以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃料噴射量の学習制御方法を説明する。
<装置構成>
まず、図1乃至図3を参照して、本発明の実施形態による燃料噴射量の学習制御方法を適用したエンジンの構成について説明する。図1は、本実施形態による燃料噴射量の学習制御方法を適用したエンジンの構成を例示する図である。図2は、本実施形態による燃料噴射量の学習制御方法を適用したエンジンの構成を例示するブロック図である。図3は、本実施形態による燃料噴射量の学習制御方法を適用したエンジンに使用されているインジェクタの断面図である。
本実施形態において、エンジン1は、四輪の自動車に搭載された部分圧縮着火燃焼(SPark Controlled Compression Ignition:SPCCI)を行うガソリンエンジンである。具体的には、エンジン1は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えている。シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ11が形成されている。図1では、1つのシリンダ11のみを示すが、本実施形態においてエンジン1は、多気筒エンジンである。
各シリンダ11内には、ピストン3が摺動自在に内挿されている。ピストン3は、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されている。ピストン3は、シリンダ11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画する。なお、「燃焼室」は、ピストン3が圧縮上死点に至ったときに形成される空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン3の位置に関わらず、ピストン3、シリンダ11及びシリンダヘッド13によって形成される空間を意味する場合がある。
エンジン1の幾何学的圧縮比は、理論熱効率の向上や、後述するCI(Compression Ignition)燃焼の安定化を目的として高く設定されている。具体的に、エンジン1の幾何学的圧縮比は、17以上である。幾何学的圧縮比は、例えば18としてもよい。幾何学的圧縮比は、17以上20以下の範囲で、適宜設定すればよい。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、2つの吸気ポート18(図1)が形成されている。吸気ポート18は、燃焼室17に連通している。吸気ポート18には、吸気弁21が配設されている。吸気弁21は、燃焼室17と吸気ポート18との間を開閉する。吸気弁21は吸気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。本実施形態において、吸気動弁機構は、可変動弁機構である吸気電動VVT(Variable Valve Timing)23(図2)を有している。吸気電動VVT23は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、吸気弁21の開弁時期及び閉弁時期を、連続的に変化させることができる。なお、吸気動弁機構は、電動VVTに代えて、液圧式のVVTを有していてもよい。
シリンダヘッド13にはまた、シリンダ11毎に、2つの排気ポート19(図1)が形成されている。排気ポート19は、燃焼室17に連通している。排気ポート19には、排気弁22が配設されている。排気弁22は、燃焼室17と排気ポート19との間を開閉する。排気弁22は排気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。本実施形態において、排気動弁機構は、可変動弁機構である排気電動VVT24(図2)を有している。排気電動VVT24は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、排気弁22の開弁時期及び閉弁時期を、連続的に変化させることができる。なお、排気動弁機構は、電動VVTに代えて、液圧式のVVTを有していてもよい。
詳細は後述するが、本実施形態において、エンジン1は、吸気電動VVT23及び排気電動VVT24によって、吸気弁21の開弁と排気弁22の開弁とに係るオーバーラップ期間の長さを調整することができる。これにより、燃焼室17の中の残留ガスを掃気したり、燃焼室17の中に熱い既燃ガスを閉じ込めたり(つまり、内部EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスを燃焼室17の中に導入)することができる。この構成例においては、吸気電動VVT23及び排気電動VVT24が、状態量設定デバイスの一つとしての、内部EGRシステムを構成している。なお、内部EGRシステムは、VVTによって構成されるとは限らない。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、インジェクタ6が取り付けられている。インジェクタ6は、燃焼室17の中に燃料を直接噴射するように、燃焼室17の天井面に設けられている。また、インジェクタ6は、その噴射軸心が、シリンダ11の中心軸に沿うように配設されている。なお、インジェクタ6の噴射軸心は、シリンダ11の中心軸Xと一致していなくてもよい。インジェクタ6は、後述するように、複数の噴口を有する多噴口型の燃料噴射弁によって構成され、燃料噴霧が、燃焼室17の中央から放射状に広がるように燃料を噴射する。なお、インジェクタ6は、多噴口型のインジェクタに限らない。インジェクタ6は、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。
図1に示すように、インジェクタ6には、燃料供給システム61が接続されている。燃料供給システム61は、燃料を貯留するよう構成された燃料タンク63と、燃料タンク63とインジェクタ6とを互いに連結する燃料供給路62とを備えている。燃料供給路62には、燃料ポンプ65とコモンレール64とが設けられている。燃料ポンプ65は、コモンレール64に燃料を圧送するように構成されている。燃料ポンプ65は、本実施形態においては、クランクシャフト15によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール64は、燃料ポンプ65から圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄えるよう構成されている。インジェクタ6が開弁すると、コモンレール64に蓄えられていた燃料が、インジェクタ6の噴口から燃焼室17の中に噴射される。燃料供給システム61は、30MPa以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ6に供給することが可能に構成されている。燃料供給システム61の最高燃料圧力は、例えば120MPa程度にしてもよい。インジェクタ6に供給する燃料の圧力は、エンジン1の運転状態に応じて変更してもよい。なお、燃料供給システム61の構成は、前記の構成に限定されない。
シリンダヘッド13には、シリンダ11毎に、点火プラグ25が取り付けられている。点火プラグ25は、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ25は、本実施形態においては、シリンダ11の中心軸を挟んだ吸気側に配設されている。また、点火プラグ25は、2つの吸気ポート18の間に位置している。点火プラグ25は、上方から下方に向かって、燃焼室17の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド13に取り付けられている。点火プラグ25の電極は、燃焼室17の中に臨んでかつ、燃焼室17の天井面の付近に位置している。
図1に示すように、エンジン1の一側面には吸気通路40が接続されている。吸気通路40は、各シリンダ11の吸気ポート18に連通している。吸気通路40は、燃焼室17に導入するガスが流れる通路である。吸気通路40の上流端部には、新気を濾過するエアクリーナー41が配設されている。吸気通路40の下流端近傍には、サージタンク42が配設されている。サージタンク42よりも下流の吸気通路40は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の下流端が、各シリンダ11の吸気ポート18に接続されている。
吸気通路40におけるエアクリーナー41とサージタンク42との間には、スロットル弁43が配設されている。スロットル弁43は、弁の開度を調整することによって、燃焼室17の中への新気の導入量を調整するよう構成されている。
吸気通路40にはまた、スロットル弁43の下流に、過給機44が配設されている。過給機44は、燃焼室17に導入するガスを過給するよう構成されている。過給機44とエンジン1の出力軸との間には、電磁クラッチ45が介設している。電磁クラッチ45は、過給機44とエンジン1との間で、エンジン1から過給機44へ駆動力を伝達したり、駆動力の伝達を遮断したりする。後述するように、ECU10(図2)が電磁クラッチ45の接続状態と非接続状態を切り替えることによって、過給機44はオンとオフとが切り替わる。つまり、このエンジン1は、過給機44が、燃焼室17に導入するガスを過給することと、過給機44が、燃焼室17に導入するガスを過給しないこととを切り替えることができるよう構成されている。
