JP3525990B2 - 内燃機関の燃料制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は筒内噴射型内燃機関
に対する燃料噴射モードの制御に際して、特にエンリッ
チモードにおける燃焼室温度の高温化を防ぐようにした
内燃機関の燃料制御装置に関する。 【０００２】 【関連する背景技術】内燃機関の燃焼室に燃料を直接噴
射する筒内噴射型内燃機関は、超希薄燃焼を実現して高
出力化と燃費の低減を両立させ、しかもＣＯ₂等の排ガ
ス排出量を低減し得る等の優れた特徴を有している。こ
の種の筒内噴射型内燃機関は、基本的には圧縮行程で燃
料噴射を行う圧縮行程噴射モードと、吸気行程で燃料噴
射を行う吸気行程噴射モードとを備え、運転状態に応じ
て上記燃料噴射モードを切り換えることで安定した希薄
燃焼を実現している。 【０００３】尚、高出力が必要な場合には、前記吸気行
程噴射モードにおいて、空燃比をリーン化した吸気リー
ンモードに代えてストイキオ・フィードバック制御モー
ドを設定することで、更には空燃比を濃厚化してオープ
ンループ制御により燃料噴射するエンリッチモードを設
定することが行われる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところで上述した圧縮
行程噴射モードと吸気行程噴射モードとによる希薄燃焼
を実現する筒内噴射型内燃機関においては、その燃焼室
内に燃料を直接噴射するべく、その燃焼室に燃料噴射弁
（インジェクタ）が直接設けられており、従来のポート
噴射型内燃機関とはその構造を異にしている。 【０００５】一方、内燃機関においてはその運転に伴っ
て微量ながら燃料のデポジット（残りかす）が生じるこ
とが否めず、例えば長期に亘る運転に伴って燃焼室内に
燃料のデポジットが徐々に堆積することがある。この
為、燃料噴射弁を燃焼室に直接設けた構造の上記筒内噴
射型内燃機関においては、デポジットによって燃料噴射
弁が汚損されることが懸念される。 【０００６】ちなみに燃料噴射弁がデポジットによって
汚損されると燃料噴射弁の機能が低下し、燃焼室に供給
される混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）が制御目標とする空燃
比よりもリーンとなることが予想される。特にオープン
ループ制御により空燃比を濃厚化して燃料噴射するエン
リッチモードにおいて、燃焼室内における実空燃比がそ
の制御目標値よりもリーン化すると、燃焼室の温度が高
温化し、更には排ガス温度までが上昇する虞がある。こ
のような燃焼室の不本意な温度上昇や排ガス温度上昇が
生じると、内燃機関本体のみならず、排ガス浄化装置等
の排気系部品までに悪影響が及ぶことが懸念される。 【０００７】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、筒内噴射型内燃機関の、特にエ
ンリッチモードによる運転時における不本意な燃焼室の
高温化と排ガスの高温化を効果的に防ぐことのできる内
燃機関の燃料制御装置を提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る内燃機関の燃料制御装置は、筒内噴射
型内燃機関に対して、圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮行
程噴射モードと、吸気行程で空燃比を濃厚化して燃料噴
射を行うエンリッチモードとを含む複数の燃料噴射モー
ドを備え、その燃料噴射モードを運転状態に応じて選択
設定する燃料制御手段を備えたものであって、特に前記
エンリッチモードの継続期間が所定の設定時間を超えた
とき該エンリッチモードにおける濃厚化された目標空燃
比を、該エンリッチモードの継続時間に応じて徐々に濃
厚化補正する補正手段を具備したことを特徴としてい
る。 【０００９】つまり本発明は、運転状態に応じてオープ
