JP2010185419A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションを活性化させることで、インジェクタに堆積したデポジットの付着を抑制することが可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の制御装置は、筒内噴射用インジェクタと、制御手段とを備える。筒内噴射用インジェクタは、エンジンの気筒内に燃料噴射する。制御手段は、筒内噴射用インジェクタの燃圧と、蒸気圧と、筒内圧とに基づきキャビテーション数を推定し、当該キャビテーション数がデポジット付着を抑制する数となるように筒内圧を制御する。
【選択図】図６

Description

本発明は、筒内噴射用インジェクタを備える内燃機関の制御装置に関する。

従来から、筒内噴射用インジェクタの先端部分に堆積する付着物（デポジット）を剥離し、またはその生成を抑制する技術が知られている。例えば、特許文献１には、インジェクタに備えられる超音波振動子を振動させて燃料中にキャビテーションを発生させ、そのキャビテーションが破裂するときのエネルギーによって噴霧微粒子化を向上させると共に、高周波振動状態で超音波振動子を駆動させてインジェクタ先端部のデポジット付着を抑制する技術が記載されている。また、特許文献２には、始動時に、高燃圧とすることでインジェクタのデポジット除去を行う技術が記載されている。

特開２００８−０２５４８５号公報 特開２００５−０９０２３１号公報

一般に、デポジット付着抑制に最適なキャビテーション数領域が存在する。例えば、燃圧を上昇させることにより、キャビテーション数を変化させ、キャビテーションを活性化させることができる。しかし、アイドリング状態のようなＮＶ（Ｎｏｉｓｅ、Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）要求が厳しい条件下では、燃圧を上昇させるとインジェクタの駆動音が大きくなるため適切ではない。また、特許文献１に記載の技術では、キャビテーション発生を制御することはできるが、その数を許容範囲内に抑えることはできない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、キャビテーションを活性化させることで、インジェクタに堆積したデポジットの付着を抑制することが可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、エンジンの気筒内に燃料噴射する筒内噴射用インジェクタと、前記筒内噴射用インジェクタの燃圧と、蒸気圧と、前記気筒内の筒内圧とに基づきキャビテーション数を推定し、当該キャビテーション数が前記筒内噴射用インジェクタでのデポジット付着を抑制する数となるように前記筒内圧を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記の内燃機関の制御装置は、例えばディーゼル車両に搭載され、筒内噴射用インジェクタと、制御手段とを備える。筒内噴射用インジェクタは、エンジンの気筒内に燃料噴射する。制御手段は、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、筒内噴射用インジェクタの燃圧と、蒸気圧と、筒内圧とに基づきキャビテーション数を推定し、当該キャビテーション数がデポジット付着を抑制する数となるように筒内圧を制御する。このようにすることで、アイドリング時のようなＮＶ要求が厳しい場合であっても、適切にキャビテーションを活性化させ、デポジットを剥離すると共にデポジット付着を抑制することができる。

本実施形態に係る内燃機関の制御装置の概略構成図を示す。 筒内噴射用インジェクタの構成を示す図である。 キャビテーション数と背圧（筒内圧）との関係を示すグラフの一例である。 本実施形態で使用されるバルブタイミングダイヤグラムの一例である。 本実施形態及び比較例におけるＰＶ線図の一例である。 本実施形態の処理手順を示すフローチャートの一例である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［装置構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置１００の概略構成図の一例を示す。図中の実線矢印はガスの流れの一例を示している。

エンジン１は、吸気通路１１より供給される吸気と燃料との混合気を燃焼室３内で燃焼することによって、動力を発生する装置である。エンジン１は、例えばディーゼルエンジンなどであり、気筒２と、ピストン４と、コンロッド５と、を有する。そして、エンジン１内の燃焼により発生した排気ガスは、排気通路１３に排出される。なお、図１においては、説明の便宜上、１つの気筒２のみを示しているが、実際にはエンジン１は複数の気筒２を有する。

