(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁と、
該機関に駆動され該噴射弁に高圧燃料を供給する燃料ポンプと、
該機関の運転状態に応じて該噴射弁の作動時期を制御する噴射時期制御手段と、
該機関の運転状態と該噴射弁の作動時期とに基づき該噴射弁からの燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段とから構成され、
該燃料噴射量制御手段では、
該燃料噴射量を制御する際に、該噴射弁の作動時期として、噴射開始時期と噴射終了時期との中間のクランク角度である噴射中心時期を用いるとともに、
燃料噴射量の補正係数と該噴射中心時期との関係を示すマップをそなえ、該噴射中心時期に対応する該補正係数をマップから読み出し、読み出した該補正係数を該機関の運転状態に基づき演算した基本燃料量に乗算することにより燃料量を補正し、この補正した燃料量に基づき該噴射弁からの燃料噴射量を制御する
ことを特徴とする、筒内噴射型内燃機関。
【請求項２】
該燃料噴射量制御手段は、燃料量を補正する該補正係数を、該機関のスロットルポジション及び水温に基づき補正した上で用いる
ことを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機関により駆動される高圧ポンプを用いて燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関が実用化されており、かかる筒内噴射型内燃機関では、燃料噴射のタイミングを自由に設定することができるため、例えば、緩加速時に必要な出力を得る場合には、吸気行程中に燃料噴射を行ない、予混合燃焼による希薄燃焼運転により燃費向上を図っている。さらに、低負荷運転域では、圧縮行程で燃料噴射を行なって、着火に十分な燃料濃度の混合気を点火プラグ近傍に部分的に集めて、いわゆる層状燃焼による超希薄燃焼を行ない、より一層の燃費向上を図っている。
【０００３】
このような希薄燃焼を実現するためには、燃焼室内に噴射する燃料の微粒化が必要不可欠となる。また、層状燃焼による超希薄燃焼を行なうためには、高圧の圧縮行程中に燃料噴射を行なう必要もある。そこで、この種の内燃機関では、高圧ポンプにより高圧に加圧された燃料を燃料噴射弁に供給し、この高圧燃料を噴射することで、高圧の圧縮行程中でも確実な燃料噴射を可能にするとともに燃料の微粒化を図っている。筒内噴射型内燃機関に用いられる高圧ポンプとしては、例えば、特開平９−４２０９５号公報に記載されているような、内燃機関により駆動される単一又は複数のピストンの往復動によって燃料を吸入・吐出するものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような高圧ポンプでは、ピストンの往復動等により燃料を噴射弁へ供給するようになっているため、高圧ポンプと噴射弁との間の燃料配管内にエンジン回転に応じた周期の燃圧脈動が生じてしまう。このため、筒内噴射型内燃機関のように、噴射時期が幅広く（例えば排気行程後半から圧縮行程後半まで）変化する場合には、その噴射時期によって低燃圧時が噴射期間となったり、高燃圧時が噴射期間となったりする。このため、同一駆動時間でも噴射時期によって噴射弁から噴射される燃料量が異なり、空燃比がずれるという問題が生じる。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、燃圧脈動による空燃比のずれを抑制することができるようにした、筒内噴射型内燃機関を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の筒内噴射型内燃機関では、内燃機関の燃焼室内に直接燃料を噴射する噴射弁に該機関に駆動される燃料ポンプにより高圧燃料を供給し、噴射時期制御手段により該機関の運転状態に応じて該噴射弁の作動時期を制御するとともに、燃料噴射量制御手段により該機関の運転状態と該噴射弁の作動時期とに基づき該噴射弁からの燃料噴射量を制御する。そして、該燃料噴射量制御手段では、該燃料噴射量を制御する際に、該噴射弁の作動時期として、噴射開始時期と噴射終了時期との中間のクランク角度である噴射中心時期を用いる。さらに、該燃料噴射量制御手段は、燃料噴射量の補正係数と該噴射中心時期との関係を示すマップをそなえ、該噴射中心時期に対応する該補正係数をマップから読み出し、読み出した該補正係数を該機関の運転状態に基づき演算した基本燃料量に乗算することにより燃料量を補正し、この補正した燃料量に基づき該噴射弁からの燃料噴射量を制御する。
