JP3755308B2 - 筒内噴射型内燃エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される筒内噴射型内燃エンジンの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両に搭載される火花点火式内燃エンジンにおいて、有害排出ガス成分の低減や燃費の向上等を図るため、吸気管噴射型に代えて燃焼室に直接燃料を噴射する筒内噴射型のガソリンエンジンが種々提案されている。筒内噴射型のガソリンエンジンでは、例えば、低負荷運転時には、主として圧縮行程中に燃料を噴射し、点火プラグの周囲やキャビティ内に局所的に理論空燃比に近い空燃比の混合気を形成させ、全体として希薄な空燃比でも良好な燃焼を実現できる（以下、これを「層状燃焼」と称す）。一方、中高負荷運転時には、吸気行程中に燃料を噴射し、燃焼室内に均一な空燃比の混合気を形成させ、吸気管噴射型のガソリンエンジンと同様に、多量の燃料を燃焼させて（以下、これを「予混合燃焼」と称する）加速時や高速走行時に要求される出力を確保することが可能とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなエンジンにおいては、アイドル時に層状燃焼（リーン運転）を行いアイドル燃費を向上させるように設定することが考えられる。しかし層状燃焼においては、空気量に対する燃料比率がある程度以上増大すると点火プラグ回りの混合気が濃くなり過ぎて失火したりスモークが発生したりする。これにより、層状燃焼の最大出力発生時における燃焼室内の空燃比は、理論空燃比よりリーンであり、層状燃焼時において供給可能な最大燃料量は予混合時に比べ少量であり、結果として最大出力も低いものとなっている。このため、アイドル時にエアコン、パワーステアリング等の外部補機負荷が加わってくると、これに対応させて燃料量を増量させようとしても増量には限界があるため、層状燃焼時に得られる出力では対応することができず、エンジン回転数の落ち込みが生じ、場合によってはエンジンストールが生じるおそれがある。これらの要因により、従来はアイドル時に外部補機負荷が加わった場合には予混合燃焼とする制御を行っており、思うようにアイドル燃費の向上を図れなかった。
【０００４】
上述した筒内噴射型内燃エンジンとは異なる従来型のポート噴射型希薄燃焼内燃エンジンにおいて、アイドル運転時に外部補機負荷が加わると回転数が変動し易いので、エアコンの作動信号が出力された際に、リーン運転を禁止してストイキオ（理論空燃比）運転に移行する技術が開示されている（特聞昭６０−１７２３４号公報）。しかしながら、上記公知例では、補機類（エアコン等）の作動信号だけに基づいて運転状態をストイキオ運転に切り換えているため、実際にはリーン運転を継続可能な状態であるにもかかわらず、運転状態が切り替わる場合があり、アイドル燃費の向上が得られにくいという課題が生じる。
【０００５】
本発明は、アイドル運転時に補機類が作動してエンジンにかかる負荷が増大する場合でも、この負荷をモニタして層状燃焼が可能な負荷の範囲であれば層状燃焼を選択してアイドル運転時の燃費向上を図る筒内噴射型内燃エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、燃焼室内に直接燃料を噴射し、運転状態に応じて予混合燃焼と層状燃焼とを切り換える制御手段を備えた筒内噴射型内燃エンジンの制御装置において、制御手段が、アイドル運転時の空調機器の作動よるエンジンにかかるエンジン負荷が所定値を超えない場合には層状燃焼を選択して実行し、エンジン負荷が所定値を超えた場合でも空調機器の空調負荷が予め設定された設定値を超えない場合には空調機器の作動を停止させると共に層状燃焼を選択して実行するので、エンジン負荷が所定値を超えず、超えても空調負荷が設定値を超えるまではアイドル運転時であっても層状燃焼状態が継続されて燃料消費が抑えられる。
【０００８】
このように、アイドル運転時にエンジンに対する負荷が増大しても、層状燃焼が可能な負荷の場合には層状燃焼を行い、層状燃焼ができない負荷の場合には、空調機器の作動を切ることでエンジンかかる負荷を低減して層状燃焼を実行可能とするので、アイドル運転時において層状燃焼の実行範囲を長くでき、燃料消費を抑えてアイドル運転時の燃費向上を図れる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、車両に搭載された本発明に係る筒内噴射ガソリンエンジンの制御装置の概略構成図である。エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ３と共に電磁式の燃料噴射弁４も取り付けられており、燃焼室５内に直接燃料が噴射されるようになっている。シリンダ６内を摺動して往復運動するピストン７の頂面には、上死点近傍で燃料噴射弁４からの燃料噴露が到達する位置に、半球状のキャビティ８が形成されている。このエンジン１の理論圧縮比は、吸気管噴射型のものに比べて高く（本形態では、１２程度）設定されている。動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されており、シリンダヘッド２の上部には、吸排気弁９，１０をそれぞれ駆動するべく、吸気側カムシャフト１１と排気側カムシャフト１２とが回転自在に保持されている。
