JP2018035709A - エンジン制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プレイグニッションの発生時にエンジンが大きく損傷することを抑制する。【解決手段】エンジンを制御するエンジン制御装置であって、エンジンに設けられ、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、エンジンに設けられ、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、混合気の異常燃焼であるプレイグニッションを検出する異常燃焼検出部と、インジェクタの燃料噴射モードとして、プレイグニッションが検出されないときに用いる通常噴射モードと、プレイグニッションが検出されるときに用いる急冷噴射モードと、を少なくとも有する燃料噴射制御部と、を有し、急冷噴射モードにおいては、燃料噴射量が通常噴射モードにおける燃料噴射量よりも増量されるとともに、燃料噴射の終了タイミングＴｅ３が通常噴射モードにおける燃料噴射の終了タイミングＴｅ１よりも遅く設定される。【選択図】図３

Description

本発明は、エンジンを制御するエンジン制御装置に関する。

エンジンの異常燃焼として、衝撃波を伴うノッキングやプレイグニッションがある。これらの異常燃焼はエンジンを損傷させる要因であることから、異常燃焼を検出して対処する装置や方法が提案されている（特許文献１および２参照）。

特開２００７−２３１９４８号公報 特開平１０−３２１３４３号公報

ところで、点火プラグによる点火前に混合気が自己着火するプレイグニッションは、ノッキングに比べて抑制することが困難であるため、シリンダ内の状況によってはプレイグニッションが継続的に発生する虞がある。このように、プレイグニッションが継続して発生することは、エンジンを大きく損傷させてしまう要因である。

本発明の目的は、プレイグニッションの発生時にエンジンが大きく損傷することを抑制することにある。

本発明のエンジン制御装置は、エンジンを制御するエンジン制御装置であって、前記エンジンに設けられ、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、前記エンジンに設けられ、前記シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、混合気の異常燃焼であるプレイグニッションを検出する異常燃焼検出部と、前記インジェクタの燃料噴射モードとして、前記プレイグニッションが検出されないときに用いる通常モードと、前記プレイグニッションが検出されるときに用いる第１の異常モードと、を少なくとも有する燃料噴射制御部と、を有し、前記第１の異常モードにおいては、燃料噴射量が前記通常モードにおける燃料噴射量よりも増量されるとともに、燃料噴射の終了タイミングが前記通常モードにおける燃料噴射の終了タイミングよりも遅く設定される。

本発明によれば、プレイグニッションの発生時にエンジンが大きく損傷することを抑制することができる。

本発明の一実施の形態であるエンジン制御装置によって制御されるエンジン１１を示す概略図である。 （ａ）はプレイグニッション発生時のシリンダ内圧変化の一例を示す図であり、（ｂ）はプレイグニッション発生時におけるノックセンサの信号変化の一例を示す図である。 インジェクタの燃料噴射モードを示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、急冷噴射モードにおける燃料噴射状況を順に示す説明図である。 急冷噴射モードにおける点火プラグの温度推移を示す線図である。 燃料噴射モードを切り替える際の手順の一例を示すフローチャートである。 インジェクタの燃料噴射モードの他の例を示す説明図である。 急冷噴射モードにおける点火プラグの温度推移を示す線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態であるエンジン制御装置１０によって制御されるエンジン１１を示す概略図である。図１に示すように、直噴式の内燃機関であるエンジン１１は、ピストン１２が摺動自在に収容されるシリンダブロック１３と、このシリンダブロック１３に取り付けられるシリンダヘッド１４と、を有している。シリンダヘッド１４には、燃焼室１５つまりシリンダ内に連通する吸気ポート１６が形成されており、シリンダ内に連通する排気ポート１７が形成されている。また、シリンダヘッド１４には、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタ１８が組み付けられており、シリンダ内の混合気に点火する点火プラグ１９が組み付けられている。

