JP3984463B2 - In-cylinder injection engine control device with turbocharger - Google Patents

In-cylinder injection engine control device with turbocharger Download PDF

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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置に関し、特に、加速を検出した場合に、吸気行程中又は圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御を行うターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置に関する。
【0002】
【従来技術】
ターボ過給機を備えたエンジンの場合、加速開始時におけるタービン回転の立ち上がり遅れにより、いわゆるターボラグが生じる。このターボラグを抑制する方法として従来より種々の方法が提案されており、その方法の一つとして、排気ガスの温度を上昇させてターボ過給機のタービンを駆動するエネルギを増大させて過給の効果を早期に得るものがある。
【0003】
特開2000−54894号公報には、過給機付きの筒内噴射型エンジンにおいて、加速前期に吸気行程から点火時期にかけての範囲で燃料を複数回に分割して噴射する分割噴射制御を行うと共に、後期側の燃料噴射時期を圧縮行程の中期以降に設定する技術が開示されている。該公報によれば、後期側の燃料噴射により点火栓の周りに霧化が不十分なリッチ領域を設けることにより、後燃えを促進させ、排気温度の上昇を図っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、後燃えは、微粒化が不充分な液滴状の燃料が、大部分の燃焼が終了した後に霧化して酸化反応に至る現象であることから、エンジンの状態が冷態始動状態である場合には容易に発生する可能性があるが、暖機後の周辺温度が充分に高い状況では後燃えは発生し難く、充分な排気ガスの温度上昇を期待することはできない。
【0005】
また、筒内噴射エンジンでは、いわゆる成層燃焼形態における燃焼状態を改善するために、燃料を充分に微粒化した状態で噴霧する性能を有した筒内噴射弁が用いられているので、かかる筒内噴射弁を用いて点火栓の周りに霧化が不十分なリッチ領域を設けることは困難であり、後燃えを期待することはできない。
【0006】
更に、いわゆる均一燃焼形態において、分割噴射制御による後半の噴射タイミングを点火前の圧縮行程中に設定して、後燃えを生じさせるのに十分なリッチ領域を生じさせると、そのリッチ領域において空気利用率の低下を招き、点火栓による主燃焼の熱発生率が低下して、燃費の悪化や出力上昇の悪化を併発するおそれがある。
【0007】
また、上記公報によれば、加速要求に応じて成層燃焼形態から均一燃焼形態に燃焼形態を変更する場合に、空燃比の変更に応じてスロットルバルブを閉弁側に移動させる閉弁操作を行っているが、この閉弁操作により吸入空気量が低下して排気ガスの排出量の低下を招くおそれがあり、タービン回転の立ち上がりが遅れる原因になる。
【0008】
更に、上記公報によれば、圧縮行程中に燃料を噴射してエンジン運転を行う成層燃焼領域から吸気行程中に燃料を噴射してエンジン運転を行う均一燃焼領域にエンジン運転領域を移行させる加速要求を検出した場合、その加速要求を検出した直後に、エンジンの燃焼形態を成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行させる燃焼形態移行制御が行われる。しかし、この燃焼形態移行制御に伴ってスロットルバルブの閉弁操作が行われ、成層燃焼形態から均一燃焼形態への移行完了までの間、発生トルクが一定に保たれることから、加速応答遅れが生じて走行フィーリングが悪化するおそれがある。
【0009】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、加速前期に排気ガスの温度を上昇させてターボラグを抑制するターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項1に記載の発明によるターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置は、ターボ過給機と、エンジンの燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、スロットルバルブと該スロットルバルブを駆動するアクチュエータを有する電子制御式スロットルと、アクチュエータを制御して前記スロットルバルブのスロットル開度を調整するスロットル制御手段と、運転者からの加速要求を検出する加速要求検出手段と、加速要求検出手段により検出した加速要求とエンジン運転状態に基づいて前記エンジンの加速開始を判定する加速開始判定手段と、加速開始判定手段により加速開始と判定された場合に、吸気行程中または圧縮行程中に燃料を一括して噴射する通常噴射制御を、吸気行程中または圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御に変更する燃料噴射制御手段と、を有するターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、加速開始判定手段により加速開始と判定された後、エンジン運転領域が成層燃焼領域にあるときは圧縮行程中と膨張行程中に燃料を分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御を行い、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行したときは、吸気行程中と膨張行程中に燃料を分割して噴射する均一燃焼分割噴射制御を行うことを特徴とする。
【0011】
この発明によれば、加速時にターボ過給機のタービン回転の立ち上がりを早めてターボラグを抑制するために、吸気行程中または圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御が行われ、膨張行程中に噴射された燃料の燃焼により燃焼室内の燃焼期間を膨張行程期間の終期まで延長して燃焼室から排出される排気ガスの昇温が図られる。
【0012】
そして、その分割噴射制御では、加速初期のエンジン運転状態が未だ成層燃焼領域にある間は、成層燃焼分割噴射制御が行われ、エンジン出力の上昇に伴ってエンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行してから、均一燃焼分割噴射制御が行われる。
【0013】
成層燃焼形態によるエンジン運転では、スロットルバルブはほぼ全開に近い位置に保持され、均一燃焼形態によるエンジン運転の場合よりもより多くの排気ガスの排出量を排出していることから、加速開始の判定後も、エンジン運転領域が成層燃焼領域にある間は、成層燃焼形態によるエンジン運転を続行することにより、加速開始時における排気ガスの排出量の低下を防ぎ、大量の排気ガスの質量流量を継続して確保することができる。また、均一燃焼形態に移行した後は、膨張行程中に燃料噴射を行う分割噴射制御を行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果を得ることができる。
【0014】
従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図ることができる。
【0015】
請求項2の発明は、請求項1に記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行する際に、スロットルバルブの閉弁側への動作を禁止するスロットル制御をスロットル制御手段が行うことを特徴とする。
【0016】
この発明によると、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行する際、スロットルバルブの閉弁側への動作が禁止されるので、スロットルバルブのスロットル開度が、成層燃焼分割噴射制御時におけるスロットル開度以上に維持された状態で燃焼形態が成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行される。従って、吸入空気量が多い状態で燃焼形態の移行が行われ、排気ガスの排出量の低下を防ぎ、大量の排気ガスの質量流量を継続して確保することができる。
【0017】
また、均一燃焼形態に移行した後は、膨張行程中に燃料噴射を行う分割噴射制御を行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果を得ることができる。従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図ることができる。
【0018】
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、スロットル制御手段が、燃料噴射制御手段によって成層燃焼分割噴射制御から均一燃焼分割噴射制御への変更が行われた後に、スロットルバルブを全開状態にするスロットル制御を開始することを特徴とする。この発明によれば、均一燃焼分割噴射制御が開始されると、スロットルバルブが全開状態に制御されて、エンジンに供給される吸入空気量が更に増大される。このため、ターボラグを抑制し、加速時間の短縮を図ることができる。
【0019】
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、加速開始判定手段により加速開始の判定を受けた場合に、スロットルバルブ制御手段によるスロットルバルブのスロットル制御に先駆けて、分割噴射制御を行うことを特徴とする。この発明によれば、加速開始の判定がされると、スロットルバルブのスロットル制御に先駆けて、分割噴射制御が行われる。電子制御式スロットルのスロットルバルブは、例えば電動モータ等のアクチュエータによって駆動されることから、制御指令を受けてから実際のスロットル開度が目標スロットル開度に到達するまでに、ある程度の時間が必要となり、作動の応答遅れが生じる。
【0020】
従って、実際のスロットル開度が目標スロットル開度に到達するよりも前に分割噴射制御を開始することによって、排気ガスの昇温をより早期に開始し、タービン回転の立ち上げをより早めることができる。従って、ターボラグを抑制し、加速時間を短縮することができる。
【0021】
請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、スロットルバルブ制御手段によりスロットルバルブの実際のスロットル開度が全開状態に調整された時点で、分割噴射制御を吸気行程中または圧縮行程中に燃料を一括して噴射する通常噴射制御に戻すことを特徴とする。
【0022】
この発明によると、スロットルバルブの実際のスロットル開度が全開状態に調整されることによって分割噴射制御から通常噴射制御に戻される。分割噴射制御は、膨張行程中の燃料噴射により排気ガスの昇温を図り、タービン回転の上昇を促してターボラグの発生を抑制することを目的として行われるが、スロットルバルブのスロットル開度が全開状態に調整されると、タービンを駆動するのに十分な排気ガスの質量流量が得られるので、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことができる。
【0023】
請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置が、エンジンの吸気管内圧を検出する吸気管内圧検出センサを有し、燃料噴射制御手段は、吸気管内圧が予め設定されている所定正圧値まで上昇した時点で、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことを特徴とする。
【0024】
この発明によれば、加速開始の判定により分割噴射制御が開始され、吸気管内圧が所定正圧値まで上昇した時点で通常噴射制御に戻される。ターボラグは、タービン回転速度が極めて低い、吸入管内圧が負圧の状態から、過給を要する運転領域への過渡期に生じやすい。従って、加速後半のタービン回転速度がある程度上昇して、吸気管内圧が正圧となるエンジン運転状態においては、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえる。従って、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことができる。
【0025】
請求項7の発明は、請求項1〜6のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料噴射量をエンジン出力の上昇に応じて減少させることを特徴とする。
【0026】
この発明によると、分割噴射制御の膨張行程中に行われる燃料噴射の燃料噴射量は、エンジン出力の上昇に応じて減少される。エンジン出力が上昇すると、燃焼室内における燃料の燃焼期間は増長する特性を有し、そのため、燃料の燃焼終了時期は、膨張行程後期側に遅れる傾向がある。従って、加速によるエンジン出力の上昇に伴い、吸気行程中または圧縮行程中に噴射された燃料の燃焼終了から膨張行程終了までの期間は短縮される。このため、膨張行程中に噴射する燃料の燃料噴射量をエンジン出力の上昇に応じて減少させることによって、燃料の燃え残りを抑制し、燃料消費量を抑えることができる。従って、効率的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【0027】
請求項8の発明は、請求項1〜7のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置が、エンジンの吸気管内圧を検出する吸気管内圧検出センサと、加速要求検出手段により検出した加速要求に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段とを有し、燃料噴射制御手段は、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料噴射量を、目標過給圧と吸気管内圧検出センサにより検出した吸気管内圧との偏差に応じて決定することを特徴とする。
【0028】
この発明によると、分割噴射の膨張行程中に行われる燃料噴射の燃料噴射量は、吸気管内圧検出センサにより検出した吸気管内圧と加速要求に基づいて設定された目標過給圧との偏差に応じて決定される。目標過給圧と吸入管内圧との偏差が大きい状態ほど、吸入管内圧が目標過給圧に上昇するまでの時間が長く、加速応答遅れが大きい。従って、目標過給圧と現在の吸入管内圧との偏差に応じて膨張行程中の燃料噴射量を設定することによって、より効果的に排気ガスを昇温させ、ターボラグを抑制することができる。
【0029】
請求項9の発明は、請求項1〜8のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期を、点火タイミングに応じて変更することを特徴とする。
【0030】
この発明によると、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期が点火タイミングに応じて変更される。エンジンのノッキング状態に応じて点火タイミングが進角又は遅角方向に変更されると、燃料の燃焼期間は一定のままで点火タイミングに応じて前後方向に位相ズレを生ずる。例えば、ノック学習機能などにより、点火タイミングが進角方向に変更された場合には、燃焼終了時期も同位相分だけ進角側に位相ズレを起こす。従って、膨張行程中の燃料の燃料噴射時期を、常に点火タイミングに対して同位相を保つように制御することによって、分割噴射によるエンジン運転を安定して行わせることができ、また、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【0031】
請求項10の発明は、請求項1〜9のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に行う燃料噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を、燃焼室と排気通路との間に設けられている排気弁が開き始めるまでに燃焼が終了する燃料噴射時期及び燃料噴射量に設定したことを特徴とする。
【0032】
この発明によると、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の燃料噴射時期及び燃料噴射量は、燃焼室の排気弁が開き始めるまでに燃焼を終了する燃料噴射時期及び燃料噴射量に設定されるので、燃料が未燃状態で排気管側に排出されて燃料が無駄になることや排気ガスの悪化を防止して、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【0033】
請求項11の発明は、請求項1〜10のいずれかに記載のターボ過給機付き筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により吸気行程から膨張行程までの間に噴射される燃料噴射量の総量を、有効なエンジン出力の発生に必要とされる基本燃料噴射量に、排気温度の上昇に必要な燃料噴射量分を加算した量としたことを特徴とする。
【0034】
この発明によると、分割噴射制御により吸気行程から膨張行程までの間に噴射される燃料噴射量の総量は、有効なエンジン出力の発生に必要とされる基本燃料噴射量に、排気温度の上昇に必要な燃料噴射量分を加算した量とされる。
【0035】
排気温度の上昇には、温度を上昇させる分だけの熱量が必要とされるが、この熱量は、排気ガスに残存する熱量であり、エンジン出力に換算される熱発生量には計上されないため、同一の総燃料噴射量の場合においては、排気温度が高い状態ほど機関出力は低下する傾向にある。従って、膨張行程中の燃料噴射によって排気温度の上昇を図る場合、排気温度を上昇させるのに必要な分の燃料を増量させることによって、エンジン出力の低下を防止でき、走行フィーリングの悪化を招くことなく、ターボラグを抑制することができる。
【0036】
請求項12の発明は、請求項1〜11のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射する燃料の噴射回数を、エンジン回転数が低い程、増加させる設定としたことを特徴とする。
【0037】
この発明によると、分割噴射制御により膨張行程中に噴射する燃料の噴射回数をエンジン回転数が低いほど、増加させる設定としている。燃焼終了のタイミングはエンジン回転数が高くなるほど膨張行程終了側に遅れる傾向にあるので、エンジン回転数が低いほど、膨張行程中での燃焼余裕期間が長い。従って、エンジン回転数が低いほど噴射回数を増やすことで、燃焼期間を膨張行程の終期まで延長させることができ、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【0038】
請求項13の発明は、請求項1〜12のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数を、発生トルクが低くなるに応じて増加させる設定としたことを特徴とする。
【0039】
この発明によると、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数をエンジンの発生トルクが低くなるに応じて増加させる設定としている。一般に、エンジン回転数が同一の場合でも発生トルクが高くなるほど、すなわち燃料供給量が増大するほど、熱発生量が増大し、合わせて燃焼期間が増長するので、燃焼終了のタイミングは膨張行程終了側に遅れる傾向にあり、発生トルクが低いほど、燃焼余裕期間が長い。従って、発生トルクが低いほど、噴射回数を増やす設定とすることで、燃焼期間を膨張行程の終期まで延長させることができ、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【0040】
