JP4563370B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、気筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、吸気ポートを含む吸気系内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁とによって燃料を供給する内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
従来、この種の内燃機関の燃料噴射制御装置として、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。この燃料噴射制御装置では、筒内燃料噴射弁から噴射される筒内噴射量と、ポート燃料噴射弁から噴射されるポート噴射量との割合が、検出された内燃機関の運転状態に応じて設定される。また、筒内噴射量の割合が減少するとともに、ポート噴射量の割合が増大しているときには、このポート噴射量の増量が、内燃機関の運転状態に応じた量の燃料を噴射する本噴射と、この本噴射に先立つ予備噴射に分けて行われる。また、この予備噴射で噴射される燃料量は、吸気通路の内壁に付着する燃料量に設定されており、それにより、吸気通路の内壁への燃料の付着に起因する、燃焼室への燃料の供給不足を補うようにしている。
この従来の内燃機関のようにポート燃料噴射弁と筒内燃料噴射弁が併設される場合、燃料の付着は、ポート燃料噴射弁から噴射された燃料に限らず、筒内燃料噴射弁から噴射された燃料についても、燃焼室の内壁面、例えば気筒の内壁面やピストンの上面などに付着することによって、同様に発生する。これに対し、従来の燃料噴射制御装置では、ポート燃料噴射弁から噴射される燃料のみを対象として、付着補正が行われるため、筒内燃料噴射弁から噴射された燃料の付着を含む、気筒全体としての燃料の輸送挙動が反映されない。その結果、燃焼室で燃焼に実際に用いられる燃料量を適切に制御できず、所望の空燃比を得ることができない。
また、この燃料噴射制御装置では、上記の付着補正が、ポート噴射量の割合が増大している運転状態に限って行われるため、内燃機関の他の運転状態では、燃料の輸送挙動を反映した適切な燃料噴射量を設定できない。さらに、ポート噴射量の割合が増大している運転状態と他の運転状態との間で、互いに異なる制御手法で燃料噴射量が設定されるため、全体の制御ロジックが複雑になるとともに、制御手法の切換前後において空燃比が変動しやすいなどの欠点もある。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、気筒全体としての燃料の輸送挙動を良好に反映させながら、筒内燃料噴射弁およびポート燃料噴射弁から気筒に供給される燃料量を、簡便な制御手法で適切に制御す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。
特開2005−337102号公報
上記の目的を達成するため、請求項1に係る発明は、気筒3a内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁6と、吸気ポートを含む吸気系(実施形態における(以下、本項において同じ)吸気管4)内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁8とによって燃料を供給する内燃機関3の燃料噴射制御装置1であって、筒内燃料噴射弁6に要求される要求筒内噴射量GFDIを算出する要求筒内噴射量算出手段(ECU2、ステップ22)と、ポート燃料噴射弁8に要求される要求ポート噴射量GFPIを算出する要求ポート噴射量算出手段(ECU2、ステップ23)と、筒内燃料噴射弁6によって噴射された燃料の輸送挙動を表す筒内噴射燃料挙動パラメータとして、筒内噴射直接率ADIおよび筒内噴射持ち去り率BDIを算出する筒内噴射燃料挙動パラメータ算出手段(ECU2、ステップ41、51)と、ポート燃料噴射弁8によって噴射された燃料の輸送挙動を表すポート噴射燃料挙動パラメータとして、ポート噴射直接率APIおよびポート噴射持ち去り率BPIを算出するポート噴射燃料挙動パラメータ算出手段(ECU2、ステップ42、52)と、算出された要求筒内噴射量GFDIに基づき、算出された筒内噴射直接率ADI、筒内噴射持ち去り率BDI、ポート噴射直接率APIおよびポート噴射持ち去り率BPIに応じて、筒内燃料噴射弁6から噴射すべき正味筒内噴射量(筒内噴射時間TOUT_DIf)を決定する正味筒内噴射量決定手段(ECU2、ステップ27、図14)と、算出された要求ポート噴射量GFPIに基づき、筒内噴射直接率ADI、筒内噴射持ち去り率BDI、ポート噴射直接率APIおよびポート噴射持ち去り率BPIに応じて、ポート燃料噴射弁8から噴射すべき正味ポート噴射量(ポート噴射時間TOUT_PIf)を決定する正味ポート噴射量決定手段(ECU2、ステップ28、図16)と、内燃機関3の負荷(空気質量GAIR)を検出する負荷検出手段(エアフローメータ23)と、検出された内燃機関3の負荷に基づいて、気筒3a全体に要求される全体要求燃料量GFTOTALを算出する全体要求燃料量算出手段(ECU2、ステップ21、図6)と、内燃機関3の冷却水の温度(エンジン水温TW)を検出する機関温度検出手段(エンジン水温センサ26)と、を備え、筒内噴射直接率ADIおよびポート噴射直接率APIはそれぞれ、今回の燃焼サイクルにおいて筒内燃料噴射弁6およびポート燃