JP2010248948A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、混合気の成層度を低下させることなく、吸気乱れを抑制し、燃焼状態を向上させることを目的とする。
【解決手段】直噴型の内燃機関１０は、吸気通路２０に燃料を噴射（ポート噴射）する吸気通路噴射弁３０と、シリンダ１２内に燃料を噴射（筒内噴射）する筒内噴射弁３２とを備える。ＥＣＵ５０は、ポート噴射と筒内噴射の両方を実行している状態において、燃焼変動が許容レベルよりも大きくなったときに、ポート噴射量を減量し、かつ吸気行程での筒内噴射量を増量する。これにより、全体の燃料噴射量を一定に保持しつつ、吸気行程での筒内噴射量を増量し、吸気乱れを抑制することができる。従って、混合気の成層度を低下させることなく、燃焼変動を減少させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、筒内用の燃料噴射弁と吸気通路用の燃料噴射弁とを備えた内燃機関の制御装置に関する。

従来技術として、例えば特許文献１（特開２００６−１９４０９８号公報）に開示されているように、内燃機関の筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、吸気通路に燃料を噴射する吸気通路噴射弁とを備えた内燃機関の制御装置が知られている。この従来技術では、燃焼状態の悪化を検知した場合に、筒内噴射弁による燃料噴射（筒内噴射）を複数回に分けて実行し、筒内噴射の一部は、吸気行程の後半または圧縮行程中に実施する構成としている。これにより、従来技術では、燃焼状態が悪化したときに、吸気行程の後半以降に筒内での燃料噴射量を増大させ、点火プラグの周囲に比較的リッチな混合気を形成することにより、燃焼状態を安定させるようにしている。

特開２００６−１９４０９８号公報

ところで、上述した従来技術では、燃焼状態が悪化したときに、筒内噴射の一部を吸気行程の後半以降に実施する構成としている。しかしながら、例えば内燃機関の長期使用等により吸気デポジットの堆積が進行した状態において、従来技術の噴射制御を実行した場合には、吸気ポートのタンブル比が大きくなり、圧縮行程での吸気乱れが増大する傾向がある。この結果、従来技術では、燃焼変動が増大することになり、燃焼状態の悪化を招くという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、混合気の成層度を低下させることなく、吸気乱れを抑制することができ、燃焼状態を向上させることが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

第１の発明は、内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する吸気通路噴射弁と、
内燃機関の筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
前記吸気通路噴射弁と前記筒内噴射弁とにより燃料噴射を実施している状態で、燃焼状態が許容レベルよりも悪化したときに、前記吸気通路噴射弁の燃料噴射量を減量し、かつ前記筒内噴射弁による吸気行程での燃料噴射量を増量する噴射量制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、噴射量制御手段は、燃焼状態が許容レベルよりも悪化したときに、吸気通路への燃料噴射量を減量し、かつ吸気行程での筒内噴射量を増量することができる。これにより、吸気行程での筒内噴射量を増量しない場合と比較して、吸気乱れを抑制することができる。また、筒内噴射量を増量した分だけ吸気通路への燃料噴射量を減量することにより、例えば圧縮行程での筒内噴射量を減量しなくても、全体の燃料噴射量を一定とすることができる。この結果、圧縮行程での噴射量が減ることによる燃焼状態の悪化を回避することができる。従って、混合気の成層度を低下させることなく、吸気乱れを原因とする燃焼変動を減少させ、良好な燃焼状態を実現することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。 吸気ポートのタンブル比と車両の走行距離との関係を示す説明図である。 圧縮行程での吸気乱れと弱成層燃焼での燃焼変動との関係を示す説明図である。 本実施の形態による燃焼変動抑制制御の一例を示す説明図である。 吸気行程における筒内噴射の有無と吸気乱れの大きさとの関係を示す特性線図である。 ポート噴射量に対する吸気行程での筒内噴射量の割合と、燃焼変動および排出ＨＣ量との関係を示す特性線図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図７を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための全体構成図である。本実施の形態のシステムは、例えば２つの燃料噴射弁が搭載されたデュアル噴射型の内燃機関１０を備えている。そして、内燃機関１０のシリンダ１２には、ピストン１４の往復動作により拡大，縮小する燃焼室１６が設けられている。ピストン１４は、内燃機関１０の出力軸であるクランク軸１８に連結されている。

また、内燃機関１０は、シリンダ１２に吸入空気を吸込む吸気通路２０と、シリンダ１２から排気ガスを排出する排気通路２２とを備えている。吸気通路２０には、吸入空気量を検出するエアフローメータ２４と、電子制御式のスロットルバルブ２６とが設けられている。スロットルバルブ２６は、アクセル開度等に基いてスロットルモータ２８により駆動され、吸入空気量を増減させる。

また、内燃機関のシリンダ１２には、吸気通路２０（吸気ポート）に燃料を噴射する吸気通路噴射弁３０と、燃焼室１６内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁３２とが設けられている。さらに、シリンダ１２は、燃焼室１６内の混合気に点火する点火プラグ３４と、吸気通路２０を燃焼室１６に対して開，閉する吸気バルブ３６と、排気通路２２を燃焼室１６に対して開，閉する排気バルブ３８とを備えている。

