JP6191230B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、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、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を併用する内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

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、燃焼室内に直接に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を併用し、機関運転条件に応じて両者を適宜に切り換えて使用する燃料噴射装置を備えた内燃機関が、特許文献１に記載されている。この特許文献１では、出力トルクの変動量に基づいて主に筒内噴射用燃料噴射弁の異常を判定し、異常である場合には、出力トルクの変動を抑制するように、気流調整弁により筒内の気流（流動）を強化している。

特開２００８−１４１９８号公報

しかしながら、噴射弁の異常の際に、単に筒内の気流を強化するだけでは、ノッキングの発生等の機関運転性の悪化を十分に抑制することができず、更なる改善が望まれていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ポート噴射と筒内噴射の一方が異常の場合の不具合を抑制することを目的としている。

本発明は、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、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、ピストンとシリンダとの相対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と、を備え、ポート噴射と筒内噴射と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に関する。

そして、上記ポート噴射用燃料噴射弁と筒内噴射用燃料噴射弁の一方の異常を検知し、上記異常を検知した場合に、正常な噴射弁の分担率が基本の分担率よりも高くなるように分担率を補正し、補正後の分担率に応じて、圧縮比を増減する。上記異常が上記筒内噴射用燃料噴射弁の異常である場合には、上記ポート噴射用燃料噴射弁の分担率を高くするとともに、圧縮比を低下させる。

本発明によれば、噴射弁の異常を検知した場合に、正常な噴射弁の分担率が基本の分担率よりも高くなるように分担率を補正し、補正後の分担率に応じて、圧縮比を増減している。これによって、ポート噴射，筒内噴射のいずれの噴射弁が異常を生じた場合であっても、分担率の調整と圧縮比の増減とをあわせて行うことで、ノッキングの発生等の機関運転性の悪化を抑制することができる。

この発明の一実施例に係る制御装置のシステム構成を示す構成説明図。 本実施例の制御の流れを示すフローチャート。 本実施例の制御を適用した場合のタイミングチャート。

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、この発明の一実施例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の上流側には、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のスロットルバルブ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。

図２は、本実施例の制御の流れを示すフローチャートであり、本ルーチンはエンジンコントローラ９により記憶及び実行される。なお、以下の説明では、筒内噴射用燃料噴射弁８による筒内噴射を「ＧＤＩ」とも呼び、ポート噴射用燃料噴射弁４１によるポート噴射を「ＭＰＩ」とも呼ぶ。

ステップＳ１１では、ポート噴射と筒内噴射の各々の基本の分担率を設定する。この分担率は、要求負荷や機関水温等の機関運転条件に応じて予め適合されたマップを用いて設定され、両者の分担率の総和が１００％となるように各々の分担率が０％から１００％の間で設定される。例えば、筒内噴射の分担率が１００％の場合、ポート噴射の分担率は０％となる。

ステップＳ１２では、噴射弁の異常の有無を判定する。この判定は、例えば、出力トルクや空燃比の変動量が所定のしきい値を超えた場合に、ポート噴射用燃料噴射弁４１と筒内噴射用燃料噴射弁８のいずれかが異常であると判定される。空燃比の変動量は、例えば空燃比フィードバック制御で使用される空燃比補正係数αから求められる。

ステップＳ１３〜Ｓ１６では、異常である噴射弁を特定する処理が行われる。つまり、ステップＳ１３では、筒内噴射（ＧＤＩ）の分担率を一時的に高くする。続くステップＳ１４では、噴射弁の異常が検知されるかを判定する。この異常検知は、例えば上記のステップＳ１２の判定処理と同様にして行われる。このステップＳ１４でも、ステップＳ１２と同様に異常と判定された場合には、ステップＳ１５へ進む。一方、このステップＳ１４の段階で異常と判定された場合、筒内噴射の分担率を高めたことにより異常が解消したことから、ポート噴射用燃料噴射弁４１の異常であると特定して、ステップＳ１８〜Ｓ２０へ進む。

ステップＳ１８では、正常である筒内噴射の分担率を、ステップＳ１１で設定された基本の分担率よりも高くする。これに伴い、異常であるポート噴射の分担率を基本の分担率よりも低くする。この際、異常の度合いに応じて、分担率が設定される。つまり、異常の度合いが大きいほど、正常である筒内噴射の分担率を高くする。

