JP2008031991A - 筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 触媒の早期昇温が要求される冷間始動時等に、点火時期を圧縮上死点後に設定するとともに、点火時期前でかつ圧縮上死点後に燃料を噴射する超リタード燃焼を行う。この超リタード燃焼以外でのアイドル運転時には、機関回転速度が目標アイドル回転速度と一致するように、スロットル開度をフィードバック制御する第1ISC制御を行う(S14)。一方、超リタード燃焼を行っている場合は、補機負荷の増加等に応じて吸入空気量を増加すると触媒の熱的損傷が懸念されるので、スロットル開度の開き側の制御を禁止して、点火時期を進角させる第2ISC制御を行う(S15)。
【選択図】 図3
Description
ここで、前記触媒昇温時以外のアイドル運転時には、第1のアイドル回転速度制御手段により、前記スロットル弁のスロットル開度を調整して、機関回転速度を目標アイドル回転速度にフィードバック制御する。一方、触媒昇温時におけるアイドル運転時には、第1のアイドル回転速度制御手段のように補機負荷の増加等に応じて燃料噴射量や吸入空気量を増加させると、内燃機関の燃焼量が更に増加して排気温度が更に高くなってしまう。そして、この超リタード燃焼時の更なる燃焼量の増加は触媒にダメージを与えるおそれがある。そこで、前記触媒昇温時でのアイドル運転時には、前記第1のアイドル回転速度制御手段のように機関回転速度を目標アイドル回転速度へフィードバック制御するためにスロットル開度を開き側へ調整することを禁止して、第2のアイドル回転速度制御手段により、点火時期を調整して機関回転速度を目標アイドル回転速度にフィードバック制御する。
さらに、上流側の空燃比センサ11と並んで、触媒コンバータ10入口側での排気温度を検出する排気温度センサ13が設けられている。更に本実施形態では、触媒コンバータ10の温度状態を検出するために、該触媒コンバータ10のモノリス型セラミックス触媒担体の長手方向中央部に配置された触媒温度センサ31と、触媒コンバータ10の出口部に配置された触媒出口温度センサ32と、を備えている。
通常の成層燃焼運転では、圧縮行程の適宜な時期に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前の時期に点火が行われる。燃料噴霧は点火プラグ14近傍に層状に集められ、これにより、空燃比を30〜40程度とした極リーンの成層燃焼が実現される。また、通常の均質燃焼運転では、吸気行程中に燃料噴射が行われ、かつ圧縮上死点前のMBT点近傍において点火が行われる。この場合は、燃料は筒内で均質な混合気となる。この均質燃焼運転としては、運転条件に応じて、空燃比を理論空燃比とした均質ストイキ燃焼と、空燃比を20〜30程度のリーンとした均質リーン燃焼と、がある。
このとき、燃料噴射時期・点火時期をリタードさせると燃焼効率が悪化するために通常の燃料噴射時期・点火時期に比してトルクが小さくなる。そこで、このトルクの減少を吸入空気量を増加させて燃料噴射量を増量することで補償している。この吸入空気量の増加は、電子制御スロットル弁7を制御することにより行われ、吸入空気量の増加に応じて燃料噴射量が増量される。
超リタード燃焼の実行条件が成立すると実際の制御は次のように行われる。まず、燃料噴射時期と点火時期の燃焼安定性が許容されるリタード限界に設定した場合のトルク低下を補償するスロットル開度を設定する。このスロットル開度は機関回転速度と負荷のマップにより設定されており、燃料噴射時期と点火時期を燃焼安定性が許容されるリタード限界に設定した際に機関回転速度を目標アイドル回転速度に維持できる開度である。そして、スロットル開度を上記のように設定すると、スロットル開度の変更による空気の応答遅れを考慮して燃料噴射時期と点火時期とを燃焼安定性が許容されるリタード限界へ設定する。
この超リタード燃焼の燃料噴射時期および点火時期を図2に基づいて説明する。図2は、超リタード燃焼の3つの実施例を示しており、実施例1では、点火時期を15°〜30°ATDC(例えば20°ATDC)とし、燃料噴射時期(詳しくは燃料噴射開始時期)を、圧縮上死点以降でかつ点火時期前に設定する。なお、このとき、空燃比は、理論空燃比ないしはこれよりも若干リーン(16〜17程度)に設定される。
