JP5837849B2 - 筒内噴射式エンジンの制御装置 - Google Patents

筒内噴射式エンジンの制御装置 Download PDF

Info

Publication number
JP5837849B2
JP5837849B2 JP2012064334A JP2012064334A JP5837849B2 JP 5837849 B2 JP5837849 B2 JP 5837849B2 JP 2012064334 A JP2012064334 A JP 2012064334A JP 2012064334 A JP2012064334 A JP 2012064334A JP 5837849 B2 JP5837849 B2 JP 5837849B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
injection
alcohol concentration
injection pressure
engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2012064334A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2013194658A (ja
Inventor
助川 義寛
義寛 助川
岡本 多加志
多加志 岡本
藤井 敬士
敬士 藤井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Automotive Systems Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Automotive Systems Ltd filed Critical Hitachi Automotive Systems Ltd
Priority to JP2012064334A priority Critical patent/JP5837849B2/ja
Priority to PCT/JP2013/052306 priority patent/WO2013140866A1/ja
Publication of JP2013194658A publication Critical patent/JP2013194658A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5837849B2 publication Critical patent/JP5837849B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B23/101Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on or close to the cylinder centre axis, e.g. with mixture formation using spray guided concepts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B17/00Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders
    • F02B17/005Engines characterised by means for effecting stratification of charge in cylinders having direct injection in the combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/02Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with gaseous fuels
    • F02D19/021Control of components of the fuel supply system
    • F02D19/023Control of components of the fuel supply system to adjust the fuel mass or volume flow
    • F02D19/024Control of components of the fuel supply system to adjust the fuel mass or volume flow by controlling fuel injectors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/0663Details on the fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02D19/0686Injectors
    • F02D19/0689Injectors for in-cylinder direct injection
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/08Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed simultaneously using pluralities of fuels
    • F02D19/082Premixed fuels, i.e. emulsions or blends
    • F02D19/084Blends of gasoline and alcohols, e.g. E85
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/06Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed
    • F02D19/08Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with pluralities of fuels, e.g. alternatively with light and heavy fuel oil, other than engines indifferent to the fuel consumed simultaneously using pluralities of fuels
    • F02D19/082Premixed fuels, i.e. emulsions or blends
    • F02D19/085Control based on the fuel type or composition
    • F02D19/087Control based on the fuel type or composition with determination of densities, viscosities, composition, concentration or mixture ratios of fuels
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/0025Controlling engines characterised by use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30Controlling fuel injection
    • F02D41/38Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/3809Common rail control systems
    • F02D41/3836Controlling the fuel pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/12Other methods of operation
    • F02B2075/125Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00Input parameters for engine control
    • F02D2200/02Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/06Fuel or fuel supply system parameters
    • F02D2200/0611Fuel type, fuel composition or fuel quality
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2250/00Engine control related to specific problems or objectives
    • F02D2250/31Control of the fuel pressure
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M43/00Fuel-injection apparatus operating simultaneously on two or more fuels, or on a liquid fuel and another liquid, e.g. the other liquid being an anti-knock additive
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/08Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series the valves opening in direction of fuel flow
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

