JP6536613B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
まず、図1〜図13を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係るシステムの構成を説明するための図である。図1に示すシステムは、予混合圧縮自着火式の内燃機関10を備えている。内燃機関10は、車両に搭載され、その動力源として使用される。
内燃機関10の各気筒内には、ピストン12が設けられている。気筒内におけるピストン12の頂部側には、燃焼室14が形成されている。燃焼室14には、吸気通路16および排気通路18が連通している。
吸気通路16の吸気ポートには、当該吸気ポートを開閉する吸気バルブ24が設けられており、排気通路18の排気ポートには、当該排気ポートを開閉する排気バルブ26が設けられている。内燃機関10は、各気筒の吸気バルブ24を開閉駆動する吸気可変動弁装置28(本発明に係る「アクチュエータ」の一例に相当)と、各気筒の排気バルブ26を開閉駆動する排気可変動弁装置30とを備えている。吸気可変動弁装置28は、吸気バルブ24の閉じ時期IVCを可変とするために、一例として、可変バルブタイミング機構(VVT)機構を有している。VVT機構は、クランクシャフト(図示省略)とカムシャフト(図示省略)との相対的な位相角を変更することで吸気バルブ24の開弁期間(作用角)を固定としつつ所定範囲内で開閉時期を連続的に変更するものである。排気可変動弁装置30も、一例として、このようなVVT機構を有している。
本発明に係る内燃機関は、自然吸気エンジンであってもよいが、内燃機関10は、一例として、過給エンジンである。内燃機関10は、過給機の一例としてターボ過給機を備えている。吸気通路16には、ターボ過給機のコンプレッサ32が配置されており、排気通路18には、ターボ過給機のタービン34が配置されている。コンプレッサ32よりも下流側の吸気通路16には、コンプレッサ32により圧縮された吸気を冷却するための水冷インタークーラ36(本発明に係る「アクチュエータ」の一例に相当)が配置されている。水冷インタークーラ36は、冷却水の温度を変更することで吸気温度を制御可能に構成されている。水冷インタークーラ36よりも下流側の吸気通路16には、電子制御式のスロットルバルブ38が設けられている。
図1に示すシステムは、制御装置としてのECU40を備えている。ECU40には、内燃機関10およびこれを搭載する車両に搭載された各種センサと、内燃機関10の運転を制御するための各種アクチュエータとが電気的に接続されている。各種アクチュエータは、上述の燃料噴射弁20、点火装置、吸気可変動弁装置28、排気可変動弁装置30、水冷インタークーラ36およびスロットルバルブ38を含む。
2−1.SACI運転領域およびSACI燃焼の概要
図2は、SACI燃焼運転モードが使用されるSACI運転領域の一例を表した図である。図2は、エンジン負荷(エンジントルク)とエンジン回転速度とで特定されるエンジン運転領域を表している。なお、図2中の曲線は、全負荷トルクの曲線を示している。
上述のようなSACI燃焼を実施可能とするための前提として、内燃機関10は次のような構成を有している。
すなわち、まず、内燃機関10は、燃料噴射弁20により噴射された燃料と空気との混合気がピストン12により圧縮されることで得られる熱量によって混合気(より詳細には、予混合気)を自着火燃焼させることが可能に構成されている。より詳細には、自着火燃焼を可能とするために、内燃機関10では、一例として、幾何学的な圧縮比(すなわち、ピストン12が下死点にある時の最大筒内容積に対する、ピストン12が上死点にある時の最小筒内容積の比)が、自着火燃焼を利用しない内燃機関のそれと比べて高められている。
さらに、内燃機関10は、自着火燃焼をアシストするための補助的な燃焼の一例として、スプレーガイド燃焼を利用可能に構成されている。具体的には、燃料噴射弁20は、点火プラグ22の近傍にその周囲よりも燃料濃度の高い成層混合気層を形成可能な噴霧を形成するための噴孔を有している。上述のように燃焼室14の天井部の中央付近において燃料噴射弁20と点火プラグ22とが近接して配置された構成は、必須ではないけれどもスプレーガイド燃焼の実現を容易とするために好適な例である。
