JP2015017518A

JP2015017518A - 内燃機関の制御装置および制御方法

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Publication number: JP2015017518A
Application number: JP2013144088A
Authority: JP
Inventors: 翔大津; Sho Otsu; 忠樹間野; Tadaki Mano; 忍釜田; Shinobu Kamata
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: JP6217194B2

Abstract

【課題】高速高負荷側の運転領域でのみ使用されるポート噴射用燃料噴射弁９の固着や目詰まりを予防する。
【解決手段】内燃機関は、運転領域の全域で作動する筒内噴射用燃料噴射弁と、高速高負荷側の運転領域でのみ作動して付加的な燃料供給を行うポート噴射用燃料噴射弁と、を有する。定常走行時には筒内噴射によって走行しているが、時間ｔ１でアクセルペダル開度が全閉となると燃料カットが実行される。時間ｔ２でアクセルペダルが踏み込まれると、燃料カットリカバーとしてポート噴射が数秒程度行われ、その後、時間ｔ３で筒内噴射に移行する。これにより、１トリップの間に、ポート噴射用燃料噴射弁が必ず数秒程度は作動するようになり、弁体の固着や噴孔の目詰まりが予防される。
【選択図】図３

Description

この発明は、主燃料噴射弁として、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁を備え、かつ、特定の機関運転領域でのみ作動する副燃料噴射弁として、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁を備えてなる内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

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、を備えてなる内燃機関は、特許文献１などに既に開示されている。特許文献１においては、内燃機関の要求噴射量が少ない運転領域ではポート噴射用燃料噴射弁を用いて燃料供給を行い、負荷が高い領域では筒内噴射用燃料噴射弁を用いた燃料供給を行うことが説明されている。そして、燃料カット後の燃料カットリカバー時には、リカバー時に要求される要求噴射量およびリカバー時の機関回転速度さらには機関冷却水温度などの条件から、筒内噴射によって燃料カットリカバーを行うか、あるいはポート噴射によって燃料カットリカバーを行うか、が選択されるようになっている。

特開２０１３−３２７７８号公報

特許文献１においては、燃料カットリカバー時のトルクショックの軽減の観点などから条件に応じて燃料カットリカバー時の燃料噴射弁を選択しているに過ぎない。

本発明は、特定の機関運転領域で補助的に作動する副燃料噴射弁としてのポート噴射用燃料噴射弁の噴射の機会を確保することで、その動作保証を行うことを目的としている。

本発明は、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、上記筒内噴射用燃料噴射弁を主燃料噴射弁とし、上記ポート噴射用燃料噴射弁を特定の機関運転領域で補助的に作動する副燃料噴射弁とし、機関運転条件に応じて上記ポート噴射用燃料噴射弁の噴射・停止の切換を行う内燃機関の制御装置において、
内燃機関の所定の減速時に燃料カットを行うとともに、燃料カット状態から燃料供給を再開する燃料カットリカバーのときに、要求噴射量によらずに上記ポート噴射用燃料噴射弁を所定期間作動させることを特徴としている。

上記の構成では、特定の機関運転領域を除く運転領域では、基本的に主燃料噴射弁である筒内噴射用燃料噴射弁によって燃料供給がなされ、副燃料噴射弁であるポート噴射用燃料噴射弁は停止状態となる。ポート噴射用燃料噴射弁は、特定の機関運転領域で補助的に燃料噴射を行う。

例えば、望ましい一つの態様では、所定の高速高負荷域を除く機関運転領域では、筒内噴射用燃料噴射弁によって要求噴射量の全量を噴射供給し、所定の高速高負荷域では、筒内噴射用燃料噴射弁とともにポート噴射用燃料噴射弁が付加的な燃料噴射を行う。

従って、ポート噴射用燃料噴射弁の作動の機会は比較的少なく、例えば、１トリップ（キーＯＮからキーＯＦＦされるまでの１回の運転期間）中に１回も特定の機関運転領域に入らずに、ポート噴射用燃料噴射弁の作動が要求されない可能性がある。

