JP7062332B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

気筒の燃焼室に連なる吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関において、近時、インジェクタをより燃焼室に近い位置に配置する試みがなされている。インジェクタを燃焼室に近づけることで、これが吸気ポート内の高温の雰囲気に曝されるとともに、燃焼室の天井部を構成するシリンダヘッドからも熱伝導を受けるようになる。結果、噴孔を有するインジェクタの先端部の温度が高まる。インジェクタの先端部の温度上昇は、インジェクタから噴射された燃料の気化を促進するとともに、その気化潜熱による燃焼室内温度の低下をもたらす。燃焼室内温度が低下すれば、ノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼のリスクが減少し、点火タイミングを進角させて熱機械変換効率を高めることが許容される。

反面、インジェクタの先端部にデポジットが付着、堆積しやすくなるという副作用を招く。とりわけ、内燃機関の運転停止直後の時期（デッドソーク）には、冷却水の循環及び吸気の流通が停止して放熱作用が失われ、インジェクタ周辺の温度が上昇する。その昇温が、インジェクタの先端部に残存する燃料を蒸発または変質させて、デポジットを発生させる。インジェクタの先端部に堆積したデポジットは、燃料の噴射量や噴霧の特性を変化させることから、内燃機関の始動不良、アイドル回転の不安定化等の不具合の要因となる。

インジェクタへのデポジットの堆積を回避することを企図して、内燃機関の停止中にインジェクタの周囲に燃料を循環させ、その燃料とインジェクタとの間で熱交換を行いインジェクタを冷却することも考えられている（例えば、下記特許文献を参照）。しかしながら、軽自動車に代表される小型車両では、元来内燃機関が小形である上にエンジンルームも狭く、燃料を循環させる通路を新たに配管することが難しい。また、部品点数の増加によるコスト増に繋がるきらいもある。

特開２０１３－１６７１９０号公報

本発明は、内燃機関の停止後におけるインジェクタへのデポジットの堆積を効果的に抑制することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、インジェクタから気筒の燃焼室に連なる吸気ポートに燃料を噴射する内燃機関を制御するものであって、内燃機関の停止前の一定の期間における内燃機関の運転領域の推移を基に内燃機関の停止直後の時期において上昇するインジェクタの先端部の温度を示唆する判定値を算定し、その高低に応じて、内燃機関の停止中にインジェクタから流出させる燃料の量を増減させ、またはインジェクタから燃料を流出させる期間を伸縮する内燃機関の制御装置を構成した。

ここで、「インジェクタの先端部の温度の高低に応じて、インジェクタから流出させる燃料の量を増減させ、またはインジェクタから燃料を流出させる期間を伸縮する」とは、内燃機関の停止直後の時期にインジェクタの先端部の温度が所定以上に高まると考えられる場合に（内燃機関を停止しているにもかかわらず）インジェクタを開弁し、さもなくば（内燃機関の停止中に）インジェクタを開弁せず閉弁したままとすることを含む。

内燃機関の停止直後の時期にインジェクタを開弁してインジェクタから燃料を流出させた場合には、そうでない場合と比較して、その後の内燃機関の始動時における燃料噴射量を減量することが好ましい。

また、内燃機関の停止直後の時期にインジェクタを開弁してインジェクタから燃料を流出させるときには、気筒の燃焼室に向かう吸気が流れる吸気通路上に設置されている吸気絞りバルブを閉弁することが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の停止後におけるインジェクタへのデポジットの堆積を効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態における燃料ポンプモータの制御回路を示す図。 同実施形態の内燃機関の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す図。 同実施形態の内燃機関の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。各気筒１の吸気ポート１３近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。

インジェクタ１１は、燃料ポンプ６１から燃料の供給を受ける。燃料ポンプ６１は、燃料タンク内に収容され、燃料タンクに貯留された燃料を吸込んで吐出する既知のインタンク型もので、電動のポンプモータ６２により回転駆動される。図２に示すように、ポンプモータ６２は、車載のバッテリ６３に電気的に接続し、バッテリ６３から電力供給を受ける。

