特許 7593255 エンジン装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】エンジン装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 43/00 20060101AFI20241126BHJP

【ＦＩ】

F02D43/00 301J

F02D43/00 301B

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2021117637

(22)【出願日】2021-07-16

(65)【公開番号】P2023013448

(43)【公開日】2023-01-26

【審査請求日】2024-02-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井戸側 正直

(72)【発明者】

【氏名】内田 孝宏

(72)【発明者】

【氏名】安藤 宏和

(72)【発明者】

【氏名】清水 聖有

【審査官】稲本 遥

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－１３２２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１９４１８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１７７１７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｄ ２９／００－２９／０６

４１／００－４５／００

Ｆ０１Ｎ ３／００

３／０２

３／０４－ ３／３８

９／００－１１／００

Ｆ０２Ｐ ５／１４５－ ５／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼室に燃料を噴霧する筒内噴射弁と前記筒内噴射弁から噴霧される燃料に点火可能な点火プラグとを有するエンジンと、
前記エンジンの排気を浄化する浄化触媒を有する浄化装置と、
前記筒内噴射弁による燃料噴射と前記点火プラグによる点火とを制御する制御装置と、
を備えるエンジン装置であって、
前記制御装置は、燃料の膨張行程での最終回噴射を含む複数回噴射と膨張行程での点火とにより前記エンジンの始動を完了した後に触媒暖機制御に移行する際には、点火時期については圧縮行程における第１所定タイミングで点火時期が徐々に遅角するように実行用点火時期を確定し、前記最終回噴射の噴射時期については前記第１所定タイミングより後の第２所定タイミングで所定パラメータにより得られる前記最終回噴射の噴射時期に前記実行用点火時期を用いたガード値でガードした時期を前記最終回噴射の実行用噴射時期として確定する、
ことを特徴とするエンジン装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジン装置に関し、詳しくは、燃焼室に燃料を噴霧する筒内噴射弁と筒内噴射弁から噴霧される燃料に点火可能な点火プラグとを有するエンジンを備えるエンジン装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種のエンジン装置としては、燃料の最終回噴射が膨張行程で行なう際に、最終回噴射の噴射開始時期についてはエンジン回転速度とエンジンの目標トルクとに基づいて設定し、点火時期については最終回の噴射開始時期と噴射期間とに基づいて算出するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、上述の燃料噴射と点火とにより成層燃焼を行なっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開特２０１６／１９４１８４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

エンジンの始動が完了した後で触媒暖機制御を行なう場合、触媒暖機制御への移行の際に点火時期を徐々に遅角することが行なわれる。最終回噴射を膨張行程で行なう複数回の燃料噴射では、噴射時期が予め定められるため、点火時期を徐々に遅角すると、最終回噴射に対して点火を良好に行なうことができない場合が生じる。

【0005】

本発明のエンジン装置は、エンジンの始動後に触媒暖機制御に移行する際の膨張行程での最終回噴射に対して点火を良好に行なうことを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のエンジン装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

本発明のエンジン装置は、
燃焼室に燃料を噴霧する筒内噴射弁と前記筒内噴射弁から噴霧される燃料に点火可能な点火プラグとを有するエンジンと、
前記エンジンの排気を浄化する浄化触媒を有する浄化装置と、
前記筒内噴射弁による燃料噴射と前記点火プラグによる点火とを制御する制御装置と、
を備えるエンジン装置であって、
前記制御装置は、燃料の膨張行程での最終回噴射を含む複数回噴射と膨張行程での点火とにより前記エンジンの始動を完了した後に触媒暖機制御に移行する際には、点火時期については圧縮行程における第１所定タイミングで点火時期が徐々に遅角するように実行用点火時期を確定し、前記最終回噴射の噴射時期については前記第１所定タイミングより後の第２所定タイミングで所定パラメータにより得られる前記最終回噴射の噴射時期に前記実行用点火時期を用いたガード値でガードした時期を前記最終回噴射の実行用噴射時期として確定する、
ことを特徴とする。

