JP2019157751A

JP2019157751A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2019157751A
Application number: JP2018044668A
Authority: JP
Inventors: 岡田　吉弘; Yoshihiro Okada; 吉弘岡田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-12
Also published as: US10774803B2; CN110259589A; JP6907973B2; CN110259589B; EP3564506B1; US20190277241A1; EP3564506A1

Abstract

【課題】水の気化潜熱による混合気の冷却効果を向上させる。【解決手段】機関本体１と、機関本体１の吸気通路内に水を噴射するための水噴射弁６１と、機関本体１の燃焼室１０で燃焼させる燃料を噴射するための燃料噴射弁４１と、を備える内燃機関１００を制御する制御装置２００は、燃料噴射弁４１から燃料が噴射される燃焼サイクルにおいて、吸気行程中に吸気通路内で気化する水と、圧縮行程中に燃焼室１０内で気化する水と、が生じるように、水噴射弁６１からの水噴射量を制御する水噴射制御部を備える。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の吸気通路内に水を噴射し、水の気化潜熱によって燃焼室内に流入する前の空気を冷却することが開示されている。そして、未蒸発の水が空気と共に燃焼室内に流入してしまうのを抑制するために、吸気通路内に噴射する水の量を、燃焼室内に流入する前の空気中の水分量が飽和水蒸気量以下になるように制御することが開示されている。

特開２０１７−０８９５８７号公報

しかしながら、前述した特許文献１では、燃焼室内で気化する水の量を考慮していなかったため、水の気化潜熱による混合気の冷却効果を十分に得られないおそれがある。

本発明はこのような観点に着目してなされたものであり、水の気化潜熱による混合気の冷却効果を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、機関本体と、機関本体の吸気通路内に水を噴射するための水噴射弁と、機関本体の燃焼室で燃焼させる燃料を噴射するための燃料噴射弁と、を備える内燃機関の制御装置が、燃料噴射弁から燃料が噴射される燃焼サイクルにおいて、吸気行程中に吸気通路内で気化する水と、圧縮行程中に燃焼室内で気化する水と、が生じるように、水噴射弁からの水噴射量を制御する水噴射制御部を備えるように構成される。

本発明のこの態様によれば、吸気通路内に加えて燃焼室内においても水を気化させることができるので、水の気化潜熱による混合気の冷却効果を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関、及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。図２は、本発明の一実施形態による水噴射制御、及び点火時期制御について説明するフローチャートである。図３は、最大気化量の算出処理について説明するフローチャートである。図４は、最大吸気通路内気化量の算出処理について説明するフローチャートである。図５は、燃焼室内気化量に基づいて第１点火時期補正量を算出するためのテーブルである。図６は、吸気通路内気化量に基づいて第２点火時期補正量を算出するためのテーブルである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関１００、及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。

図１に示すように、内燃機関１００は、機関本体１と、吸気装置２０と、排気装置３０と、燃料噴射弁４１と、点火プラグ５１と、水噴射弁６１と、を備える。

機関本体１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に取り付けられたシリンダヘッド３と、シリンダブロック２の下部に取り付けられたクランクケース４と、クランクケース４の下部に取り付けられたオイルパン５と、を備える。

シリンダブロック２には、複数のシリンダ６が形成される。シリンダ６の内部には、燃焼圧力を受けてシリンダ６の内部を往復運動するピストン７が収められる。ピストン７は、コンロッド８を介してクランクケース４内に回転可能に支持されたクランクシャフト９と連結されており、クランクシャフト９によってピストン７の往復運動が回転運動に変換される。シリンダヘッド３の内壁面、シリンダ６の内壁面及びピストン冠面によって区画された空間が燃焼室１０となる。

シリンダヘッド３には、シリンダヘッド３の一方の側面に開口すると共に燃焼室１０に開口する吸気ポート１１と、シリンダヘッド３の他方の側面に開口すると共に燃焼室１０に開口する排気ポート１２と、が形成される。

またシリンダヘッド３には、燃焼室１０と吸気ポート１１との開口を開閉するための吸気弁１３と、燃焼室１０と排気ポート１２との開口を開閉するための排気弁１４と、吸気弁１３を開閉駆動する吸気カムシャフト１５と、排気弁１４を開閉駆動する排気カムシャフト１６と、が取り付けられる。

吸気装置２０は、吸気ポート１１を介して各燃焼室１０内に空気を導くための装置であって、エアクリーナ２１と、吸気管２２と、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２３ａと、インタクーラ２４と、吸気マニホールド２５と、電子制御式のスロットル弁２６と、エアフローメータ２１１と、外気温度センサ２１２と、外気圧力センサ２１３と、外気湿度センサ２１４と、サージタンク温度センサ２１５と、サージタンク圧力センサ２１６と、を備える。

