JPH09184437A - 筒内噴射式燃料制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒内噴射式エンジンの燃料制御装置におい
て、処理負担増を極力抑えてエンジンの燃料制御及び空
燃比制御の精度の向上を図る。 【解決手段】 シリンダ内に直接燃料を噴射するインジ
ェクタ１１を備えた内燃機関において、吸入空気量、そ
の他内燃機関の運転状態を検出する各種センサ２，４，
６，７と、シリンダ内の圧力を検出するための筒内圧検
出手段１５を設け、各種センサからの情報を基に燃料供
給量を演算し、さらに検出手段１５によるシリンダ内圧
力に応じて補正を行うことによりインジェクタ１１を駆
動・制御するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、内燃機関のシリ
ンダ内に燃料を直接噴射する方式の自動車用エンジンの
燃料制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

（技術分野の背景）ガソリンエンジンにおいて、シリン
ダ内へ燃料を直接噴射する筒内噴射方式のエンジン制御
システムは、大きく下記の４種の効果が期待されてお
り、理想的なエンジンとして注目されて来ている。

【０００３】１，排気ガス排出量の低減 従来のシリンダ外部で燃料を噴射する方式では、噴射燃
料の一部がシリンダに吸入される前に吸気弁又は吸気管
に付着するため、特に燃料の気化がしにくい低温時の始
動運転時、並びに比較的早い供給燃料変化応答が必要な
過渡運転時には、上記付着燃料を考慮する必要がある
が、筒内噴射方式では上記燃料の輸送遅れを考慮せず空
燃比を希薄にできるためにＨＣ，ＣＯの排出量を低減可
能となる。

【０００４】２，燃費低減 筒内に燃料を噴射する場合、点火直前で点火タイミング
に合わせて燃料を噴射し、点火時に点火プラグ周辺に可
燃燃料が形成される混合気分布の不均一性、すなわち成
層燃焼が可能となるため、シリンダへ吸入される空気量
と燃料量の見かけ上の供給空燃比を大幅に希薄化するこ
とが可能となり、また、成層燃焼の実現によりＥＧＲ
（再循環排出ガス）を大量に導入しても燃焼悪化の影響
が少ないため、ポンピングロスの低減も加わり燃費の向
上が図れる。

【０００５】３，高出力 成層燃焼により点火プラグ周辺に混合気が集まること
で、ノッキングの原因となるエンドガスが少なくなるた
め、耐ノック性が向上し、エンジンの圧縮比を大きくす
ることが可能になる。また、シリンダ内で燃料が気化す
るため、シリンダ内で吸入空気の気化熱を奪うことによ
り吸入空気密度が上昇し、体積効率の上昇が図れ出力の
向上が期待できる。

【０００６】４，ドライバビリティ向上 筒内に直接燃料を噴射するため、従来のエンジンと比べ
て、燃料を供給してから燃料が燃焼し出力が発生するま
での遅れが短く、運転者の要求に対し高度の応答性を有
するエンジンを実現することができる。

【０００７】（従来の技術）従来より筒内噴射方式のエ
ンジンに関する発明の中で、空燃比の制御性の向上の手
法として、例えば特開平４−１８７８４１号公報により
低温時の圧縮工程噴射を増量する方法等が紹介されてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来エンジンの様に吸
気管へ装着されたインジェクタにより燃料を供給する方
式では、インジェクタへ供給する燃料の圧力（燃圧）
は、吸気管圧力＋所定圧力（通常は３気圧程度）に制御
されている。インジェクタの燃料噴射原理は、制御装置
からのインジェクタ駆動信号でインジェクタを駆動する
ことにより燃料供給側とインジェクション先との通路が
導通され、このときの燃料供給側の圧力（燃圧）とイン
ジェクション先の圧力の差圧により、燃料が噴射され
る。従って、従来のエンジンでは燃圧とインジェクショ
ン先の吸気管圧力との差圧が一定値に制御されているた
め、インジェクタ駆動時間と実際にインジェクタから噴
射される燃料量は比例関係にある。

