JP2007127059A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の燃焼を良好ならしめる。
【解決手段】吸気通路９に燃料を噴射することによって燃焼室５に燃料を供給する吸気燃料噴射弁６ｐと、燃焼室内に燃料を噴射することによって燃焼室に燃料を直接供給する筒内燃料噴射弁６ｃと、燃料に点火する点火栓７とを具備する。筒内燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が点火栓の点火部位７ａに直接到達するように筒内燃料噴射弁と点火栓とが配置されている。内燃機関の始動時には、吸気燃料噴射弁からのみ燃料を噴射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の吸気管に燃料を噴射して燃焼室に燃料を供給する燃料噴射弁（以下「吸気噴射弁」という）と、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁（以下「筒内噴射弁」という）と、燃焼室内の燃料に点火する点火栓とを備えた内燃機関が、特許文献１に記載されている。そして、同文献１に記載されている内燃機関では、内燃機関が始動された直後、筒内噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射すると、点火栓による燃料の着火性が良くないことから、内燃機関が始動された直後は、吸気噴射弁から燃料を噴射するようにしている。

特開平４−９４４３４号公報 特開平１−１５５０４３号公報 特開２００２−７０７０６号公報

ところで、特許文献１に記載された内燃機関と同様に吸気噴射弁と筒内噴射弁と点火栓を備えているが、詳細な構成が特許文献１に記載された内燃機関の構成とは異なる燃焼室に関し、その内燃機関に特有の構成に起因して発生する可能性のある不具合を解消するために、その内燃機関に特有の構成に応じた燃料噴射制御を行うべきである。

また、特許文献１に記載された内燃機関と同様に吸気噴射弁と筒内噴射弁と点火栓を備えた内燃機関に関し、吸気噴射弁から燃料を噴射するのか筒内噴射弁から燃料を噴射するのかを決定する条件として考慮すべき条件としては、特許文献１に記載された条件（すなわち、内燃機関の始動時であるか否かという条件）以外の条件もある。

本発明の目的は、吸気噴射弁と筒内噴射弁と点火栓を備えた燃料噴射装置を制御する内燃機関の制御装置において、従来とは異なる形で吸気噴射弁からの燃料噴射と筒内噴射弁からの燃料噴射とを制御し、燃料の燃焼を良好ならしめることにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、吸気通路に燃料を噴射することによって燃焼室に燃料を供給する吸気燃料噴射弁と、燃焼室内に燃料を噴射することによって燃焼室に燃料を直接供給する筒内燃料噴射弁と、燃料に点火する点火栓とを具備し、前記筒内燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が前記点火栓の点火部位に直接到達するように筒内燃料噴射弁と点火栓とが配置されている内燃機関の制御装置において、内燃機関の始動時には、吸気燃料噴射弁からのみ燃料を噴射する。

２番目の発明では、１番目の発明において、内燃機関の始動時以外の時には、圧縮行程中のタイミングまたは圧縮上死点近傍のタイミングで筒内燃料噴射弁から燃料を噴射する制御と吸気工程中のタイミングで筒内燃料噴射弁から燃料を噴射する制御とを機関運転状態に応じて選択的に実行する。

３番目の発明では、吸気通路に燃料を噴射することによって燃焼室に燃料を供給する吸気燃料噴射弁と、燃焼室内に燃料を噴射することによって燃焼室に燃料を直接供給する筒内燃料噴射弁と、燃料に点火する点火栓とを具備し、前記筒内燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が前記点火栓の点火部位に直接到達するように筒内燃料噴射弁と点火栓とが配置されている内燃機関において、内燃機関が始動されてから経過した時間が所定時間よりも短いという条件と、内燃機関を冷却する冷却水の温度が所定温度よりも低いという条件と、燃焼室内の温度が所定温度よりも低いという条件と、点火栓の温度が所定温度よりも低いという条件との少なくとも１つが成立したときには、吸気燃料噴射弁からのみ燃料を噴射する。

４番目の発明では、３番目の発明において、上記条件の全てが成立しないときには、圧縮行程中のタイミングまたは圧縮上死点近傍のタイミングで筒内燃料噴射弁から燃料を噴射する制御と吸気工程中のタイミングで筒内燃料噴射弁から燃料を噴射する制御とを機関運転状態に応じて選択的に実行する。

５番目の発明では、３または４番目の発明において、上記燃焼室内の温度または点火栓の温度が内燃機関の負荷と点火栓の点火回数とに基づいて推定される。

６番目の発明では、３〜５番目の発明のいずれか１つにおいて、内燃機関が始動されたときの上記燃焼室内の温度または点火栓の温度が内燃機関を冷却する冷却水の温度とされる。

