JP2018131948A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成層燃焼モード運転中におけるスモークの発生、トルクの低下、及びノッキングの発生を抑制する。【解決手段】圧縮行程において筒内噴射弁から燃料噴射を行い、点火プラグ近傍に成層混合気を形成して成層燃焼を行う燃焼モード運転中に、ノッキング発生が検出されると、点火時期が遅角される。また、点火時期に応じた燃料噴射時期の遅角量が、基準量より小さい場合には、遅角量に応じて遅角した噴射時期において圧縮行程における燃料噴射が実行される。一方、遅角量が基準量以上である場合には、圧縮行程における燃料噴射と、点火時期より所定のインターバル期間後のタイミングである噴射時期における、再度の燃料噴射とが実行される。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。より具体的に、圧縮行程において燃料噴射を行い成層燃焼させる成層燃焼モードを選択可能な火花点火式直噴エンジンの制御装置に関するものである。

特許文献１及び２には、圧縮行程で少量の燃料を筒内に噴射して成層混合気を生成して燃焼させる成層燃焼モードを選択可能な火花点火式直噴エンジンが開示されている。

特開２００４−００３４２９号公報 特開平１１−１５９３８２号公報 特開２００５−０３０２９３号公報

ところで、成層燃焼モード運転中においても、ノッキングが発生する場合がある。例えば、吸気ポート噴射式エンジンにおけるノッキング発生抑制のために点火時期を遅角補正することが知られている。しかし火花点火式直噴エンジンの成層燃焼モードでは、圧縮行程で噴射された噴射燃料が点火プラグ近傍を流動するタイミングにあわせて点火が行われる。つまり、成層燃焼モードでは、点火時期に対し、最適な燃料噴射時期で燃料を噴射することが要求される。このため成層燃焼モードでは、ノッキング発生時に点火時期を遅角する制御を実行すると、点火プラグ近傍の燃料混合気がリーンとなってしまい、燃焼速度が低下しトルクが低下する恐れがある。

これに対して、例えば特許文献１には、成層燃焼モードにおけるノッキング発生を抑制するため点火時期を遅角する場合、点火時期に合わせて燃料噴射時期も遅角することが開示されている。しかし燃料噴射時期が過度に遅角されると、混合気の均質性が悪化し、スモークが発生する恐れがある。

また例えば、特許文献２に記載されているように、スモーク発生時には圧縮行程噴射を分割して実行することで、スモーク発生を抑制することが考えられる。しかし分割噴射を実行することで、噴射時期が進角されると、圧縮行程噴射による乱れ強化の効果は低下し、トルク低下を招く恐れがある。また点火プラグ近傍での成層度も低下するため、初期燃焼の悪化を伴う場合がある。

本発明は、以上の課題を解決するため、スモークの発生とトルクの低下を抑制しつつ、成層燃焼モード運転中におけるノッキングの発生が抑制されるよう改良された内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は以上の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、圧縮行程における筒内噴射弁からの燃料噴射である圧縮行程噴射を行い、点火プラグ近傍に成層混合気を形成して成層燃焼を行う成層燃焼モードを選択可能な内燃機関に適用される。本発明の内燃機関の制御装置は、以下の制御を実行するように構成されている。即ち、成層燃焼モードでの運転中にノッキングが発生した場合に、点火時期を遅角する。更に、点火時期に応じた噴射時期の遅角量が、基準量より小さい場合には、遅角量に応じて遅角した噴射時期に、圧縮行程噴射を実行する。また、遅角量が基準量以上である場合には、圧縮行程噴射と、点火時期より所定のインターバル期間後のタイミングである噴射時期における再度の燃料噴射と、を実行する。

本発明の制御により、燃料噴射時期の遅角量が基準量より大きくなる場合には、圧縮行程における燃料噴射の噴射時期の更なる遅角を実行せず、点火時期近傍で、再度の燃料噴射が実行される。これにより、成層燃焼モードにおいて、スモーク発生の抑制及び初期燃焼の改善を図りつつ、ノッキング発生を抑制することができる。

