内燃機関の燃料噴射制御装置
【課題】 気体燃料の燃料噴射時期をより適切に制御し、充填効率を従来より向上させることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 第１燃料噴射弁２１の近傍に設けられた吸気圧センサ３２により検出される吸気圧ＰＩに基づいて、第１燃料噴射弁２１の近傍の吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１１，ＴＰＫ１２等が判定され、その吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。機関の高負荷または高回転運転状態では、第１及び第２燃料噴射弁２１，２２をともに使用して、それぞれの燃料噴射弁近傍の吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１１，ＴＰＫ２１等において燃料噴射が実行される。
【解決手段】 第１燃料噴射弁２１の近傍に設けられた吸気圧センサ３２により検出される吸気圧ＰＩに基づいて、第１燃料噴射弁２１の近傍の吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１１，ＴＰＫ１２等が判定され、その吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。機関の高負荷または高回転運転状態では、第１及び第２燃料噴射弁２１，２２をともに使用して、それぞれの燃料噴射弁近傍の吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１１，ＴＰＫ２１等において燃料噴射が実行される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、特に気体燃料を用いる内燃機関の燃料噴射制御を行うものに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＬＰＧ（液化石油ガス）を気化させた状態で、機関の吸気通路内に噴射する燃料噴射装置が示されている。この装置によれば、燃料噴射を実行する気筒の排気行程及び吸気行程の範囲内に燃料噴射時期が設定され、機関の負荷が低いときは、燃料噴射弁の燃料噴射孔近傍の圧力が最も高くなる排気行程終期に設定される。特許文献１に示された燃料噴射時期の設定手法は、燃料噴射量を制御精度を向上させることを目的とするものであり、特にアイドリング時において燃料噴射弁に供給されるガス圧力と、燃料噴射孔近傍の圧力との差を減少させることにより、その目的が達成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１１６３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸気通路内に気体燃料を噴射する機関では、混合気中の燃料の体積割合が高くなるため、液体燃料を噴射する場合に比べて充填効率が低下するという課題がある。特許文献１に示されるように予め燃料噴射孔近傍の圧力が高くなる時期に燃料噴射を実行する手法を採用することにより、充填効率の低下を抑制するという効果も得られる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の手法では、吸気通路内の圧力、すなわち吸気圧の脈動について十分な考慮がなされていないため、以下のような課題がある。すなわち、吸気圧の脈動は、主として吸気弁の開閉に起因して発生し、実際には行程が変化することによる吸気通路内の圧力変化周期より短い周期の成分も含まれている。ところが、特許文献１に示された手法では、行程の変化に伴う圧力変化のみに着目し、予め決められた排気行程終期に燃料噴射が行われるため、充填効率を向上させる上で改善の余地があった。
【０００６】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、気体燃料の燃料噴射時期をより適切に制御し、充填効率を従来より向上させることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の吸気通路（２）に気体燃料を噴射する燃料噴射手段（２１）を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射手段（２１）の近傍に設けられ、前記吸気通路内の吸気圧（ＰＩ）を検出する吸気圧検出手段（３２）と、前記燃料噴射手段（２１）の燃料噴射孔に加わる吸気圧（ＰＩ）が高圧側ピーク値（ＰＩＰ１等）をとる時期を含む吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１等）を、前記吸気圧検出手段により検出される吸気圧（ＰＩ）に基づいて判定し、該吸気圧ピーク期間において燃料噴射を実行する燃料噴射時期制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射時期制御手段は、前記吸気圧の変化量（ＤＰＩ）が正の値から負の値に変化する時期を含み、前記変化量（ＤＰＩ）の絶対値が所定値（ＤＰＩＳ）以下である期間を、前記吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１等）と判定することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関の運転状態に応じた要求燃料量を噴射するための燃料噴射時間（ＴＯＵＴ）を算出する燃料噴射時間算出手段を備え、前記燃料噴射時期制御手段は、前記燃料噴射時間（ＴＯＵＴ）が前記吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１）より大きいときは、２以上の前記吸気圧ピーク期間において前記燃料噴射を実行することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記気体燃料は水素であることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関の負荷（ＴＲＱＥ）を検出する負荷検出手段と、前記燃料噴射手段（２１）の下流側に設けられた副燃料噴射手段（２２）とを備え、前記燃料噴射時期制御手段は、前記機関負荷（ＴＲＱＥ）が所定負荷（ＴＲＱＥＴＨ）より小さいときは、前記燃料噴射手段（２１）のみを用いて燃料噴射を実行し、前記機関負荷（ＴＲＱＥ）が前記所定負荷（ＴＲＱＥＴＨ）以上であるときは、前記燃料噴射手段（２１）及び副燃料噴射手段（２２）を用いて燃料噴射を実行し、前記副燃料噴射手段（２２）の燃料噴射孔に加わる吸気圧（ＰＩＤ）が高圧側ピーク値をとる時期を含む副吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ２１等）において前記副燃料噴射手段（２２）による燃料噴射を実行することを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関の負荷（ＴＲＱＥ）を検出する負荷検出手段と、前記吸気圧を加圧する過給手段（８）とを備え、前記燃料噴射時期制御手段は、前記機関負荷（ＴＲＱＥ）が所定負荷（ＴＲＱＥＴＨ）より小さいときのみ、前記吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１等）における燃料噴射を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、燃料噴射手段の近傍に設けられた吸気圧検出手段により検出される吸気圧に基づいて、燃料噴射手段の燃料噴射孔に加わる吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間が判定され、その吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。吸気圧ピーク期間に燃料噴射を実行することにより、行程が変化することによる吸気通路内の圧力変化周期より短い周期を有する吸気圧脈動の振幅を増加させ、脈動を利用して充填効率を向上させる脈動効果を増強することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、吸気圧変化量が正の値から負の値に変化する時期を含み、吸気圧変化量の絶対値が所定値以下である期間が、吸気圧ピーク期間と判定されるので、吸気圧が高圧側のピーク値をとる時期を正確に判定することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、機関の運転状態に応じた要求燃料量を噴射するための燃料噴射時間が算出され、この燃料噴射時間が吸気圧ピーク期間より大きいときは、２以上の吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。したがって、吸気圧ピーク期間が比較的短い機関運転状態においても、必要な燃料量を供給しつつ充填効率を高めることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、気体燃料として水素が使用される。