JP2014224462A - Control device and control method for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を併用する内燃機関の制御装置および制御方法に関する。 The present invention relates to a control device and a control method for an internal combustion engine that use both a port injection fuel injection valve that injects fuel into an intake port and an in-cylinder injection fuel injection valve that injects fuel into a combustion chamber.
吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室内に直接に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を併用し、機関運転条件に応じて両者を適宜に切り換えて使用する燃料噴射装置を備えた内燃機関が、特許文献1に記載されている。この特許文献1では、内燃機関の始動後の機関温度の上昇に伴ってポート噴射と筒内噴射の分担率の変化を制御している。
A port injection fuel injection valve that injects fuel into the intake port and an in-cylinder injection fuel injection valve that directly injects fuel into the combustion chamber are used in combination, and the two are switched appropriately according to engine operating conditions. An internal combustion engine provided with a fuel injection device is described in
燃焼性を向上して未燃燃料の排出を抑制するためには、ポート噴射の分担率を増加して、混合気の均質度を向上することが有効であるが、ポート噴射の分担率を増加すると、着火性(点火容易性)が低下する、というデメリットがある。このため、単にポート噴射と筒内噴射の分担率を調整するだけでは、均質度と着火性を両立させることが難しい。 In order to improve combustibility and suppress the discharge of unburned fuel, it is effective to increase the port injection share ratio and improve the homogeneity of the mixture, but the port injection share ratio is increased. Then, there exists a demerit that ignitability (ignition ease) falls. For this reason, it is difficult to achieve both the homogeneity and the ignitability simply by adjusting the share ratio between the port injection and the in-cylinder injection.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち本発明は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁と、燃焼室に燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、ピストンとシリンダとの相対位置関係を変化させることにより機械的な圧縮比を可変とする可変圧縮比機構と、筒内流動を可変とする流動デバイスと、を備える内燃機関の制御装置において、所定の運転条件のとき、所定レベルの混合気の均質度と着火性とが得られるように、筒内噴射とポート噴射との分担率と、圧縮比と、筒内流動と、を協調制御することを特徴としている。 The present invention has been made in view of such circumstances. That is, the present invention relates to a machine by changing the relative positional relationship between a port injection fuel injection valve that injects fuel into an intake port, a cylinder injection fuel injection valve that injects fuel into a combustion chamber, and a piston and a cylinder. In a control device for an internal combustion engine comprising a variable compression ratio mechanism that varies a typical compression ratio and a flow device that varies in-cylinder flow, a predetermined level of air-fuel mixture homogeneity under predetermined operating conditions In order to obtain ignitability, the sharing ratio between the in-cylinder injection and the port injection, the compression ratio, and the in-cylinder flow are controlled in a coordinated manner.
例えば、均質度を向上させる場合には、圧縮比の低下,ポート噴射の分担率増加,筒内流動の強化の少なくとも一つが行われる。また、着火性を向上させる場合、圧縮比の低下,筒内噴射の分担率増加,筒内流動の低減の少なくとも一つが行われる。 For example, in order to improve the homogeneity, at least one of the reduction of the compression ratio, the increase of the share ratio of the port injection, and the enhancement of the in-cylinder flow are performed. Further, when improving the ignitability, at least one of a reduction in the compression ratio, an increase in the ratio of in-cylinder injection, and a reduction in in-cylinder flow are performed.
本発明によれば、例えば冷機始動後に暖機運転を行うファーストアイドル時のような所定の運転条件のとき、分担率と圧縮比と筒内流動とを協調制御することによって、所定レベルの混合気の均質度と着火性とを両立することが可能となる。 According to the present invention, a predetermined level of air-fuel mixture is obtained by cooperatively controlling the sharing ratio, the compression ratio, and the in-cylinder flow, for example, under predetermined operating conditions such as during fast idling where warm-up operation is performed after cold start. It is possible to achieve both the homogeneity and the ignitability.
