JP2007321686A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が変更可能な内燃機関において、排気性状や燃費性能を最大限に改善できるようにする。
【解決手段】内燃機関が高負荷・高回転域で運転されている場合、及び、内燃機関の加速運転時には、基準燃圧及び基準空燃比をそれぞれ目標燃圧・目標空燃比とする一方、内燃機関の低中負荷・低中回転域で定常運転されているときには、目標燃圧を前記基準燃圧よりも高くすると共に、目標空燃比を前記基準空燃比よりもリーン化させる。
【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から噴射される燃料量によって空燃比を制御する技術に関する。

特許文献１には、吸気バルブの上流側に備えられる燃料噴射弁から噴射される燃料量を、空燃比が目標値に一致するようにフィードバック制御する内燃機関の燃料供給量制御装置が開示されている。
特開２００６−０６３８２１号公報

ところで、前記燃料噴射弁に対する燃料の供給圧を変更可能な場合、燃料供給圧を高くすることで燃料噴霧の粒径が小さくなり、気化性能が向上するため、燃焼安定性を維持しつつ空燃比をよりリーン化することが可能となる。
しかし、従来の空燃比制御においては、燃料供給圧の制御と目標空燃比の変更とを積極的に関連付けて制御することがなかったため、燃料の供給圧が変更可能な内燃機関では、排気性状や燃費性能を最大限に改善できていないという実情があった。

本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が変更可能な内燃機関において、排気性状や燃費性能を最大限に改善できるようにすることを目的とする。

そのため請求項１記載の発明は、吸気バルブの上流側に燃料噴射弁を備えると共に、前記燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が可変とされる内燃機関の燃料噴射制御装置であって、前記燃料供給圧に応じて目標空燃比を変更することを特徴とする。
上記発明によると、燃料供給圧の変化による燃料噴霧の粒径の変化、即ち、気化性能の変化に対応して、目標空燃比が変更され、該目標空燃比になるように燃料噴射弁による燃料噴射量が制御される。

従って、燃料供給圧の変化による気化性能の変化に対応して、排気性状や燃費性能を改善できる目標空燃比を設定することが可能になる。
請求項２記載の発明は、前記燃料供給圧が高いほど目標空燃比をリーン化することを特徴とする。
上記発明によると、燃料供給圧が高く燃料噴霧の粒径をより小さくでき、燃料噴霧の気化性能が高まるほど、目標空燃比をよりリーン化させる。

従って、燃料供給圧が高く、燃料噴霧の気化性能が高い場合には、それに見合って最大限に空燃比をリーン化させて、排気性状・燃費性能の向上を図ることができる。
請求項３記載の発明は、内燃機関が定常運転されているときに、燃料供給圧を高くし、かつ、目標空燃比をリーン化させることを特徴とする。
上記発明によると、機関が定常運転されていて、高出力が要求されない条件では、燃料供給圧を高くした上で目標空燃比をリーン化させる。

従って、機関の加速運転時には、出力を確保できる目標空燃比で燃焼させることができる一方、定常時には、燃焼安定性の高いリーン燃焼を行わせ、排気性状・燃費性能を向上させることができる。
請求項４記載の発明は、内燃機関の負荷及び回転速度がそれぞれ閾値以下の領域において、燃料供給圧を高くし、かつ、目標空燃比をリーン化させることを特徴とする。

上記発明によると、機関負荷・機関回転速度がそれぞれ閾値以下である領域（少なくとも高負荷・高回転域を除く領域であって、低中負荷・低中回転領域、若しくは、アイドル領域等の低負荷・低回転領域）では、燃料供給圧を高くし、燃料噴霧の粒径が小さくなるようにした上で、目標空燃比をリーン化させる。


従って、機関の出力性能・燃焼安定性を確保しつつ、排気性状・燃費性能の改善を図ることができる。

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構成図である。
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が介装される。
そして、前記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上流の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１がそれぞれ設けられている。
前記燃料噴射弁１３１は、コントロールユニット１１４からの噴射パルス信号によって開弁駆動されると、燃料を吸気バルブ１０５に向けて噴射する。
前記燃焼室１０６内に空気と混合して吸引された燃料は、点火プラグ１５１による火花点火によって着火燃焼する。

