JP3979506B2

JP3979506B2 - 筒内燃料噴射式エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP3979506B2
Application number: JP34948097A
Authority: JP
Inventors: 準本瀬; 雅彦加藤
Original assignee: ヤマハマリン株式会社
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: JPH11182295A; US6116228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内燃料噴射式エンジンの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料を吸気管内に噴射する方式のエンジンにおいて、燃焼後の排気の空燃比を検出する空燃比センサを設け、目標空燃比になるように気筒内に吸入される燃料噴射量をフィードバック制御し、これによりエンジン性能や排ガス特性、燃費の向上を図るようにした燃料噴射制御方式が知られている。すなわち、空燃比がリーン側からリッチ側になると燃料噴射量を減少させるように制御し、この制御により次第に空燃比がリーン側に変化してゆき、空燃比がリッチ側からリーン側になると燃料噴射量を増大させるように制御することにより、目標空燃比となるように燃料噴射量を制御する方式である。
【０００３】
一方、２サイクルエンジンにおいては、掃気ポートと排気ポートが同時に連通するタイミングがあるためＨＣ等の未燃ガスが排気されやすく、また、低速、低負荷で残留ガスが多いため失火を起こし未燃ガスが排気されやすい。そこで、排気ポートが閉じた後、高圧燃料を筒内に直接噴射することにより燃料を霧化して燃焼を改善させると共に、低速、低負荷では新気を多く供給するようにして失火を防ぐことにより未燃ガスの排出を低減する方式が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した筒内燃料噴射式エンジンに、空燃比による燃料噴射量のフィードバック制御を組み合わせる方式が考えられるが、空燃比は、吸気温度、大気圧、エンジン温度、冷却水温等のエンジン運転条件により微小変動するため、その補正を行う必要がある。しかしながら、筒内燃料噴射式エンジンにおいては、短時間で大容量の燃料を噴射する代わりに微小の噴射量のコントロールが困難であり、出力が敏感に変動してしまい、エンジンフィーリングを損なうという問題を有している。
【０００５】
また、燃料噴射弁の装着が吸気管からシリンダヘッドに変更になるため、燃料噴射位置と空燃比センサとの距離が小さくなり、制御系の応答性が敏感になる結果、従来の燃料噴射量のみを増減させるフィードバック制御を行うと、出力も敏感に変動してしまい、エンジンフィーリングを損なうという問題を有している。
【０００６】
さらに、船外機をはじめとするマリン用エンジンの場合には、排気管の先端が水面下にあり背圧が変動し吸入空気量が変動するため、燃焼状態が悪化しやすく、これを解消するためには正確な空燃比制御が必要であり、空燃比の微小補正の問題を解決することが特に重要である。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題を解決するものであって、空燃比による燃料噴射量のフィードバック制御を行う筒内燃料噴射式エンジンにおいて、空燃比を微小に補正することができる筒内燃料噴射式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、エンジンの空燃比を検出し、検出された空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量を制御する筒内燃料噴射式エンジンにおいて、燃料噴射時期に対する空燃比の変動に着目し、空燃比の変化｜ΔＡ／Ｆ｜が所定値Ｋ未満の場合は燃料噴射時期による空燃比制御をおこない、所定値Ｋ以上の場合は燃料噴射時期による制御では空燃比の変動が小さいため燃料噴射時間による空燃比制御をおこなうことを特徴とし、請求項２記載の発明は、請求項１において、吸気温度、大気圧、エンジン温度、冷却水温の少なくとも一つのエンジン運転条件を検出して目標空燃比を補正する手段を備えることを特徴とし、請求項３記載の発明は、請求項１、２おいて、前記エンジンがマリン用エンジンであることを特徴とし、請求項４記載の発明は、請求項３において、前記エンジンが２サイクルエンジンであることを特徴とし、請求項５記載の発明は、請求項３において、前記エンジンが４サイクルエンジンであることを特徴とする。
