JP4172403B2

JP4172403B2 - 筒内直噴ｃｎｇエンジンの燃料噴射制御方法

Info

Publication number: JP4172403B2
Application number: JP2004048155A
Authority: JP
Inventors: 聡谷口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP2005240581A

Description

この発明は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ：ＣｏｍｐｒｅｓｓｅｄＮａｔｕｒａｌＧａｓ）を筒内に直接噴射し、成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成された筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法に関し、更に詳しくは、成層燃焼時に気筒間の燃料温度差が大きい場合であっても、安定した燃焼を確保することができる筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法に関する。

燃料を筒内に直接噴射する筒内直噴エンジンにおいて、運転状態により成層燃焼と均質燃焼とを切り替え、成層燃焼時には噴射量および噴射時期を制御し、均質燃焼時には噴射量を制御することによって安定した燃焼を得るための技術が開示されている（特許文献１参照）。

ところで、近年、エネルギー対策や環境対策等の観点から、自動車用内燃機関の燃料として圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を利用するとともに、その燃料消費率の向上や出力向上を図るべく、筒内にＣＮＧ燃料を燃料噴射弁によって直接噴射し、リーンバーン運転領域を有する筒内直噴ＣＮＧエンジン（以下、適宜ＣＮＧエンジンと記す）の開発が盛んに行われており、種々の技術が提案されている。

また、このようなガスエンジンの供給燃料制御装置において、各気筒に供給されるガス燃料量にバラツキが生じることを抑制するために、燃料噴射弁毎の温度および圧力に基づいて当該燃料噴射弁毎に噴射量を補正する技術が開示されている（特許文献２参照）。

特開平９−３２４６７５号公報特開２０００−８７７７１号公報

上記ＣＮＧ等の気体燃料は、液体燃料と比較して温度による体積変化（密度変化）が大きいため、燃料噴射量の補正を考慮しなければならない。また、気体燃料は熱伝導性が低く、当該燃料を燃料噴射弁に分配するデリバリパイプ内では燃料の流動も少ないので、気筒間での燃料温度差が比較的大きい。特に直噴エンジンでは、上記デリバリパイプがシリンダヘッドの燃焼室に近い位置に配設されているため、燃焼室からの熱の影響が大きく、上記気筒間の燃料温度差が更に顕著になる。

特に成層燃焼はロバスト性に乏しく、燃焼制御の適合範囲が狭いため、気筒間の燃料温度にバラツキがあると、噴射量にもバラツキが生じるので、容易に適合範囲からずれてしまい、失火等が発生する虞がある。

また、成層燃焼では、噴射終了と点火までのインターバルが極めて重要な因子であり、噴射量が変わってもこの因子は同一にしておく必要があるため、噴射量（噴射期間）が変化したら、噴射時期も変化させる必要がある。

このように、筒内直噴ＣＮＧエンジンの成層燃焼時において気筒間に所定の燃料温度差がある場合であっても、安定した燃焼を確保することができる技術の提供が要請されていたが、その実現には至っていなかった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、成層燃焼時に気筒間の燃料温度差が大きい場合であっても、安定した燃焼を確保することができる筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法は、各気筒内にＣＮＧ燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記各気筒に供給される前記燃料の温度を検出する燃料温度検出手段と、前記燃料を所定圧力で蓄圧し前記各燃料噴射弁に分配するデリバリパイプと、前記デリバリパイプ内の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段とを備え、運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成された筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法において、前記燃料温度検出手段により各気筒毎の燃料温度を検出するとともに前記燃料圧力検出手段により燃料圧力を検出し、成層燃焼時に前記気筒間の燃料温度差が失火の発生を抑制することのできる所定の許容範囲内にあるならば、前記燃料の平均温度と圧力とに基づいて噴射量および噴射時期を補正して燃料噴射制御を実施する一方、成層燃焼時に前記気筒間の燃料温度差が前記所定の許容範囲外であるならば、均質燃焼に切り替え、前記燃料の平均温度と圧力とに基づいて噴射量を補正して燃料噴射制御を実施することを特徴とするものである。

