JP5874272B2

JP5874272B2 - 直噴式内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5874272B2
Application number: JP2011210477A
Authority: JP
Inventors: 小松　明; 明小松
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: JP2013072310A

Description

本発明は、直噴式内燃機関の制御装置に関し、特に複数気筒のうち選択的に任意の気筒の吸排気バルブの開閉動作を休止させる減筒運転が可能な直噴式内燃機関の制御装置に関する。

エンジンの燃費を改善する方法として、エンジンの運転状態に応じて選択的に一部の気筒における吸排気バルブの開閉動作を休止させると共に、燃料噴射を停止させることで、エンジンのポンピングフリクションを効果的に低減させる減筒運転が知られている。また、ディーゼルエンジンや一部のガソリンエンジンにおいては、燃料を筒内に直接噴射する直噴式エンジンが知られている。

例えば、特許文献１には、可変動弁機構を備えて任意の気筒の吸排気バルブの開閉を休止させる減筒運転が可能に構成され、かつ、燃料を各気筒の筒内に直接噴射する直噴式内燃機関の制御装置が開示されている。

特開２０１０−１８５３０６号公報

ところで、可変動弁機構による全筒運転や減筒運転への切り換え制御は、可変動弁機構に設けられた油圧式アクチュエータに供給される作動油圧を低圧もしくは高圧に切り換えることでコントロールされている。また、減筒運転時に燃料噴射が停止されていた気筒においては、全筒運転への切り換え指示と同時に対象気筒の燃料噴射を再開するのが一般的である。

しかし、減筒運転から全筒運転への切り換え時には、油圧式アクチュエータの応答遅れにより対象気筒における吸排気バルブの開閉動作にも作動遅れが生じるため、全筒運転への切り換えと同時に対象気筒に対する燃料噴射を再開すると、空気が十分に供給されていない気筒内に燃料が噴射されることになる。そのため、その後に吸排気バルブが開閉動作を開始すると、それまでの間に燃焼室内に噴射された燃料の異常燃焼を引き起こし、大きな燃焼音や振動の発生、場合によってはエンジンの破損等を招く可能性がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、減筒運転から全筒運転への切り換え時に、空気が十分に供給されていない気筒内への燃料噴射を効果的に防止することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の直噴式内燃機関の制御装置は、複数気筒のうち選択的に任意の気筒における吸排気バルブの開閉動作を休止させると共に、該気筒の燃料噴射を停止させる減筒運転が可能な直噴式内燃機関の制御装置であって、前記吸排気バルブの開閉動作を検出するバルブ開閉検出手段と、前記内燃機関の運転状態に応じて各気筒の燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備え、前記燃料噴射制御手段は、減筒運転から全筒運転に切り換わる時に、減筒運転の対象気筒において前記バルブ開閉検出手段が吸排気バルブの開閉動作を検出するまで、該対象気筒の燃料噴射を停止させることを特徴とする。

また、前記バルブ開閉検出手段が、各気筒の筒内圧を検出する筒内圧センサであり、前記燃料噴射制御手段が、減筒運転から全筒運転に切り替わる時に、減筒運転の対象気筒において前記筒内圧センサにより検出される筒内圧が所定の閾値に達するまで、該対象気筒の燃料噴射を停止させるようにしてもよい。

本発明の直噴式内燃機関の制御装置によれば、減筒運転から全筒運転への切り換え時に、空気が十分に供給されていない気筒内への燃料噴射を効果的に防止することができる。

本発明の一実施形態に係る直噴式内燃機関の制御装置を示す模式的なブロック構成図である。本発明の一実施形態に係る直噴式内燃機関の制御装置による制御内容を示すフローチャートである。

以下、図１，２に基づいて、本発明の一実施形態に係る直噴式内燃機関の制御装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、本実施形態に係る直噴式内燃機関の制御装置は、内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０と、エンジン１０の各気筒に対してそれぞれ設けられた筒内圧センサ１６と、任意の気筒の稼働を休止させる可変動弁機構（不図示）と、ＥＣＵ（電子制御ユニット）４０とを備えている。なお、本実施形態において、筒内圧センサ１６は本発明のバルブ開閉検出手段を構成する。

