JP5999199B2

JP5999199B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法

Info

Publication number: JP5999199B2
Application number: JP2014560694A
Authority: JP
Inventors: 忠樹間野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: JPWO2014122946A1; WO2014122946A1

Description

この発明は、燃焼室内に燃料を直接に噴射し、生成された混合気に点火プラグによって点火を行う内燃機関に関し、特に、可変圧縮比機構を備えた内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

燃焼室内に臨んで燃料噴射弁を配置し、吸気行程や圧縮行程において筒内に燃料を直接に噴射するようにした筒内直接噴射式の火花点火内燃機関が公知である。

このような筒内直接噴射式の燃料噴射装置にあっては、燃料噴射弁のノズル先端が燃焼室内に露出しているため、燃料成分の炭化やオイル成分などによるデポジットがノズル先端に付着することがある。このデポジットが多量に付着すると、噴孔の実質的な通路断面積が狭められ、燃料噴射時間に対応した適正な噴射量が得られなくなる。

特許文献１には、このような燃料噴射弁の先端噴孔部分におけるデポジットの堆積を抑制するために、噴孔表面に、撥液性の被覆膜を形成することが開示されている。

一方、内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構も、従来から種々の形式のものが知られている。例えば、複リンク式ピストンクランク機構のリンクジオメトリの変更によってピストン上死点位置を上下に変位させるようにした可変圧縮比機構が本出願人らによって多数提案されている。また、クランクシャフトの中心位置に対しシリンダの位置を上下に変位させることで同様に機械的圧縮比を変化させるようにした可変圧縮比機構も公知である。

特許文献１は、表面の被覆膜によってデポジットを付着しにくくする技術であるが、被覆膜の形成に比較的複雑な工程が必要となり、好ましくない。また、一旦付着してしまったデポジットの除去には、上記特許文献１の技術は何ら寄与しない。

特開平１０−１５９６８７号公報

この発明は、機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えるとともに、燃焼室内に燃料を直接に噴射する燃料噴射弁を備えてなる内燃機関の制御装置であって、
空燃比フィードバック制御系の信号から上記燃料噴射弁のノズル先端におけるデポジット付着を検出するデポジット検出手段を備え、
上記デポジット検出手段は、デポジット付着の程度をさらに２段階に判定し、
付着が相対的に少ない第１の段階では、圧縮比を基本目標圧縮比よりも低下させるとともに、点火時期を基本点火時期よりも遅角させて、上記燃料噴射弁のノズル温度を低下させ、
付着が相対的に多い第２の段階では、圧縮比を基本目標圧縮比よりも高くするとともに、点火時期を基本点火時期として、上記燃料噴射弁のノズル温度を上昇させる。

空燃比フィードバック制御が実行されている下では、燃料噴射弁の噴孔の通路断面積がデポジットの付着により減少すると、同じ燃料噴射期間に対して空燃比がリーン化するので、例えば空燃比補正係数などから、デポジットの付着を検出することが可能である。

一方、燃料噴射弁のノズル先端におけるデポジットの付着は、燃焼室内に露出しているノズルの温度がある温度範囲内にあるときに生じやすく、この温度範囲に留まることで、デポジットの堆積が進行していく。ある温度よりもノズル温度が低いと、ノズル先端部分での燃料成分の炭化が生じないため、デポジットの付着・堆積は抑制される。また、逆にある温度よりもノズル温度が高いと、堆積していたデポジットが高温で焼却され、除去される。従って、これらの温度から定まる温度範囲がデポジットのリスクの高い領域となる。

本発明では、例えば圧縮比を低下させることで燃焼室温度ひいては燃料噴射弁のノズル温度を低下させる。あるいは、逆に圧縮比を高くすることで燃焼室温度ひいては燃料噴射弁のノズル温度を上昇させる。これにより、デポジットの抑制ないし除去が行われる。

この発明によれば、燃料噴射弁のノズル先端でのデポジットの付着が検出されたときに、圧縮比の変更によって燃料噴射弁のノズル温度をデポジットのリスクが高い温度範囲から外れるようにすることができ、デポジットの堆積による燃料噴射量の変動を抑制することができる。

この発明に係る内燃機関の制御装置の一実施例のシステム構成を示す構成説明図。この実施例における制御の流れを示すフローチャート。燃料噴射エネルギとノズル先端温度とに対するデポジットのリスクの高い領域を示した特性図。デポジットの付着が比較的少ないときの圧縮比制御を示すタイムチャート。デポジットの付着が比較例多いときの圧縮比制御を示すタイムチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、例えば複リンク式ピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構２を備えた４ストロークサイクルの筒内直接噴射式の火花点火内燃機関であって、燃焼室３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。

