JP7798017B2 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置に関する。

シリンダヘッドに取り付けられたインジェクタと、シリンダヘッドの外部に設置されたデリバリパイプと、を備える内燃機関が知られている。この種の内燃機関のインジェクタは、一端がシリンダヘッドに、他端がデリバリパイプに、それぞれ固定されている。そのため、シリンダヘッドとデリバリパイプとの温度差が大きくなると、両者の熱膨張差により、インジェクタに熱歪みが発生する。特許文献１には、シリンダヘッドとデリバリパイプとの熱膨張差に起因したインジェクタの熱歪みを抑制する技術が記載されている。

特開２０１３－２１７３５４号公報

上記のような熱歪みが発生すると、ニードル等のインジェクタの摺動部品の摺動抵抗が増加する。そしてその結果、インジェクタの噴射特性が変化してしまう。そのため、シリンダヘッドとデリバリパイプとの温度差が大きくなると、燃料噴射量の制御精度が悪化する場合がある。

上記課題を解決する燃料噴射制御装置は、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられるとともにデリバリパイプに連結されたインジェクタの燃料噴射の制御に際して、要求された量の燃料噴射に要するインジェクタの噴射期間を演算する。さらに、同燃料噴射制御装置は、シリンダヘッド及びデリバリパイプの温度差が大きい場合には、温度差が小さい場合よりも長い時間を噴射期間として演算する噴射期間演算処理を実行している。

シリンダヘッド及びデリバリパイプの温度差が大きくなって、インジェクタの熱歪みが大きくなると、インジェクタの摺動部品の摺動抵抗が増加する。そして、摺動抵抗の増加に応じてインジェクタの燃料の噴射率が低下する。これに対して、上記燃料噴射制御装置は、こうした熱歪みによる噴射率の低下が生じるときには、通常よりも長い時間を噴射期間として演算している。そのため、熱歪みによる噴射率の低下が招く噴射量の減少が、噴射期間の延長により補償される。したがって、上記燃料噴射制御装置には、シリンダヘッドとデリバリパイプとの温度差に起因したインジェクタの熱歪みによる燃料噴射量の制御精度の悪化を抑える効果がある。

燃料噴射制御装置の一実施形態の構成を模式的に示す図である。 同燃料噴射制御装置が実行する噴射期間演算ルーチンのフローチャートである。 シリンダヘッド及びデリバリパイプの温度差とインジェクタの噴射率との関係を示すグラフである。 シリンダヘッド及びデリバリパイプの温度差と噴射期間の補正率との関係を示すグラフである。

以下、燃料噴射制御装置の一実施形態を、図１～図４を参照して詳細に説明する。
＜燃料噴射制御装置の構成＞
まず、図１を参照して本実施形態の燃料噴射制御装置の構成を説明する。本実施形態の燃料噴射制御装置は、水素ガスを燃料とする、筒内噴射式の内燃機関１０に適用されている。内燃機関１０は、車両に搭載されている。

内燃機関１０は、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とを備えている。シリンダブロック１１には、ピストン１３を収容した気筒１４が設けられている。そして、気筒１４の内部には、水素ガスを燃焼する燃焼室１５が形成されている。また、内燃機関１０は、気筒１４の内部に水素ガスを噴射するインジェクタ１６を備えている。シリンダヘッド１２には、インジェクタ１６を取り付けるための取付孔１２Ａが設けられている。インジェクタ１６は、噴口側の端部が取付孔１２Ａ内に挿入された状態でシリンダヘッド１２に取り付けられている。また、内燃機関１０におけるシリンダヘッド１２の外側の部分には、デリバリパイプ１７が設置されている。デリバリパイプ１７には、調圧装置１９を介して水素タンク１８が接続されている。調圧装置１９は、水素タンク１８に貯留された高圧の水素を、既定の供給圧に減圧してデリバリパイプ１７に供給する。そして、デリバリパイプ１７には、インジェクタ１６における噴口側とは反対側の端部が連結されている。

