JP2007224740A

JP2007224740A - 内燃機関の燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP2007224740A
Application number: JP2006043784A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Miyamoto; 勝彦宮本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: JP4666162B2

Abstract

【課題】吸気弁の閉弁時期を遅角させることにより燃費を向上させつつ、十分な出力を発揮することができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供すること。
【解決手段】圧縮行程中に吸気弁を閉弁可能なエンジンにおいて、圧縮行程中において吸気弁が閉弁されるまでの吹き返し期間Ｐｗｆを算出し、当該吹き返し期間Ｐｗｆに燃料を噴射する第１の燃料噴射と、当該第１の燃料噴射で噴ききれなかった分の燃料をその後の排気行程後期から吸気行程に掛けて噴射する第２の燃料噴射とを行う（ステップＳ８〜Ｓ１２）。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

従来、吸気弁の閉弁時期を圧縮行程まである程度遅角し圧縮開始を遅らせることで実圧縮比が減少し、これによりノックが起こりにくくなるため、点火時期を進角させ燃費を向上させることができる。
しかし、吸気弁の閉弁時期を遅角させるほど、一度燃焼室内に吸入された混合気がピストンの上昇により吸気通路内へ吹き返される量が増加する。この吹き返し混合気は高温な燃焼室内で熱せられているため、当該吹き返し混合気量が増加するほど吸気通路内の温度は上昇してしまう。そして、吸気通路内の温度が上昇すると、吸気密度が低くなり充填効率が悪化して出力が低下するという問題がある。

このような構成では、出力向上のために内燃機関に過給機とインタークーラを設けたとしても、当該吹き返し混合気による吸気通路の温度上昇はインタークーラより吸気下流側で生じるため、吹き返し混合気に対してはインタークーラによる吸気冷却を行うことはできないため、吸気温度上昇による過給圧の低下を招いてしまう。
そこで、吸気弁の閉弁時期を遅角させた内燃機関において、燃焼室内から吹き返された混合気を冷却するために、インタークーラより吸気下流側の吸気通路に吹き返し吸気冷却用クーラを設けた構成が開示されている（特許文献１参照）。
特開平８−３２６５４８号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、インタークーラとは別に吸気通路に吹き返し吸気冷却用クーラを設けるためコストが増加する上、構造が複雑化するという問題があり好ましくない。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、吸気弁の閉弁時期を遅角させることにより燃費を向上させつつ、十分な出力を発揮することができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の燃料噴射制御装置では、内燃機関の燃焼室と吸気通路との連通と遮断とを行う吸気弁と、前記吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、該燃料噴射手段を制御する燃料噴射制御手段とを備え、前記吸気弁は前記内燃機関の圧縮行程中に閉弁し、前記燃料噴射制御手段は、該吸気弁が閉弁されるまでの圧縮行程中に、前記燃焼室内から前記吸気通路内へ吹き返される混合気に対して燃料噴射を行うよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴としている。

つまり、吸気弁の閉弁が圧縮行程中に行われる内燃機関において、当該圧縮行程中の吸気弁が閉弁されるまでの間に、燃焼室内から吸気通路内へ吹き返される混合気に対して燃料を噴射する。
請求項２の内燃機関の燃料噴射制御装置では、請求項１において、前記燃料噴射手段は、前記吹き返し混合気に対する燃料噴射を第１の燃料噴射とし、該第１の燃料噴射の後、少なくとも吸気行程中に第２の燃料噴射を行うよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴としている。

つまり、圧縮行程中の吹き返し混合気に対する第１の燃料噴射の後に、少なくとも吸気行程中に燃料を噴射する第２の燃料噴射を行う。
請求項３の内燃機関の燃料噴射制御装置では、請求項２において、前記燃料噴射制御手段は、前記第１の燃料噴射により噴射しきれない分の燃料を前記第２の燃料噴射により噴射させるよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴としている。

