JP3617714B2

JP3617714B2 - 筒内噴射式燃料制御装置

Info

Publication number: JP3617714B2
Application number: JP35401895A
Authority: JP
Inventors: 陽一門田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: JPH09184437A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関のシリンダ内に燃料を直接噴射する方式の自動車用エンジンの燃料制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
（技術分野の背景）
ガソリンエンジンにおいて、シリンダ内へ燃料を直接噴射する筒内噴射方式のエンジン制御システムは、大きく下記の４種の効果が期待されており、理想的なエンジンとして注目されて来ている。
【０００３】
１，排気ガス排出量の低減
従来のシリンダ外部で燃料を噴射する方式では、噴射燃料の一部がシリンダに吸入される前に吸気弁又は吸気管に付着するため、特に燃料の気化がしにくい低温時の始動運転時、並びに比較的早い供給燃料変化応答が必要な過渡運転時には、上記付着燃料を考慮する必要があるが、筒内噴射方式では上記燃料の輸送遅れを考慮せず空燃比を希薄にできるためにＨＣ，ＣＯの排出量を低減可能となる。
【０００４】
２，燃費低減
筒内に燃料を噴射する場合、点火直前で点火タイミングに合わせて燃料を噴射し、点火時に点火プラグ周辺に可燃燃料が形成される混合気分布の不均一性、すなわち成層燃焼が可能となるため、シリンダへ吸入される空気量と燃料量の見かけ上の供給空燃比を大幅に希薄化することが可能となり、また、成層燃焼の実現によりＥＧＲ（再循環排出ガス）を大量に導入しても燃焼悪化の影響が少ないため、ポンピングロスの低減も加わり燃費の向上が図れる。
【０００５】
３，高出力
成層燃焼により点火プラグ周辺に混合気が集まることで、ノッキングの原因となるエンドガスが少なくなるため、耐ノック性が向上し、エンジンの圧縮比を大きくすることが可能になる。また、シリンダ内で燃料が気化するため、シリンダ内で吸入空気の気化熱を奪うことにより吸入空気密度が上昇し、体積効率の上昇が図れ出力の向上が期待できる。
【０００６】
４，ドライバビリティ向上
筒内に直接燃料を噴射するため、従来のエンジンと比べて、燃料を供給してから燃料が燃焼し出力が発生するまでの遅れが短く、運転者の要求に対し高度の応答性を有するエンジンを実現することができる。
【０００７】
（従来の技術）
従来より筒内噴射方式のエンジンに関する発明の中で、空燃比の制御性の向上の手法として、例えば特開平４−１８７８４１号公報により低温時の圧縮工程噴射を増量する方法等が紹介されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来エンジンの様に吸気管へ装着されたインジェクタにより燃料を供給する方式では、インジェクタへ供給する燃料の圧力（燃圧）は、吸気管圧力＋所定圧力（通常は３気圧程度）に制御されている。インジェクタの燃料噴射原理は、制御装置からのインジェクタ駆動信号でインジェクタを駆動することにより燃料供給側とインジェクション先との通路が導通され、このときの燃料供給側の圧力（燃圧）とインジェクション先の圧力の差圧により、燃料が噴射される。従って、従来のエンジンでは燃圧とインジェクション先の吸気管圧力との差圧が一定値に制御されているため、インジェクタ駆動時間と実際にインジェクタから噴射される燃料量は比例関係にある。
【０００９】
上記内容を図６の従来エンジン（吸気管噴射方式）の構成例を用いて簡単に説明する。
図において、１は自動車用のエンジンであり、その吸気管側にはエアフローセンサ２、スロットル弁３、スロットル開度センサ４、エアバイパスバルブ１０が設置されており、エンジン１へ燃料を供給するためのインジェクタ１１は吸気管に装着されている。エンジン１内には燃焼用の点火プラグ９が配設され、またクランク角センサ５、水温センサ６等が取付けられている。さらに、エンジンの排気管側にはＯ₂センサ７が設置され、上記各種センサ４，５，６，７の情報はエンジン制御装置８に送信され、当該制御装置８は上記情報を受けてエンジンの運転状態を判断し、運転状態に応じた各種制御量を演算しエンジンを所望の空燃比で燃焼させる。そして、上記点火プラグ９、エアバイパスバルブ１０、インジェクタ１１はいずれもエンジン制御装置８により駆動・制御される。
