JP2010169014A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小Ｖ角による燃料噴射システムにおいて、デポジット生成を推定することで、早期にデポジットの対策を実行することが可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の制御装置は、筒内噴射用インジェクタと、制御手段と、を備える。制御手段は、ノック点における点火時期の推移と空燃比学習値変化の推移とに基づき、デポジット生成を推定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、筒内噴射用インジェクタを備え、燃料噴射の制御を行う内燃機関の制御装置に関する。

筒内噴射用インジェクタを備え、燃料噴射の制御を行う内燃機関の制御装置が知られている。例えば、特許文献１には、筒内噴射とポート噴射とを行う内燃機関の制御装置において、筒内噴射用インジェクタに堆積した付着物（デポジット）の堆積量が多くなった場合、筒内噴射を行うことでデポジットを除去する技術が開示されている。また、特許文献２には、空燃比によるデポジット学習値に基づいて点火時期を制御する技術が開示されている。

特開２００６−０５７５３８号公報 特開平１１−０３０１７６号公報

一方、筒内噴射用インジェクタに小Ｖ角（低Ｖ角）噴射を採用した燃料噴射システムでは、噴霧が筒内噴射用インジェクタのヘッド壁面に付着し、ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）発生が促進され、デポジットが生成しやすくなることが考えられる。従って、特に小Ｖ角噴射を採用した場合、上述の現象を早期に発見する必要がある。特許文献１及び特許文献２には、上記の問題は、何ら検討されていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小Ｖ角による燃料噴射システムにおいて、デポジット生成を推定することで、早期にデポジットの対策を実行することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。

本発明の１つの観点では、エンジンの気筒内に所定の小Ｖ角にて燃料噴射する筒内噴射用インジェクタを備える内燃機関の制御装置であって、ノック点における点火時期の推移と空燃比学習値変化の推移とに基づき、デポジット生成を推定する制御手段を備えることを特徴とする。

上記の内燃機関の制御装置は、ディーゼル車両などに搭載される。内燃機関の制御装置は、筒内噴射用インジェクタと、制御手段と、を備える。筒内噴射用インジェクタは、エンジンの気筒内に所定の小Ｖ角にて燃料噴射する。ここで、「小Ｖ角」とは、通常の筒内噴射のＶ角よりも小さいＶ角を指し、例えば、実験等により適切な角度に設定される。制御手段は、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であって、ノック点における点火時期の推移と空燃比学習値変化の推移とに基づき、デポジット生成を推定する。このようにすることで、内燃機関の制御装置は、デポジット生成が進行しているか否か判断することができ、デポジット生成が進行している場合にはその対策を実行することができる。

内燃機関の概略構成の一例を示す図である。 筒内噴射用インジェクタの断面図の一例である。 本実施形態における燃料噴射を模式的に示した図の一例である。 本実施形態における処理手順を表すフローチャートの一例である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［内燃機関の構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関１００の概略構成図の一例を示す。

図１に示すように、エンジン１０は、４つの気筒１１２を備え、各気筒１１２はそれぞれ対応するインテークマニホールド２０を介して共通のサージタンク３０に接続されている。サージタンク３０は、吸気ダクト４０を介してエアクリーナ５０に接続され、吸気ダクト４０内にはエアフローメータ４２が配置されるとともに、スロットルバルブ７０が配置されている。このスロットルバルブ７０は、ＥＣＵ２２の出力信号Ｓ７０に基づいてその開度が制御される。一方、各気筒１１２は共通のエキゾーストマニホールド８０に連結され、このエキゾーストマニホールド８０は三元触媒コンバータ９０に連結されている。

各気筒１１２には、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ１１０と、図示しない吸気ポートに向けて燃料を噴射するためのポート噴射用インジェクタ１２０とがそれぞれ設けられている。これらインジェクタ１１０、１２０はＥＣＵ２２の出力信号Ｓ１１０、Ｓ１２０に基づいてそれぞれ制御される。また、各気筒内噴射用インジェクタ１１０は共通の燃料分配管１３０に接続されており、この燃料分配管１３０は機関駆動式の高圧燃料ポンプ１５０に接続されている。

高圧燃料ポンプ１５０の吐出側は電磁スピル弁１５２を介して高圧燃料ポンプ１５０の吸入側に連結されており、この電磁スピル弁１５２の開度が小さいときほど、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０内に供給される燃料量が増大され、電磁スピル弁１５２が全開にされると、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０への燃料供給が停止されるように構成されている。電磁スピル弁１５２は、ＥＣＵ２２の出力信号Ｓ１５２に基づいて制御される。

