点前の所定期間、例
えばＢＴＤＣ４０°ＣＡ〜ＴＤＣの期間においてピスト
ン５の冠面の外周部分５ｂと、燃焼室６の天井部とによ
り挟まれる隙間がスキッシュエリアとなるように構成さ
れている。なお、ＴＤＣは上死点、ＢＴＤＣは上死点
前、ＣＡはクランク角を意味する。
【００３２】また、上記燃料噴射弁１８に対する燃料供
給系２０の具体例を図５によって説明すると、燃料噴射
弁１８の基端部には全気筒２に共通の燃料分配管１９が
接続されていて、燃料供給系２０から供給される高圧の
燃料を各気筒に分配するようになっており、この燃料供
給系２０には、分配管１９と燃料タンク２１とを連通さ
せる燃料通路２２の上流側から下流側に向かって、低圧
ポンプ２３、低圧レギュレータ２４、燃料フィルタ２５
および高圧ポンプ２６が順に配設されている。そして、
上記低圧ポンプ２３により燃料タンク２１から吸い上げ
られた燃料が、低圧レギュレータ２４により調圧された
後、燃料フィルタ２５により濾過された状態で高圧ポン
プ２６に圧送されるようになっている。
【００３３】上記高圧ポンプ２６は、燃料の吐出量を広
い範囲に亘って調節可能な電磁ポンプ等からなり、燃料
分配管１９への燃料の吐出量を調節することにより、燃
圧（燃料噴射弁からの燃料の噴射圧力）を適正値（例え
ば略３ＭＰａ〜略１３ＭＰａ、好ましくは４ＭＰａ〜７
ＭＰａ程度）に制御するように構成されている。なお、
上記高圧ポンプ２６によって昇圧された燃料の一部を、
リターン通路から燃料タンク２１に戻すことにより、上
記燃料分配管１９に供給される燃料の圧力状態を適正値
に調節する高圧レギュレータを設けた構成としてもよ
い。
【００３４】図１に戻って、上記エンジン本体１の一側
面には、各気筒の吸気ポート１０に連通する吸気通路３
１が接続され、一方、エンジン本体１の他側面には、各
気筒の排気ポート１１に連通する排気通路３２が接続さ
れている。
【００３５】上記吸気通路３１は、エンジン本体１の各
気筒２の燃焼室６に対し図外のエアクリーナで濾過した
空気を供給するものであり、その上流側から順に、吸気
量を検出するエアフローセンサ３３と、電動式モータ３
５により駆動されて開閉する電気式スロットル弁３４
と、サージタンク３６とが配設されている。また、サー
ジタンク３６よりも下流の吸気通路３１は、各気筒２毎
に分岐する独立吸気通路とされており、各独立吸気通路
の下流端部はさらに２つに分岐して、２つの吸気ポート
１０にそれぞれ連通している。
【００３６】上記各吸気ポート１０の上流側には、燃焼
室６内におけるタンブル流の強度を調節するタンブル調
節弁３７が配設され、このタンブル調節弁３７が、例え
ばステッピングモータからなるアクチュエータ３８によ
り開閉駆動されるようになっている。上記タンブル調節
弁３７は、円形のバタフライ弁の一部、例えば弁軸より
も下側の部分を切り欠くことによって形成され、タンブ
ル調節弁３７が閉じられているときに、上記切欠き部分
を介して吸気を下流側に流動させることにより、燃焼室
６内にタンブル流を形成し、上記タンブル調節弁３７が
開かれるのに応じてタンブル流を徐々に弱めるように構
成されている。
【００３７】なお、上記吸気ポート１０やタンブル調節
弁３７の形状は、上記形状に限定されるものではなく、
例えば吸気ポート１０を、上流側で一つに合流する所謂
コモンポートタイプに構成してもよい。この場合、上記
タンブル調節弁３７は、コモンポートの断面形状に対応
する形状のものをベースとして、その一部分を切り欠い
た形状とすればよい。
【００３８】一方、上記排気通路３２は、燃焼室６から
既燃ガスを排出するものであり、その上流端側には各気
筒２の排気ポート１１に連通する排気マニフォールド３
９を備えている。この排気マニフォールド３９の集合部
には排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ2センサ４０
が配設されている。このリニアＯ2センサ４０は排気中
の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するために用いられ
るもので、理論空燃比を含む所定の空燃比範囲において
酸素濃度に対しリニアな出力が得られるようになってい
る。
【００３９】排気マニフォールド３９の集合部には排気
管４１の上流端が接続され、この排気管４１には、排気
を浄化するための触媒４３が設けられている。
【００４０】また、排気管４１の上流側には、排気通路
