JP6371040B2 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を併用する内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室内に直接に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を併用し、機関運転条件に応じて両者を適宜に切り換えて使用する燃料噴射装置を備えた内燃機関が、特許文献１に記載されている。この特許文献１では、リーン限界の空燃比が保てる範囲内で、かつＨＣ排出量を最小限に抑えるように、筒内噴射とポート噴射との分担率を調整している。

特開２００８−２５５０２号公報

筒内噴射用燃料噴射弁は、一般的には、駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。つまり、パルス幅が実質的に噴射期間に相当する。ここで、電圧印加の直後では噴射弁が開弁しない僅かな無効時間が含まれていることなどから、パルス幅の小さい状況ではパルス幅に対する燃料噴射量の誤差が大きく、所定の精度を確保できる最小のパルス幅、つまり最小噴射期間は予め設定されている。このため、通常は最小噴射期間を下回ることのないようにパルス幅が設定される。

しかしながら、過渡的な燃圧のオーバーシュート時や、噴射弁の劣化，エバポレータの処理量が過剰に大きい場合など、要求される筒内噴射のパルス幅が過渡的に最小噴射期間を下回る場合がある。特に、１サイクル中に複数回の筒内噴射を実施する場合、１回のパルス幅が最小噴射期間を下回ることが起こり易い。

本発明は、このように筒内噴射の噴射期間（パルス幅）が予め設定された所定の最小噴射期間よりも短い場合であっても、安定した機関運転を行うことが可能な内燃機関の制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を備え、ポート噴射と筒内噴射との各々の分担率が機関運転条件に応じて設定されてなる内燃機関の制御装置において、上記筒内噴射の噴射期間が、予め設定された所定の最小噴射期間よりも短いか否かを判定する噴射期間判定手段を有し、上記筒内噴射の噴射期間が最小噴射期間よりも短いと判定された場合、その噴射期間分の筒内噴射を禁止し、この筒内噴射の禁止により不足する分の燃料噴射量を補うように、ポート噴射の分担率を増加させることを特徴としている。

本発明によれば、何らかの理由により筒内噴射の噴射期間が最小噴射期間よりも短い場合であっても、その噴射期間分の筒内噴射を禁止するとともに、筒内噴射の禁止により不足する分の燃料噴射量を補うようにポート噴射の分担率を増加させることによって、適正な燃料噴射量を確保し、安定した機関運転を行うことができる。

この発明の一実施例に係る制御装置のシステム構成を示す構成説明図。 本実施例の制御の流れを示すフローチャート。 本実施例の制御を適用した場合のタイミングチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の一実施例が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、例えば複リンク式ピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構２を備えた４ストロークサイクルのターボ過給器付き火花点火内燃機関であって、燃焼室３の天井壁面に、一対の吸気弁４および一対の排気弁５が配置されているとともに、これらの吸気弁４および排気弁５に囲まれた中央部に点火プラグ６が配置されている。

上記吸気弁４によって開閉される吸気ポート７の下方には、燃焼室３内に燃料を直接に噴射する筒内噴射用燃料噴射弁８が配置されている。また吸気ポート７には、該吸気ポート７内へ向けて燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁４１が配置されている。これらの筒内噴射用燃料噴射弁８およびポート噴射用燃料噴射弁４１は、いずれも駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。

上記吸気ポート７に接続された吸気通路１８のコレクタ部１８ａの上流側には、エンジンコントローラ９からの制御信号によって開度が制御される電子制御型のスロットルバルブ１９が介装されており、さらにその上流側に、ターボ過給器のコンプレッサ２０が配設されている。このコンプレッサ２０の上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ１０が配設されている。

また、排気ポート１１に接続された排気通路１２には、三元触媒からなる触媒装置１３が介装されており、その上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ１４が配置されている。

上記エンジンコントローラ９には、上記のエアフロメータ１０、空燃比センサ１４のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ１５、冷却水温を検出する水温センサ１６、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ１７、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ９は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁８，４１による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ６による点火時期、スロットルバルブ１９の開度、等を最適に制御している。

一方、可変圧縮比機構２は、公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものであって、クランクシャフト２１のクランクピン２１ａに回転自在に支持されたロアリンク２２と、このロアリンク２２の一端部のアッパピン２３とピストン２４のピストンピン２４ａとを互いに連結するアッパリンク２５と、ロアリンク２２の他端部のコントロールピン２６に一端が連結されたコントロールリンク２７と、このコントロールリンク２７の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト２８と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト２１および上記コントロールシャフト２８は、シリンダブロック２９下部のクランクケース内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。上記コントロールシャフト２８は、該コントロールシャフト２８の回動に伴って位置が変化する偏心軸部２８ａを有し、上記コントロールリンク２７の端部は、詳しくは、この偏心軸部２８ａに回転可能に嵌合している。上記の可変圧縮比機構２においては、コントロールシャフト２８の回動に伴ってピストン２４の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。

