JP5450548B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、吸気通路に燃料噴射弁を備えた内燃機関に適用される燃料噴射制御装置に関する。
特許文献1には、吸気通路に燃料噴射弁を備え、排気行程で燃料噴射を行わせる内燃機関において、内燃機関の減速運転時に、吸気行程で燃料噴射を行わせることで、減速時に吸気通路の壁面に付着する燃料量を低減させるようにした、燃料噴射制御装置が開示されている。
特開2009−041369号公報
ところで、減速運転とそれ以外とで噴射タイミングを切り替える場合、運転条件が変化しないと噴射タイミングが切り替わらず、吸気通路壁面などにおいて燃料が付着する部位が一定となるため、定常運転中での平衡付着燃料量が増大し、過渡運転に移行したときに空燃比変動が大きくなって、排気性状を悪化させてしまう。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、定常運転中であっても平衡付着量を低減できる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。
そのため、本願発明は、吸気通路に燃料噴射弁を備えた内燃機関に適用され、前記燃料噴射弁の噴射タイミングを周期的に切り替える燃料噴射制御装置であって、前記噴射タイミングの切り替えパターンを複数備え、前記内燃機関における内部EGR量に応じて切り替えパターンを選択し、かつ、吸気バルブの開時期付近を噴射終了時期とする噴射タイミングでの噴射頻度を、内部EGR量の増大に応じて多くするようにした。
また、吸気通路に燃料噴射弁を備えた内燃機関に適用され、前記燃料噴射弁の噴射タイミングを周期的に切り替える燃料噴射制御装置であって、前記噴射タイミングの切り替えパターンを複数備え、前記内燃機関の温度に応じて切り替えパターンを選択し、かつ、吸気バルブの開弁中に噴射が終了する噴射タイミングでの噴射頻度を、前記内燃機関の温度の低下に応じて多くするようにした。
更に、吸気通路に燃料噴射弁を備えた内燃機関に適用され、前記燃料噴射弁の噴射タイミングを周期的に切り替える燃料噴射制御装置であって、前記噴射タイミングの切り替えパターンを複数備え、前記内燃機関の負荷に応じて切り替えパターンを選択し、かつ、前記内燃機関の負荷の増大に応じて、同じ噴射タイミングでの連続噴射回数を低下させるようにした。
上記発明によると、噴射タイミングを周期的に切り替えることで、吸気通路の壁面や吸気バルブに対して燃料が付着する部位及び量が周期的に変化し、これによって、同一部位に対する燃料の付着量が抑制され、また、同一部位に対して燃料が付着する間隔が長くなって気化が促進され、定常運転中であっても平衡付着量が低減する。
すなわち、吸気バルブの開時期付近を噴射終了時期とする噴射タイミングで噴射された燃料は、吸気通路に吹き戻す内部EGRによって気化されるので、内部EGR量が多い場合にこの噴射タイミングでの噴射頻度を多くすることで、平衡付着量を低減できる。
また、吸気バルブの開弁中に噴射が終了する噴射タイミングでは、吸気の流れに燃料噴霧が乗るため、吸気通路の内壁などへの燃料付着量が、吸気バルブの閉弁中に噴射が終了する噴射タイミングで噴射する場合よりも少なくなるので、内燃機関の温度が低く、付着燃料の気化性能が低下する条件で、吸気バルブの開弁中に噴射が終了する噴射タイミングでの噴射頻度を多くすることで、平衡付着量を低減できる。
更に、内燃機関の高負荷域では、燃料噴射量が多くなって、気化時間が短くなるので、噴射タイミングをより頻繁に切り替えて、付着量の低減及び付着部位の分散を図り、平衡付着量を低減できる。
本願発明の実施形態におけるエンジンのシステム図である。 本願発明の実施形態における噴射タイミングの切り替え制御を示すフローチャートである。 本願発明の実施形態における各気筒での噴射タイミングの変化を示すタイムチャートである。 本願発明の実施形態における付着部位の特性を噴射タイミング毎に示す図である。 本願発明の実施形態における噴射タイミングの切り替え制御を示すフローチャートである。 本願発明の実施形態における各気筒での噴射タイミングの変化を示すタイムチャートである。 本願発明の実施形態における噴射タイミングの切り替え制御を示すフローチャートである。 本願発明の実施形態における各噴射タイミングを示す線図である。 本願発明の実施形態における付着部位の特性を噴射タイミング毎に示す図である。 本願発明の実施形態における噴射タイミングの切り替えパターンの変更制御を示すフローチャートである。 本願発明の実施形態における噴射タイミングの切り替えパターンの変更制御を示すフローチャートである。 本願発明の実施形態における噴射タイミングの切り替えパターンの変更制御を示すフローチャートである。
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明に係る燃料噴射制御装置を含む、車両用エンジンのシステム図である。
図1において、エンジン(内燃機関)1は、吸気通路2に燃料噴射弁3を備え、燃料噴射弁3は略吸気バルブ4に向けて燃料を噴射する。
燃料噴射弁3が噴射した燃料は、空気と共に吸気バルブ4を介して燃焼室5内に吸引され、点火プラグ6による火花点火によって着火燃焼する。燃焼室5内の燃焼ガスは、排気バルブ7を介して排気通路8に排出される。
吸気通路2の燃料噴射弁3が配設される部分よりも上流側には、スロットルモータ9で開閉される電子制御スロットル10が配され、この電子制御スロットル10の開度によってエンジン1の吸入空気量を調整する。
また、燃料タンク11内の燃料を、燃料ポンプ12によって燃料噴射弁3(エンジン1)に向けて供給する燃料供給装置13を備えている。
燃料供給装置13は、燃料タンク11、燃料ポンプ12、燃料ギャラリー配管14、燃料供給配管15を含んで構成される。
燃料ポンプ12は、モータでポンプインペラを回転駆動する電動式流体用ポンプであり、燃料タンク11内に配置される。
燃料ポンプ12の吐出口には燃料供給配管15の一端が接続され、燃料供給配管15の他端は燃料ギャラリー配管14に接続され、更に、燃料ギャラリー配管14に対して、各気筒の燃料噴射弁3の燃料供給口がそれぞれ接続される。
