JP3757998B2 - In-cylinder injection type internal combustion engine control device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される筒内噴射型内燃エンジンの制御装置に関する。
【0002】
【関連する背景技術】
車両に搭載される火花点火式内燃エンジンにおいて、有害排出ガス成分の低減や燃費の向上等を図るため、吸気管噴射型に代えて燃焼室に直接燃料を噴射する筒内噴射型のガソリンエンジンが種々提案されている。
筒内噴射型のガソリンエンジンでは、例えば、低負荷運転時には、主として圧縮行程中に燃料を噴射し、点火プラグの周囲やキャビティ内に局所的に理論空燃比に近い空燃比の混合気を形成させ、全体として希薄な空燃比でも良好な燃焼を実現できる(これを「層状燃焼」と称する)。一方、中高負荷運転時には、吸気行程中に燃料を噴射し、燃焼室内に均一な空燃比の混合気を形成させ、吸気管噴射型のガソリンエンジンと同様に、多量の燃料を燃焼させて(これを「予混合燃焼」と称する)加速時や高速走行時に要求される出力を確保することが可能とされている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このようなエンジンにおいては、アイドル時に層状燃焼(超リーン運転)を行いアイドル燃費を向上させるように設定することが考えられる。しかしながら、アイドル時における層状燃焼では過給等を行っていない場合には、筒内に供給される空気量は、全負荷相当の空気量(スロットル全開)しか供給されないため、必然的に層状燃焼時に得られる出力は決まってくる。即ち、層状燃焼においては、空気量に対する燃料比率がある程度以上増大すると点火プラグ回りの混合気が濃くなり過ぎて失火したりスモークが発生したりする。このため、全負荷相当の空気量に適合する最大燃料量により層状燃焼時の最大出力は決定されることになる。そして、層状燃焼の最大出力発生時における燃焼室内の空燃比は依然として理論空燃比よりリーンであり、このため、層状燃焼時において供給可能な最大燃料量は、予混合時に比べ少量であり、結果として最大出力も低いものとなっている。このため、アイドル時にエアコン、パワーステアリング等の外部負荷が加わってくると、これに対応させて燃料量を増量させようとしても増量には限界があるため、層状燃焼時に得られる出力では対応することができず、エンジン回転数の落ち込みが生じ、場合によってはエンジンストールが生じる虞がある。
【0004】
また、上述した筒内噴射型内燃エンジンとは異なる従来型のポート噴射型希薄燃焼内燃エンジンにおいて、アイドル運転時に外部負荷が加わると回転数が変動し易いので、エアコンの作動信号が出力された際に、リーン運転を禁止してストイキオ(理論空燃比)運転に移行する技術が開示されている(特開昭60−17234号公報)。
【0005】
しかしながら、上記公知例では、補機類(エアコン等)の作動信号に基づいて運転状態をストイキオ運転に切り換えているため、実際にはリーン運転を継続可能な状態でもあるにもかかわらず、運転状態が切り替わることになり、アイドル燃費が悪化するという課題が生じる。また、作動信号の出力で運転状態を切り換えているため作動信号が出力されていないにも拘わらず、リーン運転の状態で、環境条件(吸気密度の低くなる高地等)や変速機(T/M)の故障等による負荷上昇が発生したとき、前記公知例では、リーン運転を継続していまい、上述したようにリーン運転時の出力が前記負荷上昇に対応できず、エンジン回転数の落ち込みやエンジンストールが発生する虞がある。
【0006】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、環境条件の変更や変速機の故障等のような補機類の作動以外による負荷上昇においても確実にアイドル時の回転数の落ち込み等を防止し得る筒内噴射型内燃エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1に記載された本発明によれば、燃焼室内に直接燃料を噴射し、運転状態に応じて予混合燃焼と層状燃焼とを切り換え、アイドル時には層状燃焼を行うと共に、該アイドル時には外部負荷の増加に対し燃料量を増量し、エンジン出力を増加側に変更する出力制御手段を備えた筒内噴射型内燃エンジンの制御装置において、前記アイドル時に前記燃料量又は該燃料量に相関するパラメータが所定値を超えた場合、前記予混合燃焼に切り換え、前記所定値は、全開空気量或いはその近傍の空気量に対して前記層状燃焼が許容される空燃比に相当する値である構成としたものである。
【0008】
即ち、アイドル時にはエンジンに対する外部負荷の増大に対応させて、層状燃焼での出力増加が可能な空燃比範囲内で燃料を増量する。ここで、外部負荷がそれほど大きくない通常のアイドル時に吸気流量をある程度絞り燃費のよい空燃比範囲で運転を行っているエンジンの場合には、外部負荷の増大に伴い、燃費のよい空燃比範囲を維持したまま、空気量(即ち、燃料量)の増量を行い、空気量が上限に達したときに空燃比を前記低燃費範囲を超えてリッチ側となるように燃料増量を行うことが考えられる。また、アイドル時には基本的に全開空気量としているものにおいては、外部負荷の増大に伴い、燃料増量のみを行うことになる。そして、いずれの場合にも供給燃料量が全開空気量あるいはその近傍の空気量に対して層状燃焼が許容される上限空燃比相当値に達した場合には、即ち、燃料量又は燃料量に相関するパラメータが全開空気量或いはその近傍の空気量に対して前記層状燃焼が許容される空燃比に相当する値を超えた場合には、層状燃焼モードから予混合燃焼モードに切り換え、更なる外部負荷への対応を可能とし、これによりエンジン回転数の落ち込みに基づくストールの発生を防止する。
【0009】
また、請求項2に記載された本発明によれば、燃焼室内に直接燃料を噴射し、運転状態に応じて予混合燃焼と層状燃焼とを切り換え、アイドル時には層状燃焼を行うと共に、該アイドル時には外部負荷の増加に対して空気量を増量し、この空気量増量に対応させて燃料増量を行い、エンジン出力を増加側に変更する出力制御手段を備えた筒内噴射型内燃エンジンの制御装置において、前記アイドル時に前記空気量又は該空気量に相関するパラメータが所定値を超えた場合、前記予混合燃焼に切り換える構成としたものである。
請求項3に記載された本発明によれば、前記所定値は、前記層状燃焼が許容される最大空気量より低い値に設定した構成としたものである。
請求項4に記載された本発明によれば、前記所定値は、前記最大空気量の約70%に設定した構成としたものである。
【0010】