料噴射弁8から噴射された燃料量に対する、それらの燃料量のうちの気筒3aの内壁面ならびに吸気系および気筒3aの内壁面に付着することなく今回の燃焼サイクルにおいて実際に燃焼される燃料量の割合を表し、筒内噴射持ち去り率BDIおよびポート噴射持ち去り率BPIはそれぞれ、前回の燃焼サイクル終了時に気筒3aの内壁面および吸気系の内壁面に付着していた付着燃料量に対する、それらの付着燃料量のうちの今回の燃焼サイクルにおいて実際に燃焼される燃料量の割合を表し、筒内噴射燃料挙動パラメータ算出手段は、筒内噴射直接率ADIおよび筒内噴射持ち去り率BDIを、算出された全体要求燃料量GFTOTALおよび検出された内燃機関3の冷却水の温度に応じて算出する(ステップ41、図9、ステップ51、図12)とともに、内燃機関3の冷却水の温度が低いほど、より小さな値に算出し、ポート噴射燃料挙動パラメータ算出手段は、ポート噴射直接率APIおよびポート噴射持ち去り率BPIを、全体要求燃料量GFTOTALおよび内燃機関3の冷却水の温度に応じて算出する(ステップ42、図10、ステップ52、図13)とともに、内燃機関3の冷却水の温度が低いほど、より小さな値に算出することを特徴とする。
この内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、筒内燃料噴射弁に要求される要求筒内噴射量、およびポート燃料噴射弁に要求される要求ポート噴射量が、それぞれ算出される。また、筒内燃料噴射弁から噴射された燃料の輸送挙動を表す筒内噴射燃料挙動パラメータとして、筒内噴射直接率および筒内噴射持ち去り率が、ポート燃料噴射弁から噴射された燃料の輸送挙動を表すポート噴射燃料挙動パラメータとして、ポート噴射直接率およびポート噴射持ち去り率が、それぞれ算出される。そして、筒内燃料噴射弁から実際に噴射すべき正味筒内噴射量を、要求筒内噴射量に基づき、筒内噴射直接率、筒内噴射持ち去り率、ポート噴射直接率およびポート噴射持ち去り率に応じて、決定する。また、ポート燃料噴射弁から実際に噴射すべき正味ポート噴射量を、要求ポート噴射量に基づき、筒内噴射直接率、筒内噴射持ち去り率、ポート噴射直接率およびポート噴射持ち去り率に応じて、決定する。
以上のように、本発明によれば、筒内燃料噴射弁からの正味筒内噴射量、およびポート燃料噴射弁からの正味ポート噴射量を、筒内噴射燃料挙動パラメータおよびポート噴射燃料挙動パラメータに応じて決定する。したがって、ポート燃料噴射弁から噴射された燃料の吸気系の内壁面への付着などによる輸送遅れだけでなく、筒内燃料噴射弁から噴射された燃料の燃焼室の内壁面への付着などによる輸送遅れを含めて、気筒全体としての燃料の輸送挙動を良好に反映させながら、燃焼室で燃焼に実際に用いられる燃料量を適切に制御でき、それにより、空燃比を所望の値に精度良く制御することができる。
また、上述した制御手法は、内燃機関の運転状態にかかわらず、適用できるので、運転状態に応じて制御手法を切り換えることが必要な前述した従来の制御装置と比較して、制御ロジックを簡略化できるとともに、空燃比を安定して制御することができる。
また、一般に、吸気系や燃焼室の内壁面への燃料の付着度合は、内燃機関の温度に大きく影響され、その温度が低いほど、燃料が気化しにくくなるため、より大きくなる。また、要求燃料噴射量は、内燃機関の負荷を表すとともに、他の負荷パラメータと異なり、吸気系の内壁面などに付着した燃料膜の厚さをも反映する。したがって、本発明によれば、筒内噴射直接率、筒内噴射持ち去り率、ポート噴射直接率およびポート噴射持ち去り率を、全体要求燃料量および内燃機関の冷却水の温度に応じて、適切に算出できる。したがって、筒内噴射直接率、筒内噴射持ち去り率、ポート噴射直接率およびポート噴射持ち去り率に応じた正味筒内噴射量および正味ポート噴射量の決定を、より適切に行うことができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の内燃機関3の燃料噴射制御装置1において、気筒3a全体としての燃料の輸送挙動を表す全体燃料挙動パラメータとして、筒内噴射直接率ADIおよびポート噴射直接率APIを、全体要求燃料量GFTOTALに対する要求筒内噴射量GFDIおよび要求ポート噴射量GFPIの比率に応じて加重平均することにより、全体直接率ATOTALを算出する(ECU2、ステップ24、図7)とともに、筒内噴射持ち去り率BDIおよびポート噴射持ち去り率BPIを、全体要求燃料量GFTOTALに対する要求筒内噴射量GFDIおよび要求ポート噴射量GFPIの比率に応じて加重平均することにより、全体持ち去り率BTOTALを算出する(ECU2、ステップ25、図10)全体燃料挙動パラメータ算出手段と、
当該算出された全体直接率ATOTALおよび全体持ち去り率BTOTALに応じて、筒内燃料噴射弁6およびポート燃料噴射弁8から噴射すべき燃料量の総和である全体正味噴射量GFNETTOTALを算出する全体正味噴射量算出手段と、をさらに備え、正味筒内噴射量決定手段および正味ポート噴射量決定手段は、算出された全体正味噴射量GFNETTOTALを、要求筒内噴射量GFDIおよび要求ポート噴射量GFPIの比率に応じて比例配分することによって、正味筒内噴射量および正味ポート噴射量をそれぞれ決定する(ステップ62、71)ことを特徴とする。
