筒内噴射式内燃機関の制御装置
【課題】筒内噴射式内燃機関の冷機始動時において排気触媒の早期活性化とエンジン壁面温度の早期高温化を両立する。
【解決手段】エンジン筒内に流入した空気量に基づき算出した１サイクルの間に燃焼室に供給する燃料の半分未満を一発目に噴射し、１サイクルの間に燃焼室に供給する燃料量から一発目に噴射した量の差分を二発目に噴射し、前記内燃機関の圧縮上死点前に前記点火装置による点火を実施することで、燃料の一部を火炎伝播により燃焼させ、残りの燃料を自着火により燃焼させる。この結果、燃焼期間を長期化でき、排気触媒の早期活性化とエンジン壁面温度の早期高温化を両立できる。
【解決手段】エンジン筒内に流入した空気量に基づき算出した１サイクルの間に燃焼室に供給する燃料の半分未満を一発目に噴射し、１サイクルの間に燃焼室に供給する燃料量から一発目に噴射した量の差分を二発目に噴射し、前記内燃機関の圧縮上死点前に前記点火装置による点火を実施することで、燃料の一部を火炎伝播により燃焼させ、残りの燃料を自着火により燃焼させる。この結果、燃焼期間を長期化でき、排気触媒の早期活性化とエンジン壁面温度の早期高温化を両立できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式内燃機関の制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に使用される内燃機関（エンジン）において排気成分の低減が必須課題である。エンジンの排気成分としては、未燃炭化水素（以下、ＨＣ），窒素酸化物（以下、ＮＯｘ），一酸化炭素（以下、ＣＯ）及び、粒子状物質（Particulate Matter、以下、ＰＭ）がある。ＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯは、失火や燃焼温度の高温化，不完全燃焼によって生成する成分である。これらは、エンジン下流に設けた触媒を用いて無害化している。ただし、これらの成分を触媒によって無害化するには、触媒が活性化する温度に達している必要が有り、特にエンジンの始動直後には触媒の活性化まで時間がかかる。ＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯを低減するため、内燃機関の下流に設けた排気触媒の早期活性化する技術として、エンジン始動後の冷機時に、圧縮行程中の燃料噴射によりエンジン筒内の混合気を成層化し、かつ、圧縮上死点後に点火する技術が知られており，例えば特許文献１がある。
【０００３】
一方、ＰＭは、ナノメートルサイズの粒子であり、エンジン筒内に局所的に形成される空燃比（空気量と燃料量の比）が理論（量論）空燃比よりも小さい混合気（リッチ混合気）が燃焼すると生成する。エンジンの冷機始動時には、エンジン壁面に付着した燃料がピストン等の壁面に形成した液膜（以下、燃料液膜）が、点火時期以降も残存し、火炎が壁面に近づいてきた後に、気化する。この結果、壁面近傍の燃料が十分に拡散・混合できず、壁面近傍に大量のリッチ混合気が形成される。これが燃焼してしまうため、大量のＰＭが排出されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８８８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
退寮のＰＭの排出を改善するには、点火時期より前に液膜を気化させることが必要となるが、液膜を気化させるには、エンジン壁面温度を高温化すれば良い。従来技術では、排気触媒の早期活性化は可能であるが、燃料が燃焼する際に放出する熱の大部分を触媒昇温に使用するため、エンジン壁面温度の早期高温化ができず、ＰＭを削減できないという課題があった。このため、内燃機関の冷機始動時において排気触媒の早期活性化とエンジン壁面温度の早期高温化を両立する手段が必要であった。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、本発明は排気触媒の早期活性化とエンジン壁面温度の早期高温化が両立することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため本発明は、内燃機関の燃焼室へ流入する空気量を検出して出力する空気量検出装置と、前記燃焼室へ燃料を供給する燃料噴射装置と、燃料と空気の混合気に点火するための点火装置を備え、前記空気量検出装置の出力に基づいて一サイクル中の燃料総噴射量を算出し、一サイクル中に燃料の分割噴射を行う筒内噴射式内燃機関の制御装置であって、前記燃料総噴射量の半分未満を噴射する第一の噴射と、前記総噴射量と前記第一の噴射で噴射される燃料量との差分に相当する量を前記第一の噴射よりも後のタイミングで噴射する第二の噴射と、を行い、前記第二の噴射後前記内燃機関の圧縮上死点前に前記点火装置による点火制御を実施することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、エンジン筒内に火炎伝播可能な領域と火炎伝播不可能かつ自着火可能な領域を形成し、点火を圧縮上死点より前に設定することで、燃料の一部を火炎伝播により燃焼させ、残りの燃料を自着火により燃焼させることができる。これにより燃焼期間を長期化でき、排気触媒の早期活性化とエンジン壁面の早期高温化を両立し、エンジンから排出されるＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯとＰＭを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施例におけるエンジンの構成図。
【図２】第１の実施例におけるＥＣＵの構成図。
【図３】火炎伝播限界の説明図。
【図４】自着火限界の説明図。
【図５】ハイブリッド燃焼による燃焼期間の長期化を実施する筒内の混合気状態。
【図６】ハイブリッド燃焼による燃焼期間の長期化を実施した際の熱発生履歴。
【図７】第１から第３の実施例における制御フローチャート。
【図８】第１の実施例における噴射及び点火制御のフローチャート。
【図９】冷却水温度及び排気温度と触媒温度の説明図。
【図１０】自着火用混合気の目標空燃比の説明図。
【図１１】燃料噴射量と噴射パルス幅の関係の説明図。
【図１２】第１の実施例における各種信号波形と熱発生率の履歴。
【図１３】第２及び第３の実施例におけるエンジンの構成図。
【図１４】第２及び第３の実施例におけるＥＣＵの構成図。
【図１５】第２の実施例における噴射，点火及びＥＧＲ調整バルブ制御のフローチャート。
【図１６】外部ＥＧＲの導入による層流燃焼速度の変化の説明図。
【図１７】第３の実施例における噴射，点火制御のフローチャート。
【図１８】第３の実施例における各種信号波形，熱発生率の履歴。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図１から図１８を用いて、本発明の第１から第３の実施例による筒内噴射式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１及び第２の実施例における筒内噴射式内燃機関の構成図である。エンジン１００は、火花点火燃焼を実施する自動車用ガソリンエンジンである。吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気流量を調整する電子制御スロットル２とが、吸気管６の各々の適宜位置に備えられている。また、エンジン１００には、シリンダ７とピストン１４とで囲われる燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ３と、点火エネルギーを供給する点火プラグ４が、シリンダ７の各々の適宜位置に備えられている。また、吸気弁５ａと筒内から排出される排気ガスを調整する排気弁５ｂで構成する可変動弁５が、シリンダ７の各々の適宜位置に備えられている。
