JP4039360B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料噴射装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下「吸気通路噴射弁」ともいう）と、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下「筒内噴射弁」ともいう）とを具備する燃料噴射装置が開示されている。この燃料噴射装置では、内燃機関を始動させるときには、吸気通路噴射弁と筒内噴射弁との両方から燃料を噴射するようにしている。特許文献１によれば、このように、内燃機関を始動させるときに両方の燃料噴射弁から燃料を噴射するのは、内燃機関を確実に始動させるため、すなわち、内燃機関の始動性を向上させるためであると説明されている。

また、特許文献２には、内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁（以下「ポート噴射弁」ともいう）と、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下「筒内噴射弁」ともいう）とを具備する燃料噴射装置が開示されている。この燃料噴射装置では、ポート噴射弁からは低オクタン価の燃料が噴射され、筒内噴射弁からは高オクタン価の燃料が噴射される。そして、この燃料噴射装置では、機関負荷に応じて、ポート噴射弁から燃料を噴射したり、両方の燃料噴射弁から燃料を噴射したりしている。特許文献２によれば、このように機関負荷に応じて燃料を噴射させる燃料噴射弁を変える（すなわち、燃焼室内の混合気中の燃料のオクタン価を変えている）のは、ノッキングの発生を確実に抑制するため、すなわち、耐ノッキング性を向上させるためであると説明されている。

特開２０００−２６５８７７号公報 特開２０００−１７９３６８号公報

ところで、内燃機関の分野では、最低限の内燃機関の始動性を確保することの他に、スモーク発生量をできるだけ低減することも求められる。すなわち、燃焼室における燃料の燃焼が不完全であると、燃焼室でスモークが発生し、こうしたスモークが燃焼室から排出されてしまう。そこで、内燃機関の分野では、こうしたスモークの発生量をできるだけ低減することも求められるのである。

そこで、本発明の目的は、内燃機関が始動されたときにスモークの発生量をできるだけ低減しつつ、最低限の内燃機関の始動性を確保することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と、内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する第２の燃料噴射弁とを具備し、第１の燃料噴射弁からは低オクタン価の燃料が噴射され、第２の燃料噴射弁からは高オクタン価の燃料が噴射されれる燃料噴射装置において、内燃機関が始動されたときには、内燃機関の温度が予め定められた温度よりも低いときには第１の燃料噴射弁からのみ、内燃機関の温度が前記予め定められた温度以上のときには第２の燃料噴射弁からのみ、それぞれ燃料を噴射する。
なお、本発明において、内燃機関が始動されたときとは、内燃機関が始動されてから一定期間が経過するまで、あるいは、内燃機関が始動されてから機関負荷が一定値を超えるまで、あるいは、内燃機関が始動されてから機関負荷が一定値を超えるか内燃機関が始動されてから機関負荷が一定値を超えない状態で一定期間が経過するまで、を意味する。

本発明者の研究によれば、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（本発明の第１の燃料噴射弁）から噴射される燃料が低オクタン価の燃料であって、吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁（本発明の第２の燃料噴射弁）から噴射される燃料が高オクタン価の燃料である場合、内燃機関が始動されたとき（以下「機関始動時」という）の内燃機関の温度（以下「機関温度」という）が比較的高いと、第２の燃料噴射弁から燃料を噴射させたほうが、最低限の内燃機関の始動性を確保しつつスモーク発生量をより低減できることが判明した。

すなわち、第２の燃料噴射弁から噴射される燃料は高オクタン価の燃料である分だけ燃焼性が低いが、第２の燃料噴射弁から噴射された燃料は燃焼室内における混合気中に良好に拡散する分だけ燃焼性が高くなる。そして、一般的に、燃料の燃焼性が高いほど、スモークの発生量は低減され、内燃機関の始動性は向上する。ところが、本発明者の研究により、最低限の内燃機関の始動性を確保しつつスモークの発生量をできるだけ低減するという要求を満たすのは、機関始動時の機関温度が比較的高いときであることが判明したのである。言い換えれば、機関始動時の機関温度が比較的低いときに、第２の燃料噴射弁から燃料を噴射させると、最低限の内燃機関の始動性が確保されないことが判った。一方、機関始動時の機関温度が比較的低いときに、第１の燃料噴射弁から燃料を噴射させると、スモークの発生量は若干多くなるが、最低限の内燃機関の始動性は確保されることが判った。

