JP4449967B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、筒内に向けて燃料を噴射する第1の燃料噴射機構(筒内噴射用インジェクタ)と吸気通路または吸気ポート内に向けて燃料を噴射する第2の燃料噴射機構(吸気通路噴射用インジェクタ)とを備えた内燃機関に関し、特に、アイドル運転時に発生する第1の燃料噴射機構に起因する問題点を回避しつつ、第1の燃料噴射機構の噴孔への付着物(デポジット)の付着を回避する技術に関する。
内燃機関の吸気通路内に燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタと、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタとを具備し、内燃機関の回転数と内燃機関の負荷とに基づいて吸気通路噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとの燃料噴射比率を決定する内燃機関が公知である。
ところで、筒内噴射用インジェクタは、燃焼室内において高温の燃焼ガスに晒されることから、筒内噴射用インジェクタの噴孔部にはデポジットが付着し易くなる。また、吸気通路噴射用インジェクタのみから燃料が噴射される場合には、筒内噴射用インジェクタから燃料が噴射されないことから、燃料の気化に伴う冷却もなされず、噴孔部の温度が上昇して、噴孔部へのデポジットの堆積が一層進むこととなる。こうしたデポジットは、噴孔部からの燃料噴射の妨げとなり、燃料噴霧の形状が変化したり(粒径が大きくなる)、燃料噴射量が要求量よりも少なくなることで、失火、ひいては燃焼悪化を招くおそれがあった。
特開2005−201083号公報(特許文献1)は、このような筒内噴射用インジェクタの噴孔部へのデポジットの堆積を好適に抑制することができる内燃機関の噴射制御装置を開示する。この内燃機関の噴射制御装置は、内燃機関の気筒内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと、吸気通路に燃料を噴射する吸気通路噴射用インジェクタと、それらインジェクタのうち少なくとも一方を駆動制御して燃料噴射形態を切り替える制御部とを備える。制御部は、吸気通路噴射用インジェクタにより燃料が噴射される運転領域において、所定期間筒内噴射用インジェクタのみにより燃料が噴射されるように燃料噴射形態を強制的に切り替える。
この内燃機関の噴射制御装置によると、吸気通路噴射用インジェクタによる燃料噴射が行なわれる運転領域であっても、筒内噴射用インジェクタのみによる燃料噴射を所定期間行なうようにしたことで、筒内噴射用インジェクタの噴孔部に堆積するデポジットを噴射力によって吹き飛ばして、このデポジットを除去することができる。また、このような筒内噴射用インジェクタによる燃料噴射を行なうことにより、燃料の気化に伴う噴孔部の冷却を図り、噴孔部にデポジットが新たに堆積することを抑制することができる。その結果、筒内噴射用インジェクタの燃料噴射量が低下することを抑制することができる。
特開2005−201083号公報
ところで、内燃機関に用いられる燃料の性状(性質および状態)には、許容範囲内でのばらつきが存在する。たとえば、燃料性状が軽質な場合と重質な場合とがある。燃料に含まれるオレフィン(炭素二重結合を1つ以上持つ不飽和炭化水素)の成分が多いと燃料性状が軽質となる。一方、燃料に含まれるオレフィンの成分が少ないと燃料性状が重質となる。このオレフィンの成分が多いと、デポジットの生成が早まる傾向にある。しかしながら、上述した特許文献1では、燃料性状の違いについての言及がない。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、筒内に向けて燃料を噴射する第1の燃料噴射機構と吸気通路または吸気ポート内に向けて燃料を噴射する第2の燃料噴射機構とを有する内燃機関において、燃料性状がばらついても適切に、第1の燃料噴射機構の噴孔へのデポジットの付着を回避する、内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することである。
第1の発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、筒内に燃料を噴射する第1の燃料噴射機構と吸気通路内に燃料を噴射する第2の燃料噴射機構とを備えた内燃機関を制御する。この燃料噴射制御装置は、第1の燃料噴射機構の筒内付着物の付着度合いに関連する燃料の成分に対応させて、第2の燃料噴射機構のみによる燃料噴射回避についての条件を設定するための設定手段と、第1の燃料噴射機構と第2の燃料噴射機構とで分担して燃料を噴射するように、2種類の燃料噴射機構を制御するための手段と、第2の燃料噴射機構のみにより燃料が噴射されているときに条件が成立すると第1の燃料噴射機構により燃料を噴射するように、2種類の燃料噴射機構を制御するための制御手段を含む。
第1の発明によると、低回転低負荷時においては、燃焼安定性の確保や高圧系のNV(Noise & Vibration)対策等のために第2の燃料噴射機構からのみ燃料が噴射されることが多い。このときには、第1の燃料噴射機構から燃料が噴射されず、かつ、第1の燃料噴射機構の噴孔は高温の燃焼室内に晒されているので、噴孔にデポジットを堆積し易い。さらに、このデポジットの堆積のし易さは、燃料の性状の影響を受ける。このため、第1の燃料噴射機構の筒内付着物の付着度合いに関連する燃料の成分に対応させて、第2の燃料噴射機構のみによる燃料噴射回避についての条件が設定される。たとえば、燃料成分がデポジットの堆積を促進させ易い性状であると、条件が成立し易いように、燃料成分がデポジットの堆積を促進し難い性状であると、条件が成立し憎いように、設定される。このため、低回転低負荷時において第2の燃料噴射機構からのみ燃料が噴射されているときに、燃料の成分がデポジットの堆積を促進させ易い性状であると条件が成立し易いので、第1の燃料噴射機構から燃料を早期に噴射させて、デポジットの堆積を回避することができる。その結果、筒内に向けて燃料を噴射する第1の燃料噴射機構と吸気通路または吸気ポート内に向けて燃料を噴射する第2の燃料噴射機構とを有する内燃機関において、燃料性状がばらついても適切に、第1の燃料噴射機構の噴孔へのデポジットの付着を回避する、内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することができる。