【００１２】
さらに、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、排気温度検出器の一態様あって、三元触媒１０の上流側にて排気の温度を計測する排気温度センサ１１とが排気管８の各々の適宜位置に備えられる。また、クランク軸１２には、回転角度を算出するためのクランク角度センサ１３が備えられている。加えて、エンジンの冷却水の温度を計測する冷却水温度センサ１５が備えられている。さらに、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１６が備えられている。
【００１３】
エアフローセンサ１，空燃比センサ９，排気温度センサ１１，クランク角センサ１３，冷却水温度センサ１５及びアクセル開度センサ１６から得られる信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に送られる。アクセル開度センサ１６は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１６の出力信号に基づいて、要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ１６は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサ１３の出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ＥＣＵ２０は、上記各種センサの出力から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量，燃料噴射量，点火時期，吸排気弁動作量のエンジンの主要な作動量を最適に演算する。
【００１４】
ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ３に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように、点火プラグ駆動信号が点火プラグ４に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された吸排気弁の開閉弁時期で、吸排気弁が開閉弁するように、可変動弁駆動信号として、可変動弁５に送られる。
【００１５】
図２は、本発明の第１から第２の実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。
【００１６】
エアフローセンサ１，空燃比センサ９，排気温度センサ１１，クランク角センサ１３，冷却水温度センサ１５，アクセル開度センサ１６の出力信号は、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａに入力する。但し、入力信号はこれらだけに限られない。入力された各センサの入力信号は入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られる。入出力ポート２０ｂに送られた値は、ＲＡＭ２０ｃに保管され、ＣＰＵ２０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０ｄに予め書き込まれている。
【００１７】
制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。本実施形態の場合は、駆動回路として、電子スロットル駆動回路２０ｆ，インジェクタ駆動回路２０ｇ，点火出力回路２０ｈ，可変動弁駆動回路２０ｊがある。各回路は、それぞれ、電子制御スロットル２，インジェクタ３，点火プラグ４，可変動弁５を制御する。本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０外に備えるものであってもよい。
【００１８】
次に、図３から図６を用いて、火炎伝播と自着火を組み合わせたハイブリッド燃焼を用いた燃焼期間の長期化について説明する。ハイブリッド燃焼による燃焼期間の長期化には、燃料の燃焼特性である火炎伝播限界と自着火限界を利用する。まず、図３及び図４にて、火炎伝播限界と自着火限界について説明する。
【００１９】
図３は、火炎伝播限界を説明する図である。火炎伝播に関する指標に、層流燃焼速度がある。炭化水素系燃料の層流燃焼速度は、量論混合比より過濃な条件（当量比１.１程度）で最大値をとり、特定の当量比範囲でのみ値を持つ。これは、当量比の条件によっては、混合気中を火炎が伝播できなくなるためである。火炎伝播が可能な当量比範囲の希薄側と過濃側の境界を、火炎伝播限界という。本発明では、希薄側の火炎伝播限界の当量比をΦＦＬと、過濃側の火炎伝播限界の当量比をΦＦＲと示す。ΦＦＬは、燃料の種類によって異なるが、炭化水素系の燃料では、ΦＦＬは大体０.４程度である。なお、当量比とは、燃料濃度の指標を意味する。
【００２０】
図４は、自着火限界を説明する図である。燃料と酸化剤の混合気の自着火特性に関する指標に、着火遅れ時間がある。着火遅れ時間は、燃料と酸化剤が混ざり混合気を形成してから、急速な熱発生を生じるまでの時間である。着火遅れ時間は、燃料と酸化剤の種類，圧力，温度，当量比によって変化する。一般に、着火遅れ時間は、温度，圧力が大きい条件で小さい。また、当量比１近辺で最も小さくなり、当量比が小さい条件，大きい条件では着火遅れ時間が長くなる。特定のエンジン運転時に自着火が発生するかは、エンジン回転周期と着火遅れ時間の比較から判定できる。自着火するためには、少なくとも、エンジンの回転周期に比べ着火遅れ時間が短い必要がある。ここでは、エンジンの回転周期と着火遅れ時間が同等になる希薄側と過濃側の当量比を自着火限界という。特に、エンジンの回転周期と着火遅れ時間が同等になる希薄条件の当量比をΦＩＬと示す。ΦＩＬは、燃料種によって変化するが、大体０.２程度である。通常の炭化水素系の燃料では、火炎伝播限界ΦＦＬと自着火限界ΦＩＬには、以下の関係が有る。
ΦＦＬ＞ΦＩＬ …（１）
【００２１】
図５に、ハイブリッド燃焼による燃焼期間の長期化を実施する際のエンジン筒内の混合気状態を示す。混合気は、後述するように、エンジン筒内へ燃料を分割噴射し、各噴射の燃料噴射量と目標空燃比，噴射タイミングを制御することにより形成される。点火プラグ４周りに当量比がΦＦＬ以上である火炎伝播用混合気２００が形成される。また、火炎伝播用混合気２００の周りには、当量比がΦＦＬ未満である自着火用混合気２０１が形成される。自着火用混合気２０１が火炎伝播用混合気２００よりも筒内で拡散が進んでいるのは、分割噴射の中で火炎伝播用混合気２００よりも先の噴射により形成されるからである。詳細な分割噴射のタイミングは後述する。
【００２２】
ここで、点火プラグにより火炎伝播用混合気２００に点火すると、まず、火炎伝播用混合気２００の中を火炎が伝播し、燃焼が進む。自着火用混合気２０１の当量比はΦＦＬ未満であるため、自着火用混合気２０１の中を火炎は伝播できない。そして、火炎伝播用混合気２００の燃焼に伴う発熱により、エンジン筒内の温度，圧力が上昇し、自着火用混合気２０１が自着火して、火炎伝播用混合気２００よりも遅れて燃焼する。これにより、燃焼期間が長期化し、壁面温度の上昇と、触媒温度の上昇が両立可能となる。このように、火炎伝播に引き続き自着火を引き起こす燃焼方式を本発明ではハイブリッド燃焼と呼ぶ。このときの熱発生履歴は、図６に示すように、二つのピーク値を持つ変化を示す。このうち前半の熱発生履歴のピークは火炎伝播により引き起こされ、また、後半の熱発生履歴のピークは自着火により引き起こされる。
【００２３】
