JP2017048750A - エンジンの燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン１の吸気ポート３１に向けて燃料を噴射するインジェクタ６と、インジェクタ６供給する燃料の圧力（例えばデリバリ燃圧）を調整する燃圧調整手段（例えば燃料ポンプ７２）とを備え、エンジン停止後にインジェクタノズル６ａの温度が高くなっても、噴孔付近のデポジットの堆積を抑制する。【解決手段】エンジン１の運転中に、停止後のインジェクタノズル６ａの温度を推定する推定手段（ステップＳＴ４，ＳＴ５）と、この推定手段によるノズル６ａの温度の推定値Ｔstopが所定値Ｔstop1以上であれば、エンジン１の停止前のアイドル運転状態において燃圧調整手段によりデリバリ燃圧を変更する燃圧変更手段（ステップＳＴ６〜ＳＴ８）と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタを備えた燃料噴射装置に関連し、特に、そのインジェクタに供給する燃料の圧力を調整可能としたものに関する。

従来より、例えば自動車などのエンジンにおいては、各気筒毎の吸気ポートに配設したインジェクタにより燃料を噴射するようにしている。また、近年では、吸気バルブの開閉する時期を変更可能とする可変動弁機構（ＶＶＴ）が広く用いられており、エンジンの運転状態に応じて吸気バルブの開時期を進角させ、排気バルブとのオーバーラップを大きくすることで、既燃ガスの掃気性を高めるようにしている。

そうして吸排気のバルブオーバーラップを大きくすると、排気の一部が吸気ポートに流れる（いわゆる排気の吹き返し）が起こることがあり、このときにインジェクタが開弁していると、その噴孔に排気中のＰＭが付着して、デポジットの生成、堆積を助長するおそれがある。これに対して特許文献１に記載のエンジンでは、吸気バルブの開時期を進角させるときに、インジェクタによる燃料の噴射時期も進角させて、吸気バルブが開く以前に燃料噴射を完了させるようにしている。

特開平０６−３１７２０９号公報

しかしながら、前記従来例のように吸気バルブが開く以前に燃料噴射を完了させても、その後、排気の吹き返しによってインジェクタの噴孔付近にＰＭが付着すると、燃料のデポジット化を助長することがある。すなわち、燃料噴射の後にインジェクタの噴孔付近には燃料が付着しており、高負荷運転後のエンジンの停止状態などにおいてインジェクタのノズルの温度が高くなると、その噴孔付近に付着している燃料がＰＭを核として凝集し、デポジット化するものと考えられる。

かかる不具合に対し本発明の目的は、エンジンの停止後にインジェクタのノズルの温度が高くなっても、噴孔付近のデポジットの堆積を抑制することにある。

前記の目的を達成するために本発明は、エンジンの吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタと、このインジェクタに供給する燃料の圧力を調整する燃圧調整手段と、を備える燃料噴射装置を対象とする。そして、エンジンの運転中に、停止後のインジェクタのノズルの温度を推定する推定手段と、この推定手段による温度の推定値が所定値以上であれば、エンジンの停止前のアイドル運転状態において前記燃圧調整手段により、前記インジェクタに供給する燃料の圧力を変更する燃圧変更手段と、を備えたものである。

前記の特定事項により、エンジンの運転中には、例えばその運転状態や冷却水の温度、或いは吸気の温度なども考慮して、エンジンが停止された場合に、その後のインジェクタのノズルの温度がどの程度、高くなるのか推定手段によって推定される。この推定温度が所定値以上であれば、エンジンの停止後にインジェクタの噴孔の付近に付着している燃料のデポジット化が促進されるおそれがある。

そこで、実際にエンジンが停止する前のアイドル運転状態において、燃圧変更手段によって燃圧調整手段を制御し、インジェクタに供給する燃料の圧力を変更させる。すなわち、燃圧を上昇させることにより、噴孔から噴出する燃料噴霧の貫徹力が増大し、噴孔付近に付着する燃料が少なくなる。また、反対に燃圧を低下させても、燃料の噴射量が減少することによって、噴孔付近に付着する燃料が少なくなることがある。こうしてデポジットの生成、堆積を抑制することができる。

