JP5169769B2 - 筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内に燃料を直接噴射する内燃機関において、その内燃機関に備えた過給器の制御を行う筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置に関する。

気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関に、ターボチャージャ等の過給器を装着したものが知られている。

特開２００３−２５４０７２号公報

筒内噴射型内燃機関の場合、高圧燃料ポンプで燃料の圧力（以降、燃圧と呼ぶ。）を加圧して、気筒内に燃料を直接噴射するようにしており、高圧燃料ポンプで加圧された燃圧は、燃料噴射量を制御する際の要である。一方、過給器を装着した筒内噴射型内燃機関では、吸入する空気量が、スロットルバルブだけでなく、過給器系を構成する部品（例えば、ターボチャージャ、ウェストゲートバルブ等）にも制御されることになる。従って、過給器を装着した筒内噴射型内燃機関では、燃圧と過給器系を協調するように制御しないと、吸入空気量に対して適切な燃料噴射量を供給できなくなり、空燃比が不適切な状態となって、排ガスの悪化やエンジン破損に至るおそれがあった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、燃圧と過給器系を協調制御して、空燃比を適正に制御する筒内噴射型内燃機関の過給圧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第１の発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置は、
内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、
前記燃料噴射手段へ供給する燃料の圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
前記気筒に吸入される吸気の過給を行う過給手段と、
前記過給手段により過給される吸気の過給圧を検出する過給圧検出手段と、
前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記燃料圧力検出手段及び前記回転数検出手段により検出された現在の燃料圧力及び回転数に基づいて燃料噴射可能な期間から算出した燃料噴射量と、前記過給圧検出手段及び前記回転数検出手段により検出された過給圧及び回転数に基づいて算出した吸入空気量とから予測空燃比を求め、現在の前記内燃機関の目標空燃比より前記予測空燃比が大きい場合には、前記過給手段による過給圧を制限する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
上記課題を解決する第２の発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置は、
上記第１の発明に記載の筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置において、
前記制御手段は、
前記回転数検出手段により検出された回転数に基づいて、前記燃料噴射手段から燃料が噴射される際の回転数の予測補正を行うことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置において、
前記制御手段は、
現在の燃料圧力で噴射できる最大の噴射量に基づいて、実現可能な最もリッチな空燃比を求め、求めた空燃比を前記予測空燃比とすることを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置は、
上記第３の発明に記載の筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置において、
前記制御手段は、
前記最大の噴射量に対応する燃料重量と前記目標空燃比に基づいて、制御目標となる吸入空気重量を求め、求めた前記吸入空気重量に基づいて前記過給手段による過給圧を制限することを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置は、
上記第１〜第４の発明のいずれか１つに記載の筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置において、
前記制御手段は、
前記内燃機関の吸気系に設けられた第１制御弁、及び、前記内燃機関の排気系において前記過給手段をバイパスするバイパス通路に設けられた第２制御弁の開度を制御して前記過給手段による過給圧を制限するものであり、過給圧を制限する際には、前記第１制御弁を制御した後に前記第２制御弁を制御することを特徴とする。

本発明によれば、目標空燃比より予測空燃比が大きい場合には、つまり、目標空燃比よりリーン状態となる場合には、現在の燃料圧力を基準に過給圧側を制限することにより、空燃比を制御しているので、空燃比を適正に制御することができ、排ガス悪化やエンジン破損を抑制することができる。

以下、図１〜図５を用いて、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置の実施形態を詳細に説明する。

（実施例１）
図１は、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置の実施形態の一例を示す概略構成図であり、図２、図３は、各々、図１に示した筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置における制御を説明するブロック図、フローチャートである。

本実施例において、内燃機関（以降、エンジンと呼ぶ。）１０は、気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型のガソリンエンジンであると共に、気筒に吸入される空気（吸気）の過給を行う過給器（過給手段）を備えたものである。なお、エンジン１０は、複数の気筒を有するものであるが、図１では、１つの気筒のみ図示して、その構成を説明する。

