JP2006170171A

JP2006170171A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2006170171A
Application number: JP2004367720A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-06-29

Abstract

【課題】成層燃焼を行う内燃機関において、点火プラグの近傍における燃料の供給を最適に制御することで、点火を確実に行う。
【解決手段】所定のタイミングで開くことで内燃機関１０の筒内にガスを送る吸気バルブ３６と、圧縮行程で内燃機関１０の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁３０と、燃料噴射弁３０からの燃料噴射量に応じて、吸気バルブ３６のバルブタイミングを可変する可変機構４８と、を備える。燃料噴射量に応じて吸気バルブ３６のバルブタイミングを可変するため、燃料噴射量に応じて噴射燃料のペネトレーションを可変することができ、噴霧された燃料に確実に点火することが可能となる。
【選択図】図５

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、機関の筒内に直接燃料を噴射する内燃機関に適用して好適である。

機関筒内に直接的に燃料を噴射することにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が公知である。

この成層燃焼に際しては、点火プラグ近傍に可燃混合気を形成するために、噴射燃料をタンブル流によって点火プラグ近傍へ導くことが行われている。例えば特開２００１−３４２８３６号公報には、内燃機関の筒内に導入される吸気流にタンブル流を発生させ、吸気弁のバルブタイミングを可変することで、タンブル流の流速を可変として可燃混合気をプラグ周りに確実に滞留させる技術が開示されている。

また、特開２００２−８９３００号公報には、成層燃焼を行う内燃機関において、燃料噴射弁から噴射された噴霧の一部が点火プラグへ直線状に向かうように構成され、吸気弁のリフト、作用角を変更することで、点火プラグに向かう噴霧の到達距離を最適状態に保つ技術が開示されている。

特開２００１−３４２８３６号公報特開２００２−８９３００号公報特開２００４−１７６６０４号公報特開２０００−３３７１８０号公報

しかしながら、タンブル流は吸気行程で形成されるが、点火が行われる圧縮行程の後期においては、タンブル流が減衰してしまい、点火プラグに向かう混合気の流れを強化するという効果が十分に得られなくなる。このため、特開２００１−３４２８３６号公報に開示された技術では、タンブル流を強化するためにピストンの上面に凹部を設けるなどの構成が必要となるが、ピストン上面の凹部を深くした場合、混合気の均質性が低下し、燃焼の悪化、燃費の低下といった問題が発生する。

また、特開２００２−８９３００号公報に開示された技術では、燃料噴射量に応じて噴霧の到達距離が変動するため、燃料噴射量が少ない場合には、点火プラグの近傍に十分に噴霧が届かない場合が想定される。また、燃料噴射量が多くなると、点火プラグの近傍の空燃比がオーバーリッチとなる場合が想定される。このため、燃料噴射量によっては燃料への着火性が低下し、失火などの問題が発生する。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、成層燃焼を行う内燃機関において、点火プラグの近傍における燃料の供給を最適に制御することで、点火を確実に行うことを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、所定のタイミングで開くことで内燃機関の筒内にガスを送る吸気バルブと、圧縮行程で内燃機関の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁からの燃料噴射量に応じて、前記吸気バルブのバルブタイミングを可変する可変機構と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記可変機構は、前記燃料噴射量が多くなるほど、前記吸気バルブの閉弁タイミングを進角側に移行することを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記可変機構は、前記燃料噴射量及び機関回転数に応じて前記吸気バルブのバルブタイミングを可変することを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料噴射量に応じて、吸気バルブのバルブタイミングを可変するため、燃料噴射量に応じて圧縮行程における燃焼室圧力を最適に制御することが可能となる。従って、燃料噴射量に応じて噴射燃料のペネトレーションを可変することができ、燃料が燃焼室内で巻き上がる位置と点火プラグの位置を常に一致させることができる。これにより、噴霧された燃料に確実に点火することが可能となり、筒内の燃焼状態を良好にするとともに、失火等の発生を抑止することができる。