実施の形態における燃料噴射時期及び点火時期の制御について説明するためのタイミングチャートである。 実施の形態における点火近傍噴射時期と点火時期とのインターバルと、プラグ周辺の乱れとの関係について説明するための図である。 実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。

本発明の実施の形態の制御装置が適用される内燃機関（以下、単にエンジンという）は、火花点火式直噴エンジンである。エンジンの各気筒には、その先端が燃焼室に臨むように、燃焼室の内部に燃料を噴射する筒内噴射弁が設けられている。また燃焼室の頂部付近には点火プラグが設置されている。このエンジンは、圧縮行程において筒内噴射弁から燃料噴射を行い、点火プラグ近傍に成層混合気を形成して成層燃焼を行う成層燃焼モードでの運転が可能である。

エンジンが有する各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置に電気的に接続されている。制御装置はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。制御装置は、エンジンのシステム全体の制御を行うものであり、少なくとも１つのＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには、後述する点火時期及び燃料噴射時期の制御ルーチンを含む各種制御ルーチンが記憶されている。制御装置は各センサからの信号に基づいて、各アクチュエータを操作することによってエンジンを制御する。

具体的に、本実施の形態の制御装置は、各センサからの信号に基づいて、ノッキングの検出、エンジン回転速度の検出、及びトルクもしくは燃焼速度を検出する機能を有している。また制御装置は成層燃焼モードでの運転中にノッキングが検出された場合には、下記の制御により燃料噴射時期及び点火時期を決定して制御する。

以下、具体的に、燃料噴射時期及び点火時期の制御について説明する。図１は、本実施の形態における燃料噴射時期及び点火時期の制御について説明するためのタイミングチャートである。この制御は、成層燃焼モードにおける制御であるため、主となる燃料噴射（以下、「圧縮行程噴射」とも称する）は、圧縮行程において筒内噴射弁から実行され、その後、点火プラグ近傍に成層混合気を形成されている所定のタイミングで点火が行われる。

図１において、時間ｔ１〜ｔ６は、それぞれ異なる連続した燃焼サイクルにおける同一クランク角の時間を示す。成層燃焼モードでの運転中のある燃焼サイクルにおいてノッキングの発生が検出されると、次のサイクルの時間ｔ１において、点火時期がベース点火時期から一定の遅角量だけ遅角された時期とされる。点火時期遅角に伴い、同一遅角量で圧縮行程噴射の燃料噴射時期（以下「圧縮行程噴射時期」とも称する）が遅角される。ノッキングが発生している間、点火時期と圧縮行程噴射時期の遅角は繰り返される。図１の例では、時間ｔ２においても同様に、点火時期と圧縮行程噴射時期が遅角される。

なお、本実施の形態では点火時期遅角量と圧縮行程噴射時期の遅角量とは同一かつ一定量として説明するが、本発明はこれに限られない。例えば、点火時期遅角量及び圧縮行程噴射時期の遅角量は、それぞれ異なるマップ等から算出される値としてもよい。ただし、それぞれの遅角量に応じて遅角された点火時期と圧縮行程噴射時期との間のインターバルは、成層燃焼可能な適正なインターバルに維持される必要がある。

圧縮行程噴射時期の遅角により、圧縮行程噴射時期がスモーク発生噴射時期を超えるようになる時間ｔ３では、圧縮行程噴射時期の遅角は行われず、圧縮行程噴射時期は現在の（即ち、時間ｔ２で設定された）噴射時期のまま維持される。なお、スモーク発生噴射時期は、燃料噴射量によって異なるため、燃料噴射量を軸とするマップに従って設定される。このマップは、事前に適合により作成し制御装置に記憶しておく。

時間ｔ３では、同一の燃焼サイクル内で、圧縮行程噴射と、再度の燃料噴射である点火近傍噴射の２回の燃焼噴射が実行される。圧縮行程噴射が圧縮行程における噴射であるのに対し、点火近傍噴射は、点火後の膨張行程での少量の燃料噴射である。

図２は、点火時期と点火近傍噴射時期とのインターバルと、プラグ周辺の乱れとの関係について説明するための図である。なお、図２は、ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）解析結果である。図２に示されるように、点火近傍噴射と点火時期とのインターバルが２〜４［ｄｅｇ］において、プラグ周辺乱れが増加していく。従って、点火時期と点火近傍噴射とのインターバルは２〜４［ｄｅｇ］の値とすることが望ましい。

