JP2010196635A - 多気筒火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主に可変動弁機構を備えた吸気弁によって吸気量を制御する、筒内噴射式火花点火式内燃機関において、低負荷運転時の吸気量の気筒間ばらつきに起因するトルク変動を、燃費悪化につながる点火リタード制御などを実施せずに回避する。
【解決手段】筒内噴射式火花点火式内燃機関において、低負荷運転する際、算出した気筒ごとの吸気量と、吸気弁の閉じる時期に基づいて、気筒別に燃料噴射時期制御行う。
【選択図】図７

Description

本発明は、多気筒火花点火式内燃機関の制御装置に係り、例えば可変動弁機構と筒内燃料噴射手段を備えた多気筒火花点火式内燃機関の制御装置に関する。

自動車等に使用される火花点火式内燃機関（エンジン）の燃費性能向上策として、エンジンのポンプ損失の低減が有効である。近年、吸気弁に連続的にリフト量および開弁期間を制御可能な機械式の可変動弁機構を持たせ、吸気管に備えられたスロットルではなく主に吸気弁の開閉時期によって吸入空気量を制御することで、ポンプ損失の低減を狙ったエンジンが注目されている。

これらのエンジンでは、低負荷運転時において、吸気弁の開弁期間を短縮する（吸気弁を早閉じする）とともに、リフト量を小さくして空気量を最適に制御する。リフト量が小さくなるほど、リフト量に対する吸気量の感度が大きくなるため、所望の吸気量を実現するためには精密なリフト量制御が必要になる。

一方で、機械式の可変動弁機構は、コストや車載性の観点からエンジン（もしくはバンク）毎にリフト量および開弁期間を制御することが一般的であり、気筒別に制御することは困難である。したがって、低負荷運転時には、動弁機構の製造ばらつきや経年変化などによる気筒間のリフト量ばらつきが、各気筒の吸気量へ大きく影響し、気筒間で吸気量にばらつきを生じさせる。その結果、気筒間で出力の差が生じ、トルク変動が発生しやすいという特徴がある。

低負荷運転時における吸気量の気筒ばらつきに起因するトルク変動を回避するものとして、第１に、吸気量の気筒ばらつきを算出し、気筒別に燃料噴射量を制御して各気筒の空燃比を所望の値に調整し、その後、気筒別に点火時期を制御してトルク変動を抑制するものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

また、第２に、特定の気筒の吸気行程でのみ、可変動弁機構に補正信号を与えることで、気筒別にリフト量を調整し、吸気量の気筒ばらつきを低減するものが知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００５−２７３５６９号公報 特開２００７−１３２１８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術は、最終的に点火時期制御（点火リタード制御）により各気筒のトルクを調整し、トルク変動を抑えるので、必ず熱効率が悪化してしまう気筒が存在する、という問題がある。

また、特許文献２に記載された技術は、可変動弁機構を１サイクル以内の期間で精密に制御する必要があるので、コントローラの制御周期や可変動弁の制御精度および応答性への要求が極めて厳しくなり、実現性が低いという問題がある。

本発明の目的は、熱効率の悪化につながる点火リタード制御を実施することなく、低負荷運転時の吸気量気筒ばらつきに起因するトルク変動を回避することができる火花点火式内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、可変動弁機構と筒内燃料噴射手段を備えた多気筒火花点火式内燃機関の制御装置であって、各気筒の吸気量と、可変動弁機構の吸気弁閉じ時期とに基づいて、気筒ごとに燃料噴射時期を制御することを特徴としている。

本発明によれば、各気筒の吸気量と、可変動弁機構の吸気弁閉じ時期とに基づいて、気筒ごとに燃料噴射時期を制御するので、気筒ごとに吸気量（充填効率）を制御することができ、吸気量の気筒ばらつきを抑え、各気筒の熱効率を減少させずに、トルク変動を抑制することができる。

第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成を示すシステム構成図。 第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図。 第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブ機構の特性の説明図。 第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置における低負荷運転領域の説明図。 第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置による、吸気バルブおよび排気バルブの設定の代表例を示す図。 第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置における、吸気バルブの最大リフト量の設定値と各気筒の吸気量の関係を示す図。 第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャート。 第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置による、エンジン暖機後における、低負荷運転時の燃料噴射時期と充填効率との関係を示す図。 第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置による、エンジン冷機時における、低負荷運転時の燃料噴射時期と充填効率との関係を示す図。 第１実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置による、低負荷運転時における燃料噴射制御のタイムチャート。 第２実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成を示す図。 第２実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図。 第２実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置における可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャート。 第２実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置による、低負荷運転時の燃料噴射割合と充填効率との関係を示す図。

