JP3819462B2 - 筒内噴射エンジンの制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射エンジンのエンジン制御装置に関し、特に、シリンダ内の圧力が上昇中の圧縮行程で燃料をシリンダ内に直接噴射するエンジンの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、インジェクタからシリンダ内に燃料を直接噴射するエンジン、即ち、筒内噴射エンジンは、種々提案(例えば、特開平5−79370号公報参照)されており、該筒内噴射エンジンは、インジェクタから噴射される燃料の圧力がシリンダの内圧よりも常に高くなるべく燃料噴射圧力を保持して噴射されるように設定されている。
【0003】
そして、従来の前記筒内噴射エンジンでの圧縮行程での燃料の噴射、特に、圧縮行程の後期にまで噴射時間がかかる燃料噴射では、エンジンのシリンダ内の圧力が圧縮上死点に近づくほど大きくなることによって、燃料圧力とシリンダ内圧力との差圧が圧縮上死点に近づくほど小さくなっていき、該差圧を一定に保つことができない状態となってしまう。このため、圧縮行程の後半で燃料噴射を行う場合には、吸気行程、あるいは、圧縮行程前半の場合と同じ噴射時間であっても噴射される燃料量が少なくなり、その結果として目標の空燃比に対して実際の空燃比が薄くなるという問題があった。
【0004】
このようなシリンダ内の圧力変動に対処するべく、(イ)先行圧縮行程においてシリンダ内の内圧を検出し、該検出シリンダ内圧と燃料圧力との差圧に基づいて燃料噴射量を算出し、算出された燃料噴射量の算出値が目標燃料噴射量に達する時間を積算して、積算された時間だけ後続圧縮行程においてインジェクタを開弁させる制御手段が提案されている(特開平4−116243号公報)。また、(ロ)エンジンの運転条件に応じた吸気のシリンダへの充填効率を推定し、該充填効率の圧縮圧力上昇曲線から燃料噴射時期における実際のシリンダ内の内圧を検出し、該検出内圧と燃料圧力との差圧に基づいて補正係数を定め、該補正係数を燃料圧力により定めた燃料噴射時間に乗算して該燃料噴射時間を補正するエンジン制御手段が提案されている(実開平5−1837号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記提案(イ)は、検出シリンダ内圧と燃料圧力との差圧に基づいて算出された燃料噴射量の算出値が目標燃料噴射量に達する時間を積算して燃料噴射時間を補正して実空燃比を目標空燃比に近似するべくしているが、先行圧縮行程でシリンダ内の内圧を検出するための筒内圧検出センサを必要とすると共に、燃料圧力とシリンダ内圧との二つのセンサ値をA/D変換して差圧として記録する処理をΔt時間毎に繰り返し実施し、目標とする補正噴射時間(補正燃料量)を計算しなければならないが、前記Δt時間を粗くすると正確な補正噴射時間(補正燃料量)を得られず、逆に、Δt時間を密にすると割り込み演算処理に時間がかかり、マイコンの処理容量との関係で他の制御処理に不具合を生じさせる虞があるとの問題点がある。
【0006】
前記提案(ロ)は、検出内圧と燃料圧力との差圧に基づいて定めた補正係数を燃料噴射時間に乗算して該燃料噴射時間を補正するものであるが、燃料圧力とシリンダ内の圧力との差圧を燃料の噴射終了時期での一ポイントでしか検出しておらず、圧縮行程での燃料圧力とシリンダ内圧力との差圧が圧縮上死点に近づくほど小さくなるように曲線的に変化する現象を考慮していないので、正確な燃料補正量を算出することができ難いとの問題点がある。
