JPS62237057A

JPS62237057A - 筒内直接噴射式内燃機関

Info

Publication number: JPS62237057A
Application number: JP7816186A
Authority: JP
Inventors: Eiji Ono; 大野　栄嗣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1986-04-07
Filing date: 1986-04-07
Publication date: 1987-10-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は筒内直接噴射式内燃機関に関し、特に、吸気圧
の高い機関運転領域においては高圧燃料噴射を行え、吸
気圧の低い機関運転領域においては燃料噴射圧を低下さ
せることができ、燃料ポンプの負荷を軽減して燃費を向
上させることができる筒内直接噴射式内燃機関に関する
。

〔従来の技術〕

筒内直接噴射式内燃機関としてはディーゼルエンジンが
良く知られているが、筒内直接噴射式火花点火エンジン
（４サイクルガソリン直噴エンジン）も既に特許や論文
などで知られている。そして、本発明者はこの筒内直接
噴射式内燃機関に関し、実用化に向けて既にいくつかの
提案を行ってきた。これらは例えば、過給時において点
火プラグのくすぶりを対策したもの（特願昭６０−２８
１０９９号）や、噴射弁からの噴射方向および噴射時期
により部分負荷運転領域でのＮＯｘの低減と全負荷運転
領域でのノッキング抑制を図ったもの（特願昭６０−２
９３３０１号）である。

〔発明が解決しようする問題点〕

ところが、既に本発明者が提案した筒内直接噴射式内燃
機関においては、燃料ポンプによって加圧された燃料を
一時燃料溜まり　（サージタンクやデリバリパイプ）に
常に一定圧力で蓄えておき、噴射弁の開弁時間で燃料噴
射量を制御しているために、常に燃料溜まり内の燃料圧
を最大必要燃料圧に保持しておかなければならず、無駄
が多いという問題点がある。即ち、過給機関では過給圧
が低い時および無過給時には低い燃料噴射圧力（例えば
１０〜２０気圧）で十分であるが、過給圧が高い時には
高い燃料噴射圧力（例えば８０気圧）が必要となるので
、燃料溜まり内の燃料圧はこの高い圧力に常に保持して
おかねばならず、高過給時以外には必要以上の高圧噴射
となってしまう。そして、燃料圧力を高圧に保持するほ
ど、燃料ポンプ負荷が増大して燃費が悪化するので非効
率的であるという問題点が生じる。つまり、燃料を高圧
にする高圧燃料ポンプでも、吐出圧が高圧でなければ負
荷が小さく、これを駆動する機関の燃費が良くなるので
ある。

この問題点は、過給機の無い筒内直接噴射式内燃機関に
おける吸気圧の高い全負荷時の燃料供給と、吸気圧の低
い部分負荷時の燃料供給についても同様に生じる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の目的は、前記従来の筒内直接噴射式内燃機関に
おける燃料噴射圧の問題点を解消し、吸気圧の高い運転
状態では燃料噴射圧を高く保持し、吸気圧の低い運転状
態では燃料噴射圧をそれなりに低く保持することのでき
る優れた筒内直接噴射式内燃機関を提供することである
。

前記目的を達成する本発明の筒内直接噴射式内燃機関は
、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒
内直接噴射式内燃機関であって、その１つの形態は前記
燃料噴射弁に高圧燃料を供給する燃料ポンプと前記燃料
噴射弁との間に設けられた燃料溜まりに圧力制御弁が設
けられ、この圧力制御弁は燃料圧が所定値以上かつ吸気
圧が所定値以下の時に開弁するように構成されているこ
とを特徴としており、他の発明の形態としては、前記筒
内直接噴射式内燃機関であって、機関の吸気系に吸気を
加圧する過給機が設けられたものにおいて、吸気圧が所
定値以下の状態の代わりに、過給機非作動状態の時に圧
力制御弁が開弁するように構成されていることを特徴と
している。

