JPWO2012127622A1

JPWO2012127622A1 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JPWO2012127622A1
Application number: JP2012537253A
Authority: JP
Inventors: 孝史川合
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2014-07-24
Also published as: CN103052785A; US20140007841A1; WO2012127622A1; DE112011105067T5

Abstract

吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方を利用して任意の分割回数で燃料を分けて噴射可能な燃料噴射弁を備える場合において、異常燃焼の発生を良好に抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供する。内燃機関（１０）の１サイクル中に、吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方を利用して任意の分割回数に分けて燃料を噴射可能な直噴インジェクタ（１６）を備える。内燃機関（１０）の異常燃焼の発生を検知もしくは予測された場合に、当該異常燃焼の発生が検知もしくは予測されない場合と比べて燃料噴射の分割回数を少なくする。

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方を利用して任意の分割回数で燃料を分けて噴射可能な燃料噴射弁を備える内燃機関を制御するうえで好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、火花点火式筒内噴射型内燃機関の制御装置が開示されている。この従来の制御装置では、ノッキングの発生が検出された場合に、吸気行程と圧縮行程とに分けて燃料噴射を行うようにしている。また、当該特許文献１には、ノッキングの発生が検出された場合において燃料噴射圧力が所定値を超える場合に、吸気行程噴射の分割回数を１回増やす制御例が記載されている。

日本特開２００６−３２９１５８号公報

内燃機関の低回転高負荷領域におけるプレイグニッションやノッキング等の異常燃焼の発生原因の１つとして、粒径の大きな燃料噴霧の存在が考えられる。より具体的には、粒径の大きな燃料噴霧自体、もしくはこのような燃料噴霧と結合した筒内のオイルが原因となって、異常燃焼が発生する場合がある。

燃料噴射弁による燃料の噴射初期や噴射末期には、噴射される燃料の流速が低下し、その結果として、燃料噴霧の粒径が大きくなる。従って、上記特許文献１に記載の技術のように、ノッキングの発生が検出された場合に燃料噴射の分割回数が増やされると、粒径の大きな燃料噴霧が多くなるので、場合によっては、ノッキング等の異常燃焼が発生し易くなることが懸念される。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方を利用して任意の分割回数で燃料を分けて噴射可能な燃料噴射弁を備える場合において、異常燃焼の発生を良好に抑制することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の１サイクル中に、吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方を利用して任意の分割回数に分けて燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、
前記内燃機関の異常燃焼の発生を検知もしくは予測する異常燃焼判定手段と、
前記異常燃焼判定手段により前記異常燃焼の発生が検知もしくは予測された場合に、当該異常燃焼の発生が検知もしくは予測されない場合と比べて燃料噴射の分割回数を少なくする異常燃焼時燃料噴射制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記異常燃焼時燃料噴射制御手段は、前記異常燃焼判定手段により前記異常燃焼の発生が検知もしくは予測された場合に、燃料噴射の分割を禁止するものであることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記異常燃焼時燃料噴射制御手段は、燃料噴射の分割回数を少なくする際に、燃料噴射時期が遅い順で１または複数の燃料噴射を停止することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１または第２の発明において、
前記異常燃焼時燃料噴射制御手段は、燃料噴射の分割回数を少なくする際に、吸気下死点に近い燃料噴射を停止することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１または第２の発明において、
前記異常燃焼時燃料噴射制御手段は、燃料噴射の分割回数を少なくする際に、吸気行程の初期に設定された１または複数の燃料噴射を停止することを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関は、過給機付き内燃機関であることを特徴とする。

第１の発明によれば、異常燃焼の発生が検知もしくは予測された場合に、当該異常燃焼の発生が検知もしくは予測されない場合と比べて燃料噴射の分割回数を少なくされる。これにより、１サイクル中における燃料の噴射初期および噴射末期の到来回数が低減されるので、粒径の大きな燃料噴霧を少なくすることができる。その結果、粒径の大きな燃料噴霧の存在に起因する異常燃焼を良好に抑制することができる。

第２の発明によれば、異常燃焼の発生が検知もしくは予測された場合に、燃料噴射の分割が禁止される。これにより、１サイクル中における燃料の噴射初期および噴射末期の到来回数がそれぞれ１回に低減されるので、粒径の大きな燃料噴霧を少なくすることができる。その結果、粒径の大きな燃料噴霧の存在に起因する異常燃焼を良好に抑制することができる。

