WO2012161127A1 - 筒内噴射式内燃機関の制御装置 - Google Patents

筒内噴射式内燃機関の制御装置 Download PDF

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a control device for a direct injection internal combustion engine.
  • a cylinder injection internal combustion engine that injects fuel directly into a combustion chamber is widely known.
  • the direct injection internal combustion engine directly injects fuel into a combustion chamber by a fuel injection valve, and aims to reduce exhaust gas substances and fuel consumption, improve output, and the like.
  • the injected fuel may adhere to the piston crown or cylinder bore wall depending on the fuel injection timing.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2002-161790 also reduces fuel adhesion to the cylinder bore wall surface by reducing the amount of fuel injection per time by performing fuel injection multiple times during one combustion cycle,
  • a technique for dispersing the spray by keeping the interval between the injections at a substantially constant crank angle with respect to changes in the operating conditions of the engine, that is, by increasing the injection interval at lower rotations and decreasing the injection interval at higher rotations. Is disclosed.
  • the injection timing Focusing on the number of PM exhaust particles, if the injection timing is advanced to reduce the amount of fuel adhering to and remaining on the cylinder bore wall surface, the amount of fuel adhering to and remaining on the piston crown surface will increase, and the number of PM exhaust particles will increase. End up. On the other hand, if the injection timing is retarded in order to suppress the increase in the number of PM exhaust particles, the amount of fuel adhering to and remaining on the cylinder bore wall surface increases and unburned gas increases.
  • the interval between injections is required in split injection, so it is compared with the case where fuel is injected only once during one combustion cycle.
  • the end timing of the injection is on the retard side.
  • the present invention provides a control apparatus for a direct injection internal combustion engine that splits and injects fuel into a combustion chamber a plurality of times during one combustion cycle.
  • a control device that controls to reduce at least the first injection amount ratio of the divided injection in comparison with the remaining injection amount ratio of the divided injection.
  • the amount of fuel adhering to and remaining on the piston crown and cylinder bore walls can be reduced, and the increase in the number of PM exhaust particles is suppressed. can do.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an overall control system for a direct injection engine according to an embodiment of the present invention. It is a block diagram which shows the input / output signal relationship of the engine control unit used with the system configuration
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the entire control system of a direct injection internal combustion engine 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the intake air taken in from the inlet of the air cleaner 102 passes through an intake air flow meter (air flow sensor) 103, passes through an electric throttle valve 104 that controls the intake air flow rate, and is distributed to intake pipes 105 connected to each cylinder. Then, it is introduced into the combustion chamber 106 of each cylinder.
  • the intake air flow meter 103 outputs a signal representing the intake air flow rate to the engine control unit 101.
  • a throttle opening sensor 107 for detecting the opening degree of the electric throttle valve 104 is attached, and the signal is also output to the engine control unit 101.
  • An intake air temperature sensor 118 for detecting the intake air temperature is attached to the intake pipe 105, and its signal is also output to the engine control unit 101.
  • the fuel is first pressurized by a low-pressure fuel pump (not shown) and then secondarily pressurized to a higher pressure by a high-pressure fuel pump 108, and from an injector 109 provided in each cylinder via a common rail 117. It is injected into the combustion chamber 106.
  • the fuel injected into the combustion chamber generates an air-fuel mixture with intake air, is ignited by the ignition plug 111 by the ignition energy from the ignition coil 110, and burns in the combustion chamber 106.
  • the exhaust gas discharged from the combustion chamber 106 is discharged to an exhaust pipe, and an EGR intake is formed in the middle of the exhaust pipe.
  • Part of the exhaust gas (EGR gas) flowing through the exhaust pipe flows from the EGR inlet through the EGR pipe 112 to the EGR control valve 113, and returns to the intake pipe 105 through the EGR outlet.
  • the EGR gas flow rate is adjusted by the EGR control valve 113.
  • An EGR gas flow rate sensor 114 for measuring the EGR gas flow rate is attached in the EGR pipe.
  • a flow rate detection signal of the EGR gas flow rate sensor is output to the engine control unit 101.
  • the crank angle sensor 116 attached to the crankshaft 115 of the engine outputs a signal indicating the rotational position of the crankshaft to the engine control unit 101.
  • FIG. 2 shows the input / output relationship of the engine control unit.
  • the engine control unit 101 includes an I / O LSI 101a including an A / D converter, a CPU 101b, and the like, and includes an airflow sensor 103, a throttle opening sensor 107, a crank angle sensor 116, a water temperature sensor 202, an air-fuel ratio sensor 203, and a fuel pressure sensor 204.
  • a predetermined control signal is supplied to the throttle valve 104, the high pressure pump solenoid 206, the ignition coil 110, and each injector 109, and common rail internal combustion pressure control, fuel injection amount control, ignition timing control, and the like are executed.
  • a drive circuit for driving each injector is provided in the I / OLSI, and the voltage supplied from the battery is boosted and supplied using a booster circuit (not shown), and the current is controlled by the IC (not shown). To drive each injector.
  • the horizontal axis of each figure represents the injection timing during the intake stroke of the engine based on the crank signal, TDC means the top dead center of the piston, and BDC means the bottom dead center of the piston.
  • TDC means the top dead center of the piston
  • BDC means the bottom dead center of the piston.