吸気通路40における過給機44の下流には、インタークーラー46が配設されている。インタークーラー46は、過給機44において圧縮されたガスを冷却するよう構成されている。インタークーラー46は、例えば水冷式に構成すればよい。
吸気通路40には、バイパス通路47が接続されている。バイパス通路47は、過給機44及びインタークーラー46をバイパスするよう、吸気通路40における過給機44の上流部とインタークーラー46の下流部とを互いに接続する。バイパス通路47には、エアバイパス弁48が配設されている。エアバイパス弁48は、バイパス通路47を流れるガスの流量を調整する。
エンジン1の他側面には、排気通路50が接続されている。排気通路50は、各シリンダ11の排気ポート19に連通している。排気通路50は、燃焼室17から排出された排気ガスが流れる通路である。排気通路50の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ11毎に分岐する独立通路を構成している。独立通路の上流端が、各シリンダ11の排気ポート19に接続されている。排気通路50には、1つ以上の触媒コンバーター51を有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバーター51は、三元触媒を含んで構成されている。なお、排気ガス浄化システムは、三元触媒のみを含むものに限らない。
吸気通路40と排気通路50との間には、外部EGRシステムを構成するEGR通路52が接続されている。EGR通路52は、既燃ガスの一部を吸気通路40に還流させるための通路である。EGR通路52の上流端は、排気通路50における触媒コンバーター51の下流に接続されている。EGR通路52の下流端は、吸気通路40における過給機44の上流に接続されている。
EGR通路52には、水冷式のEGRクーラー53が配設されている。EGRクーラー53は、既燃ガスを冷却するよう構成されている。EGR通路52にはまた、EGR弁54が配設されている。EGR弁54は、EGR通路52を流れる既燃ガスの流量を調整するよう構成されている。EGR弁54の開度を調整することによって、冷却した既燃ガス、つまり外部EGRガスの還流量を調整することができる。
図2に示すように、エンジン1は、これを運転するためのECU(Engine Control Unit)10を備えており、ECU10には、メモリ10a、マイクロプロセッサ10b、及び燃料噴射学習モジュール10cが内蔵されている。ECU10は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置(Central Processing Unit:CPU)と、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力バス等を備えている。上述した燃料噴射学習モジュール10cの機能は、ECU10の中央演算処理装置、プログラム及びデータを格納するメモリによって実現される。
ECU10には、図1及び図2に示すように、各種のセンサSW1〜SW16が接続されている。センサSW1〜SW16は、検知信号をECU10に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。
すなわち、吸気通路40におけるエアクリーナー41の下流に配置されかつ、吸気通路40を流れる新気の流量を検知するエアフローセンサSW1、及び、新気の温度を検知する第1吸気温度センサSW2、吸気通路40におけるEGR通路52の接続位置よりも下流でかつ、過給機44の上流に配置されかつ、過給機44に流入するガスの圧力を検知する第1圧力センサSW3、吸気通路40における過給機44の下流でかつ、バイパス通路47の接続位置よりも上流に配置されかつ、過給機44から流出したガスの温度を検知する第2吸気温度センサSW4、サージタンク42に取り付けられかつ、過給機44の下流のガスの圧力を検知する第2圧力センサSW5、各シリンダ11に対応してシリンダヘッド13に取り付けられかつ、各燃焼室17内の圧力(筒内圧)を検知する指圧センサSW6、排気通路50に配置されかつ、燃焼室17から排出した排気ガスの温度を検知する排気温度センサSW7、燃焼室17から排出された排気ガスに含まれる酸素濃度を検出するリニアO2センサSW8(リニアA/Fセンサ:LAFS)、エンジン1の出力軸近傍に配置されかつ、出力軸の回転数を検出するエンジン回転数センサSW9、エンジン1に取り付けられかつ、冷却水の温度を検知する水温センサSW10、エンジン1に取り付けられかつ、クランクシャフト15の回転角を検知するクランク角センサSW11、アクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検知するアクセル開度センサSW12、エンジン1に取り付けられかつ、吸気カムシャフトの回転角を検知する吸気カム角センサSW13、エンジン1に取り付けられかつ、排気カムシャフトの回転角を検知する排気カム角センサSW14、EGR通路52に配置されかつ、EGR弁54の上流及び下流の差圧を検知するEGR差圧センサSW15、並びに、燃料供給システム61のコモンレール64に取り付けられかつ、インジェクタ6に供給する燃料の圧力を検知する燃圧センサSW16である。
ECU10は、これらの検知信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。また、後述するように、ECU10に内蔵された燃料噴射学習モジュール10cは、インジェクタ6の個体差等に起因する燃料噴射量の誤差が低減されるように、燃料噴射量の補正値を学習するように構成されている。ECU10は、計算をした制御量に係る制御信号を、インジェクタ6、点火プラグ25、吸気電動VVT23、排気電動VVT24、燃料供給システム61、スロットル弁43、EGR弁54、過給機44の電磁クラッチ45、及び、エアバイパス弁48に出力する。例えば、ECU10は、エンジン回転数センサSW9、水温センサSW10、アクセル開度センサSW12等の検出信号に基づいて燃料供給量を計算し、インジェクタ6に制御信号を送る。
(インジェクタの基本構成)
次に、図3を参照して、インジェクタ6の構成を説明する。
図3は、インジェクタ6の構成を示しており、このインジェクタ6は、ソレノイドコイルに通電することにより形成される磁気回路によって、燃料通路内に配設したニードル83を直接的に吸引してストロークさせることで、先端面に形成した複数の噴口84(図3には概略のみ図示)を開弁させるソレノイド駆動式に構成されている。このインジェクタ6は、第1ソレノイドコイル81と、第2ソレノイドコイル82との2つのソレノイドコイルを有している。
このインジェクタ6の本体は、大径筒状の第1バルブボディ6aと、この第1バルブボディ6aの一端から延び、先端が閉じられた小径筒状の第2バルブボディ6bとを結合部材6cで連結して構成されている。
前記第1バルブボディ6a内には、円筒状のケース85が収容されており、このケース85の内周面によって燃料通路が区画形成されている。ケース85は、その上端部が、インジェクタ6の基端(図3における上端)において開口すると共に、その下端部が、第2バルブボディ6bの基端開口に連通するように開口しており、これによって、インジェクタ6の基端においてコモンレール64(図1)に連通する燃料流入口から、インジェクタ6の先端において開口する各噴口84にまで燃料を供給するための燃料通路が、インジェクタ6の内部に形成されることになる。
円筒状のケース85は、後述するように、第1及び第2ソレノイドコイル81、82の通電時には磁気回路の一部を構成するように、基本的には磁性体によって構成されている。具体的にケース85は、例えばフェライト鋼等のフェライト系金属によって形成されている。
各噴口84を開閉するニードル83は、ケース85内に、このケース85と同軸となるように配設されている。ニードル83は、ケース85の軸方向中央部付近からインジェクタ6の先端に向かって延びて、その先端部は、第2バルブボディ6bの先端部に位置している。ニードル83には、その基端面に開口すると共に、先端部に向かって延びる孔83aがその中心軸に沿って延びて形成されており、孔83aは、ニードル83における軸方向の中央部付近で、その周面に開口している。この孔83aは、後述する第2可動コア87bの上側と第1可動コア87aの下側とを繋ぐ燃料通路の一部として機能する。
第1ソレノイドコイル81及び第2ソレノイドコイル82はそれぞれ、第1バルブボディ6aとケース85との間において、第1ソレノイドコイル81が下側、第2ソレノイドコイル82が上側となるように、インジェクタ6の軸方向に、所定間隔を空けて配置されている。
ケース85内において、当該ケース85を挟んで第1ソレノイドコイル81に相対する位置には、筒状の第1固定コア86aが固定されていると共に、第2ソレノイドコイル82に相対する位置には、同じく筒状の第2固定コア86bが固定されている。これらの第1及び第2固定コア86a、86bは磁性体によって構成されており、第1及び第2ソレノイドコイル81、82の通電時には、それぞれ磁気回路の一部を構成する。
第1固定コア86aの下側には、この第1固定コア86aの下端面に対し所定の大きさの間隙を設けて、リング状の第1可動コア87aが、ニードル83に外挿された状態で配設されており、第2固定コア86bの下側には、この第2固定コア86bの下端面に対し所定の大きさの間隙を設けて、リンク状の第2可動コア87bが、ニードル83に外挿された状態で配設されている。