つまり、アイドル時にはエンジンに対する外部負荷の増大に対応させて、空燃比を燃焼面で有利な特定空燃比近傍で略一定としたまま空気量と燃料量とを増大させる。この際、燃料量と空気量とは空燃比を一定としたまま、同時に増量させてもよいが、燃料量と空気量との関係はある下限空燃比と上限空燃比との範囲内で若干変更しても良い。即ち、外部負荷の増大が各負荷スイッチ又はアイドル回転数の落ち込み等で検出された場合に、先ず、燃料量を増大させ空燃比を小さくし、空燃比が下限空燃比に達した時点でも未だ外部負荷への対応が不十分な場合には、空気量を増大させ空燃比を上限空燃比まで変更すると共に、更なる燃料量の増量を行い空燃比を下限値に向かって低くする。この燃料量と空気量との交互の増量を繰り返すことで増大した外部負荷に対処することも可能である。
【0011】
このように、燃料・空気を同時又は交互に増量することで、外部負荷の増大に対処した結果、このときの空気量に相関する値が一定値(閾値)を超えると、超リーン運転(層状燃焼)によるそれ以上の出力増大は、不可能或いは効果が小であると判断して予混合燃焼に切り換え、大きなトルクの発生が可能なストイキオ運転等に移行する。これにより、エンジン回転数の落ち込みが防止され、エンジンストールが防止される。
【0012】
請求項3及び請求項4に記載されているように、上記所定値は、層状燃焼が許容される最大空気量より低く設定されることが好ましい。その理由は、所定値を上記最大空気量に設定した場合、外部負荷増大に伴う機関運転の切り換えに際し遅れが生じることから、層状燃焼から予混合燃焼に切り換わる際に、何らかの原因で大きな外部負荷が加わると、失火等の虞があり、また、アイドル燃費の観点から所定値を前記最大空気量として層状燃焼の領域を広げたとしても最大空気量近傍では予混合燃焼の場合と燃費的に大きな差はなく、燃焼の安定性から考えると予混合燃焼の方がメリットがあるからである。
【0013】
また、請求項2のようにアイドル時に空気量又はその相関値をみて燃焼状態を予混合燃焼に切り換える制御を行うものにおいては、上記空気量又はその相関値は、体積流量を用いて制御を行うことが好ましい。その理由は、吸気密度が低下する高地において、燃料量等で燃焼状態を切り換える制御を行おうとすると、吸気密度変化に対応した燃料量変化が得られないことから、回転数の落ち込み等の問題が生じてしまうため、燃料量に対して吸気密度の補正を加えた制御を行わなければならず、制御が複雑になるからである。
【0014】
請求項1のようにアイドル時に燃料量又はその相関値をみて燃焼状態を予混合燃焼に切り換える制御を行うものにおいては、吸気密度が変化する高地では、燃料量に対して吸気密度補正を加えた制御を行うことが好ましい。これにより、高地等でも確実に回転数の落ち込みを防止できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、車両に搭載された本発明に係る筒内噴射ガソリンエンジンの制御装置の概略構成図である。エンジン1のシリンダヘッド2には、各気筒毎に点火プラグ3と共に電磁式の燃料噴射弁4も取り付けられており、燃焼室5内に直接燃料が噴射されるようになっている。また、シリンダ6内を摺動して往復運動するピストン7の頂面には、上死点近傍で燃料噴射弁4からの燃料噴霧が到達する位置に、半球状のキャビティ8が形成されている。また、このエンジン1の理論圧縮比は、吸気管噴射型のものに比べ、高く(本実施例では、12程度)設定されている。動弁機構としてはDOHC4弁式が採用されており、シリンダヘッド2の上部には、吸排気弁9,10をそれぞれ駆動するべく、吸気側カムシャフト11と排気側カムシャフト12とが回転自在に保持されている。
【0016】
シリンダヘッド2には、両カムシャフト11,12の間を抜けるようにして、略直立方向に吸気ポート13が形成されており、この吸気ポート13を通過した吸気流が燃焼室5内で後述する逆タンブル流を発生させるようになっている。一方、排気ポート14については、通常のエンジンと同様に略水平方向に形成されているが、斜めに大径のEGRポート15が分岐している。図中、16は冷却水温TW を検出する水温センサであり、17は各気筒の所定のクランク位置(本実施例では、5°BTDCおよび75°BTDC)でクランク角信号SGTを出力するクランク角センサであり、19は点火プラグ3に高電圧を出力する点火コイルである。尚、クランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフト等には、気筒判別信号SGCを出力する気筒判別センサ(図示せず)が取り付けられ、クランク角信号SGTがどの気筒のものか判別される。
【0017】
吸気ポート13には、サージタンク20を有する吸気マニホールド21を介して、エアクリーナ22,スロットルボディ23,ステッパモータ式のアイドルスピードコントロールバルブ(以下、アイドル調整弁という)24を具えた吸気管25が接続している。更に、吸気管25には、スロットルボディ23を迂回して吸気マニホールド21に吸入気を導入する、大径のエアバイパスパイプ26が併設されており、その管路にはリニアソレノイド式で大型のエアバイパスバルブ(ABV弁という)27が設けられている。尚、エアバイパスパイプ26は、吸気管25に準ずる流路面積を有しており、ABV弁27の全開時にはエンジン1の低中速域で要求される量の吸入気が流通可能となっている。一方、アイドル調整弁24は、ABV弁27より小さい流路面積を有しており、吸入空気量を精度よく調整する場合にはアイドル調整弁24を使用する。
【0018】
スロットルボディ23には、流路を開閉するバタフライ式のスロットル弁28と共に、スロットル弁28の開度θthを検出することでアクセル開度情報を検出するスロットルセンサ29と、全閉状態を検出するアイドルスイッチ30とが備えられている。また、エアクリーナ22の内部には吸気密度を求めるための大気圧センサ31、吸気温センサ32が配設されており、大気圧Pa 、吸気温度Ta に対応する信号を出力する。更に、吸気管25の入口近傍には、カルマン渦式のエアフローセンサ33が配設されており、一吸気行程当たりの体積空気流量Qa に比例した渦発生信号を出力する。
【0019】
一方、排気ポート14には、O2 センサ40が取付けられた排気マニホールド41を介して、三元触媒42や図示しないマフラー等を具えた排気管43が接続している。また、EGRポート15は、大径のEGRパイプ44を介して、スロットル弁28の下流、且つ、吸気マニホールド21の上流に接続されており、その管路にはステッパモータ式のEGR弁45が設けられている。
【0020】
