JP2006307736A - 筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 筒内噴射式エンジンの燃焼状態を効果的に改善できるようにする。
【解決手段】 エンジン運転中に燃焼変動（例えばエンジン回転変動）が所定の判定値ＫＶよりも大きか否かを判定し、燃焼変動が判定値ＫＶよりも大きいと判定された場合に、燃焼状態が悪化していると判断して、各気筒の１サイクル中に燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を実行する。この場合、燃焼変動が大きくなるほど、分割噴射の１回目の噴射量の比率を大きくすると共に噴射間隔を長くする。この分割噴射によって、噴射燃料のウエット量を低減して噴射燃料の霧化を促進する共に、筒内混合気を均一化して、燃焼状態を向上させる。これにより、外部ＥＧＲ量や内部ＥＧＲ量や燃料蒸発ガスパージ量の増加等によって筒内混合気の不均一化が生じて燃焼状態が悪化した場合でも、分割噴射によって燃焼状態を効果的に改善することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。
近年、低燃費、低排気エミッション、高出力の特長を兼ね備えた筒内噴射式エンジン（直噴エンジン）の需要が急増している。この筒内噴射式エンジンにおいては、特許文献１（特許第３１８６３７３号公報）に記載されているように、低回転時に吸気行程で燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を行うことで、低回転時に吸気流速が低下した状態でも分割噴射によって筒内混合気を均一化（つまり筒内の吸入空気と噴射燃料の混合状態を均一化）できるようにしたものがある。
また、最近のエンジンでは、エミッション低減等を目的として外部ＥＧＲ量（吸気系に還流する排気還流量）を調整する排気還流装置を搭載したものがあるが、外部ＥＧＲ量を増加させると、筒内混合気の不均一化が生じて燃焼状態が悪化する傾向があるため、スワール制御弁で筒内のスワール流強度を調整して筒内混合気を均一化して燃焼状態の悪化を防止するようにしたものがある。このように排気還流装置とスワール制御弁を搭載したエンジンにおいては、特許文献２（特許第２６７４４４５号公報）に記載されているように、スワール制御弁が正常に動作しない異常時には、排気還流率（つまり外部ＥＧＲ量）を減少させるようにしたものがある。
特許第３１８６３７３号公報（第２頁等） 特許第２６７４４４５号公報（第２頁等）
ところで、筒内噴射式エンジンでは、エミッション低減等を目的して、外部ＥＧＲ量を調整する排気還流装置、バルブオーバーラップ量を変化させて内部ＥＧＲ量（筒内に残留する燃焼ガス量）を調整する可変バルブタイミング装置、燃料蒸発ガスパージ量（吸気系にパージされる燃料蒸発ガス量）を調整する燃料蒸発ガスパージ装置等を搭載したものがある。この筒内噴射式エンジンでは、外部ＥＧＲ量や内部ＥＧＲ量や燃料蒸発ガスパージ量が増加すると、筒内混合気の不均一化が生じて燃焼状態が悪化して、ドライバビリティが悪化する可能性がある。
しかし、上記特許文献１の技術は、筒内噴射式エンジンの低回転時に分割噴射を行うことで、低回転時に吸気速度の低下による筒内混合気の不均一化を防止する技術であり、外部ＥＧＲ量や内部ＥＧＲ量や燃料蒸発ガスパージ量の増加によって筒内混合気の不均一化が生じて燃焼状態が悪化したときには、燃焼状態を改善することができない。
また、上記特許文献２の技術では、スワール制御弁の異常時に外部ＥＧＲ量を減少させるようにしているが、筒内噴射式エンジンでは、スワール制御弁の異常によって筒内混合気の不均一化が生じて燃焼状態が悪化したときに外部ＥＧＲ量を減少させただけでは、燃焼状態を十分に改善することができない。
本発明は、これらの事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、筒内噴射式内燃機関の燃焼状態を効果的に改善することができ、エミッションとドライバビリティを高い次元で両立させることができる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、内燃機関の燃焼状態を燃焼状態判定手段により判定し、その判定結果に基づいて燃焼状態の悪化が検出又は予測されたときに各気筒の１サイクル中に燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を分割噴射制御手段により実行するようにしたものである。この分割噴射によって、噴射燃料のウエット量（筒内壁面やピストン等に付着する燃料量）を低減して噴射燃料の霧化を促進することができると共に、筒内混合気を均一化（つまり筒内の吸入空気と噴射燃料の混合状態を均一化）することができ、燃焼状態を向上させることができる。従って、燃焼状態の悪化が検出又は予測されたときに分割噴射を実行するようにすれば、例えば外部ＥＧＲ量の増加によって燃焼状態が悪化する場合でも、分割噴射によって燃焼状態を効果的に改善することができ、エミッションとドライバビリティを高い次元で両立させることができる。
