WO2014208009A1

WO2014208009A1 - 内燃機関の噴射制御装置

Info

Publication number: WO2014208009A1
Application number: PCT/JP2014/002932
Authority: WO
Inventors: 優一竹村; 溝渕　剛史; 和田　実
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2014-12-31
Also published as: DE112014003032T5; JP2015007402A

Abstract

エンジン（１０）の吸気ポートには、気体燃料を噴射する燃料噴射弁としての燃料噴射弁（２１）が設けられている。制御部（８０）は、エンジン（１０）が所定回転速度以下かつ所定負荷以下であって、通常運転域で運転している場合に、燃料噴射弁（２１）により噴射された気体燃料がエンジン（１０）の燃焼室内に供給されている期間である燃料供給期間を長期化させる長期化噴射制御を実施する。

Description

内燃機関の噴射制御装置

関連出願の相互参照

　本開示は、２０１３年６月２５日に出願された日本出願番号２０１３－１３２９００号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、内燃機関の噴射制御装置に関し、詳しくは気体燃料が供給される内燃機関の噴射制御装置に関する。

　圧縮天然ガス（ＣＮＧ）等の気体燃料を燃焼させて駆動する内燃機関が知られている。気体燃料は、ガソリンなどの液体燃料とは燃料性状が相違し、例えば単位発熱量あたりの燃料体積が液体燃料よりも大きい。このような燃料性状の違いを考慮し、特許文献１には、吸気ポートに気体燃料を噴射する内燃機関において、燃料の噴射終了時期を、吸気弁の開き始め以降に設定することが開示されている。この構成では、噴射期間が、吸気弁の開弁期間前半部の吸気管内負圧部にかかるようにすることで、内燃機関の体積効率を向上させ、出力向上を図るようにしている。

　液体燃料の場合、燃料を霧化した状態で噴射するため、噴射した燃料と空気とが比較的混ざりやすい。それに対し、気体燃料の場合には、燃料を気体状態で噴射するため、燃料と空気とが混ざりにくく、混合気の均質化を十分に図りにくい。また、燃料噴射弁の体格及び噴射圧は、通常、内燃機関の高回転高負荷域で必要量の燃料を噴射可能なように設定される。しかしながら、高噴射圧の状態で吸気弁の開弁期間中に気体燃料を噴射した場合、噴射した気体燃料と空気とが十分に混合されず、燃焼が悪化してしまうおそれがある。

特開平９－７２２４６号公報

　本開示は気体燃料を用いた内燃機関の運転制御において、内燃機関の燃焼改善を図ることができる噴射制御装置を提供することを目的とする。

　本開示の第一の態様では、噴射制御装置は、内燃機関の吸気ポートに気体燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記内燃機関が所定回転速度以下かつ所定負荷以下の通常運転域で運転している場合に、前記燃料噴射弁により噴射された気体燃料が前記内燃機関の燃焼室内に供給されている期間である燃料供給期間を長期化させる長期化噴射制御により、前記燃料噴射弁による前記気体燃料の噴射を実施する噴射制御部と、を備える。

　上記構成では、通常運転域で内燃機関の運転を行っている場合には、燃料噴射弁により吸気ポートに噴射された気体燃料の燃焼室内への供給期間を長期化させる噴射態様で気体燃料を噴射する。

　上記構成によれば、通常運転域では、燃料噴射弁から噴射された気体燃料の燃焼室内への供給期間を長期化させる噴射態様とすることにより、通常運転域のように必要な燃料量が比較的少ない運転領域でも、燃料供給期間が所定クランク角以上になるように制御する。このような噴射制御によれば、例えば噴射燃料が空気中に滞留している期間を長期化させたり、燃料の低密度化により燃料と空気との接触面積を増やしたりすることができる。その結果、燃料と空気とを十分に混合することができ、通常運転域での燃焼改善を図ることができる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
エンジンの燃料噴射システムの概略を示す構成図。高密度かつ短期間で燃料噴射した場合のミキシングに関する説明図。低密度かつ長期間で燃料噴射した場合のミキシングに関する説明図。第１実施形態の燃料噴射制御処理を示すフローチャート。要求噴射圧設定用マップの一例を示す図。噴射回設定用マップの一例を示す図。複数回噴射の具体的態様を示す図。第２実施形態の燃料噴射処理を示すフローチャート。他の実施形態の複数回噴射の具体的態様を示す図。

　（第１実施形態）
　以下、第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は、気体燃料である圧縮天然ガス（ＣＮＧ）をエンジン燃焼用の燃料として単独で使用する。

