JP2016145526A - 内燃機関の噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】好適な燃料噴霧特性を達成しつつ冷却損失が小さい内燃機関の噴射制御装置を提供する。
【解決手段】噴射制御装置は燃料噴射孔と空気噴射孔とを有する噴射弁４０及び点火装置３５を備える内燃機関１０に適用される。燃料噴射孔の燃料噴射口４１は燃料が均等に噴射されるように第１環状範囲内に形成され、空気噴射孔の空気噴射口は空気が均等に噴射され、且つ空気が燃料に衝突するように第２環状範囲又は円形範囲であって、第１環状範囲よりも径方向内側の範囲に形成されている。燃料噴射量が大きいほど燃料噴射量に対する空気噴射量の比が大きくなるように空気噴射が制御される。更に、機関回転速度が大きいほど燃料噴射量に対する空気噴射量の比が大きくなるように空気噴射が制御される。加えて、燃料噴射終了時点から所定時間が経過するまでの間にも空気噴射が実行される。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料及び空気を噴射可能な噴射弁を備えた内燃機関の噴射制御装置に関する。

燃料噴射弁及び空気噴射弁を備えた内燃機関に適用される噴射制御装置が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の内燃機関においては、燃料噴射弁及び空気噴射弁から燃焼室内に燃料及び空気がぞれぞれ直接噴射される。更に、燃料噴射弁及び空気噴射弁は、噴射された燃料及び空気が燃焼室内において互いに衝突するように配設されている。

特許文献１に記載の噴射制御装置（以下、「従来装置」と称呼する。）は、燃料噴射弁からの燃料の「噴射開始時期及び噴射期間」を考慮したときに好適な「貫徹距離、粒径及び形状」を有する燃料噴霧が得られるように、空気噴射弁からの空気の「噴射開始時期及び噴射期間」を制御する。

特開２００５−１６４９３号公報（段落００６２、段落００６３及、段落００６６乃至段落００６８、並びに、図１、図２及び図１３乃至図１９を参照。）

従来装置は、「燃料噴霧の貫徹距離、粒径及び形状」といった燃料噴霧特性を好適な特性とすることによって燃焼性能を向上させようとしている。一方、燃焼性能向上の観点からは、「燃料噴霧の貫徹距離、粒径及び形状」といった燃料噴霧特性を最適な特性にすることの他に、いわゆる冷却損失の低減も有効である。しかしながら、従来装置は、この冷却損失の低減を達成するための空気噴射弁の制御を積極的には実施していない。

本発明は、上述した課題に対処するためになされたものである。即ち、本発明の目的の１つは、好適な燃料噴霧特性を達成しつつ冷却損失が小さい内燃機関の噴射制御装置を提供することにある。

本発明に係る噴射制御装置（以下、「本発明装置」と称呼する。）が適用される内燃機関は、「内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射孔」と「燃焼室内に空気を直接噴射する空気噴射孔」とを有する噴射弁、及び、燃焼室内の燃料に点火する点火装置、を備えている。

燃料噴射孔の燃料噴射口は、噴射弁軸線周りにおいて燃料が均等に噴射されるように、噴射弁の先端部であって噴射弁軸線を中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される第１環状範囲内に形成されている。

一方、空気噴射孔の空気噴射口は、噴射弁軸線周りにおいて空気が均等に噴射され且つ噴射された空気が燃料噴射口から噴射された燃料に衝突するように、噴射弁の先端部であって噴射弁軸線を中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される第２環状範囲又は噴射弁軸線を中心とする１つの円筒境界面によって規定される円形範囲であって前記第１環状範囲よりも径方向内側の第２環状範囲又は円形範囲内に形成されている。

本発明装置は、燃料噴射孔からの燃料噴射及び空気噴射孔からの空気噴射を制御する制御部を備えている。この制御部は、燃料噴射の実行期間の全てを少なくとも含む期間に亘り空気噴射を実行するとともに、燃料噴射の実行期間における燃料噴射孔からの燃料噴射量に対する同燃料噴射の実行期間における空気噴射孔からの空気噴射量の比である空気噴射量比を制御するように構成されている。

ここで、点火装置による燃料への点火が行われる時点（以下、「燃料点火時期」と称呼する。）において燃料の好適な拡散状態を達成するためには、噴射弁から噴射される燃料の量（燃料噴射量）が多いほど、燃料点火時期までに燃料を燃焼室内において広範囲に拡散させる必要がある。

そこで、本発明装置の制御部は、燃料噴射量が大きいほど空気噴射量比が大きくなるように空気噴射を制御する。これによれば、燃料噴射量が多い場合において、噴射された燃料に衝突する空気の量が多くなる。従って、燃料点火時期までに燃料を燃焼室内において広範囲に拡散させることができる。このため、燃料噴射量が多いときであっても、燃料点火時期において燃料の好適な拡散状態を達成することができる。

更に、機関回転速度が大きいほど燃料噴射の終了時点から燃料点火時期までの時間が短い。従って、燃料点火時期において燃料の好適な拡散状態を達成するためには、機関回転速度が大きいほど、噴射された燃料を燃焼室内において素早く拡散させる必要がある。

そこで、本発明装置の制御部は、機関の回転速度が大きいほど空気噴射量比が大きくなるように空気噴射を制御する。

これによれば、機関回転速度が大きい場合において、噴射された燃料に衝突する空気の量が多くなる。従って、噴射された燃料を素早く拡散させることができる。このため、機関の回転速度が大きいときであっても、燃料点火時期において燃料の好適な拡散状態を達成することができる。

