JP2006144752A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気ポート噴射を行う内燃機関にあって、その燃料噴射時期を最適化することにより、ノッキングの発生を好適に抑制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】吸気ポート噴射を行う内燃機関にあって、ノッキングの発生し易い運転条件ではない旨判定されるときには、吸気弁の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射を行う。一方、ノッキングの発生し易い運転条件である旨判定されるときには、吸気弁の開弁前からその直後までの時期と吸気弁の閉弁直前の時期との２回に分割して燃料噴射を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、吸気ポート噴射を行う内燃機関に適用される燃料噴射制御装置に関する。

内燃機関が高負荷・高回転条件にて運転されるようなときには、気筒内の温度が上昇しやすく、ノッキングが発生し易くなる。そうしたノッキング発生の抑制は、通常、特許文献１に記載されるような点火時期の遅角制御によって行われている。
特開２０００−７３９２５号公報

しかしながら、そうした点火時期遅角によるノッキングの抑制では、機関出力がその分低下してしまう。
他方、吸気ポート噴射を行う内燃機関では、噴射した燃料が十分に霧化されてから気筒内に吸入されるように、吸気弁の開弁前からその開弁直後までの時期に燃料噴射を行うようにしている。

ここで、吸気弁の開弁前からその開弁直後までの時期よりも遅い時期に燃料噴射を行うようにすれば、気筒内で気化する燃料量が増大するようになるため、燃料の気化潜熱による気筒内の冷却が促進され、これによりノッキングの発生を抑制することができる。

ただし、このように吸気弁の開弁前からその開弁直後までの時期よりも遅い時期に燃料噴射を行うようにすると、燃料が十分に霧化される前に気筒内に導入されてしまうおそれがある。この場合には、空気と燃料との攪拌度合、すなわち混合気の均質性が低下してしまうため、燃焼状態の悪化等を招くおそれがある。従って、このようなより遅い時期での燃料噴射に際しては、燃料の霧化等について改善の余地を残すものとなっている。

本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであって、その解決しようとする課題は、吸気ポート噴射を行う内燃機関にあって、その燃料噴射時期を最適化することにより、ノッキングの発生を好適に抑制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、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、吸気ポート噴射を行う内燃機関にあって、ノッキングの発生し易い運転条件では、吸気弁の閉弁直前の時期に燃料噴射を行い、それ以外の運転条件では、吸気弁の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射を行うことをその要旨とする。

同構成によれば、ノッキングの発生し易い運転条件では、吸気弁の開弁前からその直後までの時期よりも遅い時期に燃料噴射が実施される。そのため、気筒内で気化する燃料量が増大し、燃料の気化潜熱による気筒内の冷却が促進されることにより、ノッキングの発生を抑制することができるようになる。

ここで、上記構成では、吸気弁の開弁前からその直後までの時期よりも遅い時期として、吸気弁の閉弁直前の時期に燃料噴射を行うようにしている。このような、吸気弁の閉弁直前では、吸気ポートの開口面積が縮小されている。そのため、気筒に流入する吸気の流速は高まるようになる。このように吸気の流速が高まると、吸気の温度は、吸気ポートの壁面や吸気弁との摩擦熱で上昇するようになる。この吸気温度の上昇により、吸気弁の閉弁直前の時期に噴射された燃料の温度も上昇し、その燃料の霧化も促進されるようになる。

また、吸気の流速が高まることにより、吸気弁の閉弁直前の時期に噴射された燃料と空気との攪拌も好適になされ、混合気の均質性も向上するようになる。
このように上記構成では、ノッキングの発生し易い運転条件において、燃料噴射時期を最適なものにすることにより、燃料の霧化等を促進しつつ、ノッキングの発生を好適に抑制することができるようになる。

請求項２に記載の発明は、吸気ポート噴射を行う内燃機関にあって、吸気弁の開弁前からその直後までの時期と吸気弁の閉弁直前の時期との２回に分割して燃料噴射を行うことをその要旨とする。

同構成によれば、吸気弁の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射が行われることにより、噴射された燃料は吸気ポートに吹き返された排気によって昇温され、十分に霧化された状態で気筒内に吸入される。また、吸気弁が閉弁するまでの間に空気と十分に攪拌され、混合気の均質性も十分に確保される。

