(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関において、
前記燃料噴射弁として噴霧粒径の比較的大きい第１の燃料噴射弁と、噴霧粒径の比較的小さい第２の燃料噴射弁とを備え、
吸気弁の加熱作用によって第１の燃料噴射弁が噴射する燃料を気化できる機関始動時の運転状態を吸気弁温度に基づいて検出する手段を備え、
始動クランキングの当初は前記第２の燃料噴射弁から燃料を供給し、始動クランキング後に吸気弁温度が基準値以上となったことに基づいて前記運転状態を検出したら前記第１の燃料噴射弁からの燃料供給を開始する、
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
吸気通路内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関において、
前記燃料噴射弁として噴霧粒径の比較的大きい第１の燃料噴射弁と、噴霧粒径の比較的小さい第２の燃料噴射弁とを備え、
吸気弁の加熱作用によって第１の燃料噴射弁が噴射する燃料を気化できる機関始動時の運転状態を機関回転速度に基づいて検出する手段を備え、
始動クランキングの当初は前記第２の燃料噴射弁から燃料を供給し、始動クランキング後に機関回転速度が基準値以上となってから所定時間が経過したことに基づいて前記運転状態を検出したら前記第１の燃料噴射弁からの燃料供給を開始する、
ことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気管内に燃料を噴射供給する火花点火式内燃機関の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
吸気管内燃料噴射方式の内燃機関では、特に燃料気化が滞る低温時には、噴射した燃料の一部が吸気管内壁や吸気弁に付着して滞留することから、相応に余分の燃料を噴射供給する必要があり、それが燃費や排気性能を悪化させる要因となっていた。
【０００３】
一方、本出願人は特開２０００−８７７６８号として、吸気弁の開弁前に燃料を噴射供給して燃料気化を促し、あるいは吸気弁を数度にわたり開閉して吸気流動を促すことにより燃料気化を促すことにより低温始動性を改善するようにしたものを提案している。しかしながら、これも吸気管壁面等への燃料付着を防止するという観点からは必ずしも十分ではなかった。
【０００４】
吸気管壁等に付着した燃料を気化させる手段として、排気の一部が吸気管に流入するように吸気弁の開閉タイミングを設定し、付着燃料を排気熱で気化させることが考えられる。ただし極低温時あるいは冷間始動時には排気熱のみで液状燃料を十分に気化させることは困難であり、確実な効果は期待できない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、吸気通路内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関において、前記燃料噴射弁として噴霧粒径の比較的大きい第１の燃料噴射弁と、噴霧粒径の比較的小さい第２の燃料噴射弁とを備え、吸気弁の加熱作用によって第１の燃料噴射弁が噴射する燃料を気化できる機関始動時の運転状態を吸気弁温度に基づいて検出する手段を備え、始動クランキングの当初は前記第２の燃料噴射弁から燃料を供給し、始動クランキング後に吸気弁温度が基準値以上となったことに基づいて前記運転状態を検出したら前記第１の燃料噴射弁からの燃料供給を開始するようにした。
【０００６】
第２の発明は、吸気通路内に燃料を噴射供給する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関において、前記燃料噴射弁として噴霧粒径の比較的大きい第１の燃料噴射弁と、噴霧粒径の比較的小さい第２の燃料噴射弁とを備え、吸気弁の加熱作用によって第１の燃料噴射弁が噴射する燃料を気化できる機関始動時の運転状態を機関回転速度に基づいて検出する手段を備え、始動クランキングの当初は前記第２の燃料噴射弁から燃料を供給し、始動クランキング後に機関回転速度が基準値以上となってから所定時間が経過したことに基づいて前記運転状態を検出したら前記第１の燃料噴射弁からの燃料供給を開始するようにした。