本発明では、燃料カットの後の燃料カットリカバーのたびに、要求噴射量によらずに、ポート噴射用燃料噴射弁が所定期間の間、作動する。従って、ポート噴射用燃料噴射弁が長期間停止したままであることによる弁体の固着や噴孔の目詰まりなどが確実に回避される。燃料カットリカバーのたびにポート噴射用燃料噴射弁を作動させることで、多くの場合は、１トリップの間に少なくとも１回は所定期間の間ポート噴射用燃料噴射弁が作動することとなる。

また、上記のような強制的なポート噴射用燃料噴射弁の作動が燃料カットリカバーの際に行われるので、定常運転中に燃料噴射弁を筒内噴射用燃料噴射弁からポート噴射用燃料噴射弁へ切り換えるような態様に比較して、トルク段差感などの違和感を乗員に不必要に感じさせることがない。

この発明によれば、副燃料噴射弁として特定の機関運転領域で補助的に作動するポート噴射用燃料噴射弁の固着や目詰まりが抑制され、長期に亘って確実な作動を維持することができる。また、乗員に不快な違和感を与えることがない。

この発明の一実施例に係る制御装置のシステム構成を示す構成説明図。ポート噴射用燃料噴射弁が作動する運転領域を示す特性図。燃料カットおよび燃料カットリカバーが行われる機関減速時のタイムチャート。一実施例の制御の流れを示すフローチャート。燃料カット時に圧縮比が高い場合の機関減速時のタイムチャート。燃料カット時に圧縮比が低い場合の機関減速時のタイムチャート。

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、主燃料噴射弁として燃焼室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、副燃料噴射弁として吸気ポート７内へ向けて燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁９が各気筒毎に配置されている。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９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４１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。

上記エンジンコントローラ４１には、上記のエアフロメータ１０、空燃比センサ１４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４２、冷却水温を検出する水温センサ４３、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４４、車速を検出する車速センサ４５、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４１は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁８，９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。

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４１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。

なお、本発明においては、可変圧縮比機構２は必須のものではなく、固定圧縮比内燃機関であってもよい。

図２は、上記内燃機関１の負荷と回転速度とをパラメータとした内燃機関１の運転領域を示しており、図中に符号Ｌでもって示す線は、目標空燃比が理論空燃比である運転領域Ａ１と、目標空燃比が理論空燃比よりも濃いいわゆる出力空燃比である高速高負荷側の運転領域Ａ２と、の境界を示している。なお、理論空燃比領域Ａ１では、基本的に、上記空燃比センサ１４の検出信号に基づく公知の空燃比フィードバック制御によって理論空燃比を目標として燃料供給量が制御される。これに対し、出力空燃比領域Ａ２は、基本的に、オープンループ制御によって燃料供給量が制御される。また、出力空燃比領域Ａ２の中では、高速高負荷側ほど目標空燃比がリッチとなっている。

ここで、本実施例では、筒内噴射用燃料噴射弁８が主燃料噴射弁として用いられており、運転領域Ａ１，Ａ２の双方を含む全域で筒内噴射用燃料噴射弁８が駆動される。これに対し、ポート噴射用燃料噴射弁９は、高速高負荷側の運転領域Ａ２でのみ補助的に作動する副燃料噴射弁として位置づけられている。すなわち、理論空燃比領域Ａ１では、基本的に、主燃料噴射弁である筒内噴射用燃料噴射弁８のみで必要な燃料の全量が噴射供給され、副燃料噴射弁であるポート噴射用燃料噴射弁９は、停止されている。しかし、単位時間当たりに必要な燃料量が大（換言すれば単位時間当たりの空気量が大）となる高速高負荷域では、筒内噴射用燃料噴射弁８のみでは必要な燃料量を供給することができず、従って、境界線Ｌよりも高速高負荷側の運転領域Ａ２において、ポート噴射用燃料噴射弁９による燃料供給が付加的に行われる。上記の境界線Ｌよりも高速高負荷側の領域Ａ２では、筒内噴射用燃料噴射弁８によって供給される燃料量は一定であり、必要な燃料量に対する不足分がポート噴射用燃料噴射弁９から噴射供給される。なお、実際には、境界線Ｌにおけるトルク段差を回避するために、境界線Ｌ付近で筒内噴射用燃料噴射弁８の噴射量の調整などの処理が行われるが、その詳細な説明は省略する。

