JP2005299575A

JP2005299575A - 内燃機関の燃料噴射制御方法

Info

Publication number: JP2005299575A
Application number: JP2004119533A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Uchida; 大輔内田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: JP4501107B2

Abstract

【課題】空燃比のずれが生ずることがなく、エミッションの悪化や触媒温度の過昇等を招くことを抑制することのできる内燃機関の燃料噴射制御方法を提供する。
【解決手段】筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタ３３と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３１とを備える内燃機関において、筒内噴射用インジェクタ３３からの燃料噴射を開始するときは、該筒内噴射用インジェクタの温度に応じて、その燃料噴射量を補正する。また、燃料噴射量の補正は、筒内噴射用インジェクタ３３からの燃料噴射開始からの経過時間または燃料噴射量に対応して、その補正量を漸減させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御方法に関し、より詳しくは、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る、いわゆるデュアル噴射型内燃機関の燃料噴射制御方法に関する。

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の一方のみに切替えて使用したり、所定の運転領域においては両方のインジェクタを使用するようにした、いわゆるデュアル噴射型内燃機関が知られている。

このようなデュアル噴射型内燃機関の一例として、特許文献１には、吸気ポート噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとを備え、ポート噴射が開始されたときに吸気ポートの内壁面に付着する付着燃料量を推定すると共に、ポート噴射が停止されたときに機関燃焼室内に流入する付着燃料の流入量を推定し、そして、ポート噴射が開始されたときに筒内噴射量を付着燃料量だけ増量補正すると共に、ポート噴射が停止されたときに筒内噴射量を流入量だけ減量補正するようにした燃料噴射式内燃機関が開示されている。

特開平５−２３１２２１号公報

しかしながら、かかる特許文献１に記載の燃料噴射式内燃機関では、ポート噴射が開始または停止されたときの付着燃料による不具合を解消することを目的とするものであり、筒内噴射が開始された場合については何等触れられていない。

ところで、デュアル噴射型内燃機関において、運転領域に応じてインジェクタの一方のみに切替えて使用する機関や、ある運転領域においては吸気ポート噴射用インジェクタのみを用い、他の運転領域においては、吸気ポート噴射用と筒内噴射用との両方のインジェクタを使用するようにした機関にあっては、筒内噴射用インジェクタが用いられない運転領域が存在する。このような機関において、例えば、筒内噴射用インジェクタを停止させ、吸気ポート噴射用インジェクタのみから噴射させて運転を行った場合には、筒内噴射用インジェクタは高温の燃焼ガスに曝されるにもかかわらず自らの噴射による冷却作用がなくなることから、熱負荷により、その噴射特性が変化してしまう。その結果、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を開始するときに、機関の負荷等の関数として予め定めた燃料噴射量に従ってそのまま筒内噴射用インジェクタから噴射を行なわせると、所望の燃料噴射量が得られず空燃比のずれが生じ、エミッションの悪化や触媒温度の過昇等を招くという問題があった。

そこで、本発明の目的は、空燃比のずれが生ずることがなく、エミッションの悪化や触媒温度の過昇等を招くことを抑制することのできる内燃機関の燃料噴射制御方法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燃料噴射制御方法は、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る内燃機関において、前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を開始するときは、該筒内噴射用インジェクタの温度に応じて、その燃料噴射量を補正するようにしたことを特徴とする。

ここで、前記燃料噴射量の補正は、前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射開始からの経過時間または燃料噴射量に対応して、その補正量を漸減させて行われることが好ましい。

また、前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射の開始前に、前記吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を吸気同期噴射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燃料噴射制御方法によると、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る内燃機関において、前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を開始するときは、その燃料噴射量が筒内噴射用インジェクタの温度に応じて補正されるので、所望の燃料噴射量が確保される。従って、空燃比のずれが生ずることがなく、エミッションの悪化や触媒温度の過昇等を招くことを抑制することができる。

ここで、燃料噴射量の補正が、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射開始からの経過時間または燃料噴射量に対応して、その補正量を漸減させて行われる形態によれば、筒内噴射用インジェクタはその自らの噴射により冷却され、燃料噴射開始からの経過時間または燃料噴射量に対応して正常な噴射特性状態に戻るので、所定時間経過後も所望の燃料噴射量が確保される。

