JP2007247522A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】スモーク、ＮＯｘおよびＨＣを同時に低減でき、エミッションを向上する。
【解決手段】燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関を冷間始動する際（ステップＳ１０肯定）、圧縮行程時に第１回目の燃料噴射を行い火花点火するとともに、膨張行程時に第２回目の燃料噴射を行うことにより触媒の昇温を図る内燃機関の燃料噴射制御装置において、要求トルクＴおよび要求排気温Ｅに応じて燃圧を低減し、第２回目の噴射率を低減するとともに、噴射開始時期を従来（標準燃圧時）よりも進角するようにした（ステップＳ１１〜Ｓ１６）。
【選択図】 図１

Description

この発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、更に詳しくは、粒子状物質（スモーク）、窒素酸化物（ＮＯｘ）および炭化水素（ＨＣ）を同時に低減でき、エミッションを向上できる内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
従来、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関を冷間始動する際、圧縮行程時に第１回目の燃料噴射を行い火花点火するとともに、膨張行程時に第２回目の燃料噴射を行うことにより触媒の昇温を図る内燃機関の燃料噴射制御装置が提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００２−２９５２７７号公報 特開平１０−１２２０１５号公報
しかしながら、上記従来技術にあっては、図１１に示すように、噴射時期を進角すると、排気バルブの開弁までの期間が長くなり、燃料の燃え残りが低減してＨＣが減少するが、筒内の温度が高いため燃焼が急激になり、燃焼温度が上がることによりＮＯｘが増加していた。また、空気との混合が不十分な状態で燃焼することにより、スモークが増加していた。ここで、図１１は、第２回目噴射の開始時期とエミッションとの関係を示す概念図である。
一方、噴射時期が遅角すると、排気バルブの開弁までの期間が短くなり、燃料の燃え残りが排気されてしまい、ＨＣが増加していた。また、筒内の温度が低いため燃焼が緩やかになり、燃焼温度が下がることによりＮＯｘが減少していた。また、空気との混合が促進され、良好な燃焼によりスモークが減少していた。
このように、膨張行程での２回目の噴射時期を進角すると、ＨＣは低減するがスモークおよびＮＯｘが増加し、噴射時期を遅角すると、スモークおよびＮＯｘは低減するがＨＣが増加してしまう。すなわち、これらは背反となり、スモーク、ＮＯｘおよびＨＣを同時に低減することができないという課題があった。したがって、スモーク、ＮＯｘおよびＨＣを同時に低減でき、エミッションを向上できる内燃機関の燃料噴射制御装置の提供が望まれていた。
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スモーク、ＮＯｘおよびＨＣを同時に低減でき、エミッションを向上できる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関を冷間始動する際、圧縮行程時に第１回目の燃料噴射を行い火花点火するとともに、膨張行程時に第２回目の燃料噴射を行うことにより触媒の昇温を図る内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射制御装置は、少なくとも前記膨張行程時の燃料噴射率を低減するように構成されていることを特徴とするものである。
したがって、この発明によれば、膨張行程時の燃料噴射率を低下させることにより急速な燃焼が抑制され、同じ噴射量であってもＮＯｘやスモークの発生を低減することができる。このため、噴射時期を進角することができ、排気バルブが開弁するまでの時間を長く確保できるので、この間に未燃ＨＣを燃焼させ易くできる。これにより、ＮＯｘやスモークの発生を低減し、ＨＣの発生をも低減することができる。
また、この発明の請求項２に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１に記載の発明において、前記燃料噴射率の低減は、前記燃料噴射弁の燃圧を低下させることにより行うことを特徴とするものである。
したがって、この発明によれば、燃圧を低減し噴射率を低減することにより、第２回目の燃焼が緩やかになり、スモークおよびＮＯｘが低減する。また、噴射時期を進角することにより排気バルブが開弁するまでの時間を長く確保できるので、この間に未燃ＨＣを燃焼させ易くできる。
