JP5747977B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、吸気通路で燃料を噴射するポート噴射インジェクタと気筒内に向けて燃料を噴射する直噴インジェクタとを備えた多気筒エンジンの制御装置に関する。
従来、エンジン(内燃機関)の排気通路上に酸化触媒,三元触媒といった触媒装置を備えた車両の排気浄化制御の一つとして、触媒の温度を迅速に活性温度まで高めるべく排気温度を上昇させる昇温制御が知られている。
昇温制御には、排気中に含まれる未燃成分の酸化熱を利用して排気温度を上昇させるものや、点火時期のリタードによって排気温度を上昇させるもの等が存在する。前者は、排気中の炭素成分(炭化水素HCや一酸化炭素CO等)を触媒上で酸化させるときに生じる酸化熱を排気の昇温に利用するものである。また後者は、点火時期を圧縮上死点よりも遅角側に制御して筒内での燃焼速度を低下させ、排気行程後の排気通路内でも燃焼反応を進行させることによって排気温度を上昇させるものである。これらの昇温制御は、例えばエンジンの冷態始動時や寒冷地での運転時,触媒装置の再生制御時等に実施される。
また、複数の気筒を備えた多気筒エンジンにおいて、各気筒の空燃比を相違させることによって排気温度を昇温させる技術が開発されている。例えば特許文献1には、複数の気筒を二つの気筒群に分類し、一方の気筒群の排気空燃比をリッチ雰囲気に制御しつつ他方の気筒群の排気空燃比をリーン雰囲気に制御するバンク制御が記載されている。このバンク制御では、炭素成分を含むリッチ雰囲気の排気と空気(酸素)を含むリーン雰囲気の排気とを同時に酸化触媒に供給することで、酸化触媒上での酸化反応を促進し、触媒温度及び排気温度を上昇させている。
特開2009−264431号公報
ところで、燃料供給用のインジェクタとして、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射インジェクタと、筒内に直接的に燃料を噴射する直噴インジェクタとを兼ね備えたエンジンが知られている。ポート噴射インジェクタは、吸気ポート内で燃料を霧化させて均質な混合気を筒内に導入するのに用いて好適であり、直噴インジェクタは、層状の混合気の流れを筒内に生成して燃料分布を偏らせるのに用いて好適である。これらの二種類の燃料供給手法を併用することで、エンジンの運転状態に応じて筒内での均質燃焼と成層燃焼とを切り換えることができ、高出力と低燃費とをバランスよく実現可能となる。
上記の二種類の燃料供給手法は、それぞれの手法で燃料を供給された気筒から排出される排気成分にも影響を与える。例えば、直噴インジェクタから噴射される燃料量を増加させたときの排気成分を分析すると、炭化成分だけでなく炭素微粒子(すす)に炭化水素やサルフェート等が付着した粒子状物質(PM)の含有量も増大する。一方、ポート噴射インジェクタから噴射される燃料量を増加させた場合には、直噴インジェクタからの燃料噴射時と比較して、粒子状物質の含有量が減少する。
つまり、筒内に導入される燃料量が同量であったとしても、燃料供給手法が異なれば排気中に含まれる成分の種類や量が変化する。そのため、複数の燃料供給手法を備えたエンジンに対して特許文献1に記載のようなバンク制御を適用したとしても、燃料供給手法に応じて排気中に含まれる各種成分の割合が変動することになり、酸化反応性のさらなる改善が難しいという課題がある。
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、多気筒エンジンの各気筒から排出される排気成分を適正化し、排気性能を向上させることである。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
(1)ここで開示するエンジンの制御装置は、多気筒エンジンの各気筒の吸気通路内に向けて第一燃料量の燃料を噴射する第一燃料噴射手段と、前記各気筒内に向けて第二燃料量の燃料を噴射する第二燃料噴射手段とを備える。また、前記第一燃料量及び前記第二燃料量を制御して、前記多気筒エンジンの第一気筒の空燃比をリッチにすると同時に前記第一気筒とは異なる第二気筒の空燃比をリーンにする昇温制御を実施する制御手段を備える。
また、前記制御手段が、前記昇温制御時に前記第一気筒に供給される前記第二燃料量を前記昇温制御の開始前よりも増加させて前記第一気筒の空燃比をリッチにするとともに、前記第二気筒に供給される前記第一燃料量を前記昇温制御の開始前よりも減少させて前記第二気筒の空燃比をリーンにするとともに前記昇温制御を開始する前後で前記第二気筒に供給される前記第二燃料量を維持する。なお、ここでいう「リッチ」とはストイキ(理論空燃比)よりも空燃比が小さい状態を意味し、「リーン」とはストイキ(理論空燃比)よりも空燃比が大きい状態を意味する。
)また、前記制御手段が、前記各気筒の空燃比がストイキよりもややリーンとなる燃料量を圧縮行程で噴射する圧縮スライトリーン運転時に、前記昇温制御を実施することが好ましい。
ここでいう「ストイキよりもややリーン」の空燃比とは、理論空燃比以上の空燃比であって、例えば16以下の範囲の空燃比であることが好ましい。圧縮スライトリーン運転では、点火時期のリタード量を大きくすること可能となり、排気温度の昇温効率が高められる。一方、燃圧が低い状態では燃焼が不安定となりかねないため、燃圧が高い状態(例えば、燃圧が所定燃圧以上の状態)で圧縮スライトリーン運転を実施することが好ましい。
開示のエンジンの制御装置によれば、第一気筒の空燃比をリッチにする際に、第二燃料量を増加させることで、第一燃料量を増加させた場合よりも未燃気体成分(例えば、CO)を増加することができる。一方、第二気筒では空燃比がリーンに制御されるため、排気中の空気成分(例えば、酸素)を確保することができる。これらの制御により、エンジンの排気成分を適正化することができ、排気性能を向上させることができる。例えば、エンジンの排気通路に介装された触媒の温度を効率的に昇温させることができ、触媒の早期活性化を図ることができる。また、第二気筒の空燃比をリーン化するにあたって、第一燃料量を減少させることでリーン化を図った場合と比較して、燃焼安定性を向上させつつ、排気中の酸素を確保することができる。