ハイブリッド燃焼を実施するための、具体的なエンジンの制御方法を、図７から図１１を用いて説明する。まず、図７，図８を用いて、本実施例にて実行する制御の流れを示す。ステップＳ１にて、排気温度センサ１１の出力に基づき排気温度、冷却水温度センサ１５の出力に基づき冷却水温度、アクセル開度センサ１６の出力に基づきエンジン要求トルクを検出する。続いてステップＳ２にて冷却水温度が判定温度Ｔｗ以上かを判定する。本実施例では、判定温度Ｔｗを８０℃と設定した。冷却水温度が判定温度Ｔｗ以上の場合、暖機条件と判断され、ステップＳ４に進み、ＲＯＭ２０ｄに記録された暖機条件制御に基づき燃料噴射装置，点火装置，電子制御スロットル，可変動弁を制御する。ステップＳ２にて冷却水温度が判定温度Ｔｗ未満と判断した場合、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、検出した排気温度と冷却水温度に基づき推定した触媒温度が活性化温度に達しているかを判定する。ここで、触媒活性化温度は３００℃と設定する。触媒が活性化温度に達しているかは、図９のような排気温度と冷却水温度のマップから推定することができる。ステップＳ３にて、触媒温度が活性化温度に達していないと判定した場合、ステップＳ５に進み、ＲＯＭ２０ｄに記録された冷機条件制御に基づき、電子制御スロットル２，インジェクタ３，点火プラグ４，可変動弁５を制御する。ステップＳ３にて、触媒温度が活性化温度に達していると判定した場合、ステップＳ６に進み、ＲＯＭ２０ｄに記録されたハイブリッド燃焼制御に基づき、電子制御スロットル２，インジェクタ３，点火プラグ４，可変動弁５を制御する。このように、エンジンの冷却水温に基づき排気触媒が未活性状態かを検出し、未活性状態であれば、ハイブリッド燃焼を実施するように設定している。これにより、排気触媒が未活性の状態にて、排気触媒昇温とエンジン壁面昇温が両立できる。
【００２４】
続いて、図８を用いてステップＳ６の処理を説明する。まず、ステップＳ６０にて、エンジンの要求トルクに基づきスロットル開度を決定し、スロットルを制御する。次に、ステップＳ６１で、エアフローセンサ１の信号に基づき吸入空気量Ｑａｉｒを検出する。続いてステップＳ６２で、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔを設定する。目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔは、エンジン筒内に導入される空気量と燃料量の比の目標値である。本実施例では、一例として１６に設定した。次に、ステップＳ６３にて、ステップＳ６１で検出した吸入空気量Ｑａｉｒと目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔに基づき、一サイクルに噴射する燃料量（総噴射量）Ｑｔを算出する。一サイクルに噴射する燃料量Ｑｔは、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔ，吸入空気量Ｑａｉｒを用いて、以下の式で求める。
Ｑｔ＝Ｑａｉｒ／（Ａ／Ｆ）ｔ …（２）
【００２５】
続いて、ステップＳ６４に進み、一サイクル中一発目の燃料噴射により形成する自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１を設定する。自着火用混合気２０１とは、火炎伝播による燃焼は不可能であるが、自着火による燃焼が可能である特性を持つ混合気のことである。自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１は、マップを用いて設定する。自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１のマップを図１０に示す。目標空燃比（Ａ／Ｆ）１を決めるためのマップは、エンジントルクとエンジン回転速度で整理されており、エンジン回転速度が小さく、要求トルクが大きいほど、小さい値を持つ分布となっている。マップは、ＲＯＭ２０ｄに予め格納してある。自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１は、火炎伝播限界及び自着火限界に基づき決められている。このため、マップ上の値は、以下の式を満たすように自由に設定できる。
ΦＦＬ＞（Ａ／Ｆ）ｓｔ／（Ａ／Ｆ）１＞ΦＩＬ …（３）
【００２６】
式（３）において、火炎伝播限界の当量比ΦＦＬ、自着火限界の当量比ΦＩＬ、（Ａ／Ｆ）ｓｔは、量論混合比における空燃比である。（Ａ／Ｆ）ｓｔは、燃料がガソリンの場合、１４.７である。本実施例では燃料にガソリンを用いるので、（Ａ／Ｆ）ｓｔは、１４.７としている。
【００２７】
続いてステップＳ６５に進み、ステップＳ６４で読み込んだ自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１を用いて、吸気行程の噴射量Ｑ１を、以下の式で求める。
Ｑ１＝Ｑａｉｒ／（Ａ／Ｆ）１ …（４）
【００２８】
続いて、ステップＳ６６に進み、総噴射量Ｑｔと一発目の噴射量Ｑ１の差分から、二発目の噴射量Ｑ２を求める。
Ｑ２＝Ｑｔ−Ｑ１ …（５）
【００２９】
続いて、ステップＳ６７で噴射時期、インジェクタ３を開弁駆動するための噴射パルス幅，点火時期を設定する。一発目の噴射開始時期は、自着火用混合気２０１が筒内で十分に拡散するように、吸気行程中に設定する。二発目の噴射時期は、一発目の噴射終了後から、圧縮上死点前までの任意の範囲で設定できるが、本実施例では例えば圧縮行程開始のタイミングに設定する。また、噴射パルス幅は、図１１に示す噴射パルス幅と燃料噴射量の関係を整理したマップに基づき噴射パルス幅を決める。Ｑ１及びＱ２の噴射量に対応する噴射パルス幅をマップから計算し、一発目と二発目の噴射パルス幅を決定する。点火時期は、二発目の噴射完了時期から圧縮上死点の間に設定する。次にステップＳ６８に進み、ステップＳ６１からステップＳ６７までにＥＣＵによる演算で決定した噴射量，点火時期に基づき、制御を実施する。
【００３０】
図１２には、図７，図８の制御に基づき動作させたときの、噴霧装置の駆動信号波形を示す。本実施例では、吸気行程中に一発目の噴射を実施し、吸気下死点から二発目の噴射を実施した。式（３）を満たすように、一発目の噴射量Ｑ１と二発目の噴射量Ｑ２の関係から、一発目の噴射パルス幅ｔ１に比べ、二発目の噴射パルス幅ｔ２が大きい。また、圧縮上死点にピストンが達する前に、点火信号をＯＮにして、燃焼を開始するため、圧縮上死点前から熱発生が生じる。点火後、火炎伝播により混合気が燃焼することで発熱し、続いて、自着火の発生により発熱が生じる。このため燃焼期間が長期化し、熱発生率の履歴に２つのピークを有する。熱発生率の履歴は、筒内圧を検出するセンサの出力値から演算する。
【００３１】
以上、火炎伝播と自着火を組み合わせたハイブリッド燃焼を実施する筒内噴射式内燃機関の制御装置で、エンジン筒内に流入する空気量に基づき算出した１サイクルの間に噴射する燃料量（総噴射量）の半分未満を一発目に噴射し、総噴射量と一発目に噴射した量の差分を二発目に噴射し、圧縮上死点前に点火を実施するように設定する。これにより、圧縮上死点前から燃焼を開始し、燃料の一部を火炎伝播により燃焼させ、残りの燃料を自着火により燃焼させることが可能となる。この結果、燃焼期間を長期化でき、排気触媒の早期活性化とエンジン壁面温度の早期高温化が両立できる。
【００３２】
