JP2009209769A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷時でも燃料噴射量を確保しつつバルブオーバーラップ時の燃料の排気通路への吹き抜けを抑制する。
【解決手段】吸気通路に燃料を噴射するポート燃料噴射式エンジンにおいて、ターボチャージャによる過給時のような高負荷時には（Ｓ８０）、バルブオーバーラップ時を除くその前後に分割して燃料噴射するよう燃料噴射時期を制御する（Ｓ１２０）。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関し、特に吸気通路に燃料を噴射するポート噴射式内燃機関における燃料噴射時期の制御に関する。

吸気弁及び排気弁を備えた内燃機関では、通常、吸気の充填効率を向上させるために、バルブオーバーラップが設定されている。詳しくは、バルブオーバーラップは、排気行程から吸気行程への切り換え時期に排気弁の開弁時期と吸気弁の開弁時期とを一部重なるように設定することであって、吸気弁と排気弁とが同時に開弁するので、排気の慣性により吸気が効果的に筒内に導かれる。

上記のようなバルブオーバーラップ時では、内燃機関の吸気通路と排気通路とが連通している状態となる。したがって、例えば過給機を備えた内燃機関における過給時や、自然吸気の内燃機関で大気圧や脈動の影響によって排気通路より吸気通路内の圧力が高くなるような場合には、バルブオーバーラップ時に吸気が排気通路に吹き抜け易くなってしまう。

ここで、吸気通路に燃料を噴射するポート噴射式内燃機関では、その燃料噴射時期は、排気行程から吸気行程にかけて設定されるのが一般的である。したがって、ポート噴射式内燃機関では、バルブオーバーラップ時に排気通路より吸気通路内の圧力が高い場合には、吸気とともに燃料が排気通路に吹き抜け易くなる。このようにして燃料が吹き抜けてしまうと、筒内燃焼に寄与する燃料が減少するので、実際の筒内での燃焼空燃比が目標空燃比よりリーン化してしまう。そして、このリーン化により筒内から排出された余剰の酸素が排気通路に吹き抜けた未燃燃料と排気通路で燃焼し、後段の排気浄化触媒が過昇温して寿命が低下してしまうといった問題点がある。また、排気浄化触媒の過昇温を防止するためにリッチ運転を行うと、高濃度のスモークが排出されてしまうといった問題点がある。そして、これらの問題点は、特に過給機付内燃機関における過給時のような高負荷時において顕著に表われる。

そこで、バルブオーバーラップと燃料噴射時期とが一致しないように、燃料噴射開始時期を変更する技術が開発されている（特許文献１）。
特開２００６−１７０５３号公報

上記特許文献１では、吸気の吹き抜けを抑制するために燃料噴射開始時期を早める制御を行っている。しかしながら、特に過給時のように吸気管内の圧力が高くなるとき等は、バルブオーバーラップと燃料噴射時期とが一致しないように燃料噴射開始時期を早めても、燃料噴射量が十分に確保されない虞がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、バルブオーバーラップ時の燃料の排気通路への吹き抜けを抑制し、内燃機関の運転状態に応じた燃料噴射量を確保できる内燃機関の燃料噴射装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射手段と、内燃機関の所定負荷以上の運転領域において、吸気弁及び排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップの前後に分割して燃料噴射するように、燃料噴射手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
なお、本発明における所定負荷以上の運転領域とは、過給により吸気側の圧力が高くなる場合、大気圧や脈動の影響等で吸気側よりも排気側の圧力が低くなる場合等を含む。

また、請求項２の発明では、請求項１において、制御手段は、内燃機関の所定負荷以上の運転領域において、バルブオーバーラップ時を除いた前後のサイクルと連続して燃料が噴射するように、燃料噴射手段を制御することを特徴とする。
また、請求項３の発明では、内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射手段と、内燃機関の所定負荷以上の運転領域において、燃料噴射開始時期が吸気弁及び排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ時の後に設定されるように、燃料噴射手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項４の発明では、請求項１〜３いずれかにおいて、内燃機関は過給機を備え、所定負荷以上の運転領域は、過給機による過給領域であることを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の燃料噴射装置によれば、内燃機関の所定負荷以上の運転領域において、バルブオーバーラップ時には燃料噴射しないので、吸気通路の圧力が所定以上に高い場合や、吸気通路の圧力が排気通路の圧力より高い場合等であっても、燃料が排気通路に流出することを抑制できる。そして、バルブオーバーラップの前後に分割して燃料噴射が行われるので、燃料噴射量を多く確保することができる。

