JP4315356B2 - 筒内燃料噴射式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、船外機、水上オートバイ、スノーモービル、オートバイ等、吸気管長または排気管長が異なる多気筒、筒内燃料噴射式エンジンの制御装置の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、自動車などに採用されている筒内燃料噴射式エンジンにおいては、比較的低負荷域での燃焼改善(燃焼効率向上)を目的として成層燃焼を行っている。しかしながら、成層燃焼においては、
▲1▼シリンダ内の点火プラグ周辺の空気を部分的にしか燃焼に使わないため、高出力が欲しい運転域(爆発エネルギーが大きい域)では成層燃焼は向かない、
▲2▼多気筒エンジンの各気筒の吸気管長または排気管長が異なる場合には、燃焼生成物(すす等)の発生頻度や不整燃焼の発生頻度が気筒により大きく変化するため、気筒毎にセッティングを最適にする必要がある(自動車では、吸気管および排気管を等長にすることにより、充填効率の気筒管差を抑えるようにしている。)
等の問題があり、特に、マリンエンジンのように、高負荷運転域での使用頻度が高く、集合排気(充填効率の気筒間差が大きく、結果として燃焼温度の気筒間差も大)を有するエンジンでは、問題が顕著である。
【0003】
そこで、筒内燃料噴射式マリンエンジンにおいては、全運転域にて均一燃焼(予混合燃焼)させる方が使用実態に合っており、なるべく均一混合に近づけるべく、噴射した燃料が吹き抜けない範囲で、噴射時期を早め燃焼させることが望ましい。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、均一燃焼は、A/Fが理論空燃比に近づくため、成層燃焼よりも燃焼エネルギーが高く、常にインジェクタの先端ノズル部(以下、ノズル部という)が高温にさらされるため、インジェクタ噴孔周辺で多くの燃焼生成物(すす等)が発生し、噴孔内にデポジット(燃料炭化物)が付着し、その結果、燃料噴射量が低下し、エンジンの正確なA/F制御ができなくなるという問題を有している。この問題を解決するために、燃焼温度を下げようとすると出力が低下し、本来の出力向上の目的に反することになり、また、マリンエンジンにおいては、充填効率の気筒間差により燃焼温度が高くなる運転域が異なるため、その対応が困難であるという問題を有している。
【0005】
本発明は、上記従来の問題を解決するものであって、燃焼温度の気筒間差が大きいエンジンにおいて、全運転域で均一燃焼させても、インジェクタノズル部の温度を常にデポジットが堆積しない温度に維持することができる筒内燃料噴射式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1記載の発明は、クランク軸が縦置き状態で搭載され、複数の気筒内にインジェクタにより燃料を噴射するエンジンで且つ各気筒の吸気管長または排気管長が異なる船外機用エンジンにおいて、前記複数の気筒の内、上段気筒は中負荷・中速域で温度上昇が高く、下段気筒は高負荷・高速域で温度上昇が高いというノズル部の温度特性を予め計測してマップ化し、前記マップに基づいてインジェクタ補正量を予め作成してコンピュータのメモリに格納し、ノズル部温度が高いエンジン負荷及びエンジン回転数の場合、前記メモリを参照し、中負荷・中速域では前記上段気筒の出力を低下させ、高負荷・高速域では前記下段気筒の出力を低下するように前記インジェクタを制御することを特徴とし、請求項2記載の発明は、請求項1において、前記インジェクタ補正量は、点火時期、燃料噴射開始時期および燃料噴射量のうち少なくとも1つであることを特徴とし、請求項3記載の発明は、請求項1,2において、インジェクタノズル部の温度が相対的に低い気筒については、エンジンの出力を上げるように制御量を演算することを特徴とし、請求項4記載の発明は、請求項1〜3において、インジェクタノズル部に温度センサを設け、該温度センサにより検出されたノズル部温度に基づいて、点火時期、燃料噴射開始時期および燃料噴射量の補正量を演算することを特徴とし、請求項5記載の発明は、請求項1〜4において、エンジンが排気管長が異なる2サイクルエンジンであり、排気ポートが閉じるまでに燃料の全量を噴射することを特徴とし、請求項6記載の発明は、請求項1〜4において、エンジンが吸気管長が異なる4サイクルエンジンであり、吸気行程で燃料の全量を噴射することを特徴とする。
以上