〔作　用〕

本発明の筒内直接噴射式内燃機関によれば、吸気圧が所
定値以上になる機関運転領域では噴射弁の燃料溜まりに
設けた圧力制御弁の閉弁により高い燃料噴射圧が得られ
、吸気圧が所定値未満になる機関運転領域では前記圧力
制御弁の開弁により燃料圧が低く保持されるので、低い
燃料噴射圧が得られ、結果として吸気圧値が低い部分負
荷運転時、あるいは過給機非作動時に燃料ポンプの負荷
が低減される。

〔実施例〕

以下図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明を適用した筒内直接噴射式内燃機関とそ
の周辺装置の概略構成図であり、この実施例の機関には
過給機が設けられている。第１図において、例えば４気
筒のガソリンエンジン１には各気筒毎に噴射弁２ａ〜２
ｄとこれに対応した点火プラグ３ａ〜３ｄが設けられて
いる。点火プラグ３８〜３ｄの各個はハイテンションコ
ード４ａ〜４ｄを介して点火コイル５ａまたは５ｂに接
続されている。点火コイル５ａは第１気筒（＃ｌ）及び
第４気筒（＃４）を、点火コイル５ｂは第２気筒（＃２
）及び第３気筒（＃３）をそれぞれ受は持つ。即ち、こ
のシステムではディストリビュータを不要としている。

これは、本発明の装置では点火放電の期間が長いためデ
ィストリビュータによる配電が困難なためである。

また、この実施例の吸気通路２０には、吸気量を検出す
るエアフローメータ２１、スロットル弁２２に設けられ
た負荷センサ２３、機械駆動方式の過給機（スーパーチ
ャージャ）３０及びこの過給機３０を迂回する吸気バイ
パス通路３１が設けられている。

過給［３０はエンジン１の出力の一部により駆動され、
ベルト３２によってクラッチ３３を介してハウジング３
４に内蔵された２個のまゆ型ロータが回転して過給を行
う。過給制御は制御回路１０により行われ、加速時及び
発進時等の高出力が要求される高負荷時には過給機３０
が前記クラッチ３３によりＯＮとなって過給し、低負荷
時にはＯＦＦとして過給を停止する。３６はエアバイパ
ス弁、３７はＶＳＶ、３８はエアバイパス弁切換機構を
示しているが、これらの作動は直接本発明と関係ないの
でその説明は省略する。

制御回路１０には、エアフローメータ２１からの吸気量
信号ｐに加えて、クランク角センサ１４からの信号ａと
、上死点（ＴＤＣ）センサ１５からのＴＤＣ信号すと、
気筒判別センサ１６からの信号Ｃと、前記負荷センサ２
３からの信号ｄが入力される。信号ｄによりエンジン１
の負荷状態を知る事ができる。更に、前記制御回路ｌＯ
には水温センサ１８からの信号ｅも入力される。

制御回路１０はこれらの信号ａ−ｅに基づいて放電指示
信号ｆ、気筒指示信号ｇ及びｈをイグナイタ６へ、過給
機３０の０Ｎ１０ＦＦ信号ｋをクラッチ３３に送り、ま
た、信号ｐにより演算した燃料噴射量ＴＡＵに基づいて
燃料噴射信号ｉを駆動部１３に送る。

駆動部１３からは各噴射弁２ａ〜２ｄへ信号ライン１７
が設けられている。燃料は燃料タンク８から燃料ポンプ
９へ送られ、さらに、デリバリパイプ７で一定圧力に保
持される。いずれかの噴射弁２ａ〜２ｄに信号ライン１
７から噴射指示信号があった時のみ噴射弁２ａ〜２ｄは
開弁じ、パイプ７内とほぼ同じ圧力の燃料が噴射される
。信号ライン１７は噴射指示の制御信号だけでなく、ノ
ズル駆動エネルギの供給信号も担っている。ここでは高
電圧が必要なためバッテリ１１からＤＣ／　ＤＣコンバ
ータ１２により昇圧した後、駆動部１３ヘエネルギが供
給される。

