WO2012131923A1 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

吸気バルブ（１０）の開弁時期を可変とする可変動弁機構（１１）を備えるとともに、吸気ポート中に燃料を噴射する吸気ポートインジェクター（９）を備える内燃機関において、電子制御ユニット（２２）は、可変動弁機構（１１）により可変とされる吸気バルブ（１０）の開弁時期と一致するように、燃料噴射の終了時期を可変動弁機構（１１）の動作と連動して制御することで、燃焼室（２）内での輝炎の発生を抑制する。

Description

内燃機関の燃料噴射制御装置

　本発明は、吸気ポート中に燃料を噴射する吸気ポートインジェクターを備える内燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。

　車載等の内燃機関に適用される機構として、機関バルブのバルブ特性を可変とする可変動弁機構が実用されている。そして、そうした可変動弁機構として、吸気バルブの開弁期間を可変とする可変動弁機構が知られている。

　この種の可変動弁機構を備える内燃機関では、燃料噴射の終了時期を一定とすると、吸気バルブ開弁時期の変更に応じて、噴射終了から吸気バルブの開弁までの時間の長さが変わり、吸気ポート内での霧化燃料の滞留時間が変化する。そこで特許文献１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置では、吸気バルブの開弁時期が遅くなるほど、燃料噴射の終了時期が遅くなるように、燃料噴射時期を制御している。そしてこれにより、霧化燃料の滞留時間を適切に設定して、燃料の霧化を良好とするようにしている。

特開２００６－１４４７５３号公報 特開２０００－０７３９０１号公報 特開２００９－０３６１２１号公報

　ところで近年には、例えば特許文献２、３に見られるように、吸気バルブを遅開き、遅閉じとして、吸気バルブの閉弁時期を圧縮行程の中程とすることで、アトキンソンサイクルを実現した内燃機関が実用されている。この種の内燃機関では、次のような問題が発生する。

　すなわち、吸気バルブの開弁時期を吸気上死点よりも遅くすると、燃焼室が密封されたままピストンが降下することで、燃焼室内の負圧が増大した状態で吸気バルブが開かれることになる。この場合、図４に示すように、増大した負圧のため、吸気バルブ５０の開弁と同時に燃焼室５１内への急激な吸気の吸い込みが発生するようになる。そして吸気バルブ５０等に付着した燃料が、このときの気流に乗って吸気バルブ５０の反対側のシリンダーボア壁面５２に付着することがある。こうしたシリンダーボア壁面５２への燃料付着が発生すると、吸気バルブ５０の遅閉じに起因した圧縮端温度の低下による燃焼悪化と相俟って、付着した燃料の不完全燃焼による輝炎が発生し、微粒子物質（ＰＭ）の排出量が増大する。こうした現象は、吸気バルブ５０等への燃料の付着量が増大する機関冷間時に特に顕著なものとなっている。

　本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、吸気バルブの遅開き、遅閉じを行う場合にも、輝炎の発生によるエミッションの悪化を好適に抑制することのできる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、本発明に従う内燃機関の燃料噴射制御装置では、吸気ポート中に燃料を噴射する吸気ポートインジェクターを備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、吸気バルブの開弁時期と一致するように燃料噴射の終了時期を制御するようにしている。

　上記のような輝炎の発生を抑制するには、吸気バルブへの燃料の付着を低減することが有効であり、吸気バルブへの燃料付着の低減は、燃料噴射から吸気バルブの開弁までの時間を短くすることで実現することができる。したがって、ＰＭを増大させる輝炎の発生を抑制するには、燃料噴射時期を可能な限り遅らせることが望ましい。

　一方、燃料噴射の終了時期を吸気バルブの開弁よりも遅らせると、点火プラグへの燃料付着が発生して失火を招くことがある。また燃料噴射の終了時期を吸気バルブの開弁よりも遅らせると、排気中のＨＣ量が増大することも確認されている。したがって、点火プラグの燃料かぶりやＨＣの増大を避けながらも、輝炎の発生を最大限に抑制可能な燃料噴射の終了時期は、吸気バルブの開弁時期となる。