【００１９】
【作用・効果】
本発明によれば、噴霧粒径の異なる２種類の燃料噴射弁を併設したことから、運転状態に応じて適切な燃料噴霧を形成することができる。たとえば第２の燃料噴射弁は燃料粒径が小さく吸気通路壁等に燃料が付着しにくいため低温での始動時や低負荷運転時に用いることで燃費、排気性能の改善を図ることができる。一方、高応答または高噴射率での噴射が必要な運転条件に対しては第１の燃料噴射弁で対応することができる。
【００２０】
噴霧粒径の小さい第２の燃料噴射弁を第１の燃料噴射弁よりも下流側に設けることで、吸気通路壁への燃料付着量をより低減することができる。また、このように燃焼室に近い部分に位置する第２の燃料噴射弁は、吸気管壁への燃料付着を起こしにくい分だけその噴霧角を大きく設定することができる。燃料噴射弁の噴霧角と燃料粒径との間には相関があり、燃料粒径を小さくするほど噴霧角は広角となる。すなわち、第２の燃料噴射弁の噴霧角をより大きくしたことで、燃料粒径をも小として吸気管壁への燃料付着をさらに抑制することができる。
【００２１】
一方、比較的燃料粒径が大きい特性を有する第１の燃料噴射弁は、その燃料噴霧が吸気弁傘部の内周域に到達するように図ることが好ましい。吸気弁傘部は吸気通路壁に比較して高温であり、冷間からの始動においてもより速やかに温度上昇する。したがって燃料粒径の大きい噴霧を吸気弁傘部の内周領域に供給することは、噴射燃料の気化および吸気との混合を促すために有効である。さらに、吸気通路壁への燃料付着を防止するという観点からは、第１、第２の各燃料噴射弁をともに吸気弁傘部の略中心部に向けて燃料を噴射するように設定することが望ましい。なお、多気筒機関では第１、第２の燃料噴射弁を各気筒毎に設けるようにする。
【００２２】
機関の始動クランキングの当初は第２の燃料噴射弁から燃料を供給し、その後第１の燃料噴射弁からの燃料供給を開始することで始動時の排気性能や始動性を改善することができる。始動クランキング時はクランク軸回転速度が低いためスロットルバルブ下流の負圧が小さく、吸気弁が開いたときの筒内との圧力差が小さい。このため筒内ガスの吹き返しによる燃料気化もそれほど期待できない。このような条件下では燃料粒径の小さい第２の燃料噴射弁から燃料を供給することで始動過程での吸気通路壁への燃料付着や排気組成の悪化を抑制し、始動性を高めることができる。
【００２３】
始動クランキングの操作は例えばイグニッションキースイッチの状態から知ることができるが、始動後に第１の燃料噴射弁による燃料噴射を開始する時期は例えば吸気管圧力に基づいて設定することができる。始動完爆すると機関回転速度が急速に上昇するのに伴ってスロットルバルブ下流の吸気管負圧が急増する。したがって、この吸気管圧力変化から完爆を判定して第１の燃料噴射弁へと切り換えることができる。むろん、機関回転速度を検出して第１の燃料噴射弁へと切り換えるようにしてもよい。この場合の回転速度の基準値は、機関によって定まる完爆時のクランク軸回転速度に基づいて定められる。
【００２４】
第１の燃料噴射弁からの燃料噴霧を吸気弁傘部にて加熱し気化を促進する効果を確実化するうえでは、始動クランキング後に吸気弁温度が基準値以上となったときに第１の燃料噴射弁からの燃料噴射を開始することが望ましい。前記基準値としては例えば８０℃程度とすることが考えられる。また、このように吸気弁温度を直接検出する代わりに、始動クランキング後に機関回転速度が基準値以上となってから所定時間が経過したときに第１の燃料噴射弁からの燃料噴射を開始するようにしてもよい。完爆後に吸気弁温度が十分に上昇するまでの経過時間ほぼ機関の特性で決まるので、これを予め実験的に定めておく。これにより温度センサを用いない簡易な構成で前記と同様の効果が得られる。