一実施形態に係るエンジンの制御装置のブロック構成及びこの制御装置が適用されたエンジンの構成を例示する図である。 本制御装置で実行されるフローチャートの例である。 本制御装置による制御内容を説明するためのタイムチャートの例である。
図面を参照してエンジンの制御装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。
[1.装置構成]
本実施形態の制御装置は、図1に示す水冷式の多気筒エンジン10(以下、単にエンジン10と呼ぶ)に適用される。ここでは、多気筒のエンジン10に設けられた各気筒(シリンダ)のうちの二つを示し、一方を第一気筒20A,他方を第二気筒20Bと呼ぶ。図1に示すように、第一気筒20A及び第二気筒20Bの構造は実質的に同一であり、ここではおもに第一気筒20Aを取り上げて詳述する。なお、図1中では第一気筒20A側に設けられた要素と同一の第二気筒20B側の要素に同一符号を用いている。
第一気筒20A内には、コンロッドを介してクランクシャフト17に接続されたピストン16が往復摺動自在にはめ込まれている。コンロッドはピストン16の往復運動をクランクシャフト17の回転運動に変換するリンク部材である。
第一気筒20Aの周囲には、冷却水の流路となるウォータージャケット18が設けられる。冷却水は、エンジン10を冷却するための冷媒である。ウォータージャケット18には冷却水通路24が接続されており、冷却水はこれらのウォータージャケット18及び冷却水通路24の内部を循環している。
冷却水通路24上には、電動式のウォーターポンプ25及びラジエータ26が介装される。ウォーターポンプ25は、印加電圧に応じた回転数で駆動され、その回転数に応じた流量(単位時間あたりの流量)の冷却水を吐出する流量可変型のポンプである。ウォーターポンプ25は、図示しないバッテリ装置に接続され、バッテリ装置からの電力供給を受けて作動する。なお、ウォーターポンプ25に印加される電圧(ウォーターポンプ25の回転数)は、後述するECU3で制御される。
ラジエータ26は、冷却水と空気(例えば車両外部から導入される外気)との間で熱交換を行うことで冷却水を冷却する熱交換器である。エンジン10で発生した熱は、ウォータージャケット18内の冷却水に伝達され、ラジエータ26で放熱される。
燃焼室のシリンダヘッド側の頂面には、吸気ポート11及び排気ポート12が接続される。吸気ポート11の入口には吸気弁14が設けられ、排気ポート12の入口には排気弁15が設けられる。吸気弁14の開閉駆動により吸気ポート11と燃焼室とが連通又は閉鎖され、排気弁15の開閉駆動により排気ポート12と燃焼室とが連通又は遮断される。これらの吸気弁14及び排気弁15の上端部は、それぞれ図示しないロッカシャフトに接続され、ロッカシャフトの揺動によって個別に上下方向に往復駆動される。
燃焼室の頂面における吸気ポート11と排気ポート12との間には、点火プラグ13が設けられる。点火プラグ13での着火のタイミングは、ECU3で制御される。また、排気ポート12に接続された排気通路21上には、触媒装置22が介装される。この触媒装置22は、排気中に含まれる炭素成分に対する酸化能を持つ触媒であり、例えば三元触媒や酸化触媒等を含むものである。
第一気筒20Aへの燃料供給用のインジェクタとして、吸気ポート11内に燃料を噴射するポート噴射インジェクタ1Aと、第一気筒20A内に直接的に燃料を噴射する直噴インジェクタ2Aとが設けられる。ポート噴射インジェクタ1Aから噴射された燃料は、例えば吸気ポート11内で霧化し、吸入空気とよく混ざった状態で気筒内に導入される。一方、直噴インジェクタ2Aから噴射された燃料は、例えば筒内に形成される層状の空気流に乗って点火プラグ13の近傍に誘導され、吸入空気中に不均一に分布する。
なお、これらの二種類のインジェクタは第二気筒20Bにも設けられる。以下、第二気筒20Bへの燃料供給に係るそれぞれのインジェクタをポート噴射インジェクタ1B,直噴インジェクタ2Bと表記する。また、燃料の噴射対象となる気筒を明示する必要がない場合には、符号を簡略化して、単にポート噴射インジェクタ1,直噴インジェクタ2とも表現する。
これらのポート噴射インジェクタ1及び直噴インジェクタ2から噴射される燃料量及びその噴射タイミングは、ECU3で制御される。例えば、ECU3から各インジェクタ1,2に制御パルス信号が伝達され、その制御パルス信号の大きさに対応する期間だけ、各インジェクタ1,2の噴射口が開放される。この場合、燃料噴射量は制御パルス信号の大きさ(駆動パルス幅)に応じた量となる。
各気筒のポート噴射インジェクタ1は、低圧デリバリパイプ19Aを介して燃料供給路9に接続される。低圧デリバリパイプ19Aは、各気筒のポート噴射インジェクタ1に対して燃料を分配するために設けられた管状通路である。また、各気筒の直噴インジェクタ2は、高圧デリバリパイプ19B及び高圧ポンプ8を介して燃料供給路9に接続される。高圧デリバリパイプ19Bは、低圧デリバリパイプ19A内よりも高圧の燃料を各気筒の直噴インジェクタ2に対して分配するための管状通路である。直噴インジェクタ2に導入される燃料の圧力(燃圧PHI)は、ポート噴射インジェクタ1に導入される燃料の圧力よりも高圧である。
高圧ポンプ8は、エンジン10のクランクシャフト17と連動する図示しないギヤを介して駆動力を受ける機械式の流量可変型ポンプである。この高圧ポンプ8は、燃料供給路9内を通って導入される燃料をさらに加圧し、高圧デリバリパイプ19B内へと圧送する。なお、高圧ポンプ8から吐出される燃料の圧送量FHIは、ECU3により可変制御される。