なお、エンジンのアイドル運転状態では、気筒内に流入する吸気および燃料の量が少なく、吸気による流動も非常に弱いので、このとき前記のように燃圧を変化させると、燃焼状態が変化することによって、車両の乗員などが違和感を覚えるおそれがある。そこで、前記アイドル運転状態における燃圧の変更制御は、例えばＶＶＴによって吸気バルブの開時期が進角されていて、いわゆる排気の吹き返しが起きるような状況でのみ、行うようにしてもよい。

また、そのように排気の吹き返しが起きる状況か否かによって、燃圧の変更制御を行うか否か判定するのではなく、その判定の基準となるノズルの推定温度（所定値）を変更するようにしてもよいし、燃圧の変更度合いを変えるようにしてもよい。すなわち、排気の吹き返しが起きる状況であれば、判定の基準となる温度を低くして、燃圧の変更制御が行われ易くすればよく、また、燃圧の変更度合いを大きくするようにしてもよい。

以上、説明したように本発明では、例えば高負荷運転などの後のエンジンの停止後に、インジェクタのノズルの温度が高くなると、その噴孔付近に付着している燃料のデポジット化が促進されることに着目した。そして、エンジンの停止後にノズルの温度が所定温度以上になると推定すれば、そのエンジン停止前のアイドル運転状態において燃圧を変更し、インジェクタの噴孔付近に付着する燃料を減少させることにより、デポジットの生成、堆積を抑制することができる。

実施の形態に係る燃料噴射装置を適用するエンジンの要部を示す概略構成図である。 燃圧変更制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 エンジン停止後のインジェクタのノズル温度を設定した温度推定マップの一例を示す図である。 デリバリ燃圧と、インジェクタの噴孔付近の燃料付着量との関係の一例を示すグラフ図である。 インジェクタの噴孔付近の燃料付着量と、流量変化率との関係の一例を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態に係る燃料噴射装置を適用したガソリンエンジン１（以下、エンジン１と称する）の要部を示している。このエンジン１は、シリンダブロック２の上部にシリンダヘッド３を組み付けて、シリンダ２ａ（気筒）の内部に嵌挿したピストン４との間に燃焼室５を形成している。シリンダブロック２の側壁にはウォータジャケット２ｂが形成され、冷却水の温度（エンジン水温）を検出するための水温センサ１０１が配設されている。

図１の例ではシリンダヘッド３の下面に、燃焼室５の天井面となる浅い窪みが形成されていて、この天井面の吸気側（図１の左側）に開口し、そこから斜め上方に向かって延びるように吸気ポート３１が形成されている。同様に、燃焼室５の天井面の排気側（図１の右側）には排気ポート３２が開口し、そこから斜め上方に向かって延びている。そして、それら吸気ポート３１および排気ポート３２の燃焼室５に臨む開口部は、それぞれ吸気バルブ３３および排気バルブ３４によって開閉されるようになっている。

すなわち、一例としてエンジン１の動弁系は、吸気側および排気側にそれぞれカムシャフト３５，３６を備えており、これら２本のカムシャフト３５，３６がそれぞれ、図示しないクランクシャフトの回転に同期して回転することにより、吸気バルブ３３および排気バルブ３４がシリンダ２ａ毎に好適なタイミングで開閉される。また、本実施の形態では、それら吸気バルブ３３および排気バルブ３４の開閉する時期を変更可能なＶＶＴ３７，３８が各カムシャフト３５，３６にそれぞれ設けられている。

本実施の形態ではＶＶＴ３７，３８は例えば公知のベーンタイプの油圧アクチュエータからなり、詳しい説明は省略するが、油圧回路３７ａ，３８ａから作動油（エンジンオイル）の共有を受けて、各カムシャフト３５，３６とスプロケット（図示せず）とを相対的に回動させるようになっている。例えば吸気側のカムシャフト３５の回転する方向にスプロケットを回動させれば、吸気バルブ３３の開閉する時期が遅角側に変化し、反対に回動させれば進角側に変化する。

