JP5332962B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。
ディーゼルエンジンに代表される筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、燃費の悪化を防止するために着火時期をピストン上死点ＴＤＣ付近に維持しつつ、窒素酸化物ＮＯｘやパティキュレートＰＭ（Particulate Matter；排気微粒子）の排気量を低減するために燃料の噴射時期を早めて予混合燃焼させることが提案されている（特許文献１）。
特開２００４−２９３３６８号公報
しかしながら、火花点火式直噴エンジンにおいては、燃料噴射時期を早めるとピストン冠面に燃料の一部が付着し、これが蒸発せずに燃焼するためＰＭが増加する。逆に燃料噴射時期を遅くすると、ピストンが上死点から離れた低い位置にあるため、燃料がシリンダボア壁面に直接当たって付着し、この付着した燃料がピストンの動作でオイルパンへ掻き落とされ、その結果エンジンオイルを希釈するといった問題がある。
本発明が解決しようとする課題は、運転状況に応じてＰＭ排出量の抑制とエンジンオイルの希釈抑制とを適切に制御できる内燃機関の制御装置を提供することである。
本発明は、燃焼室の温度が所定温度を超えるとともに内燃機関の負荷が所定負荷以上である第１の運転状態における燃料の噴射時期（ＣＡ８０〜９０°ＡＴＤＣ）に対し、
燃焼室の温度が前記所定温度以下であるとともに内燃機関の負荷が前記所定負荷以上である第２の運転状態の場合は燃焼の噴射時期を進角させ（ＣＡ４０〜５０°ＡＴＤＣ）、
燃焼室の温度が前記所定温度以下であるとともに内燃機関の負荷が前記所定負荷未満である第３の運転状態の場合は燃焼の噴射時期を同等又は進角させ（ＣＡ６０〜８０°ＡＴＤＣ）、
燃焼室の温度が前記所定温度を超えるとともに内燃機関の負荷が前記所定負荷未満である第４の運転状態の場合は燃焼の噴射時期を進角させる（ＣＡ４０〜５０°ＡＴＤＣ）ことによって、上記課題を解決する。
本発明によれば、燃焼室の温度が低温であり負荷が大きい場合は噴射時期を進角させるので、負荷の増加に応じて燃料噴射量が増加しても、燃料がシリンダボア壁面に付着するのを抑制することができる。その結果、エンジンオイルの希釈を抑制することができる。
一方、燃焼室の温度が低温であり負荷が小さい場合は噴射時期を遅角させるので、燃料のピストン冠面への付着を抑制することができる。その結果、ＰＭの排出量を低減することができる。
本発明の一実施の形態を適用した内燃機関を示すブロック図である。 図１のエンジンコントローラにて実行される燃料噴射制御の手順を示すフローチャートである。 図２の制御におけるエンジン負荷と燃料噴射時期との関係を示す制御マップである。 トルク性能特性図における燃料噴射時期を示す制御マップ（燃焼室温度が低温時）である。 トルク性能特性図における燃料噴射時期を示す制御マップ（燃焼室温度が高温時）である。
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、本発明の一実施の形態を適用した内燃機関を示すブロック図であり、いわゆる筒内直噴型火花点火式エンジンＥＧに本発明の制御装置を適用した例を説明する。
図１において、エンジンＥＧの吸気通路１１１には、エアーフィルタ１１２、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１１３、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ１１４およびコレクタ１１５が設けられている。
スロットルバルブ１１４には、当該スロットルバルブ１１４の開度を調整するＤＣモータ等のアクチュエータ１１６が設けられている。このスロットルバルブアクチュエータ１１６は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成するように、エンジンコントロールユニット１１からの駆動信号に基づき、スロットルバルブ１１４の開度を電子制御する。また、スロットルバルブ１１４の開度を検出するスロットルセンサ１１７が設けられて、その検出信号をエンジンコントロールユニット１へ出力する。なお、スロットルセンサ１１７はアイドルスイッチとしても機能させることができる。
