JP3844952B2 - エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃料噴射制御装置に関し、特に運転条件に応じて均質燃焼と成層燃焼とを行わせる場合の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所定の運転条件にて主に燃費向上を狙って希薄燃焼を行わせる吸気ポート燃料噴射式ガソリンエンジンにおいて、非希薄燃焼（理論空燃比近傍での燃焼）では、筒内の混合気が均一である均質燃焼であることが好ましい。例えば、局所的に混合気が濃いと酸素不足により燃料が未燃焼となり、また、局所的に混合気が薄いと酸素過剰により火炎が伝播できずに燃料が未燃焼となり、有害排気ガスのＨＣとして排出され、また、燃費の悪化を招くからである。
【０００３】
しかし、希薄燃焼では、均一に燃料が存在しているより、点火栓近傍の混合気を濃くして、成層燃焼を行わせる方が、希薄燃焼限界の平均混合気濃度を薄くでき、より燃費を向上できる。
これらの均質燃焼（非希薄燃焼）と成層燃焼（希薄燃焼）とを同一エンジン構成にて切換える方法としては、縦スワールを２つの吸気ポートより形成し、均質燃焼時には吸気ポート全域に燃料を噴射し、成層燃焼時には２つの吸気ポートの互いの内側に燃料を集中させて噴射する方法が知られている（例えば特開平６−５８１８３号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の方法においては、燃料噴射弁に噴射方向切換機構を必要とする構成となっていたため、燃料噴射弁が複雑、かつ高価になるという問題点があった。
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、比較的簡単な構成で、均質燃焼と成層燃焼とを好適に実現できるエンジンの燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１係る発明では、吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、運転条件に応じて均質燃焼と成層燃焼とを行わせるエンジンにおいて、均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時の燃料噴霧粒径より小さくすると共に、均質燃焼時には、吸気弁開時に燃料を噴射し、成層燃焼時には、吸気弁閉時に燃料を噴射することを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発明では、均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時の燃料噴霧粒径より小さくするため、均質燃焼時に燃料噴射弁へ供給する燃料圧力を成層燃焼時の燃料圧力より高くする燃料圧力切換手段を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に係る発明では、前記燃料圧力切換手段は、制御圧の異なる２つのプレッシャレギュレータを選択的に用いて燃料圧力を切換えるものであることを特徴とする。
請求項４に係る発明では、均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時の燃料噴霧粒径より小さくするため、燃料噴射弁に対し、燃料噴霧微粒化用の超音波振動子を設けて、均質燃焼時にのみ超音波振動子を作動させることを特徴とする。
【０００８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、均質燃焼時には、燃料噴霧粒径が小さいため、空気との混合が促進され、また、吸気通路内噴射において、吸気弁開時噴射のため、燃料噴射と同期して噴射燃料が燃焼室内に導入され、噴射燃料がまとまらずに、すぐさま吸入空気に乗って拡散し、燃焼室内全体に均一に分布するようになることから、非希薄燃焼に好ましい形態となる。
【０００９】
その一方、成層燃焼時には、燃料噴霧粒径が大きいため、燃焼室内での燃料の拡散を防ぎ、また、吸気通路内噴射において、吸気弁閉時噴射のため、噴射燃料は、吸気弁開と同時に、まとまって燃焼室内に導入されるようになることから、点火栓回りに濃い混合気を集中させることができ、希薄燃焼に好ましい形態となる。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、燃料圧力切換手段を用いて、均質燃焼時の燃料圧力を成層燃焼時の燃料圧力より高くすることで、均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時より小さくすることができる。