ンループ制御の下で、吸気行程で空燃比を濃厚化して燃
料噴射を行うエンリッチモードが所定の時間を超えて継
続するとき、その濃厚化された目標空燃比を更に、該エ
ンリッチモードの継続時間に応じて徐々に所定量だけ濃
厚化補正することで、仮に燃料のデポジットの燃料噴射
弁への付着が生じている場合であっても、これに起因す
る燃焼室での空燃比のリーン化を補い、燃焼室の高温化
と排ガスの高温化を防ぐようにしたことを特徴としてい
る。 【００１０】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態に係る内燃機関の燃料制御装置について説明す
る。図１は筒内噴射内燃機関の全体的なシステム構成図
である。図１において１は自動車用の筒内噴射型ガソリ
ンエンジン（以下、エンジンと略記す）であり、２はそ
の燃料供給系、３は吸気系、４は排気系であって、５は
ＥＧＲ（排気ガス再循環）系である。また６は筒内噴射
内燃機関の全体の制御を司る電子制御ユニット（ＥＣ
Ｕ）である。 【００１１】エンジン１の構成について簡単に説明する
と、そのシリンダヘッドには点火プラグ１１と共に電磁
式の燃料噴射弁１２が取り付けられており、該燃料噴射
弁１２によって燃焼室内に燃料が直接噴射されるように
なっている。またシリンダに上下摺動自在に保持された
ピストンの頂面には、その圧縮行程の後期に前記燃料噴
射弁１２から噴射された燃料噴霧が到達する部位に位置
して、例えば半球状のキャビティが形成されている。 【００１２】また前記シリンダヘッドには吸気側および
排気側の両カムシャフトの間を抜けるようにして略直立
方向に吸気ポート１３が形成されている。この吸気ポー
ト１３から燃焼室に導入される吸気流は、該燃焼室内で
の希薄燃料の確実な燃焼を促すための逆タンブル流を発
生させる。また排気ポート１４は吸気ポート噴射型エン
ジンと同様に略水平方向に形成されているが、この排気
ポート１４の斜め下方には大径のＥＧＲポート１５が分
岐して設けられている。尚、図中１６はエンジン冷却水
温Ｔwを検出する水温センサであり、１７はクランク角
信号ＳＧＴを出力するベーン型のクランク角センサであ
る。 【００１３】一方、吸気ポート１３に接続される吸気系
３は、サージタンク３１を有する吸気マニホールドに接
続されたスロットルボディ３２やステップモータ式の第
１のエアバイパスバルブ（＃１ＡＢＶ）３３等を備えて
いる。この吸気系３には、上記スロットルボディ３２を
迂回して前記吸気マニホールドに吸入気を導入する大径
のエアバイパスパイプ３４が設けられており、その管路
にはリニアソレノイド式で大型の第２のエアバイパスバ
ルブ（＃２ＡＢＶ）３５が設けられている。上記エアバ
イパスパイプ３４は、第２のエアバイパスバルブ３５の
全開時に、エンジン１の低中速域で要求される量の吸入
気を適宜流通させる役割を担うものである。 【００１４】尚、前記スロットルボディ３２には、その
流路を開閉するバタフライ式のスロットルバルブ３６
や、該スロットルバルブ３６の開度θTHを検出するスロ
ットルセンサ、更にはスロットルバルブ３６の全閉状態
を検出するアイドルスイッチが設けられる。またこの吸
気系３からの吸入空気量Ｑａは、例えばその吸気路に設
けたカルマン渦式エアフローセンサにて検出される。 【００１５】また前記排気ポート１４には、Ｏ₂センサ
が取付けられた排気マニホールドを介して、三元触媒４
１や図示しないマフラー等が接続されて排気系４が構成
されている。更に前記ＥＧＲポート１５には、大径のＥ
ＧＲパイプが接続され、更にステップモータ式のＥＧＲ
バルブ５１を介して前記吸気マニホールドの上流に接続
されて前記ＥＧＲ系５が構成されている。 【００１６】一方、燃料供給系２は、燃料タンク２１に
貯留された燃料を電動式の低圧燃料ポンプ２２により吸
い上げて、低圧フィードパイプ２３を介してエンジン１
