JP3827886B2 - 筒内噴射型内燃機関の噴射制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として自動車に搭載される内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関における噴射制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種筒内噴射型内燃機関では、出力が必要な場合には吸気行程において燃料をシリンダ内に直接噴射（吸気行程噴射）するとともに、低回転低負荷の運転状態では圧縮行程において燃料を噴射（圧縮行程噴射）するように、燃料噴射時期を制御している。通常、吸気行程噴射は、吸入空気と燃料とが均一に混合し、ストイキな空燃比での燃焼（均一燃焼）となる。また、圧縮行程噴射は、燃料の多い混合気が点火プラグの周囲に偏在し、その周りを燃料が少ない混合気が取り囲むように分布して、非常に希薄な空燃比での燃焼（層状燃焼）となる。
【０００３】
通常、このような燃料噴射制御を行うこの種の内燃機関においては、連続的に燃料を噴射している状態では、燃焼によりピストン頂面は加熱されており、そのピストン頂面の温度により圧縮行程噴射において燃料の霧化が促進されるものである。すなわち、ピストン頂面の温度が高い場合、燃料の沸点と噴射時のシリンダ内圧力とを考慮すると、燃料を噴射すると燃料がピストンに衝突し、ピストン頂面からの熱により燃料が核沸騰をすることなく膜沸騰して、滴状になってピストン頂面上に頂面の温度に応じて所定の時間（滴の寿命）だけ付着することなく存在する（図５）。この結果、霧化が促進されて燃焼効率が向上し、ピストン頂面への煤等の付着が抑制される。
【０００４】
一方、この種の内燃機関にあって、減速等で燃料の噴射を一時停止するいわゆる燃料カットを実行した後の燃料カットから復帰した際にスロットルバルブが全閉になっていれば、圧縮行程噴射ではなく吸入行程噴射を行い、エンジン回転数のアンダーシュートを防止するようにしたものが知られている（例えば、特開平１０−２９９５４０号公報）。すなわち、この公報のものでは、車速に応じて燃料カット復帰後の噴射制御を変更するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、燃料カットを実行した場合、その後に燃料カット復帰状態になると、圧縮行程噴射を実行すると、燃料カット実行中は燃焼がないためにピストン頂面の温度が燃料カットを実行する前に比較して低下することがあり、噴射された燃料が膜沸騰しにくくなる。つまり、ピストン頂面の温度が低下した場合、噴射された燃料は、ピストンからの受熱量が低減することにより、核沸騰する状態になり、膜沸騰の場合のように小径の滴状となりにくく、ピストンの頂面上に膜状になって付着することとなる。この結果、燃料カット後の燃焼において、燃料がピストン頂面上で燃焼する状態になり、ピストン頂面に煤等が付着することがあった。このようにピストン頂面に煤等が付着すると、それ以降の燃焼において燃料がピストンにより十分に加熱されないために、燃焼異常を生じることがあった。
【０００６】
このような現象は、燃料カット復帰後の車速に応じて変わるものではなく、燃料カットを実行中の状態によりピストン頂面の温度が変化するために生じるもので、上記公報のように、燃料カット復帰後において、車速に応じて一義的に吸気行程噴射を実行する必要はない。つまり、燃料カットにより、ピストン頂面の温度が低下する可能性がある場合に、その燃料カットから復帰する際に吸気行程噴射とすればよく、燃料カットによるピストン頂面の温度低下が少ないと思われる燃料カット復帰後にあっては、吸気行程噴射を実行すると、圧縮行程噴射に比較してエミッションが低下することとなるとともに、燃料消費量が増加した。
【０００７】
本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。すなわち、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の噴射制御方法は、運転状態に応じて燃料の噴射を一時停止した状態が所定条件を満たす場合に、燃料の噴射を再開するにあたって吸気行程において噴射を行い、その後に圧縮行程において燃料を噴射するようにする構成である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、内燃機関の燃焼室内に、運転状態に応じて圧縮行程と吸気行程とのいずれかにおいて燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関において、運転状態に応じて燃料の噴射を一時停止したことを検出し、検出した燃料の噴射を一時停止した期間があらかじめ設定した判定期間より長い場合は燃料の噴射を一時停止した後の燃料の噴射を吸気行程において行い、その吸気行程における燃料の噴射を所定時間実行した後に圧縮行程における燃料の噴射に移行するものであって、燃料カット前の運転状態が高負荷である場合とそうでない場合とで前記判定期間を異ならせていることを特徴とする筒内噴射型内燃機関の噴射制御方法である。
