内燃機関の燃料噴射制御装置

【課題】燃料噴霧と空気との混合性を高め、減速時の運転性（トルクショック），燃費，排気エミッションを改善する。
【解決手段】気筒毎に分岐された一方の吸気ポートに配置された第１燃料噴射弁からの燃料噴射の開始時期を、吸入空気がシリンダに導入されるタイミングで燃料噴霧がシリンダに導入されるように設定し、分岐された他方の吸気ポートに配置された第２燃料噴射弁からの燃料噴射の開始時期を、第１燃料噴射弁の噴射終了に同期させて設定し、これら設定された噴射開始タイミングで、第１燃料噴射弁および第２燃料噴射弁から燃料噴射を開始する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気筒毎の吸気通路に２個の燃料噴射弁を備え、吸気行程中に燃料噴射する内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、気筒毎の吸気通路に２個の燃料噴射弁を備え、一方の燃料噴射弁から先に燃料噴射し、該噴射によって低下する燃料配管内圧力が回復した後で、他方の燃料噴射弁から燃料噴射するように構成された内燃機関の燃料噴射制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１２７２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の燃料噴射制御装置では、２個の燃料噴射弁からの燃料噴射が重複する同時噴射期間がある一方、吸気行程終了前には、いずれの燃料噴射弁も噴射が終了して、無噴射期間を生じるため、混合気濃度に段差を生じ燃焼性が悪化していた。
【０００５】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、筒内混合気濃度の均一化を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明は、
気筒毎の吸気通路に、それぞれ第１燃料噴射弁と、第２燃料噴射弁とを備え、これら燃料噴射弁によって吸気行程中に燃料噴射する内燃機関の燃料噴射制御装置において、以下の構成を含んで構成される。
【０００７】
機関運転状態を検出する運転状態検出手段
検出された機関運転状態に基づいて、前記第１燃料噴射弁および第２燃料噴射弁の各燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定手段
吸気行程において前記第１燃料噴射弁から燃料噴射を開始し、該第１燃料噴射弁の燃料噴射終了以後に前記第２燃料噴射弁の燃料噴射を開始させるように、各燃料噴射弁の噴射時期を設定する基本燃料噴射時期設定手段
【発明の効果】
【０００８】
第１燃料噴射弁からの燃料噴射期間と第２燃料噴射弁からの燃料噴射期間との重複が回避されると共に、無噴射期間を短縮することができるため、筒内に吸入される混合気濃度が均一化され燃焼性を高めることができ、減速時の運転性（トルクショック），燃費，排気エミッションを改善できる。
【０００９】
また、いずれの燃料噴射弁からも吸気行程中に燃料噴射されるため、良好な応答性を確保でき出力向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施形態のシステム構成を示す図。
【図２】第１実施形態に係る燃料噴射制御を示すフローチャート。
【図３】第１実施形態に係る燃料噴射制御時の燃料噴射期間を示すタイムチャート。
【図４】第１実施形態の変形例を示すタイムチャート。
【図５】第２実施形態に係る燃料噴射制御を示すフローチャート。
【図６】第３実施形態に係る燃料噴射分割回数の設定を示すフローチャート。
【図７】第４実施形態に係る燃料噴射制御を示すフローチャート。
【図８】第５実施形態に係る燃料噴射制御を示すフローチャート。
【図９】本発明に係る実施形態の異なるシステム構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における内燃機関のシステム構成図である。