エンジン１０は、複数気筒（本実施形態では直列６気筒）を備える多気筒エンジンである。また、エンジン１０には、図示しない吸気バルブの開弁により各気筒の燃焼室内に新気を導入する吸気マニホールド１０ａと、図示しない排気バルブの開弁により各気筒の燃焼室内から排気を導出する排気マニホールド１０ｂとが設けられている。さらに、エンジン１０の各気筒には、何れも図示しない燃料タンクからコモンレールに供給された加圧燃料をエンジン１０の各気筒の筒内に直接噴射するインジェクタ１４が設けられている。

インジェクタ１４は、ＥＣＵ４０と電気的に接続されており、このＥＣＵ４０から出力される制御信号に応じて図示しない噴射ノズルの芯弁を開閉させることで、燃料噴射量や噴射時期がコントロールされている。また、インジェクタ１４には、各噴射ノズルから噴射される燃料の実噴射量を検出する図示しない噴射量センサが設けられている。

筒内圧センサ１６は、エンジン１０の各気筒の筒内圧を検出するもので、検出された筒内圧は電気的に接続されたＥＣＵ４０に出力される。

吸気マニホールド１０ａには、吸気通路１１が接続されており、この吸気通路１１には、吸気上流側から順にエアフィルタ５０と、ＭＡＦセンサ５１と、ターボチャージャ１３のコンプレッサ１３ｂと、インタークーラ５３とが設けられている。また、排気マニホールド１０ｂには、排気通路１２が接続されており、この排気通路１２には、排気上流側から順にターボチャージャ１３のタービン１３ａと、図示しない排気浄化装置とが設けられている。

ターボチャージャ１３は、吸気通路１１に設けられたコンプレッサ１３ｂと、排気通路１２に設けられた可変翼を持つＶＧＴ型のタービン１３ａとを備えている。すなわち、ターボチャージャ１３は、エンジン１０の排気エネルギーによりタービン１３ａが駆動すると共に、同軸に設けられたコンプレッサ１３ｂが回転することで、吸気通路１１内の吸気をエンジン１０の各気筒の燃焼室内へと圧送するように構成されている。なお、本実施形態は、ターボ過給システムを一段過給システムとして説明しているが、例えば高圧段ターボと低圧段ターボとを備える多段過給システムに適用することもできる。

ＥＧＲ装置２０は、可変翼タービン１３ａよりも上流側の排気通路１２とインタークーラ５３よりも下流側の吸気通路１１とを連通するＥＧＲ通路２１と、還流排気を冷却するＥＧＲクーラ２２と、還流排気量（以下、ＥＧＲ量という）を調整可能なＥＧＲバルブ２３とを備える高圧ＥＧＲ装置である。このＥＧＲ装置２０によるＥＧＲ量は、ＥＧＲバルブ２３の開度が電気的に接続されたＥＣＵ４０により調整されることでコントロールされる。なお、ＥＧＲ装置２０は、高圧ＥＧＲ装置に限られず、例えば、ターボチャージャ１３よりも排気下流側の排気通路１２から、ターボチャージャ１３よりも吸気上流側の吸気通路１１に排気を還流する低圧ＥＧＲ装置を適用することもできる。

可変動弁機構は、公知の可変動弁機構であって、任意の気筒の稼働を休止させることが可能に構成されている。このため、可変動弁機構には、作動油圧を低圧又は高圧に切り換えるための図示しない油圧コントロールバルブが設けられている。この油圧コントロールバルブは、ＥＣＵ４０からの制御信号によって作動する。

ＥＣＵ４０は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ４０には、エンジン回転数センサ５４、ＭＡＦセンサ５１、アクセル開度センサ（不図示）等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

また、ＥＣＵ４０は、目標燃料噴射算出部４１と、ＥＧＲ制御部４２と、減筒運転制御部４３と、燃料噴射制御部４４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

