本發明涉及內燃機的燃料噴射控制裝置以及燃料噴射控制方法。

背景技術：

作為提高內燃機的熱效率而實現油耗性能的改善的方法策略，提高壓縮比是有效的。然而，在以汽油為燃料的內燃機中，由于壓縮比變得越高則越容易發生爆震，因此需要用于抑制爆震的對策。例如，作為抑制爆震的方法，已知使點火時機延遲的方法，但越使點火時機延遲則扭矩越下降。即，通過使點火時機延遲而不能得到根據高壓縮比化應當得到的扭矩。

由此，在JP2012-102654A中，為了實現高壓縮比化并抑制爆震，在對燃料進行多段噴射的內燃機中，在容易產生爆震的低旋轉區域中將多段噴射的最后的噴射在壓縮行程進行。在該控制中，目的在于通過在壓縮行程所噴射的燃料的蒸發潛熱而使缸內的氣體溫度下降。

技術實現要素：

然而，壓縮行程是進氣閥以及排氣閥關閉的狀態下的壓縮，可以視為隔熱壓縮行程。如果在這樣的隔熱壓縮行程的中途對燃料進行噴射，則因蒸發潛熱而產生缸內氣體溫度的下降，但使容易產生爆震的上止點附近處的缸內氣體溫度下降的效果較小。即，上述文獻的控制作為用于抑制爆震的控制而存在改善的余地。

因此，本發明的目的在于進行能夠可靠地抑制爆震的燃料噴射的控制。

附圖說明

圖1是表示冷卻系統的一個例子的結構圖。

圖2是表示燃料噴射控制模式的一個例子的圖。

圖3是表示壓縮行程的缸內氣體溫度的變化的圖。

圖4是表示蒸發潛熱與缸內氣體溫度的關系的時序圖。

圖5是表示燃料噴射控制模式的其他例子的圖。

圖6是表示燃料噴射控制模式的另一其他例子的圖。

圖7是表示四段噴射的燃料噴射脈沖的圖。

圖8是表示燃料噴射控制的控制處理流程的流程圖。

圖9是用于說明燃料噴射定時對應圖的切換的圖。

圖10是表示燃料噴射定時對應圖的一個例子的圖。

具體實施方式

下面，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。

圖1是表示應用本實施方式的冷卻系統的一個例子的結構圖。本冷卻系統使用利用火花點火式的缸內直噴內燃機(下面，簡稱為“內燃機”)1進行驅動的水泵5而使冷卻水循環，對內燃機1進行冷卻。此外，可以將水泵5設為利用電動機進行驅動的電動泵。

內燃機1的內部的冷卻水通路分支為在氣缸蓋2設置的氣缸蓋側冷卻通路21、和在氣缸體3設置的氣缸體側冷卻通路22這2個系統。分別在氣缸蓋側冷卻通路21的氣缸蓋出口側配置有第1控制閥13，在氣缸體側冷卻通路22的氣缸體出口側配置有第2控制閥14。

另外，在氣缸蓋側冷卻通路21的氣缸蓋出口與第1控制閥13之間配置有對氣缸蓋側冷卻通路21的水溫(下面，也稱為“氣缸蓋側水溫”)進行檢測的氣缸蓋側水溫傳感器12A。在氣缸體側冷卻通路22的氣缸體出口與第2控制閥14之間配置有對氣缸體側冷卻通路22的水溫(下面，也稱為“氣缸體側水溫”)進行檢測的氣缸體側水溫傳感器12B。氣缸蓋側水溫傳感器12A以及氣缸體側水溫傳感器12B的檢測信號被讀入至后述的控制器100。

在第1控制閥13連接有向加熱芯10連通的加熱通路25、向第2控制閥14連通的連結通路28、以及向冷卻器6連通的冷卻通路23，能夠選擇它們的任意通路而與氣缸蓋側冷卻通路21連通。另外，第1控制閥13還能夠通過閉閥而限制氣缸蓋側冷卻通路21的冷卻水的流動。

