JP4787867B2 - 燃料噴射弁、内燃機関の燃料噴射装置及び内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
しかし、上記特許文献1の場合、始動時の燃費の向上を目的としており、低回転低負荷領域から高回転高負荷領域までの運転領域での燃費の向上には不十分であるという問題があった。
ここで、前記第2燃料噴射弁は、前記第1燃料噴射弁よりも燃料噴射率が大きく設定され、かつ、燃料噴霧が吸気口のシリンダボアに近い側の一部を指向するように設定することが好ましい。
更に、吸気行程に設定される噴射期間で、機関に供給する燃料噴射量を噴射できるように、前記第1燃料噴射弁及び第2燃料噴射弁に供給する燃料の圧力を制御することが好ましい。
また、第2燃料噴射弁の噴霧角は、第1燃料噴射弁よりも狭角に設定されるので、排気弁側のシリンダボアへの燃料の付着を低減できる領域を狙って燃料を噴射でき、燃焼安定性の向上を図れる。
図1は、本願発明に係る燃料噴射弁、燃料噴射装置及び制御装置が適用される車両用の内燃機関を示す。
図1に示す内燃機関1は、左右2つのバンクからなるV型機関であるが、直列機関や水平対向機関であってもよい。
前記燃焼室2(シリンダ)の吸気口2aは、吸気弁6で開閉され、ピストン7が降下するときに前記吸気弁6が開くと、燃焼室2内に空気が吸引される。
一方、前記吸気マニホールド4a,4bのブランチ部40a,40bには、各気筒それぞれに第1燃料噴射弁8a、第2燃料噴射弁8bが介装されており、該燃料噴射弁8a,8bから噴射された燃料が空気と共に燃焼室2内に吸引される。
また、前記燃焼室2(シリンダ)の排気口2bは、排気弁11で開閉され、ピストン7が上昇するときに前記排気弁11が開くと、燃焼室2内に排気ガスが排気ポート12に排出される。
但し、吸気弁6及び排気弁11が電磁アクチュエータによって開閉駆動される電磁駆動弁であってもよく、また、カム軸によって開閉される構成において、バルブ作動角の中心位相やバルブリフト量を可変とする可変動弁機構を備えることができる。
前記排気ダクト14には、排気を浄化するための触媒コンバータ15が介装されている。
尚、吸気弁6の閉時期やバルブリフト量を可変とする可変動弁機構を備え、内燃機関1の吸入空気量を、吸気弁6の閉時期やバルブリフト量の調整によって制御するシステムであってもよい。
前記ECM21は、マイクロコンピュータを含んで構成され、各種センサからの信号を入力し、該入力信号を予め記憶されているプログラムに従って演算処理して、前記燃料噴射弁8a,8bに対して噴射パルス信号を出力する。
前記各種センサとしては、アクセル開度ACCを検出するアクセル開度センサ22、内燃機関1の冷却水温度TW(機関温度)を検出する水温センサ23、内燃機関1が搭載される車両の走行速度(車速)VSPを検出する車速センサ24、クランク軸10が単位角度だけ回転する毎の単位クランク角信号POSと基準クランク角位置毎の基準クランク角信号REFとをそれぞれに出力するクランク角センサ25、各バンクの排気マニホールド13a,13bの集合部にそれぞれ配置され、排気中の酸素濃度に基づいて各バンクの空燃比AFをそれぞれに検出する空燃比センサ26a,26b、内燃機関1の吸入空気流量QAを検出するエアフローセンサ27、前記電子制御スロットル16の開度TVOを検出するスロットル開度センサ28、電子制御スロットル16下流側の吸気通路内の圧力(吸気管負圧)PBを検出する圧力センサ(負圧センサ)29などが設けられている。
しかし、高回転高負荷領域で燃料噴射を行う燃料噴射弁が、吸気ポート上流側に配置されていると、吸気ポート内で燃料噴霧の移送距離が長く、吸気行程で噴射しても、吸気ポート内で燃料噴霧の気化が促進されてしまう。
また、高回転高負荷領域で燃料噴射を行う燃料噴射弁が、吸気弁6の傘部の全域に向けて燃料を噴射すると、一般的に、吸気弁6の傘部(吸気口)のシリンダ軸側からシリンダ内に流入する空気は、流速が速く、かつ、排気弁11側のシリンダボアを指向して進むため、燃料噴霧が排気弁11側のシリンダボアに付着し、燃焼安定性や排気性能を低下させてしまう。
そこで、後述するようにして、燃料噴射弁8a,8bの噴射特性を設定し、かつ、燃料噴射弁8a,8bの噴射を制御することで、本実施形態では上記のような課題の解決を図ることができる。
内燃機関1の各気筒には、2つの吸気口2aと2つの排気口2bが設けられ、これらを開閉すべく2つの吸気弁6と2つの排気弁11とが備えられる。