エアクリーナ２１は、空気中に含まれる砂などの異物を除去する。

吸気管２２は、一端がエアクリーナ２１に連結され、他端が吸気マニホールド２５のサージタンク２５ａに連結される。

ターボチャージャ２３は過給機の一種であり、排気のエネルギを利用して空気を強制的に圧縮し、その圧縮した空気を各燃焼室１０に供給する。これにより充填効率が高められるので、機関出力が増大する。コンプレッサ２３ａは、ターボチャージャ２３の一部を構成する部品であり、吸気管２２に設けられる。コンプレッサ２３ａは、同軸上に設けられた後述するターボチャージャ２３のタービン２３ｂによって回されて、空気を強制的に圧縮する。なおターボチャージャ２３に替えて、クランクシャフト９の回転力を利用して機械的に駆動される過給機（スーパチャージャ）を用いても良い。

インタクーラ２４は、コンプレッサ２３ａよりも下流の吸気管２２に設けられ、コンプレッサ２３ａによって圧縮されて高温となった空気を冷却する。これにより、体積密度の低下を抑えて充填効率をさらに高めるとともに、高温の空気が各燃焼室１０に吸入されることによる混合気の温度上昇を抑えてノッキングなどの発生を抑制することができる。

吸気マニホールド２５は、サージタンク２５ａと、サージタンク２５ａから分岐してシリンダヘッド側面に形成されている各吸気ポート１１の開口に連結される複数の吸気枝管２５ｂと、を備える。サージタンク２５ａに導かれた空気は、吸気枝管２５ｂを介して各燃焼室１０内に均等に分配される。このように、吸気管２２、吸気マニホールド２５及び吸気ポート１１が、各燃焼室１０内に空気を導くための吸気通路を形成する。

スロットル弁２６は、インタクーラ２４とサージタンク２５ａとの間の吸気管２２内に設けられる。スロットル弁２６は、スロットルアクチュエータ（図示せず）によって駆動され、吸気管２２の通路断面積を連続的又は段階的に変化させる。スロットルアクチュエータによってスロットル弁２６の開度を調整することで、各燃焼室１０内に吸入される空気の流量を調整することができる。

エアフローメータ２１１は、コンプレッサ２３ａよりも上流側の吸気管２２内に設けられる。エアフローメータ２１１は、吸気通路内を流れて最終的に各燃焼室１０内に吸入される空気の流量を検出する。

外気温度センサ２１２は、コンプレッサ２３ａよりも上流側の吸気管２２内に設けられる。外気温度センサ２１２は、エアクリーナ２１を介してコンプレッサ２３ａよりも上流側の吸気管２２内に吸入された空気の温度、すなわち外気温度を検出する。

外気圧力センサ２１３は、コンプレッサ２３ａよりも上流側の吸気管２２内に設けられる。外気圧力センサ２１３は、エアクリーナ２１を介してコンプレッサ２３ａよりも上流側の吸気管２２内に吸入された空気の圧力、すなわち外気圧力（大気圧）を検出する。

外気湿度センサ２１４は、コンプレッサ２３ａよりも上流側の吸気管２２内に設けられる。外気温度センサ２１２は、エアクリーナ２１を介してコンプレッサ２３ａよりも上流側の吸気管２２内に吸入された空気の湿度、すなわち外気湿度を検出する。

サージタンク温度センサ２１５は、サージタンク２５ａ内に設けられる。サージタンク温度センサ２１５は、サージタンク内の空気の温度（以下「サージタンク温度」という。）を検出する。サージタンク温度は、最終的に燃焼室内に吸入される空気の温度に相当する。

サージタンク圧力センサ２１６は、サージタンク２５ａ内に設けられる。サージタンク圧力センサ２１６は、サージタンク内の空気の圧力（以下「サージタンク圧力」という。）を検出する。サージタンク圧力は、最終的に燃焼室内に吸入される空気の圧力に相当する。

排気装置３０は、燃焼室１０内で生じた燃焼ガス（排気）を浄化して外気に排出するための装置であって、排気マニホールド３１と、排気管３２と、ターボチャージャ２３のタービン２３ｂと、排気バイパス通路３３と、排気後処理装置３４と、を備える。

排気マニホールド３１は、シリンダヘッド側面に形成されている各排気ポート１２の開口と連結される複数の排気枝管と、排気枝管を集合させて１本にまとめた集合管と、を備える。

排気管３２は、一端が排気マニホールド３１の集合管に連結され、他端が開口端となっている。各シリンダ６から排気ポート１２を介して排気マニホールド３１に排出された排気は、排気管３２を流れて外気に排出される。

タービン２３ｂは、ターボチャージャ２３の一部を構成する部品であり、排気管３２に設けられる。タービン２３ｂは、排気のエネルギによって回されて、同軸上に設けられたコンプレッサ２３ａを駆動する。