本発明によれば、燃料の燃焼が良好なものとなる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の制御装置を備えた内燃機関の一例を示している。図１において、１は内燃機関の本体、２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４はピストン、５は燃焼室、６ｃおよび６ｐはそれぞれ燃料噴射弁、７は点火栓、８は吸気弁、９は吸気ポート、１０は排気弁、１１は排気ポートを示している。燃料噴射弁６ｃは、燃焼室５内に燃料を噴射することによって燃焼室５に燃料を直接供給するものであり、以下、これを「筒内噴射弁」という。一方、燃料噴射弁６ｐは、吸気ポート９内に燃料を噴射することによって燃焼室５に燃料を供給するものであり、以下、これを「ポート噴射弁」という。

吸気ポート９は、吸気管１２を介してサージタンク１３に接続されている。また、サージタンク１３は、吸気管１４を介してエアクリーナ１５に接続されている。吸気管１４内には、燃焼室５に吸入される空気の量を制御するスロットル弁１６が配置されている。スロットル弁１６の開度は、ステップモータ１７によって制御せしめられる。一方、排気ポート１１には、排気管１８が接続されている。

ところで、筒内噴射弁６ｃから噴射された燃料は、図２に示されているように、筒内噴射弁６ｃから円錐状に広がる壁面２ａに沿って燃料室５内へと移動する。すなわち、筒内噴射弁６ｃから噴射された燃料Ｆは、筒内噴射弁６ｃから広がる円錐面に沿った中空円錐状に広がる燃料噴霧を形成する。そして、筒内噴射弁６ｃから噴射された燃料噴霧の一部は、点火栓７の点火部位７ａに直接到達する。すなわち、筒内噴射弁６ｃは、中空円錐状に広がる燃料噴霧の稜線が点火部位７ａに重なるように燃料を噴射する。すなわち、筒内噴射弁６ｃから噴射された燃料噴霧は、ピストン４の上壁面や燃焼室５を画成するシリンダボア壁に衝突したり、燃料室５内に比較的均質に拡散したりする前に、点火部位７ａに到達する。

そして、筒内噴射弁６ｃから点火栓７の点火部位７ａに直接到達した燃料に点火して燃料を燃焼させたいときには、圧縮上死点近傍のタイミングで筒内噴射弁６ｃから燃料を噴射させ、筒内噴射弁６ｃから噴射された燃料が点火部位７ａに到達したタイミング（これも、圧縮上死点近傍のタイミング）で点火栓７を作動させて燃料に点火すればよい（このときの燃料は、いわゆる成層燃焼であるとも言える）。一方、筒内噴射弁６ｃから噴射されて燃焼室５内に均質に拡散した燃料に点火して燃料を燃焼させたいときには、吸気行程中に筒内噴射弁６ｃから燃料を噴射させ、圧縮上死点近傍のタイミングで点火栓７を作動させて燃料に点火すればよい（このときの燃料は、いわゆる均質燃焼であるとも言える）。

なお、ポート噴射弁６ｐから燃焼室５に燃料を供給し、この燃料に点火して燃料を燃焼させたいときには、吸気行程中にポート噴射弁６ｐから燃料を噴射させ、圧縮上死点近傍のタイミングで点火栓７を作動させて燃料に点火すればよい。また、筒内噴射弁６ｃから点火栓７の点火部位７ａに直接到達した燃料に点火した場合、点火部位７ａに到達した一部の燃料の燃焼によって生成された火炎が残りの燃料に伝播することによって燃料全体が燃焼せしめられる。

ところで、筒内噴射弁６ｃから点火栓７の点火部位７ａに直接到達した燃料に点火する場合、例えば、燃焼室５内に均質に拡散した燃料に点火する場合に比べて、点火時の点火部位７ａ周りの燃料濃度が高い。したがって、筒内噴射弁６ｃから点火部位７ａに直接到達した燃料を確実に着火させるためには、燃料が点火部位７ａに到達したときに十分に霧化されていることが好ましい。また、筒内噴射弁６ｃから噴射されて燃焼室５内に均質に拡散した燃料に点火する場合であっても、ポート噴射弁６ｐから噴射されて燃焼室５内に均質に拡散した燃料に点火する場合に比べて、燃焼室５内における燃料の拡散度合が小さい。したがって、筒内噴射弁６ｃから噴射されて燃焼室５内に均質に拡散した燃料を確実に着火させるためには、燃料が燃焼室５内に十分に拡散していることが好ましい。すなわち、いずれの場合においても、筒内噴射弁６ｃから噴射された燃料を確実に着火させるためには、燃料の着火性が良好であることが好ましい。

