JP2010168935A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内噴射式火花点火内燃機関で求められる多種多様な燃焼形態に対応し、排気性能，燃費性能，出力性能といったものを両立可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】エンジンコントロールユニットで算出された要求噴射モードと行程情報が合致したか否かを各気筒毎に判定し合致したと判断した場合、当該気筒の噴射ドライバに対し、燃料噴射量および噴射開始タイミングをセットする。この制御動作を各行程の切り換わり毎に順次実施することにより、全ての噴射モードに対応可能となりうる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、多気筒エンジンの燃料噴射制御装置に係り、多種多様な燃料噴射モードに対応可能な燃料噴射制御装置に関するものである。

従来からのポート噴射式火花点火内燃機関は、吸気管内に燃料を噴射して混合気を生成し、吸気弁の開弁時に内燃機関の燃焼室内へ流入させるものである。

一方、筒内噴射式火花点火内燃機関は、直接、燃焼室内に燃料を噴射し点火プラグ近傍に最適空燃比を形成させるものである。

この筒内噴射式火花点火内燃機関は、燃費向上，排出ガス低減といった地球環境問題における課題への対応として、近年、需要が高まってきている。

特開２００８−１５１０２０号公報

以上のような自動車開発の課題である、燃費向上と排出ガス低減、これとは相反する出力性能向上の最適解が得られる燃焼形態は、従来からの吸気行程噴射のみならず、圧縮行程噴射，同じ行程内での複数回にわたる分割噴射，吸気行程＋圧縮行程噴射というように要求性能毎に異なっている。

これら筒内噴射式火花点火内燃機関で求められる多種多様な燃焼形態に対応し、排気性能，燃費性能，出力性能といったものを両立可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。

また本発明によって提供する方法を筒内噴射式火花点火内燃機関のみならず、ポート噴射式火花点火内燃機関へも展開できるものとする。

前記目的を達成するべく、本発明に係る燃料噴射制御装置はエンジンコントロールユニットと、エンジンに取り付けられたクランク角センサと、燃料噴射弁と、エンジンコントロールユニットに入力されたクランク角センサの信号を基に気筒判別を実施する手段と、気筒判別実施後の圧縮上死点付近の割り込み処理で気筒別に行程情報を算出する手段と、車両の運転条件毎に要求される噴射形態を決定する要求噴射モード算出手段と、要求噴射モード毎に気筒別の燃料噴射量および噴射開始タイミングを算出する燃料噴射量算出手段と、気筒別に設けられ算出された燃料噴射量を基に燃料噴射弁を駆動する噴射ドライバとを備え、行程の切り換わり毎に算出された要求噴射モードと行程情報が合致したか否かを各気筒毎に判定し合致したと判断した場合、該当気筒の噴射ドライバに対し、燃料噴射量および噴射開始タイミングをセットする。この制御動作を各行程の切り換わり毎に順次実施することにより、全ての噴射モードに対応可能となりうる。

筒内噴射式火花点火内燃機関およびポート噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置において、多種多様な燃料噴射モードを実現することができる。

本発明による筒内直接噴射式火花点火内燃機関と制御装置の模式図。 コントロールユニットの内部構成図。 クランク角度信号と各気筒の行程の関係を示す図。 燃料噴射制御と噴射ドライバの関係を表した制御ブロック図。 気筒判定するためのカム角センサとクランク角度センサの信号位置関係を示す図。 行程情報の確定から噴射パルスをセットするまでを示したフローチャート。

以下、発明の実施例を図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る筒内噴射式火花点火内燃機関とその制御装置の基本構成図である。図において、エンジン１には、ピストン２，吸気弁３，排気弁４が備えられる。吸気は、空気流量計（ＡＦＭ）２０を通過して絞り弁１９に入り、分岐部であるコレクタ１５より吸気管１０，吸気弁３を介してエンジン１の燃焼室２１に供給される。燃料は、燃料噴射弁５から、エンジン１の燃焼室２１に噴射供給され、点火コイル７，点火プラグ６で点火される。燃焼後の排気ガスは排気弁４を介して排気管１１に排出される。排気管１１には排気ガス浄化のための三元触媒１２が備えられている。エンジンコントロールユニット９には、エンジン１のクランク角度センサ１６の信号，ＡＦＭ２０の空気量信号，排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１３の信号，アクセル開度センサ２２のアクセル開度等の信号が入力される。エンジンコントロールユニット９はアクセル開度センサ２２の信号からエンジンへの要求トルクの算出，アイドル状態の判定等を行う。また、エンジンコントロールユニット９は、エンジン１に必要な吸入空気量を算出し、それに見合った開度信号を絞り弁１９に出力する。また燃料噴射弁５へは燃料噴射信号が、点火プラグ６へは点火信号が出力される。