図3は、SACI燃焼運転モードの実行時に用いられる燃料噴射形態の一例を表した図である。図3に示すように、SACI燃焼運転モードの実行時に用いられる燃料噴射形態は、メイン燃料噴射と着火アシスト用燃料噴射とを含む。メイン燃料噴射は、自着火燃焼用の燃料を気筒内に供給するために実行される。着火アシスト用燃料噴射は、メイン燃料噴射よりも遅角側の時期において、スプレーガイド燃焼用の燃料を気筒内に供給するために実行される。なお、メイン燃料噴射による燃料噴射量と着火アシスト用燃料噴射による燃料噴射量との和である総燃料噴射量は、内燃機関10に要求されるトルクに応じて決定される。
図4は、SACI燃焼時の燃焼波形の例を表した図である。より詳細には、図4は、筒内圧Pの波形と熱発生率dQ/dθの波形とを例示している。まず、筒内圧Pは、図4に示すように、圧縮行程において筒内ガスがピストン12の上昇に伴って圧縮されていることで上昇する。そして、筒内圧Pは、圧縮上死点(TDC)付近で生じる燃焼の影響を受けてより高い変化率で上昇した後にピストン12の下降に伴って低下していく。
内燃機関の筒内環境の変化がSACI燃焼に与える影響について説明する。ここでいう筒内環境の変化とは、燃料性状、ならびに、筒内ガスの圧力、温度および湿度などの自着火燃焼に影響を及ぼす筒内環境条件パラメータの変化のことである。SACI燃焼のように自着火燃焼を伴う燃焼は、上記の筒内環境の変化の影響を受けると、燃焼状態が変化し易い。より詳細には、そのような影響を受けると、自着火燃焼を伴う燃焼の時期(クランク角度位置であり、例えば、後述の筒内圧最大クランク角度θPmax(図4に例示)によって代表される)が変化し易い。以下、図5を参照して、筒内環境の変化がSACI燃焼に与える影響についてより具体的に説明する。
本実施形態では、上述の課題に鑑み、上記筒内環境条件パラメータの変化(より詳細には急変)に起因する燃焼悪化を実際に検知してから対策を実行するのではなく、上記筒内環境条件パラメータの変化の可能性が予測された場合に、筒内環境条件パラメータの変化に対する自着火燃焼のロバスト性を向上させるための制御が実行される。より詳細には、ここでいうロバスト性向上のための制御は、筒内環境条件パラメータの変化の可能性が予測された時点(すなわち、筒内での燃焼が燃料性状の上記変化の影響を現実に受ける前の段階)で直ちに開始される。つまり、本実施形態では、このような態様で自着火燃焼のロバスト性向上のための制御が実行されることによって、その後に実際に生じる可能性のある筒内環境条件パラメータの変化が燃焼に及ぼす影響を極力抑制できるようにするための準備がなされる。
ここでいう「SG燃焼割合」とは、スプレーガイド燃焼を伴う自着火燃焼であるSACI燃焼において、SACI燃焼の全体による熱発生量に対するスプレーガイド燃焼による熱発生量の割合のことである。
P:筒内圧
EGR:EGR率
T:筒内温度(筒内ガス温度)
t:燃料噴射の終了時点からの経過時間
その他のパラメータ:適合定数
図6を参照して説明した知見によれば、定性的には、SG燃焼割合が増えるにつれ、自着火燃焼のロバスト性が向上していくといえる。そこで、本実施形態では、筒内環境条件パラメータの変化の可能性が予測された場合に、自着火燃焼のロバスト性を向上させるために、SG燃焼割合を増加させる制御が実行される。
本実施形態では、SG燃焼割合を増加する際に、着火アシスト用燃料噴射割合(図3参照)を増加させる処理が実行される。図7および図8は、着火アシスト用燃料噴射割合の増加および後述の実圧縮比の低下がSACI燃焼に与える影響を説明するための図である。なお、図7および図8に関する説明では、後述の着火アシスト用燃料噴射時期は固定されているものとする。また、図7および図8において、クランク角度θ4は、スプレーガイド燃焼による燃焼の開始時期に相当する。