【０００９】上記内容を図６の従来エンジン（吸気管噴
射方式）の構成例を用いて簡単に説明する。図におい
て、１は自動車用のエンジンであり、その吸気管側には
エアフローセンサ２、スロットル弁３、スロットル開度
センサ４、エアバイパウバルブ１０が設置されており、
エンジン１へ燃料を供給するためのインジェクタ１１は
吸気管に装着されている。エンジン１内には燃焼用の点
火プラグ９が配設され、またクランク角センサ５、水温
センサ６等が取付けられている。さらに、エンジンの排
気管側にはＯ₂センサ７が設置され、上記各種センサ
４，５，６，７の情報はエンジン制御装置８に送信さ
れ、当該制御装置８は上記情報を受けてエンジンの運転
状態を判断し、運転状態に応じた各種制御量を演算しエ
ンジンを所望の空燃比で燃焼させる。そして、上記点火
プラグ９、エアバイパスバルブ１０、インジェクタ１１
はいずれもエンジン制御装置８により駆動・制御され
る。

【００１０】燃料ポンプ１３は燃料タンク１２内の燃料
を送出し、燃圧レギュレータ１４は上記燃料の圧力を制
御してインジェクタ１１に送り出す。ここで、図６の
（ｂ部）の圧力は、（ａ部）により検出されたエンジン
の吸気管圧力を基準にしてその差圧が一定（約３気圧）
になるように制御される。

【００１１】これに対し筒内噴射エンジン対応の燃料方
式では、エンジン筒内に直接燃料を噴射するために、イ
ンジェクション先であるシリンダ内の圧力以上の燃圧を
インジェクタに印加する必要があり、通常は数十気圧の
高圧を印加している。ところが、インジェクション先で
あるシリンダ内圧力は、シリンダの行程状態（吸入行
程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程）及びシリンダの位
置により大きく変化し、燃圧とインジェクション先のシ
リンダ内圧力との差圧が変動するため、インジェクタ駆
動時間と実際にインジェクタから噴射される燃料量は噴
射時のシリンダ内圧力の影響を受けることになる。

【００１２】このことを、筒内噴射エンジン対応である
本発明の構成を示した図１により説明する。図１は図６
の従来エンジンの構成に対して、シリンダ内の圧力を検
出するための筒内圧センサ１５が装着されている点、イ
ンジェクタ１１がエンジンのシリンダに直接装着されて
いる点、さらに上記構成に伴う燃料供給系（燃料ポンプ
１３，燃圧レギュレータ１４）の構成点で相違してい
る。上記構成において、燃圧レギュレータ１４はインジ
ェクタ１１に供給する燃料圧力（ｂ＊部）を大気圧（ａ
＊部）基準として、前記理由により約数十気圧一定とな
るように制御している。

【００１３】上記差圧の変動を解決する方法として、従
来エンジンのように燃圧を制御するか、または燃料を噴
射するタイミングを常にシリンダ内圧が同一時のタイミ
ングとすることが考えられる。前者の方法は、シリンダ
内の圧力がエンジン回転速度に応じて高速で変化し、燃
圧レギュレータの応答がこれに追従できないため、次の
様な対処を行っている。すなわち、インジェクション流
量変化は物理的には上記差圧の平方根に比例することが
わかっており、差圧比に対して筒内圧の影響の度合いを
小さくするためにインジェクタへの供給燃料を高い圧力
にすることにより対応している。また、後者のインジェ
クションタイミングを固定する方法は、筒内噴射システ
ムでは上記のようにその性能を引き出すために成層燃焼
をさせており、点火プラグ近傍で可燃層状混合気を生成
するためには運転状態に応じたきめ細かなインジェクシ
ョンタイミング制御が必要となり、燃焼の観点から考え
た場合にインジェクションタイミングを固定化すること
は成立困難である。

【００１４】この発明は、上記問題点を解消するために
なされたものであって、筒内噴射方式のエンジンにおい
て、極力エンジン制御装置の負担増を抑える形で高精度
の燃料制御を実現することを目的とし、具体的にはイン
ジェクタを駆動するときのシリンダ内圧力に応じて、イ
ンジェクション駆動幅を補正するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、シリ
ンダ内に燃料を直接噴射せしめて着火するようにした内
燃機関において、シリンダ内圧を検出し当該内圧値によ
り燃料噴射量の制御を行うものである。

