JP2006266116A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンの耐久性に悪影響を与えることなく、筒内噴射インジェクタへのデポジットの生成且つ堆積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】 燃焼室２０内に燃料を直接に噴射する筒内噴射インジェクタ２２を備える内燃機関１０であって、筒内噴射インジェクタ２２の噴孔近傍の温度を推定する温度推定手段と、該温度推定手段による推定温度が所定温度を超えるときには、筒内噴射インジェクタ２２からの主噴射燃料の火花点火燃焼中に副噴射燃料による拡散燃焼を行わせるように燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、特に、その筒内噴射インジェクタへのデポジットの堆積を抑制し得る内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

近年、筒内噴射インジェクタの噴孔を燃焼室に露出させて配設し、燃料を燃焼室内に直接噴射する筒内噴射式の内燃機関が実用化されている。こうした筒内噴射式内燃機関では、燃焼室壁面へのデポジットの堆積や、特に、噴射の後にインジェクタの噴孔内に残留した燃料が燃焼室内での燃焼による高温に曝され煤化すること、及び燃焼室内での燃焼により生じた微粒子物質が筒内噴射インジェクタの噴孔内に侵入し、噴孔内の残留燃料をバインダとして凝固することなどにより、インジェクタ噴孔内にデポジットが生成し堆積することが知られている。そして、筒内噴射インジェクタのデポジットの堆積が進行すれば、インジェクタからの燃料の噴射率が変化して、燃料噴射量制御の精度悪化等の不具合が発生する。

そこで、従来、特許文献１には、点火時期制御によって強制的に一時的なノッキングを発生させ、ノッキングの高圧衝撃及び高温によりに燃焼室内のデポジットを除去する技術が開示されている。

また、特許文献２には、燃料噴射インジェクタの先端部にインシュレータを介して良熱伝導性材料からなる有底筒状のカバー部材を機械的に固定することにより、インジェクタの先端の温度をデポジットが焼失可能な温度に維持し、デポジットの付着を抑制する技術が開示されている。

特開昭５４−７０２８号公報 特開平９−２１７６６９号公報

ところで、特許文献１に記載の技術のように強制的に一時的なノッキングを発生させたり、特許文献２に記載の技術のようにインジェクタの先端の温度をデポジットが焼失可能な温度に維持したりすれば、確かにデポジットの堆積を抑制することはできる。しかしながら、一時的なノッキングを発生させたり、デポジット焼失可能な高温に維持すれば、それらによる高圧衝撃及び常時高温化がエンジンの耐久性に悪影響を与えるという不具合を招いてしまう。

本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの耐久性に悪影響を与えることなく、筒内噴射インジェクタへのデポジットの生成且つ堆積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。

上述の目的を達成する本発明の一形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃焼室内に燃料を直接に噴射する筒内噴射インジェクタを備える内燃機関であって、前記筒内噴射インジェクタの噴孔近傍の温度を推定する温度推定手段と、該温度推定手段による推定温度が所定温度を超えるときには、前記筒内噴射インジェクタからの主噴射燃料の火花点火燃焼中に副噴射燃料による拡散燃焼を行わせるように燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、上記本発明の一形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧検出手段をさらに備え、該筒内圧検出手段により検出される筒内圧が所定の圧力を超えない限り、前記副噴射の時期を所定角度ずつ進角させる副噴射時期進角制御手段を備えることが好ましい。

上述の目的を達成する本発明の他の形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃焼室内に燃料を直接に噴射する筒内噴射インジェクタを備える内燃機関であって、前記筒内噴射インジェクタの噴孔にデポジットが生成したのを推定するデポジット生成推定手段と、該デポジット生成推定手段によるデポジット生成推定量が所定値を超えると判定されたときには、前記筒内噴射インジェクタからの主噴射燃料の火花点火燃焼中に副噴射燃料による拡散燃焼を行わせるように燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記デポジット生成推定手段は、デポジット生成が予測される運転状態での累積運転時間に基づきデポジット生成量を推定するものであってもよい。

