JP2007239577A - 筒内噴射型内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した燃焼性を保ちつつ、制御を簡略化し、キャリブレーションの工数を減少させることができる筒内噴射型内燃機関の制御装置を提供すること。
【解決手段】吸気行程中と圧縮行程中に分割して燃料噴射を行う分割リーンモード時には、圧縮行程噴射の燃料噴射量を所定量に設定し（ステップＳ１０）、吸気行程噴射の燃料噴射量を負荷に応じて設定するとともに（ステップＳ１１）、点火時期を負荷によらずエンジン回転速度に応じて設定し（ステップＳ１２）、当該点火時期に基づいて圧縮行程噴射の燃料噴射時期を設定する（ステップＳ１３）。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼室内に燃料を噴射可能な筒内噴射型内燃機関の制御装置に関する。

燃焼室内に直接燃料を噴射可能な筒内噴射型内燃機関において、排ガス低減や、燃費改善の目的で、燃料噴射を吸気行程と圧縮行程との２回に分割して行う分割噴射モードにて運転可能な内燃機関（以下、エンジンともいう）が知られている。
しかし、当該分割噴射モードでは、エンジンの運転状態に応じて、吸気行程噴射と圧縮行程噴射の燃料噴射量の比率を調節し、当該燃料噴射に応じて点火時期を設定する必要があり、これらの最適化を図るために制御が複雑化するという問題がある。

そこで、燃料噴射を吸気行程中に行う均一燃焼モードと、燃料噴射を圧縮行程中に行う成層燃焼モードと、当該均一燃焼モードと成層燃焼モードとの間での移行期間中に吸気行程中及び圧縮行程中に１回ずつの燃料噴射を行う２回噴射燃焼モード（分割噴射モード）とに燃焼モードを切り換えて運転される筒内噴射型エンジンにおいて、当該２回噴射燃焼モードは吸気行程での燃料噴射タイミングを均一燃焼用マップから、圧縮行程での燃料噴射タイミングを成層燃焼用マップから設定することで制御を簡略化する構成が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００２−５４４８６号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術であっても、２回噴射燃焼モードでの運転を行う際には、まず圧縮行程噴射の燃料噴射量や噴射時期をマップより求め、当該圧縮行程噴射の噴射終了時期に応じて点火時期を設定しており、負荷やエンジン回転速度に応じた複雑な制御となり、キャリブレーションの工数が多大となるおそれがある。
また、上記特許文献１に開示された技術では、成層燃焼モードでの燃料噴射は圧縮行程中に燃料を噴射し、当該噴射燃料がピストンの頂面に形成されている凹部に衝突し点火プラグ近傍へと移送される所謂ウォールガイド方式の燃料噴射であり、当該ウォールガイド方式での圧縮行程での燃料噴射は燃焼室内の流動の影響を受けやすく不安定になりやすい。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、安定した燃焼性を保ちつつ、制御を簡略化し、キャリブレーションの工数を減少させることができる筒内噴射型内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の筒内噴射型内燃機関の制御装置では、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁からの燃料噴射経路内または燃料噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグと、前記燃料噴射弁を制御し、吸気行程中に燃料を噴射する吸気行程噴射及び圧縮行程中に燃料を噴射する圧縮行程噴射を行う分割噴射モードに切り換え可能な燃料噴射制御手段と、前記点火プラグを制御し、前記分割噴射モード時に前記圧縮行程噴射の燃料噴霧が前記電極部または前記電極部近傍を通過中に点火させる点火時期制御手段とを備え、前記分割噴射モード時には、前記燃料噴射手段は、前記圧縮行程噴射の燃料噴射量を所定の噴射量に固定し、前記吸気行程噴射の燃料噴射量を負荷に応じ増加させて設定し、前記点火時期制御手段は、前記内燃機関の負荷によらず前記内燃機関の回転速度に応じて前記点火時期を設定することを特徴としている。

