JP2017186965A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンが低温になっている内燃機関の始動直後、トルクの変動を抑えながらＰＮを低減することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置は、ピストンの温度が所定温度以下である場合、ピストンの温度が所定温度より高い場合に比べて、筒内燃料噴射弁の吸気行程噴射における噴射時期を遅角するとともに、さらに吸入空気量が所定量以下である場合は、点火時期をＭＢＴ点火時期に比べて遅角する。
【選択図】図２

Description

本発明は、筒内燃料噴射弁を備える火花点火式の内燃機関の制御装置に関する。

筒内燃料噴射弁を備える火花点火式の内燃機関では、ピストン温度が低温となっている始動直後は、吸気行程で噴射された燃料がピストンに付着し、それが点火時期になっても蒸発せずに液状のまま残っていることで、ＰＮ（ＰＭ（Particulate matter）の粒子数）が増大するおそれがある。このため、特開２００９−１０３１０６号公報に記載されている従来技術では、ピストン温度が所定温度未満である場合、ピストン温度が同所定温度以上である場合に比べて燃料の噴射時期を遅角することが行われる。燃料の噴射時期を遅角することで、噴射孔からピストンの冠面までの距離を長くして、燃料のピストンへの付着を抑えることができる。

特開２００９−１０３１０６号公報 特開２００６−１１２３２９号公報

しかし、筒内燃料噴射弁の吸気行程噴射における噴射時期を遅角すれば、ピストンに対する燃料の付着は抑えられる一方で、シリンダの壁面に付着する燃料の量は増加する。燃料のシリンダ壁面への付着は、燃料のピストンへの付着と同じくＰＮを増大させる。この問題に対する一つの解決策としては、例えば、特開２００６−１１２３２９号公報に記載されているように、燃料噴射時期から点火時期までの間隔を大きくとって燃料が蒸発する時間を確保することを挙げることができる。ただし、無闇な点火時期の遅角はトルクの変動を招きドライバビリティを低下させてしまう。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、ピストンが低温になっている内燃機関の始動直後、トルクの変動を抑えながらＰＮを低減す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、筒内燃料噴射弁を備える火花点火式の内燃機関の制御装置であって、ピストンの温度を推定するピストン温度推定手段と、推定されたピストン温度に基づいて筒内燃料噴射弁の噴射時期を制御する噴射時期制御手段と、同ピストン温度に基づいて点火時期を制御する点火時期制御手段と、を備える。噴射時期制御手段は、ピストンの温度が所定温度以下である場合、ピストンの温度が所定温度より高い場合に比べて、筒内燃料噴射弁の吸気行程噴射における噴射時期を遅角するように構成される。点火時期制御手段は、ピストンの温度が同所定温度以下であって、吸入空気量が所定量以下である場合、点火時期をＭＢＴ点火時期に比べて遅角するように構成される。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、ピストン温度が低い場合には、筒内燃料噴射弁の吸気行程噴射における噴射時期を遅角することで、ピストンに対する燃料の付着量を低減することができる。さらに、吸入空気量が少なく点火時期に対するトルクの感度が低い場合には、点火時期をＭＢＴ点火時期に比べて遅角することで、吸気行程で噴射された燃料が蒸発する時間を稼ぐことができる。これらの作用により、ピストンが低温になっている内燃機関の始動直後、トルクの変動を抑えながらＰＮを低減することができる。

本発明が適用される内燃機関の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置によりエンジン始動の直後に実行されるＰＮ低減のためのエンジン制御の制御フローを示すフローチャートである。 エンジン水温から燃料噴射時期を決定するためのマップのイメージを示す図である。 燃料噴射時期と燃料の付着量との関係を示す図である。 水温及び油温に対する燃料噴射時期の遅角量及び点火時期の遅角量の関係を示す図である。 吸入空気量から点火時期の遅角量を決定するためのマップのイメージを示す図である。 燃料噴射量と吸入空気量からピストン温度の増加量を推定するためのマップのイメージを示す図である。 ピストン温度の増加量から燃料噴射時期の進角量を決定するためのマップのイメージを示す図である。

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。

図１は、本発明が適用さる内燃機関の構成の概略を示す図である。図１には、内燃機関（以下、単にエンジンという）１０を構成する要素がクランク軸１６に垂直な１つの平面上に投影して描かれている。エンジン１０は、複数のシリンダ１３を有する火花点火式の多気筒エンジンである。シリンダ１３の数と配置に限定はない。シリンダブロック１１におけるシリンダ１３内には、その軸方向に往復動するピストン１４が配置されている。シリンダ１３の壁面とシリンダヘッド１２の下面としての筒内天井部とピストン１４の頂面とにより燃焼室１８が構成されている。