另一方面，在第2控制閥14連接有向油冷卻器15以及油加熱器16連通的發動機側返回通路24以及連結通路28，能夠選擇它們的任意通路而與氣缸體側冷卻通路22連通。另外，第2控制閥14也能夠通過閉閥而限制氣缸體側冷卻通路22的冷卻水的流動。

第1控制閥13以及第2控制閥14均利用后述控制器100進行控制。此外，為了系統的簡化，可以將第2控制閥14設為恒溫器閥。

加熱通路25是用于向加熱芯10供給冷卻水的通路。在加熱芯10連接有加熱器側返回通路27，該加熱器側返回通路27使在加熱芯10與空氣進行熱交換后的冷卻水向水泵5返回。在加熱器側返回通路27安裝有用于對EGR氣體進行冷卻的EGR冷卻器9。

發動機側返回通路24是將第2控制閥14和水泵5連通的通路，一部分分支。分別在分支后的一者安裝有用于對內燃機1的潤滑油進行冷卻的油冷卻器15，在另一者安裝有用于對自動變速器4的工作油進行加熱的油加熱器16。

冷卻通路23是將第1控制閥13和水泵5連通的通路，在中途安裝有冷卻器6。

另外，經由節流室7以及EGR閥8而向加熱器側返回通路27合流的節流室側通路26從氣缸蓋側冷卻通路21起分支。

在氣缸蓋2設置有油溫傳感器11，該油溫傳感器11對在氣缸蓋內設置的油套內的潤滑油溫度進行檢測。油溫傳感器11的檢測信號被讀入至控制器100。

控制器100由具有中央運算裝置(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機訪問存儲器(RAM)以及輸入輸出接口(I/O接口)的微機構成。還可以利用多個微機構成控制器100。

除了油溫傳感器11、氣缸蓋側水溫傳感器12A、以及氣缸體側水溫傳感器12B的檢測信號以外，控制器100還讀入對駕駛者的加速踏板開度進行檢測的加速踏板開度傳感器17以及對內燃機1的轉速進行檢測的曲軸角度傳感器18的檢測信號。而且，基于這些檢測信號執行節流室7以及EGR閥8的開度控制、內燃機1的燃料噴射控制、點火時機控制、第1控制閥13以及第2控制閥14的控制等。另外，控制器100分別基于氣缸蓋側水溫而推定氣缸蓋2的壁溫(下面，也稱為“氣缸蓋側壁溫”)，基于氣缸體側水溫而推定氣缸體3的壁溫(下面，也稱為“氣缸體側壁溫”)。例如，預先調查內燃機1的冷卻水溫與壁溫的關系并對應圖化，以檢測出的冷卻水溫進行對應圖檢索。

在上述冷卻系統中，如果內燃機1處于冷機狀態，則控制器100使第1控制閥13以及第2控制閥14閉閥，限制氣缸蓋側冷卻通路21以及氣缸體側冷卻通路22的冷卻水的流動。由此，促進冷卻水的升溫。

另一方面，如果內燃機1處于暖機狀態，則控制器100使第1控制閥13以及第2控制閥14開閥。此時，控制器100根據氣缸蓋側水溫以及氣缸體側水溫而決定使冷卻水向冷卻通路23流動還是向發動機側返回通路24流動，控制第1控制閥13以及第2控制閥14。

此外，在本實施方式中，將氣缸蓋側壁溫以及氣缸體側壁溫的閾值設為80℃，將氣缸蓋側水溫以及氣缸體側水溫的閾值設為80℃，將油溫的閾值設為80℃，如果上述各溫度均大于或等于閾值，則設為暖機狀態，在并非這樣的情況下設為冷機狀態。而且，將冷機狀態之中、氣缸蓋側壁溫以及氣缸蓋側水溫大于或等于80℃且油溫小于80℃的狀態設為高水溫狀態。

