JP4816264B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

特許文献１には、燃料を燃料噴射弁から吸気ポートに噴射することによって燃料を燃焼室に供給する内燃機関では、内燃機関が定常（アイドリング）回転数に落ち着くまで、吸気弁が閉弁した後に燃料噴射弁から噴射されることになってしまった燃料があると、その分だけ、燃焼室に供給される燃料の量が少なく、失火などの燃焼不良が生じてしまうことから、内燃機関が定常（アイドリング）回転数に落ち着くまで、吸気弁が閉弁した後に燃料噴射弁から噴射されることになってしまった燃料量を機関回転数の上昇分に基づいて算出し、この燃料量に基づいて次回の燃料噴射において噴射する燃料量を増量するようにした発明が記載されている。

特開２００３−２６９２２２号公報 特開２００４−６８６２１号公報 特開平１１−１７３１８８号公報 特開平１１−３４３９１４号公報

ところで、内燃機関の分野では、内燃機関の始動時、機関回転数が所定の上昇率で上昇することが望ましい。そこで、本発明の目的は、内燃機関の始動時において機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きく或いは小さくなったとしても機関回転数の上昇率を素早く所定の上昇率に制御することにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、内燃機関の始動時に各吸気行程において吸気弁が所定のクランク角度で開弁せしめられて別の所定のクランク角度で閉弁せしめられる内燃機関において、吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、内燃機関の始動時に所定の上昇率でもって機関回転数を上昇させることができる燃料量を基本燃料量として設定しておくと共に、燃料噴射弁から噴射される燃料量を上記基本燃料量とすることができる燃料噴射弁の開弁時間を基本開弁時間として設定しておき、内燃機関の始動時に機関回転数の上昇率が上記所定の上昇率にあるときに燃料噴射弁を基本開弁時間に亘って開弁したときに、燃料噴射弁の閉弁タイミングが吸気弁の閉弁タイミングに一致する燃料噴射弁の開弁タイミングを基本開弁タイミングとしてクランク角度により設定し、内燃機関の始動時に基本開弁タイミングのクランク角度において燃料噴射弁を開弁させ、基本開弁時間が経過したときに燃料噴射弁を閉弁させる基本開弁期間制御を実行する。

２番目の発明では、１番目の発明において、上記基本開弁期間制御の実行中に機関回転数の上昇率が上記所定の上昇率よりも大きいときに燃料噴射弁の開弁時間が上記基本開弁時間よりも短くされる。

３番目の発明では、１番目の発明において、上記基本開弁期間制御の実行中に機関回転数の上昇率が上記所定の上昇率よりも大きいときに吸気弁を閉弁する上記所定のクランク角度が進角される。

４番目の発明では、１番目の発明において、上記基本開弁期間制御を実行しているときに機関回転数の上昇率が上記所定の上昇率よりも小さいときに燃料噴射弁の閉弁タイミングが吸気弁の閉弁タイミングに一致するように燃料噴射弁の開弁タイミングが遅角される。

本発明によれば、内燃機関の始動時において機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きく或いは小さくなったとしても機関回転数の上昇率が素早く所定の上昇率に制御される。したがって、空燃比制御性の向上およびエミッションの低減が可能になる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。図１は、ポート噴射式の火花点火内燃機関を示している。図１において、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はピストン、４はシリンダヘッド、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓、１１は燃料噴射弁をそれぞれ示している。燃料噴射弁１１は、吸気ポート７（広く言えば、吸気通路）に燃料を噴射するようにシリンダヘッド４に取り付けられている。

各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結される。サージタンク１４は、吸気ダクト１５およびエアフロメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気ダクト１５内には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結される。排気枝管１９は、三元触媒２０を内蔵した触媒コンバータ２１に連結される。

電子制御ユニット３１は、ディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。エアフロメータ１６は、吸気量（燃焼室５内に吸入される空気の量）に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば、３０°回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。一方、出力ポート３７は、それぞれ対応する駆動回路を介して点火栓１０、燃料噴射弁１１、および、ステップモータ１７に接続されている。

次に、本実施形態の内燃機関の始動時における燃料噴射制御について説明する。一般的に、内燃機関の始動時（以下「機関始動時」という）には、機関回転数を所定の上昇率でもって上昇させることが要求される。したがって、こうした要求を満たすためには、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きいときには、機関回転数の上昇率を小さくする必要があり、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも小さいときには、機関回転数の上昇率を大きくする必要がある。