【００１０】
燃料ポンプ１３は燃料タンク１２内の燃料を送出し、燃圧レギュレータ１４は上記燃料の圧力を制御してインジェクタ１１に送り出す。ここで、図６の（ｂ部）の圧力は、（ａ部）により検出されたエンジンの吸気管圧力を基準にしてその差圧が一定（約３気圧）になるように制御される。
【００１１】
これに対し筒内噴射エンジン対応の燃料方式では、エンジン筒内に直接燃料を噴射するために、インジェクション先であるシリンダ内の圧力以上の燃圧をインジェクタに印加する必要があり、通常は数十気圧の高圧を印加している。ところが、インジェクション先であるシリンダ内圧力は、シリンダの行程状態（吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程）及びシリンダの位置により大きく変化し、燃圧とインジェクション先のシリンダ内圧力との差圧が変動するため、インジェクタ駆動時間と実際にインジェクタから噴射される燃料量は噴射時のシリンダ内圧力の影響を受けることになる。
【００１２】
このことを、筒内噴射エンジン対応である本発明の構成を示した図１により説明する。
図１は図６の従来エンジンの構成に対して、シリンダ内の圧力を検出するための筒内圧センサ１５が装着されている点、インジェクタ１１がエンジンのシリンダに直接装着されている点、さらに上記構成に伴う燃料供給系（燃料ポンプ１３，燃圧レギュレータ１４）の構成点で相違している。
上記構成において、燃圧レギュレータ１４はインジェクタ１１に供給する燃料圧力（ｂ＊部）を大気圧（ａ＊部）基準として、前記理由により約数十気圧一定となるように制御している。
【００１３】
上記差圧の変動を解決する方法として、従来エンジンのように燃圧を制御するか、または燃料を噴射するタイミングを常にシリンダ内圧が同一時のタイミングとすることが考えられる。
前者の方法は、シリンダ内の圧力がエンジン回転速度に応じて高速で変化し、燃圧レギュレータの応答がこれに追従できないため、次の様な対処を行っている。すなわち、インジェクション流量変化は物理的には上記差圧の平方根に比例することがわかっており、差圧比に対して筒内圧の影響の度合いを小さくするためにインジェクタへの供給燃料を高い圧力にすることにより対応している。
また、後者のインジェクションタイミングを固定する方法は、筒内噴射システムでは上記のようにその性能を引き出すために成層燃焼をさせており、点火プラグ近傍で可燃層状混合気を生成するためには運転状態に応じたきめ細かなインジェクションタイミング制御が必要となり、燃焼の観点から考えた場合にインジェクションタイミングを固定化することは成立困難である。
【００１４】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたものであって、筒内噴射方式のエンジンにおいて、極力エンジン制御装置の負担増を抑える形で高精度の燃料制御を実現することを目的とし、具体的にはインジェクタを駆動するときのシリンダ内圧力に応じて、インジェクション駆動幅を補正するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、内燃機関への吸入空気量を検出する吸入空気量検出センサ、排出ガスの酸素濃度を検出するＯ₂センサ、シリンダ内の運転状態を検出するクランク角センサ、水温センサ等の各種検出手段と、内燃機関のシリンダ内に直接燃料を噴射するインジェクタと、各種検出手段からの情報を基に内燃機関への燃料供給時期と燃料供給量を演算し、当該演算結果をもとに上記インジェクタを駆動・制御するエンジン制御手段を備えたものにおいて、インジェクタの開弁時刻と閉弁時刻との間（開弁期間）の中心時刻を演算する手段と、この中心時刻における内燃機関のシリンダ内圧力を検出するための筒内圧検出手段を設け、当該検出手段により検出された上記中心時刻におけるシリンダ内圧力に応じて上記インジェクタの駆動量を補正し、この補正された駆動量によりインジェクタを駆動制御することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項２の発明は、クランク角信号からピストンの位置を検出し、ピストン位置から上記中心時刻におけるシリンダ内圧力を予測してインジェクタ幅補正を行うものである。幾何学的に考えれば、吸気行程中に吸入された空気はピストン最下点で吸気バルブが閉じて圧縮行程に入れば吸気の流入がなくなるため、シリンダ内の圧力はシリンダ容積により推測され、例えばピストンが可動部分の半分まで移動すればシリンダ容積は半分となり、圧力はピストン最下点時に比べ２倍と推測される。一方、ピストンの位置はクランク角の位置により一義的に決定されるため、クランク角検出センサ出力によりクランク角が分かればシリンダ内圧を推測することが可能となる。
