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JP6002521B2 - 筒内噴射エンジンの制御装置 - Google Patents

筒内噴射エンジンの制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、筒内噴射エンジンの制御装置に関する。
筒内噴射エンジンは燃焼室に直接燃料を噴射するため、噴射された燃料がピストン壁面に付着しやすく、ポート噴射エンジンに比べ粒子状物質（ＰＭ）の排出量が多いという課題がある。特に、エンジン始動直後（クランキング）は油水温が低いため燃料が暖められず、暖気後に比べＰＭが多く排出されている。
冷機時のピストン壁面付着を低減するために、吸気行程上死点付近、吸気弁が開く前の高温燃焼ガスが残っている状態で燃料噴射する手段がある。冷機時の油水温が２０℃と低い条件においても残留ガスは６００℃前後と非常に高く、噴射された燃料を短期間で気化させることができ、ピストン付着を大きく低減することが可能である。
この手段では、排気弁が閉じる時期から吸気弁が開く時期の間に燃料を噴射するように制御する。（排気弁が閉じる時期よりも早く噴射すると排気管から燃料が燃えずに排出されるため未燃炭化水素の増加、燃費悪化が生じ、吸気弁が開く時期よりも遅く噴射すると新気が吸入されることで温度が低下して気化が悪化しピストン付着増加が生じる。）
燃料噴射量の増加によって噴射期間が長くなった場合に、特許文献１のように、燃料噴射量の増加に応じて排気弁を早閉じすることで、排気弁閉時期から吸気弁開時期の期間を長くしてピストン付着を低減する技術がある。
特開２００９-１９５３８
アイドル条件のようにエンジン回転数が低く且つ燃料噴射量が少ない条件においては、燃料噴射期間が短いため排気弁進角量は少なく、残留ガス増加による影響は小さい。しかし、エンジン回転や負荷の上昇によって燃料噴射期間が長くなると、それに合わせて排気弁の進角量を大きくする必要がある。そのため、上記従来技術のような排気弁のみを制御する方法では、燃料気化は促進できるが残留ガス量の増加によって、燃焼変動増加や燃焼速度低下による燃費悪化の跳ね返りが生じる。また、残留ガスが増えることで必要となる新気を供給できなくなり、運転可能領域が狭くなる。
逆に、燃料噴射期間が長くなった場合に吸気弁のみを制御する方法では、ピストン下降によって容積が膨張し、筒内圧力と温度の低下によってピストン付着が増加しＰＭが悪化する。
本発明は、エンジン回転数や負荷が増加して燃料噴射期間が長くなった場合に、排気、燃費への跳ね返りを抑制しつつ広い運転領域においてＰＭを低減することを目的としており、請求項1に記載のように本発明の制御装置は、筒内直噴エンジンを制御する制御装置において、前記制御装置は、前記筒内噴射エンジンの冷機条件において、排気弁が閉じる時期から吸気弁が開くまでの時期を燃料噴射可能期間とし、上記燃料噴射可能期間に全部若しくは殆どの燃料が噴射できるように燃料噴射期間が設定され、燃料噴射期間がアイドル運転状態相当となる条件での排気弁閉時期、吸気弁開時期、燃料噴射期間を基準とし、基準位置からの排気弁進角量の絶対値をα[deg]、吸気弁遅角量の絶対値をβ[deg]、燃料噴射期間増加量をγ[deg]とすると、γが大きくなるにつれてα+βも大きくなるように吸排気弁が制御され、前記筒内噴射エンジンの回転数と充填効率とから求められる適用範囲上限であるγが最大となる条件でβ＞αとなることを特徴とする。これにより、燃料噴射期間が長くなるにつれて排気弁閉じ時期を早く、吸気弁開き時期を遅くするよう吸排気弁を制御することで、燃焼室内温度を気化が悪化しない温度に維持しつつ残留ガスによる燃焼変動増加と燃費悪化を抑制する。
燃料のピストン付着を低減しつつ、残留ガスの増加による排気と燃費の悪化を抑制する。
