JP4640243B2

JP4640243B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4640243B2
Application number: JP2006115277A
Authority: JP
Inventors: 晃司森田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: JP2007285240A

Description

本発明は、内燃機関の１サイクルあたりに噴射すべき燃料を吸気弁の開弁前に終了する非同期噴射と吸気弁の開弁中に終了する同期噴射とに分割して噴射するようにした内燃機関の制御装置に関する。

吸気弁の開弁前に燃料噴射が終了する非同期噴射と、吸気弁の開弁中に燃料噴射が終了する同期噴射とを一つの燃料噴射弁で選択的に実行するとともに、同期噴射から非同期噴射へ切替える過程においてバルブオーバーラップ期間を跨いで同期噴射と非同期噴射とによって二分割した形で燃料噴射が行われるように燃料噴射弁を制御する内燃機関の制御装置がある（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。

特開２００５−００９４１３号公報特開昭６１−２４７８４１号公報特開平７−１２７５１４号公報特開平９−１３３０３４号公報

特許文献１の装置は、燃料噴射を同期噴射と非同期噴射とで二分割する際に、同期噴射と非同期噴射との配分を時間経過に従って直線的に変化させることにより、噴射モードの切替えに伴う空燃比の急激な変化を抑制する。

一般に、非同期噴射は吸気通路壁面への壁面付着燃料量を増加させる欠点がある一方で混合気の均質度を向上させる利点がある。また、同期噴射は壁面付着燃料量を減少させる利点がある一方で混合気の均質度を悪化させる欠点がある。これらの噴射モードによる欠点と利点との現れ方は吸気通路の壁面温度に依存して変化する。即ち、壁面温度が高い場合は低い場合に比べて壁面に触れた燃料が気化し易くなるので、壁面付着燃料量が排出未燃燃料の増加に影響する度合いが小さくなる。

しかしながら、特許文献１の装置は、燃料噴射を同期噴射と非同期噴射とで二分割する際に、同期噴射と非同期噴射との配分を壁面温度を考慮して設定しているわけではなく、その配分を時間経過に従って直線的に変化させているだけである。そのため、非同期噴射と同期噴射とが排出未燃燃料低減の観点から適正に配分されず、排出未燃燃料の低減が不十分になるおそれがある。

そこで、本発明は、燃料噴射を同期噴射と非同期噴射とで分割する際に排出未燃燃料を低減することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、１サイクルあたりに噴射すべき燃料を前記内燃機関の吸気弁の開弁前に終了する非同期噴射と前記吸気弁の開弁中に終了する同期噴射とに分割して前記燃料噴射手段が噴射するように前記燃料噴射手段を制御する燃料噴射制御手段と、前記吸気通路の壁面温度又はその温度と相関する物理量を取得する取得手段と、前記非同期噴射と前記同期噴射との噴射配分を設定する噴射配分設定手段と、を備え、前記噴射配分設定手段は、未燃燃料の排出量の最小値を与える前記噴射配分を前記取得手段にて取得された前記壁面温度又は前記物理量に応じて設定することにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

この制御装置によれば、１サイクルあたりに噴射すべき燃料を非同期噴射と同期噴射とに分割して噴射する際に、その噴射配分が吸気通路の壁面温度又はその温度と相関する物理量を考慮して設定される。そのため、噴射配分を排出未燃燃料低減の観点から適正に配分することができるようになる。

なお、壁面温度と相関する物理量としては種々の物理量が想定される。例えば、その物理量として、内燃機関の冷却水温、外気温、潤滑油温等を例示することができる。取得手段による壁面温度等の取得方法に制限はなく、温度センサ等の検出手段を利用して取得すべき物理量を直接的に測定して取得する他、取得すべき物理量を他の物理量から所定の推定ロジックに従って推定して取得してもよい。

