JP4100806B2 - 筒内噴射式内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも吸気行程中に燃料噴射を行なう吸気行程噴射モードを有する筒内噴射式内燃機関に用いて好適の、筒内噴射式内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃焼室内に直接燃料噴射が可能な筒内噴射式内燃機関が実用化されている。この種の内燃機関では、燃焼室内に直接燃料を噴射するという特徴により、吸気行程初期から圧縮行程後期までの広い範囲での燃料供給が可能になっている。ところで、内燃機関における燃料噴射量は、燃焼室内に吸入される空気量を計測し、計測した吸入空気量に基づき算出される。例えば、筒内噴射式内燃機関の場合には、吸気行程中に燃料噴射を行なう吸気行程噴射モードでは、排気行程中に計測した空気量に基づき燃料噴射量が設定される。
しかしながら、加速時などにおいて、吸入空気量の計測後、吸気行程中に空気量が増加してしまった場合には、空燃比が設定よりもリーン化してしまうことになる。
【０００３】
この点に関し、特公平7 −59910 号公報では、吸気行程終了付近でシリンダ内に吸入された空気量を検出し、検出した空気量から燃料噴射量の不足分を演算して、演算結果に基づき不足分の燃料を圧縮行程中に直接シリンダ内に噴射する技術について提案されている。また、吸入空気量の検出方法としては、筒内圧力センサにより検出した筒内圧力と吸気温センサにより検出した吸気温とから演算する方法や、負圧センサで検出した吸気弁が閉じる直前の吸気管負圧と吸気温センサにより吸気温とから演算する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の技術では、以下のような課題がある。
すなわち、上述の技術のように、吸気行程終了付近で吸入空気量を検出し、不足分の燃料を圧縮行程中に噴射した場合には、吸入空気量の検出精度を上げて不足燃料量を正確に演算できるという利点がある反面、吸気行程で噴射された主噴射の予混合気と追加燃料との混合が十分に促進されない虞がある。特に、追加燃料の噴射が圧縮行程末期に近づくほど、燃料の混合は不十分になってしまう。このため、スモークが発生したりノックが生じたりして排ガス性能が悪化する可能性が高い。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、主噴射の予混合気と追加燃料との混合を促進して排ガス性能の悪化を防止できるようにした、筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の筒内噴射式内燃機関の制御装置では、少なくとも吸気行程中に燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射式内燃機関の制御装置において、該燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、該機関の運転状態に基づき燃料の噴射量を算出する噴射量算出手段と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、該噴射量算出手段により算出された量の燃料を該燃焼室内に噴射するよう該燃料噴射手段を制御する第一燃料噴射制御手段と、該第一燃料噴射制御手段による燃料の噴射後、該吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量に基づいて燃料の補正量を算出する補正量算出手段と、
該補正量算出手段により算出された量の補正用燃料を該燃焼室内に噴射するよう該燃料噴射手段を制御する第二燃料噴射制御手段と、をそなえ、該補正量算出手段による燃料の補正量の算出にかかる吸入空気量の検出及び燃料の補正量の算出並びに該補正用燃料の噴射開始は、いずれも、１８５°ＢＴＤＣ時点から吸気行程終了時の１８０°ＢＴＤＣまでの間に実行される。
【０００７】
これにより、吸気行程での吸入空気量の増加による燃料の不足が解消されるとともに、燃焼室内に噴射された予混合気と補正燃料との混合が十分に促進され、排ガス性能の悪化が防止される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図１〜図４は本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置を示すものである。
まず、本制御装置が適用される筒内噴射式内燃機関の概要について説明すると、本筒内噴射式内燃機関は、吸気，圧縮，膨張，排気の各行程を一作動サイクル中にそなえる内燃機関、即ち４サイクルエンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料を直接噴射可能なエンジンである。燃料噴射の態様としては、予混合燃焼によるストイキオ運転（理論空燃比運転）を実現し、出力を向上させるために吸気行程中に燃料噴射を行なうストイキオモードと、予混合燃焼によるリーン運転を実現し、緩加速による出力を得るために吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行なう前期リーン噴射モードと、層状燃焼によるリーン運転を実現し、さらに燃費を向上させるために圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）で燃料噴射を行なう後期リーン噴射モードとが設けられており、運転状態に応じて選択されるようになっている。
【０００９】
