(57)【要約】【課題】筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、気筒間における気流のバラツキを抑制する。【解決手段】気筒内に、タンブルを強化する方向に燃料を噴射する直噴インジェクタ１９を設ける。気筒毎に点火プラグ２０の中心電極間電圧をモニタし、その放電時間から各気筒内に形成されるタンブルの状態を検出する。各気筒のタンブルの状態から、気筒間におけるタンブルのバラツキを検出する。各気筒の直噴インジェクタ１９から噴射される燃料噴射量を調整することにより、タンブルのアシスト量を気筒毎に調整し、気筒間のタンブルのバラツキを補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を備える火花点火式内燃機関の燃料噴射システムであって、
気筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタと、
各直噴インジェクタから噴射される燃料噴射量を各々制御する燃料噴射制御手段と、
各気筒内に形成される旋回流の状態を検出する検出手段とを備え、
前記直噴インジェクタ各々が前記旋回流を強化する方向に燃料を噴射するとともに、前記燃料噴射制御手段が、前記検出手段により検出される前記各気筒の旋回流の状態に基づいて、前記各直噴インジェクタの燃料噴射量を調整し前記気筒間における旋回流のバラツキを抑制する
ことを特徴とする火花点火式内燃機関の燃料噴射システム。
【請求項２】
吸気ポートに各々配置された吸気ポートインジェクタを備え、前記燃料噴射制御手段が、前記直噴インジェクタと前記吸気ポートインジェクタとの間の噴射割合を前記気筒毎に調整することにより前記直噴インジェクタの燃料噴射量を前記気筒毎に調整して、前記旋回流のバラツキを抑制することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射システム。
【請求項３】
前記検出手段が、前記各気筒に設けられた点火プラグの放電時間に基づいて前記各気筒の旋回流の状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射システム。
【請求項４】
前記燃料噴射制御手段が、前記各気筒の放電時間が全気筒の平均放電時間となるように前記各直噴インジェクタの燃料噴射量を制御することを特徴とする請求項３に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射システム。
【請求項５】
噴射される燃料の圧力を調整する燃圧調整手段を備え、前記燃圧調整手段は前記旋回流を活用する運転モードのときに、それ以外の運転モードのときよりも相対的に高い燃圧を設定することを特徴とする請求項３に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射システム。
【請求項６】
運転状態に適した所定放電時間を算出する所定放電時間算出手段と、前記旋回流を活用する運転モードにおいて前記所定放電時間と前記放電時間とから前記燃圧の補正を行う燃圧補正手段とを備えることを特徴とする請求項５に記載の火花点火式内燃機関の燃料噴射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンブルやスワールなどの旋回流を活用するとともに筒内直接噴射を用いる火花点火式内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内直接噴射火花点火式内燃機関においては、吸気時における気筒内への空気の流入を利用して、タンブルやスワールなど、燃焼室内を旋回する吸気流動を発生させ、これにより燃焼を促進するものが知られている。また、吸気通路内に気筒内に発生する吸気流動を制御する吸気流制御弁を設け、均質燃焼かつ部分負荷時にこの吸気流動弁を制御して吸気流動を強化するものが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１８０２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、筒内直接噴射式の内燃機関では、インジェクタのノズルを閉塞するデポジット等の影響で各気筒において燃料噴射による噴流の状態が異なるため、気筒間において気流の状態が異なり、従来の燃料噴射制御では気筒間において燃焼条件にバラツキが発生する。そのため従来の燃料噴射制御ではトルク変動などが発生するという問題がある。