燃料噴射弁3による燃料噴射、点火プラグ6による点火、電子制御スロットル10の開度などを制御するエンジン制御ユニットとして、コンピュータを備えるECM(エンジン・コントロール・モジュール)31を設けてある。即ち、ECM31は、燃料噴射制御装置としての機能を備えている。
また、燃料ポンプ12を駆動する燃料ポンプ制御ユニットとして、コンピュータを備えるFPCM(フューエル・ポンプ・コントロール・モジュール)30を設けてある。
ECM31とFPCM30とは相互に通信可能に構成され、ECM31からFPCM30に向けては、燃料ポンプ12のPWM制御におけるデューティ比及び周波数を指示する信号などが送信され、FPCM30からECM31に向けては、診断情報などが送信される。
ECM31は、燃料ギャラリー配管14内の燃圧FUPRを検出する燃料圧力センサ33、図外のアクセルペダルの踏み込み量ACCを検出するアクセル開度センサ34、エンジン1の吸入空気流量QAを検出するエアフローセンサ35、エンジン1の回転速度NEを検出する回転センサ36、エンジン1の冷却水温度TW(エンジン温度)を検出する水温センサ37、エンジン排気中の酸素濃度に応じてエンジン1の燃焼混合気の空燃比を検出する空燃比センサ38などからの検出信号を入力する。
そして、ECM31は、前述の各種センサの検出信号に基づいて、燃料噴射弁3による燃料噴射量及び噴射タイミング、点火プラグ6による点火時期、電子制御スロットル10の開度を制御する。
ECM31は、燃料噴射弁3による燃料噴射量を以下のようにして算出する。
まず、エアフローセンサ35の出力信号に基づき吸入空気流量QAを検出し、また、回転センサ36の出力信号に基づきエンジン回転速度NEを検出し、これら吸入空気流量QA、エンジン回転速度NEに基本噴射パルス幅TP(基本燃料噴射量)を算出する。
また、燃料圧力センサ33の出力信号に基づき検出した燃圧、水温センサ37の出力信号に基づき検出した冷却水温度TW、空燃比センサ38の出力信号に基づき検出した空燃比などから、基本噴射パルス幅TPを補正するための各種補正係数を算出する。
そして、基本噴射パルス幅TPを各種補正係数で補正して、最終的な燃料噴射パルス幅TIを算出し、各気筒における噴射タイミングにおいて、燃料噴射パルス幅TIの噴射パルス信号を燃料噴射弁3に出力する。
また、ECM31は、燃料噴射弁3による噴射タイミングを周期的に切り替える機能を備えており、以下では、係る噴射タイミングの切り替え制御を詳細に説明する。
図2のフローチャートは、噴射タイミングの切り替え制御の一例を示す。
図2のフローチャートに示すルーチンは、1サイクル毎(4サイクルでエンジン1の2回転毎)に割り込み実行される。
まず、ステップS101では、前回までの噴射タイミングが第1噴射タイミングFIT1であったか否かを判断する。
ここで、燃料噴射が第1噴射タイミングFIT1で行われていた場合には、ステップS102へ進み、第1噴射タイミングFIT1とは異なる第2噴射タイミングFIT2を選択し、以後は第2噴射タイミングFIT2に従って燃料噴射が行われるようにする。
一方、前回までの噴射タイミングが第1噴射タイミングFIT1でなかった場合、即ち、第2噴射タイミングFIT2で燃料噴射が行われていた場合には、ステップS103へ進み、第1噴射タイミングFIT1を選択し、以後は第1噴射タイミングFIT1に従って燃料噴射が行われるようにする。
即ち、各気筒の噴射タイミングを、噴射毎に第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2とに交互に切り替える。
ここで、例えば、第1噴射タイミングFIT1を、吸気バルブ4の閉弁中(開弁前)に噴射が終了する排気行程噴射とし、第2噴射タイミングFIT2を、吸気バルブ4の開弁中に噴射が終了する吸気行程噴射とすることができる。このように、噴射タイミングを設定する場合、図3に示すように、各気筒の噴射タイミングは、噴射毎(1サイクル毎)に、吸気行程噴射→排気行程噴射→吸気行程噴射→・・・と順次切り替えられ、4気筒エンジンでは、吸気行程での噴射が4気筒全てで行われると、次に、排気行程での噴射を4気筒全てで行わせることを繰り返す。
第1噴射タイミングFIT1による排気行程噴射は、吸気の流れがない状態での噴射で、かつ、吸気バルブ4が開弁するまでに時間があることから、吸気通路2の熱を利用した燃料の気化を図ることができる。一方、第2噴射タイミングFIT2による噴射では、吸気の流れに燃料噴霧を乗せることで、吸気通路2の壁面や吸気バルブ4への燃料の付着を抑制できる。
尚、第2噴射タイミングFIT2の噴射終了時期は、吸気バルブ4の開弁中であって、吸気バルブ4を通過する吸気の流速が最も速くなる時期付近に設定することが好ましい。このように噴射終了時期を設定すれば、吸気流れを利用して燃料付着を可及的に少なくできる。
上記のように、2種類の噴射タイミングでの噴射を噴射毎(1サイクル毎)に交互に実施させる場合、即ち、燃料噴射弁の噴射タイミングを周期的に切り替える場合、吸気通路2や吸気バルブ4に対して燃料が付着する部位及び付着する量が、噴射タイミングの違いによって異なることになる。
このため、前回の付着燃料に重なるように今回の噴射で新たな付着が発生することが抑制されるから、付着部位を広範囲としてかつ付着燃料の膜厚を薄くできる一方、同じタイミングで噴射が行われる間隔が噴射間隔の2倍になって、その間で付着燃料からの気化が進むことで、平衡付着量を低減できる。
図4(A)は、第1噴射タイミングFIT1で燃料噴射を行わせた場合の燃料の付着部位を例示するものであり、図4(B)は、第2噴射タイミングFIT2で燃料噴射を行わせた場合の燃料の付着部位を例示するものである。
第1噴射タイミングFIT1では、吸気バルブ4の閉弁中に燃料を噴射し、吸気通路2中に吸気の流れがない状態で噴射が行われることになるため、燃料噴射弁3から噴射された燃料噴霧は、略そのまま直進し、例えば、図4(A)に示すように、吸気バルブ4の傘部の全体や、吸気通路2の下流端(ピストンに近い側)の内壁などに付着する。
