JP2004353464A

JP2004353464A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2004353464A
Application number: JP2003148934A
Authority: JP
Inventors: Takashi Amano; 貴士天野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】ポート噴射エンジンにおいて、燃焼室全体に、より均質な混合気を確実に形成することのできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】吸気ポート４に燃料Ｆが噴射され、吸気バルブ６が開いたときに少なくとも前記燃料の一部が筒内に流入される内燃機関の制御装置であって、ピストン２が下死点に達する前に前記吸気バルブが閉じ、前記吸気バルブが閉じた直後に燃料が噴射されるように制御する。吸気バルブの閉弁時期を早くすることで、吸気バルブが閉じてから次に開くまでの時間が一層長くなり、閉弁直後に噴射された燃料が吸気バルブから受熱する時間を長くとることができる。これにより燃料の気化が促進される。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ポート噴射エンジンでは、特にリーン燃焼や冷間始動時などの条件下で、燃焼室全体に均質な混合気を形成することが難しい。燃料噴射弁から噴霧された燃料が吸気ポート、吸気バルブ、シリンダ壁に干渉・付着し、燃料の偏在が生じるからである。
【０００３】
特許第３２１３９０２号公報（特許文献１）には、暖期中には、吸気弁が下死点で閉じた直後に燃料を噴射し、次に吸気弁が開くまでの時間を長くとることで、燃料の霧化を促進することが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３２１３９０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ポート噴射エンジンにおいて、燃焼室全体に、より均質な混合気を確実に形成するためには、上記公報の方法よりも、燃料の気化がより促進されることが求められる。
【０００６】
本発明の目的は、ポート噴射エンジンにおいて、燃焼室全体に、より均質な混合気を確実に形成することのできる内燃機関の制御装置を提供することである。
本発明の他の目的は、ポート噴射エンジンにおいて、噴射された燃料が吸気バルブから受熱する作用を効率良く利用することのできる内燃機関の制御装置を提供することである。
本発明の更に他の目的は、ポート噴射エンジンにおいて、燃焼室全体に、より均質な混合気を確実に形成することができ、筒内の体積効率を向上させることのできる内燃機関の制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の制御装置は、吸気ポートに燃料が噴射され、吸気バルブが開いたときに少なくとも前記燃料の一部が筒内に流入される内燃機関の制御装置であって、ピストンが下死点に達する前に前記吸気バルブが閉じ、前記吸気バルブが閉じた直後に燃料が噴射されるように制御する。
【０００８】
本発明によれば、吸気バルブの閉弁時期を早くすることで、吸気バルブが閉じてから次に開くまでの時間が一層長くなり、閉弁直後に噴射された燃料が吸気バルブから受熱する時間を長くとることができる。これにより燃料の気化が促進される。吸気行程が終了した後に、ピストンが下死点に達する前に燃料が噴射されることにより、噴射された燃料が次に吸気バルブが開くまでの間に吸気バルブから受熱する時間を長くとることができる。
【０００９】
本発明において、前記内燃機関には、可変バルブタイミング・リフトシステムが用いられ、前記可変バルブタイミング・リフトシステムを用いて、希薄燃焼モードの運転がなされるときに、前記ピストンが下死点に達する前に前記吸気バルブが閉じ、前記吸気バルブが閉じた直後に燃料が噴射されるように制御する。
【００１０】
本発明の内燃機関の制御装置において、更に、前記吸気バルブが閉じる前の吸気工程中にも燃料が噴射されるように制御する。
【００１１】
本発明によれば、吸気工程中に噴射され筒内に流入した燃料の気化潜熱により体積効率が向上する。吸気工程の前半に燃料を噴射した場合には、吸気の流速が速いため、筒内で燃料の混合が良好に行われる。