一方、上記の超リタード燃焼時つまり触媒昇温時のアイドル運転時においては、排気ガス温度が通常のアイドル運転時に比して非常に高くなるように制御するので、例えば、機関回転速度が目標アイドル回転速度よりも小さくなったときに、スロットル開度を開き側に補正して吸入空気量を増加させてしまうと、元々触媒コンバータ10の早期昇温のために高くしている排気温度がより高くなってしまう。すると、触媒コンバータ10が上流側から高くなった排気ガスの熱により急速に加熱され、触媒コンバータ10の熱歪や過度の温度上昇の懸念がある。
そのため、本実施形態では、図3に示すフローチャートの処理により、超リタード燃焼が行われているか否かに応じてアイドル回転速度制御の制御方法を切り換えている。なお、触媒昇温時におけるアイドル運転時で行われるアイドル回転速度制御を第2ISC制御と呼ぶ。
この図3は、上記のコントロールユニット25により所定期間毎(所定クランク角あるいは所定時間毎)に繰り返し実行される制御内容を示すフローチャートである。先ず、ステップS11では、アイドル回転速度制御の実行条件が成立するかが判定される。このアイドル回転速度制御の実行条件は、アイドルスイッチ信号がONで、かつ、アクセルペダルが略踏み込まれていないとき成立する。尚、アイドルスイッチは、電子制御スロットル弁7の開度が全閉付近でONとなるスイッチである。また、アイドル回転速度制御の実行条件を、例えば、車速が実質的に0(ゼロ)等の条件に基づいて成立させても良い。なお、このアイドルスイッチ信号は、必ずしも物理的なスイッチでなくともよく、例えばアクセル開度センサ23の検出信号から生成されても良い。
第1ISC制御については、図4を用いて説明する。図4は、エンジン始動からアイドル運転での点火時期やスロットル開度の制御状態を示すタイムチャートである。まず、スタータスイッチがONとなると(T0)、スタータによるクランキングが開始されてエンジンが完爆する(T2)。そして完爆後からに機関回転速度rNeがオーバーシュートしている期間(T2〜T3)では、機関回転速度rNeを目標アイドル回転速度INeへ向けて低下させるために、スロットル開度を徐々に小さくする。そして、機関回転速度rNeが目標アイドル回転速度tINe付近まで低下すると(T3)、機関回転速度rNeが目標アイドル回転速度tINeに一致するようにスロットル開度と点火時期とをフィードバック制御する。このフィードバック制御は周知のように例えばPI制御を用いて行われる。尚、燃料噴射量の制御はスロットル開度が開き側に制御された場合は、吸入空気量の増加に応じて増量されるようになっている。
そして、エンジン始動から所定期間を経過した時点T4で、オルタネータ等の補機負荷が加わると、機関回転速度rNeが低下する。すると、低下した機関回転速度rNEを目標アイドル回転速度tINeへフィードバックするために、スロットル開度を開き側に制御することにより吸入空気量を増加するのとともに、点火時期が一時的に進角することでトルクを上昇させる。このように、超リタード燃焼が実行されていないときに実行する第1ISC制御では、点火時期とスロットル開度、燃料噴射量を制御して目標アイドル回転速度へのフィードバック制御を行っている。
ここで、図2のフローチャートの説明に戻る。ステップS13において、例えば冷機始動時のように触媒コンバータ10を速やかに活性化すべき状態、つまり超リタード燃焼が実行される場合には、ステップS15へ進み、第1ISC制御とは異なる第2ISC制御が行われる。