【０００７】
これにより、燃料ポンプの機関による駆動に連動して生じる燃圧脈動による燃料噴射量の増減が抑制される。
さらに、該燃料噴射量制御手段は、燃料量を補正する該補正係数を、該機関のスロットルポジション及び水温に基づき補正した上で用いることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
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〜図７は本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関を示すもので、図１はその概略構成を示す図である。
図１に示すように、本筒内噴射型内燃機関は、吸気，圧縮，膨張，排気の各行程を一作動サイクル中にそなえる内燃機関、即ち４サイクルエンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関として構成される。
【０００９】
そして、燃料噴射の態様として、例えば、層状燃焼によるリーン運転を実現し燃費を向上させるために圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）で燃料噴射を行なう後期リーン噴射モードと、予混合燃焼によるリーン運転を実現し、緩加速による出力を得るために吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行なう前期リーン噴射モードと、予混合燃焼によるストイキオ運転（理論空燃比運転）を実現し、前期噴射モードより出力を向上させるために吸気行程中に燃料噴射を行なうストイキオモードとが設けられており、機関の運転状態に応じて選択されるようになっている。
【００１０】
本筒内噴射型内燃機関（以下、エンジンという）１の構成について詳細に説明すると、図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、吸気ポート６および排気ポート７が燃焼室３に連通しうるように形成されており、吸気ポート６は吸気弁８の駆動により連通制御され、排気ポート７は排気弁９の駆動によって連通制御されるようになっている。シリンダヘッド２の上部には吸気側カム１０Ａを有する吸気側カムシャフト１０および排気側カム１１Ａを有する排気側カムシャフト１１がそなえられており、吸気側カム１０Ａの回転により吸気弁８が駆動され、排気側カム１１Ａの回転により排気弁９が駆動されるようになっている。
【００１１】
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に燃焼室３の頂部中央に点火プラグ４がそなえられ、燃焼室３の吸気ポート６側にはインジェクタ（噴射弁）５がその開口を燃焼室３内に臨ませるように配置されている。ここで用いるインジェクタ５としては、作動時期及び噴射量の制御性と燃料の微粒化とを考慮して選択する必要があり、例えば、電磁式のスワールインジェクタを適用することができる。
【００１２】
インジェクタ５から噴射されるべき燃料は燃料タンク１３から供給されるようになっている。そして、インジェクタ５と燃料タンク１３とを結ぶ燃料配管１４上には、高圧ポンプ（燃料ポンプ）１２がそなえられており、燃料タンク１３内の燃料はこの高圧ポンプ１２によって、所定の圧力（例えば、５ＭＰａ）まで加圧された上でインジェクタ５に供給されるようになっている。高圧ポンプ１２としては、１つのピストンの往復動によって、燃料を吸入・吐出するシングルプランジャポンプでも、複数のピストンの往復動によって、燃料を吸入・吐出するマルチプランジャポンプでも適用可能であるが、ここではシングルプランジャポンプを適用した場合について説明する。
【００１３】
高圧ポンプ１２は、吸気側カムシャフト１０の軸端にそなえられており、高圧ポンプ内のピストンは吸気側カムシャフト１０の回転に連動して往復動を行なうようになっている。シングルプランジャポンプの場合、吐出される燃料の圧力（燃圧）にはピストンの往復動に連動して脈動が生じるが、ここではピストンの往復動は吸気側カムシャフト１０の回転に連動しており、吸気側カムシャフト１０はクランク軸１８に連動しているため、燃圧の脈動はクランク軸１８の回転に連動して生じることになる。