【０００４】
本発明は、筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、気筒間における気流のバラツキを抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の火花点火式内燃機関の燃料噴射システムは、複数の気筒を備える火花点火式内燃機関の燃料噴射システムであって、気筒内に直接燃料を噴射する直噴インジェクタと、各直噴インジェクタから噴射される燃料噴射量を各々制御する燃料噴射制御手段と、各気筒内に形成される旋回流の状態を検出する検出手段とを備え、各々の直噴インジェクタは旋回流を強化する方向に燃料を噴射するとともに、燃料噴射制御手段は、検出手段により検出される各気筒の旋回流の状態に基づいて、各直噴インジェクタの燃料噴射量を調整し気筒間における旋回流のバラツキを抑制することを特徴としている。
【０００６】
また燃料噴射システムは、吸気ポートに各々配置された吸気ポートインジェクタを備えることが好ましい。燃料噴射制御手段は、直噴インジェクタと吸気ポートインジェクタとの間の噴射割合を気筒毎に調整することにより直噴インジェクタの燃料噴射量を気筒毎に調整して、旋回流のバラツキを抑制する。これにより要求空燃比に影響を与えることなく、直噴インジェクタの燃料噴射量を調整し旋回流のバラツキを抑制することができる。
【０００７】
また検出手段は、各気筒に設けられた点火プラグの放電時間に基づいて各気筒の旋回流の状態を検出することが好ましい。これにより簡略な構成で、各気筒の点火プラグ近傍の流速をモニタすることができ、旋回流の状態を正確に把握することができる。このとき燃料噴射制御手段は、例えば各気筒の放電時間が全気筒の平均放電時間となるように各直噴インジェクタの燃料噴射量を制御する。これにより、迅速かつ適正に各気筒における旋回流のバラツキを低減することができる。
【０００８】
更に、燃料噴射システムは噴射される燃料の圧力を調整する燃圧調整手段を備えることが好ましく、燃圧調整手段は旋回流を活用する運転モードのときに、それ以外の運転モードのときよりも相対的に高い燃圧を設定する。これにより、無駄な冷却損失が低減されるとともに燃料ポンプの機械損失も低減することができ、燃費の向上も図ることができる。
【０００９】
また更に燃料噴射システムは、運転状態に適した所定放電時間を算出する所定放電時間算出手段と、旋回流を活用する運転モードにおいて所定放電時間と放電時間とから燃圧の補正を行う燃圧補正手段とを備えることが好ましい。これにより、より効果的に上記効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明によれば、筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、気筒間における気流のバラツキを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である内燃機関の構成を模式的に示すブロック図である。なお、図１には１つのシリンダの模式的、部分的な断面図のみが示されるが、内燃機関は従来周知のように複数のシリンダを備え、本実施形態では４気筒エンジンを例に説明を行う。
【００１２】
本実施形態の内燃機関１０のシリンダブロック１１には、ピストン１２が配置された複数のシリンダボア１３が設けられ、その上部はシリンダヘッド１４によって覆われる。シリンダヘッド１４には、各シリンダボア１３に連通する吸気ポート１５、排気ポート１６がそれぞれ設けられ、吸気ポート１５には吸気弁１７が、排気ポート１６には排気弁１８がそれぞれ配設される。また、シリンダヘッド１４において、燃焼室の略中央頂面を形成する位置には、燃料噴射用の直噴インジェクタ１９および火花点火用の点火プラグ２０が設けられる。
