JP2013124584A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プリチャージ技術を適用したデュアル燃料噴射式内燃機関における電子制御ユニットの消費電力及び発熱を抑制する。
【解決手段】内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射供給する筒内燃料噴射弁25、及び吸気ポートへ向けて燃料を噴射供給する吸気ポート燃料噴射弁26と、燃料噴射弁のコイルに弁体が作動するよりも小さな励磁電流をプリチャージするプリチャージ制御手段と、内燃機関の運転状態に応じて、筒内燃料噴射弁からのみ、吸気ポート燃料噴射弁からのみ、又は筒内燃料噴射弁と吸気ポート燃料噴射弁との両者から同時に所定の噴分け比率でもって燃料を切替て噴射供給するように制御する燃料切替え制御手段と、を備える。筒内燃料噴射弁と吸気ポート燃料噴射弁との両者から同時に燃料を噴射供給するときは、プリチャージ制御手段によるプリチャージを制限する。
【選択図】図1
【解決手段】内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射供給する筒内燃料噴射弁25、及び吸気ポートへ向けて燃料を噴射供給する吸気ポート燃料噴射弁26と、燃料噴射弁のコイルに弁体が作動するよりも小さな励磁電流をプリチャージするプリチャージ制御手段と、内燃機関の運転状態に応じて、筒内燃料噴射弁からのみ、吸気ポート燃料噴射弁からのみ、又は筒内燃料噴射弁と吸気ポート燃料噴射弁との両者から同時に所定の噴分け比率でもって燃料を切替て噴射供給するように制御する燃料切替え制御手段と、を備える。筒内燃料噴射弁と吸気ポート燃料噴射弁との両者から同時に燃料を噴射供給するときは、プリチャージ制御手段によるプリチャージを制限する。
【選択図】図1
Description
本発明は、内燃機関の制御装置、特にデュアル燃料噴射式内燃機関の制御装置に関する。
従来、内燃機関の筒内に向けて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と吸気ポート内に向けて燃料を噴射する吸気ポート燃料噴射弁とを備え,内燃機関の運転状態に応じて、筒内燃料噴射弁と吸気ポート燃料噴射弁とを切替えて使用したり、又は両者を同時にその噴分け比率を変更して使用するようにした、いわゆる、デュアル燃料噴射式内燃機関が知られている。これらの中、例えば、特許文献1に開示のものは、燃焼室に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、吸気通路内に燃料を噴射する吸気ポート燃料噴射弁とを有し、燃料噴射量が予め定められた燃料噴射量以下のときには筒内燃料噴射弁だけから燃料を噴射させ、燃料噴射量が予め定められた燃料噴射量を超えるときには筒内燃料噴射弁と吸気ポート燃料噴射弁との両者から燃料を噴射させるようにしている。
また、内燃機関の燃料噴射弁に存在する燃料の圧力、粘度等に起因して弁体の開弁遅れにばらつきが生じ、噴射量の誤差要因となることが知られている。このような問題に対応して、特許文献2には、燃料噴射弁のコイルに励磁電流を供給することで弁体を作動させて燃料の噴射を行う燃料噴射弁において、当該燃料噴射弁の弁体が作動するよりも小さい励磁電流を燃料噴射弁のコイルにプリチャージすることによって、様々な運転状態や燃料性状においても応答性良く燃料噴射弁の弁体を開弁するようにした内燃機関の燃料噴射制御装置が開示されている。
