(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数気筒を有する圧縮着火式の内燃機関の各気筒内に対して、吸気量と燃料噴射量との比を制御しながら燃料噴射制御を実行するための燃料噴射制御装置において、
前記各気筒への指示噴射量の演算を行う指示噴射量演算手段と、
前記内燃機関のクランク角速度を検出する角速度検出手段と、
第１の気筒への燃料噴射によって生じた前記クランク角速度の変動の推移から、次に燃料噴射が行われる第２の気筒への吸気量を推定する吸気量推定手段と、
前記吸気量と前記第２の気筒への燃料噴射量との比が所定範囲内となるように前記指示噴射量の補正を行う噴射量補正手段と、
を備え、
前記吸気量推定手段は、前記クランク角速度の増加期間における増加率と、前記クランク加速度の減少期間における減少率と、を求め、前記増加率及び前記減少率に基づいて前記吸気量を推定することを特徴とする燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記吸気量推定手段は、あらかじめ記憶されている理想吸気効率の状態での前記増加率及び前記減少率の比を基準値として、求められた前記増加率及び前記減少率の比と前記基準値とを比較することにより前記第２の気筒の吸気効率を求め、前記吸気量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンに代表される圧縮着火式の内燃機関の気筒内への燃料噴射制御を実行するための燃料噴射制御装置に関する。特に、本発明は、圧縮着火式内燃機関の気筒内での空燃比を適切に制御するための燃料噴射制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の一態様としてディーゼルエンジンでは、燃費の向上や排気ガス中の有害物質の低減のために、気筒内での吸気量と燃料噴射量との比（以下「空燃比」という。）を制御しながら燃料噴射制御が行われている。
【０００３】
このような燃料噴射制御を正確に行うために、内燃機関の運転状態が色々と変化しても気筒毎の吸気量を正確に求めることができるようにした内燃機関の空燃比制御装置及び気筒毎流入空気量推定方法が提案されている。
【０００４】
具体的には、マニホールド内の気体の密度を計測し、スロットルを通過する空気量を計測し、内燃機関のクランクの角度を計測し、クランク角に基づき吸気行程にある気筒を識別し、吸気行程の気筒に対応する計算手段が呼び出され、計算手段は、吸気効率を推定し、吸気効率と上記センサデータに基づき気筒に流入した空気量を計算し、この空気量に基づき該気筒への燃料噴射量を計算することで空燃比を制御するようにした内燃機関の空燃比制御装置及び気筒毎流入空気量推定方法が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３４７９８号公報  （全文、全図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１では、気筒での吸気量を計算する際に用いる吸気効率の値を以下のように算出している。まず、スロットル通過空気量が計測される。次に、密度計測手段でマニホールド内の気体の密度を求め、この密度の増加量にマニホールドの容積をかけることでマニホールド内の気体の増加量が計算される。その後に、クランク角が計算され、これを微分してクランク角速度が計算され、これとマニホールド内の気体の密度より気筒への理想流入量が計算される。これらの計算結果をもとにして吸気効率が計算される。
【０００７】
この特許文献１において、スロットル通過空気量の計測に、スロットル部分に配置されるスロットル開度センサ、スロットルよりも上流側に配置される圧力センサ及び温度センサを用いる例や、スロットルよりも上流側に配置される熱線式空気流量計を用いる例が記載されている。また、特許文献１において、密度計測手段として、マニホールドの集合部分に配置される圧力センサ及び温度センサを組み合わせて用いる例が記載されている。
【０００８】
この特許文献１の方法では、吸気効率を求めるために種々のセンサを配置する必要があり、少なくともマニホールド内に圧力センサや温度センサについては既存のシステムに新たに付加する必要が生じる。そのため、特許文献１の方法を既存のシステムに適用しようとするとコストの増加を伴うことになる。