【００１３】
また、本実施形態においては、吸気ポート１５に吸気ポートインジェクタ２１が設けられる。直噴インジェクタ１９および吸気ポートインジェクタ２１には、デリバリパイプ２２から所定の燃圧で燃料が供給される。デリバリパイプ２２の燃圧は例えば燃料ポンプ／レギュレータ２３によって調整され、燃料ポンプ／レギュレータ２３の駆動、および直噴インジェクタ１９と吸気ポートインジェクタ２１の駆動はＥＣＵ２４によって制御される。また、各シリンダに設けられた点火プラグ２０における中心電極電圧は、ＥＣＵ２４によってモニタされる。
【００１４】
本実施形態の燃料噴射制御において、ＥＣＵ２４は、ドライバの要求や運転状態に合わせて燃圧、燃料噴射量、直噴インジェクタ１９と吸気ポートインジェクタ２１との間の燃料噴射の分担率を決定する。ＥＣＵ２４は、決定されたこれらの値に基づいて、燃料ポンプ／レギュレータ２３の駆動や、直噴インジェクタ１９および吸気ポートインジェクタ２１の噴射弁の駆動を制御する。
【００１５】
内燃機関１０は、吸気時に吸気ポート１５から流入する気流により燃焼室内にタンブルやスワールなどの旋回流を形成するものであり、直噴インジェクタ１９のノズルは、形成された旋回流を強化する方向に燃料を噴射するように設定される。図１の例では、燃焼室内に破線で示される順方向タンブルＴが形成され、直噴インジェクタ１９は、順方向タンブルＴを強化する方向に燃料を噴射する。
【００１６】
燃焼室内の旋回流は、一般にリーン運転時、ＥＧＲ運転時、ノック域などにおいて活用される。例えばノック域においては、タンブルやスワールなどの旋回流を燃焼室内に形成することにより燃焼速度を増大させるとともに、要求点火時期を遅角させてノッキングの発生を防止する。なお、旋回流を活用するとき、直噴インジェクタ１９からの燃料噴射は、旋回流を維持・強化するためにも用いられる。したがって、このような観点から燃圧は高めに設定されることが好ましい。
【００１７】
次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態における燃料噴射制御について説明する。なお、図２のフローは、ＥＣＵ２４におけるエンジンシステム制御全体の流れの中で１サイクル（熱機関サイクル）毎に繰り返し実行される。
【００１８】
本実施形態の燃料噴射制御では、まずステップＳ１００において内燃機関１０の運転モードがチェックされ、現運転モードが旋回流（例えばタンブル）を活用する運転モードであるか否か判定される。なお、上述したように、旋回流を活用する運転モードは、例えばリーン運転、ＥＧＲ運転、あるいはノック域での運転である。
【００１９】
ステップＳ１００において、現運転モードが旋回流（タンブル）を活用する運転モードではないと判定されると、ステップＳ１０２において、エンジン回転数とエンジン負荷から適正な目標燃圧が決定される。ステップＳ１０４では燃料ポンプ／レギュレータ２３が決定された目標燃圧に設定され、その後処理は例えばエンジンシステム制御のメインの処理に復帰する。
【００２０】
なお、ステップＳ１０２において、目標燃圧は例えばメモリに記録されたマップを参照して決定される。ステップＳ１０２には、旋回流を活用しないときの燃圧マップの一例が示される。横軸はエンジン回転数であり、縦軸はエンジン負荷である。マップには目標燃圧が１２ＭＰａ、１０ＭＰａ、８ＭＰａに対応する等圧線が描かれている。ＥＣＵ２４は現在のエンジン回転数およびエンジン負荷から、マップ上の等圧線を用いて例えば線形補間により目標燃圧を決定する。
【００２１】
一方、ステップＳ１００において、現運転モードが旋回流（タンブル）を活用する運転モードであると判定されると、それ以外の運転モードのときよりも高い燃圧が目標燃圧として初期設定され、以下ステップＳ１０６〜ステップＳ１１８において、旋回流の強化（タンブル強化）が直噴インジェクタ１９により適正に行われるように、燃圧の補正が行われる。なお初期燃圧は、最大燃圧（本実施形態では２０ＭＰａ）に近い所定の値に設定される（最大燃圧であってもよい）。