シリンダヘッド１２には、燃焼室１８に連通する吸気ポート１９及び排気ポート２０が形成されている。吸気ポート１９の燃焼室１８に連通する開口部には、吸気バルブ２１が設けられ、排気ポート２０の燃焼室１８に連通する開口部には、排気バルブ２２が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１８に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁４１が装着されている。筒内燃料噴射弁４１は、吸気ポート１９側に位置し、先端をピストン１４の冠面に向けて傾斜して配置されている。また、燃焼室１８の頂部付近には、混合気に点火するための点火プラグ４５が設けられている。

吸気ポート１９には、吸気マニホールド３５を介してサージタンク３６が連結されている。サージタンク３６には、スロットルバルブ３９が設けられた吸気管３７が連結されている。吸気管３７の空気取入口にはエアクリーナ３８が設けられ、吸気管３７のエアクリーナ３８より下流であってスロットルバルブ３９より上流にはエアフローセンサ５２と吸気温センサ５３が取り付けられている。一方、排気ポート２０には、排気マニホールド４６を介して排気管４７が連結されている。排気管４７には排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を浄化処理する三元触媒４８，４９が装着されている。

エンジン１０は、制御装置５１を備える。また、エンジン１０には、エアフローセンサ５２と吸気温センサ５３の他にも、クランク角センサ５７、エンジン水温センサ５８、油温センサ６３、アクセル開度センサ５６等の種々のセンサが取り付けられている。これらのセンサは、制御装置５１に電気的に接続されている。制御装置５１は、これらのセンサから入力される信号に基づきエンジン１０が備える様々な装置及びアクチュエータを操作することにより、エンジン１０の運転を制御する。制御装置５１は、少なくとも１つのＣＰＵ、少なくとも１つのＲＯＭ、少なくとも１つのＲＡＭを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。ただし、制御装置５１は、複数のＥＣＵから構成されていてもよい。制御装置５１では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＣＰＵで実行することで、エンジン制御に係る様々な機能が実現される。

制御装置５１により実行されるエンジン制御には、エンジン１０の始動直後に実行されるＰＮ低減のためのエンジン制御が含まれる。図２は、このエンジン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５１は、このような制御フローに基づき作成されたプログラムをＲＯＭから読み出し、ＣＰＵ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５１は、ステップＳ１において、エンジン１の制御モードが触媒急速暖機モードに入っていないことを確認する。触媒急速暖機モードとは、エンジン１の始動時に三元触媒４８，４９を急速に暖機して活性化させる制御モードである。触媒急速暖機モードに入っているかどうかは、アイドルスイッチがオンであること、始動時のエンジン水温が所定範囲内（例えば、−１２℃から６０℃までの範囲内）であること、空気流量の積算値が目標値に達していないこと、車速が所定値未満（例えば、２ｋｍ／ｈ未満）であること等の条件が満たされているかどうかによって判断される。

エンジン１の制御モードが触媒急速暖機モードに入っている場合、制御フローはステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、制御装置５１は、筒内燃料噴射弁４１に吸気行程で燃料を噴射させる通常の燃料噴射制御を実行する。通常燃料噴射制御では、図３にイメージが示されるような燃料噴射時期ベースマップを参照し、エンジン水温センサ５８によって測定される水温に応じた燃料噴射時期が決定される。燃料噴射時期ベースマップは、水温が低い時は燃料噴射時期を遅角側に設定し、水温が高くなるに連れて燃料噴射時期を進角していくように作られている。

エンジン１の制御モードが触媒急速暖機モードに入っていない場合、制御フローはステップＳ２に進む。ステップＳ２では、制御装置５１は、前述の燃料噴射時期ベースマップを参照し、エンジン水温に応じた燃料噴射時期を基本燃料噴射時期として算出する。

次に、ステップＳ３では、制御装置５１は、エンジン水温センサ５８、油温センサ６３、及び吸気温センサ５３を用いて測定した水温、油温、及び吸気温のそれぞれについて、水温、油温、及び吸気温の各所定値と比較する。そして、水温、油温、及び吸気温の何れか一つでも所定値より大きければ、制御フローはステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、制御装置５１は、前述の通り通常燃料噴射制御を実行する。

水温、油温、及び吸気温のどれもが所定値以下である場合、制御フローはステップＳ４に進む。ステップＳ４では、制御装置５１は、水温、油温、及び吸気温に基づいて燃料噴射時期の遅角量（基本燃料噴射時期に対する遅角量）を算出する。水温、油温、及び吸気温は、いずれもピストン１４の温度に影響し、これらより始動時のピストン１４の温度が決まる。ゆえに、水温、油温、及び吸気温のどれもが所定値以下である場合に燃料噴射時期を遅角することは、水温、油温、及び吸気温から推定されるピストン１４の温度（推定温度）が所定温度以下である場合に燃料噴射時期を遅角することと同義である。

