(57)【要約】【課題】燃料噴射弁が劣化していない場合に、吸入行程の開始から圧縮行程の終了までの間に、二回に燃料を分割して噴射しても、スモークを低減させる効果は低かった。【解決手段】排気系４に設けられた触媒（５）の上流側及び下流側に第一空燃比センサ（６）及び第二空燃比センサ（７）を有し、燃料を直接シリンダ内に噴射する内燃機関において、吸入行程の開始から圧縮行程の終了までの間に燃料の噴射を、一回で行うことと二回に分けて二回目を少なくとも圧縮行程において行うこととを切り替えて実行するもので、第一及び第二空燃比センサ（６）、（７）から出力される出力信号に基づいて触媒（５）の上流側と下流側との酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度に基づいて燃焼における酸素利用率が低下していると判断した場合に二回に分けて燃料を噴射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系に設けられた触媒の上流側及び下流側に第一空燃比センサ及び第二空燃比センサを有し、燃料を直接シリンダ内に噴射する内燃機関において、吸入行程の開始から圧縮行程の終了までの間に燃料の噴射を、一回で行うことと二回に分けて二回目を少なくとも圧縮行程において行うこととを切り替えて実行する内燃機関の燃料噴射制御方法であって、
第一及び第二空燃比センサから出力される出力信号に基づいて触媒の上流側と下流側との酸素濃度を検出し、
検出された酸素濃度に基づいて燃焼における酸素利用率が低下していると判断した場合に二回に分けて燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車などに搭載される、燃料をシリンダ内に直接噴射するいわゆる筒内燃料噴射方式の内燃機関における燃料噴射制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車などの車両に搭載される内燃機関つまりエンジンのうち、シリンダ内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射式エンジン（以下、直噴エンジンと称する）では、良好な燃焼を常に得るために、吸気行程開始から圧縮行程終了までに例えば二回に分割して燃料を噴射するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような燃料を分割して二回にわたって噴射するものでは、燃料噴射時期を吸気行程の前半と、吸気行程の後半から圧縮行程の間とに設定している。吸気行程の前半に行う１回目の噴射は、噴射された燃料と吸入空気とが十分に混合するための時間を確保するためであり、２回目の噴射は、スパークプラグの近傍に着火性に優れるリッチ気味な混合気を形成して層状燃焼を実行するためである。このように燃料の噴射を分割することにより、層状燃焼において空燃比がリッチ気味な部分の混合気の燃焼により生じることがあるいわゆるスモーク（黒煙）の原因となる煤が、空燃比がリーン気味で酸素が多く存在する部分の混合気の酸素と結合して燃焼され、スモークの発生を抑制するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−１１８２４５号公報（段落００１８、図８）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料を噴射する燃料噴射弁が劣化していない場合は、燃料が霧化しやすい状態での噴射が可能であり、したがって燃料と吸入空気との混合が良好となり、１回の燃料噴射でも十分に良好な燃焼を得ることが可能である。このように、燃料噴射弁が経年変化をしていない状態では、スモークの発生はほとんど見られず、上述のように２回に分割して燃料を噴射した場合、燃料噴射弁の特性などによるデメリットが作用して、霧化効率が低下する場合がある。
【０００６】
燃料噴射弁は、その全開時に最も霧化効率が高く、したがって噴射された燃料が良好に霧化するものであるが、燃料噴射量は燃料噴射弁が開いている時間に比例するので、２回に分割して噴射する場合、それぞれの噴射時に燃料噴射弁が全開になっている時間は短かく、霧化効率が低下することがある。また、燃料噴射弁はその開弁直後や閉弁直前においても霧化効率が劣り、燃焼不良の要因となる。したがって、燃料噴射弁が劣化していない状態では、燃料を分割して噴射することにより、燃焼の低下を招くことがあるので、好ましくない。