以上
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置の１実施形態を示す船外機の模式図であり、図（Ａ）はエンジンの平面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図、図（Ｃ）は船外機の側面図、図（Ｄ）は燃料供給系の構成図、図２は、図１の船外機の縦断面図、図３（Ａ）は図２の気筒の断面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って矢印方向に見た断面図である。
【００１０】
図１及び図２において、１は船外機であり、クランク軸１２ｂが縦置状態で搭載されるエンジン２と、エンジン２の下端面に接続されエンジン２を支持するガイドエキゾースト部３と、ガイドエキゾースト部３の下端面に接続されるアッパケース４、ロアケース５及びプロペラ６からなる。上記エンジン２は、筒内噴射式Ｖ型６気筒２サイクルエンジンであり、６つの気筒７ａ〜７ｆが平面視でＶバンクをなすように横置き状態で且つ縦方向に配設されたシリンダボディ７に、シリンダヘッド８が連結、固定されている。
【００１１】
上記気筒７ａ〜７ｆ内には、ピストン１１が摺動自在に嵌合配置され、各ピストン１１はクランク軸１２ｂに連結されている。シリンダヘッド８には、燃料噴射弁１３及び点火プラグ１４が挿入配置されている。燃料噴射弁１３は磁力で開閉作動されるソレノイド開閉式であり、その噴孔１３ａの軸線はシリンダボア軸線と交叉するようにされている。なお、１３ｂは噴霧形状を示している。
【００１２】
気筒７ａ〜７ｆは、それぞれ掃気ポート１７ａ、１７ｂ、１７ｃによりクランク室に連通され、また、気筒７ａ〜７ｆには、排気ポート１８ａ〜１８ｆが掃気ポート１７ａに対向するように接続されている。図２の左バンクの排気ポート１８ａ〜１８ｃは左集合排気通路１９ａに、右バンクの排気ポート１８ｄ〜１８ｆは右集合排気通路１９ｂに合流されており、左右の集合排気通路１９ａ及び１９ｂの下流端にはそれぞれガイドエキゾースト部３内の左排気通路３ａ及び右排気通路３ｂを介してアッパケース４内の左排気管２０ａ及び右排気管２０ｂが接続されている。なお、図３（Ａ）において、１０５ａは空燃比センサ１０５の燃料ガス採取孔であり、掃気ポート１７ａの図で上部に設けられている。
【００１３】
左右の排気管２０ａ、２０ｂは、アッパケース４内のマフラー２１内に配置されており、このマフラー２１は隔壁２２により左右の排気管２０ａ、２０ｂが開口する左膨張室２１ａ及び右膨張室２１ｂを備えている。この膨張室２１ａ、２１ｂは、左右バンクの気筒７ａ〜７ｃ、７〜７ｆからの排気ガスの圧力波が略大気圧状態に解放されるのに必要な容積を有している。また、マフラー２１の下端には、ロアケース５内に形成された排気通路５ａが接続されており、この排気通路５ａは、左右の排気管２０ａ、２０ｂからの排気を合流させている。
【００１４】
図１（Ａ）に示すように、エンジン２のクランクケース２３には、吸気マニホールドの分岐通路２５ａが接続されており、該分岐通路２５ａのクランクケース２３への接続部には、逆流防止用のリード弁２４が配設され、また、リード弁２４の上流側には、エンジン内にオイルを供給するためのオイルポンプ２７と、吸気量を制御するためのスロットル弁２６が配設されている。
【００１５】
図１（Ｄ）に示すように、船体側の主燃料タンク３０内の燃料は、手動式の第１の低圧燃料ポンプ３１によりフィルタ３３を経て第２の低圧燃料ポンプ３４に送られる。この第２の低圧燃料ポンプ３４は、エンジン２のクランク室のパルス圧により駆動されるダイヤフラム式ポンプであり、燃料を気液分離装置であるベーパーセパレータタンク３５に送る。該ベーパーセパレータタンク３５内には、電動モータにより駆動される燃料予圧ポンプ３６が配設されており、燃料を加圧し予圧配管Ａを経て高圧燃料ポンプ３７に送る。高圧燃料ポンプ３７の吐出側は、各気筒７ａ〜７ｆに沿って縦方向に配設された燃料供給レール４０に接続されるとともに、高圧圧力調整弁３８および燃料冷却器４１、配管Ｂを介してベーパーセパレータタンク３５に接続されている。また、予圧配管Ａとベーパーセパレータタンク３５間には予圧圧力調整弁４２が設けられている。