本筒内噴射式内燃機関の概略構成について説明すると、図１に示すように、本筒内噴射式内燃機関（以下、エンジンという）１のシリンダヘッド２には、吸気通路４および排気通路５が燃焼室３に連通しうるように接続されている。吸気通路４と燃焼室３とは吸気弁６によって連通制御されるとともに、排気通路５と燃焼室３とは排気弁７によって連通制御されるようになっている。また、シリンダヘッド２には、燃焼室３の頂部中央に点火プラグ８がそなえられており、吸気通路３側には、インジェクタ（燃料噴射手段）９が、その開口を燃焼室３に臨ませるように配置されている。このインジェクタ９には、図示しない高圧ポンプにより加圧された燃料が供給されるようになっている。
【００１０】
吸気通路４には、各気筒の燃焼室３内に吸入空気を導入するための吸気マニホールド１１が、燃焼室３に対して比較的直立して設けられた吸気ポート１０に接続されている。吸気マニホールド１１の上流には、エアクリーナ１３およびスロットルバルブ１２が設けられており、スロットルバルブ１２にはその開度を検出するためのスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１４が付設されている。また、エアクリーナ１３とスロットルバルブ１２との間には、吸入空気流量Ａを検出するためのエアフローセンサ（ＡＦＳ）１５がそなえられている。
【００１１】
一方、排気通路５には、各気筒の燃焼室３から排出された排ガスを一つに集合させる排気マニホールド１７が排気ポート１６に連接されている。排気マニホールド１７の下流側には排気浄化装置１８および図示しないマフラ (消音器）が設けられている。排気浄化装置１８には、ＮＯx 触媒及び三元触媒がそなえられており、排出ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯx ）を浄化するようになっている。
【００１２】
また、クランクシャフト１９には、クランク角度センサ２０がそなえられている。このクランク角度センサ２０はクランクシャフト１９の回転の１８０°を１周期として信号を出力するようになっており、５°ＢＴＤＣ（３６５°ＢＴＤＣ）と１８５°ＢＴＤＣ（５４５°ＢＴＤＣ）とでオンからオフへ信号が変化するようになっている。
【００１３】
本制御装置（ＥＣＵ）３０は、上述のような構成のエンジン１に適用され、機能要素として、運転モード選択手段３１と燃料噴射制御手段３２と点火時期制御手段３３とを有している。
運転モード選択手段３１は、エンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅ（エンジン負荷）に応じて上述した各運転モードの中から一つを選択する手段である。エンジン回転速度Ｎｅにはクランク角センサ２０の検出情報を用い、平均有効圧力Ｐｅにはエンジン回転速度Ｎｅ及びＴＰＳ１４で検出されたスロットル開度θの各情報から算出したものを用いるようになっている。
【００１４】
燃料噴射制御手段３２は、インジェクタ９からの燃料の噴射時期と噴射量とを制御する手段であり、噴射量算出手段３４と第一燃料噴射制御手段３５と補正量算出手段３６と第二燃料噴射制御手段３７とから構成される。
各構成手段について説明すると、噴射量算出手段３４は、燃焼室３内に噴射すべき燃料量を算出する手段であり、まず、運転モード選択手段３１で設定された運転モードに応じた燃料噴射制御マップを選択し、選択した燃料噴射制御マップを用いて、エンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じた目標空燃比を設定するようになっている。そして、前行程の末期にＡＦＳ１５で検出した吸入空気流量Ａとエンジン回転速度ＮｅとからＡ／Ｎｅ（∝吸入空気量）を演算し、演算したＡ／Ｎｅと目標空燃比とから燃料噴射量（噴射パルス幅）を算出するようになっている。
【００１５】
例えば、運転モードが、吸気行程中に燃料噴射を行なうストイキオモードや前期リーン噴射モードの場合には、燃料噴射量は排気行程末期に検出した吸入空気流量とエンジン回転速度とに基づき算出し、圧縮行程中に燃料噴射を行なう後期リーン噴射モードの場合には、吸気行程末期に検出した吸入空気流量とエンジン回転速度とに基づき算出するようになっている。
【００１６】
そして、第一燃料噴射制御手段３５は、噴射量算出手段３４で算出された燃料噴射量と運転モードに応じて決まる噴射時期とにしたがいインジェクタ９を制御する手段である。運転モードに応じて選択された燃料噴射制御マップから、エンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて燃料噴射終了時期を設定し、設定した燃料噴射終了時期と燃料噴射量（噴射パルス幅）とから燃料噴射開始時期を算出して、インジェクタ９に噴射パルスを出力するようになっている。
【００１７】
次に、補正量算出手段３６と第二燃料噴射制御手段３７とについて説明すると、これらの手段は、選択された運転モードがストイキオモード及び前期リーン噴射モードである場合に機能するようになっている。つまり、吸気行程で燃料噴射を行なう場合にのみ機能する手段である。
吸気行程で燃料噴射を行なう場合、前述のように燃料噴射量（噴射パルス幅）は排気行程末期（３６５°ＢＴＤＣ）に計測した吸入空気流量Ａ1 に基づき算出される。つまり、排気行程末期に計測した吸入空気流量Ａ1 とエンジン回転速度（排気行程の平均エンジン回転速度）Ｎｅ1 とから推定される吸入空気量が、実際に吸気行程中に吸入される吸入空気と等しいものとして燃料噴射量を算出するのである。ところが、加速等のためにドライバがアクセルを踏み込みスロットルバルブ１２が開かれると、次第にブーストが上昇していき、吸入空気量も増加していくことになる。この吸入空気量の増加が吸気行程で生じると、実際に燃焼室３内に吸入される空気量は排気行程中のＡ1 ／Ｎｅ1 から推定されるものよりも増加することになり、Ａ1 ／Ｎｅ1 に基づき算出した燃料噴射量では、目標空燃比よりもリーンな空燃比になってしまう。
【００１８】