ニードル83に外挿されている第1可動コア87aは、そのニードル83の中央部に形成された段部に対して係合している一方、同じくニードル83に外挿されている第2可動コア87bは、ニードル83の上端部に形成された段部に対して係合している。第1及び第2可動コア87a、87bはそれぞれ、ケース85内を軸方向に往復移動可能に配置されており、第1可動コア87aが上方に移動すると、第1可動コア87aと段部との係合によりニードル83が上方に移動する。また、第2可動コア87bが上方に移動すると、第2可動コア87bと段部との係合によりニードル83が上方に移動する。
ニードル83は、その基端側に配設されたスプリング88aによって下方に付勢されており、これによって、通常時には各噴口84を閉じるように構成されている。一方、第1及び第2可動コア87a、87bはそれぞれ、スプリング88b、88cによって上方に付勢されており、これにより、通常時は、第1及び第2可動コア87a、87bは、ニードル83の各段部に係合した状態を維持するように構成されている。
第1及び第2可動コア87a、87bはそれぞれ、磁性体によって構成されており、第1ソレノイドコイル81への通電により、第1バルブボディ6a、ケース85、第1可動コア87a、及び第1固定コア86a(及び第1種の補強部材89a)を通過する磁気回路が形成され、これにより、ケース85内において軸方向に往復動可能な第1可動コア87aが、上向きに吸引される。第1可動コア87aの吸引に伴い、その段部において第1可動コア87aに係合するニードル83もまた、スプリング88aの付勢力(及び燃料圧力に起因してニードル83に作用する背圧)に抗して、上方に移動をする。
同様に、第2ソレノイドコイル82への通電により、詳細な図示は省略するが、第1バルブボディ84a、ケース85、第2可動コア87b、及び第2固定コア86b(及び第1種の補強部材89a)を通過する磁気回路が形成され、これにより、第2可動コア87bが上向きに吸引される。第2可動コア87bの吸引に伴い、その段部において第2可動コア87bに係合するニードル83が、スプリング88aの付勢力(及びニードル83に作用する背圧)に抗して上方に移動をする。
ここで、ケース85において、第1固定コア86aと第1可動コア87aとの間に相当する箇所、及び、第2固定コア86bと第2可動コア87bとの間に相当する箇所の合計2箇所にはそれぞれ、磁気回路のショートカットを防止するための、非磁性体部分85aが介在している。
このように、第1及び第2ソレノイドコイルに通電されている間、ニードル83が上方に移動され、燃料が噴射される。従って、本実施形態においては、第1及び第2ソレノイドコイルに通電されている期間が、燃料噴射時間に相当する。
次に、図4を参照して、燃料噴射時間(ソレノイドコイルへの通電時間)と燃料噴射量の関係を説明する。
図4は、燃料噴射時間に対する燃料噴射量の一例を、燃料噴射時間[μsec]を横軸に、燃料噴射量[mg]を縦軸として模式的に示したグラフである。また、図4では、燃料圧力(コモンレール64内の圧力)が30MPaである場合の燃料噴射量を実線で、40MPaである場合の燃料噴射量を一点鎖線で示している。図4に一例を示した各燃料圧力に対する燃料噴射量と燃料噴射時間の関係は、ECU10のメモリ10aに記憶されており、所定の燃料圧力において、所望の燃料噴射量を得るために必要な燃料噴射時間を設定するために使用される。
図4に示すように、燃料噴射量は、燃料圧力が30MPaである場合と40MPaである場合で異なる曲線を示しており、インジェクタ6から噴射される燃料噴射量は、燃料圧力及び燃料噴射時間を規定することにより設定される。また、燃料噴射量は、燃料噴射時間が所定の閾値時間よりも長い領域においては、グラフの傾きが一定(燃料噴射時間の増加に対する燃料噴射量の増加割合が一定)である。これに対し、燃料噴射時間が所定の閾値時間以下の領域では、燃料噴射時間の増加に対する燃料噴射量の増加割合が変化している。
即ち、燃料噴射時間が所定の閾値時間よりも長い領域では、燃料噴射時間の中で、インジェクタ6のニードル83が噴口84から可動端までリフトしている期間(フルリフト期間)が大半を占めているため、燃料噴射量は燃料噴射時間に概ね比例している。一方、燃料噴射時間が閾値時間以下の場合には、燃料噴射時間に対し、ニードル83が可動端へリフトするまでの期間(パーシャルリフト期間)が占める割合が大きく、燃料噴射量が燃料噴射時間に比例せず、燃料噴射時間の増加に対する燃料噴射量の増加割合が一定ではなくなる(傾きが変化する)。なお、燃料噴射時間は、最大で約2000〜約2500μsec程度の長さに設定することができ、燃料噴射時間が約800μsec程度を超えると、燃料噴射時間の増加に対する燃料噴射量の増加割合がほぼ一定になる。また、燃料噴射量は、最大で約30〜約40mgに設定することができる。
後述するように、本実施形態において、エンジン1は、SPCCI燃焼を行うため、燃料噴射量を精密に設定する必要があり、少量の燃料噴射を複数回に分けて行う場合がある。このため、本実施形態においては、燃料噴射時間を閾値時間以下の時間に設定する必要がある場合がある。また、図4に示す燃料噴射時間と燃料噴射量の関係は、インジェクタ6の個体毎に異なっている。このため、同一の燃料圧力で、同一の燃料噴射時間、燃料を噴射した場合でも、インジェクタ6毎に燃料噴射量にバラツキが生じる。従って、後述するように、本発明の実施形態による燃料噴射量の学習制御方法を実行することにより、インジェクタ6毎のバラツキを学習し、インジェクタ6からの燃料噴射量の誤差を抑制している。
次に、図5及び図6を参照して、エンジンの運転領域を説明する。
図5は、本発明の実施形態による燃料噴射量の学習制御方法を適用しているエンジン1の運転領域のマップを例示している。図6は、各運転領域で運転された場合における燃料噴射のタイミング、点火のタイミング、及び燃焼圧力の一例を模式的に示す図である。
エンジン1の運転領域は、負荷及び回転数によって定められており、負荷の高低及び回転数の高低に対し、大きく四つの領域に分けられている。なお、エンジン1の運転領域に関するマップは、エンジン1が冷間状態である場合と、半暖機状態である場合と、温間状態(暖機完了状態)にある場合で異なるマップが使用される。水温センサSW10で検出されたエンジン水温が30℃未満、且つ第2吸気温度センサSW4で検出された吸気温が25℃未満である場合には冷間状態用のマップが使用される。また、エンジン水温30℃以上又は吸気温25℃以上であり、エンジン水温が80℃未満で、且つ吸気温が50℃未満である場合には半暖機状態用のマップが使用される。さらに、エンジン水温80℃以上又は吸気温50℃以上である場合には温間状態用のマップが使用される。図5に示すマップは、温間状態用のマップの一例である。
図5に示すマップにおいて、四つの領域は、アイドル運転を含みかつ、低回転及び中回転の領域に広がる低負荷領域(A)、低負荷領域よりも負荷が高くかつ、低回転及び中回転の領域に広がる中負荷領域(B)、中負荷領域(B)よりも負荷が高い領域でかつ、低回転及び中回転の領域に広がる全開負荷を含む高負荷領域(C)、及び、低負荷領域(A)、中負荷領域(B)、及び高負荷領域(C)よりも回転数の高い高回転領域(D)である。
ここで、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域はそれぞれ、エンジン1の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域及び高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域、中回転領域、及び、高回転領域とすればよい。図4の例では、回転数1200rpm未満を低回転、回転数4000rpm以上を高回転、回転数1200rpm以上4000rpm未満を中回転としている。また、高負荷領域(C)は、燃焼圧力が900kPa以上となる領域としてもよい。
エンジン1は、燃費の向上及び排出ガス性能の向上を主目的として、低負荷領域(A)、中負荷領域(B)、及び高負荷領域(C)において、圧縮自己着火による燃焼を行う。エンジン1はまた、高回転領域(D)においては、火花点火による燃焼を行う。以下、低負荷領域(A)、中負荷領域(B)、高負荷領域(C)、及び、高回転領域(D)の各領域におけるエンジン1の運転について説明する。
エンジン1が低負荷領域(A)で運転しているときには、燃料噴射量が少なく、燃焼室17の内部の温度も低い。そのため、所定の圧力及び温度に達することで自己着火するCI燃焼(圧縮自己着火燃焼)は、安定して行えない。燃料が少ないため、点火による着火も困難でSI燃焼(火花点火燃焼)も不安定になる。エンジン1の低負荷運転領域における燃焼室17の内部全体での空燃比(A/F)は、例えば30以上40以下のA/Fリーンに設定される。
エンジン1は、低負荷領域(A)において、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼(部分圧縮着火燃焼)を行う。そして、スワール流を利用した混合気分布の制御技術を応用することにより、エンジン1の低負荷運転領域において安定したSPCCI燃焼が行え、低NOxかつ低燃費な燃焼が実現できるようにしている。