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明が適用される筒内燃料噴射式エンジンの1例を示す船外機の模式図であり、図(A)はエンジンの平面図、図(B)は図(A)のB−B線に沿う縦断面図、図(C)は船外機の側面図、図(D)は燃料供給系の構成図である。
【0008】
1は船外機であり、クランク軸10が縦置き状態で搭載されるエンジン2と、エンジン2の下端面に接続されエンジン2を支持するガイドエキゾースト部3と、ガイドエキゾースト部3の下端面に接続されるアッパケース4、ロアケース5及びプロペラ6からなる。上記エンジン2は、筒内噴射式V型6気筒2サイクルエンジンであり、6つの気筒#1〜#6が平面視でVバンクをなすように横置き状態で且つ縦方向に2列に配設されたシリンダボディ7に、シリンダヘッド8が連結、固定されている。アッパケース4内にはエンジンにより駆動される冷却水ポンプ18が設けられ、ロアケース5に形成された冷却水取入口5aから冷却水を図示矢印に示す如く、エンジン2内を循環させ、プロペラ6近傍から排出するようにしている。
【0009】
上記各気筒#1〜#6内には、ピストン11が摺動自在に嵌合配置され、各ピストン11はクランク軸10に連結されている。シリンダヘッド8には、磁力で開閉作動されるソレノイド開閉式のインジェクタ(燃料噴射弁)13及び点火プラグ14が装着されている。各気筒#1〜#6は、それぞれ掃気ポート(図示せず)によりクランク室12に連通され、また、気筒#1〜#6には排気ポート15が接続されている。図1(B)の左バンクの排気ポート15は左集合排気通路16に、右バンクの排気ポート15は右集合排気通路17に合流されている。エンジン2のクランク室12には、吸気マニホールドから分岐する吸気通路19が接続されており、該吸気通路19には、逆流防止用のリード弁20が配設され、また、リード弁20の下流側には、エンジン内にオイルを供給し潤滑するためのオイルポンプ21が配設され、リード弁20の上流側には、吸気量を調節するためのスロットル弁22が配設されている。
【0010】
図1(D)に示すように、船体側に設置されている燃料タンク23内の燃料は、手動式の第1の低圧燃料ポンプ25により燃料フィルタ26を経て船外機側の第2の低圧燃料ポンプ27に送られる。この第2の低圧燃料ポンプ27は、エンジン2のクランク室12のパルス圧により駆動されるダイヤフラム式ポンプであり、燃料を、気液分離機能を有する燃料タンクであるベーパーセパレータタンク29に送る。ベーパーセパレータタンク29内には、電動モータにより駆動される燃料予圧ポンプ30が配設されており、燃料を加圧し予圧配管31を経て高圧燃料ポンプ32に送る。高圧燃料ポンプ32の吐出側は、各気筒#1〜#6に沿って縦方向に配設された燃料供給レール33に接続ホース49を介して接続されるとともに、高圧圧力調整弁35および燃料冷却器36、戻り配管37を介してベーパーセパレータタンク29に接続されている。また、予圧配管31とベーパーセパレータタンク29間には予圧圧力調整弁39が設けられている。高圧燃料ポンプ32は、ポンプ駆動ユニット40により駆動される。このポンプ駆動ユニット40はベルト41を介してクランク軸10に連結されている。
【0011】
エンジン潤滑用のオイルポンプ21は、クランク軸10の回転により駆動されるポンプであり、船体側に設置されたサブタンク50からエンジン側に配設されたメインタンク51を経て吸気通路19内にオイルを供給する。また、メインタンク51のオイルは、フィルタ52、プリミックス用オイルポンプ53、チェック弁54を介してベーパーセパレータタンク29に供給するように構成されている。プリミックス用オイルポンプ53は、電磁ソレノイドで駆動する方式のものや電動モータにより駆動するタイプのポンプを採用する。
【0012】
ECU(電子制御装置)42には、エンジン2の運転状態や船外機1の状態を示す各種センサからの検出信号が入力される。例えば、クランク軸10の回転角(回転数)を検出するエンジン回転数センサ43、吸気通路19内の温度を検出する吸気温センサ44、スロットル弁22の開度を検出するスロットル開度センサ45、最上段の気筒#1内の空燃比を検出するに空燃比センサ46、高圧燃料配管34内の圧力を検出する燃圧センサ47、エンジンの冷却水温度を検出する冷却水温センサ48、燃料フィルタ26で分離した水の量を検出する水検出センサ55、排気圧力を検出する排圧センサ38、オイルタンク51のオイル量を検出するオイルレベルセンサ56、外気温度センサ57、エンジンの姿勢を検出するトリムセンサ28等の検出信号が入力される。ECU42は、これら各センサの検出信号を制御マップに基づき演算処理し、制御信号をインジェクタ13、点火プラグ14、予圧燃料ポンプ30、プリミックス用オイルポンプ53に伝送する。