請求項14の発明は、請求項1〜13のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、燃料噴射制御手段が、分割噴射制御により膨張行程中に噴射する燃料の噴射時期を、燃焼室内で火炎伝播を生じている期間中に設定したことを特徴とする。
【0041】
この発明によると、膨張行程中に噴射された燃料は、燃焼室内で生じている燃焼の火炎伝播を着火源とするので、その燃焼が終了するまでに噴射を開始することによって、確実に着火され、未燃状態で排気管側に排出されるのを防止することができる。従って、燃料の無駄や排気ガスの悪化を防ぎ、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【0042】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。図1は、本実施の形態にかかるターボ過給機付筒内噴射エンジンシステムを概略的に示す説明図である。
【0043】
上記エンジンシステム1は、自動車に搭載されるエンジンシステムであり、そのエンジン本体2は、クランクシャフト3が回転自在に支持されると共にピストン4がそれぞれ往復動可能に嵌挿されたシリンダブロック5と、吸気弁6aを備えた吸気ポート6及び排気弁7aを備えた排気ポート7を有するシリンダヘッド8とを備えている。
【0044】
シリンダヘッド8には、燃焼室9頂部から燃焼室9内に電極10aが突出するように点火プラグ10が取り付けられており、また、燃焼室9内に直接燃料を噴射するように筒内噴射弁11が取り付けられている。この筒内噴射弁11は、低中負荷運転領域で圧縮行程中の点火直前に燃料噴射することにより、点火プラグ10の電極10a付近に濃い混合気を形成し、その濃い混合気に着火して成層燃焼することが可能な位置に配置されている。
【0045】
エンジン本体2には、吸気通路12と排気通路21が取り付けられている。この吸気通路12には、吸入空気量を検出するエアフローメータ13、エンジン本体2に過給を行うターボ過給機14のコンプレッサ14a、吸入空気を冷却するインタークーラ15、吸入空気量を調整する電子制御スロットル16が設けられており、吸気通路12とシリンダヘッド8との間を連通する吸気マニホールド17には、吸気マニホールド17の内圧を検出する吸気管内圧検出センサ18が取り付けられている。
【0046】
電子制御スロットル16は、スロットルバルブ16aと、スロットルバルブ16aを駆動する例えば電動モータなどのアクチュエータ16bを備えており、アクセルペダル20の操作状態やエンジン運転状態に応じてスロットルバルブ16aのスロットル開度Thを制御し、低負荷運転時には、スロットル開度Thをほぼ全開に制御して希薄空燃比にすることが可能である。また、この電子制御スロットル16には、スロットルバルブ16aのスロットル開度Thを検出するスロットル開度センサ19が取り付けられている。
【0047】
一方、排気通路21には、排気マニホールド22と、ターボ過給機14のタービン14bと、触媒コンバータ23が取り付けられており、触媒コンバータ23の上流側には、排気通路21内を通過する排気ガスの温度を検出するための排気温度センサ24が取り付けられている。また、ターボ過給機14のタービン14bを迂回するバイパス通路25にはタービン14bへの排気ガスの流量を調整するためのウエストゲートバルブ26が取り付けられている。
【0048】
上記構成を有するエンジンシステム1は、電子制御装置(ECU)30によって制御される。ECU30は、周知の中央処理装置としてCPU、制御プログラムを格納したROM、各種データを格納するRAM、各種学習データを格納するバックアップRAM、入出力回路及びそれらを相互に接続するバスライン等からなるマイクロコンピュータシステムを中心として構成されている。
【0049】
このECU30に接続されるセンサ類としては、上述のエアフローメータ13やスロットル開度センサ19の他に、クランク角度を検出すると共に各気筒ごとに吸気、圧縮、膨張、排気行程を検出するクランク角センサ31及びカム角センサ32、エンジンの冷却水の温度検出を行う冷却水温センサ34、ノッキングを検出するノックセンサ35、アクセルペダル20の踏込量を検出するアクセルセンサ36等がある。又、ECU30に接続されるアクチュエータ類としては、上述の電子制御スロットルのアクチュエータ16bや各気筒ごとに設けられた筒内噴射弁11の他、点火プラグ10に連設される点火コイルの一次電流を断続するためのイグナイタ36等がある。
【0050】
ECU30は、アクセルセンサ36からの入力と、エンジン冷却水温度Tw、エンジン回転数Neなど現在のエンジン運転状態から、運転者が要求する要求トルクである目標トルクT_targetを算出し、加減速要求を判定すると共に、予め設定されている判定基準によって成層燃焼か均一燃焼かの燃焼形態判定を行い、スロットル開度Th、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等の各種運転パラメータを決定する。
【0051】
例えば、ECU30の内部機構によって実現される燃料噴射制御手段は、アクセルセンサ36により検出したアクセルペダル20の踏込量と、クランク角センサ31により検出したエンジン回転数Neを用いてECU30のROM内に予め記憶されている定数マップを参照し補間計算することによって目標トルクT_targetを求め、この目標トルクT_targetとエアフローセンサ13によって検出した吸入空気量Qとに基づいて目標燃料噴射量Tpを求める。目標燃料噴射量Tpは、エンジン運転領域が低中負荷である成層燃焼領域にある場合には、成層燃焼形態によるエンジン運転を実行すべく希薄空燃比とし、高負荷である均一燃焼領域にある場合には、均一燃焼形態によるエンジン運転を実行すべく通常の空燃比になるように設定される。
【0052】
また、ECU30は、エンジン運転制御の一つとして、加速時のターボラグを抑制するための制御を行う。具体的には、過給を必要とする加速要求がなされた場合に、吸気行程から圧縮行程までの間と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御を行う。この分割噴射制御により膨張行程中に噴射した燃料によって、燃焼期間を膨張行程終期まで延長し、排気ポート7直下の排気ガス温度を積極的に昇温させて、ターボ過給機14のタービン回転の立ち上がりを早めて、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図っている。
【0053】
図2は、圧縮行程中に燃料を一括して噴射する成層燃焼通常噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。この場合、点火プラグ10での点火を基点とした火炎伝播によって全ての燃料が連続的に燃焼反応を起こすため、熱発生パターンは、二等辺三角形に近い一山形状となる。
【0054】
これに対して、図3は、図2の場合と同一の総燃料噴射量を圧縮行程中と膨張行程中に分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。この場合、圧縮行程中に1回目噴射を行い、膨張行程中に2回目噴射を行っているので、1回目噴射での燃料噴射量が少なくなり、全体の熱発生量のピークは低くなるが、2回目噴射により膨張行程後期において、更に熱発生のピークが発生し、燃焼終了の時期を遅らせることができる。
【0055】
図6は、熱発生の総量をほぼ同一とした場合の燃焼終了時期と排気温度との関係を示したものである。この図に示すように、熱発生の総量がほぼ同一であれば、発生トルクもほぼ同一であると考えて良く、この関係から、同一運転領域において、分割噴射制御による膨張行程中の燃料噴射が排気温度上昇に有効であることがわかる。
【0056】
図4は、図2及び図3の場合と同一の総燃料噴射量を、圧縮行程中に1回と、膨張行程中に2回の合計3回に分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。この場合、1回目噴射での熱発生量のピークは、図3の1回目噴射の場合よりも更に低くなるものの、2回目噴射及び3回目噴射によって膨張行程後期において2度の熱発生のピークが発生し、燃焼終了の時期を更に遅らせることができる。
【0057】
図5は、吸気行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する均一燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。この場合も、成層燃焼分割噴射と同様に、2回目噴射により膨張行程後期において、更に熱発生のピークを発生させることができ、燃焼終了の時期を遅らせることができる。
【0058】
次に、上記ECU30により実現されるターボラグを抑制するための制御について、図10のフローチャートに基づいて説明する。尚、図10のフローチャートは、ECUのROM内に予め記憶されているプログラムであり、所定のプログラムサイクルで繰り返し実行されている。
【0059】
上記プログラムがスタートすると、まずステップS101では、エアフローメータ13、クランク角センサ31、スロットル開度センサ19、アクセルセンサ36等、各種センサからの検出信号の読み込みが行われ、吸入空気量Q、エンジン回転数Ne、スロットル開度Th、アクセル踏込量Sが求められる。
【0060】
そして、ステップS102では、ステップS101で検出した検出信号によって求めた現在のアクセル踏込量Sとエンジン回転数Neに基づいて予めECU30のROM内に記憶されている定数マップを参照し補間計算することによって目標トルクT_targetが算出される。
【0061】
それから、ステップS103では、スロットル開度Thとエンジン回転数Neに基づいて同様にECU30のROM内に記憶されている定数マップを参照し補間計算することによって発生トルクTが算出される。
【0062】
次に、ステップS104では、エンジン運転状態が加速中であるか否かの判断が行われる。この判断は、ステップS102とステップS103で算出した目標トルクT_targetと発生トルクTとの偏差が、予め設定されている所定値よりも大きか否かによって行われる。ステップS104で加速中(YES)と判定されると、その加速中において、ターボラグを抑制するための制御を行う必要があるか否かを判断すべくステップS105に移行する。また、ステップS104で加速中ではない(NO)と判定されると、ステップS117に移行する。
【0063】
ステップS105では、吸気管内圧検出センサ18により検出した吸気管内圧Pbと予め設定されている所定の正圧値Piとの比較が行われる。ここで、吸気管内圧Pbが所定正圧値Piに満たない(YES)と判断されたときは、運転者によって加速が要求されているが、ターボ過給機14のタービン回転数が低く、ターボラグが生じやすい状態にあるといえるので、ターボラグを抑制するための制御を行う必要があると判断して、ステップS106以降に移行する。
【0064】
また、ステップS105で吸気管内圧Pbが所定正圧値Pi以上の正圧力である(NO)と判断されたときは、加速後半のタービン回転数がある程度上昇して、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえるので、加速中ではあるがターボラグを抑制する制御を行う必要はないと判断して、ステップS117に移行する。
【0065】
ステップS106〜ステップS116では、ターボラグを抑制するために、吸気行程から圧縮行程までの間と膨張行程中に燃料を分割して噴射する分割噴射制御を行い、膨張行程中に噴射した燃料によって、排気ガスを積極的に昇温させて、タービン回転の上昇を促すことが行われる。
【0066】
まず、ステップS106では、エンジン回転数Neと発生トルクTに基づいて図9に示す運転領域マップが参照され、現在のエンジン運転領域が成層燃焼領域にあるか否かの判断が行われる。図9は、本実施の形態における運転領域マップを説明する図である。運転領域マップは、図に示すように、エンジン回転数NeとトルクTに基づいて運転領域を求めるためのものであり、低中負荷側には成層燃焼領域Aが設定され、高負荷側には均一燃焼領域Bが設定されている。また、均一燃焼領域Bは、ターボ過給機による有効な過給が行われない無過給均一燃焼領域B1と、有効な過給が行われる過給均一燃焼領域B2に分けられている。そして、図中で符号Z1は、成層燃焼形態によって出力可能な上限トルク値を示す成層燃焼上限トルクラインであり、図中で符号Z2は、過給均一燃焼領域B2の上限を示す、全負荷トルクラインである。
【0067】
ステップS106において現在のエンジン運転領域が、成層燃焼領域A内にある(YES)と判断された場合には、成層燃焼運転を続行すべきか、それとも燃焼形態を均一燃焼形態に変更して均一燃焼運転を行うべきかを判断すべくステップS107以降に移行する。
【0068】
ステップS107〜ステップS110では、仮に分割噴射によって成層燃焼運転を実行するとした場合に出力される仮想トルクTaが算出され、その仮想トルクTaが成層燃焼形態上限トルクT_str以下であるか否かの判断がなされ、この判断に基づいて成層燃焼運転を続行すべきかそれとも均一燃焼運転に変更すべきかが判断される。ここでは、加速要求を受けた場合に、エンジン出力とは無関係に燃焼形態をすぐに成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行させるのではなく、成層燃焼形態によって出力可能な成層燃焼上限トルクT_strまでエンジン出力を上昇させてから均一燃焼形態に移行させるための処理が行われる。
【0069】
成層燃焼運転領域Aでは、希薄空燃比に調整するためにスロットルバルブ16aのスロットル開度はほぼ全開状態に制御されており、大量の吸入空気がエンジンに流入し、排気ガスとして排出されている。従って、加速初期は成層燃焼運転を継続し、スロットルバルブ16aのスロットル開度を維持することによって、エンジン本体2に流入される吸入空気量を維持し、タービンを駆動する排気ガスの質量流量の低下を抑制することができる。これにより、タービン回転数をより早く上昇させることができ、ターボラグを抑制することができる。
【0070】
まず、ステップS107では、加速判定直後のトルクアップ分をトルクインクリメント量T_deltaとして算出する処理が行われる。トルクインクリメント量T_deltaは、加速時に不快なトルクショックを伴うことなくエンジン出力を増大させることができるトルク増加量であり、予め実験やシミュレーション等によって求められ、エンジン回転数Neと発生トルクTに基づくデータマップに読み出し可能に記憶されている。
【0071】
次に、ステップS108で、ステップS107で算出されたトルクインクリメント量T_deltaに現在の発生トルクTを加算することによって仮想トルクTaが求められる。それから、ステップS109で、運転領域マップ(図9)を参照することにより、成層燃焼上限トルクT_strの読み込みが行われる。
【0072】
そして、ステップS110では、ステップS108で算出された仮想トルクTaと、ステップS109で読み込まれた成層燃焼上限トルクT_strとの比較が行われ、仮想トルクTaが成層燃焼上限トルクT_strよりも小さいか否かの判断が行われる。ここで、仮想トルクTaの方が成層燃焼上限トルクT_strよりも小さい(YES)と判断された場合には、成層燃焼運転を実行すべく、ステップS111に移行する。また、仮想トルクTaが成層燃焼上限トルクT_str以上である(NO)と判断された場合には、分割噴射による成層燃焼運転は不可能であるので、燃焼形態を切り換えて、均一燃焼運転を行うべく、ステップS114以降に移行する。
【0073】
ステップS111では、成層燃焼分割噴射制御が行われる。ここでは、スロットルバルブ16aはほぼ全開状態に維持されており、エンジン出力は、吸入空気量よりも燃料噴射量に依存する。従って、ステップS108で算出された仮想トルクに基づいて、噴射パルス幅などの各種運転パラメータが設定テーブルを参照する等により決定され、その各種運転パラメータに基づいて、圧縮行程中に1回目の燃料が噴射され、膨張行程中に2回目或いはそれ以上の回数の燃料が噴射されるように筒内噴射弁11が制御される。
【0074】
膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数は、エンジン回転数が低いほど、増加するように設定されている。一般に、燃焼終了のタイミングは、図13に示すように、エンジン回転数が高くなる程、膨張行程終了側に遅れる傾向にある。従って、エンジン回転数が低いほど燃焼余裕期間が長いので、その分だけ、噴射回数を増やす設定にすることによって、燃焼期間を膨張行程終期まで延長することができる。従って、排気ポート直下の排気ガス温度をより早期に昇温させることができ、タービン回転の立ち上がりをより早めることができる。
【0075】
また、膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数は、エンジンの発生トルクが低いほど、増加されるように設定されている。一般に、エンジン回転数が同一の場合でも、図14に示すように、発生トルクが高いほど、換言すれば燃料噴射量が多いほど熱発生量が増大し合わせて燃焼期間も増長する。このため、燃焼終了のタイミングは、膨張行程の終了側に遅れる傾向にある。従って、発生トルクが低いほど燃焼余裕期間が長いので、その分だけ、噴射回数を増やす設定にすることによって、燃焼期間を膨張行程終期まで延長することができる。これにより、排気ポート直下の排気ガス温度をより早期に昇温させることができ、タービン回転の立ち上がりを早めることができる。
【0076】
更に、膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期は、前回噴射の燃料の燃焼が終了する前に噴射される時期に設定されている。従って、前回噴射した燃料が燃焼する火炎伝播を着火源として、確実に着火させ燃焼させることができる。例えば、2回目噴射は、1回目噴射の燃料の燃焼が終了する前に噴射される。また、膨張行程中に2回目と3回目の燃料噴射を行う場合には、3回目噴射は、2回目噴射の燃料の燃焼が終了する前に噴射される。
【0077】
また、2回目以降に噴射される燃料の噴射時期は、進角及び遅角される点火時期に対して同位相を保つように制御される。一般に、点火時期を進角或いは遅角させた場合に、燃料の燃焼期間はほぼ一定で点火時期に応じて前後に位相ズレを生ずる。例えば、ノック学習制御などにより、図12に示すように、点火時期が進角側に変化した場合には、燃焼終了時期も同位相分だけ、進み側に位相ズレを起こす。従って、2回目の噴射時期を、点火時期に対して同位相を保つように制御することにより、2回目に噴射した燃料を、1回目噴射燃料の火炎伝播によって確実に着火燃焼させることができ、より安定した排気温度の昇温効果を得ることができる。
【0078】
また、2回目以降に噴射される燃料の噴射時期は、排気バルブの開動作開始までに燃焼を終了するように設定されている。これにより、燃焼途中で排気バルブ7aが開き始めて、未燃焼の燃料が排気通路21に排出されて排気温度上昇に寄与せずに燃料が無駄になってしまうことや排気ガスの悪化を防止して、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【0079】
それから、膨張行程中に噴射される燃料の燃料噴射量は、増量補正される。排気温度の上昇には、その温度を上昇させる分だけの熱量を必要とするが、この熱量は、排出ガスに残存する熱量であり、エンジン出力には寄与しない。そのため、通常噴射制御時における燃料噴射量と、分割噴射制御時における総燃料噴射量を、同一の量とした場合、排気温度が高い状態ほどエンジン出力は低下する傾向にある。従って、分割噴射制御による膨張行程中の燃料噴射によって排気温度の上昇を図る場合、排気温度を上昇させるのに必要な燃料分を増量させることにより、エンジン出力の低下を抑制でき、運転フィーリングを悪化させることなく、ターボラグの発生を抑制することができる。
【0080】
一方、ステップS106で、現在のエンジンの運転領域が均一燃焼領域B内にある(NO)と判断された場合には、分割噴射制御によって均一燃焼運転を実行するために、ステップS112以降に移行する。
【0081】
