JP5303511B2 - 筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置に関する。

シリンダ内に直接燃料を噴射する、筒内噴射式内燃機関が広く知られている。筒内噴射式内燃機関は、燃料噴射弁により燃焼室内に直接燃料噴射を行うものであり、排出ガス物質及び燃料消費量の削減，出力の向上等を図っている。

筒内噴射式内燃機関では、燃料噴射タイミングによっては、噴射された燃料がピストン冠面や、シリンダボア壁面に付着する場合がある。

シリンダボア壁面に付着，残留した燃料量が多いと、点火までの間に完全に気化できないことがあり、未燃ガスが増大する傾向にある。そのため、例えば、特許文献１や、特許文献２には、シリンダボア壁面温度が低い場合に、燃料がピストン冠面上に広がって気化しやすくなるように吸気行程におけるインジェクタからの燃料噴射タイミングを変更する技術が開示されている。

また、特許文献３には、１サイクル中に複数回の燃料噴射を実行することで１回あたりの燃料噴射量を小さくすることで、シリンダボア壁面への燃料付着を低減し、かつ、エンジンの運転条件の変化に対し、噴射と噴射の間隔を概略クランク角度一定に保つ、すなわち、低回転ほど噴射間隔を長く、高回転ほど噴射間隔を短くすることで、噴霧を分散させる技術が開示されている。

一方、ピストン冠面やシリンダボア壁面に付着，残留した燃料量が多いと、粒子状物質（以下ＰＭ）の排出粒子数が増大する傾向がある。特に、ピストン冠面に付着した燃料量が多いとＰＭ排出粒子数が増大する傾向にある。近年では、筒内噴射式内燃機関に対して、ＰＭ排出粒子数を低減する必要性が高まっている。

特開２００９−１０２９９７号公報 特開２００９−１０２９９８号公報 特開２００２−１６１７９０号公報

前記筒内噴射式内燃機関において、シリンダボア壁面に付着，残留する燃料量を低減させるために噴射タイミングを進角すると、ピストン冠面に付着，残留する燃料量が増大し、ＰＭ排出粒子数が増大する傾向となる。一方、ＰＭ排出粒子数の増大を抑制するために噴射タイミングを遅角させると、シリンダボア壁面に付着，残留する燃料量が増大し、未燃ガスが増大する傾向となる。

かかる課題は、１サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する分割噴射の場合も同様であり、また、分割噴射においては、噴射と噴射の間隔が必要となるため、１サイクル中に１回のみ燃料を噴射する場合に比較して、噴射の終了時期が遅角側となる。分割した最終回の噴射の終了時期が所定のクランク角度よりも遅角側となると、点火されるまでの間に完全に気化できないことがあり、筒内の混合気の均質度が低下する傾向となる。

本発明の目的は、筒内噴射式内燃機関において、１サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する場合に、１回目の噴射を可能な限り進角しつつ、かつ、ＰＭ排出粒子数の増大を抑制するように、ピストン冠面に付着，残留する燃料量を低減する筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供することにある。

かかる目的を達成すべく、本発明では、燃焼室内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁が配置されている内燃機関において、１サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する分割多段噴射手段と、燃焼室より排出された排気ガスを再び燃焼室へ還流させるＥＧＲ装置と、燃焼室に還流されたＥＧＲ量を検出または算出する手段を備え、複数回に分割された各噴射のうち、少なくとも１回目の燃料噴射は吸気行程において実行し、複数回に分割された各噴射のうち、少なくとも１回目の噴射タイミングをＥＧＲ量に応じて設定し、ＥＧＲ量が多い場合は、ＥＧＲ量が少ない場合に比較して、１回目の噴射タイミングを進角することを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置を提供する。

本発明によれば、１サイクル中に噴射する燃料を複数回に分割する分割多段噴射において、複数回に分割された各噴射のうち、１回目の噴射タイミングをＥＧＲ量に応じて設定するため、ピストン冠面に付着，残留する燃料量を低減できるような噴射タイミングで分割多段噴射を実行でき、ＰＭ排出粒子数の増大を抑制することができる。

