JP2005201186A - 直噴火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 始動時及び始動直後で燃圧が低いときから、圧縮行程噴射を可能にして、壁流を減少させ、ＨＣ排出量の低減を図る。
【解決手段】 触媒の暖機が要求されている時に、圧縮行程にて燃料を噴射し、圧縮行程での燃料噴射時期は、燃圧に応じて設定する。このため、燃圧を検出し、燃圧が低いときは燃料噴射時期を圧縮行程前半とし、燃圧の上昇に伴って燃料噴射時期を最適噴射時期まで遅らせる。
【選択図】 図８

Description

本発明は、直噴火花点火式内燃機関の制御装置に関し、特に始動時及び始動直後など燃料圧力が低い場合にも好適な燃焼制御を可能とする制御装置に関する。

特許文献１には、直噴火花点火式内燃機関において、燃料圧力が低いときは、吸気行程を主体として燃料噴射を行う吸気行程噴射を選択し、吸気行程内では設定された噴射量だけの燃料を噴射不可能な場合には、圧縮行程初期の許容期間内に限定して燃料噴射の継続を許可することが開示されている。
特開２００１−３４２８７３号公報

しかしながら、始動時及び始動直後などの冷間時に吸気行程噴射を行うと、多くの燃料がシリンダ壁、ピストン冠面、吸気バルブ等に干渉し、壁流となることから、機関出口でのＨＣ排出量が増大し、また排気通路に備えられる排気浄化用の触媒が活性化していないので、ＨＣが還元されないまま排出されてしまう。
本発明は、このような実状に鑑み、始動時及び始動直後など燃料圧力が低いときでも圧縮行程噴射を行い得るようにして、ＨＣ排出量を低減することを目的とする。

このため、本発明では、触媒の暖機が要求されている時に、圧縮行程にて燃料を噴射し、圧縮行程での燃料噴射時期は、燃料圧力に応じて設定し、燃料圧力が低いときは燃料噴射時期を圧縮行程前半とし、燃料圧力の上昇に伴って燃料噴射時期を遅らせる構成とする。

本発明によれば、燃料圧力が低いときは、燃料噴射時期を筒内圧力の低い圧縮行程前半として、最低限の圧縮行程噴射を可能にする。そして、燃料圧力が次第に上昇すると、燃料噴射時期を遅らせても、筒内圧力に打ち勝って燃料噴射可能となるので、燃料圧力の上昇に伴って燃料噴射時期を遅らせ、最適噴射時期へ移行させる。従って、燃料圧力が低いときから圧縮行程噴射が可能となり、壁流の発生を極力少なくして、ＨＣ排出量の低減を図ることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン（直噴火花点火式内燃機関）のシステム図である。
エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量を制御する電制スロットル弁３が設置されている。電制スロットル弁３は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０からの信号により作動するステップモータ等により開度制御される。電制スロットル弁３の制御を受けた空気は、吸気バルブ４を介して、エンジン１の燃焼室５に吸入される。

エンジン１の燃焼室５には、点火プラグ６と共に、燃料噴射弁７が設置されている。
燃料噴射弁７への燃料供給系について説明すると、燃料タンク８内の燃料は電動モータにより駆動される低圧燃料ポンプ９によって吸入され、この低圧燃料ポンプ９から吐出された低圧燃料はエンジン駆動される高圧燃料ポンプ１０に供給される。低圧燃料ポンプ９から吐出されて高圧燃料ポンプ１０に供給される燃料の圧力は、燃料タンク８に戻るリターン通路に介装された低圧プレッシャレギュレータ１１によって所定の低圧に調整される。高圧燃料ポンプ１０から吐出された高圧燃料は、燃料噴射弁７に供給され、その燃料圧力は、高圧燃料ポンプ１０の吸入側に戻るリターン通路に介装された高圧プレッシャレギュレータ１２によって所定の高圧に調整される。

燃料噴射弁７は、ＥＣＵ２０からエンジン回転に同期して吸気行程又は圧縮行程にて出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、燃焼室５内に所定圧力に調圧された燃料を噴射するようになっている。尚、低圧燃料ポンプ９はイグニッションスイッチのＯＮ後に電動モータにより駆動されるが、高圧燃料ポンプ１０はスタートスイッチのＯＮ後にエンジンにより駆動されるので、高圧燃料ポンプ１０から燃料噴射弁７へ供給される燃料圧力の上昇は、スタートスイッチのＯＮ後となる。