本発明の制御装置においては、前記噴射配分設定手段は、前記壁面温度又は前記物理量が大なる場合は小なる場合に比べて、前記非同期噴射の占める割合が大きくなるように前記噴射配分を設定してもよい（請求項２）。壁面温度が高い場合は低い場合に比べて壁面付着燃料量が排出未燃燃料の増加に影響する度合いが小さくなる。そのため、同期噴射と非同期噴射とで燃料噴射を分割する際には、壁面温度が高い場合は低い場合よりも非同期噴射の占める割合を大きくし、同期噴射の占める割合を小さくした方が排出未燃燃料低減の観点から有利であり、逆に壁面温度が低い場合は高い場合よりも同期噴射の占める割合を大きくし、非同期噴射の占める割合を小さくした方が排出未燃燃料低減の観点から有利である。この態様によれば、壁面温度が高い場合は低い場合よりも非同期噴射の占める割合が大きくなるように噴射配分が設定されるので、排出未燃燃料を十分に低減できるようになる。

また、本発明の制御装置においては、条件によって非同期噴射又は同期噴射のいずれか一方のみを噴射する場合があってもよい。例えば、前記壁面温度又は前記物理量が所定範囲内にあるか否かを判定する判定手段を備え、前記燃料噴射制御手段は、前記判定手段が前記壁面温度又は前記物理量が前記所定範囲内にあると判定した場合、１サイクルあたりに噴射すべき燃料を前記非同期噴射と前記同期噴射とに分割して前記燃料噴射手段が噴射し、かつ前記判定手段が前記壁面温度又は前記物理量が前記所定範囲外にあると判定した場合、１サイクルあたりに噴射すべき燃料を前記非同期噴射又は前記同期噴射のいずれか一方にて前記燃料噴射手段が噴射するように前記燃料噴射手段を制御してもよい（請求項３）。この態様によれば、所定範囲を排出未燃燃料量を低減する観点から適宜に設定することにより、壁面温度に適した噴射モードを選択することができるので、トータルとしての未燃燃料の排出量を可能な限り抑えることができる。

以上説明したように、本発明によれば、非同期噴射と同期噴射との噴射配分が吸気通路の壁面温度又はその温度と相関する物理量を考慮して設定されるので、噴射配分を排出未燃燃料低減の観点から適正に配分することができるようになる。そのため、燃料噴射を同期噴射と非同期噴射とで分割して噴射する際に排出未燃燃料を低減することができる。

図１は本発明の制御装置が適用された内燃機関の要部を示している。内燃機関１は４つ（図１では１つのみ示す）の気筒２が一方向に並べられた直列４気筒火花点火内燃機関として構成されている。各気筒２はシリンダブロック３に形成されており、各気筒２の開口部はシリンダヘッド４にて塞がれる。各気筒２にはクランク軸５にコンロッド７を介して連結されたピストン６が往復運動可能な状態で挿入されている。各気筒２には吸気通路８及び排気通路９がそれぞれ接続され、シリンダヘッド４には吸気通路８を開閉する吸気弁１０と排気通路９を開閉する排気弁１１がそれぞれ設けられている。シリンダブロック３には、各気筒２を取り囲むように冷却水を流通させるウォータージャケット３ａが形成され、そのウォータージャケット３ａに臨むようにして冷却水温度を検出するための水温センサ２１が設けられている。クランク軸５には、その回転速度やクランク角度を検出するためのクランク角センサ２２が設けられる。各気筒２にはその天井面から電極部を突出させるようにして点火プラグ１２が設けられている。

