JP6165590B2 - 筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置に関する。

シリンダ内に直接燃料を噴射する、筒内噴射式内燃機関が広く知られている。筒内噴射式内燃機関は、燃料噴射弁により燃焼室内に直接燃料噴射を行うものであり、排出ガス物質及び燃料消費量の削減、出力の向上等を図っている。

筒内噴射式内燃機関では、噴射された燃料の一部がピストン冠面やシリンダボア壁面に付着する場合がある。

シリンダボア壁面に付着、残留した燃料量が多いと、点火までの間に完全に気化できないことがあり、未燃ガスが増大する傾向にある。そこで特許文献１記載の装置のように、シリンダボア壁面温度が低い場合には燃料がピストン冠面上に広がって気化しやすくなるように、吸気行程におけるインジェクタからの燃料噴射タイミングを変更する技術が開示されている。

また、特許文献２記載の装置のように、１燃焼サイクル中に複数回の燃料噴射を実行することで１回あたりの燃料噴射量を小さくし、シリンダボア壁面への燃料付着を低減、かつ、エンジンの運転条件の変化に対して噴射と噴射の間隔を概略クランク角度一定に保つ、すなわち、低回転ほど噴射間隔を長く、高回転ほど噴射間隔を短くすることで、噴霧を分散させる技術が開示されている。

また、シリンダボア壁面に付着した燃料は、内燃機関下部に設けられたオイルパン内の潤滑油内に混入し、潤滑油を希釈する場合がある。そこで特許文献３記載の装置のように、内燃機関の稼働履歴や潤滑油への燃料混入度合などに基づいて潤滑油の劣化進行が判定され、潤滑油の交換時期を報知する技術が開示されている。

特開２００９−１０２９９８号公報 特開２００２−１６１７９０号公報 特開２００６−１６９８８号公報

前記筒内噴射式内燃機関において、筒内に噴射された燃料の一部はシリンダボア壁面に付着、残留する場合がある。シリンダ壁面に付着、残留した燃料は、ピストンの往復運動によりピストンリングでシリンダ壁面の潤滑油とともに掻き落とされ、内燃機関下部に設けられたオイルパン内で潤滑油に混入する。混入した燃料により潤滑油は希釈され、その希釈が進行すると本来の潤滑油機能が損なわれ、潤滑不足が原因による内燃機関の故障の虞がある。

また、潤滑油に混入した燃料は、内燃機関の暖機状態が継続することで潤滑油から気化し、潤滑油の希釈は復元する傾向にある。復元する度合は、内燃機関の運転状態や暖機継続時間、蒸留温度等の燃料性状によって異なるが、潤滑油の希釈が復元する可能性がありながら潤滑油交換の報知等により潤滑油が交換されることは、潤滑油の使用可能な期間（潤滑油寿命）を短くすることとなる。

本発明は、上記のような実情を鑑みてなされたものであり、潤滑油の性能を保ちつつ、且つ、潤滑油寿命を最大限に伸ばすことを目的としている。

かかる目的を達成すべく、本発明の制御装置では、燃焼室内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁が配置されている内燃機関を制御する制御装置において、燃焼室内に噴射された燃料の混入による潤滑油希釈割合を検出または算出する手段と、１燃焼サイクル中に１回もしくは複数回の燃料噴射を実行する燃料噴射手段と、を備え、前記潤滑油希釈割合が高い場合は、前記希釈割合が低い場合と比較して、１回あたりの燃料噴射時間を短くする、または１燃焼サイクル中の燃料噴射回数を多くすることを特徴とする。

本発明によれば、潤滑油の希釈率を検出または算出し、その潤滑油希釈率に応じた燃料噴射形態とすることにより、潤滑油希釈の進行を抑制し、潤滑油の寿命を最大限に引き延ばすことができるようになる。

本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジンの制御システム全体の構成概略図である。 本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジン制御装置の一実施の形態を示すシステム構成にて用いられる、エンジン制御ユニットの入出力信号関係を示すブロック線図である。 潤滑油希釈率を求める方法を示す図である。 潤滑油希釈率を求める方法を示す図である。 本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジンの燃料圧力を求めるためのマップ関数を示す図である。 本発明の一実施形態による筒内噴射式エンジンの分割多段噴射制御の制御内容を示すフローチャートである。 図６に図示の分割噴射量の処理内容を示すフローチャートである。 図６に図示の分割噴射タイミングの処理内容を示すフローチャートである。 図７に図示の噴射タイミングを算出するためのマップ関数を示す図である。

