JP6013722B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
典型的な燃料噴射制御では、均質燃焼時に主にポート噴射が利用され、成層燃焼時には主に筒内噴射が利用される。エンジンの運転状態や負荷に応じて燃料噴射方式を使い分けることで、エンジン出力や安定性を確保しながら燃費を向上させることが可能となる。
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、筒内噴射弁とポート噴射弁とを有する内燃機関の制御装置に関し、筒内噴射弁の噴射能力の回復を図りつつエンジン出力を確保することである。
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。
前記切り換え制御手段は、前記負荷が前記所定負荷未満であるときに、前記第一制御手段に前記第一制御を実施させ、前記負荷が前記所定負荷以上であるときに、前記第二制御手段に前記第二制御を実施させる。
第一制御では、筒内噴射量の低下時に第一運転領域が選択されやすくなるため、筒内噴射弁の噴孔部に付着したデポジットが取り除かれやすくなり、筒内噴射量が回復する。また、第二制御では、ポート噴射量が増加して筒内噴射量の低下が補われるため、内燃機関の出力が確保される。
[1−1.エンジン]
本実施形態の内燃機関の制御装置は、図1に示す車載ガソリンエンジン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に設けられた複数の気筒のうちの一つを示し、これをシリンダー20と呼ぶ。シリンダー20内を往復摺動するピストン19は、コネクティングロッドを介してクランクシャフト21に接続される。
シリンダー20の周囲には、冷却水の流路となるウォータージャケット23が設けられる。このウォータージャケット23には図示しない冷却水通路が接続され、これらのウォータージャケット23及び冷却水通路の内部を冷却水が循環する。
吸気ポート17と排気ポート18との間には、点火プラグ22がその先端を燃焼室側に突出させた状態で設けられる。点火プラグ22での着火のタイミングは、後述するエンジン制御装置1で制御される。
シリンダー20への燃料供給用のインジェクターとして、シリンダー20内に直接的に燃料を噴射する直噴インジェクター11(筒内噴射弁)と、吸気ポート17内に燃料を噴射するポート噴射インジェクター12(ポート噴射弁)とが設けられる。直噴インジェクター11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22の近傍に誘導され、吸入空気中に不均一に分布する。一方、ポート噴射インジェクター12から噴射された燃料は、吸気ポート17内で霧化し、吸入空気とよく混ざった状態でシリンダー20内に導入される。
高圧ポンプ14A及び低圧ポンプ14Bはともに、燃料を圧送するための機械式の流量可変型ポンプである。これらのポンプ14A,14Bは、エンジン10や電動機などから駆動力の供給を受けて作動し、燃料タンク15内の燃料を各供給路13A,13Bに吐出する。なお、各ポンプ14A,14Bから吐出される燃料量及び燃圧は、エンジン制御装置1で可変制御される。
本エンジン10には、ロッカーアーム35,37又はカム36,38の動作を制御する可変動弁機構40が設けられる。可変動弁機構40は、吸気弁27及び排気弁28のそれぞれについて、最大バルブリフト量及びバルブタイミングを個別に、又は、連動させつつ変更するための機構である。この可変動弁機構40には、ロッカーアーム35,37の揺動量及び揺動のタイミングを変化させるための機構として、バルブリフト量調整機構41とバルブタイミング調整機構42とが設けられる。
バルブリフト量に対応する制御用パラメーターは、制御角θVVLと呼ばれる。バルブリフト量調整機構41は、制御角θVVLが大きいほど、バルブリフト量を増大させる特性を持つ。この制御角θVVLは、後述するエンジン制御装置1のバルブ制御部4で演算され、バルブリフト量調整機構41に伝達される。
また、このエンジン10の吸排気系には、排気圧を利用してシリンダー20内に吸気を過給するターボチャージャー30(過給機)が設けられる。ターボチャージャー30は、吸気ポート17の上流側に接続された吸気通路24と、排気ポート18の下流側に接続された排気通路29との両方にまたがって介装される。
