JP2022006654A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の自動再始動の際、燃料の燃焼に伴う煤等の発生を抑制する。【解決手段】制御装置８は、点火プラグ４の点火タイミングに合わせて燃料噴射弁２から燃焼室３内に燃料を噴射させることにより、その燃料が直接的に点火プラグ４に到達したときに同点火プラグ４による点火を通じて同燃料を燃焼させるスプレーガイド燃焼を実施する。同装置８は、内燃機関１の冷却水温を検出する水温センサ１２を備える。同装置８は、内燃機関１の自動再始動時、冷却水温が閾値未満であるときには燃料噴射弁２の燃料噴射時期をスプレーガイド燃焼を実現するための第１燃料噴射時期とし、冷却水温が閾値以上であるときには燃料噴射弁２の燃料噴射時期を第１燃料噴射時期よりも前の時期である第２燃料噴射時期とする。これにより、燃焼室３内の燃料をスプレーガイド燃焼よりも均質化した状態で燃焼させる均質燃焼が実施される。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

自動車等の車両に搭載される内燃機関として、燃費改善等のために各種の条件に応じて自動停止及び自動再始動を行うものがある。
また、内燃機関で実施される燃料の燃焼形態として、特許文献１に示されるスプレーガイド燃焼が知られている。スプレーガイド燃焼では、点火プラグの点火タイミングに合わせて燃料噴射弁から筒内に燃料を噴射することにより、その燃料が直接的に点火プラグに到達したときに同点火プラグによる点火を通じて上記燃料を燃焼させる。

こうしたスプレーガイド燃焼では、内燃機関の始動時において、燃料噴射弁から筒内に噴射された燃料に対し点火プラグによって点火しやすくなる。このため、内燃機関の始動性を向上させるのに有利な燃焼形態として、例えば自動停止中の内燃機関を自動再始動させる際に上記スプレーガイド燃焼を実施することが考えられる。

特開２００５－２５６７９１号公報

しかし、上記スプレーガイド燃焼では、燃料噴射弁から燃料が噴射されてから同燃料に対し点火プラグによる点火が行われるまでの期間が短くなる。このため、噴射された燃料が気化しきれないまま、点火プラグにより点火される。その結果、燃料が液状の状態で燃焼され、それに伴って煤等のＰＭ（particulate matter）が発生するおそれがある。

本発明の目的は、内燃機関の自動再始動の際、燃料の燃焼に伴う煤等の発生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にある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、自動停止及び自動再始動が行われる内燃機関に適用される。この制御装置は、点火プラグの点火タイミングに合わせて燃料噴射弁から筒内に燃料を噴射することにより、その燃料が直接的に点火プラグに到達したときに同点火プラグによる点火を通じて同燃料を燃焼させるスプレーガイド燃焼を実施する。上記制御装置は、内燃機関の冷却水温を検出する検出部と、次のように構成されている制御部と、を備える。この制御部は、内燃機関の自動再始動時、検出部によって検出された内燃機関の冷却水温が閾値未満であるときには、燃料噴射弁の燃料噴射時期をスプレーガイド燃焼を実現するための第１燃料噴射時期とすることによって同スプレーガイド燃焼を実施するものとされている。また、上記制御部は、内燃機関の自動再始動時、上記冷却水温が上記閾値以上であるときには、燃料噴射弁の燃料噴射時期を上記第１燃料噴射時期よりも前の時期である第２燃料噴射時期とすることによって筒内の燃料をスプレーガイド燃焼よりも均質化した状態で燃焼させる均質燃焼を実施するものとされている。

上記構成によれば、自動停止中の内燃機関の冷却水温が閾値未満という低い値であり、自動再始動の際の始動性を高める必要のある状況のもとでは、内燃機関を自動再始動させる際の燃料の燃焼形態としてスプレーガイド燃焼が実施される。こうしたスプレーガイド燃焼による内燃機関の自動再始動が行われることにより、その自動再始動の際に必要な始動性を確保することができる。一方、自動停止中の内燃機関の冷却水温が閾値以上という高い値であり、自動再始動の際の始動性が低下しない状況のもとでは、内燃機関を自動再始動させる際の燃料の燃焼形態として上記均質燃焼が実施される。この均質燃焼では、筒内の燃料を上記スプレーガイド燃焼よりも均質化した状態で燃焼させるべく、スプレーガイド燃焼を実現するための燃料噴射時期（第１燃料噴射時期）よりも早い時期（第２燃料噴射時期）に燃料噴射が行われる。このため、上記均質燃焼では、燃料噴射弁から筒内に燃料が噴射されてから同燃料に対し点火プラグによる点火が行われるまでの期間がスプレーガイド燃焼時よりも長くなる。その結果、噴射された燃料が気化しきれないまま、点火プラグにより点火されることは抑制される。従って、噴射された燃料が液状の状態で燃焼され、それに伴って煤等が発生することを抑制できる。

