JP2008031894A

JP2008031894A - 筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2008031894A
Application number: JP2006204612A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: JP4240084B2

Abstract

【課題】噴射した燃料でタンブル流を強化するにあたって燃料の噴射を分割することで、高負荷運転領域で気化潜熱効果と混合気の均質性或いは燃焼速度とを両立させることが可能な筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】筒内にタンブル流Ｔを生成するとともに、タンブル流Ｔを吸気行程下死点近傍で噴射した燃料で強化する内燃機関５０を制御するＥＣＵ１Ａであって、内燃機関５０の回転数Ｎｅが高負荷運転領域で所定の回転数αより高いときに、筒内に最も空気が入る時期に第１の燃料噴射を行うとともに、吸気行程下死点近傍で第２の燃料噴射を行う噴射時期制御手段を備える。さらに第２の燃料噴射の燃料噴射期間に対応するクランク角の範囲が、内燃機関５０の運転状態の変化に対して略一定になるように燃料の噴射量を制御する噴射量制御手段を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関の筒内にタンブル流を生成するとともに、さらにこのタンブル流を均質燃焼時に吸気行程下死点近傍で噴射した燃料で適度に強化することで、点火時期までタンブル流を維持することができる。これにより点火時期において混合気の乱れを増大させることができることから、混合気の燃焼速度が適度に向上し、良好な均質燃焼を得ることができる。均質燃焼時に筒内の吸気流動を強化する技術として、例えば特許文献１では吸気通路に設けられた吸気流制御弁を制御して吸気流動を強くする筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置が提案されている。また、特許文献２では燃料を吸気行程前半と後半とに分けて分割噴射することで混合気の均質度を向上させる技術が提案されている。

特開２００５−１８０２４７号公報特開平１０−１５９６１９号公報

ところで上記の筒内噴射式火花点火内燃機関において高負荷運転領域で気化潜熱効果による出力向上を図るといった場合には、筒内に空気が最も入る時期に燃料を噴射することが重要になることから、噴射時期は内燃機関の回転数が高くなるほど吸気行程下死点近傍から吸気行程上死点に近づくことになる。その一方で、この場合には燃料噴射時のピストン位置も上死点に近づくため、燃料噴射時の筒内空間が狭くなる。しかしながら、筒内空間が狭い状態ではタンブル流がうまく回らないことから、この状態で燃料を噴射してもタンブル流を強化することが困難になる。すなわちこの場合には、気化潜熱効果を得ることができる反面、混合気の均質性や燃焼速度に改善の余地が残されるものとなっていた。

そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、噴射した燃料でタンブル流を強化するにあたって燃料の噴射を分割することで、高負荷運転領域で気化潜熱効果と混合気の均質性或いは燃焼速度とを両立させることが可能な筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、筒内にタンブル流を生成するとともに、該タンブル流を吸気行程下死点近傍で噴射した燃料で強化する筒内噴射式火花点火内燃機関を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、前記筒内噴射式火花点火内燃機関の回転数が高負荷運転領域で所定の回転数より高いときに、筒内に最も空気が入る時期に第１の燃料噴射を行うとともに、吸気行程下死点近傍で第２の燃料噴射を行う噴射時期制御手段を備えることを特徴とする。本発明によれば、第１の燃料噴射で気化潜熱効果による出力向上を図るとともに、第２の燃料噴射でタンブル流を強化することができるため、さらに混合気の均質性や燃焼速度の向上も図ることができる。

また本発明は、前記噴射時期制御手段が、前記回転数が高くなるほど、前記第１の燃料噴射を進角させてもよい。ここで、筒内に最も空気が入る時期は同じ高負荷運転領域でも内燃機関の回転数によって異なることから、具体的には本発明のように第１の燃料噴射を進角させることで、筒内に最も空気が入る時期に第１の燃料噴射を行うことができる。

また本発明は、さらに前記第２の燃料噴射の燃料噴射期間に対応するクランク角の範囲が、前記筒内噴射式火花点火内燃機関の運転状態の変化に対して略一定になるように燃料の噴射量を制御する噴射量制御手段を備えてもよい。ここで燃焼速度を向上させるにあたっては点火時期までタンブル流を維持する必要があるため噴射量がある程度要求される一方で、混合気の均質性を向上させるにあたってはタンブル流がそれほど強化される必要がないため、必要最小限の燃料噴射であれば十分に効果を得ることができる。本発明は係る点に着目したものであり、本発明によれば第２の燃料噴射で特に混合気の均質性を向上させるとともに、さらに第２の燃料噴射を必要最小限の燃料噴射とすることで、第１の燃料噴射で十分な気化潜熱効果を得ることができる。

