JP6237009B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、気筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁を備えたエンジンの制御装置に関する。

従来から、気筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射弁（以下、筒内噴射を「直噴」、筒内噴射弁を「直噴弁」と称する。）を備えたエンジンが種々用いられている。

直噴弁を備えたエンジンでは、気筒内に直接噴射された燃料が、シリンダ内面、すなわち、ライナ等によって形成されるシリンダの円筒状内面に付着することがある。シリンダ内面は温度が低いので、そのシリンダ内面に付着した燃料は気化しにくいという問題がある。気化されない燃料が存在すると、気筒内における混合気の流れが悪くなり、ＨＣやスモークの発生に繋がる場合もある。また、燃料の付着は、シリンダ内面とピストンとの間のオイルを希釈してしまうという問題にもつながる。

このため、例えば、特許文献１では、燃料噴射弁の軸線回りに噴霧貫徹力の強い部分と弱い部分を設け、機関の温度状態に応じて燃料噴射弁を軸線回りに回動することにより、機関の冷間時に、燃料噴射弁の軸線より下側の噴霧貫徹力を強くし、暖機後は、燃料噴射弁の軸線より上側の噴霧貫徹力を強くしている。

すなわち、冷間時に、強い貫徹力の噴霧を下側に噴射し、弱い貫徹力の噴霧を上側に噴射することで、シリンダ内面に燃料噴霧が付着することを回避する。また、暖機後は、強い貫徹力の噴霧を上側に噴射し、弱い貫徹力の噴霧を下側に噴射することで、成層燃焼時の点火栓近傍への燃料輸送を確実にする。なお、暖機後は、冷間時に比べてシリンダ内面の温度が相対的に高くなるので、シリンダ内面への付着燃料は比較的気化しやすいと考えられる。

特開平１１−２５７１９２号公報

特許文献１に記載の技術では、燃料噴射弁の軸線回りの回動により、噴霧貫徹力の強い部分と弱い部分とを、その燃料噴射弁の軸周りに回転移動させることができる。

しかし、特許文献１に記載の技術では、燃料噴射の貫徹力に関して、燃料噴射弁の軸線を境に上方と下方に差異を設けるにとどまり、冷間時、暖機後ともに、シリンダ内面への燃料の付着は、依然として発生している。

そこで、この発明の課題は、直噴弁から噴射される燃料が、シリンダの円筒状内面への付着することを抑制することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射手段を備えたエンジンの制御装置において、前記筒内燃料噴射手段は、燃料の噴射の中心線が相対的に下方へ向く第一の燃料噴射部と、燃料の噴射の中心線が相対的に上方を向く第二の燃料噴射部とを備え、前記第一の燃料噴射部と前記第二の燃料噴射部のうち少なくとも前記第一の燃料噴射部のみによる燃料噴射形態が設定され、前記第二の燃料噴射部による燃料の噴射は、燃焼室内への要求燃料噴射量が、予め決められた所定値を超える場合に行われることを特徴とするエンジンの制御装置を採用した。

このとき、前記所定値として、エンジンの冷間時に適用される第一の所定値と、エンジンの暖機後に適用される第二の所定値とが採用され、前記第一の所定値は前記第二の所定値よりも高く設定することができる。

また、前記第二の燃料噴射部は、その第二の燃料噴射部から燃料が噴射される間は前記ピストンの頂面を指向するように設定することができる。

前記第二の燃料噴射部により燃料を噴射する際は、その第二の燃料噴射部による燃料の噴射開始時期が前記第一の燃料噴射部による燃料の噴射開始時期よりも遅くなるように設定することができる。

前記第一の燃料噴射部は、前記燃焼室内に収容されたピストンが上死点から下死点に至る間、常に前記ピストンの頂面を指向することが望ましい。

また、前記第一の燃料噴射部による燃料の噴射期間と、前記第二の燃料噴射部による燃料の噴射期間との間に重複期間を設けてもよいが、特に、前記第二の燃料噴射部による燃料の噴射開始時期が、前記第一の燃料噴射部による燃料の噴射終了時期と同時又はそれよりも遅く設定することができる。