另外，作為燃料噴射定時設定單元，控制器100根據內燃機1的狀態而使燃料噴射的方式變化。

圖2是表示三段噴射的情況下的、對應于內燃機1的狀態的燃料噴射控制的方式的圖。下面的說明中的“燃料噴射定時”是指開始燃料噴射的定時。

在除高水溫狀態以外的冷機狀態(下面，也簡稱為冷機狀態)中，由于微粒的排出量(PN：Particulate Number)的降低，因此為了使得燃料向活塞、氣缸壁的附著變少，與其他狀態相比，燃料噴射的提前角側界限(PN極限)成為延遲角側。另外，三段噴射的各噴射設為優先考慮對因燃料引起的油稀釋進行抑制的燃料噴射定時。此外，在冷機狀態下，控制器100將氣缸蓋側冷卻通路21以及氣缸體側冷卻通路22的冷卻水的循環遮斷。由此，促進氣缸蓋側壁溫以及氣缸體側壁溫的升溫。另外，氣缸蓋側冷卻通路21以及氣缸體側冷卻通路22內的冷卻水也被促進升溫。

另一方面，在暖機狀態下，根據是否執行EGR控制，燃料噴射的方式不同。在執行EGR控制的情況下，由于EGR控制而不易產生爆震，因此為了得到更長的缸內氣體的混合時間，成為在與下止點相比為提前角側結束三次的燃料噴射的燃料噴射定時。另外，在不執行EGR控制的情況下，為了同時兼顧混合時間的確保和缸內氣體溫度的下降，第二次和第三次的燃料噴射定時與執行EGR控制的情況相比成為延遲角側。特別地，第三次的燃料噴射定時設定于下止點至進氣閥關閉定時之間。

上述的冷機狀態以及暖機狀態的燃料噴射的方式是公知的，因此省略詳細的說明。

本實施方式的特征在于下面所說明的高水溫狀態的燃料噴射控制。

高水溫狀態是下述狀態，即，雖然氣缸蓋側壁溫以及氣缸體側壁溫升高至暖機狀態的溫度，但是油溫并不升高至暖機狀態的溫度。由于油溫越低則各部分的摩擦越大，油耗性能越下降，因此在高水溫狀態下，希望促進油溫的升高。如果使冷卻水循環，則氣缸蓋側壁溫以及氣缸體側壁溫下降而妨礙油溫的升高，因此在高水溫狀態下，控制器100至少使氣缸體側冷卻通路22的冷卻水的循環停止。

然而，在保持使冷卻水的循環停止的狀態下，氣缸蓋側壁溫會持續升高而容易產生爆震。

因此，為了防止爆震，控制器100例如如圖2所示，使三段噴射的第二次的燃料噴射和第三次的燃料噴射在下止點至進氣閥關閉定時之間進行。

如果對燃料進行噴射，則由于燃料的蒸發潛熱，缸內氣體溫度下降。但是，從缸內氣體溫度下降起的經過時間越長，則隨著缸內氣體與氣缸蓋以及氣缸體的熱交換進行，缸內氣體溫度的下降量會變得越小。因此，為了有效地利用因燃料的蒸發潛熱引起的缸內氣體溫度的下降，如上述那樣使第二次的燃料噴射和第三次的燃料噴射靠近進氣閥關閉定時。

更具體而言，以使得進氣閥關閉定時處于因第三次所噴射的燃料的蒸發潛熱而產生缸內氣體溫度的下降的期間的方式，設定第三次的燃料噴射定時。這是因為，如下面說明的那樣，進氣閥關閉定時下的缸內氣體溫度的下降量在壓縮上止點處增大。此外，將上述的燃料噴射定時稱為缸內冷卻用燃料噴射定時。

圖3是表示壓縮行程的缸內氣體溫度的變化的圖，針對進氣閥關閉定時(圖中的IVC)附近以及壓縮上止點(圖中的TDC)附近，標注了放大圖。此外，本實施方式中所說的“壓縮行程”是指從進氣閥關閉定時至排氣閥打開定時。

如果將內燃機1的壓縮行程視作隔熱壓縮行程，則式(1)的關系成立。

T·V^(k-1)＝恒定···(1)

其中，T為缸內氣體溫度、V為燃燒室容積、k為比熱比。

而且，如果使用進氣閥關閉定時下的缸內氣體溫度Tivc、壓縮上止點處的缸內氣體溫度Ttdc、進氣閥關閉定時下的燃燒室容積Vivc、壓縮上止點處的燃燒室容積Vtdc，則式(2)成立。