また、前記デポジット生成推定手段は、前記筒内噴射インジェクタの噴射率の変化に基づきデポジット生成量を推定するものであってもよい。

本発明の一形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、筒内噴射インジェクタの噴孔近傍の温度を推定する温度推定手段による推定温度が所定温度を超えるときには、燃料噴射制御手段により、前記筒内噴射インジェクタからの主噴射燃料の火花点火燃焼中に副噴射燃料による拡散燃焼を行わせるように燃料噴射が制御される。すると、該拡散燃焼により筒内噴射インジェクタの噴孔近傍の温度が、デポジットの生成し易い温度より高い焼失温度まで一時的に上昇する。かくて、デポジットの生成且つ堆積が抑制される。

ここで、上記本発明の一形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置が、前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧検出手段をさらに備え、該筒内圧検出手段により検出される筒内圧が所定の圧力を超えない限り、前記副噴射の時期を所定角度ずつ進角させる副噴射時期進角制御手段を備える形態によれば、デポジットの生成を抑制する拡散燃焼中に筒内圧が所定圧力以下に抑制されつつ副噴射時期が進角されるので、燃費が向上すると共に耐久性が向上する。

本発明の他の形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、筒内噴射インジェクタの噴孔にデポジットが生成したのを推定するデポジット生成推定手段によるデポジット生成推定量が所定値を超えると判定されたときには、燃料噴射制御手段により前記筒内噴射インジェクタからの主噴射燃料の火花点火燃焼中に副噴射燃料による拡散燃焼を行わせるように燃料噴射が制御される。すると、該拡散燃焼により筒内噴射インジェクタの噴孔近傍の温度が、デポジットの焼失温度まで一時的に上昇する。かくて、生成したデポジットが焼失され堆積が抑制される。しかも焼失が一時的に行われるので、筒内噴射インジェクタの耐熱性向上のためのコストを要しない。

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、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１に、本実施形態の内燃機関の燃料噴射制御装置の模式構造を示す。本実施形態は、筒内噴射インジェクタから燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式の内燃機関（以下、エンジンとも称す）に適用されている。

エンジン１０の吸気系として、吸気ポートに吸気マニホルド１２が連通され、この吸気マニホルド１２の各気筒の吸気通路集合部にスロットルバルブ１６が介装されたスロットルチャンバ１４が連通されている。スロットルバルブ１６はスロットルモータ１５によって駆動される。そして、このスロットルチャンバ１４にはスロットルバルブ１６の開度を検出するためのスロットル開度センサ１８が設けられている。

エンジン１０の気筒毎の燃焼室２０には、燃焼室２０内に燃料を直接噴射する筒内噴射インジェクタ２２が配設されると共に、その頂部にイグナイタ２６に接続された点火プラグ２４が配設されている。なお、２８は筒内の圧力を検出する筒内圧検出手段としての筒内圧力センサである。

一方、エンジン１０の排気系としては、排気ポートに連通する排気マニホルド３０により排気が合流され、排気マニホルド３０に排気通路が接続されている。そして、この排気通路に三元触媒３２が配設されている。

また、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵとも称す）５０は、ＣＰＵと、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびバックアップ用ＲＡＭ、タイマとＩ／Ｏインターフェースがバスラインを介して互いに接続されたマイクロコンピュータと、その周辺回路とから構成されている。そして、エンジン１０には、エンジン１０の回転数を算出するためのクランク角センサ（以下、回転数センサと称す）３８やアクセルペダルの踏込み量（以下、アクセル開度と称す）を検出するアクセル開度センサ４０およびスロットルバルブ１６の開度を検出する上述のスロットル開度センサ１８、エンジン１０の冷却水温を検出する不図示の水温センサ等が設けられ、これらの各種センサの出力が上述のマイクロコンピュータ等で構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０に送られるようになっている。

さらに、電子制御ユニット５０は、各センサから送られてきた出力値に応じて、筒内噴射インジェクタ２２からの燃料噴射量や噴射時期および点火時期等を制御する。なお、燃料噴射量や噴射時期、点火時期等の制御のために使用される制御値は、例えば縦軸にアクセル開度やスロットル開度、あるいは吸入空気量等から得られるエンジンの負荷（トルク）をとり、横軸にエンジン回転数をとったエンジン１０の運転状態を表すマップに、エンジン１０の要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値が制御値または目標値として設定されており、これらのマップは電子制御ユニット５０のテーブルに保存されている。本実施の形態では、上記筒内噴射インジェクタ２２の噴孔近傍の温度を推定する温度推定手段の一部を構成するマップとして、図２に示すように、保存されている。