本実施の形態では、図２の解析結果等に基づいて、最適なインターバルを事前に決定し、このインターバルが確保されるように、点火近傍噴射時期を決定する。

点火近傍噴射における噴射量は、初期燃焼を改善するために十分な量に設定されれば、一定としても良いし、変動させてもよい。ただし、噴射量が過剰となるとスモーク発生の原因となるため、例えば、５［ｍｍ^３］程度など、圧縮行程噴射における噴射量に対して少量となるようにする。また変動量とする場合、運転条件に応じたマップ等を、実測値に基づいて事前に作成しておき、このマップに従って運転条件に応じた値を設定するようにすることが考えられる。

その後、時間ｔ４以降も同様に、一定の遅角量ずつの点火時期の遅角が、燃焼サイクルごとに繰り返される。圧縮行程噴射時期は、時間ｔ２に設定されたスモーク発生噴射時期を超える直前の圧縮行程噴射時期のまま固定される。点火近傍噴射時期は、上述した点火時期との最適なインターバルが確保されるように、点火時期と同じ遅角量だけ毎回遅角される。点火時期と、点火近傍噴射時期の遅角制御は、ノッキングが検出されなくなる時間ｔ６までの間、継続される。

図３は、実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３のルーチンは、エンジンが成層燃焼モードで運転されている間、所定の制御間隔で繰り返し実行される。図３のルーチンでは、まずステップＳ２において、ノッキングが発生したか否かが判別される。ノッキングの発生は、例えばノッキングセンサの出力信号等に応じて検出される。

ステップＳ２においてノッキングが検出されない場合、ステップＳ１５において点火近傍噴射フラグがＯＦＦとされ、ステップＳ１６において現在の圧縮行程噴射時期及び点火近傍噴射時期が保存された後、今回の処理は一旦終了する。なお、ここで点火近傍噴射フラグは後述する処理により、点火近傍噴射が実行される間、ＯＮとされるフラグである。

一方、ステップＳ２においてノッキングの発生が検出されると、次に、ステップＳ３において、点火近傍噴射フラグがＯＦＦであるか否かが判別される。ステップＳ３において、点火近傍噴射フラグがＯＦＦであると判別された場合、次に、ステップＳ４において、遅角後の圧縮行程噴射時期が算出される。より具体的に、ステップＳ４では、現在設定されている圧縮行程噴射時期が噴射時期遅角量ｄθｉだけ遅角された時期が、圧縮行程噴射時期として算出される。

次に、ステップＳ６においてスモーク発生噴射時期に達するか否かが判別される。より具体的には、ステップＳ４で算出された遅角後の圧縮行程噴射時期が、スモーク発生噴射時期を超えるか否かが判別される。スモーク発生噴射時期は、マップに従って、燃料噴射量に応じて算出される。

ステップＳ６において、スモーク発生噴射時期に達しないと判別された場合、次に、ステップＳ８において、点火時期と圧縮行程噴射時期とが遅角される。より具体的には現在の点火時期が点火時期遅角量ｄθｓだけ遅角されて、点火時期として設定され、圧縮行程噴射時期は、ステップＳ４において算出された遅角後の圧縮行程噴射時期とされる。即ち、圧縮行程噴射時期は、前回このルーチンが実行された時に設定された圧縮行程噴射時期を、噴射時期遅角量ｄθｉだけ遅角した時期となる。その後、今回の処理は終了する。

一方、ステップＳ６において、遅角後の圧縮行程噴射時期がスモーク発生噴射時期に達すると判別された場合、ステップＳ１０において、点火時期がステップＳ４において算出された時期に遅角され、点火近傍噴射が、点火時期から最適なインターバル後の点火近傍噴射時期とされ、点火近傍噴射が実行されるモードに切り替えられる。なお、ここでは圧縮行程噴射時期は変更されず、従って、前回このルーチンを実行してステップＳ８の処理により最後に設定された圧縮行程噴射時期がそのまま維持される。次に、ステップＳ１２において、点火近傍噴射フラグがＯＮとされる。その後、今回の処理は一旦終了する。