本発明は、燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と燃焼室内の混合気を点火するための点火プラグを備えた筒内噴射式エンジンの制御装置に係り、特に、燃料としてガソリン/アルコール混合燃料が用いられる場合に適応させたものに関する。
二酸化炭素の低減やエネルギーの有効活用を目的として、ガソリンにエタノールやメタノールなどのアルコールを混ぜた混合燃料をエンジンの燃料として用いることが知られている。
また、環境保全のため粒子状物質(PM)の排出量低減化が求められており、エンジンからのPM排出量が厳しく規制されている。加えて地球温暖化防止の観点からエンジンの燃費改善も強く求められている。
一方、エンジンの燃焼効率や出力向上のため、燃焼室内に燃料を直接噴射するとともに、噴射された燃料と吸入空気との混合気を点火プラグで点火して爆発燃焼させる筒内噴射式エンジンが普及している。
かかる筒内噴射式エンジンにおいて混合燃料が用いられる場合を想定して、例えば下記特許文献1には、粒子状物質(PM)の排出量低減化を図るべく、混合燃料のアルコール濃度に応じてガス流動の強さを変えることことが提案されている。
特開2008-190478号公報
しかしながら、筒内噴射式エンジンでは、狭い燃焼室内で燃料噴射が行われるため、燃料がピストン冠面やシリンダボア壁面などに付着しやすい。燃料が壁面に付着すると、空気と燃料との混合が不十分となり、PMの発生原因となる。燃料噴霧が短時間で気化すれば壁面に付着する燃料を減らすことができるため、筒内噴射式エンジンでは、燃料噴射圧を高くして燃料噴霧の微粒化を促進している。しかし、燃料噴射圧を高く設定すると、燃料ポンプを駆動するための仕事量(補機駆動負荷)が増えるため、燃費が悪化する虞がある。
なお、前記特許文献1に所載のように、アルコール濃度に応じてガス流動の強さを変えても仕事量(補機駆動負荷)は変化しないので、燃費を改善することはできない。
本発明は、上記問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、PM排出量を増やすことなく燃費を改善することのできる筒内噴射式エンジンの制御装置を提供することにある。
上記目的を達成すべく、本発明に係る筒内噴射式エンジンの制御装置は、燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と燃焼室内の混合気を点火するための点火プラグとを備えると共に、前記燃料噴射弁が前記燃焼室の天井部中央のシリンダヘッドに設けられてピストンの冠面方向に中空円錐状に燃料を噴射するものであって、燃料のアルコール濃度が高い場合は、燃料のアルコール濃度が低い場合よりも燃料噴射圧を低くすることを特徴としている。
ガソリンとアルコールの混合燃料では、アルコール濃度が高い方がPMの排出濃度が低くなる。従って、本発明に係る筒内噴射式エンジンの制御装置のように、前記燃料噴射弁が燃焼室の天井部中央のシリンダヘッドに設けられてピストンの冠面方向に中空円錐状に燃料を噴射する筒内噴射式エンジンの制御装置において、燃料のアルコール濃度が高い場合は、燃料のアルコール濃度が低い場合よりも燃料噴射圧を低くすれば、燃料噴霧の粒径は大きくなるものの、PM排出濃度は低く抑えられる。
このように、前記燃料噴射弁が燃焼室の天井部中央のシリンダヘッドに設けられてピストンの冠面方向に中空円錐状に燃料を噴射する筒内噴射式エンジンの制御装置において、燃料のアルコール濃度が高い場合は、燃料のアルコール濃度が低い場合よりも燃料噴射圧を低くすることにより、アルコール濃度が高い場合に、燃料ポンプを駆動するための仕事量を減らすことができ、その結果、PM排出量を増やすことなく燃費を改善することができる。
上記した以外の、課題、構成、及び効果は、以下の実施形態により明らかにされる。
本発明に係る制御装置の一実施形態(実施例1〜3で共通)を、それが適用された筒内噴射式エンジンの一例と共に示す概略構成図。 図1に示されるエンジンの主要部概略縦断面図。 図1に示されるエンジンの主要部概略斜視図。 図1に示される燃料噴射弁の内部構造を示す断面図。 (a)は図4に示される燃料噴射弁の弁体側ガイド部の拡大図、(b)は(a)のA−A断面図。 図4に示される燃料噴射弁が開弁したときのノズル下部を示す拡大断面図。 燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の形態の説明に供される図。 燃料噴射弁から噴射された噴霧のザウター平均粒径と噴射圧との関係を示す図。 アルコール濃度とアルコール濃度センサの出力電圧の関係を示す図。 本発明の実施形態における高圧燃料ポンプの断面図。 図10に示される高圧燃料ポンプの噴射圧と駆動力の関係を示す図。 吸排気弁の開閉時期、燃料噴射時期、及び点火時期の一例(実施例1)を示すタイムチャート。 実施例で使用される燃焼モード領域マップを示す図。 均質燃焼モードにおける燃焼室内の燃料噴霧、混合気の状態を示す図であり、(a)吸気行程後半、(b)は点火時期(近傍)を示す。 成層燃焼モードにおける燃焼室内の燃料噴霧、混合気の状態を示す図であり、(a)は圧縮行程時、(b)は点火時期(近傍)を示している。 図1に示されるECUが燃料噴射時期、燃料噴射圧等を設定する際に実行する処理・手順(プログラム)の一例(実施例1)の一部を示すフローチャート。 実施例における燃料のアルコール濃度と噴射圧の関係を示す図。 実施例における噴射圧設定マップを示した図であり、図18(a)は基本噴射圧マップ、図18(b)は低噴射圧マップを示す。 ガソリン/アルコール混合燃料におけるアルコール濃度とPM排出濃度の関係の一例を示す図。 噴射圧とPM排出濃度の関係の一例を示す図。 ガソリン/アルコール混合燃料の蒸留特性を示す図。 実施例における低噴射圧マップの別例1を示す図。 実施例における低噴射圧マップの別例2を示す図。 実施例における低噴射圧マップの別例3を示す図。 実施例における燃料のアルコール濃度と噴射圧の関係の別例1を示す図。 実施例における燃料のアルコール濃度と噴射圧の関係の別例2を示す図。 実施例における燃料のアルコール濃度と噴射圧の関係の別例3を示す図。 実施例における燃料のアルコール濃度と噴射圧の関係の別例4を示す図。 図1に示されるECUが燃料噴射時期、燃料噴射圧等を設定する際に実行する処理・手順(プログラム)の他の例(実施例2)の一部を示すフローチャート。 実施例2における吸排気弁の開閉時期、燃料噴射時期、及び点火時期を示すタイムチャート。 実施例において噴射圧を基本噴射圧に設定し、燃料を基本噴射時期で噴射した場合の噴霧挙動の説明に供される図。 実施例において噴射圧を低噴射圧に設定し、燃料を基本噴射時期で噴射した場合の噴霧挙動の説明に供される図。 実施例において噴射圧を低噴射圧に設定し、燃料を基本噴射時期より遅角化した場合の噴霧挙動の説明に供される図。 図1に示されるECUが燃料噴射時期、燃料噴射圧等を設定する際に実行する処理・手順(プログラム)の別の例(実施例3)の一部を示すフローチャート。 吸排気弁の開閉時期、燃料噴射時期、及び点火時期の別の例(実施例3)を示すタイムチャート。 実施例2と実施例3を組み合わせた実施例4における吸排気弁の開閉時期、燃料噴射時期、及び点火時期を示すタイムチャート。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明に係る制御装置の一実施形態(実施例1〜3で共通)を、それが適用された筒内噴射式エンジンの一例と共に示す概略構成図である。
図示例のエンジン1は、例えば筒内噴射式の直列4気筒火花点火エンジンであり、ピストン103の上方に燃焼室110が画成され、この燃焼室110の天井部には燃焼室110に燃料を直接噴射する燃料噴射弁106と燃料噴射弁106から噴射された燃料と吸入空気とで生成される混合気を点火するための点火プラグ107が臨設されている(エンジン1の構造詳細は図2、図3を参照しながら後述する)。
エンジン1は、燃料としてガソリンとアルコールの混合燃料が使用され、任意のアルコール濃度で運転可能なようにその装置部品並びに制御系の構成や仕様が決められている。
燃料タンク3内には、ガソリンとアルコールの混合燃料6が充填されている。混合燃料6のアルコール濃度は固定されたものではなく、ユーザーが補給する燃料仕様、補給時のタンク内の残存燃料の仕様、残存量などによって0〜100%の範囲で変化する。
