JP5664106B2

JP5664106B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5664106B2
Application number: JP2010231680A
Authority: JP
Inventors: 飯島　章; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: JP2012082800A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に１燃焼行程中にメイン噴射を含む複数回の噴射が可能な多段噴射装置を有する内燃機関の制御装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、エンジンという）の燃料噴射装置として、エンジンの各気筒内に燃料を供給すべく、コモンレール内に蓄圧した加圧燃料を、各気筒に対応して設けられた複数の燃料噴射制御弁を介して供給する蓄圧式の燃料噴射装置が知られている。

例えば、特許文献１には、この種の燃料噴射装置として、燃料加圧ポンプとコモンレールと燃料噴射制御弁とを備えた蓄圧式の燃料噴射装置が開示されている。

特開平１０−３０４８６号公報

蓄圧式の燃料噴射装置を有するエンジンにおいては、エンジンの低騒音や低スモークを同時に達成させるべく、エンジンの１燃焼行程中に燃料を複数回噴射する多段噴射が行われている。この多段噴射による燃料噴射パターンは、例えば図９（ｂ）に示すように、エンジンの最高筒内圧が低い運転領域（図９（ａ）中の領域４等を参照）では、１燃焼行程中にプレ噴射やメイン噴射等を含む複数回の燃料噴射を行っている。一方、エンジンの定格点を含む最高筒内圧が高い運転領域（図９（ａ）中の領域１等を参照）では、１燃焼行程中にメイン噴射を１回のみ行うのが一般的である。

ところで、高負荷運転時等にエンジンを高過給とした場合、エンジンの出力が上がると同時に筒内圧も上昇することになる。そのため、エンジンの筒内圧が高くなるような高負荷運転時においては、シリンダヘッドやシリンダブロック及び、ピストン等の耐久性の観点から、エンジンの圧縮比を下げる必要がある。

しかし、エンジンの圧縮比を下げてしまうと、エンジンの熱効率が低下して、エンジンの燃費も悪化する可能性がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、エンジンの高負荷運転時に筒内圧の上昇を抑制しつつ、エンジンの熱効率を効果的に向上させることにある。

上記目的を達成するため、本発明の内燃機関の制御装置は、１燃焼行程中にメイン噴射を含む複数回の噴射が可能な多段噴射装置を有する内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記運転状態検出手段の検出に基づいて、前記内燃機関の運転状態が所定の高負荷領域の場合は、前記メイン噴射による燃料の噴射が少なくとも３段階に分けて行われるように前記多段噴射装置を制御する噴射制御手段とを備え、前記噴射制御手段は、少なくとも３段階に分けて行う前記メイン噴射による燃料の噴射のうち、１段目の噴射を前記内燃機関の上死点で行うとともに、１段目の噴射量を２段目以降の噴射量よりも小さくし、最終段目の噴射を上死点からクランク角度が１０°進んだ時に行うように前記多段噴射装置を制御することを特徴とする。

また、前記噴射制御手段は、メイン噴射条件を予め噴射条件マップとして記憶させ、該噴射条件マップを参照することで内燃機関の運転状況に応じたメイン噴射条件を設定するようにしてもよい。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、エンジンの高負荷運転時に筒内圧の上昇を抑制しつつ、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す模式的な全体構成図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）とエンジン回転数との関係を示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置において、メイン噴射を４〜６段階に分けた場合の燃料噴射量と噴射時期とを示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置による燃料噴射制御を示すフローである。本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置による筒内圧とクランク角との関係を示す指圧線図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置によるＰ−Ｖ線図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置による熱発生率を示す図であるメイン噴射による燃料噴射を１段階にした場合と３段階にした場合とを比較した図である。従来の多段噴射装置による噴射パターンを示す図である。

以下、図１〜８に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１は、図１に示すように、４個の気筒２ａ〜２ｄを備えたディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２に適用される。また、このエンジン２には、１燃焼行程中にメイン噴射を含む複数回の燃料噴射が可能な多段噴射装置３０が設けられている。

エンジン２の各気筒２ａ〜２ｄの吸気口には、図１に示すように、吸気弁（不図示）の開弁により吸気通路２０を介して新気を導入する吸気マニホールド１５が接続されている。また、エンジン２の各気筒２ａ〜２ｄの排出口には、排気弁（不図示）の開弁により排気通路２６を介して排気ガスを排出する排気マニホールド１６が接続されている。さらに、吸気マニホールド１５と排気マニホールド１６とは、排気ガスの一部を還流するＥＧＲ通路４０によって連通されている。