そして、燃焼室に供給する燃料の量、すなわち、燃料噴射弁１１から噴射する燃料の量（以下「燃料噴射量」という）を少なくすれば、燃焼から得られるトルクが小さくなるので、機関回転数の上昇率が小さくなり、一方、燃料噴射量を多くすれば、燃焼から得られるトルクが大きくなるので、機関回転数の上昇率が大きくなる。したがって、機関始動時、機関回転数の上昇率を監視し、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きくなったときに燃料噴射量を適切な量だけ少なくし、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも小さくなったときに燃料噴射量を適切な量だけ多くすれば、機関回転数の上昇率を所定の上昇率に制御することができる。

しかしながら、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きいこと或いは小さいことが検知されてから燃料噴射弁１１から噴射する燃料の量を少なくする或いは多くするまでに一定の時間がかかるので、機関回転数の上昇率が所定の上昇率に戻るまでに一定の時間がかかることになる。したがって、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きいときに燃料噴射量を適切な量だけ少なくし、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも小さいときに燃料噴射量を適切な量だけ多くする方法には、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きくなってから或いは小さくなってから機関回転数の上昇率を所定の上昇率に戻すまでにかかる時間をできるだけ短くするという観点で、改善の余地がある。

そこで、本実施形態では、機関始動時の機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きくなってから或いは小さくなってから機関回転数の上昇率を所定の上昇率に戻すまでにかかる時間をできるだけ短くするために、以下の燃料噴射制御（以下「機関始動時燃料噴射制御」ともいう）を行う。すなわち、まず始めに、機関始動時に所定の条件（特に、内燃機関の温度が所定の温度にあるという条件）下で機関回転数を所定の上昇率でもって上昇させることができる燃料の量（以下「基本燃料量」という）を予め求める。そして、この基本燃料噴射量の燃料を燃料噴射弁１１から噴射させるために必要な燃料噴射弁１１の開弁時間（以下「基本開弁時間」という）を予め求める。

そして、機関始動時に機関回転数の上昇率が所定の上昇率となっているときに燃料噴射弁１１を基本開弁時間に亘って開弁したときに燃料噴射弁１１の閉弁タイミングが吸気弁６の閉弁タイミング（これは、所定のクランク角度に予め設定されている）に一致する燃料噴射弁１１の開弁タイミングに対応するクランク角度（以下「基本開弁タイミング」という）を予め求める。そして、機関始動時、基本開弁タイミングで燃料噴射弁１１を開弁させ、基本開弁時間が経過したときに燃料噴射弁１１を閉弁させる。これによれば、以下のような作用が得られる。

すなわち、機関始動時、機関回転数の上昇率が所定の上昇率になっていれば、図２（Ａ）に示されているように、燃料噴射弁１１の閉弁タイミングＴＦＣが吸気弁６の閉弁タイミングＴＩＣに一致するので、燃料噴射弁１１から噴射された燃料全てが燃焼室に吸入される。したがって、機関回転数の上昇率が所定の上昇率に維持される。

一方、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きくなると、図２（Ｂ）に示されているように、燃料噴射弁１１の閉弁タイミングＴＦＣが吸気弁６の閉弁タイミングＴＩＣよりも遅くなる。すなわち、燃料噴射弁１１の閉弁タイミングは、時間で制御される（すなわち、燃料噴射弁１１は、所定のクランク角度で開弁せしめられて基本開弁時間が経過したときに閉弁せしめられる）のに対し、吸気弁６の閉弁タイミングは、クランク角度で制御される（すなわち、吸気弁６は、所定のクランク角度で開弁せしめられて別の所定のクランク角度で閉弁せしめられる）ことから、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きいとき、すなわち、機関回転数が予定していた機関回転数よりも大きいときには、燃料噴射弁１１の閉弁タイミングが吸気弁６の閉弁タイミングよりも遅くなるのである。このとき、吸気弁６が閉弁した後に燃料噴射弁１１から噴射された燃料は、燃焼室には吸入されない。したがって、燃焼室に供給された燃料は、基本燃料量よりも少ない。このため、機関回転数の上昇率が低下するので、機関回転数の上昇率が所定の上昇率となるか、少なくとも、所定の上昇率に近づいていっていずれ所定の上昇率となる。

一方、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも小さくなると、図２（Ｃ）に示されているように、燃料噴射弁１１の閉弁タイミングＴＦＣが吸気弁６の閉弁タイミングＴＩＣよりも早くなる。このとき、燃料噴射弁１１から燃料が噴射され終わってから吸気弁６が閉弁するまでに一定の時間がある。したがって、燃料噴射弁１１から噴射された燃料（特に、後半に噴射された燃料）が燃焼室に吸入されるまでに一定の時間があることから、十分に霧化された燃料が燃焼室に吸入される。したがって、その分、燃焼から発生するトルクが大きい。このため、機関回転数の上昇率が上昇するので、機関回転数の上昇率が所定の上昇率となるか、少なくとも、所定の上昇率に近づいていっていずれ所定の上昇率となる。