着火アシスト用燃料噴射割合の増加を利用してSG燃焼割合を増やすためには、着火アシスト用燃料噴射割合の増加による自着火時期の進角を抑制することが必要とされる。そこで、本実施形態では、SG燃焼割合の増加のために、着火アシスト用燃料噴射割合の増加とともに、自着火時期を遅角させるための対策も実行される。具体的には、本実施形態では、着火アシスト用燃料噴射割合の増加とともに、実圧縮比が下げられる。実圧縮比の低下は、筒内温度の低下に繋がるので、自着火時期を遅角させる作用を有する。なお、実圧縮比(有効圧縮比)とは、幾何学的に定まる上述の圧縮比とは異なり、吸気バルブ24が閉じた時の筒内容積に対する、ピストン12が上死点にある時の最小筒内容積の比のことである。
図9は、SG燃焼割合を高める際に実圧縮比を低下させたことによる効果を説明するためのグラフである。図9には、吸気温度の変化に対する燃焼時期指標値の変化が、3つの実圧縮比の値ε1〜ε3(ε1>ε2>ε3)で比較して表されている。なお、図9では、燃焼時期を示す燃焼時期指標値の一例として、筒内圧Pが最大値を示す時のクランク角度θの値である筒内圧最大クランク角度θPmaxが用いられている。
図10は、本発明の実施の形態1に係るSACI燃焼制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関10の運転中に繰り返し起動されて実行される。
図10に示すルーチンでは、ECU40は、まず、現在のエンジン動作点が、SACI燃焼運転モードを利用するSACI運転領域であるか否かを判定する(ステップS100)。ECU40は、図2に示すように、エンジン負荷とエンジン回転速度とで特定されるSACI運転領域を記憶している。エンジン負荷は、例えば、エアフローセンサ44を用いて取得される吸入空気量と、クランク角センサ42に基づくエンジン回転速度とに基づいて算出することができる。ステップS100の判定は、例えば、現在のエンジン負荷およびエンジン回転速度で特定される現在のエンジン動作点がSACI運転領域に入っているか否かに基づいて行うことができる。
ECU40は、現在のエンジン動作点がSACI運転領域にない場合には、今回のルーチン起動時の処理を速やかに終了する。一方、現在のエンジン動作点がSACI運転領域にある場合には、ECU40は、現在の時刻が燃料の補給(給油)後のx時間以内であるか否か(すなわち、給油直後であるか否か)を判定する(ステップS102)。給油が行われたか否かは、例えば、リッドセンサ48を利用して判定することができる。
一方、給油後のx時間以内にあると判定したとき、つまり、給油に起因する燃料性状の急変が生じている可能性を予測した場合には、ECU40は、SG燃焼割合を高めるための一連の処理、すなわち、ステップS104〜S112の処理を実行する。
V:筒内容積
一方、ステップS110において筒内圧最大クランク角度θPmaxが目標θtPmaxよりも遅角していると判定した場合には、ECU40は、ステップS114において、吸気可変動弁装置28を用いて吸気バルブ24の閉じ時期IVCを進角させる。より詳細には、閉じ時期IVCが吸気下死点に近づく範囲内で進角される。閉じ時期IVCの進角量の詳細な設定については、図13を参照して上述した通りである。ステップS114の処理によれば、吸気バルブ24の閉じ時期IVCが吸気下死点に近づくように変更されるので、実圧縮比を高めることができる。このような処理によれば、燃焼のばらつきなどの要因に起因して自着火時期が目標θtPmaxに応じた適切な位置から遅角していた場合に、自着火時期を適切な位置に近づけることができる。なお、筒内圧最大クランク角度θPmaxが目標θtPmaxと等しい場合には、処理はステップS116に進むものとする。
次に、ECU40は、x時間以内での吸気バルブ24の閉じ時期IVCの変化量が所定の閾値β以下であるか否かを判定する(ステップS116)。この判定は、給油が実行された後に燃料性状が安定した状態にあるか否かを判断するために実行される。この閉じ時期IVCの変化量は、閉じ時期IVCの進角/遅角量の前回値に対する今回値の差の絶対値に相当する。給油に伴って燃料性状が急変したとしても、その急変は上述のように時間の経過とともに解消されていく。これに伴い、ステップS112またはS114の処理による閉じ時期IVCの進角/遅角量の変動も収まっていく。また、給油はされたが燃料性状の急変が生じていない場合には、そもそも閉じ時期IVCの進角/遅角量の変動は小さいといえる。閾値βは、燃料性状が安定した状態(換言すると、急変の影響が解消されたことを含めて燃料性状の急変が生じていない状態)にあることを判別可能な閉じ時期IVCの変化量の閾値として事前に決定された値である。
