JP2006194110A - 内燃機関の燃料供給装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
吸気管内に電気ヒータを備え、エンジン冷態時に電気ヒータにより燃料気化を促進するようにした燃料供給装置において電気ヒータの消費電力を低減し、バッテリの劣化防止，燃費の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】
吸気管内に主噴射弁と、電気ヒータおよび電気ヒータに向けて噴射を実施する副噴射弁を備え、始動後の吸気バルブの温度が上昇するタイミングを始動からの経過時間や始動後の負荷積算値等から判定して、主噴射弁と副噴射弁の噴射量比率を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は吸気管に燃料気化を促進するための電気ヒータを備えた内燃機関の燃料供給装置の制御方法に関する。

ガソリンやアルコール等、常温で液体の燃料を使用する内燃機関では、冷態時において吸気管壁面に付着した燃料が蒸発しにくく、このためシリンダに流入する気相燃料が不足して燃焼性が悪化し、未燃ガスの排出量が増加したり始動性が悪化する。また冷態時に燃料付着によりシリンダ流入燃料が不足しないよう燃料噴射量を増量すると吸気バルブや吸気管に付着する燃料が増加し、付着燃料が液体のままシリンダに流入することで未燃ガスの排出量が大幅に増加したり燃焼が悪化してしまう。

冷態時に、燃料の壁面付着を防止し排出ガスを低減、または始動性を改善する技術として、吸気管内に電気ヒータ、および副噴射弁を設け、冷態時の始動やアイドリング、または走行時に電気ヒータに通電するとともに電気ヒータに向けて副噴射弁により燃料を噴射して燃料を加熱することにより燃料の気化を促進するものが一般に知られている（例えば特許文献１参照）。

また、吸気管内に電気ヒータと、電気ヒータに向けて燃料を噴射する副噴射弁を備え、副噴射弁で噴射する燃料量が電気ヒータで気化可能な燃料量となるように内燃機関の負荷、回転数や冷却水温度に応じて副噴射弁と主噴射弁の噴射量比率を変更するものがある
（例えば特許文献２参照）。

特開２００４−１３２２４１号公報 特開平５−３０２５５６号公報

上記従来技術では、冷態時に電気ヒータにより燃料の気化を促進することで未燃ガスの排出量を大幅に低減できる利点があるが、電気ヒータの消費電力が大きく、バッテリの劣化が促進されるという問題があった。また、燃料付着量が減少することで燃料供給量を少なくできるが、電気ヒータへの電流供給によりオルタネータの発電電流が増加しエンジンの負荷が増加することで要求燃料量が増加し、トータルでの燃費の向上代が減少するという課題があった。

本発明は、上記のような吸気管内に電気ヒータと副噴射弁を備えた構成において電気ヒータの消費電力を低減し、バッテリの劣化防止，燃費の向上を図ることを目的とする。

上記課題に対し、本発明では内燃機関の吸気通路に設けられる主噴射弁および副噴射弁と、前記副噴射弁で噴射された燃料の気化を促進する電気ヒータとを備え、内燃機関が冷態時であるときに前記電気ヒータに通電するとともに前記主噴射弁と前記副噴射弁で噴射を実施するようにした内燃機関の燃料供給装置であって、内燃機関の冷態始動から所定の遅延期間が経過した後に、前記主噴射弁の噴射量比率を増加させるようにした。

本発明によれば、常温で液体のガソリンやアルコール等の燃料を使用する内燃機関の冷態時に電気ヒータにより燃料の気化を促進して燃焼性改善，ＨＣ排出量低減を図る構成において、副噴射弁と主噴射弁の噴射量比率を最適に制御することにより、ＨＣ排出量の増加や燃焼悪化を引き起こすことなくヒータの消費電力を減少させることができる。またヒータの消費電力低減によりバッテリの劣化を防止でき、燃費を改善することができる。さらにヒータを小型化することが可能となる。

燃料気化装置のヒータ消費電力を低減するという目的を、ヒータの構成を変更することなく噴射弁の制御方法の改良にて実現した。

吸気管内に設けた電気ヒータにより冷態時に燃料の気化を促進するものについて構成の例を図１に示す。

エンジンの吸気管５にはサージタンク９およびスロットル弁６が設けられる。

サージタンクの下流で分岐し各シリンダ１に吸入空気を供給するインテークマニホールド１０、および主噴射弁２，吸気バルブ１４が設けられる。

ここでサージタンク９，インテークマニホールド１０から成る吸気通路を主空気通路とする。

一方、主空気通路をバイパスして各シリンダ１に空気を供給するバイパス空気通路７が設けられ、バイパス空気通路７には電気ヒータ４，副噴射弁３から成る燃料気化装置１１が設けられる。エンジンが冷態時であるときに副噴射弁３からヒータ４に向けて燃料を噴射する。また、バイパス空気通路７には空気制御バルブ８が設けられる。燃料気化装置
１１の下流には各シリンダに気化燃料を供給する分配通路１２が設けられる。