ステップＳ１９では、筒内噴射の分担率を高めたことによる運転性の悪化を抑制するように、圧縮比を増加側、つまり高圧縮比側に補正する。つまり、筒内噴射の分担率を高めることで筒内温度が低下して、ノッキングが発生し難くなることから、その分、圧縮比を増加して機関効率の向上を図る。なお、このときの圧縮比の増加分は、筒内噴射の分担率の上昇度合いに応じて設定され、筒内噴射の分担率の上昇度合いが大きいほど、圧縮比の増加分も大きく設定される。

ステップＳ２０では、同じく運転性の悪化を最小限に抑制するように、点火時期を遅角する。つまり、筒内噴射の分担率の増加に伴いノッキングが発生し難くなることから、その分、点火時期を進角する。この際の進角度合いは、上記筒内噴射の分担率の上昇度合いや圧縮比の低下分に応じて設定される。

上記のステップＳ１４において、筒内噴射の分担率を意図的に高めた場合であっても引き続き異常が検出された場合には、ステップＳ１５へ進み、上記ステップＳ１３，Ｓ１４の場合とは逆に、ポート噴射の分担率を一時的に基本の分担率よりも高める。そして、ステップＳ１６において、噴射弁の異常が検知されるかを判定する。この異常検知は、例えば上記のステップＳ１２，Ｓ１４の判定処理と同様にして行われる。

ステップＳ１６において異常が検知された場合、いずれの噴射弁の分担率を増加しても異常が解消されないことから、ステップＳ１７へ進み、噴射弁以外の異常であると判定して、図示せぬ他のフェールセーフ制御を実施する。

ステップＳ１６において異常が検知された場合、ポート噴射の分担率を高めたことで異常が解消したことから、筒内噴射用燃料噴射弁８の異常であると特定して、ステップＳ２１〜Ｓ２３の処理を実施する。このステップＳ２１では、正常であるポート噴射の分担率を、ステップＳ１１で設定された基本の分担率よりも高くする。これに伴い、異常である筒内噴射の分担率を基本の分担率よりも低くする。この際、異常の度合いに応じて分担率が設定される。つまり、異常の度合いが大きいほど、正常であるポート噴射の分担率を高くする。

ステップＳ２２では、ポート噴射の分担率を高めたことによる運転性の悪化を抑制するように、圧縮比を低下側、つまり低圧縮比側に補正する。つまり、ポート噴射を高めることで、筒内噴射による筒内温度の低下が抑制されて、ノッキングが発生し易くなることから、ノッキングの発生を抑制するために圧縮比を低下させる。なお、このときの圧縮比の低下分は、筒内噴射の分担率の上昇度合いに応じて設定され、筒内噴射の分担率の上昇度合いが大きいほど、圧縮比の低下分も大きく設定される。同様の理由により、ステップＳ２３では、ノッキングの発生を回避するように点火時期を遅角する。

図３は、このような本実施例の制御を適用した場合のタイミングチャートである。この例は、時刻ｔ１の時点で筒内噴射用燃料噴射弁８の異常が発生した場合を示している。

異常発生（ｔ１）後の時点ｔ２で、出力トルクもしくは空燃比の変動量が所定値を超えたことにより噴射弁の異常を検知すると（図２のステップＳ１２）、先ず、筒内噴射の分担率を高める（ステップＳ１３）。この例では、筒内噴射用燃料噴射弁８が異常であるために、出力トルクや空燃比の変動量が増加する。続く時刻ｔ３の時点で、ポート噴射の分担率を高める（ステップＳ１５）。この例では、筒内噴射用燃料噴射弁８が異常であるために、筒内噴射の分担率の低下に伴って出力トルクや空燃比の変動量が低下し、異常が解消する。この結果、時刻ｔ４の時点で、筒内噴射用燃料噴射弁８の異常であると特定し、正常であるポート噴射の分担率を増加し、逆に異常である筒内噴射の分担率を低下する。これに併せて、ノッキングの発生を回避するように圧縮比を低下させるとともに点火時期を遅角する。

このような本実施例の特徴的な構成及び作用効果について、以下に列記する。

［１］本実施例では、ポート噴射用燃料噴射弁４１と筒内噴射用燃料噴射弁８の一方の異常を検知した場合に、正常な噴射弁の分担率が基本の分担率よりも高くなるように分担率を補正し、補正後の分担率に応じて、圧縮比を増減している。これによって、ポート噴射，筒内噴射のいずれかが異常を生じた場合であっても、分担率の調整と圧縮比の増減とをあわせて行うことで、ノッキングの発生等の運転性の悪化を抑制することができる。つまり、ノッキングを生じることのない範囲で可能な限り圧縮比を高圧縮比側に設定することで、機関効率を高めて燃費性能や出力トルクの向上を図ることができる。

