JP7827025B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

例えば、特許文献１や特許文献２には、水素を燃料とする内燃機関が記載されている。そして、それら内燃機関は、燃焼室に接続された吸気通路に水を噴射する水噴射弁を備えている。

また、特許文献３に記載の内燃機関は、ピストン裏面に潤滑油を噴射することによりピストンを冷却するオイルジェットを備えている。ちなみに、シリンダ壁面に潤滑油を噴射することにより間接的にピストンを冷却するオイルジェットも存在している。

特開２０１６－１３０４７３号公報 特開２０２２－４４５５３号公報 特開２００９－１５６１８６号公報

ところで、水噴射弁から吸気通路に噴射された水の一部は、ピストン頂面やシリンダ壁面に液体の状態で付着することがある。ピストン頂面やシリンダ壁面に付着した液状の水が気化すると、気化熱によりピストン頂面やシリンダ壁面の温度が部分的に低下する。従って、水噴射とオイル噴射とを実施する内燃機関において、水噴射による冷却とオイル噴射による冷却とが重なる場合には、ピストンやシリンダ壁面が部分的に過冷却状態になるおそれがある。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、燃焼室に接続された吸気通路に水を噴射する水噴射弁と、ピストン裏面またはシリンダ壁面に潤滑油を噴射するオイルジェットとを備える内燃機関に適用される。この制御装置は、前記水噴射弁による水噴射と前記オイルジェットによるオイル噴射とを制御する。そして、制御装置は、前記水噴射の実行時には、前記水噴射の開始前に比べて前記オイル噴射にて噴射される潤滑油の量を抑制する制御を実施する。

この内燃機関の制御装置は、ピストンやシリンダ壁面が部分的に過冷却状態になることを抑えることができる。

図１は、一実施形態における内燃機関の模式図である。 図２は、水噴射の実行領域を示す図である。 図３は、オイル噴射の実行領域を示す図である。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順を示すフローチャートである。 同実施形態におけるオイル噴射及び水噴射の実行状態を示すタイミングチャートである。図５（Ａ）は機関出力、図５（Ｂ）はオイル噴射の実行状態、図５（Ｃ）は水噴射量、それぞれの推移を示している。

以下、内燃機関の制御装置の一実施形態について、図１～図５を参照して説明する。
＜内燃機関の構成＞
図１に示すように、内燃機関１のシリンダブロック２には、シリンダ４が設けられている。シリンダ４内にはピストン５が設けられており、ピストン５は、コネクティングロッド６を介してクランクシャフト７に連結されている。

シリンダブロック２の上部にはシリンダヘッド３が組み付けられている。シリンダ４においてピストン５の頂面とシリンダヘッド３との間には、燃焼室８が形成されている。また、シリンダヘッド３には、内燃機関１の燃料である水素ガスを気筒内に直接噴射する筒内噴射弁３５と、燃焼室８の混合気を火花点火する点火プラグ１１とが、内燃機関１の気筒ごとに設けられている。

また、シリンダヘッド３には、燃焼室８に接続された吸気ポート９や排気ポート１０が設けられている。なお、吸気ポート９は、吸気が流れる吸気通路の一部を構成している。
吸気ポート９は、吸入空気量を調整するスロットルバルブ１４が設けられた吸気通路２０に接続されている。また、吸気ポート９には同吸気ポート９を開閉する吸気弁１２が設けられている。また、シリンダヘッド３には、吸気ポート９内に水を噴射する水噴射弁７０が内燃機関１の気筒ごとに設けられている。

排気ポート１０には同排気ポート１０を開閉する排気弁１３が設けられている。排気ポート１０は排気通路３０に接続されている。
内燃機関１は、ピストン５の裏面に潤滑油を噴射するオイルジェット８０を備えている。内燃機関１のオイルパンに貯留されている潤滑油がオイルポンプでくみ上げられてオイルジェット８０から噴射される。オイルジェット８０の噴射方向は、ピストン５の裏面であって排気ポート１０側に位置する部位に向けて潤滑油が噴射されるように設定されている。

オイルジェット８０は、バルブ８１を備えている。バルブ８１が開弁しているときには、オイルジェット８０から潤滑油が噴射されることによりオイル噴射が実行される。バルブ８１が閉弁しているときには、オイルジェット８０からの潤滑油の噴射が停止されることによりオイル噴射は停止される。

＜制御装置について＞
制御装置１００は、ＣＰＵ１１０、制御用のプログラムやデータが記憶されたメモリ１２０などを備えている。そして、メモリ１２０に記憶されたプログラムをＣＰＵ１１０が実行することにより、各種の機関制御を実行する。

