JP4602402B2

JP4602402B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP4602402B2
Application number: JP2007509205A
Authority: JP
Inventors: 武文内田; 豊岩見; 丈雄近藤; 秀之石山
Original assignee: Toyota Motor Corp; Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2026-03-13
Also published as: CN101142388A; WO2006100952A1; EP1860303B1; EP1860303A1; CN100595426C; EP1860303A4; US7299784B2; US20060212208A1; JPWO2006100952A1

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射インジェクタを備えた内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種の内燃機関（以下「エンジン」という）としては、例えば特許文献１又は特許文献２に記載されたようなものがある。
【０００３】
この特許文献１に記載のエンジンは、気筒内に燃料を直接噴射させる筒内噴射方式（Direct Injection System)で、運転条件に応じて燃料圧力を変化させるようにしている。エンジン高回転の時は高燃料圧力で噴射し、エンジン低回転の時は低燃料圧力で噴射させるようにしている。燃料圧力を変化させると、燃料噴射時間と燃料噴射量との関係が変化し、高燃料圧力では、燃料噴射時間の僅かな変化で燃料噴射量が過剰に変化し、運転性能が悪化する。
【０００４】
そこで、かかるエンジンにおいては、運転状態に応じて燃料圧力を設定すると共に、吸入空気量とエンジン回転数とから決定される基本燃料噴射時間に、燃料圧力による補正量（ＣＦＰ）を乗じて実際の燃料噴射時間を算出するようにし、このＣＦＰを燃料圧力の上昇により漸次小となるように設定している。
【０００５】
一方、特許文献２に記載のエンジンは、エンジン回転数とエンジン負荷（アクセル開度）から要求燃料噴射量（Ｑａｌｌ）を算出すると共に、この要求燃料噴射量（Ｑａｌｌ）の最小値を各燃料圧力に応じて設定された最小値（Ｑｍｉｎ）に制限する。すなわち、要求燃料噴射量（Ｑａｌｌ）が燃料圧力に応じて設定された最小値（Ｑｍｉｎ）未満の時は最小値（Ｑｍｉｎ）に一致させて燃料噴射量の安定を図り、最小値（Ｑｍｉｎ）以上の時は要求燃料噴射量（Ｑａｌｌ）をそのまま燃料噴射量に反映させる。その際には、無効噴射時間を燃料圧力に応じて設定しても良い。
【特許文献１】
特開平７−２６９３９４号公報。
【特許文献２】
特開平１１−１３２０７６号公報。
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００６］
しかしながら、このような従来のものにあっては、特許文献１では、燃料圧力による補正を１つの係数マップを使って行うもので高精度の噴射量の制御ができない。
［０００７］
また、特許文献２では、アイドル運転中のような要求燃料噴射量が少量の時の問題点に着目したもので、開示内容も「要求燃料噴射量（Ｑａｌｌ）が最小値（Ｑｍｉｎ）未満の時には燃料噴射量を最小値（Ｑｍｉｎ）に制限する」という局部的な狭い領域での制限の説明でしかない。無効噴射時間を燃料圧力に応じて設定するとの説明もあるが、どのように設定するのか当業者においても理解できない。
［０００８］
してみれば、全運転領域に渡って、燃料の高精度の燃料噴射量制御を行うことができないものである。
［０００９］
そこで、この発明は、気筒内噴射式のものにおいて、全運転領域に渡って燃料の高精度の噴射量制御を行うことができる内燃機関を提供することを課題としている。
課題を解決するための手段
【００１０】