吸気通路８は気筒２毎に分岐された分岐部８ａと、各分岐部８ａが接続されたサージタンク部８ｂとを有している。サージタンク部８ｂの上流側には空気流量調整用のスロットル弁１３が設けられ、その下流には空気流量を検出するためのエアフローメータ２３が設けられる。サージタンク部８ｂの下流側には、分岐部８ａ内に燃料を噴射するための燃料噴射弁１４がその先端部を通路内に臨ませるようにして一つずつ設けられている。燃料噴射弁１４には図示しない燃料タンクから燃料が供給される。内燃機関１はエアフィルタ（不図示）にて濾過された空気を吸気通路８に導くとともに、その空気と燃料噴射弁１４にて吸気通路８内に噴射された燃料とで燃料混合気を形成し、その燃料混合気を各気筒２に導入して点火プラグ１２にて所定時期に着火する。そして、燃焼後の排気ガスは排気通路９へ排出されるとともに、排気通路９に設けられた排気浄化装置（不図示）にて未燃燃料（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害成分が浄化された上で大気に放出される。

以上の内燃機関１は制御装置としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０にて制御される。ＥＣＵ２０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要な記憶手段としてのＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を備えたコンピュータであり、上述した各種のセンサ２１〜２３からの信号に基づいて内燃機関１の運転状態を適正に制御する。ＥＣＵ２０が実施する全ての制御の説明は省略するが、ＥＣＵ２０は気筒２毎に設けられた各燃料噴射弁１３による燃料噴射を制御するとともに、各気筒２の点火時期を制御する。図２は、ＥＣＵ２０が所定条件下で内燃機関１に実行させる燃料噴射モードを説明する説明図である。この図において、ＴＤＣは排気行程上死点を、ＣＡはクランク角をそれぞれ示す。図示の燃料噴射モードは、１サイクルあたりに噴射すべき燃料を、燃料噴射弁１３が非同期噴射と同期噴射とに分割して噴射するものであり、冷却水温が所定範囲内にある場合に実行される。以下、これを分割噴射という場合がある。図２から明らかなように、非同期噴射は吸気弁９の開弁前に燃料噴射が終了し、同期噴射は吸気弁９の開弁中に燃料噴射が終了するようになっている。これらの開始時期に関しては、非同期噴射の開始時期は排気行程中に設定され、同期噴射の開始時期は吸気行程中に設定される。

分割噴射を実行する運転領域は、冷却水温に基づいて設定される。冷却水温は吸気通路８の壁面温度と相関する物理量である。即ち、壁面温度と冷却水温との間には、壁面温度の上昇に伴って冷却水温が上昇し、逆に壁面温度の降下に伴って冷却水温が降下する関係がある。図３は冷却水温Ｔｗに対する排出未燃燃料量（ＨＣ排出量）の変化を、同一量の燃料を噴射する非同期噴射、同期噴射及び分割噴射のそれぞれについて示した説明図である。図３に示すように、冷却水温Ｔｗが高いほど壁面温度が高くなって壁面に触れた燃料が気化し易くなるので、非同期噴射は壁面付着燃料量を増加させる欠点よりも混合気の均質度を向上させる利点が際立つようになるためＨＣ排出量が減少する。そして、同期噴射は壁面付着量を低減させる利点よりも混合気の均質度を悪化させる欠点が際立つようになるためＨＣ排出量が増加する。逆に、冷却水温が低いほど壁面温度が低くなって壁面に触れた燃料が気化し難くなるので、非同期噴射は混合気の均質度を向上させる利点よりも付着燃料量を増加させる欠点が際立つようになるためＨＣ排出量が増加する。そして同期噴射は混合気の均質度を悪化させる欠点よりも壁面付着燃料量を減少させる利点が際立つようになるためＨＣ排出量が減少する。従って、水温Ｔｗがある温度範囲ＡＲ１の下限より低い温度範囲ＡＲ２にある場合は同期噴射を実行し、その温度範囲の上限よりも高い温度範囲ＡＲ３にある場合は非同期噴射を実行することがＨＣ排出量を低減させる観点から有利である。