燃焼室５内に噴射された燃料は混合気を形成し、点火プラグ６により点火されて燃焼する。燃焼後の排気は、排気バルブ１３を介して、排気通路１４へ排出される。排気通路１４には排気浄化用の触媒１５が設けられている。
ＥＣＵ２０には、アクセルペダルセンサ２１により検出されるアクセル開度Ａpo、クランク角センサ２２により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、エアフローメータ２３により検出される吸入空気量Ｑａ、水温センサ２４により検出されるエンジン冷却水温度（水温）Ｔｗ、燃料圧力検出手段としての燃圧センサ２５により検出される高圧燃料ポンプ１０から燃料噴射弁７への燃料圧力（燃圧）Ｐｆなどが入力されている。この他、イグニッションスイッチ及びスタートスイッチを有するエンジンキースイッチ２６からも信号が入力されている。

ＥＣＵ２０は、これらの入力信号より検出されるエンジン運転条件に基づいて、電制スロットル弁３の開度、燃料噴射弁７の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ６の点火時期などを制御する。
このエンジンでの運転モードには、成層運転モードと均質運転モードとがあり、成層運転モードでは、圧縮行程後半にて燃料噴射を行い、燃焼室５内の点火プラグ６の周囲に成層化された混合気塊を形成することで、全体としては極めてリーンな空燃比（Ａ／Ｆ＝３０〜４０）で成層燃焼を行わせる。これに対し、均質運転モードでは、吸気行程にて燃料噴射を行い、燃焼室５の全体に均質な混合気を形成することで、ストイキ又はリーン空燃比（Ａ／Ｆ＝２０〜３０）での均質燃焼を行わせる。尚、本発明に係る始動時〜暖機中の制御は、基本的に、圧縮行程噴射による成層運転モードにて行われるが、空燃比は暖機後の成層運転モードよりリッチで、ストイキよりややリッチ〜ストイキよりややリーンの範囲とする。

次に、本発明に係る始動時〜暖機中の制御について、説明する。
図２はＥＣＵ２０により実行される始動時〜暖機中の制御のメインルーチンのフローチャート、図３は図２のＳ３部分のサブルーチンのフローチャートである。
イグニッションスイッチのＯＮ後、スタートスイッチがＯＮとなることで、図２のフローがスタートする。

Ｓ１では、燃圧センサ２５により燃圧Ｐｆを検出する。
Ｓ２では、検出された燃圧Ｐｆが圧縮行程での最適噴射時期にて筒内圧に打ち勝って燃料噴射可能な所定値（しきい値ＳＬ）を超えているか否かを判定する。
燃圧Ｐｆが所定値以下の場合は、Ｓ３へ進み、燃圧Ｐｆに応じた噴射時期で、圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせる。詳細を、図３のフローに示す。

Ｓ３１では、燃圧Ｐｆに応じて、筒内圧に打ち勝って燃料噴射可能な燃料噴射時期、特に遅角限界の燃料噴射時期として、噴射終了時期ＩＴｅを設定する。具体的には、図４に示すように、圧縮行程（ＢＤＣ〜ＴＤＣ）において、ＴＤＣに近づくほど、筒内圧が大となるので、燃圧が低いとき（例えば低圧燃料ポンプ９による燃圧にほぼ等しいとき）は、圧縮行程前半でのみ燃料噴射可能であり、燃圧が十分に高くなれば、狙いの最適噴射時期にて燃料噴射可能となることから、次のように設定する。すなわち、図５のテーブルを参照し、燃圧Ｐｆに応じて、噴射終了時期ＩＴｅを設定し、燃圧Ｐｆが低いときは噴射終了時期ＩＴｅを圧縮行程前半とし、燃圧Ｐｆの上昇に伴って噴射終了時期ＩＴｅを遅らせるように設定する。尚、筒内圧はエンジン運転条件（特にエンジン回転数Ｎｅ）によって変化することから、これを考慮して、噴射終了時期ＩＴｅを設定するようにしてもよい。また、筒内圧センサを有する場合は、実際の筒内圧を検出し、燃圧との比較で、噴射終了時期ＩＴｅを設定するようにしてもよい。

