JP6942068B2 - 火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法および燃料噴射装置 - Google Patents

Description

この発明は、筒内に直接に燃料を噴射する火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法および燃料噴射装置に関し、特に冷間始動直後の噴射時期制御に関する。

燃料噴射弁から筒内に直接に燃料を噴射する筒内直接噴射型火花点火式内燃機関にあっては、冷間始動直後の冷機時には、シリンダ内壁面やピストン冠面の温度が低いことから、噴射された燃料の多くが気化されないままこれらの壁面に衝突して付着する。ピストン行程の中でピストンが下死点に近いクランク角で燃料が噴射されると、シリンダ内壁面に付着する燃料が多くなり、上死点に近いクランク角で燃料が噴射されると、ピストン冠面に付着する燃料が多くなる。すなわち冷機時には、シリンダ内壁面に対する燃料付着とピストン冠面に対する燃料付着とはいわゆるトレードオフの関係にある。

特許文献１には、成層燃焼を行うべく圧縮行程中に燃料噴射を行うモードから均質燃焼を行うべく吸気行程中に燃料噴射を行うモードへと移行した際に、吸気行程噴射における燃料噴射時期を一時的に遅角させて、ピストン冠面に付着していた燃料の後燃えによる黒煙の発生を抑制する技術が開示されている。

特開２００４−１７６５９０号公報

冷機時にシリンダ内壁面やピストン冠面に燃料が付着していわゆる液膜が形成されると、未燃ＨＣの増加が生じる。特に、ＨＣ排出に関しては、ピストン冠面に対する燃料付着の方がシリンダ内壁面に対する燃料付着よりもより大きな因子となる。換言すれば、冷機時に吸気行程中に燃料噴射を行う場合に、燃料噴射時期の変化に対し、シリンダ内壁面に対する燃料付着とピストン冠面に対する燃料付着とはいわゆるトレードオフの関係にあるが、ＨＣ排出に関する感度としては、ピストン冠面における燃料付着の方が感度が高いものとなる。従って、始動直後のピストン冠面温度が十分に上昇するまでの間は、シリンダ内壁面への付着量が多くなってもピストン冠面への付着を抑制することが望ましい。

特許文献１は、成層燃焼から均質燃焼への移行時における黒煙発生を課題とするものであり、冷間始動直後のＨＣ排出を十分に抑制することができない。

この発明は、少なくとも一部の燃料を吸気行程中にピストン冠面へ向かって噴射する火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法であって、内燃機関の冷間始動後のピストン冠面温度が低い段階では、シリンダ内壁面への燃料付着割合が増えピストン冠面への燃料付着割合が少なくなるように、燃料噴射時期を暖機後よりも遅角させる火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法において、燃焼室に投入した投入燃料量と燃焼に寄与した燃焼燃料量との差を逐次求め、この差が所定レベルに低下するまで上記燃料噴射時期の遅角を継続し、ここで、上記の投入燃料量と燃焼燃料量との差として、吸入空気量と投入燃料量とにより定まる投入空燃比と、燃焼燃料量に応じた燃焼空燃比と、の差を求める。

このように燃料噴射時期を遅角させることで、噴射された燃料の中でピストン冠面へ付着する燃料の割合が少なくなり、付着燃料に起因するＨＣの排出が抑制される。

この発明によれば、吸気行程噴射の燃料噴射時期を遅角させることで、ピストン冠面への燃料付着割合が少なくなり、ＨＣの排出が抑制される。

一実施例の燃料噴射装置のシステム構成を示す説明図。 一実施例の燃料噴射時期を示す特性図。 シリンダ内壁面付着量とピストン冠面付着量とＨＣとの相関を示す特性図。 一実施例の燃料噴射制御を示すフローチャート。 始動後の空燃比差等の変化を示したタイムチャート。 筒内圧センサを用いた燃焼空燃比の推定を示すフローチャート。 吸気圧とオーバラップ量と残留ガス率との関係を示した特性図。 残留ガス率に対する補正係数の特性を示した特性図。 補正後の１０％燃焼期間と機関回転速度と燃焼空燃比との関係を示した特性図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明をいわゆるサイド噴射方式の燃料噴射装置に適用した一実施例の構成説明図である。

