JP2006183553A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気系で検出された実空燃比に基づいて燃料噴射量を制御する場合に、オーバーラップ中の吹き抜けに起因する弊害を抑制する。
【解決手段】 オーバーラップ期間中の吹き抜け量に応じた燃料のサブ噴射量が算出され、算出されたサブ噴射量の燃料をオーバーラップ期間中に噴射する。サブ噴射量を適切に算出することにより、オーバーラップ期間中に気筒を吹き抜ける混合気を目標空燃比に近づけることができ、これによって、排気系で検出された実空燃比に基づいて燃料噴射量を制御する場合に、オーバーラップ中の吹き抜けに起因する出力の低下を抑制することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、吸排気ポートがいずれも開いているオーバーラップを実現可能な吸排気機構を搭載した内燃機関の制御装置に関し、特にオーバーラップ中の新気の吹き抜けが考慮されたものに関する。

従来、エンジンのクランクシャフトの回転に対するカムシャフトの回転の位相を変化させることにより、吸気バルブや排気バルブのバルブタイミング（開閉タイミング）を任意に変化させることのできる可変バルブタイミング機構が種々提案されている。

このような可変バルブタイミング機構では、掃気性の向上などを目的として、吸排気バルブがいずれも開いているオーバーラップ期間を設ける場合がある。このオーバーラップ期間には、吸気ポートからの空気または混合気が排気ポートに直接排出される状態、すなわち吹き抜けが生じる。この吹き抜けは燃焼に寄与しないため、燃料噴射式の内燃機関の場合に、吸入空気量に応じた噴射量の燃料を供給するのでは、筒内の空燃比が目標空燃比に対してリッチ側に偏向してしまう。

このような問題点を解決するために、特許文献１および同２は、エンジン回転数やスロットル開度などに基づいて吹き抜け量を算出し、この吹き抜け量に応じて燃料噴射量を減少させることで、空燃比の偏向を抑制する技術を開示している。

特開昭６３−２９７７４６号公報 特開平２−４００４１号公報

しかし、これら特許文献１および同２に開示されている技術では、排気系で実空燃比を検出してフィードバック制御を行う構成では、不都合が生じる場合がある。すなわち、例えば排気系に設けたＡ／ＦセンサやＯ_２センサで実空燃比を検出する場合、排気系における混合気は吹き抜けによってリーンになるため、この検出値に基づいて燃料噴射量を増量（リッチ側に補正）する制御が行われる結果、実空燃比がリッチ側に偏向してしまい、出力の低下やエミッションの悪化を招いてしまう。

そこで本発明の目的は、排気系で検出された実空燃比に基づいて燃料噴射量を制御する場合に、オーバーラップ中の吹き抜けに起因する弊害を抑制することにある。

第１の本発明は、吸排気ポートがいずれも開いているオーバーラップを実現可能な吸排気機構と、燃料噴射量および噴射タイミングを内燃機関の運転状態に応じて制御する噴射制御手段と、を有する内燃機関の制御装置であって、前記オーバーラップ中の吹き抜け量に応じた燃料のサブ噴射量を算出するサブ噴射量算出手段を更に備え、前記噴射制御手段は、算出された前記サブ噴射量の燃料が前記オーバーラップ中に噴射されるように、前記燃料噴射量および噴射タイミングを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置である。

第１の本発明では、サブ噴射量算出手段によって、オーバーラップ中の吹き抜け量に応じた燃料のサブ噴射量が算出され、算出されたサブ噴射量の燃料がオーバーラップ中に噴射されるように、噴射制御手段によって燃料噴射量および噴射タイミングが制御される。したがって、燃料噴射量の増量に代えて、適切に算出したサブ噴射量の燃料をオーバーラップ中に噴射することにより、オーバーラップ中に吹き抜ける混合気を目標空燃比に近づけることができ、これによって、排気系で検出された実空燃比に基づいて燃料噴射量を制御する場合に、オーバーラップ中の吹き抜けに起因する出力の低下を抑制することができる。

本発明におけるサブ噴射量算出手段は、車両の状態を示す各種のパラメータに基づいてサブ噴射量を算出できるが、実空燃比、オーバーラップの期間であるオーバーラップ量、または、吸気圧および排気圧に基づいてサブ噴射量を算出するのが特に好適である。なお、サブ噴射量を算出するために用いられるパラメータは単一種類のものでも、複数種類のものの組み合わせであってもよい。