制御装置１００には、各種のセンサが接続されている。例えば制御装置１００には、クランクシャフト７の回転角を検出するクランク角センサ４１、吸入空気量ＧＡを検出するエアフロメータ４４、内燃機関１において熱交換された後の冷却水の温度である冷却水温ＴＷを検出する水温センサ４５が接続されている。また、制御装置１００には、オイルジェット８０に供給される潤滑油の温度である油温ＴＯを検出する油温センサ４８、アクセルペダルの操作量であるアクセル操作量ＡＣＣＰを検出するアクセルセンサ４９が接続されている。

制御装置１００は、クランク角センサ４１の出力信号Ｓｃｒに基づいて機関回転速度ＮＥを演算する。また、制御装置１００は、機関回転速度ＮＥ及び吸入空気量ＧＡに基づいて機関負荷率ＫＬを演算する。機関負荷率ＫＬは、現在の機関回転速度ＮＥにおいてスロットルバルブ１４を全開にした状態で内燃機関１を定常運転したときのシリンダ流入空気量に対する、現在のシリンダ流入空気量の比率を表している。なお、シリンダ流入空気量は、吸気行程において各気筒のそれぞれに流入する空気の量である。

制御装置１００は、各種の機関制御として、筒内噴射弁３５から噴射される燃料の噴射制御や、点火プラグ１１の点火制御を行う。また、制御装置１００は、各種の機関制御として、水噴射弁７０から噴射される水の量である水噴射量Ｑｗや水の噴射タイミングなどを制御する水噴射制御や、バルブ８１の開閉制御を通じたオイルジェット８０のオイル噴射制御を実行する。

＜水噴射制御について＞
制御装置１００は、水噴射制御のひとつとして、上記水噴射量Ｑｗを算出する処理を実行する。

図２に示すように、メモリ１２０には、水噴射量Ｑｗを算出するための情報として、水噴射領域マップＭ１が予め記憶されている。水噴射領域マップＭ１は、機関回転速度ＮＥと、要求トルクＴｔと、１燃焼サイクルにおいて１つの気筒に供給する必要のある水の量である水噴射量Ｑｗとの関係を表したものである。なお、要求トルクＴｔは、アクセル操作量ＡＣＣＰ等に基づいて制御装置１００が算出する内燃機関１の要求トルクである。

水噴射領域マップＭ１において、機関回転速度ＮＥと要求トルクＴｔと水噴射量Ｑｗとは、基本的に次のような関係になっている。要求トルクＴｔが予め定めた閾値Ｔｔｒｅｆ未満の場合、機関回転速度ＮＥの大小に拘わらず水噴射量Ｑｗは「０」である。一方、要求トルクＴｔが閾値Ｔｔｒｅｆ以上の場合には、要求トルクＴｔ及び機関回転速度ＮＥにて予め規定されている所定の運転領域において、「０」よりも大きく且つ要求トルクＴｔ及び機関回転速度ＮＥに応じた値が水噴射量Ｑｗとして設定されている。より詳細には、要求トルクＴｔ及び機関回転速度ＮＥの積である機関出力が高い場合には、機関出力が低い場合と比較して値が大きくなるように水噴射量Ｑｗは設定されている。水噴射量Ｑｗとして「０」よりも大きい値が設定されている運転領域は、水噴射を実行する水噴射領域である。

制御装置１００は、機関運転中において、この水噴射領域マップＭ１に基づいて水噴射量Ｑｗを算出する。そして、算出された水噴射量Ｑｗに相当する量の水が水噴射弁７０から噴射されるように、制御装置１００は水噴射弁７０の噴射制御を行う。

水噴射弁７０が噴射した水は気筒内で蒸発する。このときの気化熱で気筒内の温度は低下する。従って、水噴射を実行することにより、プレイグニッションなどの異常燃焼の発生を抑えたり、ＮＯｘの発生量を抑えたりすることができる。なお、水素を燃料とする内燃機関１では、燃料の着火性が高い。そのため、着火性が低い燃料を使用する内燃機関と比べて、異常燃焼の発生を抑えるために必要となる水噴射量Ｑｗは多くなる。

＜オイル噴射制御について＞
制御装置１００は、機関運転中においてオイル噴射制御を実行する。
図３に示すように、メモリ１２０には、オイル噴射を実行するか否かを判定するための情報として、オイル噴射領域マップＭ２が予め記憶されている。オイル噴射領域マップＭ２は、機関回転速度ＮＥと、要求トルクＴｔと、オイル噴射を実行するオイル噴射領域との関係を表したものである。なお、オイル噴射領域マップＭ２は、油温毎に複数設定されており、制御装置１００は、取得した油温ＴＯに対応するオイル噴射領域マップＭ２を選択する。