【０００７】
一方、上述のような霧化効率の低下は、燃料噴射弁が劣化した場合にあっても生じる。すなわち、燃料噴射弁が劣化すると、ノズル部分のデポジットの付着や燃料噴射弁内の燃料通路内壁の摩耗などにより、燃料が所期の状態で噴射されないことがある。このような霧化効率の低下により、開弁直後や閉弁直前において噴射される燃料の粒径が大きくなり、燃料の一部が十分に霧化しないことがある。したがって、燃料と吸入空気との混合が低下して燃焼し難い混合気となり、スモークを発生しやすい状態となる。
【０００８】
そこで本発明は、以上のような不具合を解消することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の内燃機関の燃料噴射制御方法は、排気系に設けられた触媒の上流側及び下流側に第一空燃比センサ及び第二空燃比センサを有し、燃料を直接シリンダ内に噴射する内燃機関において、吸入行程の開始から圧縮行程の終了までの間に燃料の噴射を、一回で行うことと二回に分けて二回目を少なくとも圧縮行程において行うこととを切り替えて実行する内燃機関の燃料噴射制御方法であって、第一及び第二空燃比センサから出力される出力信号に基づいて触媒の上流側と下流側との酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度に基づいて燃焼における酸素利用率が低下していると判断した場合に二回に分けて燃料を噴射することを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、酸素利用率が低下していない運転状態、つまりは燃料噴射弁が劣化しておらず燃料の霧化が良好な運転状態にあっては、燃料を一回で噴射するので、二回に分けて燃料を噴射する場合のデメリットによりスモークが出やすい状態となることを回避することが可能になる。
【００１１】
また、燃焼における酸素利用率が低下している状態、つまり燃料噴射弁の劣化などにより燃料の霧化が良好ではなく吸入空気との混合が不十分で、燃焼に利用されずに排出される酸素の量が増加することを検出した場合にのみ、燃料の噴射を二回に分割して実行する。このように燃料を二回に分割することによって、燃焼行程の初期には層状燃焼が生じ、その後均質燃焼に移行するので、スモークの要因となる煤が少なくとも層状燃焼において空燃比のリーン気味な部分の混合気に存在する酸素と結合することにより燃焼されてスモークの発生を抑制することが可能になる。したがって、燃料噴射弁の状態に左右されることなく、常にスモークの発生を抑制することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１に示すこの実施の形態のエンジン１００は、シリンダ内に燃料であるガソリンを直接噴射する多気筒を有する筒内燃料噴射式のもので、その１気筒について示す構成説明図である。
【００１４】
エンジン１００は、自動車用のもので、シリンダヘッド１の燃焼室１ａの上壁１ｂに燃料噴射弁２及びスパークプラグ３を設けるとともに、排気系４に三元触媒５を設けている。また、排気系４には、三元触媒５の上流側に第一空燃比センサであるフロント酸素センサ６を設けるとともにその下流側に第二空燃比センサであるリア酸素センサ７を設けている。燃料噴射弁２は、図示しない一対の吸気弁間において燃焼室１ａ内に燃料を直接噴射し得るように噴射口を向けて取り付けてあり、後述する電子制御装置ＥＣＵにより制御される。加えて、吸気系８には、スロットルバルブ９が図示しないアクセルペダルに応動して開閉するように取り付けてあり、スロットルバルブ９の下流には吸気脈動を抑制するためのサージタンク１０が設けてある。このサージタンク１０には吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ１１が取り付けてある。なお、燃料の燃料噴射弁２への供給機構については、この分野でよく知られたものを広く利用することができるので、説明を省略する。
【００１５】