一方、前記吸気ポート３１の上端の開口には、図示しない吸気マニホルドが取り付けられて、その上流側（吸気の流れの上流側）のエアクリーナを通過した空気（吸気）を吸気ポート３１へ流通させるようになっている。また、エアクリーナと吸気マニホルドとの間の吸気通路には、吸気の流れを絞る電動のスロットルバルブ３９が配設されるとともに、吸気の流量を計測するエアフローメータ１０２や吸気温センサ１０３なども配設されている。

さらに、吸気ポート３１にはインジェクタ６が配設されている。このインジェクタ６は、先端側のノズル６ａを下方に向けてシリンダヘッド３に取り付けられ、吸気ポート３１に向かって斜め下向きに燃料を噴射するように配設されている。一方、インジェクタ６の基端部（図の上端部）は、燃料供給系７の一部を構成するデリバリパイプ７０に接続されていて、ここから燃料の供給を受けるようになっている。

すなわち、デリバリパイプ７０は、複数のシリンダ２ａの並ぶ方向（図１の紙面に直交する方向）に延びていて、燃料配管７１によって圧送されてくる燃料を各シリンダ２ａ毎のインジェクタ６に分配する。デリバリパイプ７０は、燃料配管７１を介して電動の燃料ポンプ７２に接続されており、この燃料ポンプ７２は燃料タンク７３内に貯留されている燃料を吸い込んで、燃料配管７１に送り出す。

本実施の形態の燃料ポンプ７２は、電動モータによって駆動するインペラの回転数に応じて燃料の吐出量が変化するものであり、吐出する燃料の圧力を調整可能な燃圧調整手段としても機能する。デリバリパイプ７０は、そうして圧送されてくる燃料を一時的に貯留する蓄圧容器としても機能し、このように貯留する燃料の圧力（デリバリ燃圧）を検出するための燃圧センサ１０４が配設されている。

そして、図１に表れているようにシリンダ２ａの吸気行程では、吸気側のカムシャフト３５の回転に伴い吸気バルブ３３が開動作され、吸気ポート３１の下端の開口が開かれると、ピストン４の下降に伴い吸気が吸気ポート３１を流通して、シリンダ２ａ内に吸い込まれるようになる。こうして吸い込まれる吸気の流れに沿うようにインジェクタ６から燃料が噴射され、この燃料が吸気ポート３１および燃焼室５において吸気と混じり合って、混合気を形成する。

このようにして形成された混合気は、図示しないが、シリンダ２ａの圧縮行程におけるピストン４の上昇によって圧縮された後に、点火プラグ８によって点火されて燃焼する。すなわち、図１に表れているようにシリンダヘッド３には、シリンダ２ａ毎に点火プラグ８が配設されており、イグナイタ８ａから電力の供給を受けて点火プラグ８の電極間に火花放電することにより、燃焼室５内に形成された混合気に点火するようになっている。

そして、図示しないが、シリンダ２ａの排気行程において排気側のカムシャフト３６の回転に伴い排気バルブ３４が開動作され、排気ポート３２の下端の開口が開かれると、既燃ガスがシリンダ２ａから排気ポート３２へ排出されるようになる。なお、図には１つのシリンダ２ａのみを示しているが、本実施の形態のエンジン１は、例えば４つのシリンダ２ａが図の手前から奥に向かって並んだ直列４気筒エンジンである。

前記のインジェクタ６、イグナイタ８ａ、ＶＶＴ３７，３８、スロットルバルブ３９、燃料ポンプ７２などの制御は、エンジン１の制御装置１００（以下、ＥＣＵ１００と表記する）によって行われる。ＥＣＵ１００は公知のデジタルコンピュータからなり、水温センサ１０１、エアフローメータ１０２、吸気温センサ１０３、燃圧センサ１０４の他、図示はしないが、例えばクランク角センサ、空燃比センサ等、エンジン１の運転状態を表す種々のセンサからの信号を入力する。そして、ＥＣＵ１００は、各種の制御ルーチンを実行することによりエンジン１の吸気量や燃料噴射量、デリバリ燃圧、点火時期、バルブタイミング等々を制御する。