水素は、例えばＣＮＧ（圧縮天然ガス）と比べて、同等の機関出力を得るのに必要な燃料体積は約３倍となるため、充填効率の低下度合がＣＮＧより大きくなる傾向がある。したがって、水素を燃料として使用する機関に、上記燃料噴射時期制御を適用することにより、充填効率を高めて機関出力性能を向上させることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、機関負荷が所定負荷より小さいときは、燃料噴射手段のみを用いて燃料噴射が実行される一方、機関負荷が所定負荷以上であるときは、燃料噴射手段とともに副燃料噴射手段を用いて燃料噴射が実行される。副燃料噴射手段の燃料噴射孔に加わる吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む副吸気圧ピーク期間において、副燃料噴射手段による燃料噴射が実行される。したがって、比較的短期間のうちに要求燃料量を供給する必要がある高負荷運転状態において、必要な燃料量を供給しつつ充填効率を高めることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、過給手段を備える機関においては、機関負荷が所定負荷より小さいときのみ、吸気圧ピーク期間における燃料噴射が実行される。低負荷運転状態では、過給手段による過給効果が小さくなるため、吸気圧ピーク期間における燃料噴射を実行することにより、充填効率を向上させることができる。一方、高負荷運転状態では過給効果によって充填効率を向上させ、通常の燃料噴射時期に燃料噴射を行うことにより、燃料噴射時期の制限を受けることなく必要な燃料量を確実に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】燃料噴射制御処理のフローチャートである。
【図３】図１に示す第１燃料噴射弁による燃料噴射を実行する処理のフローチャートである。
【図４】図１に示す第１及び第２燃料噴射弁による燃料噴射を実行する処理のフローチャートである。
【図５】燃料噴射の実行時期を説明するためのタイムチャートである。
【図６】本発明の効果を説明するためのタイムチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図８】燃料噴射制御処理（第２の実施形態）のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、例えば４気筒を有し、水素を燃料として使用するエンジンであり、吸気通路２及び排気通路４を備えている。吸気通路２の上流部には、吸気ノズル３が設けられ、排気通路４には排気を浄化するための三元触媒９が設けられている。
【００２１】
三元触媒９の下流側と吸気ノズル３の下流側との間に排気還流通路５が設けられており、排気還流通路５には排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）６及び還流排気クーラ７が設けられている。吸気ノズル３は、該吸気ノズル３より下流側の圧力を大気圧より若干低下させ、還流排気が排気還流通路５から吸気通路２に流入し易くするために設けられている。
【００２２】
吸気通路２には、第１燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２が各気筒に対応して設けられており、第２燃料噴射弁２２は、第１燃料噴射弁２１の下流側に配置されている。第１燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２には、図示しない水素タンクから水素ガスが供給される。
【００２３】
燃料噴射弁２１及び２２は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、各燃料噴射弁の開弁時期及び開弁時間、すなわち燃料噴射時期及び燃料噴射時間は、ＥＣＵ２０により制御される。またＥＧＲ弁６もＥＣＵ２０に接続されており、その動作がＥＣＵ２０により制御される。
【００２４】
エンジン１の各気筒には点火プラグ（図示せず）が設けられており、点火プラグによる点火時期はＥＣＵ２０により制御される。
吸気通路２には、吸入ガス（空気と還流排気の混合ガス）の流量ＧＩＮを検出するガス流量センサ３１が設けられている。また第１燃料噴射弁２１の近傍には、第１燃料噴射弁２１の近傍における吸気圧ＰＩを検出する吸気圧センサ３２が各気筒に対応して設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。吸気圧センサ３２は、より具体的には、第１燃料噴射弁２１の燃料噴射孔を含み、吸入ガス流の方向に垂直な平面内に配置される。
【００２５】
エンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するエンジン回転数センサ３３、及びエンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ３４がＥＣＵ２０に接続されており、これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。エンジン回転数センサ３３は、所定クランク角度（例えば６度）毎に発生するクランク角度パルス及びエンジン１の各気筒のピストンが上死点に位置するタイミングに同期して発生するＴＤＣパルスをＥＣＵ２０に供給する。クランク角度パルスは、燃料噴射時期及び点火時期の制御に使用される。
【００２６】
ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁２１，２２、ＥＧＲ弁６などに駆動信号を供給する出力回路から構成される。
【００２７】
ＥＣＵ２０は、エンジン運転状態（主としてエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱＥ）に応じて燃料噴射弁２１，２２による燃料噴射制御、ＥＧＲ弁６による排気還流制御などを行う。要求トルクＴＲＱＥは、アクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出され、アクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど増加するように設定される。
【００２８】
図２は、燃料噴射弁２１，２２を用いて燃料噴射を行う制御処理のフローチャートであり、この処理はＥＣＵ２０のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１１では、アクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて要求トルクＴＲＱＥを算出する。ステップＳ１２では、要求トルクＴＲＱＥに応じて必要燃料量ＱＦＵＥＬを算出し、必要燃料量ＱＦＵＥＬを燃料噴射時間ＴＯＵＴに変換する。
【００２９】
ステップＳ１３では、エンジン運転状態が低負荷かつ低回転状態であるか否かを判別する。すなわち、要求トルクＴＲＱＥが所定閾値ＴＲＱＥＴＨより小さく、かつエンジン回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＴＨより低いか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、図３に示す第１噴射実行制御により燃料噴射を実行する（ステップＳ１４）。第１噴射実行制御では、第１燃料噴射弁２１のみを用いた燃料噴射が行われる。
【００３０】
一方ステップＳ１３の答が否定（ＮＯ）、すなわち高負荷運転状態（ＴＲＱＥ≧ＴＲＱＥＴＨ）または高回転運転状態（ＮＥ≧ＮＥＴＨ）であるときは、吸気圧センサ３２の検出信号に応じて遅れ時間ＴＤＬＹＰを算出する（ステップＳ１５）。遅れ時間ＴＤＬＹＰは、吸気脈動の圧力波が第１燃料噴射弁２１から第２燃料噴射弁２２まで移動するのに要する時間であり、例えば、第１燃料噴射弁２１から第２燃料噴射弁２２までの距離ＤＦＶと吸気圧センサ３２の検出信号のピーク間隔から求められる。ステップＳ１６では、遅れ時間ＴＤＬＹＰを燃料噴射実行制御の実行周期ＴＣＡＬで離散化し、離散化遅れ時間ｋＤＬＹを算出する。この演算では小数点以下の端数は例えば切り捨てる。なお、吸気脈動圧力波の速度はほぼ音速と等しくなるので、距離ＤＦＶと空気中の音速とを用いて遅れ時間ＴＤＬＹＰを算出するようにしてもよい。
【００３１】
ステップＳ１７では、図４に示す第２噴射実行制御により燃料噴射を実行する。第２噴射実行制御では、第１燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２を使用して燃料噴射が行われる。
【００３２】
図３は、第１燃料噴射実行制御処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間ＴＣＡＬ毎に実行される。燃料噴射弁２１の最小噴射時間は０．５ｍｓｅｃ程度であるので、所定時間ＴＣＡＬは、この最小噴射時間と、検出する吸気圧脈動の周期とを考慮して設定される。脈動周期は、例えば１７ｍｓｅｃ（６０Ｈｚ相当）程度である。
【００３３】