電子制御装置ＥＣＵは、中央演算処理装置ＣＰＵと、記憶装置ＭＥＭと、入力インターフェースＩＩＦと、出力インターフェースＯＩＦとを備えたマイクロコンピュータシステムを主体に構成している。入力インターフェースＩＩＦには、フロント酸素センサ６から出力されるフロントセンサ出力信号ａ、リア酸素センサ７から出力されるリアセンサ出力信号ｂ、吸気圧センサ１１から出力される吸気圧信号ｃ、エンジン回転数を検出するためのカムポジションセンサ１２から出力される回転数信号ｄと気筒判別信号ｅとクランク角基準位置信号ｆ、スロットルバルブ９の開閉状態を検出するためのスロットル開度センサ１３から出力されるスロットル開度信号ｇ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１４から出力される水温信号ｈなどが入力される。一方、出力インターフェースＯＩＦからは、燃料噴射弁２に対して燃料噴射信号ｋが、スパークプラグ３に対してイグニッションパルスｍが出力されるようになっている。
【００１６】
電子制御装置ＥＣＵの記憶装置ＭＥＭには、吸気圧センサ１１から出力される吸気圧信号ｃとカムポジションセンサ１２から出力される回転数信号ｄと水温センサ１４から出力される水温信号ｈを主な情報とし、各種の補正係数で基本燃料噴射時間（基本燃料噴射量）を補正して有効通電時間（燃料噴射量）を決定し、その決定された有効通電時間に基づいて決定した最終通電時間により燃料噴射弁２を制御するプログラムが内蔵してある。このプログラムにあっては、吸入行程の開始から圧縮行程の終了までの間に燃料の噴射を、一回で行うことと二回に分けて二回目を少なくとも圧縮行程において行うこととを切り替えて実行するために、フロント及びリア酸素センサ６、７から出力される出力信号すなわちフロントセンサ出力信号ａ及びリアセンサ出力ｂに基づいて三元触媒５の上流側と下流側との酸素濃度すなわちフロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとを検出し、検出されたフロント及びリア酸素濃度α、βに基づいて燃焼における酸素利用率が低下していると判断した場合に二回に分けて燃料を噴射するようにプログラミングしてある。
【００１７】
この燃料噴射制御プログラムによる制御手順の概要を、図２に示すフローチャートを用いて説明する。
【００１８】
図２において、まずステップＳ１では、フロント酸素センサ６からのフロントセンサ出力信号ａに基づいてフロント酸素濃度αを、リア酸素センサ７からのリアセンサ出力信号ｂに基づいてリア酸素濃度βをそれぞれ検出する。
【００１９】
フロント酸素濃度αとは、フロント酸素センサ６が出力するフロントセンサ出力信号ａが、三元触媒５を通過する前の排気ガスの酸素濃度に対応している。したがって、このフロント酸素濃度αは、一酸化炭素や炭化窒素などを含んだ状態の排気ガス中の酸素濃度を示すものである。
【００２０】
これに対して、リア酸素濃度βは、三元触媒５を通過した後の排気ガスの酸素濃度に対応する。例えば、燃焼が不完全で、排気ガス中に燃焼せずに残留した燃料からなる未燃焼ガスが含まれるとともに、燃焼に寄与しなかった酸素が含まれていると、三元触媒５内で未燃焼ガスが残留する酸素と結合して燃焼する。これにより、三元触媒５を通過してリア酸素センサ７に到達した排気ガスは、三元触媒５を通過する前の排気ガスに比較して、酸素濃度が減少したものとなる。したがって、リア酸素濃度βにより、空燃比の絶対値を確認することができる。
【００２１】
このように、フロント酸素センサ６とリア酸素センサ７とを使用することにより、三元触媒５の上流側と下流側との酸素濃度つまりフロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとを検出し、その濃度比α／βから空燃比がリーンな燃焼であるのか、燃焼効率が低下しているのかを判定することが可能になる。具体的には、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとがほぼ等しい値をとる場合は、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとの値が高くとも酸素利用率が低下しているのではなく、酸素利用率がほぼ１００％であると判断でき、空燃比がリーンな燃焼状態を判別できるものである。これに対して、フロント酸素濃度αがリア酸素濃度βに比べて高い値を示す場合は、未燃焼ガスと燃焼行程では消費されなかった酸素とが存在する悪化した燃焼状態、つまり空燃比がリーンな燃焼状態ではなく酸素利用率の低い燃焼状態であると判断できる。
【００２２】
