JP4673795B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、詳しくは、吸気バルブの上流側に備えられる燃料噴射弁の噴射時期を制御する技術に関する。

特許文献１には、吸気バルブの上流側の吸気ポートに燃料噴射弁を設け、該燃料噴射弁による噴射時期を吸気行程に同期させる制御装置が開示されており、前記噴射時期は、吸気ポートにおける吸気流速などから決定していた。
特開２００１−２６３１４３号公報

ところで、上記のように吸気ポート噴射を行うシステムでは、噴射された燃料の気化を機関熱で促進させるため、燃料噴射時期を遅らせると、気化時間が短くなって気化が不十分になり、燃焼が悪化することになってしまう。
しかし、燃料噴射時期を遅らせることができれば、燃料の気化熱による吸気の冷却が図られ、これによって充填効率が高くなり、機関の出力性能の向上を図ることができる。

一方で、近年では、燃料噴射弁に対する燃料の供給圧を可変にできるシステムが開発されてきており、燃料供給圧を高くすることで、燃料の微粒化を促進できる。
本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、燃料噴射弁に対する燃料供給圧を可変にできるシステムにおいて、高い燃焼安定性を確保しつつ充填効率の向上を図れる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

そのため請求項１記載の発明は、吸気バルブの上流側に燃料噴射弁を備えると共に、前記燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が可変とされる内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
機関回転速度が高いほど燃料供給圧を高くし、かつ、前記燃料供給圧が高いほど前記燃料噴射弁による燃料の噴射時期を遅らせることを特徴とする。
上記発明によると、機関回転速度が高いときに燃料供給圧を高くすることで、燃料噴霧の粒径を小さくして燃焼性を維持させることができる一方、噴射時期を遅くすることで、燃料の気化熱による吸気冷却を図り、充填効率を向上させることができる。一方、低回転域では、燃料供給圧を低くすることで燃料ポンプの電力消費を抑えつつ、噴射時期を早くして気化時間を確保できる。

請求項２記載の発明は、燃料供給圧が比較的低いときに排気行程で燃料を噴射させ、燃料供給圧が比較的高いときに吸気行程で燃料を噴射させることを特徴とする。
上記発明によると、燃料供給圧が低く燃料の微粒化が不十分で、機関熱による気化時間の要求が長い場合には、前記気化時間を確保すべく排気行程で（吸気バルブが開く前に）燃料を噴射させる一方、燃料供給圧が高く燃料の微粒化が促進され、機関熱による気化時間の要求が充分に短い場合には、吸気行程（吸気バルブが開いている間）で燃料を噴射させる。

従って、燃料供給圧が比較的低い場合には、充分な気化時間を確保できると共に、燃料供給圧が比較的高い場合には、最大限に吸気の冷却を促進し、充填効率を高めることができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関のシステム構成図である。
図１において、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装される。
そして、前記電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

各気筒の吸気バルブ１０５上流の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１がそれぞれ設けられている。
前記燃料噴射弁１３１は、コントロールユニット１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
前記燃焼室１０６内に空気と混合して吸引された燃料は、点火プラグ１５１による火花点火によって着火燃焼する。

前記点火プラグ１５１には、それぞれパワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル１５２が直付けされており、前記コントロールユニット１１４から前記パワートランジスタのオン・オフを制御する点火制御信号を出力することで、各気筒の点火時期が制御される。
燃焼室１０６内の燃焼排気は、排気バルブ１０７を介して排気管に排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。

前記吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７は、それぞれ吸気側カムシャフト１１１，排気側カムシャフト１１０に設けられたカムによって開閉駆動される。
燃料タンク１３５には、電動式の燃料ポンプ１３６が内蔵され、この燃料ポンプ１３６を駆動することで燃料タンク１３５内の燃料（ガソリン）が前記燃料噴射弁１３１に向けて圧送される。

前記燃料ポンプ１３６から吐出された燃料を各燃料噴射弁１３１に分配する分配管１３７には、燃圧センサ１３８が設けられており、該燃圧センサ１３８で検出される燃圧（燃料噴射弁１３１に対する燃料の供給圧）が目標圧になるように、前記燃料ポンプ１３６の吐出量（駆動電圧）が前記コントロールユニット１１４によってフィードバック制御されるようになっている。