図示するエンジン１１は、層状給気によって混合気を成層燃焼させるようにしたエンジンである。このため、ピストン１２のヘッド部２０には、いわゆるウォールガイドとして機能するキャビティ２１、つまり点火プラグ１９に向けて成層混合気を形成するキャビティ２１が設けられている。インジェクタ１８からキャビティ２１に向けて噴射された燃料は、キャビティ２１に沿って向きを変えて点火プラグ１９の近傍に導かれる。このように、点火プラグ１９の近傍に成層混合気を供給することができるため、エンジン１１の希薄燃焼を達成することができ、エンジン１１の燃費性能を向上させることができる。

エンジン１１を制御するエンジン制御装置１０は、マイコン等からなるエンジンコントローラ３０を有している。エンジンコントローラ３０は、エンジン１１の運転状態を検出する各種センサからの信号に基づき、燃料噴射制御や点火時期制御等を実行することでエンジン１１の運転状態を制御する。エンジンコントローラ３０に接続されるセンサとして、クランク軸の回転角を検出するクランク角センサ３１、カム軸の回転角を検出するカム角センサ３２、シリンダブロック１３の振動を検出するノックセンサ３３、吸入空気量を検出するエアフローメータ３４、排出ガス中の酸素濃度を検出するＯ₂センサ３５、排出ガス中の空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ３６等がある。

［プレイグニッション］
エンジン１１の異常燃焼として、点火プラグ１９による点火前に混合気が自己着火する早期着火つまりプレイグニッションがある。このプレイグニッションにおいては、シリンダ内に存在するカーボンスラッジやオイル等の熱源により、圧縮行程中の混合気が自己着火すると考えられている。衝撃波を伴うプレイグニッションはエンジン１１を重篤に損傷させる要因であるため、プレイグニッションの発生を検出して適切に対処することにより、プレイグニッションからエンジン１１を保護することが必要である。そこで、エンジンコントローラ３０には、プレイグニッションを検出する異常燃焼検出部３７と、エンジン１１を保護するためにインジェクタ１８の燃料噴射モードを切り替える燃料噴射制御部３８と、が設けられている。以下、プレイグニッションの検出方法について説明した後に、エンジン１１を保護するための燃料噴射モードについて説明する。

［プレイグニッションの検出］
図２（ａ）はプレイグニッション発生時のシリンダ内圧変化の一例を示す図であり、図２（ｂ）はプレイグニッション発生時におけるノックセンサ３３の信号変化の一例を示す図である。図２（ａ）に特性線Ｌ１で示すように、混合気が正常に燃焼した場合には、筒内圧つまりシリンダ内圧が緩やかに変化するのに対し、図２（ａ）に特性線Ｌ２で示すように、混合気のプレイグニッションが発生した場合には、衝撃波によってシリンダ内圧が急激に変化することになる。また、図２（ｂ）に符号Ｘで示すように、プレイグニッションが発生した場合には、衝撃波によってシリンダブロック１３が振動することから、ノックセンサ３３の検出信号のパターンやタイミングに基づきプレイグニッションを検出することが可能である。つまり、エンジンコントローラ３０の異常燃焼検出部３７は、ノックセンサ３３の検出信号に基づいてプレイグニッションの発生を検出している。なお、異常燃焼検出部３７は、クランク軸やカム軸の回転角に基づいて、エンジン１１が備える複数のシリンダのうち、プレイグニッションが発生したシリンダを特定することが可能である。

［燃料噴射モード］
図３はインジェクタ１８の燃料噴射モードを示す説明図である。図３に示すように、インジェクタ１８の燃料噴射モードとして、通常噴射モード、増量噴射モードおよび急冷噴射モードの３つが設定されている。通常噴射モード（通常モード）とは、車速やアクセル操作等の運転状況に基づいてエンジン１１の制御目標値を決定し、この制御目標値に向けて燃料噴射量や燃料噴射時期などを制御する燃料噴射モードである。プレイグニッションが発生していない通常走行時には、燃料噴射モードとして通常噴射モードが設定される。