  • the fuel adhesion to the cylinder bore is relatively less affected by the amount of PM generated than the fuel adhesion to the piston crown.
  • the sum of the amount of fuel adhering to the piston crown and the amount of fuel adhering to the cylinder bore is minimized in the middle of the intake stroke. It is desirable to inject fuel.
  • the fuel injection timing at which the PM emission is minimized is in the middle of the intake stroke, whereas the fuel injection timing at which the fuel consumption rate and oil dilution amount are minimized is at the beginning of the intake stroke. It is desirable to reduce PM in an early fuel injection timing state.
  • FIG. 5 is used to explain the relationship between the number of divided injections and the PM emission amount.
  • the interval for performing the divided injection is too narrow, the effect of the divided injection cannot be obtained sufficiently and the PM emission amount cannot be reduced.
  • the PM emission amount it is indicated that it is necessary to make an interval between injections more than a predetermined interval.
  • the end timing of injection is retarded. If the end timing of the divided final injection is on the retard side of the predetermined crank angle, it may not be able to completely evaporate until ignition, and the homogeneity of the mixture in the cylinder tends to decrease. Have.
  • This figure shows a case where a fuel cut that temporarily stops fuel injection is performed due to operating conditions such as deceleration, idle stop, and motor driving of a hybrid vehicle, and then fuel injection is restarted with split injection at a certain number of times.
  • PM emissions are shown.
  • the amount of PM emission varies greatly depending on the duration of fuel cut. That is, when the fuel cut duration is short as shown in FIG. 9A, the PM emission amount is small, and as the fuel cut duration is long as shown in FIG. 9C, the PM emission amount tends to increase.
  • the fuel cut duration time is short, the fuel is injected in a state where the temperature of the cylinder inner wall surface including the piston crown surface is high, and the adhesion and remaining of the fuel are small due to the promotion of fuel vaporization.
  • the fuel cut duration time is long, the fuel is injected in a state where the temperature of the cylinder inner wall surface including the piston crown surface is lowered, the fuel vaporization becomes dull, and the fuel adheres and remains.
  • the amount of fuel adhering to the piston crown surface and the cylinder bore is closely related to the piston crown surface temperature and the cylinder bore wall surface temperature, and the fuel adhesion amount increases as the respective temperatures decrease.
  • the in-cylinder temperature including the piston crown surface decreases, the amount of fuel adhesion increases when fuel injection is resumed.
  • split injection in which fuel injection is performed a plurality of times during one combustion cycle is effective.
  • the first injection of the multiple injections is possible so that the amount of fuel adhering to and remaining on the cylinder bore wall surface is reduced. It is necessary to reduce the amount of fuel adhering to and remaining on the piston crown while advancing as much as possible.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the control contents of the divided multi-stage injection control according to the embodiment of the present invention.
  • the engine control unit 101 supplies a predetermined control signal to each injector 109 based on the injection pulse width and the injection timing calculated in the processing content of FIG. 8, and executes a plurality of fuel injections during one combustion cycle.
  • a total injection pulse width TI_TOTAL which is the total amount of fuel injected from each injector 109 during one combustion cycle.
  • the total injection pulse width TI_TOTAL is set according to the intake air amount measured by the airflow sensor 103, the air-fuel ratio set according to the operating state, the fuel pressure calculated using the signal of the fuel pressure sensor 204, and the like. .
  • the minimum injection pulse width TI_MIN is calculated.
  • the minimum injection pulse width is set from various characteristics such as fuel pressure characteristics, electrical characteristics, mechanical characteristics, and injector drive current waveform.
  • an injection interval which is an injection interval of each divided injection is calculated.
  • the injection interval is set to be equal to or greater than a predetermined interval from the viewpoint of fuel adhesion and the homogeneity of the air-fuel mixture and the aspect of securing the injector drive current.
  • the injection interval is too narrow, the fuel spray state is almost the same as that of the single injection, and the effect of the divided injection cannot be obtained and the fuel adhesion to the piston crown surface and the cylinder bore cannot be reduced.
  • the voltage in the booster circuit decreases every time the injector is driven, the injector drive circuit needs time to return to the original voltage. During this boost recovery time, it is necessary to wait for the next fuel injection. is there.
  • step 804 the division number N is set.
  • the division number N is determined by the engine speed and the engine load state parameter.
  • step 805 the counter n is initialized.
  • step 808 the injection timing of each injection of the divided multi-stage injection is set. Details of step 808 are shown in FIG.
  • step 807 injection pulse width of each injection
  • step 903 a time TMFC during which the fuel cut is continued is calculated.
  • a correction coefficient for the split injection ratio during fuel cut recovery is calculated according to the fuel cut duration TMFC.
  • the correction coefficient KFC is calculated by referring to a map MKFC as shown in FIG. 11 with the fuel cut duration TMFC calculated in step 903 and the piston crown surface temperature TAPI as inputs. Thereby, the division
  • the piston crown surface temperature TEPI is preferably estimated by constructing a thermal model using the intake air amount, air-fuel ratio, and ignition timing, but from the viewpoint of simplification of control, the water temperature sensor 202, oil temperature sensor 205, intake temperature sensor The map may be searched using the water temperature, oil temperature, and intake air temperature detected at 118 as input values. In calculating the correction coefficient KFC, either the fuel cut duration TMFC or the piston crown surface temperature TAPI may be input.
