JPH11303662A - 筒内噴射エンジンの燃料噴射制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多気筒の筒内噴射エンジンにおいて、気筒間
の出力のばらつきをなくし、気筒ごとに空燃比を最適に
制御することができる燃料噴射制御方法を提供する。 【解決手段】 複数気筒エンジン２の各気筒７ａ〜７ｆ
の排ガスエミッション及び／又は燃費に基づいて、各気
筒ごとに燃料噴射時期を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、筒内噴射エンジンの燃料噴射制
御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多気筒エンジンにおいて、気筒間の空燃
比のばらつきを抑え最適空燃比で排気エミッションを向
上させるために、気筒ごとに燃料噴射量を制御してい
る。このような燃料噴射量の制御は、通常特定気筒に酸
素濃度センサを設け、この酸素濃度センサの出力に応じ
て最適空燃比となるように各気筒の燃料噴射量（燃料噴
射弁の開弁時間）を制御している。

【０００３】一方、リーン燃料をシリンダ内に直接噴射
して燃費の向上を図った筒内噴射エンジンが開発されて
いる。

【０００４】図６（Ａ）は、筒内噴射エンジンの運転領
域の説明図である。アイドル回転状態やトロール回転状
態のような低回転低負荷運転域Ａでは、空燃比＝１１〜
１２のリッチ空燃比で運転し、中回転中負荷運転域Ｂで
は、空燃比＝１５〜１６のリーン空燃比で運転し、高回
転高負荷運転域Ｃでは、空燃比＝１１付近の過リッチ空
燃比で運転される。このような運転状態において、最適
な空燃比で運転するために、従来は燃料噴射量を調整制
御していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特にリ
ーン空燃比の運転域Ｂにおいて、図６（Ｂ）に示すよう
に、燃料噴射量の調整により空燃比を変化させると、出
力が大きく変動して気筒間のばらつきが大きくなる。す
なわち、筒内噴射エンジンにおいては、吸気管噴射に比
べ、燃料噴射弁圧力が大きいので時間当りの噴射量が大
きく、従って、燃料噴射弁の弁孔の経時変化により噴射
量調整による空燃比の微調整が困難になる。特に燃費を
重視するためエンジン全体の空燃比がリーン側に設定さ
れている運転領域では、空燃比の微妙な変化が出力の変
化となって気筒間のばらつきとなり、気筒間で吹き抜け
量が変って吸気効率が変り、気筒ごとに排ガスや燃費を
最適化することができないという問題を生じる。

【０００６】特に船外機等の水中排気型エンジンでは、
排気ガスを水中に放出する集合排気通路をもち、他の気
筒の影響を受けやすく、また水中に排気を排出するため
に背圧の影響を受けやすい。特に縦置きの船外機では各
気筒ごとに水面からの高さが異なるため、排気管長が異
なり背圧の影響が顕著になり、また温度による差も大き
くなって、気筒間の空燃比や出力のばらつきが発生しや
すい。

【０００７】さらに２サイクルの筒内噴射エンジンにお
いては、空燃比センサの出力特性が４サイクルエンジン
や吸気管噴射の場合と比べてリッチ側に移行する特性が
ある。すなわち、２サイクルエンジンにおいては、燃料
を吸気管に噴射し空気と混合した状態でクランク室内に
導入する吸気管噴射方式の場合、図７のグラフｂに示す
ように、酸素濃度センサの出力特性の変化位置が４サイ
クルエンジンの場合を示すグラフａに比べ理論空燃比の
位置からリッチ側にずれる。これは、２サイクルエンジ
ンにおいては、吹き抜けにより排気ガス中に空気や未燃
焼ガスが多く存在するためと考えられる。このような酸
素濃度センサの出力特性の変化位置の理論空燃比からの
ずれは、筒内噴射エンジンでは、図７のグラフｃに示す
ように、さらに大きくリッチ側にずれる。

【０００８】本発明は特にこのような筒内噴射エンジン
に対し適用されるものである。

【０００９】本発明は上記の点を考慮したものであっ
て、多気筒の筒内噴射エンジンにおいて、気筒間の出力
のばらつきをなくし、気筒ごとに空燃比を最適に制御す
ることができる燃料噴射制御方法の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、複数気筒エンジンの各気筒の排ガスエ
ミッション及び／又は燃費に基づいて、各気筒ごとに燃
料噴射時期を変化させることを特徴とする筒内噴射エン
ジンの燃料噴射制御方法を提供する。

