JP2021134761A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過渡運転時の充填効率と定常運転時の燃焼効率との両立が可能な内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。【解決手段】燃焼室の天井の中央部に燃料噴射弁が設けられた内燃機関の制御装置であって、内燃機関の燃料噴射の開始時期を制御する開始時期制御部と、内燃機関の燃料噴射の終了時期を制御する終了時期制御部と、を具備し、前記内燃機関の高負荷運転時において、前記終了時期制御部が前記終了時期をクランク角の圧縮上死点前の所定角よりも遅角側とする場合、前記開始時期制御部は前記開始時期を遅角側とし、前記終了時期制御部が前記終了時期を前記クランク角の圧縮上死点前の前記所定角よりも進角側とする場合、前記開始時期制御部は前記開始時期を進角側とする内燃機関の制御装置。【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の高負荷運転時に燃料の噴射時期を調整することがある。例えば過給機付きの内燃機関において、加速運転の前期に吸気行程から点火時期にかけて分割噴射を行い、加速運転の後期に圧縮行程に噴射する技術がある（例えば特許文献１）。

特開２０００−５４８９４号公報

例えば加速運転の前半である過渡運転では応答性（過給応答性）を向上させるため、充填効率を高めることが重要である。一方、後半の定常運転ではリーン化のため燃焼効率を高めることが重要である。燃焼室の側面側から燃料を噴射するサイド噴射を行う内燃機関においては、燃料の噴射開始時期を進角させることで充填効率および燃焼効率がともに上昇する。したがって過渡運転時の最適な噴射開始時期は定常運転時の最適な噴射開始時期に一致する。

一方、燃焼室の天井の中央部から燃料を噴射するセンタ噴射を行う内燃機関では、過渡運転時の最適な噴射開始時期は定常運転時の最適な噴射開始時期に一致しない。したがって過渡運転時の充填効率と定常運転時の燃焼効率との両立が難しい。そこで、過渡運転時の充填効率と定常運転時の燃焼効率との両立が可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、燃焼室の天井の中央部に燃料噴射弁が設けられた内燃機関の制御装置であって、内燃機関の燃料噴射の開始時期を制御する開始時期制御部と、内燃機関の燃料噴射の終了時期を制御する終了時期制御部と、を具備し、前記内燃機関の高負荷運転時において、前記終了時期制御部が前記終了時期をクランク角の圧縮上死点前の所定角よりも遅角側とする場合、前記開始時期制御部は前記開始時期を遅角側とし、前記終了時期制御部が前記終了時期を前記クランク角の圧縮上死点前の前記所定角よりも進角側とする場合、前記開始時期制御部は前記開始時期を進角側とする内燃機関の制御装置によって達成できる。

過渡運転時の充填効率と定常運転時の燃焼効率との両立が可能な内燃機関の制御装置を提供できる。

図１はエンジンシステムを例示する図である。 図２は内燃機関の高負荷運転におけるタイムチャートであり、 図３（ａ）および図３（ｂ）は噴射時期を示す模式図である。 図４はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。

図１はエンジンシステム１００を例示する模式図である。エンジンシステム１００は、内燃機関１０、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備える。

内燃機関１０は例えばガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであり、ピストン１７、吸気バルブ３０、排気バルブ３２、および燃料噴射弁３４を備える。内燃機関１０のボアには燃焼室２７が形成される。燃料噴射弁３４は、燃焼室２７の天井の中央部に位置し、センタ噴射を行う。ピストン１７は燃焼室２７の内部に配置され、クランクシャフト１９に連結されている。

内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が接続されている。吸気通路１２には上流側から順にエアクリーナ２０、エアフロ―メータ２２、インタークーラ２５、スロットルバルブ２６が設けられている。排気通路１４には上流側から順に空燃比センサ２９および触媒２８が設けられている。

過給機１８は、互いに連結されたタービン１８ａとコンプレッサ１８ｂとを備える。タービン１８ａは排気通路１４のうち空燃比センサ２９よりも上流側に位置する。コンプレッサ１８ｂは吸気通路１２のうちエアフローメータ２２よりも下流側であってインタークーラ２５よりも上流側に位置する。吸気通路１２にはコンプレッサ１８ｂを迂回するバイパス通路１３が接続され、バイパス通路１３にはバルブ１１が設けられている。排気通路１４にはタービン１８ａを迂回するバイパス通路１５が接続され、バイパス通路１５にはバルブ１６が設けられている。

吸気は吸気通路１２を通り、エアクリーナ２０で浄化され、インタークーラ２５で冷却される。吸気バルブ３０が開弁することで、吸気は内燃機関１０の燃焼室２７に導入される。燃料噴射弁３４は燃焼室２７内に燃料を噴射する。不図示の点火プラグが点火することで、吸気と燃料との混合気が燃焼室２７内で燃焼する。ピストン１７が燃焼室２７内で上下に往復運動を行い、駆動力がクランクシャフト１９に伝達され、車両が走行する。