また、この発明の請求項３に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、請求項１に記載の発明において、前記燃料噴射弁はリフト量を可変制御可能に構成され、前記膨張行程時の前記燃料噴射率の低減は、前記燃料噴射弁の前記リフト量を低下させることにより行うことを特徴とするものである。
したがって、この発明によれば、圧縮行程における第１回目の標準リフトによる標準噴射率の噴射によって燃料の微粒化は悪化せず、その点火によって必要なトルクが確保される。また、第２回目の噴射が拡散燃焼できる筒内温度が形成される。そして、膨張行程における第２回目の小リフトによる低噴射率の噴射によって燃焼が緩やかになり、スモークおよびＮＯｘを低減することができるとともに、噴射開始時期を従来（標準リフト時）よりも進角することによりＨＣも低減することができる。
また、この発明の請求項４に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関を冷間始動する際、圧縮行程時に第１回目の燃料噴射を行い火花点火するとともに、膨張行程時に第２回目の燃料噴射を行うことにより触媒の昇温を図る内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料のオクタン価を判別するオクタン価判別手段を更に備え、前記燃料噴射制御装置は、前記オクタン価判別手段によって判別された前記オクタン価に応じて前記膨張行程時の前記燃料噴射率を低減するように構成されていることを特徴とするものである。
したがって、この発明によれば、ノック発生時のオクタン価を推定または学習しておき、次回の低温始動時には、エミッションが向上するように、判別されたオクタン価に応じて上記第２回目の噴射時期を変更する。たとえば、スモーク、ＮＯｘおよびＨＣが最小となるように、高オクタン価燃料の場合は、それよりもオクタン価の低い燃料の場合よりも第２回目の噴射時期を遅角するとよい。これにより、良好なエミッションを実現することができる。
この発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置（請求項１）によれば、膨張行程時の燃料噴射率を低下させることにより急速な燃焼が抑制され、同じ噴射量であってもＮＯｘやスモークの発生を低減することができる。このため、噴射時期を進角することができ、ＨＣの発生をも低減することができる。
また、この発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置（請求項２）によれば、燃圧を低減し噴射率を低減することにより、第２回目の燃焼が緩やかになり、スモークおよびＮＯｘを低減することができるとともに、噴射開始時期を従来（標準燃圧時）よりも進角することによりＨＣも低減することができる。
また、この発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置（請求項３）によれば、トルクおよびトルク変動が悪化する虞を回避しつつ、良好なエミッションを実現することができる。
また、この発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置（請求項４）によれば、燃料のオクタン価に応じて第２回目の噴射時期を変更することにより、良好なエミッションを実現することができる。
以下に、この発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
先ず、本発明を適用するエンジン（内燃機関）の概略構成について図１に基づいて説明する。ここで、図２は、エンジンの概略構成を示す断面図であり、ピストン頂面に設けられたキャビティにより混合気を形成するいわゆるウォールガイド構成のエンジンを示したものである。
図２に示すように、エンジン１０は、燃料噴射弁２３によって燃料噴霧２３ａを燃焼室１０ａに直接噴射する直噴式の４サイクルガソリンエンジンであり、公知技術によって構成されている。
すなわち、エンジン１０の燃焼室１０ａは、シリンダボア１１とシリンダヘッド１３とシリンダボア１１内に往復動自在に配設されたピストン１２とによって構成されている。また、ピストン１２の頂面の吸気側部分には、成層燃焼を成立させるために凹状のキャビティ１２ａが形成されている。
また、燃焼室１０ａのほぼ中央には、混合気に点火するための点火プラグ１４が配設されている。また、燃焼室１０ａを臨む吸気ポート１５には吸気バルブ１６が配設され、燃焼室１０ａを臨む排気ポート１８には排気バルブ２０が配設されている。これらのバルブ１６，２０は、開閉動作タイミングを可変制御する可変バルブタイミング機構によって開閉制御されるようになっている。
また、図示を省略するが、エンジン１０の排気通路には、排気ガス中のスモークおよびＮＯｘ、ＨＣ等を浄化するための触媒装置を備えている。
