JP4315356B2

JP4315356B2 - 筒内燃料噴射式エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP4315356B2
Application number: JP23646099A
Authority: JP
Inventors: 雅彦加藤
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: US6367450B1; JP2001065393A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船外機、水上オートバイ、スノーモービル、オートバイ等、吸気管長または排気管長が異なる多気筒、筒内燃料噴射式エンジンの制御装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、自動車などに採用されている筒内燃料噴射式エンジンにおいては、比較的低負荷域での燃焼改善（燃焼効率向上）を目的として成層燃焼を行っている。しかしながら、成層燃焼においては、
▲１▼シリンダ内の点火プラグ周辺の空気を部分的にしか燃焼に使わないため、高出力が欲しい運転域（爆発エネルギーが大きい域）では成層燃焼は向かない、
▲２▼多気筒エンジンの各気筒の吸気管長または排気管長が異なる場合には、燃焼生成物（すす等）の発生頻度や不整燃焼の発生頻度が気筒により大きく変化するため、気筒毎にセッティングを最適にする必要がある（自動車では、吸気管および排気管を等長にすることにより、充填効率の気筒管差を抑えるようにしている。）
等の問題があり、特に、マリンエンジンのように、高負荷運転域での使用頻度が高く、集合排気（充填効率の気筒間差が大きく、結果として燃焼温度の気筒間差も大）を有するエンジンでは、問題が顕著である。
【０００３】
そこで、筒内燃料噴射式マリンエンジンにおいては、全運転域にて均一燃焼（予混合燃焼）させる方が使用実態に合っており、なるべく均一混合に近づけるべく、噴射した燃料が吹き抜けない範囲で、噴射時期を早め燃焼させることが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、均一燃焼は、Ａ／Ｆが理論空燃比に近づくため、成層燃焼よりも燃焼エネルギーが高く、常にインジェクタの先端ノズル部（以下、ノズル部という）が高温にさらされるため、インジェクタ噴孔周辺で多くの燃焼生成物（すす等）が発生し、噴孔内にデポジット（燃料炭化物）が付着し、その結果、燃料噴射量が低下し、エンジンの正確なＡ／Ｆ制御ができなくなるという問題を有している。この問題を解決するために、燃焼温度を下げようとすると出力が低下し、本来の出力向上の目的に反することになり、また、マリンエンジンにおいては、充填効率の気筒間差により燃焼温度が高くなる運転域が異なるため、その対応が困難であるという問題を有している。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題を解決するものであって、燃焼温度の気筒間差が大きいエンジンにおいて、全運転域で均一燃焼させても、インジェクタノズル部の温度を常にデポジットが堆積しない温度に維持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。
【０００６】
【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、クランク軸が縦置き状態で搭載され、複数の気筒内にインジェクタにより燃料を噴射するエンジンで且つ各気筒の吸気管長または排気管長が異なる船外機用エンジンにおいて、前記複数の気筒の内、上段気筒は中負荷・中速域で温度上昇が高く、下段気筒は高負荷・高速域で温度上昇が高いというノズル部の温度特性を予め計測してマップ化し、前記マップに基づいてインジェクタ補正量を予め作成してコンピュータのメモリに格納し、ノズル部温度が高いエンジン負荷及びエンジン回転数の場合、前記メモリを参照し、中負荷・中速域では前記上段気筒の出力を低下させ、高負荷・高速域では前記下段気筒の出力を低下するように前記インジェクタを制御することを特徴とし、請求項２記載の発明は、請求項１において、前記インジェクタ補正量は、点火時期、燃料噴射開始時期および燃料噴射量のうち少なくとも１つであることを特徴とし、請求項３記載の発明は、請求項１，２において、インジェクタノズル部の温度が相対的に低い気筒については、エンジンの出力を上げるように制御量を演算することを特徴とし、請求項４記載の発明は、請求項１〜３において、インジェクタノズル部に温度センサを設け、該温度センサにより検出されたノズル部温度に基づいて、点火時期、燃料噴射開始時期および燃料噴射量の補正量を演算することを特徴とし、請求項５記載の発明は、請求項１〜４において、エンジンが排気管長が異なる２サイクルエンジンであり、排気ポートが閉じるまでに燃料の全量を噴射することを特徴とし、請求項６記載の発明は、請求項１〜４において、エンジンが吸気管長が異なる４サイクルエンジンであり、吸気行程で燃料の全量を噴射することを特徴とする。
