JP4367234B2

JP4367234B2 - 内燃機関

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Publication number: JP4367234B2
Application number: JP2004157785A
Authority: JP
Inventors: 晃司森田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2024-05-27
Also published as: JP2005337127A

Description

本発明は内燃機関に関する。特には、燃料を吸気ポート内に噴射するポート噴射弁と、燃料を燃焼室内に噴射する筒内噴射弁とを備えるものに関する。

燃料を吸気ポート内に噴射するポート噴射弁と、燃料を燃焼室内に噴射する筒内噴射弁とを備え、ポート噴射弁と筒内噴射弁とから運転条件に応じて定められた噴射比率で燃料を噴射するような内燃機関、すなわちダブル噴射型内燃機関、が開発されている。例えば、特許文献１に記載のものがある。

ところで内燃機関を車両用にもちいる場合、排気管に空燃比センサを設け、空燃比センサの出力にもとづいて空燃比をフィードバック制御することが多い。そして、この空燃比センサの出力は排気ガス中の水素濃度により出力が変化することがわかった。
そこで、特許文献２では燃焼室内圧力を検出可能な圧力センサを設け、この圧力センサで検出した燃焼室内圧力の変化にもとづき水素濃度を推定し、推定した水素濃度に応じて空燃比センサの出力を補正することを開示している。

また、特許文献３では排気ガス中の水素濃度を検出する水素センサを設け水素センサが検出した水素センサの濃度にもとづき空燃比をもとめることを開示している。

一方、図１４は特許文献１のようなポート噴射弁と筒内噴射弁を有するダブル噴射型内燃機関において、ポート噴射した場合の水素濃度と筒内噴射した場合の水素濃度を示した図である。同図から明らかなように、噴射比率が異なると水素濃度が異なり、それに応じて、空燃比センサの出力がずれることになる。

しかし、特許文献２、３はこのようなポート噴射弁と筒内噴射弁を有するダブル噴射型内燃機関の場合については言及されておらず、ポート噴射弁と筒内噴射弁を有するダブル噴射型内燃機関において空燃比センサを信頼性高く使用できるようにするものはない。

特開２０００−３６４４０９号公報特開平９−２６８９３４号公報特開２０００−８９２０号公報

本発明は上記問題に鑑み、ポート噴射弁と筒内噴射弁を有する内燃機関において空燃比センサを信頼性高く使用できるようにすることを目的とする。

請求項１の発明によれば、燃料を吸気ポート内に噴射するポート噴射弁と、燃料を燃焼室内に噴射する筒内噴射弁とを備え、ポート噴射弁と筒内噴射弁とから運転条件に応じて定められた比率で燃料を噴射する内燃機関であって、空燃比センサで排気ガスの空燃比を検出し、空燃比センサの出力にもとづいて空燃比を制御するものにおいて、
ポート噴射量と筒内噴射量の比率である噴射量比率を算出する噴射量比率算出手段と、
噴射量比率算出手段が算出した噴射量比率にもとづいて空燃比センサの出力を補正する空燃比センサ出力補正手段であって、筒内噴射量とポート噴射量との和となる全体噴射量に対する筒内噴射量の噴射割合が大きくなるほど、空燃比センサより検出された空燃比を、より大きくなる方向に補正する空燃比センサ出力補正手段と、を具備し、
空燃比センサ出力補正手段で補正された空燃比センサの出力にもとづいて空燃比を制御することを特徴とする内燃機関が提供される。
このように構成される内燃機関では、燃料を吸気ポート内に噴射するポート噴射弁と、燃料を燃焼室内に噴射する筒内噴射弁とを備えているが、噴射量比率算出手段がポート噴射量と筒内噴射量の比率である噴射量比率を算出し、空燃比センサ出力補正手段が噴射量比率算出手段が算出した噴射量比率にもとづいて空燃比センサの出力を補正し、空燃比センサ出力補正手段で補正された空燃比センサの出力にもとづいて空燃比が制御される。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、空燃比センサ出力補正手段は、噴射量比率にもとづいて排気ガス中の水素濃度を推定し、推定した水素濃度にもとづいて空燃比センサの出力を補正する、ようにされている。