内燃機関１は、ピストン２が上下動する複数のシリンダ３を有し、ピストン２によってシリンダ３内に燃焼室４が形成されている。燃焼室４の天井面５には、吸気ポート６を開閉する一対の吸気弁７と、排気ポート８を開閉する一対の排気弁９とが設けられている。吸気ポート６の下側には、ソレノイドもしくは圧電素子等を介して弁体が開閉動作することで燃料噴射を行う多噴孔の燃料噴射弁１０が配置されており、一対の吸気弁７の間に燃料噴射弁１０の先端部が位置している。この燃料噴射弁１０の噴射方向は、シリンダ中心軸線ＣＬに対し比較的大きく傾いており、ピストン２冠面へ向かって斜めに燃料を噴射する構成となっている。ここで、燃料噴射弁１０は、例えば６個の噴孔を有するホールノズル噴射弁であり、この複数の噴孔によって噴霧全体としてピストン２冠面へ向かって扇状に拡がった扁平な噴霧Ｆを形成するように構成されている。

燃焼室４の天井面５の中央部には、混合気に火花点火を行う点火プラグ１１が配置されている。

上記燃料噴射弁１０には、図示せぬ燃料ポンプによって所定圧に加圧された燃料が高圧燃料配管を介して導かれており、内部の弁体がリフトすることによって燃料噴射が行われる。燃料噴射量は、基本的に、燃料噴射時間に比例したものとなる。燃料噴射弁１０の燃料噴射時期および燃料噴射量は、エンジンコントローラ１５によって制御される。エンジンコントローラ１５には、吸入空気量を検出するエアフロメータ１６、図示せぬスロットル弁よりも下流側の吸気コレクタ内の圧力を検出する吸気圧センサ１７、機関回転速度を示すクランク角センサ１８、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ１９、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ２０、排気ポート８下流の排気通路において排気空燃比を検出する空燃比センサ２１、等の種々のセンサ類が接続されている。

なお、内燃機関１は、図示せぬスタータモータを備えており、始動時に図示せぬメインスイッチ（いわゆるキースイッチ）がＯＮとなると、スタータモータによりクランキングが行われ、内燃機関１の始動が行われる。

このように構成された内燃機関１においては、種々の燃焼モードが可能であるが、始動後のアイドル時には、例えば図２に示すような２回に分割した燃料噴射でもって弱成層燃焼モードとなる。この例では、吸気行程の中間付近で１回目の燃料噴射ＩＴ１が行われ、圧縮行程前半に２回目の燃料噴射ＩＴ２が行われる。すなわち１回目の燃料噴射ＩＴ１によって燃焼室４内に均質な混合気を形成した後に、２回目の燃料噴射ＩＴ２を行うことで、比較的成層度の低い成層化を図っている。なお、吸気行程噴射のみによる均質燃焼であってもよい。

図２に例示したような燃料噴射時期では、吸気行程噴射ＩＴ１による燃料噴霧の少なくとも一部がピストン２の冠面に衝突する。従って、冷間始動直後の冷機時すなわちピストン２冠面やシリンダ３内壁面の温度が低い状態では、噴射された燃料の一部がピストン２冠面に液膜となって付着する。またシリンダ３内壁面においても、ピストン２に衝突して飛散した燃料やあるいは噴霧として直接に衝突した一部の燃料が同様に液膜となって付着する。

このような冷機時においてシリンダ３内壁面に付着する燃料量とピストン２冠面に付着する燃料量とはいわゆるトレードオフの関係にあり、図３にも示すように、吸気行程噴射ＩＴ１の噴射時期ＩＴを吸気上死点に近付くように進角すると、シリンダ３内壁面への付着量が少なくなる反面、ピストン２冠面への付着量が増加する。逆に噴射時期ＩＴを吸気下死点に近付くように遅角すると、ピストン２冠面への付着量が少なくなる反面、シリンダ３内壁面への付着量が増加する。

