JP5338583B2

JP5338583B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP5338583B2
Application number: JP2009209609A
Authority: JP
Inventors: 純一鈴木; 衛 ▲吉▼岡; 亮冨松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: JP2011058436A

Description

本発明は、燃料噴射の開始時期を制御可能な内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

吸気通路内に燃料を噴射する吸気通路燃料噴射弁を備え、吸気弁のリフト量が予め定められた設定量よりも小さく、かつ、吸気弁の開弁時期が吸気上死点以降に設定されているときに、燃料性状に応じて、吸気非同期噴射と吸気同期噴射とを切り替えて燃料を噴射し、点火栓に多量の燃料が付着して点火栓が作動不良になるのを抑制させる内燃機関の燃料噴射制御装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜５が存在する。

特開２００７−３３２９３６号公報特開２００２−２３５５８０号公報特開２００６−６３９４６号公報特開２００６−３０７７８４号公報特開平５−１７１９９０号公報

特許文献１の燃料噴射制御装置においては、吸気同期噴射を行ったときに、気筒内の負圧によって吸気の流速が急激に速くなるため気筒の内壁面に燃料が付着し、炭化水素（ＨＣ）の排出量が多くなるという問題がある。

そこで、本発明は、ＨＣの排出量を低減することが可能な内燃機関の燃料噴射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燃料噴射制御装置は、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁と、前記吸気ポートを開閉する吸気弁の位相角及びリフト量を含む動弁特性が変更可能な可変動弁機構と、を備えた内燃機関に適用される燃料噴射制御装置であって、前記吸気弁の開弁時に筒内に流入する吸気の流速が所定の閾値を超えて増大する領域に前記吸気弁の動弁特性が設定されたか否かを判別する動弁特性判別手段と、前記動弁特性が前記領域に設定されたと判断された場合、前記燃料噴射弁からの燃料噴射の開始時期を前記吸気弁の開弁時期よりも前記動弁特性の設定状態に応じて遅角させる燃料噴射時期制御手段と、を備え、前記燃料噴射時期制御手段は、前記燃料噴射弁から燃料を噴射する期間と前記燃料噴射の開始時期とに応じて前記燃料噴射弁からの燃料噴射の終了時期を変更するとともに、前記燃料噴射の終了時期が吸気行程の終盤に設定される燃料噴射禁止期間に入らないように、前記燃料噴射の終了時期を制限する（請求項１）。

本発明の燃料噴射制御装置においては、吸気弁の開弁時に筒内に流入する吸気の流速が所定の閾値を超えて増大する領域に吸気弁の動弁特性が設定されたと判断された場合、燃料噴射の開始時期を吸気弁の開弁時期よりも動弁特性の設定状態に応じて遅角させることにより、気筒の内壁面への燃料の飛散を低減することができる。これにより、ＨＣの排出量を低減することができる。

また、本発明の燃料噴射制御装置によれば、燃料噴射禁止期間には燃料噴射の終了時期が入らないように燃料を噴射するため、混合気の形成をすることができる。これにより、ＨＣの排出量を低減することができる。

以上説明したように、本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置においては、吸気弁の開弁時に筒内に流入する吸気の流速が所定の閾値を超えて増大する領域に吸気弁の動弁特性が設定されたと判断された場合、燃料噴射の開始時期を吸気弁の開弁時期よりも動弁特性の設定状態に応じて遅角させることにより、気筒の内壁面への燃料の飛散を低減することができる。これにより、ＨＣの排出量を低減することができる。

本発明の実施の形態と共通の部分を有する参考例に係る燃料噴射制御装置が適用された内燃機関の吸気系の要部の概略を示す図。吸気弁のリフト量が図１のリフト量よりも大きい場合を示す図。クランク角度と吸気弁のリフト量及び吸気の流速との関係を示す図。参考例に係る燃料噴射時期制御のフローチャート。本発明の一形態に係る燃料噴射制御装置の燃料噴射時期制御のフローチャート。クランク角度と吸気弁のリフト量及び吸気の流速との関係並びにクランク角度とＨＣの排出量との関係を示す図。吸気弁の開弁時期と燃料噴射開始時期との関係を示す図。運転状態に応じて、吸気弁のリフト量と燃料噴射開始時期との変更時期の関係を示す図。

