JP2012132336A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多段噴射の前噴射に伴って発生する次噴射の実噴射量の変化を抑制して、安定した噴射精度を得る。
【解決手段】燃料噴射管４ａを通じて供給される燃料を燃焼室１８に噴射供給する燃料噴射弁４と、燃料噴射弁から一燃焼サイクル中に複数回燃料噴射を実行させる制御手段３０を備えた内燃機関１の燃料噴射制御装置において、制御手段３０は、内燃機関の定常運転時であって、燃料噴射弁による前噴射と次噴射の噴射期間を一定状態としたまま、前噴射と次噴射の噴射間隔αのみを強制的に変化させた次噴射間隔変動後の前記内燃機関の運転状態の変化に基づき前記燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて前記次噴射の噴射期間を変更する。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、詳しくは燃料を一燃焼サイクル中に複数回噴射する多段噴射の制御技術に関する。

燃焼室に高圧な燃料を噴射する内燃機関であるディーゼルエンジンでは、一燃焼サイクル中に複数回燃料を燃料噴射弁から噴射する多段噴射を行なうものがある。多段噴射を行なう場合、前噴射の噴射により燃料噴射管内の圧力脈動によって次噴射の実噴射量が変化してしまうことがある。そのため、噴射間隔による噴射期間の補正量を予め試験的に決めて実噴射量を補正するようにした構成や、特許文献１のように、先の燃料噴射に伴って発生する燃料の圧力の変動量に基づいて、次の燃料噴射量を補正するものが提案されている。

特許第３９６６２８１号公報

多段噴射を行なうディーゼルエンジンにおいて、前噴射の圧力脈動による噴射の実噴射量の変化を、予め設定された補正値に基づいて補正しても、実際の車両に搭載される燃料ポンプ、燃料噴射弁，配管等には個体差があるため、補正値が必ずしも最適であるとは限らず、より詳細な補正手法を確立して安定した実噴射量が得られることが要望されている。
本発明は、多段噴射の前噴射に伴って発生する次噴射の実噴射量の変化を抑制して、安定した噴射精度を得られる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを、その目的とする。

本発明は、燃料噴射管を通じて供給される燃料を燃焼室に噴射供給する燃料噴射弁と、燃料噴射弁から一燃焼サイクル中に複数回燃料噴射を実行させる制御手段を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、制御手段は、内燃機関の定常運転時であって、燃料噴射弁による前噴射と次噴射の噴射期間を一定状態としたまま、前噴射と次噴射の噴射間隔のみを強制的に変化させた次噴射間隔変動後の内燃機関の運転状態の変化に基づき燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて次噴射の噴射期間を変更することを特徴としている。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置において、内燃機関の運転状態の変化は内燃機関のトルク変化であり、内燃機関のトルク変化を検出するトルク変化検出手段を有し、制御手段は、次噴射の噴射間隔のみを強制的に変化させた後の、トルク変化検出手段により検出されるトルク変化に基づき燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて次噴射の噴射期間を補正することを特徴としている。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置において、トルク変化検出手段は内燃機関の排気温度を検出する排気温度検出手段であり、制御手段は、次噴射の噴射間隔のみを強制的に変化させた後の、排気温度算出手段により算出される排気温度変化量に基づき燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて前記次噴射の噴射期間を補正することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置において、トルク変化検出手段は内燃機関の空燃比変化を算出する空燃比変化算出手段であり、制御手段は、次噴射の噴射間隔のみを強制的に変化させた後の、空燃比変化算出手段により算出される空燃比変化量に基づき燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて次噴射の噴射期間を補正することを特徴としている。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置において、前噴射は、圧縮上死点近傍で燃料噴射を行なうメイン噴射であり、次噴射は、メイン噴射後に燃料噴射手段から燃料を噴射するアフタ噴射であることを特徴としている。

本発明によれば、内燃機関の定常運転時に、燃料噴射弁による前噴射と次噴射の噴射期間を一定状態としたまま、前噴射と次噴射の噴射間隔のみを強制的に変化させた次噴射間隔変動後の内燃機関の運転状態の変化に基づき燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて次噴射の噴射期間を変更するので、圧力変動に応じた推定値に基づいて次噴射の噴射期間、すなわち噴射量が調整され、多段噴射の前噴射に伴って発生する次噴射の実噴射量の変化を抑制でき、安定した噴射精度を得られる。

