JP2010203333A

JP2010203333A - 多気筒内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2010203333A
Application number: JP2009050212A
Authority: JP
Inventors: Susumu Kojima; 進小島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】この発明は、多気筒内燃機関の制御装置に関し、冷間時の燃焼を改善することができ、これにより、供給燃料の増加抑制やＨＣ排出量の低減を良好に図ることを目的とする。
【解決手段】冷間始動時に、特定の混合気形成気筒（＃４気筒）から排出されるガスを、他の気筒（＃１〜＃３気筒）に吸入される空気が流れる第１吸気通路１４に還流させる還流通路３０を備える。冷間始動時に、混合気形成気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁２４を備える。更に、冷間始動時に、混合気形成気筒に供給された燃料と空気との混合気への点火を禁止する。
【選択図】図１

Description

この発明は、多気筒内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、特定の気筒（＃４気筒）の排気ガスのみをＥＧＲガスとして吸気側に還流するように構成されたＥＧＲ通路を備える内燃機関の制御装置が開示されている。

特開２００７−２３８８８号公報特開２００４−１３２３１８号公報

ところで、低温始動時や半暖機時等の冷間時には、内燃機関の筒内での燃料気化が不十分となり易いので、燃焼が不安定になり易い。その結果、冷間時には、供給燃料の増加（燃料噴射量の増量）やＨＣ排出量の増加が懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、冷間時の燃焼を改善することができ、これにより、供給燃料の増加抑制やＨＣ排出量の低減を良好に図ることのできる多気筒内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、多気筒内燃機関の制御装置であって、
冷間時に、全気筒を除く少なくとも１つの特定気筒から排出されるガスを、前記特定気筒以外の残余気筒に吸入される空気が流れる吸気通路に還流させる還流通路と、
冷間時に、前記特定気筒に燃料を供給する燃料供給手段と、
冷間時に、前記特定気筒に供給された前記燃料と空気との混合気への点火を禁止し、前記点火を前記残余気筒で行われる点火よりも間引くように制御し、或いは、前記特定気筒で理論空燃比よりもリッチな空燃比での燃焼が行われるように燃料噴射量および点火を制御する未燃焼混合気生成制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料供給手段は、始動時に、前記特定気筒への燃料供給を、前記残余気筒への燃料供給に先立って実行することを特徴とする。

第１の発明によれば、冷間時に、特定気筒を通過する際に均質化された混合気が残余気筒に供給されるようになる。このため、筒内での燃料気化が不十分となり易い冷間時において、残余気筒における燃焼を良好に改善することができる。その結果、冷間時に供給燃料の増加抑制を図ることができ、燃費を向上させることができる。また、冷間時にＨＣ排出量を低減することができる。

第２の発明によれば、特定気筒を通過することによって燃料が十分に気化された混合気を、内燃機関の始動と同時に残余気筒に対して供給できるようになる。これにより、始動時の供給燃料の増加抑制とＨＣ排出量の低減の効果を、内燃機関の始動開始とともに速やかに得られるようになる。

本発明の実施の形態１における内燃機関の構成を説明するための図である。本発明の実施の形態２における内燃機関の構成を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０の構成を説明するための図である。ここでは、内燃機関１０は、４つの気筒（＃１〜＃４）を有する直列４気筒型のエンジンであるものとする。＃１〜＃３気筒の各燃焼室１２には、第１吸気通路１４が連通しており、＃４気筒の燃焼室１２には、第２吸気通路１６が連通している。これらの第１吸気通路１４および第２吸気通路１６は、互いに独立した吸気通路として構成されている。

第１吸気通路１４には、その内部を流れる空気量を調整するための第１吸気制御弁１８が配置されている。第１吸気制御弁１８を通過した吸入空気は、吸気サージタンク２０を通った後に分配され、＃１〜＃３気筒のそれぞれに流入する。また、第２吸気通路１６には、その内部を流れる空気量を調整するための第２吸気制御弁２２が配置されている。

また、第１吸気制御弁１８の下流、および第２吸気制御弁２２の下流には、各気筒の吸気通路１４、１６の各吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁２４がそれぞれ配置されている。また、内燃機関１０の各気筒には、点火プラグ２６が配置されている。