本実施形態の燃料噴射制御装置は、こうした内燃機関１０におけるインジェクタ１６の燃料噴射の制御を行う。燃料噴射制御装置は、電子制御ユニット２０を備えている。電子制御ユニット２０は、プロセッサ２１とメモリ２２とを備えている。メモリ２２には、インジェクタ１６の燃料噴射を制御するためのプログラムやデータが記憶されている。電子制御ユニット２０は、プロセッサ２１が、メモリ２２からプログラムを読込んで実行することで、燃料噴射を制御するための各種処理を実施する。電子制御ユニット２０には、車両の各部に設置された各種のセンサ２３の検出信号が入力されている。センサ２３には、内燃機関１０の冷却水、内燃機関１０の潤滑油、外気、デリバリパイプ１７内の水素ガス等の温度を検出するセンサが含まれる。また、センサ２３には、デリバリパイプ１７内の水素ガスの圧力、内燃機関１０のクランク角、吸入空気量等の内燃機関１０の運転状態を検出するセンサが含まれる。さらに、センサ２３には、アクセルペダル操作量、車速等の車両の走行状況を検出するセンサも含まれる。なお、電子制御ユニット２０は、クランク角の検出信号に基づいて内燃機関１０の回転速度であるエンジン回転数を求めている。

電子制御ユニット２０は、各センサ２３の検出結果に基づいて、水素ガス噴射量の要求値を決定する。また、電子制御ユニット２０は、決定した要求値に等しい量の水素ガスの噴射に必要なインジェクタ１６の噴射期間を演算する。そして、電子制御ユニット２０は、噴射期間の演算結果に応じた水素ガスの噴射をインジェクタ１６に指令する。電子制御ユニット２０は、以上の処理を通じて、内燃機関１０の水素ガス噴射量を制御している。すなわち、電子制御ユニット２０は、要求された量の燃料噴射に要するインジェクタ１６の噴射期間を演算してインジェクタ１６の燃料噴射を制御している。

＜噴射期間演算ルーチン＞
以下、図２～図４を参照して、燃料噴射量の制御における噴射期間の演算のための電子制御ユニット２０の処理について説明する。図２は、噴射期間の演算のため、電子制御ユニット２０が実行する噴射期間演算ルーチンのフローチャートを示している。電子制御ユニット２０は、内燃機関１０の運転中に同ルーチンを既定の制御周期毎に実行する。

本ルーチンを開始すると、電子制御ユニット２０はまず、ステップＳ１００において、水素ガス噴射量の要求値である要求噴射量を読込む。電子制御ユニット２０は、別途のルーチンにおいて、アクセルペダル操作量、車速等に基づいて、内燃機関１０の要求出力を決定する。そして、電子制御ユニット２０は、要求出力、エンジン回転数等に基づいて、要求出力分の出力の発生に必要な水素ガスの噴射量を要求噴射量の値として演算している。

次に電子制御ユニット２０は、ステップＳ１１０において、基本噴射期間ＴＡＵｂを演算する。基本噴射期間ＴＡＵｂは、インジェクタ１６の熱歪みが発生していない定格の状態において、要求噴射量分の水素ガスの噴射に必要なインジェクタ１６の水素ガスの噴射期間を表わしている。電子制御ユニット２０は、要求噴射量、デリバリパイプ１７内の水素ガスの圧力及び温度等に基づいて、基本噴射期間ＴＡＵｂを演算している。

次のステップＳ１２０において、電子制御ユニット２０は、ヘッド温度Ｔｈ及びパイプ温度Ｔｐを演算する。ヘッド温度Ｔｈは、シリンダヘッド１２の推定温度を表わしている。より詳細には、ヘッド温度Ｔｈは、シリンダヘッド１２におけるインジェクタ１６の取付孔１２Ａ周辺の部分の推定温度を表わしている。また、パイプ温度Ｔｐは、デリバリパイプ１７の推定温度を表わしている。電子制御ユニット２０は、内燃機関１０の潤滑油及び冷却水のそれぞれの温度、回転数、要求出力に基づいて、ヘッド温度Ｔｈを演算している。また、電子制御ユニット２０は、外気、及びデリバリパイプ１７内の水素ガスの温度に基づいて、パイプ温度Ｔｐを演算している。