本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態をなす、筒内噴射式内燃機関１の制御システム全体の構成概略図である。エアクリーナ１０２の入口部から取り入れられた吸入空気は、吸入空気流量計（エアフロセンサ）１０３を通り、吸入空気流量を制御する電制スロットル弁１０４を通って各シリンダに接続された吸気管１０５に分配された後、各気筒の吸気弁１１９を通り燃焼室１０６に導入される。また、前記吸入空気流量計１０３からは、前記吸入空気流量を表す信号がエンジン制御ユニット１０１に出力される。前記電制スロットル弁１０４の開度を検出するスロットル開度センサ１０７が取り付けられており、その信号もエンジン制御ユニット１０１に出力される。また、前記前記吸気管１０５には吸入空気温度を検出する吸気温度センサ１１８が取り付けられており、その信号もエンジン制御ユニット１０１に出力される。

燃料は、低圧燃料ポンプ（図示せず）により１次加圧された後、高圧燃料ポンプ１０８で更に高い圧力に２次加圧され、コモンレール１１７を介して各シリンダに設けられている燃料噴射弁１０９から燃焼室１０６に噴射される。前記燃焼室に噴射された燃料は、吸入空気との混合気を生成し、点火コイル１１０からの点火エネルギにより点火プラグ１１１で着火され、燃焼室内１０６で燃焼する。

燃焼室１０６より排出する排気ガスは排気管を通って大気中に排出される。
エンジンのクランク軸１１５に取り付けられたクランク角センサ１１６は、クランク軸の回転位置を表す信号をエンジン制御ユニット１０１に出力する。

エンジンのカム軸１２０に取り付けられたカム角センサ１２１は、カム軸の回転位置を表す信号をエンジン制御ユニット１０１に出力する。

オイルパン１２に貯留された潤滑油は、内燃機関に組み込まれた潤滑油ポンプ（図示せず）によって吸い上げられ、内燃機関各部に圧送される。圧送された潤滑油の一部はコンロッド１３大端部のオイルジェットより噴出し、シリンダボア１４の壁面へ飛散する。シリンダボア１４の壁面に飛散した潤滑油の多くは、ピストン１０に組み込まれたオイルリング１１によって掻き落とされ、オイルパン１２に戻る。このとき、インジェクタ１０９により筒内に噴射された燃料の一部がシリンダボア壁面に付着していると、シリンダ壁面を覆っている潤滑油とともに燃料が掻き落とされ、オイルパン内で潤滑油の希釈が進行する。

図２にエンジン制御ユニットの入出力関係を示す。エンジン制御ユニット１０１は、Ａ／Ｄ変換器を含むＩ／ＯＬＳＩ１０１ａ、ＣＰＵ１０１ｂ等から構成され、エアフロセンサ１０３、スロットルセンサ１０７、クランク角センサ１１６、水温センサ２０２、空燃比センサ２０３、燃圧センサ２０４、油温センサ２０５、ＥＧＲガス流量センサ１１４を含む各種センサ等からの信号を入力として取り込み、所定の演算処理を実行し、演算結果として算出された各種の制御信号を出力し、アクチュエータである電制スロットル弁１０４、高圧ポンプソレノイド２０６、点火コイル１１０、各インジェクタ１０９に所定の制御信号を供給し、コモンレール内燃圧制御、燃料噴射量制御及び点火時期制御等を実行するものである。Ｉ／ＯＬＳＩには各インジェクタを駆動する駆動回路が設けられており、バッテリから供給される電圧を昇圧回路（図示しない）を用いて昇圧して供給し、ＩＣ（図示しない）によって電流制御することによって各インジェクタを駆動する。

図３を用いて、センサによる潤滑油希釈率を算出する方法を説明する。図３（Ａ）は、オイルパン内の潤滑油レベルの高さをレベルセンサにて検出し、オイルパン内の潤滑油量を直接検出する方法である。希釈が進行するとオイルパン内の潤滑油量が増加する。基準潤滑油量に対して、増加した潤滑油量が希釈された潤滑油量として希釈率を算出する。