上記バルブ１６，２０、点火プラグ１４、燃料噴射弁２３等の各構成要素は、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）によって制御される。
なお、本発明を適用する対象として、ウォールガイド構成のエンジン１０を図２に示したが、これに限定されない。
たとえば、図３に示すように、点火プラグ１４を燃料噴射弁２３の近傍に配置し、この燃料噴射弁２３で形成された混合気に点火するいわゆるスプレーガイド構成のエンジン１０に本発明を適用してもよい。ここで、図３は、スプレーガイド構成のエンジンを示す断面図である。
また、図示例を省略するが、気流によって混合気を点火プラグ近傍に導いてそれに点火するその他の構成のエンジンに本発明を適用してもよい。
つぎに制御方法について図１に基づいて説明する。ここで、図１は、この発明の実施例１に係る制御方法を示すフローチャートである。なお、以下の制御は、上述したＥＣＵ（内燃機関の燃料噴射制御装置）が実行する。
先ず、触媒暖機が必要か否かを判断する（ステップＳ１０）。触媒暖機が必要であると判断された場合（ステップＳ１０肯定）は、触媒暖機のアイドリング時に必要な要求トルクＴおよび触媒暖機に必要な要求排気温Ｅを算出し、決定する（ステップＳ１１）。
この要求トルクＴおよび要求排気温Ｅは、たとえばエンジンを始動してからの経過時間、エンジン冷却水の温度、エンジンオイルの温度、オルタネータ等の補器の電気的負荷、パワーステアリングの負荷等を総合的に考慮して算出される。
一方、触媒暖機が必要でないと判断された場合（ステップＳ１０否定）は、必要と判断されるまで待機する。
つぎに、後述する各種マップより、第１回目（以下、図中に１ｓｔと記す）の噴射および第２回目（以下、図中に２ｎｄと記す）の噴射の噴射量（噴射期間）、噴射時期を仮決定する（ステップＳ１２）。
すなわち、上記第１回目の噴射のパラメータは、上記ステップＳ１１で決定された要求トルクＴから、たとえば図示しないマップを用いて仮決定することができる。
また、上記第２回目の噴射のパラメータは、標準燃圧で上記要求排気温Ｅを確保し、かつ、エミッション（スモーク、ＮＯｘ、ＨＣの発生量）を最小化する噴射時期を図４に示すマップを用いて仮決定することができる。
ここで、図４は、噴射率および噴射量をパラメータとした第２回目噴射の開始時期とエミッションとの関係を示す概念図である。なお、図４中において、従来の標準燃圧時の場合を破線で示し、低燃圧時の場合を実線で示し、エミッション目標値を二点鎖線で示してある。また、第１回目の噴射後ＴＤＣ前に点火時期を示し、排気バルブ２０の開弁時期Ｔｅｖｏを図中に示した。
つぎに、上記ステップＳ１２で仮決定された値に基づいて、図４のマップを用いてエミッション（第１回目噴射分と第２回目噴射分の合計）を計算する（ステップＳ１３）。そして、このエミッションの計算値が、目標値を達成したか否かを判断する（ステップＳ１４）。
このエミッションの計算値が目標値を達成しているならば（ステップＳ１４肯定）、上記ステップＳ１２で仮決定した噴射時期、噴射期間等を確定し（ステップＳ１７）、制御を終える。
一方、エミッションの計算値が目標値を達成していないならば（ステップＳ１４否定）、上記ステップＳ１２で仮決定した噴射時期、噴射期間を修正する必要がある。そこで、図４に示すように、上記ステップＳ１２で仮決定された標準燃圧での第２回目噴射分（符号ａ）が、等噴射量でエミッション目標値（二点鎖線）を下回る（符号ｂ）ように、第２回目の噴射率（単位時間当たりの燃料噴射量）を低減する（ステップＳ１５）。
この噴射率の低減は、たとえば図５に示すように、燃料噴射弁２３の燃圧を標準燃圧から所定量下げて低燃圧とすることにより実現することができる。ここで、図５は、燃圧と噴射率との関係を示すマップである。
リフト量が一定の燃料噴射弁２３による燃圧は、第１回目および第２回目ともに同一であるので、上記ステップＳ１５を実行すると、第１回目の噴射率も同時に低減されることとなる。
なお、上記第２回目噴射における噴射率の低減は、たとえば図６に示すように、燃料噴射弁２３のリフト量を標準リフトから所定量下げて低リフトとすることにより実現することもできる（後述する実施例２を参照）。
この場合、第２回目における燃料噴射弁２３のリフト量制御は、第１回目のリフト量制御とは独立して行うことができ、第１回目の噴射率に影響を及ぼさないため、後述するステップＳ１６においては、第１回目の噴射時期および噴射期間の再設定は不要となる。ここで、図６は、リフト量と噴射率との関係を示すマップである。
つづいて、上記ステップＳ１５において燃圧を下げて噴射率を低減したので、噴射時期および噴射期間を再設定して確定値を算出する（ステップＳ１６）。すなわち、第１回目の噴射については、燃圧を下げて噴射率を低減した分、噴射期間を延長し、この噴射期間が延長されたのに伴って噴射開始時期を進める。