各気筒の吸気管30(吸気マニホールド4a,4bのブランチ部40a,40b及び吸気ポート5)は、下流側に向けて2つに分岐して各吸気口2aに接続され、前記吸気管30の分岐部31よりも上流側の吸気管上部30aに燃料噴射弁8a,8bが配置され、更に、第1燃料噴射弁8aは、第2燃料噴射弁8bよりも上流側に配置されている。
また、噴霧の広角・狭角は、少なくとも、吸気口2aの中心と排気口2bの中心とを結ぶ線分に沿った方向における噴霧幅で対比されるものであれば良く、また、第2燃料噴射弁8bの噴霧中心軸を横断する断面における噴霧形状は、噴霧の外縁が全周にわたって中心軸から略等距離となる円錐状であっても良いし、後述の図5に示すように、吸気口2aの中心と排気口2bの中心とを結ぶ線分に沿った方向における噴霧幅が、これに直交する側の幅よりも狭い形状であっても良い。
図2に示すように、筒内に導入される吸入空気の流れは、吸気口2a側のシリンダボア32に近い側の流れ61と排気口2b側への流れ62との2方向の流れが強く、シリンダボア32に近い側の流れ61に比較して排気口2b側への吸入空気の流れ62の方が強く、また、それぞれシリンダボア32に沿ってシリンダ内を下降してピストン上面に流れ、両方向から流れる吸入空気が衝突しながら点火プラグ付近に向けて上昇する所謂タンブル流が生じる。
尚、第2燃料噴射弁8bの噴霧は、直接ピストン上面に衝突しないように筒内で気化される程度の貫通力を持たせるよう設定することが好ましく、これにより、ピストンに付着する付着燃料を低減し、燃焼性の悪化を低減できる。
更に、図4(A)(B)に示すように、分岐部31よりも下流側の2つに分岐した吸気管30それぞれの吸気口2a(吸気弁6の傘部)近傍の上部30aに、第2燃料噴射弁8bをそれぞれ配置し、各第2燃料噴射弁8bの噴霧が、吸気管30内を横断して、吸気口2aのシリンダボア32に近い側の一部を指向するように、2つの第2燃料噴射弁8bがそれぞれ1本の噴霧を形成するようにできる。
前記第2燃料噴射弁8bは、第1燃料噴射弁8aよりも噴霧角が狭角に設定され、かつ、単位時間当たりの燃料噴射量である燃料噴射率(cm3/min)が第1燃料噴射弁8aよりも大きく、かつ、第1噴射弁8aよりも燃料噴霧の粒径が大きくなるように設定されている。
更に、前述のように、第1燃料噴射弁8aが、吸気口2a(吸気弁6の傘部)の略全域を指向するように燃料を噴射するのに対し、第2燃料噴射弁8bは、吸気口2a(吸気弁6の傘部)のシリンダボア32に近い側の一部を指向するように燃料を噴射する。
前記第2燃料噴射弁8bの噴霧が指向する吸気口2a(吸気弁6の傘部)の領域は、例えば図5(A)〜(F)に示すように設定される。
図5(A)の噴霧パターンでは、吸気管30の中心線α(吸気管30の横断面の中心を結ぶ線)に略沿った方向の手前側(シリンダボア32に近い側)の吸気口2a(吸気弁6の傘部)の周縁部に、横断面が前記中心線αに直交する方向に長い楕円状の噴霧が指向するように設定されている。
図5(C)の噴霧パターンでは、2つ並んだ吸気口2a(吸気弁6の傘部)が隣接する側であって、シリンダボア32に近い側の吸気口2a(吸気弁6の傘部)の周縁部に、換言すれば、2つの吸気口2a(吸気弁6の傘部)の中心を結ぶ線βよりも吸気管30側であって、かつ、前記中心線αよりも隣接する吸気口2a(吸気弁6の傘部)に近い側の周縁部に、横断面が略円弧状の噴霧が指向するように設定されている。
図5(E)の噴霧パターンでは、2つの吸気口2a(吸気弁6の傘部)の中心を結ぶ線βよりも吸気管30側(シリンダボア32に近い側)であって、かつ、前記中心線αよりも隣接する吸気口2a(吸気弁6の傘部)から遠い側の周縁部に、横断面が略円弧状の噴霧が指向するように設定されている。
尚、図5(A)〜(F)に噴霧パターンの例を示したが、噴霧の横断面の形状や噴霧が指向する領域をこれらに限定するものではなく、例えば、2つの吸気口2a(吸気弁6の傘部)の中心を結ぶ線βよりも吸気管30側(シリンダボア32に近い側)の周縁部の複数個所に、燃料噴霧が分散して指向するようにすることもできる。
前記ECM21は、内燃機関1の運転条件に応じて第1燃料噴射弁8aと第2燃料噴射弁8bとを使い分けて、機関1の要求燃料量を噴射させる制御を行うようになっており、係る制御の詳細を図6のフローチャートに従って説明する。
尚、後述するフローチャートについても、車両のイグニッションスイッチのオン状態で一定の周期毎に実行されるものとする。