本発明によれば、噴射した燃料でタンブル流を強化するにあたって燃料の噴射を分割することで、高負荷運転領域で気化潜熱効果と混合気の均質性或いは燃焼速度とを両立させることが可能な筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１で実現されている本実施例に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を、内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。内燃機関システム１００は、吸気系１０と、燃料噴射系２０と、内燃機関５０とを有して構成されている。吸気系１０は内燃機関５０に空気を導入するための構成であり、吸気を濾過するためのエアクリーナ１１や、空気量を計測するエアフロメータ１２や、吸気の流量を調節するスロットル弁１３や、吸気を一時的に貯蔵するためサージタンク１４や、吸気を内燃機関５０の各気筒に分配するインテークマニホールド１５や、これらの間に適宜配設される吸気管などを有して構成されている。

燃料噴射系２０は燃料を供給及び噴射するための構成であり、燃料噴射弁２１や燃料噴射ポンプ２２や燃料タンク２３などを有して構成されている。燃料噴射弁２１は燃料を噴射するための構成であり、ＥＣＵ１の制御のもと、適宜の噴射時期に開弁されて燃料を噴射する。また燃料噴射量は、ＥＣＵ１の制御のもと燃料噴射弁２１が閉弁されるまでの間の開弁期間の長さで調節される。燃料噴射ポンプ２２は燃料を加圧して噴射圧を発生させるための構成であり、ＥＣＵ１の制御のもと噴射圧を適宜の噴射圧に調節する。

図２は内燃機関５０の要部を模式的に示す図である。内燃機関５０は、シリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、点火プラグ５４と、吸気弁５５と、排気弁５６とを有して構成されている。本実施例に示す内燃機関５０は直列４気筒の筒内噴射式火花点火内燃機関である。但し内燃機関５０は他の適宜の気筒配列構造及び気筒数を有していてもよい。また図２では内燃機関５０に関し、各気筒の代表としてシリンダ５１ａについて要部を示しているが本実施例では他の気筒についても同様の構造となっている。シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内には、ピストン５３が収容されている。ピストン５３の頂面にはタンブル流Ｔを案内するためのキャビティ５３ａが形成されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５７は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には燃焼室５７に吸気を導くための吸気ポート５２ａのほか、燃焼したガスを燃焼室５７から排気するための排気ポート５２ｂが形成され、さらにこれら吸排気ポート５２ａ及び５２ｂを開閉するための吸排気弁５５及び５６が配設されている。なお、内燃機関５０は１気筒あたりに適宜の数量の吸排気弁５５及び５６を備えた吸排気弁構造であってよい。

点火プラグ５４は、燃焼室５７の上方略中央に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。燃料噴射弁２１も燃焼室５７の上方で点火プラグ５４と隣り合う位置から燃焼室５７内に燃料噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。なお、燃料噴射弁２１の配置はこれに限られず、例えば燃焼室５７の上方、吸気ポート５２ａ側（図２に示すＡ部）から燃焼室５７内に燃料噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されていてもよい。また燃料噴射弁２１は１気筒あたりに複数備えられていてもよい。

吸気ポート５２ａには、燃焼室５７内にタンブル流Ｔを生成するための気流制御弁５８が配設されている。気流制御弁５８は、ＥＣＵ１の制御のもと吸気ポート５２ａ内で吸気を偏流させて燃焼室５７内にタンブル流Ｔを生成するための構成である。但し燃焼室５７内にタンブル流Ｔを生成するためのタンブル流生成手段は気流制御弁５８に限られず、例えばタンブル流Ｔを筒内に生成できるように形成された吸気ポート５２ａの形状そのものなどであってもよく、その他タンブル流Ｔを筒内に生成可能な適宜の手段であってよい。なお、タンブル流Ｔは燃焼室５７内の吸気弁５５側を上昇するように気筒内を旋回する順タンブル流となっている。本実施例では燃料噴射弁２１がＥＣＵ１の制御のもと、回転数Ｎｅが高負荷運転領域で所定の回転数αより高い場合以外には均質燃焼時に吸気行程下死点近傍で燃料を噴射する。噴射された燃料はタンブル流Ｔを適度に強化し、強化されたタンブル流Ｔは点火時期まで維持される。その結果、点火時期に混合気の乱れが増大し、燃焼速度が適度に向上するため、良好な均質燃焼が得られるようになっている。