このように高速高負荷側の運転領域Ａ２で補助的に燃料噴射を行うポート噴射用燃料噴射弁９を備えることにより、筒内噴射用燃料噴射弁８としては比較的小容量のものでよく、従って、ターボ過給器と組み合わせた内燃機関１の小型化に適応できるとともに、比較的少量の燃料噴射の際の制御精度が向上する。

ここで、上記のようにポート噴射用燃料噴射弁９は基本的に高速高負荷側の運転領域Ａ２でのみ作動するので、急激な加速動作を行わない運転者のような場合には、１トリップの間（あるいはさらに長期の間）、ポート噴射用燃料噴射弁９が全く使用されないことも想定され、ポート噴射用燃料噴射弁９の動作保証の上で好ましくない。そこで、本発明では、燃料カット後の燃料カットリカバーの際に、強制的にポート噴射用燃料噴射弁９を所定期間の間作動させ、弁体の固着や噴孔の目詰まりなどを予防するのである。

なお、図２〜図６の各図において、「ＧＤＩ」は筒内噴射用燃料噴射弁８による筒内噴射を意味し、「ＭＰＩ」はポート噴射用燃料噴射弁９によるポート噴射を意味している。

図３は、減速時における燃料カットおよびその後の燃料カットリカバーの際の状況を示したタイムチャートである。ここには、上段から順に、車速、機関回転速度、アクセルペダル開度、筒内噴射用燃料噴射弁８の噴射量（ＧＤＩ燃料噴射）、ポート噴射用燃料噴射弁９の噴射量（ＭＰＩ燃料噴射）、を示している。

図示するように、適当なアクセルペダル開度でもって車両が定常走行している状況では、筒内噴射（ＧＤＩ）によって内燃機関１が運転されているが、時間ｔ１において運転者がアクセルペダル開度を全閉とすると、所定の燃料カット条件（例えば、冷却水温が暖機完了後であること、車速が所定の閾値以上であること、機関回転速度が所定の閾値以上であること、など）を条件として燃料カットが実行される。これにより、車速および機関回転速度は徐々に低下していくが、時間ｔ２において運転者がアクセルペダルを踏み込んだことにより、燃料噴射の再開つまり燃料カットリカバーが行われる。このとき、本実施例では、要求噴射量の大小によらずに常にポート噴射用燃料噴射弁９のみで燃料噴射が開始される。このポート噴射用燃料噴射弁９による燃料供給は、所定期間、例えば数秒程度の間、継続される。この継続時間は、ポート噴射用燃料噴射弁９の動作保証の上で、１トリップの間にポート噴射用燃料噴射弁９が作動することが望ましい最小の時間を考慮して設定されている。そして、所定期間が経過し、かつ要求噴射量が筒内噴射用燃料噴射弁８の所定の最小噴射量Ｑｍｉｎ（計量精度を維持し得る最小の噴射量）以上であることを条件として、ポート噴射（ＭＰＩ）から筒内噴射（ＧＤＩ）への移行が行われる。図示例では、時間ｔ３においてポート噴射用燃料噴射弁９の作動が終了し、かつ同時に、筒内噴射用燃料噴射弁８の作動が開始する。

