(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各気筒の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と、少なくとも吸気バルブの閉弁タイミングを可変する可変バルブ装置を備えた内燃機関において、
内燃機関の運転状態に基づいて要求燃料量を算出する要求燃料量算出手段と、
圧縮行程中に前記吸気バルブが閉弁するまでに筒内から吸気系に戻される燃料戻り量を前記吸気バルブの閉弁タイミングに基づいて推定する燃料戻り量推定手段と、
筒内に残留する燃料量が前記要求燃料量と一致するように前記燃料戻り量を考慮して前記要求燃料量を補正して燃料噴射量を求める燃料噴射量算出手段と、
前記吸気バルブの閉弁タイミングを圧縮行程中まで遅らせる手段と
を備え、
前記燃料戻り量推定手段は、筒内の燃料の気化状態が良くなるほど前記燃料戻り量が多くなるように推定す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】
前記燃料戻り量推定手段は、圧縮行程中に前記吸気バルブの閉弁タイミングが遅くなるほど前記燃料戻り量が多くなるように推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記燃料戻り量推定手段は、筒内の燃料の気化状態を評価するパラメータとして筒内温度又は冷却水温を用い、筒内温度又は冷却水温が高くなるほど前記燃料戻り量が多くなるように推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記燃料噴射量算出手段は、前回の燃料戻り量と今回の燃料戻り量とを考慮して前記要求燃料量を補正することを特徴とする請求項１に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、少なくとも吸気バルブの閉弁タイミングを可変する可変バルブ装置を備えた内燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両の内燃機関に採用されている可変バルブ装置は、吸気バルブのバルブタイミングの進角量を制御するものが多い。しかし、吸気バルブのバルブタイミングを進角させてバルブオーバーラップ量（吸気バルブと排気バルブの両方が開弁している期間［図６の▲１▼参照］）を増大させると、バルブオーバーラップ期間中に発生する排気の吹き返しによって筒内から吸気系に戻される燃料量が増えるため、筒内の空燃比がリーンとなってしまう。この対策として、特開平７−２２４６９７号公報に示すように、バルブオーバーラップ量に応じて燃料噴射量を補正するようにしたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近では、吸気バルブの閉弁タイミングを圧縮行程中期まで遅らせて、吸気バルブを圧縮行程中期まで開いておくことで、ポンピング損失を低減させて燃費の向上を図ることが考えられているが、吸気バルブの閉弁タイミングを遅らせると、圧縮行程中の吸気バルブの開弁期間（図６の▲２▼参照）が長くなって、筒内の燃料（混合気）のうち、上昇するピストンに押されて吸気系に戻される燃料量が増加する。しかし、上記公報の構成では、バルブオーバーラップ（図６の▲１▼参照）による燃料の吹き戻しが考慮されているだけであり、圧縮行程中に吸気系に戻される燃料については全く考慮されていないため、特に、要求燃料量が増加する加速時等の高負荷運転時には、要求燃料量に対して実際に筒内に残留する燃料量が少なくなって筒内の空燃比がリーンとなってしまい、ドライバビリティや排気エミッションが悪化するおそれがある。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、圧縮行程中に吸気系に戻される燃料を考慮した燃料噴射制御を行うことができ、常に筒内に残留する燃料量を適正に制御することができる内燃機関の燃料噴射量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】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の燃料噴射制御装置は、各気筒の吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と、少なくとも吸気バルブの閉弁タイミングを可変する可変バルブ装置を備えた内燃機関において、内燃機関の運転状態に基づいて要求燃料量を要求燃料量算出手段で算出すると共に、圧縮行程中に吸気バルブが閉弁するまでに筒内から吸気系に戻される燃料戻り量を吸気バルブの閉弁タイミングに基づいて燃料戻り量推定手段で推定し、筒内に残留する燃料量が要求燃料量と一致するように燃料戻り量を考慮して燃料噴射量算出手段により要求燃料量を補正して燃料噴射量を求める。更に、吸気バルブの閉弁タイミングを圧縮行程中まで遅らせると共に、前記燃料戻り量推定手段は、筒内の燃料の気化状態が良くなるほど前記燃料戻り量が多くなるように推定する。