排気バイパス通路３３は、タービン２３ｂを迂回するようにタービン２３ｂの上流側の排気管３２と下流側の排気管３２とに接続される通路である。

排気バイパス通路３３には、ウェストゲートアクチュエータ３５によって駆動されて、排気バイパス通路３３の通路断面積を連続的又は段階的に調節することができるウェストゲートバルブ３６が設けられる。ウェストゲートバルブ３６が開かれると、排気管３２を流れる排気の一部又は全部が排気バイパス通路３３へと流入し、タービン２３ｂを迂回して外気へと排出される。そのため、ウェストゲートバルブ３６の開度を調節することで、タービン２３ｂに流入する排気の流量を調節し、タービン２３ｂの回転速度を制御することができる。すなわち、ウェストゲートバルブ３６の開度を調節することで、コンプレッサ２３ａによって圧縮される空気の圧力を制御することができる。

排気後処理装置３４は、タービン２３ｂよりも下流側の排気管３２に設けられる。排気後処理装置３４は、排気を浄化した上で外気に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の触媒（例えば三元触媒）を担体に担持させたものである。

燃料噴射弁４１は、各燃焼室１０内で燃焼させるための燃料を噴射する。本実施形態では燃料噴射弁４１は、吸気ポート１１内に燃料を噴射することができるように、吸気マニホールド２５の各吸気枝管２５ｂに取り付けられる。燃料噴射弁４１の開弁時間（噴射量）、及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更され、燃料噴射弁４１が開弁されると燃料噴射弁４１から吸気ポート１１内に燃料が噴射され、当該燃料が燃焼室１０に供給される。なお燃料噴射弁４は、燃焼室１０内に直接燃料を噴射できるように、シリンダヘッド３に取り付けても良い。

点火プラグ５１は、燃焼室１０に臨むようにシリンダヘッド３に取り付けられる。点火プラグ５１は、燃焼室１０内に火花を生じさせて、燃料噴射弁４１から噴射された燃料と空気との混合気に点火する。点火プラグ５１の点火時期は、電子制御ユニット２００からの制御信号によって任意の時期に制御される。

水噴射弁６１は、吸気通路内、及び燃焼室１０内において気化させるための水を吸気通路内に噴射する。本実施形態では水噴射弁６１は、サージタンク２５ａに取り付けられて、サージタンク２５ａ内に水を噴射する。水噴射弁６１の開弁時間（噴射量）、及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更され、水噴射弁６１が開弁されると水噴射弁６１からサージタンク２５ａ内に水が噴射される。サージタンク２５ａ内に噴射された水は、吸気通路を流れる過程で気化しつつ各燃焼室１０内に供給され、圧縮行程中に各燃焼室１０内で気化される。

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

入力ポート２０５には、前述したエアフローメータ２１１などの各種センサ類の出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関負荷に相当するアクセルペダル２２０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２２１の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。また入力ポート２０５には、機関回転速度などを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフト９が例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２２２の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して燃料噴射弁４１などの各制御部品が電気的に接続される。

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサ類の出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する本実施形態による内燃機関１００の制御について説明する。

電子制御ユニット２００は、機関運転状態（機関回転速度、及び機関負荷）に基づいて、点火プラグ５１の点火時期を最適点火時期（ＭＢＴ；Minimum advance for the Best Torque）、又はノック限界点火時期に制御する。具体的には電子制御ユニット２００は、最適点火時期がノック限界点火時期よりも遅角側となる運転領域内に、機関回転速度と機関負荷とによって定まる機関運転点があれば、点火時期を最適点火時期に制御する。一方で電子制御ユニット２００は、最適点火時期がノック限界点火時期よりも進角側となる運転領域内に機関運転点があれば、点火時期をノック限界点火時期に制御する。これは、点火時期をノック限界点火時期よりも進角させてしまうと、許容範囲を超えたノッキングが発生し、機関出力及び機関耐久性が低下するおそれがあるためである。

ここで、最適点火時期がノック限界点火時期よりも進角側となる運転領域内において、点火時期を最適点火時期に近づけることができれば、機関出力や燃費の向上を図ることができる。

そこで本実施形態では、最適点火時期がノック限界点火時期よりも進角側となる運転領域内において、水噴射弁６１から水を噴射し、水の気化潜熱によって最終的に燃焼室１０内で点火される混合気の温度を低下させるようにしている。これにより、ノッキングの発生を抑制できるので、水を噴射しない場合よりも点火時期をノック限界点火時期から進角させることができ、点火時期を最適点火時期へと近づけることができる。

このとき、水の気化潜熱による混合気の冷却効果（温度低減効果）は、吸気通路内で水を気化させた場合と、燃焼室１０内で水を気化させた場合と、で異なり、燃焼室１０内で水を気化させた場合の方が混合気の冷却効果は大きくなる。

