JP2002115587A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 始動時や始動直後においても精度良く燃料供
給量制御が可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供す
る。 【解決手段】 インジェクタ２７から内燃機関１のシリ
ンダ１０内の燃焼室１４へと流入する燃料の動的挙動を
モデル化した燃料挙動モデルを利用してインジェクタ２
７による燃料供給量Ｆｉ（ｋ）を制御する内燃機関の燃
料噴射制御装置において、内燃機関始動時の燃料挙動モ
デルとして付着燃料量Ｆｗ（ｋ）、筒内流入燃料量Ｆｃ
（ｋ）の計算に際して付着燃料からの蒸発を考慮せず、
付着燃料の形成のみを考慮するモデルを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の燃料噴射
制御装置に関し、特に、燃料の動的挙動をモデル化した
燃料挙動モデルを用いて燃料噴射装置による燃料供給量
を制御する内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の燃料供給量を運転条件に応じ
て制御する装置として、吸気系における燃料挙動を記述
する数式モデルを設定し、運転条件や燃料条件から設定
した数式モデルを演算することで燃料挙動をシミュレー
トすることにより必要な燃料供給量を求めて燃料噴射装
置を制御する燃料挙動モデルによる制御技術が知られて
いる。

【０００３】しかし、内燃機関の始動時から始動直後に
おいては吸気系に付着している燃料が定常時に比べて少
ないため、定常時を基準として設定された燃料挙動モデ
ルでは燃料挙動、特に壁面等への付着、蒸発の現象を正
確に予測することができない。そこで、付着、蒸発の関
係が安定するまでの間は燃料挙動モデルを用いた制御を
禁止して気筒内への要求噴射量を補正することなく燃料
噴射装置からの噴射量とする技術が特開平８−７４６２
１号公報等に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに補正を全く行わないとすると、空燃比制御の精度を
確保することは困難になる。特に始動直後は壁面に付着
する燃料の量が壁面付着分から蒸発する燃料よりも多い
ため、予想より燃料がリーン状態となってエミッション
やドライバビリティーの悪化を招くおそれがある。

【０００５】そこで本発明は、始動時や始動直後におい
ても精度良く燃料供給量制御が可能な内燃機関の燃料噴
射制御装置を提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃料噴射
装置から内燃機関の気筒気筒へと流入する燃料の動的挙
動をモデル化した燃料挙動モデルを利用して燃料噴射装
置による燃料供給量を制御する制御部を備える内燃機関
の燃料噴射制御装置において、この制御部は内燃機関始
動時の燃料挙動モデルとして付着燃料からの蒸発を考慮
せず、付着燃料の形成のみを考慮するモデルを用いるこ
とを特徴とする。

【０００７】本発明者らは内燃機関の始動時（始動直後
を含む）においては壁面等への燃料付着は形成過程であ
って、付着した燃料から気化して気筒内へと流入する量
は極僅かであることに着目し、付着燃料からの蒸発を考
慮せず、付着燃料の形成のみを考慮する簡易化したモデ
ルを新たに設定した。本発明は、この新しい燃料挙動モ
デルに関する。このように始動時について定常時と異な
るモデルを用いることで、始動時の燃料挙動をより精度
良く推定するとともに、始動時から始動後の燃料挙動予
測の連続性を確保することができ、燃料供給量の制御性
が向上する。

【０００８】この内燃機関始動時の燃料挙動モデルにお
いては、噴射燃料のうち気筒内に流入する気相分のみが
燃焼に寄与するモデルであることが好ましい。これによ
り、噴射燃料のうち気筒内に流入するが燃焼には寄与し
ない液滴分を考慮することができるので、始動時の付着
燃料の形成をより精度良く模擬でき、始動後の燃料挙動
モデルに切り替える時点での燃料挙動予測の連続性が高
まる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理
解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に
対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説
明は省略する。

【００１０】図１は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射
量制御装置の実施形態をこれを適用した内燃機関ととも
に示す構成図である。

【００１１】火花点火式のガソリン多気筒内燃機関（以
下、単に内燃機関と称する）１には吸気管２と排気管３
とが接続されている。吸気管２には吸入空気の温度を検
出する吸気温センサ２２と、吸入空気量を検出するエア
フローメータ２３と、アクセルペダル４の操作に連動す
るスロットル弁２４が配置されるとともにこのスロット
ル弁２４の開度を検出するスロットル開度センサ２５が
配置されている。また、吸気管２のサージタンク２０に
は、吸気管２の圧力を検出するための吸気圧センサ２６
が配置されている。さらに、内燃機関１の各気筒に接続
される吸気ポート２１には電磁駆動式のインジェクタ
（燃料噴射装置）２７が設けられており、このインジェ
クタ２７には燃料タンク５から燃料であるガソリンが供
給される。図示の内燃機関１は、各気筒ごとに独立して
インジェクタ２７が配置されているマルチポイントイン
ジェクションシステムである。

