JP2007309306A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射パルス幅（要求噴射時間）が長くしかも回転速度が高い条件であっても、要求量の燃料をシリンダ内に確実に吸引させることができるようにする。
【解決手段】所定の噴射終了時期に燃料噴射が終了するように設定される噴射開始時期が、前サイクルの吸気行程に重なる場合に、前記噴射開始時期を吸気バルブの閉時期にまで強制的に遅らせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、詳しくは、吸気バルブの上流側に備えられる燃料噴射弁の噴射開始時期を可変に制御する技術に関する。

特許文献１には、任意に設定される噴射終了クランク角度と、噴射開始時期の設定時におけるエンジン回転速度及び噴射パルス幅より求まる噴射クランク角度とから、噴射開始クランク角度を求め、前記噴射開始クランク角度から燃料噴射を開始させる燃料噴射制御装置が開示されている。
特開平１０−１４８１４９号公報

ところで、上記のように噴射終了時期を予め設定し、噴射開始時期を可変に設定するシステムでは、噴射パルス幅（要求噴射時間）が長くしかも回転速度が高い場合（高負荷・高回転領域）には、噴射開始時期が早まって前サイクルの吸気行程中に噴射開始時期が設定されることがあった。
前サイクルの吸気行程中に噴射開始時期が設定されると、前サイクルの吸気行程中に燃料の一部がシリンダ内に吸引されることになり、定常時には、２回に分けて噴射された燃料の合算としてシリンダ内に要求量の燃料量を略吸引させることができるものの、過渡時には、一時的に要求量の燃料をシリンダ内に吸引させることができなくなる可能性があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、噴射パルス幅（要求噴射時間）が長くしかも回転速度が高い条件の過渡運転時であっても、要求量の燃料をシリンダ内に確実に吸引させ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を目的とする。

そのため請求項１記載の発明は、可変制御される噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なる場合に、前記噴射開始時期を強制的に遅らせることを特徴とする。
上記発明によると、可変制御される噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なる場合に、噴射開始時期を遅らせて、噴射された燃料が前サイクルの吸気行程で吸引されてしまうことがないようにする。

従って、噴射パルス幅（要求噴射時間）が長くしかも回転速度が高い過渡運転時であっても、サイクル毎に要求量の燃料をシリンダ内に吸引させることができ、過渡運転時における運転性の低下を回避できる。
請求項２記載の発明は、可変制御される噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なる場合に、噴射開始時期を、前サイクルにおける吸気バルブの閉時期付近の所定時期とすることを特徴とする。

上記発明によると、可変制御される噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なる場合に、噴射された燃料が、前サイクルの吸気行程においてシリンダ内に吸引されることがないように、噴射開始時期を、前サイクルにおける吸気バルブの閉時期付近の所定時期にまで遅らせる。
従って、燃料噴射弁から噴射された燃料が、前サイクルの吸気行程においてシリンダ内に吸引されることを確実に防止できる。

請求項３記載の発明は、前記噴射開始時期の演算時期から前サイクルにおける吸気バルブの閉時期までのクランク角と、前記演算時期から前記噴射開始時期までのクランク角との比較に基づいて、噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なるか否かを判断することを特徴とする。
上記発明によると、噴射開始時期の演算時期から前サイクルにおける吸気バルブの閉時期までのクランク角よりも、前記演算時期から前記噴射開始時期までのクランク角が小さい場合には、噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なる（前サイクルの吸気行程中に噴射が開始される）ことになる。

従って、噴射開始時期の演算時期において、通常に演算された噴射開始時期が、前サイクルの吸気行程に重なるか否かを、的確に判断することができる。
請求項４記載の発明は、吸気バルブの少なくも閉時期を可変とする可変動弁機構を備え、該可変動弁機構の制御目標に基づいて噴射開始時期のリミッタを設定することを特徴とする。

上記発明によると、可変動弁機構を備えることで、吸気バルブの閉時期が可変とされ、前サイクルの吸気行程に重なることになる噴射開始時期の範囲も変化するので、可変制御される閉時期を示す可変動弁機構の制御目標に基づいて、噴射開始時期のリミッタ（許容最大進角時期）を設定する。
従って、可変動弁機構によって吸気バルブの閉時期が変更される場合であっても、サイクル毎に要求量の燃料をシリンダ内に吸引させることができる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は、実施形態における車両用内燃機関のシステム図である。
図１において、内燃機関１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

各気筒の吸気バルブ１０５上流側の吸気ポート１３０には、燃料噴射弁１３１が設けられる。
前記燃料噴射弁１３１は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、開弁時間に比例する量の燃料を、吸気バルブ１０５に向けて噴射する。