これに対し、第2噴射タイミングFIT2では、吸気バルブ4の開弁中に燃料を噴射し、吸気通路2中に吸気の流れが発生している状態で噴射が行われることになるため、燃料噴射弁3から噴射された燃料噴霧は吸気の流れに乗ることになる。このため、図4(B)に示すように、燃料噴霧が、吸気バルブ4の周辺に向けて偏向されることで、傘部の一部に燃料が付着し、また、燃焼室内にタンブル流を生成すべく燃焼室近傍で下側(ピストン)に向けて屈曲される吸気通路2の場合、吸気通路2を直進しようとする吸気の流れに燃料噴霧が乗ることで、吸気通路2の上側(ピストンから遠い側)の内壁などに付着する。
このように、排気行程噴射となる第1噴射タイミングFIT1と、吸気行程噴射となる第2噴射タイミングFIT2とは、噴射中における吸気流れの有無などによって、燃料が付着する部位に違いが生じる。
そして、例えば、第1噴射タイミングFIT1での噴射によって吸気通路2の下流端の内壁に付着した燃料に対して、次の第2噴射タイミングFIT2での燃料噴霧が重なるように付着することが抑制され、更に、再度第1噴射タイミングFIT1での噴射が行われるまでの期間で、吸気通路2の下流端の内壁に付着した燃料の気化が進むので、再度第1噴射タイミングFIT1での噴射が行われる直前での付着燃料量は少なくなる。
換言すれば、噴射タイミングを切り替えることで、燃料が付着する部位が分散し、分散することで、付着燃料の膜厚を薄くでき、膜厚が薄いことで気化し易くなると共に、再度の付着までの時間を長く確保し、この長い時間で付着部位から燃料が気化するので、平衡付着量を少なくできる。
これに対し、例えば、第1噴射タイミングFIT1での噴射を毎回行わせる場合には、前回の噴射で燃料が付着した吸気通路2の下流端の内壁に対して、次回の噴射でも燃料が付着することになり、同じ部位に対する時間当たりの付着量が多くなり、かつ、燃料付着から再度の燃料付着までの間隔が短いので十分な気化時間を確保できず、平衡付着量が多くなってしまう。
従って、第1噴射タイミングFIT1での噴射と第2噴射タイミングFIT2での噴射とを1サイクル毎(噴射毎)に交互に切り替えれば、第1噴射タイミングFIT1で噴射を毎回行わせる場合に比べて、同じ部位に対する時間当たりの付着量が少なくなり、かつ、気化時間をより長く確保でき、平衡付着量を低減できる。
また、噴射タイミングの切り替えは、1サイクル毎(噴射毎)に周期的に行われるから、同一運転条件で定常運転されている場合であっても、噴射タイミングが順次切り替えられ、平衡付着量が少ない状態でエンジン1を運転させることができる。
そして、平衡付着量を低減できれば、過渡運転に伴う平衡付着量の変化が少なくなって、平衡付着量の変化に影響される空燃比変動が抑制される結果、過渡運転時の排気性状の悪化を抑制できる。
また、噴射タイミングが一定であると、吸気通路壁面や吸気バルブに対し、燃料が一部に偏って付着するため、付着燃料からシリンダ内に流入する燃料量が変動し、新気と燃料とを均一に混合させることができず、これによって燃焼安定性が低下することで、排気性状や燃費性能が低下する。これに対し、噴射タイミングの切り替えを周期的に行えば、燃料の付着部位が分散され、かつ、各部位での付着量が少なければ、付着燃料からシリンダに流入する燃料量の変動を抑制でき、燃焼室内における空燃比バラツキが抑制され、燃焼安定性を向上させることができる。
更に、例えば減速運転への移行に伴って噴射タイミングを切り替える場合、減速燃料カットが直ぐに行われると、噴射タイミングの切り替えによる付着量の低減効果が得られず、多くの付着燃料が燃料カットに伴って燃焼に寄与することなく機関外部に排出され、燃費性能が悪化する。これに対し、噴射タイミングの切り替えを周期的に行えば、減速運転への移行に伴って燃料カットが行われる場合に、燃料カット開始直前での燃料の付着量を少なくできるから、燃料カット中に燃焼に寄与せずにエンジン1から排出されてしまう燃料量を低減でき、燃費性能を改善できる。
尚、噴射タイミングを切り替える周期は、1サイクル毎(噴射毎)に限定されるものではなく、複数サイクル毎(複数噴射毎)や設定時間毎などであってもよい。
図5のフローチャートは、複数サイクル毎に第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2とに交互に切り替える、噴射タイミングの切り替え制御を示す。
図5のフローチャートに示すルーチンは、1サイクル毎(4サイクルでエンジン1の2回転毎)に割り込み実行される。
まず、ステップS201では、サイクル数を計数するカウンタCNTを1だけ増大させ、次のステップS202では、ステップS201で増大させたカウンタCNTの値が設定値SLになっているか否かを判断する。
ここで、例えば2サイクル毎に噴射タイミングを切り替える場合には、設定値SLは2である。
ステップS202で、カウンタCNTの値が設定値SLに達していないと判断されると、そのまま本ルーチンを終了させることで、前回までの噴射タイミングを、切り替えることなくそのまま継続して用いるようにする。
一方、ステップS202でカウンタCNTの値が設定値SLに達したと判断すると、ステップS203へ進み、前回までの噴射タイミングが第1噴射タイミングFIT1であったか否かを判別する。
そして、それまで第1噴射タイミングFIT1で噴射が行われていた場合には、ステップS204へ進み、噴射タイミングを第2噴射タイミングFIT1に切り替える。
一方、それまで第2噴射タイミングFIT2で噴射が行われていた場合には、ステップS205へ進み、噴射タイミングを第1噴射タイミングFIT1に切り替える。
噴射タイミングの切り替えを行った場合には、更にステップS206へ進み、カウンタCNTを零にリセットする。
噴射タイミングの切り替えを行ってから1サイクル後に本ルーチンが実行された場合に、カウンタCNTは1にまで増大するが、設定値SL=2の場合、カウンタCNTの値が設定値SLに達していないと判断されることで、噴射タイミングの切り替えは行われず、前回の噴射タイミングでの噴射を継続することになるが、更に、1サイクル後に本ルーチンが実行され、カウンタCNTの値が2にまで増大すると、カウンタCNT=2であると判断されることで、噴射タイミングの切り替えが行われる。