吸気通路１１には外部から導入された吸気（空気）が通過し、スロットルバルブ１２は吸気通路１１を通過する吸気の流量を調整する。スロットルバルブ１２は、ＥＣＵ２２から供給される制御信号によって開度が制御される。吸気通路１１を通過した吸気は、燃焼室３に供給される。

燃焼室３には、筒内噴射用インジェクタ８によって噴射された燃料が供給される。筒内噴射用インジェクタ８は、ＥＣＵ２２から供給される制御信号Ｓ８によって、燃料噴射圧力（燃圧）や燃料噴射のタイミング（即ち、燃料噴射時期）が制御される。なお、筒内噴射用インジェクタ８の構成の一例については後述する。

更に、燃焼室３には、吸気弁６と排気弁７とが設けられている。吸気弁６は、開閉することによって、吸気通路１１と燃焼室３との連通／遮断を制御する。吸気弁６は、可変バルブタイミング機構１６によってバルブタイミング（開弁時期や閉弁時期）などが制御される。可変バルブタイミング機構１６は、ＥＣＵ２２から供給される制御信号Ｓ１６によって制御される。

同様に、排気弁７は、開閉することによって、排気通路１３と燃焼室３との連通／遮断を制御する。排気弁７は、可変バルブタイミング機構１７によってバルブタイミングなどが制御される。可変バルブタイミング機構１７は、ＥＣＵ２２から供給される制御信号Ｓ１７によって制御される。

アクセル開度センサ２０は、図示しないアクセルペダルの踏込み量、即ちアクセル開度を検出する。アクセル開度センサ２０は、検出値を検出信号Ｓ２０によりＥＣＵ２２へ供給する。

回転数センサ２１は、エンジン回転数を示す出力パルスを発生する。回転数センサ２１は、出力パルスを検出信号Ｓ２１によりＥＣＵ２２へ供給する。

ＥＣＵ２２は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＡ／Ｄ変換器などを含んで構成される。ＥＣＵ２２は、ＲＯＭに記憶したマップを参照することで、アクセル開度センサ２０及び回転数センサ２１により得られるエンジン１の負荷及びエンジン１の回転数に基づき、燃料噴射量などを決定する。また、ＥＣＵ２２は、図示しない燃料圧力センサの検出信号に基づきフィードバック制御することにより、図示しない燃料分配管内の燃料圧力（燃圧）及び燃料分配管へ供給する燃料量を制御する。さらに、後述するように、ＥＣＵ２２は、筒内噴射用インジェクタ８のデポジット付着を抑制するため、吸気弁６及び排気弁７のバルブタイミングを制御すると共に、筒内噴射用インジェクタ８の噴射開始時期を制御する。このように、ＥＣＵ２２は、本発明における制御手段の一例である。

[筒内噴射用インジェクタの構成の例]
次に、筒内噴射用インジェクタ８の構成例について図２を用いて説明する。図２は、筒内噴射用インジェクタ８の縦方向の断面図である。図２に示すように、筒内噴射用インジェクタ８は、その本体７４の下端にノズルボディ７６がスペーサを介してノズルホルダによって固定される。ノズルボディ７６は、その下端に噴孔５０を形成しており、ノズルボディ７６内にニードル５２が上下可動に配置される。ニードル５２の上端は本体７４内をスライドすることが可能なコア５４に接している。スプリング５６はコア５４を介してニードル５２に対して下向きに圧力を加えている。ニードル５２は、ノズルボディ７６の内周シート面５３に配置され、その結果、常態では噴孔５０を閉鎖している。

本体７４の上端には、スリーブ５７が挿入固定され、スリーブ５７内には燃料通路５８が形成される。燃料通路５８の下端側は、本体７４内の通路を介してノズルボディ７６の内部まで連通される。そして、ニードル５２のリフト時に、燃料は、噴孔５０から噴射される。燃料通路５８の上端側は、フィルタ６０を介して燃料導入口６２に接続される。