目標燃料噴射算出部４１は、エンジン１０の運転状態に応じた燃料噴射量を算出する。ＥＣＵ４０の記憶部には、予め作成されたエンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとする図示しない燃料噴射マップが記憶されている。目標燃料噴射算出部４１は、この燃料噴射マップから、エンジン回転数センサ５４で検出されたエンジン回転数及び、アクセル開度センサで検出されたエンジン負荷に対応する値を読み取ることで、エンジン１０の運転状態に応じた燃料噴射量を算出する。

ＥＧＲ制御部４２は、排気中の窒素化合物（ＮＯｘ）を効果的に低減すべく、エンジン１０の運転状態に応じたＥＧＲ量を制御する。ＥＣＵ４０の記憶部には、予め作成されたエンジン回転数と燃料噴射量とをパラメータとする図示しないＥＧＲ基本マップが記憶されている。ＥＧＲ制御部４２は、このＥＧＲ基本マップから、エンジン回転数センサ５４で検出されたエンジン回転数及び、目標燃料噴射算出部４１で算出された燃料噴射量に対応する値を読み取って目標ＥＧＲ量を算出すると共に、実際のＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量となるようにＥＧＲバルブ２３の開度をフィードバック制御する。

減筒運転制御部４３は、エンジン１０の運転状態に応じて任意の気筒における吸排気バルブの開閉動作を休止させる減筒運転を制御する。ＥＣＵ４０の記憶部には、予め作成されたエンジン回転数とエンジン出力とをパラメータとする図示しない減筒運転基本マップが記憶されている。また、この減筒運転基本マップ上には、エンジン全負荷に対して各気筒のうち半分の気筒（本実施形態では３つの気筒）の稼働を休止させて運転可能な減筒運転領域が設定されている。さらに、この減筒運転領域は、アイドル運転時の振動を防ぐべくアイドル運転領域を含まず、かつ、エンジンブレーキ力の低下を防ぐべくエンジン減速運転領域を含まないように設定されている。

そして、減筒運転制御部４３は、エンジン回転数センサ５４で検出されたエンジン回転数及び、目標燃料噴射算出部４１で算出された燃料噴射量が減筒運転基本マップ上の減筒運転領域にある時は、エンジン１０の運転状態に応じて任意の気筒の吸排気バルブの開閉動作を休止させる減筒運転が実行されるように可変動弁機構を制御する。すなわち、減筒運転を実行する時は、可変動弁機構の油圧コントロールバルブに開弁信号を出力して、作動油圧を低圧から高圧に切り換えることで、対象気筒の吸排気バルブの開閉動作を休止させる。一方、エンジン回転数センサ５４で検出されたエンジン回転数及び、目標燃料噴射算出部４１で算出された燃料噴射量が減筒運転基本マップ上の減筒運転領域にない時は、全気筒の吸排気バルブを開閉動作させる全筒運転が実行されるように可変動弁機構を制御する。すなわち、全筒運転を実行する時は、可変動弁機構の油圧コントロールバルブに閉弁信号を出力して、作動油圧を高圧から低圧に切り換えることで、全気筒の吸排気バルブを開閉動作させるように構成されている。

燃料噴射制御部４４は、目標燃料噴射算出部４１で算出された燃料噴射量に応じて、インジェクタ１４による燃料噴射を制御する。具体的には、エンジン１０の全筒運転時は、各気筒のインジェクタ１４から噴射される燃料量を目標燃料噴射算出部４１で算出された燃料噴射量にする制御信号を出力する。また、エンジン１０の減筒運転時は、稼働気筒のインジェクタ１４から噴射される燃料量を目標燃料噴射算出部４１で算出された燃料噴射量にする制御信号を出力すると共に、休止気筒のインジェクタ１４による燃料噴射を停止（ＯＦＦ）させる。

さらに、この燃料噴射制御部４４は、減筒運転から全筒運転に切り換わる時は、可変動弁機構の応答遅れを考慮して、休止状態から稼働を開始する気筒（以下、再稼働気筒という）の吸排気バルブの開閉動作が確実に開始されて、筒内圧が復元するまで、この再稼働気筒の燃料噴射を停止させる。より詳しくは、ＥＣＵ４０の記憶部には、予め実験等で算出した各気筒の、燃料噴射停止状態で吸排気バルブが開閉動作したときの筒内圧が判定閾値として記憶されており、燃料噴射制御部４４は、筒内圧センサ１６の検出値がこの判定閾値に達するまで、再稼働気筒のインジェクタ１４による燃料噴射を停止させる。すなわち、吸排気バルブの開閉動作の作動遅れ等により空気が十分に供給されない気筒に燃料を噴射することを確実に防止するように構成されている。