従って、設定値SL=2とすれば、2サイクル毎に噴射タイミングが切り替えられ、図6に示すように、第1噴射タイミングFIT1での噴射を2回連続して行った後に、第2噴射タイミングFIT2に切り替えて2回連続で噴射を行わせることを繰り返すことになる。
同様に、設定値SL=3とすれば、3サイクル毎に噴射タイミングが切り替えられ、第1噴射タイミングFIT1での噴射を3回連続して行った後に、第2噴射タイミングFIT2に切り替えて3回連続で噴射を行わせることを繰り返すことになる。
上記のように、噴射タイミングを複数サイクル毎に切り替えるようにすれば、同じ噴射タイミングでの噴射が連続するものの、その後に別の噴射タイミングでの噴射が連続して行われる間で、付着した燃料が気化することで、平衡付着量の低下を図ることができる。
ここで、設定値SL、換言すれば、噴射タイミング切り替えの周期サイクル数は、燃料噴射弁3の噴霧角、噴霧粒径、吸気通路2に対する配置などのエンジン特性に応じて、平衡付着量を許容量未満に抑制できる値として予め適合する。
また、図7のフローチャートは、設定時間毎に第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2とに交互に切り替える、噴射タイミングの切り替え制御を示す。
図7のフローチャートに示すルーチンは、設定時間(例えば10ms)毎に割り込み実行される。
まず、ステップS301では、タイマTMを1だけ増大させる。タイマTMは、本ルーチンの実行毎に増大され、本ルーチンは設定時間毎に割り込み実行されるから、タイマTMの値は時間の計測値となる。
次の302では、タイマTMの値が設定時間TSLになっているか否かを判断する。
ステップS302で、タイマTMの値が設定時間SLに達していないと判断されると、そのまま本ルーチンを終了させることで、前回までの噴射タイミングを、切り替えることなくそのまま継続して用いるようにする。
一方、ステップS302でタイマTMの値が設定時間TSLに達したと判断すると、ステップS303へ進み、前回までの噴射タイミングが第1噴射タイミングFIT1であったか否かを判別する。
そして、それまで第1噴射タイミングFIT1で噴射が行われていた場合には、ステップS304へ進み、噴射タイミングを第2噴射タイミングFIT2に切り替える。
一方、それまで第2噴射タイミングFIT2で噴射が行われていた場合には、ステップS305へ進み、噴射タイミングを第1噴射タイミングFIT1に切り替える。
噴射タイミングの切り替えを行った場合には、更にステップS306へ進み、タイマTMを零にリセットする。
これにより、噴射タイミングの切り替えを行った時点から、タイマTMによる計測時間が設定時間TSLに達するまでの間、噴射タイミングは切り替えられず、タイマTMによる計測時間が設定時間TSLに達した時点で切り替えが行われることで、設定時間TSL毎の切り替えが実施される。
ここで、設定時間TSLが長いと、同じ噴射タイミングでの噴射が繰り返され、同じ部位に対する付着量が多くなって気化し難くなるため、設定時間TSLは、燃料噴射弁3の噴霧角、噴霧粒径、吸気通路2に対する配置などのエンジン特性に応じて、平衡付着量を許容量未満に抑制できる値として予め適合する。
但し、同じ設定時間TSLであっても、エンジン1が高回転で運転されている場合には、同じ噴射タイミングでの噴射の継続回数が増えることになり、これに伴って、付着量が増えてしまうので、エンジン回転速度NEが高い場合には、低い場合に比べて、設定時間TSLを短くし、同じ噴射タイミングでの噴射の継続回数が高回転領域で増えることを抑制することができる。
また、前述の噴射タイミングの切り替え制御では、噴射タイミングを第1噴射タイミングFIT1と、第2燃料噴射タイミングFIT2との2種類に切り替えるが、3種類以上に切り替え、付着部位の更なる分散を図ることができる。
図8は、噴射タイミングの一例を示す。
図8において、第1噴射タイミングFIT1及び第2噴射タイミングFIT2は、図2,5,7のフローチャートに示した噴射タイミングの切り替え制御に用いたタイミングと同じである。即ち、第1噴射タイミングFIT1は、吸気バルブ4の閉弁中に噴射が終了する排気行程噴射であり、第2噴射タイミングFIT2は、吸気バルブ4の開弁中に噴射が終了する吸気行程噴射であって、噴射終了時期を、吸気バルブ4を通過する吸気の流速が最も速くなる時期付近に設定した噴射タイミングである。
一方、第3噴射タイミングFIT3は、吸気バルブ4が吸気TDCよりも進角した位置で開弁する場合に、吸気TDC付近を噴射終了時期とする噴射タイミングであり、吸気通路2内の吸気の流れに影響されるものの、吸気バルブ4を通過する吸気の流速が速くなく、図9(A)に示すように、第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2との中間的な付着特性を示す。
また、第4噴射タイミングFIT4は、吸気バルブ4が吸気TDCよりも進角した位置で開弁する場合に、吸気下死点BDC付近を噴射終了時期とする噴射タイミングであり、吸気通路2内の吸気の流れが殆ど無くなる時期に噴射されるため、図9(B)に示すように、第3噴射タイミングでの噴射した場合(図4(B)参照)と略同様な付着特性を示す。
尚、図8に示した第5噴射タイミングFIT5については、後で詳細に説明する。
上記第1噴射タイミングFIT1〜第4噴射タイミングFIT4を周期的に切り換える場合、例えば、設定サイクル数毎又は設定時間毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第3噴射タイミングFIT3→第4噴射タイミングFIT4→第1噴射タイミングFIT1・・・と順次切り替える。
また、3種類の噴射タイミングを周期的に切り替える場合、例えば、例えば、設定サイクル数毎又は設定時間毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第3噴射タイミングFIT3→第1噴射タイミングFIT1・・・と順次切り替えることができる。
