JP2008014198A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの噴射系をもつ内燃機関において、ポート噴射、直噴系の故障を検出してポート噴射系及び直噴系の一方のみで燃料を噴射する際の問題の発生を抑制できる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】エンジンＥＣＵ１０は、出力トルク変動量に基づいて、ポート用インジェクタ２００噴射又は直噴用インジェクタ２１０に故障がないかを検出し、故障の場合には、エンジン１００の出力トルクの変動を抑制するために燃焼室内の気流を強化するように気流調整弁２２０を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、特に、過給機付き内燃機関の制御装置に関する。

エンジンの出力トルクの変動は、ドライバー等に不快感を与えて、車両としての商品性を著しく低下させる。
過給機付きエンジンは、低回転、高負荷状態において、排気圧よりも過給圧が高くなる領域があり、この領域では、エンジンの出力トルクの変動が大きくなることが知られている。この理由としては、１）空気の吹き抜けによるシリンダに実際に入る充填空気量のばらつき、２）噴射した燃料の吹き抜けによるシリンダ内に実際に残る燃料量のばらつきが考えられる。
エンジンの出力トルクの変動を抑制する方法として、例えば、特許文献１は、ポート噴射系と燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴系の２つの噴射系をもつものにおいて、その噴射量の比率を変えることにより、トルク変動を抑制する技術を開示している。
また、特許文献２は、気流調整弁等により燃焼室内の気流を速めることにより、出力トルクの変動を抑制する技術を開示している。
特開２００５−１３３６３２号公報 特開平６−２２９２８５号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、ポート噴射系と直噴系の一方が故障した場合に、他方の噴射系で燃料を供給する必要がある。この場合には、噴射量の比率を変更できないので、上記した１）、２）の理由から、エンジンの出力トルクの変動が大きくなるという問題がある。
また、特許文献２に開示された技術では、吸気系に気流調整用の絞り弁を取り付ける必要があり、吸気系に絞り弁を取り付けると高負荷時に出力が低下すると共に、定常時に燃費が低下するという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、２つの噴射系をもつ内燃機関において、ポート噴射、直噴系の故障を検出してポート噴射系及び直噴系の一方のみで燃料を噴射する際の問題の発生を抑制できる内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明の第１の観点に係る内燃機関の制御装置は、吸気ポートへ燃料を噴射するポート噴射系と、燃焼室へ燃料を直接噴射する直噴系と、燃焼室内の気流を制御する気流調整手段とを備える内燃機関において、出力トルクの変動を抑制するためにポート噴射系と直噴系とをその燃料噴射量の比率を調整しつつ制御する制御装置であって、ポート噴射系又は直噴系の故障を検出する故障検出手段と、故障検出手段が故障を検出した場合に、内燃機関の出力トルクの変動を抑制するために燃焼室内の気流を強化するように気流調整手段を制御する制御手段と、を有することを特徴としている。
この構成によれば、ポート噴射系又は直噴系に故障がない場合には、ポート噴射系と直噴系とをその燃料噴射量の比率を調整しつつ制御されるので、内燃機関の出力トルクの変動は抑制されると共にポート噴射系及び直噴系のいずれも正常な場合には、気流調整手段による気流調整はされないので、高負荷時に出力が低下することもない。そして、ポート噴射系及び直噴系の一方が故障した場合には、燃焼室内の気流が強化されるので、この場合にも、内燃機関の出力トルクの変動が抑制される。

本発明の第2の観点に係る内燃機関の制御装置は、吸気ポートへ燃料を噴射するポート噴射系と、燃焼室へ燃料を直接噴射する直噴系と、燃焼室内の気流を制御する気流調整手段とを備える内燃機関において、出力トルクの変動を抑制するためにポート噴射系と直噴系とをその燃料噴射量の比率を調整しつつ制御する制御装置であって、内燃機関の出力トルクの変動量が異常の場合に、先に直噴系のみから燃料を噴射させた状態で内燃機関の出力トルクの変動量が正常かを判断し、異常の場合には、直噴系に代えてポート噴射系のみから燃料を噴射させた状態で内燃機関の出力トルクの変動量に基づいて故障を検出する検出手段を有することを特徴としている。
この構成によれば、故障を検出する際に最初に直噴系の燃料噴射量の比率を高めて異常がないかを判断するので、故障がなかった場合に直噴系を停止しないので、直噴系のインジェクタがカーボン等で詰まる等の不具合が発生しない。