側に送給する低圧フィード系と、この燃料を高圧燃料ポ
ンプ２４にて汲み上げ、その燃圧を高めて高圧フィード
パイプ２５，更にはデリバリパイプを介して前記燃料噴
射弁１２に送給する高圧フィード系とにより構成され
る。尚、低圧フィードパイプ２３内における供給燃料の
圧力（燃圧）は、第１の燃圧レギュレータ２４により比
較的低圧（低燃圧）に保たれ、またデリバリパイプ内に
おける燃圧は、第２の燃圧レギュレータ２６によって比
較的高圧（高燃圧）に調圧される。 【００１７】ところでエンジン１の総合的な制御を司る
電子制御ユニット（ＥＣＵ）６は、図示しない入出力装
置，制御プログラムや制御マップ等を記憶した記憶装置
（ＲＯＭ,ＲＡＭ等），中央処理装置（ＣＰＵ），タイ
マカウンタ等を備えて構成される。そしてＥＣＵ６は前
述した各種のセンサ類からの検出情報を入力し、燃料噴
射モードや燃料噴射量を始めとして、点火時期やＥＧＲ
ガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁１２や点火コイル
１１，ＥＧＲバルブ５１等をそれぞれ駆動制御する。ま
たこのＥＣＵ６には、図示しない多数のスイッチやその
他のセンサ類が接続されると共に、各種警告灯や機器類
等が接続される。 【００１８】上述した如く構成される筒内噴射内燃機関
（エンジン）における基本的なエンジン制御について簡
単に説明すると、その始動時にはエンジン１が冷機状態
にあって燃料の気化率が低く、しかも燃圧も低いので、
先ずＥＣＵ６の制御の下で比較的リッチな空燃比となる
ように燃料の噴射制御が行われる。この始動時には第２
のエアバイパスバルブ３５が閉鎖しているので、燃焼室
への吸入気はスロットルバルブ２６の隙間や第１のエア
バイパスバルブ３３を介して供給される。 【００１９】始動が完了してエンジン１がアイドル運転
を開始すると、高圧燃料ポンプ２４が定格の吐出作動を
始めるので、これを受けて燃料噴射弁１２に高圧の燃料
を供給する。そしてエンジン冷却水温Ｔwが所定値に上
昇するまで、その始動時と同様に燃料を噴射してリッチ
な空燃比を確保する。その後、所定の燃焼サイクルが経
過してＯ₂センサが活性化された場合、前記ＥＣＵ６の
制御の下で前記Ｏ₂センサの出力に応じた空燃比フィー
ドバック制御を開始し、有害排出ガス成分を三元触媒４
１により浄化させる。つまり冷機時においては吸気ポー
ト噴射型エンジンの場合と略同様の燃料噴射制御が行わ
れる。 【００２０】さて上述したエンジン１の暖機が終了する
と、ＥＣＵ６は吸入空気量Ｑａ、またはアクセル開度θ
TH等から得た目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎe
とに基づき、例えば図２に示す燃料噴射制御マップを参
照して現在の燃料噴射制御領域を検索する。そして該マ
ップによって示される燃料噴射モード、および燃料噴射
量と燃料噴射時期とをそれぞれ決定して燃料噴射弁１２
を駆動する。更にはこれに関連して第１および第２のエ
アバイパスバルブ３３,３５やＥＧＲバルブ５１の開閉
制御等を行う。尚、当然のことであるが、燃料噴射量は
燃料噴射弁１２の開弁時間幅によって決定される。 【００２１】上記燃料噴射モードについて説明すると、
アイドル運転時や低速走行時等の低負荷域においては、
図２の燃料噴射制御マップに示されるように圧縮リーン
域となるため、ＥＣＵ６は圧縮行程噴射モードを選択す
る。この圧縮行程噴射モード時には第２のエアバイパス
バルブ３５を開放し、リーンな平均空燃比（例えば３０
〜４０程度）となるように燃料を噴射する。するとこの
時点における燃料の気化率が上昇しており、その燃料噴
霧はピストンに衝突し、キャビティの湾曲面に沿って点
火プラグ１１の周辺に導かれる。この結果、その点火時
点に点火プラグ１１の周囲には理論空燃比近傍の混合気
が層状に形成されることになり、全体としてリーンな空