そして、切り替える噴射タイミングの種類を増やすことで、より広範囲に分散して燃料を付着させることが可能となり、平衡付着量の更なる低減を図ることが可能である。
また、噴射タイミング毎に、繰り返し回数を異ならせることができ、排気行程噴射である第1噴射タイミングFIT1と吸気行程噴射である第2噴射タイミングFIT2とに切り替える場合、第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2との一方での噴射をm(m≧2)回連続させた後、他方の噴射タイミングでの噴射をn(m>n≧1)回行わせることを繰り返すことができる。
ここで、第1噴射タイミングFIT1での排気行程噴射では、燃料噴霧が吸気通路2内に広く付着するが、エンジン1の暖機後であれば、エンジン1(吸気通路2)の熱を利用して付着燃料の気化を促進させることができるため、第1噴射タイミングFIT1での噴射を頻繁に行わせても平衡付着量の低減が可能である。
しかし、エンジン1(吸気通路2)の低温時では付着燃料の気化性能が低下するので、第1噴射タイミングFIT1での噴射を頻繁に行わせると、前回の第1噴射タイミングFIT1での噴射で吸気通路2の内壁に付着した燃料の気化が進まないうちに、次の第1噴射タイミングFIT1での噴射で同じ部位に燃料が付着することになってしまい、平衡付着量を増大させてしまう可能性がある。
そこで、第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2との間で切り替える場合に、エンジン1(吸気通路2)の温度に応じて、噴射タイミングの切り替えパターンを変更することで、平衡付着量の低減効果を可及的に大きくすることができる。
図10のフローチャートは、エンジン1(吸気通路2)の温度に応じて噴射タイミングの切り替えパターンを変化させる制御を示す。
図10のフローチャートに示すルーチンは、設定時間(例えば10ms)毎に割り込み実行され、まず、ステップS401では、冷却水温度TWが、設定温度TWSLよりも高いか否かを判断する。
設定温度TWSLは、後述する2つの切り替えパターンX,Yのうち、第1噴射タイミングFIT1での噴射の頻度がより高い切り替えパターンXで噴射を行わせても、平衡付着量の低減効果が得られる最低温度を示す。換言すれば、設定温度TWSLは、切り替えパターンXを用いる温度域の最低温度であって、設定温度TWSLよりも高い温度域では、切り替えパターンXで噴射を行わせる。
従って、ステップS401で、冷却水温度TWが設定温度TWSLよりも高いと判断した場合には、ステップS402へ進んで、第1噴射タイミングFIT1での噴射の頻度がより高い、切り替えパターンXを選択し、切り替えパターンXに従って第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2との間での切り替えを行わせる。
切り替えパターンXは、例えば、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第1噴射タイミングFIT1→・・・と順次切り替えるパターンであり、第2噴射タイミングFIT2での噴射を1回だけ挟んで第1噴射タイミングFIT1での噴射を繰り返すことで、第1噴射タイミングFIT1での噴射の頻度を、切り替えパターンYよりも高くしてある。
一方、ステップS401で、冷却水温度TWが設定温度TWSL以下であると判断した場合には、ステップS403へ進み、第1噴射タイミングFIT1での噴射の頻度がより低い、切り替えパターンYを選択し、切り替えパターンYに従って第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2との間での切り替えを行わせる。
切り替えパターンYは、例えば、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第2噴射タイミングFIT2→第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第2噴射タイミングFIT2→・・・と順次切り替えるパターンであり、第2噴射タイミングFIT2での噴射を2回挟んで第1噴射タイミングFIT1での噴射を繰り返すことで、第1噴射タイミングFIT1での噴射の頻度を切り替えパターンXよりも低くしてある。
尚、上記の切り替えパターンの選択制御では、温度領域を、設定温度TWSLを境に、設定温度TWSLよりも高い温度領域と設定温度TWSL以下である温度領域とに2分したが、設定温度TWSLよりも低い設定温度TWSLLに基づき、設定温度TWSL以下の温度領域を高い側と低い側とに2分することで、温度領域を高中低の3領域に分けることができ、更に、温度領域を4領域以上に区分することができる。
温度領域を高中低の3領域に分ける場合には、冷却水温度TWが設定温度TWSLよりも高い高温域では切り替えパターンXを選択し、冷却水温度TWが設定温度TWSL以下であって設定温度TWSLLよりも高い中温域では切り替えパターンYを選択し、冷却水温度TWが設定温度TWSLLよりも低い低温域では、切り替えパターンYよりも更に第1噴射タイミングFIT1での噴射頻度が低い切り替えパターンZを選択することができる。
切り替えパターンZは、例えば、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第2噴射タイミングFIT2→第2噴射タイミングFIT2→第1噴射タイミングFIT1→・・・と順次切り替えるパターンであり、第2噴射タイミングFIT2での噴射を3回挟んで第1噴射タイミングFIT1での噴射を繰り返すことで、第1噴射タイミングFIT1での噴射の頻度を、切り替えパターンYよりも更に低くする。
即ち、第1噴射タイミングFIT1での噴射と第1噴射タイミングFIT1での噴射との間で実施する、第2噴射タイミングFIT2での噴射の連続回数を多くするほど、第1噴射タイミングFIT1での噴射の頻度が低くなる。
