JP4521426B2 - 筒内噴射型内燃機関の制御装置 - Google Patents

筒内噴射型内燃機関の制御装置 Download PDF

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Description

本発明は燃焼室にインジェクタによって直接燃料を供給する筒内噴射型エンジンに関する発明である。
特許文献1に記載のように、吸気弁の開時期を遅らせ、吸気弁のリフト量を小さくし、吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタと筒内に燃料を噴射するインジェクタの両方で燃料を供給することで、機関の冷間始動後の燃焼安定化を図り、未燃燃料(以下、HC)の低減と早期の触媒暖機を行うことのできるデュアル噴射型内燃機関の制御技術が開示されている。
また、特許文献2に記載のように、吸気弁の開時期と燃料噴射時期を制御し、さらにリフト量を小さくすることで燃焼室内に吸気による流れをつくり、暖機運転時におけるピストン冠面およびシリンダ壁面への燃料付着を抑制することでHCの低減を行う筒内噴射型内燃機関の技術が開示されている。
特開2006−132398号公報 特開2000−8915号公報
機関の冷間時における始動直後は、触媒の暖機が完了していないため、触媒の処理能力(浄化能力)が十分ではない。このため、触媒の暖機が完了するまでの間に発生するHCを低減すると共に、触媒を早期活性化することが要求される。
特許文献1に記載の技術は、吸気ポートに燃料を噴射するインジェクタと筒内に燃料を噴射するインジェクタの両方を搭載したデュアル噴射型内燃機関に関する技術であり、吸気弁の開時期を遅らせており、ピストン方向に向かう流速が大きくなるためピストン冠面への燃料付着量が大きい。
また、特許文献2に記載の技術では、吸気弁のリフト量が通常と同じ(大きい)場合では吸気の流れが遅く、シリンダボア壁面への燃料付着を十分に抑制することができない。吸気弁のリフト量を小さくし、且つ開弁時期を遅角化させた場合では、ピストン方向に向かう吸気の流れが強くなり、ピストン冠面への燃料付着が多く、HCの発生が多くなる。
本発明の目的は、筒内噴射型エンジンの冷間始動時において、機関および触媒の暖機運転をしている、いわゆるファストアイドル期間に発生するHCを低減し、燃焼を安定化させ、触媒の早期活性化を実現するものである。
吸気弁近傍(特にいわゆるサイド噴射位置)に取付けられた燃料噴射装置により燃焼室内に燃料を直接供給する筒内噴射型内燃機関を制御する制御装置において、筒内噴射型内燃機関のファストアイドル期間に、
燃料噴射装置を制御して吸気行程噴射を行うとともに、吸気弁のリフト量を高負荷時のリフト量よりも小さくし、且つ吸気弁の開く時期が吸気上死点近傍の吸気行程側になるように制御する制御装置である。
また、吸気弁近傍に取付けられた燃料噴射装置により燃焼室内に燃料を直接供給する筒内噴射型内燃機関を制御する制御装置において、筒内噴射型内燃機関のファストアイドル期間に、燃料噴射装置を制御して吸気行程噴射を行うとともに、吸気弁のリフト量を高負荷時のリフト量よりも小さくし、且つファストアイドル期間の前期の吸気弁の開く時期をファストアイドル期間の後期よりも進角側になるように制御する制御装置である。
また、好ましくは、ファストアイドル期間の前期の吸気弁の開く時期を進角側になるように制御した後、前記内燃機関の運転時間に応じて段階的または連続的に遅角側に制御する制御装置である。
本発明によれば、ファストアイドル期間中にピストン壁面に付着するHCを低減させつつ、触媒暖機時の燃焼を安定化させ、触媒を早期活性化することができる。その結果、冷間始動時の排気性能を顕著に改善させることが可能である。
本発明が実施される筒内噴射エンジンの一例を図2に示す。
筒内噴射エンジン1はエンジンヘッド2とシリンダブロック3と、シリンダブロック3内部を往復運動するピストン4を備えている。点火プラグ5は、シリンダヘッド2,シリンダブロック3,ピストン4で囲まれた燃焼室11の中央部に配置し、燃焼室11内部に直接燃料を噴射供給するインジェクタ6は、燃焼室内に設けられた2つの吸気弁9の間に配置した。