エンジン１０は、図１に示すように、気筒を構成するシリンダ１１と、シリンダ１１内に設けられ、シリンダ１１の内壁に沿って往復運動をするピストン１２とを有し、シリンダ１１とピストン１２とにより形成される空間が燃焼室１３となっている。

又、エンジン１０は、吸気系機構として、外部からの空気を吸入する際、吸入した空気を清浄化するエアクリーナ１４と、清浄化された空気の流量を検出するエアフローセンサ１５と、空気を燃焼室１３に導く吸気管１６、１８、２１を有している。

吸気管１６は、排気ガスを利用して、吸入する空気の過給を行うターボチャージャ１７（過給手段）に接続されており、ターボチャージャ１７で過給された空気が、吸気管１８を経由して、インタークーラ１９に導かれる。インタークーラ１９に導かれた空気は、インタークーラ１９で冷却された後、電子制御式スロットルバルブ（第１制御弁；以降、ＥＴＶと略す。）２０により空気量が制御されて、吸気管２１を経由して、燃焼室１３に導かれる。その際、吸気管２１に設けられた過給圧センサ２２（過給圧検出手段）を用いて、燃焼室１３に過給される空気の過給圧が検出されている。

又、エンジン１０は、燃料系機構として、燃料タンク（図示省略）から供給された燃料を加圧して高圧にする高圧燃料ポンプ２３と、後述のインジェクタ２６へ供給する加圧後の燃料の圧力を検出する燃圧センサ２４（燃料圧力検出手段）と、高圧にされた燃料を分配するためのデリバリパイプ２５と、デリバリパイプに接続され、燃焼室１３内に燃料を直接噴射するインジェクタ２６（燃料噴射手段）とを有している。

従って、上記吸気系機構から供給された空気と、上記燃料系機構から供給された燃料が、燃焼室１３に設けた点火プラグ２７により点火されて、燃焼することになる。

そして、エンジン１０は、排気系機構として、燃焼室１３と接続されて、燃焼室１３で燃焼した燃料（排ガス）を排気する排気管２８、３１と、排気管３１に設けられ、排気ガスを浄化する三元触媒３２とを有しており、燃焼室１３で燃焼した燃料（排ガス）は、この排気系機構を介して、外部へ排出されることになる。排気管２８と排気管３１との間には、ターボチャージャ１７が設けられており、排気管２８、排気管３１を通過する排気ガスの力を利用して、ターボチャージャ１７が駆動されて、過給を行うようにしている。

又、排気管２８と排気管３１との間には、ターボチャージャ１７をバイパスするバイパス通路２９と、バイパス通路２９に設けられ、バイパスする排気ガス量を制御するウェストゲートバルブ（第２制御弁；以降、Ｗ／Ｇ−Ｖと略す。）３０が設けられており、排ガスがターボチャージャ１７をバイパスできるようにしている。

又、エンジン１０には、ピストン１２に連結されたクランクシャフト３３の角度を検出するクランク角センサ３４が設けられており、このクランク角センサ３４の検出値に基づいて、エンジン１０のエンジン回転数Ｎｅを算出するようにしている（回転数検出手段）。

そして、過給圧センサ２２、燃圧センサ２４、クランク角センサ３４における検出値は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit；電子制御装置、制御手段）３５に入力され、それらの入力値に基づいて、ＥＴＶ２０、Ｗ／Ｇ−Ｖ３０が制御されて、後述の過給圧制限が実施される。

次に、図２、図３を参照して、本実施例の過給圧制御装置における制御を説明する。

まず、クランク角センサ３４を用いて算出したエンジン回転数Ｎｅを取得すると共に（ステップＳ１）、過給圧センサ２２を用いて、過給圧Ｐｂを取得する（ステップＳ２）。

次に、ＥＣＵ３５に予め取得してあるマップデータ（エンジン回転数Ｎｅ、過給圧Ｐｂに対応する１ストローク当たりの吸入空気重量Ｇａｉｒ（ｇ／ｓｔ）のデータ）に基づいて、取得したエンジン回転数Ｎｅ、過給圧Ｐｂから吸入空気重量Ｇａｉｒを求める（ステップＳ３、ブロックＢ１）。ブロックＢ１に示すマップデータは、等吸入空気量線と呼ばれるグラフであり、吸入空気量が大きくなるに従い、等吸入空気量線はエンジン回転数Ｎｅ、過給圧Ｐｂが大きくなる方向に移動する傾向がある。