ステップＳ２１では、噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤが「１」であるか否かを判別する。最初はこの答は否定（ＮＯ）であるので、クランク角度位置ＣＡが燃料噴射を実行すべき所定角度範囲ＲＣＡＩＮＪ内にあるか否かを判別する。所定角度範囲ＲＣＡＩＮＪは、例えば燃料噴射を行う気筒の排気行程の後半部及び吸気行程の前半部に設定される。
【００３４】
ステップＳ２３では、吸気圧センサ３２により検出される吸気圧ＰＩを下記式（１）に適用し、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)を算出する。ここで「ｋ」は、所定時間ＴＣＡＬで離散化した離散化時刻である。
ＤＰＩ(k)＝ＰＩ(k)−ＰＩ(k-1) （１）
【００３５】
ステップＳ２４では、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)が「０」より大きいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)が所定変化量ＤＰＩＳ以下であるか否かを判別する（ステップＳ２５）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、吸気圧変化量の前回値ＤＰＩ(k-1)が所定変化量ＤＰＩＳ以下であるか否かを判別する（ステップＳ２６）。この答が否定（ＮＯ）であって、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)が所定変化量ＤＰＩＳより大きな状態から所定変化量ＤＰＩＳ以下の状態へ移行した直後であるときは、燃料噴射を開始し、噴射実行フラグＦＩＮＪを「１」に設定する（ステップＳ２７）。すなわち、吸気圧ＰＩが高圧側ピーク値をとる時期の直前から燃料噴射が開始される。噴射実行フラグＦＩＮＪが「１」に設定されると、燃料噴射実行時間を計測する噴射実行タイマＴＭＩＮＪのカウントアップが開始される。
【００３６】
ステップＳ２５の答が否定（ＮＯ）またはステップＳ２６の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、噴射実行フラグＦＩＮＪが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ２８）。ステップＳ２８の答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちに処理を終了し、ＦＩＮＪ＝１であるときは、噴射実行タイマＴＭＩＮＪの値が燃料噴射時間ＴＯＵＴより小さいか否かを判別する（ステップＳ３３）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは直ちに処理を終了する。したがって燃料噴射が継続される。一方、ステップＳ３３で噴射実行タイマＴＭＩＮＪの値が燃料噴射時間ＴＯＵＴ以上であるときは燃料噴射を終了し、噴射実行フラグＦＩＮＪを「０」に設定する（ステップＳ３４）。その後ステップＳ３５に進み、噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤを「１」に設定する。
【００３７】
ステップＳ２４の答が否定（ＮＯ）であって、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)が「０」以下であるときは、ステップＳ２９に進み、噴射実行フラグＦＩＮＪが「１」であるか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるとは直ちに処理を終了し、ＦＩＮＪ＝１であるときは、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)の絶対値が所定変化量ＤＰＩＳより大きいか否かを判別する（ステップＳ３０）。
【００３８】
ステップＳ３０の答が否定（ＮＯ）であるときは、ステップＳ３３に進み、噴射実行タイマＴＭＩＮＪの値が燃料噴射時間ＴＯＵＴより小さい間は燃料噴射を継続する。ステップＳ３０の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、燃料噴射を終了し、噴射実行フラグＦＩＮＪを「０」に戻す（ステップＳ３１）。すなわち、吸気圧ＰＩがピーク値をとる時期を過ぎて、変化量ＤＰＩの絶対値が所定変化量ＤＰＩＳを越えると、燃料噴射を終了する。
【００３９】
ステップＳ３２ではステップＳ３３と同様に噴射実行タイマＴＭＩＮＪの値が燃料噴射時間ＴＯＵＴより小さいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは直ちに処理を終了する。したがって、吸気圧ＰＩが次に高圧側ピーク値をとる時期の近傍で再度燃料噴射が実行される。ステップＳ３２の答が否定（ＮＯ）であるときは噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤを「１」に設定する（ステップＳ３５）。
【００４０】
噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤが「１」に設定されると、ステップＳ２１からステップＳ４１に進み、ステップＳ２２と同じ判別を行う。ステップＳ４１の答が肯定（ＹＥＳ）である間は直ちに処理を終了し、否定（ＮＯ）となると噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤを「０」に戻す（ステップＳ４２）。
【００４１】
図３の処理によれば、図５（ａ）に示すように脈動する吸気圧ＰＩの高圧側ピーク値ＰＩＰ１，ＰＩＰ２，ＰＩＰ３，…を含む吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１１，ＴＰＫ１２，ＴＰＫ１３，…において、燃料噴射が実行される。ＴＯＵＴ≦ＴＰＫ１１であるときは、最初の吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１内に燃料噴射が終了し、ＴＰＫ１１＜ＴＯＵＴ≦（ＴＰＫ１１＋ＴＰＫ１２）であるときは、吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１２において、燃料噴射が終了する。ＴＯＵＴ＞（ＴＰＫ１１＋ＴＰＫ１２）であるときは、吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１３においても燃料噴射が実行される。
【００４２】
図４は、第２燃料噴射実行制御処理のフローチャートであり、この処理はＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間ＴＣＡＬ毎に実行される。この処理では、図２のステップＳ１２で算出される燃料噴射時間ＴＯＵＴの１／２に相当する燃料噴射を第１燃料噴射弁２１により実行し、残りの１／２に相当する燃料噴射を第２燃料噴射弁２２により実行する。
【００４３】
ステップＳ５１及びＳ５２では、燃料噴射時間ＴＯＵＴを１／２にして図３に示す第１燃料噴射実行制御処理を実行する。これにより、必要燃料量ＱＦＵＥＬの１／２に相当する燃料が噴射される。
【００４４】
ステップＳ５３では、第２燃料噴射弁２２の近傍の吸気圧を示す遅延吸気圧ＰＩＤ(i)（「ｉ」は「ｋ」と同様に所定時間ＴＣＡＬで離散化した離散化時刻である）を、吸気圧ＰＩ(k-kDLY）に設定する。ステップＳ５４では、遅延吸気圧ＰＩＤ(i)を図３の処理と同様の処理に適用して、第２燃料噴射弁２２による燃料噴射を実行する。
【００４５】
図４の処理によれば、第１燃料噴射弁２１による燃料噴射は、図５（ａ）に示す吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１，ＴＰＫ２，ＴＰＫ３，…において実行され、第２燃料噴射弁２２による燃料噴射は図５（ｂ）に示す吸気圧ピーク期間ＴＰＫ２１，ＴＰＫ２２，ＴＰＫ２３，…において実行される。
【００４６】
図６は、吸気圧ＰＩの推移を示すタイムチャートであり、破線が通常の燃料噴射（吸気圧の脈動を考慮せずに、吸気行程において１回の燃料噴射）を行った場合に対応し、実線が本実施形態の燃料噴射（第１燃料噴射弁２１のみによる燃料噴射）を行った場合に対応する。本実施形態の燃料噴射によれば、この図に示すように、吸気脈動の振幅が増加し、充填効率を向上させることができる。
【００４７】
以上のように本実施形態では、第１燃料噴射弁２１の近傍に設けられた吸気圧センサ３２により検出される吸気圧ＰＩに基づいて、第１燃料噴射弁２１の近傍の（燃料噴射孔に加わる）吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１，ＴＰＫ１２等）が判定され、その吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。吸気圧ピーク期間に燃料噴射を実行することにより、燃料噴射を行う気筒の行程が変化することによる吸気通路内の圧力変化周期より短い周期を有する吸気圧脈動の振幅を増加させ、充填効率を向上させることができる。充填効率を高めることにより、体積容量の大きい水素燃料に押し出されていた分の空気が充填されることとなり、空燃比を適切な値まで増加させて燃焼温度を低下させ、ＮＯｘ排出量を低減する効果、あるいは充填される燃料供給量を増加させて機関出力を適切な値まで高める効果が得られる。