【００１４】
特に、シングルプランジャポンプのピストンの作動は、各気筒のピストンの作動と連動するように設定されるため、４気筒エンジンでは７２０°ＣＡ／４＝１８０°ＣＡを１周期としてシングルプランジャポンプのピストンが作動する。
例えば、図２は、４気筒エンジンの場合における高圧ポンプ１２から吐出される燃料の燃圧をクランク軸１８のクランク角に対して示したものであるが、図２に示すように、燃圧には１８０°ＣＡ周期で脈動が生じることになる。ちなみに６気筒エンジンの場合には、７２０°ＣＡ／６＝１２０°ＣＡより、燃圧の脈動は１２０°ＣＡ周期で生じることになる。
【００１５】
なお、燃料配管１４上にそなえられている１５は高圧レギュレータであり、１６は低圧レギュレータである。また、燃料タンク１３内には燃料供給ポンプ（低圧ポンプ）１７がそなえられているが、これは、エンジン始動時などエンジン１が極低回転の場合には、高圧ポンプ１２が十分に駆動されずインジェクタ５への燃料供給量が不足することになるため、そのときには、この燃料供給ポンプ１７により燃料を供給するようになっている。このため、高圧レギュレータ１５には燃料バイパスバルブが並設されている。
【００１６】
インジェクタ５の制御、すなわち、作動時期及び燃料噴射量の制御は、ＥＣＵ（制御手段）２５により行なわれるようになっている。ＥＣＵ２５は、その機能要素として運転モード選択手段２６，噴射時期制御手段２７，燃料噴射量制御手段２８をそなえており、クランク角センサ１９，水温センサ２０，その他ＴＰＳ（スロットルポジションセンサ）等のセンサからの検出情報に基づきインジェクタ５を制御している。
【００１７】
まず、運転モード選択手段２６では、前述の各運転モードの中から運転状態に応じた一つのモードを選択するようになっている。運転状態はエンジン回転数Ｎｅと平均有効圧力Ｐｅとから判定し、エンジン回転数Ｎｅにはクランク角センサ１９の検出情報を用い、平均有効圧力Ｐｅにはエンジン回転数Ｎｅ及びＴＰＳで検出されたスロットル開度θの各情報に基づき算出したものを用いるようになっている。
【００１８】
そして、噴射時期制御手段２７では、運転モード選択手段２６で選択された運転モードに応じてインジェクタ５の作動時期（噴射時期）を制御するようになっている。例えば、選択された運転モードが後期リーン噴射モードの場合には、インジェクタ５の作動時期は圧縮行程後半に設定し、前期リーン噴射モードの場合には吸気行程前半に設定し、ストイキオモードの場合には吸気行程中に設定するようになっている。ただし、ここで噴射時期制御手段２７が設定する噴射時期とは、一連の燃料噴射が終了する噴射終了時期を指しており、予め記憶されたマップから運転モードに応じて読み取るようになっている。
【００１９】
燃料噴射量制御手段２８では、運転モード選択手段２６で選択された運転モードに応じて噴射燃料量を制御するようになっている。例えば、前期リーン噴射モードの場合には、リーンな目標空燃比を設定して吸気量とこの目標空燃比とから燃料量を設定し、後期リーン噴射モードの場合には、さらにリーンな目標空燃比を設定して吸気量とこの目標空燃比とから燃料量を設定し、ストイキオモードの場合には、理論空燃比となるように図示しないＯ2 センサ出力に基づいて燃料量をフィードバック制御する。そして、設定した燃料量に応じて所定の平均燃圧（例えば、５ＭＰａ）を基準にインジェクタ５の駆動時間（インジェクタ５に入力する噴射パルス幅）を換算するようになっている。
【００２０】
ところが、図２に示したように、高圧ポンプ１２から吐出される燃料の燃圧には脈動が生じており、これに伴いインジェクタ５から噴射される燃料量にも増減が生じている。このため、噴射時の燃圧が所定の平均燃圧に略等しい場合には、所望の空燃比を得ることが可能であるが、噴射時の燃圧と所定の平均燃圧との差が大きい場合には、空燃比にずれが生じてしまうことになる。
【００２１】
このため、燃料噴射量制御手段２８では、以下のようにして燃圧の脈動を考慮した補正を行なっている。
まず、燃圧の脈動の特性を考察すると、上述したように脈動はクランク軸１８の回転に連動して１８０°ＣＡ周期で生じている。したがって、クランク角センサ１９の出力から燃圧を推定することは可能である。
【００２２】
