(57)【要約】【課題】冷間始動時においても的確な燃焼を行う燃料噴射制御が可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供すること。【解決手段】内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃料噴射装置２７から内燃機関１の気筒１０へと流入する燃料の動的挙動をモデル化した燃料挙動モデルを利用して燃料噴射装置２７による燃料供給量を制御する制御部６を備えており、吸気ポート２１への燃料噴射時に、吸気ポート２１内面及び／又は吸気バルブ１６表面への燃料付着面積を増大させる付着面積増大手段７を備え、制御部６は、内燃機関１の冷間始動時に、付着面積増大手段７を用いて燃料付着面積を増大させることを特徴としている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射装置から内燃機関の気筒へと流入する燃料の動的挙動をモデル化した燃料挙動モデルを利用して燃料噴射装置による燃料供給量を制御する制御部を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、
吸気ポートへの燃料噴射時に、前記吸気ポート内面及び／又は吸気バルブ表面への燃料付着面積を増大させる付着面積増大手段を備え、
前記制御部は、前記内燃機関の冷間始動時に、前記付着面積増大手段を用いて燃料付着面積を増大させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記付着面積増大手段が、燃圧を変化させて噴霧広がり角を変化させるものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記付着面積増大手段が、空気を燃料と同時に噴射させることで、噴霧広がり角又は噴射方向を変化させるものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、特に、燃料の動的挙動をモデル化した燃料挙動モデルを用いて燃料噴射装置による燃料供給量を制御する内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃料供給量を運転条件に応じて制御する装置として、吸気系における燃料挙動を記述する数式モデルを設定し、運転条件や燃料条件から設定した数式モデルを演算することで燃料挙動をシミュレートすることにより必要な燃料供給量を求めて燃料噴射装置を制御する燃料挙動モデルによる制御技術が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２１３２８１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、内燃機関の冷間始動時などは、噴射された燃料の蒸発が促進されにくく、吸気ポート内面などへの燃料付着量が多くなる。付着量が多すぎると液ダレが生じて空燃比制御が悪化することが懸念され、モデル制御を行う上での障害となる。即ち、冷間始動時には、もともと付着している燃料が少ないので、吸気ポート内面などを濡らすために消費される燃料量を考慮して噴射燃料が増量されるが、付着した燃料は温度が低いために蒸発しにくく、液ダレが発生しやすい。液ダレが発生すると、液ダレした燃料がうまく燃焼せず、エミッションやドライバビリティーの悪化を招く原因となる。従って、本発明の目的は、冷間始動時においても的確な燃焼を行う燃料噴射制御が可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃料噴射装置から内燃機関の気筒へと流入する燃料の動的挙動をモデル化した燃料挙動モデルを利用して燃料噴射装置による燃料供給量を制御する制御部を備える内燃機関の燃料噴射制御装置において、吸気ポートへの燃料噴射時に、吸気ポート内面及び／又は吸気バルブ表面への燃料付着面積を増大させる付着面積増大手段を備え、制御部は、内燃機関の冷間始動時に、付着面積増大手段を用いて燃料付着面積を増大させることを特徴としている。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、付着面積増大手段が、燃圧を変化させて噴霧広がり角を変化させるものであることを特徴としている。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、付着面積増大手段が、空気を燃料と同時に噴射させることで、噴霧広がり角又は噴射方向を変化させるものであることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射量制御装置の実施形態をこれを適用した内燃機関と共に示す構成図である。