この通常噴射モードにおいて、プレイグニッションが発生した場合には、プレイグニッションの継続的な発生を抑制するため、増量噴射モード（第２の異常モード）が実行される。図３に示すように、増量噴射モードの燃料噴射時間Ｔ２は、通常噴射モードの燃料噴射時間Ｔ１よりも長く設定されている。つまり、増量噴射モードの燃料噴射量は、通常噴射モードの燃料噴射量よりも多く設定されている。この増量噴射モードを実行することにより、燃料噴射量を増やしてシリンダ内の温度を下げることができ、プレイグニッションの発生を抑制することができる。なお、この増量噴射モードでの燃料増量は、失火しない範囲で最大限の冷却効果が得られるよう、例えば失火限界付近の空燃比になるように設定される。

また、燃料増量モードの実行によってもプレイグニッションが収束しない場合には、点火プラグ１９を破損させる急冷噴射モード（第１の異常モード）が実行される。図３に示すように、急冷噴射モードにおける燃料噴射の終了タイミングＴｅ３は、通常噴射モードにおける燃料噴射の終了タイミングＴｅ１よりも遅く設定されている。さらに、急冷噴射モードにおける燃料噴射の終了タイミングＴｅ３は、増量噴射モードにおける燃料噴射の終了タイミングＴｅ２よりも遅くに設定されている。この急冷噴射モードは、混合気を燃焼させる必要のない燃料噴射モードである。このため、急冷噴射モードにおいては、燃料の気化に必要な気化時間Ｔｇを割り込むように、燃料噴射の終了タイミングＴｅ３が上死点（ＴＤＣ）に近づけて設定されている。

また、急冷噴射モードの燃料噴射時間Ｔ３は、通常噴射モードの燃料噴射時間Ｔ１、さらには増量噴射モードの燃料噴射時間Ｔ２よりも長く設定されている。つまり、急冷噴射モードの燃料噴射量は、通常噴射モードおよび増量噴射モードの燃料噴射量よりも多く設定されている。この急冷噴射モードを実行することにより、燃料噴射量をさらに増量してシリンダ内の温度を下げることができる。特に、点火プラグ１９を破損させる為に余剰噴射した「燃焼させない燃料分の気化熱」によるシリンダ内の温度低下効果により、増量噴射モードよりもさらに効果的にプレイグニッションの発生を抑制することができる。

図４（ａ）〜（ｃ）は、急冷噴射モードにおける燃料噴射状況を順に示す説明図である。なお、図４（ａ）には上死点直前の状況が示されており、図４（ｂ）には上死点の状況が示されており、図４（ｃ）には上死点直後の状況が示されている。図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、上死点の直前にインジェクタ１８から噴射された燃料Ｆは、ピストン１２のキャビティ２１で反射して点火プラグ１９にかかる。すなわち、インジェクタ１８から噴射された燃料は、気化時間が経過する前に点火プラグ１９に到達し、気化前の燃料つまり液体燃料が点火プラグ１９に付着する。これにより、点火プラグ１９を急冷することができ、点火プラグ１９を破損させることができる。このように、急冷噴射モードにおける燃料噴射のタイミングは、インジェクタ１８から噴射された燃料Ｆがピストン１２で反射して点火プラグ１９に付着するタイミングを含んでいる。

ここで、図５は急冷噴射モードにおける点火プラグ１９の温度推移を示す線図である。図５に符号ａ１で示すように、クランク角が上死点に近づくにつれて、点火プラグ１９の温度は上昇する。つまり、クランク角が上死点に近づくにつれて混合気が断熱圧縮されるため、燃料増量が行われていない通常噴射モードに比べると穏やかではあるものの、混合気の温度上昇に伴って点火プラグ１９の温度も上昇することになる。そして、前述したように、上死点近傍で点火プラグ１９に液体燃料が付着することから、符号ａ２で示すように、点火プラグ１９の温度は急速に低下することになる。つまり、図５に破線Ｘで示したように、点火プラグ１９に液体燃料を付着させなかった場合に比べて、点火プラグ１９に液体燃料を付着させた場合には、点火プラグ１９の温度を急激に低下させることができる。

このように、液体燃料によって点火プラグ１９を急冷することにより、図４（ｃ）の拡大部分に示すように、点火プラグ１９を破損させることができる。つまり、点火プラグ１９は、中心に配置される中心電極４０と、中心電極４０の外側に設けられる絶縁碍子４１と、絶縁碍子４１の外側に設けられる接地電極４２と、を有している。この点火プラグ１９に対して液体燃料をかけることにより、セラミックス製の絶縁碍子４１を急激に冷やして割ることができる。点火プラグ１９の絶縁碍子４１が割れた場合には、接地電極４２と中心電極４０とが短絡することから、点火プラグ１９の点火機能が失われる。