また、この発明の請求項２に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法は、ＣＮＧ燃料の噴射量および噴射時期を気筒毎に独立して制御できる燃料噴射弁と、前記各気筒に供給される前記燃料の温度を検出する燃料温度検出手段と、前記燃料を所定圧力で蓄圧し前記各燃料噴射弁に分配するデリバリパイプと、前記デリバリパイプ内の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段とを備え、運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成された筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法において、前記燃料温度検出手段により各気筒毎の燃料温度を検出するとともに前記燃料圧力検出手段により燃料圧力を検出し、成層燃焼時に前記気筒間の燃料温度差が第１の許容範囲内にあるならば、前記燃料の平均温度と圧力とに基づいて噴射量および噴射時期を補正して燃料噴射制御を実施する一方、成層燃焼時に前記気筒間の燃料温度差が前記第１の許容範囲外であるならば、更に前記気筒間の燃料温度差が、成層燃焼が成立する第２の許容範囲内にあるか否かを判断し、当該第２の許容範囲内にあるならば、前記気筒毎に前記燃料の温度と圧力とに基づいて噴射量および噴射時期を補正して燃料噴射制御を実施する一方、当該第２の許容範囲外であるならば、均質燃焼に切り替え、前記燃料の平均温度と圧力とに基づいて噴射量を補正して燃料噴射制御を実施することを特徴とするものである。

この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法（請求項１）によれば、成層燃焼時に気筒間の燃料温度差が大きい場合であっても、安定した燃焼を確保することができる。

また、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法（請求項２）によれば、成層燃焼時に気筒間の燃料温度差が大きい場合であっても、安定した燃焼を確保することができるとともに、可能な限り成層燃焼を実施することにより更に燃費向上を図ることができる。

以下に、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法の実施例について図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図２は、この発明の実施の形態に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンを示す模式図である。図２に示すように、ＣＮＧエンジン１０は、ＣＮＧ燃料を筒内噴射用インジェクタ（燃料噴射弁）１７によって燃焼室１０ａに直接噴射する直噴式であり、運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成されている。

このＣＮＧエンジン１０は、基本的には通常の公知の直噴ガソリンエンジンと同様の構成となっているので詳細な説明を省略するが、ＣＮＧ燃料を供給できるようにするために、燃料供給系統の構成が当該ガソリンエンジンの場合と以下のように異なっている。なお、図２では、燃焼室１０ａの水平断面を示してあり、燃焼室１０ａの底部がピストンの頂面を表している。

ＣＮＧ燃料ボンベ１２は、ＣＮＧ燃料を高圧状態で貯蔵するためのものである。このＣＮＧ燃料ボンベ１２とＣＮＧエンジン１０のデリバリパイプ１３とは、燃料供給パイプ１４によって接続されている。この燃料供給パイプ１４には、ＣＮＧ燃料ボンベ１２から圧送されてくるＣＮＧ燃料を所定圧力に減圧調整するためのレギュレータ１５が設けられている。

デリバリパイプ１３は、レギュレータ１５を介して調圧されたＣＮＧ燃料を各筒内噴射用インジェクタ１７に分配するためのものである。このデリバリパイプ１３には、供給されるＣＮＧ燃料の温度を各気筒毎に検出する温度センサ１３ａと、当該デリバリパイプ１３内の圧力を検出する圧力センサ１３ｂを備えている。

また、排気マニホルド１８ａ下流の排気通路１８には、三元触媒と吸蔵還元型ＮＯｘ触媒とからなる触媒１９が設けられている。なお、この三元触媒は、不完全燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）と、空気中の窒素と燃え残りの酸素とが反応して生成されるＮＯｘ（窒素酸化物）の還元とを同時に促進するためのものである。

また、上記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、排気ガスの空燃比がリーンのときにＮＯｘを吸蔵し、排気ガス中の酸素濃度が低下するとともに還元雰囲気で吸蔵したＮＯｘを放出し還元するためのものである。

上記触媒１９の下流には、排気ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサと記す）１８ｂが設けられている。このＡ／Ｆセンサ１８ｂの検出値は、均質燃焼時の燃料噴射量の制御にフィードバックされるようになっている。