第2の発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置においては、第1の発明の構成に加えて、制御手段は、第2の燃料噴射機構のみによる燃料噴射の状態に対応して、第1の燃料噴射機構による燃料の噴射から第2の燃料噴射機構のみによる燃料の噴射に復帰するように、2種類の燃料噴射機構を制御するための手段をさらに含む。
第2の発明によると、第2の燃料噴射機構のみによる燃料噴射の状態に対応して、たとえば、第2の燃料噴射機構のみによる時間が長いほどあるいはその噴射回数が多いほど第1の燃料噴射機構による燃料の噴射時間を長くあるいは噴射回数を多くしてから第2の燃料噴射機構のみによる燃料の噴射に復帰する。また、第2の燃料噴射機構のみによる時間が短いほどあるいはその噴射回数が少ないほど第1の燃料噴射機構による燃料の噴射時間を短くあるいは噴射回数を少なくても第2の燃料噴射機構のみによる燃料の噴射に復帰する。このため、第1の燃料噴射機構へのデポジットの形成を回避しつつ、低回転低負荷時における第2の燃料噴射機構のみによる燃焼安定性の確保や高圧系のNV対策等を実現できる。
第3の発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置においては、第1または2の発明の構成に加えて、制御手段は、内燃機関の状態がアイドル状態であるときに2種類の燃料噴射機構を制御する。
第3の発明によると、低回転低負荷領域のアイドル状態において、燃焼安定性の確保や高圧系のNV対策等を実現しつつ、第1の燃料噴射機構の噴孔へのデポジットの付着を回避することができる。
第4の発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置においては、第1〜3のいずれかの発明の構成に加えて、燃料の成分は、オレフィンの含有量に関連するものである。
第4の発明によると、オレフィンの含有量が多い(いわゆる燃料性状が軽質といわれる状態である)と、デポジットの堆積を促進させ易く、オレフィンの含有量が少ない(いわゆる燃料性状が重質といわれる状態である)と、デポジットの堆積を促進させ難い。このため、たとえば、内燃機関の始動時の回転数の立ち上がり状態に応じて(回転数の立ち上がりが早いと軽質、回転数の立ち上がりが遅いと重質)、第2の燃料噴射機構のみによる燃料噴射から第1の燃料噴射機構のみによる燃料噴射に切り替えることができる。その結果、燃料性状がばらついても適切に第1の燃料噴射機構のデポジットを回避することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰り返さない。
図1に、本発明の実施の形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置であるエンジンECU(Electronic Control Unit)で制御されるエンジンシステムの概略構成図を示す。なお、図1には、エンジンとして直列4気筒ガソリンエンジンを示すが、本発明はこのようなエンジンに限定されるものではない。
図1に示すように、エンジン10は、4つの気筒112を備え、各気筒112はそれぞれ対応するインテークマニホールド20を介して共通のサージタンク30に接続されている。サージタンク30は、吸気ダクト40を介してエアクリーナ50に接続され、吸気ダクト40内にはエアフローメータ42が配置されるとともに、電動モータ60によって駆動されるスロットルバルブ70が配置されている。このスロットルバルブ70は、アクセルペダル100とは独立してエンジンECU300の出力信号に基づいてその開度が制御される。一方、各気筒112は共通のエキゾーストマニホールド80に連結され、このエキゾーストマニホールド80は三元触媒コンバータ90に連結されている。
各気筒112に対しては、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ110と、吸気ポートまたは/および吸気通路内に向けて燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタ120とがそれぞれ設けられている。これらインジェクタ110、120はエンジンECU300の出力信号に基づいてそれぞれ制御される。また、各気筒内噴射用インジェクタ110は共通の燃料分配管130に接続されており、この燃料分配管130は燃料分配管130に向けて流通可能な逆止弁140を介して、機関駆動式の高圧燃料ポンプ150に接続されている。なお、本実施の形態においては、2つのインジェクタが別個に設けられた内燃機関について説明するが、本発明はこのような内燃機関に限定されない。たとえば、筒内噴射機能と吸気通路噴射機能とを併せ持つような1個のインジェクタ(ただし、インジェクタとしては1つであっても、筒内に向けて燃料を噴射する噴孔と吸気ポートまたは/および吸気通路内に向けて燃料を噴射する噴孔の2つの噴孔を有する)を有する内燃機関であってもよい。
図1に示すように、高圧燃料ポンプ150の吐出側は電磁スピル弁152を介して高圧燃料ポンプ150の吸入側に連結されており、この電磁スピル弁152の開度が小さいときほど、高圧燃料ポンプ150から燃料分配管130内に供給される燃料量が増大され、電磁スピル弁152が全開にされると、高圧燃料ポンプ150から燃料分配管130への燃料供給が停止されるように構成されている。なお、電磁スピル弁152はエンジンECU300の出力信号に基づいて制御される。
より詳しくは、カムシャフトに取り付けられたカムによりポンププランジャーが上下することにより燃料を加圧する高圧燃料ポンプ150における、ポンプ吸入側に設けられた電磁スピル弁152を、加圧行程中に閉じるタイミングを、燃料分配管130に設けられた燃料圧センサ400を用いて、エンジンECU300でフィードバック制御することにより、燃料分配管130内の燃料圧力(燃圧)が制御される。すなわち、エンジンECU300により電磁スピル弁152を制御することにより、高圧燃料ポンプ150から燃料分配管130への供給される燃料量および燃料圧力が制御される。