　図１に示すエンジン１０は直列３気筒の火花点火式エンジンよりなり、その吸気ポート及び排気ポートには、吸気系統１１、排気系統１２がそれぞれ接続されている。吸気系統１１は、吸気マニホールド１３と吸気管１４とを有している。吸気マニホールド１３は、エンジン１０の吸気ポートに接続される複数（エンジン１０の気筒数分）の分岐管部１３ａと、その上流側であって吸気管１４に接続される集合部１３ｂとを有している。吸気管１４には、空気量を調整するスロットル弁１５が設けられている。このスロットル弁１５は、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１５ａにより開度調節される電子制御式のスロットル弁として構成されている。スロットル弁１５の開度（スロットル開度）は、スロットルアクチュエータ１５ａに内蔵されたスロットル開度センサ１５ｂにより検出される。また、エンジン１０の吸気ポートには吸気バルブが設けられており、吸気バルブの開動作により空気と燃料との混合気が気筒２４内に導入される。

　排気系統１２は、排気マニホールド１６と排気管１７とを有している。排気マニホールド１６は、エンジン１０の排気ポートに接続される複数（エンジン１０の気筒数分）の分岐管部１６ａと、その下流側であって排気管１７に接続される集合部１６ｂとを有している。エンジン１０の排気ポートには排気バルブが設けられており、排気バルブの開動作によりエンジン１０の燃焼後の排気がエンジン１０の各気筒２４内から排気管１７に排出される。排気管１７には、排気の成分を検出する排気センサ１８と、排気を浄化する触媒１９とが設けられている。排気センサ１８としては、排気中の酸素濃度から空燃比を検出する空燃比センサが設けられている。

　エンジン１０の各気筒２４には点火プラグ２０が設けられている。点火プラグ２０には、点火コイル等よりなる点火装置２０ａを通じて、所定の点火時期に高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２０の対向電極間に火花放電が発生し、気筒２４内（燃焼室内）に導入された燃料が着火され燃焼に供される。

　本システムは、エンジン１０に対して燃料を噴射供給する燃料噴射弁として、気体燃料（ＣＮＧ燃料）を噴射する燃料噴射弁２１が設けられている。燃料噴射弁２１は、吸気ポート（分岐管部１３ａ）に燃料を噴射するポート噴射式となっている。

　燃料噴射弁２１は、電磁駆動部が電気的に駆動されることで弁体が閉位置から開位置にリフトされる開閉タイプの制御弁であり、制御部８０から入力されるオン／オフ式の開弁駆動信号により開弁駆動される。燃料噴射弁２１は、通電により開弁し、通電遮断により閉弁するとともに、通電時間に応じた量の燃料を噴射する。なお、本実施形態では、燃料噴射弁２１の先端部に噴射管２３が接続されており、燃料噴射弁２１から噴出された気体燃料は、噴射管２３を介して吸気ポートに噴射されるようになっている。

　次に、燃料噴射弁２１に対して気体燃料を供給する気体燃料供給部４０について説明する。気体燃料供給部４０には、ガスタンク４２と燃料噴射弁２１とを接続するガス配管４１が設けられており、ガス配管４１の途中に、燃料噴射弁２１に供給される気体燃料の圧力を減圧調整する機能を有するレギュレータ４３が設けられている。本実施形態のレギュレータ４３は電磁駆動式であり、レギュレータ４３の電磁駆動部に対する通電制御により、ガスタンク４２内に貯蔵された高圧状態（例えば最大２０ＭＰａ）の気体燃料を減圧して燃料噴射弁２１の噴射圧を可変調整するものとなっている。減圧調整後の気体燃料は、ガス配管４１を通って燃料噴射弁２１に供給される。

　ガス配管４１には更に、ガスタンク４２の燃料出口の付近に配置されたタンク主止弁４４と、タンク主止弁４４よりも下流側であってレギュレータ４３の燃料入口の付近に配置された遮断弁４５とが設けられている。これら各弁４４，４５によって、ガス配管４１における気体燃料の流通が許容及び遮断される。タンク主止弁４４及び遮断弁４５はいずれも電磁式の開閉弁であり、非通電時において気体燃料の流通が遮断され、通電時において気体燃料の流通が許容される常閉式である。また、ガス配管４１において、レギュレータ４３の上流側及び下流側には、燃料圧力を検出する圧力センサ４６ａ，４６ｂ、燃料温度を検出する温度センサ４７ａ，４７ｂが設けられている。

　制御部８０は、ＣＰＵ８１と、ＲＯＭ８２と、ＲＡＭ８３と、バックアップＲＡＭ８４と、インターフェース８５と、双方向バス８６とを備えている。ＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２、ＲＡＭ８３、バックアップＲＡＭ８４及びインターフェース８５は、双方向バス８６によって互いに接続されている。

　ＣＰＵ８１は、本燃料噴射システムにおける各部の動作を制御するためのルーチン（プログラム）を実行する。ＲＯＭ８２には、ＣＰＵ８１が実行するルーチン、及びこのルーチン実行の際に参照されるマップ（テーブルや関係式等を含む）、パラメータ等の各種データが予め格納されている。ＲＡＭ８３は、ＣＰＵ８１がルーチンを実行する際に、必要に応じてデータを一時的に格納する。バックアップＲＡＭ８４は、電源が投入された状態でＣＰＵ８１の制御下でデータを適宜格納するとともに、この格納されたデータを電源遮断後も保持する。