本実施形態における第2ISC制御では、図5に示す期間T2〜T3のように、スロットル開度は、クランキング時に設定されている開度から、超リタード燃焼中に機関回転速度rNeを目標アイドル回転速度tINeに維持する開度に向けて徐々に低下する。この間、スロットル開度の低下に伴って吸入空気量が低減される。機関回転速度rNeが目標アイドル回転速度rINe付近まで低下した時点T3以降のスロットル開度は、超リタード燃焼時のマップにより設定される。この時のスロットル開度は、超リタード燃焼によるトルク低下を補償する開度であり、第1ISC制御で設定されるスロットル開度に比べて大きい開度に設定されている。但し、触媒昇温時におけるアイドル運転時では、主として点火時期を調整することで、機関回転速度を目標アイドル回転速度へ向けてフィードバック制御しており、例えば補機負荷が付与された後(T4〜)のように、機関回転速度rNeが目標アイドル回転速度tINeより低下した場合には、補記負荷の入力による機関回転速度の低下を補償するためにスロットル開度を開き側に制御することを禁止している。
前述の通り、超リタード燃焼時のスロットル開度は、機関回転速度と負荷のマップにより設定されており、燃料噴射時期と点火時期を燃焼安定性が許容されるリタード限界に設定した際に機関回転速度rNeを目標アイドル回転速度tINeに維持できる開度である。
このように設定されるスロットル開度に対し、第2ISC制御は、補機負荷の入力に伴い機関回転速度rNeが低下しても、第1ISC制御のように開き側に補正することを禁止する。そして、超リタード燃焼での設定点火時期を進角させることにより補機負荷により落ち込んだ機関回転速度rNeを目標アイドル回転速度tINeに復帰させる。
超リタード燃焼は点火プラグ周りに濃い燃料混合気を集めるために点火時期の直前に燃料噴射を行っているため、点火時期の進角に応じて燃料噴射時期を進角させる。具体的には、燃料噴射時期と点火時期との間を略一定の期間αを確保するように、点火時期の進角(あるいは遅角)と同期して燃料噴射時期を進角(あるいは遅角)させる。
このような超リタード燃焼の実行中に、補機負荷の付与等に起因して機関回転速度rNeが低下した場合に、吸入空気量を増加させると、これに伴って燃料噴射量が増加し、その燃焼による熱量が増大してしまう。前述したとおり、超リタード燃焼時は触媒コンバータ10にとって熱的に厳しい環境なので、補機負荷に起因して燃焼による熱量が高くなってしまうと、熱的損傷ないし劣化を生じる懸念がある。
そこで本実施形態では、超リタード燃焼を行う場合は、第1ISC制御に変えて第2ISC制御を行っているのである。第2ISC制御では、機関回転速度が目標アイドル回転速度よりも低い場合に、点火時期の進角と、これに伴う燃料噴射時期の進角によってトルクを上昇させるので、吸入空気量を増加させる第1ISC制御に比して、燃焼による熱量の増加を抑制してトルクを増加させることができるので、触媒コンバータ10を過度に昇温することを抑制できる。
尚、超リタード燃焼では、点火時期が既にMBT(minimum advance for best torque:最適点火時期)点に対して大幅に遅角しているために、通常燃焼に比して、点火時期の進角化によるトルク向上効果が高い。このため、スロットル開度を制御せずとも、点火時期の進角によって機関回転速度の落ち込みを速やかに目標アイドル回転速度に復帰させることができる。
尚、超リタード燃焼では、点火時期が既に大幅に遅角されているために、点火時期の更なる遅角化が困難であり、また、点火時期の遅角化によるトルク感度が低い。そこで第2ISC制御では、機関回転速度rNeを目標アイドル回転速度tINeへ向けて低下させる時には、第1ISC制御と同様にスロットル開度により吸入空気量を低下させる。一方、機関回転速度rNeを目標アイドル回転速度tINeへ向けて上昇させる時には、吸入空気量を増大することなく、点火時期を進角させると共に燃料噴射時期を進角させる。つまり、第2ISC制御では、機関回転速度が目標アイドル回転速度よりも高い場合には、機関回転速度と目標アイドル回転速度との偏差に応じてスロットル開度を低下側・閉じ側に調整し、機関回転速度が目標アイドル回転速度よりも低い場合には、スロットル開度の増加を禁止し、機関回転速度と目標アイドル回転速度との偏差に応じて点火時期を進角側に調整するようになっている。これによって、超リタード燃焼時であっても、触媒コンバータ10への熱的な影響を抑制して、目標アイドル回転速度tINeへの制御を応答性良く行うことができる。
例えば、上記第2ISC制御においては、機関回転速度rNeの上昇・低下にかかわらず、点火時期と燃料噴射時期のみを制御するようにしても良い。また、エンジンとモータを併用するハイブリッド車両等においては、超リタード燃焼時のトルクの低下を、モータによるトルクにて補償しも良い。