【００２２】
燃圧補正処理では、まずステップＳ１０６において、点火プラグ２０の中心電極電圧の変化から点火プラグ２０の放電時間が計測される。図３に示されるように、点火プラグ２９の放電時間と点火プラグ２０近傍の流速（旋回流の一部）との間には，一対一の関係が存在し、放電時間が増大すると、点火プラグ２０近傍の流速の大きさは単調に減少する。したがって、放電時間は燃焼室内の旋回流の強さ（流速）に対応し、例えば放電時間ｔ１のときにプラグ電極間の流速がＵ１とすると、放電時間ｔ２（ｔ１＞ｔ２）のときの流速Ｕ２はＵ１＜Ｕ２となる。
【００２３】
また、図４に、点火プラグ２０の放電時における中心電極電圧の時系列的な変化を示す。図４において実線は放電時間がｔ１のときの中心電極電圧の変化を示し、破線は放電時間がｔ２（＜ｔ１）のときの中心電極電圧の変化を示す。放電はプラグ電極間に絶縁破壊が生じる一定の高い電圧が印加されたときに発生し（容量放電）、その後放電（誘導放電）が持続されるものの放電の発生とともにプラグ電極間に電流が流れるため電極間電圧は急速に下がり、気流により放電が吹き消えると、再びプラグ電極間は絶縁されプラグ電極間の電圧は急上昇する。したがって、中心電極電圧をモニタし、その時系列変化において２つのピークを検出し、ピーク間の時間を計測することにより放電時間を求めることができる。
【００２４】
ステップＳ１０８では、エンジン回転数やエンジン負荷などによって特定されるエンジンの運転状態に対応した適正な放電時間が求められる。すなわち、各運転状態での旋回流（タンブル）のプラグ電極近傍における適正な流速に対応する所定放電時間が、例えばメモリに記録されたマップから求められる。なお、ステップＳ１０８には、運転状態に適合する所定放電時間を求めるためのマップの一例が示される。横軸はエンジン回転数、縦軸はエンジン負荷であり、マップには放電時間が１、０ｍｓ、０．８ｍｓ、０．６ｍｓのときの等値線が描かれている。ＥＣＵ２４は現在のエンジン回転数およびエンジン負荷に対応する適正な所定放電時間を、マップ上の等値線の値に基づいて例えば線形補間等を用いて求める。
【００２５】
ステップＳ１１０では、ＥＣＵ２４においてモニタされた点火プラグ２０の中心電極電圧から検出された実際の放電時間（実放電時間）が、ステップＳ１０８において運転状態から決定された所定放電時間と比較される。実放電時間が所定放電時間以下であると判定されると、すなわち、実放電時間に対応するプラグ電極近傍の実際の流速が、所定放電時間に対応する流速よりも大きいとき、ステップＳ１１２において現在の目標燃圧が所定の圧力分（例えば０．１ＭＰａ）低減され、新たな目標燃圧とされる。すなわち目標燃圧＝目標燃圧−０．１ＭＰａが新たに目標燃圧として設定される。
【００２６】
ステップＳ１１２において目標燃圧が更新されると、処理はステップＳ１２０に移り、各気筒（気筒番号＃１〜＃４）における旋回流速のバラツキの補正が行なわれ、その後処理は、ＥＣＵ２４におけるメイン処理に復帰する。なお、各気筒＃１〜＃４における旋回流の流速補正に関する処理（旋回流速補正処理）については図５を参照して後述する。
【００２７】
一方、ステップＳ１１０において、実放電時間が所定放電時間よりも長いと判定されると、すなわち、実放電時間に対応するプラグ電極近傍の実際の流速が、所定放電時間に対応する流速よりも小さいとき、ステップＳ１１４において現在の目標燃圧が所定の圧力分（例えば０．１ＭＰａ）増大され、新たな目標燃圧とされる。すなわち目標燃圧＝目標燃圧＋０．１ＭＰａが新たに目標燃圧として設定される。
【００２８】
ステップＳ１１６では、更新された目標燃圧が、設定可能な最大燃圧（例えば２０ＭＰａ）よりも大きいか否かが判定される。目標燃圧が最大燃圧よりも大きいときにはステップＳ１１８において目標燃圧が最大燃圧２０ＭＰａに設定され、処理はステップＳ１２０に移る。また、ステップＳ１１６において、目標燃圧が最大燃圧以下であると判定された場合には、目標燃圧を更新された目標燃圧に維持したままステップＳ１２０が実行され、処理はＥＣＵ２４におけるメイン処理に復帰する。