【０００６】
一般に、圧縮行程中に筒内から吸気系に戻される燃料量は、吸気バルブの閉弁タイミング（圧縮行程中の吸気バルブの開弁期間）に応じて増減するため、吸気バルブの閉弁タイミングを用いれば、圧縮行程中の燃料戻り量を精度良く推定することができ、この燃料戻り量を用いることで、筒内に残留する燃料量が要求燃料量と一致するように燃料噴射量を算出することができる。このため、吸気バルブの閉弁タイミングを圧縮行程中まで遅らせたときに筒内の燃料の一部が吸気系に戻されても、最終的に筒内に残留する燃料量を要求燃料量に一致させることができ、筒内の空燃比を目標空燃比に制御できて、ドライバビリティや排気エミッションを向上することができる。
【０００７】
この場合、請求項２のように、圧縮行程中に吸気バルブの閉弁タイミングが遅くなるほど、燃料戻り量が多くなるように推定すると良い。このようにすれば、吸気バルブの閉弁タイミングが遅くなるほど、圧縮行程中の吸気バルブの開弁期間が長くなって燃料戻り量が多くなるのに対応して、燃料戻り量を精度良く推定することができる。
【０００８】
ところで、圧縮行程の吸気バルブの開弁期間中に筒内から吸気系に戻される燃料は、上昇するピストンによって吸気系に押し出される空気の流れに乗って流出する燃料であるため、筒内の燃料の気化状態が良いほど、吸気系に押し出される空気の流れに乗って流出する燃料量が多くなる。
【０００９】
この点を考慮して、請求項１のように、筒内の燃料の気化状態が良くなるほど燃料戻り量が多くなるように推定するようにすると良い。このようにすれば、燃料戻り量を変化させる要因となる筒内の燃料の気化状態を考慮して燃料戻り量を精度良く推定することができる。
【００１０】
また、筒内温度が高くなるほど筒内の燃料が気化しやすくなるため、請求項３のように、筒内の燃料の気化状態を評価するパラメータとして筒内温度又はその代用情報である冷却水温を用い、筒内温度又は冷却水温が高くなるほど燃料戻り量が多くなるように推定するようにしても良い。このようにすれば、筒内の燃料の気化状態を直接検出しなくても、内燃機関の制御パラメータとして用いられる筒内温度又は冷却水温を利用して、筒内の燃料の気化状態を考慮して燃料戻り量を精度良く推定することができる。
更に、請求項４のように、前回の燃料戻り量と今回の燃料戻り量とを考慮して要求燃料量を補正するようにしても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の各気筒の吸気ポート１２には、電磁駆動式の吸気バルブ１３が１個又は複数個設けられ、各気筒の排気ポート１４には、電磁駆動式の排気バルブ１５が１個又は複数個設けられている。吸気バルブ１３と排気バルブ１５は、それぞれ電磁アクチュエータ１６，１７（可変バルブ装置）によって駆動される。また、各気筒の吸気ポート１２の近傍には、燃料を噴射する燃料噴射弁１８が設けられ、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する水温センサ１９や、エンジン回転速度を検出するクランク角センサ２０が取り付けられている。
【００１２】
これら水温センサ１９、クランク角センサ２０等の各種のセンサ出力は、エンジン制御回路２１に入力される。このエンジン制御回路２１は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種の制御プログラムを実行することで、燃料噴射弁１８の燃料噴射量や点火プラグ２２の点火時期を制御すると共に、各バルブ１３，１５の電磁アクチュエータ１６，１７を制御して各バルブ１３，１５のバルブタイミング（開弁タイミング及び閉弁タイミング）を制御する。
【００１３】
ところで、図６に示すように、吸気バルブ１３の閉弁タイミングをＢＤＣ（下死点）よりも遅角させると、圧縮行程における吸気バルブ１３の開弁期間中（▲２▼参照）に、筒内の燃料（混合気）の一部が吸気系に戻されるため、特に、筒内燃焼に必要な要求燃料量が増大する加速時等には、要求燃料量に対して実際に筒内に残留する燃料量が少なくなって筒内の空燃比がリーンとなってしまい、ドライバビリティや排気エミッションが悪化するおそれがある。
【００１４】