この場合、請求項２のように、外部ＥＧＲ量を制御する排気還流制御手段と、吸気バルブ及び／又は排気バルブのバルブ開閉特性を変化させる可変バルブ装置と、吸気系にパージする燃料蒸発ガスパージ量を制御するパージ制御手段と、筒内に生じさせる気流を制御する気流制御手段のうちの少なくとも１つを備えたシステムでは、排気還流制御手段と可変バルブ装置とパージ制御手段と気流制御手段のうちの少なくとも１つの動作状態に基づいて燃焼状態を判定するようにしても良い。
ここで、可変バルブ装置によってバルブオーバーラップ量を変化させると内部ＥＧＲ量が変化する。この可変バルブ装置の動作状態によって変化する内部ＥＧＲ量、排気還流制御手段の動作状態によって変化する外部ＥＧＲ量、パージ制御手段の動作状態によって変化する燃料蒸発ガスパージ量、気流制御手段の動作状態によって変化する気流強度等に応じて筒内混合気の混合状態が変化して燃焼状態が変化するため、排気還流制御手段、可変バルブ装置、パージ制御手段、気流制御手段等の動作状態に基づいて燃焼状態を判定すれば、燃焼状態が悪化するか否かを精度良く予測することができる。
一般に、燃料圧力や機関温度によって噴射燃料のウエット量や霧化状態が変化して燃焼状態が変化するため、請求項３のように、燃圧検出手段で検出した燃料圧力と水温検出手段で検出した冷却水温（機関温度の代用情報）のうちの少なくとも一方に基づいて燃焼状態を判定するようにしても良い。このようにしても、燃焼状態が悪化するか否かを精度良く予測することができる。
また、請求項４のように、燃焼状態に応じて変化する情報を検出して燃焼状態を判定するようにしても良い。ここで、燃焼状態に応じて変化する情報としては、例えば、筒内圧力（燃焼圧力）、燃焼イオン電流、内燃機関の回転変動等があり、筒内圧力（燃焼圧力）を圧力センサで検出したり、燃焼イオン電流を点火プラグ等を介して検出したり、内燃機関の回転速度の変動をクランク角センサによって検出したりすれば、燃焼状態を精度良く判定することができる。
ここで、分割噴射の１回目の噴射量の比率を大きくすれば、燃料噴射から点火までの燃料霧化時間が長い１回目の噴射量を多くして、燃料霧化時間が短い２回目以降の噴射量を少なくすることができるので、噴射燃料の霧化状態を向上させることができる。
そこで、請求項５のように、判定した燃焼状態の悪化度合いが大きくなるほど分割噴射の１回目の噴射量の比率を大きくするようにしても良い。このようにすれば、燃焼状態の悪化度合いが大きくなるほど、燃料霧化時間が長い１回目の噴射量を多くして、噴射燃料の霧化状態を向上させることができ、燃焼状態を確実に改善することができる。
また、請求項６のように、判定した燃焼状態の悪化度合いが大きくなるほど分割噴射の噴射間隔を長くするようにしても良い。このようにすれば、燃焼状態の悪化度合いが大きくなるほど、分割噴射の噴射間隔を長くして、先に噴射された燃料の霧化がある程度進んでから次の燃料を噴射することができて、噴射燃料の霧化状態を向上させることができ、燃焼状態を確実に改善することができる。
更に、請求項７のように、判定した燃焼状態の悪化度合いが大きくなるほど分割噴射の噴射回数を多くするようにしても良い。このようにすれば、燃焼状態の悪化度合いが高くなるほど、分割噴射の噴射回数を多くして、筒内混合気のミキシング効果を高めることができ、燃焼状態を確実に改善することができる。
ところで、排気還流制御手段、可変バルブ装置、パージ制御手段、気流制御手段、高圧燃料系等に異常が発生して正常動作できなくなると、外部ＥＧＲ量、内部ＥＧＲ量、燃料蒸発ガスパージ量、気流強度、燃料圧力等が、運転状態等に応じた適正値に制御されなくなって燃焼状態が悪化しやすくなる傾向がある。
そこで、請求項８のように、異常診断手段により排気還流制御手段と可変バルブ装置とパージ制御手段と気流制御手段と高圧燃料系のうちの少なくとも１つの異常有りと診断されたときに分割噴射を実行するようにしても良い。このようにすれば、排気還流制御手段、可変バルブ装置、パージ制御手段、気流制御手段、高圧燃料系等の異常によって燃焼状態が悪化する条件下でも、分割噴射による噴射燃料の霧化促進効果や筒内混合気の均一化効果によって燃焼状態を改善することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を３つの実施例１〜３を用いて説明する。