ステップS101では、基本噴射パルス幅(基本燃料噴射量)TP(ms)を演算する。
尚、定数Kは、第1燃料噴射弁8aの噴射率で、かつ、第1,第2燃料噴射弁8a,8bに供給される燃料の圧力が基準圧である場合に適合する値であり、基準燃圧の条件で第1燃料噴射弁8aによる燃料噴射を前記基本噴射パルス幅TPの時間だけ行わせることで、そのときのシリンダ吸入空気量に対して目標空燃比の形成に必要な量の燃料が噴射されることになる。
燃料圧力が低いと高温状態で気化しやすいため、前記基準圧力は、機関の運転環境で燃料が気化することによる機関運転への影響が低減できる圧力レベルに設定される。
また、前記基本噴射パルス幅TPは、シリンダ吸入空気量に比例する値であり、内燃機関1の負荷(トルク)を代表するパラメータでもある。
具体的には、基本噴射パルス幅TP(機関負荷)と機関回転速度NEとで区分される運転領域毎に、分担比DBRATP1を記憶したマップを予め記憶しており、そのときの基本噴射パルス幅TP(機関負荷)及び機関回転速度NEに対応する分担比DBRATP1を検索する。
ステップS102で、分担比DBRATP1,DBRATP2を決定すると、ステップS103では、前記基本噴射パルス幅TPに分担比DBRATP1,DBRATP2に乗算することで、第1燃料噴射弁8aにおける基本噴射パルス幅DBLTP1(DBLTP1=TP×DBRATP1)、及び、第2燃料噴射弁8bにおける基本噴射パルス幅DBLTP2(DBLTP2=TP×DBRATP2)を算出する。
尚、各種補正分による噴射量補正によって、第1燃料噴射弁8a又は第2燃料噴射弁8bによる噴射期間が吸気行程を超える場合には、吸気行程を超える分の燃料を他方の噴射弁側の噴射量に付加して噴射させるようにする。
吸気行程中に噴射させることで、吸気の流れで燃料噴霧の気化を促進し、また、混合気の均質化を図れる。
また、吸気弁6の閉時期IVCの直前に燃料を噴射した場合、燃料噴霧の移送時間があるため、吸気弁6が閉じるまでに燃料噴霧がシリンダ内に吸引されずに、次の吸気行程になるまでの間、吸気弁6の上流側に燃料が残留することになってしまうので、前記移送時間を考慮して、少なくとも吸気弁6の閉時期よりも前に燃料噴射を完了させておくことが好ましい。
即ち、前記移送時間だけ吸気行程の開始(吸気弁6の開時期)よりも前の時点から、吸気弁6の閉時期よりも前記移送時間だけ前の時点までの噴射期間内で、燃料噴射を行わせれば、吸気の流れが発生していて燃料噴霧の気化が促進され、また、混合気を均質化できる条件で燃料が噴射されることになる。
尚、噴射開始タイミングで燃料噴射を開始させ、要求燃料量に見合った時間だけ経過した時点で燃料噴射を終了させる方式、噴射終了タイミングから要求燃料量に見合った時間だけ前の時点から燃料噴射を開始させ、前記噴射終了タイミングで燃料噴射を終了させる方式のいずれであっても良いし、また、後述するように、前記噴射期間内の略全区間で燃料噴射を行うことで要求燃料量が噴射されるように、燃圧(噴射率)を変更する方式とすることができる。
ステップS121では、前記ステップS101と同様にして、基本燃料噴射量TPを算出する。
ステップS122では、前記基本燃料噴射量TPを、空燃比センサ26a,26bで検出される実際の空燃比と目標空燃比との偏差に基づき算出される空燃比フィードバック補正係数や、水温センサ23で検出される冷却水温度TWに応じた増量係数などの各種の補正係数に基づいて補正して、最終的な燃料噴射量TIを算出する。
ステップS124では、前記分担比DBRATP1,DBRATP2に基づいて燃料噴射量TIを振り分けて、第1燃料噴射弁8aの燃料噴射パルス幅DBLTI1と、第2燃料噴射弁8bの燃料噴射パルス幅DBLTI2とを求める。
以下では、前記ステップS102における分担比DBRATP1,DBRATP2の設定を詳述する。
換言すれば、低中負荷域では、第1燃料噴射弁8aのみで要求される燃料の全てを噴射させ、高負荷域では、第2燃料噴射弁8bのみで要求される燃料の全てを噴射させる。
本実施形態において、低負荷とは、始動時負荷及びアイドル負荷乃至アイドル近傍負荷であり、中負荷とは、低負荷と高負荷の間の負荷、または、第1燃料噴射弁8aのみで機関要求トルクが得られる負荷領域で、高負荷とは、吸入空気量が最大となる全負荷領域(WOT、即ち、スロットル全開領域)、または、第1燃料噴射弁8aのみの噴射では機関要求トルクが得られない負荷領域である。
