JP4114008B2 - ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式エンジンの制御装置に関し、特にターボ過給機を備え、吸気弁が開弁している時に、燃料を燃焼室内に直接噴射する直噴エンジンの燃料噴射制御技術に属すものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、エンジンの気筒内壁とシリンダヘッド下面とピストン頂部等とにより規定される燃焼室に点火プラグを配置し、この点火プラグにより、燃料と吸気とを含む混合気を着火させて燃焼トルクを得る火花点火式エンジンに関し、燃料噴射弁を燃焼室に臨むように配置させて、この噴射弁から燃焼室内に向けて燃料を直接噴射する、いわゆる直噴エンジンは知られている。
【0003】
また、下記特許文献1には、このような火花点火式の直噴エンジンにおいて、当該エンジンの排気エネルギーを利用して吸気を過給するターボ過給機を設けた、ターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの燃料噴射制御について開示されている。この特許文献1は、加速初期において、吸気行程と圧縮行程とで、燃料を分割噴射することにより、排気エネルギーを増大して排気ガス温度を上昇させて、加速時におけるターボ過給機のターボラグを防止する技術についても開示している。
【0004】
また、下記特許文献2には、火花点火式の直噴エンジンにおいて、吸気行程中に燃料噴射する場合、吸気弁の開弁量(リフト量)が最大近傍となる期間中は燃料噴射を禁止し、煤などの発生を抑制する技術が開示されている。
【0005】
具体的には、こうした直噴エンジンの燃焼室を、気筒内を往復動するピストンの往復動方向から見て、点火プラグは燃焼室内の中心部近傍に配置され、吸気弁及び排気弁は点火プラグの外周側に配置され、燃料噴射弁は、吸気弁が位置する方向で、吸気弁よりも更に外周側に配置されており、このような構造に対して、燃料は、燃料噴射弁から点火プラグのスパーク部か、あるいはスパーク部より若干ピストン側の位置、つまりエンジン上下方向における若干下側の位置に指向して噴射される。こうした構成において、吸気弁の開弁量が大きい状態で燃料噴射すると、燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が、開弁した吸気弁に付着してしまい、これにより煤が発生されるといった問題がある。そこで、噴射燃料が吸気弁に付着しないように噴射時期を制御することで、煤発生の防止を図っている。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−54894号公報
【0007】
【特許文献2】
特開平08−8578号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の特許文献1に開示されるターボ過給機付きのエンジンでは、排気ガス温度の上昇によりターボ過給機におけるターボラグの改善を図っているが、吸気行程と圧縮行程とで燃料噴射を実行するとスモークが多く発生するといった問題がある。これは、加速時において大量の燃料を圧縮行程中に噴射するために、このような噴射形態では、圧縮行程における燃料噴射の実行時期から点火時期までの期間が短く燃料の気化霧化が不十分となり、このような状態で混合気が着火されることに起因してスモークが多く発生していると思われる。
【0009】
これに対し、スモークを低減させるために、圧縮行程での燃料噴射を禁止して吸気行程で燃料噴射することも考えられるが、単に吸気行程中に噴射実行するだけでは、排気エネルギーを効率良く利用して、ターボラグを改善することはできない。
【0010】
また、上述の特許文献2に開示されるように、火花点火式直噴エンジンにおいては、吸気行程中に燃料噴射すると、煤などのスモークの発生が問題となる場合があり、燃料噴射時期を適切に設定しなければ、スモークの発生抑制とターボラグ改善との両立は困難である。
【0011】
本発明は、以上のような課題に勘案してなされたもので、その目的は、ターボ過給機付きの火花点火式直噴エンジンにおいて、吸気行程中における燃料噴射の実行時期を工夫することにより、スモークの発生を抑制しつつ、ターボラグの改善を図ることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の請求項1記載の発明においては、エンジンの燃焼室から排出される排気ガスにより、吸気を過給するターボ過給機と、吸気通路と該燃焼室とを連通可能にするとともに、吸気行程の少なくとも所定の期間において開弁することにより、該ターボ過給機により過給された吸気を該燃焼室に供給する吸気弁と、該燃焼室内に燃料を直接噴射するとともに、該燃焼室をピストン往復動方向から見た状態において、燃料が、該燃焼室の外周側から該燃焼室内に配置された点火プラグ近傍に指向して噴射されるよう配置された燃料噴射弁と、該燃料噴射弁による燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えたターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記噴射時期制御手段は、吸気行程で燃料噴射時期が設定される場合において、上記吸気弁の開弁量が最大となる最大開弁時期の近傍で燃料噴射を規制する規制期間を設け、エンジンが定常運転状態のときには、吸気行程中で規制期間より進角側となる第1期間に燃料噴射を実行し、定常運転状態からの加速時における加速初期には、吸気行程中で規制期間より遅角側の第2期間に燃料噴射を実行するよう制御することを特徴としている。