【0013】
図2は、図1のインジェクタ13を示し、図2(A)は全体構成を示す断面図、図2(B)はインジェクタのシリンダヘッドへの取付状態を示す断面図である。インジェクタ13は、バルブ本体13aと、バルブ本体13aの先端に固定されたノズル部材13bと、ノズル部材13bの先端に設けられたスワーラー部13cおよびバルブシートを構成するノズル部13dと、バルブ本体13a内に摺動可能に配設された摺動ロッド13eと、摺動ロッド13eの先端に設けられるニードルバルブ13fと、ノズル部13dに開口される噴孔13gと、摺動ロッド13eを摺動させるためのソレノイドコイル13hおよびスプリング13iを備えている。図2(B)に示すように、ノズル部材13bは、シリンダヘッド8の貫通穴8aに挿入され、バルブ本体13aとシリンダヘッド8との間には、封止部材59が挟着される。封止部材59は、2枚のリング状のガスケット59aと、ガスケット59aの内周から両面にかけて被覆されたステンレス材59bとからなる。上記インジェクタ13は、常時はスプリング13iによりニードルバルブ13fがノズル部13dに押圧されており、ソレノイドコイル13hに通電されるニードルバルブ13fがスプリング13iに抗して噴孔13gを開き高圧燃料が噴射される。なお、ノズル部13dには、熱電対等からなる温度センサ60が配設される場合がある。
【0014】
上記構成からなるエンジンの作用について説明する。ベーパーセパレータタンク29内の燃料は、燃料予圧ポンプ30により例えば3〜10kg/cm2程度に予圧され、加圧された燃料は、高圧燃料ポンプ32により50〜100kg/cm2程度若しくはそれ以上に加圧され、加圧された高圧燃料は、圧力調整弁35にて設定圧を越える余剰燃料がベーパーセパレータタンク29に戻され、必要な高圧燃料分のみを燃料供給レール33に供給し、各気筒#1〜#6に装着したインジェクタ13に供給される。オイルポンプ21は、クランク軸10の回転により駆動され、オイルをサブタンク50、メインタンク51から吸気通路19内に供給しエンジン内部を潤滑する。このとき、図2(B)に示すように気筒内で発生する燃焼火炎は噴孔13gに到達し、ノズル部13dの表面や噴孔13gの内部にデポジット(燃料炭化物)Dが付着し、その結果、燃料噴射量が低下し、正確な空燃比制御ができなくなる。
【0015】
次に、図3〜図10により、本発明における筒内燃料噴射式エンジンの制御装置の1実施形態について説明する。
【0016】
図3は、図1の2サイクルエンジン2の燃焼方式を説明するための図である。図3(A)は、成層燃焼を示し、噴射燃料が拡散しないように排気ポートが閉じた後、点火時期の直前に燃料を噴射し、これにより、シリンダ内の点火プラグ周辺の空気を燃焼に使い、燃焼効率の改善を行っている。しかしながら、前述したようにこの方式は、マリンエンジンのように、高負荷運転域での使用頻度が高く、集合排気を有するエンジンには不向きである。そこで、図3(B)、図3(C)に示す均一燃焼を採用する。図3(B)は極低速運転域、図3(C)は高速運転域の場合であり、排気ポートが閉じるまでに燃料の全量を噴射し、点火までの時間を長くして均一燃焼を行うものである。しかしながら、均一燃焼は、A/F理論空燃比に近づくため、成層燃焼よりも燃焼エネルギーが高く、常にインジェクタのノズル部が高温にさらされるため、噴孔周辺で多くの燃焼生成物(すす等)が発生し、噴孔内にデポジット(燃料炭化物)が付着し、その結果、燃料噴射量が低下し、エンジンの正確なA/F制御ができなくなる。本発明はこの問題を解決するもので、これを以下に説明する。
【0017】
図4は、インジェクタ13のノズル部13dの温度と点火時期(図A)、燃料噴射開始時期(図B)および燃料噴射量(図C)との関係を示し、ノズル部温度を下げるためには、要するに燃焼エネルギーを抑えエンジン出力を低下させることであり、点火時期を遅角する方法、燃料噴射開始時期を遅角する方法、燃料噴射量を増量または減量する方法がある。本発明においては、この3つの方法のうち少なくとも1つの方法をとる。なお、ノズル部温度を低下させる度合いが高いのは、点火時期、燃料噴射開始時期、燃料噴射量の順である。
