(57)【要約】【課題】可変圧縮比機構を備える内燃機関において、設定された圧縮比にかかわらず高い燃焼効率並びに高い耐ノック性を実現すること。【解決手段】制御ユニット４０は、算出した要求トルクおよび機関回転数をパラメータとして設定圧縮比εを決定し、設定された機械圧縮比εを実現するためにアクチュエータ２１に対して制御信号を送信する。制御ユニット４０は、設定された機械圧縮比εをパラメータとして、燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定し、決定された燃料噴射時期に燃料噴射弁ＩＪから決定された燃料噴射圧力にて燃料噴射を実行する。【選択図】  図１
2004218433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内に燃料が直接噴射される内燃機関の制御装置であって、
前記内燃機関の運転負荷に応じて、前記内燃機関の機械圧縮比を決定する圧縮比決定手段と、
前記内燃機関の機械圧縮比を前記決定された圧縮比に設定する可変圧縮比機構と、
前記気筒内に直接燃料を供給する燃料噴射装置と、
前記可変圧縮比機構により設定された圧縮比に応じて、前記燃料噴射装置により噴射される燃料の噴射圧力および前記燃料噴射装置により燃料を噴射する燃料噴射時期の少なくとも一方を決定する燃料噴射条件設定手段と、
前記決定された燃料噴射条件に従い前記燃料噴射装置を制御する燃料噴射装置制御手段とを備える内燃機関の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
前記圧縮比決定手段は、前記内燃機関の運転負荷が大きくなるにつれて、前記機械圧縮比を低く決定する内燃機関の制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
前記燃料噴射条件設定手段は、前記圧縮比決定手段により決定された圧縮比が低下するにつれて前記噴射圧力を増大させる内燃機関の制御装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置において、
前記燃料噴射条件設定手段は、前記圧縮比決定手段により決定された圧縮比が低下するにつれて前記燃料噴射時期を遅らせる内燃機関の制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、
前記遅らされた燃料噴射時期は、圧縮行程時である内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備えた気筒内噴射型の内燃機関における内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の運転状態に応じて、内燃機関の機械圧縮比を変更する可変圧縮比機構が提案されている。可変圧縮比機構を備える内燃機関では、一般的に、低負荷運転領域では、ノッキングの発生のおそれがないため圧縮比を高く設定して燃費率の向上が図られている。一方、高負荷運転領域では、ノッキングの発生を回避しつつ高トルクを得るために圧縮比が低く設定される。
【０００３】
また、上死点位置にあるピストンの頂面とシリンダヘッド内壁面とで形成されるスキッシュ（隙間）が内燃機関の燃焼に影響を及ぼすことが知られており、スキッシュによりもたらされるスキッシュ作用によって、燃焼室内における混合気の撹拌が促進され、燃焼が促進される。可変圧縮比機構を備える内燃機関において、高圧縮比時にスキッシュを形成する技術が例えば、特許文献１に開示されている。また、他にも可変圧縮比機構を備える内燃機関に関する技術が知られている（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
実開昭６２−１３３９３９号公報
【特許文献２】
実開平４−７９９４６号公報
【特許文献３】
特開平９−２０９７８７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、可変圧縮比機構を備える内燃機関においてスキッシュの形成の有無が問題となるのは、上死点位置にあるピストン頂面とシリンダヘッドの内壁面との距離が拡大する低圧縮比の場合である。すなわち、一般的に、可変圧縮比機構を備える内燃機関では、ピストンが最もシリンダヘッドに近接する状態（高圧縮比時）で最適なスキッシュが形成されるよう設計されており、ピストンがシリンダヘッドから離間する低圧縮比時には、十分なスキッシュ作用を得ることができない。
【０００６】
