(57)【要約】【課題】筒内噴射弁とポート噴射弁とを備えた内燃機関において、筒内噴射弁のノズル部に堆積したデポジットを除去する内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】筒内噴射弁とポート噴射弁から噴射される燃料の噴射量比率を変更することにより、筒内噴射弁のノズル部の温度を故意に変化させる。この温度変化により、筒内噴射弁のノズル部とノズル部に付着・堆積したデポジットとの界面に断続的にせん断力を発生させ、デポジットを剥離して除去する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内に直接燃料を供給する筒内噴射弁と、
吸気ポートに燃料を供給するポート噴射弁と、を備える内燃機関の制御装置において、
前記ポート噴射弁と前記筒内噴射弁とから噴射すべき燃料の総量を目標噴射量として算出する目標噴射量算出手段と、
前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁の噴射量比率を設定する噴射量比率設定手段と、
前期目標噴射量算出手段によって算出された前記目標噴射量と前記噴射量比率設定手段によって設定された噴射量比率から、前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁から噴射する燃料量を算出し、前記燃料量を前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁から噴射する燃料噴射手段と、
前記筒内噴射弁のノズル部にデポジットが所定量堆積したことを判定するデポジット堆積判定手段と、を備え、
前記デポジット堆積判定手段によって、前記筒内噴射弁のノズル部にデポジットが所定量堆積したと判定された場合に、前記噴射量比率設定手段によって、前記筒内噴射弁のノズル部にデポジットが所定量堆積したと判定されていない場合に比べて前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁の噴射量比率を変更して前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁からの燃料噴射を実行することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、吸気通路に燃料を噴射するポート噴射弁とを備える内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、吸気ポートと燃焼室との両方に燃料噴射弁を設置したデュアルインジェクション方式の内燃機関が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１８７０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
筒内噴射弁を備える内燃機関においては、筒内噴射弁から燃料を噴射した際に筒内噴射弁の噴孔近辺に燃料が付着し、付着した燃料がデポジットとなり堆積する虞がある。ここで、筒内噴射弁の噴孔に堆積するデポジットは、燃料噴射による流体力により除去されやすいが、噴孔周囲のノズル部に堆積するデポジットは燃料噴射だけでは除去されにくい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述した課題に対処するためになされたものであり、その目的は、燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、吸気通路に燃料を噴射するポート噴射弁とを備える内燃機関において、筒内噴射弁のノズル部に堆積したデポジットを除去する内燃機関の制御装置を提供することである。
【０００６】
