JP6896331B2

JP6896331B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6896331B2
Application number: JP2017068784A
Authority: JP
Inventors: 祐紀齋藤
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP2018168820A

Description

本発明は、内燃機関の運転制御を司る制御装置に関する。

停止していた内燃機関を始動する際には、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトを電動機により回転駆動しつつ、インジェクタから燃料を噴射してこれを気筒において燃焼させ、クランクシャフトの回転を加速するクランキングを実行する。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、クランクシャフトの回転速度即ちエンジン回転数が内燃機関の冷却水温等に応じて定まる完爆判定値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する（例えば、下記特許文献を参照）。

気筒に連なる吸気ポートに向けてインジェクタから燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関にあっては、その始動直後の時期において、インジェクタからの燃料噴射を終了するタイミング、つまりはインジェクタを閉弁するタイミングを、気筒の吸気バルブが開弁した後所定のクランク角度が経過したタイミング、より具体的には排気上死点後９０°ＣＡ（クランク角度）のタイミングとして、吸気バルブが開いている間に過半の燃料を噴射する。これは、内燃機関の温度が低い時期にはポートウェット、即ちインジェクタから噴射されたものの液状化して吸気ポートの内壁や吸気バルブの弁体に付着し気筒内に適切に吸引されない燃料の量が増えることに鑑み、ポートウェットを避けて気筒内に必要量の燃料を確実に供給するための処置である。

一方で、始動からある程度以上の時間が経過し、内燃機関の冷却水温が閾値まで上昇した後は、インジェクタからの燃料噴射を終了するタイミングを、気筒の吸気バルブの開弁後比較的早いタイミング、より具体的には排気上死点後３０°ＣＡのタイミングに切り替え、吸気バルブが開く前に過半の燃料を噴射するようにする。吸気バルブが開いた後にインジェクタから燃料を噴射すると、その燃料が直接気筒内に到達し、これが気化する際の潜熱（気化熱）で筒内温度（燃焼室内温度）が低下して、内燃機関の出力するエンジントルクの低下に繋がる。そこで、燃料噴射の過半を吸気バルブの開弁前に行うことにより、筒内温度の低下を抑制するのである。

特開２０１７−００８８６５号公報

揮発性の低い重質燃料が使用される場合、内燃機関の始動のためのクランキング中にエンジン回転数が十分に加速せず、始動が遅れることがある。そこで、重質燃料が使用されたとしても内燃機関を確実に始動できるよう、クランキング中の所定時間内にエンジン回転数がある値に到達しない場合には、燃料噴射量を平常よりもさらに増量することで、混合気の燃焼を安定させるようにしている。

既に述べた通り、内燃機関の始動後、冷却水温が閾値まで上昇すると、インジェクタからの燃料噴射の終了のタイミングを切り替え、燃料噴射の過半を吸気バルブの開弁後に行っていた状態から吸気バルブの開弁前に行う状態へと遷移する。従前では、この切り替えの時期、換言すれば冷却水温と比較するべき閾値を、燃料の性状によらず一定としていた。

しかしながら、重質燃料が使用されている場合には、そうでない場合と比較してポートウェットの発生量が増える。従って、燃料噴射のタイミングを切り替えたときに、気筒内に吸引される燃料の量が減少して気筒に充填される混合気の実際の空燃比がリーンとなり、燃焼の不安定化ないし失火が起こって、エンジン回転数（アイドル回転数）が低落することがあった。

加えて、燃料の気化の度合いは燃料の温度にも依存し、燃料の温度が低いほど燃料が気化しにくくなる。その傾向は、特に重質燃料で顕著となり、温度の低い重質燃料は多くの量のポートウェットを発生させ、その分だけ気筒内に吸引される燃料の量がさらに減る。

重質燃料が使用されている場合のポートウェット分を補うために、燃料噴射量を過剰に増量すると、燃費性能が低下する。のみならず、事後的にポートウェットの燃料が気化して気筒内に吸引されることで、混合気の空燃比が過剰にリッチ化し、燃焼の不安定化や失火を招く懸念もある。

