JP2011236756A - 筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分割噴射によりタンブル流を強化して混合気の均質性・燃焼性を向上させる。
【解決手段】１回目の分割噴射の噴射開始時期（第１噴射時期）と１回目の噴射量（第１噴射パルス幅）をエンジン運転状態に基づいて設定し、１回目の休止時間（第１休止時間）を休止直前の噴射量（第１噴射パルス幅）に基づいて所定時間以上を確保した上で短くするように設定して２回目の分割噴射の噴射開始時期（第２噴射時期）を設定すると共に、２回目の噴射量（第２噴射パルス幅）を１回目の噴射量（第１噴射パルス幅）よりも多くするように設定する。更に、２回目の休止時間（第２休止時間）を休止直前の噴射量（第２噴射パルス幅）に基づいて所定時間以上を確保した上で短くするように設定し、３回目の分割噴射の噴射開始時期（第３噴射時期）を設定すると共に、３回目の噴射量（第３噴射パルス幅）を１回目の噴射量（第１噴射パルス幅）よりも多くするように設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気バルブの開弁期間中に燃料噴射弁から燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を実行する機能を備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置に関する発明である。

従来より、筒内噴射式内燃機関（直噴エンジン）においては、特許文献１（特開２００２−１６１７９０号公報）に記載されているように、筒内のタンブル流による噴射燃料の霧化促進等を目的として、要求噴射量分の燃料を複数回に分割して噴射する分割噴射を実行するようにしたものがある。

分割噴射を行う直噴エンジンでは、特許文献２（特開２００９−１０３１０５号公報）に記載されているように、筒内のタンブル流を強化して混合気の均質化を促進することを目的として、１回目の分割噴射を吸気下死点近傍までに開始し、２回目の分割噴射を吸気下死点近傍から吸気バルブの閉弁時期近傍までの期間の一部又は全部を含む間に開始することで、１回目の分割噴射後に弱まったタンブル流を２回目の分割噴射の燃料噴射流によって強化して混合気の均質化を促進するようにしたものがある。

特開２００２−１６１７９０号公報 特開２００９−１０３１０５号公報

上記特許文献２には、１回目の分割噴射の噴射開始時期と２回目の分割噴射の噴射開始時期を所定時期に設定することでタンブル流を強化することしか記載されていないが、分割噴射によってタンブル流を強化するためには、噴射開始時期の他に、１回目の分割噴射の終了から２回目の分割噴射の開始までの休止時間も重要である。

しかし、上記特許文献２では、１回目と２回目の分割噴射の噴射開始時期を所定時期に設定するだけであるため、１回目の分割噴射の噴射量（噴射パルス幅）によって休止時間が変動し、その結果、休止時間が長くなり過ぎると、分割噴射によりタンブル流を強化する効果が小さくなってしまい、その分、混合気の均質性・燃焼性が低下するという欠点がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、分割噴射によりタンブル流を確実に強化して混合気の均質性・燃焼性を向上できる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、吸気バルブの開弁期間中に燃料噴射弁から燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射制御手段を備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記分割噴射制御手段は、各分割噴射の間の休止時間を休止直前の分割噴射の噴射量（噴射パルス幅）に基づいて所定時間以上を確保した上で短くするように設定して次の分割噴射の噴射開始時期を設定することで筒内のタンブル流を強化するようにしたものである。

このようにすれば、分割噴射の噴射量（噴射パルス幅）が変化して分割噴射の噴射終了時期が変化しても、休止時間を所定時間以上を確保した上で短くするように設定することができる。これにより、２回目以降の分割噴射をタンブル流の強化に適した時期に実行できて、分割噴射によりタンブル流を確実に強化して混合気の均質性・燃焼性を向上できる。

