JP4905524B2 - 火花点火式内燃機関の制御方法及び火花点火式内燃機関システム - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関の制御方法及び火花点火式内燃機関システムに関し、特に燃焼カット後における燃料噴射の再開に関する。

車両の減速時に燃焼カットを行うことは知られており、このことは、例えば特許文献１に記載されている。機関の要求トルクが所定トルク以下でありかつ機関の速度が所定速度以上であるときに（これらのことは、アクセルペダルの踏み込み量が所定値よりも少なくなったことを検出することにより検出できる）、燃料カットが行われる。そして、燃料カット中に機関の速度が所定の再開速度をよりも低下するか、又は、燃料カット中にアクセルペダルの踏み込み量が上記所定値を超えて増大したときに、燃料噴射を再開する。

ところで、何十年もの間、火花点火式内燃機関のために用いられる燃料は、殆ど全てガソリンであった。近年、例えば特許文献２に記載されているように、エタノールが、火花点火式内燃機関に使用されるようになってきている。９７％のエタノールと３％の水とからなる純粋なエタノールを燃料として使用することができる一方、エタノールは、通常、Ｅ１０（１０％のエタノール及び９０％のガソリン）、Ｅ２５及びＥ８５のような燃料を作るためにガソリンと混ぜ合わせられる。

特開２００２−３３２８９４号公報 特開２００８−０３１９４８号公報

燃料噴射が再開されたときにおいて、燃焼が停止していたために気筒内の温度が低下しており、このため、燃焼室内に噴射された燃料は気化、霧化されない可能性がある。この現象は、エタノールがガソリンよりも揮発性が低いことから、燃料が多くのエタノールを含有する場合に特に顕著となる。このため、燃料噴射再開時の燃焼が不安定となって、機関のドライバビリティの悪化を招く。

したがって、燃料カットを行う火花点火式内燃機関において燃料噴射を再開するための方法を改良する余地がある。

本発明の第１態様では、燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関の制御方法が提供される。この制御方法では、上記機関の要求トルクが所定トルク以下でありかつ上記機関の速度が所定速度以上であるときに、上記燃料噴射弁による燃料噴射を停止する工程と、上記燃料噴射の停止中に上記機関の速度が上記所定速度又は上記所定速度よりも低い値に設定された燃料再開速度よりも低下したときには、気筒サイクルにおいて上記燃焼室の排気弁が閉じた後でかつ上記燃焼室の吸気弁が開く前のネガティブオーバーラップ期間の一部であって上記燃焼室内の圧力が上記排気弁が閉じたときの圧力よりも低い負圧期間に、上記燃焼室内へ第１量の燃料を直接噴射するとともに、上記吸気弁が開いている吸気期間に、上記燃焼室内へ上記第１量よりも少なく０を含む第２量の燃料を直接噴射することにより、上記燃料噴射を再開する工程と、上記燃料噴射の停止中に上記機関の要求トルクが上記所定トルクを超えて上昇したときには、上記負圧期間に上記燃焼室内へ第３量の燃料を直接噴射するとともに、上記吸気期間に上記燃焼室内へ第４量の燃料を直接噴射することにより、上記燃料噴射を再開する工程と、を備え、上記第３量は、上記第４量よりも少なく０を含むものとする。

上記第１態様に係る制御方法では、燃料噴射の停止中に機関の速度が所定速度又は上記所定速度よりも低い値に設定された燃料再開速度よりも低下したときに、負圧期間に燃料の噴射量を多くしかつ吸気期間に燃料の噴射量を少なくすることにより燃料噴射を再開する。燃料の噴射後直ぐに多くの燃料が気化、霧化するような、燃焼室の圧力が低くて燃料の沸点が低い負圧期間に、多くの燃料を噴射する。この結果、圧縮上死点付近で火花点火されるときには、液体の燃料は殆ど残っておらず、殆どの燃料が点火後に燃焼し得る。したがって、燃焼を十分に安定させることができる。

一方、負圧期間の燃料噴射は、燃料噴射弁の近傍に位置するピストン頂面に多くの燃料を付着させる可能性がある。このことは、機関の要求トルクが小さくて燃料噴射量が少ない場合には、それほど問題ではないが、燃料噴射量がより多くなったときには、噴射された燃料の気化、霧化を悪化させる。

上記制御方法では、燃料噴射の停止中に要求トルクが所定トルクを超えて上昇したときには、負圧期間に燃料の噴射量を少なくしかつ吸気期間に燃料の噴射量を多くすることにより燃料噴射を再開する。一般に、火花点火式内燃機関では、要求トルクが大きいほど、燃焼室に導入される空気量が多くなり、吸気行程での空気流量が増加する。この増加した空気流量は、吸気行程の間、噴射された燃料の多くを気化、霧化し得る。したがって、燃料噴射の停止中に要求トルクが上記所定トルクを超えて上昇したときにおける燃料噴射の再開時においても、燃焼安定性を確保することができる。

したがって、上記第１態様に係る制御方法では、燃料噴射の停止中に、機関の速度が所定速度又は所定速度よりも低い値に設定された燃料再開速度よりも低下したとき、又は、要求トルクが所定トルクを超えて上昇したときにおける燃料噴射の再開時において、燃焼を安定させることが可能になる。

本発明の第２態様では、火花点火式内燃機関と、上記機関の燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、上記燃料噴射弁を制御する制御器と、を備えた火花点火式内燃機関システムが提供される。上記制御器は、上記第１態様に係る制御方法を実行するべく上記燃料噴射弁を制御する。したがって、第２態様に係る火花点火式内燃機関システムでは、燃料噴射の停止中に、機関の速度が所定速度又は所定速度よりも低い値に設定された燃料再開速度よりも低下したとき、又は、要求トルクが所定トルクを超えて上昇したときにおける燃料噴射の再開時において、燃焼を安定させることが可能になる。

