JP2018131978A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮自着火燃焼が行われる機会を増やす。【解決手段】機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属するときには、グロープラグを停止させた状態で、予混合圧縮自着火（ＰＣＣＩ）燃焼を行うために、まず第１の予燃料噴射が行われ、次いで第２の予燃料噴射が行われ、次いで主燃料噴射が１回行われる。機関運転状態が第４の領域Ｒ４内に属するときには、グロープラグを停止させた状態で、拡散燃焼を行うために、主燃料噴射が１回行われる。機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属するときには、グロープラグを作動させた状態で、ＰＣＣＩ燃焼を行うために、予燃料噴射が行われることなく主燃料噴射が１回行われる。機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属するときには、グロープラグを作動させた状態で、ＰＣＣＩ燃焼を行うために、まず予燃料噴射が１回行われ、次いで主燃料噴射が１回行われる。【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

予混合圧縮自着火燃焼と拡散燃焼とを切り換え可能な内燃機関が公知である（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、機関負荷及び機関回転数により定まる機関運転状態領域に領域Ａ及び領域Ｂが画定される。また、領域Ａは領域ａ２と、領域ａ２の低負荷側の領域ａ１と、領域ａ２の高負荷側の領域ａ３とに区分される。機関運転状態が領域ａ２に属するときには予混合圧縮自着火燃焼が行われ、機関運転状態が領域ａ１，ａ３，Ｂに属するときには拡散燃焼が行われる。

予混合圧縮自着火燃焼は、拡散燃焼に比べて、燃焼温度が低いためにＮＯｘ排出量及び煤排出量が少なく、しかも燃料消費量が少ないという利点を有する。ところが、機関負荷が低くなると、又は、機関負荷が高くなると、予混合圧縮自着火燃焼を行うのが困難となる。そこで特許文献１では、領域Ｂのみならず、予混合圧縮自着火燃焼が行われる領域ａ２の低負荷側の領域ａ１と、領域ａ２の高負荷側の領域ａ３とにおいても、拡散燃焼が行われる。

特開２０１２−０４１８９２号公報

しかしながら、特許文献１において、予混合圧縮自着火燃焼が行われるのは、領域ａ２という限定された機関運転状態領域のみであり、予混合圧縮自着火燃焼の利点を十分に得ることができないという問題点がある。

本発明によれば、燃焼室内に燃料を直接噴射するように構成されている燃料噴射弁と、前記燃焼室内の予混合気又は燃料を加熱するように構成されているグロープラグと、前記燃料噴射弁及び前記グロープラグを制御するように構成されている制御部であって、機関負荷があらかじめ定められた第１のしきい値よりも低いときに、前記グロープラグを作動させた状態で、予混合圧縮自着火燃焼を行うために、予燃料噴射を１回行った後に主燃料噴射を１回行い、機関負荷が前記第１のしきい値よりも高くかつあらかじめ定められた第２のしきい値よりも低いときに、前記グロープラグを作動させた状態で、予混合圧縮自着火燃焼を行うために、予燃料噴射を行うことなく主燃料噴射を１回行い、機関負荷が前記第２のしきい値よりも高いときに、前記グロープラグを停止させた状態で、予混合圧縮自着火燃焼を行うために燃料噴射を行う、ように構成されている制御部と、を備えた、内燃機関の制御装置が提供される。

予混合圧縮自着火燃焼が行われる機会を増やすことができる。

内燃機関の全体図である。 内燃機関の部分縦断面図である。 電子制御ユニットの機能を示すブロック図である。 領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を示す線図である。 第３のＰＣＣＩ燃焼を説明するタイムチャートである。 拡散燃焼を説明するタイムチャートである。 第２のＰＣＣＩ燃焼を説明するタイムチャートである。 第１のＰＣＣＩ燃焼を説明するタイムチャートである。 本発明による実施例の燃焼制御ルーチンを示すフローチャートである。

図１を参照すると、内燃機関１は、複数、例えば４つの気筒２ａを含む機関本体２を備える。気筒２ａは吸気枝管３を介してサージタンク４に連結され、サージタンク４は吸気ダクト５を介して排気過給器６のコンプレッサ６ｃの出口に連結される。コンプレッサ６ｃの入口は吸気導入管７を介してエアクリーナ８に連結される。吸気導入管７内には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ９が配置される。吸気ダクト５には吸入空気を冷却するための冷却器１０と、スロットル弁１１とが順次配置される。

