JP2012047145A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃料の一部が排気ポートへ流出することなく、燃費を向上させるとともに炭化水素の排出を抑制することのできる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。
【解決手段】必要燃料量算出部では、各種センサ類の検出値に基づいて、ドライバの要求出力を発生するために必要な燃料量を算出する。噴射弁制御部では、クランク角センサとカム角センサの検出値に基づいて気筒判別を行う。そして、気筒判別結果より吸気バルブと排気バルブとが同時に開く期間であるバルブオーバーラップ期間とピストンの位置が上死点前後或いは下死点前後の所定範囲内となる期間とを除く吸気行程中の期間である第１の噴射期間に必要燃料量算出部にて算出された必要な燃料量が燃焼室内に到達するように燃料噴射弁を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気通路へ燃料噴射を行う内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、少なくとも吸気行程中に燃焼室内に向け燃料を噴射する制御技術に関する。

現在、自動車（車両）に搭載される内燃機関（エンジン）は、燃費及び排気性能の向上のために様々な手法がとられている。
その一例として、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタがシリンダヘッドに備えられた筒内噴射型エンジンが実用化されている。筒内噴射型エンジンでは、直噴インジェクタから筒内へ高圧の燃料を直接噴射することにより、点火プラグ近傍に燃料の濃い混合気を形成し燃焼を行う、所謂成層希薄燃焼を行うことによって、筒内に吸入された空気と筒内に噴射された燃料トータルとしての空燃比がリーンな状態で燃焼させることができ、燃費の大幅な低減を実現することができる。

一方、吸気ポートに燃料噴射を行うポート噴射型エンジンにおいては、ピストンの頂部に凹み部を設け、吸気行程の初期に吸気ポートに設けられた燃料噴射弁（インジェクタ）より当該凹み部に向けて燃料を噴射し、当該凹み部にのみ濃い混合気を形成して、当該凹み部に突出するように設けられた点火栓（点火プラグ）で当該濃い混合気に点火するようにしている。これにより、筒内に吸入された空気と凹み部に向けて噴射された燃料トータルとしての空燃比がリーンな状態で燃焼させることができ、燃費の向上を図るとともに未燃燃料の流出を抑制するガソリン機関が開発されている（特許文献１）。

特開昭６３−１０５２２８号公報

このように、上記特許文献１のガソリン機関では、吸気弁の開弁中であって吸気行程の初期に、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁より燃焼室に向け燃料を噴射するようにしている。
しかしながら、吸気行程の初期において、排気弁の閉弁前に吸気弁が開弁を開始し、吸気弁と排気弁とが共に開弁している期間、所謂バルブオーバーラップが設定されていると吸気ポートの圧力が排気ポートの圧力より高い条件では、燃料噴射弁より燃焼室に向けて噴射された燃料の排気ポートへの吹き抜けが発生してしまう。特に、ターボチャージャ等の過給機を備えるエンジンにおいては、吸気の圧力が排気の圧力より大幅に高くなる場合があり、燃焼室に噴射された燃料の一部が排気ポートへ吹き抜けてしまい、燃費が悪化し、更には炭化水素の排出量が増加することとなり好ましいことではない。

また、吸気ポート及び排気ポートの圧力の大小関係に係わらず、吸気弁の開弁期間の初期或いは末期には、ピストンは上死点或いは下死点近傍にあり、ピストン速度の低下に伴い燃焼室内への吸気流速が低下する。このため、吸気流速が高い場合には、燃料噴霧を吸気流動によって燃焼室全体に拡散（均一混合）させることができるが、吸気流速が低い場合には、主に燃料噴霧の運動量により燃焼室内へ輸送されることになり、燃料噴霧の大半が燃焼室壁面に衝突し付着する。しかしながら、燃焼室壁面近傍は消炎層であるために燃焼室壁面近傍に存在する燃料は、燃焼されることなく未燃のまま排出され炭化水素の排出量が増加することとなる。

