JP3846195B2

JP3846195B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP3846195B2
Application number: JP2001010563A
Authority: JP
Inventors: 和法小嶋; 純一加古
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: JP2002213276A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、特に、燃料の動的挙動をモデル化した燃料挙動モデルを用いて燃料噴射装置による燃料供給量を制御する内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃料供給量を運転条件に応じて制御する装置として、吸気系における燃料挙動を記述する数式モデルを設定し、運転条件や燃料条件から設定した数式モデルを演算することで燃料挙動をシミュレートすることにより必要な燃料供給量を求めて燃料噴射装置を制御する燃料挙動モデルによる制御技術が知られている。
【０００３】
このような制御技術のうち、特開平６−２９９８８４号公報に開示されている技術は、いわゆるフューエルカットからの復帰時の噴射量についても燃料挙動モデルを用いた制御を行う技術である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この技術はあくまで、フューエルカットからの復帰時の噴射量制御に関するものであり、フューエルカットの実行制御に関するものではない。フューエルカットが実行されると、それまで吸気管の壁面などに付着していた燃料が未燃燃料として排出されるが、従来は、フューエルカットの条件が満たされてからフューエルカット実行までに遅延時間を設けることで対処していた。
【０００５】
しかし、これでは、遅延時間が適切な遅延時間より短い場合には、大量の未燃燃料が排出されることになり、排気エミッションの悪化や排ガス浄化触媒の温度上昇による劣化を招くことになる。一方、遅延時間が長すぎると、空気量の急激な低下に伴う失火を招くおそれがある。
【０００６】
そこで本発明は、適切なタイミングでフューエルカットを行うことが可能で、排気エミッションの悪化や排ガス浄化触媒の劣化を引き起こすことのない内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃料噴射装置から内燃機関の気筒へと流入する燃料の動的挙動をモデル化した燃料挙動モデルを利用して燃料噴射装置による燃料供給量を制御する制御部を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、この制御部は、機関運転条件により燃料噴射停止条件が成立している場合に、燃料挙動モデルにおける付着燃料に関する演算結果に基づいて所定の条件が満たされた段階で実際に燃料噴射を停止させ、燃料噴射停止条件の成立時から実際の燃料噴射停止時までの間、機関運転条件に応じて設定される空気量に対して空気量を減量補正することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、燃料挙動モデルにおける付着燃料の演算結果に基づいてフューエルカットを行うタイミングを制御するので、未燃燃料の排出量を効果的に抑制しながら、フューエルカットを行うことが可能である。
【０００９】
ここで、制御部は、付着燃料からの脱離量の演算結果が所定の閾値を下回った時点で燃料噴射を停止させてもよく、あるいは、燃料噴射停止条件が成立した時点の付着燃料からの脱離量の演算結果に基づいて燃料噴射継続時間を設定し、この継続時間経過後に燃料噴射を停止させてもよい。
【００１０】
このようにすると、未燃燃料の排出や空気量の急激な低下に伴う失火を確実に抑制することができる。
【００１１】
ここで、燃料噴射停止条件には、減速燃料カット条件や内燃機関停止条件が含まれる。例えば、エンジンブレーキ使用時やアイドリングストップ時、ハイブリッド車両におけるエンジン停止時にも本発明によるフューエルカット制御を用いることで未燃燃料の排出量を効果的に削減することができる。
【００１２】
また、付着燃料からの脱離量に代えて付着燃料量を用いて制御を行ってもよい。付着燃料量自体を用いても同様に制御は可能である。
【００１３】