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、この発明の一実施例が適用された自動車用内燃機関1のシステム構成を示している。この内燃機関1は、例えば複リンク式ピストンクランク機構を利用した可変圧縮比機構2を備えた4ストロークサイクルのターボ過給器付き火花点火内燃機関であって、燃焼室3の天井壁面に、一対の吸気弁4および一対の排気弁5が配置されているとともに、これらの吸気弁4および排気弁5に囲まれた中央部に点火プラグ6が配置されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a system configuration of an automotive
上記吸気弁4によって開閉される吸気ポート7の下方には、燃焼室3内に燃料を直接に噴射する筒内噴射用燃料噴射弁8が配置されている。また吸気ポート7には、該吸気ポート7内へ向けて燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁41が配置されている。これらの筒内噴射用燃料噴射弁8およびポート噴射用燃料噴射弁41は、いずれも駆動パルス信号が印加されることによって開弁する電磁式ないし圧電式の噴射弁であって、駆動パルス信号のパルス幅に実質的に比例した量の燃料を噴射する。
A cylinder injection fuel injection valve 8 that directly injects fuel into the
上記吸気ポート7に接続された吸気通路18のコレクタ部18aの上流側には、エンジンコントローラ9からの制御信号によって開度が制御される電子制御型のスロットルバルブ19が介装されており、さらにその上流側に、ターボ過給器のコンプレッサ20が配設されている。このコンプレッサ20の上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ10が配設されている。
An electronically controlled
また、排気ポート11に接続された排気通路12には、三元触媒からなる触媒装置13が介装されており、その上流側に、空燃比を検出する空燃比センサ14が配置されている。
In addition, a
上記エンジンコントローラ9には、上記のエアフロメータ10、空燃比センサ14のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ15、冷却水温を検出する水温センサ16、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ17、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ9は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁8,41による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ6による点火時期、スロットルバルブ19の開度、等を最適に制御している。
In addition to the
一方、可変圧縮比機構2は、公知の複リンク式ピストンクランク機構を利用したものであって、クランクシャフト21のクランクピン21aに回転自在に支持されたロアリンク22と、このロアリンク22の一端部のアッパピン23とピストン24のピストンピン24aとを互いに連結するアッパリンク25と、ロアリンク22の他端部のコントロールピン26に一端が連結されたコントロールリンク27と、このコントロールリンク27の他端を揺動可能に支持するコントロールシャフト28と、を主体として構成されている。上記クランクシャフト21および上記コントロールシャフト28は、シリンダブロック29下部のクランクケース内で図示せぬ軸受構造を介して回転自在に支持されている。上記コントロールシャフト28は、該コントロールシャフト28の回動に伴って位置が変化する偏心軸部28aを有し、上記コントロールリンク27の端部は、詳しくは、この偏心軸部28aに回転可能に嵌合している。上記の可変圧縮比機構2においては、コントロールシャフト28の回動に伴ってピストン24の上死点位置が上下に変位し、従って、機械的な圧縮比が変化する。
On the other hand, the variable
また、上記可変圧縮比機構2の圧縮比を可変制御する駆動機構として、クランクシャフト21と平行な回転中心軸を有する電動モータ31がシリンダブロック29下部に配置されており、この電動モータ31と軸方向に直列に並ぶように減速機32が接続されている。この減速機32としては、減速比の大きな例えば波動歯車機構が用いられており、その減速機出力軸32aは、電動モータ31の出力軸(図示せず)と同軸上に位置している。従って、減速機出力軸32aとコントロールシャフト28とは互いに平行に位置しており、両者が連動して回動するように、減速機出力軸32aに固定された第1アーム33とコントロールシャフト28に固定された第2アーム34とが中間リンク35によって互いに連結されている。
As a drive mechanism for variably controlling the compression ratio of the variable
すなわち、電動モータ31が回転すると、減速機32により大きく減速された形で減速機出力軸32aの角度が変化する。この減速機出力軸32aの回動は第1アーム33から中間リンク35を介して第2アーム34へ伝達され、コントロールシャフト28が回動する。これにより、上述したように、内燃機関1の機械的な圧縮比が変化する。なお図示例では、第1アーム33および第2アーム34が互いに同方向に延びており、従って、例えば減速機出力軸32aが時計回り方向に回動するとコントロールシャフト28も時計回り方向に回動する関係となっているが、逆方向に回動するようにリンク機構を構成することも可能である。
That is, when the
上記可変圧縮比機構2の目標圧縮比は、エンジンコントローラ9において、機関運転条件(例えば要求負荷と機関回転速度)に基づいて設定され、この目標圧縮比を実現するように上記電動モータ31が駆動制御される。
The target compression ratio of the variable
更に、筒内流動を制御する流動デバイスとして、吸気通路の一部を開閉することによりタンブル流動成分もしくはスワール流動成分を付与する流動制御弁50が設けられている。この流動制御弁50の動作も上記のエンジンコントローラ9により機関運転条件に基づいて制御される。
Furthermore, a flow control valve 50 that provides a tumble flow component or a swirl flow component by opening and closing a part of the intake passage is provided as a flow device that controls in-cylinder flow. The operation of the flow control valve 50 is also controlled by the
