直喷式内燃机的控制方法以及控制装置与流程

本发明涉及将燃料直接喷射至气缸内的直喷式内燃机的控制。

背景技术：

作为直喷式内燃机的控制，JPH9-256926A中公开了如下技术，即，利用与发动机冷却液相比温度低的冷却液对燃料喷射阀进行冷却。该技术的目的在于，通过积极地对燃料进行冷却，从而防止燃料喷射阀的动作不良、喷射量的变动之类的因燃料喷射阀的温度升高而产生的现象，使燃料喷射变得稳定。

技术实现要素：

但是，近年来，根据环境问题的观点，对废气的限制变得更加严格，废气中含有的微粒(Particulate matter：下面称为PM)的数量即所谓PN(Particulate Number)也成为限制的对象。因此，为了降低PN而进行了各种研究开发。而且，根据发明人的研究明确可知，如果从燃料喷射阀的喷孔通过时的燃料温度升高，则附着于喷孔周围的液态燃料的量增加，因该液态燃料燃烧而导致PN增大。

在上述文献中，专门以燃料喷射的稳定为目的，对于抑制PN的增大则并未述及。而且，已知上述的使得附着于喷孔周围的液态燃料的量增加的燃料温度是比产生燃料喷射阀的动作不良等的温度低的温度。

即，在上述文献所公开的技术中，有可能无法抑制PN增大。

因此，本发明的目的在于抑制直喷式内燃机的PN增大。

根据本发明的某个方式，提供一种将燃料直接喷射至气缸内的直喷式内燃机的控制方法。在该控制方法中，在从燃料喷射阀的喷孔通过时的燃料温度达到使得向燃料喷射阀前端附着的燃料附着量增大的温度之前，对燃料进行冷却。

附图说明

图1是第一实施方式所涉及的冷却液通路的概略结构图。

图2是图1的冷却液通路的回路图。

图3是内燃机的一个气缸的剖面图。

图4是喷射器前端部的放大图。

图5是用于对PN增大的原理进行说明的图。

图6是内燃机的运转状态变换图。

图7是表示用于抑制PN增大的控制流程的流程图。

图8是喷射器前端温度对应图。

图9是基于共轨温度的校正系数表。

图10是基于冷却水温的校正系数表。

图11是执行第一实施方式的控制的情况下的时序图。

图12是表示PN的推移的时序图。

图13是表示机油稀释率和气缸体内的冷却液温度的关系的图。

图14是表示气缸体以及气缸盖的温度和HC排出量的关系的图。

图15是表示内燃机所要求的性能和气缸体内的冷却液温度的关系的图。

图16是用于将气缸体内的冷却液温度换算为气缸体壁温的表。

图17是用于对机油喷射器的动作和PN的关系进行说明的图。

图18是用于对燃料喷射阀的凸出量进行说明的图。

图19是表示凸出量和PN的关系的图。

图20是第二实施方式所涉及的冷却液通路的概略结构图。

图21是第二实施方式所涉及的共轨的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1是第一实施方式所涉及的冷却液通路的概略结构图。图2以回路图来表示图1的冷却液通路。图3是一个气缸的剖面图。此外，在图2、图3中，将后述的燃料喷射装置省略。

内燃机1具有从喷射器5喷射以高压状态蓄积于共轨4的燃料的所谓共轨式的燃料喷射装置。燃料喷射定时、燃料喷射量之类的喷射器5的控制由控制器100执行。除了上述控制以外，控制器100还执行对火花塞9的点火定时的控制。

另外，喷射器5将作为燃料的汽油直接喷射至缸内，是通过由火花塞21进行的火花点火而使混合气体燃烧的缸内直喷式内燃机。

内燃机1的冷却液通路构成为包含：气缸体侧通路WB，其沿着气缸列而设置于气缸体2；以及气缸盖侧通路3，其沿着气缸列而设置于气缸盖3。气缸体侧通路WB和气缸盖侧通路WH相互独立。

如图3所示，气缸体侧通路WB由进气侧通路WBin和排气侧通路WBex构成。进气侧通路WBin和排气侧通路WBex在冷却液流动方向的下游侧汇合而成为气缸体出口通路W2。气缸体出口通路W2与第二流路控制阀(MCV：Multifflow Control Valve)8连接。