ECU40は、ステップS116の判定が不成立となる場合、つまり、燃料性状の急変の影響が生じていると判定した場合には、ステップS108以降の処理を繰り返し実行する。一方、ECU40は、ステップS116において燃料性状が安定した状態にあると判定した場合には、SG燃焼割合を制御中心値に徐々に戻すための処理、すなわち、ステップS118〜S128の一連の処理を実行する。SG燃焼割合の制御中心値とは、予め適合されたSG燃焼割合の制御範囲内の中心値のことである。また、SG燃焼割合の増加のために変化させた実圧縮比の量が大きい場合には、SG燃焼割合を速やかに制御中心値に戻そうとすると、燃焼が悪化してしまう可能性がある。このため、本ルーチンの例では、SG燃焼割合は、燃料性状が安定した後に制御中心値に徐々に戻されるようになっている。
以上説明した図10に示すルーチンの処理によれば、予混合気の自着火に影響を及ぼす筒内環境条件パラメータの1つである燃料性状の変化(急変)の可能性が予測された場合に、このような可能性が予測されない場合と比べて、SG燃焼割合が増やされる。図7〜図9を参照して既述したように、SACI燃焼においてSG燃焼割合が増えると、SACI燃焼に含まれる自着火燃焼のロバスト性を高めることができる。より詳細には、本ルーチンの処理によれば、実際に燃料性状の変化が生じたか否かではなく、燃料性状の変化の可能性が予測された時点をもって、自着火燃焼のロバスト性がより高くなる燃焼状態が得られるように制御内容が変更される。さらに付け加えると、この処理によれば、実際に燃料性状が変化する場合であっても、SACI燃焼が実際にその変化の影響を受ける前に、当該変化の影響を受けにくい燃焼状態を準備しておく(換言すると、起こり得る燃料性状の変化に対してロバスト性の高い燃焼状態で身構えておく)ことができる。そして、このように燃料性状の変化に対して自着火燃焼のロバスト性を事前に高めておくことで、実際に燃料性状の変化(急変)が生じたとしても、燃料性状の変化に起因する燃焼の悪化(より詳細には、自着火燃焼の過度な進角または遅角)を効果的に抑制できるようになる。
次に、図14を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
以下の説明では、実施の形態2に係るシステムの構成の一例として、図1に示す構成が用いられているものとする。このことは、後述の実施の形態3も同様である。
本実施形態に係るSACI燃焼制御は、次の点において、上述した実施の形態1に係るSACI燃焼制御と相違している。すなわち、実施の形態1においては、ECU40は、筒内環境条件パラメータ(燃料性状)の変化の可能性を予測した場合にSG燃焼割合を増加させるために、着火アシスト用燃料噴射割合の増加および着火アシスト用燃料噴射時期の進角とともに、実圧縮比を低下させている。この点に関し、着火アシスト用燃料噴射割合の増加および着火アシスト用燃料噴射時期の進角に起因する自着火時期の進角を打ち消す作用は、実圧縮比を下げることに代えて、吸気温度を下げることによっても得られる。そこで、本実施形態では、ECU40は、SG燃焼割合を増加させるために、実圧縮比の低下に代え、吸気温度を低下させるように構成されている。
図14は、本発明の実施の形態2に係るSACI燃焼制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。
図14に示すルーチン中のステップS100〜S110、S118〜S122およびS128の処理については、実施の形態1において既述した通りである。
図14に示すルーチンでは、ECU40は、ステップS110において筒内圧最大クランク角度θPmaxが目標θtPmaxよりも進角していると判定した場合には、水冷インタークーラ36の制御を利用して吸気温度を低下させる(ステップS200)。より詳細には、ステップS200の処理による吸気温度の低下量は、例えば、図13に示す例と同様の考え方で、目標θtPmaxと筒内圧最大クランク角度θPmaxとの差(正の値)が大きいほど大きくしてもよい。なお、吸気温度の制御手法は、水冷インタークーラ36の制御を利用する手法に限られず、例えば、吸気が通過する流路を切り替えることで吸気温度を制御可能な吸気温度調整装置を利用してもよい。