クランク角度センサ１６は、クランク軸と一体的に回転せしめられるクランク軸用シグナルプレート１６ａ及び該シグナルプレート１６ａの外周に近接配置されたクランク軸用検知器１６ｂからなるホール式のものであり、クランク軸用シグナルプレート１６ａの外周部には、歯，突起，凹部，凸部，孔等からなる多数の被検知部が等角度間隔（ここでは、１０°ＣＡ）で所定角度範囲にわたって配列された等間隔部と、少なくとも２個の被検知部が等間隔部より大きな角度間隔（ここでは、３０°ＣＡ）で配列された不等間隔部（歯欠け部）とが、エンジン１の気筒数の１／２（ここでは、２）だけ設けられている（したがって、クランク軸が２回転する間に歯欠け部をあらわす信号が４回到来する）。

クランク軸用検知器１６ｂは、被検知部がその真向かいを通過する毎に発生する磁界の変化をとらえ（被検知部を検知）、内部処理回路で信号としてのパルスを生成し、これをエンジンコントロールユニット９に供給する。したがって、クランク軸用検知器１６ｂ（クランク角センサ１６）からは、図３に示される如くに、各気筒の所定工程における同一クランク角度位置をあらわす信号（基準信号）が得られる。

図２はエンジンコントロールユニット９の内部構成を示したものである。エンジンコントロールユニット９は、入力回路１０１，Ａ／Ｄ変化部１０２，中央演算部１０３，ＲＯＭ１０４，ＲＡＭ１０５、及び出力回路１０６を含んだマイクロコンピュータにより構成されている。入力回路１０１は、入力信号１００がアナログ信号の場合（例えば、ＡＦＭ２０，アクセル開度センサ２２等からの信号）、概信号からノイズ成分の除去等を行い、当該信号をＡ／Ｄ変換部１０２に出力するためのものである。中央演算部１０３は、Ａ／Ｄ変換結果を取り込み、ＲＯＭ１０４等の媒体に記憶された燃料噴射制御プログラムやその他の制御プログラムを実行することによって、各制御及び診断等を実行する機能を備えている。なお、演算結果、及び、前記Ａ／Ｄ変換結果は、ＲＡＭ１０５に一時保管されるとともに、演算結果は、出力回路１０６を通じて制御信号１０７として出力され、燃料噴射弁５，点火コイル７等の制御に用いられる。

一方、クランク角度センサ１６の信号は、入力回路１０１で信号の有無を識別し、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ信号として、信号線１０８により、中央演算部１０３へ送る。中央演算部１０３では、信号線１０８の電圧レベルが、ＬｏｗからＨｉｇｈに変化したとき、つまり、図３のクランク角度センサ信号の立下りのタイミングで割り込み処理が行われる構成となっている。なお本実施形態においては、圧縮上死点付近での割り込み処理にて、各気筒の行程情報を算出し、これを基準情報とし燃料噴射弁を制御している。

図４は、本実施形態を制御ブロック図で表したものである。

中央演算部１０３に入力されたクランク角度センサ１６の信号を基に、気筒判別および行程情報算出部３０１で各気筒を判別する。その後、圧縮上死点付近の割り込み処理によって、基準となる行程情報ＳＴＲＯＫＥ１〜４を各気筒別に算出する。また要求噴射モード算出部３０２では、車両の運転条件毎に要求噴射モードを算出する。燃料噴射制御アプリケーション部３０３では、ＡＦＭ２０の空気量信号，絞り弁１９の開度信号，酸素センサ１３の信号等と要求噴射モードにより、各運転条件毎に燃料噴射パルス幅，噴射開始タイミングを算出する。この算出結果と前述した行程情報ＳＴＲＯＫＥ１〜４により、気筒別の燃料噴射パルス幅，噴射開始タイミングを算出し、気筒毎に設けられた噴射ドライバ３０４，３０５，３０６，３０７により、燃料噴射弁を制御する。

図５は本実施形態における、行程情報を用いた噴射ドライバへの噴射パルスのセット方法の実例を示したものである。この図では、１気筒を代表として説明を進めるが、他の気筒も各々独立し同様の制御を実施するようになっており、これが本実施形態の特徴の一つである。