請求項４の内燃機関の燃料噴射制御装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、さらに前記吸気通路に吸気を過給する過給機を有していることを特徴としている。
請求項５の内燃機関の燃料噴射制御装置では、請求項１乃至４のいずれかにおいて、さらに、少なくとも前記吸気弁の閉弁時期を可変可能な可変動弁手段を有していることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、吸気弁が圧縮行程に閉弁する内燃機関において、高温の燃焼室により熱せられた吹き返し混合気に対して燃料を噴射することで、当該吹き返し混合気を冷却し吸気通路内の温度上昇を抑制することができ、吸気の充填効率を高めることができる。
これにより、吸気弁の閉弁時期を遅角し実圧縮比を減少させることで燃費を向上させつつ、吹き返し混合気に燃料を噴射することで吸気通路の温度上昇を抑制し吸気の充填効率を高めることができ、出力を向上させることができる。

請求項２の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、圧縮行程中の吹き返し混合気に対する第１の燃料噴射の後に、少なくとも吸気行程中に第２の燃料噴射を行うことで十分な量の燃料噴射を行うことができ、安定した燃焼を実現させることができる。
請求項３の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、第１の燃料噴射により噴射しきれない分の燃料を第２の燃料噴射により噴射することで、燃料噴射量が増加した場合であっても、第２の燃料噴射の量を増加させるだけの簡単な制御で安定した燃焼を維持することができる。

請求項４の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、第１の燃料噴射によって吸気通路内の温度を低下させることで吸気圧を減少させることができ、これにより過給機による十分な過給を行うことができるため、さらに出力を向上させることができる。
請求項５の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、可変動弁手段を備えることで、吸気弁の閉弁時期を運転状態に応じて効果的に遅角することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の概略構成図が示されている。
図１に示すように、エンジン１（内燃機関）は、吸気管噴射型（Multi Point Injection：ＭＰＩ）の４サイクル直列４気筒型エンジンであり、図１にはそのうちの１つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているものとして図示及び説明を省略する。

図１に示すように、エンジン１はシリンダブロック２にシリンダヘッド４が載置されて構成されている。
シリンダブロック２に形成されているシリンダ１０内には上下摺動可能にピストン１２が設けられている。当該ピストン１２はコンロッド１４を介してクランクシャフト１６に連結されている。

また、エンジン１には、当該クランクシャフト１６のクランク角を検出するクランク角センサ１７が設けられている。
また、シリンダ１０に対応して、シリンダヘッド４の下面には所謂ペントルーフ型の斜面１８ａ、１８ｂが形成されおり、当該シリンダヘッド４下面の斜面１８ａ、１８ｂ、シリンダ１０、ピストン１２上面に囲まれて燃焼室２０が形成されている。

また、シリンダヘッド４下面の両斜面１８ａ、１８ｂの境界部分には、燃焼室２０に臨むようにして点火プラグ２２が設けられている。
また、シリンダヘッド４下面の一方の斜面１８ａからはシリンダヘッド４の一側面に向かって吸気ポート３０（吸気通路）が形成されており、シリンダヘッド４の他方の斜面１８ｂからはシリンダヘッド４の他側面に向かって排気ポート３２が形成されている。

また、シリンダヘッド４には、燃焼室２０と吸気ポート３０との連通及び遮断を行う吸気弁３４、燃焼室２０と排気ポート３２との連通及び遮断を行う排気弁３６がそれぞれ設けられている。
そして、シリンダヘッド４上部には当該吸気弁３４及び排気弁３６を駆動するカム４０、４２を有したカムシャフト４４、４６がそれぞれ設けられている。

当該各カムシャフト４４、４６の一端には可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴともいう）４８、５０（可変動弁手段）が設けられている。
当該ＶＶＴ４８、５０は、例えば、カムシャフト４４、４６を駆動するカムスプロケットに油圧式アクチュエータを内蔵しており、この油圧式アクチュエータへの作動油圧の給排により、カム回転位相角を自在に進角及び遅角させることが可能である。当該作動油圧の給排は、例えばオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）５２、５４により行うことができ、当該ＯＣＶ５２、５４は各ＶＶＴ４８、５０に設けられ、それぞれの油圧式アクチュエータに対して作動油圧の給排を行うことが可能である。

さらに、シリンダヘッド４には吸気ポート３０内に燃料を噴射する燃料噴射弁６０（燃料噴射手段）が設けられている。
また、シリンダヘッド４の一側面には吸気ポート３０と連通するように吸気マニホールド６２（吸気通路）が接続されている。当該吸気マニホールド６２には吸気圧を検出する吸気圧センサ６３が設けられており、吸気上流端には吸気管６４（吸気通路）が接続されている。