希釈率（％）＝（現在の潤滑油量−基準潤滑油量）／基準潤滑油量 × １００

図３（Ｂ）は、内燃機関に取り付けられた油圧ポンプから圧送される潤滑油圧力から希釈率を算出する方法である。潤滑油が燃料によって希釈されると、潤滑油の粘性が低下することで潤滑油圧力が低下する。潤滑油が希釈されていない状態の潤滑油圧力を基準とし、潤滑油圧力の変化量で希釈率を推定する。

希釈率（％）＝（基準潤滑油圧−現在の潤滑油圧）／基準潤滑油圧 × １００

図４を用いて、内燃機関に組み込まれた各種制御デバイスの制御量変化から潤滑油希釈率を推定する方法を説明する。

図４（Ａ）は内燃機関に組み込まれた油圧デバイスの制御量変化から潤滑油希釈率を推定する方法である。油圧デバイスとは、例えばバルブタイミングを油圧にて動かす可変バルブタイミング機構等が挙げられ、油圧ソレノイドで制御するのが一般的である。潤滑油希釈が進行すると、粘性が低下することにより油圧ソレノイドの制御量が増加傾向に変化する。この制御量変化量から潤滑油希釈率を推定する。

希釈率（％）＝（現在の油圧制御量−基準油圧制御量）/基準油圧制御量×１００

図４（Ｂ）は内燃機関に組み込まれた空気量制御デバイスの制御量変化から潤滑油希釈率を推定する方法である。空気量制御デバイスとは、例えば過給機の過給圧を制御する機構等が挙げられ、ソレノイド等で制御する。潤滑油の希釈が進行すると、潤滑油の粘性低下により摺動部フリクションが減少し、目標とする過給圧を実現するためのソレノイド制御量が変化する。この制御量変化量から潤滑油希釈率を推定する。

希釈率（％）＝（基準空気制御量−現在の空気制御量）/基準空気制御量×１００

次に、図５を用いて、本実施形態による内燃機関の燃料圧力制御の具体的な制御内容について説明する。図５（Ａ）に示すように、基本となる燃料圧力はエンジン回転数とエンジン負荷によって予め設定される。ここではエンジン負荷としているが、内燃機関が吸入する空気量、または空気量に応じて変化するパラメータを用いても良い。さらに、基本となる燃料圧力に対して、図５（Ｂ）に示すように潤滑油希釈率に応じて燃料圧力を高める補正を加える。燃料圧力を高めることで筒内に噴射される燃料の微粒化が促進され、シリンダボアへの燃料付着を低減させる効果がある。シリンダボアへの付着が減少すれば、潤滑油の希釈の進行を抑えることが可能となる。潤滑油の希釈は、内燃機関の運転状態にもよるが潤滑油温度が高温状態が継続されることにより、希釈率が回復される傾向がある。潤滑油希釈率が回復したら、燃料圧力は基本燃料圧力に近い方向に減少することとなる。燃料圧力は、高圧燃料ポンプ負荷による燃費性能への影響面から、可能な限り低圧力のほうが望ましい。したがって、潤滑油希釈が回復したら燃料圧力を下げる設定とする。最終的な燃料圧力は基本燃料圧力に希釈率に応じた補正分を加えた圧力が設定される。

次に、図６〜図７を用いて、本実施形態による内燃機関の燃料噴射制御の具体的な制御内容について説明する。

図６は、本発明の一実施形態による、燃料噴射制御の制御内容を示すフローチャートである。

エンジン制御ユニット１０１のＣＰＵにプログラミングされ、あらかじめ定められた周期で繰り返し実行される。エンジン制御ユニット１０１は図６の処理内容で算出された、噴射パルス幅と、噴射タイミングに基づき、各インジェクタ１０９に所定の制御信号を供給し、１燃焼サイクル中に１回もしくは複数回の燃料噴射を実行する。

ステップ６０１では、各インジェクタ１０９から１燃焼サイクル中に噴射する総燃料量である、合計噴射パルス幅ＴI＿ＴＯＴＡＬを設定する。合計噴射パルス幅ＴI＿ＴＯＴＡＬは、エアフロセンサ１０３にて計量する吸入空気量や、運転状態等に応じて設定される空燃比、燃圧センサ２０４の信号を用いて算出される燃圧等に応じて設定される。

ステップ６０２では、最小噴射パルス幅ＴＩ＿ＭＩＮを算出する。ここで最小噴射パルス幅は、インジェクタ１０９の燃圧特性、電気特性、機械特性、及びインジェクタの駆動電流波形等の諸特性から設定する。