なお、気流制御弁５８は均質燃焼時には吸気を増量すべく半開や全開といった開度に開かれることや、吸気ポート５２ａの形状のみでは十分な強度のタンブル流Ｔを得難いことなどから、これらの手段のみでは一般に均質燃焼時の混合気のミキシング性や火炎の伝播性に改善の余地が残されるものとなっている。そのほか内燃機関５０には、回転数Ｎｅに比例した出力パルスを発生するクランク角センサ７１や、内燃機関５０の水温を検出するための水温センサ７２などの各種のセンサが配設されている。

ＥＣＵ１は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、入出力回路などを有して構成されている。ＥＣＵ１は主として内燃機関５０を制御するための構成であり、本実施例では燃料噴射弁２１や燃料噴射ポンプ２２のほか、点火プラグ５４（より具体的には図示しないイグナイタ）や、気流制御弁５８（より具体的には図示しない気流制御弁５８用のアクチュエータ）なども制御している。ＥＣＵ１にはこれら燃料噴射弁２１などのほか、各種の制御対象が駆動回路（図示省略）を介して接続されている。また、ＥＣＵ１にはエアフロメータ１２や、クランク角センサ７１や、水温センサ７２や、アクセルペダル（図示省略）の踏み込み量（アクセル開度）を検知するためのアクセルセンサ７３などの各種のセンサが接続されている。

ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムを格納するための構成であり、本実施例では内燃機関５０制御用プログラムのほか、燃料噴射弁２１を制御するための燃料噴射弁制御用プログラムなども格納している。なお、燃料噴射弁制御用プログラムは内燃機関５０制御用プログラムの一部として構成されていてもよい。燃料噴射弁制御用プログラムは、燃料の噴射量を制御するための噴射量制御用プログラムと、燃料の噴射圧を制御するための噴射圧制御用プログラムと、燃料の噴射時期を制御するための噴射時期制御用プログラムとを有して構成されている。本実施例では特に噴射時期制御用プログラムが、回転数Ｎｅが高負荷運転領域で所定の回転数αより高いときに、筒内に空気が最も入る時期に第１の燃料噴射を行うとともに、吸気行程下死点近傍で第２の燃料噴射を行うための噴射時期特定制御用プログラムを有して構成されている点と、噴射量制御用プログラムが、第２の燃料噴射の燃料噴射期間に対応するクランク角の範囲が、内燃機関５０の運転状態の変化に対して略一定になるように燃料の噴射量を制御するための噴射量特定制御用プログラムを有して構成されている点に特徴を有している。

第１の燃料噴射では、噴射時期が所定の回転数αで筒内に空気が最も入る時期に設定されており、さらにこの噴射時期は回転数Ｎｅの変化に対して噴射時期から吸気弁５５の閉弁時期までの時間が略一定になるように設定されている。これにより回転数Ｎｅが高くなるにつれて噴射時期が進角されるとともに、第１の燃料噴射が筒内に空気が最も入る時期に開始され、その結果、気化潜熱効果により内燃機関５０の出力を向上させることができる。また、第１の燃料噴射の噴射時期はこれによりＷＯＴ（Wide Open Throttle）時に吸気行程半ばになるように設定されている。なお、噴射時期の設定はこれに限られず、例えば回転数Ｎｅと第１の燃料噴射の噴射時期との関係を示すマップデータなどを備えて、検出した回転数Ｎｅとこのマップデータとに基づき第１の燃料噴射が筒内に空気が最も入る時期に開始されるようにしてもよい。