一方、各吸気通路噴射用インジェクタ120は、共通する低圧側の燃料分配管160に接続されており、燃料分配管160および高圧燃料ポンプ150は共通の燃料圧レギュレータ170を介して、電動モータ駆動式の低圧燃料ポンプ180に接続されている。さらに、低圧燃料ポンプ180は燃料フィルタ190を介して燃料タンク200に接続されている。燃料圧レギュレータ170は低圧燃料ポンプ180から吐出された燃料の燃料圧が予め定められた設定燃料圧よりも高くなると、低圧燃料ポンプ180から吐出された燃料の一部を燃料タンク200に戻すように構成されており、したがって吸気通路噴射用インジェクタ120に供給されている燃料圧および高圧燃料ポンプ150に供給されている燃料圧が上記設定燃料圧よりも高くなるのを阻止している。
エンジンECU300は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス310を介して相互に接続されたROM(Read Only Memory)320、RAM(Random Access Memory)330、CPU(Central Processing Unit)340、入力ポート350および出力ポート360を備えている。
エアフローメータ42は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、このエアフローメータ42の出力電圧はA/D変換器370を介して入力ポート350に入力される。エンジン10には機関冷却水温に比例した出力電圧を発生する水温センサ380が取付けられ、この水温センサ380の出力電圧は、A/D変換器390を介して入力ポート350に入力される。
燃料分配管130には燃料分配管130内の燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ400が取付けられ、この燃料圧センサ400の出力電圧は、A/D変換器410を介して入力ポート350に入力される。三元触媒コンバータ90上流のエキゾーストマニホールド80には、排気ガス中の酸素濃度に比例した出力電圧を発生する空燃比センサ420が取付けられ、この空燃比センサ420の出力電圧は、A/D変換器430を介して入力ポート350に入力される。
本実施の形態に係るエンジンシステムにおける空燃比センサ420は、エンジン10で燃焼された混合気の空燃比に比例した出力電圧を発生する全域空燃比センサ(リニア空燃比センサ)である。なお、空燃比センサ420としては、エンジン10で燃焼された混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかをオン−オフ的に検出するO2センサを用いてもよい。
アクセルペダル100は、アクセルペダル100の踏込み量に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサ440に接続され、アクセル開度センサ440の出力電圧は、A/D変換器450を介して入力ポート350に入力される。また、入力ポート350には、機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数センサ460が接続されている。エンジンECU300のROM320には、上述のアクセル開度センサ440および回転数センサ460により得られる機関負荷率および機関回転数に基づき、運転状態に対応させて設定されている燃料噴射量の値や機関冷却水温に基づく補正値などが予めマップ化されて記憶されている。
図2を参照して、筒内噴射用インジェクタ110について説明する。図2は、筒内噴射用インジェクタ110の縦方向の断面図である。
図2に示すように、筒内噴射用インジェクタ110は、その本体740の下端にノズルボディ760がスペーサを介してノズルホルダによって固定される。ノズルボディ760は、その下端に噴孔500を形成しており、ノズルボディ760内にニードル520が上下可動に配置される。ニードル520の上端は本体740内を摺動自在なコア540に当接しており、スプリング560はコア540を介してニードル520を下向きに付勢しており、ニードル520はノズルボディ760の内周シート面522に着座され、その結果、常態では噴孔500を閉鎖している。
本体740の上端にはスリーブ570が挿入固定され、スリーブ570内には燃料通路580が形成され、燃料通路580の下端側は、本体740内の通路を介してノズルボディ760の内部まで連通され、ニードル520のリフト時に燃料は噴孔500から噴射される。燃料通路580の上端側は、フィルタ600を介して燃料導入口620に接続され、この燃料導入口620は、図1の燃料分配管130に接続される。
電磁ソレノイド640は、本体740内においてスリーブ570の下端部を包囲するように配置される。ソレノイド640の通電時においては、コア540はスプリング560に抗して上昇され、燃料圧はニードル520を押し上げ、噴孔500が開放されるので燃料噴射が実行される。ソレノイド640は絶縁ハウジング650内のワイヤ660に取り出され、開弁のための電気信号を、エンジンECU300から受信することができる。この開弁のための電気信号をエンジンECU300が出力しないと、筒内噴射用インジェクタ110からの燃料噴射が行なわれない。
エンジンECU300から受信した開弁のための電気信号により、筒内噴射用インジェクタ110の燃料噴射時期および燃料噴射期間が制御される。この燃料噴射期間を制御することにより、筒内噴射用インジェクタ110からの燃料噴射量を調節できる。すなわち、この電気信号により、(最小燃料噴射量以上の領域において)、少量の燃料を噴射するように制御することもできる。なお、このような制御のために、エンジンECU300と筒内噴射用インジェクタ110との間に、EDU(Electronic Driver Unit)が設けられることもある。
このような構造を有する筒内噴射用インジェクタ110に供給される燃料の圧力は非常に高圧(13MPa程度)であるので、そのために開弁時および閉弁時に、大きなノイズや振動が発生する。このようなノイズや振動は、エンジン10の負荷が大きく回転数が高い領域においては、このエンジン10を搭載した車両の搭乗者の聴覚により検知されないが、エンジン10の負荷が小さく回転数が低い領域においては、搭乗者により検知されてしまう。そこで、本実施の形態に係る内燃機関の制御装置であるエンジンECU300は、軽負荷時においては、筒内噴射用インジェクタ110へ供給される燃料の圧力を低下させる制御を実行する。さらに、このように燃圧を低下させた場合において筒内噴射用インジェクタ110からの燃料噴射量だけでは不足が生じないように、吸気通路噴射用インジェクタ120から燃料を噴射して、エンジン10に要求される出力性能を発現させる制御を実行する。