具体的には、燃焼室17の内部全体にA/Fが30を超えるようなリーンな混合気が形成される少量の燃料を、燃焼室17の内部に噴射し、点火プラグが配置された燃焼室17の中央部に位置して、火種となる領域(例えばA/Fが20以上35以下)と、燃焼室17の周辺部に位置して、火種の燃焼圧と燃焼熱とによって圧縮着火する領域(例えばA/Fが35以上50以下)と、を有する成層化した混合気分布が、点火するタイミングで燃焼室17の内部に形成されるようにした。
SPCCI燃焼は、点火プラグ25が、燃焼室17の中の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりSI燃焼をすると共に、SI燃焼の発熱により燃焼室17の中の温度が高くなりかつ、火炎伝播により燃焼室17の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるCI燃焼をする。
図6上段のチャート(A)は、図5の点P1の運転条件における、燃料噴射等のタイミングを示している。上述した低負荷領域(A)におけるSPCCI燃焼を実現するために、図6(A)に示すように、インジェクタ6は吸気工程中に少量の燃料噴射を3回実行する。さらに、圧縮上死点付近において点火プラグ25により混合気に点火され、SPCCI燃焼を発生させている。
次に、エンジン1が中負荷領域(B)において運転しているときも、低負荷領域(A)と同様に、エンジン1は、SPCCI燃焼を行う。
EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が中負荷領域(B)にあるときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。また、エンジン1が中負荷領域(B)において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F=14.7)である。三元触媒が、燃焼室17から排出された排出ガスを浄化することによって、エンジン1の排出ガス性能は良好になる。混合気のA/Fは、三元触媒の浄化ウインドウの中に収まるようにすればよい。従って、混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。
エンジン1が中負荷領域(B)において運転するときに、インジェクタ6は、前段噴射と後段噴射との二回に分けて、燃焼室17の中に燃料を噴射する。図6の2段目のチャート(B)は、図5の点P2の運転条件における、燃料噴射等のタイミングを示している。図6(B)に示すように、前段噴射は、点火タイミングから離れたタイミングで燃料を噴射し、後段噴射は、点火タイミングに近いタイミングで燃料を噴射する。前段噴射は、例えば吸気行程の前半に行い、後段噴射は、例えば圧縮行程の後半に行ってもよい。圧縮行程の前半及び後半はそれぞれ、圧縮行程をクランク角度に関して二等分したときの前半及び後半とすればよい。
また、圧縮上死点の前の所定のタイミングで、点火プラグ25が混合気に点火をすることによって、混合気は、火炎伝播により燃焼する。火炎伝播による燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火して、CI燃焼する。後段噴射によって噴射された燃料は、主にSI燃焼する。前段噴射によって噴射された燃料は、主にCI燃焼する。前段噴射を圧縮行程中に行うと、前段噴射により噴射した燃料が過早着火等の異常燃焼を誘発することを防止することができる。また、後段噴射により噴射した燃料を、安定的に火炎伝播により燃焼させることができる。中負荷領域(B)においてエンジン1は、混合気を理論空燃比にしてSPCCI燃焼を行っている。
高負荷領域(C)においても、エンジン1は、低負荷領域(A)及び中負荷領域(B)と同様にSPCCI燃焼を行う。EGRシステム55は、エンジン1の運転状態が高負荷領域(C)にあるときに、燃焼室17の中にEGRガスを導入する。エンジン1は、負荷が高まるに従いEGRガスの量を減らす。全開負荷では、EGRガスをゼロにしてもよい。
エンジン1が高負荷領域(C)において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、燃焼室17の全体において理論空燃比である(つまり、混合気の空気過剰率λは、λ=1)。図6の3段目のチャート(C)は、図5の点P3の運転条件における、燃料噴射等のタイミングを示している。図6(C)に示すように、エンジン1が高負荷領域(C)において、インジェクタ6は、吸気行程から圧縮行程にかけての前段噴射と、圧縮行程における後段噴射の二回に分けて、燃焼室17の中に燃料を噴射する。
高回転領域(D)では、エンジン1の回転数が高く、クランク角が1°変化するのに要する時間が短くなる。そのため、例えば高負荷領域における高回転領域において、前述したように、圧縮行程中に分割噴射を行うことにより、燃焼室17内において混合気の成層化をすることが困難になる。エンジン1の回転数が高くなると、前述したSPCCI燃焼を行うことが困難になる。そのため、エンジン1が高回転領域(D)において運転しているときには、エンジン1は、SPCCI燃焼ではなく、SI燃焼を行う。尚、高回転領域(D)は、低負荷から高負荷まで負荷方向に広がっている。
エンジン1が高回転領域(D)において運転するときに、混合気の空燃比(A/F)は、基本的には、燃焼室17の全体において理論空燃比(A/F=14.7)である。混合気の空気過剰率λは、1.0±0.2とすればよい。尚、高回転領域(D)内の、全開負荷を含む高負荷領域においては、混合気の空気過剰率λを1未満にしてもよい。
図6の最下段のチャート(D)は、図5の点P4の運転条件における、燃料噴射等のタイミングを示している。エンジン1が高回転領域(D)において運転するときに、インジェクタ6は、主として吸気行程に燃料噴射を開始する。インジェクタ6は、燃料を一括で噴射する。また、燃料の噴射量に応じて、燃料の噴射期間は変化する。吸気行程中に燃料噴射を開始することによって、燃焼室17の中に、均質又は略均質な混合気を形成することが可能になる。また、エンジン1の回転数が高いときに、燃料の気化時間をできるだけ長く確保することができるため、未燃損失の低減を図ることもできる。点火プラグ25は、燃料の噴射終了後、圧縮上死点前の適宜のタイミングで、混合気に点火を行う。従って、高回転領域(D)においてエンジン1は、燃料噴射を吸気行程に開始してSI燃焼を行う。
次に、図7及び図8を参照して、燃料圧力の設定を説明する。
図7は、エンジン1が冷間状態にある場合、及び半暖機状態にある場合に適用される燃料圧力のマップを模式的に示すものである。図8は、エンジン1が温間状態にある場合に適用される燃料圧力のマップを模式的に示すものである。
図7及び図8に示すように、燃料圧力は、エンジン1の回転数及び負荷に基づいてマップに従って設定される。具体的には、ECU10は、図7又は図8に示すマップに基づいて燃料圧力を決定し、燃料ポンプ65に制御信号を送る。燃料ポンプ65は、制御信号に基づいてコモンレール64内の圧力を指令された圧力に加圧する。図7に示すように、エンジン1が冷間状態、又は半暖機状態にある場合には、高回転数領域において燃料圧力が高く設定され、低回転領域及び中回転領域においては燃料圧力が低く設定される。また、図8に示すように、エンジン1が温間状態にある場合には、高回転数領域において燃料圧力が中程度に設定され、低回転領域及び中回転領域においては燃料圧力が高く設定される。なお、本実施形態においては、燃料圧力は約30MPa〜約40MPa程度の範囲で設定される。
次に、図9及び図10を参照して、空燃比の制御、及び燃料噴射量の学習制御を説明する。
図9は、燃料噴射量の学習制御における学習値テーブルである。図10は、空燃比の制御、及び本発明の実施形態による燃料噴射量の学習制御方法を示すフローチャートである。
ECU10は、所望の空燃比を実現するようにインジェクタ6からの燃料噴射量をフィードバック制御する空燃比制御を実行するように構成されている。また、ECU10に内蔵された燃料噴射学習モジュール10cは、インジェクタ6の個体差等に起因する燃料噴射量の誤差が低減されるように、燃料噴射量を補正するための学習値を学習するように構成されている。なお、図6により説明したように、本実施形態の燃料噴射量の学習制御方法を適用しているエンジン1においては、複数回に分割して燃料が噴射される場合があるが、図9及び図10に基づく以下の説明では、燃料噴射が1回で行われる場合について説明する。
ECU10は、インジェクタ6から噴射する燃料噴射量を空燃比に基づいてフィードバック制御する空燃比フィードバック制御を実行するように構成されている。ECU10は、所定のフィードバック制御条件が成立しているときに空燃比フィードバック制御を実行する。フィードバック制御条件の一例としては、(i)エンジン1の始動時ではない、(ii)燃料カット中ではない、(iii)エンジン水温が所定温度以上である等が挙げられる。これらの場合には、燃料量が増量されていたり、減量(0も含む)されていたりするので、空燃比フィードバック制御に適さない。
具体的には、ECU10は、リニアO2センサSW8により検出された排気中の酸素濃度に基づいて、実際の空燃比が目標空燃比と等しくなるように燃料噴射量を制御する。ECU10は、空燃比フィードバック制御においては以下の式(1)に基づいて燃料噴射量Qを算出する。
Q=Q0×Qfb×Qg ・・・(1)