本発明は、この様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、排気ポートへの未燃燃料の流出を抑え、燃費を向上させるとともに炭化水素の排出を抑制することのできる内燃機関の燃料噴射制御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の内燃機関の燃料噴射制御装置は、内燃機関の吸気通路に設けられ、燃料を該内燃機関の燃焼室内に向けて噴射する燃料噴射手段と、前記吸気通路と前記燃焼室とを連通する吸気開口と、前記吸気開口の連通と遮断とを行う吸気弁の開弁期間内に燃料が該吸気開口から前記燃焼室内に到達するように前記燃料噴射手段を制御する噴射弁制御手段とを有する内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記噴射弁制御手段は、前記吸気弁と、該燃焼室と該内燃機関の排気通路との連通と遮断を行う排気弁とが同時に開弁する期間であるバルブオーバーラップ期間内及び該内燃機関の圧縮行程の期間内に燃料が前記燃焼室内に到達しないように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の燃料噴射制御装置では、請求項１において、前記燃料噴射手段は、前記吸気通路に噴射された燃料が前記吸気弁の傘部外周と前記吸気開口の開口縁部との間を通り、燃焼室内に直接到達するように備えられていることを特徴とする。
また、請求項３の内燃機関の燃料噴射制御装置では、請求項１または２において、前記噴射弁制御手段は、前記燃焼室の一部を形成するピストンの位置が上死点前後或いは下死点前後の所定範囲内となる期間に燃料が該燃焼室内に到達しないように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする。

また、請求項４の内燃機関の燃料噴射制御装置では、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記噴射弁制御手段は、前記吸気弁に閉動作方向の変位速度が生じる以前に前記燃料噴射手段を動作させて燃料噴射を完了させることを特徴とする。
また、請求項５の内燃機関の燃料噴射制御装置では、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記噴射弁制御手段は、前記バルブオーバーラップ期間を除く前記吸気行程の期間内に前記燃焼室内に到達するように複数回の燃料噴射を行うことを特徴とする。

また、請求項６の内燃機関の燃料噴射制御装置では、請求項１乃至５のいずれか１項において、前記噴射弁制御手段は、前記バルブオーバーラップ期間を除く前記吸気行程の期間内に前記燃焼室内に到達する燃料噴射に加え、該吸気行程の前行程である排気行程の該バルブオーバーラップ期間を除く期間内に前記吸気通路内に燃料噴射を行うことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、吸気弁の開弁期間中であっても吸気弁と排気弁とが共に開弁している期間であるバルブオーバーラップ期間及び圧縮行程に燃料が燃焼室内に到達しないように燃料噴射手段を制御するようにしている。
これにより、バルブオーバーラップ期間内に燃料が燃焼室内に到達することがなく、また燃焼室に吸引した燃料を圧縮行程中に吸気通路に吹き戻すことがないので、吸気通路から燃焼室内に導入される燃料の一部が未燃燃料として排気通路に流出することを防止することができ、燃費を向上させるとともに炭化水素の排出を抑制することができる。

また、請求項２の発明によれば、燃料噴射手段は、噴射された燃料が燃焼室内に直接到達するように備えられている。
これにより、燃料噴射手段から噴射された燃料が、吸気ポート内の壁面や吸気弁の傘部へ付着することを抑制することができ、現サイクルで燃焼室に吸引されず、次サイクルに持ち越し、次サイクルのバルブオーバーラップ期間に排気通路に吹き抜ける燃料量を低減でき、燃費を向上させるとともに未燃燃料の排出を更に抑制することができる。また、燃料の気化潜熱を比熱の大きな壁面の冷却でなく、吸気の冷却に利用することで、混合気の温度を下げてノッキングの発生を抑制すると共に、空気密度を高めて全負荷時の吸入空気量を増大させ、出力および燃費を向上することができる。

また、請求項３の発明によれば、燃焼室の一部を構成するピストンの位置が所定範囲内となる期間に燃料が燃焼室内に到達しないように燃料噴射手段を制御しており、吸気流速の低下により燃料噴霧が直接燃焼室壁面に付着することを防止することができるので、燃焼室壁面近傍の消炎層に存在する未燃燃料の排出を抑制することができるとともに、燃費を向上させることができる。

また、請求項４の発明によれば、吸気弁に閉動作方向の変位速度が生じる以前、即ち、吸気弁の移動方向が燃料の噴射方向と同方向である期間に、燃料噴射手段からの燃料噴射を完了させるので、吸気弁の開動作時により燃料が筒内に最も引き込まれる状態で、所定量の燃料全てを筒内に噴射することができる。
また、請求項５の発明によれば、バルブオーバーラップ期間を除く吸気行程の期間内に燃焼室内に到達するように複数回の燃料噴射を行っており、燃料噴射が誘起する流動で燃焼室内に乱流を発生させ、火炎伝播を促進し、燃焼を良好にすることができるので、燃費を向上しつつ、炭化水素の排出を更に抑制することができる。

