JP2008261231A - 筒内噴射式エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アルコール混合燃料の筒内直接噴射において、筒内壁面への燃料付着によるエンジンオイルの希釈化を防ぐ。
【解決手段】筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式エンジンにおいて、インジェクタから噴射されるエタノール混合ガソリンの燃料噴射時期をエタノール濃度に応じて調整する。エタノール濃度が所定値以上である場合、分割噴射を実行し、吸気バルブのリフト量が比較的小さい吸気行程前半に１回目の燃料噴射を行い、吸気バルブの最大バルブリフト量Ｌｍ付近の期間Ｌ内に２回目の燃料噴射を行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンの筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式エンジンに関し、特に、エタノール混合ガソリンなどアルコール混合燃料を使用可能なエンジンの燃料噴射制御に関する。

筒内噴射式ガソリンエンジンでは、均質燃焼による運転が可能であり、運転状況に応じて定められた燃料噴射量に従い、吸気行程内において燃料が筒内へ直接噴射される。筒内で流動する空気に燃料が噴射されることによって空気と気化燃料が均一に混ざり合い、均質混合気が形成される。

一方、エタノール混合ガソリンなどのアルコール混合燃料では、アルコールの含まれない燃料と比べて気化特性（気化潜熱）、発熱量などの燃料性状が異なり、アルコール濃度が高くなるほど理論空燃比の値は下がる。アルコール濃度に応じて燃料噴射量を増加させると、燃料の気化特性が悪化し、不均質な混合気が形成される。アルコール濃度が高い場合でも均質混合気を形成するため、例えば吸気ポート噴射式エンジンでは、アルコール濃度が高くなるにつれて燃料噴射時期を早めて（特許文献１参照）、均質混合気を形成するのに十分な時間を確保する。
特開平３−５４３３２号公報

筒内噴射式エンジンの場合、アルコール濃度に応じて燃料噴射量を増加させると、噴射期間が長くなるために筒内壁面への燃料付着量が増加する。したがって、アルコール濃度が高いほど筒内壁面への燃料付着量が増え、エンジンオイルがより一層希釈化されるという問題があった。

本発明の燃料噴射制御装置は、アルコール混合燃料を燃料として使用可能なエンジンの燃料噴射を制御する装置である。ここで、アルコール混合燃料は、アルコールをガソリンなどの燃料に混合させた燃料のことをいう。また、アルコール混合燃料には、アルコールが所定の割合で含まれた混合燃料だけではなく、アルコールを含まない燃料（アルコール濃度０％）、あるいはアルコールのみの燃料（アルコール１００％）も含まれるものとする。

本発明の燃料噴射制御装置は、アルコール混合燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段と、筒内にアルコール混合燃料を直接噴射する燃料噴射装置を制御し、アルコール濃度およびエンジン運転状態に基づいて定められる燃料噴射量に従ってアルコール混合燃料を吸気行程において噴射させる燃料噴射時期制御手段とを備える。例えば、理論空燃比に基づいた運転を行う場合、アルコール濃度が高いほど燃料噴射量が多くなる。

本発明の燃料噴射制御装置は、燃料噴射時期制御手段が、アルコールの含まれない燃料を使用した時の燃料噴射時期に比べて吸気バルブのバルブリフト量が相対的に大きい時期（以下では、噴霧干渉時期という）にアルコール混合燃料を噴射させる。ただし、ここでの噴霧干渉時期は、一回の燃料噴射における噴射開始から噴射終了までの期間であって、所定の時間幅を持った期間を含む。

