JP2000291476A - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

筒内噴射式内燃機関

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 筒内噴射式内燃機関において、機関制御量の
演算にて補正を加える運転モード側へのモード切り換え
時に、即座に補正量を加えた適正な制御量を得ることが
できるようにする。 【解決手段】 例えば、ＥＧＲバルブ開度に基づく燃料
噴射量補正係数は、均質燃焼運転モードにおいてのみ必
要となるものであり、過渡状態においてはＥＧＲガスの
応答遅れを考慮してなまし演算を行う必要がある。した
がって、成層燃焼運転モードから均質燃焼モードに切り
換わった時点より、ＥＧＲバルブ開度に基づいて補正係
数を求めるなまし演算を突然開始しても、過去の履歴が
反映されないため、その値は適正な値からずれる。そこ
で、均質燃焼運転モードにあるときのみ必要となる機関
制御用補正量を、成層燃焼運転モードにあっても演算し
ておき、均質燃焼モードへの切り換え時にも即座に適正
な機関制御量を得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、成層燃焼を行う筒
内噴射式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料消費率の向上の観点から、成層燃焼
を行う筒内噴射式内燃機関が開発されている。成層燃焼
とは、燃焼室内に濃混合気と希薄混合気とを層状に形成
し、まず、濃混合気の部分に着火し、その炎によって希
薄混合気の部分も燃焼させることにより、不完全燃焼及
び失火を回避しつつ全体として希薄な混合気を燃焼させ
るものである。かかる成層燃焼を行う場合には圧縮行程
で噴射を行う一方、ストイキな混合気を燃焼させる均質
燃焼を行う場合には吸気行程で噴射を行うようにしてい
る。
【０００３】このように、筒内噴射式内燃機関では、成
層燃焼と均質燃焼という異なる運転モードを有してお
り、この運転モードの違いにより、運転状態の負荷検出
パラメータをアクセル操作量から検出する場合と、吸気
に関わる流量、負圧、スロットル開度等から検出する場
合とを使い分けている。このような制御環境下では、燃
料噴射量や点火時期に関する制御と吸気量やＥＧＲに関
する制御とで応答性に差を与えるなどの配慮が必要とな
ってくる（例えば、特開平５−９９０２０号公報参
照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このように、一方の運
転モードでは、負荷検出パラメータから、補正を加える
ことなく、直接に燃料噴射量や点火時期の制御量を演算
するのに対し、他方の運転モードでは、補正を加えるよ
うにして演算を行うことで、それぞれのモードでの運転
を良好に維持することができる。しかしながら、補正を
加える運転モード側へのモード切り換え時には、即座に
適切な補正量を用意することができないため、円滑な運
転モード切り換えが行われない。
【０００５】本発明は、上述した問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、筒内噴射式内燃機関におい
て、機関制御量の演算にて補正を加える運転モード側へ
のモード切り換え時に、即座に補正量を加えた適正な制
御量を得ることができるようにすることにある。
【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、本発明によれば、運転状態の負荷検出パラメータを
アクセル操作量から検出する第１の運転モードと、該負
荷検出パラメータを流量、負圧、スロットル開度等の吸
気に関わる量から検出する第２の運転モードと、を使い
