JP2005180247A - 筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内直接噴射式内燃機関の燃焼性を向上する。
【解決手段】 吸気通路の上側と下側とをそれぞれ開閉自由な吸気制御弁７ａ，７ｂを設け、高出力運転時は、吸気制御弁７ａ，７ｂ共に閉として通路抵抗を小さくしつつ弱タンブルを生成し、成層燃焼モード時は、吸気制御弁７ａを閉、吸気制御弁７ｂを開として両弁７ａ，７ｂ開時よりタンブルを低減し、均質燃焼モード時は、吸気制御弁７ａを開、吸気制御弁７ｂを閉として両弁７ａ，７ｂ開時よりタンブルを強化する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関の吸気流動を制御する装置に関する。

従来の筒内直接噴射式内燃機関としては例えばタンブル可変手段を設け、均質燃焼時は強いタンブルにより噴射された燃料の十分な攪拌を行う一方、成層燃焼時は均質燃焼時を比較してタンブルを弱めることで、成層度の悪化を抑制するものである。具体的には、タンブルを強める手段、或いは弱める手段を設け、成層燃焼時にタンブルを弱める手段を作動させるか、或いは均質燃焼時にタンブルを強める手段を作動させることで、各燃焼モードの燃焼性向上を図っている（特許文献１参照）。
特開２０００−３３７１８０号公報

一般に、内燃機関の全負荷時における出力確保のためには、通気抵抗を低減し体積効率を向上させること、並びに適度なガス流動により燃焼室内に乱れを生じさせ燃焼速度を上げ燃焼効率を向上させることが重要である。
吸気通路中に吸気流制御弁等のような構造を持つ場合、全負荷時、特に多量の吸入空気を必要とする高回転時や最大出力回転近傍においてこれを使用することは通気抵抗の増加を招くので望ましくない。従って、吸気流制御弁を開放した状態において、弱タンブル流を形成するような吸気通路構造とすることが望ましい。

一方、均質燃焼時且つ部分負荷時にはこれよりもタンブルを強めることで、筒内に噴射された燃料の攪拌が十分に行われて混合気の均質化が促進され、また、成層燃焼時にはタンブルを弱めることで、成層度の悪化を抑制することができる。即ち、部分負荷時においては、均質燃焼時には吸気流制御弁開放時よりもタンブルを強め、成層燃焼時においては吸気流制御弁開放時よりもタンブルを弱めることが必要となる。

しかしながら前記従来の筒内噴射式内燃機関においては、通気抵抗の増加を伴いつつタンブルを強める手段か、或いは弱める手段の何れか一方を用いる構成になっていたため、前述の要求を満足できず、全負荷性能との両立ができないという問題があった。
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、成層燃焼と均質燃焼とに適合した吸気流動の獲得と全負荷性能とを両立ができるようにした筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置を提供することを目的とする。

このため本発明は、吸気通路に、気筒内に形成される吸気流動を強める吸気流制御弁と、該吸気流動を弱める吸気流制御弁を設け、成層燃焼モードでは前記吸気流動を弱める吸気流制御弁を作用させて該吸気流制御弁開放時と比較して吸気流動を弱くする一方、均質燃焼モード且つ部分負荷時は前記吸気流動を強める吸気流制御弁を作用させて吸気流制御弁開放時と比較して吸気流動を強くする構成とした。

このようにすれば、タンブルなど吸気流動を強める吸気流制御弁と、吸気流動を弱める吸気流制御弁を設ける構成としたため、成層燃焼モードでは前記吸気流動を弱める吸気流制御弁を作用させて吸気流制御弁開放時と比較して吸気流動を弱くすることで混合比バラツキのない良好な成層混合気が生成されて安定した成層燃焼が得られ、一方、均質燃焼モード且つ部分負荷時は前記吸気流動を強める吸気流制御弁を作用させて吸気流制御弁開放時と比較して吸気流動を強くすることで、十分に攪拌して均質化された混合気が生成されて安定した均質燃焼が得られ、かつ、吸気流制御弁の開放によって通路抵抗を最小としつつ適度な適度なガス流動により燃焼室内に乱れを生じさせ燃焼速度を上げて全開性能を確保することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明における一実施形態の概略システム構成を示したものである。内燃機関（以下、エンジン）１の吸気は、エアクリーナ２、エアフローメータ３、スロットルバルブ４を通過してコレクタ５に入り、各気筒の吸気通路６へと導かれる。ここでエアフローメータ３は吸気流量を計測し、スロットルバルブ４は空気流量を調節する。

