JP4910877B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置及び燃料噴射制御システム - Google Patents

内燃機関の燃料噴射制御装置及び燃料噴射制御システム Download PDF

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Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁を操作することで燃料噴射制御を行う内燃機関の燃料噴射制御装置及び燃料噴射制御システムに関する。
この種の燃料噴射制御装置としては、燃料噴射弁による燃料の噴射前の所定のタイミングで燃料噴射期間を算出し、これに基づき燃料噴射弁を操作するものが周知である。ただし、この場合、ガソリン機関の運転状態が変化する過渡時にあっては、所定のタイミングで算出した噴射期間内に噴射される燃料量が実際の噴射タイミングにおける燃料量としては適切なものとはならないおそれがある。
そこで従来は、例えば下記特許文献1に見られるように、ガソリン機関の加速時において、加速要求の継続に応じて、ガソリン機関の出力軸の回転角度とは非同期に燃料を噴射する非同期噴射を行うことも提案されている。
特開平9−317529号公報
ところで、上記燃料噴射制御装置では、定常運転時と加速運転時とで燃料噴射制御を変更する必要が生じる等、その処理が煩雑なものとなっている。更に、上記制御装置では、ガソリン機関が減速するときにおいて、ガソリン機関の定常時と同一の制御を行うために、燃料噴射量が過剰となるおそれもある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関の過渡運転時であっても、適切な量の燃料を噴射することのできる内燃機関の燃料噴射制御装置及び燃料噴射制御システムを提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
第1の構成は、前記内燃機関の吸気相当量を検出する検出手段による検出値を取得する取得手段と、前記吸気相当量の検出値に基づき、前記内燃機関の燃料噴射期間を設定する設定手段とを備え、前記設定手段は、前記燃料噴射弁を介して燃料が噴射されているときにおける前記検出値に基づき、前記燃料噴射期間を設定することを特徴とする。
内燃機関にとって必要な燃料量は、吸気相当量に応じて変化する。一方、内燃機関の過渡運転時には、実際に燃料の噴射がなされる前後の吸気相当量が相違する。このため、燃料噴射前の吸気相当量によって噴射量(燃料噴射期間)を定めたのでは、適量の燃料を噴射することができないおそれがある。この点、上記発明では、燃料が噴射されている期間における吸気相当量の検出値に基づき燃料噴射期間を設定することで、内燃機関の過渡運転時であっても、適切な量の燃料を噴射することができる。
第2の構成は、第1の構成において、前記設定手段は、前記内燃機関の燃料噴射に先立つタイミングにおける前記検出値に基づき前記燃料噴射期間を設定する手段と、前記燃料が噴射されているときにおける前記検出値に応じて前記燃料噴射期間を変更する変更手段とを備えることを特徴とする。
上記発明では、変更手段を備えることで、燃料噴射に先立つタイミングにおける検出値に応じた燃料噴射期間が適切でない場合であっても、これを燃料噴射時の吸気相当量に応じて変更することで、燃料噴射量を適量とすることができる。
第3の構成は、第2の構成において、前記変更手段は、前記燃料が噴射されているときにおける都度の前記検出値に基づき燃料噴射期間を算出する手段と、今回算出される燃料噴射期間とそれ以前に算出されている燃料噴射期間とを比較する比較手段と、該比較手段による比較対象が互いに一致しないとき、前記以前に算出されている燃料噴射期間を今回算出される燃料噴射期間で置き換える手段とを備えることを特徴とする。
上記発明では、今回算出される燃料噴射期間とそれ以前に算出されている燃料噴射期間とを比較することで、以前に算出された燃料噴射期間が最新の吸気相当量にとって適切な値か否かを判断することができる。このため、燃料噴射期間の変更を適切に行うことができる。
