JP2023030452A - 内燃エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】副燃焼室を備えた内燃エンジンにおいて冷機始動時の失火を防止しつつ燃料噴射量の増加を回避する。【解決手段】燃焼室（２０）と、前記燃焼室の上部中央に噴孔（５１）を介して連通する小容積の副室（５０）と、吸気通路（３０）内に燃料を噴射する燃料噴射弁（４）と、前記副室内に臨む第１点火手段（５）と、前記燃焼室に臨む第２点火手段（５２）と、を備える内燃エンジンの制御装置（１０）において、暖機時には、前記第１点火手段（５）により前記副室（５０）内で点火し、冷機時には、前記第２点火手段（５２）により前記燃焼室（２０）内で点火し、エンジン始動後に第１の遅角量（α）にて遅角制御を実行し、暖機状態で、前記第１点火手段（５）による副室（５０）内での点火に移行する制御を実行するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃エンジンの制御装置に関し、さらに詳しくは、副燃焼室を備えた内燃エンジンにおける始動制御に関する。

従来、冷機始動時に触媒の活性化を早めるため、エンジンの点火時期を遅角して排気温度を高めることが行われている。しかし、副燃焼室を備えた内燃エンジンの場合、点火遅角制御を行うと、混合気の圧力が低下などにより失火する虞がある。そこで、特許文献１では、主室と副室に点火手段を備え、冷機始動時に主室点火および副室点火の点火時期を遅角させるようにしている。

しかしながら、上記構成は、吸気ポートの燃料噴射弁とは別に副室にも燃料噴射弁を備え、冷機始動時には主室と副室の両方で燃料噴射が実施されるため、燃料噴射量が多くなり、燃費が悪化する課題があった。

特開２００７－２５５３７０号公報

本発明は、従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、副燃焼室を備えた内燃エンジンにおいて冷機始動時の失火を防止しつつ燃料噴射量の増加を回避することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、
燃焼室と、前記燃焼室の上部中央に噴孔を介して連通する副室と、吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記副室内に臨む第１点火手段と、前記燃焼室に臨む第２点火手段と、を備える内燃エンジンの制御装置であって、
暖機時には、前記第１点火手段により前記副室内で点火し、
冷機時には、前記第２点火手段により前記燃焼室内で点火し、エンジン始動後に第１の遅角量にて遅角制御を実行し、暖機状態で前記第１点火手段による前記副室内での点火に移行する制御を実行することを特徴とする内燃エンジンの制御装置にある。

本発明は、上記のように、冷機時には、第２点火手段により燃焼室内で点火し、暖機状態で副室内の第１点火手段による点火に移行するので、失火を防止しつつ第２点火手段の遅角制御による排気温度の上昇およびそれによる排ガス浄化触媒の早期活性化が見込めるとともに、副室内での燃料噴射は行わないので、燃料噴射量の節減に有利である。

内燃エンジンの基本構成を示す模式的断面図である。 内燃エンジンの各気筒の構成を示す模式図である。 内燃エンジン冷機始動時の制御を示すフローチャートである。 内燃エンジン冷機始動時の制御を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
（基本構成）
図１は、本発明が実施される内燃エンジンの基本構成を示している。図１において、内燃エンジンは、シリンダ１内に往復摺動可能に収容されたピストン２を備えるピストン往復動式内燃エンジンであり、ピストン２は、コネクティングロッド２３を介してクラックシャフト２４に連結され、ピストン２の往復直線運動がクランクシャフト２４の回転運動に変換される。

シリンダ１を構成するシリンダブロックの上部には、ピストン２の冠面２１との間に燃焼室２０を画成するシリンダヘッドが配設されている。燃焼室２０の上部中央には、副室５０を画成するキャップ５３が配設されており、キャップ５３の上部に第１点火プラグ５が設けられている。なお、ピストン２の冠面２１には、キャップ５３および後述の第２点火プラグ５２に対応する位置に凹部２２が設けられている。

副室５０は、燃焼室２０（主室）に比較して十分に小さい容積を有し、キャップ５３を貫通する複数の噴孔５１を介して燃焼室２０に連通している。噴孔５１は、キャップ５３の中心軸に対して傾斜角を有して配向され、例えば図２に示すように、中心軸周りに等角配置で６箇所設けられている。