本発明の実施例１を図１乃至図７に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。筒内噴射式の内燃機関である筒内噴射式エンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。
更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８には、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０に、筒内の気流強度（スワール流強度やタンブル流強度）を制御する気流制御弁３１（気流制御手段）が設けられている。
エンジン１１の各気筒の上部には、それぞれ燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。また、エンジン１１の吸気バルブ３７と排気バルブ３８には、それぞれ開閉タイミングを可変する可変バルブタイミング装置３９，４０が設けられている。
エンジン１１のシリンダブロックには、ノッキングを検出するノックセンサ３２と、冷却水温を検出する冷却水温センサ２３（水温検出手段）とが取り付けられている。また、クランク軸（図示せず）の外周側には、クランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２４が取り付けられている。このクランク角センサ２４の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
一方、エンジン１１の排気管２５には、排出ガスを浄化する上流側触媒２６と下流側触媒２７が設けられ、上流側触媒２６の上流側に、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２８（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられている。本実施例１では、上流側触媒２６として理論空燃比付近で排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒が設けられ、下流側触媒２７としてＮＯｘ吸蔵還元型触媒が設けられている。このＮＯｘ吸蔵還元型触媒２７は、排出ガスの空燃比がリーンのときに排出ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比が理論空燃比付近又はリッチになったときに吸蔵ＮＯｘを還元浄化して放出する特性を持っている。
また、排気管２５のうちの上流側触媒２６の下流側と吸気管１２のうちのスロットルバルブ１６の下流側のサージタンク１８との間に、排出ガスの一部を吸気側に還流させるためのＥＧＲ配管３３が接続され、このＥＧＲ配管３３の途中に外部排気還流量（外部ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲ弁３４（排気還流制御手段）が設けられている。また、アクセルペダル３５の踏込量（アクセル開度）がアクセルセンサ３６によって検出される。
また、燃料タンク（図示せず）内の燃料が蒸発して生じた燃料蒸発ガス（エバポガス）は、連通管４１を通してキャニスタ４２内の活性炭等の吸着体（図示せず）に吸着される。このキャニスタ４２とスロットルバルブ１６下流側の吸気管１２との間には、キャニスタ４２内に吸着されている蒸発燃料を吸気管１２内に吸入させるためのパージ配管４３が接続され、このパージ配管４３の途中に燃料蒸発ガスパージ量を調整するパージ制御弁４４（パージ制御手段）が設けられている。尚、パージ配管４３は、サージタンク１８に接続するようにしても良い。
前述した各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や点火プラグ２２の点火時期を制御すると共に、吸気側及び排気側の可変バルブタイミング装置３９，４０を制御して、吸気バルブ３７と排気バルブ３８の実バルブタイミングを目標バルブタイミングに一致させるように制御する。
このＥＣＵ３０は、エンジン運転状態（エンジン回転速度や要求トルク等）に応じて成層燃焼モードと均質燃焼モードとを切り換える。成層燃焼モードでは、図２の（ｂ）に示すように、少量の燃料を圧縮行程で筒内に直接噴射して点火プラグ２２の近傍に成層混合気を形成して成層燃焼させることで、燃費を向上させる。一方、均質燃焼モードでは、図２の（ａ）に示すように、燃料噴射量を増量して吸気行程で筒内に燃料を直接噴射して均質混合気を形成して均質燃焼させることで、エンジン出力を高める。
更に、ＥＣＵ３０は、後述する図３乃至図５の分割噴射制御用の各ルーチンを実行することで、エンジン運転中に燃焼変動（例えばエンジン回転変動等）が所定の判定値ＫＶよりも大きいと判定された場合に、燃焼状態が悪化したと判断して、各気筒の１サイクル中に燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を実行する。この分割噴射によって、噴射燃料のウエット量（筒内壁面やピストンに付着する燃料量）を低減して噴射燃料の霧化を促進する共に、筒内混合気を均一化（つまり筒内の吸入空気と噴射燃料の混合状態を均一化）して、燃焼状態を向上させる。