第4の構成は、第3の構成において、前記今回算出された燃料噴射期間によって定まる噴射終了タイミングに対して現在のタイミングが遅延しているとき、燃料噴射を直ちに終了する終了手段を更に備えることを特徴とする。
上記発明では、終了手段を備えることで、今回燃料噴射期間を算出したタイミングにおける吸気相当量にとってすでに噴射された燃料量が過剰であるときには直ちに燃料噴射が終了される。このため、燃料が過剰に噴射されることを極力抑制することができる。
第5の構成は、第1〜4のいずれかの構成において、前記取得手段は、前記内燃機関の出力軸の所定の回転角度毎に前記検出手段によって検出される前記検出値を都度取得するものであり、前記設定手段は、前記都度取得される検出値に基づき前記燃料噴射期間を設定することを特徴とする。
上記発明では、内燃機関の出力軸の所定の回転角度毎に検出値を取得するために、内燃機関の回転速度にかかわらず、燃料噴射期間の設定に際して参照する検出値の取得頻度を一定に保つことができる。
第6の構成は、第1〜5のいずれかの構成において、前記吸気相当量が、前記内燃機関の吸気通路の流路面積を調節する吸気絞り弁によって調節された流路面積であることを特徴とする。
流路面積を調節する吸気絞り弁を備えるものにあっては、調節される流路面積を検出する検出手段を備えるのが一般的である。この点、上記発明では、流路面積を吸気相当量とすることで、吸気量センサ(マスフローセンサ)や吸気圧センサを備えなくても、簡易に燃料噴射期間を設定することができる。
第7の構成は、第6の構成において、前記設定手段は、前記内燃機関の出力軸の回転速度及び前記流路面積と前記燃料噴射期間とを関係付ける関係情報に基づき、前記燃料噴射期間を設定することを特徴とする。
上記発明では、関係情報を用いることで燃料噴射期間を簡易且つ適切に設定することができる。
第8の構成は、第1〜7のいずれかの構成と、前記燃料噴射弁と、前記検出手段とを備えることを特徴とする燃料噴射制御システム。
以下、本発明にかかる燃料噴射制御装置を自動2輪車に搭載されるガソリン機関の燃料噴射制御装置に適用した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に、本実施形態にかかる内燃機関の制御システムの全体構成を示す。図示されるように、ガソリン機関10は、火花点火式レシプロエンジンであり、シリンダブロック12を備え、シリンダブロック12によりシリンダ14が形成されている。シリンダブロック12には、ガソリン機関10内において冷却水を循環させるための冷却水路16が設けられており、冷却水によりガソリン機関10が冷却されている。また、シリンダ14内には、ピストン18が収容され、ピストン18の往復動により、出力軸としてのクランク軸20が回転するようになっている。このクランク軸20の外周側には、所定クランク角毎に(例えば30°CA周期で)クランク角信号を出力するクランク角センサ22が設けられ、クランク軸20の回転角度が検出可能とされている。また、シリンダブロック12の上端面にはシリンダヘッドが固定されており、シリンダヘッド、シリンダブロック12及びピストン18によって燃焼室24が区画形成されている。
シリンダヘッドには、燃焼室24に開口する吸気ポート(吸気口)と排気ポート(排気口)とが形成されており、これら吸気ポート及び排気ポートは、それぞれクランク軸20に連動するカム軸に取り付けられたカム(図示略)によって駆動される吸気弁26と排気弁28とにより開閉される。また、吸気ポートには、シリンダ14内に外気(新気)を吸入するための吸気通路30が接続され、排気ポートには、シリンダ14からの燃焼ガス(排気)を排出するための排気通路32が接続されている。そして、吸気通路30の中途には、吸気脈動や吸気干渉を防ぐ等の目的で通路面積の拡大(拡径)されたサージタンク34が設けられている。
ガソリン機関10の吸気通路30(吸気通路)には、ユーザのアクセルグリップ36の操作によって機械的に開度調節されるスロットルバルブ38(吸気絞り弁)と、スロットルバルブ38の開度(スロットル開度)や動き(開度変動)を検出するためのスロットルセンサ40とが設けられている。そして、スロットル開度に応じてその下流側に吸入される空気量を調節することができる。