如图3所示，气缸盖侧通路WH由如下部件构成：进气侧通路WHin，其设置于进气端口22与气缸盖侧壁之间；排气侧通路WHex，其设置于排气端口23与气缸盖侧壁之间；以及中央通路WHc，其设置于进气端口22与排气端口23之间。进气侧通路WHin、排气侧通路WHex以及中央通路WHc在冷却液流动方向的下游侧汇合而成为气缸盖出口通路W3。气缸盖出口通路W3再次分支，一者与第一流路控制阀(MCV)7连接，另一者与后述的节流阀11连接。

在第一MCV 7连接有朝向第二MCV 8的通路、朝向散热器16的通路、以及朝向暖气风箱10的通路。第一MCV 7具有对使得冷却液向上述通路中的哪个通路流动进行切换的功能。另外，还能够将冷却液的流动切断。

在第二MCV 8连接有朝向第一MCV 7的通路、朝向机油冷却器14以及机油加热器15的通路。第二MCV 8也具有与第一MCV 7同样的功能。

如图2所示，从第一MCV 7朝向暖气风箱10的冷却液通路从暖气风箱10经由EGR冷却器(EGR/C)13而与水泵6连接。如图2所示，从第一MCV 7朝向散热器16的冷却液通路经由散热器16而与水泵6连接。

从第二MCV 8朝向机油冷却器14以及机油加热器15的冷却液通路，分支为朝向设置于内燃机1的机油冷却器14的通路、以及朝向变速器(图中的CVT)的通路。而且，在从机油冷却器14和机油加热器15通过之后汇合而与水泵6连接。

另外，从气缸盖出口侧通路W3分支而朝向节流阀11的冷却液通路，经由节流阀11以及EGR阀(EGR/V)12而与将暖气风箱10和EGR冷却器13连接的通路汇合。

上述冷却回路在内燃机1的内部具有气缸体侧通路WB和气缸盖侧通路WH之类的独立的冷却液通路，因此能够独立地对气缸体2的温度和气缸盖3的温度进行控制。

下面，对作为本实施方式中要解决的问题的、因附着于喷射器5的前端的燃料而引起的PN的增大进行说明。

图4是喷射器5的前端附近的放大图。这里，为了简单而示出一个喷孔5A的情况。

从高压的共轨4将燃料喷射至缸内，因此在燃料温度为高温的情况下容易产生减压沸腾(Flash boiling)。如果产生减压沸腾，则从喷孔5A喷射的雾状燃料的喷雾角增大。例如，如果将从喷孔5A通过时的燃料温度为常温(25℃左右)的情况下的喷雾角设为θ1、且将燃料温度为高温(90℃左右)的情况下的喷雾角设为θ2，则变为θ1＜θ2。而且，喷雾角越大，燃料越容易附着于喷孔5A的周围。即，燃料温度越高，燃料越容易附着于喷孔5A的周围(即喷射器5的前端)。

此外，即使在燃料为常温的情况下，燃料有时也会附着于喷孔5A的周围，但其量极其微小，不会对PN造成影响。因此，在本实施方式中，将燃料以会导致PN增大的程度附着于喷射器5的前端称为“前端润湿”(tip wet)。另外，将附着的燃料量增加称为“润湿量增大”。

图5是用于对因润湿量增大而导致PN增大的原理进行说明的图。图5示出了2个喷孔5A的情况。

如果燃料变为高温而产生减压沸腾，则会产生前端润湿。特别是在存在多个喷孔5A的情况下，喷雾角因燃料温度升高而增大，从而使得从相邻的喷孔5A喷射的雾状燃料实现了一体化而使得润湿量进一步增大。

附着于喷射器5的前端的液态燃料与燃烧气体发生反应而生成所谓沉淀物。而且，如果反复产生前端润湿的状况，则燃料被沉淀物吸收。如果这样被沉淀物吸收的燃料因喷射器前端温度升高、燃烧火焰的传播等而着火，则产生光焰而燃烧，从而会导致PN增大。

因此，在本实施方式中，为了抑制前端润湿的产生，执行下面说明的控制。

图6是用于对成为本实施方式的控制的前提的、发动机运转模式的变换进行说明的图。

在开始运转时，首先从IGN off控制模式向待机模式变换，然后根据冷却液温度、外部气温等而向零流量模式(图中的Zero-Flow mode)或者散热器流路控制(图中的RAD流路控制)模式变换。