また、シリンダヘッドは、天井面の一側の吸気ポート３０で燃焼室２０に連通する吸気通路３、天井面の他側の排気ポート６０で燃焼室２０に連通する排気通路６０を備え、吸気ポート３０を開閉するための吸気バルブ３１、および、排気ポート６０を開閉するための排気バルブ６１を備える。吸気バルブ３１、排気バルブ６１は、不図示の可変動弁機構により、それぞれの開閉時期を個別に制御可能である。

さらに、シリンダヘッドは、吸気通路３内に燃料を噴射するための燃料噴射弁４（インジェクタ）を備えている。燃料噴射弁４は、吸気バルブ３１の裏面側に向けて斜めに配設されている。吸気通路３の上流側には、不図示の吸気温度センサ、吸気流量センサ、吸気圧力センサなどが配設されている。

一方、排気通路６の下流側には、排気ガス中の酸素濃度を検出するＯ２センサ１６、および、排ガス中に含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置６２（触媒）が配設されている。排ガス浄化装置６２は、排ガス浄化触媒、例えば、未燃炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化し、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元する三元触媒などで構成される。

ところで、排ガス浄化触媒は低温では十分な浄化性能は得られないので、活性温度に昇温させるために暖機モードが実行されるが、副室５０を搭載したエンジンの場合、エンジン始動直後に暖機運転モードに入り、点火遅角制御を行うと、混合気の濃度、温度、圧力などの低下により失火する虞があることは既に述べた通りである。

そこで、本発明実施形態に係る内燃エンジンは、副室５０内の第１点火プラグ５とは別に、燃焼室２０に臨む第２点火プラグ５２を備え、この第２点火プラグ５２で始動を行うことにより、触媒暖機時の燃焼を安定化させ、触媒を早期活性化できるようにしている。

第２点火プラグ５２は、内燃エンジンの全ての気筒ではなく、図２に示されるように、３気筒エンジンであれば３気筒のうちの２気筒に搭載されてもよい。４気筒エンジンであれば３気筒に搭載されればよく、すなわち、第２点火プラグ５２を搭載した気筒１の数が、搭載しない気筒１′の数より多くなるようにすることが好ましい。

そして、第２点火プラグ搭載気筒をメイン気筒１、第２点火プラグ非搭載気筒をサブ気筒１′とすると、本発明実施形態に係る内燃エンジンでは、始動時にはメイン気筒１でのみ燃料噴射を行い、サブ気筒１′では燃料噴射を行わず、始動を実行しない。サブ気筒１′では、燃焼安定後または触媒暖機が完了した後に運転を開始する。

また、内燃エンジンは、クランクシャフト２４のタイミングロータからクランク角とエンジン回転数を検出するクランク角センサ１２、気筒判別を行うカム角センサ、アクセル開度センサ、冷却水の温度を検知する水温センサ１１のほか、外気温センサ、油温センサを備え、各センサの検出値はＥＣＵ１０に入力される。

ＥＣＵ１０（エンジン制御装置）は、各センサの検出値に基づいてエンジンの運転状態を最適化するための電子制御ユニット（コンピュータ、マイコン）であり、演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムや設定データなどを格納するＲＯＭ、制御プログラムや設定データを読出し、動的データや演算処理結果を記憶するＲＡＭ、および、入出力Ｉ／Ｆなどを備え、外気温、冷却水温、油温、エンジン停止からの経過時間などを入力値とし、事前学習した値から、触媒暖機状態を判定し、サブ気筒１′の始動時期を決定する。

また、エンジン回転数、アクセル開度に応じた要求負荷に基づいて運転領域を判定し、吸気温度、吸気圧力などの状態値を基に演算し、燃料噴射弁４の噴射時期と噴射量、第１点火プラグ５の点火時期を制御し、エンジンの運転状態を最適化する。

（始動時のエンジン制御フロー）
次に、上記実施形態に基づく始動時のエンジン制御について、図３のフローチャートおよび図４のタイミングチャートを参照しながら説明する。

内燃エンジンのイグニッションスイッチがＯＮ～ＳＴＡＲＴ操作されると、エンジンが冷機状態からの始動であるか否かが判定される（ステップＳ０１）。冷機状態からの始動と判定された場合（ステップＳ０１；ＹＥＳ）は、点火制御１（ステップＳ０２）に移行し、暖機状態からの始動と判定された場合（ステップＳ０１；ＮＯ）は、点火制御３（ステップＳ０６）に移行する。

