JP4089563B2

JP4089563B2 - 筒内噴射式エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP4089563B2
Application number: JP2003309597A
Authority: JP
Inventors: 文昭平石; 利実福田; 信明村上; 彰仁宮本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2023-09-02
Also published as: JP2005076572A

Description

本発明は、吸気弁の開閉時期を変更可能であると共に、１作動サイクルの燃料を複数回に分けて噴射可能な筒内噴射式エンジンの制御装置に関する。

筒内噴射式エンジンは、燃焼室内に直接燃料を噴射するものであり、圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮行程噴射モードと、吸気行程で燃料噴射を行う吸気行程噴射モードとが切り換え可能となっている。この圧縮行程噴射モードでは、点火プラグの周囲に理論空燃比近傍の混合気を形成した上で超リーンな全体空燃比を実現する層状燃焼が可能であり、吸気行程噴射モードでは、燃焼室に均一な混合気を形成する均一燃焼が可能となっている。また、このような筒内噴射式エンジンでは、所定の運転領域で１作動サイクル中に燃料を複数回に分けて噴射し、ノッキングを抑制することが可能となっている。

このような従来の筒内噴射式エンジンの制御装置としては、下記の特許文献１がある。この特許文献１の「筒内噴射型内燃機関」は、エンジンの運転状態が高回転・高負荷であるときに、所定量の燃料を吸気行程と圧縮行程とで分割して噴射すると共に、その空燃比を理論空燃比近傍に制御し、先行する燃料噴射で希薄な混合気を生成した上で、その混合気中に点火に近いタイミングで後続する燃料噴射を行うことで、効率的な燃焼が継続して輝炎の急冷によるスモークを防止して燃焼冷却を実施することなくノッキングを抑制することができるものである。
特開２０００−２４０４９２号公報

ところで、エンジンの動弁系において、吸気弁や排気弁の開閉タイミングや開放時間を変更できるようにしたバルブタイミング可変機構がある。このバルブタイミング可変機構は、例えば、クランクシャフトとカムシャフトを位相可変に連結し、クランクシャフトとカムシャフトとの相対位相を調節することで、高速時と低速時とでそれぞれ最適な開閉タイミングや開弁期間開放に調整できるようにしたものである。

そして、上述したシングル噴射モードと多段噴射モードとを切換可能な筒内噴射型内燃機関（特許文献１）にこのバルブタイミング可変機構を適用すると、エンジンの高速運転時にカム位相を変更して体積効率を増大させると共に、多段噴射（吸気行程噴射と圧縮行程噴射）を行うことで、体積効率の増大によるトルクアップを図ることができると共に、ノッキングを抑制することができる。

ところが、多段噴射モードは、エンジンの高回転・高負荷状態という所定の運転条件で実行することで、そのときのノッキングを抑制することができるものであり、シングル噴射モードと多段噴射モードとでは吸気弁の最適な開閉タイミング（カム位相）が相違している。そのため、例えば、多段噴射モードからシングル噴射モードに切換えられたとき、吸気弁の開閉タイミングはシングル噴射モードとして最適な開閉タイミングとはなっておらず、エンジンの燃焼状態が悪化してしまうという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するものであって、燃料噴射モードに応じて吸気弁の閉弁時期が最適となるように制御することで出力を向上する一方、燃焼状態の悪化やノッキングを抑制し、ドライバビリティの向上を図った筒内噴射式エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係る筒内噴射式エンジンの制御装置は、
少なくとも吸気弁の閉弁時期を変更可能なバルブタイミング可変手段と、
１作動サイクルの燃料を１回で噴射するシングル噴射モードと１作動サイクルの燃料を複数回に分けて噴射する多段噴射モードとを切換可能な噴射モード制御手段と、
前記バルブタイミング可変手段による前記多段噴射モード時における前記吸気弁の閉弁時期を前記シングル噴射モード時における前記吸気弁の閉弁時期よりも進角側に設定するバルブタイミング制御手段とを具え、
前記噴射モード制御手段は、
前記多段噴射モードから前記シングル噴射モードに切換えるとき、
前記バルブタイミング制御手段により前記吸気弁の閉弁時期が遅角側に変更されたことを条件として、
前記シングル噴射モードへの切換えを許可する
ことを特徴とするものである。