そして、上記切り替えパターンの選択制御では、エンジン1(吸気通路2)の温度が低いほど、第2噴射タイミングFIT2での噴射の連続回数を多くして、第1噴射タイミングFIT1での噴射の頻度を低くしている。
エンジン1(吸気通路2)の温度が低い場合には、第1噴射タイミングFIT1による噴射で吸気通路2の内壁の広い部分に付着する燃料の気化が進まず、第1噴射タイミングFIT1での噴射の頻度が高いと、付着量が多くなってしまう。
そこで、第2噴射タイミングFIT2での噴射の連続回数を多くして、第1噴射タイミングFIT1での噴射から次に第1噴射タイミングFIT1で噴射させるまでの間隔を長くし、その間で付着燃料の気化が進んで、第1噴射タイミングFIT1による噴射での付着部位における付着量の増大を抑制する。
一方、第2噴射タイミングFIT2での噴射は吸気行程噴射であって、燃料噴霧が吸気の流れに乗るために、吸気通路2に対する付着量及び付着面積が少なく、第2噴射タイミングFIT2での噴射を2〜3回連続しても行わせても、平衡付着量の増大を抑制でき、更に、第1噴射タイミングFIT1での噴射が周期的に挟まれることで、付着部位が分散され、更に、付着燃料の気化時間が確保され、平衡付着量を低減できる。
従って、低温時に第1噴射タイミングFIT1での噴射頻度を低くすれば、低温時に平衡付着量が増えてしまうことを抑制できる。
尚、エンジン1(吸気通路2)の温度に応じた切り替えパターンの選択において、各切り替えパターンで切り替えられる噴射タイミングは、第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2との2種類に限定されず、3種類以上の噴射タイミングを切り替えることができる。
例えば、第1噴射タイミングFIT1、第2噴射タイミングFIT2、第3噴射タイミングFIT3の3種類に切り替える場合に、エンジン1(吸気通路2)の温度が高い場合には、例えば、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第3噴射タイミングFIT3→第1噴射タイミングFIT1・・・と順次切り替え、低温時には、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第2噴射タイミングFIT2→第3噴射タイミングFIT3→第1噴射タイミングFIT1・・・と順次切り替えることで、第1噴射タイミングFIT1による噴射の頻度を低下させることができる。
また、低温時に第1噴射タイミングFITによる噴射の頻度を低下させる方法としては、噴射タイミングの種類を増大させる方法を採用できる。具体的には、高温時には、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2・・・と順次切り替え、低温時には、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第3噴射タイミングFIT3→第1噴射タイミングFIT1・・・と順次切り替えるようにする。即ち、高温時には、2種類の噴射タイミングを1サイクル毎に順次切り替え、低温時には、3種類の噴射タイミングを1サイクル毎に順次切り替えるようにする。
更に、低温時に第1噴射タイミングFITによる噴射の頻度を低下させる方法としては、噴射タイミグの種類を異ならせる方法を採用できる。具体的には、高温時には、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2・・・と順次切り替え、低温時には、1サイクル毎に、第3噴射タイミングFIT3→第2噴射タイミングFIT2→第3噴射タイミングFIT3→第2噴射タイミングFIT2・・・と順次切り替えるようにする。
また、噴射タイミングの切り替えパターンの変更を、エンジン1の運転条件(エンジン負荷及び/又はエンジン回転速度)に応じて行わせることで、平衡付着量の安定的低減を図ることができる。
図11のフローチャートは、エンジン1の運転条件に応じて噴射タイミングの切り替えパターンを変更する制御を示す。
図11のフローチャートに示すルーチンは、設定時間(例えば10ms)毎に割り込み実行され、まず、ステップS501では、そのときのエンジン負荷(基本噴射パルス幅TP)及びエンジン回転速度NEが、高負荷側の運転領域αに該当するか、低中負荷側の運転領域βに該当するかを判断する。
そして、ステップS502では、そのときのエンジン負荷及びエンジン回転速度NEが運転領域αに該当しているか否かを判別する。
そのときのエンジン負荷及びエンジン回転速度NEが運転領域αに該当し、エンジン1が高負荷域で運転されている場合には、ステップS503へ進み、切り替えパターンX1を選択し、切り替えパターンX1に従って第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2との間での切り替えを行わせる。
切り替えパターンX1は、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第1噴射タイミングFIT1→・・・と順次切り替えるパターンである。
高負荷側では、1回当たりの噴射量(噴射時間)が多くなり、平衡付着量も増大する傾向となるので、同じ噴射タイミングでの噴射が連続することがないように、1サイクル毎に噴射タイミングを切り替え、平衡付着量を低減させる。
一方、そのときのエンジン負荷及びエンジン回転速度NEが運転領域βに該当し、エンジン1が低中負荷域で運転されている場合には、ステップS502からステップS504へ進み、切り替えパターンX2を選択し、切り替えパターンX2に従って第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2との間での切り替えを行わせる。
切り替えパターンX2は、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第2噴射タイミングFIT2→第1噴射タイミングFIT1→第1噴射タイミングFIT1→・・・と順次切り替えるパターンである。