いくつかの実施形態では、上記燃料の揮発性が低いほど（例えば燃料におけるエタノールの含有量が多いほど）、又は、上記機関の温度が低いほど、上記第１量を多くするようにしてもよい。すなわち、燃料の揮発性が低いと、吸気期間に噴射された燃料が点火までに十分に気化しない可能性が高い一方、負圧期間に噴射された燃料は、揮発性が低くても、点火までに十分に気化する。したがって、燃料の揮発性が低いほど第１量を多くする（その分だけ第２量を少なくする）ことで、燃料の気化を十分に促進することができる。また、機関の温度が高いときには、吸気期間に噴射された燃料も点火までには気化するため、第１量を少なくする（その分だけ第２量を多くする）ことができて、ピストンが燃料噴射弁の近くに位置しているときに過度の燃料が噴射されるのを抑制することができ、ピストン頂面に多くの燃料が付着するのを抑制することができる。

さらに、機関の要求トルクが大きいほど、例えば気筒サイクルにおいて吸気弁を早く開くことによって、ネガティブオーバーラップ期間を短くするようにしてもよい。これにより、大きい機関トルクに対応するべく、多くの新気を燃焼室へ導入することができる。

以上説明したように、本発明の火花点火式内燃機関の制御方法及び火花点火式内燃機関システムによると、燃料噴射の停止中に、機関の速度が所定速度又は所定速度よりも低い値に設定された燃料再開速度よりも低下したとき、又は、要求トルクが所定トルクを超えて上昇したときにおける燃料噴射の再開時において、燃焼を安定させることが可能になる。

本発明の実施形態に係る火花点火式内燃機関システムの概略構成図である。 エンジンコントローラにより実行される第１ルーチンのフローチャートである。 エンジンコントローラにより実行される第２ルーチンのフローチャートである。 吸気カムシャフト位相可変機構の目標位相角のマップを示す図である。 吸気弁及び排気弁間のオーバラップ関係のマップを示す図である。 燃料噴射の動作マップを示す図である。 吸気弁、排気弁及び燃料噴射の動作を示す図である。 高エンジン温度での燃料分割比率のマップを示す図である。 低エンジン温度での燃料分割比率のマップを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る火花点火式内燃機関システムの全体を示す。このシステムは、エンジン１と、このエンジン１に付随する種々のアクチュエータを制御する、制御器としてのエンジンコントローラ（制御モジュール）１００とを備えている。

エンジン１は、４サイクルの火花点火式内燃機関であって、自動車等の車両に搭載される。エンジン１の出力軸が、車両を駆動するために、トランスミッションを介して駆動輪に連結される。エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されたシリンダヘッド１３とを備えており、それらの内部に複数の気筒１１が形成されている。気筒１１の数は、本実施形態では、４つであるが、これには限られない。また、シリンダブロック１２において、ジャーナルやベアリング等によりクランクシャフト１４が回転自在に支持されている。

上記各気筒１１内には、ピストン１５が摺動自在に嵌挿されて、その上側に燃焼室１７を区画している。

シリンダヘッド１３には、燃焼室１７毎に該燃焼室に連通する２つの吸気ポート１８と２つの排気ポート１９とがそれぞれ形成されている。図１では、１つの吸気ポート１８と１つの排気ポート１９とが示されているが、上述の如く、気筒１１毎に２つの吸気ポート１８と２つの排気ポート１９とが設けられている。また、シリンダヘッド１３には、各吸気ポート１８を燃焼室１７から遮断する吸気弁２１と、各排気ポート１９を燃焼室１７から遮断する排気弁２２とが配設されている。各吸気弁２１は、後述の如く所定のタイミングで各吸気ポート１８を開閉するべく、吸気弁駆動機構３０により駆動される。一方、各排気弁２２は、各排気ポート１９を開閉するべく、排気弁駆動機構４０により駆動される。

吸気弁駆動機構３０及び排気弁駆動機構４０は、それぞれ、吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１を有している。吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１は、周知のスプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフト１４に連結されている。この動力伝達機構は、クランクシャフト１４が２回転する間に、吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１が１回転するように構成される。

また、吸気弁駆動機構３０において、上記動力伝達機構と吸気カムシャフト３１との間には、吸気カムシャフト位相可変機構３２が設けられている。この吸気カムシャフト位相可変機構３２は、吸気弁２１のバルブタイミング（開閉タイミング）を変えるようにセットされる。この吸気カムシャフト位相可変機構３２において、吸気カムシャフト３１と同心状に配置されかつクランクシャフト１４により直接駆動される被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変化させることによって、クランクシャフト１４と吸気カムシャフト３１との間の位相差が変化する。

吸気カムシャフト位相可変機構３２は、例えば、上記被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間にて周方向に並ぶ複数の液圧室が設けられかつ上記位相差を変化させるために該複数の液圧室間に圧力差を付与する液圧機構と、上記被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間に電磁石が設けられた電磁機構とを含む。上記電磁石には、上記位相差を変えるために電流が流される。吸気カムシャフト位相可変機構３２は、後述の如くエンジンコントローラ１００により算出される吸気弁２１のバルブタイミング（吸気カムシャフト３１の目標位相角）に基づいて上記位相差を変える。

本実施形態では、吸気カムシャフト位相可変機構３２は、リフト量（つまり吸気弁２１のリフト特性）が一定に保たれたまま上記位相差を変えることによって、吸気弁２１の開タイミングＩＶＯと閉タイミングＩＶＣとを変える。吸気カムシャフト３１の位相角は、カム位相センサ３５により検出され、そのカム位相センサ３５による検出信号θ_{INT_A}がエンジンコントローラ１００に入力される。