更に、前記デリバリパイプ７には燃料圧制御装置４０が
接続しており、デリバリバイブ７内の燃料圧を可変でき
るようになっている。この燃料圧制御装置４０は燃料圧
制御回路６によって制御されるようになっており、燃料
圧制御回路６には前記デリバリパイプ７の燃料圧が所定
値Ｐｉ以上になった時にＯＮする圧力スイッチ２４から
のＯＮＮ信号長び過給機３０の０Ｎ１０ＦＦ信号ｋが入
力されるようになっている。

制御回路１０は、例えばマイクロコンピュータとして構
成され、Ａ／Ｄ変換器１０１．入出力インタフェース１
０２．　ＣＰＵ１０３．　ＲＯＭ１０４．　ＲＡＭ１０
５．バックアップＲＡＭ１０６などが設けられている。

また、制御回路１０において、ダウンカウンタ１０８、
フリップフロップ１０９および駆動回路１１０は燃料噴
射弁２ａ〜２ｄを駆動制御するためのものである。即ち
、後述のルーチンにおいて、燃料噴射１ＴＡＵが演算さ
れると、燃料噴射１１ＴＡＵがダウンカウンタ１０８に
プリセットされると共にフリップフロップ１０９にもセ
・ノドされる。この結果、駆動回路１１０が燃料噴射弁
２ａ〜２ｄのいずれかの付勢信号ｉの出力を開始する。

この信号ｉと同じく制御回路１０から出力される気筒指
示信号ｇ及びｈにより駆動部１３が燃料噴射弁２ａ〜２
ｄのいずれかの付勢を開始する。他方、ダウンカウンタ
１０８がクロック信号（図示せず）を計数して最後にそ
のキャリアウド端子が“１”レベルとなったときに、フ
リップフロップ１０９がリセットされて駆動回路１１０
は燃料噴射弁の付勢信号ｉの出力を停止する。つまり、
上述の燃料噴射量ＴＡＵだけ燃料噴射弁は付勢され、従
って燃料噴射量↑ＡＵに応じた量の燃料がエンジン１の
燃焼室に送り込まれることになる。

このように、本実施例ではＴＡＵは時間の関数となって
いる。従ってＴＡＵＯ値が大きければ噴射弁の開弁時間
が長＜、、ＴＡＵの値が小さければ噴射弁の開弁時間か
短い。゛エアフローメータ２１の吸気量データｐ及び冷却水温デ
ータＴｌ（−は、所定時間ごとに実行される＾／Ｄｉ換
ルーチル−チンて取り込まれてＲＡＭ１０５の所定領域
に格納される。つまり、ＲＡＭ１０５におけるデータｐ
およびＴＨＷは所定時間毎に更新されている。

第２図は第１図に示す燃料噴射系の構成を詳細に示すも
のである。燃料タンク８とデリバリパイプ７との間に設
けられている燃料ポンプ９は、フィルタ９１、低圧ポン
プ９２、レギュレータ９３及び高圧ポンプ９４から構成
されている。そして、燃料タンク８内の燃料はストレー
ナ８１、フィルタ９１でろ化された後に低圧ポンプ９２
で２〜５ｋｇ／−程度の圧力に昇圧される。レギュレー
タ９３は低圧ポンプ９２の吐出圧が所定値以上になると
燃料をタンク８に逃がし、高圧ポンプ９４の入口圧力を
常に一定に保つ、高圧ポンプ９４から出た燃料は燃料溜
まりであるデリバリパイプ７に一旦貯えられ、このデリ
バリパイプ７の内容積によって、ポンプ９４の圧送脈動
が抑えられる。尚、前記低、高圧ポンプ９２゜９４は一
般にエンジンによって駆動される。

デリバリパイプ７に接続する燃料圧制御装置４０には、
機械式レギュレータ４１及び電磁式燃料圧制御装置５０
が設けられており、機械式レギュレータ４１はデリバリ
パイプ７内の燃料圧が所定値２２以上になると開弁じて
、デリバリパイプ７内の燃料圧を一定値に保持するが、
電磁式燃料圧制御装置５０は燃料圧制御回路６からの開
閉信号によって開閉制御される。