図3に筒内噴射用インジェクタ110の先端部の断面図を示す。筒内噴射用インジェクタ110の先端部は、噴孔500が設けられたバルブボデー502と、燃料溜りとなるサックボリューム504と、ニードル先端部506と、燃料滞留部508とから構成される。
筒内噴射用インジェクタ110から燃料が吸気行程や圧縮行程で噴射された後、燃料滞留部508からニードル先端部506で押し出された燃料の一部は、噴孔500から筒内噴射用インジェクタ110の外部に噴射されることなく、サックボリューム504に残存していると考えられる。また、筒内噴射用インジェクタ110の作動停止が継続すると油密によりシール部から燃料がサックボリューム504に洩れてくると考えられる。
燃焼室内で混合気に着火して火炎が筒内噴射用インジェクタ110の先端部を横切るとき、高温の燃焼生成ガスの中にNOxが含まれシリンダ内では、2NO⇔N2+O2 の可逆反応が発生している。このとき、
(第1の状態)右辺のO2とサックボリューム504内の燃料の一部が火炎通過とともに反応し温度が上昇する。
(第2の状態)しかし、大部分は酸素不足状態で燃え残り、その温度条件下でカーボンとなって徐々に噴孔500をふさぐ。
筒内噴射用インジェクタ110の先端温度は、燃焼ガスによる受熱による影響が大きく、他にヘッドからの受熱、燃料への放熱などの因子があるが、温度が高いほど、カーボンとなって徐々に噴孔500をふさぐ傾向が顕著になると考えられる(第2の状態)。さらに、サックボリューム504内の温度上昇とNOx濃度とは、第1の状態から考えると、デポジット生成と関係がある。
したがって、燃料のカーボン(炭素)含有量や筒内噴射用インジェクタ110の先端の温度やNOx濃度がデポジット生成の指標となる。
本実施の形態においては、これらの指標の中で、カーボン含有量について特に着目した。たとえば、エンジン10の始動時のエンジン回転数の吹き上がりが早いと、燃料性状の軽質度合いが大きく(軽質度合いが高いと揮発性が高いので始動時のエンジン10の回転数の吹き上がりが早い)、オレフィンを多く含む傾向にある。オレフィンは、炭素二重結合を1つ以上持つ不飽和炭化水素であるので、オレフィンを多く含むほど、筒内噴射用インジェクタ110の先端にデポジットが早期に生成し易くなると考えられる。
本実施の形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置においては、インジェクタから噴射された燃料が気化され難い低水温領域(つまり冷間時)や、エンジン10の回転が低回転である領域(特にアイドル領域)においては、専ら、吸気通路噴射用インジェクタ120(のみ)により燃料を噴射している。これは、こうした低水温領域や低回転領域でのエンジン10の運転時に筒内噴射用インジェクタ110から燃料を噴射すると、噴霧形態の悪化を招いたり、燃焼が緩慢になることで、吸気通路噴射用インジェクタ120から燃料を噴射する場合に比べて、燃焼状態の悪化を生じ易い傾向があり、ひいては燃費の悪化や排気ガスの性状が悪化する可能性がある。また、このような低回転領域(かつ低負荷領域)においては、エンジン10の作動音が小さいために、筒内噴射用インジェクタ110に燃料を供給する高圧燃料ポンプ150の作動音を、運転者がより顕著に感じる。このため、高圧燃料ポンプ150の作動を停止させて(高圧燃料ポンプ150の電磁スピル弁を開いたままにして)、NV低減を図っている。
このように、吸気通路噴射用インジェクタ120のみで燃料を噴射することが好ましい運転領域において、筒内噴射用インジェクタ110から燃料は噴射されないので、噴孔500にデポジットが堆積し易い。特に、燃料性状が軽質であると、デポジットの形成が早まる。そのため、本実施の形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置においては、吸気通路噴射用インジェクタ120のみから燃料を噴射する領域において、燃料性状に対応させて、筒内噴射用インジェクタ110から燃料を噴射するように、インジェクタを制御する。
図4を参照して、本実施の形態に係る燃料噴射制御装置であるエンジンECU300により実行されるプログラムの制御構造について説明する。なお、このプログラムは、予め定められたサイクルタイムで繰り返し実行される。
ステップ(以下、ステップをSと略す。)100にて、エンジンECU300は、エンジン10はアイドル状態であるか否かを判断する。このとき、エンジンECU300は、アクセル開度センサ440から入力された信号が表わすアクセルペダルの踏込み量に基づいて、アイドル状態であるか否かを判断される。エンジン10はアイドル状態であると(S100にてYES)、処理はS110へ移される。もしそうでないと(S100にてNO)、この処理は終了する。
110にて、エンジンECU300は、吸気通路噴射用インジェクタ120のみから燃料を噴射するように、燃料噴射制御を実行する。S120にて、エンジンECU300は、PFIタイマをスタートさせる。このPFIタイマは、設定時間に到達したことをエンジンECU300が検出できる加算タイマである。なお、PFIタイマは、設定時間から減算して残時間が0にしたことをエンジンECU300が検出できる減算タイマであってもよい。
S130にて、エンジンECU300は、PFIタイマが設定時間に到達したか否かを判断する。この設定時間は、燃料性状に基づいて設定される。なお、これについての詳細は後述する。PFIタイマが設定時間に到達すると(S130にてYES)、処理はS140へ移される。もしそうでないと(S130にてNO)、この処理は終了する。
S140にて、エンジンECU300は、PFIタイマをリセットする。S150にて、エンジンECU300は、筒内噴射用インジェクタ110のみから燃料を噴射するように、燃料噴射制御を実行する。その後、この処理は終了する。
以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る燃料噴射制御装置であるエンジンECU300による制御されるエンジンの動作について説明する。