ここで、前記目標圧は、後述するように、機関１０１の負荷・回転、更には、機関１０１の温度などから決定される。尚、機関１０１の温度は、冷却水温度や、潤滑油の温度で代表させることができる。
前記コントロールユニット１１４は、マイクロコンピュータを内蔵し、各種センサからの検出信号に基づく演算処理によって、前記電子制御スロットル１０４，燃料噴射弁１３１，燃料ポンプ１３６，パワートランジスタ等を制御する。

前記各種センサとしては、前記燃圧センサ１３８の他、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ１１６、機関１０１の吸入空気量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランクシャフト１２０の回転位置を検出するクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、機関１０１の冷却水温度を検出する水温センサ１１９、前記フロント触媒１０８の上流側での排気中の酸素濃度に基づいて排気空燃比を検出する空燃比センサ１２１等が設けられている。

ここで、前記コントロールユニット１１４は、前記クランク角センサ１１７からの検出信号に基づいて機関回転速度Ｎｅを算出し、該機関回転速度Ｎｅとエアフローメータ１１５で検出された吸入空気量Ｑとから基本燃圧に対応する基本噴射パルス幅Ｔｐを演算し、更に、この基本噴射パルス幅Ｔｐを、冷却水温度等に基づく各種補正係数ＣＯや空燃比センサ１２１の検出結果に基づく空燃比フィードバック補正係数LAMBDAやそのときの燃圧で要求量の燃料を噴射させるための燃圧補正係数KFPなどに基づいて補正することで、最終的な噴射パルス幅Ｔｉを算出する。

そして、前記噴射パルス幅Ｔｉの噴射パルス信号を、各気筒の行程に合わせてそれぞれの燃料噴射弁１３１に出力するが、本実施形態では、下記に示すようにして噴射時期が可変に制御される。
図２のフローチャートは、噴射時期の可変制御の第１参考例を示す。
ステップＳ１１では、前記燃圧センサ１３８で検出された燃圧を読み込む。

そして、次のステップＳ１２では、予め燃圧毎に噴射時期を記憶してある噴射時期テーブルを参照し、補間演算によってそのときの燃圧に対応する噴射時期を求め、前記噴射時期に基づいて燃料噴射弁１３１に対する噴射パルス信号の出力タイミングを制御する。
前記ステップＳ１２で設定される噴射時期は、燃圧が高いほど噴射時期として遅い時期が設定されるようになっており、噴射時期の可変範囲としては、図３に示すように、排気行程中から吸気行程中までが設定される。

従って、燃圧が比較的低いために、燃料噴霧の微粒化が促進され難く、燃料の粒径が比較的大きいときには、排気行程中（吸気バルブ１０５が開く前）に燃料が噴射されることから、気化時間が長く確保され、機関熱を利用して燃料噴霧を充分に気化させることができ、燃圧が低い条件であっても高い燃焼性を維持できる。
一方、燃圧が比較的高く、燃料噴霧の微粒化が促進され燃料の粒径が比較的小さいときには、長い気化時間を必要とせず、噴射時期を遅らせて気化時間を短くしても高い燃焼性を維持できるので、吸気行程中（吸気バルブ１０５が開いている間）に燃料を噴射させることで、燃料の気化熱によって吸気の冷却が図られるようにする。

これにより、高燃圧時には、燃焼性を維持しつつ、吸気冷却による充填効率の向上によって出力性能を改善できる。
尚、本願において、排気行程中の燃料噴射とは、噴射時間の大部分が排気行程に重なる噴射であり、また、吸気行程中の燃料噴射とは、噴射時間の大部分が吸気行程に重なる噴射であり、必ずしも排気行程中若しくは吸気行程中に噴射が完結することを意味しない。

また、上記参考例では、補間演算によって燃圧の変化に対して噴射時期が連続的に変化するようにしたが、例えば、燃圧が２種類に切り換えられる場合に、これら２種類の燃圧毎に予め設定されている噴射時期のいずれか一方を選択する構成とすることができる。
図４のフローチャートは、目標燃圧の設定と共に噴射時期の可変制御を行う第２参考例を示す。

