JP2013015023A - 筒内噴射式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン冠面やシリンダボア壁面への燃料付着量を減少させることができるとともに、筒内混合気の均質度を向上させることができ、もって、ＰＭ排出粒子数を低減することのできる筒内噴射式エンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】１燃焼サイクル中において吸気弁のリフト位置が所定範囲内にある期間、より具体的には、吸気弁が中リフト位置から最大リフト位置付近にある期間は、燃料噴射を禁止する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、筒内（燃焼室内）に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式エンジンの制御装置に関する。

近年、車両（自動車）は、環境保全の観点から、温室効果ガスとなる燃焼廃ガス（排気ガス）の低減、それに含まれる一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の削減、粒子状物質（以下ＰＭ）の排出粒子数の低減（これらをまとめて「排気性能の向上」と称する）、並びに燃料消費量の削減（燃費の向上）が求められており、これら排気性能及び燃費の向上、さらにエンジン出力の向上を主目的として、燃料噴射弁による燃料噴射を各気筒の燃焼室内に直接行う筒内噴射式エンジンが開発されている。

筒内噴射式エンジンでは、燃料噴射時期によっては、噴射された燃料がピストン冠面や、シリンダボア壁面に付着する場合がある。

シリンダボア壁面に付着、残留した燃料量が多いと、点火までの間に完全に気化できないことがあり、未燃ガスが増大する傾向にある。そのため、例えば、特許文献１や特許文献２には、シリンダボア壁面温度が低い場合に、燃料がピストン冠面上に広がって気化しやすくなるように吸気行程における燃料噴射弁からの燃料噴射時期（通常は燃料噴射「開始」時期を指す）を変更する技術が開示されている。

また、特許文献３には、１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射（分割噴射）を実行することで１回あたりの燃料噴射量を小さくし、これによってシリンダボア壁面への燃料付着量を低減し、かつ、先行する噴射時期と後行の噴射時期との間隔（以下、噴射間隔と称する）をクランク角度で概略一定に保つ、すなわち、低回転ほど噴射間隔を長く、高回転ほど噴射間隔を短くすることで、噴霧を分散させる技術が開示されている。

近年では、筒内噴射式エンジンにおいて、特に粒子状物質（以下ＰＭ）の排出粒子数を低減させる必要性が高まっている。

特開２００９−１０２９９７号公報 特開２００９−１０２９９８号公報 特開２００２−１６１７９０号公報

前記筒内噴射式エンジンにおいて、ＰＭ排出粒子数の増減には、ピストン冠面やシリンダボア壁面への燃料付着量と筒内混合気の均質度が関係する。

ピストン冠面やシリンダボア壁面への付着は、燃料の噴射時期による影響が大きい。燃料の噴射時期を進角しすぎると、ピストン冠面に付着、残留する燃料量が多くなり、燃料の噴射時期を遅角しすぎると、シリンダボア壁面に付着、残留する燃料量が多くなる。ピストン冠面やシリンダボア壁面への燃料付着量が多くなると、ＰＭ排出粒子数が増加する。

また、混合気の濃さに対しても、ＰＭ排出粒子数は敏感に反応する。筒内混合気の平均濃度だけではなく、筒内混合気の均質度（空気と燃料の混ざり具合）によっても大きく影響を受ける。筒内混合気の均質度を高めるためには、筒内へ流入する空気の流動（タンブル＝縦渦）を強めればよいことが知られている。タンブルを強めて筒内混合気の均質度を上げるためには、筒内への空気の流入時期と燃料噴射時期とが重要である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ピストン冠面やシリンダボア壁面への燃料付着を抑制できるとともに、筒内混合気の均質度を向上させることができ、もって、ＰＭ排出粒子数を低減することのできる筒内噴射式エンジンの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る筒内噴射式エンジンの制御装置は、１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する分割噴射制御手段を備え、該分割噴射制御手段は、１燃焼サイクル中において吸気弁のリフト位置が所定範囲内にある期間は、燃料噴射を禁止することを特徴としている。

