JP2007270658A - 筒内噴射型火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】演算処理や回路構成の複雑化を防止した上で、燃料噴射に対する点火時期及び点火に先行して実行する点火系の充電期間を常に適切に制御でき、もって確実な点火により安定した成層燃焼を実現できる筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供する。
【解決手段】スプレーガイドの成層燃焼モードではモード切換スイッチ２７をＢ端子２７ｂに切換え、噴射信号に基づいてトランジスタ２６を駆動し、噴射信号の立上がりと共に１次巻線２３に１次電流を流して充電を開始し、噴射信号の立下がりに同期して１次電流を遮断して２次巻線２４に誘起した放電電圧により点火プラグ６を点火する。これにより燃料噴射期間に亘って点火コイル２２が充電され、燃料噴射直後に点火が行われる。
【選択図】図２

Description

本発明は筒内噴射型火花点火式内燃機関に係り、詳しくは燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が点火プラグ近傍を通過したときに点火して成層燃焼を行う筒内噴射型火花点火式内燃機関に関するものである。

燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関では、例えば圧縮行程で燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグ近傍に移送して、点火プラグの周囲に理論空燃比近傍の混合気を形成した上で、全体として極めてリーンな空燃比で点火する成層希薄燃焼を可能としている。燃料噴霧を点火プラグ近傍に移送する形態としては種々のものがあり、所謂スプレーガイド式の燃料噴霧の移送方法により成層燃焼を成立させるものがある。

当該スプレーガイド式の筒内噴射型火花点火式内燃機関では、燃焼室の頂部に燃料噴射弁を略直立配置すると共に、燃料噴射弁の噴孔部の近傍に電極部を臨ませるように点火プラグを配設し、燃料噴射弁からの燃料噴霧が自己の運動エネルギにより点火プラグ近傍に到達したときに点火して成層燃焼を成立させている。点火プラグ近傍を通過する燃料噴霧を点火可能な期間はごく短いため、図３に示すようにスプレーガイド式により安定した成層燃焼が成立する点火時期ＳＡ及び燃料噴射時期ＩＴの領域（以下、燃焼安定領域と称する）はかなり狭く、燃料噴射中またはその直後に点火時期を設定する必要がある。

また、このような特性から燃料噴射期間が短くなるほど適切な点火時期の許容幅が縮小するため、例えば機関負荷の低下と共に噴射期間が短縮化される低負荷域、或いは同一噴射量であっても回転低下に伴ってクランク角換算した燃料噴射期間が短縮化される低回転域では、必然的に点火時期の許容幅も狭まってしまう。従って、低負荷域や低回転域での過渡運転などでは燃焼安定領域を外れて失火などを引き起こし易いという問題があった。

なお、燃焼安定化のために低負荷低回転域で空燃比をリッチ化したり、或いは均一燃焼に切換えたりする対策も考えられるが、何れも燃費悪化を招くため抜本的な対策とは言い難かった。
一方、スプレーガイド式の内燃機関において、燃料噴射時期ＩＴに対して適切な点火時期を設定すべく種々の手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該特許文献１の技術では内燃機関の運転状態に基づき遅れ時間を設定し、燃料噴射期間の終了から遅れ時間の経過後に点火を実行している。
特開昭６０−１２５７４８号公報

上記特許文献１の技術には点火系の充電期間の設定に関する記載はないが、例えば噴射期間の終了をトリガとして充電開始した場合には、設定された遅れ時間によっては遅れ時間が経過しても十分な充電量が得られない可能性があり、結果として放電エネルギの不足により失火するという不具合が発生してしまう。
また、適切な充電期間を確保すべく点火時期より所定のドエル角（＝点火コイルの充電所要時間）だけ先行して充電を開始することも考えられるが、この場合には予め噴射期間の終了時期及び遅れ時間から点火時期を確定し、点火時期からドエル角だけ先行した充電開始時期を決定する演算手順を採る必要があり、処理が複雑化するという別の問題が発生してしまう。

加えて、上記特許文献１の技術では、点火時期を制御するイグナイタ回路などの付加により点火系の構成が複雑化するという問題もある。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、演算処理や回路構成の複雑化を防止した上で、燃料噴射に対する点火時期及び点火に先行して実行する点火系の充電期間を常に適切に制御でき、もって確実な点火により安定した成層燃焼を実現することができる筒内噴射型火花点火式内燃機関を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグとを備え、機関の圧縮行程で燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が点火プラグの電極部近傍を通過したときに点火して成層燃焼させる筒内噴射型火花点火式内燃機関において、機関の回転に同期する所定タイミングの噴射信号を生成し、噴射信号に基づき燃料噴射弁を駆動制御する噴射制御手段と、１次巻線及び２次巻線を有し、噴射信号を１次電流として１次巻線に供給すると共に、燃料噴射の終了と同期して１次電流が遮断されたときに２次巻線の誘導作用により高圧電流を生起して点火プラグに供給する点火電流生成手段とを備えたものである。

