JP5187537B2

JP5187537B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置

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Publication number: JP5187537B2
Application number: JP2010145684A
Authority: JP
Inventors: 浩司葛原; 修深沢; 智章中野; 真浩横井; 宏太野口; 敦小池
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: US20110320107A1; JP2012007566A; US8958973B2

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射弁の噴射制御特性を補正する機能を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置に関する発明である。

一般に、内燃機関の燃料噴射制御システムでは、内燃機関の運転状態に応じて要求噴射量を算出し、この要求噴射量に応じて設定した噴射パルス幅（噴射時間）で燃料噴射弁を開弁駆動して要求噴射量分の燃料を噴射するようにしている。

しかし、高圧の燃料を筒内に噴射する筒内噴射式の内燃機関の燃料噴射弁は、ポート噴射式の内燃機関の燃料噴射弁と比較して、高負荷時に短期間で多量の燃料を噴射する必要があり、ダイナミックレンジを大きく設定する必要があるため、噴射パルス幅（噴射時間）に対する実噴射量の変化特性のリニアリティ（直線性）が悪化する低噴射パルス幅領域を使わざるを得ず、このため、アイドル運転時等の要求噴射量が少なくなって噴射パルス幅が小さくなる低噴射量領域で、燃料噴射弁の噴射量ばらつき（要求噴射量に対する実噴射量のずれ）が大きくなる傾向があり、燃料噴射弁の噴射量ばらつきが大きくなると、排気エミッションやドライバビリティが悪化する可能性がある。

そこで、例えば、特許文献１（特表２００９−５１３８６４号公報）に記載されているように、要求噴射量分の燃料をベース噴射と測定噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行し、この分割噴射の実行中に空燃比センサ（ラムダソンデ）で検出した実空燃比と目標空燃比との差（実空燃比のずれ）に基づいて、低噴射量領域における燃料噴射弁の噴射量ばらつき（エラー噴射量）を求め、この噴射量ばらつきに基づいて燃料噴射弁の制御に用いる特性曲線（噴射時間と噴射量との関係）を修正することで、燃料噴射弁の噴射制御特性を補正して、燃料噴射弁の噴射量ばらつきを小さくするようにしたものがある。

特表２００９−５１３８６４号公報

ところで、上記特許文献１の技術では、分割噴射の実行中に実空燃比と目標空燃比との差に基づいて燃料噴射弁の噴射量ばらつきを求め、この噴射量ばらつきに基づいて燃料噴射弁の特性曲線を修正するようにしているが、噴射量ばらつき以外の要因によって実空燃比と目標空燃比との差（実空燃比のずれ）が発生している場合には、噴射量ばらつき以外の要因の影響も含めて特性曲線を修正してしまうため、燃料噴射弁の噴射制御特性を精度良く補正することができず、燃料噴射弁の噴射量ばらつきを十分に小さくできない可能性がある。

また、本出願人は、同一の運転条件で、要求噴射量分の燃料を１回で噴射する通常噴射と、要求噴射量分の燃料を複数回に分割して噴射する分割噴射とを切り換えて、通常噴射の実行中に空燃比センサで検出した実空燃比と、分割噴射の実行中に空燃比センサで検出した実空燃比とに基づいて、燃料噴射弁の噴射制御特性を補正するシステムを研究しているが、この場合、途中で運転条件が変化すると、噴射制御特性の補正を行うことができなくなるため、噴射制御特性の補正の頻度を十分に確保できないという欠点がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、燃料噴射弁の噴射制御特性を精度良く補正することができて、燃料噴射弁の噴射量ばらつきを小さくすることができると共に、噴射制御特性の補正の頻度を十分に確保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にある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の運転状態に応じた要求噴射量に基づいて燃料噴射弁を制御して燃料を噴射する噴射制御手段と、燃料噴射弁の噴射制御特性を補正する噴射制御特性補正手段とを備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、噴射制御手段は、要求噴射量に応じて噴射パルス幅を設定し、該噴射パルス幅で前記燃料噴射弁を駆動し、噴射制御特性補正手段は、所定の補正実行条件が成立したときに、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を固定噴射と可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行し、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を噴射パルス幅に対する実噴射量の変化特性のリニアリティが悪化する低噴射量領域内に設定すると共に、可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を低噴射量領域よりも噴射量が多い高噴射量領域内に設定する手段と、この分割噴射の実行中に内燃機関の負荷が変化したときに、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を固定したままで可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を高噴射量領域内で変化させる手段と、負荷の変化前に空燃比センサで検出した実空燃比と負荷の変化後に空燃比センサで検出した実空燃比とに基づいて燃料噴射弁の噴射制御特性を補正する手段とを備えた構成としたものである。