まず、ステップS112では、スロットル開度センサ19からの検出信号に基づいてスロットルバルブ16aの現在のスロットル開度Thが検出される。そして、ステップS113では、その検出したスロットル開度Thが、予め設定されているほぼ全開状態に近い基準スロットル開度WOT以上であるか、または基準スロットル開度WOTに満たないかが判断される。
【0082】
ここで、現在のスロットル開度Thが基準スロットル開度WOTに満たない(YES)と判断された場合には、ステップS114以降に移行する。また、ステップS113で現在のスロットル開度Thが基準スロットル開度WOT以上である(NO)と判断された場合には、大量の吸入空気がエンジン内に流入しており、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえるので、ターボラグを抑制する制御を行う必要はないと判断して、ステップS117に移行する。
【0083】
ステップS114では、均一燃焼分割噴射制御が行われる。ここでは、そのときの吸入空気量に応じて空燃比が略ストイキオ相当になるように総燃料噴射量が決定され、その総燃料噴射量に基づいて、吸気行程中に1回目の燃料が噴射され、膨張行程中に2回目或いはそれ以上の回数の燃料が噴射されるように筒内噴射弁11が制御される。尚、2回目以降に噴射される燃料の噴射時期、噴射量、噴射回数は、ステップS111の場合と同様の制御が行われる。
【0084】
それから、ステップS115ではスロットルバルブ16aを開側に駆動させる制御が行われ、閉側への駆動が禁止される。これにより、スロットルバルブ16aは、全開状態に制御される。そして、ステップS116では、点火時期をリタード制御するための点火時期リタード量が現在の発生トルクに基づいて決定される。
【0085】
例えば、ステップS110で仮想トルクTaが成層燃焼上限トルクT_str以上であると判断されて、燃焼形態を均一燃焼形態に切り換えるべくステップS114に移行してきた場合には、リーン燃焼を行う成層燃焼からステップ的にストイキオでの均一燃焼に移行するので、急激なトルク上昇による走行フィーリングの悪化が懸念される。
【0086】
従来より、成層燃焼形態から均一燃焼形態に燃焼形態を切り換える場合には、スロットルバルブ16aを閉じて吸入空気量Qを減少させてトルク段差を抑制する方法が採られているが、この従来の方法では、排気ガスの質量流量が低下し、タービン回転の早期の立ち上げが困難となり、ターボラグの改善を望むことはできない。
【0087】
そこで、本実施の形態では、スロットルバルブ16aを閉じることは行わず、点火時期をリタード制御することによって急激なトルク上昇を抑制している。これにより、吸入空気量が多い状態で燃焼形態が移行されるので、燃焼形態移行時にも、より多くの排気ガスの質量流量を確保することができ、タービン回転の立ち上げをより早期に行うことができる。従って、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図ることができる。
【0088】
また、ステップS117では、ターボラグを抑制するための制御を行う必要がないとして、現在のエンジン運転領域に応じた燃焼形態によってエンジン運転を行うための通常噴射制御が行われる。現在のエンジン運転領域は、図9の運転領域マップを参照することによって判断され、例えば、成層燃焼運転領域Aであるときは、成層燃焼通常噴射制御が行われ、均一燃焼運転領域Bであるときは、均一燃焼通常噴射制御が行われる。
【0089】
図7は、均一燃焼形態によるエンジン運転時にターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。均一燃焼形態によるエンジン運転時に、運転者からの加速要求を受けると、まず最初に、均一燃焼分割噴射制御が開始される(ステップS114)。そして、スロットルバルブ16aのスロットル開度を全開状態にする制御が開始される(ステップS115)。
【0090】
スロットルバルブ16aは、アクチュエータ16bによって駆動されているので、実際に指示されたスロットル開度Thに対してある程度の遅れ時間を有して配置される。従って、運転者からの加速要求があった時点で、スロットルバルブ16aのスロットル制御に先駆けて分割噴射を開始することによって、排気ガスの昇温をより早期に開始することができる。従って、図中に破線で示される従来の場合よりも、ターボ過給機14のタービン回転の立ち上がりが早められており、ターボラグが大幅に改善され、加速時間が短縮されている。
【0091】
また、図7に示される例の場合、スロットルバルブ16aの実際のスロットル開度が全開状態にされた場合に、タービン14bを駆動するのに十分な排気ガスの質量流量が得られており、これ以上続けてターボラグを抑制するための制御を行う必要がないとして、分割噴射制御が通常噴射制御に戻されている。
【0092】
図8は、成層燃焼形態によるエンジン運転時にターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。
【0093】
従来は、図中に破線で示すように、成層燃焼形態によるエンジン運転時に、運転者からの加速要求を受けると、燃焼形態を成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行する制御がすぐに開始され、燃焼形態移行時における吸入空気量の増大に起因したトルクショックを防止するために、スロットルバルブを閉じる方向に制御するスロットルバルブ制御指示値が出力される。従って、スロットルバルブ16aもそれに追従するように閉じる方向に移動し、吸気管内圧力も一時的に落ち込んでいる。このため、タービン回転の立ち上がりが遅れて、ターボラグが生じている。
【0094】
しかし、本発明の場合、成層燃焼形態によるエンジン運転時に、運転者からの加速要求を受けると、燃焼形態は成層燃焼形態のままで、分割噴射制御が行われ(ステップS111)、エンジンの発生トルクが成層燃焼上限トルクT_strに到達するまで、成層燃焼分割噴射制御が継続される。
【0095】
そして、発生トルクが成層燃焼上限トルクT_strを越えると(ステップS110)、燃焼形態が成層燃焼形態から均一燃焼形態に変更され、均一燃焼分割噴射制御が行われる(ステップS114)。それから、燃焼形態の変更に伴ってスロットルバルブ16aを全開状態に制御するスロットル制御が開始され(ステップS115)、同時に点火時期のリタード制御が行われる(ステップS116)。そして、スロットルバルブ16aが実際に全開状態にされた時点で、均一燃焼通常噴射制御が行われる(ステップS117)。
【0096】
このように加速要求を受けた場合に、燃焼形態をすぐに成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行させるのではなく、成層燃焼形態によって出力可能な成層燃焼上限トルクT_strまでトルクを上昇させてから均一燃焼形態に移行させることによって、加速初期にスロットルバルブ16aをほぼ全開状態に近いスロットル開度に保持し、大量の吸入空気をエンジンに導入し、排気ガスの質量流量が低下するのを防止している。また、均一燃焼形態に移行した後も分割噴射制御を引き続き行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果が得られる。従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを大幅に改善し、加速時間を短縮することができる。
【0097】
それから、図7の場合と同様に、スロットルバルブ16aの実際のスロットル開度が全開状態にされた場合に、タービンを駆動するのに十分な排気ガスの質量流量が得られており、これ以上続けてターボラグを抑制するための制御を行う必要がないとして、分割噴射制御を通常噴射制御に戻している。
【0098】
また、分割噴射制御を終了するタイミングとして、スロットルバルブ16aの実際のスロットル開度が全開状態にされたときではなく、吸気管内圧Pbが所定正圧値となったときとしても良い。一般に、ターボラグはタービン回転速度が極めて低い吸気管内圧Pbが負圧の状態から、過給を要する運転領域への過渡運転時において生じやすいので、加速後半のタービン回転速度がある程度上昇して、吸気管内圧Pbが正圧となる運転状態においては、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえる。従って、吸気管内圧Pbが所定正圧値となった時点で分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことによって、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができ、ターボラグを改善することができる。
【0099】
そして、分割噴射制御を終了するタイミングを、スロットルバルブ16aが実際に全開状態にされるまでではなく、図11のタイムチャートに示すように、加速終了と判定されるまでとし、更に膨張行程中に噴射する燃料の燃料噴射量を加速開始から加速完了するまでの間、発生トルクの上昇に応じて漸次減少させてもよい。一般に、発生トルクの増大によって燃料の燃焼期間は増長する特性にあり、そのため、燃焼終了時期は膨張行程後期側に遅れる傾向がある。従って、膨張行程中に噴射する燃料の燃料噴射量を、加速開始から加速完了までの期間で発生トルクの上昇に応じて漸次減少させることにより、燃料の燃え残りを防止することができ、また、燃料消費を抑えることができる。従って、効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【0100】
尚、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では、燃焼形態が、均一燃焼形態の場合、及び成層燃焼形態から均一燃焼形態に燃焼形態を移行する場合について説明したが、成層燃焼形態の場合でも同様である。
【0101】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によるターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置によれば、加速時にターボ過給機のタービン回転の立ち上がりを早めてターボラグを抑制するために、吸気行程中または圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御が行われ、膨張行程中に噴射された燃料の燃焼により燃焼室内の燃焼期間を膨張行程期間の終期まで延長して燃焼室から排出される排気ガスの昇温が図られる。
【0102】
そして、その分割噴射制御では、加速初期のエンジン運転状態が未だ成層燃焼領域にある間は、成層燃焼分割噴射制御が行われ、エンジン出力の上昇に伴ってエンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行してから、均一燃焼分割噴射制御が行われる。
【0103】
成層燃焼形態によるエンジン運転では、スロットルバルブはほぼ全開に近い位置に保持され、均一燃焼形態によるエンジン運転の場合よりもより多くの排気ガスの排出量を排出していることから、加速開始の判定後も、エンジン運転領域が成層燃焼領域にある間は、成層燃焼形態によるエンジン運転を続行することにより、加速開始時における排気ガスの排出量の低下を防ぎ、大量の排気ガスの質量流量を継続して確保することができる。
【0104】
また、均一燃焼形態に移行した後は、膨張行程中に燃料噴射を行う分割噴射制御を行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果を得ることができる。従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを改善することができる。
【0105】
請求項2の発明によれば、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行する際、スロットルバルブの閉弁側への動作が禁止されるので、スロットルバルブのスロットル開度が、成層燃焼分割噴射制御時におけるスロットル開度以上に維持された状態で燃焼形態が成層燃焼形態から均一燃焼形態に移行される。従って、吸入空気量が多い状態で燃焼形態の移行が行われ、排気ガスの排出量の低下を防ぎ、大量の排気ガスの質量流量を継続して確保することができる。また、均一燃焼形態に移行した後は、膨張行程中に燃料噴射を行う分割噴射制御を行うことにより、膨張行程中に噴射した燃料の燃焼による排気ガスの昇温効果を得ることができる。従って、ターボ過給機のタービン回転の立ち上げをより早めることができ、膨張行程中の燃料噴射による排気ガスの昇温効果と相俟って、ターボラグを抑制し加速時間の短縮を図ることができる。
【0106】
請求項3の発明によれば、均一燃焼分割噴射制御が開始されると、スロットルバルブが全開状態に制御されて、エンジンに供給される吸入空気量が更に増大される。従って、ターボラグを抑制し、加速時間の短縮を図ることができる。
【0107】
請求項4の発明によれば、加速開始の判定がされると、スロットルバルブのスロットル制御に先駆けて、分割噴射制御が行われるので、実際のスロットル開度が目標スロットル開度に到達するよりも前に分割噴射制御を開始し、膨張行程中に燃料を噴射することによって、排気ガスの昇温をより早期に開始し、タービン回転の上昇を促して、タービン回転の立ち上がりを早めることができる。従って、ターボラグを抑制し、加速時間を短縮することができる。
【0108】
請求項5の発明によれば、スロットルバルブの実際のスロットル開度が全開状態に調整されることによって分割噴射制御から通常噴射制御に戻される。分割噴射制御は、膨張行程中の燃料噴射により排気ガスの昇温を図り、タービン回転の上昇を促してターボラグの発生を抑制することを目的として行われるが、スロットルバルブのスロットル開度が全開状態に調整されると、タービンを駆動するのに十分な排気ガスの質量流量が得られるので、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことができる。
【0109】
請求項6の発明によれば、加速開始の判定により分割噴射制御が開始され、吸気管内圧が所定正圧値まで上昇した時点で通常噴射制御に戻される。ターボラグは、タービン回転速度が極めて低い、吸入管内圧が負圧の状態から、過給を要する運転領域への過渡期に生じやすい。従って、加速後半のタービン回転速度がある程度上昇して、吸気管内圧が正圧となるエンジン運転状態においては、排気ガスの質量流量も十分に得られる状態にあるといえる。従って、分割噴射制御を通常噴射制御に戻すことができる。
【0110】
請求項7の発明によれば、分割噴射制御の膨張行程中に行われる燃料噴射の燃料噴射量は、エンジン出力の上昇に応じて減少される。エンジン出力が上昇すると、燃焼室内における燃料の燃焼期間は増長する特性を有し、燃料の燃焼終了時期は、膨張行程後期側に遅れる傾向があるので、加速によるエンジン出力の上昇に伴い、吸気行程中または圧縮行程中に噴射された燃料の燃焼終了から膨張行程終了までの期間は短縮される。従って、膨張行程中に噴射する燃料の燃料噴射量をエンジン出力の上昇に応じて減少させることによって、燃料の燃え残りを抑制し、燃料消費量を抑えることができる。従って、効率的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【0111】
請求項8の発明によれば、分割噴射の膨張行程中に行われる燃料噴射の燃料噴射量は、吸気管内圧検出センサにより検出した吸気管内圧と加速要求に基づいて設定された目標過給圧との偏差に応じて決定される。目標過給圧と吸入管内圧との偏差が大きい状態ほど、吸入管内圧が目標過給圧に上昇するまでの時間が長く、加速応答遅れが大きい。従って、目標過給圧と現在の吸入管内圧との偏差に応じて膨張行程中の燃料噴射量を設定することによって、より効果的に排気ガスを昇温させ、ターボラグを抑制することができる。
【0112】
請求項9の発明によれば、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期が点火タイミングに応じて変更される。エンジンのノッキング状態に応じて点火タイミングが進角又は遅角方向に変更されると、燃料の燃焼期間は一定のままで点火タイミングに応じて前後方向に位相ズレを生ずるので、膨張行程中の燃料の燃料噴射時期を、常に点火タイミングに対して同位相を保つように制御することによって、分割噴射によるエンジン運転を安定して行わせることができ、また、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【0113】
請求項10の発明によれば、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の燃料噴射時期及び燃料噴射量は、燃焼室の排気弁が開き始めるまでに燃焼を終了する燃料噴射時期及び燃料噴射量に設定されるので、燃料が未燃状態で排気管側に排出されて燃料が無駄になることや排気ガスの悪化を防止して、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【0114】
請求項11の発明によれば、分割噴射制御により吸気行程から膨張行程までの間に噴射される燃料噴射量の総量は、有効なエンジン出力の発生に必要な基本燃料噴射量に、排気温度の上昇に必要な燃料噴射量分を加算した量とされる。排気温度の上昇には、温度を上昇させる分だけの熱量が必要とされるが、この熱量は、排気ガスに残存する熱量であり、エンジン出力に換算される熱発生量には計上されないため、同一の総燃料噴射量の場合においては、排気温度が高い状態ほど機関出力は低下する傾向にある。従って、膨張行程中の燃料噴射によって排気温度の上昇を図る場合、排気温度を上昇させるのに必要な分の燃料を増量させることによって、エンジン出力の低下を防止でき、走行フィーリングの悪化を招くことなく、ターボラグを抑制することができる。
【0115】
請求項12の発明によれば、分割噴射制御により膨張行程中に噴射する燃料の噴射回数をエンジン回転数が低いほど、増加させる設定としている。燃焼終了のタイミングはエンジン回転数が高くなるほど膨張行程終了側に遅れる傾向にあるので、エンジン回転数が低いほど、膨張行程中での燃焼余裕期間が長い。従って、エンジン回転数が低いほど噴射回数を増やすことで、燃焼期間を膨張行程の終期まで延長させることができ、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【0116】
請求項13の発明によれば、分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射回数をエンジンの発生トルクが低くなるに応じて増加させる設定としている。エンジン回転数が同一の場合でも発生トルクが高くなるほど、すなわち燃料供給量が増大するほど、熱発生量が増大し、合わせて燃焼期間が増長するので、燃焼終了のタイミングは膨張行程終了側に遅れる傾向にあり、発生トルクが低いほど、燃焼余裕期間が長い。従って、発生トルクが低いほど、噴射回数を増やす設定とすることで、燃焼期間を膨張行程の終期まで延長させることができ、より効果的に排気ガスの昇温を図ることができる。
【0117】
請求項14の発明によれば、膨張行程中に噴射された燃料は、燃焼室内で生じている燃焼の火炎伝播を着火源とするので、その燃焼が終了するまでに噴射を開始することによって、確実に着火され、未燃状態で排気管側に排出されるのを防止することができる。従って、燃料の無駄や排気ガスの悪化を防ぎ、より効果的に排気ガスの昇温を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態にかかるターボ過給機付筒内噴射エンジンシステムを概略的に示す説明図である。
【図2】圧縮行程中に燃料を一括して噴射する成層燃焼通常噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。
【図3】図2の場合と同一の総燃料噴射量を圧縮行程中と膨張行程中に分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。