【００２９】
なお、本実施形態のステップＳ１０６〜Ｓ１１８の燃圧補正処理においては、例えば内燃機関１０の中の１つの気筒における放電時間を検出し、これに基づいて燃圧補正を行っているが、全気筒の平均放電時間を算出し、これに基づいて燃圧補正を行ってもよい。
【００３０】
次ぎに図５を参照して、各気筒（＃ｎ：ｎ＝１〜４）において形成される旋回流（タンブル）のバラツキを補正する旋回流速補正処理（ステップＳ１２０）の詳細について説明する。なお、各気筒における旋回流のバラツキは、例えば直噴インジェクタ１９のノズルに付着するデポジット等の影響により発生する。
【００３１】
ステップＳ２００では、各気筒（＃１〜＃４）の実放電時間から全気筒における平均放電時間が算出される。また、気筒番号を表す変数ｎが１に初期設定される。ステップＳ２０２では、＃ｎ気筒における実放電時間が平均放電時間よりも長いか否かが判定される。
【００３２】
すなわち、気筒の実放電時間が平均放電時間よりも長いときには、その気筒内の旋回流の流速が全気筒の旋回流の平均流速よりも遅いことを意味し、気筒の実放電時間が平均放電時間よりも短いときには、その気筒内の旋回流の流速が全気筒の旋回流の平均流速よりも速いことを意味する（図３参照）。したがって、気筒間のバラツキを抑制するには、例えば流速が平均流速よりも遅い気筒において直噴インジェクタによる燃料噴射量を増大して噴流アシストを強め、流速が平均流速よりも速い気筒において直噴インジェクタによる燃料噴射量を低減し噴流アシストを弱めることが有効である。
【００３３】
したがって、本実施形態では、ステップＳ２０２において、＃ｎ気筒における実放電時間が平均放電時間よりも長いと判定されたときには、ステップＳ２０４において＃ｎ気筒の直噴インジェクタ１９の燃料噴射が増大され、旋回流の更なる強化（タンブル強化）が図られる。
【００３４】
また、本実施形態では、直噴インジェクタ１９と吸気ポートインジェクタ２１とを用いて燃料噴射を行っているため、両インジェクタから噴射される燃料の総量を一定に維持しながらも、直噴インジェクタ１９から噴射される燃料の割合を増減することにより、直噴インジェクタ１９からの燃料噴射量を調整することが可能である。
【００３５】
したがって、ステップＳ２０４では、＃ｎ気筒の直噴噴射割合（直噴インジェクタ噴射量／（直噴インジェクタ噴射量＋吸気ポートインジェクタ噴射量）×１００）が所定量増大され、旋回流の強化が図られる。具体的には例えば、＃ｎ気筒における直噴噴射割合が、直噴噴射割合＝直噴噴射割合＋０．１％に更新される。
【００３６】
ステップＳ２０６では、ステップＳ２０４で設定された＃ｎ気筒の直噴噴射割合が設定可能な最大値（例えば１００％）よりも大きいか否かが判定される。＃ｎ気筒の直噴噴射割合が最大値よりも大きい場合には、ステップＳ２０８において＃ｎ気筒の直噴噴射割合が最大値に設定し直された後でステップＳ２１６へと進み、最大値以下の場合は設定された直噴噴射割合のままステップＳ２１６へと処理は移る。
【００３７】
ステップＳ２１６では、気筒番号に対応する変数ｎが最大値４に達したか否かが判定される。ｎが４以上であれば、このサイクルにおいて全ての気筒＃１〜＃４に対し、直噴噴射割合が調整され旋回流速の補正が完了しているので、このサイクルでの旋回流速補正処理は終了する。一方、ステップＳ２１６においてｎが最大値４に達していないときにはステップＳ２１８においてｎの値がｎ＋１に更新され、更新された＃ｎ気筒に関して、ステップＳ２０２以下同様の処理が繰り返される。
【００３８】
また、ステップＳ２０２において、＃ｎ気筒の実放電時間が平均放電時間以下であると判定されると、処理はステップＳ２１０に移り、＃ｎ気筒の直噴噴射割合が減少され、直噴インジェクタ１９からの燃料噴射による旋回流の強化が抑制される。具体的には、例えば＃ｎ気筒における直噴噴射割合が、直噴噴射割合＝直噴噴射割合−０．１％に更新される。
【００３９】
