JP2000213397A - 筒内噴射型内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒内噴射型内燃機関に関し、燃圧脈動による
空燃比のずれを抑制することができるようにする。 【課題を解決するための手段】 内燃機関１の燃焼室３
内に直接燃料を噴射する噴射弁５に内燃機関１に駆動さ
れる燃料ポンプ１２により高圧燃料を供給し、噴射時期
制御手段２７により内燃機関１の運転状態に応じて噴射
弁５の作動時期を制御するとともに、燃料噴射量制御手
段２８により内燃機関１の運転状態と噴射弁５の作動時
期とに基づき噴射弁５からの燃料噴射量を制御すること
により、燃料ポンプ１２の内燃機関１による駆動に連動
して生じる燃圧脈動による燃料噴射量の増減を抑制す
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、機関により駆動さ
れる高圧ポンプを用いて燃焼室内に直接燃料を噴射する
筒内噴射型内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒
内噴射型内燃機関が実用化されており、かかる筒内噴射
型内燃機関では、燃料噴射のタイミングを自由に設定す
ることができるため、例えば、緩加速時に必要な出力を
得る場合には、吸気行程中に燃料噴射を行ない、予混合
燃焼による希薄燃焼運転により燃費向上を図っている。
さらに、低負荷運転域では、圧縮行程で燃料噴射を行な
って、着火に十分な燃料濃度の混合気を点火プラグ近傍
に部分的に集めて、いわゆる層状燃焼による超希薄燃焼
を行ない、より一層の燃費向上を図っている。

【０００３】このような希薄燃焼を実現するためには、
燃焼室内に噴射する燃料の微粒化が必要不可欠となる。
また、層状燃焼による超希薄燃焼を行なうためには、高
圧の圧縮行程中に燃料噴射を行なう必要もある。そこ
で、この種の内燃機関では、高圧ポンプにより高圧に加
圧された燃料を燃料噴射弁に供給し、この高圧燃料を噴
射することで、高圧の圧縮行程中でも確実な燃料噴射を
可能にするとともに燃料の微粒化を図っている。筒内噴
射型内燃機関に用いられる高圧ポンプとしては、例え
ば、特開平９−４２０９５号公報に記載されているよう
な、内燃機関により駆動される単一又は複数のピストン
の往復動によって燃料を吸入・吐出するものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような高圧ポンプでは、ピストンの往復動等により燃料
を噴射弁へ供給するようになっているため、高圧ポンプ
と噴射弁との間の燃料配管内にエンジン回転に応じた周
期の燃圧脈動が生じてしまう。このため、筒内噴射型内
燃機関のように、噴射時期が幅広く（例えば排気行程後
半から圧縮行程後半まで）変化する場合には、その噴射
時期によって低燃圧時が噴射期間となったり、高燃圧時
が噴射期間となったりする。このため、同一駆動時間で
も噴射時期によって噴射弁から噴射される燃料量が異な
り、空燃比がずれるという問題が生じる。

【０００５】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、燃圧脈動による空燃比のずれを抑制すること
ができるようにした、筒内噴射型内燃機関を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の筒内噴射型内燃機関では、内燃機関の燃焼
室内に直接燃料を噴射する噴射弁に該機関に駆動される
燃料ポンプにより高圧燃料を供給し、噴射時期制御手段
により該機関の運転状態に応じて該噴射弁の作動時期を
制御するとともに、燃料噴射量制御手段により該機関の
運転状態と該噴射弁の作動時期とに基づき該噴射弁から
の燃料噴射量を制御する。

【０００７】これにより、燃料ポンプの機関による駆動
に連動して生じる燃圧脈動による燃料噴射量の増減が抑
制される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１〜図７は本発明の一実施形態
としての筒内噴射型内燃機関を示すもので、図１はその
概略構成を示す図である。図１に示すように、本筒内噴
射型内燃機関は、吸気，圧縮，膨張，排気の各行程を一
作動サイクル中にそなえる内燃機関、即ち４サイクルエ
ンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料
を直接噴射する筒内噴射型内燃機関として構成される。

【０００９】そして、燃料噴射の態様として、例えば、
層状燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるた
めに圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）で燃料噴射を行
なう後期リーン噴射モードと、予混合燃焼によるリーン
運転を実現し、緩加速による出力を得るために吸気行程
中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行なう前期リーン
噴射モードと、予混合燃焼によるストイキオ運転（理論
空燃比運転）を実現し、前期噴射モードより出力を向上
させるために吸気行程中に燃料噴射を行なうストイキオ
モードとが設けられており、機関の運転状態に応じて選
択されるようになっている。