また、本実施の形態においてＥＣＵ１００は、車速センサ１０５からの信号も入力し、以下に説明するようにエンジン１の運転中に、インジェクタ６のノズル６ａの温度がエンジン停止後に所定以上に高くなると推定すれば、エンジン１の停止前のアイドル運転状態において一時的に燃料ポンプ７２の回転数を高めて、デリバリ燃圧を上昇させる燃圧変更制御を行う。

−エンジン停止前の燃圧変更制御−
一例として本実施の形態のエンジン１は、所定の運転状態において吸気バルブ３３の開時期を大きく進角させ、いわゆる吸排気のバルブオーバーラップが大きな状態で運転するものである。こうしてバルブオーバーラップが大きくなると、排気行程においてシリンダ２ａ内から排出される排気の一部が、吸気ポート３１に吹き返されることがあり（排気の吹き返し）、その排気中に含まれるＰＭがインジェクタ６のノズル６ａの先端の噴孔付近に付着しやすくなる。

こうしてインジェクタ６の噴孔の付近にＰＭが付着すると、これを核として燃料が凝集し、デポジットの生成、堆積が助長されるおそれがある。すなわち、燃料の噴射後にインジェクタ６の噴孔の付近には燃料が付着しており、例えばエンジン１が高負荷運転の後に停止して、インジェクタ６のノズル６ａの温度が高くなると、噴孔付近の燃料が変質してＰＭと共に凝集し、デポジット化するものと考えられる。

そこで、本実施の形態では、エンジン１の運転中にエンジン水温などに基づいて、仮にエンジン１が停止した場合、インジェクタ６のノズル６ａの温度がどの程度、高くなるか推定しておく。そして、この推定値が所定値以上であれば、エンジン１の停止前のアイドル運転状態において一時的に燃圧を上昇させる燃圧変更制御を行い、燃料噴霧の貫徹力を増大させて、噴孔付近に付着する燃料を減らすようにしている。

以下、図２のフローチャートを参照して具体的に、本実施の形態における燃圧変更制御ルーチンについて説明する。このルーチンは、エンジン１の運転中に所定のタイミングで繰り返し実行され、まず、スタート後のステップＳＴ１では、エンジン回転数、エンジン水温、吸気量などのデータを読み込む。なお、エンジン回転数は、クランク角センサからの信号に基づいて算出されるものであり、エンジン水温および吸気量はそれぞれ、水温センサ１０１およびエアフローメータ１０２からの信号に基づいて算出される。

続いてステップＳＴ２において、吸気側および排気側のそれぞれのＶＶＴ３７，３８の制御値から吸排気のバルブオーバーラップ量を算出し、エンジン回転数も考慮して、排気の吹き返しが起きるような状況か否かをステップＳＴ３において判定する。この判定が否定判定（ＮＯ）であればルーチンを終了する（エンド）一方、肯定判定（ＹＥＳ）であればステップＳＴ４に進んで、今度は車速、吸気温度などのデータを読み込む。なお、車速および吸気温度はそれぞれ、車速センサ１０５および吸気温センサ１０３からの信号に基づいて算出される。

そうして読み込んだ車速および吸気温度と、ステップＳＴ１で読み込んだエンジン水温とに基づいてステップＳＴ５では、この時点でエンジン１が停止された場合に、その後のインジェクタ６のノズル６ａの温度がどの程度、高くなるか推定する。すなわち、一例としてＥＣＵ１００のＲＯＭには、エンジン水温、車速および吸気温度をパラメータとして、エンジン停止後のノズル６ａの温度Ｔstopの値を予め実験やシミュレーションによって設定した温度推定マップが記録されている。

図３は、例えば低車速域における温度推定マップのイメージ図であり、同様のマップが中車速域および高車速域についても設定、記録されて温度推定マップ群を構成している。図示のマップにおいてノズル温度Ｔstopは、エンジン水温および吸気温度が高いほど高温側の値になっており、図の右上のラインがノズル温度の所定値Ｔstop1（燃圧変更制御行うか否かの判定の基準となる温度）に対応する。なお、図３には表れていないがノズル温度Ｔstopは、車速が低いほど高温側の値になっている。