本発明に係る車両に搭載された本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置の概略構成図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う一の気筒の断面図である。 前噴射と次噴射との噴射パターンと噴射管圧力特性を示す図である。 次噴射となるアフタ噴射の間隔と運転状況を示すパラメータの変化の関係を示す図である。 燃料噴射制御装置による燃料噴射制御の第１の実施形態を示すフローチャートである。 燃料噴射制御装置による燃料噴射制御の第２の実施形態を示すフローチャートである。 燃料噴射制御装置による燃料噴射制御の第３の実施形態を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置について説明する。本形態において、内燃機関は筒内噴射自然着火式エンジンである４気筒直列のディーゼルエンジン１（以下、単に「エンジン１」と記す）とする。気筒数は４気筒に限定されるものではなく、直列ではなくＶ型であってもよい。図１はエンジン１の燃焼制御装置の概略構成図を示し、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う一気筒の概略断面図を示す。図１，図２において、エンジン１の燃料供給系は、例えばコモンレールシステムから構成されている。コモンレールシステムでは、各気筒に電磁開閉式の燃料噴射弁となるインジェクタ２が設けられている。これらインジェクタ２は燃料を安定的に高圧に保持するコモンレール４にそれぞれ燃料噴射管４ａを介して接続されている。このようなコモンレールシステムは公知であり、当該コモンレールシステムの構成の詳細についてはここでは説明を省略する。

各インジェクタ２は、制御手段となるＥＣＵ３０に接続されており、ＥＣＵ３０からの燃料噴射指令に基づいて高速で電磁弁を開閉し、コモンレール４内の高圧な燃料を所望のタイミングで各気筒の燃焼室１８に噴射可能に構成されている。本形態において、各インジェクタ２は、前噴射となる主燃焼用のメイン噴射の他に、メイン噴射の前に、燃焼促進等のためにメイン噴射時の噴射量よりも少量の燃料を燃焼室１８内に供給するプレ噴射と、メイン噴射の後に燃料を噴射して、ＮＯｘと煤のトレードオフを改善する周知の次噴射となるアフタ噴射の多段噴射を１燃焼サイクル中に実施可能に構成されている。

エンジン１の燃焼室１８内につながる吸気ポートには、吸気マニホールド６を介して吸気管８が接続されている。燃焼室１８内につながる排気ポートには、排気マニホールド１０を介して排気管１２が接続されている。排気管１２には排気後処理装置や消音器等が介装されるが、ここでは説明を省略する。排気マニホールド１０と吸気マニホールド６は、周知の排気再循環のための排気再循環通路１４で接続されている。排気再循環通路１４には、排気再循環量を調節するための電磁式の排気再循環弁１６が介装されている。この排気再循環弁１６は、ＥＣＵ３０はよってエンジン１の運転状態に応じてその開閉が制御されることで、排気再循環量を制御するように構成されている。

ＥＣＵ３０は、エンジン１の総合的な制御を行うための制御手段であり、コンピュータで構成されている。ＥＣＵ３０の入力側には、各種センサ類とともに、エンジン回転情報Ｎｅを検出する回転検出手段となるクランク角センサ４０、エンジン負荷情報θを検出する負荷検出手段となるアクセル開度センサ４１、エンジントルクを検出するトルク検出手段となるトルク検出センサ４３、燃焼室１８内から排気された排気温度Ｈｔを検出する温度検出手段となる排気温度センサ４３、エンジン１の空燃比を検出する空燃比検出手段となる空燃比センサ４４が接続されている。ＥＣＵ３０の出力側には、各種デバイスや排気再循環弁１６とともに、各インジェクタ２が接続されている。

ＥＣＵ３０の図示しないＲＯＭには、プレ噴射とメイン噴射の噴射時期と各噴射時の噴射期間（噴射量）、アフタ噴射時の基本噴射時期と噴射期間（基本アフタ噴射量）がエンジン回転情報Ｎｅと負荷情報θから得られるエンジン運転状態に応じてそれぞれ設定されている。ＥＣＵ３０の図示しないＲＯＭには、各インジェクタ２によるプレ噴射とメイン噴射の噴射時期と噴射期間を一定状態としたまま、機関個体差を検出するために、メイン噴射に対するアフタ噴射時期を強制的に変動させるとともに、エンジン１のアイドリングなどの定常運転時であって、アフタ噴射の噴射間隔αのみを強制的に変化させた後のエンジン１の運転状態の変化に基づき燃料噴射管４ａ内に圧力変動を推定し、当該推定値に基づいてアフタ噴射の噴射期間を変更する制御をルーチンが記憶されている。

