JP2005155501A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気通路噴射と筒内噴射との間の噴射方式の切替に伴うトルク変動の不快感を緩和することのできる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】機関始動後、冷却水温ｔｈｗが切替判定値ＴＷＣを超えた時点（時刻ｔ２）に、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射から気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射へと要求噴射方式を切替える。このときの実噴射方式はポート噴射のまま保持し、ポート噴射による機関運転をそのまま継続させる。そしてポート噴射から筒内噴射への実噴射方式の切替を、その後の燃料カット復帰時（時刻ｔ４）まで保留することで、燃料カット復帰時より筒内噴射による機関運転を開始する。これにより、ポート噴射による機関運転と筒内噴射による機関運転とが連続されないようにすることで、噴射方式の切替に伴うトルク変動の不快感を緩和する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で機関運転状況に応じて選択的に噴射方式を切替える内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

周知のように内燃機関の噴射方式としては、吸気ポート等の吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射とがある。これらの噴射方式にはそれぞれ一長一短があり、機関運転状況によってそれら噴射方式の優劣は変化してしまう。そこで吸気通路及び気筒にそれぞれインジェクタを配置し、燃料噴射を行うインジェクタの切替を通じて機関運転中に状況に応じて噴射方式を選択的に切替えるようにすれば、より好ましい状態で内燃機関を運転することができる。例えば特許文献１には、そうした噴射方式の切替を、冷却水温に応じて行う内燃機関の燃料噴射制御装置が記載されている。
特開２０００−８９１６号公報

しかしながら、機関運転中に噴射方式が急に切替えられてしまうと、それに伴う燃焼状態の変化等に起因してトルク変動が発生してしまう。そしてそうした予期せぬトルク変動により、運転者に不快感を与えるおそれがある。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、吸気通路噴射と筒内噴射との間の噴射方式の切替に伴うトルク変動の不快感を緩和することのできる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果を記載する。
請求項１に記載の発明は、吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で機関運転状況に応じて選択的に噴射方式を切替える内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記噴射方式の切替の実行条件に、燃料カット時であることを含むことをその要旨とする。

上記構成では、噴射方式切替の実行条件に燃料カット時であることが含まれていることから、該実行条件が燃料カット時に成立されるようになる。よって、噴射方式の切替が要求されても、切替前の噴射方式が燃料カット開始まで継続され、燃料カット復帰時から切替後の噴射方式での機関運転が開始されるようになる。したがって上記構成では、燃焼継続中に噴射方式が切替えることはなく、吸気通路噴射と筒内噴射との間の噴射方式の切替に伴うトルク変動の不快感を緩和することができる。

請求項２に記載の発明は、吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で機関運転状況に応じて選択的に噴射方式を切替える内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記噴射方式の切替要求がなされてから燃料カット時まで該切替要求に基づく噴射方式の切替の実行を保留することをその要旨とする。

上記構成では、噴射方式の切替が要求されても、切替前の噴射方式が燃料カット開始まで継続され、燃料カット復帰時から切替後の噴射方式での機関運転が開始されるようになる。したがって上記構成によれば、吸気通路噴射と筒内噴射との間の噴射方式の切替に伴うトルク変動の不快感を緩和することができる。

請求項３に記載の発明は、吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で機関温度に応じて選択的に噴射方式を切替える内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関温度に基づく噴射方式の切替条件が成立し、且つ燃料カット時であることを条件に該噴射方式の切替を実行することをその要旨とする。

また請求項４に記載の発明は、吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で機関温度に応じて選択的に噴射方式を切替える内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関温度に応じた噴射方式の切替条件が成立してから燃料カット時までその切替条件成立に基づく噴射方式の切替の実行を保留することをその要旨とする。

請求項３及び４に記載の各構成では、機関温度に応じた噴射方式の切替条件が成立しても、燃料カット開始までは切替条件成立前の噴射方式がそのまま継続され、燃料カット復帰時から該切替条件成立に基づく切替後の噴射方式による機関運転が開始されるようになる。そのため、吸気通路噴射と筒内噴射との間の噴射方式の切替に伴うトルク変動による不快感を好適に回避することができる。

なお機関温度は通常、機関始動より徐々に単調上昇した後、暖機完了後はほぼ一定に保持されることから、機関温度に基づく噴射方式の切替が機関運転中に要求される頻度は低く、また暖機期間の機関温度の上昇は比較的緩やかとなっている。そのため、そうした機関温度に基づく噴射方式の切替が燃料カット時まで遅延されたとしても、その遅延が機関運転に与える影響は小さいものとなる。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関温度に応じた噴射方式の切替条件は、前記機関温度が所定値以下のときに前記吸気通路噴射を行い、同機関温度が前記所定値を超えるときに前記筒内噴射を行うように設定されてなることをその要旨とする。