また、上記可変圧縮比機構２の圧縮比を可変制御する駆動機構として、クランクシャフト２１と平行な回転中心軸を有する電動モータ３１がシリンダブロック２９下部に配置されており、この電動モータ３１と軸方向に直列に並ぶように減速機３２が接続されている。この減速機３２としては、減速比の大きな例えば波動歯車機構が用いられており、その減速機出力軸３２ａは、電動モータ３１の出力軸（図示せず）と同軸上に位置している。従って、減速機出力軸３２ａとコントロールシャフト２８とは互いに平行に位置しており、両者が連動して回動するように、減速機出力軸３２ａに固定された第１アーム３３とコントロールシャフト２８に固定された第２アーム３４とが中間リンク３５によって互いに連結されている。

すなわち、電動モータ３１が回転すると、減速機３２により大きく減速された形で減速機出力軸３２ａの角度が変化する。この減速機出力軸３２ａの回動は第１アーム３３から中間リンク３５を介して第２アーム３４へ伝達され、コントロールシャフト２８が回動する。これにより、上述したように、内燃機関１の機械的な圧縮比が変化する。なお図示例では、第１アーム３３および第２アーム３４が互いに同方向に延びており、従って、例えば減速機出力軸３２ａが時計回り方向に回動するとコントロールシャフト２８も時計回り方向に回動する関係となっているが、逆方向に回動するようにリンク機構を構成することも可能である。

上記可変圧縮比機構２の目標圧縮比は、エンジンコントローラ９において、機関運転条件（例えば要求負荷と機関回転速度）に基づいて設定され、この目標圧縮比を実現するように上記電動モータ３１が駆動制御される。

図２は、本実施例の制御の流れを示すフローチャートであり、本ルーチンはエンジンコントローラ９により記憶及び実行される。なお、以下の説明では、筒内噴射用燃料噴射弁８による筒内噴射を「ＧＤＩ」とも呼び、ポート噴射用燃料噴射弁４１によるポート噴射を「ＭＰＩ」とも呼ぶ。

ステップＳ１１では、ポート噴射と筒内噴射の各々の基本の分担率を設定する。この分担率は、要求負荷や機関水温等の機関運転条件に応じて予め適合されたマップを用いて設定され、両者の分担率の総和が１００％となるように各々の分担率が０％から１００％の間で設定される。例えば、筒内噴射の分担率が１００％の場合、ポート噴射の分担率は０％となる。

ステップＳ１２では、機関負荷及び機関回転数等に基づいて、筒内噴射の噴射期間に相当する基本のパルス幅を演算する。１サイクル中に複数回の筒内噴射を行う場合には、各回のパルス幅を演算する。ステップＳ１３では、各パルス幅が予め設定された所定の最小噴射期間に相当する最小パルス幅ＧＤＩＱｍｉｎ未満であるかを判定する。最小パルス幅ＧＤＩＱｍｉｎ以上であれば、本ルーチンを終了し、上記のステップＳ１２で設定された基本のパルス幅に従い、燃料噴射を実施する。

一方、過渡的な燃圧のオーバーシュート時や、噴射弁の劣化，エバポレータの処理量が過剰に大きい場合など、要求される筒内噴射のパルス幅が過渡的に最小噴射期間を下回る場合がある。このような場合には、ステップＳ１３において、パルス幅が最小パルス幅ＧＤＩＱｍｉｎを下回ると判定されて、ステップＳ１４へ進み、最小パルス幅ＧＤＩＱｍｉｎを下回る筒内噴射のパルス幅の燃料噴射を禁止する。そして、この筒内噴射の禁止により不足する分の燃料噴射量を補うように、ポート噴射の分担率を増加させる。つまり、筒内噴射の禁止分をポート噴射により分担させる。これによって、筒内噴射の一部を禁止しているにもかかわらず、所期の燃料噴射量を確保し、安定した機関運転を行うことができる。

図３は、このような本実施例の制御を適用した場合のタイミングチャートである。この例では、機関運転状態に基づいて演算される分担率は、筒内噴射の分担率が１００％、ポート噴射の分担率が０％、つまり燃料噴射量の全量を筒内噴射で行うようになっている。また図３（Ａ）に示すように、筒内噴射では、１サイクル中に３回の燃料噴射が行われ、３回目の燃料噴射の噴射期間であるパルス幅が、最小パルス幅Ｑｍｉｎよりも短くなっている。

この場合、図３（Ｂ）に示すように、本実施例では最小パルス幅Ｑｍｉｎよりも短い３回目の燃料噴射が禁止され、その分の燃料噴射量の低下を補うように、図３（Ｂ）に示すようにポート噴射の分担率が増加されている。つまり、ポート噴射の分担率が０％から約１０〜３０％に増加されている。

このような本実施例の特徴的な構成及び作用効果について、以下に列記する。

［１］筒内噴射の噴射期間が、予め設定された所定の最小噴射期間（ＧＤＩＱｍｉｎ）よりも短いか否かを判定し、筒内噴射の噴射期間が最小噴射期間よりも短いと判定された場合には、その噴射期間分の筒内噴射を禁止し、この筒内噴射の禁止により不足する分の燃料噴射量を補うように、ポート噴射の分担率を増加させている。