【００１０】本筒内噴射型内燃機関（以下、エンジンと
いう）１の構成について詳細に説明すると、図１に示す
ように、エンジン１のシリンダヘッド２には、吸気ポー
ト６および排気ポート７が燃焼室３に連通しうるように
形成されており、吸気ポート６は吸気弁８の駆動により
連通制御され、排気ポート７は排気弁９の駆動によって
連通制御されるようになっている。シリンダヘッド２の
上部には吸気側カム１０Ａを有する吸気側カムシャフト
１０および排気側カム１１Ａを有する排気側カムシャフ
ト１１がそなえられており、吸気側カム１０Ａの回転に
より吸気弁８が駆動され、排気側カム１１Ａの回転によ
り排気弁９が駆動されるようになっている。

【００１１】また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に
燃焼室３の頂部中央に点火プラグ４がそなえられ、燃焼
室３の吸気ポート６側にはインジェクタ（噴射弁）５が
その開口を燃焼室３内に臨ませるように配置されてい
る。ここで用いるインジェクタ５としては、作動時期及
び噴射量の制御性と燃料の微粒化とを考慮して選択する
必要があり、例えば、電磁式のスワールインジェクタを
適用することができる。

【００１２】インジェクタ５から噴射されるべき燃料は
燃料タンク１３から供給されるようになっている。そし
て、インジェクタ５と燃料タンク１３とを結ぶ燃料配管
１４上には、高圧ポンプ（燃料ポンプ）１２がそなえら
れており、燃料タンク１３内の燃料はこの高圧ポンプ１
２によって、所定の圧力（例えば、５ＭＰａ）まで加圧
された上でインジェクタ５に供給されるようになってい
る。高圧ポンプ１２としては、１つのピストンの往復動
によって、燃料を吸入・吐出するシングルプランジャポ
ンプでも、複数のピストンの往復動によって、燃料を吸
入・吐出するマルチプランジャポンプでも適用可能であ
るが、ここではシングルプランジャポンプを適用した場
合について説明する。

【００１３】高圧ポンプ１２は、吸気側カムシャフト１
０の軸端にそなえられており、高圧ポンプ内のピストン
は吸気側カムシャフト１０の回転に連動して往復動を行
なうようになっている。シングルプランジャポンプの場
合、吐出される燃料の圧力（燃圧）にはピストンの往復
動に連動して脈動が生じるが、ここではピストンの往復
動は吸気側カムシャフト１０の回転に連動しており、吸
気側カムシャフト１０はクランク軸１８に連動している
ため、燃圧の脈動はクランク軸１８の回転に連動して生
じることになる。

【００１４】特に、シングルプランジャポンプのピスト
ンの作動は、各気筒のピストンの作動と連動するように
設定されるため、４気筒エンジンでは７２０°ＣＡ／４
＝１８０°ＣＡを１周期としてシングルプランジャポン
プのピストンが作動する。例えば、図２は、４気筒エン
ジンの場合における高圧ポンプ１２から吐出される燃料
の燃圧をクランク軸１８のクランク角に対して示したも
のであるが、図２に示すように、燃圧には１８０°ＣＡ
周期で脈動が生じることになる。ちなみに６気筒エンジ
ンの場合には、７２０°ＣＡ／６＝１２０°ＣＡより、
燃圧の脈動は１２０°ＣＡ周期で生じることになる。

【００１５】なお、燃料配管１４上にそなえられている
１５は高圧レギュレータであり、１６は低圧レギュレー
タである。また、燃料タンク１３内には燃料供給ポンプ
（低圧ポンプ）１７がそなえられているが、これは、エ
ンジン始動時などエンジン１が極低回転の場合には、高
圧ポンプ１２が十分に駆動されずインジェクタ５への燃
料供給量が不足することになるため、そのときには、こ
の燃料供給ポンプ１７により燃料を供給するようになっ
ている。このため、高圧レギュレータ１５には燃料バイ
パスバルブが並設されている。