ピストン温度が低い場合に燃料噴射時期の遅角を行う理由は、ピストン１４に対する燃料の付着を抑えることにある。図４は、燃料噴射時期と燃料の付着量との関係を示す図である。この図に示すように、ピストン温度が高い場合と低い場合とでは、ピストン温度が低いときのほうが燃料の付着量が多く、ピストン温度が同じ場合は燃料噴射時期を遅角するほどピストン１４の燃料付着量は少なくなる。ゆえに、ピストン温度が低い場合には、ピストン温度が高い場合に比べて燃料噴射時期を遅角することで、ピストン１４の燃料付着量を抑え、ひいては、ＰＮを低減することができる。

なお、ＰＮには、ピストン１４に付着する燃料だけでなく、シリンダ１３の壁面に付着する燃料も関係する。図４に示すように、シリンダ１３の燃料付着量は、ピストン１４の燃料付着量とは逆に、燃料噴射時期が遅角されるほど増加していく。ゆえに、ＰＮを抑えるには、ピストン１４の燃料付着量とシリンダ１３の燃料付着量との合計を抑える必要がある。ピストン１４の燃料付着量とシリンダ１３の燃料付着量との合計を最小にできる燃料噴射時期が最適噴射時期であり、ステップＳ２で算出される基本燃料噴射時期は、ピストン温度が所定温度より高い場合における最適噴射時期に相当している。

最適噴射時期は、ピストン温度が低いほど遅角側に移動する。ステップＳ４で算出される燃料噴射時期の遅角量は、ピストン温度の低下による最適噴射時期の移動量に相当する。制御装置５１は、噴射時期遅角量マップを参照し、水温、油温、及び吸気温に応じた燃料噴射時期の遅角量を決定する。噴射時期遅角量マップは、水温、油温、及び吸気温をパラメータとして燃料噴射時期の遅角量を決定するマップである。図５には、噴射時期遅角量マップにおける水温及び油温と燃料噴射時期の遅角量との関係が示されている。噴射時期遅角量マップは、水温が低いほど、油温が低いほど、そして、吸気温が低いほど、燃料噴射時期の遅角量を大きくするように作られている。

次に、ステップＳ５では、制御装置５１は、ステップＳ４で算出された遅角量による遅角後の燃料噴射時期が、遅角限界噴射時期を超えて遅角されていないかどうか判定する。詳しくは、制御装置５１は、ステップＳ２で算出された基本燃料噴射時期（単位：ＢＴＤＣ）からステップＳ４で算出された遅角量を差し引き、差引後の燃料噴射時期が遅角限界噴射時期を超えていないかどうか判定する。遅角限界噴射時期とは、燃料がシリンダ１３の壁面に付着することによるオイルの燃料希釈が許容範囲を超えることになる燃料噴射時期を意味する（図４参照）。

遅角後の燃料噴射時期が遅角限界噴射時期を超えて遅角されていない場合（ＢＴＤＣで表したときの値が遅角限界噴射時期をＢＴＤＣで表したときの値以上の場合）、制御フローはステップＳ６に進む。ステップＳ６では、制御装置５１は、ステップＳ４で算出された遅角量に基づいて燃料噴射時期の遅角を実施する。

一方、遅角後の燃料噴射時期が遅角限界噴射時期を超えて遅角されている場合（ＢＴＤＣで表したときの値が遅角限界噴射時期をＢＴＤＣで表したときの値より小さい場合）、制御フローはステップＳ７に進む。ステップＳ７では、制御装置５１は、ステップＳ４で算出された遅角量を制限し、燃料噴射時期を遅角限界噴射時期まで遅角する。

次に、ステップＳ８では、制御装置５１は、エアフローセンサ５２を用いて測定された吸入空気量が所定量以下かどうか判定する。吸入空気量の大小は、点火時期に対するトルクの感度に影響する。点火時期の遅角量に対するトルクの変化量は、吸入空気量が少ない場合のほうが多い場合よりも小さい。つまり、点火時期に対するトルクの感度は、吸入空気量が少ないほど低くなる。これは、吸入空気量が少ない場合には、ドライバビリティへの影響を抑えながら点火時期を遅角することができることを意味する。上記の所定量は、点火時期を遅角してもドライバビリティが損なわれない程度にまで、点火時期に対するトルクの感度を下げることができる吸入空気量である。点火時期を遅角することにより、燃料噴射時期から点火時期までの間隔を大きくとって燃料が蒸発する時間を確保し、それによりＰＮの低減を図ることができる。