加えて、本発明装置の制御部は、燃料噴射の終了時点から所定時間が経過するまでの間にも空気噴射を実行するように構成されている。

この空気噴射により噴射された空気は、燃料噴霧（混合気）と燃焼室を画成する壁面（以下、「燃焼室壁面」と称呼する。）との間の空間に拡散する。これにより、燃料噴霧の周囲に空気層が形成される。この空気層によって燃料噴霧が燃焼室壁面から隔離される。従って、燃料が燃焼したときに、燃焼室壁面から内燃機関に伝わる熱量が小さくなる。このため、冷却損失を小さくすることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る噴射制御装置が適用された内燃機関を示した縦断面図である。 図２の（Ａ）は、図１に示した噴射弁の先端部分を示した縦断面図であり、（Ｂ）は、ノズル部及び空気用弁体を示した図である。 図３の（Ａ）は、図２の（Ａ）と同様の図であって、燃料及び空気を噴射したときの噴射弁の先端部分を示し、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って見たときの噴射弁の先端部分を示した底面図である 図４は、本実施形態に係る噴射制御装置による燃料用弁体のリフト量等を示したタイムチャートである。 図５の（Ａ）は、燃料噴射量と燃料噴射量に対する空気噴射量の比（空気噴射量比）との関係を示した図であり、（Ｂ）は、機関回転速度と空気噴射量比との関係を示した図である。 図６の（Ａ）及び（Ｂ）は、共に、図１と同様の図であり、（Ａ）は、燃料噴射とともに空気噴射が実行されている様子を示しており、（Ｂ）は、燃料噴射の終了後に空気噴射が実行されている様子を示している。 図７は、図１に示したＥＣＵのＣＰＵが実行する燃料・空気噴射ルーチンを示したフローチャートである。 図８は、本実施形態の変形例に係る噴射制御装置による燃料用弁体のリフト量等を示したタイムチャートである。 図９の（Ａ）は、本実施形態に係る内燃機関において採用可能な噴射弁の先端部分を示した縦断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って見たときの噴射弁の先端部分を示した底面図である。 図１０は、図９の（Ａ）と同様の図であって、燃料及び空気を噴射したときの噴射弁の先端部分を示している。 図１１の（Ａ）乃至（Ｄ）は、それぞれ、図３の（Ｂ）と同様に噴射弁の先端部分を示した底面図であって、（Ａ）は図２に示した噴射弁として採用可能な噴射弁の先端部分を示しており、（Ｂ）乃至（Ｄ）は図９に示した噴射弁として採用可能な噴射弁の先端部分を示している。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る内燃機関の噴射制御装置（以下、「本制御装置」と称呼する。）について説明する。以下の説明においては、図１、図２、図３（Ａ）、図６、図９（Ａ）及び図１０の紙面上、上側を「上」と称呼し、下側を「下」と称呼する。

図１に示した内燃機関１０は、４サイクル・ピストン往復動型・４気筒・筒内噴射式（直噴）・火花点火ガソリン機関である。機関１０は、シリンダブロック２０及びシリンダヘッド３０を備えている。

シリンダブロック２０は、シリンダボア２１及びピストン２２を備えている。ピストン２２は、シリンダボア２１内を往復動する。シリンダボア２１の内周壁面、ピストン２２の冠面及びシリンダヘッド３０の下壁面は、燃焼室２３を形成している。機関１０は、４つの燃焼室を有している。以下、そのうちの１つの燃焼室２３に関連して、機関１０の構成を説明するが、残りの３つの燃焼室の構成も以下で説明する燃焼室２３の構成と同じである。

シリンダヘッド３０は、燃焼室２３に連通した吸気ポート３１、吸気ポート３１を開閉する吸気弁３２、燃焼室２３に連通した排気ポート３３、及び、排気ポート３３を開閉する排気弁３４を備えている。更に、シリンダヘッド３０には、燃焼室２３内の燃料に点火する点火装置３５、及び、燃焼室２３内に燃料及び空気を直接噴射する噴射弁４０が配設されている。

（噴射弁の構成）
噴射弁４０は、その燃料噴射口４１及び空気噴射口４２がシリンダヘッド３０の下壁面であって燃焼室２３の略中央部（シリンダボア２１の中心軸線Ｃ２１が通過する領域近傍位置）において燃焼室２３に露出するように配設されている。

図２の（Ａ）に示したように、噴射弁４０は、ノズル部４３、燃料用弁体（燃料用ニードル弁体）４４及び空気用弁体４５を有する。図２の（Ｂ）に示したように、ノズル部４３には、中央ボア４６及び周囲ボア４７が形成されている。更に、ノズル部４３の先端部には、燃料噴射孔４８及び開口４３ａが形成されている。

周囲ボア４７は、噴射弁４０の軸線Ｃ４０を中心とする環状の空間として形成されている。周囲ボア４７には、燃料用弁体４４が配設されている。周囲ボア４７を画成する内周壁面と燃料用弁体４４の外周壁面との間に、燃料通路５１が形成されている。

燃料通路５１には、図示しない燃料供給系が接続されている。燃料供給系は、図示しない「燃料加圧ポンプ及び燃料供給通路」を含んでいる。燃料通路５１には、燃料加圧ポンプによって一定燃圧まで加圧された燃料が燃料供給通路を介して供給されるようになっている。

燃料通路５１は、燃料噴射孔４８に連通している。燃料噴射孔４８は、周囲ボア４７に開口するように設けられている。更に、燃料噴射孔４８は、ノズル部４３の２つの円錐台形状の壁面によって画成されている。これら２つの壁面は、それぞれ、軸線Ｃ４０に対して同じ角度をなして径方向外方へ広がりつつ下方へと延びる。従って、これら２つの壁面は、一定の幅を開けて互いに平行に延びる。

従って、燃料噴射孔４８は、周囲ボア４７からノズル部４３の外部に向かって軸線Ｃ４０に対して一定の角度をなして径方向外方へ広がりつつ下方へと延び、燃料噴射口４１においてノズル部４３の外部に開口する。

燃料噴射口４１を図３の（Ａ）のＢ−Ｂ線から見たとき、即ち、燃料噴射口４１を軸線Ｃ４０に対して垂直な平面（以下、「投影平面」と称呼する。）に投影したとき、図３の（Ｂ）に示したように、燃料噴射口４１は、軸線Ｃ４０を中心とする環状の形状を有している。従って、燃料噴射口４１からは、軸線Ｃ４０周りにおいて燃料が均等に噴射される。

本例においては、燃料噴射口４１は、第１環状範囲６１内に設けられている。この第１環状範囲６１は、軸線Ｃ４０を中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される範囲である。