一方、各ポート噴射用インジェクタ１２０は、共通する低圧側の燃料分配管１６０に接続されており、燃料分配管１６０および高圧燃料ポンプ１５０は共通の燃料圧レギュレータ１７０を介して、電動モータ駆動式の低圧燃料ポンプ１８０に接続されている。さらに、低圧燃料ポンプ１８０は燃料フィルタ１９０を介して燃料タンク２００に接続されている。

一方、燃料タンク２００に発生する燃料蒸発ガスを捕集する捕集容器であるキャニスタ２３０が、ベーパ通路２６０を介して燃料タンク２００に接続されている。さらに、キャニスタ２３０はそこに捕集された燃料蒸発ガスをエンジン１０の吸気系に供給するためのパージ通路２８０に接続されている。そして、パージ通路２８０は、吸気ダクト４０のスロットルバルブ７０下流に連通されている。キャニスタ２３０の内部には、周知のように、燃料蒸発ガスを吸着する吸着剤（活性炭）が充填されており、パージ中にキャニスタ２３０内に逆止弁を介して大気を導入するための大気通路２７０が設けられている。

さらに、パージ通路２８０には、パージ量を制御するパージ制御弁２５０が設けられており、このパージ制御弁２５０の開度がＥＣＵ２２の出力信号Ｓ２５０により制御される。

燃料分配管１３０には、燃料分配管１３０内の燃料圧力に比例した出力電圧を発生する燃料圧力センサ４００が取付けられている。この燃料圧力センサ４００の出力電圧は、検出信号Ｓ４００によりＥＣＵ２２へ供給される。

三元触媒コンバータ９０上流のエキゾーストマニホールド８０には、排気ガス中の酸素濃度に比例した出力電圧を発生する空燃比センサ４２０が取付けられる。空燃比センサ４２０は、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比に比例した出力電圧を発生する全域空燃比センサ（リニア空燃比センサ）である。空燃比センサ４２０の出力電圧は、検出信号Ｓ４２０によりＥＣＵ２２に入力される。

アクセル開度センサ４４０は、図示しないアクセルペダルの踏込み量、即ちアクセル開度を検出する。アクセル開度センサ４４０は、検出値を検出信号Ｓ４４０によりＥＣＵ２２へ供給する。

回転数センサ４６０は、エンジン回転数を示す出力パルスを発生する。回転数センサ４６０は、出力パルスを検出信号Ｓ４６０によりＥＣＵ２２へ供給する。

ＥＣＵ２２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＡ／Ｄ変換器などを含んで構成される。ＥＣＵ２２は、ＲＯＭに記憶したマップを参照することで、上述のアクセル開度センサ４４０及び回転数センサ４６０により得られるエンジン１０の負荷及びエンジン１０の回転数に基づき、燃料噴射量などを決定する。また、ＥＣＵ２２は、電磁スピル弁１５２を加圧行程中に閉じるタイミングを、燃料分配管１３０に設けられた燃料圧力センサ４００の検出信号Ｓ４００に基づきフィードバック制御することにより、燃料分配管１３０内の燃料圧力（燃圧）及び燃料分配管１３０へ供給する燃料量を制御する。さらに、後述するように、ＥＣＵ２２は、筒内噴射用インジェクタ１１０におけるデポジット生成を推定すると共に、その対策を行う。このように、ＥＣＵ２２は、本発明における制御手段の一例である。

なお、上述の内燃機関１００の構成は一例であり、本発明が適用可能な構成は必ずしもこれに限定されない。例えば、上述の説明では、エンジン１０として直列４気筒ガソリンエンジンを示したが、本発明はこのようなエンジンに限定されるものではない。また、上述の構成に代えて、内燃機関１００は、ポート噴射用インジェクタ１２０を有さず、筒内噴射用インジェクタ１１０のみを有してもよい。さらに、内燃機関１００は、空燃比センサ４２０に代えて、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかをオン−オフ的に検出するＯ_２センサを有してもよい。以後では、空燃比センサ４２０の出力電圧等によりＥＣＵ２２が推定した（学習した）空燃比を、「空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１」と呼ぶ。