クランクシャフト21の一端には、その中心軸がクランクシャフト21の回転軸と一致するように設けられた円盤状のクランク板21aと、クランク板21aの回転角を検出するクランク角センサー31が設けられる。クランク板21aの外縁部には、例えば凹凸21bが形成される。一方、クランク角センサー31は、クランク板21aの外縁部の近傍に固定され、クランク板21aの凹凸21bの形状を検出してクランクパルス信号を出力する。ここで出力されたクランクパルス信号は、エンジン制御装置1に伝達される。
排気通路29上の任意の位置には、排気中に含まれる酸素濃度を計測する酸素濃度センサー32が設けられる。ここで検出された酸素濃度の情報は、エンジン制御装置1に伝達される。
エンジン制御装置1(エンジンECU)は、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た電子制御装置であり、専用通信線や車載ネットワークの通信網を介して他の電子制御装置,可変動弁機構40,クランク角センサー31,酸素濃度センサー32,燃圧センサー33,アクセルペダルセンサー34,エアフローセンサー43等の各種センサー類と接続される。
また、上記の三種類の制御に関連して、筒内噴射及びポート噴射を総合的に管理する「噴射領域制御」、ターボチャージャー30の作動状態を制御する「過給制御」、直噴インジェクター11の燃料噴射能力の低下を判断する「噴射能力算出制御」についても併せて説明する。
[2−1.噴射領域制御]
噴射領域制御とは、エンジン10の運転状態やエンジン10に要求される出力の大きさに応じて、筒内噴射,ポート噴射といった燃料噴射方式を使い分ける制御である。ここでは、例えばエンジン回転数Neやエンジン負荷,空気量,充填効率Ec(目標充填効率,実充填効率など)に基づき、ポート噴射のみを実施するポート噴射モードと、筒内噴射を優先的に実施する筒内噴射優先モードとの何れか一方が選択される。
過給制御とは、エンジン10の運転状態やエンジン10に要求される出力の大きさに応じてターボチャージャー30の作動状態(オン/オフ状態やその作動量等)を定める制御である。ここでは、例えばエンジン回転数Neやエンジン10に作用する負荷に基づき、ターボチャージャー30を作動させるか否かが判定され、判定結果に応じてターボチャージャー30が駆動される。
典型的な過給機の制御手法としては、エンジン10に要求される負荷が所定負荷よりも大きい場合にターボチャージャー30が駆動される。過給によりシリンダー20内に導入される吸気量が増大し、エンジン出力が増大する。
直噴インジェクター11の先端は、常にシリンダー20内の燃焼ガスに曝されるため、噴孔の近傍にデポジットが付着,堆積する場合がある。デポジットの付着量が増大すると、直噴インジェクター11から実際に噴射される燃料量が、制御パルス信号で指示された目標燃料噴射量よりも減少する。噴射能力算出制御では、このような直噴インジェクター11の燃料噴射能力の低下を算出(判定,推定)し、これを直噴インジェクター11の制御指令値にフィードバックすることで必要な燃料噴射量を確保する。直噴インジェクター11から実際に噴射された燃料量は、例えば、酸素濃度センサー32で検出された排気中の酸素濃度に基づいて算出される。
マップ変更制御(第一制御)は、噴射能力算出制御で算出された直噴インジェクター11の噴射能力が低下したときに実施される制御の一つであり、噴射領域制御で筒内噴射優先モードを選択されやすくする制御である。ここでは、通常時にはポート噴射モードが選択されるような運転状態であっても、筒内噴射優先モードが選択されうるように、筒内噴射優先モードの選択条件が緩和される。
補填制御(第二制御)は、噴射能力算出制御で算出された直噴インジェクター11の噴射能力が低下したときに実施されるもう一つの制御であり、低下した直噴インジェクター11の噴射能力を補うようにポート噴射インジェクター12からの燃料噴射量を増加させる制御である。この補填制御では、噴射能力算出制御で算出された燃料の不足分がポート噴射インジェクター12の目標燃料噴射量に加算される。これにより、直噴インジェクター11の噴射能力が低下した場合であっても、トータルの燃料噴射量が確保される。
具体的には、以下の三種類の制御が実施される。
(1)筒内噴射量の減少を補うためのポート噴射量の増加割合を演算する。
(2)ポート噴射量の増加割合に応じてバルブオーバーラップ期間を短縮する。
(3)ポート噴射時期を遅らせる。
切り換え制御は、エンジン10の負荷に応じて上記のマップ変更制御と補填制御とを切り換えて実施させる制御である。この切り換え制御では、直噴インジェクター11の噴射能力が低下したときに、マップ変更制御及び補填制御の何れか一方が選択される。
