JP6610567B2

JP6610567B2 - エンジン装置

Info

Publication number: JP6610567B2
Application number: JP2017005093A
Authority: JP
Inventors: 啓介長倉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2019-11-27
Anticipated expiration: 2037-01-16
Also published as: CN108397300A; CN108397300B; JP2018115561A; US20180202384A1; US10655555B2

Description

本発明は、エンジン装置に関し、詳しくは、筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁とを有するエンジンを備えるエンジン装置に関する。

従来、この種のエンジン装置としては、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁を有するエンジンを備えるエンジン装置において、燃料系に異常が生じたときに、筒内噴射弁による燃料噴射とポート噴射弁による燃料噴射とのうちのいずれに異常が生じているかを判別するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、筒内噴射弁からの噴射率が１００％のときの燃料系異常のカウンタＣ１と、筒内噴射弁からの噴射率が０％のときの燃料系異常のカウンタＣ２と、筒内噴射弁からの噴射率が０％より大きく１００％より小さいときの燃料系異常のカウンタＣ３との３つのカウンタを設け、これらの３つのカウンタに基づいて、筒内噴射弁による燃料噴射とポート噴射弁による燃料噴射とのうちのいずれに異常が生じているかを判別している。

特開２０１１−２６９６１号公報

しかしながら、上述のエンジン装置では、異常診断のためにエンジンを筒内噴射弁からの噴射率を１００％としてアイドリング運転などの低負荷で運転すると、筒内噴射弁からの燃料噴射量が少ないために、空燃比のフィードバック制御が良好に行なわれず、空燃比がリッチやリーンに偏る場合が生じる。この場合、エミッションが悪化してしまう。

本発明のエンジン装置は、異常診断時にエミッションが悪化するのを抑制することを主目的とする。

本発明のエンジン装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のエンジン装置は、
筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁とを有するエンジンと、
前記エンジンの状態に応じて前記筒内噴射弁による燃料噴射と前記ポート噴射弁による燃料噴射との噴射比率を調整して前記エンジンを運転制御する制御装置と、
を備えるエンジン装置であって、
前記制御装置は、燃料系の異常診断の実行条件が成立したときには、前記エンジンに要求されるパワーが所定パワー以上のときに前記筒内噴射弁からの燃料噴射を１００％とした状態を用いて前記異常診断を実行する、
ことを特徴とする。

この本発明のエンジン装置では、エンジンの状態に応じて筒内噴射弁による燃料噴射とポート噴射弁による燃料噴射との噴射比率を調整してエンジンを運転制御する。そして、燃料系の異常診断の実行条件が成立したときには、エンジンに要求されるパワーが所定パワー以上のときに筒内噴射弁からの燃料噴射を１００％とした状態を用いて異常診断を実行する。エンジンに要求されるパワーが所定パワー以上とすることにより、筒内噴射弁からの燃料噴射を１００％としても、エンジンを安定して運転し、空燃比のフィードバック制御が破綻するのを抑制することができ、空燃比がリッチ側やリーン側に偏るのを抑止することができる。この結果、異常診断時にエミッションが悪化するのを抑制することができる。ここで、「所定パワー」としては、筒内噴射弁からの燃料噴射を１００％としてエンジンを運転したときに筒内噴射弁が異常な状態でも噴射可能な最小噴射量を下回らずにエンジンを安定した状態で運転することができるパワーを用いることができる。

本発明の一実施例としてのエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。ＥＣＵ７０により実行される異常診断処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。実施例のエンジン装置１０は、図示するように、エンジン１２と、燃料供給装置６０と、エンジン１２を運転制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７０と、を備える。なお、エンジン装置１０は、エンジン１２からの動力だけを用いて走行する自動車や、エンジン１２および図示しないモータからの動力を用いて走行するハイブリッド自動車などに搭載される。

