JP4231975B2

JP4231975B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4231975B2
Application number: JP2000010454A
Authority: JP
Inventors: 勝彦宮本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2000-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: JP2001200743A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の制御装置に係り、詳しくは、圧縮行程と膨張行程で燃料噴射を行う２段燃焼モードを有した筒内噴射型内燃機関の排気昇温技術に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
筒内噴射型内燃機関は、吸気行程のみならず圧縮行程において燃料を直接筒内に噴射可能に構成されており、これにより、空燃比を理論空燃比（値１４．７）よりも超希薄側、つまりリーン側の目標値（例えば、値２４）以上の超リーン空燃比に制御し、エンジンの燃費特性等を改善することが可能とされている。
【０００３】
そして、このような筒内噴射型内燃機関においても、従来の内燃機関のように、例えば冷態始動時には触媒コンバータを早期に活性化したいという要求がある。
そこで、筒内噴射型内燃機関において、例えば、燃料噴射を主燃焼の主噴射（主に圧縮行程噴射）と膨張行程における副噴射との２段噴射に分割し、当該副噴射により供給される燃料を未燃状態のまま排出させることで燃焼を排気通路内で生起させ、排気昇温させる２段燃焼技術が特開平１０−１５３１３８号公報等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このように筒内噴射型内燃機関において２段燃焼を行う場合、冷態始動時のように機関が低温状態にあるときには、排気昇温の要求が高く、主噴射の空燃比をできるだけ希薄にして余剰酸素を増やすとともに、副噴射による燃料噴射量をできるだけ増やすようにするのがよい。これにより排気エネルギが増大して効果的に排気系の昇温が達成される。
【０００５】
しかしながら、２段燃焼を行っているときに、オルタネータ等の補機をも内燃機関によって作動させていると、機関に要求される負荷が大きいために主噴射の燃料量を増やして機関出力を確保しなければならず、つまり主噴射の空燃比を濃くしてリーン度合いを小さくしなければならず、主燃焼に使用される空気量が増加し、余剰酸素量が低下するという問題がある。
【０００６】
このように余剰酸素量が低下すると、たとえ副噴射による燃料噴射量を増やしたとしても当該副噴射による燃焼が十分に生起されず、故に排気昇温の効果が低下して触媒コンバータの早期活性化が図れず好ましいことではない。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、筒内噴射型内燃機関において２段燃焼による排気昇温効果の向上を図った内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、請求項１の発明では、少なくとも冷態始動後のアイドル運転時に圧縮行程で主噴射を行い膨張行程で副噴射を行う２段燃焼モードを有した筒内噴射型内燃機関において、冷態始動後のアイドル運転時における２段燃焼モード時には、補機作動制限手段によって補機の作動が制限される。
【０００８】
つまり、筒内噴射型内燃機関において、冷態始動後のアイドル運転時において２段燃焼が実施される時には、オルタネータやエアコンコンプレッサ等の補機の作動が制限されて機関に要求される負荷が低下することになり、主噴射の燃料量が少なくてよくなり、主噴射の空燃比のリーン度合いが大きく保持される。
従って、主燃焼で使用される空気量が少なく抑えられ、余剰酸素量が十分に確保されることになり、膨張行程での副噴射の燃料量が増加して、排気系の昇温が効果的に達成される。
【０００９】
即ち、冷態始動後のアイドル運転時のように燃焼温度ひいては排気温度が高くないときにおいて、触媒コンバータの早期活性化が実現可能とされる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１を参照すると、車両に搭載された本発明に係る内燃機関の制御装置の概略構成図が示されており、以下図１に基づき本発明に係る制御装置の構成を説明する。
【００１１】
