JP2017002781A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＳＰＩの繰り返しによる内燃機関の劣化の進行を抑えることができる制御装置を提供する。
【解決手段】ＬＳＰＩによる内燃機関の劣化度合いを示す指標値を計算する。指標値が第１閾値を超えた場合、シリンダの燃焼室寄りの周壁を冷却する低温の冷却水の水温が閾値温度よりも低く、且つ、内燃機関が低速高負荷域に設定された特定運転領域で運転するときは、指標値が第１閾値を超える前に比べて、筒内噴射弁による燃料噴射の比率を下げてポート噴射弁による燃料噴射の比率を上げることによりＬＳＰＩの発生を抑制する。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、筒内噴射弁とポート噴射弁とを備える内燃機関の制御装置に関する。より詳しくは、シリンダの周囲壁面を冷却する冷却水よりも低温の冷却水によって、吸気の温度への影響が大きい部位を冷却するように構成された内燃機関に用いて好適な制御装置に関する。

ＬＳＰＩ（Low speed pre-ignition）と呼ばれる異常燃焼が知られている。ＬＳＰＩは、シリンダの壁面から燃焼室内に飛散した油滴や、燃焼によってシリンダ壁面から剥離したデポジットや、吸気ポートから剥離して燃焼室に流入したデポジットが着火源となって点火時期前に起きる異常燃焼であり、特に、低速高負荷域において発生しやすい。また、ＬＳＰＩは、筒内噴射を行なう内燃機関において発生しやすい異常燃焼でもある。筒内噴射弁から噴射される燃料は、蒸発前にシリンダの壁面のオイルと混ざりやすく、オイルの燃料希釈を促進する。オイルの燃料希釈が進むと、シリンダの壁面にできている油膜の表面張力が低下し、燃焼室内に油滴となって飛散しやすくなる。このことは、筒内噴射弁のみを備える内燃機関だけでなく、筒内噴射弁とポート噴射弁とを備える内燃機関にも当てはまる。通常の設定によれば、低速高負荷域では、筒内噴射弁による燃料噴射の比率が高くされる（一般的には１００パーセントに設定される）からである。

ＬＳＰＩは、トルク変動を生じさせて内燃機関の運転性を悪化させる。さらに、ＬＳＰＩが繰り返し起こることで、内燃機関の本体（具体的には、シリンダブロックやシリンダヘッド）や部品（具体的には、ピストンリングやピストン或いはバルブ等）の劣化が進行していく。下記の特許文献１には、前者の問題に対する解決策として、ＬＳＰＩの発生を検知した場合には、筒内噴射弁による燃料噴射の比率を下げてポート噴射弁による燃料噴射の比率を上げることによってＬＳＰＩの発生を抑制することが開示されている。また、下記の特許文献２には、後者の問題に対する解決策として、ＬＳＰＩの発生回数が走行距離に応じて設定される閾値を超えたら、空燃比をリッチ側に変更することによってＬＳＰＩの発生を抑制することが開示されている。

特開２０１４−２４０６２７号公報 特開２０１３−２０４５０７号公報

しかしながら、筒内噴射弁とポート噴射弁との間の燃料噴射の分担率や空燃比は、最適な燃費性能とエミッション性能が得られるように適合されているものであるから、それらを変更することは燃費性能やエミッション性能の観点からは望ましくない。つまり、上記の特許文献１や２に開示されている技術によれば、ＬＳＰＩの発生を抑えるという目的は達せられるものの、その副作用として燃費性能の悪化やエミッション性能の悪化を招くおそれがある。また、特許文献２に開示されている技術によれば、空燃比をリッチ化することによって、ＬＳＰＩの発生につながるシリンダ壁面のオイルの燃料希釈がさらに促進されるおそれがある。

ところで、本特許出願に係る発明者らは、内燃機関のシリンダブロックに２系統の冷却水流路を形成することについて検討している。具体的には、シリンダの周囲壁面を全体的に冷却する第１冷却水流路と、吸気の温度への影響が大きい部位を局所的に冷却する第２冷却水流路とを形成し、第２冷却水流路には第１冷却水流路を流れる冷却水よりも低温の冷却水を流すことを検討している。吸気の温度への影響が大きい部位とは、具体的には、吸気ポートと、シリンダの周囲壁面のうち燃焼室寄りの壁面である。

この構成によれば、吸気の温度への影響が大きい部位に限定して局所的に冷却を強めることができるので、フリクションを増大させることなく異常燃焼（ＬＳＰＩだけでなくノッキングも含む）の発生を効果的に抑制することができ、また、吸気の充填効率を向上させることもできるものと期待される。また、燃料噴射の分担率や空燃比を事後的に変更せずに済むことから、異常燃焼の発生を抑制しながら所期の燃費性能やエミッション性能を維持することができるものと期待される。

ただし、上記の検討中の技術（この技術は本特許出願の出願時点では未公知である）には解決すべき課題がある。何らかの理由によって、第２冷却水流路を流れる冷却水の水温が過度に低くなった場合、筒内噴射弁から噴射される燃料の蒸発がさらに遅れるために、シリンダの壁面においてオイルの燃料希釈が進みやすくなる。オイルの燃料希釈が進めば、前述のとおり燃焼室内に油滴が飛散しやすくなるし、シリンダの壁面におけるデポジットの増加も顕著になる。また、第２冷却水流路が吸気ポートを冷却する場合、吸気ポートが過度に冷却されることでデポジットの成長が促進され、それが剥離して燃焼室に流入することも懸念される。燃焼室内に飛散した油滴やデポジットは、ＬＳＰＩを発生させる要因であるから、これらが増大することでＬＳＰＩが発生する可能性は高くなる。つまり、上記の検討中の技術でも、ＬＳＰＩに対する対策は必要とされる。

