JP2007278223A - 筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタの性能悪化にともなう燃料付着が原因で発生する燃焼悪化を防止した筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置を得る。
【解決手段】内燃機関の運転状態を検出する各種センサ２、４〜７、１５、１６と、運転状態に基づいて目標噴射量を演算する目標噴射量演算手段と、燃焼室内への燃料噴射圧力を制御する燃料噴射圧力制御手段と、噴射時期制御手段Ｓ３と、内燃機関の燃焼悪化を検出する燃焼状態検出手段Ｓ４とを備え、噴射時期制御手段Ｓ３は、燃料噴射圧力を補正する燃圧補正手段Ｓ５を含む。燃圧補正手段Ｓ５は、燃焼状態検出手段Ｓ４により燃焼悪化が検出された場合には、燃料噴射圧力を補正する。
【選択図】図２

Description

この発明は、自動車などに搭載される筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置に関し、特に内燃機関の燃焼悪化に応じて燃料噴射圧力を適切に変化させるための新規な技術に関するものである。

従来、この種の筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置としては、低回転域において十分な充填効率を得ながら、高回転域においても良好な混合気を得るとともに、特に前期噴射モードと後期噴射モードとに切り換えられる場合に燃費が悪化しないように、適正な噴射時期を設定可能に構成したものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記従来装置においては、燃焼室内で移動するピストンへの燃料付着を防止するために燃料噴射時期が設定されているが、燃料噴射装置の設計値を基準とした燃料噴射時期であることから、製造誤差までが設定範囲となる。
したがって、たとえばインジェクタの性能悪化にともない、燃料噴霧形状に上記製品誤差を超える極端な偏りが発生した場合には、噴射した燃料がピストン頂面に付着する量が増える可能性がある。

特開平９−７９０８１号公報

従来の筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置では、インジェクタの性能悪化などで燃料噴霧形状に極端な偏りが発生した場合に、ピストン頂面への燃料付着量が増えることによって燃料リーン状態を引き起こし、回転変動や失火へと至る可能性があるという課題があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃焼悪化が検出された場合に、燃料噴射圧力を補正して燃焼悪化を抑制するようにした筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置を得ることを目的とする。

この発明による筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置は、内燃機関の燃焼室内に燃料が直接噴射される筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置であって、内燃機関の運転状態を検出する各種センサと、運転状態に基づいて燃料噴射量の目標値を目標噴射量として演算する目標噴射量演算手段と、目標噴射量の燃料を燃焼室内に供給する際に必要な燃料噴射圧力を制御する燃料噴射圧力制御手段と、燃焼室内に燃料を噴射する時期を制御する噴射時期制御手段と、内燃機関の燃焼悪化を検出する燃焼状態検出手段とを備え、噴射時期制御手段は、燃料噴射圧力を補正する燃圧補正手段を含み、燃圧補正手段は、燃焼状態検出手段により内燃機関の燃焼悪化が検出された場合に、燃料噴射圧力を補正するものである。

この発明によれば、インジェクタ固体のばらつきによってインジェクタから噴射される燃料噴霧形状が極端に偏った場合に、ピストンへの燃料付着に起因したリーン失火を防止することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置を示すブロック構成図である。
図１において、内燃機関（以下、「エンジン」という）１は、燃焼室内に燃料が直接噴射される筒内噴射型火花点火式の構成を有し、たとえば自動車に搭載されている。
エンジン１の吸気系には、エアフローセンサ２と、スロットル弁３と、スロットル開度センサ４とが設けられている。

エアフローセンサ２は、吸気量センサとして機能し、エンジン１への吸気量（または、吸気量に関連するパラメータ）Ｑａを計測する。
スロットル弁３は、運転者により操作されるアクセルペダル（図示せず）と連動して回動し、エンジン１への吸気量を調節する。
スロットル開度センサ４は、スロットル弁３の位置をスロットル開度θＴＨとして検出する。