　インターフェース８５は、上述したスロットル開度センサ１５ｂ、排気センサ１８、圧力センサ４６ａ，４６ｂ、温度センサ４７ａ，４７ｂや、本システムに設けられたその他のセンサ類（クランク角センサ、冷却水温センサ、カム角センサ、エアフロメータ、車速センサ、アクセルセンサ、ブレーキセンサ等）と電気的に接続されており、これらのセンサからの出力（検出信号）をＣＰＵ８１に伝達する。また、インターフェース８５は、スロットルアクチュエータ１５ａ、点火装置２０ａ、燃料噴射弁２１、タンク主止弁４４、遮断弁４５等の駆動部と電気的に接続されており、ＣＰＵ８１から送出された駆動信号を駆動部に向けて出力することにより各駆動部を駆動させる。すなわち、制御部８０は、上述のセンサ類の出力信号等に基づいてエンジン１０の運転状態を取得し、その取得した運転状態に基づいて上述の駆動部の制御を実施する。

　一般に、気体燃料用の燃料噴射弁２１の流量サイズや噴射圧は、エンジン１０の最高回転速度かつ最高負荷で、つまり使用頻度が比較的高い通常運転域よりも高回転高負荷の運転領域でも必要な燃料量を燃焼室内に供給できるように設計されている。また、燃料噴射弁２１の噴射圧を基準として噴射圧を設定すると、通常運転域のように要求噴射量が比較的少ない運転領域でも、高回転高負荷の運転領域で運転する場合と同様、高密度の燃料が燃料噴射弁２１から噴射される。この場合、通常運転域では、噴射に要するクランク角期間（噴射期間）が必然的に短くなる。

　気体燃料（本実施形態ではＣＮＧ燃料）は、ガソリン等の液体燃料に比べて単位質量あたりの体積が大きく、燃料噴射弁２１から噴射された燃料が吸気管内に占める比率が大きくなる。また、気体燃料と空気とは、比較的混ざりにくい。そのため、燃料噴射弁２１から気体の状態で噴射された燃料は、燃料の固まりとなって空気を押し退けて、例えば吸気バルブ付近に局所的に滞留しやすい傾向がある。特に、短期間にかつ高密度で噴射された燃料で燃料の局在化が大きくなりやすい。また、燃料噴射弁２１から噴射した燃料が局所的に滞留すると、吸気バルブの開弁に伴う空気の吸引タイミングと燃料の吸引タイミングとが別々になり、空気と燃料との混合が不十分のまま燃焼が行われる。その結果、燃費やエミッションに悪影響を及ぼすことが懸念される。

　エンジン１０の通常運転域において、最高回転速度かつ最高負荷での運転時を基準に設定した最大噴射圧α１（例えば０．３～０．４ＭＰａ）で燃料噴射を実施した場合の燃料と空気とのミキシング程度について、図２を用いて説明する。なお、図２中、（ａ）は、図に示す噴射時期で燃料噴射を実施し、その後クランク角位相が圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）付近となった場合の燃焼室内の燃料の均質度を示し、（ｂ）は、燃焼室内における乱流強度を示す。また、ＩＮＪは、燃料噴射弁２１の噴射時期を示し、Ｖｉｎは、吸気バルブの開弁時期を示す。図２では、２つの異なる噴射時期で燃料噴射を実施した場合を示しており、ＩＮＪ（Ｉ）は、吸気バルブの閉弁期間中に燃料噴射する閉弁噴射を示し、ＩＮＪ（ＩＩ）は、吸気バルブの開弁期間中の少なくとも一部を含む期間で燃料噴射する開弁噴射を示している。また、図２では、低回転低負荷領域での運転時（例えばアイドル運転時）を想定している。

　燃料噴射弁２１による燃料噴射を最大噴射圧α１で実施した場合、燃料噴射弁２１から吸気ポートに対して高密度の燃料が短期間で噴射される。この場合、図２に示すように、燃焼室内の燃料の均質度については、閉弁噴射ＩＮＪ（Ｉ）によれば十分に高くできるのに対し、開弁噴射ＩＮＪ（ＩＩ）とした場合には閉弁噴射ＩＮＪ（Ｉ）よりも低下してしまう。また、燃焼室内の乱流強度については、開弁噴射ＩＮＪ（ＩＩ）によれば十分に高くできるのに対し、閉弁噴射ＩＮＪ（Ｉ）とした場合には開弁噴射ＩＮＪ（ＩＩ）よりも低下してしまう。つまり、閉弁噴射ＩＮＪ（Ｉ）とすると、燃焼室内における燃料の均質度を十分に確保できる反面、乱流強度が低下する。また、開弁噴射ＩＮＪ（ＩＩ）とすると、燃焼室内における乱流強度は十分に高くできる反面、燃焼室内に吸引される混合気のミキシング不良に起因して燃料の均質度が低下する。このように、エンジン１０の通常運転域において、最高回転速度かつ最高負荷での運転時を基準に設定した噴射圧α１で燃料噴射を行うと、燃料の均質度及び乱流強度の一方のパラメータと他方のパラメータとが相殺し合うことにより、結局のところ混合気のミキシング向上を十分に図ることができない。