すなわち、プレイグニッションが継続することによって生じ得るエンジン１１の重篤な損傷に比して軽微な故障状態を、点火プラグ１９を破損させることで意図的に発生させる。これにより、エンジン１１の重篤な損傷を招く前にエンジン不調をドライバ（乗員）に知らせることができる。このとき、点火プラグ１９が破損していない他の気筒（プレイグニッションが発生していない気筒）の発生トルクを抑制して回転数を下げるように制御することで、プレイグニッションの発生をより確実に抑制することができる。また、エンジン不調をドライバに知らせることで、エンジン回転数が低下する運転となるようドライバを誘導することができるため、この点においてもプレイグニッションの発生の抑制に繋げることができる。さらに、点火プラグ１９を冷却することで、プレイグニッションが点火プラグ１９の高温化に起因するものであれば、当該プレイグニッションの発生を一層効果的に抑制することができる。

なお、プレイグニッションが発生するシリンダに対して点火プラグ１９を破損させる急冷噴射モードが実行されるため、プレイグニッションが発生していない他のシリンダについてはエンジン保護の為のトルク制限はかけるものの正常に機能させることができ、最低限の走行性能を確保することができる。また、エンジンコントローラ３０は、Ｏ₂センサ３５やＡ／Ｆセンサ３６の検出信号に基づいて、点火プラグ１９の点火機能が失われたこと、つまりシリンダ内が失火状況に陥ったことを検出することが可能である。これにより、エンジンコントローラ３０は、点火プラグ１９の機能消失を把握することができ、警告灯４３を点灯させてエンジン不調をドライバに知らせることができる。また、警告灯４３の点灯により、ドライバに対して修理工場等への入庫を促すこともできる。

［フローチャート］
続いて、前述した燃料噴射モードの切り替えをフローチャートに沿って説明する。図６は燃料噴射モードを切り替える際の手順の一例を示すフローチャートである。なお、図６に示すフローチャートは、エンジンコントローラ３０によってシリンダ毎に所定周期で実行される。

図５に示すように、ステップＳ１０では、プレイグニッションが発生したか否かが判定される。ステップＳ１０において、プレイグニッションが発生していないと判定された場合には、ステップＳ１１に進み、インジェクタ１８が通常噴射モードで制御される。ステップＳ１０において、プレイグニッションが発生していると判定された場合には、ステップＳ１２に進み、燃料噴射モードが通常噴射モードから増量噴射モードに切り替えられる。この増量噴射モードを実行することにより、燃料噴射量を増やしてシリンダ内の温度を下げることができ、プレイグニッションを抑制することができる。

このように、燃料噴射量を増加させる増量噴射モードが実行されると、ステップＳ１３に進み、再びプレイグニッションが発生しているか否かが判定される。ステップＳ１３において、プレイグニッションが発生していると判定された場合、つまり増量噴射モードの実行によってもプレイグニッションが収束していないと判定された場合には、ステップＳ１４に進み、燃料噴射モードが増量噴射モードから急冷噴射モードに切り替えられる。

このように、増量噴射モードによってもプレイグニッションが収まらない場合、つまりプレイグニッションが継続的に発生する虞がある場合には、燃料噴射の終了タイミングＴｅ３を遅らせる急冷噴射モードが実行される。これにより、プレイグニッションの発生を効果的に抑制しつつ、点火プラグ１９に液体燃料をかけて点火プラグ１９を積極的に破損させる。そして、ステップＳ１５において、点火プラグ１９が破損したことが検出されると、ステップＳ１６に進み、ドライバにエンジン異常を通知するため、警告灯４３が点灯される。なお、ステップＳ１５で点火プラグ１９の破損が検出されないときには、ステップＳ１３に戻ってプレイグニッションが継続しているか否かが判断される。