本発明によれば、ポート噴射系又は直噴系の一方が故障した場合に、他方の噴射系のみで燃料を噴射しても内燃機関の出力トルクの変動を抑制できる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置が適用された内燃機関の概略構成図である。
図１に示すように、エンジン１００は、過給機３００を備えた過給機付きエンジンであり、エンジン１００に形成されたシリンダ１１０内には、ピストン１２０が上下方向に摺動自在に内蔵されており、ピストン１２０はコンロッド１２１を介して図示しないクランク軸に連結されている。

エンジン１００の上部（シリンダヘッド）には、吸気通路１４０及び排気通路１４１が形成されていると共に、点火プラグ１５０が取り付けられている。
吸気通路１４０及び排気通路１４１のシリンダ１１０に開口する吸気ポート１４０ａと排気ポート１４１ａとは、図示しないカムにより駆動される吸気弁１３０、排気弁１３１により、それぞれ適当なタイミングにより開閉される。

吸気通路１４０には、ポート用インジェクタ２００、気流調整手段としての気流調整弁２２０等が設けられている。

ポート用インジェクタ２００は、吸気ポート１４０ａにガソリン等の燃料を噴射するポート噴射系を構成しており、エンジンＥＣＵ１０からの制御指令に応じた量の燃料を吸気ポート１４０ａに向けて噴射するように形成されている。

気流調整弁２２０は、吸気通路１４０を開閉可能に設けられている。この気流調整弁としては、例えば、特開２００３−３２２０２４号公報に開示された構造のものを用いることができる。この気流調整弁２２０は、エンジンＥＣＵ１０からの制御指令により制御され、吸気通路１４０を図示しない切欠き状の切欠部によりシリンダ１１０（燃焼室）内に流入する吸気流をスワール流にして燃焼室内の気流を必要に応じて強化することができるように形成されている。

シリンダ１１０には、直噴用インジェクタ２１０が設けられており、この直噴用インジェクタ２１０は燃焼室内に燃料を直接噴射する直噴系を構成しており、エンジン制御ＥＣＵ１０からの制御指令に応じた量の燃料を噴射するように形成されている。

過給機３００は、そのコンプレッサ３１０側が吸気通路１４０に接続された吸気管１４２と吸気冷却器３４０を介して接続されていると共に、コンプレッサ３１０と回転軸３３０により連結されたタービン３２０側が排気通路１４１に接続されている。

エンジンＥＣＵ１０は、図示しないプロセッサ、メモリ等のハードウエアと所要のソフトウエアとから構成されており、吸気通路１４０に設けられた吸気圧センサ１６０、排気通路１４１に設けられた排気圧センサ１６１、アクセル開度センサ２０、クランク角センサ１７０等の各種検出信号が入力され、これらの検出信号等に基づいて、ポート用インジェクタ２００及び直噴用インジェクタ２１０の制御等を実行する。尚、エンジンＥＣＵ１０による具体的な処理については後述する。

ここで、エンジン１００の動作について概略的に説明すると、吸入工程において吸気管１４２に吸入された外気は、過給機３００のコンプレッサ３１０により昇圧された後、吸気冷却器３４０により冷却される。そして、エンジン１００の吸気通路１４０を流れる空気に対してポート用インジェクタ２００及び／又は直噴用インジェクタ２１０から適量の燃料が噴射されて混合気が形成され、この混合気はシリンダ１１０内に過給されて燃焼に供される。
シリンダ１１０内の混合気の燃焼により生じた排気ガスは、排気弁１３１が開くと排気通路１４１及び排気管１４３を通じて大気中に排出されるが、排気管１７を流れる過程で過給器３００のタービン３２０を回転駆動する。

上記したエンジン１００の動作中に、吸気圧センサ１６０、排気圧センサ１６１、アクセル開度センサ２０、クランク角センサ１７０等の各種検出信号がエンジンＥＣＵ１０に入力され、エンジンＥＣＵ１０はこれらの情報等に基づいてエンジン１００の動作状態を把握し、燃料噴射量や噴射時期の制御をする。尚、エンジン１００の動作状態を検出するためのセンサはこれらに限定されるものではなく、これら以外にも必要なものを使用できるが、周知技術であるので詳細説明は省略する。