この構成によれば、気筒全体としての燃料の輸送挙動を表す全体燃料挙動パラメータとして、筒内噴射直接率およびポート噴射直接率を、全体要求燃料量に対する要求筒内噴射量および要求ポート噴射量の比率に応じて加重平均することにより、全体直接率を算出するとともに、筒内噴射持ち去り率およびポート噴射持ち去り率を、全体要求燃料量に対する要求筒内噴射量および要求ポート噴射量の比率に応じて加重平均することにより、全体持ち去り率を算出する。したがって、算出された全体直接率および全体持ち去り率は、気筒全体としての燃料の輸送挙動を良好に反映する。また、この全体直接率および全体持ち去り率に応じて全体正味噴射量を算出するとともに、算出した全体正味噴射量を、要求筒内噴射量および要求ポート噴射量の比率に応じて比例配分することによって、正味筒内噴射量および正味ポート噴射量をそれぞれ決定する。
したがって、気筒全体としての燃料の輸送挙動を良好に反映させながら、正味筒内噴射量および正味ポート噴射量を適切に決定でき、空燃比を所望の値に精度良く制御することができる。また、筒内噴射燃料挙動パラメータおよびポート噴射燃料挙動パラメータの加重平均によって全体燃料挙動パラメータを算出し、全体燃料挙動パラメータに応じて算出した全体正味噴射量を比例配分するだけで、最終的な正味筒内噴射量および正味ポート噴射量が算出できるので、そのような非常に簡便な演算手法によって、上記の作用を得ることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図1は、本実施形態による燃料噴射制御装置1を適用した内燃機関3を概略的に示している。内燃機関(以下「エンジン」という)3は、車両(図示せず)に搭載された、例えば直列4気筒タイプの4サイクルガソリンエンジンである。
エンジン3のシリンダヘッド3cには、気筒3aごとに、吸気管4(吸気系)および排気管5が接続されるとともに、筒内燃料噴射弁6および点火プラグ7(図2参照)が、燃焼室3dに臨むように取り付けられている(いずれも1つのみ図示)。この筒内燃料噴射弁6は、燃焼室3d内の点火プラグ7の近傍に、燃料を噴射するように構成されている。また、筒内燃料噴射弁6の開弁時間および開・閉弁タイミングと点火プラグ7の点火時期は、制御装置1の後述するECU2によって制御される。
また、筒内燃料噴射弁6は、燃料管および第1燃料ポンプ(いずれも図示せず)を介して、燃料タンク(図示せず)に接続されており、燃料タンクに貯留された燃料は、第1燃料ポンプで高圧に昇圧された後、筒内燃料噴射弁6に供給される。第1燃料ポンプの動作は、ECU2によって制御され、それにより、筒内燃料噴射弁6に供給される燃料の圧力(以下「筒内燃料圧力」という)PFは、基本的に、所定の基準筒内燃料圧力PFREF(例えば10MPa)に制御される。また、燃料パイプの筒内燃料噴射弁6付近には、燃料圧センサ21(図2参照)が取り付けられており、この燃料圧センサ21は、筒内燃料圧力PFを表す検出信号をECU2に出力する。
エンジン3には、クランク角センサ22が設けられている。クランク角センサ22は、マグネットロータおよびMREピックアップ(いずれも図示せず)で構成されており、クランクシャフト3eの回転に伴い、いずれもパルス信号であるCRK信号およびTDC信号を、ECU2に出力する。
このCRK信号は、所定のクランク角(例えば30゜)ごとに出力される。ECU2は、CRK信号に基づき、エンジン3の回転数(以下「エンジン回転数」という)NEを算出する。上記のTDC信号は、気筒3aのピストン3bが吸気行程開始時のTDC(上死点)付近の所定のクランク角度位置にあることを表す信号であり、4気筒タイプの本例では、クランク角180゜ごとに出力される。また、エンジン3には、気筒判別センサ(図示せず)が設けられており、この気筒判別センサは、気筒3aを判別するためのパルス信号である気筒判別信号を、ECU2に出力する。ECU2は、これらの気筒判別信号、CRK信号およびTDC信号に応じ、クランク角度位置CAを気筒3aごとに算出する。
吸気管4の吸気マニホルドには、ポート燃料噴射弁8が、気筒3aごとに、吸気ポートに臨むように設けられており、このポート燃料噴射弁8は第2燃料ポンプに接続されている。燃料は、前記燃料タンクから第2燃料ポンプで高圧に昇圧された後、ポート燃料噴射弁8に供給される。第2燃料ポンプの動作は、ECU2により制御され、それにより、ポート燃料噴射弁8に供給される燃料の圧力は、基本的に、前述した基準筒内燃料圧力PFREFよりも小さな所定の基準ポート燃料圧力(例えば350kPa)に制御される。また、ポート燃料噴射弁8の開弁時間および開閉弁タイミングは、ECU2によって制御される。
また、吸気管4には、スロットル弁機構9が設けられている。スロットル弁機構9は、スロットル弁9aおよびこれを開閉駆動するTHアクチュエータ9bを有している。スロットル弁9aは、吸気管4内に回動自在に設けられており、その回動に伴う開度の変化によって吸入空気量QAが制御される。THアクチュエータ9bは、モータとギヤ機構(いずれも図示せず)を組み合わせたものであり、ECU2からの駆動信号で駆動され、それにより、スロットル弁9aの開度が制御される。
また、吸気管4の空気導入部には、吸気管4内を流れる空気の質量(以下「空気質量」という)GAIRを検出するエアフローメータ23が設けられており、その検出信号はECU2に出力される。
排気管5には、LAFセンサ24が設けられている。LAFセンサ24は、理論空燃比よりもリッチな領域から極リーンまでの広範囲な空燃比の領域において、排気管5内を流れる排ガス中の酸素濃度をリニアに検出し、その検出信号をECU2に出力する。ECU2は、このLAFセンサ24で検出された酸素濃度に基づいて、燃焼室3dで燃焼した混合気の実際の空燃比を表す検出空燃比KACTを算出する。この場合、検出空燃比KACTは当量比として算出される。