【００１２】
本発明の内燃機関の制御装置において、前記内燃機関には、可変バルブタイミング・リフトシステムが用いられ、希薄燃焼モードのときには、均質燃焼モードのときよりも、吸気行程でのリフト量が小さくなるように制御する。
【００１３】
本発明によれば、吸気行程でのリフト量を小さくすることで、吸気の流速を上げて、更なる気化の向上と均質度の向上を図ることができる。短期間に勢い良く微粒化させながら筒内に燃料を導けるので、シリンダへの付着も無い。
【００１４】
本発明の内燃機関の制御装置において、前記燃料を噴射する燃料噴射弁は、前記吸気ポートの断面の下側の前記吸気バルブの近傍に取り付けられ、噴霧した燃料の概ね全てが閉じた状態の前記吸気バルブに直接的に当たるような噴霧形状を形成するように構成されている。
【００１５】
本発明によれば、上記噴霧形状により、燃料が吸気ポート壁に付着することがなく、閉じた状態の吸気バルブから確実に受熱することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内燃機関の制御装置の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
第１実施形態は、ポート噴射エンジンにおいて、燃料噴射弁を吸気バルブの近傍に配置し、吸気バルブの閉じタイミングを下死点前の早閉じとし、燃焼噴射を吸気バルブの閉弁直後に行う。燃料は吸気バルブからの熱を受けて十分に気化した後、筒内に供給されるので均質度が向上し、リーン燃焼や冷機始動時などでも良好な燃焼が可能となる。また、燃料の一部を吸気バルブが閉じる前に噴射することにより、筒内の体積効率が向上し、ポンプロスの低減を図ることができる。
【００１８】
図１に示すように、シリンダ１には、ピストン２が往復移動可能に設けられている。ピストン２とシリンダ１とシリンダヘッドによって燃焼室３が形成されている。シリンダ１には、吸気ポート４と、排気ポート５が連通している。吸気ポート４と排気ポート５のそれぞれの先端部は、二つに分岐され、それぞれ二つに分岐された吸気ポート４と排気ポート５に対応して、二つの吸気バルブ６と二つの排気バルブ７とが配設されている。吸気バルブ６によって、シリンダ１と吸気ポート４との間が開閉される。また、排気バルブ７によってシリンダ１と排気ポート５との間が開閉される。
【００１９】
燃料噴射弁８は、吸気ポート４に開口し燃料Ｆを噴射する噴射口８ａを有している。シリンダ１の上部には、燃焼室３内の混合気に点火する点火プラグ９が設けられている。燃料噴射弁８は、その噴射口８ａが吸気ポート４の断面の下側に位置し、噴射口８ａから噴射された燃料Ｆが、吸気バルブ６の傘部に過不足なく当たるような、吸気バルブ６の近傍に配置されている。燃料噴射弁８は、吸気ポート４の内部に突出しないように設けられている。燃料噴射弁８は、図２に示すように、二つに分岐された吸気ポート４のそれぞれに設けられ、各燃料噴射弁８は、吸気バルブ６の傘部に向けて燃料Ｆを噴射する。
【００２０】
本実施形態では、図３に示すように、低負荷、低回転領域での希薄燃焼モードと、高負荷、高回転領域での均質燃焼運転モードの２つの運転モードがある。希薄燃焼モードは、低負荷、低回転時において燃費の向上を図るための希薄燃焼時や冷間始動時や暖機中のために設けられている。
【００２１】
本実施形態では、可変バルブタイミング・リフト方式を採用している。可変バルブタイミング・リフト方式は、カムシャフトの作用角、リフト、中心角のすべてを可変とするシステムである。
【００２２】
図４は、バルブのリフトカーブを示している。図４の吸気行程において、破線で示すカーブは、均質燃焼運転モードの吸気行程を示しており、実線で示すカーブは、希薄燃焼モードの吸気行程を示している。図４に示す排気行程のリフトカーブは、希薄燃焼モードのものである。均質燃焼運転モードの排気行程のリフトカーブについては、本実施形態の特徴部分ではないため、図示を省略する。
【００２３】
図４に示すように、本実施形態の可変バルブタイミング・リフト方式を用いて、希薄燃焼モードの吸気行程では、均質燃焼運転モードに比べて、リフト及び作用角を小さくしている。これにより、希薄燃焼モードでは、後述するように、吸気バルブ６の閉じるタイミングが下死点（ＢＤＣ）より前の早閉じとされる（大進角側に設定される）。本実施形態では、上記のように、希薄燃焼モードでの吸気行程でのリフトを後述する理由から小さくしているが、本発明では、必ずしも小さくする必要は無く、排気行程と同じであってもよい。