スロットル弁３の前後を連通するバイパス通路には、バイパス通路を開閉するバイパスバルブ１０が設けられている。
バイパスバルブ１０は、スロットル弁３の全閉時（アイドリング運転時）の回転速度Ｎｅおよび走行時のトルクを制御するために、スロットル弁３をバイパスしてエンジン１に流入する空気量を調節する。

エンジン１の周辺には、クランク角センサ５と、水温センサ６と、酸素センサ７と、点火プラグ９と、インジェクタ１１と、ノッキングセンサ１５と、気筒識別センサ１６と、ＥＧＲバルブ１７とが設けられている。
クランク角センサ５は、エンジン１のクランク軸に対向配置され、エンジン１の回転速度Ｎｅおよびクランク角位置を検出する。

水温センサ６は、エンジン１の暖機状態を検出する暖機状態検出手段として機能し、エンジン１の冷却水の近傍に配置されて冷却水温Ｗｔを検出する。
酸素センサ７は、エンジン１の排気系に配置され、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する。
点火プラグ９は、エンジン１の各気筒の燃焼室内に設けられ、混合気を着火する。
インジェクタ１１は、エンジン１の各気筒の燃焼室内に突設されて、高圧の燃料を燃焼室内に噴射供給する。

ノッキングセンサ１５は、エンジン１の外周に取り付けられ、エンジン１のノッキング振動を検出する。
気筒識別センサ１６は、エンジン１のカム軸に対向配置され、燃焼気筒の識別を行う。
ＥＧＲバルブ１７は、ＥＧＲ通路を開閉し、ＥＧＲ（排気ガスを吸気系に環流して再燃焼させる排気ガス環流）制御における排気ガス環流量を調節する。

エンジン１の周辺に設置された各種センサ２、４〜７、１５、１６の検出信号（エンジン１の運転状態情報）は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）からなるエンジン制御手段８に入力される。
エンジン制御手段８は、各種センサ情報に基づいてエンジン１の運転状態を判定し、運転状態に応じて、各種アクチュエータ９〜１１、１７の制御量を演算し、各種制御を実行する。

たとえば、エンジン制御手段８は、エンジン１を所望空燃比で燃焼させるためのインジェクタ１１に基づく空燃比フィードバック制御と、エンジン１を最高効率で運転するための点火プラグ９に基づく点火時期制御（ノッキング回避制御などを含む）と、排気ガスを吸気系に環流して再燃焼することによりＮＯｘの生成を抑制するためのＥＧＲバルブ１７に基づくＥＧＲ制御と、エンジン１の運転状態に応じて燃料噴射タイミングを変更するためのインジェクタ１１に基づく燃料噴射タイミング制御と、バイパスバルブ１０に基づくアイドリング運転時での回転速度Ｎｅの制御および走行時のトルク制御と、を実行する。
また、エンジン制御手段８は、エンジン１の燃焼悪化を抑制するための燃焼悪化抑制手段を含む。

したがって、エンジン制御手段８は、エンジン１の運転状態を検出する各種センサ２、４〜７、１５、１６と、運転状態に基づいて燃料噴射量の目標値を目標噴射量として演算する目標噴射量演算手段と、目標噴射量の燃料を燃焼室内に供給する際に必要な燃料噴射圧力Ｐｉを制御する燃料噴射圧力制御手段と、燃焼室内に燃料を噴射する時期を制御する噴射時期制御手段と、エンジン１の燃焼悪化を検出する燃焼状態検出手段とを備え、噴射時期制御手段は、燃料噴射圧力Ｐｉを補正する燃圧補正手段を含む。

エンジン制御手段８内の燃焼状態検出手段は、たとえば、クランク軸の回転速度Ｎｅの変化量に基づいてエンジン１の燃焼悪化を検出する。
エンジン制御手段８内の燃圧補正手段は、燃焼悪化抑制手段として機能し、燃焼状態検出手段によりエンジン１の燃焼悪化が検出された場合に、燃料噴射圧力Ｐｉを補正する。
具体的には、燃圧補正手段は、エンジン１の燃焼悪化が検出された場合に、燃料噴射圧力Ｐｉを低下させる方向に補正する。