排気弁駆動機構４０においても、上記動力伝達機構と排気カムシャフト４１との間に排気カムシャフト位相可変機構４２が設けられている。この排気カムシャフト位相可変機構４２は、上記吸気カムシャフト位相可変機構３２と同様に、排気弁２２の開タイミングＥＶＯと閉タイミングＥＶＣとを変える。吸気カムシャフト位相可変機構３２及び排気カムシャフト位相可変機構４２は、後述のネガティブオーバーラップ期間を変更する可変動弁機構を構成する。このネガティブオーバーラップ期間を変更する可変動弁機構としては、吸気弁２１や排気弁２２のリフト量を変更する可変バルブリフト機構を採用することも可能である。すなわち、可変バルブリフト機構は、通常、吸気弁２１や排気弁２２のリフト量の変更に伴って開弁時期や閉弁時期も変化するので、ネガティブオーバーラップ期間を変更することができる。

吸気ポート１８は、吸気マニホールド５５を介してサージタンク５５ａに連通している。サージタンク５５ａよりも上流側の吸気通路には、スロットルボディ５６が配設されている。このスロットルボディ５６内には、スロットル弁５７が枢支されており、外部からサージタンク５５ａへ流れる吸気流量を調整する。スロットル弁５７は、吸気流量と、スロットル弁５７下流側の吸気通路の圧力とを変えるために、吸気通路の開口面積（つまり吸気流の通過面積）を変えることができる。スロットル弁５７は、スロットル弁アクチュエータ５８によって駆動される。このスロットル弁アクチュエータ５８は、スロットル弁５７の開度ＴＶＯが、制御ユニット１００で算出された目標スロットル弁開度ＴＶＯ_Dになるように、スロットル弁５７を駆動する。ここで、吸気通路５５ｂは、スロットル弁５７下流側における、吸気ポート１８、吸気マニホールド５５及びサージタンク５５ａの全体を含むものであってもよい。本実施形態では、気筒１１に導入される空気量、つまり気筒１１への充填空気量ＣＥが、スロットル弁５７の開度及び吸気弁２１の閉タイミングの調整によって、適切な値に制御される。

排気ポート１９は、排気マニホールド６０を介して排気管に連通している。この排気管内には、排気ガス浄化システムが配置されている。この排気ガス浄化システムは、特定の構成に限定されないが、三元触媒、リーンＮＯｘ触媒、酸化触媒等の触媒コンバータ６１を含むものがよい。

サージタンク５５ａと排気マニホールド６０とは、ＥＧＲパイプ６２によって互いに接続されている。このＥＧＲパイプ６２は、排気ガスの一部を吸気側へ還流させることができる（この還流させるガスをＥＧＲガスと呼ぶ）。ＥＧＲパイプ６２には、該ＥＧＲパイプ６２を介して吸気側へ還流させるＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁６３が配設されている。このＥＧＲ弁６３は、ＥＧＲ弁アクチュエータ６４によって駆動される。このＥＧＲ弁アクチュエータ６４は、ＥＧＲ弁６３の開度が、エンジンコントローラ１００によって算出されるＥＧＲ弁開度ＥＧＲ_OPENになるようにＥＧＲ弁６３を駆動する。これにより、ＥＧＲガスの流量を適切な値に調整することが可能になる。

シリンダヘッド１３は、気筒１１毎に、該シリンダヘッド１３に取り付けられた点火プラグ５１を有する。各点火プラグ５１の先端は、各燃焼室１７内にそれぞれ臨んでいる。点火プラグ５１は、点火システム５２によって電流が供給されたときに燃焼室１７内に火花を発生させる。点火システム５２は、後に詳細に説明するように、エンジンコントローラ１００から出力された点火タイミング信号ＳＡに基づいて、点火プラグ５１に電流を供給する。

また、シリンダヘッド１３は、気筒１１毎に、該シリンダヘッド１３に取り付けられた燃料噴射弁５３を有する。各燃料噴射弁５３は、その先端が各燃焼室１７内にそれぞれ臨むように配設されていて、各燃焼室１７内に直接燃料を噴射する。詳細には、燃料噴射弁５３は、その先端が、上下方向については２つの吸気ポート１８の下方に、また、水平方向についてはそれら２つの吸気ポート１８の中間に位置するように配設されている。燃料噴射弁５３は、エンジンコントローラ１００から出力された燃料パルス信号（燃料噴射量に対応）ＦＰに基づく所定期間の間、該燃料噴射弁５３に接続されたソレノイドに、燃料供給システム５４によって電流が供給されたときに、燃焼室１７内に所定量の燃料を噴射する。

エンジンコントローラ１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとする制御装置であって、プログラムを実行する中央算出処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラムおよびデータを格納するメモリと、種々の信号の入出力を行うための入出力（Ｉ／Ｏ）バスとを含む。

エンジンコントローラ１００は、エアフローセンサ７１により検出された吸気流量ＡＦ、吸気圧センサ７２により検出されたサージタンク５５ａ内の空気圧ＭＡＰ、クランク角センサ７３により検出されたクランク角パルス信号、酸素濃度センサ７４により検出された排気ガスの酸素濃度ＥＧＯ、アクセルペダル位置センサ７５により検出された、車両のドライバのアクセルペダルの踏み込み量に対応するアクセルペダル位置α（踏み込み量が大きいほど大きい値になる）、車速センサ７６により検出された車速ＶＳＰ、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ７７により検出されたエンジン温度Ｔ_ENG、といった種々の情報を、入出力バスを介して受け入れる。そして、エンジンコントローラ１００は、気筒１１への空気充填量や点火タイミング等が、上記入力情報に基づく動作条件に従う適切な値になるように、各種アクチュエータの制御パラメータを計算する。例えば、スロットル弁開度ＴＶＯ、燃料噴射量ＦＰ、点火タイミングＳＡ、吸気カムシャフト３１の目標位相角θ_{INT_D}、ＥＧＲ弁開度ＥＧＲ_OPENといった制御パラメータが計算されて、スロットル弁アクチュエータ５８、燃料供給システム５４、点火システム５２、吸気カムシャフト位相可変機構３２、ＥＧＲ弁アクチュエータ６４に出力される。