当該吸気管６４には、吸気量を調節する電子スロットルバルブ６６が設けられており、その吸気上流側には吸気を冷却するインタークーラ６８が設けられており、さらに吸気上流側には排気流により駆動して吸気を過給するターボチャージャ７０のコンプレッサが設けられている。
また、当該ターボチャージャ７０より吸気上流側には吸入空気量を検出するエアフローセンサ７２が設けられ、吸気管６４の吸気上流端にはエアクリーナ７４が設けられている。

一方、シリンダヘッド４の他側面には排気ポート３２と連通するように排気マニホールド８０が接続されている。
当該排気マニホールド８０には排気下流端に排気管８２が接続されており、当該排気管８２には上記コンプレッサと同期回転するターボチャージャ７０のタービンが設けられている。

また、上記クランク角センサ１７、吸気圧センサ６３、エアフローセンサ７２、及びエンジン１の加減速操作を行うアクセルペダル８４のアクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）８６等の各種センサ類は、車両に搭載されているＥＣＵ（電子コントロールユニット）９０の入力側に接続されており、これらセンサ類からの検出情報が当該ＥＣＵ９０に入力される。

一方、ＥＣＵ９０の出力側には、上記点火プラグ２２、ＯＣＶ５２、５４、燃料噴射弁６０、電子スロットルバルブ６６等の各種装置が接続されており、これら各種装置には各種センサ類からの検出情報に基づき演算されたスロットル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、吸気弁３４及び排気弁３６のバルブタイミング等がそれぞれ出力される。
以下このように構成された本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の作用について説明する。

ＥＣＵ９０は、ＡＰＳ８６より検出されるアクセル開度情報θａｃｃに基づきスロットルバルブ６６のスロットル開度を制御する。
また、クランク角センサ１７より検出されるクランク角情報に基づきエンジン回転数Ｎｅを算出し、エアフローセンサ７２より検出される吸入空気量情報に基づいて体積効率Ｅｖを算出する。

そして、当該エンジン回転数Ｎｅと当該体積効率Ｅｖに応じて吸気弁３４及び排気弁３６の目標バルブタイミングを設定し、当該目標バルブタイミングとなるＶＶＴ４８、５０の目標位相角を求め、ＯＣＶ５２、５４により当該ＶＶＴ４８、５０を目標位相角に制御する。
さらに、図２及び図３にはＥＣＵ９０における燃料噴射制御ルーチンがフローチャートで示されており、図４には第１の燃料噴射及び第２の燃料噴射の燃料噴射期間を時系列的に示した図が示されており、以下図４を参照しつつ、図２及び図３のフローチャートに沿い燃料噴射制御について説明する。

まずステップＳ１において、エンジン回転速度Ｎｅを取得し、ステップＳ２において体積効率Ｅｖを取得する。
そして、ステップＳ３では、ＶＶＴ４８、５０の位相角を取得し、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、上記ステップＳ１及びステップＳ２で取得したエンジン回転速度Ｎｅ及び体積効率Ｅｖ等から目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）を算出し、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、上記ステップＳ４で算出した目標Ａ／Ｆに応じた燃料噴射パルス幅Ｐｗａを算出する。
続いて、ステップＳ６では、上記ステップＳ２で取得した体積効率Ｅｖが予め設定されている所定の体積効率Ｅｖ１より大であるか否かを判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、上記ステップＳ３で取得したＶＶＴ４８、５０の位相角より定まる吸気弁３４の閉弁時期θｉｎｃｌ（°ＡＢＤＣ(下死点後)）が、予め設定された所定の閉弁時期θ１（°ＡＢＤＣ）よりも大（遅角側）であるか否かを判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、図４に示すように、燃料噴射を、圧縮行程初期から行う第１の燃料噴射と、排気行程後期から吸気行程に掛けて行う第２の燃料噴射との分割噴射とするよう設定し、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、吸気弁３４の閉弁時期θｉｎｃｌから、圧縮行程中におけるピストン１２の上昇に伴い燃焼室２０内から吸気ポート３０内へ混合気が吹き返される期間（吹き返し期間）Ｐｗｆを算出し、ステップＳ１０に進む。当該吹き返し期間Ｐｗｆの算出は、例えば、予めＶＶＴ４８、５０の位相角に基づくマップを設定しておき、当該マップより算出する。

