JP2010203417A - 内燃機関の燃料噴射制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮自着火が可能な内燃機関において、排気弁と吸気弁との両者が閉じている期間に第一回目の燃料噴射を実施し、その後に第二回目の燃料噴射を実施する場合、燃焼状態を燃焼時のイオン電流により判定すると、燃焼が低下した後の後追い制御になり、着火時期を最適なものに維持することが難しかった。
【解決手段】運転領域に応じて、火花着火と予混合圧縮自着火との一方を実施する気筒内燃料噴射式の内燃機関において、排気弁と吸気弁との両者が閉じている期間に第一回目の燃料噴射を実施し、第一回目の燃料噴射後の吸気行程及び／又は圧縮行程において少なくとも第二回目の燃料噴射を実施して着火時期を制御するものであり、第一回目の燃料噴射時にイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて第一回目の燃料噴射時の燃料と筒内気体との予反応の進行状態を予測し、予測結果に基づいて第二回目以降の燃料噴射の状態を補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、予混合圧縮自着火燃焼（以下、ＨＣＣＩと称する）と火花着火燃焼（以下、ＳＩと称する）とを運転状態に応じて実施する内燃機関の燃料噴射制御方法に関するものである。

従来、点火プラグを備える内燃機関例えばガソリンを燃料とするエンジンにおいて、排気行程から吸気行程に移る際に、排気弁と吸気弁とが同時に閉じている状態、いわゆる負のオーバーラップ期間（以下、ＮＶＯと称する）を設け、既燃ガスをシリンダ内に残留させ、残留させた既燃ガスの熱により混合気を加熱しつつ圧縮することにより、混合気を自着火させて運転するＨＣＣＩエンジンが知られている。

このようなＨＣＣＩエンジンにおいて、着火性及び燃費を向上させるべく、各種の試みがなされている。例えば、特許文献１のＨＣＣＩエンジンにおいては、ＮＶＯにおいて燃料を噴射し、噴射した燃料の改質の程度を、ＮＶＯ中の吸入空気量と燃料噴射量との当量比、温度及び圧力から予測し、予測に基づいてＮＶＯの長さを制御するものである。

また、例えば、特許文献２のＨＣＣＩエンジンのように、イオン電流を検出することにより燃焼状態を判定し、着火精度を向上させることができるものも知られている。

特開２００１‐２８０１６５号公報 特開２００８‐２４８８３１号公報

ところが、例えば上述の特許文献２のように、イオン電流を検出する場合、イオン電流はＨＣＣＩでの燃焼時に検出するので、その結果が反映されるのは、次回のＨＣＣＩに対してである。つまり、特許文献１のもののように、ＮＶＯにおいて燃料を噴射し、その噴射された燃料の状態をイオン電流により検出するものではない。従って、燃焼状態の低下を改善するべく、燃料噴射時に、イオン電流の検出による燃焼状態の判定結果を反映しようとして、後追い制御になるものであり、燃料を噴射したそのサイクルにおいてＨＣＣＩの着火時期を最適に補正することが難しかった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の燃料噴射制御方法は、排気弁、吸気弁及び点火プラグを備えて、運転領域に応じて、火花着火と予混合圧縮自着火との一方を実施する気筒内燃料噴射式の内燃機関において、排気弁と吸気弁との両者が閉じている期間に第一回目の燃料噴射を実施し、第一回目の燃料噴射後の吸気行程及び／又は圧縮行程において少なくとも第二回目の燃料噴射を実施して着火時期を制御するものであり、第一回目の燃料噴射時にイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて第一回目の燃料噴射時の燃料と筒内気体との予反応の進行状態を予測し、予測結果に基づいて第二回目以降の燃料噴射の状態を補正することを特徴とする。

このような構成によれば、第一回目の燃料噴射時に検出するイオン電流に基づいて第一回目に噴射した燃料の予反応状態を予測するので、同一サイクルの第二回目の燃料噴射に対して補正を行うことが可能になる。従って、燃料噴射の状態が最適となり、最適な点火時期を維持することが可能になる。

本発明において、燃料噴射の状態とは、燃料噴射量と燃料噴射時期とのいずれか一方を指すものであってよい。それゆえ、検出したイオン電流が所定値より小さい場合には、予反応の進行が遅いと予測して、少なくとも第二回目の燃料噴射量を増量するか、あるいは少なくとも第二回目の燃料噴射時期を変更することが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、第一回目の燃料噴射時に検出するイオン電流に基づいて第一回目に噴射した燃料の予反応状態を予測するので、同一サイクルの第二回目の燃料噴射に対して補正を行うことができ、従って、燃料噴射の状態が最適となり、最適な点火時期を維持することができる。