　燃料と空気とのミキシング向上を図るための方法として、燃料噴射弁２１から噴射された気体燃料が燃焼室内へ供給される期間（燃料供給期）を長期化させる。すなわち、燃焼室内への気体燃料の供給期間を長期化させた場合、必要な量の気体燃料を低密度で噴射できるとともに、通常運転域のように必要な燃料量が比較的少ない運転領域でも、燃料の噴射期間を所定クランク角以上に長期化することができる。また、噴射燃料の低密度化と噴射期間の長期化とにより、気体燃料と空気との接触面積が増え、互いに混ざりやすくなる。これにより、燃料と空気との混合が促進されることとなる。

　本実施形態では、エンジン１０の通常運転域で運転する場合、燃料噴射弁２１から噴射された気体燃料が燃焼室内に供給されている期間（燃料供給期間）を長期化させる噴射態様で、燃料噴射弁２１による気体燃料の噴射を実施することとしている（長期化噴射制御）。また、長期化噴射制御として、特に本実施形態では、エンジン１０の通常運転域において、エンジン１０の運転状態に基づいて燃料噴射弁２１の噴射圧（噴射率）を可変にする噴射圧可変制御を実施している。具体的には、エンジン１０の通常運転域では、低回転であるほど又は低負荷であるほど、燃料噴射弁２１の噴射圧を小さくしている。これにより、エンジン１０が低回転又は低負荷であるほど、燃料が低密度で噴射されるようにしている。

　本実施形態における噴射圧可変制御について、図３を用いて詳細に説明する。図３は、図２と同じ運転領域において、最大噴射圧α１よりも低圧の噴射圧α２（例えば０．１ＭＰａ）で開弁噴射により燃料噴射を実施した場合を想定している。なお、ＩＮＪは、燃料噴射弁２１の噴射時期を示し、Ｖｉｎは、吸気バルブの開弁時期を示す。

　図３において、燃料噴射弁２１による燃料噴射を噴射圧α２とした場合、燃料噴射弁２１から吸気ポートに対して、低密度の燃料が長期間に亘って噴射される。これにより、燃料の噴流と空気との接触面積を拡大でき、燃料と空気とが混合されやすくなる。また特に、噴射期間の少なくとも一部が吸気バルブの開弁期間と重複する噴射態様（開弁噴射）とすることにより、燃料と空気とを燃焼室内に同時に取り込みやすくなり、むしろ均質度が上がる傾向が見られる（図３の（ａ）参照）。また、燃焼室内における乱流強度は、図３の（ｂ）に示すように、開弁噴射とすることにより高くなり、乱流促進効果によりミキシング向上が期待できる。これらの事象に鑑み、本実施形態では、燃料噴射弁２１による気体燃料の噴射を低密度で行って長期化させるとともに、開弁噴射とすることにより、均質度及び乱流強度の向上によるミキシング向上を図るようにしている。また、本実施形態では、図３に示すように、噴射終了時期を吸気行程後半に設定することにより、吸気行程の過半で燃焼室内に燃料を供給するようにしている。このようにして、吸気行程よりも前に噴射を完了させる場合よりも高い均質度を確保するようにしている。

　次に、本実施形態の気体燃料の噴射制御処理の処理手順を図４のフローチャートを用いて説明する。この処理は、制御部８０により所定時間周期で、又は所定クランク角毎に繰り返し実行される。

　図４において、ステップＳ１１では、エアフロメータやクランク角センサの検出値から充填効率及びエンジン回転速度を算出する。ステップＳ１２では、算出した充填効率及びエンジン回転速度に基づいて、燃料噴射弁２１の要求噴射量を算出する。このとき、エンジン回転速度が高いほど、又は充填効率が大きいほど（エンジン負荷が高いほど）、要求噴射量として大きい値が算出される。

　ステップＳ１３では、算出した充填効率及びエンジン回転速度に基づいて、燃料噴射弁２１の要求噴射圧を算出する。本実施形態では、エンジン回転速度と充填効率とをパラメータとする要求噴射圧設定用のマップが予め記憶してあり、同マップを用いて、今現在の充填効率及びエンジン回転速度に対応する要求噴射圧を読み出す。

