JP2008267274A - 直噴エンジンの制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】オイル希釈の抑制を考慮して、筒内噴射用インジェクタから噴射される燃料の方向を制御する直噴エンジンの制御システムを提供する。
【解決手段】直噴エンジンの制御システムは、燃料ｍｆを噴射する方向が可変の筒内噴射用インジェクタ６を備える。燃料ｍｆの燃料性状を検出するセンサを備える。センサからの情報に基づいて、燃料ｍｆの噴射方向を制御する制御部を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、直噴エンジンの制御システムに関し、特に筒内噴射用インジェクタから噴射される燃料の方向を調整する燃料噴射方向制御システムに関する。

噴射される燃料の方向が調整可能な筒内噴射用インジェクタが提案されている。

特許文献１は、ニードル弁の偏心状態を調整することにより、噴射される燃料の方向が変動せしめられる筒内噴射用インジェクタを開示する。
特開２０００−２０５０８８号公報

しかし、燃焼のパターン（成層燃焼と均質燃焼）に応じて筒内噴射用インジェクタから噴射される方向が設定される形態は開示されるが、このように噴射方向を制御しても、アルコール濃度が高い燃料を使用した場合には、気化せずにシリンダー壁に付着してオイルを希釈させる可能性がある。

したがって本発明の目的は、オイル希釈の抑制を考慮して、筒内噴射用インジェクタから噴射される燃料の方向を制御する直噴エンジンの制御システムを提供することである。

本発明に係る直噴エンジンの制御システムは、燃料を噴射する方向が可変の筒内噴射用インジェクタと、燃料の燃料性状を検出するセンサと、センサからの情報に基づいて、燃料の噴射方向を制御する制御部とを備える。

また、好ましくは、燃料は、アルコールを含み、センサは、燃料におけるアルコール濃度を検出する濃度センサであり、制御部は、アルコール濃度に応じて、燃料の噴射方向を制御する。これにより、気化せずにシリンダー壁に付着しやすいアルコールが燃料に多く含まれる場合に、オイル下がりを考慮した噴射方向制御を行い、アルコールが燃料に多く含まれない場合には、燃焼性能を考慮した噴射方向制御を行うことが可能になる。

さらに好ましくは、制御部は、アルコール濃度が高いほど、燃料の噴射方向と直噴エンジンのピストンの移動方向に垂直な水平面とのなす角が大きい状態で燃料を噴射する。これにより、気化せずにシリンダー壁に付着しやすいアルコールが燃料に多く含まれる場合に、オイル下がりを考慮した噴射方向制御をアルコールの濃度に応じて細かく行い、アルコールが燃料に多く含まれない場合には、燃焼性能を考慮した噴射方向制御を行うことが可能になる。

また、好ましくは、制御部は、アルコール濃度が高い場合には、燃料の噴射方向の制御に加え、燃料の噴射回数の制御を行う。これにより、１回の噴射量が少なくなることでシリンダー壁に付着する燃料を少なくすることが可能になる。

以上のように本発明によれば、オイル希釈の抑制を考慮して、筒内噴射用インジェクタから噴射される燃料の方向を制御する直噴エンジンの制御システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図１〜４を用いて説明する。本実施形態における直噴エンジンの制御システムは、エンジン本体１、エアクリーナ２、吸気通路３、電気制御スロットル弁４、筒内噴射用インジェクタ６、点火プラグ７、排気通路８、触媒コンバータ９、電気制御ＥＧＲ弁１０、ＥＧＲ通路１１、燃料タンク１２、低圧ポンプ１３、高圧ポンプ１５、燃料分配管１６、リターン通路１７、ＥＣＵ２０、水温センサ２６、排気通路８において排気空燃比のリッチ・リーンに応じた信号を出力する空燃比センサ２７、燃料分配管１６における燃料ｍｆのアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサ３０を備える。なお、図１において、吸気バルブ、排気バルブは省略している。

なお、本実施形態では、エンジン本体１の燃料ｍｆとして、ガソリン／アルコール混合燃料を使った形態を説明するが、すくなくともアルコールを含む燃料を使った他の形態であってもよい。

まず、エンジン本体１の動作について説明する。エンジン本体１の各シリンダーの燃焼室には、エアクリーナ２及び吸気通路３を介し、電気制御スロットル弁４の制御を受けて、空気が吸入される。筒内噴射用インジェクタ６から噴射された燃料ｍｆは、吸入された空気と混ざって混合気を形成する。ＥＣＵ２０からの点火信号に基づく点火プラグ７の点火によって、混合気は燃焼する。

エンジン本体１からの排気は、排気通路８より排出され、排気通路８に設けられた触媒コンバータ９により浄化される。また、排気の一部は、電気制御ＥＧＲ弁１０を介して、ＥＧＲ通路１１により吸気通路３のスロットル弁４の下流で吸気通路３に還流される。

次に、燃料ｍｆのエンジン本体１への供給動作について説明する。燃料タンク１２からは低圧ポンプ１３により燃料ｍｆが吸い上げられ、低圧供給通路を介して接続された高圧ポンプ１５により目標噴射圧まで加圧されて、筒内噴射用インジェクタ６に接続されている燃料分配管１６に供給される。リターン通路１７は、燃料分配管１６からの余剰燃料を燃料タンク１２に戻す通路である。

