JP2008190511A - 直噴ガソリンエンジンの排気低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
始動時のＨＣ排出を低減し、排温上昇を早くできる直噴エンジンシステム。
【解決手段】
エンジン回転数の時間変化を検出し、これを統計処理することで各気筒の燃焼安定度を算出して記録し、これに基づき、燃料噴射時期，噴射量，点火時期などを気筒別に制御する。インジェクタの噴霧などに初期または経時変化によるばらつきが生じてもこれを補正し、燃焼安定性を保ちながら十分な点火リタード量を確保でき、排気温度を上昇させて触媒の早期活性化をはかり、失火を防止しながらＨＣ、スートを低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、主として点火により燃焼させる内燃機関に関する。

従来、シリンダ内に直接燃料を噴射する火花点火式ガソリンエンジンが広く知られている。この種のエンジンに特徴的な技術として、始動時に圧縮行程に燃料を噴射し、混合気を点火プラグの近傍に偏らせて存在させ、同時に点火時期の遅角（リタード）を行なうことにより、有効なトルクにならない燃焼分、いわゆる後燃えの割合を増やして排気温度を上げ、触媒の活性化を早めて排気中の未燃炭化水素（以下ＨＣ）を減少させる方法が広く知られている。

これに対応する技術として、特許文献１に示されているようなものがある。

特開平８−２９１７２９号公報

一般に点火時期のリタード量が大きくなるほど排気温度を上げることができ、触媒の早期活性化に有利であるが、リタードに伴い燃焼安定性は悪化する傾向にあるため、エンジンの振動が増加して乗員に不快感を与えたり、失火を招き、かえってＨＣの排出量が増えてしまうという課題がある。

また、リタード量はあらかじめ決めた値を、制御用コンピュータのマップを参照することにより行なっているが、エンジンとしての点火リタードの許容量は、例えばインジェクタの噴霧方向などの初期製造ばらつき、取り付け時の方向ばらつきや、燃焼室，ピストンへのデポジット付着，経時変化などによってかなり異なることが分かっている。そのため、目標とする点火時期マップは失火を起こさないように、安全を見込んでかなり進角側に設定しなければならず、十分な排気温度，排気浄化性能を得られないという課題がある。

また、点火時期が進角側に設定されることにより、燃料噴射から点火までの時間、すなわち気化時間を十分に長くとることができなくなり、未気化燃料の拡散燃焼によって生じるスート（すす，粒子状物質、以下スート）の低減を十分に行なうことができなくなるという課題がある。

本発明の目的は、簡易な構成により、始動直後に十分な点火リタード量を確保することである。

シリンダとピストンとで形成された燃焼室へ燃料を噴射するインジェクタと、燃焼室に噴射された燃料に点火するための点火プラグと、シリンダの吸気側に設けられた吸気弁と、シリンダの排気側に設けられた排気弁とを有する内燃機関を制御する制御装置において、内燃機関は、エンジンの燃焼安定度を検出する燃焼安定度検出機構を備えており、制御装置は、インジェクタを駆動するためのインジェクタ駆動回路と、点火プラグへの点火信号を出力する点火出力回路とを有し、燃焼安定度に基づいて、インジェクタ駆動回路と点火出力回路とを制御することにより、点火時期と噴射時期とを制御することを特徴とする制御装置。

本発明によれば、簡易な構成により、始動直後に十分な点火リタード量を確保することができる。

まず、エンジンのシリンダ毎の燃焼安定性を検出する機構、例えばエンジン回転数の時間変化を検出し、各シリンダのサイクル毎の燃焼圧力を検出し、これを記録し、統計処理することにより、各シリンダの燃焼安定性を検出し、燃焼安定性指標を算出して記録する機構を備える。