燃料用弁体４４が図２の（Ａ）に示した閉弁位置に位置決めされた状態、即ち、燃料用弁体４４が閉弁した状態にあるとき、燃料用弁体４４は、燃料通路５１と燃料噴射孔４８との連通を遮断している。一方、図３の（Ａ）に示したように、燃料用弁体４４が上方へと移動（リフト）されると、燃料通路５１と燃料噴射孔４８とが連通する。これにより、燃料通路５１内の燃料は、燃料噴射孔４８に流入し、その後、燃料噴射口４１から噴射される。

一方、図２の（Ｂ）に示したように、中央ボア４６は、噴射弁４０の軸線Ｃ４０を中心とする円筒形状の空間として周囲ボア４７の径方向内側に形成されている。中央ボア４６には、空気用弁体４５が配設されている。中央ボア４６を画成する内周壁面と空気用弁体４５の外周壁面との間に、空気通路５２が形成されている。

空気通路５２には、図示しない空気供給系が接続されている。空気供給系は、図示しない「空気加圧ポンプ及び空気供給通路」を含んでいる。空気通路５２には、空気加圧ポンプによって一定圧力まで加圧された空気が空気供給通路を介して供給されるようになっている。

ノズル部４３の開口４３ａは、軸線Ｃ４０に対して一定の角度をなして径方向外方へ広がりつつ下方へと延在する円錐台状の内壁面４３ｂによって画成されている。この開口４３ａは、中央ボア４６からノズル部４３の外部まで貫通している。

図２の（Ａ）に示したように、空気用弁体４５が閉弁位置に位置決めされた状態、即ち、空気用弁体４５が閉弁した状態にあるとき、開口４３ａには、空気用弁体４５の先端部４５ａが収容される。図２の（Ｂ）に示したように、この先端部４５ａは、開口４３ａを画成する壁面４３ｂと同じ円錐台形状の外壁面４５ｂを有する。従って、空気用弁体４５が閉弁した状態にあるときには、空気用弁体４５の先端部４５ａは、開口４３ａを介した空気通路５２とノズル部４３の外部との連通を遮断している。

一方、図３の（Ａ）に示したように、空気用弁体４５が下方へと移動（リフト）されると、空気用弁体４５の先端部４５ａの外壁面４５ｂがノズル部４３の内壁面４３ｂから離れる。これにより、これら外壁面４５ｂと内壁面４３ｂとの間に空気噴射孔４９が形成される。

先に述べたように、これら外壁面４５ｂ及び内壁面４３ｂは、共に、軸線Ｃ４０に対して一定の角度をなして径方向外方へ広がりつつ下方へと延在する円錐台形状を有する。従って、空気噴射孔４９は、空気通路５２からノズル部４３の外部に向かって軸線Ｃ４０に対して一定の角度をなして径方向外方へ広がりつつ下方へと延び、空気噴射口４２においてノズル部４３の外部に開口する。

空気噴射孔４９が形成されることによって、空気通路５２は、空気噴射孔４９を介してノズル部４３の外部と連通する。従って、このとき、空気通路５２内の空気は、空気噴射孔４９に流入し、その後、空気噴射口４２から噴射される。

図３の（Ｂ）に示したように、空気噴射口４２を前記投影平面に投影したとき、空気噴射口４２は、軸線Ｃ４０を中心とする環状の形状を有している。従って、空気噴射口４２からは、軸線Ｃ４０周りにおいて空気が均等に噴射される。

本例において、空気噴射口４２は、第２環状範囲６２内に設けられている。この第２環状範囲６２は、軸線Ｃ４０を中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される範囲であって前記第１環状範囲６１よりも径方向内側の範囲である。

再び図１を参照すると、点火装置３５は、点火プラグ、及び、点火プラグに与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタを含む。イグナイタは、後述するＥＣＵ８０の指示に応答してイグニッションコイルによって高電圧を発生するようになっている。この高電圧は点火プラグに与えられ、点火プラグの火花発生部（中心電極及び接地電極を含む電極部）３５ａにおいて火花が発生する。

点火装置３５は、噴射弁４０に隣接するようにシリンダヘッド３０に配設されている。点火装置３５の火花発生部３５ａは、シリンダヘッド３０の下壁面であって噴射弁４０の燃料噴射口４１及び空気噴射口４２に近接した位置（燃焼室２３の略中央部）において燃焼室２３に露出している。

ＥＣＵ８０は、周知のマイクロコンピュータを含む電子回路であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ及びインターフェース等を含む。ＥＣＵ８０は、以下に述べるセンサ類と接続されていて、これらセンサ類からの信号を受信（入力）するようになっている。更に、ＥＣＵ８０は、点火装置３５、及び、噴射弁４０に指示（駆動）信号を送出するようになっている。

ＥＣＵ８０は、クランク角度センサ７１、エアフローメータ７２、水温センサ７３、及び、アクセル操作量センサ７４と接続されている。

クランク角度センサ７１は、図示しないクランクシャフトの回転位置（即ち、クランク角度）に応じた信号を出力する。ＥＣＵ８０は、このクランク角度センサ７１及び図示しないカムポジションセンサからの信号に基づいて、所定の気筒（燃焼室２３）の圧縮上死点を基準とした機関１０のクランク角度（絶対クランク角度）を取得する。更に、ＥＣＵ８０は、クランク角度センサ７１からの信号に基づいて機関回転速度ＮＥを取得する。

エアフローメータ７２は、燃焼室２３内に吸入される空気の質量（吸入空気量）を測定し、その吸入空気量Ｇａを表す信号を出力する。ＥＣＵ８０は、このエアフローメータ７２からの信号に基づいて吸入空気量Ｇａを取得する。

水温センサ７３は、機関１０を冷却する冷却水の温度を検出し、その温度ＴＨＷを表す信号を出力する。ＥＣＵ８０は、この水温センサ７３からの信号に基づいて冷却水の温度ＴＨＷを取得する。

アクセル操作量センサ７４は、図示しないアクセルペダルの操作量を検出し、その操作量Ａccpを表す信号を出力する。ＥＣＵ８０は、この信号に基づいて機関負荷ＫＬを取得する。