なお、図３の例では、燃料カットリカバーの条件の１つであるアクセルペダルの踏込をトリガーとして燃料カットリカバーが実行される場合の例を示しているが、他の燃料カットリカバー条件（例えば、車速が所定の閾値以下に低下したこと、あるいは、機関回転速度が所定の閾値以下に低下したこと、など）に基づいて燃料カットリカバーが実行される場合も同様であり、燃料カットリカバーのたびに、毎回、ポート噴射用燃料噴射弁９が数秒程度の間、作動する。

図４は、エンジンコントローラ４１によって行われる上記のような燃料カットリカバーの際の処理の流れを示したフローチャートである。この図４のルーチンは、上述した燃料カット条件が成立したことを条件として開始されるものであって、ステップ１において、燃料カットを実行する。そして、ステップ２において、上述した燃料カットリカバー条件が成立したか否かを繰り返し判定する。燃料カットリカバー条件が成立するまでは、燃料カットを継続する。

燃料カットリカバー条件が成立したら、ステップ３へ進み、燃料カットリカバーとして、ポート噴射用燃料噴射弁９による燃料噴射を開始する。つまり、内燃機関１全体としての要求噴射量の全量をポート噴射用燃料噴射弁９によって噴射する。要求噴射量は、基本的には機関回転速度および負荷（例えば吸入空気量ないしはアクセルペダル開度）に基づいて設定されるが、燃料カットリカバー時のトルクショックの抑制を考慮して、燃料カットリカバー初期の燃料噴射量に制限を加えるようにしてもよい。

次に、ステップ４では、燃料カットリカバー開始からの経過時間が所定時間Ｔ１以上で、かつ要求噴射量が筒内噴射用燃料噴射弁８の最小噴射量Ｑｍｉｎ以上であるか否かを判定する。この２つの条件が成立するまでは、ポート噴射用燃料噴射弁９による燃料供給を継続する。そして、これらの条件が成立したら、ステップ５へ進み、ポート噴射用燃料噴射弁９による燃料供給から筒内噴射用燃料噴射弁８による燃料供給へ移行する。つまり、要求噴射量が筒内噴射用燃料噴射弁８の最小噴射量Ｑｍｉｎを越えていても、それのみでは筒内噴射へ移行せず、所定時間Ｔ１の間は、必ずポート噴射用燃料噴射弁９の作動が継続される。

このように、上記実施例では、燃料カットリカバーのたびに数秒（つまり１秒〜９秒）程度の間、要求噴射量の大小に拘わらずに副燃料噴射弁であるポート噴射用燃料噴射弁９が強制的に開閉駆動される。従って、長期間停止していることによる弁体の固着や噴孔の目詰まり（開口面積の低下）などが予防される。特に、数秒程度動作させることで、弁体が十分な回数開閉動作することになり、しかも、ポート噴射用燃料噴射弁９の内部に存在していた燃料も確実に入れ替えられることになるため、劣化燃料による動作不良や燃料の炭化による目詰まりなどを確実に抑制することができる。

また、上記実施例では、弁体の固着や目詰まりの予防のためのポート噴射用燃料噴射弁９の強制的な駆動が燃料カットリカバー時に行われるため、車両の運転者や乗客にトルク段差感などの違和感を与えることがない。つまり、燃料カットリカバー時には、燃料カット状態から燃料噴射の再開によりトルクの立ち上がりが生じるので、筒内噴射用燃料噴射弁８に代えてポート噴射用燃料噴射弁９により燃料カットリカバーを行ったとしても違和感が生じる余地はない。また時間ｔ３におけるポート噴射用燃料噴射弁９から筒内噴射用燃料噴射弁８への移行も、通常は、燃料カットリカバー後の再加速の中で行われることが多いため、移行に伴うトルク段差による違和感が体感されにくい。仮に、通常の走行中に不必要な噴射形態の変更を行うと、トルク段差が発生するのみならず、過渡的な排気組成の悪化や燃費の悪化が生じやすく、またこれらを回避するための複雑な制御が要求される。上記実施例では、このような不具合がない。

