JP2023175074A - 内燃機関の始動時燃料噴射制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動時に複数回に分割して噴射を行うと、先行する噴射によってコモンレール内の燃圧が低下することで、後続の噴射の際の微粒化が悪化する。【解決手段】プランジャポンプからなる高圧燃料ポンプは、動弁用カムシャフトに設けたカム山によって駆動され、クランク角に同期して吸入行程と圧縮・吐出行程とが交互に生じる。始動時には、３回に分割噴射し、２回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２と３回目の燃料噴射時期ＩＮＪ３は、プランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内に設定される。プランジャポンプの圧縮・吐出行程では、コモンレール内の燃圧が上昇傾向となるので、１回目の噴射に伴い低下した燃圧が直ちに回復し、微粒化の悪化が回避される。【選択図】図２

Description

この発明は、クランクシャフトの回転に同期して機械的に駆動されるプランジャポンプからなる高圧燃料ポンプを備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関における始動時の燃料噴射制御に関する。

筒内に燃料を噴射し、形成された混合気に点火を行う筒内直接噴射式火花点火内燃機関にあっては、冷機時に、例えば吸気行程等において１回に必要な燃料の全量を噴射すると、すすやスモークが多く発生する。そのため、冷機時に、複数回に分割して燃料噴射を行うことが知られている。

また、筒内に直接に燃料を噴射するために、比較的に高い燃圧（燃料圧力）が必要であるので、クランクシャフトの回転に同期して機械的に駆動されるプランジャポンプからなる高圧燃料ポンプによって燃料を加圧して、各気筒の燃料噴射弁が接続される高圧燃料配管いわゆるコモンレールに供給し、このコモンレール内の高圧の燃料を各気筒の燃料噴射弁の開作動に伴って筒内へ噴射するように構成したコモンレール式の燃料噴射装置が多く採用されている。特許文献１に開示されているように、プランジャポンプからなる高圧燃料ポンプは、例えば、吸気弁もしくは排気弁のカムシャフトの端部に設けたプランジャポンプ用のカム山によって駆動される。

特許文献２は、筒内直接噴射式ではなく吸気ポートへ向けて燃料噴射弁が設けられたポート噴射式の火花点火内燃機関において、内燃機関の始動時に、燃料噴射弁に供給する燃圧を高くするとともに分割噴射を行うことを開示している。

特開２０２１－０４２７４８号公報 特開２００６－３３６５０９号公報

クランクシャフトの回転に同期して機械的に駆動されるプランジャポンプからなる高圧燃料ポンプを用いた筒内直接噴射式火花点火内燃機関にあっては、始動時（例えば初回燃焼サイクルから数サイクルないし数十サイクル程度の間）には、コモンレール内の燃圧が必ずしも十分に蓄えられておらず、燃料噴射に伴って過渡的に燃圧低下が生じやすい。そのため、例えば３回に分割噴射したような場合に、１回目の燃料噴射の際に所定の燃圧があっても、後続の２回目あるいは３回目の燃料噴射の際の燃圧が低くなり、燃料噴霧の性状が悪化する。

つまり、始動後ある程度の時間が経過した段階では、コモンレール内の燃圧が目標燃圧に維持されかつ高圧燃料ポンプによって十分な量の高圧燃料がコモンレール内へ補給されるので、複数回の分割噴射を行っても、各回の燃料噴射が目標燃圧の下で行われ得る。これに対し、始動時には、２回目や３回目等の燃料噴射の際の燃圧確保が困難となり得る。

なお、特許文献２は、相対的に燃圧が低いポート噴射式の形式であり、電動燃料ポンプによって燃圧を可変制御することができる。この特許文献２は、上記のようなプランジャポンプからなる高圧燃料ポンプを用いた筒内直接噴射式火花点火内燃機関の始動時の分割噴射における課題を解決し得るものではない。

この発明に係る内燃機関の始動時燃料噴射制御方法は、クランクシャフトの回転に同期して機械的に駆動されるプランジャポンプからなる高圧燃料ポンプによって加圧された燃料がコモンレールに供給され、各気筒の燃料噴射弁の開作動に伴って筒内へ噴射される筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
内燃機関の始動時に、１サイクル当たりの燃料噴射回数を複数回に設定し、
この複数回の噴射時期の中の少なくとも後期の一部の噴射時期を、プランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内に設定する。

プランジャポンプは、プランジャの往復動作によって燃料の吸入と圧縮・吐出とを繰り返す。圧縮・吐出行程では、加圧された燃料がコモンレール内へ送り出される。そのため、噴射時期が圧縮・吐出行程期間内に設定されていると、例えば前回の燃料噴射によって生じた燃圧低下が回復しやすくなることから、噴射の際に比較的に高い燃圧が得られる。