さらに、制御部は、燃料噴射停止条件の成立時から実際の燃料噴射停止時までの間、機関運転条件に応じて設定される空気量に対して空気量を補正することが好ましい。これにより、失火を抑制しつつ、付着量を早期に減少させることができ、未燃燃料の排出を最小限に抑制することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図１は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射量制御装置の実施形態をこれを適用した内燃機関とともに示す構成図である。
【００１６】
火花点火式のガソリン多気筒内燃機関（以下、単に内燃機関と称する）１には吸気管２と排気管３とが接続されている。吸気管２には吸入空気の温度を検出する吸気温センサ２２と、吸入空気量を検出するエアフローメータ２３と、アクセルペダル４の操作に連動するスロットル弁２４が配置されるとともにこのスロットル弁２４の開度を検出するスロットル開度センサ２５が配置されている。また、吸気管２のサージタンク２０には、吸気管２の圧力を検出するための吸気圧センサ２６が配置されている。さらに、内燃機関１の各気筒に接続される吸気ポート２１には電磁駆動式のインジェクタ（燃料噴射装置）２７が設けられており、このインジェクタ２７には燃料タンク５から燃料であるガソリンが供給される。図示の内燃機関１は、各気筒ごとに独立してインジェクタ２７が配置されているマルチポイントインジェクションシステムである。
【００１７】
内燃機関１の各気筒を構成するシリンダ１０内には図の上下方向に往復動するピストン１１が設けられ、このピストン１１はコンロッド１２を介して図示していないクランク軸に連結されている。ピストン１１の上方には、シリンダ１０とシリンダヘッド１３とによって区画された燃焼室１４が形成されている。この燃焼室１４の上部には点火プラグ２０が配置されるとともに、開閉可能な吸気バルブ１６と排気バルブ１７を介してそれぞれ吸気管２と排気管３に接続されている。
【００１８】
そして、排気管３には、排気ガス中の酸素濃度に応じた所定の電気信号を出力する空燃比センサ３１が配置されている。
【００１９】
内燃機関１を制御するエンジンＥＣＵ６（本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置を含む）は、マイクロコンピュータを中心に構成されており、上述した各センサ（吸気温センサ２２、エアフローメータ２３、スロットル開度センサ２５、吸気圧センサ２６、空燃比センサ３１）や車速センサ６０、クランクポジションセンサ６１の各出力信号が入力されるとともに、点火プラグ１５、インジェクタ２７の動作を制御するものである。
【００２０】
本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御を説明する前に、この燃料噴射制御装置において使用される燃料挙動モデルについて説明する。図２は、インジェクタ２７近傍（吸気ポート２１付近）における燃料挙動のシミュレーションモデルを示す模式図である。以下の説明では、コンピュータによる数値化処理を考慮して時刻を表すカウンタ値を「ｋ」で表す。
【００２１】
図２において、Ｆｉ（ｋ）は、時刻ｋにおいてインジェクタ２７から噴射される燃料量（インジェクタ噴射量）を、Ｆｗ（ｋ）は、時刻ｋにおいて吸気ポート２１の壁面や吸気バルブ１６の吸気ポート２１側表面（以下、吸気ポート２１の壁面等と呼ぶ）に付着している燃料量（壁面付着燃料量）を、Ｆｃ（ｋ）は、時刻ｋにおいて気筒内（シリンダ１０内の燃焼室１４内）へと流入する燃料量（筒内流入燃料量）をそれぞれ示している。ここで、時刻ｋにおけるインジェクタ噴射量Ｆｉ（ｋ）のうち、吸気ポート２１の壁面等に付着する割合（壁面付着率）をＲ（ｋ）とし、時刻ｋにおいて壁面付着燃料量Ｆｗ（ｋ）のうち、気化せずに吸気ポート２１の壁面等に残留する割合（壁面残留率）をＰ（ｋ）とすると、以下の式（１）、（２）が成立する。これらの式は、Ｃ．Ｆ．アキノの式として一般に知られている。
【００２２】
【数１】

一方、目標空燃比（混合比Ａ／Ｆ）λでの燃焼を実現する場合に時刻ｋにおいて実際に筒内に流入させるべき目標筒内流入燃料量Ｆｃｒ（ｋ）は、吸気流量をＱ（ｋ）とすると、
【００２３】
【数２】

で表せる。（１）〜（３）式より前記の筒内流入燃料量Ｆｃ（ｋ）をこの目標筒内流入燃料量Ｆｃｒ（ｋ）に一致させるためには、インジェクタ２７の噴射量Ｆｉ（ｋ）を
【００２４】
【数３】

となるように制御すればよいことがわかる。
【００２５】
