JP2020070725A - 内燃機関の燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】高負荷時にノッキングを抑制しつつ高出力が得られる内燃機関の燃料噴射システムを提供する。【解決手段】内燃機関の燃料噴射システム１は、複数の燃焼室２と、各燃焼室２に燃料を噴射するインジェクタ３と、各燃焼室２に燃料が順に供給されるようにインジェクタ３の動作を制御する噴射制御部４とを備える。噴射制御部４は、定常運転時、以下の条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の両方を満たすようにインジェクタ３による燃料の噴射と燃料の噴射の停止とを制御する。（Ａ）インジェクタ３による燃料の供給順が連続する２つの燃焼室２において、インジェクタ３による燃料の噴射の停止が連続しない。（Ｂ）燃焼室２の各々において、各インジェクタ３による燃料の噴射の停止を含む燃焼サイクルが連続しない。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の燃焼室の各々に燃料が順に供給されるようにインジェクタの動作を制御する内燃機関の燃料噴射システムに関する。

内燃機関の燃料噴射システムとして、特許文献１の内燃機関の制御装置が知られている。特許文献１の内燃機関の制御装置は、異常燃焼（ノッキング）を検知する検知手段と、異常燃焼が発生した後の２サイクル目に燃料噴射量を調整する異常燃焼防止手段とを備える。具体的には、異常燃焼防止手段は、異常燃焼が発生した後の２サイクル目に燃焼噴射量をゼロとする、或いは、ノッキングが発生した後の２サイクル目に燃料噴射量を他のサイクルよりも多くする。この異常燃焼防止手段により、異常燃焼の再発を抑制している。

特開２０１３−１６０１３０号公報

特許文献１では、異常燃焼（ノッキング）の再発を防止できるものの、ノッキング自体を防止できない。燃焼のタイミングには、運転条件に応じた最適なタイミング（ＭＢＴ：Ｍｉｎｉｍｕｍ Ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）が存在する。そのため、例えば、定常運転時から高負荷運転時に亘って、常時、ＭＢＴに近いタイミングで燃焼することが理想的である。特に、高負荷運転時には、ＭＢＴに近いタイミングで燃焼することが望まれる。しかし、常時、ＭＢＴで燃焼していると、燃焼室の温度が高くなりすぎたりすることで高負荷時にノッキングが生じ易くなる。そのため、通常、高負荷時に燃焼のタイミングをＭＢＴよりも遅角化して（ＭＢＴから遠いタイミングとして）、燃焼室の温度の過度な上昇を抑制することでノッキングを防止している。しかし、燃焼のタイミングを遅角化すれば、出力が低下する。そのため、高出力を得たい高負荷時に高出力が得られない。

本発明の目的の一つは、高負荷時にノッキングを抑制しつつ高出力が得られる内燃機関の燃料噴射システムを提供することにある。

本発明の一態様に係る内燃機関の燃料噴射システムは、
複数の燃焼室と、
前記各燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、
前記各燃焼室に燃料が順に供給されるように前記インジェクタの動作を制御する噴射制御部とを備え、
前記噴射制御部は、定常運転時、以下の条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の両方を満たすように前記インジェクタによる燃料の噴射と燃料の噴射の停止とを制御する。
（Ａ）前記インジェクタによる燃料の供給順が連続する２つの燃焼室において、前記インジェクタによる燃料の噴射の停止が連続しない
（Ｂ）前記燃焼室の各々において、前記各インジェクタによる燃料の噴射の停止を含む燃焼サイクルが連続しない
ただし、定常運転時とは、以下の条件（ａ）から条件（ｄ）の全てを満たす場合とする。
（ａ）１５％＜エンジン負荷率＜７０％
（ｂ）エンジン負荷率となまし処理後のエンジン負荷率との差の絶対値＜２％
（ｃ）０ｋｍ／ｈ＜車速
（ｄ）０％＜アクセル開度