【０００９】
図１に示されるエンジン（内燃機関）１は、多気筒エンジンであるが、図にはそのうちの一気筒についてのみ示してある。エンジン１には、吸気管２と排気管３とが接続されている。吸気管２には吸入空気の温度を検出する吸気温センサ２２と、吸入空気量を検出するエアフローメータ２３と、アクセルペダル４の操作に連動するスロットルバルブ２４が配置されると共にこのスロットルバルブ２４の開度を検出するスロットル開度センサ２５が配置されている。なお、スロットルバルブ２４は、いわゆる電子制御式のスロットルバルブであってもよい。
【００１０】
吸気管２上にはサージタンク２０が配設されており、このサージタンク２０内には、吸気管２内部の圧力を検出するための圧力センサ２６が配置されている。さらに、エンジン１の各気筒に接続される吸気ポート２１には電磁駆動式のインジェクタ２７が設けられており、このインジェクタ２７には燃料タンク５から燃料であるガソリンが供給される。燃料は、燃料タンク５内の燃料ポンプ７によってインジェクタ２７に送出される。燃料ポンプ７は電動タイプであり、後述するエンジンＥＣＵ６に接続されており、このエンジンＥＣＵ６によってその駆動が制御される。本実施形態のエンジン１は、各気筒ごとに独立してインジェクタ２７が配置されているマルチポイントインジェクションシステムである。
【００１１】
エンジン１の各気筒を構成するシリンダ１０内には図の上下方向に往復動するピストン１１が設けられ、このピストン１１はコンロッド１２を介して図示していないクランク軸に連結されている。ピストン１１の上方には、シリンダ１０とシリンダヘッド１３とによって区画された燃焼室１４が形成されている。この燃焼室１４の上部には点火プラグ１５が配置されると共に、開閉可能な吸気バルブ１６と排気バルブ１７を介してそれぞれ吸気管２と排気管３に接続されている。排気管３には、排気ガス中の酸素濃度に応じた所定の電気信号を出力する空燃比センサ３１が配置されている。
【００１２】
エンジン１を制御するエンジンＥＣＵ６は、マイクロコンピュータを中心に構成されており、上述した各センサ（吸気温センサ２２、エアフローメータ２３、スロットル開度センサ２５、圧力センサ２６、空燃比センサ３１）や車速センサ６０、クランクポジションセンサ６１の各出力信号が入力されると共に、点火プラグ１５、インジェクタ２７、燃料ポンプ７の動作を制御するものである。
【００１３】
本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置において使用される燃料挙動モデルの概要について図２を参照して説明する。図２は、インジェクタ２７近傍（吸気ポート２１付近）における燃料挙動のシミュレーションモデルを示す模式図である。以下の説明では、コンピュータによる数値化処理を考慮して時刻を表すカウンタ値を「ｋ」で表す。図２において、Ｆｉ（ｋ）は、時刻ｋにおいてインジェクタ２７から噴射される燃料量（インジェクタ噴射量）を示している。
【００１４】
また、Ｆｗ（ｋ）は、時刻ｋにおいて吸気ポート２１の内面や吸気バルブ１６の吸気ポート２１側表面（以下、単に吸気バルブ１６の表面と言う）に付着している燃料量（壁面付着燃料量）を示している。さらに、この吸気ポート２１の内面と吸気バルブ１６の表面とを、以下、吸気ポート２１の壁面等と呼ぶこととする。さらに、Ｆｃ（ｋ）は、時刻ｋにおいて気筒内（シリンダ１０内の燃焼室１４内）に供給される燃料量（筒内供給燃料量）を示している。
【００１５】
ここで、時刻ｋにおけるインジェクタ噴射量Ｆｉ（ｋ）のうち、吸気ポート２１の壁面等に付着する割合（壁面付着率）をＲ（ｋ）とし、時刻ｋにおいて壁面付着燃料量Ｆｗ（ｋ）のうち、気化せずに吸気ポート２１の壁面等に残留する割合（壁面残留率）をＰ（ｋ）とすると、以下の式（１）、（２）が成立する。これらの式は、Ｃ．Ｆ．アキノの式として一般に知られている。
【００１６】
【数１】
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【００１７】