次に、ステップＳ２では、検出したフロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとの濃度比α／βを演算し、その演算結果が設定されたしきい値ＴＬを上回っているか否かを判定する。しきい値ＴＬは、燃料噴射弁２の劣化がなく、燃焼が完全である場合にフロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとがほぼ等しい場合の濃度比α／βである例えば１に設定する。酸素の利用率を判断するにあたって、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとの濃度比α／βを演算するのは、図３に示すように、排気ガスにより検出する空燃比がリーンになるほど、空燃比がわずかに変化した場合でも排気ガス中の酸素濃度は比較的大きく変化するためである。燃料噴射弁２が劣化していない場合には、同図に実線で示すように、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとはほぼ等しい値を示して酸素濃度の変化は比較的小さいが、燃料噴射弁２が劣化した場合には、劣化しない場合に比べて、同図に二点鎖線で示すように、リア酸素濃度βの変化が大きくなるためである。
【００２３】
ステップＳ３における判定の結果、演算結果がしきい値ＴＬ以下である場合は、ステップＳ３に進み、上回っている場合はステップＳ４に移行する。ステップＳ３では、上述したようにして吸入空気量とエンジン回転数とに基づいて決定された燃料噴射量の全量を一回の噴射で噴射する一段噴射を実行する。この一段噴射は、吸気行程特には吸気行程の前半において実行されるものである。ステップＳ４では、燃料噴射を二回に分けて行う二段噴射を実行する。この二段噴射は、吸気行程の前半において最初のつまり一回目の噴射を実行し、吸気行程後半から圧縮行程において二回目の噴射を実行する構成である。この場合、それぞれの噴射における燃料噴射量は、その時の運転状態つまりエンジン１００の負荷の状態に応じて増減される。具体的には、負荷が増加するに応じて一回目の燃料噴射量を多くし、決定された燃料噴射量から一回目の燃料噴射量を減じた残りの燃料噴射量を二回目の燃料噴射量とする。この一回目の燃料噴射量と二回目の燃料噴射量とは、エンジン１００の負荷をパラメータとしてマップにより設定し、記憶装置ＭＥＭに格納しておくものであってよい。
【００２４】
この二段噴射におけるそれぞれの燃料噴射時期については、燃料を一度に噴射した場合のスモークの発生特性を参照して決定してある。すなわち、スモークの発生特性は、図４に示すように、吸気行程の上死点近傍において燃料噴射を開始した場合に最大となり、燃料噴射時期が進むにつれて減少し、吸気行程の上死点からほぼ３０°ＣＡ（クランク角度）進んだ位置から許容値となり、圧縮行程が始まる下死点からほぼ３０°ＣＡ進んだ位置から増加する。スモークの発生特性がこのようなものであるので、燃料噴射を二回に分割する場合は、図５に示すように、スモークの発生が許容値より小さくなる領域に対応するように、それぞれの燃料噴射時期を設定する。
【００２５】
このような構成において、燃料噴射弁２が劣化しておらず、燃料の霧化効率が良好である場合、燃料が十分に霧化されるので、ほぼ完全燃焼が達成される。このように完全燃焼をしている場合には、排気ガス中に未燃焼ガスが残留しない。したがって、三元触媒５により未燃焼ガスが燃焼することがないので、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとは、ほぼ等しい値、例えば０．７％となる。このような運転状態にあっては、制御は、ステップＳ１からステップＳ２を実行し、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとの濃度比α／βがしきい値ＴＬを超えることがないので、ステップＳ３において一段噴射を実行する。したがって、燃料が吸気行程の前半の噴射時期において一回の噴射で噴射されるので、燃料と吸入空気とが均等に混合する均一混合を実現することができ、理論空燃比あるいはやや過濃な空燃比での運転を行うことができる。このため、煤の出やすい層状燃焼がなく、燃料がほぼ完全に燃焼され、スモーク発生を防止することができる。
【００２６】
これに対して、燃料噴射弁２が劣化してくると、燃料の霧化効率が低下してくるので、燃料の霧化が悪くなる。このため、燃焼状態が悪化し、燃焼行程時に燃焼しなかった未燃焼ガスが排気ガス中に残留する。また、燃焼が完全でないため、酸素の利用率が低下し、燃焼に寄与しなかった酸素がそのまま排出される。このため、フロント酸素センサ６により検出されるフロント酸素濃度αは高い値例えば２％を示し、リア酸素センサ７により検出されるリア酸素濃度βは燃料噴射弁２が良好な場合とほぼ変わらない値例えば０．７％を示す。したがって、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとの濃度比α／βは、しきい値ＴＬを上回ることになる。