また、気筒２ａは排気マニホルド１２及び排気管１３を順次介して排気過給器６のタービン６ｔの入口に連結される。タービン６ｔの出口は排気管１４を介して触媒１５に連結される。タービン６ｔ上流の排気管１３とタービン６ｔ下流の排気管１４とはウエストゲート弁１６によって互いに連結される。また、サージタンク４と排気マニホルド１２とは、排気ガス再循環（以下、ＥＧＲという。）通路１７によって互いに連結される。ＥＧＲ通路１７内には、ＥＧＲガス量を制御するためのＥＧＲ制御弁１８と、ＥＧＲガスを冷却するための冷却器１９とが配置される。

図２は、本発明による実施例の機関本体２を詳細に示している。図２を参照すると、３０はシリンダブロック、３１はシリンダブロック３０内に形成された円筒状のシリンダボア、３２はピストン、３３はシリンダヘッド、３４は吸気ポート、３５は吸気弁、３６は排気ポート、３７は排気弁、３８は燃焼室、をそれぞれ示す。シリンダヘッド３３には、燃焼室３８内に燃料を直接噴射するように構成されている電子制御式の燃料噴射弁３９と、燃焼室３８内の予混合気又は燃料を加熱するように構成されているグロープラグ４０とが取り付けられる。本発明による実施例では、燃料としての軽油が燃料噴射弁３９に供給される。

再び図１を参照すると、電子制御ユニット５０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス５１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）５４、入力ポート５５及び出力ポート５６を具備する。エアフローメータ９の出力電圧は対応するＡ／Ｄ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に、アクセルペダル５９にはアクセルペダル５９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ６０が接続され、負荷センサ６０の出力電圧は対応するＡＤ変換器５７を介して入力ポート５５に入力される。更に、クランク角ＣＡを検出するためのクランク角センサ６１が入力ポート５５に接続される。ＣＰＵ５４ではクランク角センサ６１からの出力パルスに基づいて機関回転数が算出される。一方、出力ポート５６はそれぞれ対応する駆動回路５８を介して、気筒２ａの燃料噴射弁３９、グロープラグ４０、スロットル弁１１のアクチュエータ、ウエストゲート弁１６、及び、ＥＧＲ制御弁１８にそれぞれ接続される。

図３は本発明による実施例における電子制御ユニット５０の機能を示すブロック図を示している。図３を参照すると、本発明による実施例の電子制御ユニット５０は、機関運転状態があらかじめ定められた複数の領域のうちいずれに属するかを判断するように構成されている判断部５０ａと、燃料噴射弁３９及びグロープラグ４０を制御するように構成されている制御部５０ｂと、を備える。

本発明による実施例では、図４に示されるように、機関負荷を表すトルクＴＱ及び機関回転数ＮＥにより定まる機関運転領域に、第１の領域Ｒ１、第２の領域Ｒ２、第３の領域Ｒ３、及び第４の領域Ｒ４がそれぞれ画定される。図４に示される例では、第１の領域Ｒ１は、あらかじめ定められた第１のしきい値ＴＱ１と、トルクＴＱがゼロの線分と、全負荷を表す最大トルクＷとにより画定される。第２の領域Ｒ２は、第１のしきい値ＴＱ１と、あらかじめ定められた第２のしきい値ＴＱ２と、トルクＴＱがゼロの線分と、最大トルクＷとにより画定される。第３の領域Ｒ３は、第２のしきい値ＴＱ２と、あらかじめ定められた第３のしきい値ＴＱ３と、トルクＴＱがゼロの線分と、最大トルクＷとにより画定される。第４の領域Ｒ４は、第３のしきい値ＴＱ３と、トルクＴＱがゼロの線分と、最大トルクＷとにより画定される。

この場合、第２の領域Ｒ２は第３の領域Ｒ３に隣接しつつ第３の領域Ｒ１の低トルク側に位置する。第１の領域Ｒ１は第２の領域Ｒ２に隣接しつつ第２の領域Ｒ２の低トルク側に位置する。第４の領域Ｒ４は第３の領域Ｒ３に隣接しつつ第３の領域Ｒ１の高トルク側に位置する。