壁面等に付着する燃料の量（Ｆｗ（ｋ））は、図４に示されるように高負荷のときほど大量の燃料が付着している。この状態から、つまり高負荷の状態からエンジンブレーキ状態などの燃料停止（フューエルカット、以下、Ｆ／Ｃで表す）状態に移行した場合、Ｆ／Ｃ状態では、壁面等に付着した燃料が脱離し、未燃のまま排出されるため、排気エミッションの悪化や排ガス浄化触媒の温度上昇による劣化を招くおそれがある。そこで、本発明は、Ｆ／Ｃ条件が満たされても軽負荷で燃焼を継続して、壁面付着量および脱離量を十分に軽減したうえで、Ｆ／Ｃを実行することにより、燃料が未燃状態で排出されるのを抑制するものである。
【００２６】
以下、図４を参照して本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置による燃料噴射制御の具体的動作を説明する。図４は、この制御の処理フローを示したフローチャートである。この制御はエンジンＥＣＵ６によって実施されるものであり、車両の電源がオンにされてから、所定のタイミングで繰り返し実行される。このタイムサイクルのカウンタ値をｋで表す。つまり、ある時点で本制御フローを実行した時のカウンタ値がｋであるとき、次に本制御フローが実行されるときのカウンタ値がｋ＋１となる。
【００２７】
まず、ステップＳ１において、エンジンＥＣＵ６は、機関運転条件を設定する。これは、車速センサ６０から得られた車速、クランクポジションセンサ６１から得られたエンジン回転数等を基にして設定空燃比を決定することになる。そして、ステップＳ２においては、吸気温センサ２２、エアフローメータ２３、吸気圧センサ２６、スロットル開度センサ２５の出力から吸入空気量を算出することで、（３）式に基づいて筒内流入燃料量の基準目標値Ｆｃｒ（ｋ）を設定する。
【００２８】
ステップＳ３では、（１）、（２）、（４）式において使用される各パラメータＰ（ｋ）、Ｒ（ｋ）の設定を行う。これらのパラメータは実験等により求めた値をエンジンＥＣＵ６のメモリ内に機関運転条件に対するマップ形式で保持しておき、機関運転条件に対応させて読み出すことで設定すればよい。
【００２９】
ステップＳ４では、こうして読み出したパラメータを基にして（１）〜（４）式により燃料モデル計算を行い、壁面付着量Ｆｗ（ｋ）とインジェクタ噴射量Ｆｉ（ｋ）を更新する。このとき、脱離量Ｆｗ（ｋ）×（１−Ｐ（ｋ））を同時に求めることもできる。
【００３０】
続くステップＳ５では、Ｆ／Ｃ条件を満たしているか否かを判定する。ここで、Ｆ／Ｃには、アクセル開度がＦ／Ｃ開度以下で、かつ、エンジン回転数が所定値以上のいわゆるエンジンブレーキ作動時に行う減速燃料カットのほか、ドライバーが内燃機関の停止操作を行った場合や、アイドリングストップ車両やハイブリッド車両における自動的な内燃機関停止の場合も含むことが好ましい。
【００３１】
Ｆ／Ｃ条件が成立していない場合には、ステップＳ６へと移行し、燃料挙動モデルを用いて求めたインジェクタ噴射量Ｆｉ（ｋ）に相当する燃料をインジェクタ２７から噴射し、サイクルｋにおける処理を終了する。
【００３２】
一方、Ｆ／Ｃ条件が成立している場合には、ステップＳ７へと移行し、求めた壁面付着量Ｆｗ（ｋ）あるいは脱離量Ｆｗ（ｋ）×（１−Ｐ（ｋ））と運転条件に基づいて、脱離量を低減するために必要な燃焼継続条件を設定する。
【００３３】
この燃焼継続条件としては、(1)脱離量Ｆｗ（ｋ）×（１−Ｐ（ｋ））が所定の閾値を超えているか、(2)壁面付着量Ｆｗ（ｋ）が所定の閾値を超えているか、(3)Ｆ／Ｃ条件が満たされてからの経過時間が、Ｆ／Ｃ条件が満たされた時点での壁面付着量、脱離量に基づいて設定される所定の遅延時間以内であるか、(4)空燃比センサ３１で計測されるＡ／Ｆ値が所定の閾値を下回っているか、等が挙げられる。ここで、各閾値、遅延時間の値は運転条件により調整することが好ましい。
【００３４】
ステップＳ８では、こうして設定した燃焼継続条件を満たしているか否かを判定する。条件が満たされていない場合には、脱離量が十分に少なく、Ｆ／Ｃを実行しても未燃燃料量の排出量は十分に抑制されていると判定して、ステップＳ９へと移行してＦ／Ｃを実行し、カウンタ値ｋのサイクルの処理を終了する。
【００３５】
一方、ステップＳ８で燃焼継続条件が満たされており、脱離量が未だ多いと判定された場合には、ステップＳ１０へと移行し、失火判定を行い、その状態で正常燃焼を行うことができるかを判定する。
【００３６】
