JP2009264280A - 筒内燃料噴射エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの燃焼損失と駆動損失とを考慮して燃料圧力を最適に制御し、燃費向上を図る。
【解決手段】吸気温度が基準温度と一致しない場合、吸気温度と基準温度との温度差Δｔを算出し（Ｓ３）、温度差Δｔから燃圧温度補正ベーステーブルを参照して燃圧補正係数αを設定する（Ｓ４）。そして、エンジンの運転領域が均一燃焼の運転領域或いは成層燃焼の一部の運転領域である場合、目標燃圧ＰＴＧＴを燃圧補正係数αで補正し、高圧燃料ポンプの吐出圧が目標燃圧ＰＴＧＴに一致するように制御する。これにより、吸気温度が基準温度より高いときには燃圧が低く、吸気温度が基準温度より低いときには燃圧が高くなるように制御され、エンジン損失の低減による燃費向上を図ることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、気筒内にインジェクタから燃料を噴射し、前記気筒内で燃料と空気との混合気を燃焼させる筒内燃料噴射エンジンの制御装置に関する。

気筒内にインジェクタから燃料を直接噴射する筒内燃料噴射エンジンでは、燃料タンクからの燃料を低圧燃料ポンプを介して高圧燃料ポンプに供給し、高圧燃料ポンプで増圧昇圧した高圧燃料を、インジェクタを装着した燃料レールに圧送するようにしており、高圧燃料ポンプの吐出圧すなわちインジェクタからの噴射圧が燃料のペネトレーションや噴霧形態に大きな影響を及ぼすため、最適な燃圧制御が要求される。

このような筒内燃料噴射エンジンの燃圧制御に関しては、例えば、特許文献１に先行技術が開示されている。この先行技術では、吸気温度の上昇につれて燃圧を増大させることにより、吸気温度とは無関係に最適な燃料噴霧輸送速度を得て点火プラグ周りでの最適な層状燃焼を実現し、燃費や排気エミッションの向上を図るようにしている。
特開平１１−６４６６号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術は、あくまで成層燃焼の運転領域を広げることによる燃費の改善を図るものであり、均一燃焼等の運転領域については考慮されていない。図７に示すように、均一燃焼領域においては、燃料噴射圧を高めると微粒化が促進され、燃焼損失が減少するが、燃圧を上げるということは、エンジン出力の一部を燃圧上昇のために費やすということであり、これに伴う駆動損失が大きくなってしまう。このため、燃焼損失と駆動損失を足した損失合計を考えると、単純に燃圧を上昇させれば燃費が良くなるわけではなく、駆動損失との関係で最適燃圧が存在することになる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、エンジン損失を考慮して燃料圧力を最適に制御し、燃費向上を図ることのできる筒内燃料噴射エンジンの制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による筒内燃料噴射エンジンの制御装置は、気筒内にインジェクタから燃料を噴射し、前記気筒内で燃料と空気との混合気を燃焼させる筒内燃料噴射エンジンの制御装置において、前記インジェクタに供給する燃料の目標燃圧を、エンジン運転状態に基づいて設定する目標燃圧設定部と、特定運転領域において、エンジン損失が最小となるよう前記目標燃圧を吸気温度に基づいて補正する燃圧補正部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、エンジン損失を考慮して燃料圧力を最適に制御することができ、燃費向上を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図６は本発明の実施の一形態に係り、図１は筒内燃料噴射エンジンの全体構成を示す概略図、図２は吸気温度の上昇による最適燃圧のシフトを示す説明図、図３は燃圧制御系のブロック図、図４は燃圧補正係数設定ルーチンのフローチャート、図５は燃圧温度補正ベーステーブルの説明図、図６は燃圧制御ルーチンのフローチャートである。

図１において、符号１は、気筒内に燃料を直接噴射して火花点火により混合気を燃焼させる筒内燃料噴射エンジン（以下、単に「エンジン」と記載）である。このエンジン１のシリンダ１ａ内に、コンロッド２を介してクランクシャフト３に連結されるピストン４が往復自在に配設されている。ピストン４の上部には燃焼室５が形成され、この燃焼室５の傾斜ルーフ面に、吸気バルブ（図示せず）によって開閉される吸気ポート６と、排気バルブ（図示せず）によって開閉される排気ポート７とが形成されている。