前記電磁式燃料圧制御装置５０は前記機械式レギュレー
タ４１を迂回するバイパス通路４２の途中に設けられて
おり、そのハウジング５１の中にはバイパス通路４２を
開閉する弁体５２がある。この弁体５２はこれに接続す
るプランジャ５３を介してばね５５により付勢されて閉
弁しており、常時は前記バイパス通路４２を閉じている
。そして、ソレノイド５４が通電されると開弁じて前記
バイパス通路４２を開くようになっている。

この実施例では前記燃料圧制御回路６は、前記圧力スイ
・ノチ２４からのＯＮＮ信号炉入力され、かつ制御回路
１０により過給機３０がＯＦＦ　している時に電磁式燃
料圧制御装置５０に開弁信号を送るようになっている。

以上より、ＰＩ　＜　Ｐ２として次のようになる。

（１）　　過給機０６時・・・デリバリバイブ内燃料圧
はＰ２（２）過給機ＯＦＦ時・・・デリバリパイプ内燃
料圧はＰ１前述の制御によって、例えば過給機０６時に
は、噴射圧力Ｐ２　＝　１００気圧として噴射時期を圧
縮行程後期に設定してノッキングを防止し、また、過給
機ＯＦＦ時には噴射圧力Ｐ１＝３０気圧として噴射時期
を吸気行程として燃料と吸気との混合を促進することも
可能である。

以上のように本発明の筒内直接噴射式内燃機関では、高
負荷運転時は高圧の燃料が噴射され、低負荷運転時は低
圧の燃料が噴射される。ところが、本発明の装置では噴
射燃料量は前述のように燃料噴射弁２ａ〜２ｄの開弁時
間で制御されるために、同じ燃料量でも高圧噴射時と低
圧噴射時とでは噴射弁の開弁時間が異なる。そこで、こ
の実施例では、エアフローメータ２１から得られた吸入
空気量を基に高圧噴射時の燃料噴射１１ＴＡＵを演算し
ておき、低圧噴射時はこの噴射［ＴＡＵに１より大きい
増量係数ＺＫ（＝１＋Ｚ）を乗算して開弁時間を長くす
ることにより噴射燃料量が高圧噴射時でも低圧噴射時で
も同一になるようにしている。

この場合、燃料供給系はデリバリパイプ７を始めとしで
ある程度の容積を有するので、電磁式燃料圧制御装置５
０の開閉により瞬時にデリバリパイプ７内の燃料圧がＰ
ｉ−Ｐ２に上昇、あるいはＰ２→Ｐ１に下降せず、第５
図に示すような所定期間Ｙの応答遅れがある。この応答
遅れ期間Ｙはエンジン１に駆動される高圧ポンプ９４の
回転数、即ちエンジン回転数に左右される。

そこで、この実施例では過給機３０の０Ｎ１０ＦＦの切
換によって応答遅れ無しで燃料圧がＰｌに下降あるいは
Ｐ２に上昇したものと仮定して噴射時間を決定する。そ
して、第６図に示すように応答遅れ期間Ｙはその間をＸ
個のステップに分割し、エンジン１の所定回転毎にステ
ップが１ずつ増えるようにして、徐々に増量係数ＺＫが
増加するようにする。

即ち、燃料圧がこの期間Ｙで直線的に増減するものとし
て、前記増量係数を１−Ｘのステップ毎に段階的に調整
する。これを第３図及び第４図のフローチャートを用い
て説明する。