ＬＳＰＩに関する問題のうち、より深刻な問題は、ＬＳＰＩの繰り返しにより内燃機関の劣化が進行することである。毎回のＬＳＰＩの発生を内燃機関の制御によって抑えることは、運転性の向上にはつながるものの、副作用として燃費性能やエミッション性能を低下させる。運転性と燃費性能及びエミッション性能とを比較した場合、昨今は後者に対する要求のほうが大きい。しかし、燃費性能及びエミッション性能の観点から毎回のＬＳＰＩの発生は許容したとしても、それが繰り返されることで生じる内燃機関の劣化は、内燃機関の寿命を低下させて車両の走行可能距離を大きく低下させることになるため放置しておくことはできない。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃費性能やエミッション性能の低下を抑えつつ、ＬＳＰＩの繰り返しによる内燃機関の劣化の進行を抑えることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、シリンダの上部に形成される燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁とを備える内燃機関に適用される。この内燃機関は、第１冷却水によってシリンダの周壁を冷却する第１冷却水流路と、第１冷却水よりも低温の第２冷却水によって、吸気の温度への影響が大きい部位を冷却する第２冷却水流路とを備える内燃機関でもある。第２冷却水流路により冷却される部位には、吸気ポートと、シリンダの第１冷却水流路により冷却される部位よりも燃焼室寄りの周壁の少なくとも一方が含まれる。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＬＳＰＩによる内燃機関の劣化度合いを示す指標値を計算する指標値計算手段と、この指標値を１つの判断材料としてＬＳＰＩの発生を抑制するための第１の処理を実施する第１のＬＳＰＩ抑制制御手段とを備えて構成される。第１のＬＳＰＩ抑制制御手段は、詳しくは、指標値が第１閾値を超えた場合、第２冷却水の水温が閾値温度よりも低く、且つ、内燃機関が低速高負荷域に設定された特定運転領域で運転することを条件としてＬＳＰＩの発生を抑制するための第１の処理を実施する。ＬＳＰＩの発生を抑制するための第１の処理では、指標値が第１閾値を超える前に比べて、筒内噴射弁による燃料噴射の比率を下げてポート噴射弁による燃料噴射の比率を上げることが実施される。

このように構成された制御装置によれば、指標値が第１閾値を超えたら単純にＬＳＰＩの発生を抑制するための第１の処理が実施されるのではなく、ＬＳＰＩの発生の蓋然性が高い条件、つまり、第２冷却水の水温が閾値温度よりも低いことと、内燃機関が特定運転領域で運転することが満たされた場合に限り、第１の処理が実施される。これにより、ＬＳＰＩの発生を抑制することの副作用として起きる燃費性能やエミッション性能の低下は抑えられる。また、第１の処理、つまり、筒内噴射弁による燃料噴射の比率を下げてポート噴射弁による燃料噴射の比率を上げることによれば、ＬＳＰＩの発生につながるシリンダ壁面のオイルの燃料希釈が抑えられるので、ＬＳＰＩの発生頻度を低下させて内燃機関の劣化の進行を抑えることができる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の好ましい形態では、さらに、上記の指標値を１つの判断材料としてＬＳＰＩの発生を抑制するための第２の処理を実施する第２のＬＳＰＩ抑制制御手段を備えて構成される。第２のＬＳＰＩ抑制制御手段は、詳しくは、指標値が第１閾値よりも大きい第２閾値を超えた場合、内燃機関が特定運転領域で運転することを条件としてＬＳＰＩの発生を抑制するための第２の処理を実施する。ＬＳＰＩの発生を抑制するための第２の処理では、指標値が第２閾値を超える前に比べて、第２冷却水の温度を上昇させることが行われる。

このような構成によれば、第１の処理が実施されてもＬＳＰＩの発生頻度が低下せず、指標値が第１閾値よりも大きい第２閾値を超えた場合、第１の処理に加えてＬＳＰＩの発生を抑制するための第２の処理が実施される。第２の処理、つまり、第２冷却水の温度を上昇させることによれば、シリンダ壁面（シリンダの燃焼室よりの壁面）の温度の上昇によってＬＳＰＩの発生につながるシリンダ壁面のオイルの燃料希釈がより効果的に抑えられるので、ＬＳＰＩの発生頻度を低下させて内燃機関の劣化の進行を抑えることができる。ただし、シリンダ壁面の温度が上昇することには、充填効率の低下やノッキングの助長といったデメリットもある。この点については、指標値が第２閾値を超えたら単純に第２の処理が実施されるのではなく、内燃機関が特定運転領域で運転する場合に限り、第２の処理が実施されることによって、デメリットは最小限に抑えられる。

以上述べたとおり、本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、燃費性能やエミッション性能の低下を抑えつつ、ＬＳＰＩの繰り返しによる内燃機関の劣化の進行を抑えることができる。

実施の形態の内燃機関の構成を模式的に示す図である。 実施の形態の内燃機関の冷却系の構成を示す図である。 ＬＴ流量制御の制御フローを示すフローチャートである。 ＬＳＰＩの発生領域を示す図である。 第１のＬＳＰＩ抑制制御の制御フローを示すフローチャートである。 第１のＬＳＰＩ抑制制御の効果を説明する図である。 第２のＬＳＰＩ抑制制御の制御フローを示すフローチャートである。 第２のＬＳＰＩ抑制制御の効果を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．内燃機関の構成
図１は、本実施の形態に係る内燃機関の構成を模式的に示す図である。図１には、内燃機関１を構成する要素がクランク軸に垂直な１つの平面上に投影して描かれている。本実施の形態に係る内燃機関１は、複数のシリンダ４を有する火花点火式の多気筒エンジン（以下、単にエンジンという）である。シリンダ４の数と配置に限定はない。エンジン１は、シリンダ４が形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３上に図示しないガスケットを介して配置されるシリンダヘッド２とを有している。シリンダ４内にはその軸方向に往復動するピストン８が配置されている。シリンダヘッド２の下面には、シリンダ４の上部空間であるペントルーフ形状の燃焼室６が形成されている。