本発明による実施例では、機関運転状態が第１の領域Ｒ１、第２の領域Ｒ２、第３の領域Ｒ３、及び第４の領域Ｒ４のうちいずれの領域に属するかが判断される。すなわち、トルクＴＱが第１のしきい値ＴＱ１よりも低いときに機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属すると判断される。トルクＴＱが第１のしきい値ＴＱ１よりも高くかつ第２のしきい値ＴＱ２よりも低いときに機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属すると判断される。トルクＴＱが第２のしきい値ＴＱ２よりも高くかつ第３のしきい値ＴＱ３よりも低いときに機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属すると判断される。トルクＴＱが第３のしきい値ＴＱ３よりも高いときに機関運転状態が第４の領域Ｒ４内に属すると判断される。なお、トルクＴＱが第１のしきい値ＴＱ１のとき、一例では機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属すると判断され、別の例では機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属すると判断される。トルクＴＱが第２のしきい値ＴＱ２のとき、一例では機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属すると判断され、別の例では機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属すると判断される。トルクＴＱが第３のしきい値ＴＱ３のとき、一例では機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属すると判断され、別の例では機関運転状態が第４の領域Ｒ４内に属すると判断される。本発明による実施例では、第１のしきい値ＴＱ１、第２のしきい値ＴＱ２、及び第３のしきい値ＴＱ３はそれぞれ、機関回転数ＮＥの関数としてマップの形であらかじめＲＯＭ５２内に記憶されている。

その上で、機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属するときには、グロープラグ４０を停止させた状態で、予混合圧縮自着火（ＰＣＣＩ）燃焼を行うために、燃料噴射が行われる。すなわち、本発明による実施例では、グロープラグ４０を停止させた状態で、まず予燃料噴射が行われ、次いで主燃料噴射が行われる。より具体的には、図５に示されるように、グロープラグ４０を停止させた状態で、まず第１の予燃料噴射ＦＰ１が行われ、次いで第２の予燃料噴射ＦＰ２が行われ、次いで主燃料噴射ＦＭが１回行われる。一例では、第１の予燃料噴射ＦＰ１、第２の予燃料噴射ｔＦＰ２、及び主燃料噴射ＦＭはいずれも、圧縮上死点ＴＤＣよりも前、すなわち圧縮行程に行われる。なお、以下では、図５に示される燃焼形態、すなわち機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属するときに行われる燃焼形態を第３のＰＣＣＩ燃焼と称する。

第３のＰＣＣＩ燃焼では、第１の予燃料噴射ＦＰ１による燃料又は予混合気がまず自着火し、次いで第２の予燃料噴射ＦＰ２による燃料又は予混合気が自着火し、次いで主燃料噴射ＦＭによる燃料又は予混合気が自着火する。この場合、第１の予燃料噴射ＦＰ１による燃料又は予混合気の燃焼により第２の予燃料噴射ＦＰ２による燃料又は予混合気の自着火が促進される。また、第２の予燃料噴射ＦＰ２による燃料又は予混合気の燃焼により主燃料噴射ＦＭによる燃料又は予混合気の自着火が促進される。

ＰＣＣＩ燃焼では、拡散燃焼に比べて、燃焼温度が低いのでＮＯｘ排出量及び煤排出量を低減できる。また、拡散燃焼に比べて、空燃比をリーンにすることができるので、燃料消費量を低減できる。

ところが、ＰＣＣＩ燃焼では大きなトルクＴＱを確保するのが困難である。そこで本発明による実施例では、第３の領域Ｒ３よりも高トルク側の第４の領域Ｒ４内に機関運転状態が属するときには、グロープラグ４０を停止させた状態で、拡散燃焼を行うために、燃料噴射が行われる。すなわち、本発明による実施例では、図６に示されるように、グロープラグ４０を停止させた状態で、拡散燃焼を行うために、圧縮上死点ＴＤＣ周りにおいて主燃料噴射ＦＭが１回行われる。主燃料噴射ＦＭによる燃料は次いで拡散燃焼される。別の実施例（図示しない）では、主燃料噴射ＦＭの前に、パイロット噴射が行われる場合もある。あるいは、主燃料噴射ＦＭの後に、アフタ噴射が行われる場合もある。

一方、トルクＴＱが低いときに第３のＰＣＣＩ燃焼を行うと、自着火時期にバラツキが生ずるおそれがあり、又は、自着火が生じないおそれがある。すなわち、燃焼が不安定になるおそれがある。そこで本発明による実施例では、第３の領域Ｒ３よりも低トルク側の第２の領域Ｒ２内又は第１の領域Ｒ１内に機関運転状態が属するときには、グロープラグ４０を作動させた状態で、予混合圧縮自着火（ＰＣＣＩ）燃焼を行うために、燃料噴射が行われる。