この分割噴射の噴射パターンは、エンジン運転状態や燃焼モード等に応じて適宜変更することができ、例えば、図２の（ｃ）〜（ｆ）に示す噴射パターンの中から選択する。図２の（ｃ）に示す噴射パターンは、吸気行程で燃料を１回噴射した後に圧縮行程で燃料を１回噴射する噴射パターンであり、図２の（ｄ）に示す噴射パターンは、吸気行程で燃料を２回噴射する噴射パターンである。また、図２の（ｅ）に示す噴射パターンは、圧縮行程で燃料を２回噴射する噴射パターンであり、図２の（ｆ）に示す噴射パターンは、吸気行程で燃料を３回噴射する噴射パターンである。
以下、ＥＣＵ３０が実行する図３乃至図５に示す分割噴射制御用の各ルーチンの処理内容を説明する。
［分割噴射実行判定ルーチン］
図３に示す分割噴射実行判定ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン中に所定周期で実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、分割噴射可能であるか否かを、例えば、次の(1) 〜(3) の条件を全て満たすか否かによって判定する。
(1) エンジン回転速度Ｎｅが所定範囲内であること（Ａ＜Ｎｅ＜Ｂ）
(2) エンジントルク（エンジン負荷）が所定範囲内であること（Ｔ１＜Ｔ＜Ｔ２）
(3) 燃料噴射弁２１が正常であること
ここで、低回転領域や低トルク領域（低負荷領域）では、要求燃料噴射量が少なくなるため、分割噴射を実行すると、１回当りの噴射量が非常に少なくなって、安定した噴射が確保できなくなる可能性がある。一方、高回転領域や高トルク領域（高負荷領域）では、筒内噴射式エンジン１１の噴射可能期間（排気バルブ３８の閉弁タイミングから点火タイミングまで）が非常に短くなるため、分割噴射を実行すると、噴射可能期間内に複数回の噴射をしきれなくなる可能性がある。これらの理由から上記(1) と(2) の条件が設定されている。
上記(1) 〜(3) の条件を全て満たせば、分割噴射可能であると判定するが、上記(1) 〜(3) の条件のうちいずれか１つでも満たさない条件があれば、分割噴射可能ではないと判定する。
このステップ１０１で、分割噴射可能であると判定された場合には、ステップ１０２に進み、燃焼変動の情報として、例えば、エンジン回転変動（クランク角センサ２４で検出したエンジン回転速度の所定期間当りの変動）を算出する。尚、燃焼変動の情報として、圧力センサで検出した筒内圧力（燃焼圧力）の所定期間当りの変動を算出するようにしても良い。或は、燃焼イオン電流を点火プラグ２２等を介して検出して、燃焼イオン電流検出値の変動から燃焼変動を検出するようにしても良い。
この後、ステップ１０３に進み、燃焼変動が判定値ＫＶよりも大きいか否かによって、燃焼状態が悪化しているか否かを判定する。このステップ１０３の処理が特許請求の範囲でいう燃焼状態判定手段としての役割を果たす。
このステップ１０３で、燃焼変動が判定値ＫＶよりも大きいと判定された場合には、燃焼状態が悪化していると判断して、ステップ１０４に進み、要求噴射モードを分割噴射モードに設定する。これにより、各気筒の吸気行程から圧縮行程までの間に燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射が後述する噴射量と噴射時期で実行される。
一方、上記ステップ１０３で、燃焼変動が判定値ＫＶ以下であると判定された場合には、燃焼状態が良好であると判断して、ステップ１０５に進み、要求噴射モードを１回噴射モードに設定する。これにより、吸気行程又は圧縮行程で燃料を１回だけ噴射する通常の１回噴射が実行される。
［噴射量算出ルーチン］
図４に示す噴射量算出ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン中に所定周期で実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ２０１で、要求噴射モードが分割噴射モードであるか否かを判定する。その結果、要求噴射モードが分割噴射モードであると判定された場合には、ステップ２０２に進み、図６に示す分割率ＳＰのマップを参照して、燃焼変動（例えばエンジン回転変動等）に応じた分割率ＳＰを算出する。この分割率ＳＰは、分割噴射のトータル燃料噴射量ＱＡＬＬ（分割噴射回数が２回の場合、１回目の燃料噴射量Ｑ１＋２回目の燃料噴射量Ｑ２）に対する１回目の燃料噴射量Ｑ１の比率である。