図２及び図３に、エンジンコントローラ１００が実行する制御ルーチンを示す。

図２は、エンジンコントローラ１００が上述の各種デバイスに対する入出力を行う第１ルーチンＲ１のフローチャートを示す。最初のステップＳ１で、例えばアクセルペダル位置αといった各種信号を読み込む。次のステップＳ２では、アクセルペダル位置α、クランク角パルス信号に基づいて計算されるエンジン回転速度Ｎ_ENG（機関の速度）及び車速ＶＳＰに基づいて、目標トルクＴＱ_Dを決定（算出）する。ステップＳ２の後のステップＳ３では、目標トルクＴＱ_D及びエンジン回転速度Ｎ_ENGに基づき、燃料噴射量ＦＰ、気筒１１への空気充填量ＣＥの目標値である目標空気充填量ＣＥ_D、及び点火タイミングＳＡを決定（算出）する。燃料噴射量ＦＰ及び目標空気充填量ＣＥ_Dは、目標トルクＴＱ_Dが大きいほど多くなる。

続いて、ステップＳ４で、図４にマップとして示されるテーブル（エンジンコントローラ１００のメモリに格納されている）のデータを読み取り、このテーブルに基づいて、ステップＳ３で決定した目標空気充填量ＣＥ_D及びエンジン回転速度Ｎ_ENGに適合する、吸気カムシャフト３１の目標位相角θ_{INT_D}を決定する。この目標位相角θ_{INT_D}は、エンジン回転速度Ｎ_ENGが、予め設定された設定速度Ｎ_１よりも高いときには、エンジン回転速度Ｎ_ENGが高いほど遅角される。逆に、エンジン回転速度Ｎ_ENGが設定速度Ｎ_１以下であるときには、エンジン回転速度Ｎ_ENGが低いほど遅角される。

一方、目標空気充填量ＣＥ_Dが多いほど目標位相角θ_{INT_D}は進角される。目標空気充填量ＣＥ_Dが多い場合には、吸気弁２１は、図７の上から２段目に示すように、気筒サイクル（燃焼サイクル）においてタイミングＩＶＣ１で閉じる一方、目標空気充填量ＣＥ_Dが少ない場合には、吸気弁２１は、図７の上から３段目に示すように、気筒サイクルにおいて、上記タイミングＩＶＣ１よりも遅いタイミングＩＶＣ２で閉じる。このタイミングＩＶＣ２では、ピストン１５が実質的に上昇していて、燃焼室１７に導入された空気が吸気ポート１８へ戻される。このため、スロットル弁５７を実質的に閉じなくても、燃焼室１７への空気充填量を少なくすることができ、このようにスロットル弁５７を閉じないことで、吸気行程でポンプ損失を低減することができる。

ステップＳ４の後のステップＳ５では、ステップＳ３で決定した目標空気充填量ＣＥ_D及びエンジン回転速度Ｎ_ENGに基づいて、排気カムシャフト４１の目標位相角θ_{EXH_D}を決定する。この排気カムシャフト４１の目標位相角θ_{EXH_D}は、吸気カムシャフト３１の目標位相角θ_{INT_D}に比べて大きく変化しない。目標空気充填量ＣＥ_Dが比較的多くかつエンジン回転速度Ｎ_ENGが比較的高い領域（図５に示すマップの「ポジティブ」領域）では、排気弁２２は、図７の上から２段目に示すように、気筒サイクルにおいて下死点前のタイミングＥＶＯ１で開きかつ上死点後のタイミングＥＶＣ１で閉じる。この領域では、吸気弁２１は、気筒サイクルにおいて上死点前のタイミングＩＶＯ１で開きかつ下死点後のタイミングＩＶＣ１で閉じる。したがって、吸気弁２１は、排気弁２２が閉じるタイミングＥＶＣ１前のタイミングＩＶＯ１で開く。この結果、タイミングＩＶＯ１及びタイミングＥＶＣ１間には、吸気弁２１及び排気弁２２の両方が開いている期間、つまりオーバーラップ期間が存在する。

目標空気充填量ＣＥ_D及びエンジン回転速度Ｎ_ENGが上記ポジティブ領域にない他の領域（図５に示すマップの「ネガティブ」領域）では、排気弁２２は、図７の上から３段目及び最下段に示すように、気筒サイクルにおいて下死点前のタイミングＥＶＯ２で開きかつ上死点後のタイミングＥＶＣ２で閉じる。この領域では、吸気弁２１は、気筒サイクルにおいて上死点後のタイミングＩＶＯ２で開きかつ下死点後のタイミングＩＶＣ２で閉じる。したがって、吸気弁２１は、排気弁２２が閉じるタイミングＥＶＣ２後のタイミングＩＶＯ２で開く。この結果、タイミングＥＶＣ２及びタイミングＩＶＯ２間には、吸気弁２１及び排気弁２２の両方が閉じている期間、つまりネガティブオーバーラップ期間が存在する。

図２に戻って、次のステップＳ６では、目標空気充填量ＣＥ_D及びエンジン回転速度Ｎ_ENGに基づいて、スロットル弁５７の開度ＴＶＯの目標値である目標スロットル弁開度ＴＶＯ_Dを決定（算出）する。それから、ステップＳ７に進んで、後に詳細に説明する第２ルーチンＲ２の計算結果から、気筒サイクルにおける燃料噴射のパルス幅（以下、燃料パルス幅という）ＦＰ０，ＦＰ１，ＦＰ２，ＦＰ３及び／又はＦＰ４（それぞれ噴射量に対応）を読み込む。