【００１６】
ベーパーセパレータタンク３５内の燃料は、燃料予圧ポンプ３６により例えば３〜１０ｋｇ／ｃｍ²程度に予圧され、加圧された燃料は、高圧燃料ポンプ３７により５０〜１００ｋｇ／ｃｍ²程度若しくはそれ以上に加圧され、加圧された高圧燃料は、圧力調整弁３８にて設定圧を越える余剰燃料がベーパーセパレータタンク３５に戻され、必要な高圧燃料分のみを燃料供給レール４０に供給し、各気筒７ａ〜７ｆに装着した燃料噴射弁１３に供給するようにしている。
【００１７】
制御装置２９には、エンジン２の駆動状態、船外機１や船の状態を示す各種センサからの検出信号が入力される。すなわち、センサとして、クランク軸１２ｂの回転角（回転数）を検出するクランク角センサ９０、クランクケース２３内の圧力を検出するクランク室内圧センサ９１、吸気通路２５ａ内の温度を検出する吸気温センサ９３、シリンダボディ７の温度を検出するエンジン温度センサ９４、各気筒７ａ〜７ｆ内の背圧を検出する背圧センサ９５、スロットル弁２６の開度を検出するスロットル開度センサ９６、冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ９７、エンジン２の振動を検出するエンジン振動センサ９８、エンジン２のマウント高さを検出するエンジンマウント高さ検出センサ９９、船外機１のニュートラル状態を検出するニュートラルセンサ１００、船外機１の上下回動位置を検出するトリム角検出センサ１０１、船速を検出する船速センサ１０２、船の姿勢を検出する船姿勢センサ１０３、大気圧を検出する大気圧センサ１０４が設けられ、さらに、最上段の気筒７ｄ内の空燃比を検出するに空燃比センサ１０５、高圧燃料配管内の圧力を検出する圧力センサ１０６が設けられている。制御装置２９は、これら各種センサの検出信号を演算処理し、制御信号を点火プラグ１４、燃料噴射弁１３、オイルポンプ２７、予圧燃料ポンプ３６に伝送する。
【００１８】
図４は、図１の制御装置２９で演算処理される燃料噴射制御のブロック構成図である。エンジン回転数検出手段２０１とエンジン負荷（例えばスロットル開度）検出手段２０２により燃料噴射時間、燃料噴射時期設定手段２０５において、基本的な燃料噴射量が設定される。空燃比検出手段２０３により最上段の気筒７ｄ内の燃焼後の空燃比（酸素濃度）が検出され、空燃比制御手段２０６において理論空燃比となるように燃料噴射時間、燃料噴射時期が算出され、燃料噴射弁１３にフィードバック制御される。また、エンジン運転条件検出手段２０４において、吸気温度、大気圧、エンジン温度、冷却水温等が検出され、これらの信号に基づいて目標空燃比補正手段２０９で目標空燃比が補正されるとともに、エンジン運転条件変動範囲判定手段２１０において、吸気温度、大気圧、エンジン温度、冷却水温等の変動範囲（後述）が判定される。そして、補正された目標空燃比と判定された変動範囲に基づいて、燃料噴射時間算出手段２０７か燃料噴射時期算出手段２０８のいずれかを選択して空燃比制御が行われ、燃料噴射弁１３にフィードバック制御される。
【００１９】
本発明の燃料噴射制御においては、６気筒全体で見た場合の空燃比を図５に示す目標空燃比とするように行われる。すなわち、アイドル回転状態、トロール回転状態のような低回転低負荷運転域Ａでは、空燃比（Ａ／Ｆ）＝１１〜１２のリッチ空燃比を、中回転中負荷運転域Ｂでは、空燃比＝１５〜１６のリーン空燃比を、高回転高負荷運転域Ｃでは、空燃比＝１１付近の過リッチ空燃比を目標として空燃比制御が行われる。そのために、最上段の気筒７ｄについてはフィードバック制御により理論空燃比となるように燃料噴射量が制御され、残りの気筒については、気筒７ｄの燃料噴射量を基にエンジン全体で上記目標空燃比となるように補正した燃料量を供給するように制御する。
【００２０】
図６〜図８は、本発明の燃料噴射制御を説明するための図であり、図６（Ａ）は空燃比センサ１０５の検出信号（電圧値）を示す波形図、図６（Ｂ）は、燃料噴射量のフィードバック量を示す図、図６（Ｃ）は補正後の空燃比センサの検出信号の波形図、図６（Ｄ）は燃料噴射時期のフィードバック量を示す図である。