本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジンの制御システム全体の構成概略図である。 本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジンの制御装置の一実施の形態を示すシステム構成にて用いられる、エンジン制御ユニットの入出力信号関係を示すブロック線図である。 燃料噴射タイミングに対する、燃料付着量とＰＭ排出量の関係を示す図である。 燃料噴射タイミングに対する、ＰＭ排出量と燃費率とオイル希釈率の関係を示す図である。 分割噴射回数と、ＰＭ排出量の関係を示す図である。 分割噴射間隔と、ＰＭ排出量の関係を示す図である。 ＥＧＲ量と、ＰＭ排出量の関係を示す図である。 本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジンの分割多段噴射制御の制御内容を示すフローチャートである。 図８に図示の分割噴射タイミング設定の処理内容を示すフローチャートである。 図９に図示の基本噴射タイミングを算出するためのマップ関数を示す図である。 図９に図示の最終噴射タイミングを算出するためのマップ関数を示す図である。 本発明の一実施形態による分割多段噴射制御の第１の制御例を示す図である。 本発明の一実施形態による分割多段噴射制御の第２の制御例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態をなす、筒内噴射内燃機関１の制御システム全体の構成概略図である。エアクリーナ１０２の入口部から取り入れられた吸入空気は、吸入空気流量計（エアフロセンサ）１０３を通り、吸入空気流量を制御する電制スロットル弁１０４を通って各シリンダに接続された各吸気管１０５に分配された後、各シリンダの燃焼室１０６に導入される。また、前記吸入空気流量計１０３からは、前記吸入空気流量を表す信号がエンジン制御ユニット１０１に出力される。前記電制スロットル弁１０４の開度を検出するスロットル開度センサ１０７が取り付けられており、その信号もエンジン制御ユニット１０１に出力される。

燃料は、低圧燃料ポンプ（図示せず）により１次加圧された後、高圧燃料ポンプ１０８で更に高い圧力に２次加圧され、コモンレール１１７を介して各シリンダに設けられている燃料噴射弁１０９から燃焼室１０６に噴射される。前記燃焼室に噴射された燃料は、吸入空気との混合気を生成し、点火コイル１１０からの点火エネルギにより点火プラグ１１１で着火され、燃焼室内１０６で燃焼する。

燃焼室１０６より排出する排気ガスは排気管へ排出され、排気管の途中には、ＥＧＲ取入口が形成されている。排気管を流れる排気ガスの一部（ＥＧＲガス）は、ＥＧＲ取入口よりＥＧＲ管１１２を通ってＥＧＲ制御弁１１３へ流れ、ＥＧＲ取出口を経て吸気管内１０５に還流する。

ＥＧＲガス流量はＥＧＲ制御弁１１３によって調節される。ＥＧＲ管内にはＥＧＲガス流量を計測するためのＥＧＲ流量センサ１１４が取り付けられる。ＥＧＲ流量センサの流量検出信号はエンジン制御ユニット１０１に出力する。

エンジンのクランク軸１１５に取り付けられたクランク角センサ１１６は、クランク軸の回転位置を表す信号をエンジン制御ユニット１０１に出力する。

図２にエンジン制御ユニットの入出力関係を示す。エンジン制御ユニット１０１は、Ａ／Ｄ変換器を含むＩ／ＯＬＳＩ１０１ａ，ＣＰＵ１０１ｂ等から構成され、エアフロセンサ１０３，スロットル開度センサ１０７，クランク角センサ１１６，水温センサ２０２，空燃比センサ２０３，燃圧センサ２０４，油温センサ２０５，ＥＧＲ流量センサ１１４を含む各種センサ等からの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行し、演算結果として算出された各種の制御信号を出力し、アクチュエータである電制スロットル弁１０４，高圧ポンプソレノイド２０６，点火コイル１１０，各燃料噴射弁１０９に所定の制御信号を供給し、コモンレール内燃圧制御，燃料噴射量制御及び点火時期制御等を実行するものである。Ｉ／ＯＬＳＩには各インジェクタを駆動する駆動回路が設けられており、バッテリから供給される電圧を昇圧回路（図示しない）を用いて昇圧して供給し、ＩＣ（図示しない）によって電流制御することによって各インジェクタを駆動する。