また、吸気弁の閉弁直前の時期にも燃料噴射が行われることにより、上述したごとく気筒内で気化する燃料量が増大し、燃料の気化潜熱による気筒内の冷却が促進されてノッキングの発生が抑制される。

ここで、上述したように、吸気弁の閉弁直前では吸気ポートの開口面積が縮小されているため、気筒に流入する吸気の流速が高められ、これにより吸気の温度は、吸気ポートの壁面や吸気弁との摩擦熱で上昇するようになる。この吸気温度の上昇により、吸気弁の閉弁直前の時期に噴射された燃料の温度も上昇し、その燃料の霧化が促進されるようになる。

また、吸気の流速が高まることにより、吸気弁の閉弁直前の時期に噴射された燃料と空気との攪拌も好適になされ、混合気の均質性も向上するようになる。
このように上記構成では、分割して燃料噴射を行うとともに、各燃料噴射時期を最適なものにすることにより、燃料の霧化等を促進しつつ、ノッキングの発生を好適に抑制することができるようになる。

ちなみに、燃料の霧化や混合気の均質性等を考慮すると、吸気ポート噴射が行われる内燃機関では、基本的に吸気弁の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射を実行することが望ましい。そこで請求項３に記載の発明によるように、上記分割した燃料噴射を、ノッキングの発生し易い運転条件のみで行うようにすることで、燃料噴射態様を適切に設定することができるようになる。

以下、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した一実施形態について、図１〜図３を併せ参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる内燃機関の燃料噴射制御装置が適用される内燃機関１１の概略構成を示している。

同図１に示されるように、内燃機関１１は、その気筒１２内にピストン１３を備えている。ピストン１３は、内燃機関１１の出力軸であるクランクシャフト１５にコンロッド１４を介して連結され、そのコンロッド１４によりピストン１３の往復運動がクランクシャフト１５の回転運動に変換されるようになっている。

上記気筒１２内にあってピストン１３の上方には、燃焼室１６が区画形成されている。この燃焼室１６には、その内部に形成される燃料と空気とからなる混合気に対して点火を行う点火プラグ１８が取り付けられている。この点火プラグ１８による混合気への点火タイミングは同点火プラグ１８の上方に設けられたイグナイタ１９によって調整される。

上記燃焼室１６の上方には、吸気ポート２０ａ及び排気ポート２１ａが設けられており、吸気ポート２０ａは吸気弁２３によって開閉され、排気ポート２１ａは排気弁２４によって開閉される。また、吸気ポート２０ａは吸気通路２０に、排気ポート２１ａは排気通路２１にそれぞれ接続されている。

上記吸気ポート２０ａには、同吸気ポート２０ａに燃料を噴射するインジェクタ２２が設けられている。このインジェクタ２２には、周知の機構を通じて所定圧の燃料が供給されている。そして、後述する電子制御装置３０から燃料噴射信号が出力されるとこのインジェクタ２２の開弁駆動が行われ、燃料が吸気ポート２０ａに噴射される。すなわち吸気ポート噴射が行われる。

また、吸気通路２０には燃焼室１６に導入される空気量を調量するスロットル弁が設けられている。
内燃機関１１の機関制御は、電子制御装置３０により行われている。電子制御装置３０は、機関制御に係る各種処理を実施する中央演算処理装置（ＣＰＵ）、制御用のプログラムや機関制御に必要な情報を記憶するメモリ、インジェクタ２２の駆動回路、並びにイグナイタ１９等の駆動回路等を備えて構成されている。

電子制御装置３０には、機関運転状態を検出する各種のセンサが接続されている。例えばクランクセンサ３１によっては、機関出力軸であるクランクシャフト１５の回転角が、ひいては機関回転速度ＮＥが検出される。またアクセルセンサ３２によって、アクセル操作量ＡＣＣＰが検出される。更に気筒１２を構成するシリンダブロックに配設されたノックセンサ３３によっては、気筒の燃焼室１６内からシリンダブロックに伝達された振動が検出される。