本発明は、燃焼室内に直接燃料を供給する筒内噴射弁と、吸気ポートに燃料を供給するポート噴射弁と、を備える内燃機関の制御装置において、前記ポート噴射弁と前記筒内噴射弁とから噴射すべき燃料の総量を目標噴射量として算出する目標噴射量算出手段と、前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁の噴射量比率を設定する噴射量比率設定手段と、前期目標噴射量算出手段によって算出された前記目標噴射量と前記噴射量比率設定手段によって設定された噴射量比率から、前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁から噴射する燃料量を算出し、前記燃料量を前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁から噴射する燃料噴射手段と、前記筒内噴射弁のノズル部にデポジットが所定量堆積したことを判定するデポジット堆積判定手段と、を備え、前記デポジット堆積判定手段によって、前記筒内噴射弁のノズル部にデポジットが所定量堆積したと判定された場合に、前記噴射量比率設定手段によって、前記筒内噴射弁のノズル部にデポジットが所定量堆積したと判定されていない場合に比べて前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁の噴射量比率を変更して前記筒内噴射弁と前記ポート噴射弁からの燃料噴射を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
筒内噴射弁のノズル部の温度は、燃料噴射に伴ってノズル部の熱が放熱されるため、根燃料噴射量に応じて変化する。そのため、噴射量比率が変更されて、筒内噴射弁からの噴射量比率が多くなるほど、筒内噴射弁のノズル部の温度が低くなる。また、筒内噴射弁のノズル部とノズル部に堆積したデポジットの線膨張係数は異なるため、昇温時の膨張量又は降温時の収縮量は異なる。そのため、筒内噴射弁とポート噴射弁からの噴射量比率を変更してノズル部の温度を変化させると、線膨張係数の異なるノズル部とデポジットの界面において、せん断力が断続的に発生する。それにより、ノズル部とデポジットの接着力が低下し、ノズル部からデポジットを除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態における内燃機関の制御装置の概略構成。
【図２】筒内噴射弁の噴孔付近の概略構成。
【図３】内燃機関の制御装置のブロック図。
【図４】デポジット除去メカニズムの概略図。
【図５】筒内噴射弁の噴射量比率とノズル部温度との関係図。
【図６】本実施形態における制御フローチャート
【図７】本実施形態におけるタイムチャート
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態が適用される内燃機関１を示す。内燃機関１は、シリンダブロック２およびシリンダヘッド３を有し、シリンダブロック２内にはピストン４が摺動可能に設置されている。シリンダヘッド３には、吸気ポート５、排気ポート６および燃焼室７が形成されている。
【００１１】
シリンダヘッド３には、筒内噴射弁８が燃焼室７に直接噴射するように設置されている。吸気ポート５には、ポート噴射弁９が設置されている。燃焼室７の頂部には点火栓１０が設置されている。図２は、筒内噴射弁８の燃焼室７側の先端部の軸方向断面図あり、筒内噴射弁８の先端部には燃料が噴射される噴孔８ａと、噴孔周辺部のノズル部８ｂを備える。
【００１２】
図３は、本実施形態の制御装置のブロック図を示す。内燃機関１を制御するＥＣＵの入力ポートには、内燃機関１の排気ガスの空燃比を計測するための空燃比センサ、排気ガスに含まれるＰＭ量等を計測するＰＭセンサ、内燃機関１の水温を計測するためのエンジン水温センサ、内燃機関１の回転速度を計測するためのＮｅセンサ、アクセルの開度を計測するアクセル開度センサ等が接続されている。ＥＣＵは、各種センサによる信号を基に、筒内噴射弁８とポート噴射弁９から噴射する燃料の総噴射量及び噴射量比率を算出している。
【００１３】
