JP2023121268A - 内燃機関の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態に応じて、最適な燃料噴射を実行できる内燃機関の制御システムを提供する。
【解決手段】内燃機関の制御システムは、前記内燃機関の第１気筒に接続される吸気ポートと、前記吸気ポートに配置され、前記第１気筒と前記吸気ポートの接続部に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記内燃機関を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記燃料噴射弁を一段噴射させる第１制御と、前記燃料噴射弁を多段噴射する第２制御と、を切り替える。
【選択図】 図１

Description

本開示は、内燃機関の制御システムに関する。

従来、吸気ポートに燃料を噴射する内燃機関の制御システムが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。このような、吸気ポートに燃料を噴射するシステムとしては、吸気ポート内で混合気を形成するポートインジェクション方式と、吸気ポートから気筒内に向けて燃料を直接噴射するセミダイレクトインジェクション方式と、が知られている。特許文献１および特許文献２は、セミダイレクトインジェクション方式の内燃機関の制御システムを開示している。

特開２０２０－１３９４１０号公報 特開２０２１－３２１３１号公報

特許文献１は、内燃機関のエミッションに着目し、吸気行程から排気行程までの一サイクル中に２つの燃料噴射弁のいずれか一方を噴射する内燃機関の制御システムを開示する。特許文献２は、触媒の早期暖機に着目し、２つの燃料噴射弁のうちいずれか一方を噴射する内燃機関の制御システムを開示する。しかし、特許文献１および特許文献２は、内燃機関の運転状態に応じて燃料噴射弁にどのように燃料を噴射させるかについて開示していない。

本開示の課題は、内燃機関の運転状態に応じて、最適な燃料噴射を実行できる内燃機関の制御システムを提供することにある。

本開示に係る内燃機関の制御システムは、前記内燃機関の第１気筒に接続される吸気ポートと、前記吸気ポートに配置され、前記第１気筒と前記吸気ポートの接続部に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記内燃機関を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記燃料噴射弁を一段噴射させる第１制御と、前記燃料噴射弁を多段噴射する第２制御と、を切り替える。

この内燃機関の制御システムによれば、内燃機関の運転状態に応じて一段噴射と、多段噴射とを切り替えることによって、内燃機関の運転領域に応じた最適な燃料噴射を実行できる。これによって、この内燃機関の制御システムは、内燃機関の運転状態に応じて、出力、エミッションなどを最適にできる。この結果、この内燃機関の制御システムによれば、内燃機関の最適な運転ができる。

本開示によれば、内燃機関の運転状態に応じて、最適な燃料噴射を実行できる内燃機関の制御システムを提供できる。

本開示の実施形態による内燃機関の制御システムのシステム図。 本開示の実施形態による内燃機関の図。 本開示の実施形態による内燃機関の気筒の拡大図。 本開示の実施形態による内燃機関の運転領域を示す図。 本開示の実施形態による燃料噴射タイミングと噴射期間を示す図。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下明細書において吸気、または排気の流れる方向に対して上流側を上流と明細書に記し、下流側を下流と明細書に記す。

図１および図２に示すように、内燃機関２の制御システム１は、複数の吸気ポート４と、複数の排気ポート５と、複数の燃料噴射弁６と、複数の吸気バルブ８と、吸気バルブタイミング可変装置９と、複数の排気バルブ１２と、排気バルブタイミング可変装置１３と、制御装置２０と、を備える。本実施形態の内燃機関２は、複数の気筒１１（第１気筒の一例）が直列に配置された直列型の内燃機関２である。しかし、気筒１１の配置および数は、変更可能である。具体的には、内燃機関２は、気筒１１がＶ型、または水平対向型に配置されてもよい。また、気筒１１の数は、１から１２個程度あってもよい。また、本実施形態の内燃機関２は、混合気に点火プラグ１０によって点火するガソリンエンジンである。

本実施形態の内燃機関２は、過給機１４と、吸気マニホールド１７と、エアクリーナ２１と、を有し、エアクリーナ２１から吸い込まれた吸気が過給機１４のコンプレッサ１４ａによって過給される。過給された吸気はインタークーラ１５によって冷却され、吸気マニホールド１７を介して吸気ポート４に供給される。また、内燃機関２は、排気バルブ１６と、排気浄化触媒１８と、を有し、過給機１４のタービン１４ｂを介して排気浄化触媒１８に排気が供給される。しかし、内燃機関２は、過給機１４などを有さない内燃機関２であってもよい。