電磁ソレノイド６４は、本体７４内においてスリーブ５７の下端部を包囲するように配置される。ソレノイド６４の通電時においては、コア５４はスプリング５６に抗して上昇し、燃料圧はニードル５２を押し上げ、噴孔５０が開放されるので燃料噴射が実行される。ソレノイド６４は、絶縁ハウジング６５内のワイヤ６６に取り出され、開弁のための信号Ｓ８を、ＥＣＵ２２から受信する。

［制御方法］
次に、本実施形態におけるＥＣＵ２２の制御について具体的に説明する。ＥＣＵ２２は、機関暖機後のアイドル（ホットアイドル）時に、気筒２内の筒内圧が所定の規定値以下になるように、吸気弁６及び排気弁７のバルブタイミングと燃料噴射のタイミングとを制御することで、噴孔５０内のキャビテーションを適切な数に調整する。このようにすることで、ＥＣＵ２２は、キャビテーションを活性化させて噴孔５０内に堆積したデポジットを剥離すると共に、アイドル時でのデポジット付着を抑制する。

これについて具体的に説明する。まず、ＥＣＵ２２は、各種センサからエンジン回転数、負荷、燃圧、エンジン１の油温及びエンジン１の冷却水の水温を検出する。そして、ＥＣＵ２２は、これらの検出値に基づき、車両がホットアイドル条件を満たすか否か判定する。また、ホットアイドル条件を満たす場合、ＥＣＵ２２は、上述した検出値等に基づき、燃圧を噴射可能な最小燃圧（以後、「最小燃圧Ｐｉｎｊｍｉｎ」と呼ぶ。）に設定する。

次に、ＥＣＵ２２は、噴孔５０内のキャビテーションの気泡の数（以後、「キャビテーション数σ」と呼ぶ。）が所定個数（以後、「許容個数σｘ」と呼ぶ。）以下になる筒内の背圧値（以後、「許容背圧値Ｐａ０」と呼ぶ。）を算出する。許容個数σｘは、デポジットを剥離可能かつ生成抑制可能なキャビテーション数σに実験等により設定される。より具体的には、許容個数σｘは、噴孔５０でのデポジットの付着許容量に基づき算出される。また、許容背圧値Ｐａ０は、キャビテーション数σが許容個数σｘとなる背圧値に設定される。

これについて図３を用いて補足説明する。図３は、背圧とキャビテーション数σとの関係を表すグラフの一例である。

図３に示すように、キャビテーション数σが大きくなるに従い、背圧も上昇する。即ち、キャビテーション数σと背圧とは正の相関を有する。また、一般的に、キャビテーション数σが小さくなることと、キャビテーションの活性化（活性度）とは比例関係にある。言い換えると、キャビテーション数σとキャビテーション活性化とは反比例の関係にある。

従って、図３に示すように、ＥＣＵ２２は、背圧を許容背圧値Ｐａ０未満に抑えることで、キャビテーション数σを許容個数σｘ未満にすることができる（破線枠７０参照）。そして、ＥＣＵ２２は、背圧を許容背圧値Ｐａ０以下にすることで、キャビテーションを活性化させ、キャビテーションの発生及び崩壊時に生じるエネルギーを利用して、噴孔５０内に堆積したデポジットを剥離すると共に、デポジットの付着を抑制することができる。

また、背圧を「Ｐｐａ」、蒸気圧を「Ｐｖ」、燃圧を「Ｐｐｉｎｊ」とすると、以下の式（１）の関係が成立する。
σ＝（Ｐｐａ−Ｐｖ）／（Ｐｐｉｎｊ−Ｐｐａ） 式（１）
式（１）に示すように、キャビテーション数σと背圧とは図３に示すような正の相関を有することがわかる。また、ＥＣＵ２２は、例えば、実験または理論的に定められた許容個数σｘと、燃圧Ｐｖ（ここでは、最小燃圧Ｐｉｎｊｍｉｎ）と、センサ等により取得した筒内または噴孔５０内の蒸気圧Ｐｖとを用いて式（１）より適切な許容背圧値Ｐａ０を算出することができる。