【0007】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、エンジンの圧縮行程中におけるエンジン筒内への燃料の直接噴射であっても、実空燃比を目標空燃比に一致させるように制御することのできるエンジンの制御装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明のエンジンの制御装置は、エンジンのシリンダに入る吸入空気量を検出する手段と目標空燃比となるよう前記吸入空気量に係数をかけて燃料噴射量を算出する手段と、燃料の圧力を一定値に保つ燃料の加圧及び調圧手段と、所定の時期に点火プラグを点火させる手段とを備え、前記燃料噴射量に基づき燃料噴射時間と燃料噴射終了タイミングを検索し、該燃料噴射時間と燃料噴射終了タイミングから仮の燃料噴射開始タイミングを算出する手段と、エンジンの圧縮行程でのリンダ内の圧力変化を予め推定する手段と、前記推定したシリンダ内圧力と一定値の前記燃料圧力との差圧を算出する手段と、該差圧が圧縮行程で変化することにより生ずる前記燃料噴射量の減少量を積して算出する手段と、前記燃料噴射量の減少量を補償するために前記燃料噴射時間の補正分を算出する手段と、前記燃料噴射時間の補正分だけ前記仮の噴射開始タイミングより噴射開始タイミングを早めてシリンダ内に燃料を直接噴射するインジェクタの噴射時間を算出する手段と、を備えたことを特徴としている。
【0009】
また、前記シリンダ内の圧力変化を予め推定する手段は、圧縮の全行程の間で上死点を1として正規化した筒内圧波形をクランク角度に対するテーブルとして制御装置内に記憶する記憶手段と、エンジンの運転状態により圧力変換係数を算出する手段とを備え、前記テーブルから算出した値に前記圧力変換係数を乗じてシリンダ内圧力を推定することを特徴としている。
【0010】
更に、前記圧力変換係数を算出する手段は、圧縮上死点後に点火する場合の圧縮上死点のシリンダ内ピーク圧力を、エンジン回転数とエンジン負荷(吸入空気量をエンジン回転数で割って一定係数を乗じた値)の2変数から算出されるマップとして制御装置内に記憶する記憶手段と、該マップをエンジン回転数とエンジン負荷とから検索する手段とにより構成すると共に、前記圧力変換係数を算出する手段は、圧縮上死点後に点火する場合の圧縮上死点のピーク圧力を、エンジン回転数とスロットル開度の2変数から算出されるマップとして制御装置内に記憶する記憶手段と、該マップをエンジン回転数とスロットル開度とから検索する手段により構成することを特徴としている。
【0011】
更にまた、エンジンの燃焼状態もしくは運転状態に基づき噴射タイミング、もしくは、点火時期を補正すると共に、エンジンの燃焼状態をエンジン回転速度信号の変動で検出することを特徴とし、かつ、噴射時期と点火時期のゲインの配分を変えること、及び、エンジンの負荷により噴射時期のゲインと点火時期のゲインとの配分を変えることを特徴としている。
【0012】
前述の如く構成された本発明のエンジン制御装置は、エンジンの圧縮行程で燃料を噴射する場合、燃料噴射の開始から終了時までのシリンダ内の圧力変化を予め推定し、該推定したシリンダ内圧力と燃料圧力との差圧を算出し、圧縮行程にて該差圧が変化することにより生ずる燃料噴射量の減少量を積算して算出し、該燃料噴射量の減少量に相当する燃料噴射時間を加算補正すること、つまり、燃料噴射量の減少分を燃料噴射時間の補正分として燃料噴射時間に加算するべく、前記燃料噴射時間の補正分だけ噴射開始タイミングを仮の噴射開始タイミングより早めて燃料噴射時間を補正することにより、エンジンの圧縮行程中におけるエンジン筒内への燃料の直接噴射であっても、実空燃比を目標空燃比に一致させる制御が達成できる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態のエンジンの制御装置を図に基づいて説明する。
図1は、本実施の形態のエンジンとエンジン制御装置の全体構成を示したものである。
図1において、多気筒エンジン本体1は、エアクリーナ2の入口部2aから吸入空気を取り入れ、該吸入空気は空気流量計3を介してスロットル弁5が収容されたスロットルボディ6aを通ってコレクタ6に入る。該コレクタ6に運ばれた吸入空気はエンジン本体1の各シリンダ7に接続された各吸気管7aに分配され、シリンダ7内の燃焼室7b内に導かれる。
【0014】