【００４８】
また図３に示す処理により、吸気圧変化量ＤＰＩが正の値から負の値に変化する時期を含み、吸気圧変化量ＤＰＩの絶対値が所定変化量ＤＰＩＳ以下である期間が、吸気圧ピーク期間と判定されるので、吸気圧ＰＩが高圧側のピーク値をとる時期を正確に判定することができる。
【００４９】
また燃料噴射時間ＴＯＵＴが吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１１より大きいときは、２以上の吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行されるので、吸気圧ピーク期間が比較的短いエンジン運転状態においても、必要な燃料量を供給しつつ充填効率を高めることができる。
【００５０】
また本実施形態で燃料として使用される水素は、例えばＣＮＧ（圧縮天然ガス）と比べて、同等のエンジン出力を得るのに必要な燃料体積は約３倍となるため、充填効率の低下度合がＣＮＧより大きくなる傾向がある。したがって、水素を燃料として使用するエンジンに、本実施形態の燃料噴射時期制御を適用することにより、顕著な充填効率向上効果を得ることができる。
【００５１】
さらに要求トルクＴＲＱＥが所定閾値ＴＲＱＥＴＨより小さい低負荷運転状態では、第１燃料噴射弁２１のみを用いて燃料噴射が実行される一方、要求トルクＴＲＱＥが所定閾値ＴＲＱＥＴＨ以上である高負荷運転状態では、第１燃料噴射弁２１とともに第２燃料噴射弁２２を用いて燃料噴射が実行される。このとき、第２燃料噴射弁２２の近傍の（燃料噴射孔に加わる）吸気圧（遅延吸気圧ＰＩＤ）が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ２１，ＴＰＫ２２等）において、第２燃料噴射弁２２による燃料噴射が実行される。したがって、比較的短期間のうちに要求燃料量を供給する必要がある高負荷運転状態において、必要な燃料量を供給しつつ充填効率を高めることができる。第２燃料噴射弁２２による燃料噴射は、第１燃料噴射弁２１による燃料噴射によって振幅が増幅された脈動の吸気圧ピーク期間において実行されるため、より顕著な振幅増幅効果及び充填効率向上効果を得ることができる。
【００５２】
また燃料噴射を実行する所定角度範囲ＲＣＡＩＮＪは、排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間が重複するオーバラップ期間とすることに望ましく、そのような設定により充填効率の向上効果を高めることができる。
【００５３】
本実施形態では、第１燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２がそれぞれ燃料噴射手段及び副燃料噴射手段に相当し、吸気圧センサ３２が、吸気圧検出手段に相当し、アクセルセンサ３４が負荷検出手段の一部を構成し、ＥＣＵ２０が燃料噴射時期制御手段、燃料噴射時間算出手段、及び負荷検出手段の一部を構成する。具体的には、図２のステップＳ１１が負荷検出手段の一部に相当し、ステップＳ１２が燃料噴射時間算出手段に相当し、ステップＳ１３〜Ｓ１７，図３及び図４の処理が燃料噴射時期制御手段に相当する。
【００５４】
［第２の実施形態］
本実施形態は、ターボチャージャを備えるエンジンの燃料噴射制御を、第１の実施形態と同様の手法で実行するようにしたものである。以下に説明する点以外は第１の実施形態と同一である。
【００５５】
図７は、本実施形態におけるエンジン及びその制御装置の構成を示す図である。
エンジン１はターボチャージャ８を備えており、ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール１０を有するタービン１１と、タービンホイール１０とシャフト１４を介して連結されたコンプレッサホイール１５を有するコンプレッサ１６とを備えている。コンプレッサホイール１５は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。吸気通路２のコンプレッサ１６の下流側にはインタークーラ１８が設けられている。
本実施形態では、吸気通路２には第１燃料噴射弁２１のみが設けられている。
【００５６】
図８は、本実施形態における燃料噴射制御処理のフローチャートである。この処理は、図２に示す処理のステップＳ１５〜Ｓ１７をステップＳ６１に代えたものである。
ステップＳ６１では、通常噴射実行制御が行われる。通常噴射実行制御では、例えば、吸気圧脈動を考慮せずに吸気行程において１回の燃料噴射（燃料噴射時間ＴＯＵＴ）が実行される。
【００５７】
本実施形態では、エンジン１がターボチャージャ８を備えており、高負荷または高回転運転状態では通常の燃料噴射実行制御が行われる一方、低負荷かつ低回転運転状態では、第１の実施形態に示した第１燃料噴射実行制御が行われ、吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。低負荷低回転運転状態では、ターボチャージャ８による過給効果が小さくなるため、吸気圧ピーク期間における燃料噴射を実行することにより、充填効率を向上させることができる。一方、高負荷または高回転運転状態ではターボチャージャ８の過給効果によって充填効率を向上させ、通常の燃料噴射時期に燃料噴射を行うことにより、燃料噴射時期の制限を受けることなく必要な燃料量を確実に供給することができる。
【００５８】
本実施形態では、ターボチャージャ８が過給手段に相当する。
【００５９】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、気体燃料として水素を使用する例を示したが、本発明は特許文献１に示されるようにＬＰＧを気化させた状態で噴射する燃料噴射装置、あるいはＣＮＧを気体燃料として使用する燃料噴射装置にも適用可能である。
【００６０】
また上述した第１の実施形態では、第１及び第２燃料噴射弁２１，２２をともに使用する場合に、燃料噴射時間ＴＯＵＴを２等分して各燃料噴射弁を駆動する例を示したが、燃料噴射時間ＴＯＵＴを分割する比率は１：１に限らず、他の比率に設定してもよい。
【００６１】
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの燃料噴射制御にも適用が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 内燃機関
２ 吸気通路
８ ターボチャージャ（過給手段）
２０ 電子制御ユニット（燃料噴射時期制御手段、燃料噴射時間算出手段、負荷検出手段）
２１ 第１燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２２ 第２燃料噴射弁（副燃料噴射手段）
３２ 吸気圧センサ（吸気圧検出手段）
３３ エンジン回転数センサ
３４ アクセルセンサ（負荷検出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、特に気体燃料を用いる内燃機関の燃料噴射制御を行うものに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＬＰＧ（液化石油ガス）を気化させた状態で、機関の吸気通路内に噴射する燃料噴射装置が示されている。この装置によれば、燃料噴射を実行する気筒の排気行程及び吸気行程の範囲内に燃料噴射時期が設定され、機関の負荷が低いときは、燃料噴射弁の燃料噴射孔近傍の圧力が最も高くなる排気行程終期に設定される。特許文献１に示された燃料噴射時期の設定手法は、燃料噴射量を制御精度を向上させることを目的とするものであり、特にアイドリング時において燃料噴射弁に供給されるガス圧力と、燃料噴射孔近傍の圧力との差を減少させることにより、その目的が達成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１１６３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸気通路内に気体燃料を噴射する機関では、混合気中の燃料の体積割合が高くなるため、液体燃料を噴射する場合に比べて充填効率が低下するという課題がある。特許文献１に示されるように予め燃料噴射孔近傍の圧力が高くなる時期に燃料噴射を実行する手法を採用することにより、充填効率の低下を抑制するという効果も得られる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の手法では、吸気通路内の圧力、すなわち吸気圧の脈動について十分な考慮がなされていないため、以下のような課題がある。すなわち、吸気圧の脈動は、主として吸気弁の開閉に起因して発生し、実際には行程が変化することによる吸気通路内の圧力変化周期より短い周期の成分も含まれている。ところが、特許文献１に示された手法では、行程の変化に伴う圧力変化のみに着目し、予め決められた排気行程終期に燃料噴射が行われるため、充填効率を向上させる上で改善の余地があった。
