JP2020139468A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両等に搭載される内燃機関のエミッションの一層の良化を図る。【解決手段】同一気筒に供給するべき燃料をインジェクタから噴射するタイミングを、当該気筒のサイクル毎に進角または遅角させて同期タイミングｔ１と非同期タイミングｔ２との間で切り替えることで、サイクル毎にインジェクタから噴出した燃料が液状となって付着する箇所を変化させる内燃機関の制御装置を構成した。これにより、特に内燃機関の温度が低い状況下において、大きな液相燃料の液滴が気筒の燃焼室内に侵入することを抑止できる。【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の燃料噴射を制御する制御装置に関する。

周知の通り、ポート噴射式の内燃機関（例えば、下記特許文献を参照）では、インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射し、燃料を予め吸気通路を流れる吸入空気と予混合して気化させた上で、気筒の燃焼室に吸引させる。

特開２０１６−１８３５８３号公報

インジェクタから噴出した燃料の一部は、気化せず液状のままで吸気ポートの内壁面や吸気バルブの弁体の傘部、気筒の燃焼室の天井部、シリンダボア等に付着する。そして、そのポートウェットの燃料が、気筒の燃焼室内に流下して侵入することが起こり得る。

燃焼室内で依然として液相を保っている燃料の液滴は、プール燃焼して粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を生成したり、局所的に空燃比をリッチ化させたりして、エミッションを悪化させる要因となる。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関のエミッションの一層の良化を図ることを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、同一気筒に供給するべき燃料をインジェクタから噴射するタイミングを、当該気筒のサイクル毎に進角または遅角させて切り替える内燃機関の制御装置を構成した。

インジェクタから噴出した燃料の一部が液状となって付着する箇所は、燃料噴射タイミングによって変化する。付着した液状燃料が少量でその液滴が小さければ、後に気化して支障なく燃焼させることが可能である。気筒における燃料噴射タイミングを当該気筒のサイクル毎に切り替えることにより、短時間のうちに反復して同一箇所に重ね塗りするように液状燃料が付着することを回避できる。ひいては、気筒の燃焼室内に液相燃料の大きな液滴を発生させずに済む。

本発明によれば、車両等に搭載される内燃機関のエミッションを一層良化させることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の制御装置が制御する燃料噴射タイミングを示す図。 ポート噴射式内燃機関の吸気通路、インジェクタ、吸気ポート及び燃焼室を示す側断面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。４ストロークエンジンでは、気筒１の吸気行程−圧縮行程−膨脹行程−排気行程の一連を一サイクルとする。

各気筒１の吸気バルブ１３よりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を起こすものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を気筒１に供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を気筒１から排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、例えば、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、例えば、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。

内燃機関には、各気筒１の吸気バルブ１３の開閉タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構５が付随することがある。ＶＶＴ機構５は、例えば、各気筒１の吸気バルブ１３を駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を作動液圧（潤滑油圧）や電動機によって変化させ、以て吸気バルブ１３の開閉タイミングを進角／遅角するものである。カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトからエンジントルクの供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、トルクを伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構５は、カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブ１３の開閉タイミングを変更する。

尤も、ＶＶＴ機構５の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を進角／遅角させるもの以外にも、吸気バルブ１３を開弁駆動するカムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動機を介して変化させるもの、吸気バルブ１３を電磁ソレノイドバルブとしたもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、ブレーキペダルが踏まれていることまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサ（ブレーキスイッチやマスタシリンダ圧センサ等）から出力されるブレーキ信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、火花点火装置のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射（開弁）信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構５に対して吸気バルブタイミングの制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に吸入される空気（新気）量）］を知得する。そして、吸入空気量に見合った要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、吸気バルブ１３の目標開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、停止した内燃機関を始動（冷間始動であることもあれば、アイドルストップからの再始動であることもある）するにあたり、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））を稼働させるための制御信号ｏを電動機に入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。内燃機関の始動のためのクランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、加速するエンジン回転数が完爆判定値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する。クランキングの終了条件となる完爆判定値は、内燃機関の冷却水温が低いほど高く設定する。

ポート噴射式の内燃機関にあっては、インジェクタ１１から噴射した液状燃料が吸気ポートの内壁面や吸気バルブ１３の弁体の傘部等に付着するポートウェットが発生する。そして、そのポートウェットの燃料が、気化せず液相のまま液滴として気筒１の燃焼室内に流下して侵入することが起こり得る。