図３は、冷機時を前提として、縦軸を噴射時期ＩＴに対応するシリンダ３内壁面付着量とし横軸を噴射時期ＩＴに対応するピストン２冠面付着量として、ＨＣ排出量を等高線状に示した特性図である。この等高線状のＨＣ排出量は、図の右上ほど大であり、図の左下ほど小となるが、上述したように噴射時期ＩＴによって各々の付着量が同時に変化するので、シリンダ３内壁面付着量が小となるときにはピストン２冠面付着量が大となり、シリンダ３内壁面付着量が大となるときにはピストン２冠面付着量が小となる。ここで、等高線状に示したＨＣ排出量の各々の線の間隔に着目すると、ピストン２冠面付着量に関する横軸の方の間隔がシリンダ３内壁面付着量に関する縦軸の方の間隔よりも狭くなっている。これは、ピストン２冠面付着量の方がＨＣ排出量に関する感度が高いことを意味している。つまり、噴射時期ＩＴをある一定量変化させたときに、ピストン２冠面付着量の変化に伴いＨＣ排出量は比較的に大きく変化するのに対し、シリンダ３内壁面付着量の変化に伴うＨＣ排出量の変化は比較的に小さい。従って、冷機時には、噴射時期ＩＴを暖機後の噴射時期設定に比較して遅角させピストン２冠面付着量の割合を少なくすることが、ピストン２冠面付着量とシリンダ３内壁面付着量との双方に起因するＨＣ排出量を抑制する上で有利となる。

このような知見に基づき、この実施例においては、冷間始動直後の冷機時に、吸気行程噴射ＩＴ１の噴射時期を図２に破線ＩＴ１’でもって示すように遅角補正する。

この遅角補正の際の遅角量は、固定値であってもよい。あるいは冷却水温等の温度条件に応じて低温であるほど大きく進角するように可変的に設定される値であってもよい。

次に図４は、一実施例における燃料噴射時期制御の流れを示したフローチャートである。このフローチャートに示すルーチンは、内燃機関１の運転中に繰り返し実行されるものであって、ステップ１では、冷間始動がなされたか否かを判定する。冷間始動でなければ、ステップ２へ進み、燃料噴射時期として通常制御を実行する。

冷間始動であった場合には、ステップ１からステップ３へ進み、吸気行程噴射における噴射時期（図２の例では、１回目の燃料噴射ＩＴ１の噴射時期）を、基本噴射時期から一定量あるいは冷却水温に応じた量だけ遅角補正する。次にステップ４へ進み、そのときの投入燃料量（１サイクル当たりの燃料噴射量）と吸入空気量とに基づく空燃比（これを投入空燃比ＡＦ１とする）と、筒内で実際に燃焼に寄与した燃料量（これを燃焼燃料量と呼ぶ）と筒内の空気量とに対応した空燃比（これを燃焼空燃比ＡＦ２とする）と、の空燃比差ΔＡＦを算出する。そして、ステップ５において、算出した空燃比差ΔＡＦを所定の閾値ΔＡＦｓｈと比較する。

投入空燃比ＡＦ１は、例えば、エアフロメータ１６が検出した吸入空気量と燃料噴射量とから算出することができる。燃焼空燃比ＡＦ２は、一実施例では、空燃比センサ２１が検出した排気空燃比を燃焼空燃比ＡＦ２として用いることができる。投入空燃比ＡＦ１と燃焼空燃比ＡＦ２とで空気量が変わらないものと仮定すれば、投入空燃比ＡＦ１と燃焼空燃比ＡＦ２との差は、投入燃料量と燃焼燃料量との差すなわち未燃のまま燃焼室４の壁面（シリンダ３内壁面やピストン２冠面）に付着した燃料量に相当する。冷間始動直後は、この空燃比差ΔＡＦが大きな値として算出される。燃焼室４の壁面（シリンダ３内壁面やピストン２冠面）の温度が高くなると、空燃比差ΔＡＦは減少する。閾値ΔＡＦｓｈは、例えば、暖機後も残存する定常レベルの未燃燃料量にほぼ対応して設定される。