第２の発明によれば、燃料噴射量が多くなるほど、吸気バルブの閉弁タイミングを進角側に移行するため、燃料噴射量が多くなるほど圧縮行程における燃焼室圧力を高くすることが可能となる。これにより、燃料噴射量が多くなるほど噴射燃料のペネトレーションを弱めることができ、燃料が燃焼室内で巻き上がる位置を点火プラグに近づけることが可能となる。

第３の発明によれば、燃料噴射量及び機関回転数に応じて吸気バルブのバルブタイミングを可変するため、吸気流の慣性などの要因による燃焼室圧力の変動を考慮した上で、燃焼室圧力を適切に制御することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下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。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を説明するための図である。内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組みつけられている。また、排気通路１４には排気浄化触媒３２が配置されている。

エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。スロットルバルブ２２の下流には、サージタンク２８が設けられている。

内燃機関１０には、燃焼室内（筒内）に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３０が設けられている。また、内燃機関１０は、吸気バルブ３６および排気バルブ３８を備えている。吸気バルブ３６には、吸気バルブ３６のリフト量、作用角を可変するための可変機構（VVT; Variable Valve Timing）４８が接続されている。また、燃焼室内に噴霧された燃料に点火するため、内燃機関１０の筒内には点火プラグ４２（図１において不図示）が設けられている。更に、筒内には、その内部を往復運動するピストン４４が設けられている。

図１に示すように、本実施形態の制御装置はＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサに加え、内燃機関１０の運転状態を把握すべく、ノッキングの発生を検知するKCSセンサや、スロットル開度、機関回転数、排気温度、冷却水温度、潤滑油温度、触媒床温度などを検出するための各種センサ（不図示）が接続されている。また、ＥＣＵ４０には、上述した燃料噴射弁３０、可変機構４８などの各アクチュエータが接続されている。

本実施形態の内燃機関１０では、運転状態に応じて燃料噴射弁３０からの燃料の噴射タイミングを可変するようにしている。内燃機関１０がアイドリング〜常用回転域（低負荷域）で運転される場合は、圧縮行程で燃料を噴射して、希薄な混合気の燃焼を行う（成層燃焼）。また、内燃機関１０が高回転域（高負荷域）で運転される場合は、吸気行程で燃料を噴射して燃焼を行う（均質燃焼）。

成層燃焼の運転では、機関回転数、負荷の変動に関わらずスロットルバルブ２２が全開とされ、燃料噴射量を制御することのみで内燃機関１０の出力が制御される。一方、均質燃焼の場合は、スロットルバルブ２２の開度を可変するとともに、燃料噴射量を制御することで内燃機関１０の出力が制御される。

図２は、内燃機関１０の燃焼室の周辺を示す模式図であって、成層燃焼を行う場合において、燃料噴射弁３０から燃料を噴射した直後の状態を示す模式図である。図２に示すように、燃料噴射弁３０の近傍には点火プラグ４２が設けられている。本実施形態の内燃機関１０では、燃焼噴射弁３０から点火プラグ４２の近傍に向けてスプレー状に燃料を噴射し、圧縮行程の後期に点火プラグ４２で着火することで燃料を燃焼させる。

図２は、内燃機関１０が比較的低負荷の状態で運転されている場合を示している。燃料噴射弁３０から燃料を噴射すると、噴射燃料のペネトレーション（貫撤力、噴射燃料が圧縮空気中で進む力）により、噴射された燃料に沿って空気の流れが生じる。このような空気の流れが生じると、燃料噴射弁３０の噴射口からある距離だけ離れた位置で、空気の流れに渦が発生する。このため、図２中に矢印Ａで示すように、空気の流れの渦によって、噴霧された燃料が燃焼室の上側の壁面に向かって巻上げられる。

空気の渦によって燃料が巻上げられると、燃料と空気が適度に混ざり、燃料が良好に気化する。そして、図２に示す低負荷域の運転状態では、燃料が巻上げられた位置と点火プラグ４２の位置がほぼ一致している。従って、図２の場合、良好に気化した燃料に着火することができ、混合気を確実に燃焼することができる。