また、吸気量センサ等によりエンジンの運転状態を検出し、シリンダ内へ吸入された吸気量を予測することにより、ピストン最下点位置でのベースシリンダ内圧を算出し、上記手法により各クランク角度におけるシリンダ内圧を推測することが可能となる。
【００１７】
さらに請求項３の発明は、下記２種の理由により、インジェクション駆動時間へのシリンダ内圧力補正を圧縮行程噴射運転時に限定して実施することを特徴としている。
第１の理由としては、圧縮行程噴射時は通常空燃比（Ａ／Ｆ）が３０以上の超リーン（希薄）燃焼であり、吸入行程噴射で空燃比（Ａ／Ｆ）が１２〜１３程度で運転されるスロットル全開のパワー運転領域と比較して、シリンダ内圧による空燃比（Ａ／Ｆ）変動の絶対量が大きく、また超リーン運転時の燃焼状態が繊細であるために、圧縮行程噴射時には圧力補正の効果が大きい。
第２の理由としては、エンジン制御装置内の処理の軽減が挙げられる。シリンダ内圧力補正は毎回の燃焼毎に実施することが必要であり、特に高回転では単位時間当りの燃焼回数、つまり圧力補正回数が増加し処理の負担が大きくなる。
一方、スロットル全開運転時や高回転運転時は、通常は圧縮行程噴射ではなく、吸入行程噴射で設定空燃比（Ａ／Ｆ）も希薄でないため、圧力補正の必要性も圧縮行程噴射時ほど高くないため、前記処理負担軽減の目的でシリンダ圧力補正を停止し、高回転域まで各種制御追従性を確保することが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
（実施の形態の構成）
図１はこの発明に係る筒内噴射方式の内燃機関の構成を示す図である。
図において、１は自動車用のエンジンであり、このエンジン１の吸気管側には、吸入空気量を測定するためのエアフローセンサ２と、通常自動車の運転者が操作するアクセルペダルと連動して動作しエンジン１へ吸入される空気量を調節するスロットル弁３と、このスロットル弁３の位置を検出するスロットル開度センサ４が設置され、また、１０はスロットルバルブ３をバイパスする空気量を制御するためのエアバイパスバルブであり、スロットルバルブが全開の場合のアイドリング運転時のエンジン回転数制御及び走行時のトルク制御を行う。
５はエンジン１の回転速度とクランク角の位置を検出するためのクランク角センサ、６はエンジン１の暖気状態を検出する手段として冷却水温を検出する水温センサ、７はエンジン１から排出される排気ガスの酸素濃度を検出するＯ₂センサ、８はエンジン各部に装着された各種センサからの情報を受け、エンジンの運転状態を判断し、運転状態に応じた各種制御量を演算してエンジンを所望の空燃比で燃焼させるためのエンジン制御装置、９は通常使用される点火プラグである。そして、エンジンへ燃料を供給するためのインジェクタ１１は、エンジンのシリンダに直接装着され、点火プラグ９、エアバイパスバルブ１０、インジェクタ１１はいずれもエンジン制御装置８により駆動・制御される。
【００１９】
また、１２は燃料タンクであり、１３は燃料タンク１２から燃料を取り出すための燃料ポンプ、１４はインジェクタ１１へ供給する燃料の圧力（図１のｂ＊部）を制御する燃圧レギュレータである。
【００２０】
（実施の形態の動作）
次に、実施の形態１の動作を図５の制御フロー及び図２，図３，図４について説明する。
図５は、図１のエンジン制御装置８内の制御内容の中で、クランク軸の角度位置所定タイミング（５°Ｂ）毎、つまり各気筒の点火間隔毎に実施される燃料制御処理内容を示したものである。
図５の制御フローチャート中、点線Ａ部は実施の形態１の処理内容を示しており、所定時間毎に実行される。また、点線Ｂ部は、実施の形態２の処理内容を示し、点線Ｃ部は実施の形態３の処理内容を示している。その他の部分は各実施の形態に共通の処理内容を示している。
【００２１】
まず、制御タイミングを図４により説明する。図４はＴ_TOPで圧縮ＴＯＰ位置となる気筒の制御タイミングを示したものである。
図において、ＳＧＴとは図１のクランク角センサ５の出力信号を示しており、４気筒エンジンでは点火周期である１８０°ＣＡ周期の各気筒５°Ｂと７５°Ｂで反転するパルス信号である。
本発明における制御装置では、５°Ｂ毎にエンジンの吸入空気量をはじめ各種情報を読み込み、運転状態を判定して各種制御量を算出しており、時刻Ｔ_SPで点火し燃焼する気筒に対する燃料量を、Ｔ_CAL（５°Ｂ処理）のタイミングで演算する。