燃焼室１０６内の燃料は、図示省略した点火プラグによる火花点火によって着火燃焼する。
燃焼排気は、燃焼室１０６から排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記吸気バルブ１０５及び排気バルブ１０７は、それぞれ吸気側カムシャフト１３４，排気側カムシャフト１１０に設けられたカムによって開閉駆動されるが、吸気側カムシャフト１３４には、クランクシャフト１２０に対する吸気側カムシャフト１３４の相対位相を変化させることで、吸気バルブ１０５の作動角の中心位相を連続的に変化させる可変バルブタイミング機構１１３（可変動弁機構）が設けられている。

前記エンジンコントロールユニット１１４は、マイクロコンピュータを含んで構成され、予め記憶されたプログラムに従って各種センサからの検出信号を演算処理することによって、前記電子制御スロットル１０４，可変バルブタイミング機構１１３及び燃料噴射弁１３１などの制御信号を出力する。
前記各種センサとしては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１１６、機関１０１の吸入空気流量Ｑを検出するエアフローメータ１１５、クランクシャフト１２０から基準クランク角位置毎の基準クランク角信号ＲＥＦ及び単位クランク角毎の単位角度信号ＰＯＳを取り出すクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、機関１０１の冷却水温度を検出する水温センサ１１９、吸気側カムシャフト１３４から基準カム角毎のカム信号ＣＡＭを取り出すカムセンサ１３２などが設けられている。

前記エンジンコントロールユニット１１４は、前記エアフローメータ１１５で検出される吸入空気流量Ｑと、前記クランク角センサ１１７からの検出信号に基づいて算出した機関回転速度Ｎｅとから、基本噴射パルス幅ＴＰを演算し、更に、前記水温センサ１１９で検出される冷却水温度等に基づく各種補正係数ＣＯや、バッテリ電圧に基づく電圧補正分ＴＳなどを算出し、前記基本噴射パルス幅ＴＰを前記各種補正係数ＣＯや電圧補正分Ｔｓで補正して最終的な噴射パルス幅ＴＩを求める。

そして、前記噴射パルス幅ＴＩ（時間）を、そのときの機関回転速度Ｎｅに基づいてクランク角度に換算して噴射角度ＴＩＡを求め、所定の噴射終了時期ＴＩＥ（所定のクランク角位置）から前記噴射角度ＴＩＡだけ前のクランク角位置を噴射開始時期ＴＩＳとして決定し、前記噴射開始時期ＴＩＳになってから前記噴射パルス幅ＴＩの噴射パルス信号を該当する燃料噴射弁１３１に出力させることで、前記噴射パルス幅ＴＩに対応する時間の燃料噴射が前記噴射終了時期ＴＩＥで完了するようにする（図２参照）。

前記噴射終了時期ＴＩＥは、良好な混合気を形成できるように予め適合され、例えば、各気筒の吸気上死点（吸気ＴＤＣ）付近に設定される。
前記噴射開始時期ＴＩＳの演算は、予め決められたクランク角位置で行われるようになっており、本実施形態では、各気筒の点火上死点前の１１０°ＣＡの位置に設定される基準クランク角信号ＲＥＦよりも更に１２０°ＣＡだけ前のクランク角位置が、噴射開始時期ＴＩＳの演算時期ＴＩＳＣに設定されている。

そして、前記演算時期ＴＩＳＣから噴射終了時期ＴＩＥまでのクランク角ＴＩＴＭから前記噴射角度ＴＩＡを減算した残りの角度ＡＮＧＴＭを、演算時期ＴＩＳＣから噴射開始時期ＴＩＳまでのクランク角として求め（図２参照）、演算時期ＴＩＳＣから前記角度ＡＮＧＴＭが経過した時点で、前記噴射パルス幅ＴＩの噴射パルス信号の出力を開始する。
また、前記可変バルブタイミング機構１１３の制御においては、機関負荷（基本噴射パルス幅ＴＰ）や機関回転速度Ｎｅなどの機関運転条件から、バルブタイミングの目標進角値を設定する一方、前記クランクシャフト１２０の基準クランク角位置から吸気側カムシャフト１３４の基準カム位置までの位相差を計測することで実際の進角値を求め、前記実際の進角値が前記目標値に近づくように、前記可変バルブタイミング機構１１３の操作量をフィードバック制御する。