本発明の好適な実施形態につき、以下に説明する。図１において、第１実施形態に係るエンジンは、筒内直噴式の４気筒ガソリンエンジンであって、シリンダブロック１の内部にシリンダ２が形成され、その中にピストン３が摺動可能に挿入されている。

ピストン３はコンロッド４によりクランクシャフト５に連結されている。ピストン３は燃費や燃焼効率を高めるために、バルブリセスに代えてピストンヘッド３ａの中央に凹部３ｂが設けられている。シリンダヘッド６は全気筒に共通とされており、その内部には各気筒ごとに、吸気ポート７および排気ポート８が形成され、また吸気弁９および排気弁１０が、不図示のバルブスプリングを介してセットされている。吸気ポート７には燃料噴射弁１２が設けられ、吸気ポート７からその上流側のエアフローメータ１４まで延びる吸気マニホールドを含む吸気通路１３の一部には、スロットルアクチュエータ１５ａによって制御されるスロットル弁（吸気絞り弁）１５が設けられている。

吸排気弁９，１０を駆動するカムシャフト９ａ，１０ａには、バルブタイミング可変機構（Variable Valve Timing system;以下ＶＶＴという）１１が設けられている。ＶＶＴ１１は、クランクシャフト５の回転に対するカムシャフト９ａ，１０ａの回転の位相を変化させて、吸排気弁９，１０の開閉タイミングを連続的に変更するための機構であり、油圧によって駆動される。

電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）３０は、その詳細は図示しないが、各種演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムや各制御変数の初期値などを格納したＲＯＭ、制御プログラムやデータを一時的に保持するＲＡＭ、入出力ポート、Ａ／ＤおよびＤ／Ａ変換器ならびに記憶装置等を含んで構成されている。

ＥＣＵ３０には、上述したエアフローメータ１４と、運転者によって操作されるアクセルペダル１６に関連して設けられたアクセル開度センサ１６ａと、クランクシャフト５の一部に対向して設けられたクランク角センサ１７と、吸気通路１３内に設けられた吸気温センサ１８と、排気マニホールドに設けられたＡ／Ｆ（空燃比)センサ２０と、図示しない吸気温度センサと、図示しない水温センサとからの各出力信号が入力される。

ＥＣＵ３０からの制御信号によって、前述のＶＶＴ１１、燃料噴射弁１２、スロットル弁１５等が制御されるようになっており、点火プラグ２１の放電時期も決定されるようになっている。燃料タンク２２からの燃料は、図示しない燃料ポンプによって加圧され、燃料噴射弁１２へ供給される。

Ａ／Ｆセンサ２０は、その出力信号を、本発明に係る制御とは別途に実行される空燃比制御（空燃比の検出に応答して、燃料噴射量を変更する制御）で利用するために設けられているが、本実施形態ではその出力信号を、サブ噴射量の決定にも利用するものである。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について、以下に説明する。本実施形態では、図２のフロー図に係る処理はＥＣＵ３０により、クランク角に応じた所定タイミングで繰り返し実行される。

まず、上述した各センサの検出値がＥＣＵ３０に読み込まれる（Ｓ１１０）。次に、エアフローメータ１４によって検出された吸入空気量と、クランク角センサ１７によって検出されたエンジン回転数などに基づいて、機関負荷に応じた燃料の基本噴射量が算出される。また、算出された基本噴射量に対して、アクセルペダルセンサ１６ａによって検出されたアクセルペダル開度と、吸気温度センサによって検出された吸気温と、水温センサによって検出されたエンジン冷却水温などに基づいて、基本噴射量の補正が行われる（Ｓ１２０）。

