JP6232758B2

JP6232758B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法

Info

Publication number: JP6232758B2
Application number: JP2013120296A
Authority: JP
Inventors: 忠樹間野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: JP2014238033A

Description

この発明は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を併用する内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室内に直接に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を併用し、機関運転条件に応じて両者を適宜に切り換えて使用する燃料噴射装置を備えた内燃機関が、特許文献１に記載されている。この特許文献１では、リーン限界の空燃比が保てる範囲内で、かつＨＣ排出量を最小限に抑えるように、筒内噴射とポート噴射との分担率を調整している。

特開２００８−２５５０２号公報

筒内噴射用燃料噴射弁は、一般的には、駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。つまり、パルス幅が実質的に噴射期間に相当する。ここで、電圧印加の直後では噴射弁が開弁しない僅かな無効時間が含まれていることなどから、パルス幅の小さい状況ではパルス幅に対する燃料噴射量の誤差が大きく、所定の精度を確保できる最小のパルス幅、つまり最小保証期間は予め設定されている。このため、通常は最小保証期間を下回ることのないようにパルス幅が設定される。従って、燃料噴射量の最小値が最小保証期間により制限され、各噴射弁の燃料噴射領域（ダイナミックレンジ）が制限されていた。

本発明は、予め設定された所定の最小保証期間よりも短い噴射期間の噴射量を補正・学習することによって、このような短い噴射期間での安定した噴射を可能とし、噴射弁の噴射可能領域（ダイナミンクレンジ）を拡大することを目的とする。

吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を備える。そして本発明は、上記ポート噴射用燃料噴射弁と筒内噴射用燃料噴射弁の一方の噴射弁を定常的に作動させた状態で、他方の噴射弁に対し、その噴射弁で保証されている最小の噴射期間である最小保証期間よりも短い期間の作動信号を印加し、その際の機関運転状態の変動に基づいて、上記他方の噴射弁の最小保証期間よりも短い期間の噴射量を補正することを特徴としている。

本発明によれば、一方の噴射弁を定常的に作動させることで安定した運転を継続した状態で、他方の噴射弁に対して最小保証期間よりも短い期間の噴射量を補正することができる。従って、この補正結果を学習・反映することで、最小保証期間よりも短い期間の噴射を可能とし、噴射可能領域（ダイナミックレンジ）を拡大することができる。

この発明の一実施例に係る制御装置のシステム構成を示す構成説明図。本実施例の制御の流れを示すフローチャート。本実施例の補正時における各気筒毎の空燃比の変動（Ａ）及びパルス幅（Ｂ）を示す説明図。第１気筒のパルス幅（Ａ）と空燃比の変動（Ｂ）を示す説明図。パルス幅と噴射量との関係を示す説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の一実施例が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、例えば複リンク式ピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構２を備えた４ストロークサイクルのターボ過給器付き火花点火内燃機関であって、燃焼室３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。

上記吸気弁４によって開閉される吸気ポート７の下方には、燃焼室３内に燃料を直接に噴射する筒内噴射用燃料噴射弁８が配置されている。また吸気ポート７には、該吸気ポート７内へ向けて燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁４１が配置されている。これらの筒内噴射用燃料噴射弁８およびポート噴射用燃料噴射弁４１は、いずれも駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。

上記吸気ポート７に接続された吸気通路１８のコレクタ部１８ａの上流側には、エンジンコントローラ９からの制御信号によって開度が制御される電子制御型のスロットルバルブ１９が介装されており、さらにその上流側に、ターボ過給器のコンプレッサ２０が配設されている。このコンプレッサ２０の上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ１０が配設されている。

また、排気ポート１１に接続された排気通路１２には、三元触媒からなる触媒装置１３が介装されており、その上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ１４が配置されている。

上記エンジンコントローラ９には、上記のエアフロメータ１０、空燃比センサ１４のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ１５、冷却水温を検出する水温センサ１６、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ１７、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ９は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁８，４１による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ６による点火時期、スロットルバルブ１９の開度、等を最適に制御している。