次に、前記可変バルブタイミング機構１１３の構成を、図３に基づいて説明する。
本実施形態における可変バルブタイミング機構１１３は、公知のベーン式の可変バルブタイミング機構であり、クランクシャフト１２０によりタイミングチェーンを介して回転駆動されるカムスプロケット５１（タイミングスプロケット）と、吸気側カムシャフト１３４の端部に固定されてカムスプロケット５１内に回転自在に収容された回転部材５３と、該回転部材５３をカムスプロケット５１に対して相対的に回転させる油圧回路５４と、カムスプロケット５１と回転部材５３との相対回転位置を所定位置で選択的にロックするロック機構６０とを備えている。

前記カムスプロケット５１は、外周にタイミングチェーン（又はタイミングベルト）が噛合する歯部を有する回転部（図示省略）と、該回転部の前方に配置されて前記回転部材５３を回転自在に収容するハウジング５６と、該ハウジング５６の前後開口を閉塞するフロントカバー，リアカバー（図示省略）とから構成される。
前記ハウジング５６は、前後両端が開口形成された円筒状を呈し、内周面には、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング５６の軸方向に沿って設けられる４つの隔壁部６３が９０°間隔で突設されている。

前記回転部材５３は、吸気側カムシャフト１３４の前端部に固定されており、円環状の基部７７の外周面に９０°間隔で４つのベーン７８ａ，７８ｂ，７８ｃ，７８ｄが設けられている。
前記第１〜第４ベーン７８ａ〜７８ｄは、それぞれ断面が略逆台形状を呈し、各隔壁部６３間の凹部に配置され、前記凹部を回転方向の前後に隔成し、ベーン７８ａ〜７８ｄの両側と各隔壁部６３の両側面との間に、進角側油圧室８２と遅角側油圧室８３を構成する。

前記ロック機構６０は、ロックピン８４が、回転部材５３の最大遅角側の回動位置（基準作動状態）において係合孔（図示省略）に係入するようになっている。
前記油圧回路５４は、進角側油圧室８２に対して油圧を給排する第１油圧通路９１と、遅角側油圧室８３に対して油圧を給排する第２油圧通路９２との２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路９１，９２には、供給通路９３とドレン通路９４ａ，９４ｂとがそれぞれ通路切り換え用の電磁切換弁９５を介して接続されている。

前記供給通路９３には、オイルパン９６内の油を圧送する機関駆動のオイルポンプ９７が設けられている一方、ドレン通路９４ａ，９４ｂの下流端がオイルパン９６に連通している。
前記第１油圧通路９１は、回転部材５３の基部７７内に略放射状に形成されて各進角側油圧室８２に連通する４本の分岐路９１ｄに接続され、第２油圧通路９２は、各遅角側油圧室８３に開口する４つの油孔９２ｄに接続される。

前記電磁切換弁９５は、内部のスプール弁体が各油圧通路９１，９２と供給通路９３及びドレン通路９４ａ，９４ｂとを相対的に切り換え制御するようになっている。
前記エンジンコントロールユニット１１４は、前記電磁切換弁９５を駆動する電磁アクチュエータ９９に対する通電量を、デューティ制御信号に基づいて制御する。
例えば、電磁アクチュエータ９９にデューティ比０％の制御信号（ＯＦＦ信号）を出力すると、オイルポンプ４７から圧送された作動油は、第２油圧通路９２を通って遅角側油圧室８３に供給されると共に、進角側油圧室８２内の作動油が、第１油圧通路９１を通って第１ドレン通路９４ａからオイルパン９６内に排出される。

従って、遅角側油圧室８３の内圧が高、進角側油圧室８２の内圧が低となって、回転部材５３は、ベーン７８ａ〜７８ｂを介して最大遅角側に回転し、この結果、吸気バルブ１０５の開期間（開時期及び閉時期）が遅くなる。
一方、電磁アクチュエータ９９にデューティ比１００％の制御信号（ＯＮ信号）を出力すると、作動油は、第１油圧通路９１を通って進角側油圧室８２内に供給されると共に、遅角側油圧室８３内の作動油が第２油圧通路９２及び第２ドレン通路９４ｂを通ってオイルパン９６に排出され、遅角側油圧室８３が低圧になる。

このため、回転部材５３は、ベーン７８ａ〜７８ｄを介して進角側へ最大に回転し、これによって、吸気バルブ１０５の開期間（開時期及び閉時期）が早くなる。
尚、可変動弁機構を、上記の可変バルブタイミング機構１１３に限定するものではなく、カムの切り替えを行う機構や、中心位相を不変としてバルブリフトを可変とする機構など、公知の可変動弁機構を種々適用できる。