前記点火プラグ１５１には、それぞれパワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル１５２が直付けされており、前記コントロールユニット１１４から前記パワートランジスタのオン・オフを制御する点火制御信号を出力することで、各気筒の点火時期が制御される。
燃焼室１０６内の燃焼排気は、排気バルブ１０７を介して排気管に排出され、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１１１，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。
燃料タンク１３５には、電動式の燃料ポンプ１３６が内蔵され、この燃料ポンプ１３６を駆動することで燃料タンク１３５内の燃料（ガソリン）が前記燃料噴射弁１３１に向けて圧送される。

前記燃料ポンプ１３６から吐出された燃料を各燃料噴射弁１３１に分配する分配管１３７には、燃圧センサ１３８が設けられており、該燃圧センサ１３８で検出される燃圧（燃料噴射弁１３１に対する燃料の供給圧）が目標燃圧になるように、前記燃料ポンプ１３６の吐出量（駆動電圧）が前記コントロールユニット１１４によってフィードバック制御されるようになっている。

ここで、前記目標燃圧は、後述するように、機関１０１の負荷・回転などから決定される。
前記コントロールユニット１１４は、マイクロコンピュータを内蔵し、各種センサからの検出信号に基づく演算処理によって、前記電子制御スロットル１０４，燃料噴射弁１３１，燃料ポンプ１３６，パワートランジスタ内蔵式イグニッションコイル１５２等を制御する。

前記各種センサとしては、前記燃圧センサ１３８の他、運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量（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の回転位置を検出するクランク角センサ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、前記フロント触媒１０８の上流側での排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する空燃比センサ１２１等が設けられている。

尚、前記スロットルセンサ１１８には、スロットルバルブ１０３ｂの全閉位置でオンとなるアイドルスイッチ１１８ａが付設されている。
ここで、前記コントロールユニット１１４は、前記クランク角センサ１１７からの検出信号に基づいて機関回転速度Ｎｅを算出し、該機関回転速度Ｎｅとエアフローメータ１１５で検出された吸入空気流量Ｑとから基準燃圧（例えば３５０kpa）及び基準空燃比（例えば理論空燃比）に対応する基本噴射パルス幅Ｔｐを演算する。

そして、前記基本噴射パルス幅Ｔｐを、基準空燃比相当のパルス幅をそのときの目標空燃比相当のパルス幅に変換するための空燃比補正係数や、基準燃圧に対応するパルス幅をそのときの目標燃圧で同じ量の燃料を噴射させるパルス幅に変換するための燃圧補正係数や、空燃比センサ１２１の検出結果と目標空燃比との比較に基づいて算出される空燃比フィードバック補正係数などに基づいて補正することで、最終的な噴射パルス幅Ｔｉを算出する。

最終的な噴射パルス幅Ｔｉを算出すると、前記噴射パルス幅Ｔｉの噴射パルス信号を、各気筒の行程に合わせてそれぞれの燃料噴射弁１３１に出力する。
ここで、本実施形態における目標燃圧及び目標空燃比の設定制御を、図２のフローチャートに従って説明する。
ステップＳ１１では、内燃機関１０１の運転状態の検出を行う。

具体的には、機関負荷を示す前記基本噴射パルス幅Ｔｐ、機関回転速度、スロットル開度などを読み込む。
ステップＳ１２では、現時点の機関負荷及び機関回転速度が所定の高負荷・高回転域（図３の斜線領域）に含まれるか、及び／又は、加速状態であるか否かを判断する。
前記高負荷の判断は、例えば、前記基本噴射パルス幅Ｔｐが予め設定された閾値を越えているか否かに基づいてなされ、機関回転速度の判断は、機関回転速度が予め設定された閾値を越えているか否かに基づいてなされる。

そして、基本噴射パルス幅Ｔｐが予め設定された閾値以下でかつ機関回転速度が閾値以下であるときに、所定の高負荷・高回転域に含まれず、所定の低中負荷・低中回転域で運転されていると判断する。
また、加速状態の判断は、スロットル開度の時間微分値と予め設定された閾値との比較に基づいてなされる。

但し、高負荷・高回転状態であるか否かの判断、及び、加速状態の判断を、上記のものに限定するものではなく、例えば、機関の吸入負圧やスロットル開度から機関負荷を判断させることができ、更に、基本噴射パルス幅Ｔｐや吸入負圧の変化から加速状態を判断させることもできる。
また、高回転域で運転されているか否かの判断を省略し、高負荷運転状態及び／又は加速状態であるか否かを判断させることができる。