分ける筒内噴射式内燃機関において、前記第２の運転モ
ードにあるときのみ燃料噴射量、点火時期等の機関制御
量の変化の応答性に補正を加えるとともに、前記第１の
運転モードにあるときにも前記補正のための補正量の演
算を実行せしめるようにしたことを特徴とする筒内噴射
式内燃機関が提供される。
【０００７】上記の如く構成された筒内噴射式内燃機関
では、第２の運転モードにあるときのみ必要となる補正
量がいずれの運転モードにあるときにも演算されている
ため、第１の運転モードから第２の運転モードへの切り
換え時においても、即座に補正量を加えた適正な機関制
御量を得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。
【０００９】図１は、本発明の一実施形態に係る筒内噴
射式内燃機関の全体概要図である。内燃機関１は、車両
搭載用の直列多気筒４ストロークサイクルレシプロガソ
リン機関であって均質燃焼及び成層燃焼を行うものであ
る。機関１は、シリンダブロック２及びシリンダヘッド
３を備えている。シリンダブロック２には、上下方向へ
延びる複数個の気筒４が紙面の厚み方向へ並設され、各
気筒４内には、ピストン５が往復動可能に収容されてい
る。各ピストン５は、コネクティングロッド６を介し共
通のクランクシャフト７に連結されている。各ピストン
５の往復運動は、コネクティングロッド６を介してクラ
ンクシャフト７の回転運動に変換される。
【００１０】シリンダブロック２とシリンダヘッド３と
の間において、各ピストン５の上側は燃焼室８となって
いる。シリンダヘッド３には、その両外側面と各燃焼室
８とを連通させる吸気ポート９及び排気ポート１０がそ
れぞれ設けられている。これらのポート９及び１０を開
閉するために、シリンダヘッド３には吸気バルブ１１及
び排気バルブ１２がそれぞれ略上下方向への往復動可能
に支持されている。また、シリンダヘッド３において、
各バルブ１１，１２の上方には、吸気側カムシャフト１
３及び排気側カムシャフト１４がそれぞれ回転可能に設
けられている。カムシャフト１３及び１４には、バルブ
１１及び１２を駆動するためのカム１５及び１６が取り
付けられている。カムシャフト１３及び１４の端部にそ
れぞれ設けられたタイミングプーリ１７及び１８は、ク
ランクシャフト７の端部に設けられたタイミングプーリ
１９へタイミングベルト２０により連結されている。
【００１１】吸気ポート９には、エアクリーナ３１、ス
ロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホル
ド３４等を備えた吸気通路３０が接続されている。機関
１外部の空気（外気）は、燃焼室８へ向けて吸気通路３
０の各部３１，３２，３３及び３４を順に通過する。な
お、本実施形態におけるスロットルバルブ３２は、いわ
ゆる電子スロットルであり、運転席のアクセルペダルと
直接機械的に結合されておらず、スロットルモータ３７
によって駆動せしめられる。
【００１２】また、シリンダヘッド３には、各燃焼室８
へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁４０が取付けられて
いる。燃料は、燃料タンク４１に貯蔵されており、そこ
から燃料ポンプ４２によりくみ上げられ、燃料配管４３
を経て、機関により駆動される高圧ポンプ４４により昇
圧され、燃料噴射弁４０に供給される。燃料噴射弁４０
から噴射される燃料は、吸気通路３０、吸気ポート９及
び吸気バルブ１１を介して燃焼室８へ導入される空気と
燃焼室８において合流して混合気となる。なお、均質燃
焼を行う場合には吸気行程で噴射が行われる一方、成層
燃焼を行う場合には圧縮行程で噴射が行われる。
【００１３】この混合気に着火するために、シリンダヘ