上記吸気弁４によって開閉される吸気ポート７の下方には、燃焼室３内に燃料を直接に噴射する燃料噴射弁８が配置されている。この燃料噴射弁８のノズル先端は、燃焼室３内に露出している。上記吸気ポート７に接続される図示せぬ吸気通路には、エンジンコントローラ９からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットルバルブ（図示せず）が介装されており、さらにその上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ１０が配設されている。

上記燃料噴射弁８は、駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、この駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。上記燃料噴射弁８には、図示せぬ燃料ポンプによって加圧された燃料がコモンレール１８から燃料配管１９を介して導入されるが、燃料噴射圧力つまりコモンレール１８内の燃圧は、燃圧制御弁２０によって可変制御することが可能である。

また、排気ポート１１に接続された排気通路１２には、三元触媒からなる触媒装置１３が介装されており、その上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ１４が配置されている。

上記エンジンコントローラ９には、上記のエアフロメータ１０、空燃比センサ１４のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ１５、冷却水温を検出する水温センサ１６、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ１７、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ９は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁８による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ６による点火時期、図示せぬスロットルバルブの開度、燃圧制御弁２０による燃圧、等を最適に制御している。

ここで、上記燃料噴射弁８の噴射量は、一部の運転領域を除き、上記空燃比センサ１４の検出信号に基づく公知の空燃比フィードバック制御によって理論空燃比を目標として制御される。すなわち、空燃比センサ１４の検出信号に基づいて空燃比補正係数αが演算され、この空燃比補正係数αを基本燃料噴射量に乗じることによって、燃料噴射弁８から噴射すべき燃料噴射量が求められる。この燃料噴射量は、さらに燃圧との関係から必要な燃料噴射期間に換算され、燃料噴射弁８に印加される駆動パルスのパルス幅が最終的に決定される。

一方、可変圧縮比機構２は、特開２００４−１１６４３４号公報等に記載の公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものであって、クランクシャフト２１のクランクピン２１ａに回転自在に支持されたロアリンク２２と、このロアリンク２２の一端部のアッパピン２３とピストン２４のピストンピン２４ａとを互いに連結するアッパリンク２５と、ロアリンク２２の他端部のコントロールピン２６に一端が連結されたコントロールリンク２７と、このコントロールリンク２７の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト２８と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト２１および上記コントロールシャフト２８は、シリンダブロック２９下部のクランクケース内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。上記コントロールシャフト２８は、該コントロールシャフト２８の回動に伴って位置が変化する偏心軸部２８ａを有し、上記コントロールリンク２７の端部は、詳しくは、この偏心軸部２８ａに回転可能に嵌合している。上記の可変圧縮比機構２においては、コントロールシャフト２８の回動に伴ってピストン２４の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。

また、上記可変圧縮比機構２の圧縮比を可変制御する駆動機構として、クランクシャフト２１と平行な回転中心軸を有する電動モータ３１がシリンダブロック２９下部に配置されており、この電動モータ３１と軸方向に直列に並ぶように減速機３２が接続されている。この減速機３２としては、減速比の大きな例えば波動歯車機構が用いられており、その減速機出力軸３２ａは、電動モータ３１の出力軸（図示せず）と同軸上に位置している。従って、減速機出力軸３２ａとコントロールシャフト２８とは互いに平行に位置しており、両者が連動して回動するように、減速機出力軸３２ａに固定された第１アーム３３とコントロールシャフト２８に固定された第２アーム３４とが中間リンク３５によって互いに連結されている。

すなわち、電動モータ３１が回転すると、減速機３２により大きく減速された形で減速機出力軸３２ａの角度が変化する。この減速機出力軸３２ａの回動は第１アーム３３から中間リンク３５を介して第２アーム３４へ伝達され、コントロールシャフト２８が回動する。これにより、上述したように、内燃機関１の機械的な圧縮比が変化する。なお図示例では、第１アーム３３および第２アーム３４が互いに同方向に延びており、従って、例えば減速機出力軸３２ａが時計回り方向に回動するとコントロールシャフト２８も時計回り方向に回動する関係となっているが、逆方向に回動するようにリンク機構を構成することも可能である。

上記可変圧縮比機構２の目標圧縮比は、エンジンコントローラ９において、機関運転条件（例えば要求負荷と機関回転速度）に基づいて設定され、この目標圧縮比を実現するように上記電動モータ３１が駆動制御される。

