JP2005113745A

JP2005113745A - 内燃機関の燃料供給装置

Info

Publication number: JP2005113745A
Application number: JP2003347488A
Authority: JP
Inventors: Eriko Matsumura; 恵理子松村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】機関の安定的な運転を損なうことなく、デポジットの付着を防止することのできる内燃機関の燃料供給装置を提供する。
【解決手段】筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタ１１と吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタ１２とを備える内燃機関において、必要燃料噴射量が所定値以上のときは、筒内噴射用インジェクタ１１および吸気ポート噴射用インジェクタ１２の両方から燃料を噴射させ、必要燃料噴射量が所定値未満のときには、吸気ポート噴射用インジェクタ１２から燃料を噴射させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料供給装置に関し、より詳しくは、筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備える、いわゆるデュアル噴射型内燃機関の燃料供給装置に関する。

一般に、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタと吸気ポート内に向けて燃料を噴射するための吸気ポート噴射用インジェクタとを備え、機関の運転領域に応じてこれらのインジェクタを切替え使用することにより、例えば、低負荷運転領域での成層燃焼と高負荷運転領域での均質燃焼を実現させ、燃費特性や出力特性の改善を図った、いわゆるデュアル噴射型内燃機関が知られている。

ところで、このようなデュアル噴射型内燃機関では、この低負荷運転領域が長時間継続する場合に、カーボンが点火プラグのギャップ部やインジェクタの噴口周りにデポジットとして付着するという問題があり、このような問題を解決するために、例えば、特許文献１に記載の技術が提案されている。

このものは、運転領域のエンジンの負荷に応じて、筒内噴射用インジェクタによる混合気の層状（成層）燃焼と吸気ポート噴射用インジェクタによる均一燃焼とを切替えて行わせるようにしている。そして、上記吸気ポート噴射用インジェクタの使用時においては、筒内噴射用インジェクタの目詰まりを防止するために、筒内噴射用インジェクタによる少量噴射を継続させている。

特公平６−３９９２８号公報

しかしながら、かかる特許文献１に記載のように、運転領域に応じて筒内噴射用インジェクタと吸気ポート噴射用インジェクタとを切替えて使用する場合、両者を完全に切替えて使用すると、燃料噴射が停止されている側のインジェクタにおいて、デポジットが付着し易いという問題があった。例えば、筒内噴射用インジェクタを停止させ、吸気ポート噴射用インジェクタのみから噴射させた場合には、筒内噴射用インジェクタは高温の燃焼ガスに曝されるにもかかわらず自らの噴射による冷却作用がなくなり、大量のデポジットが付着し易いのである。一方、吸気ポート噴射用インジェクタを停止させ、筒内噴射用インジェクタのみから噴射させた場合には、吸気ポート噴射用インジェクタから噴射される燃料による洗浄作用がなくなり、これによりまた、デポジットが付着し易くなる。

これに対処すべく、両方のインジェクタから共に噴射することも考えられるが、そのようにすると、各インジェクタの制御可能な最小燃料噴射量には下限が存するので、必要燃料噴射量が少ないときには、他のインジェクタからの燃料噴射量分だけ増加してしまい、機関の安定的な運転ができなくなるという新たな問題が生ずることになる。

そこで、本発明の目的は、機関の安定的な運転を損なうことなく、デポジットの付着を防止することのできる内燃機関の燃料供給装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態に係る内燃機関の燃料供給装置は、筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備える内燃機関において、必要燃料噴射量が所定値以上のときは、前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタの両方から燃料を噴射させ、必要燃料噴射量が所定値未満ときには、前記吸気ポート噴射用インジェクタから燃料を噴射させるようにしたことを特徴とする。

ここで、前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタの両方から燃料を噴射させている状態から両方の燃料噴射を停止させるときには、前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を停止させた後、前記吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を停止させることが好ましい。

さらに、燃料噴射の停止状態から前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタの両方から燃料を噴射させるとき、必要燃料噴射量が少ないときには、前記吸気ポート噴射用インジェクタから筒内噴射用インジェクタの順で燃料噴射を開始させ、必要燃料噴射量が多いときには、前記筒内噴射用インジェクタから吸気ポート噴射用インジェクタの順で燃料噴射を開始させるようにするのが好ましい。