[筒内噴射用インジェクタの構成]
次に、筒内噴射用インジェクタ１１０の構成について図２を用いて説明する。図２は、筒内噴射用インジェクタ１１０の縦方向の断面図である。図２に示すように、筒内噴射用インジェクタ１１０は、その本体７４０の下端にノズルボディ７６０がスペーサを介してノズルホルダによって固定される。ノズルボディ７６０は、その下端に噴孔５００を形成しており、ノズルボディ７６０内にニードル５２０が上下可動に配置される。ニードル５２０の上端は本体７４０内をスライドすることが可能なコア５４０に接している。スプリング５６０はコア５４０を介してニードル５２０に対して下向きに圧力を加えている。ニードル５２０は、ノズルボディ７６０の内周シート面５２２に配置され、その結果、常態では噴孔５００を閉鎖している。

本体７４０の上端には、スリーブ５７０が挿入固定され、スリーブ５７０内には燃料通路５８０が形成される。燃料通路５８０の下端側は、本体７４０内の通路を介してノズルボディ７６０の内部まで連通される。そして、ニードル５２０のリフト時に、燃料は、噴孔５００から噴射される。燃料通路５８０の上端側は、フィルタ６００を介して燃料導入口６２０に接続される。この燃料導入口６２０は、図１の燃料分配管１３０に接続される。

電磁ソレノイド６４０は、本体７４０内においてスリーブ５７０の下端部を包囲するように配置される。ソレノイド６４０の通電時においては、コア５４０はスプリング５６０に抗して上昇し、燃料圧はニードル５２０を押し上げ、噴孔５００が開放されるので燃料噴射が実行される。ソレノイド６４０は、絶縁ハウジング６５０内のワイヤ６６０に取り出され、開弁のための信号Ｓ１１０を、ＥＣＵ２２から受信する。

また、本実施形態では、ＥＣＵ２２は、筒内噴射用インジェクタ１１０により広角スリット形状の噴霧を小Ｖ角で燃焼室内に直接噴射する。ここで、「小Ｖ角による噴射」とは、気筒１１２を円柱とした場合の上面と水平方向に対して、通常行われる筒内噴射よりも小さい角度により行う燃料噴射を示す。以後の説明では、この小Ｖ角による燃料噴射に起因したデポジットの生成を検出する方法について説明する。

[制御方法]
次に、本実施形態でＥＣＵ２２が実行する制御について説明する。ＥＣＵ２２は、ノック点における要求点火時期の進角量が所定の値よりも大きくなった場合、かつ、空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１の変化勾配が所定値よりも大きくなった場合、デポジット生成が進んでいると判断する。即ち、ＥＣＵ２２は、点火時期に関する条件と空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１に関する条件との両方を満たした場合、デポジット生成が進行していると判断する。このようにすることで、ＥＣＵ２２は、デポジットを早期にかつ的確に検出し、それに応じたデポジットの対策を行う。以後では、燃料噴射量の要求値に対し、デポジットに起因して減少した噴射燃料の割合を「流量低下率」と呼ぶ。

まず、点火時期に関する条件について具体的に説明する。ＥＣＵ２２は、ノック点における要求点火時期の進角量（以後、「要求点火時期Ｅａｏｐｒｅｑ」と呼ぶ。）を経時的に監視する。即ち、ＥＣＵ２２は、例えば、図示しないノックセンサによりノッキングを感知し、ノッキングセンサからの送信データに基づき定まる要求点火時期Ｅａｏｐｒｅｑを監視する。

そして、ＥＣＵ２２は、この要求点火時期Ｅａｏｐｒｅｑが所定の値（以後、「基準進角量ＴＨ＿ｅａｏｐ」と呼ぶ。）よりも大きくなった場合、燃料噴射の小Ｖ角化が進んだと判断する。即ち、ＥＣＵ２２は、小Ｖ角化により燃料の筒内均質度が向上したことによって進角量が大きくなった（即ち、ノックに対する余裕度が向上した）と判断する。

これについて図３を用いて補足説明する。図３は、燃料室１１１内における燃料噴射を模式的に示した図である。図３において、破線７１は、デポジットが無い場合の噴射方向を示し、破線７２は、デポジットが堆積した場合の噴射方向を示す。また、三角形７６、７７は、デポジットが無い場合とデポジットが堆積した場合のそれぞれの噴霧形状を模式的に示した図である。

