JP2008202534A - 筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料付着を抑制しつつ、燃焼性や排気を確実に向上できる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置する。
【解決手段】筒内４に形成された渦気流ＴＳを、噴射する燃料ＦＥで強化可能な筒内噴射式内燃機関１の燃料噴射制御装置であって、吸気脈動に基づいて、燃料噴射弁の駆動タイミングを制御する燃料噴射制御手段６を備える。燃料噴射制御手段６が吸気脈動の発生を確認し、これに対処して燃料噴射弁を制御して適切な駆動タイミングで筒内に燃料噴射するので、内燃機関の出力向上、排気改善を確実に図ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内へ直に燃料を噴射するタイプの内燃機関（以下、「筒内噴射式内燃機関」と称する）の燃料噴射制御装置に関する。

筒内噴射式内燃機関は燃料を筒内に直接噴射するもので直噴型内燃機関（エンジン）などとも称され、従来から広く知られたタイプの内燃機関である。特許文献１は、この筒内噴射式内燃機関の制御装置について開示している。この特許文献１で開示する内燃機関は、筒内へ側方から燃料を噴射するサイド噴射タイプの燃料噴射弁（インジェクタ）を採用している。このようにサイド噴射タイプの燃料噴射弁を採用する内燃機関は、燃料噴射方向とピストン上面との成す角度が小さくなる。よって、筒内に形成したタンブル流などの渦流に噴射した燃料を乗せ易いという利点がある。ところが、内燃機関が高負荷運転された場合などのように多量の燃料が強い貫徹力（ペネトレーション：Penetration）をもって噴射されると、燃料噴射弁の噴孔と対向するボア壁面に燃料が付着してしまうことになる。このように筒内で燃料付着が生じると炭化水素（ＨＣ）やススが増大したり、オイル希釈の問題が発生する。

そこで、特許文献１の制御装置は、高負荷時などの燃料噴射量が多いときには、燃料噴射を複数回に分割する噴射制御を実行する。このように分割噴射して１回当たりの噴射量を小さくすると、各噴射の噴霧到達の長さが短くなる（貫徹力を小さくできる）ので、燃料をタンブル流に乗り易くすることができる。これにより上記で指摘した燃料の壁面付着を抑制でき、筒内への燃料の分散を促進してＨＣ低減やスス発生を防止し、内燃機関の燃焼安定性や排気性能を改善できるとある（特許文献１の段落０００６、００３１、００３２など参照）。

特開２００２−１６１７９０号公報

しかしながら、一般に内燃機関が運転されたときには、低負荷から高負荷へ、また、高負荷から低負荷へと状態が頻繁に変化する。このような内燃機関負荷の切替はスロットルバルブの開度を変更することにより実行され、吸気通路内の吸気流の状態が変化する。そして、このときには吸気通路内では吸気圧が上下に変動すること（「吸気脈動」と称される）が知られている。この吸気脈動は筒内にも伝播するので、筒内圧は同様に変化する。筒内圧の変化は、この筒内に噴射された燃料の貫徹力や噴霧形態などに影響を及ぼすことになる。よって、燃料噴射制御では吸気圧の変化にも配慮することが必要である。ところが、特許文献１の制御装置は分割噴射することで燃料付着の抑制を図るもので、吸気脈動を考慮していないので内燃機関の燃焼性や排気を確実に向上させるには困難がある。

そこで、本発明の目的は、燃料付着を抑制しつつ、燃焼性や排気を確実に向上できる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。

上記目的は、筒内に形成された渦気流を、噴射する燃料で強化可能な筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置であって、吸気脈動に基づいて、燃料噴射弁の駆動タイミングを制御する燃料噴射制御手段を備えていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置によって達成される。

本発明によると、燃料噴射制御手段が吸気脈動の発生を確認し、これに対処して燃料噴射弁を制御して適切な駆動タイミングで筒内に燃料噴射するので、燃料付着を抑制しつつ、内燃機関の出力向上、排気改善を確実に図ることができる。

そして、前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の高負荷時に前記吸気脈動における低圧側ピークを狙って、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる分割燃料噴射を実行するのが望ましい。このような燃料噴射制御を実行すると、吸気通路内圧の吸気脈動における低圧側ピーク時に燃料噴射をして貫徹力の大きな噴射を実現できる。これにより高負荷時にタンブル強化して出力の向上を図ることができる。

なお、前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関が超高負荷時では前記吸気脈動の前半の低圧側ピーク時での燃料噴射を禁止するように燃料噴射制御を実行するのが好ましい。このような燃料噴射制御を実行すると、超高負荷時により確実にタンブルを強化して、出力向上を図ることができる。

