JP2011153535A - 筒内噴射式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内噴射式エンジンのアイドル運転後の加速要求時に、ピストンウエットを十分に霧化させることができて、ＰＭ排出量を効果的に低減できるようにする。
【解決手段】エンジン１１のアイドル運転中にピストン温度（ピストン３１の温度）が所定温度よりも低下したと判定されたときに、ピストン温度がピストンウエットの霧化を促進できない温度まで低下したため、ピストン温度を上昇させる必要あると判断して、ピストン温度を上昇させるように点火時期を進角させる点火時期進角制御を実行する。これにより、アイドル運転中にピストン温度を適度に上昇させてピストンウエットの霧化を促進できる状態にできるため、アイドル運転後の加速要求時に燃料噴射量が急増加する場合でも、ピストン温度を適度に上昇させてピストンウエットの霧化を促進できる状態で燃料噴射量が急増加するようにできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関の制御装置に関する発明である。

筒内噴射式内燃機関においては、筒内に噴射した燃料のうちピストンに付着する燃料（ピストンウエット）を低減する技術として、例えば、特許文献１（特開２００８−８８８５６号公報）に記載されているように、ピストン位置が高いときには、ピストン位置が低いときに比べて噴射燃料の貫徹力が弱くなるように噴射燃料の貫徹力を切り換えるようにしたものがある。また、特許文献２（特開２００９−１０３１０６号公報）に記載されているように、ピストン温度が閾値以下の場合に、燃料噴射時期を吸気下死点近傍に設定し、ピストン温度が閾値よりも高い場合に、燃料噴射時期を吸気上死点近傍に設定するようにしたものもある。

特開２００８−８８８５６号公報（第２頁等） 特開２００９−１０３１０６号公報（第２頁等）

ところで、内燃機関のアイドル運転中は、燃焼により発生する熱量が減少してピストン温度が低下するため、アイドル運転直後の加速要求時には、アイドル運転によってピストン温度が低下した状態で燃料噴射量が急増加することがある。このようにアイドル運転後の加速要求時にピストン温度が低下した状態で燃料噴射量が急増加すると、ピストンウエットが増加して、ＰＭ（Particulate Matter）の排出量が増加することが判明した。

しかし、上記特許文献１，２の技術は、噴射燃料の貫徹力や燃料噴射時期を変化させることでピストンに衝突する燃料量を低減する技術であり、ピストンウエットの霧化を促進する技術ではないため、アイドル運転後の加速要求時にピストン温度が低下した状態で燃料噴射量が急増加した場合に、ピストンウエットの増加をある程度抑制することはできるが、ピストンウエットを十分に霧化させることができず、ＰＭ排出量を十分に低減することができない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、アイドル運転後の加速要求時に、ピストンウエットを十分に霧化させることができ、ＰＭ排出量を効果的に低減することができる筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関の制御装置において、内燃機関のアイドル運転中にピストン温度を上昇させるように点火時期を進角させる点火時期進角制御を実行するピストン温度上昇制御手段を備えた構成としたものである。

この構成では、アイドル運転中にピストン温度を上昇させるように点火時期を進角させる点火時期進角制御を実行することで、アイドル運転中にピストン温度を適度に上昇させてピストンウエットの霧化を促進できる状態にできるため、アイドル運転後の加速要求時に燃料噴射量が急増加する場合でも、ピストン温度を適度に上昇させてピストンウエットの霧化を促進できる状態で燃料噴射量が急増加するようにできる。これにより、アイドル運転後の加速要求時に、ピストンウエットを十分に霧化させることができ、ＰＭ排出量を効果的に低減することができる。

ところで、アイドル運転中に点火時期進角制御を実行すると、点火時期が最適点火時期ＭＢＴよりも進角されて、燃費が悪化したり、燃焼安定性が低下する可能性がある。また、排出ガス温度が低下して触媒の排出ガス浄化率が低下する可能性もある。

そこで、請求項２のように、アイドル運転中にピストン温度が所定温度よりも低下したか否かを判定するピストン温度判定手段を備え、アイドル運転中にピストン温度が所定温度よりも低下したと判定されたときに点火時期進角制御を実行するようにしても良い。このようにすれば、アイドル運転中にピストン温度が所定温度よりも低下したと判定されたときに、ピストン温度がピストンウエットの霧化を促進できない温度まで低下したため、点火時期進角制御を実行してピストン温度を上昇させる必要あると判断して、点火時期進角制御を実行するようにできるため、アイドル運転中に点火時期進角制御を必要以上に実行することを防止して、点火時期進角制御によるデメリット（燃費の悪化、燃焼安定性の低下、排出ガス浄化率の低下）を最小限に抑えることができる。