続いて、通常時の内燃機関１の制御について説明する。通常時は、図３に示すＥＣＵへの各入力信号に基づいて、所望の燃費性能・排気浄化性能・出力性能等が得られるよう筒内噴射弁８とポート噴射弁９から噴射する燃料の総噴射量及び噴射量比率を算出し、算出された総噴射量及び噴射量比率に基づいて、筒内噴射弁８とポート噴射弁９からの燃料噴射を行う。ここで、内燃機関の作動時間が増加するにつれて、徐々に筒内噴射弁８のノズル部８ｂにデポジットが堆積していく。噴孔に堆積したデポジットの場合には、燃料噴射による流体力により除去することができる。しかし、ノズル部８ｂに堆積したデポジットの場合には、燃料を噴射してもデポジットを除去することができない。
【００１４】
そこで、筒内噴射弁８のノズル部８ｂに堆積したデポジットを除去する方法として、ノズル部８ｂとデポジットとの線膨脹係数の相違を利用する。一般に、筒内噴射弁８のノズル部８ｂはＳＵＳ等の金属部材によって構成され、デポジットは炭化水素によって構成されている。ここで、図５は、ＳＵＳ等の金属部材に炭化水素で構成されるデポジットが付着した場合を表している。金属部材と炭化水素で構成されるデポジットとでは線膨張係数が異なる。そのため、金属部材と炭化水素で構成されるデポジットを昇温又は降温した場合、それぞれの膨張量又は収縮量に差が生じ、金属部材と炭化水素で構成されるデポジットとの界面においてせん断力が発生する。図４（ａ）で示すように、昇温時には、線膨張係数の大きい金属部材は線膨張係数の小さい炭化水素で構成されるデポジットよりも膨張量が大きいため、界面においてせん断力が発生する。ここで、図４（ａ）の矢印は、膨張量の相違を示したものである。また、図４（ｂ）で示すように、降温時には、線膨張係数の大きい金属部材は線膨張係数の小さい炭化水素で構成されるデポジットよりも収縮量が大きいため、界面において昇温時と逆方向にせん断力が発生する。ここで、図４（ｂ）の矢印は、収縮量の相違を示したものである。そして、金属部材と炭化水素で構成されるデポジットに対して昇温と降温を切り替えることで、せん断力を断続的に発生させることにより、金属部材に対する炭化水素で構成されるデポジットの接着力が低減していき、炭化水素で構成されるデポジットが金属部材から剥離し、除去される。
【００１５】
線膨張係数の相違によるせん断力によりデポジットの剥離を生じさせるための温度変化を与える手段として、筒内噴射弁８とポート噴射弁９とを備える内燃機関１においては、筒内噴射弁８とポート噴射弁９との噴射量比率を変更することができる。筒内噴射弁８のノズル部８ｂは、燃料噴射に伴い燃料に熱を持ち去られるため、筒内噴射弁８からの噴射量が多くなるほどノズル部８ｂの温度が低くなる。
【００１６】
図５は、内燃機関１の回転数及び負荷を固定した条件のもと、筒内噴射弁８の噴射量比率を増加させた際の筒内噴射弁８のノズル部８ｂの温度の一例を示したものである。この例からも、筒内噴射弁８の噴射量比率が大きくなるにつれて筒内噴射弁８のノズル部８ｂの温度が低下することがわかる。
【００１７】
筒内噴射弁８とポート噴射弁９との噴射量比率を変更することにより、筒内噴射弁８のノズル部８ｂの温度が変化するため、ノズル部８ｂに堆積したデポジットもノズル部８ｂとの熱伝搬により温度変化が生じる。その際、ノズル部８ｂとデポジットとの線膨脹係数の違いにより、膨脹量又は収縮量に差が生じることとなり、ノズル部８ｂとデポジットとの界面においてせん断力が発生する。そして、筒内噴射弁の噴射量比率を通常時の制御に比べて大きく又は小さくすることを切り替えることにより、断続的にノズル部８ｂとデポジットとの界面にせん断力を発生させ、デポジットを剥離させることができる。
【００１８】
ここから、本実施形態の具体的制御内容について図６の制御フローチャートで説明する。本制御は、通常時の内燃機関１の制御の際に適宜行われる。Ｓ１では、ノズル部８ｂにデポジットが堆積しているかを判定する。ノズル部８ｂにデポジットが堆積しているかを判定する手段としては、内燃機関１の排気ガスに含まれるＰＭ（Particulate Matter）の量を測定することが考えられる。ＰＭの量は、図示しないＰＭセンサを用いて算出する。ノズル部８ｂにデポジットが堆積していくと、筒内噴射弁８から燃料を噴射する際に燃料の一部が堆積したデポジットに吸着し、局所的にリッチな雰囲気が形成される。そのため、ＰＭが発生しやすい環境となる。そこで、ＰＭセンサによりＰＭの量を測定し、所定のＰＭ量以上となった場合に、ノズル部８ｂにデポジットが堆積していると判定することができる。