そこで、補正量算出手段３６では、吸気行程で吸入空気量が増加した場合には、その増加に応じて燃料噴射量の補正量（補正増量）の算出を行なうようになっている。まず、補正量算出手段３６は、吸気行程の末期（１８５°ＢＴＤＣ）においてＡＦＳ１５により吸入空気流量Ａ2 を検出し、検出した吸入空気流量Ａ2 とエンジン回転速度（吸気行程の平均エンジン回転速度）Ｎｅ2 とからＡ2 ／Ｎｅ2 を算出し、排気行程のＡ1 ／Ｎｅ1 とを比較するようになっている。そして、その差ΔＡ／Ｎｅ（Ａ2 ／Ｎｅ2 −Ａ1 ／Ｎｅ1 ）が所定値以上のときには、吸入空気量が増加したものと判定し、ΔＡ／Ｎｅを吸入空気量の増加分とみなしてΔＡ／Ｎｅに応じた燃料噴射量の補正量を算出するようになっている。補正量（噴射パルス幅）は、ΔＡ／Ｎｅと目標空燃比とから算出する。
【００１９】
そして、第二燃料噴射制御手段３７は、補正量算出手段３６で算出された量（噴射パルス幅）の補正燃料を燃焼室３内に噴射すべくインジェクタ９を制御する手段であり、補正量が算出された後、直ちにインジェクタ９を制御して補正燃料を噴射するようになっている。したがって、補正燃料は吸気行程の末期から噴射され、圧縮行程の初期には噴射が終了するようになっている。
【００２０】
なお、後期リーン噴射モード、すなわち、圧縮行程で燃料噴射を行なう場合には上述のような課題は発生しないためこれらの補正量算出手段３６と第二燃料噴射制御手３７とは機能せず、前述の噴射量算出手段３４と第一燃料噴射制御手段３５とのみが機能するようになっている。したがって、この場合には、吸気行程中に検出した吸入空気流量に基づき算出された燃料が圧縮行程の所定時期（圧縮行程後半）に噴射され、以後の補正は行なわれない。
【００２１】
最後に点火時期制御手段３８は、第一燃料噴射制御手段３６の燃料噴射制御に対応して点火プラグ８の点火時期を制御する手段であり、運転モード選択手段３１で設定された運転モードに応じた点火時期制御マップを選択して、この選択した点火時期制御マップを用いて、エンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて、第一燃料噴射制御手段２６の燃料噴射制御に対応した点火時期を設定するようになっている。
【００２２】
本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置は上述のように構成されているので、吸気行程噴射においては、以下の図２，図３に示すフローチャートで表されるような制御が行なわれる。
まず、図２に示すように、制御手段３０は、排気行程中においてクランク角度センサ２０が３６５°ＢＴＤＣを検出したとき（クランク角度センサ２０の出力信号がオンからオフになったとき）、１８０°周期、すなわち、５４５°ＢＴＤＣから３６５°ＢＴＤＣまでに要した時間からエンジン回転速度Ｎｅ1 を算出するとともに（ステップＳ１００）、ＡＦＳ１５により吸入空気流量Ａ1 を検出する（ステップＳ１１０）。
【００２３】
そして、噴射量算出手段３４では、エンジン回転速度Ｎｅ1 と吸入空気流量Ａ1 とからＡ1 ／Ｎｅ1 を算出し（ステップＳ１２０）、算出したＡ1 ／Ｎｅ1 と目標空燃比（インジェクタゲイン）等から燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｐｗ1 を算出する（ステップＳ１３０）。第一燃料噴射制御手段３５では、運転モードに応じて選択された燃料噴射制御マップからエンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて燃料噴射終了時期を設定し、設定した燃料噴射終了時期と燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｐｗ1 とから燃料噴射開始時期を算出する。そして、算出した燃料噴射開始時期から終了時期までの間、インジェクタ９から燃焼室３内に直接燃料を噴射させる。
【００２４】
次に、図３に示すように、制御手段３０は、吸気行程中においてクランク角度センサ２０が１８５°ＢＴＤＣを検出したとき、３６５°ＢＴＤＣから１８５°ＢＴＤＣまでの１８０°周期からエンジン回転速度Ｎｅ2 を算出するとともに（ステップＳ２００）、ＡＦＳ１５により吸入空気流量Ａ2 を検出する（ステップＳ２１０）。
【００２５】
そして、補正量算出手段３６では、エンジン回転速度Ｎｅ2 と吸入空気流量Ａ2 とからＡ2 ／Ｎｅ2 を算出し（ステップＳ２２０）、算出したＡ2 ／Ｎｅ2 とステップＳ１２０で算出したＡ1 ／Ｎｅ1 との差ΔＡ／Ｎｅ（Ａ2 ／Ｎｅ2 −Ａ1 ／Ｎｅ1 ）を算出する（ステップＳ２３０）。
算出した差ΔＡ／Ｎｅを所定値と比較したとき（ステップＳ２４０）、差ΔＡ／Ｎｅが所定値以上の場合には、補正量算出手段３６は、差ΔＡ／Ｎｅと目標空燃比（インジェクタゲイン）等から補正燃料量（噴射パルス幅）Ｐｗ2 を算出する（ステップＳ２５０）。そして、第二燃料噴射制御手段３７では、補正燃料量Ｐｗ2 が算出された後、直ちにインジェクタ９を制御して燃焼室３内に直接補正燃料を噴射する（ステップＳ２６０）。これにより、補正燃料Ｐｗ2 は吸気行程の末期から噴射され、遅くとも圧縮行程の初期には噴射が終了するため、吸気行程中に燃焼室３内に噴射された燃料Ｐｗ1 の予混合気との混合が十分に促進される。
【００２６】
以上の制御をタイムチャートにより表したものが図４である。この図４を用いて、吸気行程中に吸入空気量が増加した場合の本制御装置による作用効果についてより具体的に説明する。
図４に示すように、排気行程中（特に排気行程の後半）にドライバがアクセルを操作してスロットルバルブ１２の開度を大きくしたとする。このとき、ブーストもスロットル開度に応じた大きさに上昇するが、スロットル開度の変化に完全に対応して上昇するのではなく、スロットル開度の変化にやや遅れて次第に上昇していく。
【００２７】