図2及び図3は、冷機始動直後のファーストアイドル運転時のように、燃焼安定性を確保するために均質度が要求される運転条件における、ポート噴射と筒内噴射の分担率,圧縮比(ε),及び筒内流動の強度と、点火容易性(着火性)及び均質度と、の相関関係を示している。なお、以下の説明では、筒内噴射用燃料噴射弁8による筒内噴射を「DGI」とも呼び、ポート噴射用燃料噴射弁41によるポート噴射を「MPI」とも呼ぶ。
2 and 3 show the ratio of port injection to in-cylinder injection and the compression ratio (compression ratio) under operating conditions where homogeneity is required to ensure combustion stability, as in fast idle operation immediately after cold start. ε) and the strength of the in-cylinder flow, the ease of ignition (ignitability), and the homogeneity are shown. In the following description, the in-cylinder injection by the in-cylinder injection fuel injection valve 8 is also referred to as “DGI”, and the port injection by the port injection
図2(A)に示すように、基本的に、筒内噴射(GDI)ではポート噴射(MPI)に比して点火容易性は高い。また、筒内噴射(GDI)とポート噴射(MPI)のいずれの場合においても、圧縮比が所定の閾値εs以上の場合、圧縮比が高くなるほど二次電圧が増大すること等から、点火容易性は低下する。更に、筒内噴射(GDI)とポート噴射(MPI)のいずれの場合においても、閾値εs以下の低圧縮比領域では、圧縮比が低くなるほど、筒内の流動成分が潰れずに残り、横飛火や吹き消えのおそれが増大するために、点火容易性が低下する。 As shown in FIG. 2A, basically, in-cylinder injection (GDI) is easier to ignite than port injection (MPI). In both cases of in-cylinder injection (GDI) and port injection (MPI), if the compression ratio is equal to or greater than a predetermined threshold value εs, the secondary voltage increases as the compression ratio increases. Will decline. Furthermore, in both the in-cylinder injection (GDI) and the port injection (MPI), in the low compression ratio region below the threshold εs, the lower the compression ratio, the more the flow component in the cylinder remains without being crushed, and Since the risk of blowout increases, the ease of ignition decreases.
図2(B)に示すように、基本的に、ポート噴射(MPI)では、筒内噴射(GDI)に比して、均質度は高い。また、筒内噴射(GDI)とポート噴射(MPI)のいずれの場合においても、圧縮比が低くなるほど、筒内流動がつぶれずに残るために、均質度は高くなる。 As shown in FIG. 2B, basically, port injection (MPI) has a higher degree of homogeneity than in-cylinder injection (GDI). Further, in any of the in-cylinder injection (GDI) and the port injection (MPI), the lower the compression ratio, the more in-cylinder flow remains without being crushed, and the homogeneity increases.
図3(A)を参照して、上述したように筒内噴射(GDI)はポート噴射(MPI)よりも点火容易性は高い。また、筒内の流動強度が高くなるほど、横飛火や吹き消えを生じるおそれが増大するために、点火容易性は低下する。 With reference to FIG. 3A, as described above, in-cylinder injection (GDI) is easier to ignite than port injection (MPI). In addition, the higher the flow strength in the cylinder, the greater the risk of side fire and blowout, and the ease of ignition decreases.
図3(B)を参照して、ポート噴射(MPI)は吸気ポート内で予め燃料と空気とが混合された混合気が燃焼室内へ導入されることから、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射(GDI)よりも均質度は高い。また、筒内流動の強度が高くなるほど、均質度は高くなる。 Referring to FIG. 3 (B), the port injection (MPI) is a cylinder that directly injects fuel into the combustion chamber because an air-fuel mixture in which fuel and air are mixed beforehand in the intake port is introduced into the combustion chamber. The degree of homogeneity is higher than that of internal injection (GDI). Further, the higher the strength of the in-cylinder flow, the higher the homogeneity.