次に、背圧を抑制する制御方法について説明する。ＥＣＵ２２は、噴射開始時での筒内の背圧値（以後、「噴射開始時背圧値Ｐａ」と呼ぶ）が許容背圧値Ｐａ０より小さくなるように、即ち、以下の式（２）が成立するように噴射開始時背圧値Ｐａを制御する。
Ｐａ＜Ｐａ０ 式（２）
具体的には、ＥＣＵ２２は、吸気弁６及び排気弁７のバルブタイミングと燃料噴射のタイミングを適切に制御することで、噴射開始時背圧値Ｐａを許容背圧値Ｐａ０より小さくする。これについて図４を用いて説明する。

図４は、ＥＣＵ２２が制御するバルブタイミングダイヤグラムの一例である。即ち、図示しないクランクシャフトの回転角度に応じた吸気弁６、排気弁７の開いている時期を表す。矢印８０は、吸気弁６が開弁してから閉弁するまでの時期に相当し、矢印８１は、排気弁７が開弁してから閉弁するまでの時期に相当する。また、矢印８４は、燃料噴射時期に相当する。

図４に示すように、ＥＣＵ２２は、上死点付近から吸気弁６及び排気弁７の両方を閉弁した状態を形成する（矢印８３参照）。即ち、ＥＣＵ２２は、矢印８３に相当する期間、負のオーバーラップ状態を形成する。また、ＥＣＵ２２は、燃料噴射のタイミングを通常よりも遅らせる（矢印８４参照）。即ち、ＥＣＵ２２は、排気弁７を閉じた後、吸気弁６を開く直前に燃料噴射を行う。そして、ＥＣＵ２２は、燃料噴射終了まで吸気弁６を開弁しない。即ち、ＥＣＵ２２は、燃料噴射終了後、吸気弁６を開弁する。

このようにすることで、ＥＣＵ２２は、負のオーバーラップ中に背圧を大幅に低下させることができ、背圧が下がった状態で燃料噴射を実行することができる。即ち、ＥＣＵ２２は、筒内噴射用インジェクタ８の開弁時での噴射開始時背圧値Ｐａの負圧量を大幅に拡大し、噴孔５０内のキャビテーション数σを許容個数σｘ未満に抑制することができる。従って、ＥＣＵ２２は、ＮＶ要求が厳しいアイドリング状態であっても、ＮＶを悪化させることなく、キャビテーションを活性化させ、デポジット付着を抑制することができる。また、この制御はアイドル状態に実施されることから、噴射時期が遅くなることにより、例えば燃料を噴射し切れないなどの事態は生じない。また、アイドル時は要求空気量が小さいため、吸気弁６の開弁のタイミングを遅くしても、空気量が不足する事態も生じない。

さらに上述の制御による効果について、図５を用いて補足説明する。図５（ａ）は、上述の制御を実施した場合のＰＶ線図の一例を示す。即ち、図５（ａ）の縦軸は筒内圧を示し、横軸は筒内の空気の体積を示す。図５（ｂ）は、本発明を適用しない場合（以後、「比較例」と呼ぶ。）でのＰＶ線図の一例である。

図５（ａ）の破線枠内で示されるように、本実施形態では、ＥＣＵ２２は、上死点に達した後、負のオーバーラップの期間を設けることで、ピストン４を押し下げる過程で噴射開始時背圧値Ｐａを下げている。一方、比較例では、負のオーバーラップの期間がないまたは短い。従って、図５（ｂ）の破線枠内で示されるように、比較例では、吸気弁６が上死点付近で開くため、ＥＣＵ２２は、図５（ａ）と比較して噴射開始時背圧値Ｐａを下げることができない。このように、本実施形態では、比較例よりも、ＥＣＵ２２は、噴射開始時背圧値Ｐａを下げることができるため、キャビテーションをより活性化させることができ、デポジットの剥離を促進すると共に、デポジット生成を抑制することができる。