本発明における筒内直噴エンジンの構成の様子を示す 実施例１、２での動作点を示す 実施例１、２の動作点における回転数と充填効率を示す 最小燃料噴射期間での吸気弁及び排気弁のプロファイルを示す 実施例１のγに対するαとβの変化を示す 実施例２のγに対するαとβの変化を示す 条件Bでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルと燃料噴射信号 条件Cでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルと燃料噴射信号 条件Bでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルと燃料噴射信号 条件Cでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルと燃料噴射信号 噴射期間増加量γに対する排気弁進角量α、吸気弁遅角量β及びα+βのデータ γに対するα／(α+β)の変化 第３の実施例を説明する図 第３の実施例を説明する図
油水温の低い冷機条件において適用され、
排気弁が閉じる時期から吸気弁が開くまで時期を燃料噴射可能期間とし、
上記燃料噴射可能期間に全部若しくは殆どの燃料が噴射できるように燃料噴射期間を設定し、
アイドルで最も燃料噴射期間が短くなる条件での排気弁閉時期、吸気弁開時期、燃料噴射期間を基準とし、基準位置からの排気弁進角量をα、吸気弁遅角量をβ、燃料噴射期間増加量をγとすると、γが長くなるにつれてα+βも長くなるように吸排気弁が制御され、更に適用範囲上限であるγが最大となる条件でβ＞αとなることを特徴としている。
また、γが小さい領域ではαのみを増加させ、γが大きい領域ではβのみを増加させるよう吸排気弁を制御することを特徴としている。この方法では排気弁を先に作動させることで筒内の温度を高くできるため、エンジン始動直後の燃料温度が低い条件で加速しても気化促進が図られピストン付着抑制効果が高い。
また、γが大きくなるにつれて、αとβを同時に増加させるように吸排気弁を制御することを特徴としている。この方法ではγの増加分をαとβで分担できることで排気弁α又は吸気弁β単独で変化させる場合に比べ変化量が少なく、応答性が良い利点がある。
また、γが大きくなるにつれて、αとβを加算した総変化量に占めるαの割合が高くなる様に吸排気弁を制御することを特徴としている。この方法ではγが小さい範囲では残留ガスの増加を最小に維持できるため燃焼変動や燃費への跳ね返りが殆どない。
また、燃料噴射期間増加量γが所定値よりも大きくなると、吸気行程の吸気弁開後に燃料を噴射するように噴射時期を切り替えることを特徴としている。これにより残留ガス量が過剰になり必要な空気が吸入できなくなることを抑制でき、燃料リッチ化による排気悪化を防止できる。
本発明の第１の実施例における筒内噴射エンジンの構成を図１に示す。本構成では１気筒当たり４００ccの直列４気筒エンジンとなっている。
シリンダヘッド１とシリンダブロック２、そしてシリンダブロック２に挿入されたピストン３により燃焼室が形成され、燃焼室の中心上部に点火プラグ４が設けられている。燃焼室に吸気管５と排気管６がそれぞれ開口しており、開口部を開閉する吸気弁７と排気弁８が設けられている。排気弁と吸気弁はカム動作方式となっており、クランク軸に連動して回転する。また、電動駆動式可変機構が備えられており、吸気弁７は吸気弁可変機構９、排気弁８は排気弁可変機構１０によって位相が変化する。
燃焼室の吸気側には燃焼室に直接燃料が噴射できるように燃料噴射弁１１が設けられる。
燃料は燃料タンク１２に貯蔵され、フィードポンプ１３によって燃料配管を通じて高圧ポンプ１４に送られる。高圧ポンプ１４は排気カムによって駆動され、昇圧された燃料がコモンレール１５に送られる。フィードポンプ１１は０.３MPa程度の昇圧に対し、高圧ポンプ１４は２０MPaまで昇圧することができる。コモンレール１４には燃圧センサ１６が設置され、燃料圧力を検知できるようになっている。コモンレール１４の先には４気筒分のインジェクタがそれぞれ接続されている。
ピストン３はコンロッド１７を介してクランク軸１８と連結されており、クランク角センサ１９によりエンジン回転数を検知できる。クランク軸１８にはセルモータ（図示しない）が連結され、エンジン始動時にセルモータによりクランク軸を回転させ始動することができる。