吸気通路２０には、図１に示すように、上流側から順にエアクリーナ２５と、ターボ過給器２３を構成するコンプレッサ２３ａと、インタクーラ２２とが設けられている。また、排気通路２６には、ターボ過給器２３を構成するタービン２３ｂが設けられている。

多段噴射装置３０は、図１に示すように、電磁式の燃料噴射制御弁３ａ〜３ｄと、燃料噴射管４ａ〜４ｄと、コモンレール１０と、サプライポンプ１４とを備え構成されている。

燃料噴射制御弁３ａ〜３ｄは、エンジン２の各気筒２ａ〜２ｄ毎に加圧燃料を直接噴射するもので、噴射孔を有する燃料噴射ノズル（不図示）と、燃料噴射ノズル内に摺動自在に収容された芯弁（不図示）と、芯弁を開弁方向に移動させる電磁弁（不図示）とを有する。また、燃料噴射制御弁３ａ〜３ｄは、燃料噴射管４ａ〜４ｄを介してコモンレール１０に接続されている。そして、燃料噴射制御弁３ａ〜３ｄは、電磁弁に後述するＥＣＵ５０から制御信号（パルス信号）が出力されると、係る出力に応じて芯弁を駆動させることで、各気筒２ａ〜２ｄに適量の加圧燃料を噴射するように構成されている。

コモンレール１０は、サプライポンプ１４から供給される加圧燃料を畜圧するとともに、この畜圧した加圧燃料を燃料噴射管４ａ〜４ｄを介して燃料噴射制御弁３ａ〜３ｄへと分配する。

サプライポンプ１４は、公知の高圧供給ポンプであって、図示しない燃料タンクから燃料を汲み取るフィードポンプや、コモンレール１０への加圧燃料の吐出量を調整する電磁弁（不図示）等を備え構成されている。

エンジン回転センサ３２は、エンジン２の回転数を検出するもので、図１に示すように電気配線を介してＥＣＵ５０に接続されている。

アクセル開度センサ３３は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するもので、図１に示すように電気配線を介してＥＣＵ５０に接続されている。

なお、本実施形態に係るエンジン回転センサ３２とアクセル開度センサ３３とは、本発明の運転状態検出手段を構成する。

ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ：ＥＣＵ）５０は、本発明の噴射制御手段に相当するもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えている。また、ＥＣＵ５０には、エンジン回転数センサ３２、アクセル開度センサ３３、クランク角度センサ（不図示）等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力されるように構成されている。また、ＥＣＵ５０は、運転状態判定部５１と、燃料噴射条件設定部５２とを一部の機能要素として有する。なお、これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

運転状態判定部５１は、エンジン回転センサ３２の検出値（以下、回転数Ｎという）やアクセル開度センサ３３の検出値（以下、アクセル開度Ｑという）等のエンジン２の運転状態を示すパラメータに基づいて、エンジン２の運転状態が所定の高負荷運転領域にあるか否かを判定する。ここで、所定の高負荷運転領域は、例えば図２に示すように、エンジン２の正味平均有効圧（ＢｒａｋｅＭｅａｎＥｆｆｅｃｔｉｖｅＰｒｅｓｓｕｒｅ：ＢＭＥＰ）が上限閾値Ｐ_MAXよりも高くなる運転領域に設定されている。すなわち、運転状態判定部５１は、回転数Ｎが所定回転数Ｎ_Sより大きくなり、かつ、アクセル開度Ｑも所定開度Ｑ_Sより大きくなることで、ＢＭＥＰが上限閾値Ｐ_MAXより高くなるような運転領域の場合は、エンジン２の運転状態を所定の高負荷運転領域にあると判定する。一方、運転状態判定部５１は、回転数Ｎが所定回転数Ｎ_S以下になり、かつ、アクセル開度Ｑも所定開度Ｑ_S以下となることで、ＢＭＥＰが上限閾値Ｐ_MAX以下になるような運転領域の場合は、エンジン２の運転状態を所定の高負荷運転領域にないと判定する。

燃料噴射条件設定部５２は、運転状態判定部５１の判定に応じて、多段噴射装置３０による燃料噴射条件を設定する。エンジン２の運転状態が所定の高負荷運転領域にない場合は、エンジン２の運転状態とＥＣＵ５０に予め記憶された図示しない多段噴射の特性マップとに基づいて、１燃焼行程中に行うパイロット噴射,メイン噴射，アフター噴射等の各噴射条件（燃料噴射量，噴射開始時期等）を設定し、これら設定した噴射条件のパルス信号を燃料噴射制御弁３ａ〜３ｄの電磁弁に出力する。

