JP2007278157A

JP2007278157A - 内燃機関の燃料供給制御装置

Info

Publication number: JP2007278157A
Application number: JP2006104960A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sakai; 洋志坂井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2026-04-06
Also published as: JP4735382B2

Abstract

【課題】吸入空気量に応じて燃料噴射時間又は燃料噴射率を最適に制御し、均質な混合気を形成する。
【解決手段】吸気ポート７内に燃料噴射弁１８を配置し、燃料噴射弁１８にコモンレール１９から燃料を供給する。コモンレール１９内の燃料圧すなわち燃料噴射率が制御可能になっている。スロットル開度が小さいときには大きいときに比べて燃料噴射時間が長くなるように燃料噴射圧が低くされる。その結果、スロットル開度が大きいときに噴射燃料が帯状になって混合気が不均一化するのを阻止又は抑制することができ、均質な混合気を形成することができる。また、スロットル開度が小さいときに噴射燃料が塊状になって混合気が不均一化するのを阻止又は抑制することができ、均質な混合気を形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の燃料供給制御装置に関する。

燃料噴射率を制御可能な燃料噴射弁を具備し、機関回転数が高いときには低いときに比べて燃料噴射時間が短くなるように燃料噴射率を高くし、機関負荷が低いときには高いときに比べて燃料噴射時間が短くなるように燃料噴射率を高くする内燃機関が公知である（特許文献１参照）。燃料噴射弁周りを流れる空気に向けて燃料を噴射すれば混合気の均質化を促進することができる。一方、燃料噴射弁周りを空気が流れる時間は機関回転数が高いときには低いときに比べて短くなり、既燃ガスの吹き返しにより機関負荷が低いときには高いときに比べて短くなる。そこでこの内燃機関では、機関回転数が高いとき又は機関負荷が低いときに燃料噴射時間が短くなるように燃料噴射率を高くしている。

特開平４−８６３５１号公報

しかしながら、機関負荷が低く吸入空気量が少ないときに燃料噴射時間が短くなるように燃料噴射率を高くすると、塊状の燃料噴霧が形成され、均一な混合気を形成するのが困難になる。また、機関負荷が高く吸入空気量が多いときに燃料噴射時間が長くなるように燃料噴射率を低くすると、帯状の燃料噴霧が形成され、この場合にも均一な混合気を形成するのが困難になる。すなわち、吸入空気量に応じて燃料噴射時間又は燃料噴射率を制御する必要があるという問題点がある。

前記課題を解決するために本発明によれば、燃料噴射率を制御可能な燃料噴射装置を具備し、吸入空気量が少ないときには多いときに比べて燃料噴射時間が長くなるように燃料噴射率を低くしている。

吸入空気量に応じて燃料噴射時間又は燃料噴射率を最適に制御することができるので、均質な混合気を形成することができる。

図１は本発明を火花点火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を圧縮着火式内燃機関に適用することもできる。

図１を参照すると、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。吸気ダクト１３内にはステップモータ１５により駆動されるスロットル弁１６が配置される。また、スロットル弁１６上流の吸気ダクト１３内には吸入空気質量流量を検出するためのエアフローメータ１７が取り付けられる。

各吸気ポート７内には電気制御式の燃料噴射弁１８が配置され、これら燃料噴射弁１８には共通の燃料蓄圧室すなわちコモンレール１９に連結される。このコモンレール１９は燃料配管２０を介し燃料タンク２１に連結され、燃料配管２０内には電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２２が配置される。燃料タンク２１内の燃料は燃料ポンプ２２からコモンレール１９内に供給され、コモンレール１９から各燃料噴射弁１８に供給される。コモンレール１９にはコモンレール１９内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ２３が取り付けられ、燃料圧センサ２３の出力信号に基づいてコモンレール１９内の燃料圧すなわち燃料噴射率が目標値に一致するように燃料ポンプ２２の吐出量が制御される。

一方、排気ポート９は排気マニホルド２４を介して排気管２５に連結され、排気管２５内には上流側から順に、小容量の触媒２６と大容量の触媒２７とがそれぞれ配置される。また、例えば触媒２６，２７間の排気管２５には空燃比を検出するための空燃比センサ２８が取り付けられる。

