JP6330260B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料をシリンダ内に直接噴射する内燃機関の制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、排気ガスにより吸気を過給するターボ過給機を備えた筒内直接噴射式の内燃機関が開示されている。

この特許文献１は、吸気弁の開弁量が最大となる最大開弁時期の近傍で燃料噴射を規制する規制期間を設け、エンジン定常運転状態のときには、吸気行程中で上記規制期間より進角側となる第１期間で燃料噴射を実行し、定常運転からの加速時には、吸気行程中で上記規制期間より遅角側の第２期間に燃料噴射を実行している。

そのため特許文献１においては、内燃機関が定常運転状態からの加速状態となるときに、定常運転状態のときに比べて燃料噴射時期を遅らせることで、燃料の気化潜熱によって燃焼室内の吸気温度を低下させ、燃焼室内に流入する空気量を増加させることが可能となっている。

特開２００５−２９６７号公報

しかしながら、空気密度が低下する高地においては、燃焼室に流入する空気の密度がそもそも低下しているため、燃料の気化潜熱を利用したとしても燃焼室に流入する空気量は、低地に比べて少なくなってしまう。そのため、上述した特許文献１においては、高地において内燃機関が発生させるトルクが相対的に低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、吸気行程中に内燃機関のシリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸入空気量を制御するスロットルバルブと、を有し、吸入空気量に応じて上記燃料噴射弁の燃料噴射時期を設定する内燃機関の制御装置において、大気圧と機関回転数とを用い、大気圧が低いほど、また機関回転数が低いほど小さくなるトルク要求判定アクセル開度を算出し、検知されるアクセル開度が上記トルク要求判定アクセル開度よりも大きい場合には、アクセル開度が上記トルク要求判定アクセル開度以下となる場合に比べて上記燃料噴射時期を遅くなるよう設定することを特徴としている。

本発明によれば、空気密度が低下する高地においては、低地に比べて、燃料噴射時期を遅らせることで、気化潜熱により冷却される空気量が増加し、冷却による体積減少により筒内に流入する空気量が相対的に増加するため、空気密度の低下によるトルク低下を補うことができる。

本発明が適用された内燃機関のシステム構成を模式的に示した説明図。 トルク要求判定の流れを示すフローチャート。 トルク要求判定アクセル開度算出用マップの一例を示した説明図。 燃料噴射時期算出の流れを示すフローチャート。 燃料噴射時期算出マップの一例を模式的に示した説明図。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明が適用された内燃機関（エンジン）１のシステム構成を模式的に示した説明図である。

内燃機関１は、燃料噴射弁２によって燃焼室（シリンダ）３内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式の内燃機関であり、車両に駆動源として搭載されるものである。燃焼室３内に噴射された燃料は点火プラグ４によって点火される。燃料噴射弁２には、高圧燃料ポンプ５により高圧の燃料が供給されている。

この内燃機関１には、ウォータジャケット６内の冷却水温を検知する水温センサ７と、エンジンオイルの油温を検知する油温センサ８と、内燃機関１の機関回転数を検知するクランクシャフトポジションセンサ９が設けられている。

各気筒の排気を集合させる排気マニホールド１０の下流側には、２つの三元触媒１１、１２が直列に配置され、さらにその下流側には消音用のマフラー１３が配置されている。三元触媒１１、１２は、理論空燃比を中心とするいわゆるウィンドウに空燃比がある場合に最大の転化効率をもって排気中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを同時に浄化できるものである。三元触媒１１の上流側には、排気空燃比を検知するＡ／Ｆセンサ１４が配置され、三元触媒１１と三元触媒１２の間には、酸素センサ１５が配置されている。ここで、Ａ／Ｆセンサ１４は、排気空燃比に応じたほぼリニアな出力特性を有するいわゆる広域型空燃比センサであり、酸素センサ１５は、理論空燃比付近の狭い範囲で出力電圧がＯＮ／ＯＦＦ（リッチ、リーン）的に変化して、空燃比のリッチ、リーンのみを検知するセンサである。

各気筒の吸気ポートには、吸気マニホールド１６のブランチ通路１７がそれぞれ接続され、かつこの複数のブランチ通路１７の上流端が吸気コレクタ１８に接続されている。

各ブランチ通路１７には、その通路断面の略半分を開閉し、各気筒の燃焼室３にタンブル流を形成可能なタンブルコントロール弁としてのタンブルコントロールバルブ（以下、ＴＣＶと記すことがある）１９が設けられている。このタンブルコントロールバルブ１９は、電動モータからなるアクチュエータ１９ａを備え、ＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）２０から与えられる制御信号によって開閉制御される。タンブルコントロールバルブ１９を開くことにより燃焼室３にタンブル（縦旋回流）を主体とした流動場が形成され、タンブルコントロールバルブ１９を閉じることにより吸入空気の流速が上がり燃焼室３にスワール流（旋回流）の流動場が形成される。タンブルコントロールバルブ１９は、例えば、低回転・低負荷運転状態で閉、中高回転・中高負荷運転状態で開となるように制御される。