本発明の一形態に係る内燃機関の燃料供給装置によると、筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備える内燃機関において、必要燃料噴射量が所定値以上のときは、前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタの両方から燃料が噴射されるので、両インジェクタへのデポジットの付着が抑制される。また、必要燃料噴射量が所定値未満のときには、相対的に燃料圧の低い前記吸気ポート噴射用インジェクタから燃料が噴射されるので、燃料噴射量の制御が容易となり、機関の安定的な運転を損なうことがないという効果を奏する。

ここで、前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタの両方から燃料を噴射させている状態から両方の燃料噴射を停止させるときには、前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を停止させた後、前記吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を停止させるようにした形態によれば、最後に相対的に燃料圧の低い吸気ポート噴射用インジェクタから燃料が噴射されるので、燃料噴射量の制御が最後まで可能であり、全体的に機関の安定的な運転を損なうことがないという効果を奏する。

さらに、燃料噴射の停止状態から前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタの両方から燃料を噴射させるとき、必要燃料噴射量が少ないときには、前記吸気ポート噴射用インジェクタから筒内噴射用インジェクタの順で燃料噴射を開始させ、必要燃料噴射量が多いときには、前記筒内噴射用インジェクタから吸気ポート噴射用インジェクタの順で燃料噴射を開始させるようにする形態によれば、必要燃料噴射量が少ないときには、吸気ポート噴射用インジェクタから筒内噴射用インジェクタの順で燃料が噴射開始されるので、制御された燃料噴射量が早期に得られ機関の安定的な運転が損なわれず、必要燃料噴射量が多いときには、筒内噴射用インジェクタから吸気ポート噴射用インジェクタの順で燃料が噴射開始されるので、大量の燃料噴射量が得られ加速性が向上するという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明に係るデュアル噴射型内燃機関の燃料供給装置の概略構成図が示されている図１を参照するに、機関１は４つの気筒１ａを備えている。各気筒１ａはそれぞれ対応する吸気枝管２を介して共通のサージタンク３に接続されている。サージタンク３は吸気ダクト４を介してエアフローメータ４ａに接続され、エアフローメータ４ａはエアクリーナ５に接続されている。吸気ダクト４内にはステップモータ６によって駆動されるスロットル弁７が配置されている。このスロットル弁７は機関負荷が極く低いときのみ或る程度閉弁しており、機関負荷が少し高くなると全開状態に保持される。一方、各気筒１ａは共通の排気マニホルド８に連結され、この排気マニホルド８は三元触媒コンバータ９に連結されている。

各気筒１ａには、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ１１と吸気ポート内に向けて燃料を噴射するための吸気ポート噴射用インジェクタ１２とがそれぞれ取り付けられている。これらインジェクタ１１、１２は電子制御ユニット３０の出力信号に基づいてそれぞれ制御される。また、各筒内噴射用インジェクタ１１は共通の燃料分配管１３に接続されており、この燃料分配管１３は燃料分配管１３に向けて流通可能な逆止弁１４を介して、機関駆動式の高圧ポンプ１５に接続されている。

図１に示すように、高圧ポンプ１５の吐出側はスピル電磁弁１５ａを介して高圧ポンプ１５の吸入側に連結されており、このスピル電磁弁１５ａの開度が小さいとき程、高圧ポンプ１５から燃料分配管１３内に供給される燃料量が増大され、スピル電磁弁１５ａが全開にされると、高圧ポンプ１５から燃料分配管１３への燃料供給が停止されるように構成されている。なお、スピル電磁弁１５ａは電子制御ユニット３０の出力信号に基づいて制御される。

