JP6740588B2 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射制御装置に関する。

内燃機関において、冷間始動時には、内燃機関に供給される燃料の燃料性状や内燃機関の周辺温度により燃料が十分に気化されず、燃料が十分に燃焼することができないためにＨＣ（炭化水素）や黒煙が発生し、排気エミッション性能が低下する問題がある。

特許文献１では、内燃機関の始動後における、内燃機関の機関回転数の変化に基づいて燃料性状を判定し、判定された燃料性状に基づいて燃料噴射量を補正することが提案されている。

特開平０３−２６８４１号公報

しかしながら、特許文献１には、燃料性状の判定結果に基づいて燃料噴射量の補正を行なうと記載されているが、具体的な補正方法が記載されていないため、暖機途上における燃焼状態の悪化を防止することができない。

そこで、本発明は、暖機途上の内燃機関の燃焼状態を安定化させることができ、排気エミッション性能を向上させることができる燃料噴射制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決する燃料噴射制御装置の発明の一態様は、筒内噴射機構を備えた内燃機関に供給される燃料の噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、暖機途上において、燃料の燃料性状を判定し、燃料性状に応じて空燃比を制御するとともに、内燃機関の圧縮行程と吸気行程とに分割して燃料を噴射し、燃料の噴射量は吸気行程より圧縮行程の方が多くなるように制御する制御部を備え、制御部は、燃料の燃料性状が重質燃料である場合、内燃機関の吸気行程においては、燃料の燃料性状が軽質燃料である場合より早いタイミングで燃料噴射を開始させ、内燃機関の圧縮行程においては、燃料の燃料性状が軽質燃料である場合より遅いタイミングで燃料噴射を終了させるものである。

このように本発明によれば、暖機途上の内燃機関の燃焼状態を安定化させることができ、排気エミッション性能を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置の概念ブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置を備えるエンジンの始動時のエンジン回転数と点火回数積算値を示すタイムチャートであり、図２（ａ）は軽質ガソリンの場合、図２（ｂ）は重質ガソリンの場合である。 図３は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置の燃料噴射制御における燃料噴射タイミングを示すタイミングチャートである。 図４は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置の分割噴射制御と燃料噴射制御とを組み合わせた場合のエンジンの空燃比とスス排出量の関係を示すグラフである。 図５は、本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置の始動時燃焼安定化処理の手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料噴射制御装置について詳細に説明する。

図１において、本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置を搭載した車両１は、内燃機関型のエンジン２と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３とを含んで構成される。

エンジン２には、気筒としてのシリンダ５が形成されている。シリンダ５には、このシリンダ５内を上下に往復動可能なピストン６が収納されている。また、シリンダ５の上部には、燃焼室７が設けられている。

エンジン２は、シリンダ５内でピストン６が往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルのガソリンエンジンである。

また、ピストン６は、コネクティングロッド８を介してクランクシャフト９と連結している。コネクティングロッド８は、ピストン６の往復運動をクランクシャフト９の回転運動に変換するようになっている。

また、燃焼室７には、点火プラグ１０と、インジェクタ１１が設けられている。点火プラグ１０は、燃焼室７内に電極を突出させた状態で配設され、ＥＣＵ３によってその点火時期が調整されるようになっている。ＥＣＵ３は、図示しないイグニッションスイッチがオンにされて、エンジン２のクランキングが開始されてからの点火プラグ１０による点火回数を積算した点火回数積算値を計数するようになっている。

インジェクタ１１は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって供給された燃料を燃焼室７内に噴射する、いわゆる筒内噴射式の燃料噴射弁である。

エンジン２には、吸気ポート１２と、排気ポート２１が設けられている。吸気ポート１２は、燃焼室７と後述する吸気通路１４ａとを連通するようになっている。また、吸気ポート１２には、吸気弁１３が設けられている。