燃焼室５の吸気ポート６と排気ポート７との間の略中央のルーフ面には、点火プラグ８が取り付けられ、この点火プラグ８の放電電極が燃焼室５内に臨まされている。また、燃焼室５の吸気側の傾斜ルーフ面には、高圧の燃料を燃焼室５内に直接噴霧するインジェクタ９が配設されている。このインジェクタ９は、高圧燃料ポンプ１０から高圧の燃料が供給される燃料デリバリパイプ１１に連通されている。尚、後述するように、この高圧燃料ポンプ１０の吐出圧（高圧燃料の燃圧）は、電子制御装置（ＥＣＵ）５０によって制御される。

また、エンジン１の燃焼室５内に空気を吸入する吸気系の構成として、吸気ポート６がインテークマニホールド１２に連通され、このインテークマニホールド１２に、図示しないエアクリーナを介して吸入される空気の空気量を調整するスロットルバルブ１３が介装されている。スロットルバルブ１３の下流側には、エアチャンバ１４が接続されている。スロットルバルブ１３は、電動モータ等のアクチュエータ（図示せず）によって駆動される電子制御スロットル方式のスロットルバルブであり、その開度（スロットル開度）が電子制御装置（ＥＣＵ）５０によって制御される。

一方、エンジン１の燃焼室５内に残留する排気ガスを排出する排気系の構成として、排気ポート７がエキゾーストマニホールド１５に連通され、このエキゾーストマニホールド１５に、排気ガスを浄化する触媒コンバータ１６が接続されている。エキゾーストマニホールド１５は、ＥＧＲバルブ（排気再循環バルブ）１７を介してインテークマニホールド１２のエアチャンバ１４に連通されている。ＥＧＲバルブ１７は、例えばステップモータ等によって駆動され、その開度（ＥＧＲ開度）が、スロットルバルブ１３と同様に、ＥＣＵ５０によって制御される。

また、エンジン１には、運転状態を検出する各種センサ類が備えられている。代表的には、クランクシャフト３と一体的に回転するクランクロータ３ａの外周近傍に配設され、クランクロータ３ａの回転からクランク角を検出するクランク角センサ２０、吸気バルブを開閉駆動するカム機構１８の近傍に配設され、カムの回転変位からカム角度を検出するカム角センサ２１、スロットルバルブ１３の上流側に接続されるエアクリーナ（図示せず）の直下流に配設され、吸入空気量を検出する吸入空気量センサ２２、この吸入空気量センサ２２に併設されて吸入空気の温度を検出する吸気温センサ２３、スロットルバルブ１３の近傍に配設され、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ２４、燃焼室５の周囲に形成されるウォータージャケット等に配設され、冷却水の温度を検出する水温センサ２５がある。

更に、センサ類として、アクセルペダルの近傍に配設され、アクセルペダルの踏み込み量からアクセル開度を検出するアクセル開度センサ２６、燃料デリバリパイプ１１に配設され、燃料デリバリパイプ１１内の燃料圧力（すなわちインジェクタ９からの噴射圧）を検出する噴射圧センサ２７、エンジン１のノッキングを検出するノックセンサ２８が備えられ、これらの各種センサ類からの信号がＥＣＵ５０に送られて処理され、運転状態が検出される。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインターフェイス等からなるマイクロコンピュータを中心として構成され、その他、Ａ／Ｄ変換器、タイマ、カウンタ、各種ロジック回路等の周辺回路を備えている。ＥＣＵ５０には、上述の各種センサ類からの検出信号が入力され、また、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づく車内ネットワーク（図示せず）に接続される他の複数のＥＣＵ、例えば、変速機を制御するトランスミッションＥＣＵやブレーキを制御するブレーキＥＣＵ等の他の複数のＥＣＵとのデータ通信により各種制御情報が入力される。

