JP2010265815A - 内燃機関の燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、気筒内へ燃料噴射する第１燃料噴射弁と吸気通路内へ燃料を噴射する第２燃料噴射弁とを備えた内燃機関の燃料噴射システムにおいて、燃料性状が変化した場合等に混合気の着火不良や燃焼不良を回避することを課題とする。
【解決手段】本発明は、気筒内へ燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、吸気通路内へ燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、を備えた内燃機関の燃料噴射システムにおいて、気筒内へ供給すべき燃料を第１燃料噴射弁による圧縮行程噴射と第２燃料噴射弁による噴射とに分割して噴射されているときに、機関回転数が予め定められた許容範囲より低下すると、第２燃料噴射弁から噴射すべき燃料を第１燃料噴射弁による吸気行程噴射と第２燃料噴射弁による噴射とに分割して噴射させるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁と吸気通路内へ燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射システムに関する。

気筒内へ燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、吸気通路内へ燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、を備えた内燃機関の燃料噴射システムが知られている。このような内燃機関の燃料噴射システムにおいて、機関回転数が定められた回転数よりも低いという条件が満たされた場合や、内燃機関の回転数の低下量が予め定められた低下量よりも大きいという条件が満たされた場合に、第２燃料噴射弁の噴射タイミングを吸気行程に同期したタイミングに設定する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００６−２５８０１１号公報 特開２００６−１９４０９８号公報 特開２００８−０９５５２５号公報 特開２００５−２５６６７５号公報 特開２００３−０１３７８４号公報

ところで、内燃機関の燃料として重質燃料のような気化しにくい燃料が使用された場合には、第２燃料噴射弁の噴射タイミングが吸気行程に同期したタイミングに設定されても壁面付着燃料の増加を避けきれない場合がある。そのような場合は、気筒内へ供給される燃料が減少し、混合気の空燃比が過剰なリーンとなる可能性がある。その結果、混合気の着火不良や燃焼不良が誘発される可能性もある。

本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、気筒内へ燃料噴射する第１燃料噴射弁と吸気通路内へ燃料を噴射する第２燃料噴射弁とを備えた内燃機関の燃料噴射システムにおいて、気化しにくい性状の燃料が使用された場合等に混合気の着火不良や燃焼不良を回避することにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、気筒内へ燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、吸気通路内へ燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、を備えた内燃機関の燃料噴射システムにおいて、
気筒内へ供給すべき燃料を第１燃料噴射弁による圧縮行程噴射と第２燃料噴射弁による噴射とに分割して噴射しているときに、機関回転数が予め定められた許容範囲より低下すると、第２燃料噴射弁から噴射すべき燃料を第１燃料噴射弁による吸気行程噴射と第２燃料噴射弁による噴射とに分割して噴射させる制御手段を備えるようにした。

ここでいう圧縮行程噴射とは、気筒の圧縮行程に同期したタイミングで行われる燃料噴射である。吸気行程噴射は、気筒の吸気行程に同期したタイミングで行われる燃料噴射である。許容範囲は、目標機関回転数に適当なマージンを加算した範囲であり、マージンとしては予め実験的に適合された値を用いることができる。

かかる発明によると、機関回転数が予め定められた許容範囲より低下した場合に、第２燃料噴射弁から噴射されるべき燃料は、第２燃料噴射弁による噴射と、第１燃料噴射弁による吸気行程噴射と、に分割されて噴射されることになる。その際、第１燃料噴射弁による圧縮行程噴射のタイミングや噴射量は変更されない。

その結果、気筒内へ供給されるべき燃料は、第２燃料噴射弁による噴射と、第１燃料噴射弁による吸気行程噴射と、第１燃料噴射弁による圧縮行程噴射と、に分割されて噴射されることになる。

なお、第２燃料噴射弁による噴射は、各気筒の排気行程に同期したタイミングで行われる排気行程噴射でもよく、又は各気筒の吸気行程に同期したタイミングで行われる吸気行程噴射でもよい。

このように第２燃料噴射弁から噴射されるべき燃料が分割されると、壁面付着燃料を減少させることができるため、気筒内に供給される燃料の減少を抑制することができる。その結果、混合気の空燃比が過剰なリーンになる事態を回避することができる。さらに、第１燃料噴射弁による圧縮行程噴射のタイミング及び噴射量は変更されないため、点火プラグの近傍に良好な可燃混合気層を形成することができる。