【0013】
このような構成により、エンジンが定常運転状態のときは、吸気行程中での燃料噴射によりスモークが発生し易い規制期間を避けて、規制期間よりも進角側の第1期間で燃料噴射を実行するので、元来スモークの発生が少ない吸気行程中における燃料噴射を、更にスモークの発生を抑制しながら実行することが可能となる。また、この時は、燃料噴射が早い時期に実行されることとなるため、噴射実行から点火実行までの長い期間に亘って、燃料が十分に吸気と混合されることになり、燃焼により生成されるHC(炭化水素)を低減できる。
【0014】
また、加速時における加速初期には、吸気行程中において規制期間よりも遅角側の第2期間で燃料噴射が実行されるが、この時、気筒内においてピストンは下死点側に下がった状態となっており、こうした状態で噴射された燃料は、気筒内の吸気流動によって空気とのミキシングが向上するとともに気化潜熱によって短時間で気筒内の吸気温度を低下させる。これにより、多くの吸気の気筒内への吸入が促進され、吸気充填量の増大が図られて、排気ガス量が増大することから、ターボ過給機の過給性能を向上できる。また、上述した燃料と空気とのミキシング向上により、燃焼性が促進されてスモークの発生の抑制も可能となる。従って、加速時における加速初期には、吸気行程中で、然も規制期間を避けて燃料噴射を実行することにより、スモークの発生を抑制できるとともに、吸気充填量の増大に起因するターボ過給機の過給性能を向上させて、ターボラグの改善も図れる。
【0015】
請求項2記載の発明は、請求項1において、上記噴射時期制御手段は、加速開始後、上記ターボ過給機により増大するエンジントルクが所定値に近づくような加速後期で、燃料噴射を第1期間に実行するよう制御することを特徴としている。
【0016】
燃料噴射を第2期間で実行すると、燃料噴射を第1期間で実行するのに比べ、燃焼により燃焼室から排出されるHCが比較的多くなる。
【0017】
しかしながら、請求項2に係る構成により、加速中であっても、ターボ過給機によりエンジントルクが高められた後の加速後期には、燃料噴射を第1期間に実行するので、加速中において高トルクを維持しつつ、燃焼室からのHCの排出を全体的に抑制できる。
【0018】
請求項3記載の発明は、請求項1において、上記噴射時期制御手段は、加速開始後、上記ターボ過給機により増大するエンジントルクが所定値に近づくような加速後期で、燃料噴射を第1期間及び第2期間に実行するよう制御することを特徴としている。
【0019】
このような構成により、規制期間を除いた吸気行程中期付近において、気筒内の吸気流動が速い状態での燃料噴射が可能となることから、噴射燃料と空気とのミキシング性が向上でき、加速中において高トルク維持しつつ、燃焼室からのスモークの排出とHCの排出とを全体的に抑制できる。
【0020】
請求項4記載の発明は、請求項1において、上記ターボ過給機により過給された吸気の過給圧が所定値以上となった時に、該ターボ過給機上流の排気ガスの一部を該ターボ過給機の下流にバイパスするよう開弁動作するウエストゲートバルブを備え、エンジンの定常運転状態とは、エンジンの運転状態が、吸気通路に配置されて吸気量を調整するスロットル弁が全開の時に該ウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転数域内にあることを特徴としている。
【0021】
このような構成により、吸気通路に配置されたスロットル弁が全開の時に、ターボ過給機に供給される排気ガスをバイパスするウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転域となる運転状態からの加速時においてのみ、第2期間における燃料噴射が実行されることになる。従って、エンジン回転数が低回転域となる定常運転状態では、第2期間での燃料噴射は実行されないため、燃焼室からのHC排出が抑制できる。また、この定常運転状態は、ターボ過給機による過給能力が低い状態であり、この運転状態からの加速時においてのみ、第2期間で燃料噴射を実行させることにより、HC排出量の増大を抑制しつつ、低回転状態により不足する排気エネルギーを補って、ターボラグの縮小とHC排出量の低減とが図れる。
【0022】
請求項5記載の発明は、エンジンの燃焼室から排出される排気ガスにより、吸気を過給するターボ過給機と、吸気通路と該燃焼室とを連通可能にするとともに、吸気行程の少なくとも所定の期間において開弁することにより、該ターボ過給機により過給された吸気を該燃焼室に供給する吸気弁と、該燃焼室内に燃料を直接噴射するとともに、該燃焼室をピストン往復動方向から見た状態において、燃料が、該燃焼室の外周側から該燃焼室内に配置された点火プラグ近傍に指向して噴射されるよう配置された燃料噴射弁と、該燃料噴射弁による燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えたターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置において、上記噴射時期制御手段は、吸気行程で燃料噴射時期が設定される場合において、上記吸気弁の開弁量が最大となる最大開弁時期の近傍で燃料噴射を規制する規制期間を設け、エンジンが定常運転状態のときは、吸気行程中で規制期間より進角側となる第1期間、あるいは、吸気行程中で規制期間より遅角側となる第2期間の少なくとも一方で燃料噴射を実行するとともに、定常運転状態からの加速時における加速初期では、第1期間及び第2期間で燃料噴射を実行し、且つ第2期間で実行される燃料噴射の噴射量を、第1期間で実行される燃料噴射の噴射量より多くしたことを特徴としている。