なお、Ｐ（ｋ），Ｒ（ｋ）は、機関負荷ＫＬ，エンジン回転数Ｎｅ，バルブタイミング（バルブオーバーラップ量）ＶＴ，吸気ポート２１等の壁温Ｔｗをパラメータとしてマップ化されており、エンジンＥＣＵ６内に格納されている。この、Ｐ（ｋ），Ｒ（ｋ）は、制御中に補正され、常に最適な値が維持されるようになっている。また、本実施形態の場合は、冷間始動時にのみ用いる冷間始動専用のＰＲマップと、それ以外の時に用いるＰＲマップとが用意されている。上述した式（１），（２）式のＦｃ（ｋ）から求められる燃焼室１４内の空燃比がストイキとなるように、Ｆｉ（ｋ）が算出される。
【００１８】
しかし、エンジン１の冷間始動時には、上述した吸気ポート２１の壁面等の温度は低く、かつ、その表面にはほとんど燃料が付着していない。このため、冷間始動直後は、壁面を濡らすために消費される燃料分と、温度が低くて蒸発しにくい分の燃料量を見込んで、始動時増量が行われる。そのような状況下では、壁面に付着した燃料が流下して液ダレによって液滴状に燃焼室１４内に滴下してしまうことがある。このような液ダレが生じると、上述した燃料モデルによる制御（推定）の誤差が大きくなり、制御精度が悪化してしまう。
【００１９】
上述した制御では、付着燃料は吸気流によって持ち去られる分を（１−Ｐ）Ｆｗとして考慮しているが、これは上述した液ダレのような状況を考慮したものではない。上述した制御は、燃料は混合気（気相）として燃焼室１４に入ることを想定した制御であり、液ダレのように液相として燃焼室１４に入る現象が生じると制御精度が悪化する。そこで、本実施形態では、冷間始動時には、インジェクタ２７からの燃料噴射によって吸気ポート２１の壁面等に付着する燃料の面積、即ち、燃料付着面積を広くするように燃料噴射制御を行う。
【００２０】
冷間始動時の燃料付着面積を広くすることで、広い範囲に薄く燃料が付着して液ダレが生じにくくなり、上述した燃料モデルによる制御精度の悪化を防止することができる。また、壁面を通じて付着燃料に伝達する熱量が増加するので、付着燃料の蒸発も促進され、燃焼が安定しやすくなるという利点もある。本実施形態では、燃圧を変化させて、インジェクタ２７から噴射される燃料流の噴霧広がりを変化させて、燃料付着面積を増大させる。
【００２１】
上述したように、本実施形態における燃料ポンプ７はエンジンＥＣＵ６によって、その駆動を制御できる。そこで、冷間始動時には、燃料ポンプ７によって発生させる燃圧を通常時よりも上げ、図３のように噴霧広がり角θを通常時よりも大きくする。なお、本実施形態のインジェクタ２７の噴霧広がりは、インジェクタ２７の軸線に対して垂直な平面上で円形となるが長円形や楕円形などとなっていてもよい。噴霧広がり角θが大きくなるということは、これらの図形の面積が広くなることを意味する。
【００２２】
この制御を行う際の、上記式（１），（２）に関する部分のフローチャートを図４に示す。図４のフローチャートの制御は、エンジン１の始動後に所定時間毎に繰り返し実行される。まず、エンジン１の状態や車両の運転状態などに関する各種パラメータを取得する（ステップ４００）。これは、上述した各種センサの出力値がエンジンＥＣＵ６に入力されることである。取得した情報に基づいて、燃焼室１４に供給すべき筒内供給燃料量Ｆｃが算出される（ステップ４０５）。
【００２３】
次いで、冷間始動時か否かを判定するのであるが、ここでは、まず、前回エンジン１が停止されていた時間（エンジン停止期間）を取得し、この時間が所定時間（α秒）以上であるか否かを判定する（ステップ４１０）。エンジン停止時間は、前回のイグニッションオフから今回のエンジン始動完了判定（または、イグニッションオン）までの時間をエンジンＥＣＵ６内部のタイマなどを用いて取得すればよい。
【００２４】
この所定時間α秒は、燃焼によって暖まったエンジン１が停止後に十分に冷えるまでの時間として設定される。ステップ４１０が否定される場合は、まだエンジン１は熱を有しており、冷間始動にはあたらないとして、通常のＰＲマップを用いて残留率Ｐ及び付着率Ｒが算出（マップに基づいて決定）される（ステップ４１５）。この場合の燃料噴射は通常の燃料噴射となる。一方、ステップ４１０が肯定され、エンジン停止期間が所定時間α秒を超えている場合は、次にエンジン始動後からの経過時間を取得し、この時間が所定時間（β秒）以上であるか否かを判定する（ステップ４２０）。
【００２５】
エンジン始動後の経過時間は、エンジン停止期間の場合と同様に、今回のエンジン始動完了判定（または、イグニッションオン）からの時間をエンジンＥＣＵ６内部のタイマなどを用いて取得すればよい。この所定時間β秒は、エンジン１が冷間始動されてから十分に暖まるまでの時間として設定される。ステップ４２０が肯定される場合は、冷間始動であったとしても既に十分に暖まっていると考えられるので、やはり通常のＰＲマップを用いて残留率Ｐ及び付着率Ｒが算出される（ステップ４１５）。この場合の燃料噴射も通常の燃料噴射となる。