すなわち、機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属するときには、本発明による実施例では、図７に示されるように、グロープラグ４０を作動させた状態で、ＰＣＣＩ燃焼を行うために、予燃料噴射が行われることなく主燃料噴射ＦＭが１回行われる。一例では、主燃料噴射ＦＭは圧縮行程に行われる。なお、以下では、図７に示される燃焼形態、すなわち機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属するときに行われる燃焼形態を第２のＰＣＣＩ燃焼と称する。

一方、機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属するときには、本発明による実施例では、図８に示されるように、グロープラグ４０を作動させた状態で、ＰＣＣＩ燃焼を行うために、まず予燃料噴射ＦＰが１回行われ、次いで主燃料噴射ＦＭが１回行われる。一例では、予燃料噴射ＦＰ及び主燃料噴射ＦＭはいずれも圧縮行程に行われる。なお、以下では、図８に示される燃焼形態、すなわち機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属するときに行われる燃焼形態を第１のＰＣＣＩ燃焼と称する。

その結果、グロープラグ４０により燃料又は予混合気が加熱されるので、安定したＰＣＣＩ燃焼が得られる。

本発明による実施例では、上述したように、第２のＰＣＣＩ燃焼では予燃料噴射が行われず、第１のＰＣＣＩ燃焼では予燃料噴射が１回行われる。このようにしているのは次の理由による。すなわち、トルクＴＱが比較的高い第２の領域Ｒ２に機関運転状態が属するときに予燃料噴射を行うと、主燃料噴射ＦＭが行われる前に予燃料噴射による燃料又は予混合気が自着火するおそれがあり、このため主燃料噴射ＦＭによる燃料が拡散燃焼するおそれがある。そこで本発明による実施例では、機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属するときには、予燃料噴射が行われることなく、主燃料噴射ＦＭが行われる。その結果、安定したＰＣＣＩ燃焼を確保することができる。

一方、トルクＴＱが比較的低い第１の領域Ｒ１内に機関運転状態が属するときに予燃料噴射が行われることなく主燃料噴射ＦＭが行われると、このとき燃焼室３８内の温度が比較的低いので、グロープラグ４０が作動されていたとしても、主燃料噴射ＦＭによる燃料又は予混合気が確実に自着火しないおそれがある。逆に、トルクＴＱが比較的低い第１の領域Ｒ１では、総燃料噴射量が少ないので、予燃料噴射を複数回行う必要性もない。そこで本発明による実施例では、機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属するときには、まず予燃料噴射ＦＰが１回行われ、次いで主燃料噴射ＦＭが行われる。その結果、予燃料噴射ＦＰによる燃料又は予混合気の燃焼により主燃料噴射ＦＭによる燃料又は予混合気の自着火が促進され、したがって安定したＰＣＣＩ燃焼を確保することができる。

これに対し、機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属するときにグロープラグ４０が作動されると、主燃料噴射ＦＭが行われる前に第１の予燃料噴射ＦＰ１又は第２の予燃料噴射ＦＰ２による燃料又は予混合気が自着火するおそれがあり、このため主燃料噴射ＦＭによる燃料が拡散燃焼するおそれがある。そこで本発明による実施例では、上述したように、機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属するときには、グロープラグ４０が停止された状態で燃料噴射が行われ、ＰＣＣＩ燃焼が行われる。同様に、機関運転状態が第４の領域Ｒ４内に属するときにも、グロープラグ４０が停止される。

したがって、概念的に表現すると、制御部５０ｂは、機関負荷があらかじめ定められた第１のしきい値よりも低いときに、グロープラグを作動させた状態で、予混合圧縮自着火燃焼を行うために、予燃料噴射を１回行った後に主燃料噴射を１回行い、機関負荷が第１のしきい値よりも高くかつあらかじめ定められた第２のしきい値よりも低いときに、グロープラグを作動させた状態で、予混合圧縮自着火燃焼を行うために、予燃料噴射を行うことなく主燃料噴射を１回行い、機関負荷が第２のしきい値よりも高いときに、グロープラグを停止させた状態で、予混合圧縮自着火燃焼を行うために燃料噴射を行う、ように構成されている。