以上
【０００７】
【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、本発明が適用される筒内燃料噴射式エンジンの１例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。
【０００８】
１は船外機であり、クランク軸１０が縦置き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＃１〜＃６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２列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。アッパケース４内にはエンジンにより駆動される冷却水ポンプ１８が設けられ、ロアケース５に形成された冷却水取入口５ａから冷却水を図示矢印に示す如く、エンジン２内を循環させ、プロペラ６近傍から排出するようにしている。
【０００９】
上記各気筒＃１〜＃６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１０に連結されている。シリンダヘッド８には、磁力で開閉作動されるソレノイド開閉式のインジェクタ（燃料噴射弁）１３及び点火プラグ１４が装着されている。各気筒＃１〜＃６は、それぞれ掃気ポート（図示せず）によりクランク室１２に連通され、また、気筒＃１〜＃６には排気ポート１５が接続されている。図１（Ｂ）の左バンクの排気ポート１５は左集合排気通路１６に、右バンクの排気ポート１５は右集合排気通路１７に合流されている。エンジン２のクランク室１２には、吸気マニホールドから分岐する吸気通路１９が接続されており、該吸気通路１９には、逆流防止用のリード弁２０が配設され、また、リード弁２０の下流側には、エンジン内にオイルを供給し潤滑するためのオイルポンプ２１が配設され、リード弁２０の上流側には、吸気量を調節するためのスロットル弁２２が配設されている。
【００１０】
図１（Ｄ）に示すように、船体側に設置されている燃料タンク２３内の燃料は、手動式の第１の低圧燃料ポンプ２５により燃料フィルタ２６を経て船外機側の第２の低圧燃料ポンプ２７に送られる。この第２の低圧燃料ポンプ２７は、エンジン２のクランク室１２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、気液分離機能を有する燃料タンクであるベーパーセパレータタンク２９に送る。ベーパーセパレータタンク２９内には、電動モータにより駆動される燃料予圧ポンプ３０が配設されており、燃料を加圧し予圧配管３１を経て高圧燃料ポンプ３２に送る。高圧燃料ポンプ３２の吐出側は、各気筒＃１〜＃６に沿って縦方向に配設された燃料供給レール３３に接続ホース４９を介して接続されるとともに、高圧圧力調整弁３５および燃料冷却器３６、戻り配管３７を介してベーパーセパレータタンク２９に接続されている。また、予圧配管３１とベーパーセパレータタンク２９間には予圧圧力調整弁３９が設けられている。高圧燃料ポンプ３２は、ポンプ駆動ユニット４０により駆動される。このポンプ駆動ユニット４０はベルト４１を介してクランク軸１０に連結されている。
【００１１】
エンジン潤滑用のオイルポンプ２１は、クランク軸１０の回転により駆動されるポンプであり、船体側に設置されたサブタンク５０からエンジン側に配設されたメインタンク５１を経て吸気通路１９内にオイルを供給する。また、メインタンク５１のオイルは、フィルタ５２、プリミックス用オイルポンプ５３、チェック弁５４を介してベーパーセパレータタンク２９に供給するように構成されている。プリミックス用オイルポンプ５３は、電磁ソレノイドで駆動する方式のものや電動モータにより駆動するタイプのポンプを採用する。
【００１２】