吸気通路噴射に比して燃料と空気との混合性の低い筒内噴射では、機関温度が低いときには、燃焼の不安定化を招き易い。また吸気通路内に比して高圧の気筒内に燃料を直接噴射するため、噴射圧をより高くする必要のある筒内噴射では、機関始動直後に十分な噴射圧が確保されるまでに時間が掛かってしまうことから、吸気通路噴射に比して始動性が悪化する傾向にある。一方、暖機完了後も吸気通路噴射が長期継続されると、燃焼室内に露出した筒内噴射インジェクタの先端温度が上昇して、その噴孔にデポジットが堆積し易くなる。

その点、請求項５に記載の構成では、機関温度が低いときには吸気通路噴射を行い、機関温度が高いときには筒内噴射を行うように、噴射方式の切替が要求される。そのため、低温時の始動性及び燃焼安定性の確保と、高温時の筒内噴射インジェクタのデポジット堆積抑制とを併せ図ることができる。

以下、本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した一実施形態を、図に従って詳細に説明する。
図１は、本実施形態の適用される内燃機関１０の模式構造を示している。なお同図には、内燃機関１０の気筒１２周辺部に加え、その燃料系及び制御系の構造が模式的に併せ示されている。

同図に示すように内燃機関１０は、吸気管１１、気筒１２及び排気管１３を備えて構成されている。気筒１２内には往復動可能にピストン１４が配設され、該ピストン１４の頂面及び気筒１２の壁面とによって燃焼室１５が区画形成されている。

吸気管１１は、吸気ポート１６を介して上記燃焼室１５に接続されている。吸気ポート１６には、該吸気ポート１６を燃焼室１５に対して開閉する吸気バルブ１７、及びポート噴射インジェクタ１８が配設されている。この内燃機関１０では、吸気管１１及び吸気ポート１６によって吸気通路が構成されおり、上記ポート噴射インジェクタ１８が上記吸気通路噴射インジェクタに対応する構成とされている。

燃焼室１５頂面には、同室内に充填された燃料と空気との混合気を火花着火する点火プラグ１９が配設されている。燃焼室１５の形成された気筒１２には、噴孔を燃焼室１５に露出するように筒内噴射インジェクタ２０が配設されている。また気筒１２の周囲には、ウォータジャケット２１が形成され、冷却水が循環されている。更に燃焼室１５は、排気ポート２２を介して排気管１３に接続されている。排気ポート２２には、該排気ポート２２を燃焼室１５に対して開閉する排気バルブ２４が配設されている。

上記ポート噴射インジェクタ１８及び筒内噴射インジェクタ２０に燃料タンク２５から燃料を供給する内燃機関１０の燃料系は、フィードポンプ２６、高圧燃料ポンプ２７、高圧燃料配管２８を備えて構成されている。フィードポンプ２６は、燃料タンク２５内の燃料を吸引し、上記ポート噴射インジェクタ１８に送り出す。フィードポンプ２６から送り出された燃料は、高圧燃料ポンプ２７にも供給される。高圧燃料ポンプ２７は、フィードポンプ２６から送り出された燃料を更に加圧する。高圧燃料ポンプ２７によって加圧された高圧燃料は、高圧燃料配管２８に蓄圧され、その高圧燃料配管２８から上記筒内噴射インジェクタ２０に供給される。

こうした内燃機関１０の運転制御は、電子制御装置３０によって行われる。電子制御装置３０は、機関制御に係る演算処理を実行するＣＰＵ、機関制御に必要なプログラムや情報の記憶されるメモリ、外部との信号の入出力を行うための入力ポート及び出力ポートを備えて構成されている。

電子制御装置３０の入力ポートには、機関運転状況を検出する各種のセンサが接続されている。例えば機関回転速度ｎｅを検出する回転速度センサ３１、アクセル操作量ａｃｃｐを検出するアクセルセンサ３２、上記ウォータジャケットを循環される冷却水の温度（冷却水温度ｔｈｗ）を検出する水温センサ３３等が入力ポートに接続されている。一方、電子制御装置３０の出力ポートには、上記点火プラグ１９、上記ポート噴射インジェクタ１８、上記筒内噴射インジェクタ２０等が接続されている。そして電子制御装置３０は、上記各センサによって検出された機関運転状況に基づき点火プラグ１９による点火時期の制御や、上記各インジェクタによる燃料噴射制御等の機関制御を実行する。