この構成では、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を固定噴射と可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行する際に、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を噴射パルス幅に対する実噴射量の変化特性のリニアリティが悪化する低噴射量領域（噴射量ばらつきが大きくなる領域）内に設定すると共に、可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を高噴射量領域（噴射量ばらつきが小さくなる領域）内に設定することで、固定噴射の噴射量ばらつきが大きくなる可能性があり、可変噴射の噴射量ばらつきの影響を無視できる程度に小さくすることができるため、この分割噴射の実行中は、固定噴射の噴射量ばらつき（つまり低噴射量領域の噴射量ばらつき）の影響が空燃比に現れ易くなる。

更に、この分割噴射の実行中に内燃機関の負荷が変化して１気筒当りの要求噴射量が変化したときに、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を固定したままで可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を高噴射量領域内で変化させることで、固定噴射の噴射量ばらつきの影響度合を変化させることができ、負荷の変化前に空燃比センサで検出した実空燃比と、負荷の変化後に空燃比センサで検出した実空燃比とを比較することで、固定噴射の噴射量ばらつき以外の要因の影響をキャンセルして、固定噴射の噴射量ばらつきの影響分を抽出して、固定噴射の噴射量ばらつき（つまり低噴射量領域の噴射量ばらつき）を把握することができる。

従って、負荷の変化前後の実空燃比を用いれば、低噴射量領域の噴射量ばらつきを小さくするように燃料噴射弁の噴射制御特性を補正することができる。これにより、燃料噴射弁の噴射制御特性を精度良く補正することができて、燃料噴射弁の噴射量ばらつきを小さくすることができる。また、内燃機関の負荷が変化しても、噴射制御特性の補正を行うことができるため、噴射制御特性の補正の頻度を十分に確保することができる。

この場合、請求項２のように、要求噴射量と噴射パルス幅との関係を補正することで燃料噴射弁の噴射制御特性を補正するようにすると良い。このようにすれば、燃料噴射弁の噴射制御特性を容易に補正することができる。

ここで、要求噴射量と噴射パルス幅との関係を補正する具体的な方法は、例えば、要求噴射量と噴射パルス幅との関係を規定するマップ又は数式を用いて、要求噴射量に応じた噴射パルス幅を算出する場合のマップ又は数式を補正する。或は、要求噴射量に応じて算出した噴射パルス幅を補正するようにしても良いし、噴射パルス幅の算出に用いる要求噴射量を補正するようにしても良い。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。図２は燃料噴射弁の噴射パルス幅と噴射量ばらつきとの関係を示す特性図である。図３は噴射制御特性補正ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
筒内噴射式の内燃機関である筒内噴射式エンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、エンジン１１の各気筒には、それぞれ筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２４が設けられ、この空燃比センサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２７が取り付けられている。また、クランク軸２８の外周側には、クランク軸２８が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられ、このクランク角センサ２９の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、電子制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

この際、ＥＣＵ３０は、エンジン運転状態に応じて要求噴射量を算出して、この要求噴射量に応じて噴射パルス幅（噴射時間）をマップ又は数式等により算出し、この噴射パルス幅で燃料噴射弁２１を開弁駆動して要求噴射量分の燃料を噴射する噴射制御手段として機能する。

ところで、高圧の燃料を筒内に噴射する筒内噴射式エンジン１１の燃料噴射弁２１は、ポート噴射式エンジンの燃料噴射弁と比較して、高負荷時に短期間で多量の燃料を噴射する必要があり、ダイナミックレンジを大きく設定する必要があるため、噴射パルス幅（噴射時間）に対する実噴射量の変化特性のリニアリティ（直線性）が悪化する低噴射パルス幅領域を使わざるを得ず、噴射パルス幅（噴射時間）に対する実噴射量の変化特性のリニアリティ（直線性）が噴射量の少ない領域で悪化する傾向がある。このため、図２に示すように、アイドル運転時等の要求噴射量が少なくなって噴射パルス幅が小さくなる低噴射量領域で、燃料噴射弁２１の噴射量ばらつき（要求噴射量に対する実噴射量のずれ）が大きくなる傾向があり、燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきが大きくなると、排気エミッションやドライバビリティが悪化する可能性がある。

この対策として、ＥＣＵ３０は、後述する図３の噴射制御特性補正ルーチンを実行することで、次のようにして燃料噴射弁２１の噴射制御特性（例えば要求噴射量と噴射パルス幅との関係）を補正する。