図１３から図１８を用いて、本発明の第２及び第３の実施例を説明する。第２の実施例と第３の実施例は、エンジンと制御装置の構成が同じで、制御方法が異なる。以下、エンジンと制御装置の構成を説明した後、それぞれの実施例の制御方法を説明する。図１３は、本発明の第２及び第３の実施例における筒内噴射式内燃機関の構成図である。第２及び第３の実施例の内燃機関には、第１の実施例に加え、排気ガスをエアフローセンサの上流側に戻すためのＥＧＲ配管１７を設けている。ＥＧＲ配管１７の途中には、排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１８を設置する。また、ＥＧＲ配管には、エンジンに戻す排気ガスの量を調整するためのＥＧＲ調整バルブ１９を設置する。さらに、エンジン１００に、エンジン１００の振動に基づきノック発生の有無を検知するノックセンサ２１を設置する。ノックセンサ２１の検出信号は、ＥＣＵ２０に入力される。図１４は、第２及び第３の実施例による筒内噴射式内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。第１の実施例との違いは、ＥＧＲ調整バルブ１９制御のため、ＣＰＵ２０ｅで演算処理されたＥＧＲ調整バルブ１９を制御するためのＥＧＲ調整バルブ駆動回路２０ｋを備える点、入力回路２０ａにノックセンサ２１の信号が入力される点である。なお、本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０内に備えるものであってもよい。
【００３３】
第２の実施例では、図７と図１５のフローチャートに沿って制御を実施する。第１の実施例とは、ステップＳ６における制御内容が異なる。図１５を用いて、第２の実施例におけるステップＳ６の制御を説明する。図８と異なるステップ（ステップＳ６７ａ，ステップＳ６７ｂ，ステップＳ６８ａ）について説明する。ステップＳ６７ａでは、ノックセンサ２１の出力に基づきノック発生の有無を判定する。ノックの発生が無ければ、ステップＳ６８ａに進み、ステップＳ６７で設定した噴射時期，噴射パルス幅，点火時期に基づき、噴射，点火等の制御を実施する。ステップＳ６８ａで、ノックの発生が有りと判定した場合、ステップＳ６８ｂに進み、ＥＧＲバルブ開弁量を現在の設定値よりも大きくする。続いて、ステップＳ６８ａに進む。図１６に示すように、外部ＥＧＲを導入することで、導入しない場合に比べ、火炎伝播速度を小さくすることができる。この結果、エンジン筒内の温度，圧力の上昇を緩慢にでき、ノックの抑制が可能となる。
【００３４】
このように、エンジン筒内に導入する排気ガスの量を調整する排気ガス調整弁を備える筒内噴射式内燃機関の制御装置において、外部ＥＧＲ率を変化させることで、火炎伝播による燃焼と自着火による燃焼を緩慢化させ、燃焼期間を長期化できる。
【００３５】
第３の実施例では、図７，図１７に示すフローチャートに基づき制御を実施する。第２の実施例とは、ステップＳ６における制御内容が異なる。図１７を用いて、第３の実施例におけるステップＳ６の制御を説明する。第３の実施例で新しい部分は、ステップＳ６７ｃである。ステップＳ６７ｃでは、ノックセンサ２１の出力に基づきノックが発生したとの判定の後、２発目の噴射時期を、Ｓ６７で設定した値よりも遅角化して設定する。ノックが発生した際の本実施例の制御に基づく、噴射信号，点火信号，発熱率は、図１８に示す通りとなる。破線で示した噴射信号は、前サイクルでの噴射パルス信号である。本実施例では、ステップＳ６７ｂでノックが発生したと判定されたため、２発目の噴射が進角化されている。この制御を実施すると、元々の設定に比べ、２発目に噴射された燃料の拡散時間が増えることから、エンジン筒内の火炎伝播用混合気２００の割合を増加し、自着火用混合気２０１の割合を減少させることができる。この結果、自着火により燃焼する混合気の割合が減少し、ノックを抑制することができる。本実施例は、噴射制御によりハイブリッド燃焼時のノック発生を避ける手段として有効である。
【００３６】
このように、センサ信号から検出した振動に基づき、二発目の噴射時期を振動が発生する前に比べて進角化することができる。これにより、火炎伝播で燃焼させる燃料量が増え、自着火で燃焼する燃料量が減る。この結果、ノックの発生によるエンジンの振動を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１ エアフローセンサ
２ 電子制御スロットル
３ インジェクタ
４ 点火プラグ
５ 可変動弁
５ａ 吸気弁
５ｂ 排気弁
６ 吸気管
７ シリンダ
８ 排気管
９ 空燃比センサ
１０ 三元触媒
１１ 排気温度センサ
１２ クランク軸
１３ クランク角度センサ
１４ ピストン
１５ 冷却水温度センサ
１６ アクセル開度センサ
１７ ＥＧＲ配管
１８ ＥＧＲクーラ
１９ ＥＧＲ調整バルブ
２０ ＥＣＵ
２０ａ 入力回路
２０ｂ 入出力ポート
２０ｃ ＲＡＭ
２０ｄ ＲＯＭ
２０ｅ ＣＰＵ
２０ｆ 電子スロットル駆動回路
２０ｇ インジェクタ駆動回路
２０ｈ 点火出力回路
２０ｊ 可変動弁駆動回路
２０ｋ ＥＧＲ調整バルブ駆動回路
２１ ノックセンサ
１００ エンジン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射式内燃機関の制御装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に使用される内燃機関（エンジン）において排気成分の低減が必須課題である。エンジンの排気成分としては、未燃炭化水素（以下、ＨＣ），窒素酸化物（以下、ＮＯｘ），一酸化炭素（以下、ＣＯ）及び、粒子状物質（Particulate Matter、以下、ＰＭ）がある。ＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯは、失火や燃焼温度の高温化，不完全燃焼によって生成する成分である。これらは、エンジン下流に設けた触媒を用いて無害化している。ただし、これらの成分を触媒によって無害化するには、触媒が活性化する温度に達している必要が有り、特にエンジンの始動直後には触媒の活性化まで時間がかかる。ＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯを低減するため、内燃機関の下流に設けた排気触媒の早期活性化する技術として、エンジン始動後の冷機時に、圧縮行程中の燃料噴射によりエンジン筒内の混合気を成層化し、かつ、圧縮上死点後に点火する技術が知られており，例えば特許文献１がある。
【０００３】
一方、ＰＭは、ナノメートルサイズの粒子であり、エンジン筒内に局所的に形成される空燃比（空気量と燃料量の比）が理論（量論）空燃比よりも小さい混合気（リッチ混合気）が燃焼すると生成する。エンジンの冷機始動時には、エンジン壁面に付着した燃料がピストン等の壁面に形成した液膜（以下、燃料液膜）が、点火時期以降も残存し、火炎が壁面に近づいてきた後に、気化する。この結果、壁面近傍の燃料が十分に拡散・混合できず、壁面近傍に大量のリッチ混合気が形成される。これが燃焼してしまうため、大量のＰＭが排出されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８８８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