燃料噴射バルブ１１８は、燃焼室１２３に臨ませて設けられている。燃料噴射バルブ１１８は、エンジンコントロールユニット１１において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図外の燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を筒内に直接噴射する。この制御については後述する。
シリンダ１１９と、当該シリンダ内を往復移動するピストン１２０の冠面と、吸気バルブ１２１及び排気バルブ１２２が設けられたシリンダヘッドとで囲まれる空間が燃焼室１２３を構成する。点火プラグ１２４は、各気筒の燃焼室１２３に臨んで装着され、エンジンコントロールユニット１１からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。
一方、排気通路１２５には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出することにより排気、ひいては吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ１２６が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。この空燃比センサ１２６は、リッチ・リーン出力する酸素センサであってもよいし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい。
また、排気通路１２５には、排気を浄化するための排気浄化触媒１２７が設けられている。この排気浄化触媒１２７としては、ストイキ（理論空燃比，λ＝１、空気重量／燃料重量＝１４．７）近傍において排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを酸化するとともに、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣの酸化を行う酸化触媒を用いることができる。
排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の下流側には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出し、リッチ・リーン出力する酸素センサ１２８が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。ここでは、酸素センサ１２８の検出値により、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を補正することで、空燃比センサ１２６の劣化等に伴う制御誤差を抑制する等のために（いわゆるダブル空燃比センサシステム採用のために）、下流側酸素センサ１２８を設けて構成したが、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行なわせるだけでよい場合には、酸素センサ１２８を省略することができる。
なお、図１において１２９はマフラである。
エンジンＥＧのクランク軸１３０にはクランク角センサ１３１が設けられ、エンジンコントロールユニット１１は、クランク角センサ１３１から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントすることで、又は、クランク基準角信号の周期を計測することで、機関回転速度Ｎｅを検出することができる。
エンジンＥＧの冷却ジャケット１３２には、水温センサ１３３が当該冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット１３１内の冷却水温度Ｔｗを検出し、これをエンジンコントロールユニット１１へ出力する。
ところで、吸気行程にて燃料を噴射し、燃料と空気とを均一に混合して燃焼させる均質燃焼制御においては、たとえば８０〜９０°ＡＴＤＣのタイミングで燃料が燃焼室１２３に噴射される。この吸気行程における燃料の噴射時期を遅くすると、噴射時にはピストン１２０が上死点ＴＤＣから離れた低い位置にあるため、燃料がシリンダ１１９の壁面に直接当たって付着し、この付着した燃料がピストン１２０の動作でオイルパンへ掻き落とされ、その結果エンジンオイルを希釈する傾向がある。したがって、エンジンオイルの希釈を抑制するためには燃料の噴射時期を早くする必要がある。
