JP5637222B2

JP5637222B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP5637222B2
Application number: JP2012553508A
Authority: JP
Inventors: 大士渡辺; 靖通井上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: CN103328793A; CN103328793B; JPWO2012098661A1; EP2667001B1; US9470169B2; US20130297188A1; EP2667001A1; WO2012098661A1; EP2667001A4

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、燃料の噴射モードを複数有する内燃機関の制御装置に関する。

燃料の噴射モードを複数有する内燃機関が知られている。そのような内燃機関の一例としては、例えば特開２００９−２５７１９２号公報に記載されているように、ポート噴射弁と筒内噴射弁とを備えて各噴射弁からの噴射割合を変更するものが挙げられる。また、ポート噴射型の内燃機関において噴射回数を変更できるものもそのような内燃機関の１つとして挙げられる。

噴射モードを複数有する内燃機関では、機関回転数及び負荷などの運転状態に応じて最適な噴射モードを決定することが行われる。そして、噴射モードが変更された場合、それに応じて燃料噴射量の計算方法も変更される。噴射された燃料の気化のしやすさや気化の進み方は噴射モードによって異なるためである。例えば、筒内噴射の場合には、燃料噴射弁から噴射された燃料のほとんどが燃焼に供されると仮定して燃料噴射量を決定することができる。これに対して、ポート噴射の場合には、燃料噴射量に対するポートの壁面に付着する燃料量の割合や、付着燃料量に対する気化燃料量の割合を考慮に入れて燃料噴射量を決定する必要がある。このように噴射モードに応じた方法で燃料噴射量を計算することによって、どのような噴射モードが選択された場合でも空燃比の制御精度を維持することが可能となる。

ところが、燃料カットからの復帰時に関して言えば、従来の内燃機関の制御方法では必ずしも空燃比の制御精度を維持することができない。燃料カットの実施中には、付着燃料の空気による持ち去りによる減少やバルブや壁面の温度の低下といった燃料噴射中にはない現象が生じる。その結果、燃料カットの前と燃料カットからの復帰時とでは、燃料噴射量の計算に用いるパラメータが大きく変化することになる。従来の内燃機関の制御方法では、噴射モードは運転条件に応じて成り行きで決定されるため、燃料カットからの復帰ごとに噴射モードが異なったり、復帰後すぐに噴射モードが変更されたりする可能性がある。例えば特開２００９−２５７１９２号公報に記載されている制御装置では、燃料カットからの復帰時、運転状態に応じてポート噴射の割合と筒内噴射の割合とが変更される。噴射モードが異なれば前記パラメータを用いた燃料噴射量の計算方法も異なったものとなり、途中で噴射モードが変更されれば燃料噴射量の計算方法はさらに複雑になる。このため、従来の内燃機関の制御方法では、燃料カットから復帰した場合に空燃比を適正に保つのに必要な燃料噴射量を正しく計算できないおそれがあった。

特開２００９−２５７１９２号公報

本発明は、燃料の噴射モードを複数有し、使用されている噴射モードに応じた方法で燃料噴射量の演算を行う内燃機関の制御装置において、燃料カットから復帰した後の空燃比制御の精度を向上させることを課題とする。そして、そのような課題を達成するために、本発明は、次のような内燃機関の制御装置を提供する。

本発明が提供する内燃機関の制御装置は、基本的には運転状態に応じて噴射モードを決定するが、燃料カットからの復帰時には運転状態に応じて決定される噴射モードに優先して特定の噴射モードを指定する。そして、燃料カットからの復帰後の所定期間は、運転状態に応じた噴射モードの変更を禁止する。このように燃料カットからの復帰時の噴射モードを特定の噴射モードに固定することで、燃料噴射量の計算が複雑化することを回避することができ、空燃比を適正に保つのに必要な燃料噴射量を正しく計算することが容易になる。

また、制御対象である内燃機関がポート噴射弁と筒内噴射弁とを有する内燃機関である場合には、本制御装置は、燃料カットからの復帰時におけるエンジンストールの可能性を判定し、エンジンストールの可能性がある場合には筒内噴射弁による噴射割合の高い噴射モードを燃料カットからの復帰時の噴射モードとして指定することができる。これによれば、空燃比制御の精度を維持しつつ、燃料カットからの復帰時に起こりやすいエンジンストールを防止することもできる。