燃料タンク3内の混合燃料はフィードポンプ5によって300kPa程度に加圧され、燃料配管7aを通って高圧燃料ポンプ2に送られる。混合燃料は高圧燃料ポンプ2によってさらに5〜20MPa程度に加圧され、高圧燃料配管7bを通って燃料噴射弁106に送られる。高圧燃料配管7b内の燃料圧力(噴射圧)は圧力センサ9によって検出され、噴射圧信号R5がECU(エンジン制御ユニット)に取り込まれる。
ECUは、圧燃料配管7b内の噴射圧を目標噴射圧に収束一致させるべく、噴射圧信号R5に基づいて高圧燃料ポンプ2に送る噴射圧制御信号C2を調整して噴射圧(ボンプ吐出圧)をフィードバック制御する。
混合燃料のアルコール濃度は燃料タンク3内に設けられたアルコール濃度センサ4によって検出される。アルコール濃度センサ4からのアルコール濃度信号R1がECUに取り込まれる。アルコール濃度センサ4は燃料の誘電率、もしくは光の屈折率からアルコール濃度を検出し、電圧値として出力するものである。
図9は、燃料のアルコール濃度に対するアルコール濃度センサ4の出力電圧の関係の一例を示す。アルコール濃度センサ4はアルコール濃度0〜100%に亘って、アルコール濃度に比例した電圧信号(アルコール濃度検出信号)R1を出力する。従って、アルコール濃度センサ4の出力電圧値から図9の関係を用いて燃料のアルコール濃度を求めることができる。
ECUから燃料噴射弁106へは、エンジン運転状態に応じたデューティ比(パルス幅)を持つ噴射パルス信号C3がクランク角で見て所定のタイミングで供給され、これによって、エンジン運転状態に応じた燃料噴射開始時期及び噴射時間(噴射量)をもって燃料噴射弁106から燃焼室110内へ燃料が噴射される。
燃焼室110内に噴射された燃料は、吸気カム軸により開閉駆動される吸気弁を介して燃焼室110に吸入された吸入空気との混合気を生成し、この混合気は、ECUから点火制御信号C4がクランク角で見て所定のタイミングで供給される点火コイル(図示省略)からの点火エネルギにより点火プラグ107で点火されて爆発燃焼し、その燃焼排ガス(排気ガス)は排気カム軸により開閉駆動される排気弁を介して排気通路111に排出される。
エンジン1の吸気通路109内には、吸入空気量を調整するための電制スロットル弁10が設けられている。スロットル弁10の開度(スロットル開度)はECUからスロットル弁10に送られるスロットル開度制御信号C6により所定の開度に制御される。
さらに、ECUには、エンジンの冷却水温、クランク角信号、カム角信号、アクセル開度信号、トランスミッションのギアポジション信号等が取り込まれ、エンジン1の回転数、負荷(トルク)の検出、冷機/暖機状態の識別等、エンジン運転状態の種々の判定がECUによって行われる。
次に、エンジン1の構造詳細を図2及び図3を参照しながら説明する。図2は、エンジン1の概略縦断面図であり、図3は、エンジン1の概略斜視図である。
エンジン1は、シリンダヘッド1Aとシリンダブロック1B、及び該シリンダブロック1Bに摺動自在に嵌挿されたピストン103を有し、ピストン103上方には燃焼室110が画成され、燃焼室110の天井部略中央に燃料噴射弁106が臨設され、この燃料噴射弁106に近接して中央部よりやや排気ポート111寄りに点火プラグ107が配備されている。燃料噴射弁106は、電磁弁であり、前述の噴射パルス信号C3のデューティ比(パルス幅)に応じた時間だけ開弁して、概ね5から20MPaに加圧された燃料をその先端部に設けられた噴射口123から噴射するものである。ピストン103の冠面には、浅皿状のキャビティ103aが設けられている。
燃焼室110には、吸気通路109の下流端(吸気ポート)109aと排気通路111の上流端(排気ポート)111aがそれぞれ開口しており、それぞれの開口部を開閉する吸気弁104と排気弁105が設けられている。
吸気弁104は吸気カム軸318に取りつけられた吸気カム104aの回転によって上下動し、吸気ポート109aの開口部を開閉する。同様に排気弁105は排気カム軸317に取りつけられた排気カム105aの回転によって上下動し、排気ポート111aの開口部を開閉する。
吸気カム軸318、排気カム軸317は図示しないタイミングベルトによってクランク軸319に連動して回転するようにされており、燃焼によって生じるクランク軸319の回転力によって吸気カム軸318、排気カム軸317がそれぞれ回転駆動される。
次に、燃料噴射弁106及びそれから噴射される燃料噴霧の形態について、図4から図8を参照しながら説明する。図4は、燃料噴射弁106の内部構造を示す断面図である。
燃料噴射弁106は、電磁式の駆動部150とノズル122とを有し、ノズル122は円筒状でその内部に弁体120が挿入されており、弁体120はノズル122に対して軸方向に動く構造になっている。弁体120とノズル122には、弁体120の軸方向の動きを案内するための弁体側ガイド部(大径部)125とノズル側ガイド部126が設けられている。弁体120の弁棒部121はノズル122の内径よりも細くなっており、弁棒部121とノズル(内周面)122との間の隙間が燃料流路124となっている。
図5(a)は、弁体側ガイド部125の拡大図を示しており、図5(b)は、弁体側ガイド部125のA−A断面を示している。弁体側ガイド部125には4つの面取り切欠部125aが施されており、各面取り切欠部125aとノズル側ガイド部(内周面)126の間には流路となる隙間があるため、燃料流路124を流れる燃料の流れを妨げない構造になっている。
図4に戻り、燃料噴射弁106について説明を続ける。燃料供給口128から供給された燃料は、燃料流路124を通って、ノズル122下端部の絞り弁座部132へ送られる。弁体120は、閉弁用ばね(圧縮コイルばね)127により閉弁方向(上向き)に付勢されており、電磁式の駆動部150が通電励磁されていないときには、閉弁用ばね127の付勢力により、弁体120の下端部に設けられた円錐状弁体部129(図6参照)がノズル122の絞り弁座部132に押し付けられているため、このときは燃料は噴射されない。
前記電磁式の駆動部150は、弁体120のリフト量を制御するためのもので、コイル151、コア152、アンカー153等で構成され、アンカー153は弁体120の上流側端部において、弁体120と接触している。コイル151に通電すると、コイル151とコア152、アンカー153の間で磁場が形成され、前記磁場に応じてアンカー153とコア152の間に生じる電磁吸引力によって、アンカー153はコア152に引き付けられる(下降する)。これにより、弁体120(円錐状弁体部129)は閉弁用ばね127の付勢力に抗して押し下げられて絞り弁座132から離れ、それらの間に円環状の間隙が生じ(以下、この間隙を噴射口123と称す)、噴射口123から燃料が噴射される(図6参照)。
次に、弁体120の開弁時の燃料噴射挙動について、図6及び図7を用いて説明する。図6は弁体120が開弁しているときの円錐状弁体部129と絞り弁座部132の周りを示す断面図である。また、図7は燃料噴射弁106から噴射された燃料噴霧SPの形態を示す。
弁体120が押し下げられると、円錐状弁体部129が絞り弁座部132から離れて噴射口123が開き、燃料流路124内の高圧燃料が燃料液膜156となって外部に噴出する。円錐状弁体部129の円錐面に沿って燃料が噴出するため、噴射される燃料液膜156は中空円錐形状となる。液膜156の厚さは噴射口123から遠ざかる従い薄くなり、その先端が分裂して微細な液滴157が発生する。この結果、図7に示すような中空円錐状の噴霧SPが形成される。
なお、液膜156の噴射口123からの噴出速度が速いほど、乱流による液膜156の擾乱が大きくなり、液滴への微粒化が促進される。
図8は、燃料噴射弁106から噴射された噴霧のザウター平均粒径と噴射圧との関係を示す。噴射圧が高くなるほど噴射口123から噴射される液膜156の速度が速くなるため、噴霧SPのザウター平均粒径は小さくなる。例えば、本実施例の燃料噴射弁106においては、噴射圧が5MPaのときはザウター平均粒径は30μm程度である。一方、噴射圧を20MPaまで高くするとザウター平均粒径は10μm程度にまで小さくなる。噴霧の表面積(液滴と周囲ガスとの境界面積の総和)はザウター平均粒径が小さいほど大きくなるため、噴射圧を高くすることで噴霧の気化速度を速くすることができる。