本構成では、燃料気化装置１１で気化燃料を供給するときにはヒータ４で燃料を加熱するとともに、スロットル弁６を閉じてバイパス空気通路７から高速の空気流をヒータ４に導入することで燃料の気化を促進するようにしている。

３０はヒータ４への通電を制御するヒータリレー、３２はヒータ４に電力を供給するバッテリである。主噴射弁２，副噴射弁３，ヒータリレー３０，空気制御バルブ８はコントローラ１５により制御される。

電気ヒータ４はセラミックヒータ等が用いられるが、一般にヒータ４に付着する燃料量が増加するにしたがって燃料の気化量が増加し、ヒータから燃料に伝達される熱エネルギーも多くなってヒータ４の消費電力が増加する。ヒータ４の消費電力が大きいとバッテリの劣化が促進されバッテリの寿命が短くなったり、オルタネータの負荷が増大することで燃費の悪化を招く等の問題がある。

本発明では、ヒータ４の消費電力を低減するためエンジン冷態時に副噴射弁３と主噴射弁２を併用して噴射するとともに、副噴射弁３と主噴射弁２の噴射量比率を最適に制御することを特徴とする。

ここで、前述したようにエンジン冷態時に主噴射弁２の噴射量比率を増やすと吸気バルブ１４やその周辺の壁面に燃料が多く付着し、供給燃料量に対する燃料付着率が増加することでシリンダ内の気相燃料が不足し、燃焼が悪化したり未燃ガスの排出量が増加するという問題がある。

副噴射弁３と主噴射弁２を備え、副噴射弁３と主噴射弁２の噴射量比率を変更するものとしては、先に特許文献２として示した特開平５−３０２５５６号公報のように副噴射弁で噴射する燃料量が電気ヒータで気化可能な燃料量となるようにエンジンの冷却水温に応じて副噴射弁３と主噴射弁２の噴射量比率を変更するものが記載されているが、このような従来技術では冷態始動からエンジンの冷却水温が上昇するまでの数分間は副噴射弁３の噴射量比率が高目に設定されるのでヒータ４の消費電力が大きくなるという問題があった。

これに対し本実施例では、吸気バルブ１４に付着した燃料の気化量を考慮して副噴射弁３と主噴射弁２の噴射量比率を最適に変更するようにした。

図３に副噴射弁３の噴射量比率と未燃ガス（ＨＣ）の排出量、および燃焼安定性の指標であるシリンダの燃焼圧変動量の関係を、吸気バルブ１４の温度Ｔｖが低いときと高いときのそれぞれについて示した。Ｔｖが低いときは副噴射弁３の噴射量比率が上昇するにしたがって燃焼圧変動量，ＨＣ排出量が増加する。これは副噴射弁３の噴射量比率が大きくなるにしたがって吸気バルブ１４等への燃料付着率が増加して燃焼性が悪化することによる。Ｔｖが高いときは副噴射弁３の噴射量比率が０％から上昇していくと、ある範囲までは燃焼圧変動量，ＨＣ排出量の増加が少ないことがわかった。これは吸気バルブ１４の温度が所定温度以上になると吸気バルブ１４に付着した燃料の温度が上昇して燃料気化が促進されたこと、さらに吸気行程で吸気バルブ１４を通過する空気の空気流速が高いことで加熱された燃料と空気流との衝突により燃料気化が促進されたことによる。

本発明では、吸気バルブに付着した燃料の気化を考慮して図２のように副噴射弁３と主噴射弁２の噴射量を制御する。

始動時は（ａ）（ｂ）のようにスタータによるクランキング開始からヒータ４に通電し、ヒータ通電開始後に副噴射弁３から噴射を実施する。このときは吸気バルブ１４の温度が低く主噴射弁２で噴射を実施すると壁面付着燃料量が増加して燃焼性の悪化，始動性の悪化を招くので副噴射弁３の噴射量比率を１００％か、１００％に近い比率として噴射を実施する。（ｃ）のように始動後に冷却水の温度が上昇するにはアイドリングで数分を要するのに対し、吸気バルブ１４の温度上昇は非常に早く約５sec 程度で上昇する。

本実施例では、前述した吸気バルブ１４の温度上昇による副噴射弁３の噴射量比率と
ＨＣ排出量，燃焼圧変動の関係の違い、および吸気バルブ１４の温度上昇時間に着目し、（ｃ）（ｄ）のように始動後に吸気バルブ１４の温度が上昇するタイミングＴ１で主噴射弁２の噴射量比率を増加させ、副噴射弁３の噴射量比率を減少させるようにした。この結果、ＨＣ排出量の増加や燃焼悪化を引き起こすことなく、（ｅ）の実線で示すようにヒータ４の消費電力を減少させることができる。ここで（ｅ）の点線は主噴射弁２で噴射を実施しない（副噴射弁３の噴射量比率１００％の）場合を示している。

すなわち本発明によれば吸気バルブ１４に付着した燃料の気化性を考慮して副噴射弁３と主噴射弁２の噴射量比率を最適に制御することにより、ＨＣ排出量低減，燃焼性改善とヒータ４の消費電力低減の要求を両立させることができる。