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によって互いに接続された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及び出力ポート３６を具備する。アクセルペダル３９にはアクセルペダル３９の踏み込み量ＤＥＰを検出するための負荷センサ４０が接続される。アクセルペダル３９の踏み込み量ＤＥＰは要求負荷を表している。エアフローメータ１７、燃料圧センサ２３、空燃比センサ２８、負荷センサ４０の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４１が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４１の出力パルスに基づいて機関回転数ＮＥが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓１０、ステップモータ１５、燃料噴射弁１８及び燃料ポンプ２２にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット３０からの出力信号に基づいて制御される。

さて、図１の内燃機関では吸入空気が筒内に流入している期間である吸気期間に燃料が噴射される同期噴射が行われ、燃料噴射時間ＴＡＵ（ｓｅｃ）は次式（１）に基づいて算出される。

ＴＡＵ＝Ｑ／ｄＱ（１）
ここでＱは要求燃料量（ｍ^３）を、ｄＱは燃料噴射率（ｍ^３／ｓｅｃ）をそれぞれ表している。

要求燃料量Ｑは空燃比を目標空燃比、例えばリーン空燃比又は理論空燃比に一致させるのに必要な燃料量である基本燃料量を始動時増量補正係数や加速時増量補正係数などで補正することにより算出される。なお、基本燃料量は機関運転状態例えば機関回転数及び機関負荷の関数としてマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

次に、図２及び図３を参照しながら燃料噴射率ｄＱの算出方法を説明する。図２においてＧａｐは吸気ポート７内における吸入空気流量Ｇａｐを、Ｒは要求燃料量Ｑに対する、燃料噴射弁１８から実際に噴射された燃料量の時間積分値の割合を、それぞれ表している。この場合、噴射割合Ｒの勾配は燃料噴射率ｄＱを表すことになる。また、図２において実線は機関回転数ＮＥ一定のもとでポート空気流量Ｇａｐが大きなＧａｐＨであるときを、破線は機関回転数ＮＥ一定のもとでポート空気流量Ｇａｐが小さなＧａｐＬであるときを、それぞれ示している。

図２に実線で示されるようにポート空気流量Ｇａｐが大きいときには、燃料噴射が比較的遅い噴射開始時期θＳＨから開始され、比較的高い燃料噴射率ｄＱＨでもって、比較的短い燃料噴射時間ＴＡＵＨだけ行われる。このようにすると、噴射燃料が帯状になって混合気が不均一化するのを阻止又は抑制することができ、均質な混合気を形成することができる。これに対し、図２に破線で示されるようにポート空気流量Ｇａｐが小さいときには、燃料噴射が比較的早い噴射開始時期θＳＬから開始され、比較的低い燃料噴射率ｄＱＬでもって、比較的長い燃料噴射時間ＴＡＵＬだけ行われる。このようにすると、噴射燃料が塊状になって混合気が不均一化するのを阻止又は抑制することができ、この場合にも、均質な混合気を形成することができる。

すなわち、スロットル開度ＴＡが大きくなるとポート空気流量Ｇａｐが大きくなることを考えれば、本発明による実施例では図３（Ａ）に示されるように、スロットル開度ＴＡが小さいときには大きいときに比べて燃料噴射時間ＴＡＵが長くなるように燃料噴射率ｄＱを低くしているということになる。

ポート空気流量Ｇａｐはスロットル開度ＴＡだけでなく機関回転数ＮＥにも依存する。本発明による実施例では、燃料噴射率ｄＱはスロットル開度ＴＡ及び機関回転数ＮＥの関数として予め実験により求められ、図３（Ｂ）に示されるマップの形でＲＯＭ３２内に予め記憶されている。

一方、燃料噴射開始時期θＳは燃料噴射が吸気期間内に開始されかつ吸気期間内に完了するように設定され、その上でポート空気流量Ｇａｐができるだけ大きい時期に燃料噴射が行われるように設定されるのが好ましい。本発明による実施例では、燃料噴射開始時期θＳは例えば燃料噴射時間ＴＡＵと、吸気期間を表す機関回転数ＮＥとの関数として予め求められており、図４に示されるマップの形でＲＯＭ３２内に予め記憶されている。