これは、吸気通路内において水の気化潜熱によって冷却された空気、又は混合気は、吸気通路内を流れて燃焼室１０内に吸入されるまでの過程で、吸気通路の内壁面からの受熱によって温度が上昇してしまう。一方で、燃焼室１０内において水の気化潜熱によって冷却された混合気の燃焼室１０の内壁面からの受熱期間は、吸気通路の内壁面からの受熱期間よりも短く、また、燃焼室１０内の表面積も吸気通路内の表面積よりも小さい。

そのため、燃焼室１０内において水の気化潜熱によって冷却された混合気は、吸気通路内において水の気化潜熱によって冷却された空気、又は混合気よりも温度上昇が抑えられる。その結果、燃焼室１０内で水を気化させた場合の方が、混合気の冷却効果が大きくなるのである。

したがって、前述した特許文献１のように、水噴射弁６１から噴射する水の量を、燃焼室１０内に流入する前の空気中の水分量が飽和水蒸気量以下になるように制御してしまうと、燃焼室１０内で水が気化しないので、水の気化潜熱による混合気の冷却効果を十分に得られない場合がある。

そこで本実施形態では、燃料噴射弁４１から燃料が噴射される燃焼サイクルにおいて、吸気行程中に吸気通路内で気化する水と、圧縮行程中に燃焼室１０内で気化する水と、が生じるように、水噴射弁６１から噴射する水の量を制御することとした。これにより、吸気通路内に加えて燃焼室１０内においても水を気化させることができるので、水の気化潜熱による混合気の冷却効果を高めることができ、ひいてはノッキングの発生を抑制することができる。

また、このように水の気化潜熱による混合気の冷却効果を高めてノッキングの発生を抑制できるようになると、冷却効果が向上した分、点火時期を進角させることが可能となる。そこで本実施形態では、水噴射弁６１から噴射された水の量に応じて、点火時期を進角側に補正することとした。これにより、機関出力や燃費の向上を図ることができる。

以下、図２から図６を参照して、この本実施形態による水噴射制御、及び点火時期制御について説明する。

図２は、本実施形態による水噴射制御、及び点火時期制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを機関運転中に所定の演算周期で繰り返し実行する。

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、クランク角センサ２２２の出力信号に基づいて算出された機関回転速度と、負荷センサ２２１によって検出された機関負荷と、を読み込み、機関運転状態（機関運転点）を検出する。

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたマップを参照し、機関運転状態に基づいて基本点火時期を算出する。基本点火時期は、水噴射を実施しない場合の目標点火時期である。したがって、水噴射を実施しない場合において、最適点火時期がノック限界点火時期よりも遅角側となる運転領域内に機関運転点があるときには、基本点火時期は機関運転状態に応じた最適点火時期に設定される。一方で、水噴射を実施しない場合において、最適点火時期がノック限界点火時期よりも進角側となる運転領域内に機関運転点があるときには、基本点火時期は機関運転状態に応じたノック限界点火時期に設定される。

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成されたマップ等を参照し、機関運転点が水噴射領域内にあるか否かを判定する。本実施形態では、仮に水噴射を実施しなければ、最適点火時期がノック限界点火時期よりも進角側となってしまう運転領域を水噴射領域に設定している。電子制御ユニット２００は、機関運転点が水噴射領域内にあれば、ステップＳ５の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、機関運転点が水噴射領域内になければ、ステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、水噴射は実施せず、点火時期を基本点火時期、すなわち最適点火時期に制御する。

ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、機関温度が所定温度未満か否かを判定する。電子制御ユニット２００は、機関温度が所定温度未満であれば、水噴射弁６１から噴射された水を十分に気化できないおそれがあるため、ステップＳ６の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、機関温度が所定温度以上であれば、ステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、水噴射は実施せず、点火時期を基本点火時期、すなわちノック限界点火時期に制御する。

ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、理論上、圧縮行程中に燃焼室１０内で気化させることが可能な水の最大量（以下「最大気化量」という。）ＷＴｍを算出するための処理を実施する。最大気化量ＷＴｍは、圧縮行程中における燃焼室１０内の温度及び圧力によって一義的に定まる値である。以下、最大気化量ＷＴｍの算出処理の詳細について、図３を参照して説明する。

図３は、最大気化量ＷＴｍの算出処理の内容について説明するフローチャートである。

ステップＳ７１において、電子制御ユニット２００は、圧縮前の燃焼室１０内の温度（以下「圧縮前燃焼室温度」という。）ＴＣ_０と、圧縮前の燃焼室１０内の圧力（以下「圧縮前燃焼室圧力」という。）ＰＣ_０と、を算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、サージタンク温度を圧縮前燃焼室温度ＴＣ_０とし、サージタンク圧力を圧縮前燃焼室圧力ＰＣ_０とする。