［第１実施の形態］
以下、図１〜図１０を用いて、本実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成について説明する。

エンジン１００は、火花点火式燃焼を実施する自動車用の４気筒ガソリンエンジンであり、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気管圧力を調整する電子制御スロットル２と、吸入空気温度検出器の一態様であって吸入空気の温度を計測する吸気温度センサ１５が、吸気管６の各々の適宜位置に備えられている。

また、エンジン１００には、各気筒の燃焼室１２の中に燃料を噴射する燃料噴射装置（以下、インジェクタ）３と、点火エネルギーを供給する点火プラグ４が気筒ごとに備えられ、エンジン１００の冷却水の温度を計測する冷却水温度センサ１４がシリンダヘッド７の適宜位置に備えられている。

また、筒内に流入する吸入ガスを調整する吸気バルブ可変装置５ａと、筒内から排出される排気ガスを調整する排気バルブ可変装置５ｂとから構成される可変バルブ５とが、シリンダヘッド７の各々の適宜位置に備えられている。可変バルブ５を調整することにより、１番から４番まで全気筒の吸気量およびＥＧＲ量を調整することができる。

さらに、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、排気温度検出器の一態様あって、三元触媒１０の上流側にて排気の温度を計測する排気温度センサ１１とが、排気管８の各々の適宜位置に備えられる。また、クランク軸には、回転角度を算出するためのクランク角度センサ１３が備えられている。

エアフローセンサ１と空燃比センサ９と冷却水温度センサ１４と吸気温度センサ１５と排気温度センサ１１とクランク角センサ１３とから得られる信号は、エンジン１００の制御装置であるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に送られる。

また、アクセル開度センサ１６から得られる信号もＥＣＵ２０に送られる。アクセル開度センサ１６は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１６の出力信号に基づいて、要求トルクＴｅを演算する。すなわち、アクセル開度センサ１６は、エンジン１００への要求トルクＴｅを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。

また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサ１３の出力信号に基づいて、エンジン回転速度Ｎｅを演算する。ＥＣＵ２０は、上記各種センサの出力から得られるエンジン１００の運転状態に基づき、空気流量、燃料噴射量、点火時期等のエンジン１００の主要な作動量を最適に演算する。

ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は、開弁パルス信号に変換され、インジェクタ３に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように、点火プラグ駆動信号が点火プラグ４に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された可変バルブの作動量は、可変バルブ駆動信号として、可変バルブ５へ送られる。

吸気管６から可変バルブ５の吸気バルブ（吸気弁）Ｖｉを経て燃焼室１２内に流入した空気に対し、インジェクタ３から燃料が噴射され、燃焼室１２内で混合気が形成される。混合気は、所定の点火時期で点火プラグ４から発生される火花により爆発し、その燃焼圧によりピストンを押し下げてエンジン１００の駆動力となる。更に、爆発後の排気ガスは、排気管８を経て、三元触媒１０に送りこまれ、排気成分が三元触媒１０内で浄化されて、外部へと排出される。

次に、図２を用いて、ＥＣＵ２０の構成について説明する。図２は、ＥＣＵ２０の構成を示すシステムブロック図である。
エアフローセンサ１、空燃比センサ９、排気温度センサ１１、クランク角センサ１３、冷却水温度センサ１４、吸気温度センサ１５、アクセル開度センサ１６の出力信号は、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａに入力される。但し、入力信号はこれらだけに限られない。

入力された各センサの入力信号は、入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られる。入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られた値は、ＲＡＭ２０ｃに保管され、ＣＰＵ２０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０ｄに予め書き込まれている。

制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送られ、各駆動回路２０ｆ〜２０ｊを経て各アクチュエータ２〜５に送られる。

本実施の形態の場合、駆動回路として、電子スロットル駆動回路２０ｆ、インジェクタ駆動回路２０ｇ、点火出力回路２０ｈ、可変バルブ駆動回路２０ｊがある。各回路は、それぞれ、アクチュエータである電子制御スロットル２、インジェクタ３、点火プラグ４、可変バルブ５を制御する。本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０内に備えるものであってもよい。