　図５に、要求噴射圧設定用マップの一例を示す。このマップによれば、エンジン回転速度が高いほど、又は充填効率が大きいほど（エンジン負荷が高いほど）、要求噴射圧が高圧側の値に設定されるようになっている。また特に、このマップでは、燃料が不足しやすい高回転の領域だけでなく、エンジン１０の通常運転域（図５では、点線よりも低回転側の領域）についても要求噴射圧が可変に設定される。

　より具体的には、エンジン回転速度及び充填効率に応じて区分された複数の運転領域（図５では５つの領域ａ～ｅ）のうち、エンジン回転速度及び充填効率が最も高い運転領域“ｅ”では、要求噴射圧が、最高回転速度かつ最高負荷での運転時を基準に設定した噴射圧Ｑ５（例えば０．４ＭＰａ）に設定されるようになっている。また、エンジン回転速度及び充填効率が最も低い運転領域“ａ”では、要求噴射圧が、噴射圧Ｑ５よりも低圧側であって、かつ燃料噴射弁２１の出口の流速が音速を下回らないような圧力Ｑ１（例えば０．１ＭＰａ）に設定される。このとき、エンジン回転速度の比と要求噴射圧の比とが略同じなっていてもよい。例えば６０００ｒｐｍでの要求噴射量を所定値Ｑａとしたならば、２０００ｒｐｍでの要求噴射圧を所定値Ｑａの３分の１程度としてもよい。なお、通常運転域について本実施形態では、エンジン回転速度がＮｍ（例えば２０００～３０００ｒｐｍ）よりも低回転側であって、かつ充填効率がＱｍ（例えば全負荷に対応する充填効率）よりも低負荷側としている。

　その後、ステップＳ１４では、算出した要求噴射圧に基づいて噴射圧制御を実施する。ここでは、レギュレータ４３の電磁駆動部に対する通電量を制御することにより、燃料噴射弁２１の噴射圧が要求噴射圧になるようにする。また、ステップＳ１５では、要求噴射量を噴射するための燃料噴射弁２１の噴射パルスをセットする（噴射時期制御）。このとき、噴射パルスは、燃焼気筒の吸気行程後半まで燃焼室内への気体燃料の供給が継続されるようにセットする。本実施形態では、燃焼気筒の吸気行程後半に噴射が終了するように噴射パルスをセットする。こうして噴射パルスがセットされることにより各気筒で気体燃料の噴射が実行される。

　噴射時期制御について本実施形態では、燃料噴射弁２１の噴射圧が要求噴射圧よりも高い場合に、燃料噴射弁２１による気体燃料の噴射時期を進角側に補正することとしている（補正部）。過渡的なエンジン運転条件では、燃料噴射弁２１の噴射圧が一時的に要求噴射圧よりも高圧になることがある。また、噴射圧が高圧側であるほど燃料が高密度となり、混合気のミキシング不良が生じるおそれがある。この点を考慮し、エンジン１０が高回転高負荷の運転領域から低回転低負荷側のエンジン運転領域に移行する過渡的なエンジン運転条件では、噴射時期を進角側に補正する。この補正により、燃料と空気との混合時間を稼ぎ、過渡的な均質性の悪化を抑制するようにしている。

　以上詳述した本実施形態によれば、次の効果が得られる。

　通常運転域で内燃機関の運転を行っている場合には、燃料噴射弁により吸気ポートに噴射された気体燃料の燃焼室内への供給期間を長期化させる噴射態様で気体燃料を噴射する構成とした。この構成によれば、通常運転域のように必要な燃料量が比較的少ない運転領域でも、燃料供給期間が所定クランク角以上になるように制御することができる。このような噴射制御によれば、噴射燃料が空気中に滞留している期間を長期化させたり、燃料の低密度化により燃料と空気との接触面積を増やしたりすることができる。その結果、燃料と空気とを十分に混合することができ、通常運転域での燃焼改善を図ることができる。

　長期化噴射制御として、通常運転域では、エンジン運転状態に基づいて燃料噴射弁２１の噴射圧を可変に制御する噴射圧可変制御を実施する構成とした。この構成によれば、気体燃料を低密度で噴射できるとともに、通常運転域のように必要な燃料量が比較的少ない運転領域でも、燃料の噴射期間を所定クランク角以上に長期化することができる。このような噴射燃料の低密度化と噴射期間の長期化とにより、燃料と空気とを十分に混合することができる。

　高密度の気体燃料を短期間で噴射する噴射態様では、吸気行程で気体燃料を噴射した場合、噴射終了時期から点火時期までの時間が短く、燃料と空気との混合が十分でない結果、圧縮上死点における均質度が低下する傾向にある（図２の（ａ）参照）。これに対し、低密度の気体燃料を長期間で噴射する噴射態様では、吸気行程で気体燃料を噴射することにより、圧縮上死点における均質度を高くすることができる（図３の（ａ）参照）。この点に鑑み、燃料噴射弁２１の噴射期間の少なくとも一部が吸気バルブの開弁期間と重複するように、燃料噴射弁２１による気体燃料の噴射を実施する構成とした。この構成によれば、点火時期（圧縮上死点）における燃料と空気との均質度を十分に高くすることができるとともに、乱流促進効果も期待することができる（図３参照）。また、この相乗効果により燃焼改善効果を一層高めることができる。