ここで、所定時間以上の休止時間を確保する理由は、先の分割噴射終了時に燃料噴射弁の閉弁により燃圧脈動が発生したり、燃料噴射弁内部の弁体、スプリング等の可動部品の振動が発生するため、休止時間が短くなり過ぎると、燃圧脈動や可動部品の振動が収まる前に次の分割噴射が開始されてしまい、それによって、当該次の分割噴射の噴射量がばらついてしまうためである。本発明のように、休止時間を燃圧脈動や可動部品の振動が収まるのに必要な所定時間以上に設定すれば、分割噴射の噴射量のばらつきを少なくすることができる。

ところで、内燃機関回転速度が高い領域では、筒内に吸入される吸気の流速が速くなるため、分割噴射がなくても強いタンブル流が発生するが、内燃機関回転速度が低い領域では、筒内に吸入される吸気の流速が遅くなるため、タンブル流が弱くなる。

この点を考慮して、請求項２のように、内燃機関回転速度が所定回転速度以下の領域で休止時間を休止直前の分割噴射の噴射量に基づいて設定するようにすると良い。このようにすれば、吸気流のみではタンブル流が弱い低回転領域で、分割噴射によりタンブル流を強化することができる。

また、請求項３のように、１回目の分割噴射よりも２回目以降の分割噴射の方が噴射量が多くなるように設定するようにすると良い。このようにすれば、１回目の分割噴射後にタンブル流が弱くなる期間に、２回目以降の分割噴射よるタンブル流の強化効果を効率良く高めることができ、タンブル流による混合気の均質化の効果を高めることができる。

ところで、燃料噴射弁に供給する燃料の圧力（燃圧）が高くなるほど、分割噴射の噴射圧力が高くなって分割噴射よるタンブル流の強化効果が大きくなる。また、内燃機関回転速度が高くなるほど、筒内に吸入される吸気の流速が速くなり、タンブル流が強くなるという関係がある。

この点を考慮して、請求項４のように、休止時間を、休止直前の分割噴射の噴射量の他に、燃料噴射弁に供給する燃圧と内燃機関回転速度の少なくとも一方も考慮して設定するようにしても良い。このようにすれば、燃圧と内燃機関回転速度の少なくとも一方に応じて休止時間をより適正な時間に設定できる。

本発明は、各気筒の燃焼室の略中心上方に設けた燃料噴射弁から燃料を下向きに噴射するセンター噴射式の内燃機関にも適用可能であるが、請求項５のように、吸気バルブの近傍に燃料噴射弁が取り付けられた内燃機関に適用すると良い。吸気バルブの近傍に取り付けられた燃料噴射弁から燃料を噴射するようにすれば、燃料噴射弁の燃料噴射方向が筒内に吸入する吸気流の方向に近付くため、分割噴射よるタンブル流の強化効果をより確実に高めることができる。

また、請求項６のように、１回目の分割噴射の噴射開始時期と噴射量を内燃機関の運転状態に基づいて混合気の均質度を向上させるように設定すると良い。このようにすれば、上述した分割噴射によるタンブル流の強化効果と相俟って、均質混合気をより確実に形成することができる。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 図２は分割噴射制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 図３（ａ）は従来の分割噴射を説明するタイムチャートであり、同図（ｂ）は本発明の実施例の分割噴射を説明するタイムチャートである。 図４は本実施例の分割噴射によるタンブル流の強化効果を従来と対比して説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
筒内噴射式の内燃機関である筒内噴射式エンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、ＤＣモータ等のモータ１５によって駆動されるスロットルバルブ１６が設けられ、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）がスロットル開度センサ１７によって検出される。

また、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８と各気筒の吸気ポートとの間には、各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が接続されている。また、エンジン１１の吸気バルブ３７と排気バルブ３８には、それぞれバルブタイミングを可変する可変バルブタイミング機構３９，４０が設けられている。

エンジン１１の各気筒の吸気バルブ３７の近傍には、それぞれ燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