燃料タンク50は、図示しない車体後部に設置されている。そして、燃料タンク50に貯留された燃料は、電動式の低圧燃料ポンプ51に吸い上げられ、低圧フィードパイプ52を介して、エンジン1側に送給される。低圧フィードパイプ52内の燃圧は、リターンパイプ53の管路に介装された第1燃圧レギュレータ54により、比較的低圧(以下、低燃圧と記す)に調圧される。エンジン1側に送給された燃料は、シリンダヘッド2に取り付けられた高圧燃料ポンプ55により、高圧フィードパイプ56とデリバリパイプ57とを介して、各燃料噴射弁4に送給される。本実施例の場合、高圧燃料ポンプ55は斜板アキシャルピストン式であり、排気側カムシャフト12により駆動され、エンジン1のアイドル運転時にも高圧の吐出圧を発生する。デリバリパイプ57内の燃圧は、リターンパイプ58の管路に介装された第2燃圧レギュレータ59により、比較的高圧(以下、高燃圧と記す)に調圧される。図中、60は第2燃圧レギュレータ59に取付けられた電磁式の燃圧切換弁であり、オン状態で燃料をリリーフして、デリバリパイプ57内の燃圧を所定値に低下させる。また、61は高圧燃料ポンプ55の潤滑や冷却等を行った燃料を燃料タンク50に還流させるリターンパイプである。
【0021】
車室内には、ECU(電子制御ユニット)70が設置されており、このECU70には図示しない入出力装置,制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置(ROM,RAM,不揮発性RAM等)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタ等が具えられ、エンジン1の総合的な制御を行っている。
ECU70の入力側には、作動時にエンジン1の負荷となるエアコン装置、パワーステアリング装置、自動変速装置等の作動状況を検出するスイッチ類、即ち、エアコンスイッチ(A/C・SW)34、パワーステアリングスイッチ(P/S・SW)35、インヒビタスイッチ(INH・SW)36等が夫々接続され、各検出信号をECU70に供給している。尚、ECU70には、上述した各種のセンサ類やスイッチ類の他に、図示しない多数のスイッチやセンサ類が入力側に接続されており、出力側にも各種警告灯や機器類等が接続されている。
【0022】
ECU70は、上述した各種センサ類及びスイッチ類からの入力信号に基づき、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして、燃料噴射終了時期、点火時期やEGRガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁4、点火コイル19,EGR弁45等を駆動制御する。
次に、エンジン制御の基本的な流れを簡単に説明する。
【0023】
冷機時において、運転者がイグニッションキーをスタート操作或いは、エンジン1が所定回転数に達すると、ECU70は、低圧燃料ポンプ51と燃圧切換弁60をオンにして、燃料噴射弁4に低燃圧の燃料を供給する。これは、エンジン1の停止時やクランキング時には、高圧燃料ポンプ55が全く、あるいは不完全にしか作動しないため、低圧燃料ポンプ51の吐出圧と燃料噴射弁4の開弁時間とに基づいて燃料噴射量を決定せざるを得ないためである。同時に図示しないセルモータによりエンジン1がクランキングされ、同時にECU70による燃料噴射制御が開始される。この時点では、ECU70は、吸気行程噴射モードを選択し、比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。これは、冷機時には燃料の気化率が低いため、圧縮行程噴射モードで噴射を行った場合、失火や未燃燃料(HC)の排出が避けられないためである。また、ECU70は、始動時にはABV弁27を閉鎖するため、燃焼室5への吸入空気はスロットル弁28の隙間やアイドル調整弁24から供給される。尚、アイドル調整弁24とABV弁27とはECU70により一元管理されており、スロットル弁28を迂回する吸入空気(バイパスエア)の必要導入量に応じてそれぞれの開弁量が決定される。
【0024】
始動が完了してエンジン1がアイドル運転を開始すると、高圧燃料ポンプ55が定格の吐出作動を始めるため、ECU70は、燃圧切換弁60をオフにして燃料噴射弁4に高燃圧の燃料を供給する。この際には、当然のことながら、高燃圧と燃料噴射弁4の開弁時間とに基づいて燃料噴射量が決定される。そして、冷却水温TW が所定値に上昇するまでは、ECU70は、始動時と同様に吸気行程噴射モードを選択して燃料を噴射すると共に、ABV弁27も継続して閉鎖する。また、エアコン等の補機類の負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、吸気管噴射型と同様にアイドル調整弁24(必要に応じてABV弁27も開弁される)によって行われる。更に、所定サイクルが経過してO2 センサ40が活性温度に達すると、ECU70は、O2 センサ40の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を開始し、有害排出ガス成分を三元触媒42により浄化させる。このように、冷機時においては、吸気管噴射型と略同様の燃料噴射制御が行われるが、吸気管13の壁面への燃料滴の付着等がないため、制御の応答性や精度は高くなる。
【0025】
エンジン1の暖機が終了すると、ECU70は、スロットル開度θth等から得た目標筒内有効圧(目標負荷)Pe とエンジン回転数(回転速度)Ne とに基づき、燃料噴射制御マップから現在の燃料噴射制御領域を検索し、燃料噴射モードと燃料噴射量とを決定して燃料噴射弁4を駆動する他、ABV弁27やEGR弁45の開弁制御等も行う。
【0026】
例えば、アイドル運転時等の低負荷・低回転運転時には図2中斜線で示す圧縮行程噴射リーン域となるため、ECU70は、圧縮行程噴射モードを選択すると共にABV弁27及びEGR弁40を運転状態に応じて開弁し、リーンな空燃比(本実施例では、20〜40程度)となるように燃料を噴射する。この時点では燃料の気化率が上昇すると共に、吸気ポート13から流入した吸気流が逆タンブル流を形成するため、ピストン7のキャビティ8内に噴射された燃料噴霧が点火時点において点火プラグ3の周囲に理論空燃比近傍の混合気として偏在することになり、全体として極めてリーンな空燃比(例えば、全体空燃比で50程度)でも燃焼(層状燃焼)が可能となる。これにより、COやHCの排出が極く少量になると共に、排気ガスの還流によってNOx の排出量も低く抑えられる。そして、ABV弁27及びEGR弁40を開弁することによるポンピングロスの低減も相俟って燃費が大幅に向上する。そして、負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、空気量及び燃料噴射量を増減させることにより行っている。
【0027】