筒内噴射式エンジンの制御装置によれば、バルブタイミング制御手段によりバルブタイミング可変手段による多段噴射モード時における吸気弁の閉弁時期をシングル噴射モード時における吸気弁の閉弁時期よりも下死点側に設定するので、ノッキングが抑制される多段噴射モードでは、体積効率が増大する吸気弁の閉弁時期を設定して出力を向上することができる一方、シングル噴射モードでは燃料噴射弁の負担を軽減することができ、また、各燃料噴射モードで燃焼状態の悪化やノッキングを抑制し、ドライバビリティを向上することができる。

筒内噴射式エンジンの制御装置によれば、多段噴射モード時における吸気弁の閉弁時期をシングル噴射モード時における吸気弁の閉弁時期よりも進角側に設定するので、吸気弁の閉弁時期の進角にて増大する体積効率に対して複数回に分けて所定量の燃料が噴射されることとなり、燃焼状態の悪化やノッキングを抑制することができる。

筒内噴射式エンジンの制御装置によれば、多段噴射モード時に１作動サイクルの燃料を吸気行程及び圧縮行程で噴射するので、全噴射燃料量の一部として吸気行程で噴射した燃料噴霧により生成した混合気は相対的にリーンとなって自己着火を起こし難く、また、圧縮行程で噴射した燃料噴霧による混合気は燃焼室全体に拡がらずに自己着火を起こし難いため、ノッキングを抑制することができる。

筒内噴射式エンジンの制御装置によれば、多段噴射モードからシングル噴射モードに切換えられるとき、その切換前に吸気弁の閉弁時期を遅角側に変更するので、シングル噴射モードに切換えられる前に、このモードにおいても、ノッキングが発生しない体積効率及び実圧縮比となる吸気弁の閉弁時期とすることで、ノッキングを抑制することができる。

筒内噴射式エンジンの制御装置によれば、シングル噴射モードにおける最適閉弁領域と多段噴射モードにおける最適閉弁領域を設定し、多段噴射モードからシングル噴射モードに切換えるとき、吸気弁の閉弁時期がシングル噴射モードにおける最適閉弁領域に変更されたことを条件としてシングル噴射モードへの切換えを許可するので、吸気弁の閉弁時期がシングル噴射モードの最適閉弁領域に変更された後に、多段噴射モードからシングル噴射モードに切換えることとなり、ノッキングを抑制することができる。

本発明の筒内噴射式エンジンの制御装置を実施するための最良の形態は、バルブタイミング可変手段により吸気弁の開閉時期を変更可能とすると共に、噴射モード制御手段により吸気行程で燃料を噴射するシングル噴射モードと吸気行程及び圧縮行程で燃料を噴射する多段噴射モードとを切換可能とし、バルブタイミング制御手段により多段噴射モード時における吸気弁の閉弁時期をシングル噴射モード時における吸気弁の閉弁時期よりも下死点側（進角側）に設定することにより、出力を向上すると共に燃焼状態の悪化やノッキングを抑制し、ドライバビリティを向上するようにしたものであり、以下に、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

図１に本発明の一実施例に係る筒内噴射式エンジンの制御装置のブロック構成、図２に本実施例の筒内噴射式エンジンの制御装置による制御のフローチャート、図３に吸気弁の開閉状態を表すグラフ、図４に吸気弁の閉弁タイミングに対するエンジン運転状態を表すグラフを示す。

本実施例の筒内噴射式エンジンの制御装置において、図１に示すように、内燃機関（以下、エンジンと称する。）１０は、燃料を直接燃焼室に噴射する筒内噴射型ガソリンエンジンであって、吸気行程で燃料噴射を行う吸気行程噴射モードと、圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮行程噴射モードとが切換え可能となっている。この吸気行程噴射モードでは、燃焼室に均一な混合気を形成する均一燃焼が可能であり、圧縮行程噴射モードでは、点火プラグの周囲に理論空燃比（ストイキ）近傍の混合気を形成した上で超リーンな全体空燃比を実現する層状燃焼が可能となっている。