尚、第1燃料噴射弁8aのみで燃料を噴射させる低中負荷域において、冷機時(始動時及び始動直後)には、吸気弁6の温度が低く、吸気弁6の熱による気化促進が期待できないため、噴射開始タイミングを吸気行程の開始(吸気弁6の開弁時期IVO)よりも早めることで、燃料噴霧の吸気通路内での気化時間、更に、筒内への吸入後の気化時間を長くすることができ、低温始動時での燃焼性の向上を図ることが可能である。
一方、第2燃料噴射弁8bは、吸気通路の下流側に配置されるため、吸気通路内で燃料噴霧の移送距離が比較的短く、吸気通路内での燃料噴霧の気化を低減でき、更に、吸気口2a(吸気弁6の傘部)の周縁部の一部を指向し、かつ、噴霧速度が速く、貫通力が高いので、吸気管内壁や吸気弁6の傘部に対する燃料の付着量を少なくでき、傘部から気化を減少させることができる。
更に、第2燃料噴射弁8bは、吸気口2a(吸気弁6の傘部)のシリンダボアに近い側の一部を指向することで、シリンダボアに対する燃料の付着を低減でき、燃焼安定性や排気性能の向上を図れる。
このため、吸気口2a(吸気弁6の傘部)のシリンダ中心に近い側(排気口2bに近い側)を指向させて燃料を噴射させると、排気口2b側のシリンダボアを指向する速い空気の流れによって、排気口2b側のシリンダボアに燃料が衝突して付着してしまい、燃焼安定性や排気性能を低下させてしまう。
ここで、第2燃料噴射弁8bは、燃料噴霧の粒径が第1燃料噴射弁8aに比して大きく、燃料噴霧の運動エネルギーが大きく噴霧速度が速い。
更に、第2燃料噴射弁8bは、第1燃料噴射弁8aに対して燃料噴射率が高く、短い時間でより多くの燃料を噴射できるから、高負荷域で増大する要求燃料量を吸気行程内で噴射することが可能である。
ところで、機関回転速度NEが高くなると、噴射時間に対するクランク角が大きくなり、特に要求燃料量が多い高負荷時には、噴射時間よりも吸気弁6が開いている時間(吸気行程時間)が短くなって、吸気弁6の開弁期間内で要求燃料量を噴射させることができなくなってしまう場合がある。
一方、機関回転速度NEが閾値NE1を超えると、回転速度が高くなるに従って、第1燃料噴射弁8aによる噴射量が漸増し、相対的に、第2燃料噴射弁8bからの噴射量が減らされる。
高回転の状態では、空気流速が速過ぎて第2燃料噴射弁8bによる燃料噴霧の貫通力が強くなり過ぎ、燃料が筒内壁面に付着してしまうと共に、高回転により気化時間が短くなり、全体的に気化し難くなる。
また、回転速度の増大に応じて第2燃料噴射弁8bによる噴射時間を減らすから、第2燃料噴射弁8bによる噴射期間(deg)が、回転が高くなっても比例的に増大することがなく略一定に推移するように設定でき、これにより、高回転高負荷時であっても、吸気行程内で燃料を噴射させることができる。
尚、図10及び図11に示す分担比の特性では、高負荷域で機関回転速度NEが前記閾値NE1を超える高負荷高回転領域においては、機関回転速度NEが高くなるほど、第2燃料噴射弁8bの分担比を減らし、相対的に第1燃料噴射弁8aの分担比を漸増させるようにしたが、図12及び図13に示すように、高負荷域で機関回転速度NEが前記閾値NE1以下の高負荷低回転域では、分担比DBRATP2=100%とし、高負荷域で機関回転速度NEが前記閾値NE1を越える高負荷高回転域では、分担比DBRATP2を100%未満の一定値(例えば70%)に固定し、分担比DBRATP1を「100%−DBRATP2」の一定値(例えば30%)に固定するようにできる。
一方、機関回転速度NEが閾値NE1を超えると、第2燃料噴射弁8bからの噴射量がステップ的に減らされ、該減少分だけ第1燃料噴射弁8aによる噴射量がステップ的の増大し、その後回転がより高くなっても、噴射量の相関は変化しない。
即ち、分担比をステップ的に変化させると、壁流量の急激な変化などによって過渡的に空燃比が変動し、これによって機関の出力トルクが変動してしまうが、分担比を徐々に変化させれば、壁流量が滑らかに変化して空燃比・出力トルクの変動が減少される。
この場合、例えば全負荷状態(WOT)では、図15に示すように、機関回転速度NEが高くなるほど、第2燃料噴射弁8bの噴射量が漸増し、相対的に、第1燃料噴射弁8aの噴射量は漸減する。
このため、第1,第2燃料噴射弁8a,8bの噴射時間のうち長い方の噴射時間は、分担比DBRATP2が増えるほど、即ち、機関回転速度が高くなるほど短くなるから、相対的に、機関回転速度の増大による噴射期間(deg)の増大が抑えられ、図15に示すように、噴射期間(deg)を略一定に推移させることが可能である。