シリンダヘッド2には燃焼室11に通じる吸気管7と排気管8が形成され、燃焼室11と吸気管7および排気管8の流路は、それぞれ吸気弁9と排気弁10で開閉している。
吸気弁9の開閉駆動は、吸気弁9の上部に取付けられた吸気側バルブリフタ12が、揺動カム17により下方に押圧されることで行われる。
吸気弁9の駆動部には、後で詳述する可変リフト機構14が備えられており、これにより吸気弁9のリフト量と作動角を連続的に変更させることができる。
可変リフト機構14は駆動軸15,制御軸16,揺動カム17,ロッカアーム18,リンクアーム19,リンク部材20から構成されており、駆動軸15が回転し、リンクアーム19を介してロッカアーム18を揺動させ、これに伴いリンク部材20を介して揺動している。
制御軸16には、制御軸16対して偏心して取付けられた制御カムが設けられ、制御カムを回転させることでロッカアーム18の揺動支点位置が変化し、揺動カム17の揺動量を変化させる。
図3に、可変リフト機構14で吸気弁9のリフト量を変更した際の、バルブリフト曲線の一例を示す。
さらに本実施の形態では、駆動軸15の位相を変える図示しない公知の可変バルブタイミング機構を備えており、吸気弁9の開閉弁タイミングが変更できるように構成されている。
排気弁10は、上部に取付けられた排気側バルブリフタ13が排気カム22によって押圧されリフトする。排気カム22は排気側カムシャフト21に取付けられている。
図4に筒内噴射エンジンの概略構成を示す。
触媒温度センサ32には、吸入される空気を浄化するエアクリーナ23,吸気流量を測定するエアフローセンサ24,吸気流量を制御する電子制御スロットル25,吸気管内部の脈動を抑制するサージタンク26が具備されている。
また、排気管28の1番気筒と4番気筒の集合部および2番気筒と3番気筒の集合部にそれぞれ空燃比センサ29が、また各気筒すべての排気管が集合している部分に排気温度センサ30が取付けられ、この下流には排気浄化用の触媒31,触媒の温度を測る触媒温度センサ32が具備されている。
エンジンコントロールユニット(以下、ECU27)は、双方向性バスを介して相互に接続されたマイクロプロセッサ(CPU),リードオンメモリ(ROM),ランダムアクセスメモリ(RAM),入出力ポートから構成されている公知のマイクロコンピュータである。
ECU27は図5に示すように、筒内噴射エンジン1に取付けられたクランク角度センサ,負荷センサ,エアフローセンサ24,スロットル開度センサ,水温センサ,空燃比センサ29等の各種センサと接続されており、機関の状態を判定する。
また、吸気弁9のリフト量制御をするため、ECU27には制御軸16の回転角度を検知するセンサが接続され、制御軸16の回転角度を制御する図示しない駆動モータの制御をしている。
ECU27は点火プラグ5,インジェクタ6,可変リフト機構14等と接続されており、エンジンの状態に合わせて燃料噴射制御,点火制御,弁制御をしている。
本実施の形態の筒内噴射エンジン1は上記のように構成し、以下、冷間始動時の初爆後から触媒暖機運転完了までのいわゆるファストアイドル期間に発生するHCの低減と、触媒早期暖機の制御ルーチンを中心とした一例を、図6のフローチャートに基づいて説明する。
制御が開始されるとステップS11において、筒内噴射エンジン1に取付けられた各センサから機関の回転数,冷却水の温度,排気ガス温度,空燃比,触媒温度が読み込まれる。
次にステップS12に進み、アクセルペダルの踏込みの有無が判定される。踏込みがある場合、ステップS41に進み、加速処理制御が実行させる。ステップS12にてアクセルペダルの踏込みがないと判定された場合、ステップS13に進み、吸気弁9のリフト量を小リフト化するため、制御軸16の回転角度を制御する駆動モータが、ECU27のROMにマップ化され記憶されているリフト量の値になるように制御され、吸気弁のリフト量が小さく設定される。次にステップS14に進み、ステップS11にて読み込まれた冷却水温によりステップS15を実行するか、ステップS31を実行するか判定される。実施例ではこれを60℃に設定した。