本発明に係る筒内噴射式エンジンの制御装置では、１燃焼サイクル中に燃料を複数回に分割して噴射するようにされたもとで、１燃焼サイクル中において吸気弁のリフト位置が所定範囲内にある期間、言い換えれば噴射された燃料噴霧により筒内のタンブルが弱まるような期間における燃料噴射を禁止するようにされるので、筒内混合気の均質度を向上させ得、ＰＭ排出粒子数を低減することができる。

本発明に係る制御装置の一実施形態を、それが適用された筒内噴射式エンジンと共に示す概略構成図。 図１に示されるエンジン制御ユニットの内部構成と入出力関係を示す図。 分割噴射回数とＰＭ排出粒子数との関係を示す図。 分割噴射間隔とＰＭ排出粒子数との関係を示す図。 燃料噴射開始時期と、筒内タンブル強さと、ＰＭ排出粒子数との関係を示す図。 本発明の一実施形態における分割噴射制御にあたっての処理内容を示すフローチャート。 図６のステップ６０７（分割噴射の各回の噴射パルス幅算出）の詳細処理内容を示すフローチャート。 図６のステップ６０８（分割噴射の各回の噴射開始時期算出）の詳細処理内容を示すフローチャート。 図７の噴射開始時期を算出するためのマップ関数を示す図。 本発明の一実施形態による分割噴射制御の一制御例の説明図。 本発明の一実施形態による分割噴射制御の他の制御例の説明図。 本発明の一実施形態による分割噴射制御の別の制御例の説明図。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る制御装置の一実施形態を、それが適用された筒内噴射式エンジンと共に示す概略構成図である。

図示例の筒内噴射式エンジン１は、例えば４つの気筒（#１、#２、#３、#４）を有する直列４気筒のガソリンエンジンであり、吸入空気は、吸気通路１３０の最上流端部を形成するエアクリーナ１０２の入口部から取り入れられ、エアフローセンサ１０３を通り、電制スロットル弁１０４を通って各気筒に接続された吸気マニホールド（多岐管）１０５及び吸気ポートに分配された後、可変バルブタイミング機構（図示省略）が付設された吸気カム軸１２０により開閉駆動される吸気弁１１９を介して、ピストン１３２上方に画成される燃焼室１０６に吸入される。

燃料は、低圧燃料ポンプ（図示せず）により１次加圧された後、排気カム軸１４４により駆動される高圧燃料ポンプ１０８で更に高い圧力に２次加圧され、コモンレール１１７を介して各気筒に装着されている燃料噴射弁１０９に供給され、この燃料噴射弁１０９からクランク角度で見て所定のタイミングで燃焼室１０６内に直接噴射（後述するように本例では分割噴射）される。燃焼室１０６内に噴射された燃料は、吸入空気との混合気を生成し、混合気は点火コイル１１０からの点火エネルギにより点火プラグ１１１で点火されて爆発燃焼し、その燃焼廃ガス（排気ガス）は排気カム軸１４４により開閉駆動される排気弁１４２を介して排気通路１４０に排出される。

排気通路１４０の途中には、ＥＧＲ通路１１２の一端（始端）が接続され、ＥＧＲ通路の他端は吸気通路１３０に接続されている。ＥＧＲ通路１１２にはＥＧＲ制御弁１１３、ＥＧＲ流量センサ１１４が配在されており、排気通路１４０を流れる排気ガスの一部（ＥＧＲガス）は、必要に応じてＥＧＲ制御弁１１３を介して吸気通路１３０に還流せしめられるようになっている。ＥＧＲ流量はＥＧＲ制御弁１１３によって調節される。

本実施例では、上記燃料噴射弁１０９、電制スロットル弁１０４、点火コイル１１０、高圧燃料ポンプ（ソレノイド）１０８、ＥＧＲ制御弁１１３等の駆動制御を行うため、マイクロコンピュータを内蔵するエンジン制御ユニット１０１が備えられている。