一般に、分割率ＳＰ（１回目の燃料噴射量Ｑ１の比率）を大きくすれば、燃料が噴射されてから点火されるまでの燃料霧化時間が長い１回目の燃料噴射量Ｑ１を多くして、燃料霧化時間が短い２回目の燃料噴射量Ｑ２を少なくすることができるので、噴射燃料の霧化状態を向上させることができる。そこで、図６の分割率ＳＰのマップは、燃焼変動（つまり燃焼状態の悪化度合い）が大きくなるほど分割率ＳＰが大きくなるように設定されている。これにより、燃焼変動が大きくなるほど、燃料霧化時間が長い１回目の燃料噴射量Ｑ１を多くして、噴射燃料の霧化状態を向上させるようにしている。
分割率ＳＰを算出した後、ステップ２０３に進み、トータル燃料噴射量ＱＡＬＬに分割率ＳＰを乗算して分割噴射の１回目の燃料噴射量Ｑ１を求めると共に、トータル燃料噴射量ＱＡＬＬから１回目の燃料噴射量Ｑ１を減算して分割噴射の２回目の燃料噴射量Ｑ２を求める。
Ｑ１＝ＱＡＬＬ×ＳＰ
Ｑ２＝ＱＡＬＬ−Ｑ１
一方、上記ステップ２０１で、要求噴射モードが分割噴射モードではない（つまり１回噴射モードである）と判定された場合には、ステップ２０４に進み、分割噴射無し（分割率ＳＰ＝１）にセットして、本ルーチンを終了する。
［噴射時期算出ルーチン］
図５に示す噴射時期算出ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン中に所定周期で実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ３０１で、始動時であるか否かを判定し、始動時であると判定されれば、ステップ３０２に進み、始動時の噴射時期を設定する。
その後、ステップ３０１で、始動時ではない（始動完了後である）と判定されたときに、ステップ３０３に進み、触媒早期暖機制御中であるか否かを判定し、触媒早期暖機制御中であると判定されれば、ステップ３０４に進み、触媒早期暖機制御時の噴射時期を設定する。
その後、ステップ３０３で、触媒早期暖機制御中ではない（触媒暖機完了後である）と判定されたときに、ステップ３０５に進み、要求噴射モードが分割噴射モードであるか否かを判定する。その結果、要求噴射モードが分割噴射モードであると判定された場合には、ステップ３０６に進み、１回目の燃料噴射時期ＳＯＩ１のマップを参照して、現在のエンジン運転状態（例えばエンジン回転速度と要求トルク）に応じた１回目の燃料噴射時期ＳＯＩ１を算出する。
この後、ステップ３０７に進み、図７に示す噴射間隔ＩＮＴＶのマップを参照して、燃焼変動（例えばエンジン回転変動等）に応じた噴射間隔ＩＮＴＶ（１回目の燃料噴射時期ＳＯＩ１と２回目の燃料噴射時期ＳＯＩ２との噴射間隔）を算出する。
一般に、噴射間隔ＩＮＴＶを長くすれば、先に噴射された燃料の霧化がある程度進んでから次の燃料を噴射することができ、噴射燃料の霧化状態を向上させることができる。そこで、図７の噴射間隔ＩＮＴＶのマップは、燃焼変動（つまり燃焼状態の悪化度合い）が大きくなるほど噴射間隔ＩＮＴＶが長くなるように設定されている。これにより、燃焼変動が大きくなるほど、噴射間隔ＩＮＴＶを長くして、先に噴射された燃料の霧化がある程度進んでから次の燃料を噴射して、噴射燃料の霧化状態を向上させるようにしている。
噴射間隔ＩＮＴＶを算出した後、ステップ３０８に進み、上記ステップ３０６で算出した燃料噴射時期ＳＯＩ１をそのまま１回目の燃料噴射時期ＳＯＩ１として設定し、この１回目の燃料噴射時期ＳＯＩ１から噴射間隔ＩＮＴＶだけ遅角して２回目の燃料噴射時期ＳＯＩ２を求める。
ＳＯＩ１＝ＳＯＩ１
ＳＯＩ２＝ＳＯＩ１−ＩＮＴＶ
一方、上記ステップ３０５で、要求噴射モードが分割噴射モードではない（つまり１回噴射モードである）と判定された場合には、ステップ３０９に進み、通常時の燃料噴射時期ＳＯＩのマップを参照して、現在のエンジン運転状態（例えばエンジン回転速度と要求トルク）に応じた通常時の燃料噴射時期ＳＯＩを算出する。
これら図３乃至図５のルーチンが特許請求の範囲でいう分割噴射制御手段としての役割を果たす。
以上説明した本実施例１では、燃焼変動（例えばエンジン回転変動等）が判定値ＫＶよりも大きいと判定された場合に、燃焼状態が悪化していると判断して、分割噴射を実行するようにしたので、例えば外部ＥＧＲ量や内部ＥＧＲ量や燃料蒸発ガスパージ量の増加等によって燃焼状態が悪化した場合でも、分割噴射によって燃焼状態を効果的に改善することができ、エミッションとドライバビリティを高い次元で両立させることができる。
また、本実施例１では、燃焼変動が大きくなるほど分割噴射の分割率ＳＰを大きくすると共に噴射間隔ＩＮＴＶを長くするようにしたので、燃焼変動（燃焼状態の悪化度合い）が大きくなるほど、噴射燃料を霧化させる時間が長い１回目の燃料噴射量を多くして、その噴射燃料の霧化がある程度進んでから次の燃料を噴射することができて、噴射燃料の霧化状態を向上させることができ、燃焼状態を確実に改善することができる。