一方、本実施の形態のシステムは、クランク角センサ４０、筒内圧センサ４２等を含むセンサ系統と、内燃機関１０の運転状態を制御するためのＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０とを備えている。クランク角センサ４０は、クランク軸１８の回転に同期した信号を出力するもので、ＥＣＵ５０は、この出力に基いて機関回転数を検出する。また、筒内圧センサ４２は、燃焼室１６内の圧力（筒内圧）を検出するものである。センサ系統には、前述したエアフローメータ２４とセンサ４０，４２の他に、車両や内燃機関の制御に必要な各種のセンサ（例えば内燃機関の冷却水温を検出する水温センサ、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ等）が含まれており、これらはＥＣＵ５０の入力側に接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力側には、スロットルモータ２８、噴射弁３０，３２、点火プラグ３４等を含む各種のアクチュエータが接続されている。

そして、ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態をセンサ系統により検出しつつ、各アクチュエータを駆動する。具体的には、センサ系統の出力に基いて、燃料の噴射量及び噴射時期、点火時期等が設定され、これらの設定内容に応じてアクチュエータが駆動される。また、ＥＣＵ５０は、燃料噴射制御を行うときに、内燃機関の運転状態に応じて２つの噴射弁３０，３２による燃料噴射量の比率（噴射比率）を変化させ、以下に述べる均質燃焼制御、成層燃焼制御および弱成層燃焼制御を実施するように構成されている。なお、これらの燃焼制御は、例えば特開２００６−１９４０９８号公報に記載されているように、一般的に公知なものである。

（均質燃焼制御）
均質燃焼制御は、主として内燃機関の通常運転時に実施されるもので、均質な混合気を形成することを目的としている。均質燃焼制御では、センサ系統により求めた機関回転数、負荷率、冷却水温等に基いて噴射弁３０，３２の噴射比率を制御する。基本的には、吸気通路噴射弁３０による燃料噴射（以下、ポート噴射と称す）が混合気の均質化に寄与し、筒内噴射弁３２による燃料噴射（筒内噴射と称す）が出力性能の向上に寄与するので、これらの特性を考慮して噴射比率が決定される。

具体例を挙げると、例えば噴射燃料が無化しにくい冷間運転時には、ポート噴射の噴射比率を大きくし、低温状態でも出来るだけ良好な混合気が形成されるようにする。また、高出力運転領域では、筒内噴射だけでも均質な混合気を形成し易いので、耐ノッキング性能や出力性能において有利な筒内噴射の噴射比率を大きくする。また、均質燃焼制御では、ポート噴射と筒内噴射の両方が吸気行程で実行される。

（成層燃焼制御）
成層燃焼制御では、主として圧縮行程での筒内噴射を実行することにより、燃焼室１６内の混合気を全体的にリーン化しつつ、点火プラグ３４の周囲にリッチな混合気を偏在させる。この場合、ポート噴射は、必要に応じて実行されるが、実行しなくてもよい。成層燃焼制御によれば、点火プラグの近傍に集中させたリッチな混合気に点火を行うことができ、リーン燃焼を実現しながらも、混合気の着火性を確保することができる。なお、筒内噴射を吸気行程で実行しても着火性が確保される場合には、筒内噴射のタイミングを吸気行程に設定してもよい。

（弱成層燃焼制御）
弱成層燃焼制御は、均質燃焼制御と成層燃焼制御との中間に位置するもので、例えばアイドル運転中に排気触媒の暖機を促進する場合などに実施される。弱成層燃焼制御では、ポート噴射を実行しつつ、少なくとも圧縮行程での筒内噴射を実行する。この場合、筒内噴射は、圧縮行程だけでなく、必要に応じて吸気行程と圧縮行程の両方で実行される。弱成層燃焼制御によれば、成層燃焼制御と比較して２つの噴射弁３０，３２から多量の燃料を噴射することができ、また均質燃焼制御と比較して点火時期を大きく遅角させることができるので、排気触媒の暖機等を効率よく行うことができる。

［本実施の形態の特徴］
ところで、上述した弱成層燃焼制御では、点火プラグ３４の周囲にリッチな混合気を形成することにより、燃焼の安定性を確保している。このような制御では、車両の走行距離が長くなることにより吸気デポジットの堆積が進行すると、圧縮行程での吸気乱れが大きくなり、燃焼変動が増大するという問題がある。ここで、図２は、吸気ポートのタンブル比と車両の走行距離との関係を示す説明図であり、図３は、圧縮行程での吸気乱れと弱成層燃焼での燃焼変動との関係を示す説明図である。