内燃機関及びその制御装置を示す略図。 内燃機関の自動再始動を行うための処理手順を示すフローチャート。 実験１の測定データを示すグラフ。 実験２の測定データを示すグラフ。 実験３の測定データを示すグラフ。

以下、自動車等の車両に搭載される内燃機関の制御装置の一実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
図１に示す内燃機関１では、燃料噴射弁２から燃焼室（筒内）３に噴射された燃料が点火プラグ４による点火を通じて燃焼し、それに伴ってピストン５の往復及びクランクシャフト６の回転が行われる。内燃機関１のクランクシャフト６には、内燃機関１の始動時にクランクシャフト６を強制的に回転（クランキング）させるスタータ７が接続されている。

内燃機関１の各種制御を行う制御部としての役割を担う制御装置８には、内燃機関１及び車両の動作状態や動作要求を把握するための各種センサからの信号が入力される。これらセンサには、内燃機関１の冷却水温を検出する検出部としての役割を担う水温センサ１２が含まれる。更に、上記センサには、車両の運転者によって操作されるアクセルペダルの踏み込み量（アクセル操作量）を検出するアクセルポジションセンサ９、運転者により操作されるブレーキペダルの操作状態を検出するブレーキセンサ１０、及び、自動車の車速を検出する車速センサ１１等も含まれる。

制御装置８は、各種センサから入力した信号に基づき内燃機関１及び車両の動作状態や動作要求を把握し、それらに基づいて燃料噴射弁２、点火プラグ４、及びスタータ７などの駆動回路に対し指令信号を出力する。こうして内燃機関１の燃料噴射制御、点火時期制御、及び自動停止再始動制御など、内燃機関１の運転にかかわる各種制御が制御装置８を通じて実行される。

制御装置８は、自動停止条件の成立に基づき運転中の内燃機関１の自動停止を行うとともに、内燃機関１の自動停止中における自動再始動条件の成立に基づき同機関１の自動再始動を行う。上記自動停止条件としては、例えばアクセル操作量が「０」であること、ブレーキペダルが踏み込まれている（オン操作されている）こと、及び車速が「０」であること等々の条件があげられる。そして、これらの条件すべての成立をもって自動停止条件が成立したと判断されると、燃料噴射弁２からの燃料噴射の停止等によって運転中の内燃機関１が自動停止される。

また、内燃機関１が自動停止しているときに自動再始動条件が成立すると、内燃機関１の自動再始動が行われる。上記自動再始動条件としては、例えばアクセル操作量が「０」よりも大きくなること、ブレーキペダルの踏み込みが解除されたこと（オフ操作されたこと）、等々の条件があげられる。上述した各種の条件のうちの少なくとも一つの成立をもって自動再始動条件が成立したと判断されると、内燃機関１のクランキングが行われるとともに、そのクランキング中に燃料噴射弁２からの燃料噴射が開始される。そして、燃料噴射弁２から燃焼室３内に噴射された燃料に対し点火プラグ４による点火が行われると、その燃料が燃焼して内燃機関１の運転が再開される。

次に、内燃機関１の自動再始動時における燃料の燃焼形態について説明する。
このときの燃料の燃焼形態としては、点火プラグ４の点火タイミングに合わせて燃料噴射弁２から燃焼室３内に燃料を噴射することにより、その燃料が直接的に点火プラグ４に到達したときに同点火プラグ４による点火を通じて同燃料を燃焼させるスプレーガイド燃焼を採用することが考えられる。スプレーガイド燃焼を実施するための燃料噴射及び点火は、例えば次のように行われる。

