JP4844462B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、機関運転中に成層燃焼と均質燃焼との切替えを行う内燃機関の制御装置に関し、特に成層燃焼から均質燃焼への切替え時の燃料噴射量の制御に特徴のある制御装置に関する。

低負荷運転時等には吸入空気量に対してストイキよりもリーンな空燃比となるよう燃料を噴射し、筒内ガス流動を利用して点火栓近傍の空燃比を濃くすることで点火性や燃焼性を確保して成層燃焼を行い、高負荷運転時等には負荷に対応した出力を確保するために、筒内全体をストイキ又はストイキよりもリッチな空燃比にする均質燃焼を行う内燃機関が知られている。

このような内燃機関において、成層燃焼から均質燃焼への切替え時に空燃比をリーンからストイキまたはリッチに一気に切替えてしまうと、成層燃焼時にＥＧＲを行っている場合には残留ＥＧＲガスにより失火するおそれがある。しかし、残留ＥＧＲガス量が減少するのを待ってから均質燃焼への切替えを行うと、切替え直前のＮＯｘ濃度が高くなり排気性能が悪化してしまう。

そこで、成層燃焼から均質燃焼への切替え時には、切替え直後の空燃比を成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように、通常の均質燃焼時の空燃比よりも濃くし、これにより点火栓近傍の空燃比を切替え直前と切替え直後とで略同等として失火を防止する技術が特許文献１に開示されている。
特開２００４−２５７２５８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では燃料噴射量を補正するにあたって機関温度を考慮していないので、機関低温時のように燃料の揮発性が低下し、噴射した燃料が壁流となる割合が増大する条件下にあっては、設定した燃料噴射量では空燃比が目標よりもリーンとなり、失火するおそれがある。

そこで、本発明では、機関低温時であっても成層燃焼から均質燃焼への切替え時の失火を防止することを目的とする。

本発明の内燃機関の制御装置は、成層燃焼と均質燃焼とを切替える構成を有し、成層燃焼から均質燃焼への切替え時に、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように均質燃焼の空燃比を一時的に濃くする燃料噴射量増量手段を備える内燃機関の制御装置において、機関の温度に応じて燃料噴射量の補正係数を算出する第１の補正係数算出手段と、燃焼切替え時における機関の吸入空気量に応じて燃料噴射量の補正係数を算出する第２の補正係数算出手段と、を備え、燃焼切替え開始から終了までに前記第２の補正係数算出手段による補正係数は前記第１の補正係数算出手段による補正係数より大きく減少し、前記燃料噴射量増量手段は、前記燃焼切替え中に前記第１の補正係数算出手段で算出た補正係数が第２の補正係数算出手段で算出した補正係数より大きいか否かの判定を繰り返し行い、大きい場合には機関低温時の燃焼切替え中の失火を防止するように、前記第１の補正係数算出手段が算出した補正係数に基づいて燃料噴射量を補正し、小さい場合には前記第２の補正係数算出手段が算出した補正係数に基づいて燃料噴射量を補正する。

本発明によれば、燃焼切替え時に燃料噴射量を増量する際、吸入空気量に応じた補正係数と機関温度に応じた補正係数とを用いて燃料噴射量の増量分を決定するので、機関低温時であっても燃焼切替え直後の点火栓近傍の空燃比を確実にストイキよりもリッチにすることができ、これにより燃焼切替え時の失火を防止することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１実施形態を適用するシステム構成の概略を表す図である。１は内燃機関、２は内燃機関１のシリンダヘッド、２５は内燃機関１に設けた燃焼室、２６は吸気通路、９は排気通路、１６は排気通路９の一部であってシリンダヘッド２に設けた排気ポート、１５は吸気通路２６の一部であってシリンダヘッド２に設けた吸気ポート、２４は吸気ポート１５の燃焼室２５側開口部に設けた吸気弁、２３は排気ポート１６の燃焼室２５側開口部に設けた排気弁、４は燃焼室２５に臨むように設けた点火栓、３は燃焼室２５内に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁、１３は燃料噴射弁３に燃料を供給する燃料ポンプ、１２は内燃機関１内を流れる冷却水の温度を検出する水温センサである。

１７は吸気通路２６の一部であって吸気ポート１５に接続する吸気マニホールド、２２は吸気マニホールド１７の吸気流れ上流側に接続するコレクタ部、１４はコレクタ部２２の吸気流れ上流側で吸入空気量を制御するスロットルブバルブ、８はスロットルバルブ１４の開度を検出するスロットルセンサ、７はスロットルバルブ１４の吸気流れ上流側で吸入空気量を検出するエアフローメータ、２１は吸入空気中のゴミ等を捕集するためのエアクリーナである。