ステップＳ７２において、電子制御ユニット２００は、圧縮前燃焼室温度ＴＣ_０に基づいて、燃焼室１０内において混合気が断熱圧縮されたと仮定した場合の燃焼室温度ＴＣの推定式である下記の（１）式から、圧縮後の燃焼室１０内の温度（以下「圧縮後燃焼室温度」という。）ＴＣ_１を算出する。
ＴＣ_１＝ＴＣ_０×（Ｖ_０／Ｖ_１）^ｋ−１ …（１）

（１）式において、Ｖ_０は、圧縮前の燃焼室容積であり、Ｖ_１は圧縮後の燃焼室容積であり、ｋは比熱比（ポリトロープ指数）である。本実施形態では、圧縮前の燃焼室容積Ｖ_０を、吸気弁閉時期におけるシリンダ容積としているが、簡易的には、ピストン７が下死点に位置しているときのシリンダ容積としても良い。また本実施形態では、圧縮後の燃焼室容積Ｖ_１を、基本点火時期におけるシリンダ容積、すなわち燃焼開始時におけるシリンダ容積としているが、簡易的には圧縮行程中の任意の時期におけるシリンダ容積（例えばピストン７が上死点に位置しているときのシリンダ容積）を、圧縮後の燃焼室容積Ｖ_１としても良い。

なお吸気弁閉時期、及び基本点火時期におけるシリンダ容積は、吸気弁閉時期、及び基本点火時期が定まれば機械的に定まる値である。したがって本実施形態では、吸気弁閉時期と圧縮前の燃焼室容積Ｖ_０とを関連付けたテーブルと、基本点火時期と圧縮後の燃焼室容積Ｖ_１とを関連付けたテーブルと、をそれぞれ予め実験等によって作成しておき、当該テーブルを参照することによって、圧縮前の燃焼室容積Ｖ_０と圧縮後の燃焼室容積Ｖ_１とを算出している。

ステップＳ７３において、電子制御ユニット２００は、圧縮前燃焼室圧力ＰＣ_０に基づいて、燃焼室１０内において混合気が断熱圧縮されたと仮定した場合の燃焼室圧力ＰＣの推定式である下記の（２）式から、圧縮後の燃焼室１０内の圧力（以下「圧縮後燃焼室圧力」という。）ＰＣ_１を算出する。
ＰＣ_１＝ＰＣ_０×（Ｖ_０／Ｖ_１）^ｋ …（２）

ステップＳ７４において、電子制御ユニット２００は、圧力及び温度と、飽和水蒸気量と、を関連付けたマップを参照し、圧縮後燃焼室温度ＴＣ_１と、圧縮後燃焼室圧力ＰＣ_１とに基づいて、圧縮後の燃焼室１０内、すなわち基本点火時期における燃焼室１０内の飽和水蒸気量ＭＣ［ｇ／ｍ^３］を算出する。

ステップＳ７５において、電子制御ユニット２００は、基本点火時期における燃焼室１０内の飽和水蒸気量ＭＣから外気湿度に基づいて算出される外気に含まれている単位容積当たりの水分量を減算したものに、圧縮後の燃焼室容積Ｖ_１を掛けて、最大気化量ＷＴｍを算出する。

図２に戻り、ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、吸気弁閉時期から基本点火時期までの時間（以下「第１気化時間」）等を考慮して最大気化量ＷＴｍに対して補正を施し、第１気化時間内に実際に燃焼室１０内で気化させ、また気化させた水（水蒸気）を燃焼室１０内で十分に拡散させることが可能な水の推定量（以下「気化可能量」という。）ＷＴを算出する。この気化可能量ＷＴが、水噴射弁６１から噴射する水の目標噴射量となる。本実施形態では電子制御ユニット２００は、下記の（３）式に基づいて、気化可能量ＷＴを算出する。なお第１気化時間は、簡易的にはピストン７が下死点から上死点に移動するまでの時間としても良い。
ＷＴ＝ＷＴｍ×ｃ１×ｃ２ …（３）

（３）式において、第１補正係数ｃ１は、最大気化量ＷＴｍの算出誤差を考慮した係数であって、１未満の正の数（例えば０．８）である。第２補正係数ｃ２は、第１気化時間を考慮した係数であって、機関回転速度に応じた１未満の正の数に設定される。具体的には第１気化時間は機関回転速度が高くなるほど短くなるため、第２補正係数ｃ２は、機関回転速度が低い場合に比べて高い場合の方が、基本的に小さい値に設定される。

ステップＳ９において、電子制御ユニット２００は、理論上、吸気通路内で気化させることが可能な水の最大量（以下「最大吸気通路内気化量」という。）ＷＳｍを算出するための処理を実施する。最大吸気通路内気化量ＷＳｍは、吸気通路内の空気の温度及び圧力によって一義的に定まる値であるが、吸気通路内の空気の温度及び圧力は、吸気通路内を流れる過程で変化する。