  • step 905 a correction amount KFCRA for returning to the fuel injection ratio in the normal state after the fuel cut recovery according to the fuel cut duration TMFC is calculated.
  • the recovery correction coefficient is calculated by referring to the map MKFCRA as shown in FIG. 12 with the fuel cut duration TMFC calculated in step 903 and the piston crown surface temperature TAPI as inputs. Thereby, it is possible to return to the normal injection ratio at an appropriate time according to the in-cylinder temperature together with the correction of the divided injection ratio.
  • the map MKFCRA is set in consideration of the fuel adhesion amount and vaporization rate due to the piston crown surface temperature TEPI. In calculating the correction amount KFCRA, either the fuel cut duration TMFC or the piston crown surface temperature TEPI may be input.
  • the piston crown surface temperature TEPI is preferably estimated by constructing a thermal model using the air amount, air-fuel ratio, and ignition timing, but from the viewpoint of simplification of control, the water temperature sensor 202, the oil temperature sensor 205, and the intake air temperature sensor 118 are used.
  • the map may be searched using the detected water temperature, oil temperature, and intake air temperature as input values.
  • it is determined whether or not it is the first injection of the divided injections.
  • step 907 the process proceeds to step 907 to calculate the first injection amount.
  • the first injection amount TI_1 is calculated by the following formula (1) using TIB as an upper limit value.
  • TI_1 TIB ⁇ KFC + KFCRA (1)
  • the second and subsequent injection amounts TI_n are calculated by the following equation (2).
  • TI_n TIB + (TIB-TI_1) / N (2) Details of step 808 (setting injection timing) in FIG. 8 will be described with reference to FIG.
  • step 1001 basic injection timing is calculated.
  • the basic injection timing ITB is calculated by referring to a map MITB as shown in FIG. 13 by using the divided basic fuel injection amount TIB calculated in step 901 of FIG. 9 and the piston crown surface temperature TEPI as inputs.
  • the map MITB is set in consideration of the influence of the fuel adhesion amount and vaporization rate due to the piston crown surface temperature TEPI.
  • the crown surface temperature TEPI is preferably estimated by configuring a thermal model using the air amount, air-fuel ratio, ignition timing, etc., but from the viewpoint of simplification of control, the water temperature sensor 202, the oil temperature sensor 205, The map may be searched using the water temperature, oil temperature, and intake air temperature detected by the intake air temperature sensor 118 as input values. Further, the fuel cut duration TMFC may be input instead of the crown surface temperature TEPI or in combination with the crown surface temperature TAPI.
  • the post-division injection pulse width TI_ (n ⁇ 1) and the injection interval TI_INT calculated in step 803 in FIG. 8 are added to the previous IT_ (n ⁇ 1) to calculate the nth injection start possible angle IT_n.
  • FIGS. 8 to 13 A specific control example when configured as shown in FIGS. 8 to 13 will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 14 is a diagram showing the injection ratio at the time of split injection when the fuel cut duration is short
  • FIG. 15 is a diagram when the fuel cut duration is long.
  • FIG. 15 where the fuel cut duration is long compared to FIG. 14 where the fuel cut duration is short, the first injection ratio is decreased, and the decreased amount is increased by the second injection ratio.
  • two injections are shown as an example, but the same applies regardless of the number of injections, and the first decrease is added to the second and subsequent injections.
  • the timing among the injections divided into a plurality of times is faster at the timing when the fuel injection is restarted from the fuel cut state. Since the injection amount ratio of the timing injection is set according to the fuel cut duration, the fuel amount adhering to and remaining on the piston crown surface can be reduced while advancing the early injection as much as possible, and the number of PM exhaust particles Can be suppressed.