しかしながら、燃料噴射期間をクランク角であらわすと、インジェクタ５の駆動時間は同一の場合でもエンジン回転数Ｎｅによって燃料噴射期間（クランク角度）は変化してしまう。つまり、エンジン回転数Ｎｅが２倍になれば、燃料噴射期間も２倍になり、その間の燃圧の脈動により燃料量が増減してしまうことになる。
【００２３】
例えば、図３は、噴射終了時期を３２０°ＢＴＤＣとした時の所定の燃料量（実際に噴射する燃料量）を基準にして、同一噴射パルス幅での噴射終了時期に対する燃料量比（３２０°ＢＴＤＣ時の燃料量に対する比）をエンジン回転数Ｎｅ（１０００，３０００，４０００ｒｐｍ），体積効率Ｅｖ（４０，６０％，スロットル弁全開：ｗｏｔ），水温Ｔｗ（ｈｏｔ：温態）の条件の下で計測したものである。なお、体積効率Ｅｖはエンジン１の行程体積に対する吸入した新気の体積の割合を示すものであるが、これはＴＰＳにより検出されるスロットル開度θに基づき算出されるようになっている。
【００２４】
この場合は、図３に示すように、燃料量比の噴射終了時期に対する特性は、エンジン回転数Ｎｅ，体積効率Ｅｖ，水温Ｔｗにより大きく変化しており、一定の傾向を示してはいない。このため、噴射終了時期における燃圧からインジェクタ５のパルス幅を補正するだけでは十分ではなく、この場合には、エンジン回転数Ｎｅや体積効率Ｅｖ，水温Ｔｗに応じて更に補正を加える必要が生じる。
【００２５】
これに対し、図４は、図３に示した噴射終了時期に対する燃料量比の特性図を、噴射中心時期を基準にして整理したものである。なお、噴射中心時期とは、噴射終了時期と噴射パルス幅とエンジン回転数Ｎｅとから噴射開始時期を逆算し、噴射開始時期と噴射終了時期との中間のクランク角度をとったものである。この場合は、図４に示すように、燃料量比の噴射中心時期に対する特性は、エンジン回転数Ｎｅや体積効率Ｅｖ，水温Ｔｗにかかわらず、ほぼ一定の傾向を示している。したがって、例えば、図５に示すように１本の曲線で燃料量比の噴射中心時期に対する特性を近似することも可能である。
【００２６】
そこで、燃料噴射量制御手段２８では、噴射中心時期を基準とした図５に示したような特性に基づいた補正係数（燃料量比の逆数に相当する係数）と噴射中心時期との関係を示すマップをそなえており、噴射中心時期に対応する補正係数をマップから読み出し、読み出した補正係数を運転状態に基づき演算した基本燃料量（基本噴射パルス幅）に乗算することにより、燃料量（噴射パルス幅）の補正を行なうようになっている。ただし、図４に示すように、燃料量比の振幅には体積効率Ｅｖ，水温Ｔｗによりばらつきが生じるため、この振幅のばらつきに対しては、ＴＰＳの出力や水温センサ２０の出力に基づき補正するものとする。
【００２７】
本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関は、上述のように構成されているので、例えば、図６に示すようなフローに従い燃料噴射制御が行なわれる。以下、図７（ａ）〜（ｄ）に示す燃料量の補正方法を説明するための説明図と合わせて説明する。
図６に示すように、まず、運転モード選択手段２６によりエンジン回転Ｎｅと平均有効圧力Ｐｅとに基づき運転モードを選択する（ステップＳ１００）。そして、噴射時期制御手段２７により、選択された運転モードに応じた噴射時期（噴射終了時期Ｘ°ＣＡ）をマップから読み出すとともに〔図７（ａ），ステップＳ１１０〕、燃料噴射量制御手段２８により運転状態に応じた基本燃料量（基本噴射パルス幅）を演算する（ステップＳ１２０）。
【００２８】
噴射終了時期Ｘ°ＣＡと基本燃料量とが演算されると、エンジン回転数Ｎｅを考慮して噴射開始時期Ｙ°ＣＡを演算する〔図７（ｂ）〕。そして、噴射開始時期Ｙ°ＣＡと噴射終了時期Ｘ°ＣＡとから噴射中心時期Ｚ°ＣＡ〔＝（Ｘ＋Ｙ）°ＣＡ／２〕を演算し、噴射中心時期Ｚ°ＣＡに応じた補正係数をマップ（噴射中心時期に対する補正係数を定めたマップ）から読み出す〔図７（ｃ），ステップＳ１３０〕。
【００２９】
読み出した補正係数を基本燃料量に乗算することにより燃料量（噴射パルス幅）を再演算し、噴射開始時期Ｙ°ＣＡを基準にして最演算した燃料量（噴射パルス幅）を設定することによって噴射終了時期Ｘ°ＣＡを補正し、補正噴射終了時期ＸＸ°ＣＡを設定する〔図７（ｄ），ステップＳ１４０〕。そして、演算した噴射開始時期Ｙ°ＣＡからインジェクタ５からの燃料噴射を開始し、，補正噴射終了時期ＸＸ°ＣＡで燃料噴射を終了する（ステップＳ１５０）。
【００３０】