次に、高圧燃料ポンプ2の形態について図10を用いて説明する。図10は高圧燃料ポンプ2の断面図である。本例ではプランジャ301がエンジン1の排気カム軸317に取りつけられた駆動カム306の回転によって上下動する。プランジャ301の上下動によって燃料タンク3側の燃料配管7aから供給される燃料がポンプ室302へ吸入され、高圧燃料配管7bへと吐出される。プランジャ301上昇中に電磁弁(ソレノイド)304に通電して押圧棒304aを駆動することにより吸入逆止弁303を押し開けてポンプ室302内の燃料を燃料タンク側に逆流させ、これによって高圧燃料ポンプ2が吐出する燃料量が調整される。ポンプ室302内の燃料量が目標量になったところで電磁弁304への通電を止めて吸入逆止弁303を閉める。
ポンプ室302の燃料圧力はプランジャ301の上動により上昇し、ポンプ室302内の燃料が吐出逆止弁305を押し開けて高圧燃料配管7b側へ吐出する。さらに高圧燃料配管7bの破壊を防止するためのリリーフ弁306が取り付けられており、高圧燃料配管7bの内部が所定圧以上の圧力なるとリリーフ弁306が開き燃料タンク3に燃料が逃げるようになっている。
高圧燃料ポンプ2から燃料噴射弁106へ供給される燃料の圧力(噴射圧)は電磁弁304で吸入逆止弁303を押し開けるタイミングで変化する。プランジャ301上昇中に吸入逆止弁303を開くタイミングが遅いほどポンプ室302内の燃料がより強く加圧され噴射圧が増大する。電磁弁304の開閉タイミングはECUから送られる噴射圧制御信号C2により、噴射圧が目標値になるように制御される。
駆動カム306がプランジャ301を押し上げるために必要な力(ポンプ駆動力)はポンプ室302内の圧力に比例する。ポンプ室302内の圧力と噴射圧はほぼ等しいため、噴射圧とポンプ駆動力との間には、図11に示される如くの比例関係が成立する。ポンプ駆動力は、エンジン1のクランク軸の回転駆動力から得ているため、噴射圧を高くすればするほどポンプ駆動によるエンジン1の負荷(仕事量)は増大する。
次に、図12から図15を用いて本発明の実施形態におけるエンジン1の動作及び制御内容について説明する。図12は、吸気弁104の開弁時期(IVO)、吸気弁104の閉弁時期(IVC)、排気弁105の開弁時期(EVO)、排気弁の閉弁時期(EVC)、燃料噴射時期、点火時期を示したタイムチャートである。本実施形態のエンジン1の運転モードには、均質燃焼モードと成層燃焼モードがあり、それぞれ燃料噴射時期が異なる。均質燃焼モードにおいては、燃料は吸気行程で噴射され、圧縮行程後期で点火される。一方、成層燃焼モードにおいては、燃料は圧縮行程で噴射され、圧縮行程後期で点火される。
均質燃焼モード領域と成層燃焼モード領域は、エンジン回転数とエンジントルクによって区分けされる。図13は、横軸にエンジン回転数をとり、縦軸にエンジントルクをとって均質燃焼モード領域と成層燃焼モード領域を示した燃焼モードマップの例を示す。図13に示される如くに、本実施形態においては、低中回転、低中トルク領域では成層燃焼モード、高回転、高トルク領域では均質燃焼モードが選択され、ECUによってそれぞれの燃焼モードに応じた時期に燃料が噴射される。
図14は、均質燃焼モードにおける燃料噴霧、混合気の状態を示す。図14(a)は均質燃焼モードにおける吸気行程の状態、図14(b)は均質燃焼モードにおける点火時期近傍(圧縮行程後期)の状態を示している。吸気行程ではピストン103が下降している状態で燃料噴射弁106から燃料噴霧SPが下向きに(ピストン冠面方向に)噴射される。ピストン103が下降しているため、燃料噴霧SPはピストン冠面に殆ど衝突しない。燃焼室110に噴射された噴霧は吸気ポート109から流入する空気の流れGFによって気化、混合が促進され、点火時期近傍では燃料と空気が均一に混ざった混合気が形成される。なお、このときの混合気は当量比がほぼ1(理論空燃比)となるように、燃料噴射量と吸入空気量が調整される。
図15に、成層燃焼モードにおける燃料噴霧、混合気の状態を示す。図15(a)は成層燃焼モードにおける圧縮行程の状態、図15(b)は成層燃焼モードにおける点火時期近傍(圧縮行程後期)の状態を示している。圧縮行程ではピストン103が上昇している状態で燃料噴射弁106から燃料噴霧SPが下向きに(ピストン冠面方向に)噴射される。ピストン103が上昇しているため、燃料噴霧SPの先端部はピストン冠面に衝突する。ピストン冠面に衝突した燃料は、噴霧自身が持つ貫通力によってピストン冠面上に広がり、キャビティ103aの端部段差によって燃焼室110の上方向に巻き上がる。この結果、点火時期近傍においては燃焼室110の中心付近の燃料濃度が高く、その周囲は燃料濃度が低い混合気が形成される。なお、このとき燃焼室110全体での平均当量比は例えば0.2から0.7程度になるように燃料噴射量と吸入空気量が調整される。
このような成層混合気の形成により、全体としては希薄(理論空燃比よりリーン)な混合気であっても、点火プラグ107の電極ギャップ周辺の混合気の等量比はほぼ1に保たれ、点火プラグ107による点火が安定的に行われる。成層燃焼モードでは、希薄な混合気を燃焼することによって、低中負荷領域でのポンピング損失の低減、比熱比の向上等が図られ、均質燃焼モードに比べてエンジンの燃費効率を向上させることができる。
次に、本発明実施形態におけるエンジンの制御について図16から図18を用いて説明する。
図16は、ECUが燃料噴射時期、燃料噴射圧等を設定する際に実行する処理・手順(プログラム)の一例(実施例1とする)の一部を示すフローチャートである。図17は、図16に示される実施例1で使用される燃料のアルコール濃度と噴射圧の関係を示すグラフである。また、図18は、実施例1で使用される噴射圧設定マップを示している。
図16に示される実施例1では、ステップS11(以下、「ステップ」を省略)でエンジン回転数Ne、エンジントルクTrを求める。エンジン回転数Neはクランク角信号から求められ、エンジントルクはアクセル開度、エンジン回転数、車速、トランスミッションのギアポジション等の情報を用いて推定される。
次に、S12においてエンジン回転数Ne、エンジントルクTrに基づき、基本噴射圧PnH(n=1、2、3、・・・)を求める。基本噴射圧PnHは、図18(a)に示される如くの、横軸にエンジン回転数、縦軸にエンジントルクがとられた基本噴射圧マップを参照することによって求められる。本実施例では、低回転、低トルク領域の噴射圧をP1H、中回転、中トルク領域の噴射圧をP2H、高回転、高トルク領域の噴射圧をP3Hとして、エンジントルク、エンジン回転数に応じて噴射圧を三段階に切り換えるようにしている。ただし、本発明はこれに限定される訳ではなく、噴射圧はエンジントルク、エンジン回転数等のエンジン運転状態に応じて、任意に設定することができることは勿論である。
続く、S13においては、エンジントルクTrと予め定められたトルク閾値Trcとを比較するとともに、エンジン回転数Neと予め定められた回転数閾値Necとを比較する。ここでTrc、Necは、前述した図13に示される燃焼モードマップにおける成層燃焼モードと均質燃焼モードの境界点におけるエンジントルク(値)とエンジン回転数(値)である。
S13においてエンジントルクTrがトルク閾値Trcより低く、かつエンジン回転数Neが回転数閾値Necより低いと判断された場合は、エンジンの運転状態が成層燃焼モード領域にあると判定され、この場合は、S14に進んで、成層燃焼モードに対応した基本噴射時期TH(圧縮行程)、スロットル開度、点火時期を、エンジン回転数、エンジントルク等に対するマップ値として求める。
それに対し、S13においてエンジントルクTrがトルク閾値Trcより高いか、又はエンジン回転数Neが回転数閾値Necより高いと判断された場合は、エンジンの運転状態が均質燃焼モード領域にあると判定され、この場合は、S15に進んで、均質燃焼モードに対応した基本噴射時期TH(吸気行程)、スロットル開度、点火時期を、エンジン回転数、エンジントルク等に対するマップ値として求める。
次に進むS16においては、冷却水温センサの出力値から冷却水温度Twを求め、続くS17においてアルコール濃度センサの出力値から燃料中のアルコール濃度Caを求め、S18に進む。
S18においては、冷却水温Twと予め定められた冷却水温閾値Twcを比較するとともに、アルコール濃度Caと予め定められたアルコール濃度閾値Cacを比較する。ここで、閾値Twcはエンジンの冷機・暖機を判断するための冷却水温であり、例えばTwc=80℃である。また閾値Cacは混合燃料のPM排出濃特性から求められたアルコール濃度であり、例えばCac=10%である。S18で、冷却水温Twが冷却水温閾値Twcより高く、かつアルコール濃度Caがアルコール濃度閾値Cacより高い場合には、S19に進み、目標噴射圧を低噴射圧PnLに設定する。低噴射圧PnLは、図18(b)の低噴射圧マップに、そのときのエンジン回転数及びエンジントルクを照合することにより求められる。そして、ECUから高圧燃料ポンプ2に、噴射圧を上記目標噴射圧(低噴射圧PnL)に収束一致させるべく、噴射圧制御信号C2が送られ、噴射圧のフィードバック制御が別ルーチンで行われる。