従って、機関の圧縮行程では噴射信号に基づき噴射制御手段により燃料噴射弁が駆動制御されて燃料が噴射され、その燃料噴霧は点火プラグの電極部近傍を通過する。一方、噴射信号は点火電流生成手段の１次巻線に１次電流として供給されて燃料噴射期間中に亘って１次電流による充電が行われ、燃料噴射の終了と同期して１次電流が遮断されると２次巻線には誘導作用により高圧電流が生成され、この高圧電流が点火プラグに供給されて点火される。結果として点火プラグは燃料噴射直後に点火されるが、この時点では燃料噴射弁からの燃料噴霧が点火プラグを通過中であることから確実に燃料噴霧が点火される。

また、スプレーガイドでは噴射期間が長くなると，点火プラグ位置の流速が上昇し，点火が困難になるため，機関負荷が増加するほど点火時に大きな放電エネルギが要求されるが、機関負荷の増加と共に燃料噴射期間、即ち１次電流による充電期間も延長化されるため、点火電流生成手段の充電量と共に点火プラグの放電エネルギも増大する。結果として機関負荷に応じた適切な放電エネルギにより点火が実行されるため、放電エネルギの不足による失火や過剰な放電エネルギによる電極部の消耗などが未然に回避される。

さらに、以上の最適な点火時期及び充電期間は燃料噴射期間（噴射信号）が確定すれば自ずと定まることから、制御装置の処理や点火系の構成を何ら複雑化することなく、これらの点火時期及び充電期間に基づいて最適制御を実現可能となる。
請求項２の発明は、請求項１において、内燃機関が成層燃焼に加えて、吸気行程で燃料噴射して均一な混合気を点火する均一燃焼を実行可能であり、均一燃焼と成層燃焼とを運転領域に応じて切換えるように構成され、機関の運転状態に基づき均一燃焼時の点火信号を生成する点火信号生成手段と、点火信号生成手段の点火信号と噴射制御手段の噴射信号とを選択的に点火電流生成手段の１次巻線に供給する切換手段と、均一燃焼時に切換手段を点火信号側に切換えると共に、成層燃焼時に切換手段を噴射信号側に切換える切換制御手段とを備えたものである。

従って、機関の均一燃焼時には、切換制御手段により切換手段が点火信号側に切換えられ、点火信号生成手段により生成された点火信号が点火電流生成手段の１次巻線に供給されて点火が行われる。また、機関の成層燃焼時には、切換手段が噴射信号側に切換えられ、噴射制御手段により生成された噴射信号が点火電流生成手段の１次巻線に供給されて点火が行われる。

このように均一燃焼では、噴射信号に基づく点火時期とは異なる均一燃焼に適合した点火時期が適用されるため、均一燃焼と成層燃焼との何れでも安定した燃焼が可能となる。
請求項３の発明は、請求項１において、機関の運転状態に基づき成層燃焼時の点火信号を生成する点火信号生成手段と、点火信号生成手段の点火信号と噴射制御手段の噴射信号とを選択的に点火電流生成手段の１次巻線に供給する切換手段と、成層燃焼を実行する運転領域内の機関回転速度または機関負荷が高い領域で切換手段を点火信号側に切換えると共に、運転領域内の機関回転速度または機関負荷が低い領域で切換手段を噴射信号側に切換える切換制御手段とを備えたものである。

従って、成層燃焼の運転領域内の機関回転速度または機関負荷が高い領域では、切換制御手段により切換手段が点火信号側に切換えられ、点火信号生成手段により生成された点火信号が点火電流生成手段の１次巻線に供給されて点火が行われる。また、成層燃焼の運転領域内の機関回転速度または機関負荷が低い領域では、切換手段が噴射信号側に切換えられ、噴射制御手段により生成された噴射信号が点火電流生成手段の１次巻線に供給されて点火が行われる。

特に機関回転速度や機関負荷が低い領域では適切な点火時期の範囲が狭く燃焼が不安定になり易いが、このような領域で噴射信号に基づく最適な点火時期及び充電期間で点火が実行されることから、成層燃焼の全領域で安定した燃焼が可能となる。
請求項４の発明は、請求項１乃至３において、機関の運転状態に応じて噴射信号の期間を補正し、補正後の噴射信号を点火電流生成手段の１次巻線に供給する噴射信号補正手段を備えたものである。

