JP2010174639A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃料噴射制御装置において、内燃機関の運転状態が変化しても燃料の分布を適正化することができる技術を提供する。
【解決手段】気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と燃料の噴射圧力を変更する手段を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、スキッシュエリア２１を流通するガスの流速Ｖｓｑの燃料噴射弁８２から噴射される燃料の流速Ｖｓｐに対する比に基づいて燃料噴射圧力を変更する。燃料噴射圧力を適正化することにより、燃焼室内に燃料が付着すること及びスキッシュエリア２１内に燃料が入り込むことを抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

ピストン上面に凹設される燃焼室から、ピストンとシリンダヘッドとの隙間であるスキッシュエリアに向かう逆スキッシュ流の流速と、ピストンのリップ部近傍での噴霧速度と、の比が所定値以下とならないように、燃焼室の相対向する壁面間の距離を決定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、内燃機関の運転状態の変化により、逆スキッシュ流の速度と噴霧速度との比が変化する一方、燃焼室の相対向する壁面間の距離は一度ピストンを組み込んだ後には変更することができない。このため、運転状態によっては燃料の分布が不適切となり排気の状態が悪化する虞がある。

特開平１１−３３６５５０号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の燃料噴射制御装置において、内燃機関の運転状態が変化しても燃料の分布を適正化することができる技術の提供を目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の燃料噴射制御装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の燃料噴射制御装置は、
気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と燃料の噴射圧力を変更する手段を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、
スキッシュエリアを流通するガスの流速の前記燃料噴射弁から噴射される燃料の流速に対する比に基づいて燃料噴射圧力を変更することを特徴とする。

つまり、スキッシュエリアを流通するガスの流速（以下、スキッシュ速度ともいう。）を燃料噴射弁から噴射される燃料の速度（以下、噴霧速度ともいう。）で除した値に基づいて燃料噴射圧力を調節する。

ここで、燃料噴射弁から燃料を噴射する場合、特に主噴射では、高圧噴射により燃料の微粒化を促進することで、排気の状態を良好に保つことができる。しかし、噴射圧力を高くしすぎると、燃料が燃焼室に付着したり拡散しすぎたりして排気の状態を悪化させる虞がある。また、噴射圧力が低すぎるとスキッシュエリア内に燃料が入り込むことにより燃料が拡散しすぎる虞がある。つまり、燃料噴射圧力には適正値があるため、本発明では、この適正値に近づける。

スキッシュ速度は、燃料噴射弁から噴射される燃料の流速に影響を与える。また、この影響の度合いは、燃料の流速によって変わる。例えば燃料噴射量が比較的多いときに機関回転数が高くなりスキッシュを流通するガスの流速が速くなると、排気の状態が悪化する。これに対し、燃料噴射圧力を高くすれば、燃料の微粒化により排気の状態を良くすることができる。このときに燃料噴射圧力を適正値に制御すれば、壁面への燃料の付着等を抑制できる。

そして、スキッシュ速度の噴霧速度に対する比は、排気の状態に与える影響が大きいため、この値に基づいて燃料噴射圧力を制御することで、燃料の分布を適正化することができ、その結果、排気の状態を良好に保つことができる。

本発明においては、スキッシュエリアを流通するガスの流速の最大値の前記燃料噴射弁から噴射される燃料の流速の最大値に対する比が閾値以下となるように燃料噴射圧力を変更することができる。

スキッシュ速度の最大値の噴霧速度の最大値に対する比が排気の状態に与える影響が大きいことが判明した。つまり、この比に基づいて燃料噴射圧力を変更すれば、排気の状態を良好に維持することができる。

本発明においては、前前記内燃機関の吸気通路と排気通路とを接続し、排気の一部を排気通路から吸気通路へ導入するＥＧＲ装置を備え、
気筒内のＥＧＲ率に応じて前記燃料噴射圧力を補正しても良い。