図に示す内燃機関１０１は、気筒毎に２個ずつの吸気バルブ１０５を備え、吸気通路１０２は、下流端部が２つに分岐して各吸気バルブ１０５に至る吸気ポート１０２Ａ，１０２Ｂを備えて形成されている。
【００１２】
一方の吸気ポート１０２Ａには、第１燃料噴射弁１０３、他方の吸気ポート１０２Ｂには、第２燃料噴射弁１０４が配設されている。
第１燃料噴射弁１０３及び第２燃料噴射弁１０４は、電磁コイルの磁気吸引力によって弁体をリフトさせることで開弁する電磁式燃料噴射弁である。なお、２つの噴射弁を用いて１個の噴射弁の分担噴射量を減少できるので、噴孔の小さな微粒化に優れた噴射弁を用いることができる。
【００１３】
第１燃料噴射弁１０３及び第２燃料噴射弁１０４は、吸気バルブ１０５が開かれる吸気行程で噴射され、この噴射された燃料と空気とが燃焼室１０６内に吸入される。基本的には、第１燃料噴射弁１０３の噴射終了後に第２燃料噴射弁１０４からの燃料噴射が開始されるが、詳細な制御については後述する。
【００１４】
燃焼室１０５内の混合気は、点火栓１０７による火花点火によって燃焼し、燃焼排気は、排気バルブ１０８を介して排出される。
第１燃料噴射弁１０３及び第２燃料噴射弁１０４には、燃料タンク１０９内の燃料（ガソリン）が燃料ポンプ１１０によって圧送されるようになっており、燃料の供給圧は、燃料ポンプ１１０の吐出量の制御によって目標圧に制御される。
【００１５】
吸気バルブ１０５は、可変バルブリフト機構１１２によってリフト量及び作用角、すなわちバルブの開度が連続的に変えられるようになっている。なお、リフト量と作用角とは、一方の特性が決まれば他方の特性も決まるように同時に変えられる。
【００１６】
同じく吸気側には、クランク軸と吸気側カム軸との回転位相差を連続的に可変制御して、吸気バルブ１０５のバルブタイミング（弁開閉タイミング）を進遅角する機構で構成される可変バルブタイミング機構１１３が設けられる。
【００１７】
前記排気バルブ１０８は、排気側カム軸に軸支されたカムによって一定のリフト量及び作用角（開から閉までのクランク角）を保って開閉駆動される。また、吸気側と同様、クランク軸と吸気側カム軸との回転位相差を連続的に可変制御して、排気バルブ１０８のバルブタイミング（弁開閉タイミング）を進遅角する機構で構成される可変バルブタイミング機構を設けてもよい。
【００１８】
マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１２０は、各種センサからの検出信号に基づいて、第１燃料噴射弁１０３及び第２燃料噴射弁１０４、点火栓１０７、燃料ポンプ１０９を制御する。
【００１９】
前記各種センサとしては、図示省略したスロットルバルブの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１２１、機関１０１の吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１２２、機関回転速度Ｎｅを検出する回転速度センサ１２３、機関１０１の冷却水温度ＴＷを検出する水温センサ１２４、吸気側カム軸の基準位置信号（カム信号）、すなわち吸気バルブ１０５のバルブタイミングを検出するカムセンサ１２５、可変バルブリフト機構１１２の回転機構の回転角度θを検出することにより、吸気バルブ１０５のリフト量及び作用角を検出する角度センサ１２６等が設けられている。
【００２０】
このように構成されたシステムにおいて、第１燃料噴射弁１０３及び第２燃料噴射弁１０４の燃料噴射制御が以下のように実行される。
図２は、燃料噴射制御の第１実施形態に係るフローチャートを示す。本第１実施形態では、第１燃料噴射弁１０３から先に燃料噴射し、次いで第２燃料噴射弁１０４から燃料噴射される。
【００２１】