【００２５】
第２の燃料噴射弁から第１の燃料噴射弁への切換時にはそれぞれの燃圧および噴射特性を安定させるために、第１の燃料噴射弁からの噴射開始とともに第２の燃料噴射弁からの燃料噴射を停止することが望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は実施形態の機械的構成の概略を示している。図において、内燃機関１は、動弁装置２により開閉駆動される吸気弁３および排気弁４を備える。吸気通路５の各気筒吸入ポート部５ａには第１の燃料噴射弁６−１と第２の燃料噴射弁６−２とを備え、燃焼室７には点火栓８および点火コイル９を備える。吸気通路５の上流部にはスロットルバルブ１０、吸入空気量を検出するエアフロメータ１１、スロットルバルブ１０よりも下流側の吸気管圧力を検出する圧力センサ１６を介装している。
【００２７】
また、運転状態を検出する手段として、機関クランク軸の基準位置で基準信号を出力すると共に微小クランク角毎に単位角信号を出力するクランク角センサ１２、機関冷却水温度を検出する水温センサ１３、吸気弁３の温度を検出する吸気弁温度センサ１４を備える。前記センサ類の検出信号は、イグニッションキースイッチ１７からの始動状態信号と共にコントロールユニット１５に出力される。
【００２８】
コントロールユニット１５は、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されており、前記各種の検出信号に基づいて燃料噴射弁６に燃料噴射信号を出力して燃料噴射制御を行い、点火コイル９に点火信号を出力して点火制御を行うと共に、燃料噴射弁６−１，６−２に噴射信号を出力して燃料噴射制御を行う。
【００２９】
前記燃料噴射弁６−１、６−２は、図２〜図３に示したように吸入ポート部５ａの湾曲外側部に、燃焼室７へのポート開口部に臨むように設けている。第２の燃料噴射弁６−２は第１の燃料噴射弁６−１よりも下流側に位置しており、それぞれの燃料噴射方向は吸気弁３の傘部３ａのほぼ中心部に設定している。第１の燃料噴射弁６−１はその燃料噴霧角θ１が比較的狭く、噴射燃料の粒径は比較的大きい特性を有するのに対して、第２の燃料噴射弁は噴霧角θ２が比較的広く、燃料粒径は比較的小さい特性を有する。
【００３０】
第１の燃料噴射弁６−１の噴霧角θ１は、図４にも示したようにその噴霧の広がりが概ね吸気弁傘部３ａの内側域に入るように設定してある。これに対して、第２の燃料噴射弁６−２の噴霧角θ２は、吸気弁傘部３ａよりもやや外側に噴霧が広がるように設定してある。
【００３１】
図３は吸気弁３を気筒あたり１個備える単一吸気弁構成のシリンダヘッドへの適用例である。これに対して、吸気弁３を気筒あたり２個備える吸気２弁構成のシリンダヘッドでは図５または図６に例示したような噴射弁レイアウトを適用できる。吸気２弁形式では、図示したように各気筒の吸入ポート部５ａは２つの吸気弁３に向かって途中で分岐する構成が一般的である。このようなポート構成において、図５に示したものでは、各燃料噴射弁６−１、６−２をそれぞれ２方向ノズルとするとともに、ポート分岐部よりも上流位置に設け、各噴射弁から２方向に燃料を分配供給するようにしている。これに対して、図６に示したものは、分岐したポートのそれぞれに第１の燃料噴射弁６−１と第２の燃料噴射弁６−２を設けている。図６の構成によれば、例えば低速・低負荷時の燃焼を改善するために可変動弁装置を適用して一方の吸気弁３のみを開いてシリンダ内スワールを発生させる場合に、当該開弁する側の吸気ポート部にのみ燃料を噴射供給することが可能である。
【００３２】
次に、前記コントロールユニット１５により実行される燃料噴射制御につき図７〜図１０の流れ図に沿って説明する。図７〜図１０は、燃料噴射制御の処理ルーチンを表す流れ図であり、この処理は例えば約１０ミリ秒周期で繰り返し実行される。なお、以下の説明および流れ図中の符号Ｓは処理ステップ番号を表している。