本制御手段では、まず、排気行程末期（３６５°ＢＴＤＣ）においてＡＦＳ１５により吸入空気流量Ａ1 を検出し、検出した吸入空気流量Ａ1 とエンジン回転速度Ｎｅ1 に基づき基本燃料噴射量Ｐｗ1 を算出する。そして、吸気行程中の運転状態に応じた所定時期にインジェクタ９から燃料Ｐｗ1 を燃焼室３内に直接噴射する。このように排気行程末期の吸入空気流量Ａ1 とエンジン回転速度Ｎｅ1 とから吸気行程での吸入空気量を予測して燃料噴射量Ｐｗ1 を算出することにより、吸気行程初期から任意のタイミングでの燃料噴射が可能になる。
【００２８】
ところが、吸入空気流量Ａ1 を検出した排気行程末期（３６５°ＢＴＤＣ）ではブーストの変化はまだ小さく、ブーストはその後の吸気行程にかけて大きく上昇していき、吸入空気量が増加していく。このため、吸入空気流量Ａ1 に基づき算出した燃料噴射量Ｐｗ1 では、この増加した吸入空気量に対しては過少であり、空燃比は目標空燃比よりもリーンになってしまう。
【００２９】
しかしながら、本制御装置では、吸気行程末期（１８５°ＢＴＤＣ）において再度吸入空気流量Ａ2 を検出し、吸気行程末期でのＡ2 ／Ｎｅ2 と排気行程末期でのＡ1 ／Ｎｅ1 とを比較して、その増加分ΔＡ／Ｎｅから吸入空気量の増加量を予測してΔＡ／Ｎｅに応じた補正燃料量Ｐｗ2 を算出する。そして、直ちにインジェクタ９を制御して燃焼室３内に直接補正燃料を噴射する。これにより、吸入空気量に対する燃料噴射量の不足が解消され、目標空燃比での運転が可能になる。また、吸気行程末期（１８５°ＢＴＤＣ）に補正燃料量Ｐｗ2 を算出することにより、吸気行程末期からの補正燃料の噴射が可能になり、吸気行程中に燃焼室３内に噴射された燃料Ｐｗ1 の予混合気との混合の十分な促進が可能になる。
【００３０】
このように、本筒内噴射式内燃機関の制御装置によれば、吸気行程末期（１８５°ＢＴＤＣ）において吸入空気流量Ａ2 を検出し、吸気行程末期でのＡ2 ／Ｎｅ2 と排気行程末期でのＡ1 ／Ｎｅ1 とを比較して、その増加分ΔＡ／Ｎｅに応じた補正燃料Ｐｗ2 を燃焼室３内に直接噴射するようになっているので、吸入空気量に対する燃料噴射量の不足を解消して目標空燃比での運転が可能になるという利点がある。
【００３１】
さらに、本筒内噴射式内燃機関の制御装置によれば、吸気行程末期からの補正燃料Ｐｗ2 の噴射が可能になり、吸気行程中に燃焼室３内に噴射された燃料Ｐｗ1 の予混合気との混合の十分な促進が可能になって、排ガス性能の悪化が防止されるという利点もある。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができることは言うまでもない。例えば、上述の筒内噴射式内燃機関の構成はあくまでも一例であり、少なくとも吸気行程中に燃焼室内に直接燃料を噴射可能な筒内噴射式内燃機関であればよい。
【００３２】
また、エアーフローセンサによる吸入空気流量の検出タイミングについても上述の実施形態では吸気行程終了時の１８０°ＢＴＤＣよりも５°だけ前の１８５°ＢＴＤＣとしているが、これに限定されるものではなく、吸気行程の末期から補正燃料を噴射できるタイミングであればよい。さらに、上述の実施形態では、吸気行程末期に検出した吸入空気流量Ａ２とエンジン回転速度Ｎｅ２との比Ａ２／Ｎｅ２を吸入空気量に代用しているが、吸気行程開始時から吸気行程末期まで連続して吸入空気流量を検出し、検出した吸入空気流量を順次積分していくことによって実際の吸入空気量を演算するようにしてもよく、この場合にはより正確な補正燃料量の算出が可能になる。
【００３３】
さらに、吸入空気量検出手段としては上述のエアーフローセンサに限定されず、ブースト圧センサや筒内圧センサ等の他の検出手段を用いることも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の筒内噴射式内燃機関の制御装置によれば、吸気行程末期の下死点近傍までに吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量に基づいて補正量算出手段により燃料の補正量を算出し、算出した量の補正用燃料を上記吸気行程末期の下死点よりも前から燃焼室内に噴射するよう第二燃料噴射制御手段によって燃料噴射手段を制御するようになっているので、吸入空気量に対する燃料噴射量の不足を解消して目標空燃比での運転が可能になるとともに、さらに、吸気行程末期からの補正燃料の噴射が可能になり、吸気行程中に燃焼室内に噴射された燃料の予混合気との混合が十分に促進され排ガス性能の悪化が防止されるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置の構成を示す模式図である。
【図２】 本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置にかかる制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置にかかる制御の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置にかかる吸気行程噴射時の作用効果を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン（筒内噴射式内燃機関）
３ 燃焼室
９ インジェクタ（燃料噴射手段）
１５ エアーフローセンサ（吸入空気量検出手段）
３４ 噴射量算出手段
３５ 第一燃料噴射制御手段
３６ 補正量算出手段
３７ 第二燃料噴射制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも吸気行程中に燃料噴射を行なう吸気行程噴射モードを有する筒内噴射式内燃機関に用いて好適の、筒内噴射式内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃焼室内に直接燃料噴射が可能な筒内噴射式内燃機関が実用化されている。この種の内燃機関では、燃焼室内に直接燃料を噴射するという特徴により、吸気行程初期から圧縮行程後期までの広い範囲での燃料供給が可能になっている。ところで、内燃機関における燃料噴射量は、燃焼室内に吸入される空気量を計測し、計測した吸入空気量に基づき算出される。例えば、筒内噴射式内燃機関の場合には、吸気行程中に燃料噴射を行なう吸気行程噴射モードでは、排気行程中に計測した空気量に基づき燃料噴射量が設定される。