本発明の請求項２の内燃機関の燃料噴射装置によれば、より多くの燃料噴射量が必要となっても、燃料噴射量を増加させて対応することができる。
本発明の請求項３の内燃機関の燃料噴射装置によれば、バルブオーバーラップ時の後に燃料噴射開始時期が設定されるので、吸気通路の圧力が排気通路の圧力より高くとも、燃料が排気通路に流出することを抑制できる。また、吸気行程に燃料が噴射されるので、燃料がスムーズに筒内に導かれ、効率的な筒内への燃料供給が可能となる。

本発明の請求項４の内燃機関の燃料噴射装置によれば、燃料の吹き抜け現象が顕著となる過給時において、燃料噴射量を十分に確保しつつ、排気通路への燃料の流出を抑制できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る燃料噴射装置を備えたエンジン（内燃機関）１の概略構成図である。
本実施形態のエンジン１は、ターボチャージャ（過給機）２を備えたポート燃料噴射式の４サイクルガソリンエンジンである。

図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド３には、気筒毎に燃焼室４と連通する吸気ポート５及び排気ポート６が形成されているとともに、燃焼室４と吸気ポート５との間を開閉する吸気弁７、燃焼室４と排気ポート６との間を開閉する排気弁８が設けられている。吸気弁７及び排気弁８は、カムシャフト９、１０により、エンジン１の回転駆動に伴って駆動される。

また、シリンダヘッド３には、吸気ポート５に連通するように吸気マニホールド１１の一端が接続されているとともに、排気ポート６に連通するように排気マニホールド１２の一端が接続されている。吸気マニホールド１１の他端にはスロットル弁１３を介して吸気導入用の吸気管１５が接続されている。
更に、シリンダヘッド３には、電磁式の燃料噴射弁（燃料噴射手段）２０が設けられており、該燃料噴射弁２０は図示しない燃料タンクから供給された燃料を吸気ポート５内に噴射する機能を有する。

排気マニホールド１２の他端には、排気管２１が接続されており、この排気管２１には三元触媒等の排気浄化触媒２２を介してマフラー（図示せず）が接続されている。
ターボチャージャ２は、吸気管１５に介装されたコンプレッサ２３と、排気浄化触媒２２より上流側の排気管２１に介装されたタービン２４と、を含んで構成されており、エンジン１の排気によって駆動されたタービン２４の回転力を利用して、コンプレッサ２３を駆動して吸気を圧縮することで、吸気流量を増加させて、エンジン１の出力を向上させる機能を有している。

更に、エンジン１には可変バルブタイミング装置が備えられている。可変バルブタイミング装置は、カムシャフト９、１０の一端部に、ベーン式のカム位相可変機構３０、３１を備え、このカム位相可変機構３０、３１によりカムの回転位置（位相）を進角あるいは遅角させることで、吸気弁７及び排気弁８の開閉時期を可変制御する。
ＥＣＵ（電子コントロールユニット：制御手段）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。ＥＣＵ４０の入力側には、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ４１、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４２等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には、燃料噴射弁２０やスロットル弁１３の他に点火コイルを介した点火プラグ４３等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ４０において演算された燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等がそれぞれ出力され、これにより、適正なタイミングでスロットル弁１３が開閉操作され、吸気に適正量の燃料が適正なタイミングで噴射されるとともに、適正なタイミングで火花点火が実施される。また、ＥＣＵ４０は、可変バルブタイミング装置の制御部を備え、上記各種センサから入力した検出情報に基づき吸気弁７及び排気弁８の開閉時期を演算し、カム位相可変機構３０、３１を制御する。更に、エンジン１の排気行程から吸気行程への切り換え時に、吸気弁７及び排気弁８の双方が開弁するバルブオーバーラップが設けられるように、排気弁閉時期θecと吸気弁開時期θioとが設定されている。

図２は、本発明の第１の実施形態における燃料噴射時期の演算要領を示すフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ４０においてエンジン運転中繰り返し行われる。
ステップＳ１０では、燃料噴射弁２０の必要駆動時間Ｔinjを算出する。詳しくは、アクセル開度等から演算した上述の燃料噴射量を、１行程当たりの量に換算する。そして、燃料噴射弁２０の単位時間当たりの燃料噴射量で除算し、１行程当たりに必要な燃料噴射弁２０の必要駆動時間Ｔinjを算出する。そして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０で算出した必要駆動時間Ｔinjに相当するクランク角θinjを算出する。そして、ステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０では、噴射開始時期θstartを決定する。具体的には、噴射開始時期θstartを例えば排気行程の開始時期に設定すればよい。そして、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、修正前の噴射終了時期θendを算出する。詳しくは、次式（１）に示すように、ステップＳ３０にて決定した噴射開始時期θstartに、ステップＳ２０にて算出した必要駆動時間Ｔinjに相当するクランク角θinjを加算して、噴射終了時期θendを算出する。そして、ステップＳ５０に進む。
θend＝θstart＋θinj・・・（１）