一方、冷却水温Twが冷却水温閾値Twcより低いか、又はアルコール濃度Caがアルコール濃度閾値Cacより低い場合には、S20に進み、目標噴射圧を基本噴射圧PnHに設定する。ここでPnL<PnHである。
そして、ECUから高圧燃料ポンプ2に、吐出圧を上記目標噴射圧(基本噴射圧PnH)に収束一致させるべく、噴射圧制御信号C2が送られ、噴射圧のフィードバック制御が別ルーチンで行われる。
ここで、図17に示される如くに、本実施例ではアルコール濃度がCacより高い場合の噴射圧が、アルコール濃度がCacより低い場合の噴射圧より低く設定される。PnHは例えば15MPaであり、PnLは例えば7MPaである。なお、噴射圧は上記PnHやPnLに限られる訳ではなく、噴射圧(PnHやPnL)は、エンジンの緒元や目標とするPM排出濃度などに応じて適宜設定することができる。
上記S19及びS20の後に進むS21においては、クランク角度で見た燃料噴射開始時期及び噴射時間(パルス幅)Tiを求める。これらは、エンジン回転数、エンジントルク、噴射圧等に基づいて演算もしくはマップを参照することにより求められる。
続くS22においては、S21で求められた燃料噴射開始時期及び噴射時間(パルス幅)Tiをもって燃料噴射弁106に噴射制御信号C3を供給して燃料噴射制御を行うとともに、スロットル開度制御や点火時期制御等を行う(別ルーチン)。
次に、本実施例の作用、効果について図19を参照しながら説明する。
図19は、ガソリン/アルコール混合燃料におけるアルコール濃度とPM排出濃度の関係の一例を示している。図19に示されるようにPM排出濃度はアルコール濃度の上昇に伴い減少する。これはアルコールにはPMの核生成の主要物質である芳香族炭化水素の含有率が少ないこと、またアルコール内には酸素を含むためPM生成の原因となる不完全燃焼が起こりにくいことが理由である。
図20は、噴射圧とPM排出濃度の関係の一例を示す。PM排出濃度は噴射圧の上昇に伴い減少する。この理由について以下で説明する。
PMの主な発生原因は、ピストン冠面などの燃焼室壁面に付着した燃料が充分に空気と混合できず、低酸素濃度状態で不完全燃焼することにある。噴射圧が高くなると燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなり、燃料の気化速度が速くなる。このため噴射圧が高くなると、壁面に付着する燃料量が減りPM排出濃度が下がる。また噴射圧が高くなると噴霧と空気間に働くせん断力が大きくなり、燃料と空気との混合が促進される。この作用によって、噴射圧が高くなると局所的な燃料リッチ領域が減りPM排出濃度が下がる。これらが、噴射圧が高くなるとPM排出濃度が下がる主な理由である。
図20において、目標のPM排出濃度(目標値)を例えば0.2(A.U.)としたとき、アルコール濃度0%の場合にPM排出濃度を目標値以下にするには、噴射圧は15MPa以上とする必要がある。一方、アルコール濃度が10%の場合にPM排出濃度を目標値以下にするには、噴射圧は7MPa以上で良い。
従って、アルコール濃度が10%以下の場合には噴射圧を15MPaにして、アルコール濃度が10%を超える場合には噴射圧を7MPaにしても、PM排出濃度は目標値以下にすることができる。
一方、図11に示される如くに、高圧燃料ポンプの駆動力は噴射圧に比例する。従って噴射圧を15MPaから7MPaに下げると、高圧燃料ポンプの駆動力は概ね7/15に低減できる。高圧駆動ポンプの駆動力はエンジン出力軸(クランク軸)より得ているため、これを減らすとエンジンの負荷(仕事量)が減り、燃費が向上する。このように、本発明実施例においては、アルコール濃度が所定濃度より高い場合に、PM排出量を増やすことなく、エンジンの燃費を改善できる。
前記実施例1におけるECUの処理手順を示す図16のS18において、冷却水温が冷却水温閾値Twcより低い場合にのみ、目標噴射圧を低噴射圧に設定をしている理由について以下で説明する。
図21は、ガソリン/アルコール混合燃料の蒸留特性を示す。図示のようにアルコール濃度が高い燃料では、低温での気化性がガソリン(アルコール濃度0%)に比べ低い。一方、燃料温度が概ね80℃以上になるとアルコール濃度が高い燃料の気化性がガソリンに比べ良くなる。ガソリン/アルコール混合燃料はこのような気化特性を持っているため、エンジン冷機時のように壁温やガス温度が低い場合に、高アルコール濃度燃料の噴射圧を低噴射圧に設定すると、低温による気化性の低下に、低噴射圧化による噴霧粒径の粗大化が加わり、燃料の気化が悪くなる虞がある。これによってPM排出量や未燃HC排出量の増加を招く虞がある。そこで冷却水温をモニターし、冷却水温が所定温度以上のときのみ、高アルコール濃度燃料の噴射圧を下げるようにすることで、燃料気化性の低下によるエミッション特性の悪化を未然に防止できる。また冷却水温の代わりにエンジンオイルの温度をモニターし、オイル温度が所定温度以上のときのみ、高アルコール濃度燃料の噴射圧を下げるようにしても同様の効果が得られる。
なお、前記実施例における低噴射圧マップは、図22に示すように、エンジン運転領域の一部を低噴射圧(PnL)とし、残りの部分を基本噴射圧(PnH)としても良い。例えば高回転、高トルク領域においては短期間に多くの燃料を噴射する必要があるので、高い噴射圧が必要とされる場合がある。この場合には、低回転、低トルク領域の噴射圧のみを低噴射圧(PnL)設定としても良い。この領域においては基本噴射圧よりも低く設定されるため燃費改善効果を得ることができる。
さらに、図23に示すように、エンジン運転領域の一部を低噴射圧(PnL)、他の一部を基本噴射圧よりも高い噴射圧(PnU)とし、残りの部分を基本噴射圧(PnH)としても良い。
また図24に示すように、エンジン運転領域の一部を低噴射圧(PnL)、残りを基本噴射圧よりも高い噴射圧(PnU)としても良い。アルコールはガソリンに比べ体積当たりの発熱量が少ないため、同一トルクを出すためにはガソリンに比べて噴射量を多くする必要がある。このため高回転、高負荷領域において基本噴射圧で噴射すると、噴射時間が長くなりすぎて燃料の気化、混合が不足する虞がある。そこで高回転、高負荷領域においては噴射圧を基本噴射圧よりも高くして、噴射期間を短縮することで、燃料の気化、混合の不足を未然に防止できる。低回転、低負荷運転領域では、基本噴射圧よりも低く設定されるため、この領域における燃費改善効果を得ることができる。
噴射圧設定方法としては、図16のS18〜S20に示される方法以外にも、いくつかの方法が考えられる。図25は、複数のアルコール濃度閾値Cac1、Cac2(Cac<Cac2)を用いて、噴射圧を段階的に変える場合の一例を示す。
図25に示される例では、アルコール濃度が0〜Cac1では基本噴射圧PnH、アルコール濃度がCac1〜Cac2では低噴射圧PnL1、アルコール濃度がCac2以上では低噴射圧PnL2(PnH>PnL1>Pnl2)に設定する場合を示している。アルコール濃度閾値Cacを3つ以上にして、さらに多段階に噴射圧を変えても良い。さらに図26において符号Aで示すように複数のアルコール濃度に対して噴射圧を連続的に変えてもよい。また図26において符号Bで示すように、所定のアルコール濃度までは、アルコール濃度に対して噴射圧を変え、所定のアルコール濃度を超えると噴射圧を一定にしてもよい.これらの例のようにアルコール濃度に対して多段階、又は連続的に噴射圧を変えることで、アルコール濃度に応じたよりきめの細かい噴射圧を設定でき、燃費向上効果をより高めることができる。
また、図27に示すように、冷却水温が冷却水温閾値Twcより低い場合は、アルコール濃度の増加に対して噴射圧を高く設定し、冷却水温が冷却水温閾値Twcより高い場合は、アルコール濃度の増加に対して噴射圧を低く設定してもよい。これは図21に示したように、低温の場合、アルコールはガソリンに比べ気化性が悪いためである。従って低温時にはアルコール濃度が高いほど噴射圧を高くして噴霧の微粒化を促進して気化を促進することで、冷機時のエミッション特性悪化を防ぐことができる。暖気後は、アルコールはガソリンよりも気化性が良いので、アルコール濃度が高いほど噴射圧を低くして、PM排出の増加無しに燃費を改善できる。