　その点、本発明では、吸気バルブの開弁時期と一致するように燃料噴射の終了時期を制御するようにしている。そのため、本発明では、点火プラグの燃料かぶりやＨＣの増大を回避できる範囲において、輝炎の発生を最大限に抑制することができる。

　なお、こうした本発明は、吸気バルブの遅開き、遅閉じを行い、それ故、輝炎が発生し易い、アトキンソンサイクルを実現する内燃機関への適用が特に好適なものとなっている。

　また本発明は、吸気バルブの開弁時期を可変とする可変動弁機構を備える内燃機関への適用が可能であり、その場合には、可変動弁機構による吸気バルブの開弁時期の変更に応じて、燃料噴射の終了時期を変更する必要がある。この場合の燃料噴射の終了時期は、例えばベースとなる開弁時期からの吸気バルブの開弁時期の進角量に基づいて算出することが可能である。

　ちなみに、上記のような輝炎の発生は、吸気バルブの開弁時期がある程度よりも遅いときに限られる。そのため、燃料噴射の終了時期を吸気バルブの開弁時期と一致させる制御は、吸気バルブの開弁時期が規定の時期（例えば、燃料噴射の終了時期に拘らず、輝炎の発生を回避可能な開弁時期の遅角限界）よりも遅らされているときにのみ行うようにしても良い。また、上記のような輝炎の発生は、機関冷間時に特に顕著となることから、燃料噴射の終了時期を吸気バルブの開弁時期と一致させる制御は、機関冷間時にのみ行うようにしても良い。

本発明の第１の実施の形態の適用される内燃機関の構成を模式的に示した略図。 同実施の形態に採用される噴射終了時期演算ルーチンの処理手順を示したフローチャート。 本発明の第２の実施の形態に採用される噴射終了時期演算ルーチンの処理手順を示したフローチャート。 吸気バルブを遅開きとしたときのシリンダーボア壁面に対する燃料付着の様相を示す燃焼室の断面図。

　（第１の実施の形態）
　以下、本発明の内燃機関の制御装置を具体化した一実施の形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態の適用される内燃機関は、吸気バルブの開弁時期を可変とする可変動弁機構を備えるとともに、吸気バルブの遅開き、遅閉じによりアトキンソンサイクル運転を行うように構成されている。

　図１に示すように、本実施の形態の適用される内燃機関の吸気通路１には、その上流から順に、吸入した空気を浄化するエアクリーナー４、吸気の温度を検出する吸気温度センサー５、吸気の流量を検出するエアフローメーター６が配設されている。また吸気通路１のエアフローメーター６の下流には、スロットルモーター７により駆動されて吸気の流量を調節するスロットルバルブ８が配設されている。そして更に吸気通路１は、吸気バルブ１０の配設された吸気ポート１ａを経て燃焼室２に接続されている。なお、吸気ポート１ａには、その吸気ポート１ａ中に燃料を噴射する吸気ポートインジェクター９が配設されている。また機関運転中に吸気バルブ１０は、その開弁に応じて吸気ポート１ａと燃焼室２とを連通し、その閉弁に応じてその連通を遮断するように開閉駆動されている。

　なお、この内燃機関の吸気バルブ１０の動弁系には、可変動弁機構１１が配設されている。そしてこの内燃機関では、その可変動弁機構１１により、吸気バルブ１０のバルブタイミングが、ひいては吸気バルブ１０の開弁時期が可変とされている。

　燃焼室２には、その内部に導入された燃料と空気との混合気をスパークにより点火する点火プラグ１２が設置されている。そして燃焼室２は、排気バルブ１３の設置された排気ポート３ａを経て排気通路３に接続されている。機関運転中に排気バルブ１３は、その開弁に応じて燃焼室２と排気ポート３ａとを連通し、その閉弁に応じてその連通を遮断するように開閉駆動されている。