吸気弁１３は、吸気通路１４ａと燃焼室７とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。

また、吸気ポート１２には、吸気管１４が接続されている。この吸気管１４の内部には、吸気ポート１２と連通する吸気通路１４ａが形成されている。吸気通路１４ａには、電子制御式のスロットルバルブ１５が設けられている。スロットルバルブ１５は、ＥＣＵ３に電気的に接続されている。

スロットルバルブ１５は、ＥＣＵ３からの指令信号に応じてスロットル開度が制御されることで、エンジン２の吸入空気量を調整するようになっている。

一方、排気ポート２１には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、後述する排気通路２４ａと燃焼室７とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。

また、排気ポート２１には、排気管２４が接続されている。この排気管２４の内部には、排気ポート２１と連通する排気通路２４ａが形成されている。排気通路２４ａには、空燃比センサ２５が設けられている。

上述のように構成されたエンジン２は、スロットルバルブ１５により流量調整された吸気とインジェクタ１１により噴射された燃料との混合気を、点火プラグ１０により点火して着火させる点火式のエンジンである。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

このコンピュータユニットのＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ３として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ３として機能する。

ＥＣＵ３の入力ポートには、上述の空燃比センサ２５に加え、エンジン回転数センサ２６、アクセル開度センサ２８、水温センサ２９等の各種センサ類が接続されている。

空燃比センサ２５は、エンジン２の排気の酸素濃度から広範囲の連続的な空燃比の変化を検出する。

エンジン回転数センサ２６は、エンジン２のクランクシャフト９の回転からクランクシャフト９の回転数に比例したパルス数のエンジン回転数パルス信号を出力する。ＥＣＵ３は、エンジン回転数パルス信号に基づいてエンジン回転数を検出できるようになっている。

アクセル開度センサ２８は、アクセルペダル２７の操作量を表すアクセル開度を検出する。水温センサ２９は、エンジン２の冷却水の水温を検出する。

一方、ＥＣＵ３の出力ポートには、点火プラグ１０、インジェクタ１１、スロットルバルブ１５等の各種制御対象類が接続されている。

ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ２８が検出するアクセル開度に基づきエンジン２の要求負荷を算出し、その要求負荷に応じてエンジン２の目標点火時期や燃料噴射量や吸入空気量を算出する。そして、ＥＣＵ３は、算出した目標点火時期や燃料噴射量や吸入空気量になるように点火プラグ１０やインジェクタ１１やスロットルバルブ１５を制御してエンジン２の運転状態を制御する。

＜燃料性状判定方法＞
本実施形態において用いられる燃料性状判定方法について説明する。

本実施形態において、ＥＣＵ３は、図示しないイグニッションスイッチがオンにされて、エンジン２のクランキングが開始されてから、エンジン回転数センサ２６により検出されたエンジン回転数が、エンジン２が完爆したことを表す判定回転数Ｎになるまでの上述の点火回数積算値Ｓに基づいて燃料が軽質ガソリンか重質ガソリンかを判定する。

図２は、エンジン２に供給される燃料の燃料性状の違いによるエンジン始動時のエンジン回転数と点火回数積算値を示す図であり、図２（ａ）は軽質ガソリンの場合、図２（ｂ）は重質ガソリンの場合である。

図２（ａ）に示すように、軽質ガソリンの場合、エンジン始動時のエンジン回転数の吹け上がりが早く、エンジン回転数が判定回転数Ｎになるまでの点火回数積算値Ｓは、燃料が気化しにくい状態、または混合気が着火しにくい状態であると判定する点火回数閾値Ｘより小さくなる。

一方、図２（ｂ）に示すように、重質ガソリンの場合、エンジン始動時のエンジン回転数の吹け上がりが遅く、エンジン回転数が判定回転数Ｎになるまでの点火回数積算値Ｓは、点火回数閾値Ｘより大きくなる。

このことから、ＥＣＵ３は、エンジン２のクランキングが開始されてから、エンジン回転数センサ２６により検出されたエンジン回転数が判定回転数Ｎになるまでの点火回数積算値Ｓが点火回数閾値Ｘより小さい場合、エンジン２に供給されている燃料は軽質ガソリンであると判定する。