続いて、電子制御ユニット２０は、ステップＳ１３０において、ヘッド温度Ｔｈとパイプ温度Ｔｐとの差（＝Ｔｈ－Ｔｐ）が、既定の閾値Ｘ以上であるか否かを判定する。以降、ヘッド温度Ｔｈとパイプ温度Ｔｐとの差を温度差ΔＴと記載する。

温度差ΔＴが閾値Ｘ未満の場合（Ｓ１３０：ＮＯ）には、電子制御ユニット２０は、ステップＳ１４０において、基本噴射期間ＴＡＵｂの値をそのまま指令噴射期間ＴＡＵの値として設定する。指令噴射期間ＴＡＵは、インジェクタ１６に対する水素ガスの噴射期間の指令値を表わしている。

一方、温度差ΔＴが閾値Ｘ以上の場合（Ｓ１３０：ＹＥＳ）には、電子制御ユニット２０は、ステップＳ１５０に処理を進める。ステップＳ１５０において、電子制御ユニット２０は、温度差ΔＴに基づき、補正率Ｋを演算する。さらに、電子制御ユニット２０は、続くステップＳ１６０において、基本噴射期間ＴＡＵｂに補正率Ｋを掛け合わせる。そして、電子制御ユニット２０は、同ステップＳ１６０において、その掛け合わせた値（＝ＴＡＵｂ×Ｋ）を指令噴射期間ＴＡＵの値として設定する。

なお、電子制御ユニット２０は、ステップＳ１４０又はステップＳ１６０において、指令噴射期間ＴＡＵを設定した後、今回の制御周期における本ルーチンの処理を終了する。そして、その後、電子制御ユニット２０は、指令噴射期間ＴＡＵに応じた期間の水素ガスの噴射をインジェクタ１６に指令する。

＜実施形態の作用及び効果＞
本実施形態の作用及び効果について説明する。
内燃機関１０の運転中にシリンダヘッド１２は、燃焼室１５での水素ガスの燃焼により生じた熱を受ける。そのため、内燃機関１０の運転中に、外部に設置されたデリバリパイプ１７とシリンダヘッド１２との温度差ΔＴが大きくなることがある。温度差ΔＴが拡大すると、シリンダヘッド１２及びデリバリパイプ１７の熱膨張量の差が大きくなる。一方、インジェクタ１６は、噴口側の端部がシリンダヘッド１２に取り付けられるとともに、噴口側と反対側の端部がデリバリパイプ１７に連結された状態で内燃機関１０に設置されている。そのため、温度差ΔＴが拡大すると、インジェクタ１６の熱歪みが大きくなる。熱歪みが大きくなると、インジェクタ１６内の摺動部品の摺動抵抗が増加する。そして、その結果、インジェクタ１６の水素ガスの噴射率が低下する。

噴射率は、単位時間におけるインジェクタ１６の水素ガスの噴射量である。上記のように、電子制御ユニット２０は、要求噴射量分の水素ガス噴射に必要な噴射期間を、基本噴射期間ＴＡＵｂの値として演算している。基本噴射期間ＴＡＵｂは、インジェクタ１６に熱歪みが生じていないことを前提に演算されている。そのため、熱歪みにより噴射率が低下すると、基本噴射期間ＴＡＵｂに噴射可能な水素ガスの量が要求噴射量に満たなくなってしまう。

なお、液体燃料を噴射するインジェクタの場合、摺動部品の摺動面が燃料により潤滑されている。これに対して、水素ガスのような気体燃料を噴射するインジェクタの場合、摺動部品の摺動面が燃料により潤滑されていない。そのため、気体燃料を噴射するインジェクタは、液体燃料を噴射するインジェクタに比べて、噴射率に対する熱歪みの影響が大きくなり易い。