【００３３】
図７はこの制御のメインルーチンであり、ある運転条件（以下「運転条件１」という。）が成立したときは成立フラグを１にセットし、その後このフラグが所定の解除条件により０にリセットされるまでは第２の燃料噴射弁６−２から燃料噴射を行い（Ｓ１０１〜Ｓ１０２）、それ以後は第２の燃料噴射弁６−１からの燃料噴射に切り換える（Ｓ１０２〜Ｓ１０３）。
【００３４】
図８は前記運転条件１の成立フラグをセットする処理ルーチンである。この場合、運転条件１として機関始動操作が開始されたことを条件としており、これをイグニッションキースイッチ１７（図１参照）の状態で判定している。すなわち、イグニッションキースイッチ１７がＯＦＦからＯＮおよびスタータＯＮの位置に操作されたときに運転条件１成立フラグを１にセットする（Ｓ２０１〜Ｓ２０２）。その後、イグニッションキースイッチ１７がＯＮの状態を継続している間は、後述する運転条件１の解除条件が成立したことを示すフラグが１にセットされているか否かを判定し、解除フラグが１であれば運転条件１成立フラグを０にリセットしてメインルーチンに戻る（Ｓ２０３〜Ｓ２０５）。解除フラグが１ではない場合は、次いで運転条件１成立フラグの状態を見て、解除フラグの状態にかかわらず成立フラグの状態を維持するように動作する（Ｓ２０４〜Ｓ２０２，Ｓ２０５）。Ｓ３０１にてイグニッションキースイッチ１７がＯＦＦであることを判定したときには、そのまま何もせずに図８のルーチンを終了する。なお前記運転条件１成立フラグと運転条件１解除フラグには共に初期値として予め０がセットされる。
【００３５】
図９は前記運転条件１の解除判定を行うためのサブルーチンを示している。解除条件としてはこの場合、機関が始動完爆したことであり、これを吸気管圧力センサ１６（図１参照）からの信号により検出している。すなわち、機関が始動完爆すると回転数の上昇に伴い、クランキング中に比較してスロットルバルブ下流の圧力が急激に低下する（図１１参照）。そこで、このときの吸気管圧力Ｐ１を読みとり（Ｓ３０１）、これが基準値Ｐｏよりも低ければ始動完爆したものとして運転条件１解除フラグを１にセットし（Ｓ３０２〜Ｓ３０３）、検出圧力Ｐ１が基準値Ｐｏ以上であれば完爆に至らないクランキング中であると判定して運転条件１解除フラグを０にリセットする（Ｓ３０２〜Ｓ３０４）。
【００３６】
始動完爆を判定するためには、クランク角センサ１２（図１参照）からの信号により機関回転速度Ｎを検出し、図１０に示したようにこれを基準値Ｎｏと比較するようにしてもよい。すなわち、図１０において、Ｓ３０１で回転速度Ｎを読み込み、Ｓ３０２でこれを基準値Ｎｏと比較し、Ｎ＞Ｎｏであれば始動完爆と判定して運転条件１解除フラグを１にセットし、Ｎ≦Ｎｏであれば運転条件１解除フラグを０にリセットする。
【００３７】
前記図９または図１０の処理において、機関始動により運転条件１解除フラグが１にセットされても、その後にストールするとＰ１≧ＰｏまたはＮ≦Ｎｏとなって解除フラグが０になってしまうが、前述したように図８のＳ２０４の処理により、いったん解除条件が成立すると運転条件１成立フラグは０を維持するので制御が初期状態に戻ってしまうようなことはない。
【００３８】
図１１は前記制御時のタイミングチャートである。機関が始動完爆するとアイドル時のような低速運転時には吸気弁が開いた当初に燃焼ガスが吸気系へと逆流する吹き返し現象が起きる。この吹き返しは燃焼ガスであるので噴射燃料の気化および混合促進に有効であり、そこでこの制御では、機関始動後に燃料粒径の大きい第１の燃料噴射弁６−１による燃料噴射に切り換えている。機関が始動完爆するまでは前記の吹き返しガスによる効果は得られないので、クランキング開始から完爆までの間は燃料粒径が小さくて霧化がよく、ポート壁面への燃料付着も起こしにくい第２の燃料噴射弁６−２により燃料噴射を行っている。