１８は排気通路９の一部であって排気ポート１６に接続する排気マニホールド、１０は排気マニホールド１８内を流れる排気の空燃比を検出する空燃比センサ、１１は排気マニホールド１８の吸気流れ下流側に接続され、排気中のＣＯ、ＨＣの酸化とＮＯｘの還元とを行って排気を浄化する三元触媒、５は内燃機関１がリーン混合気を燃焼させるときに排気中に含まれるＮＯｘをトラップし、ストイキもしくはリッチ混合気を燃焼させるときにＮＯｘを放出するとともに、放出されたＮＯｘを排気中の未燃ＣＯ、ＨＣによって還元するＮＯｘ浄化用触媒、１９は排気マニホールド１８とコレクタ部２２とを連通し、排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路、２０は排気還流量を制御するＥＧＲ弁である。

６は、エアフローメータ７、スロットルセンサ８、空燃比センサ１０、水温センサ１２、及び図示しない機関回転数センサ等からの信号が入力され、これらの信号に基づいて、燃料噴射弁３、点火栓４、ＥＧＲ弁２０その他の制御を行うコントロールユニットである。

上記のように構成するシステムにおいて、内燃機関１は、低中負荷運転領域では空燃比をストイキよりもリーンに制御し、内燃機関１の圧縮行程で燃料噴射を行い、燃焼室２５内の点火栓４の周辺にのみ可燃混合気層を集中的に形成して成層燃焼を行う。なお、このときＥＧＲ弁２０を開弁してＥＧＲを行うことにより、燃焼温度を低下させてＮＯｘ排出量を低減させる。高負荷運転領域においては、コントロールユニット６は成層燃焼から均質燃焼への燃焼状態の切り替えを要求し、ストイキまたはストイキよりもリッチな空燃比となるよう燃料噴射量を制御し、内燃機関１の吸入行程で燃料を噴射して燃焼室２５全体に略均等な空燃比の混合気を形成して均質燃焼を行う。そしてこのとき、ＥＧＲ弁２０の開度を減少させてＥＧＲ量を減少させる、もしくは閉弁することによってＥＧＲを停止する。

また、低中負荷運転領域であっても、成層燃焼が一定時間以上継続した場合等、ＮＯｘ浄化用触媒５にトラップされたＮＯｘ量が多くなったために放出する必要がある場合には、均質燃焼への切り替えを行う。

次に、成層燃焼から均質燃焼への切り替え時にコントロールユニット６（燃料噴射量増量手段、第１、第２の補正係数算出手段）が実行する空燃比制御について説明する。

成層燃焼時には、吸入空気量と燃料噴射量とから算出する空燃比はストイキよりもリーンであるが、例えばピストン冠面に図２に示すようなキャビティ２７を設け、キャビティ２７内に燃料を集中させることにより、点火栓４近傍（図２中の斜線部Ａ）の空燃比をストイキよりもリッチな状態にしている。これにより、多量のＥＧＲガスが導入されていても着火性を確保し、失火を防止している。

均質燃焼へ切替る際に、単純に均質燃焼に要求されるストイキまたはリッチな空燃比とすると、成層燃焼時に導入していたＥＧＲガスが残留することで生じる残留ＥＧＲガスの影響により、失火を招くおそれがある。そこで、燃焼切替え時には、一時的に均質燃焼に要求される空燃比よりもリッチな空燃比となるように制御し、その後に均質燃焼に要求される空燃比となるように制御する。

しかしながら、機関低温時には燃料の揮発性が低下するため、燃焼室２５の壁面に付着したまま燃焼しない、いわゆる壁流が増加する。このため、吸入空気量に基づいて燃料噴射量を設定すると、壁流が増加した分だけ空燃比がリーン化し、これにより均質燃焼に要求される空燃比よりもリッチな空燃比にならずに失火するおそれがある。

そこで、機関低温時であっても、均質燃焼への切替え時には、一時的に均質燃焼に要求される空燃比よりもリッチな空燃比となるように、燃料噴射量の増量補正（リッチスパイク）を行う。

ここで、成層燃焼から均質燃焼へ切替るときの燃料噴射量の制御について、図３のフローチャートを参照して説明する。図３は成層燃焼から均質燃焼へ切替えるときにコントロールユニット６が実行する燃料噴射量制御の制御ルーチンを表す。

