JP2017115579A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒に充填される混合気の空燃比の乱れの抑止と、運転者の操作に対する内燃機関の出力性能のレスポンスの向上との両立を図る。【解決手段】気筒に連なる吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関を制御するものであって、内燃機関の負荷の大きさに応じて燃料噴射時期を設定するとともに、内燃機関の負荷がある値から別の値に変動したことに起因して燃料噴射時期を前者に対応する時期から後者に対応する時期へと変化させる過渡期に、燃料噴射時期を急変させる処理と、燃料噴射時期を徐変させる処理とをともに実行する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、気筒に連なる吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関を制御する制御装置に関する。

ポート噴射式の内燃機関を運転するにあたり、現在のエンジン負荷に応じて燃料噴射時期を切り換えることが行われる。具体的には、アクセル開度が全開または全開に近い全負荷領域（Ｗｉｄｅ Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）において、気筒の排気上死点よりも後にインジェクタを開弁し、吸気バルブの開弁期間中に燃料を噴射することで気筒の燃焼室内温度を低下させる。これにより、ノッキングを惹起することなく点火タイミングを進角させることが可能となり、内燃機関の熱機械変換効率の向上に資する。一方、アクセル開度が全開でない部分負荷領域においては、気筒の排気上死点よりも前にインジェクタを開弁する。

エンジン負荷が変動したとき、直ちに燃料噴射時期をエンジン負荷に対応した時期に切り換えると、気筒に充填される混合気の空燃比が目標空燃比から逸脱するおそれがある。即ち、車両の運転者がアクセルペダルを強く踏み込み、要求負荷が部分負荷から全負荷に遷移する状況下で、即時に燃料噴射時期を遅らせると、燃料を充分に含まない空燃比リーンの混合気が気筒に吸引されるサイクルが発生し得る。また、運転者がアクセルペダルの踏み込みを緩め、要求負荷が全負荷から部分負荷に遷移する状況下で、即時に燃料噴射時期を早めると、吸気ポート内に残留していた燃料に新たに噴射された燃料が合わさった空燃比リッチの混合気が気筒に吸引されるサイクルが発生し得る。

このような空燃比の乱れを抑止するためには、燃料噴射時期を、エンジン負荷に応じたタイミングに向けて単位時間あたり所定量ずつ変化させる、つまりは燃料噴射時期を徐変させることが考えられる（例えば、下記特許文献を参照）。

特開平１１−０６２６１１号公報

しかしながら、単純に燃料噴射時期を徐変させると、運転者の操作に対するレスポンスが遅れてもたつき感を生む可能性がある。例えば、運転者がアクセルペダルを強く踏み込んだときに、燃料噴射時期を徐々に遅角してゆくこととすると、その間は点火タイミングの進角化が妨げられ、内燃機関の出力の増大が抑制されることになる。

以上の問題に着目してなされた本発明は、気筒に充填される混合気の空燃比の乱れの抑止と、運転者の操作に対する内燃機関の出力性能のレスポンスの向上との両立を図ることを所期の目的としている。

本発明では、気筒に連なる吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関を制御するものであって、内燃機関の負荷の大きさに応じて燃料噴射時期を設定するとともに、内燃機関の負荷がある値から別の値に変動したことに起因して燃料噴射時期を前者に対応する時期から後者に対応する時期へと変化させる過渡期に、燃料噴射時期を急変させる処理と、燃料噴射時期を徐変させる処理とをともに実行する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、気筒に充填される混合気の空燃比の乱れの抑止と、運転者の操作に対する内燃機関の出力性能のレスポンスの向上との両立を図り得る。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の燃料噴射時期について説明するタイミング図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する燃料噴射時期の制御の内容を示すタイミング図。 従来の内燃機関の燃料噴射時期の制御の内容を示すタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

