JP5440471B2 - エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、ガソリンエンジン等のエンジンの燃料噴射制御装置に関する。

４サイクルガソリンエンジン等のエンジンのシリンダヘッドには吸気ポートおよび排気ポートが形成され、各ポートが動弁機構の吸気バルブおよび排気バルブによって所定のタイミングで開閉されるようになっている。またシリンダヘッド等に配置された燃料噴射弁によって、燃料が所定のタイミングで燃焼室に供給されるように構成されている。

例えば特許文献１に開示されている燃焼制御装置では、燃料噴射のタイミングを２回に分け、１回目の燃料噴射を排気行程で行い、２回目の燃料噴射を吸気行程で行なうようにしている。また１回目の燃料噴射では吸気バルブに向けて燃料を噴射し、２回目の燃料噴射では点火プラグに向けて燃料を噴射することにより、点火プラグまわりに燃料を成層化するようにしている。

特開２００７−２３９５８３号公報

エンジンの運転状況によっては、例えば冷態始動時のように排ガス低減性能が重視されるケースがあり、また、高負荷運転域のようにエンジン出力性能が重視されるケースもある。しかし前記特許文献１をはじめとして従来の燃料噴射装置は、上述したケースに応じて燃料の噴射方法を切換えるような構成ではないため、エンジンの運転状況に適した燃料噴射を行う上でさらなる改善の余地があった。

従って本発明の目的は、エンジンの運転状況に適した燃料噴射を行うことができる燃料噴射制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料噴射制御装置は、燃焼室内で燃料を燃焼する少なくとも１つのシリンダと、前記燃焼室へ連通する少なくとも１つの吸気ポートと、前記吸気ポートを開閉可能な吸気バルブと、前記吸気ポート内で燃料を噴射する燃料噴射弁とを有するエンジンにおいて、前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、前記燃料噴射弁の噴射時期を調整する噴射時期調整手段と、前記燃料噴射弁の噴射方向を前記吸気バルブのリフトにより形成される前記吸気ポートの開口で該吸気バルブとバルブシートとの間の隙間とする第１噴射方向と前記吸気バルブの傘部とする第２噴射方向とに切り換え可能な噴射方向切換手段と、前記エンジン負荷検出手段によって検出された前記エンジンのエンジン負荷が所定値を越えた場合に前記噴射方向切換手段にて燃料噴射方向を前記第１噴射方向に設定するとともに前記噴射時期調整手段にて前記燃料噴射弁の噴射時期を前記吸気バルブの開弁期間に設定して燃料を噴射する第１噴射モードと、前記エンジン負荷検出手段によって検出された前記エンジンのエンジン負荷が所定値以下の場合に前記噴射方向切換手段にて燃料噴射方向を前記第２噴射方向に設定するとともに前記噴射時期調整手段にて前記燃料噴射弁の噴射時期を前記吸気バルブの閉弁期間に設定する第２噴射モードとを選択するモード制御手段とを備えたことを特徴とする。

前記制御手段の１つの実施形態では、前記燃料噴射制御装置は、前記エンジンの温度を検出するエンジン温度検出手段と、前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段とを備え、前記モード制御手段は、前記エンジン温度検出手段と前記エンジン負荷検出手段と前記エンジン回転数検出手段の少なくとも１つの前記エンジンの運転状態に基づいてエンジンの運転が性能重視運転か排ガス重視運転かを判断する手段を有し、性能重視運転のときには前記第１噴射モードを選択し、排ガス重視運転のときには前記第２噴射モードを選択することを特徴とする。

また前記制御手段の１つの実施形態では、前記モード制御手段は、前記エンジン負荷が所定負荷以上のとき前記性能重視運転と判断して前記第１噴射モードを選択することを特徴とする。

また前記制御手段の１つの実施形態では、前記モード制御手段は、前記エンジン負荷が前記所定負荷以上であって性能重視運転と判断されても、エンジン回転数が所定回転数以上のとき前記第２噴射モードを選択することを特徴とする。