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Abstract

　１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する場合に、ＰＭ排出粒子数の増大を抑制するように、ピストン冠面およびシリンダボア壁面に付着、残留する燃料量を低減する筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供する。１燃焼サイクル中に噴射する燃料を複数回に分割する分割多段噴射において、燃料カット状態から燃料噴射を再開するタイミングで、複数回に分割された各噴射のうち早いタイミングの噴射の噴射量割合を燃料カット継続時間に応じて設定する。

Description

筒内噴射式内燃機関の制御装置
　本発明は、筒内噴射式内燃機関の制御装置に関する。
　燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射式内燃機関が広く知られている。筒内噴射式内燃機関は、燃料噴射弁により燃焼室内に直接燃料噴射を行うものであり、排出ガス物質及び燃料消費量の削減、出力の向上等を図っている。
　筒内噴射式内燃機関では、燃料噴射タイミングによっては、噴射された燃料がピストン冠面や、シリンダボア壁面に付着する場合がある。
　シリンダボア壁面に付着、残留した燃料量が多いと、点火までの間に完全に気化できないことがあり、未燃ガスが増大する傾向にある。そのため、例えば、特開２００９－１０２９９７号公報や、特開２００９－１０２９９８号公報には、シリンダボア壁面温度が低い場合に、燃料がピストン冠面上に広がって気化しやすくなるように吸気行程におけるインジェクタからの燃料噴射タイミングを変更する技術が開示されている。
　また、特開２００２－１６１７９０号公報には、１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射を実行することで１回あたりの燃料噴射量を小さくすることで、シリンダボア壁面への燃料付着を低減し、かつ、エンジンの運転条件の変化に対し、噴射と噴射の間隔を概略クランク角度一定に保つ、すなわち、低回転ほど噴射間隔を長く、高回転ほど噴射間隔を短くすることで、噴霧を分散させる技術が開示されている。
　一方、ピストン冠面やシリンダボア壁面に付着、残留した燃料量が多いと、粒子状物質（以下ＰＭ）の排出粒子数が増大する傾向がある。特に、ピストン冠面に付着した燃料量が多いとＰＭ排出粒子数が増大する傾向にある。近年では、大気汚染や人間の健康に与える影響から、筒内噴射式内燃機関に対して、ＰＭ排出粒子数を低減する必要性が高まっている。
特開２００９－１０２９９７号公報 特開２００９－１０２９９８号公報 特開２００２－１６１７９０号公報
　ＰＭ排出粒子数に着目すると、シリンダボア壁面に付着、残留する燃料量を低減させるために噴射タイミングを進角すると、ピストン冠面に付着、残留する燃料量が増大し、ＰＭ排出粒子数が増大してしまう。一方、ＰＭ排出粒子数の増大を抑制するために噴射タイミングを遅角させると、シリンダボア壁面に付着、残留する燃料量が増大し、未燃ガスが増大してしまう。
　また、１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する分割噴射の場合、分割噴射においては噴射と噴射の間隔が必要となるため、１燃焼サイクル中に１回のみ燃料を噴射する場合に比較して、噴射の終了時期が遅角側となる。その結果、点火されるまでの間に噴射した燃料を完全に気化できないことがあり、筒内の混合気の均質度が低下してしまう。
　本発明の目的は、筒内噴射式内燃機関において、１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する場合に、ＰＭ排出粒子数の増大を抑制するように、ピストン冠面およびシリンダボア壁面に付着、残留する燃料量を低減する筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することにある。
　かかる目的を達成すべく、本発明では、１燃焼サイクル中に複数回、燃焼室内へ燃料を分割噴射する筒内噴射式内燃機関の制御装置において、車両の運転状態に応じて前記燃焼室内への燃料噴射を一時的に停止した後、前記燃焼室内への燃料噴射を再開するときに、燃料噴射を停止してから再開するまでの燃料カット期間が長い場合は、前記燃料カット期間が短い場合よりも、前記分割噴射のうち少なくとも初回の噴射量割合を前記分割噴射の残りの噴射量割合と比較して減少させるよう制御することを特徴とする制御装置を提供する。
　本発明によれば、１燃焼サイクル中に噴射する燃料を複数回に分割する分割多段噴射において、ピストン冠面およびシリンダボア壁面に付着、残留する燃料量を低減でき、ＰＭ排出粒子数の増大を抑制することができる。