図３を用いて、燃料噴射タイミングとＰＭ排出量の関係を説明する。

これは、燃料を１回噴射した場合の、噴射タイミングに対する、ピストン冠面への燃料付着量，シリンダボアへの燃料付着量，ＰＭ排出量の関係を表している。燃料噴射タイミングが早すぎる場合（ＴＤＣに近い）、ピストン冠面への燃料付着量が増大し、ＰＭ発生量も増大する傾向にある。一方、燃料噴射タイミングが遅すぎる（ＢＤＣに近い）場合、シリンダボアへの燃料付着量が増大し、これもＰＭ発生量が増大する傾向にある。また、ピストン冠面への燃料付着に対して、シリンダボアへの燃料付着は、ＰＭ発生量の影響が比較的に少ない。

燃料を１回噴射した場合のＰＭ発生量を最小限に抑えるためには、ピストン冠面への燃料付着量とシリンダボアへ燃料付着量との合計が最も少なくなる、吸気行程中期に燃料を噴射させることが望ましい。

図４を用いて、ＰＭ排出量，燃料消費率，オイル希釈量の関係を説明する。

これは、燃料噴射タイミングを変化させた場合のＰＭ排出量，燃料消費率，オイル希釈量である。ＰＭ排出量が最少となる燃料噴射タイミングは、吸気行程中期であるのに対し、燃料消費率，オイル希釈量が最少となる燃料噴射タイミングは、吸気行程初期である。すべてを最良とするためには、早い燃料噴射タイミング状態でＰＭを低減させることが望ましい。

図５を用いて、分割噴射回数とＰＭ排出量の関係を説明する。

これは、１サイクル中に必要な燃料量を複数回に分割して燃料を噴射した場合の、分割回数に対するＰＭ排出量を示している。分割回数を増やす毎に１回当たりの燃料噴射量が減少するため、ピストン冠面への燃料付着が減少し、ＰＭ排出量が減少している。

図６を用いて、分割噴射の間隔とＰＭ排出量の関係を説明する。

分割噴射の間隔が狭すぎると、十分に分割噴射の効果が得られず、ＰＭ排出量の低減が図れない。ＰＭ排出量を低減させるためには、ある所定間隔以上に噴射と噴射の間隔を空ける必要があることを示している。

図７を用いて、ＥＧＲ量とＰＭ排出量の関係を説明する。

この図は、ある分割回数で分割噴射中に、ＥＧＲ量が（Ｉ）→（II）→（III）→（IV）の順に増加した場合のＰＭ排出量を示している。ＥＧＲ量が増加することにより、ＰＭ排出量が低減している。これは、ＥＧＲガスにより燃焼室に吸入される空気温度が上昇し、筒内に噴射された燃料の気化が促進され、ピストン冠面への燃料付着量が低減されるためである。

あるＰＭ発生量レベルで比較した場合、ＥＧＲ量（Ｉ）の時にそのＰＭ排出量を達成できる燃料噴射タイミング（Ａ）に対し、ＥＧＲ量が（II）→（III）→（IV）の順に増加すると、ＰＭ発生量を達成できる燃料噴射タイミングは、（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）の順に早期化が可能となる。

次に、図８〜図１１を用いて、本実施形態による内燃機関の分割多段噴射制御の具体的な制御内容について説明する。

図８は、本発明の一実施形態による、分割多段噴射制御の制御内容を示すフローチャートである。

図８の内容は、エンジン制御ユニット１０１のＣＰＵにプログラミングされ、あらかじめ定められた周期で繰り返し実行される。エンジン制御ユニット１０１は図８の処理内容で算出された、噴射パルス幅と、噴射タイミングに基づき、各燃料噴射弁１０９に所定の制御信号を供給し、１サイクル中に複数の燃料噴射を実行する。

ステップ８０１では、各燃料噴射弁１０９から１サイクル中に噴射する総燃料量である、合計噴射パルス幅ＴＩ_ＴＯＴＡＬを設定する。合計噴射パルス幅ＴＩ_ＴＯＴＡＬは、エアフロセンサ１０３にて計量する吸入空気量や、運転状態等に応じて設定される空燃比，燃圧センサ２０４の信号を用いて算出される燃圧等に応じて設定される。