また、＃１〜＃４気筒の各燃焼室１２には、排気通路２８が連通している。各気筒から排出された排気ガスは、排気通路２８によって集合されたうえで排出されるようになっている。排気通路２８における＃４気筒の近傍部位には、還流通路３０の一端が接続されている。還流通路３０の他端は、第１吸気制御弁１８よりも下流側の第１吸気通路１４に接続されている。

排気通路２８における還流通路３０の上記一端よりも＃３気筒側の部位には、その位置で排気通路２８を開閉するための第１排気制御弁３２が配置されている。また、還流通路３０の途中には、その位置で還流通路３０を開閉するための第２排気制御弁３４が配置されている。

上記排気制御弁３２、３４を備える構成によれば、第１排気制御弁３２を閉じ、かつ、第２排気制御弁３４を開くことにより、＃４気筒から排出されるガスを、＃４気筒以外の他の＃１〜＃３気筒に吸入される空気が流れる第１吸気通路１４に還流させることができる。また、第１排気制御弁３２を開き、かつ、第２排気制御弁３４を閉じることにより、＃４気筒から排出されるガスを他の＃１〜＃３気筒から排出されるガスと同様に、そのまま排気通路２８を通って大気中に排出されるようにすることができる。

また、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３６を備えている。ＥＣＵ３６には、吸入空気量、エンジン回転数、排気空燃比、冷却水温度、吸気制御弁開度等の内燃機関１０の運転状態を検出するための各種のセンサが接続されている。また、ＥＣＵ３６には、上述した吸気制御弁１８、２２、燃料噴射弁２４、点火プラグ２６、および、排気制御弁３２、３４に加え、内燃機関１０の運転状態を制御するための各種のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ３６は、それらのセンサ信号や情報に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを駆動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。

以上のように構成された本実施形態のシステムは、内燃機関１０の暖機が完了するまでの冷間始動時において、＃１〜＃３気筒での燃焼を改善させるための良好な混合気を形成するために、＃４気筒を利用したという点に特徴を有している。以下、本明細書中においては、この＃４気筒を、「混合気形成気筒」と称し、冷間始動時に通常の燃焼を行う＃１〜＃３気筒を、「燃焼気筒」と称することがある。

より具体的には、冷間始動時には、混合気形成気筒においては点火を行わないようにしつつ、燃料噴射を行うようにする。これにより、混合気形成気筒内に吸入、圧縮されていく過程で、吸入空気と燃料とが十分に気化され、均質な混合気が形成されるようになる。そして、混合気形成気筒から排出される混合気が、上記還流通路３０を介して第１吸気通路１４に還流されるようにすべく、排気制御弁３２、３４が上記のように制御される。すなわち、還流通路３０が混合気供給通路として利用される。

以上の制御によれば、混合気形成気筒を通過する際に均質化された混合気が燃焼気筒に供給されるようになる。このため、筒内での燃料気化が不十分となり易い冷間始動時（特に、始動開始から半暖機時）において、燃焼気筒における燃焼を良好に改善することができる。その結果、冷間始動時に供給燃料の増加抑制を図ることができ、燃費を向上させることができる。また、冷間始動時にＨＣ排出量を低減することができる。

また、上記図１に示す構成では、混合気形成気筒（＃４気筒）および他の＃１〜＃３気筒に対して、吸気通路が第１吸気通路１４および第２吸気通路１６として互いに独立して備えられている。そして、これらの各吸気通路１４、１６に対して吸気制御弁１８、２２が個別に設置されている。これに対し、混合気形成気筒と他の＃１〜＃３気筒との間で吸気通路が一体的に備えられている場合には、混合気形成気筒から排出された混合気が当該混合気形成気筒に再度吸入されることになる（自己循環）。これにより、他の＃１〜＃３気筒の空燃比にずれが生ずることとなる。上記図１に示す構成によれば、このような混合気の自己循環による空燃比のずれを防止することができる。