燃比であっても確実な着火が可能となる。つまり希薄燃
焼が実現される。尚、この制御領域においてはＥＧＲバ
ルブ５１を開放し、燃焼室内に大量（例えば３０％以
上）のＥＧＲガスを導入することによりＮＯxの大幅な
低減が図られる。 【００２２】これに対して定速走行時等の中負荷域で
は、その負荷状態やエンジン回転速度Ｎeに応じて図２
のマップに示す吸気リーン域、或いはストイキオフィー
ドバック域となる。従ってこの場合には、ＥＣＵ６の制
御の下で吸気行程噴射モードを選択し、所定の空燃比と
なるように燃料を噴射する。即ち、吸気行程噴射モード
の吸気リーン域にあっては、比較的リーンな空燃比（例
えば２０〜２３程度）となるように第１および第２のエ
アバイパスバルブ３３,３５の開弁量と燃料噴射量とを
制御する。またストイキオフィードバック域では、第２
のエアバイパスバルブ３５とＥＧＲバルブ５１とを開閉
制御して、Ｏ₂センサによる検出結果に応じて空燃比の
フィードバック制御を行う。 【００２３】この場合、吸気ポート１３から流入した吸
気流が形成する逆タンブル流によって点火プラグ１１の
近傍に混合気が運ばれるので、リーンな空燃比でも着火
が可能となる。またストイキオフィードバック域では、
その有害排出ガス成分を三元触媒４１により浄化すると
共に、ＥＧＲバルブ５１を制御しして燃焼室内に適量の
ＥＧＲガスを導入することにより、有害排出ガスとして
発生するＮＯx等の低減が図られる。 【００２４】一方、急加速時や高速走行時等の高負荷域
にあっては、図２に示すオープンループ制御域となる。
この場合、ＥＣＵ６はエンリッチモードを選択して第２
のエアバイパスバルブ３５を閉鎖し、アクセル開度θTH
やエンジン回転速度Ｎe等に応じて比較的リッチな空燃
比となるように燃料を噴射する。尚、中高速走行中の惰
行運転時は図２に示す燃料カット域となる為、ＥＣＵ６
では燃焼室への燃料噴射を停止する。この燃料カットは
エンジン回転速度Ｎeが復帰回転速度より低下した場合
や、アクセルペダルが踏み込まれた際、即座に中止され
る。 【００２５】さて本発明に係る燃料制御装置が特徴とす
るところは、上述したように筒内噴射型内燃機関に対す
る燃料噴射モードを、その運転状態に応じて選択制御す
る燃料制御装置において、図３にその概念を示すように
前記ＥＣＵ６が持つ機能の１つとして実現される燃料制
御部６１が、噴射モード制御機能６２，空燃比（Ａ／
Ｆ）制御機能６３のみならず、空燃比（Ａ／Ｆ）補正機
能６４を備えている点にある。 【００２６】即ち、噴射モード制御機能６２は、例えば
エンジン１の回転数Ｎeと、前記スロットルセンサによ
って検出されるアクセル開度θTHとに従ってエンジン１
に対する前述した複数の燃料噴射モードを選択的に設定
するものである。またＡ／Ｆ制御機能６３は、特に前記
噴射モード制御機能６２によってエンリッチモードが設
定されているとき、目標Ａ／Ｆマップ６５を参照してそ
のときのエンジン回転数Ｎeおよびアクセル開度θTHに
応じた空燃比を求める。そしてこのマップから求められ
た空燃比を目標値としてエンジン１に対するオープン・
ループ制御を実行するものである。尚、このときの目標
空燃比は、前述したエンジン回転数Ｎeおよびアクセル
開度θTHに応じて、理論空燃比よりも濃厚（リッチ目）
に設定される。 【００２７】またＡ／Ｆ補正機能６４は、基本的には上
記エンリッチモードの継続期間を監視し、その継続期間
が所定の設定時間、例えば１分を越えるとき、上記オー
プン・ループ制御する目標空燃比を、上記エンリッチモ
ードの継続時間に応じて徐々に可変して所定の割合だけ
濃厚化補正する役割を担っている。具体的には前記目標
Ａ／Ｆマップ６５から求められる空燃比を、例えば１０
％程度まで高くすることで、その空燃比の濃厚化を図る
ものとなっている。そしてこの空燃比のリッチ化補正に
より、燃焼室内に生じたデポジットの燃料噴射弁１２の
付着に起因する、オープン・ループ制御時における実質