【００１１】この構成によれば、燃料噴射時期の制御に
より空燃比が最適化できるため、特に噴射量の影響が大
きい筒内噴射エンジンにおいて各気筒の出力バランスを
保ったまま気筒間のばらつきをなくしてエンジン全体と
して排ガスエミッション及び／又は燃費を最適化するこ
とができる。

【００１２】ここで、排ガスエミッションは特に排気ガ
ス中のＨＣのエミッションであり、このＨＣの含有量を
減少させてエミッションを最良とし、かつ燃費を最良と
するように排ガスエミッションと燃費の両方が最適値に
近づくようにバランスをとって各気筒ごとに燃料噴射時
期を変化させる。

【００１３】好ましい実施例では、前記エンジンは２サ
イクルエンジンであることを特徴としている。

【００１４】この構成によれば、特に吹き抜け量が吸気
効率に大きく影響する２サイクルエンジンに本発明を適
用することにより気筒間のばらつき抑制の効果が大きく
なる。なお、２サイクルエンジンの吹き抜け量は、掃気
行程において、掃気ポートを通して燃焼室に導入される
空気と燃料ガスの混合気が未燃焼のまま排気ポートから
排出される未燃焼ガスの量をいう。

【００１５】別の好ましい実施例では、前記エンジンは
水中排気型エンジンであることを特徴としている。

【００１６】この構成によれば、特に排気管からの背圧
の影響が大きい水中排気型エンジンに本発明を適用する
ことにより、気筒間のばらつき抑制の効果が大きくな
る。

【００１７】さらに別の好ましい実施例においては、各
気筒についてのエンジン回転数およびスロットル開度に
基づくマップを備え、これらのマップに基づいて燃料噴
射時期を制御することを特徴としている。

【００１８】この構成によれば、エンジン回転数および
スロットル開度を検出し、予め各気筒のエンジン特性に
対応して作成されたマップに基づいて燃料噴射時期が制
御されるため、簡単な構成で確実に各気筒間のばらつき
をなくして最適空燃比での運転が可能になる。

【００１９】別の好ましい実施例では、エンジンの出力
変動を検出し、この出力変動を抑えるように燃料噴射時
期をフィードバック制御することを特徴としている。

【００２０】この構成によれば、エンジンの出力変動が
抑制されるように燃料噴射時期がジードバック制御され
るため、より確実に安定して噴射時期が制御され、各気
筒間のばらつきをなくし最適空燃比での運転が可能にな
る。

【００２１】この場合、出力変動は、エンジン回転数を
検出してその変動から演算することができ、また燃焼圧
力あるいはノッキングを検出してその検出値から出力変
動を求めることもできる。

【００２２】このフィードバック制御は、マップを用い
たオープンループ制御に代えて常にフィードバック制御
を行ってもよいし、あるいは、マップ制御と併用して、
所定期間ごとにマップを学習させて書き直し、フィード
バック制御とマップ制御を交互に行ってもよい。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
る２サイクル６気筒の筒内噴射エンジンからなる船外機
の構成図である。図中（Ａ）はエンジンの平面図、
（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（Ｃ）は船
外機の側面図、（Ｄ）は燃料供給系の構成図である。ま
た、図２は、図１の船外機の縦断面図、図３（Ａ）は図
２の気筒の断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線
に沿った断面図である。

【００２４】図１（Ｃ）において、１は船外機であり、
クランク軸１２（図１（Ａ））が縦置き状態で搭載され
るエンジン２と、エンジン２の下端面に接続されエンジ
ン２を支持するガイドエキゾースト部３と、ガイドエキ
ゾースト部３の下端面に接続されるアッパケース４と、
ロアケース５およびプロペラ６とからなる。上記エンジ
ン２は、筒内噴射式Ｖ型６気筒２サイクルエンジンであ
り、６つの＃１〜＃６気筒７ａ〜７ｆ（図１（Ｂ）、図
２）が平面視でＶバンクをなすように置かれた状態で且
つ縦方向に配設されたシリンダボディ７に、シリンダヘ
ッド８が連結固定されている。

【００２５】上記各気筒７ａ〜７ｆ内には、ピストン１
１が摺動自在に嵌合配置され、各ピストン１１はクラン
ク軸１２に連結されている。シリンダヘッド８には、燃
料噴射弁１３および点火プラグ１４が挿入配置されてい
る。燃料噴射弁１３は磁力で開閉動作されるソレノイド
開閉式であり、その噴射孔１３ａ（図３（Ａ））の軸線
はシリンダボアの軸線と交差するように配置される。