シリンダヘッド２には、燃焼室６に連通する吸気ポート１０及び排気ポート１２が形成されている。吸気ポート１０の燃焼室６に連通する開口部には、吸気バルブ１４が設けられ、排気ポート１２の燃焼室６に連通する開口部には、排気バルブ１６が設けられている。図示はされていないが、吸気ポート１０は、シリンダヘッド２の側面に形成された入口から燃焼室６に連通する開口部に向かう途中で二股に分かれている。吸気ポート１０が二股に分かれる部分の上流には、吸気ポート１０の内部に燃料を噴射するポート噴射弁２４が設けられている。二股に分かれた吸気ポート１０の間であって、吸気ポート１０の下方には、先端が燃焼室６を臨むように、燃焼室６の内部に燃料を噴射する筒内噴射弁２６が設けられている。また、燃焼室６の頂部付近には、点火プラグ２０と、燃焼圧を計測するための燃焼圧センサ２２が設けられている。

エンジン１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００を備える。ＥＣＵ１００は、少なくとも入出力インタフェース、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有している。入出力インタフェースは、エンジン１及び車両に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、エンジン１が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＲＯＭには、エンジン１を制御するための各種の制御プログラムやマップを含む各種の制御データが記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラムをＲＯＭから読みだして実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

２．冷却系の構成
図２は、エンジン１の冷却系の構成を示す図である。エンジン１の冷却系には、冷却水を供給する冷却水循環システム３０，５０が２系統設けられている。冷却水の供給は、エンジン１のシリンダブロック３とシリンダヘッド２の両方に対して行われる。２系統の冷却水循環システム３０，５０はともに独立した閉ループであり、循環する冷却水の温度を異ならせることができる。以下、相対的に低温の冷却水が循環する冷却水循環システム３０をＬＴ冷却水循環システムと称し、相対的に高温の冷却水が循環する冷却水循環システム５０をＨＴ冷却水循環システムと称する。また、ＬＴ冷却水循環システム３０を循環する冷却水をＬＴ冷却水と称し、ＨＴ冷却水循環システム５０を循環する冷却水をＨＴ冷却水と称する。なお、ＬＴはLow Temperatureの略であり、ＨＴはHigh Temperatureの略である。

ＬＴ冷却水循環システム３０は、シリンダヘッド２の内部に形成されたヘッド内ＬＴ冷却水流路３２と、シリンダブロック３の内部に形成されたブロック内ＬＴ冷却水流路３４とを含む。ヘッド内ＬＴ冷却水流路３２は吸気ポート１０（図１参照）の近傍に設けられている。ブロック内ＬＴ冷却水流路３４はシリンダ４（図１参照）の燃焼室６（図１参照）よりの周壁、つまり、燃焼室６内を旋回する吸気流が特にあたりやすい部分を囲むように設けられている。吸気ポート１０や吸気バルブ１４（図１参照）の温度、そして、シリンダ４の上部の壁面温度はノッキングに対する感度が高い。よって、これらをヘッド内ＬＴ冷却水流路３２やブロック内ＬＴ冷却水流路３４によって重点的に冷却することにより、高負荷域でのノッキングの発生、さらには、低速高負荷域でのＬＰＳＩの発生を効果的に抑えることができる。なお、ヘッド内ＬＴ冷却水流路３２とブロック内ＬＴ冷却水流路３４とは、シリンダヘッド２とシリンダブロック３との合わせ面に形成された開口を介して接続されている。

シリンダヘッド２にはヘッド内ＬＴ冷却水流路３２に連通する冷却水入口と冷却水出口が形成されている。シリンダヘッド２の冷却水入口は冷却水導入管３６によってＬＴラジエータ４０の冷却水出口に接続され、シリンダヘッド２の冷却水出口は冷却水排出管３８によってＬＴラジエータ４０の冷却水入口に接続されている。冷却水導入管３６と冷却水排出管３８とは、ＬＴラジエータ４０をバイパスするバイパス管４２によって接続されている。バイパス管４２が冷却水排出管３８から分岐する分岐部には、三方弁４４が設けられている。冷却水導入管３６におけるバイパス管４２の合流部の下流には、ＬＴ冷却水を循環させるための電動ウォータポンプ４６が設けられている。電動ウォータポンプ４６の吐出量は、モータの出力を調整することによって任意に変更することができる。冷却水排出管３８における三方弁４４の上流には、エンジン１内を通過したＬＴ冷却水の温度（以下、ＬＴ水温という）を計測するための温度センサ４８が取り付けられている。本実施の形態においては、ＬＴ水温とは、温度センサ４８により計測される冷却水出口温度を意味するものとする。

ＨＴ冷却水循環システム５０は、シリンダブロック３の内部に形成されたブロック内ＨＴ冷却水流路５４と、シリンダヘッド２の内部に形成されたヘッド内ＨＴ冷却水流路５５とを含む。前述のブロック内ＬＴ冷却水流路３４が局所的に設けられたものであるのに対し、ブロック内ＨＴ冷却水流路５４はシリンダ４の周壁を囲むウォータジャケットの主要部を構成しシリンダ４の周壁を全体的に冷却している。ヘッド内ＨＴ冷却水流路５５は排気ポート近傍から吸気ポート近傍にかけて設けられている。吸気ポート１０を流れる吸気は、ヘッド内ＨＴ冷却水流路５５を流れるＨＴ冷却水によって粗熱をとられてから、より低温のＬＴ冷却水が流れるヘッド内ＬＴ冷却水流路３２によって冷却される。なお、ヘッド内ＨＴ冷却水流路５５とブロック内ＨＴ冷却水流路５４とは、シリンダヘッド２とシリンダブロック３との合わせ面に形成された開口を介して接続されている。