この発明は、筒内燃料噴射手段が、燃料の噴射の中心線が相対的に下方へ向く第一の燃料噴射部と、燃料の噴射の中心線が相対的に上方を向く第二の燃料噴射部とを備え、第一の燃料噴射部のみによる燃料噴射形態を設定するとともに、第二の燃料噴射部による燃料の噴射を、燃焼室内への要求燃料噴射量が、予め決められた所定値を超える場合に行われるように設定したので、シリンダの円筒状内面を指向する燃料噴射を制限し、噴射される燃料がシリンダの円筒状内面へ付着することを抑制できる。

この実施形態のエンジンの制御装置の構成を示す要部拡大正面図である。 （ａ）（ｂ）は、同実施形態のエンジンの燃料噴射の状況を示す要部拡大正面図である。 第一の燃料噴射部及び第二の燃料噴射部からの燃料の噴射時期を示すチャート図である。 同実施形態のエンジンの制御を示すフローチャートである。 他の実施形態のエンジンの制御を示すフローチャートである。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態は、自動車用の４サイクルガソリンエンジンの制御装置である。図１は、このエンジンが備える１つの気筒における燃焼室３の要部、及び、エンジンの制御装置の構成を示すものである。これらの図面では、この発明に直接関係する部材、手段のみを示し、他の部材等については図示省略している。

図１に示すように、エンジンのシリンダ１内にはピストン２が収容されている。シリンダ１の内壁面、及び、ピストン２の頂面２ａ等により燃焼室３が形成されている。また、シリンダ１内には円筒状のライナ３ａが圧入されている。そのライナ３ａによってシリンダ１の円筒状内面が形成され、シリンダ１とピストン２外周のピストンリングとの摺動をスムーズにしている。

シリンダ１には、空気等を燃焼室３に導く吸気ポート、燃焼室３からの排気を送り出す排気ポート、及び、シリンダヘッド側から気筒の筒軸方向に沿って下向きに配置された点火プラグ６等が備えられている。吸気ポートには、燃焼室３への開口部を開閉する吸気バルブが、また、排気ポートには、燃焼室３への開口部を開閉する排気バルブが設けられている。

なお、図面では、一つのシリンダ１のみを示しているが、エンジンは、単気筒であってもよいし、複数のシリンダ１を備えた多気筒であってもよい。また、図面では、吸気ポート、吸気バルブ、排気ポート、排気バルブ等の図示を省略している。

シリンダ１には、燃焼室３内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射手段として直噴弁１０が設けられている。

筒内燃料噴射手段としての直噴弁１０は、図１に示すように、燃焼室３の円筒状内面とシリンダヘッド側の天井面との接続部付近に、その噴射口が斜め下向きになるように設けられている。この直噴弁１０は、燃料の噴射の中心線が相対的に下方へ向く第一の燃料噴射部１１と、燃料の噴射の中心線が相対的に上方を向く第二の燃料噴射部１２とを備える。

この実施形態では、直噴弁１０が備える燃料の噴射口は、第一の燃料噴射部１１を構成する第一の噴射口群と、第二の燃料噴射部１２を構成する第二の噴射口群とを備える。第一の噴射口群と第二の噴射口群からは、それぞれ選択的にいずれか一方から又はその両方から燃料の噴射が成されるように切り替えが可能である。

第一の燃料噴射部１１からの燃料は、図１に示すように、筒内燃料噴射手段の斜め下向きの中心軸線ｐよりもさらに下側（燃焼室３から見てシリンダヘッド側を上方、コネクティングロッド４やクランクシャフト５側を下方とする。以下同じ。）に向かって噴射される。すなわち、第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射の中心線ａは、燃焼室３内に向かって中心軸線ｐよりも相対的に勾配の急な斜め下向き方向である。

第二の燃料噴射部１２からの燃料は、図１に示すように、筒内燃料噴射手段の斜め下向きの中心軸線ｐよりも上側に向かって噴射される。すなわち、第二の燃料噴射部１２からの燃料噴射の中心線ｂは、燃焼室３内に向かって中心軸線ｐよりも相対的に勾配の緩やかな斜め下向き方向である。