また、本発明においては、外気温度、冷却水温度、大気圧力の少なくとも１つに応じて前記燃料噴射圧力を補正しても良い。

ここで、ＥＧＲ率、外気温度、冷却水温度、大気圧力が変化すると、気筒内でのガスの密度が変化するため、燃料の到達距離が変化する。そのため、燃料噴射圧力の適正値も変化する。この変化にしたがって燃料噴射圧力を変更すれば、排気の状態をより良好に保つことができる。例えば、ガス密度が高いほど（つまり、ＥＧＲ率が低いほど、外気温度が低いほど、冷却水温度が低いほど、大気圧力が高いほど）、燃料の到達距離が短くなるため、到達距離が変わらないように燃料噴射圧力を高める。なお、燃料噴射圧力を補正する代わりに、前記閾値を補正しても良い。例えば、ガス密度が高いほど（つまり、ＥＧＲ率が低いほど、外気温度が低いほど、冷却水温度が低いほど、大気圧力が高いほど）、燃料の到達距離が短くなるため、到達距離が変わらないように閾値を小さくする。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、内燃機関の運転状態が変化しても燃料の分布を適正化することができる。

実施例に係る内燃機関の概略構成を表す断面図である。 ピストン周辺の断面図である。 最大スキッシュ速度と、スモークの発生量との関係を示した図である。 燃料噴射圧力とスモークの発生量との関係を示した図である。 燃焼状態に関係する物理的因子と燃焼状態に与える影響度との関係を示した図である。 閾値とスモークの発生量との関係を示した図である。 実施例に係る燃料噴射制御のフローを示したフローチャートである。

以下、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関１の概略構成を表す断面図である。図２はピストン周
辺の断面図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。本実施例に係る内燃機関１は、ディーゼル機関である。

内燃機関１のシリンダヘッド１０には、吸気通路４が接続されている。この吸気通路４は、吸気ポート３を介して気筒２内に通じている。気筒２への吸気の流入は吸気弁５によって制御される。この吸気弁５は、各気筒２に２本ずつ備わる。

また、吸気通路４の途中には、該吸気管内を流れる空気の量に応じた信号を出力するエアフローメータ９６が取り付けられている。このエアフローメータ９６により内燃機関１の吸入空気量（新気量）が検出される。

一方、内燃機関１には、排気通路８が接続されている。排気通路８は、シリンダヘッド１０に設けられた排気ポート７を介して気筒２内に通じている。そして、気筒２外へのガスの排出は排気弁９によって制御される。各気筒２には、２本の排気弁９が備わる。

また、内燃機関１には、排気通路８内を流通する排気の一部（以下、ＥＧＲガスという。）を吸気通路４へ再循環させるＥＧＲ装置３０が備えられている。このＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲ通路３１、ＥＧＲ弁３２を備えて構成されている。ＥＧＲ通路３１は、排気通路８と、吸気通路４と、を接続している。このＥＧＲ通路３１を通って、ＥＧＲガスが再循環される。また、ＥＧＲ弁３２は、ＥＧＲ通路３１の通路断面積を調節することにより、該ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスの量を調節する。

また、内燃機関１には、気筒２内へ燃料を噴射する燃料噴射弁８２が取り付けられている。燃料噴射弁８２には、燃料が流通する燃料通路８３が接続されている。燃料通路８３の途中には、燃料の圧力を変更する燃料圧力変更装置８４が備わる。なお、本実施例においては燃料圧力変更装置８４が、本発明における燃料の噴射圧力を変更する手段に相当する。

そして、内燃機関１には、クランクシャフト１３が備わり、該クランクシャフト１３にコンロッド１４を介して連結されたピストン１５が、気筒２内で往復運動を行う。ピストン１５の上面には、該ピストン１５の中央に向かって凹設される燃焼室１５０が開口している。

さらに、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ９０が併設されている。このＥＣＵ９０は、ＣＰＵの他、各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