【0023】
このような構成により、加速時における加速初期には、吸気行程中で然も規制期間を避けて、ピストンの往復動速度が速く、気筒内の吸気流動が速い期間内で、燃料噴射を実行するため、これによりスモークの発生を大幅に抑制できる。また、第2期間における燃料噴射量を第1期間における燃料噴射量よりも増量して、第2期間での噴射を実行することにより、吸気充填量増大に起因して排気ガス量も増大でき、これによりターボ過給機の過給性能も向上させて、ターボラグの改善も図れる。
【0024】
請求項6記載の発明は、請求項5において、上記ターボ過給機により過給された吸気の過給圧が所定値以上となった時に、該ターボ過給機上流の排気ガスの一部を該ターボ過給機の下流にバイパスするよう開弁動作するウエストゲートバルブを備え、エンジンの定常運転状態とは、エンジンの運転状態が、吸気通路に配置されて吸気量を調整するスロットル弁が全開の時に該ウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転域内にある状態であって、上記噴射制御手段は、この低回転域内におけるより低回転状態の時には、第1期間、あるいは第2期間の一方で燃料噴射を実行するとともに、該低回転域内における高回転状態の時には、第1期間及び第2期間の双方で燃料噴射を実行するよう制御することを特徴としている。
【0025】
このような構成により、エンジン回転数が低い低回転域内において、比較的エンジン回転数が高い運転状態からの加速時には、吸気行程中で、然も規制期間を避けた規制期間の前後の双方で、燃料噴射を実行することにより、気筒内の吸気流動がより速い状態での燃料噴射が可能となり、燃料と空気とのミキシング向上により、スモークの発生を大幅に抑制できる。
【0026】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0027】
(全体構成)
図1に示すように、本発明にかかるターボ過給機付火花点火式直噴エンジン1(以下、「エンジン1」という。)は、車両(図示せず)に対し、車輪(図示せず)を駆動可能に搭載される。また、エンジン1は、2つの吸気弁2(1つの吸気弁しか図示せず)が開かれたときには、吸気通路3から気筒1aに形成される燃焼室4内に燃料燃焼用の吸気を吸入するようになっている。そして、この燃焼室4内に、所定の時期で燃料噴射弁5から燃料(ガソリン)が直接噴射され、混合気が形成される。
【0028】
この混合気は、ピストン6によって圧縮され、所定の時期で点火プラグ7(火花点火装置)により点火されて燃焼する。燃焼ガスすなわち排気ガスは、排気弁8が開かれたときに排気通路9に排出される。
【0029】
燃料噴射弁5には、燃料供給通路10を介して、高圧燃料ポンプ11によって燃料が供給される。このように、高圧燃料ポンプ11が用いられているので、燃焼室4内が高圧となる圧縮行程後半でも支障なく燃料噴射を行うことができる。燃料噴射弁5はスワールノズル型インジェクタであって、燃料噴射孔が形成された燃料噴射弁5の先端部が燃焼室4に直接臨むように配置されている。また、ピストン6の頂部にはキャビティ6aが形成されている。
【0030】
吸気通路3には、吸気の流れ方向にみて、上流側から順に、吸入空気量を調整可能なスロットル弁12と、吸気の流れを安定させるサージタンク3aと、燃焼室4内においてタンブルを生成するために燃焼室4に対する吸気の流入方向を調整する流動制御弁13とが設けられている。ここで、スロットル弁12は、後述のコントロールユニット22(ECU)から出力される制御信号に応じて作動する電気式アクチュエータ12aによって駆動される。なお、吸気通路3に、スロットル弁12をバイパスするバイパス通路を形成し、このパイバス通路にバイパス弁を設けて開閉することにより、アイドル運転時に吸入空気量を制御するアイドル回転数制御装置を構成させることもできる。
【0031】
スロットル弁12より上流側の吸気通路3には、上流から順に、大気から直接吸入された吸気に含有される埃などを除去するエアクリーナ(図示せず)、吸入空気量を検出するエアフローセンサ(図示せず)、後述するターボ過給機15のコンプレッサ15b及びインタークーラー18が設けられている。
【0032】
排気通路9には、排気流れ方向にみて上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度ひいては空燃比をリニアに検出するリニアO2センサ14(尚、理論空燃比、つまりλ=1の近傍で出力が逆転する通常のλO2センサでもよい)と、ターボ過給機15のタービン15aと、第1触媒コンバータ16aと、第2触媒コンバータ16bとが設けられている。
【0033】
ターボ過給機15は、排気ガス流との接触により回転されるタービン15aと、タービン15aと機械的に連結されるとともに、吸気通路3に設けられて、タービン15aの回転に応じて回転することで吸気を過給可能なコンプレッサ15bとから成っている。また、コンプレッサ15bにより過給されて高温となった吸気を走行風などにより冷却して燃焼室4内における吸気充填量を増大させるインタークーラ−18が、コンプレッサ15bとスロットル弁12との間の吸気通路3に設けられている。
【0034】