また、前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関が低負荷時に前記吸気脈動における高圧側ピークを狙って、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる分割燃料噴射をするのが望ましい。このような燃料噴射制御を実行すると、吸気通路内圧の吸気脈動における高圧側ピーク時に燃料噴射をして噴射した燃料の霧化を促進できる。これにより低負荷時の燃焼性及び排気の向上を図ることができる。

そして、前記燃料噴射弁が筒内へ燃料を横向きに噴射するサイド噴射型である筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置であるのがより好ましい。サイド噴射型の燃料噴射弁は燃料を筒内横方向へ噴射できるので筒内に形成した渦気流を強化できる。

本発明によれば、燃料付着を抑制しつつ、燃焼性や排気を確実に向上できる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供できる。

以下、本発明に係る好ましい一実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、実施例に係る内燃機関の燃料噴射制御装置に示した図である。内燃機関１は、従来の内燃機関と同様に、シリンダ２内にピストン３が上下動自在に配置されている。ピストン３の上方には燃焼室４が形成されている。この燃焼室４に臨むように点火プラグ５が配備されている。さらに、燃焼室４には吸気ＡＲを供給する吸気通路の一部である吸気ポート１０及び発生した排気ガスを排出するための排気ポート２０がそれぞれ接続されている。そして、吸気ポート１０の燃焼室４側の開口部には吸気弁１１、また排気ポート２０には排気弁２１がそれぞれ配備されている。なお、吸気通路には吸気ポート１０の上流に接続されるインテークマニホールドや吸気ダクトなども含まれる。そして、吸気通路の途中にはエアクリーナ、エアフローメータ、スロットルバルブなどが適宜に配置されているが、ここではこれらの図示を省略している。

この内燃機関１の吸気ポート１０内には、燃焼室４内での燃焼を促進するタンブル流ＴＳを生成させるタンブル流制御装置２５が配設されている。このタンブル流制御装置２５は後述するＥＣＵ６の制御の下で、吸気ポート１０内を流れる吸気流ＡＲを調整して燃焼室４内にタンブル流（縦の渦気流）ＴＳを生成させる。より具体的には、弁体２６を立ち上り姿勢にすることにより、吸気ポート１０内で吸気流ＡＲを片側（図１では内壁上側）に片寄って流れる偏流を形成する。この偏流を燃焼室４に流し込むことによりタンブル流ＴＳを形成して、流れの乱れを適度に増強して混合気の均質燃焼を促進することができる。これにより、内燃機関１の燃焼効率や出力の向上を図ることができる。上記偏流は弁体２６の立ち上り度合（吸気ポートの開度）で変更でき、これに応じて燃焼室４に形成するりタンブル流ＴＳも調整できる。

タンブル流制御装置２５は、上記のように吸気ポート内を開閉する板状の弁体２６を有している。この弁体２６は吸気ポート１０の内壁下側に設定した支軸２７を中心に回動可能である。支軸２７にはアクチュエータ２８の駆動力が接続されおり、アクチュエータ２８により弁体２６が開閉される。アクチュエータ２８は、後述するＥＣＵ６により制御されている。

図１で例示する弁体２６は、吸気ポート１０内の流路面積（横断面積）を最も開いた状態（弁体２６が下壁面上に寝ている状態）から反時計方向へ回動されて回動角度θが変化する。この回動角度θを大きく設定して弁体２６が立ち上がった姿勢になると吸気ポート内が最も絞られた状態となり、燃焼室４内に相対的に強いタンブル流ＴＳを形成できる。

つぎに、この内燃機関１が採用している燃料噴射の構成について説明する。この内燃機関１は、筒内（燃焼室４内）に燃料ＦＥを直に噴射する筒内噴射式内燃機関である。この内燃機関１には、図１で図示するように、燃料ＦＥが横向き（ピストン３の上面とほぼ平行な向き）へ噴射されるように、燃料噴射弁（インジェクタ）７が設定されている。このように燃料ＦＥの噴射方向を横向きにすることにより、筒内に形成したタンブル流ＴＳを燃料噴射でアシストして流れを強化できる。これにより筒内の気流の乱れを適度に増して燃焼速度の向上を図ることができる。

しかしながら、前述したように吸気通路内には吸気圧が上下動する吸気脈動が発生している。図２は、吸気通路内に発生する吸気脈動ＰＢの様子を模式的に示した図である。吸気脈動は吸気圧が上下動を繰返す現象で、高圧側のピーク（吸気通路内圧の上下変動における山）と低圧側のピーク（吸気通路内圧の上下変動における谷）とが繰り返し現れる。低圧側のピークは負圧となる場合もある。このような吸気通路内の吸気脈動により、筒内圧が上下動するのでインジェクタ７から噴射された燃料が影響を受けて燃焼制御が乱れてしまうことになる。この吸気脈動ＰＢに対処して、これを積極的に活用することで内燃機関の燃焼性や排気が向上するように燃料噴射を制御するようにしたのが本実施例装置である。以下、そのための構成を更に図１を参照して説明する。