上記の内燃機関の燃料噴射システムは、高負荷時にノッキングを抑制しつつ高出力が得られる。高負荷運転時よりも負荷の小さい定常運転時に上記制御を行うことで、各燃焼室の温度の上昇を抑制できる。そのため、高負荷時に各燃焼室の燃焼のタイミングをＭＢＴに近いタイミングで燃焼させられるからである。

実施形態１に係る内燃機関の燃料噴射システムの概略を示す構成図である。 実施形態１に係る内燃機関の燃料噴射システムに備わる噴射制御部の制御手順の一例を示す説明図である。 実施形態１に係る内燃機関の燃料噴射システムに備わる噴射制御部の制御手順の他の例を示す説明図である。 実施形態１に係る内燃機関の燃料噴射システムに備わる噴射制御部の制御手順の別の例を示す説明図である。

本発明の内燃機関の燃料噴射システムの実施形態１を、図１から図４を参照しつつ以下に説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。

《実施形態１》
〔内燃機関の燃料噴射システム〕
実施形態１に係る内燃機関の燃料噴射システム１は、複数の燃焼室２と、各燃焼室２に供給される燃料を噴射するインジェクタ３と、各燃焼室２に燃料が順に供給されるようにインジェクタ３の動作を制御する噴射制御部４とを備える（図１）。実施形態１に係る内燃機関の燃料噴射システム１の特徴の一つは、定常運転時の噴射制御部４によるインジェクタ３の制御手順にある。以下、各構成を詳細に説明する。

［燃焼室］
燃焼室２は、空気（新気）と燃料との混合気を圧縮・燃焼する。本例の燃焼室２における燃焼サイクルは、吸気、圧縮、燃焼・膨張、及び排気の４つの行程を順に経る４サイクルである。混合気は、点火プラグ１７により燃焼される。燃焼により生成された排気ガスは燃焼室２から排出される。燃焼室２の数は、適宜選択でき、本例では第一燃焼室２１、第二燃焼室２２、及び第三燃焼室２３の合計３つとしている。３つの燃焼室２１〜２３では、燃焼のタイミング（点火プラグ１７による点火のタイミング）が互いにずれていて、第一燃焼室２１、第二燃焼室２２、第三燃焼室２３の順に繰り返し燃焼する。

各燃焼室２は、シリンダブロック１０ｂとシリンダヘッド１０ｈとを備えるエンジン１０に備わる。各燃焼室２は、シリンダ１１とピストン１２の頂面とシリンダヘッド１０ｈと吸気バルブ１３と排気バルブ１４とで形成される。シリンダ１１は、シリンダブロック１０ｂに形成される。ピストン１２は、シリンダ１１内に収納されてシリンダ１１内を往復運動する。吸気バルブ１３は、シリンダヘッド１０ｈに形成されて上記混合気をシリンダ内に導く吸気ポート１５の開口部を開閉する。排気バルブ１４は、シリンダヘッド１０ｈに形成されて上記混合気の燃焼により生成される排気ガスを排出する排気ポート１６の開口部を開閉する。各吸気ポート１５には、吸気マニホールド（図示略）が接続され、各排気ポート１６には、排気マニホールド（図示略）が接続されている。混合気を燃焼する点火プラグ１７は、燃焼室２の上部の略中央に露出するようにシリンダヘッド１０ｈに取り付けられている。

［インジェクタ］
インジェクタ３は、各燃焼室２に燃料を噴射する。本例では、インジェクタ３は、吸気ポート１５内へ延びていて、吸気ポート１５内に燃料を噴射する。なお、インジェクタ３は、燃焼室２内に延びていて、燃焼室２内に燃料を噴射してもよい。インジェクタ３には、燃料導入管が接続されており、燃料ポンプにより燃料タンクから燃料導入管を介して燃料が供給される（いずれも図示略）。インジェクタ３の数は吸気ポート１５の数と同数として、インジェクタ３が各吸気ポート１５に一つずつ設けられていてもよいし、インジェクタ３の数は吸気ポート１５の数の２倍の数として、各吸気ポート１５にインジェクタ３が２つずつ設けられていてもよい。本例では、インジェクタ３の数は第一燃焼室２１から第三燃焼室２３のそれぞれに供給される燃料を噴射する第一インジェクタ３１、第二インジェクタ３２、第三インジェクタ３３の合計３つとして、各吸気ポート１５に一つずつ設けられている。