【図4】図2及び図3の場合と同一の総燃料噴射量を、圧縮行程中に1回と、膨張行程中に2回の合計3回に分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。
【図5】吸気行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する均一燃焼分割噴射制御時における熱発生の形態を示したものである。
【図6】熱発生の総量をほぼ同一とした場合の燃焼終了時期と排気温度との関係を示したものである。
【図7】ターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。
【図8】ターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。
【図9】本実施の形態における運転領域マップを説明する図である。
【図10】ターボラグを抑制するための制御を説明するためのフローチャートである。
【図11】ターボラグを抑制するための制御が行われた場合のエンジン運転状態を説明するタイムチャートである。
【図12】点火タイミングと2回目噴射の噴射時期との関係を説明するタイムチャートである。
【図13】エンジン回転数と燃焼期間の関係を説明する図である。
【図14】エンジンの発生トルクと燃焼期間の関係を説明する図である。
【符号の説明】
1 エンジンシステム
2 エンジン本体
11 筒内噴射弁
13 エアフローメータ
14 ターボ過給機
14a コンプレッサ
14b タービン
16 電子制御スロットル
16a スロットルバルブ
16b アクチュエータ
18 吸気管内圧検出センサ
19 スロットル開度センサ
31 クランク角センサ
32 カム角センサ
34 水温センサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for an in-cylinder injection engine with a turbocharger, and in particular, divided injection control for dividing and injecting fuel during an intake stroke or during a compression stroke and during an expansion stroke when acceleration is detected. The present invention relates to a control device for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine.
[0002]
[Prior art]
In the case of an engine equipped with a turbocharger, a so-called turbo lag is caused by a delay in the rise of turbine rotation at the start of acceleration. Various methods have been proposed as a method for suppressing the turbo lag. As one of the methods, the energy for driving the turbocharger turbine is increased by increasing the temperature of the exhaust gas, thereby increasing the supercharging. There are things that get an effect early.
[0003]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-54894 discloses split injection control for splitting and injecting fuel into a plurality of times in the range from the intake stroke to the ignition timing in the first half of acceleration in an in-cylinder injection engine with a supercharger. Further, a technique for setting the fuel injection timing on the late stage after the middle stage of the compression stroke is disclosed. According to this publication, by providing a rich region in which atomization is insufficient around the spark plug by late-stage fuel injection, afterburning is promoted and the exhaust temperature is increased.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, afterburning is a phenomenon in which droplet fuel with insufficient atomization is atomized after most of the combustion is completed, leading to an oxidation reaction. However, in a situation where the ambient temperature after warm-up is sufficiently high, afterburning hardly occurs and a sufficient temperature rise of the exhaust gas cannot be expected.
[0005]
In addition, in-cylinder injection engines use in-cylinder injection valves that have the ability to spray fuel in a sufficiently atomized state in order to improve the combustion state in the so-called stratified combustion mode. It is difficult to provide a rich region with insufficient atomization around the spark plug using the injection valve, and afterburning cannot be expected.
[0006]
Furthermore, in the so-called uniform combustion mode, if the injection timing in the latter half by split injection control is set during the compression stroke before ignition to generate a rich region sufficient to cause afterburning, air is used in the rich region. As a result, the heat generation rate of the main combustion by the spark plug decreases, and there is a risk that the fuel efficiency and output increase will be worsened.
[0007]
Further, according to the above publication, when the combustion mode is changed from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode according to the acceleration request, the valve closing operation for moving the throttle valve to the valve closing side according to the change of the air-fuel ratio is performed. However, this valve closing operation may reduce the amount of intake air, leading to a decrease in exhaust gas discharge, and delays the rise of turbine rotation.
[0008]
Further, according to the above publication, an acceleration request for shifting the engine operation region from a stratified combustion region where fuel is injected during the compression stroke to perform engine operation to a uniform combustion region where fuel is injected during the intake stroke and engine operation is performed. Is detected, immediately after the acceleration request is detected, combustion mode transition control is performed to shift the combustion mode of the engine from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode. However, the throttle valve closing operation is performed in accordance with this combustion mode transition control, and the generated torque is kept constant until the transition from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode is completed. This may cause the driving feeling to deteriorate.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to provide a control device for an in-cylinder injection engine with a turbocharger that suppresses turbo lag by raising the temperature of exhaust gas in the first half of acceleration. There is.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A control device for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to claim 1 that solves the above-described problem is provided with a turbocharger, an in-cylinder injection valve that directly injects fuel into a combustion chamber of the engine, and a throttle An electronically controlled throttle having a valve and an actuator for driving the throttle valve, throttle control means for adjusting the throttle opening of the throttle valve by controlling the actuator, and acceleration request detecting means for detecting an acceleration request from the driver And an acceleration start determination means for determining the start of acceleration of the engine based on the acceleration request detected by the acceleration request detection means and the engine operating state, and when the acceleration start determination means Normal injection control, in which fuel is injected all at once during the compression stroke, is applied during the intake stroke or during the compression stroke and during the expansion stroke. And a fuel injection control means for changing to split injection control for splitting and injecting fuel, and determining whether the fuel injection control means has started acceleration by the acceleration start determination means. After that, when the engine operating region is in the stratified combustion region, stratified combustion divided injection control for dividing and injecting fuel during the compression stroke and the expansion stroke is performed, and the engine operating region is changed from the stratified combustion region to the uniform combustion region. When the transition is made, uniform combustion divided injection control is performed in which fuel is divided and injected during the intake stroke and the expansion stroke.
[0011]
According to this invention, in order to accelerate the rise of the turbine rotation of the turbocharger during acceleration and suppress the turbo lag, the split injection control in which fuel is split and injected during the intake stroke or during the compression stroke and during the expansion stroke The combustion period in the combustion chamber is extended to the end of the expansion stroke period by combustion of the fuel injected during the expansion stroke, and the temperature of the exhaust gas discharged from the combustion chamber is raised.
[0012]
In the split injection control, the stratified combustion split injection control is performed while the engine operation state at the initial stage of acceleration is still in the stratified combustion region, and the engine operating region is uniformly combusted from the stratified combustion region as the engine output increases. After shifting to the region, uniform combustion split injection control is performed.
[0013]
In the engine operation with the stratified combustion mode, the throttle valve is held almost at the fully open position, and more exhaust gas is discharged than in the case of the engine operation with the uniform combustion mode. After that, while the engine operation region is in the stratified combustion region, the engine operation in the stratified combustion mode is continued to prevent a decrease in exhaust gas emission at the start of acceleration and continue the mass flow rate of a large amount of exhaust gas Can be secured. In addition, after the transition to the uniform combustion mode, by performing split injection control in which fuel is injected during the expansion stroke, it is possible to obtain an effect of increasing the temperature of the exhaust gas due to the combustion of the fuel injected during the expansion stroke.