混合気を均質化するためには、吸気行程の一部区間でまとめて燃料を噴射するよりも、吸気行程の全域で燃料を噴射させることが好ましく、そのためには、吸気行程中における燃料噴射を、間隔を空けて複数回に渡って分割して行わせればよい。
ステップS201では、前記ステップS101と同様にして、基本噴射パルス幅TPを演算する。
ステップS202では、分担比DBRATP1,DBRATP2を演算する。
ステップS203では、ステップS103と同様にして、前記ステップS202で決定した分担比DBRATP1,DBRATP2と、ステップS201で演算した基本噴射パルス幅TPとから、各噴射弁8a,8bで分担する基本噴射パルス幅DBLTP1,DBLTP2を演算する。
第2燃料噴射弁8bについては、分担比DBRATP2が高いほど(噴射すべき燃料量が多いほど)分割回数DBSPN2を多く設定する。
高負荷域で第2燃料噴射弁8bによる燃料噴射を行わせ、かつ、高負荷域で機関回転速度NEが低いほど、第2燃料噴射弁8bの分担比DBRATP2が高く(噴射量が多く)する場合には、高負荷域で機関回転速度NEが低いほど、分割回数DBSPN2を多く設定する。
また、図14,図15に示すように、高負荷域で第2燃料噴射弁8bの分担比DBRATP2を、機関回転速度NEが高くなるほど大きくする場合には、高負荷域で機関回転速度NEが高くなるほど、分割回数DBSPN2を大きくする。
ステップS205では、燃料噴射弁8a,8b毎の基本噴射パルス幅DBLTP1,DBLTP2と、各分割回数DBSPN1,DBSPN1とから、各燃料噴射弁8a,8bの分割噴射における1回当たりの基準噴射パルス幅DBLSETP1,DBLSETP2を決定する。
基準噴射パルス幅DBLSETP1,DBLSETP2の燃料噴射を、分割回数DBSPN1,DBSPN1だけ繰り返せば、総和として要求燃料量を噴射することになり、この場合、1回毎の噴射パルス幅は一定である(図17参照)。
また、空気流速の変化に応じて、基準噴射パルス幅DBLSETP1,DBLSETP2に対する実際の噴射量の割合を設定することができ、図19に示すように、一般的に空気流速が最も速くなる吸気弁6の開弁初期に基準噴射パルス幅DBLSETP1,DBLSETP2よりも大きなパルス幅(多い噴射量)を設定し、その後の空気流速の低下に対してパルス幅(噴射量)を低下させるようにして、総和で基本噴射パルス幅DBLTP1,DBLTP2に相当する燃料を噴射させることができる。
尚、吸気弁6の開弁初期が排気弁11の開弁とオーバーラップするバルブオーバーラップ期間である場合には、吸気の吹き返しが発生し、燃料噴霧が吸気通路側に吹き返してしまうことがあるため、係る吹き返しの発生区間では、噴射割合を小さく又は零に設定することで、吹き返しの発生を回避又は低減できる。
尚、分割噴射は、最初から最後まで等間隔に行わせることができる他、噴射の間隔を異ならせることができ、例えば、バルブリフト量が多い区間又は空気流速が速い区間では、噴射の間隔を他の区間に比べて短くすることができる。
そして、ステップS208では、各燃料噴射弁8a,8bの燃料噴射率、及び、そのときの燃料の供給圧に基づいて、各回の最終的な噴射パルス幅を決定し、各気筒の吸気行程中に燃料を噴射させるべく、前記最終的な噴射パルス幅(ms)の噴射パルス信号を、各燃料噴射弁8a,8bに出力する。
図20のフローチャートは、分割噴射させる回数及び各パルス幅の決定に基づく分割噴射制御の詳細を示す。
分割噴射タイミングは、噴射遅れを考慮し、吸気弁6の開弁時に噴射燃料が吸気弁6(シリンダ)に到達し、かつ、吸気弁6の閉弁時に全ての燃料がシリンダに入りきるタイミグに設定することが好ましい。
従って、吸気弁6の開時期がクランク軸の角度に対して一定であれば、前記開始タイミングDBTITM1,DBTITM2は、一定値として与えることができる。
ここで、前記可変動弁機構が、機関負荷(基本噴射パルス幅TP)と機関回転速度NEとに応じて吸気弁6の開閉時期を変更する場合には、そのときの機関負荷及び機関回転速度NEに応じて吸気弁6の開閉時期を推定できるので、機関負荷及び機関回転速度NEに応じて開始タイミングDBTITM1,DBTITM2を記憶したマップを備えるようにすることで、運転条件の違いによる吸気弁6の開閉時期の変化に対応して、開始タイミングDBTITM1,DBTITM2を設定させることができる。