このような燃料噴射弁のコイルにプリチャージする技術によると、燃料噴射弁の弁体の開弁前におけるコイルへの通電(プリチャージ)によって、弁体本来の開弁時の応答性が向上することから、噴射量の誤差要因を解消すると共にリニアリティを満たす最小噴射量をも小さくすることが可能となる。しかしながら、上述のデュアル燃料噴射式内燃機関にかかるプリチャージ技術を適用すると、例えば、筒内燃料噴射弁と吸気ポート燃料噴射弁とから同時に噴射が行われるような場合には、それぞれの燃料噴射弁に対して付加的に追加の駆動エネルギーが必要であるので、それらの制御回路を含む電子制御ユニット等の消費電力(エネルギー)が大きくなると共に、発熱も多くなる、といった問題が生ずる。そのために、デュアル燃料噴射式内燃機関にかかるプリチャージ技術を適用するに際しては、更なる改善の余地がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、プリチャージ技術を適用したデュアル燃料噴射式内燃機関における電子制御ユニットの消費電力及び発熱を抑制することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関の制御装置の一形態は、内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射供給する筒内燃料噴射弁、及び吸気ポートへ向けて燃料を噴射供給する吸気ポート燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁のコイルに弁体が作動するよりも小さな励磁電流をプリチャージするプリチャージ制御手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記筒内燃料噴射弁からのみ、前記吸気ポート燃料噴射弁からのみ、又は前記筒内燃料噴射弁と前記吸気ポート燃料噴射弁との両者から同時に所定の噴分け比率でもって燃料を切替て噴射供給するように制御する燃料切替え制御手段と、を備える内燃機関の制御装置であって、前記筒内燃料噴射弁と前記吸気ポート燃料噴射弁との両者から同時に燃料を噴射供給するときは、前記プリチャージ制御手段によるプリチャージを制限することを特徴とする。
ここで、上記一形態において、前記燃料切替え制御手段により算出された噴分け比率の結果、前記筒内燃料噴射弁のリニアリティが所定範囲外になるときは、前記吸気ポート燃料噴射弁からのみ燃料を噴射供給することが好ましい。
また、上記形態において、前記制御手段を構成する電子制御ユニットの温度を推定又は計測する温度取得手段をさらに備え、当該温度取得手段により得られた温度が所定値を超えたときは、前記プリチャージ制御手段によるプリチャージを制限することが好ましい。
ここで、本明細書における燃料噴射弁に用いられているプリチャージについて、本発明の理解の容易化を図るために、図2を参照して簡単に説明する。プリチャージとは、燃料噴射弁のコイルに励磁電流を供給することで弁体を作動させて燃料の噴射を行う燃料噴射弁において、燃料噴射弁の弁体を本来駆動させる時期よりも前に、当該燃料噴射弁の弁体が作動するよりも小さい励磁電流を予めコイルに流すことである。図2の(A)の縦軸に励磁電流(i)、横軸に通電時間(τ)をとったグラフにおいて、ハッチングが施された面積部分aがこのプリチャージによる駆動エネルギーを示す。そして、図2の(B)の図2(A)と同様のグラフにおいては、実線がプリチャージを行った場合における図2の(A)に対応する励磁電流、破線はプリチャージを行わない場合の励磁電流を示している。さらに、図2の(C)は縦軸に噴射量(q)、横軸に通電時間(τ)をとったグラフであり、実線がプリチャージを行った場合、破線はプリチャージを行わない場合の噴射量をそれぞれ示している。この図2(A)及び(B)から理解できるように、プリチャージを行った場合にはプリチャージを行わない場合に比べて、ハッチングが施された面積部分aに相当する追加の駆動エネルギーが必要である。また、図2(C)から理解できるように、プリチャージを行った場合にはプリチャージを行わない場合に比べて、弁体の応答性が向上することから、燃料噴射弁のリニアリティを満たす最小噴射量qminも小さくなる。なお、プリチャージが制限されるとは、励磁電流が低減ないしは停止されることを含む意味で用いられている。
上記の一形態によれば、筒内燃料噴射弁と吸気ポート燃料噴射弁との両者から同時に燃料を噴射供給するときには、プリチャージ制御手段によるプリチャージが制限される。よって、それぞれの燃料噴射弁に対して付加的に追加されていた駆動エネルギーのためのプリチャージが制限されるので、その分それらの制御回路を含む電子制御ユニット等における消費電力が小さくて済み、その発熱を抑制することができる。