【００２６】各気筒７ａ〜７ｆはそれぞれ掃気ポート１
７ａ，１７ｂ，１７ｃ（図３）によりクランク室に連通
される。また、各気筒７ａ〜７ｆには、排気ポート１８
ａ〜１８ｆが、それぞれの気筒の掃気ポート１７ａに対
向するように接続されている。

【００２７】このような構成の２サイクルエンジンにお
いて、爆発膨張行程後の掃気行程において、図３の矢印
に示すように、掃気ポート１７ａ〜１７ｃを通してクラ
ンク室からピストン上面側の燃焼室に空気が導入される
とともにピストン上昇に伴い排気ポート１８ａを通して
燃焼ガスが排出される。このとき掃気ポートから導入さ
れる空気の一部が排気ガスとともに排気ポートから流出
する。これを吹き抜けという。本発明はこのような吹き
抜け量の気筒間のばらつきをなくして気筒間での吸気効
率の差をなくし気筒ごとに空燃比を最適化するものであ
る。

【００２８】図２の左バンクの排気ポート１８ａ〜１８
ｃは左集合排気通路１９ａに、右バンクの排気ポート１
８ｄ〜１８ｆは右集合排気通路１９ｂに合流する。左右
の集合排気通路１９ａ，１９ｂの下流側にはそれぞれガ
イドエキゾースト部３内の左排気通路３ａおよび右排気
通路３ｂを介してアッパケース４内の左排気管２０ａお
よび右排気管２０ｂが接続されている。

【００２９】図３（Ａ）の１０５ａは、燃焼ガスの酸素
濃度検出によるフィードバック制御を行うための空燃比
センサ１０５（図１）に対する燃焼ガス採取孔であり、
掃気ポート１７ａの上部に形成されている。

【００３０】図２に示すように、左右の排気管２０ａ，
２０ｂは、アッパケース４内のマフラー２１内に配置さ
れており、このマフラー２１は隔壁２２により左右の排
気管２０ａ，２０ｂが開口する左膨張室２１ａおよび右
膨張室２１ｂを備えている。これらの膨張室２１ａ，２
１ｂは、左右バンクの気筒からの排気ガスの圧力波がほ
ぼ大気圧状態に解放されるのに必要な容積を有してい
る。また、マフラー２１の下端には、ロアケース５内に
形成された排気通路５ａが接続され、この排気通路５ａ
は、左右の排気管２０ａ，２０ｂからの排気を合流させ
ている。

【００３１】各気筒７ａ〜７ｆは、左右バンクごとに左
右の排気管２０ａ，２０ｂに集合して接続され、各排気
管２０ａ，２０ｂからの排気ガスは水中に放出される。

【００３２】図１（Ａ）に示すように、エンジン２のク
ランクケース２３には、吸気マニホルドの分岐吸気通路
２５が接続されており、この吸気通路２５のクランクケ
ース２３への接続部には、逆流防止用のリード弁２４が
配設される。また、リード弁２４の上流側には、エンジ
ン内にオイルを供給するためのオイルポンプ２７と、吸
気量を制御するためのスロットル弁２６が配設されてい
る。

【００３３】図１（Ｄ）に示すように、主燃料タンク３
０（船体側に設置されている）内の燃料は、手動式の第
１の低圧燃料ポンプ３１によりフィルタ３３を経て第２
の低圧燃料ポンプ３４に送られる。この第２の低圧燃料
ポンプ３４は、エンジン２のクランク室のパルス圧によ
り駆動されるダイヤフラム式ポンプであり、燃料を気液
分離装置であるベーパーセパレータタンク３５に送る。
このベーパーセパレータタンク３５内には、電動モータ
により駆動される燃料予圧ポンプ３６が配設されてお
り、燃料を加圧し予圧配管Ａを経て高圧燃料ポンプ３７
に送る。高圧燃料ポンプ３７の吐出側は、各気筒７ａ〜
７ｆに沿って縦方向に配設された燃料供給レール４０に
接続されるとともに、高圧圧力調整弁３８および燃料冷
却器４１、配管Ｂを介してベーパーセパレータタンク３
５に接続されている。また、予圧配管Ａとベーパーセパ
レータタンク３５間には予圧圧力調整弁４２が設けられ
ている。