また、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射の開始前に、吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を吸気同期噴射にする形態によれば、吸気同期噴射された燃料の気化による潜熱で吸気の充填効率が上昇すると同時にミキシングがよくなり、燃焼が改善されるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。先ず、本発明が適用される過給機付デュアル噴射型内燃機関の全体構成について、図１を用いて説明する。同図において、符号１０は、可変バルブタイミング機構及び過給機付のエンジン（以下、単に「エンジン」と称する）であり、図においては、吸気ポート噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとを備えたガソリンエンジンを示す。このエンジン１０のシリンダブロック１１には、シリンダヘッド１２が設けられ、シリンダヘッド１２に気筒毎に吸気ポート１３と排気ポート１４とが形成されている。

エンジン１０の吸気系として、各吸気ポート１３に吸気マニホルド１５が連通され、この吸気マニホルド１５に各気筒の吸気通路が集合するサージタンク１６を介してスロットル弁１７が介装されたスロットルチャンバ１８が連通されている。スロットル弁１７はスロットルモータ１９によって駆動される。そして、このスロットルチャンバ１８の上流にインタークーラ２０が介装され、インタークーラ２０が吸気管２１を介して過給機の一例としてのターボチャージャ２２のコンプレッサ２２Ｃに連通され、更に、エアクリーナ２３に連通されている。

吸気マニホルド１５の各気筒の吸気ポート１３の直上流には、吸気ポート噴射用インジェクタ３１が配設され、また、シリンダヘッド１２には、シリンダブロック１１における各気筒の燃焼室内に直接に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタ３３が配置されている。この筒内噴射用インジェクタ３３は各々、高圧燃料ポンプ３４から高圧の燃料が供給される燃料デリバリパイプ３５に連通されている。更に、シリンダヘッド１２の気筒毎に点火プラグ３６が配設されている。

一方、エンジン１０の排気系としては、シリンダヘッド１２の各排気ポート１４に連通する排気マニホルド２５により排気が合流され、排気マニホルド２５に排気管２６が接続されている。そして、排気管２６にターボチャージャ２２のタービン２２Ｔが介装され、その下流に、触媒、マフラー等が配設されて大気に開放される。ターボチャージャ２２は、タービン２２Ｔに流入する排気のエネルギーによりコンプレッサ２２Ｃが回転駆動され、空気を吸入、加圧して過給するものであり、タービン２２Ｔの入口側には、入力される排気ガスの流速や圧力を調整すべく、電動式アクチュエータからなる可変ノズル作動用アクチュエータ２７を備えた可変ノズル２８が設けられている。可変ノズル作動用アクチュエータ２７は、後述する電子制御装置（以下、ＥＣＵと称す）１００から出力される制御信号に応じて、可変ノズル２８の開度が調節されて過給圧が制御される。

ここで、エンジン１０の可変バルブタイミング機構について説明する。エンジン１０のクランクシャフト５１の回転は、周知の如く、シリンダヘッド１２内にそれぞれ配設された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトに、クランクシャフト５１に固設されたクランクプーリ、タイミングベルト、吸気カムプーリ、排気カムプーリ等を介して伝達され、クランクシャフト５１とカムシャフトとが２対１の回転角度となるよう設定されている。そして、吸気カムシャフトに設けられた吸気カム及び排気カムシャフトに設けられた排気カム（いずれも図示せず）は、それぞれクランクシャフト５１と２対１の回転角度に維持される各カムシャフトの回転に基づいて、吸気バルブ４０、排気バルブ４１を開閉駆動する。

吸気カムシャフトと吸気カムプーリとの間には、吸気カムプーリと吸気カムシャフトとを相対回動させてクランクシャフト５１に対する吸気カムシャフトの回転位相（変位角）を連続的に変更する油圧駆動式の可変バルブタイミング機構ＩｎＶＶＴが配設されている。この可変バルブタイミング機構ＩｎＶＶＴは、周知のように、リニアソレノイド弁或いはデューティソレノイド弁等からなるオイルコントロールバルブ４２によって油圧が切換えられるものであり、後述のエンジン制御用のＥＣＵ１００からの駆動信号により作動する。

同様に、排気カムシャフトと排気カムプーリとの間には、排気カムプーリと排気カムシャフトとを相対回動させてクランクシャフト５１に対する排気カムシャフトの回転位相（変位角）を連続的に変更する油圧駆動式の可変バルブタイミング機構ＥｘＶＶＴが配設されている。この可変バルブタイミング機構ＥｘＶＶＴは、吸気側の可変バルブタイミング機構ＩｎＶＶＴと同様に、オイルコントロールバルブ４３によって油圧が切換えられるものであり、後述のエンジン制御用のＥＣＵ１００からの駆動信号により作動する。