まず、所定の補正実行条件が成立したときに、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を固定噴射と可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行し、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を所定の低噴射量領域（噴射量ばらつきが大きくなる領域）内に設定すると共に、可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を低噴射量領域よりも噴射量が多い高噴射量領域（噴射量ばらつきが小さくなる領域）内に設定する。この分割噴射の実行中にエンジン負荷（エンジン１１の負荷）が変化して１気筒当りの要求噴射量が変化したときに、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を固定したままで空燃比を目標空燃比に維持するように可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を高噴射量領域内で変化させる。そして、エンジン負荷の変化前に空燃比センサ２４で検出した実空燃比と、エンジン負荷の変化後に空燃比センサ２４で検出した実空燃比とに基づいて、燃料噴射弁２１の噴射制御特性（例えば要求噴射量と噴射パルス幅との関係）を補正する。

この場合、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を固定噴射と可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行する際に、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を低噴射量領域（噴射量ばらつきが大きくなる領域）内に設定すると共に、可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を高噴射量領域（噴射量ばらつきが小さくなる領域）内に設定することで、固定噴射の噴射量ばらつきを大きくして、可変噴射の噴射量ばらつきの影響を無視できる程度に小さくすることができるため、この分割噴射の実行中は、固定噴射の噴射量ばらつき（つまり低噴射量領域の噴射量ばらつき）の影響が空燃比に現れ易くなる。

更に、この分割噴射の実行中にエンジン負荷が変化して１気筒当りの要求噴射量が変化したときに、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を固定したままで可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を高噴射量領域内で変化させることで、固定噴射の噴射量ばらつきの影響度合を変化させることができ、エンジン負荷の変化前に空燃比センサ２４で検出した実空燃比と、エンジン負荷の変化後に空燃比センサ２４で検出した実空燃比とを比較することで、固定噴射の噴射量ばらつき以外の要因の影響をキャンセルして、固定噴射の噴射量ばらつきの影響分を抽出して、固定噴射の噴射量ばらつき（つまり低噴射量領域の噴射量ばらつき）を把握することができる。

従って、エンジン負荷の変化前後の実空燃比を用いれば、低噴射量領域の噴射量ばらつきを小さくするように燃料噴射弁２１の噴射制御特性（例えば要求噴射量と噴射パルス幅との関係）を補正することができる。
以下、本実施例でＥＣＵ３０が実行する図３の噴射制御特性補正ルーチンの処理内容を説明する。

図３に示す噴射制御特性補正ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいう噴射制御特性補正手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、補正実行条件が成立しているか否かを、例えば、次の(1) と(2) の条件を両方とも満たすか否かによって判定する。

(1) 空燃比センサ２４が活性化していること
(2) １気筒当りの要求噴射量が高噴射量領域（噴射量ばらつきが小さくなる領域）の下限値よりも大きい値（例えば高噴射量領域の中心付近）となるエンジン運転状態であること
この(2) の条件は、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を固定噴射と可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行可能な条件である。

これらの(1) と(2) の条件を両方とも満たせば、補正実行条件が成立するが、上記(1) と(2) の条件のうちのいずれか一方でも満たさない条件があれば、補正実行条件が不成立となる。
このステップ１０１で、補正実行条件が不成立と判定された場合には、ステップ１０２以降の噴射制御特性補正に関する処理を実行することなく、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０１で、補正実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ１０２以降の噴射制御特性補正に関する処理を次のようにして実行する。まず、ステップ１０２で、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を１回の固定噴射と１回の可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行する。この際、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を低噴射量領域（噴射量ばらつきが大きくなる領域）内に設定すると共に、可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を低噴射量領域よりも噴射量が多い高噴射量領域（噴射量ばらつきが小さくなる領域）内に設定する。

この場合、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量は、噴射制御特性の補正を実施する噴射量領域内の噴射量（例えば、燃料噴射弁２１が噴射可能な最小噴射量又はそれよりも少し大きい値）に設定する。一方、可変噴射の１噴射当りの要求噴射量は、１気筒当りの要求噴射量から固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を差し引いた値に設定する。

この後、ステップ１０３に進み、エンジン負荷（例えば、吸入空気量、吸気管圧力等）が変化したか否かを判定し、まだエンジン負荷が変化していないと判定された場合には、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量と可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を固定したまま、ステップ１０４に進み、空燃比センサ２４で検出した実空燃比をエンジン負荷の変化前の実空燃比として読み込む。

その後、上記ステップ１０３で、エンジン負荷が変化したと判定されたときに、ステップ１０５に進み、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を固定したままで空燃比を目標空燃比に維持するように、エンジン負荷の変化による１気筒当りの要求噴射量の変換分だけ可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を変化させた後、ステップ１０６に進み、空燃比センサ２４で検出した実空燃比をエンジン負荷の変化後の実空燃比としてを読み込む。