このように、本実施形態の機関始動時燃料噴射制御によれば、燃料噴射弁１１の開弁時間を制御しなくても、機関回転数の上昇率が所定の上昇率に制御されるか、少なくとも、所定の上昇率近傍に制御される。これによれば、機関始動時のいわゆる吹き上がりが抑制される。また、これによれば、機関始動時という機関回転数が大きく変化し且つ内燃機関を取り巻く条件に大きなバラツキがあるときであっても、機関回転数の上昇率に応じて燃焼室に供給される燃料の量や霧化がセンサやその他の複雑な手段を用いずとも自然に調整され、エンジンストールや排気エミッションの悪化が抑制される。なお、図２において、ＴＦＯは、燃料噴射弁１１の開弁タイミングを示している。

ところで、上述した機関始動時燃料噴射制御によれば、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きいとき、吸気弁６が閉弁した後に燃料噴射弁１１から燃料が噴射されることになる。ここで、吸気弁６が閉弁した後に噴射された燃料は、燃焼室には吸入されず、吸気ポート７に残留する。そして、吸気ポート７に残留した燃料は、次の吸気行程において燃焼室に吸入されることになる。したがって、次の吸気行程において燃料噴射弁１１を基本開弁タイミングで開弁し、基本開弁時間が経過したときに閉弁すると、少なからず、吸気ポート７に残留した燃料の分だけ燃焼室に吸入される燃料の量が多くなる。この場合、多くなった燃料の分だけ、機関回転数の上昇率の低下が小さくなってしまう。

そこで、上述した機関始動時燃料噴射制御において、機関回転数の上昇率を監視し、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きくなったときに、吸気ポート７に残留すると予想される燃料の分だけ燃料噴射量が少なくなるように、基本開弁時間を短くしてもよい。これによれば、機関回転数の上昇率を十分に低下されることができるので、機関回転数の上昇率をより素早く所定の上昇率に制御することができる。なお、この場合において、燃料噴射弁１１の開弁タイミングを変更せずに燃料噴射弁１１の閉弁タイミングを変更する（すなわち、早める）ことによって燃料噴射弁１１の開弁時間を短くしてもよいし、燃料噴射弁１１の閉弁タイミングを変更せずに燃料噴射弁１１の開弁タイミングを変更する（すなわち、遅くする）ことによって燃料噴射弁１１の開弁時間を短くしてもよいし、燃料噴射弁１１の開弁タイミングおよび閉弁タイミングを変更することによって燃料噴射弁１１の開弁時間を短くしてもよい。ここで、燃料噴射弁１１の開弁タイミングおよび閉弁タイミングを変更することによって燃料噴射弁１１の開弁時間を短くする場合、燃料噴射弁１１の閉弁タイミングが吸気弁６の閉弁タイミングに一致するように燃料噴射弁１１の開弁タイミングを決定することが好ましい。

図３は、上述した機関始動時燃料噴射制御において、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きくなったときに吸気ポート７に残留すると予想される燃料の分だけ燃料噴射量が少なくなるように燃料噴射弁１１の開弁タイミングおよび閉弁タイミングを変更することによって燃料噴射弁１１の開弁時間を短くする場合において、燃料噴射弁１１の閉弁タイミングが吸気弁６の閉弁タイミングに一致するように燃料噴射弁１１の開弁タイミングを決定するルーチンの一例を示している。

図３のルーチンでは、まず始めに、ステップ１０において、機関回転数の上昇率Ｒが所定の上昇率Ｒｔｈよりも高い（Ｒ＞Ｒｔｈ）か否か（すなわち、燃焼室に吸入されずに吸気ポート７に残留した燃料があるか否か）が判別される。ここで、Ｒ≦Ｒｔｈであると判別されたときには、ルーチンは、そのまま終了する。一方、Ｒ＞Ｒｔｈであると判別されたときには、ステップ１１に進んで、次回の吸気行程中に燃料噴射弁１１から噴射させるべき燃料の量Ｆ（ｎ＋１）を次式１に従って算出する。
Ｆ（ｎ＋１）＝Ｆ（ｎ）−ｄＦ（ｎ）×Ｋ …（１）

すなわち、今回の吸気行程中に燃料噴射弁１１から噴射された燃料の量Ｆ（ｎ）から今回、吸気ポート７に残留したと予想される燃料の量ｄＦ（ｎ）に補正係数Ｋを掛けた量を差し引いた量を次回の吸気行程中に燃料噴射弁１１から噴射させるべき燃料の量Ｆ（ｎ＋１）とする。

