内燃机的燃料喷射控制装置以及燃料喷射控制方法与流程

本发明涉及内燃机的燃料喷射控制装置以及燃料喷射控制方法。

背景技术：

作为提高内燃机的热效率而实现油耗性能的改善的方法策略，提高压缩比是有效的。然而，在以汽油为燃料的内燃机中，由于压缩比变得越高则越容易发生爆震，因此需要用于抑制爆震的对策。例如，作为抑制爆震的方法，已知使点火时机延迟的方法，但越使点火时机延迟则扭矩越下降。即，通过使点火时机延迟而不能得到根据高压缩比化应当得到的扭矩。

由此，在JP2012-102654A中，为了实现高压缩比化并抑制爆震，在对燃料进行多段喷射的内燃机中，在容易产生爆震的低旋转区域中将多段喷射的最后的喷射在压缩行程进行。在该控制中，目的在于通过在压缩行程所喷射的燃料的蒸发潜热而使缸内的气体温度下降。

技术实现要素：

然而，压缩行程是进气阀以及排气阀关闭的状态下的压缩，可以视为隔热压缩行程。如果在这样的隔热压缩行程的中途对燃料进行喷射，则因蒸发潜热而产生缸内气体温度的下降，但使容易产生爆震的上止点附近处的缸内气体温度下降的效果较小。即，上述文献的控制作为用于抑制爆震的控制而存在改善的余地。

因此，本发明的目的在于进行能够可靠地抑制爆震的燃料喷射的控制。

附图说明

图1是表示冷却系统的一个例子的结构图。

图2是表示燃料喷射控制模式的一个例子的图。

图3是表示压缩行程的缸内气体温度的变化的图。

图4是表示蒸发潜热与缸内气体温度的关系的时序图。

图5是表示燃料喷射控制模式的其他例子的图。

图6是表示燃料喷射控制模式的另一其他例子的图。

图7是表示四段喷射的燃料喷射脉冲的图。

图8是表示燃料喷射控制的控制处理流程的流程图。

图9是用于说明燃料喷射定时对应图的切换的图。

图10是表示燃料喷射定时对应图的一个例子的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示应用本实施方式的冷却系统的一个例子的结构图。本冷却系统使用利用火花点火式的缸内直喷内燃机(下面，简称为“内燃机”)1进行驱动的水泵5而使冷却水循环，对内燃机1进行冷却。此外，可以将水泵5设为利用电动机进行驱动的电动泵。

内燃机1的内部的冷却水通路分支为在气缸盖2设置的气缸盖侧冷却通路21、和在气缸体3设置的气缸体侧冷却通路22这2个系统。分别在气缸盖侧冷却通路21的气缸盖出口侧配置有第1控制阀13，在气缸体侧冷却通路22的气缸体出口侧配置有第2控制阀14。

另外，在气缸盖侧冷却通路21的气缸盖出口与第1控制阀13之间配置有对气缸盖侧冷却通路21的水温(下面，也称为“气缸盖侧水温”)进行检测的气缸盖侧水温传感器12A。在气缸体侧冷却通路22的气缸体出口与第2控制阀14之间配置有对气缸体侧冷却通路22的水温(下面，也称为“气缸体侧水温”)进行检测的气缸体侧水温传感器12B。气缸盖侧水温传感器12A以及气缸体侧水温传感器12B的检测信号被读入至后述的控制器100。

在第1控制阀13连接有向加热芯10连通的加热通路25、向第2控制阀14连通的连结通路28、以及向冷却器6连通的冷却通路23，能够选择它们的任意通路而与气缸盖侧冷却通路21连通。另外，第1控制阀13还能够通过闭阀而限制气缸盖侧冷却通路21的冷却水的流动。

另一方面，在第2控制阀14连接有向油冷却器15以及油加热器16连通的发动机侧返回通路24以及连结通路28，能够选择它们的任意通路而与气缸体侧冷却通路22连通。另外，第2控制阀14也能够通过闭阀而限制气缸体侧冷却通路22的冷却水的流动。

第1控制阀13以及第2控制阀14均利用后述控制器100进行控制。此外，为了系统的简化，可以将第2控制阀14设为恒温器阀。

加热通路25是用于向加热芯10供给冷却水的通路。在加热芯10连接有加热器侧返回通路27，该加热器侧返回通路27使在加热芯10与空气进行热交换后的冷却水向水泵5返回。在加热器侧返回通路27安装有用于对EGR气体进行冷却的EGR冷却器9。