また、シリンダヘッドに取り付けられるインジェクタとしては、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用のインジェクタがある。筒内噴射式のインジェクタは、ポート噴射用のインジェクタよりも、燃焼室に近い部位に取り付けられている。そのため、筒内噴射式のインジェクタの場合には、ポート噴射式のインジェクタの場合に比べて、シリンダヘッドにおけるインジェクタの周辺の部分の温度が高くなり易い。そのため、筒内噴射式のインジェクタは、ポート噴射式のインジェクタに比べて、熱歪みが大きくなり易い。

これに対して、本実施形態が採用するインジェクタ１６は、気体燃料である水素ガスを、気筒１４内に噴射するように構成されている。そのため、インジェクタ１６では、熱歪みによる噴射率の変化が大きくなる。

図３に、シリンダヘッド１２及びデリバリパイプ１７の温度差ΔＴと、インジェクタ１６の噴射率と、の関係を示す。なお、インジェクタ１６の噴射率は、デリバリパイプ１７から供給される水素ガスの温度や圧力によって変化する。ここでは、説明の簡単のため、デリバリパイプ１７からインジェクタ１６に供給される水素ガスの温度及び圧力は一定に維持されているものとする。

インジェクタ１６は、構成部品の形状寸法に多少のばらつきがあっても、規定通りに動作するように設計されている。そのため、インジェクタ１６の噴射特性は、熱歪みがある程度の大きさを超える迄は、定格の特性に維持される。よって、温度差ΔＴが一定の値未満の場合には、インジェクタ１６の噴射率はほぼ一定に維持されている。一方、温度差ΔＴが一定の値以上の範囲では、インジェクタ１６の噴射特性に影響するまで熱歪みが大きくなる。そのため、温度差ΔＴが一定の値以上の範囲では、インジェクタ１６の噴射率は、温度差ΔＴの拡大に応じて次第に低下する。本実施形態では、定格の噴射率を維持できる温度差ΔＴの上限値を、上述の閾値Ｘの値として設定している。

図４に、図２のステップＳ１５０において電子制御ユニット２０が演算する補正率Ｋと温度差ΔＴとの関係を示す。なお、ステップＳ１５０は、温度差ΔＴが閾値Ｘ以上の場合にのみ実行される処理となっている。電子制御ユニット２０は温度差ΔＴが閾値Ｘに等しい値である場合、補正率Ｋの値として「１」を演算している。そして、電子制御ユニット２０は、温度差ΔＴが閾値Ｘに等しい値から次第に増大していった場合に、「１」から次第に大きくなる値を補正率Ｋの値として演算している。ここで、温度差ΔＴが閾値Ｘ未満のときのインジェクタ１６の噴射率を定格噴射率と定義する。そして、各温度差ΔＴにおけるインジェクタ１６の噴射率の、定格噴射率に対する比率を、熱歪みによる噴射率の変化率Ｃと定義する。電子制御ユニット２０は、各温度差ΔＴにおける変化率Ｃの逆数となる値を、各々の温度差ΔＴにおける補正率Ｋの値として演算している。

さて、図２の噴射期間演算ルーチンにおいて電子制御ユニット２０は、温度差ΔＴが閾値Ｘ未満の場合（Ｓ１３０：ＮＯ）には、基本噴射期間ＴＡＵｂの値をそのまま指令噴射期間ＴＡＵの値として設定している（Ｓ１４０）。これに対して、温度差ΔＴが閾値Ｘ以上の場合（Ｓ１３０：ＹＥＳ）には、電子制御ユニット２０は温度差ΔＴに基づき補正率Ｋを演算する（Ｓ１５０）。そして、電子制御ユニット２０は、その補正率Ｋを基本噴射期間ＴＡＵｂに乗算した値を指令噴射期間ＴＡＵの値として演算する（Ｓ１６０）。ステップＳ１５０において電子制御ユニット２０は、温度差ΔＴが大きいときには小さいときよりも大きくなる、「１」以上の値を補正率Ｋの値として演算している。このように、噴射期間演算ルーチンにおいて電子制御ユニット２０は、シリンダヘッド１２及びデリバリパイプ１７の温度差ΔＴが大きい場合には、温度差ΔＴが小さい場合よりも長い時間を噴射期間として演算する噴射期間演算処理を実行している。そのため、シリンダヘッド１２及びデリバリパイプ１７の熱膨張の差に起因したインジェクタ１６の熱歪みによる燃料噴射量の制御精度の悪化を抑制できる。