図３は、インジェクタ２からの噴射パターンと噴射管圧力の変動を示す図である。ＥＣＵ３０は、プレ噴射とメイン噴射の噴射時期と噴射期間（噴射量）、アフタ噴射の噴射期間（基本アフタ噴射量）を一定としたまま、ここではアフタ噴射時期をα１、α２、α３と強制的に変化させる強制噴射パターンＰ１〜Ｐ３を備えていて、上記制御ルーチンが開始されて噴射間隔変更時に、強制噴射パターンＰ１〜Ｐ３を実行する。このように噴射パターンを変更し、そのときの噴射管圧力の変動幅を見ることで、エンジン１に搭載されているインジェクタ２や燃料噴射管４ａの個体差を検出している。ただ、１燃焼サイクル当たりの噴射管圧力変動を直接検出するのは難しいため、ここでは、噴射管圧力変動に相関するエンジン１の運転状態を示すパラメータの変化から噴射管圧力変動を推定し、その推定値に基づいてアフタ噴射の実噴射量推定し、当該実噴射量をエンジン運転状態に対応した噴射量となるように補正する。

図４は、アフタ噴射間隔αとエンジン運転状態を示すパラメータとの関係を示す図である。この制御では、メイン噴射に対するアフタ噴射間隔αを変化させると、空燃比、排気温度、トルクが変化し、その変化から実噴射量が変化することに着目し、実噴射量が少なくなるのは噴射管圧力が低く、噴射量が多くなるのは噴射管圧力が高いと推定するロジックとしている。
（第１の制御形態）
本形態において、エンジン１の運転状態の変化はエンジン１のトルク変化であるものとする。本形態にかかる燃料噴射制御装置は、図１に示すトルク変化を検出するトルク変化検出手段５１を有している。本形態に係るＥＣＵ３０は、アフタ噴射の噴射間隔αのみを強制的に変化させた後の、トルク変化検出手段５１により算出されるトルク変化量ΔＴに基づき燃料噴射管４ａ内に圧力変動を推定し、当該推定値に基づいてアフタ噴射の噴射期間を増減するように補正する。

以下、トルク変化量を用いた補正制御内容を、図５に示すフローチャートに沿って説明する。なお、アフタ噴射の基本噴射時期や基本噴射期間は、プレ噴射やメイン噴射の噴射時期と噴射期間を制御する図示しないメインルーチンによって制御されているものとする。この形態の場合、ＥＣＵ３０の図示しないＲＯＭには、所定値となる基準トルク変化量ΔＴ１が設定されている。

図５のステップＳＴ１では、エンジン回転数Ｎｅと負荷情報θとトルク情報Ｔなどの各種情報が、クランク角センサ４０、アクセル開度センサ４１、トルク検出センサ４２から読み込まれる。ステップＳＴ２では、エンジン回転数Ｎｅと負荷情報θとからアイドリングなどの定常運転であるか否かを判断し、定常運転でなければこの制御は終え、定常運転の場合にはステップＳＴ３に進む。

ステップＳＴ３では、強制噴射パターンＰ１〜Ｐ３を実行してアフタ噴射間隔αを間隔α１〜α３へと変更し、ステップＳＴ４において、噴射間隔変更後のトルク情報Ｔ１を読込む。ステップＳＴ５では、トルク変化量ΔＴをトルク算出手段５１で算出する。ここではトルク情報Ｔ１−トルク情報Ｔの差分でトルク変化量ΔＴを算出する。

ステップＳＴ６では、基準トルク変化量ΔＴ１とトルク変化量ΔＴを比較して、トルク変化量ΔＴ（噴射管圧力変動）が実噴射量に影響がある変化か否かを判断する。ここで、トルク変化量ΔＴ＞基準トルク変化量ΔＴ１でなければ、トルク変化量ΔＴは実噴射量に影響がないものとして、アフタ噴射の噴射期間の補正は行わない。トルク変化量ΔＴ＞基準トルク変化量ΔＴ１の場合には、トルク変化量ΔＴは実噴射量に影響があるものとして、ステップＳＴ７においてトルク変化量ΔＴに応じた補正量を算出し、次のアフタ噴射に対する噴射期間を補正する。
（第２の制御形態）
本形態において、エンジン１の運転状態の変化はエンジン１の排気温度変化であるものとする。本形態にかかる燃料噴射制御装置は、図１に示す排気温度変化を算出する排気温度変化算出手段５２を有している。本形態に係るＥＣＵ３０は、アフタ噴射の噴射間隔αのみを強制的に変化させた後の、排気温度変化算出手段５２により算出される排気温度変化量ΔＨｔに基づき燃料噴射管４ａ内に圧力変動を推定し、当該推定値に基づいてアフタ噴射の噴射期間を増減するように補正する。