本発明の実施形態のエンジンの概略構成を示す概略構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 本発明の他の実施形態の制御手順を示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形態の火花点火式で、かつ筒内燃料噴射式のエンジン１００は、可変バルブタイミング機構３０を装備しているエンジンで、ＨＣＣＩを実施するために、圧縮比を通常の火花着火のみを実施するエンジンに比べて高くしてある。そしてこのような圧縮比の設定以外は、可変バルブタイミング機構３０を備える通常の火花点火式のエンジンと同じである。

具体的には、図１に１気筒の構成を概略的に示したエンジン１００は、自動車用の３気筒のもので、その吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられ、サージタンク３からの吸入空気は吸気ポート１１及び吸気バルブ３７を介してシリンダ３８内に吸入される。この吸気系１には、スロットルバルブ２を迂回する迂回路であるバイパス通路１ａが設けてあり、そのバイパス通路１ａにはバイパス通路１ａを通過する空気量を制御するための流量制御バルブ１ｂが設けてある。この流量制御バルブ１ｂは、主としてエンジン１００のアイドル回転制御を実行する際に制御される。

シリンダヘッド１２に設けられる燃焼室３５に対して、燃料を燃焼室３５内に直接噴射し得るようにインジェクタ５が設けてある。このインジェクタ５は、後述する電子制御装置６により制御するように構成される。また、排気系２０には、燃焼室３５から排気弁３６を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ２１が、図示しないマフラに至るまで管路に配設された三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。

可変バルブタイミング機構３０は、例えば作動オイルにより作動する機械式のもので、電子制御装置６と協働して、排気弁３６と吸気弁３７とのそれぞれの開閉時期を独立して制御できるものである。すなわち、電子制御装置６が出力する信号により、作動オイルが制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構３０は、排気弁３６及び吸気弁３７を全開にする作動中心を進角及び遅角するとともに、排気弁３６及び吸気弁３７の作動角度を制御するものである。可変バルブタイミング機構３０は、火花着火の際には排気弁３６と吸気弁３７との開成期間が重なり合うように排気弁３６と吸気弁３７とを制御し、ＨＣＣＩの際には、排気行程から吸気行程に移行する間に、ピストン３９が排気上死点近傍に位置する所定期間、排気弁３６と吸気弁３７とを同時に閉じるように制御する。この所定期間がＮＶＯである。

可変バルブタイミング機構３０とともにエンジン１００の運転を制御する電子制御装置６は、中央演算装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１０とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。その入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ１９から出力される吸気圧信号ａ、エンジン回転数ＮＥを検出するための回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂ、クランクセンサ４１から出力されるクランク角度信号ｍ、タイミングセンサ４２から出力される吸気カム信号ｎ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ１６から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｅ、上記したＯ₂ センサ２１から出力される電圧信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１０からは、インジェクタ５に対して燃料噴射信号ｆたる駆動パルスが、また火花着火の実施に際して点火プラグ１８に対して点火信号ｇが出力されるようになっている。

点火プラグ１８には、イオン電流を検出するために、イオン電流検出回路６０が接続されるとともに、点火コイルやスイッチングトランジスタなどを備える点火回路６１が接続される。イオン電流検出回路６０は、点火プラグ１８に対してイオン電流検出用の電圧をエンジン１００の運転中印加する電源を備えると共に、イオン電流を検出するための抵抗及び電圧センサを備えるものである。したがって、ＨＣＣＩの場合であっても通電信号ｇが点火回路６１に対して出力されるものである。

このような構成において、電子制御装置６には、吸気圧センサ１９から出力される吸気圧信号ａと回転数センサ１４から出力される回転数信号ｂとを主な情報とし、エンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で基本噴射時間（基本噴射量）を補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間Ｔを決定し、その決定された通電時間によりインジェクタ５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。

又、電子制御装置６には、ＨＣＣＩを実施するにあたって、排気弁３６と吸気弁３７との両者が閉じている期間であるＮＶＯに第一回目の燃料噴射を実施し、第一回目の燃料噴射後の吸気行程及び／又は圧縮行程において少なくとも第二回目の燃料噴射を実施して着火時期を制御するものであり、第一回目の燃料噴射時にイオン電流を検出し、検出したイオン電流に基づいて第一回目の燃料噴射時の燃料と筒内気体との予反応の進行状態を予測し、予測結果に基づいて第二回目以降の燃料噴射の状態を補正するための燃料噴射制御プログラムが内蔵してある。