零流量模式是指用于在冷机启动时促进内燃机1的油水温度升高的模式。具体而言，通过将第一MCV 7以及第二MCV 8关闭而将冷却液的流通切断，使冷却液在内燃机1的内部停滞而促进冷却液升温。另外，通过将冷却液的流通切断，使得冷却液在机油冷却器14中也停滞，因此发动机油的升温也得到促进。此外，在冷却液沸腾之前将第一MCV 7以及第二MCV 8打开。

即使在加热器开关变为ON的情况下、变为暖机状态的情况下或者不满足上述条件的情况下，也在从零流量模式开始起经过了规定时间(例如几分钟)的情况下结束零流量模式。如果零流量模式结束，则向散热器流路控制模式变换。

散热器流路控制模式与通常进行的流路控制相同，如果冷却液温度小于或等于规定温度，则利用绕过散热器16的路径使冷却液循环，如果超过规定温度则利用从散热器16通过的路径使冷却液循环。但是，如上所述，本实施方式的内燃机1能够分别独立地对气缸体2的温度和气缸盖3的温度进行控制。而且，散热器流路控制模式进一步分割为2种模式。其一者(第一模式)是将气缸体以及气缸盖控制为相同温度的模式，另一者(第二模式)是将气缸盖控制为比气缸体低的温度的模式。在负荷高于规定负荷的情况下、或者发动机旋转速度高于规定旋转速度的情况下，执行第二模式，在其他情况下执行第一模式。此外，为了抑制控制变得繁琐，可以对用于判定是否从第一模式向第二模式转换的规定负荷以及规定旋转速度、和用于判定是否从第二模式向第一模式转换的规定负荷以及规定旋转速度设置时滞。后文中对第一模式以及第二模式下的、气缸盖侧通路WH内的冷却液温度以及气缸体侧通路WB内的冷却液温度进行叙述。

在燃料温度在散热器流路控制模式的执行过程中升高的情况下，为了抑制前端润湿的产生，向后述的燃料温度控制模式转换。

图7是判定是否执行燃料温度控制模式的控制流程的流程图。

在步骤S100中，控制器100获取喷射器前端温度Ttip以及冷却液温度Tw。在安装有对喷射器5的前端温度进行检测的温度传感器的情况下，控制器100读入该温度传感器的检测值。在温度传感器未安装于喷射器5的情况下，控制器100通过后述的运算而对喷射器前端温度Ttip进行推定。另外，控制器100读入还安装于通常的内燃机的水温传感器的检测值而作为冷却液温度。

这里，对喷射器前端温度Ttip的推定方法进行说明。

图8是表示发动机负荷以及发动机旋转速度和喷射器前端温度Ttip的关系的对应图。控制器100基于加速器踏板开度传感器(未图示)的检测值而对发动机负荷进行计算，基于曲轴转角传感器的检测值而对发动机旋转速度进行计算。而且，控制器100参照图8的对应图对喷射器前端温度Ttip进行计算。为了更高精度地对喷射器前端温度Ttip进行计算，可以利用基于共轨温度的校正系数以及基于冷却液温度的校正系数而对根据图8的对应图计算出的喷射器前端温度Ttip进行校正。可以预先基于例如图9所示的喷射器前端温度与共轨温度的关系而对基于共轨温度的校正系数进行设定。对于基于冷却液温度的校正系数，也可以同样地基于例如图10所示的喷射器前端温度与冷却液温度的关系而进行设定

如果控制器100以上述方式获取到喷射器前端温度Ttip以及冷却液温度Tw，则在步骤S102中判定冷却液温度Tw是否高于规定温度T1。如果判定结果为肯定，则控制器100执行步骤S104的处理，如果判定结果为否定则结束此次的流程。

规定温度T1是用于判定内燃机1是否处于暖机状态的阈值。即，在本步骤的判定结果为否定的情况下，内燃机1为冷机状态，控制器100执行与本流程不同的零流量模式用的控制。