ステップＳ７の後のステップＳ８では、上記決定した制御パラメータ（燃料噴射量ＦＰ、点火タイミングＳＡ、吸気カムシャフト３１の目標位相角θ_{INT_D}、目標スロットル弁開度ＴＶＯ_D等）に従って、それぞれのアクチュエータを駆動する。具体的には、信号θ_{INT_D}は、吸気カムシャフト位相可変機構３２に出力される。これにより、吸気カムシャフト位相可変機構３２は、クランクシャフト１４に対する吸気カムシャフト３１の位相がθ_{INT_D}に対応した値になるように作動する。信号ＴＶＯ_Dは、スロットル弁アクチュエータ５８に出力される。これにより、スロットル弁アクチュエータ５８は、スロットル弁５７の開度ＴＶＯがＴＶＯ_Dに対応した値になるように作動する。信号ＦＰ０，ＦＰ１等は、燃料供給システム５４に出力される。点火タイミングＳＡは、点火システム５２に出力される。これにより、気筒サイクルにおいてＳＡに対応したタイミングで、点火プラグ５１が火花を発生して、燃焼室１７内で混合気が点火される。すなわち、主としてアクセルペダル位置αから算出される目標トルクがエンジン１に発生するように、適切なタイミングで、所望の量の空気及び燃料からなる混合気が点火されて燃焼される。ステップＳ８の後、第１ルーチンＲ１はリターンする。

図３は、第１ルーチンＲ１のステップＳ７で読み込まれる燃料パルス幅ＦＰ０，ＦＰ１，ＦＰ２，ＦＰ３及び／又はＦＰ４を計算するために実行される第２ルーチンＲ２のフローチャートを示す。

最初のステップＳ２１で、各種信号を読み込む。次のステップＳ２２で、燃料カットフラグＦ_FCが１に設定されているか否か（つまり、燃料噴射の停止中であるか否か）を判定する。ステップＳ２２の判定がＮＯであるとき（燃料噴射の停止中でないとき）には、ステップＳ２３に進んで、エンジン回転速度Ｎ_ENGが燃料カット速度Ｎ_FC（例えば１０００ｒｐｍ）以上であるか否かを判定する。このステップＳ２３の判定がＮＯであるときには、ステップＳ２４に進んで、一括噴射の燃料パルス幅ＦＰ０（第１ルーチンＲ１のステップＳ３で決定される燃料噴射量ＦＰに等しい）を算出し、しかる後にリターンする。他の燃料パルス幅ＦＰ１乃至ＦＰ４は０である。第１ルーチンＲ１のステップＳ８で、燃料噴射弁５３は、図７の上から２段目に示すように、吸気弁２１が開いた後の所定タイミング（燃料パルス幅ＦＰ０の始端のタイミング）で該燃料噴射弁５３のノズルが開きかつ燃料パルス幅ＦＰ０の終端のタイミングで該ノズルが閉じるように駆動される。これにより、燃料噴射弁５３が気筒サイクルにおける吸気行程で燃料を噴射する。

上記ステップＳ２３で、エンジン回転速度Ｎ_ENGが燃料カット速度Ｎ_FC以上である（ＹＥＳ）と判定されたときには、ステップＳ２５に進んで、アクセルペダル位置αが燃料カット位置α_FC以下であるか否かを判定する。このステップＳ２５の判定がＮＯであるときには、ステップＳ２４に進み、その後にリターンする。

上記ステップＳ２５で、アクセルペダル位置αが燃料カット位置α_FC以下である（ＹＥＳ）と判定されたときには、ステップＳ２６に進んで、燃料パルス幅ＦＰ０を０に設定する。そして、次のステップＳ２７で、燃料カットフラグＦ_FCを１に設定し、しかる後にリターンする。燃料噴射弁５３は、第１ルーチンのステップＳ７で、そのノズルが開くようには駆動されず、燃料噴射が停止される。

一方、上記ステップＳ２２で、燃料カットフラグＦ_FCが１に設定されている（ＹＥＳ）と判定されたとき、言い換えると、燃料噴射が停止されているときには、ステップＳ２８に進んで、アクセルペダル位置αが燃料カット位置α_FCよりも大きいか否かを判定する。このステップＳ２８の判定がＮＯであるときには、ステップＳ２９に進んで、エンジン回転速度Ｎ_ENGが、燃料カット速度Ｎ_FCよりも低い値に設定された燃料再開速度Ｎ_FR（例えば９００ｒｐｍ）よりも低いか否かを判定する。ステップＳ２９の判定がＮＯであるときには、ステップＳ３０に進んで、燃料パルス幅ＦＰ０を０に設定する。つまり、燃料カットを継続する。尚、燃料再開速度Ｎ_FRを燃料カット速度Ｎ_FCと同じ値に設定してもよい。

上記ステップＳ２９で、エンジン回転速度Ｎ_ENGが燃料再開速度Ｎ_FRよりも低い（ＹＥＳ）と判定されたときには、ステップＳ３１に進んで、燃料におけるエタノール含有量Ｃ_ETと、水温センサ７７により検出されたエンジン温度Ｔ_ENGとに基づいて、
ＤＲ_１＋ＤＲ_２＝１
を満たすように、第１燃料分割比率ＤＲ_１及び第２燃料分割比率ＤＲ_２（＜ＤＲ_１）を決定する。

