JP2010138799A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変吸気バルブタイミング機構により吸気弁遅閉じ制御を行う内燃機関において、吸気弁遅閉じの場合においても過渡運転における燃料噴射量の制御精度を向上させることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１０１に燃料を供給する燃料噴射手段１０７と、内燃機関の吸入側に設けられ、吸気弁１２１Ａの閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側に設定する吸気弁遅閉じを行う可変吸気バルブタイミング機構１２１と、吸入空気量に応じて燃料噴射手段による燃料噴射量を調整する燃料噴射量調整手段１１２とを備え、燃料噴射量調整手段１１２は、内燃機関に噴射された燃料が燃焼に寄与する直入率αと、内燃機関の気筒内壁面に付着した燃料が蒸発し燃焼に寄与する持ち去り率βと、吸気弁遅閉じにより内燃機関の筒内燃料が吸気側へ逆戻りする吹返し率γとに基づき、燃料噴射量を補正する。
【選択図】図６

Description

本発明は、可変吸気バルブタイミング機構により吸気弁遅閉じ制御を行う内燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。

スロットルバルブにより吸入空気量を調整して出力を制御する内燃機関では、吸気管内の圧力が負圧となるため、ポンピングロスが生じ燃費が悪化する。そこで、ピストンが上昇しても吸気弁を閉じず、一度シリンダに吸入した空気を吸気管へ戻して吸気管内の圧力を上げ、絞り損失を低減するようにした可変吸気バルブタイミング式ミラーサイクル内燃機関が知られている。
ミラーサイクル内燃機関では、スロットルバルブの絞り損失の低減に加えて、有効圧縮比を減少させ、膨張比を確保できることから熱効率を向上させることができる。可変吸気バルブタイミング制御により、低負荷では吸気弁を遅閉じ制御してポンピングロスを低減し、高負荷では吸気弁の閉弁時期を遅閉じから吸気下死点側に戻して充填効率を確保している。

一方、従来、吸気ポートへ燃料を噴射する吸気ポート噴射式燃料噴射装置が一般的であったが、近年、気筒内へ直接燃料を噴射する筒内噴射式燃料噴射装置が多くなってきている。
筒内噴射式燃料噴射装置は、燃料によって気筒内を冷却できるためノッキングが起こりにくく、内燃機関の圧縮比を上げて熱効率を高めることができる。上記の可変吸気バルブタイミング式ミラーサイクル内燃機関と筒内噴射式燃料噴射装置を組み合わせれば、より燃費の良い内燃機関となることが知られている。

ところで、上記可変吸気バルブタイミング式ミラーサイクル内燃機関の場合、吸気弁の閉弁時期が遅くなることから、ピストンが上昇する圧縮行程では気筒内に噴射された燃料が吸気ポートに吹き返されてしまうことが避けられず、気筒内の空燃比が目標とする空燃比と異なるおそれがある。特に、加減速のような過渡状態では、吸気弁の閉弁時期が変更されて刻々と燃料吹返し量が変わる中で、燃料付着による燃料応答遅れが起こるため、気筒内の空燃比が目標空燃比からずれやすい問題があった。
このような問題に対処するため、例えば、吸気弁遅閉じを行う場合には燃料噴射圧を上げて、噴射時期を進角させるもの（特許文献１）や、吸気ポートへの吹き返し燃料量を推定するもの（特許文献２）が提案されている。