发动机侧返回通路24是将第2控制阀14和水泵5连通的通路，一部分分支。分别在分支后的一者安装有用于对内燃机1的润滑油进行冷却的油冷却器15，在另一者安装有用于对自动变速器4的工作油进行加热的油加热器16。

冷却通路23是将第1控制阀13和水泵5连通的通路，在中途安装有冷却器6。

另外，经由节流室7以及EGR阀8而向加热器侧返回通路27合流的节流室侧通路26从气缸盖侧冷却通路21起分支。

在气缸盖2设置有油温传感器11，该油温传感器11对在气缸盖内设置的油套内的润滑油温度进行检测。油温传感器11的检测信号被读入至控制器100。

控制器100由具有中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微机构成。还可以利用多个微机构成控制器100。

除了油温传感器11、气缸盖侧水温传感器12A、以及气缸体侧水温传感器12B的检测信号以外，控制器100还读入对驾驶者的加速踏板开度进行检测的加速踏板开度传感器17以及对内燃机1的转速进行检测的曲轴角度传感器18的检测信号。而且，基于这些检测信号执行节流室7以及EGR阀8的开度控制、内燃机1的燃料喷射控制、点火时机控制、第1控制阀13以及第2控制阀14的控制等。另外，控制器100分别基于气缸盖侧水温而推定气缸盖2的壁温(下面，也称为“气缸盖侧壁温”)，基于气缸体侧水温而推定气缸体3的壁温(下面，也称为“气缸体侧壁温”)。例如，预先调查内燃机1的冷却水温与壁温的关系并对应图化，以检测出的冷却水温进行对应图检索。

在上述冷却系统中，如果内燃机1处于冷机状态，则控制器100使第1控制阀13以及第2控制阀14闭阀，限制气缸盖侧冷却通路21以及气缸体侧冷却通路22的冷却水的流动。由此，促进冷却水的升温。

另一方面，如果内燃机1处于暖机状态，则控制器100使第1控制阀13以及第2控制阀14开阀。此时，控制器100根据气缸盖侧水温以及气缸体侧水温而决定使冷却水向冷却通路23流动还是向发动机侧返回通路24流动，控制第1控制阀13以及第2控制阀14。

此外，在本实施方式中，将气缸盖侧壁温以及气缸体侧壁温的阈值设为80℃，将气缸盖侧水温以及气缸体侧水温的阈值设为80℃，将油温的阈值设为80℃，如果上述各温度均大于或等于阈值，则设为暖机状态，在并非这样的情况下设为冷机状态。而且，将冷机状态之中、气缸盖侧壁温以及气缸盖侧水温大于或等于80℃且油温小于80℃的状态设为高水温状态。

另外，作为燃料喷射定时设定单元，控制器100根据内燃机1的状态而使燃料喷射的方式变化。

图2是表示三段喷射的情况下的、对应于内燃机1的状态的燃料喷射控制的方式的图。下面的说明中的“燃料喷射定时”是指开始燃料喷射的定时。

在除高水温状态以外的冷机状态(下面，也简称为冷机状态)中，由于微粒的排出量(PN：Particulate Number)的降低，因此为了使得燃料向活塞、气缸壁的附着变少，与其他状态相比，燃料喷射的提前角侧界限(PN极限)成为延迟角侧。另外，三段喷射的各喷射设为优先考虑对因燃料引起的油稀释进行抑制的燃料喷射定时。此外，在冷机状态下，控制器100将气缸盖侧冷却通路21以及气缸体侧冷却通路22的冷却水的循环遮断。由此，促进气缸盖侧壁温以及气缸体侧壁温的升温。另外，气缸盖侧冷却通路21以及气缸体侧冷却通路22内的冷却水也被促进升温。

另一方面，在暖机状态下，根据是否执行EGR控制，燃料喷射的方式不同。在执行EGR控制的情况下，由于EGR控制而不易产生爆震，因此为了得到更长的缸内气体的混合时间，成为在与下止点相比为提前角侧结束三次的燃料喷射的燃料喷射定时。另外，在不执行EGR控制的情况下，为了同时兼顾混合时间的确保和缸内气体温度的下降，第二次和第三次的燃料喷射定时与执行EGR控制的情况相比成为延迟角侧。特别地，第三次的燃料喷射定时设定于下止点至进气阀关闭定时之间。

上述的冷机状态以及暖机状态的燃料喷射的方式是公知的，因此省略详细的说明。

本实施方式的特征在于下面所说明的高水温状态的燃料喷射控制。

高水温状态是下述状态，即，虽然气缸盖侧壁温以及气缸体侧壁温升高至暖机状态的温度，但是油温并不升高至暖机状态的温度。由于油温越低则各部分的摩擦越大，油耗性能越下降，因此在高水温状态下，希望促进油温的升高。如果使冷却水循环，则气缸盖侧壁温以及气缸体侧壁温下降而妨碍油温的升高，因此在高水温状态下，控制器100至少使气缸体侧冷却通路22的冷却水的循环停止。