SG燃焼割合を増加させるために実圧縮比の低下に代えて吸気温度の低下を利用する図14に示すルーチンの処理によっても、燃料性状の変化の可能性がある状況下において、実際に燃料性状の変化(急変)が生じたとしてもそれに起因する燃焼の悪化が抑制されるように燃焼のロバスト性を事前に高めておくことができる。
次に、図15を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。
本実施形態に係るSACI燃焼制御は、次の点において、上述した実施の形態1に係るSACI燃焼制御と相違している。すなわち、実施の形態1においては、ECU40は、筒内環境条件パラメータの1つである燃料性状の変化(より詳細には、急変)の可能性を予測した場合にSG燃焼割合を増加させている。これに対し、本実施形態では、ECU40は、筒内環境条件パラメータの他の例である筒内ガスの温度および湿度の変化の可能性を予測した場合にSG燃焼割合を増加させるように構成されている。
図15は、本発明の実施の形態3に係るSACI燃焼制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。
図15に示すルーチン中のステップS100〜S114、およびS118〜S128の処理については、実施の形態1において既述した通りである。
図15に示すルーチンでは、ECU40は、ステップS100において現在のエンジン動作点がSACI運転領域にあると判定した場合には、GPS装置50との通信結果に基づいて、車両がトンネルに入る状況にあるか否かを判定する(ステップS300)。その結果、本判定が不成立となる場合には、ECU40は、SG燃焼割合を増加させる制御を実行せずに今回のルーチン起動時の処理を終了する。
以上説明した図15に示すルーチンの処理によれば、車両がトンネルに入る状況があるときには、車両がトンネルを通過し終えるまで、SACI燃焼のロバスト性が高められる。これにより、筒内環境条件パラメータに該当する筒内ガスの温度および湿度の一方または双方がトンネルの通過に伴って実際に変化することがあっても、それに起因する燃焼の悪化を効果的に抑制できるようになる。
(GPS装置を利用した予測を行ったときのSG燃焼割合の増加に関する他の例)
上述した実施の形態3においては、筒内ガスの温度および湿度の少なくとも一方の変化(急変)の可能性が予測された場合に、SG燃焼割合を増加させるために、実圧縮比の低下が利用される。しかしながら、実施の形態1と2の関係と同様に、このようなときに、実圧縮比の低下に代え、吸気温度が低下するように制御が構成されてもよい。
上述した実施の形態1〜3においては、筒内環境条件パラメータの変化の可能性の予測に伴ってSG燃焼割合を増加させる際に、着火アシスト用燃料噴射割合の増加および着火アシスト用燃料噴射時期の進角の双方を、実圧縮比の低下または吸気温度の低下と組み合わせている。しかしながら、SG燃焼割合の増加は、着火アシスト用燃料噴射割合の増加のみを、実圧縮比の低下または吸気温度の低下と組み合わせてもよい。
上述した実施の形態1〜3においては、SG燃焼割合を増加させる際に、自着火時期の遅角作用を得るために実圧縮比の低下または吸気温度の低下が実行される。これに対し、筒内温度を低下させて自着火時期の遅角作用を得るための制御は、実圧縮比の低下または吸気温度の低下に代え、筒内残留既燃ガス量(内部EGRガス量)の減少であってもよい。具体的には、筒内残留既燃ガス量は、例えば、次のような手法で制御することができる。すなわち、例えば、排気バルブを駆動するために、筒内の排気ガスを排気通路18に排出するための通常の排気バルブの開閉動作に加え、吸気行程中に排気バルブが開閉動作を行うように構成された排気動弁装置(本発明に係る「アクチュエータ」の一例に相当)を備えるようにする。そして、このように排気バルブを2回開くように構成された排気動弁装置が吸気行程中の排気バルブの開弁期間およびリフト量を可変とする機構を有している場合には、筒内残留既燃ガス量を減少させる際に、吸気行程中の排気バルブの開弁期間およびリフト量が小さくなるように排気動弁装置を制御してもよい。あるいは、排気バルブを2回開くように構成された排気動弁装置が排気可変動弁装置30のようにVVT機構を有している場合には、筒内残留既燃ガス量を減少させる際に、筒内残留既燃ガス量が減少するように吸気行程中の排気バルブの開弁期間を進角または遅角させてもよい。