ステップＳ１０１で、燃焼切替え時のリッチスパイク中であるか否かの判定を行う。リッチスパイク中の場合はステップＳ１０２へ進む。

リッチスパイク中でない場合はステップＳ１０８に進み、目標当量比基本値をそのまま目標当量比として燃料噴射を行う。目標当量比基本値とは、均質燃焼へ切替えた後の通常走行時用の当量比、すなわち略ストイキである。

ステップＳ１０２で、温度補正係数ＴＨＯＳを算出する。温度補正係数ＴＨＯＳとは、燃料噴射量を機関温度に応じて補正するための補正係数であり、例えば図４に示すような温度補正係数ＴＨＯＳと機関温度との関係を定またテーブルを予め作成しておき、これを本制御実行時の水温センサ１２の検出値で検索する。図４では機関温度が低くなるほど補正係数が大きくなっている。これは、機関温度が低くなると筒内に噴射された燃料の揮発性が低下し、噴射した燃料のうち燃焼に供される燃料の割合が低下するため、目標とする空燃比に制御するためには燃料噴射量を機関温度が高い場合に比べて多くする必要があるためである。

ステップＳ１０３で、燃焼切替え時増量率を算出する。燃焼切替え時増量率は、成層燃焼から均質燃焼への切替え時の燃料噴射量の増量率、すなわちリッチスパイク中の燃料噴射量の、通常の均質燃焼時の燃料噴射量に対する増量率である。前述したように切替え直後は燃焼性確保のため一時的に、均質燃焼用の空燃比（略ストイキ）よりもリッチな空燃比となるように燃料噴射量を制御し、その後ストイキに収束させる。この燃料切替え時増量率の算出方法は特開２００４−２５７２５８号と同様（特開２００４−２５７２５８号の図６参照のこと）であるので、概略のみ説明する。

成層燃焼中に負荷増大等に応じて均質燃焼への切替え要求が発せられた場合には、切替え時の燃焼室２５内のＥＧＲ率、ＮＯｘ浄化用触媒５のＮＯｘトラップ量、三元触媒１１の酸素ストレージ量を検出し、これらの検出値に基づいてリッチスパイク量、すなわちストイキよりもどの程度リッチな空燃比にし、その空燃比をどれだけの時間継続するのかを設定する。このように制御することで、残留ＥＧＲ率が大きい場合であっても失火を生じることなく速やかに均質燃焼に切替えられるとともに、三元触媒１１にストレージされた酸素量がなくなるまで切替え時のリッチスパイクを継続することにより、成層燃焼中に三元触媒１１にストレージされた酸素を放出させて、その後の均質燃焼における排気浄化性能を向上させている。

ステップＳ１０４で、温度補正係数ＴＨＯＳにより定まる燃料噴射量が燃焼切替え時増量率により定まる燃料噴射量より多いか否かの判定を行う。多い場合にはステップＳ１０４に進み、少ない場合にはステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では当量比補正係数をＴＨＯＳに設定する。一方ステップＳ１０６では当量比補正係数を燃焼切替え時増量率に設定する。当量比補正係数とは、目標当量比基本値を補正するための係数である。

ステップＳ１０５またはＳ１０６で当量比補正係数を設定したら、ステップＳ１０７で目標当量比基本値に当量比補正係数を積算して目標当量比を算出し、この目標当量比に応じた燃料量を噴射する。

上記のステップＳ１０２〜Ｓ１０７を繰り返した場合の空燃比の変化をタイムチャートに表すと図５（ａ）、（ｂ）のようになる。図５（ａ）、（ｂ）はともに、燃料噴射量を温度補正係数ＴＨＯＳにより補正した場合の空燃比と、燃焼切替え時増量率に応じた燃料噴射を行った場合の空燃比を示したものであり、実線はステップＳ１０４の判定の結果選択された当量比補正係数により補正した場合の空燃比、破線は仮に選択されなかった当量比補正係数により補正したと仮定した場合の空燃比を示す。

図５（ａ）に示すように、ｔ１１で燃焼切り替えを開始してからｔ１２で切替え時のリッチスパイクを終了するまで、常に温度補正係数ＴＨＯＳにより補正した噴射量の方が多い場合を表し、図５（ｂ）はｔ２１からｔ２２までは燃焼切替え時増量率による噴射量の方が多く、ｔ２２からｔ２３は温度補正係数ＴＨＯＳによる噴射量の方が多い場合を表す。