低中負荷域では、1回当たりの噴射量(噴射時間)が高負荷側に比べて少なく、平衡付着量も低下する傾向となるので、同じ噴射タイミングでの噴射を連続させても、平衡付着量を十分に少ない量に抑制できるので、同じ噴射タイミングでの噴射を2回連続させることで、噴射タイミング制御における演算負荷を軽減させる。
ここで、高負荷側で、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第3噴射タイミングFIT3→第1噴射タイミングFIT1→・・・と順次切り替え、3種類の噴射タイミングを均等に用いることで、平衡付着量を低下させる一方、低中負荷側では、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第1噴射タイミングFIT1→・・・と順次切り替え、2種類の噴射タイミングを均等に用いることで、演算負荷を軽減しつつ平衡付着量を低下させることができる。
即ち、高負荷側ほど、低負荷側に比べて、平衡付着量の低減効果の大きなパターンで噴射タイミングを切り替えればよく、具体的には、高負荷側ほど、同じ噴射タイミングでの連続噴射回数を減らすか、及び/又は、切り替える噴射タイミングの種類を増やすようにする。
また、噴射タイミングの切り替えパターンを、内部EGR量(バルブオーバーラップ期間)に応じて変更することで、平衡付着量をより一層低減させることが可能である。
吸気上死点よりも進角した位置で吸気バルブ4を開弁させ、係る吸気バルブ4の開弁から遅れて排気バルブ7を閉弁させることで、バルブオーバーラップ期間が設定されると、燃焼ガスの吸気通路2への吹き戻しが発生し、吹き戻した燃焼ガスは、吸気上死点以後に新気と共に燃焼室内に吸引されることになる。本願では、上記のように、吸気通路2に吹き戻された後に燃焼室内に新気と共に吸引される燃焼ガスを内部EGRと称する。
そして、内部EGRは燃焼温度を低下させるから、エンジン1からのNOx排出量が低減し、また、未燃ガスの再吸入、再燃焼によって、エンジン1からのHC排出量を低減する。
ここで、吸気通路2内に吹き戻される燃焼ガスは、新気に比べて温度が高いので、係る吹き戻しの燃焼ガスと燃料噴霧とが混じると、燃料噴霧の気化が促進される。
従って、バルブオーバーラップ期間が長く内部EGR量が多い場合には、吹き戻しの燃焼ガスと燃料噴霧とが混じる噴射タイミングをより高い頻度で用いることで、平衡付着量を更に低減することが可能である。
図12のフローチャートは、内部EGR量に応じて噴射タイミングの切り替えパターンを変更する制御を示す。
図12のフローチャートに示すルーチンは、設定時間(例えば10ms)毎に割り込み実行され、まず、ステップS601では、そのときのバルブオーバーラップ量を、大中小の3段階に判別することで、内部EGR量を大中小の3段階に判別する。
吸気バルブ4のバルブタイミングを可変とする吸気側可変バルブタイミング機構41と、排気バルブ7のバルブタイミングを可変とする排気側可変バルブタイミング機構42とを備えたエンジン1では、吸気バルブ4のバルブタイミング(開時期)が進角するほど、また、排気バルブ7のバルブタイミング(閉時期)が遅角するほど、バルブオーバーラップ期間が長くなり、内部EGR量が多くなる。
そこで、ステップS601では、吸気バルブ4のバルブタイミングの進角量が大きく、排気バルブ7のバルブタイミングの遅角量が大きいほど、バルブオーバーラップ期間が長く、内部EGR量が多いものとして、吸気バルブ4のバルブタイミングの進角量と排気バルブ7のバルブタイミングの遅角量との組み合わせを、バルブオーバーラップ期間(内部EGR量)を大中小に対応する3つの領域に予め分けてある。そして、吸気バルブ4のバルブタイミングの進角量及び排気バルブ7のバルブタイミングの遅角量が、3領域のいずれに該当するかによって、そのときのバルブオーバーラップ期間(内部EGR量)を大中小のいずれかに判別する。
尚、バルブタイミングが、エンジン負荷及びエンジン回転速度に応じて制御される場合には、エンジン負荷及びエンジン回転速度に基づき、そのときのバルブオーバーラップ期間(内部EGR量)の大きさを推定できる。
ステップS602では、バルブオーバーラップ期間(内部EGR量)が、最小領域に該当しているか否かを判別し、バルブオーバーラップ期間(内部EGR量)の最小領域であれば、ステップS603へ進み、切り替えパターンXを選択し、切り替えパターンXに従って第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2との間での切り替えを行わせる。
切り替えパターンXは、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第1噴射タイミングFIT1→・・・と順次切り替えるパターンである。
一方、ステップS602でバルブオーバーラップ期間(内部EGR量)の最小領域に該当していないと判断すると、ステップS604へ進み、バルブオーバーラップ期間(内部EGR量)の中間領域に該当しているか否かを判別し、バルブオーバーラップ期間(内部EGR量)の中間領域であれば、ステップS605へ進み、切り替えパターンXEGR1を選択し、切り替えパターンXEGR1に従って、第1噴射タイミングFIT1、第2噴射タイミングFIT2、第5噴射タイミングFIT5の間で、噴射タイミングを切り替える。
第5噴射タイミングFIT5は、図8に示したように、吸気バルブ4の開時期IVO付近を噴射の終了時期とする噴射タイミングであり、切り替えパターンXEGR1では、例えば、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第5噴射タイミングFIT5→第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第5噴射タイミングFIT5→・・・と順次切り替える。
また、ステップS604で、バルブオーバーラップ期間(内部EGR量)の中間領域に該当していないと判別した場合は、残る最大領域に該当しているものと判別して、ステップS606へ進み、切り替えパターンXEGR2を選択し、切り替えパターンXEGR2に従って、第1噴射タイミングFIT1、第2噴射タイミングFIT2、第5噴射タイミングFIT5の間で、噴射タイミングを切り替える。