一方、可変圧縮比機構２は、公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものであって、クランクシャフト２１のクランクピン２１ａに回転自在に支持されたロアリンク２２と、このロアリンク２２の一端部のアッパピン２３とピストン２４のピストンピン２４ａとを互いに連結するアッパリンク２５と、ロアリンク２２の他端部のコントロールピン２６に一端が連結されたコントロールリンク２７と、このコントロールリンク２７の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト２８と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト２１および上記コントロールシャフト２８は、シリンダブロック２９下部のクランクケース内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。上記コントロールシャフト２８は、該コントロールシャフト２８の回動に伴って位置が変化する偏心軸部２８ａを有し、上記コントロールリンク２７の端部は、詳しくは、この偏心軸部２８ａに回転可能に嵌合している。上記の可変圧縮比機構２においては、コントロールシャフト２８の回動に伴ってピストン２４の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。

また、上記可変圧縮比機構２の圧縮比を可変制御する駆動機構として、クランクシャフト２１と平行な回転中心軸を有する電動モータ３１がシリンダブロック２９下部に配置されており、この電動モータ３１と軸方向に直列に並ぶように減速機３２が接続されている。この減速機３２としては、減速比の大きな例えば波動歯車機構が用いられており、その減速機出力軸３２ａは、電動モータ３１の出力軸（図示せず）と同軸上に位置している。従って、減速機出力軸３２ａとコントロールシャフト２８とは互いに平行に位置しており、両者が連動して回動するように、減速機出力軸３２ａに固定された第１アーム３３とコントロールシャフト２８に固定された第２アーム３４とが中間リンク３５によって互いに連結されている。

すなわち、電動モータ３１が回転すると、減速機３２により大きく減速された形で減速機出力軸３２ａの角度が変化する。この減速機出力軸３２ａの回動は第１アーム３３から中間リンク３５を介して第２アーム３４へ伝達され、コントロールシャフト２８が回動する。これにより、上述したように、内燃機関１の機械的な圧縮比が変化する。なお図示例では、第１アーム３３および第２アーム３４が互いに同方向に延びており、従って、例えば減速機出力軸３２ａが時計回り方向に回動するとコントロールシャフト２８も時計回り方向に回動する関係となっているが、逆方向に回動するようにリンク機構を構成することも可能である。

上記可変圧縮比機構２の目標圧縮比は、エンジンコントローラ９において、機関運転条件（例えば要求負荷と機関回転速度）に基づいて設定され、この目標圧縮比を実現するように上記電動モータ３１が駆動制御される。

図２は、本実施例の制御の流れを示すフローチャートである。なお、以下の説明では、筒内噴射用燃料噴射弁８による筒内噴射を「ＧＤＩ」とも呼び、ポート噴射用燃料噴射弁４１によるポート噴射を「ＭＰＩ」とも呼ぶ。また、本実施例では筒内噴射用燃料噴射弁８に対して最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短い期間の噴射量の補正を行う例について説明しているが、同様に、ポート噴射用燃料噴射弁４１に対して補正を行うこともできる。

ステップＳ１１では、筒内噴射用燃料噴射弁８に対して最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短い期間の噴射量の補正を行うか否かを判定する。最小保証期間Ｑｍｉｎは、所定の精度を確保できる最小のパルス幅として予め設定された各噴射弁に固有の値であり、一般的には、この最小保証期間を下回ることのないようにパルス幅が設定される。

ステップＳ１１の判定が肯定されるとステップＳ１２へ進み、機関運転に必要な燃料噴射量の全量をポート噴射のみで噴射供給しつつ、筒内噴射用燃料噴射弁８を最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短い期間で作動する。ステップＳ１３では、空燃比センサ１４により検出される各気筒の空燃比（Ａ／Ｆ）の変動に基づいて、各気筒毎に最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短い期間における噴射量を補正する。具体的には噴射パルス幅を増減する。そしてステップＳ１４では、この補正量を学習して、補正後の最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短い噴射期間を含めてＧＤＩ噴射領域（ダイナミックレンジ）を拡大した形で、機関運転を継続する。