インジェクタ１１には、燃料ポンプ１３と、燃圧レギュレータを含む高圧ポンプ１４とを介して、燃料タンク１２が接続されている。
燃料ポンプ１３は、燃料タンク１２から燃料を取り出し、燃圧レギュレータは、高圧ポンプ１４に供給する燃圧を制御する。
すなわち、燃圧レギュレータは、ａ部で検出した大気圧を基準として、ｂ部の燃圧が所定の一定圧力になるよう調節し、高圧ポンプ１４は、インジェクタ１１に供給する燃料の噴射圧力を制御する。

これにより、インジェクタ１１へ供給される燃圧は、ａ部で検出した大気圧を基準として、制御値と一致するように調節される。
筒内噴射型火花点火式内燃機関においては、エンジン１の気筒内圧力以上の燃圧をインジェクタ１１に印加する必要があるので、所定の一定圧力は、大気圧力を基準として、たとえば数１０気圧に設定される。

次に、図２のフローチャートとともに、図３の説明図および図４のタイミングチャートを参照しながら、燃焼悪化検出時でのエンジン制御手段８による燃料噴射圧力Ｐｉの補正手順について説明する。
なお、図２内のステップＳ３は噴射時期制御手段に対応し、ステップＳ４は燃焼状態検出手段に対応し、ステップＳ５は燃圧補正手段に対応する。

図２において、まず、エンジン１の運転状態を検出する（ステップＳ１）。
このとき、運転状態の検出処理は、各気筒に対応したクランク角センサ５および気筒識別センサ１６からの検出信号のパルス周期に基づいて、クランク軸の回転に対する特定気筒を判別するとともに、エンジン回転速度Ｎｅを検出することにより実行される。
また、スロットル弁３の開度θＴＨまたは全閉状態を検出するとともに、吸気量Ｑａを検出するなどにより実行される。

続いて、運転状態の検出結果に基づいてエンジン１の負荷状態を判定し、エンジン１の運転モード（吸気行程噴射、または圧縮行程噴射などの燃料噴射モード）を選択的に設定する（ステップＳ２）。
また、噴射モードが設定されると、基本噴射時期を設定するとともに、基準値となる基本燃料噴射圧力を設定する（ステップＳ３）。

図３はステップＳ３での基本燃料噴射圧力の設定状態を模式的に示す説明図であり、基本燃料噴射圧力としては、燃料噴霧２２がピストン２３に付着しないような燃料噴射圧力Ｐｉが設定される。
こうして決定した燃料噴射圧力Ｐｉに基づいてインジェクタ１１を駆動すれば、燃料噴霧２２がピストン２３に付着しない範囲で燃料を噴射し、燃料付着から発生する燃焼悪化を防ぐことができる。

基準値となる燃料噴射圧力Ｐｉが設定されると、次に、エンジン制御手段８内の燃焼状態検出手段は、エンジン１の燃焼状態が悪化しているか否かを判定する（ステップＳ４）。
図４は燃焼状態検出手段の動作を示すタイミングチャートである。
図４において、気筒識別センサ１６は、４気筒（＃１〜＃４）のうちの第１気筒（＃１）を特定気筒として検出し、第１気筒のみに対応した矩形パルスを気筒識別信号として生成する。

また、クランク角センサ５からのクランク角信号の立ち上がりタイミングは、各気筒のＴＤＣ（圧縮上死点）の７５°（クランク角）手前であることを示すとともに、クランク角信号の立ち下がりタイミングは、各気筒のＴＤＣであることを示している。
したがって、気筒識別センサ１６からの気筒識別信号とクランク角信号とにより、各気筒および各気筒の状態を判別することができる。

たとえば、図４内の時刻Ｔ１０においては、気筒識別信号がＨレベルであることから第１気筒（＃１）であることが解り、クランク角信号が立ち上がっていることから第１気筒のクランク角位置がＴＤＣ７５°手前にあることが解る。
同様に、時刻Ｔ１１においては、第１気筒がＴＤＣにあることが解る。
なお、気筒識別センサ１６は、第１気筒以外の気筒（＃２〜＃４）に対しては信号を出力しないが、エンジン制御手段８は、あらかじめ定められた各気筒の順序（＃１→＃３→＃４→＃２）に基づいて、どの気筒であるかを判別することができる。