さらに、エンジン始動時にシリンダ毎に燃料噴射時期，燃料噴射量，点火時期などの燃焼パラメータに関するパラメータを調節できる機構を備える。

そして、これらを組み合わせて、上記燃焼安定性指標に基づき、燃料噴射時期，噴射量，点火時期などの燃焼に関するパラメータを気筒別に調節し、リタード燃焼が成立するのに好適な点火時期，燃料噴射時期，噴射量に設定する機構を備える。

本実施形態によれば、点火時期のリタード量を可能なだけ大きくして排気温度を上げることができ、触媒の早期活性化に有利で、燃焼安定性を保ち、失火を防止しながら始動直後の排気低減、特にＨＣ，すすの低減が可能である。

また、インジェクタの噴霧や噴射量に初期または経時変化によるばらつきが生じた場合でも、これを補正し、燃焼安定性を保ち、失火を防止しながらＨＣ，スートを低減することができる。

以下に本発明に係る実施例をさらに具体的に示す。

図１かと図２に、本発明の第１実施例におけるシステムの構成図を示す。図１は吸気系と排気系を横側から、図２はエンジン上方から見たものである。なお、本実施例では主として多気筒エンジンを想定しているが、以降の図では簡単のために１つのシリンダについて説明する。

図１，図２において、吸気管１０１は、シリンダヘッド１１８側の端面と吸気制御弁
１０３との間、仕切り板１０２によって上下に分割される。空気の流れの上流部に設けられた吸気制御弁１０３は、吸気管１０１の下部側通路を閉塞するように取り付けられている。

インジェクタ１２２は、シリンダ１２３内に直接燃料を噴射するように取り付けられている。

図１および図２の右下側より空気が吸入され、エアクリーナ１０６を通り、エアフローメータ１０５で流量を計測し、電子制御スロットルチャンバ１０４で流量を調節した後、コレクタ１１６で各気筒に分配される。その後、前述した吸気管１０１を通り、吸気弁
１１１が開いた際にシリンダ１２３に流入する。シリンダ１２３内で燃焼したガスは、排気弁１１２，排気管１１０，触媒１１５を通り、消音器１１７を通って大気中に排気される。

クランク角センサ３０１は、クランク軸に取り付けられたリングギヤ３０２の歯数をカウントし、クランク角として計測するとともに、歯と歯の時間間隔を計測し、エンジン回転数と、その時間変化を求めることができる。リングギヤの歯数は多いほうがクランク角の計測精度が高くなるが、多すぎると部品精度が必要になり高価になるため、適切な歯数を選択する必要がある。本実施例では、歯の位置精度として±１°、歯数として１周３６歯以上、すなわち歯の幅が５°以下、谷の幅が５°程度以下であればよい。

インジェクタ１２２の燃料噴射時期と点火プラグ１１３の点火時期と吸気制御弁１０３と電子制御スロットル１０４の開度とは、エアフローメータ１０５で計測される吸入空気量や、燃圧センサ１３３によって計測される燃料ギャラリ１３２内の燃料圧力や、クランク角センサ３０１で求められたエンジン回転数や、アクセルペダルの開度や、エンジン水温や、車速（いずれもその入力側センサを図示していない）などの情報を元に、コンピュータ２０１によって適切な値および時期に設定および制御される。

点火については、コンピュータ２０１から点火コイル１１４に点火パルス信号を与えると、高電圧が発生し、点火プラグ１１３に点火用の火花が飛ぶようになっている。

燃料噴射については、コンピュータ２０１からインジェクタ１２２に噴射パルス信号を与えると、それに応じた開弁時間でインジェクタ１２２の作動が行なわれる。なお、実際の燃料噴射量は、この開弁時間と、燃圧センサ１３３によって計測される燃料ギャラリ
１３２内の圧力によって変わるため、コンピュータ２０１はこの燃圧を考慮してパルス幅を決定する。

さらに、コンピュータ２０１には、エンジンの燃焼が安定を保てる範囲でできるだけ燃料噴射時期，点火時期をリタードできるように、気筒別に学習値を設定し、エンジンを停止している際にも保存するようにする。特にエンジンの始動時に燃焼が保てる範囲を設定する。