ステップ６０３では、分割した各噴射の噴射インターバルである噴射間隔を算出する。噴射間隔は、燃料付着及び混合気の均質性の面と、インジェクタ駆動電流確保の面から、ある所定間隔以上を設定する。噴射間隔が狭すぎると１回噴射とほぼ同様の燃料噴霧状態となり、分割噴射の効果が得られずにピストン冠面、シリンダボアへの燃料付着を低減できない。また、インジェクタ駆動回路は、インジェクタを駆動する度に昇圧回路内の電圧が低下するため、元の電圧まで復帰する時間が必要であり、この昇圧復帰時間中は、次の燃料噴射を待つ必要がある。

ステップ６０４では、分割数Ｎの設定を行う。分割数Ｎはエンジン回転数、エンジン負荷状態パラメータにより決定する。さらに、潤滑油希釈率に応じて噴射回数を増やす設定とする。１燃焼サイクル中の燃料噴射回数を増すことで、筒内に噴射される燃料の到達距離が短縮され、シリンダボアへの燃料付着が低減される。噴射回数は耐久性等の面から少ないほうが望ましく、潤滑油希釈率が回復したら噴射回数を減少させる。

ステップ６０５では、カウンタｎの初期化を行う。

ステップ６０６では、カウンタｎが分割数Ｎよりも大きいか否かの判定を行い、
大きい場合（ｎ＝１〜Ｎまでの設定が完了）は処理を終了する。カウンタｎが分割数Ｎ以下の場合はステップ６０７以降の処理を行う。

ステップ６０７では、各噴射の噴射パルス幅ＴＩ＿ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）の算出を行う。ステップ６０７の詳細は図６に示す。

ステップ６０８では、分割多段噴射の各噴射の噴射タイミングの設定を行う。ステップ６０８の詳細は図７に示す。

ステップ６０９では、カウンタｎのインクリメント処理を行い、ステップ６０５に戻る。このようにしてｎ＝１〜Ｎまでの処理を繰り返し、各噴射パルス幅と各噴射タイミングを設定する。

図７を用いて、図６のステップ６０７（分割噴射の各噴射パルス幅）の詳細について説明する。

ステップ７０１では、分割される各噴射の基本噴射パルス幅ＴＩＢの算出を行なう。図６のステップ６０１で算出した合計噴射パルス幅ＴＩ＿ＴＯＴＡＬと、図６のステップ６０４で算出された分割数Ｎを用いて、ＴＩ＿ＴＯＴＡＬ÷Ｎの除算を実行して算出する。

ステップ７０２では、１サイクルにおける分割噴射のうち、１回目の噴射タイミングの設定か否かの判定を行う。ｎ＝１の場合、ステップ７０３に進み、１回目燃料噴射パルス幅ＴＩ１＝ＴＩＢとして設定する。ｎ≠１の場合（２回目以降の場合）、ステップ７０４に進み、ｎ回目燃料噴射パルス幅ＴＩｎ＝ＴＩＢとして設定する。ここでは、複数回の噴射割合を等分割としているが、エンジンの運転状態に応じた分割割合としてもよい。

図８を用いて、図６のステップ６０８（噴射タイミング設定）の詳細について説明する。

ステップ８０１では、基本噴射タイミングＩＴＢを算出する。
図７のステップ７０１で算出した分割基本燃料噴射量ＴＩＢと、潤滑油温度ＴＥＯを入力として、図８に示すようなマップＭＩＴＢを参照することによって、基本噴射タイミングＩＴＢを算出する。マップＭＩＴＢは、潤滑油温度ＴＥＯによる燃料付着量、気化率の影響を考慮して設定する。

ステップ８０２では、１サイクルにおける分割噴射のうち、１回目の噴射タイミングの設定か否かの判定を行う。ｎ＝１の場合、ステップ８０３に進み、１回目の噴射タイミングＩＴ１＝ＩＴＢとして終了する。ｎ≠１の場合（２回目以降の場合）、ステップ８０４に進み、ｎ回目噴射開始可能角度ＩＴｎを算出する。前回ＩＴ＿（ｎ−１）に、分割後噴射パルス幅ＴＩ＿（ｎ−１）と図６のステップ６０３で算出した噴射間隔ＴＩ＿ＩＮＴを加算して、ｎ回目噴射開始可能角度ＩＴ＿ｎを算出する。