シリンダブロック２には水温センサ２０が取り付けられており、エンジン冷却水の温度を検知できる。吸気管の上流にはコレクタ２１が接続されており、コレクタの上流には図示していないがエアフローセンサとスロットル弁が備えられており、燃焼室に吸入される空気量をスロットルの開閉によって調節できる。図では１気筒のみの記述だが、コレクタ２１から各気筒に空気が分配されている。排気管下流には三元触媒２２や触媒温度センサ２３のほか、図示しないが空燃比センサ、酸素濃度センサ等が設けられている。エンジンコントロールユニット（ECU２４）は各種センサの信号を受け取り、内部演算ののち
吸気弁可変機構９、排気弁可変機構１０、燃料噴射弁１１や高圧燃料ポンプ１４といったデバイスを制御できるよう接続されている。ECU２４内のROMには一般的に用いられるエンジン回転数や水温、触媒温度、空燃比に応じた各種デバイスの設定値がマップデータとして記録されているほか、本発明の特徴である、冷機時における燃料噴射期間に対する吸気弁７の閉弁時期、排気弁８の開弁時期のデータも記録されている。
なお、すべての実施例は冷機条件を想定しており、アクセルからの要求負荷に対し運転空燃比が１４.５になるように燃料噴射量と空気量が制御させる。
第１の実施例を図２〜５を用いて説明する。本実施例では図２に示すように、アイドル（Ａ）から車速４０km/h（Ｂ）を経て車速８０km/h（Ｃ）に至るまでの動作を記す。
各条件A、B、Cのエンジン回転数と充填効率を図３に示す。条件Aは回転数７５０r/min、充填効率４０％、条件Bは回転数１２５０r/min、充填効率６０％、条件Cは２０００r/min、充填効率は９０％である。
本実施例での燃料圧力は５MPa一定としており、条件Aの噴射パルス時間は１.５ms、条件Bの噴射パルス時間は２.２ms、条件Cの噴射パルス時間は３.６msと充填効率（負荷）上昇に応じて長くなっている。噴射パルス時間を各条件での回転数におけるクランク角度に換算すると、条件Aの燃料噴射期間は６.８deg、条件Bの燃料噴射期間は１６.５deg、条件Cの燃料噴射期間は４３.２degとなる。
条件Aでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルと燃料噴射信号を図４に示す。本実施例において回転数、噴射量、燃圧が最小となるアイドル条件Aでの燃料噴射期間は６.８degであることから、燃料噴射開始時期はTDC、燃料噴射終了時期は６．８degATDCに設定した。そして、排気弁が閉じてから吸気弁が開くまでの燃料噴射可能期間を６.８degとするため、排気弁閉時期をTDC、吸気弁開時期を６.８degとした。ここで、条件Aを基準として、排気弁進角量をα、吸気弁遅角量をβ、噴射期間増加量をγと定義する。
条件Bは燃料噴射期間が１６.５degであることからγは９.７deg、条件Cは燃料噴射期間が４３.２degであることからγは３６.４degとなる。
本実施例では排気弁が閉じてから吸気弁が開くまでの期間に燃料を噴射する制御とし、α+β=γとなるようα及びβの動作を決定している。また、γが１０degとなるまではαのみを増加させ、γが１０deg以降はβのみを増加させる手法としている。噴射期間増加量γに対する排気弁進角量α、吸気弁遅角量β及びα+βのデータを図５に示す。
条件Bでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルと燃料噴射信号を図７に示す。条件Bではγが９.７degと１０deg以下であることから、排気弁のみ進角することで噴射可能期間を長くするように制御され，α=９.７deg、β=０degに決定される。
条件Cでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルと燃料噴射信号を図８に示す。条件Cではγが３６．４degと１０deg以上であることから、排気弁の進角と吸気弁の遅角により噴射可能期間を長くするように制御され，α=１０.０deg、β=２６.４degに決定される。
なお、本実施例では本発明の適用範囲をγが４０deg以下としており、γが４０degを超える条件では通常の吸気行程噴射に制御される。