そして本実施例では、混合気の均質度が要求される所定の運転条件のとき、均質度と着火性(点火容易性)の各々が所定レベルTGを満たすように、分担率,圧縮比及び筒内流動を協調制御するものである。例えば、図4(A)に示すように、点火容易性と均質度のうち、均質度が所定レベルTGよりも低く、この均質度が大半の圧縮比で所定レベルTGを満たしていない場合には、図4(B)に示すように、均質度を向上するために、ポート噴射(MPI)の分担率を増加させる。これによって、点火容易性は低下するものの、均質度が向上し、点火容易性と均質度の双方が所定レベルTGを超える領域R1が拡大する。従って、この領域R1内で可能な限り高い圧縮比に設定することで、所定レベルTGの点火容易性と均質度を確保しつつ、圧縮比を高めて燃焼効率を向上することができる。 In the present embodiment, under predetermined operating conditions where the homogeneity of the air-fuel mixture is required, the share ratio, compression ratio, and cylinder are set so that each of the homogeneity and ignitability (ease of ignition) satisfies a predetermined level TG. This is a coordinated control of internal flow. For example, as shown in FIG. 4 (A), when the homogeneity is lower than a predetermined level TG among the ease of ignition and the homogeneity, and this homogeneity does not satisfy the predetermined level TG at most compression ratios. As shown in FIG. 4B, in order to improve the homogeneity, the share of port injection (MPI) is increased. Thereby, although the ease of ignition is reduced, the homogeneity is improved, and the region R1 where both the ease of ignition and the homogeneity exceed the predetermined level TG is expanded. Therefore, by setting the compression ratio as high as possible in the region R1, it is possible to increase the compression ratio and improve the combustion efficiency while ensuring the ignition ease and homogeneity of the predetermined level TG.
一方、図5(A)に示すように、点火容易性と均質度のうち、点火容易性が所定レベルTGよりも低い場合には、図5(B)に示すように、点火容易性を向上するために、筒内噴射(GDI)の分担率を増加させる。これによって、均質度は低下するものの、均質度が向上し、点火容易性と均質度の双方が所定レベルTGを超える領域R2を確保することができる。従って、この領域R2内で可能な限り高い圧縮比に設定することで、所定レベルTGの点火容易性と均質度を確保しつつ、圧縮比を高めることが可能となる。 On the other hand, as shown in FIG. 5A, when the ease of ignition is lower than the predetermined level TG among the ease of ignition and the homogeneity, the ease of ignition is improved as shown in FIG. 5B. In order to achieve this, the share ratio of in-cylinder injection (GDI) is increased. Thereby, although the homogeneity is lowered, the homogeneity is improved, and it is possible to secure a region R2 in which both the ease of ignition and the homogeneity exceed a predetermined level TG. Therefore, by setting the compression ratio as high as possible in the region R2, it is possible to increase the compression ratio while ensuring the ignition ease and homogeneity of the predetermined level TG.
このような本実施例の特徴的な構成及び作用効果について、以下に列記する。 Such characteristic configurations and operational effects of this embodiment are listed below.
[1]本実施例では、冷機始動時に代表される所定の運転条件のとき、筒内噴射とポート噴射との分担率と、圧縮比と、筒内流動と、を協調制御することによって、所定レベルTGの混合気の均質度と着火性(点火容易性)を確保した上で、例えば圧縮比を可能な限り高く設定して燃焼効率の向上を図ることができる。 [1] In the present embodiment, under predetermined operating conditions typified at the time of cold start, predetermined control is performed by cooperatively controlling the ratio of in-cylinder injection and port injection, the compression ratio, and in-cylinder flow. After ensuring the homogeneity and ignitability (easiness of ignition) of the air-fuel mixture at level TG, for example, the compression ratio can be set as high as possible to improve the combustion efficiency.
[2]均質度を向上させる場合、図4(B)に示す例ではポート噴射の分担率を増加させているが、これに限らず、圧縮比の低下や筒内流動の強化を単独又は組み合わせて行うようにしても良い。 [2] When improving the homogeneity, the ratio of port injection is increased in the example shown in FIG. 4 (B), but not limited to this, the reduction of the compression ratio and the enhancement of the in-cylinder flow are singly or combined. May be performed.
[3]着火性を向上させる場合、図5(B)に示す例では筒内噴射の分担率を増加させれいるが、これに限らず、圧縮比の低下や筒内流動の低減を単独もしくは組み合わせて行うようにしても良い。 [3] In the case of improving the ignitability, in the example shown in FIG. 5 (B), the share ratio of the in-cylinder injection is increased. However, the present invention is not limited to this. You may make it carry out in combination.
[4]但し、可能な限り圧縮比を高めて燃焼効率を向上させるために、図4及び図5の例のように、圧縮比を優先的に増加させることが望ましい。 [4] However, in order to increase the compression ratio as much as possible and improve the combustion efficiency, it is desirable to preferentially increase the compression ratio as in the examples of FIGS.
[5]実際の制御では、一例として、所定レベルの混合気の均質度と着火性とが得られるように、上記分担率,圧縮比及び筒内流動の各々の目標値が、機関負荷や水温等をパラメータ等とするマップとして設定され、このマップを参照してフィードフォワード的に目標値が設定される。 [5] In actual control, as an example, the target values of the above-mentioned share ratio, compression ratio, and in-cylinder flow are set to the engine load and water temperature so that a predetermined level of homogeneity and ignitability of the air-fuel mixture can be obtained. Is set as a map having parameters as parameters, and the target value is set in a feed-forward manner with reference to this map.