この後、ステップ１０７に進み、エンジン負荷の変化前後の実空燃比の差（エンジン負荷の変化前の実空燃比とエンジン負荷の変化後の実空燃比との差）の絶対値が所定値よりも大きいか否かを判定する。

このステップ１０７で、エンジン負荷の変化前後の実空燃比の差の絶対値が所定値よりも大きいと判定された場合には、ステップ１０８に進み、エンジン負荷の変化前後の実空燃比の差に基づいて、固定噴射の噴射量ばらつき（つまり低噴射量領域の噴射量ばらつき）を小さくするように燃料噴射弁２１の噴射制御特性を補正するための補正値を算出する。

この後、ステップ１０９に進み、補正値を用いて燃料噴射弁２１の噴射制御特性を補正する。この場合、例えば、要求噴射量と噴射パルス幅との関係を規定するマップ又は数式を用いて、要求噴射量に応じた噴射パルス幅を算出する場合のマップ又は数式を補正する。或は、要求噴射量に応じて算出した噴射パルス幅を補正するようにしても良いし、噴射パルス幅の算出に用いる要求噴射量を補正するようにしても良い。

一方、上記ステップ１０７で、エンジン負荷の変化前後の実空燃比の差の絶対値が所定値以下であると判定された場合には、燃料噴射弁２１の噴射制御特性を補正する必要はないと判断して、本ルーチンを終了する。

以上説明した本実施例では、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を固定噴射と可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行する際に、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を低噴射量領域（噴射量ばらつきが大きくなる領域）内に設定すると共に、可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を高噴射量領域（噴射量ばらつきが小さくなる領域）内に設定し、この分割噴射の実行中にエンジン負荷が変化したときに、固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を固定したままで可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を高噴射量領域内で変化させ、そのエンジン負荷の変化前後の実空燃比に基づいて、燃料噴射弁２１の噴射制御特性（例えば要求噴射量と噴射パルス幅との関係）を補正するようにしたので、燃料噴射弁２１の噴射制御特性を精度良く補正することができて、燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきを小さくすることができる。また、エンジン負荷が変化しても、噴射制御特性の補正を行うことができるため、噴射制御特性の補正の頻度を十分に確保することができる。

尚、上記実施例では、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を固定噴射と可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行する際に、１回の固定噴射と１回の可変噴射とに分割するようにしたが、固定噴射や可変噴射の噴射回数は、これに限定されず、要求噴射量等に応じて適宜変更しても良く、固定噴射の噴射回数を２回以上にしたり、可変噴射の噴射回数を２回以上にしたりしても良い。

また、上記実施例では、エンジン負荷の変化前後の実空燃比の差に基づいて補正値を算出するようにしたが、これに限定されず、例えば、エンジン負荷の変化前後の実空燃比の比に基づいて補正値を算出するようにしても良い。

また、本発明は、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を固定噴射と可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を気筒別に実行して、燃料噴射弁２１の噴射制御特性を気筒別に補正するようにしても良い。

その他、本発明は、図１に示すような筒内噴射式エンジンに限定されず、吸気ポート噴射式エンジンにも適用して実施できる等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、２４…空燃比センサ、２５…触媒、３０…ＥＣＵ（噴射制御手段，噴射制御特性補正手段）

Claims

内燃機関の運転状態に応じた要求噴射量に基づいて燃料噴射弁を制御して燃料を噴射する噴射制御手段と、前記燃料噴射弁の噴射制御特性を補正する噴射制御特性補正手段とを備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、
前記噴射制御手段は、前記要求噴射量に応じて噴射パルス幅を設定し、該噴射パルス幅で前記燃料噴射弁を駆動し、
前記噴射制御特性補正手段は、
所定の補正実行条件が成立したときに、１気筒当りの要求噴射量分の燃料を固定噴射と可変噴射とに分割して噴射する分割噴射を実行し、前記固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を前記噴射パルス幅に対する実噴射量の変化特性のリニアリティが悪化する低噴射量領域内に設定すると共に、前記可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を前記低噴射量領域よりも噴射量が多い高噴射量領域内に設定する手段と、
前記分割噴射の実行中に内燃機関の負荷が変化したときに、前記固定噴射の１噴射当りの要求噴射量を固定したままで前記可変噴射の１噴射当りの要求噴射量を前記高噴射量領域内で変化させる手段と、
前記負荷の変化前に空燃比センサで検出した実空燃比と前記負荷の変化後に空燃比センサで検出した実空燃比とに基づいて前記燃料噴射弁の噴射制御特性を補正する手段と
を備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記噴射制御特性補正手段は、前記要求噴射量と前記噴射パルス幅との関係を補正することで前記燃料噴射弁の噴射制御特性を補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。