シリンダブロック３にはブロック内ＨＴ冷却水流路５４に連通する冷却水入口と冷却水出口が形成されている。シリンダブロック３の冷却水入口は冷却水導入管５６によってＨＴラジエータ６０の冷却水出口に接続され、シリンダヘッド２の冷却水出口は冷却水排出管５８によってＨＴラジエータ６０の冷却水入口に接続されている。冷却水導入管５６と冷却水排出管５８とは、ＨＴラジエータ６０をバイパスするバイパス管６２によって接続されている。バイパス管６２が冷却水導入管５６に合流する合流部には、サーモスタット６４が設けられている。冷却水導入管５６におけるサーモスタット６４の下流には、ＨＴ冷却水を循環させるための機械式のウォータポンプ６６が設けられている。ウォータポンプ６６はエンジン１のクランクシャフトにベルトを介して連結されている。冷却水排出管５８におけるバイパス管６２の分岐部の上流には、エンジン１内を通過したＨＴ冷却水の温度（以下、ＨＴ水温という）を計測するための温度センサ６８が取り付けられている。本実施の形態においては、ＨＴ水温とは、温度センサ６８により計測される冷却水出口温度を意味するものとする。

上述のように、ＨＴ冷却水循環システム５０では、ウォータポンプ６６はエンジン１により駆動されるため、ＨＴ冷却水はエンジン１の運転中は常に循環する。ＨＴ冷却水循環システム５０を循環する冷却水の水温は、サーモスタット６４によって自動的に調整される。一方、ＬＴ冷却水循環システム３０では、電動ウォータポンプ４６が用いられるため、エンジン１の運転に関係なくＬＴ冷却水を循環させたり停止させたりすることができる。また、電動ウォータポンプ４６に与える駆動デューティによって循環するＬＴ冷却水の流量を制御することができる。また、ＬＴ冷却水循環システム３０を循環するＬＴ冷却水の水温は、三方弁４４或いは電動ウォータポンプ４６の操作によって能動的に調整することができる。

ＬＴ冷却水循環システム３０の三方弁４４と電動ウォータポンプ４６の操作は、制御装置１００により行われる。制御装置１００は、電動ウォータポンプ４６を操作してＬＴ冷却水の流量（以下、ＬＴ流量という）を制御することによって、また、三方弁４４を操作してＬＴラジエータ４０をバイパスするＬＴ冷却水の割合を制御することによって、ヘッド内ＬＴ冷却水流路３２やブロック内ＬＴ冷却水流路３４を流れるＬＴ冷却水の水温を適温に調整する。

なお、上述のように構成されるエンジン１の冷却系と特許請求の範囲に係る発明との関係では、ブロック内ＨＴ冷却水流路５４は第１冷却水流路に相当し、ＨＴ冷却水は第１冷却水に相当する。また、ブロック内ＬＴ冷却水流路３４は第２冷却水流路に相当し、ＬＴ冷却水は第２冷却水に相当する。

３．ＬＴ流量制御
制御装置１００は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３のそれぞれの要部を適温に冷却するためにＬＴ流量を制御する。図３は、制御装置１００によるＬＴ流量制御の制御フローを示すフローチャートである。制御装置１００は、このようなフローで表されるルーチンをＥＣＵのクロック数に対応する所定の制御周期で繰り返し実行する。

まず、制御装置１００は、ステップＳ２において、ヘッド内ＬＴ冷却水流路３２やブロック内ＬＴ冷却水流路３４を流れるＬＴ冷却水の目標温度であるＬＴ目標水温を設定する。制御装置１００は、ノッキング等の異常燃焼を抑制するための冷却水温度をＬＴ目標水温として決定する。制御装置１００のＲＯＭに記憶されたマップにおいて、ＬＴ目標水温はエンジン回転速度及び負荷（詳しくは、充填効率）で特定されるエンジン１の運転状態に関連付けられている。

次に、制御装置１００は、ステップＳ４において、ステップＳ２で設定されたＬＴ目標水温に対して必要な補正を行なう。制御装置１００は、ノッキングの検出結果に基づいてＬＴ水温を学習するＬＴ水温学習機能を有している。ＬＴ水温学習機能によれば、燃焼圧センサ２２の信号からノッキングが検知された場合、ＬＴ水温を低下させ、ノッキングを抑制できる温度を学習することが行なわれる。制御装置１００は、ＬＴ水温学習機能によって学習した温度からＬＴ目標水温に対する補正量を算出し、その補正量をＬＴ目標水温に反映する。さらに、制御装置１００は、ＬＳＰＩの発生状況に応じてＬＴ目標水温を補正する機能を有している。この機能については、後の章で詳しく説明する。

次に、制御装置１００は、ステップＳ６において、ステップＳ４で補正されたＬＴ目標水温からＬＴ流量の要求値であるＬＴ要求流量を算出する。詳しくは、制御装置１００は、予め用意されたＬＴ目標水温とＬＴ要求流量とを関連付けるマップを参照してＬＴ要求流量のフィードフォワード項を算出するとともに、ＬＴ目標水温と温度センサ４８により計測されたＬＴ冷却水の現在温度（出口温度）との差分に基づくフィードバック制御によって、ＬＴ要求流量のフィードバック項を算出する。

次に、制御装置１００は、ステップＳ８において、ステップＳ６で決定されたＬＴ要求流量から電動ウォータポンプ４６の駆動デューティを決定する。ただし、ＬＴ冷却水循環システム３０内にＬＴ流量を調節するバルブが設けられているのであれば、そのバルブの開度を操作することでＬＴ流量を調節することもできる。

最後に、制御装置１００は、ステップＳ１０において、ステップＳ８で決定された駆動デューティによって電動ウォータポンプ４６を操作し、ヘッド内ＬＴ冷却水流路３２及びブロック内ＬＴ冷却水流路３４への通水を実施する。これにより、ＬＴ流量が変化し、シリンダヘッド２とシリンダブロック３のそれぞれの要部は適温に冷却される。