【００１６】インジェクタ５の制御、すなわち、作動時
期及び燃料噴射量の制御は、ＥＣＵ（制御手段）２５に
より行なわれるようになっている。ＥＣＵ２５は、その
機能要素として運転モード選択手段２６，噴射時期制御
手段２７，燃料噴射量制御手段２８をそなえており、ク
ランク角センサ１９，水温センサ２０，その他ＴＰＳ
（スロットルポジションセンサ）等のセンサからの検出
情報に基づきインジェクタ５を制御している。

【００１７】まず、運転モード選択手段２６では、前述
の各運転モードの中から運転状態に応じた一つのモード
を選択するようになっている。運転状態はエンジン回転
数Ｎｅと平均有効圧力Ｐｅとから判定し、エンジン回転
数Ｎｅにはクランク角センサ１９の検出情報を用い、平
均有効圧力Ｐｅにはエンジン回転数Ｎｅ及びＴＰＳで検
出されたスロットル開度θの各情報に基づき算出したも
のを用いるようになっている。

【００１８】そして、噴射時期制御手段２７では、運転
モード選択手段２６で選択された運転モードに応じてイ
ンジェクタ５の作動時期（噴射時期）を制御するように
なっている。例えば、選択された運転モードが後期リー
ン噴射モードの場合には、インジェクタ５の作動時期は
圧縮行程後半に設定し、前期リーン噴射モードの場合に
は吸気行程前半に設定し、ストイキオモードの場合には
吸気行程中に設定するようになっている。ただし、ここ
で噴射時期制御手段２７が設定する噴射時期とは、一連
の燃料噴射が終了する噴射終了時期を指しており、予め
記憶されたマップから運転モードに応じて読み取るよう
になっている。

【００１９】燃料噴射量制御手段２８では、運転モード
選択手段２６で選択された運転モードに応じて噴射燃料
量を制御するようになっている。例えば、前期リーン噴
射モードの場合には、リーンな目標空燃比を設定して吸
気量とこの目標空燃比とから燃料量を設定し、後期リー
ン噴射モードの場合には、さらにリーンな目標空燃比を
設定して吸気量とこの目標空燃比とから燃料量を設定
し、ストイキオモードの場合には、理論空燃比となるよ
うに図示しないＯ₂ センサ出力に基づいて燃料量をフィ
ードバック制御する。そして、設定した燃料量に応じて
所定の平均燃圧（例えば、５ＭＰａ）を基準にインジェ
クタ５の駆動時間（インジェクタ５に入力する噴射パル
ス幅）を換算するようになっている。

【００２０】ところが、図２に示したように、高圧ポン
プ１２から吐出される燃料の燃圧には脈動が生じてお
り、これに伴いインジェクタ５から噴射される燃料量に
も増減が生じている。このため、噴射時の燃圧が所定の
平均燃圧に略等しい場合には、所望の空燃比を得ること
が可能であるが、噴射時の燃圧と所定の平均燃圧との差
が大きい場合には、空燃比にずれが生じてしまうことに
なる。

【００２１】このため、燃料噴射量制御手段２８では、
以下のようにして燃圧の脈動を考慮した補正を行なって
いる。まず、燃圧の脈動の特性を考察すると、上述した
ように脈動はクランク軸１８の回転に連動して１８０°
ＣＡ周期で生じている。したがって、クランク角センサ
１９の出力から燃圧を推定することは可能である。

【００２２】しかしながら、燃料噴射期間をクランク角
であらわすと、インジェクタ５の駆動時間は同一の場合
でもエンジン回転数Ｎｅによって燃料噴射期間（クラン
ク角度）は変化してしまう。つまり、エンジン回転数Ｎ
ｅが２倍になれば、燃料噴射期間も２倍になり、その間
の燃圧の脈動により燃料量が増減してしまうことにな
る。

【００２３】例えば、図３は、噴射終了時期を３２０°
ＢＴＤＣとした時の所定の燃料量（実際に噴射する燃料
量）を基準にして、同一噴射パルス幅での噴射終了時期
に対する燃料量比（３２０°ＢＴＤＣ時の燃料量に対す
る比）をエンジン回転数Ｎｅ（１０００，３０００，４
０００ｒｐｍ），体積効率Ｅｖ（４０，６０％，スロッ
トル弁全開：ｗｏｔ），水温Ｔｗ（ｈｏｔ：温態）の条
件の下で計測したものである。なお、体積効率Ｅｖはエ
ンジン１の行程体積に対する吸入した新気の体積の割合
を示すものであるが、これはＴＰＳにより検出されるス
ロットル開度θに基づき算出されるようになっている。