図２において、ステップＳ１では、第１燃料噴射弁１０３の噴射開始時期ｔｓ１を設定する。該噴射開始時期は、第１燃料噴射弁１０３から噴射された燃料が、機関運転状態、例えば吸入空気量Ｑａ，スロットルバルブ開度ＴＶＯ等で検出される機関負荷と機関回転速度Ｎｅとに基づいて算出された吸気行程開始時期、すなわち、燃焼室１０６内に空気が導入されるタイミングに同期して燃焼室１０６内に導入されるように設定する。詳細には、該空気導入タイミングより、第１燃料噴射弁１０３からの噴霧が吸気バルブ１０５に達するまでの移動時間分だけ早めに噴射開始時期が設定される。
【００２２】
ステップＳ２では、機関運転状態（機関負荷，機関回転速度Ｎｅ，冷却水温度等）に基づいて、気筒毎の総燃料噴射量ＴＰ、及び該総燃料噴射量ＴＰを２等分した噴射弁ごとの燃料噴射量ＴＰ／２を算出する。さらに、第１燃料噴射弁１０３の噴射終了に同期もしくは、略同期させて第２燃料噴射弁１０４の噴射開始時期ｔｓ２を設定する。
【００２３】
ステップＳ３では、上記のように設定された第１燃料噴射弁１０３の燃料噴射開始時期ｔｓ１に達したかを判定する。
燃料噴射開始時期ｔｓ１に達したと判定されたときに、ステップＳ４で第１燃料噴射弁１０３から燃料噴射を開始する。
【００２４】
ステップＳ５では、第１燃料噴射弁１０３からの燃料噴射が終了し、第２燃料噴射弁１０４の燃料噴射開始時期ｔｓ２に達したかを判定する。
燃料噴射開始時期ｔｓ２に達したと判定されたときに、ステップＳ６で第１燃料噴射弁１０３から燃料噴射を開始する。
【００２５】
図３は、上記第１実施形態に係る燃料噴射制御時の燃料噴射期間のタイムチャートを示す。
このようにすれば、まず、第１燃料噴射弁１０３と第２燃料噴射弁１０４とで異なる吸気ポート１０２Ａ，１０２Ｂに半分ずつ燃料噴射することにより、１個の燃料噴射弁で１箇所に燃料噴射量の全量を１回で噴射する場合に比較して、噴射燃料の空気中への拡散性が高められ、燃料と空気との混合性（以下、単に混合性という）が向上する。
【００２６】
また、第１実施形態によれば、第１燃料噴射弁１０３からの燃料噴射の終了後に第２燃料噴射弁１０４から燃料噴射が開始され、噴射期間が重ならないため、各噴射弁からの噴射燃料が燃焼室１０５内で合流されてからも、燃料同士の同一空間での重なりによる偏在が抑制されるため、より混合性が向上する。
【００２７】
さらに、２つの燃料噴射弁の噴射期間が重ならないことにより、吸気行程期間中の無噴射期間をできるだけ小さくすることができる。これにより、無噴射期間で空気のみが燃焼室１０６内に導入される期間を短縮できるので、混合性がさらに向上する。
【００２８】
そして、吸気期間中での燃料噴射により高応答の運転性能を確保しつつ、上記のように混合性を向上させることにより、減速時の運転性（トルクショック），燃費，排気エミッションを改善できる。
【００２９】
図４は、第１実施形態の変形例のタイムチャートを示す。
本変形例は、第１燃料噴射弁１０３からの第１噴射の終了と第２燃料噴射弁１０４の第２噴射の開始との間、および第２噴射の終了から吸気行程終了までの間に、無噴射期間を２分したものである。
【００３０】
この変形例によれば、１回当りの無噴射期間が短縮されて複数回に間引かれるので、特に、無噴射期間（＝吸気期間−総燃料噴射期間）が大きいときには、混合性をより高めることができる。
【００３１】
ただし、吸気行程末期（好ましくは下死点近傍）は、吸気行程の中間に比較して単位期間（時間）あたりの吸入空気量が少ないので、無噴射期間（＝吸気期間−総燃料噴射期間）が所定以上のとき（低回転低負荷時など）のみ、無噴射期間分割を実行してもよい。また、吸気行程の中間近傍は、単位時間あたりの吸入空気量が、吸気行程末期と比較して多いので、図示のように、末期の無噴射期間に比較して吸気行程中間での第１噴射と第２噴射との間の無噴射期間は小さくするのが好ましい。
【００３２】
図５は、第２実施形態に係る燃料噴射制御時の燃料噴射期間のタイムチャートを示す。
本第２実施形態では、第１燃料噴射弁１０３と第２燃料噴射弁１０４とが、交互に複数回（図では３回）ずつ分割して噴射するようにしたものである。
【００３３】