ここで、過給機付きエンジンは、低回転、高負荷状態において出力トルクの変動特性が悪く、例えば、ＷＯＴ（Ｗｉｄｅ Ｏｐｅｎ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ＝スロットル全開）付近等において、排気圧よりも過給圧が高くなる領域があり、この領域では、エンジンの出力トルクの変動が大きくなる。
このため、エンジンＥＣＵ１０は、吸気圧が排気圧よりも大きくなる領域では、ポート用インジェクタ２００からの噴射は吸気同期噴射とする。吸気同期噴射は、クランク角センサ１７０等の検出信号に基づいて気筒を判別して各気筒の吸気行程（吸気弁が開いている期間）に同期して燃料噴射を実行するものである。
吸気圧が排気圧よりも大きくなる領域で、例えば、吸気行程とは関係なく吸気弁が閉じている時期に燃料噴射を実行する吸気非同期噴射を実行すると、吸気通路１４０に燃料が停滞し、吸排気オーバラップ時に排気系へ燃料が吹き抜けてしまい、燃焼に寄与しない燃料が発生し、エミッションの増加や燃費の低下を招くおそれがあるが、吸気同期噴射を採用することにより、この問題を回避できる。
本実施形態に係るエンジン１００において、ＷＯＴ付近で吸気同期噴射を採用した場合に、噴射開始時期と出力トルク及び出力トルク変動との関係は、例えば、図２に示すような関係となる。

さらに、上記した吸気同期噴射を実行中に、ポート用インジェクタ２００と直噴用インジェクタ２１０とで分担して燃料を噴射すると共にその分担量を調整することにより、トルク変動をさらに抑制することが知られている。
例えば、図３に示すように、ＷＯＴ付近で吸気同期噴射を採用した状態において、出力トルク変動は、ポート用インジェクタ２００と直噴用インジェクタ２１０との吹き分け率(分担比率)により変化する。具体的には、吹き分け率を６０%（直噴用インジェクタ２１０の分担比率が６０%）付近にすると、出力トルク変動が最も抑制されるのが分かる。
このように、エンジンＥＣＵ１０は、所定の動作条件下（低回転、高負荷状態）において、出力トルクの変動を抑制するために、ポート用インジェクタ２００からの燃料噴射を吸気同期噴射とすると共に、直噴用インジェクタ２１０との分担比率を制御する吹き分け制御を実行する。

次に、エンジンＥＣＵ１０による出力トルクの変動抑制のための処理の一例について図４に示すフローチャートを参照して説明する。尚、図４に示す処理は、エンジン１００の動作中に定期的に繰り返し実行される。
先ず、エンジン回転数が所定の回転数Ｎ0よりも低いかを判断すると共に(ステップＳＴ１)、エンジン負荷が所定負荷Ｌ0よりいも大きいかを判断する（ステップＳＴ２）。すなわち、エンジンＥＣＵ１０は、ステップＳＴ１，ＳＴ２においてエンジン１００が低回転、高負荷状態にあるかを判断する。

エンジン１００が低回転、高負荷状態の下で、上記した吹き分け制御（ポート用インジェクタ２００と直噴用インジェクタ２１０との分担比率の制御）を実行中である場合には（ステップＳＴ３）、エンジン１００の出力トルクの変動量が所定値ΔＴ１よりも大きいかを判断する（ステップＳＴ４）。所定値ΔＴ１は、吹き分け制御において、出力トルクの変動を抑制する制御が正常に実行されているかを判断するための値であり、検出される出力トルクの変動量が所定値ΔＴ１を越えている場合には、異常（故障）であると判断する。尚、エンジン１００の出力トルクは、エンジン回転数、スロットルバルブ開度等の各種状態量から算出できるし、クランクシャフトにトルクセンサを設けてトルク変動を直接的に検出することも可能である。

エンジン１００の出力トルクの変動量が所定値ΔＴ１を越える場合には、ポート用インジェクタ２００及び直噴用インジェクタ２１０を含む噴射系が異常であると判断し、ポート用インジェクタ２００と直噴用インジェクタ２１０との分担比率が先に直噴用インジェクタ２１０が１００%となるように切り換え（ステップＳＴ５）、その後のエンジン１００の出力トルクの変動量が所定値ΔＴ２を越えていないかを判断する(ステップＳＴ６)。所定値ΔＴ２は、直噴用インジェクタ２１０が正常か否かを判断するためのしきい値であり、直噴用インジェクタ２１０のみで燃料噴射をした場合に許容される出力トルクの変動量を規定する。
ここで、直噴用インジェクタ２１０の分担比率を最初に１００%に切り換える（先にポート用インジェクタ２００を停止させる）理由について説明すると、直噴用インジェクタ２１０は停止させてしまうと燃焼室内で発生するカーボン等が付着して目詰まりを起こしやすいため、ポート用インジェクタ２００ではなく、直噴用インジェクタ２１０の分担比率を先に１００%にする。

