JP6032227B2 - 筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の要求噴射量分の燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を行う機能を備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置に関する発明である。

筒内噴射式の内燃機関においては、例えば、特許文献１（特開２００１−９０５９２号公報）に記載されているように、要求噴射量分の燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を行うようにしたものがある。この特許文献１では、分割噴射時の燃料噴射量のばらつきを防止するために、分割噴射時に噴射間隔（前段の燃料噴射終了時点から後段の燃料噴射開始時点までの時間間隔）を、噴射パルスに対する燃料噴射のばらつきを防止するために必要とされる基準時間以上に設定することが提案されている。

特開２００１−９０５９２号公報

上記特許文献１の技術では、分割噴射の噴射間隔を基準時間以上に設定するようにしているため、分割噴射の噴射間隔を基準時間よりも短い間隔に設定することができない。このため、分割噴射の噴射回数をあまり増やすことができない、吸気行程や圧縮行程が短い運転領域（エンジン回転速度が高い領域）で分割噴射を行えない等の制限が生じて、分割噴射を有効活用できない可能性がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、分割噴射を有効活用することができる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関（１１）の筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（２１）と、この燃料噴射弁（２１）から要求噴射量分の燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を行う噴射制御手段（３０）とを備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、噴射制御手段（３０）は、分割噴射を行う際に該分割噴射の噴射間隔が燃料噴射弁（２１）の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲よりも短い噴射間隔であっても噴射を許可するようにしたものである。

この構成では、分割噴射を行う際に該分割噴射の噴射間隔を燃料噴射弁の噴射量ばらつき（気筒間や噴射毎の噴射量ばらつき）が大きくなる所定範囲よりも長い噴射間隔だけでなく所定範囲よりも短い噴射間隔にも設定することができる。このため、従来技術（噴射間隔を基準時間以上に設定するシステム）に比べて、分割噴射の噴射回数を増やすことができると共に、吸気行程や圧縮行程が短い運転領域（エンジン回転速度が高い領域）でも分割噴射を行うことができる。これにより、分割噴射を有効活用することができる。

この場合、請求項２のように、噴射制御手段（３０）は、分割噴射を行う際に所定範囲内の噴射間隔で噴射することを禁止するようにすると良い。このようにすれば、分割噴射を行う際に該分割噴射の噴射間隔を燃料噴射弁の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲を除いた範囲で設定して、噴射量ばらつきを抑制することができる。これにより、分割噴射を行う際に噴射量ばらつきを抑制しながら分割噴射を有効活用することができる。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。 図２は燃料噴射弁の要部の縦断面図である。 図３は噴射パルスのオフ時の可動コアの挙動を示すタイムチャートである。 図４は図３のＡ部の拡大図である。 図５は噴射間隔と噴射量ばらつきとの関係を示す図である。 図６は禁止噴射間隔Ｔb のマップの一例を概念的に示す図である。 図７は噴射制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 図８は分割噴射ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
筒内噴射式の内燃機関である筒内噴射式エンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、エンジン１１の各気筒には、それぞれ筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２２の火花放電によって各気筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２７が取り付けられている。また、クランク軸２８の外周側には、クランク軸２８が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられ、このクランク角センサ２９の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

更に、燃料噴射弁２１に燃料を供給する燃料供給系（図示せず）には、燃圧（燃料圧力）を検出する燃圧センサ３１や、燃温（燃料温度）を検出する燃温センサ３２が設けられている。

上述した各種センサの出力は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて、燃料噴射量、点火時期、スロットル開度（吸入空気量）等を制御する。

その際、ＥＣＵ３０は、後述する図７及び図８の噴射制御用の各ルーチンを実行することで、特許請求の範囲でいう噴射制御手段として機能し、燃料噴射弁２１の噴射制御を次のようにして行う。