しかしながら、加速時などにおいて、吸入空気量の計測後、吸気行程中に空気量が増加してしまった場合には、空燃比が設定よりもリーン化してしまうことになる。
【０００３】
この点に関し、特公平7 −59910 号公報では、吸気行程終了付近でシリンダ内に吸入された空気量を検出し、検出した空気量から燃料噴射量の不足分を演算して、演算結果に基づき不足分の燃料を圧縮行程中に直接シリンダ内に噴射する技術について提案されている。また、吸入空気量の検出方法としては、筒内圧力センサにより検出した筒内圧力と吸気温センサにより検出した吸気温とから演算する方法や、負圧センサで検出した吸気弁が閉じる直前の吸気管負圧と吸気温センサにより吸気温とから演算する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の技術では、以下のような課題がある。
すなわち、上述の技術のように、吸気行程終了付近で吸入空気量を検出し、不足分の燃料を圧縮行程中に噴射した場合には、吸入空気量の検出精度を上げて不足燃料量を正確に演算できるという利点がある反面、吸気行程で噴射された主噴射の予混合気と追加燃料との混合が十分に促進されない虞がある。特に、追加燃料の噴射が圧縮行程末期に近づくほど、燃料の混合は不十分になってしまう。このため、スモークが発生したりノックが生じたりして排ガス性能が悪化する可能性が高い。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、主噴射の予混合気と追加燃料との混合を促進して排ガス性能の悪化を防止できるようにした、筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の筒内噴射式内燃機関の制御装置では、少なくとも吸気行程中に燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射式内燃機関の制御装置において、該燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、該機関の運転状態に基づき燃料の噴射量を算出する噴射量算出手段と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、該噴射量算出手段により算出された量の燃料を該燃焼室内に噴射するよう該燃料噴射手段を制御する第一燃料噴射制御手段と、該第一燃料噴射制御手段による燃料の噴射後、該吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量に基づいて燃料の補正量を算出する補正量算出手段と、
該補正量算出手段により算出された量の補正用燃料を該燃焼室内に噴射するよう該燃料噴射手段を制御する第二燃料噴射制御手段と、をそなえ、該補正量算出手段による燃料の補正量の算出にかかる吸入空気量の検出及び燃料の補正量の算出並びに該補正用燃料の噴射開始は、いずれも、１８５°ＢＴＤＣ時点から吸気行程終了時の１８０°ＢＴＤＣまでの間に実行される。
【０００７】
これにより、吸気行程での吸入空気量の増加による燃料の不足が解消されるとともに、燃焼室内に噴射された予混合気と補正燃料との混合が十分に促進され、排ガス性能の悪化が防止される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図１〜図４は本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置を示すものである。
まず、本制御装置が適用される筒内噴射式内燃機関の概要について説明すると、本筒内噴射式内燃機関は、吸気，圧縮，膨張，排気の各行程を一作動サイクル中にそなえる内燃機関、即ち４サイクルエンジンであって、火花点火式で、且つ、燃焼室内に燃料を直接噴射可能なエンジンである。燃料噴射の態様としては、予混合燃焼によるストイキオ運転（理論空燃比運転）を実現し、出力を向上させるために吸気行程中に燃料噴射を行なうストイキオモードと、予混合燃焼によるリーン運転を実現し、緩加速による出力を得るために吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行なう前期リーン噴射モードと、層状燃焼によるリーン運転を実現し、さらに燃費を向上させるために圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）で燃料噴射を行なう後期リーン噴射モードとが設けられており、運転状態に応じて選択されるようになっている。
【０００９】
本筒内噴射式内燃機関の概略構成について説明すると、図１に示すように、本筒内噴射式内燃機関（以下、エンジンという）１のシリンダヘッド２には、吸気通路４および排気通路５が燃焼室３に連通しうるように接続されている。吸気通路４と燃焼室３とは吸気弁６によって連通制御されるとともに、排気通路５と燃焼室３とは排気弁７によって連通制御されるようになっている。また、シリンダヘッド２には、燃焼室３の頂部中央に点火プラグ８がそなえられており、吸気通路３側には、インジェクタ（燃料噴射手段）９が、その開口を燃焼室３に臨ませるように配置されている。このインジェクタ９には、図示しない高圧ポンプにより加圧された燃料が供給されるようになっている。
【００１０】