【０００９】
そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、内燃機関のクランク角速度の変動の推移を利用して吸気効率を求めることによりこのような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明は、センサ等を新たに付加することなく既存のシステムにおいて吸気量を推定できるようにした燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、複数気筒を有する圧縮着火式の内燃機関の各気筒内に対して、吸気量と燃料噴射量との比を制御しながら燃料噴射制御を実行するための燃料噴射制御装置において、各気筒への指示噴射量の演算を行う指示噴射量演算手段と、内燃機関のクランク角速度を検出する角速度検出手段と、第１の気筒への燃料噴射によって生じたクランク角速度の変動の推移から、次に燃料噴射が行われる第２の気筒への吸気量を推定する吸気量推定手段と、吸気量と第２の気筒への燃料噴射量との比が所定範囲内となるように指示噴射量の補正を行う噴射量補正手段と、を備え、吸気量推定手段は、クランク角速度の増加期間における増加率と、クランク加速度の減少期間における減少率と、を求め、増加率及び減少率に基づいて吸気量を推定することを特徴とする燃料噴射制御装置が提供され、上述した問題を解決することができる。
【００１２】
また、本発明の燃料噴射制御装置を構成するにあたり、吸気量推定手段は、あらかじめ記憶されている理想吸気効率の状態での増加率及び減少率の比を基準値として、求められた増加率及び減少率の比と基準値とを比較することにより第２の気筒の吸気効率を求め、吸気量を推定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料噴射制御装置によれば、クランク角センサを用いて検出されるクランク角速度の変動の推移から気筒内への吸気量が推定され、この吸気量に応じて燃料噴射量の補正が行われる。したがって、既存のシステムに対して新たにセンサ等を付加することなく吸気量に応じて燃料噴射量を補正することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態にかかる内燃機関の構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる燃料噴射制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】気筒内の圧力とクランク角速度との関係を説明するための図である。
【図４】気筒内に生じるエネルギーとクランク角速度との関係を説明するための図である。
【図５】クランク角速度の変動の推移における増加率及び減少率から吸気効率を推定する方法について説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態にかかる燃料噴射量の補正方法の制御フローを説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の燃料噴射制御装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、以下の実施の形態は本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。
【００１６】
１．内燃機関の全体的構成
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料噴射制御装置７０によって燃料噴射制御が行われる内燃機関４０の概略構成を示している。この図１に示す内燃機関４０は、４気筒の圧縮着火式の内燃機関であるディーゼルエンジンである。この内燃機関４０の各気筒４１ａ〜４１ｄにはそれぞれインテーク・マニホールド１１の分岐部が接続され、吸気通路１２から取り込まれる空気がインテーク・マニホールド１１を介して各気筒４１ａ〜４１ｄ内に導入される。
【００１７】