また、排気通路9において、タービン15aの上流と下流とをバイパスするバイパス通路17aには、ウエストゲートバルブ17bが設けられている。ウエストゲートバルブ17bは、ダイヤフラムタイプのアクチュエータ17cに対して、吸気通路6においてコンプレッサ15bとスロットル弁12との間の過給された吸気が導入されるよう構成されており、これにより開閉駆動される。具体的には、過給された吸気の過給圧(正圧)が大気圧より大きいものの所定圧力以下では、ウエストゲートバルブ17bが閉成状態となり、排気ガスの略全量がタービン15aを通過して過給されることになるが、過給圧が所定圧力より大きくなる場合には、ウエストゲートバルブ17bの開成により、排気ガスの一部がタービン15aをバイパスして過剰な過給が抑制され、エンジン1の信頼性が維持される。この場合、スロットル弁12が全開となる状態において、過給圧が所定圧力となりウエストゲートバルブ17bが閉弁状態から開成への移行を開始する時のエンジン回転数を、一般に、インターセプト回転数と呼んでいる。
【0035】
第1触媒コンバータ16a、第2触媒コンバータ16bの双方には、ハニカム担体(図示せず)が装填され、このハニカム担体の表面に、排気ガスの雰囲気が、理論空燃比相当の排気ガス雰囲気を挟んで、周期的に酸化雰囲気と還元雰囲気とに切換わることで、排気ガス中のNOx、HC、CO等を浄化可能な三元触媒材料がコートされている。尚、いずれの触媒コンバータ16a、16bも、その温度が活性化温度以上になると十分な浄化力を発揮するが、その温度が活性化温度より低いと、十分な浄化力は得られない。
【0036】
尚、タービン15aとリニアO2センサ14との間に、触媒コンバータ16aを配置しても良い。
【0037】
エンジン1には、排気通路9内の排気ガスの一部を吸気通路3に戻すEGR通路19(EGRは、”Exhaust Gas Recirculation”の略称)が設けられ、このEGR通路19に、EGRガス流量を制御するEGR制御弁20が介設されている。
【0038】
また、吸気弁2は、可変バルブタイミング機構21により、運転状態に応じて、その開弁時期及び閉弁時期を変えることができる。
【0039】
コントロールユニット22は、エンジン1の総合的な制御装置であって、各種制御情報に基づいて種々のエンジン制御を行うようになっている。具体的には、コントロールユニット22には、エアフローセンサから吸入空気量情報、車室内に設けられたアクセルペダル(図示せず)のアクセル開度情報、ピストン6の往復動により回転されるクランクシャフト(図示せず)のクランク角情報、エンジン冷却水のエンジン水温情報(エンジン温度)、リニアO2センサ14からの空燃比情報等の各種制御情報が入力される。そして、コントロールユニット22は、これらの制御情報に基づいて、燃料噴射弁5の燃料噴射量制御及び噴射時期制御を含む燃料噴射制御、点火プラグ7の点火時期の制御(点火時期制御)、スロットル弁12の開度の制御、EGR制御弁20の開度の制御、流動制御弁13の開度の制御、吸気弁2の開弁期間及び開閉タイミングの制御等を行う。
【0040】
尚、本実施形態におけるエンジン1の燃料噴射制御においては、エンジン1の運転状態が、高回転及び高負荷状態以外の領域では、排気ガス中の酸素濃度に基づいて、空燃比が理論空燃比近傍となるよう空燃比のフィードバック制御が実行される。
【0041】
次に、図2を参照して、燃料噴射弁5から噴射される燃料の噴霧形態について詳細に説明する。
【0042】
図2に示すように、燃料噴射弁5の噴射口5aは、吸気通路3と燃焼室4との連通開口2aのピストン6の往復動方向における下側(クランクシャフト側)の燃焼室4内壁に位置しており、ピストン6の往復動方向から見ると、吸気弁2の外周側付近、つまり2つの吸気弁2の間の気筒1aの外周側に位置している。燃料は、この噴射口5aから、往復動方向の斜め下側に向けて、且つ円錐形状で、微粒化されて噴射される。具体的には、燃料噴射弁の傾斜角θ1(略円錐形状となる噴霧の中心線についての傾斜角θ1’と実質同じ)は、水平面(つまり、往復動方向に対して垂直な面)に対して25°から40°の間に設定されるとともに、噴霧角θ2は35°から50°の間(但し、大気圧条件下における値)に設定されている。
【0043】
更に、こうした燃料噴射による噴霧の到達距離は、噴霧の上側(点火プラグ7側)では、点火プラグ7のスパーク部7aか、あるいはこれよりも少し下側の位置を若干通過し、且つ排気弁8や、気筒1aの排気弁8側の内壁よりも短い距離に設定されている。
【0044】
以上のように噴霧領域Sを規定することにより、燃料の一部の気筒1a内壁への付着が防止されるとともに、スパーク部7a周辺に燃料を適度に存在させることができ、HCの排出量を低減しつつ、着火性向上が図れることになる。
【0045】
ところで、上述のように、着火性向上のために燃料の噴霧領域Sを規定した場合には、次のような問題が生じる。
【0046】
つまり、吸気行程中で吸気弁2が開弁している状態で燃料噴射弁5から燃料噴射する場合において、吸気弁2の開弁量(リフト量)が最大近傍となるときに燃料噴射されると、図2に示すように、噴霧領域S内に、吸気弁2の弁体の一部が位置することとなり、これにより吸気弁2の弁体に、噴射された燃料の一部が大量付着することになる。
【0047】
このように付着した燃料は、実質的に気化霧化されず、その後の燃焼によりスモークを発生させ、こうして発生したスモークは排気ガスとともに燃焼室から排出されて、エミッションを悪化させる。
【0048】
図3は、このような現象を示す実験結果であり、エンジン1の吸気行程中において、燃料噴射開始時期(燃料噴射の実行は1回)を変化させた場合におけるスモーク発生量(燃焼室からの排出量)、トルク(エンジントルク)を示すものである。また、後述するように最適な燃料噴射時期の設定を検討するために、吸気充填量、HCの燃焼室からの排出量をも同時に示している。