ッド３には点火プラグ５０が取付けられている。各気筒
には、各気筒毎に独立して点火プラグ５０に結合するイ
グナイタ内蔵点火コイル５２が設けられている。点火時
には、点火信号を受けた各気筒毎のイグナイタ内蔵点火
コイル５２内でイグナイタが１次電流の通電及び遮断を
制御し、２次電流が点火プラグ５０に供給される。均質
燃焼の場合、吸気行程噴射により燃焼室８内に均一な混
合気が形成された後に点火が行われる。一方、成層燃焼
の場合、圧縮行程噴射により噴射された燃料が点火プラ
グ５０付近に多くあってその部分の混合気のみがリッチ
な状態にあるときに点火が行われ、その炎によって周辺
のリーンな混合気の部分も燃焼することとなる。
【００１４】燃焼した混合気は、排気ガスとして排気バ
ルブ１２を介して排気ポート１０に導かれる。排気ポー
ト１０には、排気マニホルド６１、触媒コンバータ６２
等を備えた排気通路６０が接続されている。触媒コンバ
ータ６２には、不完全燃焼成分であるＨＣ（炭化水素）
及びＣＯ（一酸化炭素）の酸化と、空気中の窒素と燃え
残りの酸素とが反応して生成されるＮＯx （窒素酸化
物）の還元とを同時に促進する三元触媒が収容されてい
る。こうして触媒コンバータ６２において浄化された排
気ガスが大気中に排出される。
【００１５】また、この機関１は、ＮＯx の低減を目的
とするＥＧＲ（排気ガス再循環）を行うものであり、排
気通路６０とスロットルバルブ３２より下流側の吸気通
路３０との間には、排気ガスを循環させるための通路６
４が設けられている。そのＥＧＲガス流量は、その通路
６４の途中に設けられたＥＧＲバルブ６８によって制御
される。
【００１６】機関１には各種のセンサが取り付けられて
いるが、そのうち本実施形態に関連するセンサについて
説明する。吸気通路３０において、スロットルバルブ３
２の近傍には、その軸の回動角度を検出するスロットル
開度センサ７２とアクセル操作量（アクセル踏み込み
量、アクセル開度等とも呼ばれる）を検出するアクセル
開度センサ７７とが設けられている。サージタンク３３
には、その内部の圧力（吸気管負圧）を検出するための
バキュームセンサ７１が取付けられている。また、ＥＧ
Ｒバルブ６８には、そのバルブ開度を検出するためのＥ
ＧＲバルブ開度センサ７８が取り付けられている。
【００１７】また、カムシャフト１３には、クランク角
（ＣＡ）に換算して７２０°ＣＡごとに基準位置検出用
パルスを発生させるクランク基準位置センサ８０が設け
られている。また、クランクシャフト７には、３０°Ｃ
Ａごとに回転速度検出用パルスを発生させるクランク角
センサ８１が設けられている。電子制御装置９０におい
ては、クランク角センサ８１のパルス信号が入力する毎
に、そのパルス間隔から機関回転速度が算出され、内部
のメモリに機関回転速度データＮＥとして格納される。
【００１８】電子制御装置（ＥＣＵ）９０は、燃料噴射
制御、点火制御、スロットル制御、ＥＧＲ制御等を実行
するマイクロコンピュータシステムであり、メモリに格
納されたプログラム及び各種のマップに従って、各種セ
ンサからの信号を入力し、その入力信号に基づいて演算
処理を実行し、その演算結果に基づき各種アクチュエー
タ用制御信号を出力する。
【００１９】前述のように、この機関１では、成層燃焼
を実行する運転モードと均質燃焼を実行する運転モード
とが、運転状態に応じて切り換えられる。成層燃焼運転
モードにおいては、アクセル開度センサ７７によって検
出されるアクセル操作量を負荷検出パラメータとして燃
料噴射量、点火時期等の機関制御量が演算される。一
方、均質燃焼運転モードにおいては、バキュームセンサ
７１によって検出される吸気管負圧を負荷検出パラメー
タとして燃料噴射量、点火時期等の機関制御量が演算さ
れる。この吸気管負圧に代えて、同じく吸気に関わる量