燃料供給路9の上流側には、フィードポンプ27が設けられる。このフィードポンプ27は、燃料タンク23に蓄えられた燃料を燃料供給路9側へと圧送する電動式又は機械式のポンプである。フィードポンプ27によって圧送される燃料の圧力は、ポート噴射インジェクタ1に導入される燃料の圧力となる。フィードポンプ27から吐出される燃料の圧力PLO及び圧送量FLOは、エンジン10の作動時にはほぼ一定としてもよいし、ECU3によって可変制御されるものとしてもよい。本実施形態のフィードポンプ27は、高圧ポンプ8と同様に、エンジン10から駆動力を受けて作動するポンプである。
高圧デリバリパイプ19Bには、直噴インジェクタ2に導入される燃圧PHIを検出する燃圧センサ6が設けられる。ここで検出された燃圧PHIの情報はECU3に伝達される。
また、このエンジン10には、クランクシャフト17の回転角θCRを検出するクランク角度センサ5が設けられる。クランク角度センサ5で検出されたクランクシャフト17の回転角θCRに関する情報は、ECU3に伝達される。なお、単位時間あたりの回転角θCRの変化量からエンジン回転数Neを把握することができる。したがって、クランク角度センサ5はエンジン10のエンジン回転数Neを検出する手段としての機能を持つ。エンジン回転数Neは、クランク角度センサ5で検出されたクランクシャフトの回転角θCRに基づいてECU3が演算する構成としてもよいし、エンジン回転数Neをクランク角度センサ5の内部で演算する構成としてもよい。
冷却水通路24上の任意の位置には、冷却水温Wを検出する水温センサ4が設けられる。また、エンジン10を搭載した車両の任意の位置には、アクセルペダルの踏み込み量に対応する操作量θACを検出するアクセルペダルセンサ7が設けられる。水温センサ4で検出された冷却水温Wの情報及びアクセルペダルセンサ7で検出された操作量θACの情報は、ECU3に伝達される。
[2.制御構成]
[2−1.制御モード]
ECU3(Electronic Control Unit,電子制御装置)は、エンジン10の各気筒20A,20Bに対して供給される燃料噴射量,燃料供給手法及び点火タイミングを制御する電子制御装置であり、例えばマイクロプロセッサやROM,RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成される。このECU3には、エンジン10の始動時に設定される運転モード(制御態様)として、「MPIモード」,「DIモード」,「圧縮S/Lモード」及び「リッチリーンモード」の四種類の運転モード(制御態様)が設定されており、ECU3は各モードに基づいて燃料噴射量,燃料供給手法及び点火タイミングを制御する。
MPIモードは、各気筒のポート噴射インジェクタ1から燃料を供給する制御モードである。ポート噴射インジェクタ1から吸気ポート11内に噴射される燃料に要求される燃圧は比較的低圧であり、すなわちポート噴射インジェクタ1に導入される燃圧が比較的低圧であっても、噴射された燃料を吸気ポート11内で霧化させることが可能である。したがって、MPIモードは、例えばエンジン10を始動させる時やクランキング中から実施可能なモードであるといえる。
DIモードは、各気筒の直噴インジェクタ2から燃料を供給する制御モードである。直噴インジェクタ2から気筒20A,20B内に噴射される燃料に要求される燃圧PHIは比較的高圧であり、すなわち直噴インジェクタ2に導入される燃圧PHIが比較的高圧でなければ、噴射された燃料での層状燃焼を安定化させることが難しい。したがって、DIモードはMPIモードよりもやや遅れて実施されるモードであり、例えばエンジン10の始動後に実施される。本実施形態では、直噴インジェクタ2に導入される燃圧PHIがある程度上昇した時点でDIモードが設定される。
圧縮S/Lモードは、排気の早期昇温を図るために圧縮スライトリーン運転を実施するモードであり、空燃比がスライトリーン(ストイキよりも僅かにリーンの空燃比であり、例えば14.7〜16の範囲内の空燃比)になるように、各気筒の直噴インジェクタ2から圧縮行程で燃料を供給しつつ、点火時期を大幅にリタードさせるものである。
このモードは、DIモードが設定されている状態でのみ、DIモードと重複して設定される。つまり、圧縮S/Lモードは、DIモードと同様に、直噴インジェクタ2への燃圧PHIが比較的高圧であることを条件としたモードであるといえる。本実施形態では、エンジン10の始動後、所定の時間が経過した時点ですでにDIモードが設定されている場合に、圧縮S/Lモードが設定される。
圧縮S/Lモードでは点火直前の圧縮行程で燃料が噴射されるため、筒内における燃料濃度の高い部位を点火プラグ13の近傍に局在化させやすい(燃料の筒内での拡散を抑制しやすい)という利点があり、適切なタイミングで燃料を供給することで点火時期の大幅なリタードが可能となる。また、点火時期を遅らせて排気行程後の排気通路内でも燃焼反応を進行させる(いわゆる後燃え状態とする)ことにより、排気温度を上昇させることが可能である。なお、点火リタードによって筒内での燃焼速度が低下すると、後燃えの傾向が強まり、排気温度はさらに上昇する。
また、圧縮S/Lモードでは筒内での混合気の層状化により、空燃比をリーンにしつつ未燃気体成分である一酸化炭素(CO)を排気中に残留させることが可能である。この場合、排気中には燃焼に寄与しなかった空気成分(酸素)も残留するため、触媒装置22での酸化反応が促進され、排気温度が上昇する。言い換えると、圧縮S/Lモードでは、単一の気筒からの排気中に一酸化炭素及び酸素の両方を残留させる制御が実施される。
リッチリーンモードは、排気のさらなる早期昇温を図るための制御モードであり、エンジン10の気筒毎に空燃比を変更してリッチである気筒とリーンである気筒とを設ける制御モードである。このモードは、圧縮S/Lモードが設定されている状態でのみ、圧縮S/Lモードと重複して設定される。本実施形態では、圧縮S/Lモードが設定されてから所定の時間が経過したときに、リッチリーンモードが設定される。つまり、圧縮S/Lモードが設定されていない場合にはリッチリーンモードも設定されない。