エンジンの低負荷時など、エンジンにとって空気流動が必要な状態であると判断されると、コンピュータ２０１は、吸気制御弁１０３を閉じ方向に制御し、より最適なタンブル強度になるようにする。

図３から図５に、第１の実施例における始動時のフローチャートを示す。

図３には始動時のジェネラルフローチャートを示す。イグニッションキーがオンになると、コンピュータ２０１が通電される。その後スタータスイッチがオンになると、スタータモータに通電され、エンジンの回転に伴い気筒判別が行なわれる。

次に、スタータを回し、エンジンを始動する。その後、始動後のファストアイドル状態であると判定されると、図３フローチャート右側の制御に進む。

図３フローチャート右側の制御では、前回の冷間時エンジン始動の際に記憶させておいた、点火時期ＡＤＶ，噴射時期ＩＴ１，ＩＴ２の気筒毎のテーブルを読み込み、コンピュータ２０１がインジェクタ１２２、および点火コイル１１４にパルス通電することにより、それぞれ燃料噴射および点火を行なう。その後、燃焼安定度判定ルーチンに移行する。このルーチンの詳細は図８で解説する。ここで、燃焼安定度とは、・・・を意味する。

次に、気筒別に点火時期および燃料噴射時期をリタードする。この制御は本実施例に特有のものであり、燃焼安定度を損なうことなく、排気温度およびスート量，ＨＣ濃度をできるだけ下げるような燃料噴射時期および点火時期に補正し、設定するものである。このルーチンの詳細は図４および図５で解説する。そして、全気筒についてこの制御を行なった後、触媒温度センサ３０３または排気温度センサ３０４の温度を参照し、触媒が活性化する温度条件を満たしていれば、本実施例の点火時期リタード制御は終了し、通常制御に移行する。触媒温度センサ３０３の温度がまだ上がっていない場合には、再び１番目気筒から順に燃焼安定度を判定し、燃料噴射時期、または点火時期の適切なリタード量を設定する。

図４から図５に、点火および噴射時期補正学習制御のサブフローチャートを示す。図４は、当初の燃料噴射時期および点火時期において燃焼安定度に余裕がある場合の制御を示す。図５は逆に、当初の燃料噴射時期および点火時期において燃焼安定度が不足している場合の制御を示す。

図４で、図３の点火および噴射時期における燃焼安定度が基準値よりも低い、すなわち安定側であると判定されると図４の次の制御に、逆に燃焼不安定であると判定されると、図５のサブルーチンに移る。

燃焼が安定である場合、図４のフローＡで、まず、１回目の燃料噴射時期ＩＴ１のみを、あらかじめ決められたΔｔ１分だけ遅角させ、次のサイクルで噴射および点火を行ない、燃焼安定度を判定する。Δｔ１は制御上のゲインにあたり、大きすぎると燃焼の変化が大きくなるが、小さすぎると最適値を探すのに時間がかかるようになる。一般的にはΔt1はクランク角で２°〜５°程度が適切である。

このとき、安定度がＮＧであれば１回目の燃料噴射時期ＩＴ１を元の値に戻し、燃料噴射時期および点火時期をデータとしてストアし、サブルーチンを終了する。燃焼安定度がＯＫであればフローＢにおいて、燃料噴射時期ＩＴ１をリタードさせたまま、２回目の燃料噴射時期ＩＴ２と、点火時期ＡＤＶをΔｔ２だけリタードする。Δｔ２はΔｔ１と同じ値、すなわちクランク角で２°〜５°程度が適切であると考えられる。一般に燃焼安定範囲とは、点火から噴射までの時間が略等しい状態を中心に分布する場合が多いため、この点からもΔｔ１とΔｔ２を同じ値にすることが望ましい。すなわち、例えば最初にＩＴ１＝４０°ＢＴＤＣ，ＩＴ２＝１４°ＡＴＤＣ，ＡＤＶ＝１６°ＡＴＤＣ，Δｔ１＝Δｔ２＝４°であったとするならば、ＩＴ１＝３６°ＢＴＤＣ,ＩＴ２＝１８°ＡＴＤＣ,ＡＤＶ＝２０°ＡＴＤＣのようになる。