エンジン１２は、複数気筒（例えば、４気筒，６気筒，８気筒など）を有し、ガソリンや軽油などの燃料を用いて動力を出力する内燃機関として構成されている。図示するように、エンジン１２は、筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁１２５と、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁１２６と、を有する。エンジン１２は、筒内噴射弁１２５とポート噴射弁１２６とを有することにより、ポート噴射モードと筒内噴射モードと共用噴射モードとの何れかで運転が可能となっている。ポート噴射モードでは、エアクリーナ１２２によって清浄された空気をスロットルバルブ１２４を介して吸入すると共にポート噴射弁１２６から燃料を噴射して空気と燃料とを混合する。そして、この混合気を吸気バルブ１２８を介して燃焼室に吸入し、点火プラグ１３０による電気火花によって爆発燃焼させて、そのエネルギによって押し下げられるピストン１３２の往復運動をクランクシャフト２６の回転運動に変換する。筒内噴射モードでは、ポート噴射モードと同様に空気を燃焼室に吸入し、吸気行程の途中あるいは圧縮行程に至ってから筒内噴射弁１２５から燃料を噴射し、点火プラグ１３０による電気火花によって爆発燃焼させてクランクシャフト２６の回転運動を得る。共用噴射モードでは、空気を燃焼室に吸入する際にポート噴射弁１２６から燃料を噴射すると共に吸気行程や圧縮行程で筒内噴射弁１２５から燃料を噴射し、点火プラグ１３０による電気火花によって爆発燃焼させてクランクシャフト２６の回転運動を得る。これらの噴射モードは、エンジン１２の運転状態に基づいて切り替えられる。燃焼室からの排気は、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ），窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する浄化触媒（三元触媒）を有する浄化装置１３４を介して外気に排出される。

燃料供給装置６０は、燃料タンク５８の燃料をエンジン１２の筒内噴射弁１２５やポート噴射弁１２６に燃料を供給する装置として構成されている。燃料供給装置６０は、燃料タンク５８の燃料をポート噴射弁１２６が接続された燃料パイプ６３に供給する電動の燃料ポンプ６２と、燃料パイプ６３内の燃料を加圧して筒内噴射弁１２５が接続されたデリバリパイプ６６に供給する高圧燃料ポンプ６４と、を備える。また、燃料供給装置６０は、デリバリパイプ６６と燃料タンク５８とに接続されたリリーフパイプ６８に設けられてデリバリパイプ６６内の加圧された燃料の圧力（燃圧）を大気圧との差圧によって減圧可能なリリーフバルブ６７を備える。高圧燃料ポンプ６４は、エンジン１２からの動力（カムシャフトの回転）によって駆動されて燃料パイプ６３内の燃料を加圧するポンプである。高圧燃料ポンプ６４は、その吸入口に接続されて燃料を加圧する際に開閉する電磁バルブ６４ａと、その吐出口に接続されて燃料の逆流を防止すると共にデリバリパイプ６６内の燃圧を保持するチェックバルブ６４ｂと、を有する。これにより、高圧燃料ポンプ６４は、エンジン１２の運転中に電磁バルブ６４ａが開弁されると燃料ポンプ６２からの燃料を吸入し、電磁バルブ６４ａが閉弁されたときにエンジン１２からの動力によって作動する図示しないプランジャによって圧縮した燃料をチェックバルブ６４ｂを介してデリバリパイプ６６に断続的に送り込むことにより、デリバリパイプ６６に供給する燃料を加圧する。リリーフバルブ６７は、デリバリパイプ６６内の燃圧が過剰となるのを防止すると共にエンジン１２の停止時にデリバリパイプ６６内の燃圧を低下させるように開弁される電磁バルブである。リリーフバルブ６７が開弁されると、デリバリパイプ６６内の燃料はリリーフパイプ６８を介して燃料タンク５８に戻される。

ＥＣＵ７０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ，データを一時的に記憶するＲＡＭ，入出力ポート，通信ポートを備える。