また吸気通路30には、シリンダ14の吸気ポート近傍にて燃料を噴射供給する電子制御式の燃料噴射弁42が取り付けられている。この燃料噴射弁42により、吸気通路30、特にシリンダ14の吸気ポートに対して、燃料(ガソリン)が噴射供給(ポート噴射)される。
ガソリン機関10では、上記燃料噴射弁42により噴射された燃料(厳密には吸入空気との混合気)に対して点火を行うことでその燃料を燃焼させる。このため、ガソリン機関10のシリンダヘッドには、点火コイル等からなる点火装置等を備えた点火プラグ44が取り付けられている。すなわち、ガソリン機関10において点火を行う際には、上記点火プラグ44に対して、所望の点火時期で高電圧が印加される。そして、この高電圧の印加により、各点火プラグ44の対向電極間に火花放電が発生し、発生した火花放電によって、燃焼室24内に導入された混合気が着火し、吸気と燃料との反応によって燃料が燃焼する。
電子制御装置(ECU50)は、各種の演算を行う中央処理装置(CPU52)や、その演算途中のデータや演算結果等を一時的に記憶するメインメモリとしてのRAM54(Random Access Memory)、プログラムメモリとしての読み出し専用記憶装置(ROM56)等を備えている。更に、ECU50は、上記クランク角センサ22やスロットルセンサ40等の各種センサの出力信号をディジタルデータに変換するA/D変換器58を備えている。
ECU50は、上記クランク角センサ22やスロットルセンサ40等の各種センサの検出値に基づき、燃料噴射弁42や点火装置等の各種アクチュエータを操作することで、ガソリン機関10の燃焼制御を行う。特にECU50では、ガソリン機関10の燃焼状態を所望に制御すべく、燃料噴射制御を行う。以下、図2及び図3を用いて、本実施形態にかかる燃料噴射制御について詳述する。
図2は、本実施形態にかかる燃料噴射弁42の操作に関する処理手順である。この処理は、ECU50により、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS10において、燃料噴射時期算出用の規定角度αであるか否かを判断する。ここで、規定角度αは、燃料噴射が開始され得る最進角側のクランク角度よりも進角側に設定されている。そして、規定角度αであると判断されるときには、ステップS12において、スロットルセンサ40によって検出されるスロットル開度と、クランク角センサ22の検出値に応じた回転速度とを取得する。詳しくは、クランク角センサ22の出力及びスロットルセンサ40の出力を、A/D変換器58に順次取り込み、これらをディジタルデータに変換することで、CPU52にて処理可能なディジタルの検出値とする。そして、ステップS14では、スロットル開度θと回転速度とに基づき、燃料噴射弁に対する燃料の噴射開始時期の指令値(指令噴射開始時期TFIN)を算出する。詳しくは、スロットル開度及び回転速度と指令噴射開始時期との関係を定めるマップを用いて、指令噴射開始時期を算出する。
続くステップS16では、スロットル開度及び回転速度に基づき、燃料噴射弁42による燃料の噴射期間(噴射パルス幅τ)を算出する。詳しくは、スロットル開度及び回転速度と指令噴射開始時期との関係を定めるマップを用いて、噴射パルス幅τを算出する。噴射パルス幅τは、燃料噴射量を定めるものである。すなわち、噴射パルス幅τが大きいほど、燃料噴射量が増大する。ちなみに、噴射パルス幅τは、スロットル開度θが大きいほど、また、回転速度が大きいほど、大きい値に設定される。
続くステップS18では、上記ステップS14にて算出した指令噴射開始時期であるか否かを判断する。そして、指令噴射開始時期となるまで待機し、指令噴射開始時期となると(ステップS18:YES)、ステップS20において燃料噴射弁42を通電することで、燃料噴射弁42を開弁させる。これにより、吸気通路30に燃料が噴射される。
上記処理によれば、ガソリン機関10の都度の運転状態に応じて燃料噴射量を設定することができる。ここで、スロットル開度θは、ガソリン機関10の吸入空気量を調節するパラメータであるため、スロットル開度θによってガソリン機関10の吸入空気量を簡易に把握することができる。このため、本実施形態では、スロットル開度及び回転速度に基づき、都度の回転速度及び吸気量にとって適切な量の燃料を噴射することができる。