一方、ＥＣＵ３は、エンジン２のクランキングが開始されてから、エンジン回転数センサ２６により検出されたエンジン回転数が判定回転数Ｎになるまでの点火回数積算値Ｓが点火回数閾値Ｘ以上の場合、エンジン２に供給されている燃料は重質ガソリンであると判定する。

判定回転数Ｎ及び点火回数閾値Ｘは、予め実験等により求められ、ＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されている。

＜燃料性状に応じた燃料噴射制御方法＞
本実施形態において用いられる燃料性状に応じた燃料噴射制御の方法について説明する。

ＥＣＵ３は、エンジン２の冷間始動時において、エンジン２に供給されている燃料が軽質ガソリンであると判定した場合、燃料の分割噴射を実施するとともに、混合気の空燃比をリーン化させる。軽質ガソリンの場合、気化しやすいため、リーン側の燃焼限界まで余裕があり、リーン化することで黒煙対策を行なう。

一方、ＥＣＵ３は、エンジン２の冷間始動時において、エンジン２に供給されている燃料が重質ガソリンであると判定した場合、燃料の分割噴射を実施するとともに、混合気の空燃比をストイキ（理論空燃比）近辺で制御する。重質ガソリンの場合、気化しにくいため、リーン側の燃焼限界に余裕がなく、リーン化せずロバスト性を確保する。理論空燃比は、理論的に最も燃焼効率の良い混合気の単位燃料質量当たりに投入する空気量の比であり、一般的に１４．５〜１４．７となる。

ＥＣＵ３は、燃料が重質ガソリンであると判定した場合、重質ガソリンは、混合気になりにくいため、ススが発生しうる空燃比までのリッチ化を防止する空燃比の限界閾値Ｚを設け、空燃比の限界閾値Ｚ以上のリッチ化は行なわない。

ＥＣＵ３は、エンジン２の始動時に、水温センサ２９が検出したエンジン２の冷却水の水温が、極低温の状態を示す極低温閾値Ｔ１より高く、かつ、暖機状態を示す暖機状態閾値Ｔ２より低い場合、冷間始動時であると判定する。

ＥＣＵ３は、分割噴射を実施する場合、吸気工程と圧縮工程とに分割して燃料噴射を行なう。なお、燃料の噴射量は、吸気工程より圧縮工程のほうが多くなるようにするとよい。このように、分割噴射を行なうことで、排気エミッションを向上させることができる。

ＥＣＵ３は、分割噴射を実施する場合、吸気工程と圧縮工程とで異なる燃料噴射制御を行う。本実施形態に係る燃料噴射制御装置の燃料噴射制御について図３を参照して説明する。

図３に示すように、ＥＣＵ３は、吸気工程での燃料噴射については、図中Ｔ１、Ｔ２で示す、燃料噴射を開始する時点を決定し、吸気工程で行なわれる燃料噴射量に基づいて燃料噴射時間を決定する。

ＥＣＵ３は、圧縮工程での燃料噴射については、図中Ｔ３、Ｔ４で示す、燃料噴射が終了する時点を決定し、圧縮工程で行なわれる燃料噴射量に基づいて燃料噴射時間を決定する。

ＥＣＵ３は、燃料性状と車両１の状態に応じて分割噴射のタイミングを変化させる。ＥＣＵ３は、燃料が重質ガソリンであると判定した場合、重質ガソリンは軽質ガソリンより混合気になりにくいため、以下のように分割噴射のタイミングを変化させる。
１）混合気形成のため吸気工程での噴射は、軽質ガソリンの燃料噴射開始タイミングＴ２より早いタイミングＴ１で燃料噴射を開始する。
２）点火プラグ１０近傍に濃い混合気を形成させるため、圧縮工程での噴射は、軽質ガソリンの燃料噴射終了タイミングＴ３より遅いタイミングＴ４で燃料噴射を終了させる。