この発明によれば、始動時に分割噴射とした場合に、複数回の噴射の際の燃圧（例えば複数回の平均燃圧）を高く得ることができ、燃圧低下による燃料噴霧性状の悪化を抑制することができる。

この発明が適用される一実施例の内燃機関の構成説明図。 一実施例のプランジャポンプの行程と燃料噴射時期との関係を示したタイミングチャート。 燃料噴射弁直前位置の燃圧変化を模式的に示した説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明が適用される一実施例の内燃機関１の概略的な構成を示した説明図である。一実施例の内燃機関１は、直列３気筒の４ストロークサイクルの火花点火式内燃機関（いわゆるガソリン機関）であって、各気筒の燃焼室５に、一対の吸気弁２と一対の排気弁３とが設けられているとともに、燃焼室５の中心部に点火プラグ４が配置されている。また筒内直接噴射式機関として、筒内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁６が、例えば吸気弁２側に配置されている。

各気筒の吸気ポート７に接続された吸気通路８のコレクタ部８ａ上流側には、エンジンコントローラ９からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１０が介装されている。各気筒の排気ポート１２は、排気マニホルド１３に接続されている。

各気筒の燃料噴射弁６は、コモンレール１４に接続されている。コモンレール１４には、高圧燃料ポンプ１５によって加圧された燃料が供給される。高圧燃料ポンプ１５には、図外の燃料タンクから例えば電動ポンプからなるフィードポンプ１６を介して燃料が導かれる。コモンレール１４内の燃圧は、図示しないプレッシャレギュレータを介して目標燃圧に維持されるようになっている。燃料噴射弁６は、ソレノイドもしくは圧電素子等を介して弁体が開作動することで燃料噴射を行う構成のものであり、燃料噴射量は、基本的に、燃料噴射時間に比例したものとなる。

高圧燃料ポンプ１５は、クランクシャフトの回転に同期して機械的に駆動されるプランジャポンプからなる。一実施例では、吸気弁２用もしくは排気弁３用のカムシャフト（図示せず）の端部に設けたプランジャポンプ用のカム山によってプランジャポンプつまり高圧燃料ポンプ１５が駆動される。詳しくは、カムシャフトに、１２０°毎の等間隔に３個のカム山が設けられており、このカム山によってプランジャが押圧されることで、プランジャポンプとしてのポンプ作用が得られる。つまり、カム山の回転に伴ってプランジャが往復動作し、高圧燃料ポンプ１５のシリンダ内へ低圧燃料を吸入する吸入行程と、高圧燃料ポンプ１５のシリンダ内からコモンレール１４へ高圧燃料を吐出する圧縮・吐出行程と、が交互に得られる。動弁用のカムシャフトの回転速度はクランクシャフトの回転速度の１／２であるので、高圧燃料ポンプ１５となるプランジャポンプの圧縮・吐出行程は２４０°ＣＡ毎に生じる。なお、プランジャポンプは複数のプランジャを備えた形式であってもよく、この場合も圧縮・吐出行程が２４０°ＣＡ毎に生じるように構成される。

エンジンコントローラ９には、スロットルバルブ１０の上流側において吸入空気量を検出するエアフロメータ２０、機関回転速度ならびにクランク角位置を検出するためのクランク角センサ２１、冷却水温を検出する水温センサ２２、運転者に操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ２３、排気マニホルド１３下流の排気通路において排気空燃比を検出する空燃比センサ２４、コモンレール１４内の燃圧を検出する燃圧センサ２５、等の多数のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ９は、これらの入力信号に基づき、燃料噴射弁６による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ４による点火時期、スロットルバルブ１０の開度、等を最適に制御している。

次に、この発明の要部である始動時の燃料噴射制御について、図２および図３を参照して説明する。図２は、横軸をクランク角として（ａ）プランジャポンプの行程と（ｂ）燃料噴射時期との関係を示したタイミングチャートである。図中、「♯１ＴＤＣ」、「♯２ＴＤＣ」および「♯３ＴＤＣ」は、それぞれ、♯１気筒の圧縮上死点、♯２気筒の圧縮上死点および♯３気筒の圧縮上死点である。これら３つの圧縮上死点は、２４０°ＣＡ間隔となる。「♯１排気ＴＤＣ」は♯１気筒の排気上死点であり、これは、「♯１ＴＤＣ」から３６０°ＣＡ遅れた位置、つまり「♯２ＴＤＣ」と「♯３ＴＤＣ」との中間の位置にある。