以上のように構成された本実施形態の内燃機関１０では、上記ポート噴射インジェクタ１８と筒内噴射インジェクタ２０との間で燃料噴射を行うインジェクタを切替えることで、吸気ポート１６内に燃料を噴射するポート噴射と、気筒１２内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で噴射方式を切替可能となっている。上記電子制御装置３０は、そうした噴射方式の切替を、上記水温センサ３３によって検出される冷却水温ｔｈｗにより把握される機関温度に応じて行っている。

以下、そうした噴射方式の切替に係る電子制御装置３０の処理の詳細を、図２〜図４を併せ参照して詳細に説明する。
図２は、筒内噴射による運転時の内燃機関１０のトルク変動量と冷却水温ｔｈｗとの関係を示している。また同図には、ポート噴射にて機関運転が行われているときの上記筒内噴射インジェクタ２０のノズル温度と冷却水温ｔｈｗとの関係も併せ示されている。

気筒１２内でのみ空気と燃料との混合が行われる筒内噴射では、気筒１２内の温度が低く、燃料が気化され難い状況では、空気と燃料と混合が良好に行われず、燃焼状態が悪化することがある。そのため、同図に示されるように筒内噴射運転時のトルク変動量は、冷却水温ｔｈｗが低いときほど大きくなる傾向にある。これに対してポート噴射では、低水温時にも、比較的良好な混合気を形成可能であり、トルク変動量も小さく抑えることができる。

ちなみに機関始動直後には、上記高圧燃料配管２８内の燃圧を直ちには十分に高めることができず、筒内噴射インジェクタ２０からの燃料の噴射圧を十分に確保することが困難となっている。そのため、筒内噴射で機関始動を開始する場合には、十分な燃圧が確保されるまで待機する必要があり、ポート噴射で機関始動を開始する場合に比して始動性が悪化する傾向にもある。

ポート噴射運転中は、燃料噴射に伴う気化熱等によって筒内噴射インジェクタ２０のノズルから熱が奪われることがなく、燃焼室１５の筒内噴射インジェクタ２０のノズル温度は、燃焼室１５の壁面温度の上昇と共に上昇する。そのため、ポート噴射時の筒内噴射インジェクタ２０のノズル温度は、冷却水温ｔｈｗと共に上昇する傾向にある。ノズル温度が高くなると、噴射孔周囲にデポジットが付着し易くなることから、暖機完了後もポート噴射運転が長期継続されると、筒内噴射インジェクタ２０の噴孔に詰りが発生して、噴射率の低下や噴霧形状の悪化等の不具合を招くおそれがある。

そこで電子制御装置３０は、冷却水温ｔｈｗが切替判定値ＴＷＣ以下のときにはポート噴射が行われ、切替判定値ＴＷＣを超えるときには筒内噴射が行われるように噴射方式の切替要求を行うようにしている。ここで切替判定値ＴＷＣは、下記温度Ｔｂ未満で、且つ下記温度Ｔａを超える値に設定されている。
・温度Ｔａ：筒内噴射運転時のトルク変動量を、その許容上限値Ａ以下に抑えられる冷却水温ｔｈｗの下限値。
・温度Ｔｂ：ポート噴射運転時の上記筒内噴射インジェクタ２０のノズル温度を、デポジット付着を許容範囲に抑制可能な上限温度Ｂ以下に抑えられる冷却水温ｔｈｗの上限値。

こうした切替要求に従って噴射方式の切替を実行すれば、機関始動はポート噴射で開始されるようになる。そして筒内噴射でもトルク変動を十分に抑えられるようになり、且つデポジットの堆積が懸念されるまでノズル温度が上昇する前に、ポート噴射から筒内噴射へと噴射方式が切替えられる。そのため、内燃機関１０の始動性及び暖機完了前の燃焼安定性の確保と、暖機完了後の筒内噴射インジェクタ２０へのデポジットの堆積の抑制とを併せ図ることができるようになる。

ところが、上記冷却水温ｔｈｗに応じた切替要求に応じて、直ちに噴射方式の切替を実行してしまえば、上述したように、噴射方式の切替に伴う燃焼状態の変化等により予期せぬトルク変動が発生して、運転者に不快感を与えるおそれがある。そこで本実施形態では、冷却水温ｔｈｗに基づく噴射方式の切替条件が成立し、且つ燃料カット復帰時であることを条件に該噴射方式の切替を実行するようにしている。そのため本実施形態では、冷却水温ｔｈｗに応じた噴射方式の切替条件が成立しても、その切替条件成立に基づく噴射方式切替の実行は、燃料カット復帰時まで保留されるようになる。すなわち本実施形態では、上記冷却水温ｔｈｗに応じた切替条件に加え、燃料カット時であることが、噴射方式の切替の実行条件に含まれていることとなる。