Ttdc·Vtdc^(k-1)＝Tivc·Vivc^(k-1)···(2)

通過對式(2)進行變形而得到式(3)。

Ttdc＝Tivc×ε^(k-1)···(3)

其中，ε為壓縮比。

式(3)中，如果設比熱比為1.3、壓縮比為13，則成為式(4)那樣。

Ttdc≈2×Tivc···(4)

即，在內燃機1的壓縮比為13的情況下，壓縮上止點處的缸內氣體溫度成為進氣閥關閉定時下的缸內氣體溫度的大約2倍。而且，進氣閥關閉定時下的溫度差在壓縮上止點增加為2倍。即，如果在進氣閥關閉定時使缸內氣體溫度下降，則壓縮上止點處的溫度下降量成為進氣閥關閉定時下的溫度下降量的2倍。

因此，在本實施方式中，進行使得進氣閥關閉定時下的缸內氣體溫度更下降的燃料噴射控制。

圖4是由于燃料的蒸發潛熱而缸內氣體溫度下降的情況下的時序圖的一個例子。此外，圖中的“壁”是指氣缸蓋側壁面以及氣缸體側壁面。另外，“蒸發量”、“來自壁的熱傳遞量”、以及“因潛熱引起的溫度變化量”是各定時下的量。因此，由各圖表和橫軸包圍的面積與給缸內氣體溫度帶來的影響的量相當。

如果在定時T1開始燃料噴射，則所噴射的燃料帶有時間延遲地從定時T2開始進行蒸發。在蒸發開始之后，伴隨著缸內的燃料量的增加以及燃料的擴散的進行，蒸發量逐漸增加。隨后，伴隨著未蒸發的燃料量的減少以及燃料噴射的停止，蒸發量減少。

因蒸發潛熱引起的溫度變化量顯示出與上述的蒸發量的動作相同的動作。但是，溫度變化的方向成為使缸內氣體溫度下降的方向。由此，缸內氣體溫度開始下降。但是，從蒸發開始至缸內氣體溫度開始下降為止，產生延遲。

另外，從壁傳遞的熱量也給缸內氣體溫度帶來影響。而且，缸內氣體溫度與壁的溫度的差越大，則來自壁的熱傳遞量變得越大。即，如果由于蒸發潛熱而缸內氣體溫度下降，則來自壁的熱傳遞量帶有延遲時間地增加。

因此，因蒸發潛熱而下降的缸內氣體溫度在此后因來自壁的熱傳遞而轉變為升高。

因此，在本實施方式中，控制器100以下述方式對圖2中的第三次燃料噴射的開始定時進行設定，即，使得缸內氣體溫度即將轉變為升高之前的定時T3與進氣閥關閉定時一致。即，使三段噴射的第二次燃料噴射和第三次燃料噴射接近進氣閥關閉定時，特別是對于第三次燃料噴射定時以上述方式進行設定。如果使得第二次燃料噴射與第三次燃料噴射的間隔接近，則在缸內氣體溫度在第二次燃料噴射中下降的狀態下進行第三次燃料噴射，因此能夠有效地使進氣閥關閉定時下的缸內氣體溫度下降。

但是，使進氣閥關閉定時下的缸內氣體溫度下降的燃料噴射的方式不限定于上述方式。

例如，如圖5所示在進行單段噴射的情況下，將單段噴射的燃料噴射定時設定為上述定時。在單段噴射的情況下，因燃料蒸發的期間變長而使得來自壁的熱傳遞量增大，但每一次的燃料噴射量比多段噴射時大，從而因蒸發潛熱引起的缸內氣體溫度的下降量變大。此外，在冷機狀態以及暖機狀態下進行多段噴射的情況下，可以在高水溫狀態下切換為單段噴射。

另外，如圖6所示，可以將多段噴射的重心(下面，也簡稱為“噴射重心”)設定為進氣閥關閉定時。這里，參照圖7對噴射重心進行說明。

圖7是表示四段噴射的燃料噴射脈沖的圖。IT1-IT4是各燃料噴射的開始定時，T_inj1-T_inj4是各燃料噴射的燃料噴射期間(噴射脈沖寬度)。另外，IT1mid-IT4mid是各燃料噴射期間的中間點。此時，噴射重心ITc能夠由式(5)表示。