ＥＣＵ２０は、スロットル２ではなく、主に可変バルブ５によって吸入空気量を制御し、低負荷運転時には気筒別燃料噴射時期制御を行うことにより、トルク変動を抑制する。特に、本実施の形態にかかるＥＣＵ２０は、低負荷運転時に、気筒別吸気量算出手段によって算出された吸気量が他の気筒よりも多いと判定された気筒では、燃料噴射時期を遅角化し、吸気弁が閉じる前に噴射する燃料量を他の気筒よりも減量するとともに、吸気弁が閉じた後に噴射する燃料量を、その減量した分だけ、他の気筒よりも増量する。

そして、吸気量が他の気筒よりも少ないと判定された気筒では、燃料噴射時期を進角化し、吸気弁が閉じる前に噴射する燃料量を他の気筒よりも増量するとともに、吸気弁が閉じた後に噴射する燃料量を、その増量した分だけ、他の気筒よりも減量する。その結果、点火リタード制御などを行わずに、吸気量の気筒ばらつきを低減でき、低負荷運転時のトルク変動を抑制することが可能となる。

次に、図３を用いて、本実施の形態における可変バルブ５の特性について説明する。可変バルブ５は、吸気バルブＶｉの位相ａおよびリフト量ｂを連続して可変可能な機構を備えており、吸気バルブＶｉの開弁時期ＩＶＯおよび閉弁時期ＩＶＣを独立に制御することができる。

次に、図４を用いて、本実施の形態における低負荷運転領域について説明する。図４は、本実施の形態における低負荷運転領域の説明図である。低負荷運転領域Ｌｏｗ Ｌｏａｄは、図４に示すように、エンジントルクＴｅとエンジン回転数Ｎｅのマップ上で予め規定されており、図２のＲＯＭ２０ｄの中に保持されている。ＥＣＵ２０は、要求エンジントルクＴｅとエンジン回転数Ｎｅから、現在の運転条件が低負荷運転領域Ｌｏｗ Ｌｏａｄであるか、通常運転領域Ｎｏｒｍａｌであるかを判定する。

この領域を規定する基準としては、例えば、吸気バルブ制御によって、吸気バルブＶｉのバルブリフト量Ｌｖ（１サイクル中の最大リフト量）が特定の値以下となる領域を低負荷運転領域とする。本実施の形態では、製造時の公差や経年変化によるバルブリフト量Ｌｖの気筒間差が各気筒の吸気量に大きく影響を及ぼし始める、バルブリフト量1.0mmを基準として、それ以下のバルブリフト量で運転する領域を低負荷運転領域と定義する。

次に、図５〜図１０を用いて、本実施の形態における可変バルブ５および燃料噴射の制御方法について説明する。最初に、図５を用いて、本実施の形態における可変バルブ５の制御内容について説明する。

図５は、図４中に示したエンジン運転条件Ａ、Ｂ、Ｃにおける、吸気バルブおよび排気バルブの設定の代表例である。図５において、横軸はクランク軸のクランク角を示し、縦軸はバルブリフト量Ｌｖを示している。なお、実線Ｖ−ＥＸＴは排気バルブ（排気弁）Ｖｏのリフト量を示し、実線Ｖ−ＩＮＴは吸気バルブＶｉのリフト量を示している。

前述の通り、本実施の形態におけるエンジン１００のＥＣＵ２０は、ポンプ損失低減のために、主に吸気バルブＶｉによって吸入空気量を制御する。多量の空気が必要な、図５（Ａ）のような高負荷運転条件では、吸気バルブ閉じ時期ＩＶＣを下死点ＢＤＣ付近に設定する。エンジン運転条件が（Ｂ）、（Ｃ）のように負荷が漸次低くなるに応じて、吸気バルブＶｉの閉じ時期ＩＶＣを進角し、吸入空気量を減少させる。

ただし、エンジン運転条件（Ｃ）のような低負荷領域内では、吸気弁Ｖｉの早閉じに伴い実圧縮比が低下することで燃焼安定性が低下する傾向があるため、冷却水温度（もしくは吸気温度）が低い環境では、図（Ｃ）に点線で示したように、吸気弁Ｖｉの位相ａを遅らせて実圧縮比を高めるように、可変バルブ５を制御してもよい。

次に、図６を用いて、低負荷時に発生する吸気量気筒ばらつきの要因について説明する。図６は、吸気弁の最大リフト量の設定値と各気筒＃１〜＃４の吸気量の関係を示している。

吸気弁Ｖｉの最大リフト量の設定値が大きい場合、つまり中負荷から高負荷運転時は、製造時の公差や経年変化に起因するバルブリフト量の気筒ばらつきが、最大リフト量に対して極めて小さいため、吸気量に与える影響は小さい。