また、温度上昇と共にアルコールの気化性は良くなるので、図28に示される如くに、冷却水温の上昇に応じて、アルコール濃度に対する噴射圧の変化勾配を正勾配から負勾配に連続的に変えてもよい。このようにすると、アルコール濃度が高い場合に、温度の上昇に応じて気化が悪化しない範囲で速やかに噴射圧を下げることができるので、図27に示される例に比べ、燃費改善効果をより高めることができる。
次に、ECUが燃料噴射時期、燃料噴射圧等を設定する際に実行する処理・手順(プログラム)の他の例(実施例2とする)を図29のフローチャートを用いて説明する。図29において前述した図16に示される各ステップと同一内容のステップには共通の符号を付してそれらの重複説明を省略する。
図29に示される実施例2においては、S13においてエンジンの回転数、トルクから成層燃焼モード領域か、均質燃焼モード領域かが判定され、均質燃焼モード領域にある場合は、目標噴射圧が基本噴射圧PnHに設定され(S20)、基本噴射時期TH(吸気行程)において燃料が噴射される(S24)。
それに対し、成層燃焼モードにある場合は、水温Twが水温閾値Twcより高く、かつ、アルコール濃度Caがアルコール濃度閾値Cacより高い場合は、目標噴射圧を低噴射圧PnLに設定する(S19)。さらに噴射遅角量ΔTrを求めて、噴射開始時期を基本噴射時期TH(圧縮行程)よりもΔTrだけ遅角側にする(S23)。ここで噴射遅角量ΔTrはエンジン回転数、エンジントルクに対する噴射遅角量ΔTrマップ(図示しない)を参照することによって求められる。
一方、成層燃焼モードにおいて水温Twが水温閾値Twcより低い、もしくは、アルコール濃度Caがアルコール濃度閾値Cacより低い場合は、噴射圧を基本噴射圧PnHに設定する(S20)。さらに噴射開始時期を基本噴射時期THにする(S24)。
図29に示される実施例2における噴射時期のタイムチャートを図30示す。前述したように、成層燃焼モードにおける噴射圧は、冷却水温及びアルコール濃度に応じて、基本噴射圧に設定する場合と低噴射圧に設定する場合に分かれる。低噴射圧に設定した場合には、燃料の噴射開始時期が、基本噴射圧に設定された場合に対してΔTrだけ遅く(遅角化)される。
次に実施例2の作用、効果について説明する。
図31〜図33は、成層燃焼モードにおける燃焼室内の点火時期近傍での燃料噴霧挙動を示している。図31は、噴射圧を基本噴射圧PnHに設定し、燃料を基本噴射時期THで噴射した場合の噴霧挙動を示す。この場合は、圧縮行程後期で噴射された燃料噴霧SPの先端部はピストン冠面に衝突し、噴霧自身が持つ貫通力によってピストン冠面上に広がり、キャビティ103aの端部段差によって燃焼室の上方向に巻き上がる。この結果、点火プラグ107の電極ギャップ部に燃料が到達する。これによって点火プラグ周りに燃料濃度が高い混合気が形成され、点火プラグによって点火、燃焼が行われる。
図32は、噴射圧を低噴射圧PnLに設定し、燃料を基本噴射時期THで噴射した場合の噴霧挙動である。噴射圧が低いと噴霧自身の貫徹力が弱くなるため、キャビティ103aの端部段差からの燃料の巻き上がり高さが基本噴射圧の場合(図31に示される場合)に比べて低くなる。これによって点火プラグの電極ギャップ部の燃料濃度が低くなり、点火プラグによる点火、燃焼ができなくなる。
図33は、噴射圧を低噴射圧PnLに設定し、燃料を基本噴射時期THよりもΔTrだけ遅角化した時期で噴射した場合の噴霧挙動である。噴射時期が遅角化しているため、噴射時期におけるピストン冠面位置が、基本噴射時期の場合よりも燃料噴射弁106のノズル先端に近くなる。これによって噴霧はより強い貫徹力でピストン冠面に衝突するため、キャビティ103aの端部段差から巻き上がった燃料は基本噴射時期の場合に比べ点火プラグの電極ギャップ部に届きやすくなる。これによって、低噴射圧であっても点火プラグの電極ギャップ部に燃料濃度が高い混合気が形成され、点火プラグによって点火、燃焼が行われる。
即ち、本実施例2によれば、成層燃焼モードにおいて、アルコール濃度が高い場合に噴射圧を下げることで高圧燃料ポンプの駆動力を低減して燃費を改善するとともに、成層燃焼モードで低噴射圧に設定したときの噴射時期を遅角側に補正することで安定な着火、燃焼が可能となる。
次に、ECUが燃料噴射時期、燃料噴射圧等を設定する際に実行する処理・手順(プログラム)の別の例(実施例3とする)を図34のフローチャートを用いて説明する。図34において前述した図16、図29に示される各ステップと同一内容のステップには共通の符号を付してそれらの重複説明を省略する。
図34に示される実施例3においては、S13においてエンジンの回転数、トルクから成層燃焼モード領域か、均質燃焼モード領域かが判定され、成層燃焼モード領域にある場合は、目標噴射圧が基本噴射圧PnHに設定され(S20)、基本噴射時期TH(吸気行程)において燃料が噴射される(S24)。
均質燃焼モードでは水温Twが水温閾値Twcより高く、かつ、アルコール濃度Caがアルコール濃度閾値Cacより高い場合は、噴射圧を低噴射圧PnLに設定する(S19)。さらに噴射進角量ΔTaを求めて、噴射開始時期を基本噴射時期TH(吸気行程)よりもΔTaだけ進角側にする(S26)。ここで噴射進角量ΔTaはエンジン回転数、エンジントルクに対する噴射進角量ΔTaマップ(図示しない)を参照することによって求められる。
一方、均質燃焼モードにおいて水温Twが水温閾値Twcより低い、もしくは、アルコール濃度Caがアルコール濃度閾値Cacより低い場合は、噴射圧を基本噴射圧PnHに設定する(S20)。さらに噴射開始時期を基本噴射時期THにする(S24)。
図34に示される実施例における噴射時期のタイムチャートを図35に示す。前述したように、均質燃焼モードにおける噴射圧は、冷却水温及びアルコール濃度に応じて、基本噴射圧に設定する場合と低噴射圧に設定する場合に分かれる。低噴射圧に設定した場合には、燃料の噴射開始時期が、基本噴射圧に設定された場合に対してΔTaだけ進角化される。
次に実施例3の作用、効果について説明する。
低噴射圧では基本噴射圧に比べて、同一の燃料を噴射するための噴射期間が長くなる。従って均質燃焼モードにおいて低噴射圧に設定された場合に、燃料噴射開始時期を基本噴射時期とすると、噴射終了時期は基本噴射圧の場合に比べて遅角側になる。すると、低噴射圧では燃焼室内での燃料噴霧の気化時間、燃料の混合時間が基本噴射圧の場合に比べて短くなり、気化、混合不良によるエミッション、燃費、出力性能が悪化する虞がある。実施例3では、均質燃焼モードにおいて、アルコール濃度が高い場合に噴射圧を低くするとともに、噴射開始時期を進角側に設定することで、燃料噴霧の気化時間、燃料の混合時間を長くすることができる。
これによって燃料の気化、混合不足によるエミッション、燃費、出力性能の悪化を未然に防止できる。また、一般に吸気行程での噴射開始時期を進角側にすると噴射開始時期においてピストンが上死点側に近寄っているため、燃料噴霧がピストンに付着してPM排出濃度が増える虞がある。しかし、実施例3では、PMが発生しにくいアルコール濃度が高い燃料の場合に噴射開始時期を進角側に設定するので、PM排出濃度が増えることはない。
即ち、実施例3によれば、均質燃焼モードにおいて、アルコール濃度が高い場合に噴射圧を下げることで高圧燃料ポンプの駆動力を低減して燃費を改善するとともに、均質燃焼モードで低噴射圧に設定したときの噴射時期を進角側に補正することで燃料の気化、混合不良によるエミッション、燃費、出力性能の悪化を防止できる。
また、本発明の実施例2と実施例3を組み合わせて、図36に示すように、低噴射圧の設定時において、成層燃焼モードでは燃料噴射開始時期を遅角側に補正し、均質燃焼モードでは燃料噴射開始時期を進角側に補正するようにしても良い。このように組み合わせることで、アルコール濃度が高い場合の燃費改善が図られるとともに、成層燃料モード、均質燃焼モード双方での、低噴射圧化による燃料悪化を未然防止できる。
1…エンジン、2…高圧燃料ポンプ、3…燃料タンク、4…アルコール濃度センサ、5…フィードポンプ、7a…燃料配管、7b…高圧燃料配管、9…噴射圧センサ、10…スロットル弁、103…ピストン、103a…ピストンキャビティ、104…吸気弁、105…排気弁、106…燃料噴射弁、107…点火プラグ、109…吸気ポート、110…燃焼室、111…排気ポート、SP…燃料噴霧