また、上記の可変バルブタイミング機構１１３などの可変動弁機構を備えずに、吸気バルブ１０５のリフト特性が固定とされる内燃機関であってもよい。
ところで、前記エンジンコントロールユニット１１４は、前述のように、所定の噴射終了時期ＴＩＥで燃料噴射が終了するように、噴射開始時期ＴＩＳを可変に設定するが、噴射パルス幅ＴＩ（要求噴射時間）が長くしかも回転速度が高い場合には、吸気行程間隔に対して噴射角度ＴＩＡが大きくなり、噴射開始時期ＴＩＳが前サイクルにおける吸気行程（吸気バルブ１０５の開期間）に重なってしまう、換言すれば、前サイクルにおける吸気バルブ１０５の閉時期よりも前に噴射開始時期ＴＩＳが設定されてしまうことがある。

上記のように、噴射開始時期ＴＩＳが前サイクルにおける吸気行程に重なると、噴射開始直後に噴射された燃料が、前サイクルにおける吸気行程でシリンダ内に吸引されてしまう結果、次サイクルにおいて吸気行程でシリンダ内に吸引される燃料が要求量よりも少なくなってしまう。
そこで、本実施形態では、前記エンジンコントロールユニット１１４が、図４のフローチャートに示すようにして、噴射開始時期ＴＩＳを強制的に遅らせる制御を行うようになっている。

図４のフローチャートは、前記演算時期ＴＩＳＣになる毎に割り込み実行される。
まず、ステップＳ１１では、演算時期ＴＩＳＣから噴射終了時期ＴＩＥまでのクランク角ＴＩＴＭから、噴射パルス幅ＴＩ（時間）の角度換算値である噴射角度ＴＩＡを減算した残りの角度ＡＮＧＴＭｓを、演算時期ＴＩＳＣから噴射開始時期ＴＩＳまでの標準クランク角として求める（図２参照）。

次のステップＳ１２では、前記演算時期ＴＩＳＣから吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣまでの角度ＩＶＣＡを、前記可変バルブタイミング機構１１３の進角目標値ＴＧＶＴＣから求める（図２参照）。
具体的には、前記可変バルブタイミング機構１１３によって制御される吸気バルブ１０５のバルブタイミングが最遅角であるときの前記演算時期ＴＩＳＣから吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣまでの角度を、予めＩＶＣＡＭＲとして記憶しておき、前記可変バルブタイミング機構１１３のそのときの進角目標値ＴＧＶＴＣを前記ＩＶＣＡＭＲから減算することで、前記可変バルブタイミング機構１１３で進角された閉時期ＩＶＣまでの角度ＩＶＣＡを求める。

尚、可変バルブタイミング機構１１３などの可変動弁機構を備えず、閉時期ＩＶＣが固定であるとき場合には、前記角度ＩＶＣＡは予め記憶された固定値として与えられることになる。
ステップＳ１３では、前記演算時期ＴＩＳＣから噴射開始時期ＴＩＳまでの角度ＡＮＧＴＭｓと、前記演算時期ＴＩＳＣから吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣまでの角度ＩＶＣＡとを比較する。

ここで、角度ＡＮＧＴＭｓが角度ＩＶＣＡ以下であるときには、吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣ以前に噴射開始時期ＴＩＳが設定される、換言すれば、噴射開始時期ＴＩＳが前サイクルの吸気行程に重なることになり、噴射開始直後に噴射された燃料が前サイクルの吸気行程でシリンダ内に吸引されてしまう可能性がある。
一方、角度ＡＮＧＴＭｓが角度ＩＶＣＡを超えている場合には、前サイクルにおける吸気行程が終わってから（吸気バルブ１０５が閉じてから）燃料噴射が開始されることになり、噴射開始直後に噴射された燃料も、次に吸気バルブ１０５が開いたときに、シリンダ内に吸引されることになる。

そこで、ステップＳ１３で角度ＡＮＧＴＭｓが角度ＩＶＣＡを超えていると判断されたときには、ステップＳ１４へ進み、前記ステップＳ１１で演算された角度ＡＮＧＴＭｓを、演算時期ＴＩＳＣから噴射開始時期ＴＩＳまで角度の最終値ＡＮＧＴＭとする。
一方、ステップＳ１３で角度ＡＮＧＴＭｓが角度ＩＶＣＡ以下であると判断されたときには、ステップＳ１５へ進み、演算時期ＴＩＳＣから噴射開始時期ＴＩＳまで角度の最終値ＡＮＧＴＭに、角度ＩＶＣＡをセットすることで、噴射開始時期ＴＩＳを吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣにまで強制的に遅らせ、少なくとも燃料噴射弁１３１から噴射された燃料が前サイクルの吸気行程でシリンダ内に吸引されないようにする（図２参照）。