【００１０】
シリンダヘッド２には、両カムシャフト１１，１２の間を抜けるようにして、略直立方向に吸気ポート１３が形成されており、この吸気ポート１３を通過した吸気流が燃焼室５内で後述する逆タンブル流を発生させるようになっている。排気ポート１４は、通常のエンジンと同様に略水平方向に形成されているが、斜めに大径のＥＧＲポート１５が分岐している。図中、１６は冷却水温ＴＷを検出する水温センサであり、１７は各気筒の所定のクランク位置（本形態では、５°ＢＴＤＣおよぴ７５°ＢＴＤＣ）でクランク角信号ＳＧＴを出力するクランク角センサであり、１９は点火プラグ３に高電圧を出力する点火コイルである。尚、クランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフト等には、気筒判別信号ＳＧＣを出力する気筒判別センサ（図示せず）が取り付けられ、クランク角信号ＳＧＴがどの気筒のものか判別される。
【００１１】
吸気ポート１３には、サージタンク２０を有する吸気マニホールド２１を介して、エアクリーナ２２，スロットルボディ２３，ステッパモータ式のアイドルスピードコントロールバルプ（以下、アイドル調整弁という）２４を具えた吸気管２５が接続している。吸気管２５には、スロットルボディ２３を迂回して吸気マニホールド２１に吸入気を導入する、大径のエアバイパスパイプ２６が併設されており、その管路にはリニアソレノイド式で大型のエアバイパスバルブ（ＡＢＶ弁という）２７が設けられている。エアバイパスパイプ２６は、吸気管２５に準する流路面積を有しており、ＡＢＶ弁２７の全開時にはエンジン１の低中速域で要求される量の吸入気が流通可能となっている。一方、アイドル調整弁２４は、ＡＢＶ弁２７より小さい流路面債を有しており、吸入空気量を精度よく調整する場合にはアイドル調整弁２４を使用する。
【００１２】
スロットルボディ２３には、流路を開閉するバタフライ式のスロットル弁２８と共に、スロットル弁２８の開度θthを検出することでアクセル開度情報を検出するスロットルセンサ２９と、全閉状態を検出するアイドルスイッチ３０とが備えられている。また、エアクリーナ２２の内部には吸気密度を求めるための大気圧センサ３１、吸気温センサ３２が配設されており、大気圧Ｐａ、吸気温度Ｔａに対応する信号を出力する。更に、吸気管２５の入口近傍には、カルマン渦式のエアフローセンサ３３が配設されており、一吸気行程当たりの体積空気流量Ｑａに比例した渦発生信号を出力する。
【００１３】
一方、排気ポート１４には、Ｏ₂センサ４０が取付けられた排気マニホールド４１を介して、三元触媒４２や図示しないマフラー等を具えた排気管４３が接続している。また、ＥＧＲポート１５は、大径のＥＧＲパイプ４４を介して、スロットル弁２８の下流、且つ、吸気マニホールド２１の上流に接続されており、その管路にはステッパモータ式のＥＧＲ弁４５が設けられている。
【００１４】
燃料タンク５０は、図示しない車体後部に設置されている。そして、燃料タンク５０に貯留された燃料は、電動式の低圧燃料ポンプ５１で吸い上げられ、低圧フィードパイブ５２を介してエンジン１側に送給される。低圧フィードパイブ５２内の燃圧は、リターンパイプ５３の管路に介装された第１燃圧レギュレータ５４により、比較的低圧（以下、低燃圧と記す）に調圧される。エンジン１側に送給された燃料は、シリンダヘッド２に取り付けられた高圧燃料ポンプ５５により、高圧フィードパイプ５６とデリバリパイプ５７とを介して各燃料噴射弁４に送給される。本形態の場合、高圧燃料ポンプ５５は斜板アキシャルピストン式であり、排気側カムシャフト１２により駆動され、エンジン１のアイドル運転時にも高圧の吐出圧を発生する。デリバリパイプ５７内の燃圧は、リターンパイプ５８の管路に介装された第２燃圧レギュレータ５９により、比較的高圧（以下、高燃圧と記す）に調圧される。図中、６０は第２燃圧レギュレータ５９に取付けられた電磁式の燃圧切換弁であり、オン状態で燃料をリリーフして、デリバリパイプ５７内の燃圧を所定値に低下させる。また、６１は高圧燃料ポンプ５５の潤滑や冷却等を行った燃料を燃料タンク５０に還流させるリターンパイプである。
【００１５】