【0049】
この図から分かるように、吸気弁2の開弁量が最大近傍となる吸気行程上死点(TDC)後略80°クランク角(以下、クランク角をCAとする。)から略120°CAとなる規制期間DRでは、燃料噴射弁5から噴射された燃料の一部が開弁した吸気弁2に付着するため、スモークの発生量が増大するとともにトルクも若干低下している。
【0050】
また、燃料噴射開始時期をこの規制期間DRよりも徐々に進角させると、スモーク発生量は徐々に低下するものの、その後TDCに近づくにしたがって増大する。この時、HC排出量はスモーク発生量と略同様の傾向を示し、トルク及び吸気充填量は、燃料噴射開始時期がTDCに近づくにしたがって減少する。
【0051】
一方、燃料噴射開始時期を規制期間DRより徐々に遅角させると、スモーク発生量は徐々に低下した後、BDC(吸気行程下死点)付近から徐々に急増する。この時、トルクは、BDCに近づくにしたがって大きく減少し、吸気充填量は、徐々に増大し、HC排出量は、徐々に増大した後BDC付近から急増する。
【0052】
スモーク発生量やトルクが、燃料噴射開始時期を規制期間DRよりも少し進角側、あるいは遅角側に設定することで向上する理由は、気筒1a内の吸気流動が速い状態となる吸気行程中の所定クランク角範囲(つまり、クランク機構の幾何学的関係においてピストン6の往復動に伴う速度が速くなり、吸気流動がや早くなるTDC付近とBDC付近のクランク角期間を除いた範囲)で燃料噴射されることにより、噴射された燃料と空気とのミキシングが良好となり、更に、噴射された燃料の吸気弁2への付着量が徐々に減少するためである。
【0053】
また、燃料噴射開始時期をTDCやBDCに近づける程、スモーク発生量やトルクが悪化する理由は、噴射された燃料のピストン6の頂部等への付着量が増量することと、気筒1a内の吸気流動が遅く噴射燃料と空気とのミキシング性が低下することに起因して、燃料の気化霧化が全体的に促進されていないことによるためと考えられる。
【0054】
また、燃料噴射開始時期を、吸気行程中において徐々に遅角させることで、吸気充填量が増大する理由は、燃料噴射に起因する吸気冷却効果に起因するものと考えられる。つまり、噴射燃料の気化により周辺の吸気は冷却されて、これにより吸気の体積は縮小され、より多くの吸気を燃焼室4内へ導入させることが可能となる。従って、吸気行程の後期で燃料噴射した場合、このような吸気冷却により、吸気弁2の閉弁直前で大量の吸気を燃焼室4内に導入させることができる。一方で、吸気行程前期で燃料噴射した場合は、一旦はこのような吸気冷却効果が得られるものの、ピストン6の下降にしたがって折角冷却された吸気が気筒1a壁面などに接触して暖められしまい、吸気弁2が閉弁する時点では、吸気冷却効果が得られなくなってしまう。従って、吸気行程前期で燃料噴射されても、吸気充填量は増量されない。
【0055】
また、燃料噴射開始時期を、吸気行程の前期の中間ぐらいに設定することでHC排出量が改善する理由は、上述の気筒1a内の速い吸気流動の利用に加えて、燃料噴射を早期に行うことで点火までの期間が長くなるため、この間で噴射された燃料の気化霧化が長時間に亘って促進されるためである。尚、噴射時期をTDC近傍まで進角させると、噴射された燃料がピストン6の頂部などに大量に付着してしまい、この大量の付着燃料によりHCが悪化するものと考えられる。
【0056】
(燃料噴射制御)
以上のような、実験結果に基づき、ターボ過給機15を搭載した直噴エンジン1に関する本実施形態においては、燃料噴射時期を図4に示すように設定する。
【0057】
エンジン回転数が、インターセプト回転数以下となる運転領域における定常運転状態、具体的には、低回転及び低負荷状態となる運転領域(但し、中回転及び中負荷状態での運転領域を含んでも良い)での定常運転状態では、規制期間DRから進角した第1期間D1内の所定時期で、 燃料噴射を実行する。この第1期間D1とは、気筒1a内の吸気流動が速く、スモークの発生量が少ない領域であり、この時は、トルクも比較的大きく、HC排出量も少ないが、吸気充填量はやや小さいために排気ガス量(つまり、排気エネルギー)はそれ程大きくはない。具体的には、第1期間D1は、吸気行程上死点後で、40°CAから80°CAの範囲が好ましい。尚、燃料噴射を第1期間D1より更に進角させて実行すると、スモークの発生量及びHC排出量が増大し、トルクも低下する。
【0058】
エンジンの運転状態が、このような定常運転領域から加速に移行した場合、この加速開始直後の加速初期は、燃料噴射を第2期間D2内の所定時期で実行する。この第2期間D2とは、規制期間DRから遅角した期間で、気筒1a内の吸気流動が速く、スモークの発生量が少ない領域で、この時は、トルクも大きく、吸気充填量も大きいために排気エネルギーを増大できターボ過給機15の過給効率を向上できる。一方、HC排出量は、第1期間D1で燃料噴射を実行した場合に比べ大きくなる。具体的には、第2期間D2は、吸気行程上死点後、120°CAから160°CAの範囲(吸気行程下死点前、20°CAから60°CA)が好ましく、燃料噴射を第2期間D2より更に遅角させて実行すると、スモークの発生量及びHC排出量が増大し、トルクも低下する。
【0059】
加速開始後の加速後期で、例えば、エンジンのトルクが、全開トルク(スロットル弁12の開度が全開状態における定常運転時において、この状態で得られる吸気充填量に対して発生可能なエンジンのトルクで、エンジン回転数毎変化するもの。)に近づくようになり、過給によるトルク増大効果が十分得られるようになると、燃料噴射時期を、第1期間D1に戻して、HC排出量が少ない状態で加速を行う。