ＥＣＵ５０は、エンジン運転状態を検出する各種センサ類からの信号、車内ネットワークを介して入力される各種制御情報に基づいて、燃料噴射制御、点火時期制御、ＥＧＲ制御等のエンジン制御を実行する。このエンジン制御においては、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ２０からの信号に基づくエンジン回転数とアクセル開度センサ２６からの信号に基づく要求負荷とを基本として、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等の制御量をマップ参照等により算出し、要求負荷を実現するに最適な吸入空気量，燃料噴射量，点火時期等の制御量を設定する。そして、これらの制御量に対応する駆動信号を出力し、インジェクタ９から筒内に直接燃料を噴射すると共にアクチュエータを介してスロットルバルブ１３の開度を制御し、最適なタイミングで点火プラグ８の放電電極に火花放電を発生させて筒内の混合気に着火することで、排気ガスエミッションの低減を図りつつトルクを確保するようにしている。

ＥＣＵ５０によって制御されるエンジン１の運転領域は、点火プラグ８の放電電極周りに成層化して形成される混合気を燃焼させるリーン空燃比での成層燃焼領域から、混合気を筒内全体に均一に分散させて燃焼させるリッチ域を含むストイキオ近傍での均一燃焼領域まで広範囲に変化する。

例えば、低回転・低負荷側の運転領域で成層燃焼が実施され、圧縮行程の所定時期にインジェクタ９から燃料を一括して噴射させ、点火プラグ８の放電電極の近傍に混合気を層状に偏在させた状態で燃焼させる。この成層燃焼領域では、エンジン１の吸気損失を低減するためにスロットルバルブ１３の開度が相対的に大きくされ、このときの燃焼室内の平均的な空燃比は理論空燃比よりも大幅にリーンな状態となる。

一方、成層燃料領域以外は、均一燃焼領域とされ、吸気行程で燃料を噴射させて吸気と十分に混合して燃焼室内に均一な混合気を形成し、この均一な混合気を燃焼させる燃焼状態になる。この均一燃焼状態では、混合気の空燃比が略理論空燃比になるように燃料噴射量やスロットル開度等が制御され、特に全負荷に近い状態では、空燃比を理論空燃比よりもリッチな状態に制御して、高負荷に対応した大出力を得られるようにしている。

このとき、ＥＣＵ５０は、均一燃焼時や成層燃焼時の一部の特定の運転領域において、インジェクタ９に供給する高圧燃料の目標燃圧を吸気温度に基づいて補正し、吸気温度が高いほど燃圧が低くなるよう制御する。すなわち、一般に、エンジンの吸気温度が上昇すると燃料の蒸発が促進され、燃焼損失が減少する。このとき、特に均一燃焼の運転領域では、燃焼損失が吸気温度の上昇で改善されると、図２に示すように、燃焼損失のカーブ全体が下側にシフトする。このことは、吸気温度、燃焼損失、高圧燃料を供給するに要する駆動損失（高圧燃料ポンプ１０の駆動損失）との関係で見ると、エンジンのフリクションは吸気温度に左右されないことから、燃焼損失と駆動損失とを足した損失が最小となる燃圧の最適点（最適燃圧）は、吸気温度が高くなると低圧側にシフトし、逆に吸気温度が低くなると高圧側にシフトすることを意味する。

従って、ストイキオ近傍の均一燃焼の運転領域、また、比較的燃圧の影響を受け難く確実に成層燃焼が可能な運転領域においては、燃圧を可変して最適化することにより、エンジン損失を低減して燃費を向上することができる。このため、ＥＣＵ５０は、均一燃焼時或いは成層燃焼の一部の運転領域において、エンジン運転状態に応じて設定される目標燃圧を、吸気温度が規定の基準状態での温度（基準温度）より高いときには燃圧が低下する方向に補正し、吸気温度が基準温度より低いときには燃圧が上昇する方向に補正することで、インジェクタ９から筒内に噴射される燃料の圧力を最適化して燃焼損失と駆動損失との合計が最小となるように制御し、燃費向上を図るようにしている。

ここで、図３に示すように、エンジン１の燃料供給系は、燃料タンク３０内にモータ等を駆動源とする電動式の低圧燃料ポンプ３１を配設し、この低圧燃料ポンプ３１の吐出圧を低圧プレッシャレギュレータ３２で調圧した後、エンジン１によって駆動される高圧燃料ポンプ１０に導くように構成されている。