外部ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関には、各気筒１の吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構６が付随している。ＶＶＴ機構６は、各気筒１の吸気バルブを駆動する吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させる既知の電動式のもの（モータドライブＶＶＴ）である。周知の通り、内燃機関の吸気カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転駆動力の供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトと吸気カムシャフトとの間には、回転駆動力を伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、吸気カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構６は、吸気カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブの開閉タイミングを変更する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、気筒１に連なる吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、排気通路４を流れる排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサから出力される空燃比信号ｇ、気筒１を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサから出力される振動信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、イグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構６に対して吸気バルブタイミングの制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、吸気バルブの開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、気筒１に充填される吸気（新気）の量に見合った基本噴射量ＴＰを決定する。次いで、この基本噴射量ＴＰを、触媒４１に流入する排気ガスの空燃比と目標空燃比との偏差に基づいて定まるフィードバック補正係数ＦＡＦで補正する。目標空燃比は、通常、理論空燃比またはその近傍である。さらに、内燃機関の状況に応じて定まる各種補正係数Ｋやインジェクタ１１の無効噴射時間ＴＡＵＶをも加味して、最終的な燃料噴射時間（インジェクタ１１に対する通電時間）Ｔを算定する。燃料噴射時間Ｔは、
Ｔ＝ＴＰ×ＦＡＦ×Ｋ＋ＴＡＵＶ
となる。そして、燃料噴射時間Ｔだけインジェクタ１１に信号ｊを入力、インジェクタ１１を開弁して燃料を噴射させる。

また、ＥＣＵ０は、ノックセンサが出力する振動信号ｈを参照して、各気筒１の膨張行程でのノッキングの発生の有無を判定し、その判定結果に応じた点火タイミングの調整を行う（いわゆるノックコントロールシステム）。即ち、ＥＣＵ０は、振動信号ｈの現在のサンプリング値（現在の振動の強度）をノック判定値と比較し、前者が後者を上回ったならば、当該気筒１にてノッキングが起こったと判定する。逆に、振動信号ｈのサンプリング値がノック判定値以下であるならば、当該気筒１にてノッキングは起こっていないと判定する。その上で、ＥＣＵ０は、気筒１におけるノッキングの発生を感知した場合、以後ノッキングが起こらなくなるまで点火タイミングを徐々に遅角させる。翻って、ノッキングの発生を感知していない場合には、ノッキングが起こらない限りにおいて点火タイミングを徐々に進角させる。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、インジェクタ１１から吸気ポートに向けて燃料を噴射する時期、換言すればインジェクタ１１を開弁する時期を、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，エンジン負荷］、及び、吸気バルブと排気バルブとがともに開弁する期間の長さであるバルブオーバラップ量（または、吸気バルブタイミング、内部ＥＧＲ量）等に応じて設定する。

原則としては、アクセル開度が大きく内燃機関に対する要求負荷が高いときに燃料噴射時期を遅らせ、アクセル開度が小さく内燃機関に対する要求負荷が低いときに燃料噴射時期を早める。より具体的には、図２に示すように、アクセル開度が全開または全開に近い全負荷運転領域において、対象の気筒１の排気上死点よりもかなり遅い（さらには、吸気下死点よりも遅い）タイミング、例えば排気上死点後２００°ＣＡ（クランク角度）のタイミングｔ２を燃料噴射の終期即ちインジェクタ１１の閉弁タイミングとし、この閉弁タイミングｔ２から上述の燃料噴射時間Ｔの分だけ遡ったタイミングｔ１を燃料噴射の始期即ちインジェクタ１１の開弁タイミングとする。これにより、当該気筒１の吸気行程中、吸気バルブが開弁している間にインジェクタ１１から気筒１の燃焼室に向けて直接的に燃料を噴射でき、燃焼室内温度を低下させてノッキングの発生リスクを低減することができる。ノッキングの頻度が低下すれば、点火タイミングを進角させてＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）に近づけることが可能となり、内燃機関の熱機械変換効率が向上して内燃機関の出力がより増大する。

他方、アクセル開度が全開でない部分負荷運転領域においては、対象の気筒１の排気上死点の直後のタイミング、例えば排気上死点後３０°ＣＡのタイミングｔ４をインジェクタ１１の閉弁タイミングとし、この閉弁タイミングｔ４から燃料噴射時間Ｔの分だけ遡ったタイミングｔ３をインジェクタ１１の開弁タイミングとする。この結果、吸気バルブの開弁に先んじて燃料の噴射を開始することとなり、吸気ポートにおいて吸気と燃料とを十分に混交してから気筒１の燃焼室に吸引することができ、混合気の燃焼の安定性が向上する。

