JP2018115621A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分割噴射処理の実施中に燃焼室内での混合気の燃焼が不安定になってしまうことを抑制できる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の燃料噴射制御装置である制御装置５０は、一回の燃焼サイクルでの筒内噴射弁１４による燃料噴射を複数回に分割する分割噴射処理を実施する噴射制御部５２と、分割噴射処理が実施されているときに、一回の燃焼サイクルにおける何れの分割噴射での燃料噴射量が下限を下回らないように分割回数を決定する回数決定部５１とを備える。回数決定部５１は、分割噴射処理が実施されている期間中では、分割回数の減少は許容する一方で、分割回数の増大は禁止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射弁を備える内燃機関に適用される内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

この種の内燃機関の燃料噴射制御装置として、一回の燃焼サイクルでの筒内噴射弁による燃料噴射を複数回に分割する分割噴射処理を実施する装置が知られている。このように分割して行われる燃料噴射の各々のことを分割噴射ともいう。特許文献１に記載の燃料噴射制御装置では、機関出力軸の回転速度が低いほど長い値に噴射可能期間を設定し、全ての分割噴射を同噴射可能期間内で完了させるようにしている。

ところで、機関出力軸の回転速度が高くなると、噴射可能期間が短くなる。そして、このような噴射可能期間の短縮によって、全ての分割噴射を噴射可能期間内で完了させることができなくなると、一回の燃焼サイクルでの要求噴射量分の燃料を燃焼室内に供給できなくなってしまう。そこで、特許文献１に記載の燃料噴射制御装置では、噴射可能期間が短いほど一回の燃料サイクルでの分割噴射の回数である分割回数を少なくすることで、全ての分割噴射を当該噴射可能期間内で完了させることができるようにしている。

特開２０１１−１０６３５０号公報

機関出力軸の回転速度が増減している場合、噴射可能期間もまた長くなったり短くなったりする。特許文献１に記載の燃料噴射制御装置では、このように噴射可能期間が変動しているときには、上記の分割回数の増減が繰り返され、燃焼室内での混合気の燃焼が不安定になるおそれがある。

上記課題を解決するための内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、を備える内燃機関に適用される。この燃料噴射制御装置は、一回の燃焼サイクルでの筒内噴射弁による燃料噴射を複数回に分割して行わせる分割噴射処理を実施する噴射制御部と、分割して行われる燃料噴射のことを分割噴射とした場合、分割噴射処理が実施されているときには、何れの分割噴射での燃料噴射量が、筒内噴射弁に対して設定されている燃料噴射量の下限を下回らないように、一回の燃焼サイクルでの分割噴射の回数である分割回数を決定する回数決定部と、を備えている。そして、噴射制御部は、分割噴射処理では、回数決定部によって決定された分割回数分の分割噴射を、一回の燃焼サイクル内で行わせる。また、回数決定部は、分割噴射処理が実施されている期間中では、一回の燃焼サイクルでの分割回数の減少は許容する一方で、当該分割回数の増大は禁止する。

少なくとも一回の分割噴射での燃料噴射量が下限を下回ってしまうと、一回の燃焼サイクルでの燃料噴射量の総量と要求噴射量との乖離が生じてしまう。ここでいう「要求噴射量」とは、一回の燃焼サイクルで燃焼室内に供給すべきと設定された燃料供給量のことである。

そこで、上記構成では、一回の燃焼サイクルにおける何れの分割噴射での燃料噴射量が下限を下回らないように、一回の燃焼サイクルでの分割回数が決定される。そのため、前回の燃焼サイクルでの分割回数を維持すると仮定した場合、次回の燃焼サイクルで実施される各分割噴射のうち、少なくとも一回の分割噴射で燃料噴射量が下限を下回ると判断できるときには、次回の燃焼サイクルでの分割回数が、前回の燃焼サイクルのときよりも減少される。これにより、一回の燃焼サイクルでの燃料噴射量の総量と要求噴射量との乖離を抑制することができる。