吸気通路１２には、吸入空気の流量を調整するスロットル弁１７と、吸入空気の流量を測定するエアマスセンサ１８とが設けられている。スロットル弁１７は、燃料噴射制御装置７０からの制御信号により開度が調節されて、インテーク・マニホールド１１に送られる吸入空気の流量が調整される。
【００１８】
また、各気筒４１ａ〜４１ｄにはそれぞれ燃料噴射弁３４が備えられており、クランクシャフト４３の回転に伴ってピストン４２ａ〜４２ｄが各気筒４１ａ〜４１ｄ内を往復動し、各気筒４１ａ〜４１ｄ内が圧縮状態のときに各気筒４１ａ〜４１ｄ内にディーゼル燃料が噴射される。ディーゼル燃料が噴射されると各気筒４１ａ〜４１ｄ内では爆発を生じ、ピストン４２が押し下げられてクランクシャフト４３がさらに回転させられる。この内燃機関４０には、クランクシャフト４３の回転位相であるクランク角θを検出するためのクランク角センサ４４が設けられている。
【００１９】
２．燃料噴射制御装置
図２は、本実施形態の燃料噴射制御装置（以下、単に「制御装置」と称する。）７０の構成を機能的なブロックで表した図を示している。この制御装置７０は、公知の構成からなるマイクロコンピュータを中心に構成されており、指示噴射量演算手段７１と、角速度検出手段７３と、吸気量推定手段７４と、噴射量補正手段７５と、燃料噴射弁制御手段７６とを備えている。これらの各手段は、具体的にはマイクロコンピュータによるプログラムの実行によって実現される。
【００２０】
また、制御装置７０には、図示しない記憶手段（ＲＡＭ：Random Access Memory）が備えられている。この記憶部には、各手段で算出ないし検出された情報や、内燃機関４０に備えられたセンサの情報が記憶され、記憶された情報は必要に応じて各手段によって読込まれる。
【００２１】
（１）指示噴射量演算手段及び角速度検出手段
指示噴射量演算手段７１は、機関回転数Ne及びアクセル操作量Acc等の運転状態に基づいて、内燃機関４０の各気筒４１ａ〜４１ｄ内に噴射する燃料の指示噴射量Qtgtを算出する。また、角速度検出手段７３は、クランク角センサ４４のセンサ信号Sωを単位時間ごとに継続的に読込み、単位時間当たりのクランクシャフト４３の回転変位の角速度ωを検出する。
【００２２】
（２）吸気量推定手段
吸気量推定手段７４は、角速度検出手段７３で検出されるクランク角速度ωを継続的に読み込み、このクランク角速度ωの変動の推移に基づいて各気筒４１ａ〜４１ｄ内への吸気量Vinを推定する。以下、本実施形態の制御装置７０によって実行される吸気量Vinの推定方法について具体的に説明する。
【００２３】
図３は、クランク角θと各気筒４１ａ〜４１ｄ内の圧力Pcylとクランク角速度ωとの関係を示している。第１の気筒４１ａに関し、クランク角θが０〜１８０°の期間、第１の気筒４１ａはピストンが下死点から上死点に向けて上昇する圧縮行程にあり、第１の気筒４１ａ内の圧力Pcyl1は上昇する。クランク角θが１８０°のときにピストンは上死点に達し、第１の気筒４１ａ内では燃料が噴射されて爆発を生じる。
【００２４】
次いで、クランク角θが１８０〜３６０°の期間、第１の気筒４１ａは膨張行程にあり、ピストンが上死点から下死点に向けてピストンが押し下げられ圧力は低下する。その後、クランク角θが３６０〜５４０°の期間、第１の気筒４１ａは排気行程にありピストンが下死点から上死点へと上昇し、クランク角θが５４０〜７２０°の期間、第１の気筒４１ａは吸気行程にあり上死点から下死点へと移動するが、この期間においては第１の気筒４１ａ内の圧力はほとんど変動しない。
【００２５】
他の第２の気筒４１ｂ〜第４の気筒４１ｄについても、圧縮行程、膨張行程、排気行程、吸気行程が繰り返され、気筒内の圧力は第１の気筒４１ａと同様に変化するが、その位相は１８０°づつずれている。各気筒４１ａ〜４１ｄにおけるこのようなサイクルが重なることによって、内燃機関４０のクランク角速度ωは、クランク角θが１８０°回転するごとに増加及び減少を繰り返す。この図３においては、第１の気筒４１ａ、第３の気筒４１ｃ、第４の気筒４１ｄ、第２の気筒４１ｂの順に燃料噴射が行われる例が示されている。
【００２６】
図４（ａ）及び（ｂ）は、図３におけるクランク角θが１８０〜３６０°の期間におけるクランク角速度ωの推移を示している。図４（ａ）に示すように、クランク角θが１８０〜３６０°の期間において、第１の気筒４１ａは爆発行程から膨張行程にある一方、第３の気筒４１ｃは圧縮行程にある。すなわち、第１の気筒４１ａでは爆発によってエネルギーが発生している一方、第３の気筒４１ｃでは圧縮によってエネルギーが消失している。