【００２７】
この状態にあっては、制御は、ステップＳ１及びステップＳ２を実行し、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとの濃度比α／βがしきい値ＴＬを上回るので、ステップＳ４を実行する。これにより、燃料が、吸気行程前半と吸気行程後半から圧縮行程にかけてのタイミングにおいて噴射される。このように燃料が二回に分けて噴射されることにより、二回目の噴射にてスパークプラグ３の近傍に噴射された燃料による層状燃焼が、一回目に噴射されて十分な混合時間を確保して均一に混合された燃料に伝播し、良好な燃焼を得ることができる。
【００２８】
このように、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとの濃度比α／βに基づいて燃焼の良し悪しつまり燃焼に寄与した酸素の利用率の動きを検出し、利用率の高い場合は良好な燃焼として一段噴射を行って、霧化効率の高い燃料噴射弁２の全開時間を十分に確保して燃焼を良好に保ち、燃料噴射弁２の劣化により霧化効率が低下し、燃料の霧化が悪化することで混合気中の酸素の利用率が低下し、一段噴射では良好な燃焼が確保されない場合には燃料の噴射を一段噴射から二段噴射に切り替えて燃焼を向上させるものである。したがって、燃料噴射弁２の状態の如何にかかわらず、スモークの発生を防止することができる。
【００２９】
なお、上記実施の形態においては、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとの濃度比α／βに基づいて酸素の利用率の動きを検出したが、フロント酸素濃度αとリア酸素濃度βとの差が所定値以上になった場合に酸素の利用率が低下したと判定するものであってよい。この場合、図３に示したように、空燃比により酸素濃度の増加傾向が異なるので、所定値を空燃比毎に設定したマップにより設定することが望ましい。
【００３０】
また、上記実施の形態では、ピストンの頂面がほぼ平なものを図示したが、ピストン頂面に、圧縮行程で噴射された燃料をスパークプラグ３に反射する凹部を有するものであってもよい。
【００３１】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような構成であるので、燃料噴射弁が劣化しておらず、燃料の霧化が良好で酸素利用率が高い運転状態にあっては、燃料を一回で噴射するので、二回に分けて燃料を噴射する場合のデメリットによりスモークが出やすい状態となることを回避することができる。
【００３３】
また、燃料噴射弁の劣化などにより燃料と吸入空気との混合が十分でなく、燃焼に利用されずに排出される酸素の量が増加する燃焼における酸素利用率が低下している状態を検出した場合には、燃料の噴射を二回に分割して実行するので、燃焼行程においては層状燃焼により燃焼が開始され、その後均質燃焼に移行するため、スモークの要因となる煤が少なくとも層状燃焼における空燃比のリーン気味な部分の混合気に存在する酸素と結合することにより燃焼されてスモークの発生を抑制することができる。したがって、燃料噴射弁の状態に左右されることなく、常にスモークの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成説明図。
【図２】同実施の形態の制御手順を示すフローチャート。
【図３】同実施の形態のそれぞれの酸素センサの正常時と劣化時との、空燃比に対する検出特性を示すグラフ。
【図４】同実施の形態の燃料噴射開始時期の対するスモーク発生量の関係を示すグラフ。
【図５】同実施の形態の２段噴射の場合の噴射時期を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
２…燃料噴射弁
４…排気系
５…三元触媒
６…フロント酸素センサ
７…リア酸素センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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