請求項３の発明によれば、請求項１の発明において、空燃比センサ出力補正手段は、さらに、冷却水温に応じて空燃比センサの出力を補正する水温補正手段を含む、ようにされている。

請求項４の発明によれば、請求項１の発明において、内燃機関が、吸気弁の開弁期間を調整する吸気弁タイミング調節機構と排気弁の開弁期間を調整する排気弁タイミング調節機構の、一方、または、両方を備えていて、
空燃比センサ出力補正手段は、さらに、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間との関係に応じて空燃比センサの出力を補正する吸排気弁タイミング補正手段を有する。

請求項１の発明によれば、燃料を吸気ポート内に噴射するポート噴射弁と、燃料を燃焼室内に噴射する筒内噴射弁とを備えているが、噴射量比率算出手段がポート噴射量と筒内噴射量の比率である噴射量比率を算出し、空燃比センサ出力補正手段が噴射量比率算出手段が算出した噴射量比率にもとづいて空燃比センサの出力を補正し、空燃比センサ出力補正手段で補正された空燃比センサの出力にもとづいて空燃比が制御され、空燃比センサを信頼性高く使用することができる。
請求項３の発明のようにすれば、水温による空燃比センサの出力の補正もおこなわれさらに信頼性が高い。
請求項４の発明のようにすれば、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間との関係に応じて空燃比センサの出力が補正され、さらに信頼性が高い。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明のハード構成を説明する図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の各実施の形態に共通のハード構成を示す図である。
１は火花点火式の内燃機関を示し、内燃機関１はシリンダヘッド１ａとシリンダブロック１ｂとを備えて成る。シリンダヘッド１ａは吸気ポート５、排気ポート６、吸気弁７、排気弁８、および、点火栓４０を備え、点火栓４０には点火コイル４１から高圧電流が供給される。

シリンダブロック１ｂ内をクランク軸３と連結されているピストン２が往復動し、ピストン２とシリンダヘッド１ａの間に燃焼室１ｃが形成される。また、シリンダブロック１ｂにはクランク角センサ５２が取付けられていて、機関回転数はこのクランク角センサ５２からの信号に基いて算出される。また、シリンダブロック１ｂには冷却水温を検出する水温センサ５３が取付けられている。

吸気弁７の開弁期間の位相を運転条件にあわせて調整する吸気弁タイミング調整装置７０が吸気カム７ｃに取付けられている。同様に、排気弁８の開弁期間の位相を運転条件にあわせて調整する排気弁タイミング調整装置８０が排気カム８ｃに取り付けられている。

図２は、吸気弁タイミング調整装置７０、排気弁タイミング調整装置８０の構造を説明する図である。
吸気弁タイミング調整装置７０はハウジング部７１とベーン部７２を有する。ハウジング部７１はチェーン（図示せず）を介してクランク軸３（図１参照）により駆動されるギヤ７５に固定されている。ベーン部７２は吸気カムシャフト７ｃに固定されている。

ハウジング部７１の内部には３つの油圧室７３が形成されていて、各油圧室７３の中にベーン部７２の３つのベーン７４が配置されている。油圧室７３の角度巾はベーン７４の角度巾よりも大きくされていて、油圧室７３はベーン７４を挟んで進角側油圧室７３ａと遅角側油圧室７３ｒに分離されている。

エンジン停止時には、図示しない付勢機構により進角側油圧室７３ａが最小、遅角側油圧室７３ｒが最大になるようにされ、最も遅角側の位相にされる。そして、運転時には運転条件に最適な位相が得られるようにオイルコントロールバルブ（図示せず）を介して進角側油圧室７３ａと遅角側油圧室７３ｒに作用する油圧を調整する。そこで図示はしないがカムポジションを検出するためのカムポジションセンサが付設されている。