図２および図３に示すように、吸気ポート４は、４つの気筒１１のそれぞれに接続される。吸気ポート４は、シリンダヘッド２ａに設けられる。吸気ポート４は、シリンダヘッド２ａによって形成されたポート壁２ｂによって分岐される第１吸気ポート４ａと、第２吸気ポート４ｂと、を有する。第１吸気ポート４ａと、第２吸気ポート４ｂと、は気筒１１の配列方向に隣り合って配置され、同じ気筒１１につながる。吸気バルブ８は、第１吸気バルブ８ａと、第２吸気バルブ８ｂと、を有する。第１吸気ポート４ａは、気筒１１と接続するポート出口（接続部の一例）が第１吸気バルブ８ａによって開閉される。第２吸気ポート４ｂは、第１吸気ポート４ａと同様に、気筒１１と接続するポート出口が第２吸気バルブ８ｂによって開閉される。

排気ポート５は、４つの気筒１１のそれぞれに接続される。排気ポート５は、シリンダヘッド２ａに設けられる。排気ポート５は、シリンダヘッド２ａによって形成されたポート壁２ｄによって分岐される第１排気ポート５ａと、第２排気ポート５ｂと、を有する。第１排気ポート５ａと第２排気ポート５ｂは、気筒１１の配列方向に隣り合って配置され、同じ気筒１１につながる。排気バルブ１２は、第１排気バルブ１２ａと、第２排気バルブ１２ｂと、を有する。第１排気ポート５ａは、気筒１１と接続するポート入口（接続部の一例）が第１排気バルブ１２ａによって開閉される。第２排気ポート５ｂは、第１排気ポート５ａと同様に、気筒１１と接続するポート入口が第２排気バルブ１２ｂによって開閉される。

吸気バルブ８は、吸気カム８ｃによって駆動される。吸気カム８ｃは、吸気バルブタイミング可変装置９によって吸気カム８ｃの位相を変更することが可能である。排気バルブ１２は、排気カム１２ｃによって駆動される。排気カム１２ｃは、排気バルブタイミング可変装置１３によって排気カム１２ｃの位相を変更することが可能である。吸気バルブタイミング可変装置９および排気バルブタイミング可変装置１３は、制御装置２０に電気的に接続される。吸気バルブタイミング可変装置９および排気バルブタイミング可変装置１３は、制御装置２０によって吸気カム８ｃの位相および排気カム１２ｃの位相がそれぞれ制御される。

燃料噴射弁６は、第１燃料噴射弁６ａと、第２燃料噴射弁６ｂと、を有する。燃料噴射弁６は、第１吸気ポート４ａ、および第２吸気ポート４ｂのそれぞれに配置される。具体的には、図３に示すように、第１吸気ポート４ａには第１燃料噴射弁６ａが配置され、第２吸気ポート４ｂには第２燃料噴射弁６ｂが配置される。図１に示すように、燃料噴射弁６は、デリバリーパイプ６ｃから燃料が供給される。第１燃料噴射弁６ａおよび第２燃料噴射弁６ｂは、それぞれ制御装置２０と電気的に接続され、制御装置２０によって燃料噴射期間および燃料噴射タイミングが制御される。

図３に示すように、第１燃料噴射弁６ａは、燃料を噴射する噴孔がポート壁２ｂの上流側端部２ｃよりも、気筒１１側に配置される。第１燃料噴射弁６ａは、第１吸気バルブ８ａが開弁時に燃料を気筒１１に向かって噴射する。第２燃料噴射弁６ｂは、第１燃料噴射弁６ａと同様に、燃料を噴射する噴孔がポート壁２ｂの上流側端部２ｃよりも、気筒１１側に配置される。第２燃料噴射弁６ｂは、第２吸気バルブ８ｂが開弁時に燃料を気筒１１に向かって噴射する。すなわち、本実施形態の内燃機関２は、第１吸気ポート４ａおよび第２吸気ポート４ｂに混合気を形成するとともに、気筒１１にも燃料を噴射可能なセミダイレクトインジェクション方式の内燃機関２である。