[6]あるいは、混合気の均質度と着火性とをセンサ等を用いて検知もしくは推定し、これら検知もしくは推定された均質度と着火性とに基づいて、上記分担率,圧縮比及び筒内流動の少なくとも一つをフィードバック制御するようにしても良い。 [6] Alternatively, the homogeneity and ignitability of the air-fuel mixture are detected or estimated using a sensor or the like, and based on the detected or estimated homogeneity and ignitability, the above-described share ratio, compression ratio, and in-cylinder At least one of the flows may be feedback controlled.
[7]更には、上記のフィードフォワード的な制御とフィードバック的な制御とを組み合わせても良い。つまり、所定レベルの混合気の均質度と着火性とが得られるように予め適合されたマップ等を用いて上記分担率,圧縮比及び筒内流動の各々の目標値を設定するとともに、混合気の均質度と着火性を検知もしくは推定し、これら検知もしくは推定された均質度と着火性とに基づいて、上記分担率,圧縮比及び筒内流動の少なくとも一つを目標値へ向けてフィードバック制御するようにしても良い。 [7] Furthermore, the above feedforward control and feedback control may be combined. That is, the target values of the above-mentioned share ratio, compression ratio, and in-cylinder flow are set using a map or the like previously adapted to obtain a predetermined level of homogeneity and ignitability of the mixture, and the mixture Detects or estimates the homogeneity and ignitability of the engine, and based on these detected or estimated homogeneity and ignitability, feedback control to at least one of the above-mentioned share ratio, compression ratio, and in-cylinder flow toward the target value You may make it do.
[8]なお、均質度と着火性のうちで所定レベルの着火性のみが得られないような場合には、点火時期の進角もしくはEGR率の低減の少なくとも一方を実施するようにしても良い。 [8] When only a predetermined level of ignitability is not obtained among homogeneity and ignitability, at least one of the advance of the ignition timing or the reduction of the EGR rate may be performed. .
1…内燃機関
2…可変圧縮比機構
6…点火プラグ
8…筒内噴射用燃料噴射弁
9…エンジンコントローラ
14…空燃比センサ
20…コンプレッサ
41…ポート噴射用燃料噴射弁
50…流動制御弁(流動デバイス)
DESCRIPTION OF
Claims (9)
所定の運転条件のとき、所定レベルの混合気の均質度と着火性とが得られるように、筒内噴射とポート噴射との分担率と、圧縮比と、筒内流動と、を協調制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。 The mechanical compression ratio is increased by changing the relative positional relationship between the port injection fuel injection valve that injects fuel into the intake port, the in-cylinder injection fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber, and the piston and cylinder. In a control device for an internal combustion engine, comprising: a variable compression ratio mechanism that is variable; and a fluid device that varies the in-cylinder flow.
Coordinated control of the ratio of in-cylinder injection and port injection, compression ratio, and in-cylinder flow so that a predetermined level of air-fuel mixture homogeneity and ignitability can be obtained under predetermined operating conditions A control device for an internal combustion engine.
混合気の均質度と着火性を検知もしくは推定し、これら検知もしくは推定された均質度と着火性とに基づいて、上記分担率,圧縮比及び筒内流動の少なくとも一つを目標値へ向けてフィードバック制御することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。 In order to obtain a predetermined level of air-fuel mixture homogeneity and ignitability, the target values of the above-mentioned share ratio, compression ratio, and in-cylinder flow are set according to the engine operating state,
Detect or estimate the homogeneity and ignitability of the air-fuel mixture, and based on the detected or estimated homogeneity and ignitability, aim at least one of the above-mentioned share ratio, compression ratio and in-cylinder flow toward the target value. 5. The control apparatus for an internal combustion engine according to claim 1, wherein feedback control is performed.
所定の運転条件のとき、所定レベルの混合気の均質度と着火性とが得られるように、筒内噴射とポート噴射との分担率と、圧縮比と、筒内流動と、を協調制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。 The mechanical compression ratio is increased by changing the relative positional relationship between the port injection fuel injection valve that injects fuel into the intake port, the in-cylinder injection fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber, and the piston and cylinder. In a control method for an internal combustion engine, comprising: a variable compression ratio mechanism that is variable; and a cylinder flow device that varies cylinder flow.
Coordinated control of the ratio of in-cylinder injection and port injection, compression ratio, and in-cylinder flow so that a predetermined level of air-fuel mixture homogeneity and ignitability can be obtained under predetermined operating conditions A control method of an internal combustion engine characterized by the above.
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