筒内噴射式エンジンの場合、例えば燃料噴射装置が吸気ポート付近に配置されると、吸気バルブのリフト量が相対的に大きな期間では、燃料が吸気バルブの傘部に向けて噴射されるような位置まで吸気バルブがリフトしている。アルコール混合燃料が含まれない燃料を使用する場合、均質混合気を形成するため、通常、吸気行程前半時期、すなわち吸気バルブの傘部に燃料が当たらないバルブリフト量が比較的小さい時期に、燃料が噴射される。本発明では、アルコール混合燃料が傘部に当たるようにリフト量が相対的に大きくなるまで吸気バルブが開いた（リフトした）時期に、アルコール混合燃料が噴射される。これによって、筒内壁面に燃料が直接付着することなく、アルコール混合燃料が傘部との衝突によって拡散し、均質な混合気が形成される。

ガソリンなどの燃料が吸気バルブの傘部に付着すると、アルコール付着と比べてＰＭ（粒子状物質）の排出量が増加する。そのため、ある程度のアルコール濃度をもつ（所定の濃度値以上）アルコール混合燃料を使用するとき、アルコール混合燃料を噴霧干渉時期に噴射させるのが望ましい。所定の濃度値としては、アルコール濃度が高くなることによってＰＭ排出量が抑制される一方、逆に燃料噴射量増加に伴う筒内壁面への燃料付着量増加が影響してくる濃度値に定めればよい。

アルコール濃度の高低に関わらずＰＭ排出量の抑制、筒内壁面への燃料付着防止を実現するため、アルコール混合燃料の一部を噴霧干渉時期で噴射させ、アルコール濃度が高いほど噴霧干渉時期で噴射させる燃料の割合を増加させるのがよい。この場合、残りのアルコール混合燃料を、例えば基準燃料噴射時期に噴射させればよい。

できるだけ多くのアルコール混合燃料を吸気バルブの傘部に当てるため、燃料噴射時期制御手段が、最大バルブリフト量の時期を中心とした前後所定の期間内を噴霧干渉時期としてアルコール混合燃料を噴射させるのがよい。例えば、クランク角で最大バルブリフト量の前後３０度の期間内にアルコール混合燃料を噴射させるのがよい。

一方、エンジンとして特徴づけられる本発明の筒内噴射式エンジンは、アルコール混合燃料を使用可能なエンジンであって、吸気ポートをエンジンサイクルに合わせて開閉する吸気バルブと、吸気バルブを開閉させる動弁系と、燃焼室内にアルコール混合燃料を直接噴射する燃料噴射装置とを備え、燃料噴射装置が、アルコールの含まれない燃料を使用した時の燃料噴射時期に比べて吸気バルブのバルブリフト量が相対的に大きい噴霧干渉時期に、アルコール混合燃料を噴射することを特徴とする。

さらに、その他の特徴によるエンジンの燃料噴射制御装置は、アルコール混合燃料を使用可能なエンジンの燃料噴射制御装置であって、アルコール混合燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段と、筒内にアルコール混合燃料を直接噴射する燃料噴射装置を制御し、アルコール濃度およびエンジン運転状態に基づいた燃料噴射量に従ってアルコール混合燃料を吸気行程で噴射させる燃料噴射時期制御手段とを備え、燃料噴射時期制御手段が、エンジンサイクルに合わせて吸気ポートを開閉する吸気バルブの傘部にアルコール混合燃料が衝突するように、アルコール混合燃料を噴射させることを特徴とする。

本発明によれば、アルコール混合燃料の筒内直接噴射において、筒内壁面への燃料付着によるエンジンオイルの希釈化を防ぐことができる。

以下では、図面を参照して、本発明の実施形態である筒内噴射式エンジンについて説明する。

図１は、本実施形態である筒内噴射式エンジンを含めた燃料噴射制御系全体の概略的構成を示した図である。

筒内噴射式である多気筒エンジン１０は、ＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle）などの自動車（図示せず）に装備されており、図１には、１つの気筒が図示されている。エアクリーナー１２を通って吸気管１４に吸入された空気は、電子制御式スロットルバルブ１６を介して吸気管１４の吸気ポート１４Ａまで給送され、エンジン本体のシリンダ１３内へ吸入される。