従来では、第３の領域Ｒ３よりも低トルク側の第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２では、燃焼が不安定になるおそれがあるためにＰＣＣＩ燃焼が行われていなかった。これに対し、本発明による実施例では、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２でも安定したＰＣＣＩ燃焼を得ることができる。その結果、ＰＣＣＩ燃焼が行われる機会を増やすことができる。言い換えると、ＰＣＣＩ燃焼が行われる領域を拡大することができる。したがって、広い機関運転領域において、ＮＯｘ及び煤の排出量を低減することができ、燃料消費量を低減することができる。

ここで、第１のＰＣＣＩ燃焼及び第２のＰＣＣＩ燃焼における燃料噴射について更に説明する。第１のＰＣＣＩ燃焼では、上述したように、予燃料噴射ＦＰが１回行われ、次いで主燃料噴射ＦＭが１回行われる。この場合、本発明による実施例では、予燃料噴射ＦＰの噴射時期及び主燃料噴射ＦＭの噴射時期はいずれも、機関運転状態にかかわらず一定に維持される。また、本発明による実施例では、予燃料噴射ＦＰの噴射量を一定に維持しつつ主燃料噴射ＦＭの噴射量を変更することにより、総噴射量が変更される。一方、第２のＰＣＣＩ燃焼では、上述したように、予燃料噴射が行われることなく主燃料噴射ＦＭが１回行われる。この場合、本発明による実施例では、主燃料噴射ＦＭの噴射時期は機関運転状態にかかわらず一定に維持される。このようにすると、第１のＰＣＣＩ燃焼において熱発生率にピークが生ずる時期と、第２のＰＣＣＩ燃焼において熱発生率にピークが生ずる時期とをほぼ等しくすることができる。したがって、第１の領域Ｒ１及び第２の領域Ｒ２において噴射量に比例したトルクＴＱ及び機関回転数ＮＥの制御を行うことができる。

図９は本発明による実施例の燃焼制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。図９を参照すると、ステップ１００では機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属するか否かが判別される。機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属するときには次いでステップ１０１に進み、第１のＰＣＣＩ燃焼が行われる。これに対し、機関運転状態が第１の領域Ｒ１内に属さないときにはステップ１００からステップ１０２に進み、機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属するか否かが判別される。機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属するときには次いでステップ１０３に進み、第２のＰＣＣＩ燃焼が行われる。これに対し、機関運転状態が第２の領域Ｒ２内に属さないときにはステップ１０２からステップ１０４に進み、機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属するか否かが判別される。機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属するときには次いでステップ１０５に進み、第３のＰＣＣＩ燃焼が行われる。これに対し、機関運転状態が第３の領域Ｒ３内に属さないとき、すなわち第４の領域Ｒ４内に属するときにはステップ１０４からステップ１０６に進み、拡散燃焼が行われる。

１ 内燃機関
２ 機関本体
３９ 燃料噴射弁
４０ グロープラグ
５０ 電子制御ユニット
５０ｂ 制御部
Ｒ１ 第１の領域
Ｒ２ 第２の領域
Ｒ３ 第３の領域
Ｒ４ 第４の領域
ＦＰ 予燃料噴射
ＦＰ１ 第１の予燃料噴射
ＦＰ２ 第２の予燃料噴射
ＦＭ 主燃料噴射

Claims (1)

1. 燃焼室内に燃料を直接噴射するように構成されている燃料噴射弁と、
   前記燃焼室内の予混合気又は燃料を加熱するように構成されているグロープラグと、
   前記燃料噴射弁及び前記グロープラグを制御するように構成されている制御部であって、
   機関負荷があらかじめ定められた第１のしきい値よりも低いときに、前記グロープラグを作動させた状態で、予混合圧縮自着火燃焼を行うために、予燃料噴射を１回行った後に主燃料噴射を１回行い、
   機関負荷が前記第１のしきい値よりも高くかつあらかじめ定められた第２のしきい値よりも低いときに、前記グロープラグを作動させた状態で、予混合圧縮自着火燃焼を行うために、予燃料噴射を行うことなく主燃料噴射を１回行い、
   機関負荷が前記第２のしきい値よりも高いときに、前記グロープラグを停止させた状態で、予混合圧縮自着火燃焼を行うために燃料噴射を行う、
   ように構成されている制御部と、
   を備えた、内燃機関の制御装置。

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