エンジン１１のシリンダブロックには、ノッキングを検出するノックセンサ３２と、冷却水温を検出する冷却水温センサ２３とが取り付けられている。また、クランク軸（図示せず）の外周側には、所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサ２４が取り付けられ、このクランク角センサ２４の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

一方、エンジン１１の排気管２５には、排出ガスを浄化する上流側触媒２６と下流側触媒２７が設けられ、上流側触媒２６の上流側に、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２８（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられている。

また、排気管２５のうちの上流側触媒２６の下流側と吸気管１２のうちのスロットルバルブ１６の下流側のサージタンク１８との間に、排出ガスの一部を吸気側に還流させるためのＥＧＲ配管３３が接続され、このＥＧＲ配管３３の途中に排出ガス還流量（ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲ弁３４が設けられている。また、アクセルペダル３５の踏込量（アクセル開度）がアクセルセンサ３６によって検出される。

前述した各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種の制御ルーチンを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ２２の点火時期等を制御する。

このＥＣＵ３０は、図示しない燃焼モード切換制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態（要求トルクやエンジン回転速度等）に応じて成層燃焼モードと均質燃焼モードとを切り換える。成層燃焼モードでは、少量の燃料を圧縮行程で筒内に直接噴射して点火プラグ２２の近傍に成層混合気を形成して成層燃焼させることで、燃費を向上させる。一方、均質燃焼モードでは、吸気バルブ３７の開弁期間中に燃料噴射量を増量して燃料を筒内に直接噴射して均質混合気を形成して均質燃焼させることで、エンジン出力を高める。

更に、ＥＣＵ３０は、後述する図２の分割噴射制御プログラムを実行することで、分割噴射実行運転領域で、１回目の分割噴射の噴射開始時期と噴射量（噴射パルス幅）をエンジン運転状態に基づいて均質混合気が形成されるように設定すると共に、各分割噴射の間の休止時間を休止直前の分割噴射の噴射量（噴射パルス幅）に基づいて所定時間以上を確保した上で短くするように設定して次の分割噴射の噴射開始時期を設定することで筒内のタンブル流を強化するようにしている。

従来は、図３（ａ）に示すように、１回目の分割噴射の噴射開始時期（第１噴射時期）と１回目の噴射量（第１噴射パルス幅）をエンジン運転状態に基づいて混合気の均質度を向上させるように設定し、２回目の分割噴射の噴射開始時期（第２噴射時期）を吸気バルブの閉弁時期から２回目の噴射量（第２噴射パルス幅）分だけ前出しした時期に設定するようにしている。分割噴射によってタンブル流を強化するためには、噴射開始時期の他に、１回目の分割噴射の終了から２回目の分割噴射の開始までの休止時間も重要である。

しかし、上記従来構成では、１回目の分割噴射の噴射開始時期と２回目の分割噴射の噴射開始時期を所定時期に設定するだけであるため、１回目の分割噴射の噴射量（第１噴射パルス幅）によって休止時間が変動し、その結果、休止時間が長くなり過ぎると、分割噴射によりタンブル流を強化する効果が小さくなってしまい、その分、混合気の均質性・燃焼性が低下するという欠点がある。

そこで、本実施例では、図３（ｂ）に示すように、１回目の分割噴射の噴射開始時期（第１噴射時期）と１回目の噴射量（第１噴射パルス幅）をエンジン運転状態に基づいて混合気の均質度を向上させるように設定し、１回目の休止時間（第１休止時間）を休止直前の噴射量（第１噴射パルス幅）に基づいて所定時間以上を確保した上で短くするように設定して２回目の分割噴射の噴射開始時期（第２噴射時期）を第１噴射時期、第１噴射パルス幅、第１休止時間から設定すると共に、２回目の噴射量（第２噴射パルス幅）を１回目の噴射量（第１噴射パルス幅）よりも多くするように設定する。更に、２回目の休止時間（第２休止時間）を休止直前の噴射量（第２噴射パルス幅）に基づいて所定時間以上を確保した上で短くするように設定し、３回目の分割噴射の噴射開始時期（第３噴射時期）を第２噴射時期、第２噴射パルス幅、第２休止時間から設定すると共に、３回目の噴射量（第３噴射パルス幅）を１回目の噴射量（第１噴射パルス幅）よりも多くするように設定する。尚、要求噴射量が少ない場合は、３回目の分割噴射は行われない。