ここで、図２に示すマップは、縦軸にスロットル開度で表されるトルクＴを、横軸にエンジン回転数Ｎｅを取って、それぞれに対応した筒内噴射インジェクタ２２の噴孔近傍の温度ｔ（℃）として予め実験等により求め、運転状態に対応させた噴孔近傍推定温度マップである。

そこで、上述の構成になる燃料噴射装置により上記機関制御の一環として実行される「デポジット抑制燃焼制御」の制御形態の一例を、図３のフローチャートに示す制御ルーチンに基づき説明する。この制御ルーチンは所定の周期で実行される。すなわち、制御が開始されると、まず、ステップＳ３０１において、スロットル開度センサ１８からの検出値によるスロットル開度によるトルクＴおよび回転数センサ３８からの算出値によるエンジン回転数Ｎeが取込まれる。そして、次のステップＳ３０２において、この取込まれたトルクＴおよびエンジン回転数Ｎeに対応する噴孔近傍推定温度ｔ（℃）が噴孔近傍推定温度マップから読み出される。

次に、ステップＳ３０３においてこの噴孔近傍推定温度ｔ（℃）が所定温度ｔ１（℃）以上か否かが判定される。この所定温度ｔ１（℃）は、燃焼室２０内での燃焼の結果の噴孔近傍温度により筒内噴射インジェクタ２２の噴孔内の燃料が蒸し焼き状態となりデポジットが生成されると予測される温度として規定されており、定常的には、筒内噴射インジェクタ２２の耐久性等の観点から、噴孔近傍温度はこの所定温度ｔ１（℃）より低いことが好ましい。従って、ステップＳ３０３における判定の結果、噴孔近傍推定温度ｔ（℃）が所定温度ｔ１（℃）より低いときは、この制御ルーチンは終了される。

一方、この噴孔近傍推定温度ｔ（℃）が所定温度ｔ１（℃）以上と判定されると、ステップＳ３０４に進み、「デポジット抑制燃焼制御」が開始される。この「デポジット抑制燃焼制御」とは、図４のタイムチャートにも示すように、圧縮行程中の所定のクランク角ＣＡ１における噴射信号により、筒内噴射インジェクタ２２から主噴射された燃料の混合気が、所定のクランク角ＣＡ２における点火信号により、点火プラグ２４で火花点火されての燃焼中に、さらに、上死点（ＴＤＣ）近傍の所定のクランク角ＣＡ３における噴射信号により筒内噴射インジェクタ２２から燃料が副噴射され、この副噴射燃料による拡散燃焼が行われるように燃料噴射を制御することを意味する。このように、拡散燃焼を行なわせることにより、筒内噴射インジェクタ２２の噴孔近傍の温度が、デポジットの生成し易い温度より高いデポジット焼失温度ｔ２（℃）以上に一時的に上昇する。かくて、デポジットの生成且つ堆積が抑制される。

そして、ステップＳ３０５に進み、筒内圧力センサ２８からの検出に基づき燃焼室２０における最大燃焼圧としての筒内圧Ｐmaxが取込まれ、次のステップＳ３０６において、この筒内圧Ｐmaxが所定上限値Ｐlimit以下か否かが判定される。この所定上限値Ｐlimitはエンジン１０の耐久性等を考慮して規定されている。筒内圧Ｐmaxが所定上限値Ｐlimit以下のときは、燃焼効率向上、延いては燃費向上に寄与する燃焼圧に余裕があることを意味するので、ステップＳ３０７に進み、上述の副噴射の時期を所定のクランク角毎進角させる。一方、筒内圧Ｐmaxが所定上限値Ｐlimitを超えるときは、換言すると、燃焼圧に余裕がないときは、ステップＳ３０８に進み、上述の副噴射の時期を所定のクランク角毎遅角させる。なお、ステップＳ３０７およびステップＳ３０８の後は、上述のステップＳ３０１に戻り、ステップＳ３０３における判定で、噴孔近傍推定温度ｔ（℃）が所定温度ｔ１（℃）を下回る運転状態にならない限り、「デポジット抑制燃焼制御」が続行される。よって、これらのステップＳ３０７およびステップＳ３０８においてそれぞれ設定された副噴射時期の進角および遅角は、次のルーチンにおけるステップＳ３０４で反映されることになる。かくて、本実施形態によれば、デポジットの生成を抑制する拡散燃焼中に筒内圧が所定圧力以下に抑制されつつ副噴射時期が進角されるので、燃費が向上すると共に耐久性が向上する。

