JP2011236802A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、アルコール濃度の高低によらずに後燃えを良好に持続させることを目的とする。
【解決手段】内燃機関１０の筒内に、ガソリンとエタノールとの混合燃料を直接噴射可能な筒内燃料噴射弁２４を備える。燃料中のエタノール濃度を検出するためのエタノール濃度センサ４６を備える。内燃機関１０のトルク発生のための主噴射の後に、筒内燃料噴射弁２４を用いて膨張行程中に燃料を噴射する後燃え用噴射を実行する。エタノール濃度が高い場合には、それが低い場合に比して、後燃え用噴射による燃料噴射量が多くなるように制御する。具体的には、エタノール濃度が高い場合には、それが低い場合に比して、膨張行程における燃料噴射回数が多くなるように制御する。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、アルコール含有燃料を使用する内燃機関を制御するうえで好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、アルコール含有燃料を使用する内燃機関の空燃比制御装置が開示されている。この従来の空燃比制御装置では、触媒暖機が要求される場合に、燃料中のアルコール（エタノール）濃度が高いほど、空燃比がリーンに制御されるリーン制御時間をより長く設定するようにしている。

特開２００９−２５０１６５号公報 特開平５−１７２０２３号公報 特開２００４−７６６７７号公報 特開２００９−４７０５５号公報

ところで、エタノール等のアルコール燃料は、ガソリン等の炭化水素燃料よりも燃焼速度が高いという性質を有している。その結果、アルコール燃料使用時には、炭化水素燃料使用時に比して、燃焼が継続しにくくなる（すなわち、後燃えが生じにくくなる）。このため、触媒の暖機等のために排気温度を高めにくくなる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アルコール濃度の高低によらずに後燃えを良好に持続させ得る内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関の筒内に、炭化水素燃料とアルコール燃料との混合燃料を直接噴射可能な筒内燃料噴射弁と、
燃料中のアルコール濃度を取得する燃料濃度取得手段と、
前記内燃機関のトルク発生のための主噴射の後に、前記筒内燃料噴射弁を用いて膨張行程中に燃料を噴射する後燃え用噴射実行手段と、
を備え、
前記後燃え用噴射実行手段は、前記アルコール濃度が高い場合には、当該アルコール濃度が低い場合に比して、前記後燃え用噴射実行手段により噴射される燃料噴射量が多くなるように制御することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記後燃え用噴射実行手段は、膨張行程中に１または複数回に分割して燃料を噴射する手段であって、前記アルコール濃度が高い場合には、当該アルコール濃度が低い場合に比して、膨張行程における燃料噴射回数が多くなるように制御することを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記後燃え用噴射実行手段は、前記アルコール濃度が高い場合には、当該アルコール濃度が低い場合に比して、膨張行程における最終回の燃料噴射の終了時期を遅角することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
冷間時に温間時よりも点火時期を遅角する点火遅角実行手段を更に備え、
前記点火遅角実行手段により点火時期が遅角される際に、前記後燃え用噴射実行手段による制御が実行されることを特徴とする。

第１の発明によれば、アルコール濃度の高低によらずに、後燃えを継続するのに必要な燃料を確保することができるようになる。このため、アルコール濃度の高低によらずに後燃えを良好に持続させることが可能となる。

第２の発明によれば、後燃え用噴射における１噴射当たりの燃料噴射量を少なくすることで、燃料の気化促進を図ることができる。このため、アルコール濃度の高低によらずに後燃えを良好に持続させることができる。

第３の発明によれば、アルコール濃度が高い場合であっても、後燃え用噴射に伴う燃焼期間を確保することができ、後燃えを良好に持続させることが可能となる。

第４の発明によれば、点火時期の遅角化により燃焼を緩慢にさせつつ、上記第１乃至第３の発明によって後燃えを良好に持続させることが可能となる。

本発明の実施の形態１の内燃機関の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１のシステムにおける冷間始動時の燃料噴射時期および点火時期の制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における後燃え用噴射の実行態様を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 後燃え用噴射において使用される燃料噴射量を説明するための図である。 排気浄化触媒の暖機時の点火時期の設定を説明するための図である。 エタノール濃度と点火時期の遅角量との関係を表した図である。 図６および図７に示す設定を利用する制御を実現するルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
[システム構成の説明]
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関１０の構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、火花点火式の内燃機関１０を備えている。本実施形態のシステムは、炭化水素燃料（ここでは、一例としてガソリン）に対してアルコール燃料（ここでは、一例としてエタノール）が所定の割合（０〜１００％）で混合された混合燃料が使用されるものとする。