ステップ８０２では、最小噴射パルス幅ＴＩ_ＭＩＮを算出する。ここで最小噴射パルス幅は、燃料噴射弁１０９の燃圧特性，電気特性，機械特性、及びインジェクタの駆動電流波形等の諸特性から設定する。

ステップ８０３では、分割した各噴射の噴射インターバルである噴射間隔を算出する。噴射間隔は、燃料付着及び混合気の均質性の面と、インジェクタ駆動電流確保の面から、ある所定間隔以上を設定する。噴射間隔が狭すぎると１回噴射とほぼ同様の燃料噴霧状態となり、分割噴射の効果が得られずにピストン冠面，シリンダボアへの燃料付着を低減できない。また、インジェクタ駆動回路は、インジェクタを駆動する度に昇圧回路内の電圧が低下するため、元の電圧まで復帰する時間が必要であり、この昇圧復帰時間中は、次の燃料噴射を待つ必要がある。

ステップ８０４では、分割数Ｎの設定を行う。ステップ８０１で設定した合計噴射パルス幅ＴＩ_ＴＯＴＡＬ，ステップ８０２で設定した最小噴射パルス幅ＴＩ_ＭＩＮを用いて、ＴＩ_ＴＯＴＡＬ÷ＴＩ_ＭＩＮの除算を実行し、その商を分割数Ｎとして設定する。

ステップ８０５では、カウンタｎの初期化を行う。

ステップ８０６では、カウンタｎが分割数Ｎよりも大きいか否かの判定を行い、大きい場合（ｎ＝１〜Ｎまでの設定が完了）は処理を終了する。カウンタｎが分割数Ｎ以下の場合はステップ８０７以降の処理を行う。

ステップ８０７では、各噴射の噴射パルス幅ＴＩ_ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の算出を行う。ステップ８０１で算出した合計噴射パルス幅ＴＩ_ＴＯＴＡＬと、ステップ８０４で算出した分割数Ｎを用いて、ＴＩ_ＴＯＴＡＬ÷Ｎの除算を実行して算出する。

ステップ８０８では、ＥＧＲ率を算出する。ＥＧＲ率ＲＥＧＲは、ＥＧＲ流量センサ１１４にて計量したＥＧＲガス量ＱＥＧＲと、エアフロセンサ１０３にて計量した吸入空気量ＱＡを用いて、ＱＥＧＲ÷（ＱＡ＋ＱＥＧＲ）の除算を実行して求める。

ステップ８０９では、分割多段噴射の各噴射の噴射タイミングの設定を行う。ステップ８０９の詳細は図９に示す。

ステップ８１０では、カウンタｎのインクリメント処理を行い、ステップ８０５に戻る。このようにしてｎ＝１〜Ｎまでの処理を繰り返し、各噴射パルス幅と各噴射タイミングを設定する。

図９を用いて、図８のステップ８０９（噴射タイミング設定）の詳細について説明する。

ステップ９０１では、基本噴射タイミングを算出する。

図８のステップ８０７で算出した分割後噴射パルス幅ＴＩ_ｎと、図８のステップ８０８で算出したＥＧＲ率ＲＥＧＲを入力として、図１０に示すようなマップＭＩＴＢを参照することによって、基本噴射タイミングＩＴＢを算出する。マップＭＩＴＢは、分割後の燃料噴射量による燃料付着量と、ＥＧＲによる気化率向上分を考慮して、基本となる燃料噴射タイミングを設定する。

ステップ９０２では、ピストン冠面温度の補正を加えた、最終噴射タイミングを算出する。

ステップ９０１で算出した基本噴射タイミングＩＴＢと、ピストン冠面温度ＴＰＩを入力として、図１１に示すようなマップＭＩＴＦを参照することによって、最終噴射タイミングＩＴＦを算出する。マップＭＩＴＦは、ピストン冠面温度ＴＰＩによる燃料付着量，気化率の影響を考慮して設定する。また、冠面温度ＴＰＩは、空気量，空燃比，点火時期などを用いて、熱モデルを構成して推定する方法が望ましいが、制御簡略化の観点から、水温センサ２０２，油温センサ２０５で検出した水温，油温を入力値として、マップＭＩＴＦを検索する構成としても良い。