以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明に係る内燃機関の制御装置を構成するエンジンシステム1の模式図であり、エンジンはその一部の構成のみが示されている。
このエンジンシステム1は、動力源であるエンジン100を備えており、エンジン100の運転動作を総括的に制御する電子制御ユニット(以下、ECU)と称す)10を備えている。エンジン100は、車両に搭載される多気筒エンジンであって、各気筒は燃焼室11aを構成するピストン11を備えている。各燃焼室のピストン11はそれぞれコネクティングロッドを介して出力軸であるクランクシャフト12に連結されており、ピストン11の往復運動がコネクティングロッドによってクランクシャフト12の回転へと変換される。
燃焼室11aには、それぞれ燃焼室11aと連通する吸気ポート13と、吸気ポート13に連結し、吸入空気を吸気ポート13から燃焼室11aへと導く吸気通路14とが接続されている。更に、燃焼室11aの各気筒には、それぞれ燃焼室11aと連通する排気ポート15と、燃焼室11aで発生した排気ガスをエンジン外へと導く排気通路16が接続されている。また、各気筒に接続された排気通路16は、下流側で合流して一本の合流排気通路17となる。
各気筒の燃焼室11aに対して複数の吸気弁、排気弁が設けられているが、図1には、吸気通路、排気通路と吸気弁、排気弁とがそれぞれ1つずつ示されている。燃焼室11aの各吸気ポート13には、それぞれ吸気弁18が配置されており、吸気弁18を開閉駆動させるための吸気カムシャフト20が配置されている。更に、燃焼室11aの各排気ポート15には、それぞれ排気弁19が配置されており、排気弁19を開閉駆動させるための排気カムシャフト21が配置されている。
吸気弁18及び排気弁19は、クランクシャフト12の回転が連結機構(例えばタイミングベルト、タイミングチェーンなど)により伝達された吸気カムシャフト20及び排気カムシャフト21の回転により開閉され、吸気ポート13及び排気ポート15と燃焼室11aとを連通又は遮断する。
吸気カムシャフト20は可変動弁機構(以下、VVT機構という)である電動VVT機構22を有している。この電動VVT機構22はエンジンECU10の指示により電動モータで吸気カムシャフト20を回転させる。それにより吸気カムシャフト20のクランクシャフト12に対する回転位相が変更されることから、吸気弁18のバルブタイミングが変更される。この場合、吸気カムシャフト20の回転位相は、吸気カム角センサ32にて検出され、エンジンECU10へと出力される。それにより、エンジンECU10は、吸気カムシャフト20の位相を取得することができるとともに、吸気弁18の位相を取得することができる。
排気カムシャフト21は油圧VVT機構23を有している。この油圧VVT機構23はエンジンECU10の指示によりオイルコントロールバルブ(以下、OCVという)で排気カムシャフト21を回転させる。それにより排気カムシャフト21のクランクシャフト12に対する回転位相が変更されることから、排気弁19のバルブタイミングが変更される。この場合、排気カムシャフト21の回転位相は、排気カム角センサ33にて検出され、エンジンECU10へと出力される。それにより、エンジンECU10は、排気カムシャフト21の位相を取得することができるとともに、排気弁19の位相を取得することができる。
そして、エンジン100は、燃焼室11a及び吸気ポート13にそれぞれ筒内燃料噴射弁25及び吸気ポート燃料噴射弁26を備えている。また、各気筒の燃焼室11aはそれぞれ点火プラグ27を備えており、点火プラグ27の点火タイミングはイグナイタ28によって調整される。