つまり、吸気行程中と圧縮行程中に分割して燃料噴射を行う分割噴射モード時には、圧縮行程噴射の燃料噴射量を所定の噴射量に固定し、点火時期を内燃機関の負荷によらず内燃機関の回転速度に応じて設定する。
請求項２の筒内噴射型内燃機関の制御装置では、請求項１において、前記燃料噴射制御手段は、吸気行程中のみに燃料噴射を行う吸気行程噴射モードに切り換え可能であり、前記点火時期制御手段は該吸気行程噴射モード時には前記内燃機関の負荷及び前記回転速度に応じて点火時期を設定することを特徴としている。

つまり、点火時期に応じて圧縮行程噴射の燃料噴射時期を設定する。
請求項３の筒内噴射型内燃機関の制御装置では、請求項１または２において、前記燃料噴射制御手段は、吸気行程中のみに燃料噴射を行う吸気行程噴射モードに切り換え可能であり、前記点火時期制御手段は該吸気行程噴射モード時には前記内燃機関の負荷及び前記回転速度に応じて点火時期を設定することを特徴としている。

請求項４の筒内噴射型内燃機関の制御装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記燃料噴射制御手段は、圧縮行程中のみに燃料噴射を行う圧縮行程噴射モードに切り換え可能であり、前記点火時期制御手段は該圧縮行程噴射モード時には前記内燃機関の負荷及び前記回転速度に応じて前記点火時期を設定することを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１乃至４の筒内噴射型内燃機関の制御装置によれば、吸気行程中と圧縮行程中に燃料噴射を行う分割噴射モード時には、圧縮行程中に噴射した燃料噴霧が電極部近傍を通過中に点火、即ち噴射された燃料に直接点火を行うため電極部近傍の空燃比は負荷の影響を受けにくく、このため圧縮行程噴射の燃料噴射量を負荷によらず所定量に固定することが可能となる。そして、当該圧縮行程噴射の噴射量を所定量に固定することで、圧縮行程噴射と吸気行程噴射の比率を制御する必要がなくなり、吸気行程噴射の燃料噴射量のみを負荷に応じて設定するだけの単純な制御とすることができる。

さらに、通常負荷が増加すると燃費に対して最良トルクが得られる最適な点火時期（ＭＢＴ）は遅角するが、負荷が増加すると同時に吸気行程噴射の噴射量の割合を増加させることで燃焼は緩慢となるためＭＢＴは進角し、これら相反する２つの要素によりＭＢＴは負荷によらずほぼ一定とすることができる。そして、点火時期を負荷と回転速度に応じて制御する吸気行程噴射モードや圧縮行程噴射モードと異なり、点火時期を負荷によらずエンジン回転速度に応じて設定することで、分割噴射モード時の制御を簡略化させることができる（請求項１、３、４）。

また、当該点火時期は圧縮行程に噴射した燃料噴霧に点火を行うことから、当該点火時期と燃料噴射時期は常に所定の関係を有しており、当該点火時期を基準に燃料噴射時期を設定するで、より制御を簡略化させることができる（請求項２）。
以上より、従来内燃機関の負荷及び回転速度に応じた複雑な制御であった分割噴射モード時の燃料噴射時期、点火時期の設定を簡略化することができ、キャリブレーション工数を大幅に低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置の概略構成図が示されている。
図１に示すように、エンジン１（内燃機関）は、４サイクル直列４気筒型エンジンであり、図１にはそのうちの１つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているものとして図示及び説明を省略する。

図１に示すように、エンジン１はシリンダブロック２にシリンダヘッド４が載置されて構成されている。
シリンダブロック２に形成されているシリンダ６内には上下摺動可能にピストン８が設けられている。
当該ピストン８の頂面には凹形状のキャビティ８ａが形成されている。

また、シリンダ６に対応して、シリンダヘッド４の下面には所謂ペントルーフ型の斜面１０ａ、１０ｂが形成されおり、当該シリンダヘッド４下面の斜面１０ａ、１０ｂ、シリンダ６、ピストン８上面に囲まれて燃焼室１２が形成されている。
燃焼室１２の上壁の中央部分、即ち両斜面１０ａ、１０ｂの稜線中央部分において、一方の斜面１０ａには燃料噴射弁１４が、他方の斜面１０ｂには点火プラグ１６がそれぞれ燃焼室１２内に臨んで設けられている。