然而，在保持使冷却水的循环停止的状态下，气缸盖侧壁温会持续升高而容易产生爆震。

因此，为了防止爆震，控制器100例如如图2所示，使三段喷射的第二次的燃料喷射和第三次的燃料喷射在下止点至进气阀关闭定时之间进行。

如果对燃料进行喷射，则由于燃料的蒸发潜热，缸内气体温度下降。但是，从缸内气体温度下降起的经过时间越长，则随着缸内气体与气缸盖以及气缸体的热交换进行，缸内气体温度的下降量会变得越小。因此，为了有效地利用因燃料的蒸发潜热引起的缸内气体温度的下降，如上述那样使第二次的燃料喷射和第三次的燃料喷射靠近进气阀关闭定时。

更具体而言，以使得进气阀关闭定时处于因第三次所喷射的燃料的蒸发潜热而产生缸内气体温度的下降的期间的方式，设定第三次的燃料喷射定时。这是因为，如下面说明的那样，进气阀关闭定时下的缸内气体温度的下降量在压缩上止点处增大。此外，将上述的燃料喷射定时称为缸内冷却用燃料喷射定时。

图3是表示压缩行程的缸内气体温度的变化的图，针对进气阀关闭定时(图中的IVC)附近以及压缩上止点(图中的TDC)附近，标注了放大图。此外，本实施方式中所说的“压缩行程”是指从进气阀关闭定时至排气阀打开定时。

如果将内燃机1的压缩行程视作隔热压缩行程，则式(1)的关系成立。

T·V^(k-1)＝恒定···(1)

其中，T为缸内气体温度、V为燃烧室容积、k为比热比。

而且，如果使用进气阀关闭定时下的缸内气体温度Tivc、压缩上止点处的缸内气体温度Ttdc、进气阀关闭定时下的燃烧室容积Vivc、压缩上止点处的燃烧室容积Vtdc，则式(2)成立。

Ttdc·Vtdc^(k-1)＝Tivc·Vivc^(k-1)···(2)

通过对式(2)进行变形而得到式(3)。

Ttdc＝Tivc×ε^(k-1)···(3)

其中，ε为压缩比。

式(3)中，如果设比热比为1.3、压缩比为13，则成为式(4)那样。

Ttdc≈2×Tivc···(4)

即，在内燃机1的压缩比为13的情况下，压缩上止点处的缸内气体温度成为进气阀关闭定时下的缸内气体温度的大约2倍。而且，进气阀关闭定时下的温度差在压缩上止点增加为2倍。即，如果在进气阀关闭定时使缸内气体温度下降，则压缩上止点处的温度下降量成为进气阀关闭定时下的温度下降量的2倍。

因此，在本实施方式中，进行使得进气阀关闭定时下的缸内气体温度更下降的燃料喷射控制。

图4是由于燃料的蒸发潜热而缸内气体温度下降的情况下的时序图的一个例子。此外，图中的“壁”是指气缸盖侧壁面以及气缸体侧壁面。另外，“蒸发量”、“来自壁的热传递量”、以及“因潜热引起的温度变化量”是各定时下的量。因此，由各图表和横轴包围的面积与给缸内气体温度带来的影响的量相当。

如果在定时T1开始燃料喷射，则所喷射的燃料带有时间延迟地从定时T2开始进行蒸发。在蒸发开始之后，伴随着缸内的燃料量的增加以及燃料的扩散的进行，蒸发量逐渐增加。随后，伴随着未蒸发的燃料量的减少以及燃料喷射的停止，蒸发量减少。

因蒸发潜热引起的温度变化量显示出与上述的蒸发量的动作相同的动作。但是，温度变化的方向成为使缸内气体温度下降的方向。由此，缸内气体温度开始下降。但是，从蒸发开始至缸内气体温度开始下降为止，产生延迟。

另外，从壁传递的热量也给缸内气体温度带来影响。而且，缸内气体温度与壁的温度的差越大，则来自壁的热传递量变得越大。即，如果由于蒸发潜热而缸内气体温度下降，则来自壁的热传递量带有延迟时间地增加。