なお吸気通路６は後述する吸気流制御弁を開放した状態で、全負荷時の体積効率と燃焼速度を両立させるように、弱タンブルを形成するような構造を持っている。
また、吸気通路６の上下にはそれぞれタンブルを弱化する吸気流制御弁７ａとタンブルを強化する吸気流制御弁７ｂが設けられている。吸気通路を通過した吸気は吸気弁８を介してシリンダ９に導入される。シリンダ９の上面中心部にはインジェクタ１０が直立して設けられて、該インジェクタ１０に隣接して点火プラグ１２が設けられている。そして、前記インジェクタ１０から燃料が噴射され、シリンダ９内を往復するピストン１１にて吸気と共に圧縮された後、点火プラグ１２により着火燃焼せしめられる。

なお詳細な説明は省略するが、本実施形態においては、ピストン１１の冠面の略中央にキャビティ１１ａが設けられており、成層燃焼モードにおいて噴射された燃料は、キャビティ１１ａに沿って移動し、キャビティ１１ａ直上に成層混合気塊を形成する。ただし、このような混合気形成構造を持たない筒内直接噴射式エンジンに本実施形態を適用することもできる。

燃焼後のガスは排気バルブ１３を開いて排気通路１４に排出される。エアフローメータ３で計測された吸気流量Ｑａ、及びクランク角センサ１５で検出されたエンジン回転速度Ｎｅ、水温センサ１６で検出された冷却水温度Ｔｗ、アクセル開度センサ１７で検出されたアクセル開度Ａｐｓ等の諸信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１８に送られ、ＥＣＵ１８はこれらを参照してスロットル開度、燃料噴射量、点火時期、並びに吸気流制御弁７ａ、７ｂの制御を行う。

次に、本実施形態における吸気流制御弁制御を、図２に示したフローチャートにしたがって説明する。本ルーチンは、例えば数ｍｓｅｃ毎に実行される。
Ｓ（ステップ）１〜５の前段部分は、燃焼モード選択のルーチンである。
Ｓ１では、エンジン回転速度Ｎｅ、冷却水温度Ｔｗ、アクセル開度Ａｐｓを読込む。
Ｓ２では、アクセル開度Ａｐｓに基づいてエンジンの目標トルクＴＴＣを算出する。目標トルクＴＴＣは、例えば予めアクセル開度Ａｐｓに割り付けたテーブルデータをＥＣＵ１８に格納しておき、アクセル開度Ａｐｓに応じて参照することで求めることができる。

Ｓ３では、冷却水温度Ｔｗが所定値ＬＴｗ以上か否かを判定する。所定値ＬＴｗ未満の低水温の場合は、リーン運転を行うと燃焼が不安定となり運転性を損なう可能性があると判断して、Ｓ５に進み燃焼モードフラグＣＭＯＤＥに０を代入して均質運転モードにセットする。
一方、Ｓ３において冷却水温度Ｔｗが所定値ＬＴｗ以上と判定された場合はＳ４に進み、エンジン回転速度Ｎｅと目標トルクＴＴＣに応じて、燃焼モードを決定する。ここで、燃焼モードフラグＣＭＯＤＥは、０の時は上記のように均質燃焼モード、１の時は成層燃焼モードにセットすることを意味する。燃焼モードフラグＣＭＯＤＥは、例えばエンジン回転速度Ｎｅ及び目標トルクＴＴＣに割り付けたマップデータをＥＣＵ１８に格納しておき、これらの値に応じて参照することで求めることができる。

Ｓ６以降は、吸気流制御弁を制御するルーチンである。
Ｓ６では、燃焼モードフラグＣＭＯＤＥが１か否か、即ち成層燃焼モードにセットされているか否かを判定する。ＹＥＳの場合はＳ７に進み、タンブル弱化用の吸気流制御弁７ａを閉じ、タンブル強化用の吸気流制御弁７ｂを開く。これにより、吸気通路６内の吸気は下側に偏り、吸気流制御弁７ａ，７ｂ開放時に対しタンブルが弱められる。

Ｓ６の判定でＮＯ、即ち均質燃焼モードにセットされている場合はＳ８に進み、全負荷トルクＴＴＣｍａｘを読込む。全負荷トルクＴＴＣｍａｘは、例えば予めエンジン回転速度Ｎｅで割り付けたテーブルデータをＥＣＵ１８に格納しておき、エンジン回転速度Ｎｅに応じて参照することで求めることができる。
Ｓ９では、目標トルクＴＴＣが全負荷トルクＴＴＣｍａｘと等しいか否か、即ち全負荷状態であるか否かを判定する。ＹＥＳの場合はＳ１１に進む。一方ＮＯと判定された場合は、Ｓ１０でアクセル開度Ａｐｓが１００％、即ちフルアクセル状態であるかを判定する。そして、アクセル開度Ａｐｓが１００％であれば、やはり全負荷状態にあると判断して、Ｓ１１に進む。