内燃機関（以下、単にエンジンという）１としては、ここでは筒内噴射型ガソリンエンジンが採用されている。この筒内噴射型のエンジン１は、燃料を直接筒内に供給可能とされており、要求負荷に応じて、均一燃焼を行う吸気行程での燃料噴射（吸気行程噴射モード）と成層燃焼を行う圧縮行程での燃料噴射（圧縮行程噴射モード）とに燃料噴射モードを切り換えて運転可能とされている。そして、当該筒内噴射型のエンジン１では、吸気行程噴射モードにおいて、理論空燃比（ストイキオ）やリッチ空燃比での運転、或いはリーン空燃比での運転が実現可能とされており、圧縮行程噴射モードにおいて、超リーン空燃比（例えば、値２４〜値５０）での運転が可能とされている。
【００１２】
さらに、当該筒内噴射型のエンジン１は、２段噴射、即ち圧縮行程において超リーン空燃比のもとで主燃焼のための主噴射を行うとともに膨張行程において副噴射を行う２段燃焼モードでの運転も可能とされており、当該２段燃焼モードでは、副噴射した燃料と主燃焼で燃焼に寄与せず余剰となった酸素とが燃焼室内及び排気通路内において燃焼を生起し、排気昇温を行うことが可能とされている。
【００１３】
同図に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に電極が燃焼室８に臨んで突出するようにして点火プラグ４が設けられており、各点火プラグ４はそれぞれ点火コイル５に接続されている。また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃焼室８内、即ち筒内に燃料を直接噴射可能とされている。
【００１４】
燃料噴射弁６には、燃料パイプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（共に図示せず）が接続されている。より詳しくは、燃料供給装置には、低圧燃料ポンプと高圧燃料ポンプとが設けられており、これにより、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁６に対し低燃圧或いは高燃圧で供給し、該燃料を燃料噴射弁６から燃焼室内に向けて所望の燃圧で噴射可能とされている。
【００１５】
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１０にはスロットル弁１１が接続されており、該スロットル弁１１にはスロットル開度θthを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１１ａが設けられている。該スロットル弁１１には、スロットル開度θthがアイドル運転に対応した開度θidとなったことを検出するアイドルスイッチ（アイドルＳＷ）１１ｂも設けられている。
【００１６】
さらに、吸気マニホールド１０には吸気管１２を介してエアクリーナ１４が設けられている。
また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド２０の一端がそれぞれ接続されている。排気マニホールド２０には排気管２２が接続されており、該排気管２２には三元触媒等の触媒コンバータ２４が接続されている。
【００１７】
図中符号２６は、クランク角ＣＡを検出するクランク角センサであり、該クランク角センサ２６はクランク角ＣＡとともにエンジン回転速度Ｎeを検出可能とされている。また、符号２８は、エンジン冷却水の温度Ｔwを検出し、エンジン１の暖機状態を検出する水温センサである。
なお、当該筒内噴射型のガソリンエンジン１は既に公知であり、その基本的な構造の詳細についてはここでは説明を省略する。
【００１８】
また、同図に示すように、エンジン１の近傍には発電機であるオルタネータ（補機）３０が配設されており、当該オルタネータ３０のプーリ３２とエンジン１のクランクシャフト３先端のクランクプーリ３ａとに無端状のベルト３４が掛け回されている。これにより、エンジン１の駆動力によってオルタネータ３０が回転し発電可能とされている。
【００１９】
オルタネータ３０には、レギュレータ３６を介して２次電池、即ちバッテリ３８が接続されている。これにより、通常はオルタネータ３０によって発電された電気がレギュレータ３６で調整されてバッテリ３８に蓄電される。
電子コントロールユニット（ＥＣＵ）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えており、このＥＣＵ４０により、本発明に係る内燃機関の制御等、筒内噴射型内燃機関の総合的な制御が行われる。
【００２０】
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したスロットルセンサ１１ａ、アイドルＳＷ１１ｂ、クランク角センサ２６、水温センサ２８等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力する。