エンジン制御ユニット１０１は、その内部構成と入出力関係が図２に示されているように、Ａ／Ｄ変換器を含むＩ／ＯＬＳＩ１０１ａ、ＣＰＵ１０１ｂ、ＥＰ-ＲＯＭ１０１ｃ、ＲＡＭ１０１ｄ等から構成され、エアフローセンサ１０３、スロットルセンサ１０７、吸気カム軸１２０に添設されたカム角センサ１２１、クランク軸１１５に添設されたクランク角センサ１１６、水温センサ２０２、燃圧センサ２０４、油温センサ２０５、空燃比センサ、吸気温（外気温）センサを含む各種センサ等からの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行し、演算結果として算出された各種の制御信号を出力し、アクチュエータである燃料噴射弁１０９、電制スロットル弁１０４、点火コイル１１０、高圧燃料ポンプ１０８、ＥＧＲ制御弁１１３等の駆動制御を行う。

本実施例では、前記クランク角センサ１１６及びカム角センサ１２１からの信号に基づいて、各気筒が１燃焼サイクル中（吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程）のいずれの行程にあるかやピストン位置（例えばクランク角で見て圧縮行程上死点前の何度にあるか等）、さらに、吸気弁１１９のリフト位置等が演算される。

エンジン制御ユニット１０１は、燃料噴射制御に際して、１燃焼サイクルにおける噴射回数（分割噴射回数）、噴射開始時期、分割噴射間隔、総噴射時間（総噴射量＝合計噴射バルス幅）等を演算して設定する。

次に、図３を用いて、分割噴射回数とＰＭ排出粒子数との関係を説明する。
図３は、１燃焼サイクル中に必要な燃料量を複数回に分割して噴射した場合の、分割回数に対するＰＭ排出粒子数を示している。分割回数を増やす毎に１回当たりの燃料噴射量が減少するため、ピストン冠面への燃料付着が減少し、ＰＭ排出粒子数も減少している。

次に、図４を用いて、分割噴射の間隔とＰＭ排出粒子数の関係を説明する。
分割噴射の間隔が狭すぎると、十分に分割噴射の効果が得られず、ＰＭ排出粒子数の低減が図れない。図４から、ＰＭ排出粒子数を低減させるためには、所定クランク角度間隔以上に噴射間隔を空ける必要があることがわかる。

次に、図５を用いて、燃料噴射開始時期とＰＭ排出粒子数（Ａ）、筒内タンブル強さ（Ｂ）、及び吸気弁リフト位置（Ｃ）の関係を説明する。

図５は、１燃焼サイクル中に１回燃料を噴射した場合の、燃料噴射開始時期とＰＭ排出粒子数（Ａ）、筒内タンブル強さ（Ｂ）、及び吸気弁リフト位置（Ｃ）の関係を示している。

燃料を噴射しない場合の筒内タンブル強さに対して、燃料を噴射した場合の筒内タンブル強さは、燃料噴射開始時期によって増減する。これは、筒内に流入する空気流動が、噴射された燃料によって加減されるためである。

ＰＭ排出粒子数は、混合気の均質度が低く、混合気中の濃淡により局所的に濃い混合気が存在することが増加要因のひとつである。混合気の均質度は、筒内タンブルが強いほど高めることができる。

つまり、タンブルが弱まる時期（期間）に燃料を噴射すると、ＰＭ発生粒子数が増加する。１燃焼サイクル中に必要な燃料量を、複数回に分割して噴射する分割噴射時も同様であり、複数回に分割されたいずれかの噴射時期（期間）がタンブルが弱まる時期（期間）と重なると、ＰＭ発生粒子数が増加する。

次に、図６、図７を用いて、本実施形態における分割噴射制御の具体的な制御内容について説明する。

図６は、本発明の一実施形態における分割噴射制御にあたっての処理内容を示すフローチャートである。

図６にフローチャートで示される処理は、割込み処理であり、例えば１０ｍｓ周期で繰り返して実行する。エンジン制御ユニット１０１は、図６にフローチャートで示される処理を実行することによって、各気筒毎の各回の噴射パルス幅と噴射開始時期を得、この得られた噴射パルス幅を持つ駆動パルス信号を前記噴射開始時期に各燃料噴射弁１０９に供給する。