上記センサの他、アクセル開度センサ９１およびクランクポジションセンサ９２、大気圧センサ９３、外気温センサ９４、冷却水温センサ９５がＥＣＵ９０と電気的に接続されている。ＥＣＵ９０はアクセル開度センサ９１からアクセル開度に応じた信号を受け取り、この信号に応じて内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、ＥＣＵ９０はクランクポジションセンサ９２から内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度を算出する。大気圧センサ９３により大気の圧力を測定し、外気温センサ９４により大気の温度を測定し、冷却水温センサ９５により内燃機関１の冷却水温度を測定する。

一方、ＥＣＵ９０には、燃料噴射弁８２及び燃料圧力変更装置８４が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ９０によりこれらの機器が制御される。

なお、ＥＣＵ９０は、内燃機関１のＥＧＲ率を推定する。例えば、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転数及び機関負荷）に応じたＥＧＲ率を予め実験等により求めておいても良い。

そして、本実施例では、燃料噴射弁から噴射される燃料の流速の最大値（以下、最大噴霧速度という。）Ｖｓｐに対するスキッシュエリア２１を流通するガスの流速の最大値（以下、最大スキッシュ速度という。）Ｖｓｑの比Ｖｓｑ／Ｖｓｐが閾値以下となるように、燃料の圧力を調節する。最大噴霧速度Ｖｓｐ及び最大スキッシュ速度Ｖｓｑは、夫々１サイクル中の最大値である。最大噴霧速度Ｖｓｐ及び最大スキッシュ速度Ｖｓｑは公知の算出式を用いることで得ることができる。

例えば、最大噴霧速度Ｖｓｐは、以下の式により算出される値である。
Ｖｓｐ＝４・（ｄＱ／ｄｔ）／（噴孔数×π・噴孔径^２）

ただし、Ｑは燃料噴射量であり、噴孔数及び噴孔径は燃料噴射弁８２のものである。なお、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転数及び機関負荷）と燃料噴射量Ｑとの関係を予め実験等により求めてマップ化してＥＣＵ９０に記憶させておく。このマップに内燃機関１の運転状態を代入して燃料噴射量Ｑを得る。（ｄＱ／ｄｔ）は、単位時間当たりの燃料噴射量の最大値とすることができる。これは、燃料噴射圧力をパラメータとして算出される。噴孔数及び噴孔径は、設計段階において設定された値を用いる。燃料噴射量及び燃料噴射圧力以外は、一定値であり、燃料噴射量は内燃機関１の運転状態に応じて決定されるため、後は燃料噴射圧力を測定することで、最大噴霧速度Ｖｓｐを得ることができる。これらの関係を実験等により求めてマップ化しておき、該マップから最大噴霧速度Ｖｓｐを得ても良い。

また、最大スキッシュ速度Ｖｓｑは、以下の式により算出される値の最大値である。
Ｖｓｑ＝−（ｄｈ（ｔ）／ｄｔ）・（Ｂ^２−Ｄｒ^２）／（４・Ｄｒ・ｈ（ｔ））

ただし、ｈ（ｔ）はピストン１５の上面からシリンダヘッド１０の下面までの距離である。これは、ピストン１５の位置によって変わり、クランクアングルに応じて求めることができる。また、ｄｈ（ｔ）／ｄｔは、機関回転数Ｎｅ及びクランクアングルに応じて変化するため、これらの関係を予め求めておいても良い。さらに、Ｂは気筒直径であり、Ｄｒはピストン１５の上面における燃焼室１５０の開口部の直径であり、設計段階において設定された値を用いる。

そして、閾値は、予め実験等により最適値を求めておく。この場合の最適値とは、排気の状態が最も良好となる値である。

ここで、図３は、最大スキッシュ速度と、スモークの発生量との関係を示した図である。図３Ａは燃料噴射量が比較的多い場合、図３Ｂは燃料噴射量が中程度の場合を示している。

燃料噴射量が比較的多い場合には、最大スキッシュ速度が高くなるほどスモークの発生量が多くなるのに対し、燃料噴射量が中程度の場合には、最大スキッシュ速度が高くなるほどスモークの発生量が少なくなる。最大スキッシュ速度が高くなるのは、機関回転数が高い場合であり、例えば過渡運転時に機関回転数が高くなる。燃料噴射量が多く且つ最大スキッシュ速度が速くなると、燃焼室１５０の開口部付近やスキッシュエリア２１に燃料が多く存在するため、空燃比の偏りが大きくなる。そのため、燃焼状態が悪化してスモークが発生する。