本発明の実施の形態１の制御装置が適用される内燃機関の構成を示す概略図である。本発明の実施の形態１にて実行される燃料カットからの復帰制御について説明するためのフローチャートである。本発明の実施の形態２にて実行される燃料カットからの復帰制御について説明するためのフローチャートである。

実施の形態１．
以下、図を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

図１は本発明の実施の形態１としての制御装置が適用される内燃機関（以下、単にエンジンという）の概略構成を示す図である。図１に示すエンジンは、火花点火式の４ストロークレシプロエンジンである。このエンジンは内部にピストン８が配置されたシリンダブロック６と、シリンダブロック６に組み付けられたシリンダヘッド４を備えている。ピストン８の上面からシリンダヘッド４までの空間は燃焼室１０を形成し、この燃焼室１０に連通するように吸気ポート１８と排気ポート２０がシリンダヘッド４に形成されている。吸気ポート１８と燃焼室１０との接続部には、吸気ポート１８と燃焼室１０との連通状態を制御する吸気バルブ１２が設けられ、排気ポート２０と燃焼室１０との接続部には、排気ポート２０と燃焼室１０との連通状態を制御する排気バルブ１４が設けられている。また、シリンダヘッド４には、燃焼室１０の頂部から燃焼室１０内に突出するように点火プラグ１６が取り付けられている。

シリンダヘッド４の吸気ポート１８には、空気を燃焼室１０内に導入するための吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０の上流端にはエアクリーナ３２が設けられ、空気はエアクリーナ３２を介して吸気通路３０内に取り込まれる。エアクリーナ３２の下流には、空気の吸入量に応じた信号を出力するエアフローメータ５６が配置されている。吸気通路３０の下流部は気筒毎（吸気ポート１８毎）に分岐し、その分岐点にはサージタンク３４が設けられている。吸気通路３０のサージタンク３４の上流にはスロットル３６が配置されている。スロットル３６には、その開度に応じた信号を出力するスロットルセンサ５４が付設されている。

また、シリンダヘッド４の排気ポート２０には、燃焼室１０内での燃焼により生成された燃焼ガスを排気ガスとして排出するための排気通路４０が接続されている。排気通路４０には、排気ガスを浄化するための触媒４２が設けられている。排気通路４０における触媒４２の上流には、排気ガスの空燃比に応じた信号を出力する空燃比センサ５８が配置されている。

本実施形態のエンジンは、各気筒に２つの噴射弁３８，７０を備えるデュアルインジェクションシステムとして構成されている。一方の噴射弁３８は吸気通路３０の吸気ポート１８の近傍に設けられたポート噴射弁であり、吸気ポート１８内に燃料を噴射するようになっている。他方の噴射弁７０はシリンダヘッド４に燃焼室１０内を臨むように設けられた筒内噴射弁であり、燃焼室１０内に燃料を直接噴射するようになっている。このようなデュアルインジェクションシステムでは、ポート噴射弁３８からの燃料噴射量と筒内噴射弁７０からの燃料噴射量との噴分け比率を任意に設定することができる。

本実施形態のエンジンは、その制御装置としてＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には前述のポート噴射弁３８、筒内噴射弁７０、スロットル３６、点火プラグ１６等の種々のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述のエアフローメータ５６、スロットルセンサ５４、空燃比センサ５８の他、クランク軸２４の回転角度に応じた信号を出力するクランク角センサ５２等の種々のセンサ類が接続されている。エンジンの運転状態はこれらセンサの信号から判断することができる。ＥＣＵ５０は、これらセンサからの信号を受けて所定の制御プログラムにしたがって各アクチュエータを操作する。

ＥＣＵ５０により行われるエンジン制御の１つが燃料噴射制御である。本実施の形態のエンジンの構成によれば、必要な燃料の全てをポート噴射弁３８から噴射するモードと、必要な燃料の全てを筒内噴射弁７０から噴射するモードと、一部の燃料はポート噴射弁３８から噴射して残りの燃料は筒内噴射弁７０から噴射するモードの３つの噴射モードが選択可能である。ＥＣＵ５０は、エンジンの運転状態に応じて噴射モードを決定し、決定した噴射モードに従って２つの噴射弁３８，７０の何れかを動作させる。また、ＥＣＵ５０は、決定した噴射モードに応じて燃料噴射量の計算方法を変更する。なお、図１に示す構成のエンジンは公知であり、前述の３つの噴射モードの存在と、各噴射モードにおける燃料噴射量の計算方法についても公知である。したがって、本明細書では噴射モードごとの燃料噴射量の計算方法についての説明は省略する。