オイル噴射領域マップＭ２において、機関回転速度ＮＥと要求トルクＴｔとオイル噴射領域とは、基本的に次のような関係になっている。要求トルクＴｔが上記閾値Ｔｔｒｅｆを超えている場合、制御装置１００は、バルブ８１を閉弁状態にすることによりオイル噴射を停止して非実行とする。一方、要求トルクＴｔが閾値Ｔｔｒｅｆ以下の場合には、要求トルクＴｔ及び機関回転速度ＮＥにて予め規定されている所定の運転領域において、制御装置１００はバルブ８１を開弁状態にすることによりオイル噴射を実行する。

このように上記閾値Ｔｔｒｅｆを境にして、オイル噴射を実行する領域と実行しない領域とが設定されていることにより、オイル噴射を実行する運転領域と水噴射を実行する運転領域とは重ならないように設定されている。つまり、オイル噴射と水噴射とは同時に実行されないようになっている。

こうした水噴射領域マップＭ１及びオイル噴射領域マップＭ２に基づいた水噴射の実行及びオイル噴射の実行は、制御装置１００が実行する以下の制御に相当する。つまり、水噴射の実行時には、その水噴射の開始前に比べて、オイル噴射にて噴射される潤滑油の量を抑制する制御に相当する。そして、制御装置１００は、オイル噴射を停止することにより、オイル噴射にて噴射される潤滑油の量を抑制する制御を実施する。

＜水噴射を停止したときに制御装置が実行する処理について＞
図４に、制御装置１００が実行する処理の手順を示す。制御装置１００は、実行していた水噴射を停止した場合に、つまり機関回転速度ＮＥ及び要求トルクＴｔによって規定される内燃機関１の動作点が図２に示した水噴射領域から外れた場合に、本処理の実行を開始する。なお、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって、ステップ番号を表現する。

図２に示す処理を開始すると、制御装置１００は、待機時間ＷＴを算出する（Ｓ１００）。待機時間ＷＴは、水噴射を停止してから上記抑制処理を解除するまでの時間、つまり水噴射を停止した後にオイル噴射を開始する場合に、そのオイル噴射の開始を待機する時間である。制御装置１００は、水噴射の実行中に算出された水噴射量Ｑｗ及び水噴射の実行時間に基づき、待機時間ＷＴを設定する。より詳細には、水噴射量Ｑｗが多いほど、あるいは水噴射の実行時間が長いほど、待機時間ＷＴの値が大きくなるように当該待機時間ＷＴを設定する。

次に、制御装置１００は、水噴射を停止してから待機時間ＷＴが経過したか否かを判定する（Ｓ１１０）。そして、Ｓ１１０の処理において待機時間ＷＴが経過していないと判定される場合（Ｓ１１０：ＮＯ）、制御装置１００は、待機時間ＷＴが経過したと判定するまでＳ１１０の処理を繰り返し実行する。

Ｓ１１０の処理において、待機時間ＷＴが経過したと判定される場合（Ｓ１１０：ＮＹＥＳ）、制御装置１００は、機関回転速度ＮＥ及び要求トルクＴｔを取得する（Ｓ１２０）。

次に、制御装置１００は、取得した機関回転速度ＮＥ及び要求トルクＴｔが、図３に示したオイル噴射領域内の値であるか否かを判定する（Ｓ１３０）。そして、制御装置１００は、オイル噴射領域内の値であると判定する場合（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、オイル噴射を実行する（Ｓ１４０）。

そして、Ｓ１４０の処理を実行した場合、または上記Ｓ１３０の処理にて否定判定した場合には、制御装置１００は、本処理を終了する。
＜作用＞
本実施形態の作用について説明する。

図５に、オイル噴射及び水噴射の実行状態を示す。図５（Ａ）は機関出力、図５（Ｂ）はオイル噴射の実行状態、図５（Ｃ）は水噴射量、それぞれの推移を示している。
機関出力が増加していき、時刻ｔ１において、機関回転速度ＮＥ及び要求トルクＴｔで規定される内燃機関１の動作点がオイル噴射領域に入るとオイル噴射が開始される。

そして、機関出力がさらに増加していき、時刻ｔ２において、内燃機関１の動作点が水噴射領域に入ると、オイル噴射は速やかに停止されて水噴射が開始される。このようにして水噴射の開始と同時にオイル噴射を停止することにより、オイルポンプの仕事は速やかに小さくされる。