リッチリーンモードでは、リッチである気筒から排出される排気中に一酸化炭素を残留させ、リーンである気筒から排出される排気中に酸素を残留させるように、各々の気筒の空燃比が制御される。つまり、圧縮S/Lモード時における一酸化炭素の酸化反応をさらに促進すべく、触媒装置22に一酸化炭素を供給するための気筒と酸素供給用の気筒とを分離し、各々の気筒からの排気中の一酸化炭素量及び酸素量をともに増加させるものである。
本実施形態では、各気筒の空燃比をリッチ化又はリーン化するための燃料供給手法が二種類あるため、どの気筒に対してどのような手法を適用するかの組み合わせが多様に考えられる。ここで、燃料供給手法と排気成分との関係を以下に示す。例えば、表中の第一行目の内容は、「直噴」インジェクタ2からの噴射量を増加(リッチ化)させた場合の排気性能に着目したときに、「HC(炭化水素の含有量)」や「PM(粒子状物質の含有量)」が「△(普通)」であり、「燃料安定性」が「○(良好)」であり、「CO(一酸化炭素の含有量)」が「◎(優秀)」であることを示す。
なお、表1中の記号について、未燃液体成分である炭化水素(HC)及び粒子状物質(PM)に関しては、排気中の含有量が多い順に△,○,◎と表現した。また、燃焼安定性に関しては、◎の方が○よりも安定していることを示し、一酸化炭素(CO)に関しては、排気中の含有量が少ない順に△,○,◎とした。
Figure 0005747977
ある気筒をリッチ化する場合、排気中に含まれる一酸化炭素量をより増加させることを重視する場合には、直噴インジェクタ2からの噴射量を増量することが好ましいと考えられる。一方、排気中に含まれる炭化水素量や粒子状物質量をより減少させることを重視する場合には、ポート噴射インジェクタ1からの噴射量を増量することが好ましい。
また、ある気筒をリーン化する場合、燃焼安定性を重視する場合には、ポート噴射インジェクタ1からの噴射量を減量することが好ましいと考えられる。一方、排気中に含まれる炭化水素量や粒子状物質量をより減少させることを重視する場合には、直噴インジェクタ2からの噴射量を減量することが好ましい。
本実施形態では、ポート噴射インジェクタ1から噴射される燃料量を増加させることによってある気筒の空燃比をリッチ化すると同時に、直噴インジェクタ2から噴射される燃料量を減少させることによって他の気筒の空燃比をリーン化する制御が実施される。例えば、第一気筒20Aの空燃比をリッチ化するとともに、第二気筒20Bの空燃比をリーン化する場合、ポート噴射インジェクタ1Aから噴射される燃料量を増量することによって第一気筒20Aをリッチ化し、直噴インジェクタ2Bから噴射される燃料量を減量することによって第二気筒20Bのリーン化する。
ここでリッチ化,リーン化される気筒数は任意である。例えば、六気筒エンジンであれば、六つの気筒のうちの一気筒又は二気筒をリッチ化するとともに、他の一気筒又は二気筒をリーン化してもよいし、三気筒ずつ二種類の気筒群を設定してそれぞれをリッチ化,リーン化してもよい。
なお、エンジン10の始動時ではない場合には、上記の四種類のモードとは別個に「通常モード」が設定される。この通常モードは、エンジン10の始動後ある程度の時間が経過して排気温度が十分に昇温したときや、運転者によるアクセル操作がなされて車両が走行し始めたときに設定されるモードである。また、通常モードは、冷却水温Wが低く、圧縮S/Lモードやリッチリーンモードといった制御モードでの燃焼安定性が確保しにくい場合にも設定される。なお、具体的な通常モード時の制御内容は任意であり、例えばエンジン10の運転状態や車両の走行状態に応じて適宜設定される。
[2−2.制御部]
ECU3には、上記の各モードでの制御を実施するためのソフトウェア又はハードウェアとして、モード判定部3a,MPI制御部3b,DI制御部3c,圧縮S/L制御部3d及びリッチリーン制御部3eが設けられる。ECU3の入力側には水温センサ4,クランク角度センサ5,燃圧センサ6及びアクセルペダルセンサ7が接続され、冷却水温W,回転角θCR(又は回転角θCRに基づいて演算されたエンジン回転数Ne),燃圧PHI,アクセルペダルの操作量θACの情報がそれぞれ入力される。また、ECU3の出力側には、ポート噴射インジェクタ1,直噴インジェクタ2のほか、点火プラグ13,フィードポンプ27,高圧ポンプ8,ウォーターポンプ25等が接続される。
モード判定部3aは、エンジン10の始動と上記の各モードの設定条件及び設定解除条件を判定するものである。モード判定部3aで判定される条件を以下に例示する。通常モード及びMPIモードの設定条件はOR条件であり、三種類の条件の何れかの成立時に各モードが設定される。また、通常モードは他のモードと重複して設定されないモードである。したがって、通常モードの設定時には他のモードの設定が解除される。一方、通常モード以外の各モードについては、通常モードを除く他のモードと重複して設定されうる。ここで設定されたエンジンの始動及び制御モードに関する情報は、MPI制御部3b,DI制御部3c,圧縮S/L制御部3d及びリッチリーン制御部3eに伝達される。
(1)エンジン10の始動
・エンジン回転数Neが所定回転数Ne0以上になった
(2)通常モード
・エンジン始動後、所定の始動時間TENDが経過した
・アクセル操作がなされた
・冷却水温Wが所定温度W0よりも低い
(3)MPIモード
・クランキング中である
・燃圧PHIが所定圧PHI0未満である
・エンジン始動から所定時間TAの経過後でDIモードでない
(4)DIモード
・エンジン始動後、所定時間TA以内に、燃圧PHIが所定圧PHI0以上となった
(ただし、所定時間TA<所定の始動時間TEND
(5)圧縮S/Lモード
・DIモードが設定された状態でエンジン始動後、所定時間TAが経過し、かつアクセル全閉
(6)リッチリーンモード
・圧縮S/Lモードの開始後、第二所定時間TBが経過した
MPI制御部3bは、MPIモード時の制御を司るものであり、各気筒のポート噴射インジェクタ1に制御パルス信号を出力して、燃料を吸気ポート11内に噴射させる機能を持つ。ここで出力される制御パルス信号の大きさ(パルス幅)は、ポート噴射インジェクタ1から噴射される燃料量に対応する。