ステップＳ１２で、機関が高負荷・高回転域で運転されていると判断されたとき、及び／又は、機関が加速運転状態であると判断されたときには、ステップＳ１３へ進む。
ステップＳ１３では、目標燃圧として基準燃圧（例えば３５０kpa）を設定し、かつ、目標空燃比として理論空燃比以下の出力空燃比を設定する。
一方、ステップＳ１２で、所定の低中負荷・低中回転域で定常運転されていていると判断されたときには、ステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４では、目標燃圧を前記基準燃圧よりも高い燃圧（例えば７００kpa）に設定し、かつ、目標空燃比を、理論空燃比を越えるリーン空燃比（基準空燃比よりもリーンである空燃比）に設定する。
燃圧を高くすると、燃料噴射弁１３１から噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなって気化性能が向上し、空燃比をリーン化させても高い燃焼安定性を維持できる。

従って、燃圧を高めた上で空燃比をリーン化させれば、燃焼安定性を維持しつつ空燃比をリーン化でき、これによって、排気性状・燃費性能を改善できる。
更に、出力が要求される高負荷・高回転域及び加速時には、空燃比をリーン化させないので、所望の出力を発生させて機関の出力性能を確保できる。
尚、前記ステップＳ１４では、機関の負荷・回転に応じて目標燃圧を基準燃圧よりも高い領域で切り換え、目標燃圧が高いほど目標空燃比をよりリーン化させることができる。

図４のフローチャートは、目標燃圧及び目標空燃比の設定制御の第２実施形態を示すものであり、この第２実施形態では、アイドル運転時に、目標燃圧を高くしかつ目標空燃比をリーン化させる。
ステップＳ２１では、アイドルスイッチ１１８ａのオン・オフ信号を読み込む。
ステップＳ２２では、アイドルスイッチ１１８ａがオンである機関のアイドル運転状態であるか否かを判断する。

そして、アイドルスイッチ１１８ａがオフである機関の非アイドル運転状態であるときには、ステップＳ２３へ進む。
ステップＳ２３では、目標燃圧として基準燃圧（例えば３５０kpa）を設定し、かつ、目標空燃比として基準空燃比（理論空燃比）又は基準空燃比よりもリッチな空燃比を設定する。

尚、ステップＳ２３での目標空燃比の設定においては、そのときの機関負荷・機関回転速度に応じて理論空燃比と理論空燃比よりもリッチな出力空燃比とに切り換え設定させることができる。
一方、アイドルスイッチ１１８ａがオンである機関のアイドル運転状態（スロットル弁の全閉状態）であるときには、ステップＳ２４へ進む。

ステップＳ２４では、目標燃圧を前記基準燃圧よりも高い燃圧（例えば７００kpa）に設定し、かつ、目標空燃比を、理論空燃比を越えるリーン空燃比（基準空燃比よりもリーンである空燃比）に設定する。
上記のように、アイドル運転時の目標燃圧を高くすれば、燃料噴射弁１３１から噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなって気化性能が向上し、空燃比をリーン化させても高い燃焼安定性を維持できるから、燃焼安定性を維持した上で空燃比をリーン化でき、これによって、アイドル運転における排気性状・燃費性能を改善できる。

尚、アイドルスイッチ１１８ａがオンであるアイドル運転時に、機関温度（冷却水温度）が閾値以上であるか否かを判断し、機関温度（冷却水温度）が閾値未満である冷機時（冷機始動時）には、目標空燃比を強制的にリーン化する処理を禁止して、目標空燃比を理論空燃比（基準空燃比）以下に設定させることができる。
冷機始動時には、吸気ポート内壁に液状のまま付着する燃料量（壁流量）が多くなり、これによってシリンダに吸引される燃料量が少なくなるので、目標空燃比をリーン化させて噴射される燃料量が少なくなると、シリンダ内に形成される混合気の空燃比が過剰にリーンになって失火してしまう可能性がある。

そこで、冷機始動時には、目標空燃比のリーン化を禁止し、基準空燃比以下の空燃比を目標として噴射量の演算が行われるようにする。
図５のフローチャートは、目標燃圧及び目標空燃比の設定制御の第３実施形態を示すものであり、この第３実施形態では、基本噴射パルス幅Ｔｐ及び機関回転速度から、目標燃圧を高くしかつ目標空燃比をリーン化させる条件を判断する。

ステップＳ３１では、基本噴射パルス幅Ｔｐ及び機関回転速度を読み込む。
ステップＳ３２では、機関回転速度が閾値以下であるか否かを判定する。
機関回転速度が前記閾値を超えるときには、ステップＳ３４へ進んで、目標燃圧として基準燃圧（例えば３５０kpa）を設定し、かつ、目標空燃比として理論空燃比以下の空燃比を設定する。