因此，因蒸发潜热而下降的缸内气体温度在此后因来自壁的热传递而转变为升高。

因此，在本实施方式中，控制器100以下述方式对图2中的第三次燃料喷射的开始定时进行设定，即，使得缸内气体温度即将转变为升高之前的定时T3与进气阀关闭定时一致。即，使三段喷射的第二次燃料喷射和第三次燃料喷射接近进气阀关闭定时，特别是对于第三次燃料喷射定时以上述方式进行设定。如果使得第二次燃料喷射与第三次燃料喷射的间隔接近，则在缸内气体温度在第二次燃料喷射中下降的状态下进行第三次燃料喷射，因此能够有效地使进气阀关闭定时下的缸内气体温度下降。

但是，使进气阀关闭定时下的缸内气体温度下降的燃料喷射的方式不限定于上述方式。

例如，如图5所示在进行单段喷射的情况下，将单段喷射的燃料喷射定时设定为上述定时。在单段喷射的情况下，因燃料蒸发的期间变长而使得来自壁的热传递量增大，但每一次的燃料喷射量比多段喷射时大，从而因蒸发潜热引起的缸内气体温度的下降量变大。此外，在冷机状态以及暖机状态下进行多段喷射的情况下，可以在高水温状态下切换为单段喷射。

另外，如图6所示，可以将多段喷射的重心(下面，也简称为“喷射重心”)设定为进气阀关闭定时。这里，参照图7对喷射重心进行说明。

图7是表示四段喷射的燃料喷射脉冲的图。IT1-IT4是各燃料喷射的开始定时，T_inj1-T_inj4是各燃料喷射的燃料喷射期间(喷射脉冲宽度)。另外，IT1mid-IT4mid是各燃料喷射期间的中间点。此时，喷射重心ITc能够由式(5)表示。

[算式1]

其中，T_injtotal是各喷射脉冲宽度的合计值。

此外，即使在如二段喷射、三段喷射那样喷射次数不同的情况下，也利用燃料喷射开始定时ITn、喷射脉冲宽度T_injn、燃料喷射期间的中间点ITnmid同样地进行计算。

在将燃料喷射定时设定为使得喷射重心ITc与进气阀关闭定时一致的情况下，进气阀关闭定时之前的燃料喷射量减少，与此相应地，与图2、图5的情况相比，使进气阀关闭定时下的缸内气体温度下降的效果变小。但是，缸内气体温度因压缩行程中喷射的燃料的蒸发潜热而下降。

下面，对上述的高水温状态下的燃料喷射控制的控制处理流程进行说明。

图8是表示控制器100所执行的、燃料喷射控制的控制处理流程的流程图。

在步骤S10中，控制器100将运转状态读入。具体而言，作为发动机转速而将曲轴角度传感器18的检测信号读入，作为负荷而将加速踏板开度传感器17的检测信号读入。

在步骤S20中，控制器100判定是否为高水温状态。该判定基于上述阈值而进行。在处于高水温状态的情况下执行步骤S30的处理，在未处于高水温状态的情况下执行步骤S70的处理。在步骤S70中，控制器100执行通常的燃料喷射控制，即，如果为冷机状态则执行冷机状态用的燃料喷射控制，如果为暖机状态则执行暖机状态用的燃料喷射控制。

在步骤S30中，控制器100对燃料喷射量进行运算。对于燃料喷射量的运算，使用公知的运算方法。即，预先创建以发动机转速、负荷为参数的燃料喷射量对应图，根据步骤S10中读入的发动机转速和负荷而对对应图进行检索。

在步骤S40中，控制器100对可变动阀机构VTC的变换角进行运算。可变动阀机构VTC是能够将进气阀的打开关闭定时控制为可变的机构。本实施方式中所使用的可变动阀机构VTC与公知的结构相同，因此省略对于可变动阀机构VTC的结构的说明。

控制器100预先创建以作为运转状态的负荷以及发动机转速为参数的变换角对应图，并利用读入的运转状态对对应图进行检索。此外，在不具备可变动阀机构VTC的情况下，将本步骤省略。

在步骤S50中，控制器100将燃料喷射定时切换为与如上所述的高水温状态相对应的定时。例如，在从冷机状态向高水温状态转换的情况下，如图9所示，从冷机状态用的喷射时机对应图切换为高水温状态用的喷射时机对应图。各喷射时机对应图以作为运转状态的负荷以及发动机转速为参数，分配适合于各运转状态的喷射时机。在进行多段喷射的情况下，准备针对各喷射的喷射时机对应图。而且，根据高水温状态用的燃料喷射时机对应图而对燃料喷射开始定时进行计算。

