JP2006104995A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁と、吸気ポートへ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料噴射制御装置において、少なくとも第二燃料噴射弁により燃料を気筒内へ供給する運転領域において、排気エミッション及び燃料消費の悪化を抑制すると共に第一燃料噴射弁の噴孔へのデポジットの堆積を防止する。
【解決手段】 第一燃料噴射弁の噴孔温度がデポジットの堆積を防止可能な設定温度以下となる第一燃料噴射弁の最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎを、吸入空気量Ｇａと機関温度Ｔｗとに基づき決定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁と、吸気ポートへ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関が公知である。

第一燃料噴射弁により吸気行程において気筒内へ噴射される燃料は、筒内温度を良好に低下させ、吸気充填効率を向上させるのに有利であり、機関高負荷側の均質燃焼では第一燃料噴射弁により必要燃料量の全てを噴射することが好ましい。一方、機関低負荷側の均質燃焼では、噴射燃料を点火までに十分に気化させて排気エミッションを良好にすると共に燃料消費を低減することが好ましく、それには、第二燃料噴射弁により必要燃料量の全てを噴射することが好ましい。

しかしながら、このように第一燃料噴射弁の燃料噴射を停止すると、機関運転状態によっては気筒内に位置する第一燃料噴射弁の噴孔が高温となって噴孔にデポジットが堆積し、第一燃料噴射弁の燃料噴射量制御が非常に困難となる。従って、均質燃焼時において、第一燃料噴射弁により少なくとも一定量の燃料を噴射するようにし、第一燃料噴射弁の噴孔温度の上昇を噴射燃料により抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３６４４０９号公報 特開平１１−３５１０４１号公報

前述の背景技術において、第一燃料噴射弁により噴射される一定量の燃料は、いかなる機関運転状態においても第一燃料噴射弁の噴孔温度をデポジットが堆積しない許容温度以下とするように設定されている。それにより、運転状態によっては、一定量の燃料が第一燃料噴射弁から噴射された結果として、噴孔温度が許容温度を大きく下回ることがある。もちろん、この時には、第一燃料噴射弁の噴孔へのデポジットの堆積を防止することができるが、第二燃料噴射弁により噴射される燃料量が少なくなって排気エミッション及び燃料消費が悪化する。

従って、本発明の目的は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁と、吸気ポートへ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料噴射制御装置において、少なくとも第二燃料噴射弁により燃料を気筒内へ供給する運転領域において、排気エミッション及び燃料消費の悪化を抑制すると共に第一燃料噴射弁の噴孔へのデポジットの堆積を防止することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁と、吸気ポートへ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料噴射制御装置であって、少なくとも前記第二燃料噴射弁により燃料を気筒内へ供給する運転領域において、前記第一燃料噴射弁の噴孔温度がデポジットの堆積を防止可能な設定温度以下となる前記第一燃料噴射弁の最小燃料噴射割合を、吸入空気量と機関温度とに基づき決定することを特徴とする。

また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記最小燃料噴射割合を、前記吸入空気量と前記機関温度と空燃比とに基づき決定することを特徴とする。

吸入空気量は、第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁の両方を合わせて気筒内へ供給すべき総燃料噴射量を決定するパラメータであり、この総燃料噴射量のうちで燃料噴射割合に基づき第一燃料噴射弁により噴射される燃料量に応じて第一燃料噴射弁の噴孔は冷却される。また、総燃料噴射量に応じて気筒内での燃焼熱量が変化し、この燃焼熱量に応じて第一燃料噴射弁の噴孔が加熱される。また、機関温度に応じて第一燃料噴射弁の噴孔から機関本体への伝熱量が変化する。こうして、本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、第一燃料噴射弁の噴孔温度がデポジットの堆積を防止可能な設定温度以下となる第一燃料噴射弁の最小燃料噴射割合を、吸入空気量と機関温度とに基づいて正確に決定することができ、それにより、少なくとも第二燃料噴射弁により気筒内へ燃料を供給する運転領域において、第一燃料噴射弁の燃料噴射量は、可能な限り少なく（ゼロを含む）されてデポジットの堆積を防止し、第二燃料噴射弁の燃料噴射量は可能な限り多くされて排気エミッション及び燃料消費の悪化を抑制することができる。