一方、ガソリンなどの燃料は、燃料タンク14から第1燃料ポンプ10により1次加圧されると共に、更に、第2燃料ポンプ11により2次加圧され、インジェクタ9が配管されている燃料系に供給される。1次加圧された燃料は燃圧レギュレータ12により一定の圧力(例えば3kg/cm2 )に調圧され、より高い圧力に2次加圧された燃料は燃圧レギュレータ13により一定の圧力(例えば30kg/m2 )に調圧され、それぞれのシリンダ7に設けられているインジェクタ9からシリンダの中に噴射される。
【0015】
また、前記空気流量計3からは吸気流量を表す信号が出力され、コントロールユニット15に入力されるようになっている。
更に、スロットルボディ6aには、スロットル弁5の開度を検出するスロットルセンサ4が取り付けてあり、その出力もコントロールユニット15に入力されるようになっている。
【0016】
更にまた、クランク角センサ16が、カムシャフト軸(図示省略)に取り付けられ、該クランク角センサ16はクランク軸7cの回転位置を表す基準角信号REFと回転信号(回転数)検出用の角度信号POSとを出力し、該信号もコントロールユニット15に入力されるようになっている。ここで、クランク角を検出するセンサは、クランク軸7cの回転を直接検出するクランク角センサ21のタイプのものでもよい。
【0017】
シリンダ7から排出される排気ガスを導く排気管19には、空燃比センサ(A/Fセンサ)が配置され、該A/Fセンサから検出される出力信号もコントロールユニット15に入力されるようになっている。前記排気管19の排出側には、触媒装置20が配置されていると共に、前記シリンダ7の燃焼室7Cには点火プラグ8が装置され、点火コイル22を介して電源に接続されている。
【0018】
コントロールユニット15の主要部は、図2に示すようにMPU、ROM、RAMおよびA/D変換器を含むI/OLSI等で構成されており、エンジン1のの運転状態を検出する前記各種のセンサなどからの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された各種の制御信号を出力し、前記した各シリンダ7に配置されているインジェクタ9、…、及び、点火コイル22…等に所定の制御信号を供給し、燃料供給量制御と点火時期制御とを実行するものである。
【0019】
図3は、前記のような多気筒の筒内噴射エンジンにおいて、圧縮行程で噴射を行なったときの各気筒内の内圧の変化と燃料補正量との関係を示しており、1つの気筒の圧縮行程の開始から爆発行程終了までの行程をクランクアングルを横軸にとって気筒内の内圧の変化を示したものである。
爆発なしでエンジン1をモータリングしているときの気筒の内圧は、点線のようにクランクアングル180°、つまり、TDC(Top Dad Center)まで上昇して最大圧力となり、その後、BDC(Bottom Dead Center)まで減少する。また、実線で示した筒内圧は、圧縮行程の終了付近で点火プラグで点火してから燃焼圧力が高まり、その後、減少していく。
【0020】
ところで、燃料ポンプ11により2次加圧された燃料は、燃圧レギュレータ13により調圧されて、図3の直線ABのように一定の圧力(例えば30kg/cm2 )となっているが、気筒の内圧は、図3の曲線FCのように変化している。このために、インジェクタ9を境に高圧側(燃料側)と低圧側(シリンダ側)の差圧は、図3の線分AFまたはBCのようにクランクアングル180°に向かって、減少していく。つまり、線分ABで示される時間(角度)中、燃料噴射しても、吸気行程で同じ時間、燃料噴射するよりも燃料量は少なくなる。定量的には、吸気行程での噴射量をABDEの面積とすると、図3の圧縮行程では、ABCFの面積しか噴射できないこととなる。この結果、空燃比が目標空燃比よりも薄くなってしまうので、差圧変動に基づき減少した燃料を増加すべく、前記噴射時間を補正し、該噴射時間に補正分の時間を加えて長くする必要がある。補正分の噴射時間の求めかたについては後述する。
【0021】
図4は、本実施の形態のエンジン制御装置のブロック構成図を示している。
