JP6413733B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料供給装置として、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、を備えてなる内燃機関の制御装置に関する。

燃焼室に燃料を直接的に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、を備えてなる内燃機関は、特許文献１などに既に開示されている。特許文献１においては、機関冷間時には、排気性状及び潤滑性能の維持の面から、ポート噴射のみにより燃料噴射を行ない、高温時には、筒内噴射用燃料噴射弁の先端の噴孔部でのデポジットの堆積を抑制するために、少なくとも一部を筒内噴射としている。

特開２００６−１３２３９６号公報

例えば外気温が−３０℃程度の極低温状態からの機関始動時にアイドル運転状態が長引いた場合などには、燃焼室内に配置される筒内噴射用燃料噴射弁のノズルの先端部において、金属材料中の結晶粒の境界が腐食される、いわゆる粒界腐食を生じ、燃料噴射の性能を悪化させるおそれがある。この粒界腐食の観点では、筒内噴射用燃料噴射弁のノズル先端部の先端温度が非常に重要な要素となる。

そこで本発明の内燃機関の制御装置は、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、上記筒内噴射用燃料噴射弁のノズルの先端温度を検知もしくは推定する。

そして、外気温度が所定温度以下の内燃機関の極低温始動時に、上記先端温度が所定の粒界腐食リスク温度領域内にあるか否かを判定し、粒界腐食リスク温度領域内であると判定された場合に、筒内噴射を禁止して、燃料噴射量の全量をポート噴射とした。

本発明によれば、筒内噴射用燃料噴射弁の先端温度に応じて筒内噴射とポート噴射の燃料噴射量の比率を切換えるようにしたので、粒界腐食の発生を抑制し、筒内噴射用燃料噴射弁の信頼性・耐久性を向上することができる。

この発明の第１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。 上記第１実施例の制御の流れを示すフローチャート。 油水温及び外気温度に対する筒内噴射用燃料噴射弁の先端温度の関係を示す特性図。 筒内噴射用燃料噴射弁の先端温度と粒界腐食リスクとの関係を示す特性図。 極低温始動時における筒内噴射用燃料噴射弁の先端温度の変化を示すタイミングチャート。 この発明の第２実施例及び第３実施例に係る可変圧縮比機構を示す断面図。 第３実施例に係る機関圧縮比及び点火時期の設定を示す説明図。

以下、この発明の好ましい実施例を図面に基づいて詳細に説明する。先ず、図１〜図５を参照して、本発明の第１実施例について説明する。

図１は、この発明が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成の一例を示している。この内燃機関１は、例えば４ストロークサイクルの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装置としての点火プラグ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、主たる燃料噴射弁として燃焼室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、補助的な燃料噴射弁として吸気ポート７内へ向けて燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁９が各気筒毎に配置されている。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９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１１のコレクタ部１２上流側には、エンジンコントローラ１３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１４が介装されており、その上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ１５が配設されている。

また、排気ポート１７に接続された排気通路１８には、三元触媒からなる触媒装置１９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２０が配置されている。

上記エンジンコントローラ１３には、上記のエアフロメータ１５、空燃比センサ２０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２１、冷却水温を検出する水温センサ２２、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２３、車速を検出する車速センサ２４、吸気通路１１の例えばコレクタ部１２における吸気温度を検出する吸気温度センサ２５、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１３は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁８，９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１４の開度、等を最適に制御している。

筒内噴射用燃料噴射弁８による筒内噴射とポート噴射用燃料噴射弁９によるポート噴射の燃料噴射量の比率は、エンジンコントローラ１３により、内燃機関１の運転条件に応じて制御される。

図２は、本実施例に係る制御の流れを示すフローチャートであり、本ルーチンは上記エンジンコントローラ１３により極短期間（例えば１０ｍｓ）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１１では、筒内噴射用燃料噴射弁８のノズル先端部の先端温度を推定する。一例として、この先端温度は、機関始動時の外気温度と、内燃機関の油水温として水温センサ２２により検出される水温と、に基づいて、図３に示すようなマップを参照して推定される。図３に示すように、同じ水温であっても、機関始動時の外気温度が低い場合には温度上昇幅が大きいことから先端温度が高く推定され、機関始動時の外気温度が低い場合には温度上昇幅が小さいことから先端温度が低く推定される。