【0060】
このように燃料噴射時期を制御することで、定常運転時や過給によるトルク増大効果が十分得られる加速後期では、スモークとHCとの発生を抑制でき、早急に過給が必要となる加速初期では、スモークの発生を抑制しつつ、吸気充填量を増量してターボ過給機15のターボラグを改善できる。
【0061】
尚、加速後期においては、燃料噴射を第1期間D1と第2期間D2との双方で実行し、加速完了後に第1期間D1に戻すようにしてもよく、この場合には、規制期間DRを除いた吸気行程中期付近において、気筒1a内の吸気流動が速い状態での燃料噴射が可能となり、更に、第1期間D1で噴射された燃料に対して第2期間D2で噴射された燃料が重ならないことから(つまり、大量の燃料を一括で噴射する場合において、噴射初期の燃料噴霧に、その後に噴射された燃料の噴霧が重なることがないことから)、噴射された燃料と空気とのミキシング性が向上し、スモークとHCとの発生を抑制しつつ、高いトルクが確保できる(図4の破線で示す噴射の一形態を参照)。
【0062】
次に、本実施形態における制御手順について、図5の制御フローチャートを参照して詳細に説明する。
【0063】
図5は、クランク角が所定角度になる毎にスタートするフローチャートを示しており、スタート後、ステップS1で、クランク角情報や吸入空気量情報等を入力する。尚、クランク角情報に基づいてエンジン回転数が決定され、吸入空気量情報に基づいてエンジン負荷が決定される。また、エンジンコントロールユニット22は、この燃料噴射制御とは別に、アクセル開度信号等に基づいてスロットル弁12の開度を制御しており、これにより吸入空気量は調整される。
【0064】
次に、ステップS2で、低回転且つ低負荷運転領域からの急加速か否かを判断し、加速要求が高い急加速であれば、ステップS3へ、そうでなければ定常運転状態、若しくは緩加速状態、若しくはターボラグが極めて小さい高回転領域からの急加速状態であるとしてステップS4へ進む。この時の急加速の判定は、エンジン回転数がインターセプト回転数以下となる低回転域内で、吸入空気量の変化割合(単位時間当たりの変化量)が所定値以上となった時に加速と判断する。尚、急加速判定はこれに限定されるものではなく、エンジン回転数がターボ過給機15の特性に基づくインターセプト回転数以下の低回転域内で、アクセル開度の変化量、あるいはそのなまし値等の関連値が所定値以上となった時に基づいて判定しても良い。
【0065】
ステップS4では、制御マップ(図示せず)に基づいて噴射形態を設定する。具体的には、制御マップは、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷とし、これらに基づいて、各運転状態毎、燃料噴射時期の形態と噴射量とが記憶されるものであって、これにより、エンジン回転数が低回転域内となる運転状態では、燃料噴射時期を第1期間D1内の所定時期に設定する。また、エンジン回転数がインターセプト回転数以上となる高回転域では、高出力が要求されるため、吸入空気量の変化割合の大小に拘わらず(つまり、急加速、緩加速に拘わらず)、燃料噴射時期を第1期間D1内の所定時期と第2期間D2内の所定時期との2回に設定する。
【0066】
尚、この制御マップにおいて燃料噴射量は、エンジン回転数が大きい程、あるいは、エンジン負荷が大きい程、増量設定されている。
【0067】
ステップS3では、加速初期か否かを判断し、加速初期であればステップS5へ、加速初期ではなく加速後期であると判断された場合ステップS6へ進む。
【0068】
この時の判断は、図6の制御マップにより判断されるもので、この制御マップによると、予めエンジン回転数に応じてエンジン1の全開トルクが求められている。加速判定時で、現在のエンジン回転数における現在のトルクが、図6の制御マップのラインLより小さい時(同図のA点)は、加速初期と判断され、その後、現在のトルクが、ラインLとラインLに対し所定トルクだけ少ないラインL’との間で規定される範囲内となり、ラインLに近づいた時(同図のB点)は、加速後期であると判断している。尚、現在のトルクは、吸入空気量と燃料噴射量とにより求める。
【0069】
尚、加速初期の判定はこれに限定されるものではなく、例えば、加速開始後、所定時間経過までを加速初期と判断して、所定期間経過後を加速後期と判断しても良い。
【0070】
ステップS5では、加速初期であるので、燃料噴射時期を第2期間D2内の所定時期に設定する。ステップS6では、加速後期であるので、燃料噴射時期を第1期間D1内、あるいは第1期間D1内の所定時期及び第2期間D2内の所定時期に設定する。尚、これらステップS5、S6においては、燃料噴射量は、ステップS4の制御マップの燃料噴射量特性と同様に設定された燃料噴射量用制御マップにより設定される。
【0071】
ステップS4、S5、S6において、それぞれ燃料噴射形態を設定した後は、燃料噴射弁により、設定された燃料噴射時期となったときに、設定された燃料噴射量で、燃料噴射を実行し(ステップS7)、リターンする。
【0072】
(第2の実施形態)
本発明の第1の実施形態においては、加速初期において、燃料噴射を第2期間D2内でのみ実行するエンジン1について記載したが、これに代えて、加速初期に燃料噴射を、第1期間D1と第2期間D2との双方で実行しても良く、以下、これについて、詳細に説明する。この場合、第2の実施形態の全体構成や基本的な制御等は、第1の実施形態と同じである。
【0073】