【００１０】
このような構成のものであれば、燃料の噴射を一時停止した期間が、あらかじめ設定した判定期間より長い場合に、その一時停止から燃料の噴射を再開するにあたって、吸気行程において燃料を噴射するので、内燃機関のピストンの頂面の温度が低下していても、噴射した燃料が膜沸騰することなく付着することがない。このため、ピストンの頂面に付着した燃料により、その後の燃焼が異常になることを防止することが可能になる。また、煤等の付着により、ピストンの頂面の温度が異常に上昇することを防止することが可能になる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を、図面を参照して説明する。
図１は、エンジン１００の要部を拡大して示す断面図である。説明の都合上、ピストンリング、コネクティングロッド等については、図示を省略している。このエンジン１００は、水冷式のもので、吸気ポート１には２つの吸気弁、及び排気ポート２には排気弁（図示しない）を装備するシリンダヘッド３とシリンダブロック４とでエンジン本体部分が構成されている。このエンジン本体部分には、冷却水が流通するウォータジャケット５が設けてあり、エンジン１００の温度である冷却水の温度を水温センサ１３により検出する構成である。シリンダヘッド３における燃焼室６の上壁に対応する位置には、その略中央にスパークプラグ７が着脱可能に取り付けられているとともに、一対の吸気弁間において燃焼室６内に燃料を直接噴射し得るように、燃料噴射弁８が取り付けられている。この燃料噴射弁８は、シリンダブロック４のシリンダ４ａ内を往復動可能に挿入されるピストン９が上死点近傍に移動した位置で、ピストン９の頂面に形成される凹部９ａに向かって燃料を噴射するように角度が設定してある。これに対応して、ピストン９の凹部９ａは、噴射された燃料がスパークプラグ７に向かって流動するように、ピストン９上面の略中央部分で競り上がるように湾曲する曲面形状に形成してある。なお、このエンジン１００の排気系統には、図示しないが、三元触媒が取り付けてある。
【００１２】
このエンジン１００における燃料噴射は、図２に概略構成を示す電子制御装置１０により制御される。電子制御装置１０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）１０ａと記憶装置１０ｂと入、出力インターフェース１０ｃ，１０ｄとを具備してなるマイクロコンピュータシステムから構成されている。
入力インターフェース１０ｂには、スロットルセンサ１１、Ｏ₂センサ１２、水温センサ１３、回転角１４センサ及び車速センサ１５が接続されている。水温センサ１３は、エンジン１００の冷却水温に応じて水温信号を出力するもので、例えばサーミスタが好ましい。回転角センサ１４は、エンジン回転数を検出するための回転数信号とクランク角度を検出するための気筒判別信号及びクランク角度基準信号とを出力する。この回転角センサ１４は、図示しないクランク軸に機械的に直結されるものが、精度の高い信号を出力するので好適である。車速センサ１５は、車速を検出するための車速信号を出力する。
【００１３】
一方、出力インターフェース１０ｃには、各気筒毎の燃料噴射弁８、気筒別点火信号を出力するイグナイタ１６等が接続されている。イグナイタ１６は、電子制御装置１０から出力される信号に基づいて、閉角度制御、定電流制御等を行い、二次側にスパークプラグ７が電気的に接続された各イグニッションコイルに、点火順序に合わせて気筒別点火信号を出力する。
【００１４】
このような構成において、燃料の噴射は、次のようにして制御される。なお、噴射する燃料量については、この分野でよく知られた種々の計算方法により算出すればよく、また、加速時等の出力を要求する運転状態では吸入行程噴射を行い、アイドル運転状態や定常走行時等には圧縮行程噴射を実行することについては、この分野で知られているものを広く適用することができるので、説明を省略する。これに加えて、燃料の一時停止すなわち燃料カットを実行した場合には、運転状態に応じて燃料カットをしたことを検出し、検出した燃料カットした期間があらかじめ設定した判定期間より長い場合は燃料カットした後の燃料の噴射を吸気行程において行い、その吸気行程における燃料の噴射を所定時間実行した後に圧縮行程における燃料の噴射に移行するように、燃料の噴射を制御するものである。さらに、燃料カット前の運転状態が高負荷である場合とそうでない場合とで前記判定期間を異ならせている。
【００１５】
電子制御装置１０の記憶装置１０ｂに格納してある燃料噴射制御プログラムの概要は、図３に示すようなものである。この燃料噴射制御プログラムを実行するにあたって、中央演算処理装置１０ａは、燃料カットが実行されている期間を計時するためのタイマとして機能するものである。この燃料噴射制御プログラムは、メインとなる燃料噴射制御プログラムを実行している間に、所定周期で繰り返し実行されるものである。