【０００６】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、気体燃料の燃料噴射時期をより適切に制御し、充填効率を従来より向上させることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の吸気通路（２）に気体燃料を噴射する燃料噴射手段（２１）を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射手段（２１）の近傍に設けられ、前記吸気通路内の吸気圧（ＰＩ）を検出する吸気圧検出手段（３２）と、前記燃料噴射手段（２１）の燃料噴射孔に加わる吸気圧（ＰＩ）が高圧側ピーク値（ＰＩＰ１等）をとる時期を含む吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１等）を、前記吸気圧検出手段により検出される吸気圧（ＰＩ）に基づいて判定し、該吸気圧ピーク期間において燃料噴射を実行する燃料噴射時期制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射時期制御手段は、前記吸気圧の変化量（ＤＰＩ）が正の値から負の値に変化する時期を含み、前記変化量（ＤＰＩ）の絶対値が所定値（ＤＰＩＳ）以下である期間を、前記吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１等）と判定することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関の運転状態に応じた要求燃料量を噴射するための燃料噴射時間（ＴＯＵＴ）を算出する燃料噴射時間算出手段を備え、前記燃料噴射時期制御手段は、前記燃料噴射時間（ＴＯＵＴ）が前記吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１）より大きいときは、２以上の前記吸気圧ピーク期間において前記燃料噴射を実行することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記気体燃料は水素であることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関の負荷（ＴＲＱＥ）を検出する負荷検出手段と、前記燃料噴射手段（２１）の下流側に設けられた副燃料噴射手段（２２）とを備え、前記燃料噴射時期制御手段は、前記機関負荷（ＴＲＱＥ）が所定負荷（ＴＲＱＥＴＨ）より小さいときは、前記燃料噴射手段（２１）のみを用いて燃料噴射を実行し、前記機関負荷（ＴＲＱＥ）が前記所定負荷（ＴＲＱＥＴＨ）以上であるときは、前記燃料噴射手段（２１）及び副燃料噴射手段（２２）を用いて燃料噴射を実行し、前記副燃料噴射手段（２２）の燃料噴射孔に加わる吸気圧（ＰＩＤ）が高圧側ピーク値をとる時期を含む副吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ２１等）において前記副燃料噴射手段（２２）による燃料噴射を実行することを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記機関の負荷（ＴＲＱＥ）を検出する負荷検出手段と、前記吸気圧を加圧する過給手段（８）とを備え、前記燃料噴射時期制御手段は、前記機関負荷（ＴＲＱＥ）が所定負荷（ＴＲＱＥＴＨ）より小さいときのみ、前記吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１等）における燃料噴射を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、燃料噴射手段の近傍に設けられた吸気圧検出手段により検出される吸気圧に基づいて、燃料噴射手段の燃料噴射孔に加わる吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間が判定され、その吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。吸気圧ピーク期間に燃料噴射を実行することにより、行程が変化することによる吸気通路内の圧力変化周期より短い周期を有する吸気圧脈動の振幅を増加させ、脈動を利用して充填効率を向上させる脈動効果を増強することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、吸気圧変化量が正の値から負の値に変化する時期を含み、吸気圧変化量の絶対値が所定値以下である期間が、吸気圧ピーク期間と判定されるので、吸気圧が高圧側のピーク値をとる時期を正確に判定することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、機関の運転状態に応じた要求燃料量を噴射するための燃料噴射時間が算出され、この燃料噴射時間が吸気圧ピーク期間より大きいときは、２以上の吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。したがって、吸気圧ピーク期間が比較的短い機関運転状態においても、必要な燃料量を供給しつつ充填効率を高めることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、気体燃料として水素が使用される。水素は、例えばＣＮＧ（圧縮天然ガス）と比べて、同等の機関出力を得るのに必要な燃料体積は約３倍となるため、充填効率の低下度合がＣＮＧより大きくなる傾向がある。したがって、水素を燃料として使用する機関に、上記燃料噴射時期制御を適用することにより、充填効率を高めて機関出力性能を向上させることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、機関負荷が所定負荷より小さいときは、燃料噴射手段のみを用いて燃料噴射が実行される一方、機関負荷が所定負荷以上であるときは、燃料噴射手段とともに副燃料噴射手段を用いて燃料噴射が実行される。副燃料噴射手段の燃料噴射孔に加わる吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む副吸気圧ピーク期間において、副燃料噴射手段による燃料噴射が実行される。したがって、比較的短期間のうちに要求燃料量を供給する必要がある高負荷運転状態において、必要な燃料量を供給しつつ充填効率を高めることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、過給手段を備える機関においては、機関負荷が所定負荷より小さいときのみ、吸気圧ピーク期間における燃料噴射が実行される。低負荷運転状態では、過給手段による過給効果が小さくなるため、吸気圧ピーク期間における燃料噴射を実行することにより、充填効率を向上させることができる。一方、高負荷運転状態では過給効果によって充填効率を向上させ、通常の燃料噴射時期に燃料噴射を行うことにより、燃料噴射時期の制限を受けることなく必要な燃料量を確実に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】燃料噴射制御処理のフローチャートである。
【図３】図１に示す第１燃料噴射弁による燃料噴射を実行する処理のフローチャートである。
【図４】図１に示す第１及び第２燃料噴射弁による燃料噴射を実行する処理のフローチャートである。
【図５】燃料噴射の実行時期を説明するためのタイムチャートである。
【図６】本発明の効果を説明するためのタイムチャートである。
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図８】燃料噴射制御処理（第２の実施形態）のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、例えば４気筒を有し、水素を燃料として使用するエンジンであり、吸気通路２及び排気通路４を備えている。吸気通路２の上流部には、吸気ノズル３が設けられ、排気通路４には排気を浄化するための三元触媒９が設けられている。
【００２１】
三元触媒９の下流側と吸気ノズル３の下流側との間に排気還流通路５が設けられており、排気還流通路５には排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）６及び還流排気クーラ７が設けられている。吸気ノズル３は、該吸気ノズル３より下流側の圧力を大気圧より若干低下させ、還流排気が排気還流通路５から吸気通路２に流入し易くするために設けられている。
【００２２】
吸気通路２には、第１燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２が各気筒に対応して設けられており、第２燃料噴射弁２２は、第１燃料噴射弁２１の下流側に配置されている。第１燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２には、図示しない水素タンクから水素ガスが供給される。
【００２３】