まず前述した行程情報ＳＴＲＯＫＥであるが、圧縮上死点付近のクランク角割り込み処理（ここではＢＴＤＣ５°）によって各気筒の行程情報を次行程のものへと切り換える。さらにこのタイミングで、実際の行程切り換わり点（ここではＴＤＣ，ＢＤＣ）からの噴射開始タイミングと噴射パルス幅を確定する。但し噴射パルス幅に関しては、運転状態による最適値をセットするため、実際の噴射開始時に値を再セットさせている。この処理は、吸気，圧縮，爆発，排気の各行程切り換わり毎に順次実施、つまりエンジン２回転間（４行程）に４回の処理が起動することになる。このように噴射開始データの更新周期を１８０degCA（１行程）毎とすることにより、１行程内での複数回噴射を可能としている。次に実際の噴射パルスのセットについて説明する。

１行程内での複数回噴射を可能にするため、燃料噴射制御アプリケーションと噴射ドライバのインターフェースとして、第１噴射用の噴射パルス幅と噴射開始タイミング，第２噴射用の噴射パルス幅と噴射開始タイミングをそれぞれ用意している。また前述したように各気筒独立での制御を可能とするため、これらの情報を気筒別に準備している。

図５の中段は、吸気行程１回，圧縮行程１回の噴射要求が１気筒にあった場合のタイミングチャートを示している。１気筒の行程情報ＳＴＲＯＫＥ１が吸気行程へと切り換わった（ここではＳＴＲＯＫＥ１＝３へ変化）タイミングで、吸気行程での噴射要求値を、第１噴射パルス幅ＴＩＳＥＴ１１（＝２ms）と第１噴射開始タイミングＩＮＪＳＥＴ１１（＝１２０deg）にセットする。一方、噴射ドライバ側では、クランク角割り込み処理の起動毎に、セットされている噴射開始タイミング（角度）との比較を行い、両者が一致した角度より燃料噴射弁への通電を開始し、第１噴射パルス幅ＴＩＳＥＴ１１にセットされている時間、燃料噴射を実行する。次の圧縮行程での噴射についても吸気行程と同様の処理を実施する。

吸気行程同様、１気筒の行程情報ＳＴＲＯＫＥ１が圧縮行程へと切り換わった（ここではＳＴＲＯＫＥ１＝０へ変化）タイミングで、圧縮行程での噴射要求値を、第１噴射パルス幅ＴＩＳＥＴ１１（＝３ms）と第１噴射開始タイミングＩＮＪＳＥＴ１１（＝９０deg）にセットする。噴射ドライバ側では、クランク角割り込み処理の起動毎に、セットされている噴射開始タイミング（角度）との比較を行い、両者が一致した角度より燃料噴射弁への通電を開始し、第１噴射パルス幅ＴＩＳＥＴ１１にセットされている時間、燃料噴射を実行するという処理になる。

また図５の下段は、１行程間２度噴き、パルスが行程を跨いだ場合等、その他の噴射事例をタイミングチャートで表したものである。始めに１行程間２度噴きについてであるが、本事例では、吸気行程中に２回の噴射要求があった場合を例として、説明を進める。

１気筒の行程情報ＳＴＲＯＫＥ１が吸気行程へと切り換わった（ここではＳＴＲＯＫＥ１＝３へ変化）タイミングで、吸気行程での第１噴射パルスの噴射要求値を、第１噴射パルス幅ＴＩＳＥＴ１１（＝２ms）と第１噴射開始タイミングＩＮＪＳＥＴ１１（＝０deg）にセットする。また同時に第２噴射パルスの噴射要求値を、第２噴射パルス幅ＴＩＳＥＴ１２（＝３ms）と第２噴射開始タイミングＩＮＪＳＥＴ１２（＝１２０deg）にセットする。噴射ドライバ側では、クランク角割り込み処理の起動毎に、セットされている第１噴射と第２噴射の噴射開始タイミング（角度）とクランク角度との比較を行い、両者が一致した角度より燃料噴射弁への通電を開始（このタイミングチャートでは第１噴射より開始）し、第１噴射パルス幅ＴＩＳＥＴ１１にセットされている時間、燃料噴射を実行する。その後、第２噴射の開始タイミング（角度）と一致した角度より燃料噴射弁への再通電を開始し、第２噴射パルス幅ＴＩＳＥＴ１２にセットされている時間、燃料噴射を実行する。