即ち、エンジン１０のシリンダヘッド１１には各気筒毎に点火プラグ１２が取付けられると共に、燃焼室１４内に噴射口が開口したインジェクタ１３が取付けられている。このインジェクタ１３には図示しない燃料パイプを介して燃料タンク擁した燃料供給装置が接続されており、燃料タンク内の燃料が高燃圧で供給され、この燃料をインジェクタ１３により燃焼室１４内に向けて所望の燃圧で噴射することができる。このとき、燃料噴射量は燃料ポンプの燃料吐出圧とインジェクタ１３の開弁時間（燃料噴射時間）とから決定されものであり、ドライバ１５により制御されている。また、エンジン１０のシリンダ１６にはピストン１７が上下に摺動自在に支持され、ピストン１７の頂面には半球状に窪んだキャビティ１８が形成され、キャビティ１８によって吸気流に通常のタンブル流とは逆の逆タンブル流を発生させることができる。

シリンダヘッド１１には燃焼室１４を臨む略直立方向に沿った吸気ポート１９と略水平方向に沿った排気ポート２０が形成され、吸気ポート１９は吸気弁２１の駆動によって開閉され、排気ポート２０は排気弁２２の駆動によって開閉されるようになっている。そして、シリンダヘッド１１の上部には吸気側のカムシャフト２３及び排気側のカムシャフト２４が回転自在に支持され、各カムシャフト２３，２４には吸気カム２５及び排気カム２６が設けられており、吸気側のカムシャフト２３の回転で吸気カム２５により吸気弁２１が駆動され、排気側のカムシャフト２４の回転で排気カム２６により排気弁２２が駆動されるようになっている。

吸気ポート１９には吸気マニホールド２７を介して吸気管２８が接続され、吸気管２８の空気取入口にはエアクリーナ２９が取付けられている。そして、この吸気管２８にはスロットルボデー３０が設けられ、スロットルボデー３０には流路を開閉するスロットル弁３１が設けられると共に、スロットル弁３１の開度を検出するスロットルポジションセンサ３２が取付けられている。また、このスロットル弁３１の上流側には吸入空気量を検出するエアフローセンサ３３が取付けられている。一方、排気ポート２０には排気マニホールド３４を介して排気管３５が接続され、この排気管３５には排気浄化触媒装置３６が設けられている。

また、各気筒の所定のクランク位置でクランク角信号ＳＧＴを出力するベーン型のクランク角センサ３７が設けられ、クランク角センサ３７はエンジン回転速度を検出可能としている。更に、運転者がアクセルペダルを踏み込んだアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３８が設けられている。

本実施例では、吸気弁２１と排気弁２２の閉弁時期（開弁時期）を変更するバルブタイミング可変機構３９が設けられており、このバルブタイミング可変機構３９を制御することで、各弁２１，２２の開閉時期や開弁期間、つまり、ＶＶＴ位相を変更可能となっている。なお、このバルブタイミング可変機構３９は、例えば、タイミングプーリに一体回転可能なハウジングを装着する一方、カムシャフト２３，２４の端部に一体回転可能なベーン部材を装着してハウジング内に収容し、このハウジングとベーン部材との間に進角用油室及び遅角用油室を形成し、油圧制御弁を制御してこの進角用油室と遅角用油室の一方の油室に作動油を供給すると同時に他方の油室から作動油を排出することで、タイミングプーリとカムシャフトとの相対位置を変更してバルブ開閉タイミング及び開弁期間を調整できるものであり、その他にテンショナ式、ヘリカルスプライン式などがある。