一方、分割噴射処理の実施中にこのように分割回数を少なくした場合、分割回数を減少させてから当該分割噴射処理の実施終了までの間で、分割回数が増大されない。そのため、分割噴射処理の実施中で分割回数の増減が繰り返されることがなくなる。したがって、分割噴射処理の実施中では、燃焼室内での混合気の燃焼が不安定になってしまうことを抑制できる。

内燃機関の燃料噴射制御装置の一実施形態である制御装置の機能構成と、同制御装置を備える内燃機関の概略構成とを示す図。 同内燃機関における筒内噴射弁への通電時間と燃料噴射量との関係を示すグラフ。 機関冷却水と噴射パターンとの関係を示すテーブル。 同制御装置の回数決定部が実行する処理ルーチンを説明するフローチャート。 内燃機関の燃料噴射制御装置の別の実施形態である制御装置と、同制御装置を備える内燃機関の概略とを示す構成図。

以下、内燃機関の燃料噴射制御装置の一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１には、本実施形態の燃料噴射制御装置としての制御装置５０を備える内燃機関１０が図示されている。図１に示すように、内燃機関１０は複数（図１では１つのみを図示）の気筒１１を有しており、気筒１１内におけるピストン１２よりも上方域は、燃料を含む混合気が燃焼される燃焼室１３となっている。また、内燃機関１０には、燃焼室１３内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁１４と、混合気に対して点火を行う点火プラグ１５とが設けられている。燃焼室１３には吸気通路１６及び排気通路１７が接続されており、吸気通路１６の燃焼室１３に対する開閉は吸気バルブ１８によって行われ、排気通路１７の燃焼室１３に対する開閉は排気バルブ１９によって行われるようになっている。

筒内噴射弁１４は、通電することによって開弁する電磁式の噴射弁であり、フルリフト噴射（以下、「Ｆ／Ｌ噴射」という。）と、パーシャルリフト噴射（以下、「Ｐ／Ｌ噴射」という。）とを実行可能である。Ｆ／Ｌ噴射は、筒内噴射弁１４の弁体が全開位置まで変位した後に通電を停止して燃料噴射を停止する噴射形態である一方、Ｐ／Ｌ噴射は、筒内噴射弁１４の弁体が全開位置まで変位するよりも前に通電を停止して燃料噴射を停止する噴射形態である。

また、図２に示すように、筒内噴射弁１４の燃料噴射量Ｑｆは、筒内噴射弁１４の電磁ソレノイドへの通電時間ＴＭが長いほど多くなる。図２において、第１の通電時間ＴＭ１は、弁体の開弁時間を適切に制御可能な最小の通電時間ＴＭのことであり、第２の通電時間ＴＭ２は、電磁ソレノイドへの通電を開始してから弁体が全開位置に達するまでの通電時間ＴＭのことである。そして、Ｐ／Ｌ噴射は、通電時間ＴＭを第２の通電時間ＴＭ２未満の時間に設定した場合の燃料噴射であり、Ｆ／Ｌ噴射は、通電時間ＴＭを第２の通電時間ＴＭ２以上に設定した場合の燃料噴射であるということができる。

なお、内燃機関１０では、筒内噴射弁１４に供給する燃料の圧力であるデリバリ燃圧を適宜変更することができる。そのため、筒内噴射弁１４への通電時間ＴＭが一定であっても、デリバリ燃圧が高いほど、筒内噴射弁１４の燃料噴射量Ｑｆは多くなる。すなわち、図２に示す最小噴射量Ｑｆｍｉｎは、通電時間ＴＭを第１の通電時間ＴＭ１と等しくした場合における燃料噴射量Ｑｆのことであるが、デリバリ燃圧によって変わる値である。また、図２に示す実線の傾きもまたデリバリ燃圧によって変わる。

ところで、筒内噴射弁１４への通電時間ＴＭを第１の通電時間ＴＭ１未満に設定しても、筒内噴射弁１４から燃料を噴射することができることもある。しかし、この場合、開弁時間を適切に制御することができないため、筒内噴射弁１４の燃料噴射量を適切に制御することが困難である。そのため、本実施形態では、通電時間ＴＭが第１の通電時間ＴＭ１未満となる通電時間の領域のことを、「極小通電領域Ｒ１」という。