内燃機関１０の筒内には、ピストン１２が設けられている。内燃機関１０の筒内には、ピストン１２の頂部側に燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。吸気通路１６の入口近傍には、吸気通路１６に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ２０が設けられている。エアフローメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２は、アクセル開度と独立してスロットル開度を制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。

内燃機関１０が備えるシリンダヘッドには、燃焼室１４内（筒内）に上記混合燃料を直接噴射するための筒内燃料噴射弁２４が設けられている。また、内燃機関１０が備えるシリンダヘッドには、燃焼室１４の頂部から燃焼室１４内に突出するように点火プラグ２６が取り付けられている。吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ、燃焼室１４と吸気通路１６、或いは燃焼室１４と排気通路１８を導通状態または遮断状態とするための吸気弁２８および排気弁３０が設けられている。更に、排気通路１８には、排気ガスを浄化可能な排気浄化触媒３２が設置されている。

図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力には、上述した各種センサに加え、エンジン回転数を検出するためのクランク角センサ４２、内燃機関１０の冷却水温度を検出するための水温センサ４４、内燃機関１０に供給される燃料中のアルコール濃度（エタノール濃度）を検出するためのエタノール濃度センサ４６、および、車両のイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）４８が接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力には、上述した各種のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、それらのセンサ出力に基づいて上記アクチュエータを制御することで、内燃機関１０の運転状態を制御する。

［実施の形態１における特徴的な制御］
図２は、本発明の実施の形態１のシステムにおける冷間始動時の燃料噴射時期および点火時期の制御を説明するための図である。より具体的には、図２（Ａ）は、ガソリン１００％の燃料使用時の燃料噴射時期および点火時期を示し、図２（Ｂ）は、エタノール濃度が比較的低い燃料の使用時の燃料噴射時期および点火時期を示し、図２（Ｃ）は、エタノール濃度が比較的高い燃料の使用時の燃料噴射時期および点火時期を示している。

以上のように構成された本実施形態のシステムでは、内燃機関１０の始動後にエンジン冷却水温度Ｔｗが所定の水温Ｔ以下である場合（冷間時）には、内燃機関１０が暖機中であると判断する。そして、この場合には、燃焼を緩慢にさせて排気浄化触媒３２の暖機を促進するために、大遅角点火燃焼を実行する。ここでいう大遅角点火燃焼とは、暖機中（冷間時）に、暖機終了後（温間時）よりも点火時期を大きく遅角させた状態で行われる燃焼のことである。より具体的には、この大遅角点火燃焼の実行時には、暖機後であれば一般的に圧縮上死点よりも進角されることが多い点火時期が、図２の各図に示すように、圧縮上死点よりも大きく遅角される。

上記の大遅角点火燃焼によれば、内燃機関１０の始動直後において排気浄化触媒３２の温度が低く排気浄化触媒３２が活性化していない状況で、点火時期を遅角することで、燃焼を緩慢にすることができる。これにより、後燃えを生じさせることで排気温度を高めることができ、排気浄化触媒３２の早期活性化と未燃ＨＣの排出低減とを行うことができる。

ところで、エタノール燃料（アルコール燃料）は、ガソリン（炭化水素燃料）よりも燃焼速度が高く、燃焼の消炎が早くなるという性質を有している。その結果、エタノール燃料使用時には、ガソリン使用時に比して、燃焼が継続しにくくなる。このため、燃料中に含まれるエタノールの濃度が高いと、燃焼を緩慢にさせて後燃えを生じさせることを意図した上記大遅角点火燃焼時に、後燃えを効果的に生じさせにくくなる。そうすると、点火時期の遅角化を利用して、排気浄化触媒３２を昇温させにくくなる。

そこで、本実施形態では、エタノール燃料の使用時に、大遅角点火燃焼を利用した触媒暖機制御時の排気温度をガソリン使用時と同等にするために、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、トルク発生のための主噴射の後に膨張行程中に、後燃え用の燃料噴射（以下、「後燃え用噴射」と称する）を追加的に実行するようにした。より具体的には、燃料中に含まれるエタノール濃度が高い場合には、エタノール濃度が低い場合に比して、後燃え用噴射量が多くなるようにした。また、本実施形態では、この後燃え用噴射の実行時期を、膨張行程において点火プラグ２６にて点火が行われた後に、火炎がある程度成長して筒内温度が高くなるタイミングに設定した。