ステップ５で空燃比差ΔＡＦが閾値ΔＡＦｓｈよりも大であれば、噴射時期の遅角を継続したままステップ４，５の処理を繰り返す。始動後の時間経過に伴い、空燃比差ΔＡＦが閾値ΔＡＦｓｈ以下となったら、ステップ５からステップ６へ進み、それまで遅角させていた噴射時期を比較的小さな一定量だけ進角する。そして、ステップ７において、基本噴射時期に対する遅角量が０となったか否か判定する。

遅角量が０に達していなければ、ステップ８へ進み、一定量進角してから所定の時間ΔＴが経過したか否かを繰り返し判定する。つまり、所定の時間ΔＴが経過するまで、噴射時期を保持する。そして、所定の時間ΔＴが経過した段階で、ステップ６へ進み、噴射時期を再度一定量進角する。このような処理を複数回繰り返してステップ７において遅角量が０に達したら、冷間始動後の一連のルーチンを終了する。なお、時間ΔＴに代えて所定の燃焼サイクル数毎に徐々に進角させるようにしてもよい。

図５は、上記の噴射時期制御に基づく冷間始動後の種々のパラメータの変化を示したタイムチャートである。すなわち、（ａ）空燃比差ΔＡＦ、（ｂ）噴射時期、（ｃ）壁温（シリンダ３内壁面温度およびピストン２冠面温度）、（ｄ）各壁面での残存液膜量、（ｅ）ＨＣ（エンジン・アウトＨＣ）、の変化を示している。

冷間始動直後には空燃比差ΔＡＦは閾値ΔＡＦｓｈよりも大きいので、始動後は直ちに噴射時期が遅角補正される。冷間始動時の壁温は低く、従ってシリンダ３内壁面やピストン２冠面に液膜となって燃料が付着するため、ＨＣ排出量は大である。その後、時間経過に伴って壁温が上昇し、付着する燃料量が減少して、ＨＣが低下していく。このとき、ピストン２冠面の温度上昇はシリンダ３内壁面の温度上昇よりも速やかであり、燃料付着量の減少速度もピストン２冠面の方が大となる。燃料付着量の減少は、空燃比差ΔＡＦの縮小として検知される。

時間ｔ１において、空燃比差ΔＡＦが閾値ΔＡＦｓｈに達したら、燃料噴射時期が比較的小さな一定量だけ進角する。これにより、ピストン２冠面への燃料付着が僅かに増大し、シリンダ３内壁面への燃料付着が僅かに減少する。

その後、所定の微小な時間ΔＴが経過するたびに一定量ずつ進角していき、最終的に基本噴射時期に戻る。すなわち、噴射時期は段階的に進角していくこととなる。この進角の際にはピストン２冠面への燃料付着が僅かに上昇するが、ピストン２冠面への燃料付着量がある目標レベルＬを上回らないように空燃比差ΔＡＦの閾値ΔＡＦｓｈや１回当たりの進角量を設定することが望ましい。

なお、燃焼空燃比ＡＦ２として空燃比センサ２１の検出値を用いる場合、空燃比センサ２１は、一般に各気筒の排気流が合流した合流点よりも下流に配置されるので、全気筒の平均的な燃焼空燃比ＡＦ２が検出されることになる。

次に、図６は、内燃機関１が各気筒毎に筒内圧センサを具備する場合に、筒内圧センサの検出信号を用いて各気筒毎に燃焼空燃比ＡＦ２を求めるようにした燃焼空燃比推定処理のフローチャートを示している。

ステップ１１では、筒内圧センサが検出する燃焼行程での筒内圧の変化から、１０％燃焼期間ＩＧ１０を求める。この１０％燃焼期間ＩＧ１０は、燃焼開始時点から１０％の燃料が燃焼するまでの燃焼期間であり、クランク角でもって表される。次に、ステップ１２において、筒内の残留ガス率（％）を、吸気圧とバルブオーバラップ量とに基づいて求める。例えば、吸気圧とバルブオーバラップ量と残留ガス率との関係に対応して予め作成した図７に示すような特性のマップを参照して、残留ガス率を求める。