本発明は、揮発性が比較的低い燃料が使用された場合における、内燃機関の始動後のエンジン回転数の不当な低落を抑止することを所期の目的としている。

本発明では、気筒に連なる吸気ポートに向けてインジェクタから燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関を制御するものであって、内燃機関の始動の完了後、内燃機関の温度（内燃機関の温度と相関がある何らかの温度、即ちその温度が高いほど内燃機関の温度が高いと言えるような何らかの温度を、ここに言う内燃機関の温度を見なしてもよい。典型的には、内燃機関の冷却水温）が上昇して閾値に到達する前の時期にあっては、インジェクタからの燃料噴射を終了するタイミングを気筒の排気上死点後所定のクランク角度が経過したタイミングとし、内燃機関の温度が閾値に到達した後には、内燃機関の温度が閾値に到達する前と比較してインジェクタからの燃料噴射を終了するタイミングをより早めることとし、内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数がある値まで上昇しなかった場合、そうでない場合と比較して、その後の燃料噴射量を増量補正し、かつ前記閾値をより高く設定し、さらに、燃料の温度（燃料の温度と相関がある何らかの温度、即ちその温度が高いほど燃料の温度が高いと言えるような何らかの温度を、ここに言う燃料の温度を見なしてもよい。例えば、内燃機関が搭載される車両のエンジンルーム内の温度）が所定値未満の場合、燃料の温度が所定値以上である場合と比較して、前記閾値をより高く設定する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、揮発性が比較的低い燃料が使用された場合における、内燃機関の始動後のエンジン回転数の不当な低落を抑止できる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。同実施形態における平常の場合の燃料噴射タイミングを示す図。同実施形態における、揮発性の低い燃料が使用された場合の燃料噴射タイミングを示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気バルブよりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３のサージタンク３３内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、吸気通路３のエアクリーナ３１の直下における吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、触媒４１に流入するガスの空燃比を検出する空燃比センサから出力される空燃比信号ｈ等が入力される。

内燃機関の冷却水温は、内燃機関の温度を示唆する。また、吸気通路３のエアクリーナ３１の直下における吸気温は、内燃機関が搭載される車両のエンジンルーム内の温度を示唆する。この温度は、燃料の温度と相関がある。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、停止している内燃機関を始動するにあたり、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ））を稼働させるための制御信号ｏを電動機に入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。内燃機関の始動のためのクランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が完爆判定値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する。クランキングの終了条件となる完爆判定値は、内燃機関の温度等に応じて上下し得る。具体的には、内燃機関の冷却水温が低いほど高く設定することとなる。

なお、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数がある基準値（完爆判定値と同値であってもよく、完爆判定値よりも値であってもよい）まで上昇しなかった場合、そうでない平常の場合と比較して、その後の燃料噴射量を増量補正する。このような補正制御により、揮発性の低い重質燃料が使用されたとしても、混合気の燃焼を安定させて確実に内燃機関を完爆まで持っていくことが可能となる。

以降、エンジン回転数が完爆判定値に到達してクランキングを終了、即ち内燃機関の始動を完了した後の、燃料噴射タイミングの制御に関して詳述する。内燃機関の始動完了後、内燃機関の冷却水温が上昇して閾値に到達する前の時期にあっては、インジェクタ１１からの燃料噴射を終了するタイミングＴＣ、即ちインジェクタ１１を閉弁するタイミングを、気筒１の吸気バルブが開弁した後所定のクランク角度が経過したタイミング、例えば排気上死点後９０°ＣＡのタイミングに設定する。これにより、燃料噴射の過半が、吸気バルブの開弁後に行われることとなる。燃料噴射を開始するタイミングＴＯ、即ちインジェクタ１１を開弁するタイミングは、燃料噴射を終了するタイミングから要求燃料噴射量の分だけ遡ったタイミングとなる。燃料噴射終了のタイミングＴＣを一定と仮定すると、要求される燃料噴射量が多いほど、燃料噴射時間即ちインジェクタ１１の開弁時間を長くとるために燃料噴射開始のタイミングＴＯが早くなる。

そして、内燃機関の冷却水温が閾値に到達した後には、インジェクタ１１からの燃料噴射を終了するタイミングＴＣをより早める、例えば排気上死点後３０°ＣＡのタイミングに設定する。これにより、燃料噴射の過半が、吸気バルブの開弁前に行われることとなる。燃料噴射終了のタイミングＴＣを早めると、それに伴って燃料噴射開始のタイミングＴＯも早まることは言うまでもない。

内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数が基準値まで上昇した平常の場合には、冷却水温と比較するべき上記の閾値を、例えば２０℃に設定する。つまり、内燃機関の始動完了後、冷却水温が２０℃に到達するまでの間は、図２（Ｉ）に示すように、燃料噴射の過半を吸気バルブの開弁後に行う状態となり、冷却水温が２０℃に到達した後は、図２（II）に示すように、燃料噴射の過半を吸気バルブの開弁前に行う状態となる。

これに対し、クランキング中の所定時間内にエンジン回転数が基準値まで上昇しなかった場合には、上記の閾値を、平常よりも高い値に設定する。閾値を高く設定することは、燃料噴射の終了のタイミングを切り替える時期、即ち燃料噴射の過半を吸気バルブの開弁後に行っていた状態から吸気バルブの開弁前に行う状態へと遷移する時期をより遅らせることを意味する。