3…燃焼室
10…触媒コンバータ
13…排気温度センサ
14…点火プラグ
15…燃料噴射弁
25…コントロールユニット
Claims (8)
- 吸気通路に設けられて燃焼室への吸入空気量を調整するスロットル弁と、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、排気通路に設けられる触媒と、を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置において、
前記触媒の昇温が要求される触媒昇温時に、燃料噴射時期と点火時期を圧縮上死点後に設定して排気温度を上昇させる触媒昇温手段と、
前記触媒昇温時以外のアイドル運転時に、前記スロットル弁のスロットル開度を調整して、機関回転速度を目標アイドル回転速度にフィードバック制御する第1のアイドル回転速度制御手段と、
前記触媒昇温時におけるアイドル運転時に、前記スロットル弁の開き側の調整を禁止して点火時期を調整し、機関回転速度を目標アイドル回転速度にフィードバック制御する第2のアイドル回転速度制御手段と、
を備えることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。 - 前記第2のアイドル回転速度制御手段は、前記点火時期の進角に応じて燃料噴射時期を進角させることを特徴とする請求項1に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
- 前記第2のアイドル回転速度制御手段は、点火時期の進角量を前記触媒昇温時の燃焼安定性に基づいて制限することを特徴とする請求項1又は2のいずれか一方に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
- 前記第2のアイドル回転速度制御手段は、点火時期の進角量が前記燃焼安定性に基づいて設定される制限値を越える場合、前記触媒昇温手段による排気温度の上昇を中止することを特徴とする請求項3に記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
- 前記第2のアイドル回転速度制御手段は、機関回転速度が目標アイドル回転速度よりも高い場合には、機関回転速度と目標アイドル回転速度との偏差に応じてスロットル開度を調整し、機関回転速度が目標アイドル回転速度よりも低い場合には、機関回転速度と目標アイドル回転速度との偏差に応じて点火時期を調整することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御装置を備えることを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関。
- 吸気通路に設けられて燃焼室への吸入空気量を調整するスロットル弁と、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火プラグと、排気通路に設けられる触媒と、を備えた筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御方法において、
触媒の昇温が要求される触媒昇温時には、燃料噴射時期と点火時期を圧縮上死点後に設定して排気温度を上昇させ、
前記触媒昇温時以外でのアイドル運転中には、機関回転速度が目標アイドル回転速度に一致するようにスロットル開度を調整する一方、
前記触媒昇温時でのアイドル運転中には、機関回転速度が目標アイドル回転速度に一致するように、点火時期を調整することを特徴とする筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御方法。 - 前記触媒昇温時でのアイドル運転中には、前記触媒昇温時以外でのアイドル運転中に比して、スロットル開度を大きく設定することを特徴とする請求項7記載の筒内直接噴射式火花点火内燃機関の制御方法。
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