そして再び燃料噴射および点火を行ない、燃焼安定度を判定する。このとき、安定度
ＯＫであれば、さらなる燃料噴射時期，点火時期のリタードを狙い、フローＡに戻る。
ＮＧであれば１回目の燃料噴射時期ＩＴ２，ＡＤＶを元の値に戻し、燃料噴射時期および点火時期をデータとしてストアし、サブルーチンを終了する。

図５では、フローＣにおいて、１回目の燃料噴射時期をΔｔ１だけ進角させ、噴射および点火を行ない、燃焼安定度を判定する。燃焼安定がＯＫであれば燃料噴射時期および点火時期をデータとしてストアし、サブルーチンを終了する。燃焼安定がＮＧであれば、次のフローＤにおいて燃料噴射時期ＩＴ２、点火時期ＡＤＶをΔｔ２だけ進角し、噴射，点火を行ない、再び燃焼安定度を判定する。ここで燃焼安定がＯＫであれば、データをストアしてサブルーチンを終了する。ＮＧの場合、まだ燃焼安定が足りないので、再びフローＣに戻る。このようにして、燃焼安定度がＯＫである範囲内で、できる限り燃料噴射時期、ならびに点火時期が保てるように制御する。

図６および図７に、クランクセンサの検出波形から燃焼安定度を判定する例を示す。図６および図７において、各気筒の上死点すなわちＴＤＣ付近では、圧縮による仕事が必要なため、図１に示したクランク軸３００の回転速度が遅くなり、リングギヤ３０２の歯がクランク角センサ３０１によって検出される頻度も下がり、図６のｂおよびｄ、図７の
ｂ′およびｄ′のような波形となる。これに対し、圧縮上死点後の膨張行程では、爆発によりクランク軸３００の速度は上がり、図６のａおよびｃ、図７のａ′およびｃ′のような波形が観測される。ここで、図６のｃと図７のｃ′を比較すると、ｃのほうが単位時間あたりの山の数が多く、ｃの方がクランク軸３００の速度が上がっていることが分かる。すなわち、燃焼圧力が強いほどクランク軸３００の速度が上がるので、クランク軸３００の速度を高い時間分解能で検出し、膨張行程における回転数の差を数値化すれば、燃焼圧力をクランク軸３００の速度によって検出できることになる。

さらに、ここで求まった回転速度すなわち燃焼圧力について、気筒別，時系列にデータを取得することにより、これらの標準偏差、すなわち燃焼安定度を得ることができる。

図８に、燃焼安定度を判定するフローチャートを示す。まず、クランク角センサ３０１によって検出されるリングギヤ３０２の歯をエンジン回転パルスとして取り込み、歯と歯の時間間隔から、時々刻々の回転角速度を演算し、これらから駆動トルクを演算する。そしてクランクの角度を参照し、現在どの気筒によってクランク軸３００の増速、すなわち爆発が起こっているのかを判別する。これらを１サイクル分すなわち全気筒分繰り返し、回転速度の変動を発生トルク、または燃焼圧力の関数として演算し、同時に、ここまでのサイクルにおける回転変動の標準偏差を求める。そして、規定のサイクル数、例えば１０サイクル分の計測を行なったかどうかを調べ、規定サイクル分の計測を行なっていなければフローの先頭に戻り、行なっていれば、気筒別に、回転変動の標準偏差を燃焼安定性の指標としてストアし、サブルーチンを終了する。