従って、機関の運転状態に応じて補正後の噴射信号が点火電流生成手段の１次巻線に供給されて点火が行われる。例えば、低負荷域では点火電流生成手段の充電期間が短過ぎて放電エネルギが不足気味となり、高負荷域では充電期間が長過ぎて放電エネルギが過剰気味となる場合があるが、噴射信号補正手段による補正の結果、機関負荷に関わらず点火電流生成手段の充電期間は常に最適に制御されるため、放電エネルギの不足による失火や過剰な放電エネルギによる点火プラグの電極部の消耗などが防止される。

請求項５の発明は、請求項４において、燃料噴射弁が、時間当たりの噴射量を調整可能に構成され、燃料噴射弁の時間当たりの噴射量を補正する噴射量補正手段を備えたものである。
従って、噴射量補正手段により燃料噴射弁の時間当たりの噴射量が補正されることで、噴射信号の補正に伴って発生する燃料噴射量の変動が補償される。

以上説明したように請求項１の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、演算処理や回路構成の複雑化を防止した上で、燃料噴射に対する点火時期及び点火に先行して実行する点火系の充電期間を常に適切に制御でき、もって確実な点火により安定した成層燃焼を実現することができる。
請求項２の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、請求項１に加えて、成層燃焼のみならず均一燃焼でも安定した燃焼を実現することができる。

請求項３の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、請求項１に加えて、成層燃焼の領域内でも特に燃焼が不安定になり易い機関回転速度または機関負荷が低い領域において、確実な点火により安定した成層燃焼を実現することができる。
請求項４の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、請求項１乃至３に加えて、機関負荷に関わらず点火電流生成手段の充電期間を常に最適制御して、放電エネルギの不足による失火や過剰な放電エネルギによる点火プラグの電極部の消耗などを未然に防止することができる。

請求項５の発明の筒内噴射型火花点火式内燃機関によれば、請求項４に加えて、噴射信号の補正に伴う燃料噴射量の変動を補償して、運転状態に応じた適切な燃料噴射量を維持することができる。

［第１実施形態］
以下、本発明を具体化した筒内噴射型火花点火式内燃機関の第１実施形態を説明する。
図１は本実施形態の筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す概略構成図である。本実施形態の内燃機関Ｅは直列４気筒機関として構成されており、各図では１気筒分を示しているが、他の気筒についても全く同一構成である。

内燃機関Ｅのシリンダブロック１に形成されたシリンダ１ａ内には上下方向に摺動可能にピストン２が配設され、シリンダブロック１上にはシリンダヘッド３が固定されている。シリンダヘッド３の下面には内燃機関Ｅの吸気側（図の左方）及び排気側（図の右方）に向けてそれぞれ傾斜する一対の斜面３ａ，３ｂが形成され、これらの傾斜面３ａ，３ｂ、シリンダ１ａの内壁、ピストン２の頂面に囲まれて所謂ペントルーフ型燃焼室４が形作られている。

シリンダヘッド３の両斜面３ａ，３ｂが交わる稜線より若干吸気側の位置には燃料噴射弁５が配設され、当該燃料噴射弁５は上端を僅かに吸気側に傾斜させた直立姿勢に保持され、下端に設けられた噴孔部５ａを燃焼室４内に臨ませて当該燃焼室４内に燃料を噴射し得る。また、シリンダヘッド３の両斜面３ａ，３ｂの稜線より若干排気側の位置には点火プラグ６が配設され、当該点火プラグ６は上端を僅かに排気側に傾斜させた直立姿勢に保持されて、下端の電極部６ａを燃焼室４内に臨ませている。

このような燃料噴射弁５と点火プラグ６との位置関係の結果、燃焼室４内において燃料噴射弁５の噴孔部５ａと点火プラグ６の電極部６ａとは互いに近接しており、噴孔部５ａから噴射された燃料噴霧が電極部６ａの近傍（直下）を通過するようになっている。なお、燃料噴霧の移送経路と電極部６ａとの位置関係はこれに限ることはなく、後述するスプレーガイド式により燃料噴霧を移送可能であれば任意に変更可能であり、例えば燃料噴霧の移送経路を電極部６ａと一致させてもよい。

シリンダヘッド３の吸気側の斜面３ａには燃料噴射弁５を間に挟んで内燃機関Ｅの前後方向（紙面と直交する方向）に一対の吸気ポート７が併設され、同様にシリンダヘッド３の排気側の斜面３ｂには点火プラグ６を挟んで前後方向に一対の排気ポート８が併設されている。両吸気ポート７にはそれぞれ吸気弁７ａが設けられ、両排気ポート８にはそれぞれ排気弁８ａが設けられ、これらの吸気弁７ａ及び排気弁８ａは、シリンダヘッド３上の図示しない動弁機構によりクランク軸の回転に同期した所定のタイミングで開閉駆動される。