一方、各吸気ポート噴射用インジェクタ１２は共通の燃料分配管１６に接続されており、燃料分配管１６および高圧ポンプ１５は共通の燃料圧レギュレータ１７を介して、電動モータ駆動式の低圧ポンプ１８に接続されている。さらに、低圧ポンプ１８は燃料フィルタ１９を介して燃料タンク２０に接続されている。燃料圧レギュレータ１７は低圧ポンプ１８から吐出された燃料の燃料圧が予め定められた設定燃料圧よりも高くなると、低圧ポンプ１８から吐出された燃料の一部を燃料タンク２０に戻すように構成されており、したがって吸気ポート噴射用インジェクタ１２に供給されている燃料圧および高圧ポンプ１５に供給されている燃料圧が上記設定燃料圧よりも高くなるのを阻止している。さらに、図１に示すように、高圧ポンプ１５と燃料圧レギュレータ１７との間には流通弁２１が設けられている。この流通弁２１は通常開弁されており、この流通弁２１が閉弁されると低圧ポンプ１８から高圧ポンプ１５への燃料供給が停止される。なお、この流通弁２１の開閉は電子制御ユニット３０の出力信号に基づいて制御される。

また、電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１を介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備している。エアフローメータ４ａは吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、このエアフローメータ４ａの出力電圧はＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。機関１には冷却水温度に比例した出力電圧を発生する水温センサ３８が取付けられ、この水温センサ３８の出力電圧はＡＤ変換器３９を介して入力ポート３５に入力される。燃料分配管１３には燃料分配管１３内の燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ４０が取付けられ、この燃料圧センサ４０の出力電圧はＡＤ変換器４１を介して入力ポート３５に入力される。触媒９上流の排気マニホルド８には排気ガス中の酸素濃度に比例した出力電圧を発生する酸素濃度センサ４２が取付けられ、この酸素濃度センサ４２の出力電圧はＡＤ変換器４３を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル１０はアクセルペダル１０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４４に接続され、負荷センサ４４の出力電圧はＡＤ変換器４５を介して入力ポート３５に入力される。また、入力ポート３５には機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ４６および機関１が搭載されている車両の速度を表す出力パルスを発生する車速センサ４８が接続されている。電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２には、上述の負荷センサ４４および回転数センサ４６により得られる機関負荷および機関回転数に基づき、運転領域に対応させて設定されている燃料噴射量の値が予めマップ化されて記憶されている。

さらに、図２には気筒１ａの側断面図が示されている。図２を参照するに、６１はシリンダブロック、６２は頂面上に凹部６２ａが形成されたピストン、６３はシリンダブロック６１上に固締されたシリンダヘッド、６４はピストン６２とシリンダヘッド６３間に形成された燃焼室、６５は吸気バルブ、６６は排気バルブ、６７は吸気ポート、６８は排気ポート、６９は点火プラグをそれぞれ示している。吸気ポート６７は燃焼室６４内に流入した空気がシリンダ軸線周りの旋回流を発生するように形成されている。凹部６２ａは筒内噴射用インジェクタ１１側に位置するピストン６２の周縁部からピストン６２中央部に向かって延び、また点火プラグ６９の下方において上方に延びるように形成されている。

また、吸気バルブ６５および排気バルブ６６は、それぞれ、吸気バルブ駆動機構７０および排気バルブ駆動機構７１に連係されている。吸気バルブ駆動機構７０および排気バルブ駆動機構７１は、励磁電流が印加されたときに発生する電磁力を利用して、それぞれ、吸気バルブ６５と排気バルブ６６とを進退駆動する電磁駆動機構から構成され、電子制御ユニット３０の信号に基づき、開閉のタイミングおよびリフト量が任意に制御可能に構成されている。従って、例えば電子制御ユニット３０からの信号に基づいて吸気バルブ駆動機構７０および／または排気バルブ駆動機構７１が作動されると、吸気バルブ６５および／または吸気バルブ６５の開閉時期、延いては開期間が長く或いは短く可変制御されることになる。

ここで、電子制御ユニット３０の出力ポート３６は対応する駆動回路４７を介して、ステップモータ６、各筒内噴射用インジェクタ１１、各吸気ポート噴射用インジェクタ１２、スピル電磁弁１５ａ、流通弁２１、吸気バルブ駆動機構７０および排気バルブ駆動機構７１に接続されている。