図３は、本発明の実施の形態１における後燃え用噴射の実行態様を説明するための図である。本実施形態では、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、上記のような後燃え用噴射量の調整を、エタノール濃度が高い場合には、エタノール濃度が低い場合に比して、後燃え用噴射の回数を（１または複数回の間で）多くするという態様で実現するようにした。より具体的には、図３（Ａ）に示すように、エタノール濃度が高いほど、膨張行程における後燃え用噴射の回数が多くなるようにした。

更に付け加えると、本実施形態では、図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、エタノール濃度が高い場合には、エタノール濃度が低い場合に比して、後燃え用噴射における最終回の燃料噴射時期を遅角するという態様で後燃え用噴射の回数を多くするようにした。より具体的には、図３（Ｂ）に示すように、エタノール濃度が高いほど、後燃え用噴射における最終回の燃料噴射時期がより遅角されるようにした。

図４は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ４０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、ＩＧスイッチ４８がＯＮとされた際に起動されるものとする。
図４に示すルーチンでは、先ず、今回のエタノール濃度Ｘｎ＋１がエタノール濃度センサ４６を利用して検出される（ステップ１００）。次いで、内燃機関１０の始動が行われる（ステップ１０２）。

次に、水温センサ４４を利用してエンジン冷却水温度（以下、「水温」と略する）Ｔｗが検出される（ステップ１０４）。次いで、現在の水温Ｔｗが所定の水温Ｔ以下であるか否かが判定される（ステップ１０６）。本ステップ１０６における所定の水温Ｔは、内燃機関１０の暖機の完了の有無を判断できる水温の閾値として予め設定された値である。上記ステップ１０６において、Ｔｗ≦Ｔが成立すると判定された場合、つまり、触媒暖機制御を行うべき冷間始動時（暖機初期）であると判断できる場合には、大遅角点火燃焼を行うために、図２を参照して既述したように点火時期の大幅な遅角化が実行されるとともに、膨張行程における後燃え用噴射が実行される（ステップ１０８）。

次に、今回の（始動時の）エタノール濃度Ｘｎ＋１が前回のエタノール濃度Ｘｎ以上であるか否かが判定される（ステップ１１０）。その結果、Ｘｎ＋１≧Ｘｎが成立すると判定された場合には、エタノール濃度の高い燃料が給油されたものと判断される。この場合には、エタノール濃度に応じた後燃え用噴射量が得られるように、膨張行程における後燃え用噴射の回数が増やされる（ステップ１１２）。

ＥＣＵ４０は、上記図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すような傾向を定めたマップをそれぞれ記憶している。本ステップ１１２では、そのようなマップを参照して、今回のエタノール濃度ｎ＋１に応じた後燃え用噴射の回数が決定されるとともに、今回のエタノール濃度ｎ＋１に応じて後燃え用噴射の最終回の噴射終了時期が決定される。また、図５は、後燃え用噴射において使用される燃料噴射量を説明するための図である。図５に示すように、通常運転時（暖機終了後）においては、トルク発生に寄与する燃焼に必要な最小噴射量ｑｍｉｎ以上の燃料噴射量が使用される。一方、膨張行程において実行される本実施形態の後燃え用噴射は、トルク発生に寄与しないため、通常運転時には使用しない最小噴射量ｑｍｉｎ以下の燃料噴射量にて噴射可能となる。このため、本ステップ１１２では、１回当たりの燃料噴射量は、上記最小噴射量ｑｍｉｎ以下の所定量に設定しつつ、噴射回数を増やすことによってエタノール濃度に応じた後燃え用燃料噴射量が設定される。

一方、上記ステップ１１０において、Ｘｎ＋１≧Ｘｎが不成立であると判定された場合、つまり、エンジン停止前よりもエタノール濃度が低くなっている場合には、排気温度の過上昇の防止と燃費向上のために、膨張行程における後燃え用噴射の回数が減らされる（ステップ１１４）。