一方で、吸気弁Ｖｉの最大リフト量が小さい場合、つまり低負荷運転時は、気筒間のリフト量の気筒ばらつきが最大リフト量に対して無視できなくなるため、吸気量が気筒間でばらついてしまう。

次に図７を用いて、本実施の形態における可変バルブおよび燃料噴射制御内容について説明する。図７は、本実施の形態による可変バルブおよび燃料噴射制御内容を示すフローチャートである。

図７に示す制御内容は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。まず、ステップＳ１０１において、現在のエンジン運転条件に関する情報として、エンジン回転数Ｎｅ、要求エンジントルクＴｅ、冷却水温度などを読み込む。前述の通り、要求エンジントルクＴｅは、アクセル開度センサ１６の出力に基づいて演算される。

次に、ステップＳ１０２において、現在のエンジン運転条件に基づき、適切な空気量を実現するように可変バルブ５を制御する。続いて、ステップＳ１０３において、所望の空燃比（主に量論比）の混合気になるように、燃料噴射量を制御する。

そして、ステップＳ１０４において、予め記憶されたマップなどから、現在の運転条件が低負荷運転領域であるか否かを判定する。低負荷領域である場合（ステップＳ１０４でＹＥＳ）は、ステップＳ１０５に移行し、現在の空燃比（排気管集合部）および各気筒の燃料噴射期間を読み込む。

次に、ステップＳ１０６において、気筒間平均の吸気量を演算する。具体的には、まず、読み込んだ燃料噴射期間から、予め記憶されたインジェクタ噴射量特性を参照し、全気筒の合計燃料噴射量を演算する。その後、演算した全気筒の合計燃料噴射量と読み込んだ空燃比（排気管集合部）とから、全吸気量を演算し、それを平均することで気筒間平均の吸気量を求める。尚、上記では、空燃比と燃料噴射量から全気筒の合計吸気量を演算する例を示したが、あるいは、エアフローセンサで直接検出した吸気量を全気筒の合計吸気量としてもよい。

次に、ステップＳ１０７において、各気筒の吸気量を演算する（気筒別吸気量演算手段）。具体的には、まず、読み込んだ空燃比（排気管集合部）から、周波数解析などを用いて各気筒の空燃比を演算する。そして、読み込んだ燃料噴射期間から、予め記憶されたインジェクタ噴射量特性を参照し、各気筒の燃料噴射量を演算する。上記により演算された各気筒の空燃比と各気筒の燃料噴射量とから、最終的に各気筒の吸気量を演算する。

次に、ステップＳ１０８において、現在の吸気弁閉じ時期ＩＶＣ（設定値）を読み込む。そして、ステップＳ１０９において、ステップＳ１０６で演算された吸気量の気筒間平均値と、ステップＳ１０７で演算された各気筒の吸気量と、ステップＳ１０８で読み込んだ吸気弁閉じ時期ＩＶＣとから、各気筒の燃料噴射時期の補正量を演算する。

具体的には、まず、ステップＳ１０７にて演算された各気筒の吸気量と、ステップＳ１０６にて演算された吸気量の気筒平均値とから、各気筒の吸気量の過不足分である差分を演算し、必要な吸気増減量（吸気ずれ量）とする。

その後、気筒ごとに必要な吸気増減量を、気体の状態方程式に基づいて吸気温度変化量に換算し、その温度変化を実現するために必要な（吸気弁が開いている間に噴射される）燃料噴射量の増減量（吸気弁開時燃料増減量）を決定する。ここで、吸気増減量から吸気弁開時燃料増減量までの演算は、上述の通りにＥＣＵ２０がオンボードで演算するか、もしくはＥＣＵ２０に予め記憶させておいてもよい。

最終的に、ステップＳ１０８で読み込んだ現在の吸気弁閉じ時期ＩＶＣと、演算された吸気弁開時燃料増減量（吸気弁が開いている間に噴射される燃料増減量）と、予めＥＣＵ２０に記憶された燃料噴射率（単位時間当たりの燃料噴射量）に基づいて、燃料噴射時期補正量を演算する。これにより、各気筒の吸気量を連続的に調整することが可能となる。

ここで、気筒間平均吸気量と各気筒の吸気量の差分に応じて燃料噴射時期補正量を演算する例を上記したが、あるいは、ステップＳ１０６にて演算された気筒間平均吸気量とステップＳ１０７にて演算された各気筒の吸気量との大小関係のみに基づいて、燃料噴射時期補正量を決定してもよい。