特開２００４−５２５５１号公報 特開２００７−４０２１２号公報

しかしながら、特許文献１では、燃料付着などによる燃料応答遅れが考慮されておらず、また、特許文献２では主に筒内噴射時期に対する吹返し燃料量の関係のみが示してあり、吸気弁遅閉じ制御で問題となる吸気閉弁時期に対する吹返しに対する具体的な解決策が提示されていない。さらに、吹返しを量で扱うため、実機でパラメータを適合することが複雑であり、特に過渡運転における空燃比の制御精度を向上させることが困難であった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、可変吸気バルブタイミング機構により吸気弁遅閉じ制御を行う内燃機関において、吸気弁遅閉じの場合においても過渡運転における燃料噴射量の制御精度を向上させることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、内燃機関に燃料を供給する燃料噴射手段と、上記内燃機関の吸入側に設けられ、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側に設定する吸気弁遅閉じを行う可変吸気バルブタイミング機構と、上記吸入空気量に応じて上記燃料噴射手段による燃料噴射量を調整する燃料噴射量調整手段とを備え、上記燃料噴射量調整手段は、上記内燃機関に噴射された燃料が燃焼に寄与する直入率αと、上記内燃機関の気筒内壁面に付着した燃料が蒸発し燃焼に寄与する持ち去り率βと、上記吸気弁遅閉じにより上記内燃機関の筒内燃料が上記吸気側へ逆戻りする吹返し率γとに基づき、上記燃料噴射量を補正するものである。

本発明によれば、燃料付着による燃料応答遅れ、さらに吸気弁遅閉じによる燃料吹返しを考慮して燃料噴射量を補正演算するようにしたので、特に内燃機関が冷態時に加減速するような過渡運転状態であっても、簡素なモデル演算に基づき、空燃比を目標空燃比に精度良く制御することができ、排ガスやドライバビリティの悪化を防ぐことができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に従い説明する。図１において、内燃機関１０１には吸気管１０５、排気管１０８が連結されている。エアクリーナ１０２で清浄した燃焼に必要な空気はスロットルバルブ１０３を通って吸気管１０５を介して内燃機関１０１の各気筒に吸入される。なお、吸入空気流量Qaは、スロットルバルブ１０３によって調節されるとともに、エアフローセンサ１０６によって計測され、スロットルバルブ１０３の開度は、スロットル開度センサ１１７によって検出される。
一方、燃料は内燃機関制御ユニット１１２の駆動回路１２２によって燃料噴射弁１０７を介して内燃機関１０１の気筒内に向けて噴射される。点火コイル１２６は点火プラグ１２７へ高電圧を供給して、混合気を火花点火する。

可変吸気バルブタイミング機構１２１は、油圧で作動し、吸気側タイミングプーリと吸気カムシャフトとの相対位相を変更することで、吸気弁１２１Ａの開閉時期を変更することができ、運転条件に応じた開閉時期に制御される。始動時や低回転時など作動に十分な油圧がないときには、ばねによって最遅角位置に固定される。

低圧ポンプ１２３は、燃料タンク内の燃料を吸引して高圧ポンプ１２４へ圧送する。高圧ポンプ１２４は吸気系カムシャフトに設けられたカムにより往復駆動されるプランジャで加圧され、インジェクタ１０７へ高圧燃料を供給する。燃料レール内の燃料圧力は燃圧センサ１２５により検出され、目標燃圧となるように高圧ポンプの駆動量が制御される。

内燃機関１０１の各気筒に吸入された空気と燃料は燃焼行程を経て排気ガスとして排気管１０８に導かれる。排気管１０８には排気ガス中のＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの酸化還元を同時に促進する三元触媒を内蔵した触媒コンバータ１０９が配設されており、三元触媒の上流には排気ガス中の酸素濃度に基づき空燃比をリニアに検出するリニア空燃比センサ１１０が配設され、三元触媒の下流には理論空燃比で出力が急変し、空燃比がリ−ンのときには低い電圧を示し、リッチのときには高い電圧を示すことにより三元触媒で浄化された後の排気ガスの空燃比を検出するリニアλセンサ１１１が配設されている。

ＥＣＵ（内燃機関制御ユニット）１１２は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１１３、ROM（リードオンメモリ）１１４、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１１５、入出力インターフェース１１６および駆動回路１２２を備えている。

クランク角センサ１２０は内燃機関回転数Neに応じたパルスを出力し、水温センサ１１９は内燃機関冷却水温度を検出し、スロットル開度センサ１１７はスロットル開度θを検出し、リニア空燃比センサ１１０は三元触媒上流の空燃比を検出し、リアλセンサ１１１は三元触媒下流の空燃比を検出する。上記の各種センサ出力は、ＥＣＵ１１２の入出力インターフェース１１６を介してＣＰＵ１１３にA/D変換して取り込まれ、ＣＰＵ１１３では内燃機関１０１を制御するための演算が実施される。