同様に、排気弁タイミング調整装置８０はハウジング部８１とベーン部８２を有する。ハウジング部８１はチェーン（図示せず）を介してクランク軸３（図１参照）により駆動されるギヤ８５に固定されている。ベーン部８２は排気カムシャフト８ｃに固定されている。

ハウジング部８１の内部には４つの油圧室８３が形成されていて、各油圧室８３の中にベーン部８２の４つのベーン８４が配置されている。油圧室８３の角度巾はベーン８４の角度巾よりも大きくされていて、油圧室８３はベーン８４を挟んで進角側油圧室８３ａと遅角側油圧室８３ｒに分離されている。

機関停止時には、図示しない付勢機構により進角側油圧室８３ａが最大、遅角側油圧室８３ｒが最小になるようにされる。そして、運転時には運転条件に最適な位相が得られるようにオイルコントロールバルブ（図示せず）を介して進角側油圧室８３ａと遅角側油圧室８３ｒに作用する油圧を調整する。そこで図示はしないがカムポジションを検出するためのカムポジションセンサが付設されている。

図１において、吸気ポート５内に燃料を噴射するためのポート噴射弁３１と燃焼室１ｃ内に燃料を噴射するための筒内噴射弁３２がそれぞれシリンダヘッド１ａに取付けられている。ポート噴射弁３１、筒内噴射弁３２には燃料タンク３０から燃料ポンプ（図示せず）により燃料パイプ（図示せず）を介して燃料が送給される。

吸気ポート５には吸気管１０が接続され、吸気管１０の上流端にはエアクリーナ１１が取付けられている。エアクリーナ１１の直下流には吸入空気量を検出するエアフローメータ５１が配置されている。エアフローメータ５１の下流にはスロットルバルブ１２が配置されている。スロットルバルブ１２はスロットルモータ１３で駆動される。一方、アクセルペダル１４にアクセルペダル１４の踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ５０が付設されていて、アクセルペダルセンサ５０が検出したアクセルペダル１４の踏み込み量に対応して、スロットルモータ１３によりスロットルバルブ１２の開度が変更せしめられる。

排気ポート６には排気管２０が接続され、排気管２０には三元触媒２１が配設されている。三元触媒２１の上流側近傍には第１空燃比センサ２２が配設され、三元触媒２１の下流側近傍には第２空燃比センサ２３が配設されている。燃焼室１ａで発生した排気ガスは排気弁８で流路が開閉される排気ポート６を経て、排気管２０に導かれ三元触媒２１によって浄化されてから排出される。第１空燃比センサ２２と第２空燃比センサ２３の出力に基いて所定の空燃比が得られるようにポート噴射弁３１、筒内噴射弁３２から噴射される燃料噴射量がフィードバック制御される。

また、参照符号２４で示されるのは水素濃度センサであり、この水素濃度センンサ２４は第３の実施の形態においてのみ備えられ使用される。水素濃度センサ２４は詳細は述べないが、例えば、特許文献３に記載されているように水素と選択的に反応する触媒層と水素と反応しない触媒層を有し、これら２つの層の温度差から水素濃度を検出するものとされる。

電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１００は入力ポート１０１、出力ポート１０２、ＣＰＵ１０３、ＲＯＭ１０４、ＲＡＭ１０５等を共通バスで相互に接続してなる。ＥＣＵ１００には各センサの検出した信号が入力され、本発明に関わる制御をおこなう制御信号が各アクチュエータ類に送出される。

以下、上記のような基本的なハード構成を有する本発明の各実施の形態において、空燃比センサ（第１空燃比センサ２２、及び、第２空燃比センサ２３）の出力を補正するための制御について説明する。
初めに第１の実施の形態の制御について説明する。この第１の実施の形態では、ポート噴射量と筒内噴射量の噴射比率（数値的には［筒内噴射量］／［ポート噴射量＋筒内噴射量］で表わす。）をもとめ、その比率における水素濃度を推定し、推定した水素濃度を、冷却水温と、吸気弁と排気弁のタイミング（実質的にはオーバーラップ量）にもとづいて補正し、補正された水素濃度に対して空燃比センサの補正値をもとめるものである。