両吸気ポート７は他の気筒の吸気ポートと共に図示しない共通の吸気通路と連通し、機関運転時には、吸気通路に導入された吸気がスロットル弁の開度に応じて流量調整された後に各気筒に分配され、吸気弁７ａの開弁に伴って燃焼室４内に流入する。また、両排気ポート８は他の気筒の排気ポートと共に図示しない共通の排気通路と連通し、機関運転時には、燃焼室４内で燃焼後の排ガスが排気弁８ａの開弁に伴って排気通路へと排出されて他の気筒の排ガスと合流し、排気通路に設けられた触媒や消音器を経て外部に排出される。

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などの記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭなど）、中央処理装置１１ａ（ＣＰＵであり、後述する図２に示す）、タイマカウンタなどを備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）１１が設置されている。ＥＣＵ１１の入力側には、内燃機関Ｅの回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ１２、内燃機関Ｅのスロットル開度θthを検出するスロットルセンサ１３、アクセル操作量θaccを検出するアクセルセンサ１４などの各種センサ類が接続され、出力側には上記燃料噴射弁５や点火プラグ６などの各種デバイス類が接続されている。

図２は燃料噴射系及び点火系の回路構成を示す図である。
ＥＣＵ１１内のＣＰＵ１１ａには駆動回路２１を介して上記燃料噴射弁５が接続され、ＣＰＵ１１ａから出力される駆動信号に応じて駆動回路２１により燃料噴射弁５が開弁して開弁期間中に燃焼室４内への燃料噴射が行われる。また、ＣＰＵ１１ａには点火コイル２２を介して上記点火プラグ６が接続されている。点火コイル２２の１次巻線２３及び２次巻線２４の一端はＣＰＵ１１ａに接続され、ＣＰＵ１１ａと１次巻線２３との間には車両に搭載されたバッテリ２５が接続されている。２次巻線２４の他端は上記点火プラグ６の電極部６ａの中心電極側に接続され、電極部６ａの外部電極側は接地されている。

１次巻線２３の他端はトランジスタ２６のコレクタに接続され、トランジスタ２６のエミッタはアースされている。ベースへの電圧印加によりトランジスタ２６がオンすると、点火コイル２２の１次巻線２３に１次電流が流れて充電が開始される。また、ベースへの電圧印加が中断されてトランジスタ２６がオフされると、１次電流の遮断により点火コイル２２の２次巻線２４には誘導作用により高電圧が生成され、この高電圧が点火プラグ５に供給されて電極部６ａに火花放電が生じる（点火電流生成手段）。

トランジスタ２６のベースはモード切換スイッチ２７（切換手段）に接続され、このモード切換スイッチ２７はＣＰＵ１１ａからのモード切換信号を受け、ＣＰＵ１１ａの点火信号の出力端と接続されたＡ端子２７ａ、または上記ＣＰＵ１１ａと駆動回路２１との間に接続されたＢ端子２７ｂの何れかに選択的に切換えられる（切換制御手段）。従って、モード切換スイッチ２７がＡ端子２７ａ側に切換えられたときにはＣＰＵ１１ａから出力される点火信号がトランジスタ２６のベースに印加され、モード切換スイッチ２７がＢ端子２７ｂ側に切換えられたときにはＣＰＵ１１ａから出力される噴射信号がトランジスタ２６のベースに印加される。

一方、ＣＰＵ１１ａは予め設定された燃料噴射量マップ、燃料噴射時期マップ及び点火時期マップに基づき、機関回転速度Ｎe、目標平均有効圧Ｐe（機関負荷）、燃圧などから燃料噴射量Ｑ、噴射時期ＩＴ及び点火時期ＳＡを設定し、これらの目標値に基づいて燃料噴射弁５や点火プラグ６を制御する。また、ＣＰＵ１１ａは内燃機関Ｅの運転モードを運転状態に応じて均一燃焼モードと成層燃焼モードとの間で切換えており、具体的にはスロットル開度θthと機関回転速度Ｎeとから目標平均有効圧Ｐeを求め、この目標平均有効圧Ｐeと機関回転速度Ｎeとから予め設定されたマップに従って実行すべき運転モードを決定する。均一燃焼モードは目標平均有効圧Ｐeまたは機関回速度Ｎeが比較的高い運転領域で実行され、吸気行程で噴射した燃料により均一な混合気を形成して燃焼（均一燃焼）させる運転モードであり、成層燃焼モードは比較的低回点低負荷域で実行され、圧縮行程で噴射した燃料により点火プラグ６の電極部６ａの周囲に理論空燃比近傍の混合気を形成した上で、全体として極めてリーンな空燃比で燃焼（成層燃焼）させる運転モードである。

