JP2014240627A

JP2014240627A - 内燃機関の制御装置および制御方法

Info

Publication number: JP2014240627A
Application number: JP2013123313A
Authority: JP
Inventors: 忠樹間野; Tadaki Mano
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-06-12
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2014-12-25
Anticipated expiration: 2033-06-12
Also published as: JP6326728B2

Abstract

【課題】筒内噴射に起因する点火時期前の異常燃焼の発生を抑制する。【解決手段】筒内噴射用燃料噴射弁とポート噴射用燃料噴射弁とを備える。筒内噴射に起因する点火時期前の異常燃焼を検知した場合に（Ｓ１）、筒内噴射の分担率を低下することで、異常燃焼の発生を抑制し、かつ、この筒内噴射の分担率の低下に伴う燃料噴射量の低下を補うように、ポート噴射の分担率を増加する（Ｓ２）。また、筒内噴射の分担率の低下に伴う通常のスパークノックの発生を抑制するように、圧縮比を低下するとともに（Ｓ３）、点火時期を遅角する（Ｓ４）。【選択図】図２

Description

この発明は、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を備えた内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

特許文献１には、燃焼室に高オクタン価燃料であるアルコールを噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに低オクタン価燃料であるガソリンを噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を併用し、両者の分担率を適宜に制御するようにした内燃機関が開示されている。

さらに、この特許文献１には、ノックセンサによりノッキングの発生が検出された場合に、筒内噴射の割合を増量することで、高オクタン価燃料の割合を増加させて、ノック発生を抑制することが開示されている。また一般的に、燃焼室内の点火プラグから遠い部分の未燃の混合気（エンドガス）が断熱圧縮により一気に自己着火する、いわゆるスパークノックに対しては、筒内噴射による気化潜熱がノック低減に有効である。

特開２００８−６４０５５号公報

筒内噴射では、燃焼室内に燃料を直接的に噴射することから、噴霧のペネトレーション（貫徹力）が高く、この燃料噴霧によって、特に機関冷機時に、シリンダ壁の近傍で燃料とオイルとが蒸発することなく混ざり合い、これが点火時期前に異常燃焼する、いわゆるスーパーノックを生じるおそれがある。

このような筒内噴射に起因する点火時期前の異常燃焼（スーパーノック）は、上述した通常のスパークノックとは異なり、筒内噴射の分担率を増加させることでは抑制できず、逆に筒内噴射の分担率を増加させると異常燃焼を発生するリスクが高くなる。

本発明は、このような筒内噴射に起因する異常燃焼の発生を抑制することができる新規な内燃機関の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を備える。そして、筒内噴射に起因する点火時期前の異常燃焼を検知し、上記異常燃焼を検知した場合に、上記筒内噴射の分担率を低下するとともに、この筒内噴射の分担率の低下に伴う燃料噴射量の低下を補うように、上記ポート噴射の分担率を増加する。

本発明によれば、筒内噴射に起因する点火時期前の異常燃焼（スーパーノック）を検知した場合に、筒内噴射の分担率を低下することで、このような異常燃焼の発生を抑制・回避しつつ、この筒内噴射の分担率の低下に伴う燃料噴射量の低下を補うように、ポート噴射の分担率を増加することで、要求に見合った燃料噴射量を確保し、トルク変動を抑制して機関運転性の悪化を抑制することができる。

この発明に係る内燃機関の制御装置のシステム構成を示す構成説明図。この実施例における制御の流れを示すフローチャート。上記実施例の制御を適用した場合の動作を示すタイミングチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、例えば複リンク式ピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構２を備えた４ストロークサイクルのターボ過給器付き火花点火内燃機関であって、燃焼室３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。

上記吸気弁４によって開閉される吸気ポート７の下方には、燃焼室３内に燃料を直接に噴射する筒内噴射用燃料噴射弁８が配置されている。また吸気ポート７には、該吸気ポート７内へ向けて燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁４１が配置されている。これらの筒内噴射用燃料噴射弁８およびポート噴射用燃料噴射弁４１は、いずれも駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。

上記吸気ポート７に接続された吸気通路１８のコレクタ部１８ａ上流側には、エンジンコントローラ９からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ１９が介装されており、さらにその上流側に、ターボ過給器のコンプレッサ２０が配設されている。このコンプレッサ２０の上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ１０が配設されている。

また、排気ポート１１に接続された排気通路１２には、三元触媒からなる触媒装置１３が介装されており、その上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ１４が配置されている。

更に、筒内噴射に起因する点火時期前の異常燃焼である、いわゆるスーパーノックの発生（これに起因する振動）を検知するノックセンサ４２がシリンダブロック２９に取り付けられている。スーパーノックは、筒内噴射により燃焼室内に直接的に噴射供給された液滴の燃料噴霧がシリンダ壁の近傍でオイルと混ざり、あるいは燃料噴霧によりはじき出されたオイルと混ざり、これを熱源として点火時期前に異常燃焼を生じる現象であり、特に機関温度の低い機関冷機時に生じ易い。