次に、エンジン運転状態を検出するための各種センサについて説明する。吸気管２１のエアクリーナ２３の直下流には、エアフローメータ１０１、及びインタークーラ２０の直下流には、温度センサ１０２が介装されている。また、スロットルチャンバ１８に配設され、空気の量を調整するためのスロットル弁１７に関しその開度を検出するスロットルポジションセンサ１０３が連設され、サージタンク１６には吸気管圧力センサ１０４が設けられている。更に、燃料デリバリパイプ３５に燃料圧力を検出する燃圧センサ１０５が、エンジン１０のシリンダブロック１１にはノッキングセンサ１０６が取付けられ、シリンダブロック１１に冷却水温センサ１０７が設けられている。また、排気マニホルド２５が合流する合流部下流に背圧センサ１０８が配設されている。

上述の吸気側の可変バルブタイミング機構ＩｎＶＶＴ及び排気側の可変バルブタイミング機構ＥｘＩｎＶＶＴには、その作動位置を検出するセンサとして、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトに固設されて同期回転するカムロータの外周に形成された等角度毎の複数の突起を検出し、カム位置を表すカム位置パルスを出力する吸気側のカムポジションセンサ１０９及び排気側のカムポジションセンサ１１０がそれぞれ設けられている。また、クランクシャフト５１に軸着されて同期回転するクランクロータ５２の外周に形成された所定クランク角毎の突起を検出し、クランク角を表すクランクパルスを出力するクランクポジションセンサ１１１が設けられている。さらに、ターボチャージャ２２のタービン２２Ｔの下流には空燃比センサ１１２が配設されている。なお、１１３はアクセルペダルの踏込み量に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサである。

そして、図１において、１００は電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と称す）であり、上述の各種センサ類からの信号を処理して各種アクチュエータ類に対する制御量を演算し、燃料噴射制御、点火時期制御、アイドル回転数制御、過給圧制御、吸気バルブおよび排気バルブに対するバルブタイミング制御等を行うものである。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ、カウンタ・タイマ群、Ｉ／Ｏインターフェース等がバスラインを介して接続されるマイクロコンピュータを中心として構成され、各部に安定化電源を供給する定電圧回路、Ｉ／Ｏインターフェースに接続される駆動回路、Ａ／Ｄ変換器等の周辺回路が内蔵されている。また、Ｉ／Ｏインターフェースの入力ポートには、エアフローメータ１０１、温度センサ１０２、スロットルポジションセンサ１０３、吸気管圧力センサ１０４、燃圧センサ１０５、ノッキングセンサ１０６、冷却水温センサ１０７、背圧センサ１０８、カムポジションセンサ１０９，１１０、クランクポジションセンサ１１１、空燃比センサ１１２、アクセル開度センサ１１３、車速を検出するための車速センサ等が接続されている。

一方、Ｉ／Ｏインターフェースの出力ポートには、スロットルモータ１９、可変ノズル作動用アクチュエータ２７、吸気ポート噴射用インジェクタ３１、筒内噴射用インジェクタ３３、高圧燃料ポンプ３４、点火コイル３６、オイルコントロールバルブ４２および４３等が駆動回路を介して接続されている。

ＥＣＵ１００は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムに従って、Ｉ／Ｏインターフェースを介して入力されるセンサ類からの検出信号等を処理し、ＲＡＭに格納される各種データ、及びバックアップＲＡＭに格納されている各種学習値データ，ＲＯＭに記憶されている制御マップ等の固定データ等に基づき、燃料噴射量及び時期制御、点火時期制御、過給圧制御、バルブタイミング制御等のエンジン運転制御を行う。

ここで、上記構成になるエンジンにおける燃料噴射制御方法の制御ルーチンの一形態を、図２のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、この制御ルーチンは、エアフローメータ１０１、吸気管圧力センサ１０４およびアクセル開度センサ１１３のいずれかから制御対象に対応させて求められるエンジン負荷とエンジン回転数とに基づいて燃料噴射量と時期とが求められる燃料噴射制御、可変バルブタイミング機構ＩｎＶＶＴおよびＥｘＶＶＴを介したバルブタイミング制御により吸気バルブと排気バルブとが共に開弁状態となるバルブオーバラップ量制御、及び、ターボチャージャ２２を介した過給圧制御等のエンジンを最適な状態に制御する通常の制御ルーチンの一部として、クランクシャフト５１の１８０度回転毎に実行されるものである。