機関始動時の外気温度は、例えば上記の吸気温度センサ２５により検出される吸気温度が用いられる。なお、専用の外気温度センサを設けるようにしても良い。

ステップＳ１２では、機関始動時の外気温度が所定温度（例えば−３０℃）以下の極低温状態での機関始動時（以下、「極低温始動時」と呼ぶ）であるか否かを判定する。極低温始動時でなければ、ステップＳ１２からステップＳ１５へ進み、通常の燃料噴射制御が行なわれる。つまり、機関運転状態に応じて筒内噴射とポート噴射との燃料噴射量の比率が制御される。

極低温始動時である場合、ステップＳ１２からステップＳ１３へ進み、所定の粒界腐食リスク温度領域であるか否かを判定する。この粒界腐食リスク領域とは、上述したように、外気温度が非常に低い（例えば−３０℃程度）の極低温始動時に、アイドル運転状態のように燃料噴射量の少ない運転状態が長引いた場合など、燃焼室内に配置される筒内噴射用燃料噴射弁のノズルの先端部において、金属材料中の結晶粒の境界が腐食される、いわゆる粒界腐食を生じて燃料噴射の性能を悪化させるおそれがある温度領域である。図４は、鉄（Ｆｅ）と硫酸凝縮量（Ｈ_２ＳＯ_４）とについて、ノズル先端部の先端温度（温度）と腐食量（リスク）との関係を示している。同図に示すように、鉄の露点よりも高い３０℃〜７０℃の温度領域αで腐食の進行が大きくなり、このような温度領域αが例えば粒界腐食リスク領域として設定される。

再び図２を参照して、ステップＳ１３では、粒界腐食リスク温度領域であるか否かの判定として、ノズル先端部の先端温度が粒界腐食リスク温度領域の上限温度Ｔ２（例えば、約７０℃）以下であるか否かを判定する。ステップＳ１３の判定が否定されると、ステップＳ１５へ進み、上述した通常の燃料噴射制御が実施される。つまり、機関運転状態に応じて筒内噴射とポート噴射との燃料噴射量の比率が制御される。

ステップＳ１２及びステップＳ１３の判定がともに肯定され、つまり極低温始動状態で、かつ粒界腐食リスク温度領域にある場合には、ステップＳ１４へ進み、ポート噴射（ＭＰＩ）により燃料噴射量の全量を噴射する。つまり、筒内噴射（ＧＤＩ）を禁止して、ポート噴射の比率を１００％とする。

図５は、極低温始動状態からアイドル運転状態が長引いた場合における筒内噴射用燃料噴射弁８の先端温度の変化を示すタイミングチャートである。図中の符号Ｌ１の特性は、本実施例の制御を適用した場合、つまり先端温度が粒界腐食リスク温度領域αの上限温度Ｔ２に上昇するまでポート噴射により燃料噴射量の全量を噴射した場合の特性を示している。一方、符号Ｌ２に示す比較例の特性は、始動直後から筒内噴射により燃料噴射量の全量を噴射した場合の特性である。

同図に示すように、極低温始動時に筒内噴射を行なう比較例の特性Ｌ２では、筒内噴射用燃料噴射弁８から温度の低い燃料が噴射されることで、この筒内噴射用燃料噴射弁８のノズル先端部の先端温度の上昇が抑制されることから、アイドル運転状態が長引くような場合に、先端温度が比較的長い期間、粒界腐食リスク温度領域αに留まる形となり、粒界腐食の進行を招き易い。

これに対して、極低温始動時にポート噴射を行なう本実施例の特性Ｌ１では、筒内噴射用燃料噴射弁８からの燃料噴射が禁止されるために、筒内噴射用燃料噴射弁８のノズルの先端温度の上昇が妨げられず、先端温度が速やかに上昇することから、粒界腐食リスク温度領域αを速やかに通り抜けることができる。このように、粒界腐食リスク温度領域αに滞在する時間を短縮することで、粒界腐食の発生・進行を抑制して、筒内噴射用燃料噴射弁８の信頼性及び耐久性を向上することができる。

次に、図６及び図７を参照して本発明の第２実施例について説明する。この第２実施例では、内燃機関に可変圧縮比機構が設けられている。この可変圧縮比機構３０は、公知であることから簡単に説明すると、クランクシャフト３１のクランクピン３２に回転可能に取り付けられるロアリンク３３と、このロアリンク３３とピストン３４とを連結するアッパリンク３５と、クランクシャフト３１の斜め下方に平行に配置される制御シャフト３６と、この制御シャフト３６とロアリンク３３とを連結する制御リンク３７と、を有している。アッパリンク３５の上端とピストン３４とはピストンピン３８により相対回転可能に連結され、アッパリンク３５の下端とロアリンク３３とは第１連結ピン３９により相対回転可能に連結され、ロアリンク３３と制御リンク３７の上端とは第２連結ピン４０により相対回転可能に連結されている。制御リンク３７の下端は、制御シャフト３６に偏心して設けられた制御偏心軸部３６Ａに回転可能に取り付けられている。