【0008】

本発明のエンジン装置では、燃料の膨張行程での最終回噴射を含む複数回噴射と膨張行程での点火とによりエンジンの始動を完了した後に触媒暖機制御に移行する際には、点火時期については圧縮行程における第１所定タイミングで点火時期が徐々に遅角するように実行用点火時期を確定する。一方、最終回噴射の噴射時期については第１所定タイミングより後の第２所定タイミングで所定パラメータにより得られる最終回噴射の噴射時期に実行用点火時期を用いたガード値でガードした時期を最終回噴射の実行用開始時期として確定する。これにより、膨張行程での最終回噴射に対して点火を良好に行なうことができる。

【0009】

ここで、ガード値は、進角側ガード値と遅角側ガード値とを有し、例えば実行用点火時期に対して、進角側ガード値としてはクランク角で２度を用いることができ、遅角側ガード値としてはクランク角で０度を用いることができる。これは、最終回噴射のスプレイ噴射に対して点火する必要から、最終回噴射の噴射タイミングは点火より遅くならないことに基づく。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施例としてのエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。

【図2】ＥＣＵ７０により実行される触媒暖機移行時点火時期確定処理の一例を示すフローチャートである。

【図3】ＥＣＵ７０により実行される触媒暖機移行時最終回噴射時期確定処理の一例を示すフローチャートである。

【図4】エンジン１２の始動完了後における３回の燃料噴射タイミングと燃料噴射時期確定タイミングと点火時期確定タイミングとの一例を示す説明図である。

【図5】始動完了フラグと触媒暖機実行フラグと点火時期と最終回噴射の噴射時期の時間変化を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

【実施例】

【0012】

図１は、本発明の一実施例としてのエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。実施例のエンジン装置１０は、図示するように、エンジン１２と、エンジン１２を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）７０とを備える。なお、このエンジン装置１０は、エンジン１２からの動力だけを用いて走行する自動車や、エンジン１２に加えてモータを備えるハイブリッド自動車、エンジン１２からの動力を用いて作動する建設設備などに搭載される。実施例では、エンジン装置１０が自動車に搭載されている場合を想定して説明する。

【0013】

エンジン１２は、ガソリンや軽油などの燃料を用いて吸気・圧縮・膨張・排気の４行程によって動力を出力する４気筒の内燃機関として構成されている。このエンジン１２は、筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁２６と、点火プラグ３０とを有する。筒内噴射弁２６は燃焼室２９の頂部の略中央に配置されており、燃料をスプレー状に噴射する。点火プラグ３０は、筒内噴射弁２６からスプレー状に噴霧される燃料に点火できるように筒内噴射弁２６の近傍に配置されている。エンジン１２は、エアクリーナ２２によって清浄された空気を吸気管２５を介して燃焼室２９に吸入し、吸気行程や圧縮行程において筒内噴射弁２６から１回又は複数回に亘って燃料を噴射し、点火プラグ３０による電気火花によって爆発燃焼させて、そのエネルギによって押し下げられるピストン３２の往復運動をクランクシャフト１６の回転運動に変換する。

【0014】

エンジン１２の燃焼室２９から排気管３３に排出される排気は、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する浄化触媒（三元触媒）３４ａを有する浄化装置３４を介して外気に排出される。