本発明のエンジンの燃料噴射制御装置によれば、エンジンの運転状況に応じて燃料の噴射モードを切り換えることができるため、エンジンの排ガス低減性能と出力性能を十分に引き出すことができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料噴射制御装置が第１噴射モードにあるときのエンジンの一部の断面図。 図１に示された燃料噴射制御装置が第２噴射モードにあるときのエンジンの一部の断面図。 図１に示された燃料噴射制御装置の処理の流れを示すフローチャート。 図１に示された燃料噴射制御装置の噴射時期を模式的に示すタイムチャート。 図２に示された燃料噴射制御装置の噴射時期を模式的に示すタイムチャート。 本発明の第２の実施形態に係る燃料噴射制御装置が第２噴射モードにあるときのエンジンの一部の断面図。 図６に示された燃料噴射制御装置の噴射時期を模式的に示すタイムチャート。 本発明の第３の実施形態に係る燃料噴射制御装置が第１噴射モードにあるときのエンジンの一部の断面図。 図８に示された燃料噴射制御装置が第２噴射モードにあるときのエンジンの一部の断面図。 図８に示された燃料噴射制御装置が第１噴射モードにあるときの噴射パターンを模式的に示す斜視図。 図１０中のＦ１１−Ｆ１１方向から見た噴射パターンの平面図。 図８に示された燃料噴射制御装置が第２噴射モードにあるときの噴射パターンを模式的に示す斜視図。 図１２中のＦ１３−Ｆ１３方向から見た噴射パターンの平面図。

以下に本発明の第１の実施形態に係るエンジンの燃料噴射制御装置について、図１から図６を参照して説明する。

図１は、エンジンの一例である４サイクルガソリンエンジン１０（これ以降は単にエンジン１０と称する）の一部を示している。エンジン１０は、シリンダ１１と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３と、動弁機構１４と、制御手段として機能するＥＣＵ（エンジン制御コンピュータ）１５などを備えている。シリンダヘッド１２とピストン１３との間に燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６の一例はペントルーフ形燃焼室である。燃焼室１６に臨んで点火プラグ１７が配置されている。

シリンダヘッド１２には、燃焼室１６に連通する吸気ポート２０と排気ポート２１とが形成されている。吸気ポート２０は動弁機構１４の吸気バルブ２２によって開閉される。排気ポート２１は動弁機構１４の排気バルブ２３によって開閉される。これら吸気バルブ２２と排気バルブ２３は、図示しないクランクシャフトの回転角度に応じたタイミングで開閉するようになっている。なお、吸気ポート２０と排気ポート２１はそれぞれ一対ずつ設けられている。また吸気バルブ２２と排気バルブ２３もそれぞれ一対ずつ設けられている。

吸気ポート２０に燃料噴射弁３０と、噴射方向を切換えるためのアクチュエータ３１が配置されている。燃料噴射弁３０は、ＥＣＵ１５によって開閉が制御され、前記クランクシャフトの回転角度に関連したタイミングで燃料を噴射し、噴射した燃料を燃焼室１６に供給するようになっている。本実施形態の場合、ＥＣＵ１５と燃料噴射弁３０とアクチュエータ３１などによって燃料噴射制御装置３２が構成されている。ＥＣＵ１５は、燃料噴射弁３０の噴射時期を調整する噴射時期調整手段として機能する。

燃料噴射弁３０は、支持部３５を中心として傾動可能に設けられており、アクチュエータ３１によって、図１に示す第１の位置と、図２に示す第２の位置とにわたって、噴射方向を切換えることができるようになっている。図１に示す第１の位置は、後述する第１噴射モードにおいて吸気行程噴射が行なわれる際の燃料噴射弁３０の位置を模式的に示している。図２に示す第２の位置は、後述する第２噴射モードにおいて排気行程噴射が行なわれる際の燃料噴射弁３０の位置を模式的に示している。本実施形態のアクチュエータ３１は、燃料噴射弁３０の噴射方向を下記の第１噴射方向と第２噴射方向とに切り換え可能な噴射方向切換手段として機能する。

制御手段として機能するＥＣＵ１５は、所定のタイミングで燃料が噴射されるように燃料噴射弁３０を制御するとともに、燃料噴射弁３０の位置（第１の位置または第２の位置）を切換えるための信号に基いてアクチュエータ３１を作動させる機能を有している。アクチュエータ３１としては、例えば電力によって作動する電磁アクチュエータを採用することができる。