詳しくは、アイドル時にはエンジンに対する外部負荷の増大に対応させて、空燃比を略一定としたまま空気量と燃料量とを増大させるようECU70からの信号によりアイドル調整弁24(必要に応じてABV弁も制御対象)と燃料噴射弁4を制御する。即ち、ECU70には各負荷スイッチのオン信号に対応する(外部負荷の増大に対応する)燃料噴射量(燃料増量)と開度データが予め記憶されており、負荷スイッチがオン信号を出力した場合には、その負荷スイッチ信号によりECU70に記憶されたデータが読み出され、そのデータに基づいて燃料噴射弁4及びアイドル調整弁24が制御される。尚、各負荷スイッチからオン信号が出力された場合には、外部負荷が負荷スイッチのオン信号数だけ増大するため、ECU70からのデータは加算されて燃料噴射弁4及びアイドル調整弁24に出力される。これにより、負荷スイッチの動作により外部負荷が増大してもある負荷増大の範囲では対処できるよう予め設定された空燃比を維持しつつ空気量及び燃料量が制御される。また、負荷スイッチ以外で外部負荷が増大した場合には、アイドル回転数の落ち込みが生じるため、この回転数の落ち込み度合いを検出して燃料噴射弁4及びアイドル調整弁24を下限空燃比と上限空燃比との範囲内で制御している。即ち、所望回転数フィードバック制御が行われている。この場合、先ず、燃料噴射弁4の燃料量を増大させ空燃比を小さくし、空燃比が下限空燃比に達した時点でも未だ外部負荷への対応が不十分な場合(即ち、アイドル回転数が既定値を下回っている場合)には、ECU70からの信号によりアイドル調整弁24を開方向に駆動し空気量を増大させ空燃比を上限空燃比まで変更すると共に、更なる燃料量の増量を行い空燃比を下限値に向かって低くする。この燃料量と空気量との交互の増量を繰り返すことで増大した外部負荷に対処している。
【0028】
尚、圧縮行程噴射モードにおいては、噴射弁4から噴射された燃料噴霧が前述した逆タンブル流に乗って、点火プラグ3に到達しなければならないし、到達して点火時点までに燃料が蒸発して点火容易な混合気が形成されていなければならない。平均空燃比が20以下になると点火プラグ3近傍において局所的にオーバリッチな混合気が生成されて所謂リッチ失火が生じる一方、40以上になると希薄限界を超えてやはり失火(所謂リーン失火)が生じ易くなる。このため、後述するように燃料噴射開始及び終了のタイミングや点火のタイミングが正確に制御されると共に、平均空燃比が20〜40の範囲になるように設定される。
【0029】
また、低中速走行時は、その負荷状態やエンジン回転速度Ne に応じて、図2中の吸気行程噴射モードによるリーン域あるいはストイキオフィードバック域(理論空燃比フィードバック制御域)となるため、ECU70は、吸気行程噴射モードを選択すると共に、所定の空燃比となるように燃料を噴射する。
即ち、吸気行程噴射モードのリーン域では、比較的リーンな空燃比(例えば、20〜23程度)となるようにABV弁27の開弁量と燃料噴射量とを制御し、ストイキオフィードバック域では、ABV弁27とEGR弁45とを開閉制御すると共に(但し、EGR弁45を開閉制御するのは、ストイキオフィードバック域の特定の領域のみで行われる)、O2 センサ40の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を行う。吸気ポート13から流入した吸気流が逆タンブル流を形成するため、燃料噴射開始時期又は終了時期を調整することにより吸気行程噴射モードのリーン域においても、逆タンブルによる乱れの効果でリーンな空燃比でも着火が可能となる。尚、ストイキオフィードバック域では、比較的高い圧縮比により大きな出力が得られると共に、有害排出ガス成分が三元触媒42により浄化される。
【0030】
急加速時や高速走行時は図2中のオープンループ制御域となるためECU70は、吸気行程噴射モードを選択すると共にABV弁27を閉鎖し、スロットル開度θthやエンジン回転速度Ne 等に応じて、比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。この際には、圧縮比が高いことや吸気流が逆タンブル流を形成することの他、吸気ポート13が燃焼室5に対して略直立しているため、慣性効果によっても高い出力が得られる。
【0031】
更に、中高速走行中の惰行運転時は図2中の燃料カット域となるため、ECU70は、燃料噴射を完全に停止する。これにより、燃費が向上すると同時に有害排出ガス成分の排出量も低減される。尚、燃料カットは、エンジン回転速度Ne が復帰回転速度より低下した場合や、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ場合には即座に中止される。
【0032】
次に、本発明に係わり、環境条件の変更や変速機の故障等のような補機類の作動以外による負荷上昇においてアイドル時の回転数の落ち込みを防止する制御手順について説明する。
図3に示すフローチャートは、クランク角センサ17からクランク角信号が出力される毎にECU70によって割り込み実行される。ECU70は、図3のステップS10においてクランク角センサ17からのクランク角信号発生時間間隔から検出されるエンジン回転数Ne 、スロットルセンサ29が検出するスロットル弁開度θth、エアフローセンサ33が検出する一吸気行程当たりの吸入空気量(体積空気流量)Qa を読み込む。次に、ECU70は、記憶装置に予め記憶されている目標平均有効圧マップから例えば、4点補間法によりスロットル弁開度θthとエンジン回転数Neとに応じた最適の目標平均有効圧Peを演算する(ステップS11)。この目標平均有効圧Peは、運転者が望むエンジン出力と相関する目標筒内有効圧(負荷値)で、ECU70は、この目標平均有効圧(目標負荷)Peに基づいて燃料供給量(目標空燃比)や点火時期を設定する。次いで、ECU70は、吸入空気量(体積流量)Qaを燃焼室5の容積で除算して体積効率Evを演算する(ステップS12)。この体積効率Evは、各燃焼室5に供給され、単位吸気行程当たり(1気筒当たり)の燃焼に係わることのできる酸素量に関連した指標で、燃料噴射弁4の開弁時間(Ting)の演算に使用される。
【0033】
次いで、ECU70は、アイドル運転状態にあるか否かを判別し(ステップS13)、アイドル運転状態にないときには、目標平均有効圧Pe、エンジン回転数Neに応じた運転モードに設定する(ステップS17)。例えば、低中速走行のときには、図2中の吸気行程噴射モードによるリーン域あるいはストイキオフィードバック域(理論空燃比フィードバック制御域)となるように吸気行程噴射モードを選択すると共に所定の空燃比となるように燃料を噴射する。
【0034】
ECU70は、ステップS13においてアイドル運転状態にあると判別すると、変速機がDレンジにあるか否かを判定し(ステップS14)、Dレンジでないときには体積効率Evが所定値Ev0よりも大きいか否かを判別し(ステップS15)、大きくないときには、体積効率Evが小さく、つまり、外部負荷の増大によりアイドル調整弁24が大きく開方向へ制御されていないものと判断して超リーン運転(層状燃焼)を実行し(ステップS18)、体積効率Evが所定値Ev0よりも大きいときには、何らかの原因でアイドル調整弁24が大きく開方向に制御されており、超リーン運転による出力増大は困難(又は効果小)であると判断して大きなトルクを発生し得るストイキオ運転(予混合燃焼)に移行する。(ステップS19)。