次に、取得したエンジン回転数Ｎｅに基づいて、燃料噴射可能な期間を求め、求めた燃料噴射可能な期間から、標準燃圧での１噴射当たりの最大噴射量Ｑｓｔｄを計算する（ステップＳ４、ブロックＢ２）。ブロックＢ２に示すマップデータからわかるように、エンジン回転数Ｎｅが大きくなるに従い、最大噴射量Ｑｓｔｄは減少する傾向がある。なお、エンジン回転数Ｎｅとしては、取得したエンジン回転数Ｎｅそのものを用いてもよいが、検出遅れ、制御遅れ等を考慮し、取得したエンジン回転数Ｎｅに基づき、実際に制御を行うとき、つまり、インジェクタ２６から燃料が噴射される際のエンジン回転数を予測補正するようにしてもよい。これは、エンジン回転数が大きく変化する場合、例えば、加速時、減速時等の場合に有効である。

次に、燃圧センサ２４を用いて実際に取得した実燃圧ＦＰｒｅａｌと、計算上用いる標準燃圧ＦＰｓｔｄに基づいて、実燃圧ＦＰｒｅａｌと標準燃圧ＦＰｓｔｄとの差を補正する係数Ｋｆｐを算出する（ステップＳ５、ブロックＢ３）。係数Ｋｆｐは以下の式から求められる。
［係数Ｋｆｐ］＝｛［実燃圧ＦＰｒｅａｌ］／［標準燃圧ＦＰｓｔｄ］｝^1/2

ステップＳ４で求めた最大噴射量Ｑｓｔｄと、ステップＳ５で求めた係数Ｋｆｐとを用いて、現在の燃圧で噴射できる最大噴射量Ｑｍａｘを求める（ステップＳ６、ブロックＢ４）。最大噴射量Ｑｍａｘは以下の式から求められる。
［最大噴射量Ｑｍａｘ］＝［最大噴射量Ｑｓｔｄ］×［係数Ｋｆｐ］

ステップＳ６で求めた最大噴射量Ｑｍａｘと、既知の値である燃料比重とを用いて、最大噴射量Ｑｍａｘを燃料重量Ｇｍａｘに変換する（ステップＳ７）。燃料重量Ｇｍａｘは以下の式から求められる。
［燃料重量Ｇｍａｘ］＝［最大噴射量Ｑｍａｘ］×［燃料比重］

ステップＳ３で求めた吸入空気重量Ｇａｉｒと、ステップＳ７で求めた燃料重量Ｇｍａｘとを用いて、予測Ａ／Ｆを求める（ステップＳ８、ブロックＢ５）。予測Ａ／Ｆは以下の式から求められる。この予測Ａ／Ｆは、実際に実現可能な最もリッチな空燃比となる。
［予測Ａ／Ｆ］＝［吸入空気重量Ｇａｉｒ］／［燃料重量Ｇｍａｘ］

ＥＣＵ３５に予め取得してあるマップデータ（エンジン回転数Ｎｅ、負荷に対応する目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ）のデータ）に基づいて、エンジン回転数Ｎｅ、負荷から現在の目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ）を求める（ステップＳ９）。

マージンα（αは正の数）を見込んだ目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）を求める（ステップＳ１０）。目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）は以下の式から求められる。なお、マージンαは、実際に制御されるＡ／Ｆがリッチ目となるようにする、つまり、リーンにならないようにする安全係数である。このように、本実施例では、マージンを見込んだ目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）を、後述の比較、制御で用いているが、ステップＳ９で求めたマージンのない目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ）を、後述の比較、制御で用いるようにしてもよい。
［目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）］＝［目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ）］−［マージンα］

ステップＳ８で求めた予測Ａ／Ｆと、ステップＳ１０で求めた目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）とを比較する（ステップＳ１１）。予測Ａ／Ｆ＞目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）である場合にはステップＳ１２へ進み、予測Ａ／Ｆ＞目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）でない場合には、一連の制御手順を終了する。