Ｓ３２では、噴射終了時期ＩＴｅに応じて燃料噴射量の壁流補正係数ＫＷＦを設定する。具体的には、図６のテーブルを参照し、噴射終了時期ＩＴｅに応じて、壁流補正係数ＫＷＦを設定し、噴射終了時期ＩＴｅが早くなるほど、壁流補正係数ＫＷＦを大きく設定する。これは、圧縮行程噴射の場合、吸気行程噴射に比べて壁流は大幅に減少するが、圧縮行程噴射でも噴射時期が早いほど、壁流が増大する傾向にあるので、その分、燃料噴射量を増量補正して、燃焼に寄与する燃料量を確保する必要があるからである。

尚、図７に、噴射時期とＨＣ排出量との関係を示す。圧縮行程噴射でも噴射時期が早いほど、壁流の増大によりＨＣ排出量が高くなり、噴射時期を遅らせれば、壁流の減少によりＨＣ排出量が低くなることがわかる。尚、噴射時期を大きく遅角した場合にＨＣ排出量が大となっているのは、気化時間が不足するためである。
Ｓ３３では、吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅとから算出される基本燃料噴射量Ｔｐ＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ（Ｋは定数）を、次式のように、壁流補正係数ＫＷＦにより補正して、最終的な燃料噴射量Ｔｉを算出する。

Ｔｉ＝Ｔｐ×（１＋ＫＷＦ）
尚、実際の燃料噴射量Ｔｉの算出には、壁流補正係数ＫＷＦ以外の各種補正係数が用いられるが、ここでは省略した。
Ｓ３４では、噴射終了時期ＩＴｅと燃料噴射量Ｔｉとから、噴射開始時期ＩＴｓを算出する。すなわち、燃料噴射量Ｔｉ分の燃料を噴射しきるためのクランク角度を算出し、噴射終了時期ＩＴｅから、そのクランク角度分進めた位置を、噴射開始時期ＩＴｓとする。

このようにして、噴射開始時期ＩＴｓが算出されると、そのタイミングにて、燃料噴射量Ｔｉ分の燃料噴射が行われる。
Ｓ３の実行後は、Ｓ５へ進む。
Ｓ５では、触媒１５が活性化したか否かを判定する。具体的には、触媒温度センサを有する場合は、これにより触媒温度を検出する。触媒温度センサを有しない場合は、冷却水温度Ｔｗより触媒温度を推定する。又は、始動時の冷却水温度と、始動後の吸入空気量の積算値とに基づいて、触媒温度を推定する。そして、検出又は推定された触媒温度が所定の活性温度以上か否かを判定する。

触媒１５が活性化していない場合は、Ｓ１へ戻る。
Ｓ２での判定で、燃圧Ｐｆが所定値を超えた場合、すなわち、始動後のエンジン回転数の上昇によって、高圧燃料ポンプ１０による吐出量が大となることで、燃圧Ｐｆが所定値を超えた場合は、圧縮行程での最適噴射時期にて筒内圧に打ち勝って燃料噴射可能なため、Ｓ４へ進む。

Ｓ４では、最適噴射時期で圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせる。最適噴射時期は、図７に示した特性からもわかるように、圧縮行程後半の範囲に設定され、エンジン回転数及び負荷により設定するのが望ましい。この後、Ｓ５へ進む。
Ｓ５での判定で、触媒１５が活性化した場合は、Ｓ６へ進んで、運転条件に応じた通常の燃焼制御へ移行する。通常の燃焼制御では、運転条件（エンジン回転数、負荷）に応じて、通常の成層燃焼、又は、均質燃焼が選択される。

図８は始動時〜暖機中制御のタイムチャートである。
ｔ１でイグニッションスイッチがＯＮとなり、このときから低圧燃料ポンプ９が駆動される。
ｔ２でスタートスイッチがＯＮとなり、クランキングと同時に、高圧燃料ポンプ１０が駆動される。このときの燃圧Ｐｆは低く、燃料噴射時期は、進角側となり、圧縮行程前半にて燃料噴射がなされる。燃料噴射量は壁流補正のため大きく設定される。

ｔ３での完爆後、エンジン回転数の上昇に伴って、燃圧Ｐｆが上昇する。燃圧Ｐｆの上昇に伴って、燃料噴射時期を遅らせる。このとき、燃料噴射量は壁流補正の減少により徐々に減少する。
ｔ４で燃圧Ｐｆがしきい値ＳＬを超えると、遅角側の最適噴射時期にて、圧縮行程噴射がなされる。