本願発明者は、このような分割噴射制御と燃料噴射制御とを組み合わせ、エンジン２に供給される燃料の燃料性状ごとに、混合気の空燃比とススの排出量の関係を実験により明らかとなった。図４は、その結果を示すグラフである。

図４に示すように、重質ガソリンの場合、ストイキ周辺でススの排出量が最少となる。一方、軽質ガソリンの場合、ストイキよりリーン側のＬの領域でススの排出量が最少となる。このように、エンジン２に供給される燃料が重質ガソリンの場合、混合気の空燃比をストイキ周辺に調整し、エンジン２に供給される燃料が軽質ガソリンの場合、混合気の空燃比をリーン側に調整することで、排気エミッションを向上させることができる。

以上のように構成された本実施形態に係る燃料噴射制御装置による始動時燃焼安定化処理について、図５を参照して説明する。なお、以下に説明する始動時燃焼安定化処理は、エンジン２の始動時に開始される。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３は、点火プラグ１０の点火回数の積算を開始する。ステップＳ２において、ＥＣＵ３は、エンジン回転数センサ２６の検出するエンジン回転数が上述の判定回転数Ｎ以上であるか否かを判定する。エンジン回転数が判定回転数Ｎ以上でないと判定した場合、ＥＣＵ３は、ステップＳ２の処理を繰り返す。エンジン回転数が判定回転数Ｎ以上であると判定した場合、ＥＣＵ３は、ステップＳ３に処理を進める。

ステップＳ３において、ＥＣＵ３は、点火回数積算値Ｓが点火回数閾値Ｘより小さいか否かを判定する。点火回数積算値Ｓが点火回数閾値Ｘより小さいと判定した場合、ＥＣＵ３は、ステップＳ４に処理を進める。点火回数積算値Ｓが点火回数閾値Ｘより小さくないと判定した場合、ＥＣＵ３は、ステップＳ７に処理を進める。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３は、エンジン２に供給されている燃料は軽質ガソリンであると判定する。

ステップＳ５において、ＥＣＵ３は、水温センサ２９が検出したエンジン冷却水の水温が極低温閾値Ｔ１より高く、かつ、暖機状態閾値Ｔ２より低いか否かを判定する。エンジン冷却水の水温が極低温閾値Ｔ１より高くない、または、暖機状態閾値Ｔ２より低くないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。エンジン冷却水の水温が極低温閾値Ｔ１より高く、かつ、暖機状態閾値Ｔ２より低いと判定した場合、ＥＣＵ３は、ステップＳ６に処理を進める。

ステップＳ６において、ＥＣＵ３は、上述したように燃料の分割噴射を実施し、かつ、混合気の空燃比をリーン側に調整する。

ステップＳ７において、ＥＣＵ３は、エンジン２に供給されている燃料は重質ガソリンであると判定する。

ステップＳ８において、ＥＣＵ３は、水温センサ２９が検出したエンジン冷却水の水温が極低温閾値Ｔ１より高く、かつ、暖機状態閾値Ｔ２より低いか否かを判定する。エンジン冷却水の水温が極低温閾値Ｔ１より高くない、または、暖機状態閾値Ｔ２より低くないと判定した場合、ＥＣＵ３は、処理を終了する。エンジン冷却水の水温が極低温閾値Ｔ１より高く、かつ、暖機状態閾値Ｔ２より低いと判定した場合、ＥＣＵ３は、ステップＳ９に処理を進める。

ステップＳ９において、ＥＣＵ３は、上述したように燃料の分割噴射を実施し、かつ、混合気の空燃比をストイキ周辺に調整する。

このように、上述の実施形態では、暖機途上において、エンジン２に供給される燃料の燃料性状を判定し、分割噴射を行なわせるとともに、燃料性状に応じて空燃比を制御するＥＣＵ３を備える。

これにより、分割噴射が行なわれるとともに、燃料性状に応じて空燃比が制御される。このため、エンジン２の燃焼状態を安定化させることができ、排気エミッション性能を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、エンジン２のクランキングが開始されてから、エンジン回転数センサ２６により検出されたエンジン回転数が判定回転数Ｎになるまでの点火回数積算値Ｓに基づいて燃料の燃料性状を判定する。