であるスロットル開度、流量等を採用してもよい。
【００２０】図２は、運転モード切り換え時の問題点に
ついて説明するための図である。成層燃焼運転モードに
おいては、アクセル操作量に基づいて予めＥＧＲバルブ
開度ＥＶＤが定められており、アクセル操作量から燃料
噴射量、点火時期等の機関制御量を決定するためのマッ
プには、既にＥＧＲ量の効果が盛り込まれている。した
がって、燃料噴射量、点火時期等の機関制御量をマップ
に基づき補間演算する際には、ＥＧＲバルブ開度ＥＶＤ
に基づく補正を実行する必要はない。
【００２１】一方、均質燃焼運転モードにおいては、吸
気管負圧に基づきマップを参照して機関制御量を補間演
算した後に、ＥＧＲバルブ開度ＥＶＤに基づく補正を実
行する必要がある。ただし、ＥＧＲバルブ開度ＥＶＤの
変化に応じてＥＧＲ量が変化するときには、応答遅れが
存在する。図２におけるＫＥＧＲst及びＫＥＧＲは、と
もに、ＥＧＲバルブ開度ＥＶＤに応じて燃料噴射量を補
正するための補正係数であるが、ＫＥＧＲstは、かかる
応答遅れがないと仮定したときに、図２におけるＥＧＲ
バルブ開度ＥＶＤによってユニークに定まる補正係数
（すなわち定常状態における補正係数）である。しか
し、実際には、過渡状態においては、かかる応答遅れを
考慮して、ＫＥＧＲstをなましたＫＥＧＲを補正係数と
して使用しなければならない。すなわち、燃料噴射量と
いう機関制御量の変化の応答性に補正を加える必要があ
る。
【００２２】上述のように、ＥＧＲバルブ開度ＥＶＤに
基づく燃料噴射量補正係数ＫＥＧＲは、均質燃焼運転モ
ードにおいてのみ必要となるものであり、このＫＥＧＲ
は、定常状態においてはＫＥＧＲstに一致するが、過渡
状態においてはＫＥＧＲstになまし演算を施した値とな
る。したがって、成層燃焼運転モードから均質燃焼モー
ドに切り換わった時点より、ＥＧＲバルブ開度ＥＶＤに
基づいて補正係数ＫＥＧＲを求めるなまし演算を突然開
始しても、過去の履歴が反映されないため、その値は適
正な値からずれている可能性が高い。そこで、本発明
は、均質燃焼運転モードにあるときのみ必要となる機関
制御用補正量を、成層燃焼運転モードにあっても演算し
ておくことにより、成層燃焼運転モードから均質燃焼モ
ードへの切り換え時点においても、即座に適正な機関制
御量を得ることができるようにしようというものであ
る。
【００２３】図３は、ＥＧＲバルブ開度ＥＶＤに基づく
燃料噴射量補正係数ＫＥＧＲ及び点火時期補正量ＡＥＧ
Ｒの演算ルーチンを示すフローチャートである。このル
ーチンは、運転モードにかかわらず所定時間周期で実行
される。また、図４、図５及び図６は、このルーチンで
使用されるべく予めメモリに記憶されているマップであ
って、図４は、吸気管負圧ＰＭ及びＥＧＲバルブ開度Ｅ
ＶＤから定常時燃料噴射量補正係数ＫＥＧＲstを求める
ためのマップを示し、図５は、吸気管負圧ＰＭ、ＥＧＲ
バルブ開度ＥＶＤ及び機関回転速度ＮＥからＥＧＲ時定
数ＴＩＭＣegrを求めるためのマップを示し、図６は、
吸気管負圧ＰＭ及び燃料噴射量補正係数ＫＥＧＲから点
火時期補正量ＡＥＧＲを求めるためのマップを示してい
る。
【００２４】まず、ステップ１０２では、バキュームセ
ンサ７１の出力に基づいて吸気管負圧ＰＭが検出され
る。次いで、ステップ１０４では、ＥＧＲバルブ開度セ
ンサ７８の出力に基づいてＥＧＲバルブ開度ＥＶＤが検
出される。次いで、ステップ１０６では、図４に示され
るマップを参照することにより、吸気管負圧ＰＭとＥＧ
Ｒバルブ開度ＥＶＤとに応じた定常時燃料噴射量補正係
数ＫＥＧＲstが補間演算される。なお、図４のマップに
よれば、ＰＭが大きいほど、また、ＥＶＤが小さいほ
ど、ＫＥＧＲstは１００％に近づく。
【００２５】次いで、ステップ１０８では、図５に示さ