DI制御部3cは、DIモードに係る制御を司るものであり、各気筒の直噴インジェクタ2に制御パルス信号を出力して、燃料を各気筒20A,20B内に噴射させる機能を持つ。ここで出力される制御パルス信号の大きさ(パルス幅)は、直噴インジェクタ2から噴射される燃料量に対応する。また、DI制御部3cは、エンジン10が始動すると高圧ポンプ8を制御して、高圧デリバリパイプ19B内の燃圧PHIを上昇させる機能を持つ。ここでいうエンジン10の始動とは、モード判定部3aで判定されるエンジン10の始動を意味し、エンジン回転数Neが所定回転数Ne0以上になった時点でエンジン10が始動したものとする。
圧縮S/L制御部3dは、上述の圧縮S/Lモード時の制御を司るものであり、各気筒の圧縮行程内で燃料が噴射されるように直噴インジェクタ2に制御信号を出力する機能を持つ。また、各気筒の点火プラグ13に制御信号を出力して点火時期を遅角させる機能を持つ。
リッチリーン制御部3eは、上述のリッチリーンモード時に実施されるリッチリーン制御を司るものである。リッチリーン制御では、エンジン10の気筒のうちの少なくとも何れか一つの気筒の空燃比をリッチ化すると同時に、少なくとも他の一つの気筒の空燃比をリーン化するように、各気筒の空燃比が変更され、各気筒のポート噴射インジェクタ1及び直噴インジェクタ2に制御信号が出力される。このリッチリーン制御部3eには、リッチリーン制御を実施するためのソフトウェア又はハードウェアとして、リッチ気筒MPI制御部31,リッチ気筒DI制御部32,リーン気筒MPI制御部33及びリーン気筒DI制御部34が設けられる。
リッチ気筒MPI制御部31(第一制御手段)は、リッチリーン制御でリッチ化される気筒について、その気筒に供給される燃料量を増加させるように、その気筒の吸気ポート11に設けられたポート噴射インジェクタ1に対して制御パルス信号を出力するものである。つまり、リッチ化される気筒の吸気ポート11に設けられたポート噴射インジェクタ1から噴射される燃料量は、リッチリーン制御の開始前よりも増加する。
一方、リッチ気筒DI制御部32(第二制御手段)は、リッチ化される気筒について、その気筒に供給されるトータルの燃料量を増加させるように、その気筒に設けられた直噴インジェクタ2に対して制御信号パルスを出力するものである。つまり、リッチ気筒MPI制御部31で制御される燃料量と、このリッチ気筒DI制御部32で制御される燃料量とを合計したトータルの燃料量から算出される空燃比がリッチになるように、直噴インジェクタ2からの噴射量が制御される。直噴インジェクタ2からの噴射量の設定としては、以下の三通りが考えられる。
(A)直噴インジェクタ2からの噴射量を減少させる
(B)直噴インジェクタ2からの噴射量を変更しない
(C)直噴インジェクタ2からの噴射量を増加させる
上記(A)の場合、直噴インジェクタ2からの噴射量の減少量が、リッチ気筒MPI制御部31での噴射量の増加量未満の大きさであれば、トータルの空燃比がリッチとなる。この場合、排気中への炭化水素や粒子状物質の排出量が抑制される。
上記(B)の場合、リッチ気筒MPI制御部31での噴射量の増分がそのままトータルの空燃比の変化に反映される。これにより制御構成が簡素化され、空燃比の制御精度が向上する。また、上記(A)の場合と比較すると排気中に含まれる一酸化炭素量が増加する。
上記(C)の場合、トータルの空燃比をリッチにするためには、直噴インジェクタ2からの噴射量の増加量は任意である。この場合、排気中に含まれる一酸化炭素量が増加する。
なお、本実施形態のリッチ気筒DI制御部32は、上記(A)の制御を実施する。
リーン気筒MPI制御部33(第三制御手段)は、リッチリーン制御でリーン化される気筒について、その気筒に供給される燃料量を減少させるように、その気筒の吸気ポート11に設けられたポート噴射インジェクタ1に対して制御パルス信号を出力するものである。つまり、リーン化される気筒の吸気ポート11に設けられたポート噴射インジェクタ1から噴射される燃料量は、リッチリーン制御の開始前よりも減少する。
リーン気筒DI制御部34(第四制御手段)は、リーン化される気筒に設けられた直噴インジェクタ2に対して制御信号パルスを出力するものである。ここでは、上記のリッチ気筒DI制御部32と同様に、三通りの噴射量設定が考えられる。本実施形態では、上記(A)の制御が実施される。なお、上記(C)の制御を実施する場合には、直噴インジェクタ2からの噴射量の増加量を、リーン気筒MPI制御部33での噴射量の減少量未満の大きさとする。これにより、トータルの空燃比がリーンとなる。
[3.フローチャート]
本制御装置のECU3でエンジン10の始動時に実行される制御のフローチャートを図2に例示する。このフローは、ECU3の内部で繰り返し実施されている。このフローのうち、ステップA1〜A30はおもにエンジン10が始動してからの経過時間が所定時間TA以内であるときの制御内容に対応する。一方、ステップA41以降は所定時間TAを超えたときの制御内容に対応する。
ステップA1では、モード判定部3aにおいて、エンジン10の始動開始からの経過時間が所定の始動時間TEND以内であるか否かが判定される。ここでいう始動時間TENDは、エンジン10が通常モードで制御され始めるまでの時間である。本制御装置ではエンジン10が始動してから始動時間TENDが経過するまでの間に、上記のMPIモードやDIモード,圧縮S/Lモード,リッチリーンモードが適宜設定され、各モードに対応する制御が実施される。なお、始動時間TENDの判定基準となるエンジン10の始動開始時刻は、エンジン回転数Neに基づいて判定される。
このステップの条件成立時にはステップA2へ進み、非成立時にはステップA10へ進む。なお、エンジン10が始動するよりも前であっても、ステップA2へ進む。