かかる課題を達成するために、請求項１に記載の発明は筒内噴射インジェクタにより気筒内に燃料を直接噴射し、該燃料噴射時の内燃機関運転状態に応じて燃料圧力を変化させると共に燃料噴射量を制御する内燃機関において、前記内燃機関運転状態を検出する検出手段と、該検出手段からの情報に基づき、前記気筒内に燃料を噴射するのに必要とされる要求燃料噴射量(Ｑ)を求める第１の計算部と、前記燃料圧力に対する２種類の係数である、筒内噴射インジェクタの燃料圧力に対する噴射特性係数(Ｋａ)のマップ及び無効噴射時間(ｔｂ)のマップと、該２種類のマップから読み込まれる燃料圧力に対する２つの噴射特性係数(Ｋａ)及び無効噴射時間(ｔｂ)と、前記要求燃料噴射量(Ｑ)とに基づいて、式Ｔ＝Ｋａ×Ｑ＋ｔｂにより要求燃料噴射時間(Ｔ)を算出する第２の計算部を含み、前記筒内噴射インジェクタにより前記要求燃料噴射時間(Ｔ)の間、燃料を噴射させる制御部とを含む制御手段を有し、前記要求燃料噴射量(Ｑ)は、少なくとも内燃機関回転数、内燃機関負荷、筒内噴射系デリバリパイプ内燃料温度の前記内燃機関運転状態から決定される内燃機関としたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記内燃機関負荷は、吸入空気量、アクセル開度、又は吸気管負圧の何れかの値から得られることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の構成に加え、前記筒内噴射インジェクタの燃料噴射時の燃料圧力値が前記マップの格子点にない場合には、近傍の格子点から補間して、前記噴射特性係数(Ｋａ)又は無効噴射時間(ｔｂ)を求めることを特徴とする。
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、燃料圧力と筒内噴射系デリバリパイプ内燃料温度とを個別に検出し、これら検出値の両方を用いて要求燃料噴射時間Ｔを演算するので、最適なエンジン制御を行うことができる。
上記各請求項に記載の発明によれば、燃料圧力に対する係数マップを噴射特性係数と無効噴射時間の２種類とすることで、誤差のない正確な燃料噴射時間を得ることができ、全運転領域に渡って高精度の噴射量制御が可能となる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、筒内噴射インジェクタの噴射時の燃料圧力値が、燃料圧力に対する２つの係数を決めるマップ上にない場合でも、２つの係数を各々補間することにより、誤差のない正確な燃料噴射時間を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態に係るエンジンを示す断面図である。
【図２】同実施の形態に係るＰＦＩインジェクタが配設されたブロックの平面図である。
【図３】同実施の形態に係る図２の正面図である。
【図４】同実施の形態に係るブロック図である。
【図５】同実施の形態に係る要求燃料噴射量を得るフローチャート図である。
【図６】同実施の形態に係る燃料圧力に対する燃料噴射時間と燃料噴射量との関係を示すグラフ図である。
【図７】同実施の形態に係るエンジン回転数とエンジン負荷に基づく燃料の噴射量が定められたマップ図である。
【図８】同実施の形態に係る燃料圧力に基づく噴射特性係数(Ｋａ)と無効噴射時間(ｔｂ)とが定められたマップ図である。
【図９】同実施の形態に使用するＤＩインジェクタの特性に係る燃料圧力と噴射特性係数(Ｋａ)との相関図である。
【図１０】同実施の形態に使用するＤＩインジェクタの特性に係る燃料圧力と無効噴射時間(ｔｂ)との相関図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１乃至図１０には、この発明の実施の形態を示す。
【００１９】