ここで、本発明によれば、機関始動時には、基本的には、第２の燃料噴射弁から燃料を噴射させるが、機関始動時の機関温度が予め定められた温度よりも低いときには、スモークの発生量をより低減するよりも最低限の内燃機関の始動性を確保することを優先し、第１の燃料噴射弁から燃料を噴射させるようにしている。したがって、これによれば、スモークの発生量ができるだけ低減されると共に最低限の内燃機関の始動性が確保されることになる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の燃料噴射装置を備えた内燃機関を示している。また、図１に示した内燃機関は、点火栓により燃料に点火するいわゆる火花着火式の内燃機関である。図１において、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気ポート、７は吸気弁、８は排気ポート、９は排気弁をそれぞれ示している。

シリンダヘッド３には、先端が燃焼室５内に露出するように点火栓１０が配置されている。また、シリンダヘッド３には、先端が燃焼室５内に露出して燃料を燃焼室５内に噴射するように燃料噴射弁１１が配置されている。この燃焼室５内に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下「筒内噴射弁」ともいう）１１には、オクタン価の低い燃料が供給されている。したがって、筒内噴射弁１１が作動せしめられると、筒内噴射弁１１からは、低オクタン価の燃料が噴射される。さらに、シリンダヘッド３には、先端が吸気ポート６内に露出して燃料を吸気ポート６内に噴射するように燃料噴射弁１２が配置されている。この吸気ポート６内に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下「ポート噴射弁」ともいう）１２には、オクタン価の高い燃料が供給されている。したがって、ポート噴射弁１２が作動せしめられると、ポート噴射弁１２からは、高オクタン価の燃料が噴射される。

吸気ポート６には、吸気枝管１３が接続されている。また、吸気枝管１３はサージタンク１４を介して吸気管１５に接続されている。また、吸気管１５内には、燃焼室５に流入する空気の量を制御するためのスロットル弁１６が配置されている。スロットル弁１６はステップモータ１７に接続されている。スロットル弁１６は、このステップモータ１７によって駆動される。さらに、スロットル弁１６上流の吸気管１５には、燃焼室５に流入する空気の量を測定するためのエアフローメータ１８が配置されている。

一方、排気ポート８には、排気枝管１９が接続されている。そして、排気枝管１９は、排気ガス中の特定成分を浄化するための触媒２０を備えた触媒コンバータ２１が接続されている。

また、シリンダブロック２には、内燃機関を冷却する冷却水の温度を検出する水温センサ２２が取り付けられている。この水温センサ２２によって検出される冷却水の温度に基づいて内燃機関の温度が推定される。

なお、本明細書において、吸気ポート６と吸気枝管１３とサージタンク１４と吸気管１５を総称して「吸気通路」と称することがある。

また、内燃機関には、電子制御装置（ＥＣＵ）３０が搭載されている。ＥＣＵ３０は、デジタルコンピュータからなり、双方向バス３１によって互いに接続されたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）３２と、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）３３と、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）３４と、入力ポート３５と、出力ポート３６とを具備する。エアフローメータ１８および水温センサ２２は、それぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に電気的に接続されており、エアフローメータ１８の出力信号および水温センサ２２の出力信号は、それぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０の踏込量に応じた出力信号を発生する負荷センサ４１が、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に電気的に接続されており、負荷センサ４１の出力信号は、対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。さらに、内燃機関のクランクシャフト（図示せず）の回転位相を検出するクランク角センサ４２が、入力ポート３５に電気的に直接接続されており、クランク角センサ４２の出力信号は、入力ポート３５に直接入力される。このクランク角センサ４２によって検出されるクランクシャフトの回転位相に基づいて機関回転数が算出される。

一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して点火栓１０、燃料噴射弁１１，１２、および、スロットル弁駆動用のステップモータ１７に電気的に接続されており、これら点火栓１０、燃料噴射弁１１，１２、および、スロットル弁駆動用のステップモータ１７の動作は、出力ポート３６から出力される信号によって制御される。

次に、本発明の燃料噴射の実施の形態について説明する。本実施形態では、機関始動時（これは、以下で説明する例では、内燃機関が始動されてから一定期間は経過していないが機関要求負荷が一定値を超えたとき（例えば、内燃機関に加速が要求されたとき）までの期間、あるいは、内燃機関が始動されてから機関要求負荷は一定値を超えていないが一定期間が経過するまでの期間を意味する）であって、内燃機関の温度（機関温度）が予め定められた温度（以下「所定温度」という）よりも高いときには、ポート噴射弁１２からのみ燃料を噴射させる。これによれば、上述したように、最低限の内燃機関の始動性が確保されると共にスモーク発生量が低減されるという利点があるが、これに加えて、以下のような利点もある。