図３が上述したような第１の実施の形態の制御をおこなうフローチャートである。
ステップＳ１０１では各パラメータ（空燃比ＡＦ、ポート噴射時間ＴＡＵＰ、筒内噴射時間ＴＡＵＤ、冷却水温ＴＨＷ、吸気弁タイミング調整装置７０の最遅角位置からの進角量ＡＩＮＡ、排気弁タイミング調整装置８０の最進角位置からの遅角量ＡＥＸＲ、等）を読みこむ。

ステップＳ１０２では噴射比率ＲＰＤを算出する。これは、筒内噴射弁３２の開弁時間ＴＡＵＤとポート噴射弁３１の開弁時間ＴＡＵＰの和に対する筒内噴射弁３２の開弁時間ＴＡＵＤの比率で表わす。すなわち、ＲＰＤ＝ＴＡＵＤ／（ＴＡＵＤ＋ＴＡＵＰ）である。

ステップＳ１０３ではステップＳ１０２でもとめた噴射比率ＲＰＤで運転した場合の排気ガス中の水素濃度Ｈを図６のマップから推定する。
ステップＳ１０４ではステップＳ１０３でもとめた水素濃度Ｈを、冷却水温に応じて補正するための水温補正係数ＫＨＷを、ステップＳ１０１で読み込んだ水温ＴＨＷを用いて図７のマップから算出する。
ステップＳ１０５ではステップＳ１０３でもとめた水素濃度Ｈを、吸気弁７と排気弁８の開弁タイミングに応じて補正するための吸排気弁タイミング補正係数ＫＨＶを、ステップＳ１０１で読み込んだ吸気弁タイミング調整装置７０の最遅角位置からの進角量ＡＩＮＡ、排気弁タイミング調整装置８０の最進角位置からの遅角量ＡＥＸＲを用いて図８のマップから算出する。

ステップＳ１０６ではステップＳ１０３でもとめた水素濃度Ｈに、ステップＳ１０４で算出した水温補正係数ＫＨＷ、および、ステップＳ１０５で算出した吸排気弁タイミング補正係数ＫＨＶを乗算して補正水素濃度Ｈｃを算出する。
ステップＳ１０７ではステップＳ１０６でもとめた補正水素濃度Ｈｃにおける空燃比補正量ＣＡＦを図９のマップから算出する。
ステップＳ１０８ではステップＳ１０１で読み込んだ空燃比ＡＦにステップＳ１０８で算出した空燃比補正量ＣＡＦを加えて補正空燃比ＡＦｃを算出して終了する。
第１の実施の形態は上記のように作用して、第１空燃比センサ２２、第２空燃比センサ２３の出力を補正する。

次に第２の実施の形態について説明する。
上記の第１の実施の形態では検出した噴射比率ＲＰＤにおける水素濃度Ｈを推定し、この水素濃度Ｈを、水素濃度Ｈに対する水温補正係数ＫＨＷ及び吸排気弁タイミング補正係数ＫＨＶで補正し、補正された水素濃度Ｈｃに対する空燃比補正係数ＣＡＦを算出し、空燃比補正係数ＣＡＦを空燃比センサの検出した空燃比ＡＦに加算して、空燃比センサの検出した空燃比ＡＦを補正している。
これに対して、第２の実施の形態では、水素濃度Ｈを推定することなく、空燃比センサの検出した空燃比ＡＦに対する噴射比率補正係数ＫＡＲＰＤ、水温補正係数ＫＡＷ、吸排気弁タイミング補正係数ＫＡＶをもとめ、それらを乗算して、空燃比センサの検出した空燃比ＡＦを補正するものである。