次に、目標Ａ／Ｆの算出が行われる（Ｓ１３０）。この目標Ａ／Ｆは、エアフローメータ１４によって検出された吸入空気量と、ステップＳ１２０で算出され補正された基本噴射量との比である。この目標Ａ／Ｆは、もしオーバーラップに起因する吹き抜けが全くない場合には、Ａ／Ｆセンサ２０で検出される実Ａ／Ｆと一致するはずである。次に、実Ａ／Ｆの検出が行われる（Ｓ１４０）。この実Ａ／Ｆの検出は、排気系に設けられたＡ／Ｆセンサ２０によって行われる。そして、ステップＳ１３０で算出された目標Ａ／Ｆと、ステップＳ１４０で検出された実Ａ／Ｆとの偏差ΔＡ／Ｆが算出される（Ｓ１５０）。

そして、算出された偏差ΔＡ／Ｆと、所定の係数αとの積によって、サブ噴射量が算出される（Ｓ１６０）。また、ステップＳ１２０において算出され補正された基本噴射量から、サブ噴射量を減算することにより、メイン噴射量が算出される（Ｓ１７０）。

このようにして算出されたサブ噴射量に相当する燃料は、図３に示すように、排気弁の閉弁前であって吸気弁の開弁後、すなわちオーバーラップ期間中に、燃料噴射弁１２によって気筒内に噴射される。また、メイン噴射量に相当する燃料は、排気弁の閉弁後であって吸気弁の開弁中、すなわち、本発明による改良前における燃料噴射時期と同じタイミングで、燃料噴射弁１２によって気筒内に噴射される。これらの噴射タイミングの制御はＥＣＵ３０によって行われる。

以上のとおり、本実施形態では、ＥＣＵ３０によって、オーバーラップ期間中の吹き抜け量に応じた燃料のサブ噴射量が算出され、算出されたサブ噴射量の燃料がオーバーラップ期間中に噴射されるように、燃料噴射量および噴射タイミングが制御される。したがって、燃料噴射量の増量に代えて、適切に算出したサブ噴射量の燃料をオーバーラップ中に噴射することにより、オーバーラップ期間中に気筒を吹き抜ける混合気を目標空燃比に近づけることができ、これによって、排気系で検出された実空燃比に基づいて燃料噴射量を制御する場合に、オーバーラップ中の吹き抜けに起因する出力の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では実Ａ／Ｆがリーンである場合に、燃料噴射量を増量しないこととしたが、このような燃料噴射量の増量禁止を、オーバーラップが存在する場合にのみ行い、オーバーラップが存在する場合には実Ａ／Ｆに基づく燃料噴射量の増量を許容することとしてもよい。このような構成によれば、オーバーラップが存在しない場合には燃料噴射量が増量され、適正な空燃比制御を行うことができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、オーバーラップの期間であるオーバーラップ量に基づいて、サブ噴射量およびメイン噴射量を算出することを特徴とするものである。第２実施形態では、オーバーラップ量に応じたサブ噴射量を算出するためのマップまたは関数が予め作成され、ＥＣＵ３０に格納されている。第２実施形態の残余の構成は上記第１実施形態と同様であるため、その詳細の説明は省略する。

第２実施形態の動作について説明する。図４のフロー図に係る処理はＥＣＵ３０により、クランク角に応じた所定タイミングで繰り返し実行される。

まず、上述した各センサの検出値がＥＣＵ３０に読み込まれる（Ｓ２１０）。次に、エアフローメータ１４によって検出された吸入空気量と、クランク角センサ１７によって検出されたエンジン回転数などに基づいて、機関負荷に応じた燃料の基本噴射量が算出される。また、算出された基本噴射量に対して、アクセルペダルセンサ１６ａによって検出されたアクセルペダル開度と、吸気温度センサによって検出された吸気温と、水温センサによって検出されたエンジン冷却水温などに基づいて、基本噴射量の補正が行われる（Ｓ２２０）。以上の処理は、上記第１実施形態のステップＳ１１０および同Ｓ１２０と同様である。

次に、オーバーラップ量が取得される（Ｓ２３０）。このオーバーラップ量は、本発明に係る制御とは別途の可変バルブタイミング（ＶＶＴ）制御によって、エアフローメータ１４によって検出された吸入空気量と、クランク角センサ１７によって検出されたエンジン回転数などに基づいて、機関負荷に応じて設定される。このオーバーラップ量の算出処理はＥＣＵ３０において行ってもよいし、別個の電子制御ユニットにおいて算出されたオーバーラップ量を取得してもよい。