　また、エンジン１０の吸気行程後半まで燃焼室内に気体燃料が供給されるように、燃料噴射弁２１による気体燃料の噴射を実施する構成とした。この構成によれば、吸気行程の過半の期間、気体燃料を燃焼室内に供給し続けることができ、吸気行程の噴射による乱流促進効果と相まって燃料と空気とのミキシングをより好適に実施することができる。

　燃料噴射弁２１の噴射圧が要求噴射圧よりも高い場合に、燃料噴射弁２１による気体燃料の噴射時期を進角側に補正する構成とした。過渡的なエンジン運転条件では、燃料噴射弁２１の噴射圧が一時的に要求噴射圧よりも高圧になることがあるが、上記構成とすることにより、燃料噴射弁２１の噴射圧が要求噴射圧よりも高い場合には燃料と空気との混合時間を稼ぐことによって、過渡的な均質性の悪化を抑制することができる。

　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に説明する。上記第１実施形態では、長期化噴射制御として、エンジン１０の通常運転域では、エンジン１０の運転状態に基づいて燃料噴射弁２１の噴射圧（噴射率）を可変にする噴射圧可変制御を実施する構成とした。これに対し、本実施形態では、長期化噴射制御として、通常運転域では、それよりも高回転側の運転領域に対して、エンジン１０の１燃焼サイクル内における噴射回数を多くする回数増大制御を実施する構成とする。

　すなわち、本実施形態では、噴射を複数回に分割して実施することにより、１燃焼サイクル内における噴射開始から噴射終了までのクランク期間を長期化させる。また、噴射のクランク期間を長期化させることにより、エンジン１０の燃焼室内に供給される噴射期間を長期化させる。こうした制御により、燃料と空気との混合を促進させ、エンジン運転状態に応じて噴射圧を可変にする制御と同様の効果を得るようにしている。

　なお、燃料噴射弁２１の噴射圧は固定圧でも可変圧でもよいが、本実施形態では、レギュレータ４３により、最高回転速度及び最高負荷で必要量の燃料を噴射可能な所定の設定圧（例えば０．３～０．４ＭＰａ）で一定圧に制御する。レギュレータ４３は機械駆動式であっても電磁駆動式であってもよい。

　具体的には、図６に示すように、通常運転域よりも高回転側の運転領域（図６では、点線よりも高回転側の領域）では、１燃焼サイクル（吸気行程→圧縮行程→膨張行程→排気行程）内で燃料噴射を１回実施する１回噴射とする。これに対し、通常運転域（図６では、点線よりも低回転側の領域）では、１燃焼サイクル内で燃料噴射を複数回（本実施形態では２回）実施する複数回噴射とする。

　また、複数回噴射の実施態様として本実施形態では、吸気バルブの閉弁期間と開弁期間とに燃料噴射を実施することとしている。具体的には、図７に示すように、点火時期までの時間を長くするために、複数回の燃料噴射のうち、先の燃料噴射ＩＮＪ１は、吸気バルブの開弁期間Ｖｉｎの前に行う。また、後の燃料噴射ＩＮＪ２については、吸気バルブの開弁期間Ｖｉｎと重複するように、つまりバルブ開により気流が生じてから行う。

　またこのとき、先の燃料噴射ＩＮＪ１については、開弁期間Ｖｉｎの直前（本実施形態では排気行程）で行う。また、１燃焼サイクルにおける複数回の燃料噴射のうち、最終の燃料噴射（図７では後の燃料噴射ＩＮＪ２）の噴射量を、それよりも先に実施される各回の燃料噴射（図７では先の燃料噴射ＩＮＪ１）の噴射量よりも少なくするようにしている。最終の燃料噴射では、噴射終了から点火時期までの期間が短いため、最終の燃料噴射で（図７では吸気行程の後半に）高濃度の燃料を多く噴射した場合、燃料の均質性が悪化するおそれがあるためである。

　次に、本実施形態の気体燃料の噴射制御処理の処理手順を図８のフローチャートを用いて説明する。この処理は、制御部８０により所定時間周期で、又は所定クランク角毎に繰り返し実行される。なお、図８の説明では、図４と同じ処理については図４のステップ番号を付してその説明を省略する。

　図４において、ステップＳ２１，Ｓ２２では、図４のステップＳ１１，Ｓ１２と同じ処理を実行する。続くステップＳ２３では、算出した充填効率及びエンジン回転速度に基づいて、１燃焼サイクル内での噴射回数を設定する。ここでは、エンジン回転速度と充填効率とをパラメータとする噴射回設定用のマップ（図６のマップ）が予め記憶してあり、同マップを用いて、今現在の充填効率及びエンジン回転速度に対応する噴射回数を読み出す。