上述した実施の形態1および3においては、実圧縮比の低下のために、吸気バルブ24の閉じ時期IVCとともに開き時期も変更されるVVT機構を備える吸気可変動弁装置28が利用されている。しかしながら、上述の実圧縮比の低下は、例えば、吸気バルブの閉じ時期IVCのみを連続的に変更可能な機構を備える吸気可変動弁装置を利用して実行されてもよい。
実施の形態1および2において上述した給油直後でなくても、例えば、内燃機関10が長期間(例えば、数か月)に渡って運転されなかった場合には、その後に内燃機関10が運転された際に気筒内に供給される燃料の性状が変化(急変)する可能性がある。したがって、内燃機関10の前回の始動がなされた日を記憶するデータロガーをECU40が備えるようにしたうえで、所定の長期間の経過後に内燃機関10が始動される時からのx’時間以内にある場合に、車両の長いソーク時間に起因する燃料性状の変化(急変)の可能性を予測するようにしてもよい。
12 ピストン
14 燃焼室
16 吸気通路
18 排気通路
20 燃料噴射弁
22 点火プラグ
24 吸気バルブ
26 排気バルブ
28 吸気可変動弁装置
36 水冷インタークーラ
38 スロットルバルブ
40 電子制御ユニット(ECU)
42 クランク角センサ
44 エアフローセンサ
46 筒内圧センサ
48 リッドセンサ
50 GPS装置
Claims (3)
- 気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記気筒内の混合気に点火する点火装置とを備える予混合圧縮自着火式の内燃機関を制御する制御装置であって、
前記制御装置は、前記内燃機関の運転モードとして、点火アシスト自着火燃焼運転モードを含み、
前記点火アシスト自着火燃焼運転モードでは、吸気行程または圧縮行程においてメイン燃料噴射が実行され、かつ、前記メイン燃料噴射よりも遅角側の前記圧縮行程において着火アシスト用燃料噴射が実行されるように前記制御装置が前記燃料噴射弁を制御し、かつ、前記着火アシスト用燃料噴射による燃料と空気との着火アシスト用混合気に点火されるように前記制御装置が前記点火装置を制御することで、前記着火アシスト用混合気の着火により得られる熱量によって前記メイン燃料噴射による燃料と空気との予混合気を自着火燃焼させる点火アシスト自着火燃焼が行われ、
前記制御装置は、前記点火アシスト自着火燃焼運転モードの実行中に、前記予混合気の自着火に影響を及ぼす筒内環境条件パラメータが変化する可能性が予測された場合に、前記可能性が予測されない場合と比べて、前記点火アシスト自着火燃焼の全体による熱発生量に対する前記着火アシスト用混合気の燃焼による熱発生量の割合である燃焼割合を増加させ、
前記制御装置は、前記燃料の補給が実施されたときに、前記予測を行う
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記内燃機関は、前記内燃機関の実圧縮比、吸気温度、および前記気筒内の残留既燃ガス量のうちの少なくとも1つを制御する1または複数のアクチュエータを備え、
前記制御装置は、総燃料噴射量に対する前記着火アシスト用燃料噴射による燃料噴射量の割合が増加するように前記燃料噴射弁を制御し、かつ、前記実圧縮比の低下、吸気温度の低下、および前記気筒内の残留既燃ガス量の減少のうちの少なくとも1つが実行されるように前記1または複数のアクチュエータを制御することにより、前記燃焼割合を増加させる
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。 - 前記制御装置は、前記燃焼割合を増加させるときに、前記着火アシスト用燃料噴射の時期を進角させる前記燃料噴射弁の制御を伴う
ことを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の制御装置。
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