的な空燃比のリーン化を補うものとなっている。 【００２８】図４はこの実施形態装置における燃料噴射
制御の概略的な流れを示している。この図４に示す処理
手順に従って本発明に係る特徴的な燃料制御について説
明すると、この処理は、先ずエンジン回転数Ｎeおよび
アクセル・ポジショニング・センサ（ＡＰＳ）の出力か
らそのアクセル開度θTHを検出することから開始される
［ステップＳ１］。そしてこれらの検出情報に従って、
例えば前述した図２に示したマップに従い、そのときの
運転状態に応じた燃料噴射モードを選択設定する［ステ
ップＳ２］。尚、アクセル開度θTHを、エンジン回転数
Ｎeおよびスロットルセンサの出力から算出するように
しても良い。 【００２９】この判定によって圧縮行程噴射モードが選
択された場合には、圧縮リーン制御を実行し［ステップ
Ｓ３］、また中負荷状態での吸気行程噴射モードが設定
された場合には吸気リーン制御やストイキオ・フィード
バック制御を実行する［ステップＳ４,Ｓ５］。尚、こ
れらの燃料噴射モードが設定された場合には、後述する
タイマをリセット処理しながら［ステップＳ６］、前述
したステップＳ１からの処理手順を繰り返し実行する。 【００３０】ところで前述したステップＳ２に示す判定
処理において、急加速や高速走行等の高負荷状態が検出
された場合には、エンリッチモードに移行する。このエ
ンリッチモードは前述したようにオープン・ループ制御
によって実行されるもので、先ずその制御モードを設定
することから開始される［ステップＳ１１］。そして前
述したＡ／Ｆ補正機能６４の下で、先ずタイマによって
計測されるエンリッチモードの継続時間Ｔを、所定の設
定時間Ｔoと比較する［ステップＳ１２］。このタイマ
とは、前記ステップＳ６によってリセット処理されるタ
イマである。 【００３１】しかしてエンリッチモードの継続時間Ｔが
設定時間Ｔoに満たない場合には、前述した目標Ａ／Ｆ
マップ６５を参照して前記エンジン回転数Ｎeおよびア
クセル開度θTHに応じた空燃比を求め、この空燃比を目
標値としてオープン・ループ制御を実行する［ステップ
Ｓ１３］。その後、前記タイマをカウントアップするこ
とでエンリッチモードの実行継続時間Ｔを求め［ステッ
プＳ１４］、前述したステップＳ１からの処理手続に戻
る。 【００３２】さて上述したようにしてエンリッチモード
が継続して実行されると、その間にステップＳ６に示さ
れるタイマのリセット処理が実行されることがないの
で、タイマによるカウント値はその継続時間に伴って増
大する。従って、エンリッチモードの状態が継続する
と、上記タイマのカウント値から所定の設定時間Ｔo以
上の経過が判定される［ステップＳ１２］。しかしてこ
の場合には、前述したステップＳ１３の処理に代えて、
オープン・ループ制御における目標空燃比を、更に増大
化する補正が行われる［ステップＳ１５］。つまり目標
Ａ／Ｆマップ６５から求められる空燃比を、例えば１０
％程度増大させるリッチ化補正が行われる。そしてこの
場合にも、前述したタイマをカウントアップしながら
［ステップＳ１４］、前述したステップＳ１からの処理
手順が繰り返し実行される。 【００３３】かくしてこのような制御手順によれば、エ
ンリッチモードが長期間に亘って継続的に実行されるよ
うな場合、そのオープン・ループ制御の目標値である空
燃比がリッチ化されることになる。従って、仮に燃料の
デポジットが燃料噴射弁１２に付着し、その結果、燃焼
室内の混合気の空燃比が制御目標よりも実質的に低くな
るような場合が生じても、空燃比のリッチ化補正によっ
てそのリーン化を防止することができる。またデポジッ
トの付着がない場合であって、多少リッチ化した空燃比
の下でのオープン・ループ制御により、エンリッチモー
ドでの運転を安定に行うことができる。 【００３４】これ故、オープン・ループ制御によって実
行されるエンリッチモードにおいてその空燃比がリーン