燃料タンク４２内には、燃料としてエタノール混合ガソリンが貯留されており、エタノール混合ガソリンは燃料ポンプ（図示せず）によってインジェクタ１８に給送される。高圧噴射型であるインジェクタ１８は、シリンダヘッド１５の吸気ポート１４Ａ付近に取り付けられており、シリンダ１３内部に燃料を所定のタイミングで直接噴射する。

筒内噴射式エンジン１０では、部分負荷、高速および高負荷ともに理論空燃比に基づいた均質燃焼による運転が行われ、インジェクタ１８は吸気行程において燃料を噴射する。噴射された燃料は、シリンダ１３内で渦流となって流動する吸入空気と混合され、燃料と吸入空気とが均一に混ざった均質混合気が形成される。燃焼室１７の頂部付近に取り付けられた点火栓１９によって混合気が点火されると、燃焼が生じ、燃焼ガスが排気管２６の排気ポート２６Ａから排出される。

コンロッド２２を介してクランクシャフト２０に接続されたピストン２４は、吸入〜排気のサイクルに合わせてシリンダ１３内を往復運動する。カムシャフト２１は、タイミングチェーン（図示せず）を介してクランクシャフト２０と接続されており、ＤＯＨＣ式の吸気バルブ２７、排気バルブ２９は、カムシャフト２１、２３の回転に合わせて吸気ポート１４Ａ、排気ポート２６Ａをそれぞれ開閉させる。ただし、図１では、一方の吸気バルブ、排気バルブのみ図示している。

吸気バルブ２７、排気バルブ２９は、ここでは直動式に従って駆動され、所定の湾曲形状をもつカムシャフト２１のカム２１Ａがバルブリフターと当接し、バルブリフターは吸気バルブ２７の一端に設けられたバルブスプリング（図示せず）と接続されている。バルブリフターがカム２１Ａの湾曲形状にあわせてバルブスプリングを周期的に押すことによって、吸気バルブ２７が周期的な開閉運動を行う。これにより、吸気ポート１４Ａがピストン２４の動きに合わせて開閉される。排気バルブ２９についても、同様な構成によって排気ポート２６Ａを開閉する。

シリンダ１３内の燃焼ガスは、排気管２６を通って触媒コンバータ２８へ送られ、三元触媒の触媒作用によって清浄化される。浄化された排ガスは、エキゾーストパイプ（図示せず）へ送られるとともに、ＥＧＲバルブ３０、ＥＧＲ管路３２を通って吸気管１４へ環流される。Ｏ_２センサ４０は、理論空燃比に基づいた燃焼を行うため、排ガスの酸素濃度を検出する。

ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むＥＣＵ３４は、エンジン１０の動作を制御し、クランク角センサ３６、吸気温センサ３７、スロットルバルブポジションセンサ３８、吸気管圧センサ３９、カム角センサ４３ととともに、Ｏ_２センサ４０、アクセル開度センサ４１、水温センサ４２など各センサからの信号を検出する。また、ＥＣＵ３４は、検出されるアクセル開度、クランクシャフト２０の回転数および回転位置などのパラメータ情報に基づいて、インジェクタ１８、点火栓１９、スロットルバルブ１４、ＥＧＲバルブ３０等へ制御信号を出力し、燃料噴射時期、点火時期とともに、燃料噴射量、吸入空気量などを調整する。

誘電型のエタノール濃度センサ４４は、燃料タンク４２に貯蔵される燃料のエタノール濃度を検出する。燃料タンク４２には、エタノール濃度の異なる様々なエタノール混合ガソリンが補給可能であり、インジェクタ１８から噴射される燃料のエタノール濃度は、補給燃料の種類、燃料の混合程度によって変わる。また、運転時間の経過に伴って燃料のエタノール濃度も変化する。本実施形態では、エタノール混合ガソリンのエタノール濃度に応じて、燃料噴射時期が調整される。