車両には入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を有するＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０が設けられており、このＥＣＵ４０によりエンジン１０を含めた総合的な制御が行われる。即ち、ＥＣＵ４０の入力側には、前述したスロットルポジションセンサ３２、エアフローセンサ３３、クランク角センサ３７、アクセルポジションセンサ３８などの各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。一方、ＥＣＵ４０の出力側には、点火コイルを介して上述した点火プラグ１２やインジェクタ１３のドライバ１５、バルブタイミング可変機構３９等が接続されており、これら点火プラグ１２、ドライバ１５、バルブタイミング可変機構３９等には、各種センサ類からの検出情報に基づいて演算された燃料噴射量、点火時期、吸排気タイミング等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、吸気弁２１及び排気弁２２が適正なタイミングで開閉すると共に、インジェクタ１３から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１２によって適正なタイミングで点火が実施される。

実際にＥＣＵ４０では、アクセルポジションセンサ３８からのアクセル開度情報とクランク角センサ３７からのエンジン回転速度情報とに基づいてエンジン負荷に対応する目標筒内圧、即ち目標平均有効圧Ｐｅを求めるようにされており、更に、この目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度情報Ｎｅとに応じてマップ（図示せず）より燃料噴射モードを設定するようにされている。例えば、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとが共に小さいときには、燃料噴射モードは圧縮行程噴射モードとされて燃料が圧縮行程で噴射される一方、目標平均有効圧Ｐｅが大きくなり、あるいはエンジン回転速度Ｎｅが大きくなると燃料噴射モードは吸気行程噴射モードとされ、燃料が吸気行程で噴射される。そして、目標平均有効圧Ｐｅとエンジン回転速度Ｎｅとから制御目標となる目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、適正量の燃料噴射量がこの目標Ａ／Ｆに基づいて決定される。

また、本実施例では、前述したように、ＥＣＵ４０は、燃料噴射モードを圧縮行程噴射モード（シングル噴射モード）と吸気行程噴射モード（シングル噴射モード）との間で切換可能であると共に、所定の運転状態で１作動サイクル中の燃料を複数回に分けて噴射する多段噴射モードに切換可能となっている。具体的には、エンジン１０が加速状態にある低回転・高負荷時に、シングル噴射モードから吸気行程と圧縮行程の両行程で燃料を噴射する２段噴射モードへの切換が可能であり、所定時間経過後に吸気行程噴射モード（シングル噴射モード）に再び切換えられるようになっている。

そして、ＥＣＵ４０は、前述したバルブタイミング可変機構３９により吸気弁２１の閉弁時期が変更可能であり、図３に示すように、２段噴射モード時における吸気弁２１の最適な閉弁時期（閉弁領域）と、シングル噴射モード時における吸気弁２１の最適な閉弁時期（閉弁領域）とを設定している。この場合、２段噴射モード時における吸気弁２１の最適な閉弁時期は、シングル噴射モード時における吸気弁２１の最適な閉弁時期よりも下死点（ＢＤＣ）側、つまり、進角側に設定（バルブタイミング制御手段）されている。更に、ＥＣＵ４０は、燃料噴射モードが２段噴射モードからシングル噴射モードに切換えられるとき、その切換前にバルブタイミング可変機構３９により吸気弁２１の閉弁時期を遅角側、つまり、シングル噴射モード時における吸気弁２１の最適な閉弁時期に変更するようにしている。

ここで、上述した本実施例の筒内噴射式エンジンの制御装置におけるＥＣＵ４０の制御を図２のフローチャートに基づいて詳細に説明する。

エンジン１０の運転中、ステップＳ１１にて、エンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎ₁（例えば、２５００ｒｐｍ）以下であるかどうかを判定し、エンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎ₁以下であれば、ステップＳ１２に移行し、目標エンジン負荷Ｐｅが所定負荷Ｐ₁（例えば、８００ｋＰａ）以上であるかどうかを判定し、目標エンジン負荷がＰｅが所定負荷Ｐ₁以上であれば、ステップＳ１５に移行する。一方、ステップＳ１１でエンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎ₁より高い高回転であったり、ステップＳ１２で目標エンジン負荷Ｐｅが所定負荷Ｐ₁より低い低負荷であったときは、ステップＳ１３に移行する。このステップＳ１３では、２段噴射モードカウンタをリセットし、ステップＳ１４にて、通常の燃料噴射モードの制御を行う。即ち、エンジン回転数Ｎｅと目標エンジン負荷Ｐｅとに基づいて設定された燃料噴射モードマップ（図示略）に基づいて燃料噴射モード（吸気行程噴射モードまたは圧縮行程噴射モード）を設定し、インジェクタ１３から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ１２によって適正なタイミングで点火が実施される。