図３は、そうした本実施形態の噴射方式切替制御に係る処理ルーチンのフローチャートを示している。同図に示される一連の処理は、機関始動後、電子制御装置３０によって周期的に実行される。

さて本ルーチンの処理が開始されると、まずステップ１００において、冷却水温ｔｈｗが上記切替判定値ＴＷＣ以下であるか否かが判定される。ここで冷却水温ｔｈｗが切替判定値ＴＷＣ以下であれば（ＹＥＳ）、ステップ１１０において要求噴射方式がポート噴射に設定され、切替判定値ＴＷＣを超えていれば（ＮＯ）、ステップ１２０において要求噴射方式が筒内噴射に設定される。

こうして要求噴射方式を決定した後、処理はステップ１３０に移行される。そしてそのステップ１３０において、燃料カット復帰時であるか否かが判定される。ここで燃料カット復帰時でなければ（ＮＯ）、そのまま今回の制御周期における本ルーチンの処理が終了される。

一方、燃料カット復帰時であれば（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、処理がステップ１４０に進められる。そしてそのステップ１４０において、内燃機関１０で実際に実施される噴射方式である実噴射方式が、上記要求噴射方式に変更される。そしてその後、今回の制御周期における本ルーチンの処理が終了される。なお実噴射方式は、機関始動の開始時には、ポート噴射に初期設定されている。

図４は、機関始動の開始から暖機完了までの期間における内燃機関１０の制御態様の一例を示している。
同図の制御態様例では、時刻ｔ１にイグニッションスイッチがオンとされ、内燃機関１０の始動が開始されている。このときの要求噴射方式及び実噴射方式は共にポート噴射に設定され、内燃機関１０の始動はポート噴射にて行われる。その後、初爆が成立して燃焼室１５内で混合気の燃焼が開始されると、冷却水温ｔｈｗは徐々に上昇し始める。

時刻ｔ２において冷却水温ｔｈｗが上記切替判定値ＴＷＣを超えるまで上昇すると、要求噴射方式がポート噴射から筒内噴射へと切替えられる。一方、このときの実噴射方式はポート噴射のまま保持され、その後も内燃機関１０ではポート噴射による運転が継続される。

その後、内燃機関１０では、時刻ｔ３において燃料カットが開始され、燃料噴射及び点火が中止される。そして時刻ｔ４において燃料カット復帰がなされ、燃料噴射及び点火が再開されている。

本実施形態では、こうした燃料カット復帰がなされる時刻ｔ４において、要求噴射方式と一致するように、実噴射方式がポート噴射から筒内噴射へと切替えられる。そして内燃機関１０は、燃料カット復帰時より、筒内噴射により運転されるようになる。

以上説明した本実施形態によれば、下記の効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、燃料カット復帰時であることを条件に、冷却水温ｔｈｗに応じたポート噴射、筒内噴射間の噴射方式の切替を実行するようにしている。そのため、ポート噴射による機関運転と筒内噴射による機関運転との間に燃料カット期間が介在するようになり、それらの機関運転が連続して行われないようになる。したがって噴射方式の切替に伴う予期せぬトルク変動の発生を回避でき、運転者の不快感を緩和することができる。

（２）本実施形態では、始動直後の機関低温時にはポート噴射が行われ、機関高温時には筒内噴射が行われるように噴射方式が切替えられるため、機関低温時の始動性及び燃焼安定性の確保と、機関高温時の筒内噴射インジェクタ２０へのデポジット付着の抑制とを併せ図ることができる。

ちなみに暖機完了までの冷却水温ｔｈｗは通常は単調上昇するのみであり、それに応じた噴射方式の切替は、高い頻度で要求されるものではない。また暖機完了までの冷却水温ｔｈｗの上昇速度は低く、冷却水温ｔｈｗが上記切替判定値ＴＷＣを超えてからのポート噴射から筒内噴射への噴射方式の切替が多少遅れたとしても、筒内噴射インジェクタ２０へのデポジット付着が深刻化することはない。そのため、冷却水温ｔｈｗに応じた噴射方式の切替が燃料カット復帰時まで遅延させても、それが機関運転に与える影響は小さいものとなる。

なお、燃料カットの実施頻度が低く、噴射方式の切替が著しく遅延される懸念がある場合等には、冷却水温ｔｈｗに応じた切替条件の成立後、或いは機関始動の開始後、一定の時間が経過してもなお、燃料カットが実施されなかったときには、強制的に噴射方式の切替を実行するようにしても良い。