すなわち、エンジン１の各気筒の制御順序はあらかじめ定められており、たとえば４気筒の場合には、第１気筒→第３気筒→第４気筒→第２気筒→第１気筒・・・となる。
したがって、気筒識別センサ１６が第１気筒を識別した場合、次の気筒が第３気筒であることが解っており、時刻Ｔ１２においては、第３気筒のＴＤＣ７５°手前であることが解る。他の気筒についても、同様の方法で判別することができる。

また、ステップＳ４での燃焼悪化判定条件となるエンジン１の回転変動は、クランク角信号の周期（クランク軸が所定角度を回転する時間）を測定することにより検出することができる。
以下、クランク角センサ５の信号周期として、図４に示すクランク角信号の立ち下がりタイミングの周期を計測した場合について説明する。

この場合、まず、時刻Ｔ１１の点火により発生したエンジン１の出力は、発生出力の大きさに応じた速度でクランク軸を回転させるので、発生出力が大きいほど次の立ち下がりタイミングを早く検出することになる。
したがって、点火時刻Ｔ１１の直後の時刻Ｔ１１から時刻Ｔ１３までの時間を測定し、この測定周期が短いほど、第１気筒における燃焼が良好に行われていると判定することができ、逆に、測定周期が長いほど、第１気筒における燃焼が悪化していると判定することができる。

以下、同様にして、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順で点火制御気筒の燃焼状態を検出することができる。
なお、燃焼悪化の判定処理に関しては、上記方法に限られるものではなく、イオン電流や加速度変化を計測する方法などが考えられる。

以下、ステップＳ４において、エンジン１の燃焼状態が正常である（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、補正処理を実行せずに、図２の処理ルーチンを終了する。
一方、ステップＳ４において、燃焼状態が悪化してある（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、エンジン制御手段８内の燃圧補正手段は、燃焼悪化時の燃料噴射圧力Ｐｉの補正演算を実行し（ステップＳ５）、図２の処理ルーチンを終了する。

ステップＳ５における燃焼悪化時の補正演算は、基本となる燃料噴射圧力Ｐｉの補正量Ｐｋと、回転速度Ｎｅの変動幅に応じて設定される補正係数Ｋ１と、冷却水温Ｗｔに応じて設定される補正係数Ｋ２とを用いて、以下の式（１）のように実行される。

Ｐ（ｉ）＝Ｐｉ＋Ｐｋ×Ｋ１×Ｋ２ ・・・（１）

式（１）において、燃料噴射圧力Ｐｉの補正量Ｐｋは必ず負の値となり、補正後の燃料噴射圧力Ｐ（ｉ）は、必ず低下方向に補正されることになる。
以下、式（１）で決定された燃料噴射圧力Ｐ（ｉ）と一致するように、高圧ポンプ１４を制御することにより、インジェクタ１１から噴射される燃料がピストン２３に付着することを防止して、エンジン１の燃焼悪化を抑制することができる。

なお、燃焼悪化時の補正演算に関しては、上記式（１）に限るものではなく、たとえば、今回の基準値Ｐｉおよび前回補正値Ｐ（ｉ−１）を用いて、以下の式（２）のように補正後の燃料噴射圧力Ｐ（ｉ）を演算してもよい。

Ｐ（ｉ）＝Ｐｉ＋Ｐ（ｉ−１）×Ｋ１×Ｋ２ ・・・（２）

こうして、燃焼状態の悪化が検出された場合には、燃料噴射圧力Ｐ（ｉ）を補正することにより燃料付着を防止することができる。
次に、図５、図６を参照しながら、この発明の実施の形態１による燃焼悪化時の補正効果について説明する。
図５、図６は燃焼悪化時の補正効果を模式的に示す説明図であり、図５は吸気行程噴射時の燃焼悪化補正効果を示し、図６は圧縮行程噴射時の燃焼悪化補正効果を示している。