【0015】

ＥＣＵ７０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポートを備える。ＥＣＵ７０には、エンジン１２を制御するのに必要な各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。ＥＣＵ７０に入力される信号としては、例えば、クランクシャフト１６の回転位置を検出するクランクポジションセンサ４０からのクランク角θｃｒや、エンジン１２の冷却水の温度を気筒毎に検出する水温センサ４２からの冷却水温Ｔｗ、吸気バルブ２８を開閉するインテークカムシャフトの回転位置および排気バルブ３１を開閉するエキゾーストカムシャフトの回転位置を検出するカムポジションセンサ４４からのカム角θｃｉ，θｃｏを挙げることができる。また、吸気管２５に設けられたスロットルバルブ２４のポジションを検出するスロットルバルブポジションセンサ４６からのスロットル開度ＴＨや、吸気管２５に取り付けられたエアフローメータ４８からの吸入空気量Ｑａ、吸気管２５に取り付けられた温度センサ４９からの吸気温Ｔａ、吸気管２５内の圧力を検出する吸気圧センサ５８からの吸気圧Ｐｉｎも挙げることができる。更に、浄化装置３４の浄化触媒３４ａの温度を検出する温度センサ３４ｂからの触媒温度Ｔｃや、排気管３３に取り付けられた空燃比センサ３５ａからの空燃比ＡＦ、排気管３３に取り付けられた酸素センサ３５ｂからの酸素信号Ｏ２、シリンダブロックに取り付けられてノッキングの発生に伴って生じる振動を検出するノックセンサ５９からのノック信号Ｋｓも挙げることができる。

【0016】

ＥＣＵ７０からは、エンジン１２を制御するための各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。ＥＣＵ７０から出力される信号としては、例えば、スロットルバルブ２４のポジションを調節するスロットルモータ３６への駆動制御信号や、筒内噴射弁２６への駆動制御信号、点火プラグ３０への駆動制御信号を挙げることもできる。

【0017】

ＥＣＵ７０は、クランクポジションセンサ４０からのクランク角θｃｒに基づいて、クランクシャフト１６の回転数、即ち、エンジン１２の回転数Ｎｅを演算している。また、ＥＣＵ７０は、エアフローメータ４８からの吸入空気量Ｑａとエンジン１２の回転数Ｎｅとに基づいて、エンジン１２の負荷としての体積効率（エンジン１２の１サイクルあたりの行程容積に対する１サイクルで実際に吸入される空気の容積の比）ＫＬも演算している。

【0018】

こうして構成されるエンジン装置１０では、ＥＣＵ７０は、エンジン１２が目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とに基づいて運転されるようにエンジン１２の吸入空気量制御や、燃料噴射制御、点火制御を行なう。吸入空気量制御では、ＥＣＵ７０は、エンジン１２の目標トルクＴｅ＊に基づいて目標空気量Ｑａ＊を設定し、吸入空気量Ｑａが目標空気量Ｑａ＊となるように目標スロットル開度ＴＨ＊を設定し、スロットルバルブ２４のスロットル開度ＴＨが目標スロットル開度ＴＨ＊となるようにスロットルモータ３６を制御する。燃料噴射制御では、ＥＣＵ７０は、エンジン１２の回転数Ｎｅと体積効率ＫＬとに基づいて空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦ＊（例えば理論空燃比）となるように筒内噴射弁２６の目標燃料噴射量Ｑｆｄ＊を設定し、筒内噴射弁２６から目標燃料噴射量Ｑｆｄ＊の燃料が１回又は複数回に亘って噴射されるように筒内噴射弁２６を制御する。点火制御では、ＥＣＵ７０は、エンジン１２の回転数Ｎｅと負荷率ＫＬとに基づいて目標点火時期Ｔｐ＊を設定し、点火プラグ３０の点火を制御する。

【0019】

次に、こうして構成された実施例のエンジン装置１０の動作、特に、膨張行程で最終回噴射と点火とを行なうエンジン１２の始動を完了して触媒暖機制御に移行する際の動作について説明する。エンジン１２の始動制御および触媒暖機制御における燃料噴射は、最終回噴射が膨張行程で行なわれる複数回噴射により行なわれる。図２は触媒暖機移行時点火時期確定処理の一例を示すフローチャートであり、図３は触媒暖機移行時最終回噴射時期確定処理の一例を示すフローチャートである。図４は、エンジン１２の始動完了後における３回の燃料噴射タイミングと燃料噴射時期確定タイミングと点火時期確定タイミングとの一例を示す説明図である。図４中、ハッチングされた部分は１回目噴射、２回目噴射、３回目噴射（最後回噴射）を示し、最終回噴射に示された太矢印は点火を示す。また、図５では、ＢＴＤＣ３０（Before TDC ３０度）などについては簡易にＢ３０などと表示し、ＡＴＤＣ３０（After TDC ３０度）などについては簡易にＡ３０などと表示した。