[算式1]

其中，T_injtotal是各噴射脈沖寬度的合計值。

此外，即使在如二段噴射、三段噴射那樣噴射次數不同的情況下，也利用燃料噴射開始定時ITn、噴射脈沖寬度T_injn、燃料噴射期間的中間點ITnmid同樣地進行計算。

在將燃料噴射定時設定為使得噴射重心ITc與進氣閥關閉定時一致的情況下，進氣閥關閉定時之前的燃料噴射量減少，與此相應地，與圖2、圖5的情況相比，使進氣閥關閉定時下的缸內氣體溫度下降的效果變小。但是，缸內氣體溫度因壓縮行程中噴射的燃料的蒸發潛熱而下降。

下面，對上述的高水溫狀態下的燃料噴射控制的控制處理流程進行說明。

圖8是表示控制器100所執行的、燃料噴射控制的控制處理流程的流程圖。

在步驟S10中，控制器100將運轉狀態讀入。具體而言，作為發動機轉速而將曲軸角度傳感器18的檢測信號讀入，作為負荷而將加速踏板開度傳感器17的檢測信號讀入。

在步驟S20中，控制器100判定是否為高水溫狀態。該判定基于上述閾值而進行。在處于高水溫狀態的情況下執行步驟S30的處理，在未處于高水溫狀態的情況下執行步驟S70的處理。在步驟S70中，控制器100執行通常的燃料噴射控制，即，如果為冷機狀態則執行冷機狀態用的燃料噴射控制，如果為暖機狀態則執行暖機狀態用的燃料噴射控制。

在步驟S30中，控制器100對燃料噴射量進行運算。對于燃料噴射量的運算，使用公知的運算方法。即，預先創建以發動機轉速、負荷為參數的燃料噴射量對應圖，根據步驟S10中讀入的發動機轉速和負荷而對對應圖進行檢索。

在步驟S40中，控制器100對可變動閥機構VTC的變換角進行運算?？勺儎娱y機構VTC是能夠將進氣閥的打開關閉定時控制為可變的機構。本實施方式中所使用的可變動閥機構VTC與公知的結構相同，因此省略對于可變動閥機構VTC的結構的說明。

控制器100預先創建以作為運轉狀態的負荷以及發動機轉速為參數的變換角對應圖，并利用讀入的運轉狀態對對應圖進行檢索。此外，在不具備可變動閥機構VTC的情況下，將本步驟省略。

在步驟S50中，控制器100將燃料噴射定時切換為與如上所述的高水溫狀態相對應的定時。例如，在從冷機狀態向高水溫狀態轉換的情況下，如圖9所示，從冷機狀態用的噴射時機對應圖切換為高水溫狀態用的噴射時機對應圖。各噴射時機對應圖以作為運轉狀態的負荷以及發動機轉速為參數，分配適合于各運轉狀態的噴射時機。在進行多段噴射的情況下，準備針對各噴射的噴射時機對應圖。而且，根據高水溫狀態用的燃料噴射時機對應圖而對燃料噴射開始定時進行計算。

此外，可以取代對點火時機對應圖進行切換的方式，而僅在容易產生爆震的運轉區域，通過運算計算出高水溫狀態用的點火時機。例如，在圖10的冷機狀態用的點火時機對應圖中，將標注有斜線的區域設為容易產生爆震的運轉區域。在該情況下，用于使進氣閥關閉定時下的缸內氣體溫度下降的燃料噴射定時ITn能夠通過式(6)而計算。

ITn＝IVC－Tevap···(6)

其中，IVC是進氣閥關閉定時，Tevap是從溫度因蒸發潛熱而開始下降起直至溫度下降量達到最大為止所需的時間。

在進行多段噴射的情況下，能夠以上述燃料噴射定時為基準而對其他噴射定時進行計算。

如上所述，僅在容易產生爆震的運轉區域進行防止爆震用的點火時機的運算，在其他運轉區域中依然使用冷機狀態用的點火時機對應圖，從而能夠減輕運算負荷。

此外，即使在使得噴射重心與進氣閥關閉定時一致的情況下，也可以同樣地僅在容易產生爆震的運轉區域對高水溫狀態用的點火時機進行計算。在該情況下，根據式(7)而確定噴射重心ITc。而且，能夠基于噴射重心ITc對各燃料噴射的開始定時進行計算。