以下、排気温度変化量を用いた補正制御内容を、図６に示すフローチャートに沿って説明する。なお、アフタ噴射の基本噴射時期や基本噴射期間は、プレ噴射やメイン噴射の噴射時期と噴射期間を制御する図示しないメインルーチンによって制御されているものとする。この形態の場合、ＥＣＵ３０の図示しないＲＯＭには、所定値となる基準温度変化量ΔＨｔ１が設定されている。

図６のステップＳＴ１１では、エンジン回転数Ｎｅと負荷情報θと排気温度情報Ｈｔなどの各種情報が、クランク角センサ４０、アクセル開度センサ４１、排気温度センサ４３から読み込まれる。ステップＳＴ１２では、エンジン回転数Ｎｅと負荷情報θとからアイドリングなどの定常運転であるか否かを判断する。定常運転でなければこの制御は終え、定常運転の場合にはステップＳＴ１３に進む。

ステップＳＴ１３では、強制噴射パターンＰ１〜Ｐ３を実行してアフタ噴射間隔αを間隔α１〜α３へと変更し、ステップＳＴ１４において、噴射間隔変更後の排気温度情報Ｈｔ１を読込む。ステップＳＴ１５では、排気温度変化量ΔＨｔを排気温度変化算出手段５１で算出する。ここでは排気温度情報Ｈｔ１−排気温度情報Ｈｔの差分で排気温度変化量ΔＨｔを算出する。

ステップＳＴ１６では、基準温度変化量ΔＨｔ１と排気温度変化量ΔＨｔを比較して、排気温度変化量ΔＨｔ（噴射管圧力変動）が実噴射量に影響がある変化か否かを判断する。ここで、排気温度変化量ΔＨｔ＞基準温度変化量ΔＨｔ１でなければ、排気温度変化量ΔＨｔは実噴射量に影響がないものとして、アフタ噴射の噴射期間の補正は行わない。排気温度変化量ΔＨｔ＞基準温度変化量ΔＨｔ１の場合には、排気温度変化量ΔＨｔは実噴射量に影響があるものとして、ステップＳＴ１７において排気温度変化量ΔＨｔに応じた補正量を算出し、次のアフタ噴射に対する噴射期間を補正する。
（第３の制御形態）
本形態において、エンジン１の運転状態の変化はエンジン１の空燃比変化であるものとする。本形態にかかる燃料噴射制御装置は、図１に示す空燃比変化量を算出する空燃比変化算出手段５３を有している。本形態に係るＥＣＵ３０は、アフタ噴射の噴射間隔αのみを強制的に変化させた後の、空燃比変化算出手段５３により算出される空燃比変化量ΔＡＦに基づき燃料噴射管４ａ内に圧力変動を推定し、当該推定値に基づいてアフタ噴射の噴射期間を増減するように補正する。

以下、空燃比変化量を用いた補正制御内容を、図７に示すフローチャートに沿って説明する。なお、アフタ噴射の基本噴射時期や基本噴射期間は、プレ噴射やメイン噴射の噴射時期と噴射期間を制御する図示しないメインルーチンによって制御されているものとする。この形態の場合、ＥＣＵ３０の図示しないＲＯＭには、所定値となる基準空燃比変化量ΔＡＦ１が設定されている。

図７のステップＳＴ２１では、エンジン回転数Ｎｅと負荷情報θと空燃比情報ＡＦなどの各種情報が、クランク角センサ４０、アクセル開度センサ４１、空燃比センサ４４から読み込まれる。ステップＳＴ２２では、エンジン回転数Ｎｅと負荷情報θとからアイドリングなどの定常運転であるか否かを判断する。定常運転でなければこの制御は終え、定常運転の場合にはステップＳＴ２３に進む。