【００１６】特に、請求項２の発明は、内燃機関への吸
入空気量を検出する吸入空気量検出センサ、排出ガスの
酸素濃度を検出するＯ₂センサ、シリンダ内の運転状態
を検出するクランク角センサ、水温センサ等の各種検出
手段と、内燃機関のシリンダ内に直接燃料を噴射するイ
ンジェクタと、各種検出手段からの情報を基に内燃機関
への燃料供給量を演算し、当該演算結果をもとに上記イ
ンジェクタを駆動・制御するエンジン制御手段を備えた
ものにおいて、さらにシリンダ内の圧力を検出するため
の筒内圧検出手段を設け、当該検出されたシリンダ内圧
力に応じてインジェクタの駆動量を補正することを特徴
とするものである。

【００１７】また、請求項３の発明は、クランク角信号
からピストンの位置を検出し、ピストン位置からシリン
ダ内圧力を予測してインジェクタ幅補正を行うものであ
る。幾何学的に考えれば、吸気行程中に吸入された空気
はピストン最下点で吸気バルブが閉じて圧縮行程に入れ
ば吸気の流入がなくなるため、シリンダ内の圧力はシリ
ンダ容積により推測され、例えばピストンが可動部分の
半分まで移動すればシリンダ容積は半分となり、圧力は
ピストン最下点時に比べ２倍と推測される。一方、ピス
トンの位置はクランク角の位置により一義的に決定され
るため、クランク角検出センサ出力によりクランク角が
分かればシリンダ内圧を推測することが可能となる。ま
た、吸気量センサ等によりエンジンの運転状態を検出
し、シリンダ内へ吸入された吸気量を予測することによ
り、ピストン最下点位置でのベースシリンダ内圧を算出
し、上記手法により各クランク角度におけるシリンダ内
圧を推測することが可能となる。

【００１８】さらに請求項４の発明は、下記２種の理由
により、インジェクション駆動時間へのシリンダ内圧力
補正を圧縮行程噴射運転時に限定して実施することを特
徴としている。第１の理由としては、圧縮行程噴射時は
通常空燃比（Ａ／Ｆ）が３０以上の超リーン（希薄）燃
焼であり、吸入行程噴射で空燃比（Ａ／Ｆ）が１２〜１
３程度で運転されるスロットル全開のパワー運転領域と
比較して、シリンダ内圧による空燃比（Ａ／Ｆ）変動の
絶対量が大きく、また超リーン運転時の燃焼状態が繊細
であるために、圧縮行程噴射時には圧力補正の効果が大
きい。第２の理由としては、エンジン制御装置内の処理
の軽減が挙げられる。シリンダ内圧力補正は毎回の燃焼
毎に実施することが必要であり、特に高回転では単位時
間当りの燃焼回数、つまり圧力補正回数が増加し処理の
負担が大きくなる。一方、スロットル全開運転時や高回
転運転時は、通常は圧縮行程噴射ではなく、吸入行程噴
射で設定空燃比（Ａ／Ｆ）も希薄でないため、圧力補正
の必要性も圧縮行程噴射時ほど高くないため、前記処理
負担軽減の目的でシリンダ圧力補正を停止し、高回転域
まで各種制御追従性を確保することが可能になる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