化し、これに起因して燃焼室が不本意に高温化したり、
更にはその排ガスの温度が不本意に上昇する等の不具合
を未然に防ぐことが可能となる。そして燃焼室の不本意
な高温化に起因するエンジン本体への悪影響や、三元触
媒４１等の排気系３の各種部品に対する悪影響を効果的
に防止することが可能となる。即ち、エンリッチモード
が長期に亘って継続する場合における燃焼室の高温化や
排気ガスの高温化を、空燃比にリッチ化補正により簡易
にして効果的に回避することが可能となる。 【００３５】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば空燃比の濃厚化補正量を、エン
ジン１の運転累積時間に応じた燃料デポジットの堆積量
を見込んで可変設定することも可能である。更には始動
直後や車速センサの故障時等においては、前述したエン
リッチモードにおける空燃比のリッチ化補正を禁止する
ようにしても良い。この場合には、前述したタイマをリ
セットするようにすれば良い。その他、本発明はその要
旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができ
る。 【００３６】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、筒
内噴射型内燃機関においてエンリッチモードの経過時間
が長いような場合、該エンリッチモードで実行されるオ
ープン・ループ制御の目標値をエンリッチモードの継続
時間に応じて徐々にリッチ化補正するので、仮に燃料噴
射弁に燃料のデポジットが堆積した場合であっても、燃
焼室の不本意な高温化を防止し、また排ガス温度の上昇
を抑えてエンジン本体や排気系部品に対する悪影響の、
簡易にして効果的に防止することができる等の実用上多
大なる効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】 【図１】筒内噴射型内燃機関の全体的なシステム構成
図。 【図２】筒内噴射型内燃機関における複数燃料噴射モー
ドの制御域の例を示す図。 【図３】本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料制御
装置の概略的な機能構成図。 【図４】本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御モード
の流れを示す図。 【符号の説明】 １ 筒内噴射型ガソリンエンジン ２ 燃料供給系 ３ 吸気系 ４ 排気系 ５ ＥＧＲ系 ６ 電子制御ユニット（ＥＣＵ） ６１ 燃料制御部 ６２ 噴射モード制御機能 ６３ 空燃比（Ａ／Ｆ）制御機能 ６４ 空燃比（Ａ／Ｆ）補正機能 ６５ 目標Ａ／Ｆマップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−291442（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−96234（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 41/00 - 41/40

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮行程噴射
   モードと、吸気行程で空燃比を濃厚化して燃料噴射を行
   うエンリッチモードとを含む複数の燃料噴射モードを備
   え、運転状態に応じて筒内噴射型内燃機関に対する燃料
   噴射モードを選択設定する燃料制御手段を備えた内燃機
   関の燃料制御装置において、 前記エンリッチモードの継続期間が所定の設定時間を超
   えたとき該エンリッチモードにおける目標空燃比を、該
   エンリッチモードの継続時間に応じて徐々に濃厚化補正
   する補正手段を具備したことを特徴とする内燃機関の燃
   料制御装置。