燃焼室内で依然として気化せず液相を保っている燃料はプール燃焼を生じさせ、または蒸し焼きのような様相を呈して、ＰＭを生成する原因となる。また、燃焼室内で局所的に空燃比をリッチ化させ、ＨＣ、ＣＯ等の有害物質の排出量を増大させることにも繋がる。

液状燃料の問題は、特に、冷間始動直後の時期のような、内燃機関の温度が比較的低い状況下にて顕在化する。当然ながら、内燃機関が低温であるほど、付着した液状燃料が気化しにくい。既に暖機が完了しており内燃機関が十分に高温であるならば、液状燃料が一旦付着したとしてもそれは容易に気化する。

低温の内燃機関を、その運転領域及び燃料噴射のタイミングを一定にして運転し、気筒１の燃焼室内で生起する混合気の燃焼を観察すると、図２に示す気筒１の吸気行程に同期したタイミングｔ１、即ち吸気バルブ１３が開弁する直前、開弁と同時、または開弁した直後のタイミングで反復的に燃料を噴射しているときには、燃焼室内の排気バルブ１４及び点火プラグ１２の周辺の部位で輝炎が発生していることが確認された。輝炎は、熱によって遊離した炭素から発せられる赤い光であり、燃焼室内でＰＭが生成される可能性を示唆する。ここで、図２は、排気行程から吸気行程に亘る気筒１の吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉タイミングの一例を表しており、破線の矢印Ｅが排気バルブ１４の開弁している期間、実線の矢印Ｉが吸気バルブ１３の開弁している期間である。

翻って、気筒１の吸気行程とは非同期のタイミングｔ２、即ち吸気バルブ１３が未だ閉じている（または、吸気バルブ１３の開弁タイミングと比較して所定クランク角度以上進角した）タイミングで反復的に燃料を噴射しているときには、燃焼室内の点火プラグ１２及び吸気バルブ１３の周辺の部位で輝炎が発生していることが確認された。

しかも、同期タイミングｔ１で燃料を噴射している場合、非同期タイミングｔ２で燃料を噴射している場合の何れであっても、輝炎は毎サイクル発生するわけではなく、一サイクルないし複数サイクルの間隔を隔てて間欠的に発生した。

以上の知見に基づけば、同期タイミングｔ１で燃料を噴射する場合と、非同期タイミングｔ２で燃料を噴射する場合とでは、液相燃料の液滴が発生する箇所が相異するとの推定が成り立つ。非同期タイミングｔ２にて燃料を噴射するときには、吸気通路３から気筒１の燃焼室に向かう吸入空気の大きな流動が生じていない（吸気ポートの近傍においてほぼ無風である）段階での燃料噴射となることから、燃料の液滴は主として、吸気通路３ないし吸気ポートの燃焼室から離反した手前方の浅い箇所の下側の内壁面Ｒ２や、吸気バルブ１３の弁体の傘部Ｒ１等に付着する蓋然性が高い。なお、ここでは、インジェクタ１１が斜め下方を指向して燃料を噴射することを前提としている。より詳しくは、図３中に一点鎖線で表しているように、インジェクタ１１の中心軸線が吸気ポートの下側の壁面Ｒ２の先端近傍または吸気バルブ１３の弁体の傘部Ｒ１に向かって延びており、故に非同期噴射タイミングｔ２で噴射した燃料は吸気ポートの下側の内壁面Ｒ２や吸気バルブ１３の弁体の傘部Ｒ１等に付着する傾向を有する。

一方で、同期タイミングｔ１にて燃料を噴射するときには、吸気通路３から気筒１の燃焼室に向かって流れる吸入空気の流動が生じており（吸気ポートの近傍において風が吹いている）、これに対して燃料を噴射することになる。従って、図３に示すように、気流に流された燃料の液滴が主として、吸気通路３ないし吸気ポートの上側の内壁面Ｒ３やより燃焼室に近い奥方の箇所の内壁面Ｒ４、吸気バルブ１３の弁体の傘部Ｒ１、または燃焼室の天井部若しくはシリンダボア等に付着する蓋然性が高い。

加えて、輝炎の発生間隔に鑑みると、一サイクル分の噴射燃料ではＰＭを生じるような大きな液状燃料の塊は生じず、複数サイクル分の噴射燃料が同一箇所に重なって付着し蓄積されることにより、ＰＭを生じるような大きな液状燃料の塊が生じると推測される。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の冷却水温が所定値以下の低温である状況下において、同一気筒１に供給するべき燃料をインジェクタ１１から噴射するタイミングを、当該気筒１のサイクル毎に進角または遅角させて切り替える。