これまで説明したように、プレイグニッションが検出された場合には、プレイグニッションを抑制するため、噴射燃料を増加させる増量噴射モードが実行される。そして、増量噴射モードによってもプレイグニッションが収まらない場合、つまりプレイグニッションが継続的に発生する虞がある場合には、燃料噴射の終了タイミングＴｅ３を遅らせる急冷噴射モードが実行される。これにより、プレイグニッションの継続的な発生を効果的に抑制しつつ、エンジン不調をドライバに知らせることができる。

前述したように、プレイグニッションが継続的に発生する虞がある場合には、点火プラグ１９を積極的に破損させている。つまり、プレイグニッションが継続的に発生する虞がある場合には、点火プラグ１９をヒューズとして機能させることにより、プレイグニッションによる重篤な破損からエンジン１１を保護している。しかも、急冷噴射モードを実行した場合であっても、点火プラグ１９の交換によってエンジン１１を修理することができるため、簡単かつ安価にエンジン１１を修理することができる。また、急冷噴射モードによって点火プラグ１９を物理的に破損させるため、プレイグニッションの発生を簡単に検証することができる。つまり、エンジンコントローラ３０に記録された急速噴射モードの実行状況と、点火プラグ１９の物理的な破損状況とに基づいて、プレイグニッションが発生したことを簡単に検証することができる。

前述の説明では、燃料噴射モードを通常噴射モードから増量噴射モードに切り替えた後に、燃料噴射モードを増量噴射モードから急冷噴射モードに切り替えているが、これに限られることはない。つまり、プレイグニッションの発生状況によっては、増量噴射モードを実行することなく、燃料噴射モードを通常噴射モードから急冷噴射モードに切り替えても良い。また、図３に示す例では、急冷噴射モードにおける燃料噴射の終了タイミングＴｅ３を点火時期Ｔｉの前に設定しているが、これに限られることはなく、図３に破線αで示すように、終了タイミングＴｅ３を点火時期Ｔｉの後に設定しても良く、図３に破線βで示すように、終了タイミングＴｅ３を上死点の後に設定しても良い。さらに、図３に示す例では、各燃料噴射モードにおける燃料噴射の開始タイミングＴｓ１，Ｔｓ２，Ｔｓ３を互いに一致させているが、これに限られることはなく、燃料噴射の開始タイミングＴｓ１，Ｔｓ２，Ｔｓ３を互いにずらしても良い。

［他の実施の形態］
前述の説明では、通常噴射モードや増量噴射モードと同様のタイミングで、急冷噴射モードにおいても燃料噴射を開始しているが、これに限られることはなく、急冷噴射モードにおける燃料噴射の開始タイミングＴｓ３を遅らせても良い。ここで、図７はインジェクタ１８の燃料噴射モードの他の例を示す説明図である。また、図８は急冷噴射モードにおける点火プラグ１９の温度推移を示す線図である。なお、図７に示した通常噴射モードおよび増量噴射モードは、図３に示した通常噴射モードおよび増量噴射モードと同じである。また、図８に示した破線Ｘは、図５に示した破線Ｘと同じである。

図７に示すように、急冷噴射モードにおける燃料噴射の開始タイミングＴｓ３は、通常噴射モードにおける燃料噴射の開始タイミングＴｓ１よりも遅く設定されている。また、急冷噴射モードにおける燃料噴射の開始タイミングＴｓ３は、増量噴射モードにおける燃料噴射の開始タイミングＴｓ２よりも遅く設定されている。このように、急冷噴射モードにおける燃料噴射の開始タイミングＴｓ３を遅らせることにより、断熱圧縮後の温度を増大させることで点火プラグ１９に給熱される。

これにより、図８に符号ｂ１で示すように、図５に示した急冷噴射モードよりも点火プラグ１９の温度を上昇させることができる。そして、図８に示す急冷噴射モードにおいても、上死点近傍で点火プラグ１９に液体燃料を付着させることから、点火プラグ１９は急速に冷却されることになる。すなわち、図８に符号ｂ１で示すように、点火プラグ１９の温度は大きく上昇していることから、図８に符号ｂ２で示すように、その後の急冷過程において点火プラグ１９に大きな温度変化を与えることができる。このように、点火プラグ１９の温度を大きく変化させることにより、点火プラグ１９の絶縁碍子４１をより確実に割ることができる。