ステップA2では、冷却水温Wが所定温度W0以上である否かが判定される。冷却水温Wが低すぎる状態では筒内での燃焼安定性が低下するため、ここでは冷却水温Wが所定温度W0以上である場合にのみ、通常モード以外の各モードが設定される。このステップの条件成立時にはステップA3へ進み、非成立時にはステップA10へ進む。なお、ステップA10では通常モードが設定される。
ステップA3では、エンジン10のクランキングが完了したか否かが判定される。ここでまだエンジン10が始動していないクランキング中であれば、ステップA20へ進む。一方、すでにエンジン10が始動してクランキングが完了していれば、ステップA4へ進む。なお、ステップA20ではMPIモードが設定され、MPI制御部3bで各気筒のポート噴射インジェクタ1が制御される。
ステップA4では、モード判定部3aにおいて、エンジン10の始動からの経過時間が所定時間TA以内であるか否かが判定される。この条件は、DIモードの設定条件の一つである。このステップの条件成立時にはステップA5へ進み、非成立時にはステップA41へ進む。
ステップA5では、モード判定部3aにおいて、エンジン回転数Neが所定回転数Ne0以上であるか否かが判定される。つまりここでは、クランキング中のエンジン10が始動できたか否かが判定される。このステップの条件成立時にはステップA6へ進み、非成立時にはステップA7へ進む。
ステップA7では、エンジン10がまだ始動できていないため、DI制御部3cにおいて高圧ポンプ8の圧送量FHIがFHI=0に設定され、すなわち高圧ポンプ8が停止した状態とされる。一方、ステップA6に進んだ場合には、すでにエンジン10が始動しており、高圧ポンプ8が安定して作動するため、DI制御部3cにおいて高圧ポンプ8の圧送量FHIが以下の式に従って設定される。なお、この時点でエンジン10のクランキングが完了する。また、ここで設定された圧送量FHIが吐出されるように高圧ポンプ8に制御信号が出力される。これにより、直噴インジェクタ2A,2Bに導入される燃圧PHIが上昇する。
(高圧ポンプ8の圧送量FHI)=(フィードポンプ27の圧送量FLO)−(燃料噴射量)−α
この式中の「燃料噴射量」とは、ポート噴射インジェクタ1及び直噴インジェクタ2から噴射される燃料量の合計である。なお、MPIモードでは、ポート噴射インジェクタ1から噴射される燃料量と同義である。
ステップA8では、モード判定部3aにおいて、燃圧PHIが所定圧PHI0以上であるか否かが判定される。このステップの条件成立時にはステップA30へ進み、DIモードが設定される。この場合、MPI制御部3bによるポート噴射インジェクタ1の制御と並行して、DI制御部3cによる直噴インジェクタ2の制御が実施される。また、ステップA8の条件の非成立時にはステップA20へ進み、MPIモードが継続される。
エンジン10の始動からの経過時間が所定時間TAを超えると、ステップA4からステップA41へと制御が進行する。ステップA41では、モード判定部3aにおいて、その時点でDIモードが設定されているか否かが判定される。つまりここでは、エンジン10の始動からの経過時間が所定時間TA以内のときに燃圧PHIが所定圧PHI0以上まで上昇したか否かが判定される。このステップの条件成立時にはステップA42へ進み、非成立時にはステップA70へ進む。なお、ステップA70ではMPIモードが継続され、DIモードやこれに続く圧縮S/L制御等は実施されない。
ステップA42では、モード判定部3aにおいて、アクセル開度が全閉(例えば、アクセルペダルの操作量θACがθAC≒0)であるか否かが判定される。ここでアクセル操作がなされている場合にはステップA80へ進み、通常モードが設定される。一方、アクセル操作がない場合にはステップA50へ進み、圧縮S/Lモードが設定される。圧縮S/Lモードでは、MPI制御部3bによるポート噴射インジェクタ1の制御と並行して、圧縮S/L制御部3dによる直噴インジェクタ2及び点火プラグ13の制御が実施される。すなわち、各気筒の圧縮行程内で燃料が噴射されるように直噴インジェクタ2に制御信号が出力されるとともに、点火時期を遅角させるように各気筒の点火プラグ13に制御信号が出力される。
これに続くステップA51では、モード判定部3aにおいて、圧縮S/Lモードの開始後、第二所定時間TBが経過したか否かが判定される。このステップの条件成立時にはステップA60へ進み、リッチリーンモードが設定される。
この場合、リッチリーン制御部3eによりリッチ化及びリーン化のそれぞれの対象となる気筒が少なくとも一つずつ設定され、それらの気筒に設けられたポート噴射インジェクタ1及び直噴インジェクタ2に制御信号が出力される。
なお、リッチ化及びリーン化の対象とならなかった気筒に設けられたポート噴射インジェクタ1及び直噴インジェクタ2は、MPI制御部3bや圧縮S/L制御部3dで制御してもよい。
一方、ステップA51の条件が非成立の場合にはフローを終了する。これにより、第二所定時間TBは圧縮S/L制御が実施される時間として確保される。つまり、リッチリーン制御は圧縮S/L制御の継続時間が第二所定時間TBを超えた時点で実施される。
[4.作用]
上記のエンジン10を搭載した車両において、エンジン10の始動時に上記のフローチャートに従って制御が実施された場合の運転モードの設定状態と、エンジン10に関する各種パラメータの経時変動とを図3に示す。
車両のイグニッションスイッチが時刻t0に操作されると、図示しないスタータによるエンジン10のクランキングが開始される。これにより、フィードポンプ27から吐出される燃料の圧力PLOがエンジン回転数Neに応じて脈動しつつ上昇し、ポート噴射インジェクタ1に導入される低圧デリバリパイプ19A内の燃圧PLOが確保される。
このとき、冷却水温Wが所定温度W0以上であれば、ECU3のモード判定部3aにおいてMPIモードが設定され、各気筒のポート噴射インジェクタ1がMPI制御部3bに制御される。これにより、ポート噴射インジェクタ1に入力される制御パルス信号(駆動パルス幅)が時刻t1に増大し、各気筒の吸気ポート11への燃料噴射が開始される。なお、この時点ではまだ高圧ポンプ8が作動していないため、高圧デリバリパイプ19B内の燃圧PHIは低圧デリバリパイプ19A内の燃圧PLOとほぼ同一値である。