ITc＝IVC－Tevap···(7)

在步驟S60中，控制器100將步驟S30中求出的燃料噴射量、以及步驟S50中求出的燃料噴射開始定時設定為此次的燃料噴射量以及燃料噴射開始定時。

對上述的本實施方式的作用效果進行說明。

(1)作為本實施方式的燃料噴射控制裝置的控制器100對火花點火式的缸內直噴內燃機1的燃料噴射進行控制，該缸內直噴內燃機1能夠獨立地對氣缸蓋側冷卻通路21的冷卻液的循環和氣缸體側冷卻通路22的冷卻液的循環進行控制。而且，控制器100在高水溫狀態下，對在因噴射的燃料的蒸發潛熱而產生缸內氣體溫度下降的期間成為進氣閥關閉定時的缸內冷卻用燃料噴射定時進行設定，并基于缸內冷卻用燃料噴射定時而執行燃料噴射。由此，能夠使容易產生爆震的壓縮上止點附近的缸內氣體溫度下降而防止爆震。即，能夠防止爆震且促進油溫的升高。

(2)在本實施方式中，控制器100將缸內冷卻用燃料噴射定時設定為使得由所噴射的燃料的蒸發潛熱引起的缸內氣體溫度下降量達到最大時成為進氣閥閉閥定時，能夠使壓縮上止點附近的缸內氣體溫度進一步下降。

(3)在進行多段噴射的情況下，控制器100將多段噴射的任意噴射設為缸內冷卻用燃料噴射定時。由此，能夠利用在任意噴射中噴射的燃料的蒸發潛熱，使壓縮上止點附近的缸內氣體溫度下降。

(4)在進行多段噴射的情況下，控制器100將多次燃料噴射的最后的燃料噴射設定為缸內冷卻用燃料噴射定時。由此，與在壓縮行程中噴射燃料的情況相比，能夠延長燃料的混合時間，因此不僅能夠防止爆震，而且還能夠防止廢氣排放的惡化。

(5)在冷機狀態以及暖機狀態下進行多段噴射的情況下，控制器100可以在高水溫狀態下切換為單段噴射，并將單段噴射的燃料噴射定時設定為缸內冷卻用燃料噴射定時。在該情況下，也能夠利用燃料的蒸發潛熱使壓縮上止點附近的缸內氣體溫度下降而防止爆震。

(6)在進行多段噴射的情況下，可以將缸內冷卻用燃料噴射定時設為下述的多段噴射的各次的燃料噴射定時，即，該多段噴射設定為使得噴射重心與進氣閥關閉定時一致。在該情況下，也能夠利用燃料的蒸發潛熱使壓縮上止點附近的缸內氣體溫度下降而防止爆震。

(7)氣缸蓋側壁溫以及氣缸體側壁溫越高，從燃料被噴射起直至蒸發為止的延遲時間越短。因此，即使將缸內冷卻用燃料噴射定時設定為在與進氣閥關閉定時相比以燃料噴射期間(例如0.5毫秒-5毫秒左右)提前的提前角側，也能夠充分獲得使進氣閥關閉定時下的缸內氣體溫度下降的效果。

此外，在變為暖機狀態之后氣缸體側冷卻通路22的水溫也比例如95℃低的情況下，可以使氣缸體側冷卻通路22的冷卻水的循環停止。這是為了通過提高氣缸體3的溫度而使活塞與氣缸壁的摩擦減弱，由此抑制油耗性能的下降。在該情況下，因氣缸體3的溫度升高而容易產生爆震，因此通過執行上述的高水溫狀態下的燃料噴射控制而防止爆震。

以上對本發明的實施方式進行了說明，但上述實施方式不過示出本發明的應用例的一部分而已，其主旨并非將本發明的技術范圍限定為上述實施方式的具體結構。