退寮のＰＭの排出を改善するには、点火時期より前に液膜を気化させることが必要となるが、液膜を気化させるには、エンジン壁面温度を高温化すれば良い。従来技術では、排気触媒の早期活性化は可能であるが、燃料が燃焼する際に放出する熱の大部分を触媒昇温に使用するため、エンジン壁面温度の早期高温化ができず、ＰＭを削減できないという課題があった。このため、内燃機関の冷機始動時において排気触媒の早期活性化とエンジン壁面温度の早期高温化を両立する手段が必要であった。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、本発明は排気触媒の早期活性化とエンジン壁面温度の早期高温化が両立することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため本発明は、内燃機関の燃焼室へ流入する空気量を検出して出力する空気量検出装置と、前記燃焼室へ燃料を供給する燃料噴射装置と、燃料と空気の混合気に点火するための点火装置を備え、前記空気量検出装置の出力に基づいて一サイクル中の燃料総噴射量を算出し、一サイクル中に燃料の分割噴射を行う筒内噴射式内燃機関の制御装置であって、前記燃料総噴射量の半分未満を噴射する第一の噴射と、前記総噴射量と前記第一の噴射で噴射される燃料量との差分に相当する量を前記第一の噴射よりも後のタイミングで噴射する第二の噴射と、を行い、前記第二の噴射後前記内燃機関の圧縮上死点前に前記点火装置による点火制御を実施することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、エンジン筒内に火炎伝播可能な領域と火炎伝播不可能かつ自着火可能な領域を形成し、点火を圧縮上死点より前に設定することで、燃料の一部を火炎伝播により燃焼させ、残りの燃料を自着火により燃焼させることができる。これにより燃焼期間を長期化でき、排気触媒の早期活性化とエンジン壁面の早期高温化を両立し、エンジンから排出されるＨＣ，ＮＯｘ，ＣＯとＰＭを削減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施例におけるエンジンの構成図。
【図２】第１の実施例におけるＥＣＵの構成図。
【図３】火炎伝播限界の説明図。
【図４】自着火限界の説明図。
【図５】ハイブリッド燃焼による燃焼期間の長期化を実施する筒内の混合気状態。
【図６】ハイブリッド燃焼による燃焼期間の長期化を実施した際の熱発生履歴。
【図７】第１から第３の実施例における制御フローチャート。
【図８】第１の実施例における噴射及び点火制御のフローチャート。
【図９】冷却水温度及び排気温度と触媒温度の説明図。
【図１０】自着火用混合気の目標空燃比の説明図。
【図１１】燃料噴射量と噴射パルス幅の関係の説明図。
【図１２】第１の実施例における各種信号波形と熱発生率の履歴。
【図１３】第２及び第３の実施例におけるエンジンの構成図。
【図１４】第２及び第３の実施例におけるＥＣＵの構成図。
【図１５】第２の実施例における噴射，点火及びＥＧＲ調整バルブ制御のフローチャート。
【図１６】外部ＥＧＲの導入による層流燃焼速度の変化の説明図。
【図１７】第３の実施例における噴射，点火制御のフローチャート。
【図１８】第３の実施例における各種信号波形，熱発生率の履歴。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図１から図１８を用いて、本発明の第１から第３の実施例による筒内噴射式内燃機関の制御装置の構成及び動作について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１及び第２の実施例における筒内噴射式内燃機関の構成図である。エンジン１００は、火花点火燃焼を実施する自動車用ガソリンエンジンである。吸入空気量を計測するエアフローセンサ１と、吸気流量を調整する電子制御スロットル２とが、吸気管６の各々の適宜位置に備えられている。また、エンジン１００には、シリンダ７とピストン１４とで囲われる燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ３と、点火エネルギーを供給する点火プラグ４が、シリンダ７の各々の適宜位置に備えられている。また、吸気弁５ａと筒内から排出される排気ガスを調整する排気弁５ｂで構成する可変動弁５が、シリンダ７の各々の適宜位置に備えられている。
【００１２】
さらに、排気を浄化する三元触媒１０と、空燃比検出器の一態様であって、三元触媒１０の上流側にて排気の空燃比を検出する空燃比センサ９と、排気温度検出器の一態様あって、三元触媒１０の上流側にて排気の温度を計測する排気温度センサ１１とが排気管８の各々の適宜位置に備えられる。また、クランク軸１２には、回転角度を算出するためのクランク角度センサ１３が備えられている。加えて、エンジンの冷却水の温度を計測する冷却水温度センサ１５が備えられている。さらに、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１６が備えられている。
【００１３】
エアフローセンサ１，空燃比センサ９，排気温度センサ１１，クランク角センサ１３，冷却水温度センサ１５及びアクセル開度センサ１６から得られる信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０に送られる。アクセル開度センサ１６は、アクセルペダルの踏み込み量、すなわち、アクセル開度を検出する。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１６の出力信号に基づいて、要求トルクを演算する。すなわち、アクセル開度センサ１６は、エンジンへの要求トルクを検出する要求トルク検出センサとして用いられる。また、ＥＣＵ２０は、クランク角度センサ１３の出力信号に基づいて、エンジンの回転速度を演算する。ＥＣＵ２０は、上記各種センサの出力から得られるエンジンの運転状態に基づき、空気流量，燃料噴射量，点火時期，吸排気弁動作量のエンジンの主要な作動量を最適に演算する。
【００１４】
ＥＣＵ２０で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、インジェクタ３に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された点火時期で点火されるように、点火プラグ駆動信号が点火プラグ４に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算されたスロットル開度は、スロットル駆動信号として電子制御スロットル２に送られる。また、ＥＣＵ２０で演算された吸排気弁の開閉弁時期で、吸排気弁が開閉弁するように、可変動弁駆動信号として、可変動弁５に送られる。
【００１５】
図２は、本発明の第１から第２の実施形態による筒内噴射式内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。
【００１６】
エアフローセンサ１，空燃比センサ９，排気温度センサ１１，クランク角センサ１３，冷却水温度センサ１５，アクセル開度センサ１６の出力信号は、ＥＣＵ２０の入力回路２０ａに入力する。但し、入力信号はこれらだけに限られない。入力された各センサの入力信号は入出力ポート２０ｂ内の入力ポートに送られる。入出力ポート２０ｂに送られた値は、ＲＡＭ２０ｃに保管され、ＣＰＵ２０ｅで演算処理される。演算処理内容を記述した制御プログラムは、ＲＯＭ２０ｄに予め書き込まれている。
【００１７】
制御プログラムに従って演算された各アクチュエータの作動量を示す値は、ＲＡＭ２０ｃに保管された後、入出力ポート２０ｂ内の出力ポートに送られ、各駆動回路を経て各アクチュエータに送られる。本実施形態の場合は、駆動回路として、電子スロットル駆動回路２０ｆ，インジェクタ駆動回路２０ｇ，点火出力回路２０ｈ，可変動弁駆動回路２０ｊがある。各回路は、それぞれ、電子制御スロットル２，インジェクタ３，点火プラグ４，可変動弁５を制御する。本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０外に備えるものであってもよい。
【００１８】
次に、図３から図６を用いて、火炎伝播と自着火を組み合わせたハイブリッド燃焼を用いた燃焼期間の長期化について説明する。ハイブリッド燃焼による燃焼期間の長期化には、燃料の燃焼特性である火炎伝播限界と自着火限界を利用する。まず、図３及び図４にて、火炎伝播限界と自着火限界について説明する。
【００１９】