また、筒内噴射弁１４にあっては、弁体が全開位置まで達した直後では弁体が振動しており、燃料噴射量が不安定になりやすい。そして、Ｆ／Ｌ噴射によって燃料噴射量Ｑｆを高精度に制御することのできる通電時間ＴＭの下限を第３の通電時間ＴＭ３とした場合、通電時間ＴＭが第２の通電時間ＴＭ２以上且つ第３の通電時間ＴＭ３未満の通電時間の領域のことを、「バウンス領域Ｒ２」という。なお、筒内噴射弁１４への通電時間ＴＭがバウンス領域Ｒ２に含まれている場合、筒内噴射弁１４の燃料噴射量Ｑｆが要求噴射量から乖離するおそれがある。

これに対し、筒内噴射弁１４への通電時間ＴＭが第１の通電時間ＴＭ１以上であって且つ第２の通電時間ＴＭ２未満となるＰ／Ｌ噴射領域Ｒｐｌ、及び、通電時間ＴＭが第３の通電時間ＴＭ３以上となるＦ／Ｌ噴射領域Ｒｆｌの双方は、上記の極小通電領域Ｒ１やバウンス領域Ｒ２よりも燃料噴射量Ｑｆの制御性の高い領域であるということができる。したがって、本実施形態では、Ｐ／Ｌ噴射を筒内噴射弁１４に行わせるときには、最小噴射量Ｑｆｍｉｎが、筒内噴射弁１４に対して設定されている燃料噴射量の下限に相当する。また、通電時間ＴＭが第３の通電時間ＴＭ３と等しいときの燃料噴射量ＱｆをＦ／Ｌ時最小噴射量ＱｆｍｉｎＦｌとした場合、Ｆ／Ｌ噴射を筒内噴射弁１４に行わせるときには、Ｆ／Ｌ時最小噴射量ＱｆｍｉｎＦｌが、筒内噴射弁１４に対して設定されている燃料噴射量の下限に相当する。

図１に示すように、制御装置５０には、クランクセンサ１０１、エアフローメータ１０２、水温センサ１０３及び燃圧センサ１０４などの各種の検出系が電気的に接続されている。クランクセンサ１０１はクランク軸の回転速度である機関回転速度ＮＥを検出し、エアフローメータ１０２は吸気通路１６から燃焼室１３に導入される吸入吸気の量である吸入空気量を検出する。また、水温センサ１０３は内燃機関１０内を流れる機関冷却水の温度である水温ＴＭＰを検出し、燃圧センサ１０４は上記デリバリ燃圧を検出する。そして、これら各種検出系によって検出された情報に基づき、制御装置５０によって各種の制御が実施されるようになっている。

本実施形態では、機関始動時や排気通路１７内に設けられている触媒を急速に暖める触媒暖機時に燃焼室１３で成層燃焼を行わせることがある。ここでいう「機関始動時」とは、クランキング動作の開始時点から内燃機関１０が完爆する時点までの期間のことである。

成層燃焼は、燃焼室１３における点火プラグ１５の近傍に燃料の濃度の高い層を形成することで、極めてリーンな状態での燃焼を実現するものである。そして、内燃機関１０では、圧縮行程中の気筒１１内、すなわち燃焼室１３に対し、筒内噴射弁１４による燃料噴射を複数回に分割して行うことで成層燃焼を実現することができる。なお、圧縮行程中で複数回に分割して行われる筒内噴射弁１４による燃料噴射の各々のことを、「分割噴射」ともいう。

図１に示すように、制御装置５０は、一回の燃焼サイクルでの筒内噴射弁１４による燃料噴射を複数回に分割して行わせるための機能部として、回数決定部５１及び噴射制御部５２を有している。回数決定部５１は、一回の燃焼サイクルで燃料噴射を複数回に分割する場合、一回の燃焼サイクルでの分割噴射の実施回数である分割回数Ｎの決定を行う。すなわち、回数決定部５１は、一回の燃焼サイクルにおける何れの分割噴射での燃料噴射量Ｑｆが、筒内噴射弁１４に対して設定されている燃料噴射量Ｑｆの下限を下回らないように、分割回数Ｎを決定する。また、回数決定部５１は、分割回数Ｎの決定に加え、各分割噴射の燃料噴射量Ｑｆの算出も行ってる。