Ｓ１１では、エンジン回転速度Ｎｅが所定値ＮｅＨ以上であるか否かを判定する。所定値ＮｅＨは予め実験等によって求めた定数である。ＹＥＳ、即ちエンジン回転速度Ｎｅが所定値ＮｅＨ以上の高回転時は、要求空気流量が大きく、吸気流制御弁７ａ，７ｂを閉じると通気抵抗の増大により出力の低下を招く状態にあると判断して、Ｓ１２に進み、吸気流制御弁７ａ及び吸気流制御弁７ｂを共に開く。

一方、Ｓ９でＮＯ、かつ、Ｓ１０でＮＯと判定された場合、及びＳ１１でＮＯと判定された場合、つまり全負荷状態ではなく高回転でもない場合はＳ１３に進み、吸気流制御弁７ａを開き、吸気流制御弁７ｂを閉じる。これにより、吸気通路６の吸気は上側に偏り、吸気流制御弁７ａ，７ｂ開放時に対しタンブルが強められる。
以上述べた吸気流制御弁７ａ，７ｂの作用の一例を図３に示す。

これら吸気流制御弁７ａ，７ｂの作用により、本実施形態においては、全負荷時且つエンジン回転速度が所定値以上の最も高出力が要求される運転時は、吸気流制御弁７ａ，７ｂを開放するとともに、本来の吸気通路形状により低い通気抵抗並びに弱タンブル流によって高い体積効率と燃焼速度を確保して出力の低下を防止することができる一方、成層燃焼モードにおいては吸気流制御弁７ａ，７ｂ開放時よりもタンブルを弱め、均質燃焼且つ部分負荷時及びエンジン回転速度が所定値未満の全負荷時には吸気流制御弁７ａ，７ｂを開放時よりもタンブルを強めることにより、各モードにおいて良好な燃焼を実現することができる。

なお、エンジンの特性によっては、全負荷且つエンジン回転速度が低い時に強いタンブルが不要である場合も考えられる。この場合は上記図２のＳ１１を省略することにより、全負荷時は全回転域にわたって吸気流制御弁７ａ，７ｂを開放して、弱いタンブルを得ることが可能となる。
図４は、別の実施形態を示す。基本的な構成は図１に示した前記第１実施形態と同様であるので説明を省略し、第１実施形態と相違する部分のみを説明する。本構成においては、吸気通路６に回動可能な１個の吸気流制御弁７ｃが設けられており、その下流の吸気通路には仕切りが設けられ、上側通路６ａ、下側通路６ｂに分かれている。吸気流制御弁７ｃは、上側に偏向させた場合は吸気通路６ａの開口面積を絞って又は遮蔽してタンブルを弱め、下側に偏向させた場合は吸気通路６ｂの開口面積を絞って又は遮蔽してタンブルを強めることができる。すなわち、１個の吸気流制御弁７ｃで、タンブルを弱化する吸気流制御弁とタンブルを強化する吸気流制御弁の機能を兼ね備えるようにしたものであり、単純な構造で本発明の効果を得ることが可能となり、コストの低減及びレイアウトの容易性において有利となる。また、上下に分割された吸気通路により、吸気弁のより近くまで偏流を保存することができ、吸気流制御弁によるタンブル強弱の調節作用を高めることが可能となる。

次に、本第２実施形態における吸気流制御弁制御を、図４に示したフローチャートにしたがって説明する。本ルーチンは、例えば数ｍｓｅｃ毎に実行される。
ＳＳ（ステップ）１〜５は燃焼モードの選択ルーチンであり、図２に示したＳ１〜５と同一であるので説明を省略する。但し、本実施形態では燃焼モードフラグＣＭＯＤＥが変化しても、直ちに実際の燃焼モードを切り替えることを意味しない。これについては後述する。

