JP3939279B2 - 筒内直噴エンジンの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、動力源として電気モータとガソリンを燃料とする内燃機関（エンジン）を併せ持つ車両（ＨＶ＝Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ハイブリッド車両）に適用される筒内直接噴射式エンジン（筒内直噴エンジン）の制御方法に関するものである。

自動車の低燃費化の要求から多様な動力源が考案されている。電気モータと内燃機関を組み合わせて用いる所謂ＨＶシステムもその一つである。ＨＶシステムにおいて電気モータと組み合わせる内燃機関としてはガソリン機関、ディーゼル機関等が挙げられるが、比出力に優れるガソリン筒内直噴機関を用いる試みもなされている。

ガソリン筒内直噴機関においては、要求負荷に応じて低負荷時には圧縮行程において燃料を噴射して成層燃焼を行い、高負荷時には吸気行程において燃料を噴射して予混合均一燃焼を行うという制御モードが公知である。

ＨＶにおいては、車両の要求負荷が小の時はエンジンを停止させて電気モータによって走行するため、エンジンの要求負荷は高負荷に限定されるので、その燃焼形態は吸気行程噴射による予混合均一燃焼に限られる。

前述のように、ＨＶにおいては低負荷時にエンジンを停止させるため、通常走行中にエンジンの始動及び停止が頻繁に繰り返される。そのためにシリンダ壁面の温度や排気ガス浄化触媒の温度が低下しやすいという問題がある。

通常走行中であっても、エンジンを停止させることによって排気ガス浄化触媒の温度が活性化温度以下まで低下すると、再始動直後は排気ガスが浄化されなくなるので、排気エミッションの悪化を招くことになる。本発明はこのような問題を解決するためになされたものである。

この発明は、上記課題を解決するために、請求項１に記載された技術手段を採用する。即ち、エンジン停止に先立って排気温度が高くなる制御モードに切り換えると共に、燃料の噴射時期を吸気行程の中期から吸気行程の早期に変更して、排気ガス浄化触媒の温度を触媒の耐熱限界まで昇温させた後にエンジンを停止させるようにする。このように、エンジン停止時に予め触媒を耐久限度まで昇温させることによって、再始動時の触媒温度を高くし、触媒の暖機に必要な時間を短縮するか、或いはなくして、触媒の排気ガス浄化能力に切れ目が生じるのを防止することができ、触媒暖機中の排気エミッションの増加を防止することができる。

この技術手段によれば、暖機過程において、触媒の昇温を促進することができるだけでなく、オイルダイリューションを低減させること、及び、暖機後において低燃費を実現することができる。

請求項２に記載された技術手段によれば、軽負荷時等のようにエンジンが一時的に停止される時には請求項１の技術手段と同様な効果が得られると共に、車両の連続的な停止時には、運転者がＨＶのメインスイッチ（イグニッションキー）をＯＦＦとすることによってエンジンを直ちに停止させることができるので、運転者に不快感を与えない。

図１は、ガソリン筒内直噴エンジンを動力源の１つとするＨＶシステムにおいて、本発明の制御方法の制御対象となるエンジン部分のみの第１実施形態を示すシステム構成図である。第１実施形態の筒内直噴エンジンにおいては、シリンダ１の燃料噴射弁２の噴孔と対向している側の壁面の、燃料噴霧が付着する位置にシリンダ壁温センサ３を設けると共に、排気通路４に設けられた触媒５には触媒温度センサ６が設置され、これらのセンサ３及び６の出力信号がマイクロコンピュータを内蔵するＥＣＵ（電子式制御装置）７に入力される。

この他、ＥＣＵ７には、運転者が操作するアクセルペダル８の踏込量を検出するアクセルポジションセンサ９や、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１０、排気通路４に設けられて酸素濃度を検出する空燃比センサ１１、クランクシャフト１２に対向して設けられてその回転位置や回転数を検出するクランク角センサ１３等からの出力信号が入力される。そして、ＥＣＵ７は、それらの信号に基づいて燃料噴射弁２の燃料噴射時期や点火プラグ１４を付勢する点火時期等を決定する。なお、吸気通路１５に設けられたスロットル弁１６は、アクセルペダル８によって直接に、或いはＥＣＵ７を介して間接的に開閉制御される。１７は燃料タンク、１８は高圧燃料ポンプ、１９はピストンを示す。

図２は、図１に示されたガソリン筒内直噴エンジンにおいて吸気行程噴射を行った場合の燃料消費率、燃料のシリンダ壁面への付着量及び排気温度の変化を示したものである。図３に示すように、吸気行程の中期（図２のＡ点付近）において燃料を噴射すると、燃料消費率が低くなるものの、シリンダ壁への燃料の付着量が増加し、排気温度が低くなる。これに対して、図４に示すように吸気行程の初期（図２のＢ点付近）において燃料を噴射すると、燃料のシリンダ付着量が低減すると共に排気温度が高くなる。

図５は、図２に示した性質を利用する本発明の制御方法を例示したフローチャートである。次に、この制御例を図１から図５の各図を用いて説明する。

図５のフローチャートに示す制御プログラムがスタートすると、まずステップ１０１においてシリンダ壁温センサ３の出力信号がＥＣＵ７に読み込まれて、所定の温度と比較される。また、ステップ１０２においては、触媒温度センサ６の出力信号が読み込まれて、触媒の活性化温度と比較される。シリンダ壁温度が高く、且つ触媒温度が触媒５の活性化温度以上の場合はステップ１０３に進んで、燃料噴射時期は図２のＡ点、即ち燃料消費率が最良となる吸気行程の中期の点を選定する。