またこのＥＣＵ１５には、エンジン回転数検出手段として機能するエンジン回転数を検出するセンサ４０と、エンジン負荷検出手段として機能するエンジン負荷を検出するセンサ４１と、エンジン温度検出手段として機能するエンジン冷却水温を検出するセンサ４２などが電気的に接続され、これらのセンサ４０，４１，４２が出力する検出信号がＥＣＵ１５に入力されるようになっている。エンジン負荷は例えばエンジン出力に対応した燃料噴射量あるいはアクセルペダル操作量などに基いて取得される。

図３は、ＥＣＵ１５による処理の流れの一例を示すフローチャートである。以下にこのＥＣＵ１５による処理の流れの一例について説明する。

図３に示されたステップＳ１では、エンジン回転数を検出する前記センサ４０からのエンジン回転数データがＥＣＵ１５に入力される。ステップＳ２では、エンジン負荷を検出する前記センサ４１からのエンジン負荷データがＥＣＵ１５に入力される。ステップＳ３では、エンジン冷却水温を検出する前記センサ４２からの水温データがＥＣＵ１５に入力される。

ステップＳ４では、エンジン冷却水温が所定値を越えているか否かが判断される。ステップＳ４において、エンジン冷却水温が所定値を越えていると判断された場合（エンジン温態時）には、ステップＳ５に進む。ステップＳ４において、エンジン冷却水温が所定値以下であると判断された場合（エンジン冷態時）には、エンジンの運転が排ガス重視運転であると判断され、ステップＳ８（第２噴射モード）に進む。

ステップＳ５では、エンジン負荷が所定値を越えているか否かが判断される。ステップＳ５において、エンジン負荷が所定値を越えていると判断された場合には、エンジンの運転が性能重視運転であると判断され、ステップＳ６に進む。ステップＳ５において、エンジン負荷が所定値以下であると判断された場合には、エンジンの運転が排ガス重視運転であると判断され、ステップＳ８（第２噴射モード）に進む。

ステップＳ６では、エンジン回転数が所定値を越えているか否かが判断される。ステップＳ６において、エンジン回転数が所定値以下であると判断された場合には、ステップＳ７（第１噴射モード）に進む。一方、ステップＳ６において、エンジン回転数が所定値を越えていると判断された場合には、ステップＳ８（第２噴射モード）に進む。

ステップＳ７の第１噴射モードでは、図１に示すように燃料噴射弁３０の噴射方向を第１噴射方向に設定するとともに、噴射時期を吸気バルブの開弁期間に設定して、燃料が噴射される。第１噴射方向では、燃料噴射弁３０の噴射方向を、吸気バルブ２２のリフトにより形成される吸気ポート２０の開口とする。この噴射時期は、図４に示すように吸気行程であり、開弁した吸気バルブ２２とバルブシート２２ａとの間の隙間（図１に示す）に向けて、例えばＦ１で示す方向に燃料が噴射される。

吸気バルブの開弁期間に燃料が吸気バルブ２２とバルブシート２２ａとの間の隙間に向けて噴射されることによって、吸気が冷却されるとともに、ＥＧＲ（排気再循環系）から吸気ポート２０に供給される高温ガスも燃料によって冷却される。これにより、燃焼室１６内の混合気の密度が上昇し、より大きなエンジン出力が得られる。ステップＳ７の第１噴射モードはエンジンの運転が性能重視運転であると判断される、温態の高負荷運転域である。ただし、高負荷運転域であってもエンジン回転数が高い状況では燃料が流入する時間が限られるため、新気気流に極力燃料が接触するように、ステップＳ８の第２噴射モードが採用される。その結果、高回転高負荷運転域であっても、十分なエンジン出力を得ることができる。

ステップＳ８の第２噴射モードでは、図２に示すように燃料噴射弁３０の噴射方向を第２噴射方向に設定するとともに、噴射時期を吸気バルブの閉弁期間に設定して、燃料が噴射される。第２噴射方向では、燃料噴射弁３０の噴射方向を、吸気バルブ２２の傘部２２ｂとする。この噴射時期は図５に示すように排気行程であり、閉弁した吸気バルブ２２の中央付近（傘部２２ｂのバルブ軸付近）をねらって、例えば図２にＦ２で示す方向に燃料が噴射される。