一方、ＥＣＵ４０の出力側には、点火コイル５、燃料噴射弁６、スロットル弁１１等の駆動部やレギュレータ３６等が接続されており、点火コイル５、燃料噴射弁６等には、各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量、燃料噴射時期や点火時期等の最適値がそれぞれ出力される。これにより、通常は要求負荷に応じて設定される上記各燃料噴射モードでの適正な空燃比に基づき、燃料噴射弁６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射され、点火プラグ４によって適正なタイミングで点火が実施される。
【００２１】
以下、上記のように構成された本発明に係る内燃機関の制御装置の作用について説明する。
当該エンジン１では、冷態始動時において上記２段燃焼モードでの運転を行うようにしている。これにより、排気昇温を行い、触媒コンバータ２４の早期活性化を図るようにしている。
【００２２】
しかしながら、２段燃焼を行うときにオルタネータ３０が接続されていると、上述したように、エンジン１に要求される負荷が大きいためにエンジン出力を確保すべく主噴射の燃料量を増やさざるを得ず、この場合、主噴射の空燃比を濃くして主燃焼に使用される空気量を増加させる結果、余剰酸素量が不足してしまうことになる。
【００２３】
そこで、ここでは、２段燃焼を行うときにおいてオルタネータ３０の作動を抑制するようにしており、以下、本発明に係るオルタネータ作動抑制制御について説明する。
図２を参照すると、ＥＣＵ４０が実行するオルタネータ作動抑制制御の制御ルーチンがフローチャートで示されており、図３を参照すると、当該オルタネータ作動抑制制御の制御結果がタイムチャートで示されており、以下図３のタイムチャートを参照しながら図２のフローチャートに沿い説明する。
【００２４】
図２のステップＳ１０では、現在エンストモードであるか否かを判別する。つまり、エンジン１が停止した状態であるか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）で現在エンストモードと判定された場合には、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、水温センサ２８からの情報に基づき、エンジン１の冷却水温Ｔwが所定値Ｔw1よりも小さい（Ｔw＜Ｔw1）か否かを判別する。つまり、エンジン１が未だ暖機していない状態であるか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）でエンジン１が暖機した状態と判定された場合には、排気温度は高く２段燃焼を実施する必要はないため、当該ルーチンを抜ける。一方、判別結果が真（Ｙｅｓ）でエンジン１が未だ暖機状態にないと判定された場合には、次にステップＳ１４に進む。
【００２５】
ステップＳ１４では、水温マップに基づき、２段燃焼のための圧縮行程噴射の空燃比（圧縮行程噴射Ａ／Ｆ）及び膨張行程噴射の空燃比（膨張行程噴射Ａ／Ｆ）をそれぞれ決定する。
エンジン１の冷却水温Ｔwが低いほど触媒コンバータ２４の温度は低いとみなすことができる。故に、ここでは、エンジン１の冷却水温Ｔwに対応して予め圧縮行程噴射Ａ／Ｆと膨張行程噴射Ａ／Ｆとが設定された水温マップに基づき、冷却水温Ｔwに応じて２段燃焼に適正な圧縮行程噴射Ａ／Ｆと膨張行程噴射Ａ／Ｆとを決定するようにする。尚、２段燃焼では、燃費の悪化防止等の理由から、全体の空燃比、即ちトータルＡ／Ｆはリーン空燃比とされており、トータルＡ／Ｆが所定のリーン空燃比に保持されるようにして圧縮行程噴射Ａ／Ｆと膨張行程噴射Ａ／Ｆとが適正に配分設定される。
【００２６】
ステップＳ１６では、やはり水温マップに基づき、エンジン１の冷態始動後、２段燃焼の継続時間ｔaを決定する。つまり、上述したように、触媒コンバータ２４の温度はエンジン１の冷却水温Ｔwと相関があり、冷却水温Ｔwが低いほど２段燃焼を長く継続して触媒コンバータ２４の活性化を図るのがよく、故に、上記圧縮行程噴射Ａ／Ｆと膨張行程噴射Ａ／Ｆの決定に加え、冷却水温Ｔwに対応して予め２段燃焼の継続時間ｔaが設定された水温マップに基づき、冷却水温Ｔwに応じた適正な継続時間ｔaを決定するようにする。
【００２７】
ステップＳ１８では、やはり水温マップに基づき、オルタネータ３０による発電量を決定する。つまり、当該制御では、２段燃焼を行うときにおいてオルタネータ３０の作動を抑制するようにするのであるが、この際、排気昇温に影響のない範囲で発電を行うようにしており、ここでは、当該発電量を冷却水温Ｔwに対応して予め発電量を設定した水温マップに基づき、冷却水温Ｔwに応じた必要最小限の発電量を決定するようにする。詳しくは、冷却水温Ｔwが低いほど発電量は小さく設定される。
【００２８】