上記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、エンジン制御装置1には、噴射領域制御部2,過給制御部3,バルブ制御部4,噴射能力算出部5,補填噴射部6及び切り換え制御部7が設けられる。
噴射領域制御部2は、噴射領域制御及びマップ変更制御を実施するものである。この噴射領域制御部2には、負荷検出部2a,選択部2b,ポート噴射部2c,筒内噴射部2d及びマップ変更部2eが設けられる。
第二の負荷は、マップ変更制御のための負荷であり、筒内噴射優先モードの選択条件を緩和するための負荷である。本実施形態では、第二の負荷としてターボチャージャー30の作動状態が負荷検出部2aで検出される。第二の負荷の情報は、切り換え制御部7に伝達される。
以下、選択部2bが記憶している制御マップのことを、第一制御マップと呼ぶ。第一制御マップは、エンジン10の負荷が比較的小さい状態で選択される制御マップである。本実施形態では、ターボチャージャー30の非作動時に第一制御マップが選択される。
以下、マップ変更部2eが記憶している制御マップのことを、第二制御マップと呼ぶ。第二制御マップは、エンジン10の負荷が比較的大きい状態で選択される制御マップである。本実施形態では、ターボチャージャー30の作動時に第二制御マップが選択される。
ここで判定される負荷の大きさは、アクセルペダルの踏み込み操作量やスロットル開度に基づいて算出してもよいし、空気量(目標吸気量,目標充填効率,実吸気量,実充填効率など)に基づいて算出してもよい。なお、過給実施条件は、噴射モードを選択するための条件とは別個に設定されるものとしてもよいし、図2(a),(b)に示すグラフ上の所定領域として定義してもよい。
実筒内噴射量算出部5aは、酸素濃度センサー32で検出された排気中の酸素濃度に基づき、実筒内噴射量を算出するものである。ここでは、排気中の酸素濃度と外気の酸素濃度との差から、燃焼反応を通じて消費された酸素量が算出され、この酸素量に対応する燃料量が消費燃料量として算出される。
ポート噴射増加割合演算部6aは、ポート噴射インジェクター12から噴射されるポート噴射量の増加割合を演算するものである。ここでは、補填制御によってポート噴射量が増量補正されたときに、補正前のポート噴射量に対する増分の割合が増加割合として演算される。ここで演算された増加割合の情報は、バルブオーバーラップ変更部6bに伝達される。
この切り換え制御部7は、ターボチャージャー30の非作動時には負荷が小さいものと判断してマップ変更制御を選択し、マップ変更部2eにマップ変更制御を実施させる信号を出力する。一方、ターボチャージャー30の作動時には負荷が大きいものと判断して補填制御を選択し、補填噴射部6に補填制御及び吹き抜け抑制制御を実施させる信号を出力する。したがって、直噴インジェクター11の噴射能力の低下量が基準値を超えた状態では、マップ変更制御と補填制御及び吹き抜け抑制制御とがターボチャージャー30の作動状態に応じて切り換えられる。
[4−1.通常時]
エンジン制御装置1で実施される各種制御のうち、噴射領域制御,過給制御及び噴射能力算出制御に関するフローチャートを図3に例示する。このフローは、エンジン制御装置1内で所定の周期で繰り返し実施される。
ステップA30では、前ステップで検出されたエンジン10の負荷に基づき、過給が必要な運転状態であるか否かが過給制御部3で判定される。ここで過給実施条件が成立した場合にはステップA40に進み、過給制御部3からターボチャージャー30を駆動するための制御信号が出力された後、ステップA50に進む。一方、過給実施条件が不成立の場合には、そのままステップA50に進む。
ステップA60では、筒内噴射部2dから直噴インジェクター11に制御パルス信号が出力され、筒内噴射が実施される。このときの目標燃料噴射量が直噴インジェクター11の最大噴射量を超える場合には、併せてポート噴射も実施される。
このように、直噴インジェクター11の噴射能力が基準値を下回るほどデポジットが堆積していない状態のときには、噴射領域制御,過給制御及び噴射能力算出制御が繰り返し実施される。
図4のフローチャートは、エンジン制御装置1で実施される各種制御のうち、マップ変更制御,補填制御及び切り換え制御に関するものである。このフローは、図3のフローと並行して所定の周期で繰り返し実施される。
ステップB10では、エンジン制御装置1に直噴インジェクター11の燃料燃圧の情報や、噴射モードの種類、学習部5bで演算された直噴インジェクター11の噴射能力の低下量の情報、ターボチャージャー30の作動状態に関する情報等が入力される。