その結果、燃焼室内における混合気の撹拌が期待できず、燃焼は緩慢となり、燃焼効率が悪くなると共に、燃焼速度の遅延に起因してノッキングが発生してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、可変圧縮比機構を備える内燃機関において、設定された圧縮比にかかわらず高い燃焼効率並びに高い耐ノック性を実現すること、特に、低圧縮比時における燃焼効率の向上およびノッキングの防止を図ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、気筒内に燃料が直接噴射される内燃機関の制御装置を提供する。本発明の第１の態様に係る内燃機関の制御装置は、前記内燃機関の運転負荷に応じて、前記内燃機関の機械圧縮比を決定する圧縮比決定手段と、前記内燃機関の機械圧縮比を前記決定された圧縮比に設定する可変圧縮比機構と、前記気筒内に直接燃料を供給する燃料噴射装置と、前記可変圧縮比機構により設定された圧縮比に応じて、前記燃料噴射装置により噴射される燃料の噴射圧力および前記燃料噴射装置により燃料を噴射する燃料噴射時期の少なくとも一方を決定する燃料噴射条件設定手段と、前記決定された燃料噴射条件に従い前記燃料噴射装置を制御する燃料噴射装置制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る内燃機関の制御装置によれば、可変圧縮比機構により設定された圧縮比に応じて、燃料噴射装置により噴射される燃料の噴射圧力および燃料噴射装置により燃料を噴射する燃料噴射時期の少なくとも一方を決定するので、設定された圧縮比にかかわらず高い燃焼効率並びに高い耐ノック性を実現することができる。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る内燃機関の制御装置において、前記圧縮比決定手段は、前記内燃機関の運転負荷が大きくなるにつれて、前記機械圧縮比を低く決定しても良い。かかる場合には、圧縮比が低くなることによってノッキングの発生が防止され、高いトルクを出力することができる。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射条件設定手段は、前記圧縮比決定手段により決定された圧縮比が低下するにつれて前記噴射圧力を増大させても良い。かかる場合には、増大された噴射圧力によって混合気の乱れがもたらされ、低圧縮比時における燃焼効率の向上およびノッキングの防止を図ることができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る内燃機関の制御装置において、前記燃料噴射条件設定手段は、前記圧縮比決定手段により決定された圧縮比が低下するにつれて前記燃料噴射時期を遅らせても良い。かかる場合には、燃料噴射時期が遅らされることによって混合気の乱れが点火時期まで維持され、低圧縮比時における燃焼効率の向上およびノッキングの防止を図ることができる。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る内燃機関の制御装置において、前記遅らされた燃料噴射時期は、圧縮行程時であっても良い。かかる場合には、混合気の乱れが点火時期まで維持され、低圧縮比時における燃焼効率の向上およびノッキングの防止を図ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ実施例に基づいて、本発明に係る内燃機関の制御装置について説明する。
【００１５】
図１を参照して本実施例に係る内燃機関の制御装置の概略構成について説明する。図１は本実施例に係る内燃機関の制御装置の概略構成を示す説明図である。
【００１６】
本実施例に係る内燃機関の制御装置は、気筒内噴射型内燃機関、内燃機関の運転状態を制御する制御ユニットおよび内燃機関の運転状態を検出する各種センサを備えている。内燃機関１０は、内部に複数のシリンダ１１を有するシリンダブロック１２、シリンダ１１内を往復動するピストン１３、シリンダブロック１２の底部に配置されたクランクケース１４、シリンダブロック１２（シリンダ１１）の上部に配置されたシリンダヘッド１５を備えている。
【００１７】
本実施例における内燃機関１０には、内燃機関１０の機械圧縮比を所定の範囲内において任意に設定可能な可変圧縮比機構２０が備えられている。可変圧縮比機構２０は、シリンダブロック１２をクランクケース１４に対してピストン１２の運動方向（シリンダ１１の軸方向）に移動させることによって圧縮比を変更する。具体的には、シリンダブロック１２側に備えられたアクチュエータ２１（例えば、モータ）によってシリンダブロック１２の長手方向両側に配置された偏心カム（図示しない）を駆動して、シリンダブロック１２をクランクケース１４から離間若しくは密着させる。シリンダブロック１２がクランクケース１４から離間する方向へ移動させることによって機械圧縮比は低くなる。
【００１８】
シリンダヘッド１５は、各シリンダ１１毎に吸気ポート１６および排気ポート１７を有している。各吸気ポート１６には、吸気側カムＩＣによって駆動されて吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１６１が配置されており、各排気ポート１７には、排気側カムＥＣによって駆動されて排気ポート１７を開閉する排気バルブ１７１が配置されている。
【００１９】
各吸気ポート１６には、吸気管１８の分岐端が連結され、各排気ポート１７には、排気管（排気マニホールド）１９の分岐端が連結されている。吸気管１８の途中には、燃焼室への流入吸気量を制御する吸気制御バルブ３０が配置されている。
【００２０】