すなわち、機関始動時、ポート噴射弁１２から噴射された燃料の一部が吸気ポートの壁面に付着することがある。しかしながら、吸気ポート壁面に付着した燃料は空気と共にしか燃焼室５内に吸入されないことから、吸気ポート壁面に付着した燃料が燃焼室５内に吸入されたときには燃焼室５内の混合気（以下単に「混合気」という）中に良好に拡散している。したがって、吸気ポート壁面に付着した燃料が最終的に燃焼室５からそのまま排出されてしまうことはほとんどない。一方、機関始動時に、筒内噴射弁１１から燃料が噴射されると、この燃料の一部が燃焼室５の壁面に付着することがある。このとき燃焼室５の壁面に付着した燃料は、燃焼室５からそのまま排出されてしまう可能性がある。まとめると、機関始動時にポート噴射弁１２から燃料を噴射することには、燃焼室５から排出される未燃燃料の量を低減できるという利点がある。

ところで、本実施形態では、機関始動時であって、機関温度が所定温度よりも低いときには、筒内噴射弁１１からのみ燃料を噴射させる。これによれば、上述したように、ポート噴射弁１２からのみ燃料を噴射した場合に比べて、スモークの発生量（および、未燃燃料の排出量）は若干多くなるが、最低限の内燃機関の始動性は確保される。

そして、機関始動時であって機関温度が所定温度よりも高いときにポート噴射弁１２から噴射すべき燃料の量（すなわち、目標燃料噴射量）ＴＡｐは、図２（Ａ）に示したように、機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとの関数のマップの形で予め設定されている。一方、機関始動時であって機関温度が所定温度よりも低いときに筒内噴射弁１１から噴射すべき燃料の量（目標燃料噴射量）ＴＡｓは、図２（Ｂ）に示したように、機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとの関数のマップの形で予め設定されている。そして、機関始動時には、機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとに基づいて、図２（Ａ）のマップまたは図２（Ｂ）のマップから、目標燃料噴射量ＴＡｐ、ＴＡｓが決定される。なお、図２（Ａ）のマップおよび図２（Ｂ）のマップでは、機関回転数Ｎが大きくなるほど目標燃料噴射量ＴＡｐ、ＴＡｓは多くなり、機関要求負荷Ｌが大きくなるほど目標燃料噴射量ＴＡｐ、ＴＡｓは多くなる傾向にある。

一方、機関始動時以外の時（以下「通常運転時」という）には、燃焼室５内に供給されるトータルの燃料の量が目標量（以下「目標トータル燃料量」という）となり、且つ、混合気中の燃料の平均オクタン価が目標オクタン価となるように、筒内噴射弁１１とポート噴射弁１２とから燃料が噴射される。すなわち、本実施形態では、図３（Ａ）に示したように、機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとの関数のマップの形で目標トータル燃料量ＴＡが設定されており、また、図３（Ｂ）に示したように、機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとの関数のマップの形で目標オクタン価ＴＯが設定されている。そして、通常運転時には、機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとに基づいて、図３（Ａ）のマップから、目標トータル燃料量ＴＡが決定され、図３（Ｂ）のマップから、目標オクタン価ＴＯが決定され、これら目標トータル燃料量ＴＡと目標オクタン価ＴＯとに基づいて、各燃料噴射弁１１，１２から噴射すべき燃料の量が算出される。

なお、図３（Ａ）のマップでは、機関回転数Ｎが大きくなるほど目標トータル燃料量ＴＡは多くなり、機関要求負荷Ｌが大きくなるほど目標トータル燃料量ＴＡは多くなる傾向にある。また、図３（Ｂ）のマップでは、機関回転数Ｎが大きくなるほど目標オクタン価ＴＯは高くなり、機関要求負荷Ｌが大きくなるほど目標オクタン価ＴＯは高くなる傾向にある。また、上述において、通常運転時には、両方の燃料噴射弁１１，１２から燃料が噴射されると説明したが、当然のことながら、目標オクタン価によっては、一方の燃料噴射弁のみから燃料が噴射されることもある。例えば、内燃機関が始動されてから機関要求負荷は一定値を超えていないが一定期間が経過した後において、内燃機関がアイドリング運転しているときには、筒内噴射弁１１のみから燃料が噴射される。