【0018】
図5(A)は、本発明の制御装置の1実施形態を示す処理の流れを説明するための図、図5(B)は制御量(点火時期、燃料噴射開始時期、燃料噴射量)の基本マップを説明するための図である。なお、本実施形態は、図2(B)の温度センサ60を設けない場合の処理である。先ず、ステップS1でエンジン回転数およびスロットル開度(エンジン負荷)を読み込み、ステップS2で図5(B)に示す各気筒#1〜#6の基本マップから、エンジン回転数およびスロットル開度に対応する各気筒#1〜#6の制御量の基本マップ値Fnmを読み込み、次にステップS3でインジェクタのノズル部温度が高い気筒のインジェクタ補正量Cnmを読み込む。次に、ステップS4で制御量としてFnm×Cnmを演算し、次にステップS5でインジェクタのノズル部温度が相対的に低い気筒のインジェクタ制御量を演算する。そして、ステップS6で各インジェクタ13に出力する。なお、ステップS5の処理は、ステップS4の処理でノズル部温度の高い気筒の出力が低下するため、ノズル部温度が低い気筒の出力を高めるように調整し、エンジン全体として、出力、燃費が所定の値になるようにするためである。
【0019】
図6および図7は、図5の補正量を読み込むための補正マップを説明するための図である。図6(A)に示すように、各気筒#1〜#6において、エンジン負荷とエンジン回転数に応じたノズル部の温度特性を予め計測してマップ化し、このマップに基づいて点火時期の補正量(図B)、燃料噴射開始時期の補正量(図C)、燃料噴射量の補正量(D)を予め作成してコンピュータのメモリに格納しておく。なお、船外機などのようにクランク軸縦置きのエンジンでは、上段気筒は中負荷・中速域で温度上昇が高く、下段気筒は高負荷・高速域で温度上昇が高いという特性を有している。図7は最上段気筒#1の場合を示しており、図6の最下段気筒#6に比べて、中負荷・中速域での温度上昇が高い。
【0020】
図8は、図5の制御方法を説明するための図である。図8(A)においては、ノズル部温度が高いエンジン回転数およびスロットル開度の値のところで、所定の気筒(例えば高負荷・中速で#1気筒、高回転で#6気筒)の点火時期を遅角させて出力を低下させ、インジェクタ13のノズル部温度を低下させるようにしている。図8(B)においては、ノズル部温度が高いエンジン回転数およびスロットル開度の値のところで、所定の気筒(例えば高負荷・中速で#1気筒、高回転で#6気筒)の噴射開始時期を遅角させて出力を低下させ、インジェクタ13のノズル部温度を低下させるようにしている。その結果、図9に示すようにノズル部温度を低下させることができる。
【0021】
図10(A)は、本発明の制御装置の他の実施形態を示す処理の流れを説明するための図、図10(B)は補正マップを説明するための図である。本実施形態は、図2(B)の温度センサ60を設けた場合の処理であり、この温度センサ60により直接、ノズル部温度を検出し、図10(B)に示す補正マップを用いて制御量を演算する。従って、各気筒ごとに補正マップを用意する必要がなく、また高精度の燃料噴射制御が可能となる。
【0022】
図11は、本発明の他の実施形態を示し、4サイクルエンジンに適用した船外機の平面図である。なお、図1の例と同一の構成については同一番号を付けて説明を省略する。本実施形態においては、ポンプ駆動ユニット40がエンジン2の中央部に配置され、ポンプ駆動ユニット40の両側に高圧燃料ポンプ32、34が配置されている。図中、13はインジェクタ、19は吸気管、33は燃料供給レール、101は吸気弁、102はカムシャフトである。
【0023】
図12は、図11の4サイクルエンジンの燃焼方法を説明するための図である。図12(A)は、成層燃焼を示し、噴射燃料が拡散しないように圧縮行程中で点火時期の直前に燃料を噴射し、これにより、シリンダ内の点火プラグ周辺の空気を燃焼に使い、燃焼効率の改善を行っている。4サイクルエンジンにおいては、吸気管長の差により燃焼温度の気筒間差が大きくなるので、図12(B)、図12(C)に示す均一燃焼を採用する。図12(B)は極低速運転域、図12(C)は高速運転域の場合であり、いずれの場合も吸気行程中に燃料の全量を噴射し、点火までの時間を長くして均一燃焼を行うものである。
【0024】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項1、2、6、7記載の発明によれば、燃焼温度の気筒間差が大きいエンジンにおいて、全運転域で均一燃焼させても、インジェクタノズル部の温度を常にデポジットが堆積しない温度に維持することができ、燃料噴射量の低下を防止し、正確な空燃比制御が可能となり、