燃料噴射弁２１及び２２は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、各燃料噴射弁の開弁時期及び開弁時間、すなわち燃料噴射時期及び燃料噴射時間は、ＥＣＵ２０により制御される。またＥＧＲ弁６もＥＣＵ２０に接続されており、その動作がＥＣＵ２０により制御される。
【００２４】
エンジン１の各気筒には点火プラグ（図示せず）が設けられており、点火プラグによる点火時期はＥＣＵ２０により制御される。
吸気通路２には、吸入ガス（空気と還流排気の混合ガス）の流量ＧＩＮを検出するガス流量センサ３１が設けられている。また第１燃料噴射弁２１の近傍には、第１燃料噴射弁２１の近傍における吸気圧ＰＩを検出する吸気圧センサ３２が各気筒に対応して設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。吸気圧センサ３２は、より具体的には、第１燃料噴射弁２１の燃料噴射孔を含み、吸入ガス流の方向に垂直な平面内に配置される。
【００２５】
エンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するエンジン回転数センサ３３、及びエンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ３４がＥＣＵ２０に接続されており、これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。エンジン回転数センサ３３は、所定クランク角度（例えば６度）毎に発生するクランク角度パルス及びエンジン１の各気筒のピストンが上死点に位置するタイミングに同期して発生するＴＤＣパルスをＥＣＵ２０に供給する。クランク角度パルスは、燃料噴射時期及び点火時期の制御に使用される。
【００２６】
ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁２１，２２、ＥＧＲ弁６などに駆動信号を供給する出力回路から構成される。
【００２７】
ＥＣＵ２０は、エンジン運転状態（主としてエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱＥ）に応じて燃料噴射弁２１，２２による燃料噴射制御、ＥＧＲ弁６による排気還流制御などを行う。要求トルクＴＲＱＥは、アクセルペダル操作量ＡＰに応じて算出され、アクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど増加するように設定される。
【００２８】
図２は、燃料噴射弁２１，２２を用いて燃料噴射を行う制御処理のフローチャートであり、この処理はＥＣＵ２０のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１１では、アクセルペダル操作量ＡＰ及びエンジン回転数ＮＥに応じて要求トルクＴＲＱＥを算出する。ステップＳ１２では、要求トルクＴＲＱＥに応じて必要燃料量ＱＦＵＥＬを算出し、必要燃料量ＱＦＵＥＬを燃料噴射時間ＴＯＵＴに変換する。
【００２９】
ステップＳ１３では、エンジン運転状態が低負荷かつ低回転状態であるか否かを判別する。すなわち、要求トルクＴＲＱＥが所定閾値ＴＲＱＥＴＨより小さく、かつエンジン回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＴＨより低いか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、図３に示す第１噴射実行制御により燃料噴射を実行する（ステップＳ１４）。第１噴射実行制御では、第１燃料噴射弁２１のみを用いた燃料噴射が行われる。
【００３０】
一方ステップＳ１３の答が否定（ＮＯ）、すなわち高負荷運転状態（ＴＲＱＥ≧ＴＲＱＥＴＨ）または高回転運転状態（ＮＥ≧ＮＥＴＨ）であるときは、吸気圧センサ３２の検出信号に応じて遅れ時間ＴＤＬＹＰを算出する（ステップＳ１５）。遅れ時間ＴＤＬＹＰは、吸気脈動の圧力波が第１燃料噴射弁２１から第２燃料噴射弁２２まで移動するのに要する時間であり、例えば、第１燃料噴射弁２１から第２燃料噴射弁２２までの距離ＤＦＶと吸気圧センサ３２の検出信号のピーク間隔から求められる。ステップＳ１６では、遅れ時間ＴＤＬＹＰを燃料噴射実行制御の実行周期ＴＣＡＬで離散化し、離散化遅れ時間ｋＤＬＹを算出する。この演算では小数点以下の端数は例えば切り捨てる。なお、吸気脈動圧力波の速度はほぼ音速と等しくなるので、距離ＤＦＶと空気中の音速とを用いて遅れ時間ＴＤＬＹＰを算出するようにしてもよい。
【００３１】
ステップＳ１７では、図４に示す第２噴射実行制御により燃料噴射を実行する。第２噴射実行制御では、第１燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２を使用して燃料噴射が行われる。
【００３２】
図３は、第１燃料噴射実行制御処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間ＴＣＡＬ毎に実行される。燃料噴射弁２１の最小噴射時間は０．５ｍｓｅｃ程度であるので、所定時間ＴＣＡＬは、この最小噴射時間と、検出する吸気圧脈動の周期とを考慮して設定される。脈動周期は、例えば１７ｍｓｅｃ（６０Ｈｚ相当）程度である。
【００３３】
ステップＳ２１では、噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤが「１」であるか否かを判別する。最初はこの答は否定（ＮＯ）であるので、クランク角度位置ＣＡが燃料噴射を実行すべき所定角度範囲ＲＣＡＩＮＪ内にあるか否かを判別する。所定角度範囲ＲＣＡＩＮＪは、例えば燃料噴射を行う気筒の排気行程の後半部及び吸気行程の前半部に設定される。
【００３４】
ステップＳ２３では、吸気圧センサ３２により検出される吸気圧ＰＩを下記式（１）に適用し、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)を算出する。ここで「ｋ」は、所定時間ＴＣＡＬで離散化した離散化時刻である。
ＤＰＩ(k)＝ＰＩ(k)−ＰＩ(k-1) （１）
【００３５】
ステップＳ２４では、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)が「０」より大きいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)が所定変化量ＤＰＩＳ以下であるか否かを判別する（ステップＳ２５）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、吸気圧変化量の前回値ＤＰＩ(k-1)が所定変化量ＤＰＩＳ以下であるか否かを判別する（ステップＳ２６）。この答が否定（ＮＯ）であって、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)が所定変化量ＤＰＩＳより大きな状態から所定変化量ＤＰＩＳ以下の状態へ移行した直後であるときは、燃料噴射を開始し、噴射実行フラグＦＩＮＪを「１」に設定する（ステップＳ２７）。すなわち、吸気圧ＰＩが高圧側ピーク値をとる時期の直前から燃料噴射が開始される。噴射実行フラグＦＩＮＪが「１」に設定されると、燃料噴射実行時間を計測する噴射実行タイマＴＭＩＮＪのカウントアップが開始される。
【００３６】
ステップＳ２５の答が否定（ＮＯ）またはステップＳ２６の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、噴射実行フラグＦＩＮＪが「１」であるか否かを判別する（ステップＳ２８）。ステップＳ２８の答が否定（ＮＯ）であるときは、直ちに処理を終了し、ＦＩＮＪ＝１であるときは、噴射実行タイマＴＭＩＮＪの値が燃料噴射時間ＴＯＵＴより小さいか否かを判別する（ステップＳ３３）。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは直ちに処理を終了する。したがって燃料噴射が継続される。一方、ステップＳ３３で噴射実行タイマＴＭＩＮＪの値が燃料噴射時間ＴＯＵＴ以上であるときは燃料噴射を終了し、噴射実行フラグＦＩＮＪを「０」に設定する（ステップＳ３４）。その後ステップＳ３５に進み、噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤを「１」に設定する。
【００３７】
ステップＳ２４の答が否定（ＮＯ）であって、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)が「０」以下であるときは、ステップＳ２９に進み、噴射実行フラグＦＩＮＪが「１」であるか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるとは直ちに処理を終了し、ＦＩＮＪ＝１であるときは、吸気圧変化量ＤＰＩ(k)の絶対値が所定変化量ＤＰＩＳより大きいか否かを判別する（ステップＳ３０）。
【００３８】