したがって、最大吸気通路内気化量ＷＳｍは、このような吸気通路内の空気の温度及び圧力の変動が終了した後の吸気通路内の温度及び圧力に基づいて算出することが望ましい。本実施形態においては、吸気通路内の空気の温度及び圧力は、コンプレッサ２３ａによって空気が圧縮されることによって変動し、インタクーラ２４によって空気が冷却されることによって変動し、さらにスロットル弁２６の弁開度に応じて空気が減圧されることによって変動する。そこで本実施形態では、スロットル弁２６よりも吸気流れ方向下流側の吸気通路内の温度及び圧力（本実施形態ではサージタンク温度及びサージタンク圧力）に基づいて、最大吸気通路内気化量ＷＳｍを算出するようにしている。以下、最大吸気通路内気化量ＷＳｍの算出処理の詳細について、図４を参照して説明する。

図４は、最大吸気通路内気化量ＷＳｍの算出処理の内容について説明するフローチャートである。

ステップＳ９１において、電子制御ユニット２００は、スロットル弁２６よりも吸気流れ方向下流側の吸気通路内の温度（以下「吸気通路内温度」という。）ＴＩと、スロットル弁２６よりも吸気流れ方向下流側の吸気通路内の圧力（以下「吸気通路内圧力」という。）ＰＩと、を算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、サージタンク温度を吸気通路内温度ＴＩとし、サージタンク圧力を吸気通路内温度ＰＩとする。

ステップＳ９２において、電子制御ユニット２００は、圧力及び温度と、飽和水蒸気量と、を関連付けたマップを参照し、吸気通路内温度ＴＩと、吸気通路内圧力ＰＩと、に基づいて、スロットル弁２６よりも吸気流れ方向下流側の吸気通路内の飽和水蒸気量ＭＳ［ｇ／ｍ^３］を算出する。

ステップＳ９３において、電子制御ユニット２００は、スロットル弁２６よりも吸気流れ方向下流側の吸気通路内の飽和水蒸気量ＭＳに、スロットル弁２６よりも吸気流れ方向下流側の吸気通路内の容積を掛けて、最大吸気通路内気化量ＷＳｍを算出する。

図２に戻り、ステップＳ１０において、電子制御ユニット２００は、水噴射弁６１から噴射された水が燃焼室１０内に流入するまでの時間（以下「第２気化時間」という。）を考慮して最大吸気通路内気化量ＷＳｍに対して補正を施し、第２気化時間内に実際に吸気通路内で気化させることが可能な水の推定量（以下「吸気通路内気化量」という。）ＷＳを算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、下記の（４）式に基づいて、吸気通路内気化量ＷＳを算出する。
ＷＳ＝ＷＳｍ×ｃ３ …（４）

（４）式において、第３補正係数ｃ３は、第２気化時間を考慮した係数であって、機関回転速度に応じた１未満の正の数に設定される。具体的には第２気化時間は機関回転速度が高くなるほど短くなるため、第３補正係数ｃ３は、機関回転速度が低い場合に比べて高い場合の方が、基本的に小さい値に設定される。

ステップＳ１１において、電子制御ユニット２００は、気化可能量ＷＴから吸気通路内気化量ＷＳを減算し、水噴射弁６１から噴射された水のうち、燃焼室１０内に流入してから気化する水の推定量（以下「燃焼室内気化量」という。）ＷＣを算出する。

ステップＳ１２において、電子制御ユニット２００は、点火時期補正量ｄｓａを算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成された図５のテーブルを参照し、燃焼室内気化量ＷＣに基づいて第１点火時期補正量ｇｃを算出する。また電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成された図６のテーブルを参照し、吸気通路内気化量ＷＳに基づいて第２点火時期補正量ｇｓを算出する。そして電子制御ユニット２００は、第１点火時期補正量ｇｃと、第２点火時期補正量ｇｓと、を加算したものを点火時期補正量ｄｓａとして算出する。

図５及び図６に示すように、仮に燃焼室内気化量ＷＣと吸気通路内気化量ＷＳとが同量だった場合の、第１点火時期補正量ｇｃと第２点火時期補正量ｇｓとを比較すると、第１点火時期補正量ｇｃの方が第２点火時期補正量ｇｓよりも大きくなる。これは前述したように、燃焼室１０内で水を気化させた場合の方が、吸気通路内で水を気化させた場合よりも、水の気化潜熱による混合気の冷却効果が大きくなるためである。