吸気コレクタ１８には、燃料タンク２１で発生した蒸発燃料を導入するパージ通路２２が接続されている。

パージ通路２２には、パージ制御弁２３が介装されているとともに、燃料タンク２１で発生する蒸発燃料ガスを処理すべく設けられたキャニスタ２４が接続されている。パージ制御弁２３は、例えば、蒸発燃料ガスのパージ流量が吸入空気量の増加に応じて増加するように制御される。

吸気コレクタ１８の一端には、吸気入口通路２５が接続されており、この吸気入口通路に電子制御スロットルバルブ２６が設けられている。この電子制御スロットルバルブ２６は、電動モータからなるアクチュエータ２６ａを備え、ＥＣＭ２０から与えられる制御信号によって、その開度が制御される。なお、スロットルバルブ２６は、実際の弁開度を検知するセンサ２６ｂを一体に備えており、その検知された信号に基づいて、スロット弁開度が目標開度にクローズドループ制御される。また、スロットルバルブ２６の上流側には、吸入空気量を検知するエアフローメータ２７が配置され、さらに上流にはエアクリーナ２８が配置されている。エアフローメータ２７は、温度センサを内蔵するものであって、スロットルバルブ２６上流側において吸入空気の温度を検知可能となっている。

ＥＣＭ２０は、マイクロコンピュータを内蔵し、内燃機関１の種々の制御を行うものであって、各種センサからの信号を基に処理を行うようになっている。本実施形態においては、水温センサ７と、油温センサ８と、クランクシャフトポジションセンサ９、Ａ／Ｆセンサ１４、酸素センサ１５、エアフローメータ２７のほか、大気圧を検知する大気圧センサ２９、アクセルペダル３０の踏み込み量（アクセル開度）を検知するアクセルペダルポジションセンサ３１等からの信号がＥＣＭ２０に入力されている。ＥＣＭ２０は、大気圧センサ２９の出力信号に基づいて車両が現在いる場所の標高（高度）を演算可能である。

この内燃機関１のように、燃焼室３内に直接燃料噴射するものにおいては、燃焼室３内に燃料を噴射しているときに、燃焼室３内に空気が流入すると、噴射燃料の気化潜熱により空気が冷やされ、流入した空気の体積が小さくなり、その分燃焼室３内に流入する空気の量（吸入空気量）が増加する。

ここで、大気圧が小さくなる高地においては、空気密度が低下するため、低地と同じ吸入空気量であっても、トルクが低下することになる。例えば、吸入空気量を機関負荷の代表値とした場合、同一アクセル開度であっても、空気密度が低い高地と空気密度が高い低地とでは、燃焼室内に流入する空気重量が異なってしまう。すなわち、高地では、同一アクセル開度であっても、吸入空気量が相対的に少なくなり、運転者の加速意図に対する出力トルクが低地に比べて小さくなる。

さらに、通常のマッピングデータでは、高負荷側はトルク・出力優先の設定、低負荷側は燃費・運転性優先の設定となっているため、高地の場合には空気密度の低下によるトルク低下に加え、マップ参照する際に用いる吸入空気量が実質的には、相対的に低負荷側の値となってしまうことによるトルク低下が生じてしまう虞がある。

そこで、噴射燃料の気化潜熱を利用することで、燃焼室３内に流入する空気の量（吸入空気量）を相対的に増加させることができることを利用して、高地におけるトルク低下の抑制と、運転者の加速意図と、が両立するように暖機完了後の燃料噴射時期を制御する。なお、冷機時においては、排気性能が優先された所定の冷機時燃料噴射時期に制御される。

暖機完了後の燃料噴射時期は、具体的には、機関回転数、アクセル開度及び大気圧（高度）からトルク要求判定を行い、このトルク要求判定の結果と、吸入空気量、機関回転数及びタンブルコントロールバルブ１９の開閉状態から算出する。

図２は、トルク要求判定の流れを示すフローチャートである。このトルク要求判定は、所定時間毎（例えば、１０ｍｓ毎）に実施される。

Ｓ１では、機関回転数、アクセル開度及び大気圧を読み込む。Ｓ２では、マップを参照して、トルク要求判定アクセル開度を算出する。トルク要求判定アクセル開度は、例えば図３に示すようなトルク要求判定アクセル開度算出用マップを用いて算出される。トルク要求判定アクセル開度［ｄｅｇ］は、大気圧が低いほど（高度が高いほど）、また機関回転数が低いほど、小さくなるように設定される。