【0035】
尚、所定値Ev0は、約70%程度に設定されている。その理由は、所定値Ev0を超リーン運転(層状燃焼)が許容される最大空気量、即ち、体積効率100%近傍にも設定は可能であるが、仮に所定値Ev0を100%近傍に設定した場合には以下のような問題がある。
外部負荷増大に対処すべく出力を増大するためには、運転モードを切り換える必要が生じるが、体積効率Evが100%近傍で運転中、何らかの原因で更なる大きな外部負荷が加わると、運転モード切替に際し遅れが生じるため、回転数の落ち込みへの対応が遅れるという問題がある。また、アイドル燃費の観点から体積効率Evが100%近傍では層状燃焼と予混合燃焼とで燃費的に変化はなく、燃焼の安定性から考えると予混合燃焼の方がメリットがあることから、所定値Ev0をある程度、低い値に設定している。尚、上述した点が懸念されない場合は、所定値Ev0を更に100%近傍まで近づけて設定しても良い。また、本実施形態では所定値Ev0を約70%という固定値としているが、回転数に応じて変化させても良い。
【0036】
ECU70は、ステップS14においてDレンジにあると判別したときには負荷例えば、エアコンスイッチがオンされたか否かを判別し(ステップS16)、エアコンスイッチがオフのときにはステップS15に進み、エアコンスイッチがオンされたときには、Dレンジであることによる負荷増大に加え更に負荷が増大し、超リーン運転では、外部負荷の増大に対し出力増大は困難であると判断してステップS19に進み、ストイキオ運転(予混合燃焼)に移行する。
【0037】
エンジン1は、過給していないのでスロットル全開相当の空気量以上は供給されない。従って、超リーン運転(層状燃焼)をしているアイドル時に発生し得るトルクが限られてくる。このため、車両がDレンジで停止しており、エンジンがアイドル状態にあるときにエアコンが作動すると、全負荷量(スロットル全開)時の空気量を供給しても、トルクが不足してエンジン回転数が落ち込み、エンジンストールを起こす虞がある。アイドル時は、同一空燃比(A/F)で制御しているので、空気量は、負荷と比例関係にあり、空気量(体積効率Ev)が増加することは、何らかの原因で負荷が増加したことである。従って、ECU70は、このときの空気量に相関する体積効率Evが閾値(Ev0)を超えると、超リーン運転(層状燃焼)は、不可能であると判断してより大きなトルクの発生が可能なストイキオ運転に切り換えてアイドル状態を保持する。これにより、環境条件の変化や変速機の故障等のような補機類の作動以外による負荷上昇においても、確実にアイドル時の回転数の落ち込みを防止することが可能となる。
【0038】
体積効率Evは、空燃比A/Fを一定に保持しておくとトルク情報は、空気量と比例関係にあるので、体積効率が上昇すると空燃比をリッチ(濃く)にしていく方法もあるが、圧縮リーンにおいて空燃比をリッチ(濃く)にするにも限界がある。このため安全サイドで前期噴射モード、或いはストイキオ運転(予混合燃焼)で空気過剰率を1に近づき充分なトルクを発生するようにする。
【0039】
このように、超リーン運転(層状燃焼)ではトルクの増加が見込めないためにストイキオ運転(予混合燃焼)に切り換えることにより、空燃比(A/F)が超リーン運転と比較して高いトルクまで発生可能であり、負荷状態(環境変化)が長く続いて何らかの不具合により負荷が増加してもアイドル運転させることが可能である。
【0040】
尚、上記実施例では、体積効率Evの変化に応じて層状燃焼から直接予混合燃焼(ストイキオ運転)に切り換えるようにしたが、層状燃焼から予混合リーン燃焼(前期リーンモード)に切り換え、その後、予混合燃焼(ストイキオ)に切り換えるように設定しても良い。
また、上記実施例ではエアフローセンサにより吸入空気量を検出し、この空気量から算出した体積効率Evにより負荷状態を判断して運転状態を切り換えるようにしたが、アイドル調整弁、ABV(エアバイパスバルブ)、電子スロットル等の開度信号に応じて負荷状態を判断し運転状態を切り換えるように設定しても良い。
【0041】
更に、体積効率Evの代わりに、吸気管負圧を検出して運転状態を切り換えるようにしても良い。また、アイドル時の空燃比を略一定の範囲に収めるように制御しているものにおいては、空気量に相関するパラメータとしての燃料量が上限値に達したことを検出して運転状態を切り換えるようにしても良い。
また、本実施態様では、前述した公知例のようなエアコン等の負荷信号により運転状態を切り換えるものとの組み合わせた制御について説明したが、制御の簡素化を図るため、体積効率Ev0のみで運転状態を切り換えるようにしても良い。
【0042】
更に、上記実施形態では、体積効率Evが所定値Ev0を超えた場合、ストイキオ運転としているが、所定値Ev0を更に低く設定し、所定値Ev0を超えた後の回転数変化を検出し、回転数の落ち込み変化が大きく層状燃焼による出力増大が困難と予測される場合には、予混合燃焼(ストイキオ運転、前期リーンモード)に切り換えるよう設定してもよい。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アイドル時に層状燃焼を行うことにより燃費を向上させ、アイドル時にエアコン等が作動してエンジン負荷が増大し、層状燃焼ではトルクの増大が見込めないと判断したときにストイキオ運転に切り換えることにより、トルクの増大を図り、アイドル時のエンジン回転数の落ち込みを防止することができる。また、環境条件の変化や変速機の故障等のような補機類の作動以外による負荷上昇においても、確実にアイドル時の回転数の落ち込みを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る筒内噴射型内燃エンジンの制御装置の概略構成図である。
【図2】燃料噴射モードの判定マップを示す図である
【図3】本発明に係るエンジンの制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 エンジン
4 燃料噴射弁
5 燃焼室
17 クランク角センサ
25 吸気管
26 エアバイパスパイプ
27 ABV弁
28 スロットル弁
29 スロットルセンサ
31 大気圧センサ
32 吸気温センサ
70 ECU[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a direct injection internal combustion engine mounted on a vehicle.
[0002]
[Related background]