一方、エンジン２の運転状態が所定の高負荷運転領域にある場合は、エンジン２の運転状態に応じた１燃焼行程中におけるメイン噴射の総噴射量Ｍを算出するとともに、メイン噴射による燃料噴射を３段階に分けて行うメイン噴射条件を設定する。そして、設定されたメイン噴射条件は、制御信号（パルス信号）として燃料噴射制御弁３ａ〜３ｄの電磁弁に出力されるように構成されている。ここで、本実施形態において、メイン噴射を３段階に分けて行うメイン噴射条件のうち、１段目の燃料噴射量は算出した総噴射量Ｍの約５％に設定され、その噴射時期（クランク角度）はクランク角度が限りなく０（ゼロ）に近い上死点近傍に設定されている。また、２段目の燃料噴射量は算出した総噴射量Ｍの約７０％に設定され、その噴射時期（クランク角度）は上死点後の５°（５度）前後に設定されている。さらに、３段目の燃料噴射量は算出した総噴射量Ｍの約２５％に設定され、その噴射時期（クランク角度）は上死点後の１０°（１０度）前後に設定されている。

なお、メイン噴射を分ける段数は必ずしも３段階に限られず、例えば４〜６段階など３段階以上にするものであれば、適宜変形して適用することができる。この場合、上死点近傍で行う１段目の燃料噴射量は以下の数式１で算出され、上死点近傍から上死点後１０°（１０度）の範囲で行う２段目以降の燃料噴射量は以下の数式２で算出される。

なお、数式１，２中のＡ及びＢは、以下の数式３，４で算出される。また、数式３，４のｎはメイン噴射を分ける段数（ｎ≧３）を示し、ｋは燃料を噴射する順番（１≦ｋ≦ｎ）を示す。

また、上死点近傍から上死点後１０°（１０度）の範囲で行う２段目以降の噴射時期（クランク角度）は、以下の数式５で算出される。

このように、メイン噴射を分ける段数を４段階以上にした場合の噴射時期と噴射量とを上述の数式１〜５に基づいて算出すると、図３の表１に示すような関係になる。いずれの場合も、上死点近傍で行う１段目の燃料噴射量は総噴射量Ｍの約３〜７％となり、２段目以降に行う燃料噴射量よりも小さく設定されることになる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１は、以上のように構成されているので、例えば図４に示すフローに従って以下のような制御が行われる。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、ＥＣＵ５０の運転状態判定部５１によって、エンジン２の運転状態が所定の高負荷運転領域にあるか否かが判定される。回転数Ｎが所定回転数Ｎ_Sより大きく、かつ、アクセル開度Ｑも所定開度Ｑ_Sより大きくなり、ＢＭＥＰが上限閾値Ｐ_MAXより高くなるような運転領域の場合は、エンジン２の運転状態は所定の高負荷運転領域と判定されてＳ１１０へと進む。一方、回転数Ｎが所定回転数Ｎ_S以下で、かつ、アクセル開度Ｑも所定開度Ｑ_S以下となり、ＢＭＥＰが上限閾値Ｐ_MAX以下になるような運転領域の場合は、エンジン２の運転状態は所定の高負荷運転領域にないと判定されてＳ２００へと進む。

Ｓ１１０では、燃料噴射条件設定部５２により、３段階に分けて行うメイン噴射の総噴射量Ｍがエンジン２の運転状態に基づいて算出される。

Ｓ１２０では、燃料噴射条件設定部５２により、Ｓ１１０で算出された総噴射量Ｍに基づいて、１〜３段目までのメイン噴射条件（各燃料噴射量，各噴射時期）が設定される。具体的には、上死点近傍で行う１段目の燃料噴射量は総噴射量Ｍの約５％に設定される。また、上死点後の５°（５度）前後で行う２段目の燃料噴射量は総噴射量Ｍの約７０％に設定される。さらに、上死点後の１０°（１０度）前後で行う３段目の燃料噴射量は総噴射量Ｍの約２５％に設定される。

Ｓ１３０では、Ｓ１２０で設定されたメイン噴射条件のパルス信号が、燃料噴射条件設定部５２から燃料噴射制御弁３ａ〜３ｄの電磁弁に出力されて本制御はリターンされる。

一方、前述のＳ１００において、エンジン２の運転状態が所定の高負荷運転領域にないと判定された場合は、Ｓ２００で、燃料噴射条件設定部５２によりエンジン２の運転状態と多段噴射の特性マップとに基づいて１燃焼行程中に行うパイロット噴射，メイン噴射，アフター噴射等の各噴射条件が設定される。

Ｓ２１０では、Ｓ２００で設定された各噴射条件のパルス信号が、燃料噴射条件設定部５２から燃料噴射制御弁３ａ〜３ｄの電磁弁に出力されて本制御はリターンされる。

上述のような構成により、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１によれば以下のような作用・効果を奏する。