また、請求項６の発明によれば、例えば吸気ポートの圧力が排気ポートの圧力より低くなる条件において、バルブオーバーラップ期間を除く吸気行程の期間内に燃焼室内に到達する燃料噴射に加え、吸気行程の前行程である排気行程のバルブオーバーラップ期間を除く期間内に吸気通路に燃料噴射を行うことにより、内燃機関の負荷が高くなり燃料噴射量が増加し吸気行程の期間内での燃料噴射期間が不足するような場合でも、排気行程の期間内に吸気通路に燃料を噴射することができるので、燃料噴射量不足による出力の低下を防止することができる。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の概略構成図である。 本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置におけるＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施例に係る燃料噴射制御を任意の一気筒について時系列で示す図である。 本発明の第２実施例に係る燃料噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の第２実施例に係る燃料噴射制御を任意の一気筒について時系列で示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の概略構成図を示す。
以下、本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置の構成を説明する。
図１に示すように、エンジン１（内燃機関）は、吸気ポート１２に設けられ燃焼室１０内へ向けて燃料を直接噴射する吸気管噴射型（Multi Point Injection：ＭＰＩ）の４サイクル直列４気筒型ガソリンエンジンであり、図１にはそのうちの１つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているものとして図示及び説明を省略する。

図１に示すように、エンジン１はシリンダブロック２にシリンダヘッド３が載置されて構成されている。
シリンダブロック２には、エンジン１を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ４が設けられている。
また、シリンダブロック２に形成されているシリンダ５内には上下摺動可能にピストン６が設けられている。当該ピストン６はコンロッド７を介してクランクシャフト８に連結されている。

また、エンジン１には、当該エンジン１の回転速度及びクランクシャフト８の位相を検出するクランク角センサ９が設けられている。
また、シリンダヘッド３とシリンダ５とピストン６で燃焼室１０が形成されている。
また、シリンダヘッド３には、燃焼室１０に臨むようにして点火プラグ１１が設けられている。

また、シリンダヘッド３には、燃焼室１０からシリンダヘッド３の一側面に向かって吸気ポート（吸気通路）１２が形成されており、燃焼室１０からシリンダヘッド３の他側面に向かって排気ポート（排気通路）１３が形成されている。
また、シリンダヘッド３には、燃焼室１０と吸気ポート１２との連通及び遮断を行う吸気バルブ（吸気弁）１４と、燃焼室１０と排気ポート１３との連通及び遮断を行う排気バルブ（排気弁）１５がそれぞれ設けられている。

また、シリンダヘッド３上部には吸気バルブ１４及び排気バルブ１５を駆動するカム１６、１７を有したカムシャフト１８、１９がそれぞれ設けられている。
そして、シリンダヘッド３の上部には、カムシャフト１８の位相を検出するカム角センサ２０が設けられている。
また、シリンダヘッド３の一側面には吸気ポート１２と連通するように吸気マニホールド２２が接続されている。

吸気マニホールド２２には燃焼室１０内に向けて燃料を直接噴射する燃料噴射弁（燃料噴射手段）２１が設けられている。燃料噴射弁２１は、燃料噴射口が燃焼室１０に向けて配置されており、噴射した燃料が燃焼室１０内に直接届くように設定されている。
また、吸気マニホールド２２には吸気圧を検出する吸気圧センサ２３が設けられており、吸気上流端には吸気管２４が接続されている。

吸気管２４には、吸入空気流量を調節する電子制御スロットルバルブ２６が設けられている。電子制御スロットルバルブ２６には、スロットルバルブの開き度合を検出するスロットルポジションセンサ２５が備えられている。
また、電子制御スロットルバルブ２６の上流側の吸気管２４には吸入空気流量を検出するエアフローセンサ２７が設けられているとともに、吸気管２４の吸気上流端にはエアクリーナ２８が設けられている。

一方、シリンダヘッド３の吸気マニホールド２２が接続された側面とは反対側の側面には、排気ポート１３と連通するように排気マニホールド２９が接続されている。排気マニホールド２９の排気下流端には、図示しない排気管が接続されている。
そして、上記水温センサ４、クランク角センサ９、カム角センサ２０、吸気圧センサ２３、スロットルポジションセンサ２５、エアフローセンサ２７、エンジン１の加減速操作を行うアクセルペダル４０の開き度合であるアクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ４１及び車両の車速を検出する車速センサ４２等の各種センサ類は、車両に搭載されている電子コントロールユニット（ＥＣＵ）５０の入力側に電気的に接続されており、これらセンサ類からの検出情報がＥＣＵ５０に入力される。

一方、ＥＣＵ５０の出力側には、上記点火プラグ１１、燃料噴射弁２１、電子制御スロットルバルブ２６等の各種装置が電気的に接続されており、これら各種装置には各種センサ類からの検出情報に基づき演算された点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等がそれぞれ出力される。
図２は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置におけるＥＣＵ５０の内部構成がブロック図で示されており、以下同図に基づきＥＣＵ５０の入出力関係について説明する。