当該燃料噴射弁１４は真下方向よりも若干点火プラグ１６の電極部１６ａ側に指向して配設されており、当該燃料噴射弁１４から噴射される燃料噴霧１８が点火プラグ１６側に偏倚するよう構成されている。
また、点火プラグ１６は真下方向よりも若干燃料噴射弁１４側に指向しており、電極部１６ａが燃料噴射弁１４から噴射される燃料の噴射領域すなわち燃料噴霧１８中若しくはその近傍に位置するように配設されている。

また、一方の斜面１０ａには、燃料噴射弁１４の両側に位置して２つの吸気バルブ２０ａ、２０ｂがそれぞれ設けられており、他方の斜面１０ｂには、点火プラグ１６の両側に位置して２つの排気バルブ２２ａ、２２ｂがそれぞれ設けられている。
これら吸気バルブ２０ａ、２０ｂ及び排気バルブ２２ａ、２２ｂは、上下摺動することでそれぞれシリンダヘッド４内に形成された吸気ポート２４及び排気ポート２６と燃焼室１２との連通と遮断を行うよう構成されている。

そして、上記燃料噴射弁１４及び点火プラグ１６は車両に搭載されているＥＣＵ（電子コントロールユニット）３０と電気的に接続されている。
当該ＥＣＵ３０は、エンジン１のエンジン回転速度を検出する回転速度センサ３２、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ３４等のセンサ類とも電気的に接続されており、当該センサ類からの情報に基づき、上記燃料噴射弁１４による燃料噴射量や燃料噴射時期及び上記点火プラグ１６による点火時期等を制御し、上記エンジン１の運転状態に応じて圧縮リーンモード、分割リーンモード、均一燃焼モードの各燃料モードに切り換える機能を有している。

ここで、圧縮リーンモードは、圧縮行程中に点火プラグ１６の電極部１６ａに向けた燃料噴射を行い、点火プラグ１６の電極部１６ａ近傍を通過する燃料噴霧１８に点火を行う所謂スプレーガイド方式により、希薄な空燃比（リーン）にて燃焼させる燃焼モードである。
また、均一燃焼モードは、吸気行程中に燃料噴射を行うことで、燃料噴霧を筒内空気と予め混合させ燃焼室１２内を理論空燃比近傍に均一化させた状態で点火を行い均一混合燃焼させる燃焼モードである。

さらに、分割リーンモードは、吸気行程中に燃料噴射した後、圧縮行程中においても燃料噴射を行うことで、点火プラグ１６近傍とその周囲の空燃比を層状化させ、全体の空燃比をリーンで燃焼させる燃焼モードである。
以下このように構成された本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置の作用について説明する。

図２を参照すると、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置の燃焼モードマップが示されており、図３を参照すると、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置のＥＣＵ３０により実行される燃焼モード切替制御ルーチンがフローチャートで示されている。以下図２を参照しながら、図３のフローチャートに沿って説明する。
まず、ステップＳ１において、回転速度センサ３２とアクセル開度センサ３４とからエンジン１の負荷を求め、当該負荷情報と回転速度センサ３２により検出されるエンジン回転速度情報とを取得し、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、上記ステップＳ１で取得したエンジン回転速度情報が予め設定された所定回転速度未満であるか否かを判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合はステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、上記ステップＳ１で取得した負荷情報が予め設定された第１所定負荷未満であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合はステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、上記ステップＳ１で取得した負荷情報が予め設定された第２所定負荷以上であるか否かを判別する（第２所定負荷＜第１所定負荷）。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち図２に示す分割リーンモード領域である場合はステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、分割リーンモード制御を行い、当該ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ４の判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち所定回転数未満であって第２所定負荷未満の図２に示す圧縮リーンモード領域である場合は、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、圧縮リーンモード制御を行い、当該ルーチンを抜ける。
また、上記ステップＳ２、ステップ３の少なくともどちらかの判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち所定回転数以上または第１所定負荷以上の図２に示す均一燃焼モード領域である場合はステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、均一燃焼モード制御を行い、当該ルーチンを抜ける。
このように燃焼モード切替制御は、図２に示す燃焼モードマップのように、負荷とエンジン回転速度とに基づき設定され、第２所定値以下の低負荷領域では圧縮リーンモード、第１所定値以下の中負荷領域では分割リーンモード、高負荷領域では均一燃焼モードとなる。