ステップＳ５０では、バルブオーバーラップ量θolを算出する。詳しくは、次式（２）に示すように、上述の可変バルブタイミング装置の制御部にて設定された排気弁閉時期θecと吸気弁開時期θioとの差からバルブオーバーラップ量θolを算出する。そして、ステップＳ６０に進む。
θol＝θec−θio・・・（２）
ステップＳ６０では、ステップＳ５０において算出されたバルブオーバーラップ量θolが所定値θ1未満であるか否かを判別する。所定値θ1は、バルブオーバーラップ時に燃料が排気通路側に吹き抜けないあるいは吹き抜けても問題のない程度のバルブオーバーラップ量に設定すればよい。バルブオーバーラップ量θolが所定値θ1未満でない、即ちバルブオーバーラップ量θolが所定値θ1以上である場合は、ステップＳ７０に進む。

ステップＳ７０では、エンジン運転負荷Ｌを演算する。エンジン運転負荷Ｌは、例えばアクセル開度センサ４１から入力したアクセル開度に基づいてあらかじめ記憶したマップ等を用いて演算すればよい。そして、ステップＳ８０に進む。
ステップＳ８０では、ステップＳ７０にて演算されたエンジン運転負荷Ｌが所定値Ｌ1未満であるか否かを判別する。所定値Ｌ1は、バルブオーバーラップ時に燃料が排気通路側に吹き抜けないあるいは吹き抜けても問題のない程度の吸気側と排気側との圧力差となるようなエンジン運転負荷に設定すればよい。エンジン運転負荷Ｌが所定値Ｌ1未満でない、即ちエンジン運転負荷Ｌが所定値Ｌ1以上である場合は、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、可変バルブタイミング装置の制御部において設定された吸気弁開時期θio及び排気弁閉時期θecを読み込む。そして、ステップＳ１００に進む。
ステップＳ１００では、ステップＳ３０において決定された噴射開始時期θstartが、ステップＳ９０において読み込まれた排気弁閉時期θecより後であるか否かを判別する。噴射開始時期θstartが排気弁閉時期θecより後でない場合、即ち噴射開始時期θstartが排気弁閉時期θec以前である場合は、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、ステップＳ４０において算出された修正前の噴射終了時期θendが、ステップＳ９０において読み込まれた吸気弁開時期θioより前であるか否かを判別する。噴射終了時期θendが吸気弁閉時期θioより前でない場合、即ち噴射終了時期θendが吸気弁閉時期θio以降である場合は、ステップＳ１２０に進む。
ステップＳ１２０では、１サイクルで２回の燃料噴射が行われるように、修正後の燃料噴射時期を算出する。詳しくは、１回目の噴射終了時期θend1と、２回目の噴射開始時期θstart2及び噴射終了時期θend2を算出する。具体的には、１回目の噴射終了時期θend1を吸気弁開時期θioに、２回目の噴射開始時期θstart2を排気弁閉時期θecに設定する。また、２回目の噴射終了時期θend2を、次式（３）により算出する。

θend2＝θec＋θinj−（θio−θstart）・・・（３）
そして、本ルーチンを終了する。
なお、ステップＳ６０においてバルブオーバーラップ量θolが所定値θ1未満であると判定した場合、ステップＳ８０においてエンジン運転負荷Ｌが所定値Ｌ1未満であると判定した場合、ステップＳ１００において噴射開始時期θstartが排気弁閉時期θecより後であると判定した場合、またはステップＳ１１０において噴射終了時期θendが吸気弁閉時期θioより前であると判定した場合には、本ルーチンを終了する。

図３は、吸気弁７及び排気弁８の開度と燃料噴射時期との関係を示すタイミングチャートであり、（Ａ）は燃料噴射時期修正前を示し、（Ｂ）は燃料噴射時期修正後を示す。
上記のフローチャートにより演算した燃料噴射時期に制御することで、例えばエンジン運転負荷Ｌが所定値Ｌ1以上の高負荷であって、図３（Ａ）に示すように、噴射終了時期θendが吸気行程に達してしまう程クランク角θinjが長い場合には、同図（Ｂ）に示すように、１サイクルでバルブオーバーラップ時を除いて２回の燃料噴射が実施される。