ここで、補正係数Ｋは、様々な条件に応じて設定される値であり、例えば、機関回転数の変動量に応じて設定される値である。この場合、補正係数Ｋは、機関回転数の変動量がプラスに大きいほど、すなわち、機関回転数の上昇率が大きいほど小さくなる値である。すなわち、機関回転数の上昇率が大きいほど、燃料噴射弁１１から噴射された燃料が燃焼室に吸入されるまでの時間が短く、燃料の霧化が不十分になる傾向にある。したがって、次回の吸気行程中に燃料噴射弁１１から噴射させるべき燃料の量を少なくすべきであるが、燃料の霧化を考慮すると機関回転数の上昇率が大きいほど次回の吸気行程中に燃料噴射弁１１から噴射させるべき燃料の量を多くする必要がある。こうした理由から、補正係数Ｋは、機関回転数の上昇率が大きいほど、すなわち、機関回転数の変動量がプラスに大きいほど小さくなる値とされるのである。

そして、ステップ１２において、ステップ１１で算出された量Ｆ（ｎ＋１）の燃料を燃料噴射弁１１から噴射させることができる開弁時間だけ燃料噴射弁を開弁したときに燃料噴射弁１１の閉弁タイミングが吸気弁６の閉弁タイミングに一致するように燃料噴射弁１１の開弁タイミングＴＦＯが算出される。

ところで、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きいときに吸気弁６の閉弁タイミングを進角すると、その分、吸気弁６が閉弁した後に燃料噴射弁１１から噴射される燃料の量が多くなる。別の言い方をすると、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きいときに吸気弁６の閉弁タイミングを進角すると、その分、燃焼室に供給される燃料の量が少なくなる。そして、これによれば、機関回転数の上昇率をより大きく低下させることができる。そこで、上述した内燃機関に吸気弁６の閉弁タイミング（すなわち、吸気弁６を閉弁させるクランク角度）を変更することができるいわゆる可変動弁機構を組み込んでおき、上述した機関始動時燃料噴射制御において、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも大きいときに吸気弁６の閉弁タイミングを進角するようにしてもよい。これによれば、機関回転数の上昇率をより素早く所定の上昇率に制御することができる。

また、内燃機関に上記可変動弁機構を組み込んでおき、上述した機関始動時燃料噴射制御において、機関回転数の上昇率が所定の上昇率よりも小さいときに燃料噴射弁１１の閉弁タイミングが吸気弁６の閉弁タイミングに一致するように吸気弁６の閉弁タイミング（すなわち、吸気弁６を閉弁させるクランク角度）を進角させてもよい。

本発明の燃料噴射制御装置を備えた内燃機関を示す図である。 吸気弁の閉弁タイミングと燃料噴射弁の閉弁タイミングとを示す図である。 本発明の機関始動時燃料噴射制御を実行するルーチンの一例を示す図である。

符号の説明

１ 機関本体
６ 吸気弁
７ 吸気ポート
１１ 燃料噴射弁

Claims (4)

1. 内燃機関の始動時に各吸気行程において吸気弁が所定のクランク角度で開弁せしめられて別の所定のクランク角度で閉弁せしめられる内燃機関において、
   吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
   内燃機関の始動時に所定の上昇率でもって機関回転数を上昇させることができる燃料量を基本燃料量として設定しておくと共に、燃料噴射弁から噴射される燃料量を上記基本燃料量とすることができる燃料噴射弁の開弁時間を基本開弁時間として設定しておき、
   内燃機関の始動時に機関回転数の上昇率が上記所定の上昇率にあるときに燃料噴射弁を基本開弁時間に亘って開弁したときに、燃料噴射弁の閉弁タイミングが吸気弁の閉弁タイミングに一致する燃料噴射弁の開弁タイミングを基本開弁タイミングとしてクランク角度により設定し、
   内燃機関の始動時に基本開弁タイミングのクランク角度において燃料噴射弁を開弁させ、基本開弁時間が経過したときに燃料噴射弁を閉弁させる基本開弁期間制御を実行することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 上記基本開弁期間制御の実行中に機関回転数の上昇率が上記所定の上昇率よりも大きいときに燃料噴射弁の開弁時間が上記基本開弁時間よりも短くされることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 上記基本開弁期間制御の実行中に機関回転数の上昇率が上記所定の上昇率よりも大きいときに吸気弁を閉弁する上記所定のクランク角度が進角されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 上記基本開弁期間制御を実行しているときに機関回転数の上昇率が上記所定の上昇率よりも小さいときに燃料噴射弁の閉弁タイミングが吸気弁の閉弁タイミングに一致するように燃料噴射弁の開弁タイミングが遅角されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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