（ａ）欄に図示されている３つの二等辺三角形は、高圧燃料ポンプ１５を構成するプランジャポンプの行程（プランジャの位置）を模式的に示したものであり、三角形のピークに至るまでの前半が圧縮・吐出行程となり、ピーク後の後半が吸入行程となる。前述したように、この圧縮・吐出行程および吸入行程は、２４０°ＣＡ毎に生じる。微視的に見ると、圧縮・吐出行程ではコモンレール１４内の燃圧は上昇傾向となり、吸入行程ではコモンレール１４内の燃圧は上昇し得ない。

図示例では、圧縮・吐出行程の開始点は、各気筒の圧縮上死点から僅かに遅れた位置にあり、一例では、圧縮上死点から２４°ＣＡだけ遅れた位置にある。ここで、例えば♯１気筒についてみると、「♯１排気ＴＤＣ」から１８０°ＣＡの間は当該♯１気筒の吸気行程であるので、プランジャポンプの圧縮・吐出行程の一部区間が当該♯１気筒の吸気行程に重なっている。この関係は、♯２気筒および♯３気筒についても同様である。

（ｂ）欄は、燃料噴射時期、特に、内燃機関１の始動時における例えば♯１気筒の燃料噴射時期を示している。内燃機関１の始動時とりわけ冷機時には、必要な燃料の全量を１回に噴射すると、すすやスモークが多く発生する。そのため、この実施例では、始動時には、１サイクル当たりの燃料噴射回数を複数回に設定し、具体的には、３回に分割して燃料噴射を行う。図中の「ＩＮＪ１」、「ＩＮＪ２」、「ＩＮＪ３」が、それぞれ、１回目、２回目、３回目の燃料噴射時期を示している。１回目の燃料噴射ＩＮＪ１は、♯１気筒の吸気行程中盤、例えば排気上死点後１００°ＣＡに実行される。２回目の燃料噴射ＩＮＪ２は、♯１気筒の吸気行程後半、例えば排気上死点後１５０°ＣＡに実行される。３回目の燃料噴射ＩＮＪ３は、圧縮行程初期、例えば排気上死点後２００°ＣＡに実行される。これらの噴射時期と（ａ）欄のプランジャポンプの行程とを対比すると、１回目の燃料噴射時期ＩＮＪ１はプランジャポンプの吸入行程期間内にあるものの、２回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２および３回目の燃料噴射時期ＩＮＪ３は、いずれもプランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内にある。なお、２回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２は、プランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内でかつ当該気筒の吸気行程内にある。

このように２回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２および３回目の燃料噴射時期ＩＮＪ３をプランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内に設定することで、各々の噴射時期における実際の燃圧の低下を回避でき、所期の燃料噴霧性状（例えば、微粒化等）が得られる。

すなわち、始動時（例えば初回燃焼サイクルから数サイクルないし数十サイクル程度の間）には、高圧燃料ポンプ１５がクランクシャフトの回転に伴って駆動されることから、コモンレール１４内の燃圧が必ずしも十分に蓄えられておらず、噴射された量の燃料の補充に遅れがあるため、燃料噴射に伴って燃圧低下（詳しくは燃料噴射弁６直前位置での燃圧の低下）が生じやすい。そのため、３回に分割噴射した場合に、１回目の燃料噴射時期ＩＮＪ１の際に十分に高い燃圧があっても、後続の２回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２や３回目の燃料噴射時期ＩＮＪ３の際の燃圧が低くなりやすい。

上記実施例では、２回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２および３回目の燃料噴射時期ＩＮＪ３がプランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内に設定されているので、燃料噴射に伴って生じる燃圧低下の回復が早くなり、燃圧低下による噴霧性状の悪化が回避される。換言すれば、３回の燃料噴射の際の平均燃圧が高く得られる。

図３は、このような始動時の３回の燃料噴射に伴う燃料噴射弁６直前位置における燃圧の変化を模式的に示した説明図である。燃料噴射は、燃圧が所定の燃圧になってから開始するので、燃料噴射前は、比較的高い燃圧Ｐ０に維持されているが、１回目の燃料噴射ＩＮＪ１に伴って燃圧Ｐ１まで低下してしまう。プランジャポンプの圧縮・吐出行程と重ならずに２回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２および３回目の燃料噴射時期ＩＮＪ３が設定されていると、２回目の燃料噴射ＩＮＪ２に伴って燃圧Ｐ２まで低下し、さらに、破線で示すように３回目の燃料噴射ＩＮＪ３に伴って燃圧Ｐ３まで低下する。破線で示す比較例の特性では、３回目の燃料噴射時期ＩＮＪ３の直後にプランジャポンプの圧縮・吐出行程となることで、全ての噴射の終了後に燃圧が回復する。