まず構成を説明すると、図１中符号１１は「内燃機関」であるＶ型６気筒エンジンで、各気筒１２毎に、吸気ポート１３及び排気ポート１４が接続されると共に、各気筒１２毎に筒内噴射インジェクタ（以下「ＤＩインジェクタ」という）１５と吸気管噴射インジェクタ（以下「ＰＦＩインジェクタ」という）１６とが配設されている。このＤＩインジェクタ１５から気筒１２内（燃焼室内）に直接燃料が噴射されて気筒１２内で空気と混合されると共に、ＰＦＩインジェクタ１６から吸気ポート１３内に燃料が噴射され、吸気ポート１３内を流れる空気と混合されて気筒１２内に吸い込まれ、所定のタイミングで図示省略の点火プラグが点火されることにより、燃焼されるように構成されている。
【００２０】
また、各気筒１２毎に、吸気ポートを開閉する吸気バルブ１８及び排気ポートを開閉する排気バルブ１９が配設され、吸気バルブ１８が開かれることにより、サージタンク２０から吸気ポート１３を介して気筒１２内（燃焼室内）に清浄な空気が吸入されるようになっている。
【００２１】
そして、各気筒１２毎に設けられた各ＤＩインジェクタ１５は筒内噴射系デリバリパイプ（以下「ＤＩデリバリパイプ」という）２３で、各ＰＦＩインジェクタ１６は吸気管噴射系デリバリパイプ（以下「ＰＦＩデリバリパイプ」という）２４で連結され、そのＤＩデリバリパイプ２３は、筒内噴射系配管（以下「ＤＩ配管」という）２６により燃料タンク２８に環流するように接続され、ＰＦＩデリバリパイプ２４は吸気管噴射系配管（以下「ＰＦＩ配管」という）２７により燃料タンク２８に接続されている（図１乃至図４参照）。
【００２２】
そのＤＩデリバリパイプ２３には、図４に示すように、フューエルポンプ３１及び高圧ポンプ３２にて燃料が所定の高い圧力で送られ、ＰＦＩデリバリパイプ２４には、フューエルポンプ３１にて燃料がＤＩデリバリパイプ２３側より低い圧力で送られるようになっている。ＤＩインジェクタ１５は、高圧の気筒１２内に直接燃料を噴射するため、高い圧力が必要となる。
【００２３】
これら各インジェクタ１５，１６は、各ポンプ３１，３２により、所望の燃料圧力で送られてきた燃料が図示省略のバルブが所定時間（燃料噴射時間）開かれることにより、所望量噴射されるように構成されている。
【００２４】
これら各インジェクタ１５，１６は、「制御手段」としてのエンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）３５に接続され、各バルブの開閉タイミング及び開閉時間が制御されるようになっている。
【００２５】
また、このＥＣＵ３５には、そのＤＩデリバリパイプ２３に配設された燃料圧力センサ３６及び燃料温度センサ３７が接続されると共に、このＥＣＵ３５には、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ３８及び、エンジン負荷を検出するエンジン負荷センサ３９が接続されている。これら各センサ３８，３９等により、エンジン運転状態を検出する「検出手段」が構成されるようになっている。
【００２６】
そのエンジン負荷センサ３９としては、例えば吸入空気量を検出するセンサ、アクセル開度を検出するセンサ、又は吸気管負圧を検出するセンサ等の何れかを用いることができる。
【００２７】
さらに、このＥＣＵ３５には、各種のアクチュエータ４０が接続され、このアクチュエータ４０がＥＣＵ３５からの信号により制御されるように構成されている。
【００２８】
そして、このＥＣＵ３５により、燃料噴射時のエンジン運転状態に応じて燃料圧力を変化させると共に燃料噴射量が制御されるように構成されている。ちなみに、図６に示すように、燃料圧力が高い時には、ＤＩインジェクタ１５のバルブの開きが、燃料圧力が低い時より遅くなり、燃料圧力が高い時の特性線Ａは、燃料圧力が低い時の特性線Ｂより傾きが小さい。従って、燃料圧力に応じて燃料噴射時間や燃料噴射量が変化するため、燃料噴射量が所定の量になるように制御する必要がある。
【００２９】
詳しくは、上記各センサ３６乃至３９からの情報に基づき、気筒１２内に燃料を噴射するのに必要とされる要求燃料噴射量(Ｑ)をＥＣＵ３５内の「第１の計算部」において求めると共に、燃料圧力に対する２種類の係数である、ＤＩインジェクタ１５の燃料圧力に対する噴射特性係数(Ｋａ)と無効噴射時間(ｔｂ)とのマップをＥＣＵ３５内に有し、この２種類のマップから読み込まれる燃料圧力に対する２つの噴射特性係数(Ｋａ)及び無効噴射時間(ｔｂ)と、前記要求燃料噴射量(Ｑ)とから、式１に基づいて、要求燃料噴射時間(Ｔ)をＥＣＵ内の「第２の計算部」において算出する。
