JP2004211599A

JP2004211599A - 筒内噴射式内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2004211599A
Application number: JP2002382131A
Authority: JP
Inventors: Hajime Yasuda; 肇安田; Tatsuo Sato; 立男佐藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP4075614B2

Abstract

【課題】内燃機関において燃料の気化を促進し、燃費，出力を向上する。
【解決手段】吸気弁の開時期を上死点近傍の通常の開時期より遅らせた制御時に、負荷に基づいて前記通常の開時期に制御した場合に比較して筒内圧力の大きさが逆転するポイント以降に燃料噴射を開始し、燃料噴射終了後、負荷に基づいて設定された遅角量ａ経過後に吸気弁を開弁させる構成として、吸気弁の通常開時期制御時より大きな筒内負圧下で噴射燃料の気化を促進する。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式内燃機関の制御に関し、特に、吸気弁開時期の可変制御と、それに関連した燃料噴射制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガソリン機関などの火花点火機関において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内噴射式内燃機関が主流となりつつあり、燃費低減及び排気浄化性能を改善できる。
【０００３】
この種の筒内噴射式内燃機関において、暖機前の均質燃焼時に吸気弁の開時期を排気弁の閉時期より遅らせる一方、吸気弁の開時期前に燃料噴射を開始させることにより、筒内負圧が高い状態で噴射燃料の気化促進を図ろうとしたものがある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１０７７５８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように吸気弁の開時期を遅らせると、負圧のピークは開弁時期を遅らせない場合（通常の開時期）以上に発達するものの、閉弁中はスロットルバルブ下流で発達した吸入負圧が気筒内に伝わらなくなるので、通常開弁時期直後に相当する時期、閉弁を維持した場合の筒内負圧は開弁した場合に比較して小さなものとなり、吸気弁の開弁時期を遅らせた場合と遅らせなかった場合との間で負圧の大きさが逆転する逆転ポイントが生じる（始めは開弁した場合の方が負圧が大きく、途中から閉弁を継続した場合の負圧が開弁した場合に比べて大きく発達する）。
【０００６】
従来このような負圧の逆転ポイントを過ぎた後に燃料噴射を行うことを考慮していなかったため、気化促効果を得られないばかりでなく燃料が気筒内で壁流となる場合があり、むしろ気化を悪くして、排気エミッションや出力に悪影響を与えることがあった。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、前記吸気弁の開弁時期を遅らせた場合と遅らせなかった場合との間で負圧の大きさが逆転する逆転ポイントが生じることを考慮して燃料噴射を開始することにより、充分に噴射燃料の気化を促進できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、暖機前の均質燃焼時などに、吸気弁の開時期を通常の開時期より遅らせた制御を行い、このように吸気弁開時期を遅らせる制御時には通常の上死点近傍の開時期に制御した場合に比較して筒内圧力の大きさが逆転する時期以降に、燃料噴射を開始する構成とした。
【０００９】
これにより、吸気弁開時期を遅らせて制御することにより通常開時期より筒内負圧を大きくできる効果が得られてから燃料噴射が開始されるので、該負圧を利用した噴射燃料の気化促進効果を充分に得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態の全体構成を示すシステム図である。
内燃機関１の吸気通路２には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３が設けられ、スロットル弁４により吸入空気量を調節する。