ステップＳ１１でエンジン回転数Ｎｅが所定回転数Ｎ₁以下の低回転領域にあると判定され、ステップＳ１２で目標エンジン負荷Ｐｅが所定負荷Ｐ₁以上の高負荷領域にあると判定されると、ステップＳ１５にて、燃料噴射モードを２段噴射モードに変更する。そして、ステップＳ１６で２段噴射モードカウンタをスタートし、ステップＳ１７で２段噴射モードカウンタのカウンタ値Ｔｎが所定カウント値Ｔ₁（例えば、２０秒）を超えていないことを確認し、ステップＳ１８にて、バルブタイミング可変機構３９により吸気弁２１の閉弁時期を進角し、２段噴射モード時における最適吸気閉弁領域に設定する。

この２段噴射モードでは、図４に示すように、吸気弁２１の閉弁時期が進角されてピストン１７の下死点側の最適位相に設定され、燃焼室１４内に取り込まれる吸気量が増えて体積効率が上昇すると共に、燃料が吸気行程と圧縮行程とに分けて噴射される。２段噴射モードでは、シングル噴射モードに比較してノッキング限界点火時期が進角側にあるため、体積効率及び圧縮比が上昇しても点火時期をリタードする必要がなく、体積効率が上昇した分だけ出力トルクを向上することができる。また、燃焼状態の悪化やノッキングを抑制することができる。

そして、エンジン回転数Ｎｅが低回転で目標エンジン負荷Ｐｅが高負荷である状態が継続されると、ステップＳ１６の２段噴射モードカウンタがカウンタ値Ｔｎを加算し、ステップＳ１７でこのカウンタ値Ｔｎが所定カウント値Ｔ₁以上になると、２段噴射モードを解除してシングル噴射モードに切り換える。このとき、まず、ステップＳ１９にて、バルブタイミング可変機構３９により吸気弁２１の閉弁時期を遅角し、シングル噴射モードに変更する。ステップＳ２０では、ＶＶＴ位相、つまり、吸気弁２１の閉弁時期がシングル噴射モードの最適領域（最適位相−αから最適位相＋αの領域）に入ったかどうかを判定し、入っていなければステップＳ１９に戻って吸気弁２１の閉弁時期を更に遅角する。そして、ステップ２０で吸気弁２１の閉弁時期がシングル噴射モードの最適領域に入ったと判定されたら、ステップＳ２１にて、ステップＳ２２にて、燃料噴射モードをシングル噴射モードに変更する。

即ち、図４に示すように、バルブタイミング可変機構３９により吸気弁２１の閉弁時期を進角側に設定した２段噴射モードの最適位相では、出力トルクやノック限界点火時期において、２段噴射モードとシングル噴射モードに大きな違いがあり、特に、この位相ではシングル噴射モード゛にとっては不利となっている。そのため、２段噴射モードを開始し所定時間経過後にシングル噴射モードに変更されるとき、バルブタイミング可変機構３９により吸気弁２１の閉弁時期を遅角してシングル噴射モードの最適位相に調整してから、シングル噴射モードに変更するようにしている。従って、２段噴射モードからシングル噴射モードに変更したとき、このシングル噴射モードでは、出力トルクやノック限界点火時期が最良となる吸気弁２１の閉弁時期で制御が開始されることとなり、燃焼状態の悪化やノッキングを抑制することができる。

なお、２段噴射モードでの制御中に、２段噴射モードカウンタのカウンタ値Ｔｎが所定カウント値Ｔ₁を超える前に、ステップＳ１１，Ｓ１２で判定したエンジン１０の低回転高負荷領域を外れた場合、ステップＳ１３に移行し、２段噴射モードカウンタをリセットしてから、ステップＳ１４にて、通常の燃料噴射モードの制御を行うこととなる。