なお、ステップB90では、直噴インジェクター11の燃料燃圧が所定値以上であるか否かが判定される。直噴インジェクター11の噴射能力の低下は、例えば高圧燃料供給路13Aや高圧ポンプ14Aに原因がある場合もある。このステップでは、燃料燃圧が適正値であるか否かを確認することで、これらの燃料系の不具合に由来する噴射能力の低下の有無が判定される。
ステップB30では、切り換え制御部7、ターボチャージャー30が作動中(過給運転中)であるか否かが判定される。ここで過給運転中である場合には、切り換え制御部7で補填制御及び吹き抜け抑制制御が選択され、ステップB40に進む。一方、過給運転中でない場合には、切り換え制御部7でマップ変更制御が選択され、ステップB70に進む。
ステップB30からステップB70に進んだ場合には、マップ変更部2eにおいて、噴射モードの設定に係る制御マップが変更され、筒内噴射の実施頻度が高められる。これにより、例えば図3のフローのステップA50で選択部2bに参照される制御マップが、図2(a)の第一制御マップから図2(b)の第二制御マップへと切り換えられるため、筒内噴射優先モードが選択されやすくなる。また、続くステップB80では、非過給時のバルブオーバーラップ量が設定されて制御が終了する。この場合、非過給時には燃料の吹き抜けが生じないものとして、通常のバルブオーバーラップ設定が使用されることになる。
上記の実施形態によれば、以下のような作用,効果を得ることができる。
(1)上記のエンジン制御装置1による制御のうちのマップ変更制御では、直噴インジェクター11の噴孔部に付着したデポジットが取り除かれやすくなり、筒内噴射量が回復しやすくなる。また、補填制御では、直噴インジェクター11の代わりにポート噴射インジェクター12から噴射されるポート噴射量が増加するため、筒内噴射量の低下分が補われ、エンジン10の出力が確保される。
このように、エンジン10の負荷に応じてマップ変更制御と補填制御とを切り換えることで、直噴インジェクター11の噴射能力を回復させる制御と、エンジン10の出力の確保を優先する制御とを何れかに偏ることなく両立させることができる。したがて、出力要求を満足しながら直噴インジェクター11の噴射能力を従来よりも高い状態に維持することができる。
(3)さらに、上記のエンジン制御装置1では、ターボチャージャー30の作動状態に応じてマップ変更制御と補填制御とが切り換えられる。これにより、高出力が要求されていない非過給時に直噴インジェクター11の噴射能力を回復させることができる。また、高出力が要求されている過給時には、デポジットを除去する作業を一時休止させて、エンジン10の出力を確保することができる。
(5)なお、マップ変更制御に関して、上記の選択部2bではエンジン回転数Neと充填効率Ecとに基づいて噴射モードが選択される。これにより、その時点のエンジン10の運転状態とエンジン10に要求される負荷の大きさとを精度よく把握することができ、適正なエンジン出力を確保することができる。
(7)また、上記のエンジン制御装置1では、表1に示すようにポート噴射量の増加量が大きいほどバルブオーバーラップ期間が短縮される。つまり、ポート噴射量の増加割合に応じてバルブオーバーラップ期間の縮小量が設定されることになり、燃料の吹き抜け抑制効果を高めることができる。
(9)上記のエンジン制御装置1では、ポート噴射のタイミングを遅角させる制御が実施され、表2に示すように、エンジン回転数Neが低いほどポート噴射弁の開弁時期の遅角量が大きくなるように制御される。つまり、吸気ポート17に燃料が噴射されてから排気弁28が閉鎖するまでの実時間が長い低回転運転のときほど、開弁時期を遅らせている。これにより、燃料の吹き抜け抑制効果をさらに高めることができる。
(11)また、上記のエンジン制御装置1では、排気中の酸素濃度に基づいて実筒内噴射量が算出される。これにより、燃焼反応を通じて消費された酸素量を正確に算出することが可能となり、延いては直噴インジェクター11から噴射された実筒内噴射量の演算精度を向上させることができる。
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。