本実施形態では、成層燃焼を成立させるためにスプレーガイド式の燃料噴霧の移送方法が適用されている。即ち、圧縮行程で燃料噴射弁５から噴射された燃料噴霧は自己の運動エネルギにより点火プラグ６の電極部６ａの直下を通過し、このときの燃料噴霧の通過に合わせたタイミングで点火プラグ６が点火されて成層燃焼が行なわれる。
図３はある空燃比を前提としてスプレーガイド式により安定した成層燃焼を成立可能な燃焼安定領域を示しており、当該燃焼安定領域の周囲は燃焼不能若しくは燃焼不完全な失火領域である。点火プラグ６近傍を通過する燃料噴霧を点火可能な期間はごく短いため、図に示すようにスプレーガイド式の燃焼安定領域はかなり狭く、ある燃料噴射時期ＩＴを前提として燃焼安定領域での運転を実現可能な点火時期ＳＡは噴射期間及びその直後付近に限られる。

次に、以上のように構成された本実施形態の筒内噴射型火花点火式内燃機関の運転状況、特に運転モードに応じた燃料噴射時期ＩＴ及び点火時期ＳＡの制御に関して説明する。
均一燃焼モードの運転領域ではＣＰＵ１１ａにより運転モードとして均一燃焼モードが選択されると共に、モード切換スイッチ２７がＡ端子２７ａに切換えられる。均一燃焼モードに対しては、予め目標平均有効圧Ｐe及び機関回転速度Ｎeに応じて噴射時期ＩＴ及び点火時期ＳＡの目標値がマップとして設定されており、これらの目標値に基づいて噴射信号及び点火信号が生成され、これらの噴射信号と点火信号とが出力される（点火信号生成手段）。なお、本実施形態では噴射時期ＩＴを噴射終了時期として設定し、この噴射時期ＩＴを基準として燃料噴射量Ｑ相当だけ先行する時期を噴射信号の立上げ時期とし、噴射時期ＩＴを噴射信号の立下げ時期として設定しているが、例えば噴射時期ＩＴを噴射開始時期として設定してもよい。

均一燃焼モードでの制御は一般的なものであるため詳細は説明しないが、噴射信号のオン期間に同期して駆動回路２１により燃料噴射弁５が開弁されて燃料噴射が行われる一方、点火信号のオン期間に同期して点火コイル２２のトランジスタ２６のベースに電圧が印加されて点火コイル２２が充電され、オン期間の終了と共にトランジスタ２６がオフされて１次電流の遮断と共に２次巻線２４に誘起された高圧電流により点火プラグ６が点火される。このようにして実行された燃料噴射及び点火により、吸気行程噴射により形成された均一な混合気が点火されて均一燃焼により内燃機関Ｅが運転される。

成層燃焼モードの運転領域ではＣＰＵ１１ａにより運転モードとして成層燃焼モードが選択されると共に、モード切換スイッチ２７がＢ端子２７ｂに切換えられる。成層燃焼モードに対しては、予め噴射時期ＩＴの目標値はマップとして設定されているが点火時期ＳＡのマップは設定されておらず、ＣＰＵ１１ａではマップから読み出した噴射時期ＩＴや燃料噴射量Ｑから噴射信号が生成され、この噴射信号のみが出力される。従って、燃料噴射に関しては上記均一燃焼モードと同様に行われ、噴射信号のオン期間に同期して駆動回路２１により燃料噴射弁５が駆動される（噴射制御手段）。

また、モード切換スイッチ２７のＢ端子２７ｂへの切換により噴射信号は点火コイル２２のトランジスタ２６のベースに印加され、この成層燃焼モードでは均一燃焼モードの点火信号に代えて噴射信号に基づいて点火が実行される。即ち、噴射信号に対する点火コイル２２の作動状況を示す図４のタイムチャートのように、噴射信号の立上がりと共に１次巻線２３に１次電流が流れて充電が開始され、噴射信号の立下がりに同期して１次電流が遮断されて２次巻線２４に高電圧が誘起される。従って、燃料噴射期間Ｔに対応して点火コイル２２の充電が行われると共に、燃料噴射の終了直後に点火が行われる（例えば、図３中のポイントＡ）。このようにして実行された燃料噴射及び点火により、燃料噴射弁５から噴射された燃料噴霧が点火されて成層燃焼により内燃機関Ｅが運転される。