つまり、気筒間平均値よりも吸気量が多いと判定された気筒では、燃料噴射時期がステップＳ１０８で読み込んだ吸気弁の閉じ時期よりも後になるように燃料噴射時期補正量を一律に決定し、気筒間平均値よりも吸気量が少ないと判定された気筒では、燃料噴射時期が吸気弁の閉じ時期よりも前になるように燃料噴射時期補正量を一律に決定する。これにより、複雑な演算処理を必要とせずに、各気筒の吸気量を調整することが可能となる。

次に、ステップＳ１１０において、ステップＳ１０９で演算された燃料噴射時期の補正量に基づいて、各気筒の燃料噴射時期を制御する。これに対し、ステップＳ１０４にて、低負荷領域でないと判定された場合、一連の気筒別の燃料噴射時期制御を行わずに制御を終了する。

次に、図８から図１０を用いて、本実施の形態による低負荷運転領域での燃料噴射制御内容の詳細について説明する。図８は、本実施の形態による、エンジン暖機後における、低負荷運転時の燃料噴射時期と充填効率（吸気量）との関係を示している。尚、参考のため、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｏのバルブリフト量Ｌｖを併記した。

この場合、ポンプ損失を最小限に抑えるために、吸気弁開時期ＩＶＯを上死点ＴＤＣ近傍に設定し、吸気弁閉じ時期ＩＶＣを進角側に設定している。吸気弁Ｖｉが開いている期間（図中で期間Ａ）、つまり吸気管から燃焼室内に空気が流入している期間に噴射された燃料は、気化冷却効果により空気を冷やすことで、筒内の充填効率を高める働きがある。一方で、吸気弁Ｖｉが閉じた後（図中で期間Ｂ）に噴射された燃料は、同様に気化冷却効果により空気を冷やす効果はあるものの、吸気弁Ｖｉが閉じているため吸気量の増加にはつながらない。

以上の理由により、燃料噴射時期を吸気弁閉じ時期ＩＶＣ近傍において変化させることで、吸気量（充填効率）を制御することが可能である。また、インジェクタ３は、気筒ごとに備え付けられているので、気筒別に燃料噴射時期を制御することにより、気筒別に吸気量を制御することが可能である。

図９は、本実施の形態による、エンジン冷機時における、低負荷運転時の燃料噴射時期と充填効率との関係を示している。尚、参考のため、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｏのバルブリフト量Ｌｖを併記した。

この場合、前述のとおり筒内温度の低下に伴う燃焼の不安定化を抑制するために、吸気弁開閉時期を遅角側に設定している。この場合も、暖気時と同様のメカニズムにより、吸気弁閉じ時期ＩＶＣ近傍で燃料噴射時期を変化させることで充填効率が変化する。ただし、冷機時は、吸気弁閉じ時期ＩＶＣを暖機時よりも遅角側に設定しているため、燃料噴射時期と充填効率の関係は暖機時とは異なるものになる。

従って、本実施の形態によるエンジン１００のＥＣＵ２０は、気筒別燃料噴射時期によって各気筒の吸気量（充填効率）を所望の値に制御する場合、予め吸気弁の開閉時期（特に吸気弁の閉じる時期）を読み込んでおき、燃料噴射開始時期を吸気弁Ｖｉの閉じる時期近傍にて変化させる制御を行うことを特徴としている。

図１０は、本実施の形態による、低負荷運転時における燃料噴射制御のタイムチャートである。図中、上から順番に、トルク変動率、吸気量（気筒別）、燃料噴射時期（気筒別）の時間変化を示している。

低負荷用の燃料噴射制御を実施する前は、エンジン運転条件に応じて全気筒で同じ燃料噴射時期に設定されている。ＥＣＵ２０は、低負荷領域に入ったと判定すると、低負荷用の燃料噴射制御を開始する（図７のステップＳ１０４でＹＥＳ）。