ステップＳ１０では、第１の燃料噴射のパルス幅Ｐｗ１を上記ステップＳ８で算出した吹き返し期間Ｐｗｆと同じ値に設定する（Ｐｗ１＝Ｐｗｆ）。つまり当該第１の燃料噴射は、図４に示すように圧縮行程初期において上記ステップＳ８で算出した吹き返し期間Ｐｗｆ中に行う。
続くステップＳ１１では、第２の燃料噴射のパルス幅Ｐｗ２を上記ステップＳ５で算出した全体としての燃料噴射パルス幅Ｐｗａから上記ステップＳ９で算出した第１の燃料噴射パルス幅Ｐｗ１を引いた値に設定する（Ｐｗ２＝Ｐｗａ−Ｐｗ１）。つまり、第２の燃料噴射は第１の燃料噴射で噴ききれない分の燃料を噴射するよう設定される。なお、燃料が噴ききれるのであれば、第２の燃料噴射パルス幅Ｐｗ２は０となり、第１の燃料噴射のみの燃料噴射が行われる。

そして、ステップＳ１２において、上記ステップＳ８からステップＳ１１の設定に従って第１の燃料噴射及び第２の燃料噴射を行うよう燃料噴射弁６０を制御し、当該ルーチンを抜ける。
一方、上記ステップＳ６またはステップＳ７の判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、つまり、体積効率Ｅｖが所定の体積効率Ｅｖ１以下、または吸気弁３４の閉弁時期θｉｎｃｌが所定の閉弁時期θ１より遅角されていない場合はステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、燃料噴射を第２の燃料噴射のみの１回とするよう設定し、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４では、第２の燃料噴射のパルス幅Ｐｗ２を上記ステップＳ５で算出した燃料噴射パルス幅Ｐｗａに設定し、ステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５では、上記ステップＳ１３及びステップＳ１４の設定に従い第２の燃料噴射を行うよう燃料噴射弁６０を制御し、当該ルーチンを抜ける。

つまり、体積効率が少なかった場合、または吸気弁３４の閉弁時期が比較的進角側にある場合は上記第１の燃料噴射を行わず、通常の第２の燃料噴射のみ行う。
また、上記燃料噴射制御に基づいた燃料噴射が行われた後には、体積効率Ｅｖとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて設定された目標点火時期に点火プラグ２２により火花点火が実施される。

以上のように、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置では、ＶＶＴ４８、５０により吸気弁３４の閉弁時期をエンジン１の運転状態に応じて効果的に可変させることができ、特に吸気弁３４の閉弁時期を圧縮行程中に遅角させることで、圧縮開始を遅らせ実圧縮比を減少させることができる。
そして、吸気弁３４の閉弁時期を遅角させた場合には、圧縮行程において、高温の燃焼室２０内に吸入され熱せられた混合気がピストン１２の上昇に伴い吸気ポート３０内へと吹き返されるが、この吹き返し混合気に対して第１の燃料噴射を行うことで、当該吹き返し混合気を冷却することができ、吸気ポート３０内の温度上昇を抑制させることができる。

これにより、吸気圧を減少させ充填効率を高めることができ、ターボチャージャ７０により吸気が過給されることで、大幅に出力を向上させることができる。
また、第１の燃料噴射で噴ききれない分の燃料は、排気行程後期から吸気行程の第２の燃料噴射で噴射するので、簡単な制御で安定した燃焼を実現することができる。
ここで、図５及び図６を参照すると、同一体積効率を実現する吸気弁閉弁時期と吸気圧との関係図、及び吸気弁閉弁時期を所定の閉弁時期θａに固定した場合における体積効率と吸気圧との関係図がそれぞれ示されている。なお、図５、図６とも、本願の発明に係る燃料噴射制御における吹き返し混合気に燃料噴射を行った場合と、吹き返し混合気への燃料噴射を行わない従来技術の燃料噴射制御を行った場合とが示されている。