図３は、火炎伝播限界を説明する図である。火炎伝播に関する指標に、層流燃焼速度がある。炭化水素系燃料の層流燃焼速度は、量論混合比より過濃な条件（当量比１.１程度）で最大値をとり、特定の当量比範囲でのみ値を持つ。これは、当量比の条件によっては、混合気中を火炎が伝播できなくなるためである。火炎伝播が可能な当量比範囲の希薄側と過濃側の境界を、火炎伝播限界という。本発明では、希薄側の火炎伝播限界の当量比をΦＦＬと、過濃側の火炎伝播限界の当量比をΦＦＲと示す。ΦＦＬは、燃料の種類によって異なるが、炭化水素系の燃料では、ΦＦＬは大体０.４程度である。なお、当量比とは、燃料濃度の指標を意味する。
【００２０】
図４は、自着火限界を説明する図である。燃料と酸化剤の混合気の自着火特性に関する指標に、着火遅れ時間がある。着火遅れ時間は、燃料と酸化剤が混ざり混合気を形成してから、急速な熱発生を生じるまでの時間である。着火遅れ時間は、燃料と酸化剤の種類，圧力，温度，当量比によって変化する。一般に、着火遅れ時間は、温度，圧力が大きい条件で小さい。また、当量比１近辺で最も小さくなり、当量比が小さい条件，大きい条件では着火遅れ時間が長くなる。特定のエンジン運転時に自着火が発生するかは、エンジン回転周期と着火遅れ時間の比較から判定できる。自着火するためには、少なくとも、エンジンの回転周期に比べ着火遅れ時間が短い必要がある。ここでは、エンジンの回転周期と着火遅れ時間が同等になる希薄側と過濃側の当量比を自着火限界という。特に、エンジンの回転周期と着火遅れ時間が同等になる希薄条件の当量比をΦＩＬと示す。ΦＩＬは、燃料種によって変化するが、大体０.２程度である。通常の炭化水素系の燃料では、火炎伝播限界ΦＦＬと自着火限界ΦＩＬには、以下の関係が有る。
ΦＦＬ＞ΦＩＬ …（１）
【００２１】
図５に、ハイブリッド燃焼による燃焼期間の長期化を実施する際のエンジン筒内の混合気状態を示す。混合気は、後述するように、エンジン筒内へ燃料を分割噴射し、各噴射の燃料噴射量と目標空燃比，噴射タイミングを制御することにより形成される。点火プラグ４周りに当量比がΦＦＬ以上である火炎伝播用混合気２００が形成される。また、火炎伝播用混合気２００の周りには、当量比がΦＦＬ未満である自着火用混合気２０１が形成される。自着火用混合気２０１が火炎伝播用混合気２００よりも筒内で拡散が進んでいるのは、分割噴射の中で火炎伝播用混合気２００よりも先の噴射により形成されるからである。詳細な分割噴射のタイミングは後述する。
【００２２】
ここで、点火プラグにより火炎伝播用混合気２００に点火すると、まず、火炎伝播用混合気２００の中を火炎が伝播し、燃焼が進む。自着火用混合気２０１の当量比はΦＦＬ未満であるため、自着火用混合気２０１の中を火炎は伝播できない。そして、火炎伝播用混合気２００の燃焼に伴う発熱により、エンジン筒内の温度，圧力が上昇し、自着火用混合気２０１が自着火して、火炎伝播用混合気２００よりも遅れて燃焼する。これにより、燃焼期間が長期化し、壁面温度の上昇と、触媒温度の上昇が両立可能となる。このように、火炎伝播に引き続き自着火を引き起こす燃焼方式を本発明ではハイブリッド燃焼と呼ぶ。このときの熱発生履歴は、図６に示すように、二つのピーク値を持つ変化を示す。このうち前半の熱発生履歴のピークは火炎伝播により引き起こされ、また、後半の熱発生履歴のピークは自着火により引き起こされる。
【００２３】
ハイブリッド燃焼を実施するための、具体的なエンジンの制御方法を、図７から図１１を用いて説明する。まず、図７，図８を用いて、本実施例にて実行する制御の流れを示す。ステップＳ１にて、排気温度センサ１１の出力に基づき排気温度、冷却水温度センサ１５の出力に基づき冷却水温度、アクセル開度センサ１６の出力に基づきエンジン要求トルクを検出する。続いてステップＳ２にて冷却水温度が判定温度Ｔｗ以上かを判定する。本実施例では、判定温度Ｔｗを８０℃と設定した。冷却水温度が判定温度Ｔｗ以上の場合、暖機条件と判断され、ステップＳ４に進み、ＲＯＭ２０ｄに記録された暖機条件制御に基づき燃料噴射装置，点火装置，電子制御スロットル，可変動弁を制御する。ステップＳ２にて冷却水温度が判定温度Ｔｗ未満と判断した場合、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、検出した排気温度と冷却水温度に基づき推定した触媒温度が活性化温度に達しているかを判定する。ここで、触媒活性化温度は３００℃と設定する。触媒が活性化温度に達しているかは、図９のような排気温度と冷却水温度のマップから推定することができる。ステップＳ３にて、触媒温度が活性化温度に達していないと判定した場合、ステップＳ５に進み、ＲＯＭ２０ｄに記録された冷機条件制御に基づき、電子制御スロットル２，インジェクタ３，点火プラグ４，可変動弁５を制御する。ステップＳ３にて、触媒温度が活性化温度に達していると判定した場合、ステップＳ６に進み、ＲＯＭ２０ｄに記録されたハイブリッド燃焼制御に基づき、電子制御スロットル２，インジェクタ３，点火プラグ４，可変動弁５を制御する。このように、エンジンの冷却水温に基づき排気触媒が未活性状態かを検出し、未活性状態であれば、ハイブリッド燃焼を実施するように設定している。これにより、排気触媒が未活性の状態にて、排気触媒昇温とエンジン壁面昇温が両立できる。
【００２４】
続いて、図８を用いてステップＳ６の処理を説明する。まず、ステップＳ６０にて、エンジンの要求トルクに基づきスロットル開度を決定し、スロットルを制御する。次に、ステップＳ６１で、エアフローセンサ１の信号に基づき吸入空気量Ｑａｉｒを検出する。続いてステップＳ６２で、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔを設定する。目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔは、エンジン筒内に導入される空気量と燃料量の比の目標値である。本実施例では、一例として１６に設定した。次に、ステップＳ６３にて、ステップＳ６１で検出した吸入空気量Ｑａｉｒと目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔに基づき、一サイクルに噴射する燃料量（総噴射量）Ｑｔを算出する。一サイクルに噴射する燃料量Ｑｔは、目標空燃比（Ａ／Ｆ）ｔ，吸入空気量Ｑａｉｒを用いて、以下の式で求める。
Ｑｔ＝Ｑａｉｒ／（Ａ／Ｆ）ｔ …（２）
【００２５】
続いて、ステップＳ６４に進み、一サイクル中一発目の燃料噴射により形成する自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１を設定する。自着火用混合気２０１とは、火炎伝播による燃焼は不可能であるが、自着火による燃焼が可能である特性を持つ混合気のことである。自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１は、マップを用いて設定する。自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１のマップを図１０に示す。目標空燃比（Ａ／Ｆ）１を決めるためのマップは、エンジントルクとエンジン回転速度で整理されており、エンジン回転速度が小さく、要求トルクが大きいほど、小さい値を持つ分布となっている。マップは、ＲＯＭ２０ｄに予め格納してある。自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１は、火炎伝播限界及び自着火限界に基づき決められている。このため、マップ上の値は、以下の式を満たすように自由に設定できる。
ΦＦＬ＞（Ａ／Ｆ）ｓｔ／（Ａ／Ｆ）１＞ΦＩＬ …（３）
【００２６】
式（３）において、火炎伝播限界の当量比ΦＦＬ、自着火限界の当量比ΦＩＬ、（Ａ／Ｆ）ｓｔは、量論混合比における空燃比である。（Ａ／Ｆ）ｓｔは、燃料がガソリンの場合、１４.７である。本実施例では燃料にガソリンを用いるので、（Ａ／Ｆ）ｓｔは、１４.７としている。