　排気通路３には、排気中の酸素濃度を検出する空燃比センサー１４が配設されている。また排気通路３の空燃比センサー１４の下流には、排気を浄化する触媒を担持した触媒コンバーター１５が配設されている。

　こうした内燃機関には、排気の一部を吸気中に再循環させる排気再循環（ＥＧＲ）システムが設置されている。ＥＧＲシステムは、排気通路３の触媒コンバーター１５の下流側と吸気通路１のスロットルバルブ８の下流側とを連通するＥＧＲ通路１６を備えている。なお、ＥＧＲ通路１６には、同通路を通じて再循環される排気を冷却するＥＧＲクーラー１７と、排気再循環量を調節するＥＧＲバルブ１８とが配設されている。

　またこの内燃機関には、燃料タンク１９で発生した燃料蒸気を、スロットルバルブ８下流の吸気中に空気と共に放出して処理する燃料蒸気処理システムが設置されている。燃料蒸気処理システムは、燃料タンク１９で発生した燃料蒸気を吸着して捕集するキャニスター２０と、吸気中に導入されるパージガスの量（質量）、すなわちパージ空気量を調節するパージバルブ２１とを備えている。

　こうした内燃機関は、電子制御ユニット２２により制御されている。電子制御ユニット２２は、機関制御に係る各種の演算処理を実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）、機関制御用のプログラムやデータの記憶された読み出し専用メモリー（ＲＯＭ）を備えている。また電子制御ユニット２２は、ＣＰＵの演算結果やセンサーの検出結果等を一時的に記憶するランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）と、外部との信号の授受を媒介するインターフェイスとして機能する入出力ポート（Ｉ／Ｏ）とを備えている。

　こうした電子制御ユニット２２の入力ポートには、上記の吸気温度センサー５、エアフローメーター６、空燃比センサー１４の検出信号が入力されている。さらに電子制御ユニット２２の入力ポートには、機関出力軸であるクランクシャフト２３の回転位相を検出するクランクポジションセンサー２４、ノッキングの発生状況を検出するノックセンサー２５、スロットルバルブ８の開度を検出するスロットルセンサー２６などの検出信号も入力されている。

　一方、電子制御ユニット２２の出力ポートには、スロットルモーター７、吸気ポートインジェクター９、可変動弁機構１１、点火プラグ１２などの、内燃機関各部に設けられた各種アクチュエータの駆動回路が接続されている。そして電子制御ユニット２２は、それらアクチュエーターの駆動回路に指令信号を出力することで、機関制御を行っている。

　以上のように構成された内燃機関にあって、電子制御ユニット２２は、機関運転中、吸気バルブ１０のバルブタイミングの可変制御を実行する。この可変制御は、機関回転速度や機関負荷から、現状の機関運転状況に最適な吸気バルブ１０のバルブタイミングを演算し、その演算したバルブタイミングが得られるように可変動弁機構１１を制御することで行われる。なお、この内燃機関では、バルブタイミングの制御指令値は、可変動弁機構１１によるバルブタイミング可変範囲の最遅角位置からの進角量（以下、バルブタイミング進角量ＥＶＴと記載する）によって、設定すべきバルブタイミングを表すように求められている。

　なお、この内燃機関では、可変動弁機構１１は、圧縮行程の中程まで吸気バルブ１０の閉弁時期を遅らせることが可能なように構成されている。そして電子制御ユニット２２は、機関運転状況によっては、吸気バルブ１０の閉弁時期を圧縮行程の中程まで遅らせて、内燃機関のアトキンソンサイクル運転を行うようにしている。