ここで、所定時間以上の休止時間を確保する理由は、先の分割噴射終了時に燃料噴射弁２１の閉弁により燃圧脈動が発生したり、燃料噴射弁２１内部の弁体、スプリング等の可動部品の振動が発生するため、休止時間が短くなり過ぎると、燃圧脈動や可動部品の振動が収まる前に次の分割噴射が開始されてしまい、それによって、当該次の分割噴射の噴射量がばらついてしまうためである。本実施例のように、休止時間を燃圧脈動や可動部品の振動が収まるのに必要な所定時間以上に設定すれば、分割噴射の噴射量のばらつきを少なくすることができる。

また、１回目の分割噴射よりも２回目以降の分割噴射の方が噴射量が多くなるように設定する理由は、１回目の分割噴射後にタンブル流が弱くなる期間に、２回目以降の分割噴射よるタンブル流の強化効果を効率良く高めるためである。

以上説明した本実施例の分割噴射制御は、ＥＣＵ３０によって図２の分割噴射制御プログラムに従って実行される。以下、図２の分割噴射制御プログラムの処理内容を説明する。図２の分割噴射制御プログラムは、エンジン運転中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいう分割噴射制御手段としての役割を果たす。

本プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、分割噴射実行条件が成立しているか否かを、例えば次の３つの条件(1) 〜(3) を全て満たすか否かで判定する。

(1) 均質燃焼運転領域であること
(2) エンジン回転速度が所定回転速度以下であること
(3) 要求噴射量が燃料噴射弁２１で噴射可能な最小噴射量の２倍以上となる運転領域であること

ここで、条件(1) は、タンブル流の強化による混合気の均質化を目的として分割噴射を行うためである。

条件(2) は、エンジン回転速度が低い領域では、筒内に吸入される吸気の流速が遅くなってタンブル流が弱くなるため、タンブル流を強化する必要があるためである。

条件(3) は、要求噴射量が燃料噴射弁２１で噴射可能な最小噴射量の２倍よりも少ないと分割噴射できないためである。

上記３つの条件(1) 〜(3) のいずれか１つでも満たさない条件があれば、分割噴射実行条件が不成立となり、以降の処理を行わずに本プログラムを終了する。

これに対し、上記ステップ１０１で、上記３つの条件(1) 〜(3) が全て満たされれば、分割噴射実行条件が成立して、ステップ１０２に進み、エンジン運転状態（エンジン回転速度、負荷等）に基づいて要求噴射量を算出し、次のステップ１０３で、要求噴射量に基づいて分割噴射の回数と各回の噴射パルス幅（噴射量）を算出する。この際、(a) 分割噴射の噴射パルス幅（噴射量）が燃料噴射弁２１で噴射可能な最小噴射量以上に設定され、(b) 各分割噴射の噴射パルス幅（噴射量）の合計値が要求噴射量と等しくなり、(c) １回目の分割噴射よりも２回目以降の分割噴射の方が噴射パルス幅（噴射量）が大きくなるように各回の噴射パルス幅（噴射量）が設定される。

この後、ステップ１０４に進み、エンジン回転速度、充填効率等に基づいてマップ等により１回目の分割噴射の噴射開始時期（第１噴射時期）を、混合気の均質度を向上させるように設定する。

この後、ステップ１０５に進み、第１休止時間を第１噴射パルス幅に基づいてテーブル等により所定時間以上を確保した上で短くするように設定した後、ステップ１０６に進み、第１噴射時期、第１噴射パルス幅、第１休止時間に基づいてマップ等により第２噴射時期を設定する。この後、ステップ１０７に進み、３回目の分割噴射が有るか否かを判定し、３回目の分割噴射が無いと判定されれば、ステップ１１０に進み、分割噴射を実行する。