エンジン10がアイドル状態であると(S100にてYES)、燃焼向上対策、排気のスモーク対策、NV対策等の観点から、吸気通路噴射用インジェクタ120のみから燃料が噴射される(S110)。吸気通路噴射用インジェクタ120のみから燃料を噴射している時間を計測するPFIタイマがスタートして(S120)、筒内噴射用インジェクタ110にデポジット形成の可能性があるとして設定された設定時間に到達すると(S130にてYES)、筒内噴射用インジェクタ110のみから燃料を噴射する(S150)。このとき、アイドル状態であって総燃料噴射量(筒内噴射用インジェクタ110からの燃料噴射量と吸気通路噴射用インジェクタ120からの燃料噴射量とを加算した噴射量)の全量を筒内噴射用インジェクタ110から噴射するので、筒内噴射用インジェクタ110の最小燃料噴射量(燃料噴射時間と燃料噴射量との関係にリニアリティが成立する最小の燃料量)を下回らないようにしている。このため、所定の燃料を筒内噴射用インジェクタ110のみから噴射することができる。
PFIタイマの設定時間は、筒内噴射用インジェクタ110にデポジット形成の可能性を指標として、図6に示すような燃料性状をパラメータとして設定される。図6に示すように、燃料性状が軽質であるほど(オレフィン成分が多いほど)、PFIタイマ設定値が短くなるように設定される。なお、燃料性状をパラメータとしたPFIタイマ設定値は一例であって、本発明がこの図6に示すもの(実線、点線、一点鎖線、二点鎖線)に限定されるものではない。
以上のようにして、エンジンがアイドル状態である場合において、燃料性状が軽質であるほど吸気通路噴射用インジェクタのみで燃料噴射している時間が短くして、筒内噴射用インジェクタからも燃料を噴射させる。このため、燃料成分が軽質でオレフィン成分が多く含まれデポジットが形成し易いほど、吸気通路噴射用インジェクタのみによる燃料噴射から筒内噴射用インジェクタのみによる燃料噴射に早期に切り替えるように、2種類のインジェクタが制御される。これにより、筒内噴射用インジェクタの噴孔にデポジットが形成されることを適切に回避することができる。
<変形例>
以下に、本実施の形態に係る燃料噴射制御装置の変形例について説明する。図5に本変形例に係る燃料噴射制御装置であるエンジンECU300により実行されるプログラムの制御構造について説明する。なお、このプログラムは、予め定められたサイクルタイムで繰り返し実行される。なお、このフローチャート以外については上述の実施の形態と同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。
図4に示すフローチャートと図5に示すフローチャートとでは、(1)吸気通路噴射用インジェクタ120のみから燃料を噴射している時間ではなく、吸気通路噴射用インジェクタ120からの燃料噴射回数をカウントしている点、(2)吸気通路噴射用インジェクタ120のみで燃料噴射して、カウント条件が成立すると筒内噴射用インジェクタ110のみで燃料噴射して、さらに復帰条件が成立すると吸気通路噴射用インジェクタ120のみで燃料噴射するように復帰する点が異なる。
図5に示すフローチャートの処理の中で図4に示したフローチャートと同じ処理については同じステップ番号を付してある。それらについての処理は同じである。したがって、フローチャートについての同じ説明についても、ここでは繰り返さない。
S200にて、エンジンECU300は、吸気通路噴射用インジェクタ120からの燃料噴射毎にカウンタCNTに1を加算する。
S210にて、エンジンECU300は、カウンタCNTが設定値に到達したか否かを判断する。この設定値は、燃料性状に基づいて設定される。なお、これについての詳細は後述する。カウンタCNTが設定値に到達すると(S210にてYES)、処理はS150へ移される。もしそうでないと(S210にてNO)、この処理は終了する。
S220にて、エンジンECU300は、筒内噴射用インジェクタ110からの燃料噴射毎にカウンタCNTから1を減算する。
S230にて、エンジンECU300は、カウンタCNTが0以下に到達したか否かを判断する。カウンタCNTが0以下に到達すると(S230にてYES)、処理はS240へ移される。もしそうでないと(S230にてNO)、この処理は終了する。
S240にて、エンジンECU300は、吸気通路噴射用インジェクタ120のみから燃料を噴射するように、燃料噴射制御を実行する。これにより、エンジン10がアイドル状態である場合において、筒内噴射用インジェクタ110の噴孔にデポジットが形成されることを回避するために実行されていた筒内噴射用インジェクタ110のみからの燃料噴射から、本来の燃焼向上対策、排気のスモーク対策、NV対策等の観点から好適な吸気通路噴射用インジェクタ120のみからの燃料噴射に切り替えられる。
以上のような構造およびフローチャートに基づく、本変形例に係る燃料噴射制御装置であるエンジンECU300による制御されるエンジンの動作について説明する。
エンジン10がアイドル状態であると(S100にてYES)、燃焼向上対策、排気のスモーク対策、NV対策等の観点から、吸気通路噴射用インジェクタ120のみから燃料が噴射される(S110)。吸気通路噴射用インジェクタ120のみから燃料が噴射される毎にカウンタCNTに1が加算されて(S200)、筒内噴射用インジェクタ110にデポジット形成の可能性があるとして設定された設定値に到達すると(S210にてYES)、筒内噴射用インジェクタ110のみから燃料を噴射する(S150)。このとき、筒内噴射用インジェクタ110の最小燃料噴射量を上回り所定の燃料を筒内噴射用インジェクタ110のみから噴射することができる点は、上述の通りである。
カウンタCNT設定値は、筒内噴射用インジェクタ110にデポジット形成の可能性を指標として、図6に示すような燃料性状をパラメータとして設定される。図6に示すように、燃料性状が軽質であるほど(オレフィン成分が多いほど)、カウンタCNT設定値が小さくなるように設定される。なお、燃料性状をパラメータとしたカウンタCNT設定値は一例であって、本発明がこの図6に示すものに限定されるものではない。
筒内噴射用インジェクタ110のみから燃料が噴射される毎にカウンタCNTから1が減算されて(S220)、吸気通路噴射用インジェクタ120のみで燃料が噴射されていた回数に対応して筒内噴射用インジェクタ110のみで燃料が噴射されると、本来の吸気通路噴射用インジェクタ120のみからの燃料噴射に切り替えられる。すなわち、吸気通路噴射用インジェクタ120からの燃料噴射毎にカウンタCNTに1を加算して、筒内噴射用インジェクタ110からの燃料噴射毎にカウンタCNTから1を減算して、カウンタCNTが0以下になると吸気通路噴射用インジェクタ120のみからの燃料噴射に復帰する。