その後、機関出力が低下していき、時刻ｔ３において、内燃機関１の動作点が水噴射領域から外れると、水噴射量Ｑｗが「０」に設定されることにより、水噴射は停止される。そして、上記待機時間ＷＴが算出される。

水噴射を停止してから待機時間ＷＴが経過した時刻ｔ４において、機関回転速度ＮＥ及び要求トルクＴｔで規定される内燃機関１の動作点がオイル噴射領域内の値である場合には、オイル噴射が開始される。

そして、時刻ｔ５において、上記動作点がオイル噴射領域から外れると、オイル噴射は停止される。
＜効果＞
本実施形態の効果について説明する。

（１）水噴射の実行時には、水噴射の開始前に比べてオイル噴射にて噴射される潤滑油の量を抑制する制御が実施される。そのため、水噴射の実行時には、オイル噴射により噴射される潤滑油の量が少なくされる。従って、水噴射及びオイル噴射の実行によってピストン５やシリンダ４の壁面が部分的に過冷却状態になることを抑えることができる。

（２）ピストン５やシリンダ４の壁面が部分的に過冷却状態になると、温度分布のばらつきが大きくなって部位毎の熱変形量の差が大きくなるため、ピストン打音などの異音が発生したり、シリンダ４が摩耗しやすくなるおそれがある。この点、本実施形態では、ピストン５やシリンダ４の壁面が部分的に過冷却状態になることを抑えることができるため、そうした異音の発生や、シリンダ４の摩耗などを抑えることができる。

（３）オイル噴射にて噴射される潤滑油の量を抑制する制御は、オイル噴射を停止することによって実施される。従って、水噴射の実行時には、オイル噴射による冷却を確実に停止させることができる。

（４）ピストン５やシリンダ４の壁面であって排気ポート１０側に位置する部位は、吸気ポート９側に位置する部位に比べて温度が高くなる傾向がある。そこで本実施形態では、ピストン５の裏面であって排気ポート側に位置する部位に向けて潤滑油を噴射するオイルジェット８０を備えることにより、そうした高温部位を冷やすようにしている。

ここで、水噴射弁７０から吸気ポート９に噴射された水の一部は、貫徹力や気筒内のタンブル流の影響により、排気ポート１０側のピストン５の頂面や排気ポート１０側のシリンダ４の壁面に液体の状態で付着することがある。ピストン５の頂面やシリンダ４の壁面に付着した液状の水が気化すると、気化熱によりピストン５の頂面やシリンダ４の壁面の温度が低下する。そのため、水噴射を実行すると、ピストン５やシリンダ４の壁面であって排気ポート１０側に位置する部位が冷却されやすい。従って、仮にオイル噴射及び水噴射を共に実行すると、ピストン５やシリンダ４の壁面であって排気ポート１０側に位置する部位が過冷却状態になりやすい。

この点、本実施形態では、水噴射の実行時には、オイル噴射が停止されることによりオイルジェット８０から噴射される潤滑油の量が「０」にされる。従って、ピストン５やシリンダ４の壁面であって排気ポート１０側に位置する部位が過冷却状態になることを抑えることができる。

（５）水噴射を停止した時点では、直前まで行われていた水噴射によってピストン５やシリンダ４の壁面は冷却されている。従って、水噴射を停止した時点でただちに上記抑制処理を解除してオイル噴射を開始すると、ピストン５やシリンダ４の壁面が過冷却されるおそれがある。この点、本実施形態では、水噴射を停止してから上記待機時間ＷＴが経過した後に、オイル噴射にて噴射される潤滑油の量を抑制する制御が解除されてオイル噴射が開始される。従って、水噴射により温度が低下しているピストン５やシリンダ４の壁面の温度がある程度上昇してから、オイル噴射が開始される。そのため、水噴射を停止した後にオイル噴射を開始する際に、部分的な過冷却が発生することを抑えることができる。

（６）水噴射によるピストン５やシリンダ４の壁面の冷却度合いは、水噴射の実行中における水噴射量Ｑｗ及び水噴射の実行時間と相関がある。そこで、本実施形態では、ピストン５やシリンダ４の壁面の冷却度合いに相関がある上記水噴射量Ｑｗ及び水噴射の実行時間に基づいて上記待機時間ＷＴを設定するようにしている。そのため、水噴射によるピストン５やシリンダ４の壁面の冷却度合いに合わせて待機時間ＷＴを適切に設定することができる。