以上の成層燃焼時の点火時期制御は以下の観点に基づくものである。
上記のように点火プラグ６を通過する燃料噴霧を点火するスプレーガイドでは燃焼安定領域が狭く、均一燃焼時に比較してより適切な点火時期ＳＡの設定が要求される。スプレーガイド式での点火時期ＳＡの設定は、燃料噴霧が点火プラグ６の電極部６ａの近傍を通過している噴射期間中に限られるが、以下の理由で噴射終了直後に放電することが望ましく、上記のように燃料噴射の終了直後に点火が行われる本実施形態はこのような観点でも好都合な点火時期設定となる。
１）燃料噴射期間Ｔ中は燃料噴霧が点火プラグ６の電極部６ａに衝突してウェット失火する可能性が高い。
２）燃料噴射期間Ｔ中は電極部６ａのギャップ位置の燃料噴霧の流速が速いため、点火アークが流されたり消失したりする可能性が高い。
３）燃料噴霧の気化及び適度な拡散の期間を確保する必要があり、この要因は結果としてＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）近傍での運転に繋がる。
などを挙げることができる。

なお、点火時の放電エネルギを高めれば上記１），２）などの点火条件の悪化にある程度は対処できるが、点火系のコストアップや点火プラグ６の電極部６ａの消耗などの弊害を生じるため抜本的な対策とは言い難い。
また、点火コイル２２の充電期間（点火ドエル角）に関する要件としては、
４）スプレーガイドでは，機関負荷の増加と共に点火時に要求される放電エネルギが増大する傾向があるため、それに応じて１次巻線２３の充電期間を延長化することが望ましい。

従って、上記した噴射信号に同期した点火時期制御により燃料噴射直後に点火が実行された時点では、図５に示すように既に電極部６ａにおける燃料噴霧のガス流速が低下し始めていることから、上記要件１）の燃料噴霧の電極部６ａへの衝突によりウェット失火する現象、及び要件２）の点火アークが流されたり消失したりする現象が未然に防止される。さらに燃料噴射直後では燃料噴霧の気化及び拡散が十分に促進されているため、上記３）の要件も十分に満足する。よって、成層燃焼モードのどの運転領域でも常に適切なタイミングで点火プラグ６が点火され、機関回転速度Ｎeが急変する過渡運転時でも燃料噴霧を確実に点火でき、もって安定したスプレーガイドによる成層燃焼を実現することができる。

また、機関負荷の増加と共に燃料噴射制御で設定される燃料噴射量も増加するため、成層燃焼モードでは高負荷域ほど噴射期間Ｔ（噴射信号のオン期間）と共に点火コイル２２の充電期間が延長化され、点火コイル２２の充電量、ひいては点火時の点火プラグ６の放電エネルギも増大する。従って、成層燃焼モードの運転領域内において、特に高い放電エネルギを必要としない低負荷域では、噴射期間Ｔと共に点火コイル２２の充電期間が短縮化されるため、点火時の点火プラグ６の放電エネルギが低減されることで点火プラグ６の無用な消耗を抑制できる。結果として消耗した点火プラグ６が原因の失火を未然に防止できると共に、点火プラグ６の交換インターバルを延長化できる。一方、高い放電エネルギを必要とする高負荷域では、噴射期間Ｔと共に点火コイル２２の充電期間が延長化されるため、放電エネルギの増大により燃料噴霧を確実に点火でき、この要因も上記した成層燃焼の安定化に貢献する。

加えて、点火コイル２２の充電期間を可変制御することで、例えば充電期間を一定にした一般的な点火時期制御に比較して点火に要するトータルの消費電力を節減できる。よって、点火コイル２２、バッテリ２５、オルタネータなどの容量を縮小でき、コスト低減を達成することができる。
そして、以上のように点火時期ＳＡ及び点火コイルの充電期間は常に適切に制御され、しかも、噴射信号が確定すれば自ずと点火時期ＳＡ（噴射信号の立下がり）及び充電期間（噴射信号のオン期間）も定まることから、制御装置の処理や点火系の構成を何ら複雑化することなく最適制御を実現することができる。