ステップＳ１０で正常燃焼を行うことができないと判定された場合には、ステップＳ１１へと移行して、空気量の補正を行う。具体的には、脱離量自体が多い等の理由で筒内流入燃料量Ｆｃ（ｋ）が多くそのままでは燃料量が過大でリッチ失火する場合やスロットル閉状態では空気量が極小となり、失火する可能性がある場合には、空気量を一時的に増大させる。また、エンジン保護などのため、スロットルが全開に近い状態でＦ／Ｃ条件が成立しているような場合には、空気量が過大であるから、壁面付着量を早期に減らすため、失火しない範囲まで空気量を減少させる。
【００３７】
ステップＳ１０で失火領域にないと判定された場合およびステップＳ１１で空気量を補正した後は、ステップＳ１２へと移行して必要ならば、求めた燃料量Ｆｉ（ｋ）を燃料噴射装置２７から噴射することで燃焼を継続する。この燃焼継続時には、バルブタイミング、点火時期等を調整して燃料付着量をさらに少なくすることが好ましい。
【００３８】
以上の制御を行うことで、Ｆ／Ｃ実行時における未燃燃料の排出量を抑制することができ、排気エミッションが向上する。さらに、再始動時にも壁面付着からの脱離によって燃料供給が過剰になることがなく、始動時の排気エミッションと始動性が向上する。また、吸気系を通して付着燃料から蒸発した燃料が外部へと排出されることがなく、エバポエミッションが向上する。
【００３９】
本発明で用いることのできる燃料挙動モデルは必ずしも上述したモデルに限られるものではない。例えば、燃料の付着位置を弁表面と吸気ポートの壁面表面とに分けるなどさらに細分割してもよいし、気筒内における付着を考慮したモデルであってもよい。これらのモデルを用いた場合でも始動時に付着燃料の形成のみを考慮することができ、それは本発明の技術的範囲に包含される。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Ｆ／Ｃ実行条件が満たされた場合でも、軽負荷で燃焼を継続して脱離量が十分に軽減してから実際に燃料噴射を停止するので、未燃燃料の排出を抑制することができるとともに、再始動時の排気エミッションや始動性も向上する。
【００４１】
この制御は、減速燃料カット条件のほか、アイドリングストップやハイブリッド車両における内燃機関停止条件にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料噴射制御装置とこれを適用した内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る燃料噴射制御装置における燃料挙動モデルを説明する図である。
【図３】負荷と付着燃料量の関係を示す図である。
【図４】本発明に係る燃料噴射制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関、２…吸気管、３…排気管、４…アクセルペダル、５…燃料タンク、６…エンジンＥＣＵ、１４…燃焼室、２１…吸気ポート、２７…インジェクタ。

Claims

燃料噴射装置から内燃機関の気筒へと流入する燃料の動的挙動をモデル化した燃料挙動モデルを利用して燃料噴射装置による燃料供給量を制御する制御部を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
前記制御部は、機関運転条件により燃料噴射停止条件が成立している場合に、前記燃料挙動モデルにおける付着燃料に関する演算結果に基づいて所定の条件が満たされた段階で実際に燃料噴射を停止させ、燃料噴射停止条件の成立時から実際の燃料噴射停止時までの間、機関運転条件に応じて設定される空気量に対して空気量を減量補正する内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記制御部は、付着燃料からの脱離量の演算結果が所定の閾値を下回った時点で燃料噴射を停止させる請求項１記載の内燃燃料の燃料噴射制御装置。
前記制御部は、燃料噴射停止条件が成立した時点の付着燃料からの脱離量の演算結果に基づいて燃料噴射継続時間を設定し、該継続時間経過後に燃料噴射を停止させる請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記燃料噴射停止条件は、減速燃料カット条件を含む請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記燃料噴射停止条件は、内燃機関停止条件を含む請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
付着燃料からの脱離量に代えて付着燃料量を用いて制御を行う請求項２または３に記載の内燃燃料の燃料噴射制御装置。