ポンプモータ６２に印加される電流または電圧は、燃料ポンプコントローラ６４を介して制御される。燃料ポンプコントローラ６４は、内燃機関の制御装置であるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０からもたらされる、燃料の吐出流量若しくは吐出圧力を制御する信号ｎを受信する。そして、燃料ポンプ６１が当該信号ｎによって示唆される燃料の吐出出力を達成できるような大きさの印加電流または印加電圧を、ポンプモータ６２に入力する。燃料ポンプコントローラ６４は、印加電流または印加電圧をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するものであることがある。

また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポート１３へと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、吸気絞りバルブである電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポート１４から外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。

内燃機関には、各気筒１の少なくとも吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できる可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構５が付随している。吸気バルブタイミングを調節するためのＶＶＴ機構５は、各気筒１の吸気バルブを駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を液圧（潤滑油圧）によって変化させるベーン式のものや、電動機によって変化させる電動式のもの（モータドライブＶＶＴ）である。周知の通り、カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転駆動力の供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、回転駆動力を伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構５は、カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブの開閉タイミングを変更する。

同様に、排気バルブタイミングを調節するためのＶＶＴ機構は、各気筒１の排気バルブを駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を液圧や電動機によって変化させるものである。なお、このＶＶＴ機構は存在しないことがあり、その場合、排気バルブの開閉タイミングは不変である。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、気筒１に連なる吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、外気温を検出する外気温センサから出力される外気温信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、イグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構５に対してバルブタイミングの制御信号ｍ、燃料ポンプコントローラ６４に対して燃料吐出流量若しくは吐出圧力の制御信号ｎ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ＥＧＲバルブ２３の開度、吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

加えて、ＥＣＵ０は、停止した内燃機関を始動（冷間始動であることもあれば、アイドルストップからの復帰であることもある）するとき、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）。図示せず）に制御信号ｏを入力し、当該電動機により内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。クランキングは、エンジン回転数が始動時の内燃機関の冷却水温等に応じて定まる閾値を超えたら終了する。

図３に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の運転を停止する（ステップＳ１）に際して、その停止中（デッドソーク中）にインジェクタ１１の先端部が所定よりも高い温度まで昇温すると思われる状況下（ステップＳ２）では、内燃機関の停止中に敢えてインジェクタ１１を開弁して（ステップＳ３）インジェクタ１１からごく微量の燃料を流出させ、インジェクタ１１の先端部にデポジットが発生し堆積することを抑制する。

ＥＣＵ０は、内燃機関の停止前の一定の期間における内燃機関の運転領域［エンジン回転数，エンジン負荷率（または、アクセル開度、気筒に充填される吸気量若しくは燃料噴射量）］の推移を基に、内燃機関の停止後のインジェクタ１１の先端部の温度を示唆する判定値を算定する。より具体的には、内燃機関の停止前の一定期間中の所定周期毎に、そのときの運転領域に対応した指標値を得る。指標値は、エンジン回転数が高いほど大きな値とし、またエンジン負荷率が大きいほど大きな値とする。そして、所定周期毎に求めた指標値を積算、換言すれば時間積分することで、判定値を算出する。

さらに、この判定値に、内燃機関の停止前の一定期間における車速（の平均値、中央値または時間積分値）や、外気温等に応じた補正を加えてもよい。その場合には、内燃機関の停止前の一定期間における車速が低いほど判定値を高く補正し、外気温が高いほど判定値を高く補正する。車速を加味するのは、車速が低いほど車両のエンジンルームに吹き込む走行風の流量が少なくなり、エンジンルーム内の温度が上昇することによる。

しかして、ＥＣＵ０は、上記の判定値を閾値を比較し、判定値が閾値を上回っているならば（ステップＳ２）、内燃機関の停止中にインジェクタ１１の先端部の温度が所定よりも高まることが想定され、デポジットの発生が懸念されることから、内燃機関の停止直後の時期にインジェクタ１１を開弁して（ステップＳ３）、内燃機関の停止中に少量の燃料をインジェクタ１１の先端部から流下させる。このとき、必要であれば燃料ポンプ６１を稼働させる。これにより、インジェクタ１１の先端部に残存する燃料が高温で蒸発または変質してデポジットを生じる問題を有効に回避できる。

また、内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁する場合（ステップＳ２、Ｓ３）には、気筒１に連なる吸気通路３上に設置された吸気絞りバルブであるスロットルバルブ３２を閉弁し、インジェクタ１１から流出した燃料成分が吸気通路３を逆流してエンジンルーム内に漏洩することを防止する。