ただし、この図2に示した処理によって算出される噴射パルス幅τは、ガソリン機関10の過度運転時には適切な値とならないおそれがある。すなわち、例えばガソリン機関10の加速運転時にあっては、スロットル開度θが増大することで噴射量を増量する要求が生じる。しかし、実際に燃料が噴射されるときにおけるスロットル開度θよりも規定角度αにおいて検出されるスロットル開度θの方が小さくなるため、燃料量が不足する。これにより、アクセルグリップ36の操作によるユーザの加速要求に適切に応じることが困難となる。また、この際には、ECU50により空燃比フィードバック制御がなされていたとしても、フィードバック制御が間に合わないため、排気特性が低下する。
一方、ガソリン機関10の減速運転時にあっては、スロットル開度θが減少することで噴射量を減量する要求が生じる。しかし、実際に燃料が噴射されるときにおけるスロットル開度θよりも規定角度αにおいて検出されるスロットル開度θの方が大きくなるため、燃料量が過剰となる。これにより、ECU50により空燃比フィードバック制御がなされていたとしても、フィードバック制御が間に合わないため、排気特性が低下する。
そこで本実施形態では、燃料噴射がなされているときにおけるスロットル開度θに基づき噴射パルス幅τを再算出することで、最終的な噴射パルス幅τを実際の噴射期間中のスロットル開度θに基づき設定する。図3に、噴射パルス幅τの変更にかかる処理の手順を示す。この処理は、ECU50により、例えば先の図2の処理が完了した後、燃料噴射が終了するまでの期間において、クランク角センサ22から出力される所定周期のクランク角信号をトリガとして繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS10において、最新の回転速度を取得する。続くステップS32では、最新のスロットル開度を取得する。すなわち、スロットルセンサ40の出力信号をA/D変換器58によってディジタルデータに変換することで、最新のスロットル開度を取得する。続くステップS34においては、上記ステップ30にて取得された回転速度と、ステップS32において取得されたスロットル開度とに基づき、噴射パルス幅τnewを算出する。ここでは、先の図3のステップS16に示した処理と同一の処理を行うことで、噴射パルス幅τnew算出する。
続くステップS36では、現在設定されている噴射パルス幅τが、今回のステップS34において算出された噴射パルス幅τnewと一致するか否かを判断する。この処理は、現在設定されている噴射パルス幅τが、上記ステップ30にて取得される最新の回転速度やステップS32にて取得される最新のスロットル開度θにとって適切なものであるか否かを判断するものである。そして、ステップS36において否定判断されるときには、ステップS38に移行する。ステップS38においては、燃料の噴射が開始されてからの期間(噴射期間T)が、上記ステップS34にて算出された最新の噴射パルス幅τnewよりも長いか否かを判断する。この処理は、直ちに燃料噴射を停止すべきか否かを判断するものである。噴射期間Tが噴射パルス幅newよりも長い場合には、今回の燃料噴射による噴射量が既に最新のスロットル開度θにとって適切な噴射量を超えており、直ちに燃料噴射を停止することが望まれると判断する。
すなわち、ステップS38において肯定判断されるときには、ステップS40において、燃料噴射弁42の通電を停止する。これに対し、ステップS38において否定判断されるときには、ステップS42に移行する。ステップS42では、噴射パルス幅τを、上記ステップS34において算出された最新の噴射パルス幅τに変更する。
なお、上記ステップS36において肯定判断されるときや、ステップS40、S42の処理が完了するときには、この一連の処理を一旦終了する。
図4に、本実施形態にかかる噴射パルス幅τの設定態様を例示する。図4(a)は、クランク角センサ22の出力に基づくクランク角信号を示し、図4(b)は、噴射パルス幅を示し、図4(c)は、スロットル開度の推移を示す。
図4に示されるように、ガソリン機関10の加速運転時においては、スロットル開度が増大される。そして、規定角度αにおいて、そのときのスロットル開度と回転速度とに基づき、噴射パルス幅τが算出される。そしてその後、所定回転角度毎に、噴射パルス幅τが再算出される。この際、前回算出された噴射パルス幅τが現在の噴射パルス幅τnewと相違する場合には、噴射パルス幅τが変更される。特に、ガソリン機関10の加速運転時にあっては、スロットル開度が増大するため、噴射パルス幅τの変更は、パルス幅を拡大する側への変更となる。