次に図３〜図５を参照して、上記噴射量の補正についてより具体的に説明する。図３（Ｂ）に示すように最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短いパルス幅の複数段の信号を段階的に与え、図３（Ａ）に示すように、その際の各気筒毎の空燃比の変動に基づいて、噴射量（パルス幅）を増減する。

図４及び図５は、第１気筒＃１の補正例を示している。図５に示すように、パルス幅に対する燃料噴射量（Ｑ）は基本的には比例関係にあり、その基準特性Ｌ０に対する乖離量が補正量として求められる。なお、噴射開始の極初期の無効期間ｔ０〜ｔ１では、パルス幅に対する燃料噴射量の変動が大きく、安定した噴射量の設定が不可能であるために、この無効期間を検出もしくは推定し、この無効期間と最小保証期間Ｑｍｉｎとの間（ｔ１〜ｔ４）で補正が行われる。

例えば区間ｔ２〜ｔ３の補正後のパルス幅ｚ２’は、次式（１）により求められる。

ｚ_２’＝ｘ_１／（ｙ_１＋ｚ_２）＋ｚ_１ …（１）
このような本実施例の特徴的な構成及び作用効果について、以下に列記する。

［１］本実施例では、ポート噴射用燃料噴射弁４１と筒内噴射用燃料噴射弁８の一方の噴射弁（実施例ではポート噴射用燃料噴射弁４１）を定常的に作動させた状態で、他方の噴射弁（実施例では筒内噴射用燃料噴射弁４１）に対し、その噴射弁で保証されている最小の噴射期間である最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短い期間の作動信号を印加し、その際の機関運転状態の変動に基づいて、上記他方の噴射弁の最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短い期間の噴射量を補正している（噴射量補正手段）。

このように、一方の噴射弁により機関運転（車両走行）に必要な燃料噴射量を確保し、失火やトルク変動を招くことなく、他方の噴射弁に対して最小保証期間よりも短い期間の噴射量を補正することができる。また、最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短い極わずかな噴射量を段階的に増加させるために、トルク変動や空燃比の変動も極僅かなものであり、機関運転性に悪影響を与えることもない。そして、この補正結果を反映・学習することで、最小保証期間Ｑｍｉｎよりも短い期間の噴射を可能とし、噴射可能領域（ダイナミックレンジ）を拡大することができる。

従って、例えば上記実施例のように筒内噴射用燃料噴射弁８の噴射量を補正するようにした場合、筒内噴射の静流設定を拡大し、筒内噴射による走行領域を拡大することができる。また、オイル希釈，スーパーノック，ＰＭＰＮ等の発生を抑制するためにポート噴射を用いざるを得なかった一部の運転領域でも筒内噴射が可能となり、筒内噴射による燃費向上やノッキングの抑制等の効果が得られる運転領域を拡大することができる。

［２］上述した噴射量の補正の際に用いられる機関運転状態の変動として、上記実施例では排気通路１２に配設された空燃比センサ１４により検知される空燃比の変動を用いている。但し、これに限らず、トルク変動率や回転変動，排気レベルや排気温度の変動などを用いて補正を行うようにしても良い。

［３］補正の態様としては、上記実施例のような噴射期間（パルス幅）の伸縮の他、印加電流の増減を単独又は組み合わせて行うようにしても良い。

［４］また、補正条件（補正を行う段数）は、補正が不可能な噴射開始の極初期の段階の無効期間（図４のｔ１）と、上記最小保証期間（図４のｔ４）と、の乖離量に基づいて設定される。例えば、乖離量が大きい（パルス幅が小さい）ほど、補正を行う段数が多く設定される。