［２］より具体的には、筒内噴射用燃料噴射弁が異常である場合には、正常であるポート噴射用燃料噴射弁の分担率を高くするとともに、圧縮比を低下する。筒内噴射の分担率の低下により、筒内温度の低下が抑制されてノッキングが発生し易くなるものの、圧縮比の低下によりノッキングの発生を確実に抑制することができる。これとは逆に、ポート射用燃料噴射弁が異常である場合には、正常である筒内噴射用燃料噴射弁の分担率を高くするとともに、圧縮比を増加する。筒内噴射の分担率の増加により、筒内温度の低下が促進されてノッキングが発生し難くなるので、その分、圧縮比を高圧縮比化することで、機関効率を向上することができる。

［３］異常検知の手法としては、例えば、内燃機関の出力トルクあるいは空燃比の変動量から異常を推定することで、直接的に異常を検出するセンサを設けることなく簡易的に異常を検知することができる。

［４］更に、噴射弁の異常検知後に異常である噴射弁を特定する手法として、上記実施例では、ポート噴射用燃料噴射弁と筒内噴射用燃料噴射弁の分担率を交互に上昇させ、その際の出力トルクあるいは空燃比の変動量から異常である噴射弁を特定している。つまり、一方の噴射弁の分担率を上昇させた場合に異常が解消されれば、その分担率を上昇させた噴射弁が正常であり、分担率を上昇させていない他方の噴射弁が異常であると特定することができる。このように、個々の噴射弁の異常を個別に検出することのない簡素な構成で、異常である噴射弁を特定することが可能となる。

［５］異常検出後の圧縮比の設定に関しては、例えば、補正後の分担率に応じて予め適合されたマップ等を参照してフィードフォワード的に設定される。

［６］あるいは、機関運転状態を表す各種の検出信号、例えば、ＥＧＲ率，油水温，吸排気温，ノック信号等の検出信号に基づいて、この検出信号を所定の目標値の近傍に維持するように圧縮比をフィードバック制御するようにしても良い。

更には、上記［５］のフィードフォワード的な圧縮比の設定と［６］のフィードバック的な圧縮比の制御とを併用しるようにしても良い。

［７］更に上記実施例では、補正後の分担率に応じて、点火時期を制御している。つまり、筒内噴射の分担率を高める場合には遅角側、ポート噴射の分担率を高める場合には進角側に点火時期を補正することで、更に運転性の悪化を抑制することができる。

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. 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、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、ピストンとシリンダとの相対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と、を備え、ポート噴射と筒内噴射と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、
   上記ポート噴射用燃料噴射弁と筒内噴射用燃料噴射弁の一方の異常を検知する異常検知手段と、
   上記異常を検知した場合に、正常な噴射弁の分担率が基本の分担率よりも高くなるように分担率を補正し、補正後の分担率に応じて、圧縮比を増減する異常制御手段と、を有し、
   上記異常制御手段は、上記筒内噴射用燃料噴射弁が異常である場合に、上記ポート噴射用燃料噴射弁の分担率を高くするとともに、圧縮比を低下させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記異常検知手段は、出力トルクあるいは空燃比の変動量から異常を推定す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. 上記異常検知手段は、上記ポート噴射用燃料噴射弁と筒内噴射用燃料噴射弁の分担率を交互に上昇させ、その際の出力トルクあるいは空燃比の変動量から異常である噴射弁を特定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記異常制御手段は、補正後の分担率に応じて圧縮比の目標値を設定することを特徴とす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. 上記異常制御手段は、機関運転状態を表す検出信号に基づいて圧縮比をフィードバック制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 上記異常制御手段は、補正後の分担率に応じて、点火時期を制御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. 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、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、ピストンとシリンダとの相対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と、を備え、ポート噴射と筒内噴射と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方法において、
   上記ポート噴射用燃料噴射弁と筒内噴射用燃料噴射弁の一方の異常を検知し、
   上記異常を検知した場合に、正常な噴射弁の分担率が基本の分担率よりも高くなるように分担率を補正し、補正後の分担率に応じて圧縮比を増減するものであって、
   上記異常が上記筒内噴射用燃料噴射弁の異常である場合に、上記ポート噴射用燃料噴射弁の分担率を高くするとともに、圧縮比を低下させることを特徴とする内燃機関の制御方法。

Images