【００２７】
ただし、第１の気筒４１ａで発生するエネルギーは爆発の直後が最大であり、その後は次第に減少する一方、第３の気筒４１ｃで消失するエネルギーは気筒内の圧力の上昇に伴って次第に増大する。そのため、この期間の初期においては第１の気筒４１ａでの爆発によって発生するエネルギーが支配的である一方、この期間の終期に近付くにつれて第３の気筒４１ｃでの圧縮によって消失するエネルギーが支配的になる。
【００２８】
換言すれば、図４（ｂ）に示すように、クランク角速度ωが増加する期間においては、第１の気筒４１ａでの爆発によって発生したエネルギーが支配的であり、そのときのクランク角速度ωの増加率δComb（＝ｂ／ａ＞０）は第１の気筒４１ａへの燃料噴射量に比例すると見ることができる。また、クランク角速度ωが減少する期間においては、第３の気筒４１ｃでの圧縮によって消失するエネルギーが支配的であり、そのときのクランク角速度ωの減少率δComp（＝Ｂ／Ａ＞０）は第３の気筒４１ｃへの吸気量Vinに比例すると見ることができる。
【００２９】
そこで、第１の気筒４１ａへの燃料噴射によって生じたクランク角速度ωの変動の推移における増加率δComb及び減少率δCompを求め、この増加率δCombと減少率δCompとの比を、図５に示すように、理想とする吸気効率での増加率δCombと減少率δCompとの比を示す基準ラインと比較することによって、基準状態の吸気効率を１００％とした場合の第３の気筒４１ｃでの吸気効率を推定することができる。吸気効率の基準状態は、例えば、増加率δCombと減少率δCompとの比が１．０の状態に設定することができるが、これ以外の値であっても適宜所望の状態に設定することができる。
【００３０】
クランク角速度ωの変動の推移の増加率δCombを求める際のクランク角θの位置については、爆発によって発生したエネルギーが支配的な期間、すなわち、燃料噴射量の違いによる増加率δCombの差が顕著に表れるような期間であれば特に制限されるものではない。同様に、クランク角速度ωの変動の推移の減少率δCompを求める際のクランク角θの位置については、圧縮によって消失するエネルギーが支配的な期間、すなわち、吸気量Vinの違いによる減少率δCompの差が顕著に表れるような期間であれば特に制限されるものではない。例えば、クランク角速度ωの増加割合又は減少割合が比較的大きい期間において求めることが好ましく、具体的には、クランク角θが２００〜２３０°の期間と、３１０〜３４０°の期間とにおいて、それぞれ増加率δComb及び減少率δCompを求めることができる。
【００３１】
このようにして第３の気筒４１ｃでの吸気効率が推定されれば、吸気効率が１００％の場合の理想吸気量Vin0に吸気効率を乗じることによって、第３の気筒４１ｃでの吸気量Vinを推定することができる。
【００３２】
（３）噴射量補正手段
噴射量補正手段７５は、吸気量推定手段７４で算出された吸気量Vinに基づいて、気筒内の空燃比A/Fが所望の値となるように指示噴射量演算手段７１で算出された指示噴射量Qtgtを補正し、補正後の指示噴射量Qtgt’を算出する。噴射量の補正によって調節される空燃比A/Fの値の範囲は、トレードオフの関係にある、燃焼後の排気ガスに含まれる排気微粒子（ＰＭ）及び窒素酸化物（ＮＯX）それぞれの値が許容値内に収まるようにあらかじめ実験等によって設定される。
【００３３】
（４）燃料噴射弁制御手段
燃料噴射弁制御手段７６は、噴射量補正手段７５で算出された補正後の指示噴射量Qtgt’に基づいて燃料噴射弁１３の通電制御を行う。具体的に、燃料噴射弁制御手段７６は、燃料噴射弁１３に供給されている燃料の圧力と補正後の指示噴射量Qtgt’とに基づいて燃料噴射弁１３への通電開始時期及び通電時間を決定し、燃料噴射弁１３の駆動制御を行うアクチュエータに対して指示信号を出力する。
【００３４】
本実施形態において、制御装置７０は、吸気量推定手段７４で推定される吸気量Vinに基づき指示噴射量演算手段７１で算出された指示噴射量Qtgtを補正するように構成されているが、これ以外にも、燃料噴射弁制御手段７６から燃料噴射弁１３に対して出力される制御指示値を補正するようにしてもよい。