実施の形態１． （実施の形態の構成）図１はこの発明に係る筒内噴射方
式の内燃機関の構成を示す図である。図において、１は
自動車用のエンジンであり、このエンジン１の吸気管側
には、吸入空気量を測定するためのエアフローセンサ２
と、通常自動車の運転者が操作するアクセルペダルと連
動して動作しエンジン１へ吸入される空気量を調節する
スロットル弁３と、このスロットル弁３の位置を検出す
るスロットル開度センサ４が設置され、また、１０はス
ロットルバルブ３をバイパスする空気量を制御するため
のエアバイパスバルブであり、スロットルバルブが全開
の場合のアイドリング運転時のエンジン回転数制御及び
走行時のトルク制御を行う。５はエンジン１の回転速度
とクランク角の位置を検出するためのクランク角セン
サ、６はエンジン１の暖気状態を検出する手段として冷
却水温を検出する水温センサ、７はエンジン１から排出
される排気ガスの酸素濃度を検出するＯ₂センサ、８は
エンジン各部に装着された各種センサからの情報を受
け、エンジンの運転状態を判断し、運転状態に応じた各
種制御量を演算してエンジンを所望の空燃比で燃焼させ
るためのエンジン制御装置、９は通常使用される点火プ
ラグである。そして、エンジンへ燃料を供給するための
インジェクタ１１は、エンジンのシリンダに直接装着さ
れ、点火プラグ９、エアバイパスバルブ１０、インジェ
クタ１１はいずれもエンジン制御装置８により駆動・制
御される。

【００２０】また、１２は燃料タンクであり、１３は燃
料タンク１２から燃料を取り出すための燃料ポンプ、１
４はインジェクタ１１へ供給する燃料の圧力（図１のｂ
＊部）を制御する燃圧レギュレータである。

【００２１】（実施の形態の動作）次に、実施の形態１
の動作を図５の制御フロー及び図２，図３，図４につい
て説明する。図５は、図１のエンジン制御装置８内の制
御内容の中で、クランク軸の角度位置所定タイミング
（５°Ｂ）毎、つまり各気筒の点火間隔毎に実施される
燃料制御処理内容を示したものである。図５の制御フロ
ーチャート中、点線Ａ部は実施の形態１の処理内容を示
しており、所定時間毎に実行される。また、点線Ｂ部
は、実施の形態２の処理内容を示し、点線Ｃ部は実施の
形態３の処理内容を示している。その他の部分は各実施
の形態に共通の処理内容を示している。

【００２２】まず、制御タイミングを図４により説明す
る。図４はＴ_TOPで圧縮ＴＯＰ位置となる気筒の制御タ
イミングを示したものである。図において、ＳＧＴとは
図１のクランク角センサ５の出力信号を示しており、４
気筒エンジンでは点火周期である１８０°ＣＡ周期の各
気筒５°Ｂと７５°Ｂで反転するパルス信号である。本
発明における制御装置では、５°Ｂ毎にエンジンの吸入
空気量をはじめ各種情報を読み込み、運転状態を判定し
て各種制御量を算出しており、時刻Ｔ_SPで点火し燃焼す
る気筒に対する燃料量を、Ｔ_CAL（５°Ｂ処理）のタイ
ミングで演算する。

【００２３】図５のフローチャートにおいて、まず、予
めエンジンの運転状態に応じて決められたインジェクシ
ョンＯＦＦタイミングＴ_OFFを算出する（処理101）。筒
内噴射の場合、筒内に噴射した燃料が点火プラグまで到
達して可燃混合気を生成するまでの時間は、エンジン回
転速度と吸入空気量の他にエンジンの暖気状態によって
微妙に異なるため、通常は運転状態に応じてきめ細かく
設定される。次に、エンジンの目標制御空燃比と吸入空
気量からエンジンへ供給する燃料量を算出し、これをイ
ンジェクタ駆動時間ｔ_ingとして算出し（処理102）、イ
ンジェクタＯＮ時刻Ｔ_ONを算出する（処理103）。以上
の処理により求められた結果が、図４の”補正前インジ
ェクタ駆動信号”となる。このとき同時にインジェクシ
ョン信号の中心時刻Ｔ_c（インジェクタＯＮ時刻Ｔ_ONと
インジェクションＯＦＦ時刻Ｔ_OFFの中間時刻）を算出
しておく（処理104）。

【００２４】実施の形態１では、前記５°Ｂ処理と並行
に、所定時間毎に点線Ａ部に示すタイマ処理が実行され
る。このタイマ処理では、まず所定時間毎に筒内圧セン
サ１５の出力をセンシングして（処理201）、上記イン
ジェクション中心時刻Ｔｃのタイミングと一致するかど
うかを判定する（判定202）。ここで、Ｔｃ直後の場合
にはセンシングした筒内圧をインジェクション時のシリ
ンダ内圧力であると判断し、インジェクションパルス幅
補正量を算出して補正後のインジェクション幅Ｔ_inj1を
算出し（処理203）、上記５°Ｂ処理で設定されたイン
ジェクションＯＦＦ時刻を図４の”補正後インジェクタ
駆動信号”のＴ_OFF1として再設定する。