ステップＳ２０では、エンジン１が始動されて完爆状態となりエンストモードから始動モードを経て通常運転モードに切り換わったときに値１にセットされる通常運転モードフラグＦを値０（Ｆ＝０）にリセットする。つまり、エンストモードである間に通常運転モードフラグＦを値０に戻しておき、次回の通常運転の実施に備える。
【００２９】
ステップＳ２２では、当該通常運転モードフラグＦが値１であるか否かを判別する。つまり、エンジン１が完爆状態となり、現在通常運転モードであるか否かを判別する。ステップＳ１０乃至ステップＳ２０の実行直後には、未だエンストモードであって通常運転モードフラグＦは値０であるため、判別結果は偽（Ｎｏ）であり、次にステップＳ２４に進む。
【００３０】
ステップＳ２４では、イグニションキーが操作されてスタートシグナルがＯＮ（オン）とされ、始動モード（クランキング中）とされたか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）で未だスタートシグナルがＯＮとされておらず始動モードではない場合には、当該ルーチンを抜け、上記ステップＳ１０乃至ステップＳ２０の実行を繰り返す。一方、ステップＳ２４の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、スタートシグナルがＯＮとされて始動モードに切り換わったと判定された場合には、次にステップＳ２６に進む。
【００３１】
ステップＳ２６では、エンジン回転速度Ｎeが所定回転速度Ｎe1、即ちエンジン１が完爆に至ったとみなすことができる回転速度を超え（Ｎe＞Ｎe1）、始動モードを脱したか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）でエンジン回転速度Ｎeが未だ所定回転速度Ｎe1以下である場合には、未だ始動モードを脱していないと判定でき、当該ルーチンを抜けてステップＳ１０に戻る。尚、この時点ではもはやエンストモードではなく始動モードであるので、ステップＳ１０の判別結果は偽（Ｎｏ）となり、ステップＳ２２乃至ステップＳ２６を繰り返すこととなる。
【００３２】
一方、ステップＳ２６の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン回転速度Ｎeが所定回転速度Ｎe1を超えたと判定された場合には、始動モードを脱して通常運転モードとなったと判断でき、次のステップＳ２８において通常運転モードフラグＦを値１（Ｆ＝１）にセットして通常運転中であることを記憶する。
ステップＳ３０では、エンジン１がアイドル運転状態にあり、アイドルＳＷ１１ｂがＯＮ（オン）とされているか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）でアイドルＳＷ１１ｂがＯＦＦ（オフ）と判定された場合には、当該ルーチンを抜けてステップＳ１０に戻る。この場合には、通常運転モードであって通常運転モードフラグＦは値１であるため、ステップＳ１０の判別結果は偽（Ｎｏ）であり、ステップＳ２２の判別結果については真（Ｙｅｓ）と判定される。
【００３３】
つまり、アイドルＳＷ１１ｂがＯＦＦ、即ちスロットル弁１１が開弁側に操作されてエンジン１が加速操作されている場合には、エンジン１に要求される負荷は大きく、故に燃焼温度、ひいては排気温度は高いとみなすことができる。従って、このような場合には、触媒コンバータ２４は自然と早期活性化することになるため、２段燃焼は実施しない。
【００３４】
一方、ステップＳ３０の判別結果が真（Ｙｅｓ）で、エンジン１がアイドル運転状態にあり、アイドルＳＷ１１ｂがＯＮと判定された場合には、次にステップＳ３２に進む。
ステップＳ３２では、２段燃焼を開始してからの経過時間ｔが上記設定した２段燃焼の継続時間ｔaを超えた（ｔ＞ｔa）か否かを判別する。この時点では、未だ２段燃焼を実施していないので、判別結果は偽（Ｎｏ）であり、ステップＳ３４に進む。
【００３５】
ステップＳ３４では、図３に示すように、エンジン回転速度Ｎeが所定回転速度Ｎe1を超え、且つ、エンジン１がアイドル運転状態であることを受けて、上記設定した圧縮行程噴射Ａ／Ｆと膨張行程噴射Ａ／Ｆとに基づいて２段燃焼を実施する。
そして、ステップＳ３６において、上記設定した発電量となるようにオルタネータ３０の作動、即ち発電量を抑制する（補機作動制限手段）。つまり、図３中に実線で示すように、２段燃焼中は、オルタネータ３０の発電量を通常の発電状態（破線）よりも極めて小さく保持する。実際には、ＥＣＵ４０からレギュレータ３６に電流制御指令が発せられて上記設定した発電量となるようバッテリ３８からオルタネータ３０に電力が供給され、これによりオルタネータ３０の発電作動が抑制される。
【００３６】
