JP6232756B2 - 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）の希釈度合いを推定し、希釈度合いが大きい場合には、この希釈度合いを抑制するように、筒内噴射の燃圧低下，噴射期間の短縮，噴射時期を上死点付近に変更等の燃料噴射制御を行うことが開示されている。

特開２００６−３７７３４号公報

ポート噴射と筒内噴射とを比較すると、筒内噴射は、燃料噴射のペネトレーション（貫徹力）が高く、燃焼室内に直接的に噴射された燃料とシリンダ壁面の近傍に存在・付着するオイルとが直接的に衝突・接触することから、オイルが希釈され易い。従って、オイル希釈度合いが大きい場合には、筒内噴射の分担率を減らし、ポート噴射の分担率を増加させることが考えられる。

但し、筒内噴射はポート噴射に比して燃焼室内の冷却効果に優れるために、ノッキングの抑制効果に優れており、従って、オイル希釈度合いが大きい場合に、単に筒内噴射の分担率を低下させると、ノッキングを生じるおそれが高くなり、機関運転性の悪化を招くおそれがある。

本発明は、ノッキング等の機関運転性の低下を招くことなく、オイル希釈度合いが過度に高くなることを抑制することを目的としている。

そこで本発明は、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において、内燃機関のオイルが燃料により希釈された希釈度合いを推定し、上記希釈度合いが所定レベルを超えるときに、上記筒内噴射の分担率を基本の分担率よりも低下させるとともに、上記圧縮比を低下させることを特徴とするものである。

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。但し、筒内噴射では、ポート噴射に比較して、燃料を直接的に燃焼室内へ噴射することから、シリンダ壁面近傍のオイルが燃料によって希釈されるオイル希釈を招き易い。そこで本発明では、オイル希釈度合いが所定レベルを超える場合には、筒内噴射の分担率を低減して、オイル希釈の度合いを抑制し、これと同時に圧縮比を低減することで、筒内噴射の分担率の低下に伴うノッキングの発生を抑制する。

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。

本発明によれば、ノッキングの発生等の機関運転状態の悪化を招くことなく、オイル希釈度合いが過剰となることを抑制することができる。

この発明の一実施例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。 この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。

ステップＳ１では、機関運転状態に基づいて、ポート噴射と筒内噴射の基本の分担率を設定する。筒内噴射はポート噴射に比して充填効率に優れるとともに、筒内温度の低下によりノッキングの発生も抑制されるために、燃料噴射量が少ない場合には、燃料噴射量の全量を筒内噴射とし、つまり筒内噴射の分担率を１００％とし、燃料噴射量が多く、筒内噴射で燃料噴射量の全量を賄いきれない場合に、筒内噴射とポート噴射とが併用されて、一部燃料がポート噴射により供給されることとなる。

ステップＳ２では、燃料噴射量や分担率，冷却水温等に基づいて、内燃機関のエンジンオイルが燃料により希釈されるオイル希釈度合い（希釈量）ＯＤを推定する。

ステップＳ３では、このオイル希釈度合いが、予め設定された所定の上限値ＯＤ１を超えているかを判定する。オイル希釈度合いが上限値ＯＤ１を超えている場合、ステップＳ４へ進み、オイル希釈度合いを抑制するためのオイル希釈抑制制御を実施する（オイル希釈抑制手段）。

具体的には、図３にも示すように、基本の分担率に対し、ポート噴射（ＭＰＩ）の分担率を高くし、その分、筒内噴射（ＧＤＩ）の分担率を減少することによって、オイル希釈度合いを低減させる。そして、筒内噴射（ＧＤＩ）の分担率の減少によるノッキングの発生を抑制するように、圧縮比を低下させる。更に、筒内噴射の分担率の低下及び圧縮比の低下による出力トルクの低下を補うように、点火時期を進角させている。これによって、ノッキングの発生やトルク変動等の機関運転性の低下を招くことなく、筒内噴射の分担率を減少させてオイル希釈の度合いを軽減することができる。

この際の分担率や圧縮比の補正量は、筒内噴射用噴射弁の噴霧ペネトレーションとピストン下面及びシリンダボアの距離等に基づいて、噴射燃料のピストンやシリンダボア壁面への付着を許容レベル以下に低減できるように、分担率と圧縮比の互いのバランスを勘案して設定される。

そして、ステップＳ５において、オイル希釈度合いが所定の下限値ＯＤ２まで低下すると、オイル希釈度合いが十分に低くなったと判断して、ステップＳ６へ進み、上述したオイル希釈抑制制御を終了し、通常の制御に戻る。つまり、分担率，圧縮比及び点火時期を機関運転条件に応じた通常の値に戻す。

［１］以上のように本実施例では、内燃機関のオイルが燃料により希釈された希釈度合いを推定し、希釈度合いが所定レベルである上限値ＯＤ１を超えるときに、オイル希釈度合いを低減させるように筒内噴射の分担率を基本の分担率よりも低下させるとともに、圧縮比を低下させることで、筒内噴射の分担率の低下に伴うノッキングの発生を抑制することができる。このように、ノッキングの発生等の機関運転性の悪化を招くことなく、オイル希釈度合いを低減することができる。

［２］なお、希釈度合いが所定レベルを超えるときに、筒内噴射の分担率を低下させた後、図３の破線ε１に示すように、圧縮比を低下させるようにしても良い。つまり、筒内噴射の分担率の低下が完了してから、圧縮比を低下させるようにしても良い。これによって、急激なトルク変動を抑制することができる。なお、トルク変動を抑制するために、圧縮比を先に低下させて、その後に筒内噴射の分担率を低下させるようにしても良く、この場合、ノッキングの発生をより確実に抑制することができる。

［３］更に、希釈度合いが所定レベルを超えるときに、点火時期を進角させることで、筒内噴射の分担率の低下及び圧縮比の低下による出力トルクの低下を点火時期の進角によるトルク向上により相殺・吸収し、トルク変動を抑制することができる。

［４］また、希釈度合いに応じて、分担率や圧縮比を変更・調整するようにしても良い。例えば、図３の一転鎖線Ｌ１に示すように、オイル希釈度合いが大きくなるほど、分担率の変更度合いを大きくするようにしても良い。

［５］なお、例えば圧縮比が既に最低圧縮比の近傍で運転しているような場合には、それ以上の圧縮比の低下側への補正ができないために、オイル希釈の検知時の動作として、圧縮比変更の要否ならびに分担率変更の要否を判定するようにしても良い。

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 (4)

1. ピストンの上死点位置を変化させることにより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、
   内燃機関のオイルが燃料により希釈された希釈度合いを推定する希釈度合推定手段と、
   上記希釈度合いが所定の上限を超えるときに、上記筒内噴射の分担率を基本の分担率よりも低下させるとともに、上記圧縮比を低下させ、更にトルクが向上するように点火時期を進角させる希釈度合抑制手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 上記希釈度合抑制手段は、上記希釈度合いが所定の上限を超えるときに、筒内噴射の分担率を低下させた後、圧縮比を低下させ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. 上記希釈度合抑制手段は、上記希釈度合いに応じて、上記分担率及び圧縮比の少なくとも一方を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. ピストンの上死点位置を変化させることにより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、
   内燃機関のオイルが燃料により希釈された希釈度合いを推定し、
   上記希釈度合いが所定の上限を超えるときに、上記筒内噴射の分担率を基本の分担率よりも低下させるとともに、上記圧縮比を低下させ、更にトルクが向上するように点火時期を進角させることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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