図４に示すのが、この第２の実施の形態における制御のフローチャートである。
ステップＳ２０１、ステップＳ２０２は、第１の実施の形態のフローチャートのステップＳ１０１、ステップＳ１０２同じである。
ステップＳ２０３では図１０のマップから空燃比ＡＦに対する噴射比率ＲＰＤに応じた噴射比率補正係数ＫＡＲＰＤを算出する。ステップＳ２０４ではステップＳ２０１で読み込んだ水温ＴＨＷを用いて図１１のマップから空燃比ＡＦに対する水温補正係数ＫＡＷを算出する。ステップＳ２０５ではステップＳ２０１で読み込んだ吸気弁タイミング調整装置７０の最遅角位置からの進角量ＡＩＮＡ、排気弁タイミング調整装置８０の最進角位置からの遅角量ＡＥＸＲを用いて、図１２のマップから空燃比ＡＦに対する吸排気弁タイミング補正係数ＫＡＶを算出する。

そして、ステップＳ２０６では、空燃比センサの検出した空燃比ＡＦに、ステップＳ２０３で算出した噴射比率補正係数ＫＡＲＰＤ、ステップＳ２０３で算出した水温補正係数ＫＡＷ、ステップＳ２０３で算出した弁オーバーラップ補正係数ＫＯＬを乗算して、空燃比センサの検出した空燃比ＡＦを補正する。
第２の実施の形態は上記のように作用し、第１の実施の形態に比して、直接に、空燃比センサの検出した空燃比ＡＦを補正する分計算負荷が小さい。

次に、第３の実施の形態について説明する。
この第３の実施の形態は、水素濃度センサ２４を備え、水素濃度センサ２４の検出した水素濃度Ｈに対し、第１の実施の形態のフローチャートのステップＳ１０７と同様に図９のマップから空燃比補正量ＣＡＦを算出し、この空燃比補正量ＣＡＦを空燃比センサの検出したＡＦに加算して補正空燃比ＡＦｃを算出するものである。

しかしながら、水素濃度センサ２４の故障診断を実行するという特徴を有している。
この故障診断は、回転数と負荷（例えば、吸入空気量）を検出し、その時のポート噴射１００％にした場合の水素濃度と筒内噴射１００％にした場合の水素濃度の差を予め記憶しているマップからもとめる。他方、実際にポート噴射を１００％、筒内噴射を１００％として、それぞれの場合の水素濃度を検出し、これら２つの水素濃度の差をもとめる。
そして、マップからもとめた水素濃度の差と、実際もとめた水素濃度の差が所定値を越えた場合には水素濃度センサが故障しているとする。

図５が上記にもとづく第３の実施の形態の制御のフローチャートである。
ステップＳ３０１では各検出されたパラメータ（回転数ＮＥ、吸入空気量ＧＡ、水素濃度ＨＡ）を読み込む。ステップＳ３０２ではポート噴射１００％の場合と筒内噴射１００％の場合の水素濃度の差の理論値ＤＨＭを図１３に示すマップから算出する。この理論値は開発時に標準の機関を用いて決定されＥＣＵ１００に記憶されている。
ステップＳ３０３ではポート噴射１００％の運転を実行しその時の水素濃度ＨＡｐｆを検出し読み込む。ステップＳ３０４では筒内噴射１００％の運転を実行しその時の水素濃度ＨＡｄｆを検出し読み込む。

ステップＳ３０５ではステップＳ３０３でもとめた値とステップＳ３０４でもとめた値の差からポート噴射１００％の場合と筒内噴射１００％の場合の水素濃度の差の実際値ＤＨＡをもとめる。すなわち、ＤＨＡ＝ＨＡｄｆ−ＨＡｐｆをもとめる。
ステップＳ３０６ではステップＳ３０２でもとめたＤＨＭと、ステップＳ３０５でもとめたＤＨＡの差が予めさだめた所定値以下であるか、否か、を判定する。

ステップＳ３０６で肯定判定された場合はステップＳ３０７に進んで第１の実施の形態のフローチャートのステップＳ１０７で使用したのと同じ図９のマップからステップＳ３０１でもとめた水素濃度ＨＡに対応する空燃比補正量ＣＡＦをもとめ、ステップＳ３０８でこれをステップＳ３０１で読み込んだ空燃比ＡＦに加算して補正空燃比ＡＦｃをもとめて終了する。
一方、ステップＳ３０６で否定判定された場合は、ステップＳ３０９において水素濃度センサ２４が異常であるとの判定をして終了する。