ECU2にはさらに、アクセル開度センサ25(負荷検出手段)から、アクセルペダルの操作量(以下「アクセル開度」という)APを表す検出信号が、エンジン水温センサ26(機関温度検出手段)から、エンジン3の本体内を循環する冷却水の温度(以下「エンジン水温」という)TWを表す検出信号が、吸気温センサ27から、吸気温センサ27から、エンジン3に吸入される吸気の温度(以下「吸気温」という)TAを表す検出信号が、大気圧センサ28から、大気圧PAを表す検出信号が出力される。
ECU2は、I/Oインターフェース、CPU、RAMおよびROMなどから成るマイクロコンピュータで構成されている。また、ECU2は、前述した各種のセンサ21〜28からの検出信号に応じ、エンジン3の運転状態を判定するとともに、判定した運転状態に応じて、エンジン3の燃焼モードを決定するとともに、決定された燃焼モードに従って、燃料噴射制御処理を実行する。なお、本実施形態では、ECU2が、要求筒内噴射量算出手段、要求ポート噴射量算出手段、筒内噴射燃料挙動パラメータ算出手段、ポート噴射燃料挙動パラメータ算出手段、正味筒内噴射量決定手段、正味ポート噴射量決定手段、全体要求燃料量算出手段、全体燃料挙動パラメータ算出手段、および全体正味噴射量算出手段に相当する。
上記の燃焼モードは、次の成層自己着火燃焼モード、成層火炎伝播燃焼モード、火種自己着火燃焼モード、および均質火炎伝播燃焼モードで構成されている。
(1)成層自己着火燃焼モード
筒内燃料噴射弁6から燃料を圧縮行程中に噴射することにより成層混合気を生成し、これを自己着火燃焼させる燃焼モード
(2)成層火炎伝播燃焼モード
筒内燃料噴射弁6から燃料を圧縮行程中に噴射することにより成層混合気を生成し、これを点火プラグ7による火花点火により火炎伝播燃焼させる燃焼モード
(3)火種自己着火燃焼モード
ポート燃料噴射弁8から燃料を吸気行程中に噴射することにより、均質混合気を生成した後、筒内燃料噴射弁6から極少量の燃料を圧縮行程中に噴射することにより、均質混合気と成層混合気の双方を含む混合気を生成する。そして、生成した成層混合気を火花点火により火炎伝播燃焼させることにより、温度上昇させ、均質混合気を自己着火燃焼させる燃焼モード
(4)均質火炎伝播燃焼モード
ポート燃料噴射弁8から燃料を吸気行程中に噴射することにより、均質混合気を生成し、これを火花点火により火炎伝播燃焼させる燃焼モード
上記の燃焼モードの決定は、エンジン回転数NEとエンジン3に要求される要求トルクPMCMDに応じて行われ、その結果に応じて、燃焼モードを表す燃焼モードモニタSTS_BURNCMD1〜4のいずれかに設定される。
詳述すると、エンジン回転数NEが所定の低回転域にあり、かつ要求トルクPMCMDが所定の低負荷域にあるとき、すなわち、エンジン3の運転状態が所定の第1運転域にあるときには、成層自己着火燃焼モードが選択され、燃焼モードモニタSTS_BURNCMDは「1」に設定される。また、エンジン回転数NEが低中回転域にあり、かつ要求トルクPMCMDが上記第1運転域よりも低負荷側の領域にあるとき、すなわち、エンジン3の運転状態が所定の第2運転域(成層混合気が自己着火燃焼しないような領域)にあるときには、成層火炎伝播燃焼モードが選択され、燃焼モードモニタSTS_BURNCMDは、「2」に設定される。
さらに、エンジン回転数NEが低中回転域にあり、かつ要求トルクPMCMDが上記第1運転域よりも高負荷側の領域にあるとき、すなわち、エンジン3の運転状態が所定の第3運転域にあるときには、火種自己着火燃焼モードが選択され、燃焼モードモニタSTS_BURNCMDは、「3」に設定される。また、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDで表されるエンジン3の運転状態が、上記の第1〜第3の運転域以外の所定の第4運転域にあるときには、均質火炎伝播燃焼モードが選択され、燃焼モードモニタSTS_BURNCMDは、「4」に設定される。
さらに、要求トルクPMCMDは、図3のステップ1(「S1」と図示。以下同じ)において、エンジン回転数NEおよびアクセル開度APに応じ、マップ(図示せず)を検索することによって算出される。
次に、図4を参照しながら、燃料噴射制御処理について説明する。本処理は、TDC信号の入力に同期して実行される。まず、ステップ11〜13においてそれぞれ、燃焼モードモニタSTS_BURNCMDが「1」〜「3」であるか否かを判別する。すなわち、現在の燃焼モードが前記4つの燃焼モードのいずれであるかを判別する。そして、その判別結果に応じ、ステップ14〜17において、各燃焼モード用の燃料噴射制御をそれぞれ実行し、本処理を終了する。
以下、ステップ16で実行される火種自己着火燃焼モード用の燃料噴射制御処理について、図5を参照しながら説明する。前述したように、この火種自己着火燃焼モードでは、他の燃焼モードと異なり、エンジン3への燃料の供給が、筒内燃料噴射弁6およびポート燃料噴射弁8の双方によって行われる。したがって、本処理では、筒内燃料噴射弁6およびポート燃料噴射弁8を制御するための各種のパラメータの算出が行われる。
まずステップ21では、全体要求燃料量GFTOTALを算出する(ステップ22)。この全体要求燃料量GFTOTALは、気筒3a全体に要求される燃料量を表し、筒内燃料噴射弁6に要求される要求筒内噴射量GFDIと、ポート燃料噴射弁8に要求される要求ポート噴射量GFPIとの総和に等しい。