この実施形態における燃料噴射制御プログラムの概略制御手順を、図２を交えて説明する。なお、この燃料噴射制御プログラムは、ＨＣＣＩを実施する場合に、第二回目の燃料噴射を実施するまでの間に実行するもので、ＳＩに適用するものではない。又、この燃料噴射制御プログラムを実行するにあたっては、可変バルブタイミング機構３０が排気弁３６と吸気弁３７とを制御し、ＮＶＯを形成しているものである。

ステップＳ１では、ＮＶＯにおいて第一回目の燃料噴射を実施する。第一回目の燃料噴射における燃料噴射量は、ＨＣＣＩにおいて着火性を高めるのに十分な量に設定しておく。つまり、第一回目の燃料噴射量は、第二回目の燃料噴射に先立って、噴射した燃料がシリンダ３８内に残留する筒内気体である既燃ガスと反応して、第二回目の燃料噴射までに燃焼室３５内にラジカルやイオンなどが増加する量に設定する。

ステップＳ２では、第一回目の燃料噴射による燃料が既燃ガスと反応して生成されたイオンから、点火プラグ１８を介してイオン電流を検出する。点火プラグ１８には、エンジン１００の運転中は常時、イオン電流を検出するための電圧がかかっているので、第一回目の燃料噴射の直後にイオン電流を検出し得るものである。

ステップＳ３では、検出したイオン電流が所定値を超えているか否かを判定する。検出したイオン電流が所定値を超えていると判定した場合は、ステップＳ４において第二回目の燃料噴射量を減らす補正を行う。これに対して、検出したイオン電流が所定値を超えていないと判定した場合は、ステップＳ５において第二回目の燃料噴射量を増やす補正を行う。

すなわち、第一回目と第二回目の合計の燃料量が、エンジン１００の運転状態に応じて要求される燃料噴射量となるものである。その中で、イオン電流を検出して、その検出したイオン電流に基づいて第一回目の噴射燃料の予反応の程度若しくは進行状態を、イオン電流に対する判定のための所定値により予測するものである。つまり、第一回目に噴射した燃料の予反応が進行しているほど、ラジカルやイオンの量が多いためにイオン電流は大きくなる。従って、第二回目の燃料噴射における燃料噴射量は、要求される燃料噴射量から第一回目の燃料噴射で噴射された燃料噴射量を減じた量を、イオン電流に基づいて予測した予反応の進行状態に応じて増減した量となる。このように、第二回目の燃料噴射の燃料量を増減することにより、ＨＣＣＩの着火性を制御するものである。

ステップＳ６では、補正した燃料噴射量により第二回目の燃料噴射を、例えば吸気行程において実施する。第二回目に噴射した燃料は、第一回目の燃料噴射における燃料が予反応しているために、吸入空気と混合しながら既燃ガス中のイオンやラジカルと反応し、同時に既燃ガスに加熱される。

このような構成において、ＨＣＣＩによる運転を始めると、排気行程と吸気行程との間で形成するＮＶＯで第一回目の燃料噴射を実施し（ステップＳ１）、吸気行程において第二回目の燃料噴射を実施する。この場合に、第二回目の燃料噴射における燃料噴射量は、一回目の燃料噴射における燃料の予反応の進行状態をイオン電流に基づいて予測し（ステップＳ２、ステップＳ３）、その予測結果により第二回目の燃料噴射量を増減する（ステップＳ４、ステップＳ５）。

従って、第二回目に噴射する燃料は、第一回目に噴射した燃料の予反応の進行状態に適した量となるので、混合気の加熱が適正なものとなり、燃料と吸入空気と既燃ガスとの反応が顕著に進む。その結果、ＨＣＣＩの着火精度を高めることができる。

なお、上述の実施形態においては、検出したイオン電流に基づいて、第二回目の燃料噴射における燃料噴射量を補正して増減することを説明したが、第二回目の燃料噴射の時期（以下、噴射時期と称する）を制御するものを、図３を交えて説明する。