このようにして、燃料噴射量の必要量が大きくとも常にバルブオーバーラップ時に燃料噴射が行われないので、排気通路への燃料の吹き抜けが抑制され、排気浄化触媒２２の過昇温や燃費の低下を抑制することができる。
そして、排気行程での噴射で燃料噴射量が足りない場合には、吸気行程でも燃料噴射が行われ、燃料噴射量を大きく確保することができる。特に過給時には大量の燃料を必要とするとともに吸気通路の圧力が上昇していることから吹き抜けが起こりやすい状況にあるが、このような状態であっても、本実施形態の燃料噴射装置によって、燃料噴射量の確保と吹き抜けの抑制を両立させることができる。

次に、図４を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態における吸気弁７及び排気弁８の開度と燃料噴射時期との関係を示すタイミングチャートである。
第２の実施形態は、エンジン１の負荷が所定値Ｌ2以上である場合に実施される。所定値Ｌ2は、第１の実施形態における所定値Ｌ1より大きな値に設定すればよい。第２の実施形態における燃料噴射時期は、図４に示すように、燃料噴射時期がバルブオーバーラップ時を除いて前後のサイクルにおける燃料噴射と連続して行われるよう設定される。なお、燃料噴射量の細かな調整は、バルブオーバーラップ前の燃料噴射終了時期θend3を前後に制御することで行えばよい。

このように制御することで、本実施形態では、第１の実施形態より燃料噴射量を多く確保することができるので、より高負荷時である場合に適している。また、燃料噴射の休止期間がバルブオーバーラップ時及びその前後に連続して設定されるので、燃料噴射弁２０の開閉回数が低減され、燃料噴射量を安定して制御することができる。
次に、図５を用いて本発明の第３の実施形態について説明する。

図５は、第３の実施形態における吸気弁及び排気弁の開度と燃料噴射時期との関係を示すタイミングチャートである。
本実施形態では、ＥＣＵ４０において、図５に示すように、燃料噴射時期をバルブオーバーラップを除く吸気行程のみに設定する。このように燃料噴射時期を設定した第３の実施形態では、燃料噴射量を多く確保することは困難であるが、バルブオーバーラップ時における燃料の吹き抜けは抑制される。更に、本実施形態では吸気行程に燃料が噴射されるので、燃料がスムーズに筒内に導かれ、効率的な筒内への燃料供給が可能となる。

なお、以上の実施形態では、カムタイミング可変装置を備えたエンジン１に本発明を適用しているが、これに限定するものではなく、カムタイミング可変装置を備えていないエンジンにも本発明を適用することができる。この場合、吸気弁開時期θioや排気弁閉時期θecは、あらかじめ設定された値が用いられる。
また、以上の実施形態のエンジン１はターボチャージャ２を備えているが、本発明はこれに限定するものではなく、自然吸気エンジンでも適用することができる。自然吸気エンジンであっても、大気圧の変動や脈動効果等によりバルブオーバーラップ時に燃料が吹き抜ける虞のある場合には、本発明を適用することで燃料の吹き抜けを抑制するといった効果を得ることができる。

本発明に係る燃料噴射装置を備えたエンジンの概略構成図である。 本発明の第１の実施形態における燃料噴射時期の演算要領を示すフローチャートである。 吸気弁及び排気弁の開度と燃料噴射時期との関係を示すタイミングチャートであり、（Ａ）は燃料噴射時期修正前を示し、（Ｂ）は燃料噴射時期修正後を示す。 本発明の第２の実施形態における吸気弁及び排気弁の開度と燃料噴射時期との関係を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態における吸気弁及び排気弁の開度と燃料噴射時期との関係を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ ターボチャージャ
７ 吸気弁
８ 排気弁
２０ 燃料噴射弁
４０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
   前記内燃機関の所定負荷以上の運転領域において、吸気弁及び排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップの前後に分割して燃料噴射するように、前記燃料噴射手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記制御手段は、前記内燃機関の前記所定負荷以上の運転領域において、前記バルブオーバーラップ時を除いた前後のサイクルと連続して燃料が噴射するように、前記燃料噴射手段を制御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噴射装置。
3. 内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
   前記内燃機関の所定負荷以上の運転領域において、燃料噴射開始時期が吸気弁及び排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップ時の後に設定されるように、前記燃料噴射手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
4. 前記内燃機関は過給機を備え、
   前記所定負荷以上の運転領域は、前記過給機による過給領域であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の内燃機関の燃料噴射装置。

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