図３に示すように、デポジットが無い場合では、噴射角が筒内噴射用インジェクタ１１０の軸方向とほぼ一致している。これに対し、デポジットが堆積した場合では、噴射角が小Ｖ角をさらに小さくする方向に変化している。これは、筒内噴射用インジェクタ１１０の噴孔５００等に堆積したデポジットが噴射燃料に干渉することにより、噴射角が変化したと考えられる。従って、この場合、小Ｖ角化により燃料の筒内均質度が向上し、進角量が大きくなることが推定される。従って、ＥＣＵ２２は、要求点火時期Ｅａｏｐｒｅｑの進角量が基準進角量ＴＨ＿ｅａｏｐよりも大きくなった場合、デポジットに起因して燃料噴射の小Ｖ角化が進んだと推定することができる。

次に、空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１に関する条件について具体的に説明する。ＥＣＵ２２は、空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１を経時的に監視し、その変化勾配が所定の値よりも大きくなった場合、デポジット進行速度が上がったと判断する。例えば、ＥＣＵ２２は、空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１とデポジットがない状態で算出される空燃比学習値（以後、「初期空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ０」と呼ぶ。）との差分（以後、「空燃比差分ΔＥｄｆｉｒｔ」と呼ぶ。）をとる。これにより、ＥＣＵ２２は、筒内噴射用インジェクタ１１０のデポジットの堆積量、即ちデポジットに起因して発生した流量低下率を推定する。

次に、ＥＣＵ２２は、空燃比差分ΔＥｄｆｉｒｔが所定の閾値（以後、「空燃比学習値変化上限閾値ＴＨΔＥｄｆｉｒｔ」と呼ぶ。）より大きいか否かについて判定する。空燃比学習値変化上限閾値ＴＨΔＥｄｆｉｒｔは、例えば実験等により適切な値に設定される。これにより、ＥＣＵ２２は、流量低下率が所定率以上発生しているか否か判定する。

そして、空燃比差分ΔＥｄｆｉｒｔが空燃比学習値変化上限閾値ＴＨΔＥｄｆｉｒｔより大きい場合、ＥＣＵ２２は、デポジット生成の進行速度が上がったことにより、噴射燃料の流量低下が進行していると判断する。

以上のように、ＥＣＵ２２は、点火時期に関する条件及び空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１に関する条件の両方が満たされたか否か判断する。そして、両方が満たされた場合、ＥＣＵ２２は、小Ｖ角化によりデポジット生成が促進されていると判断する。即ち、ＥＣＵ２２は、デポジットに起因した噴霧形状変化により筒内噴射用インジェクタ１１０の噴孔５００等に噴霧が干渉し、その結果、ＰＭが増大してデポジット生成速度が上昇したと推定する。

そして、この場合、ＥＣＵ２２は、警告灯などにより乗員に対し燃料洗浄剤投入を促す（例えば、特開平０９−１７０５２４等参照）。他の例として、ＥＣＵ２２は、点火時期を遅角にすることで筒内噴射用インジェクタ１１０の先端温度を低減する（特開平１１−３０１７６等参照）。その他の例として、ＥＣＵ２２は、噴射燃圧を上昇させる。さらに他の例として、ＥＣＵ２２は、筒内噴射用インジェクタ１１０の噴射量をポート噴射用インジェクタ１２０の噴射量よりも多くする。即ち、ＥＣＵ２２は、直噴噴き分け比率を増加させる。以上のようにすることで、ＥＣＵ２２は、筒内噴射用インジェクタ１１０に付着したデポジットの除去等の対策を行うことができる。

（処理フロー）
次に、本実施形態における処理の手順について説明する。図４は、本実施形態においてＥＣＵ２２が実行する処理の手順を表すフローチャートの一例である。ＥＣＵ２２は、図４に示すフローチャートの処理を、例えば所定の周期に従い繰り返し実行する。また、図４の例では、ＥＣＵ２２は、ステップＳ１０１乃至ステップＳ１０４までの処理と、ステップＳ１０５乃至ステップＳ１０８までの処理とを並列して行う。以後では、まず、ステップＳ１０１乃至ステップＳ１０４までの処理について説明した後、ステップＳ１０５乃至ステップＳ１０８までの処理について説明する。

まず、ＥＣＵ２２は、ノック点であるか否かについて判定する（ステップＳ１０１）。ＥＣＵ２２は、例えばノックセンサなどの検出値に基づきこれを判断する。

そして、ノック点であると判断した場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２２は、次に要求点火時期Ｅａｏｐｒｅｑを算出する（ステップＳ１０２）。一方、ノック点ではない場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、ＥＣＵ２２は、再びステップＳ１０１でノック点か否かについて判定を行う。