まず、エンジン運転状態等に基づいて基本噴射量を演算すると共に各種の噴射量補正値（例えば、始動時増量補正値、暖機増量補正値、空燃比Ｆ／Ｂ補正値等）を演算し、これらの噴射量補正値を用いて基本噴射量を補正して要求噴射量を求める。その際、所定の空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立したときに、排出ガスセンサ２４の出力に基づいて排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように空燃比Ｆ／Ｂ補正値を算出し、この空燃比Ｆ／Ｂ補正値を用いて基本噴射量を補正することで空燃比Ｆ／Ｂ制御を行う。ここで、「Ｆ／Ｂ」は「フィードバック」を意味する（以下、同様）。

この後、エンジン運転状態や要求噴射量等に基づいて分割噴射実行条件が成立しているか否かを判定し、分割噴射実行条件が不成立であれば、燃料噴射弁２１から要求噴射量分の燃料を１回で筒内に噴射する通常噴射を行う。一方、分割噴射実行条件が成立してれば、燃料噴射弁２１から要求噴射量分の燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を行う。この分割噴射では、例えば、吸気行程で燃料を２回以上噴射する吸気行程分割噴射と、吸気行程と圧縮行程でそれぞれ燃料を１回以上噴射する吸気・圧縮行程分割噴射と、圧縮行程で燃料を２回以上噴射する圧縮行程分割噴射のいずれかを実行する。

図２に示すように、燃料噴射弁２１は、ニードルバルブ３３と可動コア３４が開閉方向（図２では上下方向）に移動可能に配置されている。ニードルバルブ３３はスプリング３５によって閉弁方向（図２では下方向）に付勢され、可動コア３４はスプリング３６によって開弁方向（図２では上方向）に付勢されている。

ソレノイドコイル３７の通電をオンすると、ソレノイドコイル３７の電磁力によって可動コア３４が開弁方向に移動すると共に、ニードルバルブ３３の鍔部３３ａが可動コア３４に押されてニードルバルブ３３が開弁方向に移動して燃料噴射弁２１が開弁（噴射孔３８が開放）される。

その後、ソレノイドコイル３７の通電をオフすると、スプリング３５のバネ力によってニードルバルブ３３が閉弁方向に移動して燃料噴射弁２１が閉弁（噴射孔３８が閉鎖）される共に、可動コア３４がニードルバルブ３３の鍔部３３ａに押されて可動コア３４が閉弁方向に移動する。

図３に示すように、燃料噴射弁２１の噴射パルスをオフ（ソレノイドコイル３７の通電をオフ）した後、可動コア３４は、アンダーシュートを経て原点（初期位置）付近に戻るという挙動を示す。しかし、噴射パルスをオフしてから可動コア３４が原点付近に戻るまでの時間Ｔb にはばらつきがあり、この付近では可動コア３４の速度ベクトルが上向きであったり、下向きであったりする（図４参照）。

このため、分割噴射を行う際に、噴射パルスをオフしてから時間Ｔb が経過した時点又はその付近で噴射パルスをオン（ソレノイドコイル３７の通電をオン）すると、そのときの可動コア３４の挙動（具体的には速度ベクトル）の影響で、次の噴射量のばらつきが大きくなる。つまり、分割噴射の噴射間隔（噴射パルス間の時間間隔）をＴb 付近（Ｔb 又はその付近）に設定すると、気筒間や噴射毎の噴射量ばらつきが大きくなる。

一方、分割噴射の噴射間隔をＴb 付近よりも短くすると、可動コア３４の速度ベクトルが比較的揃っており、噴射間隔をＴb 付近に設定した場合に比べて、気筒間や噴射毎の噴射量ばらつきが小さくなることが判明した（図５参照）。

そこで、本実施例では、分割噴射を行う際に、分割噴射の噴射間隔を燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲（Ｔb 付近の範囲）内に設定することを禁止して、分割噴射の噴射間隔を燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲を除いた範囲で設定する。これにより、分割噴射の噴射間隔が所定範囲よりも短い噴射間隔であっても噴射を許可し、所定範囲内の噴射間隔で噴射することを禁止する。