切り替えパターンXEGR2は、例えば、1サイクル毎に、第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第5噴射タイミングFIT5→第5噴射タイミングFIT5→第1噴射タイミングFIT1→第2噴射タイミングFIT2→第5噴射タイミングFIT5→第5噴射タイミングFIT5→第1噴射タイミングFIT1→・・・と順次切り替えるパターンである。
第5噴射タイミングFIT5は、前述のように、吸気バルブ4の開時期IVO付近を噴射終了時期とするタイミングであり、開時期IVO直前に噴射された燃料は、吸気バルブ4の開弁に伴って吸気通路2内に吹き戻される燃焼ガスによって気化が促進される。
第1噴射タイミングFIT1は、第5噴射タイミングFIT5よりも早い噴射タイミングであり、燃焼ガスの吹き戻しが発生するまでの時間が長く、吹き戻しの発生時点で多くの燃料が液状となって吸気通路2の内壁に付着する。これに対し、開時期IVO直前の第5噴射タイミングFIT5で噴射された燃料噴霧は、開時期IVO、換言すれば、燃焼ガスの吹き戻しの開始時点で、より多くが霧状のまま吸気通路2内に漂っていて、吹き戻しの燃焼ガスによって気化される燃料が、第1噴射タイミングFT1で噴射させた場合よりも多くなる。
従って、内部EGR量が多い条件下では、第5噴射タイミングFIT5で噴射した燃料のうちで付着燃料となる燃料が少なく、第5噴射タイミングFIT5での噴射を周期的に実行すれば、第1噴射タイミングFT1や第2噴射タイミングFT2で噴射され、吸気通路2の内壁などに付着した燃料に、第5噴射タイミングFIT5で噴射した燃料が重なるように付着することが抑制され、更に、第5噴射タイミングFIT5で噴射するサイクルが、第1噴射タイミングFIT1や第2噴射タイミングFIT2による付着燃料の気化時間を延長することになって、平衡付着量の低減を促進できる。
ここで、内部EGR量が多いほど、燃料を気化させる能力が高くなるから、内部EGR量が多いほど、第5噴射タイミングFIT5での噴射を連続させる回数を増加させても、平衡付着量が増えてしまうことを抑制でき、また、第5噴射タイミングFIT5での噴射を連続させることで、第1噴射タイミングFIT1や第2噴射タイミングFIT2による付着燃料の気化時間をより長くすることができる。
一方、内部EGR量が少ない場合では、第5噴射タイミングFIT5で噴射した燃料を、吹き戻しの燃焼ガスで十分に気化させることができず、また、第5噴射タイミングFIT5による燃料噴射では、第1噴射タイミングFITでの噴射で燃料が付着する部位に近い部位に燃料が付着することになるため、第5噴射タイミングFIT5を周期的に実施しても平衡付着量は殆ど軽減できない。
そこで、内部EGR量が少ない場合には、第5噴射タイミングFIT5での噴射を行わずに、第1噴射タイミングFIT1と第2噴射タイミングFIT2とを交互に切り替えて燃料噴射を行わせるようにしている。
このように、第5噴射タイミングFIT5は、内部EGRによって気化を促進できる噴射タイミングであり、内部EGR量が多く、十分に気化を促進できる場合に、第5噴射タイミングFIT5での噴射を周期的に実施すれば、第5噴射タイミングFIT5で噴射した燃料は気化して吸気通路2に対する付着量が少なく、かつ、他の噴射タイミングで噴射された燃料の気化時間を長くして、平衡付着量をより低減できる。
尚、内部EGR量に応じた切り替えパターンの選択において、内部EGR量を大中小の3段階に判別する他、2段階或いは4段階以上に判別し、それぞれの内部EGR量に応じて異なるパターンで噴射タイミングを切り替えることができる。
また、冷却水温度TW、エンジン負荷、エンジン回転速度、内部EGR量などのエンジン1の運転条件を複数組み合わせて、噴射タイミングの切り替えパターンを選択することができる。
以上、好ましい実施形態を具体的に説明したが、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。
(イ)請求項1乃至3いずれか1項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
設定サイクル数毎、又は、設定時間毎に噴射タイミングを切り替える、内燃機関の燃料噴射制御装置。
上記発明によると、サイクル数又は時間で、噴射タイミング切り替えの間隔を設定し、平衡付着量を低減できる間隔で、噴射タイミングを順次切り替える。
1…エンジン(内燃機関)、2…吸気通路、3…燃料噴射弁、4…吸気バルブ、31…ECM(エンジン・コントロール・モジュール)

Claims (3)

  1. 吸気通路に燃料噴射弁を備えた内燃機関に適用され、前記燃料噴射弁の噴射タイミングを周期的に切り替える燃料噴射制御装置であって、
    前記噴射タイミングの切り替えパターンを複数備え、前記内燃機関における内部EGR量に応じて切り替えパターンを選択し、かつ、吸気バルブの開時期付近を噴射終了時期とする噴射タイミングでの噴射頻度を、内部EGR量の増大に応じて多くする、内燃機関の燃料噴射制御装置。
  2. 吸気通路に燃料噴射弁を備えた内燃機関に適用され、前記燃料噴射弁の噴射タイミングを周期的に切り替える燃料噴射制御装置であって、
    前記噴射タイミングの切り替えパターンを複数備え、前記内燃機関の温度に応じて切り替えパターンを選択し、かつ、吸気バルブの開弁中に噴射が終了する噴射タイミングでの噴射頻度を、前記内燃機関の温度の低下に応じて多くする、内燃機関の燃料噴射制御装置。
  3. 吸気通路に燃料噴射弁を備えた内燃機関に適用され、前記燃料噴射弁の噴射タイミングを周期的に切り替える燃料噴射制御装置であって、
    前記噴射タイミングの切り替えパターンを複数備え、前記内燃機関の負荷に応じて切り替えパターンを選択し、かつ、前記内燃機関の負荷の増大に応じて、同じ噴射タイミングでの連続噴射回数を低下させる、内燃機関の燃料噴射制御装置。
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