ステップＳ１３において、電子制御ユニット２００は、基本点火時期（ノック限界点火時期）から点火時期補正量ｄｓａを減算した補正点火時期が、最適点火時期よりも進角側となるか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、補正点火時期が最適点火時期よりも進角側であれば、ステップＳ１４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、補正点火時期が最適点火時期よりも遅角側であれば、ステップＳ１５の処理に進む。

ステップＳ１４において、電子制御ユニット２００は、吸気行程中の任意の時期に気化可能量ＷＴの水を水噴射弁６１から噴射すると共に、点火時期を最適点火時期に制御する。

ステップＳ１５において、電子制御ユニット２００は、吸気行程中の任意の時期に気化可能量ＷＴの水を水噴射弁６１から噴射すると共に、点火時期を補正点火時期に制御する。

以上説明した本実施形態によれば、機関本体１と、機関本体１の吸気通路内に水を噴射するための水噴射弁６１と、機関本体１の燃焼室１０で燃焼させる燃料を噴射するための燃料噴射弁４１と、を備える内燃機関１００の電子制御ユニット２００（制御装置）が、燃料噴射弁４１から燃料が噴射される燃焼サイクルにおいて、吸気行程中に吸気通路内で気化する水と、圧縮行程中に燃焼室１０内で気化する水と、が生じるように、水噴射弁６１からの水噴射量を制御する水噴射制御部を備える。

具体的には水噴射制御部は、水噴射弁６１からの水噴射量が、吸気通路内で気化する水の量である吸気通路内気化量ＷＳと、燃焼室１０に流入後に圧縮行程において燃焼室１０内で気化する水の量である燃焼室内気化量ＷＣと、の合計量となるように、水噴射弁６１からの水噴射量を制御するように構成される。

前述した通り、水の気化潜熱による混合気の冷却効果（温度低減効果）は、吸気通路内で水を気化させた場合と、燃焼室１０内で水を気化させた場合と、で異なり、燃焼室１０内で水を気化させた場合の方が混合気の冷却効果は大きくなる。そのため、本実施形態のように、吸気通路内に加えて、燃焼室１０内でも気化する水が生じるように水噴射量を制御することで、混合気の冷却効果を高めることができる。

また、混合気の冷却効果を高めることで、排気の温度を低減させることができる。そのため、例えば排気後処理装置３４の触媒の過加熱防止のために、触媒温度が所定値以上になったときに燃料噴射量を増量補正する制御（いわゆるＯＴ増量補正）を実施するように電子制御ユニット２００が構成されている場合には、燃料噴射量を増量補正する頻度を下げることができる。そのため、燃費の悪化を抑制することができる。

また本実施形態による電子制御ユニット２００は、機関運転状態に基づいて、燃焼室１０内で混合気に点火するための点火プラグ５１の点火時期を制御する点火時期制御部と、水噴射弁６１からの水噴射量に基づいて、点火時期を進角側に補正する点火時期補正部と、をさらに備える。そして点火時期補正部は、燃焼室内気化量ＷＣに基づいて第１点火時期補正量ｇｃを算出し、吸気通路内気化量ＷＳに基づいて第２点火時期補正量ｇｓを算出し、第１点火時期補正量ｇｃと第２点火時期補正量ｇｓとの合計量である点火時期補正量ｄｓａに基づいて、点火時期を進角側に補正するように構成される。

このように、点火プラグ５１によって混合気に点火する場合、吸気通路内に加えて、燃焼室１０内でも気化する水が生じるように水噴射量を制御して混合気の冷却効果を高めることで、ノッキングの発生を抑制することができる。そのため、水噴射量に応じて点火時期を進角側に補正することができ、機関出力や燃費の向上を図ることができる。

また前述した通り、水の気化潜熱による混合気の冷却効果は、吸気通路内で水を気化させた場合と、燃焼室１０内で水を気化させた場合と、で異なるため、水噴射量に応じて点火時期を進角側に補正する場合、燃焼室内気化量ＷＣに基づいて進角させることができる点火時期量と、吸気通路内気化量ＷＳに基づいて進角させることができる点火時期量と、も異なる。

したがって本実施形態のように、燃焼室内気化量ＷＣに基づいて第１点火時期補正量ｇｃを算出し、吸気通路内気化量ＷＳに基づいて第２点火時期補正量ｇｓを算出するようにすることで、吸気通路内で水を気化させた場合の混合気の冷却効果と、燃焼室１０内で水を気化させた場合の混合気の冷却効果と、に応じた適切な点火時期補正量をそれぞれ算出することができる。

また本実施形態による水噴射制御部は、圧縮行程中における燃焼室１０内の状態に応じて定まる燃焼室１０内の飽和水蒸気量ＭＣに基づいて、圧縮行程中に燃焼室１０内で気化させることが可能な水の最大量である最大気化量ＷＴｍを算出し、最大気化量ＷＴｍと、機関回転速度に応じて変化する燃焼室１０内での水の第１気化時間と、に基づいて、圧縮行程中に燃焼室１０内で実際に気化させることが可能な水の推定量である気化可能量ＷＴを算出し、気化可能量ＷＴを、吸気通路内気化量ＷＳと燃焼室内気化量ＷＣとの合計量として水噴射弁６１からの水噴射量を制御するように構成される。