ＥＣＵ５０は、必要燃料量算出部５０ａにて、クランク角センサ９の検出値よりエンジン１の回転速度を算出し、この算出したエンジン１の回転速度とエアフローセンサ２７にて検出された空気流量とアクセルポジションセンサ４１にて検出されたアクセルの操作量、即ちドライバの要求出力と車速センサ４２にて検出される車速に基づいて、ドライバの要求出力を発生するために必要な燃料量を算出する。

また、クランク角センサ９及びカム角センサ２０の検出値に基づいて、噴射弁制御部５０ｂにて、必要燃料量算出部５０ａにて算出された必要な燃料量を吸気行程中に燃焼室１０内に到達するように燃料噴射弁２１を制御すべく制御信号を供給する。
「第１実施例」
以下、上記のように構成された本発明の第１実施例に係る内燃機関の燃料噴射制御装置について詳細に説明する。

図３は、本発明の第１実施例に係る燃料噴射制御を任意の一気筒について時系列で示す図であり、横軸に圧縮行程での上死点を０°として、圧縮行程の前行程である吸気行程の上死点を３６０°とし、行程、ピストン位置、バルブリフト量及び燃料噴射期間をそれぞれ縦軸に示し、バルブリフト量の破線は排気バルブ１５、実線は吸気バルブ１４のリフト量をそれぞれ示す。なお、本実施例では３６０°〜１８０°の期間を吸気行程、１８０°〜０°の期間を圧縮行程とし、以降は１８０°周期で順に膨張行程、排気行程と４サイクルが繰り返されるものである。

必要燃料量算出部５０ａでは、上記のように、クランク角センサ９、エアフローセンサ２７、アクセルポジションセンサ４１及び車速センサ４２の検出値に基づいて、クランク角センサ９の検出値よりエンジン１の回転速度を算出し、算出したエンジン１の回転速度とエアフローセンサ２７にて検出された空気流量とアクセルポジションセンサ４１にて検出されたアクセルの操作量、即ちドライバの要求出力と車速センサ４２にて検出される車速に基づいて、ドライバの要求出力を発生するために必要な燃料量を算出する。

噴射弁制御部５０ｂでは、クランク角センサ９とカム角センサ２０の検出値に基づいて気筒判別を行う。そして、図３に示すように、気筒判別結果より吸気バルブ１４と排気バルブ１５とが共に開いている期間、即ち、バルブオーバーラップ期間とピストン６の位置が所定範囲となる期間とを除く吸気行程中の期間である第１の噴射期間に上記必要燃料量算出部５０ａにて算出された必要な燃料量が燃焼室１０内に到達するように燃料噴射弁２１を制御する（例えば、図３中斜線部に燃料噴射期間を示す）。

このように、本発明の第１実施例に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、第１の噴射期間内に燃焼室１０内に燃料が到達するように燃料噴射弁２１を制御するようにしている。
これにより、バルブオーバーラップ期間内に燃料が燃焼室１０内に到達することがないので、吸気ポート１２から燃焼室１０に導入される燃料の一部が排気ポート１３に直接未燃燃料として流出することを防止することができる。したがって、未燃燃料の排出が抑制されることで、燃費を向上させるとともに、炭化水素の排出を抑制することが可能となる。

また、ピストン６の位置が所定範囲内（ピストン速度が低く、吸気流速が低い期間）であるときに燃焼室１０内に到達するように燃料の噴射を行わないので、燃焼室１０の壁面に燃料が付着することを抑制することができる。このように、燃焼室１０の壁面への燃料の付着が抑制されることで、燃焼室１０の壁面近傍の消炎層で燃えないまま排気ポート１３に未燃燃料として流出する燃料量を低減することができるので、燃費を更に向上させるとともに、炭化水素の排出を更に抑制することができる。
［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。

図４は、本発明の第２実施例に係る燃料噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートを示し、図５は、燃料噴射制御を任意の一気筒について時系列で示す図であり、図３と同様に、横軸に圧縮行程での上死点を０°として、圧縮行程の前行程である吸気行程の上死点を３６０°とし、行程、ピストン位置、バルブリフト量及び燃料噴射期間をそれぞれ縦軸に示し、バルブリフト量の破線は排気バルブ、実線は吸気バルブのリフト量をそれぞれ示す。