【００２１】
空燃比制御は、図６（Ａ）に示すように、ａ１点で空燃比がリーン側からリッチ側になると、図６（Ｂ）に示すように、燃料噴射量を減少させるように制御し、この制御によりセンサ出力が低下、すなわち空燃比がリーン側に変化してゆき、ａ２点で空燃比がリッチ側からリーン側になると逆に燃料噴射量を増大させ、空燃比がリッチ側に変化するように制御することにより、気筒７ｄを理論空燃比（空気過剰率λ＝１）となるようにフィードバック制御している。
【００２２】
ところで、空燃比は、吸気温度、大気圧、エンジン温度、冷却水温等のエンジン運転条件により微小変動するため、その補正を行う必要がある。しかしながら、燃料噴射弁の装着が吸気管からシリンダヘッドに変更になるため、燃料噴射位置と空燃比センサとの距離が小さくなり、制御系の応答性が敏感になる結果、従来の燃料噴射量のみを増減させるフィードバック制御を行うと、出力も敏感に変動してしまい、エンジンフィーリングを損なうという問題を有している。特に、船外機用エンジンの場合には、排気管の先端が水面下にあり背圧が変動するため、燃焼状態が悪化しやすく、これを解消するためには正確な空燃比制御が必要であり、この問題を解決することが重要となっている。
【００２３】
そこで、本発明においては、ある条件で燃料噴射時期を増減させるフィードバック制御を採用する。図７及び図８は、本発明における燃料噴射時期による制御を説明するための図、図１０は、本発明の制御の流れを示すフロー図である。
【００２４】
図７において、ＴＤＣは上死点位置、Ｅ_XＯは排気ポート開位置、Ｓ_CＯは掃気ポート開位置、ＢＤＣは下死点位置、Ｓ_CＣは掃気ポート閉位置、Ｅ_XＣは排気ポート閉位置を示している。従来の燃料噴射時期は、排気ポートが閉じた直後であったが、本発明においては、下死点を過ぎて排気ポートが閉じる前の間に燃料を噴射するようにし、この間で燃料噴射時期を進角させればさせるほど、掃気ポートと排気ポートが開いている時間が増大し、排気に吹き抜ける燃料が増大するため、図８の曲線Ｘに示すように、空燃比はリーンの方向に変動し、また、燃料噴射時期を遅角させていくと再びリーンの方向に変動しやがて失火してしまう。
【００２５】
本発明においては、この燃料噴射時期に対する空燃比の変動に着目し、空燃比の変動ΔA/Fが微小な範囲ＴBでは燃料噴射時期による空燃比制御とし、それ以外の範囲ＴA、ＴCでは、燃料噴射時期による制御では空燃比の変動が小さいため、燃料噴射時間による空燃比制御として点線Ｙのように切り換えるようにしている。一方、吸気温度は、曲線Ｚに示すように、温度に比例して空燃比がリッチの方向に変化するが、空燃比の変動ΔA/Fが微小な範囲ＴBに対応させて、燃料噴射時期制御の温度範囲ＴZを設定している。すなわち、吸気温度が温度範囲ＴZにある場合には、燃料噴射時期による空燃比制御として目標空燃比を補正するようにする。
【００２６】
図６に戻り説明すると、図６（Ｃ）に示すように、ａ１点で空燃比がリーン側からリッチ側になると、図６（Ｄ）に示すように、燃料噴射時間（噴射量）Ｐ_RLだけ減少させ、次いで燃料噴射時期をＩ_RLだけ順次進角させるように制御し、この制御によりセンサ出力が低下、すなわち空燃比がリーン側に変化してゆき、ａ２点で空燃比がリッチ側からリーン側になると逆に燃料噴射時間を遅角させ、空燃比がリッチ側に変化するように制御することにより、気筒７ｄを補正後の空燃比ΔA/Fとなるようにフィードバック制御している。なお、燃料噴射時期を増減させる前に、最初に燃料噴射時間Ｐ_RLで変化させるのは、空燃比の変化量を多くして応答時間を早めるためであるが、最初から燃料噴射時期を制御するようにしてもよい。
【００２７】
図９は、大気圧により空燃比が変化することを示す図であり、従って、大気圧の変化についても吸気温度と同様に目標空燃比を補正して制御する。以下、エンジン温度、冷却水温等のエンジン運転条件についても同様である。
【００２８】