従って、最小噴射期間より短く精度の低い不安定な噴射を行うことなく、所期の燃料噴射量を確保して、安定した機関運転を行うことができる。特に本実施例では、最小噴射期間よりも短い筒内噴射のみを禁止し、その分をポート噴射に置き換える形としているために、制御も簡素であり、容易に適用可能である。

［２］特に図３に示すように、１サイクル内に筒内噴射を複数回に分けて実施している場合には、最小噴射期間よりも短い回の噴射期間のみの筒内噴射を禁止して、その分をポート噴射に置き換えれば良く、最小噴射期間よりも長い他の回の筒内噴射を変更する必要がないために、制御内容の変更が最小限に抑えられ、これによる機関運転性への影響も最小限に抑制される。

［３］筒内噴射はポート噴射に比して熱効率に優れているために、上述したように筒内噴射の一部を禁止して、その分をポート噴射に置き換えると、熱効率が低下してトルク変動を招く虞がある。そこで好ましくは、機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構２を備える構成の場合、筒内噴射の一部を禁止してポート噴射の分担率を増加させる際、圧縮比を高くする。これによって、筒内噴射の分担率の低下による熱効率の低下を、圧縮比の増加による充填効率の向上により相殺して、トルク変動を抑制することができる。

［４］また、一部の筒内噴射の禁止に伴うポート噴射の分担率の増加時に、点火時期を進角させるようにしても良い。この場合にも、筒内噴射の分担率の低下による熱効率の低下を、点火時期の進角による効率向上により相殺して、トルク変動を抑制することができる。

［５］更に、一部の噴射期間の筒内噴射の禁止に伴うポート噴射の分担率の増加時に、筒内噴射の噴射量とポート噴射の噴射量とをあわせた総燃料噴射量を増加させるようにしても良い。この場合にも、筒内噴射の分担率の低下による熱効率の低下を、総燃料噴射量の増量により相殺して、トルク変動を抑制することができる。

［６］上述したポート噴射の分担率の増加時における圧縮比，点火時期あるいは総燃料噴射量の補正量の目標値は、例えば、分担率の補正量，機関負荷，及び機関回転数等の機関運転条件に応じて予め設定されたマップ等を参照してフィードフォワード的に設定される。

［７］あるいは、上述のポート噴射の分担率の増加時における圧縮比，点火時期あるいは総燃料噴射量は、出力トルクやノッキングの発生を検知するセンサの検出値に基づくフィードバック制御により設定するようにしても良い。

１…内燃機関
２…可変圧縮比機構
６…点火プラグ
８…筒内噴射用燃料噴射弁
９…エンジンコントローラ
１４…空燃比センサ
２０…コンプレッサ
４１…ポート噴射用燃料噴射弁

Claims (7)

1. 吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を備え、ポート噴射と筒内噴射との各々の分担率が機関運転条件に応じて設定されてなる内燃機関の制御装置において、
   上記筒内噴射の噴射期間が、予め設定された所定の最小噴射期間よりも短いか否かを判定する噴射期間判定手段を有し、
   上記筒内噴射の噴射期間が最小噴射期間よりも短いと判定された場合、その噴射期間分の筒内噴射を禁止し、この筒内噴射の禁止により不足する分の燃料噴射量を補うように、ポート噴射の分担率を増加させ、
   １サイクル内に筒内噴射を複数回に分けて実施している場合であって、上記筒内噴射の特定の回の噴射期間が最小噴射期間よりも短いと判定された場合、その特定の回の噴射期間のみの筒内噴射を禁止し、この筒内噴射の禁止により不足する分の燃料噴射量を補うように、ポート噴射の分担率を増加させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備え、
   上記ポート噴射の分担率の増加時に、圧縮比を高くすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記ポート噴射の分担率の増加時に、点火時期を進角させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記ポート噴射の分担率の増加時に、上記筒内噴射の噴射量とポート噴射の噴射量とをあわせた総燃料噴射量を増加させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備え、
   上記ポート噴射の分担率の増加時における圧縮比，点火時期あるいは総燃料噴射量の補正量の目標値が、機関運転条件に応じて設定されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
6. 上記ポート噴射の分担率の増加時における圧縮比，点火時期あるいは総燃料噴射量は、機関運転状態を表す検出値に基づいてフィードバック制御されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を備え、ポート噴射と筒内噴射との各々の分担率が機関運転条件に応じて設定されてなる内燃機関の制御方法において、
   上記筒内噴射の噴射期間が、最小噴射期間よりも短いか否かを判定する噴射期間判定手段を有し、
   上記筒内噴射の噴射期間が最小噴射期間よりも短いと判定された場合、その噴射期間分の筒内噴射を禁止し、この筒内噴射の禁止により不足する分の燃料噴射量を補うように、ポート噴射の分担率を増加させ、
   １サイクル内に筒内噴射を複数回に分けて実施している場合であって、上記筒内噴射の特定の回の噴射期間が最小噴射期間よりも短いと判定された場合、その特定の回の噴射期間のみの筒内噴射を禁止し、この筒内噴射の禁止により不足する分の燃料噴射量を補うように、ポート噴射の分担率を増加させることを特徴とする内燃機関の制御方法。

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