エンジン２の運転状態が正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）の高くなる所定の高負荷運転領域にある場合、多段噴射装置３０によるメイン噴射の燃料噴射は３段階に分けられて噴射される。１段目は総噴射量Ｍの約５％の燃料が上死点近傍で噴射され、２段目は総噴射量Ｍの約７０％の燃料が上死点後の５°（５度）前後で噴射され、３段目は総噴射量Ｍの約２５％の燃料が上死点後の１０°（１０度）前後で噴射される。

このように、メイン噴射を３段階に分けて噴射した際のエンジン２の筒内圧とクランク角との関係を示す指圧線図を図５に示す。また、Ｐ−Ｖ線図を図６に示し、熱発生率を示す図を図７に示す。図５に示すように、メイン噴射を１段のみとした従来例（破線）に比べ、メイン噴射を３段階に分けた本実施形態の場合（実線）は、エンジン２の筒内圧の上昇が効果的に抑制されていることが分かる。また、図６に示すように、メイン噴射を１段のみとした従来例（破線）に比べ、メイン噴射を３段階に分けた本実施形態の場合（実線）は、Ｐ−Ｖ線図の面積が増加（図６中の領域Ａ参照）していることから、エンジン２の出力であるトルクが効果的に増加していることが分かる。さらに、図７に示すように、メイン噴射を１段のみとした従来例（破線）では１燃焼行程中に熱発生が１回であるのに対して、メイン噴射を３段階に分けた本実施形態の場合（実線）は、１燃焼行程中に熱発生が３回あることが分かる。

すなわち、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置１によれば、エンジン２の運転状態が所定の高負荷運転領域にある場合にメイン噴射の燃料噴射を３段階に分けて噴射することで、エンジン２の筒内圧が上昇することを効果的に抑制しつつ、エンジン２の出力を増加させることができる。

また、エンジン２の１燃焼行程中に熱発生が３回あり、エンジン２の熱効率も向上されるので、エンジン２の燃費を効果的に向上することができる。

ここで、メイン噴射を１段のみとした従来例と、メイン噴射を３段階に分けた本実施形態との比較例として、エンジン２の最高筒内圧，エンジン２の出力，エンジン２の燃費（ＢＳＦＣ），エンジン２から排出されるスモーク（ＦＳＮ）を図８（ａ）〜（ｄ）に示す。図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、メイン噴射を３段階に分けた本実施形態によれば、従来例に比べてエンジン２の最高筒内圧は下がり、エンジン２の出力は増加し、エンジン２の燃費（ＢＳＦＣ）は向上され、かつ、エンジン２から排出されるスモーク（ＦＳＮ）も低減されていることからも、本発明の効果が分かる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、内燃機関の制御装置１は４気筒のエンジン２に適用されるものとして説明したが、単気筒やそれ以上の気筒を備えた複数気筒のエンジンにも広く適用することができる。

また、メイン噴射を４段階以上に分ける場合のメイン噴射条件（燃料噴射量、噴射時期）は、上述の数式１〜５で算出されるものとして説明したが、ＥＣＵ５０に図３の表１を予め噴射条件マップとして記憶させ、係る噴射条件マップを参照することでエンジン２の運転状態に応じた最適なメイン噴射条件を設定するようにしてもよい。

２エンジン（内燃機関）
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ燃料噴射制御弁（多段噴射装置）
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ燃料噴射管（多段噴射装置）
１０コモンレール（多段噴射装置）
１４サプライポンプ（多段噴射装置）
３０多段噴射装置
３２エンジン回転センサ（運転状態検出手段）
３３アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
５０ＥＣＵ（噴射制御手段）
５１運転状態判定部
５２燃料噴射条件設定部

Claims

１燃焼行程中にメイン噴射を含む複数回の噴射が可能な多段噴射装置を有する内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記運転状態検出手段の検出に基づいて、前記内燃機関の運転状態が所定の高負荷領域の場合は、前記メイン噴射による燃料の噴射が少なくとも３段階に分けて行われるように前記多段噴射装置を制御する噴射制御手段とを備え、
前記噴射制御手段は、少なくとも３段階に分けて行う前記メイン噴射による燃料の噴射のうち、１段目の噴射を前記内燃機関の上死点で行うとともに、１段目の噴射量を２段目以降の噴射量よりも小さくし、最終段目の噴射を上死点からクランク角度が１０°進んだ時に行うように前記多段噴射装置を制御する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記噴射制御手段は、メイン噴射条件を予め噴射条件マップとして記憶させ、該噴射条件マップを参照することで内燃機関の運転状況に応じたメイン噴射条件を設定する
ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。