４．ＬＳＰＩの検知
ＬＳＰＩは、燃焼室６内に飛散した油滴等を着火源として、点火プラグ２０による正規の点火前に起きる異常燃焼である。図４は、ＬＳＰＩの発生領域を示す図である。図４に示すように、エンジン回転速度と負荷（詳しくは、充填効率）とで定められる運転領域のうち、低速高負荷域にＬＳＰＩが発生しやすい領域がある。図４には、各運転領域における、ポート噴射弁２４による燃料噴射（ＰＦＩ）と筒内噴射弁２６による燃料噴射（ＤＩ）との間の分担比率が併せて示されている。低負荷領域では、ＰＦＩとＤＩとの比率は５０：５０に設定されているのに対し、高負荷領域では、ＰＦＩとＤＩとの比率は０：１００に設定されている。このように、筒内噴射弁２６による燃料噴射の比率が高くされていることが、低速高負荷域においてＬＳＰＩが発生しやすい１つの理由になっている。

ＬＳＰＩが発生した場合には、燃焼室６の圧力が異常に高くなる。制御装置１００は、燃焼圧センサ２２の信号を取り込んで処理することにより、ＬＳＰＩを検知する。ＬＳＰＩはエンジン１の本体や部品を劣化させる。エンジン１の劣化がどれだけ進行したか、つまり、エンジン１の劣化度合いは、ＬＳＰＩの発生履歴に依存する。ＬＳＰＩの発生履歴には、ＬＳＰＩが繰り返し起きた回数、発生の頻度、各回のＬＳＰＩの強度等が含まれる。

制御装置１００は、車両がオフラインされてからのＬＳＰＩの累積回数をカウンタによって計数している。ＬＳＰＩが発生するごとに劣化が進行すると考えられるから、その累積回数が大きくなるほど劣化度合いも大きくなると考えてよい。よって、制御装置１００が計数するＬＳＰＩの累積回数は、エンジン１の劣化度合いを示す指標値として用いることができる。なお、本実施の形態では燃焼圧センサ２２によってＬＳＰＩを検知しているが、ノックセンサをＬＳＰＩの検知手段として用いることもできる。ノックセンサにより検知した振動がノッキングによるものかＬＳＰＩによるものかは、振動の強度と検知したクランク角度とから判断することができる。

５．第１のＬＳＰＩ抑制制御
５−１．第１のＬＳＰＩ抑制制御の概要
制御装置１００は、ＬＳＰＩを検知したとしても、それに対する回避策を直ぐにとることはしない。回避策をとることによる運転性の向上よりも、燃費性能の悪化やエミッション性能の悪化を生じさせないことを優先するためである。しかし、ＬＳＰＩが繰り返されると、エンジン１の本体や部品の劣化が進行していき、劣化による部品の破損等の車両の走行に支障をきたす事態が発生するおそれがある。このような事態を避けるため、制御装置１００は、ＬＳＰＩの累積回数が走行距離に応じて決まる閾値を超えることを１つの条件として、ＬＳＰＩを抑制するための処理を実施する。

制御装置１００が実施するＬＳＰＩを抑制するための処理には、２つの処理がある。第１の処理は、筒内噴射弁２６による燃料噴射の比率を下げてポート噴射弁２４による燃料噴射の比率を上げる処理である。筒内噴射弁２６による燃料噴射の比率を下げれば、ＬＳＰＩの発生につながるシリンダ４の壁面のオイルの燃料希釈が抑えられるので、ＬＳＰＩの発生頻度を低下させて劣化の進行を抑えることができる。

制御装置１００は、第１の処理を実行する条件として、次の３つの条件を定めている。第１の処理の１つ目の条件は、ＬＳＰＩの累積回数が第１閾値を越えることである。第１閾値は走行距離の関数とされていて、走行距離が延びるのに合わせて値は大きくなっていく。エンジン１の劣化の進み具合は、走行距離に対するＬＳＰＩの累積回数、つまり、ＬＳＰＩの発生頻度に依存する。このため、第１閾値は、保障すべき走行距離を達成する上で許容されるＬＳＰＩの発生頻度から決められている。

第１の処理の２つ目の条件は、ＬＳＰＩの発生領域でエンジン１が運転することである。制御装置１００の制御プログラムにおいて、ＬＳＰＩの発生領域はエンジン回転速度と負荷によって予め特定されている。この予め特定された運転領域（特定運転領域）でエンジン１が運転される場合には他の領域に比べてＬＳＰＩが発生する確率は高い。逆に言えば、特定運転領域の外ではＬＳＰＩが発生する確率は高くないので、第１の処理を実行する必要はないし、燃費性能やエミッション性能の観点からは寧ろ実行しないほうが好ましい。

第１の処理の３つ目の条件は、ＬＴ水温が所定の閾値温度よりも低いことである。ＬＴ目標水温を設定するマップでは、ＬＴ目標水温はＬＰＳＩが発生しにくい温度に初期設定されている。しかし、ＬＴ水温学習機能が働いたときには、ノッキングを抑制するようにＬＴ水温が初期設定値よりも低下させられる場合がある。また、ＨＴ冷却水循環システム５０に冷却異常が発生してＨＴ水温が下がらないときには、ＨＴ冷却水循環システム５０の冷却性能の低下分をＬＴ冷却水による冷却によって補うように、電動ウォータポンプ４６の駆動デューティを最大にすることが行なわれる場合がある。これらの場合、ＬＴ水温が過度に低下することにより、ヘッド内ＬＴ冷却水流路３２によって冷却される吸気ポート１０や、ブロック内ＬＴ冷却水流路３４によって冷却されるシリンダ４の燃焼室６よりの周壁において、壁面温度の過度の低下を招く可能性がある。このことは、筒内噴射弁２６から噴射される燃料の蒸発を遅らせ、シリンダ４の壁面においてオイルの燃料希釈を進行させる。３つ目の条件の成否の判定基準となる閾値温度は、ＬＳＰＩの発生が顕著になる温度（例えば４０から５０℃）に設定されている。