次に、本実施形態に係る直噴式内燃機関の制御装置による制御フローを図２に基づいて説明する。なお、本制御はエンジン１０の始動（イグニッションスイッチのキースイッチＯＮ）と同時にスタートする。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、エンジン回転数センサ５４で検出されたエンジン回転数及び、アクセル開度センサ（不図示）で検出されたエンジン負荷がＥＣＵ４０に読み込まれる。次にＳ１１０では、目標燃料噴射算出部４１により、エンジン回転数とエンジン負荷とに対応する燃料噴射量が燃料噴射量マップから読み取られることで、エンジン１０の運転状態に応じた燃料噴射量を算出する。

Ｓ１２０では、減筒運転制御部４３により、エンジン回転数と燃料噴射量とが減筒運転基本マップ上の減筒運転領域にあるか否かが確認される。エンジン１０の運転状態が減筒運転領域にある場合（ＹＥＳ）は、Ｓ１３０において、可変動弁機構が任意の気筒の開閉動作を休止するように制御される。すなわち、対象気筒の吸排気バルブの開閉動作を休止させるべく、減筒運転制御部４３から可変動弁機構の油圧コントロールバルブに開弁信号が出力されると共に、作動油圧が低圧から高圧に切り換えられる。一方、エンジン１０の運転状態が減筒運転基本マップ上の減筒運転領域にない場合（ＮＯ）はＳ１００へと戻される。

Ｓ１４０では、減筒運転時にエンジン回転数センサ５４で検出されたエンジン回転数及び、減筒運転時にアクセル開度センサ（不図示）で検出されたエンジン負荷がＥＣＵ４０に読み込まれる。次にＳ１５０では、目標燃料噴射算出部４１により、Ｓ１４０で読み込んだエンジン回転数とエンジン負荷とに対応する燃料噴射量が燃料噴射量マップから読み取られることで、減筒運転時における燃料噴射量が算出される。

Ｓ１６０では、減筒運転制御部４３により、エンジン１０の運転状態が減筒運転を継続すべきか否かが確認される。Ｓ１４０で読み込んだエンジン回転数と、Ｓ１５０で算出された燃料噴射量とが、減筒運転基本マップ上の減筒運転領域にない場合（ＹＥＳ）は、全筒運転に切り換えるべくＳ１７０へと進む。一方、エンジン回転数と燃料噴射量とが減筒運転基本マップ上の減筒運転領域にある場合（ＮＯ）はＳ１４０へと戻される。

Ｓ１７０では、開閉動作を休止していた吸排気バルブを再稼働させるべく、減筒運転制御部４３から可変動弁機構の油圧コントロールバルブに閉弁信号が出力されると共に、作動油圧が高圧から低圧に切り換えられる。また、Ｓ１８０では、再稼働気筒の筒内圧センサ１６の検出値が読み込まれる。

Ｓ１９０では、再稼働気筒の筒内圧センサ１６で検出された筒内圧が判定閾値に達したか否かが確認される。筒内圧が判定閾値に達していない場合（ＮＯ）は、Ｓ１８０へと戻される。一方、筒内圧が判定閾値に達した場合（ＹＥＳ）は、Ｓ２００で燃料噴射制御部４４により、再稼働気筒のインジェクタ１４による燃料噴射が開始（通常制御）されて本制御はリターンされる。その後、Ｓ１００〜２００の制御フローは、エンジン１０が停止（イグニッションスイッチのキースイッチＯＦＦ）するまで繰り返し行われる。

なお、図２に示す制御フローでは省略されているが、例えば減筒運転を実行するステップの前に、エンジン１０の運転状態に応じた目標ＥＧＲ量を算出すると共に、ＥＧＲバルブ２３の開度を目標ＥＧＲ量とするフィードバック制御を実行するステップを設けてもよい。