吸入空気量が所定量以下である場合、制御フローはステップＳ９に進む。ステップＳ９では、制御装置５１は、通常点火時期に対する点火時期の遅角を実施する。通常点火時期はＭＢＴ点火時期に相当する。ＭＢＴ点火時期は、吸入空気量とエンジン回転速度とに依存し、また、水温や油温の影響も受ける。図５には、水温及び油温と点火時期の遅角量（暖機完了後のＭＢＴ点火時期に対するある水温及び油温でのＭＢＴ点火時期の遅角量）との関係が示されている。

ステップＳ９では、図６にイメージが示されるような点火時期遅角マップを参照し、エアフローセンサ５２によって測定される吸入空気量に応じた点火時期の遅角量が決定される。図６には、エンジン回転速度が一定の場合の通常点火時期と吸入空気量との関係が一点鎖線で示され、遅角後の点火時期と吸入空気量との関係が実線で示されている。この図に示すように、吸入空気量が少ないほど通常点火時期は進角される。一方、通常点火時期に対する点火時期の遅角量は、吸入空気量が所定値以下になるまではゼロであるが、吸入空気量が所定値以下の場合には、吸入空気量が少ないほど大きくされる。つまり、吸入空気量が少ないほど、通常点火時期に対して点火時期は大きく遅角される。

吸入空気量が所定量より多い場合、制御フローはステップＳ９をスキップする。なお、ステップＳ９において通常点火時期に対して点火時期を遅角する一つの態様として、図６に点線で示すように、遅角後の点火時期を吸入空気量に対してステップ的に変化させてもよい。

次に、ステップＳ１０では、制御装置５１は、ピストン温度の増加量に応じて燃料噴射時期を進角する。エンジン１０の始動後、燃焼室１８内で起きる燃焼によってピストン温度は上昇していく。ピストン温度が上昇すれば、ピストン１４の燃料の付着量は少なくなるので、燃料付着量が少なくなる分だけ燃料噴射時期を進角側に戻すことができる。制御装置５１は、図７にイメージが示されるようなピストン温度増加量マップを参照し、ピストン温度の増加量を推定する。ピストン温度増加量マップは、前回サイクルの吸入空気量と前回サイクルの燃料噴射量とをパラメータとしてピストン温度の増加量を推定するマップである。このマップは、前回サイクルの吸入空気量が多いほど、また、前回サイクルの燃料噴射量が多いほど、ピストン温度の増加量を大きく推定するように作られている。

ピストン温度の増加量と燃料噴射時期の進角量との関係は、図８にイメージが示されるような燃料噴射時期進角量マップにおいて規定されている。燃料噴射時期進角量マップに規定されている燃料噴射時期の進角量は、前回の燃料噴射時期に対する進角量である。燃料噴射時期進角量マップは、ピストン温度の増加量が大きいほど、燃料噴射時期の進角量を大きくするように作られている。なお、ステップＳ１０においてピストン温度の増加量の増大に合わせて燃料噴射時期の進角量を増大させる一つの態様として、図８に点線で示すように、燃料噴射時期の進角量をステップ的に増大させてもよい。

次に、ステップＳ１１では、ステップＳ１０で進角された燃料噴射時期と基本燃料噴射時期とを比較し、現在の燃料噴射時期が基本燃料噴射時期まで進角されたかどうか判定する。現在の燃料噴射時期が未だに基本燃料噴射時期よりも遅角側にある場合、制御フローはステップＳ８まで戻る。そして、現在の燃料噴射時期が基本燃料噴射時期になるまで、ステップＳ８からステップＳ１１までの処理が繰り返される。そして、現在の燃料噴射時期が基本燃料噴射時期まで進角された場合、制御フローはステップＳ１２に進み、制御装置５１は、通常燃料噴射制御を実行する。

１０ エンジン
１３ シリンダ
１４ ピストン
４１ 筒内燃料噴射弁
４５ 点火プラグ
５１ 制御装置
５２ エアフローセンサ
５３ 吸気温センサ
５７ クランク角センサ
５８ エンジン水温センサ５８
６３ 油温センサ

Claims (1)

1. 筒内燃料噴射弁を備える火花点火式の内燃機関の制御装置において、
   ピストンの温度を推定するピストン温度推定手段と、
   前記ピストンの温度が所定温度以下である場合、前記ピストンの温度が前記所定温度より高い場合に比べて、前記筒内燃料噴射弁の吸気行程噴射における噴射時期を遅角する噴射時期制御手段と、
   前記ピストンの温度が前記所定温度以下であって、吸入空気量が所定量以下である場合、点火時期をＭＢＴ点火時期に比べて遅角する点火時期制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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