このように本実施例の筒内噴射式エンジンの制御装置にあっては、燃料噴射モードを、１作動サイクル中の燃料を圧縮行程や吸気行程で噴射するシングル噴射モードと、燃料を圧縮行程及び吸気行程で２回に分けて噴射する２段噴射モードとの間で切換可能とすると共に、バルブタイミング可変機構３９により吸気弁２１の閉弁時期を変更可能とし、２段噴射モード時における吸気弁２１の最適な閉弁時期と、シングル噴射モード時における吸気弁２１の最適な閉弁時期とを設定し、２段噴射モード時における吸気弁２１の閉弁時期をシングル噴射モード時における吸気弁２１の閉弁時期よりも下死点側に設定するようにしている。

従って、燃料噴射モードに応じて吸気弁２１の開閉タイミングが最適となるように制御することで、２段噴射モードではエンジン１０の加速時などにおける体積効率の増大に比例して出力トルクを向上することができる一方、シングル噴射モードでは燃料噴射弁の負担を軽減することができ、また、各燃料噴射モードで燃焼状態の悪化やノッキングを抑制し、ドライバビリティを向上することができる。

また、燃料噴射モードを、２段噴射モードからシングル噴射モードに切換えるとき、その切換前にバルブタイミング可変機構３９により吸気弁２１の閉弁時期を遅角側、つまり、シングル噴射モード時における吸気弁２１の最適な閉弁時期に変更するようにしている。従って、２段噴射モードからシングル噴射モードに変更したとき、このシングル噴射モードでは、出力トルクやノック限界点火時期が最良となる吸気弁２１の閉弁時期で制御が開始されることとなり、燃焼状態の悪化やノッキングを抑制することができる。

なお、上述の実施例では、多段噴射モードを、燃料を吸気行程と圧縮行程でそれぞれ噴射する２段噴射モードとしたが、燃料を吸気行程で２回噴射する２段噴射モードや、燃料を吸気行程で２回と圧縮行程でそれぞれ噴射する３段噴射モードなどとしてもよい。

本発明に係る筒内噴射式エンジンの制御装置は、吸気弁の閉弁時期を変更可能とすると共にシングル噴射モードと多段噴射モードとを切換可能とし、多段噴射モード時の吸気弁の閉弁時期をシングル噴射モード時の吸気弁の閉弁時期よりも下死点側に設定するもので、筒内噴射式のエンジンであれば、気筒数や型式などに拘わらずいずれのエンジンにも本発明の装置を適用することができる。

本発明の一実施例に係る筒内噴射式エンジンの制御装置のブロック構成図である。本実施例の筒内噴射式エンジンの制御装置による制御のフローチャートである。吸気弁の開閉状態を表すグラフである。吸気弁の閉弁タイミングに対するエンジン運転状態を表すグラフである。

符号の説明

１０筒内噴射式エンジン
１２点火プラグ
１３インジェクタ
１４燃焼室
２１吸気弁
３２スロットルポジションセンサ
３７クランク角センサ
３８アクセル開度センサ
３９バルブタイミング可変機構
４０電子制御ユニット、ＥＣＵ（噴射モード制御手段、バルブタイミング制御手段）

Claims

少なくとも吸気弁の閉弁時期を変更可能なバルブタイミング可変手段と、
１作動サイクルの燃料を１回で噴射するシングル噴射モードと１作動サイクルの燃料を複数回に分けて噴射する多段噴射モードとを切換可能な噴射モード制御手段と、
前記バルブタイミング可変手段による前記多段噴射モード時における前記吸気弁の閉弁時期を前記シングル噴射モード時における前記吸気弁の閉弁時期よりも進角側に設定するバルブタイミング制御手段とを具え、
前記噴射モード制御手段は、
前記多段噴射モードから前記シングル噴射モードに切換えるとき、
前記バルブタイミング制御手段により前記吸気弁の閉弁時期が遅角側に変更されたことを条件として、
前記シングル噴射モードへの切換えを許可する
ことを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。