ステップＳ２１では、前記水温センサ１１９で検出された冷却水温度を読み込む。
尚、本参考例において、前記冷却水温度は機関温度を代表する状態量であり、冷却水温度に代えて、潤滑油温度やシリンダブロック温度などを検出させても良い。
ステップＳ２２では、予め冷却水温度毎に目標燃圧を記憶してある目標燃圧テーブルを参照し、補間演算によってそのときの冷却水温度に対応する目標燃圧を求める。

ここで、前記冷却水温度が低いほど目標燃圧は高く設定されるようにしてあり、これにより、冷却水温度が低く機関熱を利用して燃料噴霧の気化を充分に促進させることが困難であるときに、燃料噴霧の粒径を小さくし、低い温度条件（低温始動時）であっても燃焼性を維持できるようにする。
一方、冷却水温度が高くなると、機関熱を利用して燃料噴霧の気化を充分に促進させることができるので、目標燃圧を標準値にまで低下させることで、燃料ポンプ１３６の電力消費を低下させる。

前記燃料ポンプ１３６の吐出量（駆動電圧）は、上記ステップＳ２２で設定された目標燃圧に前記燃圧センサ１３８で検出される実際の燃圧が近づくようにフィードバック制御される。
ステップＳ２２で目標燃圧を演算すると、ステップＳ２３では、予め目標燃圧毎に噴射時期を記憶してある噴射時期テーブルを参照し、補間演算によってそのときの目標燃圧に対応する噴射時期を求める。

ここでも、燃圧が高いほど噴射時期として遅い時期が設定されるようになっており、噴射時期の可変範囲としては、図３に示すように、排気行程中から吸気行程中までが設定される。
前述のように、冷却水温度が低いときには、目標燃圧を高くして、燃料噴霧の粒径が小さくなるようにし、かつ、目標燃圧が高いことに対応して噴射時期を吸気行程まで遅らせることで、噴射された燃料噴霧が吸気の流れに乗るようにし、かつ、高い燃圧による大きな貫通力によって、燃料噴霧が、ポート内壁に付着することなく、シリンダ内に吸引されるようにする。

一方、冷却水温度が高いときには（暖機後は）、目標燃圧を低く設定して、燃料ポンプの電力消費を抑える一方、噴射時期を排気行程にまで早めて、機関熱を利用した燃料噴霧の気化時間が確保されるようにする。
図５のフローチャートは、目標燃圧の設定と共に噴射時期の可変制御を行う第３参考例を示す。

ステップＳ３１では、機関負荷を示す状態量を読み込む。
機関負荷を示す状態量としては、基本噴射パルス幅Ｔｐ、スロットル開度、吸入負圧などを用いることができる。
ステップＳ３２では、予め機関負荷毎に目標燃圧を記憶してある目標燃圧テーブルを参照し、補間演算によってそのときの機関負荷に対応する目標燃圧を求める。

ここで、前記機関負荷が高いほど目標燃圧は高く設定されるようにしてあり、これにより、高負荷領域での気化性能が確保されるようにしてある。
ステップＳ３２で目標燃圧を演算すると、ステップＳ３３では、予め目標燃圧毎に噴射時期を記憶してある噴射時期テーブルを参照し、補間演算によってそのときの目標燃圧に対応する噴射時期を求める。

ここでも、燃圧が高いほど噴射時期として遅い時期が設定されるようになっており、噴射時期の可変範囲としては、図３に示すように、排気行程中から吸気行程中までが設定される。
前述のように、高負荷時には、目標燃圧が高く設定され、目標燃圧が高いと噴射時期を吸気行程にまで遅らせるから、結果、高負荷時には、噴射時期を吸気行程まで遅らせることになる。

高負荷時に、噴射時期を吸気行程にまで遅らせることで、燃料の気化熱により吸気の冷却を図ることができ、これによって充填効率が向上し、機関性能を向上させることができる。
一方、低負荷域では、比較的低い目標燃圧の設定によって燃料ポンプ１３６における電力消費が抑制される一方、排気行程にまで噴射時期を早めて充分な気化時間を確保できる。

