JP6136542B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を備えるとともに、ピストンとシリンダとの相対的位置関係を変化させることにより機械的な圧縮比を可変とする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。

内燃機関の機械的圧縮比を変更する可変圧縮比機構は、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。

また、特許文献１には、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を備え、両者の分担率を適宜に制御するようにした内燃機関が開示されている。さらに、この特許文献１には、シリンダ壁への付着燃料に起因したオイル希釈（燃料成分の混入による潤滑オイルの希釈）を抑制するために、筒内噴射用燃料噴射弁による筒内噴射を、要求燃料量を複数回に分割して噴射する分割噴射とすることが開示されている。すなわち、個々の燃料噴射の噴射パルス幅を短くすることで、筒内で噴射された燃料噴霧がシリンダ壁に到達しにくくなり、オイル希釈が抑制される。また、オイル希釈率を検出し、このオイル希釈率が高いほどポート噴射の分担率を高くすることも開示されている。

特開２０１２−２０７８号公報

筒内噴射式の内燃機関においては、特に高負荷域などで均質燃焼とする際には、吸気行程中に燃料噴射が行われる。このように吸気行程中に設定される燃料噴射期間は、燃料噴射量に比例した実時間ベースのものとなるので、高速高負荷ほどクランク角としては長くなるが、噴射終了が過度に遅く、例えば吸気下死点よりも後となると、点火時期までの期間が不十分となり、燃料の気化や混合が悪化する。また、噴射開始が過度に早いと、例えば排気上死点で燃料噴射を開始すると、噴射された燃料がピストンに衝突して付着し、高負荷域でのスモーク発生の要因となる。従って、これらの気化・混合およびスモークの制約から、燃料噴射が許容されるのは、ある一定のクランク角範囲となる。

従って、オイル希釈抑制のために、上記特許文献１のように燃料噴霧がシリンダ壁に到達しないように分割噴射を行おうとしても、個々の噴射の間のインターバルによって初回の噴射開始から最終の噴射終了までの期間がむしろ長くなってしまうことから、要求燃料噴射量が多いときに、燃料噴射が許容されるクランク角範囲内に全量を噴射することができない。

また、可変圧縮比機構を備えた内燃機関にあっては、低圧縮比に制御されているときに、シリンダに対しピストン上死点位置が相対的に低くなり、燃料液滴が接触可能なように燃焼室に露出するシリンダ壁面が増大する。従って、シリンダ壁面に付着する燃料量が増大し、ひいては、オイル希釈が増大する。上記特許文献１では、このような圧縮比の要因が何ら考慮されていない。

この発明は、ピストンとシリンダとの相対的位置関係を変化させることにより機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備えるとともに、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を備え、筒内噴射とポート噴射の各々の分担率が機関運転条件に応じて設定されてなる内燃機関の制御装置において、
内燃機関の未暖機時に、圧縮比が所定圧縮比以下でかつ要求燃料噴射量が所定噴射量以上のときに、ポート噴射の分担率を、基本の分担率よりも高くすることを特徴としている。

オイル希釈が問題となるのは、内燃機関の未暖機時であり、このときに可変圧縮比機構による圧縮比が低いと、広く露出したシリンダ壁に燃料液滴が付着してオイル希釈を招来しやすい。筒内噴射による噴霧のシリンダ壁への衝突は、例えば分割噴射として個々の噴霧を短くすることで抑制できるが、要求燃料噴射量がある所定の噴射量以上となると、気化・混合およびスモークの点から燃料噴射が許容されるクランク角範囲内での噴射が困難となる。本発明においては、圧縮比が所定圧縮比以下でかつ要求燃料噴射量が所定噴射量以上のときに、ポート噴射の分担率を基本の分担率よりも高くすることで、筒内噴射を優先的に使用しつつオイル希釈を抑制することができる。

筒内噴射は、ポート噴射に比較して、吸気行程で噴射することにより、噴霧が空気を巻き込んで充填効率を高める作用があり、また吸気温度を低減してノッキングを抑制する作用があるので、できるだけ筒内噴射によることが有利である。

なお、本発明においては、上記の分担率は、０％および１００％を含む概念であり、従って、例えば、ポート噴射の基本の分担率が０％である運転条件について、ポート噴射の分担率を高くすると、一部燃料がポート噴射により供給されることとなる。

この発明によれば、内燃機関の未暖機時に、圧縮比が所定圧縮比以下でかつ要求燃料噴射量が所定噴射量以上であることを条件としてポート噴射の分担率を高くするので、筒内噴射を優先的に使用しつつオイル希釈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。 暖機後の制御の態様を模式的に示す説明図。

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ターボ過給器付き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筒内噴射用燃料噴射弁８が配置されている。また吸気ポート７には、該吸気ポート７内へ向けて燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁４１が配置されている。これらの筒内噴射用燃料噴射弁８およびポート噴射用燃料噴射弁４１は、いずれも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、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。