内燃機関１はＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）６によって全体的に制御されると共に、このＥＣＵ６により燃料噴射制御手段が実現されている。ＥＣＵ６は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力回路などを有して構成されている。

このＥＣＵ６にはクランク角センサ２２、シリンダ温度（水温）センサ２３、スロットル開度センサ２４など各種のセンサから出力が供給されている。ＥＣＵ６は、これらの出力に基づいて上記点火プラグ５の点火タイミングや、上記吸気・排気弁１１、２１の駆動タイミングなどを適切に制御して内燃機関を円滑に駆動される。そのためにＲＯＭにはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムを格納されている。

そして、本実施例の場合には、特に吸気ポート内（吸気通路内）の吸気圧の変動、すなわち吸気脈動に基づいてインジェクタ７の駆動タイミングを制御して適切な燃料噴射をして、燃焼室４内での効率的な燃焼制御を促進するプログラムがＥＣＵ６内のＲＯＭに格納してある。本実施例の場合、ＥＣＵ６が吸気ポート１０に配備した吸気圧センサ９の出力から、吸気通路内に発生している吸気脈動を確認する。このときに、ＥＣＵ６がインジェクタ７の駆動タイミングを制御して、発生した吸気脈動を活用して筒内の状態に適した燃料噴射を実行する。

図２を再度参照して、吸気脈動の発生を確認したときに、ＥＣＵ６が実行する燃料噴射制御を説明する。ＥＣＵ６は、内燃機関の負荷状態をスロットル開度センサ２４などから確認する。そして、ＥＣＵ６は高負荷時に燃料噴射を実行するときには、吸気脈動ＰＢの低圧時を狙って、より具体的には吸気脈動における低圧側ピークを狙って（吸気通路内圧が低圧側の谷となるときに同期して）燃料噴射を実行する。内燃機関が高負荷運転されているときは、インジェクタ７から相対的に多い燃料を高い貫徹力で燃料噴射することが期待される。このような観点から、図２の下側に示すように高負荷時にあって、吸気通路内圧が低いピークを狙って燃料を分割噴射する。同じ量の燃料を１回噴射する場合と分割噴射する場合とでは、分割噴射する場合の方が貫徹力は弱くなる。しかし、本実施例のように低圧側ピークを狙って燃料噴射することで貫徹力を高めることができる。これにより、筒内に形成されたタンブル流ＴＳをインジェクタ７からの燃料噴射で強化できる。よって内燃機関１の高負荷時には、筒内での燃焼速度を向上させて確実に出力向上を図ることができる。

一方、アイドル運転時のように内燃機関が低負荷運転されているときは、インジェクタ７から噴射される燃料は少量であり、高負荷時とは逆に貫徹力を抑えて燃料の霧化を促進させることが期待される。このように霧化を促進する燃料噴射制御することで、燃焼性や排気エミッションを改善できる。この観点から、図２の上側に示すように低負荷時にあっては、吸気脈動における高圧側ピークを狙って（吸気通路内圧が高圧側の山となるときに同期して）燃料噴射を実行する。このように吸気通路内圧が高い時を狙って燃料噴射をすれば、貫徹力を弱めて霧化を促進することができる。よって内燃機関１の低負荷時に、筒内での燃料の霧化を促進して燃費の向上及び排気の改善を図ることができる。

図３は、上記で説明した燃料噴射時の吸気通路内圧と、タンブル流強化及び燃料霧化との関係をまとめて示した図である。この図３で示すように、タンブル流強化と燃料霧化とは吸気通路内圧に対してほぼ逆の傾向を示している。すなわち、吸気通路内圧が低いときに燃料噴射を実行すると燃料噴射によりタンブル流を強化し易いが、燃料の霧化割合は抑制される。これとは逆に、吸気通路内圧が高いときに燃料噴射を実行すると燃料の霧化割合を促進できるが、燃料噴射によるタンブル流の強化は小さくなる。

ＥＣＵ６は、図３で示す関係に基づいて、内燃機関が高負荷時には相対的に強い貫徹力を持って筒内への燃料噴射を実行することでタンブル流を強化して燃焼速度を向上させて確実に出力向上を図る。一方、内燃機関が低負荷時には霧化を促進して燃焼効率や排気の改善を図るという燃料噴射の制御を実行するということになる。