吸気通路４には、各気筒の燃焼室３内に吸入空気を導入するための吸気マニホールド１１が、燃焼室３に対して比較的直立して設けられた吸気ポート１０に接続されている。吸気マニホールド１１の上流には、エアクリーナ１３およびスロットルバルブ１２が設けられており、スロットルバルブ１２にはその開度を検出するためのスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１４が付設されている。また、エアクリーナ１３とスロットルバルブ１２との間には、吸入空気流量Ａを検出するためのエアフローセンサ（ＡＦＳ）１５がそなえられている。
【００１１】
一方、排気通路５には、各気筒の燃焼室３から排出された排ガスを一つに集合させる排気マニホールド１７が排気ポート１６に連接されている。排気マニホールド１７の下流側には排気浄化装置１８および図示しないマフラ (消音器）が設けられている。排気浄化装置１８には、ＮＯx 触媒及び三元触媒がそなえられており、排出ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯx ）を浄化するようになっている。
【００１２】
また、クランクシャフト１９には、クランク角度センサ２０がそなえられている。このクランク角度センサ２０はクランクシャフト１９の回転の１８０°を１周期として信号を出力するようになっており、５°ＢＴＤＣ（３６５°ＢＴＤＣ）と１８５°ＢＴＤＣ（５４５°ＢＴＤＣ）とでオンからオフへ信号が変化するようになっている。
【００１３】
本制御装置（ＥＣＵ）３０は、上述のような構成のエンジン１に適用され、機能要素として、運転モード選択手段３１と燃料噴射制御手段３２と点火時期制御手段３３とを有している。
運転モード選択手段３１は、エンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅ（エンジン負荷）に応じて上述した各運転モードの中から一つを選択する手段である。エンジン回転速度Ｎｅにはクランク角センサ２０の検出情報を用い、平均有効圧力Ｐｅにはエンジン回転速度Ｎｅ及びＴＰＳ１４で検出されたスロットル開度θの各情報から算出したものを用いるようになっている。
【００１４】
燃料噴射制御手段３２は、インジェクタ９からの燃料の噴射時期と噴射量とを制御する手段であり、噴射量算出手段３４と第一燃料噴射制御手段３５と補正量算出手段３６と第二燃料噴射制御手段３７とから構成される。
各構成手段について説明すると、噴射量算出手段３４は、燃焼室３内に噴射すべき燃料量を算出する手段であり、まず、運転モード選択手段３１で設定された運転モードに応じた燃料噴射制御マップを選択し、選択した燃料噴射制御マップを用いて、エンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じた目標空燃比を設定するようになっている。そして、前行程の末期にＡＦＳ１５で検出した吸入空気流量Ａとエンジン回転速度ＮｅとからＡ／Ｎｅ（∝吸入空気量）を演算し、演算したＡ／Ｎｅと目標空燃比とから燃料噴射量（噴射パルス幅）を算出するようになっている。
【００１５】
例えば、運転モードが、吸気行程中に燃料噴射を行なうストイキオモードや前期リーン噴射モードの場合には、燃料噴射量は排気行程末期に検出した吸入空気流量とエンジン回転速度とに基づき算出し、圧縮行程中に燃料噴射を行なう後期リーン噴射モードの場合には、吸気行程末期に検出した吸入空気流量とエンジン回転速度とに基づき算出するようになっている。
【００１６】
そして、第一燃料噴射制御手段３５は、噴射量算出手段３４で算出された燃料噴射量と運転モードに応じて決まる噴射時期とにしたがいインジェクタ９を制御する手段である。運転モードに応じて選択された燃料噴射制御マップから、エンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて燃料噴射終了時期を設定し、設定した燃料噴射終了時期と燃料噴射量（噴射パルス幅）とから燃料噴射開始時期を算出して、インジェクタ９に噴射パルスを出力するようになっている。
【００１７】
次に、補正量算出手段３６と第二燃料噴射制御手段３７とについて説明すると、これらの手段は、選択された運転モードがストイキオモード及び前期リーン噴射モードである場合に機能するようになっている。つまり、吸気行程で燃料噴射を行なう場合にのみ機能する手段である。
吸気行程で燃料噴射を行なう場合、前述のように燃料噴射量（噴射パルス幅）は排気行程末期（３６５°ＢＴＤＣ）に計測した吸入空気流量Ａ1 に基づき算出される。つまり、排気行程末期に計測した吸入空気流量Ａ1 とエンジン回転速度（排気行程の平均エンジン回転速度）Ｎｅ1 とから推定される吸入空気量が、実際に吸気行程中に吸入される吸入空気と等しいものとして燃料噴射量を算出するのである。ところが、加速等のためにドライバがアクセルを踏み込みスロットルバルブ１２が開かれると、次第にブーストが上昇していき、吸入空気量も増加していくことになる。この吸入空気量の増加が吸気行程で生じると、実際に燃焼室３内に吸入される空気量は排気行程中のＡ1 ／Ｎｅ1 から推定されるものよりも増加することになり、Ａ1 ／Ｎｅ1 に基づき算出した燃料噴射量では、目標空燃比よりもリーンな空燃比になってしまう。
【００１８】
そこで、補正量算出手段３６では、吸気行程で吸入空気量が増加した場合には、その増加に応じて燃料噴射量の補正量（補正増量）の算出を行なうようになっている。まず、補正量算出手段３６は、吸気行程の末期（１８５°ＢＴＤＣ）においてＡＦＳ１５により吸入空気流量Ａ2 を検出し、検出した吸入空気流量Ａ2 とエンジン回転速度（吸気行程の平均エンジン回転速度）Ｎｅ2 とからＡ2 ／Ｎｅ2 を算出し、排気行程のＡ1 ／Ｎｅ1 とを比較するようになっている。そして、その差ΔＡ／Ｎｅ（Ａ2 ／Ｎｅ2 −Ａ1 ／Ｎｅ1 ）が所定値以上のときには、吸入空気量が増加したものと判定し、ΔＡ／Ｎｅを吸入空気量の増加分とみなしてΔＡ／Ｎｅに応じた燃料噴射量の補正量を算出するようになっている。補正量（噴射パルス幅）は、ΔＡ／Ｎｅと目標空燃比とから算出する。
【００１９】