在步骤S104中，控制器100判定喷射器前端温度Ttip是否高于规定温度T2。如果判定结果为肯定，则控制器100执行步骤S106的处理，如果判定结果为否定则结束此次的流程。

本步骤用于确定是否需要抑制燃料温度升高。因此，作为规定温度T2，预先设定比产生燃料的减压沸腾的温度低几℃的温度。该“低几℃的温度”只要是能够防止燃料温度升高至如果开始后述的前端温度控制模式则产生减压沸腾的温度的温度即可。具体地可以根据需要进行设定。

在步骤S106中，控制器100执行燃料温度控制模式。在本实施方式中，如后所述，通过对喷射器5进行冷却而控制燃料温度，因此在下面的说明中将燃料温度控制模式称为“前端温度控制”。

前端温度控制是指抑制燃料温度升高以不产生减压沸腾的控制。产生前端润湿是因为燃料温度以上述方式升高而产生减压沸腾，但作为燃料温度升高的主要原因，能举出因暴露于燃烧火焰、燃烧气体而使得燃料从温度升高后的喷射器5通过。因此，如果使喷射器5的、特别是作为喷孔5A的前端部分的温度降低，则能够使燃料温度降低。因此，在本实施方式中，通过控制喷射器5的温度而控制燃料温度以便不产生减压沸腾。具体而言，利用第二MCV 8进行如下控制，即，在抑制燃料温度升高的情况下增大气缸盖3的冷却液流量，在抑制燃料温度降低的情况下减小气缸盖3的冷却液流量。这是因为，喷射器5安装于气缸盖3，因此如果降低气缸盖3的温度则喷射器5的温度也降低。以满足下面的条件的方式对冷却液流量进行控制。

第一，从喷孔5A通过时的燃料温度小于或等于产生减压沸腾的温度。第二，冷却液温度大于或等于不产生PN的增大、不因燃料而产生机油稀释的增强的下限温度。第三，冷却液温度小于或等于不会使得冷却液沸腾的上限温度。

如果将满足上述条件的温度范围的下限值设为T3、且将上限值设为T4，则T3＜T2＜T4这样的关系成立。

图11是在废气试验用模式下的运转过程中执行图7的控制流程的情况下的时序图。此外，图中由虚线所示的喷射器前端温度Ttip2是对比例。该对比例表示气缸体以及气缸盖的冷却回路不独立、且未执行图7的控制流程的情况下的喷射器前端温度的推移。

冷却液温度TW随着运转的开始而逐渐升高，在定时TM1超过规定温度T1。而且，如果喷射器前端温度Ttip1在定时TM2超过规定温度T2，则控制器100开始前端温度控制。由此，喷射器前端温度Ttip1不会超过从喷孔5A通过的燃料发生减压沸腾的温度。与此相对，在对比例中，喷射器前端温度Ttip2随着运转时间的经过以及车速的增大而升高，超过从喷孔5A通过的燃料发生减压沸腾的温度。

这样，根据本实施方式，能够通过前端温度控制而抑制所喷射的燃料的减压沸腾。

图12表示废气试验用模式下的运转过程中的PN的推移。图中的实线为本实施方式的PN排出量，虚线为与图7相同的对比例。另外，时间轴(横轴)与图11是共通的。

在对比例中，PN随着运转时间的经过而增大。这与图11中的喷射器前端温度Ttip2的变动相对应。与此相对，执行了本实施方式的情况下的PN在刚开始运转之后增大以后大致保持恒定。即，因前端润湿而引起的PN的增大得到抑制。

这里，对散热器流路控制模式中的第一模式以及第二模式下的、气缸体侧通路WB内的冷却液温度(下面，也称为“气缸体液体温度”)、和气缸盖侧通路WH内的冷却液温度(下面，也称为“气缸盖液体温度”)进行说明。

图13是表示变为暖机状态之后的气缸体液体温度和机油稀释率的关系的图。

在内燃机1的运转过程中，有时产生附着于气缸壁等的燃料混入于发动机油(下面，也简称为“机油”)的机油稀释。机油稀释率越高，机油的性能越劣化，因此需要设置稀释极限以便不超过该稀释极限。