以上のような構成により、本実施形態に係る直噴式内燃機関の制御装置によれば以下のような作用効果を奏する。

エンジン１０の運転状態が、エンジン全負荷に対して、例えば半分の気筒で運転可能な減筒運転領域にある時は、任意の気筒の吸排気バルブの開閉動作を休止させる減筒運転が実行される。すなわち、対象気筒の吸排気バルブの開閉動作を休止させるべく、減筒運転制御部４３から可変動弁機構の油圧コントロールバルブに開弁信号が出力されると共に、作動油圧が低圧から高圧に切り換えられる。

その後、エンジン１０の運転状態が変化して減筒運転領域から外れると、減筒運転から全筒運転への切り換えが実行される。すなわち、開閉動作を休止していた吸排気バルブを再稼働させるべく、減筒運転制御部４３から可変動弁機構の油圧コントロールバルブに閉弁信号が出力されると共に、作動油圧が高圧から低圧に切り換えられる。この時、油圧式アクチュエータの応答遅れにより吸排気バルブの開閉動作にも作動遅れが生じるため、全筒運転への切り換え直後は再稼働気筒の気筒内に空気が十分に供給されない状態となるが、本実施形態の直噴式内燃機関の制御装置によれば、これら再稼働気筒への燃料噴射は、筒内圧が判定閾値に達するまで、すなわち通常状態に復元するまで停止されることになる。

したがって、減筒運転から全筒運転への切り換え時において、吸排気バルブの開閉動作の作動遅れ等により空気が十分に供給されない気筒内に対して燃料が噴射されることを確実に防止することが可能となり、その後に吸排気バルブの開閉動作が開始した際の異常燃焼等を効果的に抑止することができる。

また、本実施形態の直噴式内燃機関の制御装置は、エンジン１０のアイドル運転時及び減速運転時は、所定気筒の吸排気バルブの開閉動作を休止させる減筒運転を実行しないように構成されている。

したがって、減筒運転によるアイドル運転時のエンジン振動及び、減筒運転によるエンジンブレーキ力の低下の双方を効果的に抑止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、再稼働気筒における燃料噴射の停止は筒内圧センサ１６の検出値に基づいて判断されるものとして説明したが、各気筒の吸排気バルブのリフト量を検出するリフト量センサを設け、このリフト量センサの検出値に基づいて行うようにしてもよい。この場合は、再稼働気筒におけるリフト量センサが所定のリフト量を検出するまで、インジェクタ１４による燃料噴射を停止させるように構成すればよい。

また、本実施形態の直噴式内燃機関の制御装置は、ディーゼルエンジンに限定されず、直噴式のガソリンエンジン等に広く適用することが可能である。

１０エンジン（直噴式内燃機関）
１４インジェクタ
１６筒内圧センサ
４０ＥＣＵ
４１目標燃料噴射算出部
４３減筒運転制御部
４４燃料噴射制御部

Claims

複数気筒のうち選択的に一部任意の気筒における吸排気バルブの開閉動作を休止させると共に、該気筒の燃料噴射を停止させる減筒運転が可能な直噴式内燃機関の制御装置であって、
前記吸排気バルブの開閉動作を検出するバルブ開閉検出手段と、
前記内燃機関の運転状態に応じて各気筒の燃料噴射を制御する燃料噴射制御手段とを備え、
前記燃料噴射制御手段は、
減筒運転から全筒運転に切り換わる時に、減筒運転の対象気筒において前記バルブ開閉検出手段が吸排気バルブの開閉動作を検出するまで、該対象気筒の燃料噴射を停止させ、
前記バルブ開閉検出手段が、各気筒の筒内圧を検出する筒内圧センサであり、
前記燃料噴射制御手段が、減筒運転から全筒運転に切り替わる時に、減筒運転の対象気筒において前記筒内圧センサにより検出される筒内圧が所定の閾値に達するまで、該対象気筒の燃料噴射を停止させることを特徴とする直噴式内燃機関の制御装置。