ＥＣＵ（電子制御装置）４２には、エンジン２の運転状態や船外機１の状態を示す各種センサからの検出信号が入力される。例えば、クランク軸１０の回転角（回転数）を検出するエンジン回転数センサ４３、吸気通路１９内の温度を検出する吸気温センサ４４、スロットル弁２２の開度を検出するスロットル開度センサ４５、最上段の気筒＃１内の空燃比を検出するに空燃比センサ４６、高圧燃料配管３４内の圧力を検出する燃圧センサ４７、エンジンの冷却水温度を検出する冷却水温センサ４８、燃料フィルタ２６で分離した水の量を検出する水検出センサ５５、排気圧力を検出する排圧センサ３８、オイルタンク５１のオイル量を検出するオイルレベルセンサ５６、外気温度センサ５７、エンジンの姿勢を検出するトリムセンサ２８等の検出信号が入力される。ＥＣＵ４２は、これら各センサの検出信号を制御マップに基づき演算処理し、制御信号をインジェクタ１３、点火プラグ１４、予圧燃料ポンプ３０、プリミックス用オイルポンプ５３に伝送する。
【００１３】
図２は、図１のインジェクタ１３を示し、図２（Ａ）は全体構成を示す断面図、図２（Ｂ）はインジェクタのシリンダヘッドへの取付状態を示す断面図である。インジェクタ１３は、バルブ本体１３ａと、バルブ本体１３ａの先端に固定されたノズル部材１３ｂと、ノズル部材１３ｂの先端に設けられたスワーラー部１３ｃおよびバルブシートを構成するノズル部１３ｄと、バルブ本体１３ａ内に摺動可能に配設された摺動ロッド１３ｅと、摺動ロッド１３ｅの先端に設けられるニードルバルブ１３ｆと、ノズル部１３ｄに開口される噴孔１３ｇと、摺動ロッド１３ｅを摺動させるためのソレノイドコイル１３ｈおよびスプリング１３ｉを備えている。図２（Ｂ）に示すように、ノズル部材１３ｂは、シリンダヘッド８の貫通穴８ａに挿入され、バルブ本体１３ａとシリンダヘッド８との間には、封止部材５９が挟着される。封止部材５９は、２枚のリング状のガスケット５９ａと、ガスケット５９ａの内周から両面にかけて被覆されたステンレス材５９ｂとからなる。上記インジェクタ１３は、常時はスプリング１３ｉによりニードルバルブ１３ｆがノズル部１３ｄに押圧されており、ソレノイドコイル１３ｈに通電されるニードルバルブ１３ｆがスプリング１３ｉに抗して噴孔１３ｇを開き高圧燃料が噴射される。なお、ノズル部１３ｄには、熱電対等からなる温度センサ６０が配設される場合がある。
【００１４】
上記構成からなるエンジンの作用について説明する。ベーパーセパレータタンク２９内の燃料は、燃料予圧ポンプ３０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３２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３５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２９に戻され、必要な高圧燃料分のみを燃料供給レール３３に供給し、各気筒＃１〜＃６に装着したインジェクタ１３に供給される。オイルポンプ２１は、クランク軸１０の回転により駆動され、オイルをサブタンク５０、メインタンク５１から吸気通路１９内に供給しエンジン内部を潤滑する。このとき、図２（Ｂ）に示すように気筒内で発生する燃焼火炎は噴孔１３ｇに到達し、ノズル部１３ｄの表面や噴孔１３ｇの内部にデポジット（燃料炭化物）Ｄが付着し、その結果、燃料噴射量が低下し、正確な空燃比制御ができなくなる。
【００１５】
次に、図３〜図１０により、本発明における筒内燃料噴射式エンジンの制御装置の１実施形態について説明する。
【００１６】
図３は、図１の２サイクルエンジン２の燃焼方式を説明するための図である。図３（Ａ）は、成層燃焼を示し、噴射燃料が拡散しないように排気ポートが閉じた後、点火時期の直前に燃料を噴射し、これにより、シリンダ内の点火プラグ周辺の空気を燃焼に使い、燃焼効率の改善を行っている。しかしながら、前述したようにこの方式は、マリンエンジンのように、高負荷運転域での使用頻度が高く、集合排気を有するエンジンには不向きである。そこで、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）に示す均一燃焼を採用する。図３（Ｂ）は極低速運転域、図３（Ｃ）は高速運転域の場合であり、排気ポートが閉じるまでに燃料の全量を噴射し、点火までの時間を長くして均一燃焼を行うものである。しかしながら、均一燃焼は、Ａ／Ｆ理論空燃比に近づくため、成層燃焼よりも燃焼エネルギーが高く、常にインジェクタのノズル部が高温にさらされるため、噴孔周辺で多くの燃焼生成物（すす等）が発生し、噴孔内にデポジット（燃料炭化物）が付着し、その結果、燃料噴射量が低下し、エンジンの正確なＡ／Ｆ制御ができなくなる。本発明はこの問題を解決するもので、これを以下に説明する。
【００１７】