ところが、内燃機関が始動されたときのように内燃機関の温度が全体的に低いときに筒内噴射弁６ｃから噴射された燃料の着火性は、それほど良好なものではない。したがって、この場合、燃焼が不安定となり、場合によっては、失火が起こるという不具合や、燃料が点火部位７ａに付着したまま堆積してしまうという不具合が生じることがある。

そこで、こうした不具合が生じることを回避するために、本実施形態では、内燃機関が始動されたときには、筒内噴射弁６ｃから燃料室５に燃料を供給するのではなく、ポート噴射弁６ｐから燃焼室５に燃料を供給する。すなわち、内燃機関が始動されたときには、筒内噴射弁６ｃからの燃料噴射（以下「筒内噴射」という）を行わずに、ポート噴射弁６ｐからの燃料噴射（以下「ポート噴射」という）のみを行う。

ポート噴射弁６ｐから噴射された燃料は、筒内噴射弁６ｃから噴射された燃料に比べて、燃焼室５内に均質に拡散することから、燃料の着火性は、良好なものである。これによれば、内燃機関が始動されたときの燃焼が安定し、また、燃料が点火栓７の点火部位７ａに付着したまま堆積してしまうことが抑制される。

ところで、筒内噴射弁６ｃから噴射された燃料の燃焼が不安定となり、場合によっては、失火が起こるという不具合や、燃料が点火部位７ａに付着したまま堆積してしまうという不具合は、内燃機関を冷却するための冷却水の温度が比較的低い場合や、燃焼室５内の温度が比較的低い場合や、点火栓７の温度（特に、その点火部位７ａの温度）が比較的低い場合や、もちろん、内燃機関が始動されてから経過した時間が比較的短い場合にも生じることがある。

そこで、上述した実施形態において、内燃機関を冷却するための冷却水の温度が所定温度よりも低いという条件と、燃焼室５内の温度が所定温度よりも低いという条件と、点火栓７の温度（特に、その点火部位７ａの温度）が所定温度よりも低いという条件と、内燃機関が始動されてから経過した時間が所定時間よりも短いという条件との少なくとも１つが成立したときに、筒内噴射を行わずに、ポート噴射のみを行うようにしてもよい。

ところで、本実施形態では、以下のようにして、燃焼室５内の温度（以下「筒内温度」という）を推定する。すなわち、機関回転数と機関負荷とが比較的長い時間に亘って一定であるとき（すなわち、定常運転時）の筒内温度を機関回転数と機関負荷毎に実験などによって予め求め、図３（Ａ）に示されているように、機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとの関数のマップとしてＥＣＵに記憶しておく。

ここで、機関回転数と機関負荷とが比較的長い時間に亘って一定であるときには、そのときの機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに応じて図３（Ａ）のマップから読み出される筒内温度がそのときの筒内温度に一致する。ところが、機関回転数または機関負荷が変化した直後の筒内温度は、変化後の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに応じて図３（Ａ）のマップから読み出される筒内温度には一致しない。すなわち、機関回転数または機関負荷が変化したとき、筒内温度は、徐々にしか変化しないことから、機関回転数または機関回転数が変化した直後の筒内温度は、変化後の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに応じて図３（Ａ）のマップから読み出される筒内温度に一致しないのである。

一方、機関回転数または機関負荷が変化したとき、筒内温度は、変化後の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに応じて図３（Ａ）のマップから読み出される筒内温度に向かって点火栓の点火毎に一定温度ずつ変化することが判明した。すなわち、変化後の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに対応して図３（Ａ）のマップから読み出される筒内温度が変化前の機関回転数と機関負荷とに対応する筒内温度よりも高いときには、筒内温度は、点火栓の点火毎に一定温度ずつ高くなり、最終的に、変化後の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに対応して図３（Ａ）のマップから読み出される筒内温度に達する。逆に、変化後の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに対応して図３（Ａ）のマップから読み出される筒内温度が変化前の機関回転数と機関負荷とに対応する筒内温度よりも低いときには、筒内温度は、点火栓の点火毎に一定温度ずつ低くなり、最終的に、変化後の機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに対応して図３（Ａ）のマップから読み出される筒内温度に達する。