【００２６】
一方、ステップ４２０が否定され、エンジン始動後の経過時間が所定時間β秒未満である場合は、エンジン１が冷間始動されてまだ十分に暖まっていないと判断できる。この場合は、噴射燃料の付着面積を拡大させる制御機構を作動させる（ステップ４２５）。本実施形態でいえば、燃料ポンプ７の駆動を制御して噴霧広がり角θを通常時よりも大きくする。そしてさらに、この場合は、冷間始動時専用のＰＲマップによって残留率Ｐ及び付着率Ｒが算出される（ステップ４３０）。
【００２７】
冷間始動時は、噴射された燃料が吸気ポート２１の壁面などに付着する現象と付着していた燃料が脱離する現象とが、通常時とは異なる。そこで、本実施形態のように、冷間始動時専用のＰＲマップを利用することで、より正確な燃料噴射制御を行うことができる。ただし、冷間始動時専用のＰＲマップを用いなければ燃料噴射制御を行えないということではなく、冷間始動時専用のＰＲマップを用いることでより一層制御精度を向上できるということである。
【００２８】
なお、ステップ４１５において用いられる壁温Ｔｗと、ステップ４３０において用いられる壁温Ｔｗ（Ｔｗ’）とを異ならせても良い。具体的には、燃料付着面積を増大させることによって、燃料が付着する部位が異なる場合があり得る。即ち、付着面積が小さいときは主として吸気バルブ１６の裏側に燃料が付着されるが、付着面積を増大させることで主として吸気ポート２１の内壁に燃料が付着されるようになる場合がある。このような場合は、通常時は吸気バルブ１６の温度をＴｗとして用い、付着面積増大時には吸気ポート２１内壁温度（エンジンブロック内の冷却水温度などとほぼ等しい）をＴｗ’として用いることができる。
【００２９】
ステップ４１５又はステップ４３０の後、算出されたＰ（ｋ），Ｒ（ｋ）に基づいて燃料噴射量Ｆｉ（ｋ）が算出され（ステップ４４０）、さらに、この燃料噴射量Ｆｉ（ｋ）及び壁面付着量Ｆｗ（ｋ）から次回の壁面付着量Ｆｗ（ｋ＋１）が算出される（ステップ４４５）。このようにすることで液ダレが防止され、燃料モデルによる制御精度の悪化が防止される。また、付着面積増大によって、壁面を通じて付着燃料に伝達する熱量が増加し、付着燃料の蒸発も促進されて燃焼も安定しやすくなる。
【００３０】
上述した実施形態では、燃圧を変化させて燃料付着面積を増大させたが、いわゆるエアアシストを用いて燃料付着面積を増大させても良い。エアアシストとは、燃料と同時に空気を噴射させることで噴射燃料の微細化を図り、燃焼を促進させるものである。ここでは、これを利用して燃料付着面積を増大させる。なお、エアアシストによって噴射燃料が微細化されることで、吸気ポート２１の内壁などへの付着量自体が抑制され、排出ＨＣ量が抑制されるという利点もある。また、エアアシストによって燃焼を改善し、混合比をリーン化して排出ＮＯｘ量を低減させることも可能となる。
【００３１】
図５に、エアアシストを用いて燃料付着面積を増大させる場合の図１相当図を示す。図５に示されるエンジン１においては、スロットルバルブ２４の近傍からインジェクタ２７の噴射口までエアアシスト配管８が配設されている。そして、このエアアシスト配管８上にはバルブ９が設けられており、バルブ９はエンジンＥＣＵ６に接続されている。バルブ９が開かれていれば、インジェクタ２７によって燃料を噴射することで、エアアシスト配管８からの空気が噴射される燃料に混合される。本実施形態のバルブ９は、エンジンＥＣＵ６によって開度制御（又は開閉ＤＵＴＹ比制御）され、エアアシスト量を制御し得る。ただし、バルブ９は、単に開閉の二段階で制御されても良い。その他の部分に関しては、図１の場合と同様であるため詳しい説明は省略する。
【００３２】
本実施形態の場合は、エアアシストを行うことによって、噴射された燃料の
噴霧広がり角θを広げ、燃料付着面積を増大させている。また、インジェクタ２７の燃料噴射口とエアアシストを行うエア噴射口との位置によっては、燃料噴射の方向を変化させることで、燃料付着面積を増大させることも可能となる。エアアシストによって、噴霧広がり角θと噴射方向の両方を同時に変えることで燃料付着面積を増大させることも可能である。
【００３３】
噴射方向を変える場合を図６に示す。通常時は、最も温度の高い吸気バルブ１６をねらって燃料噴射を行い、燃料の気化を促進させる。しかし、冷間始動時は、吸気バルブ１６を狙って燃料噴射を行うと、吸気バルブ１６が暖まっていないので、吸気バルブ１６から燃焼室１４内への液ダレが生じやすくなる。そこで、ここでは、燃料噴射が吸気ポート２１の内壁に向くように、エアアシストによって噴射方向を変更している。このとき、同時に付着面積も増加されている。