第２噴射モードは、例えば冷態始動時や冷態中、冷態、温態を含めた部分負荷運転中であり、第１噴射モードと比較して吸気バルブ２２により多くの燃料が当るように燃料噴射制御装置３２が制御される。この第２噴射モードにより、噴射された燃料が吸気バルブ２２の熱によって加熱されるため燃料の気化が促進され、排ガス中のＨＣ（炭化水素）の量を減らすことができ、排ガスが改善される。

以上説明したように本実施形態の燃料噴射制御装置３２の制御手段（ＥＣＵ１５）は、エンジン回転数データを取得する手段（ステップＳ１）と、エンジン負荷データを取得する手段（ステップＳ２）と、エンジン冷却水温データを取得する手段（ステップＳ３）とを有している。さらにこの制御手段（ＥＣＵ１５）は、エンジン冷却水温が所定値を越え、かつ、エンジン負荷が所定値を越え、かつ、エンジン回転数が所定値以下のときに第１噴射モードであると判断する手段（ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７で表されるコンピュータプログラム）を有している。

またこの制御手段（ＥＣＵ１５）は、エンジン冷却水温が所定値以下のときに第２噴射モードであると判断する手段（ステップＳ４，Ｓ８）と、エンジン冷却水温が所定値を越えかつエンジン負荷が所定値以下のときに第２噴射モードであると判断する手段（ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ８）と、エンジン冷却水温が所定値を越え、かつ、エンジン負荷が所定値を越え、かつ、エンジン回転数が所定値を越えたときに第２噴射モードであると判断する手段（ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ８）を実行するためのコンピュータプログラムを有している。ステップＳ４〜Ｓ８は、第１噴射モードと第２噴射モードとを選択するモード制御手段として機能する。

すなわち本実施形態のモード制御手段は、エンジン温度検出手段（センサ４２）とエンジン負荷検出手段（センサ４１）とエンジン回転数検出手段（センサ４０）の少なくとも１つのエンジン運転状態に基づいてエンジンの運転が性能重視運転か排ガス重視運転かを判断する手段を有し、性能重視運転のときには前記第１噴射モードを選択し、排ガス重視運転のときには前記第２噴射モードを選択する。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料噴射制御装置が第２噴射モードにあるときのエンジンの一部の断面図を示している。第２の実施形態の燃料噴射制御装置３２の構成は第１の実施形態の燃料噴射制御装置３２（図１〜図３）と共通である。ただし第２の実施形態の場合、図７に示すように、第２噴射モードにおいて膨張行程噴射が行なわれる。この場合も、吸気バルブ２２の中央付近（傘部２２ｂのバルブ軸付近）をねらって燃料が噴射されるため、噴射された燃料が吸気バルブ２２の熱によって加熱されることにより燃料の気化が促進され、排ガス中のＨＣの量を減らすことが可能である。

以上説明したように第２噴射モードにおいては、排気行程噴射（図５に示す第１の実施形態）と、膨張行程噴射（図７に示す第２の実施形態）とのどちらが採用されてもよいが、エンジンの応答性の点からは排気行程噴射の方が有利である。

図８から図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料噴射弁３０Ａを備えた燃料噴射制御装置３２Ａ示している。この燃料噴射制御装置３２Ａは、図１０と図１１に示される第１噴射方向（以下噴射パターンＰ１という）と、図１２と図１３に示される第２噴射方向（以下噴射パターンＰ２という）とに切換えることができるように、噴射パターン可変機構５０を備えている。噴射パターン可変機構５０は、燃料噴射弁３０の噴射方向を上記第１噴射方向と第２噴射方向とに切り換え可能な噴射方向切換手段として機能する。