また、図４は、燃料噴射圧力とスモークの発生量との関係を示した図である。燃料噴射圧力が高すぎても低すぎてもスモークの発生量は増加する。つまり、燃料噴射圧力が低すぎると燃料の微粒化が不十分となり、高すぎると燃焼室１５０の壁面に燃料が付着してしまう。本実施例では、スモークの発生量が最も少ないときの燃料噴射圧力を最適値としている。

図５は、燃焼状態に関係する物理的因子と燃焼状態に与える影響度との関係を示した図である。

Ｘ１は燃焼室１５０の開口部の直径を燃料噴霧の到達距離で除した値、Ｘ２は平均ピストン速度を最大スキッシュ速度で除した値、Ｘ３は吸気の圧力、Ｘ４は１つの噴霧に割り当てられた角度をスワール角速度で除した値、Ｘ５は最大スキッシュ速度を最大噴霧速度で除した値である。１つの噴霧に割り当てられた角度は、３６０°を噴孔数で除した値としても良い。これらは、排気の状態に影響を与える値として考えることができる。図５に示されるように、Ｘ５の影響度が最も高い。つまり、この値に応じて燃料噴射圧力を制御することで、良好な燃焼状態を得ることができる。

図６は、閾値とスモークの発生量との関係を示した図である。この関係はボア×ストロークの異なる２種類の内燃機関を用いた実験値である。これらの値は正規化して表してある。この場合、閾値が０以下のときにスモークの発生量が少ないとすることができる。閾値は、例えばスモークの発生量が許容範囲となるように決定しても良く、法規に従って決定しても良い。

図７は、本実施例に係る燃料噴射制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、内燃機関１の運転状態が検知される。本ステップでは、最大スキッシュ速度Ｖｓｑ及び最大噴霧速度Ｖｓｐを算出するために必要となる値が検知される。具体的には、機関回転数や機関負荷等が読み込まれる。

ステップＳ１０２では、最大スキッシュ速度Ｖｓｑが算出される。上述のようにして算出する。

ステップＳ１０３では、燃料噴射量Ｑが算出される。燃料噴射量Ｑは機関回転数及び機関負荷との関係をマップ化しておき、該マップに機関回転数及び機関負荷を代入することにより得る。

ステップＳ１０４では、ｉ番目の補正ステップにおける燃料噴射圧力Ｐｃ（ｉ）及び噴射期間Ｔｑ（ｉ）を算出する。初回は、ステップＳ１０３で算出される燃料噴射量Ｑに対して、燃料噴射圧力Ｐｃ（ｉ）を基準値とし、それに合わせて噴射期間Ｔｑ（ｉ）を算出する。２回目以降は、例えば所定値だけ燃料噴射圧力Ｐｃ（ｉ）を変化させ、それに合わせて噴射期間Ｔｑ（ｉ）を算出する。

ステップＳ１０５では、ｄＱ／ｄｔを算出する。この値は、燃料噴射弁８２からの単位時間当たりの噴射量または燃料噴射率として得ることができる。これは、例えば燃料の圧力変動に基づいて得ることができる。これについては、公知の技術を用いることができる。

ステップＳ１０６では、最大噴霧速度Ｖｓｐを算出する。上述のようにして算出する。

ステップＳ１０７では、最大噴霧速度Ｖｓｐに対する最大スキッシュ速度Ｖｓｑの比Ｖｓｑ／Ｖｓｐが閾値以下であるか否か判定される。ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ戻る。つまり、否定判定がなされた場合には、燃料噴射圧力Ｐｃ（ｉ）及び噴射期間Ｔｑ（ｉ）を変更して再計算される。