図６のステップ６０１では、各燃料噴射弁１０９から１燃焼サイクル中に噴射すべき総燃料量である、合計噴射パルス幅ＴI＿ＴＯＴＡＬを算出する。合計噴射パルス幅ＴI＿ＴＯＴＡＬは、クランク角センサ１１６及びエアフローセンサ１０３からの信号に基づいて算出されるエンジン１回転当たりの吸入空気量や、運転状態等に応じて設定される空燃比、燃圧センサ２０４の信号を用いて算出される燃圧、水温センサ２０２により検出される冷却水温等に応じて設定される。

ステップ６０２では、最小噴射パルス幅ＴＩ＿ＭＩＮを算出する。ここで最小噴射パルス幅は、燃料噴射弁１０９の燃圧特性、電気特性、機械特性、及び燃料噴射弁の駆動電流波形等の諸特性から設定する。

ステップ６０３では、分割した各噴射の噴射インターバルである噴射間隔を算出する。噴射間隔は、燃料付着及び混合気の均質性の面と、燃料噴射弁駆動電流確保の面から、所定クランク角度間隔以上を設定する。噴射間隔が狭すぎると１回噴射とほぼ同様の燃料噴霧状態となり、分割噴射の効果が得られずにピストン冠面、シリンダボア壁面への燃料付着を低減できない。また、燃料噴射弁駆動回路は、燃料噴射弁を駆動する度に昇圧回路内の電圧が低下するため、元の電圧まで復帰する時間が必要であり、この昇圧復帰時間中は、次の燃料噴射を待つ必要がある。

ステップ６０４では、分割数Ｎの設定を行う。分割数Ｎはエンジン回転数、エンジン負荷状態パラメータにより決定する。

ステップ６０５では、カウンタｎの初期化を行う。
ステップ６０６では、カウンタｎが分割数Ｎよりも大きいか否かの判定を行い、大きい場合（ｎ＝１〜Ｎまでの設定が完了）は処理を終了する。カウンタｎが分割数Ｎ以下の場合はステップ６０７以降の処理を行う。

ステップ６０７では、分割噴射の各回の噴射パルス幅ＴＩ＿ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の算出を行う。ステップ６０７の詳細は図７に示す。

ステップ６０８では、分割噴射の各回の噴射開始時期を算出する。ステップ６０８の詳細は図８に示す。

ステップ６０９では、カウンタｎのインクリメント処理を行い、ステップ６０６に戻る。このようにしてｎ＝１〜Ｎまでの処理を繰り返し、各回の噴射パルス幅と各回の噴射開始時期を設定する。

次に、図７を用いて、図６のステップ６０７（各回の噴射パルス幅算出）の詳細について説明する。

ステップ７０１では、分割された各回の基本噴射パルス幅ＴＩＢの算出を行なう。ステップ６０１で算出した合計噴射パルス幅ＴＩ＿ＴＯＴＡＬと、ステップ６０４で算出された分割数Ｎを用いて、ＴＩ＿ＴＯＴＡＬ÷Ｎの除算を実行して算出する。

ステップ７０２では、１燃焼サイクルにおけるｎ回の分割噴射のうち、１回目（ｎ＝１）の噴射か否かを判断する。ｎ＝１の場合、ステップ７０３に進み、１回目燃料噴射パルス幅ＴＩ１＝ＴＩＢとして設定する。ｎ≠１の場合（２回目以降の場合）、ステップ７０４に進み、ｎ回目燃料噴射パルス幅ＴＩｎ＝ＴＩＢとして設定する。ここでは、複数回の噴射割合を等分割としているが、エンジンの運転状態に応じた分割割合としてもよい。