以上に加えて、最適な燃料噴射時期は、そのときのエンジン回転数やバルブオーバラップ量等によっても変わってくる。ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数、エンジン負荷及びバルブオーバラップ量等と、インジェクタ１１の閉弁タイミングとの関係を規定したマップデータが格納されている。燃料噴射時期を制御するＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数、エンジン負荷及びバルブオーバラップ量等をキーとして当該マップを検索し、設定するべきインジェクタ１１の閉弁タイミングを知得する。

ところで、内燃機関に対する要求負荷が変動したときに、燃料噴射時期を即時にその要求負荷に対応するタイミングに切り換えると、気筒１に充填される混合気の空燃比が目標空燃比から逸脱してリーンまたはリッチになることがある。例えば、図４に示すように、車両の運転者がアクセルペダルを強く踏み込み、要求負荷が部分負荷から全負荷に遷移した時点ＴＯで、即座にインジェクタ１１の閉弁タイミングを排気上死点後３０°ＣＡから排気上死点後２００°ＣＡに切り換えた場合、燃料を充分に含まない空燃比リーンの混合気が気筒１に吸引されるサイクルが発生し得る。

また、運転者がアクセルペダルの踏み込みを緩め、要求負荷が全負荷から部分負荷に遷移した時点ＴＣで、即座にインジェクタ１１の閉弁タイミングを排気上死点後２００°ＣＡから排気上死点後３０°ＣＡに切り換えた場合、吸気ポート内に残留していた燃料に新たに噴射された燃料が合わさった空燃比リッチの混合気が気筒１に吸引されるサイクルが発生し得る。このような混合気の空燃比の乱れは、内燃機関のエミッションの悪化やノッキングの誘発につながるため、決して好ましくない。

空燃比の乱れを防止するためには、内燃機関の負荷が変動するときに燃料噴射時期を急変させず、変動する負荷に対応したタイミングに向けて徐々に遅角または進角させればよい。だが、単純に燃料噴射時期を徐変させるのみであると、運転者が所望する内燃機関の出力性能を速やかに達成することができない懸念がある。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の負荷がある値から別の値に変動したことに起因して、燃料噴射時期を前者に対応する時期から後者に対応する時期へと変化させる過渡期に、燃料噴射時期を急変させる処理と、燃料噴射時期を徐変させる処理とを相次いで実行する。

即ち、図３に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の負荷が部分負荷から全負荷または全負荷に近い高負荷に遷移する時点ＴＯ以降、まず、インジェクタ１１の閉弁タイミングを、部分負荷に対応したタイミングＡから所定のスキップ量Ａ１だけ即時的に遅角する。しかる後、インジェクタ１１の閉弁タイミングを単位クランク角度または単位時間あたり所定量Ａ２ずつ遅角する徐変期間を設ける。さらにその後、インジェクタ１１の閉弁タイミングを、所定のスキップ量Ａ３だけ遅角することにより、全負荷または全負荷に近い高負荷に対応したタイミングＡ’まで変化させる。

インジェクタ１１の閉弁タイミングのスキップ量（遅角量）Ａ１、Ａ３は、原則として、徐変期間におけるインジェクタ１１の閉弁タイミングの単位クランク角度または単位時間あたりの変化量（遅角量）Ａ２よりも大きい。但し、内燃機関の負荷に対応したインジェクタ１１の閉弁タイミングＡ、Ａ’と同様に、最適なスキップ量Ａ１、Ａ３及び徐変速度Ａ２もまた、現在の内燃機関の運転領域及びバルブオーバラップ量等による影響を受ける。運転領域やバルブオーバラップ量如何によっては、スキップ量Ａ１またはスキップ量Ａ３の何れかが、単位クランク角度または単位時間あたりの変化量Ａ２よりも小さくなることがある。さらには、スキップ量Ａ１またはスキップ量Ａ３の何れか一方が０となることもあり得る。