れるマップを参照することにより、吸気管負圧ＰＭとＥ
ＧＲバルブ開度ＥＶＤと機関回転速度ＮＥとに応じたＥ
ＧＲ時定数ＴＩＭＣegr が補間演算される。なお、図５
のマップによれば、ＰＭが小さいほど、また、ＥＶＤが
大きいほど、また、ＮＥが低いほど、ＴＩＭＣegr は長
くなる。
【００２６】次いで、ステップ１１０では、ＥＧＲ時定
数ＴＩＭＣegr を本ルーチンの処理周期ＴＰＥＲで除す
ことにより、ＫＥＧＲなまし回数ＮＳＭegr が算出され
る。例えば、ＴＩＭＣegr が１６０ｍｓでＴＰＥＲが８
ｍｓのときには、ＮＳＭegrは２０になる。
【００２７】次いで、ステップ１１２では、 ＫＥＧＲ←ＫＥＧＲ＋（ＫＥＧＲst−ＫＥＧＲ）／ＮＳ
Ｍegr＝〔（ＮＳＭegr −１）＊ＫＥＧＲ＋ＫＥＧＲs
t〕／ＮＳＭegr なるなまし演算により、ＥＧＲバルブ開度ＥＶＤに基づ
く燃料噴射量補正係数ＫＥＧＲを更新する。ＮＳＭegr
＝２０のときには、前回の本ルーチンの走行時に演算さ
れたＫＥＧＲに１９の重みを付け、ＫＥＧＲstに１の重
みを付けて、加重平均がとられることとなる。
【００２８】最後に、ステップ１１４では、図６に示さ
れるマップを参照することにより、吸気管負圧ＰＭと燃
料噴射量補正係数ＫＥＧＲとに応じた点火時期補正量Ａ
ＥＧＲが補間演算される。このＡＥＧＲは、圧縮上死点
前クランク角度として表される点火時期を進角側に補正
する量である。図６のマップに示されるように、ＰＭが
大きいほど、また、ＫＥＧＲが小さいほど、ＡＥＧＲは
大きくなる。
【００２９】図７は、機関制御量演算ルーチンの処理手
順を示すフローチャートである。このルーチンは、所定
の時間周期で実行される。まず、ステップ２０２では、
運転状態に基づいて、燃料噴射時期、基本燃料噴射量Ｔ
ＡＵＰ、基本点火時期ＡＢＳＥ等の機関制御量が決定さ
れる。詳細には、まず、機関運転状態に基づいて運転モ
ードが決定され、成層燃焼運転モードの場合にはアクセ
ル操作量及び機関回転速度から所定のマップを参照して
各制御量が補間演算される一方、均質燃焼運転モードの
場合には吸気管負圧及び機関回転速度から所定のマップ
を参照して各制御量が補間演算される。
【００３０】次いで、ステップ２０４では、均質燃焼運
転モードにあるか又は成層燃焼運転モードにあるかを判
定し、成層燃焼運転モードにあるときに本ルーチンが終
了せしめられる一方、均質燃焼運転モードにあるときに
はステップ２０６及び２０８が実行されてから本ルーチ
ンが終了せしめられる。
【００３１】ステップ２０６では、 ＴＡＵ←ＴＡＵＰ＊（ＫＥＧＲ／１００） なる演算が実行される。すなわち、ＥＧＲバルブ開度に
基づく補正係数ＫＥＧＲ（単位％）を用いて基本燃料噴
射量ＴＡＵＰが補正されることにより、最終燃料噴射量
ＴＡＵが決定される。また、ステップ２０８では、 ＡＯＰ←ＡＢＳＥ＋ＡＥＧＲ なる演算が実行される。すなわち、ＥＧＲバルブ開度に
基づく補正量ＡＥＧＲ（進角量）を用いて基本点火時期
ＡＢＳＥが補正されることにより、最終点火時期ＡＯＰ
が決定される。
【００３２】上述のように、ステップ２０６及び２０８
で使用されるＫＥＧＲ及びＡＥＧＲは、成層燃焼運転モ
ードにあっても図３のルーチンで常に算出されているた
め、均質燃焼運転モードへの切り換え直後においても適
正な補正演算が保証されることとなる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
筒内噴射式内燃機関において、機関制御量の演算にて補
正を加える運転モード側へのモード切り換え時に、即座
に補正量を加えた適正な制御量が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る筒内噴射式内燃機関
の全体概要図である。