（７）上述したように水素を燃料とする内燃機関１では、燃料の着火性が高い。そのため、着火性が低い燃料を使用する内燃機関と比べて、異常燃焼の発生を抑えるために必要となる水噴射量Ｑｗは多くなる。従って、上述したようなピストン５やシリンダ４の壁面における部分的な過冷却が起きやすい。この点、本実施形態では、そうした水素を燃料とする内燃機関１において、水噴射の実行時には、水噴射の開始前に比べてオイル噴射により噴射される潤滑油の量が抑制される。従って、部分的な過冷却が起きやすい内燃機関１においても、ピストン５やシリンダ４の壁面における部分的な過冷却の発生を抑えることができる。

＜変更例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図２に示した水噴射領域マップＭ１において、要求トルクＴｔを機関負荷率ＫＬに置き換えてもよい。
・図３に示したオイル噴射領域マップＭ２において、要求トルクＴｔを機関負荷率ＫＬに置き換えてもよい。

・オイルジェット８０の噴射方向は、シリンダ４の壁面であって排気ポート１０側に位置する部位に向けて潤滑油が噴射されるように設定されていてもよい。
・オイルジェット８０の噴射方向は、ピストン５の裏面またはシリンダ４の壁面であって排気ポート１０側に位置する部位とは異なる部位に向けて潤滑油が噴射されるように設定されていてもよい。この場合でも、上記（４）以外の効果を得ることができる。

・オイル噴射領域では、バルブ８１の開度を種々変更することにより、オイルジェット８０から噴射される潤滑油の量を調整してもよい。
・水噴射の実行時において、オイル噴射により噴射される潤滑油の量を抑制するために、オイル噴射を停止するようにした。この他、水噴射の実行時には、オイル噴射を継続しつつ、オイルジェット８０から噴射される潤滑油の量が、水噴射の開始前に比べて少なくなるように当該潤滑油の量を制御してもよい。この場合でも、上記（３）以外の効果を得ることができる。

・内燃機関１は水素を燃料とする内燃機関であったが、水素以外の燃料を使用する内燃機関でもよい。この場合でも、上記（７）以外の効果を得ることができる。
・上記制御装置１００はＣＰＵ１１０とメモリ１２０とを備えており、ソフトウェア処理を実行する。しかしながら、これは例示に過ぎない。制御装置１００は、例えば、上記実施形態において実行されるソフトウェア処理の少なくとも一部を処理する専用のハードウェア回路（たとえばＡＳＩＣ等）を備えてもよい。すなわち、制御装置１００は、以下の（ａ）～（ｃ）のいずれかの構成であればよい。（ａ）上記処理の全てをプログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶するメモリ等のプログラム格納装置とを備える。（ｂ）上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置及びプログラム格納装置と、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える。（ｃ）上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える。ここで、処理装置及びプログラム格納装置を備えたソフトウェア回路、及び専用のハードウェア回路は複数であってもよい。すなわち、上記処理は、１または複数のソフトウェア回路及び１または複数の専用のハードウェア回路の少なくとも一方を備えた処理回路によって実行されればよい。プログラム格納装置すなわちコンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。

１…内燃機関
２…シリンダブロック
３…シリンダヘッド
４…シリンダ
５…ピストン
６…コネクティングロッド
７…クランクシャフト
８…燃焼室
９…吸気ポート
１０…排気ポート
１２…吸気弁
１３…排気弁
１４…スロットルバルブ
２０…吸気通路
３０…排気通路
３５…筒内噴射弁
４１…クランク角センサ
４４…エアフロメータ
４５…水温センサ
４８…油温センサ
４９…アクセルセンサ
７０…水噴射弁
８０…オイルジェット
８１…バルブ
１００…制御装置

Claims (5)

1. 燃焼室に接続された吸気通路に水を噴射する水噴射弁と、ピストン裏面またはシリンダ壁面に潤滑油を噴射するオイルジェットとを備える内燃機関に適用されて、前記水噴射弁による水噴射と前記オイルジェットによるオイル噴射とを制御する装置であって、
   前記水噴射の実行時には、前記水噴射の開始前に比べて前記オイル噴射にて噴射される前記潤滑油の量を抑制する制御を実施する
   内燃機関の制御装置。
2. 前記オイルジェットは、前記ピストン裏面であって排気ポート側に位置する部位または前記シリンダ壁面であって排気ポート側に位置する部位に向けて前記潤滑油を噴射するオイルジェットである
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記水噴射を停止してから待機時間が経過した後に、前記潤滑油の量を抑制する制御を解除する
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記待機時間は、前記水噴射の実行中における水噴射量及び前記水噴射の実行時間に基づいて設定される
   請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記オイル噴射を停止することにより、前記潤滑油の量を抑制する制御を実施する
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。