JP3570875B2 - 筒内直噴エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

筒内直噴エンジンの燃料噴射制御装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内へ直接に燃料を噴射する内燃機関、即ち、筒内直接燃料噴射式内燃機関（直噴エンジン）における燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼室に直接に燃料を噴射する直噴エンジンは、要求される負荷が小さい条件では、圧縮行程において燃料を噴射し、点火プラグの周辺にのみ混合気を形成する成層燃焼を可能にする。この場合はスロットル弁を絞らないため、ポンプ損失を低減することができ、燃費を向上させることが可能になる。
【０００３】
また、要求される負荷が大きい運転条件では、吸気行程において燃料を噴射して、燃焼室内の吸気ガス温度を下げることにより、充てん効率を向上させると共にノッキングを抑制して出力を向上させることができる。
【０００４】
従って、例えば特開昭６１−２５０３６１号公報や特開昭６１−２５０３６４号公報に記載されたものでは、要求される負荷条件（アクセル開度と機関の回転数等）に応じて、燃料の噴射時期を圧縮行程と吸気行程とに切り換えて、低燃費と高出力の両立を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
平地走行中においては、運転者は現在よりも車速を上げるか、車速を維持するか、或いは車速を下げるかという３つの運転パターンのうちの１つだけで、アクセル開度（負荷）を変化させるので、アクセル開閉の頻度があまり多くない上に、車速が顕著に変化する時に、同時に前述の噴射時期の切り換えによって燃焼モードが切り換わることになる。従って、燃料の噴射時期と燃焼モードが切り換った時に生じる僅かな車速変化等の切り換えショックを、運転者や乗員が不快感として感じない。
【０００６】
ところが、走行中に路面の勾配が変化する時、つまり、登り坂、平地、降り坂等の変化がある時は、現在の車速を維持する場合でも、運転者は小きざみにアクセルを開閉する。そしてその度に、燃料の噴射時期と燃焼モードが切り換わると、一定速度の走行中にも数多くの微小な速度変化が生じ、そのたびにショックが人体に伝わるため、運転者や乗員はそれを不快感として感じる。
【０００７】
本発明は、従来技術における上記のような問題点に鑑み、エンジン構造の複雑化を防止しつつ、燃料噴射制御だけで、燃焼モードの切り換えの頻度を低減し、走行状態を安定化させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、特許請求の範囲の各請求項に記載された技術的手段を用いる。
請求項１に記載された発明においては、車両（自動車）が登坂または降坂の走行状態にあるときに、要求負荷を示すものとして例えばアクセル開度が変わっても、燃料噴射噴射弁の噴射モードを変更しないで、従って、燃焼状態（成層と予混合）を切り換えないで、同じモードを維持する。
【０００９】
これにより、燃焼状態の切り換え時のトルク変動によるショック（トルクショック）を無くすと共に、アクセルレスポンスを向上させて、走行安定性を増すことができる。
また、自動変速機（オートマチックトランスミッション）の変速制御や、点火時期制御と併せて噴射モードの変更を行うことにより、更に走行安定性を増すことができる。
【００１０】
前述の従来技術においても、負荷に応じて成層燃焼と予混合燃焼とを使い分ける手段が示されているが、従来の技術においては、例えば山頂の曲がりくねった登坂路を走行する時に、曲路の進入時に減速、脱出時に加速、さらに直線路において定速走行するというように負荷変化の頻度が高くなると、成層燃焼と予混合燃焼の切り換えの頻度が高くなる。この時の負荷変動（トルクショック）が運転者や乗員に不快感を感じさせたり、制御作動や混合気形成の不良による燃焼不良を誘引する原因となる可能性がある。
【００１１】