温度範囲ＡＲ１においては、後述する噴射配分で分割噴射を実行することにより、非同期噴射又は同期噴射のいずれか一方のみを実行する場合と比べてＨＣ排出量を低減することができる。例えば、温度範囲ＡＲ１内の温度Ａでは、非同期噴射のＨＣ排出量と同期噴射のＨＣ排出量とがαで一致するが、図示の例では、温度Ａの際にその温度に応じた噴射配分で分割噴射を実行することによりＨＣ排出量をβ（α＞β）まで低減できる。

次に分割噴射における噴射配分の設定方法を図４〜図６を参照して説明する。これらの図は、噴射配分の変化に対するＨＣ排出量の変化を示した説明図であり、図４は冷却水温Ｔｗが温度Ａの場合（Ｔｗ＝Ａ）を、図５は冷却水温ＴｗがＡよりもｔａ（ｔａ＞０）低い場合（Ｔｗ＝Ａ−ｔａ）を、図６は冷却水温ＴｗがＡよりもｔｂ（ｔｂ＞０）高い場合（Ｔｗ＝Ａ＋ｔｂ）をそれぞれ示している。なお、これらの図において、太い実線はＨＣ排出量（総排出量）を示し、細い２本の実線は総排出量の内訳であり、これらの細い実線は均質度が起因するＨＣ排出量、壁面付着燃料量が起因するＨＣ排出量をそれぞれ示している。

これらの図から明らかなように、噴射配分の変化に対する壁面付着起因のＨＣ排出量の変化の形態と、噴射配分の変化に対する均質度起因のＨＣ排出量の変化の形態とが相違している。壁面付着起因のＨＣ排出量は、非同期噴射の配分が小さくなるに従って直線的に減少するように変化する。これに対して、均質度起因のＨＣ排出量は、非同期噴射の配分が少なくなるに従って増加するが、非同期噴射の配分が小さくなるほど増加の度合いが大きくなるように曲線的に変化する。つまり、均質度起因のＨＣ排出量は、噴射配分の変化に対してリニアに変化しないので、総排出量は下に凸の曲線を示し冷却水温Ｔｗの温度毎に総排出量の最小値が存在することになる。従って、総排出量の最小値を与える噴射配分を冷却水温Ｔｗ毎に設定すれば、ＨＣ排出量を最小にすることができる。

図示の例で言えば、図４の場合（Ｔｗ＝Ａの場合）には、非同期噴射の占める割合がεとなる噴射配分のときにＨＣ排出量の最小値βを与え、図５の場合（Ｔｗ＝Ａ−ｔａの場合）には、非同期噴射の占める割合がε１となる噴射配分のときにＨＣ排出量の最小値β１を与え、図６の場合（Ｔｗ＝Ａ＋ｔｂの場合）には、非同期噴射の占める割合がε２となる噴射配分のときにＨＣ排出量の最小値β２を与える。なお、各割合ε、ε１及びε２は、次式で定義される。

ε，ε１，ε２＝非同期噴射の噴射量／（非同期噴射の噴射量＋同期噴射の噴射量）

総排出量の最小値を与える噴射配分は、冷却水温Ｔｗが高い場合は低い場合に比べて、非同期噴射の占める割合が大きくなるような噴射配分となる。そこで、最小値を与える噴射配分を冷却水温Ｔｗ毎に予め実験的に求めておき、分割噴射の際に冷却水温Ｔｗに応じた噴射配分を設定することにより、ＨＣ排出量を最小限に食い止めることができる。

以上の考え方に基づいて、ＥＣＵ２０は以下の制御ルーチンを実行する。図７はＥＣＵ２０が実行する制御ルーチンの一例を示したフローチャートであり、このルーチンのプログラムはＥＣＵ２０のＲＯＭに予め記憶されており、所定間隔で繰り返し実行される。まず、ＥＣＵ２０はステップＳ１において、内燃機関の運転状態を取得する。取得するパラメータは以下の処理内容によるが、ここでは、機関回転速度Ｎｅをクランク角センサ２２の信号に基づいて、空気流量Ｇａをエアフローメータ２３の信号に基づいて、冷却水温Ｔｗを水温センサ２１の信号に基づいてＥＣＵ２０がそれぞれ取得する。