図２に示すように、内燃機関においては、車両の走行距離が長くなると、吸気デポジットの堆積が進行することにより、吸気ポートのタンブル比が増大する傾向がある。一般的に知られているように、吸気ポートのタンブル比が大きくなると、その分だけ圧縮行程での吸気乱れが増大する。そして、図３に示すように、圧縮行程での吸気乱れが増大するほど、弱成層燃焼での燃焼変動が大きくなる。このため、一般的な車両では、経年変化に伴って弱成層燃焼での燃焼変動が許容レベルを超えてしまい、燃焼状態の悪化を招くことになる。そこで、本実施の形態では、弱成層燃焼制御中に燃焼状態が悪化した場合に、燃焼変動抑制制御を行う構成としている。

（燃焼変動抑制制御）
図４は、本実施の形態による燃焼変動抑制制御の一例を示す説明図である。この図において、「ＰＦＩ」とはポート噴射を示し、「ＤＩ」とは筒内噴射を示している。また、ＰＦＩとＤＩの噴射パルスの幅は、一般的に知られているように、燃料噴射量に対応するパラメータであり、噴射パルスの幅が大きくなるほど、燃料噴射量が増大する。

図４に示すように、燃焼変動抑制制御では、燃焼変動が所定の許容レベル（判定値）を超えたときに、吸気通路噴射弁３０の燃料噴射量（ポート噴射量）を減量し、かつ筒内噴射弁３２による吸気行程での燃料噴射量（筒内噴射量）を増量する構成としている。ここで、燃焼変動は、燃焼状態のばらつきの指標となるもので、例えば機関回転数や筒内圧の変化、排気ガス中のイオン電流等に基いて、一般的に公知な手法により検出される。燃焼変動抑制制御によれば、以下の作用効果を得ることができる。

まず、図５は、吸気行程における筒内噴射の有無と吸気乱れの大きさとの関係を示す特性線図である。図中の筒内平均乱れとは、吸気乱れの大きさに相当している。図５に示すように、弱成層燃焼中には、吸気行程での筒内噴射を行うことにより、当該噴射を行わない場合と比較して吸気乱れを抑制することができる。しかし、筒内噴射だけを実行する制御領域では、吸気行程での筒内噴射量を増量すると、全体の燃料噴射量を一定とするために圧縮行程での筒内噴射量を減量する必要がある。この場合には、点火プラグの周囲にリッチな混合気を十分に形成できず、燃焼状態が悪化する虞れがある。

このため、燃焼変動抑制制御では、筒内噴射とポート噴射の両方を実行する制御領域、即ち、弱成層燃焼制御中に燃焼変動が所定の許容レベル（判定値）を超えたときに、ポート噴射の割合を減少させ、その分だけ吸気行程でのポート噴射の割合を増大させる。これにより、混合気の成層度を低下させることなく、吸気乱れを抑制することができるので、図６に示すように、燃焼変動を減少させ、良好な燃焼状態を実現することができる。ここで、図６は、ポート噴射量に対する吸気行程での筒内噴射量の割合と、燃焼変動および排出ＨＣ量との関係を示す特性線図である。なお、本発明において、上述した燃焼変動抑制制御の実行タイミングは、必ずしも弱成層燃焼制御中だけに限るものではない。即ち、ポート噴射と筒内噴射の両方を実行している制御領域であれば、例えば均質燃焼制御中に燃焼変動抑制制御を実行する構成としてもよい。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
図７は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御を示すフロチャートである。この図に示すルーチンは、内燃機関の運転中に繰返し実行される。図７に示すルーチンでは、まず、ポート噴射（ＰＦＩ）と圧縮行程での筒内噴射（ＤＩ圧縮）とを実行しているか否かを判定する（ステップ１００）。なお、この判定処理は、ポート噴射と圧縮行程での筒内噴射に加えて、吸気行程での筒内噴射（ＤＩ吸気）を実行している場合にも成立する。

ステップ１００の判定成立時には、前述したように、例えば機関回転数や筒内圧の変化、排気ガス中を流れるイオン電流の大きさ等に基いて燃焼変動を計測する（ステップ１０２）。そして、燃焼変動の計測値が所定の許容レベルを超えているか否かを判定し（ステップ１０４）、この判定成立時には、前述した燃焼変動抑制制御を実行する（ステップ１０６）。従って、内燃機関の運転中に燃焼状態が悪化したときには、これを検知して燃焼変動抑制制御を実行することができる。なお、前記実施の形態１では、図７中のステップ１０６が噴射量制御手段の具体例を示している。

１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１４ ピストン
１６ 燃焼室
１８ クランク軸
２０ 吸気通路
２２ 排気通路
２４ エアフローメータ
２６ スロットルバルブ
２８ スロットルモータ
３０ 吸気通路噴射弁
３２ 筒内噴射弁
３４ 点火プラグ
３６ 吸気バルブ
３８ 排気バルブ
４０ クランク角センサ
４２ 筒内圧センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 内燃機関の吸気通路に燃料を噴射する吸気通路噴射弁と、
   内燃機関の筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
   前記吸気通路噴射弁と前記筒内噴射弁とにより燃料噴射を実施している状態で、燃焼状態が許容レベルよりも悪化したときに、前記吸気通路噴射弁の燃料噴射量を減量し、かつ前記筒内噴射弁による吸気行程での燃料噴射量を増量する噴射量制御手段と、
   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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