（参考例）
本発明の実施の形態を説明する前に、まずは本発明の実施の形態と共通の部分を有する参考例を説明する。図１は、本発明の実施の形態に対する参考例に係る燃料噴射制御装置が適用された内燃機関の吸気系の要部の概略を示している。内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１は、車両の走行用動力源として搭載され、複数の気筒２（図１では１つの気筒２のみを示した。）を備えている。複数の気筒２には、気筒２内に吸気を取り込むための吸気通路３が接続されている。吸気通路３には、気筒２毎に設けられた吸気ポート４が含まれている。吸気ポート４には、気筒２と吸気通路３との接続部を開閉する吸気弁５が備えられている。この吸気弁５は、吸気弁５の位相角及びリフト量を含む動弁特性を変更可能な可変動弁機構６により開閉駆動される。図１の吸気弁５のリフト量Ａ１は、リフト量が小さい場合の一例を示しており、図２の吸気弁５のリフト量Ａ１は、図１のリフト量が大きい場合の一例を示している。また、吸気ポート４には、ポート噴射用の燃料噴射弁７が設けられている。燃料噴射弁７は、気筒２内に向けて燃料を噴射する。

可変動弁機構６及び燃料噴射弁７のそれぞれは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１０によって制御される。ＥＣＵ１０は、マイクロプロセッサ及びそのマイクロプロセッサの動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を備えたコンピュータとして構成され、エンジン１に設けられた各種のセンサからの出力信号に基づいてエンジン１の運転状態を制御する。ＥＣＵ１０には、エンジン１の吸入空気量に対応する信号を出力するエアフロメータ２０と、エンジン１の冷却水の温度に対応する信号を出力する水温センサ２１と、エンジン１の機関回転速度（回転数）に対応する信号を出力するクランク角センサ２２等とが接続されている。この他にもＥＣＵ１０には各種のセンサが接続されているが、それらの図示は省略した。ＥＣＵ１０は、エアフロメータ２０、水温センサ２１及びクランク角センサ２２等の各種のセンサから取得した数値により、エンジン１の運転状態を把握する。その後、ＥＣＵ１０は、その運転状態等に応じて、燃料噴射弁７から噴射する燃料噴射量を決定する。

ＥＣＵ１０は、運転状態に応じて、吸気弁５のリフト量及び開弁時期（ＩＶＯ）を含む動弁特性を決定する。この決定に応じて、可変動弁機構６は、吸気弁５を所定のリフト量及び所定のＩＶＯに駆動させる。

図３は、クランク角度と、吸気弁５のリフト量（Ｌ１〜Ｌ３）及び吸気の流速（Ｌ４〜Ｌ６）との関係を示している。クランク角度として、吸気上死点（ＴＤＣ）及び吸気下死点（ＢＤＣ）を記してある。図３の実線Ｌ１は、吸気弁５のリフト量が図１のリフト量のように小さく（以下、小リフトと称することがある。）、ＩＶＯが吸気上死点以降である。すなわち、吸気弁５が遅く開いている。実線Ｌ４が、実線Ｌ１の場合の吸気の流速である。図３の一点鎖線Ｌ２は、吸気弁５のリフト量が実線Ｌ１と同一の小リフトであるが、ＩＶＯが実線Ｌ１よりもさらに後である。一点鎖線Ｌ５が、一点鎖線Ｌ２の場合の吸気の流速である。図３の鎖線Ｌ３は、吸気弁５のリフト量が図２のリフト量のように大きく（以下、大リフトと称することがある。）、ＩＶＯが吸気上死点と同一である。鎖線Ｌ６が、鎖線Ｌ３の場合の吸気の流速である。また、αは、吸気弁５の開弁時に筒内に流入する吸気の流速が所定の閾値を超えて増大する領域を示している。さらに、βは、燃料を噴射する期間（燃料噴射期間）を示している。

吸気弁５のリフト量が小リフトかつＩＶＯが吸気上死点以降のときは、例えば、エンジン１の温度が外気温と同じかそれ以下の状態にある場合にエンジン１を始動する冷間始動時にあたる。また、吸気弁５のリフト量が大リフトかつＩＶＯが吸気上死点と同一のときは、例えば、運転状態が高負荷時にあたる。

次に、ＥＣＵ１０は、吸気弁５のリフト量及びＩＶＯの動弁特性に応じて、燃料噴射弁７から燃料を噴射する開始時期（燃料噴射開始時期）を決定する。ＥＣＵ１０は、吸気弁５が開弁している期間に燃料を噴射する吸気同期噴射と、吸気弁５が開弁する前に燃料を噴射する吸気非同期噴射とを、切り替えて燃料の噴射を制御する。ＥＣＵ１０は、吸気同期噴射を実行するか否か、及び吸気同期噴射を実行する場合の燃料噴射開始時期を、図４に示すフローチャートで制御する。