この場合は、吸気弁6の開弁時期が上死点よりも進角設定される運転領域では、上死点乃至その近傍のクランク角位置を各噴射弁の分割噴射開始タイミングを設定してもよく、また、マップから参照した各開始タイミングを、上死点乃至その近傍のクランク角位置に制限させることも可能である。
また、始動直後などの機関温度が低い時には、吸気通路や吸気弁6の熱による気化性能が低下するため、噴射開始タイミングを暖機後よりも更に早めることで、吸気通路での滞留時間及び筒内への吸入後の気化時間を長く設定して気化を促進させ、低温始動時での燃焼性の向上を図ることが可能である。
ステップS302では、機関負荷(基本噴射パルス幅TP)及び機関回転速度NEに基づいて第1燃料噴射弁8a及び第2燃料噴射弁8bの分割噴射における噴射周期DBLCY1,DBLCY2を決定する。
そこで、下死点を分割噴射の終了限界として設定することで、吹き返しにより燃料噴霧が筒内壁面に付着することを低減又は回避し、出力や排気性能の悪化を防止する。
一方、交互噴射方式では、第1燃料噴射弁8aと第2燃料噴射弁8bとの噴霧干渉を低減することができ、噴霧干渉による噴霧粒径の増大によって気化が悪化することを低減又は回避できる。
また、分離噴射方式において、先に第2燃料噴射弁8bによる分割噴射を行わせれば、第2燃料噴射弁8bから噴射される比較的粒径の大きな燃料噴霧の気化時間をより長く確保でき、第2燃料噴射弁8bの燃料噴霧の気化を促進させることができる。
ステップS306では、第1燃料噴射弁8aについて、開始タイミングDBTITM1から周期DBLCY1毎に、基準噴射パルス幅DBLSETP1×噴射割合の燃料を噴射させる処理を、分割噴射回数DBSPN1だけ繰り返す。
短期間で燃料噴射を行わせると、燃料と空気とが混合するまでに時間がかかり、混合気が均質化され難いが、上記のようにして分割噴射を行わせれば、吸入空気に対して略均等に燃料を噴射でき、これにより混合気が均質化して、燃焼安定性及び排気性能を向上させることができる。
まず、第1,第2燃料噴射弁8a,8bに燃料を供給する燃料供給装置を、図21に従って説明する。
燃料タンク51内に電動式の燃料ポンプ52が配置されており、該燃料ポンプ52は、燃料タンク51内の燃料を吸い込んで、燃料供給管53を介して燃料ギャラリー管54に燃料を圧送する。
前記燃料ギャラリー管54内の燃料圧力を検出する燃圧センサ55が設けられており、該燃圧センサ55の検出信号は、FPCM(フューエル・ポンプ・コントロール・モジュール)56に入力される。
そして、前記FPCM56は、前記燃圧センサ55で検出される実際の燃圧が、前記目標燃圧に近づくように、前記燃料ポンプ52の印加電圧(燃料ポンプ52の吐出量)を、通電のオン・オフのデューティを変化させることで制御する。
前記目標噴射パルス幅DBTRTP1,DBTRTP2は、第1燃料噴射弁8aと第2燃料噴射弁8bとでそれぞれに噴射させたい時間を示し、ここでは、吸気弁6の開時期又は吸気上死点又は吸気上死点近傍の開始角度を始期とし、吸気弁6の閉時期又は吸気下死点又は吸気下死点近傍の終了角度を終期とし、前記始期から終期までの角度を、そのときの機関回転速度NEに基づいて時間に換算する。
ステップS403では、前記目標噴射パルス幅DBTRTP1,DBTRTP2と噴射パルス幅DBLSETI1,DBLSETI2とに基づいて、前記目標噴射パルス幅DBTRTP1,DBTRTP2で噴射パルス幅DBLSETI1,DBLSETI2相当の燃料を噴射するための目標燃圧を決定する。
更に、前記目標燃圧は、予め設定された最低圧と最高圧との間に設定されるものとする。
また、分割噴射を行わせる場合には、前記目標噴射パルス幅DBTRTP1,DBTRTP2から、最低必要な噴射間隔時間(間隔時間の総和の必要最小値)を減算し、該減算結果を目標噴射パルス幅(目標噴射時間)とする。
そして、実際の燃圧が変更されることで、最終的な噴射パルス幅DBLSETI1,DBLSETI2(ms)が変更され、目標噴射パルス幅DBTRTP1,DBTRTP2を超える、換言すれば、吸気行程期間をはみ出す噴射パルス幅DBLSETI1,DBLSETI2が設定されることが回避される。
即ち、図23に示すように、要求噴射量が一定の条件で、機関回転速度NEの増大に応じて燃圧を漸増させれば、前記一定の要求噴射量を噴射させるために必要な燃料噴射弁の開弁時間が漸減し、機関回転速度NEの増大によって吸気行程時間が減少しても、吸気行程内で前記一定の要求噴射量を噴射させることができる。
次に、本実施形態の効果を説明する。