排気バルブ３２が開弁すると、燃焼で発生した排気は排気通路１４に排出される。排気は排気通路１４の触媒２８で浄化され、排出される。触媒２８は例えば三元触媒であり、排気中の一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）などを浄化する。

排気が過給機１８のタービン１８ａに導入されることで、タービン１８ａが回転し、タービン１８ａに連結されたコンプレッサ１８ｂも回転する。コンプレッサ１８ｂの回転によって吸気が過給され、コンプレッサ１８ｂよりも上流側の吸気に比べて高圧の吸気が内燃機関１０の燃焼室２７に送り込まれる。

エアフローメータ２２は吸気の流量を検出する。空燃比センサ２９は空燃比を検出する。車両のドライバはアクセルペダル３６を操作することで車両の加速および減速などを行う。アクセル開度センサ３８はアクセル開度を検出する。車速センサ３５は内燃機関１０が搭載された車両の速度（車速）を検出する。

ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶装置を備える。ＥＣＵ４０は、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。

ＥＣＵ４０は、エアフローメータ２２から吸気の流量を取得し、空燃比センサ２９から空燃比を取得し、アクセル開度センサ３８からアクセル開度を取得し、車速センサ３５から車速を取得する。ＥＣＵ４０は例えばアクセル開度および車速などに基づいて内燃機関１０の負荷率を取得する。ＥＣＵ４０はバルブ１１および１６の開度、スロットルバルブ２６の開度を調節し、燃料噴射弁３４からの燃料の噴射量を制御する。ＥＣＵ４０は、燃料噴射の開始時期を制御する開始時期制御部および燃料噴射の終了時期を制御する終了時期制御部として機能する。

図２は内燃機関１０の高負荷運転（加速運転）におけるタイムチャートであり、上から順に内燃機関１０の負荷率、燃料噴射量、燃料噴射の開始時期、および燃料噴射の終了時期を示す。図２に示すように、時間ｔ２より前の時間では、実負荷率ＫＬ１は要求負荷率ＫＬ２より低い。時間の経過とともに実負荷率ＫＬ１は増加し、要求負荷率ＫＬ２に近づく。時間ｔ１における実負荷率ＫＬ１と要求負荷率ＫＬ２との差をΔＫＬとする。時間ｔ２において実負荷率ＫＬ１は要求負荷率ＫＬ２に等しくなる。燃料噴射量は時間の経過とともに増加し、時間ｔ２以降では例えば一定である。

噴射開始時期および噴射終了時期それぞれのタイムチャートにおいて、上側が進角側であり、下側が遅角側である。噴射開始時期および噴射終了時期は時間ｔ１を境に変化する。加速運転の前半（過渡運転、時間０〜ｔ１）における噴射開始時期および噴射終了時期は、加速運転の後半（定常運転、時間ｔ１以降）に比較して進角側である。過渡運転中の噴射開始時期はＩｓ１であり、定常運転中の噴射開始時期はＩｓ１より遅角側のＩｓ２である。過渡運転中の噴射終了時期はＩｅｔｈより進角側であり、時間の経過とともに遅角側になる。定常運転中の噴射終了時期はＩｅｔｈより遅角側であり、時間の経過とともにより遅角側になり、時間ｔ２以降では一定である。

図３（ａ）および図３（ｂ）は噴射時期を示す模式図である。図３（ａ）および図３（ｂ）の「Ｂ」はＢｅｆｏｒｅ Ｔｏｐ Ｄｅａｄｃｅｎｔｅｒを意味する。例えばＢ０およびＢ３６０ではピストン１７が上死点（Ｔｏｐ Ｄｅａｄｃｅｎｔｅｒ）に位置する。Ｂ９０ではピストン１７が上死点の９０°手前に位置する。

図３（ａ）および図３（ｂ）において、噴射開始時期Ｉｓから噴射終了時期Ｉｅまでの斜線で示す領域が噴射時期である。図３（ａ）は過渡運転における噴射時期を示す。図３（ａ）において噴射開始時期ＩｓはＩｓ１であり、噴射終了時期ＩｅはＩｅｔｈより進角側である。図３（ｂ）は定常運転における噴射時期を示す。図３（ｂ）において噴射開始時期ＩｓはＩｓ２であり、噴射終了時期ＩｅはＩｅｔｈより遅角側である。

図４はＥＣＵ４０が実行する制御を例示するフローチャートである。ＥＣＵ４０は例えばアクセル開度および車速などに基づいて内燃機関１０の実負荷率ＫＬ１および要求負荷率ＫＬ２を取得し、これらの差ＫＬ２−ＫＬ１が閾値ΔＫＬ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ４０は燃料噴射の開始時期Ｉｓを図２および図３（ａ）に示したＩｓ１とする（ステップＳ１２）。このとき燃料噴射の終了時期は例えばＩｅｔｈより進角側である。ステップＳ１２の後、制御は終了する。