制御装置１００は、上記の３つの条件の全てが満たされた場合に限り、第１の処理を実行する。第１の処理では、指標値が第１閾値を超える前に比べて、筒内噴射弁２６による燃料噴射の比率を下げてポート噴射弁２４による燃料噴射の比率を上げること、具体的には、ＰＦＩとＤＩとの比率を０：１００から５０：５０に変更することが行なわれる。

上記の３つの条件の成否を判定し、第１の処理を実行するためのエンジン制御を、第１のＬＳＰＩ抑制制御という。制御装置１００のＲＯＭには、第１のＬＳＰＩ抑制制御の制御プログラムが記憶されている。

５−２．第１のＬＳＰＩ抑制制御の制御フロー
図５は、制御装置１００による第１のＬＳＰＩ抑制制御の制御フローを示すフローチャートである。制御装置１００は、このようなフローで表されるルーチンをＥＣＵのクロック数に対応する所定の制御周期で繰り返し実行する。

まず、制御装置１００は、ステップＳ１０２において、温度センサ４８により計測されたＬＴ水温（ｅｔｈｗｌ）を読み込む。次に、制御装置１００は、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０２で読みこんだＬＴ水温（ｅｔｈｗｌ）と閾値温度（ＴＨｔ）とを比較し、ＬＴ水温が閾値温度より低いかどうか判定する。ステップＳ１０４の判定は、前述の３つ目の条件に関する判定である。

ＬＴ水温が閾値温度より低い場合、制御装置１００は、ステップＳ１０６において、ＬＳＰＩの累積回数（Ｃｌｓｐｉ）を読み込む。前述のように、ＬＳＰＩの累積回数は、ＬＳＰＩが検知されるごとにカウンタによって計数されている。次に、制御装置１００は、ステップＳ１０８において、ステップＳ１０６で読みこんだＬＳＰＩの累積回数（Ｃｌｓｐｉ）と第１閾値（ＴＨｃ1）とを比較し、ＬＳＰＩの累積回数が第１閾値を超えているかどうか判定する。第１閾値はマップにおいて走行距離に関連付けられ、現在の走行距離に応じた第１閾値の値がマップから読み出される。ステップＳ１０８の判定は、前述の１つ目の条件に関する判定である。

ＬＳＰＩの累積回数が第１閾値を超えている場合、制御装置１００は、ステップＳ１１０において、エンジン回転速度（ＮＥ）及び負荷（ＫＬ）を読み込む。負荷（充填効率）はエアフローメータで計測される吸気量とエンジン回転速度とから計算される。次に、制御装置１００は、ステップＳ１１２において、ステップＳ１１０で読みこんだエンジン回転速度及び負荷で特定されるエンジン１の動作点が、ＬＳＰＩ発生領域に該当する特定運転領域に入っているかどうか判定する。ステップＳ１１２の判定は、前述の２つ目の条件に関する判定である。

エンジン１の動作点が特定運転領域に入って前述の３つの条件の全てが満たされた場合、制御装置１００は、ステップＳ１１４において、筒内噴射弁２６とポート噴射弁２４との間の噴射比率を変更する。つまり、前述の第１の処理を実行する。具体的には、前出の図４に示すように、高負荷領域でのＰＦＩとＤＩとの比率は０：１００に初期設定されているが、これを低負荷領域でのＰＦＩとＤＩとの比率と同様に、５０：５０に変更することが行われる。

ステップＳ１０４、Ｓ１０８、Ｓ１１２の何れか１つでも判定結果が否定であった場合、ステップＳ１１４の処理は実行されない。この場合、予め設定されている噴射比率が維持される。

５−３．第１のＬＳＰＩ抑制制御の効果
図６に示すグラフは、走行距離に対するＬＳＰＩ累積回数の変化を示している。細い実線で描かれた曲線は、１系統の冷却系を備える一般的なエンジンにおけるＬＳＰＩ累積回数の走行距離による変化を示している。対して、破線で描かれた曲線と太い実線で描かれた曲線は、低温と高温の２系統の冷却系を備えるエンジンにおけるＬＳＰＩ累積回数の走行距離による変化を示している。実施の形態のような２系統の冷却系を備えるエンジンでは、ノッキング抑制のためのＬＴ水温学習機能が働いた結果、低速高負荷域でＬＳＰＩが発生しやすくなり、走行距離に対するＬＳＰＩ累積回数の増加率が１系統の冷却系をエンジンよりも大きくなることがあり得る。図６は、そのような例を表している。

破線で描かれた曲線と太い実線で描かれた曲線との違いは、第１のＬＳＰＩ抑制制御の実施の有無である。第１のＬＳＰＩ抑制制御が実施されない場合、破線で描かれるように、ＬＳＰＩ累積回数は高い増加率で増加し続け、早い段階にてフェイルセーフの実施が必要となるおそれがある。フェイルセーフでは、エンジン１の劣化による破損を防ぐことを最優先とするため、トルクの制限などの運転性やその他の性能への影響が大きい措置がとられる。

対して、第１のＬＳＰＩ抑制制御が実施される場合、実線で描かれるように、ＬＳＰＩ累積回数が第１閾値ライン（走行距離に対する第１閾値の変化を示す線）を超えてからのＬＳＰＩ累積回数の増加率は低減される。ＬＳＰＩ累積回数が第１閾値ラインを下回った場合、第１の処理の実行は解除されるため、ＬＳＰＩ累積回数の増加率は再び上昇するようになる。しかし、第１閾値ラインを超えるたびに第１の処理が実行されることで、ＬＳＰＩ累積回数はおおむね第１閾値ラインに沿って変化するようになる。これにより、エンジン１の劣化の進行が抑えられ、所期の走行距離までエンジン１を耐用させることが可能となる。