【００２４】
本実施形態において、均質燃焼運転モードにおける動作については、通常一般の運転時と同様である。即ち、排気行程と吸気行程のリフト量は概ね同じである。吸気バルブ６の閉じるタイミングも通常一般と同様に、下死点を過ぎた後である。また、燃料Ｆの噴射についても通常一般の場合と同様に、排気行程の中後期において、燃料Ｆの噴射が行われ、閉じた状態の吸気バルブ６の傘部吸気側に燃料Ｆが衝突することで分散するとともに吸気バルブ６から受熱して気化し、吸気ポート４内に吸入された空気と良好に混合される。吸気行程において、吸気バルブ６が開くと、気流に乗って混合気が筒内に流入し、筒内にほぼ均一な混合気が広がる。
【００２５】
次に、本実施形態の特徴である、希薄燃焼モードにおける吸気行程について説明する。排気行程については、本実施形態の特徴ではないため、その説明を省略する。
【００２６】
図４の符号（２）に示すように、下死点よりも前に吸気バルブ６が閉じる。すると、図４の（１）に示すように、その吸気バルブ６が閉じた直後に燃料Ｆの噴射が開始される。この場合、燃料Ｆの噴射が開始される時期は、下死点よりも前である。
【００２７】
図５は、図４の（１）の時点での状態を示している。ここで、噴射された燃料Ｆは、（３）に示すように、次のサイクルでシリンダ１内に吸入されて使用されるため、それが次サイクルで使用されるまでの時間を十分に長くととることができる。これにより、加熱した吸気バルブ６から吸気ポート４内で燃料Ｆが受熱する時間を長くとることができ、十分な気化が行われる。
【００２８】
図４の（４）に示すように、希薄燃焼モードにおける吸気行程では、リフト及び作用角を小さくしている。図６は、その吸気行程において、吸気バルブ６が開いた直後のシリンダ１内の状態を示している。この吸気行程では、リフト及び作用角が小さくされたことにより、吸気ポート４内の燃料Ｆは、短期間に勢い良く微粒化されながらシリンダ１内に導かれ、更に気化が向上するとともに、シリンダ１への付着も防止することができ、混合気の均質度を向上させることができる。
【００２９】
更に、本実施形態では、図４の（５）及び図７に示すように、燃料噴射弁８から噴射されるべき燃料Ｆの一部が吸気バルブ６が閉じる前に噴射される。筒内に燃料Ｆが入ることで、そのサイクルにて気化潜熱効果により体積効率が向上し、またポンプロスが低減する。図７（ａ）に示すように、吸気行程前半のリフト量が最大になる少し前の吸気量が最大の時期に、燃料噴射弁８から燃料Ｆの一部が噴射される。これは、いわゆる吸気同期噴射と同時期であり、この時期に燃料Ｆの一部が筒内に流入されることで、図７（ｂ）に示すように、混合が良好に行われる。図７（ｂ）に示すような純均質状態は点火時期まで保たれる。
【００３０】
この場合、吸気バルブ６が閉じる前に噴射された燃料Ｆの一部が筒内に入る時期（図７の状態）と、前のサイクルにて吸気バルブ６が閉じた後に噴射された燃料Ｆが吸気バルブ６から熱を受けた後、吸気バルブ６が開くとともに筒内に入る時期（図６の状態）とは、共通の時期であってもよい。
【００３１】
なお、燃料Ｆの一部が吸気バルブ６が閉じる前に噴射される時期は、吸気行程の前半に代えて、後半であってもよい。
【００３２】
本実施形態において、吸気バルブ６が閉じる前に噴射される燃料Ｆ（図４の（５）及び図７）と、吸気バルブ６が閉じた後に噴射される燃料Ｆ（図４の（１）及び図５）の量の割合は、後者が大半を占めており、例えば、前者と後者の量の比は、３：７〜１：９程度である。なお、本発明においては、吸気バルブ６が閉じる前に燃料Ｆを噴射する工程（上記前者）は省略することが可能である。
【００３３】
次に、図２、図５、図８及び図９を参照して、燃料噴射弁８の取付位置及び燃料噴射弁８から噴霧される燃料Ｆの噴霧形状について説明する。なお、図２は、図５の矢視の矢印方向に対応する図である。
【００３４】
まず、燃料噴射弁８の取付位置について説明する。
【００３５】
通常一般には、ポート噴射型エンジンの燃料噴射弁は、吸気ポートの断面の上部に取り付けられることが多い。これに対し、本実施形態では、図５に示すように、燃料噴射弁８は、吸気バルブ６の傘部に確実に過不足なく燃料Ｆを当てるために、吸気ポート４の断面の下部に取り付けられる。
【００３６】