これにより、クランキング開始からエンジン回転数が判定回転数Ｎになるまでの点火回数積算値Ｓに基づいて燃料の燃料性状が判定される。このため、エンジン完爆前の情報を用いて早い段階から燃料性状を判定することができ、判定された情報を用いた燃料噴射の制御が実施可能である。

また、ＥＣＵ３は、燃料の燃料性状が軽質ガソリンの場合、混合気の空燃比をリーン側に調整する。

これにより、燃料の燃料性状が軽質ガソリンの場合、混合気の空燃比がリーン側に調整される。このため、エンジン２の燃焼状態を安定化させることができ、排気エミッション性能を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、燃料の燃料性状が重質ガソリンの場合、混合気の空燃比をストイキ周辺に調整する。

これにより、燃料の燃料性状が重質ガソリンの場合、混合気の空燃比がストイキ周辺で調整される。このため、エンジン２の燃焼状態を安定化させることができ、排気エミッション性能を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、分割噴射を実施する場合、エンジン２の吸気工程と圧縮工程とに分割して燃料噴射を行なう。

これにより、エンジン２の吸気工程と圧縮工程とに分割して分割噴射が行なわれる。このため、エンジン２の燃焼状態を安定化させることができ、排気エミッション性能を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、燃料の燃料性状が重質ガソリンの場合、分割噴射のエンジン２の吸気工程においては、軽質ガソリンより早いタイミングで燃料噴射を開始させる。

これにより、燃料の燃料性状が重質ガソリンの場合、吸気工程において軽質ガソリンより早いタイミングで燃料噴射が開始され、軽質ガソリンより混合気になりにくい重質ガソリンの霧化が促進される。このため、エンジン２の燃焼状態を安定化させることができ、排気エミッション性能を向上させることができる。

また、ＥＣＵ３は、燃料の燃料性状が重質ガソリンの場合、分割噴射のエンジン２の圧縮工程においては、軽質ガソリンより遅いタイミングで燃料噴射を終了させる。

これにより、燃料の燃料性状が重質ガソリンの場合、圧縮工程において軽質ガソリンより遅いタイミングで燃料噴射が終了され、点火プラグ１０近傍に濃い混合気が形成される。このため、混合気の着火性が向上し、エンジン２の燃焼状態を安定化させることができ、排気エミッション性能を向上させることができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１ 車両
２ エンジン
３ ＥＣＵ（制御部）
１０ 点火プラグ
１１ インジェクタ
２６ エンジン回転数センサ
２９ 水温センサ

Claims (4)

1. 筒内噴射機構を備えた内燃機関に供給される燃料の噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、
   暖機途上において、前記燃料の燃料性状を判定し、前記燃料性状に応じて空燃比を制御するとともに、前記内燃機関の圧縮行程と吸気行程とに分割して前記燃料を噴射し、前記燃料の噴射量は吸気行程より圧縮行程の方が多くなるように制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記燃料の燃料性状が重質燃料である場合、前記内燃機関の吸気行程においては、前記燃料の燃料性状が軽質燃料である場合より早いタイミングで燃料噴射を開始させ、前記内燃機関の圧縮行程においては、前記燃料の燃料性状が軽質燃料である場合より遅いタイミングで燃料噴射を終了させる燃料噴射制御装置。
2. 前記制御部は、クランキング開始から前記内燃機関の機関回転数が判定回転数に到達するまでの点火回数積算値に基づいて、前記燃料の燃料性状を判定する請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
3. 前記制御部は、前記燃料の燃料性状が軽質燃料である場合、空燃比が理論空燃比よりリーン側となるように調整する請求項１または２に記載の燃料噴射制御装置。
4. 前記制御部は、前記燃料の燃料性状が重質燃料である場合、空燃比が理論空燃比に近くなるように調整する請求項１または２に記載の燃料噴射制御装置。

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