ここで市販車において運転中に吸気バルブ１４の温度を直接測定するのは困難なため始動後（所定回転速度Ｎｓを超えてから）の経過時間等により吸気バルブ１４の温度上昇を判定するようにし、始動後経過時間が所定のしきい値Ｔ１に達した後に主噴射弁２の噴射量比率を増加させるか、または空気流量センサにより検出したエンジン吸入空気量から始動後からの負荷の積算値を求め、負荷の積算値から吸気バルブ１４の温度上昇を推定するようにし、負荷の積算値が所定のしきい値となったときから主噴射弁２の噴射量比率を増加させるようにしても良い。

上記吸気バルブ１４の温度上昇判定のしきい値は予めエンジンでＨＣ排出量，燃焼圧変動の減少するタイミングを測定して設定しておく。

Ｔ１の最適値は複数のエンジンでの実験によると５sec 程度のものが多く、エンジンにより３〜１０secの範囲であった。

上記の噴射量比率にて主噴射弁２，副噴射弁３で噴射を実施し、ヒータ通電時間がヒータの消費電力の許容値や触媒の活性時間から決まる上限値Ｔ２となったときヒータへの通電、副噴射弁３の噴射を停止し、以後は主噴射弁２の噴射量比率を１００％として噴射を実施する。Ｔ２はヒータの消費電力や触媒の活性時間を考慮して例えば２０sec から５０secなどの値が設定される。

図４にコントローラ１５の噴射量制御プログラムのフローチャートを示す。

エンジンが回転中であるときステップ１００で、エンジンが冷態時であるかを冷却水温等の検出値により判定する。冷態時でない場合は、吸気バルブや吸気管壁面に付着する燃料は少ないのでステップ１６０で副噴射弁３の噴射は実施せず主噴射弁で全ての燃料を噴射する。

エンジンが冷態時である場合はヒータ４に通電を実施し、ステップ１１０で、始動中か始動後かの判定を実施する。本判定は前述したように検出したエンジン回転数を所定のしきい値と比較することにより実施される。本判定で単位時間あたりのエンジン回転数がしきい値未満のときは始動中と判定しステップ１５０で、副噴射弁の噴射割合を１００％か１００％に近い比率として噴射を実施する。単位時間あたりのエンジン回転数がしきい値を超えているときは始動後と判定する。始動後と判定されたときはステップ１２０で消費電力の許容値から決まるヒータ通電の上限時間Ｔ２以内であるかを判定し、Ｔ２を超えていればステップ１６０でヒータ通電、および副噴射弁３の噴射を停止し、主噴射弁２で全ての燃料を噴射する。

上限時間Ｔ２以内である場合はステップ１３０で、始動後経過時間が吸気バルブ１４の温度が燃料気化を促進できる温度に上昇する時間Ｔ１を超えているかを判定する。ここで、判定には前述したように始動後経過時間のほかに始動後の吸入空気量（負荷）の積算値等を用いても良い。

始動後経過時間がＴ１を超えていなければステップ１５０で副噴射弁３の噴射量比率を高くして噴射を実施する。始動後経過時間がＴ１を超えていれば主噴射弁２の噴射量比率を所定の噴射量比率Ｒまで増加させる。

ここで噴射量比率Ｒは始動後の経過時間、または吸入空気量（負荷）の積算値に加えて冷却水温度等により変更するようにしても良い。

尚、本発明の主噴射弁２，副噴射弁３の噴射量比率の制御方法は図５のように気化燃料をインテークマニホールド１０の上流の吸気通路集合部に供給するものや、図６のように主空気通路内にヒータ４，副噴射弁３を備えたものに適用してもよい。

本発明によれば、ヒータの消費電力の低減，燃費の改善が図れるほか、ヒータの小型化も可能となり、燃料気化装置１１の搭載性も向上する。

燃料供給装置の構成１。 燃料供給装置の制御方法。 副噴射弁の噴射量比率とＨＣ排出量，燃焼圧変動の関係。 燃料供給装置の制御フローチャート。 燃料供給装置の構成２。 燃料供給装置の構成３。

符号の説明

２…主噴射弁、３…副噴射弁、４…電気ヒータ、１１…燃料気化装置、１５…コントローラ。

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられる主噴射弁および副噴射弁と、前記副噴射弁で噴射された燃料の気化を促進する電気ヒータとを備え、内燃機関が冷態時であるときに前記電気ヒータに通電するとともに前記主噴射弁と前記副噴射弁で噴射を実施すると共に、内燃機関の冷態始動から所定の遅延期間が経過した後に、前記主噴射弁の噴射量比率を増加させることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置の制御方法。
2. 前記遅延期間は、内燃機関が始動後所定の回転数を超えてからの経過時間またはエンジン負荷または吸入空気量の積算値が所定のしきい値を超えたことにより判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供給装置の制御方法。
3. 前記遅延期間は、内燃機関の始動後３sec〜１０secの範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃料供給装置の制御方法。
   
   

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