（処理フロー）
次に、本実施形態における処理の手順について説明する。図６は、本実施形態での処理手順を表すフローチャートの一例である。ＥＣＵ２２は、このフローチャートの処理を、例えば所定周期に従い繰り返し実行する。

まず、ＥＣＵ２２は、エンジン回転数、負荷、燃圧、エンジン油温、及びエンジン水温を算出する（ステップＳ１０１）。ＥＣＵ２２は、例えば各種センサから送信される検出信号に基づき、これらを算出する。

次に、ホットアイドル条件が満たされるか否かについて判定する（ステップＳ１０２）。ＥＣＵ２２は、ステップＳ１０１で算出したデータに基づき、ホットアイドル条件がみたされているか否か推定する。そして、ホットアイドル条件が満たされる場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２２は、ステップＳ１０３へ処理を進める。一方、ホットアイドル条件が満たされていない場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、ＥＣＵ２２は、フローチャートの処理を終了する。

次に、ＥＣＵ２２は、燃圧を噴射可能な最小燃圧Ｐｉｎｊｍｉｎに設定する（ステップＳ１０３）。ＥＣＵ２２は、ステップＳ１０１で算出したデータ等に基づき噴射可能な最小燃圧Ｐｉｎｊｍｉｎを決定する。

そして、ＥＣＵ２２は、キャビテーション数σが許容個数σｘ未満となる許容背圧値Ｐａ０を算出する（ステップＳ１０４）。例えば、ＥＣＵ２２は、実験等により予め適切な値に設定された許容個数σｘと、ステップＳ１０３で設定した噴射可能な最小燃圧Ｐｉｎｊｍｉｎと、センサ等から取得した蒸気圧とに基づき、式（１）から許容背圧値Ｐａ０を算出する。

次に、ＥＣＵ２２は、噴射開始時背圧値Ｐａが許容背圧値Ｐａ０未満になるように、吸気弁６及び排気弁７のタイミング、及び噴射開始時期を設定する（ステップＳ１０５）。このようにすることで、ＥＣＵ２２は、ＮＶを悪化させることなく、噴孔５０内のキャビテーション数σを許容個数σｘ未満にし、キャビテーションを活性化させることができる。従って、ＥＣＵ２２は、キャビテーションの発生及び崩壊時のエネルギーを利用して、噴孔５０内のデポジットの剥離を促進させると共に、デポジット生成を抑制することができる。

［変形例］
ＥＣＵ２２は、上述の制御に加え、デポジット付着を抑制する他の手段を同時に実行してもよい。たとえば、ＥＣＵ２２は、筒内噴射用インジェクタ８の先端温度低減によってデポジットを抑制する方法（例えば、特開２００２−１３００８７参照）、噴孔５０の形状改良によるデポジット抑制方法（例えば、特開２０００−０８０９７０参照）等の手段と本発明とを組み合わせて実行してもよい。これにより、ＥＣＵ２２は、相乗効果によりデポジット付着をさらに抑制することができ、燃焼を安定させることができる。また、ＥＣＵ２２は、変形例によっても、ＮＶ要求を満たすことができる。

１ エンジン（内燃機関）
２ 気筒
３ 燃焼室
４ ピストン
５ コンロッド
６ 吸気弁
７ 排気弁
８ 筒内噴射用インジェクタ
１１ 吸気通路
１２ スロットルバルブ
１３ 排気通路
１６、１７ 可変バルブタイミング機構
２０ アクセル開度センサ
２１ 回転数センサ
２２ ＥＣＵ
５０ 噴孔
１００ 内燃機関の制御装置

Claims (1)

1. エンジンの気筒内に燃料噴射する筒内噴射用インジェクタと、
   前記筒内噴射用インジェクタの燃圧と、蒸気圧と、前記気筒内の筒内圧とに基づきキャビテーション数を推定し、当該キャビテーション数が前記筒内噴射用インジェクタでのデポジット付着を抑制する数となるように前記筒内圧を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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