【００３４】制御装置２９には、エンジン２の駆動状
態、船外機１や船の状態を示す各種センサからの検出信
号が入力される。すなわち、センサとして、クランク軸
１２の回転角（回転数）を検出するエンジン回転数セン
サ９０、クランクケース２３内の圧力を検出するクラン
ク室内圧センサ９１、吸気通路２５内の温度を検出する
吸気温センサ（図示しない）、シリンダボディ７の温度
を検出するエンジン温度センサ９４、各気筒７ａ〜７ｆ
の背圧を検出する背圧センサ（図示しない）、スロット
ル弁２６の開度を検出するスロットル開度センサ９６、
冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ、エンジン２
の振動数を検出するエンジン振動センサ、船外機１のニ
ュートラル状態を検出するニュートラルセンサ、船外機
１の上下回動位置を検出するトリム角検出センサ、エン
ジン始動スイッチ、船の姿勢を検出する船姿勢センサ、
外気温度を検出する外気温センサ（いずれも図示しな
い）が設けられ、さらに、最上段の＃１気筒７ａ内の空
燃比を検出する空燃比センサ（酸素濃度センサ）１０
５、高圧燃料配管内の圧力を検出する燃料圧力センサ１
０６が設けられている。制御装置２９は、これら各種セ
ンサの検出信号を演算処理し、制御信号を点火プラグ１
４、燃料噴射弁１３、オイルポンプ２７、予圧燃料ポン
プ３６に伝送する。

【００３５】このような構成の船外機１の制御装置２９
は、６気筒の各気筒＃１〜＃６（７ａ〜７ｆ）に対応し
て、予め実験等により求めたデータから作成した図４に
示すような３次元マップを有し、検出したエンジン回転
数ｒｐｍとスロットル開度Ｔｈθに基づいて燃料噴射時
期が定められる。この場合、＃１気筒のみ燃料噴射時期
のマップを備え、他の気筒については、＃１気筒の噴射
時期に対し補正を施して燃料噴射時期を演算処理により
求めてもよい。この場合、Ｅ²ＲＯＭ（書き換え可能な
ＲＯＭ）を用いて、マップを１シーズンごと等に書き換
え、環境条件に合わせてユーザーの好みに適応させても
よい。

【００３６】図５は、船外機における噴射時期（噴射開
始時期）に対する、出力を加味した排ガス（有害排気ガ
スの排気エミッション）ｇ／（ｐｓ・ｈ）の気筒間のず
れを示すグラフである。（Ａ）は中速中負荷運転域（図
６のＢ領域）を示し、（Ｂ）は図６のＣ領域のうち高回
転領域を示す。

【００３７】図５（Ａ）（Ｂ）ともに下の気筒ほど排ガ
スが最良となるピーク値が進角側にずれている。この場
合、（Ｂ）の高回転域のほうがずれ量が少ない。これは
高回転では排気管長の差の影響が小さくなるからであ
る。図において、ピーク値より右側（進角側）では吹き
抜け量が増加するとともに出力も増加しその結果排ガス
は図のように徐々に低下する。逆にピーク値より左側
（遅角側）では吹き抜け量が減少するとともに出力が減
少しその結果排ガスは図のように徐々に低下する。これ
は、噴射時期が早くなれば（進角側）、その分吹き抜け
が多くなり、逆に噴射時期が遅くなれば（遅角側）、そ
の分吹き抜けが少なくなるからである。また、出力につ
いては、噴射時期が早い進角側では充分な混合作用が得
られるため出力が増加し、逆に噴射時期が遅い遅角側で
は混合が不十分なため出力が低下するからである。

【００３８】このような各気筒の特性に合わせて予め作
成したマップ（図４）に基づいて、最良の排ガス効率で
最適な空燃比となる噴射時期を求めて噴射制御を行う。
これにより各気筒ともに最適空燃比で最良の排ガスエミ
ッションおよび燃費を得ることができ、気筒間のばらつ
きをなくすことができる。ここで、排ガスエミッション
は特に排気ガス中のＨＣのエミッションであり、このＨ
Ｃの含有量を減少させてエミッションを最良とし、かつ
燃費を最良とするように排ガスエミッションと燃費の両
方が最適値に近づくようにバランスをとって各気筒ごと
に燃料噴射時期を変化させる。