（本制御装置の作動の概要）
次に、本制御装置の作動の概要について説明する。噴射弁４０から噴射される燃料の量（燃料噴射量）Ｑｆが多い場合、燃料点火時期Ｉｇにおいて燃料の好適な拡散状態を達成するためには、燃料点火時期Ｉｇまでに燃料を燃焼室２３内において広範囲に拡散させる必要がある。

更に、機関回転速度ＮＥが大きい場合、機関回転速度ＮＥが小さい場合に比べて、燃料噴射の終了時点から燃料点火時期Ｉｇまでの時間が短い。従って、燃料点火時期Ｉｇにおいて燃料の好適な拡散状態を達成するためには、噴射された燃料を燃焼室２３内において素早く拡散させる必要がある。

本制御装置は、燃料点火時期Ｉｇにおいて燃料の好適な拡散状態を達成するために、図４に示したように、少なくとも燃料噴射の実行期間ＴＡＵｆの全期間（燃料噴射の実行期間ＴＡＵｆの全て）に亘って空気噴射を実行する。

即ち、図４に示した例においては、本制御装置は、燃料噴射開始時期（本例において、圧縮上死点前、６０°乃至９０°クランク角度）ＳＯＩｆになると、燃料用弁体４４のリフトを開始させることによって燃料噴射を開始する。その後、本制御装置は、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆから「燃料噴射の実行期間ＴＡＵｆに相当するクランク角度ＣＡtauf」が経過した時点（燃料噴射終了時期）ＥＯＩｆ（ＥＯＩｆ＝ＳＯＩｆ＋ＣＡtauf）において燃料用弁体４４の閉弁を開始させて燃料噴射を終了する。

一方、本制御装置は、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆよりも「第１所定時間Ｔ１に相当する第１所定クランク角度ＣＡt1」だけ早い空気噴射開始時期ＳＯＩａ（ＳＯＩａ＝ＳＯＩｆ−ＣＡt1）において、空気用弁体４５のリフトを開始させることによって空気噴射を開始する。前記第１所定時間Ｔ１は、燃料噴射量Ｑｆ及び機関回転速度ＮＥに応じて設定される。

より具体的に述べると、燃料噴射量Ｑｆが多い場合、噴射された燃料を広範囲に且つ素早く拡散させるためには、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆよりも、より早い時期に空気噴射を開始することが望ましい。従って、本例において、第１所定時間Ｔ１は、燃料噴射量Ｑｆが大きいほど大きい値に設定される。

一方、空気噴射開始時期ＳＯＩａから燃料噴射開始時期ＳＯＩｆまでの時間として一定の時間を確保するためには、機関回転速度ＮＥが大きい場合、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆよりも、より早い時期に空気噴射を開始する必要がある。従って、本例において、第１所定時間Ｔ１は、機関回転速度ＮＥが大きいほど大きい値に設定される。

更に、本制御装置は、空気噴射の開始時点（空気噴射開始時期）ＳＯＩａから「空気噴射期間ＴＡＵａに相当するクランク角度ＣＡtaua」が経過した時点（空気噴射終了時期）ＥＯＩａ（ＥＯＩａ＝ＳＯＩａ＋ＣＡtaua）において、空気用弁体４５の閉弁を開始させて空気噴射を終了する。本例においては、この空気噴射終了時期ＥＯＩａは、燃料噴射終了時期ＥＯＩｆから「第２所定時間Ｔ２に相当する第２所定クランク角度ＣＡt2」だけ遅い時期（ＥＯＩａ＝ＥＯＩｆ＋ＣＡt2）である。前記第２所定時間Ｔ２は、燃料噴射終了時期ＥＯＩｆに応じて設定される。

より具体的に述べると、空気噴射を燃料点火時期Ｉｇまでに終了するためには、燃料噴射終了時期ＥＯＩｆが遅いほど、その燃料噴射終了時期ＥＯＩｆから、より短い時間内に空気噴射を終了する必要がある。従って、本例において、第２所定時間Ｔ２は、燃料噴射終了時期ＥＯＩｆが遅いほど小さい値に設定される。

更に、本制御装置は、燃料噴射量Ｑｆに対する「燃料噴射実行期間ＴＡＵｆ中に噴射弁４０から噴射される空気の量Ｑａ」の比（以下、「空気噴射量比」と称呼する。）ｋ（ｋ＝Ｑａ／Ｑｆ）を燃料噴射量Ｑｆ及び機関回転速度ＮＥに応じて制御する。

より具体的に述べると、本制御装置は、図５の（Ａ）に示したように、燃料噴射量Ｑｆが所定噴射量Ｑｆthよりも大きい場合において、燃料噴射量Ｑｆが大きいほど大きい第１空気噴射量比ｋqfを設定する。この場合、第１空気噴射量比ｋqfは、「０」よりも大きい値であって、「１」よりも小さい値を含む。一方、本制御装置は、燃料噴射量Ｑｆが所定噴射量Ｑｆth以下である場合には、第１空気噴射量比ｋqfを「０」に設定する。

更に、本制御装置は、図５の（Ｂ）に示したように、機関回転速度ＮＥが所定回転速度ＮＥthよりも大きい場合において、機関回転速度ＮＥが大きいほど大きい第２空気噴射量比ｋneを設定する。この場合、第２空気噴射量比ｋneは、「０」よりも大きい値であって、「１」よりも小さい値を含む。一方、本制御装置は、機関回転速度ＮＥが所定回転速度ＮＥth以下である場合には、第２空気噴射量比ｋneを「０」に設定する。

最終的に、本制御装置は、第１空気噴射量比ｋqfと第２空気噴射量比ｋneとを合計した値を空気噴射量比ｋとして取得する（ｋ＝ｋqf＋ｋne）。本制御装置は、こうして取得した空気噴射量比ｋを燃料噴射量Ｑｆに乗ずることによって空気噴射量Ｑａを取得する（Ｑａ＝ｋ・Ｑｆ）。