第一の燃料噴射部１１は、燃焼室３内に収容されたピストン２が上死点から下死点に至る間、常にピストン２の頂面２ａを指向する。第一の燃料噴射部１１から噴射される燃料は、図２（ａ）に示すように、燃焼室３内に収容されたピストン２が上死点から下死点に至る間、常にピストン２の頂面２ａに当たるようになっている。

第二の燃料噴射部１２は、その第二の燃料噴射部１２から燃料が噴射される間は、ピストン２の頂面２ａを指向する。第二の燃料噴射部１２から噴射される燃料は、図２（ｂ）に示すように、燃焼室３内に収容されたピストン２の頂面２ａに当たるようになっている。

図３は、エンジンがまだ暖まっていない状態、すなわち、冷間時における第一の燃料噴射部１１及び第二の燃料噴射部１２からの燃料の噴射期間を示す。図３（ａ）に示すように、第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射は、ピストン２が下死点を通過して排気行程から吸気行程に入る段階で開始し、圧縮行程の中間付近で終了する。また、第二の燃料噴射部１２からの燃料噴射は、第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射が終了したのと同時に開始し、ピストン２が上死点に至る直前の点火時期付近で終了する。

このように、第二の燃料噴射部１２による燃料の噴射開始時期が、第一の燃料噴射部１１による燃料の噴射開始時期よりも遅く設定されるので、第二の燃料噴射部１２から噴射される燃料は、シリンダ１の内面、すなわち、ライナ３ａに当たることなく、ピストン２の頂面２ａに当たることとなる。ライナ３ａへの燃料の付着を避けるために、第一の燃料噴射部１１と第二の燃料噴射部１２のうち、少なくとも第一の燃料噴射部１１のみによる燃料噴射期間を設定したものである。

ただし、１サイクル当たりに要求される燃料噴射量が多い場合等において、例えば、図３（ｂ）に示すように、第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射が終了する前に第二の燃料噴射部１２からの燃料噴射が開始するように設定してもよい。このとき、第二の燃料噴射部１２からの燃料噴射期間は、その一部が第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射期間に重複する。

また、さらに要求される燃料噴射量が多い場合等において、例えば、図３（ｃ）に示すように、第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射の終了時期を、第二の燃料噴射部１２からの燃料噴射の終了時期と一致するように設定してもよい。このとき、第二の燃料噴射部１２からの燃料噴射期間は、その全部が第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射期間に重複する。

この実施形態では、第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射の貫徹力と、第二の燃料噴射部１２からの燃料噴射の貫徹力とは同一としているが、エンジンの仕様等に応じて、例えば、第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射の貫徹力が、第二の燃料噴射部１２からの燃料噴射の貫徹力よりも大きくなるように、燃料噴射量、燃料噴射速度を設定してもよい。また、逆に、第二の燃料噴射部１２からの燃料噴射の貫徹力が、第一の燃料噴射部１１からの燃料噴射の貫徹力よりも大きくなるように、燃料噴射量、燃料噴射速度を設定してもよい。

また、第一の燃料噴射部１１と第二の燃料噴射部１２とを別々のインジェクタで構成して、その別々のインジェクタをそれぞれシリンダ１の燃焼室３に臨む部分に配置してもよい。

吸気バルブや排気バルブ、点火プラグ６、直噴弁１０の第一の燃料噴射部１１及び第二の燃料噴射部１２、その他エンジンの動作に必要な機器は、それぞれケーブルを通じて、電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０に備えられた制御手段によって制御される。この実施形態では、電子制御ユニットのコンピュータの一部を、エンジンの制御手段として機能させている。

第一の燃料噴射部１１及び第二の燃料噴射部１２のそれぞれからの燃料の噴射の開始と終了、及び、そのそれぞれからの燃料の単位時間当たりの噴射量は、運転状況に応じて、電子制御ユニット２０の制御手段によって制御される。

運転状況は、電子制御ユニット２０が、冷却水の温度の情報や、エンジンの回転数、負荷の情報等をエンジンから取得し、その情報を、制御手段によるエンジンの制御に活用している。制御手段は、エンジンが冷間時であるか、暖機後の状態であるかの情報を取得することができ、エンジンが冷間時（冷態）、暖機後（温態）のいずれの状態であるかによって、エンジンの制御を切り替えることができる。