[0014]
Therefore, it is possible to accelerate the start-up of the turbine rotation of the turbocharger, and in combination with the temperature rise effect of the exhaust gas by the fuel injection during the expansion stroke, it is possible to suppress the turbo lag and shorten the acceleration time. it can.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, in the in-cylinder injection engine with a turbocharger according to the first aspect, when the engine operating region shifts from the stratified combustion region to the uniform combustion region, the throttle valve closing side The throttle control means performs the throttle control for prohibiting the operation of the motor.
[0016]
According to the present invention, when the engine operating region shifts from the stratified combustion region to the uniform combustion region, the operation of the throttle valve to the valve closing side is prohibited. In this state, the combustion mode is shifted from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode while being maintained at the throttle opening or higher. Therefore, the transition of the combustion mode is performed in a state where the amount of intake air is large, and it is possible to prevent a decrease in the exhaust gas discharge amount and continuously ensure a mass flow rate of a large amount of exhaust gas.
[0017]
In addition, after the transition to the uniform combustion mode, by performing split injection control in which fuel is injected during the expansion stroke, it is possible to obtain an effect of increasing the temperature of the exhaust gas due to the combustion of the fuel injected during the expansion stroke. Therefore, it is possible to speed up the start-up of the turbine rotation of the turbocharger, and in combination with the temperature rise effect of the exhaust gas by the fuel injection during the expansion stroke, it is possible to suppress the turbo lag and shorten the acceleration time. it can.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, in the control apparatus for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to the first or second aspect, the throttle control means is configured to perform uniform combustion split injection control from stratified combustion split injection control by the fuel injection control means. After the change to is made, the throttle control for fully opening the throttle valve is started. According to the present invention, when the uniform combustion divided injection control is started, the throttle valve is controlled to be fully opened, and the amount of intake air supplied to the engine is further increased. For this reason, turbo lag can be suppressed and acceleration time can be shortened.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, in the in-cylinder turbocharger-equipped in-cylinder injection engine control apparatus according to any one of the first to third aspects, the fuel injection control means receives the acceleration start determination by the acceleration start determination means. In this case, the divided injection control is performed prior to the throttle control of the throttle valve by the throttle valve control means. According to the present invention, when it is determined that the acceleration is started, the divided injection control is performed prior to the throttle control of the throttle valve. Since the throttle valve of an electronically controlled throttle is driven by an actuator such as an electric motor, for example, a certain amount of time is required until the actual throttle opening reaches the target throttle opening after receiving a control command. Response delay of operation occurs.
[0020]
Therefore, by starting the split injection control before the actual throttle opening reaches the target throttle opening, the temperature of the exhaust gas can be raised earlier and the start-up of the turbine rotation can be accelerated. it can. Therefore, turbo lag can be suppressed and acceleration time can be shortened.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, in the in-cylinder turbocharger-equipped in-cylinder injection engine control apparatus according to any one of the first to fourth aspects, the fuel injection control means is configured to cause the throttle valve control means to actually open the throttle valve. When the degree is adjusted to the fully open state, the split injection control is returned to the normal injection control in which fuel is injected in a batch during the intake stroke or the compression stroke.
[0022]
According to the present invention, the actual throttle opening of the throttle valve is adjusted to the fully open state, whereby the divided injection control is returned to the normal injection control. Split injection control is performed for the purpose of increasing the temperature of exhaust gas by fuel injection during the expansion stroke and promoting the increase in turbine rotation to suppress the occurrence of turbo lag. When the adjustment is made, the mass flow rate of the exhaust gas sufficient to drive the turbine is obtained, so that the divided injection control can be returned to the normal injection control.
[0023]
In a sixth aspect of the present invention, the control device for a cylinder injection engine with a turbocharger according to any one of the first to fifth aspects has an intake pipe internal pressure detection sensor for detecting an intake pipe internal pressure of the engine, and a fuel The injection control means returns the divided injection control to the normal injection control when the intake pipe internal pressure rises to a predetermined positive pressure value set in advance.
[0024]
According to the present invention, the divided injection control is started by the determination of the start of acceleration, and the normal injection control is returned when the intake pipe internal pressure rises to the predetermined positive pressure value. The turbo lag is likely to occur in a transition period from a state where the turbine rotational speed is extremely low and the suction pipe internal pressure is negative to an operation region where supercharging is required. Therefore, it can be said that the exhaust gas mass flow rate can be sufficiently obtained in the engine operation state in which the turbine rotation speed in the latter half of acceleration increases to some extent and the intake pipe internal pressure becomes positive. Therefore, the divided injection control can be returned to the normal injection control.
[0025]
A seventh aspect of the present invention is the control device for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of the first to sixth aspects, wherein the fuel injection control means injects fuel during the expansion stroke by split injection control. The injection amount is decreased in accordance with an increase in engine output.
[0026]
According to the present invention, the fuel injection amount of the fuel injection performed during the expansion stroke of the split injection control is reduced according to the increase of the engine output. When the engine output increases, the combustion period of the fuel in the combustion chamber has a characteristic that increases, and therefore, the combustion end timing of the fuel tends to be delayed toward the late stage of the expansion stroke. Therefore, as the engine output increases due to acceleration, the period from the end of combustion of fuel injected during the intake stroke or the compression stroke to the end of the expansion stroke is shortened. For this reason, by reducing the fuel injection amount of the fuel injected during the expansion stroke in accordance with the increase in engine output, it is possible to suppress unburned fuel and to suppress the fuel consumption. Therefore, the exhaust gas can be efficiently heated.
[0027]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an in-cylinder turbocharger-equipped in-cylinder injection engine control apparatus according to any one of the first to seventh aspects, wherein an intake pipe internal pressure detection sensor for detecting an intake pipe internal pressure of the engine, and an acceleration request detection Target boost pressure setting means for setting a target boost pressure based on the acceleration request detected by the means, and the fuel injection control means sets the target fuel injection amount to be injected during the expansion stroke by the split injection control. It is determined according to the deviation between the supercharging pressure and the intake pipe internal pressure detected by the intake pipe internal pressure detection sensor.
[0028]
According to the present invention, the fuel injection amount of the fuel injection performed during the expansion stroke of the split injection is a deviation between the intake pipe internal pressure detected by the intake pipe internal pressure detection sensor and the target supercharging pressure set based on the acceleration request. Will be decided accordingly. The greater the deviation between the target boost pressure and the suction pipe internal pressure, the longer the time it takes for the suction pipe internal pressure to rise to the target boost pressure and the greater the acceleration response delay. Therefore, by setting the fuel injection amount during the expansion stroke according to the deviation between the target supercharging pressure and the current suction pipe internal pressure, the exhaust gas temperature can be raised more effectively and the turbo lag can be suppressed.
[0029]
A ninth aspect of the present invention is the control device for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of the first to eighth aspects, wherein the fuel injection control means injects fuel during the expansion stroke by split injection control. The injection timing is changed according to the ignition timing.
[0030]
According to this invention, the injection timing of the fuel injected during the expansion stroke is changed according to the ignition timing by the split injection control. When the ignition timing is changed in the advance or retard direction according to the knocking state of the engine, the fuel combustion period remains constant, and a phase shift occurs in the front-rear direction according to the ignition timing. For example, when the ignition timing is changed in the advance direction by a knock learning function or the like, the combustion end timing is also shifted in the advance side by the same phase. Therefore, by controlling the fuel injection timing of the fuel during the expansion stroke so as to always maintain the same phase with respect to the ignition timing, the engine operation by split injection can be stably performed, and more effective. In addition, the temperature of the exhaust gas can be increased.
[0031]
A tenth aspect of the present invention is the control apparatus for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of the first to ninth aspects, wherein the fuel injection control means performs fuel injection performed during an expansion stroke by split injection control. The fuel injection amount and the fuel injection timing are set to a fuel injection timing and a fuel injection amount at which combustion ends before an exhaust valve provided between the combustion chamber and the exhaust passage starts to open.
[0032]
According to the present invention, the fuel injection timing and the fuel injection amount of the fuel injected during the expansion stroke by the split injection control are set to the fuel injection timing and the fuel injection amount at which the combustion is finished before the exhaust valve of the combustion chamber starts to open. Therefore, the fuel is discharged to the exhaust pipe side in an unburned state and the fuel is wasted and the exhaust gas is prevented from deteriorating, and the temperature of the exhaust gas can be raised more effectively.
[0033]
An eleventh aspect of the present invention is the control apparatus for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of the first to tenth aspects, wherein the fuel injection control means performs a period from the intake stroke to the expansion stroke by split injection control. The total fuel injection amount injected into the engine is the basic fuel injection amount required for generating effective engine output plus the fuel injection amount required for increasing the exhaust temperature. .
[0034]
According to the present invention, the total fuel injection amount injected from the intake stroke to the expansion stroke by the split injection control is set to the basic fuel injection amount required for generating an effective engine output, and the exhaust temperature is increased. The amount is obtained by adding the necessary fuel injection amount.
[0035]
The amount of heat required to raise the exhaust temperature is required to increase the exhaust temperature, but this amount of heat is the amount of heat remaining in the exhaust gas and is not counted as the amount of heat generated converted to engine output. In the case of the same total fuel injection amount, the engine output tends to decrease as the exhaust gas temperature increases. Therefore, when the exhaust temperature is increased by fuel injection during the expansion stroke, a decrease in engine output can be prevented by increasing the amount of fuel necessary to increase the exhaust temperature, resulting in a deterioration in running feeling. Without this, turbo lag can be suppressed.
[0036]
A twelfth aspect of the present invention is the control apparatus for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of the first to eleventh aspects, wherein the fuel injection control means controls the fuel injected during the expansion stroke by the split injection control. The number of injections is set to increase as the engine speed decreases.
[0037]
According to the present invention, the number of fuel injections to be injected during the expansion stroke by split injection control is set to increase as the engine speed decreases. Since the timing of the end of combustion tends to be delayed toward the end of the expansion stroke as the engine speed increases, the combustion margin period during the expansion stroke becomes longer as the engine speed decreases. Therefore, by increasing the number of injections as the engine speed is lower, the combustion period can be extended to the end of the expansion stroke, and the temperature of the exhaust gas can be raised more effectively.
[0038]
A thirteenth aspect of the present invention is the control apparatus for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of the first to twelfth aspects, wherein the fuel injection control means is a fuel injected during an expansion stroke by split injection control. The number of injections is set to increase as the generated torque decreases.
[0039]
According to the present invention, the number of times of fuel injection injected during the expansion stroke by the split injection control is set to increase as the generated torque of the engine decreases. In general, even when the engine speed is the same, the higher the generated torque, that is, the greater the amount of fuel supplied, the greater the amount of heat generated and the longer the combustion period. The combustion margin period is longer as the generated torque is lower. Therefore, by setting the number of injections to be increased as the generated torque is lower, the combustion period can be extended to the end of the expansion stroke, and the temperature of the exhaust gas can be increased more effectively.
[0040]
A fourteenth aspect of the invention is directed to the control apparatus for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of the first to thirteenth aspects, wherein the fuel injection control means controls the amount of fuel injected during the expansion stroke by split injection control. The injection timing is set during a period in which flame propagation occurs in the combustion chamber.
[0041]
According to the present invention, since the fuel injected during the expansion stroke uses the flame propagation of combustion occurring in the combustion chamber as an ignition source, it can be reliably ignited by starting injection before the end of the combustion. And can be prevented from being discharged to the exhaust pipe in an unburned state. Therefore, waste of fuel and deterioration of exhaust gas can be prevented, and the temperature of exhaust gas can be raised more effectively.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine system according to the present embodiment.
[0043]
The engine system 1 is an engine system mounted on an automobile, and an engine body 2 includes a cylinder block 5 in which a crankshaft 3 is rotatably supported and a piston 4 is removably fitted. A cylinder head 8 having an intake port 6 having an intake valve 6a and an exhaust port 7 having an exhaust valve 7a is provided.
[0044]
A spark plug 10 is attached to the cylinder head 8 so that an electrode 10a protrudes from the top of the combustion chamber 9 into the combustion chamber 9, and an in-cylinder injection valve injects fuel directly into the combustion chamber 9. 11 is attached. The in-cylinder injection valve 11 injects fuel immediately before ignition during the compression stroke in the low and medium load operation region, thereby forming a rich air-fuel mixture near the electrode 10a of the spark plug 10 and igniting the rich air-fuel mixture. It is arranged at a position where stratified combustion is possible.
[0045]
An intake passage 12 and an exhaust passage 21 are attached to the engine body 2. In this intake passage 12, an air flow meter 13 for detecting the intake air amount, a compressor 14a of a turbocharger 14 for supercharging the engine body 2, an intercooler 15 for cooling the intake air, and an electronic device for adjusting the intake air amount A control throttle 16 is provided, and an intake manifold internal pressure detection sensor 18 that detects an internal pressure of the intake manifold 17 is attached to an intake manifold 17 that communicates between the intake passage 12 and the cylinder head 8.
[0046]
The electronically controlled throttle 16 includes a throttle valve 16a and an actuator 16b such as an electric motor that drives the throttle valve 16a. The throttle opening Th of the throttle valve 16a depends on the operation state of the accelerator pedal 20 and the engine operating state. In a low load operation, the throttle opening degree Th can be controlled to be almost fully opened to obtain a lean air-fuel ratio. The electronic control throttle 16 is provided with a throttle opening sensor 19 for detecting the throttle opening Th of the throttle valve 16a.
[0047]
On the other hand, an exhaust manifold 22, a turbine 14 b of the turbocharger 14, and a catalytic converter 23 are attached to the exhaust passage 21. Exhaust gas passing through the exhaust passage 21 is disposed upstream of the catalytic converter 23. An exhaust temperature sensor 24 for detecting the temperature of the exhaust gas is attached. A wastegate valve 26 for adjusting the flow rate of the exhaust gas to the turbine 14b is attached to the bypass passage 25 that bypasses the turbine 14b of the turbocharger 14.
[0048]
The engine system 1 having the above configuration is controlled by an electronic control unit (ECU) 30. The ECU 30 is a well-known central processing unit including a CPU, a ROM storing a control program, a RAM storing various data, a backup RAM storing various learning data, an input / output circuit, and a bus line for interconnecting them. It is mainly composed of computer systems.