【００１１】
機関１の各気筒には、燃焼室６内に燃料を噴射する燃料噴射弁７、燃焼室６内で火花点火を行う点火プラグ８が設けられており、吸気弁９を介して吸入された空気に対して前記燃料噴射弁７から燃料を噴射して混合気を形成し、該混合気を前記燃焼室６内で圧縮し、点火プラグ８による火花点火によって着火する。
【００１２】
内燃機関１の排気は、排気弁１０を介して燃焼室６から排気通路１１に排出され、図示しない排気浄化触媒及びマフラーを介して大気中に放出される。
前記吸気弁９及び排気弁１０は、それぞれ吸気弁側カム軸１２及び排気弁側カム軸１３に設けられたカムにより開閉駆動される。
【００１３】
吸気弁側カム軸１２、排気弁側カム軸１３には、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させることで、吸、排気弁の開閉時期を進遅角すると共にバルブリフトを高リフトと低リフトとの間で切り換える油圧駆動式の可変バルブタイミング・可変バルブリフト機構（以下、ＶＴＣ・ＶＶＬ機構という）１４がそれぞれ設けられている。なお、ＶＴＣ・ＶＶＬ機構としては、上記油圧駆動式の他、例えば、電磁アクチュエータを用いて吸、排気弁の開閉時期を進遅角すると共にバルブリフトを変更するものでもよい。
【００１４】
ここで、前記スロットル弁４、燃料噴射弁７及び点火プラグ８の作動は、前記内燃機関制御回路（ＥＣＵ）２１により制御され、該ＥＣＵ２１には、クランク角センサ１５、カム軸センサ１６Ａ，１６Ｂ、水温センサ１７、エアフローメータ３等からの信号が入力される。
【００１５】
また、ＥＣＵ２１は、クランク角センサ１５及び吸気側、排気側それぞれのカム軸センサ１６Ａ，１６Ｂからの検出信号に基づいて、クランク軸に対する吸気カム軸１２の回転位相（ＶＴＣ位相とバルブリフト）、クランク軸に対する排気カム軸１３の回転位相（ＶＴＣ位相とバルブリフト）をそれぞれ検出することで吸気弁９及び排気弁１０の開閉時期とリフト量を検出すると共に、機関の負荷（燃料噴射量）、回転速度Ｎｅ、冷却水温度Ｔｗ等の情報に基づいて吸気側カム軸１２及び排気側カム軸１３の目標位相角（進角値又は遅角値）とリフト量を決定して、吸気弁９及び排気弁１０の開閉時期とリフト量を制御する。特に、本発明にかかる制御として、暖機前の均質燃焼時には、吸気弁９の開時期を通常の上死点近傍の開時期より遅らせて排気弁１０の閉弁後に制御する一方、通常の開時期とした場合に比較して筒内圧力が逆転する時期以降に燃料噴射を開始する制御を行う。
【００１６】
以下に、上記燃料噴射制御の具体的な実施形態をフローチャートに基づいて説明する。
図２は、第１の実施形態のフローチャートを示す。
【００１７】
ステップ（図ではＳと記す。以下同様）１では、機関の負荷（燃料噴射量ＣＴＩ）と回転速度ＮＥとに基づいて、均質燃焼を行う領域であるか否かを判定する。ステップ１で均質燃焼領域と判定されたときは、ステップ２へ進む。
【００１８】
ステップ２では、機関の冷却水温度ＴＷＮが所定温度ＴＷＬ以下の暖機前であり、機関回転速度ＮＥが所定値ＮＥＬ以下で燃料噴射量ＣＴＩが所定値ＣＴＩＬ以下の低回転・低負荷時であるかを判定し、低回転・低負荷時と判定されたときは、吸気弁９の開時期ＩＶＯを、通常の上死点近傍の開時期より遅らせた開時期に制御することを決定し、ステップ３以降へ進む。
【００１９】
ステップ３では、現在の運転状態で、上記のように吸気弁の開時期を上死点近傍の通常の開時期より遅らせた制御時に、前記通常の上死点近傍の開時期に制御した場合に比較して筒内圧力の大きさが逆転するポイント（クランク角時期）を負荷（燃料噴射量ＣＴＩ）に基づいて推定する。ここで、負荷が小さくなるほどスロットル弁４を絞るので吸入負圧が大きく発達しているから、吸気弁９が通常の開時期制御で開かれている場合は、筒内圧力は開弁直後から大きな負圧となっている。一方、吸気弁９の開時期を遅らせ閉じた状態に維持されている場合は、前記吸入負圧の導入がなく、筒内負圧はピストン下降によってのみ発達する（排気弁１０は上死点近傍で閉弁している）から、吸気弁９が開かれる通常の開時期に制御される場合の筒内負圧より大きくなる逆転ポイントは、それだけ遅れることになる。
【００２０】