ステップ１３では、残留ガス率（％）に対応した補正係数Ｈを求める。例えば、予め作成した図８に示すような特性のテーブルを用いて求める。そして、ステップ１４において、ステップ１１で求めた１０％燃焼期間ＩＧ１０に補正係数Ｈを乗じることによって、補正後１０％燃焼期間ＩＧ１０Ｈを求める。

次に、ステップ１５において、補正後１０％燃焼期間ＩＧ１０Ｈと内燃機関１の回転速度とを用いて燃焼空燃比ＡＦ２を求める。例えば、補正後１０％燃焼期間ＩＧ１０Ｈと機関回転速度と燃焼空燃比ＡＦ２との関係に対応して予め作成した図９に示すような特性のマップを参照して、燃焼空燃比ＡＦ２を求める。

この実施例では、各気筒毎に燃焼空燃比ＡＦ２を算出することができるので、液膜となって付着した燃料量を各気筒毎に推定することができる。この場合、噴射時期の遅角補正およびその後の進角を各気筒毎に行うことが可能である。

以上、いわゆるサイド噴射方式の燃料噴射装置に本発明を適用した例を説明したが、燃焼室天井面の略中央部に燃料噴射弁の先端部が位置し、ピストン冠面へ向かってシリンダ中心線を囲む円錐形に沿って複数の噴霧を形成するようにした、いわゆる直上噴射方式の燃料噴射装置にも本発明を適用することが可能である。

１…内燃機関
２…ピストン
３…シリンダ
４…燃焼室
１０…燃料噴射弁
１５…エンジンコントローラ
２１…空燃比センサ

Claims (5)

1. 少なくとも一部の燃料を吸気行程中にピストン冠面へ向かって噴射する火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法であって、
   内燃機関の冷間始動後のピストン冠面温度が低い段階では、シリンダ内壁面への燃料付着割合が増えピストン冠面への燃料付着割合が少なくなるように、燃料噴射時期を暖機後よりも遅角させる火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法において、
   燃焼室に投入した投入燃料量と燃焼に寄与した燃焼燃料量との差を逐次求め、この差が所定レベルに低下するまで上記燃料噴射時期の遅角を継続し、
   ここで、
   上記の投入燃料量と燃焼燃料量との差として、吸入空気量と投入燃料量とにより定まる投入空燃比と、燃焼燃料量に応じた燃焼空燃比と、の差を求める、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
2. 上記燃焼空燃比を、排気系に設けた空燃比センサによって検出する、ことを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
3. 上記燃焼空燃比を、各気筒に設けた筒内圧センサの検出信号に基づき気筒毎に算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
4. 上記の投入燃料量と燃焼燃料量との差が所定レベルに低下したら上記燃料噴射時期を段階的に進角させる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射制御方法。
5. 筒内に燃料噴射を行うように設けられた燃料噴射弁と、
   この燃料噴射弁による燃料噴射を制御するコントローラと、
   を備え、
   上記コントローラは、
   暖機後は、噴霧がピストン冠面に衝突するように少なくとも一部の燃料を吸気行程中に噴射し、
   内燃機関の冷間始動後のピストン冠面温度が低い段階では、シリンダ内壁面への燃料付着割合が増えるとともにピストン冠面への燃料付着割合が少なくなるように、燃料噴射時期を暖機後よりも遅角させるものであって、燃焼室に投入した投入燃料量と燃焼に寄与した燃焼燃料量との差を逐次求め、この差が所定レベルに低下するまで上記燃料噴射時期の遅角を継続し、ここで、上記の投入燃料量と燃焼燃料量との差として、吸入空気量と投入燃料量とにより定まる投入空燃比と、燃焼燃料量に応じた燃焼空燃比と、の差を求める、
   火花点火式内燃機関の燃料噴射装置。

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