図5に、ガソリン機関10の減速運転時における噴射パルス幅τの設定態様を例示する。なお、図5(a)〜図5(c)は、図4(a)〜図4(c)に対応している。
図示されるように、減速運転時の場合、スロットル開度が減少するために、噴射パルス幅の変更は、パルス幅を減少する側への変更となる。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
(1)燃料噴射弁42を介して燃料が噴射されているときにおけるスロットル開度に基づき、噴射パルス幅τを設定した。これにより、ガソリン機関10の過渡運転時であっても、適切な量の燃料を噴射することができる。
(2)ガソリン機関10の燃料噴射に先立つタイミングにおけるスロットル開度に基づき噴射パルス幅τを設定して且つ、燃料が噴射されているときにおけるスロットル開度に応じて噴射パルス幅τを変更した。これにより、燃料噴射に先立つタイミングにおけるスロットル開度に応じた噴射パルス幅が適切でない場合であっても、これを燃料噴射時のスロットル開度に応じて変更することで、燃料噴射量を適量とすることができる。更に、燃料噴射に先立つタイミングでスロットル開度に基づき噴射パルス幅τを設定することで、燃料が噴射される際にノイズ等に起因してスロットル開度の検出値を取得することができない場合であっても、噴射パルス幅τを設定することができる。
(3)今回算出される噴射パルス幅τnewとそれ以前に算出された噴射パルス幅τとが互いに一致しないとき、噴射パルス幅τを噴射パルス幅τnewで置き換えた。これにより、噴射パルス幅τの変更を適切に行うことができる。
(4)今回算出された噴射パルス幅τnewによって定まる噴射終了タイミングに対して現在のタイミングが遅延しているとき、燃料噴射を直ちに終了した。これにより、燃料が過剰に噴射されることを極力抑制することができる。
(5)クランク軸20の所定の回転角度毎にスロットルセンサ40の出力のA/D変換を行い、都度A/D変換されたデータを用いて噴射パルス幅τを変更した。これにより、ガソリン機関10の回転速度にかかわらず、噴射パルス幅τの設定に際して参照するスロットル開度のA/D変換値(検出値)の取得頻度を一定に保つことができる。特に、本実施形態では、自動2輪車にガソリン機関10を搭載するために、その回転速度が特に高回転速度となりやすい。このため、A/D変換を時間周期で行う場合、スロットル開度の取得頻度を高回転速度領域において十分に確保しようとするときには、アイドル回転速度領域において、A/D変換頻度が過度に高くなる。これに対し、回転角度周期でA/D変換を行うことで、アイドル回転速度領域から高回転速度領域まで適切な頻度でA/D変換を行うことができる。
(6)ガソリン機関10の吸気通路30の流路面積を調節するスロットルバルブ38の開度に基づき噴射パルス幅τを算出した。これにより、吸気量センサ(マスフローセンサ)や吸気圧センサを備えなくても、噴射パルス幅τを簡易に設定することができる。
(7)スロットル開度及び回転速度と噴射パルス幅τとを関係付けるマップに基づき、噴射パルス幅τを設定した。これにより、噴射パルス幅τを簡易且つ適切に設定することができる。
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・ガソリン機関10の吸気相当量としては、スロットル開度に限らず、例えば吸気流量や、吸気圧等であってもよい。
・上記実施形態では、吸気相当量及び回転速度に基づき噴射パルス幅を直接算出したが、これに代えて、噴射量を算出してもよい。この場合、噴射量を噴射パルス幅に変換する処理を別途行う。この際、吸気通路30内の圧力と燃料噴射弁42の内部の圧力との差圧に応じて変換を行うようにするなら、噴射量をより高精度に制御することができる。また、この差圧に代えて、吸気圧を用いてもよい。
・上記実施形態では、燃料噴射が開始される以前に噴射パルス幅を設定したが、これに限らず、燃料噴射開始前には指令噴射開始時期のみを設定するようにしてもよい。そして、燃料噴射が開始されてから先の図3に示した処理を行うことによっても、最新のスロットル開度に基づき噴射パルス幅τを設定することができる。