次に、図８を用いて、図６のステップ６０８（噴射開始時期算出）の詳細について説明する。

ステップ８０１では、図７のステップ７０１で算出した分割基本燃料噴射量ＴＩＢと、ピストン冠面温度ＴＥＰＩを入力として、図９に示すようなマップＭＩＴＢを参照することによって、基本噴射開始時期ＩＴＢを算出する。マップＭＩＴＢは、ピストン冠面温度ＴＥＰＩによる燃料付着量、気化率の影響を考慮して設定する。また、冠面温度ＴＥＰＩは、空気量、空燃比、点火時期などを用いて、熱モデルを構成して推定する方法が望ましいが、制御簡略化の観点から、水温センサ２０２、油温センサ２０５、吸気温センサで検出した水温、油温、吸気温を入力値として、マップを検索する構成としても良い。

ステップ８０２では、１燃焼サイクルにおける分割噴射のうち、１回目の噴射開始時期（可能角度）の設定か否かを判断する。ｎ＝１の場合、ステップ８０３に進み、１回目の噴射時期ＩＴ１＝ＩＴＢとして終了する。ｎ≠１の場合（２回目以降の場合）、ステップ８０４に進み、ｎ回目噴射開始時期（可能角度）ＩＴｎを算出する。前回ＩＴ＿（ｎ−１）に、分割後噴射パルス幅ＴＩ＿（ｎ−１）と図６のステップ６０３で算出した噴射間隔ＴＩ＿ＩＮＴを加算して、ｎ回目噴射開始時期（可能角度）ＩＴ＿ｎを算出する。

次に、図１０から図１２を用いて、図６から図９に示すようにして構成したときの具体的な制御例について説明する。

図１０は、本発明実施例の基本制御例である。吸気弁１１９のリフト位置に応じて、燃料噴射禁止期間を設定している。噴射禁止期間は、燃焼室１０６内に噴射された燃料噴霧により、筒内タンブルが弱められる吸気弁リフト位置の範囲を示しており、吸気弁１１９が中リフト位置から最大リフト位置付近までの範囲に設定する。

図１１は、吸気弁１１９の開閉時期が可変バルブタイミング機構によって変更された場合の制御例を示している。破線で示される開弁期間に対して、実線で示すように開弁期間が進角せしめられた場合でも、燃料噴射禁止期間は常に吸気弁１１９のリフト位置に応じて設定される。

図１２は、燃料噴射禁止期間前に燃料噴射を開始し、運転状態の急変等により噴射途中で噴射禁止期間にかかった場合の制御例である。噴射禁止期間にかかった場合は、即座に燃料噴射を停止させる。停止することによる燃料の減量分は、噴射禁止期間以降の次噴射に追加する。

以上の制御を行うことにより、燃焼室内に噴射された燃料噴霧で筒内タンブルが弱まることが防止され、筒内混合気の均質度が向上し、ＰＭ排出粒子数を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱することなく種々の変更ができるものである。

１ …筒内噴射エンジン
１０１ …エンジン制御ユニット
１０３ …エアフローセンサ
１０４ …電制スロットル弁
１０６ …燃焼室
１０７ …スルットルセンサ
１０８ …高圧燃料ポンプ
１０９ …燃料噴射弁
１１０ …点火コイル
１１１ …点火プラグ
１１５ …クランク軸
１１６ …クランク角センサ
１１９ …吸気弁
１２０ …カム軸
１２１ …カム角センサ
２０２ …水温センサ

Claims (4)

1. １燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する分割噴射制御手段を備えた筒内噴射式エンジンの制御装置であって、
   前記分割噴射制御手段は、１燃焼サイクル中において吸気弁のリフト位置が所定範囲内にある期間は、燃料噴射を禁止することを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
2. 前記分割噴射制御手段は、吸気弁が中リフト位置から最大リフト位置付近にある期間は、燃料噴射を禁止することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
3. 前記分割噴射制御手段は、少なくとも1回目の燃料噴射を前記燃料噴射禁止期間よりも前に実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
4. 前記分割噴射制御手段は、前記燃料噴射禁止期間よりも前に燃料噴射を開始し、燃料噴射中に前記噴射禁止期間にかかった場合は、当該噴射禁止期間による減量分を当該噴射禁止期間後の噴射量に加えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。

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