【００２２】
図５のフローチャートにおいて、まず、予めエンジンの運転状態に応じて決められたインジェクションＯＦＦタイミングＴ_OFFを算出する（処理101）。筒内噴射の場合、筒内に噴射した燃料が点火プラグまで到達して可燃混合気を生成するまでの時間は、エンジン回転速度と吸入空気量の他にエンジンの暖気状態によって微妙に異なるため、通常は運転状態に応じてきめ細かく設定される。
次に、エンジンの目標制御空燃比と吸入空気量からエンジンへ供給する燃料量を算出し、これをインジェクタ駆動時間ｔ_ingとして算出し（処理102）、インジェクタＯＮ時刻Ｔ_ONを算出する（処理103）。
以上の処理により求められた結果が、図４の”補正前インジェクタ駆動信号”となる。このとき同時にインジェクション信号の中心時刻Ｔ_c（インジェクタＯＮ時刻Ｔ_ONとインジェクションＯＦＦ時刻Ｔ_OFFの中間時刻）を算出しておく（処理104）。
【００２３】
実施の形態１では、前記５°Ｂ処理と並行に、所定時間毎に点線Ａ部に示すタイマ処理が実行される。
このタイマ処理では、まず所定時間毎に筒内圧センサ１５の出力をセンシングして（処理201）、上記インジェクション中心時刻Ｔｃのタイミングと一致するかどうかを判定する（判定202）。ここで、Ｔｃ直後の場合にはセンシングした筒内圧をインジェクション時のシリンダ内圧力であると判断し、インジェクションパルス幅補正量を算出して補正後のインジェクション幅Ｔ_inj1を算出し（処理203）、上記５°Ｂ処理で設定されたインジェクションＯＦＦ時刻を図４の”補正後インジェクタ駆動信号”のＴ_OFF1として再設定する。
【００２４】
ここで、圧力補正量の算出方法を図３に従って説明する。
まず、インジェクション駆動幅ｔ_bに応じてインジェクタから噴射される燃料量Ｑ_Bは、図３（ａ）に示すようにインジェクタへの供給燃圧Ｐ_injとインジェクションされる場所の圧力との差圧Ｐ_Bが一定であれば、極低流量域を除き一義的に決まる。従って、従来のエンジンのように前記差圧Ｐ_Bが一定（Ｐ_inj−Ｐ_M；Ｐ_M＝インテェークマニホールド圧）の場合には一義的に決定される。しかし、筒内噴射の場合、Ｐ_injは数十気圧と一定であるが、インジェクションされるシリンダ内圧力が変化するため、差圧Ｐ_Bも変化する。ここで上記差圧Ｐ_Bの変化によるインジェクション量の変化は、差圧の変化の平方根に比例することが物理的に解っているため、ある基準とする差圧Ｐ_B（基準差圧と呼ぶ）の場合のインジェクション燃料量Ｑ_Bが分かっておれば、図３（ｂ）のように差圧がＰ_B1，Ｐ_B2，Ｐ_B3となった場合のインジェクション流量は、それぞれＱ₁，Ｑ₂，Ｑ₃として基準差圧と変化比の平方根から図３（ｂ）の式により求められる。
また、この差圧Ｐ_Bは、（燃圧Ｐ_inj）−（インジェクション部の圧力）であるため、筒内圧をセンシングすることにより求められ、インジェクション幅への補正が可能となる。
【００２５】
実施の形態２．
次に、実施の形態２を図５のフローチャートの点線Ｂ部により説明する。
実施の形態２は、筒内圧センサを使用しないでインジェクションタイミングのクランク角位置から筒内圧を予測し、インジェクション補正を行うものである。図２はシリンダ内圧（筒内圧）とインジェクションタイミングの関係を示したものである。
まず、従来の吸気管に燃料を噴射する方式のエンジンでは、１行程以内での吸気管圧力（マニホールド圧：Ｐ_M）はほぼ一定であるため、インジェクタ駆動を仮に図２のケース１〜３のどのタイミングで実施してもインジェクタ駆動幅ｔ_bが一定の場合には噴射燃料量は一定である。
一方、筒内噴射方式のエンジンでは、インジェクション先のシリンダ内圧力が吸入行程から圧縮行程にかけて図２のようにＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃と変化するため、図２のケース１〜３のように同じインジェクタ駆動幅ｔ_bで制御すると噴射燃料量が異なる。本実施の形態では、上記インジェクション時の筒内圧Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃がその時のクランク軸の位置と相関があることを利用したものである。
まず、図５の５°Ｂ処理において、インジェクタＯＮ，ＯＦＦ時刻及びインジェクタＯＮ時中心時刻Ｔ_cが処理101〜104で算出されているので、処理106で前回の５°Ｂ処理の時刻と今回の５°Ｂ処理時刻との周期から、今回設定したインジェクションＯＮ時中心時刻Ｔ_cのクランク角位置を予測演算する。