[0049]
As sensors connected to the ECU 30, in addition to the air flow meter 13 and the throttle opening sensor 19, a crank angle sensor that detects a crank angle and detects intake, compression, expansion, and exhaust strokes for each cylinder. 31 and a cam angle sensor 32, a cooling water temperature sensor 34 for detecting the temperature of engine cooling water, a knock sensor 35 for detecting knocking, an accelerator sensor 36 for detecting the amount of depression of the accelerator pedal 20, and the like. The actuators connected to the ECU 30 include the primary current of the ignition coil connected to the ignition plug 10 in addition to the actuator 16b of the electronic control throttle and the in-cylinder injection valve 11 provided for each cylinder. There is an igniter 36 or the like for intermittent connection.
[0050]
The ECU 30 calculates a target torque T_target, which is a required torque requested by the driver, from the input from the accelerator sensor 36 and the current engine operating state such as the engine coolant temperature Tw and the engine speed Ne, and determines an acceleration / deceleration request. At the same time, a combustion mode determination of stratified combustion or uniform combustion is performed according to a predetermined criterion, and various operating parameters such as throttle opening Th, fuel injection amount, fuel injection timing, and ignition timing are determined.
[0051]
For example, the fuel injection control means realized by the internal mechanism of the ECU 30 is previously stored in the ROM of the ECU 30 using the depression amount of the accelerator pedal 20 detected by the accelerator sensor 36 and the engine speed Ne detected by the crank angle sensor 31. The target torque T_target is obtained by performing interpolation calculation with reference to the stored constant map, and the target fuel injection amount Tp is obtained based on the target torque T_target and the intake air amount Q detected by the air flow sensor 13. When the target fuel injection amount Tp is in the stratified combustion region where the engine operation region is low and medium load, the lean air-fuel ratio is set to execute the engine operation in the stratified combustion mode, and the target fuel injection amount Tp is in the high combustion region Is set to have a normal air-fuel ratio in order to execute engine operation in a uniform combustion mode.
[0052]
Moreover, ECU30 performs control for suppressing the turbo lag at the time of acceleration as one of engine operation control. Specifically, when an acceleration request requiring supercharging is made, split injection control is performed in which fuel is split and injected between the intake stroke and the compression stroke and during the expansion stroke. By the fuel injected during the expansion stroke by this split injection control, the combustion period is extended to the end of the expansion stroke, the exhaust gas temperature just below the exhaust port 7 is positively raised, and the turbine rotation of the turbocharger 14 is increased. The start-up is accelerated, the turbo lag is suppressed, and the acceleration time is shortened.
[0053]
FIG. 2 shows a form of heat generation during stratified combustion normal injection control in which fuel is injected in a batch during the compression stroke. In this case, since all fuels continuously undergo a combustion reaction due to flame propagation based on ignition at the spark plug 10, the heat generation pattern has a mountain shape close to an isosceles triangle.
[0054]
On the other hand, FIG. 3 shows the form of heat generation in the stratified combustion divided injection control in which the same total fuel injection amount as in FIG. 2 is divided and injected during the compression stroke and the expansion stroke. is there. In this case, since the first injection is performed during the compression stroke and the second injection is performed during the expansion stroke, the fuel injection amount in the first injection is reduced, and the peak of the total heat generation amount is reduced. Due to the second injection, a peak of heat generation occurs further in the later stage of the expansion stroke, and the timing of completion of combustion can be delayed.
[0055]
FIG. 6 shows the relationship between the combustion end timing and the exhaust temperature when the total amount of heat generation is substantially the same. As shown in this figure, if the total amount of heat generation is substantially the same, the generated torque may be considered to be substantially the same.From this relationship, the fuel injection during the expansion stroke by the split injection control is performed in the same operation region. It can be seen that it is effective for increasing the exhaust temperature.
[0056]
FIG. 4 shows the stratified combustion split injection control in which the same total fuel injection amount as in FIGS. 2 and 3 is divided and injected into a total of three times, once during the compression stroke and twice during the expansion stroke. The form of heat generation in is shown. In this case, the peak of the heat generation amount in the first injection is lower than that in the case of the first injection in FIG. 3, but the second heat generation and the third injection have two heat generation peaks in the latter stage of the expansion stroke. It is generated and the timing of the end of combustion can be further delayed.
[0057]
FIG. 5 shows a form of heat generation during uniform combustion split injection control in which fuel is split and injected during the intake stroke and the expansion stroke. Also in this case, similarly to the stratified combustion split injection, the second injection can further generate a heat generation peak in the later stage of the expansion stroke, and can delay the timing of the end of combustion.
[0058]
Next, the control for suppressing the turbo lag realized by the ECU 30 will be described based on the flowchart of FIG. Note that the flowchart of FIG. 10 is a program stored in advance in the ROM of the ECU, and is repeatedly executed in a predetermined program cycle.
[0059]
When the program starts, first, in step S101, detection signals are read from various sensors such as the air flow meter 13, the crank angle sensor 31, the throttle opening sensor 19, the accelerator sensor 36, etc., and the intake air amount Q, the engine rotation speed, and the like. The number Ne, the throttle opening degree Th, and the accelerator depression amount S are obtained.
[0060]
In step S102, interpolation calculation is performed by referring to a constant map stored in the ROM of the ECU 30 in advance based on the current accelerator depression amount S and the engine speed Ne obtained from the detection signal detected in step S101. A target torque T_target is calculated.
[0061]
Then, in step S103, the generated torque T is calculated by performing interpolation calculation with reference to a constant map stored in the ROM of the ECU 30 based on the throttle opening degree Th and the engine speed Ne.
[0062]
Next, in step S104, it is determined whether or not the engine operating state is accelerating. This determination is made based on whether or not the deviation between the target torque T_target and the generated torque T calculated in steps S102 and S103 is larger than a predetermined value set in advance. If it is determined in step S104 that the vehicle is accelerating (YES), the process proceeds to step S105 to determine whether or not it is necessary to perform control for suppressing the turbo lag during the acceleration. If it is determined in step S104 that the vehicle is not accelerating (NO), the process proceeds to step S117.
[0063]
In step S105, the intake pipe internal pressure Pb detected by the intake pipe internal pressure detection sensor 18 is compared with a predetermined positive pressure value Pi set in advance. Here, when it is determined that the intake pipe internal pressure Pb is less than the predetermined positive pressure value Pi (YES), acceleration is requested by the driver, but the turbine speed of the turbocharger 14 is low, and the turbo lag Therefore, it is determined that it is necessary to perform control for suppressing the turbo lag, and the process proceeds to step S106 and subsequent steps.
[0064]
Further, when it is determined in step S105 that the intake pipe internal pressure Pb is a positive pressure equal to or higher than the predetermined positive pressure value Pi (NO), the turbine speed in the latter half of acceleration is increased to some extent, and the exhaust gas mass flow rate is sufficient. Therefore, it is determined that it is not necessary to perform control to suppress the turbo lag even during acceleration, and the process proceeds to step S117.
[0065]
In steps S106 to S116, in order to suppress the turbo lag, split injection control is performed in which fuel is divided and injected during the period from the intake stroke to the compression stroke and during the expansion stroke, and the exhaust gas is discharged by the fuel injected during the expansion stroke. The temperature of the gas is positively increased to promote the increase in turbine rotation.
[0066]
First, in step S106, the operating region map shown in FIG. 9 is referred to based on the engine speed Ne and the generated torque T, and it is determined whether or not the current engine operating region is in the stratified combustion region. FIG. 9 is a diagram for explaining an operation region map in the present embodiment. As shown in the figure, the operation region map is for obtaining the operation region based on the engine speed Ne and the torque T, and the stratified combustion region A is set on the low and medium load side, and on the high load side. A uniform combustion region B is set. Further, the uniform combustion region B is divided into a non-supercharged uniform combustion region B1 where effective supercharging by the turbocharger is not performed and a supercharged uniform combustion region B2 where effective supercharging is performed. In the figure, symbol Z1 is a stratified combustion upper limit torque line indicating an upper limit torque value that can be output in accordance with the stratified combustion mode, and symbol Z2 in the figure indicates the full load torque indicating the upper limit of the supercharging uniform combustion region B2. Line.
[0067]
If it is determined in step S106 that the current engine operation region is in the stratified combustion region A (YES), the stratified combustion operation should be continued or the combustion mode is changed to the uniform combustion mode and the uniform combustion operation is performed. The process proceeds to step S107 and after.
[0068]
In step S107 to step S110, the virtual torque Ta output when the stratified charge combustion operation is executed by split injection is calculated, and it is determined whether or not the virtual torque Ta is equal to or less than the stratified charge combustion form upper limit torque T_str. Based on this determination, it is determined whether the stratified combustion operation should be continued or changed to the uniform combustion operation. Here, when the acceleration request is received, the engine does not immediately shift from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode regardless of the engine output, but up to the stratified combustion upper limit torque T_str that can be output by the stratified combustion mode. After increasing the output, a process for shifting to a uniform combustion mode is performed.
[0069]
In the stratified charge combustion operation region A, the throttle opening of the throttle valve 16a is controlled to be in a fully open state in order to adjust to a lean air-fuel ratio, and a large amount of intake air flows into the engine and is discharged as exhaust gas. Accordingly, the stratified charge combustion operation is continued in the early stage of acceleration, and the throttle opening of the throttle valve 16a is maintained to maintain the amount of intake air flowing into the engine body 2 and to reduce the mass flow rate of the exhaust gas that drives the turbine. Can be suppressed. Thereby, a turbine speed can be raised more quickly and a turbo lag can be suppressed.
[0070]
First, in step S107, processing for calculating the torque increase immediately after the acceleration determination as the torque increment amount T_delta is performed. The torque increment amount T_delta is a torque increase amount that can increase the engine output without causing an uncomfortable torque shock during acceleration. The torque increment amount T_delta is obtained in advance by experiments or simulations, and is based on the engine speed Ne and the generated torque T. The map is stored so as to be readable.
[0071]
Next, in step S108, the virtual torque Ta is obtained by adding the current generated torque T to the torque increment amount T_delta calculated in step S107. Then, in step S109, the stratified combustion upper limit torque T_str is read by referring to the operation region map (FIG. 9).
[0072]
In step S110, the virtual torque Ta calculated in step S108 is compared with the stratified combustion upper limit torque T_str read in step S109, and whether or not the virtual torque Ta is smaller than the stratified combustion upper limit torque T_str. Judgment is made. Here, if it is determined that the virtual torque Ta is smaller than the stratified combustion upper limit torque T_str (YES), the process proceeds to step S111 to execute the stratified combustion operation. Further, when it is determined that the virtual torque Ta is equal to or higher than the stratified combustion upper limit torque T_str (NO), the stratified charge combustion operation by split injection is impossible, so that the uniform combustion operation should be performed by switching the combustion mode. The process proceeds to step S114 and subsequent steps.
[0073]
In step S111, stratified combustion split injection control is performed. Here, the throttle valve 16a is maintained almost fully open, and the engine output depends on the fuel injection amount rather than the intake air amount. Therefore, based on the virtual torque calculated in step S108, various operating parameters such as the injection pulse width are determined by referring to the setting table, etc., and based on the various operating parameters, the first fuel is discharged during the compression stroke. The in-cylinder injection valve 11 is controlled so that the fuel is injected for the second time or more during the expansion stroke.
[0074]
The number of injections of fuel injected during the expansion stroke is set to increase as the engine speed decreases. In general, as shown in FIG. 13, the end timing of combustion tends to be delayed toward the end of the expansion stroke as the engine speed increases. Therefore, since the combustion margin period is longer as the engine speed is lower, the combustion period can be extended to the end of the expansion stroke by setting to increase the number of injections accordingly. Accordingly, the temperature of the exhaust gas immediately below the exhaust port can be raised earlier, and the start-up of the turbine rotation can be further accelerated.
[0075]
Further, the number of fuel injections during the expansion stroke is set so as to increase as the generated torque of the engine decreases. In general, even when the engine speed is the same, as shown in FIG. 14, the higher the generated torque, in other words, the greater the fuel injection amount, the greater the heat generation amount and the longer the combustion period. For this reason, the combustion end timing tends to be delayed toward the end of the expansion stroke. Therefore, since the combustion margin period is longer as the generated torque is lower, the combustion period can be extended to the end of the expansion stroke by setting to increase the number of injections accordingly. As a result, the temperature of the exhaust gas immediately below the exhaust port can be raised earlier, and the rise of the turbine rotation can be accelerated.
[0076]
Furthermore, the injection timing of the fuel injected during the expansion stroke is set to a timing at which the fuel is injected before the combustion of the previously injected fuel is completed. Therefore, it is possible to reliably ignite and combust using the flame propagation in which the previously injected fuel burns as an ignition source. For example, the second injection is performed before the combustion of the fuel of the first injection is completed. Further, when the second and third fuel injections are performed during the expansion stroke, the third injection is performed before the combustion of the fuel in the second injection is completed.
[0077]
Further, the injection timing of the fuel injected after the second time is controlled so as to maintain the same phase with respect to the ignition timing advanced and retarded. In general, when the ignition timing is advanced or retarded, the fuel combustion period is substantially constant, and a phase shift occurs before and after the ignition timing. For example, when the ignition timing is changed to the advance side as shown in FIG. 12 by knock learning control or the like, the combustion end timing is also shifted in the advance side by the same phase. Therefore, by controlling the second injection timing so as to maintain the same phase with respect to the ignition timing, the fuel injected for the second time can be reliably ignited and burned by the flame propagation of the first injected fuel, A more stable temperature increase effect of the exhaust temperature can be obtained.
[0078]
Further, the injection timing of the fuel injected after the second time is set so that the combustion ends before the opening operation of the exhaust valve starts. As a result, the exhaust valve 7a starts to open in the middle of combustion, and unburned fuel is discharged into the exhaust passage 21 to prevent the fuel from being wasted without contributing to the rise in the exhaust temperature and the deterioration of the exhaust gas. Thus, the temperature of the exhaust gas can be raised more effectively.
[0079]
Then, the fuel injection amount of the fuel injected during the expansion stroke is corrected to increase. An increase in the exhaust gas temperature requires an amount of heat corresponding to the temperature increase, but this amount of heat is the amount of heat remaining in the exhaust gas and does not contribute to the engine output. Therefore, when the fuel injection amount at the time of normal injection control and the total fuel injection amount at the time of split injection control are set to the same amount, the engine output tends to decrease as the exhaust gas temperature increases. Therefore, when the exhaust temperature is increased by fuel injection during the expansion stroke by the split injection control, a decrease in engine output can be suppressed by increasing the amount of fuel necessary to increase the exhaust temperature, and the operating feeling can be reduced. Generation | occurrence | production of a turbo lag can be suppressed, without making it worse.