【００１１】
請求項３に係る発明によれば、燃料圧力の切換えのため、制御圧の異なる２つのプレッシャレギュレータを選択的に用いることで、燃料圧力の切換えを確実なものとすることができる。
請求項４に係る発明によれば、燃料噴射弁に対し超音波振動子を設けて、均質燃焼時にのみ超音波振動子を作動させることで、均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時より小さくすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳述する。
先ず本発明の第１実施形態について説明する。
図１は吸気ポート噴射式ガソリンエンジンの燃焼室周りの概略構成を示している。
【００１３】
このエンジンにおいて、吸入空気は吸気ポート１より吸気弁２が開くことにより吸入される。この吸入空気には、吸気ポート１に配置されている燃料噴射弁３より燃料を供給される。吸気弁２より吸入された空気、燃料、又は、混合気は、燃焼室４内に入り、ピストン５により圧縮され、点火栓６により着火されて、燃焼する。そして、排気弁７が開くことにより排気ガスが排気ポート８に排出される。燃料噴射弁３の燃料噴射は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）９により制御される。
【００１４】
図２は燃料噴射弁３への燃料供給系の概略構成を示している。
燃料タンク１１内の燃料Ｆは燃料ポンプ１２により圧送され、燃料配管１３を経て、燃料圧力切換手段としての機能を有する燃料圧力制御装置１４に至り、ここで調圧されて、燃料配管１５より各気筒の燃料噴射弁３に供給される。
本実施形態では、均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時の燃料噴霧粒径より小さくする燃料噴霧粒径可変手段として、燃料圧力切換手段を用いているのであり、燃料圧力切換手段としての機能を有する燃料圧力制御装置１４は、燃料配管１５内の燃料圧力が所定の制御圧となるように、余分な燃料を戻し配管１６を経て燃料タンク１１に戻すものであり、エンジン制御ユニット９からの指令に基づいて制御圧が低圧と高圧とに切換えられることで、燃料圧力が切換えられる。
【００１５】
より具体的には、燃料圧力制御装置１４として、制御圧の異なる２つのプレッシャレギュレータを備え、エンジン制御ユニット９からの指令に基づいて、いずれか一方が選択的に用いられることで、燃料圧力が切換えられる。
すなわち、図３に示すように、燃料ポンプ１２からの燃料配管１３と燃料噴射弁３への燃料配管１５との間に、高圧プレッシャレギュレータ２１と低圧プレッシャレギュレータ２２とを並列に設ける。
【００１６】
両プレッシャレギュレータ２１，２２は、燃料配管１５内の燃料圧力が所定の制御圧を超えると、該圧力が制御圧となるように、戻し配管１６側に余分な燃料を排出するものであり、高圧プレッシャレギュレータ２１の制御圧は低圧プレッシャレギュレータ２２の制御圧より高く設定されている。
そして、両プレッシャレギュレータ２１，２２の入口側合流部と出口側合流部とに、それぞれ、エンジン制御ユニット９からの指令に基づいて互いに同期して切換えられる切換弁２３，２４を設ける。
【００１７】
従って、エンジン制御ユニット９からの信号で切換弁２３，２４が高圧プレッシャレギュレータ２１側に切換えられると、燃料噴射弁３への供給燃料圧力が高圧に切換えられ、逆に切換弁２３，２４が低圧プレッシャレギュレータ２２側に切換えられると、燃料噴射弁３への供給燃料圧力が低圧に切換えられる。
図４はエンジン制御ユニット９にて実行される制御フローを示している。
【００１８】
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、エンジン運転条件として、各種センサにより、エンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度Ａcc、水温Ｔｗなどを読込む。
ステップ２では、エンジン運転条件に基づいて、成層燃焼（希薄燃焼）を行うか、均質燃焼（非希薄燃焼）を行うかを判別する。具体的には、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度Ａccとに基づいて、低回転低負荷領域にて成層燃焼、これ以外の領域にて均質燃焼とする。但し、低水温時は、上記にかかわらず、均質燃焼とする。