次に、クランク角位置と筒内圧との関係は運転状態に応じて図２のように予め解っているためそれをマップ化して用意し、処理107により処理106で算出されたクランク角に応じた筒内圧を演算する。
次に、処理108にて、前記演算された筒内圧から既に説明した図３の補正式に従ってインジェクタ駆動幅の補正を行い、処理109にて再度インジェクタＯＮ／ＯＦＦ時刻の設定を行う。
【００２６】
実施の形態３．
実施の形態３では、図５の点線Ｃ部（処理105）に示すように上記インジェクション駆動幅補正を圧縮行程噴射制御時のみに実施したものである。
実施の形態３では上記にて説明したように、圧縮行程噴射以外では圧縮行程噴射に比べて燃焼が安定しており、シリンダ内圧による空燃比（Ａ／Ｆ）変動の絶対量が小さい点、通常圧縮行程噴射が行われない高回転運転時におけるエンジン制御装置内の処理を軽減させることが可能な点を考慮し、圧力補正制御を圧縮行程噴射時に限定している。
通常圧縮行程噴射制御は、燃焼が安定な暖気完了後、すなわち冷却水温が十分に暖まった状態でかつ、比較的軽負荷の定常運転時（エンジン回転速度が所定回転数以下、かつ吸入空気量が所定量以下、かつスロットル開度変化が所定量以下の場合）に行われるため、図５の処理105でこれらの判定が行われる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１から請求項３の発明によれば、筒内噴射エンジン対応の燃料制御装置において、インジェクション制御にインジェクション先のシリンダ内圧の補正を加えることにより、より正確な燃料制御、空燃比制御を実現することができる。
【００２８】
特に、請求項２の発明では筒内圧センサを用いずに機関のクランク角度からシリンダ内の圧力を予測するようにしたので、より簡単かつ安価な方式でシリンダ内圧の補正を実現できる。
【００２９】
さらに、請求項３の発明ではエンジン制御装置内のＣＰＵへの処理負担増を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内噴射方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図２】シリンダ筒内圧とインジェクションタイミングを示す図である。
【図３】差圧が一定の場合の噴射流量とインジェクタ駆動幅の関係、及び差圧が異なる場合の圧力補正量の算出方法を示す図である。
【図４】クランク角センサの出力信号、インジェクタ駆動信号等の関係を示す図である。
【図５】この発明に係る筒内噴射方式の燃料制御を示すフローチャート図である。
【図６】従来の吸気管噴射方式の内燃機関の構成を示す図である。
【符号の説明】
１エンジン、２エアフローセンサ、３スロットル弁、
４スロットル開度センサ、５クランク角センサ、６水温センサ、
７Ｏ₂センサ、８エンジン制御装置、９点火プラグ、１０エアバイパスバルブ、
１１インジェクタ、１２燃料タンク、１３燃料ポンプ、１４燃圧レギュレータ、
１５筒内圧センサ。

Claims

内燃機関への吸入空気量及びその他内燃機関の運転状態を検出する各種検出手段と、内燃機関のシリンダ内に直接燃料を噴射するインジェクタと、上記各種検出手段からの情報を基に内燃機関への燃料供給時期と燃料供給量を演算し、当該演算結果をもとに上記インジェクタを駆動・制御するエンジン制御手段を備えた内燃機関において、
上記インジェクタの開弁時刻と閉弁時刻との間（開弁期間）の中心時刻を演算する手段と、この中心時刻における内燃機関のシリンダ内圧力を検出するための筒内圧検出手段を設け、当該検出手段により検出された上記中心時刻におけるシリンダ内圧力に応じて上記インジェクタの駆動量を補正し、この補正された駆動量によりインジェクタを駆動制御することを特徴とする筒内噴射式燃料制御装置。
筒内圧検出手段は、予め設定された内燃機関のクランク角度に対するシリンダ内圧特性と上記演算された中心時刻とによって当該中心時刻におけるシリンダ内の圧力を予測する手段から成り、当該予測値によりインジェクタの駆動量を補正することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式燃料制御装置。
上記シリンダ内圧力による燃料噴射量の補正制御を、圧縮行程噴射時の場合にのみ実施することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内噴射式燃料制御装置。