第２実施形態によれば、第１実施形態同様、２つの燃料噴射弁によって異なる箇所に分割して噴射することによる混合性向上の効果と共に、各噴射弁の噴射期間が重ならないことにより、燃焼室１０６内に導入後においても各噴射燃料が重なりにくく、かつ、無噴射期間をできるだけ小さくできることによる混合性向上の効果を得られる。
【００３４】
さらに第２実施形態では、各噴射弁の噴射が分割して間隔を開けて行われ、最初の噴射開始から最後の噴射終了までの期間を長引かせることができる。これにより、各噴射弁の分担分を１回で短時間で噴射し終える場合に比較して、噴射燃料の空気中への拡散性がさらに高められ、さらに混合性を向上させることができる。
【００３５】
したがって、吸気期間中での燃料噴射により高応答の運転性能を確保しつつ、混合性向上による減速時の運転性（トルクショック），燃費，排気エミッションを改善効果をより高めることができる。
【００３６】
なお、第２実施形態においても、第１実施形態における変形例と同様、無噴射期間を分割して各噴射間の間に介入する構成としてもよい。
なお、分割回数としては、噴射弁ごとに２回ずつ、４回ずつ以上でもよく、さらには、総燃料噴射量を３分割して第１燃料噴射弁１０３から２回、第２燃料噴射弁１０４から１回の燃料噴射を行うようにしてもよい。
【００３７】
次に、第３実施形態について説明する。本第３実施形態では、機関運転状態に応じて各燃料噴射弁の噴射の分割回数を可変に設定するものである。
図６は、第３実施形態に係る燃料噴射分割回数設定のフローチャートを示す。
【００３８】
ステップＳ１１では、機関負荷と機関回転速度Ｎｅとに基づいて、吸気期間の要求値を算出する。ここで、該機関負荷と機関回転速度Ｎｅに基づいて可変バルブリフト機構１１２により吸気バルブ１０５のリフト量、作用角が可変に設定されるが、吸気バルブ１０５の開時期から閉時期までが吸気行程期間ではなく、実際には、吸気ポート内の空気は、慣性により、吸気バルブ１０５の開弁にやや遅れて燃焼室１０６内に導入され、吸気バルブ１０５が閉弁するよりかなり手前で燃焼室２０６への導入が実質的に終了する。このように燃焼室１０６への空気導入の開始から終了までの吸気期間の、機関負荷と機関回転速度Ｎｅに応じた要求値を算出する。
【００３９】
ステップＳ１２では、上記吸気期間の要求値を修正する。例えば、可変バルブタイミング機構１１３や可変バルブリフト機構１１２によって、吸気バルブ１０５の開時期や開弁立上り速度（リフト特性の傾斜角）が変化すると、燃焼室１０６への吸気の導入時期や導入速度が変化し、これに伴って吸気期間も変化するので、修正した吸気期間を算出する。即ち、可変バルブリフト機構１１３や可変バルブタイミング機構１１２によって変更された吸気バルブ１０５の開弁時期および閉弁時期を求め、次回の第１噴射パルス、第２噴射パルスの噴射タイミング分割回数を求めるステップ１３に備えるものである。なお、本実施形態の可変バルブリフト機構１１３は、作動角の変更によって開閉時期も変化する。したがって、この種の可変バルブリフト機構もしくは可変バルブタイミング機構のいずれか一方を、備えたものに対しても、吸気バルブの開時期や開弁立上り速度の変化に応じて吸気期間を修正して算出することが好ましい。
【００４０】
ステップＳ１３では、ステップＳ１２で修正された吸気期間と燃料噴射量とに基づいて、燃料噴射弁毎の噴射の分割回数を算出する。なお、図で１回と記載されているのは、各燃料噴射弁の噴射回数が１回であることを意味し、分割噴射はされていない。
【００４１】
吸気期間の燃料噴射量に対する比率（＝吸気期間／燃料噴射量）が大きいときほど、燃料噴射回数を減らしたときに空気と混合しにくくなる。換言すれば、燃料噴射の分割回数をより増大して混合性を高めることが好ましい。
【００４２】
一方、吸気期間／燃料噴射量が小さいとき（アイドル運転や減速時などアクセル開度が小さいとき）は、良好な混合性を満たすのに必要な分割回が減少するので、該必要な分割回数まで減少して噴射弁切換回数の増大に伴う負荷を軽減したい要求がある。