図6は、全体要求燃料量GFTOTALの算出サブルーチンであり、そのステップ31では、全体要求燃料量の基本値GFBASEを算出する。具体的には、エアフローメータ23で検出された空気質量GAIRをエンジン回転数NEで除することなどによって、1燃焼サイクル当たりの吸入空気量GAIRCYLを求め、この吸入空気量GAIRCYLを理論空燃比に相当する値14.7で除することによって、基本値GFBASEを算出する。
次に、燃焼モードごとに、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じ、マップ(図示せず)を検索することによって、目標空燃比KCMDを算出する(ステップ32)。次いで、算出した目標空燃比KCMDと検出空燃比KACTとの偏差に応じ、所定のフィードバック制御アルゴリズムによって、フィードバック補正係数KFBを算出する(ステップ33)。
次いで、上記の2つの係数以外の総補正係数KTOTALを算出する(ステップ34)。この総補正係数KTOTALは、エンジン水温TWに応じて設定された水温補正係数KTWなどを互いに乗算したものである。
次に、次式(1)により、上記のように算出した基本値GFBASEに、目標空燃比係数KCMD、フィードバック補正係数KFBおよび総補正係数KTOTALを乗算することによって、全体要求燃料量GFTOTALを算出し(ステップ35)、本処理を終了する。
GFTOTAL = GFBASE・KCMD・KFB・KTOTAL ……(1)
図5に戻り、上記ステップ21に続くステップ22では、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じ、マップ(図示せず)を検索することによって、要求筒内噴射量GFDIを算出する。
次いで、前記ステップ21で算出した全体要求燃料量GFTOTALから、ステップ22で算出した要求筒内噴射量GFDIを減算することによって、要求ポート噴射量GFPIを算出する(ステップ23)。
次に、全体直接率ATOTALを算出する(ステップ24)。この全体直接率ATOTALは、今回の燃焼サイクルにおいて筒内燃料噴射弁6およびポート燃料噴射弁8から噴射された総燃料量に対する、その総燃料量のうちの今回の燃焼サイクルにおいて燃焼室3dで実際に燃焼される燃料量の割合を表す。
図7は、その算出サブルーチンを示す。そのステップ41では、エンジン回転数NE、前記ステップ21で算出した全体要求燃料量GFTOTAL、およびエンジン水温TWに応じ、図8に示すADIマップを検索することによって、筒内噴射直接率ADIを算出する。この筒内噴射直接率ADIは、今回の燃焼サイクルにおいて筒内燃料噴射弁6から噴射された燃料量に対する、その燃料量のうちの燃焼室3dの内壁面(気筒3aの内壁面やピストン3bの外面)に付着することなく今回の燃焼サイクルにおいて実際に燃焼される燃料量の割合を表す。
上記のADIマップは、所定の複数のエンジン水温TW(=TW1〜TWn)ごとに設定された複数のADIマップで構成されており、筒内噴射直接率ADIは、エンジン水温TWが低いほど、より小さな値に設定されている。これは、エンジン水温TWが低いほど、噴射された燃料が気化しにくく、燃焼室3dの内壁面に付着しやすいためである。
次に、ステップ42では、エンジン回転数NE、全体要求燃料量GFTOTALおよびエンジン水温TWに応じ、図9に示すAPIマップを検索することによって、ポート噴射直接率APIを算出する。このポート噴射直接率APIは、今回の燃焼サイクルにおいてポート燃料噴射弁8から噴射された燃料量に対する、その燃料量のうちの吸気管4の内壁面に付着することなく今回の燃焼サイクルにおいて実際に燃焼される燃料量の割合を表す。
このAPIマップもまた、上記のADIマップと同様、所定の複数のエンジン水温TW(=TW1〜TWn)ごとに設定された複数のAPIマップで構成されている。また、ポート噴射直接率APIは、エンジン水温TWが低いほど、噴射された燃料が気化しにくく、吸気管4の内壁面に付着しやすいため、より小さな値に設定されている。
次いで、上記のように算出した筒内噴射直接率ADIおよびポート噴射直接率APIを用い、次式(2)によって、全体直接率ATOTALを算出し(ステップ43)、本処理を終了する。
ATOTAL = ADI・(GFDI/GFTOTAL)
+API・(GFPI/GFTOTAL) ……(2)
この式(2)から明らかなように、全体直接率ATOTALは、筒内噴射直接率ADIおよびポート噴射直接率APIを、全体要求燃料量GFTOTALに対する要求筒内噴射量GFDIおよび要求ポート噴射量GFPIの比率に応じて加重平均した値であり、したがって、気筒3a全体としての直接率を表す。
図5に戻り、上記ステップ24に続くステップ25では、全体持ち去り率BTOTALを算出する。この全体持ち去り率BTOTALは、前回の燃焼サイクル終了時に燃焼室3dの内壁面および吸気管4の内壁面に付着していた総付着燃料量に対する、その総付着燃料量のうちの今回の燃焼サイクルにおいて実際に燃焼される燃料量の割合を表す。
図10は、その算出サブルーチンを示す。そのステップ51では、エンジン回転数NE、全体要求燃料量GFTOTALおよびエンジン水温TWに応じ、図11に示すBDIマップを検索することによって、筒内噴射持ち去り率BDIを算出する。この筒内噴射持ち去り率BDIは、前回の燃焼サイクル終了時に燃焼室3dの内壁面に付着していた付着燃料量に対する、その付着燃料量のうちの今回の燃焼サイクルにおいて実際に燃焼される燃料量の割合を表す。