図１１は、本発明の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置の他の実施形態を示す船外機の模式図である。なお、図１と同一の構成には同一番号を付けて説明を省略する。本実施形態は、４サイクルエンジンに適用した例であり、最上段の気筒７ａの排気通路７９に空燃比センサ１０５を設置している。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれ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、上記実施形態においては、船外機に適用した例について説明しているが、エンジンを船体側に設置するエンジンや定置式エンジンなどにも適用可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１、２記載の発明によれば、空燃比による燃料噴射量のフィードバック制御を行う筒内燃料噴射式エンジンにおいて、空燃比を微小に補正することができ、エンジンフィーリングを向上させることができる。
【００３１】
また、請求項２記載の発明によれば、エンジン運転条件の変動に対して空燃比を微小に補正することができ、エンジンフィーリングを向上させることができる。また、請求項３〜５記載の発明によれば、マリン用エンジンの場合には、排気管の先端が水面下にあり背圧が変動し吸入空気量が変動するため、燃焼状態が悪化しやすく、これを解消するためには正確な空燃比制御が必要であり、その問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置の１実施形態を示す船外機の模式図であり、図（Ａ）はエンジンの平面図、図（Ｂ）は図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う縦断面図、図（Ｃ）は船外機の側面図、図（Ｄ）は燃料供給系の構成図である。
【図２】図１の船外機の縦断面図である。
【図３】図３（Ａ）は図２の気筒の断面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿って矢印方向に見た断面図である。
【図４】図１の制御装置で演算処理される燃料噴射制御のブロック構成図である。
【図５】エンジン全体での目標空燃比を説明するための図である。
【図６】本発明の燃料噴射制御を説明するための図であり、図６（Ａ）は空燃比センサの検出信号を示す波形図、図６（Ｂ）は、燃料噴射量、燃料噴射時期のフィードバック量を示す図である。
【図７】本発明における燃料噴射時期による制御を説明するための図である。
【図８】本発明における燃料噴射時期による制御を説明するための図である。
【図９】大気圧により空燃比が変化することを示す図である。
【図１０】本発明の制御の流れを示すフロー図である。
【図１１】本発明の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置の他の実施形態を示す船外機の模式図である。
【符号の説明】
２…エンジン
１３…燃料噴射弁
１０５…空燃比センサ

Claims

エンジンの空燃比を検出し、検出された空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量を制御する筒内燃料噴射式エンジンにおいて、燃料噴射時期に対する空燃比の変動に着目し、空燃比の変化｜ΔＡ／Ｆ｜が所定値Ｋ未満の場合は燃料噴射時期による空燃比制御をおこない、所定値Ｋ以上の場合は燃料噴射時期による制御では空燃比の変動が小さいため燃料噴射時間による空燃比制御をおこなうことを特徴とする筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
吸気温度、大気圧、エンジン温度、冷却水温の少なくとも一つのエンジン運転条件を検出して目標空燃比を補正する手段を備えることを特徴とする請求項１記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
前記エンジンがマリン用エンジンであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
前記エンジンが２サイクルエンジンであることを特徴とする請求項３記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
前記エンジンが４サイクルエンジンであることを特徴とする請求項３記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。