次に、オーバーラップ量に応じたサブ噴射量を、上述した所定のマップまたは関数によって算出する（Ｓ２４０）。また、ステップＳ２２０において算出され補正された基本噴射量から、サブ噴射量を減算することにより、メイン噴射量が算出される（Ｓ２５０）。

このようにして算出されたサブ噴射量に相当する燃料は、図３に示すように、排気弁の閉弁前であって吸気弁の開弁後、すなわちオーバーラップ期間中に、燃料噴射弁１２によって気筒内に噴射される。また、メイン噴射量に相当する燃料は、排気弁の閉弁後であって吸気弁の開弁中、すなわち、本発明による改良前における燃料噴射時期と同じタイミングで、燃料噴射弁１２によって気筒内に噴射される。これらの噴射タイミングの制御はＥＣＵ３０によって行われる。

以上のとおり、本実施形態では、ＥＣＵ３０によって、オーバーラップ期間の長さであるオーバーラップ量に応じた燃料のサブ噴射量が算出され、算出されたサブ噴射量の燃料がオーバーラップ期間中に噴射されるように、燃料噴射量および噴射タイミングが制御される。したがって、燃料噴射量の増量に代えて、適切に算出したサブ噴射量の燃料をオーバーラップ中に噴射することにより、オーバーラップ期間中に気筒を吹き抜ける混合気を目標空燃比に近づけることができ、これによって、排気系で検出された実空燃比に基づいて燃料噴射量を制御する場合に、オーバーラップ中の吹き抜けに起因する出力の低下を抑制することができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態は、オーバーラップの期間であるオーバーラップ量に加えて、吸気圧と排気圧との圧力差をも考慮して、サブ噴射量およびメイン噴射量を算出することを特徴とするものである。

図５に示されるように、第３実施形態では、吸気ポートに吸気圧力センサ１９ａを、また排気ポートに排気圧力センサ１９ｂをそれぞれ設ける。これら吸気圧力センサ１９ａおよび排気圧力センサ１９ｂからの信号は、ＥＣＵ１３０に入力される。また第３実施形態では、オーバーラップ量と圧力差とに応じたサブ噴射量を算出するためのマップまたは関数が予め作成され、ＥＣＵ１３０に格納されている。第３実施形態の残余の構成は上記第１実施形態と同様であるため、その詳細の説明は省略する。

第３実施形態の動作について説明する。図６のフロー図に係る処理はＥＣＵ１３０により、クランク角に応じた所定タイミングで繰り返し実行される。

まず、上述した各センサの検出値がＥＣＵ１３０に読み込まれる（Ｓ３１０）。次に、エアフローメータ１４によって検出された吸入空気量と、クランク角センサ１７によって検出されたエンジン回転数などに基づいて、機関負荷に応じた燃料の基本噴射量が算出される。また、算出された基本噴射量に対して、アクセルペダルセンサ１６ａによって検出されたアクセルペダル開度と、吸気温度センサによって検出された吸気温と、水温センサによって検出されたエンジン冷却水温などに基づいて、基本噴射量の補正が行われる（Ｓ３２０）。以上の処理は、上記第１実施形態のステップＳ１１０および同Ｓ１２０と同様である。

次に、オーバーラップ量が取得される（Ｓ３３０）。このオーバーラップ量は、本発明に係る制御とは別途の可変バルブタイミング（ＶＶＴ）制御によって、エアフローメータ１４によって検出された吸入空気量と、クランク角センサ１７によって検出されたエンジン回転数などに基づいて、機関負荷に応じて設定される。このオーバーラップ量の算出処理はＥＣＵ１３０において行ってもよいし、別個の電子制御ユニットにおいて算出されたオーバーラップ量を取得してもよい。このオーバーラップ量の取得に係る処理は、上記第２実施形態のステップＳ２３０におけるものと同様である。

次に、吸気圧力センサ１９ａおよび排気圧力センサ１９ｂからの信号に基づいて、吸気圧が排気圧を上回っているかがＥＣＵ１３０によって判断される（Ｓ３４０）。そして肯定の場合、すなわち吸気圧が排気圧を上回っている場合には、オーバーラップ期間中に吹き抜けが生じる場合であるため、サブ噴射量の算出に係る処理が行われる。すなわち、まず吸気圧から排気圧を減算することによって圧力差Δｐが算出され（Ｓ３５０）、先に算出されているオーバーラップ量と、圧力差Δｐとに基づいて、上記所定のマップまたは関数により、サブ噴射量が算出される（Ｓ３６０）。なお、サブ噴射量としては圧力差Δｐに概ね比例した値が設定される。