ＳＳ６で、燃焼モードフラグＣＭＯＤＥが１即ち成層燃焼モードにセットされていると判断した場合はＳＳ７に進み、吸気流制御弁７ｃの目標位置ＴＴｃｖを最小値ＴＴｃｖＭｉｎにセットする。本実施形態において最小値ＴＴｃｖＭｉｎは負の値をとり、上側吸気通路６ａを遮蔽する位置（つまりタンブルを最小とする位置）を意味する。
一方ＳＳ６で燃焼モードフラグＣＭＯＤＥが１ではない、即ち均質燃焼モードにセットされていると判断した場合はＳＳ８に進み、吸気流制御弁７ｃの目標位置ＴＴｃｖを読込む。ここで目標位置ＴＴｃｖは目標トルクＴＴＣに応じて最大値ＴＴｃｖＭａｘから０の間で変化する。ここで、最大値ＴＴｃｖＭａｘは正の値をとり、下側吸気通路６ｂを遮蔽する位置（タンブルを最大とする位置）を意味し、目標位置ＴＴｃｖが０の時は中立位置（上側通路６ａ、下側通路６ｂとを仕切る仕切り壁の延長上に沿った位置で、吸気通路６の開口面積を最大とする位置）を意味する。目標位置ＴＴｃｖは、例えば予め目標トルクＴＴＣで割り付けたテーブルデータをＥＣＵ１８に格納しておき、目標トルクＴＴＣに応じて参照することで求められる。ここで、目標位置ＴＴｃｖを、目標トルクＴＴＣ及びエンジン回転速度Ｎｅで割り付けたマップデータをＥＣＵ１８に格納しておき、これらの値に応じて参照するようにするのも良い方法である。但し何れの場合であっても、少なくとも前記第１の実施形態で述べた所定回転速度ＮｅＨ以上の全負荷域においては目標位置ＴＴｃｖが０（中立位置）となるように設定しておく必要がある。

次のＳＳ９では目標位置ＴＴｃｖに応じて吸気流制御弁７ｃを作動させる。
以上述べた吸気流制御弁７ｃの作用の一例を図６に示す。本第２実施形態の構成においては、成層燃焼時は負荷に係らずタンブルは弱いほど混合気の良好な成層化が実現できるため、タンブル低減効果が最大となるＴＴｃｖＭｉｎの位置にて固定とする。
次のＳＳ１０では、実燃焼モードＰＣが燃焼モードフラグＣＭＯＤＥと等しいか否かを判定する。ＰＣは実際の燃焼モードを意味し、エンジンはＰＣ＝０のとき均質燃焼モード、ＰＣ＝１のとき成層燃焼モードで運転される。

ＳＳ１０でＮＯ、即ち、燃焼モードフラグＣＭＯＤＥと実燃焼モードＰＣが等しくない時は、燃焼モード移行状態にあると判断し、ＳＳ１１に進む。
ＳＳ１１では、カウンタＴｃｎｔが所定値ＴｃｎｔＬ以上であるか否かを判定する。ここで所定値ＴｃｎｔＬは、燃焼モード切換決定から実際の吸気流動が変化するまでの時間に設定され、スロットルバルブ４及び吸気流制御弁７ｃの動作並びにその後の吸気の輸送遅れなどから決定される定数である。本実施形態においては、演算負荷低減のために一定値としているが、エンジン回転速度、負荷、吸入空気量といった運転条件に応じて値を変更するのも良い方法である。

ＳＳ１１でＹＥＳと判定された場合、つまり、実際の吸気流動が切換後の燃焼モードに応じた状態に変化した後はＳＳ１２に進み、実燃焼モードＰＣに燃焼モードフラグＣＭＯＤＥの値をセットして、実際の燃焼モードの切換を行い、次のＳＳ１３にてカウンタＴｃｎｔをリセットする。一方ＳＳ１１でＮＯと判定された場合はＳＳ１４に進み、カウンタＴｃｎｔに１を加え、実際の燃焼モードの切換を吸気流動が変化し終わるまで遅らせる。

以上述べてきたように本実施形態においては、１つの偏向板からなる吸気流制御弁７ｃを用いて本発明の効果を得ることができるばかりでなく、均質燃焼時においては負荷に応じて吸気流制御弁の開度を変化させ要求に見合った強さのタンブルを形成することが可能である。すなわち、一般に、部分負荷時の要求タンブル強さは低負荷ほど強いため、本構成によって負荷に応じた強さのタンブルを発生させることにより、均質燃焼時の燃焼安定性並びに燃焼効率を高く保つことができる。