一方、機関回転速度が閾値以下であれば、ステップＳ３３へ進んで、基本噴射パルス幅Ｔｐ（機関負荷）が閾値以下であるか否かを判定する。
基本噴射パルス幅Ｔｐ（機関負荷）が閾値を超えるときには、ステップＳ３４へ進んで、目標燃圧として基準燃圧（例えば３５０kpa）を設定し、かつ、目標空燃比として理論空燃比以下の空燃比を設定する。

そして、基本噴射パルス幅Ｔｐ（機関負荷）が閾値以下であるとき、即ち、機関回転速度が閾値以下であって、かつ、基本噴射パルス幅Ｔｐ（機関負荷）が閾値以下であるときには、ステップＳ３５へ進む。
ステップＳ３５では、目標燃圧を前記基準燃圧よりも高い燃圧（例えば７００kpa）に設定し、かつ、目標空燃比を、理論空燃比を越えるリーン空燃比（基準空燃比よりもリーンである空燃比）に設定する。

上記のように、機関回転速度が閾値以下であって、かつ、基本噴射パルス幅Ｔｐ（機関負荷）が閾値以下であるときに目標燃圧を高くすれば、燃料噴射弁１３１から噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなり、空燃比をリーン化させても高い燃焼安定性を維持できるから、燃焼安定性を維持した上で空燃比をリーン化でき、これによって、排気性状・燃費性能を改善できる。

前記機関回転速度が閾値以下であって、かつ、基本噴射パルス幅Ｔｐ（機関負荷）が閾値以下である領域は、前記図３に斜線領域として示す高負荷・高回転域を含まず、機関のアイドル運転域を含む領域であり、特に、アイドル領域では、機関温度を条件として付加して、機関温度が閾値以上であるときに、目標空燃比を、理論空燃比を越えるリーン空燃比に設定させることができる。

尚、本願に係る目標燃圧及び目標空燃比の設定制御は、燃料タンクへのリターン流量を調整することで、燃圧を目標値に制御する燃料噴射システムにも適用することが可能であり、燃圧を可変とするシステムを、燃料ポンプの吐出量を制御するシステムに限定するものではない。
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）機関のアイドル運転時であってかつ機関温度が高いときに、燃料供給圧を高くし、かつ、目標空燃比をリーン化させ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。

上記発明によると、完暖後のアイドル運転時であれば、燃圧を高くした上で空燃比をリーン化させることで、燃焼安定性を維持したまま空燃比をリーン化させて、排気性状・燃費性能を向上させることができる一方、冷機状態でのアイドル運転時には、空燃比をリーン化させないことで、リーン失火の発生を防止して運転安定性（冷機始動性）を維持できる。
（ロ）電動式の燃料ポンプの吐出量を制御することで、前記燃料噴射弁に対する燃料の供給圧を可変とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

上記発明によると、燃料ポンプの吐出量の増減によって異なる燃圧に変化させ、係る燃圧に見合った目標空燃比に制御することで、燃料噴霧の粒径による気化性能の変化に見合った空燃比に制御させる。

実施形態における内燃機関のシステム図。 目標燃圧及び目標空燃比の設定制御の第１実施形態を示すフローチャート。 目標燃圧の増大及ぶ目標空燃比のリーンを実行する運転領域を示す線図。 目標燃圧及び目標空燃比の設定制御の第２実施形態を示すフローチャート。 目標燃圧及び目標空燃比の設定制御の第３実施形態を示すフローチャート。

符号の説明

１０１…エンジン、１０４…電子制御スロットル、１１４…コントロールユニット、１１８…スロットルセンサ、１１８ａ…アイドルスイッチ、１２１…空燃比センサ、１３１…燃料噴射弁、１３５…燃料タンク、１３６…燃料ポンプ、１３８…燃圧センサ

Claims (4)

1. 吸気バルブの上流側に燃料噴射弁を備えると共に、前記燃料噴射弁に対する燃料の供給圧が可変とされる内燃機関の燃料噴射制御装置であって、
   前記燃料供給圧に応じて目標空燃比を変更することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記燃料供給圧が高いほど目標空燃比をリーン化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. 内燃機関が定常運転されているときに、燃料供給圧を高くし、かつ、目標空燃比をリーン化させ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. 内燃機関の負荷及び回転速度がそれぞれ閾値以下の領域において、燃料供給圧を高くし、かつ、目標空燃比をリーン化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

Images