燃焼後の排気ガスは、排気弁19が開いた際に排気ポート15、排気通路16を通って合流排気通路17で合流し、浄化触媒29を通過してエンジン100の外部へと排出される。浄化触媒29は、エンジン100の排ガスを浄化するために用いられるもので、例えば三元触媒やNOx吸蔵還元型触媒などが適用される。浄化触媒29は、エンジン100の排気量、使用地域等の違いによって複数個組み合わせて用いられる場合もある。合流排気通路17には排気温センサ36、A/Fセンサ37、O2センサ38が設けられており、燃焼室11aから排出される排気ガスの温度、空燃比を検出し、その結果をエンジンECU10へと送信する。また、浄化触媒29には触媒温度センサ40が設けられており、浄化触媒29の温度を検出し、その結果をエンジンECU10へと送信する。
クランクシャフト12の近傍には、クランク角センサ31が設けられている。クランク角センサ31は、クランクシャフト12の回転角度を検出するように構成されており、検出結果をエンジンECU10に送信する。それにより、エンジンECU10は、運転時のエンジン回転数や回転角速度など、クランク角に関する情報を取得する。
さらに、エンジン100の吸気通路14にはエアフロメータ34、スロットルバルブ24及びスロットルポジションセンサ35が設置されている。エアフロメータ34及びスロットルポジションセンサ35は、それぞれ吸気通路14を通過する吸入空気量、及びスロットルバルブ24の開度を検出し、検出結果をエンジンECU10に送信する。エンジンECU10は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート13及び燃焼室11aへ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ24の開度を調整することでエンジン100の運転に必要な吸入空気を燃焼室11aへ取り込む。
燃焼室11aに装着されている筒内燃料噴射弁25には高圧燃料ポンプ30により燃料配管を通じて燃料が供給され、エンジンECU10の指示により気筒内の燃焼室11aに噴射供給される。吸気ポート13に装着されている吸気ポート燃料噴射弁26には不図示の低圧燃料ポンプにより燃料配管を通じて燃料が供給され、エンジンECU10の指示により吸気ポート13に噴射供給される。
筒内燃料噴射弁25の燃料配管には燃圧センサ41が設けられている。燃圧センサ41は、筒内燃料噴射弁25に供給される燃料の圧力を検出し、検出結果をエンジンECU10に送信する。エンジンECU10は、送信された検出結果に基づいて筒内燃料噴射弁25に供給される燃料の圧力を認識する。燃圧センサ41は、燃料配管に関わらず、筒内燃料噴射弁25に供給される燃料の圧力を検出できる任意の部位に設けることができる。
エンジンECU10は、演算処理を行うCPUと、プログラム等を記憶するROMと、データ等を記憶するRAMとを備えるマイクロコンピュータで構成されている。エンジンECU10は、クランク角センサ31、吸気カム角センサ32、エアフロメータ34、スロットルポジションセンサ35、排気温センサ36、水温センサ39や不図示、油温センサ等の検出結果を読み込み、スロットルバルブ24の動作、吸気弁18、排気弁19の動作、筒内燃料噴射弁25及び吸気ポート燃料噴射弁26の動作、点火プラグ27の点火時期など、エンジン100の運転動作を統合的に制御する。
なお、本実施形態におけるエンジン100においては、エンジン100の運転状態に基づいて、筒内燃料噴射弁25からの燃料噴射(以下、直噴と称す)のみ、吸気ポート燃料噴射弁26からの燃料噴射(以下、PFI噴射と称す)のみ、又は筒内燃料噴射弁25及び吸気ポート燃料噴射弁26からの所定の噴分け比率による同時の燃料噴射が切替えて行われる。すなわち、エンジン100の冷間時での運転状態のときに、筒内燃料噴射弁25により燃焼室11a内に燃料を直噴させると、燃料蒸発性が悪く燃焼室壁面に液体燃料が付着し易いことから、すす、スモークが発生したり、オイルを希釈し易いので、PFI噴射が実行される。逆に、このような問題が生じない温間(暖機完了)時などは、直噴のみとし、エンジン100の出力優先の制御が実行される。そして、直噴とPFI噴射とを同時に行うときは、以下に説明するように、途中過程での状況に応じて噴分け比率が変更される。