高圧燃料ポンプ１０は、本形態においては、可変容量式のプランジャポンプであり、カムシャフト等により回転されるカム３３によりプランジャ１０ａが往復動し、プランジャ１０ａ上部に形成される加圧室１０ｂ内の容積を変化させることで、低圧燃料ポンプ３１から供給される燃料を増圧して燃料デリバリパイプ１１内に圧送する。更に、高圧燃料ポンプ１０には、ＥＣＵ５０により制御される電磁バルブ１０ｃが内蔵されており、この電磁バルブ１０ｃによって吸入通路の通路面積を可変することで、エンジンの要求噴射量に応じて高圧燃料ポンプの吐出量を制御することができる。

ＥＣＵ５０の高圧燃料ポンプ１０（電磁バルブ１０ｃ）を介した燃圧制御に係る機能は、目標燃圧設定部５１、燃圧補正部５２、燃圧制御部５３によって示される。ＥＣＵ５０は、エンジン回転数及び負荷に基づいてエンジンの運転領域を判断し、均一燃焼或いは成層燃焼の一部の特定の運転領域であると判断したとき、目標燃圧設定部５１で設定した目標燃圧ＰＴＧＴを燃圧補正部５２で吸気温度に応じて補正し、燃圧制御部５３で電磁バルブ１０ｃを介して高圧燃料ポンプ１０の吐出圧を制御する。

目標燃圧設定部５１による目標燃圧ＰＴＧＴの設定は、エンジン１の運転状態に対応する基本噴射圧を目標値として設定することになる。具体的には、基準状態での吸気温度（基準温度）における最適な基本噴射圧を、例えばエンジン回転数や負荷に対応して実験或いはシミュレーションによって求めてＥＣＵ５０内にテーブルとして保持しておき、このテーブルから現在のエンジン回転数に対応する値を読み出すことで目標燃圧ＰＴＧＴを設定する。基準温度は、例えば、ベンチ試験での運転状態に適合する条件下（具体的には、温度２５°Ｃ、湿度６０％の条件下）での吸気温度である。

燃圧補正部５２は、基準温度と吸気温センサ２３によって検出した実吸気温との温度差Δｔに基づいて、目標燃圧ＰＴＧＴを補正するための補正係数（燃圧補正係数）αを設定し、この燃圧補正係数αを目標燃圧ＰＴＧＴに乗算して目標燃圧ＰＴＧＴを補正する。

燃圧制御部５３は、噴射圧センサ２７で検出した燃料デリバリパイプ１１内の燃圧と補正後の目標燃圧ＰＴＧＴとの偏差に基づいて、電磁バルブ１０ｃを介して高圧燃料ポンプ１０の吐出圧が目標燃圧となるように調整し、インジェクタ９からの噴射圧が最適燃圧となるように制御する。

以上のＥＣＵ５０による燃圧制御に係る処理は、具体的には、図４，図５のフローチャートに示すプログラム処理によって実行される。以下、このプログラム処理について説明する。

図４のフローチャートは、燃圧補正係数αを設定する燃圧補正係数設定ルーチンを示し、先ず、最初のステップＳ１において、吸気温センサ２３で検出した現在の吸気温度が基準状態の温度（基準温度）か否かを調べる。その結果、現在の吸気温度が基準温度と一致する場合には、ステップＳ２で燃圧補正係数αを１にセットして（α＝１）燃料噴射圧を基本噴射圧に維持してルーチンを抜け、現在の吸気温度が基準温度と一致しない場合、ステップＳ１からステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、現在の吸気温度と基準温度との温度差Δｔを算出し、ステップＳ４で温度差Δｔから燃圧温度補正ベーステーブルを参照して燃圧補正係数αを設定してルーチンを抜ける。燃圧温度補正ベーステーブルは、図６に示すように、基準温度との温度差Δｔが零のときをα＝１（補正無し）として、吸気温度が基準温度より高温側（Δｔ＞０）になる程、燃圧補正係数αが小さくなり（α＜１）、吸気温度が基準温度より低温側（Δｔ＜０）になる程、燃圧補正係数αが大きくなる（α＞１）特性に設定される。