【００２７】
続いてステップＳ６５に進み、ステップＳ６４で読み込んだ自着火用混合気２０１の目標空燃比（Ａ／Ｆ）１を用いて、吸気行程の噴射量Ｑ１を、以下の式で求める。
Ｑ１＝Ｑａｉｒ／（Ａ／Ｆ）１ …（４）
【００２８】
続いて、ステップＳ６６に進み、総噴射量Ｑｔと一発目の噴射量Ｑ１の差分から、二発目の噴射量Ｑ２を求める。
Ｑ２＝Ｑｔ−Ｑ１ …（５）
【００２９】
続いて、ステップＳ６７で噴射時期、インジェクタ３を開弁駆動するための噴射パルス幅，点火時期を設定する。一発目の噴射開始時期は、自着火用混合気２０１が筒内で十分に拡散するように、吸気行程中に設定する。二発目の噴射時期は、一発目の噴射終了後から、圧縮上死点前までの任意の範囲で設定できるが、本実施例では例えば圧縮行程開始のタイミングに設定する。また、噴射パルス幅は、図１１に示す噴射パルス幅と燃料噴射量の関係を整理したマップに基づき噴射パルス幅を決める。Ｑ１及びＱ２の噴射量に対応する噴射パルス幅をマップから計算し、一発目と二発目の噴射パルス幅を決定する。点火時期は、二発目の噴射完了時期から圧縮上死点の間に設定する。次にステップＳ６８に進み、ステップＳ６１からステップＳ６７までにＥＣＵによる演算で決定した噴射量，点火時期に基づき、制御を実施する。
【００３０】
図１２には、図７，図８の制御に基づき動作させたときの、噴霧装置の駆動信号波形を示す。本実施例では、吸気行程中に一発目の噴射を実施し、吸気下死点から二発目の噴射を実施した。式（３）を満たすように、一発目の噴射量Ｑ１と二発目の噴射量Ｑ２の関係から、一発目の噴射パルス幅ｔ１に比べ、二発目の噴射パルス幅ｔ２が大きい。また、圧縮上死点にピストンが達する前に、点火信号をＯＮにして、燃焼を開始するため、圧縮上死点前から熱発生が生じる。点火後、火炎伝播により混合気が燃焼することで発熱し、続いて、自着火の発生により発熱が生じる。このため燃焼期間が長期化し、熱発生率の履歴に２つのピークを有する。熱発生率の履歴は、筒内圧を検出するセンサの出力値から演算する。
【００３１】
以上、火炎伝播と自着火を組み合わせたハイブリッド燃焼を実施する筒内噴射式内燃機関の制御装置で、エンジン筒内に流入する空気量に基づき算出した１サイクルの間に噴射する燃料量（総噴射量）の半分未満を一発目に噴射し、総噴射量と一発目に噴射した量の差分を二発目に噴射し、圧縮上死点前に点火を実施するように設定する。これにより、圧縮上死点前から燃焼を開始し、燃料の一部を火炎伝播により燃焼させ、残りの燃料を自着火により燃焼させることが可能となる。この結果、燃焼期間を長期化でき、排気触媒の早期活性化とエンジン壁面温度の早期高温化が両立できる。
【００３２】
図１３から図１８を用いて、本発明の第２及び第３の実施例を説明する。第２の実施例と第３の実施例は、エンジンと制御装置の構成が同じで、制御方法が異なる。以下、エンジンと制御装置の構成を説明した後、それぞれの実施例の制御方法を説明する。図１３は、本発明の第２及び第３の実施例における筒内噴射式内燃機関の構成図である。第２及び第３の実施例の内燃機関には、第１の実施例に加え、排気ガスをエアフローセンサの上流側に戻すためのＥＧＲ配管１７を設けている。ＥＧＲ配管１７の途中には、排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１８を設置する。また、ＥＧＲ配管には、エンジンに戻す排気ガスの量を調整するためのＥＧＲ調整バルブ１９を設置する。さらに、エンジン１００に、エンジン１００の振動に基づきノック発生の有無を検知するノックセンサ２１を設置する。ノックセンサ２１の検出信号は、ＥＣＵ２０に入力される。図１４は、第２及び第３の実施例による筒内噴射式内燃機関の制御装置の構成を示すシステムブロック図である。第１の実施例との違いは、ＥＧＲ調整バルブ１９制御のため、ＣＰＵ２０ｅで演算処理されたＥＧＲ調整バルブ１９を制御するためのＥＧＲ調整バルブ駆動回路２０ｋを備える点、入力回路２０ａにノックセンサ２１の信号が入力される点である。なお、本実施形態においては、ＥＣＵ２０内に上記駆動回路を備えた装置であるが、これに限るものではなく、上記駆動回路のいずれかをＥＣＵ２０内に備えるものであってもよい。
【００３３】
第２の実施例では、図７と図１５のフローチャートに沿って制御を実施する。第１の実施例とは、ステップＳ６における制御内容が異なる。図１５を用いて、第２の実施例におけるステップＳ６の制御を説明する。図８と異なるステップ（ステップＳ６７ａ，ステップＳ６７ｂ，ステップＳ６８ａ）について説明する。ステップＳ６７ａでは、ノックセンサ２１の出力に基づきノック発生の有無を判定する。ノックの発生が無ければ、ステップＳ６８ａに進み、ステップＳ６７で設定した噴射時期，噴射パルス幅，点火時期に基づき、噴射，点火等の制御を実施する。ステップＳ６８ａで、ノックの発生が有りと判定した場合、ステップＳ６８ｂに進み、ＥＧＲバルブ開弁量を現在の設定値よりも大きくする。続いて、ステップＳ６８ａに進む。図１６に示すように、外部ＥＧＲを導入することで、導入しない場合に比べ、火炎伝播速度を小さくすることができる。この結果、エンジン筒内の温度，圧力の上昇を緩慢にでき、ノックの抑制が可能となる。
【００３４】
このように、エンジン筒内に導入する排気ガスの量を調整する排気ガス調整弁を備える筒内噴射式内燃機関の制御装置において、外部ＥＧＲ率を変化させることで、火炎伝播による燃焼と自着火による燃焼を緩慢化させ、燃焼期間を長期化できる。
【００３５】
第３の実施例では、図７，図１７に示すフローチャートに基づき制御を実施する。第２の実施例とは、ステップＳ６における制御内容が異なる。図１７を用いて、第３の実施例におけるステップＳ６の制御を説明する。第３の実施例で新しい部分は、ステップＳ６７ｃである。ステップＳ６７ｃでは、ノックセンサ２１の出力に基づきノックが発生したとの判定の後、２発目の噴射時期を、Ｓ６７で設定した値よりも遅角化して設定する。ノックが発生した際の本実施例の制御に基づく、噴射信号，点火信号，発熱率は、図１８に示す通りとなる。破線で示した噴射信号は、前サイクルでの噴射パルス信号である。本実施例では、ステップＳ６７ｂでノックが発生したと判定されたため、２発目の噴射が進角化されている。この制御を実施すると、元々の設定に比べ、２発目に噴射された燃料の拡散時間が増えることから、エンジン筒内の火炎伝播用混合気２００の割合を増加し、自着火用混合気２０１の割合を減少させることができる。この結果、自着火により燃焼する混合気の割合が減少し、ノックを抑制することができる。本実施例は、噴射制御によりハイブリッド燃焼時のノック発生を避ける手段として有効である。
【００３６】
このように、センサ信号から検出した振動に基づき、二発目の噴射時期を振動が発生する前に比べて進角化することができる。これにより、火炎伝播で燃焼させる燃料量が増え、自着火で燃焼する燃料量が減る。この結果、ノックの発生によるエンジンの振動を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００３７】
１ エアフローセンサ
２ 電子制御スロットル
３ インジェクタ
４ 点火プラグ
５ 可変動弁
５ａ 吸気弁
５ｂ 排気弁
６ 吸気管
７ シリンダ
８ 排気管
９ 空燃比センサ
１０ 三元触媒
１１ 排気温度センサ
１２ クランク軸
１３ クランク角度センサ
１４ ピストン
１５ 冷却水温度センサ
１６ アクセル開度センサ
１７ ＥＧＲ配管
１８ ＥＧＲクーラ
１９ ＥＧＲ調整バルブ
２０ ＥＣＵ
２０ａ 入力回路
２０ｂ 入出力ポート
２０ｃ ＲＡＭ
２０ｄ ＲＯＭ
２０ｅ ＣＰＵ
２０ｆ 電子スロットル駆動回路