上記エンジンコントローラ９には、上記のエアフロメータ１０、空燃比センサ１４及びノックセンサ４２のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ１５、冷却水温を検出する水温センサ１６、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ１７、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ９は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁８，４１による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ６による点火時期、スロットルバルブ１９の開度、等を最適に制御している。

一方、可変圧縮比機構２は、公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものであって、クランクシャフト２１のクランクピン２１ａに回転自在に支持されたロアリンク２２と、このロアリンク２２の一端部のアッパピン２３とピストン２４のピストンピン２４ａとを互いに連結するアッパリンク２５と、ロアリンク２２の他端部のコントロールピン２６に一端が連結されたコントロールリンク２７と、このコントロールリンク２７の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト２８と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト２１および上記コントロールシャフト２８は、シリンダブロック２９下部のクランクケース内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。上記コントロールシャフト２８は、該コントロールシャフト２８の回動に伴って位置が変化する偏心軸部２８ａを有し、上記コントロールリンク２７の端部は、詳しくは、この偏心軸部２８ａに回転可能に嵌合している。上記の可変圧縮比機構２においては、コントロールシャフト２８の回動に伴ってピストン２４の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。

また、上記可変圧縮比機構２の圧縮比を可変制御する駆動機構として、クランクシャフト２１と平行な回転中心軸を有する電動モータ３１がシリンダブロック２９下部に配置されており、この電動モータ３１と軸方向に直列に並ぶように減速機３２が接続されている。この減速機３２としては、減速比の大きな例えば波動歯車機構が用いられており、その減速機出力軸３２ａは、電動モータ３１の出力軸（図示せず）と同軸上に位置している。従って、減速機出力軸３２ａとコントロールシャフト２８とは互いに平行に位置しており、両者が連動して回動するように、減速機出力軸３２ａに固定された第１アーム３３とコントロールシャフト２８に固定された第２アーム３４とが中間リンク３５によって互いに連結されている。

すなわち、電動モータ３１が回転すると、減速機３２により大きく減速された形で減速機出力軸３２ａの角度が変化する。この減速機出力軸３２ａの回動は第１アーム３３から中間リンク３５を介して第２アーム３４へ伝達され、コントロールシャフト２８が回動する。これにより、上述したように、内燃機関１の機械的な圧縮比が変化する。なお図示例では、第１アーム３３および第２アーム３４が互いに同方向に延びており、従って、例えば減速機出力軸３２ａが時計回り方向に回動するとコントロールシャフト２８も時計回り方向に回動する関係となっているが、逆方向に回動するようにリンク機構を構成することも可能である。

上記可変圧縮比機構２の目標圧縮比は、エンジンコントローラ９において、機関運転条件（例えば要求負荷と機関回転速度）に基づいて設定され、この目標圧縮比を実現するように上記電動モータ３１が駆動制御される。

次に、図２は、上記実施例の構成においてスーパーノック抑制のために行われる制御の流れを示すフローチャートである。このルーチンは、エンジンコントローラ９において、例えば所定時間毎あるいは各気筒の点火間隔に対応した間隔でもって繰り返し実行される。

ステップＳ１では、上記のノックセンサ４２及びクランク角センサ１５の検出信号に基づいて、スーパーノックの発生気筒を検知したかを判定する。スーパーノックの発生を検知していなければ本ルーチンを終了し、スーパーノックの発生を検知した場合、ステップＳ２以降へ進む。

ステップＳ２では、スーパーノックの発生を検知した気筒に対し、筒内噴射とポート噴射の分担率を変更・補正する。つまり、筒内噴射の分担率を低下するとともに、この筒内噴射の分担率の低下に伴う燃料噴射量の低下を補うように、ポート噴射の分担率を増加する（異常燃焼抑制手段）。

この際に変更・補正される分担率は、筒内噴射用燃料噴射弁８のペネトレーション（貫徹力）の他、可変圧縮比機構８を備える構成の場合には、圧縮比に応じて変化するピストンとシリンダボアとの位置関係を考慮して変更後の分担率が設定される。

なお、ポート噴射のみによる運転が可能な運転領域であれば、筒内噴射に起因するスーパーノックの発生を確実に抑制するために、筒内噴射を停止し、つまり筒内噴射の分担率を０％とし、ポート噴射の分担率を１００％として、このポート噴射により燃焼噴射量の全量を噴射する。

ステップＳ３では、分担率の変更・補正に伴い、圧縮比を低下側に補正する。これは、筒内噴射の分担率の低下に伴い、筒内噴射による気化潜熱作用が低減し、通常のスパークノックのリスクが増大するために、この通常のスパークノックの発生を抑制するように、圧縮比を低下させる。

同様に、ステップＳ４では、分担率の変更・補正に伴う通常のスパークノックの発生を抑制するように、点火時期を遅角側へ補正する。この際の点火時期の遅角量は、ポート噴射の分担率の増加分が大きいほど、遅角量も大きくされる。