図２は、上記エンジンコントローラ９において内燃機関１の運転中に繰り返し実行される本実施例の制御の流れを示すフローチャートである。ステップ１では、前述した空燃比フィードバック制御システムにおける空燃比補正係数αを監視し、ステップ２で、デポジットの堆積による燃料噴射弁８の噴孔通路断面積の減少が生じているか否かを判定する。すなわち、フィードバック制御中は空燃比補正係数αは「１」を中心として増減変化を繰り返し、これによって空燃比が理論空燃比近傍に維持されるのであるが、デポジットの付着・堆積により噴孔通路断面積が減少すると、同じパルス幅であっても実際に噴射される燃料量が少なくなるため、空燃比補正係数αが「１」よりも大きな値を中心として増減変化するようになる。つまり、空燃比補正係数αの平均的な値が「１」よりも大となる。従って、ステップ１では、適当な期間内で空燃比補正係数αの平均値を求めるとともに、この平均値から「１」を減じた値をΔＡＬＰＨＡとして算出する。そして、ステップ２では、このΔＡＬＰＨＡが所定値Δα１以上であるか否かを判定する。所定値Δα１は、例えば０．０５（つまり５％）程度に設定される。

ステップ２の判定でΔＡＬＰＨＡがΔα１未満であれば、燃料噴射弁８の噴孔流量を含めて空燃比フィードバック制御システムが正常であると考えられるので、デポジットに対する処理は不要であり、ステップ３へ進んで、通常の圧縮比制御および点火時期制御を行う。また燃圧も通常の値に制御される。

ステップ２で、ΔＡＬＰＨＡがΔα１以上であれば、デポジットの付着による噴孔通路断面積の減少が生じていると判定されるが、本実施例では、この場合に、ステップ４において、さらにそのデポジットの付着の程度を２段階に判定する。具体的には、ΔＡＬＰＨＡがΔα１よりも大きな第２の所定値Δα２（例えば０．１（つまり１０％）程度に設定される）以上であるか否かを判定する。

ここで第２の所定値Δα２未満であれば、デポジットの付着が比較的少ない第１の段階として、ステップ５へ進む。ステップ５では、燃料噴射弁８のノズル温度を低下させるために、可変圧縮比機構２の目標圧縮比をそのときの基本目標圧縮比よりも低い圧縮比に設定し、かつ点火時期をそのときの基本点火時期よりも遅角させる。これによって、ノズル温度がデポジットのリスクの高い温度範囲を外れ、それ以上のデポジットの付着が抑制される。同時に、噴孔に付着しているデポジットの除去を促すために、燃圧制御弁２０を介して、燃圧（つまり燃料噴射圧力）を通常時よりも上昇させる。このように燃圧を上昇させることで噴孔に付着していたデポジットが洗浄され、噴孔通路断面積は徐々に回復する。換言すれば、空燃比補正係数αの平均値は、徐々に「１」に復帰する。なお、デポジットの減少は比較的緩慢に生じるので、一旦ステップ５の処理が開始したらある程度の期間はステップ５の処理を継続するように、比較的大きなヒステリシスを設定することが望ましい。

一方、ステップ４の判定でΔＡＬＰＨＡが第２の所定値Δα２以上である場合には、デポジットの付着が比較例多い第２の段階であるとして、ステップ６へ進む。なお、デポジットの付着は徐々に進行するので、第１の段階に対する処理がステップ５において実行されることで、通常は噴孔通路断面積の減少が解消するが、何らかの理由で急激にデポジットが増加した場合やステップ５の処理ではデポジット付着の進行が止まらない場合に、ステップ６の処理が実行される。

ステップ６では、燃料噴射弁８のノズル温度を逆に上昇させるために、可変圧縮比機構２の目標圧縮比をそのときの基本目標圧縮比よりも高い圧縮比に設定する。これにより、ノズル温度を高くして、付着しているデポジットを焼却する。なお、このように圧縮比を基本目標圧縮比よりも高くすることでノッキング発生の可能性が高くなるが、ノッキング回避のための点火時期遅角補正を行うと燃焼温度が低下してデポジットの焼却が困難となるので、ここでは、点火時期遅角補正は行わない。つまり、デポジット付着の第２の段階の解消は比較的優先度が高いので、多少のノッキングは許容し、デポジットの焼却を優先する。

ステップ６の処理によりデポジットが徐々に減少し、ΔＡＬＰＨＡが第２の所定値Δα２未満となれば、ステップ６の処理を終了して、再びステップ５の第１の段階に対するデポジット除去処理が開始される。なお、ステップ６の処理が一旦開始した後、一定期間（あるいはΔＡＬＰＨＡが所定値Δα１未満となるまで）はステップ６の処理を継続し、デポジットを完全に焼却するように構成してもよい。