【００３５】
３．制御の具体的フロー
次に、本実施形態の燃料噴射制御装置７０によって実行される指示噴射量補正制御の具体例な制御フローについて、図６に基づいて詳細に説明する。なお、以下の制御フローにおいては、これまで説明した内燃機関４０のうちの噴射が連続して実行される第１の気筒４１ａ及び第３の気筒４１ｃのみに着目して、第３の気筒４１ｃにおける指示噴射量の補正方法について説明する。
【００３６】
まず、スタート後のステップＳ１において、内燃機関４０の回転数Neやアクセル操作量Acc等の運転状態を読み込んだ後、ステップＳ２において、第１の気筒４１ａ及び第３の気筒４１ｃにおける燃料の指示噴射量Qtgtを算出する。
【００３７】
次いで、ステップＳ３において、第１の気筒４１ａに対して燃料噴射制御を実行した後、ステップＳ４において、第１の気筒４１ａへの燃料噴射によって生じた内燃機関４０のクランク角速度ωの変動の推移を読み込む。次いで、ステップＳ５において、読み込まれたクランク角速度ωの変動の推移のうち、クランク角速度ωが増加状態にあるときの増加率δCombを求めるとともに、ステップＳ６において、クランク角速度ωが減少状態にあるときの減少率δCompを求める。
【００３８】
次いで、ステップＳ７において、クランク角速度ωの増加率δComb及び減少率δCompに基づいて第３の気筒４１ｃでの吸気効率を求め、さらに、ステップＳ８において、第３の気筒４１ｃでの吸気量Vinを求める。
【００３９】
次いで、ステップＳ９において、ステップＳ２で算出された指示噴射量QtgtとステップＳ８で求められた第３の気筒４１ｃでの吸気量Vinとに基づいて、第３の気筒４１ｃ内での空燃比A/Fを推定する。そして、ステップＳ１０において、第３の気筒４１ｃ内での空燃比A/Fが許容範囲内にあるか否かの判別を行う。
【００４０】
空燃比A/Fが許容範囲内に有る場合にはそのままステップＳ１１に進み、指示噴射量Qtgtに基づいて第３の気筒４１ｃへの燃料噴射制御を実行し、本ルーチンを終了する。一方、空燃比A/Fが許容範囲外に有る場合には、ステップＳ１２に進み、空燃比A/Fが許容範囲内の値となるように指示噴射量Qtgtの補正を行った後に、ステップＳ１１に進んで補正後の指示噴射量Qtgt’に基づいて第３の気筒４１ｃへの燃料噴射制御を実行し、本ルーチンを終了する。
【００４１】
本実施形態における４気筒の内燃機関４０において、他の第１の気筒４１ａ、第２の気筒４１ｂ、第４の気筒４１ｄにおいても上述の制御フローと同様の手順に沿って、それぞれ第２の気筒４１ｂ、第４の気筒４１ｄ、第３の気筒４１ｃへの燃料噴射によって生じたクランク角速度ωの変動の推移に基づいて各気筒への吸気量Vinが推定され、気筒内での空燃比が所定の範囲内の値となるように指示噴射量の補正が行われるようになっている。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態の制御装置７０によれば、燃料噴射が実行されることによって生じたクランク角速度ωの変動の推移に基づいて、次に燃料噴射が実行される気筒への吸気量Vinが推定され、この気筒内での空燃比が所定範囲内となるように燃料噴射量の補正を行うことができる。したがって、既存の内燃機関への燃料噴射システムに対して新たにセンサ等を付加することなく、各気筒内での空燃比を所望の値に調整することができるようになる。
【符号の説明】
【００４３】
１１：インテーク・マニホールド、１２：吸気通路、１７：スロットル弁、１８：エアマスセンサ、３４：燃料噴射弁、４０：内燃機関、４１ａ：第１の気筒、４１ｂ：第２の気筒、４１ｃ：第３の気筒、４１ｄ：第４の気筒、４２ａ・４２ｂ・４２ｃ・４２ｄ：ピストン、４３：クランクシャフト、４４：クランク角センサ、７０：制御装置、７１：指示噴射量演算手段、７３：角速度検出手段、７４：吸気量推定手段、７５：噴射量補正手段、７６：燃料噴射弁制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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