これに比べて、本発明によれば、走行状態により例えば登坂路では負荷の高い条件が多いと判断し、負荷が比較的低い時でも吸気行程噴射による予混合燃焼を継続させ、勾配が小さくなったことを確認して、はじめて圧縮行程噴射による成層燃焼に切り換える。
従って、本発明によれば、従来技術に比べて噴射モード（燃焼状態）の切り換え頻度を減少させることができる。
【００１２】
請求項２に記載された発明においては、噴射モード（燃焼状態）の切り換え頻度を減少させると共に、例えば登坂時には、噴射モードの切り換えと同時にトランスミッションを１速落とすことにより、エンジン回転数を上昇させて出力を高め、負荷が一時的に低くなる曲路もトランスミッションのギヤ比をそのままで走行することにより、大きなトルクショックがないスムースな走行を実現することができる。
【００１３】
請求項３に記載された発明においては、車両が降坂の状態で急加速をするというように負荷が高い時に、成層燃焼だけでは出力が不十分となる場合があるので、そのような場合には圧縮行程と吸気行程の２回噴射を行ない、成層化した混合気の周囲を予混合気が被うような混合気の燃焼とする。それによって成層燃焼を優先させながら高出力化し、降坂走行中は継続して成層燃焼をさせることにより、燃焼状態の切り換えの回数を低減させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジン制御装置、およびエンジン全体の概略構成を示す模式図である。燃焼室ＣＣは、シリンダ（シリンダブロック）１、ピストン２、およびシリンダヘッド３から構成されている。また、シリンダヘッド３には、吸気弁４、排気弁５、点火プラグ６、および燃焼室内に高圧燃料を噴霧状に噴射する燃料噴射弁（以下、噴射弁と略称する。）７が配設されており、この噴射弁７には高圧ポンプ８により燃料タンク９内の燃料が供給されている。
【００１５】
また、各気筒の燃焼室ＣＣに連通する各吸気管がインテークマニホールドにおいて分岐する前の集合部位には、燃焼室ＣＣに吸入される吸入空気の量を調節するスロットル弁１０が配設されており、このスロットル弁１０の、吸入空気の流れ方向に見た上流側には、吸入空気の量を検出するエアフローセンサ（吸入空気量検出手段）１１が配設されている。
【００１６】
なお、スロットル弁１０は、サーボモータ等のアクチュエータ（図示せず）により駆動されており、このアクチュエータによりスロットル弁１０の弁開度が調節される。また、１２はエンジンのクランクシャフト１８のクランク角を検出するクランク角センサ（クランク角検出手段）であって、１３はエンジンの回転数を制御するために乗員が操作するアクセルペダル（アクセル手段）の操作量を検出するアクセルポジションセンサ（アクセル操作量検出手段）、１４は冷却水の温度を検出する水温センサ、１５はトランスミッション（ＡＴＭ）１６の出力軸１９に取り付けられた車速センサ、２０はディファレンシャルギヤである。
【００１７】
そして、これらセンサ１１〜１６の出力信号はＲＯＭ（読込専用記憶装置）、ＲＡＭ（随時読書可能記憶装置）、ＣＰＵ（中央演算装置）および信号の入出力ポートからなる電子制御装置（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）１７に入力されており、このＥＣＵ１７は、これらセンサ１１〜１４からの信号に基づいて、予めＲＯＭに記憶されたプログラムに従って噴射弁７の開閉、点火プラグ６への通電、およびスロットル弁１０を駆動するアクチュエータを制御する。
なお、本実施形態では、エンジンの負荷は、アクセルポジションセンサ１３により検出されたアクセルペダルの操作量（所謂アクセル開度）から決定しており、アクセルペダルの操作量が大きいほど、エンジンの負荷が高いものとみなされる。
【００１８】
次に、図２に示すフローチャートを用いて本実施形態の特徴とする第１の制御例を述べる。
エンジンが起動されると、同時にＥＣＵ１７による制御のプログラムがスタートし、ＥＣＵ１７は、まずステップ１０１において、アクセルポジションセンサ１３の出力から要求負荷の大きさを検知する。次いでステップ１０２において車速センサ１５の出力から車両（自動車）の加速度Ａ（車速の変化量÷単位時間）と、ＲＯＭに記憶されているマップから機関の要求負荷（アクセル開度）に対応して読み取られる予想される加速度Ａ０ が比較される。実際の加速度Ａと予想される加速度Ａ０ が等しければ平地走行（或いは停車中のアイドリング）状態にあると判定され、ステップ１０７に進んで従来技術と同様な通常の制御モードによる制御が実行される。