尚、分割噴射の噴射回数Ｎを固定値としても良いが、図８に示す噴射回数Ｎのマップを参照して、燃焼変動に応じた噴射回数Ｎを算出することで、燃焼変動が大きくなるほど噴射回数Ｎを多くするようにしても良い。このようにすれば、燃焼変動（燃焼状態の悪化度合い）が高くなるほど、分割噴射の噴射回数Ｎを多くして、筒内混合気のミキシング効果を高めることができ、燃焼状態を確実に改善することができる。
次に、図９乃至図１２を用いて本発明の実施例２を説明する。
可変バルブタイミング装置３９，４０によって吸気バルブ３７と排気バルブ３８の両方が開いている期間であるバルブオーバーラップ量を変化させると、内部ＥＧＲ量（筒内に残留する燃焼ガス量）が変化する。図１０に示すように、この可変バルブタイミング装置３９，４０の動作状態によって変化する内部ＥＧＲ量や、ＥＧＲ弁３４の動作状態によって変化する外部ＥＧＲ量や、パージ制御弁４４の動作状態によって変化する燃料蒸発ガスパージ量が増加すると、筒内混合気の不均一化が生じて燃焼変動（つまり燃焼状態の悪化度合い）が大きくなる傾向がある。また、図１１に示すように、気流制御弁３１が開弁されると、筒内の気流強度が弱くなって筒内混合気の不均一化が生じて燃焼変動が大きくなる傾向がある。従って、ＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、気流制御弁３１の動作状態に基づいて燃焼状態を判定すれば、燃焼状態が悪化するか否かを精度良く予測することができる。
また、図１２に示すように、燃圧（燃料圧力）が低下すると、噴射燃料の霧化状態が悪化して燃焼変動が大きくなる傾向がある。また、エンジン温度が低下すると、噴射燃料のウエット量が増加して燃焼変動が大きくなる傾向がある。従って、燃圧センサ（図示せず）で検出した燃圧や冷却水温センサ２３で検出した冷却水温（エンジン温度の代用情報）に基づいて燃焼状態を判定すれば、燃焼状態が悪化するか否かを精度良く予測することができる。
これらの点に着目して、本実施例２では、ＥＣＵ３０は、図９に示す分割噴射実行判定ルーチンを実行することで、ＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、気流制御弁３１の動作状態や、燃圧、冷却水温に基づいて燃焼状態が悪化するか否かを判定し、燃焼状態が悪化すると判定されたときに、分割噴射を実行して燃焼状態を向上させるようにしている。
図９に示す分割噴射実行判定ルーチンでは、まず、ステップ４０１で、分割噴射可能であるか否かを判定し、分割噴射可能であると判定された場合には、次のステップ４０２〜４０７で、燃焼状態が悪化するか否かを判定する。
ステップ４０２では、ＥＧＲ弁３４の開度が判定値Ｋ１よりも大きいか否かによって、外部ＥＧＲ量が判定値よりも多くなって燃焼変動が許容レベルを越える状態であるか否かを判定する。
ステップ４０３では、可変バルブタイミング装置３９，４０の動作量に基づいたバルブオーバーラップ量が判定値Ｋ２よりも大きいか否かによって、内部ＥＧＲ量が判定値よりも多くなって燃焼変動が許容レベルを越える状態であるか否かを判定する。
ステップ４０４では、パージ制御弁４４の開度が判定値Ｋ３よりも大きいか否かによって、燃料蒸発ガスパージ量が判定値よりも多くなって燃焼変動が許容レベルを越える状態であるか否かを判定する。
ステップ４０５では、燃圧センサで検出した燃圧が判定値Ｋ４よりも小さいか否かによって、燃焼変動が許容レベルを越える状態であるか否かを判定する。
ステップ４０６では、冷却水温センサ２３で検出した冷却水温が判定値Ｋ５よりも小さいか否かによって、燃焼変動が許容レベルを越える状態であるか否かを判定する。
ステップ４０７では、気流制御弁３１が開弁されているか否かによって、燃焼変動が許容レベルを越える状態であるか否かを判定する。
上記ステップ４０２〜４０７の１つ以上で「Ｙｅｓ」と判定された場合には、燃焼状態が悪化する判断して、ステップ４０８に進み、要求噴射モードを分割噴射モードに設定する。これにより、各気筒の吸気行程から圧縮行程までの間に燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射が実行される。
一方、上記ステップ４０２〜４０７で全て「Ｎｏ」と判定された場合には、燃焼状態が良好であると判断して、ステップ４０９に進み、要求噴射モードを１回噴射モードに設定する。これにより、吸気行程又は圧縮行程で燃料を１回だけ噴射する通常の１回噴射が実行される。
以上説明した本実施例２では、ＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、気流制御弁３１の動作状態や、燃圧、冷却水温に基づいて燃焼状態が悪化するか否かを判定し、燃焼状態が悪化すると判定されたときに、分割噴射を実行するようにしたので、図１０乃至図１２に示すように、外部ＥＧＲ量や内部ＥＧＲ量や燃料蒸発ガスパージ量の増加によって燃焼状態が悪化する場合、気流制御弁の開弁によって燃焼状態が悪化する場合、燃圧やエンジン温度の低下によって燃焼状態が悪化する場合のいずれにおいても、分割噴射によって燃焼状態を効果的に改善することができる。