そして、ステップＳ３２０において算出され補正された基本噴射量から、サブ噴射量を減算することにより、メイン噴射量が算出される（Ｓ３７０）。

このようにして算出されたサブ噴射量に相当する燃料は、図３に示すように、排気弁の閉弁前であって吸気弁の開弁後、すなわちオーバーラップ期間中に、燃料噴射弁１２によって気筒内に噴射される。また、メイン噴射量に相当する燃料は、排気弁の閉弁後であって吸気弁の開弁中、すなわち、本発明による改良前における燃料噴射時期と同じタイミングで、燃料噴射弁１２によって気筒内に噴射される。これらの噴射タイミングの制御はＥＣＵ１３０によって行われる。

他方、ステップＳ３４０において否定の場合、すなわち吸気圧が排気圧を上回っていない場合には、オーバーラップ期間中であっても吸気ポートから排気ポートに向かう吹き抜けが生じないか、あるいは逆に排気ポートから吸気ポートへの逆流が生じると考えられる場合であるため、サブ噴射量がゼロに設定される（Ｓ３８０）。したがって、この場合には、先にステップＳ３２０において算出され補正された基本噴射量が、そのままメイン噴射量として採用され（Ｓ３７０）、オーバーラップ期間中におけるサブ噴射は行われないことになる。

以上のとおり、本実施形態では、ＥＣＵ１３０によって、オーバーラップ期間の長さであるオーバーラップ量と、吸気圧と排気圧との圧力差とに応じた燃料のサブ噴射量が算出され、算出されたサブ噴射量の燃料がオーバーラップ期間中に噴射されるように、燃料噴射量および噴射タイミングが制御される。したがって、燃料噴射量の増量に代えて、適切に算出したサブ噴射量の燃料をオーバーラップ中に噴射することにより、オーバーラップ期間中に気筒を吹き抜ける混合気を目標空燃比に近づけることができ、これによって、排気系で検出された実空燃比に基づいて燃料噴射量を制御する場合に、オーバーラップ中の吹き抜けに起因する出力の低下を抑制することができる。

なお、上記各実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、上記各実施形態は本発明を筒内直噴式の４サイクルガソリンエンジンに適用した例について説明したが、本発明は他の液体燃料や気体燃料をエネルギ源とするエンジン、所謂ポート噴射式のエンジン、あるいは２サイクルエンジン等の他の形式の内燃機関について適用することも可能であって、いずれも本発明の範疇に属するものである。

本発明の第１実施形態を示す概略構成図である。 第１実施形態の動作を示すフロー図である。 第１実施形態における燃料噴射タイミングを示すタイミング図である。 第２実施形態の動作を示すフロー図である。 本発明の第３実施形態を示す概略構成図である。 第３実施形態の動作を示すフロー図である。

符号の説明

７ 吸気ポート
８ 排気ポート
９ 吸気弁
１０ 排気弁
１１ 可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）
１２ 燃料噴射弁
３０，１３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (4)

1. 吸排気ポートがいずれも開いているオーバーラップを実現可能な吸排気機構と、燃料噴射量および噴射タイミングを内燃機関の運転状態に応じて制御する噴射制御手段と、を有する内燃機関の制御装置であって、
   前記オーバーラップ中の吹き抜け量に応じた燃料のサブ噴射量を算出するサブ噴射量算出手段を更に備え、
   前記噴射制御手段は、算出された前記サブ噴射量の燃料が前記オーバーラップ中に噴射されるように、前記燃料噴射量および噴射タイミングを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記サブ噴射量算出手段は、実空燃比に基づいて前記サブ噴射量を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記サブ噴射量算出手段は、前記オーバーラップの期間であるオーバーラップ量に基づいて前記サブ噴射量を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   前記サブ噴射量算出手段は、吸気圧および排気圧に基づいて前記サブ噴射量を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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