【００２５】ここで、圧力補正量の算出方法を図３に従
って説明する。まず、インジェクション駆動幅ｔ_bに応
じてインジェクタから噴射される燃料量Ｑ_Bは、図３
（ａ）に示すようにインジェクタへの供給燃圧Ｐ_injと
インジェクションされる場所の圧力との差圧Ｐ_Bが一定
であれば、極低流量域を除き一義的に決まる。従って、
従来のエンジンのように前記差圧Ｐ_Bが一定（Ｐ_inj−Ｐ
_M；Ｐ_M＝インテェークマニホールド圧）の場合には一義
的に決定される。しかし、筒内噴射の場合、Ｐ_injは数
十気圧と一定であるが、インジェクションされるシリン
ダ内圧力が変化するため、差圧Ｐ_Bも変化する。ここで
上記差圧Ｐ_Bの変化によるインジェクション量の変化
は、差圧の変化の平方根に比例することが物理的に解っ
ているため、ある基準とする差圧Ｐ_B（基準差圧と呼
ぶ）の場合のインジェクション燃料量Ｑ_Bが分かってお
れば、図３（ｂ）のように差圧がＰ_B1，Ｐ_B2，Ｐ_B3とな
った場合のインジェクション流量は、それぞれＱ₁，
Ｑ₂，Ｑ₃として基準差圧と変化比の平方根から図３
（ｂ）の式により求められる。また、この差圧Ｐ_Bは、
（燃圧Ｐ_inj）−（インジェクション部の圧力）である
ため、筒内圧をセンシングすることにより求められ、イ
ンジェクション幅への補正が可能となる。

【００２６】実施の形態２．次に、実施の形態２を図５
のフローチャートの点線Ｂ部により説明する。実施の形
態２は、筒内圧センサを使用しないでインジェクション
タイミングのクランク角位置から筒内圧を予測し、イン
ジェクション補正を行うものである。図２はシリンダ内
圧（筒内圧）とインジェクションタイミングの関係を示
したものである。まず、従来の吸気管に燃料を噴射する
方式のエンジンでは、１行程以内での吸気管圧力（マニ
ホールド圧：Ｐ_M）はほぼ一定であるため、インジェク
タ駆動を仮に図２のケース１〜３のどのタイミングで実
施してもインジェクタ駆動幅ｔ_bが一定の場合には噴射
燃料量は一定である。一方、筒内噴射方式のエンジンで
は、インジェクション先のシリンダ内圧力が吸入行程か
ら圧縮行程にかけて図２のようにＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃と変化
するため、図２のケース１〜３のように同じインジェク
タ駆動幅ｔ_bで制御すると噴射燃料量が異なる。本実施
の形態では、上記インジェクション時の筒内圧Ｐ₁，
Ｐ₂，Ｐ₃がその時のクランク軸の位置と相関があること
を利用したものである。まず、図５の５°Ｂ処理におい
て、インジェクタＯＮ，ＯＦＦ時刻及びインジェクタＯ
Ｎ時中心時刻Ｔ_cが処理101〜104で算出されているの
で、処理106で前回の５°Ｂ処理の時刻と今回の５°Ｂ
処理時刻との周期から、今回設定したインジェクション
ＯＮ時中心時刻Ｔ_cのクランク角位置を予測演算する。
次に、クランク角位置と筒内圧との関係は運転状態に応
じて図２のように予め解っているためそれをマップ化し
て用意し、処理107により処理106で算出されたクランク
角に応じた筒内圧を演算する。次に、処理108にて、前
記演算された筒内圧から既に説明した図３の補正式に従
ってインジェクタ駆動幅の補正を行い、処理109にて再
度インジェクタＯＮ／ＯＦＦ時刻の設定を行う。