３２を流れる排気の一部を吸気通路３１に還流させるＥ
ＧＲ通路４４の上流端が接続されている。このＥＧＲ通
路４４の下流端は吸気通路３１の上記スロットル弁３４
より下流、例えばサージタンク３６に接続されている。
ＥＧＲ通路４４の途中には開度調節可能な電気式のＥＧ
Ｒ弁４５が配設されていて、ＥＧＲ通路４４による排気
の還流量を調節できるようになっている。
【００４１】上記点火回路１７、燃料噴射弁１８、燃料
供給系２０、スロットル弁３４を駆動するモータ３５、
タンブル調節弁３７のアクチュエータ３８、電気式ＥＧ
Ｒ弁４５等は、エンジンコントロールユニット５０（以
下、ＥＣＵという）によって制御されるようになってい
る。このＥＣＵ５０には、上記クランク角センサ９、エ
アフローセンサ３３、リニアＯ2センサ４０等からの信
号が入力され、さらに、アクセル開度（アクセルペダル
の操作量）を検出するアクセル開度センサ４６からの検
出信号、エンジンの回転速度を検出する回転速度センサ
４７からの検出信号、外気温度を検出する外気温センサ
４８からの検出信号、スタータスイッチ４９からの信号
等も入力されるようになっている。
【００４２】上記ＥＣＵ５０は、燃料噴射制御手段５１
を含んでいる。この燃料噴射制御手段５１は、燃料噴射
弁１８からの燃料噴射の時期、噴射量及び噴射率の制御
を行う。
【００４３】具体的には、エンジンの始動、暖機後の通
常運転時の制御としては図６に示すように、エンジンの
低負荷かつ低回転の運転領域（イ）を成層燃焼領域、そ
れ以外の領域（ロ）を均一燃焼領域と設定し、成層燃焼
領域（イ）では、燃料噴射弁１８から圧縮行程の所定時
期（例えば圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）４０°〜１４０°
の範囲）に燃料を噴射して成層燃焼を行わせるようにす
る。このとき、空燃比はリーン（例えばＡ／Ｆ＞２５）
とするように吸入空気量及び燃料噴射量を制御する。一
方、均一燃焼領域（ロ）では、燃料噴射弁１８から吸気
行程で燃料を噴射して均一燃焼を行わせるようにする。
このとき、空燃比は略理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）
とするように吸入空気量及び燃料噴射量を制御する。な
お、特に全負荷運転状態では空燃比を理論空燃比よりも
リッチ（例えばＡ／Ｆ＝１３程度）としてもよい。
【００４４】また、エンジン始動時の制御としては、外
気温センサ４８及びスタータスイッチ４９からの信号に
基づいて、外気温度が０°Ｃ以下の冷間状態での始動時
（以下、冷間始動時という）であるか外気温度が０°Ｃ
より高い温間状態での始動時（以下、温間始動時とい
う）であるかを判別する。そして、冷間始動時であれば
図７（ａ）に示すように、燃料噴射時期を圧縮行程にお
いて燃焼室内の圧力が所定圧力以上に上昇する所定期間
内とするように制御する。
【００４５】ここで、上記所定圧力とは、大気圧よりも
充分に高くて、当該圧力の雰囲気中に噴射される燃料の
到達距離が大気圧条件下と比べて短くなるような圧力で
あり、さらに好ましくは、当該圧力の雰囲気中に噴射さ
れる燃料の噴霧角が大気圧条件下と比べて小さくなるよ
うな圧力である。上記所定期間は、具体的には圧縮行程
の中期乃至後期である。なお、クランキングの開始に伴
って燃料供給系２０の高圧ポンプ２６が駆動し初めてか
ら、圧縮行程の所定期間内に燃料噴射を行うことが可能
な程度に燃圧が上昇するまでには、数サイクル程度を要
する。このため、上記のような冷間始動時の制御は、ク
ランキング期間において燃圧が圧縮行程の所定期間内に
燃料噴射が可能な所定燃圧（１メガパスカル程度）に上
昇してから行うこととする。
【００４６】一方、温間始動時であれば図７（ｂ）に示
すように、燃料噴射時期を吸気行程の期間内となるよう
に制御する。なお、始動時の制御としては、温間始動時
か温間始動時かに応じて燃料噴射時期を図７（ａ）に示
す時期と図７（ｂ）とに切換えるようにしてもよいが、
図７（ａ）に示す時期から図７（ｂ）に示す時期にまで
わたり、多段階もしくは無段階に、外気温度が高いほど
燃料噴射時期を進角させるようにしてもよい。
【００４７】なお、ＥＣＵ５０は上記のような燃料噴射
の制御のほかにも、運転状態に応じた制御として、少な
くとも成層燃焼領域ではタンブル調節弁３７を閉じ、も
しくは小開度としてタンブル流を強化するように制御す
るとともに、タンブル流の強さと燃料噴霧の貫徹力がバ