また、本実施形態では、冷間始動時における混合気形成気筒への燃料噴射の開始を、他の＃１〜＃３気筒への燃料噴射の開始に先行して行うようにしている。より具体的には、混合気形成気筒のために噴射した燃料が当該気筒を通過して吸気側に還流するまでに要する時間を考慮して、混合気形成気筒への燃料噴射の開始が他の気筒よりも早められる。このような制御を行うことで、燃料が十分に気化された混合気を内燃機関１０の始動と同時に燃焼気筒に対して供給できるようになる。これにより、始動時の供給燃料の増加抑制とＨＣ排出量の低減の効果を、内燃機関１０の始動開始とともに速やかに得られるようになる。

また、本実施形態では、上記の手法で混合気形成気筒を通過させた混合気を燃焼気筒に供給する場合には、当該混合気の存在を考慮して、燃焼気筒への燃料噴射量を減量するようにしている。より具体的には、混合気形成気筒から供給される燃料量を算出し、その燃料量分だけ燃焼気筒の燃料噴射量を減量するようにしている。これにより、燃焼気筒の空燃比を最適化することができる。

また、本実施形態では、上記の手法で混合気形成気筒を通過させた混合気を燃焼気筒に供給する場合には、第２吸気制御弁２２の開度を第１吸気制御弁１８の開度よりも大きく設定している。このような設定によれば、混合気形成気筒から燃焼気筒に供給される混合気量を十分に高めることができる。

また、本実施形態では、内燃機関１０の暖機完了後には、混合気形成気筒である＃４気筒を通常の燃焼気筒として利用することとしている。具体的には、第１排気制御弁３２を開き、かつ、第２排気制御弁３４を閉じるように制御するとともに、＃４気筒においても、他の気筒と同様に通常の燃料噴射および点火を行うようにする。これにより、暖機完了後において、気筒数の減少によるトルク低下を防止することができる。

更に、暖機完了後において、上記のように＃４気筒をも燃焼気筒として利用する場合には、第２排気制御弁３４の開度を調整することによって、還流通路３０を利用して、＃４気筒から排出される既燃ガスを第１吸気通路１４に還流させるようにする。このような手法によれば、冷間始動時に混合気供給通路として利用した還流通路３０を、暖機完了後には、いわゆる外部ＥＧＲガスを導入するための外部ＥＧＲ通路として流用することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、冷間時に、混合気生成気筒では点火を行わないようにしている。しかしながら、本発明において、冷間時に混合気形成気筒から排出されるガスを未燃焼混合気とするための手法は、これに限定されない。すなわち、例えば、冷間時に、混合気生成気筒で行われる点火を、他の燃焼気筒で行われる点火よりも間引くように制御してもよい。これにより、混合気形成気筒では、燃焼と失火とが繰り返し行われるようになるので、当該気筒の内部を加熱することができる。そして、混合気と加熱した排気とを混合することにより、気化と燃料改質がなされた未燃焼混合気を燃焼気筒に供給することが可能となる。

更に、本発明において、冷間時に混合気形成気筒から排出されるガスを未燃焼混合気とするための手法は、上記の他に次のような手法であってもよい。すなわち、例えば、冷間時に、混合気生成気筒において、理論空燃比よりもリッチな空燃比下でリッチ燃焼が行われるように、燃料噴射量および点火を制御するようにしてもよい。これにより、加熱された未燃焼混合気を生成し、燃焼気筒に供給することができる。更には、上記リッチ燃焼時に、混合気形成気筒において、点火プラグ２６の近傍の雰囲気よりもその周囲の雰囲気の方がリッチな雰囲気となるように筒内のガスを成層化（通常の成層化とは逆の成層化）させてもよい。これにより、よりリッチで加熱された未燃焼混合気を効果的に生成することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、＃４気筒を冷間時に混合気形成気筒として利用している。しかしながら、このような混合気形成気筒として利用する気筒は、１つに限らず、全気筒を除く少なくとも１つの気筒であってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、＃４気筒が前記第１の発明における「特定気筒」に、＃１〜＃３気筒が前記第１の発明における「残余気筒」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ３６が、冷間時に＃４気筒の燃料噴射弁２４を用いて＃４気筒に燃料噴射を行うことにより前記第１の発明における「燃料供給手段」が、冷間時に＃４気筒への点火を行わないようにすることにより前記第１の発明における「未燃焼混合気生成制御手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図２は、本発明の実施の形態２における内燃機関４０の構成を説明するための図である。尚、図２において、上記図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図２に示す内燃機関４０では、燃焼気筒として利用する＃１〜＃３気筒に燃料を供給するための燃料噴射弁４２が、筒内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射弁として構成されている点が、上記図１に示す内燃機関１０と相違している。尚、冷間始動時に混合気形成気筒として利用する＃４気筒については、本実施形態においても、吸気ポートに燃料を噴射するポート燃料噴射弁として構成されている。その他の冷間始動時における制御は、基本的に実施の形態１と同様である。