なお図示していないが、図３，図４，図５，図８において、運転者のアクセル操作等により、高負荷運転の要求となった場合には、割り込み処理としてファストアイドル時の２回噴射制御を終了し、通常の噴射制御ならびに点火時期制御に移行するものとする。

図９および図１０に、図４または図５のフローに従い、噴射および点火時期を変化させていく様子をそれぞれ示す。図９は燃焼安定度に余裕があり、噴射および点火時期をリタードしていく場合である。また、図１０は燃焼安定がＮＧで、噴射および点火時期を安定度ＯＫの点まで進角していく場合になる。図中の格子点に記した数字は燃焼の安定度を代表した数値で、数字が小さいほど燃焼変動が少なく、安定していることを示す。この例では安定限界を「２０」とする。

点火時期よりも燃料噴射時期を変化させるほうが、相対的な後燃え量の変化が少ないため、排気温度の変化も少なく、また、空気量や燃料噴射量の変化も少ないため、図４や図５のようにまず燃料噴射時期のみを変え、次に点火時期を変え、ファストアイドルの回転数を維持できるように、またはファストアイドルに必要なトルクを維持できるように、空気量，燃料噴射量を変化させて対応する。

図１１に、リタード制御時の点火時期における、従来例と本実施例の違いを示す。この例では４気筒エンジンについて、点火時期を変え、他のパラメータを一定にした場合のグラフを示している。噴霧や空気流動の差により、同一の仕様であっても燃焼安定性には気筒間差があり、従来例では安定性を十分確保するため、もっともリタード限界の低い２番気筒の安定限界値である２０°ＡＴＤＣよりもさらに進角側の、１８°ＡＴＤＣで点火しなければならない。これに対し、本実施例の制御では気筒別に限界まで点火時期をリタードさせることができるので、点火時期リタードに対して安定性の高い１番気筒では約12°、リタード性能が平均的な３番，４番気筒では約７°、もっともリタード限界の低い２番気筒でも２°分だけ、さらにリタードさせることができる。

図１２および図１３に、本実施例と従来例の、ＨＣ排出量，排気温度，スート量を比較したものを示す。図１２は、図１１と同じように、点火時期を可変としたとき、ＨＣ排出量，排気温度，スート量がどのように変化するかをプロットしたものである。発明者らの実験結果によれば、燃焼安定性には各気筒で差があっても、失火などがなければ、ＨＣおよびスートの排出量，排気温度等はほぼ同一とみなせるので、概念的には図１０のように１つのグラフ上に表すことができる。リタード量の大きい第１気筒は排気温度も大きく、スート量，ＨＣ排出量は少ない。各気筒でＨＣ，スートの排出量を小さく、排気温度を高くできるので、結果的に４気筒のトータルでもＨＣ，スートの排出量を少なく、排気温度を高くすることができる。

図１４に、本発明の第２実施例を示す。本図は第１実施例の図２に相当するもので、エンジンとしての基本的な構成は同じであるので説明は省略する。第１実施例と異なり、クランク軸３００にトルクセンサ３０５が取り付けられており、回転変動ではなく、トルクの時間変化より燃焼安定度を算出し、これをもとに、始動後のファストアイドル時，点火時期，噴射時期をリタード限界付近に設定できるようにする。これにより、第１実施例と同様にＨＣ排出量，スート量を低減するとともに、排気温度を上げて触媒１１５を早期に活性化させることができる。

なお、今回の実施例ではいわゆる横噴きタイプのインジェクタを用いた構成で説明したが、本発明の範囲は必ずしもこれに限定されるものではなく、いわゆる直上タイプのインジェクタであっても、燃焼安定性を検出し、これをもとに点火リタード量を変化させる構成であれば、明らかに本発明の範囲に含まれるものである。

さらに、リタード燃焼時の燃料噴射形態を、圧縮−膨張の２回噴射としたが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、燃焼安定性を検出し、これをもとに点火リタード量を可変させる構成であれば、噴射回数を１回、または３回，４回…のように増減させても、さらには吸気行程−圧縮行程噴射のような噴射時期であっても、本発明の範囲に含まれるものである。