【００１９】
ステップ１０２の判定において加速度Ａが予想される加速度Ａ０ と等しくないときは、ステップ１０３において両者の大小関係が比較判定される。Ａ＜Ａ０ のときはステップ１０４において車両が登坂状態にあると判定され、ステップ１０５に進んで燃料噴射弁７の噴射モードを吸気行程噴射とすることが決定されて、図４に示すような吸気行程噴射における噴射量および噴射時期が選定される。その後のステップ１０６において再び車両の加速度Ａとアクセル開度から予想される加速度Ａ０ が等しいか否かが判定され、等しければステップ１０７に進んで通常の制御モードに移行するが、等しくなければステップ１０３に戻って、再び前述の判定と噴射モードの選定を繰り返す。そしてＡ＜Ａ０ の関係が変化しない限り、噴射モードとして吸気行程噴射が継続して維持される。
【００２０】
ステップ１０３の判定において加速度Ａが予想される加速度Ａ０ よりも大きい（Ａ＞Ａ０ ）ときは、ステップ１０８ににおいて車両が降坂状態にあると判定され、ステップ１０９に進んで燃料噴射弁７の噴射モードを図５に示すような圧縮行程噴射とすることが決定されて、圧縮行程噴射における噴射量および噴射時期が選定される。そして、ステップ１０６において再び車両の加速度Ａとアクセル開度から予想される加速度Ａ０ が等しいか否かが判定され、以下前述の判定と噴射モードの選定からなる制御手順を繰り返す。そして加速度Ａ＞Ａ０ の関係が変化しない限り、噴射モードとして圧縮行程噴射が継続して維持される。
【００２１】
このようにして、この制御例においては、車両の実際の加速度Ａと、要求負荷（アクセル開度）から予想される加速度Ａ０ との大小関係が変化しない限り、登坂状態にあるときは継続して吸気行程噴射が行われ、降坂状態にあるときは圧縮行程噴射が行われるので、それらの途中で噴射モードが変化しない。つまり、同じモードの走行状態が続く間に吸気行程噴射による予混合燃焼と、圧縮行程噴射による成層燃焼とが切り換えられることがない。
【００２２】
従って、従来技術のように、同じ走行状態が継続しているときでも、要求負荷（例．アクセル開度）と機関の回転数が変化したときに燃料噴射弁７の噴射モードを変更して、予混合燃焼と成層燃焼とに切り換えることがなくなり、噴射モードの変化の頻度が大幅に減少するので、運転者や乗員が、噴射モードが切り換えられる際に生じるゴツゴツしたトルクショックや車速の変化を感じなくなる。さらに、加速度ＡとＡ０ の大小関係が変化したときに噴射モードを切り換える場合も、それをトランスミッション１６における変速比の変更に合わせて行うようにすれば、同時に１速落としてエンジンの出力を増加させることもできるので、運転者や乗員が感じるトルクショック等はより少なくなる。
【００２３】
図３は、本発明の実施形態における他の制御例を示すもので、図３の制御例のステップ２０１からステップ２０８までの部分は、図２の制御例における前述のステップ１０１からステップ１０８までの部分と実質的に同じ制御手順をとるので、実質的に重複する説明は省略する。
【００２４】
図２の制御例に対して図３の制御例が異なる部分、即ち、ステップ２０９においては、要求負荷（アクセル開度）とＲＯＭに記憶されているマップから予想される加速度Ａ０ と、やはりＲＯＭに記憶されている圧縮行程噴射の最大量に対応する加速度Ｂとが比較される。そして、もしＡ０ ＞Ｂであれば、降坂状態であってもさらに急加速が必要な状態であって、圧縮行程噴射だけでは必要なトルクが得られない状態ということになるから、ステップ２１１に進んで、図６に示すように１サイクル中に圧縮行程噴射と吸気行程噴射の２回噴射を行うという噴射モードをとることを決定し、主噴射としての最大量の圧縮行程噴射に加えて、補足的な副噴射としての吸気行程噴射を行うための噴射量および噴射時期が選定される。この場合も、２回噴射は加速度Ａ０ ＞Ｂの関係が変化しない限り継続して維持される。