このエンジンの制御方法を、図４のフローチャートを基に説明する。

図４に示すように、まず、冷却水の温度の情報や、エンジンの回転数と負荷の情報の読込を行う。情報の読み込みは、電子制御ユニット２０の制御手段が行う（図中のステップＳ１参照）。

エンジンが冷間時（冷態）である場合は、ステップＳ４へ移行し、各気筒の１サイクルにおける要求燃料噴射量が、予め決められた所定値である冷態高流量要求判定値（第一の所定値）を超えるかどうかが判断される。

要求燃料噴射量は、冷却水の温度の情報や、エンジンの回転数、負荷の情報等をエンジンから、所定の算定式で決定される。

要求燃料噴射量が、冷態高流量要求判定値を超えていれば、ステップＳ５へ移行し、第一の燃料噴射部１１及び第二の燃料噴射部１２の両方による燃料噴射、すなわち、下上とも燃料噴射を行う。第一の燃料噴射部１１及び第二の燃料噴射部１２の燃料噴射の開始時期、終了時期は、例えば、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）のいずれかの通りである。

要求燃料噴射量が、冷態高流量要求判定値を超えていなければ、ステップＳ６へ移行し、第一の燃料噴射部１１のみによる燃料噴射、すなわち、下側噴射のみを行う。このとき、第一の燃料噴射部１１の開始時期、終了時期は、例えば、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）のいずれかの通りとしてよいが、必要な燃料噴射量に合わせて、その開始時期、終了時期を早めたり遅らせたりしてもよい。

エンジンが暖機後（温態）である場合は、ステップＳ２へ移行し、各気筒の１サイクルにおける要求燃料噴射量が、予め決められた所定値である温態高流量要求判定値（第二の所定値）を超えるかどうかが判断される。

要求燃料噴射量が、温態高流量要求判定値を超えていれば、ステップＳ３へ移行し、第一の燃料噴射部１１及び第二の燃料噴射部１２の両方による燃料噴射、すなわち、下上とも燃料噴射を行う。第一の燃料噴射部１１及び第二の燃料噴射部１２の燃料噴射の開始時期、終了時期は、図３（ａ）又は図３（ｂ）、図３（ｃ）等の通りである。

要求燃料噴射量が、温態高流量要求判定値を超えていなければ、ステップＳ７へ移行し、通常の第一の燃料噴射部１１のみによる燃料噴射、すなわち、下側噴射のみを行う。

ここで、第一の燃料噴射部１１に加えて第二の燃料噴射部１２による燃料噴射を行うかどうかを判断するための所定値として、エンジンの冷間時に適用される冷態高流量要求判定値と、エンジンの暖機後に適用される温態高流量要求判定値を採用している。

この冷態高流量要求判定値は、温態高流量要求判定値よりも高く設定されている。これは、冷態においては、第二の燃料噴射部１２による燃料噴射をできる限り回避することを目的とする。すなわち、冷態においては、燃料がライナ３ａに当たることがないよう、あるいは、その当たる量をできる限り少なくするよう、極力、第一の燃料噴射部１１による下側への燃料噴射のみとすることが望ましいからである。

冷態において、仮に、要求される燃料噴射量が高い場合、多少動力性能を低下させたとしても、極力、第一の燃料噴射部１１による下側への燃料噴射のみとし、ライナ３ａへの燃料の付着を抑制することが望ましいからである。

図５に他の実施形態のフローチャートを示す。この実施形態では、エンジンが冷態であるか温態であるかに関わらず、各気筒の１サイクルにおける要求燃料噴射量が、予め決められた所定値、すなわち、所定要求燃料噴射量を超えるかどうかにより、第二の燃料噴射部１２による上側への燃料噴射を行うかどうかを判断している。

ステップＳ１１において、要求燃料噴射量が所定要求燃料噴射量を超えていなければ（噴射量小であれば）、ステップＳ１４へ移行し、第一の燃料噴射部１１のみによる燃料噴射、すなわち、下側噴射のみを行う。このとき、要求燃料噴射量が少ないので、第一の燃料噴射部１１のみによる燃料噴射は、ピストン２が比較的低い状態において１回のみ行うようにする。第二の燃料噴射部１２による燃料噴射は行わない。