次にセットされた噴射パルスが行程を跨いだ場合について説明する。噴射要求値のセットは、現在までに説明してきた方法と同一であり、特質するポイントは無い。このタイミングチャートでは第１噴射の他に、第２噴射パルス幅ＴＩＳＥＴ１２（＝４ms）と第２噴射開始タイミングＩＮＪＴＭ１２（＝１７０deg）がセットされていることが判る。実際の燃料噴射は、第２噴射開始タイミング（角度）とクランク角度が一致した角度より燃料噴射弁への通電を開始し、燃料噴射を実行するが、セットされている噴射パルス幅（＝４ms）が長いため、行程切り換わり時までに燃料噴射が終了していない。本実施形態では、更新周期を１８０degCA（１行程）毎とすることにより、１行程内での複数回噴射を可能としているが、更新周期である行程切り換わり時に、噴射中のパルスを停止した場合、要求されている燃料量がシリンダへ供給されないという問題が生じることになる。本事例ではこの問題を回避するため、一度セットした噴射パルスは、行程の切り換わりに関わらず、噴射させるようにしている。

次に、行程判定後に噴射パルスが算出され、第１噴射と第２噴射がセットされる状況を、図６のフローチャートを参照しながら説明する。

ステップ５０１ではクランク角度信号とカム角度信号がエンジンコントロールユニットに入力され、この信号を基にステップ５０２で気筒判別が完了したかを判定する。

気筒判定完了後には、ステップ５０３では各行程で必要となる燃料噴射パルス幅，噴射開始タイミングを算出する。その後ステップ５０４で基準信号であるＢＴＤＣ５°信号を検出したかどうかを判定し、検出時にはステップ５０５にて各気筒の行程情報を確定する。

信号未検出時には、燃料噴射パルス幅，噴射開始タイミングの算出までを継続する。

行程情報が確定した後は、クランク角度と噴射タイミング（角度）が一致したか否かをステップ５０６で判定し、一致した場合にステップ５０７で燃料噴射弁への通電を開始、噴射パルス幅に設定されている時間だけ、燃料噴射を実行する。

上記、燃料噴射終了後には、ステップ５０８にて第２噴射が設定されているか否かを判定し、設定されている場合には、ステップ５０９にてクランク角度と第２噴射タイミング（角度）が一致したどうかを判定する。一致した場合にはステップ５１０で燃料噴射弁への通電開始、第２噴射パルス幅での燃料噴射が実施され、本フローを終了する。

またステップ５０８で第２噴射がセットされていない、と判定された場合にも同様に、本フローを終了する。

以上、本発明の一実施形態について、詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。

１ エンジン
２ ピストン
３ 吸気弁
４ 排気弁
５ 燃料噴射弁
６ 点火プラグ
７ 点火コイル
８ 水温センサ
９ ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
１０ 吸気管
１１ 排気管
１２ 三元触媒
１３ 酸素センサ
１４ ＥＧＲ弁
１５ コレクタ
１６ クランク角センサ
１６ａ シグナルプレート
１８ ＥＧＲ通路
１９ 絞り弁
２０ ＡＦＭ
２１ 燃焼室
２２ アクセル開度センサ

Claims (8)

1. エンジンのクランクシャフトと一体的に回転せしめられるクランクシグナルプレートと、
   前記クランクシグナルプレートの外周に近接配置された検知器からなるクランク角度センサと、
   燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記クランク角度センサの信号を基に気筒判別を行う気筒判別実施手段と、
   前記気筒判別実施後に行程情報を算出する行程情報算出手段と、
   車両の運転条件毎に要求される噴射形態を決定する要求噴射モード算出手段と、
   前記要求噴射モード毎に気筒別の燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、
   前記要求噴射モード毎に気筒別の噴射開始タイミングを算出する噴射開始タイミング算出手段と、
   気筒別に前記燃料噴射量を基に前記燃料噴射弁を駆動する噴射ドライバと、
   前記行程情報の切り換わり毎に前記要求噴射モードと前記行程情報が合致したか否かを各気筒毎に判定する噴射開始気筒判定手段とを備え、
   前記噴射開始気筒と判定した場合には、該当気筒の前記噴射ドライバに対し、前記燃料噴射量および前記噴射開始タイミングをセットすることを特徴とする燃料噴射量制御装置。
2. 前記噴射ドライバによる前記燃料噴射弁の駆動開始までの間は前記燃料噴射量を前記燃料噴射量算出手段による最新の算出値へと更新することを特徴とする燃料噴射量制御装置。
3. 前記要求噴射モードが吸気行程噴射であることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
4. 前記要求噴射モードが圧縮行程噴射であることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
5. 前記要求噴射モードが爆発行程噴射であることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
6. 前記要求噴射モードが排気行程噴射であることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
7. 前記要求噴射モードが同一行程内での複数回噴射であることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の燃料噴射制御装置。
8. 算出された前記噴射噴射量と前記噴射開始タイミングが噴射対象となる前記行程情報内で終了しないと判断した場合、前記行程情報の切り換わりに関わらず前記噴射弁の駆動を継続することを特徴とする請求項１および請求項２に記載の燃料噴射制御装置。

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