直噴用インジェクタ２１０のみで燃料噴射をした場合に、出力トルクの変動量が所定値ΔＴ２を越えない場合には、直噴用インジェクタ２１０は正常（故障していない）と判断し、直噴用インジェクタ２１０のみによる燃料噴射を継続する。この際に、上述したように、エンジン１００が低回転、高負荷状態では、出力トルクの変動が大きいので、気流調整弁２２０を制御して吸気流をスワール流にし、エンジン１００の燃焼室内の気流を強化する（ステップＳＴ９）。これにより、直噴用インジェクタ２１０のみで燃料を噴射した状態においても、出力トルクの変動を抑制できる。

直噴用インジェクタ２１０が故障（異常）と判断した場合には、ポート用インジェクタ２００の分担比率を１００%に切り換え(ステップＳＴ７)、その後のエンジン１００の出力トルクの変動量が所定値ΔＴ３を越えていないかを判断する(ステップＳＴ８)。所定値ΔＴ３は、ポート用インジェクタ２００が正常か否かを判断するためのしきい値であり、ポート用インジェクタ２００のみで燃料噴射をした場合に許容される出力トルクの変動量を規定する。

ポート用インジェクタ２００のみで燃料噴射をした場合に、出力トルクの変動量が所定値ΔＴ３を越えない場合には、ポート用インジェクタ２００は正常（故障していない）と判断し、ポート用インジェクタ２００のみによる燃料噴射を継続すると共に気流調整弁２２０を制御して吸気流をスワール流にし、エンジン１００の燃焼室内の気流を強化する（ステップＳＴ９）。これにより、ポート用インジェクタ２００のみで燃料を噴射した状態においても、出力トルクの変動を抑制できる。

一方、ポート用インジェクタ２００のみで燃料噴射をした場合に、出力トルクの変動量が所定値ΔＴ３を越える場合には、ポート用インジェクタ２００及び直噴用インジェクタ２１０の双方が故障していると判断する（ステップＳＴ１０）。

以上のように、本実施形態によれば、低回転、高負荷状態の下で、エンジン１００の出力トルクの変動量に基づき燃料噴射系の故障を判断し、ポート用インジェクタ２００及び直噴用インジェクタ２１０の一方が故障している場合に他方で燃料を噴射すると共に燃焼室内の気流を強化することにより、噴射系の故障の際に出力トルクの変動が増大するのを抑制できる。

上記実施形態では、２つの噴射系の一方の故障を検出した場合に気流調整弁２２０により吸気流をスワール流にして気流を強化した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、タンブル流にすることもできる。

本発明の一実施形態に係るエンジンＥＣＵが適用されたエンジンの概略構成を示す図である。 噴射開始時期と出力トルク及び出力トルク変動との関係を示すグラフである。 吹き分け率と出力トルク及び出力トルク変動との関係を示すグラフである。 エンジンＥＣＵによる処理の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジンＥＣＵ(制御装置)
１００…エンジン（内燃機関）
１１０…シリンダ（燃焼室）
１２０…ピストン
１２１…コンロッド
１３０…吸気弁
１３１…排気弁
１４０…吸気通路
１４０ａ…吸気ポート
１４１…排気通路
１４１ａ…排気ポート
１５０…点火プラグ
２００…ポート用インジェクタ（ポート噴射系）
２１０…直噴用インジェクタ（直噴系）
２２０…気流調整弁
３００…過給機
３１０…コンプレッサ
３２０…タービン
３３０…回転軸
３４０…吸気冷却器

Claims (2)

1. 吸気ポートへ燃料を噴射するポート噴射系と、燃焼室へ燃料を直接噴射する直噴系と、燃焼室内の気流を制御する気流調整手段とを備える内燃機関において、出力トルクの変動を抑制するために前記ポート噴射系と前記直噴系とをその燃料噴射量の比率を調整しつつ制御する制御装置であって、
   前記ポート噴射系又は前記直噴系の故障を検出する故障検出手段と、
   前記故障検出手段が故障を検出した場合に、前記内燃機関の出力トルクの変動を抑制するために前記燃焼室内の気流を強化するように前記気流調整手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 吸気ポートへ燃料を噴射するポート噴射系と、燃焼室へ燃料を直接噴射する直噴系と、燃焼室内の気流を制御する気流調整手段とを備える内燃機関において、出力トルクの変動を抑制するために前記ポート噴射系と前記直噴系とをその燃料噴射量の比率を調整しつつ制御する制御装置であって、
   前記内燃機関の出力トルクの変動量が異常の場合に、前記直噴系の燃料噴射量の比率を先に高めた状態で前記内燃機関の出力トルクの変動量が正常かを判断し、異常の場合には、前記直噴系に代えてポート噴射系の燃料噴射量の比率を高めた状態で前記内燃機関の出力トルクの変動量に基づいて故障を判断する故障検出手段を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
   

Images