内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁する場合において、インジェクタ１１から流出させる燃料の量は、内燃機関の停止中にインジェクタ１１の先端部の温度が高くなるほど増量することが好ましい。尤も、インジェクタ１１からの燃料の流出量は、デポジットが発生し成長することを抑制できる程度の僅かな量でよい。内燃機関の停止中に上昇するインジェクタ１１の温度は、上記の判定値によって示唆される。判定値が大きいほど、インジェクタ１１の温度の最大値が大きくなると予想される。従って、判定値が大きいほど、内燃機関の停止中のインジェクタ１１の開度（弁体であるニードルの弁座からの変位量）を拡大し、及び／または、燃料ポンプ６１による燃料の吐出流量若しくは吐出圧力を増大させることで、インジェクタ１１からの燃料の流出量を増加させる。

内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁する場合において、インジェクタ１１から流出する燃料の量を増減する（インジェクタ１１の開度及び／または燃料ポンプ６１の出力を調節する）のに代えて、またはそれとともに、内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁する期間の長さを伸縮させてもよい。即ち、内燃機関の停止中にインジェクタ１１の先端部の温度が高まるほど、つまりは上記の判定値が大きいほど、内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁する期間を延長し、インジェクタ１１から燃料を流出させる期間を長くとるのである。

そして、インジェクタ１１の先端部のデポジットの発生を抑制するのに充分な所要期間が経過した（ステップＳ４）後、換言すればインジェクタ１１の先端部の温度が充分に低下した後は、インジェクタ１１を閉弁し（ステップＳ５）、稼働していた燃料ポンプ６１を停止させて、インジェクタ１１からの燃料の流出を止める。

なお、インジェクタ１１の開弁に伴い閉弁したスロットルバルブ３２は、内燃機関を再び始動するときまで閉弁したままとしてもよいし、内燃機関が完全に冷却されてから（内燃機関の停止後一時間ないし数時間以上の時間が経過してから、インジェクタ１１から流下した燃料成分が吸気通路３内で液化してから）所定の開度に開くようにしてもよい。

翻って、上記の判定値が閾値以下であるならば、内燃機関の停止中にインジェクタ１１の先端部の温度が所定よりも高まることは想定し難く、インジェクタ１１の先端部にデポジットが発生する可能性は低いと考えられる。よって、内燃機関の停止直後の時期にインジェクタ１１を開弁せずに閉弁し、内燃機関の停止中にインジェクタ１１から燃料を流出させない。また、内燃機関の停止中にスロットルバルブ３２を所定の開度に開く。

内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁していると、インジェクタ１１から流下した燃料成分が、たとえ少量であるとしても吸気ポートに充ちる。よって、内燃機関を再び始動する際に、この燃料成分が気筒１に吸引されて混合気の空燃比が過剰にリッチとなり、混合気の着火燃焼に支障を来すおそれがある。そこで、図４に示すように、本実施形態のＥＵＣ０は、停止した内燃機関を始動する（ステップＳ６）にあたり、内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁していた場合（ステップＳ７）には、そうでない場合と比較して、始動のためのクランキング中における燃料噴射量を減量補正する（ステップＳ８）。

始動時の燃料噴射量を減量補正する（ステップＳ７、Ｓ８）ときの燃料の減少量は、内燃機関の停止中にインジェクタ１１から流出させる燃料の量が多いほど、及び／または、内燃機関の停止中にインジェクタ１１から燃料を流出させていた期間が長いほど、大きく設定することが好ましい。

本実施形態では、インジェクタ１１から気筒１の燃焼室に連なる吸気ポート１３に燃料を噴射する内燃機関を制御するものであって、内燃機関の停止直後の時期において、インジェクタ１１の先端部の温度が所定よりも高まると考えられる状況下では、インジェクタ１１を開弁してインジェクタ１１から燃料を流出させるとともに、その予想されるインジェクタ１１の先端部の温度が高いほど、インジェクタ１１から流出させる燃料の量を増し、及び／または、インジェクタ１１から燃料を流出させる期間を長くする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の停止後にインジェクタ１１の先端部にデポジットが付着、堆積することを効果的に抑制できる。従って、インジェクタ１１による燃料の噴射量や噴霧特性が不適正に変化することが回避され、内燃機関の始動不良、アイドル回転の不安定化等の不具合の発生を防止することができる。また、上掲の特許文献に記載のシステムのように、インジェクタ１１の周囲に燃料を循環させるための配管類を追加的に設置する必要がなく、徒なコスト増を招かずに済む。