なお、第一の燃料噴射部１１の開始時期、終了時期は、例えば、前述の実施形態の図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）のいずれかの通りとしてよいが、必要な燃料噴射量に合わせて、その開始時期、終了時期を早めたり遅らせたりしてもよい。

ステップＳ１１において、要求燃料噴射量が所定要求燃料噴射量を超えていれば（噴射量小でなければ）、ステップＳ１２へ移行し、まず、第一の燃料噴射部１１のみによる燃料噴射、すなわち、下側噴射のみを行う。つまり、１回目の燃料噴射を、第一の燃料噴射部１１のみによる下側への燃料噴射とする。

つぎに、ステップＳ１３において、第二の燃料噴射部１２のみによる燃料噴射、すなわち、上側噴射のみを行う。つまり、２回目の燃料噴射は、ピストン２の頂面２ａを指向する第二の燃料噴射部１２のみによる上側への燃料噴射とする。第一の燃料噴射部１１、第二の燃料噴射部１２による燃料噴射の各開始時期、各終了時期は、例えば、図３（ａ）の通りとすることができる。

このように、筒内燃料噴射手段として、燃料の噴射の中心線が相対的に下方へ向く第一の燃料噴射部１１と、燃料の噴射の中心線が相対的に上方を向く第二の燃料噴射部１２とを備え、第二の燃料噴射部１２による燃料の噴射期間を、その第二の燃料噴射部１２がピストン２の頂面２ａを指向する期間内に設定したので、噴射される燃料がシリンダ１の円筒状内面へ付着することを抑制できる。これにより、燃焼室３内における燃料の気化が促進され、ＨＣやスモークの発生を抑制することができる。また、シリンダ１の内面とピストン２との間のオイルの希釈を防止することができる。

この実施形態では、燃料を噴射する手段として直噴弁１０のみを採用しているが、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射弁を備え、直噴弁１０とポート噴射弁とを併用したエンジンにおいても、この発明を適用できる。また、この実施形態では第二の燃料噴射部１２による燃料の噴射を行う場合に、第二の燃料噴射部１２による燃料の噴射開始時期が第一の燃料噴射部１１による燃料の噴射開始時期よりも遅く設定されるようにしているが、第一の燃料噴射部１１による燃料の噴射開始時期と第二の燃料噴射部１２による燃料の噴射開始時期とが同時であっても良い。

１ シリンダ
２ ピストン
３ 燃焼室
４ コネクティングロッド
５ クランクシャフト
６ 点火プラグ
１０ 筒内燃料噴射手段（直噴弁）
１１ 第一の燃料噴射部
１２ 第二の燃料噴射部
２０ 電子制御ユニット(Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ)

Claims (5)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射手段を備えたエンジンの制御装置において、
   前記筒内燃料噴射手段は、燃料の噴射の中心線が相対的に下方へ向く第一の燃料噴射部と、燃料の噴射の中心線が相対的に上方を向く第二の燃料噴射部とを備え、
   前記第一の燃料噴射部と前記第二の燃料噴射部のうち少なくとも前記第一の燃料噴射部のみによる燃料噴射形態が設定され、前記第二の燃料噴射部による燃料の噴射は、燃焼室内への要求燃料噴射量が、予め決められた所定値を超える場合に行われ、
   前記第二の燃料噴射部により燃料を噴射する際は、前記第二の燃料噴射部による燃料の噴射開始時期が前記第一の燃料噴射部による燃料の噴射開始時期よりも遅く設定されることを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 前記所定値として、エンジンの冷間時に適用される第一の所定値と、エンジンの暖機後に適用される第二の所定値とが採用され、前記第一の所定値は前記第二の所定値よりも高く設定されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記第二の燃料噴射部は、その第二の燃料噴射部から燃料が噴射される間は前記燃焼室内に収容されたピストンの頂面を指向することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記第一の燃料噴射部は、前記燃焼室内に収容されたピストンが上死点から下死点に至る間、常に前記ピストンの頂面を指向することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記第二の燃料噴射部による燃料の噴射開始時期は、前記第一の燃料噴射部による燃料の噴射終了時期と同時又はそれよりも遅く設定されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。

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