次に、図１３を用いて本発明の実施例３を説明する。
ＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、気流制御弁３１、高圧燃料系（例えば高圧燃料ポンプ等）に異常が発生して正常動作できなくなると、外部ＥＧＲ量、内部ＥＧＲ量、燃料蒸発ガスパージ量、気流強度、燃料圧力等が、エンジン運転状態等に応じた適正値に制御されなくなって燃焼状態が悪化する可能性がある。
そこで、本実施例３では、ＥＣＵ３０は、図示しない各種の異常診断ルーチンを実行することで異常診断手段として機能し、ＥＧＲ弁３４の異常の有無、可変バルブタイミング装置３９，４０の異常の有無、パージ制御弁４４の異常の有無、高圧燃料系の異常の有無、気流制御弁３１の異常の有無を診断する。そして、図１３に示す分割噴射実行判定ルーチンを実行することで、ＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、高圧燃料系、気流制御弁３１のうちの少なくとも１つが異常有りと診断されたときに、分割噴射を実行して燃焼状態を向上させるようにしている。
図１３に示す分割噴射実行判定ルーチンでは、まず、ステップ５０１で、分割噴射可能であるか否かを判定し、分割噴射可能であると判定された場合には、次のステップ５０２〜５０６で、それぞれＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、高圧燃料系、気流制御弁３１が異常有りと診断されたか否かを判定する。
上記ステップ５０２〜５０６の１つ以上で「Ｙｅｓ」と判定された場合、つまり、ＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、高圧燃料系、気流制御弁３１のうちの少なくとも１つが異常有りと診断された場合には、燃焼状態が悪化する可能性があると判断して、ステップ５０７に進み、要求噴射モードを分割噴射モードに設定する。これにより、各気筒の吸気行程から圧縮行程までの間に燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射が実行される。
一方、上記ステップ５０２〜５０６で全て「Ｎｏ」と判定された場合、つまり、ＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、高圧燃料系、気流制御弁３１が全て正常（異常無し）と診断された場合には、ステップ５０８に進み、要求噴射モードを１回噴射モードに設定する。これにより、吸気行程又は圧縮行程で燃料を１回だけ噴射する通常の１回噴射が実行される。
以上説明した本実施例３では、ＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、高圧燃料系、気流制御弁３１のうちの少なくとも１つが異常有りと診断されたときに、分割噴射を実行するようにしたので、ＥＧＲ弁３４、可変バルブタイミング装置３９，４０、パージ制御弁４４、高圧燃料系、気流制御弁３１の異常によって燃焼状態が悪化する条件下でも、分割噴射によって燃焼状態を改善することができる。
尚、ＥＧＲ弁３４、パージ制御弁４４、気流制御弁３１が開弁固着した異常のときには、燃焼状態が悪化すると判断して、分割噴射を実行し、ＥＧＲ弁３４、パージ制御弁４４、気流制御弁３１が閉弁固着した異常のときには、燃焼状態が悪化しないと判断して、分割噴射を実行せずに１回噴射を実行するようにしても良い。
本発明の実施例１におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 噴射パターンを説明するための図である。 実施例１の分割噴射実行判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 噴射量算出ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 噴射時期算出ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 分割率のマップの一例を概念的に示す図である。 噴射間隔のマップの一例を概念的に示す図である。 実施例１の変形例における噴射回数のマップの一例を概念的に示す図である。 実施例２の分割噴射実行判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 ＥＧＲ量と燃焼変動との関係を説明するための特性図である。 燃圧と燃焼変動との関係を説明するための特性図である。 気流制御弁の開弁時の燃焼変動の挙動を示すタイムチャートである。 実施例３の分割噴射実行判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。