ステップＳ１１において、予測Ａ／Ｆ＞目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）である場合には、目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）と燃料重量Ｇｍａｘとを用いて、制御目標となる吸入空気重量ＴＧａｉｒを求める（ステップＳ１２）。吸入空気重量ＴＧａｉｒは以下の式から求められる。
［吸入空気重量ＴＧａｉｒ］＝［目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）］×［燃料重量Ｇｍａｘ］

実際の吸入空気の重量が、ステップＳ１２で求めた吸入空気重量ＴＧａｉｒとなるように、ＥＣＵ３５により、ＥＴＶ２０、Ｗ／Ｇ−Ｖ３０を制御して、過給圧を制限する（ステップＳ１３）。つまり、算出した予測Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）よりリーンとなる場合には、空燃比が目標Ａ／Ｆ（ＴＡＦ’）よりリッチ化するまで、現在の燃圧を基準に吸入する空気重量（過給圧）側を制限する。その後、一連の制御手順を終了する。

なお、吸入する空気重量を制限する際には、ＥＴＶ２０を制御した後に、Ｗ／Ｇ−Ｖ３０を制御しており、（１）ＥＴＶ２０、（２）Ｗ／Ｇ−Ｖ３０の順番で行っている。空気重量の制御に関し、ＥＴＶ２０（開くと空気重量が増える。）は、迅速性があるからである。一方、Ｗ／Ｇ−Ｖ３０（開くと空気重量が減る。）は、空気重量の制御に関し、効率性がある。

上記制御では、現在のエンジン回転数、過給圧、燃圧に基づいて、排気温度に影響がある空燃比を、実現可能な最もリッチな予測空燃比として求め、目標空燃比より予測空燃比が大きい場合には、現在の燃料圧力を基準に過給圧側を制限するので、実際の空燃比を適正に制御でき、排ガス悪化やエンジン破損を防止することができ、又、排気系の温度上昇の遅れや余裕度を考慮した制御が可能となる。

（実施例２）
図４、図５は、各々、本実施例の筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置における制御を説明するブロック図、フローチャートである。

本実施例においても、エンジンは、筒内噴射型のものであると共に過給器を備えたものであればよい。従って、その構成の一例として、実施例１の図１に示したエンジン１０を参照し、図４、図５を用いて、本実施例の過給圧制御装置における制御を説明する。なお、実施例１と重複する構成については、その詳細な説明は省略する。

まず、クランク角センサ３４を用いて算出したエンジン回転数Ｎｅを取得すると共に（ステップＳ２１）、過給圧センサ２２を用いて、過給圧Ｐｂを取得する（ステップＳ２２）。

次に、ＥＣＵ３５に予め取得してあるマップデータ（エンジン回転数Ｎｅ、過給圧Ｐｂに対応する下限燃圧のデータ）に基づいて、取得したエンジン回転数Ｎｅ、過給圧Ｐｂから下限燃圧を求める（ステップＳ２３、ブロックＢ１１）。ブロックＢ１１に示したマップデータは、空燃比Ａ／Ｆ＝１３とするように、エンジン回転数Ｎｅ、過給圧Ｐｂに対応する下限燃圧を求めたものである。

次に、燃圧センサ２４を用いて実際に取得した実燃圧と、ステップＳ２３で求めた下限燃圧とを比較する（ステップＳ２４）。実燃圧＜下限燃圧である場合にはステップＳ２５へ進み、実燃圧＜下限燃圧でない場合には、一連の制御手順を終了する。

次に、ＥＣＵ３５に予め取得してあるマップデータ（エンジン回転数Ｎｅ、下限燃圧に対応する過給圧Ｐｂのデータ。つまり、ブロックＢ１１に示したデータを逆引きして求めたデータ）に基づいて、取得したエンジン回転数Ｎｅと、ステップＳ２３で求めた下限燃圧から、制限過給圧を求める（ステップＳ２５、ブロックＢ１２）。なお、エンジン回転数Ｎｅとしては、取得したエンジン回転数Ｎｅそのものを用いてもよいが、実施例１と同様に、実際に制御を行うとき、つまり、インジェクタ２６から燃料が噴射される際のエンジン回転数を予測補正するようにしてもよい。