また、本実施形態では、噴射期間演算処理を、温度差ΔＴが閾値Ｘ以上である場合に指令噴射期間ＴＡＵを増大補正する処理としている。そのため、図３に示すような温度差ΔＴとインジェクタ１６の噴射率との関係を反映したかたちで、噴射期間演算処理での指令噴射期間ＴＡＵの増大補正を実施できる。

＜他の実施形態＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・デリバリパイプ１７内の水素ガスの温度を、水素タンク１８の内圧の検出信号に基づいて間接的に求めるようにしてもよい。
・図２の噴射期間演算ルーチンにおいて、ヘッド温度Ｔｈ、パイプ温度Ｔｐをそれぞれ個別に演算せずに、それらの演算に用いるパラメータに基づいて温度差ΔＴを直接演算するようにしてもよい。また、シリンダヘッド１２やデリバリパイプ１７に温度センサを設置して、ヘッド温度Ｔｈやパイプ温度Ｔｐを直接検出するようにしてもよい。

・上記実施形態の燃料噴射制御は、ＣＮＧ、ＬＰＧ等の水素ガス以外の気体燃料を噴射するインジェクタ、ガソリン燃料、軽油等の液体燃料を噴射するインジェクタにも適用できる。水素ガス以外の気体燃料を噴射するインジェクタは、摺動部品の摺動面が燃料により潤滑されないため、水素ガスを噴射するインジェクタ１６と同様に、インジェクタの熱歪みが噴射特性に与える影響が大きくなり易い。一方、液体燃料を噴射するインジェクタは、燃料により摺動面が潤滑されているが、熱歪みがある程度を超えて大きくなれば、噴射特性が変化してしまう。そのため、水素ガス以外の気体燃料や液体燃料を噴射するインジェクタを制御対象とした場合にも、上記実施形態の燃料噴射制御装置は同様の効果を発揮する。

・上記実施形態の燃料噴射制御は、ポート噴射式のインジェクタを備える内燃機関にも適用できる。ポート噴射式のインジェクタを備える内燃機関でも、シリンダヘッド及びデリバリパイプの温度差が大きくなる場合があり、そうした場合にはインジェクタの熱歪みが発生する。そのため、ポート噴射式のインジェクタを制御対象とした場合にも、上記実施形態の燃料噴射制御装置は同様の効果を発揮する。

１０…内燃機関、１１…シリンダブロック、１２…シリンダヘッド、１２Ａ…取付孔、１３…ピストン、１４…気筒、１５…燃焼室、１６…インジェクタ、１７…デリバリパイプ、１８…水素タンク、１９…調圧装置、２０…電子制御ユニット、２１…プロセッサ、２２…メモリ、２３…センサ

Claims (2)

1. 内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられるとともにデリバリパイプに連結されたインジェクタに対して、要求された量の燃料噴射に要する前記インジェクタの噴射期間を演算して前記インジェクタの燃料噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、
   前記インジェクタは、気体燃料を噴射するものであり、
   要求された燃料噴射の量、前記気体燃料の圧力、及び前記気体燃料の温度に基づいて、基本噴射期間を演算する処理と、
   前記シリンダヘッド及び前記デリバリパイプの温度差が既定の閾値未満である場合には前記基本噴射期間を前記噴射期間として演算し、前記温度差が前記閾値以上である場合には、前記基本噴射期間に１以上の補正率を掛け合わせた値を前記噴射期間として演算する噴射期間演算処理と、を実行し、
   前記噴射期間演算処理において、前記補正率を、前記温度差が前記閾値に等しい値から次第に増大するほど１から次第に大きくなる値として演算する
   燃料噴射制御装置。
2. 前記インジェクタは、気筒内に燃料を噴射する請求項１に記載の燃料噴射制御装置。