Ｓ３では、Ｓ２で算出されたトルク要求判定アクセル開度とＳ１で読み込まれたアクセル開度とを比較し、アクセル開度がトルク要求判定アクセル開度よりも大きければＳ４へ進んでトルク要求ありと判定し、そうでなければＳ５へ進んでトルク要求なしと判定する。

図４は、燃料噴射時期算出の流れを示すフローチャートである。この燃料噴射時期の算出は、所定時間毎（例えば、１０ｍｓ毎）に実施される。

Ｓ１１では、吸入空気量、機関回転数、タンブルコントロールバルブ１９の開閉状態及びトルク要求の有無を読み込む。

Ｓ１２では、内燃機関１の暖機が終了しているか否かを判定し、終了していればＳ１３へ進み、暖機が終了していなければ（冷機状態であれば）、今回のルーチンを終了する。

Ｓ１３では、タンブルコントロールバルブ１９が開弁状態であるか、閉弁状態であるかを判定し、開弁状態であればＳ１４へ進み、閉弁状態であればＳ１７へ進む。

Ｓ１４では、トルク要求がある状態であるか、無い状態であるかを判定する。トルク要求がある状態であればＳ１５へ進み、トルク要求がない状態であればＳ１６へ進む。Ｓ１５では、ＴＣＶ開時トルク重視マップ（後述）を用いて燃料噴射時期を算出する。Ｓ１６では、ＴＣＶ開時通常マップ（後述）を用いて燃料噴射時期を算出する。

Ｓ１７では、トルク要求がある状態であるか、無い状態であるかを判定する。トルク要求がある状態であればＳ１８へ進み、トルク要求がない状態であればＳ１９へ進む。Ｓ１８では、ＴＣＶ閉時トルク重視マップ（後述）を用いて燃料噴射時期を算出する。Ｓ１９では、ＴＣＶ閉時通常マップ（後述）を用いて燃料噴射時期を算出する。

ここで、上述したＴＣＶ開時トルク重視マップ、ＴＣＶ開時通常マップ、ＴＣＶ閉時トルク重視マップ及びＴＣＶ閉時通常マップは、燃料噴射時期算出マップであり、例えば、機関回転数と吸入空気量とに応じて燃料噴射時期が割り付けられている。この燃料噴射時期算出マップは、図５に示すように、燃費優先の燃料噴射時期が割り付けられた低回転、低負荷（吸入空気量が小）側の燃費優先領域と、トルク優先の燃料噴射時期が割り付けられた高回転、高負荷（吸入空気量が大）側のトルク優先領域とからなり、全体が大きく２つの領域に分けられる。

基本的には、トルク優先領域に割り付けられた燃料噴射時期は、燃費優先領域に割り付けられた燃料噴射時期に比べて遅くなるよう設定される。また大気圧（高度）を考慮してトルク要求の判定がなされているため、高地にいる場合の燃料噴射時期は、低地にいる場合に比べて遅くなるように設定される。

具体的には、ＴＣＶ開時トルク重視マップとＴＣＶ開時通常マップとでは、ＴＣＶ開時通常マップに比べてＴＣＶ開時トルク重視マップの燃費優先領域は縮小されている。すなわち、ＴＣＶ開時トルク重視マップにおいては、燃費優先領域がＴＣＶ開時通常マップの燃費優先領域に比べてより低回転低負荷側の領域に縮小され、その分トルク優先領域が拡大されている。さらに、トルク優先領域内の高回転高負荷における燃料噴射時期は、ＴＣＶ開時トルク重視マップの方が、ＴＣＶ開時通常マップよりも早くなるよう設定されている。

ＴＣＶ閉時トルク重視マップとＴＣＶ閉時通常マップとでは、ＴＣＶ閉時通常マップに比べてＴＣＶ閉時トルク重視マップの燃費優先領域は縮小されている。すなわち、ＴＣＶ閉時トルク重視マップにおいては、燃費優先領域がＴＣＶ閉時通常マップの燃費優先領域に比べてより低回転低負荷側の領域に縮小され、その分トルク優先領域が拡大されている。さらに、トルク優先領域内の高回転高負荷における燃料噴射時期は、ＴＣＶ閉時トルク重視マップの方が、ＴＣＶ閉時通常マップよりも早くなるよう設定されている。