図４は、インジェクタ１３のノズル部１３ｄの温度と点火時期（図Ａ）、燃料噴射開始時期（図Ｂ）および燃料噴射量（図Ｃ）との関係を示し、ノズル部温度を下げるためには、要するに燃焼エネルギーを抑えエンジン出力を低下させることであり、点火時期を遅角する方法、燃料噴射開始時期を遅角する方法、燃料噴射量を増量または減量する方法がある。本発明においては、この３つの方法のうち少なくとも１つの方法をとる。なお、ノズル部温度を低下させる度合いが高いのは、点火時期、燃料噴射開始時期、燃料噴射量の順である。
【００１８】
図５（Ａ）は、本発明の制御装置の１実施形態を示す処理の流れを説明するための図、図５（Ｂ）は制御量（点火時期、燃料噴射開始時期、燃料噴射量）の基本マップを説明するための図である。なお、本実施形態は、図２（Ｂ）の温度センサ６０を設けない場合の処理である。先ず、ステップＳ１でエンジン回転数およびスロットル開度（エンジン負荷）を読み込み、ステップＳ２で図５（Ｂ）に示す各気筒＃１〜＃６の基本マップから、エンジン回転数およびスロットル開度に対応する各気筒＃１〜＃６の制御量の基本マップ値Fnmを読み込み、次にステップＳ３でインジェクタのノズル部温度が高い気筒のインジェクタ補正量Cnmを読み込む。次に、ステップＳ４で制御量としてFnm×Cnmを演算し、次にステップＳ５でインジェクタのノズル部温度が相対的に低い気筒のインジェクタ制御量を演算する。そして、ステップＳ６で各インジェクタ１３に出力する。なお、ステップＳ５の処理は、ステップＳ４の処理でノズル部温度の高い気筒の出力が低下するため、ノズル部温度が低い気筒の出力を高めるように調整し、エンジン全体として、出力、燃費が所定の値になるようにするためである。
【００１９】
図６および図７は、図５の補正量を読み込むための補正マップを説明するための図である。図６（Ａ）に示すように、各気筒＃１〜＃６において、エンジン負荷とエンジン回転数に応じたノズル部の温度特性を予め計測してマップ化し、このマップに基づいて点火時期の補正量（図Ｂ）、燃料噴射開始時期の補正量（図Ｃ）、燃料噴射量の補正量（Ｄ）を予め作成してコンピュータのメモリに格納しておく。なお、船外機などのようにクランク軸縦置きのエンジンでは、上段気筒は中負荷・中速域で温度上昇が高く、下段気筒は高負荷・高速域で温度上昇が高いという特性を有している。図７は最上段気筒＃１の場合を示しており、図６の最下段気筒＃６に比べて、中負荷・中速域での温度上昇が高い。
【００２０】
図８は、図５の制御方法を説明するための図である。図８（Ａ）においては、ノズル部温度が高いエンジン回転数およびスロットル開度の値のところで、所定の気筒（例えば高負荷・中速で＃１気筒、高回転で＃６気筒）の点火時期を遅角させて出力を低下させ、インジェクタ１３のノズル部温度を低下させるようにしている。図８（Ｂ）においては、ノズル部温度が高いエンジン回転数およびスロットル開度の値のところで、所定の気筒（例えば高負荷・中速で＃１気筒、高回転で＃６気筒）の噴射開始時期を遅角させて出力を低下させ、インジェクタ１３のノズル部温度を低下させるようにしている。その結果、図９に示すようにノズル部温度を低下させることができる。
【００２１】
図１０（Ａ）は、本発明の制御装置の他の実施形態を示す処理の流れを説明するための図、図１０（Ｂ）は補正マップを説明するための図である。本実施形態は、図２（Ｂ）の温度センサ６０を設けた場合の処理であり、この温度センサ６０により直接、ノズル部温度を検出し、図１０（Ｂ）に示す補正マップを用いて制御量を演算する。従って、各気筒ごとに補正マップを用意する必要がなく、また高精度の燃料噴射制御が可能となる。
【００２２】
図１１は、本発明の他の実施形態を示し、４サイクルエンジンに適用した船外機の平面図である。なお、図１の例と同一の構成については同一番号を付けて説明を省略する。本実施形態においては、ポンプ駆動ユニット４０がエンジン２の中央部に配置され、ポンプ駆動ユニット４０の両側に高圧燃料ポンプ３２、３４が配置されている。図中、１３はインジェクタ、１９は吸気管、３３は燃料供給レール、１０１は吸気弁、１０２はカムシャフトである。
【００２３】
図１２は、図１１の４サイクルエンジンの燃焼方法を説明するための図である。図１２（Ａ）は、成層燃焼を示し、噴射燃料が拡散しないように圧縮行程中で点火時期の直前に燃料を噴射し、これにより、シリンダ内の点火プラグ周辺の空気を燃焼に使い、燃焼効率の改善を行っている。４サイクルエンジンにおいては、吸気管長の差により燃焼温度の気筒間差が大きくなるので、図１２（Ｂ）、図１２（Ｃ）に示す均一燃焼を採用する。図１２（Ｂ）は極低速運転域、図１２（Ｃ）は高速運転域の場合であり、いずれの場合も吸気行程中に燃料の全量を噴射し、点火までの時間を長くして均一燃焼を行うものである。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１、２、６、７記載の発明によれば、燃焼温度の気筒間差が大きいエンジンにおいて、全運転域で均一燃焼させても、インジェクタノズル部の温度を常にデポジットが堆積しない温度に維持することができ、燃料噴射量の低下を防止し、正確な空燃比制御が可能となり、