　また、電子制御ユニット２２は、機関制御の一環として燃料噴射制御を行っている。燃料噴射制御では、機関回転速度や機関負荷に基づいて、現状の機関運転状況に応じた燃料噴射量や燃料噴射時期を求め、その求められた量、時期に応じた燃料噴射を行うように吸気ポートインジェクター９を制御することで行われる。吸気ポートインジェクター９への燃料噴射量の指令は、燃料噴射を実施する期間の長さ（燃料噴射時間）を、吸気ポートインジェクター９の駆動回路に指示することで行われる。また吸気ポートインジェクター９への燃料噴射時期の指令は、燃料噴射を終了する時期を、吸気ポートインジェクター９の駆動回路に指示することで行われる。吸気ポートインジェクター９の駆動回路は、噴射終了時期の指示値から噴射時間の指示値を減算することで燃料噴射の開始時期を求め、その求めた噴射開始時期から指示された噴射終了時期まで燃料噴射を実施すべく吸気ポートインジェクター９を駆動している。

　ところで、吸気バルブ１０の遅閉じによるアトキンソンサイクル運転を実施する、この内燃機関では、機関冷間時等に、シリンダーボア壁面への燃料付着に起因した輝炎が発生する虞がある。こうした輝炎の要因となるシリンダーボアの壁面への燃料付着は、吸気バルブ１０に付着した燃料の飛散によるものであり、その抑制には、吸気バルブ１０の燃料付着量を低減することが有効である。そして吸気バルブ１０の燃料付着の抑制には、燃料噴射の開始から吸気バルブ１０が開弁するまでの時間を短くすることが有効であり、したがって燃料噴射の開始時期を遅らせることで、輝炎の発生を抑制することができる。

　しかしながら、燃料噴射の終了時期が吸気バルブ１０の開弁時期よりも遅らされると、点火プラグ１２への燃料付着が発生して失火を招くことがある。また燃料噴射の終了時期を吸気バルブ１０の開弁よりも遅らせると、排気中のＨＣ量が増大するようにもなる。したがって、点火プラグ１２の燃料かぶりやＨＣの増大を避けながらも、輝炎の発生を最大限に抑制可能な燃料噴射の終了時期は、吸気バルブ１０の開弁時期となる。

　そこで本実施の形態では、電子制御ユニット２２は、吸気バルブ１０の開弁時期と一致するように燃料噴射の終了時期の制御を行っている。すなわち、電子制御ユニット２２は、可変動弁機構１１による吸気バルブ１０のバルブタイミング進角量ＥＶＴから吸気バルブ１０の開弁時期を求め、その開弁時期に燃料噴射を終了させるように、噴射終了時期の指令を行っている。

　図２に、本実施の形態の採用する噴射終了時期演算ルーチンのフローチャートを示す。本ルーチンの処理は、機関運転中、電子制御ユニット２２によって、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。

　さて本ルーチンが開始されると、まずステップＳ１００において、可変動弁機構１１による吸気バルブ１０のバルブタイミング進角量ＥＶＴの読み込みが行われる。そして続くステップＳ１０１において、定数であるベース時期ＥＩＶＯにバルブタイミング進角量ＥＶＴを加算した値が燃料噴射終了時期ＩＮＪＥＮＤとして算出される。ベース時期ＥＩＶＯは、バルブタイミングを最遅角に設定したときの吸気バルブ１０の開弁時期がその値に設定されている。ちなみに、ここでは、吸気上死点を基準「０」としたクランク角度の進角量（ＢＴＤＣ）により、燃料噴射終了時期ＩＮＪＥＮＤを表している。したがって、燃料噴射終了時期ＩＮＪＥＮＤは、吸気バルブ１０の開弁時期と一致するように設定されることになる。

　以上説明した本実施の形態の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、次の効果を奏することができる。

　（１）本実施の形態では、電子制御ユニット２２は、吸気バルブ１０の開弁時期と一致するように燃料噴射の終了時期を制御している。そのため、吸気バルブ１０の遅開き、遅閉じを行う内燃機関にあっても、輝炎の発生によるエミッションの悪化を好適に抑制することができる。

　（第２の実施の形態）
　次に、本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置を具体化した第２の実施の形態を、図３を併せ参照して詳細に説明する。なお本実施の形態にあって、上記実施の形態と共通する構成については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