【００２４】この場合は、図３に示すように、燃料量比
の噴射終了時期に対する特性は、エンジン回転数Ｎｅ，
体積効率Ｅｖ，水温Ｔｗにより大きく変化しており、一
定の傾向を示してはいない。このため、噴射終了時期に
おける燃圧からインジェクタ５のパルス幅を補正するだ
けでは十分ではなく、この場合には、エンジン回転数Ｎ
ｅや体積効率Ｅｖ，水温Ｔｗに応じて更に補正を加える
必要が生じる。

【００２５】これに対し、図４は、図３に示した噴射終
了時期に対する燃料量比の特性図を、噴射中心時期を基
準にして整理したものである。なお、噴射中心時期と
は、噴射終了時期と噴射パルス幅とエンジン回転数Ｎｅ
とから噴射開始時期を逆算し、噴射開始時期と噴射終了
時期との中間のクランク角度をとったものである。この
場合は、図４に示すように、燃料量比の噴射中心時期に
対する特性は、エンジン回転数Ｎｅや体積効率Ｅｖ，水
温Ｔｗにかかわらず、ほぼ一定の傾向を示している。し
たがって、例えば、図５に示すように１本の曲線で燃料
量比の噴射中心時期に対する特性を近似することも可能
である。

【００２６】そこで、燃料噴射量制御手段２８では、噴
射中心時期を基準とした図５に示したような特性に基づ
いた補正係数（燃料流量比の逆数に相当する係数）と噴
射中心時期との関係を示すマップをそなえており、噴射
中心時期に対応する補正係数をマップから読み出し、読
み出した補正係数を運転状態に基づき演算した基本燃料
量（基本噴射パルス幅）に乗算することにより、燃料量
（噴射パルス幅）の補正を行なうようになっている。た
だし、図４に示すように、燃料量比の振幅には体積効率
Ｅｖ，水温Ｔｗによりばらつきが生じるため、この振幅
のばらつきに対しては、ＴＰＳの出力や水温センサ２０
の出力に基づき補正するものとする。

【００２７】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内
燃機関は、上述のように構成されているので、例えば、
図６に示すようなフローに従い燃料噴射制御が行なわれ
る。以下、図７（ａ）〜（ｄ）に示す燃料量の補正方法
を説明するための説明図と合わせて説明する。図６に示
すように、まず、運転モード選択手段２６によりエンジ
ン回転Ｎｅと平均有効圧力Ｐｅとに基づき運転モードを
選択する（ステップＳ１００）。そして、噴射時期制御
手段２７により、選択された運転モードに応じた噴射時
期（噴射終了時期Ｘ°ＣＡ）をマップから読み出すとと
もに〔図７（ａ），ステップＳ１１０〕、燃料噴射量制
御手段２８により運転状態に応じた基本燃料量（基本噴
射パルス幅）を演算する（ステップＳ１２０）。

【００２８】噴射終了時期Ｘ°ＣＡと基本燃料量とが演
算されると、エンジン回転数Ｎｅを考慮して噴射開始時
期Ｙ°ＣＡを演算する〔図７（ｂ）〕。そして、噴射開
始時期Ｙ°ＣＡと噴射終了時期Ｘ°ＣＡとから噴射中心
時期Ｚ°ＣＡ〔＝（Ｘ＋Ｙ）°ＣＡ／２〕を演算し、噴
射中心時期Ｚ°ＣＡに応じた補正係数をマップ（噴射中
心時期に対する補正係数を定めたマップ）から読み出す
〔図７（ｃ），ステップＳ１３０〕。

【００２９】読み出した補正係数を基本燃料量に乗算す
ることにより燃料量（噴射パルス幅）を再演算し、噴射
開始時期Ｙ°ＣＡを基準にして最演算した燃料量（噴射
パルス幅）を設定することによって噴射終了時期Ｘ°Ｃ
Ａを補正し、補正噴射終了時期ＸＸ°ＣＡを設定する
〔図７（ｄ），ステップＳ１４０〕。そして、演算した
噴射開始時期Ｙ°ＣＡからインジェクタ５からの燃料噴
射を開始し、，補正噴射終了時期ＸＸ°ＣＡで燃料噴射
を終了する（ステップＳ１５０）。