ステップＳ３０の答が否定（ＮＯ）であるときは、ステップＳ３３に進み、噴射実行タイマＴＭＩＮＪの値が燃料噴射時間ＴＯＵＴより小さい間は燃料噴射を継続する。ステップＳ３０の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、燃料噴射を終了し、噴射実行フラグＦＩＮＪを「０」に戻す（ステップＳ３１）。すなわち、吸気圧ＰＩがピーク値をとる時期を過ぎて、変化量ＤＰＩの絶対値が所定変化量ＤＰＩＳを越えると、燃料噴射を終了する。
【００３９】
ステップＳ３２ではステップＳ３３と同様に噴射実行タイマＴＭＩＮＪの値が燃料噴射時間ＴＯＵＴより小さいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは直ちに処理を終了する。したがって、吸気圧ＰＩが次に高圧側ピーク値をとる時期の近傍で再度燃料噴射が実行される。ステップＳ３２の答が否定（ＮＯ）であるときは噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤを「１」に設定する（ステップＳ３５）。
【００４０】
噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤが「１」に設定されると、ステップＳ２１からステップＳ４１に進み、ステップＳ２２と同じ判別を行う。ステップＳ４１の答が肯定（ＹＥＳ）である間は直ちに処理を終了し、否定（ＮＯ）となると噴射完了フラグＦＩＮＪＥＮＤを「０」に戻す（ステップＳ４２）。
【００４１】
図３の処理によれば、図５（ａ）に示すように脈動する吸気圧ＰＩの高圧側ピーク値ＰＩＰ１，ＰＩＰ２，ＰＩＰ３，…を含む吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１１，ＴＰＫ１２，ＴＰＫ１３，…において、燃料噴射が実行される。ＴＯＵＴ≦ＴＰＫ１１であるときは、最初の吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１内に燃料噴射が終了し、ＴＰＫ１１＜ＴＯＵＴ≦（ＴＰＫ１１＋ＴＰＫ１２）であるときは、吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１２において、燃料噴射が終了する。ＴＯＵＴ＞（ＴＰＫ１１＋ＴＰＫ１２）であるときは、吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１３においても燃料噴射が実行される。
【００４２】
図４は、第２燃料噴射実行制御処理のフローチャートであり、この処理はＥＣＵ２０のＣＰＵで所定時間ＴＣＡＬ毎に実行される。この処理では、図２のステップＳ１２で算出される燃料噴射時間ＴＯＵＴの１／２に相当する燃料噴射を第１燃料噴射弁２１により実行し、残りの１／２に相当する燃料噴射を第２燃料噴射弁２２により実行する。
【００４３】
ステップＳ５１及びＳ５２では、燃料噴射時間ＴＯＵＴを１／２にして図３に示す第１燃料噴射実行制御処理を実行する。これにより、必要燃料量ＱＦＵＥＬの１／２に相当する燃料が噴射される。
【００４４】
ステップＳ５３では、第２燃料噴射弁２２の近傍の吸気圧を示す遅延吸気圧ＰＩＤ(i)（「ｉ」は「ｋ」と同様に所定時間ＴＣＡＬで離散化した離散化時刻である）を、吸気圧ＰＩ(k-kDLY）に設定する。ステップＳ５４では、遅延吸気圧ＰＩＤ(i)を図３の処理と同様の処理に適用して、第２燃料噴射弁２２による燃料噴射を実行する。
【００４５】
図４の処理によれば、第１燃料噴射弁２１による燃料噴射は、図５（ａ）に示す吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１，ＴＰＫ２，ＴＰＫ３，…において実行され、第２燃料噴射弁２２による燃料噴射は図５（ｂ）に示す吸気圧ピーク期間ＴＰＫ２１，ＴＰＫ２２，ＴＰＫ２３，…において実行される。
【００４６】
図６は、吸気圧ＰＩの推移を示すタイムチャートであり、破線が通常の燃料噴射（吸気圧の脈動を考慮せずに、吸気行程において１回の燃料噴射）を行った場合に対応し、実線が本実施形態の燃料噴射（第１燃料噴射弁２１のみによる燃料噴射）を行った場合に対応する。本実施形態の燃料噴射によれば、この図に示すように、吸気脈動の振幅が増加し、充填効率を向上させることができる。
【００４７】
以上のように本実施形態では、第１燃料噴射弁２１の近傍に設けられた吸気圧センサ３２により検出される吸気圧ＰＩに基づいて、第１燃料噴射弁２１の近傍の（燃料噴射孔に加わる）吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ１１，ＴＰＫ１２等）が判定され、その吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。吸気圧ピーク期間に燃料噴射を実行することにより、燃料噴射を行う気筒の行程が変化することによる吸気通路内の圧力変化周期より短い周期を有する吸気圧脈動の振幅を増加させ、充填効率を向上させることができる。充填効率を高めることにより、体積容量の大きい水素燃料に押し出されていた分の空気が充填されることとなり、空燃比を適切な値まで増加させて燃焼温度を低下させ、ＮＯｘ排出量を低減する効果、あるいは充填される燃料供給量を増加させて機関出力を適切な値まで高める効果が得られる。
【００４８】
また図３に示す処理により、吸気圧変化量ＤＰＩが正の値から負の値に変化する時期を含み、吸気圧変化量ＤＰＩの絶対値が所定変化量ＤＰＩＳ以下である期間が、吸気圧ピーク期間と判定されるので、吸気圧ＰＩが高圧側のピーク値をとる時期を正確に判定することができる。
【００４９】
また燃料噴射時間ＴＯＵＴが吸気圧ピーク期間ＴＰＫ１１より大きいときは、２以上の吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行されるので、吸気圧ピーク期間が比較的短いエンジン運転状態においても、必要な燃料量を供給しつつ充填効率を高めることができる。
【００５０】
また本実施形態で燃料として使用される水素は、例えばＣＮＧ（圧縮天然ガス）と比べて、同等のエンジン出力を得るのに必要な燃料体積は約３倍となるため、充填効率の低下度合がＣＮＧより大きくなる傾向がある。したがって、水素を燃料として使用するエンジンに、本実施形態の燃料噴射時期制御を適用することにより、顕著な充填効率向上効果を得ることができる。
【００５１】
さらに要求トルクＴＲＱＥが所定閾値ＴＲＱＥＴＨより小さい低負荷運転状態では、第１燃料噴射弁２１のみを用いて燃料噴射が実行される一方、要求トルクＴＲＱＥが所定閾値ＴＲＱＥＴＨ以上である高負荷運転状態では、第１燃料噴射弁２１とともに第２燃料噴射弁２２を用いて燃料噴射が実行される。このとき、第２燃料噴射弁２２の近傍の（燃料噴射孔に加わる）吸気圧（遅延吸気圧ＰＩＤ）が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間（ＴＰＫ２１，ＴＰＫ２２等）において、第２燃料噴射弁２２による燃料噴射が実行される。したがって、比較的短期間のうちに要求燃料量を供給する必要がある高負荷運転状態において、必要な燃料量を供給しつつ充填効率を高めることができる。第２燃料噴射弁２２による燃料噴射は、第１燃料噴射弁２１による燃料噴射によって振幅が増幅された脈動の吸気圧ピーク期間において実行されるため、より顕著な振幅増幅効果及び充填効率向上効果を得ることができる。
【００５２】
また燃料噴射を実行する所定角度範囲ＲＣＡＩＮＪは、排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間が重複するオーバラップ期間とすることに望ましく、そのような設定により充填効率の向上効果を高めることができる。
【００５３】
本実施形態では、第１燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２がそれぞれ燃料噴射手段及び副燃料噴射手段に相当し、吸気圧センサ３２が、吸気圧検出手段に相当し、アクセルセンサ３４が負荷検出手段の一部を構成し、ＥＣＵ２０が燃料噴射時期制御手段、燃料噴射時間算出手段、及び負荷検出手段の一部を構成する。具体的には、図２のステップＳ１１が負荷検出手段の一部に相当し、ステップＳ１２が燃料噴射時間算出手段に相当し、ステップＳ１３〜Ｓ１７，図３及び図４の処理が燃料噴射時期制御手段に相当する。
【００５４】
［第２の実施形態］
本実施形態は、ターボチャージャを備えるエンジンの燃料噴射制御を、第１の実施形態と同様の手法で実行するようにしたものである。以下に説明する点以外は第１の実施形態と同一である。
【００５５】
図７は、本実施形態におけるエンジン及びその制御装置の構成を示す図である。
エンジン１はターボチャージャ８を備えており、ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール１０を有するタービン１１と、タービンホイール１０とシャフト１４を介して連結されたコンプレッサホイール１５を有するコンプレッサ１６とを備えている。コンプレッサホイール１５は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。吸気通路２のコンプレッサ１６の下流側にはインタークーラ１８が設けられている。
本実施形態では、吸気通路２には第１燃料噴射弁２１のみが設けられている。