本実施形態によれば、触媒の暖機が要求されている時に、圧縮行程にて燃料を噴射し、圧縮行程での燃料噴射時期は、燃圧に応じて設定し、燃圧が低いときは燃料噴射時期を圧縮行程前半とし、燃圧の上昇に伴って燃料噴射時期を遅らせる構成とすることにより、燃圧が低いときから圧縮行程噴射が可能となり、また、燃圧の上昇に伴って燃料噴射時期を最適噴射時期に近づけることができるので、壁流の発生を極力少なくして、ＨＣ排出量の低減を図ることができる。

また、本実施形態によれば、燃圧に応じて、燃料噴射可能な遅角限界の燃料噴射時期を設定し、該遅角限界の燃料噴射時期にて燃料噴射を行うことにより、可能な限り早期に最適噴射時期に移行させ、早期に狙い通りの燃焼を行わせることができる。
また、本実施形態によれば、燃料噴射量は、燃料噴射時期に応じて補正し、燃料噴射時期が早いときほど、燃料噴射量を増量補正することにより、的確な壁流補正が可能となる。言い換えれば、フリクションに打ち勝つトルクを発生させるために壁流にとられる分を考慮して燃料噴射量を決定する場合、圧縮行程噴射により壁流分が減る分（図７のＡ）、燃料噴射量を減少させて、燃費を向上できる。

また、本実施形態によれば、燃圧に応じて、燃料噴射可能な噴射終了時期を設定し、該噴射終了時期に応じて燃料噴射量を補正し、該噴射終了時期と補正後の燃料噴射量とから噴射開始時期を設定することにより、燃料噴射時期と燃料噴射量とを的確に統合制御できる。
また、本実施形態によれば、燃圧が圧縮行程での最適噴射時期にて燃料噴射可能な所定値を超えた時は、燃圧に応じた燃料噴射時期の設定を停止して、最適噴射時期にて燃料を噴射することにより、燃焼安定性を向上させることができる。この場合、燃焼安定性の向上することから、その分、点火時期を遅角でき、触媒の暖機促進のための排気温度上昇を図ることができる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 始動時及び暖機中の制御のメインルーチンのフローチャート Ｓ３部分のサブルーチンのフローチャート 筒内圧の特性図 燃圧と噴射終了時期との関係を示す図 噴射終了時期と壁流補正係数との関係を示す図 噴射時期とＨＣ排出量との関係を示す図 始動時及び暖機中の制御のタイムチャート

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
３ 電制スロットル弁
５ 燃焼室
６ 点火プラグ
７ 燃料噴射弁
８ 燃料タンク
９ 低圧燃料ポンプ
１０ 高圧燃料ポンプ
２０ ＥＣＵ
２５ 燃圧センサ

Claims (5)

1. 排気通路に排気浄化用の触媒を備える直噴火花点火式内燃機関において、
   燃料ポンプにより燃料噴射弁に供給される燃料圧力を検出する燃料圧力検出手段を備え、
   触媒の暖機が要求されている時に、圧縮行程にて燃料を噴射し、圧縮行程での燃料噴射時期は、燃料圧力に応じて設定し、燃料圧力が低いときは燃料噴射時期を圧縮行程前半とし、燃料圧力の上昇に伴って燃料噴射時期を遅らせることを特徴とする直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
2. 燃料圧力に応じて、燃料噴射可能な遅角限界の燃料噴射時期を設定し、該遅角限界の燃料噴射時期にて燃料噴射を行うことを特徴とする請求項１記載の直噴火花点火式内燃機関。
3. 燃料噴射量は、燃料噴射時期に応じて補正し、燃料噴射時期が早いときほど、燃料噴射量を増量補正することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
4. 燃料圧力に応じて、燃料噴射可能な噴射終了時期を設定し、該噴射終了時期に応じて燃料噴射量を補正し、該噴射終了時期と補正後の燃料噴射量とから噴射開始時期を設定することを特徴とする請求項３記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。
5. 燃料圧力が圧縮行程での最適噴射時期にて燃料噴射可能な所定値を超えた時は、燃料圧力に応じた燃料噴射時期の設定を停止して、最適噴射時期にて燃料を噴射することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の直噴火花点火式内燃機関の制御装置。

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