図３は、デポジットの付着のリスクが高い領域Ａを、燃料噴射弁８のノズル温度（横軸）と燃料噴射エネルギ（縦軸）とについて示したものである。燃料噴射弁８の噴孔におけるデポジットの付着は、燃焼室３内に露出しているノズルの温度がある温度範囲内にあるときに生じやすく、この温度範囲に留まることで、デポジットの堆積が進行していく。ある温度Ｔ１よりもノズル温度が低いと、ノズル先端部分での燃料成分の炭化が生じないため、デポジットの付着・堆積は抑制される。また、逆にある温度Ｔ２よりもノズル温度が高いと、堆積していたデポジットが高温で焼却され、除去される。従って、これらの温度Ｔ１，Ｔ２から定まる温度範囲がデポジットのリスクが高い領域となる。また、領域Ａの上部を区画する線Ａ１で示すように、同じノズル温度であっても、燃圧や燃料噴射量などにより定まる燃料噴射エネルギが大きければ、デポジットの付着は進行しない。

従って、前述した第１の段階に対処するステップ５では、矢印Ｂ１に示すように、上記の温度Ｔ１よりもノズル温度が低くなるように圧縮比の低下および点火時期遅角が行われ、かつ燃圧の上昇が行われる。また第２の段階に対処するステップ６では、逆に矢印Ｂ２に示すように、デポジットの焼却が可能な温度Ｔ２よりもノズル温度が高くなるように圧縮比の上昇が行われる。

図４は、上記のステップ５で実行される目標圧縮比の変化を示したタイムチャートであり、図示するように、ΔＡＬＰＨＡが所定値Δα１以上となったときに目標圧縮比が低下する。これにより、前述したように、デポジットは徐々に減少していく。なお、図では目標圧縮比が低圧縮比のままとなっているが、適当な時期に通常の基本目標圧縮比に復帰する。

図５は、上記のステップ６で実行される目標圧縮比の変化を示したタイムチャートであり、図示するように、ΔＡＬＰＨＡが第２の所定値Δα２以上となったときに目標圧縮比が上昇する。これにより、デポジットは比較的急激に減少していく。なお、図では目標圧縮比が高圧縮比のままとなっているが、適当な時期に通常の基本目標圧縮比に復帰する。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、デポジットの付着の程度を２段階に判定してステップ５の処理とステップ６の処理とを使い分けているが、噴孔通路断面積の減少を検出したときに常にいずれか一方の処理を行う構成であってもよい。また上記実施例では、複リンク式ピストンクランク機構からなる可変圧縮比機構２を用いているが、本発明は、どのような形式の可変圧縮比機構であっても同様に適用が可能である。さらに、上記実施例では、燃料噴射弁８に導入する燃圧を燃圧制御弁２０によって可変制御しているが、図示しない高圧燃料ポンプの吐出圧自体を制御して燃圧を変更するようにしてもよい。

Claims

機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えるとともに、燃焼室内に燃料を直接に噴射する燃料噴射弁を備えてなる内燃機関の制御装置であって、
空燃比フィードバック制御系の信号から上記燃料噴射弁のノズル先端におけるデポジット付着を検出するデポジット検出手段を備え、
上記デポジット検出手段は、デポジット付着の程度をさらに２段階に判定し、
付着が相対的に少ない第１の段階では、圧縮比を基本目標圧縮比よりも低下させるとともに、点火時期を基本点火時期よりも遅角させて、上記燃料噴射弁のノズル温度を低下させ、
付着が相対的に多い第２の段階では、圧縮比を基本目標圧縮比よりも高くするとともに、点火時期を基本点火時期として、上記燃料噴射弁のノズル温度を上昇させる、内燃機関の制御装置。
上記第１の段階において、上記の圧縮比の低下に併せて、燃料噴射圧力の増加補正を行う、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えるとともに、燃焼室内に燃料を直接に噴射する燃料噴射弁を備えてなる内燃機関において、
空燃比フィードバック制御系の信号から上記燃料噴射弁のノズル先端におけるデポジット付着を検出し、
このデポジット付着を検出したときに、デポジット付着の程度をさらに２段階に判定し、
付着が相対的に少ない第１の段階では、圧縮比を基本目標圧縮比よりも低下させるとともに、点火時期を基本点火時期よりも遅角させて、上記燃料噴射弁のノズル温度を低下させ、
付着が相対的に多い第２の段階では、圧縮比を基本目標圧縮比よりも高くするとともに、点火時期を基本点火時期として、上記燃料噴射弁のノズル温度を上昇させる、内燃機関の制御方法。