上記吸気ポート７に接続された吸気通路１８のコレクタ部１８ａ上流側には、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１９が介装されており、さらにその上流側に、ターボ過給器のコンプレッサ２０が配設されている。このコンプレッサ２０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。

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８，４１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、スロットルバルブ１９の開度、等を最適に制御している。

一方、可変圧縮比機構２は、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。

次に、図２は、上記実施例の構成においてオイル希釈抑制のために行われるポート噴射の分担率制御の流れを示すフローチャートである。このルーチンは、エンジンコントローラ９において、例えば所定時間毎あるいは各気筒の点火間隔に対応した間隔でもって繰り返し実行されるものであり、ステップ１において、そのときの吸入空気量Ｑａ、機関回転速度Ｎｅ、冷却水温Ｔｗ、圧縮比ε、をそれぞれ読み込む。なお、圧縮比εは、図示せぬ他のルーチンによって運転条件に対し最適となるように制御されている。

ステップ２において、吸入空気量Ｑａと回転速度Ｎｅとから、要求燃料噴射量Ｔｉを算出する。ここでは、例えば、主たる燃料噴射弁である筒内噴射用燃料噴射弁８から噴射したとした場合の実時間（換言すれば噴射パルス幅）に換算した形で要求燃料噴射量Ｔｉが取り扱われる。

次に、ステップ３において、水温Ｔｗが暖機完了とみなしうる所定の温度Ｔｗｔｈ未満であるか判定し、さらにステップ４において、圧縮比εがオイル希釈の上で問題となる所定の圧縮比εｔｈ以下であるか判定する。これらのステップ３，４でＮＯであれば、ステップ１４へ進み、ポート噴射の分担率および筒内噴射の噴射形態（単段噴射か分割噴射か）に関し、通常制御を行う。

図３は、機関暖機後の通常制御の態様を、要求燃料噴射量Ｔｉを横軸としかつ圧縮比εを縦軸として模式的に示した説明図である。なお、図２，３において、図中の「ＧＤＩ」は筒内噴射用燃料噴射弁８による筒内噴射を意味し、「ＭＰＩ」はポート噴射用燃料噴射弁４１によるポート噴射を意味する。図示するように、要求燃料噴射量Ｔｉが少ない領域では、筒内噴射の単段噴射によって燃料の全量が噴射される。要求燃料噴射量Ｔｉが閾値Ｆ１以上の領域では、筒内噴射の分割噴射によって燃料が供給される。さらに要求燃料噴射量Ｔｉが閾値Ｆ２以上の領域では、筒内噴射用燃料噴射弁８のみで要求燃料噴射量Ｔｉを賄うことができず、筒内噴射（分割噴射）とポート噴射とが併用される。なお、この両者を併用する領域の中では、要求燃料噴射量Ｔｉが多いほどポート噴射の分担率が高いものとなる。

このように、暖機時の基本的な特性としては、閾値Ｆ２未満ではポート噴射の分担率は０％であり、筒内噴射のみで燃料供給がなされる。これに対し、未暖機時には、後述する図２の処理に従い、閾値Ｆ２未満の一部の領域においても一部燃料がポート噴射により供給されることとなる。

図２のステップ３，４の判定がＹＥＳの場合は、ステップ４からステップ５へ進み、要求燃料噴射量Ｔｉに基づいて、必要な分割回数ｎ１を算出する。この分割回数ｎ１は、各回の噴射パルス幅を、オイル希釈を生じない限界となる所定の噴射パルス幅Ｔｏｉｌ（換言すればシリンダ壁への液滴付着がオイル希釈の点で許容し得る最大の噴射パルス幅）としたときに、要求燃料噴射量Ｔｉを噴射するのに必要な噴射回数である。なお、各回が所定噴射パルス幅Ｔｏｉｌ以下となるように等分に分割してもよく、あるいは所定噴射パルス幅Ｔｏｉｌの噴射を整数回行い、余剰分を最終回で噴射するように分割してもよい。

次に、ステップ６において、許容し得る分割回数ｎ２をそのときの機関回転速度Ｎｅに基づいて算出する。この分割回数ｎ２は、個々の噴射パルス幅を上記の所定の噴射パルス幅Ｔｏｉｌとし、かつ個々の噴射の間に必要なインターバルを考慮したときに、前述した噴射を許容し得る所定のクランク角範囲内で噴射可能な回数である。個々の噴射パルス幅およびインターバルは、実時間であるので、回転速度Ｎｅが高いほど所定クランク角範囲内で可能な分割回数ｎ２は少なくなる。