上述の実施形態では、切り換え制御部7で判定されるマップ変更制御と補填制御との切り換え条件として、負荷検出部2aで検出された第二の負荷(ターボチャージャー30の作動状態)を参照するものを例示したが、具体的な切り換え条件はこれに限定されない。例えば、空気量や充填効率Ecが所定値未満であるときにマップ変更制御を選択し、所定値以上になったときに補填制御に切り換える構成とすることが考えられる。少なくとも、エンジン10の負荷に相当するパラメーターを用いてこれらの制御を切り換えることにより、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。
2 噴射領域制御部
2a 負荷検出部(負荷検出手段)
2b 選択部(選択手段)
2c ポート噴射部(ポート噴射制御手段)
2d 筒内噴射部
2e マップ変更部(第一制御手段)
3 過給制御部(過給検出手段)
4 バルブ制御部(重複期間制御手段)
5 噴射能力算出部(噴射量算出手段)
6 補填噴射部(第二制御手段)
7 切り換え制御部(切り換え制御手段)
11 直噴インジェクター(筒内噴射弁)
12 ポート噴射インジェクター(ポート噴射弁)
Claims (5)
- 内燃機関の気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と前記気筒の吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁とを有し、前記内燃機関の負荷が所定負荷未満であるときに前記ポート噴射弁からのポート噴射のみを実施するポート噴射モードと、前記負荷が所定負荷以上であるときに前記筒内噴射弁からの筒内噴射を優先的に実施する筒内噴射優先モードとの何れか一方の燃料噴射方式を選択して燃料噴射を実施する内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の前記負荷を検出する負荷検出手段と、
前記筒内噴射弁から噴射される筒内噴射量の目標燃料噴射量からの低下量を算出する噴射量算出手段と、
前記筒内噴射量が前記目標燃料噴射量よりも低下した時に、前記燃料噴射方式として前記ポート噴射モードが選択される前記内燃機関の運転状態であっても前記筒内噴射優先モードが選択されうるように前記筒内噴射優先モードの選択条件を緩和する第一制御を実施する第一制御手段と、
前記筒内噴射量が前記目標燃料噴射量よりも低下した時に、前記筒内噴射弁から噴射されている前記筒内噴射量の前記低下量を前記ポート噴射弁から噴射されるポート噴射量に加算する第二制御を実施する第二制御手段と、
前記負荷に応じて、前記第一制御手段による前記第一制御と前記第二制御手段による前記第二制御とを切り換える切り換え制御手段とを備え、
前記切り換え制御手段が、
前記負荷が前記所定負荷未満であるときに、前記第一制御手段に前記第一制御を実施させ、
前記負荷が前記所定負荷以上であるときに、前記第二制御手段に前記第二制御を実施させる
ことを特徴とする、内燃機関の制御装置。 - 前記内燃機関に設けられた過給機の作動状態を検出する過給検出手段を備え、
前記切り換え制御手段が、
前記負荷が前記所定負荷未満である前記過給機の非作動時に、前記第一制御手段に前記第一制御を実施させ、
前記負荷が前記所定負荷以上である前記過給機の作動時に、前記第二制御手段に前記第二制御を実施させる
ことを特徴とする、請求項1記載の内燃機関の制御装置。 - 前記筒内噴射優先モードと前記ポート噴射モードとの何れか一方の燃料噴射方式を前記負荷に応じて選択する選択手段を備える
ことを特徴とする、請求項1又は2記載の内燃機関の制御装置。 - 前記負荷検出手段が、前記負荷として前記内燃機関に吸入される空気量と前記内燃機関の回転数とを検出し、
前記選択手段が、前記空気量と前記回転数とに基づいて、前記筒内噴射優先モード及び前記ポート噴射モードの何れか一方を選択するとともに、
前記第一制御手段が、前記筒内噴射量が前記目標燃料噴射量よりも低下した時に、前記筒内噴射優先モードを選択するための前記空気量及び前記回転数の下限閾値をともに減少させる
ことを特徴とする、請求項3記載の内燃機関の制御装置。 - 前記ポート噴射弁から噴射されるポート噴射量を制御するポート噴射制御手段と、
前記気筒の吸気弁及び排気弁がともに開状態となる重複期間を制御する重複期間制御手段とを備え、
前記第二制御手段で実施される前記第二制御は、前記筒内噴射量が前記目標燃料噴射量よりも低下した時に、前記筒内噴射量の低下量に相当する量の前記ポート噴射量を増加させるとともに前記重複期間を短縮させる制御である
ことを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載の内燃機関の制御装置。
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