ランスするように燃料供給系２０の高圧ポンプ２６等を
制御することで燃圧を制御し、さらに、少なくとも成層
燃焼領域では排気ガスの還流を行なわせるようにＥＧＲ
弁４５を制御している。
【００４８】以上のような当実施形態の装置によると、
エンジンの始動、暖機後の通常運転時において成層燃焼
領域にあるときは、圧縮行程で燃料噴射弁１８から燃料
が噴射され、かつ、燃焼室６内にタンブル流が生成され
て、このタンブル流に対向するように燃料が噴射される
ことにより、燃焼室６内でタンブル流と燃料噴霧とが互
いに衝突し、燃料の気化、霧化が促進されつつ、点火時
期に点火プラグ１６付近に可燃混合気が生成され、成層
燃焼が行われる。また、上記通常運転時において均一燃
焼領域にあるときは、吸気行程で燃料噴射弁１８から燃
料が噴射され、均一燃焼が行われる。
【００４９】ところで、エンジン始動時で、とくに外気
温度が０°Ｃ以下の冷間状態にあるときは、クランキン
グ期間において燃圧が所定燃圧に上昇してから、圧縮行
程において燃焼室内の圧力が所定圧力以上に上昇する所
定期間内に燃料噴射が行われる（図７（ａ）参照）こと
により、失火が防止されて、始動性が向上される。この
作用を、図２及び図８を参照しつつ具体的に説明する。
【００５０】図２に示すように燃料噴射弁１８は吸気弁
１２の近傍（２つの吸気弁の間）の燃焼室周縁部に位置
し、水平方向より少し下向きで燃焼室中央部側へ向けて
燃料を噴射するように配置されている。このような構造
において冷間始動時に従来のように吸気行程の途中で燃
料噴射を行うと、図２に二点鎖線で示すように燃料噴射
弁１８の噴霧エリア内に開弁状態の吸気弁１２の傘部が
介入する状態となり、この吸気弁１２の傘部に燃料噴霧
の多くが衝突して、そのまま吸気弁１２の傘部に付着し
たり、この部分で反射して燃焼室天井部の壁面に付着し
たりし易い。そして、とくに外気温度が０°Ｃ以下とい
うような冷間時には、吸気弁１２の傘部や燃焼室天井部
の壁面に付着した燃料が点火時期までに殆ど気化されな
いため、点火プラグ周りに燃料噴霧が殆ど到達しないこ
とにより着火が不能となったり、燃焼室天井部の壁面か
ら点火プラグ周面を伝って流れる燃料の液滴が電極に付
着して着火を妨げたりすることにより、失火を招くこと
となる。
【００５１】これに対し、当実施形態のように圧縮行程
で燃料噴射を行えば、吸気弁１２は閉じていて噴霧エリ
アに介入しないため、燃料噴霧が吸気弁１２の傘部に衝
突することがない。
【００５２】また、始動時はエンジン回転数が低くてタ
ンブル流は殆ど生じないのでタンブル流によって燃料噴
霧を点火プラグ周りに滞留させる作用や気化、霧化を促
進する作用は期待できないが、圧縮行程において燃焼室
内の圧力が所定圧力以上に上昇する所定期間内に燃料噴
射が行われることにより、図８に示すように、大気圧条
件下での噴射（二点鎖線）と比べ、噴霧の到達距離が短
くなるとともに噴霧角が狭められる。このため、燃料噴
霧が飛びすぎて燃焼室６の周壁や天井部に付着すること
が少なくなり、燃料噴霧の多くが点火プラグ付近に浮遊
する状態で点火を行わせることができる。
【００５３】そして、タンブル流が殆どなく、かつ、噴
射時期から点火までの時間が短いことから、燃料の気
化、霧化の面では不利であるが、気化、霧化が多少悪く
ても、燃料が噴霧の状態で点火プラグ１６周りに浮遊し
ていれば充分に着火、燃焼が可能であって、失火は避け
られる。とくに、燃料噴射弁１８にスワールインジェク
タ等の微粒化性能の高いものを用いれば、良好に着火、
燃焼を行わせることができる。
【００５４】このようにして、冷間始動時の始動性が向
上され、外気温度が０°Ｃよりもさらに低いマイナス数
十度というような極低温時であっても良好に始動を行う
ことができる。
【００５５】一方、温間始動時には、空気とのミキシン
グ時間を長くするため噴射時期が早められ、例えば吸気
行程期間中に燃料噴射が行われる（図７（ｂ）参照）。
この場合、開弁状態にある吸気弁１２の傘部に燃料噴霧
が衝突して傘部や天井面に付着したとしても、温間時で
あるために点火時期までに気化することができ、着火性
が良好に保たれる。
【００５６】なお、本発明の装置の具体的構成は上記実
施形態に限定されず、種々変更可能であり、その数例を
以下に説明する。
【００５７】上記実施形態では、冷間始動時に、圧縮
行程の所定期間内に一括噴射を行っているが、複数回の
分割噴射を行うようにしてもよく、例えば図９に示すよ
うに、圧縮行程の所定期間内の後期噴射と、それより早