【００２７】実施の形態３．実施の形態３では、図５の
点線Ｃ部（処理105）に示すように上記インジェクショ
ン駆動幅補正を圧縮行程噴射制御時のみに実施したもの
である。実施の形態３では上記にて説明したように、圧
縮行程噴射以外では圧縮行程噴射に比べて燃焼が安定し
ており、シリンダ内圧による空燃比（Ａ／Ｆ）変動の絶
対量が小さい点、通常圧縮行程噴射が行われない高回転
運転時におけるエンジン制御装置内の処理を軽減させる
ことが可能な点を考慮し、圧力補正制御を圧縮行程噴射
時に限定している。通常圧縮行程噴射制御は、燃焼が安
定な暖気完了後、すなわち冷却水温が十分に暖まった状
態でかつ、比較的軽負荷の定常運転時（エンジン回転速
度が所定回転数以下、かつ吸入空気量が所定量以下、か
つスロットル開度変化が所定量以下の場合）に行われる
ため、図５の処理105でこれらの判定が行われる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように請求項１及び２の発明によ
れば、筒内噴射エンジン対応の燃料制御装置において、
インジェクション制御にインジェクション先のシリンダ
内圧の補正を加えることにより、より正確な燃料制御、
空燃比制御を実現することができる。

【００２９】また、請求項２では筒内圧センサを用いず
に機関のクランク角度からシリンダ内の圧力を予測する
ようにしたので、より簡単かつ安価な方式でシリンダ内
圧の補正を実現できる。

【００３０】さらに、請求項３ではエンジン制御装置内
のＣＰＵへの処理負担増を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る筒内噴射方式の内燃機関の構
成を示す図である。

【図２】 シリンダ筒内圧とインジェクションタイミン
グを示す図である。

【図３】 差圧が一定の場合の噴射流量とインジェクタ
駆動幅の関係、及び差圧が異なる場合の圧力補正量の算
出方法を示す図である。

【図４】 クランク角センサの出力信号、インジェクタ
駆動信号等の関係を示す図である。

【図５】 この発明に係る筒内噴射方式の燃料制御を示
すフローチャート図である。

【図６】 従来の吸気管噴射方式の内燃機関の構成を示
す図である。

【符号の説明】

１ エンジン、２ エアフローセンサ、３ スロットル
弁、４ スロットル開度センサ、５ クランク角セン
サ、６ 水温センサ、７ Ｏ₂センサ、８ エンジン制
御装置、９ 点火プラグ、１０ エアバイパスバルブ、
１１ インジェクタ、１２ 燃料タンク、１３ 燃料ポ
ンプ、１４ 燃圧レギュレータ、１５ 筒内圧センサ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ内に燃料を直接噴射せしめて着
   火するようにした内燃機関において、シリンダ内圧を検
   出し当該内圧値により燃料噴射量の制御を行うことを特
   徴とする筒内噴射式燃料制御装置。
2. 【請求項２】 内燃機関への吸入空気量及びその他内燃
   機関の運転状態を検出する各種検出手段と、内燃機関の
   シリンダ内に直接燃料を噴射するインジェクタと、上記
   各種検出手段からの情報を基に内燃機関への燃料供給量
   を演算し、当該演算結果をもとに上記インジェクタを駆
   動・制御するエンジン制御手段を備えた内燃機関におい
   て、 内燃機関のシリンダ内圧力を検出するための筒内圧検出
   手段を設け、当該検出手段により検出されたシリンダ内
   圧力に応じて上記インジェクタの駆動量を補正すること
   を特徴とする筒内噴射式燃料制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２において、内燃機
   関の回転速度及びクランク角度を検出するクランク角検
   出手段により検出された機関のクランク角度からシリン
   ダ内の圧力を予測し、当該予測値によりインジェクタの
   駆動量を補正するすることを特徴とする筒内噴射式燃料
   制御装置。
4. 【請求項４】上記シリンダ内圧力による燃料噴射量の補
   正制御を、圧縮行程噴射時の場合にのみ実施することを
   特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載
   の筒内噴射式燃料制御装置。