この実施形態においては、上述の実施形態と同じに、第一回目の燃料噴射を実施し（ステップＳ１１）、イオン電流を検出し（ステップＳ１２）、検出したイオン電流が所定値を超えているかを判定する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３における判定結果に基づき、イオン電流が所定値を超えている場合はステップＳ１４を、超えていない場合はステップＳ１５を実行する。

ステップＳ１４では、第一回目の噴射における燃料の予反応が進行しているので、吸気行程における第二回目の燃料の噴射時期を遅角する、すなわち吸気行程の後半あるいは遅い時期に設定する。この結果、噴射された燃料は、ＮＯＶにおける高温の既燃ガスより低温のガス、つまり膨張、かつ吸気によって希釈されているガスと混合することで、ＨＣＣＩの着火を抑制し、よって適正な着火時期において着火して燃焼が開始する。

一方、ステップＳ１５では、第一回目の噴射における燃料の予反応が予想より遅れている、あるいは進行程度が低いので、吸気行程における第二回目の燃料の噴射時期を進角する、すなわち吸気行程の前半あるいは早い時期に設定する。この結果、噴射された燃料は、ＮＯＶにおける高温の既燃ガスが少ししか膨張せず、かつ吸気による希釈の少ない、比較的高温を維持したガスと混合するので、よってＨＣＣＩの着火が促進されて、適正な着火時期において着火して燃焼が開始する。

このように、第二回目の燃料噴射の噴射時期を制御することによっても、着火性を改善することができる。

この他の実施形態では、第二回目の燃料噴射を吸気行程で実施するものを説明したが、圧縮行程にて燃料を噴射するものに対して、噴射時期を制御するものを適用するものであってもよい。この場合は、噴射時期が着火タイミングに近くなるので、噴射時期に制御は、上述の他の実施形態とは逆になる。

すなわち、上述の他の実施形態におけるステップＳ１４では第二回目の燃料噴射の吸気行程における噴射時期を遅角したが、変形例では、圧縮行程における噴射時期は進角させる、つまり圧縮行程の前半あるいは早い時期に設定するものである。従って、噴射された燃料は、吸入空気及び既燃ガスと混合されて、圧縮によりその温度が上昇し、適正な着火タイミングで着火するものとなる。一方、上述の他の実施形態におけるステップＳ１５では第二回目の燃料噴射の吸気行程における噴射時期を進角したが、変形例では、圧縮行程における噴射時期は遅角させる、つまり圧縮行程の後半あるいは遅い時期に設定するものである。従って、噴射された燃料は、吸入空気及び既燃ガスが圧縮されて高温になった時点でそれらと比較的不均質に混合されて、着火性の高い濃度の混合気部分を形成することで適正な着火タイミングで着火するものとなる。

上述の実施形態と他の実施形態あるいは他の実施形態の変形例とを組み合わせて実施するものであってもよい。つまり、第二回目の燃料噴射の燃料噴射量を、検出したイオン電流に基づいて補正すると共に、その燃料噴射の時期を補正するものであってよい。

又、一回目の燃料噴射の後、複数回の燃料噴射を実施する、つまり第二回目及び第三回目などの燃料噴射を実施するものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両特には自動車に搭載される内燃機関において活用することができる。

５…インジェクタ
６…電子制御装置
７…中央演算装置
８…記憶装置
９…入力インターフェース
１０…出力インターフェース
３０…可変バルブタイミング機構

Claims (3)

1. 排気弁、吸気弁及び点火プラグを備えて、運転領域に応じて、火花着火と予混合圧縮自着火との一方を実施する気筒内燃料噴射式の内燃機関において、排気弁と吸気弁との両者が閉じている期間に第一回目の燃料噴射を実施し、
   第一回目の燃料噴射後の吸気行程及び／又は圧縮行程において少なくとも第二回目の燃料噴射を実施して着火時期を制御するものであり、
   第一回目の燃料噴射時にイオン電流を検出し、
   検出したイオン電流に基づいて第一回目の燃料噴射時の燃料と筒内気体との予反応の進行状態を予測し、
   予測結果に基づいて第二回目以降の燃料噴射の状態を補正する内燃機関の燃料噴射制御方法。
2. 検出したイオン電流が所定値より小さい場合には、予反応の進行が遅いと推測して、少なくとも第二回目の燃料噴射量を増量する請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御方法。
3. 検出したイオン電流が所定値より小さい場合には、予反応の進行が遅いと推測して、少なくとも第二回目の燃料噴射時期を変更する請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御方法。

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