エンジン回転数Neが徐々に上昇し、時刻t2に所定回転数Ne0以上になると、モード判定部3aでエンジン10が始動したと判定される。この時刻t2は、通常モードや圧縮S/Lモードの設定条件に係る経過時間の計測開始時刻に相当する。このとき、DI制御部3cから高圧ポンプ8に制御信号が出力され、高圧ポンプ8が駆動される。これにより、高圧ポンプ8から吐出される燃料の圧送量FHIは、時刻t2以降に増大し、高圧デリバリパイプ19B内の燃圧PHIが上昇する。また、エンジン10の始動により排気熱が排気通路21及び触媒装置22に移動し、触媒温度は徐々に上昇する。
時刻t3に燃圧PHIが所定圧PHI0以上になると、モード判定部3aにおいてDIモードが設定され、各気筒の直噴インジェクタ2がDI制御部3cに制御される。これにより、直噴インジェクタ2に入力される制御パルス信号(駆動パルス幅)が時刻t3に増大し、各気筒内への燃料噴射が開始される。
時刻t2から所定時間TAが経過した時刻t4には、モード判定部3aにおいて圧縮S/Lモードが設定され、各気筒の直噴インジェクタ2及び点火プラグ13が圧縮S/L制御部3dに制御される。すなわち、直噴インジェクタ2からの燃料噴射のタイミングが各気筒の圧縮行程内で完了するように変更されるとともに、点火時期が遅角方向に変更される。
圧縮S/Lモードでは、点火リタードに伴って排気温度が上昇する。また、排気中に一酸化炭素及び酸素が存在するため、触媒装置22での酸化反応が促進される。これにより、圧縮S/Lモードが設定された時刻t4以降の触媒温度はさらに上昇し、触媒が早期に活性化する。なお、時刻t4は、リッチリーンモードの設定条件に係る経過時間の計測開始時刻に相当する。
時刻t4から第二所定時間TBが経過した時刻t5になると、モード判定部3aにおいてリッチリーンモードが設定される。これを受けてリッチリーン制御部3eは、エンジン10の気筒のうちの少なくとも何れか一つの気筒の空燃比をリッチ化し、同時に他の気筒の空燃比をリーン化するリッチリーン制御を実施する。ここで、リッチ化される気筒が第一気筒20Aであり、リーン化の対象となる気筒が第二気筒20Bである場合の例を説明する。
リッチ気筒MPI制御部31は、第一気筒20A側のポート噴射インジェクタ1Aに制御パルス信号を出力し、ポート噴射インジェクタ1Aからの燃料噴射量を増加させる。一方、リッチ気筒DI制御部32は、第一気筒20A側の直噴インジェクタ2Aに制御パルス信号を出力し、直噴インジェクタ2Aからの燃料噴射量を減少させる。ただし、トータルの燃料噴射量から算出される空燃比がリッチでなければならないため、直噴インジェクタ2Aでの燃料噴射量の減少量は、ポート噴射インジェクタ1Aでの燃料噴射量の増加量よりも小さい量とする。
また、リーン気筒MPI制御部33は、第二気筒20B側のポート噴射インジェクタ1Bに制御パルス信号を出力し、ポート噴射インジェクタ1Bからの燃料噴射量を減少させる。同様に、リーン気筒DI制御部34は、第二気筒20B側の直噴インジェクタ2Bに制御パルス信号を出力し、直噴インジェクタ2Bからの燃料噴射量を減少させる。これにより、トータルの空燃比が確実にリーンとなる。
上記のリッチリーン制御により、リッチ側の第一気筒20Aから排出される排気に含まれる一酸化炭素量が増加し、炭化水素や粒子状物質の含有量が減少する。一方、リーン側の第二気筒20Bから排出される排気に関しても、炭化水素や粒子状物質の含有量が減少する。また、排気中に酸素が大量に残留しているにもかかわらず、燃焼安定性が向上する。
第一気筒20Aから排出された排気と第二気筒20Bから排出された排気は排気通路21で合流し、触媒装置22に導入される。触媒装置22では、第一気筒20A側の排気中に含まれていた一酸化炭素と、第二気筒20B側の排気に含まれていた酸素とにより酸化反応が促進される。したがって、リッチリーン制御が実施される時刻t5以降の触媒温度の上昇勾配はさらに増大し、触媒がより早期に活性化する。
なお、エンジン10が始動した時刻t2からの所定の始動時間TENDが経過した時刻t6になると、モード判定部3aにおいて通常モードが設定される。これにより、MPIモードやDIモード,圧縮S/Lモード,リッチリーンモードが終了し、通常のエンジン10の制御が実施される。
[5.効果]
上記の制御装置では、例えばリッチリーン制御時に第一気筒20Aの空燃比をリッチにするにあたって、ポート噴射インジェクタ1Aから噴射される燃料量を増加させる制御が実施される。これにより、直噴インジェクタ2Aから噴射される燃料量を増加させることでリッチ化を図った場合と比較して、炭化水素や粒子状物質の排出量を抑制しつつ、一酸化炭素量を増加させることができる。一方、第二気筒20Bの空燃比はリーンに制御されるため、排気中の酸素を確保することができる。これらにより、排気成分を適正化することができ、エンジン10の排気性能を向上させることができる。また、触媒装置22での酸化反応性を向上させることができ、触媒温度を効率的に昇温でき、触媒の早期活性化を図ることができる。
また、上記の制御装置では、第一気筒20Aの空燃比がトータルでリッチになるように直噴インジェクタ2Aから噴射される燃料量を減少させている。すなわち、リッチ気筒DI制御部32が、上記の(A)〜(C)の三通りの噴射量設定のうち(A)の設定を選択している。これにより、表1に示すように、排気中への炭化水素や粒子状物質の排出量を抑制することができるという利点がある。
また(B)の設定を選択した場合には、表1に示すように、(A)の設定を選択した場合よりも排気中の一酸化炭素量を増加させることができ、触媒装置22での酸化反応を促進することができるというメリットがある。また、直噴インジェクタ2Aから噴射される燃料量を変更する必要がなくなり、ポート噴射インジェクタ1Aから噴射される燃料の増分がそのまま、第一気筒20Aでのトータルの空燃比に反映されるため、制御構成をシンプルにすることができる。