【００１２】内燃機関１の各気筒を構成するシリンダ１
０内には図の上下方向に往復動するピストン１１が設け
られ、このピストン１１はコンロッド１２を介して図示
していないクランク軸に連結されている。ピストン１１
の上方には、シリンダ１０とシリンダヘッド１３とによ
って区画された燃焼室１４が形成されている。この燃焼
室１４の上部には点火プラグ２０が配置されるととも
に、開閉可能な吸気バルブ１６と排気バルブ１７を介し
てそれぞれ吸気管２と排気管３に接続されている。

【００１３】そして、排気管３には、排気ガス中の酸素
濃度に応じた所定の電気信号を出力する空燃比センサ３
１が配置されている。

【００１４】内燃機関１を制御するエンジンＥＣＵ６
（本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置を含む）
は、マイクロコンピュータを中心に構成されており、上
述した各センサ（吸気温センサ２２、エアフローメータ
２３、スロットル開度センサ２５、吸気圧センサ２６、
空燃比センサ３１）や車速センサ６０、クランクポジシ
ョンセンサ６１の各出力信号が入力されるとともに、点
火プラグ１５、インジェクタ２７の動作を制御するもの
である。

【００１５】本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置
において使用される燃料挙動モデルを説明する前に、従
来から用いられてきた燃料挙動モデルについて図２を参
照して説明する。図２は、インジェクタ２７近傍（吸気
ポート２１付近）における燃料挙動のシミュレーション
モデルを示す模式図である。以下の説明では、コンピュ
ータによる数値化処理を考慮して時刻を表すカウンタ値
を「ｋ」で表す。

【００１６】図２において、Ｆｉ（ｋ）は、時刻ｋにお
いてインジェクタ２７から噴射される燃料量（インジェ
クタ噴射量）を、Ｆｗ（ｋ）は、時刻ｋにおいて吸気ポ
ート２１の壁面や吸気バルブ１６の吸気ポート２１側表
面（以下、吸気ポート２１の壁面等と呼ぶ）に付着して
いる燃料量（壁面付着燃料量）を、Ｆｃ（ｋ）は、時刻
ｋにおいて気筒内（シリンダ１０内の燃焼室１４内）へ
と流入する燃料量（筒内流入燃料量）をそれぞれ示して
いる。ここで、時刻ｋにおけるインジェクタ噴射量Ｆｉ
（ｋ）のうち、吸気ポート２１の壁面等に付着する割合
（壁面付着率）をＲ（ｋ）とし、時刻ｋにおいて壁面付
着燃料量Ｆｗ（ｋ）のうち、気化せずに吸気ポート２１
の壁面等に残留する割合（壁面残留率）をＰ（ｋ）とす
ると、以下の式（１）、（２）が成立する。これらの式
は、Ｃ．Ｆ．アキノの式として一般に知られている。

【数１】 一方、目標空燃比（混合比Ａ／Ｆ）λでの燃焼を実現す
る場合に時刻ｋにおいて実際に筒内に流入させるべき目
標筒内流入燃料量Ｆｃｒ（ｋ）は、吸気流量をＱ（ｋ）
とすると、

【数２】 で表せる。（１）〜（３）式より前記の筒内流入燃料量
Ｆｃ（ｋ）をこの目標筒内流入燃料量Ｆｃｒ（ｋ）に一
致させるためには、インジェクタ２７の噴射量Ｆｉ
（ｋ）を

【数３】 となるように制御すればよいことがわかる。

【００１７】すなわち、筒内流入燃料量Ｆｉ（ｋ）を制
御して、空燃比を適正に制御するためには、（１）式に
よって算出される壁面付着燃料量Ｆｗ（ｋ）を正確に算
出するとともに、各パラメータＰ（ｋ）、Ｒ（ｋ）を適
切な値に設定する必要がある。

【００１８】機関始動時および始動直後においては、壁
面への燃料付着が形成過程に有るため、その付着、蒸発
過程は準定常状態にあるとはいえず、従来の（４）式を
用いた制御方法では、その形成過程を正確に模擬するこ
とができない。この問題点を解決するため、本発明にお
いて使用される燃料挙動モデルは、始動時には新たに設
定した燃料挙動モデルを用いる。