噴射制御部５２は、機関始動時や触媒暖機時には、回数決定部５１による決定結果（分割回数Ｎ及び燃料噴射量Ｑｆ）に基づき、一回の燃焼サイクルで、複数回の分割噴射を行わせる分割噴射処理を実施する。

なお、図３には、分割噴射処理の実施に先立って用いられるテーブルの一例が図示されている。図３における「ＤＩ」とは、筒内噴射弁１４による燃料噴射のことである。図３に示すように、分割回数Ｎや筒内噴射弁１４の噴射形態を含む噴射パターンは、水温センサ１０３によって検出されている機関冷却水の水温ＴＭＰによって決まる。具体的には、第１の噴射パターンは、水温ＴＭＰが第１の判定水温ＴＭＰＴｈ１未満であるときに選択されるパターンである。水温ＴＭＰが第１の判定水温ＴＭＰＴｈ１未満である場合、水温ＴＭＰが極めて低いために、成層燃焼を燃焼室１３で行わせることは困難であると判断できる。そのため、第１の噴射パターンが選択された場合、分割回数Ｎが「４」と等しくされ、且つ、一回の燃焼サイクルでの４回の分割噴射の全てが吸気行程中に行われることとなる。

その一方で、水温ＴＭＰが第１の判定水温ＴＭＰＴｈ１以上である場合、成層燃焼を燃焼室１３で行わせることは可能である。すなわち、第２の噴射パターンは、水温ＴＭＰが第１の判定水温ＴＭＰＴｈ１以上であり、且つ、水温ＴＭＰが第１の判定水温ＴＭＰＴｈ１よりも高い第２の判定水温ＴＭＰＴｈ２未満であるときに選択されるパターンである。この第２の噴射パターンが選択された場合、分割回数Ｎが「３」と等しくされ、一回の燃焼サイクルでの３回の分割噴射の全てが圧縮行程中に行われることとなる。さらに、水温ＴＭＰが第１の判定水温ＴＭＰＴｈ１以上であり、且つ、水温ＴＭＰが第２の判定水温ＴＭＰＴｈ２未満である場合、一回の燃焼サイクルで噴射が要求される燃料の量である要求噴射量が比較的多いため、３回の分割噴射が全てＦ／Ｌ噴射に決定される。

また、第３の噴射パターンは、水温ＴＭＰが第２の判定水温ＴＭＰＴｈ２以上であり、且つ、水温ＴＭＰが第２の判定水温ＴＭＰＴｈ２よりも高い第３の判定水温ＴＭＰＴｈ３未満であるときに選択されるパターンである。この第３の噴射パターンが選択された場合、分割回数Ｎが「３」と等しくされ、一回の燃焼サイクルでの３回の分割噴射の全てが圧縮行程中に行われることとなる。さらに、水温ＴＭＰが第２の判定水温ＴＭＰＴｈ２以上であり、且つ、水温ＴＭＰが第３の判定水温ＴＭＰＴｈ３未満である場合、一回の燃焼サイクルでの要求噴射量が、水温ＴＭＰが第２の判定水温ＴＭＰＴｈ２未満であるときよりも少ない。そのため、３回の分割噴射のうち、１回目の分割噴射と２回目の分割噴射がＦ／Ｌ噴射に決定され、３回目の分割噴射がＰ／Ｌ噴射に決定される。