並びに、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の負荷が全負荷または全負荷に近い高負荷から部分負荷に遷移する時点ＴＣ以降、まず、インジェクタ１１の閉弁タイミングを、全負荷または全負荷に近い高負荷に対応したタイミングＡ’から所定のスキップ量Ａ４だけ即時的に進角する。しかる後、インジェクタ１１の閉弁タイミングを単位クランク角度または単位時間あたり所定量Ａ５ずつ進角する徐変期間を設ける。さらにその後、インジェクタ１１の閉弁タイミングを、所定のスキップ量Ａ６だけ進角することにより、部分負荷に対応したタイミングＡまで変化させる。

インジェクタ１１の閉弁タイミングのスキップ量（進角量）Ａ４、Ａ６は、原則として、徐変期間におけるインジェクタ１１の閉弁タイミングの単位クランク角度または単位時間あたりの変化量（進角量）Ａ５よりも大きい。但し、最適なスキップ量Ａ４、Ａ６及び徐変速度Ａ５もまた、現在の内燃機関の運転領域及びバルブオーバラップ量等による影響を受ける。運転領域やバルブオーバラップ量如何によっては、スキップ量Ａ４またはスキップ量Ａ６の何れかが、単位クランク角度または単位時間あたりの変化量Ａ５よりも小さくなることがある。さらには、スキップ量Ａ４またはスキップ量Ａ６の何れか一方が０となることもあり得る。図３中に鎖線で描画しているように、特定のエンジン回転数域では、要求負荷が低下した時点ＴＣ直後のスキップ量Ａ４を０とすることがある。

ＥＣＵ０のメモリには予め、エンジン回転数、エンジン負荷及びバルブオーバラップ量等と、上述のスキップ量Ａ１、Ａ３、Ａ４、Ａ６及び徐変速度Ａ２、Ａ４との関係を規定したマップデータが格納されている。燃料噴射時期を制御するＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数、エンジン負荷及びバルブオーバラップ量等をキーとして当該マップを検索し、インジェクタ１１の閉弁タイミングを要求負荷に対応するタイミングＡ、Ａ’に向けて変化させる際のスキップ量Ａ１、Ａ３、Ａ４、Ａ６及び徐変速度Ａ２、Ａ４を知得する。

本実施形態では、気筒１に連なる吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関を制御するものであって、内燃機関の負荷の大きさに応じて燃料噴射時期を設定するとともに、内燃機関の負荷がある値から別の値に変動したことに起因して燃料噴射時期を前者に対応する時期Ａ、Ａ’から後者に対応する時期Ａ’、Ａへと変化させる過渡期に、燃料噴射時期を急変させる（スキップ量Ａ１、Ａ３、Ａ４、Ａ６によるスキップ）処理と、燃料噴射時期を徐変させる（徐変速度Ａ２、Ａ４による徐変）処理とをともに実行する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の運転領域やバルブオーバラップ量等に応じたスキップ量Ａ１、Ａ３、Ａ４、Ａ６及び徐変速度Ａ２、Ａ４を最適化することで、運転者の操作に対する内燃機関の出力性能のレスポンスを損なうことなく、気筒１に充填される混合気の空燃比の乱れを抑制することができる。ひいては、ドライバビリティの向上とエミッションの良化との両立を実現できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成や処理の手順等は、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、車両等に搭載される内燃機関の制御に用いることができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
３２…スロットルバルブ
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｊ…燃料噴射信号
ｍ…吸気バルブタイミングの制御信号

Claims (1)

1. 気筒に連なる吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関を制御するものであって、
   内燃機関の負荷の大きさに応じて燃料噴射時期を設定するとともに、
   内燃機関の負荷がある値から別の値に変動したことに起因して燃料噴射時期を前者に対応する時期から後者に対応する時期へと変化させる過渡期に、燃料噴射時期を急変させる処理と、燃料噴射時期を徐変させる処理とをともに実行する内燃機関の制御装置。

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