【００３０】
［式１］
Ｔ＝Ｋａ×Ｑ＋ｔｂ
【００３１】
その要求燃料噴射量(Ｑ)は、少なくともエンジン回転数、エンジン負荷、燃料温度のエンジン運転状態から決定されるように構成されている。すなわち、エンジン回転数とエンジン負荷を求めることにより、例えば図７に示すマップから燃料噴射量（Ｑｇ）が求められ、この燃料噴射量（Ｑｇ）に対して燃料温度を加味することにより、要求燃料噴射量（Ｑ）を求める。燃料温度が高くなると、燃料密度が低くなるため、エンジン回転数とエンジン負荷からのみ求めた燃料噴射量（Ｑｇ）では、最適なエンジン燃焼を行うことはできず、燃料温度の変化に対応して、その燃料噴射量（Ｑｇ）を下記式２に示すように補正する必要がある。
【００３２】
［式２］
Ｑ＝Ｑｇ×１／ｄ
ｄ：燃料温度の係数
【００３３】
この際のエンジン負荷は、吸入空気量、アクセル開度、又は吸気管負圧の何れかの値が用いられる。
【００３４】
また、上記ＤＩインジェクタ１５の燃料圧力に対する噴射特性係数(Ｋａ)は、図８のマップに基づいて決定される。例えば、マップの格子点である燃料圧力の値（Ｐｎ）に対して噴射特性係数(Ｋａ)の値（ａｎ）が予め定められている。
【００３５】
さらに、ＤＩインジェクタ１５の燃料圧力に対する無効噴射時間(ｔｂ)も、図８のマップに基づいて決定される。例えば、燃料圧力の値（Ｐｎ）に対して無効噴射時間(ｔｂ)の値（ｂｎ）が予め定められている。
【００３６】
なお、図８のマップは、使用するインジェクタの特性で決まる、燃料圧力−Ｋａ相関図（図９）や燃料圧力−ｔｂ相関図（図１０）に基づき作成される。
【００３７】
ここで、無効噴射時間(ｔｂ)とは、以下のような時間を言う。すなわち、燃料を噴射するＤＩインジェクタ１５は、駆動電圧が印加されてから開弁するまでに作動遅れＴｏがある。また、駆動電圧が切られてから閉弁するまでにも作動遅れＴｃがある。この作動遅れ時間は、閉弁時より、開弁時の方が長い。従って、駆動電圧が印加されている時間より、弁が開いている時間の方が短くなってしまう。この燃料を噴射しない時間、「Ｔｏ−Ｔｃ」の時間を無効噴射時間という。
【００３８】
また、ＤＩインジェクタ１５の噴射時の燃料圧力値が前記マップの格子点にない場合には、近傍の格子点から直線補間して、前記噴射特性係数(Ｋａ)又は無効噴射時間(ｔｂ)を求めるように構成されている。
【００３９】
そして、そのＥＣＵ３５内の「制御部」は、その要求燃料噴射時間(Ｔ)の間、ＤＩインジェクタ１５が開弁するように、駆動電圧を印加して、燃料を噴射させるように構成されている。
【００４０】
次に、作用について説明する。
【００４１】
エンジン回転状態において、図５中、ステップＳ１００で、エンジン回転数及びエンジン負荷を、各センサ３８，３９からＥＣＵ３５に読み込む。次いで、ステップＳ１０１で、燃料圧力センサ３６からの信号により、ＤＩデリバリパイプ２３内の燃料圧力をＥＣＵ３５に読み込む。さらに、ステップＳ１０２で、燃料温度センサ３７からの信号により、ＤＩデリバリパイプ２３内の燃料温度をＥＣＵ３５に読み込む。
【００４２】
そして、ステップＳ１０３で、上記各センサ３６乃至３９からの値により、エンジンが現時点で必要としている要求燃料噴射量（Ｑ）を求める。
【００４３】
ここでは、エンジン回転数とエンジン負荷を検出することにより、例えば図７に示すマップから燃料噴射量（Ｑｇ）が求められ、この燃料噴射量（Ｑｇ）に対して燃料温度を加味することにより、要求燃料噴射量（Ｑ）を求める。燃料温度が高くなると、燃料密度が低くなるため、エンジン回転数とエンジン負荷からのみ求めた燃料噴射量（Ｑｇ）では、最適なエンジン燃焼を行うことはできず、燃料温度の変化に対応して、その燃料噴射量（Ｑｇ）を上記式２に示すように補正する。
【００４４】