ステップＳＴ２３では、強制噴射パターンＰ１〜Ｐ３を実行してアフタ噴射間隔αを間隔α１〜α３へと変更し、ステップＳＴ２４において、噴射間隔変更後の空燃比情報ＡＦ１を読込む。ステップＳＴ２５では、空燃比変化量ΔＡＦを空燃比変化算出手段５３で算出する。ここでは空燃比情報ＡＦ１−空燃比情報ＡＦの差分で空燃比変化量ΔＡＦを算出する。

ステップＳＴ２６では、基準空燃比変化量ΔＡＦ１と空燃比変化量ΔＡＦを比較して、空燃比変化量ΔＡＦ（噴射管圧力変動）が実噴射量に影響がある変化か否かを判断する。ここで、空燃比変化量ΔＡＦ＞基準空燃比変化量ΔＡＦ１でなければ、空燃比変化量ΔＡＦは実噴射量に影響がないものとして、アフタ噴射の噴射期間の補正は行わない。空燃比変化量ΔＡＦ＞基準空燃比変化量ΔＡＦ１の場合には、空燃比変化量ΔＡＦは実噴射量に影響があるものとして、ステップＳＴ２７において空燃比変化量ΔＡＦに応じた補正量を算出し、次のアフタ噴射に対する噴射期間を補正する。

このような各燃料噴射制御装置によると、エンジン１の定常運転時に、インジェクタ２によるプレ噴射及びメイン噴射の噴射時期と噴射期間、及びアフタ噴射の噴射期間（噴射量）を一定状態としてアフタ噴射の噴射間隔αのみを強制的に変化させた後の、トルク変化量ΔＴ、排気温度変化量ΔＨｔ、空燃比変化量ΔＡＦなどのエンジンの運転状態のパラメータの変化に基づき燃料噴射管４ａ内に圧力変動を推定し、当該推定値に基づいてアフタ噴射の噴射期間（基本アフタ噴射量）を変更する。つまり、メイン噴射とアフタ噴射との噴射間隔に応じてアフタ噴射時の噴射量が、圧力変動に応じた推定値に基づいて調整されるので、多段噴射のメイン噴射に伴って発生するアフタ噴射の実噴射量の変化を抑制でき、安定した噴射精度を得られる。

２ 燃料噴射弁
４ａ 燃料噴射管
１８ 燃焼室内
３０ 制御手段
５１ トルク変化検出手段
５２ 排気温度変化算出手段
５３ 空燃比変化算出手段
α 次噴射の噴射間隔
ΔＴ トルク変化量
ΔＨｔ 排気温度変化量
ΔＡＦ 空燃比変化量

Claims (5)

1. 燃料噴射管を通じて供給される燃料を燃焼室に噴射供給する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から一燃焼サイクル中に複数回燃料噴射を実行させる制御手段を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記制御手段は、前記内燃機関の定常運転時であって、前記燃料噴射弁による前噴射と次噴射の噴射期間を一定状態としたまま、前噴射と次噴射の噴射間隔のみを強制的に変化させた次噴射間隔変動後の前記内燃機関の運転状態の変化に基づき前記燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて前記次噴射の噴射期間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. 請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記内燃機関の運転状態の変化は内燃機関のトルク変化であり、
   前記内燃機関のトルク変化を検出するトルク変化検出手段を有し、
   前記制御手段は、次噴射の噴射間隔のみを強制的に変化させた後の、前記トルク変化検出手段により検出されるトルク変化に基づき前記燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて前記次噴射の噴射期間を補正することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 請求項２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記トルク変化検出手段は前記内燃機関の排気温度を検出する排気温度検出手段であり、
   前記制御手段は、次噴射の噴射間隔のみを強制的に変化させた後の、前記排気温度変化算出手段により算出される排気温度変化量に基づき前記燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて前記次噴射の噴射期間を補正することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 請求項２記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記トルク変化検出手段は前記内燃機関の空燃比変化を算出する空燃比変化算出手段であり、
   前記制御手段は、次噴射の噴射間隔のみを強制的に変化させた後の、前記空燃比変化算出手段により算出される空燃比変化量に基づき前記燃料噴射管内の圧力変動を推定し、当該推定値に基づいて前記次噴射の噴射期間を補正することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記前噴射は、圧縮上死点近傍で燃料噴射を行なうメイン噴射であり、前記次噴射は、前記メイン噴射後に前記燃料噴射手段から燃料を噴射するアフタ噴射であることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。

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