そして、第二燃料噴射制御手段３７は、補正量算出手段３６で算出された量（噴射パルス幅）の補正燃料を燃焼室３内に噴射すべくインジェクタ９を制御する手段であり、補正量が算出された後、直ちにインジェクタ９を制御して補正燃料を噴射するようになっている。したがって、補正燃料は吸気行程の末期から噴射され、圧縮行程の初期には噴射が終了するようになっている。
【００２０】
なお、後期リーン噴射モード、すなわち、圧縮行程で燃料噴射を行なう場合には上述のような課題は発生しないためこれらの補正量算出手段３６と第二燃料噴射制御手３７とは機能せず、前述の噴射量算出手段３４と第一燃料噴射制御手段３５とのみが機能するようになっている。したがって、この場合には、吸気行程中に検出した吸入空気流量に基づき算出された燃料が圧縮行程の所定時期（圧縮行程後半）に噴射され、以後の補正は行なわれない。
【００２１】
最後に点火時期制御手段３８は、第一燃料噴射制御手段３６の燃料噴射制御に対応して点火プラグ８の点火時期を制御する手段であり、運転モード選択手段３１で設定された運転モードに応じた点火時期制御マップを選択して、この選択した点火時期制御マップを用いて、エンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて、第一燃料噴射制御手段２６の燃料噴射制御に対応した点火時期を設定するようになっている。
【００２２】
本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置は上述のように構成されているので、吸気行程噴射においては、以下の図２，図３に示すフローチャートで表されるような制御が行なわれる。
まず、図２に示すように、制御手段３０は、排気行程中においてクランク角度センサ２０が３６５°ＢＴＤＣを検出したとき（クランク角度センサ２０の出力信号がオンからオフになったとき）、１８０°周期、すなわち、５４５°ＢＴＤＣから３６５°ＢＴＤＣまでに要した時間からエンジン回転速度Ｎｅ1 を算出するとともに（ステップＳ１００）、ＡＦＳ１５により吸入空気流量Ａ1 を検出する（ステップＳ１１０）。
【００２３】
そして、噴射量算出手段３４では、エンジン回転速度Ｎｅ1 と吸入空気流量Ａ1 とからＡ1 ／Ｎｅ1 を算出し（ステップＳ１２０）、算出したＡ1 ／Ｎｅ1 と目標空燃比（インジェクタゲイン）等から燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｐｗ1 を算出する（ステップＳ１３０）。第一燃料噴射制御手段３５では、運転モードに応じて選択された燃料噴射制御マップからエンジン回転速度Ｎｅ及び平均有効圧力Ｐｅに応じて燃料噴射終了時期を設定し、設定した燃料噴射終了時期と燃料噴射量（噴射パルス幅）Ｐｗ1 とから燃料噴射開始時期を算出する。そして、算出した燃料噴射開始時期から終了時期までの間、インジェクタ９から燃焼室３内に直接燃料を噴射させる。
【００２４】
次に、図３に示すように、制御手段３０は、吸気行程中においてクランク角度センサ２０が１８５°ＢＴＤＣを検出したとき、３６５°ＢＴＤＣから１８５°ＢＴＤＣまでの１８０°周期からエンジン回転速度Ｎｅ2 を算出するとともに（ステップＳ２００）、ＡＦＳ１５により吸入空気流量Ａ2 を検出する（ステップＳ２１０）。
【００２５】
そして、補正量算出手段３６では、エンジン回転速度Ｎｅ2 と吸入空気流量Ａ2 とからＡ2 ／Ｎｅ2 を算出し（ステップＳ２２０）、算出したＡ2 ／Ｎｅ2 とステップＳ１２０で算出したＡ1 ／Ｎｅ1 との差ΔＡ／Ｎｅ（Ａ2 ／Ｎｅ2 −Ａ1 ／Ｎｅ1 ）を算出する（ステップＳ２３０）。
算出した差ΔＡ／Ｎｅを所定値と比較したとき（ステップＳ２４０）、差ΔＡ／Ｎｅが所定値以上の場合には、補正量算出手段３６は、差ΔＡ／Ｎｅと目標空燃比（インジェクタゲイン）等から補正燃料量（噴射パルス幅）Ｐｗ2 を算出する（ステップＳ２５０）。そして、第二燃料噴射制御手段３７では、補正燃料量Ｐｗ2 が算出された後、直ちにインジェクタ９を制御して燃焼室３内に直接補正燃料を噴射する（ステップＳ２６０）。これにより、補正燃料Ｐｗ2 は吸気行程の末期から噴射され、遅くとも圧縮行程の初期には噴射が終了するため、吸気行程中に燃焼室３内に噴射された燃料Ｐｗ1 の予混合気との混合が十分に促進される。
【００２６】
以上の制御をタイムチャートにより表したものが図４である。この図４を用いて、吸気行程中に吸入空気量が増加した場合の本制御装置による作用効果についてより具体的に説明する。
図４に示すように、排気行程中（特に排気行程の後半）にドライバがアクセルを操作してスロットルバルブ１２の開度を大きくしたとする。このとき、ブーストもスロットル開度に応じた大きさに上昇するが、スロットル開度の変化に完全に対応して上昇するのではなく、スロットル開度の変化にやや遅れて次第に上昇していく。
【００２７】
本制御手段では、まず、排気行程末期（３６５°ＢＴＤＣ）においてＡＦＳ１５により吸入空気流量Ａ1 を検出し、検出した吸入空気流量Ａ1 とエンジン回転速度Ｎｅ1 に基づき基本燃料噴射量Ｐｗ1 を算出する。そして、吸気行程中の運転状態に応じた所定時期にインジェクタ９から燃料Ｐｗ1 を燃焼室３内に直接噴射する。このように排気行程末期の吸入空気流量Ａ1 とエンジン回転速度Ｎｅ1 とから吸気行程での吸入空気量を予測して燃料噴射量Ｐｗ1 を算出することにより、吸気行程初期から任意のタイミングでの燃料噴射が可能になる。
【００２８】
ところが、吸入空気流量Ａ1 を検出した排気行程末期（３６５°ＢＴＤＣ）ではブーストの変化はまだ小さく、ブーストはその後の吸気行程にかけて大きく上昇していき、吸入空気量が増加していく。このため、吸入空気流量Ａ1 に基づき算出した燃料噴射量Ｐｗ1 では、この増加した吸入空気量に対しては過少であり、空燃比は目標空燃比よりもリーンになってしまう。
【００２９】