　上述したように、燃焼室２の内部での輝炎の発生は、機関冷間時に特に顕著となる。そのため、機関温間時に輝炎の発生の懸念がなければ、燃料噴射の終了時期を吸気バルブ１０の開弁時期と一致させる制御は、機関冷間時に限って行えば良いことになる。

　また輝炎は、吸気バルブ１０のバルブタイミングがある程度よりも遅角されたときに発生する現象となっている。したがって、燃料噴射の終了時期を吸気バルブ１０の開弁時期と一致させる制御は、吸気バルブ１０の開弁時期がある程度よりも遅らされているときにのみ行えば良いことになる。

　そこで本実施の形態では、機関冷間時にあり、かつ吸気バルブ１０の開弁時期が一定の時期よりも遅らされているときにのみ、燃料噴射の終了時期を吸気バルブ１０の開弁時期と一致させる制御を行うようにしている。

　図３は、本実施の形態の採用する噴射終了時期演算ルーチンのフローチャートを示す。本ルーチンの処理は、機関運転中、電子制御ユニット２２によって、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。

　本ルーチンが開始されると、まずステップＳ２００において、吸気バルブ１０のバルブタイミング進角量ＥＶＴ、及び機関冷却水温ＴＨＷの読み込みが行われる。続くステップＳ２０１では、吸気バルブ１０のバルブタイミング進角量ＥＶＴが規定の判定値α以下であるか否かが判定される。ここでの判定値αには、燃料噴射の終了時期に拘らず、輝炎の発生を回避可能な開弁時期の遅角限界がその値として設定されている。

　ここで、バルブタイミング進角量ＥＶＴが判定値αを超えていれば（Ｓ２０１：ＮＯ）、輝炎発生の懸念は無いとして、ステップＳ２０２に処理が進められる。そしてステップＳ２０２では、吸気バルブ１０の開弁時期に必ずしもリンクさせないかたちで、燃料噴射終了時期ＩＮＪＥＮＤの算出が行われる。このときの燃料噴射終了時期ＩＮＪＥＮＤは、機関回転速度や機関負荷に基づいて、例えば燃料の霧化が最大限に促進されるような時期に設定される。

　一方、バルブタイミング進角量ＥＶＴが判定値α以下であれば（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、ステップＳ２０３において、機関冷却水温ＴＨＷが規定の判定値β以下であるか否かが判定される。ここでの判定値βには、燃料噴射の終了時期に拘らず、輝炎の発生を回避可能な機関冷却水温ＴＨＷの最低値がその値として設定されている。

　ここで機関冷却水温ＴＨＷが判定値βよりも高ければ（Ｓ２０３：ＮＯ）、輝炎発生の懸念は無いとして、上述のステップＳ２０２に処理が進められる。そして、そのステップＳ２０２において、吸気バルブ１０の開弁時期に必ずしもリンクさせないかたちで、燃料噴射終了時期ＩＮＪＥＮＤの算出が行われる。

　一方、機関冷却水温ＴＨＷが判定値β以下であれば（Ｓ２０３：ＹＥＳ）、輝炎の発生が懸念されることになる。そこでこのときには、ステップＳ２０４において、ベース時期ＥＩＶＯにバルブタイミング進角量ＥＶＴを加算した値が、すなわち吸気バルブ１０の開弁時期と一致する時期が、燃料噴射終了時期ＩＮＪＥＮＤとして算出される。

　以上説明した本実施の形態の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、上記（１）に記載の効果に加え、更に次の効果を奏することができる。

　（２）本実施の形態では、燃料噴射の終了時期を吸気バルブ１０の開弁時期と一致させる制御を、吸気バルブ１０の開弁時期が規定の時期よりも遅らされているときにのみ行っている。そのため、吸気バルブ１０の開弁時期が十分に早く、輝炎発生の懸念が無いときには、燃料噴射時期の自由な設定が許容されることになり、燃費やエミッション等の面で最適な燃料噴射時期の設定を行うことが可能となる。