また、吸気流制御弁７ｃ位置の切換から所定期間後に燃焼モードの切換を行うようにしたので、吸気流制御弁７ｃ及びスロットルバルブ４の動作遅れ、並びにその後の吸気の輸送遅れに伴い、吸気流制御弁７ｃ位置切換後、実際にタンブル強さが要求に合うまでは燃焼モードの切換が行われず、切換直後の燃焼悪化を抑制することができる。例えば、成層燃焼モードに切り替わる際、タンブルが弱まるのを待ってから燃焼モードを切り替えることで、切り替え前後においても要求に応じたタンブル強さとすることができる。

なお、本実施形態の図５におけるＳＳ１０以降のルーチンは前記第１の実施形態に適用することも勿論可能であるし、逆に本実施形態の作用をより簡易な構成としたい場合は、省略することも可能である。また、本実施形態の図５におけるＳＳ８のように、負荷に応じて吸気流制御弁開度を調節する構成及び作用を前記第１実施形態に適用することも良い方法である。このように何れの構成及び作用も各実施形態に限定されるものではなく、相互に適用が可能である。

また、以上の実施形態では、燃焼室上部の略中央に設けたインジェクタからキャビティを持つピストンに噴射された燃料が、成層燃焼モードにおいては、キャビティに沿って循環して成層混合気を形成する内燃機関に適用したが、このような内燃機関においては、成層燃焼時はタンブルを極力弱めることにより成層度を高め燃焼性を向上させることが可能であり、また均質燃焼時かつ部分負荷時においてはタンブルを大幅に強めることによって、燃焼室内全体にわたり混合気の濃度分布を均一化することができる特性を持っており、本発明を適用することにより、全負荷時の性能を確保しつつ、均質燃焼時、成層燃焼時両方のモードにおいて、要求に見合う強さのタンブルを得ることが可能となる。

また、上記実施形態では、吸気流動としてタンブルを制御するものを示したが、本発明は、タンブル以外の吸気流動例えばスワールなどの制御にも適用できる。

本発明の第１実施形態のシステム構成図 第１実施形態における吸気流制御弁の制御フローを示すフローチャート 第１実施形態の吸気流制御弁の作用を示す図 本発明の第２実施形態のシステム構成図 第２実施形態における吸気流制御弁の制御フローを示すフローチャート 第２実施形態の吸気流制御弁の作用を示す図

符号の説明

１ エンジン
６ 吸気通路
６ａ 上側通路
６ｂ 下側通路
７ａ，７ｂ，７ｃ 吸気流制御弁
８ 吸気弁
９ シリンダ
１０ インジェクタ
１１ ピストン
１１ａ キャビティ
１２ 点火プラグ
１５ クランク角センサ
１６ 水温センサ
１７ アクセル開度センサ
１８ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims (9)

1. 成層燃焼を行うモードと、均質燃焼を行うモードを有する筒内直接噴射式内燃機関において、該内燃機関の吸気通路に、気筒内に形成される吸気流動を強める吸気流制御弁と、該吸気流動を弱める吸気流制御弁を設け、成層燃焼モードでは前記吸気流動を弱める吸気流制御弁を作用させて該吸気流制御弁開放時と比較して吸気流動を弱くする一方、均質燃焼モード且つ部分負荷時は前記吸気流動を強める吸気流制御弁を作用させて吸気流制御弁開放時と比較して吸気流動を強くすることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置。
2. 前記吸気流動が、タンブルであることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置。
3. 前記内燃機関は、少なくとも所定回転以上の全負荷時において、前記吸気流制御弁を開放することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置。
4. 前記内燃機関の均質燃焼モード且つ部分負荷時において、前記吸気流動を強める吸気流制御弁の開度を、負荷に応じて調節することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 前記内燃機関が均質燃焼モードと成層燃焼モードの切り替えを行う場合、前記吸気流制御弁の切り替えを行ってから所定時間経過後に前記燃焼モードの切り替えを行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置。
6. 前記吸気流制御弁は、前記内燃機関における吸気通路断面の上側の一部、或いは下側の一部を遮蔽することにより、吸気流動の強さを変更することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置。
7. 前記内燃機関の吸気通路を上下に分割し、前記吸気流制御弁は前記分割された吸気通路のいずれか一方の開口面積を絞る或いは遮断することにより、吸気流動の強さを変更することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置。
8. 前記吸気流動を強める吸気流制御弁と、前記吸気流動を弱める吸気流制御弁を、１つの偏向板にて構成したことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置。
9. 前記内燃機関は、燃焼室上部の略中央に燃料噴射弁を有し、ピストンにキャビティを有し、成層燃焼モードにおいては、前記燃料噴射弁より燃焼室内に直接噴射された燃料噴霧が前記キャビティに沿って循環して成層混合気を形成することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置。

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