図7に示すように、第1の実施形態と同様に、定常運転状態では、燃料噴射を第1期間D1内の所定時期に実行する。尚、運転状態に応じて、燃料噴射を、第2期間D2内の所定時期に追加的、あるいは第1期間D1内での燃料噴射に代えて、実行しても良い(図7の破線で示した燃料噴射Fadd参照)。具体的には、運転状態が、定常運転状態であって、エンジン回転数が低回転側の領域では、第1期間D1内での所定時期に燃料噴射するか、第2期間D2内での所定時期に燃料噴射するとともに、運転状態が、定常運転状態であって、エンジン回転数が高回転側の領域では、第1期間D1内での所定時期と、第2期間D2内での所定時期に夫々燃料噴射しても良い。
【0074】
加速初期及び加速後期では、燃料噴射は、第1期間D1及び第2期間D2のそれぞれ所定の時期で噴射される。この場合、燃料噴射量は、加速初期では、第2期間D2での燃料噴射における噴射量の方が、第1期間D1での燃料噴射における噴射量よりも多くなる。一方、加速後期では、燃料噴射量は、第2期間D2での燃料噴射における噴射量の方が、第1期間D1での燃料噴射における噴射量よりも少なくなる。
【0075】
このような構成によっても、規制期間DRを除いた吸気行程中期付近において、気筒1a内の吸気流動がより速い状態での燃料噴射が可能となり、更に、第1期間D1で噴射された燃料に対して第2期間D2で噴射された燃料が重ならないことから、噴射された燃料と空気とのミキシング性が向上し、スモークとHCとの発生を抑制しつつターボラグが改善できる。
【0076】
(他の実施形態)
尚、上述の実施形態においては、高回転且つ高負荷の運転状態以外の領域で、エンジン1の空燃比を理論空燃比にして運転を実行するエンジンについて説明したが、これに限定されるものではなく、これに代えて、エンジン1が、所謂リーンバーン運転を行うリーンバーンエンジンであっても良い。つまり、リーンバーンエンジンでは、図8に示すように、エンジンの運転状態が、低回転及び低負荷となる領域R1では、エンジンの空燃比(A/F)を、理論空燃比(A/F=14.7)よりもリーンとなる例えば18から50ぐらいに設定しており、この時、燃料噴射を、圧縮行程中期から後期までの所定時期に実行する。また、領域R1より高回転、高負荷側の領域R2では、空燃比を理論空燃比に設定されており、この時、燃料噴射を、吸気行程における第1期間D1内あるいは第2期間D2内の、所定時期に設定する。
【0077】
このようなエンジンにおいて、運転状態が領域R1で定常運転を実行している時には、燃料噴射は、圧縮行程の中期に実行されて成層燃焼によるリーンバーンが実行される(図8のC1)。この状態から加速が判定されると、運転状態が領域R1内であったとしても、加速初期では、燃料噴射を吸気行程における第2期間D2内の所定時期で実行する(図8のC2)。この時、全燃料噴射量の半分以下の燃料を、追加的に第1期間D1内の所定期間で実行しても良い。その後、加速後期に移行すると、燃料噴射を吸気行程における第1期間D1内の所定時期で実行する。
【0078】
このような構成により、ターボ過給機付き直噴リーンバーンエンジンにおいても、加速中のスモークの発生を抑制しつつ、加速初期におけるターボ過給機15のターボラグを改善して加速性能の向上が図れる。
【0079】
また、以上の実施形態においては、第1期間D1内、あるいは第2期間D2内における所定時期の燃料噴射を1回として説明したが、第1期間D1内で複数回に分けて噴射を実行したり、あるいは第2期間D2内で複数回に分けて噴射を実行するものであっても構わない。
【0080】
また、以上の実施形態において、燃料噴射弁5としてスワールノズル型インジェクタを用いたが、これに限定されず、例えば、燃料噴射弁5としては噴霧角が狭角で貫徹力の高いタイプを使用し、ピストン6が上死点側に位置している状態で、燃料をピストン6の頂部や吸気流動に衝突するように噴射させるものであっても良い。
【0081】
また、可変バルブタイミング機構21により吸気弁2が最大開弁量となる時期を運転状態に応じて求め、第1期間D1及び第2期間D2を、これに基づいて運転状態に応じて変更されるように制御してもよい。
【0082】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る第1発明においては、エンジンが定常運転状態のときは、吸気行程中において規制期間よりも進角側の第1期間で燃料噴射を実行するので、元来スモークの発生が少ない吸気行程中における燃料噴射を、更にスモークの発生を抑制して実行することが可能となる。また、この時は、燃料噴射が早い時期に実行されることとなるため、HCの生成を抑制できる。また、加速時における加速初期には、吸気行程中で規制期間よりも遅角側の第2期間で燃料噴射を実行するので、スモークの発生を抑制しつつ、吸気充填量の増大に起因するターボ過給機の過給性能向上により、ターボラグを改善できる。
【0083】
また、本発明に係る第2発明においては、加速時における加速初期には、吸気行程中で規制期間よりも遅角側の第2期間での燃料噴射を、第1期間での燃料噴射よりも噴射量を増量して実行するので、燃料の分割噴射により燃料と空気とのミキシング性を向上させることができ、これにより、スモークの発生を抑制しつつ吸気充填量の増大に起因するターボ過給機の過給性能を向上させて、ターボラグを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るエンジン1の概略を示す全体構成図。
【図2】燃料噴射弁5から燃焼室4内へ噴射される燃料の噴霧形態を示す概略図。
【図3】吸気行程において燃料噴射時期を変更した時のスモーク発生量等各種データに関する実験結果を示すグラフ。