In a spark ignition internal combustion engine mounted on a vehicle, an in-cylinder injection type gasoline engine that directly injects fuel into a combustion chamber is used instead of an intake pipe injection type in order to reduce harmful exhaust gas components and improve fuel efficiency. Various proposals have been made.
In a cylinder injection type gasoline engine, for example, during low load operation, fuel is injected mainly during the compression stroke, and an air-fuel mixture close to the stoichiometric air-fuel ratio is locally formed around the spark plug and in the cavity. Thus, good combustion can be realized even with a lean air-fuel ratio as a whole (this is referred to as “stratified combustion”). On the other hand, during medium and high load operation, fuel is injected during the intake stroke, a uniform air-fuel ratio mixture is formed in the combustion chamber, and a large amount of fuel is burned in the same manner as an intake pipe injection type gasoline engine (this (Referred to as “premixed combustion”), it is possible to ensure the output required during acceleration or high-speed traveling.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In such an engine, it is conceivable to set so as to improve idle fuel efficiency by performing stratified combustion (super-lean operation) during idling. However, when supercharging or the like is not performed in stratified combustion at idling, the amount of air supplied into the cylinder is only supplied by the amount of air corresponding to the full load (throttle fully open). The output that can be obtained is determined. That is, in the stratified combustion, if the fuel ratio with respect to the amount of air increases more than a certain amount, the air-fuel mixture around the spark plug becomes too thick and misfires or smoke is generated. For this reason, the maximum output at the time of stratified combustion is determined by the maximum fuel amount suitable for the air amount corresponding to the full load. The air-fuel ratio in the combustion chamber when the maximum output of stratified combustion occurs is still leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, so the maximum amount of fuel that can be supplied during stratified combustion is smaller than that during premixing. The maximum output is also low. For this reason, when an external load such as an air conditioner or power steering is applied during idling, there is a limit to increasing the fuel amount in response to this, so the output obtained during stratified combustion should be supported. The engine speed may drop and engine stall may occur in some cases.
[0004]
Further, in a conventional port injection type lean combustion internal combustion engine different from the above-described cylinder injection type internal combustion engine, when an external load is applied during idling, the rotation speed is likely to fluctuate. Discloses a technique for prohibiting lean operation and shifting to stoichiometric (theoretical air-fuel ratio) operation (Japanese Patent Laid-Open No. 60-17234).