上記エタノール含有量Ｃ_ETは、従来から知られているように、燃料噴射量ＦＰと酸素濃度センサ７４により検出された排気ガスの酸素濃度とから導かれる。上記第１及び第２燃料分割比率ＤＲ_１，ＤＲ_２は、図８及び図９にマップとして示されるテーブル（エンジンコントローラ１００のメモリに格納されている）に従って決定される。

ステップＳ３１の後のステップＳ３２では、燃料パルス幅ＦＰ１，ＦＰ２（以下、それぞれ第１燃料パルス幅ＦＰ１及び第２燃料パルス幅ＦＰ２という）を下記の式より計算する。

ＦＰ１＝ＦＰ×ＤＲ_１
ＦＰ２＝ＦＰ×ＤＲ_２
ＤＲ_１＋ＤＲ_２＝１であり、ＦＰ１＋ＦＰ２＝ＦＰであるので、他の燃料パルス幅ＦＰ０，ＦＰ３，ＦＰ４は０である。

第１ルーチンＲ１のステップＳ８で、燃料噴射弁５３は、図７の上から３段目に示すように、排気弁２２が閉じた後の所定タイミング（第１燃料パルス幅ＦＰ１の始端のタイミング）で該燃料噴射弁５３のノズルが開きかつ第１燃料パルス幅ＦＰ１の終端のタイミングで該ノズルが閉じるように駆動されるとともに、吸気弁２１が開いた後の所定タイミング（第２燃料パルス幅ＦＰ２の始端のタイミング）で上記ノズルが開きかつ第２燃料パルス幅ＦＰ２の終端のタイミングで該ノズルが閉じるように駆動される。尚、ＦＰ２が０になる場合があり、この場合には、吸気弁２１が開いているときに燃料は噴射されない。ステップＳ３２の後のステップＳ３３では、燃料カットフラグＦ_FCが０にリセットされ、しかる後にリターンする。

したがって、燃料噴射弁５３は、各気筒１１の気筒サイクルにおいて、タイミングＥＶＣ２及びタイミングＩＶＯ２間であるネガティブオーバーラップ期間（詳細には、ネガティブオーバーラップ期間の一部であって気筒１１内の圧力が、排気弁２２が閉じたときの圧力よりも低い負圧期間）に、第１燃料パルス幅ＦＰ１に対応する第１量の燃料を噴射するとともに、タイミングＩＶＯ２及びタイミングＩＶＣ２間である吸気行程（吸気期間）で、第２燃料パルス幅ＦＰ２に対応する第２量（第１量よりも少なく０を含む）の燃料を噴射する。各気筒１１において、次の気筒サイクルからは、燃料噴射弁５３は、上述の如く、吸気行程で燃料を噴射する。

上記ステップＳ２８で、アクセルペダル位置αが燃料カット位置α_FCよりも大きい（ＹＥＳ）と判定されたときには、ステップＳ３４に進んで、燃料におけるエタノール含有量Ｃ_ETと、水温センサ７７により検出されたエンジン温度Ｔ_ENGとに基づいて、
ＤＲ_３＋ＤＲ_４＝１
を満たすように、第３燃料分割比率ＤＲ_３及び第４燃料分割比率ＤＲ_４（＞ＤＲ_３）を決定する。

第３及び第４燃料分割比率ＤＲ_３，ＤＲ_４は、図８及び図９にマップとして示されるテーブル（エンジンコントローラ１００のメモリに格納されている）に従って決定される。

ステップＳ３４の後のステップＳ３５では、燃料パルス幅ＦＰ３，ＦＰ４（以下、それぞれ第３燃料パルス幅ＦＰ３及び第４燃料パルス幅ＦＰ４という）を下記の式より計算する。

ＦＰ３＝ＦＰ×ＤＲ_３
ＦＰ４＝ＦＰ×ＤＲ_４
ＤＲ_３＋ＤＲ_４＝１であり、ＦＰ３＋ＦＰ４＝ＦＰであるので、他の燃料パルス幅ＦＰ０，ＦＰ１，ＦＰ２は０である。第１ルーチンＲ１のステップＳ８で、燃料噴射弁５３は、図７の最下段に示すように、排気弁２２が閉じた後の所定タイミング（第３燃料パルス幅ＦＰ３の始端のタイミング）で該燃料噴射弁５３のノズルが開きかつ第３燃料パルス幅ＦＰ３の終端のタイミングで該ノズルが閉じるように駆動されるとともに、吸気弁２１が開いた後の所定タイミング（第４燃料パルス幅ＦＰ４の始端のタイミング）で上記ノズルが開きかつ第４燃料パルス幅ＦＰ４の終端のタイミングで該ノズルが閉じるように駆動される。尚、ＦＰ３が０になる場合があり、この場合には、排気弁２２が閉じた後でかつ吸気弁２１が開く前に燃料は噴射されない。ステップＳ３５の後、ステップＳ３３に進み、しかる後にリターンする。

したがって、燃料噴射弁５３は、各気筒１１の気筒サイクルにおいて、タイミングＥＶＣ２及びタイミングＩＶＯ２間であるネガティブオーバーラップ期間（詳細には、ネガティブオーバーラップ期間の一部であって気筒１１内の圧力が、排気弁２２が閉じたときの圧力よりも低い負圧期間）に、第３燃料パルス幅ＦＰ３に対応する第３量（第４量よりも少なく０を含む）の燃料を噴射するとともに、タイミングＩＶＯ２及びタイミングＩＶＣ２間である吸気行程（吸気期間）で、第４燃料パルス幅ＦＰ４に対応する第４量の燃料を噴射する。各気筒１１において、次の気筒サイクルからは、燃料噴射弁５３は、上述の如く、吸気行程で燃料を噴射する。