次に、本実施形態における燃料噴射方向制御に関連する部位である筒内噴射用インジェクタ６、水温センサ２６、及びＥＣＵ２０の動作について説明する。

筒内噴射用インジェクタ６は、シリンダー内に燃料ｍｆを直接噴射するように設けられた電磁式のインジェクタである。直噴エンジンの回転（運転状態）に同期してＥＣＵ２０から吸気行程または圧縮行程に出力される噴射パルス信号に基づいて、筒内噴射用インジェクタノズル６ａ内のニードル弁（不図示）を介して、所定圧力に調圧された燃料ｍｆが噴射される。本実施形態における筒内噴射用インジェクタ６は、筒内噴射用インジェクタノズル６ａ内のニードル弁の偏心状態を調節することにより、シリンダー内における燃料ｍｆを噴射する方向が変動せしめられる。なお、燃料ｍｆを噴射する方向の制御は、ニードル弁の偏心状態の調節に限らず、他の形態であってもよい。

水温センサ２６は、エンジン本体１の冷却水温を検出するセンサで、本実施形態では、エンジン本体１が冷気状態にあるか否かの判別に使用される。但し、エンジン本体１の温度を検出するセンサとして、エンジンオイルの温度を検出する油温センサなど他のセンサで冷気状態にあるか否かの判別を行ってもよい。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、これに基づいて演算処理して、各部の動作制御を行う。特に、本実施形態では、ＥＣＵ２０は、水温センサ２６からの冷却水温に関する情報、及びアルコール濃度センサ３０からのアルコール濃度に関する情報に基づいて、筒内噴射用インジェクタ６から燃料ｍｆを噴射する方向を制御する。

具体的には、ＥＣＵ２０は、水温センサ２６からの情報に基づいて、エンジン本体１が冷気状態にあるか否か（暖機が完了したか否か）を判断する。冷気状態にある場合には、アルコール濃度センサ３０からの情報に基づいて、燃料ｍｆにアルコールが含まれているか否か（濃度閾値以上のアルコール濃度であるか否か）を判断する。アルコールが含まれている場合には、ニードル弁の偏心量を大きくし、筒内噴射用インジェクタ６から燃料を、噴射方向とピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角（Ｖ角）θが大きい状態で、すなわちピストン１ａの下死点側に向けて噴射する（図３参照）。冷気状態にない場合（暖機が完了した場合）、または冷気状態であっても燃料ｍｆにアルコールが含まれていない（濃度閾値よりもアルコール濃度が低い）場合には、ニードル弁の偏心量を小さくし、筒内噴射用インジェクタ６から燃料を、噴射方向とピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが小さい状態で、すなわちピストン１ａの上死点側に向けて噴射する（図４参照）。噴射方向とピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θは、吸気における空気の流れ（タンブール流）に同調できる範囲の角度（０〜５０度程度）が設定される。

エンジン本体１の暖機が完了する前の低温時は、燃料ｍｆのうち特にアルコールが気化せずに、シリンダー内部に付着しやすくなる。そのため、シリンダー壁に付着した燃料ｍｆ（特にアルコール）が、シリンダーとピストン１ａの隙間から漏れ出し（オイル下がりが生じ）、エンジンオイルと混ざり合うエンジンオイルの希釈化が起こりやすい。

エンジンオイルと混ざり合った燃料ｍｆ（特にアルコール）は、エンジンオイルから蒸発して吸気系に還流され、これにより空燃比が過度にリッチになる可能性がある。空燃比が過度にリッチな状態では、触媒コンバータ９における浄化範囲内に空燃比フィードバック制御ができなくなるＡ／Ｆ補正ズレが生じるおそれがある。

本実施形態では、暖機が完了する前であって、燃料ｍｆにアルコールが含まれる場合には、筒内噴射用インジェクタ６からの燃料噴射方向が、ピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが大きい状態で、燃料噴射が行われることで、燃料ｍｆがピストン１ａの上部に当たり、シリンダー壁に付着しにくくなるため、Ａ／Ｆ補正ズレが起こりにくいメリットを有する。暖機完了後などそれ以外の場合には、燃焼性能を優先し、噴射された燃料が吸気された空気の流れに同調しやすくなる（空気と混ざりやすくなる）ように、筒内噴射用インジェクタ６からの燃料噴射方向が、ピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが小さい状態で、燃料噴射が行われる。これにより、燃焼性能とアルコールのシリンダー壁付着の両方を考慮した燃料噴射方向制御が可能になる。

次に、本実施形態における燃料噴射方向制御の手順について、図５のフローチャートを用いて説明する。

エンジン本体１の運転が開始されると、ステップＳ１１で、水温センサ２６からの情報に基づいて、エンジン本体１が冷気状態にあるか否か（暖機が完了したか否か）が、ＥＣＵ２０によって判断される。冷気状態にある場合には、ステップＳ１２で、アルコール濃度センサ３０からの情報に基づいて、燃料ｍｆにアルコールが含まれるか否かが判断される。含まれる場合には、ステップＳ１３で、筒内噴射用インジェクタ６からの燃料噴射方向が、ピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが大きい状態で、所定のタイミングで、燃料噴射が行われる。