ステップＳ１０において否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ４０は、燃料噴射の終了時期ＩｅがＩｅｔｈより遅角側であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。否定判定の場合、ＥＣＵ４０は燃料噴射の開始時期Ｉｓを図２および図３（ａ）に示したＩｓ１に定める（ステップＳ１２）。肯定判定の場合、ＥＣＵ４０は燃料噴射の開始時期Ｉｓを図２および図３（ｂ）に示したＩｓ２に定める（ステップＳ１６）。ステップＳ１２またはＳ１６の後、制御は終了する。

本実施形態の内燃機関１０は、燃料噴射弁３４を燃焼室２７の中央部に有する、センタ噴射型のエンジンである。内燃機関１０の高負荷運転時、ＥＣＵ４０は燃料噴射の開始時期および終了時期を制御する。噴射終了時期ＩｅがＩｅｔｈより進角側である場合、ＥＣＵ４０は噴射開始時期ＩｓをＩｓ１とする（図３（ａ）、図４のステップＳ１２）。噴射終了時期ＩｅがＩｅｔｈより遅角側である場合、ＥＣＵ４０は噴射開始時期ＩｓをＩｓ１より遅角側のＩｓ２とする（図３（ｂ）、図４のステップＳ１６）。これにより過渡運転時には過給応答性が向上し、定常運転時には燃焼効率が向上する。つまり、過渡運転時の充填効率と定常運転時の燃焼効率との両立が可能である。

過渡運転における充填効率の向上について説明する。噴射開始時期および噴射終了時期が進角することで、吸気バルブ３０の開弁時期の前半など、吸気バルブ３０を通過する空気量が多い時期に、燃料噴射弁３４が筒内に燃料を噴射する。燃焼室２７に導入された空気が、燃料によって冷却される。冷却により空気の密度が増加し、燃焼室２７に導入する空気量を増加させることができる。すなわち、噴射開始時期および噴射終了時期が進角側であることにより、噴射終了時期および噴射開始時期が遅角側である場合に比べて、充填効率が向上する。

充填効率の向上によって、過給圧を上昇させなくても十分な量の空気を燃焼室２７に導入して、内燃機関１０のトルクを高めることができる。つまり、過渡運転中の過給圧が他の運転領域に比べて低くても、トルク発生のための空気量を実現することができる。この結果、過給応答性が向上する。

一方、噴射終了時期ＩｅがＩｅｔｈより遅角側かつ噴射開始時期ＩｓがＩｓ２であることにより、噴射終了時期が例えばピストン１７の圧縮行程の後半と重なる。ピストン１７の上昇により燃焼室２７内でタンブル流の形成が促進され、センタ噴射された燃料が空気と混合される。噴射終了時期および噴射開始時期が進角側である場合に比べて、燃焼速度が大きくなり、燃焼効率が向上し、内燃機関１０の出力が増加する。

一般に、空燃比がリーンである場合、リッチの場合に比べて燃料によって内燃機関１０が冷却されにくい。このため排気の温度が上昇し、内燃機関１０および触媒２８などが熱により損傷する恐れがある。本実施形態によれば、燃焼効率を高めることで排気の温度が低下するため、内燃機関１０および触媒２８などの熱による損傷が抑制される。空燃比のリーン化が可能であり、燃費が向上する。

噴射終了時期は過渡運転ではＢ１６０より進角側、定常運転ではＢ１６０より遅角側とした。噴射終了時期の過渡運転と定常運転との境界はＢ１６０以外の時期でもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 内燃機関
１１，１６ バルブ
１２ 吸気通路
１３、１５ バイパス通路
１４ 排気通路
１７ ピストン
１８ 過給機
１８ａ タービン
１８ｂ コンプレッサ
１９ クランクシャフト
２０ エアクリーナ
２２ エアフローメータ
２５ インタークーラ
２６ スロットルバルブ
２８ 触媒
２９ 空燃比センサ
３０ 吸気バルブ
３２ 排気バルブ
３４ 燃料噴射弁
３５ 車速センサ
３６ アクセルペダル
３８ アクセル開度センサ
４０ ＥＣＵ
１００ エンジンシステム

Claims (1)

1. 燃焼室の天井の中央部に燃料噴射弁が設けられた内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関の燃料噴射の開始時期を制御する開始時期制御部と、
   内燃機関の燃料噴射の終了時期を制御する終了時期制御部と、を具備し、
   前記内燃機関の高負荷運転時において、前記終了時期制御部が前記終了時期をクランク角の圧縮上死点前の所定角よりも遅角側とする場合、前記開始時期制御部は前記開始時期を遅角側とし、
   前記終了時期制御部が前記終了時期を前記クランク角の圧縮上死点前の前記所定角よりも進角側とする場合、前記開始時期制御部は前記開始時期を進角側とする内燃機関の制御装置。
   
   

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