図４は、上記ＥＣＵ６によって実行される燃料噴射制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。ＥＣＵ６は、例えば内燃機関１のイグニッションスイッチがオン（ＯＮ）されたときに、このルーチンを起動する。ＥＣＵ６は、吸気圧センサ９の出力から吸気ポート１０内（吸気通路内）の吸気圧を確認して（Ｓ１０１）、吸気脈動が発生しているか否かを判定する（Ｓ１０２）。このステップＳ１０２で吸気脈動は発生していないと判定した場合、ＥＣＵ６は通常の燃料噴射制御を実行する（Ｓ１０３）。

上記に対して、ステップＳ１０２で吸気脈動が発生している判定とした場合、ＥＣＵ６はスロットル開度センサ２４などの出力から内燃機関１の運転状態を確認する。このときにＥＣＵ６が高負荷状態にあると判定した場合には（Ｓ１０４）、前述したように吸気脈動の低圧側ピーク時を狙ってインジェクタから燃料を分割噴射する（Ｓ１０５）。これにより必要なときに確実にタンブル流を強化して出力の向上を図ることができる。

一方、上記ステップＳ１０４で、ＥＣＵ６が高負荷状態でなく低負荷状態であると判断した場合には、前述したように吸気脈動の高圧側ピーク時を狙ってインジェクタから燃料を分割噴射する（Ｓ１０６）。これにより必要なときに噴射した燃料噴射弁の霧化を確実に促進して、燃焼及び排気の改善を確実に図ることができる。なお、内燃機関１の高負荷の低圧側ピーク時に燃料を噴射すること、及び低負荷の高圧側ピーク時に燃料を噴射することは、どちらの場合も噴射した燃料が形成したタンブル流に乗り易い状態にある。よって、筒内での燃料付着を抑制することもできる。

（改善例）
更に、上記ＥＣＵ６が内燃機関の高負荷の状態をより細かく区分して高負荷、超高負荷の２段階に区分し、この中で負荷が大きい超高負荷となったときに実行するのが好ましい燃料噴射制御について説明する。図５は、吸気通路内に発生する吸気脈動ＰＢと超高負荷時の好ましい燃料噴射時期の関係を説明するための図である。なお、内燃機関１における高負荷と超高負荷は、例えば予めスロットル開度が所定以上となったときに超高負荷とするようにプラグラムを設定して、ＥＣＵ６が判断するようにすればよい。

改善例の場合のＥＣＵ６は、内燃機関１が超高負荷時に吸気脈動が発生したときには、低圧ピーク時となっても前半について燃料噴射を禁止する。一般に、内燃機関の負荷がかなり高くなったとき（超高負荷時）には、燃料による気化潜熱効果によりその体積分の吸気（空気）を入り難くする効果が大きくなる。そこで、吸気過剰率を上げたい超高負荷時には、当初の燃料噴射を禁止して筒内への吸気流入を確保するのが好ましい。このような燃料噴射の制御を実行することで超高負荷時でも確実に出力向上を図ることができる。

なお、上記では筒内にタンブル流（縦の渦気流）を形成する構造を備えた内燃機関１について説明したが、タンブル流を形成する内燃機関に限らない。スワール流（横の渦気流）を形成する構造を備えた内燃機関にも本発明を同様に適用できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例に係る内燃機関の燃料噴射制御装置を模式的に示した図である。 吸気通路内に発生する吸気脈動の様子を模式的に示した図である。 燃料噴射時の吸気通路内圧と、タンブル流強化及び燃料霧化との関係をまとめて示した図である。 ＥＣＵによって実行される燃料噴射制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。 吸気通路内に発生する吸気脈動と超高負荷時の好ましい燃料噴射時期の関係を説明するための図である。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 燃焼室
６ ＥＣＵ（燃料噴射制御手段）
７ インジェクタ（燃料噴射弁）
９ 吸気圧センサ
１０ 吸気ポート（吸気通路）
２４ スロットル開度センサ
２５ タンブル流制御装置
ＡＲ 吸気流
ＦＥ 燃料
ＴＳ タンブル流（渦気流）
ＰＢ 吸気脈動

Claims (5)

1. 筒内に形成された渦気流を、噴射する燃料で強化可能な筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
   吸気脈動に基づいて、燃料噴射弁の駆動タイミングを制御する燃料噴射制御手段を備えている、ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関の高負荷時に前記吸気脈動における低圧側ピークを狙って、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる分割燃料噴射を実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関が超高負荷時では前記吸気脈動の前半の低圧側ピーク時での燃料噴射を禁止する、ことを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記燃料噴射制御手段は、前記内燃機関が低負荷時に前記吸気脈動における高圧側ピークを狙って、前記燃料噴射弁から燃料を噴射させる分割燃料噴射を実行する、ことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 前記燃料噴射弁が筒内へ燃料を横向きに噴射するサイド噴射型である、ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。

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