ＥＣＵ７０には、エンジン１２を運転制御するのに必要な各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。ＥＣＵ７０に入力される信号としては、例えば、クランクシャフト２６の回転位置を検出するクランクポジションセンサ１４０からのクランクポジションθｃｒや、エンジン１２の冷却水の温度を検出する水温センサ１４２からの冷却水温Ｔｗなどを挙げることができる。また、燃焼室内に取り付けられた圧力センサ１４３からの筒内圧力Ｐｉｎや、吸気バルブ１２８を開閉するインテークカムシャフトや排気バルブを開閉するエキゾーストカムシャフトの回転位置を検出するカムポジションセンサ１４４からのカムポジションθｃａなども挙げることができる。さらに、スロットルバルブ１２４のポジションを検出するスロットルバルブポジションセンサ１４６からのスロットル開度ＴＨや、吸気管に取り付けられたエアフローメータ１４８からの吸入空気量Ｑａ、吸気管に取り付けられた温度センサ１４９からの吸気温Ｔａなども挙げることができる。加えて、排気管に取り付けられた空燃比センサ１３５ａからの空燃比ＡＦや、排気管に取り付けられた酸素センサ１３５ｂからの酸素信号Ｏ２なども挙げることができる。また、高圧燃料ポンプ６４の回転数を検出する回転数センサ６４ｃからの回転数Ｎｐ，燃料供給装置６０のデリバリパイプ６６内の燃圧（筒内噴射弁１２５に供給する燃料の燃圧）を検出する燃圧センサ６９からの燃圧Ｐｆ（以下、「検出燃圧Ｐｆｄｅｔ」という）なども挙げることができる。

ＥＣＵ７０からは、エンジン１２を運転制御するための各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。ＥＣＵ７０から出力される信号としては、例えば、筒内噴射弁１２５への駆動信号や、ポート噴射弁１２６への駆動信号、スロットルバルブ１２４のポジションを調節するスロットルモータ１３６への駆動信号、イグナイタと一体化されたイグニッションコイル１３８への制御信号などを挙げることができる。また、吸気バルブ１２８の開閉タイミングを変更可能な可変バルブタイミング機構１５０への制御信号や、燃料ポンプ６２への駆動信号、高圧燃料ポンプ６４の電磁バルブ６４ａへの駆動信号，リリーフバルブ６７への駆動信号なども挙げることができる。

ＥＣＵ７０は、クランクポジションセンサ１４０からのクランクポジションθｃｒに基づいてエンジン１２の回転数Ｎｅを演算したり、エアフローメータ１４８からの吸入空気量Ｑａとエンジン１２の回転数Ｎｅとに基づいて体積効率（エンジン１２の１サイクルあたりの行程容積に対する１サイクルで実際に吸入される空気の容積の比）ＫＬを演算したりしている。

こうして構成された実施例のエンジン装置１０では、ＥＣＵ７０は、エンジン１２が目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とによって運転されるように、エンジン１２の吸入空気量制御，燃料噴射制御，点火制御を行なう。点火制御については、本発明の中核をなさないことから、詳細な説明は省略する。吸入空気量制御では、目標トルクＴｅ＊に基づいて目標空気量Ｑａ＊を設定し、吸入空気量Ｑａが目標空気量Ｑａ＊となるように目標スロットル開度ＴＨ＊を設定し、スロットル開度ＴＨが目標スロットル開度ＴＨ＊となるようにスロットルモータ１３６を駆動制御する。燃料噴射制御では、まず、エンジン１２の運転状態（例えば、エンジン１２の回転数Ｎｅや体積効率ＫＬ）に基づいてポート噴射モード，筒内噴射モード，共用噴射モードから実行用噴射モードを設定する。続いて、目標空気量Ｑａ＊と実行用噴射モードとに基づいて空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦ＊（例えば理論空燃比）となるように筒内噴射弁１２５およびポート噴射弁１２６の目標燃料噴射量Ｑｆｄ＊，Ｑｆｐ＊を設定する。そして、目標燃料噴射量Ｑｆｄ＊，Ｑｆｐ＊に基づいて筒内噴射弁１２５およびポート噴射弁１２６の目標燃料噴射時間τｆｄ＊，τｆｐ＊を設定し、目標燃料噴射時間τｆｄ＊，τｆｐ＊の燃料噴射が筒内噴射弁１２５およびポート噴射弁１２６から行なわれるように筒内噴射弁１２５およびポート噴射弁１２６を駆動制御する。