本実施例における内燃機関１０は気筒内噴射型の内燃機関であり、シリンダヘッド１５の各シリンダ１１に対応する位置には、燃料噴射弁ＩＪが配置されている。各燃料噴射弁ＩＪには、昇圧ポンプ３１によって昇圧された高圧燃料が燃料デリバリパイプＦＤを介して供給される。昇圧ポンプ３１は、例えば、機械的に駆動されるポンプまたはモータによって駆動されるポンプであり、所定の燃料圧力範囲内において燃料圧力を任意の圧力に昇圧することができる。
【００２１】
シリンダヘッド１５には、この他に、各シリンダ１１に対応する位置に火花点火のための点火プラグ３１が配置されている。
【００２２】
制御ユニット４０は、演算処理機能、マップ、プログラム等を格納する記憶機能を備えている。制御ユニット４０には、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ５０、車両速度を検出する車速センサ５１、機関回転数を検出するクランクポジションセンサ５２、燃料デリバリパイプＦＤ内の燃料圧力（燃料噴射圧力）を検出する燃圧センサ５３といった各種センサが接続されており、内燃機関１０の運転状態を検出する各種センサからの信号が入力される。制御ユニット４０には、燃料噴射弁ＩＪ、可変圧縮比機構２０のアクチュエータ２１、吸気制御バルブ３０、昇圧ポンプ３１、点火プラグ３２が接続されており、機械圧縮比、燃料噴射時期、燃料噴射圧力、点火時期、吸入空気量等が適宜制御される。
【００２３】
次に図２〜図６を参照して、本実施例に係る内燃機関の制御装置によって実行される内燃機関の運転制御処理について説明する。図２は本実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。図３は要求トルクに基づいて設定圧縮比εを決定するためのマップの一例を示す説明図である。図４は設定圧縮比εに基づいて燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定するためにマップの一例を示す説明図である。図５は噴射時期が下死点の場合における、燃料噴射圧力に対する圧縮上死点における混合気の乱れを模式的に示す説明図である。図６は燃料噴射時期に対する圧縮上死点における混合気の乱れを模式的に示す説明図である。
【００２４】
図２を参照して内燃機関の運転制御処理について説明する。本処理ルーチンは所定の時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット４０は、アクセルポジションセンサ５０によって検出されたアクセルペダルの踏み込み量に基づいて要求トルクを算出し（ステップＳ１００）、算出した要求トルクの出力に必要な燃料噴射量を図示しない燃料噴射量マップに基づいて決定する（ステップＳ１１０）。
【００２５】
制御ユニット４０は、図３に示すマップを参照して、算出した要求トルクおよびクランクポジションセンサ５２によって検出された機関回転数をパラメータとして設定圧縮比εを決定する（ステップＳ１２０）。制御ユニット４０は、設定された機械圧縮比εを実現するためにアクチュエータ２１に対して制御信号を送信して、シリンダブロック１２をクランクケース１４に対して離間または密接するよう移動させる。なお、本実施例では、説明を簡単にするために圧縮比εは、低圧縮比と高圧縮比のいずれかに設定される例を用いるが、要求トルクおよび機関回転数に応じて低圧縮比と高圧縮比の間でより細かく変更しても良い。
【００２６】
制御ユニット４０は、設定された機械圧縮比εをパラメータとして、図４に示すマップを用いて燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定する（ステップＳ１３０）。燃料噴射圧力は、設定された機械圧縮比εが低くなるにつれて高い値に決定され、燃料噴射時期は、設定された機械圧縮比εが低くなるにつれて遅い時期に決定される。制御ユニット４０は、燃圧センサ５３から得られるＦＤ内の燃料圧力がが決定された燃料噴射圧力に到達するよう昇圧ポンプに対して駆動信号を送信し、また、決定された燃料噴射時期に燃料噴射弁ＩＪから決定された燃料噴射圧力にて燃料噴射処理を実行して（ステップＳ１４０）本処理ルーチンを終了する。
【００２７】
決定される燃料噴射圧力および燃料噴射時期についてより詳細に説明すると、内燃機関１０の負荷が低く設定圧縮比εが高圧縮比に設定されている場合には、例えば、燃料噴射圧力は約１０ＭＰａに決定され、燃料噴射時期は下死点前６０°ＣＡ程度に決定される。この燃料噴射時期Ｔ１は、図６を参照すれば圧縮上死点において十分な混合気の乱れを得ることができない燃料噴射時期ではあるが、高圧縮比の場合にはスキッシュ作用を得ることができるため、良好な燃焼を得ることができると共にノッキングの発生を防止することができる。
【００２８】
一方、内燃機関１０の負荷が高く設定圧縮比εが低圧縮比に設定されている場合には、例えば、燃料噴射圧力は約２０ＭＰａに決定され、燃料噴射時期は下死点〜下死点後３０°ＣＡ程度の範囲にて決定される。これら燃料噴射圧力Ｐ２および燃料噴射時期Ｔ２は、図５および図６を参照すれば理解されるように、圧縮上死点において十分な混合気の乱れを得ることができるため、低圧縮比であることによってスキッシュ作用を得られない場合であっても、混合気の乱れによって混合気が十分に撹拌され、良好な燃焼を得ることができると共にノッキングの発生を抑制することができる。