図５に示すように、従来技術では、吸気弁の閉弁時期を遅角させるほど吹き返し混合気の量が増えるため吸気通路内の温度が上昇して充填効率が悪化するため、同一体積効率を実現するためには吸気圧を高くしていかなければならないことがわかる。
これに対して本発明では吹き返し混合気への燃料噴射により吸気通路内の温度上昇を抑制し高い充填効率を維持することができるので、従来よりも低い吸気圧で同一体積効率を実現することできことがわかる。

また、図６に示すように、吸気弁閉弁時期を所定の時期θａに固定した場合、従来技術では、体積効率を向上させるには吸気圧を大幅に上昇させる必要があるが、本発明では僅かに吸気圧を上昇させるだけで大幅に体積効率を向上させることができる。
以上のことから、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置では、吸気弁の閉弁時期を遅角し実圧縮比を減少させることで燃費を向上させることができる上、吹き返し混合気に燃料を噴射することで吸気通路内の温度上昇を抑制し吸気の充填効率を高めることができ、出力を向上させることができる。

以上で本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、ＶＶＴ４８、５０により吸気弁３４の閉弁時期を遅角させているが、他の可変動弁手段により吸気弁３４の閉弁時期を遅角させてもよいし、吸気弁３４の閉弁時期が遅角した閉弁時期に固定されている内燃機関であっても構わない。

また、上記実施形態では、吹き返し期間ＰｗｆをＶＶＴ４８、５０の位相角に基づくマップより算出しているが、吹き返し期間Ｐｗｆの算出方法はこれに限られるものではなく、例えば単に下死点（０°ＡＢＤＣ）から吸気弁閉弁時期θｉｎｃｌまでの期間としてもよい。
また、上記実施形態では、第１の燃料噴射と第２の燃料噴射を行う場合、燃料が噴ききれるのであれば第１の燃料噴射のみの燃料噴射が行われることとなるが、燃焼を安定させるため例えば第２の燃料噴射パルス幅について最低限の量を設定しておいても構わない。

また、上記実施形態では、ターボチャージャ７０が設けられているが、当該ターボチャージャ７０が設けられていなくてもよい。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の概略構成図である。本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置におけるＥＣＵが実行する燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートの一部である。図３に続く制御ルーチンを示すフローチャートの残部である。本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置における第１の燃料噴射及び第２の燃料噴射の燃料噴射期間を時系列的に示した図である。本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置及び従来技術において、同一体積効率を実現する吸気弁閉弁時期と吸気圧との関係図である。本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置及び従来技術において、吸気弁閉弁時期を所定の時期θａに固定した場合における体積効率と吸気圧との関係図である。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
１０シリンダ
１７クランク角センサ
２０燃焼室
３０吸気ポート（吸気通路）
３２排気ポート
３４吸気弁
３６排気弁
４８、５０可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）（可変動弁手段）
５２、５４オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）
６０燃料噴射弁（燃料噴射手段）
６８インタークーラ
７０ターボチャージャ（過給機）
７２エアフローセンサ
９０ＥＣＵ（燃料噴射制御手段）

Claims

内燃機関の燃焼室と吸気通路との連通と遮断とを行う吸気弁と
前記吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、
該燃料噴射手段を制御する燃料噴射制御手段とを備え、
前記吸気弁は前記内燃機関の圧縮行程中に閉弁し、
前記燃料噴射制御手段は、該吸気弁が閉弁されるまでの圧縮行程中に、前記燃焼室内から前記吸気通路内へ吹き返される混合気に対して燃料噴射を行うよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記燃料噴射手段は、前記吹き返し混合気に対する燃料噴射を第１の燃料噴射とし、
該第１の燃料噴射の後、少なくとも吸気行程中に第２の燃料噴射を行うよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記燃料噴射制御手段は、前記第１の燃料噴射により噴射しきれない分の燃料を前記第２の燃料噴射により噴射させるよう前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
さらに前記吸気通路に吸気を過給する過給機を有してい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内燃機関の燃料噴射制御装置。
さらに、少なくとも前記吸気弁の閉弁時期を可変可能な可変動弁手段を有してい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内燃機関の燃料噴射制御装置。