なお、図７に示す例においても、急冷噴射モードにおける燃料噴射時間Ｔ３を通常噴射モードの燃料噴射時間Ｔ１よりも長くして燃料噴射量を増量し、筒内温度をコントロールしながら点火プラグ１９に十分な温度変化を与えるようにすることが好ましい。また、図７に示す急冷噴射モードは継続して実施するのではなく、例えば増量噴射モードから急冷噴射モードに移行した直後に１回あるいは所定回数実施し、その後は図３に示す急冷噴射モードを実施するようにしても良いし、図３に示す急冷噴射モードを実施しても点火プラグ１９の破損に至らない場合に、図７に示す急冷噴射モードを１回あるいは所定回数行うようにしても良い。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、図示するエンジン１１は、水平対向エンジンであるが、これに限られることはなく、直列型やＶ型など他の形式のエンジンであっても良い。また、前述の説明では、急冷噴射モードによって、点火プラグ１９の絶縁碍子４１を破損させているが、これに限られることはなく、点火プラグ１９の点火機能を失わせることが可能であれば、点火プラグ１９の他の部位を破損させても良い。

前述の説明では、ノックセンサ３３を用いることにより、シリンダブロック１３の振動に基づいてプレイグニッションを検出しているが、これに限られることはない。例えば、シリンダ内の圧力を検出する圧力センサを設けることにより、シリンダ内圧に基づいてプレイグニッションの発生を検出しても良い。また、燃焼時に発生するイオンを検出するイオン電流センサを設けることにより、イオンの検出タイミングつまり燃焼時期に基づいてプレイグニッションの発生を検出しても良い。

１０ エンジン制御装置
１１ エンジン
１２ ピストン
１８ インジェクタ
１９ 点火プラグ
３０ エンジンコントローラ
３７ 異常燃焼検出部
３８ 燃料噴射制御部
Ｔｓ１，Ｔｓ２，Ｔｓ３ 開始タイミング
Ｔｅ１，Ｔｅ２，Ｔｅ３ 終了タイミング

Claims (4)

1. エンジンを制御するエンジン制御装置であって、
   前記エンジンに設けられ、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
   前記エンジンに設けられ、前記シリンダ内の混合気に点火する点火プラグと、
   混合気の異常燃焼であるプレイグニッションを検出する異常燃焼検出部と、
   前記インジェクタの燃料噴射モードとして、前記プレイグニッションが検出されないときに用いる通常モードと、前記プレイグニッションが検出されるときに用いる第１の異常モードと、を少なくとも有する燃料噴射制御部と、
   を有し、
   前記第１の異常モードにおいては、燃料噴射量が前記通常モードにおける燃料噴射量よりも増量されるとともに、燃料噴射の終了タイミングが前記通常モードにおける燃料噴射の終了タイミングよりも遅く設定される、エンジン制御装置。
2. 請求項１記載のエンジン制御装置において、
   前記第１の異常モードにおける燃料噴射の開始タイミングは、前記通常モードにおける燃料噴射の開始タイミングよりも遅い、エンジン制御装置。
3. 請求項１または２記載のエンジン制御装置において、
   前記第１の異常モードにおける燃料噴射のタイミングは、前記インジェクタから噴射された燃料が前記シリンダ内のピストンで反射して前記点火プラグに付着するタイミングを含む、エンジン制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン制御装置において、
   前記燃料噴射制御部は、
   前記通常モード中に前記プレイグニッションを検出した場合に、前記インジェクタの燃料噴射モードを前記通常モードよりも燃料噴射量の多い第２の異常モードに切り替え、
   前記第２の異常モード中に前記プレイグニッションを検出した場合に、前記インジェクタの燃料噴射モードを前記第１の異常モードに切り替え、
   前記第１の異常モードにおける燃料噴射の終了タイミングは、前記第２の異常モードにおける燃料噴射の終了タイミングよりも遅い、エンジン制御装置。

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