燃料噴射弁が吸気ポートの断面の上部に取り付けられると、その噴射口から噴霧されて広がった燃料が吸気ポートの内壁に付着したり、液滴として吸気ポートの内部に残るものが懸念されるからである。また、吸気ポートの断面の上部側から吸気バルブの傘部の位置までの間には、吸気バルブの傘部に向かう燃料にとって、障害となる物体が存在するため、燃料が吸気バルブの傘部に確実には当たらないからである。
【００３７】
また、本実施形態において、燃料噴射弁８は、吸気バルブ６の近傍に設けられている。これにより、吸気バルブ６から近い分だけ、燃料噴射弁８から噴射された燃料Ｆは、吸気バルブ６の傘部以外の箇所に付着してロスする分が少ない。また、燃料噴射弁８と吸気バルブ６とが近いので、燃料噴射弁８から噴射された燃料Ｆの流れが吸気ポート４の気流に影響されることが少ない。
【００３８】
次に、燃料噴射弁８から噴霧される燃料Ｆの噴霧形状について説明する。
【００３９】
燃料噴射弁８は、吸気バルブ６の真円状に形成された傘部に対して、斜め上方から燃料Ｆを噴霧する。燃料噴射弁８は、斜め下方の吸気バルブ６の傘部に対して、噴射口８ａから噴霧された燃料Ｆの全てを当てるとともに、傘部の中で燃料Ｆが当たらない箇所が無いような噴霧形状で、燃料Ｆを噴霧する。即ち、噴霧形状は、吸気バルブ６の全面に到達するような形とする。図２及び図８に示すように、燃料噴射弁８からの噴霧形状は、噴霧方向（燃料噴射弁８の軸線方向）に対して横長の楕円とする。本実施形態では、燃料噴射弁８からの燃料Ｆは一方向に噴霧されているが、二方向に噴霧されることができる。
【００４０】
また、図２に示すように、各シリンダ１に二つの吸気バルブ６がある場合には、それぞれに対応するように燃料噴射弁８も二つ用意される。これにより、燃料Ｆは、吸気バルブ６からより効果的に受熱することができ、また、吸気バルブ６以外の箇所に燃料Ｆが付着するおそれを少なくすることができる。
【００４１】
以上のことから、燃料噴射弁８から噴射された燃料Ｆの全てが、高温の吸気バルブ６の傘部に確実に当たり、かつ、傘部に燃料Ｆが満遍なく当たるので、より気化され易い。燃料噴射弁８が吸気バルブ６の近傍に配置されるので、燃料Ｆが吸気ポート４に付着せず、高温の傘部に向けて確実に噴射することができる。また、吸気中の噴射であっても気流の影響を受け難く、常に正確な方向に噴射することができる。燃料噴射弁８が筒内から近いため、図４の（１）や（５）のタイミングを精度良く制御することができる。
【００４２】
本実施形態では、図３に示すように、破線で示す従来に比べて、希薄燃焼モードをより高回転域側まで延ばすことができる。本実施形態の希薄燃焼モードでは、噴射された燃料Ｆの受熱時間を十分に長くとることができるからである。
【００４３】
次に、図１０を参照して、第２実施形態について説明する。
【００４４】
第２実施形態において、上記第１実施形態と異なる点は、燃料噴射弁８から燃料Ｆが噴射される時期である。それ以外の点については、上記第１実施形態と同じであるため、その説明を省略する。
【００４５】
図１０に示すように、希薄燃焼モードにおける吸気行程のリフトカーブは、図４に示した第１実施形態と同様である。本実施形態では、第１実施形態での２回の燃料噴射（図４の（１）及び（５））に代えて、１回の燃焼噴射のみを行う。これにより、燃料噴射の動作・制御がより簡便になる。
【００４６】
燃焼噴射を吸気バルブ６が閉じる直前に開始し、そこで噴射された燃料Ｆ（噴射されるべき燃料Ｆの一部のみ）をそのサイクルで筒内に吸入し、その残りの燃料Ｆを吸気バルブ６が閉じた直後から行う。吸気バルブ６が閉じた後に噴射された燃料Ｆは、吸気バルブ６に当てて十分に気化させた後に次のサイクルで吸入させる。
【００４７】
第２実施形態において、吸気バルブ６が閉じた状態で噴射される燃料Ｆの量と、吸気バルブ６が開いた状態（閉じる直前の状態）で噴射される燃料Ｆの量の比は、上記第１実施形態と同様にすることができる。
【００４８】
以上に述べた第１及び第２実施形態は、吸気ポートに燃料を噴射するとともに、吸気バルブが開いたときに少なくとも燃料の一部が筒内に流入するようにされた内燃機関において、吸気バルブの閉じタイミングが下死点よりも前とされ、かつ吸気バルブが閉じた直後（下死点よりも前）に燃料噴射が開始される。
【００４９】