以上のように構成された本実施形態のシステムによれば、混合気形成気筒のための燃料噴射弁２４をポート燃料噴射弁とすることで、筒内に流入する空気と燃料との混合を良好なものとすることができる。そして、他の燃焼気筒では、筒内噴射を行うことにより、ポンピングロスの低減等の筒内噴射利用時の利点を活かして、内燃機関４０の性能を良好に引き出すことができるようになる。

また、本実施形態では、冷間始動時に、燃焼気筒（＃１〜＃３）においては、成層燃焼を行うようにしている。具体的には、混合気形成気筒を通って還流される混合気を利用して、燃焼気筒の筒内に均質リーン混合気を形成し、かつ、燃焼気筒の燃料噴射弁４２を用いて圧縮行程で燃料噴射を行うようにする。これにより、点火プラグ２６の近傍においてその周囲よりもリッチな混合気を形成することができ、筒内の混合気を成層化することができる。これにより、成層度の高い混合気を生成することができる。

また、本実施形態では、内燃機関１０の暖機完了後や燃焼気筒での成層燃焼が不要となる運転条件下では、混合気形成気筒である＃４気筒を通常の燃焼気筒として利用することとしている。具体的には、第１排気制御弁３２を開き、かつ、第２排気制御弁３４を閉じるように制御するとともに、＃４気筒においても、他の気筒と同様に通常の燃料噴射および点火を行うようにする。これにより、暖機完了後において、気筒数の減少によるトルク低下を防止することができる。

更に、暖機完了後や成層燃焼の不要時において、上記のように＃４気筒をも燃焼気筒として利用する場合には、第２排気制御弁３４の開度を調整することによって、還流通路３０を利用して、＃４気筒から排出される既燃ガスを第１吸気通路１４に還流させるようにする。このような手法によれば、冷間始動時に混合気供給通路として利用した還流通路３０を、暖機完了後や成層燃焼の不要時には、いわゆる外部ＥＧＲガスを導入するための外部ＥＧＲ通路として流用することができる。

１０、４０内燃機関
１２燃焼室
１４第１吸気通路
１６第２吸気通路
１８第１吸気制御弁
２２第２吸気制御弁
２４燃料噴射弁（ポート燃料噴射弁）
２６点火プラグ
２８排気通路
３０還流通路
３２第１排気制御弁
３４第２排気制御弁
３６ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２燃料噴射弁（筒内燃料噴射弁）

Claims

冷間時に、全気筒を除く少なくとも１つの特定気筒から排出されるガスを、前記特定気筒以外の残余気筒に吸入される空気が流れる吸気通路に還流させる還流通路と、
冷間時に、前記特定気筒に燃料を供給する燃料供給手段と、
冷間時に、前記特定気筒に供給された前記燃料と空気との混合気への点火を禁止し、前記点火を前記残余気筒で行われる点火よりも間引くように制御し、或いは、前記特定気筒で理論空燃比よりもリッチな空燃比での燃焼が行われるように燃料噴射量および点火を制御する未燃焼混合気生成制御手段と、
を備えることを特徴とする多気筒内燃機関の制御装置。
前記燃料供給手段は、始動時に、前記特定気筒への燃料供給を、前記残余気筒への燃料供給に先立って実行することを特徴とする請求項１記載の多気筒内燃機関の制御装置。