このようにオルタネータ３０の発電作動が抑制されると、エンジン１に掛かる負荷が極めて小さくなるために、上記設定したリーン度合いの大きい圧縮行程噴射Ａ／Ｆのもとであっても十分に主燃焼が成立して余剰酸素が排気通路に多量に排出されることになり、当該十分な余剰酸素の存在により、上記設定したリッチ寄りの膨張行程噴射Ａ／Ｆのもとで副噴射される燃料が良好に排気通路内で燃焼し、排気昇温が促進されることとなる。
【００３７】
即ち、オルタネータ３０の作動を抑制すると、図３中に実線で示すように、トータルＡ／Ｆをリーン空燃比で一定としながら、オルタネータ３０を通常作動させた場合（破線）よりも圧縮行程噴射Ａ／Ｆのリーン度合いを大きく設定し、主噴射量を少なくして余剰酸素量をできるだけ多くする一方、膨張行程噴射Ａ／Ｆを小さくリッチ寄りに設定し、膨張行程噴射パルス幅を大きく副噴射量をできるだけ多くして排気通路に供給される燃料量を多くすることが可能とされ、当該リーン度合いの大きな圧縮行程噴射Ａ／Ｆ及びよりリッチ寄りの膨張行程噴射Ａ／Ｆの設定のもと、２段燃焼を効果的に実施でき、排気通路内において極めて大きな燃焼熱を発生させて排気昇温を飛躍的に促進することが可能とされる。
【００３８】
これにより、エンジン１の冷態始動時において、図３中に実線で示すように、オルタネータ３０を通常作動させた場合（破線）よりも触媒温度が早く上昇することになり、確実に触媒コンバータ２４の早期活性化が図られ、排気浄化効率が向上することとなる。
そして、２段燃焼を開始してからの経過時間ｔが継続時間ｔaを超える（ｔ＞ｔa）と、ステップＳ３２の判別結果は真（Ｙｅｓ）となり、この場合には、２段燃焼を終了し、併せてオルタネータ３０の作動の抑制も終了する。これにより、その後は、図３に示すように、エンジン１については、副噴射が停止されて要求負荷に応じた燃料噴射モードでの適正な空燃比に基づいて通常の燃焼制御が実施され、オルタネータ３０については通常の発電状態とされる。
【００３９】
尚、上記実施形態では、補機としてオルタネータ３０のみがエンジン１に接続されている場合を例に説明したが、エンジン１によって駆動されるものであれば補機はオルタネータ３０以外にエアコンコンプレッサやパワステポンプ等であってもよく、２段燃焼時においてこれらエアコンコンプレッサやパワステポンプ等の作動を抑制することでも上記同様の効果が得られる。
【００４０】
また、上記実施形態では、２段燃焼時は常時オルタネータ３０の作動を制限していたが、バッテリ３８の電圧が低い場合等には、オルタネータ３０の作動制限を禁止するようにしてもよく、この場合は上述の効果に加えてバッテリ３８の耐久性を向上することも可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１の内燃機関の制御装置によれば、筒内噴射型内燃機関において、冷態始動後のアイドル運転時における２段燃焼の実施時には、オルタネータ等の補機の作動が制限されて機関に要求される負荷が低下し、主噴射の燃料量が少なくてよくなり、主噴射の空燃比のリーン度合いが大きく保持されるので、主燃焼で使用される空気量を少なく抑えて機関から排出される余剰酸素量を十分に確保することとなり、故に、副噴射による燃料を増量でき、排気エネルギが増大して排気系の昇温を効果的に達成することができる。
【００４２】
これにより、冷態始動後のアイドル運転時のように燃焼温度ひいては排気温度が高くないときであっても、触媒コンバータを早期に活性化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明に係る内燃機関の制御装置の概略構成図である。
【図２】本発明に係るオルタネータ作動抑制制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】オルタネータ作動抑制制御の制御結果を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１エンジン（筒内噴射型内燃機関）
４点火プラグ
５点火コイル
６燃料噴射弁
１１ｂアイドルＳＷ
２４触媒コンバータ
２６クランク角センサ
２８水温センサ
３０オルタネータ（補機）
４０電子コントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims

少なくとも冷態始動後のアイドル運転時に圧縮行程で主噴射を行い膨張行程で副噴射を行う２段燃焼モードを有した筒内噴射型内燃機関と、
該筒内噴射型内燃機関により駆動される補機と、
前記冷態始動後のアイドル運転時における前記２段燃焼モード時に、前記補機の作動を制限する補機作動制限手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。