【００１９】
成層燃焼の場合は、ステップ３へ進み、切換弁２３，２４を低圧プレッシャレギュレータ２２側に切換えることにより、燃料圧力を低圧に切換える。これにより、燃料噴霧粒径を大きくする（図７参照）。
そして、ステップ４へ進み、成層燃焼用噴射時期、すなわち、吸気弁２の閉時に、燃料を噴射するようにする。吸気弁２の閉時の燃料噴射とは、吸気弁２の閉時に噴射された燃料がまとまって吸気弁２が開くと同時に燃焼室４内に導入されることを意味する。
【００２０】
均質燃焼の場合は、ステップ５へ進み、切換弁２３，２４を高圧プレッシャレギュレータ２１側に切換えることにより、燃料圧力を高圧に切換える。これにより、燃料噴霧粒径を小さくする（図７参照）。
そして、ステップ６へ進み、均質燃焼用噴射時期、すなわち、吸気弁２の開時に、燃料を噴射するようにする。吸気弁２の開時の燃料噴射とは、噴射燃料が噴射と同期して燃焼室４内に導入されることを意味する。
【００２１】
尚、成層燃焼時と均質燃焼時とでは、点火時期や、スロットル開度（電制スロットル弁を用いる場合）を、各燃焼形態において最適となるように、異ならせるが、フローチャート上では省略した。
次に作用を説明する。
成層燃焼時（希薄燃焼時）は、燃料圧力を低圧（通常圧力）として、吸気弁閉時に燃料噴射を行う。
【００２２】
すなわち、燃料噴射弁３により燃料を噴射する期間は、吸気弁２が閉じている間である。従って、図５（Ａ）に示す通り、燃料噴射が終了しても、吸気弁２が閉じている間は、吸気弁２の上面付近に燃料Ｆは溜まる。図５（Ｂ）に示す通り、エンジンが回転して吸気弁２が開くと、燃料Ｆはまとまって燃焼室４内に入る。図５（Ｃ）に示す通り、点火時期付近までエンジンが回転しても、まとまった燃料はまとまりながら点火栓６近傍に運ばれる。この結果、燃焼室４内の燃料Ｆの分布は不均一となり、濃い混合気を点火栓６近傍に集中させることができ、希薄燃焼に好ましい状態となる。
【００２３】
また、成層燃焼時には、燃料圧力を低圧（通常圧力）とすることで、図７に示す通り、燃料噴霧粒径が大きいため、燃焼室４内での燃料の拡散を防ぎ、これによっても点火栓６回りに濃い混合気を集中させることができる。
また、燃料圧力を低圧（通常圧力）とすることで、燃料ポンプ１２の消費電力の上昇（発電機の負荷の増加による燃費の悪化）を抑制でき、これは成層燃焼（希薄燃焼）により燃費を向上させる狙いに一致する。
【００２４】
均質燃焼時（非希薄燃焼時）は、燃料圧力を高圧（成層燃焼時より高圧）として、吸気弁開時に燃料噴射を行う。
すなわち、燃料噴射弁３により燃料を噴射する期間は、吸気弁２が開いている時である。従って、図６（Ａ）に示す通り、吸気弁２が閉じている時は、燃料は噴射されていない。図６（Ｂ）に示す通り、エンジンが回転して吸気弁２が開くと、燃料噴射が開始され、燃料Ｆは吸入空気に乗って徐々に燃焼室４内に入っていく。図７に示す通り、燃料圧力が高いため、燃料噴射弁３から供給される燃料粒子径は小さくなる。このため、吸入空気と同一の動きをする。この結果、図６（Ｃ）に示す通り、点火時期付近までエンジンが回転した時、燃料Ｆは燃焼室４内全体に均一に分布し、非希薄燃焼に好ましい状態となる。
【００２５】
このとき、もし、燃料圧力が低圧（通常圧力）であれば、図８に示す通り、燃料噴射弁３からの燃料Ｆは吸入空気Ａと同一ではなく、その噴射弁３からの貫徹力により吸入空気Ａより先に進んでしまい、その結果、点火時期において燃焼室４内の燃料は不均一に分布するようになってしまう。
次に本発明の第２実施形態について説明する。
【００２６】
第２実施形態では、均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時の燃料噴霧粒径より小さくする燃料噴霧粒径可変手段として、第１実施形態での燃料圧力切換手段に代えて、図９に示すように、燃料噴射弁３に対して、特開平５−２０９５７８号公報や特開平７−７１３３１号公報に記載されているような燃料噴霧微粒化用の超音波振動子３０を設けて、この超音波振動子３０の作動・非作動をエンジン制御ユニット９により制御するようにし、均質燃焼時にのみ超音波振動子３０を作動させるようにしている。
【００２７】
図１０には超音波振動子３０の具体的構成を示している。