【００１９】
Ｓ１でノズル部８ｂにデポジットが堆積していないと判定された場合には、本制御フローを終了する。内燃機関１は通常時の制御が行われ、図３に示すＥＣＵへの各入力信号に基づいて、所望の排気浄化性能・内燃機関の出力等が得られるよう筒内噴射弁８とポート噴射弁９から噴射する燃料の噴射量比率を算出し、算出された噴射量比率に基づいて、筒内噴射弁８とポート噴射弁９からの燃料噴射を行う。
【００２０】
一方、Ｓ１によってデポジットが堆積していると判定された場合には、Ｓ２に進み、通常時の制御とは異なるデポジット剥離モードに設定され、本制御フローを終了する。デポジット剥離モードでは、通常時とは異なるように筒内噴射弁８とポート噴射弁９から噴射する燃料の噴射量比率を変更する。具体的には、同一の運転点に対して、通常時よりも燃料噴射に伴うノズル部８ｂの放熱を小さくすることで通常時よりもノズル部８ｂが昇温された形となるノズル部昇温制御と、通常時よりも燃料噴射に伴うノズル部８ｂの放熱量を大きくすることで通常時よりもノズル部８ｂが降温された形となるノズル部降温制御と、を切り替えて行う。ノズル部昇温制御では通常時よりも筒内噴射弁の噴射量比率を小さくし、ノズル部降温制御では通常時よりも筒内噴射弁の噴射量比率を大きく設定している。
【００２１】
なお、ノズル部昇温制御としては、筒内噴射弁の噴射量比率を０％（ポート噴射弁の噴射量比率１００％）とすることが好ましい。筒内噴射弁８のノズル部８ｂに堆積するデポジットは筒内噴射弁８から噴射した際の付着燃料に起因するため、ノズル部昇温制御時には筒内噴射弁から燃料を噴射しないことにより、新たなデポジットの堆積を抑制することができる。
【００２２】
デポジット剥離モードが選択されると、ノズル部昇温制御とノズル部降温制御とを切り替えることによって、筒内噴射弁８とポート噴射弁９の噴射量比率を通常時とは異なる比率に変更する。なお、デポジットの除去性能に影響を与えない範囲内で、且つ通常時の燃費性能・排気浄化性能・出力性能等極力影響を受けないように筒内噴射弁８とポート噴射弁９からの全噴射量及び噴射量比率を制御することが望ましい。ノズル部昇温制御とノズル部降温制御との切り替えは１回の切り替えでも、所定期間毎に複数実行してもよい。その際、所定期間毎に切り替えを実行する場合には、選択する所定期間は一定の値でもよく、切り替え毎に変更しても良い。そして、ＰＭセンサを用いて、内燃機関１の排気ガスに含まれるＰＭ量が所定量以上低下した場合にデポジットがノズル部８ｂから剥離したと判断して、デポジット剥離モードを終了して通常時の制御に切り替え、本制御を終了する。なお、デポジット剥離モードが所定期間（例えば１０分間）実行された場合にデポジットがノズル部８ｂから剥離した判断して、デポジット剥離モードを終了して通常時の制御に切り替えることとしてもよい。
【００２３】
ここで、図７を用いて制御の一例を説明する。ここでは、ノズル部昇温制御とノズル部降温制御とを所定期間毎に切り替える場合を記載する。ｔ１で筒内噴射弁８のノズル部８ｂにデポジットが堆積していると判定されてデポジット剥離モードになると、筒内噴射弁８とポート噴射弁９から噴射される燃料の噴射量比率をノズル部降温制御に切り替える。すると、ノズル部８ｂの温度は徐々に低下する。その後１分間ノズル部降温制御を行ったあと、ｔ２でノズル部昇温制御に切り替えると、ノズル部８ｂの温度は徐々に増加する。その後１分間ノズル部昇温制御を行ったあと、ｔ３で再度ノズル部降温制御に切り替える。この切り替えを繰り返し実行し、ノズル部８ｂに堆積したデポジットが剥離されたと判定された場合に、ｔ７でデポジット剥離モードを終了し、通常時の内燃機関１の制御が行われる。なお、ここではデポジット剥離モード選択時にノズル部降温制御に切り替えたが、ノズル部降温制御より先にノズル部昇温制御を行うように切り替えてもよい。