基本噴射量算出手段41は、前記クランク角センサ16及び空気流量計3等で検出されたエンジン回転数Neと空気流量Qaとに基づき基本噴射量Tpを算出する。インジェクタ9からの燃料の噴射時間Tiは、前記基本噴射量算出手段41で算出される前記基本噴射量Tpに2つの係数をかけて求められる。1つの係数は、目標A/Fマップ42から算出され、該目標A/Fマップ42では空燃比の目標値を回転数Neと基本噴射量Tpとで検索できるようになっている。
【0022】
他の1つの係数は、差圧補正手段46で算出される係数であり、本実施の態様のエンジン制御装置の最も特徴的なところである。差圧補正の係数を算出するには、ベースとなる前記噴射終了時期マップ43で検索した噴射終了時期と筒内圧推定手段44の算出結果をもとに実施する。詳細の実施手段については、図5、図6に基づいて後述する。
【0023】
基本点火時期マップ45では、エンジン回転数Neと基本噴射量Tpからの入力信号に基づきマップから点火時期を算出するが、該点火時期は、エンジン状態によって補正することができる。前記エンジン状態を表わす指標の一つにエンジンのサージ指標があるが、該サージ指標は、エンジン回転数の変動に基づくサージ指標計算手段49で計算される。エンジンの燃焼安定性が悪化してサージ指標が大きくなると、点火時期、または、噴射時期を制御して燃焼を安定化させる。前記点火時期と噴射時期は、サージ指標Qに比例して補正量を決定するが、このときのゲイン(ゲインG1 、G2 )47、48は、図11のように、例えば、負荷を表わす基本噴射量のテーブルとして該基本噴射量の変更に対してゲインを可変としてもよい。
【0024】
次に、図4のサージ指標Qを計算するサージ指標計算手段49での計算の仕方について、図10のブロック構成図を基に具体的に説明する。まず、エンジン回転数Neをバンドパスフィルタ101に入力する。バンドパスフィルタ101の透過周波数を、例えば、1Hz〜9Hzとすると、バンドパスフィルタ101を通過した信号は、サージトルクの成分のみとなり、これを実効値変換手段102により実効値に変換する。このようにして、サージトルクを表わすサージ指標Qが得られる。サージトルク検出の処理は、コントローラ15のマイコンで実行されるが、処理周期は定時割り込みでも、エンジン回転周期割り込みでもよい。
【0025】
次に、図4の筒内圧推定手段44の作動状態について、図5に基づき具体的に説明する。先に、図3で説明した気筒の内圧の変化曲線の圧力ピーク値を1と正規化し、曲線501のようにクランクアングルのテーブルとする。正規化した気筒の内圧を実際の気筒の内圧と同じレベルにするために、圧力変換係数Kを掛けて、推定筒内圧曲線502を作成する。前記圧力変換係数K、つまり、気筒の内圧のピーク値は、エンジンの運転状態によって変わるので、前記圧力変換係数Kは、エンジン回転数Neと基本噴射時期Tpから検索できるマップであるとして記憶しておくとよい。
【0026】
次に、図4の差圧補正手段46の作動状態について、前記筒内圧推定手段44と同様に、図5に基づき具体的に説明する。直線503は、仮の噴射開始をクランクアングルθ1 、噴射終了をクランクアングルθ2 で燃料噴射を行なったとき、燃料の差圧が常に一定と仮定したときの燃料噴射量を表わす。これに対し、曲線504は、推定筒内圧曲線502に基づく推定筒内圧と燃料圧力との差圧に基づいて計算した燃料噴射量を示している。
【0027】
クランクアングルθ2 時点での差圧一定の燃料噴射量503を100%としたときの差圧変動をする燃料噴射量504の不足分をKTi%とする。差圧一定の状態で元々噴射する予定だった噴射パルスは、噴射パルス505として表示できるが、差圧変動する状態においては、燃料噴射量の不足分のKTi%を乗じた補正パルス506分を前記噴射パルス505に加えることによって該噴射パルスを補正し、空燃比が薄くなる不具合を防止する。
【0028】
