JP2005201073A

JP2005201073A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2005201073A
Application number: JP2004005624A
Authority: JP
Inventors: Yukio Koseki; 優紀夫小関
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】筒内噴射用インジェクタと吸気ポート噴射用インジェクタとの切換えの際に、トルク変動を生ずるのを抑制する内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】高負荷時に筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタ１１と低・中負荷時に吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタ１２とを備え、運転状態に応じて両者を切換えて用いる内燃機関において、吸気ポート噴射用インジェクタ１２を用いた均質燃焼から筒内噴射用インジェクタ１１を用いた均質燃焼、またはその逆に切換えられるときは、該切換えに際し、機関のトルクを変更させる手段（スロットル開度または点火時期制御装置）を作動させてトルクを低下または増大させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、より詳しくは、高負荷時に筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと低・中負荷時に吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備え、運転状態に応じて両者を切換えて用いる内燃機関の制御装置に関する。

一般に、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタと吸気ポート内に向けて燃料を噴射するための吸気ポート噴射用インジェクタとを備え、機関の運転領域に応じてこれらのインジェクタを切替え使用するようにした内燃機関は、特許文献１等により知られている。

このものは、筒内噴射用インジェクタによる気筒内噴射から吸気ポート噴射用インジェクタによるマニホルト噴射に切換えるとき、筒内噴射用インジェクタの作動状態で、吸気量を減少させるとともに燃料を増量させ、しかる後に吸気ポート噴射用インジェクタの作動状態に切換えトルク変動を抑えるようにしている。また、吸気ポート噴射用インジェクタから筒内噴射用インジェクタに作動切換えするときは、吸気ポート噴射用インジェクタから筒内噴射用インジェクタの作動状態に切換えた後、吸気量を増加させるとともに燃料供給量を減少させるようにしている。

特開平６−１９３４９６号公報

しかしながら、かかる特許文献１に記載の技術を、高負荷時に筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと低・中負荷時に吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備え、運転状態に応じて両者を切換えて用いる内燃機関に適用すると、その切換え時において、かえってトルク変動を生ずるという問題があった。例えば、低・中負荷時の吸気ポート噴射用インジェクタから筒内噴射用インジェクタに切換えられた場合には、筒内噴射用インジェクタから筒内に直接に噴射された燃料の気化潜熱により、吸気ポート噴射による場合に比べて充填効率が向上するので、吸入空気量の変化によりトルク変動が生ずるからである。

そこで、本発明の目的は、かかる従来の問題を解消し、筒内噴射用インジェクタと吸気ポート噴射用インジェクタとの切換えの際に、トルク変動を生ずるのを抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態に係る内燃機関の制御装置は、高負荷時に筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと低・中負荷時に吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備え、運転状態に応じて両者を切換えて用いる内燃機関において、前記吸気ポート噴射用インジェクタを用いた均質燃焼から筒内噴射用インジェクタを用いた均質燃焼に切換えられるときは、該切換えに際し、機関のトルクを変更させる手段を作動させてトルクを低下させるようにしたことを特徴とする。

上記目的を達成する本発明の他の形態に係る内燃機関の制御装置は、高負荷時に筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと低・中負荷時に吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備え、運転状態に応じて両者を切換えて用いる内燃機関において、前記筒内噴射用インジェクタを用いた均質燃焼から吸気ポート噴射用インジェクタを用いた均質燃焼に切換えられるときは、該切換えに際し、機関のトルクを変更させる手段を作動させてトルクを増大させるようにしたことを特徴とする。

ここで、前記トルクを変更させる手段は、スロットル開度制御手段または点火時期制御手段であってもよい。

なお、前記吸気ポート噴射用インジェクタを用いた均質燃焼運転状態において、加速要求があったときには、前記筒内噴射用インジェクタを併用するようにすることが好ましい。

本発明の一形態に係る内燃機関の制御装置によると、高負荷時に筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと低・中負荷時に吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備え、運転状態に応じて両者を切換えて用いる内燃機関において、前記吸気ポート噴射用インジェクタを用いた均質燃焼から筒内噴射用インジェクタを用いた均質燃焼に切換えられるときは、該切換えに際し、機関のトルクを変更させる手段が作動されてトルクが低下されるので、トルクの変動（ショック）が抑制される。

また、本発明の他の形態に係る内燃機関の制御装置によると、同じく、前記筒内噴射用インジェクタを用いた均質燃焼から吸気ポート噴射用インジェクタを用いた均質燃焼に切換えられるときは、該切換えに際し、機関のトルクを変更させる手段が作動されてトルクが増大されるので、トルクの変動が抑制される。