また、ＴＣＶ開時トルク重視マップとＴＣＶ閉時トルク重視マップとでは、ＴＣＶ開時トルク重視マップに比べてＴＣＶ閉時トルク重視マップの燃費優先領域は縮小されている。すなわち、ＴＣＶ閉時トルク重視マップにおいては、燃費優先領域がＴＣＶ開時通常マップの燃費優先領域に比べてより低回転低負荷側の領域に縮小され、その分トルク優先領域が拡大されている。

ＴＣＶ開時通常マップとＴＣＶ閉時通常マップとでは、ＴＣＶ開時通常マップに比べてＴＣＶ閉時通常マップの燃費優先領域は縮小されている。すなわち、ＴＣＶ閉時通常マップにおいては、燃費優先領域がＴＣＶ開時通常マップの燃費優先領域に比べてより低回転低負荷側の領域に縮小され、その分トルク優先領域が拡大されている。

さらに詳述すると、上記４つのマップのうち、ＴＣＶ開時のマップと、ＴＣＶ閉時のマップとでは、運転状態が同一であれば（機関回転数、負荷が同じであれば）、ＴＣＶ閉時のマップにおける低回転低負荷領域の燃料噴射時期は、ＴＣＶ開時のマップにおける低回転低負荷領域の燃料噴射時期に比べて、早く噴射されるように設定されている。

以上説明してきたような本実施例においては、空気密度が低下する高地においては、低地に比べて燃料噴射時期を遅らせることで、気化潜熱により冷却される空気量が増加し、筒内に流入する空気量が相対的に増加するため、空気密度の低下によるトルク低下を補うことができる。

また、アクセルペダル３０の踏み込み量を加味してトルク要求の判定を行うことによって、運転者の加速意図と、走行環境（高度）によるトルク低下の抑制と、が両立するよう内燃機関にトルクを発生させることができる。

さらに、大気圧から推定される高度が高くなるほど、高地にいると判定されるアクセルペダル３０の踏み込み量の閾値が小さくなるよう設定されることによって、アクセルペダル３０の踏み込み量が小さい領域から燃料噴射時期を遅らせて、空気密度の低下によるトルク低下を補うことができる。

そして、吸入空気量が少ない低負荷低回転の運転状態のときには、吸入空気量が多い高負荷高回転の運転状態のときに比べて、燃料噴射時期が早く設定されることによって、トルク要求の比較的少ない運転状態のときには燃費の向上を図ることができる。

また、タンブルコントロールバルブ１９の閉弁時においては、シリンダ内にタンブル流が形成されるタンブルコントロールバルブ１９の開弁時に比べて、燃料噴射時期が相対的に早くなるよう設定されることによっても、トルク要求の比較的少ない運転状態のときには燃費の向上を図ることができる。

なお、上述した実施例では、負荷の代表値を吸入空気量として内燃機関１を制御しているが、吸気弁閉時の燃焼室容積と燃焼室内の空気密度との積をシリンダ充填空気量とし、このシリンダ充填空気量を負荷の代表値として内燃機関を制御するようにしてもよい。

１…内燃機関
２…燃料噴射弁
３…燃焼室
７…水温センサ
９…クランクシャフトポジションセンサ
１６…吸気マニホールド
１７…ブランチ通路
１９…タンブルコンロールバルブ
２０…ＥＣＭ
２６…スロットルバルブ
２７…エアフローメータ
２９…大気圧センサ
３１…アクセルペダルポジションセンサ

Claims (3)

1. 吸気行程中に内燃機関のシリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸入空気量を制御するスロットルバルブと、を有し、吸入空気量に応じて上記燃料噴射弁の燃料噴射時期を設定する内燃機関の制御装置において、
   大気圧を検知する大気圧検知手段と、
   アクセル開度を検知する手段と、
   内燃機関の機関回転数を検知する手段と、を有し、
   大気圧と機関回転数とを用い、大気圧が低いほど、また機関回転数が低いほど小さくなるトルク要求判定アクセル開度を算出し、
   検知されるアクセル開度が上記トルク要求判定アクセル開度よりも大きい場合には、アクセル開度が上記トルク要求判定アクセル開度以下となる場合に比べて上記燃料噴射時期を遅くなるよう設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 吸入空気量が少ない低負荷低回転の運転状態のときには、吸入空気量が多い高負荷高回転の運転状態のときに比べて、燃料噴射時期が早く設定されてい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. 上記シリンダ内にタンブル流を形成可能なタンブルコントロール弁を有し、
   上記タンブルコントロール弁の閉弁時においては、上記シリンダ内にタンブル流が形成される上記タンブルコントロール弁の開弁時に比べて、燃料噴射時期が相対的に早くなるよう設定されてい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。

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