上記スプレーガイド燃焼では、内燃機関１の１サイクル当たりの燃料噴射量Ｑが三回に分けて燃料噴射弁２から燃焼室３内に噴射される。すなわち、内燃機関１の１サイクル当たりに三回の燃料噴射が行われる。そして、それら三回の燃料噴射によってそれぞれ噴射された燃料量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の合計が、内燃機関１の１サイクル当たりの上記燃料噴射量Ｑと等しくなる。なお、三回目の燃料噴射で噴射される燃料量Ｑ３は、予め定められた値（例えば３．６ｍｇ）とされる。また、一回目の燃料噴射で噴射される燃料量Ｑ１、及び、二回目の燃料噴射で噴射される燃料量Ｑ２はそれぞれ、次の式「Ｑ１＝（Ｑ－Ｑ３）／２…（Ａ）」、及び、式（Ｂ）「Ｑ２＝（Ｑ－Ｑ３）／２…（Ｂ）」を満たす値とされる。

また、一回目の燃料噴射における燃料噴射時期は例えば圧縮上死点前１６０°ＣＡ（１６０ＢＴＤＣ）とされ、二回目の燃料噴射における燃料噴射時期は例えば圧縮上死点前１４０°ＣＡ（１４０ＢＴＤＣ）とされる。更に、三回目の燃料噴射における燃料噴射時期は、点火プラグ４の点火タイミングに合わせた時期とされる。なお、点火プラグ４の点火時期としては、例えば圧縮上死点後２０°ＣＡ（－２０ＢＴＤＣ）とされる。上述したように三回目の燃料噴射及び点火を行うことにより、点火プラグ４の点火タイミングに合わせて三回目の燃料噴射として燃料噴射弁２から燃焼室３内に燃料が噴射される。そして、その燃料が直接的に点火プラグ４に到達したとき、同点火プラグ４による上記燃料に対する点火が行われる。これにより、内燃機関１の始動性を向上させるのに有利な上記スプレーガイド燃焼が実施される。

自動再始動時の内燃機関１における燃料の燃焼形態として、燃焼室３内の燃料をスプレーガイド燃焼よりも均質化した状態で燃焼させる均質燃焼を採用することも可能である。こうした均質燃焼を実施するための燃料噴射及び点火は、スプレーガイド燃焼と比較して、三回目の燃料噴射における燃料噴射時期のみが異なっている。詳しくは、スプレーガイド燃焼を実施するための三回目の燃料噴射における燃料噴射時期を第１燃料噴射時期としたとすると、均質燃焼を実施するための三回目の燃料噴射における燃料噴射時期が、上記第１燃料噴射時期よりも前の時期である第２燃料噴射時期とされる。なお、第２燃料噴射時期としては、例えば圧縮上死点前１００°ＣＡ（１００ＢＴＤＣ）が採用される。このように三回目の燃料噴射における燃料噴射時期を第２燃料噴射時期とすることにより、上記均質燃焼が実施される。

こうした均質燃焼では、スプレーガイド燃焼と比較して、三回目の燃料噴射が行われてから点火プラグ４による点火が行われるまでの期間を長くすることができる。その結果、三回目の燃料噴射によって噴射された燃料が気化しやすくなり、その燃料が気化しきれないまま点火プラグ４により点火されることは抑制される。これにより、三回目の燃料噴射によって噴射された燃料が液状の状態で燃焼され、それに伴って煤等のＰＭが発生することは抑制される。

次に、内燃機関１の自動再始動を行うための処理の流れについて、自動再始動ルーチンを示す図２のフローチャートを参照して説明する。この自動再始動ルーチンは、内燃機関１の自動停止中、制御装置８を通じて所定時間の経過毎に実行される。

制御装置８は、自動再始動ルーチンのステップ１０１（Ｓ１０１）の処理として、水温センサ１２によって検出された内燃機関１の冷却水温を取り込む。制御装置８は、続くＳ１０２の処理として自動再始動条件が成立したか否かを判断する。ここで自動再始動条件が成立していないと判断された場合、制御装置８は、この自動再始動ルーチンを一旦終了する。一方、Ｓ１０２で自動再始動条件が成立したと判断された場合には、Ｓ１０３に進む。制御装置８は、Ｓ１０３の処理として、スタータ７の駆動によって内燃機関１のクランキングを同機関１が自立運転するまで行う。