冷却水温が60℃よりも高い場合、筒内噴射エンジン1は冷間始動ではないと判定され、ステップS31〜ステップS34もしくはステップS51が実行される。これについては後で詳述する。
ステップS14にて冷却水温が60℃以下と判定された場合、次にステップS15に進み、冷却水温がたとえば20℃以下であるか否かが判定される。冷却水温が20℃以下と判定された場合、ステップS16に進む。この時、筒内噴射エンジン1は冷間状態と判定され、ファストアイドル制御が以下の手順に基づき実行される。
ステップS16で、ECU27のROMにマップ化され記憶されている開弁時期の値になるように、可変バルブタイミング機構(図示せず)により吸気弁9の開弁時期が進角位置に設定される。本実施例では開弁時期を吸気上死点とした。次にステップS17にて燃料噴射制御が実行される。この場合、ECU27のROMにマップ化され記憶されている噴射時期,噴射期間を各センサからの値を元に補正し、駆動電流がインジェクタ6に入力され、燃料ポンプにて加圧された燃料が燃焼室11に吸気行程噴射される。この時、吸気弁9が小リフトに設定されているため、インジェクタ6のノズル先端付近を流れる吸気速度が比較的速くなる。その結果、暖機が完了していない、まだ温度が低いシリンダボアの壁面に燃料が付着することを抑制できる。また、ピストン方向へ向かう吸気の流れも増加するが、インジェクタのノズル先端と吸気弁9の位置が近く、ノズル先端付近の燃料噴霧は貫徹力(ペネトレーション)が強いため、吸気に流されピストン冠面へ付着するのを抑制できる。このため、図7に示すように通常の吸気弁リフトが大きい状態では、吸気流速が低いためボア壁面やピストン4の冠面に燃料が付着するが、吸気弁9の小リフト化と吸気弁開時期の進角化により、図8に示すようにボア壁面とピストン4の冠面への燃料の付着が抑制でき、HC発生の要因となる壁流を低減することができる。
次に、制御ルーチンはステップS18に進み、ECU27のROMにマップ化され記憶されている点火時期が選択され、点火プラグ5により点火が実行される。
次にステップS19に進み、吸気弁開時期の過渡制御が実行される。ステップS19については、図1,図9により詳述する。図1における吸気弁リフトカーブは、ステップS13およびステップS16にて設定された開弁時期が吸気上死点のものである。この状態から可変バルブタイミング機構により吸気弁開時期を、機関の始動からの経過時間に伴い過渡的に遅らせていく。本実施例では遅角位置を吸気上死点後50deg と設定し、開弁時期吸気上死点の吸気弁リフトカーブ33を開弁時期吸気上死点後50deg の吸気弁リフトカーブ34の位置に移動する。図9は横軸に始動からの時間をとり、縦軸に吸気弁開時期の位置を示したもので、吸気弁開時期の時間履歴を示したものである。
前述したように、冷間始動時にはボア壁面やピストン冠面は暖機されていないため、燃料の壁面付着によるHCの発生が多くなる。そのため、冷間始動直後は吸気弁の小リフト化と開弁時期の進角化により燃料付着を抑制する吸気弁制御を行う必要がある。機関の始動からの経過時間に伴い、シリンダボア壁面やピストン冠面を含む燃焼室11の暖機が進む一方、触媒は排気管28の下流にあるため、触媒の暖機には時間がかかる。触媒の早期暖機には、点火時期を遅角化し、燃料を燃焼室11だけでなく排気管28内部で酸化反応させ、排気ガス温度を上昇させる公知の技術が知られている。しかし、点火時期を遅角化することで燃焼が不安定となり、HCの発生量が増加し、あるいは失火がおこり機関の回転数の低下、排気の悪化を招く。この点火時期の遅角化に伴う燃焼の不安定化を抑制するため、吸気弁開時期を図1および図9に示すように始動からの経過時間に伴い過渡的に遅角化させる。吸気弁開時期を遅角化すると吸気の流速が増加し、燃料の混合気化が促進され、燃焼安定性を向上することができる。点火時期の遅角化により燃焼は不安定になるが、開弁時期の遅角化により吸入される空気流速はさらに増加するため、燃料噴霧の混合気化が促進され、燃焼の不安定化を抑制でき、顕著なHCの低減を図ることができる。