これに対し、上記ステップ１０７で、３回目の分割噴射が有ると判定されれば、ステップ１０８に進み、第２休止時間を第２噴射パルス幅に基づいてテーブル等により所定時間以上を確保した上で短くするように設定した後、ステップ１０９に進み、第２噴射時期、第２噴射パルス幅、第２休止時間に基づいてマップ等により第３噴射時期を設定する。この後、ステップ１１０に進み、分割噴射を実行する。

以上説明した本実施例によれば、分割噴射実行運転領域で、各分割噴射の間の休止時間を休止直前の分割噴射の噴射量（噴射パルス幅）に基づいて所定時間以上を確保した上で短くするように設定して次の分割噴射の噴射開始時期を設定するようにしたので、タンブル流の強化に適した時期に分割噴射を実行できると共に、分割噴射の噴射量のばらつきを少なくすることができる。しかも、１回目の分割噴射よりも２回目以降の分割噴射の方が噴射量が多くなるように設定するため、図４に示すように、１回目の分割噴射後にタンブル流が弱くなる期間に、２回目以降の分割噴射よるタンブル流の強化効果を高めることができ、タンブル流による混合気の均質化の効果を高めることができて、燃焼性を向上できる。

また、本実施例のように、吸気バルブ３７の近傍に取り付けられた燃料噴射弁２１から燃料を噴射する構成では、燃料噴射弁２１の燃料噴射方向が筒内に吸入する吸気流の方向に近付くため、分割噴射よるタンブル流の強化効果をより確実に大きくすることができる利点がある。但し、本発明は、各気筒の燃焼室の略中心上方に設けた燃料噴射弁から燃料を下向きに噴射するセンター噴射式の内燃機関にも適用可能である。

ところで、燃料噴射弁２１に供給する燃料の圧力（燃圧）が高くなるほど、分割噴射の噴射圧力が高くなって分割噴射よるタンブル流の強化効果が大きくなる。また、エンジン回転速度が高くなるほど、筒内に吸入される吸気の流速が速くなり、タンブル流が強くなる。

この点を考慮して、休止時間を、休止直前の分割噴射の噴射量（噴射パルス幅）の他に、燃料噴射弁２１に供給する燃圧とエンジン回転速度の少なくとも一方も考慮して設定するようにしても良い。このようにすれば、燃圧とエンジン回転速度の少なくとも一方に応じて休止時間をより適正な時間に設定できる。

１１…筒内噴射式エンジン（筒内噴射式内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２５…排気管、３０…ＥＣＵ（分割噴射制御手段）、３７…吸気バルブ、３８…排気バルブ

Claims (6)

1. 吸気バルブの開弁期間中に燃料噴射弁から燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射制御手段を備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記分割噴射制御手段は、各分割噴射の間の休止時間を休止直前の分割噴射の噴射量に基づいて所定時間以上を確保した上で短くするように設定して次の分割噴射の噴射開始時期を設定することで筒内のタンブル流を強化することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記分割噴射制御手段は、内燃機関回転速度が所定回転速度以下の領域で前記休止時間を前記休止直前の分割噴射の噴射量に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記分割噴射制御手段は、１回目の分割噴射よりも２回目以降の分割噴射の方が噴射量が多くなるように設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記分割噴射制御手段は、前記休止時間を、休止直前の分割噴射の噴射量の他に、前記燃料噴射弁に供給する燃料の圧力と内燃機関回転速度の少なくとも一方も考慮して設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 前記燃料噴射弁は、前記吸気バルブの近傍に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 前記分割噴射制御手段は、１回目の分割噴射の噴射開始時期と噴射量を内燃機関の運転状態に基づいて混合気の均質度を向上させるように設定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。

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