請求項3記載の発明によれば、エンジン全体として、出力、燃費の悪化を最小限にとどめることができ、
請求項4記載の発明によれば、温度センサを設けることなく上記制御を実現することができ、
請求項5記載の発明によれば、温度センサを設けることにより、各気筒毎の補正マップが不要になるとともに、正確な制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が適用される筒内燃料噴射式エンジンの1例を示す船外機の模式図であり、図(A)はエンジンの平面図、図1(B)は図(A)のB−B線に沿う縦断面図、図(C)は船外機の側面図、図(D)は燃料供給系の構成図である。
【図2】図1のインジェクタを示し、図4(A)は全体構成を示す断面図、図4(B)はインジェクタのシリンダヘッドへの取付状態を示す断面図である。
【図3】図1の2サイクルエンジンの燃焼方式を説明するための図である。
【図4】インジェクタノズル部の温度と点火時期(図A)、燃料噴射開始時期(図B)および燃料噴射量(図C)との関係を示す図である。
【図5】図5(A)は、本発明の制御装置の1実施形態を示す処理の流れを説明するための図、図5(B)は燃料噴射量の基本マップを説明するための図である。
【図6】図5の補正量を読み込むための補正マップを説明するための図である。
【図7】図5の補正量を読み込むための補正マップを説明するための図である。
【図8】図5による制御方法を説明するための図である。
【図9】図8の制御結果を説明するための図である。
【図10】図10(A)は、本発明の制御装置の他の実施形態を示す処理の流れを説明するための図、図10(B)は補正マップを説明するための図である。
【図11】本発明の他の実施形態を示し、4サイクルエンジンに適用した船外機の平面図である。
【図12】図11の4サイクルエンジンの燃焼方法を説明するための図である。
【符号の説明】
13…インジェクタ
13d…インジェクタノズル部
60…温度センサ
Claims (6)
- クランク軸が縦置き状態で搭載され、複数の気筒内にインジェクタにより燃料を噴射するエンジンで且つ各気筒の吸気管長または排気管長が異なる船外機用エンジンにおいて、
前記複数の気筒の内、上段気筒は中負荷・中速域で温度上昇が高く、下段気筒は高負荷・高速域で温度上昇が高いというノズル部の温度特性を予め計測してマップ化し、
前記マップに基づいてインジェクタ補正量を予め作成してコンピュータのメモリに格納し、
ノズル部温度が高いエンジン負荷及びエンジン回転数の場合、前記メモリを参照し、
中負荷・中速域では前記上段気筒の出力を低下させ、高負荷・高速域では前記下段気筒の出力を低下するように前記インジェクタを制御することを特徴とする筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。 - 前記インジェクタ補正量は、点火時期、燃料噴射開始時期および燃料噴射量のうち少なくとも1つであることを特徴とする請求項1記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
- インジェクタノズル部の温度が相対的に低い気筒については、エンジンの出力を上げるように制御量を演算することを特徴とする請求項1または2記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
- インジェクタノズル部に温度センサを設け、該温度センサにより検出されたノズル部温度に基づいて、点火時期、燃料噴射開始時期および燃料噴射量の補正量を演算することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
- エンジンが排気管長が異なる2サイクルエンジンであり、排気ポートが閉じるまでに燃料の全量を噴射することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
- エンジンが吸気管長が異なる4サイクルエンジンであり、吸気行程で燃料の全量を噴射することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の筒内燃料噴射式エンジンの制御装置。
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