（１）点火制御１
点火制御１（ステップＳ０２）では、メイン気筒１にて第２点火プラグ５２のみを使用してクランキングを行い、エンジンの始動後に点火時期の遅角制御（遅角量α）を実施する。サブ気筒１′はこの時点では燃料噴射も点火も行わず、休止している。

エンジンの始動後、遅角制御に移行すると、エンジンの燃焼状態が安定しているか否かが判定される（ステップＳ０３）。エンジンの燃焼状態が安定している場合（ステップＳ０３；ＹＥＳ）は、点火制御２（ステップＳ０４）に移行する。燃焼の安定は、例えばエンジン回転数の偏差が所定閾値以内であることをもって判定する。

（２）点火制御２
点火制御２（ステップＳ０４）では、メイン気筒１において燃料噴射量を通常よりも少量にして第２点火プラグ５２の遅角制御（遅角量α）を継続する一方、サブ気筒１′において遅角量βにて第１点火プラグ５の点火を開始する。この時、サブ気筒１′の遅角量βは、燃焼状態の安定性を優先して、メイン気筒１の遅角量αよりも少なくする。また、サブ気筒１′においても燃料噴射量は通常よりも少量にする。

点火制御２に移行後は触媒の暖機が完了したか否かが判定される（ステップＳ０５）。暖機が未完了の場合（ステップＳ０５；ＮＯ）は点火制御２を継続する。暖機が完了した場合（ステップＳ０５；ＹＥＳ）は、点火制御３（ステップＳ０６）に移行する。

（３）点火制御３
点火制御３（ステップＳ０６）では、メイン気筒１、サブ気筒１′ともに、通常の点火時期かつ通常の燃料噴射量で第１点火プラグ５の点火による副室運転に移行する。全ての気筒が副室運転に移行した後にメイン気筒１の第２点火プラグ５２の点火を停止する（ステップＳ０７）。

なお、エンジン始動時に暖機状態からの始動と判定された場合（ステップＳ０１；ＮＯ）は、直ちに点火制御３（ステップＳ０６）に移行し、第２点火プラグ５２は使用せず、メイン気筒１、サブ気筒１′ともに、通常の点火時期かつ通常の燃料噴射量で第１点火プラグ５の点火によりエンジンを始動する。

（作用と効果）
以上述べたような冷機始動時のエンジン制御により、冷機始動時には、メイン気筒１は、第２点火プラグ５２により燃焼室２０内で点火し、エンジン始動後に遅角量αにて遅角制御を実行する一方、サブ気筒１′は休止し、暖機状態では、メイン気筒１、サブ気筒１′ともに第１点火プラグ５による副室５０内での点火に移行するので、失火を防止しつつ第２点火プラグ５２の遅角制御による排気温度の上昇とそれによる排ガス浄化触媒の早期活性化が見込める。また、サブ気筒１′は休止し、燃料噴射は行わないので、燃料噴射量の増加を回避できる。

さらに、冷機始動時にメイン気筒１の燃焼が安定した時点で、メイン気筒１は、始動開始時より少ない燃料噴射量に移行し、サブ気筒１′は、通常より少ない燃料噴射量で第１点火プラグ５により遅角量β（β＜α）にて副室５０内での点火を開始し、暖機状態で、メイン気筒１、サブ気筒１′ともに、通常の燃料噴射量にて第１点火プラグ５による副室５０内での点火に移行するので、メイン気筒１およびサブ気筒１′のリーン燃焼により排気温度を向上させて触媒暖機に要する時間を短くすることができ、かつ、燃料噴射量の節減にも有利である。

なお、上記実施形態では、燃焼室２０に第２点火プラグ５２を備えず、副室５０に臨む第１点火プラグ５のみを備えるサブ気筒１′を含む場合について述べたが、本発明に係る制御装置は、サブ気筒１′を含まず、メイン気筒１のみで構成される内燃エンジンにも適用可能であり、その態様でも、冷機始動時には、第２点火プラグ５２により燃焼室２０内で点火し、エンジン始動後に遅角量αにて遅角制御を実行し、暖機状態で副室５０内の第１点火プラグ５による副室運転に移行するので、失火を防止しつつ第２点火プラグ５２の遅角制御による排気温度の上昇とそれによる排ガス浄化触媒の早期活性化が見込める。