［噴射制御部］
噴射制御部４は、各燃焼室２に燃料が順に供給されるようにインジェクタ３の動作を制御する。噴射制御部４は、エンジンコントロールユニット１００が利用できる。噴射制御部４は、詳しくは後述するが定常運転時と高負荷運転時とで異なる制御を行う。

定常運転時とは、以下の条件（ａ）から条件（ｄ）の全て満たすことをいう。
（ａ）１５％＜エンジン１０負荷率＜７０％
（ｂ）エンジン負荷率となまし処理後のエンジン負荷率との差の絶対値＜２％
（ｃ）０ｋｍ／ｈ＜車速
（ｄ）０％＜アクセル開度

高負荷運転時は、以下の条件（α）から条件（δ）の全て満たすことをいう。
（α）７０％≦エンジン負荷率
（β）２％≦エンジン負荷率となまし処理後のエンジン負荷率との差の絶対値
（γ）０ｋｍ／ｈ＜車速
（δ）０％＜アクセル開度

エンジン負荷率とは、エンジン１０の全開性能を１００％としたときのエンジン１０の負荷割合をいう。エンジン負荷率は、例えば、燃焼室２への空気量や吸気マニホールドの内圧などに基づいて求められる。具体的には、エンジンの回転数ごとにエンジン負荷に対する空気量（内圧）を予めマップ化して記憶しておき、計測した空気量（内圧）とマップとを照合することで求められる。空気量や吸気マニホールドの内圧の計測は、エアフローメータや負圧計（バキュームセンサ）などの各種センサ６が利用できる。なまし処理後のエンジン負荷率は、現時点から所定時間前の時点までのエンジン負荷率の平均値とする。例えば、なまし処理後のエンジン負荷率は、エンジン負荷率の導出周期を８ｍｓとし、遡る時間を３２ｍｓとするとき、現時点のエンジン負荷率ｎと８ｍｓ前のエンジン負荷率ｎ_−１と・・・３２ｍｓ前のエンジン負荷率ｎ_−４の平均値である。遡る時間は、エンジン負荷率の導出周期やエンジンの種類などに応じて適宜選択されるもので、例えば、３２ｍｓ以上３２０ｍｓ以下が挙げられる。エンジン負荷率の導出となまし処理後のエンジン負荷率の演算とは、各種センサ６からの計測結果に基づいて、電子制御ユニット１１０などのコンピュータで行える。車速は、車速センサ７により計測できる。アクセル開度は、アクセルポジションセンサ８により計測できる。電子制御ユニット１１０で求めた結果と車速センサ７及びアクセルポジションセンサ８の計測結果とは、エンジンコントロールユニット１００に送られる。噴射制御部４による制御は、電子制御ユニット１１０で求めた結果と車速センサ７及びアクセルポジションセンサ８の計測結果とに応じて行う。

［制御手順］
図２から図４を参照して、吸気行程での噴射制御部４によるインジェクタ３の動作の制御手順を説明する。図中の横軸は、時間を示す。図中の黒塗り四角は、インジェクタ３が燃料を噴射したことを示す。即ち、点火制御部５により点火プラグ１７を動作させて、燃焼室２で混合気を燃焼させたことを示す。図中の白抜き四角は、インジェクタ３が燃料の噴射を行わなかったことを示す。即ち、点火制御部５により点火プラグ１７を動作させず、燃焼室２で燃焼しなかったことを示す。点火制御部５は、エンジンコントロールユニット１００が利用できる。点火制御部５による点火プラグ１７の動作の制御は、噴射制御部４によるインジェクタ３の動作の制御に連動する。即ち、噴射制御部４がインジェクタ３により燃料を噴射させたら、点火制御部５が点火プラグ１７を動作させ、噴射制御部４がインジェクタ３による燃料の噴射を停止させたら、点火制御部５が点火プラグ１７の動作を停止させる。