さらに、噴射信号に基づいて点火時期ＳＡを決定する本実施形態の設定手法によれば、制御のための事前のマッチングに関して以下の大きな利点を有する。
即ち、スプレーガイド式の成層燃焼では、燃料噴霧の点火のために燃料噴霧が噴射される噴射時期ＩＴと噴射された燃料噴霧を点火する点火時期ＳＡとの関係が重要なため、従来の一般的な設定手法では、それぞれの個別マッチングのみならず噴射時期ＩＴと点火時期ＳＡとの相互マッチングを入念に行う必要がある。しかも、噴射時期ＩＴと点火時期ＳＡで規定される運転点を図３の燃焼安定領域内に設定するだけでなく、外乱などに起因する点火時期ＳＡの制御誤差を見込んで運転点を燃焼安定領域の中心付近（例えば、図３中のポイントＢ）に設定する必要があり、このためには各運転領域毎（例えば、各空燃比毎）に燃焼安定領域の綿密な調査を要する。これらの要因により従来手法では事前のマッチングのために膨大な工数を要している。

これに対して本実施形態では、噴射時期ＩＴの設定により自ずと最適な点火時期ＳＡが決定されるため、点火時期ＳＡに関するマッチングを省略できると共に、点火時期ＳＡの制御誤差を考慮する必要もなくなる。よって、事前のマッチング作業を大幅に簡略化できるという優れた効果を奏する。
［第２実施形態］
次に、本発明を具体化した筒内噴射型火花点火式内燃機関の第２実施形態を説明する。

本実施形態の内燃機関の全体的な構成は図１，２に示した第１実施形態のものと同一であり、相違点は燃料噴射期間Ｔの設定にある。従って、構成が共通の箇所の説明は省略し、相違点を重点的に説明する。
本実施形態の燃料噴射弁５は、図示はしないが噴射制御用のニードル弁のリフト量を可変して単位時間当たりの噴射量を調整できるように構成されている。ＥＣＵ１１内の記憶装置には、目標平均有効圧Ｐe（機関負荷）に対応して噴射期間Ｔ（噴射信号のオン期間）の補正係数、及びニードル弁のリフト量の補正係数がマップとして記憶されている。噴射期間Ｔの補正係数は目標平均有効圧Ｐeの増加と共に噴射期間Ｔを減少補正する特性に、リフト量の補正係数は目標平均有効圧Ｐeの増加と共にリフト量を増加補正する特性に設定されている。これらの補正係数に基づく補正により、例えば図６のタイムチャートに示すように、低負荷域では破線のように噴射期間Ｔが延長化されると共にリフト量が低減され、高負荷域では実線のように噴射期間Ｔが短縮化されると共にリフト量が増加される。

噴射期間Ｔに対する補正は点火コイル２２の充電期間を最適化するための処理である。即ち、第１実施形態のように点火コイル２２の充電期間を噴射期間Ｔに対して完全一致させると、低負荷域や高負荷域では適切な充電期間が達成できない場合がある。具体的には低負荷域では充電期間が短過ぎて放電エネルギが不足気味となり、高負荷域では充電期間が長過ぎて放電エネルギが過剰気味となる場合があるが、補正係数に基づく補正により機関負荷に関わらず常に最適な充電期間（噴射期間Ｔ）に制御される（噴射信号補正手段）。

また、リフト量に対する補正は上記噴射期間Ｔの補正に伴う燃料噴射量Ｑの変動を補償するためのものであり、低負荷域では噴射期間Ｔの延長化に伴う燃料噴射量Ｑの増加がリフト量の低減（時間当たりの噴射量の減少）により抑制され、高負荷域では噴射期間Ｔの短縮化に伴う燃料噴射量Ｑの減少がリフト量の増加（時間当たりの噴射量の増加）により抑制される（噴射量補正手段）。

従って、以上の補正を実行することにより、常に運転状態（Ｐe，Ｎe）に応じた適切な燃料噴射量Ｑを維持した上で点火コイル２２の充電期間（点火ドエル角）を機関負荷に関わらず最適値に制御でき、もって、放電エネルギの不足による失火や過剰な放電エネルギによる電極部の消耗などを未然に回避することができる。
なお、駆動回路２１に入力する噴射信号とは別系統で、上記噴射期間Ｔに対する補正後の噴射信号をモード切換スイッチ２７のＢ端子２７ｂに供給するようにしてもよく、この場合には燃料噴射弁５のリフト量に対する補正を省略できる。

以上で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定されるものではない。例えば上記実施形態では成層燃焼モードとしてスプレーガイド式のみを実行したが、スプレーガイド式に加えて、吸気流動を利用して燃料噴霧を移送する所謂ウォールガイド式の成層燃焼も実行可能な内燃機関に適用し、スプレーガイドでの成層燃焼時に上記実施形態の噴射信号に基づく点火時期制御を実行してもよい。