　（３）本実施の形態では、燃料噴射の終了時期を吸気バルブ１０の開弁時期と一致させる制御を、機関冷間時にのみ行っている。そのため、機関温度が高く、輝炎発生の懸念が無いときには、燃料噴射時期の自由な設定が許容されることになり、燃費やエミッション等の面で最適な燃料噴射時期の設定を行うことが可能となる。

　以上説明した各実施の形態は、次のように変更して実施することもできる。

　・第２の実施の形態では、機関冷間時であることを機関冷却水温ＴＨＷに基づいて判断するようにしていたが、機関冷間時であるか否かの判断は、エンジンオイルの温度、あるいは機関始動からの経過時間や積算吸入空気量などの他のパラメーターに基づいても行うことが可能である。

　・第２の実施の形態では、吸気バルブ１０の開弁時期が規定の時期よりも遅らされ、かつ機関温度が低いときに、燃料噴射の終了時期を吸気バルブ１０の開弁時期と一致させるようにしていた。もっとも、機関温度に拘わらず、輝炎の発生の懸念がある場合には、燃料噴射の終了時期を吸気バルブ１０の開弁時期と一致させる制御を行うか否かの判断を、機関冷間時にあるか否かに依らず、吸気バルブ１０の開弁時期のみに基づいて行うようにしても良い。また、吸気バルブ１０の開弁時期に拘らず、輝炎の発生の懸念がある場合には、燃料噴射の終了時期を吸気バルブ１０の開弁時期と一致させる制御を行うか否かの判断を、吸気バルブ１０の開弁時期に依らず、機関温度のみに基づいて行うようにしても良い。

　・上記実施の形態では、吸気バルブ１０の開弁時期を可変とする可変動弁機構１１を備える内燃機関に本発明を適用した場合を説明したが、そうした可変動弁機構１１を備えていない内燃機関にも本発明は適用可能である。その場合の燃料噴射終了時期ＩＮＪＥＮＤは、固定値とすることができる。

　・上記実施の形態では、吸気バルブ１０の遅開き、遅閉じによりアトキンソンサイクルを実現する内燃機関に本発明を適用した場合を説明したが、吸気バルブ１０への燃料付着に起因した燃焼室２内での輝炎の発生が懸念される内燃機関であれば、アトキンソンサイクル運転を行わない内燃機関にも、本発明は適用することができる。

　１…吸気通路、２…燃焼室、３…排気通路、４…エアクリーナー、５…吸気温度センサー、６…エアフローメーター、７…スロットルモーター、８…スロットルバルブ、９…吸気ポートインジェクター、１０…吸気バルブ、１１…可変動弁機構、１２…点火プラグ、１３…排気バルブ、１４…空燃比センサー、１５…触媒コンバーター、１６…ＥＧＲ通路、１７…ＥＧＲクーラー、１８…ＥＧＲバルブ、１９…燃料タンク、２０…キャニスター、２１…パージバルブ、２２…電子制御ユニット、２３…クランクシャフト、２４…クランクポジションセンサー、２５…ノックセンサー、２６…スロットルセンサー。

Claims (6)

1. 　吸気ポート中に燃料を噴射する吸気ポートインジェクターを備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   　吸気バルブの開弁時期と一致するように燃料噴射の終了時期を制御する
   　ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 　前記内燃機関は、前記吸気バルブの遅開き、遅閉じによりアトキンソンサイクルを実現するものである
   　請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 　前記内燃機関は、前記吸気バルブの開弁時期を可変とする可変動弁機構を備える
   　請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 　前記燃料噴射の終了時期は、ベースとなる開弁時期からの前記吸気バルブの開弁時期の進角量に基づいて算出される
   　請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 　前記燃料噴射の終了時期を前記吸気バルブの開弁時期と一致させる制御は、前記吸気バルブの開弁時期が規定の時期よりも遅らされているときにのみ行われる
   　請求項３又は４に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 　前記燃料噴射の終了時期を前記吸気バルブの開弁時期と一致させる制御は、機関冷間時にのみ行われる
   　請求項３～５のいずれか１項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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