次に、上記構成を有する本発明の実施形態の制御の一例について以下に説明する。まず、制御が開始されると、電子制御ユニット３０は所定時間毎に負荷センサ４４および回転数センサ４６により得られる機関負荷と機関回転数とにより機関の運転状態ないしは領域を判断する。そして、この判断に基づき、マップに記憶されている必要燃料噴射量を求め、これが所定値以上のときは、筒内噴射用インジェクタ１１および吸気ポート噴射用インジェクタ１２の両方から燃料を噴射し、一方、必要燃料噴射量が所定値未満ときには、吸気ポート噴射用インジェクタ１２から燃料を噴射するように制御する。

具体的には、本実施の形態では、必要燃料噴射量が所定値未満である運転領域は、機関１のアイドリングおよび／または減速運転領域のような最小噴射量運転領域Ｑｍｉｎとされており、図３に示すように、この最小噴射量運転領域Ｑｍｉｎにおいて、吸気ポート噴射用インジェクタ１２のみから燃料が噴射される。この場合、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からの噴射のために低圧ポンプ１８から供される燃料圧は相対的に低いので、その最小の燃料噴射量の制御は比較的容易に行われ得る。一方、最小噴射量運転領域Ｑｍｉｎ以外においては、筒内噴射用インジェクタ１１および吸気ポート噴射用インジェクタ１２の両方から燃料が噴射される。ここで、最小噴射量運転領域Ｑｍｉｎ以外の運転領域においてはさらに、機関１の負荷（図３にはＴＲＱで示されている）に対応させて、筒内噴射用インジェクタ１１および吸気ポート噴射用インジェクタ１２からの燃料噴射量の割合が変更されている。

すなわち、機関１の高負荷運転領域ＱＨにおいては、上述の必要燃料噴射量を噴射するに際し、筒内噴射用インジェクタ１１からの噴射量（直噴と表示されている）が吸気ポート噴射用インジェクタ１２からの噴射量（吸気ポートと表示されている）よりも多くなるように設定されている。この場合、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からの噴射量は、デポジットの付着を阻止する程度の少量の一定量でよいので、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からの噴射量は一定としたまま、負荷ＴＲＱおよび回転数Ｎｅの増加につれて、筒内噴射用インジェクタ１１からの噴射量の割合が吸気ポート噴射用インジェクタ１２からの噴射量に比べ大きくなるように設定されている。このようにすると、出力が要求される機関１の高負荷運転領域ＱＨにおいて、好ましい特性が得られる。

一方、機関１の中・低負荷運転領域ＱＬにおいては、同じく上述の必要燃料噴射量を噴射するに際し、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からの噴射量が筒内噴射用インジェクタ１１からの噴射量よりも多くなるように設定されている。この場合、筒内噴射用インジェクタ１１からの噴射量は、その制御が可能でデポジットの付着を阻止する程度の少量の一定量でよいので、筒内噴射用インジェクタ１１からの噴射量は一定としたまま、負荷および回転数の増加につれて、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からの噴射量の割合が筒内噴射用インジェクタ１１からの噴射量に比べ大きくなるように設定されている。このようにすると、負荷の変動に対し的確に噴射量を制御することが可能である。

次に、本発明の内燃機関の燃料供給装置の第２の実施形態の制御について以下に説明する。本実施の形態は、筒内噴射用インジェクタ１１および吸気ポート噴射用インジェクタ１２の両方から燃料を噴射させている運転状態から、車両が減速走行等に移行した際に燃料供給を停止させるいわゆるフュエルカットの要求があった場合に対処するものである。すなわち、この筒内噴射用インジェクタ１１および吸気ポート噴射用インジェクタ１２の両方の燃料噴射を停止させるときには、筒内噴射用インジェクタ１１からの燃料噴射を停止させた後に、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からの燃料噴射を停止させるようにしている。