如图13所示，气缸体液体温度越低，机油稀释率越高。这是因为，气缸体液体温度越低，气缸体的壁温越低，燃料越容易附着。因此，需要将气缸体液体温度控制为不会使机油稀释率超过稀释极限的温度。此外，图中的气缸体液体温度TWB1为后述的图14中的气缸体液体温度的基准值。

图14是用于对HC排出量相对于气缸体液体温度以及气缸盖液体温度的灵敏度进行说明的图。

横轴为发动机启动之后15秒期间的HC排出量，纵轴为发动机启动之后15秒后的排气温度。后述的曲线A-C的下侧为可以将HC排出量限制值清零的区域(OK区域)，上侧为无法将HC排出量限制值清零的区域(NG区域)。

曲线A表示气缸体液体温度以及气缸盖液体温度分别为规定的基准值(TWB1、TWH1)的情况下的HC排出量和排气温度的关系。此外，气缸体液体温度的基准值TWB1和气缸盖液体温度的基准值TWH1为相同的温度。

曲线B表示相对于曲线A与气缸盖液体温度相应地降低而达到TWH2的情况下的HC排出量和排气温度的关系。如图所示，曲线B相对于曲线A几乎未变。即，即使与气缸盖液体温度相应地降低，OK区域也几乎未变化。

曲线C表示相对于曲线B使气缸体液体温度降低而达到TWB2的情况下的HC排出量和排气温度的关系。曲线C的气缸体液体温度与气缸盖液体温度相同。换言之，曲线C可以称为相对于曲线A使气缸体液体温度以及气缸盖液体温度降低的情况。此外，曲线C的气缸体液体温度TWB2和气缸盖液体温度TWH2是相同的温度。

如图所示，在曲线C的情况下，与曲线A、B相比，OK区域缩小。

据此可知，HC排出量相对于气缸体液体温度的灵敏度较高，相对于气缸盖液体温度的灵敏度较低。而且，为了不使HC排出量增加，优选将气缸体液体温度保持为基准值。

作为内燃机1运转时所要求的性能，除了上述的PN要求、HC排出量要求以及机油稀释要求以外，存在燃烧稳定度要求、油耗性能要求以及输出性能要求。而且，上述性能也与冷却液温度相关。

图15是对满足上述各要求的气缸体液体温度进行总结所得的图。

如图所示，与满足HC排出量要求以及机油稀释要求的气缸体液体温度相比，满足燃烧稳定度、油耗性能以及输出性能的气缸体液体温度较低。而且，满足PN要求的气缸体液体温度比满足燃烧稳定度等的气缸体液体温度更低。

因此，在第一模式下，对冷却流路以及冷却流量进行控制，以使气缸体液体温度维持满足HC排出量要求以及机油稀释要求的温度、例如上述的TWB1。另外，关于燃烧稳定度要求、油耗性能要求以及输出性能要求，气缸盖液体温度可以是与气缸体液体温度相同的温度，关于PN要求、HC排出量要求以及机油稀释要求，相对于气缸盖液体温度的灵敏度较小。因此，在第一模式下，将气缸盖液体温度控制为与气缸体液体温度相同的温度。

另一方面，在高负荷或者高旋转速度的情况下执行的第二模式下，需要避免爆震的产生。因此，气缸体液体温度维持与第一模式相同的温度不变，气缸盖液体温度例如降低至上述的TWH2。仅降低气缸体液体温度是因为如果不使气缸体液体温度变化则能够满足PN要求、HC排出量要求以及机油稀释要求。

此外，在气缸体液体温度以及气缸盖液体温度的控制时，还可以不直接对气缸体液体温度以及气缸盖液体温度进行检测，而是基于气缸体壁温以及气缸盖壁温进行控制。在该情况下，只要利用图16所示的表将气缸体液体温度换算为气缸体壁温即可。例如，在气缸体液体温度为TWB1的情况下，气缸体壁温变为TB1，因此只要一边监视气缸体壁温、一边对冷却流路以及冷却流量进行控制以使气缸体壁温达到TB1即可。对于气缸盖液体温度也一样。