なお、前記吸気ポート噴射用インジェクタを用いた均質燃焼運転状態において、加速要求があったときには、前記筒内噴射用インジェクタを併用するようにした形態によれば、燃料の供給遅れがなく応答性が向上すると共に、気化潜熱による吸気冷却作用による過渡ノックが抑制され、筒内噴射用インジェクタへの堆積デポジットの洗浄効果をも奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明に係る内燃機関の制御装置の概略構成図が示されている図１を参照するに、機関１は４つの気筒１ａを備えている。各気筒１ａはそれぞれ対応する吸気枝管２を介して共通のサージタンク３に接続されている。サージタンク３は吸気ダクト４を介してエアフローメータ４ａに接続され、エアフローメータ４ａはエアクリーナ５に接続されている。吸気ダクト４内にはステップモータ６によって駆動されるスロットル弁７が配置されている。一方、各気筒１ａは共通の排気マニホルド８に連結され、この排気マニホルド８は三元触媒コンバータ９に連結されている。

各気筒１ａには、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ１１と吸気ポート内に向けて燃料を噴射するための吸気ポート噴射用インジェクタ１２とがそれぞれ取り付けられている。これらインジェクタ１１、１２は電子制御ユニット３０の出力信号に基づいてそれぞれ制御される。また、各筒内噴射用インジェクタ１１は共通の燃料分配管１３に接続されており、この燃料分配管１３は燃料分配管１３に向けて流通可能な逆止弁１４を介して、機関駆動式の高圧ポンプ１５に接続されている。

図１に示すように、高圧ポンプ１５の吐出側はスピル電磁弁１５ａを介して高圧ポンプ１５の吸入側に連結されており、このスピル電磁弁１５ａの開度が小さいとき程、高圧ポンプ１５から燃料分配管１３内に供給される燃料量が増大され、スピル電磁弁１５ａが全開にされると、高圧ポンプ１５から燃料分配管１３への燃料供給が停止されるように構成されている。なお、スピル電磁弁１５ａは電子制御ユニット３０の出力信号に基づいて制御される。

一方、各吸気ポート噴射用インジェクタ１２は共通の燃料分配管１６に接続されており、燃料分配管１６および高圧ポンプ１５は共通の燃料圧レギュレータ１７を介して、電動モータ駆動式の低圧ポンプ１８に接続されている。さらに、低圧ポンプ１８は燃料フィルタ１９を介して燃料タンク２０に接続されている。燃料圧レギュレータ１７は低圧ポンプ１８から吐出された燃料の燃料圧が予め定められた設定燃料圧よりも高くなると、低圧ポンプ１８から吐出された燃料の一部を燃料タンク２０に戻すように構成されており、したがって吸気ポート噴射用インジェクタ１２に供給されている燃料圧および高圧ポンプ１５に供給されている燃料圧が上記設定燃料圧よりも高くなるのを阻止している。さらに、図１に示すように、高圧ポンプ１５と燃料圧レギュレータ１７との間には流通弁２１が設けられている。この流通弁２１は通常開弁されており、この流通弁２１が閉弁されると低圧ポンプ１８から高圧ポンプ１５への燃料供給が停止される。なお、この流通弁２１の開閉は電子制御ユニット３０の出力信号に基づいて制御される。

また、電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１を介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備している。エアフローメータ４ａは吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、このエアフローメータ４ａの出力電圧はＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。機関１には冷却水温度に比例した出力電圧を発生する水温センサ３８が取付けられ、この水温センサ３８の出力電圧はＡＤ変換器３９を介して入力ポート３５に入力される。燃料分配管１３には燃料分配管１３内の燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ４０が取付けられ、この燃料圧センサ４０の出力電圧はＡＤ変換器４１を介して入力ポート３５に入力される。触媒９上流の排気マニホルド８には排気ガス中の酸素濃度に比例した出力電圧を発生する酸素濃度センサ４２が取付けられ、この酸素濃度センサ４２の出力電圧はＡＤ変換器４３を介して入力ポート３５に入力される。アクセルペダル１０はアクセルペダル１０の踏込み量（以下、アクセル開度と称する）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４４に接続され、負荷センサ４４の出力電圧はＡＤ変換器４５を介して入力ポート３５に入力される。また、入力ポート３５には機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ４６および機関１が搭載されている車両の速度を表す出力パルスを発生する車速センサ４８が接続されている。電子制御ユニット３０のＲＯＭ３２には、上述の負荷センサ４４および回転数センサ４６により得られる機関負荷および機関回転数に基づき、運転領域に対応させて設定されている燃料噴射量の値が予めマップ化されて記憶されている。