すなわち、筒内燃料噴射弁25と吸気ポート燃料噴射弁26との噴分け比率は、例えば、図4に示すグラフに基づいて適切な値に設定される。以下の説明では、筒内燃料噴射弁25からの噴射を基準として、これを噴分け比率α(%)と称する。この場合、吸気ポート燃料噴射弁26の噴分け比率は(100‐α)(%)である。そして、本実施の形態では、エンジン冷却水温又は油温(以下、代表して水温と称す)T(℃)に基づいて決定され、水温Tが所定の第1の温度T1より低いときは、吸気ポート燃料噴射弁26からのみ燃料が噴射供給される。換言すると、筒内燃料噴射弁25からの噴分け比率αは0%である。一方、水温Tが第1の温度T1より高い所定の第2の温度T2より高いときは、筒内燃料噴射弁25からのみ燃料が噴射供給される。換言すると、筒内燃料噴射弁25からの噴分け比率αは100%である。そして、水温Tが上述の第1の温度T1と第2の温度T2との間にあるときは、筒内燃料噴射弁25及び吸気ポート燃料噴射弁26から同時に燃料が噴射供給され、そのときの筒内燃料噴射弁25からの噴分け比率αは次式により算出される。すなわち、α=(T‐T1)/(T2−T1)×100(%)である。なお、この噴分け比率αは予め台上試験等によって求められた適切な値に設定されて、エンジンECU10のROMに予め記憶されていてもよい。
ここで、エンジンECU10の制御の流れに沿って、エンジンシステム1の動作を説明する。図3はエンジンECU10が実行する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。エンジンECU10の制御は、エンジン100の始動要求がされると、すなわちイグニッションスイッチがONにされると開始し、エンジン100の停止要求がされるまで以下の制御を所定の周期で繰り返す。
まず、制御がスタートするとエンジンECU10はステップS301で、エンジン運転状態情報を取得する。具体的には、クランク角センサ31、エアフロメータ34、スロットルポジションセンサ35、水温(又は油温)センサ39等の検出結果を読み込み、エンジン回転数、負荷、水温Tのデータ情報を求める。そして、次のステップS302へ進み、上記データ情報に基づいて、筒内燃料噴射弁25及び吸気ポート燃料噴射弁26から同時に燃料が噴射供給されるエンジン状態か否かが判定される。ステップS302での判定の結果、同時噴射でないときは、この制御ルーチンは一旦終了される。一方、同時噴射であるときは、次のステップS303へ進む。
ステップS303で、エンジンECU10は、ステップS301で取得したそれぞれのデータ情報に基づいて、噴分け比率αを算出する。また、エンジンECU10は、ステップS303で算出したそれぞれの噴分け比率αに基づいて、筒内燃料噴射弁25からと吸気ポート燃料噴射弁26からとの燃料噴射量をそれぞれ算出する。そして、エンジンECU10は、ステップS304に進み、筒内燃料噴射弁25と吸気ポート燃料噴射弁26とに対するプリチャージを停止させる。
この実施の形態において、プリチャージを停止させることにより、図5のグラフに示すような効果が得られる。すなわち、図5は所定のエンジン回転数において噴射形態の違いに応じた燃料噴射弁駆動エネルギーを示すグラフであり、その左側にプリチャージ付きの直噴100%、中央にプリチャージ付きの直噴+PFI噴射、右側にプリチャージが停止された直噴+PFI噴射における駆動エネルギーが、直噴については黒塗りで、PFI噴射については白抜きでそれぞれ示されている。そして、プリチャージの有無に起因する駆動エネルギーの差がβで示されている。これから明らかなように、プリチャージが停止されることにより、β分の燃料噴射弁駆動エネルギーを低減することができる。
さらに、本実施の形態では、ステップS305に進み、上記ステップS303で算出した噴分け比率αに基づいて設定された、筒内燃料噴射弁25からの燃料噴射量が当該筒内燃料噴射弁25のリニアリティ許容範囲内であるか否かが判定される。換言すると、噴分け比率αに基づいて設定された燃料噴射量qが、筒内燃料噴射弁25の最小噴射量qminを上回るか否かが判定される。ステップS305での判定の結果、リニアリティ許容範囲内であるときは、この制御ルーチンは一旦終了される。一方、リニアリティ許容範囲内でないときは、次のステップS306へ進む。そして、ステップS306において、噴分け比率αであった筒内燃料噴射弁25からの燃料噴射量をなくし、換言すると、筒内燃料噴射弁25からの噴分け比率αをゼロにして、吸気ポート燃料噴射弁26からの噴分け比率(100-α)が100%となるようにするのである。