このように本筒内噴射型内燃機関によれば、高圧ポンプ１２から吐出される燃料の燃圧をクランク角から推定し、燃圧を考慮してインジェクタ５の噴射パルス幅を補正するようになっているので、燃圧の脈動により噴射時期によって燃料噴射量が増減してしまうことを抑制することができ、精度の高い空燃比制御を実現できるという利点がある。これにより、空燃比が濃くなり過ぎて発生する低水温時のスモークや空燃比が薄くなり過ぎて発生する高温時のノッキングも抑制することができるようになる。
【００３１】
また、本筒内噴射型内燃機関では、噴射中心時期を基準にして燃圧による補正を行なうようになっているので、燃料噴射機関に対する燃料量比の関係からエンジン回転数Ｎｅの影響を除去することができ、例えば、全てのエンジン回転数Ｎｅ域において単一のマップによる制御が可能となり、マップ作成のためのコストやマップを記憶するＲＡＭ等のコストを削減することができるという利点もある。
【００３２】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述の実施形態では、運転モードとして、後期噴射モード，前期噴射モード，ストイキオモードの３モードを挙げているが、これはあくまでも例示であり、より細かなモードに分けて制御することはもちろん可能である。
【００３３】
また、高圧ポンプ１２として、シングルプランジャポンプを適用した場合について説明したが、マルチプランジャポンプを適用することも可能である。マルチプランジャポンプの場合には、シングルプランジャポンプに比較して燃圧の脈動は小さいが、この場合でも本発明を適用することによってより精度の高い空燃比制御を実現できるという利点がある。
【００３４】
また、上述の実施形態では、燃料噴射の全域に渡って補正を行なっているが、燃料量が基本燃料量よりも増量される場合には補正を行なわずにそのまま噴射し、燃料が不足するときにのみ補正するようにしてもよい。これによっても、燃料不足による失火や高温時のノッキングの抑制は可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、内燃機関の運転状態と噴射弁の作動時期とに基づき噴射弁からの燃料噴射量を設定するようになっているので、燃料ポンプが機関により駆動されるときに生じる燃圧の脈動により噴射弁の作動時期によって燃料噴射量が増減してしまうことを抑制することができ、精度の高い空燃比制御を実現できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関にかかる燃圧の脈動を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関にかかる噴射終了時期を基準としたときの燃圧脈動の影響を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関にかかる噴射中心時期を基準としたときの燃圧脈動の影響を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関にかかる噴射中心時期に対する補正係数のマップの一例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関にかかる燃料噴射制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態としての筒内噴射型内燃機関にかかる燃料量の補正方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１  エンジン（内燃機関）
２  シリンダヘッド
３  燃焼室
４  点火プラグ
５  インジェクタ（噴射弁）
１２  高圧ポンプ（燃料ポンプ）
１３  燃料タンク
１４  燃料配管
２０  水温センサ
２５  ＥＣＵ
２７  噴射時期制御手段
２８  燃料噴射量制御手段
【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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【図６】
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【図７】
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