さて、ここで吸気弁が遅閉じになった場合における燃料挙動について、図２及び図３を用いて説明する。図２は吸気開弁タイミングとピストン位置の関係を示し、図３は図２の各区間(A)(B)(C)において吸気弁を遅閉じしない場合と、吸気弁を遅閉じした場合の燃料挙動を示している。ここでは便宜上筒内噴射が実施される区間(A)、それ以降から吸気下死点までを区間(B)、吸気下死点から圧縮行程前半を区間(C)に分けている。

一般に、吸気弁遅閉じをしない従来内燃機関においても吸気の動的効果を利用して充填効率を高めるため、吸気閉弁時期は吸気下死点よりも少し遅いところに設定されている。しかし、吸気弁遅閉じによるポンピングロス低減および高膨張比を狙った内燃機関ではおよそピストンがストロークの半分を過ぎたところで吸気弁が閉じられる。従って、区間(C)ではかなりの量の燃料が吸気ポート（吸気管１０５側）へ吹き返される。従来内燃機関では空燃比に対する吹返しの影響は少なかったが、積極的に吸気弁遅閉じの効果を引き出す内燃機関ではその影響を無視することができなくなってきた。

区間(A)にて噴射された燃料の一部は蒸発し、残りはピストンなどに付着する。特に内燃機関が冷態時には燃料の蒸発が悪く、付着量が多くなる。付着した燃料の一部はピストンや筒内空気からの受熱によって蒸発する。吸気弁遅閉じをしない従来内燃機関では、噴射量のうち気化した燃料と付着燃料から蒸発した燃料は吸気ポートへ吹き返さないので、従来型の燃料付着補正で対応することができる。ここで従来型の燃料付着補正とは後述の吹返し率γ＝０にしたものに相当する（図３参照）。
一方、吸気弁遅閉じを行う内燃機関では、噴射量のうち気化した燃料、付着燃料から蒸発した燃料および前回吹返した燃料の再吸入を合計したものが吹返しが起こる前の燃料となる。そこからピストン上昇によって燃料の一部が吸気ポートに吹き返される。吹き戻された燃料はおよそ各気筒の吸気ポートに留まるので、次回の吸気行程時に再吸入される（図３参照）。
以上のようなダイナミクスがあるため、過渡運転時の空燃比を目標値に保つためには、付着や吹返しの燃料挙動モデルを逐次計算して動的補償を行わなければならない。

燃料付着に対し、さらに吹返しを考慮した燃料挙動モデルは図４のようになる。インジェクタから噴射された燃料量Qf(k)のうち、気筒内で気化した噴射量をα・Qfとすると、残りの燃料量(1-α)・Qf(k)はピストンなどに付着する。これまでに付着した燃料量をQwとすると、付着が蒸発した燃料量はβ・Qw(k-1)となる。吹返し燃料量をQrで表すと、吹返しが起こる前の筒内全燃料量Qinは、気筒内で気化した噴射量、付着が蒸発した燃料量と吹返し燃料量を合計したものとなる。
なお、上記において、α，β，γ，ｋ，ｋ−１は次の数値を表している。
α：直入率（燃料噴射量のうち、気筒内で気化した割合）
β：持去り率（付着燃料量のうち、気筒内へ蒸発した割合）
γ：吹返し率（筒内燃料量のうち、吸気ポートへ吹返す割合）
ｋ：今回の吸気行程
ｋ−１：前回の吸気行程

以上の関係を数学モデルで表すと、下記の(1)〜(4)式となる。従って、気筒内の燃料量が要求噴射量Qcyとなるためには、(1)、(2)式から燃料噴射量Qfを逆算して、下記の(5)式のように求めればよい。