ステップ９０３では、１サイクルにおける分割噴射のうち、１回目の噴射タイミングの設定か否かの判定を行う。ｎ＝１の場合、ステップ９０７に進み、１回目の噴射タイミングＩＴ１＝ＩＴＦとして終了する。ｎ≠１の場合（２回目以降の場合）、ステップ９０４に進み、ｎ回目噴射開始可能角度ＩＴｎを算出する。前回ＩＴ_（ｎ−１）に、分割後噴射パルス幅ＴＩ_（ｎ−１）と図８のステップ８０３で算出した噴射間隔ＴＩ_ＩＮＴを加算して、ｎ回目噴射開始可能角度ＩＴ_ｎを算出する。

図１２から図１３を用いて、図８から図１１に示すようにして構成したときの具体的な制御例について説明する。

図１２は、ピストン冠面温度が高温、例えばエンジンが完全暖機された場合に、Ｉサイクル中に３回に分割して燃料噴射を実施した噴射タイミングを示した図である。下段はＥＧＲ量が少流量時、中段はＥＧＲ量が中流量時、上段はＥＧＲ量が大流量時、を表している。ＥＧＲ量に応じて、１回目の噴射タイミングを進角させている。２回目以降の噴射も、噴射間隔を保ったまま、１回目の噴射タイミング進角量に応じて進角側に変更されている。

図１３は、ピストン冠面温度が低温、例えばエンジンを始動してからの暖機途中に、Ｉサイクル中に３回に分割して燃料噴射を実施した噴射タイミングを示した図である。下段はＥＧＲ量が少流量時、中段はＥＧＲ量が中流量時、上段はＥＧＲ量が大流量時、を表している。ＥＧＲ量に応じて、１回目の噴射タイミングを進角させているのは、図１２のピストン冠面温度が高温の場合と同様であるが、１回目の噴射タイミングが高温の場合と比較して遅角側となっている。２回目以降の噴射も同様であり、噴射間隔を保ったまま、１回目の噴射タイミング進角量に応じて進角側に変更されている。

１ 筒内噴射内燃機関
１０１ エンジン制御ユニット
１０２ エアクリーナ
１０３ エアフロセンサ
１０４ 電制スロットル弁
１０５ 吸気管
１０６ 燃焼室
１０７ スロットル開度センサ
１０８ 高圧燃料ポンプ
１０９ 燃料噴射弁
１１０ 点火コイル
１１１ 点火プラグ
１１２ ＥＧＲ管
１１３ ＥＧＲ制御弁
１１４ ＥＧＲ流量センサ
１１５ クランク軸
１１６ クランク角センサ
１１７ コモンレール
２０１ カム角センサ
２０２ 水温センサ
２０３ 空燃比センサ
２０４ 燃圧センサ
２０５ 油温センサ
２０６ 高圧ポンプソレノイド
２０７ 低圧ポンプ

Claims (4)

1. 燃焼室内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁と燃焼室より排出された排気ガスを再び燃焼室へ還流させるＥＧＲ装置とが配置されている内燃機関の制御装置において、１サイクル中に複数回の燃料噴射を実行する分割多段噴射手段とを備え、
   複数回に分割された各噴射のうち、少なくとも１回目の燃料噴射は吸気行程において実行し、複数回に分割された各噴射のうち、少なくとも１回目の噴射開始タイミングをＥＧＲ量に応じて設定し、ＥＧＲ量が多い場合は、ＥＧＲ量が少ない場合に比較して、１回目の噴射開始タイミングを進角することを特徴とする制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置であって、前記内燃機関に備えられたピストンの冠面温度に影響を与えるパラメータを検出し、複数回に分割された各噴射のうち、少なくとも１回目の噴射タイミングを前記パラメータに基づいて設定することを特徴とする制御装置。
3. 請求項２記載の制御装置であって、前記パラメータは、前記筒内噴射式内燃機関の冷却水温度、または、前記筒内噴射式内燃機関の潤滑油温度であることを特徴とする制御装置。
4. 請求項２記載の制御装置であって、前記パラメータが低温の場合は、常温の場合に比較して、複数回に分割された各噴射のうち、少なくとも１回目噴射の噴射タイミングを遅角することを特徴とする制御装置。

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