したがって、本発明によれば、内燃機関の燃料として重質燃料のような気化しにくい燃料が使用された場合であっても、混合気の着火不良や燃焼不良を回避することができる。

また、本発明の制御手段は、第２燃料噴射弁から噴射すべき燃料を分割する場合に、第１燃料噴射弁に分割される燃料量と第２燃料噴射弁に分割される燃料量の比率（分割比率）を、機関回転数と許容範囲との差に応じて決定してもよい。

例えば、制御手段は、上記した差が大きいときは小さいときに比して、第２燃料噴射弁に分割される燃料が少なくなるように分割比率を定めてもよい。このように分割比率が定められると、気筒内へ供給される燃料の減少をより確実に抑制することができる。

本発明によれば、気筒内へ燃料噴射する第１燃料噴射弁と吸気通路内へ燃料を噴射する第２燃料噴射弁とを備えた内燃機関の燃料噴射システムにおいて、気化しにくい性状の燃料が使用された場合等に混合気の着火不良や燃焼不良を回避することができる。

本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。 第２燃料噴射弁から排気行程噴射すべき燃料を第１燃料噴射弁による吸気行程噴射と第２燃料噴射弁による排気行程噴射とに分割する手順を示すタイミングチャートである。 内燃機関が弱成層燃焼運転されるときに実行される噴射比率制御ルーチンを示すフローチャートである。 分割前のＰＦＩ排気行程噴射量に対する分割後のＰＦＩ排気行程噴射量の比率と機関回転数の低下代との関係を規定したマップを示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図１乃至図４に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒を備えた４ストローク・サイクルの火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）である。なお、図１では、複数の気筒のうち１気筒のみが示されている。

内燃機関１の各気筒２には、ピストン３が摺動自在に内装されている。ピストン３は、コネクティングロッド４を介して図示しない出力軸（クランクシャフト）と連結されている。また、各気筒２には、筒内に燃料を噴射するための第１燃料噴射弁５と、筒内の混合気に着火するための点火プラグ６が取り付けられている。

気筒２の内部は、吸気ポート７及び排気ポート８と連通している。気筒２内における吸気ポート７の開口端は、吸気バルブ９により開閉される。気筒２内における排気ポート８の開口端は、排気バルブ１０により開閉される。吸気バルブ９と排気バルブ１０は、図示しない吸気カムと排気カムとにより各々開閉駆動される。

前記吸気ポート７は、吸気通路７０と連通している。吸気通路７０には、スロットル弁７１が配置されている。スロットル弁７１より上流の吸気通路７０には、エアフローメータ７２が配置されている。スロットル弁７１より下流の吸気通路７０には、吸気ポート７へ向けて燃料を噴射する第２燃料噴射弁１１が配置されている。

前記排気ポート８は、排気通路８０と連通している。排気通路８０は、図示しない排気浄化触媒（例えば、三元触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、選択還元型ＮＯｘ触媒など）や消音器を経由して大気中に開放されている。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ２０が併設されている。ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどから構成される電子制御ユニットである。ＥＣＵ２０は、前述したエアフローメータ７２に加え、クランクポジションセンサ２１などの各種センサの検出信号を入力する。さらに、ＥＣＵ２０は、第１燃料噴射弁５、点火プラグ６、第２燃料噴射弁１１、及びスロットル弁７１を電気的に制御する。

例えば、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の運転状態に応じて、第１燃料噴射弁５から噴射すべき燃料量と第２燃料噴射弁１１から噴射すべき燃料との比率（噴射比率）を制御（噴射比率制御）する。以下、本実施例における噴射比率制御について述べる。

ＥＣＵ２０は、内燃機関１がファーストアイドル運転状態にあるときは、気筒２内へ供給すべき燃料を、第２燃料噴射弁１１による排気行程噴射と、第１燃料噴射弁５による圧縮行程噴射と、に分割して噴射させる。

この場合、第２燃料噴射弁１１から排気行程噴射された燃料は、気筒２内にリーン空燃比の混合気を形成する。一方、第１燃料噴射弁５から圧縮行程噴射された燃料は、気筒２内の一部（点火プラグ６の近傍）にリッチ空燃比の混合気を形成する。その結果、気筒２内には、点火プラグ６近傍の領域がリッチ空燃比となり、且つその他の領域がリーン空燃比となる弱成層状態の混合気が形成される。