請求項３記載の発明によれば、エンジン全体として、出力、燃費の悪化を最小限にとどめることができ、
請求項４記載の発明によれば、温度センサを設けることなく上記制御を実現することができ、
請求項５記載の発明によれば、温度センサを設けることにより、各気筒毎の補正マップが不要になるとともに、正確な制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される筒内燃料噴射式エンジンの１例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１（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のインジェクタを示し、図４（Ａ）は全体構成を示す断面図、図４（Ｂ）はインジェクタのシリンダヘッドへの取付状態を示す断面図である。
【図３】図１の２サイクルエンジンの燃焼方式を説明するための図である。
【図４】インジェクタノズル部の温度と点火時期（図Ａ）、燃料噴射開始時期（図Ｂ）および燃料噴射量（図Ｃ）との関係を示す図である。
【図５】図５（Ａ）は、本発明の制御装置の１実施形態を示す処理の流れを説明するための図、図５（Ｂ）は燃料噴射量の基本マップを説明するための図である。
【図６】図５の補正量を読み込むための補正マップを説明するための図である。
【図７】図５の補正量を読み込むための補正マップを説明するための図である。
【図８】図５による制御方法を説明するための図である。
【図９】図８の制御結果を説明するための図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、本発明の制御装置の他の実施形態を示す処理の流れを説明するための図、図１０（Ｂ）は補正マップを説明するための図である。
【図１１】本発明の他の実施形態を示し、４サイクルエンジンに適用した船外機の平面図である。
【図１２】図１１の４サイクルエンジンの燃焼方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１３…インジェクタ
１３ｄ…インジェクタノズル部
６０…温度センサ

Claims

クランク軸が縦置き状態で搭載され、複数の気筒内にインジェクタにより燃料を噴射するエンジンで且つ各気筒の吸気管長または排気管長が異なる船外機用エンジンにおいて、
前記複数の気筒の内、上段気筒は中負荷・中速域で温度上昇が高く、下段気筒は高負荷・高速域で温度上昇が高いというノズル部の温度特性を予め計測してマップ化し、
前記マップに基づいてインジェクタ補正量を予め作成してコンピュータのメモリに格納し、
ノズル部温度が高いエンジン負荷及びエンジン回転数の場合、前記メモリを参照し、
中負荷・中速域では前記上段気筒の出力を低下させ、高負荷・高速域では前記下段気筒の出力を低下するように前記インジェクタを制御することを特徴とする筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
前記インジェクタ補正量は、点火時期、燃料噴射開始時期および燃料噴射量のうち少なくとも１つであ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。
インジェクタノズル部の温度が相対的に低い気筒については、エンジンの出力を上げるように制御量を演算することを特徴とする請求項１または２記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
インジェクタノズル部に温度センサを設け、該温度センサにより検出されたノズル部温度に基づいて、点火時期、燃料噴射開始時期および燃料噴射量の補正量を演算することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
エンジンが排気管長が異なる２サイクルエンジンであり、排気ポートが閉じるまでに燃料の全量を噴射することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
エンジンが吸気管長が異なる４サイクルエンジンであり、吸気行程で燃料の全量を噴射することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。