さらに、上記態様においても、冷機始動時に燃焼が安定した時点で、始動開始時より少ない燃料噴射量に移行し、暖機状態で、通常の燃料噴射量にて第１点火プラグ５による副室５０内での点火を開始し、その後、第２点火プラグ５２による点火を停止することで、燃焼安定性を確保しつつ触媒暖機の所要時間短縮と燃料噴射量の節減に有利である。

また、サブ気筒１′を含む形態／含まない形態の何れにおいても、冷機始動時以外に、空気流量の少ないアイドリング時や低回転低負荷運転時における燃焼を安定化させるために、第２点火プラグ５２による燃焼室２０内での点火に切り替え、高負荷運転時に第１点火プラグ５の点火による副室運転に切り替えるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、吸気通路３内に燃料噴射弁４を備えるポート噴射エンジンとして実施する場合について述べたが、燃焼室２０内に燃料噴射弁を備える直噴エンジンや、副室５０内に第２の燃料噴射弁を備えるアクティブ型の副室式エンジンとして実施することもできる。

以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

１ シリンダ（メイン気筒）
１′ シリンダ（サブ気筒）
２ ピストン
３ 吸気通路
４ 燃料噴射弁
５ 第１点火プラグ
６ 排気通路
１０ ＥＣＵ（エンジン制御装置）
１１ 水温センサ
１２ クランク角センサ
１６ Ｏ２センサ
２０ 主室（主燃焼室）
２１ 冠面
２２ 凹部
２３ コネクティングロッド
２４ クランクシャフト
３０ 吸気ポート
３１ 吸気バルブ
５０ 副室（副燃焼室）
５１ 噴孔
５２ 第２点火プラグ
６０ 排気ポート
６１ 排気バルブ
６２ 排ガス浄化装置

Claims (5)

1. 燃焼室と、前記燃焼室の上部中央に噴孔を介して連通する副室と、吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記副室内に臨む第１点火手段と、前記燃焼室に臨む第２点火手段と、を備える内燃エンジンの制御装置であって、
   暖機時には、前記第１点火手段により前記副室内で点火し、
   冷機時には、前記第２点火手段により前記燃焼室内で点火し、エンジン始動後に第１の遅角量にて遅角制御を実行し、暖機状態で、前記第１点火手段による前記副室内での点火に移行する制御を実行することを特徴とする内燃エンジンの制御装置。
2. 前記内燃エンジンは、前記第１点火手段および前記第２点火手段を備える複数のメイン気筒と、前記第１点火手段を備え、前記第２点火手段を備えないサブ気筒と、を含む多気筒内燃エンジンであり、冷機時には、前記サブ気筒を休止し、前記メイン気筒のみ点火することを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジンの制御装置。
3. 前記冷機時に前記メイン気筒の燃焼が安定した時点で、前記メイン気筒は、始動開始時より少ない燃料噴射量に移行し、前記サブ気筒は、通常より少ない燃料噴射量で前記第１点火手段による前記副室内での点火を開始し、前記暖機状態で、前記メイン気筒、前記サブ気筒ともに、通常の燃料噴射量にて前記第１点火手段による前記副室内での点火に移行することを特徴とする請求項２に記載の内燃エンジンの制御装置。
4. 前記冷機時に前記メイン気筒の燃焼が安定した時点で、前記メイン気筒は、始動開始時より少ない燃料噴射量に移行し、前記サブ気筒は、通常より少ない燃料噴射量で前記第１点火手段により第２の遅角量にて前記副室内での点火を開始し、前記暖機状態で、前記メイン気筒、前記サブ気筒ともに、通常の燃料噴射量にて前記第１点火手段による前記副室内での点火に移行するように構成されており、前記サブ気筒の前記第２の遅角量は、前記メイン気筒の前記第１の遅角量より小さいことを特徴とする請求項２に記載の内燃エンジンの制御装置。
5. 前記冷機時に燃焼が安定した時点で、始動開始時より少ない燃料噴射量に移行し、暖機状態では、通常の燃料噴射量にて前記第１点火手段による前記副室内での点火を開始し、その後、前記第２点火手段による点火を停止することを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジンの制御装置。

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