上記ＣＮＧエンジン１０の筒内噴射用インジェクタ１７、レギュレータ１５や図示しない動弁機構等は、温度センサ１３ａ、圧力センサ１３ｂやＡ／Ｆセンサ１８ｂ等の各種センサ情報に基づいて、図示しない電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと記す）によって制御されている。また、予め運転条件に応じて設定されているベースマップ（図示せず）に基づいてこのＥＣＵによって燃料噴射制御が実施される。

つぎに、本実施例１に係る燃料噴射制御方法について図１に基づいて説明する。ここで、図１は、この発明の実施例１に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。以下の制御も上記ＥＣＵによって実行される。

先ず、ＣＮＧエンジン１０を始動したら、デリバリパイプ１３の各温度センサ１３ａにより気筒毎の燃料温度を計測し、圧力センサ１３ｂにより燃料圧力を計測する（ステップＳ１０）。つぎに、現運転モードが成層燃焼であるか否かを判断する（ステップＳ１１）。

現運転モードが均質燃焼であるならば（ステップＳ１１否定）、ステップＳ１０で計測した各気筒の燃料温度の平均値と圧力から、噴射量のみを補正して燃料噴射制御する（ステップＳ１４）。また、この時はＡ／Ｆセンサ１８ｂによるフィードバック制御を実施しているので、噴射量は可変する。このステップＳ１４の燃料噴射制御を終えたら、ステップ１０に戻る。

現運転モードが成層燃焼であるならば（ステップＳ１１肯定）、気筒間の燃料温度差が許容範囲（所定の許容範囲）内にあるか否かを判断する（ステップＳ１２）。この許容範囲は、予め実験等により得られた経験値であり、燃料噴射量が適合範囲からずれないような温度差（たとえば、５℃程度）である。なお、この許容範囲を上記実験値よりも小さく設定することにより、失火の発生等を更に抑制することができる。

気筒間の燃料温度差が許容範囲内にあるならば（ステップＳ１２肯定）、成層燃焼モードから変更せずに均質燃焼時と同様に、平均燃料温度と圧力とから噴射量（噴射期間）を補正する（ステップＳ１３）。

そして、現運転モードが成層燃焼であるので、この補正後も噴射終了−点火のインターバルを上記ベースマップと同じにするために、噴射開始時期を当該ベースマップより補正する（ステップＳ１３）。

すなわち、噴射量が増えれば噴射開始時期を進角側に補正し、噴射量が減れば噴射開始時期を遅角側に補正する。このように補正するのは、成層燃焼では、噴射終了−点火のインターバルがある程度確保されていないと、噴射された燃料と空気が十分に混合されず、このインターバルが混合気形成において最重要因子となるからである。このステップＳ１３の燃料噴射制御を終えたら、ステップ１０に戻る。このように補正制御することにより、安定した成層燃焼を実現することができる。

一方、気筒間の燃料温度差が許容範囲外であるならば（ステップＳ１２否定）、成層燃焼では失火の発生等が予測されるので、均質燃焼に切り替え（ステップＳ１５）、上述したステップＳ１４に移行する。

すなわち、ステップＳ１０で計測した各気筒の燃料温度の平均値と圧力から、噴射量のみを補正して燃料噴射制御する（ステップＳ１４）。このステップＳ１４の燃料噴射制御を終えたら、ステップ１０に戻る。このように補正制御することにより、安定した均質燃焼を実現することができる。

以上のように、この実施例１に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法によれば、成層燃焼時に気筒間の燃料温度差が大きい場合であっても、安定した燃焼を確保することができる。

なお、上記実施例１においては、４気筒エンジンへの適用例について説明したが、これに限定されず、その他の多気筒エンジンに適用してもよい。

本実施例２におけるシステム構成は、上記実施例１の図２で示したシステム構成とほぼ同一であり、異なる点は、各気筒に設けられた筒内噴射用インジェクタ１７が、噴射量および噴射時期を各気筒毎に独立して制御できるようになっている点である。以下の説明においては、すでに説明した部材と同一もしくは相当する部材には、同一の符号を付して重複説明を省略する。