第1燃料噴射弁8aは、第2燃料噴射弁8bより上流側からシリンダの吸気口2aの全域を指向して燃料を噴射するから、燃料噴霧の移送距離が長く、吸気通路を噴霧が移送される間において気化を促進させることができ、更に、吸気口2aの略全域に向けて噴射するので、吸気弁6傘部に付着する燃料の膜厚を薄くでき、傘部に付着した燃料の気化を促進できる。
また、第2燃料噴射弁8bの噴霧角は、第1燃料噴射弁8aよりも狭角に設定されるので、排気弁11側のシリンダボアへの燃料の付着を低減できる領域を狙って燃料を噴射でき、燃焼安定性や排気性能の向上を図れる。
従って、低負荷域では、第1燃料噴射弁8aで噴射させ、高負荷域では、少なくとも第2燃料噴射弁8bで噴射させるようにすれば、高負荷領域での出力向上を図りつつ、低負荷域での排気性能の確保を図ることができる。
また、第2燃料噴射弁8bの燃料噴射を、複数回に分けて実行させることで、第2燃料噴射弁8bが狭角に噴射しても、混合気を均質化できる。
「出力性能の向上」
本実施形態では、噴射容量(噴射率)の大きい第2燃料噴射弁8bを吸気通路下流側に配置すると共に、その燃料噴霧を比較的狭い角度で、吸気弁6で開閉される吸気口2aのシリンダボア32に近い側の一部を指向するように噴射することで、吸気通路内での燃料気化を低減して筒内で気化させることができるので、気化潜熱による充填効率の向上やノッキングの低減によって機関出力を向上させることが可能となる。
また、吸気口2aのシリンダボア32に近い側(手前側)を通過する空気流は、筒内壁面に殆ど衝突することなく筒内に流れ、筒内でタンブル流のように渦を巻きながら流れるため、吸気口2aのシリンダボア32に近い側(手前側)を指向して燃料噴射することで、筒内冷却を行いつつ筒内での燃料噴霧の均質化を図ることができ、燃焼性が向上して出力向上を図ることができる。
内燃機関の排気性能の向上には、燃料の気化促進が有効である。
本実施形態では、広角噴霧でありかつ粒径が小さい第1燃料噴射弁8aを吸気通路上流側に備えることで、吸気弁6の熱による気化促進を図ることができると共に、吸気弁6に燃料噴霧が衝突するまでの間で気化を促進させることが可能となる。
「燃費性能の向上」
内燃機関の燃費性能を向上させるには、筒内の有効圧縮比を高めることが有効であるが、有効圧縮比を高めるとノッキングが発生し易くなる。
本実施形態では、第2燃料噴射弁8bから噴射させた燃料は、吸気通路内での気化が低減されてシリンダ内に吸引され、シリンダ内で気化するため、筒内冷却を効率よく行え、ノッキングを低減して有効圧縮比を高めることが可能となる。
また、第1燃料噴射弁8aに対する燃料の供給圧と、第2燃料噴射弁8bに対する燃料の供給圧とを異ならせることができる。
更に、各気筒に2つの吸気口2a及びこれらを開閉する吸気弁6を備える構成に限定されず、各気筒に1つ或いは3つの吸気口2a及びこれらを開閉する吸気弁6を備える内燃機関であっても良い。
Claims (14)
- 1つの気筒に対して複数の燃料噴射弁を吸気通路に備える内燃機関に適用され、燃料噴霧がシリンダの吸気口に指向するように設定された第1燃料噴射弁と組み合わされ、該第1燃料噴射弁より吸気通路下流側に配置される第2燃料噴射弁であって、
前記第1燃料噴射弁よりも燃料噴射率が大きく設定され、かつ、噴霧角が前記第1燃料噴射弁よりも狭角に設定され、かつ、燃料噴霧が前記吸気口のシリンダボアに近い側の一部を指向するように設定されたことを特徴とする燃料噴射弁。 - 内燃機関の吸気通路に配置され、燃料噴霧がシリンダの吸気口に指向するように設定された第1燃料噴射弁と、
該第1燃料噴射弁よりも下流側の前記吸気通路に配置され、前記第1燃料噴射弁よりも噴霧角が狭角に設定された第2燃料噴射弁と、
を含んで構成された内燃機関の燃料噴射装置。 - 前記第2燃料噴射弁の燃料噴霧が、前記吸気口のシリンダボアに近い側の一部を指向するように設定されることを特徴とする請求項2記載の内燃機関の燃料噴射装置。
- 前記第2燃料噴射弁の燃料噴霧の粒径が、前記第1燃料噴射弁に比して大きいことを特徴とする請求項2又は3記載の内燃機関の燃料噴射装置。
- 前記第2燃料噴射弁の燃料噴射率が、前記第1燃料噴射弁よりも大きく設定されることを特徴とする請求項2又は3記載の内燃機関の燃料噴射装置。
- 内燃機関の吸気通路に配置され、燃料噴霧がシリンダの吸気口の略全域を指向するように設定された第1燃料噴射弁と、
該第1燃料噴射弁よりも下流側の前記吸気通路に配置され、前記第1燃料噴射弁よりも噴霧角が狭角に設定された第2燃料噴射弁と、