補機類の一例であり空調機器であるエアコン８０は、ＡＣコンプレッサ８１で圧縮された冷媒をコンデンサ８２とエバポレータ８３を介して循環させている。ＡＣコンプレッサ８１には、エンジン１側とベルトを介して連結された図示しないプーリが装着されている。このプーリには、電磁クラッチ８６が装着されていて、ＡＣコンプレッサ８１とプーリとの駆動系を断続可能としている。コンデンサ８２とエバポレータ８３とを結ぶ低圧配管部となる冷媒通路８４には、コンデンサ８２を通過した冷媒圧Ａcｐを検知して外部補機負荷の変動を検知する外部補機負荷検知手段となる冷媒圧センサ８５が装着されている。
【００１６】
車室内には、制御手段としてのＥＣＵ（電子制御ユニット）７０が設置されている。このＥＣＵ７０には図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等が具えられ、エンジン１の総合的な制御を行っている。ＥＣＵ７０の入力側には、作動時にエンジン１の負荷となるエアコン装置、パワーステアリング装置、自動変速装置等の作動状況を検出するスイッチ類、即ち、エアコンスイッチ（Ａ／Ｃ・ＳＷ）３４、パワーステアリングスイッチ（Ｐ／Ｓ・ＳＷ）３５、インヒビタスイッチ・（ＩＮＨ・ＳＷ）３６や冷媒圧センサ８５が夫々接続され、各検出信号をＥＣＵ７０に供給している。ＥＣＵ７０には、上述した各種のセンサ類やスイッチ類の他に、図示しない多数のスイッチやセンサ類が入力側に接続されており、出力側にも電磁クラッチ８６や各種警告灯や機器類等が接続されている。
【００１７】
ＥＣＵ７０は、上述した各種センサ類及びスイッチ類からの入力信号に基づき、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして、燃料噴射終了時期、点火時期やＥＧＲガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁４、点火コイル１９，ＥＧＲ弁４５等を駆動制御する。
【００１８】
アイドル運転時における補機類の作動に応じて機関の運転状態を切り換える制御手順について説明する。
図３に示すフローチャートは、クランク角センサ１７からクランク角信号が出力される毎にＥＣＵ７０によって割り込み実行される。ＥＣＵ７０は、図３のステップＳ１においてクランク角センサ１７からのクランク角信号発生時間間隔から検出されるエンジン回転数Ｎｅ、スロットルセンサ２９が検出するスロットル弁開度θth、エアーフローセンサ３３が検出する一吸気工程当りの吸入吸気量Ｑａ、冷媒圧センサ８５が検出する冷媒圧Ａcpをそれぞれ読み込む。次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２においてアイドル運転状態にあるか否かを判別し、アイドル運転状態にないときには、ステップＳ１５に進みスロットル弁開度θth、エンジン回転数Ｎｅに応じた目標平均有効圧力Ｅｖと、エンジン回転数Ｎｅに応じた運転モードに設定して終了する。例えば、低中速走行のときには、図２中の吸気行程噴射モード（予混合燃焼）によるリーン域あるいはストイキオフィードバック域（理論空燃比フィードバック制御域）となるように吸気行程噴射モードを選択するとともに所定の空燃比となるように燃料を噴射する。
【００１９】
ＥＣＵ７０は、ステップＳ２においてアイドル運転状態にあると判別したときには、ステップＳ３において例えば、エアコンスイッチ３４がオンされたか否かを判別し、エアコンスイッチ３４がオフのときにはステップＳ１５に進み、エアコンスイッチ３４がオンされたときには、ステップＳ４において図示しないタイマーを作動させてエンジン１を一旦ストイキオ運転として所定時間経過を待つ。これは、エアコンスイッチ３４のオンにより、エンジン１にどの程度の負荷がかかるか不明であり、エンスト防止のための安全対策としてストイキオ運転を実施する。また、ステップＳ４で所定時間経過を待つのは、ここでのストイキオ運転を確実に実行させるためのセルフチェックのためであり、時間的に云えば１秒以下である。
【００２０】
ＥＣＵ７０は、ステップＳ４において所定時間経過すると、ステッブＳ６において記憶装置に予め記憶されている機関負荷マップ９０から例えば、スロットル弁開度θｔｈと吸入吸気量Ｑａとに応じた負荷Ｐｅを演算してステップＳ７に進む。この負荷Ｐｅは、アイドル時におけるエンジン１にかかる総負荷であり、この負荷Ｐｅに基づいて燃料供給量（目標空燃比）や点火時期を設定する。
【００２１】