【図２】運転モード切り換え時の問題点について説明す
るための図である。
【図３】ＥＧＲバルブ開度に基づく燃料噴射量補正係数
ＫＥＧＲ及び点火時期補正量ＡＥＧＲの演算ルーチンの
処理手順を示すフローチャートである。
【図４】吸気管負圧ＰＭ及びＥＧＲバルブ開度ＥＶＤか
ら定常時燃料噴射量補正係数ＫＥＧＲstを求めるための
マップを示す図である。
【図５】吸気管負圧ＰＭ、ＥＧＲバルブ開度ＥＶＤ及び
機関回転速度ＮＥからＥＧＲ時定数ＴＩＭＣegr を求め
るためのマップを示す図である。
【図６】吸気管負圧ＰＭ及び燃料噴射量補正係数ＫＥＧ
Ｒから点火時期補正量ＡＥＧＲを求めるためのマップを
示す図である。
【図７】機関制御量演算ルーチンの処理手順を示すフロ
ーチャートである。
【符号の説明】
１…筒内噴射式直列多気筒４ストロークサイクルレシプ
ロガソリン機関 ２…シリンダブロック ３…シリンダヘッド ４…気筒 ５…ピストン ６…コネクティングロッド ７…クランクシャフト ８…燃焼室 ９…吸気ポート １０…排気ポート １１…吸気バルブ １２…排気バルブ １３…吸気側カムシャフト １４…排気側カムシャフト １５…吸気側カム １６…排気側カム １７，１８，１９…タイミングプーリ ２０…タイミングベルト ３０…吸気通路 ３１…エアクリーナ ３２…スロットルバルブ ３３…サージタンク ３４…吸気マニホルド ３７…スロットルモータ ４０…燃料噴射弁 ４１…燃料タンク ４２…燃料ポンプ ４３…燃料配管 ４４…高圧ポンプ ５０…点火プラグ ５２…イグナイタ内蔵点火コイル ６０…排気通路 ６１…排気マニホルド ６２…触媒コンバータ ６４…排気ガス循環通路 ６８…ＥＧＲバルブ ７１…バキュームセンサ ７７…アクセル開度センサ ７８…ＥＧＲバルブ開度センサ ８０…クランク基準位置センサ ８１…クランク角センサ ９０…電子制御装置（ＥＣＵ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ａ ３０１Ｊ ３０１Ｂ ３０１Ｅ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ Ｆ (72)発明者 加古 純一 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G022 AA06 AA10 CA00 DA00 EA06 GA00 GA01 GA02 GA05 GA06 GA07 GA08 3G084 AA04 BA09 BA13 BA17 CA00 DA05 EB02 EC03 FA07 FA10 FA11 FA18 FA37 3G301 HA01 HA04 HA13 HA16 JA03 KA11 LA00 LA03 LB04 MA01 MA11 NB01 NB02 NB06 NC01 NC02 ND25 NE00 PA01Z PA07Z PA11Z PA17Z PA18Z PD15Z PE01Z PE03Z PE05Z PF03Z

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 運転状態の負荷検出パラメータをアクセ
    ル操作量から検出する第１の運転モードと、該負荷検出
    パラメータを流量、負圧、スロットル開度等の吸気に関
    わる量から検出する第２の運転モードと、を使い分ける
    筒内噴射式内燃機関において、前記第２の運転モードに
    あるときのみ燃料噴射量、点火時期等の機関制御量の変
    化の応答性に補正を加えるとともに、前記第１の運転モ
    ードにあるときにも前記補正のための補正量の演算を実
    行せしめるようにしたことを特徴とする筒内噴射式内燃
    機関。
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