[0080]
On the other hand, if it is determined in step S106 that the current engine operation region is in the uniform combustion region B (NO), the process proceeds to step S112 and subsequent steps in order to execute the uniform combustion operation by the split injection control. .
[0081]
First, in step S112, the current throttle opening Th of the throttle valve 16a is detected based on the detection signal from the throttle opening sensor 19. In step S113, it is determined whether the detected throttle opening Th is equal to or greater than a preset reference throttle opening WOT that is almost fully open or less than the reference throttle opening WOT.
[0082]
Here, when it is determined that the current throttle opening Th is less than the reference throttle opening WOT (YES), the process proceeds to step S114 and subsequent steps. If it is determined in step S113 that the current throttle opening Th is equal to or greater than the reference throttle opening WOT (NO), a large amount of intake air has flowed into the engine, and the exhaust gas mass flow rate is also Since it can be said that the state is sufficiently obtained, it is determined that it is not necessary to perform control to suppress the turbo lag, and the process proceeds to step S117.
[0083]
In step S114, uniform combustion divided injection control is performed. Here, the total fuel injection amount is determined so that the air-fuel ratio becomes substantially stoichiometric in accordance with the intake air amount at that time, and the first fuel is injected during the intake stroke based on the total fuel injection amount. The in-cylinder injection valve 11 is controlled so that the fuel is injected a second time or more during the expansion stroke. The injection timing, the injection amount, and the number of injections of the fuel injected after the second time are controlled in the same manner as in step S111.
[0084]
Then, in step S115, control for driving the throttle valve 16a to the open side is performed, and driving to the close side is prohibited. Thereby, the throttle valve 16a is controlled to a fully open state. In step S116, an ignition timing retard amount for retarding the ignition timing is determined based on the current generated torque.
[0085]
For example, when it is determined in step S110 that the virtual torque Ta is equal to or greater than the stratified combustion upper limit torque T_str and the process proceeds to step S114 to switch the combustion mode to the uniform combustion mode, the stratified combustion in which the lean combustion is performed is stepped. In addition, since it shifts to the uniform combustion at stoichio, there is a concern that the driving feeling deteriorates due to a sudden torque increase.
[0086]
Conventionally, when switching the combustion mode from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode, a method of suppressing the torque step by closing the throttle valve 16a and reducing the intake air amount Q has been adopted. In this case, the mass flow rate of the exhaust gas is reduced, making it difficult to start up the turbine at an early stage, and it is impossible to improve the turbo lag.
[0087]
Therefore, in the present embodiment, the throttle valve 16a is not closed, and a rapid torque increase is suppressed by retarding the ignition timing. As a result, since the combustion mode is shifted in a state where the intake air amount is large, it is possible to secure a larger mass flow rate of exhaust gas even when shifting to the combustion mode, and to start up the turbine rotation earlier. Can do. Therefore, it is possible to suppress the turbo lag and shorten the acceleration time.
[0088]
Further, in step S117, it is not necessary to perform control for suppressing the turbo lag, and normal injection control for performing engine operation in the combustion mode corresponding to the current engine operation region is performed. The current engine operation region is determined by referring to the operation region map of FIG. 9. For example, when it is the stratified charge combustion operation region A, stratified charge combustion normal injection control is performed and when it is the uniform combustion operation region B The uniform combustion normal injection control is performed.
[0089]
FIG. 7 is a time chart for explaining the engine operating state when control for suppressing turbo lag is performed during engine operation in the uniform combustion mode. If an acceleration request is received from the driver during engine operation in the uniform combustion mode, the uniform combustion split injection control is first started (step S114). Then, the control for making the throttle opening of the throttle valve 16a fully open is started (step S115).
[0090]
Since the throttle valve 16a is driven by the actuator 16b, the throttle valve 16a is disposed with a certain delay time with respect to the actually designated throttle opening Th. Therefore, the temperature of the exhaust gas can be raised earlier by starting the split injection prior to the throttle control of the throttle valve 16a when the driver requests acceleration. Therefore, the rise of the turbine rotation of the turbocharger 14 is accelerated compared to the conventional case indicated by the broken line in the drawing, the turbo lag is greatly improved, and the acceleration time is shortened.
[0091]
In the case of the example shown in FIG. 7, when the actual throttle opening of the throttle valve 16a is fully opened, a mass flow rate of exhaust gas sufficient to drive the turbine 14b is obtained. The divided injection control is returned to the normal injection control on the assumption that there is no need to continue the control for suppressing the turbo lag.
[0092]
FIG. 8 is a time chart for explaining the engine operating state when control for suppressing turbo lag is performed during engine operation in the stratified combustion mode.
[0093]
Conventionally, as shown by the broken line in the figure, when an acceleration request is received from the driver during engine operation in the stratified combustion mode, control for shifting the combustion mode from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode is immediately started. In order to prevent a torque shock due to an increase in the intake air amount when shifting to the combustion mode, a throttle valve control instruction value for controlling the throttle valve in the closing direction is output. Therefore, the throttle valve 16a also moves in the closing direction so as to follow it, and the pressure in the intake pipe temporarily drops. For this reason, the rise of the turbine rotation is delayed and a turbo lag is generated.
[0094]
However, in the case of the present invention, when an acceleration request is received from the driver during engine operation in the stratified combustion mode, split injection control is performed with the combustion mode remaining in the stratified combustion mode (step S111), and the generated torque of the engine Until the stratified combustion upper limit torque T_str is reached, the stratified combustion divided injection control is continued.
[0095]
When the generated torque exceeds the stratified combustion upper limit torque T_str (step S110), the combustion mode is changed from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode, and the uniform combustion divided injection control is performed (step S114). Then, the throttle control for controlling the throttle valve 16a to the fully open state is started in accordance with the change of the combustion mode (step S115), and at the same time, the ignition timing retard control is performed (step S116). Then, when the throttle valve 16a is actually fully opened, the uniform combustion normal injection control is performed (step S117).
[0096]
When the acceleration request is received in this way, the combustion mode is not immediately shifted from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode, but is increased after the torque is increased to the stratified combustion upper limit torque T_str that can be output by the stratified combustion mode. By shifting to the combustion mode, the throttle valve 16a is maintained at a throttle opening that is almost fully open in the early stage of acceleration, a large amount of intake air is introduced into the engine, and the mass flow rate of the exhaust gas is prevented from decreasing. Yes. Further, by continuing the divided injection control even after shifting to the uniform combustion mode, an effect of raising the temperature of the exhaust gas by combustion of the fuel injected during the expansion stroke can be obtained. Therefore, it is possible to accelerate the start-up of the turbine rotation of the turbocharger, and in combination with the effect of the temperature rise of the exhaust gas by the fuel injection during the expansion stroke, the turbo lag is greatly improved and the acceleration time is shortened. be able to.
[0097]
Then, as in the case of FIG. 7, when the actual throttle opening of the throttle valve 16a is fully opened, the exhaust gas mass flow rate sufficient to drive the turbine is obtained, and this is continued. Therefore, the split injection control is returned to the normal injection control because it is not necessary to perform control for suppressing the turbo lag.
[0098]
Further, the timing at which the divided injection control is terminated may be not when the actual throttle opening of the throttle valve 16a is fully opened but when the intake pipe internal pressure Pb becomes a predetermined positive pressure value. In general, turbo lag is likely to occur during transient operation from the negative intake pipe internal pressure Pb, where the turbine rotation speed is extremely low, to the operation area where supercharging is required. In an operating state in which the pipe internal pressure Pb is positive, it can be said that the exhaust gas mass flow rate is sufficiently obtained. Therefore, by returning the divided injection control to the normal injection control when the intake pipe internal pressure Pb reaches a predetermined positive pressure value, the temperature of the exhaust gas can be increased more effectively and the turbo lag can be improved. .
[0099]
The timing for terminating the split injection control is not until the throttle valve 16a is actually fully opened, but until the end of acceleration is determined as shown in the time chart of FIG. 11, and further during the expansion stroke. The fuel injection amount of the fuel to be injected may be gradually decreased as the generated torque increases from the start of acceleration to the completion of acceleration. In general, the combustion period of fuel increases due to an increase in generated torque, and therefore, the combustion end time tends to be delayed toward the later stage of the expansion stroke. Therefore, by gradually reducing the fuel injection amount of the fuel injected during the expansion stroke in accordance with the increase in the generated torque during the period from the start of acceleration to the completion of acceleration, it is possible to prevent unburned fuel, Fuel consumption can be reduced. Therefore, it is possible to effectively raise the temperature of the exhaust gas.
[0100]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the case where the combustion mode is the uniform combustion mode and the case where the combustion mode is shifted from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode have been described, but the same applies to the case of the stratified combustion mode.
[0101]
【The invention's effect】
According to the control device for a cylinder turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to the first aspect of the present invention, in order to accelerate the rise of the turbine rotation of the turbocharger during acceleration and suppress the turbo lag, the compression is performed during the intake stroke or compression. Divided injection control is performed in which fuel is divided and injected during the expansion stroke and during the expansion stroke, and the combustion period in the combustion chamber is extended to the end of the expansion stroke period by combustion of the fuel injected during the expansion stroke. The temperature of the exhaust gas discharged from the engine is increased.
[0102]
In the split injection control, the stratified combustion split injection control is performed while the engine operation state at the initial stage of acceleration is still in the stratified combustion region, and the engine operating region is uniformly combusted from the stratified combustion region as the engine output increases. After shifting to the region, uniform combustion split injection control is performed.
[0103]
In the engine operation with the stratified combustion mode, the throttle valve is held almost at the fully open position, and more exhaust gas is discharged than in the case of the engine operation with the uniform combustion mode. After that, while the engine operation region is in the stratified combustion region, the engine operation in the stratified combustion mode is continued to prevent a decrease in exhaust gas emission at the start of acceleration and continue the mass flow rate of a large amount of exhaust gas Can be secured.
[0104]
In addition, after the transition to the uniform combustion mode, by performing split injection control in which fuel is injected during the expansion stroke, it is possible to obtain an effect of increasing the temperature of the exhaust gas due to the combustion of the fuel injected during the expansion stroke. Therefore, the start-up of the turbine rotation of the turbocharger can be accelerated, and the turbo lag can be improved in combination with the effect of increasing the temperature of the exhaust gas by the fuel injection during the expansion stroke.
[0105]
According to the second aspect of the invention, when the engine operating region shifts from the stratified combustion region to the uniform combustion region, the operation of the throttle valve to the valve closing side is prohibited. The combustion mode is shifted from the stratified combustion mode to the uniform combustion mode while being maintained at the throttle opening or more during the split injection control. Therefore, the combustion mode is shifted in a state where the amount of intake air is large, and it is possible to prevent a decrease in the exhaust gas discharge amount and to ensure a large mass flow rate of the exhaust gas continuously. In addition, after the transition to the uniform combustion mode, by performing split injection control in which fuel is injected during the expansion stroke, it is possible to obtain an effect of increasing the temperature of the exhaust gas due to the combustion of the fuel injected during the expansion stroke. Therefore, it is possible to speed up the start-up of the turbine rotation of the turbocharger, and in combination with the temperature rise effect of the exhaust gas by the fuel injection during the expansion stroke, it is possible to suppress the turbo lag and shorten the acceleration time. it can.
[0106]
According to the invention of claim 3, when the uniform combustion split injection control is started, the throttle valve is controlled to be fully opened, and the intake air amount supplied to the engine is further increased. Therefore, turbo lag can be suppressed and acceleration time can be shortened.
[0107]
According to the fourth aspect of the present invention, when the acceleration start is determined, the divided injection control is performed prior to the throttle control of the throttle valve, so that the actual throttle opening reaches the target throttle opening. By starting the split injection control before and injecting fuel during the expansion stroke, it is possible to start raising the temperature of the exhaust gas at an earlier stage and to promote the rise of the turbine rotation, thereby speeding up the rise of the turbine rotation. Therefore, turbo lag can be suppressed and acceleration time can be shortened.
[0108]
According to the fifth aspect of the present invention, the actual throttle opening of the throttle valve is adjusted to the fully open state, whereby the divided injection control is returned to the normal injection control. Split injection control is performed for the purpose of increasing the temperature of exhaust gas by fuel injection during the expansion stroke and promoting the increase in turbine rotation to suppress the occurrence of turbo lag. When the adjustment is made, the mass flow rate of the exhaust gas sufficient to drive the turbine is obtained, so that the divided injection control can be returned to the normal injection control.
[0109]
According to the sixth aspect of the invention, the split injection control is started by the determination of the start of acceleration, and is returned to the normal injection control when the intake pipe internal pressure rises to a predetermined positive pressure value. The turbo lag is likely to occur in a transition period from a state where the turbine rotational speed is extremely low and the suction pipe internal pressure is negative to an operation region where supercharging is required. Therefore, it can be said that the exhaust gas mass flow rate can be sufficiently obtained in the engine operation state in which the turbine rotation speed in the latter half of acceleration increases to some extent and the intake pipe internal pressure becomes positive. Therefore, the divided injection control can be returned to the normal injection control.
[0110]
According to the invention of claim 7, the fuel injection amount of the fuel injection performed during the expansion stroke of the split injection control is reduced according to the increase of the engine output. When the engine output rises, the combustion period of the fuel in the combustion chamber increases, and the combustion end time of the fuel tends to be delayed later in the expansion stroke. The period from the end of combustion of fuel injected during the compression stroke to the end of the expansion stroke is shortened. Therefore, by reducing the fuel injection amount of the fuel injected during the expansion stroke in accordance with the increase in engine output, it is possible to suppress the unburned fuel and to suppress the fuel consumption. Therefore, the exhaust gas can be efficiently heated.