図６のフローチャートは、目標燃圧の設定と共に噴射時期の可変制御を行う実施形態を示す。
ステップＳ４１では、機関回転速度Ｎｅの演算結果を読み込む。
ステップＳ４２では、予め機関回転速度毎に目標燃圧を記憶してある目標燃圧テーブルを参照し、補間演算によってそのときの機関回転速度に対応する目標燃圧を求める。

ここで、前記機関回転速度Ｎｅが高いほど目標燃圧は高く設定されるようにしてあり、これにより、高回転領域での気化性能が確保されるようにしてある。
ステップＳ４２で目標燃圧を演算すると、ステップＳ４３では、予め目標燃圧毎に噴射時期を記憶してある噴射時期テーブルを参照し、補間演算によってそのときの目標燃圧に対応する噴射時期を求める。

ここでも、燃圧が高いほど噴射時期として遅い時期が設定されるようになっており、噴射時期の可変範囲としては、図３に示すように、排気行程中から吸気行程中までが設定される。
前述のように、高回転域では目標燃圧が高く設定され、目標燃圧が高いと噴射時期を吸気行程にまで遅らせるから、結果、高回転域では、噴射時期を吸気行程まで遅らせることになる。

高回転時に、噴射時期を吸気行程にまで遅らせることで、燃料の気化熱により吸気の冷却を図ることができ、これによって充填効率が向上し、機関性能の向上させることができる。
一方、低回転域では、比較的低い目標燃圧の設定によって燃料ポンプ１３６における電力消費が抑制される一方、排気行程にまで噴射時期を早めて充分な気化時間を確保できる。

尚、冷却水温度（機関温度），機関負荷，機関回転速度のうちの複数の組み合わせから、目標燃圧及び目標噴射時期を設定させることができる。
また、本願に係る噴射時期の制御技術は、燃料タンクへのリターン流量を調整することで、燃圧を目標値に制御する燃料噴射システムにも適用することが可能であり、燃圧を可変とするシステムを、燃料ポンプの吐出量を制御するシステムに限定するものではない。

更に、目標燃圧及び噴射時期の演算を、テーブルやマップからの検索値に基づく補間演算に限定するものではなく、予め定めた演算式から目標燃圧や噴射時期を演算させることができる。
また、上記参考例・実施形態では、高負荷・高回転時に、燃圧を高くし、かつ、噴射時期を遅らせ、低負荷・低回転域では、燃圧を低くし、かつ、噴射時期を早める設定としたが、例えば、始動領域では、燃圧を高くし、噴射時期を遅らせるように設定することで、始動性の向上を図るようにすることができる。

次に、上記の実施形態から把握し得る請求項に記載以外の発明について、以下にその作用効果と共に記載する。

（イ）電動式の燃料ポンプの吐出量を制御することで、前記燃料噴射弁に対する燃料の供給圧を可変とすることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

上記発明によると、燃料ポンプの吐出量の増減によって異なる目標燃圧に変化させ、燃料消費量に見合った吐出量に制御することで、燃圧を維持させることができる。

実施形態における内燃機関のシステム図。 噴射時期制御の第１参考例を示すフローチャート。 実施形態における噴射時期の可変範囲を示す図。 噴射時期制御の第２参考例を示すフローチャート。 噴射時期制御の第３参考例を示すフローチャート。 本願発明に係る噴射時期制御の実施形態を示すフローチャート。

符号の説明

１０１…エンジン、１０４…電子制御スロットル、１１４…コントロールユニット、１２１…空燃比センサ、１３１…燃料噴射弁、１３５…燃料タンク、１３６…燃料ポンプ、１３８…燃圧センサ

Claims (2)

1. 吸気バルブの上流側に燃料噴射弁を備えると共に、前記燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が可変とされる内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
   機関回転速度が高いほど燃料供給圧を高くし、かつ、前記燃料供給圧が高いほど前記燃料噴射弁による燃料の噴射時期を遅らせることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記燃料供給圧が比較的低いときに排気行程で燃料を噴射させ、前記燃料供給圧が比較的高いときに吸気行程で燃料を噴射させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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