ここで、Q0は、基本燃料噴射量であり、Qfbは、フィードバック補正値であり、Qgは、空燃比を補正するための学習値である。
基本燃料噴射量Q0は、燃料噴射量の基本値である。ECU10は、エアフローセンサSW1により検出された吸入空気量、又はエンジン1の回転数及び要求負荷に基づいて、目標となる空燃比を実現できるように基本燃料量Q0を設定する。ECU10のメモリ10aには、基本燃料量QOを規定したマップが記憶されている。フィードバック補正値Qfbは、基本燃料噴射量Q0を空燃比に基づいて補正するための値である。例えば、フィードバック補正値Qfbの初期値は1である。フィードバック補正値Qfbは、目標空燃比と実空燃比との偏差に基づいて初期値から増減される。
学習値Qgは、フィードバック補正量Qfbに恒常的に含まれるズレ量を基本燃料量Q0に反映させるべく、学習値として設定される値である。具体的には、ECU10が基本燃料量Q0に相当する指令信号を出力してインジェクタ6に燃料を噴射させても、インジェクタ6の個体差や、温度特性、経年劣化が原因で実空燃比が目標空燃比からずれる場合がある。そのような場合には、フィードバック補正量Qfbがインジェクタ6の個体差や、温度特性、経年劣化によるズレを補正する成分を恒常的に含むようになる。そのため、燃料噴射学習モジュール10cは、所定の学習条件が成立すると、燃料噴射量を補正するための学習値Qgを取得する。なお、学習値Qgの初期値は1である。
また、インジェクタ6の個体差や、温度特性、経年劣化に起因する燃料噴射量の誤差は、燃料圧力及び燃料噴射時間(ソレノイドコイルへの通電時間)毎に異なる値となる。このため、燃料噴射条件(燃料圧力と燃料噴射時間の組み合わせ)毎に学習値を設定する必要がある。即ち、図9の学習値テーブルに示すように、本実施形態においては、Pr1〜Prnのn通りの燃料圧力と、Ti1〜Timのm通りの燃料噴射時間を組み合わせた各燃料噴射条件に対して学習値Qgが設定される。従って、学習値Qgは、Qg11からQgmnまで、合計m×n個設定されることになる。
また、図4を参照して説明したように、インジェクタ6からの燃料噴射量は、燃料噴射時間が所定の閾値時間よりも長い領域では、燃料噴射時間にほぼ比例して増加する(燃料噴射時間の増加に対する燃料噴射量の増加割合がほぼ一定)。これに対して、燃料噴射時間が所定の閾値時間以下の領域では、燃料噴射時間の増加に対する燃料噴射量の増加割合が変化し、燃料噴射時間に対して燃料噴射量が複雑に変化する。このため、燃料噴射量の誤差をきめ細かく補正するには、燃料噴射時間が所定の閾値時間以下の領域に対して、より多くの学習値Qgを設定しておく必要がある。従って、本実施形態においては、所定の閾値時間である燃料噴射時間Tij以下の領域に対して、所定の閾値時間よりも長い領域よりも多くの学習値Qgが設定されている。即ち、燃料噴射時間Tij以下の領域に対する学習値Qg11〜Qgjnの数は、閾値時間よりも長い領域に対する学習値Qg(j+1)1〜Qgmnの数よりも多くなっている。
次に、図10を参照して、本発明の実施形態による燃料噴射量の学習制御方法を説明する。図10に示すフローチャートは、エンジン1の運転中において、所定の時間間隔で繰り返し実行されるものである。
まず、図10のステップS1においては、ECU10に、各種センサによる検出信号が読み込まれる。ステップS1において読み込まれる検出信号には、リニアO2センサSW8、エンジン回転数センサSW9、水温センサSW10、アクセル開度センサSW12、燃圧センサSW16等により検出された検出信号が含まれる。
次いで、ステップS2においては、エンジン1の運転状態が特定される。具体的には、水温センサSW10の検出信号に基づいてエンジン1の暖機状態が特定される。さらに、特定された暖機状態に基づいて適用すべき運転領域のマップが決定される(上述したように、図5はエンジン1が温間状態にある場合の運転領域マップの一例である)。次いで、エンジン回転数センサSW9及びアクセル開度センサSW12の検出信号に基づいて、適用された運転領域マップ内における運転状態が特定される。
さらに、ステップS3においては、ステップS2において特定された運転状態に基づいて、燃料噴射量が決定される。上述したように、燃料噴射量は、数式(1)により、燃料噴射量Q=Q0×Qfb×Qgとして計算される。ここで、基本燃料量Q0は、エンジン回転数センサSW9、アクセル開度センサSW12等によって特定されたエンジン1の運転状態によって決定される。また、フィードバック補正値Qfbは、過去に同一の運転条件によってエンジン1を運転した際にリニアO2センサSW8によって検出された実空燃比と、目標空燃比との偏差に基づいて、偏差がゼロになるように設定された補正値である。例えば、リニアO2センサSW8の検出値に基づいて、燃料噴射量が約3%不足していると計算された場合には、その運転状態に対するフィードバック補正値Qfbは、「1.03」に設定される。なお、過去に同一の運転状態による運転が行われていない場合には、フィードバック補正値Qfbとして、初期値である「1」が設定される。
また、学習値Qgは、上述したように、インジェクタ6の個体差等に起因してフィードバック補正量Qfbに恒常的に含まれるズレ量を基本燃料量Q0に反映させるべく設定される値である。上述したように、学習値Qgは、燃料噴射条件(燃料圧力Prと燃料噴射時間Tiとの組み合わせ)毎に学習値テーブル(図9)として設定されている。ステップS3において学習値Qgを決定する際には、まず、燃圧センサSW16によって検出された燃料圧力Prにおいて、基本燃料量Q0の燃料を噴射するために必要な燃料噴射時間Tiが、図4に基づいて決定される。燃料圧力Prと燃料噴射時間Tiが特定されると、図9に示す学習値テーブルに基づいて学習値Qgが決定される。なお、燃料噴射条件(Pr、Ti)に対して、まだ学習が行われていない場合には、学習値テーブル上の学習値Qgは、初期値である「1」に設定されている。
次に、ステップS4においては、ステップS3において決定された燃料噴射条件で燃料を噴射すべく、ECU10はインジェクタ6に制御信号を送信する。インジェクタ6は、ECU10の制御信号に基づいて、指令された燃料噴射時間、燃料を噴射し、エンジン1が運転される。
次いで、ステップS5においては、リニアO2センサSW8からECU10へ検出信号が読み込まれる。即ち、ステップS5においては、ステップS3において決定された燃料噴射条件でステップS4において燃料が噴射され、このエンジン1の運転により生じた排気ガスに含まれる酸素の濃度を表す信号が、リニアO2センサSW8から読み込まれる。さらに、ECU10は、リニアO2センサSW8の検出信号に基づいて、エンジン1の運転における燃焼室17内の実際の空燃比を計算する。従って、リニアO2センサSW8は、燃焼室17内の空燃比を測定するリニア空燃比センサ(LAFS)として機能する。
次に、ステップS6においては、ECU10に内蔵された燃料噴射学習モジュール10cにより、ステップS5において計算された実際の空燃比に基づいて、目標とした燃料噴射量と実際の燃料噴射量の間の誤差である噴射量誤差が推定される。即ち、ステップS6は、ステップS3において設定された燃料圧力及び燃料噴射時間で燃料が噴射されたときの、目標燃料噴射量と実際の燃料噴射量の間の誤差である噴射量誤差を、リニアO2センサSW8による検出値に基づいて推定する誤差推定ステップとして機能する。
さらに、ステップS7においては、燃料噴射学習モジュール10cにより、ステップS6において推定された燃料噴射量の誤差を学習するための所定の学習条件が成立しているか否かが判断される。即ち、ステップS6において推定された燃料噴射量の誤差を低減すべく燃料噴射量の指令値に対し補正が行われるが、この補正を恒常的なものとして学習値テーブルに反映させるか否かが判断される。具体的には、同一の燃料噴射条件(燃料圧力Pr、燃料噴射時間Ti)において推定された燃料噴射量誤差のデータが、メモリ10aに所定数以上蓄積されている場合に、学習条件が成立していると判断される。学習条件が成立していない場合にはステップS8に進み、学習条件が成立している場合にはステップS9に進む。
ステップS8においては、学習条件が成立していないため、ステップS6において推定された燃料噴射量の誤差は、フィードバック補正値Qfbに反映され、フィードバック補正値Qfbが更新されて図10に示すフローチャートの1回の処理を終了する。上述したように、例えば、ステップS6において燃料噴射量が約3%不足していると計算された場合には、噴射量誤差を補正するためにフィードバック補正値Qfbは「1.03」に設定される。
一方、ステップS9においては、学習条件が成立しているため、燃料噴射学習モジュール10cは、同一の燃料噴射条件(燃料圧力Pr、燃料噴射時間Ti)において推定された燃料噴射量誤差を学習値テーブルに反映させる。具体的には、同一燃料噴射条件(燃料圧力、燃料噴射時間)に対して蓄積された燃料噴射量誤差のデータが平均され、平均された燃料噴射量誤差を補正するように学習値テーブル上の学習値Qgが設定される。例えば、同一燃料噴射条件おいて、燃料噴射量が平均で約2%不足していると判断された場合には、その燃料噴射条件に対する学習値Qgを「1.02」に設定して、燃料噴射量の誤差を低減させる。