[0005]
However, in the above known example, since the operation state is switched to the stoichiometric operation based on the operation signal of the auxiliary machinery (air conditioner etc.), the operation state is actually in spite of the state where the lean operation can be continued. Will be switched, resulting in a problem that idle fuel consumption deteriorates. In addition, since the operation state is switched by the output of the operation signal, the environmental condition (e.g., high altitude where the intake air density is low) or the transmission (T / M) in the lean operation state even though the operation signal is not output. In the known example, the lean operation is continued in the known example, and the output during the lean operation cannot cope with the load increase as described above, and the engine speed drops or the engine There is a risk of stalling.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-mentioned points, and even when the load increases due to operations other than the operation of auxiliary equipment such as a change in environmental conditions or a failure of the transmission, it is possible to reliably reduce the rotational speed at the time of idling. An object of the present invention is to provide a control device for a direct injection internal combustion engine that can be prevented.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, fuel is directly injected into the combustion chamber, premixed combustion and stratified combustion are switched according to the operating state, and stratified combustion is performed during idling. In addition, in the control apparatus for a direct injection type internal combustion engine provided with output control means for increasing the fuel amount with respect to the increase in the external load at the time of idling and changing the engine output to the increase side, the fuel amount or the Switch to the premixed combustion when the parameter related to the fuel amount exceeds a predetermined valueThe predetermined value is a value corresponding to the air-fuel ratio at which the stratified combustion is allowed with respect to the fully open air amount or the air amount in the vicinity thereof.It is a composition.
[0008]
That is, the fuel is increased within an air-fuel ratio range in which the output can be increased by stratified combustion in response to an increase in the external load on the engine during idling. Here, in the case of an engine that is operating in an air-fuel ratio range with good fuel efficiency by reducing the intake flow rate to some extent during normal idling when the external load is not so large, the air-fuel ratio range with good fuel efficiency is increased as the external load increases. It is conceivable to increase the amount of air (that is, the amount of fuel) while maintaining the amount of fuel so that when the amount of air reaches the upper limit, the air-fuel ratio is increased beyond the low fuel consumption range to the rich side. . In addition, in the case of basically the fully open air amount at the time of idling, only the fuel increase amount is performed as the external load increases. In any case, the upper limit air fuel that allows the stratified combustion with respect to the fully open air amount or the air amount in the vicinity of the supplied fuel amount.Specific phaseIf this value is reached, that is, the amount of fuel or the parameter that correlates to the amount of fuelA value corresponding to the air-fuel ratio at which the stratified combustion is allowed with respect to the fully open air amount or the air amount in the vicinity thereofIs exceeded, the stratified combustion mode is switched to the premixed combustion mode to enable further response to an external load, thereby preventing the occurrence of a stall due to a drop in the engine speed.
[0009]
Claims2According to the present invention described in the above, fuel is directly injected into the combustion chamber, switching between premixed combustion and stratified combustion according to the operating state, stratified combustion is performed during idling, and external load is increased during idling. In a control apparatus for a direct injection type internal combustion engine having an output control means for increasing an air amount, increasing a fuel in response to the increased air amount, and changing an engine output to an increase side, When the air amount or a parameter correlated with the air amount exceeds a predetermined value, the premixed combustion is switched.
Claim3According to the present invention described in the above, the predetermined value is set to a value lower than the maximum air amount allowed for the stratified combustion.
Claim4According to the present invention described in (1), the predetermined value is set to about 70% of the maximum air amount.
[0010]
That is, the air amount and the fuel amount are increased while the air-fuel ratio is substantially constant in the vicinity of a specific air-fuel ratio advantageous in terms of combustion in response to an increase in the external load on the engine during idling. At this time, the fuel amount and the air amount may be increased at the same time while keeping the air-fuel ratio constant, but the relationship between the fuel amount and the air amount is slightly changed within the range between the lower limit air-fuel ratio and the upper limit air-fuel ratio. You may do it. That is, when an increase in the external load is detected by each load switch or a drop in the idle speed, first, the fuel amount is increased and the air-fuel ratio is reduced, and even when the air-fuel ratio reaches the lower limit air-fuel ratio, the external load is still If the response to the load is insufficient, the air amount is increased to change the air-fuel ratio to the upper limit air-fuel ratio, and the fuel amount is further increased to lower the air-fuel ratio toward the lower limit value. It is also possible to cope with the increased external load by repeating this alternately increasing amount of fuel and air.
[0011]
As described above, as a result of coping with the increase in external load by increasing the amount of fuel and air simultaneously or alternately, if the value correlated with the air amount at this time exceeds a certain value (threshold), super lean operation (stratified) Further increase in output due to combustion) is determined to be impossible or less effective and switched to premixed combustion, and the operation shifts to stoichiometric operation where large torque can be generated. Thereby, a drop in engine speed is prevented, and engine stall is prevented.
[0012]
Claim3And claims4As described above, it is preferable that the predetermined value is set lower than the maximum amount of air allowed for stratified combustion. The reason for this is that when the predetermined value is set to the maximum air amount, a delay occurs when the engine operation is switched due to an increase in the external load.Therefore, when switching from stratified combustion to premixed combustion, a large external load is caused. If there is a risk of misfire, etc., and from the viewpoint of idle fuel consumption, even if the range of stratified combustion is expanded with the predetermined value as the maximum air amount, the fuel consumption is large in the vicinity of the maximum air amount and in the case of premixed combustion. This is because there is no difference, and premixed combustion has merit in terms of combustion stability.
[0013]
Claims2As described above, when the control is performed to switch the combustion state to the premixed combustion by checking the air amount or its correlation value during idling, the air amount or its correlation value is preferably controlled using a volume flow rate. The reason for this is that if the control of switching the combustion state by the fuel amount or the like is performed at a high altitude where the intake air density is lowered, a change in the fuel amount corresponding to the change in the intake air density cannot be obtained, and thus there is a problem such as a drop in the rotational speed. This is because control must be performed by adding the correction of the intake air density to the fuel amount, and the control becomes complicated.