続いてステップＳＴ６において、前記のように推定したノズル温度Ｔstopが所定値Ｔstop1（例えば８０℃）以上か否か判定する。この所定値は、排気の吹き返しによって噴孔付近にＰＭが付着した場合に、燃料の変質物によってデポジットの生成、堆積が助長されることになる温度として、予め実験やシミュレーションによって設定されており、前記図３において右上のラインとして表される。そして、推定したノズル温度Ｔstopが所定値Ｔstop1未満であれば、否定判定（ＮＯ）してルーチンを終了する（エンド）。

一方、推定したノズル温度Ｔstopが所定値Ｔstop1以上であれば、肯定判定（ＹＥＳ）してステップＳＴ７に進み、エンジン１の停止直前のアイドル運転状態か否か判定する。これは例えば車両が停車している、アクセル操作がなされていない、エンジン１がアイドル運転状態である、の３つの条件から判定し、これらの条件のいずれか１つでも成立していなければ否定判定して（ＮＯ）、ルーチンを終了する（エンド）。

これに対し、前記の条件が全て成立していれば肯定判定（ＹＥＳ）して、ステップＳＴ８に進んで所定期間、燃料ポンプ７２の回転数（インペラの回転数）を高め、デリバリ燃圧を上昇させた後に、ルーチンを終了する（エンド）。なお、エンジン１のアイドル運転状態では通常、デリバリ燃圧は低めに制御されており、ステップＳＴ８では、それが予め設定した所定圧だけ高くなるように、燃料ポンプ７２の回転数を高くする。

前記図２のフローのステップＳＴ４、ＳＴ５を実行することによってＥＣＵ１００は、エンジン１の運転中に、停止後のインジェクタ６のノズル６ａの温度Ｔstopを推定する推定手段を構成する。本実施の形態において推定手段は、少なくともエンジン水温、車速および吸気温度に基づいて、ノズル６ａの温度Ｔstopを推定する。

また、同ステップＳＴ６〜ＳＴ８を実行することによってＥＣＵ１００は、前記推定手段によって推定したノズル６ａの温度Ｔstopが所定値Ｔstop1以上であれば、エンジン１の停止前のアイドル運転状態において燃料ポンプ７２を制御し、デリバリ燃圧を変更する燃圧変更手段を構成する。本実施の形態において燃圧変更手段は、燃圧を一時的に高くするものである。

以上、説明したように本実施の形態に係る燃料噴射装置によると、エンジン１の運転中に、吸排気のバルブオーバーラップが所定以上に大きくなっていて、排気の吹き返しが起きると考えられる状況において、エンジン停止後のインジェクタ６のノズル６ａの温度Ｔstopが所定値Ｔstop1以上に高くなると推定すれば、その噴孔付近に付着している燃料がデポジット化するおそれがあると判定する。そして、エンジン停止前のアイドル運転状態において燃圧を上昇させて、付着する燃料を減少させることにより、デポジットの生成、堆積を抑制することができる。

図４は、エンジン１のアイドル運転状態においてデリバリ燃圧Ｐを種々、変更して、そのノズル６ａの噴孔付近に付着する燃料の量を調べた実験結果のグラフ図である。アイドル運転時における標準的な燃圧Ｐ０から燃圧を高くすることにより、燃料の付着量が少なくなることが分かる。これは燃料噴霧の貫徹力が増大することによると考えられ、図示の例では一例として通常よりも３０％くらい高いデリバリ燃圧Ｐ１において、燃料の付着量が２０％くらい減少している。

なお、図４に示す実験の結果からは、デリバリ燃圧Ｐを低下させることによっても燃料の付着量が減少することが分かる。これは、エンジン１のアイドル運転状態のように元々、燃料の噴射量が少なく、その噴射圧力も低い状態で、さらに噴射圧力を低下させると、燃料の噴射量が減少することによって、噴孔付近に付着する燃料が少なくなることによると考えられる。