本実施例２に係る燃料噴射制御方法は、上記システム構成を用いて、各気筒毎の燃料温度および圧力を常時計測し、成層燃焼での制御を、気筒間の燃料温度差の大小で３段階（１．平均燃料温度で補正、２．各気筒毎の燃料温度で補正、３．均質燃焼への切り替え）に分けて実施することにより、燃料温度の気筒間差が大きい状況であっても可能な限り成層燃焼を実施して燃費向上を図るものである。

この燃料噴射制御方法について図３に基づいて具体的に説明する。ここで、図３は、この発明の実施例２に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。

先ず、ＣＮＧエンジン１０を始動したら、デリバリパイプ１３の各温度センサ１３ａにより気筒毎の燃料温度を計測し、圧力センサ１３ｂにより燃料圧力を計測する（ステップＳ２０）。つぎに、現運転モードが成層燃焼であるか否かを判断する（ステップＳ２１）。

現運転モードが均質燃焼であるならば（ステップＳ２１否定）、気筒毎の補正制御（独立制御）を実施した方が良好か否かを判断する（ステップＳ２４）。この気筒毎の補正制御の実施は、基本的には気筒間の燃料温度に大きな差（たとえば、３０℃以上の温度差）があるかどうかによって判断され、大きな温度差がない場合には必要ない。また、大きな温度差がある場合であっても、温度平均値による補正で燃焼自体は成り立つが、トルク変動等で優位になるという程度である。

気筒毎の補正制御を実施した方が良好であるならば（ステップＳ２４肯定）、ステップＳ２０で計測した各気筒の燃料温度と圧力から、均質燃焼で気筒毎に噴射量のみを補正して燃料噴射制御する（ステップＳ２５）。また、この時はＡ／Ｆセンサ１８ｂによるフィードバック制御を実施しているので、噴射量は可変する。このステップＳ２５の燃料噴射制御を終えたら、ステップ２０に戻る。

一方、気筒毎の補正制御の実施が良好でないならば（ステップＳ２４否定）、ステップＳ２０で計測した燃料温度の平均値と圧力から、噴射量のみを補正して燃料噴射制御する（ステップＳ２６）。また、この時は、Ａ／Ｆセンサ１８ｂによるフィードバック制御を実施しているので、噴射量は可変する。このステップＳ２６の燃料噴射制御を終えたら、ステップ２０に戻る。

また、現運転モードが成層燃焼であるならば（ステップＳ２１肯定）、気筒間の燃料温度差が、平均燃料温度から補正しても成層燃焼が成立する範囲（第１の許容範囲）であるか否かを判断する（ステップＳ２２）。この成層燃焼が成立する燃料温度差の許容範囲は、予め実験等により得られた経験値であり、燃料噴射量が適合範囲からずれないような温度差（たとえば、５℃程度）である。

気筒間の燃料温度差が上記範囲内にあるならば（ステップＳ２２肯定）、成層燃焼モードから変更せずに均質燃焼時と同様に、平均燃料温度と圧力とから噴射量（噴射期間）を補正する（ステップＳ２３）。

そして、現運転モードが成層燃焼であるので、この補正後も噴射終了−点火のインターバルを上記ベースマップと同じにするために、噴射開始時期を当該ベースマップより補正する（ステップＳ２３）。

すなわち、噴射量が増えれば噴射開始時期を進角側に補正し、噴射量が減れば噴射開始時期を遅角側に補正する。このように補正するのは、成層燃焼では、噴射終了−点火のインターバルがある程度確保されていないと、噴射された燃料と空気が十分に混合されず、このインターバルが混合気形成において最重要因子となるからである。このステップＳ２３の燃料噴射制御を終えたら、ステップ２０に戻る。

一方、気筒間の燃料温度差が上記範囲外であるならば（ステップＳ２２否定）、気筒間の燃料温度差は、気筒毎で燃料噴射量、噴射時期を補正すれば成層燃焼が成立する範囲（第２の許容範囲）であるか否かを判断する（ステップＳ２７）。この成層燃焼が成立する燃料温度差の許容範囲は、予め実験等により得られた経験値であり、燃料噴射量が適合範囲からずれないような温度差（たとえば、１５℃程度）である。