【００２９】
圧縮上死点における混合気の乱れは、図５および図６から理解されるように、燃料噴射圧力を高めれば高めるほど、また、燃料噴射時期を遅らせれば遅らせるほど強くなるが、燃料噴射時期をあまり遅らせると燃料と空気とが十分に混合されず、却って燃焼効率が低下し、内燃機関の出力性能、燃費、エミッションの低下を招いてしまう。また、燃料噴射圧力を必要以上に高めると、昇圧ポンプ３１を駆動するために余分な機械エネルギまたは電気エネルギが消費されてしまい車両全体としてのエネルギ効率が低下してしまう。したがって、本実施例において例示したように適正な燃料噴射圧力および燃料噴射時期が存在する。
【００３０】
以上説明したように、本実施例に係る内燃機関の制御装置によれば、内燃機関１０の機械圧縮比に応じて燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定するので、可変圧縮比機構２０により設定された圧縮比が高い場合はもちろんのこと、スキッシュ効果を期待することができない圧縮比が低い場合であっても高い燃焼効率を達成することができると共に、ノッキングを防止することができる。
【００３１】
より具体的には、本実施例に係る内燃機関の制御装置では、燃料噴射時期を下死点〜下死点後３０°ＣＡ程度まで遅らせると共に、燃料噴射圧力を約２０ＭＰａまで昇圧させることによって、ピストン１３が圧縮上死点に到達した際においても強い混合気の乱れが維持されるので、スキッシュ効果を得ることができなくとも、燃焼効率を向上させて燃費を向上させると共に、燃焼速度を上げることによってノッキングの発生を防止する。
【００３２】
また、本実施例に係る内燃機関の制御装置では、高負荷時には圧縮比が低く設定されるので、上記燃料噴射圧力および燃料噴射時期と相まって、ノッキングの発生を回避しつつ高いトルクを出力させることができる。
【００３３】
・その他の実施例：
上記実施例では、可変圧縮比機構２０としてシリンダブロック１２がクランクケース１４に対して移動するシリンダ伸縮タイプを例に取って説明したが、この他にも、例えば、ピストンコンロッドの中間にジョイント部を設け、ピストンの上死点位置を変更する中間折れコンロッドタイプを用いても良い。すなわち、内燃機関１０の機械圧縮比（幾何学圧縮比）を変更可能な機構を備える可変圧縮機構であれば上記実施例によって、低圧縮時にも高い燃焼効率並びにノッキングの防止といった効果を得ることができる。
【００３４】
上記実施例では、内燃機関に要求される要求トルクを算出し、内燃機関の運転負荷として用いているが、この他にも吸気管負圧、１回転当たりの空気量と機関回転数とのマップに基づいて内燃機関の運転負荷を求めても良い。かかる場合には、設定圧縮比εは吸気管負圧等に応じて設定される。
【００３５】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る内燃機関の制御装置について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る内燃機関の制御装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】本実施例における内燃機関の運転制御処理において実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】要求トルクに基づいて設定圧縮比εを決定するためのマップの一例を示す説明図である。
【図４】設定圧縮比εに基づいて燃料噴射圧力および燃料噴射時期を決定するためにマップの一例を示す説明図である。
【図５】噴射時期が下死点の場合における、燃料噴射圧力に対する圧縮上死点における混合気の乱れを模式的に示す説明図である。
【図６】燃料噴射時期に対する圧縮上死点における混合気の乱れを模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０…内燃機関
１１…シリンダ
１２…シリンダブロック
１３…ピストン
１４…クランクケース
１５…シリンダヘッド
１６…吸気ポート
１６１…吸気バルブ
１７…排気ポート
１７１…排気バルブ
１８…吸気管
１９…排気管
２０…可変圧縮比機構
２１…アクチュエータ
３０…吸気制御バルブ
３１…昇圧ポンプ
３２…点火プラグ
４０…制御ユニット
５０…アクセル開度センサ
５１…速度センサ
５２…クランクポジションセンサ
５３…燃圧センサ
ＩＣ…吸気側カム
ＥＣ…排気側カム
ＩＪ…燃料噴射弁（インジェクタ）
ＦＤ…燃料デリバリパイプ
【図１】
2004218433.tif 000003
【図２】
2004218433.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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