本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジンの制御システム全体の構成概略図である。 本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジン制御装置の一実施の形態を示すシステム構成にて用いられる、エンジン制御ユニットの入出力信号関係を示すブロック線図である。 燃料噴射タイミングに対する、燃料付着量とＰＭ排出量の関係を示す図である。 燃料噴射タイミングに対する、ＰＭ排出量と燃費率とオイル希釈量の関係を示す図である。 分割噴射回数と、ＰＭ排出量の関係を示す図である。 分割噴射間隔と、ＰＭ排出量の関係を示す図である。 燃料カット継続時間と、ＰＭ排出量の関係を示す図である。 本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジンの分割多段噴射制御の制御内容を示すフローチャートである。 図８に図示の分割噴射量設定の処理内容を示すフローチャートである。 図８に図示の分割噴射タイミングの処理内容を示すフローチャートである。 図９に図示の分割噴射量を算出するためのマップ関数を示す図である。 図９に図示の分割噴射量を算出するためのマップ関数を示す図である。 図１０に図示の噴射タイミングを算出するためのマップ関数を示す図である。 本発明の一実施例形態による分割多段噴射制御の制御例を示す図である。 本発明の一実施例形態による分割多段噴射制御の制御例を示す図である。
１　筒内噴射式内燃機関
１０１　エンジン制御ユニット
１０２　エアクリーナ
１０３　エアフロセンサ
１０４　電制スロットル弁
１０５　吸気管
１０６　燃焼室
１０７　スロットル開度センサ
１０８　高圧燃料ポンプ
１０９　インジェクタ
１１０　点火コイル
１１１　点火プラグ
１１２　ＥＧＲ管
１１３　ＥＧＲ制御弁
１１４　ＥＧＲガス流量センサ
１１５　クランク軸
１１６　クランク角センサ
１１７　コモンレール
１１８　吸気温センサ
２０１　カム角センサ
２０２　水温センサ
２０３　空燃比センサ
２０４　燃圧センサ
２０５　油温センサ
２０６　高圧ポンプソレノイド
２０７　低圧燃料ポンプ
　以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
　図１は、本発明の一実施形態をなす、筒内噴射式内燃機関１の制御システム全体の構成概略図である。エアクリーナ１０２の入口部から取り入れられた吸入空気は、吸入空気流量計（エアフロセンサ）１０３を通り、吸入空気流量を制御する電制スロットル弁１０４を通って各シリンダに接続された吸気管１０５に分配された後、各シリンダの燃焼室１０６に導入される。また、前記吸入空気流量計１０３からは、前記吸入空気流量を表す信号がエンジン制御ユニット１０１に出力される。前記電制スロットル弁１０４の開度を検出するスロットル開度センサ１０７が取り付けられており、その信号もエンジン制御ユニット１０１に出力される。また、前記吸気管１０５には吸入空気温度を検出する吸気温センサ１１８が取り付けられており、その信号もエンジン制御ユニット１０１に出力される。
　燃料は、低圧燃料ポンプ（図示せず）により１次加圧された後、高圧燃料ポンプ１０８で更に高い圧力に２次加圧され、コモンレール１１７を介して各シリンダに設けられているインジェクタ１０９から燃焼室１０６に噴射される。前記燃焼室に噴射された燃料は、吸入空気との混合気を生成し、点火コイル１１０からの点火エネルギにより点火プラグ１１１で着火され、燃焼室１０６内で燃焼する。
　燃焼室１０６より排出する排気ガスは排気管へ排出され、排気管の途中には、ＥＧＲ取入口が形成されている。排気管を流れる排気ガスの一部（ＥＧＲガス）は、ＥＧＲ取入口よりＥＧＲ管１１２を通ってＥＧＲ制御弁１１３へ流れ、ＥＧＲ取出口を経て吸気管１０５内に還流する。
　ＥＧＲガス流量はＥＧＲ制御弁１１３によって調節される。ＥＧＲ管内にはＥＧＲガス流量を計測するためのＥＧＲガス流量センサ１１４が取り付けられる。ＥＧＲガス流量センサの流量検出信号はエンジン制御ユニット１０１に出力する。
　エンジンのクランク軸１１５に取り付けられたクランク角センサ１１６は、クランク軸の回転位置を表す信号をエンジン制御ユニット１０１に出力する。
　図２にエンジン制御ユニットの入出力関係を示す。エンジン制御ユニット１０１は、Ａ／Ｄ変換器を含むＩ／ＯＬＳＩ１０１ａ、ＣＰＵ１０１ｂ等から構成され、エアフロセンサ１０３、スロットル開度センサ１０７、クランク角センサ１１６、水温センサ２０２、空燃比センサ２０３、燃圧センサ２０４、油温センサ２０５、ＥＧＲガス流量センサ１１４を含む各種センサ等からの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行し、演算結果として算出された各種の制御信号を出力し、アクチュエータである電制スロットル弁１０４、高圧ポンプソレノイド２０６、点火コイル１１０、各インジェクタ１０９に所定の制御信号を供給し、コモンレール内燃圧制御、燃料噴射量制御及び点火時期制御等を実行するものである。Ｉ／ＯＬＳＩには各インジェクタを駆動する駆動回路が設けられており、バッテリから供給される電圧を昇圧回路（図示しない）を用いて昇圧して供給し、ＩＣ（図示しない）によって電流制御することによって各インジェクタを駆動する。
　図３を用いて、燃料噴射タイミングとＰＭ排出量の関係を説明する。