第３の発明によれば、燃料噴射の分割回数を少なくする際に、粒径の大きな燃料噴霧の生成をより少なくすることができる。

第４の発明によれば、燃料噴射の分割回数を少なくする際に、粒径の大きな燃料噴霧がシリンダボア上に付着したオイルと結びついて異常燃焼の発生原因となるのを好適に抑制することができる。

第５の発明によれば、燃料噴射の分割回数を少なくする際に、粒径の大きな燃料噴霧が吸気側のシリンダボア上に付着したオイルと結びついて異常燃焼の発生原因となるのを好適に抑制することができる。

第６の発明によれば、自然吸気型の内燃機関と比べて低回転高負荷領域において異常燃焼が発生し易い過給機付き内燃機関において、粒径の大きな燃料噴霧の存在に起因する異常燃焼を良好に抑制することができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関のシステム構成を説明するための図である。直噴インジェクタを用いた分割噴射の一例を表した図である。燃料噴射の開始後の噴霧粒径の挙動を表した図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）１０を備えている。内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。また、内燃機関１０の各気筒には、筒内に燃料を直接噴射するための直噴インジェクタ１６が設けられている。各直噴インジェクタ１６には、高圧ポンプ１８によって加圧された燃料が供給される。また、内燃機関１０の各気筒には、混合気に点火するための点火プラグ２０が設けられている。

吸気通路１２の入口近傍には、エアクリーナ２２が取り付けられている。エアクリーナ２２の下流近傍には、吸気通路１２に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２４が設けられている。エアフローメータ２４の下流には、ターボ過給機２６のコンプレッサ２６ａが設置されている。

コンプレッサ２６ａは、排気通路１４に配置されたタービン２６ｂと連結軸を介して一体的に連結されている。コンプレッサ２６ａの下流には、圧縮された空気を冷却するインタークーラ２８が設けられている。インタークーラ２８の下流には、電子制御式のスロットルバルブ３０が設けられている。

更に、図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３２を備えている。ＥＣＵ３２の入力部には、上述したエアフローメータ２４に加え、エンジン回転数を検知するためのクランク角センサ３４、および、ノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼を検知するためのノックセンサ（振動センサ）３６等の内燃機関１０の運転状態を検知するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ３２の出力部には、上述した直噴インジェクタ１６、点火プラグ２０およびスロットルバルブ３０等の内燃機関１０の運転を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ３２は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御するものである。

［実施の形態１における制御］
上述した直噴インジェクタ１６を備える本実施形態のシステムによれば、燃料の噴射モードとして、吸気行程中に燃料を噴射する吸気行程噴射と、圧縮行程中に燃料を噴射する圧縮行程噴射とを実行することができる。また、本システムによれば、同一サイクルの吸気行程および圧縮行程において、要求される燃料噴射量を任意の分割回数に分けて行う燃料噴射（以下、「分割噴射」と称する）を実行することができる。

図２は、直噴インジェクタ１６を用いた分割噴射の一例を表した図である。尚、ここでは、吸気弁の開弁期間中に行う燃料噴射のことを「吸気行程噴射」と称し、吸気弁の閉弁後に筒内ガスの圧縮が実際に行われる期間中に行う燃料噴射のことを「圧縮行程噴射」と称している。

図２に示す分割噴射は、吸気行程の初期において1回目の吸気行程噴射が行われ、次いで、吸気弁の閉弁直前に２回目の吸気行程噴射が行われた後に、圧縮行程の後半において圧縮行程噴射が行われる例を示している。尚、分割噴射の態様としては、図２に示すように吸気行程と圧縮行程の双方においてそれぞれ少なくとも１回の燃料噴射を行うもの以外にも、例えば、複数の吸気行程噴射のみを行うもの、或いは複数の圧縮行程噴射のみを行うものが対象となる。

図３は、燃料噴射の開始後の噴霧粒径の挙動を表した図である。より具体的には、図３は、ＬＤＳＡ（レーザ散乱方式粒度分布測定装置）を用いて、直噴インジェクタ１６の噴孔下６０ｍｍにおける噴霧粒径ＳＭＤ（ザウター平均粒径）の時間変化を測定した結果を示すものである。

図３中の時刻ｔ１は、時刻ｔ０において燃料噴射が開始された後に、最初に噴射された燃料噴霧が直噴インジェクタ１６の噴孔下６０ｍｍに到達した時点を示している。図３より、直噴インジェクタ１６の噴孔下６０ｍｍに到達した燃料の噴霧粒径ＳＭＤは、燃料の噴射初期において粗く、その後、細かくなっていることが分かる。このように燃料の噴射初期において噴霧粒径ＳＭＤが粗くなる理由は、噴射される燃料の流速が低いためである。