ところが、燃料の噴射時期を早くすると、噴射時にはピストン１２０が上死点ＴＤＣに近い位置にあるため、ピストン１２０の冠面に燃料の一部が付着し、これが蒸発せずに燃焼してＰＭが増加する傾向がある。すなわち、エンジンオイルの希釈抑制とＰＭ排出抑制とを燃料の噴射時期で対策しようとすると、互いに背反する条件となる。
しかしながら、ＰＭの排出は、主として燃焼室１２３の温度が低温である冷機状態に問題となる一方で、エンジンオイルの希釈は、主として燃料噴射量が大きい高負荷状態において問題となる。本例のエンジンコントロールユニット１１ではこうした知見に基づき、燃焼室１２３の温度に応じて燃料の噴射時期の制御マップを切り換えることとしている。
燃焼室１２３の温度は、水温センサ１３３により検出されるエンジン冷却水の温度で代用することができる。またこれに代えて、エンジンオイルの温度を検出するセンサを設け、当該エンジンオイルの温度で代用することもできる。さらにこれに代えて、エンジンの始動からの運転履歴に基づいてシリンダ１１９の壁面温度を推定演算することもできる。以下においては、水温センサ１３３により検出された冷却水温度に所定の変換係数を乗じた温度を燃焼室１２３の温度として用いるものとする。
次に制御手順を説明する。
図２はエンジンコントローラ１１にて実行される、吸気行程における燃料噴射制御の手順を示すフローチャートである。
ステップＳ１では水温センサ１３３の冷却水温度から燃焼室１２３の温度を検出し、これが予め設定された所定温度Ｔ０以下か否かを判定する。測定された燃焼室１２３の温度が所定温度Ｔ０以下である場合、すなわちエンジンＥＧが冷機状態である場合はステップＳ２へ進み、所定温度Ｔ０より高い場合、すなわちエンジンＥＧが暖機状態である場合はステップＳ５へ進む。
ステップＳ２では、エンジン負荷が予め設定された所定負荷Ｗ０より高いか否かを判定する。図４は、燃焼室温度が低温時（エンジン冷機時）におけるトルク性能特性図上の燃料噴射時期を示す制御マップである。同図において実線は燃料の噴射時期を切り換える閾値曲線（所定負荷）であり、実線より上の領域が高負荷領域、実線より下の領域が低負荷領域である。また同図の点線は高負荷領域と低負荷領域との間で燃料の噴射時期を切り換える際の緩衝領域であり、燃料の噴射時期を緩やかに切り換えることでトルク段差の発生を抑制する。
クランク角センサ１３１によりエンジン回転数を検出するとともに、図示しないトルクセンサによりクランク軸１３０の軸トルクを検出し、図４の制御マップを参照することにより、現在のエンジン負荷が高負荷領域にあるか、低負荷領域にあるかを判定する。
ステップＳ２の判定の結果、現在のエンジン負荷が所定負荷Ｗ０より高い高負荷領域にある場合はステップＳ３へ進み、所定負荷Ｗ０より低い低負荷領域にある場合はステップＳ４へ進む。
ステップＳ３では、燃料の噴射時期を４０〜５０°ＡＴＤＣに進角させ、エンジンオイルの希釈抑制を優先させる。高負荷領域では燃料の噴射量が大きいため、シリンダ１１９の壁面に付着する燃料量も多くなるからである。これに対し、高負荷領域では燃焼エネルギが大きいのでＰＭの排出量は相対的に低下する。このように燃料の噴射時期を進角させることで、シリンダ１１９の壁面に付着してエンジンオイルを希釈する燃料量を低減することができる。
一方、ステップＳ４では、燃料の噴射時期を６０〜８０°ＡＴＤＣに遅角させ、ＰＭの排出抑制を優先させる。低負荷領域では燃焼エネルギが小さいためＰＭの排出量が増加するからである。これに対し、低負荷領域では燃料の噴射量が小さく、シリンダ１１９の壁面に付着する燃料量も相対的に少なくなる。このように燃料の噴射時期を遅角させることで、ピストン１２０の冠面に燃料が付着しこれが蒸発せずに燃焼してＰＭが増加するのを抑制することができる。
以上のステップＳ１〜Ｓ４の制御を第１の制御モードという。
ステップＳ１に戻り、燃焼室１２３の温度が所定温度Ｔ０より高い場合、すなわちエンジンＥＧが暖機状態である場合はステップＳ５へ進む。
ステップＳ５では、エンジン負荷が予め設定された所定負荷Ｗ０より高いか否かを判定する。図５は、燃焼室温度が高温時（エンジン暖機時）におけるトルク性能特性図上の燃料噴射時期を示す制御マップである。同図において実線は燃料の噴射時期を切り換える閾値曲線（所定負荷）であり、実線より上の領域が高負荷領域、実線より下の領域が低負荷領域である。また同図の点線は高負荷領域と低負荷領域との間で燃料の噴射時期を切り換える際の緩衝領域であり、燃料の噴射時期を緩やかに切り換えることでトルク段差の発生を抑制する。なお、図４に示す実線の閾値曲線と図５に示す実線の閾値曲線は異なる値であってもよい。