更に、制御装置８は、Ｓ１０４の処理として、内燃機関１の冷却水温が閾値未満であるか否かを判断する。ここで冷却水温が閾値未満であると判断された場合には、Ｓ１０５に進む。制御装置８は、Ｓ１０５の処理として自動再始動するための内燃機関１の燃料の燃焼形態としてスプレーガイド燃焼を実施し、その後に自動再始動ルーチンを一旦終了する。また、Ｓ１０４で内燃機関１の冷却水温を閾値以上であると判断された場合には、Ｓ１０６に進む。制御装置８は、Ｓ１０６の処理として自動再始動するための内燃機関１の燃料の燃焼形態として均質燃焼を実施し、その後に自動再始動ルーチンを一旦終了する。

Ｓ１０４で用いられる閾値としては、４０～８０℃という範囲内の値が採用される。ちなみに、上記閾値の範囲（４０～８０°）は、次のような実験１～３に基づいて定められている。

［実験１］
この実験は、内燃機関１の冷却水温が８０°の状態で行われている。そして、内燃機関１の自動再始動のためにスプレーガイド燃焼を行った後、１サイクル経過した時点での機関回転速度とその目標値（例えば８００ｒｐｍ）との偏差を測定する。また、内燃機関１の自動再始動のために均質燃焼を行った後、１サイクル経過した時点での機関回転速度とその目標値との偏差も測定する。この実験によって測定した上記偏差は、上記１サイクル経過した時点での機関回転速度から上記目標値を減算した値であり、内燃機関１を自動再始動させる際の始動性を表すものとなる。すなわち、上記偏差が小さい値になるほど、内燃機関１の始動性が低下していることを意味する。

図３のグラフは、横軸を内燃機関１の１サイクル中の燃料噴射量Ｑとするとともに縦軸を上記偏差とし、燃料噴射量Ｑを変化させて上記偏差を測定したときの燃料噴射量Ｑ及び上記偏差の組み合わせをプロットしたものである。この図３から、冷却水温が８０℃のときには、内燃機関１の自動再始動のためにスプレーガイド燃焼を実施したときの上記偏差（実線）と、内燃機関１の自動再始動のために均質燃焼を実施したときの上記偏差（破線）との間には、有意差がないことが分かる。

［実験２］
この実験も、内燃機関１の冷却水温が８０°の状態で行われている。そして、内燃機関１の自動再始動のためにスプレーガイド燃焼を行った後、１サイクル経過した時点での内燃機関１の排気の単位体積当たりに含まれるＰＭ（煤等）の量を測定する。また、内燃機関１の自動再始動のために均質燃焼を行った後、１サイクル経過した時点での内燃機関１の排気の単位体積当たりに含まれるＰＭの量も測定する。

図４のグラフは、横軸を内燃機関１の１サイクル中の燃料噴射量Ｑとするとともに縦軸を上記ＰＭの量とし、燃料噴射量Ｑを変化させて上記ＰＭの量を測定したときの燃料噴射量Ｑ及び上記ＰＭの量の組み合わせをプロットしたものである。この図４から、冷却水温が８０℃のときには、燃料噴射量Ｑが同じであれば、内燃機関１の自動再始動のために均質燃焼を実施したときの上記ＰＭの量（破線）が、内燃機関１の自動再始動のためにスプレーガイド燃焼を実施したときの上記ＰＭの量（実線）よりも少なくなることが分かる。

［実験３］
この実験は、内燃機関１の冷却水温が４０℃の状態で行われている。そして、内燃機関１の自動再始動のためにスプレーガイド燃焼を行った後、１サイクル経過した時点での機関回転速度とその目標値（例えば８００ｒｐｍ）との偏差を測定する。また、内燃機関１の自動再始動のために均質燃焼を行った後、１サイクル経過した時点での機関回転速度とその目標値との偏差も測定する。この実験によって測定した上記偏差も、上記１サイクル経過した時点での機関回転速度から上記目標値を減算した値であり、内燃機関１を自動再始動させる際の始動性を表すものとなる。

図５のグラフは、横軸を内燃機関１の１サイクル中の燃料噴射量Ｑとするとともに縦軸を上記偏差とし、燃料噴射量Ｑを変化させて上記偏差を測定したときの燃料噴射量Ｑ及び上記偏差の組み合わせをプロットしたものである。この図５から、冷却水温が４０℃のときには、内燃機関１の自動再始動のために均質燃焼を実施した場合（破線）、燃料噴射量Ｑが少ないと、内燃機関１を始動できないことが分かる。一方、冷却水温が４０℃のときには、内燃機関１の自動再始動のためにスプレーガイド燃焼を実施すれば（実線）、燃料噴射量Ｑが少なくても内燃機関１を始動できることが分かる。