ステップＳ７では、負荷Ｐｅと記憶装置に予め記憶されている所定値Ｐe0（以下、「所定値Ｐe0」と記す）と比較され、負荷Ｐｅが所定値Ｐe0を超えない場合には、ステップＳ８に進んでリーン運転に切り換えられてステップＳ１に戻る。所定値Ｐe0は、アイドル運転時におけるリーン運転（層状燃焼）の許容する指数であり、この値を負荷Ｐｅが超えなければ、リーン運転してもエンジン１が停止することがない下限値である。つまり、エアコン８０が作動しても、その温度設定や外気温度との関係から、必ずしもエアコン作動による外部補機負荷が負荷Ｐｅに対してリーン運転を不可能とするまで上昇させない場合もある。このため、アイドル運転時にエアコン８０が作動した場合でも負荷Ｐｅに余裕がある場合にはリーン運転を実行して燃料消費を抑えることができる。
【００２２】
ステップＳ７において負荷Ｐｅが所定値Ｐe0を超えた場合には、ＥＣＵ７０はステップＳ９に進み、冷媒通路８４（低圧配管部）の冷媒圧Ａcp（空調負荷）と記憶装置に予め記憶設定した冷媒圧設定値Ａcp0（以下、「設定値Ａcp0」と記す）とを比較し、冷媒圧Ａcpがこの設定値Ａcp0よりも高い場合（超える時）には、外気温が高く高負荷でエアコン８０が活発に作動していると見做し、ステップＳ１０に進んでストイキオ運転に切り換えてステップＳ１に戻る。このようにすることで、冷媒圧Ａcpの増大によるエンジンストールを防止できる。
【００２３】
ステップＳ９において冷媒圧Ａcpが設定値Ａcp0より低い場合（超えない時）には、外気温が低く低負荷でエアコン８０が活発に作動していないと見做し、ステップＳ１１に進んで電磁クラッチ８６を切ってエアコン８０をオフし、リーン運転（層状燃焼）に切り換える。このリーン運転は、ステップＳ１３における所定時間が経過するまで行われる。このように一旦エアコン８０が作動した場合でもその作動状況を見極めて適時エアコン８０の作動を停止すればエンジン１にかかる負荷Ｐｅが低減されるので、リーン運転（層状燃焼）を実行することができる範囲が増大し、より燃料消費を抑えることができる。
【００２４】
ＥＣＵ７０は、ステップＳ１３で所定時間経過すると、ステップＳ１４で電磁クラッチ８６をつないでエアコンを再度作動してステップＳ１に戻り、最新の情報を取り込んで、上述の如く各ステップに沿って運転状態を切り換え制御を順次実行する。このように一旦、切ったエアコン８０を再度作動させることで、車室内の温度の上昇を抑えられる。
【００２５】
上述したステップＳ１３における所定時間とは、ここではエアコン８０を停止して車室内温度がある温度を上回るまでの時間である。さらに、ここでは所定時間経過後としているが、車室内温度が設定温度を上回らない時間としてもよい。また、本形態では、ステップＳ６において、エンジン回転数Ｎｅと吸入吸気量Ｑａに応じて機関負荷マップ９０から負荷Ｐｅを選択しているが、これに限定されるものでなく、別なルーチンで選択あるいは演算したものを適時割り込ませて取り込んでもよい。また、本形態では、空調負荷を低圧配管部となる冷媒通路８４の冷媒圧から推定したが、高圧配管部となるＡＣコンプレッサ８１とコンデンサ８２とを結ぶ冷媒通路の冷媒圧から推定してもよい。あるいは、外気温や車室内温度を測定してエアコン設定温度と比較するようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、アイドル運転時にエンジンに対するエンジン負荷が増大しても、層状燃焼が可能な負荷の場合には層状燃焼に切り換え、アイドル運転時におけるエンジン負荷が層状燃焼を許容できない場合には、空調機器の作動を切ることでエンジンにかかる負荷を低減させるので、層状燃焼に切り換えることができ、アイドル運転時において層状燃焼の実行範囲を増大でき、燃料消費を抑えてアイドル運転時の燃費向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒内噴射型内燃エンジンの制御装置の概略構成図である。
【図２】燃料噴射モードの判定マップを示す図である。
【図３】本発明に係るエンジンの制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 筒内噴射型内燃エンジン
７０ 制御手段
８０ 空調機器（補機類）
Ｐｅ 負荷
Ｐe0 所定値
Ａcp 空調負荷（低圧配管部の冷媒圧）
Ａcp0 冷媒圧の設定値

Claims (1)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射し、運転状態に応じて予混合燃焼と層状燃焼とを切り換える制御手段を備えた筒内噴射型内燃エンジンの制御装置において、上記制御手段は、アイドル運転時の空調機器の作動によるエンジンにかかるエンジン負荷が所定値を超えない場合には上記層状燃焼を行い、上記エンジン負荷が上記所定値を超えた場合でも上記空調機器の空調負荷が予め設定された設定値を超えない場合には上記空調機器の作動を停止させると共に上記層状燃焼を行うことを特徴とする筒内噴射型内燃エンジンの制御装置。

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