ステップＳ１０８では、燃料噴射圧力が決定される。

なお、燃料噴射量Ｑと機関回転数とから最大噴霧速度と最大スキッシュ速度とを算出し、上述の比が閾値以下となるように燃料噴射圧力を算出しても良い。そして、この燃料噴射圧力と燃料噴射量Ｑとの関係から、燃料噴射期間を算出する。この燃料噴射期間に亘り、算出された燃料噴射圧力にて燃料噴射を行えば、最大噴霧速度Ｖｓｐに対する最大スキッシュ速度Ｖｓｑの比Ｖｓｑ／Ｖｓｐを閾値以下とすることができる。機関回転数、燃料噴射量、燃料噴射圧力の関係を予め実験等によりもとめてマップ化し、該マップに基づいて燃料噴射圧力を求めても良い。

なお、ＥＧＲ率、冷却水温度、外気温度、大気圧力によって気筒２内のガスの密度が変化するため、燃料の到達距離が変化する。このため、これらの値に応じて燃料噴射圧力又は上記閾値を補正しても良い。

ここで、ＥＧＲ率、外気温度、冷却水温度、大気圧力が変化すると、気筒２内でのガスの密度が変化するため、燃料の到達距離が変化する。この変化にしたがって燃料噴射圧力を変更すれば、排気の状態をより良好に保つことができる。例えば、ガス密度が高いほど（つまり、ＥＧＲ率が低いほど、外気温度が低いほど、冷却水温度が低いほど、大気圧力が高いほど）、燃料の到達距離が短くなるため、到達距離が変わらないように燃料噴射圧力を高める。これらの関係は予め実験等により求めておいても良い。

また、燃料噴射圧力を補正する代わりに、前記閾値を補正しても良い。例えば、ガス密度が高いほど（つまり、ＥＧＲ率が低いほど、外気温度が低いほど、冷却水温度が低いほど、大気圧力が高いほど）、燃料の到達距離が短くなるため、到達距離が変わらないように閾値を小さくする。これらの関係は予め実験等により求めておいても良い。

以上説明したように本実施例によれば、最大噴霧速度Ｖｓｐに対する最大スキッシュ速度Ｖｓｑの比Ｖｓｑ／Ｖｓｐを閾値以下に維持することにより、燃料の分布を適正化することができる。これにより、排気の状態を良好に維持することができる。例えば、加速時や減速時等の過渡運転時、または回転変動が生じているときであっても、燃料噴射圧力を適正化することで、排気の状態を良好に維持することができる。これは、内燃機関１の適合に要する時間を短縮することに用いることもできるし、走行時の学習制御に用いることもできる。

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気ポート
４ 吸気通路
５ 吸気弁
７ 排気ポート
８ 排気通路
９ 排気弁
１０ シリンダヘッド
１３ クランクシャフト
１４ コンロッド
１５ ピストン
２１ スキッシュエリア
３０ ＥＧＲ装置
３１ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲ弁
８２ 燃料噴射弁
８３ 燃料通路
８４ 燃料圧力変更装置
９０ ＥＣＵ
９１ アクセル開度センサ
９２ クランクポジションセンサ
９３ 大気圧センサ
９４ 外気温センサ
９５ 冷却水温センサ
９６ エアフローメータ

Claims (4)

1. 気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と燃料の噴射圧力を変更する手段を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   スキッシュエリアを流通するガスの流速の前記燃料噴射弁から噴射される燃料の流速に対する比に基づいて燃料噴射圧力を変更することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. スキッシュエリアを流通するガスの流速の最大値の前記燃料噴射弁から噴射される燃料の流速の最大値に対する比が閾値以下となるように燃料噴射圧力を変更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制御装置。
3. 前記内燃機関の吸気通路と排気通路とを接続し、排気の一部を排気通路から吸気通路へ導入するＥＧＲ装置を備え、
   気筒内のＥＧＲ率に応じて前記燃料噴射圧力を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 外気温度、冷却水温度、大気圧力の少なくとも１つに応じて前記燃料噴射圧力を補正することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

Images