ステップＳ１４で、水温センサ２６からの情報に基づいて、エンジン本体１が冷気状態にあるか否か（暖機が完了したか否か）が、ＥＣＵ２０によって判断される。暖機が完了していない場合にはステップＳ１３に戻され、なす角θが大きい状態での燃料噴射が繰り返される。

冷気状態にない場合（ステップＳ１１）、燃料ｍｆにアルコールが含まれない場合（ステップＳ１２）、及び暖機が完了した場合（ステップＳ１４）は、ステップＳ１５で、通常の噴射方向、筒内噴射用インジェクタ６からの燃料噴射方向が、ピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが小さい状態で、所定のタイミングで、燃料噴射が行われる。

なお、本実施形態では、燃料ｍｆにアルコールが含まれるか否かに基づいて、燃料ｍｆの噴射方向が制御される形態を説明したが、アルコール濃度に応じて、燃料ｍｆの噴射方向が変動される形態であってもよい。具体的には、アルコール濃度が高いほど、筒内噴射用インジェクタ６からの燃料噴射方向が、ピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが大きくなるように設定される。従って、アルコール濃度が最も高い状態（例えばアルコール濃度：１００％）では、ピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが最も大きく状態で、筒内噴射用インジェクタ６により燃料がピストン１ａの下死点側に向けて（下死点付近にあるピストン１ａの上面に向けて）噴射される（図３参照）。また、アルコール濃度が最も低い状態（例えばアルコール濃度：０％）では、ピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが最も小さい状態で、筒内噴射用インジェクタ６により燃料がピストン１ａの上死点側に向けて噴射される（図４参照）。

燃料ｍｆにおけるアルコール濃度が高いほど、燃料ｍｆがシリンダーとピストン１ａとの隙間から漏れ出る可能性が高いが、アルコール濃度が高いほど、燃料ｍｆがシリンダー壁に付着しにくい噴射方向に燃料噴射が行われるため、燃料ｍｆの漏出度合いに応じた燃料噴射方向制御が可能になる。

また、アルコール濃度の低さに応じて、ピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが小さく設定されて、空気の流れと同調しやすい（空気と混ざりやすい）ように、噴射方向が制御されるため、なす角θが大きく設定されることによる燃焼性能低下を最小限に抑えることが可能になる。

また、本実施形態のような噴射方向調整に加えて、分割噴射を行っても良い。例えば、燃料ｍｆのアルコール濃度が高い（約１００％）の場合に、噴射方向をピストン１ａの移動方向に垂直な水平面とのなす角θが最も大きい状態に設定した上で、燃料噴射を複数回に分けて行う。１回の噴射量を少なくすることでシリンダー壁に付着する燃料ｍｆを少なくすることが可能になる。特に始動時におけるＡ／Ｆ補正ズレが大きい場合に有効である。

本実施形態における燃料噴射方向制御システムの吸気、排気に関する部分の構成図である。 燃料噴射方向制御システムの燃料供給に関する部分の構成図である。 筒内噴射用インジェクタから燃料を、噴射方向とピストンの移動方向に垂直な水平面とのなす角が大きい状態で噴射する場合の、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射状態を示す構成図である。 筒内噴射用インジェクタから燃料を、噴射方向とピストンの移動方向に垂直な水平面とのなす角が小さい状態で噴射する場合の、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射状態を示す構成図である。 燃料噴射方向制御の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン本体
２ エアクリーナ
３ 吸気通路
４ 電気制御スロットル弁
６ 筒内噴射用インジェクタ
７ 点火プラグ
８ 排気通路
９ 触媒コンバータ
１０ 電気制御ＥＧＲ弁
１１ ＥＧＲ通路
１２ 燃料タンク
１３ 低圧ポンプ
１５ 高圧ポンプ
１６ 燃料分配管
１７ リターン通路
２０ ＥＣＵ
２６ 水温センサ
２７ 空燃比センサ
３０ アルコール濃度センサ

Claims (4)

1. 燃料を噴射する方向が可変の筒内噴射用インジェクタと、
   前記燃料の燃料性状を検出するセンサと、
   前記センサからの情報に基づいて、前記燃料の噴射方向を制御する制御部とを備えることを特徴とする直噴エンジンの制御システム。
2. 前記燃料は、アルコールを含み、
   前記センサは、前記燃料におけるアルコール濃度を検出する濃度センサであり、
   前記制御部は、前記アルコール濃度に応じて、前記燃料の噴射方向を制御することを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
3. 前記制御部は、前記アルコール濃度が高いほど、前記燃料の噴射方向と前記直噴エンジンのピストンの移動方向に垂直な水平面とのなす角が大きい状態で前記燃料を噴射することを特徴とする請求項２に記載の制御システム。
4. 前記制御部は、前記アルコール濃度が高い場合には、前記燃料の噴射方向の制御に加え、前記燃料の噴射回数の制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の制御システム。

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