これ以外にも、電子制御装置３０には、吸入空気量を検出するエアフロメータや機関冷却水の温度を検出する水温センサ等、機関制御に必要なセンサの検出信号が入力されている。そして電子制御装置３０は、そうした各種センサの検出信号によって把握される内燃機関１１の運転状況に応じて、燃料噴射制御や点火時期制御を始めとする各種機関制御を実施する。

例えば、上記ノックセンサ３３によって検出された機関振動のレベルが予め設定されたノック判定レベルを超えると、ノッキングが発生している旨判定され、機関運転状態に応じて設定される点火時期が遅角補正される。この遅角補正によって、継続したノッキングの発生が抑制される。

ところで、このような点火時期遅角によるノッキング発生の抑制では、機関出力の低下を招くことになる。
ここで、吸気ポート噴射を行う内燃機関１１にあって、吸気弁２３の開弁前からその開弁直後までの時期よりも遅い時期に燃料噴射を行うようにすれば、気筒１２内で気化する燃料量が増大するようになるため、燃料の気化潜熱による気筒１２内の冷却が促進され、これによりノッキングの発生を抑制することができる。

ただし、このように吸気弁２３の開弁前からその開弁直後までの時期よりも遅い時期に燃料噴射を行うようにすると、燃料が十分に霧化される前に気筒１２内に導入されてしまうおそれがある。この場合には、空気と燃料との攪拌度合、すなわち混合気の均質性が低下してしまうため、燃焼状態の悪化等を招くおそれがある。従って、このようなより遅い時期での燃料噴射に際しては、燃料の霧化等について改善の余地がある。

そこで、本実施形態では、最適な燃料噴射時期を設定することにより、そのような不具合を改善しつつ、ノッキングの発生を抑制するようにしている。
以下、本実施形態における燃料噴射制御について、図２及び図３を併せ参照して説明する。

図２は、電子制御装置３０によって行われる燃料噴射処理の手順を示しており、この処理は所定期間毎に繰り返し実行される。
本処理が開始されるとまず、現在、ノッキングの発生し易い運転条件か否かが判定される（Ｓ１００）。ここでは、気筒内の温度や圧力が高くなりやすい運転条件、例えば高負荷・高回転条件にて内燃機関１１が運転されているときに、ノッキングの発生し易い運転条件である旨判定される。

そして、ステップＳ１００において、ノッキングの発生し易い運転条件ではない旨判定される場合には（Ｓ１００：ＮＯ）、通常噴射が実行される（Ｓ１１０）。この通常噴射実行時には、アクセル操作量ＡＣＣＰや吸入空気量といった機関負荷、及び機関回転速度ＮＥ等に基づいてインジェクタ２２からの燃料噴射量が算出され、吸気弁２３の開弁前からその開弁直後までの時期に燃料噴射が実行される。そして本処理は一旦終了される。

一方、ステップＳ１００において、ノッキングの発生し易い運転条件である旨判定される場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、分割噴射が実行される（Ｓ１２０）。この分割噴射実行時にも、アクセル操作量ＡＣＣＰや吸入空気量といった機関負荷、及び機関回転速度ＮＥ等に基づいてインジェクタ２２からの燃料噴射量が算出される。ただし、上記通常噴射時とは異なり、その算出された燃料噴射量は、吸気弁２３の開弁前からその開弁直後までの時期、及び吸気弁の閉弁直前の時期といった２回に分割されて噴射される。そして本処理は一旦終了される。

図３は、ノッキングの発生し易い運転条件のときに実行される分割噴射についてその一態様を示している。
この図３に示されるように、ノッキングの発生し易いときには、まず、吸気弁２３の開弁時（時刻ｔ２）よりも前の時期（時刻ｔ１）からその開弁直後の時期（時刻ｔ３）までの間で燃料噴射が実行される。その後、吸気弁２３の閉弁時（時刻ｔ６）直前においても燃料噴射が実行される（時刻ｔ４〜時刻ｔ５）。

このように吸気弁２３の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射が行われることにより（時刻ｔ１〜時刻ｔ３での燃料噴射）、噴射された燃料は吸気ポート２０ａに吹き返された排気によって昇温され、十分に霧化された状態で気筒１２内に吸入される。また、吸気弁２３が閉弁するまでの間に空気と十分に攪拌され、混合気の均質性も十分に確保される。