図４においてＥＣＵ１０は、ステップＳ１の「始め」にて、エンジン１の運転状態、吸気弁５のリフト量及びＩＶＯを取得する。エンジン１の運転状態としては、エンジン１の冷却水の温度等が取得される。次のステップＳ２においてＥＣＵ１０は、ステップＳ１で取得した運転状態から、冷間始動時か否かを判断する。該当していない場合は、このフローチャートの制御を実行しない。

一方、冷間始動時の場合はステップＳ３に進み、ＥＣＵ１０はステップＳ１で取得した吸気弁５のリフト量から、そのリフト量が小リフトか否かを判断する。そのリフト量が大リフトの場合は、このフローチャートの制御を実行しない。

一方、そのリフト量が小リフトの場合はステップＳ４に進み、ＥＣＵ１０はステップＳ１で取得したＩＶＯが、ＴＤＣ以降か否かを判別する。ＩＶＯが、ＴＤＣより前の場合は、このフローチャートの制御を実行しない。

一方、ＩＶＯが、ＴＤＣ以降の場合はステップＳ５に進み、ＥＣＵ１０は燃料噴射開始時期Ｘ１を算出し、その算出により求まった燃料噴射開始時期Ｘ１を設定する。燃料噴射開始時期Ｘ１は、ＩＶＯ、吸気弁５の開弁時に筒内に流入する吸気の流速が所定の閾値を超えて増大する領域をαとしたときに、下式（１）で算出される。

Ｘ1＝ＩＶＯ＋α ・・・（１）

次に、ステップＳ５においてＥＣＵ１０は、算出により求まった燃料噴射開始時期Ｘ１を設定する。そして、このフローチャートの制御を終了する。

以上の制御を行った後、ＥＣＵ１０は、その燃料噴射開始時期Ｘ１から燃料噴射期間β、燃料を噴射する。図４のフローチャートの制御を実行しない場合は、吸気非同期噴射により燃料を噴射する。このように、ＥＣＵ１０は、吸気弁５の開弁時に筒内に流入する吸気の流速が所定の閾値を超えて増大する領域αに吸気弁５の動弁特性が設定されたか否かを判別する動弁特性判別手段、及び動弁特性がその領域に設定されたと判断された場合、燃料噴射の開始時期を吸気弁５の開弁時期よりも動弁特性の設定状態に応じて遅角させる燃料噴射時期制御手段として機能する。

図３に示すように、吸気弁５のリフト量が大リフトかつＩＶＯが吸気上死点より前の場合（Ｌ６）よりも、吸気弁５のリフト量が小リフトかつＩＶＯが吸気上死点以降の場合（Ｌ４及びＬ５）の方が、吸気弁５の開弁から閉弁までの筒内に流入する吸気の流速が概ね速くなる。また、吸気弁５のリフト量が小リフトかつＩＶＯが吸気上死点以降の場合（Ｌ４及びＬ５）の燃料噴射開始時期Ｘ１を、吸気弁５の開弁時期よりも遅角させ、当該領域αを過ぎた後にすることができる。

この参考例によれば、吸気弁５の開弁から閉弁までの筒内に流入する吸気の流速が概ね速くなるため、混合気の形成を促進することができる。また、当該領域αを過ぎた後に燃料の噴射を開始するので、気筒２の内壁面への燃料の飛散を低減することができる。これにより、ＨＣの排出量を低減することができる。

（本発明）
次に、図５を参照して本発明の一形態を説明する。図５は本発明の一形態に係る燃料噴射時期制御のフローチャートを示している。図４のフローチャートと共通する制御（Ｓ１〜Ｓ４）については、図５に同一の参照符号（Ｓ１〜Ｓ４）を付して説明を省略する。また、この形態の全体構成については、図１が参照される。

図５のフローチャートについて説明する。図５のステップＳ１〜ステップＳ４については、図４のステップＳ１〜Ｓ４と共通するので、ＥＣＵ１０により図４と同一の制御がされる。そのため、ステップＳ４において、ＩＶＯが、ＴＤＣより前の場合は、図５のフローチャートの制御を実行しない。

一方、ＩＶＯが、ＴＤＣ以降の場合はステップＳ１０に進む。まず、ＥＣＵ１０は、燃料噴射終了時期Ｙを算出する。燃料噴射終了時期Ｙは、ＩＶＯ、吸気弁５の開弁時に筒内に流入する吸気の流速が所定の閾値を超えて増大する領域をα、燃料噴射期間をβとしたときに、下式（２）で算出される。