以上のようにして、エンジンがアイドル状態である場合において、燃料性状が軽質であるほど吸気通路噴射用インジェクタのみで燃料噴射している回数を短くして、筒内噴射用インジェクタからも燃料を噴射させる。このため、燃料成分が軽質でオレフィン成分が多く含まれデポジットが形成し易いほど、吸気通路噴射用インジェクタのみによる燃料噴射から筒内噴射用インジェクタのみによる燃料噴射に早期に切り替えるように2種類のインジェクタが制御される。これにより、筒内噴射用インジェクタの噴孔にデポジットが形成されることを適切に回避することができる、さらに、吸気通路噴射用インジェクタ120のみで燃料が噴射されていた回数に対応して筒内噴射用インジェクタ110のみで燃料が噴射されると、本来の吸気通路噴射用インジェクタ120のみからの燃料噴射に切り替えられる。このため、エンジン10がアイドル状態において、本来の燃焼向上対策、排気のスモーク対策、NV対策等の観点から好適な吸気通路噴射用インジェクタ120のみからの燃料噴射に戻すことができ、燃焼向上対策、排気のスモーク対策、NV対策等と、デポジット形成回避とを両立することができる。
<この制御装置が適用されるに適したエンジン(その1)>
以下、本実施の形態に係る制御装置が適用されるに適したエンジン(その1)について説明する。
図7および図8を参照して、エンジン10の運転状態に対応させた情報である、筒内噴射用インジェクタ110と吸気通路噴射用インジェクタ120との噴き分け比率(以下、DI比率(r)とも記載する。)を表わすマップについて説明する。これらのマップは、エンジンECU300のROM320に記憶される。図7は、エンジン10の温間用マップであって、図8は、エンジン10の冷間用マップである。
図7および図8に示すように、これらのマップは、エンジン10の回転数を横軸にして、負荷率を縦軸にして、筒内噴射用インジェクタ110の分担比率がDI比率rとして百分率で示されている。
図7および図8に示すように、エンジン10の回転数と負荷率とに定まる運転領域ごとに、DI比率rが設定されている。「DI比率r=100%」とは、筒内噴射用インジェクタ110からのみ燃料噴射が行なわれる領域であることを意味し、「DI比率r=0%」とは、吸気通路噴射用インジェクタ120からのみ燃料噴射が行なわれる領域であることを意味する。「DI比率r≠0%」、「DI比率r≠100%」および「0%<DI比率r<100%」とは、筒内噴射用インジェクタ110と吸気通路噴射用インジェクタ120とで燃料噴射が分担して行なわれる領域であることを意味する。なお、概略的には、筒内噴射用インジェクタ110は、出力性能の上昇に寄与し、吸気通路噴射用インジェクタ120は、混合気の均一性に寄与する。このような特性の異なる2種類のインジェクタを、エンジン10の回転数と負荷率とで使い分けることにより、エンジン10が通常運転状態(たとえば、アイドル時の触媒暖気時が、通常運転状態以外の非通常運転状態の一例であるといえる)である場合には、均質燃焼のみが行なわれるようにしている。
さらに、これらの図7および図8に示すように、温間時のマップと冷間時のマップとに分けて、筒内噴射用インジェクタ110と吸気通路噴射用インジェクタ120のDI分担率rを規定した。エンジン10の温度が異なると、筒内噴射用インジェクタ110および吸気通路噴射用インジェクタ120の制御領域が異なるように設定されたマップを用いて、エンジン10の温度を検知して、エンジン10の温度が予め定められた温度しきい値以上であると図7の温間時のマップを選択して、そうではないと図8に示す冷間時のマップを選択する。それぞれ選択されたマップに基づいて、エンジン10の回転数と負荷率とに基づいて、筒内噴射用インジェクタ110および/または吸気通路噴射用インジェクタ120を制御する。
図7および図8に設定されるエンジン10の回転数と負荷率について説明する。図7のNE(1)は2500〜2700rpmに設定され、KL(1)は30〜50%、KL(2)は60〜90%に設定されている。また、図8のNE(3)は2900〜3100rpmに設定されている。すなわち、NE(1)<NE(3)である。その他、図7のNE(2)や、図8のKL(3)、KL(4)も適宜設定されている。
図7および図8を比較すると、図7に示す温間用マップのNE(1)よりも図8に示す冷間用マップのNE(3)の方が高い。これは、エンジン10の温度が低いほど、吸気通路噴射用インジェクタ120の制御領域が高いエンジン回転数の領域まで拡大されるということを示す。すなわち、エンジン10が冷えている状態であるので、(たとえ、筒内噴射用インジェクタ110から燃料を噴射しなくても)筒内噴射用インジェクタ110の噴孔にデポジットが堆積しにくい。このため、吸気通路噴射用インジェクタ120を使って燃料を噴射する領域を拡大するように設定され、均質性を向上させることができる。
図7および図8を比較すると、エンジン10の回転数が、温間用マップにおいてはNE(1)以上の領域において、冷間用マップにおいてはNE(3)以上の領域において、「DI比率r=100%」である。また、負荷率が、温間用マップにおいてはKL(2)以上の領域において、冷間用マップにおいてはKL(4)以上の領域において、「DI比率r=100%」である。これは、予め定められた高エンジン回転数領域では筒内噴射用インジェクタ110のみが使用されること、予め定められた高エンジン負荷領域では筒内噴射用インジェクタ110のみが使用されるということを示す。すなわち、高回転領域や高負荷領域においては、筒内噴射用インジェクタ110のみで燃料を噴射しても、エンジン10の回転数や負荷が高く吸気量が多いので筒内噴射用インジェクタ110のみでも混合気を均質化しやすいためである。このようにすると、筒内噴射用インジェクタ110から噴射された燃料は燃焼室内で気化潜熱を伴い(燃焼室から熱を奪い)気化される。これにより、圧縮端での混合気の温度が下がる。これにより対ノッキング性能が向上する。また、燃焼室の温度が下がるので、吸入効率が向上し高出力が見込める。