実際の吸入空気の重量が、ステップＳ２５で求めた制限過給圧以下となるように、ＥＣＵ３５により、ＥＴＶ２０、Ｗ／Ｇ−Ｖ３０を制御して、吸入する空気重量を制限する（ステップＳ２６）。つまり、実燃圧が下限燃圧未満のときに空燃比がリッチ化するように、吸入する空気重量を制限している。その後、一連の制御手順を終了する。

なお、吸入する空気重量の制限は、実施例１と同様に、（１）ＥＴＶ２０、（２）Ｗ／Ｇ−Ｖ３０の順番で行う。

上記制御では、現在のエンジン回転数、過給圧に基づいて、下限燃圧を求め、求めた下限燃圧に基づいて、過給圧を制限するので、実際の空燃比を適正に制御でき、排ガス悪化やエンジン破損を防止することができる。このように、空気重量の制限としては、実施例１に限らず、実施例２に示した制御でも、空燃比を適正に制御可能である。又、実施例１では、予測Ａ／Ｆを算出した後、制御を行っていたが、本実施例では、予測Ａ／Ｆの算出は不要であり、その制御を簡略化できる。

なお、上記実施例１、２においては、過給器としてターボチャージャを示しているが、例えば、スーパーチャージャ等の他の過給器にも本発明は適用可能である。

本発明は、過給器を備えた筒内噴射型内燃機関に好適なものである。

本発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。 図１に示した筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置における制御を説明するブロック図である。 図１に示した筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置における制御を説明するフローチャートである。 本発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置について、その制御の他の一例を説明するブロック図である。 本発明に係る筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置について、その制御の他の一例を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
１７ ターボチャージャ
２０ ＥＴＶ
２２ 過給圧センサ
２３ 高圧燃料ポンプ
２４ 燃圧センサ
２６ インジェクタ
２９ バイパス通路
３０ Ｗ／Ｇ−Ｖ
３４ クランク角センサ
３５ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、
   前記燃料噴射手段へ供給する燃料の圧力を検出する燃料圧力検出手段と、
   前記気筒に吸入される吸気の過給を行う過給手段と、
   前記過給手段により過給される吸気の過給圧を検出する過給圧検出手段と、
   前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記燃料圧力検出手段及び前記回転数検出手段により検出された現在の燃料圧力及び回転数に基づいて燃料噴射可能な期間から算出した燃料噴射量と、前記過給圧検出手段及び前記回転数検出手段により検出された過給圧及び回転数に基づいて算出した吸入空気量とから予測空燃比を求め、現在の前記内燃機関の目標空燃比より前記予測空燃比が大きい場合には、前記過給手段による過給圧を制限する制御手段と、
   を備えることを特徴とする筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置。
2. 請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置において、
   前記制御手段は、
   前記回転数検出手段により検出された回転数に基づいて、前記燃料噴射手段から燃料が噴射される際の回転数の予測補正を行うことを特徴とする筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置において、
   前記制御手段は、
   現在の燃料圧力で噴射できる最大の噴射量に基づいて、実現可能な最もリッチな空燃比を求め、求めた空燃比を前記予測空燃比とすることを特徴とする筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置。
4. 請求項３に記載の筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置において、
   前記制御手段は、
   前記最大の噴射量に対応する燃料重量と前記目標空燃比に基づいて、制御目標となる吸入空気重量を求め、求めた前記吸入空気重量に基づいて前記過給手段による過給圧を制限することを特徴とする筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置において、
   前記制御手段は、
   前記内燃機関の吸気系に設けられた第１制御弁、及び、前記内燃機関の排気系において前記過給手段をバイパスするバイパス通路に設けられた第２制御弁の開度を制御して前記過給手段による過給圧を制限するものであり、過給圧を制限する際には、前記第１制御弁を制御した後に前記第２制御弁を制御することを特徴とする筒内噴射型内燃機関の過給圧制御装置。

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