（定常運転時）
噴射制御部４は、以下の条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の両方を満たすように、インジェクタ３による燃料の噴射と燃料の停止とを制御する。
（Ａ）インジェクタ３による燃料の供給順が連続する２つの燃焼室２において、インジェクタ３による燃料の噴射の停止が連続しない。
（Ｂ）燃焼室２の各々において、各インジェクタ３による燃料の噴射の停止を含む燃焼サイクルが連続しない。

上記条件（Ａ）は、第一燃焼室２１と第二燃焼室２２のｎ回目の燃焼サイクルで燃料の噴射の停止が連続しない。また、第二燃焼室２２と第三燃焼室２３のｎ回目の燃焼サイクルで燃料の噴射の停止が連続しない。更に、第三燃焼室２３のｎ回目と第一燃焼室２１のｎ＋１回目の燃焼サイクルで燃料の噴射の停止が連続しない。上記条件（Ｂ）は、例えば、第一燃焼室２１から第三燃焼室２３のそれぞれにおけるｎ回目の燃焼サイクルとｎ＋１回目の燃焼サイクルとで燃料の噴射の停止が連続しない。ｎは、１以上の任意の整数である。

噴射制御部４は、例えば、図２に示すように、第一インジェクタ３１から第三インジェクタ３３に対して順に３回連続で燃料を噴射させたら、次のインジェクタ３に対して燃料の噴射を停止させる。即ち、第一インジェクタ３１から第三インジェクタ３３に亘って連続して順に燃料を噴射させたら、次の第一インジェクタ３１による燃料の噴射を停止させる。続いて、第二インジェクタ３２から第一インジェクタ３１に亘って順に燃料を噴射させたら、次の第二インジェクタ３２による燃料の噴射を停止させる。続いて、第三インジェクタ３３から第二インジェクタ３２に亘って順に燃料を噴射させたら、次の第三インジェクタ３３による燃料の噴射を停止させる。噴射制御部４は、この制御手順を繰り返す。

噴射制御部４は、例えば、図３に示すように、第一インジェクタ３１から第三インジェクタ３３に対して順に燃料の噴射と燃料の噴射の停止とを交互に行わせる点が、上述の図２に示す制御手順と相違する。即ち、第一インジェクタ３１により燃料を噴射させたら、第二インジェクタ３２による燃料の噴射を停止させる。続いて、第三インジェクタ３３により燃料を噴射させたら、第一インジェクタ３１による燃料の噴射を停止させる。続いて、第二インジェクタ３２により燃料を噴射させたら、第三インジェクタ３３による燃料の噴射を停止させる。噴射制御部４は、この制御手順を繰り返す。

噴射制御部４は、例えば、図４に示すように、第一インジェクタ３１から第三インジェクタ３３に対して順に燃料を噴射させる連続回数が、上述の図２に示す制御手順と相違する。上記連続回数は、例えば、４回としてもよい。第一インジェクタ３１から第三インジェクタ３３に対して順に４回連続で燃料を噴射させたら、次のインジェクタ３に対して燃料の噴射を停止させる。即ち、第一インジェクタ３１から次の第一インジェクタ３１に亘って連続して燃料を噴射させたら、その次の第二インジェクタ３２による燃料の噴射を停止させる。続いて、第三インジェクタ３３から次の第三インジェクタ３３に亘って連続して燃料を噴射させたら、その次の第一インジェクタ３１による燃料の噴射を停止させる。続いて、第二インジェクタ３２から次の第二インジェクタ３２に亘って連続して燃料を噴射させたら、その次の第三インジェクタ３３による燃料の噴射を停止させる。噴射制御部４は、この制御手順を繰り返す。

（高負荷運転時）
噴射制御部４は、吸気行程でインジェクタ３による燃料の噴射の停止を行わない。即ち、噴射制御部４は、第一インジェクタ３１から第三インジェクタ３３による燃料の噴射を順に繰り返し行わせる。