クランク角センサ１３１によりエンジン回転数を検出するとともに、図示しないトルクセンサによりクランク軸１３０の軸トルクを検出し、図５の制御マップを参照することにより、現在のエンジン負荷が高負荷領域にあるか、低負荷領域にあるかを判定する。
ステップＳ５の判定の結果、現在のエンジン負荷が所定負荷Ｗ０より高い高負荷領域にある場合はステップＳ６へ進み、所定負荷Ｗ０より低い低負荷領域にある場合はステップＳ７へ進む。
ステップＳ６では、燃料の噴射時期を定常状態である８０〜９０°ＡＴＤＣに設定し、暖気時の高負荷運転を行う。
これに対しステップＳ７では、燃料の噴射時期を４０〜５０°に進角させ、燃費向上および燃焼効率向上に対応すると同時に、エンジンオイルの希釈抑制にも対応する。燃焼室１２３の温度が高温である場合は、ピストン１２０の冠面に燃料が付着しても蒸発が促進されるのでＰＭの排出量はさほど問題とならず、むしろ燃費や燃焼に加えてエンジンオイルの希釈抑制に対応することが望ましいからである。
以上のステップＳ１，Ｓ５〜Ｓ７の制御を第２の制御モードという。
尚、図２に示す制御ルーチンの範囲内では、全て吸気行程噴射による均質燃焼制御が行なわれる。
図３はエンジン負荷と燃料噴射時期との関係を、燃焼室温度が高い場合（点線）と低い場合（実線）のそれぞれについて示す制御マップである。
同図に実線で示す燃焼室温度が低い場合には、エンジン負荷が所定負荷の緩衝領域下限Ｗ０−αより小さいときは燃料の噴射時期を遅角させ、エンジン負荷が所定負荷の緩衝領域の上限Ｗ０＋αより大きいときは燃料の噴射時期を進角させる。
さらに、エンジン負荷が所定負荷の緩衝領域の上限Ｗ０＋αより大きいときは、燃料の噴射時期を一定値に設定してもよいが、本例では同図に示すように一定値に設定せず、負荷が大きいほど進角させることとしている。これにより、負荷の増加に応じて燃料の噴射量が増加しても、シリンダ１１９の壁面に付着してエンジンオイルを希釈する燃料量を低減することができる。
一方、同図に点線で示す燃焼室温度が高い場合には、エンジン負荷が所定負荷の緩衝領域下限Ｗ０−αより小さいときは燃料の噴射時期を進角させ、エンジン負荷が所定負荷の緩衝領域の上限Ｗ０＋αより大きいときは燃料の噴射時期を遅角させる。
そして、図２に示す制御ルーチンを繰り返すうちに燃焼室温度が上昇し、ステップＳ２〜Ｓ４の第１の制御モードからステップＳ５〜Ｓ７の第２の制御モードへ切り換わる際は、そのときのエンジン負荷に応じた燃料の噴射時期に変更することもできるが、変更前後で燃料の噴射時期が大きく異なるとトルク段差が生じるおそれがある。そのため、図３に示す実線と点線の交点またはその近傍のエンジン負荷において切り換えることが望ましい。
またはこれに代えて、変更前後の燃料の噴射時期が大きく異なる場合は、急激に変更するのではなく徐々に目標時期に近づける徐変制御を実行することもできる。さらにこれに代えて、変更前後の燃料の噴射時期が大きく異なる場合は、燃料の噴射が中断される、いわゆるフューエルカットの運転状態において切り換えることもできる。
以上のとおり、本例の内燃機関の制御装置によれば、ＰＭ排出抑制の要求が相対的に小さくエンジンオイルの希釈抑制の要求が相対的に大きい場合は燃料の噴射時期を進角させ、ＰＭ排出抑制の要求が相対的に大きくエンジンオイルの希釈抑制の要求が相対的に小さい場合は燃料の噴射時期を遅角させることとしているので、ＰＭ排出量の抑制とエンジンオイルの希釈抑制とを適切に制御することができる。
また、冷機時の高負荷状態においてはエンジン負荷が大きいほど燃料の噴射時期を進角させるので、負荷の増加に応じて燃料の噴射量が増加しても、シリンダ１１９の壁面に付着してエンジンオイルを希釈する燃料量を低減することができる。
さらに、第１の制御モードと第２の制御モードとを切り換える際は燃料の噴射時期が近似する負荷領域にて切り換えたり、燃料の噴射時期を徐変したり、フューエルカット時に切り換えたりするので、切換時のトルク段差の発生を抑制することができる。