　これは、燃料を１燃焼サイクル中に１回噴射した場合の、噴射タイミングに対する、ピストン冠面への燃料付着量、シリンダボアへの燃料付着量、ＰＭ排出量の関係を表している。各図の横軸はクランク信号に基づく、エンジンの吸気行程中の噴射タイミングを表しており、ＴＤＣはピストンの上死点、ＢＤＣはピストンの下死点を意味する。燃料噴射タイミングが早すぎる場合（ＴＤＣに近い）、ピストン冠面への燃料付着量が増大し、ＰＭ発生量も増大する傾向にある。一方、燃料噴射タイミングが遅すぎる（ＢＤＣに近い）場合、シリンダボアへの燃料付着量が増大し、これもＰＭ発生量が増大する傾向にある。このように、筒内噴射式内燃機関において、シリンダボア壁面に付着、残留する燃料量を低減させるために噴射タイミングを進角すると、ピストン冠面に付着、残留する燃料量が増大し、ＰＭ排出粒子数が増大する傾向となる。一方、ＰＭ排出粒子数の増大を抑制するために噴射タイミングを遅角させると、シリンダボア壁面に付着、残留する燃料量が増大し、未燃ガスが増大する傾向となる。
　なお、ピストン冠面への燃料付着に対して、シリンダボアへの燃料付着は、ＰＭ発生量の影響が比較的に少ない。
　燃料を１燃焼サイクル中に１回噴射した場合のＰＭ発生量を最小限に抑えるためには、ピストン冠面への燃料付着量とシリンダボアへ燃料付着量との合計が最も少なくなる吸気行程中期に燃料を噴射させることが望ましい。
　図４を用いて、ＰＭ排出量，燃料消費率，オイル希釈量の関係を説明する。
　これは、燃料噴射タイミングを変化させた場合のＰＭ排出量、燃料消費率、オイル希釈量である。ＰＭ排出量が最少となる燃料噴射タイミングは、吸気行程中期であるのに対し、燃料消費率、オイル希釈量が最少となる燃料噴射タイミングは、吸気行程初期であり、すべてを最良とするためには、早い燃料噴射タイミング状態でＰＭを低減させることが望ましい。
　図５を用いて、分割噴射回数とＰＭ排出量の関係を説明する。
　これは、１燃焼サイクル中に必要な燃料量を複数回に分割して燃料を噴射した場合の、分割回数に対するＰＭ排出量を示している。分割回数を増やす毎に分割噴射１回当たりの燃料噴射量が減少するため、ピストン冠面への燃料付着が減少し、ＰＭ排出量が減少している。
　図６を用いて、分割噴射の間隔とＰＭ排出量の関係を説明する。
　分割噴射を行う間隔が狭すぎると、十分に分割噴射の効果が得られず、ＰＭ排出量の低減が図れない。ＰＭ排出量を低減させるためには、ある所定間隔以上に噴射と噴射の間隔を空ける必要があることを示している。
　このように、分割噴射においては噴射と噴射の間隔を空けることがＰＭ排出量の低減には有効となる。しかしながら、１燃焼サイクル中に１回のみ燃料を噴射する場合に比較して、噴射の終了時期は遅角側となる。分割した最終回の噴射の終了時期が所定のクランク角度よりも遅角側となると、点火されるまでの間に完全に気化できないことがあり、筒内の混合気の均質度が低下する傾向を持つ。
　図７を用いて、燃料カット継続時間とＰＭ排出量の関係を説明する。
　この図は、減速、アイドルストップ、ハイブリッド車両のモータ走行等の運転状態により燃料噴射を一時的に停止する燃料カットが行われ、その後に再度燃料噴射をある分割回数による分割噴射で再開した場合のＰＭ排出量を示している。燃料カットが継続した時間により、ＰＭ排出量が大きく異なる。つまり、図中（Ａ）のように燃料カット継続時間が短いとＰＭ排出量は少なく、図中（Ｃ）のように燃料カット継続時間が長い程ＰＭ排出量は多くなる傾向にある。燃料カット継続時間が短い場合は、ピストン冠面を含めた筒内壁面温度が高い状態に燃料が噴射され、燃料の気化促進により燃料の付着、残留が少ない。一方、燃料カット継続時間が長い場合は、ピストン冠面を含めた筒内壁面温度が低下した状態に燃料が噴射され、燃料の気化が鈍くなり、燃料の付着、残留が多くなる。
　このように、ピストン冠面及びシリンダボアへの燃料付着量はピストン冠面温度及びシリンダボア壁面温度と密接な関係があり、それぞれの温度が低いほど燃料付着量は増大する。特に燃料カットを実行した場合、ピストン冠面を含めた筒内温度が低下すると、燃料噴射を再開した際に燃料付着量が増大する。
　以上の通り、ＰＭ排出量を抑制するためには、１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する分割噴射が有効である。筒内温度が低下しているタイミング、特に燃料カット状態から燃料噴射を再開するタイミングでは、シリンダボア壁面に付着、残留する燃料量が低減するように、複数回噴射のうち１回目の噴射を可能な限り進角しつつ、かつ、ピストン冠面に付着、残留する燃料量を低減することが必要になる。
　次に、図８～図１１を用いて、本実施形態による内燃機関の分割多段噴射制御の具体的な制御内容について説明する。
　図８は、本発明の一実施形態による、分割多段噴射制御の制御内容を示すフローチャートである。
　エンジン制御ユニット１０１の図示しないＲＯＭ等の記憶領域にプログラミングされており、あらかじめ定められた周期、もしくは運転状態に応じた所定周期で読み出され、ＣＰＵ１０１ｂにおいて繰り返し実行される。エンジン制御ユニット１０１は図８の処理内容で算出された、噴射パルス幅と、噴射タイミングに基づき、各インジェクタ１０９に所定の制御信号を供給し、１燃焼サイクル中に複数の燃料噴射を実行する。
　ステップ８０１では、各インジェクタ１０９から１燃焼サイクル中に噴射する総燃料量である、合計噴射パルス幅ＴＩ_ＴＯＴＡＬを設定する。合計噴射パルス幅ＴＩ_ＴＯＴＡＬは、エアフロセンサ１０３にて計量する吸入空気量や、運転状態等に応じて設定される空燃比、燃圧センサ２０４の信号を用いて算出される燃圧等に応じて設定される。