を備えた内燃機関に適用される制御装置において、
内燃機関の低負荷領域では前記第1燃料噴射弁によって燃料を噴射し、内燃機関の高負荷領域では、少なくとも前記第2燃料噴射弁によって燃料を噴射するために前記第1燃料噴射弁及び前記第2燃料噴射弁に制御信号を出力することを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記高負荷領域であって、かつ、機関回転速度が高い領域では、前記第1燃料噴射弁及び第2燃料噴射弁で機関に供給する燃料噴射量を分担して噴射することを特徴とする請求項6記載の内燃機関の制御装置。
- 前記高負荷領域において、前記第1燃料噴射弁及び第2燃料噴射弁で機関に供給する燃料噴射量を分担して噴射すると共に、機関回転速度が高くなるほど前記第2燃料噴射弁における分担比を大きくすることを特徴とする請求項6記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関の吸気通路に配置され、燃料噴霧がシリンダの吸気口の略全域を指向するように設定された第1燃料噴射弁と、
該第1燃料噴射弁よりも下流側の前記吸気通路に配置され、前記第1燃料噴射弁よりも噴霧角が狭角に設定された第2燃料噴射弁と、
を備えた内燃機関に適用される制御装置において、
機関運転状態に基づいて機関に供給する燃料噴射量を設定し、
吸気行程に噴射期間を設定し、
該噴射期間で前記燃料噴射量を噴射できるように、前記第1燃料噴射弁及び第2燃料噴射弁に供給する燃料の圧力を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 内燃機関の吸気通路に配置され、燃料噴霧がシリンダの吸気口の略全域を指向するように設定された第1燃料噴射弁と、
該第1燃料噴射弁よりも下流側の前記吸気通路に配置され、前記第1燃料噴射弁よりも噴霧角が狭角に設定された第2燃料噴射弁と、
を備えた内燃機関に適用される制御装置において、
機関運転状態に基づいて機関に供給する燃料噴射量を設定し、
機関運転状態に基づいて前記第1燃料噴射弁と前記第2燃料噴射弁との分担比を設定し、
吸気行程に噴射期間を設定し、
前記燃料噴射量及び前記分担比から求められる前記第2燃料噴射弁の燃料噴射量を、前記噴射期間内で分割して噴射させることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記内燃機関が、1気筒当たり2つの吸気口を備え、各気筒の吸気通路が下流側に向けて2つに分岐して前記2つの吸気口それぞれに接続され、前記第1及び第2燃料噴射弁が、前記吸気通路の分岐部の上流側に備えられ、前記2つの吸気口それぞれに向けて燃料を噴射することを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
- 前記内燃機関が、1気筒当たり2つの吸気口を備え、各気筒の吸気通路が下流側に向けて2つに分岐して前記2つの吸気口それぞれに接続され、前記第1燃料噴射弁が、前記吸気通路の分岐部の上流側に備えられて、前記2つの吸気口それぞれに向けて燃料を噴射し、前記第2燃料噴射弁が、前記分岐部下流側の2つの吸気通路それぞれに備えられ、2つの第2燃料噴射弁がそれぞれに各吸気口に向けて燃料を噴射することを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
- 前記内燃機関が、1気筒当たり2つの吸気口を備え、各気筒の吸気通路が下流側に向けて2つに分岐して前記2つの吸気口それぞれに接続され、前記第1及び第2燃料噴射弁が、前記吸気通路の分岐部の上流側に備えられ、前記2つの吸気口それぞれに向けて燃料を噴射することを特徴とする請求項6〜10のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
- 前記内燃機関が、1気筒当たり2つの吸気口を備え、各気筒の吸気通路が下流側に向けて2つに分岐して前記2つの吸気口それぞれに接続され、前記第1燃料噴射弁が、前記吸気通路の分岐部の上流側に備えられて、前記2つの吸気口それぞれに向けて燃料を噴射し、前記第2燃料噴射弁が、前記分岐部下流側の2つの吸気通路それぞれに備えられ、2つの第2燃料噴射弁がそれぞれに各吸気口に向けて燃料を噴射することを特徴とする請求項6〜10のいずれか1つに記載の内燃機関の制御装置。
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