　ステップＳ２４では、複数回噴射の運転領域か否かを判定する。１回噴射の運転領域の場合、つまり通常運転域よりも高回転側の運転領域の場合には、ステップＳ２６へ進み、図４のステップＳ１５と同様の処理を実行する。

　一方、複数回噴射の運転領域の場合、つまり通常運転域の場合には、ステップＳ２４で肯定判定され、ステップＳ２５へ進む。ステップＳ２５では、各回の噴射量を算出する。ここでは、先の燃料噴射の噴射量の方が後の燃料噴射の噴射量よりも多くなるように、かつ先の燃料噴射の噴射量と後の燃料噴射の噴射量との合計が要求噴射量となるように、各回の噴射量を算出する。例えば、要求噴射量に所定比率β（０．５＜β＜１）を乗算した値を先の燃料噴射の噴射量とし、残りを後の燃料噴射の噴射量とする。その後、ステップＳ２６へ進み、算出した各回の噴射量に基づいて、図４のステップＳ１５と同様、噴射時期制御を実行する。

　以上述べたように、第２実施形態では、長期化噴射制御として、通常運転域では、通常運転域よりも高回転側の運転領域よりも、エンジン１０の１燃焼サイクル内の噴射回数を多くする回数増大制御を実施する構成とした。この構成によれば、通常運転域のように必要な燃料量が比較的少ない運転領域でも、その必要量の燃料を分割して噴射することにより、１燃焼サイクル内における噴射開始から噴射終了までの期間を長期化させることができる。また、噴射開始から噴射終了までの期間を長期化させることにより、燃焼室内への燃料の供給期間を長引かせることができる。その結果、燃料と空気との混合が促進され、通常運転域での燃焼改善を図ることができる。

　特に、燃料噴射弁２１の噴射圧を所定の設定圧で一定圧に制御するシステムの場合には、上記第１実施形態のように噴射圧の可変制御による燃料供給期間の長期化を行うことができない。したがって、長期化噴射制御して回数増大制御を実施する場合には、噴射圧を一定圧に制御するシステムにおいても、通常運転域での燃焼改善を図ることができる。

　回数増大制御として、通常運転域では気体燃料の噴射を１燃焼サイクル内で複数回実施するとともに、その複数回の燃料噴射を吸気バルブの閉弁期間と開弁期間とに実施する構成とした。複数回噴射の一部を閉弁期間に実施することにより、噴射終了から点火時期までの期間を確保しつつ、燃料と空気との接触面積を増やすことが可能となる。また、複数回噴射の一部を更に開弁期間に実施することにより、燃焼室内への燃料の供給期間を長引かせつつ、乱流促進効果を得ることが可能となる。よって、これらの相乗効果により、燃料と空気との混合が促進され、燃焼改善を一層図ることができる。

　最終の燃料噴射で高濃度の燃料を多く噴射した場合、燃料の均質性が悪化するおそれがあることを考慮し、１燃焼サイクル内の複数回の燃料噴射のうち最終の燃料噴射の噴射量を、それよりも先に実施される燃料噴射の噴射量よりも少なくする構成とした。こうすることにより、分割噴射によって燃料の均質性が悪化することを回避しつつ、燃料供給期間の長期化による均質性向上の効果を得ることができる。

　（他の実施形態）
　本開示は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

　上記第２実施形態では、複数回噴射を開弁噴射と閉弁噴射とにより実施し、そのうち閉弁噴射については、吸気バルブの開弁期間の直前に（排気行程で）実施する構成とした。図９に示すように、閉弁噴射を吸気バルブの開弁期間の直後に（圧縮行程で）実施する構成としてもよい。この場合、燃料噴射弁２１から噴射された気体燃料が吸気ポート内に滞留する期間を長くすることができ、ミキシング向上を図ることが可能となる。また、複数回噴射を開弁噴射と閉弁噴射とにより実施する構成において、閉弁噴射の噴射時期を膨張行程としてもよい。

　上記第２実施形態において、複数回噴射の全てを閉弁噴射としてもよい。具体的には、吸気バルブの開弁期間の直後（圧縮行程）と、次回の開弁期間の直前（圧縮行程）とに実施する構成としてもよい。

　吸気バルブの開弁期間の直後に（圧縮行程で）燃料噴射する場合、その圧縮行程噴射については、圧縮行程噴射の噴射量を算出する時点でのエンジン運転状態に基づいて要求噴射量（第１要求噴射量）を算出するとともに、次回の燃料噴射については、その噴射量の算出時点でのエンジン運転状態に基づいて算出した要求噴射量（第２要求噴射量）から第１要求噴射量を差し引いて求めた不足分の燃料量としてもよい。