[0111]
According to the invention of claim 8, the fuel injection amount of the fuel injection performed during the expansion stroke of the split injection is the target boost pressure set based on the intake pipe internal pressure detected by the intake pipe internal pressure detection sensor and the acceleration request. It is determined according to the deviation. The greater the deviation between the target boost pressure and the suction pipe internal pressure, the longer the time it takes for the suction pipe internal pressure to rise to the target boost pressure and the greater the acceleration response delay. Therefore, by setting the fuel injection amount during the expansion stroke according to the deviation between the target supercharging pressure and the current suction pipe internal pressure, the exhaust gas temperature can be raised more effectively and the turbo lag can be suppressed.
[0112]
According to the ninth aspect of the invention, the injection timing of the fuel injected during the expansion stroke is changed according to the ignition timing by the split injection control. If the ignition timing is changed to the advance or retard direction according to the engine knocking state, the fuel combustion period remains constant, and a phase shift occurs in the front-rear direction according to the ignition timing. By controlling the fuel injection timing so as to always maintain the same phase with respect to the ignition timing, the engine operation by split injection can be stably performed, and the exhaust gas temperature can be raised more effectively. It can be carried out.
[0113]
According to the invention of claim 10, the fuel injection timing and the fuel injection amount of the fuel injected during the expansion stroke by the split injection control are the fuel injection timing and the fuel for ending the combustion before the exhaust valve of the combustion chamber starts to open. Since the injection amount is set, it is possible to raise the temperature of the exhaust gas more effectively by preventing the fuel from being wasted in the unburned state and exhausting the fuel and preventing the exhaust gas from deteriorating. it can.
[0114]
According to the eleventh aspect of the present invention, the total fuel injection amount injected from the intake stroke to the expansion stroke by the split injection control is equal to the basic fuel injection amount necessary for generating an effective engine output, and the exhaust temperature. It is an amount obtained by adding the fuel injection amount necessary for the increase. The amount of heat required to raise the exhaust temperature is required to increase the exhaust temperature, but this amount of heat is the amount of heat remaining in the exhaust gas and is not counted as the amount of heat generated converted to engine output. In the case of the same total fuel injection amount, the engine output tends to decrease as the exhaust gas temperature increases. Therefore, when the exhaust temperature is increased by fuel injection during the expansion stroke, a decrease in engine output can be prevented by increasing the amount of fuel necessary to increase the exhaust temperature, resulting in a deterioration in running feeling. Without this, turbo lag can be suppressed.
[0115]
According to the twelfth aspect of the present invention, the number of fuel injections to be injected during the expansion stroke by the split injection control is set to increase as the engine speed decreases. Since the timing of the end of combustion tends to be delayed toward the end of the expansion stroke as the engine speed increases, the combustion margin period during the expansion stroke becomes longer as the engine speed decreases. Therefore, by increasing the number of injections as the engine speed is lower, the combustion period can be extended to the end of the expansion stroke, and the temperature of the exhaust gas can be raised more effectively.
[0116]
According to the thirteenth aspect of the present invention, the number of times of fuel injection injected during the expansion stroke by the split injection control is set so as to increase as the generated torque of the engine decreases. Even when the engine speed is the same, as the generated torque increases, that is, as the fuel supply amount increases, the heat generation amount increases and the combustion period increases accordingly, so the timing of completion of combustion is delayed toward the end of the expansion stroke. The combustion margin period is longer as the generated torque is lower. Therefore, by setting the number of injections to be increased as the generated torque is lower, the combustion period can be extended to the end of the expansion stroke, and the temperature of the exhaust gas can be increased more effectively.
[0117]
According to the fourteenth aspect of the present invention, since the fuel injected during the expansion stroke uses the flame propagation of combustion occurring in the combustion chamber as an ignition source, the injection is started before the combustion ends. Therefore, it is possible to prevent ignition and exhaust to the exhaust pipe side in an unburned state. Therefore, waste of fuel and deterioration of exhaust gas can be prevented, and the temperature of exhaust gas can be raised more effectively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a cylinder injection engine system with a turbocharger according to an embodiment.
FIG. 2 shows a form of heat generation during stratified combustion normal injection control in which fuel is injected in a batch during a compression stroke.
FIG. 3 shows a form of heat generation during stratified combustion divided injection control in which the same total fuel injection amount as in FIG. 2 is divided and injected during a compression stroke and an expansion stroke.
FIG. 4 is a stratified combustion split injection control in which the same total fuel injection amount as in FIGS. 2 and 3 is divided and injected into a total of three times, once during the compression stroke and twice during the expansion stroke. The form of heat generation in is shown.
FIG. 5 shows a form of heat generation during uniform combustion divided injection control in which fuel is divided and injected during an intake stroke and an expansion stroke.
FIG. 6 shows the relationship between the combustion end timing and the exhaust temperature when the total amount of heat generation is substantially the same.
FIG. 7 is a time chart for explaining an engine operation state when control for suppressing turbo lag is performed.
FIG. 8 is a time chart illustrating an engine operating state when control for suppressing turbo lag is performed.
FIG. 9 is a diagram for explaining an operation region map in the present embodiment.
FIG. 10 is a flowchart for explaining control for suppressing turbo lag.
FIG. 11 is a time chart illustrating an engine operating state when control for suppressing turbo lag is performed.
FIG. 12 is a time chart for explaining the relationship between the ignition timing and the injection timing of the second injection.
FIG. 13 is a diagram for explaining a relationship between an engine speed and a combustion period.
FIG. 14 is a diagram for explaining the relationship between the generated torque of the engine and the combustion period.
[Explanation of symbols]
1 Engine system
2 Engine body
11 In-cylinder injection valve
13 Air flow meter
14 Turbocharger
14a Compressor
14b turbine
16 Electronically controlled throttle
16a Throttle valve
16b Actuator
18 Intake pipe internal pressure detection sensor
19 Throttle opening sensor
31 Crank angle sensor
32 Cam angle sensor
34 Water temperature sensor

Claims (14)

ターボ過給機と、
エンジンの燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、
スロットルバルブと該スロットルバルブを駆動するアクチュエータを有する電子制御式スロットルと、
前記アクチュエータを制御して前記スロットルバルブのスロットル開度を調整するスロットル制御手段と、
運転者からの加速要求を検出する加速要求検出手段と、
該加速要求検出手段により検出した加速要求とエンジン運転状態に基づいて前記エンジンの加速開始を判定する加速開始判定手段と、
該加速開始判定手段により加速開始と判定された場合に、吸気行程中または圧縮行程中と膨張行程中とに燃料を分割して噴射する分割噴射制御を行う燃料噴射制御手段と、
を有するターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御手段は、
前記加速開始判定手段により加速開始と判定された後、エンジン運転領域が成層燃焼領域にあるときは圧縮行程中と膨張行程中に燃料を分割して噴射する成層燃焼分割噴射制御を行い、エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行したときは、吸気行程中と膨張行程中に燃料を分割して噴射する均一燃焼分割噴射制御を行うことを特徴とするターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
A turbocharger,
An in-cylinder injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber of the engine;
An electronically controlled throttle having a throttle valve and an actuator for driving the throttle valve;
Throttle control means for adjusting the throttle opening of the throttle valve by controlling the actuator;
Acceleration request detection means for detecting an acceleration request from the driver;
Acceleration start determination means for determining acceleration start of the engine based on the acceleration request detected by the acceleration request detection means and the engine operating state;
Fuel injection control means for performing split injection control for splitting and injecting fuel during the intake stroke or during the compression stroke and during the expansion stroke when the acceleration start determining means determines that acceleration has started;
In a cylinder supercharger-equipped in-cylinder injection engine control device,
The fuel injection control means includes
After the acceleration start determining means determines that acceleration has started, when the engine operation region is in the stratified combustion region, stratified combustion divided injection control is performed to divide and inject fuel during the compression stroke and the expansion stroke. In-cylinder injection with a turbocharger that performs uniform combustion split injection control that splits and injects fuel during an intake stroke and an expansion stroke when the region shifts from a stratified combustion region to a uniform combustion region Engine control device.
前記スロットル制御手段は、
前記エンジン運転領域が成層燃焼領域から均一燃焼領域に移行する際に、前記スロットルバルブの閉弁側への動作を禁止するスロットル制御を行うことを特徴とする請求項1に記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The throttle control means includes
2. The turbocharger according to claim 1, wherein when the engine operating region shifts from a stratified combustion region to a uniform combustion region, throttle control is performed to prohibit operation of the throttle valve toward the valve closing side. A control device for an attached cylinder injection engine.
前記スロットル制御手段は、
前記燃料噴射制御手段によって前記成層燃焼分割噴射制御から前記均一燃焼分割噴射制御への変更が行われた後に、前記スロットルバルブを全開状態にするスロットル制御を開始することを特徴とする請求項1又は2に記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The throttle control means includes
2. The throttle control for fully opening the throttle valve is started after the fuel injection control means has changed from the stratified combustion split injection control to the uniform combustion split injection control. 2. A control apparatus for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to 2.
前記燃料噴射制御手段は、
前記加速開始判定手段により加速開始の判定を受けた場合に、前記スロットルバルブ制御手段による前記スロットルバルブのスロットル制御に先駆けて、前記分割噴射制御を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The fuel injection control means includes
4. The split injection control is performed prior to the throttle control of the throttle valve by the throttle valve control means when the acceleration start determination means receives an acceleration start determination. A control apparatus for an in-cylinder turbocharger-equipped in-cylinder injection engine.
前記燃料噴射制御手段は、
前記スロットルバルブ制御手段により前記スロットルバルブの実際のスロットル開度が全開状態に調整された時点で、前記分割噴射制御を吸気行程中または圧縮行程中に燃料を一括して噴射する通常噴射制御に戻すことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The fuel injection control means includes
When the actual throttle opening of the throttle valve is adjusted to the fully open state by the throttle valve control means, the split injection control is returned to the normal injection control in which fuel is injected in a batch during the intake stroke or the compression stroke. The control apparatus for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of claims 1 to 4.
前記エンジンの吸気管内圧を検出する吸気管内圧検出センサを有し、
前記燃料噴射制御手段は、前記吸気管内圧が予め設定されている所定正圧値まで上昇した時点で、前記分割噴射制御を吸気行程中または圧縮行程中に燃料を一括して噴射する通常噴射制御に戻すことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
An intake pipe internal pressure detection sensor for detecting the intake pipe internal pressure of the engine;
The fuel injection control means performs normal injection control for injecting fuel in a batch during the intake stroke or the compression stroke when the intake pipe internal pressure rises to a predetermined positive pressure value set in advance. The control apparatus for a cylinder injection engine with a turbocharger according to any one of claims 1 to 5, wherein
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料噴射量をエンジン出力の上昇に応じて減少させることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The fuel injection control means includes
The in-cylinder turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the fuel injection amount injected during the expansion stroke by the split injection control is decreased in accordance with an increase in engine output. Control device.
前記エンジンの吸気管内圧を検出する吸気管内圧検出センサと、前記加速要求検出手段により検出した加速要求に基づいて目標過給圧を設定する目標過給圧設定手段とを有し、
前記燃料噴射制御手段は、前記分割噴射制御により膨張行程中噴射される燃料噴射量を、前記目標過給圧と前記吸気管内圧検出センサにより検出した吸気管内圧との偏差に応じて決定することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
An intake pipe internal pressure detection sensor for detecting the intake pipe internal pressure of the engine, and a target boost pressure setting means for setting a target boost pressure based on the acceleration request detected by the acceleration request detection means,
The fuel injection control means determines a fuel injection amount injected during the expansion stroke by the split injection control according to a deviation between the target boost pressure and an intake pipe internal pressure detected by the intake pipe internal pressure detection sensor. The in-cylinder injection engine control apparatus with a turbocharger according to any one of claims 1 to 7.
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御により膨張行程中に噴射される燃料の噴射時期を、点火タイミングに応じて変更することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The fuel injection control means includes
The in-cylinder turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of claims 1 to 8, wherein an injection timing of fuel injected during an expansion stroke by the split injection control is changed according to an ignition timing. Control device.
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御により膨張行程中に行う燃料噴射の燃料噴射量及び燃料噴射時期を、前記燃焼室と排気通路との間に設けられている排気弁が開き始めるまでに前記燃焼室内の燃焼が終了する燃料噴射時期及び燃料噴射量に設定したことを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The fuel injection control means includes
Combustion in the combustion chamber ends before the exhaust valve provided between the combustion chamber and the exhaust passage starts to open at the fuel injection amount and fuel injection timing of fuel injection performed during the expansion stroke by the split injection control The control apparatus for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of claims 1 to 9, wherein the fuel injection timing and the fuel injection amount are set.
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御によって吸気行程から膨張行程までの間に噴射される燃料噴射量の総量を、有効なエンジン出力の発生に必要な基本燃料噴射量に、排気温度の上昇に必要な燃料噴射量分を加算した量としたことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The fuel injection control means includes
The total fuel injection amount injected from the intake stroke to the expansion stroke by the split injection control is changed to the basic fuel injection amount required for generating effective engine output, and the fuel injection amount required for raising the exhaust temperature. The control device for a turbocharger-equipped in-cylinder injection engine according to any one of claims 1 to 10, wherein
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御によって膨張行程中に行う燃料噴射の噴射回数を、エンジン回転数が低い程、増加させる設定としたことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The fuel injection control means includes
The turbocharger attached according to any one of claims 1 to 11, wherein the number of fuel injections performed during the expansion stroke by the split injection control is set to increase as the engine speed decreases. In-cylinder engine control device
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御によって膨張行程中に行う燃料噴射の噴射回数を、発生トルクが低くなるに応じて増加させる設定としたことを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The fuel injection control means includes
The turbocharger according to any one of claims 1 to 12, wherein the number of fuel injections performed during the expansion stroke by the divided injection control is set to increase as the generated torque decreases. A control device for an in-cylinder injection engine.
前記燃料噴射制御手段は、
前記分割噴射制御によって膨張行程中に行う燃料噴射の燃料噴射時期を、燃焼室内で火炎伝播を生じている期間中に設定したことを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載のターボ過給機付筒内噴射エンジンの制御装置。
The fuel injection control means includes
14. The turbocharge according to claim 1, wherein a fuel injection timing of fuel injection performed during the expansion stroke by the split injection control is set during a period in which flame propagation occurs in the combustion chamber. Control device for in-cylinder injection engine with a feeder.
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