ＥＣＵ５０による燃料噴射制御には、燃料カットからの復帰時に実施される燃料噴射制御（以下、ＦＣ復帰制御）が含まれている。ＦＣ復帰制御は、運転状態に応じて噴射モードを決定するためのルーチンや、使用する噴射モードを最終的に確定するためのルーチンとは異なるルーチンにて並行して実施される。本実施の形態で実施されるＦＣ復帰制御の内容は図２のフローチャートによって説明することができる。以下、図２のフローチャートを用いて本実施の形態のＦＣ復帰制御について説明する。

図２のフローチャートによれば、その最初のステップＳ１０１において燃料カットからの復帰時かどうかが判定される。燃料カットからの復帰時とは、燃料カットからの復帰条件のいずれかが満たされたときを意味する。燃料カットからの復帰条件には、エンジン回転数が所定の下限回転数まで低下したこと、アクセルペダルが踏まれたこと等が含まれている。燃料カットからの復帰時でない場合、つまり、燃料カットの実行中の場合や、燃料カットからの復帰後一定の時間が経過している場合には、噴射モードに関する特別な要求は出されることはない（ステップＳ１０８）。この場合、本ルーチンは終了され、エンジンの運転状態に応じて決まる噴射モードに従って各噴射弁３８，７０が駆動される。

現在が燃料カットからの復帰時に当てはまるのであれば、ステップＳ１０２に進んで次なる判定が実施される。ステップＳ１０２では、エンジンの運転状態から決められた噴射モードが必要量の１００％の燃料を筒内噴射弁７０によって噴射するモードかどうか判定される。ステップＳ１０２の判定の結果が肯定である場合には、噴射モードに関する特別な要求は出されることはない（ステップＳ１０８）。この場合、エンジンの運転条件に応じて決定された通り、必要量の１００％の燃料を筒内噴射弁７０によって噴射するモードが復帰時の噴射モードとして使用される。筒内噴射の割合が１００％であれば、燃料付着量に応じた燃料噴射量の補正は不要であり、空燃比を適正に保つのに必要な燃料噴射量を正しく計算することができる。

ステップＳ１０２の判定の結果が否定であるならば、続いてステップＳ１０３の判定が実施される。ステップＳ１０３では、燃料カットからの復帰時にポート噴射の割合を１００％にした場合にエンジンストールの可能性が有るかどうかが判定される。具体的には、まず、燃料カットの実施時間が基準時間と比較される。次に、現在のエンジン回転数と基準回転数とが比較され、また、エンジン回転数の時間当たりの低下量と基準低下量とが比較される。そして、燃料カットの実施時間が基準時間を越えており、かつ、エンジン回転数が基準回転数よりも低いか、或いは、エンジン回転数が基準低下量を超えて急落している場合には、エンジンストールの可能性が有ると判断される。

燃料カットが実施される場合、その実施時間が長くなるほど吸気バルブ１２の温度の低下量は大きくなり、また、付着燃料の持ち去り量も多くなる。このため、燃料カットからの復帰時の噴射モードをポート噴射とした場合には、付着燃料の補填のために多くの燃料噴射量が必要となり、結果として燃料の噴射時間が長くなってしまう。エンジン回転数が低下している状況やエンジン回転数が急落している状況では燃料カットからの復帰後は可能な限り早く燃焼を開始させたい。ところが、ポート噴射の場合には、必要な噴射時間を確保できる気筒まで待ってから燃料噴射が行われるために、燃料カットからの復帰を速やかに行えずにエンジンストールが起きてしまう可能性がある。そこで、本実施の形態では、エンジンストールの可能性が有る場合と無い場合とで、異なる方法にて燃料カットからの復帰のための制御が実施される。