具体的には、まず、噴射量ばらつきが最も大きくなる噴射間隔を禁止噴射間隔Ｔb として算出する。この場合、図６に示す禁止噴射間隔Ｔb のマップを参照して、燃温（燃料の粘性の代用情報）と燃圧に応じた禁止噴射間隔Ｔb を算出する。

燃圧や燃料の粘性によって燃料噴射弁２１の可動コア３４の挙動が変化し、可動コア３４の挙動に応じて燃料噴射弁２１の噴射パルスをオフしてから可動コア３４が原点付近に戻るまでの時間Ｔb （禁止噴射間隔Ｔb ）が変化する。つまり、燃料噴射弁２１の噴射パルスをオフしてから可動コア３４が原点付近に戻るまでの時間Ｔb （禁止噴射間隔Ｔb ）は、燃圧や燃料の粘性によって変化する。例えば、燃圧が高いほど、可動コア３４が閉弁方向に押されるため、時間Ｔb が短くなる。また、燃料の粘性が低い（つまり燃温が高い）ほど、可動コア３４が下方の燃料から受ける反力が小さくなるため、時間Ｔb が短くなる。

このような特性を考慮して、禁止噴射間隔Ｔb のマップは、燃圧が高いほど禁止噴射間隔Ｔb が短くなると共に、燃温が高い（燃料の粘性が低い）ほど禁止噴射間隔Ｔb が短くなるように設定されている。この禁止噴射間隔Ｔb のマップは、予め試験データ（例えば実車評価データ）や設計データ等に基づいて作成され、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されている。

この後、禁止噴射間隔Ｔb よりも所定値ΔＴだけ小さい値（Ｔb −ΔＴ）から禁止噴射間隔Ｔb よりも所定値ΔＴだけ大きい値（Ｔb ＋ΔＴ）までの範囲を、燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）として設定する。このように、燃温と燃圧に応じた禁止噴射間隔Ｔb を基準にして所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）を設定することで、燃温と燃圧に応じて所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）を設定する。ここで、所定値ΔＴは、予め設定した固定値としても良いし、或は、燃温や燃圧に応じてマップ等により設定するようにしても良い。所定値ΔＴ又は所定値ΔＴのマップは、予め試験データ（例えば実車評価データ）や設計データ等に基づいて設定され、ＥＣＵ３０のＲＯＭに記憶されている。

そして、分割噴射の噴射間隔を燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）内に設定することを禁止して、分割噴射の噴射間隔を燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）を除いた範囲（つまり所定範囲よりも長い噴射間隔又は所定範囲よりも短い噴射間隔）で設定する。これにより、分割噴射の噴射間隔が所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）よりも短い噴射間隔であっても噴射を許可し、所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）内の噴射間隔で噴射することを禁止する。
以下、本実施例でＥＣＵ３０が実行する図７及び図８の噴射制御用の各ルーチンの処理内容を説明する。

［噴射制御ルーチン］
図７に示す噴射制御ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン期間中（イグニッションスイッチのオン期間中）に所定周期で繰り返し実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度と負荷等）に基づいて基本噴射量を演算する。

この後、ステップ１０２に進み、エンジン運転状態（例えば、空燃比、冷却水温、エンジン回転速度、負荷等）に基づいて、空燃比Ｆ／Ｂ補正値、始動時増量補正値、暖機増量補正値等の各種の噴射量補正値を演算する。例えば、空燃比Ｆ／Ｂ補正値は、所定の空燃比Ｆ／Ｂ制御実行条件が成立したときに、排出ガスセンサ２４の出力に基づいて排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように空燃比Ｆ／Ｂ補正値を算出する。

この後、ステップ１０３に進み、基本噴射量に噴射量補正値を加算又は乗算することで基本噴射量を補正して要求噴射量を求める。
この後、ステップ１０４に進み、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度と負荷等）や要求噴射量等に基づいて、分割噴射実行条件が成立しているか否かを判定する。