【００１６】
まず、ステップＳ１では、燃料カットからの復帰か否かを判定する。燃料カットは、スロットルバルブが全閉になって減速する場合等に実施するものである。ステップＳ２では、燃料カット前の運転状態が高負荷か否かを判定する。この判定は、例えば、噴射毎の燃料量ＱＦＮを積算し、その積算量ＱＦＮＴＯＴＡＬが所定量ＱＦＮＬＯＡＤを上回っているか否かで、燃料カット前の運転状態を判定するものである。
ＱＦＮＴＯＴＡＬ＞ＱＦＮＬＯＡＤ （１）
【００１７】
積算量ＱＦＮＴＯＴＡＬは、設定した一定時間内の燃料量ＱＦＮを積算したものであってよい。そして、積算量ＱＦＮＴＯＴＡＬが所定量ＱＦＮＬＯＡＤを上回る場合すなわち上記式（１）が成立する場合は、燃料カット前の運転状態が高負荷であると判定する。
【００１８】
ステップＳ３では、燃料カットを実行していた期間すなわち燃料カット実行時間ＦＣＴＩＭＥが、あらかじめ設定された判定条件Ａより短いか否かを判定する。この判定条件Ａは、燃料カット実行時間ＦＣＴＩＭＥがＡ判定時間ＦＣＳＴＲＴＩＭＥａを下回るか否かで設定してある。
ＦＣＴＩＭＥ＜ＦＣＳＴＲＴＩＭＥａ （２）
【００１９】
Ａ判定時間ＦＣＳＴＲＴＩＭＥａは、負荷とエンジン回転数とに基づく関数あるいはマップにより設定される。したがって、後述する条件Ｂとは値が異なるものである。上記式（２）が成立する場合は、燃料カット期間が短いために、ピストン９の凹部９ａの温度は、燃料が膜沸騰するのに十分なものである。
【００２０】
ステップＳ４では、燃料カット実行時間ＦＣＴＩＭＥがあらかじめ設定された判定条件Ｂより短いか否かを判定する。
ＦＣＴＩＭＥ＜ＦＣＳＴＲＴＩＭＥｂ （３）
この判定条件Ｂは、上記した判定条件Ａと同様のものであるが、この判定におけるＢ判定時間ＦＣＳＴＲＴＩＭＥｂについても負荷とエンジン回転数とに基づく関数あるいはマップにより設定されるので、Ａ判定時間ＦＣＳＴＲＴＩＭＥａとは異なる値となる。そして、この式（３）が成立する場合にあっても、燃料カット期間が短いために、ピストン９の凹部９ａの温度は、燃料が膜沸騰するのに十分なものとなっている。
【００２１】
ステップＳ５では、燃料カット前の運転状態が高負荷であり、かつ燃料カット期間が判定条件Ｂより短いので、層状燃焼モードで復帰するために圧縮行程噴射を実行する。ステップＳ６では、燃料カット前の運転状態が低負荷であり、かつ燃料カット期間が判定条件Ａ及び判定条件Ｂのいずれかより長いので、均一燃焼モードで復帰するために吸入行程噴射を実行する。ステップＳ７では、燃料カット前の運転状態が低負荷であり、かつ燃料カット期間が判定条件Ａより短いので、層状燃焼モードで復帰するために圧縮行程噴射を実行する。なお、ステップＳ６を所定時間実行した後は、通常の圧縮行程噴射に移行するものである。
【００２２】
このような構成において、燃料カットからの復帰ではない場合すなわち燃料カットが検出されない場合は、このプログラムを終了して、メインの燃料噴射制御プログラムに移行する。
減速により燃料カットを実施し、例えば加速することによりその燃料カットから復帰した場合は、ステップＳ１→Ｓ２と進み、燃料カット前の運転状態が高負荷状態であったか否かを判定する。すなわち、積算量ＱＦＮＴＯＴＡＬが所定量ＱＦＮＬＯＡＤを上回っている高負荷運転状態であった場合は、ステップＳ４に進み、燃料カットを実行していた期間すなわち燃料カット実行時間ＦＣＴＩＭＥが条件Ｂの規定より短いか否かを判定する。判定の結果、条件Ｂの規定より短い場合つまり条件Ｂの規定を満たしている場合は、ステップＳ５に進み圧縮行程噴射を実行する。
【００２３】
つまり、燃料カットの期間が短い場合は、ピストン９の凹部９ａの温度低下が少ないため、圧縮行程噴射を実行しても燃料が膜沸騰するので、凹部９ａに燃料が付着することがない。したがって、燃料の付着にともなう次回の燃焼時に、異常燃焼が発生するのを防止することができる。したがって、ピストン９の凹部９ａの温度が異常に上昇することはなく、ピストン９が損傷することが防止できる。
【００２４】
次に、燃料カットからの復帰後であって、燃料カット前の運転状態が高負荷状態であり、かつ燃料カットを実行していた期間すなわち燃料カット実行時間ＦＣＴＩＭＥが条件Ａの規定より長い場合は、制御は、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ４→Ｓ６と進み、均一燃焼モードで復帰するために、吸気行程噴射を実行する。これは、燃料カットの期間が長いので、ピストン９の凹部９ａの温度が低下しているためである。これにより、吸気行程噴射を実行して、シリンダ４ａ内に噴射するので、ピストン９の凹部９ａへの燃料の付着あるいは堆積を防止することができる。したがって、燃料が付着しないので、この後の膨張行程において、凹部９ａ表面における燃料の燃焼がなく、燃焼異常が発生することを防止することができる。そして、燃焼異常を防止できることから、凹部９ａに付着した燃料が燃焼し、その結果凹部９ａに煤等が付着し、その煤等により凹部９ａの温度が異常に上昇してピストン９を損傷すると言った、二次的に発生する不具合を確実に防止することができる。