【００２５】
図３のフローチャートにおけるステップ２０９の判定結果がＡ０ ＞Ｂでない、即ちＡ０ ≦Ｂであるときはステップ２１１に進んで、図２に示した制御例におけるステップ１０９と同様に圧縮行程噴射をとることが決定され、その噴射量および噴射時期が選定されて、圧縮行程噴射の噴射モードを維持しながら、前述の場合と同様にステップ２０６以下の判定、制御に移行する。
【００２６】
このように、図３に示す制御例においても、加速度Ａ，Ａ0，Ｂの間の大小関係が変化しない限り、吸気行程噴射、圧縮行程噴射、或いは圧縮行程と吸気行程との２回噴射が継続して行われるので、噴射モードを切り換える頻度が減少し、運転者と乗員が感じるトルクショックの頻度が減少する。また、図２の制御例における場合と同様に、図３の制御例においても、加速度Ａ，Ａ0，Ｂ間の大小関係が変化した際に行う噴射モードの切り換えをトランスミッション１６における変速比の変更と同時に行うことにより、さらにトルクショックの頻度を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態としての燃料噴射制御装置のシステム構成を例示する断面図である。
【図２】第１の制御例を示すフローチャートである。
【図３】第２の制御例を示すフローチャートである。
【図４】吸気行程噴射を示すタイムチャートである。
【図５】圧縮行程噴射を示すタイムチャートである。
【図６】圧縮行程と吸気行程の２回噴射を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１…シリンダ
４…吸気弁
７…燃料噴射弁
１０…スロットル弁
１２…クランク角センサ（回転数センサ）
１３…アクセルポジションセンサ
１５…車速センサ
１７…電子式制御装置（ＥＣＵ）
１８…クランク軸

Claims (4)

  1. 燃焼室内へ直接に燃料を噴射するために前記燃焼室に噴孔を開口する燃料噴射弁を備えている筒内直接燃料噴射式内燃機関において、前記機関に要求される負荷の大きさを検出する負荷検出手段と、前記機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記機関を搭載している車両の走行速度を検出する車速検出手段と、これらの検出手段の検出信号に基づいて前記燃料噴射弁の燃料噴射時期および燃料噴射量を制御する制御手段とを備えており、前記制御手段が、前記車両が登坂の走行状態にあることを検知したときに噴射モードとして吸気行程噴射を選択する一方、降坂の走行状態にあることを検知したときには圧縮行程噴射を選択するが、降坂の走行状態において予想される車両の加速度が圧縮行程噴射の最大量に対応する加速度よりも大きい時には吸気行程と圧縮行程の２回噴射を選択して、いずれの場合も同じ走行状態が継続する間は同じ噴射モードが維持されるように制御することを特徴とする筒内直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
  2. 前記制御手段が、トランスミッションにおける変速比の変更と同時に噴射モードを変更することを特徴とする請求項１に記載された筒内直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
  3. 前記車両が降坂の走行状態にあると共に、負荷が所定値以上の大きさであるときは、前記制御手段が前記燃料噴射弁の噴射モードとして圧縮行程噴射の他に補足的な吸気行程噴射をも行う２回噴射を指令し、成層燃焼を優先させながらも高出力運転を可能とすることを特徴とする請求項１または２に記載された筒内直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
  4. 前記負荷検出手段が、アクセル操作量検出手段であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載された筒内直噴エンジンの燃料噴射制御装置。
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