たとえば、図７と比較して図８に示すように、標準燃圧時における第１回目の噴射開始時期Ｔ１ｎ（図７参照）を、所定の低燃圧時では噴射開始時期Ｔ１（図８参照）に進角するとともに、標準燃圧時にＴ１ｎ〜Ｔ１ｎｅで示される噴射期間を、所定の低燃圧時ではＴ１〜Ｔ１ｎｅで示される噴射期間に延長する。
ここで、図７は、標準燃圧時における噴射および点火の概念を示すタイムチャート、図８は、低燃圧時における噴射および点火の概念を示すタイムチャートである。なお、これらの図中において、ピストン１２の圧縮上死点をＴＤＣとして示し、また第１回目の噴射を「１ｓｔ Ｉｎｊ」、第２回目の噴射を「２ｎｄ Ｉｎｊ」として黒塗り部分で示す。
また、その黒塗り部分の面積が噴射量、その横軸が噴射時間、縦軸側が噴射率を示している。また、スモークが多く発生し易い領域を斜線によるハッチングでスモーク多領域として示し、排気バルブ２０の開弁時期をＴｅｖｏと示してある。
また、標準燃圧時における第１回目の噴射開始時期をＴ１ｎ、その噴射終了時期をＴ１ｎｅ、第２回目の噴射開始時期をＴ２ｎ、その噴射終了時期をＴ２ｎｅと示してある。また、低燃圧時における第１回目の噴射開始時期をＴ１、その噴射終了時期をＴ１ｎｅ（標準燃圧時と同一）、第２回目の噴射開始時期をＴ２、その噴射終了時期をＴ２ｎｅ（標準燃圧時と同一）と示してある。
また、第２回目の噴射パラメータは、上述した図４のエミッションマップに基づいて定められる。すなわち、図４、図７および図８に示すように、上記ステップＳ１５で設定された低燃圧で上記要求排気温Ｅを確保し、かつ、エミッション（スモーク、ＮＯｘ、ＨＣの発生量）を最小化するように、標準燃圧時における第２回目の噴射開始時期Ｔ２ｎ（図７参照）を、所定の低燃圧時では噴射開始時期Ｔ２（図８参照）に進角するとともに、標準燃圧時にＴ２ｎ〜Ｔ２ｎｅで示される噴射期間を、所定の低燃圧時ではＴ２〜Ｔ２ｎｅで示される噴射期間に延長する（ステップＳ１６）。
以上のように、この実施例１に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、燃圧を低減し噴射率を低減することにより、第２回目の燃焼が緩やかになり、スモークおよびＮＯｘを低減することができるとともに、噴射開始時期を従来（標準燃圧時）よりも進角することによりＨＣも低減することができる。
図９は、この発明の実施例２に係る噴射および点火の概念を示すタイムチャートである。なお、以下の説明において、すでに説明した部材と同一もしくは相当する部材には、同一の符号を付して重複説明を省略または簡略化する。
上記実施例１の構成および制御方法は、第２回目の噴射燃圧を低下させることに伴い、燃料噴射弁２３の構造上、第１回目の燃圧も低下するため、燃料噴霧２３ａの微粒化が抑制され、第１回目の噴射および点火時期に大きく依存するトルクおよびトルク変動が悪化する虞がある。そこで、本実施例２では、第２回目の噴射率のみを低下させることで上記トルク等の悪化の虞を回避するようにした。
すなわち、本実施例２は、燃料噴射弁２３として、ニードル（図示せず）のリフト量が可変のものを採用し、図９に示すように、圧縮行程における第１回目の噴射時は標準リフトによる標準噴射率として点火するとともに、膨張行程における第２回目の噴射時のみ下げる（小リフトとする）ことで、第２回目の噴射率を低減するようにしたものである。
その他の構成および制御動作は、上記実施例１の場合とほぼ同様であるので、重複説明を省略する。ただし、第２回目における燃料噴射弁２３のリフト量制御は、第１回目のリフト量制御とは独立して行うことができ、第１回目の噴射率に影響を及ぼさないため、上述した図１のフローチャートにおけるステップＳ１６（第２回目の噴射率を燃圧低減により制御）においては、第１回目の噴射時期および噴射期間の再設定が不要となる点が異なる。
この結果、圧縮行程における第１回目の標準リフトによる標準噴射率の噴射によって燃料の微粒化は悪化せず、その点火によって必要なトルクが確保される。また、第２回目の噴射が拡散燃焼できる筒内温度が形成される。
そして、膨張行程における第２回目の小リフトによる低噴射率の噴射によって燃焼が緩やかになり、スモークおよびＮＯｘを低減することができるとともに、噴射開始時期を従来（標準リフト時）よりも進角することによりＨＣも低減することができる。
以上のように、この実施例２に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、トルクおよびトルク変動が悪化する虞を回避しつつ、良好なエミッションを実現することができる。
図１０は、この発明の実施例３に係る第２回目噴射の開始時期とエミッションとの関係を示す概念図であり、高オクタン価のハイオクガソリンと、通常オクタン価のレギュラーガソリンとを例にし、オクタン価によって第２回目の噴射時期（適合点）を変更する概念を示したものである。本実施例３でも、上記実施例１における図２または図３等に示した構成のエンジン１０に本発明を適用することができる。