図４は、本実施形態に従って燃料噴射を行うルーチンの一例を示すフローチャートである。図４のルーチンでは、始めに、ステップ２０において、機関要求負荷の増加量ΔＬが予め定められた値ΔＬｔｈ以下である（ΔＬ≦ΔＬｔｈ）か否か、すなわち、内燃機関に加速が要求されたか否かが判別される。ステップ２０において、ΔＬ≦ΔＬｔｈであると判別されたときには、ルーチンはステップ２１に進む。一方、ステップ２０において、ΔＬ＞ΔＬｔｈであると判別されたときには、ステップ２４に進む。

ステップ２４では、燃料噴射ＩＩが実行される。燃料噴射ＩＩでは、上述した通常運転時における燃料噴射が行われる。すなわち、機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとに基づいて図３（Ａ）および図３（Ｂ）のマップからそれぞれ目標トータル燃料量ＴＡと目標オクタン価ＴＯとが読み込まれ、トータル燃料量が目標トータル燃料量ＴＡとなり且つ混合気中の燃料のオクタン価が目標オクタン価ＴＯとなるように、両方の燃料噴射弁１１，１２から燃料が噴射される。

ステップ２１では、内燃機関が始動されてから経過した時間ｔが予め定められた時間ｔｔｈ以下である（ｔ≦ｔｔｈ）か否かが判別される。ここで、ｔ≦ｔｔｈであると判別されたときには、ルーチンはステップ２２に進む。一方、ｔ＞ｔｔｈであると判別されたときには、ルーチンはステップ２４に進んで、燃料噴射ＩＩが実行される。

ステップ２２では、機関温度Ｔが予め定められた温度Ｔｔｈ以下である（Ｔ≦Ｔｔｈ）か否かが判別される。ここで、Ｔ≦Ｔｔｈであると判別されたときには、ルーチンはステップ２２に進んで、燃料噴射Ｉが実行される。燃料噴射Ｉでは、機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとに基づいて図２（Ｂ）のマップから目標燃料噴射量ＴＡｓが読み込まれ、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量ＴＡｓとなるように、筒内噴射弁１１からのみ燃料が噴射される。

一方、ステップ２２において、Ｔ＞Ｔｔｈであると判別されたときには、ルーチンはステップ２５に進んで、燃料噴射ＩＩＩが実行される。燃料噴射ＩＩＩでは、機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとに基づいて図２（Ａ）のマップから目標燃料噴射量ＴＡｐが読み込まれ、燃料噴射量がこの目標燃料噴射量ＴＡｐとなるように、ポート噴射弁１２からのみ燃料が噴射される。

上述した内燃機関は、点火栓により燃料に点火するいわゆる火花点火式の内燃機関であるが、本発明は、空気と燃料との混合気を圧縮することによって着火させるいわゆる圧縮着火式の内燃機関にも適用可能である。

本発明の燃料噴射装置を備えた内燃機関の全体図である。 （Ａ）は機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとに基づいて目標燃料噴射量ＴＡｐを決定するために用いられるマップを示し、（Ｂ）は機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとに基づいて目標燃料噴射量ＴＡｓを決定するために用いられるマップを示している。 （Ａ）は機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとに基づいて目標トータル燃料量ＴＡを決定するために用いられるマップを示し、（Ｂ）は機関回転数Ｎと機関要求負荷Ｌとに基づいて目標オクタン価ＴＯを決定するために用いられるマップを示す図である。 本実施形態に従って燃料噴射を制御するルーチンの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…機関本体
５…燃焼室
６…吸気ポート
８…排気ポート
１０…点火栓
１１…筒内噴射弁
１２…ポート噴射弁

Claims (1)

1. 内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する第１の燃料噴射弁と、内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する第２の燃料噴射弁とを具備し、第１の燃料噴射弁からは低オクタン価の燃料が噴射され、第２の燃料噴射弁からは高オクタン価の燃料が噴射される燃料噴射装置において、内燃機関が始動されたときには、内燃機関の温度が予め定められた温度よりも低いときには第１の燃料噴射弁からのみ、内燃機関の温度が前記予め定められた温度以上のときには第２の燃料噴射弁からのみ、それぞれ燃料を噴射することを特徴とする燃料噴射装置。

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