図２は、ＥＣＵ３４によって実行される燃料噴射制御処理のフローチャートである。また、図３、図４は、吸気バルブ２７のバルブリフト特性と燃料噴射タイミングを示した図である。燃料噴射制御処理は、ＥＣＵ３４のメイン制御処理による割り込み処理として実行される。

ステップＳ１０１では、エタノール濃度センサ４４によってエタノール濃度（％）が検出される。そしてステップＳ１０２では、エタノール濃度が所定値α以上であるか否かが判断される。エタノールの理論空燃比はガソリンに比べて低く、（純エタノールの場合、理論空燃比は約９）燃料中のエタノールの割合が大きくなるほど、燃料噴射量を増加させる必要がある。エタノール濃度が所定値α以上である場合、燃料噴射量の増加に伴って燃料噴射期間が長くなり、シリンダ１３の壁面への燃料付着量が増加する。所定値αは、インジェクタ１８の噴射特性、燃焼室形状などに従う。

ステップＳ１０２において、エタノール濃度が所定値α以上ではないと判断された場合、ステップＳ１０３へ進み、エタノールの含まれない純ガソリン燃料使用時と同じ燃料噴射時期が設定される。すなわち、燃料噴射時期が吸気行程前半に設定される。図３には、吸気バルブ２７の開閉運動特性を示すバルブリフトカーブＶ１が図示されており、それに合わせて燃料噴射タイミングが図示されている。ここでは、吸気上死点を経過した後、クランク角度３００度付近のタイミングで燃料が噴射される。燃料噴射時の吸気バルブ２７のバルブリフト量Ｖｓは、最大バルブリフト量Ｖｍのおよそ半分である。

一方、ステップＳ１０２において、エタノール濃度が所定値α以上と判断された場合、ステップＳ１０４へ進み、燃料の分割噴射が実行される。図４には、分割噴射時の燃料噴射タイミングが図示されている。１回目の燃料噴射タイイングは、図３に示す燃料噴射タイミングと同じである。２回目の燃料噴射タイミングは、最大バルブリフト量Ｖｍの時期を中心としてクランク角前後３０度の期間Ｌ（噴霧干渉時期）に設定される。この期間Ｌ内で燃料噴射が開始、終了する。ここでは、最大バルブリフト量Ｌｍの時期（約２４０度のクランク角）付近に設定されている。

図５は、２回目の燃料噴射時の吸気バルブ２７のリフト位置を示した図である。吸気バルブ２７のバルブリフト量がほぼ最大となる位置まで吸気バルブ２７が開いており、吸気バルブ２７の傘部２７Ａが最も吸気ポート１４から離れた位置（燃焼室１７の中央付近に最も近づいた位置）にある。均質燃焼であることから、均質性を向上させるために成層燃焼用筒内噴射式エンジンよりも燃料は上向きに噴射される。また、インジェクタ１８は、吸気バルブ２７と図示されない他方の吸気バルブとの間に配置されており、２つの吸気バルブへ向けて燃料が噴射される。

図４に示す期間Ｌでは、インジェクタ１８から噴射された燃料の多くは、傘部２７Ａ、より具体的に言えば傘部２７Ａの頂面２７Ｂと反対側の円錐状傾斜部２７Ｃに衝突する。シリンダ１３の壁面に付着せずに傾斜部２７Ｃと衝突した燃料は燃焼室１７内で拡散され、その結果、均質な混合気が形成される。なお、図５では、説明を容易にするために、吸気バルブ１４のリフト位置を誇張して描いている。

図６は、分割噴射を行う時のエタノール濃度と分割噴射割合との関係を示したグラフである。ここでは、エタノール濃度と２回目の燃料噴射時の噴射量割合との関係が図示されており、エタノール濃度の上昇に伴って噴射量割合が比例して増加する。ただし、噴射量割合は、総燃料噴射量に対する２回目の燃料噴射時における燃料噴射量の割合を示す。