上記ステップ１１２またはステップ１１４の処理が実行された後には、次いで、現在の水温Ｔｗ＞上記所定の水温Ｔが成立するか否かが判定される（ステップ１１６）。その結果、Ｔｗ＞Ｔが未だ不成立であると判定される間は、上記ステップ１１０以降の処理が繰り返し実行される。一方、Ｔｗ＞Ｔが成立すると判定された場合、或いは、上記ステップ１０６の判定が不成立である場合には、点火時期の遅角化と後燃え用噴射を利用した触媒暖機制御を伴う内燃機関１０の暖機が終了されるとともに、エタノール濃度の前回値Ｘｎが今回検出されたエタノール濃度Ｘｎ＋１に更新される（ステップ１１８）。

以上説明した図４に示すルーチンによれば、内燃機関１０の冷間始動時に、排気浄化触媒３２の早期活性化のために点火時期の大幅な遅角化により大遅角点火燃焼を実行する場合において、燃料中のエタノール濃度が高い場合には、それが低い場合に比して、膨張行程における後燃え用噴射量が多くなるように制御される。これにより、エタノール濃度が高い場合であっても、燃焼を継続するのに必要な燃料を確保することができる。このため、エタノール濃度の高低によらずに後燃えを良好に持続させることが可能となる。これにより、冷間始動時において、エタノール濃度の高低によらずに、大遅角点火燃焼によって良好に排気温度を高めることができ、排気浄化触媒３２の早期暖機（活性化）が可能となる。

また、上記ルーチンによれば、エタノール濃度に応じた後燃え用噴射量の調整が、エタノール濃度に応じた後燃え用噴射の回数の調整により行われる。このように、膨張行程における後燃え用噴射を分割噴射（マルチ噴射）により行うことで、噴霧のペネトレーションの低減によってシリンダ壁面に付着する燃料量（ウェット燃料量）の低減を図ることができ、ウェット燃料によるオイル希釈を抑制することができる。また、分割噴射としたことで、１噴射当たりの燃料噴射量を上記最小噴射量ｑｍｉｎ以下に減量することが可能となる。このため、燃料の気化促進を図ることができる。

また、上記ルーチンによれば、エタノール濃度が高い場合には、エタノール濃度が低い場合に比して、後燃え用噴射における最終回の燃料噴射時期が遅角される。これにより、エタノール濃度が高い場合であっても、燃焼期間を確保することができ、後燃えを良好に持続させることが可能となる。

また、本実施形態における後燃え用噴射の実行時期は、既述したように、膨張行程において点火プラグ２６にて点火が行われた後に、火炎がある程度成長して筒内温度が高くなったタイミングに設定されている。これにより、燃料の気化の更なる促進を図ることができる。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃料濃度取得手段」が、上記ステップ１０８〜１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「後燃え用噴射実行手段」が、それぞれ実現されている。
また、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第４の発明における「点火遅角実行手段」が実現されている。

［その他の制御］
後燃え効果を持続させて排気浄化触媒３２の早期暖機を図るためには、上述した実施の形態１の制御に代え、以下に示す制御を行うようにしてもよい。尚、ここでは、図１に示すハードウェア構成を対象とした制御例について説明する。

図６は、排気浄化触媒３２の暖機時の点火時期の設定を説明するための図である。より具体的には、図６（Ａ）は、ガソリン１００％の燃料使用時の点火時期を示し、図６（Ｂ）は、エタノール混合燃料使用時の点火時期を示している。
図６の各図に示すように、排気浄化触媒３２の暖機時には、既述した大遅角点火燃焼を実現するために、圧縮上死点よりも点火時期を大きく遅角させる制御が実行される。そのうえで、エタノール混合燃料の使用時には、ガソリン１００％の燃料使用時よりも進角しない範囲で、エタノール濃度に応じて点火時期の遅角量が調整される。

図７は、エタノール濃度と点火時期の遅角量との関係を表した図である。
図７に示すように、エタノール濃度に応じた点火時期の遅角量は、より具体的には、吸気管負圧が一定となるように配慮しつつ、エタノール濃度が高いほど、点火時期の遅角量が大きくなるように設定されている。