ステップＳ２１２では、ステップＳ２１０で設定された＃ｎ気筒の直噴噴射割合が設定可能な最小値（例えば３０％）よりも小さいか否かが判定される。＃ｎ気筒の直噴噴射割合が最小値よりも小さい場合には、ステップＳ２１４において、＃ｎ気筒の直噴噴射割合が最小値に設定し直された後でステップＳ２１６へと進み、最小値以上の場合には設定された直噴噴射割合のままステップＳ２１６へと処理は移る。
【００４０】
ステップＳ２１６では、既に説明したように気筒番号に対応する変数ｎが最大値４に達したか否かが判定され、ｎ≧４で全気筒に対して補正が完了していれば、このサイクルでの旋回流速補正処理は終了し、それ以外の場合には、ｎの値が更新され、ステップＳ２０２以下の処理が繰り返され、次の気筒に対する補正が実行される。なお、旋回流速補正処理は、燃圧補正処理（ステップＳ１０６〜Ｓ１１８）とともに内燃機関１０のサイクル毎に繰り返し実行される。
【００４１】
以上のように、本実施形態の旋回流速補正処理を実行することにより、全てのインジェクタに同一燃圧が与えられていても、気筒内へ噴射される燃料噴射量を気筒毎に調整することにより、各気筒間における旋回流のバラツキを漸次補正し、実放電時間（旋回流の流速）を全ての気筒において略一定とすることができる。これにより、気筒間における燃焼条件の違いによるトルク変動等を抑制できる。
【００４２】
また、本実施形態では、直噴インジェクタと吸気ポートインジェクタとを用いたデュアルインジェクションシステムを採用したことにより、空燃比に影響を与えることなく、気筒間における旋回流のバラツキに対応して直噴インジェクタによる燃料噴射量を調整できる。
【００４３】
また更に、本実施形態では、タンブルやスワールなどの旋回流を活用する運転状態では燃圧を相対的に高く設定し、それ以外の運転状態では燃圧を相対的に低く設定するため、旋回流による燃焼の改善が必要ないときの直噴による冷却損失を低減できるとともに、燃圧が高く設定されている期間を短くできるので、燃料ポンプの機械損失を低減し、燃費の向上を図ることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、旋回流を活用する運転状態においても、放電時間をモニタすることにより燃焼室内の旋回流の強さをモニタし、燃圧の微調整を行っているため、燃圧が必要以上に高く設定されることを防止できるので、上記効果を更に高めることができる。
【００４５】
なお、本実施形態では、平均流速よりも遅いと考えられる気筒において直噴による燃料噴射量を多くし、平均流速よりも速いと考えられる気筒において直噴による燃料噴射を少なくしたが、流速が最大の気筒に合わせて他の気筒の直噴燃料噴射量を増大、あるいは最小の気筒に合わせて他の気筒の直噴燃料噴射量を減少させることも可能である。また、本実施形態では、各気筒に設けられた点火プラグの放電時間から各気筒における旋回流の状態を推定し、そのバラツキを補正したが、旋回流の状態は他の方法によって評価されることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態である内燃機関の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】本実施形態における燃料噴射制御を説明するためのフローチャートである。
【図３】点火プラグの放電時間とプラグ電極間における流速との関係を示すグラフである。
【図４】２つの流速に対する点火プラグの放電波形を示すグラフである。
【図５】本実施形態における旋回流速補正処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１０  内燃機関
１１  シリンダブロック
１２  ピストン
１３  シリンダボア
１４  シリンダヘッド
１５  吸気ポート
１６  排気ポート
１７  吸気弁
１８  排気弁
１９  直噴インジェクタ
２０  点火プラグ
２１  吸気ポートインジェクタ
２２  デリバリパイプ
２３  燃料ポンプ／レギュレータ
２４  ＥＣＵ
【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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