以上説明した実施形態は、下記のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、燃料カット復帰時に実噴射方式を切替えるようにしていたが、燃料カット開始から復帰までの期間、すなわち燃料カット時であれば、実噴射方式の切替はいずれの時点で行っても良い。そのように実噴射方式を切替えるタイミングを変更しても、実際に噴射方式が切替わるのは、燃料カット復帰時からであり、実質的に上記実施形態と同様の結果が得られる。

・噴射方式切替の制御ハンチングを抑制すべく、ポート噴射から筒内噴射への切替に係る切替判定値と筒内噴射からポート噴射への切替に係る切替判定値との間にヒステリシスを設定するようにしても良い。

・上記実施形態では、冷却水温ｔｈｗの検出結果を用いて機関温度に応じた噴射方式の切替を行うようにしていたが、例えば内燃機関１０の潤滑油の温度や排気温度等の検出結果、或いは機関始動開始からの経過時間等を用いても同様に機関温度に応じた噴射方式の切替を行うことができる。すなわち、機関温度状態を反映するパラメータであれば、上記冷却水温ｔｈｗの代わりとして、切替条件の判定に用いることができる。

・上記実施形態では、機関低温時にポート噴射を行い、機関高温時に筒内噴射を行うように機関温度に応じた噴射方式の切替条件を設定していたが、これとは異なる態様で機関温度に応じた噴射方式の切替を行う内燃機関の燃料噴射制御装置にも本発明は同様に適用することができる。すなわち、その切替態様が如何にあれ、機関温度に応じて噴射方式が切替えるのであれば、その切替に伴うトルク変動が不快感を招く虞があることに変わりなく、その切替の実行を燃料カット時とすることで、そうしたトルク変動の不快感の緩和を同様に図ることができる。

・機関回転速度や機関負荷等、機関温度以外の条件でポート噴射、筒内噴射間の噴射方式の切替を行う場合にも、やはりその切替に際しては予期せぬトルク変動が発生して運転者に不快感を与えるおそれがある。そこでそうした機関温度以外の条件で切替を行う場合にも、その切替の実行を燃料カット時とすれば、ポート噴射と筒内噴射が連続的に行われることがなくなり、やはりトルク変動による運転者の不快感が緩和されることとなる。

・ポート噴射インジェクタ１８の替わりにサージタンク等の吸気通路の他の部位に配置されたインジェクタを備える内燃機関にも、それが筒内噴射インジェクタを併せ備えるものであれば、本発明は同様に適用することができる。

本発明の一実施形態の適用される内燃機関の模式図。 トルク変動量及びノズル温度の冷却水温に応じた変化態様を示すグラフ。 上記実施形態に採用される噴射方式切替制御のフローチャート。 同実施形態の制御態様の一例を示すタイムチャート。

符号の説明

１０…内燃機関、１１…吸気管（吸気通路）、１２…気筒、１３…排気管、１４…ピストン、１５…燃焼室、１６…吸気ポート（吸気通路）、１７…吸気バルブ、１８…ポート噴射インジェクタ（吸気通路噴射インジェクタ）、１９…点火プラグ、２０…筒内噴射インジェクタ、２１…ウォータジャケット、２２…排気ポート、２４…排気バルブ、２５…燃料タンク、２６…フィードポンプ、２７…高圧燃料ポンプ、２８…高圧燃料配管、３０…電子制御装置、３１…回転速度センサ、３２…アクセルセンサ、３３…水温センサ。

Claims (5)

1. 吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で機関運転状況に応じて選択的に噴射方式を切替える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記噴射方式の切替の実行条件に、燃料カット時であることを含む
   ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で機関運転状況に応じて選択的に噴射方式を切替える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記噴射方式の切替要求がなされてから燃料カット時まで該切替要求に基づく噴射方式の切替の実行を保留する
   ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で機関温度に応じて選択的に噴射方式を切替える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記機関温度に基づく噴射方式の切替条件が成立し、且つ燃料カット時であることを条件に該噴射方式の切替を実行する
   ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路噴射と気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射との間で機関温度に応じて選択的に噴射方式を切替える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記機関温度に応じた噴射方式の切替条件が成立してから燃料カット時までその切替条件成立に基づく噴射方式の切替の実行を保留する
   ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 前記機関温度に応じた噴射方式の切替条件は、前記機関温度が所定値以下のときに前記吸気通路噴射を行い、同機関温度が前記所定値を超えるときに前記筒内噴射を行うように設定されてなる請求項３又は４に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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