本発明は、アイドル運転中にピストン温度が所定温度よりも低下したか否かを判定する際に、例えば、冷却水温、走行パターン等に基づいてピストン温度を推定するようにしたり、或は、温度センサ等でピストン温度を検出するようにしても良いが、請求項３のように、アイドル運転の継続時間に基づいてピストン温度が所定温度よりも低下したか否かを判定するようにしても良い。アイドル運転の継続時間が長くなるほどピストン温度が低下するため、アイドル運転の継続時間を用いれば、ピストン温度が所定温度よりも低下したか否かを精度良く判定することができる。

更に、内燃機関の暖機状態によって、アイドル運転の継続時間とピストン温度との関係が変化するため、請求項４のように、アイドル運転の継続時間と内燃機関の暖機状態とに基づいてピストン温度が所定温度よりも低下したか否かを判定するようにしても良い。このようにすれば、ピストン温度が所定温度よりも低下したか否かを更に精度良く判定することができる。

図３に示すように、一般に、内燃機関の点火時期がベース点火時期に設定されている場合には、圧縮ＴＤＣ（圧縮上死点）のタイミングよりも遅角側で燃焼圧力がピークとなる。このため、点火時期を進角させると、それに伴って燃焼圧力のピークタイミングが進角されて、圧縮ＴＤＣのタイミングにおける燃焼圧力が高くなり、それに応じてピストンに伝達される熱量が増加する。そして、燃焼圧力のピークタイミングが圧縮ＴＤＣのタイミングに一致するとき（つまり圧縮ＴＤＣのタイミングで燃焼圧力がピークになるとき）に、ピストンに伝達される熱量が最大となる。

このような特性を考慮して、請求項５のように、点火時期進角制御の際に内燃機関の燃焼圧力のピークタイミングを圧縮上死点（圧縮ＴＤＣ）のタイミングに近付けるように点火時期を進角させるようにすると良い。このようにすれば、点火時期進角制御によってピストンに伝達される熱量を効果的に増加させてピストン温度を効果的に上昇させることができる。

更に、請求項６のように、点火時期進角制御の際にピストン温度が低いほど点火時期をの進角量を大きくするようにしても良い。このようにすれば、ピストン温度が低いほどピストン温度を適正温度（ピストンウエットの霧化を促進できる温度）まで上昇させるのに必要な熱量が増加するのに対応して、点火時期の進角量を大きくしてピストンに伝達される熱量を増加させることができ、点火時期の進角量を適正値に設定することができる。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。 図２はピストン温度上昇制御ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 図３は点火時期と圧縮ＴＤＣと燃焼圧力との関係を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
筒内噴射式の内燃機関である筒内噴射式エンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、エンジン１１の各気筒には、それぞれ筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２７が取り付けられている。また、クランク軸２８の外周側には、クランク軸２８が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられ、このクランク角センサ２９の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や点火プラグ２２の点火時期を制御する。

ところで、エンジン１１のアイドル運転中は、燃焼により発生する熱量が減少してピストン温度（ピストン３１の温度）が低下するため、アイドル運転直後の加速要求時には、アイドル運転によってピストン温度が低下した状態で燃料噴射量が急増加することがある。このようにアイドル運転後の加速要求時にピストン温度が低下した状態で燃料噴射量が急増加すると、ピストンウエット（筒内に噴射した燃料のうちピストン３１に付着する燃料）が増加して、ＰＭ（Particulate Matter）の排出量が増加することが判明した。

この対策として、ＥＣＵ３０は、後述する図２のピストン温度上昇制御ルーチンを実行することで、エンジン１１のアイドル運転中にピストン温度が所定温度よりも低下したときに、ピストン温度を上昇させるように点火時期を進角させる点火時期進角制御を実行する。

以下、ＥＣＵ３０が実行する図２のピストン温度上昇制御ルーチンの処理内容を説明する。
図２に示すピストン温度上昇制御ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン中に所定周期（例えば１ｓ周期）で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいうピストン温度上昇制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、アイドル運転中であるか否かを判定し、アイドル運転中ではないと判定された場合には、ステップ１０２以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０１で、アイドル運転中であると判定された場合には、ステップ１０２に進み、ピストン温度を取得（推定又は検出）する。この場合、例えば、冷却水温（又は油温）、アイドル運転前の走行パターン（例えば、車速、エンジン回転速度、負荷等の履歴）等に基づいてピストン温度を推定するようにしても良いし、或は、温度センサ等でピストン温度を検出するようにしても良い。