本制御装置は、この空気噴射量Ｑａの空気を燃料噴射の実行期間ＴＡＵｆ中に噴射弁４０から噴射するように、空気噴射の実行中の空気用弁体４５のリフト量（閉弁位置から下方への空気用弁体４５の移動量）Ｌａを制御する。これにより、図６の（Ａ）に示したように、径方向内側から燃料噴霧Ｆに衝突する空気Ａは、燃料を広範囲に且つ素早く拡散させることができる。このため、燃料点火時期Ｉｇにおいて燃料の好適な拡散状態を達成することができる。

加えて、本制御装置は、先に述べたように、燃料噴射の終了時点（燃料噴射終了時期）ＥＯＩｆから「第２所定時間Ｔ２に相当する第２所定クランク角度ＣＡt2」が経過するまでの間においても、空気噴射を実行し続ける。

この空気噴射により噴射された空気は、図６の（Ｂ）に示したように、「混合気Ｍとシリンダヘッド３０の下壁面との間の空間」及び「混合気Ｍとシリンダボア２１の内周壁面との間の空間」に拡散する。これにより、混合気Ｍの周囲に空気層ＡＬが形成される。この空気層ＡＬによって混合気Ｍが燃焼室壁面から隔離される。このため、燃料が燃焼したときに、シリンダヘッド３０又はシリンダブロック２０に伝わる熱量が小さくなる。従って、冷却損失が小さくなる。

尚、燃料噴射及び空気噴射の実行中、ピストン２２がシリンダボア２１内を上昇している。このピストン２２の上昇に伴い、混合気Ｍは、燃焼室２３内において点火装置３５の火花発生部３５ａに向かって押し上げられる。従って、上述したように、混合気Ｍの周囲に空気層ＡＬが形成されたとしても、混合気Ｍは火花発生部３５ａに到達するので、混合気Ｍは点火装置３５によって点火可能である。

（本制御装置の具体的な作動）
次に、図７を参照しながら、本制御装置の具体的な作動について説明する。ＥＣＵ８０のＣＰＵは、所定タイミング毎に図７にフローチャートにより示した「燃料・空気噴射ルーチン」を実行するようになっている。

従って、ＣＰＵは、所定のタイミングになると、図７のステップ７００から処理を開始して、以下に述べるステップ７０５乃至ステップ７７５の処理を順に実行する。その後、ＣＰＵは、ステップ７９５に進み、本ルーチンを一旦終了する。

ステップ７０５：ＣＰＵは、アクセルペダル操作量Ａccp及び機関回転速度ＮＥを取得する。これらアクセルペダル操作量Ａccp及び機関回転速度ＮＥは、ＣＰＵが別途実行するルーチンによって取得されてバックアップＲＡＭに格納されている。

ステップ７１０：ＣＰＵは、アクセルペダル操作量ＡccpをルックアップテーブルMapTq_req(Accp)に適用することにより要求トルク（機関１０に要求されているトルク）Ｔq_reqを取得する。上記テーブルMapTq_req(Accp)によれば、取得される要求トルクＴq_reqは、アクセルペダル操作量Ａccpが大きいほど大きい。

ステップ７１５：ＣＰＵは、要求トルクＴq_req及び機関回転速度ＮＥをルックアップテーブルMapQf(Tq_req,NE)に適用することにより要求燃料噴射量Ｑｆを取得する。上記テーブルMapQf(Tq_req,NE)によれば、取得される要求燃料噴射量Ｑｆは、要求トルクＴq_reqが大きいほど大きく、機関回転速度ＮＥが大きいほど小さい。

ステップ７２０：ＣＰＵは、要求燃料噴射量Ｑｆ及び機関回転速度ＮＥをルックアップテーブルMapSOIf(Qf,NE)に適用することにより燃料噴射開始時期ＳＯＩｆを決定する。上記テーブルMapSOIf(Qf,NE)によれば、決定される燃料噴射開始時期ＳＯＩｆは、要求燃料噴射量Ｑｆが大きいほど早い時期であり、機関回転速度ＮＥが大きいほど早い時期である。

ステップ７２５：ＣＰＵは、要求燃料噴射量ＱｆをルックアップテーブルMapTAUf(Qf)に適用することにより燃料噴射期間ＴＡＵｆを決定する。上記テーブルMapTAUf(Qf)によれば、決定される燃料噴射期間ＴＡＵｆは、要求燃料噴射量Ｑｆが大きいほど長い期間である。

ステップ７３０：ＣＰＵは、要求燃料噴射量ＱｆをルックアップテーブルMapkqf(Qf)に適用することにより第１空気噴射量比ｋqfを取得する。更に、ＣＰＵは、機関回転速度ＮＥをルックアップテーブルMapkne(NE)に適用することにより第２空気噴射量比ｋneを取得する。
上記テーブルMapk(Qf)によれば、取得される第１空気噴射量比ｋqfは、要求燃料噴射量Ｑｆが所定噴射量Ｑｆth以下である場合、「０」であり、要求燃料噴射量Ｑｆが所定噴射量Ｑｆthよりも大きい場合、要求燃料噴射量Ｑｆが大きいほど大きい。
更に、上記テーブルMapkne(NE)によれば、取得される第２空気噴射量比ｋneは、機関回転速度ＮＥが所定回転速度ＮＥth以下である場合、「０」であり、機関回転速度ＮＥが所定回転速度ＮＥthよりも大きい場合、機関回転速度ＮＥが大きいほど大きい。

ステップ７３５：ＣＰＵは、第１空気噴射量比ｋqfと第２空気噴射量比ｋneとを合計することによって空気噴射量比ｋを取得する（ｋ＝ｋqf＋ｋne）。
ステップ７４０：ＣＰＵは、空気噴射量比ｋを要求燃料噴射量Ｑｆに乗ずることによって空気噴射量Ｑａを取得する（Ｑａ＝ｋ・Ｑｆ）

ステップ７４５：ＣＰＵは、燃料噴射期間ＴＡＵｆ及び機関回転速度ＮＥをルックアップテーブルMapCAtauf(TAUf,NE)に適用することにより燃料噴射クランク角度ＣＡtaufを取得する。この燃料噴射クランク角度ＣＡtaufは、燃料噴射期間ＴＡＵｆをそのときの機関回転速度ＮＥを考慮してクランク角度に換算した場合のクランク角度である。