図５、図６において、インジェクタ１１の性能悪化に起因して、「正常時」から「噴霧形状異常時」のように燃料噴霧２２の形状が変化し、燃料噴霧２２がピストン２３に付着してしまう状態が発生した場合、燃焼悪化を引き起こす要因となり得る。
しかし、図５、図６の最終段階で示す「燃焼悪化時の補正後」のように、燃料噴霧２２がピストン２３に付着しない範囲で燃料を噴射するように、燃焼悪化時の補正処理を実行することにより、ピストン２３への燃料付着を防ぐことができる。

以上、この発明の実施の形態１について具体的に説明したが、上記説明に限定されるものではない。
たとえば、上記実施の形態１では、直列４気筒の筒内噴射ガソリンエンジンに適用した場合について説明したが、単気筒エンジンやＶ型６気筒エンジンなど、気筒数やその配列が異なる種々のエンジンに適用可能であり、ガソリン以外の燃料（メタノールなど）を使用するエンジンに適用してもよく、後期噴射モードを備えない筒内噴射ガソリンエンジンに適用してもよい。
さらに、制御システムの具体的構成などについては、この発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することが可能である。

以上のように、この発明の実施の形態１に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置によれば、インジェクタ１１の固体ばらつきに起因して、インジェクタ１１から噴射される燃料噴霧形状が極端に偏った場合に、ピストン２３に燃料が付着することが原因で発生するリーン失火を防止することができる。
また、エンジン制御手段８内の燃圧補正手段（ステップＳ５）は、燃圧低下方向への補正によって燃焼悪化を抑制するので、燃料リッチ化によるＨＣ増加のような排ガスへの悪影響を招くことがない。

さらに、燃焼状態検出手段（ステップＳ４）は、常備のクランク角センサ５を用いて、クランク軸の回転速度Ｎｅの変化量に基づいてエンジン１の燃焼悪化を検出するので、特にセンサを追加する必要もなく、コストアップを招くこともない。

この発明の実施の形態１に係る筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１による燃料噴射圧力の燃料悪化時における補正手順を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による基本燃料噴射圧力の設定状態を模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態１による燃焼状態検出手段の動作を示すタイミングチャートである この発明の実施の形態１による吸気行程噴射時の燃焼悪化補正効果を模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態１による圧縮行程噴射時の燃焼悪化補正効果を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関（エンジン）、２ エアフローセンサ、３ スロットル弁、４ スロットル開度センサ、５ クランク角センサ、６ 水温センサ、７ 酸素センサ、８ エンジン制御手段、９ 点火プラグ、１０ バイパスバルブ、１１ インジェクタ、１２ 燃料タンク、１３ 燃料ポンプ、１４ 高圧ポンプ（燃圧レギュレータ）、１５ ノッキングセンサ、１６ 気筒識別センサ、１７ ＥＧＲバルブ、２２ 燃料噴霧、２３ ピストン。

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料が直接噴射される筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の運転状態を検出する各種センサと、
   前記運転状態に基づいて燃料噴射量の目標値を目標噴射量として演算する目標噴射量演算手段と、
   前記目標噴射量の燃料を前記燃焼室内に供給する際に必要な燃料噴射圧力を制御する燃料噴射圧力制御手段と、
   前記燃焼室内に燃料を噴射する時期を制御する噴射時期制御手段と、
   前記内燃機関の燃焼悪化を検出する燃焼状態検出手段とを備え、
   前記噴射時期制御手段は、前記燃料噴射圧力を補正する燃圧補正手段を含み、
   前記燃圧補正手段は、前記燃焼状態検出手段により前記内燃機関の燃焼悪化が検出された場合に、前記燃料噴射圧力を補正することを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置。
2. 前記燃圧補正手段は、前記内燃機関の燃焼悪化が検出された場合に、前記燃料噴射圧力を低下させる方向に補正することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関のクランク軸の回転速度を検出するクランク角センサをさらに備え、
   前記燃焼状態検出手段は、前記クランク軸の回転速度の変化量に基づいて前記内燃機関の燃焼悪化を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内噴射型火花点火式内燃機関の制御装置。

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