さらに、クランキング中の所定時間内にエンジン回転数が基準値まで上昇しなかった場合における上記の閾値は、燃料の温度によっても変動する。本実施形態のＥＣＵ０は、吸気通路３のエアクリーナ３１の直下の吸気温を、インジェクタ１１から噴射される燃料の温度と見なし、その吸気温が低い場合に、当該吸気温が高い場合と比較して、上記の閾値を高く設定する。例えば、エアクリーナ３１の直下の吸気温が所定値未満であるならば上記の閾値を４０℃に設定し、当該吸気温が所定値以上であるならば上記の閾値を３０℃に設定する。

クランキング中の所定時間内にエンジン回転数が基準値まで上昇しなかった場合にあっては、内燃機関の始動完了後、冷却水温が２０℃に到達するまでの間、図３（Ｉ）に示すように、燃料噴射の終了のタイミングＴＣを排気上死点後９０°ＣＡのタイミングとするとともに、燃料噴射量を平常の場合と比較して増量する。インジェクタ１１の開弁時間を平常の場合よりも延長する都合上、燃料噴射の開始のタイミングＴＯは、図２（Ｉ）に示す平常の場合と比較して前倒しとなる。燃料噴射量は、冷却水温の上昇に伴い、徐々に減量して、平常の場合のそれに近づけてゆく。即ち、図３（II）に示すように、燃料噴射の終了のタイミングＴＣを排気上死点後９０°ＣＡのタイミングとしたまま、燃料噴射の開始のタイミングＴＯを徐々に遅らせ、図２（Ｉ）に示した平常の場合に近づけてゆく。図３（Ｉ）及び図３（II）の状態は、図２（Ｉ）と同様、燃料噴射の過半を吸気バルブの開弁後に行う状態である。しかる後、冷却水温がエアクリーナ３１の直下の吸気温に応じた閾値、具体的には３０℃ないし４０℃まで上昇したならば、図３（III）に示すように、燃料噴射の終了のタイミングＴＣを排気上死点後３０°ＣＡのタイミングまで早める。つまり、燃料噴射の過半を吸気バルブの開弁後に行う状態から、燃料噴射の過半を吸気バルブの開弁前に行う状態へと遷移する。このときの燃料噴射量は、平常の場合における燃料噴射量と同等程度としてよい。即ち、燃料噴射の開始のタイミングＴＯが、図２（II）に示す平常の場合と同等程度となる。

本実施形態では、気筒１に連なる吸気ポートに向けてインジェクタ１１から燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関を制御するものであって、内燃機関の始動の完了後、内燃機関の温度が上昇して閾値に到達する前の時期にあっては、インジェクタ１１からの燃料噴射を終了するタイミングＴＣを気筒１の吸気バルブが開弁した後所定のクランク角度が経過したタイミングとし、内燃機関の温度が閾値に到達した後には、インジェクタ１１からの燃料噴射を終了するタイミングＴＯをより早めることとし、内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数がある値まで上昇しなかった場合、そうでない場合と比較して、その後の燃料噴射量を増量補正し、かつ前記閾値をより高く設定し、さらに、燃料の温度が低い場合、燃料の温度が高い場合と比較して、前記閾値をより高く設定する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、揮発性が比較的低い燃料が使用された場合における、内燃機関の始動完了後の混合気の空燃比のリーン化を回避することができる。ひいては、内燃機関の始動後のアイドル回転数の不当な低落を抑止できる。また、燃料噴射量の増量補正を必要最小限度の量に抑制できるので、燃費性能が徒に悪化せず、過剰な増量補正による空燃比のリッチ化を招かずに済む。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。例えば、上記実施形態では、吸気通路３におけるエアクリーナ３１の直下の吸気温を現在の燃料の温度と見なしていたが、燃料の温度を検出する温度センサが実装されている場合には、当該温度センサを介して燃料の温度を直接実測し、制御に用いることができる。

その他、各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
３１…エアクリーナ
ｂ…クランク角信号
ｅ…吸気温信号
ｆ…冷却水温信号
ｊ…燃料噴射信号
ｏ…クランキング用の電動機の制御信号

Claims

気筒に連なる吸気ポートに向けてインジェクタから燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関を制御するものであって、
内燃機関の始動の完了後、内燃機関の温度が上昇して閾値に到達する前の時期にあっては、インジェクタからの燃料噴射を終了するタイミングを気筒の排気上死点後所定のクランク角度が経過したタイミングとし、内燃機関の温度が閾値に到達した後には、内燃機関の温度が閾値に到達する前と比較してインジェクタからの燃料噴射を終了するタイミングをより早めることとし、
内燃機関の始動のためのクランキング中の所定時間内にエンジン回転数がある値まで上昇しなかった場合、そうでない場合と比較して、その後の燃料噴射量を増量補正し、かつ前記閾値をより高く設定し、
さらに、燃料の温度が所定値未満の場合、燃料の温度が所定値以上である場合と比較して、前記閾値をより高く設定する内燃機関の制御装置。