このステップ１０４で、分割噴射実行条件が不成立であると判定された場合には、ステップ１０５に進み、燃料噴射弁２１から要求噴射量分の燃料を１回で筒内に噴射する通常噴射を行う。

一方、上記ステップ１０４で、分割噴射実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ１０６に進み、後述する図８の分割噴射ルーチンを実行することで、燃料噴射弁２１から要求噴射量分の燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を行う。
［分割噴射ルーチン］
図８に示す分割噴射ルーチンは、前記図７の噴射制御ルーチンのステップ１０６で実行されるサブルーチンである。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ２０１で、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度と負荷等）や要求噴射量等に基づいて、分割噴射の各種の条件（例えば、噴射回数、噴射量、噴射時期等）を設定する。

この後、ステップ２０２に進み、燃圧センサ３１で検出した燃圧を読み込んだ後、ステップ２０３に進み、燃温センサ３２で検出した燃温を読み込む。
この後、ステップ２０４に進み、図６に示す禁止噴射間隔Ｔb のマップを参照して、燃温と燃圧とに応じた禁止噴射間隔Ｔb を算出する。

この後、ステップ２０５に進み、禁止噴射間隔Ｔb よりも所定値ΔＴだけ小さい値（Ｔb −ΔＴ）から禁止噴射間隔Ｔb よりも所定値ΔＴだけ大きい値（Ｔb ＋ΔＴ）までの範囲を、燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）として設定する。

この後、ステップ２０６に進み、分割噴射の各種の条件に基づいて要求噴射間隔Ｔi を算出する。
この後、ステップ２０７に進み、要求噴射間隔Ｔi が所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）内であるか否か（Ｔb −ΔＴ＜Ｔi ＜Ｔb ＋ΔＴであるか否か）を判定する。

このステップ２０７で、要求噴射間隔Ｔi が所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）内である（Ｔb −ΔＴ＜Ｔi ＜Ｔb ＋ΔＴである）と判定された場合には、ステップ２０８に進み、要求噴射間隔Ｔi と所定範囲の下限側（Ｔb −ΔＴ）との差が、所定範囲の上限側（Ｔb ＋ΔＴ）と要求噴射間隔Ｔi との差よりも小さいか否か［Ｔi −（Ｔb −ΔＴ）＜（Ｔb ＋ΔＴ）−Ｔi であるか否か］を判定する。

このステップ２０８で、要求噴射間隔Ｔi と所定範囲の下限側（Ｔb −ΔＴ）との差が、所定範囲の上限側（Ｔb ＋ΔＴ）と要求噴射間隔Ｔi との差よりも小さい［Ｔi −（Ｔb −ΔＴ）＜（Ｔb ＋ΔＴ）−Ｔi である］と判定された場合には、要求噴射間隔Ｔi が所定範囲の下限側（Ｔb −ΔＴ）寄りであると判断して、ステップ２０９に進み、噴射間隔を所定範囲の下限側（Ｔb −ΔＴ）又はそれよりも少し小さい値にセットする。
噴射間隔＝Ｔb −ΔＴ

これに対して、上記ステップ２０８で、要求噴射間隔Ｔi と所定範囲の下限側（Ｔb −ΔＴ）との差が、所定範囲の上限側（Ｔb ＋ΔＴ）と要求噴射間隔Ｔi との差以上である［Ｔi −（Ｔb −ΔＴ）≧（Ｔb ＋ΔＴ）−Ｔi である］と判定された場合には、要求噴射間隔Ｔi が所定範囲の上限側（Ｔb ＋ΔＴ）寄りであると判断して、ステップ２１０に進み、噴射間隔を所定範囲の上限側（Ｔb ＋ΔＴ）又はそれよりも少し大きい値にセットする。
噴射間隔＝Ｔb ＋ΔＴ