以上の実験１～３の結果から分かるように、内燃機関１の冷却水温が８０℃よりも高いときには、内燃機関１を自動再始動する際の排気中のＰＭを低減するため、自動再始動のための燃料の燃焼形態を均質燃焼とすることが好ましい。また、冷却水温が４０℃よりも低いときには、内燃機関１を自動再始動する際の始動性を高めるため、自動再始動の際の燃料の燃焼形態をスプレーガイド燃焼とすることが好ましい。これらのことから、上記閾値が４０～８０℃という範囲内の値とされている。従って、内燃機関１の冷却水温が４０～８０℃の範囲内の上記閾値未満であるときには自動再始動の際の燃料の燃焼形態がスプレーガイド燃焼とされ、冷却水温が上記閾値以上であるときに自動再始動の際の燃料の燃焼形態が均質燃焼とされる。なお、上記閾値については、自動再始動の際にスプレーガイド燃焼と均質燃焼とのいずれを実施しても、内燃機関１の始動性に有意差が生じない冷却水温の値を採用することが好ましい。

次に、本実施形態における内燃機関の制御装置の作用効果について説明する。
自動停止中の内燃機関１の冷却水温が閾値未満という低い値であり、自動再始動の際の始動性を高める必要のある状況のもとでは、内燃機関１を自動再始動させる際の燃料の燃焼形態としてスプレーガイド燃焼が実施される。こうしたスプレーガイド燃焼による内燃機関１の自動再始動が行われることにより、その自動再始動の際に必要な始動性を確保することができる。

一方、自動停止中の内燃機関１の冷却水温が閾値以上という高い値であり、自動再始動の際の始動性が低下しない状況のもとでは、内燃機関１を自動再始動させる際の燃料の燃焼形態として上記均質燃焼が実施される。この均質燃焼では、燃焼室３内の燃料を上記スプレーガイド燃焼よりも均質化した状態で燃焼させるべく、スプレーガイド燃焼を実現するための三回目の燃料噴射における燃料噴射時期（第１燃料噴射時期）よりも早い時期（第２燃料噴射時期）に、三回目の燃料噴射が行われる。

このため、上記均質燃焼では、燃料噴射弁２から燃焼室３内に三回目の燃料噴射によって燃料が噴射されてから同燃料に対し点火プラグ４による点火が行われるまでの期間がスプレーガイド燃焼時よりも長くなる。その結果、三回目の燃料噴射によって噴射された燃料が気化しきれないまま、点火プラグ４により点火されることは抑制される。従って、三回目の燃料噴射によって噴射された燃料が液状の状態で燃焼され、それに伴って煤等のＰＭが発生することを抑制できる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・内燃機関１の１サイクル中における燃料噴射の回数を適宜変更してもよい。

・内燃機関１は、燃焼室３に対する燃料噴射と吸気ポートに対する燃料噴射との両方を行うものであってもよい。
・上記閾値は、必ずしも４０～８０℃の範囲内の値とされている必要はなく、内燃機関１の構造など条件に応じて上記範囲外の値に適宜変更してもよい。

１…内燃機関
２…燃料噴射弁
３…燃焼室
４…点火プラグ
５…ピストン
６…クランクシャフト
７…スタータ
８…制御装置
９…アクセルポジションセンサ
１０…ブレーキセンサ
１１…車速センサ
１２…水温センサ

Claims (1)

1. 自動停止及び自動再始動が行われる内燃機関に適用され、点火プラグの点火タイミングに合わせて燃料噴射弁から筒内に燃料を噴射することにより、その燃料が直接的に点火プラグに到達したときに同点火プラグによる点火を通じて同燃料を燃焼させるスプレーガイド燃焼を実施する内燃機関の制御装置において、
   内燃機関の冷却水温を検出する検出部と、
   内燃機関の自動再始動時、前記検出部によって検出された内燃機関の冷却水温が閾値未満であるときには、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を前記スプレーガイド燃焼を実現するための第１燃料噴射時期とすることによって同スプレーガイド燃焼を実施し、前記冷却水温が前記閾値以上であるときには、前記燃料噴射弁の燃料噴射時期を前記第１燃料噴射時期よりも前の時期である第２燃料噴射時期とすることによって筒内の燃料を前記スプレーガイド燃焼よりも均質化した状態で燃焼させる均質燃焼を実施する制御部と、
   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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