図５は本発明による実施例の燃料噴射制御ルーチンである。図５を参照すると、まずステップ１００では要求燃料量Ｑが算出される。続くステップ１０１では燃料噴射率ｄＱが図３（Ｂ）のマップから算出され、続くステップ１０２では上述の式（１）から燃料噴射時間ＴＡＵが算出され、続くステップ１０３では図４のマップから燃料噴射開始時期θＳが算出される。続くステップ１０４では燃料噴射が実行される。

次に、図６及び図７を参照して本発明による別の実施例を説明する。

図６の例では燃料噴射弁１８直上流の吸気ポート７内にアクチュエータ５０により駆動される吸気制御弁５１が配置される。この吸気制御弁５１の開度θｉｎが小さくされると、吸入空気によりシリンダ軸線回りに旋回するスワール流や、吸入空気によりシリンダ軸線に垂直な軸線回りに旋回するタンブル流が燃焼室５内に形成される。なお、アクチュエータ５０は電子制御ユニット３０からの出力信号に基づいて制御される。

吸気制御弁５１の開度θｉｎが大きいときには小さいときに比べてポート空気流量Ｇａｐが小さくなる。そこで本発明による別の実施例では図７（Ａ）に示されるように、吸気制御弁５１の開度θｉｎが大きいときには小さいときに比べて燃料噴射時間ＴＡＵが長くなるように燃料噴射率ｄＱを低くしている。その結果、吸気制御弁５１が設けられている場合でも均質混合気を確実に形成することができる。

この場合の燃料噴射率ｄＱはスロットル開度ＴＡ、機関回転数ＮＥ及び吸気制御弁５１の開度θｉｎの関数として予め実験により求められ、図７（Ｂ）に示されるマップの形でＲＯＭ３２内に予め記憶されている。本発明による別の実施例でも図５のルーチンが実行され、このときステップ１０１では図７（Ｂ）のマップから燃料噴射率ｄＱが算出される。

次に、図８から図１０までを参照しながら本発明による更に別の実施例を説明する。なお、以下では吸気制御弁が設けられていない場合を説明するが、図６のように吸気制御弁を設けることもできる。

本発明による更に別の実施例では図８に示されるように、機関運転状態例えば機関負荷を表すスロットル開度ＴＡと機関回転数ＮＥとにより定められる運転領域が予め定められた設定スロットル開度ＴＡＸにより運転領域Ｌと運転領域Ｓとに二分される。その上で、運転領域Ｌでは目標空燃比がリーン空燃比に設定され、運転領域Ｓでは目標空燃比が理論空燃比に設定される。なお設定スロットル開度ＴＡＸは機関回転数ＮＥの関数として予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

ここで、図８に示されるように機関運転状態がＡ点からＢ点に変動した場合を考える。この場合、運転状態が運転領域Ｓから運転領域Ｌに移行しているので目標空燃比が理論空燃比からリーン空燃比に切り換えられる。

図９において矢印Ｘは機関運転状態がＡ点からＢ点に変動したタイミングを示している。このときスロットル開度ＴＡが小さくなっているので、上述した図１から図５までに示される実施例によれば、図９に破線で示されるように燃料噴射率ｄＱはステップ状に減少され、燃料噴射時間ＴＡＵはステップ状に増大される。上述したように、スロットル開度ＴＡが小さくポート空気流量Ｇａｐが小さいときには燃料噴射率ｄＱを小さくし燃料噴射時間ＴＡＵを大きくすることによって、燃料噴霧が塊状になるのを阻止又は抑制でき、均一混合気を形成できるからである。

しかしながら、ポート空気流量Ｇａｐが少ないときに目標空燃比がリーン空燃比に切り換えられた直後は、希薄な均一混合気を形成するよりもむしろ塊状の混合気を形成したほうが混合気を確実に着火することができる。