【００２５】
一方、燃料カットからの復帰後であって、燃料カット前の運転状態が高負荷状態でない場合は、制御は、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３と進む。ここで、燃料カットを実行していた期間すなわち燃料カット実行時間ＦＣＴＩＭＥが条件Ａの規定より長い場合は、制御は、ステップＳ６に進み、均一燃焼モードで復帰するために、吸気行程噴射を実行する。すなわち、燃料カット前には低、中負荷状態で運転されており、したがってピストン９の凹部９ａの温度が高負荷運転状態の場合に比べて低く、かつ燃料カットを実行していた期間が長いためにピストン９の凹部９ａの温度が低下しているので、凹部９ａに燃料を噴射すると膜沸騰しない状態となる。このような状態を燃料カット実行時間ＦＣＴＩＭＥにより判定し、吸気行程噴射するものである。
【００２６】
このように、ピストン９の凹部９ａの温度が低いことを検出した場合に吸気行程噴射を実行するので、凹部９ａへの燃料の付着を防止することができる。したがって、燃料の付着による次回燃焼時の異常燃焼を防止することができ、ピストン９の頂面の異常な温度上昇による損傷を防止することができる。しかも、吸気行程噴射を所定時間実行した後は、運転状態に応じて圧縮行程噴射を実行するので、燃料消費量を低減することができるとともに、エミッションの低下を防止することができる。
【００２７】
次に、燃料カットからの復帰後であって、燃料カット前の運転状態が高負荷状態でない場合で、かつ燃料カットを実行していた期間すなわち燃料カット実行時間ＦＣＴＩＭＥが条件Ａの規定より短い場合は、制御は、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ７と進み、層状燃焼モードで復帰するために、圧縮行程噴射を実行する。これは、燃料カット前の運転状態が高負荷運転状態である場合と同様に、燃料カットの期間が短いので、ピストン９の頂面の温度低下が少ないためである。したがって、圧縮行程噴射を実行しても、ピストン９の凹部９ａに燃料が付着することがなく、燃焼異常が発生することがない。
【００２８】
なお、本発明は以上に説明した実施例に限定されるものではない。
その他、各部の構成は図示例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、燃料の噴射を一時停止した期間が、あらかじめ設定した判定期間より長い場合に、その一時停止から燃料の噴射を再開するにあたって、吸気行程において燃料を噴射するので、内燃機関のピストンの頂面の温度が低下していても、噴射した燃料が膜沸騰することなく付着することを防止することができる。このため、ピストンの頂面に付着した燃料により、その後の燃焼が異常になることを防止することができる。また、燃料がピストンの頂面に付着して燃焼した場合に生じる煤等の付着により、ピストンの頂面の温度が異常に上昇することを防止することができ、ピストンが異常高温により損傷するのを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概略構成説明図。
【図２】同実施例の電子制御装置の概略構成説明図。
【図３】同実施例の制御手順を概略的に示すフローチャート。
【図４】同実施例の作用説明図。
【図５】燃料が膜沸騰する際の燃料滴とピストン頂面の温度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０…電子制御装置
１０ａ…中央演算処理装置
１０ｂ…記憶装置
１０ｃ…入力インターフェース
１０ｄ…出力インターフェース

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室内に、運転状態に応じて圧縮行程と吸気行程とのいずれかにおいて燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関において、運転状態に応じて燃料の噴射を一時停止したことを検出し、
   検出した燃料の噴射を一時停止した期間があらかじめ設定した判定期間より長い場合は燃料の噴射を一時停止した後の燃料の噴射を吸気行程において行い、
   その吸気行程における燃料の噴射を所定時間実行した後に圧縮行程における燃料の噴射に移行するものであって、
   燃料カット前の運転状態が高負荷である場合とそうでない場合とで前記判定期間を異ならせていることを特徴とする筒内噴射型内燃機関の噴射制御方法。

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