第３図は過給機３０の０Ｎ１０ＦＦ制御の手順を示すも
のである。このルーチンは所定時間毎、所定クランク角
毎、あるいはメインルーチンの中のいずれかで行われる
。このルーチンにおいて制御回路１０は負荷センサ２３
からの信号ｄによりエンジン負荷が所定値り以上か否か
を判別しており（ステップ３０１）、負荷≧Ｌ　（ＹＥ
Ｓ）の時は高負荷運転状態と判断してステップ３０３に
進んでクラッチ３３をＯＮＬ、負荷＜　Ｌ　（Ｎｏ）の
時は低負荷運転状態と判断してステップ３０２に進んで
クラッチ３３をＯＦＦする。そして、クラッチ３３をＯ
ＮＬ、た時はステップ３０５にてクラッチオンフラグＣ
ＬＦを１”にし、クラッチ３３をＯＦＦ　した時はステ
ップ３０４にてクラッチオンフラグＣＬＦを“Ｏ”にす
る。

第４図は噴射ＩＴＡＵの演算ルーチンであり、例えばク
ランク角３０°毎に行われる。このルーチンでは制御回
路１０はまずステップ４０１で噴射量演算時期か否かを
判定する。噴射量演算時期でない場合（ＮＯ）はステッ
プ４１３に進んでリターンするが、噴射量計算時期の場
合（ＹＥＳ）はステップ４０２に進み、吸入空気ｉＱ及
びエンジン回転速度のデータをＲＡＭ１０５から読み出
して基本噴射量ＴＡＵＰを演算する。そして噴射ｆｉＴ
ＡＵＰを基にしてステップ４０３にて式、ＴＡＵ　４−ＴＡＵＰ　Ｘ　ＦＡＦｘ　ｃｔ＋β　・・
・■により噴射量ＴＡＵを演算する。但し、０式でＦＡ
Ｆは空燃比補正係数、α、βはその他の補正係数あるい
は補正量であり、例えば、暖機増量補正、吸気温補正、
過渡時補正、電源電圧補正等に相当する。

このようにして燃料噴射量ＴＡＵを演算した後は、次に
ステップ４０４でクラッチオンフラグＣＬＦが“１”（
クラッチがＯＮ）か、′０”（クラッチが０ＦＦ）を判
定する。エンジンが低負荷運転状態で過給機３０が作動
していない無過給状態の場合（ＣＬＦ−“０″）は、ス
テップ４０４でＮＯとなってステップ４０５に進み、ク
ラッチカウンタＣＬＣの値に１が加算され、加算後ステ
ップ４０７でＣＬＣＯ値が所定値Ｘ以上か否かが判定さ
れる。ＣＬＣ＞Ｘの場合（ＮＯ）はそのままステップ４
１１に進むが、ＣＬＣ；ｉ＝Ｘの場合（ＹＥＳ）はステ
ップ４０９にてＣＬＣの値がＸにされ、ＣＬＣが所定値
Ｘを越えないようにする。また、エンジンが高負荷運転
状態で過給機３０が作動している過給状態の場合（ＣＬ
Ｆ　＝“１＃）は、ステップ４０４でＹＥＳとなってス
テップ４０６に進み、クラッチカウンタＣＬＣの値から
１が減算され、減算後ステップ４０８でＣＬＣＯ値がθ
以下になっったか否かが判定される。

ＣＬＣ＞Ｏの場合（ＮＯ）はそのままステップ４１１に
進むが、ＣＬＣ≦０の場合（Ｙｌ！Ｓ）はステップ４０
９にてＣＬＣＯ値が０にされ、ＣＬＣが０を下回らない
ようにする。

このようにして、無過給時はＣＬＣの値が０からＸまで
１ずつ増量され、過給時はＣＬＣの値がＸからＯまで１
ずつ減らされる。そして、ステップ数ＣＬＣに応じたＣ
ＬＣ／　Ｘが係数Ｚに乗算されて増量係数ＺＫを増減す
る。なお、ＣＬＣの値は始動時のイニシャルルーチンで
Ｏにされているものとする。