【００３０】このように本筒内噴射型内燃機関によれ
ば、高圧ポンプ１２から吐出される燃料の燃圧をクラン
ク角から推定し、燃圧を考慮してインジェクタ５の噴射
パルス幅を補正するようになっているので、燃圧の脈動
により噴射時期によって燃料噴射量が増減してしまうこ
とを抑制することができ、精度の高い空燃比制御を実現
できるという利点がある。これにより、空燃比が濃くな
り過ぎて発生する低水温時のスモークや空燃比が薄くな
り過ぎて発生する高温時のノッキングも抑制することが
できるようになる。

【００３１】また、本筒内噴射型内燃機関では、噴射中
心時期を基準にして燃圧による補正を行なうようになっ
ているので、燃料噴射機関に対する燃料流量比の関係か
らエンジン回転数Ｎｅの影響を除去することができ、例
えば、全てのエンジン回転数Ｎｅ域において単一のマッ
プによる制御が可能となり、マップ作成のためのコスト
やマップを記憶するＲＡＭ等のコストを削減することが
できるという利点もある。

【００３２】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種
々変形して実施することができる。例えば、上述の実施
形態では、運転モードとして、後期噴射モード，前期噴
射モード，ストイキオモードの３モードを挙げている
が、これはあくまでも例示であり、より細かなモードに
分けて制御することはもちろん可能である。

【００３３】また、高圧ポンプ１２として、シングルプ
ランジャポンプを適用した場合について説明したが、マ
ルチプランジャポンプを適用することも可能である。マ
ルチプランジャポンプの場合には、シングルプランジャ
ポンプに比較して燃圧の脈動は小さいが、この場合でも
本発明を適用することによってより精度の高い空燃比制
御を実現できるという利点がある。

【００３４】また、上述の実施形態では、燃料噴射の全
域に渡って補正を行なっているが、燃料量が基本燃料量
よりも増量される場合には補正を行なわずにそのまま噴
射し、燃料が不足するときにのみ補正するようにしても
よい。これによっても、燃料不足による失火や高温時の
ノッキングの抑制は可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の筒内噴射
型内燃機関によれば、内燃機関の運転状態と噴射弁の作
動時期とに基づき噴射弁からの燃料噴射量を設定するよ
うになっているので、燃料ポンプが機関により駆動され
るときに生じる燃圧の脈動により噴射弁の作動時期によ
って燃料噴射量が増減してしまうことを抑制することが
でき、精度の高い空燃比制御を実現できるという利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機
関の構成を示す模式図である。

【図２】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機
関にかかる燃圧の脈動を示す図である。

【図３】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機
関にかかる噴射終了時期を基準としたときの燃圧脈動の
影響を示す図である。

【図４】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機
関にかかる噴射中心時期を基準としたときの燃圧脈動の
影響を示す図である。

【図５】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機
関にかかる噴射中心時期に対する補正係数のマップの一
例を示す図である。

【図６】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機
関にかかる燃料噴射制御の流れを示すフローチャートで
ある。

【図７】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機
関にかかる燃料量の補正方法を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１ エンジン（内燃機関） ２ シリンダヘッド ３ 燃焼室 ４ 点火プラグ ５ インジェクタ（噴射弁） １２ 高圧ポンプ（燃料ポンプ） １３ 燃料タンク １４ 燃料配管 ２０ 水温センサ ２５ ＥＣＵ ２７ 噴射時期制御手段 ２８ 燃料噴射量制御手段

───────────────────────────────────────────────────── 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 ３０１Ｈ ３０１Ｊ (72)発明者 田村 宏記 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3G084 AA04 BA09 BA13 BA14 BA15 DA04 EB08 EC02 EC05 FA20 FA38 FA39 3G301 HA04 HA16 HA17 JA00 JA22 JA23 JA24 LB04 LB13 MA01 MA11 MA19 NC02 ND02 NE15 PA11Z PB05Z PB08Z PC02Z PD03A PE01Z PE03Z PE08Z

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射す
   る噴射弁と、 該機関に駆動され該噴射弁に高圧燃料を供給する燃料ポ
   ンプと、 該機関の運転状態に応じて該噴射弁の作動時期を制御す
   る噴射時期制御手段と、 該機関の運転状態と該噴射弁の作動時期とに基づき該噴
   射弁からの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と
   から構成されたことを特徴とする、筒内噴射型内燃機
   関。