図８は、図６および図７に示す設定を利用する制御を実現するルーチンのフローチャートである。尚、図８において、実施の形態１における図４に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図８に示すルーチンでは、ステップ１０６においてＴｗ≦Ｔが成立すると判定された場合には、大遅角点火燃焼を行うために、点火時期の大幅な遅角化が実行される（ステップ２００）。また、本ルーチンでは、排気浄化触媒３２の暖機中に、ステップ１１０において今回のエタノール濃度Ｘｎ＋１≧前回のエタノール濃度Ｘｎが成立すると判定された場合には、次いで、点火時期を現在の点火時期よりも更に遅角する処理が実行される（ステップ２０２）。ＥＣＵ４０は、上記図７に示すような傾向を定めたマップを記憶している。本ステップ２０２では、そのようなマップを参照して、今回のエタノール濃度ｎ＋１に応じた点火時期の遅角量が決定される。一方、上記ステップ１００において、Ｘｎ＋１≧Ｘｎが不成立であると判定された場合には、点火時期を現在の点火時期よりも進角する処理が実行される（ステップ２０４）。これらのステップ２０２または２０４以降の処理は、上記図４に示すルーチンと同様である。

以上説明した図８に示すルーチンによれば、エタノール濃度が前回値よりも高い場合には、点火時期をより遅角することで、燃焼をより緩慢にさせることができる。また、点火時期をより遅角することで、燃料噴射から点火までの期間が長くなるので燃料が気化するまでの時間をより長く確保することができる。これにより、低温での気化特性が良くないエタノール燃料の気化を促進することで、混合気量を増加させることができ、更なる排気温度の上昇と未燃ＨＣの低減とを図ることができる。逆に、エタノール濃度が前回値よりも低い場合には、点火時期をより進角することで、排気温度の過上昇の防止と燃焼効率の向上とを図ることができる。

また、既述したように、エタノール燃料は、ガソリンよりも燃焼速度が高い。このため、エタノール濃度が高いほど点火時期の遅角量を大きくした場合であっても、ガソリン使用時と同等の燃焼変動を維持することが可能となる。更に、吸気管負圧が一定となるように配慮しつつ、エタノール濃度に応じて点火時期の遅角量を可変にすることで、燃焼変動抑制とブレーキ負圧確保とが可能となる。

尚、上記図６〜図８に示す制御例では、エタノール濃度に応じて点火時期の遅角量を調整する例について説明を行った。このような制御例以外にも、例えば、筒内圧センサを燃焼室に設けたうえで次のような制御を行ってもよい。すなわち、燃焼時の筒内圧の検出値から燃焼変動を算出し、算出された燃焼変動が所定の設定値（例えば、ガソリン使用時の燃焼変動値）を越えない範囲内で点火時期の遅角量を調整するようにしてもよい。また、上記図６〜図８に示す制御例では、筒内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射弁２４を備える構成を対象として説明した。しかしながら、上記大遅角点火燃焼が成立するのであれば、吸気ポートに燃料を噴射する方式の火花点火式内燃機関を対象として、上記図６〜図８に示す制御例を行うようにしてもよい。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２４ 筒内燃料噴射弁
２６ 点火プラグ
３２ 排気浄化触媒
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ
４４ 水温センサ
４６ エタノール濃度センサ
４８ イグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）

Claims (4)

1. 内燃機関の筒内に、炭化水素燃料とアルコール燃料との混合燃料を直接噴射可能な筒内燃料噴射弁と、
   燃料中のアルコール濃度を取得する燃料濃度取得手段と、
   前記内燃機関のトルク発生のための主噴射の後に、前記筒内燃料噴射弁を用いて膨張行程中に燃料を噴射する後燃え用噴射実行手段と、
   を備え、
   前記後燃え用噴射実行手段は、前記アルコール濃度が高い場合には、当該アルコール濃度が低い場合に比して、前記後燃え用噴射実行手段により噴射される燃料噴射量が多くなるように制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記後燃え用噴射実行手段は、膨張行程中に１または複数回に分割して燃料を噴射する手段であって、前記アルコール濃度が高い場合には、当該アルコール濃度が低い場合に比して、膨張行程における燃料噴射回数が多くなるように制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記後燃え用噴射実行手段は、前記アルコール濃度が高い場合には、当該アルコール濃度が低い場合に比して、膨張行程における最終回の燃料噴射の終了時期を遅角することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 冷間時に温間時よりも点火時期を遅角する点火遅角実行手段を更に備え、
   前記点火遅角実行手段により点火時期が遅角される際に、前記後燃え用噴射実行手段による制御が実行されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

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