図３は、成層燃焼を行う場合において、内燃機関１０が図２の場合よりも高負荷域で運転されている場合を示している。上述したように、成層燃焼の運転では燃料噴射量の増減で出力を制御するため、図３では図２の場合に比べて燃料噴射量が増加している。燃料噴射弁３０からの燃料噴射量が多くなると、噴霧燃料のペネトレーションが強くなるため、ペネトレーションに起因した空気の流れ量が多くなり、空気の流れの渦の位置が、図２の場合よりも燃料噴射弁３０の噴射口から離れた位置となる。このため、燃料が巻上げられる位置（図３中に矢印Ｂで示す）も燃料噴射弁３０の噴射口からより離れ、燃料が巻上げられる位置が点火プラグ４２から離れてしまう。この場合、点火プラグ４２の近傍に燃料が到達し難くなるため、混合気への着火性が低下し、混合気への点火が確実に行われない場合が生じる。

このため、本実施形態では、成層燃焼時に燃料噴射量を増加した場合は、圧縮行程における燃焼室内圧力、より詳細には点火タイミングにおける燃焼室内圧力がより高くなるように制御を行う。図４は、燃料噴射量を図３の場合と同一とし、図３の場合よりも圧縮行程での燃焼室圧力を高くした状態を示している。燃焼室圧力を高くすると、噴霧された燃料のペネトレーションが弱まり、ペネトレーションに起因した空気の流れ量が少なくなる。このため、空気の渦の位置が燃料噴射弁３０の噴射口側に近づき、図４に示すように、燃料が巻き上げられた位置（図４中に矢印Ｃで示す）と点火プラグ４２の位置を適合させることができる。従って、燃料噴射量を図２の場合よりも増加した場合であっても、燃料への点火を確実に行うことが可能となる。

燃焼室圧力を高くするため、本実施形態では、可変機構４８を作動させて、燃料噴射量の増加に応じて吸気バルブ３６の閉弁タイミングを可変するようにしている。この閉弁タイミングの可変量は、後述するように燃料噴射量と機関回転数のパラメータに基づいてマップから得られる適合値である。

この際、基本的な制御としては、燃料噴射量の増加に応じて閉弁タイミングを進角させる。すなわち、吸気バルブ３６は吸気行程の下死点（ＢＤＣ）から所定のクランク角（例えば５０度程度）だけクランクシャフトが回転した時点で閉じられるが、燃料噴射量が増加した場合は吸気バルブ３６の閉弁タイミングを早くして、閉弁タイミングを吸気行程の下死点側へ進角させる。

これにより、吸気行程の下死点（ＢＤＣ）を過ぎてから吸気バルブ３６が閉じられるまでの間のクランク角が小さくなり、吸気行程の下死点（ＢＤＣ）を過ぎた後の圧縮行程において、吸気バルブ３６が閉じるまでの間に吸気通路１２に戻される空気量を減少させることができる。これにより、より多くの空気が次の圧縮行程で圧縮されることとなり、圧縮行程における燃焼室圧力を高めることができる。

次に、図５のフローチャートに基づいて、本実施形態の内燃機関の制御装置における処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１では、機関回転数、負荷（アクセル開度）、冷却水温など現在の運転状態を表す各種パラメータを取得する。次のステップＳ２では、ステップＳ１で取得した各種パラメータに基づいて、現在の運転状態が圧縮行程で燃料を噴射して燃焼を行う成層燃焼の運転状態に該当するか否かを判定する。ステップＳ２の判定は、ステップＳ１で取得した各種パラメータに基づいて総合的に行われるが、基本的には、上述したように、内燃機関１０がアイドリング〜常用回転域で運転されている場合は、成層燃焼の運転状態に該当すると判断される。

ステップＳ２で現在の運転状態が成層燃焼の運転状態に該当していると判断された場合は、ステップＳ３へ進み、圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼を行う。次のステップＳ４では、現在の燃料噴射量を取得するため、燃料噴射弁３０からの燃料の噴射パルス幅ＴＡＵを取得する。噴射パルス幅ＴＡＵは燃料噴射量を表すパラメータであって、燃料噴射弁３０からはパルス状に燃料が噴射されるため、噴射パルス幅ＴＡＵが長いほど燃料噴射弁からの単位時間当たりの燃料噴射量は多くなる。