ステップ７５０：ＣＰＵは、要求燃料噴射量Ｑｆ及び機関回転速度ＮＥをルックアップテーブルMapT1(Qf,NE)に適用することにより第１所定時間Ｔ１を取得する。更に、ＣＰＵは、燃料噴射終了時期ＥＯＩｆをルックアップテーブルMapT2(EOIf)に適用することにより第２所定時間Ｔ２を取得する。尚、ＣＰＵは、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆに燃料噴射クランク角度ＣＡtaufを加えることによって燃料噴射終了時期ＥＯＩｆを取得する（ＥＯＩｆ＝ＳＯＩｆ＋ＣＡtauf）。
上記テーブルMapT1(Qf,NE)によれば、取得される第１所定時間Ｔ１は、要求燃料噴射量Ｑｆが大きいほど長い時間であり、機関回転速度ＮＥが大きいほど長い時間である。一方、上記テーブルMapT2(EOIf)によれば、取得される第２所定時間Ｔ２は、燃料噴射終了時期ＥＯＩｆが早い時期であるほど長い時間である。

ステップ７５５：ＣＰＵは、第１所定時間Ｔ１及び機関回転速度ＮＥをルックアップテーブルMapCAt1(T1,NE)に適用することにより第１所定クランク角度ＣＡt1を取得する。この第１所定クランク角度ＣＡt1は、第１所定時間Ｔ１をそのときの機関回転速度ＮＥを考慮してクランク角度に換算した場合のクランク角度である。
更に、ＣＰＵは、第２所定時間Ｔ２及び機関回転速度ＮＥをルックアップテーブルMapCAt2(T2,NE)に適用することにより第２所定クランク角度ＣＡt2を取得する。この第２所定クランク角度ＣＡt2は、第２所定時間Ｔ２をそのときの機関回転速度ＮＥを考慮してクランク角度に換算した場合のクランク角度である。

ステップ７６０：ＣＰＵは、第１所定クランク角度ＣＡt1を燃料噴射開始時期ＳＯＩｆから減ずることによって空気噴射開始時期ＳＯＩａを取得する（ＳＯＩａ＝ＳＯＩｆ−ＣＡt1）。

ステップ７６５：ＣＰＵは、「燃料噴射開始時期ＳＯＩｆに燃料噴射クランク角度ＣＡtaufを加えて得られる値（燃料噴射終了時期ＥＯＩｆ）」に第２所定クランク角度ＣＡt2を加えることによって空気噴射終了時期ＥＯＩａを取得する（ＥＯＩａ＝ＳＯＩｆ＋ＣＡtauf＋ＣＡt2）。

ステップ７７０：ＣＰＵは、空気噴射量Ｑａ及び燃料噴射期間ＴＡＵｆをルックアップテーブルMapLa(Qa,TAUf）に適用することにより空気用弁体４５のリフト量Ｌａを決定する。上記テーブルMapLa(Qa,TAUf）によれば、決定されるリフト量Ｌａは、空気噴射量Ｑａが大きいほど大きく、燃料噴射期間ＴＡＵｆが長いほど小さい。

ステップ７７５：ＣＰＵは、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆ、燃料噴射期間ＴＡＵｆ、空気噴射開始時期ＳＯＩａ、空気噴射終了時期ＥＯＩａ、及び、空気用弁体４５のリフト量Ｌａを、バックアップＲＡＭにセット（格納）する。

これにより、空気噴射開始時期ＳＯＩａになると空気噴射が開始され、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆになると燃料噴射が開始される。燃料噴射の開始後、燃料噴射期間ＴＡＵｆが経過した時点で燃料噴射が終了される。一方、空気噴射終了時期ＥＯＩａになると、空気噴射が終了される。以上が本制御装置の具体的な作動である。

（本実施形態の変形例）
次に、本実施形態の変形例に係る噴射制御装置（以下、「本変形制御装置」と称呼する。）について説明する。本変形制御装置は、図８に示したように、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆになると、燃料用弁体４４のリフトを開始させることによって燃料噴射を開始する。更に、本変形制御装置は、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆから燃料噴射期間ＴＡＵｆが経過した燃料噴射終了時期ＥＯＩｆにおいて、燃料用弁体４４の閉弁を開始させて燃料噴射を終了する。

一方、本変形制御装置は、燃料噴射開始時期ＳＯＩｆよりも第１所定クランク角度ＣＡt1だけ早い空気噴射開始時期ＳＯＩａ（ＳＯＩａ＝ＳＯＩｆ−ＣＡt1）において、空気用弁体４５のリフトを開始させることによって空気噴射を開始する。更に、本変形制御装置は、燃料噴射終了時期ＥＯＩｆと同じ時期（空気噴射終了時期）ＥＯＩａにおいて、空気用弁体４５の閉弁を開始して空気噴射を一旦終了する。

更に、本変形制御装置は、空気噴射の終了時点（空気噴射終了時期）ＥＯＩａの後、追加空気噴射開始時期ＳＯＩａ’になると、空気用弁体４５のリフトを開始させることによって空気噴射を再び開始する。更に、本変形制御装置は、燃料噴射の終了時点（燃料噴射終了時期）ＥＯＩｆから第２所定クランク角度ＣＡt2が経過する時点（追加空気噴射終了時期ＥＯＩａ’）において、空気用弁体４５の閉弁を開始させて空気噴射を終了する。

本変形例に係る噴射制御装置も、上記実施形態に係る噴射制御装置と同様に、空気噴射量比ｋを燃料噴射量Ｑｆ及び機関回転速度ＮＥに応じて制御する。

この変形例に係る噴射制御装置によっても、上記実施形態に関連して説明した理由と同じ理由から、燃料点火時期Ｉｇにおいて燃料の好適な拡散状態を達成し、且つ、冷却損失を小さくすることができる。