制御装置２０は、アクセルペダル３０に取り付けられたアクセルポジションセンサ３０ａからアクセル開度Ｔｈを検知し、アクセル開度Ｔｈに応じて、内燃機関２を制御する装置である。本実施形態では、制御装置２０は、内燃機関２の運転状態に応じて、第１燃料噴射弁６ａおよび第２燃料噴射弁６ｂを制御し、燃料噴射タイミングと、燃料噴射期間を制御する。具体的には、制御装置２０は、内燃機関２の運転状態に応じて第１燃料噴射弁６ａおよび第２燃料噴射弁６ｂを制御する。制御装置２０は、第１制御と第２制御とで第１燃料噴射弁６ａ及び第２燃料噴射弁を制御する。第１制御は、第１燃料噴射弁６ａおよび第２燃料噴射弁６ｂの少なくともいずれか一方を一段噴射させる制御である。第２制御は、第１燃料噴射弁６ａおよび第２燃料噴射弁６ｂの少なくともいずれか一方を多段噴射させる制御である。制御装置２０は、第１制御と第２制御とを切り替える制御を実行する。また、制御装置２０は、運転状態に応じて、吸気カム８ｃおよび排気カム１２ｃの位相を変更することによって、吸気バルブ８および排気バルブ１２のバルブ開閉タイミングを制御する。

また、制御装置２０は、エアフロセンサ２２、およびアクセルポジションセンサ３０ａなどのセンサから取得した値に基づいて、内燃機関２が所望の運転状態となるように、スロットルバルブ２４、過給機１４の過給圧、などの各装置の制御を実行してもよい。制御装置２０は、実際には、演算装置と、メモリと、入出力バッファ等とを含むマイクロコンピュータによって構成されるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒоｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置２０は、メモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、内燃機関２が、所望の運転状態となるように各装置を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。

次に、図４および図５を用いて、制御装置２０が実行する制御について説明する。なお、図５のバルブタイミングのグラフは、膨張行程から圧縮行程までの吸気バルブ８および排気バルブ１２のバルブリフト量（縦軸）と、バルブ開閉タイミングと、を示すグラフである。領域Ａのグラフは、後述する内燃機関２の運転領域の領域Ａにおける燃料噴射タイミング、噴射期間、および燃料噴射量（縦軸）を示すグラフである。同様に、領域Ｂのグラフは、内燃機関２の運転領域の領域Ｂにおける燃料噴射タイミング、噴射期間、および燃料噴射量（縦軸）を示すグラフである。領域Ｃのグラフは、内燃機関２の運転領域の領域Ｃにおける燃料噴射タイミング、噴射期間、および燃料噴射量（縦軸）を示すグラフである。

図４に示すように、制御装置２０は、内燃機関２の運転領域（運転状態の一例）を例えば３つの領域に分けて制御する。領域Ａは、内燃機関２の回転数が所定回転数より低い低回転から中回転の領域（第１回転領域の一例）であり、内燃機関２の出力またはトルク（負荷）が、所定出力または所定トルク（負荷）よりも高い中負荷から高負荷の領域（第２負荷領域の一例）である運転領域である。所定回転数は、例えば、内燃機関２の最高回転数の半分付近の回転数であってもよい。所定出力は、例えば、内燃機関２の最大トルク（負荷）の半分付近の出力であってもよい。所定トルク（負荷）は、例えば、内燃機関２の最大トルク（負荷）の半分付近の負荷であってもよい。領域Ｂは、領域Ａよりも負荷が低い領域（第１負荷領域の一例）である運転領域である。領域Ｃは、領域Ａよりも内燃機関２の回転数（エンジン回転数）が高い領域（第２回転領域の一例）である。

図４の領域Ａにおいて、制御装置２０は、排気バルブ１２の閉弁タイミングと、吸気バルブ８の開弁タイミングと、を重ねるバルブオーバーラップ制御を実行する。これによって、慣性過給による充填効率の向上が見込まれる。一方で、本実施形態のように過給機１４によって過給される場合、吸気マニホールド１７の圧力が正圧になる。