吸気通路壁に斜めに取付けられて、先端部（噴射口）が吸気通路内に臨む燃料噴射弁３に対し、その先端部近傍に、超音波振動子３０が配置される。
超音波振動子３０は、基部側に電気・音響変換素子３０ａを備える一方、先端部側にロッド状の振動部３０ｂを備え、該振動部３０ｂを、燃料噴射弁３から噴射される燃料噴霧に対し、必要な噴霧粒径が得られる位置に配置する。
【００２８】
尚、ここでは、燃料噴射弁３と超音波振動子３０とを別体で構成しているが、燃料噴射弁３内に超音波振動子３０を組込むようにしてもよい。
図１１には第２実施形態での燃料供給系の概略構成を示している。この場合は、燃料圧力を可変にする必要はないので、燃料ポンプ１２からの燃料配管１３と燃料噴射弁３への燃料配管１５との間に、単一のプレッシャレギュレータ４０を設ける。このプレッシャレギュレータ４０は、燃料配管１５内の燃料圧力が一定の制御圧以上になると、該圧力が制御圧となるように、戻し配管１６側に余分な燃料を排出するものである。
【００２９】
図１２には第２実施形態での制御フローを示している。
ステップ１〜３は第１実施形態と同じであるので、説明を省略する。
成層燃焼の場合は、ステップ３へ進み、超音波振動子３０を非作動にする。これにより、燃料噴霧粒径を大きくする。
そして、ステップ４へ進み、成層燃焼用噴射時期、すなわち、吸気弁閉時に燃料を噴射するようにする。
【００３０】
均質燃焼の場合は、ステップ５へ進み、超音波振動子３０を作動させる。これにより、燃料噴霧粒径を小さくする。
そして、ステップ６へ進み、均質燃焼用噴射時期、すなわち、吸気弁開時に燃料を噴射するようにする。
このように第２実施形態では、超音波振動子３０の作動・非作動を制御することにより、燃料噴霧粒径を変化させるのであり、成層燃焼時及び均質燃焼時の基本的な作用効果は第１実施形態と同じである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態を示すエンジンの概略構成図
【図２】 燃料供給系の概略構成図
【図３】 燃料圧力制御装置の具体的構成を示す図
【図４】 制御内容を示すフローチャート
【図５】 成層燃焼時の燃料の状態を示す図
【図６】 均質燃焼時の燃料の状態を示す図
【図７】 燃料圧力と噴霧粒径との関係を示す図
【図８】 参考例を示す図
【図９】 本発明の第２実施形態を示すエンジンの概略構成図
【図１０】 超音波振動子の具体的構成を示す図
【図１１】 第２実施形態の燃料供給系の概略構成図
【図１２】 第２実施形態の制御内容を示すフローチャート
【符号の説明】
１ 吸気ポート
２ 吸気弁
３ 燃料噴射弁
４ 燃焼室
６ 点火栓
９ エンジン制御ユニット
１２ 燃料ポンプ
１４ 燃料圧力制御装置（燃料圧力切換手段）
２１ 高圧プレッシャレギュレータ
２２ 低圧プレッシャレギュレータ
２３，２４ 切換弁
３０ 超音波振動子

Claims (4)

1. 吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、運転条件に応じて均質燃焼と成層燃焼とを行わせるエンジンにおいて、均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時の燃料噴霧粒径より小さくすると共に、均質燃焼時には、吸気弁開時に燃料を噴射し、成層燃焼時には、吸気弁閉時に燃料を噴射することを特徴とするエンジンの燃料噴射制御装置。
2. 均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時の燃料噴霧粒径より小さくするため、均質燃焼時に燃料噴射弁へ供給する燃料圧力を成層燃焼時の燃料圧力より高くする燃料圧力切換手段を備えることを特徴とする請求項１記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
3. 前記燃料圧力切換手段は、制御圧の異なる２つのプレッシャレギュレータを選択的に用いて燃料圧力を切換えるものであることを特徴とする請求項２記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
4. 均質燃焼時の燃料噴霧粒径を成層燃焼時の燃料噴霧粒径より小さくするため、燃料噴射弁に対し、燃料噴霧微粒化用の超音波振動子を設けて、均質燃焼時にのみ超音波振動子を作動させることを特徴とする請求項１記載のエンジンの燃料噴射制御装置。

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