ＥＣＵ１５による処理の流れは、図３に示された第１の実施形態と共通である。図１０と図１１に示されるように、第１噴射モード（図３のステップＳ７）のときには、噴射方向を吸気バルブ２２の外周に沿う噴射パターンＰ１となるように噴射パターン可変機構５０を制御するとともに、噴射時期を吸気バルブの開弁期間に設定することにより、吸気バルブ２２とバルブシート２２ａとの間の隙間に向けて燃料が噴射される。噴射された燃料によって吸気が冷却されるとともに、ＥＧＲから吸気ポート２０に供給される高温ガスが冷却される。このことにより、燃焼室１６内の混合気の密度が上昇し、より大きなエンジン出力が得られる。

一方、第２噴射モード（図３のステップＳ８）のときには、図１２と図１３に示されるように、噴射方向を吸気バルブ２２の中央付近（傘部２２ｂのバルブ軸付近）をねらう噴射パターンＰ２となるように、噴射パターン可変機構５０を制御するとともに、噴射時期を吸気バルブの閉弁期間に設定する。これにより、噴射された燃料の吸気バルブ２２に当る量が増えるため、燃料が吸気バルブ２２によって加熱され、燃料の気化が促進され、排ガス中のＨＣの量を減らすことができる。

この第３の実施形態の燃料噴射制御装置３２Ａ（図８〜図１３）の構成と作用について、上記以外は第１の実施形態の燃料噴射制御装置３２（図１〜図６）と共通であるため、第１の実施形態と共通の部分に共通の符号を付して説明を省略する。

なお本発明を実施するに当たり、燃焼室や燃料噴射弁、吸気ポートおよび排気ポート、吸気バルブおよび排気バルブ等のエンジンを構成する各部の具体的な形状や配置をはじめとして、燃料噴射制御装置の具体的な構成や配置等を種々に変更して実施できることは言うまでもない。

１５…ＥＣＵ（エンジン制御コンピュータ）
１６…燃焼室
２０…吸気ポート
２１…排気ポート
２２…吸気バルブ
２３…排気バルブ
３０，３０Ａ…燃料噴射弁
３２，３２Ａ…燃料噴射制御装置

Claims (4)

1. 燃焼室内で燃料を燃焼する少なくとも１つのシリンダと、
   前記燃焼室へ連通する少なくとも１つの吸気ポートと、
   前記吸気ポートを開閉可能な吸気バルブと、
   前記吸気ポート内で燃料を噴射する燃料噴射弁とを有するエンジンにおいて、
   前記エンジンの負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、
   前記燃料噴射弁の噴射時期を調整する噴射時期調整手段と、
   前記燃料噴射弁の噴射方向を、前記吸気バルブのリフトにより形成される前記吸気ポートの開口で該吸気バルブとバルブシートとの間の隙間とする第１噴射方向と、前記吸気バルブの傘部とする第２噴射方向とに切り換え可能な噴射方向切換手段と、
   前記エンジン負荷検出手段によって検出された前記エンジンのエンジン負荷が所定値を越えた場合に前記噴射方向切換手段にて燃料噴射方向を前記第１噴射方向に設定するとともに前記噴射時期調整手段にて前記燃料噴射弁の噴射時期を前記吸気バルブの開弁期間に設定して燃料を噴射する第１噴射モードと、前記エンジン負荷検出手段によって検出された前記エンジンのエンジン負荷が所定値以下の場合に前記噴射方向切換手段にて燃料噴射方向を前記第２噴射方向に設定するとともに前記噴射時期調整手段にて前記燃料噴射弁の噴射時期を前記吸気バルブの閉弁期間に設定する第２噴射モードとを選択するモード制御手段と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの燃料噴射制御装置。
2. 前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段をさらに備え、
   前記モード制御手段は、前記エンジン負荷が所定値を越えていても、前記エンジン回転数検出手段によって検出された前記エンジンのエンジン回転数が所定値を越えた場合に前記第２噴射モードを選択することを特徴とする請求項１記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
3. 前記エンジンの温度を検出するエンジン温度検出手段をさらに備え、
   前記モード制御手段は、前記エンジン温度検出手段によって検出されたエンジン温度が所定値以下のときに前記第２噴射モードを選択することを特徴とする請求項２記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
4. 前記第２噴射モードでは、前記吸気バルブの傘部の中央付近のバルブ軸をねらって燃料を噴射することを特徴とする請求項１記載のエンジンの燃料噴射制御装置。

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