本実施形態のセミダイレクトインジェクション方式の内燃機関２の場合、このような領域Ａでは、（１）バルブオーバーラップ制御による第１吸気ポート４ａおよび第２吸気ポート４ｂに形成した混合気が排気ポート５に吹き抜けること、および、（２）吸気マニホールド１７が正圧になることよる第１吸気ポート４ａおよび第２吸気ポート４ｂに対する燃料の付着すること、に配慮することが好ましい。（１）は、気筒１１内に直接燃料を供給する吸気行程における燃料噴射において配慮することが好ましい。（２）は、吸気ポート４内に混合気を形成する排気行程における燃料噴射において配慮することが好ましい。

このため、領域Ａにおいて、制御装置２０は、燃料噴射弁６を多段噴射する第２制御を実行する。より具体的には、図５に示すように、領域Ａにおける第２制御は、排気行程において第１燃料噴射弁６ａおよび第２燃料噴射弁６ｂによって一段目の燃料噴射（第１噴射の一例）を実行し、混合気を形成する。その後、吸気行程において第１燃料噴射弁６ａおよび第２燃料噴射弁６ｂによって二段目の燃料噴射（第２噴射の一例）を実行する。

ここで、二段目の燃料噴射の噴射量が一段目の燃料噴射の噴射量よりも多い。これによって、排気行程における燃料噴射が第１吸気ポート４ａおよび第２吸気ポート４ｂに付着することを抑制する。

また、図５に示すように、制御装置２０は、バルブオーバーラップがない状態、すなわち排気バルブ１２が閉弁状態（第１排気バルブ１２ａおよび第２排気バルブ１２ｂともに閉弁した状態）において、二段目の燃料噴射を実行する。これによって、吸気行程において噴射した燃料が排気ポート５に吹き抜けることを抑制できる。

図４の領域Ｂにおいて、制御装置２０は、バルブオーバーラップ制御は実行しない。また、このような低負荷の領域では、過給機１４による過給もない。このため、吸気マニホールド１７の圧力は負圧であり、燃料噴射量も少ない。

本実施形態のセミダイレクトインジェクション方式の内燃機関２の場合、このような領域Ｂでは、（３）第１燃料噴射弁６ａおよび第２燃料噴射弁６ｂのダイナミックレンジ（流量特性）に配慮することが好ましい。

このため、領域Ｂにおいて制御装置２０は、排気行程から吸気行程にかけて燃料噴射弁６を一段噴射する第１制御を実行する。より具体的には、図５の領域Ｂに示すように、排気行程から吸気行程にかけて一段で燃料噴射を実行する。これによって、１回の噴射における燃料噴射量を、多段噴射に比べて増量することができる。この結果、第１燃料噴射弁６aおよび第２燃料噴射弁６ｂの燃料噴射量が、流量特性下限（ダイナミックレンジ下限）を下回ることを抑制できる。なお、制御装置２０は、領域Ｂにおいて燃料噴射量がダイナミックレンジ下限に近付いた場合、第１燃料噴射弁６ａ、または第２燃料噴射弁６ｂのいずれか一方によって燃料噴射を実行してもよい。

図４の領域Ｃにおいて制御装置２０は、バルブオーバーラップ制御は実行しない。しかし、過給機１４による過給圧が高い領域である。このため、吸気マニホールド１７の圧力は正圧である。

本実施形態のセミダイレクトインジェクション方式の内燃機関２の場合、このような領域Ｂでは、（４）燃料気化熱による気筒１１の冷却に配慮することが好ましい。

このため、領域Ｃにおいて制御装置２０は、吸気行程において燃料噴射弁６を一段噴射する第１制御を実行する。より具体的には、図５の領域Ｃに示すように、吸気行程において一段で燃料噴射を実行する。これによって、一段で噴射する燃料噴射量が多く、高い燃料圧力による噴霧の貫徹力が強くなる。このため、第１吸気ポート４ａおよび第２吸気ポート４ｂに燃料が付着し難くなる。この結果、気筒１１に入る燃料量も多くなり、燃料気化熱による気筒１１の冷却効果が発生しやすい。