燃料噴射開始時期は排気弁閉時期に設定するため、γに応じて排気弁進角量αと同じように噴射開始時期も進角される。条件Aでの燃料噴射開始時期はTDCであり，条件Bはαが９.７degであることから燃料噴射開始時期は９.７degBTDC、条件Cではαが１０．０degであることから燃料噴射開始時期は１０.０degBTDCに設定される。
本実施例での作用を記す。エンジン始動直後、水温センサ２０、触媒温度センサ２３の入力信号から一般的に用いられている触媒暖機モード有無が判定される。ここでは触媒暖機モードに入ったものとし、吸気行程と圧縮行程の分割噴射及び点火リタードによる昇温制御が用いられる。そして、触媒温度が活性温度まで上昇したとき昇温制御が解除される。
本実施例では昇温制御が解除された条件は条件Aのエンジン回転数７５０r/min、アイドル条件とし、燃圧は通常運転で用いられる最小燃圧５MPaとなっている。昇温制御解除と同時に水温センサ２０により冷機及び暖機が判定される。ここでは水温を３０℃とし、冷機状態と判定される。冷機と暖機の判定温度は明確に決定できないが、ここでは６０℃以上で暖機と判断するようECU２４に入力されている。冷機と判定された時点で噴射パルス幅から、クランク角センサ１９から算出された回転数を用い、燃料噴射期間が算出される。
本実施例ではECU２４に最少燃料噴射期間６.８degが記録されており、上記で算出された燃料噴射期間から６.８degを減算することでγが求められる。アイドルでは燃料噴射期間が６.８degのためγはゼロと判定され、ECU２４に入力されている、図４に示す状態になるよう吸気弁可変機構９、排気弁可変機構１０が制御される。また、燃料噴射開始時期はTDCに設定される。
アクセルを踏み込むことで要求トルクが上昇したと判定され、アクセル開度やエンジン回転数の情報から１気筒当たり目標燃料噴射量が決定される。ここでは車速４０km/h、条件Bの燃料噴射量１８.２mgがECU２４から決定される。そして燃料圧力センサ１６の信号から燃料圧力が５MPaと判定され、噴射パルス時間２.２msが算出される。クランク角センサ１９からエンジン回転数が１２５０r/minが算出され、燃料噴射期間１６.５degが算出される。１６.５degから条件Aの最少燃料噴射期間である６.８degが減算され、γ=９.７degが算出される。図５のデータから、αが９.７deg進角されて排気弁閉時期が９.７degBTDC、βは０degのままで吸気弁開時期は６.８degが維持される。そして、噴射量に対し空燃比１４.５の吸入空気量となるようにスロットルが制御される。
燃料噴射開始時期はαと同じ９.７deg進角され９.７degBTDCとなる。排気弁が閉じてから吸気弁が開くまでの期間は９.７+６.８の１６.５degとなっており、燃料噴射期間と同じになっている。
更にアクセルを踏み込んだ車速８０km/hの条件Cでは、アクセル開度やエンジン回転数の情報から１気筒当たり目標燃料噴射量２９.５mgがECU２４から決定される。そして燃料圧力センサ１６の信号から燃料圧力が５MPaと判定され、噴射パルス時間３.６msが算出される。クランク角センサ１９からエンジン回転数が２０００r/minが算出され、燃料噴射期間４３.２degが算出される。４３.２degから条件Aの最少燃料噴射期間である６.８degが減算され、γ=３６.４degが算出される。条件Cでは図５のデータから、αが+１０.０deg、更にβが+２６.４degされて排気弁閉時期が１０degBTDC、吸気弁開時期は６.８degに２６.４が加算され３３.２degATDCとなる。そして、噴射量に対し空燃比１４.５の吸入空気量となるようにスロットルが制御される。
燃料噴射開始時期はαと同じ１０.０deg進角され１０.０degBTDCとなる。排気弁が閉じてから吸気弁が開くまでの期間は１０.０+６.８+２６.４の４３.２degとなっており、燃料噴射期間と同じになっている。
第２の実施例を、図６及び９、１０を用いて説明する。本実施例での、噴射期間増加量γに対する排気弁進角量α、吸気弁遅角量β及びα+βのデータを図６に示す。第１の実施例と異なる点は、γの増加に応じてαとβも増加させている点である。ここで、α+βの増加量に対し、αが２７.５%、βが７２.５%となるようにしている。その他は第１の実施例と同じである。