上記のBDIマップは、所定の複数のエンジン水温TW(=TW1〜TWn)ごとに設定された複数のBDIマップで構成されており、筒内噴射持ち去り率BDIは、エンジン水温TWが低いほど、より小さな値に設定されている。これは、エンジン水温TWが低いほど、燃焼室3dの内壁面に付着した燃料が気化しにくく、持ち去られにくいためである。
次に、ステップ52では、エンジン回転数NE、全体要求燃料量GFTOTALおよびエンジン水温TWに応じ、図12に示すBPIマップを検索することによって、ポート噴射持ち去り率BPIを算出する。このポート噴射持ち去り率BPIは、前回の燃焼サイクル終了時に吸気管4の内壁面に付着していた付着燃料量に対する、その付着燃料量のうちの今回の燃焼サイクルにおいて実際に燃焼される燃料量の割合を表す。
このBPIマップもまた、上記のBDIマップと同様、所定の複数のエンジン水温TW(=TW1〜TWn)ごとに設定された複数のBPIマップで構成されている。また、ポート噴射持ち去り率BPIは、エンジン水温TWが低いほど、吸気管4の内壁面に付着した燃料が気化しにくく、持ち去られにくいため、より小さな値に設定されている。
次いで、算出した筒内噴射持ち去り率BDIおよびポート噴射持ち去り率BPIを用い、次式(3)によって、全体持ち去り率BTOTALを算出し(ステップ53)、本処理を終了する。
BTOTAL = BDI・(GFDI/GFTOTAL)
+BPI・(GFPI/GFTOTAL) ……(3)
この式(3)から明らかなように、全体持ち去り率BTOTALもまた、筒内噴射持ち去り率BDIおよびポート噴射持ち去り率BPIを、全体要求燃料量GFTOTALに対する要求筒内噴射量GFDIおよび要求ポート噴射量GFPIの比率に応じて加重平均した値であり、したがって、気筒3a全体としての持ち去り率を表す。
図5に戻り、前記ステップ25に続くステップ26では、次式(4)によって、全体正味噴射量GFNETTOTALを算出する。
GFNETTOTAL
=(GFTOTAL−BTOTAL・TWP)/ATOTAL ……(4)
ここで、全体正味噴射量GFNETTOTALは、全体要求燃料量GFTOTALに加え、全体直接率ATOTALおよび全体持ち去り率BTOTALを加味することによって得られる、筒内燃料噴射弁6およびポート燃料噴射弁8からそれぞれ噴射すべき燃料量の総和を表す。
また、式(4)のTWPは、燃焼室3dの内壁面および吸気管4の内壁面に付着した総付着燃料量に相当するものであり、次式(5)によって算出される。
TWP(n) = GFTOTAL・(1−ATOTAL)
+(1−BTOTAL)・TWP(n−1) ……(5)
ここで、TWP(n)およびTWP(n−1)はそれぞれ、総付着燃料量の今回値および前回値である。
次いで、筒内燃料噴射弁6の開弁時間である筒内噴射時間TOUT_DIfを算出する(ステップ27)。図13は、その算出サブルーチンを示している。まず、ステップ61では、筒内燃料圧力PFに応じ、図14に示すKPFテーブルを検索することによって燃圧補正係数KPFを算出する。このKPFテーブルでは、燃圧補正係数KPFは、筒内燃料圧力PFが基準筒内燃料圧力PFREFのときに値1に設定されるとともに、筒内燃料圧力PFが低いほど、筒内燃料噴射弁6の同じ開弁時間に対して、実筒内噴射燃料量が小さくなることから、より大きな値に設定されている。
次に、筒内噴射時間TOUT_DIfを次式(6)によって算出し(ステップ62)、本処理を終了する。
TOUT_DIf
= GFNETTOTAL・(GFDI/GFTOTAL)・KPF ……(6)
図5に戻り、上記ステップ27に続くステップ28では、ポート燃料噴射弁8の開弁時間であるポート噴射時間TOUT_PIfを算出し、本処理を終了する。図15は、その算出サブルーチンを示しており、ステップ71において、ポート噴射時間TOUT_PIfを次式(7)によって算出する。
TOUT_PIf
= GFNETTOTAL・(GFPI/GFTOTAL) ……(7)
以上の式(6)および(7)から明らかなように、筒内噴射時間TOUT_DIfおよびポート噴射時間TOUT_PIfは、ステップ26で求めた全体正味噴射量GFNETTOTALを、要求筒内噴射量GFDIおよび要求ポート噴射量GFPIの比率に応じて比例配分することによって、算出される。
以上のように、本実施形態によれば、筒内燃料噴射弁6から噴射された燃料の輸送挙動を表す筒内噴射直接率ADIおよび筒内噴射持ち去り率BDIと、ポート燃料噴射弁8から噴射された燃料の輸送挙動を表すポート噴射直接率APIおよびポート噴射持ち去り率BPIを、燃料挙動パラメータとして算出するとともに、算出したこれらの燃料挙動パラメータに応じて、筒内燃料噴射弁6の筒内噴射時間TOUT_DIfおよびポート燃料噴射弁6のポート噴射時間TOUT_PIfを算出する。
したがって、ポート燃料噴射弁8から噴射された燃料の吸気管4の内壁面への付着などによる輸送遅れだけでなく、筒内燃料噴射弁6から噴射された燃料の燃焼室3dの内壁面への付着などによる輸送遅れを含めて、気筒3a全体としての燃料の輸送挙動を良好に反映させながら、燃焼室3dで燃焼に実際に用いられる燃料量を適切に制御でき、それにより、空燃比を所望の値に精度良く制御することができる。