このように弱成層状態の混合気が形成されると、点火プラグ６の作動タイミング（点火タイミング）が遅角されても、火炎伝播速度が高く且つ未燃燃料（ＨＣ）が発生し難くい燃焼（弱成層燃焼）を実現することができる。その結果、排気温度の上昇による排気浄化触媒の早期活性と排気エミッションの低減とを図ることが可能になる。

ところで、内燃機関１の燃料として重質燃料のような気化しにくい燃料が使用される場合は、第２燃料噴射弁１１から噴射された燃料のうち、気化しきれずに吸気通路７０内の
壁面２付着する燃料（壁面付着燃料）が増加する。

壁面付着燃料が増加すると、気筒２内へ供給される燃料が減少するため、混合気の空燃比が過剰なリーンとなる場合がある。そのような場合は、混合気の着火不良や燃焼不良が発生し、機関回転数の落ち込みや排気エミッションの増加を招く可能性がある。

そこで、本実施例の噴射比率制御では、ＥＣＵ２０は、上記したような弱成層燃焼運転が行われているときに燃料性状に起因した機関回転数の落ち込みが発生すると、図２に示すように、第２燃料噴射弁１１によって排気行程噴射されるべき燃料を第１燃料噴射弁５による吸気行程噴射と第２燃料噴射弁１１による排気行程噴射とに分割するようにした。その際、第１燃料噴射弁５による圧縮行程噴射のタイミング及び噴射量は変更されないものとする。なお、図２中のＤＩは第１燃料噴射弁５の噴射信号を示し、ＰＦＩは第２燃料噴射弁１１の噴射信号を示す。

第２燃料噴射弁１１から噴射すべき燃料が第１燃料噴射弁５による吸気行程噴射と第２燃料噴射弁１１による排気行程噴射とに分割されると、吸気通路７０の壁面に付着する燃料が減少する。さらに、第１燃料噴射弁５から吸気行程噴射された燃料は、吸気流によって霧化・気化される。よって、第１燃料噴射弁５から吸気行程噴射された燃料と第２燃料噴射弁１１から排気行程噴射された燃料とは、気筒２内の略全域に亘って均質且つ可燃なリーン混合気を形成することになる。

一方、第１燃料噴射弁５による圧縮行程噴射のタイミング及び噴射量は変更されないため、点火プラグ６近傍には着火性の高いリッチ混合気が形成されることになる。

したがって、気筒２内には、着火性が高く且つ火炎伝播速度が高い弱成層状態の混合気が形成されることになる。その結果、燃料性状に起因した混合気の着火不良や燃料不良が改善され、機関回転数の落ち込みや排気エミッションの増加が解消される。

ここで、本実施例における噴射比率制御の実行手順について図３に沿って説明する。図３は、弱成層燃焼運転時にＥＣＵ２０が実行する噴射比率制御ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、予めＥＣＵ２０のＲＯＭなどに記憶されており、ＥＣＵ２０によって周期的に実行される。なお、ＥＣＵ２０が図３の噴射比率制御ルーチンを実行することにより、本発明に係わる制御手段が実現される。

図３の噴射比率制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０は、先ずＳ１０１の処理を実行する。Ｓ１０１では、ＥＣＵ２０は、気筒２内に供給すべき燃料が第１燃料噴射弁５による圧縮行程噴射（ＤＩ圧縮行程噴射）と第２燃料噴射弁１１による排気行程噴射（ＰＦＩ排気行程噴射）とに分割されて噴射されているか否かを判別する。すなわち、ＥＣＵ２０は、内燃機関１が弱成層燃焼運転中であるか否かを判別する。

前記Ｓ１０１において否定判定された場合は、ＥＣＵ２０は、本ルーチンの実行を一旦終了する。一方、前記Ｓ１０１において肯定判定された場合は、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、ＥＣＵ２０は、燃料性状に起因した機関回転数の落ち込みが発生したか否かを判別する。この判別方法としては、機関回転数が定められた許容範囲よりも低い場合や、機関回転数の低下量が予め定められた許容低下量よりも大きい場合に、機関回転数の落ち込みが発生したと判定する方法を例示することができる。