筒内噴射弁１２５の目標燃料噴射時間τｆｄ＊は、基本的には目標燃料噴射量Ｑｆｄ＊と燃圧センサ６９からの検出燃圧Ｐｆｄｅｔとに基づいて設定されるが、燃圧センサ６９からの検出燃圧Ｐｆｄｅｔにより定まる筒内噴射弁１２５の最小噴射可能量Ｑｍｉｎを下回らないように設定され、空燃比センサ１３５ａにより検出される空燃比ＡＦによりフィードバック制御される。なお、目標燃料噴射時間τｆｄ＊は、目標燃料噴射量Ｑｆｄ＊が多いときには小さいときに比して長くなるように、詳細には、目標燃料噴射量Ｑｆ＊が多いほど長くなるようにｆｓが高いほど短くなるように設定する。ポート噴射弁１２６の目標燃料噴射量τｆｐ＊は、基本的には目標燃料噴射量Ｑｆｐ＊に基づいて設定されるが、空燃比センサ１３５ａにより検出される空燃比ＡＦによりフィードバック制御される。なお、具体的には、目標燃料噴射時間τｆｐ＊は、目標燃料噴射量Ｑｆｐ＊が多いときには小さいときに比して長くなるように、詳細には、目標燃料噴射量Ｑｆ＊が多いほど長くなるように設定する。

また、エンジン１２を運転する際には、検出燃圧Ｐｆｄｅｔが目標燃圧Ｐｆ＊となるように高圧燃料ポンプ６４（電磁バルブ６４ａ）を駆動制御する。目標燃圧Ｐｆ＊は、エンジン１２の運転状態（エンジン１２の回転数Ｎｅや体積効率ＫＬ）に基づいて設定される。なお、実施例では、エンジン１２の運転開始からある程度の時間が経過するまでは、筒内噴射モードを実行用噴射モードに設定して燃料噴射制御を行なっている。

次に、こうして構成された実施例のエンジン装置１０の動作、特に、筒内噴射弁１２５からの燃料噴射を１００％として異常診断を行なう際の動作について説明する。図２は、ＥＣＵ７０により実行される異常診断処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、筒内噴射弁１２５からの燃料噴射が１００％のときの異常診断が完了するまで所定時間毎（例えば、数十ｍｓｅｃ毎など）に繰り返し実行される。

異常診断処理ルーチンが実行されると、ＥＣＵ７０は、まず、燃料系の異常診断を行なうための実行条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１００）。実行条件としては、エンジン１２の暖機が完了している条件やエンジン１２の回転数が急変していない条件などを挙げることができる。燃料系の異常診断を行なうための実行条件が成立していないと判定したときには、異常診断を行なうことなく本ルーチンを終了する。

一方、燃料系の異常診断を行なうための実行条件が成立していると判定したときには、エンジン１２に要求される要求パワーＰｅ＊が所定パワーＰｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。要求パワーＰｅ＊は、例えば、このエンジン装置１０が車両の駆動源として搭載されているときには、運転者のアクセル操作に基づいてエンジン１２から出力すべきパワーとして要求されるものである。所定パワーＰｒｅｆは、筒内噴射弁１２５からの燃料噴射を１００％としてエンジン１２を運転したときに筒内噴射弁１２５が異常な状態でも噴射可能な最小噴射可能量Ｑｍｉｎを下回らずにエンジン１２を安定して運転することができるパワー範囲の下限値やそのパワーより若干大きなパワーであり、エンジン１２に応じて実験などにより求めることができる。エンジン１２に要求される要求パワーＰｅ＊が所定パワーＰｒｅｆ未満のときに筒内噴射弁１２５からの燃料噴射を１００％として異常診断をすると、筒内噴射弁１２５の異常な状態により燃料を多く噴射してしまう場合、空燃比センサ１３５ａからの空燃比ＡＦによるフィードバック制御により筒内噴射弁１２５からの噴射量が最小噴射可能量Ｑｍｉｎを下回り、フィードバック制御が良好に行なわれない状態に至ってしまい、空燃比がリッチあるいはリーンに偏ってしまう場合が生じ、エミッションを悪化させてしまう。このため、燃料系の異常診断を行なう要件としてエンジン１２に要求される要求パワーＰｅ＊が所定パワーＰｒｅｆ以上としているのである。エンジン１２に要求される要求パワーＰｅ＊が所定パワーＰｒｅｆ未満であると判定したときには、適正に異常診断を行なうことが困難と判断し、本ルーチンを終了する。