一方で、ピストン方向に向かう吸気流速は強くなり、ピストン冠面への燃料付着は多くなるが、ピストン冠面を含む燃焼室11の暖機が進めば燃料が付着しても気化するため、HCの発生は少ない。燃焼室11の暖機は機関の運転時間に伴い進行していくため、暖機の状況に合わせて吸気弁を過渡的に遅角化することで、燃焼安定性を向上させつつピストン冠面の燃料付着の影響を抑制し、触媒の早期暖機とHCの低減を両立することが出来る。点火時期の遅角化も吸気弁の過渡的遅角制御と同様に過渡的に遅角化される。図10は吸気弁の小リフトと吸気弁開時期の遅角化制御をしたときの筒内を示したものである。
ステップS15において、水温が20℃よりも高いと判定された場合、つまり冷却水温が20℃から60℃の間であるとき、筒内噴射エンジン1は、燃焼室11の暖機が比較的早く完了する弱冷間状態と判定される。弱冷間状態は冷間状態と比較して燃料付着によるHCの発生が低いものの、暖機完了状態と比較するとHCの発生が高い状態である。
ステップS21において、ECU27のROMにマップ化され記憶されている開弁時期の値になるように、可変バルブタイミング機構により吸気弁9の開弁時期が進角位置(0deg )と遅角位置(50deg )の間にある弱遅角位置に設定される。本実施例では弱遅角位置を吸気上死点後25deg とした。ステップS22,ステップS23においてECU27にて最適な燃料噴射制御,点火時期制御が実行される。次にステップS24に進み、吸気弁開時期の過渡制御が実行される。ステップS24については、図11,図12により詳述する。
図11における吸気弁リフトカーブ35は、ステップS13およびステップS21にて設定された開弁時期が弱遅角位置の吸気上死点後25deg のものであるものである。可変バルブタイミング機構により吸気弁開時期を、始動からの経過時間に伴い過渡的に遅らせていくことで、開弁時期吸気上死点後25deg の吸気弁リフトカーブ35を開弁時期吸気上死点後50deg の吸気弁リフトカーブ34の位置に移動する。図12は横軸に始動からの時間を、縦軸に吸気弁開時期の位置をとったもので、吸気弁開時期の時間履歴を示したものである。
図1の吸気弁リフトカーブ33の開弁時期(吸気上死点)と比較して図11の吸気弁リフトカーブ35の開弁時期は25deg 遅角側に設定されている。これは、冷却水温から判定した筒内噴射エンジン1の状態が違うためであり、燃焼室11の暖機が比較的早く完了する弱冷間状態であるためである。
弱冷間状態の吸気弁過渡制御を実行する際、ステップS21における吸気弁開時期の設定を、図1の吸気弁リフトカーブ33と同じ進角位置(吸気上死点)に設定し、開弁時期を過渡的に遅らせる速度を速くした図13に示す吸気弁開時期制御をしても良い。
ステップS14で、冷却水温が60℃よりも高いと判定された場合、ステップS31に進み、触媒31に取付けられた触媒温度センサ32の値から触媒の暖機が必要か否かが判定される。必要ない場合、ステップS51に進み、アイドリング処理が実行される。これは、機関の運転停止直後に再度運転を再開した時のような場合である。
ステップS31にて触媒の暖機が必要と判定された場合、ステップS32に進み、触媒暖機制御が実行される。図14,図15に示すように、ステップS32にて吸気弁の開時期が遅角位置(吸気上死点後50deg )に設定され、ステップS33,ステップS34においてECU27のROMにマップ化され記憶されている燃料噴射制御,点火時期制御が実行される。このときの吸気弁開時期は図14に示すように吸気上死点後50deg の遅角位置に設定されており、触媒の暖機が完了するまで図15に示すように遅角位置に固定されている。点火時期もこれに合わせて遅角化されている。
ステップS19およびステップS24における吸気弁開時期の過渡制御実行時を含むすべての制御ルーチンで、常に触媒31の温度は触媒温度センサ32によりモニタされており、触媒活性温度になった場合には制御ルーチンを終了しステップS51と同様のアイドリング処理制御が実行される。