【0020】

図２の触媒暖機移行時点火時期確定処理は、膨張行程で最終回噴射が行なわれる場合には、その前のクランク角３０度毎の第２所定タイミング、例えば図４に示すように圧縮上死点ＴＤＣより３０度前のＢＴＤＣ３０のタイミング（点火時期確定タイミング）に実行される。触媒暖機移行時点火時期確定処理では、まず、同一気筒に対して前回この処理が実行されたときに設定された実行用点火時期Ｔｐ＊（前回点火時期Ｔｐ＊）に所定遅角量ΔＴｐを加えたものを実行用点火時期Ｔｐ＊として設定する（ステップＳ１００）。続いて、設定した実行用点火時期Ｔｐ＊が触媒暖機時の目標点火時期Ｔｐｔａｇ以上に遅角しているか否かを判定し（ステップＳ１１０）、実行用点火時期Ｔｐ＊が触媒暖機時の目標点火時期Ｔｐｔａｇ以上に遅角していると判定したときには触媒暖機時の目標点火時期Ｔｐｔａｇを実行用点火時期Ｔｐ＊として設定する（ステップＳ１２０）。なお、実行用点火時期Ｔｐ＊が触媒暖機時の目標点火時期Ｔｐｔａｇ以上には遅角していないと判定したときには本処理を終了する。ステップＳ１１０，Ｓ１２０の処理は、前回点火時期Ｔｐ＊に所定遅角量ΔＴｐを加えて得られる実行用点火時期Ｔｐ＊を触媒暖機時の目標点火時期Ｔｐｔａｇでガードする処理となる。こうした処理によりエンジン１２の始動が完了してから触媒暖機制御に移行する際には、実行用点火時期Ｔｐ＊は触媒暖機時の目標点火時期Ｔｐｔａｇに向けて徐々に遅角することになる。

【0021】

図３の触媒暖機移行時最終回噴射時期確定処理は、膨張行程での最終回噴射の直前のクランク角３０度毎の第２所定タイミング、例えば図４に示すように圧縮上死点ＴＤＣのタイミングで実行される。触媒暖機移行時最終回噴射時期確定処理では、まず、噴射時期を設定するためのパラメータを入力し（ステップＳ２００）、入力したパラメータに基づいて最終回噴射の噴射時期を設定する（ステップＳ２１０）。パラメータとしては、例えば、気筒毎の冷却水温Ｔｗ、燃料噴射回数、低回転判定用回転数などが含まれる。そして、実行用点火時期Ｔｐ＊に対して第１所定角だけ進角させた進角側ガード値αを設定すると共に第２所定角だけ遅角させた遅角側ガード値βを設定する（ステップＳ２２０）。第１所定角としては例えばクランク角として２度を用いることができ、第２所定角としては例えばクランク角として０度を用いることができる。これは、点火より最終回噴射が後にならないようにすると共に点火より必要以上に最終回噴射が前にならないようにするためである。こうして進角側ガード値αと遅角側ガード値βとを設定すると、ステップＳ２１０で設定した最終回噴射の噴射時期を進角側ガード値αと遅角側ガード値βとによりガードして実行用噴射時期として確定し（ステップＳ２３０）、本処理を終了する。これにより、徐々に遅角する点火に対して最終回噴射の噴射時期を良好なものとすることができる。