まず、制御が開始されると、電子制御装置１００は所定時間毎にアクセル開度センサ１１３やエアフローメータ１０１からの検出により得られるエンジン負荷とクランクポジションセンサ１１１からの算出により得られるエンジン回転数とにより機関の運転状態ないしは切替え要求領域を判断する。すなわち、ステップＳ２１において、吸気ポート噴射用インジェクタ３１のみから燃料が噴射されるポート噴射（Ｐｉ）領域「１」か、このポート噴射（Ｐｉ）に加えて筒内噴射用インジェクタ３３からの直噴（Ｄｉ）も行われるポート噴射（Ｐｉ）＋直噴（Ｄｉ）領域「２」かが判断される。本実施の形態では、これらの領域「１」および領域「２」は、図３（Ａ）に示すように、エンジンの負荷にほぼ対応して定められており、低・中負荷運転条件で領域「１」、高負荷運転条件で領域「２」とされている。そして、領域「２」における、吸気ポート噴射用インジェクタ３１と筒内噴射用インジェクタ３３とからの燃料噴射量比率は図３（Ｂ）に示すように概ね設定されている。

そこで、ステップＳ２１においての判断により、領域の切替えが必要でないとき、すなわち「Ｎｏ」の場合には、吸気ポート噴射用インジェクタ３１のみからの燃料噴射であるポート噴射（Ｐｉ）を継続し、このルーチンを終了する。一方、切替えが必要であるとき、換言すると、ポート噴射（Ｐｉ）に加えて直噴（Ｄｉ）も行われるとき、すなわち筒内噴射用インジェクタ３３からの燃料噴射の開始が必要なときは、ステップＳ２２に進み、開始時点を得るためにタイマーの時間ｔを０にセットする。そして、さらにステップＳ２３において、セットされた時間ｔが所定時間Ｂを経過しているか否かが判断される。所定時間Ｂを経過していないとき、すなわち「Ｎｏ」の場合には、ステップＳ２４に進み、筒内噴射用インジェクタ３３からの燃料噴射量の補正が行われる。

ここで、この燃料噴射量の補正につき説明する。今、筒内噴射用インジェクタ３３からの制御可能な噴射量である最小燃料噴射量をＱｍｉｎとし、その定常時における最小燃料噴射量をＱｍｉｎ０とする。また、筒内噴射用インジェクタ３３がその停止中に高温の燃焼ガスに曝されて温度Ｔに上昇した結果、その噴射特性が変化したときの温度Ｔにおける最小燃料噴射量をＱｍｉｎＴとする。そして、筒内噴射用インジェクタ３３から燃料噴射が開始（ｔ＝０）され、冷却作用が始まってから所定時間Ｂ以内に時間ｔが経過したときの最小燃料噴射量をＱｍｉｎＴ（ｔ）とする。一方、燃料噴射量の補正のための補正係数をＡｔとすると、上述の温度Ｔにおける補正係数はＡｔＴ、時間ｔが経過したときの補正係数はＡｔＴ（ｔ）であり、所定時間Ｂが経過した後はＡｔ＝１となる。上述の関係を図示すると、図５のようになる。

そこで、ステップＳ２４においては、筒内噴射用インジェクタ３３の温度Ｔにおける最小燃料噴射量ＱｍｉｎＴが、その噴射開始前のエンジン負荷と回転数をパラメータとする運転状態からマップにより求められる。このマップ値は、用いられる筒内噴射用インジェクタ３３の種類等に応じて、予め実験等により求められＲＯＭに記憶されているものである。同時に、これに対応する補正係数ＡｔＴも同様に求められる。そこで、筒内噴射用インジェクタ３３からの補正された燃料噴射量Ｑが、時間ｔが経過したときの燃料噴射量Ｑ（ｔ）として、下記の式を用いて求められる。
Ｑ（ｔ）＝ＱｍｉｎＴ＊ＡｔＴ（ｔ）

なお、エンジン全体として供給される必要燃料噴射量は、運転条件に応じ別にマップに保存されており、図３（Ｂ）に示すように定められている、吸気ポート噴射用インジェクタ３１と筒内噴射用インジェクタ３３とからの燃料噴射量比率に応じて、上述の筒内噴射用インジェクタ３３からの補正された燃料噴射量Ｑ（ｔ）に基づき、吸気ポート噴射用インジェクタ３１からの燃料噴射量が別に求められる。かくて、筒内噴射用インジェクタ３３からの燃料噴射が開始されるときには、上述の補正された燃料噴射量が筒内噴射用インジェクタ３３から噴射されるので、空燃比のずれ等が生ずるのが防止される。