［５］上述した噴射量の補正・学習は、噴射弁の劣化状況を考慮して、好ましくは例えば数サイクル毎のように定期的に実施される。

［６］また、補正の具体例としては、上記実施例のように、予め設定された作動信号に対する噴射量の基本特性Ｌ０に対する乖離量を用いて補正が行われる。

［７］更に、噴射開始の極初期の段階ではパルス幅に対する噴射量の変動が大きく安定した特性が得られないことから、好ましくは安定した燃料噴射量の供給が不可能な噴射所期の無効期間（図４のｔ１）を検知もしくは推定し、この無効期間と最小保証期間との間（図４のｔ１〜ｔ４）で噴射量を補正する。

［８］また、上述した噴射量の補正・学習の際には、一方の噴射弁のみを使用することになるため、一方の噴射弁のみを使用する運転領域で補正を実施することで、補正の前後で噴射弁の分担率を変更する必要がなく、これによるトルク変動等を招くことがない。

［９］但し、一方の噴射弁のみを使用する運転領域が狭いような場合には、補正を行う機会を確保するために、一時的に一方の噴射弁のみで燃料噴射量の全量を噴射する状況として補正を実施するようにしても良い。

［１０］内燃機関の機械的な圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構２を備える構成の場合、噴射量の補正中に、圧縮比を低下側へ補正する。このような圧縮比の低下により、混合気の均一化が促進されて、空燃比の変動を検知し易くなり、補正精度の向上を図ることができる。

［１１］また、上述したように最小保証期間よりも短い期間の補正を行う際に、燃料噴射量の増加による運転性の低下を招くことのない範囲で、最小保証期間を超える噴射期間の補正も行うようにしても良い。

１…内燃機関
２…可変圧縮比機構
６…点火プラグ
８…筒内噴射用燃料噴射弁
９…エンジンコントローラ
１４…空燃比センサ
２０…コンプレッサ
４１…ポート噴射用燃料噴射弁

Claims

吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を備える内燃機関の制御装置において、
上記ポート噴射用燃料噴射弁と筒内噴射用燃料噴射弁の一方の噴射弁を定常的に作動させた状態で、他方の噴射弁に対し、その噴射弁で所定の燃料噴射量精度を確保できることが保証されている最小の噴射期間である最小保証期間よりも短い期間の作動信号を印加し、その際の機関運転状態の変動に基づいて、上記他方の噴射弁の最小保証期間よりも短い期間の噴射量を補正する噴射量補正手段を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
上記機関運転状態が、排気通路に配設された空燃比センサにより検知される空燃比の変動であ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。
上記噴射量補正手段は、噴射期間の伸縮及び印加電流の増減の少なくとも一方を用いて、上記最小保証期間よりも短い期間の噴射量を補正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。
上記噴射量補正手段は、上記最小保証期間よりも短く噴射弁が開弁しない無効期間と、上記最小保証期間と、の乖離量に基づいて、補正条件を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
上記噴射量補正手段は、機関運転中に定期的に補正を実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
上記噴射量補正手段は、予め設定された作動信号に対する噴射量の基本特性に対する乖離量を用いて補正を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
上記噴射量補正手段は、上記最小保証期間よりも短く噴射弁が開弁しない無効期間を検知もしくは推定し、この無効期間と最小保証期間との間で噴射量を補正することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
上記噴射量補正手段は、上記一方の噴射弁のみを使用する運転領域で補正を実施することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
上記噴射量補正手段は、上記他方の噴射弁を補正する場合に、一時的に一方の噴射弁のみで燃料噴射量の全量を噴射する状況として補正を実施することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
内燃機関の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備え、
上記噴射量補正手段による補正中には、圧縮比を低下側へ補正することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
上記噴射量補正手段は、上記最小保証期間を超える噴射期間の補正も行うことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を備える内燃機関の制御方法において、
上記ポート噴射用燃料噴射弁と筒内噴射用燃料噴射弁の一方の噴射弁を定常的に作動させた状態で、他方の噴射弁に対し、その噴射弁で所定の燃料噴射量精度を確保できることが保証されている最小の噴射期間である最小保証期間よりも短い期間の作動信号を印加し、その際の機関運転状態の変動に基づいて、上記他方の噴射弁の最小保証期間よりも短い期間の噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御方法。