次に、分割リーンモードの制御について詳しく説明する。
図４乃至図６を参照すると、図４には本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置のＥＣＵ３０により実行される分割リーンモードの制御ルーチンを示すフローチャートが、図５には分割リーンモード時における吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の燃料噴射量の割合を示すマップが、図６には分割リーンモード時における点火時期と燃料噴射時期との関係図がそれぞれ示されており、以下図５及び図６を参照しながら図４のフローチャートに沿って説明する。

まず、ステップＳ１０では、図５のマップに示すように、圧縮行程噴射の燃料噴射量を所定の噴射量に固定し、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１では、図５のマップに示すように、上記ステップＳ１で取得した負荷情報に応じて増加させるよう吸気行程噴射の燃料噴射量を設定し、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、上記ステップＳ１で取得したエンジン回転速度情報に応じて点火時期を設定する。

詳しくは、当該点火時期の設定は、負荷に対して一定でありエンジン回転速度のみに基づき設定される点火時期マップから燃費に対して最良トルクが得られるＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）に設定する。
なお、通常ＭＢＴは、エンジン回転速度だけでなく負荷によっても変化し、負荷が増加するほど遅角側に移動するものであるが、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置では、負荷に応じて吸気行程噴射の燃料噴射量割合を増加させるため燃焼が緩慢となりＭＢＴを進角側に移動させる作用があり、これら相反する２つの要素によりＭＢＴは負荷によらずほぼ一定となる。したがって、点火時期はエンジン回転速度のみに基づく制御が可能となる。

次のステップＳ１３では、図６に示すように、圧縮行程噴射の燃料噴射時期を上記ステップＳ１２にて設定された点火時期を基準として所定の関係となるよう設定する。
詳しくは、当該分割リーンモードでは圧縮行程噴射の燃料噴霧に直接点火を行う場合、安定燃焼領域が図６に示すように定性的に点火時期と噴射時期が同時期となる対角線Ａに沿うような島状となるため、例えば安定燃焼領域内において対角線Ａと平行であって点火時期を僅かに進角させた平行線Ｂを設定し、当該平行線Ｂに沿って点火時期から燃料噴射時期を決定する。つまり点火時期を決定することで、当該点火時期を基準に所定関係となるよう燃料噴射時期を設定することが可能となる。

そして、ステップＳ１４では、吸気行程の燃料噴射時期をエンジン回転数、負荷によらず固定値で設定し、ステップＳ１５に進む。当該吸気行程の燃料噴射時期は予め設定された特定の燃料噴射時期から上記ステップＳ１１で設定された燃料噴射量に応じた期間に設定される。
ステップＳ１５では上記ステップＳ１０〜Ｓ１４で設定した燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期に基づき燃料噴射及び点火を行う。

このように、分割リーンモードでは、圧縮行程噴射の燃料噴射量を所定噴射量に固定し、吸気行程噴射はエンジン回転数、負荷によらず固定し燃料噴射量のみを負荷に応じて設定する。
また、点火時期を負荷によらずエンジン回転速度に応じて設定し、当該点火時期より圧縮行程の燃料噴射時期を設定する。

一方、均一燃焼モード、圧縮リーンモードでは負荷及びエンジン回転速度に基づき設定されたマップに従って、燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御し、当該燃料噴射時期に応じて点火時期が設定される。
以上のように、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置では、分割リーンモード時には、圧縮行程噴射の燃料噴射量を所定噴射量に固定し、吸気行程の燃料噴射量のみを負荷に応じて増加させることで安定した燃焼を確保しつつ、燃料噴射量の制御を簡略化させることができる。