また、上記の燃料挙動パラメータを、エンジン水温TWおよび全体要求燃料量GFTOTALに応じて算出するので、エンジン3の温度に応じた燃料の付着度合や、燃料噴射量に応じた燃料膜の厚さを良好に反映させながら、燃料挙動パラメータを適切に算出することができる。
さらに、筒内噴射直接率ADIおよびポート噴射直接率APIと、筒内噴射持ち去り率BDIおよびポート噴射持ち去り率BPIを、全体要求燃料量GFTOTALに対する要求筒内噴射量GFDIおよび要求ポート噴射量GFPIの比率に応じて、それぞれ加重平均することにより、全体直接率ATOTALおよび全体持ち去り率BTOTALを算出する。このようにして算出された全体燃料挙動パラメータは、気筒3a全体としての燃料の輸送挙動を良好に反映する。また、全体直接率ATOTALおよび全体持ち去り率BTOTALに応じて、全体正味噴射量GFNETTOTALを算出するとともに、算出した全体正味噴射量GFNETTOTALを、要求筒内噴射量GFDIおよび要求ポート噴射量GFPIの比率に応じて比例配分することによって、筒内噴射時間TOUT_DIfおよびポート噴射時間TOUT_PIfをそれぞれ算出する。
したがって、気筒3全体としての燃料の輸送挙動を良好に反映させながら、筒内噴射時間TOUT_DIfおよびポート噴射時間TOUT_PIfを適切に決定でき、空燃比を所望の値に精度良く制御できるとともに、加重平均や比例配分などによる非常に簡便な演算手法によって、上記の効果を得ることができる。
次に、図4のステップ14、15および17でそれぞれ実行される成層自己着火燃焼モード用、成層火炎伝播燃焼モード用および均質火炎伝播燃焼モード用の燃料噴射制御処理について、簡単に説明する。前述したように、成層自己着火燃焼モードおよび成層火炎伝播燃焼モードでは、エンジン3への燃料の供給が、筒内燃料噴射弁6のみによって行われる。このため、要求筒内噴射量GFDIを、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じて算出するとともに、筒内噴射直接率ADIおよび筒内噴射持ち去り率BDIを、エンジン回転数NE、要求筒内噴射量GFDIおよびエンジン水温TWに応じて算出する。そして、要求筒内噴射量GFDIに、筒内噴射直接率ADIおよび筒内噴射持ち去り率BDIなどを適用することによって、筒内噴射時間TOUT_DIfが算出される。
また、均質火炎伝播燃焼モードでは、前述したように、エンジン3への燃料の供給が、主としてポート燃料噴射弁8のみによって行われる。このため、要求ポート噴射量GFPIを、エンジン回転数NEおよび要求トルクPMCMDに応じて算出するとともに、ポート噴射直接率APIおよびポート噴射持ち去り率BPIを、エンジン回転数NE、要求ポート噴射量GFPIおよびエンジン水温TWに応じて算出する。そして、要求ポート噴射量GFPIに、ポート噴射直接率APIおよびポート噴射持ち去り率BPIなどを適用することによって、ポート噴射時間TOUT_DIfが算出される。
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、筒内噴射直接率ADIなどを算出する際のパラメータの1つとして、全体要求燃料量GFTOTALを用いているが、これに代えて、対応する燃料噴射弁の要求噴射量を用いてもよい。すなわち、筒内噴射直接率ADIおよび筒内噴射持ち去り率BDIを算出する際に、要求筒内噴射量GFDIを用いてもよく、また、ポート噴射直接率APIおよびポート噴射持ち去り率BPIを算出する際に、要求ポート噴射量GFPIを用いてもよい。
また、実施形態は、筒内燃料噴射弁6からの筒内噴射が一度に行われる例であるが、本発明は、筒内噴射が例えば吸入行程と圧縮行程などに分けて多段階で行われる場合にも適用でき、その場合には、各段階で噴射された燃料の輸送挙動を表す燃料挙動パラメータがそれぞれ算出される。
さらに、本実施形態は、本発明を車両用のエンジン3に適用した例であるが、本発明は、これに限らず、クランク軸を鉛直方向に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンや他の産業用の内燃機関に適用してもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
本実施形態による燃料噴射制御装置を適用した内燃機関を概略的に示す図である。 燃料噴射制御装置のブロック図である。 要求トルク算出処理を示すフローチャートである。 燃料噴射制御処理を示すフローチャートである。 火種自己着火燃焼モード用の燃料噴射制御処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 全体要求燃料量GFTOTALの算出サブルーチンを示すフローチャートである。 全体直接率ATOTALの算出サブルーチンを示すフローチャートである。 図7の処理で用いられるADIマップの一例である。 図7の処理で用いられるAPIマップの一例である。 全体持ち去り率BTOTALの算出サブルーチンを示すフローチャートである。 図10の処理で用いられるBDIマップの一例である。 図10の処理で用いられるBPIマップの一例である。 筒内噴射時間TOUT_DIfの算出サブルーチンを示すフローチャートである。 図13の処理で用いられるKPFテーブルの一例である。 ポート噴射時間TOUT_PIfの算出サブルーチンを示すフローチャートである。
符号の説明
1 燃料噴射制御装置
2 ECU(要求筒内噴射量算出手段、要求ポート噴射量算出手段、筒内噴射燃料挙動
パラメータ算出手段、ポート噴射燃料挙動パラメータ算出手段、正味筒内噴射量決