・先の図3に示した処理において、今回のスロットル開度のA/D変換値が前回のスロットル開度のA/D変換値から所定以上離間するときには、今回のスロットル開度のA/D変換値の信頼性が低いとしてこれに基づく噴射パルス幅τの変更を禁止してもよい。また、これに代えて、今回のスロットル開度についてのA/D変換値及び前回のスロットル開度に所定の係数を乗算して互いに加算するいわゆる加重平均処理を施したものを、今回のスロットル開度としてもよい。これにより、ノイズ等の影響を好適に除去することができる。
・内燃機関としては、吸気ポート式のガソリン機関10等、吸気ポート式の火花点火式内燃機関に限らない。ただし、燃料噴射弁42に対する開閉指令に対して実際の開閉タイミングが過度に遅れないもの、換言すれば開指令期間と実際の燃料噴射期間とが確実に重複するものであることが望ましい。
・内燃機関としては、自動2輪車に搭載されるものに限らず、例えば4輪車に搭載されるものであってもよい。
一実施形態にかかるガソリン機関の制御システムの全体構成を示す図。 同実施形態にかかる燃料噴射時期の設定処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる噴射パルス幅の変更処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる噴射パルス幅の変更処理態様を示すタイムチャート。 同実施形態にかかる噴射パルス幅の変更処理態様を示すタイムチャート。
符号の説明
10…ガソリン機関、22…クランク角センサ、38…スロットルバルブ、40…スロットルセンサ、50…ECU(燃料噴射制御装置)。

Claims (6)

  1. 内燃機関の燃料噴射弁を操作することで燃料噴射制御を行う内燃機関の燃料噴射制御装置において、
    前記内燃機関の吸気相当量を検出する検出手段による検出値を前記内燃機関の出力軸の所定の回転角度毎に都度取得する取得手段と、
    前記吸気相当量の検出値に基づき、前記内燃機関の燃料噴射期間を設定する設定手段とを備え、
    前記設定手段は、前記内燃機関の燃料噴射に先立つタイミングにおける前記検出値に基づき前記燃料噴射期間を設定する手段と、前記燃料噴射弁を介して燃料が噴射されているときにおける前記所定の回転角度毎に、前記検出値に応じて前記燃料噴射期間を変更する変更手段とを備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
  2. 前記変更手段は、前記燃料が噴射されているときにおける都度の前記検出値に基づき燃料噴射期間を算出する手段と、今回算出される燃料噴射期間とそれ以前に算出されている燃料噴射期間とを比較する比較手段と、該比較手段による比較対象が互いに一致しないとき、前記以前に算出されている燃料噴射期間を今回算出される燃料噴射期間で置き換える手段とを備え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. 前記今回算出された燃料噴射期間によって定まる噴射終了タイミングに対して現在のタイミングが遅延しているとき、燃料噴射を直ちに終了する終了手段を更に備えることを特徴とする請求項2記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
  4. 前記吸気相当量が、前記内燃機関の吸気通路の流路面積を調節する吸気絞り弁によって調節された流路面積であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
  5. 前記設定手段は、前記内燃機関の出力軸の回転速度及び前記流路面積と前記燃料噴射期間とを関係付ける関係情報に基づき、前記燃料噴射期間を設定することを特徴とする請求項記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
  6. 請求項1〜のいずれかに記載の燃料噴射制御装置と、
    前記燃料噴射弁と、
    前記検出手段とを備えることを特徴とする燃料噴射制御システム。
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