ところで、内燃機関１０の低回転高負荷領域（高過給領域）におけるプレイグニッションやノッキング等の異常燃焼の発生原因の１つとして、粒径の大きな燃料噴霧の存在が考えられる。より具体的には、粒径の大きな燃料噴霧自体、もしくはこのような燃料噴霧と結合した筒内のオイルが原因となって、異常燃焼が発生する場合がある。

図３を参照して上述したように、直噴インジェクタ１６による燃料の噴射初期には、噴射される燃料の流速が低いため、燃料噴霧の粒径が大きく（粗く）なる。同様に、燃料の噴射末期においても、噴射される燃料の流速の低下により、燃料噴霧の粒径が大きくなる。従って、燃料噴射の分割回数が多くなるほど、燃料の噴射初期および噴射末期の到来回数が増えるので、粒径の大きな燃料噴霧が多くなることになる。その結果、低回転高負荷領域において分割噴射が行われていると、場合によっては、ノッキング等の異常燃焼が発生し易くなることが懸念される。

そこで、本実施形態では、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼の発生が検知された場合において、分割噴射が実行されている場合には、分割噴射の実行を禁止するようにした。

（実施の形態１における具体的処理）
図４は、上述した本実施の形態１の制御を実現するために、ＥＣＵ３２が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、本ルーチンは、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

図４に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の低回転高負荷領域において、異常燃焼の発生が検知されたか否かが判定される（ステップ１００）。具体的には、本ステップ１００では、一例として、ノックセンサ３６を利用して、ノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼の発生の有無が判定される。尚、異常燃焼の発生の有無の判定手法は、上記の手法に代え、例えば、以下のような予測によって行われるものであってもよい。すなわち、例えば、トルク（吸入空気量）とエンジン回転数との関係を利用して、プレイグニッションやノッキング等の発生する可能性の高い所定の低回転高負荷領域（異常燃焼発生領域）を予め定めたマップ（図示省略）をＥＣＵ３２内に記憶しておくようにする。そして、そのようなマップを参照して、現在の運転領域（トルクとエンジン回転数）が上記異常燃焼発生領域である場合に、異常燃焼の発生を予測するようにしてもよい。

上記ステップ１００において、異常燃焼の発生が検知された場合には、分割噴射の実行中であるか否かが判定される（ステップ１０２）。その結果、分割噴射の実行中であると判定された場合には、分割噴射の実行が禁止される（ステップ１０４）。その結果、この場合には、２回以上の分割回数（図２に示す例では３回）で行われていた分割噴射から所定の噴射時期での単発噴射に切り替えられる。

以上説明した図４に示すルーチンによれば、異常燃焼の発生が検知された場合において分割噴射が実行されている場合には、分割噴射の実行が禁止される。言い換えれば、この場合には、燃料噴射の分割回数が１回となるように少なくされる。これにより、１サイクル中における燃料の噴射初期および噴射末期の到来回数が低減されるので、粒径の大きな燃料噴霧を少なくすることができる。その結果、粒径の大きな燃料噴霧の存在に起因する異常燃焼を良好に抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、異常燃焼の発生が検知された場合において分割噴射が実行されている場合には、分割噴射の実行を禁止する（すなわち、燃料噴射の分割回数を１回に変更する）ようにしている。しかしながら、本発明は、分割噴射の実行を禁止するものに限らない。すなわち、３回以上の任意の分割回数で燃料噴射が行われている場合において、異常燃焼の発生が検知もしくは予測された場合に、燃料噴射の２回以上の任意の分割回数に少なくするものであってもよい。

また、燃料噴射の分割回数を少なくする際には、以下のような態様で減少対象となる燃料噴射を決定するようにしてもよい。すなわち、例えば、燃料噴射時期が遅い順で１または複数の燃料噴射を停止するようにしてもよい。例えば、３回の燃料噴射を行う図２に示す例において分割回数を２回に減らす場合であれば、燃料噴射時期が最も遅い圧縮行程噴射を停止するようにする。燃料噴射時期が遅いほど、燃料が噴射されてから所定の点火時期に至るまでの時間が短くなるので、噴射後の燃料の微粒化促進のための時間を確保しにくくなる。このため、燃料噴射時期が遅い順で１または複数の燃料噴射を停止するようにすることは、燃料噴射の分割回数を少なくする際に粒径の大きな燃料噴霧の生成をより少なくするうえで、好適な一手法であるといえる。