また、吸気弁２３の閉弁直前の時期にも燃料噴射が行われることにより（時刻ｔ４〜時刻ｔ５での燃料噴射）、上述したごとく気筒１２内で気化する燃料量が増大し、燃料の気化潜熱による気筒１２内の冷却が促進されてノッキングの発生が未然に抑制される。

ここで、吸気弁２３の閉弁直前では吸気ポート２０ａの開口面積が縮小されているため、気筒１２に流入する吸気の流速が高められ、これにより吸気の温度は、吸気ポート２０ａの壁面や吸気弁２３との摩擦熱で上昇するようになる。この吸気温度の上昇により、吸気弁２３の閉弁直前の時期に噴射された燃料の温度も上昇し、燃料の霧化が促進されるようになる。

また、吸気の流速が高まることにより、吸気弁２３の閉弁直前の時期に噴射された燃料と空気との攪拌も好適になされ、混合気の均質性も向上するようになる。
ちなみに、燃料の霧化や混合気の均質性等を考慮すると、吸気ポート噴射が行われる内燃機関１１では、基本的に吸気弁２３の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射を実行することが望ましい。そこで本実施形態では、ノッキングの発生し易い運転条件のみで分割噴射を実行するようにしている。従って、燃料噴射態様を適切に設定することができるようになる。

このように本実施形態では、分割して燃料噴射を行うとともに、各燃料噴射時期を最適なものにすることにより、燃料の霧化等を促進しつつ、ノッキングの発生を未然に抑制することができるようになる。

なお、本実施形態によれば、吸気弁２３の閉弁直前での燃料噴射によって気筒１２内が冷却されるため、ノッキングは発生しにくい状態になる。従って、ノッキング発生時に実施される上記点火時期の遅角補正も実施されにくくなり、これによりその点火時期遅角による機関出力の低下を抑制することもできるようになる。

以上説明したように、本実施形態によれば次のような効果を得ることができる。
（１）吸気ポート噴射を行う内燃機関１１にあって、吸気弁２３の開弁前からその直後までの時期と吸気弁２３の閉弁直前の時期との２回に分割して燃料噴射を行うようにしている。

そのため、まず、吸気弁２３の開弁前からその直後までの時期に噴射された燃料は十分に霧化された状態で気筒１２内に吸入されるようになる。また、吸気弁２３が閉弁するまでの間に空気と十分に攪拌され、混合気の均質性も十分に確保されるようになる。

さらに、吸気弁２３の閉弁直前の時期にも燃料噴射が行われることにより、燃料の気化潜熱による気筒１２内の冷却が促進され、ノッキングの発生が未然に抑制される。ここで、吸気弁２３の閉弁直前では吸気ポート２０ａの開口面積が縮小されているため、気筒１２に流入する吸気の流速が高められ、これにより吸気の温度は、吸気ポート２０ａの壁面や吸気弁２３との摩擦熱で上昇するようになる。この吸気温度の上昇により、吸気弁２３の閉弁直前の時期に噴射された燃料の温度も上昇し、その燃料の霧化が促進されるようになる。

また、吸気の流速が高まることにより、吸気弁２３の閉弁直前の時期に噴射された燃料と空気との攪拌も好適になされ、混合気の均質性も向上するようになる。
このように本実施形態では、分割して燃料噴射を行うとともに、各燃料噴射時期を最適なものにすることにより、燃料の霧化等を促進しつつ、ノッキングの発生を好適に抑制することができるようになる。

（２）上記分割した燃料噴射を、ノッキングの発生し易い運転条件のみで行うようにしている。そのため、上記通常噴射と分割噴射といった互いに異なる燃料噴射態様を適切に設定することができるようになる。

なお、上記実施形態は以下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、ノッキングの発生し易い運転条件下において上記分割噴射を実行するようにしたが、図２に示したステップＳ１２０の処理に代えて、図４に示すＳ２２０の処理を実施するようにしてもよい。すなわち、ノッキングの発生し易い運転条件では、吸気弁２３の閉弁直前の時期のみで燃料噴射を行い、それ以外の運転条件では、上記通常噴射を行う、すなわち吸気弁２３の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射を行うようにしてもよい。