６．第２のＬＳＰＩ抑制制御
６−１．第２のＬＳＰＩ抑制制御の概要
制御装置１００が実施するＬＳＰＩを抑制するための２つ目の処理は、ＬＴ水温を上昇させる処理である。ＬＴ水温を上昇させてＨＴ水温に近づければ、ＬＴ冷却水によって冷却されているシリンダ４の壁面（シリンダ４の燃焼室６よりの壁面）の温度が上昇し、筒内噴射弁２６から噴射された燃料の蒸発が進むことで、ＬＳＰＩの発生につながるシリンダ４の壁面のオイルの燃料希釈が抑えられる。ただし、ＬＴ水温を上昇させると、エンジン１が低温と高温の２系統の冷却系を備えることのメリットも同時に低減することになる。

制御装置１００は、第２の処理を実行する条件として、次の２つの条件を定めている。第２の処理の１つ目の条件は、ＬＳＰＩの累積回数が第１閾値よりも大きい第２閾値を越えることである。第１閾値と同様に、第２閾値も走行距離の関数とされている。第２閾値は第１閾値よりも大きい値であることから、第１のＬＳＰＩ制御によって第１の処理が実行されてＬＳＰＩ累積回数の増加率が低減した場合には、ＬＳＰＩの累積回数が第２閾値を超える可能性は低い。つまり、第２の処理は、第１の処理を実行してもなおＬＳＰＩ累積回数の増加率が低減しなかった場合に限って実行される、フェイルセーフに準じた処理である。

第２の処理の２つ目の条件は、ＬＳＰＩの発生領域でエンジン１が運転することである。ＬＳＰＩの発生領域に対応して設定された特定運転領域でエンジン１が運転される場合に限り、第２の処理が実行される。

制御装置１００は、上記の２つの条件の全てが満たされた場合に限り、第２の処理を実行する。第２の処理では、指標値が第２閾値を超える前に比べて、ＬＴ水温を上昇させること、具体的には、ＬＴ目標水温を上昇側に補正することが行なわれる。ＬＴ目標水温の補正値は、ＬＳＰＩの累積回数が第２閾値を超え、その差分が大きくなるほど大きい値に設定される。

上記の２つの条件の成否を判定し、第２の処理を実行するためのエンジン制御を、第２のＬＳＰＩ抑制制御という。制御装置１００のＲＯＭには、第２のＬＳＰＩ抑制制御の制御プログラムが記憶されている。

６−２．第２のＬＳＰＩ抑制制御の制御フロー
図７は、制御装置１００による第２のＬＳＰＩ抑制制御の制御フローを示すフローチャートである。制御装置１００は、このようなフローで表されるルーチンをＥＣＵのクロック数に対応する所定の制御周期で繰り返し実行する。また、制御装置１００は、第２のＬＳＰＩ抑制制御のルーチンを第１のＬＳＰＩ抑制制御のルーチンと並行して実行する。

まず、制御装置１００は、ステップＳ２０２において、ＬＳＰＩの累積回数（Ｃｌｐｓｉ）を読み込む。次に、制御装置１００は、ステップＳ２０４において、ステップＳ２０２で読みこんだＬＳＰＩの累積回数（Ｃｌｐｓｉ）と第２閾値（ＴＨｃ２）とを比較し、ＬＳＰＩの累積回数が第２閾値を超えているかどうか判定する。第２閾値はマップにおいて走行距離に関連付けられ、現在の走行距離に応じた第２閾値の値がマップから読み出される。ステップＳ２０４の判定は、前述の１つ目の条件に関する判定である。

ＬＳＰＩの累積回数が第２閾値を超えている場合、制御装置１００は、ステップＳ２０６において、エンジン回転速度（ＮＥ）及び負荷（ＫＬ）を読み込む。次に、制御装置１００は、ステップＳ２０８において、ステップＳ２０６で読みこんだエンジン回転速度及び負荷で特定されるエンジン１の動作点が、ＬＳＰＩ発生領域に該当する特定運転領域に入っているかどうか判定する。ステップＳ２０８の判定は、前述の２つ目の条件に関する判定である。

エンジン１の動作点が特定運転領域に入って前述の２つの条件の全てが満たされた場合、制御装置１００は、ステップＳ２１０において、ＬＴ目標水温に対する補正値を算出する。つまり、前述の第２の処理を実行する。制御装置１００のＲＯＭには、ＬＳＰＩ累積回数（Ｃｌｐｓｉ）と第２閾値（ＴＨｃ２）との差に補正値を関連付けるマップが記憶されている。図７には、そのマップの例が示されている。この例では、ＬＳＰＩ累積回数が第２閾値と等しい場合の補正値は２℃とされ、ＬＳＰＩ累積回数が第２閾値よりも１回大きくなるごとに、補正値は２℃ずつ高くされている。ステップＳ２１０で算出された補正値は、前述のＬＴ流量制御のステップＳ４において、ステップＳ２で設定されたＬＴ目標水温に加算される。

ステップＳ２０４、Ｓ２０８の何れか１つでも判定結果が否定であった場合、ステップＳ２１０の処理は実行されない。この場合、現在制御されているＬＴ水温が維持される。

６−３．第２のＬＳＰＩ抑制制御の効果
図８に示すグラフは、本実施の形態のエンジンにおける走行距離に対するＬＳＰＩ累積回数の変化を示している。このグラフに示す例では、ＬＳＰＩ累積回数が第１閾値ラインを超えた後、第１の処理が実行されることで一旦はＬＳＰＩ累積回数の増加率は低減されている。しかし、再びＬＳＰＩ累積回数の増加率は上昇に転じている。

このとき、第１のＬＳＰＩ抑制制御のみが実施されるのであれば、ＬＳＰＩ累積回数は高い増加率で増加し続け、やがてフェイルセーフの実施が必要となるおそれがある。しかし、本実施の形態では、第１のＬＳＰＩ抑制制御だけでなく第２のＬＳＰＩ抑制制御も実施されているので、ＬＳＰＩ累積回数が第２閾値ライン（走行距離に対する第２閾値の変化を示す線）を超えてからのＬＳＰＩ累積回数の増加率は低減される。これにより、エンジン１の劣化の進行が抑えられ、所期の走行距離までエンジン１を耐用させることが可能となる。