最終的な燃料噴射タイミングは、潤滑油希釈率に応じた補正を加える。潤滑油希釈率が進行している状態では、希釈率の進行を抑制させるために燃料噴射タイミングを早める、すなわち、よりピストンが上死点に近いタイミングで燃料を噴射させる。シリンダ壁面が露出している面積は少ないタイミングで燃料を噴射させたほうが、潤滑油希釈率を抑制できる。ただし、燃料噴射タイミングを早めすぎるとピストン冠面への燃料付着が増大するため、燃料噴射タイミングには制限を設ける。この制限値は、ピストン冠面温度に応じた値とし、温度が低いほど噴射タイミングを早める量が少なくなる設定とする。ここで、ピストン冠面温度はエンジン冷却水の温度等に基づいて算出した推定値であってよい。

また、潤滑油希釈率が著しく進行した場合は、内燃機関の吸入する空気量を抑制させる。抑制方法はスロットル制御や過給圧制御を用いて行う。空気量の減少により燃料噴射量を抑制し、シリンダボアへの燃料着を低減させる。

１ …筒内噴射エンジン
１０ …ピストン
１１ …ピストンリング（オイルリング）
１２ …オイルパン
１３ …コンロッド
１４ …シリンダボア
１０１…エンジン制御ユニット
１０２…エアクリーナ
１０３…エアフロセンサ
１０４…電制スロットル弁
１０５…吸気管
１０６…燃焼室
１０７…スルットルセンサ
１０８…高圧燃料ポンプ
１０９…インジェクタ
１１０…点火コイル
１１１…点火プラグ
１１２…ＥＧＲ管
１１３…ＥＧＲ制御弁
１１４…ＥＧＲ流量センサ
１１５…クランク軸
１１６…クランク角センサ
１１７…コモンレール
１１８…吸気温度センサ
１１９…吸気弁
１２０…カム軸
１２１…カム角センサ
２０２…水温センサ
２０３…空燃比センサ
２０４…燃圧センサ
２０５…油温センサ
２０６…高圧ポンプソレノイド
２０７…低圧ポンプ
２０８…可変バルブタイミングソレノイド

Claims (7)

1. 燃焼室内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁が配置されている内燃機関を制御する制御装置において、燃焼室内に噴射された燃料の混入による潤滑油希釈割合を潤滑油を用いた油圧デバイスの制御量変化に基づいて算出する手段と、１燃焼サイクル中に１回もしくは複数回の燃料噴射を実行する燃料噴射手段と、を備え、前記潤滑油希釈割合が高い場合は、前記希釈割合が低い場合と比較して、１回あたりの燃料噴射時間を短くする、または１燃焼サイクル中の燃料噴射回数を多くすることを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置。
2. 燃焼室内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁が配置されている内燃機関を制御する制御装置において、燃焼室内に噴射された燃料の混入による潤滑油希釈割合を吸入する空気量を調整する空気量調整デバイスの制御量変化に基づいて算出する手段と、１燃焼サイクル中に１回もしくは複数回の燃料噴射を実行する燃料噴射手段と、を備え、前記潤滑油希釈割合が高い場合は、前記希釈割合が低い場合と比較して、１回あたりの燃料噴射時間を短くする、または１燃焼サイクル中の燃料噴射回数を多くすることを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、前記潤滑油希釈割合が高い場合は、前記希釈割合が低い場合と比較して、吸気行程中の燃料噴射完了タイミングを早めることを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置。
4. 請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、前記潤滑油希釈割合が高い場合は、前記希釈割合が低い場合と比較して、吸気行程中の燃料噴射開始タイミングを早め、且つ燃料噴射開始タイミングは潤滑油温度によって制限することを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置。
5. 請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、燃料噴射弁に燃料を供給する高圧燃料ポンプを備え、前記潤滑油希釈割合が高い場合は、前記希釈割合が低い場合と比較して燃料噴射弁に供給する燃料圧力を高くすることを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置。
6. 請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、前記潤滑油希釈割合に応じた制御変化量を潤滑油温度に応じて補正し、潤滑油温度が低い場合、潤滑油温度が高い場合と比較して補正量を多くすることを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置。
7. 請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置において、前記潤滑油希釈割合が所定値を超えた場合、内燃機関が吸入する空気量を制限することにより燃料噴射量を減量させることを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関の制御装置。