前記した許容範囲は、目標機関回転数に適当なマージンを加算した範囲であり、マージ
ンとしては予め実験的に適合された値を用いることができる。また、前記した許容低下量としては、予め実験的に適合された値を用いることができる。

前記Ｓ１０２において否定判定された場合は、ＥＣＵ２０は、本ルーチンの実行を一旦終了する。この場合、気筒２内に供給されるべき燃料は、第１燃料噴射弁５による圧縮行程噴射（ＤＩ圧縮行程噴射）と第２燃料噴射弁１１による排気行程噴射（ＰＦＩ排気行程噴射）とに分割して噴射されることになる。

一方、前記Ｓ１０２において肯定判定された場合は、ＥＣＵ２０は、Ｓ１０３へ進む。Ｓ１０３では、ＥＣＵ２０は、第１燃料噴射弁５による圧縮行程噴射（ＤＩ圧縮行程噴射）のタイミング及び噴射量は変更せずに、第２燃料噴射弁１１から排気行程噴射（ＰＦＩ排気行程噴射）すべき燃料を第１燃料噴射弁５による吸気行程噴射（ＤＩ吸気行程噴射）と第２燃料噴射弁１１による排気行程噴射（ＰＦＩ排気行程噴射）とに分割して噴射させる。

その際、ＥＣＵ２０は、図４に示すようなマップに従って、第２燃料噴射弁１１から排気行程噴射（ＰＦＩ排気行程噴射）すべき燃料の分割を行うようにしてもよい。図４は、分割前のＰＦＩ排気行程噴射量Ｑｐｆｉ０に対する分割後のＰＦＩ排気行程噴射量Ｑｐｆｉ１の比率（Ｑｐｆｉ１／Ｑｐｆｉ０）と、機関回転数の低下代△Ｎｅと、の関係を規定したマップである。なお、機関回転数の低下代△Ｎｅは、目標機関回転数から実際の機関回転数を減算した値である。また、図４中のαは、機関回転数の許容範囲を規定する際に用いられるマージンである。

図４において、前記した比率（Ｑｐｆｉ１／Ｑｐｆｉ０）は、機関回転数の低下代△Ｎｅがマージンα以下であるときは“１”に定められる。その場合は、第２燃料噴射弁１１から排気行程噴射されるべき燃料の分割は行われない。

また、機関回転数の低下代△Ｎｅがマージンαより大きい場合は、低下代△Ｎｅが大きいほど比率（Ｑｐｆｉ１／Ｑｐｆｉ０）が小さくなるように定められる。すなわち、機関回転数の低下代△Ｎｅがマージンαより大きい場合は、低下代△Ｎｅが大きいほど、分割後のＰＦＩ排気行程噴射量Ｑｐｆｉ１が少なくなる（ＤＩ吸気行程噴射量は多くなる）。

図４に示したようなマップに従って、第２燃料噴射弁１１から排気行程噴射されるべき燃料が分割されると、壁面付着燃料をより確実に減少させることができる。

以上述べた実施例によれば、重質燃料のような気化しにくい性状の燃料が使用された場合に、内燃機関１が弱成層燃焼運転されても、着火性が高く且つ火炎伝播速度が高い混合気を気筒２内に形成することができる。その結果、混合気の着火不良や燃料不良が抑制され、機関回転数の落ち込みや排気エミッションの増加も抑制される。そして、内燃機関１のドライバビリティを悪化させることなく、排気浄化触媒の早期活性と排気エミッションの低減とを図ることも可能になる。

１ 内燃機関
２ 気筒
５ 第１燃料噴射弁
６ 点火プラグ
７ 吸気ポート
８ 排気ポート
９ 吸気バルブ
１０ 排気バルブ
１１ 第２燃料噴射弁
２０ ＥＣＵ
７０ 吸気通路
７１ スロットル弁
７２ エアフローメータ
８０ 排気通路

Claims (1)

1. 気筒内へ燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、吸気通路内へ燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、を備えた内燃機関の燃料噴射システムにおいて、
   気筒内へ供給すべき燃料を第１燃料噴射弁による圧縮行程噴射と第２燃料噴射弁による噴射とに分割して噴射されているときに、機関回転数が予め定められた許容範囲より低下すると、第２燃料噴射弁から噴射すべき燃料を第１燃料噴射弁による吸気行程噴射と第２燃料噴射弁による噴射とに分割して噴射させる制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射システム。

Images