ステップＳ１１０でエンジン１２に要求される要求パワーＰｅ＊が所定パワーＰｒｅｆ以上であると判定したときには、筒内噴射弁１２５からの燃料噴射を１００％とし（ステップＳ１２０）、燃料系の異常診断を実行し（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。燃料系の異常診断としては、空燃比センサ１３５ａの異常診断や、酸素センサ１３５ｂの異常診断、筒内噴射弁１２５の異常診断、燃料供給装置６０における高圧系の異常診断などを挙げることができる。上述したように、エンジン１２に要求される要求パワーＰｅ＊が所定パワーＰｒｅｆ以上のときには、筒内噴射弁１２５からの燃料噴射を１００％としてエンジン１２を運転したときに筒内噴射弁１２５が異常な状態でも噴射可能な最小噴射可能量Ｑｍｉｎを下回らずにエンジン１２を安定して運転することができるから、筒内噴射弁１２５が異常な状態であっても空燃比ＡＦのフィードバックが良好に行なわれる。この結果、異常診断の際でもエミッションの悪化を抑制することができる。

以上説明した実施例のエンジン装置１０では、、燃料系の異常診断を行なうための実行条件が成立しているときには、エンジン１２に要求される要求パワーＰｅ＊が所定パワーＰｒｅｆ以上であるか否かを判定する。そして、エンジン１２に要求される要求パワーＰｅ＊が所定パワーＰｒｅｆ以上であるときに、筒内噴射弁１２５からの燃料噴射を１００％として燃料系の異常診断を実行する。エンジン１２に要求される要求パワーＰｅ＊が所定パワーＰｒｅｆ以上では、筒内噴射弁１２５からの燃料噴射を１００％としても筒内噴射弁１２５が異常な状態でも噴射可能な最小噴射可能量Ｑｍｉｎを下回らずにエンジン１２を安定して運転することができるから、空燃比ＡＦのフィードバック制御が良好に行なわれ、燃料系の異常診断の際でもエミッションの悪化を抑制することができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、筒内噴射弁１２５が「筒内噴射弁」に相当し、ポート噴射弁１２６が「ポート噴射弁」に相当し、エンジン１２が「エンジン」に相当し、電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０が「制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、エンジン装置の製造産業などに利用可能である。

１０エンジン装置、１２エンジン、２６クランクシャフト、５８燃料タンク、６０燃料供給装置、６２燃料ポンプ、６３燃料パイプ、６４高圧燃料ポンプ、６４ａ電磁バルブ、６４ｂチェックバルブ、６４ｃ回転数センサ、６６デリバリパイプ、６７リリーフバルブ、６８リリーフパイプ、６９燃圧センサ、７０電子制御ユニット（ＥＣＵ）、１２２エアクリーナー、１２４スロットルバルブ、１２５筒内噴射弁、１２６ポート噴射弁、１２８吸気バルブ、１３０点火プラグ、１３２ピストン、１３４浄化装置、１３５ａ空燃比センサ、１３５ｂ酸素センサ、１３６スロットルモータ、１３８イグニッションコイル、１４０クランクポジションセンサ、１４２水温センサ、１４３圧力センサ、１４４カムポジションセンサ、１４６スロットルバルブポジションセンサ、１４８エアフローメータ、１４９温度センサ、１５０可変バルブタイミング機構。

Claims

筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁と吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射弁とを有するエンジンと、
前記エンジンの状態に応じて前記筒内噴射弁による燃料噴射と前記ポート噴射弁による燃料噴射との噴射比率を調整して前記エンジンを運転制御する制御装置と、
を備えるエンジン装置であって、
前記制御装置は、燃料系の異常診断の実行条件が成立したときには、前記エンジンに要求されるパワーが所定パワー以上のときに前記筒内噴射弁からの燃料噴射を１００％とした状態を用いて前記異常診断を実行し、
前記所定パワーは、前記筒内噴射弁からの燃料噴射を１００％として前記エンジンを運転したときに、前記筒内噴射弁からの噴射量が、前記筒内噴射弁に供給する燃料の燃圧により定まる、前記筒内噴射弁が異常な状態でも噴射可能な最小噴射可能量を下回らずに前記エンジンを安定した状態で運転することができるパワーとして予め定められる、
ことを特徴とするエンジン装置。