即ち、ステップS9における処理は、ステップS6においてリニアO2センサSW8の検出値により求められた噴射量誤差に基づいて、所定の燃料圧力Pr及び燃料噴射時間Tiにおける燃料噴射量の誤差が低減されるように、その燃料圧力及び燃料噴射時間に対する学習値Qgを設定する第1の学習ステップとして機能する。例えば、図9の学習値テーブルにおいて、第1の燃料圧力Pr3、第1の燃料噴射時間Ti5の燃料噴射条件下でリニアO2センサSW8によって検出された第1の噴射量誤差が平均して約2%の不足であった場合には、対応する第1の学習値Qg53の値として「1.02」が設定される。また、この燃料噴射条件(Pr3、Ti5)に対応するフィードバック補正値Qfbは、この条件に対応する補正が学習値Qg53に反映されたため、初期値である「1」に戻される。
次に、ステップS10においては、燃料噴射学習モジュール10cは、ステップS9における学習に基づいて、学習テーブルを更新する。上記のように、ステップS9における学習は、同一の燃料噴射条件に対して燃料噴射量誤差のデータが所定数蓄積された場合に実行されるものである。従って、図9の学習値テーブル上の全ての燃料噴射条件(燃料圧力Prと燃料噴射時間Tiの組み合わせ)について燃料噴射量誤差のデータが蓄積されるまでには長い時間を要する。このため、データの蓄積が完了するまで十分な燃料噴射量の補正ができず、その間の排気ガス性能が低下する原因となる。そこで、本実施形態の燃料噴射量の学習制御方法においては、ステップS9における学習結果を利用して、学習値テーブル上の他の燃料噴射条件に対応する学習値についても設定を行う。
具体的には、ステップS9において、或る燃料噴射条件(Pr、Ti)について学習値が設定された場合に、ステップS10では、その燃料噴射時間Tiと、他の燃料圧力Prを組み合わせた燃料噴射条件に対応した学習値も設定する。上記の例では、ステップS9において、燃料噴射条件(Pr3、Ti5)に対して学習値Qg53が設定されている。これに対して、ステップS10においては、燃料噴射時間Ti5と、燃料圧力Pr3以外の燃料圧力との組み合わせについて、学習値が設定される。従って、この例では、ステップS10において学習値Qg51、Qg52及びQg54〜Qg5nの値が学習される。この際、学習値Qg51、Qg52及びQg54〜Qg5nの値は、燃料噴射条件(Pr3、Ti5)に対応する燃料噴射量の誤差に基づいて設定される。上記の例では、燃料噴射条件(Pr3、Ti5)において、噴射量誤差が約2%の不足であるため、この噴射量誤差に基づいて学習値Qg51、Qg52及びQg54〜Qg5nの値が設定される。
このように、ステップS10は、第1の燃料圧力Pr3とは異なる第2の燃料圧力Pr1、Pr2、Pr4〜Prn及び第1の燃料噴射時間Ti5で燃料が噴射された場合における第2の噴射量誤差が低減されるように、第2の燃料圧力及び第1の燃料噴射時間Ti5に対する第2の学習値Qg51、Qg52及びQg54〜Qg5nを、第1の噴射量誤差(上記例では2%)に基づいて設定する第2の学習ステップとして機能する。
本件発明者の研究によれば、インジェクタ6からの燃料噴射量の誤差は、同一の燃料圧力Prに対して、燃料噴射時間Tiが変化した場合については、これを推定することは困難である。これに対して、同一の燃料噴射時間Tiに対して、燃料圧力Prが変化した場合については、これを比較的容易に推定することが可能である。さらに、本件発明者の研究によれば、同一の燃料噴射時間Tiであれば、燃料圧力Prが変化した場合でも、燃料噴射量の誤差はほぼ同一の誤差率となり、各燃料圧力Prに対する誤差率を等しい値とみなしても、燃料噴射量の誤差を十分に抑制できることが確認されている。
この知見に基づいて、ステップS10においては、燃料噴射時間Ti5に対する学習値Qg51、Qg52及びQg54〜Qg5nを、全て同一の誤差率に基づいて設定している。上記の例では、燃料噴射条件(Pr3、Ti5)に対応する燃料噴射量の誤差率が「2%不足」であるため、学習値Qg51、Qg52及びQg54〜Qg5nは、全て「1.02」に設定される。即ち、ステップS10においては、第2の燃料圧力Pr1、Pr2、Pr4〜Prn及び第1の燃料噴射時間Ti5で燃料が噴射された場合における第2の噴射量誤差の誤差率が、第1の燃料圧力Pr3、第1の燃料噴射時間Ti5で燃料が噴射された場合における第1の噴射量誤差の誤差率である2%と等しい値として、第2の学習値Qg51、Qg52及びQg54〜Qg5nを設定している。これらの学習値を設定した後、図10に示すフローチャートの1回の処理を終了する。
なお、本実施形態においては、上記の例のように燃料噴射時間がTi5である全ての燃料噴射条件における噴射量誤差は、全て同一の誤差率を有するものとして学習値Qg51〜Qg5nが同一の値に設定されている。これに対して、変形例として、同一の燃料噴射時間を有する燃料噴射条件の一部について、同一の誤差率を有するものとして学習値を設定することもできる。
また、既に学習値が設定されている燃料噴射条件について再び学習条件が成立した場合には、その燃料噴射時間を有する全ての燃料噴射条件に対応した学習値を更新することができる。或いは、既に学習値が設定されている場合には、再び学習条件が成立した燃料噴射条件に対応した学習値のみが更新されるように本発明を構成することもできる。即ち、上記の例ではステップS10の処理により学習値Qg51〜Qg5nが設定されており、後に、例えば、燃料噴射条件(Pr4、Ti5)で学習条件が成立したとき、学習値Qg51〜Qg5nを全て更新することができる。或いは、この場合において、学習値Qg54の値のみが更新されるように、又は、学習値Qg51〜Qg5nのうちの一部の値が更新されるように本発明を構成することもできる。
次に、図11乃至図17を参照して、1サイクル中に燃料噴射が分割して実行された場合における燃料噴射量の学習を説明する。
図11は、燃料噴射が分割して実行された場合における学習処理を示すフローチャートである。図12乃至図17は、燃料噴射が分割して実行された場合において測定される燃料噴射量の誤差と、各噴射において想定される誤差の関係を例示した図である。なお、上述した図10に示すフローチャートは、分割噴射が行われない(1サイクル中に燃料噴射が1回行われる)場合の処理を示すものであるが、分割噴射が実行されるエンジンに本発明が適用された場合には、学習ステップである図10のステップS9における処理が、図11のフローチャートに示す処理に置き換えられる。
上記のように、図10のフローチャートのステップS7において、学習条件が成立している場合において、図11に示すフローチャートの処理が開始される。
図11のステップS11においては、エンジン1が分割噴射を実行する運転条件において運転されているか否かが判断される。即ち、ステップS11においては、インジェクタ6がエンジン1の1サイクル中に複数回に分割して燃料を噴射したか否かが判断される。分割噴射が行われていない場合にはステップS12に進み、分割噴射が行われた場合には、ステップS13に進む。
ステップS12においては、図10のフローチャートのステップS9における処理と同一の処理を行って、図11に示すフローチャートの1回の処理を終了する。図11に示すフローチャートの処理が終了した後、処理は図10のステップS10に戻り、学習テーブルの更新が実行される。
一方、分割噴射が行われた場合にはステップS13に進み、ここでは、1サイクル中に実行された各燃料噴射の中で、最も燃料噴射量が多い噴射が選択される。例えば、10mg(ミリグラム)の燃料が1mgと、2mgと、7mgに分割して噴射された場合には、7mgを目標燃料噴射量とした噴射が、最も燃料噴射量が多い燃料噴射として選択される。
次に、ステップS14においては、ステップS13において選択された最も燃料噴量が多い噴射に対する学習値が変更される。即ち、図10のフローチャートのステップS9においては、同一の燃料噴射条件に対して蓄積された燃料噴射量の誤差データがメモリ10に所定数以上蓄積されていると、学習条件が成立していると判断され、この場合に、最も燃料噴射量が多い噴射に対する学習値が変更される。例えば、或る燃料圧力Prの条件下で、10mgの燃料を1mgと、2mgと、7mgに分割して噴射した場合における燃料噴射量の誤差データが所定数以上蓄積されている場合に、最も燃料噴射量が多い7mgの燃料噴射に対する学習値が変更される。一方、1mg及び2mgの燃料噴射に対する学習値は変更されない。
ここで、リニアO2センサSW8によって測定された酸素濃度に基づく空燃比は、噴射された燃料の総量(10mg)の目標燃料噴射量からのズレを示すものであり、1mgの燃料噴射における噴射量のズレ、2mgの燃料噴射における噴射量のズレ及び7mgの燃料噴射における噴射量のズレを個々に、直接的に測定することはできない。本実施形態においては、リニアO2センサSW8の検出値に基づいて推定された実空燃比に基づいて、エンジンの1サイクル中に噴射すべき目標燃料噴射量の総量と、1サイクル中に実際に噴射された実燃料噴射量の総量との間のズレが計算される(図10のステップS6)。次いで、計算されたズレ量に基づいて、1サイクル中の噴射のうち最も噴射量が多い噴射の燃料噴射時間に対してのみ燃料噴射時間の学習を実行する。従って、図11のステップS14における処理は、学習ステップとして機能する。
具体的には、本実施形態において、例えば10mgの燃料が1mgと、2mgと、7mgに分割して噴射され、リニアO2センサSW8の検出値に基づいて、1サイクル中に実際に噴射された実燃料噴射量の総量が、目標燃料噴射量に対し10%不足していたと計算された場合には、7mgを目標燃料噴射量とした噴射の噴射時間が10%分延長されるように学習値が設定される。一方、1mg、2mgを目標燃料噴射量として実行された各燃料噴射に対しては、学習は実行されない。