そこで、エンジン制御回路２１は、図２の燃料戻り率推定プログラム及び図５の燃料噴射量算出プログラムを実行することで、吸気バルブ１３の閉弁タイミングに基づいて燃料戻り率（燃料戻り量）を推定すると共に、エンジン運転状態に応じて要求燃料量を算出し、筒内に残留する燃料量が要求燃料量と一致するように燃料噴射量を燃料戻り率を用いて算出する。以下、図２及び図５の各プログラムの処理内容を説明する。
【００１５】
図２の燃料戻り率推定プログラムは、所定時間毎又は所定クランク角毎に実行され、特許請求の範囲でいう燃料戻り量推定手段に相当する役割を果たす。本プログラムが起動されると、まず、ステップ１０１で、現在の吸気バルブ１３の閉弁タイミングを読み込み、次のステップ１０２で、図３に示すマップを検索して、現在の吸気バルブ１３の閉弁タイミングに応じて基本燃料戻り率Ａを算出する。この基本燃料戻り率Ａは、吸気行程で筒内に吸入される総燃料量に対する圧縮行程中に筒内から吸気系に戻される燃料量の割合である。
【００１６】
一般に、吸気バルブ１３の閉弁タイミングがＢＤＣ又はＢＤＣよりも進角側（吸気行程）に制御されているときは、圧縮行程前に吸気バルブ１３が閉弁されて圧縮行程で筒内から吸気系に戻される燃料量が０となる。一方、吸気バルブ１３の閉弁タイミングがＢＤＣよりも遅角側（圧縮行程）に制御されているときは、吸気バルブ１３の閉弁タイミングが遅くなるほど、圧縮行程中の吸気バルブ１３の開弁期間が長くなって筒内から吸気系に戻される燃料量が増加する。このため、図３の基本燃料戻り率Ａのマップ特性は、吸気バルブ１３の閉弁タイミングがＢＤＣ及びＢＤＣよりも進角側の領域では、基本燃料戻り率Ａが０％に設定され、吸気バルブ１３の閉弁タイミングがＢＤＣよりも遅角側の領域では、吸気バルブ１３の閉弁タイミングが遅くなるほど、基本燃料戻り率Ａが大きくなるように設定されている。
【００１７】
基本燃料戻り率Ａの算出後、ステップ１０３に進み、図４に示すマップを検索して、基本燃料戻り率Ａに対する補正率Ｂを現在の冷却水温に応じて算出する。
一般に、圧縮行程中に筒内から吸気系に戻される燃料は、筒内に吸入された燃料が気化して混合気となった状態で吸気ポート１２から空気の流れに乗って排出れるため、筒内の燃料の気化状態が良くなるほど、筒内から吸気系に戻される燃料量が多くなる。この場合、筒内温度（又はその代用情報である冷却水温）が高くなるほど、筒内の燃料が気化しやすくなって燃料の気化状態が良くなるため、図５の補正率Ｂのマップ特性は、筒内温度の代用情報である冷却水温が高くなるほど、補正率Ｂが大きくなるように設定されている。尚、筒内温度を推定又は検出し、筒内温度に応じて補正率Ｂを算出するようにしても良い。
【００１８】
この後、ステップ１０４に進み、基本燃料戻り率Ａに補正率Ｂを乗算して最終的な燃料戻り率ＫBACKを算出し、本プログラムを終了する。
ＫBACK＝Ａ×Ｂ
【００１９】
次に、図５の燃料噴射量算出プログラムの処理内容を説明する。本プログラムの処理内容の理解を容易にするために、最終的に筒内に残留する燃料量ＦZ が要求燃料量ＦBASEと一致するように燃料噴射量ＦR を算出する方法を説明する。
【００２０】
前回の圧縮行程で筒内から吸気系に戻された戻り燃料量ＦBACK(i-1) は、次の吸気行程で噴射燃料と共に筒内に吸入されるため、今回の吸気行程中に、一旦、筒内に吸入される総燃料吸入量ＦTOTAL は、今回の燃料噴射量ＦR(i)に前回の戻り燃料量ＦBACK(i-1) を加算して求めることができる。
ＦTOTAL ＝ＦR(i)＋ＦBACK(i-1)     ……（１）
【００２１】
今回の圧縮行程中に筒内から吸気系に戻される戻り燃料量ＦBACK(i) は、総燃料吸入量ＦTOTAL に燃料戻り率ＫBACK(i) を乗算して求めることができる。
0004269124.tif 000002
【００２２】
今回、筒内に残留する燃料量ＦZ は、総燃料吸入量ＦTOTAL から今回の戻り燃料量ＦBACK(i) を減算して求めることができる。
0004269124.tif 000003
【００２３】
また、筒内に残留する燃料量ＦZ を要求燃料量ＦBASE(i) と等しくするには、次式を満たす必要がある。
ＦZ ＝ＦBASE(i)     ……（４）
【００２４】
上記（１）〜（４）式を解くことで、次式を導くことができる。
ＦR(i)＝ＦBASE(i) ／｛１−ＫBACK(i) ｝−ＦBACK(i-1)   ……（５）
この（５）式により、筒内に残留する燃料量ＦZ を要求燃料量ＦBASE(i) と一致させる燃料噴射量ＦR(i)を算出することができる。
【００２５】
図５の燃料噴射量算出プログラムは、所定時間毎又は所定クランク角毎に実行され、特許請求の範囲でいう要求燃料量算出手段及び燃料噴射量算出手段に相当する役割を果たす。本プログラムが起動されると、まず、ステップ２０１で、現在の運転状態（例えば、吸気管圧力Ｐｍ、エンジン回転速度Ｎｅ、冷却水温、吸気温、バルブタイミング等）に応じて要求燃料量ＦBASE(i) を算出する。