次に、本発明の他の実施形態をエンジンECU10が実行する制御ルーチンを示す図6のフローチャートを用いて説明する。
まず、制御がスタートするとエンジンECU10はステップS601で、ECU10の温度情報を取得する。具体的には、ECU10の例えば筐体に設けた不図示の温度センサによる計測温度値tである。なお、この温度値tはエンジンECU10の使用履歴等に基づく推定値であってもよい。そして、次のステップS602へ進み、上記温度値tがECU10の許容温度範囲内であるか否かが判定される。ステップS602での判定の結果、許容温度範囲内であるときは、この制御ルーチンは一旦終了される。一方、許容温度範囲内でないときは、次のステップS303へ進み、筒内燃料噴射弁25と吸気ポート燃料噴射弁26とに対するプリチャージを停止させる。
そして、本実施の形態ではさらに、ステップS604に進み、再度、ECU10の温度情報を取得する。そして、次のステップS605へ進み、上記プリチャージ停止後の温度値tがECU10の許容温度範囲内であるか否かが再度判定される。ステップS605での判定の結果、許容温度範囲内であるときは、この制御ルーチンは一旦終了される。一方、許容温度範囲内でないときは、次のステップS606へ進み、噴分け比率αであった筒内燃料噴射弁25からの燃料噴射量をなくし、換言すると、筒内燃料噴射弁25からの噴分け比率αをゼロにして、吸気ポート燃料噴射弁26からの噴分け比率(100-α)が100%、換言すると、PFI100%噴射に切替えるのである。
なお、上記の実施形態は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能であることは言うまでもない。
10 電子制御ユニット(ECU)
11a 燃焼室(筒内)
25 筒内燃料噴射弁
26 吸気ポート燃料噴射弁
11a 燃焼室(筒内)
25 筒内燃料噴射弁
26 吸気ポート燃料噴射弁
Claims (3)
- 内燃機関の燃焼室へ燃料を噴射供給する筒内燃料噴射弁、及び吸気ポートへ向けて燃料を噴射供給する吸気ポート燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁のコイルに弁体が作動するよりも小さな励磁電流をプリチャージするプリチャージ制御手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて、前記筒内燃料噴射弁からのみ、前記吸気ポート燃料噴射弁からのみ、又は前記筒内燃料噴射弁と前記吸気ポート燃料噴射弁との両者から同時に所定の噴分け比率でもって燃料を切替て噴射供給するように制御する燃料切替え制御手段と、を備える内燃機関の制御装置であって、
前記筒内燃料噴射弁と前記吸気ポート燃料噴射弁との両者から同時に燃料を噴射供給するときは、前記プリチャージ制御手段によるプリチャージを制限することを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記燃料切替え制御手段により算出された噴分け比率の結果、前記筒内燃料噴射弁ノリニアリティが所定範囲外になるときは、前記吸気ポート燃料噴射弁からのみ燃料を噴射供給することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記制御手段を構成するECUの温度を推定又は計測する温度取得手段をさらに備え、当該温度取得手段により得られた温度が所定値を超えたときは、前記プリチャージ制御手段によるプリチャージを制限することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の制御装置。
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