次に、ステップＳ２では、１サイクルあたりに噴射すべき燃料噴射量Ｑを算出する。この燃料噴射量Ｑは、運転状態に応じて算出される。例えば、機関回転速度Ｎｅ及び吸入空気流量Ｇａを変数として燃料噴射量Ｑを与えるマップを参照することにより、ステップＳ１の取得結果に基づいて燃料噴射量Ｑを算出することができる。次に、ステップＳ３では、冷却水温Ｔｗが分割噴射を実行すべき条件として予め設定された温度範囲ＡＲ１内にあるか否かを判定する（図３参照）。温度範囲ＡＲ１にあるときはステップＳ４に進み、そうでない場合はステップＳ７に進む。

ステップＳ４では、冷却水温Ｔｗに応じた非同期噴射と同期噴射との噴射配分を設定する。この噴射配分は、例えば、図８に示すように、ＨＣ排出量を最小にできる噴射配分を冷却水温Ｔｗ毎に対応させたマップを参照し、ステップＳ１で取得した冷却水温Ｔｗに基づいて設定することができる。なお、図８では、噴射配分が冷却水温Ｔｗに応じて直線的に変化するようになっているが、これはあくまでイメージを示したもので、直線的に変化することに限定する趣旨ではない。

次に、ステップＳ５では、ステップＳ４で設定した噴射配分で非同期噴射が実行されるように燃料噴射弁１４の動作を制御する。続くステップＳ６では、ステップＳ４で設定した噴射配分で非同期噴射が実行されるように燃料噴射弁１４の動作を制御する。これにより適正な噴射配分で分割噴射が実現される。そして、今回のルーチンを終了する。

ステップＳ７では、冷却水温Ｔｗが温度範囲ＡＲ２の上限値未満か否かを判定し、温度範囲ＡＲ２の上限値未満の場合はステップＳ８に進み、燃料噴射量Ｑの全量が同期噴射にて噴射されるように燃料噴射弁１４の動作を制御して今回のルーチンを終える。一方、温度範囲ＡＲ２の上限値未満でない場合は、冷却水温Ｔｗが温度範囲ＡＲ３の下限値を超えることになるので、ステップＳ９で燃料噴射量Ｑの全量が非同期噴射にて噴射されるように燃料噴射弁１４の動作を制御して今回のルーチンを終了する。

図７の制御を実行することにより、冷却水温Ｔｗに適した噴射モードを選択することができるのでトータルとしてのＨＣ排出量を可能な限り抑えることができる。

以上の形態においては、燃料噴射弁１４が本発明に係る燃料噴射手段に、温度範囲ＡＲ１が本発明に係る所定範囲に相当する。また、図７のステップＳ１を実行することにより、ＥＣＵ２０は本発明に係る取得手段として、ステップＳ３を実行することにより、ＥＣＵ２０は本発明に係る判定手段として、ステップＳ４を実行することにより、ＥＣＵ２０は本発明に係る噴射配分設定手段として、ステップＳ５及びステップＳ６を実行することにより、ＥＣＵ２０は燃料噴射制御手段として、それぞれ機能する。

但し、本発明は以上の形態に限定されず、種々の形態にて実施できる。本発明を適用する内燃機関は火花点火式でなくてもよく、点火プラグを有しないディーゼル機関に本発明を適用することもできる。また、図７の制御ルーチンでは、冷却水温Ｔｗが温度範囲ＡＲ１内にある場合に、分割噴射を実行し、そうでない場合に、非同期噴射又は同期噴射のいずれか一方のみを実行するようにしているが、温度範囲ＡＲ１を設けることは必須ではなく、非同期噴射のみから同期噴射のみまでの噴射配分を冷却水温に対応させることにより、分割噴射と、非同期噴射又は同期噴射のいずれか一方のみとを冷却水温に応じて使い分けるようにしてもよい。