本実施例では、冷間始動と弱冷間始動に分け、初期吸気弁開時期を変更したが、冷却水温度が60℃以下の場合はすべて冷間始動と判定し、ステップS21〜S24のルーチンは行わず、ステップS16〜S19のルーチンのみを実行し、筒内の暖機状態は排気温度センサ30により推定することで吸気弁開時期の過渡遅角化の速度を制御しても良い。
本実施例ではステップS14,ステップS15において冷却水温により機関の状態を判定し、吸気弁の初期開弁時期を決定したが、排気管28に取付けられた排気温度センサ30により排気温度を検知し、燃焼室11の暖機状態を判定することで初期開弁時期あるいは開弁時期遅角化の過渡制御の速さを決定しても良い。
吸気弁開時期の過渡制御実行時に、吸気弁開時期が遅角化させるにつれて、吸気行程中に1回燃料を噴射するのを、燃料を数回に分けて噴射する分割(多段)噴射制御を実行しても良い。
機関の運転を停止する際は、吸気弁のリフト量を小さくし、且つ吸気弁開時期を進角側(吸気上死点)に設定して運転を停止する。これにより、次回冷間始動する場合は、ステップS19,ステップS24に示す吸気弁過渡制御を円滑に実行することが可能となる。
冷間始動時の吸気弁開時期過渡制御説明図。 筒内噴射型内燃機関概略図。 可変バルブリフト機構制御によるバルブリフトカーブ。 筒内噴射型内燃機関の概略構成図。 エンジンコントロールユニット。 冷間始動時の制御ルーチンの一例を示すフローチャート。 吸気弁通常(大)リフト時のシリンダ筒内燃料挙動。 吸気弁小リフト,開弁時期進角時のシリンダ筒内燃料挙動。 冷間始動時の吸気弁開時期過渡制御の時間履歴。 吸気弁小リフト,開弁時期遅角時のシリンダ筒内燃料挙動。 弱冷間始動時の吸気弁開時期過渡制御説明図。 弱冷間始動時の吸気弁開時期過渡制御の時間履歴。 弱冷間始動時の吸気弁開時期過渡制御の時間履歴の一例。 触媒暖機実行時における吸気弁制御の一例。 触媒暖機実行時における吸気弁制御の時間履歴。
符号の説明
1 筒内噴射エンジン
2 シリンダヘッド
3 シリンダブロック
4 ピストン
5 点火プラグ
6 インジェクタ
7 吸気管
8 排気管
9 吸気弁
10 排気弁
11 燃焼室
12 吸気側バルブリフタ
13 排気側バルブリフタ
14 可変リフト機構
15 駆動軸
16 制御軸
17 揺動カム
18 ロッカアーム
19 リンクアーム
20 リンク部材
21 排気側カムシャフト
22 排気カム
23 エアクリーナ
24 エアフローセンサ
25 電子制御スロットル
26 サージタンク
27 ECU
28 排気管
29 空燃比センサ
30 排気温度センサ
31 触媒
32 触媒温度センサ
33 開弁時期吸気上死点の吸気リフトカーブ
34 開弁時期吸気上死点後50deg の吸気弁リフトカーブ
35 開弁時期吸気上死点後25deg の吸気弁リフトカーブ

Claims (5)

  1. 燃料噴射装置により燃焼室内に燃料を直接供給する筒内噴射型内燃機関を制御する制御装置において、
    前記制御装置は、前記筒内噴射型内燃機関のファストアイドル期間に、
    前記燃料噴射装置を制御して吸気行程噴射を行うとともに、
    吸気弁のリフト量を高負荷時のリフト量よりも小さくし、
    且つ、前記ファストアイドル期間の前期の前記吸気弁の開く時期をファストアイドル期間の後期よりも進角側になるように制御することを特徴とする制御装置。
  2. 前記ファストアイドル期間の前期の前記吸気弁の開く時期をファストアイドル期間の後期よりも進角側になるように制御した後、前記内燃機関の運転時間に応じて段階的または連続的に遅角側に制御することを特徴とする請求項1記載の制御装置。
  3. 前記制御装置は、点火装置を制御することにより点火時期を可変にし、吸気弁の開弁時期の遅角化とともに、点火時期を遅角化することを特徴とする請求項2記載の制御装置。
  4. 前記吸気弁の開く時期を水温に応じて決定することを特徴とする請求項1記載の制御装置。
  5. 前記吸気弁の開く時期を吸気上死点後0度から15度になるように制御することを特徴とする請求項1記載の制御装置。
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