具体的には、内燃機関の運転領域、換言すればエンジン回転数及び／またはアクセル開度等が所定幅以上大きく変動しておらず、あるいはこれが概ね一定であるとしても、気筒１の今回のサイクルでは当該気筒１の吸気行程に同期したタイミングｔ１で燃料を噴射し、同気筒１の次回のサイクルでは当該気筒１の吸気行程とは非同期のより早いタイミングｔ２で燃料を噴射し、同気筒１の次々回のサイクルでは再び吸気行程に同期したタイミングｔ１で燃料を噴射し、……、というように、同期タイミングｔ１での噴射と非同期タイミングｔ２での噴射とを交互に繰り返すようにする。

さすれば、液状燃料が広範囲に拡散してまばらに付着するような状態となり、特定の箇所に多量の液状燃料が付着して大きな液滴を発生させることが回避される。少量の燃料からなる粒の小さな液滴であれば、蒸発して気化しやすく、ＰＭの生成その他エミッションへの悪影響を招かずに済む。

なお、吸気ＶＶＴ機構５が付帯する内燃機関の制御では、運転領域に依存して吸気バルブ１３の開閉するタイミングが変位するが、同期タイミングｔ１での燃料噴射ならば、ＶＶＴ機構５が具現する吸気バルブ１３の開弁タイミングの直前、それと同時またはその直後のタイミングでインジェクタ１１を開弁して燃料を噴射する。そして、非同期タイミングｔ２での燃料噴射ならば、吸気バルブ１３が未だ閉じている（ＶＶＴ機構５が具現する吸気バルブ１３の開弁タイミングと比較して所定クランク角度以上進角した）タイミングでインジェクタ１１を開弁して燃料を噴射する。つまるところ、同期タイミングｔ１及び非同期タイミングｔ２の絶対的なクランク角度は、ＶＶＴ機構５が具現する吸気バルブ１３の開閉タイミングに応じて変動する。

内燃機関の始動後、冷却水温が高まり所定値を超えたならば、気筒１に対する燃料噴射タイミングを同期タイミングｔ１と非同期タイミングｔ２との間でサイクル毎に切り替えることを止め、以後、本来理想的な所要のタイミングｔ１にて燃料噴射を実行する。

本実施形態では、同一気筒１に供給するべき燃料をインジェクタ１１から噴射するタイミングを、当該気筒１のサイクル毎に進角または遅角させて同期タイミングｔ１と非同期タイミングｔ２との間で切り替えることで、サイクル毎にインジェクタ１１から噴出した燃料が液状となって付着する箇所を変化させる内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、特に内燃機関の温度が低い状況下において、大きな液相燃料の液滴が気筒１の燃焼室内に侵入することを抑止することができる。従って、気化せず液相のまま溜まった燃料が燃焼室内でプール燃焼することが防止され、ＰＭの生成量を削減できる。加えて、燃焼室内で局所的に空燃比がリッチ化することも避けられる。その帰結として、ＰＭやＨＣ等の有害物質の排出量を低減でき、エミッションの良化が達成される。

本実施形態の制御装置０による燃料噴射制御は、新たなハードウェアの追加や改変等を伴わずに実施できる。また、ＰＭの生成を効果的に抑制できることから、内燃機関の排気通路４にＰＭ捕集用のフィルタ等を装着する必要がなく、ハードウェアの肥大化やコストの高騰を招来しない。フィルタを装着することに伴う背圧の増大、及びこれに起因する内燃機関の性能の低下も避けられる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態の内燃機関はポート噴射式のものであったが、インジェクタが気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射（直噴）式の内燃機関の制御に、本発明を適用することも可能である。筒内直接噴射式の内燃機関にあっても、インジェクタから燃料を噴射するタイミングをサイクル毎に切り替えることにより、液状燃料が付着する箇所を変化させることができると考えられる。

その他、各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１３…吸気バルブ
３…吸気通路
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｊ…燃料噴射信号
ｔ１、ｔ２…燃料噴射タイミング（同期タイミング、非同期タイミング）

Claims (1)

1. 同一気筒に供給するべき燃料をインジェクタから噴射するタイミングを、当該気筒のサイクル毎に進角または遅角させて切り替える内燃機関の制御装置。

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