【００４３】
したがって、吸気期間／燃料噴射量が増大（減少）するほど、燃料噴射の分割回数を増大（減少）する設定としている。
このように、本第３実施形態では、機関運転状態に基づいて燃料噴射の分割回数を設定することにより、任意の運転状態で良好な混合性を確保しつつ、必要なだけの分割回数に留めることができる。
。
【００４４】
したがって、本第３実施形態では、吸気期間中での燃料噴射により高応答の運転性能を確保しつつ、上記のように任意の運転状態で混合性が向上されて、減速時の運転性（トルクショック），燃費，排気エミッションを改善できる。
【００４５】
また、上記のように、燃料噴射の必要なだけの分割回数に減らすことにより、以下の効果が得られる。
制御用ソフトウェアの負荷を軽減でき、ひいてはコントロールユニットのマイコンコストの低減に繋がる。
【００４６】
燃料噴射の分割に伴うスイッチング切換回数の減少等により、コントロールユニットの放熱低減、ひいては回路放熱機構のコストダウンに繋がる。
同じく、燃料噴射の分割に伴うスイッチング切換回数の減少等により、燃料噴射弁の部品信頼性（耐久性）を向上できる。
【００４７】
次に、第４実施形態について説明する。本第４実施形態では、第１燃料噴射弁１０３からの第１噴射と第２燃料噴射弁１０４からの第２噴射とを、機関運転状態に応じて所定割合までは、重複を許容させるようにしたものである。
【００４８】
噴孔の小さな微粒化に優れた燃料噴射弁では、噴射率（単位時間当たりの噴射量）が小さい。このため、高負荷時の燃料噴射量を２つの噴射弁で分担する場合、各噴射弁の噴射期間が増大し、高回転で吸気期間が短くなると、噴射期間を重複させずに噴射することが困難となる。噴射期間が重複すると混合性は低下するが、２個の噴射弁で異なる空間（吸気ポート）で噴射しており、燃焼室への導入箇所が相違することなどから、１個の噴射弁で同一箇所に同量噴射する場合に比較すると混合性は良好である。また、既述したように、吸気行程の末期は時間当たりの吸入空気量が少ないため、該吸気行程末期に噴射すると濃混合気が生成されることとなるから、吸気行程末期前に噴射終了させて重複期間を増大させた方が、好ましい結果が得られる。
【００４９】
これらの点により、実験ないし解析等によって第１噴射と第２噴射との重複率［（第１燃料噴射弁１０３と第２燃料噴射弁１０４とが同時に噴射している時間）／（第１燃料噴射弁１０３または第２燃料噴射弁１０４が噴射している時間）］を所定値（５０％程度）以下とすれば、良好な混合性を維持できることが確認された。
【００５０】
そこで、本実施形態では、吸気期間が短く、かつ、燃料噴射量が大きい（吸入空気量／燃料噴射量の比率が小さい）運転状態では、図７に示すように、第１噴射と第２噴射とを重複率を所定値（例えば５０％）以内で許容して噴射させたものである。
【００５１】
第４実施形態によれば、第１，第２実施形態同様に、吸気期間中での燃料噴射により高応答の運転性能を確保しつつ、混合性を向上させることにより、減速時の運転性（トルクショック），燃費，排気エミッションを改善できる。
【００５２】
また、吸入空気量／燃料噴射量の比率が小さくなる高回転高負荷時（高出力運転時）にも吸気期間中に要求燃料量を噴射して応答性のよい運転を行うことができる。
次に、第５実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態の運転状態に応じた分割噴射と、第４実施形態の所定値以内で重複噴射を許容する構成を併用したものである。
【００５３】
第５実施形態の制御を図８のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ２１，Ｓ２２は、第３実施形態における図６のステップＳ１１，Ｓ１２と同様であり、機関回転速度Ｎｅと機関負荷とに応じて算出した吸気期間の要求値を、可変バルブタイミング機構１１３や可変バルブリフト機構１１２によって可変に制御される、吸気バルブ１０５の開時期や開弁立上り速度（リフト特性の傾斜角）によって修正する。