あるいは(C)の設定を選択した場合には(A)や(B)の設定を選択した場合よりもさらに排気中の一酸化炭素量を増加させることができ、触媒装置22での酸化反応を促進することができる。
なお、上記の(A)〜(C)の設定が随時選択可能であれば、第一気筒20Aからの排気中に含まれる成分の割合を調整することが可能となり、車両の運転状態に応じた柔軟な昇温制御が可能となる。したがって、エンジン10に関する各種パラメータに基づいて、リッチ気筒DI制御部32が上記の(A)〜(C)の何れかの設定を選択する構成としてもよい。この場合、リッチ気筒DI制御部32は、少なくともリッチ化される気筒について、その気筒に供給されるトータルの燃料量を増加させるように、その気筒に設けられた直噴インジェクタ2の噴射量を制御するものであればよい。
また、上記の制御装置では、第二気筒20Bの空燃比をリーン化するにあたって、ポート噴射インジェクタ1Bから噴射される燃料量を減少させる制御が実施される。これにより、表1に示すように、直噴インジェクタ2Bから噴射される燃料量を減少させることでリーン化を図った場合と比較して、燃焼安定性を向上させつつ、排気中の酸素を確保することができる。したがって、触媒装置22の触媒温度を効率的に昇温させることができ、触媒の早期活性化を図ることができる。
さらに、上記の制御装置では、ポート噴射インジェクタ1Bから噴射される燃料量を減少させるだけでなく、直噴インジェクタ2Bから噴射される燃料量も減少させている。これにより、表1に示すように、排気中への炭化水素や粒子状物質の排出量を抑制しつつ、排気中の酸素を確保することができる。したがって、排気性能の向上と触媒装置22の早期活性化とを両立させることができる。
また、上記の制御装置では、リッチリーンモードが圧縮S/Lモードが設定されている状態でのみ、圧縮S/Lモードと重複して設定される。つまり、本実施形態では圧縮スライトリーン運転とリッチリーン制御とが重複して実施される。リッチリーン制御は、圧縮スライトリーン運転で排気中に生成される一酸化炭素や酸素といった触媒装置22での酸化反応を促進する成分をさらに増量させるように作用する。したがって、圧縮スライトリーン運転に対してリッチリーン制御を適用することにより、圧縮スライトリーン運転で達成される昇温作用をさらに増幅することができ、排気温度を極めて効率的かつ迅速に上昇させることが可能となる。
また、上記のリッチリーン制御では、表1に示すように、目的とする排気特性や燃焼安定性に応じて最適な制御対象と制御内容との組み合わせを選択することができる。つまり、圧縮スライトリーン運転のみを実施する場合と比較して、表1に示すような付加効果を提供するだけでなく、これらの付加効果の組み合わせを任意に設定することができ、圧縮スライトリーン運転の制御多様性を保全することができる。
[6.変形例等]
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
上述の制御装置では、エンジン10の始動時の制御モードとして、通常モード,MPIモード,DIモード,圧縮S/Lモード等の各種モードを備えたECU3を例示したが、これらの制御モードは上述の制御装置に必須の要素ではない。
また、各モードの設定条件は上述の実施形態に記載されたものに限定されず、他の複数のパラメータを用いて設定条件を定めてもよい。具体的な他のパラメータとしては、吸気流量やインテークマニホールド圧(吸気圧),過給圧(ターボ圧),吸気温度(給気温度),外気温,車速等を用いることが考えられる。
なお、上述の実施形態では、圧縮S/Lモードが設定されてから第二所定時間TBが経過した場合にリッチリーンモードが設定されているが、リッチリーンモード時に実施されるリッチリーン制御は、その制御単体で排気温度を昇温させることが可能であり、他の制御モードの設定に依存することなく独立して実施させてもよい。
1,1A,1B ポート噴射インジェクタ(第一燃料噴射手段)
2,2A,2B 直噴インジェクタ(第二燃料噴射手段)
3 ECU(制御手段)
3a モード判定部
3b MPI制御部
3c DI制御部
3d 圧縮S/L制御部
3e リッチリーン制御部
31 リッチ気筒MPI制御部(第一制御手段)
32 リッチ気筒DI制御部(第二制御手段)
33 リーン気筒MPI制御部(第三制御手段)
34 リーン気筒DI制御部(第四制御手段)
4 水温センサ
5 クランク角度センサ
6 燃圧センサ
7 アクセルペダルセンサ
10 エンジン
20A 第一気筒
20B 第二気筒
22 触媒装置

Claims (2)

  1. 多気筒エンジンの各気筒の吸気通路内に向けて第一燃料量の燃料を噴射する第一燃料噴射手段と、
    前記各気筒内に向けて第二燃料量の燃料を噴射する第二燃料噴射手段と、
    前記第一燃料量及び前記第二燃料量を制御して、前記多気筒エンジンの第一気筒の空燃比をリッチにすると同時に前記第一気筒とは異なる第二気筒の空燃比をリーンにする昇温制御を実施する制御手段と、を備え、
    前記制御手段が、前記昇温制御時に前記第一気筒に供給される前記第二燃料量を前記昇温制御の開始前よりも増加させて前記第一気筒の空燃比をリッチにするとともに、
    前記第二気筒に供給される前記第一燃料量を前記昇温制御の開始前よりも減少させて前記第二気筒の空燃比をリーンにするとともに前記昇温制御を開始する前後で前記第二気筒に供給される前記第二燃料量を維持する
    ことを特徴とする、エンジンの制御装置。
  2. 前記制御手段が、前記各気筒の空燃比がストイキよりもややリーンとなる燃料量を圧縮行程で噴射する圧縮スライトリーン運転時に、前記昇温制御を実施する
    ことを特徴とする、請求項記載のエンジンの制御装置。
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