　ステップ８０２では、最小噴射パルス幅ＴＩ_ＭＩＮを算出する。ここで、最小噴射パルス幅は、インジェクタ１０９の燃圧特性、電気特性、機械特性、及びインジェクタの駆動電流波形等の諸特性から設定する。
　ステップ８０３では、分割した各噴射の噴射インターバルである噴射間隔を算出する。噴射間隔は、燃料付着及び混合気の均質性の面と、インジェクタ駆動電流確保の面から、ある所定間隔以上を設定する。噴射間隔が狭すぎると１回噴射とほぼ同様の燃料噴霧状態となり、分割噴射の効果が得られずにピストン冠面、シリンダボアへの燃料付着を低減できない。また、インジェクタ駆動回路は、インジェクタを駆動する度に昇圧回路内の電圧が低下するため、元の電圧まで復帰する時間が必要であり、この昇圧復帰時間中は、次の燃料噴射を待つ必要がある。
　ステップ８０４では、分割数Ｎの設定を行う。分割数Ｎはエンジン回転数、エンジン負荷状態パラメータにより決定する。
　ステップ８０５では、カウンタｎの初期化を行う。
　ステップ８０６では、カウンタｎが分割数Ｎよりも大きいか否かの判定を行い、大きい場合（ｎ＝１～Ｎまでの設定が完了）は処理を終了する。カウンタｎが分割数Ｎ以下の場合はステップ８０７以降の処理を行う。
　ステップ８０７では、各噴射の噴射パルス幅ＴＩ_ｎ（ｎ＝１～Ｎ）の算出を行う。ステップ８０７の詳細は図９に示す。
　ステップ８０８では、分割多段噴射の各噴射の噴射タイミングの設定を行う。ステップ８０８の詳細は図１０に示す。
　ステップ８０９では、カウンタｎのインクリメント処理を行い、ステップ８０６に戻る。このようにしてｎ＝１～Ｎまでの処理を繰り返し、各噴射パルス幅と各噴射タイミングを設定する。
　図９を用いて、図８のステップ８０７（各噴射の噴射パルス幅）の詳細について説明する。
　ステップ９０１では、分割される各噴射の基本噴射パルス幅ＴＩＢ（ｎ＝１～Ｎ）の算出を行う。ステップ８０１で算出した合計噴射パルス幅ＴＩ_ＴＯＴＡＬと、ステップ８０４で算出された分割数Ｎを用いて、ＴＩ_ＴＯＴＡＬ÷Ｎの除算を実行して算出する。
　ステップ９０２では、燃料カットリカバ時制御中か否かの判定を行う。燃料カットリカバ制御中でなければ、分割される各噴射ＴＩ_ｎ（ｎ＝１～Ｎ）＝ＴＩＢとして終了する。燃料カットリカバ時制御中の場合はステップ９０３に進む。
　ステップ９０３では、燃料カットが継続された時間ＴＭＦＣを算出する。
　ステップ９０４では、燃料カット継続時間ＴＭＦＣに応じて、燃料カットリカバ時の分割噴射割合の補正係数を算出する。ステップ９０３で算出した燃料カット継続時間ＴＭＦＣと、ピストン冠面温度ＴＥＰＩを入力として、図１１に示すようなマップＭＫＦＣを参照することによって、補正係数ＫＦＣを算出する。これにより、筒内温度に応じた分割噴射割合の補正が可能になる。
　ピストン冠面温度ＴＥＰＩは、吸入空気量、空燃比、点火時期を用いた熱モデルを構成して推定する方法が望ましいが、制御簡略化の観点から水温センサ２０２、油温センサ２０５、吸気温センサ１１８で検出した水温、油温、吸気温を入力値として、マップを検索する構成としても良い。なお、補正係数ＫＦＣの算出にあたっては、燃料カット継続時間ＴＭＦＣと、ピストン冠面温度ＴＥＰＩのいずれかを入力としてもよい。
　ステップ９０５では、燃料カット継続時間ＴＭＦＣに応じた、燃料カットリカバ後から通常状態の燃料噴射割合に復帰させる補正量ＫＦＣＲＡを算出する。ステップ９０３で算出した燃料カット継続時間ＴＭＦＣと、ピストン冠面温度ＴＥＰＩを入力として、図１２に示すようなマップＭＫＦＣＲＡを参照することによって、復帰補正係数を算出する。これにより、分割噴射割合の補正に併せ、筒内温度に応じて適切な時期に通常噴射割合に復帰することができる。
　マップＭＫＦＣＲＡは、ピストン冠面温度ＴＥＰＩによる燃料付着量、気化率の影響を考慮して設定する。なお、補正量ＫＦＣＲＡの算出にあたっては、燃料カット継続時間ＴＭＦＣと、ピストン冠面温度ＴＥＰＩのいずれかを入力としてもよい。
　ピストン冠面温度ＴＥＰＩは、空気量、空燃比、点火時期を用いた熱モデルを構成して推定する方法が望ましいが、制御簡略化の観点から水温センサ２０２、油温センサ２０５、吸気温センサ１１８で検出した水温、油温、吸気温を入力値として、マップを検索する構成としても良い。ステップ９０６では、分割噴射のうち、１回目の噴射か否かの判定を行う。
　ｎ＝１の場合、ステップ９０７に進み、１回目の噴射量を算出する。
　１回目の噴射量ＴＩ_１は、ＴＩＢを上限値として下記式（１）により算出する。
　　ＴＩ_１＝ＴＩＢ×ＫＦＣ＋ＫＦＣＲＡ　　　　　　　　　　…式（１）
　ｎ≠１の場合、ステップ９０８に進み、２回目以降の噴射量を算出する。
　２回目以降の噴射量ＴＩ_ｎは、下記式（２）により算出する。
　　ＴＩ_ｎ＝ＴＩＢ＋（ＴＩＢ－ＴＩ_１）／Ｎ　　　　　　　…式（２）
　図１０を用いて、図８のステップ８０８（噴射タイミング設定）の詳細について説明する。
　ステップ１００１では、基本噴射タイミングを算出する。