次に、図５および図６は、可変圧縮比機構２による圧縮比可変制御と組み合わせた燃料カットリカバーの例を示したタイムチャートである。

図５は、可変圧縮比機構２による圧縮比が高い状態で燃料カットを開始したときの例を示している。このような場合に、仮に、高圧縮比状態のまま燃料カットリカバーを行うと、排気中のＮＯｘが増加する。つまり、高圧縮比状態では、燃焼温度が上昇し、燃焼室３でのＮＯｘの生成がそもそも増大することに加えて、燃料カットによって排気通路１２中の触媒装置１３への酸素の供給が過多となっていることから、燃焼室３で生じたＮＯｘを還元することができない。従って、燃料カットリカバー時にＮＯｘが増加しやすい。

そこで、図５に示す実施例では、燃料カットを開始した時間ｔ１から燃料カットリカバーを行う時間ｔ２までの燃料カット中に、圧縮比を低下させ、比較的低い圧縮比となった状態で燃料カットリカバーを行う。これにより、燃料カットリカバー時のＮＯｘの増加を抑制することができる。

図６は、逆に、可変圧縮比機構２による圧縮比が過度に低い状態で燃料カットを開始したときの例を示している。このような場合に、仮に、低圧縮比状態のまま燃料カットリカバーを行うと、排気中のＣＯが増加しやすい。つまり、低圧縮比であることにより燃焼効率が低下し、燃料カットリカバー時に燃焼不良が生じてＣＯが増加する虞がある。

そこで、図６に示す実施例では、燃料カットを開始した時間ｔ１から燃料カットリカバーを行う時間ｔ２までの燃料カット中に、圧縮比を上昇させ、比較的高い圧縮比となった状態で燃料カットリカバーを行う。これにより、燃料カットリカバー時のＣＯの増加を抑制することができる。

１…内燃機関
２…可変圧縮比機構
８…筒内噴射用燃料噴射弁
９…ポート噴射用燃料噴射弁
２０…コンプレッサ
４１…エンジンコントローラ
４４…アクセル開度センサ

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、上記筒内噴射用燃料噴射弁を主燃料噴射弁とし、上記ポート噴射用燃料噴射弁を特定の機関運転領域で補助的に作動する副燃料噴射弁とし、機関運転条件に応じて上記ポート噴射用燃料噴射弁の噴射・停止の切換を行う内燃機関の制御装置において、
内燃機関の所定の減速時に燃料カットを行うとともに、燃料カット状態から燃料供給を再開する燃料カットリカバーのときに、要求噴射量によらずに上記ポート噴射用燃料噴射弁を所定期間作動させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
所定の高速高負荷域を除く機関運転領域では、上記筒内噴射用燃料噴射弁によって要求噴射量の全量を噴射供給し、所定の高速高負荷域では、上記筒内噴射用燃料噴射弁とともに上記ポート噴射用燃料噴射弁が付加的な燃料噴射を行う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。
燃料カットリカバーの初期は上記ポート噴射用燃料噴射弁のみで燃料供給を行い、要求噴射量が上記筒内噴射用燃料噴射弁の最小噴射量以上でかつ所定時間が経過したことを条件として、上記筒内噴射用燃料噴射弁による運転に移行することを特徴とする請求項１または２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、上記筒内噴射用燃料噴射弁を主燃料噴射弁とし、上記ポート噴射用燃料噴射弁を特定の機関運転領域で補助的に作動する副燃料噴射弁とし、機関運転条件に応じて上記ポート噴射用燃料噴射弁の噴射・停止の切換を行う内燃機関において、
内燃機関の所定の減速時に燃料カットを行うとともに、燃料カット状態から燃料供給を再開する燃料カットリカバーのときに、要求噴射量によらずに上記ポート噴射用燃料噴射弁を所定期間作動させることを特徴とする内燃機関の制御方法。