基準となる条件Aでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルは図４の実施例１と同じである。
条件Bでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルと燃料噴射信号を図９に示す。第２の実施例ではαが２７.５%、βが７２.５%になるように決定されることから、γが９.７degではαは２．４deg、βは７．３degとなり、排気及び吸気弁がそれぞれ制御される。
条件Cでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルと燃料噴射信号を図１０に示す。条件Cではγが３６．４degであり、γに対しαが２７.５%、βが７２.５%になるように決定されることから、α=９．１deg、β=２７．３degに決定される。
第２の実施例の動作を示す。動作点は図２、３に示す第１の実施例と同じ条件A、B、Cである。
条件Aまでは第１の実施例と動作が同じため省略する。
条件Bでは燃料噴射期間１６.５degであり、１６.５degから条件Aの最少燃料噴射期間である６.８degが減算され、γ=９.７degが算出される。図６のデータから、αが２.７deg進角されて排気弁閉時期が２.７degBTDC、βは７.０deg遅角されて吸気弁開時期は６.８+７.０の１３.８degATDCとなる。
燃料噴射開始時期はαと同じ２.７deg進角され２.７degBTDCとなる。排気弁が閉じてから吸気弁が開くまでの期間は２.７+１３.８の１６.５degとなっており、燃料噴射期間と同じになっている。
条件Cでは燃料噴射期間４３.２degであり、４３.２degから条件Aの最少燃料噴射期間である６.８degが減算され、γ=３６.４degが算出される。図６のデータから、αが１０.０degされて排気弁閉時期が１０degBTDC、吸気弁開時期は６.８degに２６.４が加算され３３.２degATDCとなる。
燃料噴射開始時期はαと同じ１０deg進角され１０degBTDCとなる。排気弁が閉じてから吸気弁が開くまでの期間は１０+６.８+２６.４の４３.２degとなっており、燃料噴射期間と同じになっている。
第３の実施例を、図１１、１２を用いて説明する。本実施例での、噴射期間増加量γに対する排気弁進角量α、吸気弁遅角量β及びα+βのデータを図１１に示す。第２の実施例と異なる点は、γの増加に応じてαとβを同時に増加させつつ，γが大きくなるにつれて吸気弁と排気弁の総変化量α+βに対してαの占める割合を高くなるようにしている点である。図１２にγに対するα／(α+β)の変化を示す。その他は第１、第２の実施例と同じである。
基準となる条件Aでの吸気弁７及び排気弁８のプロファイルは図４の実施例１と同じである。
条件B、Cでのα及びβは図１１から決定され、条件Bのγが９．７degにおいてαは０．８deg、βは８．９degに、条件Cのγが３６．４degにおいてαは８．７deg、βは２７．７degとなるように排気及び吸気弁がそれぞれ制御される。
第３の実施例の動作を示す。動作点は図２、３に示す第１の実施例と同じ条件A、B、Cである。
条件Aまでは第１の実施例と動作が同じため省略する。
条件Bでは燃料噴射期間１６.５degであり、１６.５degから条件Aの最少燃料噴射期間である６.８degが減算され、γ=９.７degが算出される。図１１のデータから、αが０．８deg進角されて排気弁閉時期が０．８degBTDC、βは８．９deg遅角されて吸気弁開時期は６.８+８．９の１５．７degATDCとなる。
燃料噴射開始時期はαと同じ０．８deg進角され０．８degBTDCとなる。排気弁が閉じてから吸気弁が開くまでの期間は０．８+１５．７の１６.５degとなっており、燃料噴射期間と同じになっている。