【００３９】なお、上記実施形態では、予め作成したマ
ップに基づいて噴射時期を固定したオープンループ制御
により噴射制御を行っているが、エンジン回転数から出
力変動を演算しこの出力変動がなくなるようにフィード
バック制御を行って噴射時期制御を施してもよい。この
場合、出力変動は、エンジン回転数を検出してその変動
から演算することができ、また燃焼圧力あるいはノッキ
ングを検出してその検出値から出力変動を求めることも
できる。

【００４０】このフィードバック制御は、マップを用い
たオープンループ制御に代えて常にフィードバック制御
を行ってもよいし、あるいは、マップ制御と併用して、
所定期間ごとにマップを学習させて書き直し、フィード
バック制御とマップ制御を交互に行ってもよい。

【００４１】また、噴射量の調整と噴射時期制御を併用
して噴射制御を行ってもよい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、燃料
噴射時期の制御により空燃比が最適化できるため、特に
噴射量の影響が大きい筒内噴射エンジンにおいて各気筒
の出力バランスを保ったまま気筒間のばらつきをなくし
てエンジン全体として排ガス及び／又は燃費を最適化す
ることができる。

【００４３】また、特に吹き抜け量が吸気効率に大きく
影響する２サイクルエンジンに本発明を適用することに
より気筒間のばらつき抑制の効果が大きくなる。

【００４４】また、特に排気管からの背圧の影響が大き
い水中排気型エンジンに本発明を適用することにより、
気筒間のばらつき抑制の効果が大きくなる。

【００４５】さらに、各気筒についてのエンジン回転数
およびスロットル開度に基づくマップを備え、これらの
マップに基づいて燃料噴射時期を制御する構成によれ
ば、エンジン回転数およびスロットル開度を検出し、予
め各気筒のエンジン特性に対応して作成されたマップに
基づいて燃料噴射時期が制御されるため、簡単な構成で
確実に各気筒間のばらつきをなくして最適空燃比での運
転が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明が適用される船外機の構成図。

【図２】 図１の船外機の縦断面図。

【図３】 （Ａ）は図２のエンジンの気筒部の断面図、
（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図。

【図４】 本発明で用いるマップの説明図。

【図５】 噴射時期に対する排ガスの気筒間の差を示す
グラフ。

【図６】 筒内噴射エンジンの運転領域の説明図。

【図７】 空燃比センサの出力特性のグラフ。

【符号の説明】

１：船外機、２：エンジン、３：ガイドエキゾースト
部、４：アッパケース、５：ロアケース、６：プロペ
ラ、７：シリンダボディ、７ａ〜７ｆ：気筒、８：シリ
ンダヘッド、１１：ピストン、１２：クランク軸、１
３：燃料噴射弁、１４：点火プラグ、２０ａ，２０ｂ：
排気管、２３：クランク室、２４：リード弁、２５：吸
気通路、２６：スロットル弁、２７：オイルポンプ、２
９：制御装置、３０：主燃料タンク、３１：低圧燃料ポ
ンプ、３３：フィルタ、３４：第２の低圧燃料ポンプ、
３５：ベーパーセパレータタンク、３６：燃料予圧ポン
プ、３７：高圧燃料ポンプ、３８：高圧圧力調整弁、４
０：燃料供給レール、４１：燃料冷却器、４２：予圧圧
力調整弁、９０：エンジン回転数センサ、９１：クラン
ク室内圧センサ、９４：エンジン温度センサ、９６：ス
ロットル開度センサ、１０５：空燃比センサ、１０６：
燃料圧力センサ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数気筒エンジンの各気筒の排ガスエミッ
   ション及び／又は燃費に基づいて、各気筒ごとに燃料噴
   射時期を変化させることを特徴とする筒内噴射エンジン
   の燃料噴射制御方法。
2. 【請求項２】前記エンジンは２サイクルエンジンである
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射エンジンの
   燃料噴射制御方法。
3. 【請求項３】前記エンジンは水中排気型エンジンである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内噴射エ
   ンジンの燃料噴射制御方法。
4. 【請求項４】各気筒についてのエンジン回転数およびス
   ロットル開度に基づくマップを備え、これらのマップに
   基づいて燃料噴射時期を制御することを特徴とする請求
   項１、２または３に記載の筒内噴射エンジンの燃料噴射
   制御方法。
5. 【請求項５】エンジンの出力変動を検出し、この出力変
   動を抑えるように燃料噴射時期をフィードバック制御す
   ることを特徴とする請求項１、２または３に記載の筒内
   噴射エンジンの燃料噴射制御方法。