ステップ４では、前記推定された筒内圧力の逆転ポイント以降（直後）のタイミングで、燃料噴射を開始する。具体的には、上記筒内圧力の逆転ポイントを実験等により求めて、燃料噴射量をパラメータとする逆転ポイント若しくは逆転ポイント直後の燃料噴射開始時期のマップを作成し、該マップからの検索などによって設定した燃料噴射開始時期に燃料噴射を開始させればよい。
【００２１】
ステップ５では、燃料噴射量ＣＴＩ及び機関回転速度ＮＥに基づいて、燃料噴射終了後から吸気弁９を開弁するまで遅角量ａを設定する。具体的には図３に示すような特性のマップに基づいて設定する。ここで、燃料噴射量ＣＴＩが大きくなるほど、燃料量が多い上に筒内負圧が小さいので充分な気化効果を得るのに時間を要し、また、機関回転速度ＮＥが増大するほど同一時間のクランク角換算値が大きくなるので、遅角量ａを大きく設定する。なお、簡易的には、本制御を行う機関回転速度が低速域に制限され回転速度変化幅が小さいので、燃料噴射量ＣＴＩのみに基づいて遅角量ａを設定するようにしてもよい。
【００２２】
ステップ６では、燃料噴射終了後、前記遅角量ａだけ経過した時期に吸気弁９を開弁させる。
ステップ１で均質燃焼領域ではない（成層燃焼領域）と判定されたとき及びステップ２の条件が不成立のときは、ステップ７へ進んで吸気弁９の開時期ＩＶＯを通常の上死点近傍の開時期に制御するとともに、該通常の開時期ＩＶＯに応じた通常の燃料噴射制御を行う（但し、成層燃焼時は主として圧縮行程で燃料噴射を行い、均質燃焼は吸気行程で燃料噴射する）。
【００２３】
図４は、上記実施形態により吸気弁開時期を遅らせて制御したときの燃料噴射制御の様子を示す。
高負荷時に比べて低負荷になるほど筒内圧力の逆転ポイントが遅れ、ピストンの下降に伴い筒内の負圧はさらに大きく発達する。そして、前記逆転ポイント以降に燃料噴射が開始される。燃料噴射終了後、燃料噴射量ＣＴＩ（負荷）が大きいほど大きく設定される遅角量ａだけ経過したときに、吸気弁９が開弁される（なお、図４における高負荷時とは、前記図２で満たされる低負荷条件の中で相対的に負荷が高いときを意味する）。
【００２４】
このように、吸気弁９の開時期を遅らせる（閉状態に維持する）ことにより通常の開時期制御より筒内の負圧を大きくできる効果が発揮された後に、燃料噴射が開始されるので、筒内での燃料壁流生成を防止して排気エミッションの悪化、出力の低下を防止でき、筒内の負圧を利用した燃料の気化促進が充分に行われて排気浄化性能及び燃費を向上することができる。
【００２５】
また、負荷が変化しても負荷に応じて算出した逆転ポイント以降で燃料噴射を開始するため、常に、通常の吸気弁開時期制御時より大きな負圧となったところで燃料噴射を開始させることができる。
【００２６】
また、燃料噴射が終了し、負荷（及び機関回転速度）に基づいて設定した遅角量ａ経過後に吸気弁９を開弁するようにしたので、噴射された燃料が必要かつ充分な期間大きな負圧状態に曝れて気化が促進される。一方、吸気弁９の開弁時期を遅らせると、吸気弁９の開弁期間，リフト量が減少されることになるのでポンピングロスの増大に繋がる。本制御は低負荷条件で行われるのでのポンピングロスの影響は小さいが、開弁時期があまり遅れるとポンピングロスを無視できなくなる。しかし、本実施形態では前記燃料噴射終了後、必要最小限の期間を経た後速やかに吸気弁９を開弁することでポンピングロスによる燃費悪化も最大限抑制することができる。
【００２７】
次に、上記第１の実施形態に比較して簡易な方式の燃料噴射制御とした第２の実施形態を、図５のフローチャートにしたがって説明する。
ステップ１，２，７は第１の実施形態と同様であり、ステップ２で吸気弁９の開弁時期を遅らせる制御とする条件が成立すると、ステップ１１以降へ進む。
【００２８】
ステップ１１では、最小負荷時において吸気弁９を通常開弁時期に制御したときと遅らせて制御したときとで筒内圧力が逆転するポイント以降（直後）の固定されたタイミングで燃料噴射を開始する。この噴射開始タイミングは、予め実験等で求めた最小負荷時の筒内圧力逆転ポイントに応じて求めておいたものを用いる。
【００２９】
ステップ１２では、燃料噴射終了後、所定の遅角量（固定値）ａ’経過後に吸気弁９を開弁する。
図６は、該第２の実施形態における燃料噴射制御の様子を示す。
【００３０】