さらに、図２には気筒１ａの側断面図が示されている。図２を参照するに、６１はシリンダブロック、６２は頂面上に凹部６２ａが形成されたピストン、６３はシリンダブロック６１上に固締されたシリンダヘッド、６４はピストン６２とシリンダヘッド６３間に形成された燃焼室、６５は吸気バルブ、６６は排気バルブ、６７は吸気ポート、６８は排気ポート、６９は点火プラグをそれぞれ示している。吸気ポート６７は燃焼室６４内に流入した空気がシリンダ軸線周りの旋回流を発生するように形成されている。凹部６２ａは筒内噴射用インジェクタ１１側に位置するピストン６２の周縁部からピストン６２中央部に向かって延び、また点火プラグ６９の下方において上方に延びるように形成されている。

また、吸気バルブ６５および排気バルブ６６は、それぞれ、吸気バルブ駆動機構７０および排気バルブ駆動機構７１に連係されている。吸気バルブ駆動機構７０および排気バルブ駆動機構７１は、励磁電流が印加されたときに発生する電磁力を利用して、それぞれ、吸気バルブ６５と排気バルブ６６とを進退駆動する電磁駆動機構から構成され、電子制御ユニット３０の信号に基づき、開閉のタイミングおよびリフト量が任意に制御可能に構成されている。従って、例えば電子制御ユニット３０からの信号に基づいて吸気バルブ駆動機構７０および／または排気バルブ駆動機構７１が作動されると、吸気バルブ６５および／または吸気バルブ６５の開閉時期、延いては開期間が長く或いは短く可変制御されることになる。

ここで、電子制御ユニット３０の出力ポート３６は対応する駆動回路４７を介して、ステップモータ６、各筒内噴射用インジェクタ１１、各吸気ポート噴射用インジェクタ１２、スピル電磁弁１５ａ、流通弁２１、吸気バルブ駆動機構７０および排気バルブ駆動機構７１、および点火時期制御装置４９に接続されている。

次に、上記構成を有する本発明の実施形態の制御の一例について以下に説明する。まず、一般に制御が開始されると、電子制御ユニット３０は所定時間毎に、アクセル開度を検出する負荷センサ４４および回転数センサ４６により得られる機関負荷と機関回転数とにより機関の運転状態ないしは領域を判断する。そして、機関負荷が低・中負荷の場合には、図３に示すように、吸気ポート噴射用インジェクタ１２による噴射（以下、ポート噴射と称す）を選択し、高負荷の場合には、筒内噴射用インジェクタ１１による噴射（以下、直噴と称す）を選択する。同時に、機関負荷と機関回転数とをパラメータとしてマップに記憶されている燃料噴射量を求め、筒内噴射用インジェクタ１１および吸気ポート噴射用インジェクタ１２の選択されたいずれかからこの求めた燃料量を噴射するように制御する。

ここで、図４のタイムチャートに示すように、アクセル開度が増大し、ポート噴射領域から直噴領域に移行すると、吸気ポート噴射用インジェクタ１２を用いた均質燃焼から筒内噴射用インジェクタ１１を用いた均質燃焼に切換えられるが、本実施の形態においては、この切換えに際し、機関のトルクを変更させる手段として、図４（ｂ）に実線で示すようにスロットル開度が減少される。すると、吸入空気量が減少される結果、これに対応する燃料噴射量が直噴用マップから求められ、同じく図４（ｃ）に実線で示すように筒内噴射用インジェクタ１１から直噴される燃料噴射量が減少される。なお、燃料噴射量マップは、直噴用マップおよびポート噴射用マップとして別々に用意されている。

通常、直噴による均質燃焼の場合にはポート噴射による均質燃焼よりも吸気の充填効率が向上することから、同一燃料噴射量のときには、ポート噴射による均質燃焼に比べトルクが大きくなる（図４（ｄ）に充填効率の差によるトルク差Ｔｄとして示されている）。ところが、本実施の形態では、スロットル開度が減少されてトルクが低下されるので、図４（ｄ）に実線で示すように、切換えの前後が段差なく滑らかにつながりトルクの変動が抑制されるのである。