そして、点火時期は、均一燃焼モードや圧縮リーンモードとは異なり、負荷によらずエンジン回転速度のみに応じて設定される上、当該点火時期から圧縮行程の燃料噴射時期も設定されることから、噴射時期のマップ等も不要となり、点火時期及び燃料噴射時期の制御を簡略させることができる。
このように、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置では、分割リーンモードの制御を簡略化することができ、キャリブレーションの工数を大幅に低減させることができる。

以上で本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、燃焼モードの切り換えを所定回転速度、第１所定負荷、２所定負荷の判別によって行っているが、このような構成に限るものではなく、燃焼モードマップより設定されるものであれば構わない。

また、上記実施形態では、分割リーンモード、均一燃焼モード、圧縮リーンモードの３つの燃焼モードを切り換えているが、燃焼モード切替はこのような構成に限られるものではなく、その他の燃焼モードを設定しても構わない。
また、上記実施形態では、図６の平行線Ｂに沿って点火時期から燃料噴射時期を決定しているが、点火時期から燃料噴射時期を設定する手法はこれに限られるものではなく、その他の所定の関係より設定しても構わない。

本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置の概略構成図である。 本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置の燃焼モードマップである。 本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置のＥＣＵにより実行される燃焼モード切替制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明に係る筒内噴射型内燃機関の制御装置のＥＣＵにより実行される分割リーンモードの制御ルーチンを示すフローチャートである。 分割リーンモード時における吸気行程噴射及び圧縮行程噴射の燃料噴射量の割合を示したマップである。 分割リーンモードにおける燃焼安定領域を示した図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
８ ピストン
８ａ キャビティ
１２ 燃焼室
１４ 燃料噴射弁
１６ 点火プラグ
１６ａ 電極部
３０ ＥＣＵ（燃料噴射制御手段、点火時期制御手段）
３２ 回転速度センサ
３４ アクセル開度センサ

Claims (4)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   該燃料噴射弁からの燃料噴射経路内または燃料噴射経路近傍に電極部が配置された点火プラグと、
   前記燃料噴射弁を制御し、吸気行程中に燃料を噴射する吸気行程噴射及び圧縮行程中に燃料を噴射する圧縮行程噴射を行う分割噴射モードに切り換え可能な燃料噴射制御手段と、
   前記点火プラグを制御し、前記分割噴射モード時に前記圧縮行程噴射の燃料噴霧が前記電極部または前記電極部近傍を通過中に点火させる点火時期制御手段とを備え、
   前記分割噴射モード時には、
   前記燃料噴射手段は、前記圧縮行程噴射の燃料噴射量を所定の噴射量に固定し、前記吸気行程噴射の燃料噴射量を負荷に応じ増加するよう制御し、
   前記点火時期制御手段は、前記内燃機関の負荷によらず前記内燃機関の回転速度に応じて前記点火時期を設定することを特徴とする筒内噴射型内燃機関の制御装置。
2. 前記分割噴射モード時には、
   前記燃料噴射制御手段は、前記点火時期制御手段により設定された点火時期を基準として前記圧縮行程噴射の燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型内燃機関の制御装置。
3. 前記燃料噴射制御手段は、吸気行程中のみに燃料噴射を行う吸気行程噴射モードに切り換え可能であり、
   前記点火時期制御手段は該吸気行程噴射モード時には前記内燃機関の負荷及び前記回転速度に応じて点火時期を設定することを特徴とする請求項１または２記載の筒内噴射型内燃機関の制御装置。
4. 前記燃料噴射制御手段は、圧縮行程中のみに燃料噴射を行う圧縮行程噴射モードに切り換え可能であり、
   前記点火時期制御手段は該圧縮行程噴射モード時には前記内燃機関の負荷及び前記回転速度に応じて前記点火時期を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の筒内噴射型内燃機関の制御装置。

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