第２ルーチンのステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２５，Ｓ２６に従って、エンジン回転速度Ｎ_ENGが燃料カット速度Ｎ_FC以上でありかつアクセルペダル位置αが燃料カット位置α_FC以下であるとき、図６に示すように、燃料噴射が停止する。

燃料噴射が停止した後、第２ルーチンのステップＳ２８，Ｓ２９，Ｓ３０に従って、アクセルペダル位置αが燃料カット位置α_FCを超えて上昇せずかつエンジン回転速度Ｎ_ENGが、燃料カット速度Ｎ_FCよりも低い値に設定された燃料再開速度Ｎ_FR よりも低下しない場合には、図６に示すように、燃料噴射の停止（燃料カット）が継続される。

燃料噴射の停止中にエンジン回転速度Ｎ_ENGが燃料再開速度Ｎ_FR よりも低下したときには、図７の上から３段目に示すように、ピストン１５が、排気弁２２がタイミングＥＶＣ２で閉じる位置から気筒１１の軸線方向に下降した後でかつ吸気弁２１がタイミングＩＶＯ２で開く前に、燃料噴射弁５３が、第１燃料パルス幅ＦＰ１に対応する第１量の燃料を噴射する。したがって、気筒１１内の圧力が、排気弁２２が閉じたときの圧力よりも低いときに第１量の燃料が噴射され、この噴射された燃料は、気筒１１内の圧力が高くなったときに、気化し易くなる。

図８及び図９の上段に示すように、エタノール含有量Ｃ_ETが、エンジン温度Ｔ_ENGに依存する第１所定値Ｃ_ET11以上であるときに、第１燃料分割比率ＤＲ_１が１に設定され、第２燃料分割比率ＤＲ_２が０に設定される。言い換えると、第１量ＦＰ１は、燃料噴射量ＦＰのトータル量に等しい。したがって、燃料の全量が負圧期間に噴射され、気筒１１内の低圧力が、揮発性が低いエタノール燃料の気化を促進する。

上記第１所定値Ｃ_ET11からエタノール含有量Ｃ_ETが少ないほど、第１燃料分割比率ＤＲ_１は小さくなり、エンジン温度Ｔ_ENGに依存する第２所定値Ｃ_ET1２で０になり、第２所定値Ｃ_ET1２以下では、第１燃料分割比率ＤＲ_１が０（一定値）に設定される。一方、第２燃料分割比率ＤＲ_２は、第１所定値Ｃ_ET11からエタノール含有量Ｃ_ETが少ないほど、多くなり、第２所定値Ｃ_ET1２で１になり、第２所定値Ｃ_ET1２以下では、第２燃料分割比率ＤＲ_２が１（一定値）に設定される。これにより、燃料の揮発性が低いほど（エタノール含有量が多いほど燃料の揮発性が低いとされる）、第１量ＦＰ１が多くなる。また、エタノール含有量が所定値（第１所定値Ｃ_ET11と第２所定値Ｃ_ET1２との間の値）よりも大きいときにおいて、第２量ＦＰ２が第１量ＦＰ１よりも少なくなることになる。尚、エタノール含有量に関係なく、第２量ＦＰ２を第１量ＦＰ１よりも少なくなるようにしてもよい。但し、エタノール含有量が少ない状態でネガティブオーバーラップ期間中に燃料噴射する場合、ピストン１５への燃料の付着というデメリットが、気化霧化向上というメリットを上回る可能性が高くなるため、第１及び第２燃料分割比率ＤＲ_１，ＤＲ_２を図８及び図９の上段に示す如く設定することが好ましい。

図８及び図９を比較して分かるように、エンジン温度Ｔ_ENGが低いほど、上記第１及び第２所定値Ｃ_ET11，Ｃ_ET1２は小さい値に設定される。この結果、エタノール含有量が少ないほど、又は、エンジン温度が高いほど、負圧期間に噴射される燃料の第１量が少なくなる。このように第１量が少なくなることで、ピストン１５が燃料噴射弁５３の近くに位置している負圧期間に過度の燃料が噴射されるのを抑制することができ、ピストン１５の頂面に多くの燃料が付着するのを抑制することができる。

燃料噴射の停止中にアクセルペダル位置αが燃料カット位置α_FCを超えて上昇したときには、図７の最下段に示すように、ピストン１５が、排気弁２２がタイミングＥＶＣ２で閉じる位置から気筒１１の軸線方向に下降した後で吸気弁２１がタイミングＩＶＯ２で開く前に、燃料噴射弁５３が、第３燃料パルス幅ＦＰ３に対応する第３量の燃料を噴射する。したがって、気筒１１内の圧力が、排気弁２２が閉じたときの圧力よりも低いときに第３量の燃料が噴射され、気筒サイクルの吸気行程で第４量の燃料が噴射される。

図８及び図９の下段に示すように、エタノール含有量Ｃ_ETが、エンジン温度Ｔ_ENGに依存する所定値Ｃ_ET4以下であるときに、第３燃料分割比率ＤＲ_１が０に設定され、第４燃料分割比率ＤＲ_２が１に設定される。言い換えると、第４量ＦＰ４は、燃料噴射量ＦＰのトータル量に等しい。したがって、燃料の全量が吸気行程で噴射される。

エタノール含有量Ｃ_ETが所定値Ｃ_ET4よりも多いときには、エタノール含有量Ｃ_ETが多いほど、第３燃料分割比率ＤＲ_１は大きくなり、第４燃料分割比率ＤＲ_２は小さくなる。エタノール含有量Ｃ_ETが１００％である場合、第３燃料パルス幅ＦＰ３に対応する第３量は、燃料噴射量ＦＰのトータル量の一部であって、最大でも１／２よりも小さい。