【００３４】
付着面積増大に関しては、噴射方向と吸気ポート２１の内面とが斜めとなるようにして燃料付着面積がより広くなるようになされており、壁面を通じて付着燃料に伝達される単位面積あたりの熱量を増加させて付着燃料の蒸発も促進させている。このようにすることで、噴射燃料が吸気ポート２１の内面に薄く（蒸発も促進される）付着し、液ダレが生じにくくなる。このエアアシストを用いた実施形態も、上述した図４のフローチャートの制御によって制御し得る。このとき、ステップ４２５においては、エアアシストを作動させることが付着面積拡大制御機能を作動させることになる。なお、通常時もエアアシストを行う場合は、通常時と冷間始動時とでエアアシスト量を変えることで付着面積を増大させることも可能である。この場合は、バルブ９の開度を調節して、付着面積を増大させればよい。
【００３５】
上述した実施形態では、燃料ポンプ７やエアアシスト機構（エアアシスト配管８及びバルブ９）が付着面積増大手段として、エンジンＥＣＵ６が制御部として、エンジンＥＣＵ６やインジェクタ２７が燃料噴射装置として機能している。
【００３６】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、燃圧を変えたり、エアアシストインジェクタを利用することで、燃料付着面積を変化させたが、一気筒あたり二つ以上のインジェクタを配設して（全ての気筒についてでなくても良い）燃料付着面積を変化させることも考えられる。冷間始動時には二つのインジェクタから噴射して燃料付着面積を増大させ、通常時は一方のインジェクタのみを用いるようにしても良い。あるいは、二つのインジェクタによる燃料付着面積が異ならせてあり、冷間始動時には燃料付着面積の広い方を用い、通常時は他方を用いるようにしても良い。
【００３７】
あるいは、インジェクタの噴霧孔を複数設け、冷間時には複数用いて噴霧させ、通常時はいくつかの噴霧孔を使用しないようにしても良い。噴霧孔を選択的に使用することも考えられる。あるいは、インジェクタ自体（あるいは噴霧部分のみ）を傾けることができるような機構を採用してもよい。また、上述した実施形態では、冷間始動であるか否かを経過時間から判定したが、冷却水温やエンジンオイル温度などから判定しても良い。もちろん、冷却水温やエンジンオイル温度と外気温とを比較するなどしても良い。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の燃料噴射制御装置は、燃料噴射装置から内燃機関の気筒へと流入する燃料の動的挙動をモデル化した燃料挙動モデルを利用して燃料噴射装置による燃料供給量を制御する制御部と、吸気ポートへの燃料噴射時に、吸気ポート内面及び／又は吸気バルブ表面への燃料付着面積を増大させる付着面積増大手段とを備えており、制御部は、内燃機関の冷間始動時に、付着面積増大手段を用いて燃料付着面積を増大させる。このため、冷間始動時には吸気ポートの内面や吸気バルブの表面への燃料付着を分散させることで液ダレを発生させにくくできる。この結果、液ダレによるエミッションやドライバビリティーの悪化を抑止し、冷間始動時においても的確な燃焼を行う燃料噴射制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料噴射装置の第一実施形態を適用した内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】燃料挙動モデルを説明する図である。
【図３】噴射広がり角θを変えて燃料付着面積を増大させることを説明する断面図である。
【図４】本発明に係る燃料噴射制御を説明するフローチャートである。
【図５】本発明の燃料噴射装置の第二実施形態を適用した内燃機関を示す概略構成図である。
【図６】噴射方向を変えて燃料付着面積を増大させることを説明する断面図である。
【符号の説明】
１…内燃機関、２…吸気管、３…排気管、４…アクセルペダル、５…燃料タンク、６…エンジンＥＣＵ、７…燃料ポンプ、８…エアアシスト配管、９…バルブ９、１４…燃焼室、２１…吸気ポート、２７…インジェクタ。
【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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