アルコールの含まれないガソリン燃料を吸気バルブ２７に衝突させた場合でも、燃料が拡散されることによって、シリンダ３の壁面への燃料付着が防止される。しかしながら、ガソリン燃料が吸気バルブ２７に付着すると、煤を含むＰＭ（粒子状物質）の排出量が増加する。一方、エタノールなどのアルコールを吸気バルブ２７に当てる場合、ＰＭ排出量の影響がガソリンと比べて少ない。そのため、本実施形態では、エタノールの燃料性状が影響し始める所定値α以上では、エタノール濃度が高くなるほど吸気バルブ２７に衝突させる燃料の噴射量を多くする。これにより、シリンダ１３の壁面への燃料付着を防止しながらＰＭ排出量を抑えることができる。

ＥＣＵ３４のＲＯＭには、図６の対応関係を示すデータ（マップデータ）があらかじめ格納されており、ステップＳ１０４では、検出されたエタノール濃度に応じた噴射量割合がマップデータに基づいて決定される。そして、エンジン運転状態およびエタノール濃度に従って定められる総燃料噴射量と、求められた２回目の噴射量割合とに基づき、１回目の燃料噴射量、および２回目の燃料噴射量が求められる。ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で求められた１回目、２回目の燃料噴射量に基づき、各噴射における燃料噴射時期が設定される。インジェクタ１８は、設定された燃料噴射時期、燃料噴射量に基づき、検出されるカム角（クランク角）に従って燃料を噴射する。

このように本実施形態によれば、インジェクタ１８から噴射されるエタノール混合ガソリン燃料噴射時期がエタノール濃度に応じて調整され、エタノール濃度が所定値α以上である場合、分割噴射が実行される。すなわち、吸気バルブ２７のリフト量が比較的小さい吸気行程前半に１回目の燃料噴射が行われ、さらに吸気バルブの傘部に燃料を噴射するため、吸気バルブ２７の最大バルブリフト量Ｌｍ付近の期間Ｌ内に２回目の燃料噴射が行われる。これにより、エタノール濃度に関わらずシリンダ壁面１３への燃料付着量を抑えることができ、エンジンオイル希釈を防ぐことができる。

分割噴射の回数を任意に設定してもよく、また、分割噴射せずに（吸気行程前半時に噴射せずに）、バルブリフト量が大きい時期だけ燃料を噴射させてもよい。また、最大バルブリフト量Ｌｍを中心としたクラン角前後の３０度に限定せず、燃料噴射時期を設定してもよい。インジェクタ１８および吸気バルブのリフト位置などを考慮して噴射期間を設定すればよい。

燃料噴射時期としては、吸気バルブ２７の傘部２７Ａに燃料を当てるタイミングに設定すればよい。燃焼室形状、インジェクタ１８の吸気ポート１４Ａに対する配置場所、および吸気バルブ２７の配置場所、リフト量、作動角といったバルブ特性などに基づいて、燃料噴射時期が設定される。例えば、可変バルブ＆リフトタイミング機構を備えたエンジンでは、可変するバルブタイミング、リフトに合わせて噴射タイミングを調整すればよい。

インジェクタ１８は吸気ポート１４付近で様々な位置に配置可能であり、燃焼室頂上付近に設けてもよく、燃料の噴射方向が吸気バルブのリフト方向と交差するようにインジェクタ１８を設置すればよい。また、噴射方向を可変なノズルを備えたインジェクタを設け、エタノール濃度が所定値α以上になると、噴射方向を変更し、吸気バルブ２７の傘部２７Ｃに燃料を当てるように構成してもよい。

本実施形態では、理論空燃比に基づいた燃料噴射制御を行っているが、運転状況、走行状況に合わせて要求すべき空燃比を設定し、その設定された空燃比に基づいて燃焼を生じさせてればよく、エンジン運転状態およびエタノール濃度に応じて燃料噴射制御を行えばよい。本実施形態ではエタノール混合ガソリンが使用されているが、エタノール以外のアルコール混合燃料を使用してもよく、アルコールの種類に応じて燃料噴射量を調整すればよい。