以上の形態では、吸気通路の壁面温度を取得せずに、この温度と相関する物理量としての冷却水温を取得しているが、冷却水温に基づいて壁面温度を所定のロジックで推定して取得してもよい。また、吸気通路に温度センサを設けて壁面温度を直接的に取得してもよい。これらによれば、正確な壁面温度を把握できるので、冷却水温で噴射配分を設定する場合よりも制御精度が向上する。また、壁面温度に相関する物理量としては、冷却水温の他、潤滑油温、外気温等の物理量を取得してもよいし、これらの物理量の少なくとも一つに基づいて壁面温度を推定により取得してもよい。

また、以上の形態では、燃料噴射手段として、一つの気筒に対して非同期噴射と同期噴射とを選択的に実行できる一つの燃料噴射弁１４を設けたが、一つの気筒に対して非同期噴射専用の燃料噴射弁と同期噴射専用の燃料噴射弁とを一つずつ設けることにより、本発明に係る燃料噴射手段を実現してもよい。

本発明の制御装置が適用された内燃機関の要部を示した図。所定条件下で実行する燃料噴射モード（分割噴射）を説明する説明図。冷却水温Ｔｗに対するＨＣ排出量の変化を、同一量の燃料を噴射する非同期噴射、同期噴射及び分割噴射のそれぞれについて示した説明図。冷却水温Ｔｗが温度Ａの場合（Ｔｗ＝Ａ）における、噴射配分の変化に対するＨＣ排出量の変化を示した説明図。冷却水温ＴｗがＡよりもｔａ（ｔａ＞０）低い場合（Ｔｗ＝Ａ−ｔａ）における、噴射配分の変化に対するＨＣ排出量の変化を示した説明図。図６は冷却水温ＴｗがＡよりもｔｂ（ｔｂ＞０）高い場合（Ｔｗ＝Ａ＋ｔｂ）における、噴射配分の変化に対するＨＣ排出量の変化を示した説明図。本発明の実施形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。冷却水温Ｔｗに噴射配分を関連付けたマップの一例を示した説明図。

符号の説明

１内燃機関
８吸気通路
１０吸気弁
１４燃料噴射弁（燃料噴射手段）
２０ＥＣＵ（燃料噴射制御手段、取得手段、噴射配分設定手段、判定手段）

Claims

内燃機関の吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、１サイクルあたりに噴射すべき燃料を前記内燃機関の吸気弁の開弁前に終了する非同期噴射と前記吸気弁の開弁中に終了する同期噴射とに分割して前記燃料噴射手段が噴射するように前記燃料噴射手段を制御する燃料噴射制御手段と、前記吸気通路の壁面温度又はその温度と相関する物理量を取得する取得手段と、前記非同期噴射と前記同期噴射との噴射配分を設定する噴射配分設定手段と、を備え、
前記噴射配分設定手段は、未燃燃料の排出量の最小値を与える前記噴射配分を前記取得手段にて取得された前記壁面温度又は前記物理量に応じて設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記噴射配分設定手段は、前記壁面温度又は前記物理量が大なる場合は小なる場合に比べて、前記非同期噴射の占める割合が大きくなるように前記噴射配分を設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記壁面温度又は前記物理量が所定範囲内にあるか否かを判定する判定手段を備え、
前記燃料噴射制御手段は、前記判定手段が前記壁面温度又は前記物理量が前記所定範囲内にあると判定した場合、１サイクルあたりに噴射すべき燃料を前記非同期噴射と前記同期噴射とに分割して前記燃料噴射手段が噴射し、かつ前記判定手段が前記壁面温度又は前記物理量が前記所定範囲外にあると判定した場合、１サイクルあたりに噴射すべき燃料を前記非同期噴射又は前記同期噴射のいずれか一方にて前記燃料噴射手段が噴射するように前記燃料噴射手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。