此外，如图3所示，本实施方式的内燃机1具有活塞冷却用的机油喷射器24。图17是关于使机油喷射器24执行动作的情况和未使机油喷射器24执行动作的情况而对PN排出量进行测定的结果。横轴的“平均壁温”是对气缸体壁温和气缸盖壁温赋予规定的权重而计算出的平均温度。另外，图中的标注有斜线的区域是执行了本实施方式所涉及的控制的情况下的温度区域。图中的曲线是表示基于测定结果而制作的平均壁温和PN的关系的特性线。另外，图中的“target”是PN的允许值。如图所示，在目标壁温下，机油喷射器24执行动作·不执行动作对于PN的影响较小。

图18是用于对喷射器5的凸出量进行说明的图。将喷射器5的前端与燃烧室壁面一致的情况下的凸出量设为零，将喷射器5的前端向燃烧室侧凸出的状态(图中的虚线的状态)下的凸出量设为正，将相反的状态下的凸出量设为负。

图19是表示喷射器前端温度和因前端润湿引起的PN的关系的图。

凸出量越大，从燃烧火焰、燃烧气体的受热量越大，因此喷射器5的温度升高。其结果，从喷孔5A喷射时的燃料温度升高，PN增大。另一方面，如果减小凸出量，则燃料温度的升高得到抑制，其结果，能够抑制PN增大。

即，如图19所示，即使运转状态相同，通过将凸出量设为零，与凸出量为正的情况相比，也能够抑制PN。而且，如果在凸出量设为零的状态下执行本实施方式的控制，则PN抑制效果进一步增大。

如以上说明，在本实施方式中，在从燃料喷射阀(喷射器5)的喷孔5A通过时的燃料温度达到向燃料喷射阀前端的燃料附着量增大的温度之前，对燃料进行冷却。由此，能够抑制前端润湿的增大，其结果，能够抑制PN增大。

另外，在本实施方式中，内燃机1具有包含分别独立的气缸盖冷却通路(气缸盖侧通路WH)和气缸体冷却通路(气缸体侧通路WB)的内燃机冷却通路，通过对气缸盖冷却通路的冷却液流量进行控制而对燃料进行冷却。由此，不会导致因燃料向气缸体的附着而引起的PN的增大、HC排出量的增加、机油稀释率的增大等，能够抑制因前端润湿而引起的PN的增大。

另外，在本实施方式中，将燃料向喷射器5的前端的附着量增大的温度设为燃料发生减压沸腾的温度。前端润湿的增大的主要原因是燃料减压沸腾，因此根据本实施方式，能够可靠地抑制喷射器5的前端润湿的增大。

(第二实施方式)

图20是第二实施方式所涉及的冷却液通路的概略结构图。与图1的结构的不同点是具有用于对共轨4进行冷却的冷却回路(共轨冷却回路)。共轨冷却回路是与第一实施方式中说明的冷却回路不同的系统，具有该回路专用的水泵(WP)、散热器(RAD)、中间冷却器(I/C)、以及后述的共轨冷却液通路。

图21是在第二实施方式中使用的共轨4的结构图。共轨4具有喷射器保持件30以及螺栓紧固连结用的凸缘31。另外，共轨4在内部具有燃料通路33以及共轨冷却液通路32。共轨冷却液通路32设置为沿着燃料通路33。此外，图中的箭头分别表示燃料和冷却液的流动方向。

从安装于喷射器保持件30的喷射器5喷射利用燃料泵(未图示)而向共轨4的燃料通路33输送的燃料。利用共轨冷却回路专用的水泵输送的冷却液在共轨冷却通路32的内部流动。

根据上述结构，利用在共轨冷却液通路32流动的冷却液对燃料通路33内的燃料进行冷却。即，在第一实施方式中，通过对喷射器5进行冷却而控制了燃料温度，在第二实施方式中，通过对燃料进行冷却而控制燃料温度。在这种结构中，也能够与第一实施方式同样地抑制因前端润湿引起的PN的增大。

另外，根据第二实施方式，能够与气缸体液体温度以及气缸盖液体温度独立地对燃料温度进行控制。

如上，在第二实施方式中，具有蓄积加压燃料的共轨4、以及具有与内燃机冷却通路不同的循环回路的共轨冷却通路，通过控制共轨冷却通路的冷却液流量而对燃料进行冷却。由此，不会对气缸体液体温度、气缸盖液体温度造成影响，能够抑制因前端润湿引起的PN的增大。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但上述实施方式不过表示本发明的应用例的一部分而已，其主旨并非将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体结构。