即ち、上記の図４のフローチャートに示した処理は、噴射開始時期ＴＩＳを、吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣを最大進角リミッタとして制限する処理となり、吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣ前に燃料噴射が開始されてしまうことを回避する。
従って、本実施形態によると、噴射パルス幅ＴＩが長く、機関回転速度Ｎｅが高い条件であっても、燃料噴射弁１３１から噴射された燃料が前サイクルの吸気行程でシリンダ内に吸引されてしまって、次サイクルでシリンダ内に吸引される燃料が過渡的に不足するようになることを防止できる。

尚、上記実施形態では、噴射開始時期ＴＩＳの進角リミッタを、吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣとし、閉時期ＩＶＣよりも前に噴射開始時期ＴＩＳが設定されないようにしたが、燃料噴射弁１３１から噴射された燃料がシリンダ内に吸引されるまでには、所定の輸送時間が存在する。
このため、前記閉時期ＩＶＣよりも前記輸送時間だけ前の時点から燃料噴射を開始させても、前サイクルでシリンダ内に吸引されてしまうことを回避することが可能である。

従って、吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣを噴射開始時期ＴＩＳの進角リミッタとする構成に限定されず、閉時期ＩＶＣの付近の所定クランク角位置を、噴射開始時期ＴＩＳの進角リミッタとすることができ、更には、閉時期ＩＶＣからどれだけ前の時期まで噴射開始時期ＴＩＳとして許容するかを、そのときの機関運転条件（機関回転速度など）から可変に設定することができる。

更に、可変バルブタイミング機構１１３などの可変動弁機構を備え、吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣが可変とされる場合において、閉時期ＩＶＣとして最も遅角された時期を、噴射開始時期ＴＩＳの進角リミッタとして与えるようにすることができる。
また、前記噴射開始時期ＴＩＳを吸気バルブ１０５の閉時期ＩＶＣ以降に制限する処理の実行を、高負荷・高回転時に限定して行わせることができる。

次に、上記の実施形態から把握し得る請求項に記載以外の発明について、以下にその作用効果と共に記載する。
（イ）前記噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なる場合に、噴射開始時期を前サイクルにおける吸気バルブの閉時期と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。

上記発明によると、噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なる場合、即ち、前サイクルにおける吸気バルブの閉時期よりも噴射開始時期が前になる場合には、噴射開始時期を吸気バルブの閉時期まで遅らせて、前サイクルの吸気行程中（吸気バルブの開期間中）に噴射が開始されないようにする。
従って、噴射された燃料が、前サイクルの吸気行程でシリンダ内に吸引されてしまうことを確実かつ簡便に回避できる。
（ロ）前記可変動弁機構が、クランクシャフトに対するカムシャフトの相対位相を変化させることで、吸気バルブの作動角の中心位相を変化させる可変バルブタイミング機構であることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

上記発明によると、可変バルブタイミング機構によって吸気バルブの作動角の中心位相（閉時期）が変更されても、変更された中心位相（閉時期）に応じて、噴射開始時期の進角限界であるリミッタが設定される。
従って、可変バルブタイミング機構によって吸気バルブの作動角の中心位相が変更されても、前サイクルの吸気行程でシリンダ内に燃料が吸引されることになる噴射開始時期が設定されることを防止できる。

実施形態における内燃機関のシステム図。 実施形態における吸気バルブの開期間，噴射開始時期，噴射終了時期などの相関を示すタイムチャート。 実施形態における可変バルブタイミング機構を示す図。 実施形態における噴射開始時期の演算処理を示すフローチャート。

符号の説明

１０１…内燃機関、１０５…吸気バルブ、１１３…可変バルブタイミング機構、１１４…エンジンコントロールユニット、１１７…クランク角センサ、１１８…スロットルセンサ、１１９…水温センサ、１２０…クランクシャフト、１３２…カムセンサ、１３４…カムシャフト

Claims (4)

1. 吸気バルブの上流側に燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁の噴射終了時期が目標時期になるように噴射開始時期を可変に設定する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記可変制御される噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なる場合に、前記噴射開始時期を強制的に遅らせることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記可変制御される噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なる場合に、噴射開始時期を、前サイクルにおける吸気バルブの閉時期付近の所定時期と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。
3. 前記噴射開始時期の演算時期から前サイクルにおける吸気バルブの閉時期までのクランク角と、前記演算時期から前記噴射開始時期までのクランク角との比較に基づいて、噴射開始時期が前サイクルの吸気行程に重なるか否かを判断することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記吸気バルブの少なくとも閉時期を可変とする可変動弁機構を備え、該可変動弁機構の制御目標に基づいて噴射開始時期のリミッタを設定することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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