本実施形態である筒内噴射式エンジンの概略的構成を示した図である。 ＥＣＵによって実行される燃料噴射制御処理のフローチャートである。 吸気バルブのバルブリフト特性と燃料噴射タイミングを示した図である。 分割噴射時における吸気バルブのバルブリフト特性と燃料噴射タイミングを示した図である。 ２回目の燃料噴射時の吸気バルブのリフト位置を示した図である。 分割噴射を行う時のエタノール濃度と分割噴射割合との関係を示したグラフである。

符号の説明

１０ 筒内噴射式エンジン
１３ シリンダ
１４ 吸気管
１８ インジェクタ
２１ カムシャフト
２６ 排気管
２７ 吸気バルブ
２７Ａ 傘部
２７Ｃ 傾斜面
２４ ピストン
３４ ＥＣＵ
４４ エタノール濃度センサ

Claims (7)

1. アルコール混合燃料を使用可能なエンジンの燃料噴射制御装置であって、
   アルコール混合燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段と、
   筒内にアルコール混合燃料を直接噴射する燃料噴射装置を制御し、アルコール濃度およびエンジン運転状態に基づいて定められる燃料噴射量に従ってアルコール混合燃料を吸気行程で噴射させる燃料噴射時期制御手段とを備え、
   前記燃料噴射時期制御手段が、アルコールの含まれない燃料を使用した時の燃料噴射時期に比べて吸気バルブのバルブリフト量が相対的に大きい噴霧干渉時期に、アルコール混合燃料を噴射させることを特徴とする燃料噴射制御装置。
2. 前記燃料噴射時期制御手段が、アルコール混合燃料のアルコール濃度が所定値以上である場合、前記噴霧干渉時期にアルコール混合燃料を噴射させることを特徴とする燃料噴射制御装置。
3. 前記燃料噴射時期制御手段が、アルコール混合燃料の一部を前記噴霧干渉時期で噴射させ、アルコール濃度が高いほど前記噴霧干渉時期で噴射させる燃料の割合を増加させることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
4. 前記燃料噴射時期制御手段が、最大バルブリフト量の時期を中心とした前後所定の期間内を噴霧干渉時期としてアルコール混合燃料を噴射させることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
5. 前記燃料噴射時期制御手段が、最大バルブリフト量を中心としたクランク角前後３０度の期間内を噴霧干渉時期としてアルコール混合燃料を噴射させることを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射制御装置。
6. アルコール混合燃料を使用可能なエンジンであって、
   吸気ポートをエンジンサイクルに合わせて開閉する吸気バルブと、
   前記吸気バルブを開閉させる動弁系と、
   燃焼室内にアルコール混合燃料を直接噴射する燃料噴射装置とを備え、
   前記燃料噴射装置が、アルコールの含まれない燃料を使用した時の燃料噴射時期に比べて吸気バルブのバルブリフト量が相対的に大きい噴霧干渉時期に、アルコール混合燃料を噴射することを特徴とする筒内噴射式エンジン。
7. アルコール混合燃料を使用可能なエンジンの燃料噴射制御装置であって、
   アルコール混合燃料のアルコール濃度を検出するアルコール濃度検出手段と、
   筒内にアルコール混合燃料を直接噴射する燃料噴射装置を制御し、アルコール濃度およびエンジン運転状態に基づいた燃料噴射量に従ってアルコール混合燃料を吸気行程で噴射させる燃料噴射時期制御手段とを備え
   前記燃料噴射時期制御手段が、エンジンサイクルに合わせて吸気ポートを開閉する吸気バルブの傘部にアルコール混合燃料が衝突するように、アルコール混合燃料を噴射させることを特徴とする燃料噴射制御装置。

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