エンジンストールの可能性が無い場合は、ステップＳ１０４の処理が実施される。ステップＳ１０４では、必要量の１００％の燃料をポート噴射弁３８によって噴射するモードが復帰時の噴射モードとして要求される。使用する噴射モードを最終的に確定するためのルーチンでは、エンジンの運転状態に応じて決定される噴射モードに優先して、本ステップで要求された噴射モードが最終的な使用噴射モードとして指定される。

本実施の形態のようなポート噴射弁３８を備えるエンジンでは、吸気ポート１８の壁面や吸気バルブ１２に付着している燃料の量が燃料噴射量の計算のためのパラメータとして使用される。この付着燃料量は、燃料噴射が実施されている間は連続的に変化するが、燃料カットが実行された場合にはその前後において大きく変化する。燃料カットからの復帰時には、燃料カット中に低下したバルブ温度の影響による吸気バルブ１２への燃料付着量の増加分や、もともと吸気ポート１８の壁面や吸気バルブ１２に付着していた燃料が燃料カットの間に空気によって持ち去られた分を考慮に入れて燃料付着量を補正してやる必要がある。その際の補正量はポート噴射により噴射される燃料の割合によって異なるため、仮に、噴射モードが運転状態に応じて成り行きで決定されたり、途中で変更されたりする場合には、その計算は極めて複雑なものとなってしまう。

しかし、本実施の形態では、エンジンの運転状態に応じて決定される噴射モードに優先して、必要量の１００％の燃料をポート噴射弁３８によって噴射するモードが復帰時の噴射モードとして指定される。さらに、続くステップＳ１０５では、燃料付着量の補正が完了したかどうかが判定され、燃料付着量の補正が完了するまでステップＳ１０４の要求が出し続けられる。つまり、少なくとも燃料付着量の補正が完了するまでの期間は、必要量の１００％の燃料をポート噴射弁３８によって噴射するモードが維持される。これによれば、燃料噴射量の計算、特に、燃料付着量に応じた補正量の計算が複雑化することは回避されるので、空燃比を適正に保つのに必要な燃料噴射量を正しく計算することが容易になる。その後、燃料付着量の補正が完了した時点において噴射モードに関するステップＳ１０４の要求は解除される（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０３の判定の結果が肯定である場合、つまり、エンジンストールの可能性が有る場合には、ステップＳ１０６の処理が行われる。ステップＳ１０６では、必要量の１００％の燃料を筒内噴射弁７０によって噴射するモードが復帰時の噴射モードとして要求される。さらに、続くステップＳ１０７では、燃料カットからの復帰から所定時間が経過したかどうかが判定され、所定時間が経過するまでステップＳ１０６の要求が出し続けられる。つまり、燃料カットからの復帰から所定時間が経過するまでの間は、必要量の１００％の燃料を筒内噴射弁７０によって噴射するモードが維持される。この場合の所定時間は、燃料カットの実施に伴い低下したバルブ温度の回復に必要十分な時間に設定されている。これによれば、燃料付着量に応じた燃料噴射量の補正は不要になるので、空燃比を適正に保つのに必要な燃料噴射量を正しく計算することが容易になる。さらには、筒内噴射によって燃焼の開始時期を早めてエンジンストールを回避することも可能となる。その後、所定時間が経過した時点において噴射モードに関するステップＳ１０６の要求は解除される（ステップＳ１０８）。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。

本発明の実施の形態２としての制御装置は、実施の形態１とは異なり、ポート噴射型のエンジン、すなわち、ポート噴射弁のみを備えて筒内噴射弁は有しないエンジンに適用される。本実施の形態のエンジンは、ポート噴射を１サイクルに１回実施するモードと、ポート噴射を１サイクルに２回に分けて実施するモードの２つが選択可能である。エンジンの制御装置であるＥＣＵは、エンジンの運転状態に応じて噴射モードを決定し、決定した噴射モードに従ってポート噴射弁を動作させている。また、ＥＣＵは、決定した噴射モードに応じて燃料噴射量の計算方法を変更している。

ＥＣＵは、燃料噴射制御の一部としてＦＣ復帰制御を実施する。本実施の形態で実施されるＦＣ復帰制御の内容は図３のフローチャートによって説明することができる。以下、図３のフローチャートを用いて本実施の形態のＦＣ復帰制御について説明する。