さらに水噴射制御部は、吸気通路内の状態に応じて定まる吸気通路内の飽和水蒸気量ＭＳに基づいて、吸気通路内で気化させることが可能な水の最大量である最大吸気通路内気化量ＷＳｍを算出し、最大吸気通路内気化量ＷＳｍと、機関回転速度に応じて変化する吸気通路内での水の第２気化時間と、に基づいて、吸気通路内気化量ＷＳを算出し、気化可能量ＷＴと吸気通路内気化量ＷＳとに基づいて、燃焼室内気化量ＷＣを算出するように構成される。

これにより、吸気通路内気化量ＷＳと、燃焼室内気化量ＷＣと、を精度良く算出することができるため、吸気行程中に吸気通路内で気化する水と、圧縮行程中に燃焼室１０内で気化する水と、が生じるように、水噴射弁６１からの水噴射量を制御するにあたって、その水噴射量を適切な量に制御することができる。すなわち、過剰に水を噴射したり、逆に水が不足して十分な冷却効果を得られなくなったりするのを抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば内燃機関１００が、各燃焼室１０から排出された排気の一部を吸気通路に還流させる排気還流装置を備える場合であれば、吸気通路内気化量ＷＳを算出するにあたって、排気還流率（ＥＧＲ率）を考慮するようにしても良い。

また上記の実施形態では、火花点火式の内燃機関１００を例に説明したが、予混合圧縮自着火式の内燃機関や、燃料を拡散燃焼させる内燃機関において、燃焼室内の吸気や混合気の温度を低減させたい要求がある場合には、上記の実施形態において説明した水噴射制御を実施するようにしても良い。

１機関本体
１０燃焼室
４１燃料噴射弁
５１点火プラグ
６１水噴射弁
１００内燃機関
２００電子制御ユニット（制御装置）

Claims

機関本体と、
前記機関本体の吸気通路内に水を噴射するための水噴射弁と、
前記機関本体の燃焼室で燃焼させる燃料を噴射するための燃料噴射弁と、
を備える内燃機関の制御装置であって、
前記燃料噴射弁から燃料が噴射される燃焼サイクルにおいて、吸気行程中に前記吸気通路内で気化する水と、圧縮行程中に前記燃焼室内で気化する水と、が生じるように、前記水噴射弁からの水噴射量を制御する水噴射制御部を備える、
内燃機関の制御装置。
前記水噴射制御部は、
前記水噴射弁からの水噴射量が、前記吸気通路内で気化する水の量である吸気通路内気化量と、前記燃焼室に流入後に前記圧縮行程において前記燃焼室内で気化する水の量である燃焼室内気化量と、の合計量となるように、前記水噴射弁からの水噴射量を制御する、
請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
機関運転状態に基づいて、前記燃焼室内で燃料を点火するための点火プラグの点火時期を制御する点火時期制御部と、
前記水噴射弁からの水噴射量に基づいて、前記点火時期を進角側に補正する点火時期補正部と、
をさらに備え、
前記点火時期補正部は、
前記燃焼室内気化量に基づいて、第１点火時期補正量を算出し、
前記吸気通路内気化量に基づいて、第２点火時期補正量を算出し、
前記第１点火時期補正量と、前記第２点火時期補正量と、の合計量に基づいて、前記点火時期を進角側に補正する、
請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
前記水噴射制御部は、
前記圧縮行程中における前記燃焼室内の状態に応じて定まる前記燃焼室内の飽和水蒸気量に基づいて、前記圧縮行程中に前記燃焼室内で気化させることが可能な水の最大量である最大気化量を算出し、
前記最大気化量と、機関回転速度に応じて変化する前記燃焼室内での水の気化時間と、に基づいて、前記圧縮行程中に前記燃焼室内で実際に気化させることが可能な水の推定量である気化可能量を算出し、
前記気化可能量を、前記合計量として前記水噴射弁からの水噴射量を制御する、
請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
前記水噴射制御部は、
前記吸気通路内の状態に応じて定まる前記吸気通路内の飽和水蒸気量に基づいて、前記吸気通路内で気化させることが可能な水の最大量である最大吸気通路内気化量を算出し、
前記最大吸気通路内気化量と、機関回転速度に応じて変化する前記吸気通路内での水の気化時間と、に基づいて、前記吸気通路内気化量を算出し、
前記気化可能量と、前記吸気通路内気化量と、に基づいて、前記燃焼室内気化量を算出する、
請求項４に記載の内燃機関の制御装置。