このように、ステップＳ１０４の判定によって、温度補正係数ＴＨＯＳまたは燃焼切替え時増量率の燃料噴射量が多くなる方を用いて目標当量比を設定するので、機関低温時のように壁流量が増大する場合にも、燃焼切替え直後の空燃比を確実にストイキよりもリッチにするだけの燃料噴射量を設定することができる。

参考例について説明する。

本参考例は、システムの構成は第１実施形態と同様であるが、目標当量比の設定方法が異なる。以下、コントロールユニット６が実行する目標当量比を設定するための制御について 図６を参照して説明する。図６は図３と同様に目標当量比を設定するための制御ルーチンを表すフローチャートである。

ステップＳ２０１〜Ｓ２０３及びステップＳ２０６については、図３のステップＳ１０１〜Ｓ１０３及びステップＳ１０８と同様なので説明を省略する。

ステップＳ２０４では、下式のようにして設定する。

当量比補正係数＝ＴＨＯＳ＋燃焼切替え時増量分 ・・・（１）
ここで、燃焼切替え時増量分とは、燃焼切替え時増量率−１００％、すなわち、燃焼切替え時のリッチスパイクにより通常よりも多くなる燃料噴射量である。

ステップＳ２０５では、目標当量比基本値と式（１）で設定した当量比補正係数との積を目標当量比として設定し、燃料噴射を行う。

上記のように目標当量比を設定した場合の空燃比の変化をタイムチャートに表すと図７のようになる。

このように、温度補正係数をベースとして燃焼切替え時の燃料噴射量の増量補正を行うことにより、第１実施形態と同様に機関低温時のように壁流量が増加する状態であっても、燃焼切替え時直後の空燃比を確実にストイキよりもリッチにすることができる。

なお、ステップＳ２０４で式（１）に替えて下式（２）を用いても同様の効果を得ることができる。

当量比補正係数＝ＴＨＯＳ×燃焼切替え時増量率 ・・・（２）
上記のように、温度補正係数ＴＨＯＳまたは燃焼切替え時増量率のうち、燃料噴射量が多くなる方を用いて目標当量比を設定するので、機関低温時のように壁流量が増大する場合にも、燃焼切替え直後の空燃比を確実にストイキよりもリッチにすることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

第１実施形態を適用するシステムの構成の概略図である。 燃焼室内の空燃比の分布を表す図である。 目標当量比を設定する制御ルーチンを表すフローチャートである（その１）。 温度補正係数検索用のテーブルである。 （ａ）、（ｂ）は燃焼切替え時の空燃比の変化の様子を表すタイムチャートである（その１）。 目標当量比を設定する制御ルーチンを表すフローチャートである（その２）。 燃焼切替え時の空燃比の変化の様子を表すタイムチャートである（その２）。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
３ 燃料噴射弁
４ 点火栓
５ ＮＯｘ浄化用触媒
６ コントロールユニット
７ エアフローメータ
８ スロットルセンサ
９ 排気通路
１０ 空燃比センサ
１１ 三元触媒
１２ 水温センサ
１３ 燃料ポンプ
１４ スロットルバルブ
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１７ 吸気マニホールド
１８ 排気マニホールド
１９ ＥＧＲ通路
２０ ＥＧＲ弁
２１ エアクリーナ
２２ コレクタ部
２３ 排気バルブ
２４ 吸気バルブ
２５ 燃焼室
２６ 吸気通路

Claims (1)

1. 成層燃焼と均質燃焼とを切替える構成を有し、成層燃焼から均質燃焼への切替え時に、成層燃焼時の点火栓周りの空燃比と略同等の空燃比となるように均質燃焼の空燃比を一時的に濃くする燃料噴射量増量手段を備える内燃機関の制御装置において、
   機関の温度に応じて燃料噴射量の補正係数を算出する第１の補正係数算出手段と、
   燃焼切替え時における機関の吸入空気量に応じて燃料噴射量の補正係数を算出する第２の補正係数算出手段と、
   を備え、
   燃焼切替え開始から終了までに前記第２の補正係数算出手段による補正係数は前記第１の補正係数算出手段による補正係数より大きく減少し、
   前記燃料噴射量増量手段は、前記燃焼切替え中に前記第１の補正係数算出手段で算出た補正係数が第２の補正係数算出手段で算出した補正係数より大きいか否かの判定を繰り返し行い、大きい場合には、機関低温時の燃焼切替え中の失火を防止するように、前記第１の補正係数算出手段が算出した補正係数に基づいて燃料噴射量を補正し、小さい場合には前記第２の補正係数算出手段が算出した補正係数に基づいて燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images