以下では本発明に係る吸気弁遅閉じ時における燃料噴射量の演算について、図５〜図７のフローチャートを用いて説明する。これらのフローチャートは、ＥＣＵ１１２のメインルーチンの一部に燃料噴射量調整手段による燃料噴射量演算機能として組み込まれ、一定時間、もしくは所定クランク角度同期で実行される。
燃料噴射量の演算を図５のフローチャートに示す。まず、ステップS101では充填効率が演算され、ステップS102では基本噴射量Qf0が演算される。基本噴射量Qf0は、充填効率に予め設定された変換ゲインをかけて理論空燃比となる燃料噴射量として算出される。充填効率は、エアフローセンサ１０６から検出される吸入空気量Qaと内燃機関回転数Neとから演算され、筒内容積(ボア×ストローク)を基準として気筒内に充填された空気重量の割合を示す。

そのあと、ステップS103では各種の補正を行い、目標空燃比とするのに必要な要求噴射量Qcyが算出される。各種補正とは、例えば、低水温時に燃焼安定化のためにリッチ化される水温補正、高負荷時に出力向上または触媒保護のためにリッチ化されるエンリッチ補正、目標空燃比と空燃比センサ１１０における出力誤差のフィードバック制御による空燃比Ｆ／Ｂ補正などが含まれる。

次にステップS104では、付着や吹返しなどのダイナミクスを考慮して、吸気弁が閉じたときに気筒内に入っている燃料量が要求噴射量Qcyとなるように燃料噴射量の付着・吹返し補正を行い、目標噴射量Qfを算出する。付着・吹返し補正については後で詳細に説明する。

最後にステップS105において目標噴射量Qfを噴射パルス幅Twに変換する。噴射パルス幅Twは、目標噴射量Qfをインジェクタゲイン(単位：mcc/ms)で除算し、むだ時間を加算して算出される。ＥＣＵ１１２は上記噴射パルス幅Twに従ってインジェクタを駆動し、所望の燃料量が気筒内に向かって噴射される。

次に、上記付着・吹返し補正演算を詳しく図６のフローチャートに従って説明する。まずステップS201では、水温、充填効率に基づいて、直入率α、持ち去り率βを予めＥＣＵ１１２のメモリに保存されたマップからマップ引きしてくる。直入率α、持ち去り率βのマップは、例えば、図８、図９のように水温が低いほど、また充填効率が低いほど小さくなるように設定される。

次にステップS202では、吹返し率γを(6)式に従って算出する。
γ＝γ₀×γ_NE ・・・(6)
基本的に、吸気ポートへの燃料吹返しは、ピストン上昇時に吸気弁が開いていることに起因するため、吸気閉弁時期が遅くなるほど吹返しが多くなる。従って、基本吹返し率γ₀を吸気閉弁時期に基づいて、予めＥＣＵ１１２のメモリに保存されたマップからマップ引きしてくる。基本吹返し率γ0マップは、例えば図１０のように吸気下死点付近では小さく、吸気閉弁時期が遅くなるほど吹返しが大きくなるように設定される。また、回転数に依存した吸気動的効果によって吹返しが抑えられるため、例えば図１１のように設定された吹返し率回転数補正γ_NEで基本吹返し率γ₀を補正する。

以降、先ほど図４を使って説明した付着・吹返しに関する補正演算を実行する。
まずステップS203において、(7)式によって要求噴射量Qcyから目標噴射量Qfを算出する。下式は気筒ごとに演算する必要があり、気筒毎に前回値をメモリに保存する。

ここで、Qw(k-1)、Qr(k-1)はそれぞれ前回の燃料付着量、燃料吹返し量を示し、ステップS204、S205で演算されて、メモリに保存されている。

次にステップS204では、(8)式に基づいて壁面付着量Qwを演算する。

最後にステップS205では、(9)、(10)式に基づいて吹返し燃料量Qfを演算し、燃料噴射量演算ルーチンへリターンする。

以上のように、燃料付着や吹返しのダイナミクスを考慮して燃料噴射量を演算することによって、過渡運転における空燃比を精度よく制御することができ、排ガスやドライバビリティを向上させることができる。ひいては吸気弁の遅閉じ制御をあらゆる運転で実施できるようになるので、実用燃費を向上させることができるようになる。

一方、目標吸気弁進角量は図７のフローチャートに従って演算される。まずステップS301では、エンジン回転数と充填効率に基づいて、基本進角量マップから基本進角量θ0を算出する。ここで図２のように、進角は開弁期間がクランク角上で左に移動する、遅角は右に移動することを示す。進角量は最遅角位置からの相対角度としてマップ化されている。