上述の場合と逆に、図４のタイムチャートに示すように、アクセル開度が減少し、直噴領域からポート噴射領域に移行すると、筒内噴射用インジェクタ１１を用いた均質燃焼から吸気ポート噴射用インジェクタ１２を用いた均質燃焼に切換えられる。本実施の形態においては、この切換えに際し、機関のトルクを変更させる手段として、図４（ｂ）に実線で示すようにスロットル開度が増大され、吸入空気量が増大される。すると、ポート噴射から直噴への移行の場合と同様に、これに対応する燃料噴射量がポート噴射用マップから求められる。そして、同じく図４（ｃ）に実線で示すように吸気ポート噴射用インジェクタ１２からポート噴射される燃料噴射量が増大される。これにより、上述の場合と同じく図４（ｄ）に実線で示すように、切換えの前後が段差なく滑らかにつながりトルクの変動が抑制される。

なお、本発明の他の実施の形態として、機関のトルクを変更させる手段としての上述のスロットル開度制御に替えて、点火時期制御装置によってもよい。すなわち、アクセル開度が増大し、ポート噴射領域から直噴領域に移行するときには、点火時期の遅角制御を行わせてトルクを低下させる。一方、アクセル開度が減少し、直噴領域からポート噴射領域に移行するときには、点火時期の進角制御を行わせてトルクを増大させるのである。

次に、本発明のさらに他の実施の形態を図５を参照して説明する。この実施の形態は、吸気ポート噴射用インジェクタ１２を用いたポート噴射均質燃焼運転状態において、加速要求があったときには、筒内噴射用インジェクタ１１を併用するようにしたものである。すなわち、図３に示すポート噴射領域においては、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からのみ燃料が噴射されている（図５の０〜ｔ０）が、この領域における定常運転状態において、アクセルペダル１０が踏み込まれアクセル開度が増大したことが検出されると、加速要求があったとして、筒内噴射用インジェクタ１１からもこの加速中に所定の燃料を直噴するのである。

図５（ａ）に示す形態では、ある定常運転状態における加速開始時点ｔ０から所望の定常運転状態である加速終了時点ｔ１に移行する加速中に、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からは要求加速量の大きさに応じて所定の割合で増量されつつポート噴射が行われるのに対し、筒内噴射用インジェクタ１１からは一定の燃料量が直噴される。また、図５（ｂ）に示す形態では、この加速中に、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からは所定の割合で増量されつつポート噴射が行われるのに対し、筒内噴射用インジェクタ１１からは燃料量が次第に減少されつつ直噴される。さらに、図５（ｃ）に示す形態では、この加速中に、吸気ポート噴射用インジェクタ１２からは所定の割合で増量されつつポート噴射が行われるのに対し、筒内噴射用インジェクタ１１からは燃料量が次第に増大されつつ直噴される。このように、直噴される燃料量が一定もしくは増減されるのは、加速開始時点ｔ０の定常運転状態や要求加速量（アクセル開度変化量）に応じて、適正な応答性を得るためである。

このように、加速要求があったときに、筒内噴射用インジェクタ１１による直噴を併用するようにすると、燃料の供給遅れがなく応答性が向上すると共に、気化潜熱による吸気冷却作用による過渡ノックが抑制される。さらに、ポート噴射領域での運転時に休止される筒内噴射用インジェクタへの堆積デポジットの洗浄効果を奏することができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の概略構成図を示す模式図である。図１に示す機関の側断面図である。本発明の一実施形態において、運転領域に対応させた噴射形態を示すグラフである。本発明の一実施形態において、燃料噴射切換えの際の様子を説明するグラフである。本発明の一実施形態において、直噴を併用する際の燃料噴射量の様子を説明するグラフであり、（ａ）は一定、（ｂ）は漸減、（ｃ）は漸増である。

符号の説明

１１筒内噴射用インジェクタ
１２吸気ポート噴射用インジェクタ
３０電子制御ユニット
３８水温センサ
４４負荷センサ
４６回転数センサ
４９点火時期制御装置

Claims

高負荷時に筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと低・中負荷時に吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備え、運転状態に応じて両者を切換えて用いる内燃機関において、
前記吸気ポート噴射用インジェクタを用いた均質燃焼から筒内噴射用インジェクタを用いた均質燃焼に切換えられるときは、該切換えに際し、機関のトルクを変更させる手段を作動させてトルクを低下させるようにしたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
高負荷時に筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと低・中負荷時に吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを備え、運転状態に応じて両者を切換えて用いる内燃機関において、
前記筒内噴射用インジェクタを用いた均質燃焼から吸気ポート噴射用インジェクタを用いた均質燃焼に切換えられるときは、該切換えに際し、機関のトルクを変更させる手段を作動させてトルクを増大させるようにしたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記トルクを変更させる手段は、スロットル開度制御手段または点火時期制御手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
前記吸気ポート噴射用インジェクタを用いた均質燃焼運転状態において、加速要求があったときには、前記筒内噴射用インジェクタを併用するようにしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。