い時期（例えば圧縮行程前期）の早期噴射とを行うよう
にしてもよい。このようにすれば、早期噴射の燃料は点
火までに気化、霧化の時間が稼がれる。
【００５８】冷間始動時の燃料噴射の制御としては、
図１０に示すように、少なくとも吸気弁のリフト量が大
きい期間を除いた吸気行程後期に燃料噴射を行うように
してもよい。このようにしても、燃料噴射時期に吸気弁
１２が噴霧エリアに介入しないため、燃料噴霧が吸気弁
１２の傘部に衝突することがない。また、燃料噴射時期
から点火時期までの間に気化、霧化が図られる。
【００５９】なお、始動開始直後の燃圧が低いときにこ
のように吸気行程後期に燃料噴射を行い、燃圧が高くな
ると噴射時期を圧縮行程に移すようにしてもよい。
【００６０】また、吸気弁１２に対する動弁機構に吸
気弁のリフト量を変更可能にするバルブリフト量可変手
段を設け、ＥＣＵに含まれる制御手段により、通常運転
時や温間始動時には吸気弁１２を図１１に破線で示す高
リフト状態とするようにバルブリフト量可変手段を制御
し、冷間始動時には吸気弁１２を図１１に実線で示す低
リフト状態とするようにバルブリフト量可変手段を制御
するとともに、燃料噴射を吸気行程で行わせるようにし
てもよい。このようにしても、吸気弁１２が噴霧エリア
に介入することが避けられて燃料噴霧が吸気弁１２の傘
部に衝突することがなく、また、燃料噴射時期から点火
時期までの間に気化、霧化が図られる。
【００６１】上記実施形態では、エンジンの始動、暖
機後において成層燃焼運転を行うときに、燃料噴射弁か
らの噴霧とタンブル流とを衝突させることで点火プラグ
周りに混合気を成層化させるようにしているが、燃料噴
射弁から直接点火プラグ周りに燃料を噴射供給するよう
にしたものにも本発明は適用可能である。
【００６２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、火花点
火式直噴エンジンにおいて、冷間状態における始動時
に、上記燃料噴射弁からの燃料噴射時期を、圧縮行程に
おいて燃焼室内の圧力が所定圧力以上に上昇する所定期
間内とするように制御しているため、燃料噴霧が吸気弁
の傘部に衝突することが避けられ、しかも、圧縮行程に
おける燃焼室内の高い圧力を利用して、燃料噴霧が飛び
すぎて燃焼室の周壁や天井部等に付着することを少なく
し、燃料噴霧の多くが点火プラグ付近に浮遊する状態で
点火を行わせることができる。このため、外気温度が極
めて低いときにも着火性を確保し、始動性を向上するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置が適用される火花点火式直噴
エンジンの全体構造の一例を示す概略図である。
【図２】エンジン本体の断面図である。
【図３】ピストンの具体的形状を示す断面図である。
【図４】ピストン、吸気ポート、燃料噴射弁等の配置及
び燃料の噴射状態を示す平面図である。
【図５】燃料供給系統を示すブロック図である。
【図６】成層燃焼領域及び均一燃焼領域を設定した制御
マップの一例を示す図である。
【図７】冷間始動時及び温間始動時の燃料噴射時期を示
す図である。
【図８】冷間始動時における燃料噴射弁からの燃料噴霧
の分布状態を示す説明図である。
【図９】冷間始動時の燃料噴射の別の例を示す図であ
る。
【図１０】別の実施形態によるバルブリフト量及び冷間
始動時の燃料噴射時期を示す図である。
【図１１】さらに別の実施形態によるバルブリフト量及
び冷間始動時の燃料噴射時期を示す図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体 ６ 燃焼室 １０ 吸気ポート １６ 点火プラグ １８ 燃料噴射弁 ４８ 外気温センサ ４９ スタータスイッチ ５０ ＥＣＵ ５１ 燃料噴射制御手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｊ ３０１Ｚ 45/00 ３６０ 45/00 ３６０Ｆ ３６４ ３６４Ｋ (72)発明者 荒木 啓二 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 Ｆターム(参考） 3G084 AA04 BA15 BA20 BA21 BA23 CA01 CA02 DA09 EC01 FA01 FA02 FA10 FA36 3G092 AA01 AA06 AA09 AA10 AA11 AA17 AB02 BB06 DA01 DA03 DC06 EA02 EA03 EA04 FA31 GA01 HA13X HB02X HB03X HD07X HF05Z HG07Z HG08Z 3G301 HA04 HA13 HA16 HA17 HA19 KA01 KA02 LA05 LA07 LB04 MA19 MA26 NE06 NE11 NE12 PA09Z PA10Z PD15 PF03Z PF16Z