このように、本実施形態においては、1サイクル中の噴射のうち最も噴射量が多い噴射の燃料噴射時間に対してのみ燃料噴射時間の学習が実行されているが、変形例として、噴射量が最も多い噴射以外についても学習されるように本発明を構成することもできる。例えば、10mgの燃料が1mgと、2mgと、7mgに分割して噴射され、実燃料噴射量の総量が、目標燃料噴射量に対し10%不足していたと計算された場合には、7mgを目標燃料噴射量とした噴射の噴射時間が10%分延長され、2mgを目標燃料噴射量とした噴射の噴射時間が5%分延長されるように、本発明を構成することもできる。このように、学習ステップにおいて、燃料噴射量のズレ量に基づく学習が、1サイクル中の噴射のうち噴射量が最も多い噴射の燃料噴射時間に対して最も強く反映されるように学習することが好ましい。
また、上記の変形例のように、噴射量が最も多い噴射以外についても学習が実行される場合には、学習ステップにおいて、1サイクル中の燃料噴射量の総量に対し、燃料噴射量が所定割合以下の噴射に対しては、燃料噴射時間の学習を実行しないことが好ましい。例えば、10mgの燃料が2mgと8mgに分割して噴射された場合には、2mgを目標燃料噴射量とした噴射、及び8mgを目標燃料噴射量とした噴射の両方に対し学習を実行する一方、10mgの燃料が1mgと、2mgと、7mgに分割に分割して噴射された場合には、7mg及び2mgを目標燃料噴射量とした各噴射に対しては学習を実行し、1mgを目標燃料噴射量とした噴射に対しては学習を実行しないように構成することが好ましい。即ち、燃料噴射量の総量に対する割合が小さい噴射は、測定された燃料噴射量の総量のズレに対する寄与が小さいため、総量のズレに基づいて学習が実行されると、実態と大きく乖離した学習が為される虞があるためである。
ステップS14においては、燃料噴量時間に対する学習値が変更されると、処理は、図10に示すフローチャートのステップS10に移行し、学習テーブルが更新される。例えば、ステップS14において、燃料圧力Pr3の条件下で、燃料噴射量7mgに対応する燃料噴射時間として、燃料噴射時間Ti5に対する学習値Qg53がプラス10%変更(燃料噴射時間を10%延長)された場合には、図9に示す学習テーブルにおいて、同一の燃料噴射時間Ti5を有する各学習値が変更される。即ち、図11のステップS14において、学習値Qg53がプラス10%変更された場合には、図10のステップS10において、燃料噴射時間がTi5である各学習値Qg51、Qg52及びQg54〜Qg5nも、プラス10%変更される。
また、上述した本実施形態の変形例のように、例えば、燃料圧力Pr3の条件下で、燃料噴射量7mgに対応する燃料噴射時間Ti5に対する学習値Qg53がプラス10%変更され、燃料噴射量2mgに対応する燃料噴射時間Ti2に対する学習値Qg23がプラス5%変更された場合には、燃料噴射時間Ti2、Ti5を有する各学習値が変更される。即ち、燃料噴射時間がTi2である各学習値Qg21、Qg22及びQg24〜Qg2nが、プラス5%変更され、燃料噴射時間がTi5である各学習値Qg51、Qg52及びQg54〜Qg5nが、プラス10%変更される。
このように、本実施形態においては、燃料噴射量のズレ量に基づく学習が、1サイクル中の噴射のうち噴射量が最も多い噴射の燃料噴射時間に対してのみ反映される。これは、1サイクル中の噴射のうち噴射量が最も多い噴射の燃料噴射時間に学習を最も強く反映させることにより、分割して燃料噴射を実行した場合でも効果的な燃料噴射時間の学習が可能であるという、本件発明者によって見出された新たな知見に基づくものである。以下、図12乃至図17を参照して、この新たな知見について説明する。
まず、図12に示す例では、燃料噴射量の目標値として、10mgの燃料を、2mgと8mgに分割して噴射することが設定されている。ここで、例えば、エンジン1に備えられているインジェクタ6が、図12の左端、及び右端に示すグラフのような誤差を持っていると仮定する。即ち、目標値2mgの燃料噴射に対しては+40%、8mgの燃料噴射に対しては+20%、10mgの燃料噴射に対しては+10%分、実際の燃料噴射量が設計値に対してずれる特性を有しているとする。なお、図4を例示して説明したように、燃料噴射時間の増加に対する燃料噴射量の増加割合が、特に閾値時間以下の領域において複雑に変化するため、上記の例のように、各目標燃料噴射量に対する誤差の割合も、通常、一定値とはならない。
インジェクタ6が、図12に例示する誤差を有する場合、2mgを目標値とする燃料噴射では2.8mgの燃料が噴射され、8mgを目標値とする燃料噴射では9.6mgの燃料が噴射されることとなるが、これらの各値が直接測定されることはない。即ち、測定により推定される燃料噴射量は、合計10mgの目標燃料噴射量に対し、12.4mg(=2.8+9.6mg)の燃料が噴射されたという結果のみである。従って、合計10mgの目標燃料噴射量に対し、+24%分の誤差が生じたという結果が測定により推定されるのみである。上述したように、本実施形態においては、この+24%の誤差を、8mgを目標値とする燃料噴射における誤差とみなして学習値が設定される。
この結果、実際には+20%の誤差を生じている8mgの燃料噴射に対して、+24%の誤差が生じているものとして学習値が設定されることとなる。このため、図12に示す例では、学習値と実際の誤差の間に4%分の齟齬が生じていることとなる。これに対し、推定された+24%の誤差を、10mgの目標燃料噴射量に対する誤差であるとみなして学習を実行した場合には、上記の仮定から10mgの燃料噴射に対しては+10%の誤差が生じているので、学習値と実際の誤差の間に14%分の齟齬が生じていることとなる。従って、本実施形態のように、目標燃料噴射量の総量(10mg)に対して生じた誤差(+24%)を、最も燃料噴射量が多い噴射(8mg)に対する誤差とみなすことにより、学習値と実際の誤差の間の食い違いを抑制することができる。
次に、図13に示す例では、燃料噴射量の目標値として、10mgの燃料を、2mgと8mgに分割して噴射することが設定されている。ここで、インジェクタ6が図13に示すように、目標値2mgの燃料噴射に対しては+40%、8mgの燃料噴射に対しては+10%、10mgの燃料噴射に対しては+10%分、実際の燃料噴射量が設計値に対してずれる特性を有しているとする。
インジェクタ6が、図13に例示する誤差を有する場合、2mgを目標値とする燃料噴射では2.8mgの燃料が噴射され、8mgを目標値とする燃料噴射では8.8mgの燃料が噴射されることとなる。このため、測定により合計10mgの目標燃料噴射量に対し、11.6mg(=2.8+8.8mg)の燃料が噴射されたという結果が推定される。従って、合計10mgの目標燃料噴射量に対し、+16%分の誤差が生じたという結果が測定により推定され、この+16%の誤差を、8mgを目標値とする燃料噴射における誤差とみなして学習値が設定される。
これにより、実際には+10%の誤差を生じている8mgの燃料噴射に対して、+16%の誤差が生じているものとして学習値が設定され、学習値と実際の誤差の間に6%分の齟齬が生じる。これに対し、推定された+16%の誤差を、10mgの目標燃料噴射量に対する誤差であるとみなして学習を実行した場合には、上記の仮定から10mgの燃料噴射に対しては+10%の誤差が生じているので、学習値と実際の誤差の間に6%分の齟齬が生じる。従って、図13に示す例では、目標燃料噴射量の総量(10mg)に対して生じた誤差(+16%)を、最も燃料噴射量が多い噴射(8mg)に対する誤差とみなした場合でも、学習値と実際の誤差の間の食い違いは、同程度に収まっている。
さらに、図14に示す例では、燃料噴射量の目標値として、10mgの燃料を、2mgと8mgに分割して噴射することが設定されている。ここで、インジェクタ6が図14に示すように、目標値2mgの燃料噴射に対しては+30%、8mgの燃料噴射に対しては+10%、10mgの燃料噴射に対しては+20%分、実際の燃料噴射量が設計値に対してずれる特性を有しているとする。
インジェクタ6が、図14に例示する誤差を有する場合、2mgを目標値とする燃料噴射では2.6mgの燃料が噴射され、8mgを目標値とする燃料噴射では8.8mgの燃料が噴射されることとなる。このため、測定により合計10mgの目標燃料噴射量に対し、11.4mg(=2.6+8.8mg)の燃料が噴射されたという結果が推定される。従って、合計10mgの目標燃料噴射量に対し、+14%分の誤差が生じたという結果が測定により推定され、この+14%の誤差を、8mgを目標値とする燃料噴射における誤差とみなして学習値が設定される。
これにより、実際には+10%の誤差を生じている8mgの燃料噴射に対して、+14%の誤差が生じているものとして学習値が設定され、学習値と実際の誤差の間に4%分の齟齬が生じる。これに対し、推定された+14%の誤差を、10mgの目標燃料噴射量に対する誤差であるとみなして学習を実行した場合には、上記の仮定から10mgの燃料噴射に対しては+20%の誤差が生じているので、学習値と実際の誤差の間に6%分の齟齬が生じる。従って、図14に示す例では、目標燃料噴射量の総量(10mg)に対して生じた誤差(+14%)を、最も燃料噴射量が多い噴射(8mg)に対する誤差とみなすことにより、学習値と実際の誤差の間の食い違いが抑制されている。