上述してきた膨張行程における第２回目の噴射において噴射された燃料噴霧２３ａは、筒内の熱により自着火して燃焼する。一般に、燃料のオクタン価が上がると着火遅れ期間が長くなるため、噴射開始から自着火までの期間が長くなることが知られている。すなわち、オクタン価が高いほど着火時に燃焼する量が増加して燃焼が急激になるため、噴射開始時期が同じ場合にはスモークやＮＯｘの発生量が増加する傾向がある。
そこで、本実施例３では、エンジン１０の低回転・高負荷時にノックセンサ等によりノック発生を検出するとともに、図示しないＥＣＵ（オクタン価判別手段）により、ノック発生時のオクタン価を推定または学習しておき、次回の低温始動時には、エミッションが向上するようにオクタン価に応じて上記第２回目の噴射時期を変更するようにしたものである。
たとえば、図１０に示すように、スモーク、ＮＯｘおよびＨＣが最小となるように、ハイオクガソリン（高オクタン価燃料）の場合は、それよりもオクタン価の低いレギュラーガソリン（低オクタン価燃料）の場合よりも第２回目の噴射時期を遅角するようし、レギュラーガソリンの適合点ＲＰをハイオクガソリンの適合点ＨＰに設定したものである。
以上のように、この実施例３に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、燃料のオクタン価に応じて第２回目の噴射時期を変更することにより、良好なエミッションを実現することができる。
以上のように、この発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、直噴式の４サイクルガソリンエンジンに有用であり、特に、スモーク、ＮＯｘおよびＨＣを同時に低減でき、エミッションの向上を目指すエンジンに適している。
この発明の実施例１に係る制御方法を示すフローチャートである。 エンジンの概略構成を示す断面図である。 スプレーガイド構成のエンジンを示す断面図である。 噴射率および噴射量をパラメータとした第２回目噴射の開始時期とエミッションとの関係を示す概念図である。 燃圧と噴射率との関係を示すマップである。 リフト量と噴射率との関係を示すマップである。 標準燃圧時における噴射および点火の概念を示すタイムチャートである。 低燃圧時における噴射および点火の概念を示すタイムチャートである。 この発明の実施例２に係る噴射および点火の概念を示すタイムチャートである。 この発明の実施例３に係る第２回目噴射の開始時期とエミッションとの関係を示す概念図である。 第２回目噴射の開始時期とエミッションとの関係を示す概念図である。
符号の説明
１０ エンジン（内燃機関）
１０ａ 燃焼室
２０ 排気バルブ
２３ 燃料噴射弁
２３ａ 燃料噴霧
Ｔ１ 低燃圧時における第１回目の噴射開始時期
Ｔ１ｎ 標準燃圧時における第１回目の噴射開始時期
Ｔ２ 低燃圧時における第２回目の噴射開始時期
Ｔ２ｎ 標準燃圧時における第２回目の噴射開始時期
Ｔｅｖｏ 排気バルブの開弁時期
ＲＰ、ＨＰ 適合点

Claims (4)

  1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関を冷間始動する際、圧縮行程時に第１回目の燃料噴射を行い火花点火するとともに、膨張行程時に第２回目の燃料噴射を行うことにより触媒の昇温を図る内燃機関の燃料噴射制御装置において、
    前記燃料噴射制御装置は、少なくとも前記膨張行程時の燃料噴射率を低減するように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
  2. 前記燃料噴射率の低減は、前記燃料噴射弁の燃圧を低下させることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
  3. 前記燃料噴射弁はリフト量を可変制御可能に構成され、前記膨張行程時の前記燃料噴射率の低減は、前記燃料噴射弁の前記リフト量を低下させることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
  4. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、機関を冷間始動する際、圧縮行程時に第１回目の燃料噴射を行い火花点火するとともに、膨張行程時に第２回目の燃料噴射を行うことにより触媒の昇温を図る内燃機関の燃料噴射制御装置において、
    前記燃料のオクタン価を判別するオクタン価判別手段を更に備え、
    前記燃料噴射制御装置は、前記オクタン価判別手段によって判別された前記オクタン価に応じて前記膨張行程時の前記燃料噴射率を低減するように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
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