　図９のステップ９０１で算出した分割基本燃料噴射量ＴＩＢと、ピストン冠面温度ＴＥＰＩを入力として、図１３に示すようなマップＭＩＴＢを参照することによって、基本噴射タイミングＩＴＢを算出する。マップＭＩＴＢは、ピストン冠面温度ＴＥＰＩによる燃料付着量、気化率の影響を考慮して設定する。また、冠面温度ＴＥＰＩは、空気量、空燃比、点火時期などを用いて、熱モデルを構成して推定する方法が望ましいが、制御簡略化の観点から、水温センサ２０２、油温センサ２０５、吸気温センサ１１８で検出した水温、油温、吸気温を入力値として、マップを検索する構成としても良い。また、冠面温度ＴＥＰＩに代えて、または冠面温度ＴＥＰＩと併せて燃料カット継続時間ＴＭＦＣを入力としてもよい。
　ステップ１００２では、１サイクルにおける分割噴射のうち、１回目の噴射タイミングの設定か否かの判定を行う。ｎ＝１の場合、ステップ１００４に進み、１回目の噴射タイミングＩＴ_１＝ＩＴＢとして終了する。ｎ≠１の場合（２回目以降の場合）、ステップ１００３に進み、ｎ回目噴射開始可能角度ＩＴ_ｎを算出する。前回ＩＴ_（ｎ－１）に、分割後噴射パルス幅ＴＩ_（ｎ－１）と図８のステップ８０３で算出した噴射間隔ＴＩ_ＩＮＴを加算して、ｎ回目噴射開始可能角度ＩＴ_ｎを算出する。
　図１４から図１５を用いて、図８から図１３に示すようにして構成したときの具体的な制御例について説明する。
　図１４は燃料カット継続時間が短い場合、図１５は燃料カット継続時間が長い場合の分割噴射時の噴射割合を示した図である。燃料カットが開始されると、燃料カット継続カウンタがカウントアップを開始し、燃料が再噴射されるとカウントアップを停止して燃料カット継続時間を算出する。
　燃料カット継続時間が短い図１４に対して、燃料カット継続時間が長い図１５では、１回目の噴射割合を減少させ、減少された分を２回目の噴射割合を増加させる。ここでは、２回噴射を例に示しているが、噴射回数によらず同様であり、１回目の減少分は２回目以降の噴射分に追加される。
　このように構成することで、１燃焼サイクル中に噴射する燃料を複数回に分割する分割多段噴射において、燃料カット状態から燃料噴射を再開するタイミングで、複数回に分割された各噴射のうち早いタイミングの噴射の噴射量割合を燃料カット継続時間に応じて設定するため、早いタイミングの噴射を可能な限り進角しつつ、ピストン冠面に付着、残留する燃料量を低減でき、ＰＭ排出粒子数の増大を抑制することができる。

Claims (9)

  1. 　１燃焼サイクル中に複数回、燃焼室内へ燃料を分割噴射する筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
    　車両の運転状態に応じて前記燃焼室内への燃料噴射を一時的に停止した後、前記燃焼室内への燃料噴射を再開するときに、
    　燃料噴射を停止してから再開するまでの燃料カット期間が長い場合は、前記燃料カット期間が短い場合よりも、
    　前記分割噴射のうち少なくとも初回の噴射量割合を前記分割噴射の残りの噴射量割合と比較して減少させるよう制御することを特徴とする制御装置。
  2. 　１燃焼サイクル中に複数回、燃焼室内へ燃料を分割噴射する筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
    　車両の運転状態に応じて前記燃焼室内への燃料噴射を一時的に停止した後、前記燃焼室内への燃料噴射を再開する時に、
    　前記燃焼室のピストン冠面の推定温度が低い場合は、前記推定温度が高い場合よりも、
    　前記分割噴射のうち少なくとも初回の噴射量割合を前記分割噴射の残りの噴射量割合と比較して減少させるよう制御することを特徴とする制御装置。
  3. 　請求項１または２に記載の制御装置において、
    　減少するよう制御された前記分割噴射のうち少なくとも初回の噴射量割合は、
    　前記燃料カット期間、または前記推定温度の少なくとも一方に基づいて設定された復帰時間経過後に、燃料噴射を再開する時以外の通常時の燃料噴射量割合へ復帰させることを特徴とする制御装置。
  4. 　請求項３に記載の制御装置において、
    　前記燃料カット期間が長いほど、または前記推定温度が低いほど、
    　前記復帰時間を長く設定することを特徴とする制御装置。
  5. 　請求項３に記載の制御装置において、
    　前記推定温度は、前記筒内噴射式内燃機関の冷却水温度、潤滑油温度、吸入空気温度、前記燃料カット期間中の吸入空気量、空燃比、点火時期のうち少なくとも一つに基づいて推定されることを特徴とする制御装置。
  6. 　請求項３に記載の制御装置において、
    　燃料噴射を再開する時、
    　前記燃料カット期間が長いほど、または前記推定温度が低いほど、
    　前記分割噴射のうち少なくとも初回の噴射タイミングを遅角させることを特徴とする制御装置。
  7. 　請求項３に記載の制御装置において、
    　少なくとも前記推定温度に基づいて、前記分割噴射のうち少なくとも初回の噴射量割合を前記分割噴射の残りの噴射量割合と比較して減少させるよう制御することを特徴とする制御装置。
  8. 　請求項３に記載の制御装置において、
    　少なくとも前記燃料カット期間に基づいて、前記復帰時間を設定することを特徴とする制御装置。
  9. 　請求項３に記載の制御装置において、
    　少なくとも前記推定温度に基づいて、前記復帰時間を設定することを特徴とする制御装置。
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