このように構成した内燃機関２の制御システム１では、例えば、アクセルペダル３０が踏み込まれた（例えば、アクセル開度Ｔｈが８０％以上の）状況において、制御装置２０は、領域Ａにおいて第２制御を実行し、領域Ｃに遷移すると第１制御に切り替える。一方、例えば、アクセルペダル３０が緩やかに踏まれた（例えば、アクセル開度Ｔｈが３０％未満の）状況において、制御装置２０は、領域Ｂ（第１負荷領域）において第１制御を実行する。このように制御装置２０は、セミダイレクトインジェクション方式の内燃機関２として運転状況に応じて最適な燃料噴射を実行する。これによって、内燃機関２の出力性能の向上、エミッションの低減、燃費の向上が可能である。

以上説明した通り、本開示によれば、内燃機関２の運転状態に応じて、最適な燃料噴射を実行できる内燃機関２の制御システム１を提供できる。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。例えば、外部充電又は外部給電が可能なプラグインハイブリッド車両（ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）に適用してもよい。

（ａ）上記実施形態では、第１吸気ポート４ａおよび第２吸気ポート４ｂのそれぞれに第１燃料噴射弁６ａおよび第２燃料噴射弁６ｂを配置する例を用いて説明したが、本開示はこれに限定されない。燃料噴射弁６は、吸気ポート４と気筒１１の接続部に噴射できる配置であれば、吸気ポートの形状にあわせてどのように配置してもよい。

（ｂ）上記実施形態では、領域Ａにおける第２制御について、一段目および二段目の２回の燃料噴射を例に説明したが、本開示はこれに限定されるものではない。一段目をさらに複数の燃料噴射に分割してもよい。二段目も同様である。

１ ：制御システム
２ ：内燃機関
４ ：吸気ポート
６ ：燃料噴射弁
１１ ：気筒
２０ ：制御装置

Claims (7)

1. 内燃機関の制御システムであって、
   前記内燃機関の第１気筒に接続される吸気ポートと、
   前記吸気ポートに配置され、前記第１気筒と前記吸気ポートの接続部に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記内燃機関を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記内燃機関の運転状態に応じて前記燃料噴射弁を一段噴射させる第１制御と、前記燃料噴射弁を多段噴射する第２制御と、を切り替える、
   内燃機関の制御システム。
2. 前記制御装置は、前記内燃機関の回転数が所定回転数より低い第１回転領域と、前記第１回転領域よりも前記内燃機関の回転数が高い第２回転領域と、において前記内燃機関を制御し、前記内燃機関を前記第１回転領域で制御している場合に前記第２制御を実行する、
   請求項１に記載の内燃機関の制御システム。
3. 前記制御装置は、前記内燃機関の回転数が所定回転数より低い第１回転領域と、前記第１回転領域よりも前記内燃機関の回転数が高い第２回転領域と、において前記内燃機関を制御し、前記内燃機関を前記第２回転領域で制御している場合に前記第１制御を実行する、
   請求項１または２に記載の内燃機関の制御システム。
4. 前記制御装置は、前記内燃機関の出力が所定出力より低い第１負荷領域と、前記第１負荷領域よりも前記内燃機関の負荷が高い第２負荷領域と、において前記内燃機関を制御し、前記第２負荷領域で前記内燃機関を制御している場合に前記第１制御と前記第２制御との切り替えを実行し、前記第１負荷領域で前記内燃機関を制御している場合に、前記第１回転領域および前記第２回転領域において前記第１制御を実行する、
   請求項２または３に記載の内燃機関の制御システム。
5. 前記制御装置は、前記第１負荷領域において前記第１制御を実行する場合に前記内燃機関の排気行程から吸気行程にかけて燃料を噴射する、
   請求項４に記載の内燃機関の制御システム。
6. 前記制御装置は、前記第２制御を実行する場合に前記内燃機関の排気行程に前記燃料を噴射する第１噴射と、前記内燃機関の吸気行程に前記燃料を噴射する第２噴射と、を実行する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関の制御システム。
7. 前記第２噴射の噴射量が、前記第１噴射の噴射量よりも多い、
   請求項６に記載の内燃機関の制御システム。