次に、上述の構成になる燃料噴射装置により上記機関制御の一環として実行される「デポジット抑制燃焼制御」の制御形態の他の例を、図５のフローチャートに示す制御ルーチンに基づき説明する。この制御ルーチンも所定の周期で実行される。すなわち、制御が開始されると、まず、ステップＳ５０１において、スロットル開度センサ１８からの検出値によるスロットル開度によるトルクＴおよび回転数センサ３８からの算出値によるエンジン回転数Ｎeが取込まれる。そして、次のステップＳ５０２において、この取込まれたトルクＴおよびエンジン回転数Ｎeに基づき把握される現在の機関運転状態が筒内噴射インジェクタ２２にデポジットが生成されると予測される領域に在るか否かを判定し、そのデポジットが生成されると予測される運転領域での運転時間をデポジット積算カウンタで積算するようにしている。

そうしたデポジットが生成されると予測される運転領域は、例えば、以下のように設定されている。ここで、図６に示すマップは、縦軸にスロットル開度で表されるトルクＴを、横軸にエンジン回転数Ｎｅを取って、それぞれに対応してデポジット生成の有無として予め実験等により求め、運転状態に対応させたデポジット生成領域推定マップである。そこで、このステップＳ５０２においては、デポジット生成が有りとされた運転領域に在るときに、制御ルーチンの実行周期に対応する時間がデポジット積算カウンタで積算される。

そして、次のステップＳ５０３において、このデポジット積算カウンタでの積算値が所定値以上か否かが判定される。所定値を超えないときは、デポジット生成量延いてはデポジット堆積量は少ないので、この制御ルーチンは一旦終了される。一方、デポジット積算カウンタでの積算値が所定値以上のときは、デポジット生成量延いてはその堆積量が多いので、ステップＳ５０４に進み、前述の「デポジット抑制燃焼制御」が実行される。かくて、主噴射に加えての副噴射燃料による拡散燃焼が行われることにより、筒内噴射インジェクタ２２の噴孔近傍の温度が、デポジットの生成し易い温度より高いデポジット焼失温度以上に一時的に上昇されるので、生成ないしは堆積されたデポジットが焼失される。なお、このステップＳ５０４での「デポジット抑制燃焼制御」が実行された後は、ステップＳ５０５においてデポジット積算カウンタをリセットして制御ルーチンが終了される。

なお、上述の制御形態では、デポジット生成推定手段により、デポジット生成が予測される運転状態での累積運転時間に基づきデポジット生成量を推定するようにしたが、このデポジット生成推定手段としては、筒内噴射インジェクタ２２の噴射率の変化に基づいてデポジット生成量を推定するように構成してもよい。デポジット生成量延いては堆積量が増大すると、筒内噴射インジェクタ２２の噴射率（単位時間当たりの燃料噴射量）が低下する。ここで空燃比フィードバック制御が行われていれば、噴射率の低下による燃料噴射量の不足分を補填すべく、空燃比フィードバック補正値や空燃比学習値が変化する。よって、空燃比フィードバック補正値や空燃比学習値の推移からデポジット生成量延いては堆積量を推定することができる。また、デポジット生成量延いては堆積量が増大すると、上記噴射率や燃料噴霧形状の変化により、燃焼状態が悪化して、内燃機関のトルク変動が増大する。そこで、トルク変動量に基づいて、デポジット生成量延いては堆積量を推定することもできる。

そこで、この筒内噴射インジェクタ２２の噴射率の低下に基づいて、「デポジット抑制燃焼制御」を行なう制御形態につき、図７のフローチャートに示す制御ルーチンを参照して説明する。この制御ルーチンも所定の周期で実行され、ステップＳ７０１においてトルクＴおよびエンジン回転数Ｎeの取込みが行なわれる。そして、ステップＳ７０２において、この取込まれたトルクＴおよびエンジン回転数Ｎeに基づき把握される現在の機関運転状態における通常時の筒内圧Ｐnormalが図８に示すマップから求められる。このマップには、縦軸にスロットル開度で表されるトルクＴを、横軸にエンジン回転数Ｎｅを取って、それぞれに対応する筒内圧Ｐnormalとして予め実験等により求め規定されている。