次に、図6は、本実施の形態のエンジン制御装置の制御フローチャートを示すものであり、該制御フローチャートに沿って処理の流れを説明する。始めに、割り込みフローとしてステップ601において、圧力変換係数Kを筒内圧推定手段44でエンジン回転数Neと基本噴射量Tpのマップから検索する。ステップ602では、噴射終了のタイミングθ2 を噴射終了時期マップ43からエンジン回転数Neと基本噴射量Tpとに基づき検索する。ステップ603では、仮の噴射開始のタイミングθ1 を計算する。仮の噴射開始のタイミングθ1 は、噴射終了のタイミングθ2 から噴射パルス505を引くことによって求められる。
【0029】
次に、ステップ604で、正規化した筒内圧P(θ)を検索し、ステップ605で差圧の比をとり積分計算する。該積分は、ステップ606での判定とステップ607での処理を行うことにより、クランクアングルθ1 からθ2 まで繰り返し実施される。前記積分を行なった結果は、図5のクランクアングルθ2 での燃料噴射量504と燃料噴射量503の差に相当するKTi%となり、ステップ608で、噴射パルス幅(θ2 −θ1 )を乗じることによって補正分のパルス幅θC が得られる。
【0030】
最後に、ステップ609では、噴射開始タイミングをθ1 からθ1'に早めてセットして、割り込みフローを終了する。
図6のフローチャートの処理フローは、図5の下部に演算処理時間として示されているように、実際に噴射する圧縮行程よりも前の排気行程中に演算終了しており、噴射開始、及び、終了のタイミングのセットは、処理終了から2回目のREFを基準にθ1'とθ2 をセットする。
【0031】
図6のフローチャート中のステップ605では、圧力比積分値計算においてルートの処理計算があるが、該計算をマイコンで処理を行うに当たり処理時間に制限があって不都合が生じるのであれば、図7に示すように0から1までのルートの結果をテーブルとしてマイコン中の記憶手段に記憶しておき、入力と出力との関係で該ルートを求めるようにすればよい。その時の前記ステップ605での処理をブロック図として示すと図8に示すようになる。予めルートの中の計算をした後にブロック801で図7の如きテーブルを用いてルートの処理を行い、次いで、ブロック802で積分を行う。該積分は前回処理時の値に新しく求まった値を加えていく和分でよい。
【0032】
図9は、前記した本実施の形態による制御処理を行った場合の各パラメータの推移を示すものである。
筒内噴射エンジン1を運転中に、基本噴射タイミングを時刻901から時刻902にかけて圧縮上死点方向に変化させた場合で、かつ、噴射時間を一定とした場合と、噴射時間を補正した場合とを考える。図9において点線は噴射時間一定の場合を示し、一点鎖線は噴射時間を補正した場合を示している。
【0033】
前記場合において、基本噴射タイミングを圧縮上死点方向に変化させても噴射時間が補正されないと、噴射時間が一定であるから空燃比は目標値よりも薄くなり、エンジン1がサージ限界を越えて振動が大きくなり運転性を損ねる傾向となる。しかし、本実施の形態を用いて噴射時間を補正すると時刻901から902の間は噴射時間を長くして差圧補正を行うこととなるので、空燃比が目標空燃比からずれることもなく、サージトルクも増加することがないので運転性も確保出来ることとなる。
以上、本発明の一実施の形態について詳述したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。
【0034】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明による筒内噴射エンジンの制御装置は、エンジンの圧縮行程で燃料を噴射する場合に、燃料圧とシリンダ内圧の差圧が変化することにより生ずる燃料噴射量の減少分を、燃料噴射時間の補正分として燃料噴射時間に加算すること、つまり、前記燃料噴射時間の補正分だけ噴射開始タイミングを仮の噴射開始タイミングより早めて燃料噴射時間を補正することにより、実空燃比を目標空燃比に一致させるように制御するので、実空燃比が薄くなることによる運転性悪化を防止する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態のエンジン制御装置を備えた筒内噴射エンジンの構成図。
【図2】図1のエンジン制御装置(コントロールユニット)の構成概念図。