このときは燃料噴射弁２から噴射された燃料噴霧の一部が、図３に示すように、シリンダ１の壁面に衝突して付着する。そのため図２のようにシリンダ燃料付着量は増加するところであるが、シリンダ壁温が高いために、付着する燃料が壁面の熱によって直ちに気化し、オイルダイリューションの増加につながらない。また、エンジンから排出されるエミッションも、活性化している触媒５により十分に浄化されて低減する。

しかしながら、ＨＶにおいては、車両の動力源に対する要求負荷が小さい時にはエンジンを一時的に停止するため、走行中であってもシリンダ壁温や触媒温度が低下する場合がある。

シリンダ１の壁温が低下している時には、シリンダ１に付着する燃料は気化し難いために、壁面上に潤滑油膜を形成しているオイルに混入し、オイルと共にピストンリングによって掻き落されて、クランクケース内のオイルパンに貯溜されているオイルがダイリューション（希釈）を起こす。この場合、図５に例示した制御方法では、ステップ１０１からステップ１０４に進み、燃料の噴射時期を吸気行程内の早期噴射点である図２のＢ点に制御する。噴射時期がＢ点になると、燃料の噴霧は図４に示すようにピストン１９の頂面に向って噴射されるため、シリンダ１の壁面への付着は図２に示すように少なくなり、オイルダイリューションを防止することができる。

また、触媒５の温度が触媒の活性化温度以下の場合は十分な浄化性能が得られないために、車両からの排出エミッションが悪化する。このときは図５のステップ１０２からステップ１０４に進み、前述の場合と同様に燃料噴射時期をＡ点からＢ点へ変更する。図２から明らかなようにＢ点における噴射では、Ａ点における噴射に比べて排気温度が高くなるため、触媒５の昇温が促進される。

図６にＨＶ全体のシステムの概略を示す。ＨＶにおけるエンジン停止には、運転者の意志による車両の停止に伴うエンジンの連続的な停止（イグニッションキースイッチ２０のＯＦＦ等による）と、走行状態或いは負荷状態によりメインＣＵ（主制御装置）２１が筒内直噴エンジン２２を一時的に停止させると判断した場合の一時的な停止とがある。このようなエンジン停止のための制御プログラムを図７のフローチャートによって説明する。

ステップ２０１においてメインＣＵ２１からエンジン２２の停止指令が出た場合、それが運転者の意志（イグニッションキーＯＦＦ等）によるものであることがステップ２０２において判明すると、ただちにステップ２０３に進んでエンジンＥＣＵ２３によってエンジン２２を停止させる。しかし、ステップ２０２の判定において、そのエンジン停止が運転者の意志によるものではないことが判明した時は、ステップ２０４に進む。この場合、つまり車両の走行状態からメインＣＵ２１がエンジン２２のトルクは不要と判断した場合でも、ステップ２０４において、センサ６によって検知される触媒温度が耐熱限度に達する時まで、ステップ２０５において燃料噴射弁２の燃料の噴射時期をＢ点へ移動させる制御を行ってエンジン２２の運転を継続させ、耐熱限度に達した時に、ステップ２０３に進んでエンジンＥＣＵ２３によってエンジン２２を一時的に停止させる。なお、この場合はモータＥＣＵ２４によるモータ２５の運転制御が継続される。

この制御により再始動時の触媒温度を高くして、触媒５の暖機時間を短縮、或いは実質的になくすことができるので、触媒５の暖機過程におけるエミッションを低減することができる。

図８に、本発明の制御方法が適用されるＨＶ用のガソリン筒内直噴エンジンに関する他の実施形態を示す。この実施形態においては、シリンダ壁温センサを設置しないで、従来からエンジンの冷却水通路に設けられて冷却水温の検出に用いられている冷却水温センサ２６の出力信号をエンジンＥＣＵ７に入力し、水温によってシリンダ１の付着燃料の気化状態を判定するもので、その他の制御は前述例と同様である。また、図８において、２７はラジエータ、２８は冷却水通路を示す。その他の参照符号は図１に示したものと同じである。

本発明の制御方法が適用される筒内直噴エンジンの第１の実施形態を示すシステム構成図である。 筒内直噴エンジンの吸気行程噴射における噴射時期の変化に伴う諸特性の変化を示す線図である。 筒内直噴エンジンの吸気行程中期噴射を示す断面図である。 筒内直噴エンジンの吸気行程初期噴射を示す断面図である。 本発明による制御例を示すフローチャートである。 ＨＶシステムの全体を略示するシステム構成図である。 ＨＶシステムにおけるエンジン停止の制御例を示すフローチャートである。 本発明の制御方法が適用される筒内直噴エンジンの第２の実施形態を示すシステム構成図である。

符号の説明

１…ガソリン筒内直噴エンジンのシリンダ
２…燃料噴射弁
３…シリンダ壁温センサ
５…排気浄化触媒
６…触媒温度センサ
７…筒内直噴エンジン用の電子式制御装置
２０…メインスイッチ（イグニッションキースイッチ）
２１…ＨＶ（ Hybrid Vehicle ）用の主制御装置（メインＣＵ）
２２…ガソリン筒内直噴エンジン
２５…モータ
２６…冷却水温センサ

Claims (2)

1. 動力源として電気モータと内燃機関を併せ持つ車両に適用されるガソリン筒内直噴エンジンにおいて、エンジン停止に先立って排気温度が高くなる制御モードに切り換えると共に、燃料の噴射時期を吸気行程の中期から吸気行程の早期に変更して、排気ガス浄化触媒の温度を触媒の耐熱限界まで昇温させた後にエンジンを停止させることを特徴とする筒内直噴エンジンの制御方法。
2. 請求項１における制御方法を、メインスイッチの遮断による連続的なエンジン停止以外の、動力源として電気モータと内燃機関を併せ持つ車両に用いられるエンジンに特有の一時的なエンジン停止時において実行することを特徴とする制御方法。

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