次にステップS302では水温に基づき、遅角制限マップから遅角制限値θ_RLを算出する。遅角制限マップは、例えば、図１２のように水温が低いときには遅角を制限するように設定されている。水温が低い場合にはピストンをはじめ気筒内の温度も低いので、燃料蒸発が悪くて気筒内での混合気にむらができやすく、吸気弁遅閉じによる燃料の吹返し率にばらつきが生じやすい。そうすると、空燃比が変動してドラビリが悪化するおそれがある。このような弊害を防ぐために、低水温時においては、空燃比制御の精度を保つために吸気閉弁時期を制限している。
最後に、ステップS303では基本進角量θ0，遅角制限値θ_RLに基づき、目標進角量θ_tgtを算出する。

なお、上記実施の形態では、気筒内噴射式内燃機関を一例としたが、吸気ポート噴射式内燃機関においても、燃料が付着する位置が気筒内であるか吸気ポートであるかの違いだけであるので、上述した燃料噴射量演算式をそのまま適用することができ、良好な空燃比制御精度を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の燃料噴射制御装置を示す概略構成図である。 実施の形態１に係る内燃機関の吸気開弁タイミングとピストン位置の関係を示す説明図である。 図２の各区間における燃料挙動を説明する図である。 吹返しを考慮した燃料挙動モデルを示す説明図である。 実施の形態１に係る目標噴射量演算ルーチンのフローチャートである。 実施の形態１に係る付着・吹返し補正演算ルーチンのフローチャートである。 実施の形態１に係る目標吸気バルブ進角量演算ルーチンのフローチャートである。 実施の形態１に係る直入率αの適合値の一例を示す図である。 実施の形態１に係る持ち去り率βの適合値の一例を示す図である。 実施の形態１に係る基本吹返し率γ0の適合値の一例を示す図である。 実施の形態１に係る吹返し率回転数補正γ_NEの適合値の一例を示す図である。 実施の形態１に係る吸気閉弁時期の遅角制限値θ_RLの一例を示す図である。

符号の説明

１０１ 内燃機関
１０２ エアクリーナ
１０３ スロットルバルブ
１０５ 吸気管
１０６ エアフローセンサ
１０７ インジェクタ
１０８ 排気管
１０９ 触媒コンバータ
１１０ リニア空燃比センサ
１１１ リアλセンサ
１１２ ＥＣＵ
１１３ ＣＰＵ
１１４ ROM（リードオンリメモリ）
１１５ ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）
１１６ 入出力インターフェース
１１７ スロットル開度センサ
１１９ 水温センサ
１２０ クランク角センサ
１２１ 可変吸気バルブタイミング機構
１２１Ａ 吸気弁
１２２ 駆動回路
１２３ 低圧燃料ポンプ
１２４ 高圧燃料ポンプ
１２５ 燃圧センサ
１２６ 点火コイル
１２７ 点火プラグ

Claims (5)

1. 内燃機関に燃料を供給する燃料噴射手段と、
   上記内燃機関の吸入側に設けられ、吸気弁の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側に設定する吸気弁遅閉じを行う可変吸気バルブタイミング機構と、
   上記吸入空気量に応じて上記燃料噴射手段による燃料噴射量を調整する燃料噴射量調整手段とを備え、
   上記燃料噴射量調整手段は、
   上記内燃機関に噴射された燃料が燃焼に寄与する直入率αと、
   上記内燃機関の気筒内壁面に付着した燃料が蒸発し燃焼に寄与する持ち去り率βと、
   上記吸気弁遅閉じにより上記内燃機関の筒内燃料が上記吸気側へ逆戻りする吹返し率γとに基づき、上記燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 上記吸気弁の閉弁時期に応じて上記吹返し率γを設定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 上記内燃機関の回転数に応じて上記吹返し率γを補正することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 上記内燃機関の水温に応じて上記吸気弁の閉弁時期の遅角量を制限することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 上記燃料噴射量調整手段は、次の各式により上記目標噴射量Ｑfを演算することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
   

   

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