また、燃料噴射の分割回数を少なくする際には、以下のような態様で減少対象となる燃料噴射を決定するようにしてもよい。すなわち、例えば、吸気下死点に近い１または複数の燃料噴射を停止するようにしてもよい。例えば、３回の燃料噴射を行う図２に示す例において分割回数を２回に減らす場合であれば、吸気弁の閉弁直前に行われる２回目の吸気行程噴射を停止するようにする。直噴インジェクタ１６によって吸気下死点に近いタイミングで燃料噴射が行われると、噴射された燃料がシリンダボアに付着し易くなる。このため、そのようなタイミングでの燃料噴射を停止することは、燃料噴射の分割回数を少なくする際に粒径の大きな燃料噴霧がシリンダボア上に付着したオイルと結びついて異常燃焼の発生原因となるのを抑制するうえで、好適な一手法であるといえる。

また、燃料噴射の分割回数を少なくする際には、以下のような態様で減少対象となる燃料噴射を決定するようにしてもよい。すなわち、例えば、吸気行程の初期に設定された１または複数の燃料噴射を停止するようにしてもよい。例えば、３回の燃料噴射を行う図２に示す例において分割回数を２回に減らす場合であれば、吸気行程の初期に行われる１回目の吸気行程噴射を停止するようにする。直噴インジェクタ１６によって吸気行程の初期に燃料噴射が行われると、噴射された燃料が吸気側のシリンダボアに付着し易くなる。このため、そのようなタイミングでの燃料噴射を停止することは、燃料噴射の分割回数を少なくする際に粒径の大きな燃料噴霧が吸気側のシリンダボア上に付着したオイルと結びついて異常燃焼の発生原因となるのを抑制するうえで、好適な一手法であるといえる。

また、上述した実施の形態１においては、ターボ過給機２６を備える内燃機関１０を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明の適用対象となる内燃機関は、必ずしも、ターボ過給機２６等の過給機を備えたものに限られず、自然吸気型の内燃機関であってもよい。ただし、過給機付き内燃機関の方が低回転高負荷領域において異常燃焼が発生し易くなる。従って、本発明による効果は、本発明を過給機付き内燃機関に適用した場合により顕著なものとなる。

また、上述した実施の形態１においては、筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ１６を備える内燃機関１０を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明の適用対象となる燃料噴射弁は、必ずしも直噴インジェクタ１６に限られない。すなわち、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射式燃料噴射弁を利用して、２回以上の分割回数で吸気行程噴射を行うものであってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、直噴インジェクタ１６が前記第１の発明における「燃料噴射弁」に相当している。また、ＥＣＵ３２が、上記ステップ１００の判定を実行することにより前記第１の発明における「異常燃焼判定手段」が、上記ステップ１００および１０２の判定が成立した場合に上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「異常燃焼時燃料噴射制御手段」が、それぞれ実現されている。

１０内燃機関
１２吸気通路
１４排気通路
１６直噴インジェクタ
１８高圧ポンプ
２０点火プラグ
２４エアフローメータ
２６ターボ過給機
２６ａコンプレッサ
２６ｂタービン
３０スロットルバルブ
３２ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
３４クランク角センサ
３６ノックセンサ

Claims

内燃機関の１サイクル中に、吸気行程および圧縮行程のうちの少なくとも一方を利用して任意の分割回数に分けて燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、
前記内燃機関の異常燃焼の発生を検知もしくは予測する異常燃焼判定手段と、
前記異常燃焼判定手段により前記異常燃焼の発生が検知もしくは予測された場合に、当該異常燃焼の発生が検知もしくは予測されない場合と比べて燃料噴射の分割回数を少なくする異常燃焼時燃料噴射制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記異常燃焼時燃料噴射制御手段は、前記異常燃焼判定手段により前記異常燃焼の発生が検知もしくは予測された場合に、燃料噴射の分割を禁止するものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
前記異常燃焼時燃料噴射制御手段は、燃料噴射の分割回数を少なくする際に、燃料噴射時期が遅い順で１または複数の燃料噴射を停止することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
前記異常燃焼時燃料噴射制御手段は、燃料噴射の分割回数を少なくする際に、吸気下死点に近い燃料噴射を停止することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
前記異常燃焼時燃料噴射制御手段は、燃料噴射の分割回数を少なくする際に、吸気行程の初期に設定された１または複数の燃料噴射を停止することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
前記内燃機関は、過給機付き内燃機関であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか1項記載の内燃機関の制御装置。