以上の実施形態によれば、排気温度を上昇させて触媒の早期活性化をはかり、ＨＣを低減するとともに、燃料の気化時間を長く確保してスートの低減をはかる筒内噴射式ガソリンエンジンを提供できる。

また、インジェクタの噴霧や噴射量にばらつきが生じても、失火を防止しながら規定の燃焼安定をはかることのできる筒内噴射式ガソリンエンジンを提供することができる。

本発明は、シリンダ内に直接燃料を噴射し、点火プラグを有するエンジンであれば、自動車用のみならず幅広い機器の動力源として応用が可能と考えられる。

本発明の第１実施例をシリンダ略横側から見た構成図。 本発明の第１実施例の構成をエンジン上側から見た図。 本発明の第１実施例における始動時のフローチャート。 第１実施例における、リタード方向への点火および噴射時期補正のサブフローチャート。 第１実施例における、進角方向への点火および噴射時期補正のサブフローチャート。 第１実施例で、クランクセンサの検出波形から燃焼安定度を判定する例その１。 第１実施例で、クランクセンサの検出波形から燃焼安定度を判定する例その２。 第１実施例における、燃焼安定度を判定するサブフローチャート。 第１実施例で、フローに従い、点火および噴射時期をリタードさせる遷移図。 第１実施例で、フローに従い、点火および噴射時期を進角させる遷移図。 第１実施例における、従来例と本発明の設定点火時期の差を示した図。 第１実施例における、点火時期と排気温度，ＨＣ排出量，スートの変化を示した図。 第１実施例における、従来例と本発明のＨＣ，スート，排気温度の差を示した図。 本発明の第２実施例における構成図。

符号の説明

１０１ 吸気管
１０２ 仕切り板
１０３ 吸気制御弁
１０４ 電子制御スロットルチャンバ
１０５ エアフローメータ
１０６ エアクリーナ
１０７ ピストン
１０７ａ ピストン上の突起
１１０ 排気管
１１１ 吸気弁
１１２ 排気弁
１１３ 点火プラグ
１１４ 点火コイル
１１５ 触媒
１１６ コレクタ
１１７ 消音器
１１８ シリンダヘッド
１２０ タンブル
１２１ 混合気
１２２ インジェクタ
１２３ シリンダ
１２５ 噴霧
１３２ 燃料ギャラリ
１３３ 燃圧センサ
２０１ コンピュータ
３００ クランク軸
３０１ クランク角センサ
３０２ リングギヤ
３０３ 触媒温度センサ
３０４ 排気温度センサ
３０５ トルクセンサ

Claims (5)

1. シリンダとピストンとで形成された燃焼室へ燃料を噴射するインジェクタと、
   前記燃焼室に噴射された燃料に点火するための点火プラグと、
   前記シリンダの吸気側に設けられた吸気弁と、前記シリンダの排気側に設けられた排気弁と、
   を有する内燃機関を制御する制御装置において、
   前記内燃機関は、エンジンの燃焼安定度を検出する燃焼安定度検出機構を備えており、
   前記制御装置は、前記燃焼安定度に基づいて、点火時期と噴射時期とを制御することを特徴とする制御装置。
2. 前記燃焼安定度検出機構は、前記内燃機関の回転数を計測する機構であり、
   前記制御装置は、前記回転数の変動のばらつきから前記燃焼安定度を算出することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 前記燃焼安定度に基づき、燃焼が安定である範囲内で燃焼を不安定側に制御することを特徴とする請求項１記載の制御装置。
4. 前記燃焼安定度に基づき、
   気筒毎に空燃比，燃料噴射時期、および点火時期を変化させることを特徴とする請求項１記載の制御装置。
5. 燃料噴射時期を変更し、次に点火時期を変更することを特徴とする請求項４記載の制御装置。

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