次いで、ステップＳ１０４で、燃料圧力の値に基づき、噴射特性係数(Ｋａ)及び無効噴射時間(ｔｂ)を、図８に示すマップに基づき求める。この際には、ＤＩインジェクタ１５の燃料噴射時の燃料圧力値がマップの格子点にない場合には、マップから直線補間して、噴射特性係数(Ｋａ)及び無効噴射時間(ｔｂ)を求める。
【００４５】
その後、ステップＳ１０５において、ステップＳ１０４で算出された噴射特性係数(Ｋａ)及び無効噴射時間(ｔｂ)と、ステップＳ１０３で算出された要求燃料噴射量（Ｑ）とを、上記式１に代入して要求燃料噴射時間（Ｔ）を算出する。
【００４６】
この要求燃料噴射時間（Ｔ）に基づく信号が、ＥＣＵ３５からＤＩインジェクタ１５に送信されて、このＤＩインジェクタ１５のバルブがその時間（Ｔ）開かれて燃料が噴射される。
【００４７】
このようなものにあっては、燃料圧力に対する係数マップを噴射特性係数と無効噴射時間の２種類とすることで、誤差のない正確な燃料噴射時間を得ることができ、全運転領域に渡って高精度の燃料噴射量制御が可能となる。
【００４８】
また、ＤＩインジェクタ１５の噴射時の燃料圧力値が、燃料圧力に対する２つの係数を決めるマップ上に格子点としてない場合でも、２つの係数を各々補間することにより、誤差のない正確な燃料噴射時間を得ることができる。
【００４９】
なお、上記実施の形態では、「内燃機関」としてＤＩインジェクタ１５と、ＰＦＩインジェクタ１６とが設けられたものについて、この発明を適用したが、これに限らず、ＤＩインジェクタ１５が設けられているものであれば、ＰＦＩインジェクタ１６が設けられていないものについてもこの発明を適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
11 エンジン（内燃機関）
12 気筒
13 吸気ポート
14 排気ポート
15 ＤＩインジェクタ（筒内噴射インジェクタ）
16 ＰＦＩインジェクタ（吸気管噴射インジェクタ）
18 吸気バルブ
19 排気バルブ
23 ＤＩデリバリパイプ（筒内噴射系デリバリパイプ）
24 ＰＦＩデリバリパイプ（吸気管噴射系デリバリパイプ）
26 ＤＩ配管（筒内噴射系配管）
27 ＰＦＩ配管（吸気管噴射系配管）
28 燃料タンク
31 フューエルポンプ
32 高圧ポンプ
35 ＥＣＵ（制御手段）
36 燃料圧力センサ
37 燃料温度センサ
38 エンジン回転数センサ（検出手段）
39 エンジン負荷センサ（検出手段）
40 アクチュエータ

Claims

筒内噴射インジェクタにより気筒内に燃料を直接噴射し、該燃料噴射時の内燃機関運転状態に応じて燃料圧力を変化させると共に燃料噴射量を制御する内燃機関において、
前記内燃機関運転状態を検出する検出手段と、
該検出手段からの情報に基づき、前記気筒内に燃料を噴射するのに必要とされる要求燃料噴射量(Ｑ)を求める第１の計算部と、前記燃料圧力に対する２種類の係数である、筒内噴射インジェクタの燃料圧力に対する噴射特性係数(Ｋａ)のマップ及び無効噴射時間(ｔｂ)のマップと、該２種類のマップから読み込まれる燃料圧力に対する２つの噴射特性係数(Ｋａ)及び無効噴射時間(ｔｂ)と、前記要求燃料噴射量(Ｑ)とに基づいて、次式により
Ｔ＝Ｋａ×Ｑ＋ｔｂ
要求燃料噴射時間(Ｔ)を算出する第２の計算部を含み、前記筒内噴射インジェクタにより前記要求燃料噴射時間(Ｔ)の間、燃料を噴射させる制御部とを含む制御手段を有し、
前記要求燃料噴射量(Ｑ)は、少なくとも内燃機関回転数、内燃機関負荷、筒内噴射系デリバリパイプ内燃料温度の前記内燃機関運転状態から決定されることを特徴とする内燃機関。
前記内燃機関負荷は、吸入空気量、アクセル開度、又は吸気管負圧の何れかの値から得られることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記筒内噴射インジェクタの噴射時の燃料圧力値が前記マップの格子点にない場合には、近傍の格子点から補間して、前記噴射特性係数(Ｋａ)又は無効噴射時間(ｔｂ)を求めることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。