これに対し、実線で示す特性は、２回目の燃料噴射時期ＩＮＪ２の後にプランジャポンプの圧縮・吐出行程となった例を示しており、燃圧Ｐ２のレベルから燃圧が上昇していき、上昇過程の途中で３回目の燃料噴射ＩＮＪ３が実行される。そのため、３回目の燃料噴射ＩＮＪ３が十分に高い燃圧の下で実行される。

なお、図３の説明図では、３回目の燃料噴射時期ＩＮＪ３のみがプランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内となっているが、図２に示した実施例の設定では、２回目の燃料噴射ＩＮＪ２および３回目の燃料噴射ＩＮＪ３の双方が燃圧上昇過程の途中で実行されることとなる。

このように、上記実施例によれば、始動時に分割噴射とした場合に、複数回の噴射の際の燃圧（例えば複数回の平均燃圧）を高く得ることができ、燃圧低下による燃料噴霧性状の悪化を抑制することができる。特に上記実施例においては、１回目の燃料噴射ＩＮＪ１は、プランジャポンプの吸入行程期間内であっても、比較的に高い燃圧が残留しているので、十分な微粒化が図れ、また点火時期までの時間も長いことから十分な混合が図れる。一方、２回目の燃料噴射ＩＮＪ２や３回目の燃料噴射ＩＮＪ３は、点火時期までの時間が相対的に短くなるとともに、先行する噴射による燃圧低下が生じやすいものとなるが、上記実施例のように噴射時期ＩＮＪ２，ＩＮＪ３を燃圧上昇過程に設定することで、これらの影響を相殺することができる。つまり、複数回の噴射時期の中の後期の噴射時期を優先してプランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内に設定することが有利である。

始動後は、必要な燃料の全量を１回に噴射する制御モードとしてもよく、あるいは、適当な複数回の分割噴射を実行するようにしてもよい。始動後多少の時間が経過した段階では、燃料噴射に伴い低下した燃圧が直ちに回復するので、複数回の分割噴射を任意のタイミングで実行しても燃圧低下の問題は生じない。

なお、プランジャポンプの圧縮・吐出行程のクランク角位置（換言すればカムシャフトにおけるカム山の形成位置）は、図２に例示したような位置に限定されるものではない。従って、例えば燃料噴射時期を他の条件・要求から先に決定し、この噴射時期に対してプランジャポンプの圧縮・吐出行程を適当に設定するようにすることも可能である。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、この発明は、当然のことながら、直列３気筒機関以外の多気筒機関にも適用が可能であり、また３回以外の複数回の分割噴射についても適用が可能である。また、上述したクランク角の具体的な数値例は、あくまでも一例に過ぎない。

１…内燃機関
６…燃料噴射弁
９…エンジンコントローラ
１４…コモンレール
１５…高圧燃料ポンプ
１６…フィードポンプ

Claims (5)

1. クランクシャフトの回転に同期して機械的に駆動されるプランジャポンプからなる高圧燃料ポンプによって加圧された燃料がコモンレールに供給され、各気筒の燃料噴射弁の開作動に伴って筒内へ噴射される筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
   内燃機関の始動時に、１サイクル当たりの燃料噴射回数を複数回に設定し、
   この複数回の噴射時期の中の少なくとも後期の一部の噴射時期を、プランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内に設定する、
   内燃機関の始動時燃料噴射制御方法。
2. 内燃機関は３気筒内燃機関であり、
   プランジャポンプの圧縮・吐出行程が２４０°ＣＡ毎にある、
   請求項１に記載の内燃機関の始動時燃料噴射制御方法。
3. 内燃機関の始動時に、１サイクル当たりの燃料噴射回数を３回とし、
   １回目の燃料噴射時期はプランジャポンプの吸入行程期間内に設定し、
   ２回目および３回目の燃料噴射時期はプランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内に設定する、
   請求項１に記載の内燃機関の始動時燃料噴射制御方法。
4. プランジャポンプの圧縮・吐出行程の少なくとも一部の区間が各気筒の吸気行程と重なるように設定し、
   複数回の噴射時期の中の少なくとも１つの噴射時期は、気筒の吸気行程内でかつプランジャポンプの圧縮・吐出行程内に設定する、
   請求項１に記載の内燃機関の始動時燃料噴射制御方法。
5. クランクシャフトの回転に同期して機械的に駆動されるプランジャポンプからなる高圧燃料ポンプによって加圧された燃料がコモンレールに供給され、各気筒の燃料噴射弁の開作動に伴って筒内へ噴射される筒内直接噴射式火花点火内燃機関において、
   内燃機関の始動時に、１サイクル当たりの燃料噴射回数を複数回に設定し、
   この複数回の噴射時期の中の少なくとも後期の一部の噴射時期を、プランジャポンプの圧縮・吐出行程期間内に設定する、
   内燃機関の始動時燃料噴射制御装置。

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