【００５６】
図８は、本実施形態における燃料噴射制御処理のフローチャートである。この処理は、図２に示す処理のステップＳ１５〜Ｓ１７をステップＳ６１に代えたものである。
ステップＳ６１では、通常噴射実行制御が行われる。通常噴射実行制御では、例えば、吸気圧脈動を考慮せずに吸気行程において１回の燃料噴射（燃料噴射時間ＴＯＵＴ）が実行される。
【００５７】
本実施形態では、エンジン１がターボチャージャ８を備えており、高負荷または高回転運転状態では通常の燃料噴射実行制御が行われる一方、低負荷かつ低回転運転状態では、第１の実施形態に示した第１燃料噴射実行制御が行われ、吸気圧ピーク期間において燃料噴射が実行される。低負荷低回転運転状態では、ターボチャージャ８による過給効果が小さくなるため、吸気圧ピーク期間における燃料噴射を実行することにより、充填効率を向上させることができる。一方、高負荷または高回転運転状態ではターボチャージャ８の過給効果によって充填効率を向上させ、通常の燃料噴射時期に燃料噴射を行うことにより、燃料噴射時期の制限を受けることなく必要な燃料量を確実に供給することができる。
【００５８】
本実施形態では、ターボチャージャ８が過給手段に相当する。
【００５９】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、気体燃料として水素を使用する例を示したが、本発明は特許文献１に示されるようにＬＰＧを気化させた状態で噴射する燃料噴射装置、あるいはＣＮＧを気体燃料として使用する燃料噴射装置にも適用可能である。
【００６０】
また上述した第１の実施形態では、第１及び第２燃料噴射弁２１，２２をともに使用する場合に、燃料噴射時間ＴＯＵＴを２等分して各燃料噴射弁を駆動する例を示したが、燃料噴射時間ＴＯＵＴを分割する比率は１：１に限らず、他の比率に設定してもよい。
【００６１】
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの燃料噴射制御にも適用が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 内燃機関
２ 吸気通路
８ ターボチャージャ（過給手段）
２０ 電子制御ユニット（燃料噴射時期制御手段、燃料噴射時間算出手段、負荷検出手段）
２１ 第１燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２２ 第２燃料噴射弁（副燃料噴射手段）
３２ 吸気圧センサ（吸気圧検出手段）
３３ エンジン回転数センサ
３４ アクセルセンサ（負荷検出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に気体燃料を噴射する燃料噴射手段を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
前記燃料噴射手段の近傍に設けられ、前記吸気通路内の吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
前記燃料噴射手段の燃料噴射孔に加わる吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間を、前記吸気圧検出手段により検出される吸気圧に基づいて判定し、該吸気圧ピーク期間において燃料噴射を実行する燃料噴射時期制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記燃料噴射時期制御手段は、前記吸気圧の変化量が正の値から負の値に変化する時期を含み、前記変化量の絶対値が所定値以下である期間を、前記吸気圧ピーク期間と判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記機関の運転状態に応じた要求燃料量を噴射するための燃料噴射時間を算出する燃料噴射時間算出手段を備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、前記燃料噴射時間が前記吸気圧ピーク期間より大きいときは、２以上の前記吸気圧ピーク期間において前記燃料噴射を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記気体燃料は、水素であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記燃料噴射手段の下流側に設けられた副燃料噴射手段とを備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、前記機関負荷が所定負荷より小さいときは、前記燃料噴射手段のみを用いて燃料噴射を実行し、前記機関負荷が前記所定負荷以上であるときは、前記燃料噴射手段及び副燃料噴射手段を用いて燃料噴射を実行し、前記副燃料噴射手段の燃料噴射孔に加わる吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む副吸気圧ピーク期間において前記副燃料噴射手段による燃料噴射を実行することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
前記機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記吸気圧を加圧する過給手段とを備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、前記機関負荷が所定負荷より小さいときのみ、前記吸気圧ピーク期間における燃料噴射を実行することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に気体燃料を噴射する燃料噴射手段を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
前記燃料噴射手段の近傍に設けられ、前記吸気通路内の吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
前記燃料噴射手段の燃料噴射孔に加わる吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む吸気圧ピーク期間を、前記吸気圧検出手段により検出される吸気圧に基づいて判定し、該吸気圧ピーク期間において燃料噴射を実行する燃料噴射時期制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記燃料噴射時期制御手段は、前記吸気圧の変化量が正の値から負の値に変化する時期を含み、前記変化量の絶対値が所定値以下である期間を、前記吸気圧ピーク期間と判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記機関の運転状態に応じた要求燃料量を噴射するための燃料噴射時間を算出する燃料噴射時間算出手段を備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、前記燃料噴射時間が前記吸気圧ピーク期間より大きいときは、２以上の前記吸気圧ピーク期間において前記燃料噴射を実行することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記気体燃料は、水素であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記燃料噴射手段の下流側に設けられた副燃料噴射手段とを備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、前記機関負荷が所定負荷より小さいときは、前記燃料噴射手段のみを用いて燃料噴射を実行し、前記機関負荷が前記所定負荷以上であるときは、前記燃料噴射手段及び副燃料噴射手段を用いて燃料噴射を実行し、前記副燃料噴射手段の燃料噴射孔に加わる吸気圧が高圧側ピーク値をとる時期を含む副吸気圧ピーク期間において前記副燃料噴射手段による燃料噴射を実行することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
前記機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記吸気圧を加圧する過給手段とを備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、前記機関負荷が所定負荷より小さいときのみ、前記吸気圧ピーク期間における燃料噴射を実行することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２２５２６５（Ｐ２０１２−２２５２６５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９４００１（Ｐ２０１１−９４００１）
【出願日】平成２３年４月２０日（２０１１．４．２０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２０日（２０１１．４．２０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]