（噴射弁の変形例）
図２に示した噴射弁４０は、図９に示した噴射弁４０ａであってもよい。噴射弁４０ａは、燃料噴射口４１及び空気噴射口４２ａがシリンダヘッド３０の下壁面であって燃焼室２３の略中央部（シリンダボア２１の中心軸線Ｃ２１が通過する領域近傍位置）において燃焼室２３に露出するように配設されている。

図９の（Ａ）に示したように、噴射弁４０ａは、ノズル部４３、燃料用弁体４４及び空気用弁体（空気用ニードル弁体）９０を有する。ノズル部４３の先端部には、１つの燃料噴射孔４８及び複数（本例においては、８個）の空気噴射孔４９が形成されている（図９の（Ｂ）も参照。）。

噴射弁４０ａの「燃料用弁体４４、燃料通路５１、燃料噴射孔４８及び燃料噴射口４１」は、それぞれ、図２に示した噴射弁４０の「燃料用弁体４４、燃料通路５１、燃料噴射孔４８及び燃料噴射口４１」の構成と同じ構成を有している。更に、噴射弁４０ａの中央ボア４６も、図２に示した噴射弁４０の中央ボア４６の構成と同じ構成を有している。

中央ボア４６には、空気用弁体９０が配設されている。中央ボア４６を画成する内周壁面と空気用弁体９０の外周壁面との間に、空気通路５２が形成されている。空気通路５２は、図２に示した噴射弁４０の空気通路５２の構成と同じ構成を有している。

空気通路５２は、各空気噴射孔４９ａに連通している。各空気噴射孔４９ａは、中央ボア４６に開口するように設けられている。更に、各空気噴射孔４９ａは、円筒形状の壁面によって画成されている。従って、各空気噴射孔４９ａは、円筒形状の空間を有する。

各空気噴射孔４９ａは、中央ボア４６からノズル部４３の外部に向かって軸線Ｃ４０ａに対して一定の角度をなして径方向外方へ下方へと延び、空気噴射口４２ａにおいてノズル部４３の外部に開口する。更に、これら空気噴射孔４９ａは、軸線Ｃ４０ａに対して垂直な平面上において軸線Ｃ４０ａに対して互いに等角度間隔（本例において、４５°間隔）を開けている。

従って、空気噴射口４２ａを図９の（Ａ）のＢ−Ｂ線から見たとき、即ち、空気噴射口４２ａを前記投影平面に投影したとき、図９の（Ｂ）に示したように、空気噴射口４２ａは、軸線Ｃ４０ａに対して互いに等角度間隔（４５°間隔）を開けている。

本例においては、空気噴射口４２ａは、第３環状範囲６３内に設けられている。この第３環状範囲６３は、軸線Ｃ４０ａを中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される範囲であって、第１環状範囲６１よりも径方向内側の範囲である。

空気用弁体９０が図９の（Ａ）に示した閉弁位置に位置決めされた状態、即ち、空気用弁体９０が閉弁した状態にあるとき、空気用弁体９０は、空気通路５２と空気噴射孔４９ａとの連通を遮断している。一方、図１０に示したように、空気用弁体９０が上方へと移動（リフト）されると、空気通路５２と空気噴射孔４９ａとが連通する。これにより、空気通路５２内の空気は、空気噴射孔４９ａに流入し、その後、空気噴射口４２ａから噴射される。以上が噴射弁４０ａの構成である。

更に、図２に示した噴射弁４０は、図１１の（Ａ）に示した噴射弁４０ｂであってもよい。噴射弁４０ｂは、略円形の燃料噴射口４１ｂをそれぞれ有する複数（本例において、１２個）の燃料噴射孔４８ｂ、及び、軸線Ｃ４０ｂを中心とした環状の空気噴射口４２ｂを有する空気噴射孔４９を備える。

本例において、燃料噴射孔４８ｂは、それぞれ、円筒形状の空間を有している。更に、燃料噴射孔４８ｂは、それぞれ、周囲ボア４７からノズル部４３の外部に向かって軸線Ｃ４０ｂに対して一定の角度をなして径方向外方へ下方へと延び、燃料噴射口４１ｂにおいてノズル部４３の外部に開口する。更に、これら燃料噴射孔４８ｂは、軸線Ｃ４０ｂに対して垂直な平面上において軸線Ｃ４０ｂに対して互いに等角度間隔（本例において、３０°間隔）を開けている。

従って、燃料噴射口４１ｂを前記投影平面に投影したとき、図１１の（Ａ）に示したように、燃料噴射口４１ｂは、軸線Ｃ４０ｂに対して互いに等角度間隔（３０°間隔）を開けている。

本例においては、燃料噴射口４１ｂは、第４環状範囲６４内に設けられている。この第４環状範囲６４は、軸線Ｃ４０ｂを中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される範囲である。

一方、空気噴射孔４９ｂは、図２に示した噴射弁４０の空気噴射孔４９と相似形の空間を有している。従って、本例の空気噴射孔４９ｂは、中央ボア４６からノズル部４３の外部に向かって軸線Ｃ４０ｂに対して一定の角度をなして径方向外方へ広がりつつ下方へと延び、空気噴射口４２ｂにおいてノズル部４３の外部に開口する。

空気噴射口４２ｂを前記投影平面に投影したとき、図１１の（Ａ）に示したように、空気噴射口４２ｂは、軸線Ｃ４０ｂを中心とする環状の形状を有している。

本例においては、空気噴射口４２ｂは、第５環状範囲６５内に設けられている。この第５環状範囲６５は、軸線Ｃ４０ｂを中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される範囲であって、前記第４環状範囲６４よりも径方向内側の範囲である。

更に、図９に示した噴射弁４０ａは、図１１の（Ｂ）に示した噴射弁４０ｃであってもよい。噴射弁４０ｃは、軸線Ｃ４０ｃを中心とした環状の燃料噴射口４１ｃを有する燃料噴射孔４８ｃ、及び、軸線Ｃ４０ｃを中心とした円形の空気噴射口４２ｃを有する空気噴射孔４９ｃを備える。