以上よりステップ４１１では次式、ＴＡＵ＝ＺＫＸＴＡＵ＝ＴＡＵＸ　（１＋　Ｚ　ｘ　Ｃ
ＬＣ／　Ｘ）　−■によりＴＡＵが増減補正される。過
給機がＯＦＦ　−ＯＮになった時は所定期間Ｙ経過後に
燃料圧がＰ２になり、■式においてＣＬＣ＝　Ｏとなる
ので噴射量はＴＡＵである。また、過給機がＯＮ→ＯＦ
Ｆになった時は所定期間Ｙ経過後に燃料圧がＰｌになり
、■式においてＣＬＣ＝　Ｘとなるので噴射量は（１＋
Ｚ）ＴＡＵとなって燃料噴射弁の開弁時間が増大する。

この後、ステップ４１２で噴射１１７ＡＵをダウンタン
カウンタ１０８にセットすると共にフリップフロップ１
０９をセットして燃料噴射を所定時期に開始させる。そ
して、ステップ４１３にてこのルーチンが終了する。な
お、前述のように噴射量ＴＡＵに相当する時間が経過す
ると、ダウンカウンタのキャリアウドによってフリップ
フロップ１０９がリセットされて燃料噴射が終了する。

以上の実施例では機械駆動方式の過給機のクラッチの０
Ｎ１０ＦＦによって燃料噴射圧を変更しているが、過給
機は排気ガスを利用したターボ過給機でも良（、この場
合は吸気圧を検出して検出値の大小で燃料噴射圧を制御
すれば良い。また、無過給エンジンでは全負荷／部分負
荷によって、あるいは吸気圧が所定値を越えたか否かに
よって、燃料噴射圧を変更するようにすれば良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の筒内直接噴射式内燃機関で
は、吸気圧が所定値以上になる機関運転領域では噴射弁
の燃料溜まりに設けた圧力制御弁の閉弁により高い燃料
噴射圧が得られ、吸気圧力が所定値未満になる機関運転
領域では前記圧力制御弁の開弁により燃料圧が低く保持
されるので、低い燃料噴射圧が得られ、結果として吸気
圧値が低い部分負荷運転時、あるいは過給機非作動時に
燃料ポンプの負荷が低減されて燃費が向上するという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した筒内直接噴射式内燃機関とそ
の周辺装置を示す概略構成図、第２図は第１図の燃料噴
射系の詳細な構成図、第３図及び第４図は第１図の制御
回路の制御手順のフローチャート、第５図は過給／無過
給切換時のデリバリパイプ内の燃料圧の変化を示す線図
、第６図は増量係数の補正特性図である。 ■・・・エンジン、　　　　２ａ〜２ｄ・・・噴射弁、
３ａ〜３ｄ・・・点火プラグ、　６・・・燃料制御回路
、７・・・デリバリパイプ、　　８・・・燃料タンク、
９・・・燃料ポンプ、　　　１０・・・制御回路、１４
・・・クランク角センサ、１５・・・上死点センサ、２
０・・・吸気通路、　　　　２１・・・エアフローメー
タ、２３・・・負荷センサ、　　　２４・・・圧力スイ
ッチ、３０・・・過給機、　　　　　３１・・・バイパ
ス路、３３・・・クラッチ、４０・・・燃料圧力制御装置、４１・・・機械式レギュレータ、５０・・・電磁式燃料圧制御装置。第２図第３図第４図′ 第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

１．燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた
筒内直接噴射式内燃機関であって、前記燃料噴射弁に高
圧燃料を供給する燃料ポンプと前記燃料噴射弁との間に
設けられた燃料溜まりに圧力制御弁が設けられ、この圧
力制御弁は燃料圧が所定値以上かつ吸気圧が所定値以下
の時に開弁するように構成されていることを特徴とする
筒内直接噴射式内燃機関。
２．燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた
筒内直接噴射式内燃機関であって、その吸気系に吸気を
加圧する過給機が設けられ、前記燃料噴射弁に高圧燃料
を供給する燃料ポンプと前記燃料噴射弁との間に設けら
れた燃料溜まりに圧力制御弁が設けられ、この圧力制御
弁は燃料圧が所定値以上かつ機関の過給機非作動状態の
時に開弁するように構成したことを特徴とする筒内直接
噴射式内燃機関。