一方、上記ステップ２０７で、要求噴射間隔Ｔi が所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）内ではない（Ｔi ≦Ｔb −ΔＴ又はＴb ＋ΔＴ≦Ｔi である）と判定された場合には、ステップ２１１に進み、噴射間隔を要求噴射間隔Ｔi にセットする。
噴射間隔＝Ｔi
この後、ステップ２１２に進み、上記ステップ２０９〜２１１のいずれかでセットした噴射間隔で分割噴射を実行する。

以上説明した本実施例では、分割噴射を行う際に、分割噴射の噴射間隔を燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲内に設定することを禁止して、分割噴射の噴射間隔を燃料噴射弁２１の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲を除いた範囲で設定するようにしたので、気筒間や噴射毎の噴射量ばらつきを抑制することができる。また、分割噴射の噴射間隔を所定範囲よりも長い噴射間隔だけでなく所定範囲よりも短い噴射間隔にも設定することができるため、従来技術（噴射間隔を基準時間以上に設定するシステム）に比べて、分割噴射の噴射回数を増やしてＰＭの発生を低減することができると共に、吸気行程や圧縮行程が短い運転領域（エンジン回転速度が高い領域）でも分割噴射を行うことができる。これにより、分割噴射を行う際に噴射量ばらつきを抑制しながら分割噴射を有効活用することができる。

更に、本実施例では、燃温（燃料の粘性の代用情報）と燃圧に応じて禁止噴射間隔Ｔb を求め、この禁止噴射間隔Ｔb を基準にして所定範囲（Ｔb ±ΔＴ）を設定することで、燃温と燃圧に応じて所定範囲を設定するようにしたので、燃料の粘性や圧力に応じて噴射量ばらつきが大きくなる範囲が変化するのに対応して、所定範囲を変化させることができ、所定範囲を適正に設定することができる。

また、分割噴射の噴射間隔を所定範囲よりも短い間隔に設定すると、要求噴射量に対して噴射量に多少のずれが生じる可能性があるが、本実施例では、空燃比Ｆ／Ｂ制御を行うシステムに適用したので、分割噴射の噴射間隔を所定範囲よりも短い間隔に設定することで噴射量のずれが生じた場合でも、その噴射量のずれを空燃比Ｆ／Ｂ制御により速やかに修正することができる。

尚、上記実施例では、燃料の粘性の代用情報として燃温を用いるようにしたが、これに限定されず、例えば、燃料の種類を燃料の粘性の代用情報として用いたり、或は、燃温と燃料の種類の両方を燃料の粘性の代用情報として用いるようにしても良い。

また、上記実施例では、燃料の粘性（例えば燃温）と燃圧の両方に応じて所定範囲を設定するようにしたが、これに限定されず、例えば、燃料の粘性（例えば燃温や燃料の種類）と燃圧のうちの一方に応じて所定範囲を設定するようにしても良い。

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、２４…排出ガスセンサ、３０…ＥＣＵ（噴射制御手段）、３１…燃圧センサ、３２…燃温センサ

Claims (4)

1. 内燃機関（１１）の筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（２１）と、前記燃料噴射弁（２１）から要求噴射量分の燃料を複数回に分割して筒内に噴射する分割噴射を行う噴射制御手段（３０）とを備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   前記噴射制御手段（３０）は、前記分割噴射を行う際に該分割噴射の噴射間隔が前記燃料噴射弁（２１）の噴射量ばらつきが大きくなる所定範囲よりも短い噴射間隔であってもも噴射を許可することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記噴射制御手段（３０）は、前記分割噴射を行う際に前記所定範囲内の噴射間隔で噴射することを禁止することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 前記噴射制御手段（３０）は、前記燃料の粘性と圧力のうちの少なくとも一方に応じて前記所定範囲を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 前記噴射制御手段（３０）は、前記内燃機関（１１）の排出ガスの空燃比を目標空燃比に一致させるように前記燃料噴射弁（２１）の噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。

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