図３のフローチャートによれば、その最初のステップＳ２０１において燃料カットからの復帰時かどうかが判定される。燃料カットからの復帰時でない場合、つまり、燃料カットの実行中の場合や、燃料カットからの復帰後一定の時間が経過している場合には、噴射モードに関する特別な要求は出されることはない（ステップＳ２０４）。この場合、本ルーチンは終了され、エンジンの運転状態に応じて決まる噴射モードに従ってポート噴射弁が駆動される。

これに対し、現在が燃料カットからの復帰時に当てはまるのであれば、ステップＳ２０２の処理が実施される。ステップＳ２０２では、復帰時の噴射モードとしてポート噴射を１サイクルに１回実施するモードが要求される。使用する噴射モードを最終的に確定するためのルーチンでは、エンジンの運転状態に応じて決定される噴射モードに優先して、本ステップで要求された噴射モードが最終的な使用噴射モードとして指定される。そして、ポート噴射を１サイクルに１回実施しながら、燃料カット中に大きく変化した燃料付着量の補正が行われる。さらに、続くステップＳ２０３では、燃料付着量の補正が完了したかどうかが判定され、燃料付着量の補正が完了するまでステップＳ２０２の要求が出し続けられる。つまり、少なくとも燃料付着量の補正が完了するまでの期間は、ポート噴射を１サイクルに１回実施するモードが維持される。これによれば、燃料噴射量の計算、特に、燃料付着量に応じた補正量の計算が複雑化することは回避されるので、空燃比を適正に保つのに必要な燃料噴射量を正しく計算することが容易になる。その後、燃料付着量の補正が完了した時点において噴射モードに関するステップＳ２０２の要求は解除される（ステップＳ２０４）。

その他．
本発明の特徴の１つは、燃料カットからの復帰時には運転状態に応じて成り行きで噴射モードを決定するのではなく、予め定められた特定の噴射モードを指定する点にある。したがって、上述の実施の形態において選択されている燃料カットからの復帰時の噴射モードはあくまでも一例であって、その他の噴射モードを燃料カットからの復帰時の噴射モードとすることもできる。例えば、ポート噴射弁と筒内噴射弁とを有するエンジンの場合には、ポート噴射と筒内噴射の噴射比率が特定の比率（例えば５０：５０）となる噴射モードを復帰時の噴射モードとすることができる。また、ポート噴射を１サイクルに所定回数実施するモードを復帰時の噴射モードとしてもよく、筒内噴射を１サイクルに所定回数実施するモードを復帰時の噴射モードとしてもよい。ポート噴射弁を有するエンジンの場合には、ポート噴射を１サイクルに１回実施するモード以外にも、ポート噴射を一定の複数回実施するモードを復帰時の噴射モードとすることができる。

１０燃焼室
１２吸気バルブ
１８吸気ポート
３８ポート噴射弁
５０ＥＣＵ
７０筒内噴射弁

Claims

ポート噴射弁と筒内噴射弁とを有する内燃機関の制御装置であって、前記ポート噴射弁からの燃料噴射量と前記筒内噴射弁からの燃料噴射量との噴分け比率を異ならせた複数の噴射モードを有し、使用されている噴射モードに応じて燃料付着量を計算し、燃料付着量に基づいて燃料噴射量を計算する内燃機関の制御装置において、
運転状態に応じて噴射モードを決定する噴射モード決定手段と、
燃料カットからの復帰時には、前記噴射モード決定手段による決定に優先して必要量の所定割合を前記ポート噴射弁によって噴射する特定の噴射モードを指定する特定噴射モード指定手段と、
前記特定噴射モードを指定してから燃料付着量の補正が完了するまでの期間は、前記噴射モード決定手段による噴射モードの変更を禁止する噴射モード変更禁止手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記特定噴射モード指定手段は、燃料カットからの復帰時におけるエンジンストールの可能性を判定し、エンジンストールの可能性がある場合には、前記特定噴射モードに代えて前記筒内噴射弁による噴射割合の高い第２の特定噴射モードを指定し、
前記噴射モード変更禁止手段は、前記第２の特定噴射モードが指定された場合、所定期間が経過するまでは、前記噴射モード決定手段による噴射モードの変更を禁止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。