なお、定常運転時よりも低負荷な低負荷運転時には、吸気行程で噴射制御部４が高負荷運転時と同様の制御手順を経る。

〔作用効果〕
実施形態１に係る内燃機関の燃料噴射システム１は、高負荷時にノッキングを抑制しつつ高出力が得られる。高負荷運転時よりも負荷の小さい定常運転時に上記制御を行うことで、各燃焼室２の温度の上昇を抑制できる。そのため、高負荷時に各燃焼室２の燃焼のタイミングをＭＢＴに近いタイミングで燃焼させられるからである。

本発明は、これらの例示に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

《付記》
以上説明した本発明の実施形態に関連して、更に以下の付記を開示する。

［付記１］
複数の燃焼室に燃料が順に供給されるように、複数のインジェクタを順に噴射させる制御を行うプログラムを記憶する記憶媒体であって、
前記プログラムは、定常運転時、以下の条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の両方を満たすように前記複数のインジェクタによる燃料の噴射と燃料の噴射の停止とを制御する。
（Ａ）前記インジェクタによる燃料の供給順が連続する２つの燃焼室において、前記インジェクタによる燃料の噴射の停止が連続しない
（Ｂ）各々の前記燃焼室において、前記各インジェクタによる燃料の噴射の停止を含む燃焼サイクルが連続しない
ただし、定常運転時とは、以下の条件（ａ）から条件（ｄ）の全てを満たす場合とする。
（ａ）１５％＜エンジン負荷率＜７０％
（ｂ）エンジン負荷率となまし処理後のエンジン負荷率との差の絶対値＜２％
（ｃ）０ｋｍ／ｈ＜車速
（ｄ）０％＜アクセル開度

上記付記１の記憶媒体は、高負荷時にノッキングを抑制しつつ高出力が得られる内燃機関を構築できる。高負荷運転時よりも負荷の小さい定常運転時に上記制御を行うことで、各燃焼室の温度の上昇を抑制できる。そのため、高負荷時に各燃焼室の燃焼のタイミングをＭＢＴに近いタイミングで燃焼させられるからである。

１ 内燃機関の燃料噴射システム
２ 燃焼室
２１ 第一燃焼室
２２ 第二燃焼室
２３ 第三燃焼室
３ インジェクタ
３１ 第一インジェクタ
３２ 第二インジェクタ
３３ 第三インジェクタ
４ 噴射制御部
５ 点火制御部
６ 各種センサ
７ 車速センサ
８ アクセルポジションセンサ
１０ エンジン
１０ｂ シリンダブロック
１０ｈ シリンダヘッド
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ 吸気バルブ
１４ 排気バルブ
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１７ 点火プラグ
１００ エンジンコントロールユニット
１１０ 電子制御ユニット

Claims (1)

1. 複数の燃焼室と、
   前記各燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、
   前記各燃焼室に燃料が順に供給されるように前記インジェクタの動作を制御する噴射制御部とを備え、
   前記噴射制御部は、定常運転時、以下の条件（Ａ）及び条件（Ｂ）の両方を満たすように前記インジェクタによる燃料の噴射と燃料の噴射の停止とを制御する内燃機関の燃料噴射システム。
   （Ａ）前記インジェクタによる燃料の供給順が連続する２つの燃焼室において、前記インジェクタによる燃料の噴射の停止が連続しない
   （Ｂ）前記燃焼室の各々において、前記各インジェクタによる燃料の噴射の停止を含む燃焼サイクルが連続しない
   ただし、定常運転時とは、以下の条件（ａ）から条件（ｄ）の全てを満たす場合とする。
   （ａ）１５％＜エンジン負荷率＜７０％
   （ｂ）エンジン負荷率となまし処理後のエンジン負荷率との差の絶対値＜２％
   （ｃ）０ｋｍ／ｈ＜車速
   （ｄ）０％＜アクセル開度

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