【００３９】
図１２または図１３はそれぞれ解除条件についての他の判定手法を示している。これらは吸気弁温度の上昇を条件として第２の燃料噴射弁６−２から第１の燃料噴射弁６−１へと切り換えるようにしたものである。図１２では、まず吸気弁温度センサ１４（図１参照）により吸気弁温度Ｔｖを読みとり（Ｓ３０１）、これが基準値Ｔｏよりも高ければ運転条件１解除フラグを１にセットし（Ｓ３０２〜Ｓ３０３）、吸気弁温度Ｔｖが基準値Ｔｏ以下であれば運転条件１解除フラグを０にリセットする（Ｓ３０２〜Ｓ３０４）。
【００４０】
図１３は、温度センサを用いることなく、吸気弁温度の上昇を始動完爆後の運転経過時間から推定することにより構成を簡略化するようにしたものである。この処理ルーチンでは、まず機関回転速度Ｎを読み込み、これを完爆判定のための基準値Ｎ１と比較する（Ｓ３０１〜Ｓ３０２）。Ｎ＞Ｎ１であれば前記経過時間を計測するためのカウンタＣをカウントアップし、次いでその判定基準値Ｃｏとの比較を行う（Ｓ３０３〜Ｓ３０４）。このときＣ＞Ｃｏであれば運転条件１解除フラグを１にセットする（Ｓ３０５）。前記の各判定処理において、Ｎ≦Ｎ１またはＣ≦Ｃｏのときは運転条件１解除フラグを０に維持して今回の処理を終了する（Ｓ３０６）。なお前記カウンタＣは図７に示したメインルーチンの初期設定時にクリアされている。
【００４１】
図１４は前記図１２または図１３に示した制御時のタイミングチャートである。機関の始動クランキングから始動後に吸気弁温度がある程度上昇するまでは霧化のよい第２の燃料噴射弁６−２により燃料噴射を行い、吸気弁温度が上昇した後は第１の燃料噴射弁６−１による燃料噴射に切り換える。燃料噴射弁６−１からの噴射燃料は比較的燃料粒径が大であるが、吸気弁温度が上昇すると燃料粒が吸気弁傘部３ａに衝突したときに加熱されて気化が促されることから、良好な混合気を形成することができる。このような吸気弁による加熱作用を利用する制御によれば、燃焼ガスの吹き返しが得られない条件であっても燃料霧化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の機械的構成の概略図。
【図２】実施形態の燃料噴射弁の配置を示すためのシリンダヘッドの概略平面図。
【図３】実施形態の燃料噴射弁の配置を示すための吸入ポート部の側面断面図。
【図４】実施形態の２個の燃料噴射弁の噴霧領域に関する説明図。
【図５】燃料噴射弁の配置に関する他の実施形態のシリンダヘッドの概略平面図。
【図６】燃料噴射弁の配置に関する他の実施形態のシリンダヘッドの概略平面図。
【図７】実施形態の制御内容を表す第１の流れ図。
【図８】実施形態の制御内容を表す第２の流れ図。
【図９】実施形態の制御内容を表す第３の流れ図。
【図１０】実施形態の制御内容を表す第４の流れ図。
【図１１】図９〜図１０による制御時のタイミングチャート。
【図１２】実施形態の制御内容を表す第５の流れ図。
【図１３】実施形態の制御内容を表す第６の流れ図。
【図１４】図１２〜図１３による制御時のタイミングチャート。
【符号の説明】
１    内燃機関
２    動弁装置
３    吸気弁
３ａ  吸気弁傘部
４    排気弁
５    吸気通路
５ａ  吸入ポート部
６−１    第１の燃料噴射弁
６−２    第２の燃料噴射弁
７    燃焼室
８    点火栓
９    点火コイル
１０    スロットルバルブ
１１    エアフロメータ
１２    クランク角センサ
１３    水温センサ
１４    吸気弁温度センサ
１５    コントロールユニット
１６    吸気管圧力センサ
１７    イグニッションキースイッチ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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