図５には、そうしてインジェクタ６の噴孔付近に付着する燃料の量と、インジェクタ６の流量変化率との関係を調べた実験結果のグラフ図である。インジェクタ６の流量変化率は、未使用のインジェクタ６による燃料の噴射量を基準（流量変化率＝０）とし、経年変化によって噴射量の減少する割合（％）を調べたものである。図５のグラフの横軸に現れているように燃料の付着量が多いほど、縦軸に示す流量変化率（負の値）の絶対値が大きくなっており、これは、燃料付着量が多いほど多くのデポジットが堆積し、噴孔が塞がれることによると考えられる。

また、本実施の形態では前記した燃圧の変更制御を、吸排気のバルブオーバーラップが大きく、排気の吹き返しが起きるような状況でのみ、行うようにしている。これは、エンジン１の停止直前のアイドル運転状態では、シリンダ２ａ内に流入する吸気および燃料の量が少なく、吸気による流動も非常に弱いので、このときに燃圧を変化させると、燃焼状態が変化することによって、車両の乗員などが違和感を覚えるおそれがあるからである。

−他の実施の形態−
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その他の種々の形態を包含している。例えば前記実施の形態では、図２のフローのステップＳＴ２，ＳＴ３に表れているように、排気の吹き返しが起きるような状況でのみ、燃圧の変更制御を行うようにしているが、これに限らず、排気の吹き返しが起きないような状況でも燃圧の変更制御を行うようにしてもよい。

また、燃圧の変更制御を行うか否か判定するためのインジェクタノズル６ａの温度の所定値Ｔstop1を、排気の吹き返しが起きるような状況か否かによって変更するようにしてもよい。すなわち、排気の吹き返しが起きるような状況であれば所定値Ｔstop1を低めの値にして、燃圧の変更制御が行われ易くすればよい。さらに、排気の吹き返しが起きるような状況であれば、燃圧の変更度合いを大きくするようにしてもよい。

また、前記実施の形態では燃圧変更制御として、図２のフローのステップＳＴ８のようにデリバリ燃圧を上昇させるようにしているが、これは反対にデリバリ燃圧を低下させるようにしてもよい。図４を参照して上述したようにアイドル運転状態では、デリバリ燃圧Ｐを低下させることによっても、燃料の付着量が減少するからである。

さらに、前記実施の形態では、吸気ポート３１に燃料を噴射するインジェクタ６のみを備えたガソリンエンジン１に本発明を適用しているが、これに限らず、ポート噴射式のインジェクタ６以外に、例えばシリンダ２ａ内の燃焼室５に直接、燃料を噴射する筒内噴射式のインジェクタを備えたガソリンエンジンにも本発明を適用することができる。

また、本発明は、ガソリンエンジンにも限定されず、例えばアルコール燃料や液化ガス燃料を用いるエンジンにも適用可能であり、前記実施の形態のように４つのシリンダ２ａを備えたエンジン１にも限定されず、例えば単気筒、２気筒、３気筒若しくは５気筒以上のエンジンにも適用可能であることは勿論である。

本発明は、エンジンのインジェクタの噴孔付近におけるデポジットの生成、堆積を抑制でき、燃料制御の経年による制御性の低下を防止できるので、例えば自動車のエンジンに適用して効果が高い。

１ エンジン
６ インジェクタ
６ａ ノズル
３１ 吸気ポート
７２ 燃料ポンプ（燃圧調整手段）
１００ ＥＣＵ（推定手段、燃圧変更手段）

Claims (1)

1. エンジンの吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタと、このインジェクタに供給する燃料の圧力を調整する燃圧調整手段と、を備える燃料噴射装置であって、
   エンジンの運転中に、停止後のインジェクタのノズルの温度を推定する推定手段と、
   前記推定手段による温度の推定値が所定値以上であれば、エンジンの停止前のアイドル運転状態において前記燃圧調整手段により、前記インジェクタに供給する燃料の圧力を変更する燃圧変更手段と、を備えることを特徴とするエンジンの燃料噴射装置。

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