また、第４の噴射パターンは、水温ＴＭＰが第３の判定水温ＴＭＰＴｈ３以上であり、且つ、水温ＴＭＰが第３の判定水温ＴＭＰＴｈ３よりも高い第４の判定水温ＴＭＰＴｈ４未満であるときに選択されるパターンである。この第４の噴射パターンが選択された場合、分割回数Ｎが「３」と等しくされ、一回の燃焼サイクルでの３回の分割噴射の全てが圧縮行程中に行われることとなる。さらに、水温ＴＭＰが第３の判定水温ＴＭＰＴｈ３以上であり、且つ、水温ＴＭＰが第４の判定水温ＴＭＰＴｈ４未満である場合、一回の燃焼サイクルでの要求噴射量が、水温ＴＭＰが第３の判定水温ＴＭＰＴｈ３未満であるときよりも少ない。そのため、３回の分割噴射のうち、１回目の分割噴射がＦ／Ｌ噴射に決定され、２回目の分割噴射と３回目の分割噴射とがＰ／Ｌ噴射に決定される。

また、第５の噴射パターンは、水温ＴＭＰが第４の判定水温ＴＭＰＴｈ４以上である場合に選択されるパターンである。この第５の噴射パターンが選択された場合、分割回数Ｎが「２」と等しくされ、一回の燃焼サイクルでの２回の分割噴射の全てが圧縮行程中に行われることとなる。

次に、図４を参照し、噴射制御部５２が分割噴射処理の実施を開始するに先立って回数決定部５１による実行が開始される処理ルーチンについて説明する。
図４に示すように、本処理ルーチンにおいて、回数決定部５１は、図３を用いて説明したテーブルを用い、分割噴射処理の開始時における水温ＴＭＰに応じた噴射パターンを決定する（ステップＳ１１）。噴射パターンの決定によって取得された分割回数Ｎのことを基準分割回数Ｎｂというものとする。また、ステップＳ１１では、回数決定部５１は、機関回転速度ＮＥや水温ＴＭＰを基に、一回の燃焼サイクルでの要求噴射量を算出し、各分割噴射の燃料噴射量Ｑｆを算出する。続いて、回数決定部５１は、後述する履歴フラグＦＬＧにオフがセットされているか否かを判定する（ステップＳ１２）。履歴フラグＦＬＧにオンがセットされている場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、回数決定部５１は、その処理を後述するステップＳ１５に移行する。

一方、履歴フラグＦＬＧにオフがセットされている場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、回数決定部５１は、一回の燃焼サイクルでの各分割噴射のうち、燃料噴射量Ｑｆが下限未満となる分割噴射があるか否かを判定する（ステップＳ１３）。Ｐ／Ｌ噴射となる分割噴射に対しては、その燃料噴射量Ｑｆが最小噴射量Ｑｆｍｉｎ（図２参照）未満となるか否かが判定される。また、Ｆ／Ｌ噴射となる分割噴射に対しては、その燃料噴射量ＱｆがＦ／Ｌ時最小噴射量ＱｆｍｉｎＦｌ（図２参照）未満となるか否かが判定される。

そして、何れの分割噴射においても燃料噴射量Ｑｆが下限以上となる場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、回数決定部５１は、分割回数Ｎを基準分割回数Ｎｂと等しくする（ステップＳ１４）。そして、回数決定部５１は、その処理を後述するステップＳ１６に移行する。一方、各分割噴射のうち、少なくとも一回の分割噴射で燃料噴射量Ｑｆが下限未満となる場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、回数決定部５１は、その処理を次のステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５において、回数決定部５１は、分割回数Ｎを、ステップＳ１１で決定した基準分割回数Ｎｂから「１」デクリメントした値と等しくし、履歴フラグＦＬＧにオンをセットする。すなわち、履歴フラグＦＬＧは、分割回数Ｎが基準分割回数Ｎｂから減少されていないときにはオフがセットされる一方で、分割回数Ｎが基準分割回数Ｎｂから減少されたときにはオンがセットされるフラグである。また、ステップＳ１５では、回数決定部５１は、一回の燃焼サイクルでの要求噴射量を、各分割噴射に振り分ける再計算処理を実施する。これにより、何れの分割噴射での燃料噴射量Ｑｆが下限を下回らないようになる。そして、回数決定部５１は、その処理を次のステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１６において、回数決定部５１は、分割噴射処理の実施が完了したか否かを判定する。機関始動時に分割噴射処理が実施された場合、回数決定部５１は、機関始動が完了したときに、分割噴射処理の実施が完了したと判定する。また、触媒暖機時に分割噴射処理が実施された場合、回数決定部５１は、触媒の暖機が完了したときに分割噴射処理の実施が完了したと判定する。