この構成によれば、吸気バルブの閉じ時期を早くすることで、吸気バルブが閉じて次に開くまでの時間が一層長くなり、噴射された燃料の吸気バルブからの受熱時間を長くとれる。これによって、燃料の気化が促進される。即ち、閉じた吸気バルブの手前（筒内に入る前）で十分に燃料の混合及び気化が行われるため、次に吸気バルブが開いたときには、筒内に流入する混合気の均一度が向上する。また、吸気ポートに付着して残る燃料がなくなることで、よりリーンな燃焼が実現され、また、冷間始動時の運転が可能となる。
【００５０】
この場合、更に、吸気バルブが閉じる前に燃料が噴射されることが有効である。吸気バルブが閉じる前に噴射された燃料の気化潜熱により体積効率も向上する。
【００５１】
また、燃料の微粒化をさらに促進させるべきときには、リフト量を小さくすることが有効である。リフト量が小さくして吸気の流速を上げて、微粒化を促進することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、ポート噴射エンジンにおいて、燃焼室全体に、より均質な混合気を確実に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置が適用される内燃機関の断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置が適用される内燃機関の燃料噴射弁からの噴霧状態を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置における回転数、負荷マップを示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置における希薄燃焼モード時のリフトカーブを示す図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置における希薄燃焼モード時のピストンが下死点に至る途中の段階で、吸気行程が終了した直後に燃料が噴射された状態を示す図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置における希薄燃焼モード時の吸気行程にて吸気バルブが開いた直後に吸気ポートから筒内に混合気が流入する状態を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置における希薄燃焼モード時の吸気行程にて燃料が噴射された状態を示す図であり、図７（ｂ）は、筒内での良好な混合状態を説明する図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置が適用される内燃機関の燃料噴射弁から噴霧される燃料の噴霧形状を示す図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置が適用される内燃機関の燃料噴射弁から燃料が吸気バルブに噴霧された状態を説明するための図であり、図５の矢印に対応した矢視図である。
【図１０】図１０は、本発明の一実施形態の内燃機関の制御装置における希薄燃焼モード時の他のリフトカーブを示す図である。
【符号の説明】
１シリンダ
２ピストン
３燃焼室
４吸気ポート
５排気ポート
６吸気バルブ
７排気バルブ
８燃料噴射弁
８ａ噴射口
９点火プラグ
Ｆ燃料

Claims

吸気ポートに燃料が噴射され、吸気バルブが開いたときに少なくとも前記燃料の一部が筒内に流入される内燃機関の制御装置であって、
ピストンが下死点に達する前に前記吸気バルブが閉じ、前記吸気バルブが閉じた直後に燃料が噴射されるように制御する
内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
更に、
前記吸気バルブが閉じる前の吸気工程中にも燃料が噴射されるように制御する
内燃機関の制御装置。
請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関には、可変バルブタイミング・リフトシステムが用いられ、
希薄燃焼モードのときには、均質燃焼モードのときよりも吸気行程でのリフト量が小さくなるように制御する
内燃機関の制御装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置において、
前記燃料を噴射する燃料噴射弁は、前記吸気ポートの断面の下側の前記吸気バルブの近傍に取り付けられ、噴霧した燃料の概ね全てが閉じた状態の前記吸気バルブに直接的に当たるような噴霧形状となるように構成されている
内燃機関の制御装置。