気筒間の燃料温度差が上記範囲内にあるならば（ステップＳ２７肯定）、成層燃焼で気筒毎に燃料温度と圧力から、噴射量と噴射時期を補正して燃料噴射制御する（ステップＳ２８）。ほとんどのケースは、ここまでの段階に該当するので、気筒間の燃料温度差があっても、成層燃焼を維持することができる。特に、ステップＳ２２およびステップＳ２７の２段階の判断ステップを経ているため、可能な限り成層燃焼を実施することができ、上記実施例１の場合と比較して更に燃費向上を図ることができる。

一方、気筒間の燃料温度差が上記範囲外であるならば（ステップＳ２７否定）、成層燃焼では失火の発生等が予測されるので、均質燃焼に切り替える（ステップＳ２９）。すなわち、ステップＳ２０で計測した各気筒の燃料温度の平均値と圧力から、噴射量のみを補正して燃料噴射制御する。このステップＳ２９の燃料噴射制御を終えたら、ステップ２０に戻る。

以上のように、この実施例２に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法によれば、成層燃焼時に気筒間の燃料温度差が大きい場合であっても、安定した燃焼を確保することができるとともに、可能な限り成層燃焼を実施することにより更に燃費向上を図ることができる。

以上のように、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法は、筒内直噴ＣＮＧエンジンを搭載した車両に有用であり、特に、成層燃焼時に気筒間の燃料温度差が大きい場合であっても、安定した燃焼を確保することができる燃料噴射制御方法に適している。

この発明の実施例１に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。筒内直噴ＣＮＧエンジンを示す模式図である。この発明の実施例２に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ＣＮＧエンジン（筒内直噴ＣＮＧエンジン）
１０ａ燃焼室
１３デリバリパイプ
１３ｂ圧力センサ
１３ａ温度センサ
１７筒内噴射用インジェクタ（燃料噴射弁）

Claims

各気筒内にＣＮＧ燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
前記各気筒に供給される前記燃料の温度を検出する燃料温度検出手段と、
前記燃料を所定圧力で蓄圧し前記各燃料噴射弁に分配するデリバリパイプと、
前記デリバリパイプ内の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
を備え、
運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成された筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法において、
前記燃料温度検出手段により各気筒毎の燃料温度を検出するとともに前記燃料圧力検出手段により燃料圧力を検出し、
成層燃焼時に前記気筒間の燃料温度差が失火の発生を抑制することのできる所定の許容範囲内にあるならば、前記燃料の平均温度と圧力とに基づいて噴射量および噴射時期を補正して燃料噴射制御を実施する一方、
成層燃焼時に前記気筒間の燃料温度差が前記所定の許容範囲外であるならば、均質燃焼に切り替え、前記燃料の平均温度と圧力とに基づいて噴射量を補正して燃料噴射制御を実施することを特徴とする筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法。
ＣＮＧ燃料の噴射量および噴射時期を気筒毎に独立して制御できる燃料噴射弁と、
前記各気筒に供給される前記燃料の温度を検出する燃料温度検出手段と、
前記燃料を所定圧力で蓄圧し前記各燃料噴射弁に分配するデリバリパイプと、
前記デリバリパイプ内の燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
を備え、
運転条件に応じて成層燃焼と均質燃焼とを切り替え可能に構成された筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法において、
前記燃料温度検出手段により各気筒毎の燃料温度を検出するとともに前記燃料圧力検出手段により燃料圧力を検出し、
成層燃焼時に前記気筒間の燃料温度差が第１の許容範囲内にあるならば、前記燃料の平均温度と圧力とに基づいて噴射量および噴射時期を補正して燃料噴射制御を実施する一方、
成層燃焼時に前記気筒間の燃料温度差が前記第１の許容範囲外であるならば、更に前記気筒間の燃料温度差が、成層燃焼が成立する第２の許容範囲内にあるか否かを判断し、
当該第２の許容範囲内にあるならば、前記気筒毎に前記燃料の温度と圧力とに基づいて噴射量および噴射時期を補正して燃料噴射制御を実施する一方、
当該第２の許容範囲外であるならば、均質燃焼に切り替え、前記燃料の平均温度と圧力とに基づいて噴射量を補正して燃料噴射制御を実施することを特徴とする筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射制御方法。