まず、前述したように空燃比センサ９および燃料噴射期間等の情報から、各気筒＃１〜＃４の吸気量を算出する（図７のステップＳ１０７）。気筒別の吸気量の算出が完了すると、吸気量の気筒間ばらつきを低減するべく、気筒別に燃料噴射時期制御を実施する（図７のステップＳ１１０）。具体的には、図１０に示すように、吸気量が気筒平均値（Ａｖｅｒａｇｅ）よりも多い２、４番気筒においては、噴射時期を遅角側に設定して吸気を減量する。そして、吸気量が気筒平均値よりも少ない１、３番気筒においては、噴射時期を進角側に設定して吸気を増量する。本制御によって気筒間の吸気ばらつきが抑えられ、吸気量ばらつきに起因するトルク変動を許容範囲に抑えることが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、低負荷領域において、算出した気筒別の吸気量と、吸気バルブＶｉの閉じ時期ＩＶＣに基づいて、気筒別に燃料噴射時期を制御することによって、吸気量の気筒間ばらつきを低減し、燃費を悪化させることなく、トルク変動を回避することができる。そのため、低負荷領域においても可変バルブ５を用いた吸気量制御を実施することが可能となり、可変バルブ５の持つ燃費低減効果を最大限に発揮することができる。

ここでは、気筒別に吸気量を算出する際、排気管集合部に備えられた空燃比センサ９の信号を周波数解析することにより、気筒別の空燃比の検出を行ったが、空燃比センサを気筒別に設けて、各空燃比センサから、直接各気筒の空燃比を検出してもよい。

また、ここでは、気筒別燃料噴射時期制御を低負荷（低リフト）運転時のみに適用したが、中負荷もしくは高負荷運転時であっても、吸気量ばらつきが問題となるような場合には、本制御を適用することで、吸気ばらつきを低減することが可能である。

［第２実施の形態］
次に、図１１から図１４を用いて、第２実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。
図１１に本実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置を自動車用多気筒ガソリンエンジンに適用させたシステムの構成を示す。図１に示した第１実施の形態におけるシステム構成に加え、本実施の形態では、吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ１７が吸気管６の適宜位置に気筒ごとに備えられている。

図１２は、本実施の形態による多気筒火花点火式内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。図２に示した、本発明の第１の実施形態による火花点火内燃機関の制御装置の構成と基本的には同じであるが、本実施形態では、インジェクタ駆動回路２０ｇによって、筒内噴射用インジェクタ３および吸気ポート用インジェクタ１７が制御される。

本実施の形態における可変バルブ５の特性は、図３と同様である。本実施の形態における低負荷運転領域は、図４と同様である。本実施の形態における可変バルブ５の制御内容は、図５と同様である。本実施の形態における低負荷時に発生する吸気量気筒ばらつきの要因は、図６と同様である。

次に図１３のフローチャートを用いて、本実施の形態における可変バルブ５および燃料噴射制御内容について説明する。図１３に示す制御内容は、ＥＣＵ２０によって、所定の周期で繰り返し実行される。

ステップＳ２０１において、現在のエンジン運転条件に関する情報（エンジン回転数、要求エンジントルク、冷却水温度など）を読み込む。次に、ステップＳ２０２において、現在のエンジン運転条件に基づき、適切な空気量を実現するように可変バルブ５を制御する。続いて、ステップＳ２０３において、所望の空燃比（主に量論比）の混合気になるように、燃料噴射量を制御する。

次に、ステップＳ２０４において、予め記憶されたマップなどから、現在の運転条件が低負荷運転領域であるか否かを判定する。低負荷運転領域である場合は、ステップＳ２０５において、現在の空燃比（排気管集合部）および各気筒の燃料噴射期間を読み込む。

次に、ステップＳ２０６において、各気筒の吸気量を演算する。具体的には、まず、読み込んだ空燃比（排気管集合部）から、周波数解析などを用いて各気筒の空燃比を演算する。次に、読み込んだ燃料噴射期間から、予め記憶されたインジェクタ噴射量特性を参照し、各気筒の燃料噴射量を演算する。上記により演算された各気筒の空燃比と燃料噴射量とから、最終的に各気筒の吸気量を演算する。

次に、ステップＳ２０７において、ステップＳ２０６にて演算された各気筒の吸気量と吸気弁閉じ時期ＩＶＣとから、各気筒の燃料噴射割合の補正量を演算する。ここで、燃料噴射割合とは、筒内噴射用インジェクタ３から噴射される燃料量と、吸気ポート用インジェクタ１７から噴射される燃料量の比を示している。

具体的には、まず、ステップＳ２０６にて演算された各気筒の吸気量と、吸気量の気筒平均値とから、各気筒の吸気量の過不足分（差分）を演算し、必要な吸気増減量とする。その後、気筒ごとに必要な吸気増減量から、各気筒の吸気管内で気化させる燃料の増減量（吸気ポート用インジェクタ１７から噴射される燃料の増減量）を演算する。