２０ｇ インジェクタ駆動回路
２０ｈ 点火出力回路
２０ｊ 可変動弁駆動回路
２０ｋ ＥＧＲ調整バルブ駆動回路
２１ ノックセンサ
１００ エンジン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室へ流入する空気量を検出して出力する空気量検出装置と、
前記燃焼室へ燃料を供給する燃料噴射装置と、
燃料と空気の混合気に点火するための点火装置を備え、
前記空気量検出装置の出力に基づいて一サイクル中の燃料総噴射量を算出し、
一サイクル中に燃料の分割噴射を行い、火炎伝播に続いて自着火を引き起こして燃焼する筒内噴射式内燃機関の制御装置であって、
前記燃料総噴射量の半分未満を噴射する第一の噴射と、
前記総噴射量と前記第一の噴射で噴射される燃料量との差分に相当する量を
前記第一の噴射よりも後のタイミングで噴射する第二の噴射と、を行い、
前記第二の噴射後前記内燃機関の圧縮上死点前に
前記点火装置による点火制御を実施することを特徴とする
筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記第一の噴射は前記内燃機関の吸気行程中に行われ、
前記点火制御は前記内燃機関の圧縮行程中に行われ、
前記第一の噴射により前記燃焼室内に形成される混合気の着火遅れ時間が、
前記内燃機関の回転周期よりも短いことを特徴とする
請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記第一の噴射は前記内燃機関の吸気行程中に行われ、
前記点火制御は前記内燃機関の圧縮行程中に行われ、
前記第一の噴射により前記燃焼室内に形成される混合気の当量比が、
０.２から０.４の範囲となるように、
前記第一の噴射の燃料噴射量を設定することを特徴とする
請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の冷却水の温度を検出する温度検出装置を備え、
前記温度検出装置の出力に基づき触媒未活性状態と判断した際に、
前記第一の噴射および前記第二の噴射を含む分割噴射を行い、
前記第二の噴射後前記内燃機関の圧縮上死点前に、
前記点火制御を実施することを特徴とする
請求項２または３いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関は排気ガスを燃焼室へ導入する量を制御する排気ガス調整弁を備え、
前記内燃機関のノッキングを抑制するために、
前記排気ガス制御装置により燃焼室に導入する排気ガス量を増減する制御を行うこと
を特徴とする請求項２から４いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記内燃機関の振動を直接または間接的に検出する振動検出装置を備え、
前記振動検出装置にて振動を検出した際に、振動を検出する前に比べて前記第二の噴射を開始する時期を進角化する制御を行うことを特徴とする
請求項２から請求項５いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記内燃機関は、熱発生率の検出値の履歴に少なくとも二つのピーク値を有することを特徴とする請求項２から６いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記熱発生率の検出値は前記内燃機関の筒内圧力を検出するセンサの信号に基づき検出することを特徴とする請求項７に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記第二の噴射は前記内燃機関の圧縮行程中に行われることを特徴とする請求項２から８いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項１】
内燃機関の燃焼室へ流入する空気量を検出して出力する空気量検出装置と、
前記燃焼室へ燃料を供給する燃料噴射装置と、
燃料と空気の混合気に点火するための点火装置を備え、
前記空気量検出装置の出力に基づいて一サイクル中の燃料総噴射量を算出し、
一サイクル中に燃料の分割噴射を行い、火炎伝播に続いて自着火を引き起こして燃焼する筒内噴射式内燃機関の制御装置であって、
前記燃料総噴射量の半分未満を噴射する第一の噴射と、
前記総噴射量と前記第一の噴射で噴射される燃料量との差分に相当する量を
前記第一の噴射よりも後のタイミングで噴射する第二の噴射と、を行い、
前記第二の噴射後前記内燃機関の圧縮上死点前に
前記点火装置による点火制御を実施することを特徴とする
筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記第一の噴射は前記内燃機関の吸気行程中に行われ、
前記点火制御は前記内燃機関の圧縮行程中に行われ、
前記第一の噴射により前記燃焼室内に形成される混合気の着火遅れ時間が、
前記内燃機関の回転周期よりも短いことを特徴とする
請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記第一の噴射は前記内燃機関の吸気行程中に行われ、
前記点火制御は前記内燃機関の圧縮行程中に行われ、
前記第一の噴射により前記燃焼室内に形成される混合気の当量比が、
０.２から０.４の範囲となるように、
前記第一の噴射の燃料噴射量を設定することを特徴とする
請求項１記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記内燃機関の冷却水の温度を検出する温度検出装置を備え、
前記温度検出装置の出力に基づき触媒未活性状態と判断した際に、
前記第一の噴射および前記第二の噴射を含む分割噴射を行い、
前記第二の噴射後前記内燃機関の圧縮上死点前に、
前記点火制御を実施することを特徴とする
請求項２または３いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記内燃機関は排気ガスを燃焼室へ導入する量を制御する排気ガス調整弁を備え、
前記内燃機関のノッキングを抑制するために、
前記排気ガス制御装置により燃焼室に導入する排気ガス量を増減する制御を行うこと
を特徴とする請求項２から４いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記内燃機関の振動を直接または間接的に検出する振動検出装置を備え、
前記振動検出装置にて振動を検出した際に、振動を検出する前に比べて前記第二の噴射を開始する時期を進角化する制御を行うことを特徴とする
請求項２から請求項５いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記内燃機関は、熱発生率の検出値の履歴に少なくとも二つのピーク値を有することを特徴とする請求項２から６いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記熱発生率の検出値は前記内燃機関の筒内圧力を検出するセンサの信号に基づき検出することを特徴とする請求項７に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記第二の噴射は前記内燃機関の圧縮行程中に行われることを特徴とする請求項２から８いずれか一項に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１３−７３１４（Ｐ２０１３−７３１４Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４００６２（Ｐ２０１１−１４００６２）
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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