【図4】第1の実施形態に係る燃料噴射動作の形態を示す模式図。
【図5】第1の実施形態に係る制御手順を示すフローチャート図。
【図6】加速初期の判定方法を説明する模式図。
【図7】第2の実施形態に係る燃料噴射動作の形態を示す模式図。
【図8】リーンバーンエンジンにおける運転状態を示す模式図
【符号の説明】
2:吸気弁
4:燃焼室
5:燃料噴射弁
7:点火プラグ
15:ターボ過給機
D1:第1期間
D2:第2期間
DR:規制期間
Claims (6)
- エンジンの燃焼室から排出される排気ガスにより、吸気を過給するターボ過給機と、
吸気通路と該燃焼室とを連通可能にするとともに、吸気行程の少なくとも所定の期間において開弁することにより、該ターボ過給機により過給された吸気を該燃焼室に供給する吸気弁と、
該燃焼室内に燃料を直接噴射するとともに、該燃焼室をピストン往復動方向から見た状態において、燃料が、該燃焼室の外周側から該燃焼室内に配置された点火プラグ近傍に指向して噴射されるよう配置された燃料噴射弁と、
該燃料噴射弁による燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えたターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
上記噴射時期制御手段は、吸気行程で燃料噴射時期が設定される場合において、上記吸気弁の開弁量が最大となる最大開弁時期の近傍で燃料噴射を規制する規制期間を設け、
エンジンが定常運転状態のときには、吸気行程中で規制期間より進角側となる第1期間に燃料噴射を実行し、定常運転状態からの加速時における加速初期には、吸気行程中で規制期間より遅角側の第2期間に燃料噴射を実行するよう制御することを特徴とするターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 上記噴射時期制御手段は、加速開始後、上記ターボ過給機により増大するエンジントルクが所定値に近づくような加速後期で、燃料噴射を第1期間に実行するよう制御することを特徴とする請求項1記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。
- 上記噴射時期制御手段は、加速開始後、上記ターボ過給機により増大するエンジントルクが所定値に近づくような加速後期で、燃料噴射を第1期間及び第2期間に実行するよう制御することを特徴とする請求項1記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。
- 上記ターボ過給機により過給された吸気の過給圧が所定値以上となった時に、該ターボ過給機上流の排気ガスの一部を該ターボ過給機の下流にバイパスするよう開弁動作するウエストゲートバルブを備え、
エンジンの定常運転状態とは、エンジンの運転状態が、吸気通路に配置されて吸気量を調整するスロットル弁が全開の時に該ウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転域内にあることを特徴とする請求項1記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - エンジンの燃焼室から排出される排気ガスにより、吸気を過給するターボ過給機と、
吸気通路と該燃焼室とを連通可能にするとともに、吸気行程の少なくとも所定の期間において開弁することにより、該ターボ過給機により過給された吸気を該燃焼室に供給する吸気弁と、
該燃焼室内に燃料を直接噴射するとともに、該燃焼室をピストン往復動方向から見た状態において、燃料が、該燃焼室の外周側から該燃焼室内に配置された点火プラグ近傍に指向して噴射されるよう配置された燃料噴射弁と、
該燃料噴射弁による燃料の噴射時期を制御する噴射時期制御手段とを備えたターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置において、
上記噴射時期制御手段は、吸気行程で燃料噴射時期が設定される場合において、上記吸気弁の開弁量が最大となる最大開弁時期の近傍で燃料噴射を規制する規制期間を設け、エンジンが定常運転状態のときは、吸気行程中で規制期間より進角側となる第1期間、あるいは、吸気行程中で規制期間より遅角側となる第2期間の少なくとも一方で燃料噴射を実行するとともに、定常運転状態からの加速時における加速初期では、第1期間及び第2期間で燃料噴射を実行し、且つ第2期間で実行される燃料噴射の噴射量を、第1期間で実行される燃料噴射の噴射量より多くしたことを特徴とするターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。 - 上記ターボ過給機により過給された吸気の過給圧が所定値以上となった時に、該ターボ過給機上流の排気ガスの一部を該ターボ過給機の下流にバイパスするよう開弁動作するウエストゲートバルブを備え、
エンジンの定常運転状態とは、エンジンの運転状態が、吸気通路に配置されて吸気量を調整するスロットル弁が全開の時に該ウエストゲートバルブが全閉から開成状態に移行するエンジン回転数よりも低回転域内にある状態であって、
上記噴射制御手段は、該低回転域内におけるより低回転状態の時には、第1期間、あるいは第2期間の一方で燃料噴射を実行するとともに、該低回転域内における高回転状態の時には、第1期間及び第2期間の双方で燃料噴射を実行するよう制御することを特徴とする請求項5記載のターボ過給機付火花点火式直噴エンジンの制御装置。
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