以上の燃圧補正係数設定ルーチンで設定された燃圧補正係数αは、図５のフローチャートに示す燃圧制御ルーチンで参照される。次に、燃圧制御ルーチンについて説明する。

燃圧制御ルーチンでは、先ず、最初のステップＳ１１において、現在のエンジンの運転領域が本ルーチンによる制御対象となる特定の運転領域か否かを判断する。この特定の運転領域は、均一燃焼の運転領域、或いは成層燃焼の一部の運転領域で燃圧変化に対して安定した燃焼が得られる運転領域であり、これらの運転領域に該当しない場合には、本ルーチンを抜け、均一燃焼領域、或いは成層燃焼の一部の運転領域である場合、ステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２では、現在のエンジン回転数に基づいてテーブル参照により目標燃圧ＰＴＧＴを設定する。次に、ステップＳ１３で、前述した燃圧補正係数設定ルーチンで設定された燃圧補正係数αを読み込み、ステップＳ１４で目標燃圧ＰＴＧＴを燃圧補正係数αで補正する（ＰＴＧＴ＝ＰＴＧＴ×α）。そして、ステップＳ１５において、噴射圧センサ２７で検出した現在の燃料デリバリパイプ１１内の燃圧と目標燃圧ＰＴＧＴとの偏差に基づく制御量で高圧燃料ポンプ１０の電磁バルブ１０ｃを駆動制御し、高圧燃料ポンプ１０の吐出圧が目標燃圧ＰＴＧＴに一致するように制御してルーチンを抜ける。

これにより、吸気温度が基準温度より高いときには燃圧が低くなるように制御され、吸気温度が基準温度より低いときには燃圧が高くなるように制御される。従って、基準温度で最適に設定された基本噴射圧を、吸気温度の変化に対して最適に維持することができ、エンジン損失の低減による燃費向上を図ることができる。

筒内燃料噴射エンジンの全体構成を示す概略図 吸入空気温度の上昇による最適燃圧のシフトを示す説明図 燃圧制御系のブロック図 燃圧補正係数設定ルーチンのフローチャート 燃圧制御ルーチンのフローチャート 燃圧温度補正ベーステーブルの説明図 従来の燃焼損失と最適燃圧との関係を示す説明図

符号の説明

１ エンジン
９ インジェクタ
１０ 高圧燃料ポンプ
２３ 吸気温センサ
２７ 噴射圧センサ
３１ 低圧燃料ポンプ
５０ 電子制御装置
５１ 目標燃圧設定部
５２ 燃圧補正部
５３ 燃圧制御部
ＰＴＧＴ 目標燃圧
Δｔ 温度差
α 燃圧補正係数

Claims (5)

1. 気筒内にインジェクタから燃料を噴射し、前記気筒内で燃料と空気との混合気を燃焼させる筒内燃料噴射エンジンの制御装置において、
   前記インジェクタに供給する燃料の目標燃圧を、エンジン運転状態に基づいて設定する目標燃圧設定部と、
   特定運転領域において、エンジン損失が最小となるよう前記目標燃圧を吸気温度に基づいて補正する燃圧補正部と
   を有することを特徴とする筒内燃料噴射エンジンの制御装置。
2. 前記エンジン損失は、少なくともエンジンの燃焼損失と駆動損失とを含むことを特徴とする請求項１記載の筒内燃料噴射エンジンの制御装置。
3. 前記燃圧補正部は、吸気温度が高いほど燃料圧力が低くなるように前記目標燃圧を補正することを特徴とする請求項１又は２記載の筒内燃料噴射エンジンの制御装置。
4. 前記燃圧補正部は、基準温度と実吸気温度との温度差に基づいて燃圧補正係数を設定し、該燃圧補正係数により前記目標燃圧を補正することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の筒内燃料噴射エンジンの制御装置。
5. 前記特定運転領域は、均一燃焼領域であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の筒内燃料噴射エンジンの制御装置。

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