【００１９】以下、図３を参照して本発明における始動
時（始動直後を含む）の燃料挙動モデルを説明する。図
３は、吸気ポート２１付近における始動時の燃料挙動の
シミュレーションモデルを示す模式図である。

【００２０】この始動時の燃料挙動モデルにおいては、
付着燃料の形成過程にあっては、付着燃料からの蒸発は
起こらず、噴射された燃料の一部（液滴分の一部）が付
着燃料の形成に寄与し、気相分のみが筒内へ流入して燃
焼に寄与するものとして取り扱っている。

【００２１】すなわち、時刻ｋにおけるインジェクタ噴
射量Ｆｉ（ｋ）のうち、吸気ポート２１の壁面等に付着
する割合（壁面付着率）については、図２のモデルと同
様にＲ（ｋ）を用いる（ただし、パラメータＲ（ｋ）の
値自体は始動時であることを考慮して設定された値を用
いる）。一方、付着燃料からの蒸発はないものとして取
り扱うから、時刻ｋにおける壁面付着燃料量Ｆｗ（ｋ）
のうち、気化せずに吸気ポート２１の壁面等に残留する
割合である壁面残留率Ｐ（ｋ）を１として取り扱うこと
になる。

【００２２】さらに、時刻ｋにおけるインジェクタ噴射
量Ｆｉ（ｋ）のうち、吸気ポート２１の壁面等に付着し
なかった全ての燃料が筒内に流入して燃焼に寄与すると
考えるのではなく、その一部のみが燃焼に寄与するもの
と考える。これは、機関始動時においては、シリンダ１
０温度が低いため、燃焼室１４内に液滴のままで流入し
た燃料が燃焼に寄与せず、そのまま排気管３側へと送ら
れる挙動を模擬するためのものである。つまり、時刻ｋ
におけるインジェクタ噴射量Ｆｉ（ｋ）のうち、吸気ポ
ート２１の壁面等に付着した燃料を含む液滴等の液相分
の割合をＲ’（ｋ）とすると、気相分の割合は（１−
Ｒ’（ｋ））で表せる。このように表すと、（１）、
（２）式に対応する機関始動時の燃料挙動モデルは、以
下の（５）、（６）式で表せる。

【数４】 ここで、Ｒ'（ｋ）≧Ｒ（ｋ）が成立する。

【００２３】（３）式と（５）、（６）式より機関始動
時に前記の筒内流入燃料量Ｆｃ（ｋ）を目標筒内流入燃
料量Ｆｃｒ（ｋ）に一致させるためには、インジェクタ
２７の噴射量Ｆｉ（ｋ）を

【数５】 となるように制御すればよい。

【００２４】図４は本発明に係る内燃機関の燃料噴射装
置による燃料噴射制御の制御フローを示したフローチャ
ートである。この制御はエンジンＥＣＵ６によって実施
されるものであり、車両のイグニッションキーがオンに
されてから、所定のタイミングで繰り返し実行される。
このタイムサイクルを時刻ｋで表す（つまり、時刻ｋで
本制御フローを実行し、次に実行されるときの時刻がｋ
＋１となる）。

【００２５】まず、ステップＳ１において、エンジンＥ
ＣＵ６は、機関運転条件を設定する。これは、車速セン
サ６０から得られた車速、クランクポジションセンサ６
１から得られたエンジン回転数等を基にして設定空燃比
を決定することになる。そして、ステップＳ２において
は、吸気温センサ２２、エアフローメータ２３、吸気圧
センサ２６、スロットル開度センサ２５の出力から吸入
空気量を算出することで、（４）式に基づいて筒内流入
燃料量の目標値Ｆｃｒ（ｋ）を設定する。

【００２６】ステップＳ３では、機関始動後、定常状態
に達しているか否かを判定する。この判定は、エンジン
回転数が一定程度に達したか否か、供給空気量が定常に
達したか否か、始動から所定の時間が経過したか否か、
あるいは、エンジン冷却水温が所定の温度以上となった
か否か等により判定を行う。また、モデル演算結果とし
ての付着量の変化が、一定範囲内で安定化したか否かで
判定するようにしてもよい。

【００２７】ステップＳ３において、未だ定常状態に達
していないと判定された場合は、燃料挙動モデルとして
図３に示される始動時モデルを選択し、ステップＳ４へ
と移行して、（５）、（６）式におけるパラメータＲ
（ｋ）、Ｒ’（ｋ）の設定を行う。これらのパラメータ
は実験等により求めた値をエンジンＥＣＵ６内に機関運
転条件に対するマップ形式で保持しておき、機関運転条
件に対応させて読み出すことで設定すればよい。