【0022】

図５は、エンジン１２の始動完了を示す始動完了フラグと触媒暖機の実行を示す触媒暖機実行フラグと点火時期と実施例および比較例の最終回噴射の噴射時期の時間変化を示すタイミングチャートである。時間Ｔ１にエンジン１２の始動が完了して始動完了フラグが値１となると、点火時期（実行用点火時期Ｔｐ＊）は徐々に遅角される。実施例の最終回噴射の噴射時期（実行用噴射時期）は点火時期の遅角に対して若干遅れて遅角する。そして、点火時期（実行用点火時期Ｔｐ＊）が触媒暖機時の目標点火時期Ｔｐｔａｇに至った時間Ｔ２に触媒暖機実行フラグが値１となり、触媒暖機制御が開始される。このとき実施例の最終回噴射の噴射時期（実行用噴射時期）は、触媒暖機時の噴射時期近傍となる。一方、比較例では、最終回噴射の噴射時期に対して実行用点火時期Ｔｐ＊に基づく進角側ガード値αと遅角側ガード値βとによるガード処理を行なわないから、時間Ｔ２まで始動完了後の最終回噴射の噴射時期が保持され、時間Ｔ２に触媒暖機時の最終回噴射の噴射時期とされる。このため、時間Ｔ１～Ｔ２の触媒暖機移行時では、最終回噴射の噴射時期に対して点火を良好に行なうことができない場合が生じる。実施例では、最終回噴射の噴射時期に対して実行用点火時期Ｔｐ＊に基づく進角側ガード値αと遅角側ガード値βとによるガード処理を行なうことにより、時間Ｔ１～Ｔ２の触媒暖機移行時でも、最終回噴射の噴射時期に対して点火を良好に行なうことができる。

【0023】

以上説明した実施例のエンジン装置１０では、エンジン１２の始動を完了してから触媒暖機制御を実行するまでの移行時には、点火時期（実行用点火時期Ｔｐ＊）についてはＢＴＤＣ３０のタイミングで徐々に触媒暖機時の目標点火時期Ｔｐｔａｇに徐々に至るように前回点火時期Ｔｐ＊に所定遅角量ΔＴｐを加えたものを実行用点火時期Ｔｐ＊として設定する。膨張行程での最終回噴射の噴射時期については、直前の圧縮上死点ＴＤＣのタイミングでパラメータに基づいて設定した最終回噴射の噴射時期に対して実行用点火時期Ｔｐ＊に基づく進角側ガード値αと遅角側ガード値βとによるガード処理を行なって実行用噴射時期を確定する。これにより、触媒暖機移行時でも、最終回噴射の噴射時期に対して点火を良好に行なうことができる。

【0024】

実施例のエンジン装置１０は、例えば後段に自動変速機を備える自動車に搭載されるものとしたり、走行用の動力を出力するモータと共にハイブリッド自動車に搭載されるものとしてもよい。

【0025】

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、エンジン１２が「エンジン」に相当し、浄化装置３４が「浄化装置」に相当し、ＥＣＵ７０が「制御装置」に相当する。

【0026】

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

【0027】

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0028】

本発明は、エンジン装置の製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0029】

１０ エンジン装置、１２ エンジン、１６ クランクシャフト、２２ エアクリーナ、２４ スロットルバルブ、２５ 吸気管、２６ 筒内噴射弁、３４ｂ 温度センサ、２８ 吸気バルブ、２９ 燃焼室、３０ 点火プラグ、３１ 排気バルブ、３２ ピストン、３３ 排気管、３４ 浄化装置、３４ａ 浄化触媒、３５ａ 空燃比センサ、３５ｂ 酸素センサ、３６ スロットルモータ、３８ イグニッションコイル、４０ クランクポジションセンサ、４２ 水温センサ、４４ カムポジションセンサ、４６ スロットルバルブポジションセンサ、４８ エアフローメータ、４９ 温度センサ、５８ 吸気圧センサ、５９ ノックセンサ、７０ 電子制御ユニット。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】