【００５４】
ステップＳ２３では、同じく、図６のステップＳ１３と同様にして、吸気期間の燃料噴射量に対する比率に基づいて、燃料噴射の分割回数を算出すると共に、吸入空気量／燃料噴射量の比率の増大に応じて、燃料噴射の重複率を所定値（例えば５０％）から徐々に減少するように算出する。
【００５５】
本第５実施形態によれば、吸気期間中での燃料噴射により高応答の運転性能を確保しつつ、混合性を向上させることにより、減速時の運転性（トルクショック），燃費，排気エミッションを改善できるという効果を、第１，第２実施形態同様に得られる。
【００５６】
特に、上記のように、吸入空気量／燃料噴射量の比率が大きく燃料噴射の重複が不要な運転領域では、分割噴射によって可能な限り混合性を高めることができる。一方、吸入空気量／燃料噴射量の比率が低い高回転高負荷時（高出力運転時）では、燃料噴射の重複率を適正に設定することにより、良好な混合性を維持しつつ、吸気期間中に要求燃料量を噴射して応答性のよい運転を行うことができる。
【００５７】
また、２個の燃料噴射弁の配置は、図１に示したように各吸気ポートに配置するものの他、図９に示すように、第１燃料噴射弁１０３を第２燃料噴射弁１０４の吸気流通方向上流側（又は下流側）に離して配置してもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０１…内燃機関１０２Ａ，１０２Ｂ…吸気ポート１０３…第１燃料噴射弁
１０４…第２燃料噴射弁１０５…吸気バルブ１０６…燃焼室１１２…可変バルブリフト機構１１３…可変バルブタイミング機構１２０…エンジン
コントロールユニット１２１…スロットルセンサ１２２…エアフローメータ
１２３…回転速度センサ１２４…水温センサ１２５…カムセンサ
１２６…角度センサ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒毎の吸気通路に、それぞれ第１燃料噴射弁と、第２燃料噴射弁とを備え、これら燃料噴射弁によって吸気行程中に燃料噴射する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
検出された機関運転状態に基づいて、前記第１燃料噴射弁および第２燃料噴射弁の各燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定手段と、
吸気行程において前記第１燃料噴射弁から燃料噴射を開始し、該第１燃料噴射弁の燃料噴射終了以後に前記第２燃料噴射弁の燃料噴射を開始させるように、各燃料噴射弁の噴射時期を設定する基本燃料噴射時期設定手段と、
を含んで構成される内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記第１燃料噴射弁と前記第２燃料噴射弁とが、交互に噴射され、少なくとも一方の燃料噴射弁の燃料噴射が複数回に分割して行われる請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記分割噴射方式における各燃料噴射弁の分割される噴射回数を、機関運転状態に応じて可変に設定する請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
機関運転状態に応じて、前記第２燃料噴射弁の噴射を、前記第１燃料噴射弁の噴射終了以前に開始させる修正噴射時期設定手段を含んで構成される請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記第１燃料噴射弁および第２燃料噴射弁により噴射された燃料が筒内に到達可能な吸気行程期間を機関運転状態に基づいて算出し、該算出した吸気行程期間に応じて、第１燃料噴射弁および第２燃料噴射弁の燃料噴射時期を設定する請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

【図１】