第２の実施形態では、最小負荷時の筒内圧力逆転ポイント以降に燃料噴射を開始することで、常に最も大きな負圧を発生してから燃料噴射を開始できるので、確実に噴射燃料の気化を促進できると共に、燃料噴射開始時期を固定値とすることで演算が不要となるため、制御が簡易になる。また、燃料噴射終了後、所定の遅角量ａ’経過後に吸気弁９を開弁するようにしたため、噴射燃料の気化促進とポンピングロスによる燃費悪化の抑制とを両立でき、遅角量ａ’の演算も不要なので制御も簡易となる。
【００３１】
また、上記第１の実施形態における負荷に基づく燃料噴射開始時期設定の構成と、第２の実施形態における燃料噴射終了後所定の遅角量ａ’経過後に吸気弁９を開弁させる構成とを組み合わせることもできる。あるいは、第２の実施形態における最小負荷時の筒内圧力逆転ポイント以降に燃料噴射を開始する構成と、第１の実施形態における燃料噴射終了後負荷に基づいて設定した遅角量ａ経過後に吸気弁９を開弁させる構成とを組み合わせることもできる。
【００３２】
次に、第３の実施形態について説明する。
本実施形態では、吸気弁９の開時期を遅らせる制御時に、排気弁１０の閉時期ＥＶＣを通常の上死点近傍より早い時期に制御する（図７参照）。
【００３３】
このようにすれば、筒内の残留ガス量が増大するので、図８に示すように、吸気弁９が開弁するまでの筒内温度を高めることができ、この間に噴射された燃料の気化をより促進することができる。なお、筒内温度の上昇により筒内圧力も通常のＥＶＣ制御時より若干上昇するが、筒内温度上昇による気化促進効果の方が大きい。
【００３４】
なお、吸気弁９の開時期を遅らせる制御については、上記第１、第２の実施形態、若しくはこれらを組み合わせた実施形態を適用すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の全体構成を示すシステム図。
【図２】第１の実施形態における制御のフローチャート。
【図３】第１の実施形態で、燃料噴射終了後から吸気弁を開弁するまで遅角量ａを設定するマップ。
【図４】第１の実施形態により吸気弁開時期を遅らせて制御したときの制御の様子を示すタイムチャート。
【図５】第２の実施形態における制御のフローチャート。
【図６】第２の実施形態により吸気弁開時期を遅らせて制御したときの制御の様子を示すタイムチャート。
【図７】第３の実施形態における吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを示す図。
【図８】第３の実施形態における筒内温度の様子を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１…内燃機関２…吸気通路４…スロットル弁７…燃料噴射弁８…点火プラグ９…吸気弁１０…排気弁１２…吸気弁側カム軸１３…排気弁側カム軸１４…可変バルブタイミング機構１５…クランク角センサ１６Ａ，１６Ｂ…カム軸センサ１７…水温センサ２１…エンジン制御回路（ＥＣＵ）

Claims

吸気弁の開時期を上死点近傍の通常の開時期より遅らせた制御時に、前記通常の開時期に制御した場合に比較して筒内圧力の大きさが逆転する時期以降に、燃料噴射を開始することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。
前記筒内圧力の大きさが逆転する時期を、機関の負荷に基づいて推定することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
燃料噴射開始時期を、機関の最小負荷時に筒内圧力が逆転する時期に固定して設定したことを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
前記吸気弁の開時期を遅らせるときの制御時は、燃料噴射を終了後、所定のクランク角後に吸気弁を開弁させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
前記吸気弁の開時期を遅らせるときの制御時は、燃料噴射を終了後、燃料噴射量に基づいて設定したクランク角後に吸気弁を開弁させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
前記吸気弁の開時期を遅らせるときの制御時に、排気弁の閉時期を上死点近傍の通常の閉時期より早めることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。