また、少なくとも第二燃料噴射弁により気筒内へ燃料を供給する運転領域において空燃比が変化する場合においては、吸入空気量から決定される総燃料噴射量が空燃比に応じて変化すると共に、空燃比が理論空燃比よりリッチとなってもリーンとなっても、総燃料噴射量に対する気筒内での燃焼熱量は理論空燃比の時に比較して減少し、この燃焼熱量に応じて第一燃料噴射弁の噴孔が加熱される。こうして、本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、第一燃料噴射弁の噴孔温度がデポジットの堆積を防止可能な設定温度以下となる第一燃料噴射弁の最小燃料噴射割合を、吸入空気量と機関温度と空燃比とに基づいてさらに正確に決定することができ、さらに確実に排気エミッション及び燃料消費の悪化を抑制すると共に第一燃料噴射弁の噴孔へのデポジットの堆積を防止することができる。

図１は本発明による燃料噴射制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は各気筒共通のサージタンクである。３はサージタンク２と各気筒とを連通する吸気ポートであり、４はサージタンク２の上流側の吸気通路である。吸気通路４におけるサージタンク２の直上流側にはスロットル弁５が配置されている。６は吸気通路４の最上流部に位置するエアクリーナであり、７はエアクリーナに取り付けられたエアフローメータである。８は排気ポートである。

機関本体１において、９は吸気弁、１０は排気弁、１１はピストン、１２は点火プラグである。１３は各気筒内へ直接的に燃料を噴射するための第一燃料噴射弁であり、１４は各吸気ポート３に配置された第二燃料噴射弁である。

本内燃機関は、第一燃料噴射弁１３により圧縮行程後半で燃料を噴射し、噴射燃料を直接的又はピストン１１の頂面のキャビティ１１ａ等を利用して間接的に点火プラグ１２近傍へ導き、点火時点において点火プラグ１２近傍に可燃混合気を形成する成層燃焼を実施可能となっている。このような成層燃焼は、気筒内全体としてはリーンな混合気を燃焼可能であるために燃料消費を低減することができる。

しかしながら、多量の燃料を圧縮行程後半で噴射して点火までに十分に気化させて可燃混合気とすることは困難であり、本内燃機関において、成層燃焼は低回転低負荷の運転領域にだけ実施される。その他の運転領域においては、吸気行程で燃料を噴射して点火時点において気筒内に均質混合気を形成する均質燃焼を実施するようになっている。

この均質燃焼に際して、気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁１３を使用して吸気行程で燃料を噴射すれば、噴射燃料は気筒内温度を良好に低下させるために、吸気充填効率を向上させることができる。それにより、均質燃焼の運転領域の高負荷側においては、第一燃料噴射弁１３だけを使用して必要量の燃料を噴射することが好ましい。このように第一燃料噴射弁１３は、均質燃焼においても必要とされるものであり、本実施形態において、前述の成層燃焼は特に実施されなくても良い。

第一燃料噴射弁１３により吸気行程で気筒内へ直接的に噴射される燃料は、圧縮行程のように筒内圧力が高くないために、吸気との摩擦による微粒化があまり期待できず、噴射された燃料の全てを点火までに十分に気化させることは難しい。こうして、ある程度の未燃燃料が排出される。これに対して、第二燃料噴射弁１４により吸気ポート３へ噴射された燃料は、吸気と共に微粒化されて気筒内へ供給されるために、点火までに十分に気化し、未燃燃料の排出量を十分に低減することができる。こうして、排気エミッションの悪化が抑制されると共に燃料消費を低減することができる。それにより、均質燃焼の運転領域の低負荷側においては、第二燃料噴射弁１４だけを使用して必要量の燃料を噴射することが好ましい。

しかしながら、第二燃料噴射弁１４だけを使用して第一燃料噴射弁１３を使用しないと、運転状態によっては、第一燃料噴射弁１３の噴孔がデポジットの堆積温度まで高まってしまう。それにより、第一燃料噴射弁１３の噴孔にデポジットが堆積すると、第一燃料噴射弁１３の燃料噴射制御が非常に困難となる。このデポジットの堆積を防止するために、第一燃料噴射弁１３により常に一定量の燃料を噴射するようにすると、第二燃料噴射弁１４により噴射される燃料量が比較的少なくなり、排気エミッション及び燃料消費が悪化する。本実施形態は、少なくとも第二燃料噴射弁により燃料を噴射して均質燃焼を実施する運転領域において、第一燃料噴射弁１３により噴射される燃料量を可能な限り少なくして第一燃料噴射弁１３の噴孔へのデポジットの堆積を防止すると共に、第二燃料噴射弁１４により噴射される燃料量を可能な限り多くして排気エミッション及び燃料消費の悪化を抑制するようにしている。