この場合には、ノッキングの発生し易い運転条件では、吸気弁２３の開弁前からその直後までの時期よりも遅い時期に燃料噴射が実施される。そのため、気筒１２内で気化する燃料量が増大し、燃料の気化潜熱による気筒１２内の冷却が促進されることにより、ノッキングの発生を抑制することができるようになる。

ここで、上述したように吸気弁２３の閉弁直前では、吸気ポート２０ａの開口面積が縮小されているため、気筒１２に流入する吸気の流速は高まるようになる。このように吸気の流速が高まると、吸気の温度は、吸気ポート２０ａの壁面や吸気弁２３との摩擦熱で上昇するようになる。この吸気温度の上昇により、吸気弁２３の閉弁直前の時期に噴射された燃料の温度も上昇し、その燃料の霧化も促進されるようになる。

また、吸気の流速が高まることにより、吸気弁２３の閉弁直前の時期に噴射された燃料と空気との攪拌も好適になされ、混合気の均質性も向上するようになる。
従って、この変形例においても、ノッキングの発生し易い運転条件において、燃料噴射時期を最適なものにすることにより、燃料の霧化等を促進しつつ、ノッキングの発生を好適に抑制することができるようになる。

ただし、この変形例のように、吸気弁２３の閉弁直前の時期のみで燃料噴射を行う場合には、吸気弁２３の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射を行う場合と比較して、燃料噴射の開始から吸気弁２３の閉弁までの期間が短くなるため、燃料を気筒内に供給することのできる期間も短くなる。従って、この変形例は要求される燃料噴射期間が比較的短い場合、換言すれば上記算出される燃料噴射量が比較的少ない場合に実施することが望ましい。

・上記実施形態やその変形例では、通常噴射の実行に際して、吸気弁２３の開弁前からその直後までの間にかけて燃料噴射を実行するようにしたが、吸気弁２３の開弁前の期間のみで燃料噴射を実行したり、吸気弁２３の開弁直後の期間のみで燃料噴射を実行したりするようにしてもよい。要は、吸気弁２３の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射が実行されるようにすればよい。

・上記実施形態では、ノッキングの発生し易い運転条件下でのみ上記分割噴射を行うようにしたが、常に分割噴射を実行するようにしてもよい。この場合であっても、燃料噴射時期が最適なものにされることにより、燃料の霧化等を促進しつつ、ノッキングの発生を好適に抑制することができるようになる。

・ノッキングの発生が検出されるときには、そのときの運転条件が、ノッキングの発生し易い運転条件になっていると判断することができる。そこで、ノッキング発生の検出をもって、上記分割噴射や、吸気弁２３の閉弁直前の時期のみでの燃料噴射を実行するようにしてもよい。この場合には、点火時期の遅角補正を通じたノッキングの発生抑制と同様に、継続したノッキングの発生を抑制することができる。

本発明にかかる内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した一実施形態について、その構成を示す概略図。 同実施形態における燃料噴射制御についてその処理手順を示すフローチャート。 同実施形態において、ノッキングの発生し易い運転条件のときに実行される分割噴射についてその一態様を例示するタイミングチャート。 同実施形態の変形例における燃料噴射制御についてその処理手順を示すフローチャート。

符号の説明

１１…内燃機関、１２…気筒、１３…ピストン、１４…コンロッド、１５…クランクシャフト、１６…燃焼室、１８…点火プラグ、１９…イグナイタ、２０…吸気通路、２０ａ…吸気ポート、２１…排気通路、２１ａ…排気ポート、２２…インジェクタ、２３…吸気弁、２４…排気弁、３０…電子制御装置、３１…クランクセンサ、３２…アクセルセンサ、３３…ノックセンサ。

Claims (3)

1. 吸気ポート噴射を行う内燃機関にあって、ノッキングの発生し易い運転条件では、吸気弁の閉弁直前の時期に燃料噴射を行い、それ以外の運転条件では、吸気弁の開弁前からその直後までの時期に燃料噴射を行う
   ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 吸気ポート噴射を行う内燃機関にあって、吸気弁の開弁前からその直後までの時期と吸気弁の閉弁直前の時期との２回に分割して燃料噴射を行う
   ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記分割した燃料噴射を、ノッキングの発生し易い運転条件のみで行う
   請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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