第３の実施の形態は上記のように構成され作用し、ポート噴射弁と筒内噴射弁とを備えるという特徴を生かして水素濃度センサ２４の異常の診断をおこなうことができる。
なお、上記のフローチャートは異常がある場合に、異常の判定でおわっているが、その後に色々な処置をおこなうことができる。例えば、水素濃度センサ２４による補正を中止し、水素濃度センサ２４の異常があることを運転者に知らせるようにしてもよい。

本発明は、燃料を吸気ポート内に噴射するポート噴射弁と、燃料を燃焼室内に噴射する筒内噴射弁とを備え、ポート噴射弁と筒内噴射弁とから運転条件に応じて定められた比率で燃料を噴射する内燃機関であって、空燃比センサで排気ガスの空燃比を検出し、空燃比センサの出力にもとづいて空燃比を制御するものに適用することができる。

本発明の実施の形態のハード構成を示す図である。吸気弁タイミング調整装置と排気弁タイミング調整装置の構造を示す図である。第１の実施の形態の制御のフローチャートである。第２の実施の形態の制御のフローチャートである。第３の実施の形態の制御のフローチャートである。噴射比率と水素濃度の関係を示す図である。水温補正係数（対水素濃度）を示す図である。吸排気弁タイミング補正係数（対水素濃度）を示す図である。水素濃度と空燃比補正値の関係を示す図である。噴射比率補正係数（対空燃比）を示す図である。水温補正係数（対空燃比）を示す図である。吸排気弁タイミング補正係数（対空燃比）を示す図である。ポート噴射１００％の場合と筒内噴射１００の場合の水素濃度差を示す図である。ポート噴射と筒内噴射の場合の水素濃度の差を示す図である。

符号の説明

５…吸気ポート
６…排気ポート
７…吸気弁
８…排気弁
２２…第１空燃比センサ
２３…第２空燃比センサ
２４…水素濃度センサ（第３の実施の形態）
３１…ポート噴射弁
３２…筒内噴射弁
３３…燃料パイプ
４０…点火栓
５１…クランク角センサ
５２…エアフローメータ
５３…水温センサ
７０…吸気弁タイミング調整装置
８０…排気弁タイミング調整装置
１００…ＥＣＵ（電子制御ユニット）

Claims

燃料を吸気ポート内に噴射するポート噴射弁と、燃料を燃焼室内に噴射する筒内噴射弁とを備え、ポート噴射弁と筒内噴射弁とから運転条件に応じて定められた比率で燃料を噴射する内燃機関であって、空燃比センサで排気ガスの空燃比を検出し、空燃比センサの出力にもとづいて空燃比を制御するものにおいて、
ポート噴射量と筒内噴射量の比率である噴射量比率を算出する噴射量比率算出手段と、
噴射量比率算出手段が算出した噴射量比率にもとづいて空燃比センサの出力を補正する空燃比センサ出力補正手段であって、筒内噴射量とポート噴射量との和となる全体噴射量に対する筒内噴射量の噴射割合が大きくなるほど、空燃比センサより検出された空燃比を、より大きくなる方向に補正する空燃比センサ出力補正手段と、を具備し、
空燃比センサ出力補正手段で補正された空燃比センサの出力にもとづいて空燃比を制御することを特徴とする内燃機関。
空燃比センサ出力補正手段は、噴射量比率にもとづいて排気ガス中の水素濃度を推定し、推定した水素濃度にもとづいて空燃比センサの出力を補正する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
空燃比センサ出力補正手段は、さらに、冷却水温に応じて空燃比センサの出力を補正する水温補正手段を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
内燃機関が、吸気弁の開弁期間を調整する吸気弁タイミング調節機構と排気弁の開弁期間を調整する排気弁タイミング調節機構の、一方、または、両方を備えていて、
空燃比センサ出力補正手段は、さらに、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間との関係に応じて空燃比センサの出力を補正する吸排気弁タイミング補正手段を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。