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼室周縁部に燃料噴射弁が設置され、
    大気圧条件下での上記燃料噴射弁からの噴霧エリア内に
    点火プラグの電極が位置するように構成された火花点火
    式直噴エンジンにおいて、外気温度が０°Ｃ以下の冷間
    状態における始動時に、上記燃料噴射弁からの燃料噴射
    時期を、圧縮行程において燃焼室内の圧力が所定圧力以
    上に上昇する所定期間内とするように制御する燃料噴射
    制御手段を備えたことを特徴とする火花点火式直噴エン
    ジンの制御装置。
  2. 【請求項２】 上記所定圧力は、当該圧力の雰囲気中に
    噴射される燃料の噴霧角が大気圧条件下と比べて小さく
    なるような圧力であることを特徴とする請求項１記載の
    火花点火式直噴エンジンの制御装置。
  3. 【請求項３】 上記燃料噴射制御手段は、燃料噴射時期
    を圧縮行程の所定期間内とする制御を、冷間始動時のク
    ランキング期間において燃料噴射弁からの燃料の噴射圧
    力が圧縮行程の所定期間内に燃料噴射が可能な所定噴射
    圧力に上昇してから行うようになっていることを特徴と
    する請求項１又は２記載の火花点火式直噴エンジンの制
    御装置。
  4. 【請求項４】 上記燃料噴射制御手段は、始動時の燃料
    噴射時期を外気温度が高いほど進角させるように制御す
    ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
    火花点火式直噴エンジンの制御装置。
  5. 【請求項５】 上記燃料噴射制御手段は、上記冷間状態
    における始動時に、燃料噴射を複数回に分割して行わせ
    ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の
    火花点火式直噴エンジンの制御装置。
  6. 【請求項６】 燃焼室周縁部に燃料噴射弁が設置され、
    大気圧条件下での上記燃料噴射弁からの噴霧エリア内に
    点火プラグの電極が位置するように構成された火花点火
    式直噴エンジンにおいて、始動時の燃料噴射時期を外気
    温度が高いほど進角させるように制御する燃料噴射制御
    手段を備えたことを特徴とする火花点火式直噴エンジン
    の制御装置。
  7. 【請求項７】 燃焼室周縁部に燃料噴射弁が設置され、
    大気圧条件下での上記燃料噴射弁からの噴霧エリア内に
    点火プラグの電極が位置するように構成された火花点火
    式直噴エンジンにおいて、外気温度が０°Ｃ以下の冷間
    状態における始動時に、上記燃料噴射弁からの燃料噴射
    時期を、少なくとも吸気弁のリフト量が大きい期間を除
    いた吸気行程後期とするように制御する燃料噴射制御手
    段を備えたことを特徴とする火花点火式直噴エンジンの
    制御装置。
  8. 【請求項８】 上記燃料噴射制御手段は、燃料噴射弁か
    らの燃料の噴射圧力が高くなるにつれて燃料噴射時期を
    圧縮行程に移すように制御することを特徴とする請求項
    ７記載の火花点火式直噴エンジンの制御装置。
  9. 【請求項９】 燃焼室周縁部に燃料噴射弁が設置され、
    大気圧条件下での上記燃料噴射弁からの噴霧エリア内に
    点火プラグの電極が位置するように構成された火花点火
    式直噴エンジンにおいて、吸気弁のリフト量を変更可能
    にするバルブリフト量可変手段と、外気温度が０°Ｃ以
    下の冷間状態における始動時に、吸気弁のリフト量を小
    さくしつつ上記燃料噴射弁からの燃料噴射を吸気行程で
    行わせるようにバルブリフト量可変手段及び燃料噴射弁
    を制御する制御手段と備えたことを特徴とする火花点火
    式直噴エンジンの制御装置。
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