この後、ステップ１０３に進み、ピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを判定する。ここで、所定温度Ｔa は、例えば、ピストンウエットの霧化を促進できるピストン温度の下限値に設定されている。これらのステップ１０２、１０３の処理が特許請求の範囲でいうピストン温度判定手段としての役割を果たす。

このステップ１０３で、ピストン温度が所定温度Ｔa 以上であると判定された場合には、ピストン温度がピストンウエットの霧化を促進できる温度であるため、点火時期進角制御を実行する必要がないと判断して、ステップ１０４以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。

一方、上記ステップ１０３で、ピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したと判定された場合には、ピストン温度がピストンウエットの霧化を促進できない温度まで低下したたため、点火時期進角制御を実行してピストン温度を上昇させる必要あると判断して、ステップ１０４以降の処理を次のようにして実行する。

まず、ステップ１０４で、ピストン温度とベース点火時期とに応じた点火進角量（点火時期の進角量）をマップ又は数式等により算出する。尚、ベース点火時期は、エンジン運転状態（例えば、エンジン回転速度、負荷等）に応じて設定されるため、アイドル運転中は、ベース点火時期がほぼ一定となる。従って、必ずしもベース点火時期を用いる必要はなく、ピストン温度のみに応じた点火進角量をマップ又は数式等により算出するようにしても良い。

図３に示すように、一般に、エンジン１１の点火時期がベース点火時期に設定されている場合には、圧縮ＴＤＣ（圧縮上死点）のタイミングよりも遅角側で燃焼圧力がピークとなる。このため、点火時期を進角させると、それに伴って燃焼圧力のピークタイミングが進角されて、圧縮ＴＤＣのタイミングにおける燃焼圧力が高くなり、それに応じてピストン３１に伝達される熱量が増加する。そして、燃焼圧力のピークタイミングが圧縮ＴＤＣのタイミングに一致するとき（つまり圧縮ＴＤＣのタイミングで燃焼圧力がピークになるとき）に、ピストン３１に伝達される熱量が最大となる。

このような特性を考慮して、点火進角量のマップは、ピストン温度が低いほど点火進角量が大きくなって、燃焼圧力のピークタイミングを圧縮ＴＤＣのタイミングに近付けるように設定されている。これにより、ピストン温度が低いほどピストン温度を適正温度（ピストンウエットの霧化を促進できる温度）まで上昇させるのに必要な熱量が増加するのに対応して、点火進角量を大きくしてピストン３１に伝達される熱量を増加させることができ、点火進角量を適正値に設定することができる。尚、点火進角量の最大値は、例えば、燃焼圧力のピークタイミングが圧縮ＴＤＣのタイミングに一致する点火進角量に設定される。

ＥＣＵ３０は、このようにして算出した点火進角量だけベース点火時期から進角させた位置を点火時期として設定することで、ピストン温度を上昇させるように点火時期を進角させる点火時期進角制御を実行する。

以上説明した本実施例では、アイドル運転中にピストン温度を上昇させるように点火時期を進角させる点火時期進角制御を実行することで、アイドル運転中にピストン温度を適度に上昇させてピストンウエットの霧化を促進できる状態にできるため、アイドル運転後の加速要求時に燃料噴射量が急増加する場合でも、ピストン温度を適度に上昇させてピストンウエットの霧化を促進できる状態で燃料噴射量が急増加するようにできる。これにより、アイドル運転後の加速要求時に、ピストンウエットを十分に霧化させることができ、ＰＭ排出量を効果的に低減することができる。

ところで、アイドル運転中に点火時期進角制御を実行すると、点火時期が最適点火時期ＭＢＴよりも進角されて、燃費が悪化したり、燃焼安定性が低下する可能性がある。また、排出ガス温度が低下して触媒２５の排出ガス浄化率が低下する可能性もある。

その点、本実施例では、アイドル運転中にピストン温度が所定温度よりも低下したと判定されたときに、ピストン温度がピストンウエットの霧化を促進できない温度まで低下したため、点火時期進角制御を実行してピストン温度を上昇させる必要あると判断して、点火時期進角制御を実行するようにしたので、アイドル運転中に点火時期進角制御を必要以上に実行することを防止して、点火時期進角制御によるデメリット（燃費の悪化、燃焼安定性の低下、排出ガス浄化率の低下）を最小限に抑えることができる。