【図3】図1の筒内噴射エンジンの筒内圧の変化を表わす図。
【図4】図1のエンジン制御装置の機能ブロック構成図。
【図5】図1のエンジン制御装置の処理タイムチャート。
【図6】図1のエンジン制御装置のフローチャート。
【図7】圧力比積分値計算のための検索のテーブル。
【図8】図7の圧力比積分値計算のためのブロック図。
【図9】図1のエンジン制御装置の噴射時期と噴射時間のタイミングチャート。
【図10】図1のエンジン制御装置のサージ指標計算のためのブロック図。
【図11】図1のエンジン制御装置のゲインに対する基本噴射量のテーブル。
【符号の説明】
1…多気筒エンジン本体、3…空気流量計、7…シリンダ、8…点火プラグ、9…インジェクタ、15…コントロールユニット、41…基本燃料算出手段、42…目標A/Dマップ、43…噴射終了時期マップ、44…筒内圧推定手段、45…基本点火時期マップ、46…差圧補正手段、49…サージ指標計算手段

Claims (8)

  1. エンジンのシリンダに入る吸入空気量を検出する手段と目標空燃比となるよう前記吸入空気量に係数をかけて燃料噴射量を算出する手段と、燃料の圧力を一定値に保つ燃料の加圧及び調圧手段と、所定の時期に点火プラグを点火させる手段とを備えた筒内噴射エンジンの制御装置であって
    前記燃料噴射量に基づき燃料噴射時間と燃料噴射終了タイミングを検索し、該燃料噴射時間と燃料噴射終了タイミングから仮の燃料噴射開始タイミングを算出する手段と、エンジンの圧縮行程でのリンダ内の圧力変化を予め推定する手段と、前記推定したシリンダ内圧力と一定値の前記燃料圧力との差圧を算出する手段と、該差圧が圧縮行程で変化することにより生ずる前記燃料噴射量の減少量を積して算出する手段と、前記燃料噴射量の減少量を補償するために前記燃料噴射時間の補正分を算出する手段と、前記燃料噴射時間の補正分だけ前記仮の噴射開始タイミングより噴射開始タイミングを早めてシリンダ内に燃料を直接噴射するインジェクタの噴射時間を算出する手段と、を備えたことを特徴とする筒内噴射エンジンの制御装置。
  2. 前記シリンダ内の圧力変化を予め推定する手段は、圧縮の全行程の間で上死点を1として正規化した筒内圧波形をクランク角度に対するテーブルとして制御装置内に記憶する記憶手段と、エンジンの運転状態により圧力変換係数を算出する手段とを備え、前記テーブルから算出した値に前記圧力変換係数を乗じてシリンダ内圧力を推定することを特徴とする請求項1に記載の筒内噴射エンジンの制御装置。
  3. 前記圧力変換係数を算出する手段は、圧縮上死点後に点火する場合の圧縮上死点のピーク圧力を、エンジン回転数とエンジン負荷(吸入空気量をエンジン回転数で割って一定係数を乗じた値)の2変数から算出されるマップとして制御装置内に記憶する記憶手段と、該マップをエンジン回転数とエンジン負荷とから検索する手段とにより構成することを特徴とする請求項2に記載の筒内噴射エンジンの制御装置。
  4. 前記圧力変換係数を算出する手段は、圧縮上死点後に点火する場合の圧縮上死点のピーク圧力を、エンジン回転数とスロットル開度の2変数から算出されるマップとして制御装置内に記憶する記憶手段と、該マップをエンジン回転数とスロットル開度とから検索する手段により構成することを特徴とする請求項2に記載の筒内噴射エンジンの制御装置。
  5. エンジンの燃焼状態もしくは運転状態に基づき噴射タイミング、もしくは、点火時期を補正することを特徴とする請求項1に記載の筒内噴射エンジンの制御装置。
  6. エンジンの燃焼状態をエンジン回転速度信号の変動で検出することを特徴とする請求項5に記載の筒内噴射エンジンの制御装置。
  7. 噴射時期と点火時期のゲインの配分を変えることを特徴とする請求項5に記載の筒内噴射エンジンの制御装置。
  8. エンジンの負荷により噴射時期のゲインと点火時期のゲインとの配分を変えることを特徴とする請求項7に記載の筒内噴射エンジンの制御装置。
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