符号の説明
１１…筒内噴射式エンジン（筒内噴射式内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…冷却水温センサ（水温検出手段）、２４…クランク角センサ、２５…排気管、３０…ＥＣＵ（燃焼状態判定手段，分割噴射制御手段，異常診断手段）、３１…気流制御弁（気流制御手段）、３４…ＥＧＲ弁（排気還流制御手段）、３７…吸気バルブ、３８…排気バルブ、３９，４０…可変バルブタイミング装置、４４…パージ制御弁（パージ制御手段）

Claims (8)

  1. 筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
    内燃機関の燃焼状態を判定する燃焼状態判定手段と、
    前記燃焼状態判定手段の判定結果に基づいて燃焼状態の悪化が検出又は予測されたときに各気筒の１サイクル中に燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を実行する分割噴射制御手段とを備えていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
  2. 排気系から吸気系に還流させる外部排気還流量を制御する排気還流制御手段と、吸気バルブ及び／又は排気バルブのバルブ開閉特性を変化させる可変バルブ装置と、吸気系にパージする燃料蒸発ガスパージ量を制御するパージ制御手段と、筒内に生じさせる気流を制御する気流制御手段のうちの少なくとも１つを備え、
    前記燃焼状態判定手段は、前記排気還流制御手段と前記可変バルブ装置と前記パージ制御手段と前記気流制御手段のうちの少なくとも１つの動作状態に基づいて前記燃焼状態を判定することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
  3. 内燃機関の燃料圧力を検出する燃圧検出手段と、冷却水温を検出する水温検出手段のうちの少なくとも一方を備え、
    前記燃焼状態判定手段は、前記燃圧検出手段で検出した燃料圧力と前記水温検出手段で検出した冷却水温のうちの少なくとも一方に基づいて前記燃焼状態を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
  4. 前記燃焼状態判定手段は、燃焼状態に応じて変化する情報を検出して燃焼状態を判定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
  5. 前記分割噴射制御手段は、前記燃焼状態判定手段で判定した燃焼状態の悪化度合いが大きくなるほど前記分割噴射の１回目の噴射量の比率を大きくすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
  6. 前記分割噴射制御手段は、前記燃焼状態判定手段で判定した燃焼状態の悪化度合いが大きくなるほど前記分割噴射の噴射間隔を長くすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
  7. 前記分割噴射制御手段は、前記燃焼状態判定手段で判定した燃焼状態の悪化度合いが大きくなるほど前記分割噴射の噴射回数を多くすることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
  8. 筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
    排気系から吸気系に還流させる外部排気還流量を制御する排気還流制御手段と、吸気バルブ及び／又は排気バルブのバルブ開閉特性を変化させる可変バルブ装置と、吸気系にパージする燃料蒸発ガスパージ量を制御するパージ制御手段と、筒内に生じさせる気流を制御する気流制御手段と、高圧燃料系のうちの少なくとも１つの異常の有無を診断する異常診断手段と、
    前記異常診断手段により前記排気還流制御手段と前記可変バルブ装置と前記パージ制御手段と前記気流制御手段と前記高圧燃料系のうちの少なくとも１つの異常有りと診断されたときに各気筒の１サイクル中に燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を実行する分割噴射制御手段とを備えていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
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