最終的に、各気筒の吸気ポート用インジェクタ１７から噴射される燃料の増減量と、エンジン１００が所望のトルクを出すために必要な１気筒あたりの燃料量とから、燃料噴射割合補正量を演算する。

次に、ステップＳ２０８において、ステップＳ２０７で演算された燃料噴射割合の補正量に基づいて、各気筒の燃料噴射割合を制御する。これに対し、ステップ２０４にて、低負荷領域でないと判定された場合には、一連の気筒別の燃料噴射割合制御を行わずに制御を終了する。

図１４は、本実施の形態による、低負荷運転時の燃料噴射割合（ＤＩ噴射量割合）と充填効率との関係を示している。ここで、ＤＩ噴射量割合とは、エンジン１００内に投入される全燃料量のうち筒内噴射用インジェクタ３から噴射される燃料量が占める割合を示す。

吸気ポート用インジェクタ１７から噴射された燃料は、主に吸気管内で気化して燃焼室内に導かれる。したがって、燃料が気体の状態（密度が低く膨張した状態）で吸気バルブＶｉを通過する必要があるため、空気の流入の妨げ（抵抗）となる。

一方で、筒内噴射用インジェクタ３から噴射された燃料は、全て燃焼室内で気化するため、気体の状態で吸気バルブを通過する必要がなく、空気の流入の妨げ（抵抗）にはならない。

以上の理由により、ＤＩ噴射量割合を増加することで、吸気量（充填効率）を増加することが可能である。また、筒内噴射用インジェクタ３、吸気ポート用インジェクタ１７ともに気筒ごとに備え付けられているため、気筒別に燃料噴射割合を制御することにより、気筒別に吸気量を制御することが可能である。

ただし、吸気ポートに噴射された燃料のうち一部は、直ちに気化せずに吸気バルブＶｉ等に付着し、数サイクル遅れて燃焼室内に到達する。その現象を鑑みて、本実施の形態のＥＣＵ２０では、吸気ポートに噴射された燃料の、吸気バルブＶｉへの壁流量（壁面付着量）を予測するモデルを備えている。従って、エンジン過渡運転時には、前記モデルにより吸気ポートに噴射された燃料の輸送遅れを予測し、その遅れ分を筒内噴射用インジェクタ３から噴射される燃料量により補うことが可能である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、低負荷領域において、算出した気筒別の吸気量に基づいて、気筒別に燃料噴射割合を制御することによって、吸気量の気筒間ばらつきを低減し、燃費を悪化させることなく、トルク変動を回避することができる。そのため、低負荷領域においても可変バルブ５を用いた吸気量制御を実施することが可能となり、可変バルブ５の持つ燃費低減効果を最大限に発揮することができる。

ここでは、算出した気筒別吸気量に基づく気筒別燃料噴射割合制御について説明したが、本実施形態の燃料噴射割合制御に加え、第１実施の形態で示したような、気筒別燃料噴射時期を適用することによって、さらに吸気量の制御可能範囲を拡大することも可能である。

１…エアフローセンサ
２…電子制御スロットル
３…筒内直接噴射用インジェクタ（筒内燃料噴射手段）
４…点火プラグ
５…可変バルブ（可変動弁機構）
５ａ…吸気バルブ可変装置
５ｂ…排気バルブ可変装置
６…吸気管
７…シリンダヘッド
８…排気管
９…空燃比センサ
１０…三元触媒
１１…排気温度センサ
１２…燃焼室
１３…クランク角度センサ
１４…冷却水温度センサ
１５…吸気温度センサ
１６…アクセル開度センサ
１７…吸気ポート用インジェクタ（吸気管内燃料噴射手段）
２０…ＥＣＵ（制御装置）
１００…エンジン（多気筒火花点火式内燃機関）
２０ａ…入力回路
２０ｂ…入出力ポート
２０ｃ…ＲＡＭ
２０ｄ…ＲＯＭ
２０ｅ…ＣＰＵ
２０ｆ…電子制御スロットル駆動回路
２０ｇ…インジェクタ駆動回路
２０ｈ…点火出力回路
２０ｊ…可変バルブ駆動回路
Ｖｉ…吸気バルブ
Ｖｏ…排気バルブ
ＩＶＯ…吸気バルブ開時期
ＩＶＣ…吸気バルブ閉じ時期
Ｌｖ…バルブリフト量

Claims (12)