Claims (6)

  1. 燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と前記燃焼室内の混合気を点火するための点火プラグを備えると共に、前記燃料噴射弁が前記燃焼室の天井部中央のシリンダヘッドに設けられてピストンの冠面方向に中空円錐状に燃料を噴射する筒内噴射式エンジンの制御装置であって、
    燃料のアルコール濃度が高い場合は、燃料のアルコール濃度が低い場合よりも燃料噴射圧を低くすることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
  2. 燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と前記燃焼室内の混合気を点火するための点火プラグを備えると共に、前記燃料噴射弁が前記燃焼室の天井部中央のシリンダヘッドに設けられてピストンの冠面方向に中空円錐状に燃料を噴射する筒内噴射式エンジンの制御装置であって、
    燃料のアルコール濃度が高く、かつ、エンジンの冷却水温度もしくはオイル温度が所定温度より高い場合は、燃料のアルコール濃度が低い場合、又は、エンジンの冷却水温度もしくはオイル温度が所定温度より低い場合よりも燃料噴射圧を低くすることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
  3. 燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁と前記燃焼室内の混合気を点火するための点火プラグを備えると共に、前記燃料噴射弁が前記燃焼室の天井部中央のシリンダヘッドに設けられてピストンの冠面方向に中空円錐状に燃料を噴射する筒内噴射式エンジンの制御装置であって、
    エンジンの冷却水温度もしくはオイル温度が所定温度より低く、かつ、燃料のアルコール濃度が高い場合は、燃料のアルコール濃度が低い場合よりも燃料噴射圧を高くし、
    エンジンの冷却水温度もしくはオイル温度が所定温度より高く、かつ、燃料のアルコール濃度が高い場合は、燃料のアルコール濃度が低い場合よりも燃料噴射圧を低くすることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
  4. 燃料のアルコール濃度が高い場合の圧縮行程での燃料噴射開始時期を、燃料のアルコール濃度が低い場合の圧縮行程での燃料噴射開始時期よりも遅角側にすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
  5. 燃料のアルコール濃度が高い場合の吸気行程での燃料噴射開始時期を、燃料のアルコール濃度が低い場合の吸気行程での燃料噴射開始時期よりも進角側にすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
  6. 燃料のアルコール濃度が高い場合の吸気行程での燃料噴射開始時期を、燃料のアルコール濃度が低い場合の吸気行程での燃料噴射開始時期よりも進角側にすることを特徴とする請求項4に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
JP2012064334A 2012-03-21 2012-03-21 筒内噴射式エンジンの制御装置 Active JP5837849B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012064334A JP5837849B2 (ja) 2012-03-21 2012-03-21 筒内噴射式エンジンの制御装置
PCT/JP2013/052306 WO2013140866A1 (ja) 2012-03-21 2013-02-01 筒内噴射式エンジンの制御装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012064334A JP5837849B2 (ja) 2012-03-21 2012-03-21 筒内噴射式エンジンの制御装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013194658A JP2013194658A (ja) 2013-09-30
JP5837849B2 true JP5837849B2 (ja) 2015-12-24