燃料噴射孔４８ｃは、図２に示した噴射弁４０の燃料噴射孔４８と相似形の空間を有している。従って、本例の燃料噴射孔４８ｃは、周囲ボア４７からノズル部４３の外部に向かって軸線Ｃ４０ｃに対して一定の角度をなして径方向外方へ広がりつつ下方へと延び、燃料噴射口４１ｃにおいてノズル部４３の外部に開口する。

燃料噴射口４１ｃを前記投影平面に投影したとき、図１１の（Ｂ）に示したように、燃料噴射口４１ｃは、軸線Ｃ４０ｃを中心とする環状の形状を有している。

本例においては、燃料噴射口４１ｃは、第６環状範囲６６内に設けられている。この第６環状範囲６６は、軸線Ｃ４０ｃを中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される範囲である。

一方、空気噴射孔４９ｃは、円錐台形状の空間を有している。空気噴射孔４９ｃは、中央ボア４６からノズル部４３の外部に向かって軸線Ｃ４０ｃに対して一定の角度をなして径方向外方へ広がりつつ下方へと延び、空気噴射口４２ｃにおいてノズル部４３の外部に開口する。

空気噴射口４２ｃを前記投影平面に投影したとき、図１１の（Ｂ）に示したように、空気噴射口４２ｃは、軸線Ｃ４０ｃを中心とする円形の形状を有している。

本例においては、空気噴射口４２ｃは、円形範囲６８内に設けられている。この円形範囲６８は、軸線Ｃ４０ｃを中心とする１つの円筒境界面によって規定される範囲であって、前記第６環状範囲６６よりも径方向内側の範囲である。

更に、図９に示した噴射弁４０ａは、図１１の（Ｃ）に示した噴射弁４０ｄであってもよい。噴射弁４０ｄは、図１１の（Ａ）に示した燃料噴射孔４８ｂの構成と同じ構成を有する燃料噴射孔４８ｄ、及び、図１１の（Ｂ）に示した空気噴射孔４９ｃの構成と同じ構成を有する空気噴射孔４９ｄを備える。

更に、図９に示した噴射弁４０ａは、図１１の（Ｄ）に示した噴射弁４０ｅであってもよい。噴射弁４０ｅは、図１１の（Ａ）に示した燃料噴射孔４８ｂの構成と同じ構成を有する燃料噴射孔４８ｅ、及び、略円形の空気噴射口４２ｅをそれぞれ有する複数（本例において、６個）の空気噴射孔４９ｅを備える。

本例において、空気噴射孔４９ｅは、それぞれ、円筒形状の空間を有している。更に、空気噴射孔４９ｅは、それぞれ、中央ボア４６からノズル部４３の外部に向かって軸線Ｃ４０ｅに対して一定の角度をなして径方向外方へ下方へと延び、空気噴射口４２ｅにおいてノズル部４３の外部に開口する。更に、これら空気噴射孔４９ｅは、軸線Ｃ４０ｅに対して垂直な平面上において軸線Ｃ４０ｅに対して互いに等角度間隔（本例において、６０°間隔）を開けている。

従って、空気噴射口４２ｅを前記投影平面に投影したとき、図１１の（Ｄ）に示したように、空気噴射口４２ｅは、軸線Ｃ４０ｅに対して互いに等角度間隔（６０°間隔）を開けている。

本例においては、空気噴射口４２ｅは、第７環状範囲６７内に設けられている。この第７環状範囲６７は、軸線Ｃ４０ｅを中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される範囲であって、前記第４環状範囲６４よりも径方向内側の範囲である。

図１１の（Ａ）乃至（Ｄ）にそれぞれ示した噴射弁４０ｂ乃至噴射弁４０ｅにおいても、上記実施形態に係る噴射制御装置による燃料・空気噴射を行うことにより、燃料噴霧の拡散範囲を好適な範囲に規定することができ、その結果、冷却損失を小さくすることができる。

１０…内燃機関、２３…燃焼室、４０…噴射弁、Ｃ４０…軸線、４１…燃料噴射口、４２…空気噴射口、６１〜６７…環状範囲、６８…円形範囲、８０…ＥＣＵ、Ｑｆ…燃料噴射量（要求燃料噴射量）、Ｑｆth…所定噴射量、ＮＥ…機関回転速度、ＮＥth…所定回転速度、ｋ…空気噴射量比、ＴＡＵｆ…燃料噴射期間、ＥＯＩｆ…燃料噴射終了時期、ＴＡＵａ…空気噴射期間

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射孔と前記燃焼室内に空気を直接噴射する空気噴射孔とを有する噴射弁、及び、前記燃焼室内の燃料に点火する点火装置、を備え、
   前記燃料噴射孔の燃料噴射口は、前記噴射弁の軸線周りにおいて燃料が均等に噴射されるように、前記噴射弁の先端部であって前記軸線を中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される第１環状範囲内に形成されており、
   前記空気噴射孔の空気噴射口は、前記軸線周りにおいて空気が均等に噴射され且つ噴射された空気が前記燃料噴射口から噴射された燃料に衝突するように、前記噴射弁の前記先端部であって前記軸線を中心とする互いに径の異なる２つの円筒境界面によって規定される第２環状範囲又は前記軸線を中心とする１つの円筒境界面によって規定される円形範囲であって前記第１環状範囲よりも径方向内側の第２環状範囲又は円形範囲内に形成されている、
   内燃機関に適用され、
   前記燃料噴射孔からの燃料噴射及び前記空気噴射孔からの空気噴射を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記燃料噴射の実行期間の全てを少なくとも含む期間に亘り前記空気噴射を実行するとともに、前記燃料噴射の実行期間における前記燃料噴射孔からの燃料噴射量に対する同燃料噴射の実行期間における前記空気噴射孔からの空気噴射量の比である空気噴射量比を制御するように構成された、
   内燃機関の噴射制御装置において、
   前記制御部は、
   前記燃料噴射量が大きいほど前記空気噴射量比が大きくなるように前記空気噴射を制御し、
   前記機関の回転速度が大きいほど前記空気噴射量比が大きくなるように前記空気噴射を制御し、
   前記燃料噴射の終了時点から所定時間が経過するまでの間にも前記空気噴射を実行するように構成された、
   噴射制御装置。

Images