一方、ステップＳ３において、点火近傍噴射フラグがＯＮであると判別された場合、現在の状態は、圧縮行程噴射時期はスモーク発生噴射時期直前にまで遅角されたために、圧縮行程噴射の遅角は停止され、点火近傍噴射の実行に切り替えられている状態である。

従って、ステップＳ３において、点火近傍フラグがＯＮであると判別された場合、次に、ステップＳ１４において、点火時期は、現在の点火時期から、点火時期遅角量ｄθｓだけ遅角される。また、点火近傍噴射時期は、現在の点火近傍噴射時期から噴射時期遅角量ｄθｉだけ遅角される。なお、ここでは点火時期遅角量ｄθｓと噴射時期遅角量ｄθｉは同一としている。その後、今回の処理は一旦終了する。

以上説明したように、本実施の形態の制御によれば、ノッキング発生時には、まず圧縮行程噴射時期の遅角によりノッキングが抑制されるが、圧縮行程噴射時期の遅角によりスモーク発生が予想される場合には、圧縮行程噴射時期の遅角を停止し、点火後の点火近傍噴射を実行する。これにより、初期燃焼を改善してスモークの発生を抑制しつつ、ノッキングの発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、点火近傍噴射の時期を点火時期に合わせて遅角する場合、その遅角量が点火時期と同じ量とすることを説明した。これにより、点火時期と点火近傍噴射時期との間に、最適なインターバルを常に確保することができる。ただし、点火近傍噴射時期遅角量と、点火時期遅角量とは、同一である場合に限られない。例えば、点火近傍噴射時期遅角量と点火時期遅角量とが、例えば、エンジン回転速度又は噴射量と、各遅角量との関係を定めた２次元マップ、又は、エンジン回転速度と噴射量と各遅角量との関係を定めた３次元マップに従って、それぞれ算出される構成としてもよい。また、例えば、点火近傍噴射時期遅角量は、点火時期遅角量に係数を乗じた点火時期遅角量の定数倍の遅角量としてもよい。このようにしても、点火時期と、点火近傍噴射時期との間のインターバルを、その条件に応じて最適な値とすることができ、初期燃焼の改善を図ることができる。

また、点火近傍噴射を実行する場合に、圧縮行程噴射は、スモーク発生が予測される直前に設定された圧縮行程噴射時期で固定される場合について説明した。しかし、圧縮行程噴射時期は必ずしも固定とする必要はなく、点火近傍噴射における噴射期間分だけ遅角してもよいし、あるいは、点火近傍噴射によるスモーク増加を抑制するため進角するようにしてもよい。ただし、過度に進角するとトルク低下が予想されるため、その進角量はトルクを低下させない範囲とすることが望ましい。

また、本実施の形態では、圧縮行程噴射時期が更に遅角された場合に、スモーク発生噴射時期に達すると判断された場合に、圧縮行程噴射時期の遅角を停止して、点火近傍噴射の実行に切り替える場合について説明した。しかし、これに限られず、圧縮行程噴射時期遅角量の積算値が、スモーク発生を判断する基準量を超える場合に、圧縮行程噴射時期の遅角を停止して、点火近傍噴射の実行に切り替えるようにしてもよい。

なお、以上の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、この実施の形態において説明する構造等は、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。

Claims (1)

1. 圧縮行程における筒内噴射弁からの燃料噴射である圧縮行程噴射を行い、点火プラグ近傍に成層混合気を形成して成層燃焼を行う成層燃焼モードを選択可能な内燃機関の制御装置であって、
   前記成層燃焼モードでの運転中にノッキングが発生した場合に、点火時期を遅角するとともに、
   点火時期に応じた噴射時期の遅角量が、基準量より小さい場合には、前記遅角量に応じて遅角した噴射時期に、前記圧縮行程噴射を実行し、
   前記遅角量が前記基準量以上である場合には、前記圧縮行程噴射と、点火時期より所定のインターバル期間後のタイミングである噴射時期における再度の燃料噴射と、を実行する、
   ように構成されている内燃機関の制御装置。

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