そして、分割噴射処理の実施が未だ完了していない場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、回数決定部５１は、その処理を前述したステップＳ１２に移行する。一方、分割噴射処理の実施が完了している場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、回数決定部５１は、履歴フラグＦＬＧにオフをセットし（ステップＳ１７）、本処理ルーチンを終了する。

次に、分割噴射処理を実施している際の作用を効果とともに説明する。
分割噴射処理が実施されている場合、一回の燃焼サイクルにおける何れの分割噴射での燃料噴射量Ｑｆが下限を下回らないように、分割回数Ｎが決定される。すなわち、分割回数Ｎを基準分割回数Ｎｂと等しくした場合、次回の燃焼サイクルで実施される各分割噴射のうち、少なくとも一回の分割噴射での燃料噴射量Ｑｆが下限を下回ると判断できるときには、次回の燃焼サイクルでは分割回数Ｎが基準分割回数Ｎｂから減少される。その結果、分割回数Ｎが減少されない場合と比較し、分割回数Ｎが減少された分、各分割噴射での燃料噴射量Ｑｆが多くなる。これにより、一回の燃焼サイクルでの要求噴射量に見合った量の燃料を燃焼室１３内に供給することができる。したがって、水温ＴＭＰが第１の判定水温ＴＭＰＴｈ１以上であるときには、燃焼室１３で成層燃焼を適切に行わせることができる。

また、本実施形態では、分割噴射処理の実施中にこのように分割回数Ｎを少なくした場合、分割回数Ｎを減少させてから当該分割噴射処理の実施が終了するまでの間で分割回数Ｎが増大されない。そのため、分割噴射処理の実施中で分割回数Ｎの増減が繰り返されることがなくなる。したがって、分割噴射処理の実施中では、燃焼室１３内での混合気の燃焼が不安定になってしまうことを抑制できる。

なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態に変更してもよい。
・内燃機関は、筒内噴射弁１４を備えており、機関始動時や触媒暖機時に成層燃焼を燃焼室１３内で行わせるものであれば、例えば図５に示すように吸気通路１６に燃料を噴射するポート噴射弁２５をも備えたものであってもよい。

・分割噴射処理では、複数の分割噴射の何れか一つの燃料噴射を、吸気行程時に行うようにしてもよい。この場合、燃焼室１３における点火プラグ１５の近傍に形成される燃料の濃度の高い層と、当該層以外の他の層とにおける燃料濃度の差は、上記実施形態の場合と比較して小さくなるものの、成層燃焼（「弱成層燃焼」ともいう。）を行わせることができる。

１０…内燃機関、１３…燃焼室、１４…筒内噴射弁、１５…点火プラグ、５０…制御装置、５１…回数決定部、５２…噴射制御部。

Claims (1)

1. 燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、を備える内燃機関に適用され、
   一回の燃焼サイクルでの前記筒内噴射弁による燃料噴射を複数回に分割して行わせる分割噴射処理を実施する噴射制御部と、
   分割して行われる前記燃料噴射のことを分割噴射とした場合、前記分割噴射処理が実施されているときには、何れの前記分割噴射での燃料噴射量が、前記筒内噴射弁に対して設定されている燃料噴射量の下限を下回らないように、一回の燃焼サイクルでの前記分割噴射の回数である分割回数を決定する回数決定部と、を備え、
   前記噴射制御部は、前記分割噴射処理では、前記回数決定部によって決定された前記分割回数分の前記分割噴射を、一回の燃焼サイクル内で行わせるようになっており、
   前記回数決定部は、前記分割噴射処理が実施されている期間中では、一回の燃焼サイクルでの前記分割回数の減少は許容する一方で、当該分割回数の増大は禁止する
   内燃機関の燃料噴射制御装置。

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