【００２８】ステップＳ５では、こうして読み出したパ
ラメータを基にして（５）〜（７）式により壁面付着量
Ｆｗ（ｋ）とインジェクタ噴射量Ｆｉ（ｋ）を更新す
る。そして、続くステップＳ６では、求めたインジェク
タ噴射量Ｆｉ（ｋ）となるようインジェクタ２７を制御
して吸気ポート２１内へと燃料を噴射する。これによ
り、所望の量の燃料が燃焼室１４内へと導かれる。

【００２９】一方、ステップＳ３で定常状態に達したと
判定された場合には、燃料挙動モデルとして図２に示さ
れる通常モデルを選択し、ステップＳ７へと移行して、
（１）、（２）式におけるパラメータＰ（ｋ）、Ｒ
（ｋ）の設定を行う。これらのパラメータは始動時モデ
ルの場合と同様に実験等により求めた値をエンジンＥＣ
Ｕ６内に機関運転条件に対するマップ形式で保持してお
き、機関運転条件に対応させて読み出すことで設定すれ
ばよい。

【００３０】ステップＳ８では、こうして読み出したパ
ラメータを基にして（１）〜（３）式により壁面付着量
Ｆｗ（ｋ）とインジェクタ噴射量Ｆｉ（ｋ）を更新す
る。そして、続くステップＳ６では、求めたインジェク
タ噴射量Ｆｉ（ｋ）となるようインジェクタ２７を制御
して吸気ポート２１内へと燃料を噴射する。これによ
り、所望の量の燃料が燃焼室１４内へと導かれる。

【００３１】なお、空燃比センサ３１の出力信号を基に
して制御結果と目標値との偏差が大きい場合には、それ
ぞれのパラメータを修正するパラメータ学習を行うこと
が好ましい。

【００３２】このようにすると、付着燃料の形成につい
て連続した計算が行われるので、始動時モデルから通常
モデルに切り替えた場合における不連続性を低減するこ
とができ、始動時についても空燃比制御を行うことによ
り、その制御性が向上する。その結果、エミッションや
ドライバビリティーが向上する効果もある。

【００３３】本発明で用いることのできる燃料挙動モデ
ルは必ずしも上述したモデルに限られるものではない。
例えば、燃料の付着位置を弁表面と吸気ポートの壁面表
面とに分けるなどさらに細分割してもよいし、気筒内に
おける付着を考慮したモデルであってもよい。これらの
モデルを用いた場合でも始動時に付着燃料の形成のみを
考慮することができ、それは本発明の技術的範囲に包含
される。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、機
関始動時においては、付着燃料からの蒸発を考慮せず、
その形成のみを考慮した通常時とは別のモデルを用いる
ことで付着燃料の形成を精度良く模擬することができ、
その結果、燃料噴射装置による燃料供給量および空燃比
の制御性を向上させることができ、エミッションやドラ
イバビリティーの向上も図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料噴射装置とこれを適用した内
燃機関を示す概略構成図である。

【図２】通常時の燃料挙動モデルを説明する図である。

【図３】始動時の燃料挙動モデルを説明する図である。

【図４】本発明に係る燃料噴射制御を説明するフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１…内燃機関、２…吸気管、３…排気管、４…アクセル
ペダル、５…燃料タンク、６…エンジンＥＣＵ、１４…
燃焼室、２１…吸気ポート、２７…インジェクタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G084 BA13 CA01 CA02 DA04 DA10 EB01 FA02 FA07 FA10 FA11 FA26 FA33 FA38 3G301 HA01 HA06 JA03 JA21 KA01 LB02 MA01 MA11 NA09 NC02 ND21 ND45 NE23 PA02Z PA07Z PA10Z PA11Z PB10Z PD02Z PE02Z PE03Z PF01Z

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料噴射装置から内燃機関の気筒へと流
   入する燃料の動的挙動をモデル化した燃料挙動モデルを
   利用して燃料噴射装置による燃料供給量を制御する制御
   部を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、 前記制御部は内燃機関始動時の燃料挙動モデルとして付
   着燃料からの蒸発を考慮せず、付着燃料の形成のみを考
   慮するモデルを用いる内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 【請求項２】 前記内燃機関始動時の燃料挙動モデル
   は、噴射燃料のうち気筒内に流入する気相分のみが燃焼
   に寄与するモデルである請求項１記載の内燃機関の燃料
   噴射制御装置。