第一燃料噴射弁１３の噴孔温度を設定温度（例えば、１５０°Ｃ）以下としておけば、第一燃料噴射弁１３の噴孔にデポジットが堆積することはない。図２は、吸入空気量Ｇａと噴孔温度Ｔｉｎｊとの関係を示しており、各グラフは、第一燃料噴射弁１３の燃料噴射割合毎の直線近似された実験結果である。噴孔温度Ｔｉｎｊは、機関温度としての冷却水温Ｔｗ（°Ｃ）より低くなることはない。また、吸入空気量Ｇａ（ｇ／ｓ）が多くなるほど、第一燃料噴射弁１３の燃料噴射割合を大きくしないと、噴孔温度が設定温度を超える機会が増加することが解かる。噴孔温度Ｔｉｎｊ（°Ｃ）を示す各グラフは、次式（１）によって表される。
Ｔｉｎｊ＝１．８Ｇａ・ｅｘｐ（−３．４Ｋ）＋Ｔｗ （１）
ここで、Ｋが第一燃料噴射弁１３の燃料噴射割合（１００％を１とする）である。

吸入空気量Ｇａは、第一燃料噴射弁１３及び第二燃料噴射弁１４の両方を合わせて気筒内へ供給すべき総燃料噴射量に対応しており、この総燃料噴射量のうちで燃料噴射割合に基づき第一燃料噴射弁１３により噴射される燃料量が多いほど第一燃料噴射弁１３の噴孔は大幅に冷却される。また、総燃料噴射量が多いほど気筒内での燃焼熱量が大きくなり、この燃焼熱量が大きいほど第一燃料噴射弁の噴孔は大幅に加熱される。また、冷却水温Ｔｗが高いほど第一燃料噴射弁１３の噴孔から機関本体への伝熱量が少なくなって噴孔は冷却され難くなる。こうして、吸入空気量Ｇａと冷却水温Ｔｗとによって、第一燃料噴射弁１３により噴射される燃料量を可能な限り少なくして第一燃料噴射弁１３の噴孔温度を設定温度以下とする第一燃料噴射弁１３の最小燃料噴射割合を決定することができる。

ところで、吸入空気量Ｇａから総燃料噴射量を決定する際に、運転状態によって空燃比Ａ／Ｆが変化させる場合には、もちろん、空燃比Ａ／Ｆを考慮しなければならない。また、総燃料噴射量が同じでも空燃比Ａ／Ｆが変化すると燃焼熱量も変化し、空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比１４．５である時には燃焼熱量が最も大きくなり、リーン側及びリッチ側へずれるほど燃焼熱量は大幅に減少する。図３は、理論空燃比の時を１とした燃焼熱量比を示すグラフである。こうして、燃焼熱量が変化すれば、第一燃料噴射弁の噴孔の加熱程度に影響する。それにより、第一燃料噴射弁１３の最小燃料噴射割合を決定する際には、吸入空気量Ｇａ及び冷却水温Ｔｗだけでなく空燃比Ａ／Ｆを考慮することが好ましい。空燃比Ａ／Ｆに基づく補正係数Ｆ＝−（Ａ／Ｆ−１４．５）²／８０＋１を使用すると、式（１）は次式（２）のように書き換えられる。
Ｔｉｎｊ＝（１．８Ｇａ・ｅｘｐ（−３．４Ｋ）＋Ｔｗ）・Ｆ （２）

図４は、本実施形態の燃料噴射制御装置により実施される第一燃料噴射弁１３の燃料噴射量Ｑ１と第二燃料噴射弁１４の燃料噴射量Ｑ２とを決定するためのフローチャートである。先ず、ステップ１０１において、エアフローメータ７により検出される現在の吸入空気量Ｇａと、水温センサ（図示せず）により検出される現在の冷却水温Ｔｗと、現在の運転状態に対する目標空燃比Ａ／Ｆとが入力される。次いで、ステップ１０２において、第一燃料噴射弁１３により噴射される燃料量を可能な限り少なくして第一燃料噴射弁１３の噴孔温度を設定温度以下とする第一燃料噴射弁１３の最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎを算出する。