そこで本発明による更に別の実施例では図９に示されるように、ポート空気流量Ｇａｐが少ないときに目標空燃比がリーン空燃比に切り換えるべきときには（矢印Ｘ参照）、まず燃料噴射時間ＴＡＵが予め定められた設定時間ΔＴＡＵだけ短くなるように燃料噴射率ｄＱが予め定められた設定値ΔｄＱだけ増大される。次いで、燃料噴射時間ＴＡＵが徐々に長くなるように燃料噴射率ｄＱが徐々に小さくされ、次いで矢印Ｙで示されるように図３（Ｂ）のマップにより算出される燃料噴射率ｄＱまで減少される。

したがって、一般化していうと、本発明による更に別の実施例では、吸入空気量が予め定められた設定量よりも少ないときに空燃比がリーン側に変更されたときには燃料噴射時間が一時的に短くなるように燃料噴射率を一時的に高くしているということになる。

図１０は本発明による更に別の実施例における燃料噴射率ｄＱの算出ルーチンを示している。このルーチンは図５のステップ１０１で実行することができる。

図１０を参照するとまずステップ１１０では図３（Ｂ）のマップから燃料噴射率ｄＱが算出され、これがｄＱＣとして記憶される。続くステップ１１１ではフラグがセットされているか否かが判別される。このフラグは燃料噴射率ｄＱを一時的に増大すべきときにセットされ、それ以外はリセットされるものである。フラグがリセットされているときには次いでステップ１１２に進み、燃料噴射率ｄＱを一時的に増大すべき条件が成立しているか否かが判別される。本発明による更に別の実施例では、ポート空気流量Ｇａｐが少ないときに目標空燃比をリーン空燃比に切り換えるべきときに条件が成立したと判断され、それ以外は条件不成立と判断される。条件不成立と判断されたときにはステップ１１２からステップ１１８に進み、ステップ１１０において図３（Ｂ）のマップから算出されたｄＱＣが燃料噴射率ｄＱとされる。これに対し、条件成立と判断されたときには次いでステップ１１３に進んでフラグがセットされ、続くステップ１１４では燃料噴射率ｄＱが現在のｄＱから設定値ΔｄＱだけ増大される。

フラグがセットされたときにはステップ１１１からステップ１１５に進み、燃料噴射率ｄＱが設定値Δずつ減少される（ｄＱ＝ｄＱ−Δ）。続くステップ１１６ではステップ１１５で算出されたｄＱがステップ１１０で算出されたｄＱＣよりも小さいか否かが判別される。ｄＱ≧ｄＱＣのときには処理サイクルを終了し、ｄＱ＜ｄＱＣとなったら次いでステップ１１７に進み、フラグがリセットされる。続くステップ１１８では、ステップ１１０において図３（Ｂ）のマップから算出されたｄＱＣが燃料噴射率ｄＱとされる。

これまで述べてきた本発明による各実施例では燃料噴射弁１８が吸気ポート７内に配置されている。しかしながら燃料噴射弁１８を燃焼室５内に配置して吸気同期噴射を行う場合にも本発明を適用できる。

内燃機関の全体図である。ポート吸入空気流量及び噴射割合Ｒの変化を示すタイムチャートである。燃料噴射率ｄＱを示す線図である。燃料噴射開始時期θＳを示す線図である。燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。本発明による別の実施例を示す図である。本発明による別の実施例における燃料噴射率ｄＱを示す線図である。本発明による更に別の実施例における運転領域を示す図である。本発明による更に別の実施例における燃料噴射率ｄＱ等の変化を示すタイムチャートである。本発明による更に別の実施例における燃料噴射率ｄＱの算出ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１機関本体
７吸気ポート
１６スロットル弁
１８燃料噴射弁
１９コモンレール

Claims

燃料噴射率を制御可能な燃料噴射装置を具備し、吸入空気量が少ないときには多いときに比べて燃料噴射時間が長くなるように燃料噴射率を低くする内燃機関の燃料供給制御装置。
スロットル弁下流の吸気通路内に吸気制御弁を配置し、該吸気制御弁の開度が大きいときには小さいときに比べて燃料噴射時間が長くなるように燃料噴射率を低くする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。
吸入空気量が予め定められた設定量よりも少ないときに空燃比がリーン側に変更されたときには燃料噴射時間が一時的に短くなるように燃料噴射率を一時的に高くする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給制御装置。