Family

ID=49222333

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012064334A Active JP5837849B2 (ja) 2012-03-21 2012-03-21 筒内噴射式エンジンの制御装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5837849B2 (ja)
WO (1) WO2013140866A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015075128A (ja) * 2013-10-04 2015-04-20 日立機材株式会社 油圧式ダンパ
JP6113044B2 (ja) * 2013-10-08 2017-04-12 日立オートモティブシステムズ株式会社 内燃機関の燃料噴射制御装置および燃料噴射制御方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4321561B2 (ja) * 2006-07-20 2009-08-26 トヨタ自動車株式会社 筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置
JP2009036079A (ja) * 2007-08-01 2009-02-19 Toyota Motor Corp 内燃機関の燃料噴射制御装置
JP2009221963A (ja) * 2008-03-17 2009-10-01 Toyota Motor Corp 内燃機関の制御装置
JP2010065604A (ja) * 2008-09-10 2010-03-25 Toyota Motor Corp 多気筒エンジンの制御装置
JP2011132920A (ja) * 2009-12-25 2011-07-07 Toyota Motor Corp 内燃機関の制御装置
JP5105025B2 (ja) * 2010-03-08 2012-12-19 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の燃料噴射装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013194658A (ja) 2013-09-30
WO2013140866A1 (ja) 2013-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2603443C2 (ru) Способ эксплуатации двигателя (варианты) и система двигателя
US6401688B2 (en) Auto-ignition combustion management in internal combustion engine
US7983832B2 (en) Control method of direct injection engine, controller for implementing the control method, and control circuit device used for the controller
CN101351632B (zh) 用于运行火花点火燃料直喷发动机的方法和设备
JP4170902B2 (ja) シリンダ内直接噴射式内燃機関
JP2002327633A (ja) 最大導点火強度を有する気体燃料圧縮点火エンジン及びパイロット燃料注入方法
CN107429625B (zh) 直喷发动机的燃料喷射控制装置
RU2656867C1 (ru) Устройство управления двигателем внутреннего сгорания и способ управления двигателем внетреннего сгорания
WO2015129285A1 (ja) 直噴ガソリンエンジンの制御装置
KR20080103071A (ko) 내연기관의 연료 분사 제어 장치 및 연료 분사 방법
US20170030299A1 (en) Lpg direct injection engine
US9840994B2 (en) Annulus nozzle injector with tangential fins
US9845780B2 (en) Annulus nozzle injector with tangential fins
JP5837849B2 (ja) 筒内噴射式エンジンの制御装置
US9708987B2 (en) Control apparatus for controlling combustion in compression-ignition internal combustion engine
JP2009293385A (ja) 燃料噴射弁及びこれを用いたエンジンの燃料噴射制御装置
CN109328263B (zh) 控制装置
JP2009036086A (ja) 直噴式エンジン及びその制御方法
US20090164103A1 (en) Fuel injection control device for engine
CN107407223B (zh) 直喷发动机的燃料喷射控制装置
CN107429619B (zh) 直喷发动机的燃料喷射控制装置
EP3460223A1 (en) Internal combustion engine control device
JP2012219633A (ja) 内燃機関の始動制御装置及び方法
US7861684B2 (en) Compression ignition engine and method for controlling same
US6722341B2 (en) Fuel injection control system and control method for two-cycle in-cylinder direct injection engine

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20140825

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150609

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150807

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151020

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20151106

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5837849

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250