ステップ７において、必要な分割回数ｎ１が許容し得る分割回数ｎ２よりも多いか否か判定する。必要な分割回数ｎ１が許容し得る分割回数ｎ２を越えていれば、ステップ８へ進み、最終的な分割回数Ｎとして許容し得る分割回数ｎ２を選択する。そして、ステップ９において、１回目〜Ｎ回目の個々の噴射パルス幅を設定し、かつステップ１０において、ポート噴射用燃料噴射弁４１の噴射パルス幅を設定する。このポート噴射の噴射パルス幅は、要求燃料噴射量Ｔｉに対し分割回数ｎ２では不足となる余剰の燃料量に相当する。このようにして設定された筒内噴射およびポート噴射のそれぞれの噴射パルス幅に沿って、所定の噴射時期において燃料噴射が実行される。

必要な分割回数ｎ１が許容し得る分割回数ｎ２以下であれば、ステップ７からステップ１１へ進み、最終的な分割回数Ｎとして分割回数ｎ１を選択する。そして、ステップ１２において、１回目〜Ｎ回目の個々の噴射パルス幅を設定し、かつステップ１３において、ポート噴射用燃料噴射弁４１の噴射パルス幅を０とする。従って、このときには、筒内噴射（分割噴射）のみで燃料供給が行われる。

このように、図２に示した制御では、ポート噴射の分担率を変更するか否かの境界となる所定噴射量と要求燃料噴射量Ｔｉとの関係が、分割回数ｎ１，ｎ２の大小関係で表されることなり、圧縮比εが所定圧縮比εｔｈ以下でかつｎ１＞ｎ２の場合には、ポート噴射の分担率が高くなり、つまり、筒内噴射に加えて、一部燃料がポート噴射により供給される。ここで、上記の分割回数ｎ１，ｎ２で定まる所定噴射量は、基本的には、図３に示した暖機後の閾値Ｆ２よりも少ない噴射量である。

従って、上記実施例では、暖機後および未暖機時の双方で筒内噴射を優先的に使用しつつ、未暖機時に最小限の範囲でポート噴射を行うことで、オイル希釈を効果的に抑制することができる。

上記の分割回数ｎ１，ｎ２の算出基準となるオイル希釈を生じない限界の噴射パルス幅Ｔｏｉｌとしては、「ε≦εｔｈ」の範囲内で、圧縮比εが低いほど噴射パルス幅Ｔｏｉｌを小さくするようにしてもよい。このようにすれば、要求燃料噴射量Ｔｉの値がより小さい段階で、ステップ７の「ｎ１＞ｎ２」の関係が成立するようになる。つまり、ポート噴射の分担率を変更するか否かの境界となる所定噴射量の値が実質的に小さくなる。

なお、上記実施例では、ポート噴射の基本の分担率が０％のところから０よりも大きな分担率に変更する例を説明しているが、暖機後に０以外のある分担率となる場合においても同様に適用が可能である。

１…内燃機関
２…可変圧縮比機構
６…点火プラグ
８…筒内噴射用燃料噴射弁
９…エンジンコントローラ
１４…空燃比センサ
２０…コンプレッサ
４１…ポート噴射用燃料噴射弁

Claims (7)

1. ピストンとシリンダとの相対的位置関係を変化させることにより機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備えるとともに、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を備え、筒内噴射とポート噴射の各々の分担率が機関運転条件に応じて設定されてなる内燃機関の制御装置において、
   内燃機関の未暖機時に、圧縮比が所定圧縮比以下でかつ要求燃料噴射量が所定噴射量以上のときに、ポート噴射の分担率を、基本の分担率よりも高くすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記筒内噴射が、各回が所定の噴射パルス幅以下となるように複数回に分割して燃料噴射を行う分割噴射として実行されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記所定噴射量は、全量を筒内噴射として分割噴射した場合に、初回の噴射開始から最終の噴射終了までの期間が所定のクランク角範囲を越える要求燃料噴射量に相当することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記所定噴射量が圧縮比に応じて補正されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 圧縮比が低いほど上記所定噴射量が小さな値となることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 暖機後は、要求燃料噴射量が上記所定噴射量よりも大きな第２の所定噴射量以上のときに一部燃料をポート噴射とし、かつ第２の所定噴射量未満では全量を筒内噴射とし、
   未暖機時で圧縮比が所定圧縮比以下のときは、上記所定噴射量以上のときに、一部燃料をポート噴射とする、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. ピストンとシリンダとの相対的位置関係を変化させることにより機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備えるとともに、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、を備え、筒内噴射とポート噴射の各々の分担率を機関運転条件に応じて制御する内燃機関の制御方法において、
   内燃機関の未暖機時に、圧縮比が所定圧縮比以下でかつ要求燃料噴射量が所定噴射量以上のときに、ポート噴射の分担率を、基本の分担率よりも高くすることを特徴とする内燃機関の制御方法。

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