1. 可変動弁機構と筒内燃料噴射手段を有する多気筒火花点火式内燃機関の制御装置であって、
   各気筒の吸気量と、前記可変動弁機構の吸気弁閉じ時期とに基づいて、気筒ごとに燃料噴射時期を制御することを特徴とする多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
2. 気筒間の平均吸気量と前記各気筒の吸気量との差分である吸気ずれ量に基づいて、前記吸気弁が開いている間に噴射される燃料噴射量を気筒ごとに決定し、
   前記吸気弁閉じ時期に基づいて、前記各燃料噴射量を実現する前記燃料噴射時期の進角量を気筒ごとに設定することを特徴とする請求項１に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
3. 前記吸気量が気筒間の平均吸気量よりも少ない気筒の燃料噴射時期を、前記吸気量が前記平均吸気量よりも多い気筒の燃料噴射時期よりも進角させて、前記吸気量が前記平均吸気量よりも少ない気筒に噴射される燃料噴射量のうち、前記吸気弁が開いている間に噴射される燃料噴射量を増加させることを特徴とする請求項１又は２に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
4. 前記吸気量が気筒間の平均吸気量よりも多い気筒の燃料噴射時期を、前記吸気量が前記平均吸気量よりも少ない気筒の燃料噴射時期よりも遅角させて、前記吸気量が前記平均吸気量よりも多い気筒に噴射される燃料噴射量のうち、前記吸気弁が開いている間に噴射される燃料噴射量を減少させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
5. 前記吸気量が気筒間の平均吸気量よりも多い気筒の燃料噴射時期を吸気弁閉じ時期の後に設定し、
   前記吸気量が前記平均吸気量よりも少ない気筒の燃料噴射時期を吸気弁閉じ時期の前に設定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
6. 全気筒の合計吸気量に基づいて気筒間の平均吸気量を算出する平均吸気量算出手段と、
   該平均吸気量算出手段によって算出された気筒間の平均吸気量に基づいて気筒ごとの吸気量を算出する気筒別吸気量算出手段と、
   前記平均吸気量算出手段によって算出された気筒間の平均吸気量と前記気筒別吸気量算出手段によって算出された各気筒の吸気量とに基づいて、前記各気筒の吸気量を前記平均吸気量に調整するために必要な吸気増減量を算出する気筒別吸気増減量算出手段と、
   該気筒別吸気増減量算出手段によって算出された各気筒の吸気増減量と、前記吸気弁閉じ時期とに基づいて、前記吸気弁が開いている間に噴射される吸気弁開時燃料増減量を気筒ごとに算出し、該算出した吸気弁開時燃料増減量に基づいて燃料噴射時期補正量を算出し、該燃料噴射時期補正量に基づいて各気筒の燃料噴射時期を気筒別に制御する気筒別燃料噴射時期制御手段と、
   を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
7. 前記気筒別吸気量算出手段は、排気管に備え付けられた空燃比センサの出力と前記筒内燃料噴射弁に送られる燃料噴射パルス信号を用いて各気筒の吸気量を算出することを特徴とする請求項６に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
8. 前記気筒別吸気量算出手段は、排気管に備え付けられた空燃比センサの出力と吸気管に備え付けられたエアフロセンサの出力を用いて各気筒の吸気量を算出することを特徴とする請求項６に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
9. 可変動弁機構と、吸気管内に燃料を噴射する吸気管内燃料噴射手段と、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射手段を有する多気筒火花点火式内燃機関の制御装置であって、
   各気筒の吸気量に基づいて、吸気管内燃料噴射手段から噴射される燃料噴射量と、筒内燃料噴射手段から噴射される燃料噴射量との割合である燃料噴射割合を、気筒ごとに制御することを特徴とする多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
10. 前記吸気量が気筒間の平均吸気量よりも多い気筒では、前記吸気管内燃料噴射手段による燃料噴射量の割合を増加させるように前記燃料噴射割合を制御し、
    前記吸気量が気筒間の平均吸気量よりも少ない気筒では、前記吸気管内燃料噴射手段による燃料噴射量の割合を減少させるように前記燃料噴射割合を制御することを特徴とする請求項９に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
11. 前記燃料噴射制御は、運転条件が低負荷運転領域である場合に行われることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。
12. 前記低負荷運転とは、前記吸気弁の最大リフト量を1.0mm以下にして運転する場合であることを特徴とする請求項１１に記載の多気筒火花点火式内燃機関の制御装置。

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