しかしながら、本制御装置では、吸気行程末期（１８５°ＢＴＤＣ）において再度吸入空気流量Ａ2 を検出し、吸気行程末期でのＡ2 ／Ｎｅ2 と排気行程末期でのＡ1 ／Ｎｅ1 とを比較して、その増加分ΔＡ／Ｎｅから吸入空気量の増加量を予測してΔＡ／Ｎｅに応じた補正燃料量Ｐｗ2 を算出する。そして、直ちにインジェクタ９を制御して燃焼室３内に直接補正燃料を噴射する。これにより、吸入空気量に対する燃料噴射量の不足が解消され、目標空燃比での運転が可能になる。また、吸気行程末期（１８５°ＢＴＤＣ）に補正燃料量Ｐｗ2 を算出することにより、吸気行程末期からの補正燃料の噴射が可能になり、吸気行程中に燃焼室３内に噴射された燃料Ｐｗ1 の予混合気との混合の十分な促進が可能になる。
【００３０】
このように、本筒内噴射式内燃機関の制御装置によれば、吸気行程末期（１８５°ＢＴＤＣ）において吸入空気流量Ａ2 を検出し、吸気行程末期でのＡ2 ／Ｎｅ2 と排気行程末期でのＡ1 ／Ｎｅ1 とを比較して、その増加分ΔＡ／Ｎｅに応じた補正燃料Ｐｗ2 を燃焼室３内に直接噴射するようになっているので、吸入空気量に対する燃料噴射量の不足を解消して目標空燃比での運転が可能になるという利点がある。
【００３１】
さらに、本筒内噴射式内燃機関の制御装置によれば、吸気行程末期からの補正燃料Ｐｗ2 の噴射が可能になり、吸気行程中に燃焼室３内に噴射された燃料Ｐｗ1 の予混合気との混合の十分な促進が可能になって、排ガス性能の悪化が防止されるという利点もある。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができることは言うまでもない。例えば、上述の筒内噴射式内燃機関の構成はあくまでも一例であり、少なくとも吸気行程中に燃焼室内に直接燃料を噴射可能な筒内噴射式内燃機関であればよい。
【００３２】
また、エアーフローセンサによる吸入空気流量の検出タイミングについても上述の実施形態では吸気行程終了時の１８０°ＢＴＤＣよりも５°だけ前の１８５°ＢＴＤＣとしているが、これに限定されるものではなく、吸気行程の末期から補正燃料を噴射できるタイミングであればよい。さらに、上述の実施形態では、吸気行程末期に検出した吸入空気流量Ａ２とエンジン回転速度Ｎｅ２との比Ａ２／Ｎｅ２を吸入空気量に代用しているが、吸気行程開始時から吸気行程末期まで連続して吸入空気流量を検出し、検出した吸入空気流量を順次積分していくことによって実際の吸入空気量を演算するようにしてもよく、この場合にはより正確な補正燃料量の算出が可能になる。
【００３３】
さらに、吸入空気量検出手段としては上述のエアーフローセンサに限定されず、ブースト圧センサや筒内圧センサ等の他の検出手段を用いることも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の筒内噴射式内燃機関の制御装置によれば、吸気行程末期の下死点近傍までに吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量に基づいて補正量算出手段により燃料の補正量を算出し、算出した量の補正用燃料を上記吸気行程末期の下死点よりも前から燃焼室内に噴射するよう第二燃料噴射制御手段によって燃料噴射手段を制御するようになっているので、吸入空気量に対する燃料噴射量の不足を解消して目標空燃比での運転が可能になるとともに、さらに、吸気行程末期からの補正燃料の噴射が可能になり、吸気行程中に燃焼室内に噴射された燃料の予混合気との混合が十分に促進され排ガス性能の悪化が防止されるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置の構成を示す模式図である。
【図２】 本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置にかかる制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置にかかる制御の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態としての筒内噴射式内燃機関の制御装置にかかる吸気行程噴射時の作用効果を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン（筒内噴射式内燃機関）
３ 燃焼室
９ インジェクタ（燃料噴射手段）
１５ エアーフローセンサ（吸入空気量検出手段）
３４ 噴射量算出手段
３５ 第一燃料噴射制御手段
３６ 補正量算出手段
３７ 第二燃料噴射制御手段
Claims (1)
- 少なくとも吸気行程中に燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
該燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射手段と、
該機関の運転状態に基づき燃料の噴射量を算出する噴射量算出手段と、
吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
該噴射量算出手段により算出された量の燃料を該燃焼室内に噴射するよう該燃料噴射手段を制御する第一燃料噴射制御手段と、
該第一燃料噴射制御手段による燃料の噴射後、該吸入空気量検出手段により検出された吸入空気量に基づいて燃料の補正量を算出する補正量算出手段と、
該補正量算出手段により算出された量の補正用燃料を該燃焼室内に噴射するよう該燃料噴射手段を制御する第二燃料噴射制御手段と、をそなえ、
該補正量算出手段による燃料の補正量の算出にかかる吸入空気量の検出及び燃料の補正量の算出並びに該補正用燃料の噴射開始は、いずれも、１８５°ＢＴＤＣ時点から吸気行程終了時の１８０°ＢＴＤＣまでの間に実行される
ことを特徴とする、筒内噴射式内燃機関の制御装置。
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