条件Cでは燃料噴射期間４３.２degであり、４３.２degから条件Aの最少燃料噴射期間である６.８degが減算され、γ=３６.４degが算出される。図１１のデータから、αが８．７deg進角されて排気弁閉時期が８．７degBTDC、βは２７．７deg遅角されて吸気弁開時期は６.８degに２７．７が加算され３４．５degATDCとなる。
燃料噴射開始時期はαと同じ８．７deg進角され８．７degBTDCとなる。排気弁が閉じてから吸気弁が開くまでの期間は８．７+６.８+２７．７の４３.２degとなっており、燃料噴射期間と同じになっている。
なお、第３の実施例におけるγに対する吸気弁と排気弁の総変化量α+βに対してαの占める割合を、図１３、図１４のように、γが１０degまではαのみを増加させ、γが１０degよりも大きくなると、γが大きくなるにつれて吸気弁と排気弁の総変化量α+βに対してαの占める割合を高くなるようにして第３の実施例と同じ効果が得られる。
第１の実施例では、排気弁進角量の最大値に対し吸気弁遅角量の最大値を大きくすることで、燃焼室内温度を気化が悪化しない温度に維持しつつ残留ガスによる燃焼変動増加と燃費悪化を抑制できる。また、γが小さい領域ではαのみを増加させ、γが大きい領域ではβのみを増加させることで残留ガスによる筒内温度上昇効果を早期に得ることができ、エンジン始動直後の燃料温度が低い条件で加速しても気化促進が図られピストン付着抑制効果が高い。
第２の実施例では、γが大きくなるにつれて、αとβを同時に増加させるように吸排気弁を制御しており、この方法では残留ガスの増加を最小に維持できるため燃焼変動や燃費への跳ね返りが殆どなく、更にγの増加分をαとβで分担できることで排気弁α又は吸気弁β単独で変化させる場合に比べ変化量が少なく、応答性が良い利点がある。
第３の実施例では、γが大きくなるにつれて、αとβを加算した総変化量に占めるαの割合が高くなる様に吸排気弁を制御しており、この方法ではγが小さい範囲では残留ガスの増加を最小に維持できるため燃焼変動や燃費への跳ね返りなしで排気を低減できる。
１…シリンダヘッド
２…シリンダブロック
３…ピストン
４…点火プラグ
５…吸気管
６…排気管
７…吸気弁
８…排気弁
９…吸気弁科研機構
１０…排気弁可変機構
１１…燃料噴射弁
１２…燃料タンク
１３…フィードポンプ
１４…高圧ポンプ
１５…コモンレール
１６…燃圧センサ
１７…コンロッド
１８…クランク軸
１９…クランク角センサ
２０…水温センサ
２１…コレクタ
２２…三元触媒
２３…触媒温度センサ
２４…ECU

Claims (5)

  1. 筒内直噴エンジンを制御する制御装置において、
    前記制御装置は、前記筒内噴射エンジンの冷機条件において、
    排気弁が閉じる時期から吸気弁が開くまでの時期を燃料噴射可能期間とし、上記燃料噴射可能期間に全部若しくは殆どの燃料が噴射できるように燃料噴射期間が設定され、
    燃料噴射期間がアイドル運転状態相当となる条件での排気弁閉時期、吸気弁開時期、燃料噴射期間を基準とし、基準位置からの排気弁進角量の絶対値をα[deg]、吸気弁遅角量の絶対値をβ[deg]、燃料噴射期間増加量をγ[deg]とすると、γが大きくなるにつれてα+βも大きくなるように吸排気弁が制御され、前記筒内噴射エンジンの回転数と充填効率とから求められる適用範囲上限であるγが最大となる条件でβ＞αとなることを特徴とした制御装置。
  2. 請求項１において、γが所定の領域より小さい領域ではαのみを増加させ、γが前記所定の領域より大きい領域ではβのみを増加させるよう吸排気弁を制御することを特徴とする制御装置。
  3. 請求項１において、γが大きくなるにつれて、αとβを同時に増加させるように吸排気弁を制御することを特徴とする制御装置。
  4. 請求項１において、γが大きくなるにつれて、αとβを加算した総変化量に占めるαの割合が高くなる様に吸排気弁を制御することを特徴とする制御装置。
  5. 請求項１において、γが前記適用範囲上限よりも大きくなると、前記筒内噴射エンジンが冷機条件においても、吸気行程の吸気弁開後に燃料を噴射するように噴射時期を切り替えることを特徴とする制御装置。
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