そして、次のステップＳ７０３において、前実施形態で用いた筒内圧力センサ２８からの検出に基づき燃焼室２０における最大燃焼圧としての筒内圧Ｐmaxが取込まれる。そこで、次のステップＳ７０４において、この筒内圧ＰmaxとステップＳ７０２において求めた通常時の筒内圧Ｐnormalとにより、筒内圧の低下率、換言すると噴射率αが求められる。

そして、ステップＳ７０５に進み、この噴射率αが所定の噴射率α０より低下しているか否かが判定され、所定の噴射率α０より低下していないときは、デポジット生成量延いてはデポジット堆積量は少ないので、この制御ルーチンは一旦終了される。一方、所定の噴射率α０より低下しているときは、デポジット生成量延いてはその堆積量が多いので、ステップＳ７０６に進み、前述の「デポジット抑制燃焼制御」が実行される。かくて、主噴射に加えての副噴射燃料による拡散燃焼が行われることにより、筒内噴射インジェクタ２２の噴孔近傍の温度が、デポジットの生成し易い温度より高いデポジット焼失温度以上に一時的に上昇されるので、生成ないしは堆積されたデポジットが焼失されること前制御形態と同じである。

かくて、デポジット生成推定手段によりデポジットの生成量を推定し、「デポジット抑制燃焼制御」を実行するようにした制御形態によれば、生成ないしは堆積されたデポジットが焼失され堆積が抑制される。しかも焼失が必要最小限で一時的に行われるので、筒内噴射インジェクタ２２の耐熱性向上のためのコストを要しない。

本発明が適用される内燃機関の燃料噴射制御装置の概要を示すシステム図である。 トルクＴとエンジン回転数Ｎｅとの運転状態に対応させて筒内噴射インジェクタの噴孔近傍の温度ｔ（℃）を求めた噴孔近傍推定温度マップである。 本発明の燃料噴射制御装置による制御形態の一例を示すフローチャートである。 本発明のデポジット抑制燃焼制御の概念を説明するためのタイムチャートである。 本発明の燃料噴射制御装置による制御形態の他の例を示すフローチャートである。 トルクＴとエンジン回転数Ｎｅとの運転状態に対応させてデポジットが生成されると予測される運転域を求めたデポジット生成領域推定マップである。 本発明の燃料噴射制御装置による制御形態のさらに他の例を示すフローチャートである。 トルクＴとエンジン回転数Ｎｅとの運転状態に対応させて通常時の筒内圧Ｐnormalを求めた筒内圧マップである。

符号の説明

１０ エンジン
１８ スロットル開度センサ
２２ 筒内噴射インジェクタ
２４ 点火栓
２８ 筒内圧力センサ
３８ クランク角センサ（回転数センサ）
５０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (5)

1. 燃焼室内に燃料を直接に噴射する筒内噴射インジェクタを備える内燃機関であって、
   前記筒内噴射インジェクタの噴孔近傍の温度を推定する温度推定手段と、
   該温度推定手段による推定温度が所定温度を超えるときには、前記筒内噴射インジェクタからの主噴射燃料の火花点火燃焼中に副噴射燃料による拡散燃焼を行わせるように燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧検出手段をさらに備え、
   該筒内圧検出手段により検出される筒内圧が所定の圧力を超えない限り、前記副噴射の時期を所定角度ずつ進角させる副噴射時期進角制御手段を備え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。
3. 燃焼室内に燃料を直接に噴射する筒内噴射インジェクタを備える内燃機関であって、
   前記筒内噴射インジェクタの噴孔にデポジットが生成したのを推定するデポジット生成推定手段と、
   該デポジット生成推定手段によるデポジット生成推定量が所定値を超えると判定されたときには、前記筒内噴射インジェクタからの主噴射燃料の火花点火燃焼中に副噴射燃料による拡散燃焼を行わせるように燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記デポジット生成推定手段は、デポジット生成が予測される運転状態での累積運転時間に基づきデポジット生成量を推定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 前記デポジット生成推定手段は、前記筒内噴射インジェクタの噴射率の変化に基づきデポジット生成量を推定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
   

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