上記エンジンＥＧが本発明に係る内燃機関に相当し、上記水温センサ１３３が本発明に係る温度検出手段に相当し、上記クランク角センサ１３１が本発明に係る負荷検出手段に相当し、エンジンコントロールユニット１１が本発明に係る制御手段に相当する。
ＥＧ…エンジン（内燃機関）
１１…エンジンコントローラ
１１１…吸気通路
１１２…エアーフィルタ
１１３…エアフローメータ
１１４…スロットルバルブ
１１５…コレクタ
１１６…スロットルバルブアクチュエータ
１１７…スロットルセンサ
１１８…燃料噴射バルブ
１１９…シリンダ
１２０…ピストン
１２１…吸気バルブ
１２２…排気バルブ
１２３…燃焼室
１２４…点火プラグ
１２５…排気通路
１２６…空燃比センサ
１２７…排気浄化触媒
１２８…酸素センサ
１２９…マフラ
１３０…クランク軸
１３１…クランク角センサ
１３２…冷却ジャケット
１３３…水温センサ

Claims (5)

  1. 吸気工程にて燃焼室に燃料を直接噴射する火花点火式内燃機関の制御装置であって、
    前記燃焼室の温度を検出する温度検出手段と、
    前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
    前記燃料の噴射時期を制御する制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、
    前記燃焼室の温度が所定温度を超えるとともに前記内燃機関の負荷が所定負荷以上である第１の運転状態における燃料の噴射時期に対し、
    前記燃焼室の温度が前記所定温度以下であるとともに前記内燃機関の負荷が前記所定負荷以上である第２の運転状態の場合は、前記燃焼の噴射時期を進角させ、
    前記燃焼室の温度が前記所定温度以下であるとともに前記内燃機関の負荷が前記所定負荷未満である第３の運転状態の場合は、前記燃焼の噴射時期を同等又は進角させ、
    前記燃焼室の温度が前記所定温度を超えるとともに前記内燃機関の負荷が前記所定負荷未満である第４の運転状態の場合は、前記燃焼の噴射時期を進角させる内燃機関の制御装置において、
    前記制御手段は、前記燃料の噴射時期のクランク角を、
    前記第１の運転状態の場合は８０〜９０°ＡＴＤＣ、
    前記第２の運転状態の場合は４０〜５０°ＡＴＤＣ、
    前記第３の運転状態の場合は６０〜８０°ＡＴＤＣ、
    前記第４の運転状態の場合は４０〜５０°ＡＴＤＣにそれぞれ設定する内燃機関の制御装置。
  2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記制御手段は、前記第２の運転状態において、前記内燃機関の負荷が大きいほど前記燃料の噴射時期を進角させる内燃機関の制御装置。
  3. 請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記制御手段は、前記第２の運転状態又は前記第３の運転状態にて実行される第１の制御における燃料の噴射時期と前記第１の運転状態又は前記第４の運転状態にて実行される第２の制御における燃料の噴射時期とが等しい負荷領域において、前記第１の制御から前記第２の制御へ、または前記第２の制御から前記第１の制御へ切り換える内燃機関の制御装置。
  4. 請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記制御手段は、前記第２の運転状態又は前記第３の運転状態にて実行される第１の制御から前記第１の運転状態又は前記第４の運転状態にて実行される第２の制御へ、または前記第２の制御から前記第１の制御へ切り換える場合に、燃料の噴射時期を徐変する内燃機関の制御装置。
  5. 請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、
    前記制御手段は、前記燃料の噴射が中断される運転状態において、前記第２の運転状態又は前記第３の運転状態にて実行される第１の制御から前記第１の運転状態又は前記第４の運転状態にて実行される第２の制御へ、または前記第２の制御から前記第１の制御へ切り換える内燃機関の制御装置。
JP2009154988A 2009-06-30 2009-06-30 内燃機関の制御装置 Expired - Fee Related JP5332962B2 (ja)

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