そこで、上述した実施形態では、そのときの機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに応じて図３（Ａ）のマップから筒内温度を読み出し、この読み出された筒内温度が現在の筒内温度の推定値よりも高いときには、現在の筒内温度の推定値が上記読み出された筒内温度に達するまで、点火栓の点火毎に現在の筒内温度の推定値に一定値ずつ加算した値を現在の筒内温度の推定値とする。一方、読み出された筒内温度が現在の筒内温度の推定値よりも低いときには、現在の筒内温度の推定値が上記読み出された筒内温度に達するまで、点火栓の点火毎に現在の筒内温度の推定値から一定値ずつ減算した値を現在の筒内温度の推定値とする。これによれば、筒内温度を正確に把握することができる。

また、本実施形態では、同様にして、点火栓７（特に、その点火部位７ａ）の温度を推定する。すなわち、機関回転数と機関負荷とが比較的長い時間に亘って一定であるとき（すなわち、定常運転時）の点火栓７の温度（以下「点火栓温度」という）を機関回転数と機関負荷毎に実験などによって予め求め、図３（Ｂ）に示されているように、機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとの関数のマップとしてＥＣＵに記憶しておく。

そして、そのときの機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに応じて図３（Ｂ）のマップから点火栓温度を読み出し、この読み出された点火栓温度が現在の点火栓温度の推定値よりも高いときには、現在の点火栓温度の推定値が上記読み出された点火栓温度に達するまで、点火栓の点火毎に現在の点火栓温度の推定値に一定値ずつ加算した値を現在の点火栓温度の推定とする。一方、読み出された点火栓温度が現在の点火栓温度の推定値よりも低いときには、現在の点火栓温度の推定値が上記読み出された点火栓温度に達するまで、点火栓の点火毎に現在の点火栓温度の推定値から一定値ずつ減算した値を現在の点火栓温度の推定値とする。これによれば、点火栓温度を正確に把握することができる。

なお、内燃機関が始動されたときには、内燃機関を冷却する冷却水の温度をそのときの筒内温度または点火栓温度とする。

図４は、上述した実施形態に従って燃料噴射と点火とを実行するルーチンの一例を示している。図４のルーチンでは、始めに、ステップ１０において、内燃機関が始動されたときであるか否かが判別される。ここで、内燃機関が始動されたときであると判別されたときには、ステップ１５に進んで、ポート噴射（吸気噴射弁６ｐからの燃料噴射）が行われ、次いで、ステップ１６に進んで、燃料の点火が行われる。一方、ステップ１０において、内燃機関が始動されたときではない（すなわち、内燃機関が始動されてから一定の時間が経過したとき）と判別されたときには、ステップ１１に進んで、筒内温度（燃焼室５内の温度）Ｔｃが所定温度Ｔｃｔｈよりも低い（Ｔｃ＜Ｔｃｔｈ）か否かが判別される。

ステップ１１において、Ｔｃ＜Ｔｃｔｈであると判別されたときには、ステップ１５に進んで、ポート噴射が行われ、次いで、ステップ１６に進んで、燃料の点火が行われる。一方、ステップ１１において、Ｔｃ≧Ｔｃｔｈであると判別されたときには、ステップ１２に進んで、現在の機関運転領域が圧縮行程において筒内噴射弁６ｃから燃料を噴射すべき領域（圧縮行程筒内噴射領域）であるか否かが判別される。ここで、圧縮行程筒内噴射領域とは、図５に示されているように、機関回転数Ｎが比較的小さく且つ機関負荷Ｌが比較的小さい領域Ｘであり、この圧縮行程筒内噴射領域を除いた領域Ｙが、吸気行程中に筒内噴射弁６ｃから燃料を噴射すべき領域（吸気行程筒内噴射領域）である。

ステップ１２において、現在の機関運転領域が圧縮行程筒内噴射領域であると判別されたときには、ステップ１７に進んで、圧縮行程中（特に、圧縮上死点近傍のタイミング）に筒内噴射弁６ｃから燃料が噴射され、ステップ１８に進んで、燃料の点火が行われる。一方、ステップ１２において、現在の機関運転領域が圧縮行程筒内噴射領域ではない（すなわち、吸気行程筒内噴射領域である）と判別されたときには、ステップ１３に進んで、吸気行程中に筒内噴射弁６ｃから燃料が噴射され、ステップ１４に進んで、燃料の点火が行われる。

なお、ステップ１７において圧縮行程筒内噴射を行うタイミングは、例えば、図６（Ａ）に示されている機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとの関数のマップから設定されるタイミングであり、ステップ１３において吸気行程筒内噴射を行うタイミングは、例えば、図６（Ｂ）に示されている機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとの関数のマップから設定されるタイミングである。ここで、図６（Ａ）および図６（Ｂ）における数字は、圧縮上死点をクランク角度０としたときの圧縮上死点前のクランク角度を示している。