なお、この実施例では分担率の変更に伴って圧縮比と点火時期の双方を行っているが、いずれか一方を行うようにしても良い。

ステップＳ５では、ノックセンサ４２の検出信号，吸気温，油水温等の運転条件に基づいて、異常燃焼の発生が十分に抑制・回避されたか否かを判定する。異常燃焼の発生が抑制・回避されていると判定された場合には、ステップＳ６へ進み、変更・補正した分担率，圧縮比及び点火時期を通常の値に戻す。

図３は、このような本実施例の制御を適用した場合のタイミングチャートである。同図に示すように、点火時期ｔ２よりも前のスーパーノックの発生を検知すると、検知気筒の次回以降の燃料噴射においては、筒内噴射（ＧＤＩパルス）を停止し、代わりにポート噴射（ＭＰＩパルス）を実施する。また、圧縮比を低下させるとともに、点火時期を遅角側に補正する。なお、この実施例では、応答性の低い圧縮比の低下を異常燃焼の検知直後ｔ２から行い、応答性の高い点火時期の遅角については、分担率変更後ｔ３から行っているが、これに限らず、例えば圧縮比の応答性が高い場合には、圧縮比の低下を分担率変更直後ｔ３から行うようにしても良い。

［１］以上のように本実施例では、筒内噴射に起因する点火時期前の異常燃焼（スーパーノック）を検知した場合に、筒内噴射の分担率を低下することで、このような異常燃焼の発生を抑制・回避しつつ、この筒内噴射の分担率の低下に伴う燃料噴射量の低下を補うように、ポート噴射の分担率を増加することで、要求に見合った燃料噴射量を確保し、トルク変動を抑制して機関運転性の悪化を抑制することができる。

［２］特に、ポート噴射のみによる運転が可能な場合には、異常燃焼を検知した場合に、筒内噴射を完全に停止し、ポート噴射により燃焼噴射量の全量を噴射することで、異常燃焼の発生をより確実に抑制することができる。

［３］また、内燃機関の機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構２を備える構成においては、異常燃焼の検知時に、筒内噴射の分担率の低下に応じて、圧縮比を低下させる。これにより、筒内噴射の低下に伴う気化潜熱作用の低下により通常のスパークノックの発生のリスクの増大を、圧縮比の低下により相殺・低減し、スパークノックの発生を抑制することができる。

［４］同様に、異常燃焼の検知時には、筒内噴射の分担率の低下に応じて点火時期を遅角することで、筒内噴射の低下に伴う通常のスパークノックの発生を抑制することができる。

［５］更に、異常燃焼が発生した気筒を特定可能な場合には、この異常燃焼が発生した気筒のみ、筒内噴射の分担率を変更・補正し、他の気筒の分担率を変更・補正しない構成とすることで、機関運転性の変動を最小限に抑制することができる。

１…内燃機関
２…可変圧縮比機構
６…点火プラグ
８…筒内噴射用燃料噴射弁
９…エンジンコントローラ
１４…空燃比センサ
２０…コンプレッサ
４１…ポート噴射用燃料噴射弁
４２…ノックセンサ（異常燃焼検知手段）

Claims

燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を備え、筒内噴射とポート噴射の各々の分担率が機関運転条件に応じて設定されてなる内燃機関の制御装置において、
上記筒内噴射に起因する点火時期前の異常燃焼を検知する異常燃焼検知手段と、
上記異常燃焼を検知した場合に、上記筒内噴射の分担率を低下するとともに、この筒内噴射の分担率の低下に伴う燃料噴射量の低下を補うように、上記ポート噴射の分担率を増加する異常燃焼抑制手段と、
を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
上記異常燃焼抑制手段は、上記異常燃焼を検知した場合に、上記筒内噴射を停止し、上記ポート噴射により燃焼噴射量の全量を噴射することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
内燃機関の機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備え、
上記異常燃焼抑制手段は、上記異常燃焼を検知した場合に、上記圧縮比を低下させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
上記異常燃焼抑制手段は、上記異常燃焼を検知した場合に、上記ポート噴射の分担率の増加に応じて、点火時期を遅角することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
上記異常燃焼検知手段は、上記異常燃焼が発生した気筒を特定し、
上記異常燃焼抑制手段は、上記異常燃焼が発生した気筒のみ、上記筒内噴射の分担率を低下するとともに、この筒内噴射の分担率の低下に伴う燃料噴射量の低下を補うように、上記ポート噴射の分担率を増加することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を備え、筒内噴射とポート噴射の各々の分担率が機関運転条件に応じて設定されてなる内燃機関の制御方法において、
上記筒内噴射に起因する点火時期前の異常燃焼を検知し、
上記異常燃焼を検知した場合に、上記筒内噴射の分担率を低下するとともに、この筒内噴射の分担率の低下に伴う燃料噴射量の低下を補うように、上記ポート噴射の分担率を増加することを特徴とする内燃機関の制御方法。