尚、上記実施例では、アイドル運転中にピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを判定する際に、冷却水温（又は油温）、アイドル運転前の走行パターン等に基づいてピストン温度を推定するようにしたり、或は、温度センサ等でピストン温度を検出するようにしたが、これに限定されず、アイドル運転の継続時間に基づいてピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを判定するようにしても良い。アイドル運転の継続時間が長くなるほどピストン温度が低下するため、アイドル運転の継続時間を用いれば、ピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを精度良く判定することができる。

この場合、例えば、アイドル運転の継続時間に基づいてピストン温度を推定し、その推定したピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを判定するようにしても良い。或は、アイドル運転の継続時間が所定時間よりも長いか否かによってピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを判定するようにしても良い。

更に、エンジン１１の暖機状態（例えば冷却水温）によって、アイドル運転の継続時間とピストン温度との関係が変化するため、アイドル運転の継続時間とエンジン１１の暖機状態とに基づいてピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを判定するようにしても良い。このようにすれば、ピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを更に精度良く判定することができる。

この場合、例えば、アイドル運転の継続時間とエンジン１１の暖機状態とに基づいてピストン温度を推定し、その推定したピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを判定するようにしても良い。或は、アイドル運転の継続時間が所定時間よりも長いか否かによってピストン温度が所定温度Ｔa よりも低下したか否かを判定する際の判定条件（例えばアイドル運転の継続時間又は所定時間）をエンジン１１の暖機状態に応じて補正するようにしても良い。

また、上記実施例では、アイドル運転中にピストン温度が所定温度よりも低下したときに点火時期進角制御を実行するようにしたが、これに限定されず、例えば、アイドル運転中に常に点火時期進角制御を実行するようにしたり、或は、アイドル運転中に点火時期進角制御を間欠的に実行するようにしても良い。また、アイドル運転中にピストン温度が所定温度Ｔ１以下になったときに点火時期進角制御を実行し、ピストン温度が所定温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）以上になったときに点火時期進角制御を停止するようにしても良い。

また、上記実施例では、点火時期進角制御の際にピストン温度が低いほど点火進角量を大きくするようにしたが、点火時期進角制御の際に点火進角量を一定値（例えば、燃焼圧力のピークタイミングが圧縮ＴＤＣのタイミングに一致する点火進角量）に維持するようにしても良い。

その他、本発明は、図１に示すような筒内噴射用の燃料噴射弁のみを備えた筒内噴射式エンジンに限定されず、吸気ポート噴射用の燃料噴射弁と筒内噴射用の燃料噴射弁の両方を備えたデュアル噴射式のエンジンにも適用して実施できる。

また、本発明は、エンジンのみを動力源とする車両に限定されず、エンジンとモータの両方を動力源とするハイブリッド車にも適用して実施できる。

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、３０…ＥＣＵ（ピストン温度上昇制御手段，ピストン温度判定手段）、３１…ピストン

Claims (6)

1. 筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関の制御装置において、
   内燃機関のアイドル運転中にピストン温度を上昇させるように点火時期を進角させる点火時期進角制御を実行するピストン温度上昇制御手段を備えていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
2. 前記アイドル運転中に前記ピストン温度が所定温度よりも低下したか否かを判定するピストン温度判定手段を備え、
   前記ピストン温度上昇制御手段は、前記ピストン温度判定手段により前記アイドル運転中に前記ピストン温度が前記所定温度よりも低下したと判定されたときに前記点火時期進角制御を実行する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
3. 前記ピストン温度判定手段は、前記アイドル運転の継続時間に基づいて前記ピストン温度が前記所定温度よりも低下したか否かを判定する手段を有することを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
4. 前記ピストン温度判定手段は、前記アイドル運転の継続時間と内燃機関の暖機状態とに基づいて前記ピストン温度が前記所定温度よりも低下したか否かを判定する手段を有することを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
5. 前記ピストン温度上昇制御手段は、前記点火時期進角制御の際に内燃機関の燃焼圧力のピークタイミングを圧縮上死点のタイミングに近付けるように点火時期を進角させる手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
6. 前記ピストン温度上昇制御手段は、前記点火時期進角制御の際に前記ピストン温度が低いほど点火時期の進角量を大きくする手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。

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