また、上記実施形態では、均一燃焼モードとスプレーガイドによる成層燃焼モードとを切換可能な内燃機関に具体化したが、必ずしも均一燃焼モードを実行する必要はなく、例えば全ての運転領域でスプレーガイドの成層燃焼を実行するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、スプレーガイドの全領域で噴射信号に基づく点火時期制御を実行したが、例えば当該制御の適用を一部領域に限り、その他の領域では一般的な点火時期制御を適用するようにしてもよい。即ち、成層燃焼モードの運転領域を高回転高負荷域と低回転低負荷域とに区分し、高回転高負荷域に対しては均一燃焼モードと同様に目標値として点火時期ＳＡを設定しておき、当該領域では図２においてモード切換スイッチ２７をＡ端子２７ａ側に切換えると共に（切換制御手段）、点火時期ＳＡなどから生成した点火信号をＣＰＵ１１ａから出力して（点火信号生成手段）、この点火信号に基づきトランジスタ２６を駆動する。また、低回転低負荷域に対しては上記実施形態と同じくモード切換スイッチをＢ端子２６ｂ側に切換えて噴射信号に基づく点火時期制御を行う。このように構成すれば、成層燃焼の領域内でも特に燃焼が不安定になり易い低回転低負荷域において、確実な点火により安定した成層燃焼を実現することができる。

第１及び第２実施形態の筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す概略構成図である。 燃料噴射系及び点火系の回路構成を示す図である。 スプレーガイド式の成層燃焼による燃焼安定領域を示す図である。 成層燃焼モードでの噴射信号に対する点火コイルの作動状況を示すタイムチャートである。 噴射信号と電極部のガス流速との関係を示すタイムチャートである。 第２実施形態の噴射期間とニードル弁のリフト量との設定状況を示すタイムチャートである。

符号の説明

４ 燃焼室
５ 燃料噴射弁
６ 点火プラグ
６ａ 電極部
１１ａ ＣＰＵ（噴射制御手段、点火信号生成手段、切換制御手段、
噴射信号補正手段、噴射量補正手段）
２１ 駆動回路（噴射制御手段）
２２ 点火コイル（点火電流生成手段）
２３ １次巻線
２４ ２次巻線
２７ モード切換スイッチ（切換手段）
Ｅ 内燃機関

Claims (5)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁からの燃料噴霧の噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグとを備え、機関の圧縮行程で上記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が上記点火プラグの電極部近傍を通過したときに点火して成層燃焼させる筒内噴射型火花点火式内燃機関において、
   上記機関の回転に同期する所定タイミングの噴射信号を生成し、該噴射信号に基づき上記燃料噴射弁を駆動制御する噴射制御手段と、
   １次巻線及び２次巻線を有し、上記噴射信号を１次電流として上記１次巻線に供給すると共に、上記燃料噴射の終了と同期して上記１次電流が遮断されたときに上記２次巻線の誘導作用により高圧電流を生起させて点火プラグに供給する点火電流生成手段と
   を備えたことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関。
2. 上記機関は上記成層燃焼に加えて、吸気行程で燃料噴射して均一な混合気を点火する均一燃焼を実行可能であり、該均一燃焼と成層燃焼とを運転領域に応じて切換えるように構成され、
   上記機関の運転状態に基づき上記均一燃焼時の点火信号を生成する点火信号生成手段と、
   上記点火信号生成手段の点火信号と上記噴射制御手段の噴射信号とを選択的に上記点火電流生成手段の１次巻線に供給する切換手段と、
   上記均一燃焼時に上記切換手段を点火信号側に切換えると共に、上記成層燃焼時に上記切換手段を噴射信号側に切換える切換制御手段と
   を備えた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。
3. 上記機関の運転状態に基づき上記成層燃焼時の点火信号を生成する点火信号生成手段と、
   上記点火信号生成手段の点火信号と上記噴射制御手段の噴射信号とを選択的に上記点火電流生成手段の１次巻線に供給する切換手段と、
   上記成層燃焼を実行する運転領域内の機関回転速度または機関負荷が高い領域で上記切換手段を点火信号側に切換えると共に、該運転領域内の機関回転速度または機関負荷が低い領域で上記切換手段を噴射信号側に切換える切換制御手段と
   を備えた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。
4. 上記機関の運転状態に応じて上記噴射信号の期間を補正し、補正後の噴射信号を上記点火電流生成手段の１次巻線に供給する噴射信号補正手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。
5. 上記燃料噴射弁は、時間当たりの噴射量を調整可能に構成され、
   上記噴射信号補正手段による上記噴射信号の補正に伴う燃料噴射量の変動を補償すべく、上記燃料噴射弁の時間当たりの噴射量を補正する噴射量補正手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関。

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