次に、図15に示す例では、燃料噴射量の目標値として、10mgの燃料を、2mgと8mgに分割して噴射することが設定されている。ここで、インジェクタ6が図15に示すように、目標値2mgの燃料噴射に対しては+20%、8mgの燃料噴射に対しては+10%、10mgの燃料噴射に対しては+20%分、実際の燃料噴射量が設計値に対してずれる特性を有しているとする。
インジェクタ6が、図15に例示する誤差を有する場合、2mgを目標値とする燃料噴射では2.4mgの燃料が噴射され、8mgを目標値とする燃料噴射では8.8mgの燃料が噴射されることとなる。このため、測定により合計10mgの目標燃料噴射量に対し、11.2mg(=2.4+8.8mg)の燃料が噴射されたという結果が推定される。従って、合計10mgの目標燃料噴射量に対し、+12%分の誤差が生じたという結果が測定により推定され、この+12%の誤差を、8mgを目標値とする燃料噴射における誤差とみなして学習値が設定される。
これにより、実際には+10%の誤差を生じている8mgの燃料噴射に対して、+12%の誤差が生じているものとして学習値が設定され、学習値と実際の誤差の間には2%分の齟齬が生じる。これに対し、推定された+12%の誤差を、10mgの目標燃料噴射量に対する誤差であるとみなして学習を実行した場合には、上記の仮定から10mgの燃料噴射に対しては+20%の誤差が生じているので、学習値と実際の誤差の間に8%分の齟齬が生じる。従って、図15に示す例では、目標燃料噴射量の総量(10mg)に対して生じた誤差(+12%)を、最も燃料噴射量が多い噴射(8mg)に対する誤差とみなすことにより、学習値と実際の誤差の間の食い違いが大幅に抑制されている。
次に、図16に示す例では、燃料噴射量の目標値として、10mgの燃料を、2mgと8mgに分割して噴射することが設定されている。ここで、インジェクタ6が図16に示すように、目標値2mgの燃料噴射に対しては+35%、8mgの燃料噴射に対しては+10%、10mgの燃料噴射に対しては+20%分、実際の燃料噴射量が設計値に対してずれる特性を有しているとする。
インジェクタ6が、図16に例示する誤差を有する場合、2mgを目標値とする燃料噴射では2.7mgの燃料が噴射され、8mgを目標値とする燃料噴射では8.8mgの燃料が噴射されることとなる。このため、測定により合計10mgの目標燃料噴射量に対し、11.5mg(=2.7+8.8mg)の燃料が噴射されたという結果が推定される。従って、合計10mgの目標燃料噴射量に対し、+15%分の誤差が生じたという結果が測定により推定され、この+15%の誤差を、8mgを目標値とする燃料噴射における誤差とみなして学習値が設定される。
これにより、実際には+10%の誤差を生じている8mgの燃料噴射に対して、+15%の誤差が生じているものとして学習値が設定され、学習値と実際の誤差の間には5%分の齟齬が生じる。これに対し、推定された+15%の誤差を、10mgの目標燃料噴射量に対する誤差であるとみなして学習を実行した場合には、上記の仮定から10mgの燃料噴射に対しては+20%の誤差が生じているので、学習値と実際の誤差の間に5%分の齟齬が生じる。従って、図16に示す例では、目標燃料噴射量の総量(10mg)に対して生じた誤差(+15%)を、最も燃料噴射量が多い噴射(8mg)に対する誤差とみなしても、学習値と実際の誤差の間の食い違いは同程度になる。
最後に、図17に示す例では、燃料噴射量の目標値として、10mgの燃料を、2mgと8mgに分割して噴射することが設定されている。ここで、インジェクタ6が図17に示すように、目標値2mgの燃料噴射に対しては+40%、8mgの燃料噴射に対しては+10%、10mgの燃料噴射に対しては+20%分、実際の燃料噴射量が設計値に対してずれる特性を有しているとする。
インジェクタ6が、図17に例示する誤差を有する場合、2mgを目標値とする燃料噴射では2.8mgの燃料が噴射され、8mgを目標値とする燃料噴射では8.8mgの燃料が噴射されることとなる。このため、測定により合計10mgの目標燃料噴射量に対し、11.6mg(=2.8+8.8mg)の燃料が噴射されたという結果が推定される。従って、合計10mgの目標燃料噴射量に対し、+16%分の誤差が生じたという結果が測定により推定され、この+16%の誤差を、8mgを目標値とする燃料噴射における誤差とみなして学習値が設定される。
これにより、実際には+10%の誤差を生じている8mgの燃料噴射に対して、+16%の誤差が生じているものとして学習値が設定され、学習値と実際の誤差の間には6%分の齟齬が生じる。これに対し、推定された+16%の誤差を、10mgの目標燃料噴射量に対する誤差であるとみなして学習を実行した場合には、上記の仮定から10mgの燃料噴射に対しては+20%の誤差が生じているので、学習値と実際の誤差の間に4%分の齟齬が生じる。従って、図17に示す例では、目標燃料噴射量の総量(10mg)に対して生じた誤差(+16%)を、最も燃料噴射量が多い噴射(8mg)に対する誤差とみなすことで、学習値と実際の誤差の間の食い違いが増加してしまう。
しかしながら、実際には、インジェクタ6が図17に例示するような傾向の誤差を持つことは少ない。また、図12乃至図16に例示したように、推定された燃料噴射量の総量の誤差を、1サイクル中で最も噴射量が多い噴射の誤差とみなすことにより、多くの場合、学習値と実際の誤差の間の齟齬を抑制できることが、本件発明者の実験により実証されている。このため、本実施形態の燃料噴射量の学習制御方法によれば、1サイクル中に分割して燃料が噴射された場合でも、効果的に学習を行うことができる。また、上述した例では、何れも、比較的燃料噴射量が多い、8mgの燃料噴射について学習が実行されている。これに対して、2mgの燃料噴射等、比較的噴射量が少ない燃料噴射に対しては、1サイクル中に噴射される燃料の総量が少ない、アイドリング時等の低負荷でエンジン1が運転されているとき学習が実行される。
本発明の実施形態の燃料噴射量の学習制御方法によれば、第1の燃料圧力(例えばPr3)、第1の燃料噴射時間(例えばTi5)に対して学習値(例えばQg53)が設定されている場合において、第2の燃料圧力(例えばPr3以外)、第1の燃料噴射時間に対する学習値(例えばQg51、Qg52等)が、第1の燃料圧力、第1の燃料噴射時間における噴射量誤差に基づいて設定される。このため、第2の燃料圧力、第1の燃料噴射時間に基づく運転が行われ、噴射量誤差がリニアO2センサSW8によって実際に計測されていない状態においても、第2の燃料圧力、第1の燃料噴射時間に対する学習値を設定することができる。これにより、実際に運転が行われていない燃料圧力、燃料噴射時間に対しても学習値を設定することが可能になり、早期に制御パラメータの学習を行うことができる。
また、本実施形態の燃料噴射量の学習制御方法によれば、第2の噴射量誤差における誤差率(例えば、燃料噴射条件(Pr4、Ti5)に対する誤差率)を、第1の噴射量誤差における誤差率(例えば、燃料噴射条件(Pr3、Ti5)に対する誤差率)と等しい値として、第2の学習値(例えばQg54等)を計算するので、第1の噴射量誤差の誤差率に基づいて簡単な計算で第2の学習値を求めることができる。
さらに、本実施形態の燃料噴射量の学習制御方法によれば、燃料噴射量が燃料噴射時間に比例しない領域(図4の閾値時間以下)に燃料噴射時間が設定された場合でも、燃料噴射量の学習により、燃料噴射量を正確に制御することができる。また、燃料噴射量が燃料噴射時間に比例しない領域では多くの学習値が必要となるが、本実施形態によれば、多くの学習値を早期に設定することができ、排出ガス性能の低下を抑制することができる。
本実施形態が適用されているエンジン1は、運転状態に応じて燃料圧力が変更されており(図7、図8)、燃料圧力と燃料噴射時間の組み合わせ毎に学習値が設定され(図9)、多くの学習値(Qg11〜Qgmn)が必要となるが、本実施形態の燃料噴射量の学習制御方法によれば、多くの学習値を早期に設定することができ、排出ガス性能の低下を抑制することができる。
本実施形態が適用されているエンジン1のように圧縮着火燃焼、火花点火制御圧縮着火燃焼を行うエンジンでは(図5)、圧縮着火が発生する時期を制御するために、精密な空燃比の設定が必要となる(図6)。本実施形態の燃料噴射量の学習制御方法によれば、排出ガス性能を低下させることなく、多くの学習値を設定することができるので、従来の制御方法では困難であった空燃比の精密な設定が可能になり、圧縮着火燃焼を行うエンジンにおいても、安定した着火を実現することができる。
また、本実施形態の燃料噴射量の学習制御方法によれば、燃料噴射時間が閾値時間以下の領域には、閾値時間よりも長い領域よりも多くの学習値が設定されている(図9)。このため、燃料噴射量が複雑に変化する領域(図4の閾値時間以下)に多くの学習値を割り当てることができ、学習に要する時間を抑制しながら、精密に燃料噴射量を設定することができる。
さらに、本実施形態の燃料噴射量の学習制御方法によれば、同一の燃料噴射時間を有する燃料噴射における噴射量誤差は、全て同一の誤差率を有するものとして学習値が設定される(図10のステップS10)ので、1つの検出値に基づいて多くの学習値を設定することができ、早期に学習を完了して排出ガス性能を向上させることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。