図7に示す温間用マップでは、負荷率KL(1)以下では、筒内噴射用インジェクタ110のみが用いられる。これは、エンジン10の温度が高いときであって、予め定められた低負荷領域では筒内噴射用インジェクタ110のみが使用されるということを示す。これは、温間時においてはエンジン10が暖まった状態であるので、筒内噴射用インジェクタ110の噴孔にデポジットが堆積しやすい。しかしながら、筒内噴射用インジェクタ110を使って燃料を噴射することにより噴孔温度を低下させることができるので、デポジットの堆積を回避することも考えられ、また、筒内噴射用インジェクタの最小燃料噴射量を確保して、筒内噴射用インジェクタ110を閉塞させないことも考えられ、このために、筒内噴射用インジェクタ110を用いた領域としている。
図7および図8を比較すると、図8の冷間用マップにのみ「DI比率r=0%」の領域が存在する。これは、エンジン10の温度が低いときであって、予め定められた低負荷領域(KL(3)以下)では吸気通路噴射用インジェクタ120のみが使用されるということを示す。これはエンジン10が冷えていてエンジン10の負荷が低く吸気量も低いため燃料が霧化しにくい。このような領域においては筒内噴射用インジェクタ110による燃料噴射では良好な燃焼が困難であるため、また、特に低負荷および低回転数の領域では筒内噴射用インジェクタ110を用いた高出力を必要としないため、筒内噴射用インジェクタ110を用いないで、吸気通路噴射用インジェクタ120のみを用いる。
また、通常運転時以外の場合、エンジン10がアイドル時の触媒暖気時の場合(非通常運転状態であるとき)、成層燃焼を行なうように筒内噴射用インジェクタ110が制御される。このような触媒暖気運転中にのみ成層燃焼させることで、触媒暖気を促進させ、排気エミッションの向上を図る。
<この制御装置が適用されるに適したエンジン(その2)>
以下、本実施の形態に係る制御装置が適用されるに適したエンジン(その2)について説明する。なお、以下のエンジン(その2)の説明において、エンジン(その1)と同じ説明については、ここでは繰り返さない。
図9および図10を参照して、エンジン10の運転状態に対応させた情報である、筒内噴射用インジェクタ110と吸気通路噴射用インジェクタ120との噴き分け比率を表わすマップについて説明する。これらのマップは、エンジンECU300のROM320に記憶される。図9は、エンジン10の温間用マップであって、図10は、エンジン10の冷間用マップである。
図9および図10を比較すると、以下の点で図7および図8と異なる。エンジン10の回転数が、温間用マップにおいてはNE(1)以上の領域において、冷間用マップにおいてはNE(3)以上の領域において、「DI比率r=100%」である。また、負荷率が、温間用マップにおいては低回転数領域を除くKL(2)以上の領域において、冷間用マップにおいては低回転数領域を除くKL(4)以上の領域において、「DI比率r=100%」である。これは、予め定められた高エンジン回転数領域では筒内噴射用インジェクタ110のみが使用されること、予め定められた高エンジン負荷領域では筒内噴射用インジェクタ110のみが使用される領域が多いことを示す。しかしながら、低回転数領域の高負荷領域においては、筒内噴射用インジェクタ110から噴射された燃料により形成される混合気のミキシングが良好ではなく、燃焼室内の混合気が不均質で燃焼が不安定になる傾向を有する。このため、このような問題が発生しない高回転数領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタの噴射比率を増大させるようにしている。また、このような問題が発生する高負荷領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ110の噴射比率を減少させるようにしている。これらのDI比率rの変化を図9および図10に十字の矢印で示す。このようにすると、燃焼が不安定であることに起因するエンジンの出力トルクの変動を抑制することができる。なお、これらのことは、予め定められた低回転数領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ110の噴射比率を減少させることや、予め定められた低負荷領域へ移行するに伴い筒内噴射用インジェクタ110の噴射比率を増大させることと、略等価であることを確認的に記載する。また、このような領域(図9および図10で十字の矢印が記載された領域)以外の領域であって筒内噴射用インジェクタ110のみで燃料を噴射している領域(高回転側、低負荷側)においては、筒内噴射用インジェクタ110のみでも混合気を均質化しやすい。このようにすると、筒内噴射用インジェクタ110から噴射された燃料は燃焼室内で気化潜熱を伴い(燃焼室から熱を奪い)気化される。これにより、圧縮端での混合気の温度が下がる。これにより対ノッキング性能が向上する。また、燃焼室の温度が下がるので、吸入効率が向上し高出力が見込める。
なお、図7〜図10を用いて説明したこのエンジン10においては、均質燃焼は筒内噴射用インジェクタ110の燃料噴射タイミングを吸気行程とすることにより、成層燃焼は筒内噴射用インジェクタ110の燃料噴射タイミングを圧縮行程とすることにより実現できる。すなわち、筒内噴射用インジェクタ110の燃料噴射タイミングを圧縮行程とすることで、点火プラグ周りにリッチ混合気が偏在させることにより燃焼室全体としてはリーンな混合気に着火する成層燃焼を実現することができる。また、筒内噴射用インジェクタ110の燃料噴射タイミングを吸気行程としても点火プラグ周りにリッチ混合気を偏在させることができれば、吸気行程噴射であっても成層燃焼を実現できる。
また、ここでいう成層燃焼には、成層燃焼と以下に示す弱成層燃焼の双方を含むものである。弱成層燃焼とは、吸気通路噴射用インジェクタ120を吸気行程で燃料噴射して燃焼室全体にリーンで均質な混合気を生成して、さらに筒内噴射用インジェクタ110を圧縮行程で燃料噴射して点火プラグ周りにリッチな混合気を生成して、燃焼状態の向上を図るものである。このような弱成層燃焼は触媒暖気時に好ましい。これは、以下の理由による。すなわち、触媒暖気時には高温の燃焼ガスを触媒に到達させるために点火時期を大幅に遅角させ、かつ良好な燃焼状態(アイドル状態)を維持する必要がある。また、ある程度の燃料量を供給する必要がある。これを成層燃焼で行なおうとしても燃料量が少ないという問題があり、これを均質燃焼で行なおうとしても良好な燃焼を維持するために遅角量が成層燃焼に比べて小さいという問題がある。このような観点から、上述した弱成層燃焼を触媒暖気時に用いることが好ましいが、成層燃焼および弱成層燃焼のいずれであっても構わない。