その上で、内燃機関の停止直後の時期にインジェクタ１１を開弁してインジェクタ１１から燃料を流出させた場合には、そうでない場合と比較して、その後の内燃機関の始動時における燃料噴射量を減量するようにしているため、内燃機関の始動時に気筒１に充填される混合気の空燃比が過剰にリッチ化せず、内燃機関の始動不良を招かない。

内燃機関の停止直後の時期にインジェクタ１１を開弁してインジェクタ１１から燃料を流出させるとき、気筒１の燃焼室に向かう吸気が流れる吸気通路３上に設置されている吸気絞りバルブ３２を閉弁すれば、インジェクタ１１から流下する燃料成分が吸気通路３を逆流して漏洩することがない。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０が、より単純に、内燃機関の停止直後の時期にインジェクタ１１の先端部の温度が所定以上に高まると考えられる場合に（内燃機関を停止しているにもかかわらず）インジェクタ１１を開弁し、さもなくば（内燃機関の停止中に）インジェクタ１１を閉弁したままとする制御を実施するものとしてもよい。このときのインジェクタ１１の開度、燃料ポンプ６１の吐出出力、またはインジェクタ１１の開弁期間の長さは、内燃機関の停止直後の時期に上昇するインジェクタ１１の温度の予想最大値または上述の判定値の多寡によらず、一定とすることができる。

インジェクタ１１の先端部の温度を検出できるセンサが実装されている場合には、ＥＣＵ０が当該センサを介して内燃機関の停止直後の時期のインジェクタ１１の先端部の温度を直接センシングし、その温度が所定よりも高くなれば内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁し、さもなくばインジェクタ１１を閉弁したままとすることができる。加えて、ＥＣＵ０がセンシングしたインジェクタ１１の温度の高低に応じて、内燃機関の停止中にインジェクタ１１から流出させる燃料の量を増減させ、及び／または、インジェクタ１１から燃料を流出させる期間を伸縮することができる。

各気筒１の吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを操作するＶＶＴ機構５が電動式のものであるならば、内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁するにあたり、当該ＶＶＴ機構５を操作して、吸気バルブ及び排気バルブがともに開くバルブオーバラップをなくすることができる。さすれば、インジェクタ１１から流下する燃料成分が気筒１及び排気通路４を経由して漏洩することが避けられる。

内燃機関の吸気通路にスロットルバルブとともにアイドルスピードコントロールバルブが設置されている場合には、当該内燃機関の停止中にインジェクタ１１を開弁するにあたり、スロットルバルブとともにアイドルスピードコントロールバルブをも閉弁することが望ましい。周知の通り、アイドルスピードコントロールバルブは、吸気通路におけるスロットルバルブの上流側と下流側とを連通するバイパスを開閉する吸気絞りバルブである。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
３２…吸気絞りバルブ（スロットルバルブ）
ａ…車速信号
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｈ…外気温信号
ｊ…燃料噴射信号
ｋ…開度操作信号
ｎ…燃料ポンプの吐出出力の制御信号
ｏ…クランキング用の電動機の制御信号

Claims (3)

1. インジェクタから気筒の燃焼室に連なる吸気ポートに燃料を噴射する内燃機関を制御するものであって、
   内燃機関の停止前の一定の期間における内燃機関の運転領域の推移を基に内燃機関の停止直後の時期において上昇するインジェクタの先端部の温度を示唆する判定値を算定し、その高低に応じて、内燃機関の停止中にインジェクタから流出させる燃料の量を増減させ、またはインジェクタから燃料を流出させる期間を伸縮する内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関の停止直後の時期にインジェクタを開弁してインジェクタから燃料を流出させた場合、そうでない場合と比較して、その後の内燃機関の始動時における燃料噴射量を減量する請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 内燃機関の停止直後の時期にインジェクタを開弁してインジェクタから燃料を流出させるとき、気筒の燃焼室に向かう吸気が流れる吸気通路上に設置されている吸気絞りバルブを閉弁する請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。

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