[0014]
In the control for switching the combustion state to the premixed combustion by looking at the fuel amount or its correlation value at the time of idling as in
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a control device for a direct injection gasoline engine according to the present invention mounted on a vehicle. The cylinder head 2 of the
[0016]
An intake port 13 is formed in the cylinder head 2 so as to pass between the
[0017]
An
[0018]
The
[0019]
On the other hand, the exhaust port 14 has an O2
[0020]
The
[0021]
An ECU (Electronic Control Unit) 70 is installed in the vehicle interior. The
On the input side of the
[0022]
The
Next, the basic flow of engine control will be briefly described.
[0023]
When the engine is cold, when the driver starts the ignition key or when the
[0024]
When the start is completed and the
[0025]
When the warm-up of the
[0026]
For example, since the compression stroke injection lean region indicated by the oblique lines in FIG. 2 is in a low load / low rotation operation such as an idle operation, the
[0027]
More specifically, in response to an increase in the external load on the engine during idling, the idle adjustment valve 24 (ABV valve if necessary) is set by a signal from the
[0028]
In the compression stroke injection mode, the fuel spray injected from the
[0029]
Further, when the vehicle is traveling at low and medium speeds, the
That is, in the lean region of the intake stroke injection mode, the valve opening amount and the fuel injection amount of the
[0030]
The
[0031]
Further, during coasting operation during medium-high speed traveling, the fuel cut region in FIG. 2 is reached, so the
[0032]
Next, a description will be given of a control procedure related to the present invention, which prevents a decrease in the number of revolutions during idling when the load increases due to an operation other than auxiliary operations such as a change in environmental conditions or a transmission failure.
The flowchart shown in FIG. 3 is executed by the
[0033]
Next, the
[0034]
When the
[0035]
The predetermined value Ev0 is set to about 70%. The reason is that the predetermined value Ev0 can be set to the maximum amount of air allowed for super lean operation (stratified combustion), that is, the volumetric efficiency is close to 100%, but the predetermined value Ev0 is set to be close to 100%. In some cases, there are the following problems.
In order to increase the output to cope with the increase in the external load, it is necessary to switch the operation mode. However, when the volumetric efficiency Ev is operating near 100%, the operation mode is switched if a larger external load is applied for some reason. In this case, there is a problem that the response to the drop in the rotational speed is delayed because of a delay. Further, from the viewpoint of idle fuel efficiency, when the volumetric efficiency Ev is near 100%, there is no change in fuel efficiency between stratified combustion and premixed combustion, and premixed combustion has advantages in terms of combustion stability. The value Ev0 is set to a low value to some extent. If the above point is not a concern, the predetermined value Ev0 may be set closer to 100%. In the present embodiment, the predetermined value Ev0 is a fixed value of about 70%, but it may be changed according to the number of rotations.
[0036]
When the
[0037]
Since the
[0038]
When the volumetric efficiency Ev is kept constant at the air-fuel ratio A / F, the torque information has a proportional relationship with the air amount. Therefore, there is a method of making the air-fuel ratio rich when the volumetric efficiency increases. Also, there is a limit to making the air-fuel ratio rich in the compression lean. For this reason, the excess air ratio approaches 1 in the early injection mode or stoichiometric operation (premixed combustion) on the safe side so that sufficient torque is generated.
[0039]
In this way, since an increase in torque cannot be expected in super lean operation (stratified combustion), switching to stoichiometric operation (premixed combustion) allows the air-fuel ratio (A / F) to be higher than that in super lean operation. It can occur and the load condition (environmental change) continues for a long timeanyEven if the load increases due to such a malfunction, it is possible to perform idle operation.
[0040]
In the above embodiment, the stratified combustion is switched directly to the premixed combustion (stoichiometric operation) according to the change in the volumetric efficiency Ev. However, the stratified combustion is switched to the premixed lean combustion (first lean mode), and then It may be set to switch to premixed combustion (stoichio).
In the above embodiment, the intake air amount is detected by the air flow sensor, and the load state is determined based on the volumetric efficiency Ev calculated from the air amount, and the operation state is switched. However, the idle adjustment valve, ABV (air bypass valve) ), A load state may be determined according to an opening signal such as an electronic throttle, and the operation state may be switched.
[0041]
Furthermore, instead of the volumetric efficiency Ev, the intake pipe negative pressure may be detected to switch the operation state. In the case where the air-fuel ratio at the time of idling is controlled to be within a substantially constant range, the operation state is switched by detecting that the fuel amount as a parameter correlated with the air amount has reached the upper limit value. Anyway.
Further, in the present embodiment, the control combined with the switching of the operation state by the load signal of an air conditioner or the like as in the above-described known example has been described. However, in order to simplify the control, the operation state is performed only with the volumetric efficiency Ev0. May be switched.
[0042]
Furthermore, in the above-described embodiment, when the volumetric efficiency Ev exceeds the predetermined value Ev0, the stoichiometric operation is performed. However, the predetermined value Ev0 is set to be lower, and a change in the rotational speed after the predetermined value Ev0 is exceeded is detected. When the change in the number is large and it is predicted that it is difficult to increase the output due to the stratified combustion, it may be set to switch to the premixed combustion (stoichiometric operation, first lean mode).
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is determined that the fuel efficiency is improved by performing the stratified combustion at the time of idling, the engine load is increased by operating the air conditioner or the like at the time of idling, and the increase of the torque is not expected in the stratified combustion. By switching to stoichiometric operation at this time, it is possible to increase the torque and prevent the engine speed from dropping during idling. In addition, it is possible to reliably prevent a decrease in the number of revolutions during idling even when the load increases due to other than the operation of auxiliary equipment such as a change in environmental conditions or a transmission failure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a control device for a direct injection internal combustion engine according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a determination map for a fuel injection mode.
FIG. 3 is a flowchart showing an engine control procedure according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 engine
4 Fuel injection valve
5 Combustion chamber
17 Crank angle sensor
25 Intake pipe
26 Air bypass pipe
27 ABV valve
28 Throttle valve
29 Throttle sensor
31 Atmospheric pressure sensor
32 Intake air temperature sensor
70 ECU
Claims (4)
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