また、図7〜図10を用いて説明したエンジンにおいては、筒内噴射用インジェクタ110による燃料噴射のタイミングは、以下のような理由により、圧縮行程で行なうことが好ましい。ただし、上述したエンジン10は、基本的な大部分の領域には(触媒暖気時にのみに行なわれる、吸気通路噴射用インジェクタ120を吸気行程噴射させ、筒内噴射用インジェクタ110を圧縮行程噴射させる弱成層燃焼領域以外を基本的な領域という)、筒内噴射用インジェクタ110による燃料噴射のタイミングは、吸気行程である。しかしながら、以下に示す理由があるので、燃焼安定化を目的として一時的に筒内噴射用インジェクタ110の燃料噴射タイミングを圧縮行程噴射とするようにしてもよい。
筒内噴射用インジェクタ110からの燃料噴射時期を圧縮行程中とすることで、筒内温度がより高い時期において、燃料噴射により混合気が冷却される。冷却効果が高まるので、対ノック性を改善することができる。さらに、筒内噴射用インジェクタ110からの燃料噴射時期を圧縮行程中とすると、燃料噴射から点火時期までの時間が短いことから噴霧による気流の強化を実現でき、燃焼速度を上昇させることができる。これらの対ノック性の向上と燃焼速度の上昇とから、燃焼変動を回避して、燃焼安定性を向上させることができる。
さらに、エンジン10の温度によらず(すなわち、温間時および冷間時のいずれの場合であっても)、オフアイドル時(アイドルスイッチがオフの場合、アクセルペダルが踏まれている場合)には、図7または図9に示す温間用マップを用いるようにしてもよい(冷間温間を問わず、低負荷領域において筒内噴射用インジェクタ110を用いる)。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施の形態に係る制御装置で制御されるエンジンシステムの概略構成図である。 筒内噴射用インジェクタの断面図である。 筒内噴射用インジェクタ先端部の断面図である。 本発明の実施の形態に係る制御装置であるエンジンECUで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャート(その1)である。 本発明の実施の形態に係る制御装置であるエンジンECUで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである(その2)。 本発明の実施の形態に係る制御装置であるエンジンECUに記憶されるマップを示す図である。 本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの温間時のDI比率マップを表わす図(その1)である。 本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの冷間時のDI比率マップを表わす図(その1)である。 本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの温間時のDI比率マップを表わす図(その2)である。 本発明の実施の形態に係る制御装置が適用されるに好適なエンジンの冷間時のDI比率マップを表わす図(その2)である。
符号の説明
10 エンジン、20 インテークマニホールド、30 サージタンク、40 吸気ダクト、42 エアフローメータ、50 エアクリーナ、60 電動モータ、70 スロットルバルブ、80 エキゾーストマニホールド、90 三元触媒コンバータ、100 アクセルペダル、110 筒内噴射用インジェクタ、112 気筒、120 吸気通路噴射用インジェクタ、130 燃料分配管、140 逆止弁、150 高圧燃料ポンプ、152 電磁スピル弁、160 燃料分配管(低圧側)、170 燃料圧レギュレータ、180 低圧燃料ポンプ、190 燃料フィルタ、200 燃料タンク、300 エンジンECU、310 双方向性バス、320 ROM、330 RAM、340 CPU、350 入力ポート、360 出力ポート、370,390,410,430,450 A/D変換器、380 水温センサ、400 燃料圧センサ、420 空燃比センサ、440 アクセル開度センサ、460 回転数センサ。

Claims (4)

  1. 筒内に燃料を噴射する第1の燃料噴射機構と吸気通路内に燃料を噴射する第2の燃料噴射機構とを備えた内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
    前記第1の燃料噴射機構の筒内付着物の付着度合いに関連する燃料の成分に対応させて、前記第2の燃料噴射機構のみによる燃料噴射回避するための条件を設定するための設定手段と、
    前記第1の燃料噴射機構と前記第2の燃料噴射機構とで分担して燃料を噴射するように、2種類の燃料噴射機構を制御するための手段と、
    前記第2の燃料噴射機構のみにより燃料が噴射されているときに前記条件が成立すると前記第1の燃料噴射機構により燃料を噴射するように、前記2種類の燃料噴射機構を制御するための制御手段を含み、
    前記設定手段によって設定される前記条件は、前記燃料のオレフィン成分が多いほど成立し易い、内燃機関の燃料噴射制御装置。
  2. 前記制御手段は、前記第2の燃料噴射機構のみによる燃料噴射の状態に対応して、前記第1の燃料噴射機構による燃料の噴射から前記第2の燃料噴射機構のみによる燃料の噴射に復帰するように、前記2種類の燃料噴射機構を制御するための手段をさらに含む、請求項1に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
  3. 前記制御手段は、前記内燃機関の状態がアイドル状態であるときに前記2種類の燃料噴射機構を制御する、請求項1または2に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
  4. 前記燃料の成分は、オレフィンの含有量に関連する、請求項1〜3のいずれかに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
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