また、ステップＳ２４の後は、ステップＳ２５に進みタイマーの時間ｔを１増加させ、再度、ステップＳ２３に戻る。ステップＳ２３においては、上述のように、時間ｔが所定時間Ｂを経過したか否かが判断され、所定時間Ｂを経過していない限りは、ステップＳ２４に進み、上述のように、筒内噴射用インジェクタ３３からの燃料噴射量の補正が行われる。但し、この場合には、筒内噴射用インジェクタ３３からの燃料噴射の結果、その冷却作用により温度が下がってきているので、補正係数ＡｔＴ（ｔ）も小さくなり、補正量自体も小さくなっている。そして、時間ｔが所定時間Ｂを経過したときは、ステップＳ２６に進み、筒内噴射用インジェクタ３３からの定常の燃料噴射量Ｑが、Ｑ＝Ｑｍｉｎ０＊１として求められる。かくて、所定時間経過後も筒内噴射用インジェクタ３３からの所望の燃料噴射量が確保される。

なお、上述した燃料噴射開始からの経過時間の代わりに、燃料噴射開始からの燃料噴射量を積算してノズルの冷却程度を推定し、Ｑｍｉｎを補正するようにしてもよい。

次に、本発明の内燃機関の燃料噴射制御方法の第２の実施形態の制御について以下に説明する。本実施の形態は、図５に示すように、エンジン１０の中・低負荷運転領域「１」において、吸気ポート噴射用インジェクタ３１のみからのポート噴射（Ｐｉ）を行い、しかも、吸気ポート噴射用インジェクタ３１からの噴射が吸気行程と同期しない、いわゆる非同期噴射により行なわれている運転状態から、筒内噴射用インジェクタ３３および吸気ポート噴射用インジェクタ３１の両方から燃料を噴射させるポート噴射（Ｐｉ）＋直噴（Ｄｉ）運転状態に移行する際に対処するものである。

そこで、制御が開始されると、図６に示すフローチャートにおけるステップＳ６１において、現在のエンジン負荷と回転数とが取得される。そして、ステップＳ６２に進み、このエンジン負荷が所定負荷以上か否かが判断される。この所定負荷とは、図３（Ａ）に示す中・低負荷運転領域「１」と高負荷運転領域「２」との境界線を若干下回る程度の移行直前の負荷である。ステップＳ６２の判断において、所定負荷以上である場合には、ステップＳ６２に進み、ポート噴射（Ｐｉ）の噴射タイミングが吸気非同期噴射から吸気同期噴射へ変更される。一方、ステップＳ６２において、所定負荷未満と判断されると、ステップＳ６４に進みポート噴射（Ｐｉ）の噴射タイミングは変更されずそのまま継続される。かくて、筒内噴射用インジェクタ３３からの燃料噴射の開始前に、吸気ポート噴射用インジェクタ３１からの燃料噴射が吸気同期噴射に変更されると、吸気同期噴射された燃料の気化による潜熱で吸気の充填効率が上昇すると同時にミキシングがよくなり、燃焼が改善される。

なお、上述した実施形態では、補正された燃料噴射量Ｑを求めるのに、最小燃料噴射量と補正係数とを別に求め、それらから算出するようにしたが、これは筒内噴射用インジェクタの温度を直接に計測により求めるか、燃料噴射開始前の運転状態から温度を推定することにより、これらの温度に直接に対応させた関係で補正燃料噴射量のマップを予め作成しておくようにしてもよい。

本発明に係る燃料噴射制御方法が適用される内燃機関の概略構成を示す模式図である。本発明に係る燃料噴射制御方法の制御の一例を示すフローチャートである。本発明の一実施形態において、（Ａ）運転領域に対応させた噴射形態および（Ｂ）噴射比率を示すグラフである。本発明の一実施形態において、燃料噴射量の補正法を説明するグラフである。本発明の他の実施形態において、燃料噴射開始に移行するときの様子を説明するタイムチャートである。本発明の燃料噴射制御方法の他の実施形態における制御の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

３１吸気ポート噴射用インジェクタ
３３筒内噴射用インジェクタ
１００電子制御装置

Claims

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る内燃機関において、
前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を開始するときは、該筒内噴射用インジェクタの温度に応じて、その燃料噴射量を補正するようにしたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御方法。
前記燃料噴射量の補正は、前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射開始からの経過時間または燃料噴射量に対応して、その補正量を漸減させて行われ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方法。
前記筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射の開始前に、前記吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射を吸気同期噴射にす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燃料噴射制御方法。