此外，可以取代对点火时机对应图进行切换的方式，而仅在容易产生爆震的运转区域，通过运算计算出高水温状态用的点火时机。例如，在图10的冷机状态用的点火时机对应图中，将标注有斜线的区域设为容易产生爆震的运转区域。在该情况下，用于使进气阀关闭定时下的缸内气体温度下降的燃料喷射定时ITn能够通过式(6)而计算。

ITn＝IVC－Tevap···(6)

其中，IVC是进气阀关闭定时，Tevap是从温度因蒸发潜热而开始下降起直至温度下降量达到最大为止所需的时间。

在进行多段喷射的情况下，能够以上述燃料喷射定时为基准而对其他喷射定时进行计算。

如上所述，仅在容易产生爆震的运转区域进行防止爆震用的点火时机的运算，在其他运转区域中依然使用冷机状态用的点火时机对应图，从而能够减轻运算负荷。

此外，即使在使得喷射重心与进气阀关闭定时一致的情况下，也可以同样地仅在容易产生爆震的运转区域对高水温状态用的点火时机进行计算。在该情况下，根据式(7)而确定喷射重心ITc。而且，能够基于喷射重心ITc对各燃料喷射的开始定时进行计算。

ITc＝IVC－Tevap···(7)

在步骤S60中，控制器100将步骤S30中求出的燃料喷射量、以及步骤S50中求出的燃料喷射开始定时设定为此次的燃料喷射量以及燃料喷射开始定时。

对上述的本实施方式的作用效果进行说明。

(1)作为本实施方式的燃料喷射控制装置的控制器100对火花点火式的缸内直喷内燃机1的燃料喷射进行控制，该缸内直喷内燃机1能够独立地对气缸盖侧冷却通路21的冷却液的循环和气缸体侧冷却通路22的冷却液的循环进行控制。而且，控制器100在高水温状态下，对在因喷射的燃料的蒸发潜热而产生缸内气体温度下降的期间成为进气阀关闭定时的缸内冷却用燃料喷射定时进行设定，并基于缸内冷却用燃料喷射定时而执行燃料喷射。由此，能够使容易产生爆震的压缩上止点附近的缸内气体温度下降而防止爆震。即，能够防止爆震且促进油温的升高。

(2)在本实施方式中，控制器100将缸内冷却用燃料喷射定时设定为使得由所喷射的燃料的蒸发潜热引起的缸内气体温度下降量达到最大时成为进气阀闭阀定时，能够使压缩上止点附近的缸内气体温度进一步下降。

(3)在进行多段喷射的情况下，控制器100将多段喷射的任意喷射设为缸内冷却用燃料喷射定时。由此，能够利用在任意喷射中喷射的燃料的蒸发潜热，使压缩上止点附近的缸内气体温度下降。

(4)在进行多段喷射的情况下，控制器100将多次燃料喷射的最后的燃料喷射设定为缸内冷却用燃料喷射定时。由此，与在压缩行程中喷射燃料的情况相比，能够延长燃料的混合时间，因此不仅能够防止爆震，而且还能够防止废气排放的恶化。

(5)在冷机状态以及暖机状态下进行多段喷射的情况下，控制器100可以在高水温状态下切换为单段喷射，并将单段喷射的燃料喷射定时设定为缸内冷却用燃料喷射定时。在该情况下，也能够利用燃料的蒸发潜热使压缩上止点附近的缸内气体温度下降而防止爆震。

(6)在进行多段喷射的情况下，可以将缸内冷却用燃料喷射定时设为下述的多段喷射的各次的燃料喷射定时，即，该多段喷射设定为使得喷射重心与进气阀关闭定时一致。在该情况下，也能够利用燃料的蒸发潜热使压缩上止点附近的缸内气体温度下降而防止爆震。

(7)气缸盖侧壁温以及气缸体侧壁温越高，从燃料被喷射起直至蒸发为止的延迟时间越短。因此，即使将缸内冷却用燃料喷射定时设定为在与进气阀关闭定时相比以燃料喷射期间(例如0.5毫秒-5毫秒左右)提前的提前角侧，也能够充分获得使进气阀关闭定时下的缸内气体温度下降的效果。

此外，在变为暖机状态之后气缸体侧冷却通路22的水温也比例如95℃低的情况下，可以使气缸体侧冷却通路22的冷却水的循环停止。这是为了通过提高气缸体3的温度而使活塞与气缸壁的摩擦减弱，由此抑制油耗性能的下降。在该情况下，因气缸体3的温度升高而容易产生爆震，因此通过执行上述的高水温状态下的燃料喷射控制而防止爆震。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式不过示出本发明的应用例的一部分而已，其主旨并非将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。