モータ等のアクチュエータにより制御シャフト３６の回転位置を変更することにより、制御シャフト３６の制御偏心軸部３６Ａに取り付けられる制御リンク３７の下端部の位置が変化して、制御リンク３７によるロアリンク３３の運動拘束条件が変化し、ピストン上死点位置やピストン下死点位置を含めたピストンストローク特性が変化することにより、機関圧縮比が変化する。機関運転状態に応じて所望の機関圧縮比となるように、上記モータの動作は、例えば上述したエンジンコントローラ１３等により制御される。

そしてこの第２実施例では、極低温始動時で、かつ筒内噴射用燃料噴射弁８の先端温度が粒界腐食リスク温度領域αにある場合に、上記第１実施例と同様、ポート噴射のみを行なうことに加えて、機関圧縮比を上昇させている。このように、機関圧縮比を上昇させることで、更に筒内噴射用燃料噴射弁８の先端温度の上昇を早めて、先端温度が粒界腐食リスク温度領域αに滞在する時間を短縮することができる。

次に、図７を参照して本発明の第３実施例について説明する。図７の符号Ｌ３〜Ｌ５は、極低温始動時で、かつ筒内噴射用燃料噴射弁８の先端温度が粒界腐食リスク温度領域αにある場合の筒内圧特性（Ｐｉ）を示している。図中の符号Ｌ３の特性は、第１実施例のようにポート噴射を行なうものの、点火時期や機関圧縮比を変更していない通常の特性を示し、符号Ｌ４の特性は、通常の特性Ｌ３に対して機関圧縮比を低下させた特性を示している。そして、符号Ｌ５の特性が、この特性Ｌ４に対して点火時期を遅角させた第３実施例の特性を示している。つまり、この第３実施例では、極低温始動時で、かつ筒内噴射用燃料噴射弁８の先端温度が粒界腐食リスク温度領域αにある場合に、ポート噴射のみを行なうことに加えて、機関圧縮比を低下させるとともに、点火時期を進角させている。

このように第３実施例では、矢印Ｙ１に示すように、機関圧縮比を低下させることで、燃焼安定性を確保しつつ点火時期を大幅に進角させており、このような点火時期の進角により、筒内噴射用燃料噴射弁８のノズル先端が燃焼ガスに晒される時間を図中の符号Ｔ１から符号Ｔ２へと大幅に延長して、筒内噴射用燃料噴射弁８の先端温度の上昇を早めることができる。この結果、先端温度が粒界腐食リスク温度領域αに滞在する時間を更に短縮することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形・変更を含むものである。例えば、本実施例では、筒内噴射用燃料噴射弁のノズル先端の先端温度を機関始動時の外気温と油水温とから推定しているが、筒内温度を検出する温度センサ等を用いて先端温度を検知するようにしても良い。

Claims (4)

1. 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、を備える内燃機関の制御装置において、
   上記筒内噴射用燃料噴射弁のノズルの先端温度を検知もしくは推定する先端温度推定手段と、
   外気温度が所定温度以下の内燃機関の極低温始動時に、上記先端温度が所定の粒界腐食リスク温度領域内にあるか否かを判定する領域判定手段を有し、
   上記領域判定手段により粒界腐食リスク温度領域内であると判定された場合に、上記筒内噴射用燃料噴射弁による筒内噴射を禁止し、燃料噴射量の全量を上記ポート噴射用燃料噴射弁によるポート噴射とすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を有し、
   上記領域判定手段により粒界腐食リスク温度領域であると判定された場合に、上記機関圧縮比を上昇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. 機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
   燃焼室内の混合気を火花点火する点火装置と、を有し、
   上記領域判定手段により粒界腐食リスク温度領域であると判定された場合に、上記機関圧縮比を低下させ、かつ、上記点火装置による点火時期を進角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。
4. 上記先端温度推定手段は、内燃機関の始動時の外気温と、内燃機関の油水温と、に基づいて上記先端温度を推定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。

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