第２実施例では、上記第１実施例に対して、図４に示す、吸気ポート１２内の圧力が排気ポート１３内の圧力より低くなる条件時に噴射弁制御部５０ｂ’で行う燃料噴射制御の制御ルーチンを追加しており、以下に上記第１実施例と異なる点に付いて説明する。
図４に示すように、ステップＳ１０では、第１実施例と同様に、必要燃料量算出部５０ａにて、ドライバの要求出力を発生するために必要な燃料量を算出する。そして、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、噴射弁制御部５０ｂ’にて、クランク角センサ９とカム角センサ２０の検出値に基づいて気筒判別を行う。そして、図５に示すように、第１の噴射期間内に必要燃料量算出部５０ａにて算出された必要な燃料量の全量を燃焼室１０内に到達するように噴射可能か、否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で必要な燃料量の全量を第１の噴射期間内に噴射可能であれば、ステップＳ１４に進み、判別結果が偽（Ｎｏ）で必要な燃料量の全量を第１の噴射期間内に噴射可能でなければ、ステップＳ１６に進む
ステップＳ１４では、噴射弁制御部５０ｂ’にて、第１実施例と同様に、第１の噴射期間内に必要燃料量算出部５０ａにて算出された必要な燃料量を燃焼室１０内に到達するように燃料噴射弁２１を制御する。

ステップＳ１６では、噴射弁制御部５０ｂ’にて、必要な燃料量の一部、即ち第１の噴射期間内に噴射不可能である燃料を吸気行程の前行程である排気行程のバルブオーバーラップ期間を除く期間である第２の噴射期間内に吸気ポート１２内に燃料噴射弁２１を制御し燃料を噴射し、第１の噴射期間内に必要な燃料量の残量を燃焼室１０内に到達するように燃料噴射弁２１を制御する。

このように、本発明の第２実施例に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、第１の噴射期間に噴射が不可能である量の燃料を第２の噴射期間に噴射するようにしている。
従って、エンジン１の負荷が高くなり必要な燃料噴射量が増加し吸気行程内での燃料噴射期間が不足するような場合でも、排気行程中に吸気ポート１２に燃料を噴射することで、第１実施例と同様に燃焼室１０内に導入される燃料の排気ポート１３への流出を抑制しつつ、燃料噴射量の不足による出力の低下を防止することができる。

以上で発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の形態は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、第１の噴射期間内に１回の燃料噴射としているが、これを２回以上に分割して多段噴射としても良く、この場合には、燃料噴射が誘起する流動により燃焼室１０内で乱流を発生させることができ、火炎伝播を促進して、燃焼を良好にすることができる。よって、更に燃費を向上しつつ、炭化水素の排出を更に抑制することができる。

また、燃料噴射弁２１を各気筒に一本としているが、これに限定されるものではなく、各気筒に複数本あっても良く、同様の効果を得ることができる。

１ エンジン（内燃機関）
１２ 吸気ポート（吸気通路）
１３ 排気ポート（排気通路）
１４ 吸気バルブ（吸気弁）
１５ 排気バルブ（排気弁）
２１ 燃焼噴射弁（燃料噴射手段）
５０ ＥＣＵ

Claims (6)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられ、燃料を該内燃機関の燃焼室内に向けて噴射する燃料噴射手段と、前記吸気通路と前記燃焼室とを連通する吸気開口と、前記吸気開口の連通と遮断とを行う吸気弁の開弁期間内に燃料が該吸気開口から前記燃焼室内に到達するように前記燃料噴射手段を制御する噴射弁制御手段とを有する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記噴射弁制御手段は、前記吸気弁と、該燃焼室と該内燃機関の排気通路との連通と遮断を行う排気弁とが同時に開弁する期間であるバルブオーバーラップ期間内及び該内燃機関の圧縮行程の期間内に燃料が前記燃焼室内に到達しないように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記燃料噴射手段は、前記吸気通路に噴射された燃料が前記吸気弁の傘部外周と前記吸気開口の開口縁部との間を通り、燃焼室内に直接到達するように備えられてい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. 前記噴射弁制御手段は、前記燃焼室の一部を形成するピストンの位置が上死点前後或いは下死点前後の所定範囲内となる期間に燃料が該燃焼室内に到達しない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または２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記噴射弁制御手段は、前記吸気弁に閉動作方向の変位速度が生じる以前に前記燃料噴射手段を動作させて燃料噴射を完了させることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 前記噴射弁制御手段は、前記バルブオーバーラップ期間を除く前記吸気行程の期間内に前記燃焼室内に到達するように複数回の燃料噴射を行うことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 前記噴射弁制御手段は、前記バルブオーバーラップ期間を除く前記吸気行程の期間内に前記燃焼室内に到達する燃料噴射に加え、該吸気行程の前行程である排気行程の該バルブオーバーラップ期間を除く期間内に前記吸気通路内に燃料噴射を行うことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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