Ｙ＝ＩＶＯ＋α＋β ・・・（２）

次に、ＥＣＵ１０は、燃料噴射終了時期Ｙが燃料噴射禁止期間に入るか否かを算出する。燃料噴射の終了時期が吸気行程の終盤に設定される燃料噴射禁止期間を、図６において説明する。図６には、図３で示した実線Ｌ１と実線Ｌ４を示し、クランク角度とＨＣの排出量との関係を実線Ｌ７にて示している。図６に示すように、ＨＣの排出量は領域Ａ２において急激に増加する。また、所定のクランク角度θとＢＤＣとの間のＨＣ排出量は、当該領域αのとき（図６のＨＣ１）よりも、増加している。このクランク角度θからＢＤＣまでが、燃料噴射禁止期間γである。

図５に戻り、フローチャートの説明を続ける。ＥＣＵ１０は、燃料噴射終了時期Ｙが燃料噴射禁止期間γに入るか否かを算出する。これは、上式（２）で算出により求まった燃料噴射終了時期Ｙが、ＢＤＣ、燃料噴射禁止期間をγとしたときに、下式（３）を満たすか否かで判断される。

Ｙ≦ＢＤＣ−γ ・・・（３）

この上式（３）を満たす場合にはステップＳ１１に進み、満たさない場合にはステップＳ１２に進む。先にステップＳ１１に進んだ場合を説明する。ＥＣＵ１０は燃料噴射開始時期Ｘ２を算出し、その算出により求まった燃料噴射開始時期Ｘ２を設定する。燃料噴射開始時期Ｘ２は、上式（１）と同様に、ＩＶＯ、吸気弁５の開弁時に筒内に流入する吸気の流速が所定の閾値を超えて増大する領域をαとしたときに、下式（４）で算出される。

Ｘ２＝ＩＶＯ＋α ・・・（４）

次に、ステップＳ１１においてＥＣＵ１０は、算出により求まった燃料噴射開始時期Ｘ２を設定する。そして、このフローチャートの制御を終了する。

続いて、上式（３）を満たさない場合にはステップＳ１２に進む。即ち、燃料噴射終了時期Ｙが燃料噴射禁止期間γに入っている場合である。ＥＣＵ１０は、燃料噴射開始時期Ｘ３を算出し、その算出により求まった燃料噴射開始時期Ｘ３を設定する。燃料噴射開始時期Ｘ３は、ＢＤＣ、燃料噴射期間をβ、燃料噴射禁止期間をγとしたときに、下式（５）で算出される。

Ｘ３＝ＢＤＣ−β−γ ・・・（５）

次に、ステップＳ１２においてＥＣＵ１０は、算出により求まった燃料噴射開始時期Ｘ３を設定する。つまり、燃料噴射終了時期Ｙが燃料噴射禁止期間γに入らないように、燃料噴射終了時期Ｙが、ＥＣＵ１０により制限される。そして、このフローチャートの制御を終了する。

以上の制御を行った後、ＥＣＵ１０は、その燃料噴射開始時期Ｘ２、Ｘ３から燃料噴射期間β、燃料を噴射する。図５のフローチャートの制御を実行しない場合は、吸気非同期噴射により燃料を噴射する。このように、ＥＣＵ１０は、本発明の燃料噴射時期制御手段として機能する。

本発明によれば、ＥＣＵ１０により、燃料噴射禁止期間γに入らないように、燃料噴射終了時期Ｙを制限することができる。そのため、筒内に流入する吸気の流速により混合気の形成をすることができる。これにより、ＨＣの排出量を低減することができる。

本発明は、上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。図７は、吸気弁の開弁時期と燃料噴射開始時期との関係を示している。図７に示すように、燃料噴射期間β１のとき、燃料噴射開始時期Ｘ４から燃料を噴射しても燃料噴射終了時期Ｙが燃料噴射禁止期間γに入ることはない。しかし、燃料噴射の圧力を低下させた場合又はエタノール等の燃料を使用した場合等により、燃料噴射期間β１が増加することがある。例えば、図７に示すように、上記の理由により燃料噴射期間β２となったとき、燃料噴射開始時期Ｘ４から燃料を噴射すると燃料噴射終了時期Ｙが燃料噴射禁止期間γに入ってしまう。このような場合には、燃料噴射終了時期Ｙが燃料噴射禁止期間γに入らないように、燃料噴射期間βに応じて燃料噴射開始時期Ｘ４を遅角させ、燃料噴射開始時期Ｘ５から燃料を噴射してもよい。つまり、燃料噴射禁止期間γに入らないように、燃料噴射期間β２に応じて、燃料噴射の開始時期に関する遅角量の最大値をＥＣＵ１０により制限してもよい。ＥＣＵ１０は、燃料噴射時期制御手段として機能する。この態様によれば、燃料噴射期間β１が増加した場合でも、燃料噴射終了時期Ｙが燃料噴射禁止期間γに入ることはない。そのため、筒内に流入する吸気の流速により混合気の形成をすることができる。これにより、ＨＣの排出量を低減することができる。