定手段、正味ポート噴射量決定手段、全体要求燃料量算出手段、全体燃料挙動パラ
メータ算出手段、全体正味噴射量算出手段)
3 エンジン
3a 気筒
4 吸気管(吸気系)
6 筒内燃料噴射弁
8 ポート燃料噴射弁
23 エアフローメータ(負荷検出手段)
26 エンジン水温センサ(機関温度検出手段)
GFDI 要求筒内噴射量
GFPI 要求ポート噴射量
ADI 筒内噴射直接
BDI 筒内噴射持ち去り
API ポート噴射直接
BPI ポート噴射持ち去り
TOUT_DIf 筒内噴射時間(正味筒内噴射量)
TOUT_PIf ポート噴射時間(正味ポート噴射量)
GAIR 空気質量(内燃機関の負荷)
TW エンジン水温(内燃機関の冷却水の温度)
GFTOTAL 全体要求燃料量
ATOTAL 全体直接
BTOTAL 全体持ち去り
GFNETTOTAL 全体正味噴射量

Claims (2)

  1. 気筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、吸気ポートを含む吸気系内に燃料を噴射するポート燃料噴射弁とによって燃料を供給する内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
    前記筒内燃料噴射弁に要求される要求筒内噴射量を算出する要求筒内噴射量算出手段と、
    前記ポート燃料噴射弁に要求される要求ポート噴射量を算出する要求ポート噴射量算出手段と、
    前記筒内燃料噴射弁によって噴射された燃料の輸送挙動を表す筒内噴射燃料挙動パラメータとして、筒内噴射直接率および筒内噴射持ち去り率を算出する筒内噴射燃料挙動パラメータ算出手段と、
    前記ポート燃料噴射弁によって噴射された燃料の輸送挙動を表すポート噴射燃料挙動パラメータとして、ポート噴射直接率およびポート噴射持ち去り率を算出するポート噴射燃料挙動パラメータ算出手段と、
    前記算出された要求筒内噴射量に基づき、前記算出された筒内噴射直接率、筒内噴射持ち去り率、ポート噴射直接率およびポート噴射持ち去り率に応じて、前記筒内燃料噴射弁から噴射すべき正味筒内噴射量を決定する正味筒内噴射量決定手段と、
    前記算出された要求ポート噴射量に基づき、前記筒内噴射直接率、前記筒内噴射持ち去り率、前記ポート噴射直接率および前記ポート噴射持ち去り率に応じて、前記ポート燃料噴射弁から噴射すべき正味ポート噴射量を決定する正味ポート噴射量決定手段と、
    前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
    当該検出された内燃機関の負荷に基づいて、前記気筒全体に要求される全体要求燃料量を算出する全体要求燃料量算出手段と、
    前記内燃機関の冷却水の温度を検出する機関温度検出手段と、を備え、
    前記筒内噴射直接率および前記ポート噴射直接率はそれぞれ、今回の燃焼サイクルにおいて前記筒内燃料噴射弁および前記ポート燃料噴射弁から噴射された燃料量に対する、それらの燃料量のうちの前記気筒の内壁面ならびに前記吸気系および前記気筒の内壁面に付着することなく今回の燃焼サイクルにおいて実際に燃焼される燃料量の割合を表し、
    前記筒内噴射持ち去り率および前記ポート噴射持ち去り率はそれぞれ、前回の燃焼サイクル終了時に前記気筒の内壁面および前記吸気系の内壁面に付着していた付着燃料量に対する、それらの付着燃料量のうちの今回の燃焼サイクルにおいて実際に燃焼される燃料量の割合を表し、
    前記筒内噴射燃料挙動パラメータ算出手段は、前記筒内噴射直接率および前記筒内噴射持ち去り率を、前記算出された全体要求燃料量および前記検出された内燃機関の冷却水の温度に応じて算出するとともに、前記内燃機関の冷却水の温度が低いほど、より小さな値に算出し、
    前記ポート噴射燃料挙動パラメータ算出手段は、前記ポート噴射直接率および前記ポート噴射持ち去り率を、前記全体要求燃料量および前記内燃機関の冷却水の温度に応じて算出するとともに、前記内燃機関の冷却水の温度が低いほど、より小さな値に算出することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
  2. 前記気筒全体としての燃料の輸送挙動を表す全体燃料挙動パラメータとして、前記筒内噴射直接率および前記ポート噴射直接率を、前記全体要求燃料量に対する前記要求筒内噴射量および前記要求ポート噴射量の比率に応じて加重平均することにより、全体直接率を算出するとともに、前記筒内噴射持ち去り率および前記ポート噴射持ち去り率を、前記全体要求燃料量に対する前記要求筒内噴射量および前記要求ポート噴射量の比率に応じて加重平均することにより、全体持ち去り率を算出する全体燃料挙動パラメータ算出手段と、
    当該算出された全体直接率および全体持ち去り率に応じて、前記筒内燃料噴射弁および前記ポート燃料噴射弁から噴射すべき燃料量の総和である全体正味噴射量を算出する全体正味噴射量算出手段と、をさらに備え、
    前記正味筒内噴射量決定手段および前記正味ポート噴射量決定手段は、前記算出された全体正味噴射量を、前記要求筒内噴射量および前記要求ポート噴射量の比率に応じて比例配分することによって、前記正味筒内噴射量および前記正味ポート噴射量をそれぞれ決定することを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
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