式（２）から燃料噴射割合Ｋを逆算すると、次式（３）を得ることができる。
Ｋ＝−（１／３．４）・ｌｎ（（Ｔｉｎｊ／Ｆ−Ｔｗ）／１．８Ｇａ） （３）
こうして、噴孔温度Ｔｉｎｊには設定温度として例えば１５０°Ｃを代入し、目標空燃比Ａ／Ｆに基づき補正係数Ｆを算出して代入し、また、冷却水温Ｔｗ及び吸入空気量Ｇａをそれぞれ代入すれば、第一燃料噴射弁１３の噴孔にデポジットを堆積させない第一燃料噴射弁１３の最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎを算出することができる。算出された最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎが０及び負値であれば、第一燃料噴射弁１３での燃料噴射割合は０％として良く、第一燃料噴射弁１３から燃料を噴射しなくても噴孔にデポジットが堆積することはない。

次いで、ステップ１０３において、吸入空気量Ｇａと目標空燃比Ａ／Ｆとに基づき総燃料噴射量Ｑが算出され、ステップ１０４において、総燃料噴射量Ｑにステップ１０２において算出された最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎが乗算されて第一燃料噴射弁１３の燃料噴射量Ｑ１が決定され、ステップ１０５においては、総燃料噴射量Ｑに（１−最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎ）が乗算されて第二燃料噴射弁１４の燃料噴射量Ｑ２が決定される。

このように、現在の吸入空気量Ｇａと、現在の冷却水温Ｔｗと、現在の空燃比Ａ／Ｆとに基づき、第一燃料噴射弁１３の噴孔温度を設定温度以下とする総燃料噴射量に対する第一燃料噴射弁１３の最小燃料噴射割合を算出して、第一燃料噴射弁１３の燃料噴射量を可能な限り少なくするために、第二燃料噴射弁１４の燃料噴射量は可能な限り多くなって排気エミッション及び燃料消費の悪化を抑制することができる。ここで、式（３）を使用して算出された最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎの値が０以上である時には、第一燃料噴射弁１３の噴孔温度は設定温度となり、算出された最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎの値が０より小さい負値である時には、第一燃料噴射弁１３により燃料は噴射されないにも係らずに第一燃料噴射弁１３の噴孔温度は設定温度より低くなる。

ところで、前述のフローチャートのステップ１０２において使用した式（３）の変形前の式（２）は、実験値を直線近似した式であるために、特に、吸入空気量Ｇａが少ない時の吸入空気量Ｇａと噴孔温度Ｔｉｎｊとの間の非線形性は無視されている。それにより、この非線形性を考慮して、さらに正確に第一燃料噴射弁１３の最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎを設定するためには、図５に示すように、冷却水温Ｔｗ及び目標空燃比Ａ／Ｆ毎に、吸入空気量Ｇａに対する最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎをマップ化すれば良い。

少なくとも第二燃料噴射弁１４により気筒内へ燃料を供給する均質燃焼の運転領域において、目標空燃比Ａ／Ｆが常に理論空燃比１４．５である場合には、理論空燃比１４．５に対してだけ冷却水温Ｔｗ毎のマップを設定すれば良い。また、この場合には、式（１）を変形して第一燃料噴射弁１３の最小燃料噴射割合Ｋｍｉｎを算出すれば良い。

本発明による燃料噴射制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。 吸入空気量と噴孔温度との関係を示すグラフである。 空燃比に対する燃焼熱量比を示すグラフである。 本発明による燃料噴射制御装置により実施される燃料噴射制御を示すフローチャートである。 吸入空気量に対する第一燃料噴射弁の最小燃料噴射割合のマップ群である。

符号の説明

１ 機関本体
３ 吸気ポート
１３ 第一燃料噴射弁
１４ 第二燃料噴射弁

Claims (2)

1. 気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁と、吸気ポートへ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料噴射制御装置であって、少なくとも前記第二燃料噴射弁により燃料を気筒内へ供給する運転領域において、前記第一燃料噴射弁の噴孔温度がデポジットの堆積を防止可能な設定温度以下となる前記第一燃料噴射弁の最小燃料噴射割合を、吸入空気量と機関温度とに基づき決定することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記最小燃料噴射割合を、前記吸入空気量と前記機関温度と空燃比とに基づき決定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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