図７は、上述した実施形態に従って筒内温度を推定するルーチンの一例を示している。図７のルーチンでは、始めに、ステップ２０において、内燃機関が始動されたときであるか否かが判別される。ここで、内燃機関が始動されたときであると判別されたときには、ステップ２３に進んで、内燃機関を冷却する冷却水の温度Ｔｗがそのときの筒内温度の推定値Ｔｃとされる。一方、ステップ２０において、内燃機関が始動されたときではない（すなわち、内燃機関が始動されてから一定の時間が経過したとき）と判別されたときには、ステップ２１に進んで、そのときの筒内温度の推定値Ｔｃが、機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに応じて、例えば、図３（Ａ）に示されているマップから読み出される筒内温度の予測値Ｔｍａｐよりも低い（Ｔｃ＜Ｔｍａｐ）か否かが判別される。

ステップ２１において、Ｔｃ＜Ｔｍａｐであると判別されたときには、ステップ２４に進んで、そのときの筒内温度の推定値Ｔｃに一定値βを加算した温度が新たな筒内温度の推定値とされる。一方、ステップ２２において、Ｔｃ≧Ｔｍａｐであると判別されたときには、ステップ２２に進んで、そのときの筒内温度の推定値Ｔｃから一定値αを減算した温度が新たな筒内温度の推定値とされる。

本発明の制御装置を備えた内燃機関を示す図である。 図１に示した内燃機関の筒内噴射弁周りの構成を示す図である。 （Ａ）は、機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに基づいて筒内温度を推定するときに用いられるマップを示し、（Ｂ）は、機関回転数Ｎと機関負荷Ｌとに基づいて点火栓温度を推定するときに用いられるマップを示している。 本発明の実施形態に従って燃料噴射と点火とを実行するルーチンの一例を示す図である。 現在の機関運転領域が圧縮行程筒内噴射領域Ｘであるか吸気行程筒内噴射領域Ｙであるかを決定するときに用いられるマップを示す図である。 （Ａ）は、圧縮行程筒内噴射領域において筒内噴射弁から燃料を噴射するタイミングを決定するために用いられるマップを示す図である。 本発明の実施形態に従って筒内温度を推定するルーチンの一例を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関の温度
５ 燃焼室
６ｃ 筒内噴射弁
６ｐ ポート噴射弁
７ 点火栓
７ａ 点火部位

Claims (6)

1. 吸気通路に燃料を噴射することによって燃焼室に燃料を供給する吸気燃料噴射弁と、燃焼室内に燃料を噴射することによって燃焼室に燃料を直接供給する筒内燃料噴射弁と、燃料に点火する点火栓とを具備し、前記筒内燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が前記点火栓の点火部位に直接到達するように筒内燃料噴射弁と点火栓とが配置されている内燃機関の制御装置において、内燃機関の始動時には、吸気燃料噴射弁からのみ燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の始動時以外の時には、圧縮行程中のタイミングまたは圧縮上死点近傍のタイミングで筒内燃料噴射弁から燃料を噴射する制御と吸気工程中のタイミングで筒内燃料噴射弁から燃料を噴射する制御とを機関運転状態に応じて選択的に実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 吸気通路に燃料を噴射することによって燃焼室に燃料を供給する吸気燃料噴射弁と、燃焼室内に燃料を噴射することによって燃焼室に燃料を直接供給する筒内燃料噴射弁と、燃料に点火する点火栓とを具備し、前記筒内燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が前記点火栓の点火部位に直接到達するように筒内燃料噴射弁と点火栓とが配置されている内燃機関において、内燃機関が始動されてから経過した時間が所定時間よりも短いという条件と、内燃機関を冷却する冷却水の温度が所定温度よりも低いという条件と、燃焼室内の温度が所定温度よりも低いという条件と、点火栓の温度が所定温度よりも低いという条件との少なくとも１つが成立したときには、吸気燃料噴射弁からのみ燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 上記条件の全てが成立しないときには、圧縮行程中のタイミングまたは圧縮上死点近傍のタイミングで筒内燃料噴射弁から燃料を噴射する制御と吸気工程中のタイミングで筒内燃料噴射弁から燃料を噴射する制御とを機関運転状態に応じて選択的に実行することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 上記燃焼室内の温度または点火栓の温度が内燃機関の負荷と点火栓の点火回数とに基づいて推定されることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 内燃機関が始動されたときの上記燃焼室内の温度または点火栓の温度が内燃機関を冷却する冷却水の温度とされることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

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