次のステップＳ５では、ステップＳ４で取得した噴射パルス幅ＴＡＵと、現在の機関回転数に基づいて、吸気バルブ３６の閉弁タイミングの適合値（可変機構（ＶＶＴ）４８で設定される進角値）をマップから算出する。ここで、閉弁タイミングの適合値は、現在の噴射パルス幅ＴＡＵにおいて、図２〜図４で説明した燃料の巻き上がり位置が点火プラグ４２の位置と一致するように設定された値である。この適合値は、燃料噴射量が多くなるほど燃焼室圧力が高くなる値に設定されており、例えば噴射パルス幅ＴＡＵが長くなるほど、より進角側の値に設定される。これにより、燃料噴射量が多くなるほど筒内における噴射燃料のペネトレーションを弱めることが可能となり、燃料の巻き上がり位置と点火プラグ４２の位置を適合させることが可能となる。なお、ステップＳ４で機関回転数を考慮しているのは、機関回転数の増加に伴い、吸気流の慣性などの要因によって燃焼室圧力が変わるため、燃焼室圧力を最適に制御するためには機関回転数の変動を考慮する必要があるためである。

次のステップＳ６では、可変機構４８を制御して、吸気バルブ３６の閉弁タイミングをステップＳ５で求めた適合値に制御する。これにより、燃焼室圧力が制御され、燃料の巻き上がり位置と点火プラグ４２の位置が一致する。従って、噴霧された燃料への点火を確実に行うことが可能となる。ステップＳ６の後は処理を終了する(RETURN)。

ステップＳ２で現在の運転状態が成層燃焼の運転状態に該当していないと判断された場合は、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、吸気行程で燃料を噴射し、均質燃焼を行う。上述したようにステップＳ７で均質燃焼を行う場合は、成層燃焼を行う場合に比べて高回転域で内燃機関１０が運転されている場合等である。均質燃料を行う場合は、吸気行程において筒内に噴射した燃料と空気が均質に混合されるため、燃料の巻き上がりを考慮する必要がなく、確実に点火を行うことができる。ステップＳ７の後は処理を終了する(RETURN)。

図５の処理によれば、圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼を行う場合は、燃料噴射量に応じて吸気バルブ３６の閉弁タイミングが最適値に設定されるため、噴霧燃料の巻き上がり位置と点火プラグ４２の位置を一致させることができる。従って、噴霧された燃料に確実に点火することが可能となる。

以上説明したように本実施形態によれば、成層燃焼時に燃料噴射量に応じて燃焼室内の圧力を最適値に制御するようにしたため、燃料噴射量が変動した場合であっても、点火プラグ４２の位置と噴霧燃料が燃焼室内で巻き上がる位置を常に一致させることが可能となる。従って、噴霧された燃料に確実に点火することが可能となり、筒内の燃焼状態を良好にするとともに、失火等の発生を抑止することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を説明するための図である。成層燃焼を行う場合において、燃料噴射弁から燃料を噴射した直後の状態を示す模式図である。図２に示す状態に比べて燃料噴射量を増加した場合に、燃料噴射弁から燃料を噴射した直後の状態を示す模式図である。図３の場合と燃料噴射量を同一とし、図３の場合よりも圧縮行程での燃焼室圧力を高くした場合に、燃料噴射弁から燃料を噴射した直後の状態を示す模式図である。本実施形態の内燃機関の制御装置における処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０内燃機関
３０燃料噴射弁
３６吸気バルブ
４８可変機構

Claims

所定のタイミングで開くことで内燃機関の筒内にガスを送る吸気バルブと、
圧縮行程で内燃機関の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁からの燃料噴射量に応じて、前記吸気バルブのバルブタイミングを可変する可変機構と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記可変機構は、前記燃料噴射量が多くなるほど、前記吸気バルブの閉弁タイミングを進角側に移行することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
前記可変機構は、前記燃料噴射量及び機関回転数に応じて前記吸気バルブのバルブタイミングを可変することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。