より具体的に説明すると、負荷センサ４４、回転数センサ４６および車速センサ４８により得られる機関負荷、機関回転数および車速とによりフュエルカットの要求有りと判断されると、電子制御ユニット３０は、図４に示すように、筒内噴射用インジェクタ１１(直噴ＩＮＪと表示されている)からの燃料噴射を停止させた後に、吸気ポート噴射用インジェクタ１２（ポート噴射ＩＮＪと表示されている）からの燃料噴射を停止させるのである。このように制御すると、最後に相対的に燃料圧の低い吸気ポート噴射用インジェクタ１２から燃料が噴射されるので、燃料噴射量の制御が最後まで可能であり、全体的に機関の安定的な運転を損なうことがないという効果を奏する。

さらに、本発明の内燃機関の燃料供給装置の第３の実施形態の制御について以下に説明する。本実施の形態は、例えば、上述の燃料噴射の停止状態から筒内噴射用インジェクタ１１および吸気ポート噴射用インジェクタ１２の両方から燃料を噴射させるときに対処するものである。すなわち、両燃料噴射の停止状態から噴射状態に復帰する際に、必要燃料噴射量が少ないときには、吸気ポート噴射用インジェクタ１２から筒内噴射用インジェクタ１１の順で燃料噴射を開始させ、必要燃料噴射量が多いときには、筒内噴射用インジェクタ１１から吸気ポート噴射用インジェクタ１２の順で燃料噴射を開始させるようにしている。

より具体的に説明すると、負荷センサ４４、回転数センサ４６および車速センサ４８により得られる機関負荷、機関回転数および車速とにより噴射開始要求有りと判断されると、電子制御ユニット３０は、図５に示すように噴射を開始する。すなわち、必要燃料噴射量が少ないときには、図５（Ａ）に示すように、吸気ポート噴射用インジェクタ１２（ポート噴射ＩＮＪと表示されている）から筒内噴射用インジェクタ１１(直噴ＩＮＪと表示されている)の順で燃料の噴射を開始するように噴射信号を発する。このようにすると、制御された燃料噴射量が早期に得られるので、機関の安定的な運転が損なわれない。一方、必要燃料噴射量が多いときには、図５（Ｂ）に示すように、筒内噴射用インジェクタ１１から吸気ポート噴射用インジェクタ１２の順で燃料の噴射が開始される。このようにすると、高い燃料圧の筒内噴射用インジェクタ１１からの噴射により、大量の燃料噴射量が得られ加速性が向上するという効果を奏するのである。

なお、上述の例では、車両走行中の燃料噴射の停止状態から噴射状態に復帰する場合について説明したが、これは機関の始動時においても同様に適用可能である。すなわち、水温センサ３８にて検出される冷却水温度に応じて必要燃料噴射量は変動するので、この必要燃料噴射量の大小に応じて、上述の如く噴射開始の順序を決めればよい。

本発明に係るデュアル噴射型内燃機関の燃料供給装置の概略構成図を示す模式図である。図１に示す機関の側断面図である。本発明の一実施形態において、運転領域に対応させた噴射形態を示すグラフである。本発明の一実施形態において、燃料噴射停止に移行するときの様子を説明するグラフである。本発明の一実施形態において、燃料噴射開始に移行するときの様子を説明するグラフであり、（Ａ）は小流量時、（Ｂ）は大流量時である。

符号の説明

１１筒内噴射用インジェクタ
１２吸気ポート噴射用インジェクタ
３０電子制御ユニット
３８水温センサ
４４負荷センサ
４６回転数センサ

Claims

筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備える内燃機関において、
必要燃料噴射量が所定値以上のときは、前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタの両方から燃料を噴射させ、必要燃料噴射量が所定値未満のときには、前記吸気ポート噴射用インジェクタから燃料を噴射させるようにしたことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタの両方から燃料を噴射させている状態から両方の燃料噴射を停止させるときには、前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を停止させた後、前記吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を停止させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置。
燃料噴射の停止状態から前記筒内噴射用インジェクタおよび吸気ポート噴射用インジェクタの両方から燃料を噴射させるとき、
必要燃料噴射量が少ないときには、前記吸気ポート噴射用インジェクタから筒内噴射用インジェクタの順で燃料噴射を開始させ、
必要燃料噴射量が多いときには、前記筒内噴射用インジェクタから吸気ポート噴射用インジェクタの順で燃料噴射を開始させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置。