図８は、運転状態に応じて、吸気弁のリフト量と燃料噴射開始時期との変更時期の関係を示している。例えば、冷間始動時においても車両の運転者による急加速等の要求があった場合、高負荷（吸気弁５のリフト量を大リフトにし、吸気量を増やす）に移行しなければならず、かつ、この場合には運転の応答性及び円滑性が要求される。そのため、吸気弁５のリフト量（吸気量）及び燃料噴射開始時期（吸気同期噴射と吸気非同期噴射との切り替えの時期）による空燃比の荒れ、特に吸気弁５のリフト量と燃料噴射開始時期との同時変更を抑制する必要がある。

運転者の要求が、低負荷時から高負荷時への切り替えの場合は、図８の左側（低負荷→高負荷切替時）のように制御してもよい。この場合の吸気弁５のリフト量と燃料噴射開始時期との変更時期について、以下に説明する。低負荷から高負荷に切り替わるまでのｔ１からｔ２までは、吸気弁５のリフト量を小リフトとし、吸気同期噴射を行う。次に、ｔ２からｔ３までの一定期間においては、吸気弁５のリフト量をｔ２時の小リフトからｔ３時の大リフトにする。そのため、リフト量が徐々に大きくなるように、吸気弁５を可変動弁機構６により駆動させる。続いて、吸気弁５のリフト量が大リフトになったｔ３時から、吸気同期噴射から吸気非同期噴射に、ＥＣＵ１０により変更する。そして、ｔ４の高負荷時には、吸気弁５のリフト量が大リフトであって、かつ、吸気非同期噴射が行われる。以上の制御によれば、空燃比の荒れを抑制することができる。これにより、ＨＣの排出量を抑制できる。

また、運転者の要求が、高負荷時から低負荷時への切り替えの場合は、図８の右側（高負荷→低負荷切替時）のように制御してもよい。この場合の吸気弁５のリフト量と燃料噴射開始時期との変更時期について、以下に説明する。高負荷から低負荷に切り替わるまでのｔ６からｔ７までは、吸気弁５のリフト量を大リフトとし、吸気非同期噴射を行う。次に、ｔ７からｔ８までの一定期間においては、吸気非同期噴射から吸気同期噴射に、ＥＣＵ１０により変更する。続いて、吸気弁５のリフト量をｔ８時の大リフトから小リフトになるようにする。そのため、リフト量が徐々に小さくなるように、吸気弁５を可変動弁機構６により駆動させる。そして、ｔ９の低負荷時には、吸気弁５のリフト量が小リフトであって、かつ、吸気同期噴射が行われる。なお、高負荷時から低負荷時への切り替えの場合に、吸気弁５のリフト量を所定の量よりも小さくしてから、吸気同期噴射に切り替えてしまうと、空燃比の荒れが発生する。以上の制御によれば、空燃比の荒れを抑制することができる。これにより、ＨＣの排出量を抑制できる。

２気筒
４吸気ポート
５吸気弁
６可変動弁機構
７燃料噴射弁
１０エンジンコントロールバルブ（ＥＣＵ、動弁特性判別手段、燃料噴射時期制御手段）

Claims

吸気ポートに設けられた燃料噴射弁と、前記吸気ポートを開閉する吸気弁の位相角及びリフト量を含む動弁特性が変更可能な可変動弁機構と、を備えた内燃機関に適用される燃料噴射制御装置であって、
前記吸気弁の開弁時に筒内に流入する吸気の流速が所定の閾値を超えて増大する領域に前記吸気弁の動弁特性が設定されたか否かを判別する動弁特性判別手段と、
前記動弁特性が前記領域に設定されたと判断された場合、前記燃料噴射弁からの燃料噴射の開始時期を前記吸気弁の開弁時期よりも前記動弁特性の設定状態に応じて遅角させる燃料噴射時期制御手段と、を備え、
前記燃料噴射時期制御手段は、前記燃料噴射弁から燃料を噴射する期間と前記燃料噴射の開始時期とに応じて前記燃料噴射弁からの燃料噴射の終了時期を変更するとともに、前記燃料噴射の終了時期が吸気行程の終盤に設定される燃料噴射禁止期間に入らないように、前記燃料噴射の終了時期を制限する内燃機関の燃料噴射制御装置。