　上記第２実施形態において、複数回噴射の全てを開弁噴射としてもよい。例えば２回噴射とする場合には、吸気行程の前半と後半とに噴射時期をセットすることが好ましい。これにより、燃料噴射弁２１から噴射された気体燃料が燃焼室内に吸引される期間を吸気行程の大半とすることができ、燃焼室内への燃料供給期間を長期化させることができる。

　上記第１実施形態では、長期化噴射制御として、通常運転域においてエンジン運転状態に基づき噴射圧を可変にする構成としたが、噴射圧の可変制御とともに、エンジン運転状態に基づき１燃焼サイクル内の噴射回数を可変にする回数増大制御を実施する構成としてもよい。

　上記実施形態では、回数増大制御における複数回噴射の噴射回数を２回としたが、３回以上としてもよい。

　上記第２実施形態では、通常運転域では噴射回数を一定（２回）としたが、通常運転域内において、エンジン運転状態に応じて噴射回数を可変に設定してもよい。具体的には、通常運転域をエンジン運転状態に応じて複数の領域に区分し、その領域ごとに噴射回数を可変に設定する。このとき、例えばエンジン回転速度及びエンジン負荷に応じて２つの領域に区分し、そのうち、より低回転低負荷側の領域の噴射回数を３回に設定し、他方の領域の噴射回数を２回に設定する。

　上記実施形態では、エンジン燃焼用の燃料として気体燃料のみを使用するガス専用の車載エンジンに適用する場合について説明したが、エンジン燃焼用の燃料として気体燃料と液体燃料とを使用するバイフューエルタイプの車載エンジンに適用してもよい。なお、液体燃料としては、例えばガソリン、軽油などが使用される。

　上記実施形態では、多気筒エンジンの気筒ごとに燃料噴射弁２１を複数設ける構成としたが、複数の気筒の共通部分に燃料噴射弁２１を設ける構成としてもよい。例えば、吸気系統１１の集合部分に対して気体燃料や液体燃料を噴射する構成としてもよい。

　上記実施形態では気体燃料をＣＮＧ燃料としたが、標準状態で気体のその他のガス燃料を用いることもでき、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、水素、ジメチルエーテルなどを主成分とする燃料を用いる構成としてもよい。

Claims

　内燃機関（１０）の吸気ポートに気体燃料を噴射する燃料噴射弁（２１）と、
　前記内燃機関が所定回転速度以下かつ所定負荷以下の通常運転域で運転している場合に、前記燃料噴射弁により噴射された気体燃料が前記内燃機関の燃焼室内に供給されている期間である燃料供給期間を長期化させる長期化噴射制御を実施する噴射制御部（８０）と、
を備えることを特徴とする内燃機関の噴射制御装置。
　前記噴射制御部（８０）は、前記長期化噴射制御として、前記通常運転域において、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記燃料噴射弁による前記気体燃料の噴射圧を可変にする噴射圧可変制御を実施する請求項１に記載の内燃機関の噴射制御装置。
　前記噴射制御部（８０）は、前記噴射圧可変制御として、前記燃料噴射弁による前記気体燃料の噴射期間の少なくとも一部が、前記内燃機関の吸気弁の開弁期間と重複するように、前記燃料噴射弁による前記気体燃料の噴射を実施する請求項２に記載の内燃機関の噴射制御装置。
　前記噴射制御部（８０）は、前記内燃機関の吸気行程後半まで前記燃焼室内に前記気体燃料が供給されるように、前記燃料噴射弁による前記気体燃料の噴射を実施する請求項２又は３に記載の内燃機関の噴射制御装置。
　前記噴射制御部（８０）は、前記長期化噴射制御として、前記通常運転域では、該通常運転域よりも高回転側の運転領域に対して、前記内燃機関の１燃焼サイクル内の噴射回数を多くする回数増大制御を実施する請求項１～４のいずれか一項に記載の内燃機関の噴射制御装置。
　前記噴射制御部（８０）は、前記回数増大制御として、前記通常運転域では前記燃料噴射弁による前記気体燃料の噴射を１燃焼サイクル内で複数回実施するとともに、その複数回の燃料噴射を前記内燃機関の吸気弁の閉弁期間と開弁期間とに実施する請求項５に記載の内燃機関の噴射制御装置。
　前記噴射制御部（８０）は、１燃焼サイクル内の複数回の燃料噴射のうち最終の燃料噴射の噴射量を、それよりも先に実施される燃料噴射の噴射量よりも少なくする請求項６に記載の内燃機関の噴射制御装置。
　前記燃料噴射弁による前記気体燃料の噴射圧が要求噴射圧よりも高い場合に、前記燃料噴射弁による前記気体燃料の噴射時期を進角側に補正する補正部（８０）を備える請求項１～７のいずれか一項に記載の内燃機関の噴射制御装置。