【００２６】
この後、ステップ２０２に進み、前回の戻り燃料量ＦBACK(i-1) を読み込み、次のステップ２０３で、図２の燃料戻り率推定プログラムで算出した燃料戻り率ＫBACK(i) を読み込む。この後、ステップ２０４に進み、筒内に残留する燃料量ＦZ を要求燃料量ＦBASE(i) と一致させる燃料噴射量ＦR(i)を、次式｛前記（５）式｝により算出する。
ＦR(i)＝ＦBASE(i) ／｛１−ＫBACK(i) ｝−ＦBACK(i-1)
【００２７】
この後、ステップ２０５に進み、今回の戻り燃料量ＦBACK(i) を、次式｛前記（２）｝により算出する。
ＦBACK(i) ＝｛ＦR(i)＋ＦBACK(i-1) ｝×ＫBACK(i)
【００２８】
上式により算出した今回の戻り燃料量ＦBACK(i) は、次回の燃料噴射量ＦR の算出に用いるため、エンジン制御回路２１のメモリにＦBACK(i-1) として記憶しておく。
【００２９】
この後、ステップ２０６に進み、ステップ２０５で算出した燃料噴射量ＦR に相当するパルス幅の噴射パルスを所定の噴射タイミングで燃料噴射弁１８に出力して燃料噴射を実行し、本プログラムを終了する。
【００３０】
以上説明した本実施形態では、吸気バルブ１３の閉弁タイミングに基づいて燃料戻り率ＫBACKを算出し、この燃料戻り率ＫBACKを用いて、筒内に残留する燃料量ＦZ が要求燃料量ＦBASEと一致するように燃料噴射量ＦR を算出したので、吸気バルブ１３の閉弁タイミングを圧縮行程中まで遅らせたときに筒内の燃料の一部が吸気系に戻されても、最終的に筒内に残留する燃料量ＦZ を要求燃料量ＦBASEに精度良く制御することができ、筒内の空燃比を目標空燃比に制御することができて、ドライバビリティや排気エミッションを向上することができる。
【００３１】
更に、本実施形態では、筒内温度が高くなるほど、筒内の燃料が気化しやすくなって、筒内から吸気系に戻される燃料量が増加することを考慮して、筒内温度の代用情報である冷却水温が高くなるほど、基本燃料戻り率Ａに対する補正率Ｂを大きくして燃料戻り率ＫBACKを大きくするようにしたので、燃料戻り率ＫBACKをより正確に求めることができ、燃料噴射量の制御精度を更に向上することができる。
【００３２】
尚、本実施形態では、吸気バルブ１３の閉弁タイミングに基づいて燃料戻り率ＫBACK（基本燃料戻り率Ａ）を算出するようにしたが、吸気バルブ１３の閉弁タイミングと相関関係のあるパラメータ（例えば吸気バルブ１３の閉弁タイミングにおける筒内空間体積や圧縮比等）に基づいて燃料戻り率ＫBACK（基本燃料戻り率Ａ）を算出するようにしても良い。
【００３３】
また、本実施形態は、吸気バルブ１３と排気バルブ１５の両方のバルブタイミングを制御するようにしたが、吸気バルブ１３のバルブタイミングのみを制御するようにしても良く、また、バルブの駆動源も、電磁アクチュエータ１６，１７に限定されず、油圧でバルブタイミングを制御するようにしても良い。また、本発明は、バルブの作用角を可変するシステムを搭載したエンジンに適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるエンジンの構造を概略的に示す縦断面図
【図２】燃料戻り率推定プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図３】基本燃料戻り率のマップの一例を概念的に示す図
【図４】基本燃料戻り率に対する補正率のマップの一例を概念的に示す図
【図５】燃料噴射量算出プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図６】バルブタイミングの一例を示す図
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１３…吸気バルブ、１５…排気バルブ、１６，１７…電磁アクチュエータ（可変バルブ装置）、１８…燃料噴射弁、１９…水温センサ、２１…エンジン制御回路（要求燃料量算出手段，燃料戻り量推定手段，燃料噴射量算出手段）。
【図１】
0004269124.tif 000004
【図２】
0004269124.tif 000005
【図３】
0004269124.tif 000006
【図４】
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【図５】
0004269124.tif 000008
【図６】
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