そして、要求点火時期Ｅａｏｐｒｅｑ算出後、ＥＣＵ２２は、要求点火時期Ｅａｏｐｒｅｑが基準進角量ＴＨ＿ｅａｏｐよりも大きいか否かについて判定する（ステップＳ１０３）。これにより、ＥＣＵ２２は、デポジットに起因した小Ｖ角化により、点火時期が進角し、ノック余裕度が向上したか否か判断する。

そして、要求点火時期Ｅａｏｐｒｅｑが基準進角量ＴＨ＿ｅａｏｐよりも大きい場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２２は、Ｖ角が減少していると判断する（ステップＳ１０４）。即ち、ＥＣＵ２２は、小Ｖ角化が進んだと判断する。その後、ＥＣＵ２２は、ステップＳ１０９へ処理を進める。一方、要求点火時期Ｅａｏｐｒｅｑが基準進角量ＴＨ＿ｅａｏｐ以下の場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、ＥＣＵ２２は、再びステップＳ１０１へ処理を戻す。

次に、ステップＳ１０５乃至ステップＳ１０８の処理について説明する。ＥＣＵ２２は、まず、空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１を取得する（ステップＳ１０５）。ＥＣＵ２２は、例えば、空燃比センサ４２０の検出値に基づき、空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１を取得する。

次に、ＥＣＵ２２は、初期空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ０との差分を算出する（ステップＳ１０６）。即ち、ＥＣＵ２２は、空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１から初期空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ０を減じることで、空燃比差分ΔＥｄｆｉｒｔを算出する。

そして、ＥＣＵ２２は、空燃比差分ΔＥｄｆｉｒｔが空燃比学習値変化上限閾値ＴＨΔＥｄｆｉｒｔよりも大きいか否かについて判定する（ステップＳ１０７）。これにより、ＥＣＵ２２は、デポジットに起因した流量低下により、空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１がリーン側に推移しているか否か判定する。

そして、空燃比差分ΔＥｄｆｉｒｔが空燃比学習値変化上限閾値ＴＨΔＥｄｆｉｒｔより大きい場合（ステップＳ１０７；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２２は、流量低下が進行していると判断する（ステップＳ１０８）。そして、その後、ＥＣＵ２２は、ステップＳ１０９へ処理を進める。一方、空燃比差分ΔＥｄｆｉｒｔが空燃比学習値変化上限閾値ＴＨΔＥｄｆｉｒｔ以下の場合（ステップＳ１０７；Ｎｏ）、ＥＣＵ２２は、再び処理をステップＳ１０５へ戻す。

次に、ステップＳ１０９乃至ステップＳ１１１について説明する。まず、ＥＣＵ２２は、両条件が満たされるまで待機する（ステップＳ１０９）。即ち、ＥＣＵ２２は、点火時期に関する条件であるステップＳ１０３と、空燃比学習値Ｅｄｆｉｒｔ１に関する条件であるステップＳ１０７との両条件が満たされたか否か判断し、両条件が満たされた場合に、ステップＳ１１０へ処理を進める。

ＥＣＵ２２は、上述の両条件が満たされた場合、小Ｖ角化によりデポジット生成が促進されていると判断する（ステップＳ１１０）。

そして、ＥＣＵ２２は、デポジットへの対策を実行する（ステップＳ１１１）。例えば、ＥＣＵ２２は、上述したように、点火時期等の適合をデポジット除去等に有利な適合へ変更したり、警告等により運転者に洗浄剤投入を促したりする。

以上のようにすることで、ＥＣＵ２２は、小Ｖ角化によるデポジット堆積を早期に検出し、それに対する対策を実行することができる。

１０ エンジン
２０ インテークマニホールド
２２ ＥＣＵ
３０ サージタンク
４０ 吸気ダクト
４２ エアフローメータ
５０ エアクリーナ
７０ スロットルバルブ
１００ 内燃機関
１１０ 筒内噴射用インジェクタ
１１２ 気筒
１２０ ポート噴射用インジェクタ
２００ 燃料タンク
４００ 燃料圧力センサ
４２０ 空燃比センサ
４４０ アクセル開度センサ
４６０ 回転数センサ
５００ 噴孔
５２０ ニードル

Claims (1)

1. エンジンの気筒内に所定の小Ｖ角にて燃料噴射する筒内噴射用インジェクタを備える内燃機関の制御装置であって、
   ノック点における点火時期の推移と空燃比学習値変化の推移とに基づき、デポジット生成を推定する制御手段
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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