図８及び図９を比較して分かるように、エンジン温度Ｔ_ENGが低いほど、上記所定値Ｃ_ET4は小さい値に設定される。この結果、エタノール含有量が少ないほど、又は、エンジン温度が高いほど、負圧期間に噴射される燃料の第３量が少なくなる。したがって、ピストン１５が燃料噴射弁５３の近くに位置している負圧期間に過度の燃料が噴射されるのを抑制することができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、ここに述べられている種々の改良に限られるものでもない。したがって、特許請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

上記実施形態では、第１及び第３燃料パルス幅ＦＰ１，ＦＰ３に対応する第１量及び第３量の燃料噴射が、吸気弁２１が開く前に完了するようにしているが、燃料噴射の開始が負圧期間である限り、吸気弁２１が開いてから僅かな時間経過後に燃料噴射が完了するようにしてもよい。

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関の制御方法及び火花点火式内燃機関システムに有用である。

１ エンジン（火花点火式内燃機関）
１７ 燃焼室
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
３２ 吸気カムシャフト位相可変機構（可変動弁機構の一例）
４２ 排気カムシャフト位相可変機構（可変動弁機構の一例）
５３ 燃料噴射弁
１００ エンジンコントローラ（制御器の一例）

Claims (10)

1. 燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた火花点火式内燃機関の制御方法であって、
   上記機関の要求トルクが所定トルク以下でありかつ上記機関の速度が所定速度以上であるときに、上記燃料噴射弁による燃料噴射を停止する工程と、
   上記燃料噴射の停止中に上記機関の速度が上記所定速度又は上記所定速度よりも低い値に設定された燃料再開速度よりも低下したときには、気筒サイクルにおいて上記燃焼室の排気弁が閉じた後でかつ上記燃焼室の吸気弁が開く前のネガティブオーバーラップ期間の一部であって上記燃焼室内の圧力が上記排気弁が閉じたときの圧力よりも低い負圧期間に、上記燃焼室内へ第１量の燃料を直接噴射するとともに、上記吸気弁が開いている吸気期間に、上記燃焼室内へ上記第１量よりも少なく０を含む第２量の燃料を直接噴射することにより、上記燃料噴射を再開する工程と、
   上記燃料噴射の停止中に上記機関の要求トルクが上記所定トルクを超えて上昇したときには、上記負圧期間に上記燃焼室内へ第３量の燃料を直接噴射するとともに、上記吸気期間に上記燃焼室内へ第４量の燃料を直接噴射することにより、上記燃料噴射を再開する工程と、を備え、
   上記第３量は、上記第４量よりも少なく０を含むことを特徴とする火花点火式内燃機関の制御方法。
2. 請求項１記載の火花点火式内燃機関の制御方法において、
   上記燃料の揮発性が低いほど上記第１量を多くすることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御方法。
3. 請求項２記載の火花点火式内燃機関の制御方法において、
   上記燃料のエタノールの含有量を決定して、該エタノール含有量が多いほど上記燃料の揮発性が低いとする工程を更に備えていることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関の制御方法において、
   上記機関の温度が低いほど上記第１量を多くすることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関の制御方法において、
   上記機関の要求トルクが大きいほど上記ネガティブオーバーラップ期間を短くする工程を更に備えていることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御方法。
6. 請求項５記載の火花点火式内燃機関の制御方法において、
   上記機関の要求トルクが大きいほど気筒サイクルにおいて上記吸気弁が早く開く工程を更に備えていることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御方法。
7. 火花点火式内燃機関と、
   上記機関の燃焼室へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   上記燃料噴射弁を制御する制御器と、を備えた火花点火式内燃機関システムであって、
   上記制御器は、
   上記機関の要求トルクが所定トルク以下でありかつ上記機関の速度が所定速度以上であるときに、上記燃料噴射弁による燃料噴射を停止し、かつ、
   上記燃料噴射の停止中に上記機関の速度が上記所定速度又は上記所定速度よりも低い値に設定された燃料再開速度よりも低下したときには、気筒サイクルにおいて上記燃焼室の排気弁が閉じた後でかつ上記燃焼室の吸気弁が開く前のネガティブオーバーラップ期間の一部であって上記燃焼室内の圧力が上記排気弁が閉じたときの圧力よりも低い負圧期間に、上記燃焼室内へ第１量の燃料を直接噴射するとともに、上記吸気弁が開いている吸気期間に、上記燃焼室内へ上記第１量よりも少なく０を含む第２量の燃料を直接噴射することにより、上記燃料噴射を再開し、かつ、
   上記燃料噴射の停止中に上記機関の要求トルクが上記所定トルクを超えて上昇したときには、上記負圧期間に上記燃焼室内へ第３量の燃料を直接噴射するとともに、上記吸気期間に上記燃焼室内へ第４量の燃料を直接噴射することにより、上記燃料噴射を再開するように、上記燃料噴射弁を制御するものであり、
   上記第３量は、上記第４量よりも少なく０を含むことを特徴とする火花点火式内燃機関システム。
8. 請求項７記載の火花点火式内燃機関システムにおいて、
   上記制御器は、上記燃料の揮発性が低いほど上記第１量が多くなるように、上記燃料噴射弁を制御することを特徴とする火花点火式内燃機関システム。
9. 請求項７又は８記載の火花点火式内燃機関システムにおいて、
   上記ネガティブオーバーラップ期間を変更する可変動弁機構を更に備え、
   上記制御器は、上記ネガティブオーバーラップ期間が長くなるように上記可変動弁機構を制御することを特徴とする火花点火式内燃機関システム。
10. 請求項９記載の火花点火式内燃機関システムにおいて、
    上記制御器は、上記機関の要求トルクが小さいほど気筒サイクルにおいて上記吸気弁が遅く開くように、上記可変動弁機構を制御することを特徴とする火花点火式内燃機関システム。

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