【００２４】
以上により、ノズル部降温制御とノズル部昇温とを切り替えることでノズル部８ｂとデポジットの膨張量又は収縮量を変更することにより、ノズル部８ｂとデポジットとの界面で断続的にせん断力を発生させ、ノズル部８ｂに対するデポジットの接着力を低減させてデポジットを剥離し、除去することができる。また、筒内噴射弁８とポート噴射弁９から噴射する燃料の噴射比率を変更しているため、筒内噴射弁８とポート噴射弁９の双方から燃焼室内に供給される燃料量の変動を抑えることができ、通常時とデポジット剥離モードとで内燃機関１のトルク変動を抑制することもできる。
【００２５】
なお、Ｓ１のデポジット堆積判定手段は排気ガスに含まれるＰＭ量を参照することに限られない。内燃機関の作動時間が所定時間を超えたり、内燃機関が車両に搭載されている場合には、走行距離が所定距離を超えたり、走行時間が所定時間を超えた場合にデポジットが堆積したと判定しても良い。例えば、１０００ｋｍ毎又は相当する走行時間に達した場合に、デポジット剥離モードに設定しても良い。走行距離や走行時間が大きくなるほどデポジット堆積量は増加して行く。そのため、走行距離や走行時間を参照することにより、デポジットが堆積することを判定することができる。また、空燃比センサを用いて、空燃比のフィードバック制御を行う際の補正量が所定量以上となった場合に、デポジットが堆積したと判定しても良い。ノズル部８ｂに堆積したデポジットが大きくなると、デポジットが噴孔内に侵入することがある。この場合、デポジットはノズル部８ｂと接着面積が大きくなるため燃料噴射による流体力だけでは噴孔内のデポジットが除去できず、噴孔８ａの開口面積が小さくなることから、燃料噴射量が低下する虞がある。想定した燃料噴射量よりも少なくなることから空燃比がリーンとなるため、フィードバック補正量が大きくなる。従って、補正量が大きい場合には、ノズル部８ｂにデポジットが堆積していると判定することができる。
【００２６】
また、Ｓ２において、ノズル部降温制御とノズル部昇温制御とを切り替えているが、通常時に、筒内噴射弁の噴射量比率が十分に大きく、ノズル部降温制御によるノズル部８ｂの温度変化が少ない場合は、デポジット剥離モードとしてノズル部昇温制御と通常時の制御とを切り替えることにしてもよい。また、筒内噴射弁の噴射量比率が十分に小さくノズル部昇温制御によるノズル部８ｂの温度変化が少ない場合は、デポジット剥離モードとしてノズル部降温制御と通常時の制御とを切り替えることにしてもよい。また、通常時の内燃機関１の筒内噴射弁の噴射量比率にかかわらず、通常時の内燃機関１の制御からノズル部降温制御、又はノズル部昇温制御に切り替えるだけで、ノズル部８ｂとデポジットの温度変化によりノズル部８ｂからデポジットを剥離できるのであれば、ノズル部降温制御とノズル部昇温制御のいずれか一方と通常時の内燃機関１の制御とを切り替えるようにしても良い。
【００２７】
また、本制御は内燃機関１の排気通路に設けられた触媒の暖機後に実施することが好ましい。触媒の暖気中に筒内噴射弁８の噴射量比率を予め設定された暖機中の筒内噴射弁８の噴射量比率から変更してしまうと、触媒が活性化しておらずエミッションが悪化してしまう虞があるため、内燃機関１が暖機された後に実行することで、エミッションの悪化を抑制しつつデポジットの除去を行うことができる。
【符号の説明】
【００２８】
１…内燃機関、２…シリンダブロック、３…シリンダヘッド、４…ピストン、５…吸気ポート、６…排気ポート、７…燃焼室、８…筒内噴射弁、８ａ…噴孔、８ｂ…ノズル部、９…ポート噴射弁、１０…点火栓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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