７．その他
上述の実施の形態では、ＬＰＳＩを検知して、その累積回数をエンジン１の劣化度合いを示す指標値として用いている。ただし、ＬＳＰＩの発生毎にＬＳＰＩの強度で重み付けしたパラメータを計算し、そのパラメータの値を積算したものを指標値とすることもできる。ＬＳＰＩの強度は、例えば、燃焼圧センサ２２により計測される燃焼圧の振幅から推定することができる。また、ＬＳＰＩの発生毎にＬＳＰＩの発生頻度で重み付けしたパラメータを計算し、そのパラメータの値を積算したものを指標値とすることもできる。ＬＳＰＩの発生頻度は、一定の走行距離或いは走行時間におけるＬＳＰＩの発生回数として定義されるが、簡易的には、前回の発生から今回の発生までの走行距離或いは時間の逆数をＬＳＰＩの発生頻度としてもよい。

第１閾値及び第２閾値を決定するパラメータとして走行距離を用いているが、エンジン１の運転時間をパラメータとして第１閾値及び第２閾値を決定してもよい。特に、ＬＳＰＩ領域（特定運転領域）での運転時間をパラメータとして第１閾値及び第２閾値を決定することが好ましい。

第２のＬＳＰＩ抑制制御は必ずしも必須ではない。少なくとも第１のＬＳＰＩ抑制制御が実施されれば、エンジン１の劣化の進行を抑え、所期の走行距離までエンジン１を耐用させることが可能となる。第２のＬＳＰＩ抑制制御は、所期の走行距離までエンジン１を耐用させることをより確実にするために実施することが好ましい制御である。

１ エンジン
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ シリンダ
６ 燃焼室
１０ 吸気ポート
１４ 吸気バルブ
２０ 点火プラグ
２２ 燃焼圧センサ
２４ ポート噴射弁
２６ 筒内噴射弁
３０ ＬＴ冷却水循環システム
３２ ヘッド内ＬＴ冷却水流路
３４ ブロック内ＬＴ冷却水流路
４０ ＬＴラジエータ
４６ 電動ウォータポンプ
４８ 温度センサ
５０ ＨＴ冷却水循環システム
５４ ブロック内ＨＴ冷却水流路
５５ ヘッド内ＨＴ冷却水流路
６０ ＨＴラジエータ
６８ 温度センサ
１００ 制御装置

シリンダブロック３にはブロック内ＨＴ冷却水流路５４に連通する冷却水入口と冷却水出口が形成されている。シリンダブロック３の冷却水入口は冷却水導入管５６によってＨＴラジエータ６０の冷却水出口に接続され、シリンダブロック３の冷却水出口は冷却水排出管５８によってＨＴラジエータ６０の冷却水入口に接続されている。冷却水導入管５６と冷却水排出管５８とは、ＨＴラジエータ６０をバイパスするバイパス管６２によって接続されている。バイパス管６２が冷却水導入管５６に合流する合流部には、サーモスタット６４が設けられている。冷却水導入管５６におけるサーモスタット６４の下流には、ＨＴ冷却水を循環させるための機械式のウォータポンプ６６が設けられている。ウォータポンプ６６はエンジン１のクランクシャフトにベルトを介して連結されている。冷却水排出管５８におけるバイパス管６２の分岐部の上流には、エンジン１内を通過したＨＴ冷却水の温度（以下、ＨＴ水温という）を計測するための温度センサ６８が取り付けられている。本実施の形態においては、ＨＴ水温とは、温度センサ６８により計測される冷却水出口温度を意味するものとする。

５−３．第１のＬＳＰＩ抑制制御の効果
図６に示すグラフは、走行距離に対するＬＳＰＩ累積回数の変化を示している。細い実線で描かれた曲線は、１系統の冷却系を備える一般的なエンジンにおけるＬＳＰＩ累積回数の走行距離による変化を示している。対して、破線で描かれた曲線と太い実線で描かれた曲線は、低温と高温の２系統の冷却系を備えるエンジンにおけるＬＳＰＩ累積回数の走行距離による変化を示している。実施の形態のような２系統の冷却系を備えるエンジンでは、ノッキング抑制のためのＬＴ水温学習機能が働いた結果、低速高負荷域でＬＳＰＩが発生しやすくなり、走行距離に対するＬＳＰＩ累積回数の増加率が１系統の冷却系を備えるエンジンよりも大きくなることがあり得る。図６は、そのような例を表している。

Claims (2)

1. シリンダの上部に形成される燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、
   吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁と、
   前記シリンダの周壁を冷却する第１冷却水流路と、
   前記第１冷却水流路を流れる第１冷却水よりも低温の第２冷却水により、前記吸気ポート或いは前記シリンダの前記第１冷却水流路により冷却される部位よりも前記燃焼室寄りの周壁を冷却する第２冷却水流路と、を備える内燃機関の制御装置において、
   ＬＳＰＩによる前記内燃機関の劣化度合いを示す指標値を計算する指標値計算手段と、
   前記指標値が第１閾値を超えた場合、前記第２冷却水の水温が閾値温度よりも低く、且つ、前記内燃機関が低速高負荷域に設定された特定運転領域で運転するときは、前記指標値が前記第１閾値を超える前に比べて、前記筒内噴射弁による燃料噴射の比率を下げて前記ポート噴射弁による燃料噴射の比率を上げる第１のＬＳＰＩ抑制制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記指標値が前記第１閾値よりも大きい第２閾値を超えた場合、前記内燃機関が前記特定運転領域で運転するときは、前記指標値が前記第２閾値を超える前に比べて、前記第２冷却水の温度を上昇させる第２のＬＳＰＩ抑制制御手段、をさらに備え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。

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