これに対して第２の燃料噴射では、噴射時期が吸気行程下死点近傍に設定されており、さらに燃料の噴射が吸気行程下死点で完了するように設定されている。また第２の燃料噴射では、噴射量が燃料噴射期間に対応するクランク角の範囲が内燃機関５０の運転状態の変化に対して略一定になるように設定されている。これにより、混合気の均質性を向上させるにあたって必要となる最小限の燃料噴射を吸気行程下死点近傍で回転数Ｎｅによらず行うようにすることができる。なお、第２の燃料噴射ではこのように所定のクランク角の範囲に応じた噴射量が必ず確保されるのに対して、第１の燃料噴射では噴射量が、第２の燃料噴射の噴射量に応じて空燃比を適正にするのに必要な噴射量に調節される。本実施例では、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭ（以下、単にＣＰＵ等と称す）と内燃機関５０制御用のプログラムとで、各種の検出手段や判定手段や制御手段などが実現されており、特にＣＰＵ等と噴射時期特定制御用プログラムとで噴射時期制御手段が、ＣＰＵ等と噴射量特定制御用プログラムとで噴射量制御手段が夫々実現されている。

次に、高負荷運転領域で気化潜熱効果と混合気の均質性を両立させるべく燃料の噴射を制御するにあたって、ＥＣＵ１で行われる処理を図３に示すフローチャートを用いて詳述する。ＥＣＵ１は、ＣＰＵがＲＯＭに格納された上述の内燃機関５０制御用プログラムや、燃料噴射弁制御用プログラムなどの各種のプログラムに基づき、フローチャートに示す処理を繰り返し実行することで、内燃機関５０を制御する。ＣＰＵは内燃機関５０の運転状態が高負荷運転領域にあるか否かを判別する処理を実行する（ステップ１１）。本実施例ではクランク角センサ７１の出力信号に基づき検出した回転数Ｎｅと、アクセルセンサ７３の出力信号に基づき検出した負荷率ＫＬと、回転数Ｎｅと負荷率ＫＬとで定義された運転領域のマップデータとに基づき、内燃機関５０の運転状態を判別するようにしている。

図４は運転領域のマップデータを模式的に示す図である。本実施例では運転領域がこのマップデータで回転数Ｎｅ及び負荷率ＫＬに応じて、高負荷運転領域とそれ以外に区分されている。但し、これに限られず運転領域は更に複数の領域に細分化して設定されていてよい。なお、運転領域は回転数Ｎｅ及び負荷率ＫＬに限られず、適宜の内燃機関５０の運転状態に応じて設定されていてもよい。

ステップ１１で否定判定であれば、本フローチャートにおいて特段の処理を要しないためステップ１１に戻る。一方、ステップ１１で肯定判定であれば、ＣＰＵは回転数Ｎｅが所定の回転数αよりも高いか否かを判定する処理を実行する（ステップ１２）。所定の回転数αは例えば１、６００ｒｐｍに設定される。ステップ１２で否定判定であれば、本フローチャートにおいて特段の処理を要しないためステップ１１に戻る。一方、ステップ１２で肯定判定であれば、ＣＰＵは第１の燃料噴射と第２の燃料噴射に分割して燃料の噴射を行うよう、噴射制御を変更する処理を実行する（ステップ１３）。図５は高負荷高回転運転領域で噴射制御を変更しない場合と変更した場合について燃料噴射の様子を模式的に示す図である。噴射制御を変更しない場合には図５（ａ）に示すように噴射時期が吸気行程下死点近傍から吸気行程上死点に近づいていることがわかる。この場合には、気化潜熱効果により内燃機関５０の出力向上を図ることはできるものの、燃料の噴射でタンブル流Ｔを適切に強化することはできない。これに対して、本ステップで噴射制御を変更した場合には、図５（ｂ）に示すように第１の燃料噴射が吸気行程半ばで行なわれるとともに、第２の燃料噴射が吸気行程下死点近傍で行なわれる。

したがってこれらの噴射時期に応じた第１の噴射と第２の噴射を行うべく、ＣＰＵが燃料噴射弁２１を制御するための処理を実行することによって（ステップ１４）、気化潜熱効果と混合気の均質性とを両立させることができる。なお、本実施例では混合気の均質性を向上させるべく第２の燃料噴射を行う例を示したが、燃焼速度を向上させるべく第２の燃料噴射を行ってもよい。具体的には例えば高負荷運転領域でも回転数Ｎｅが比較的低いときにはノッキング対策として第２の燃料噴射の噴射期間を本実施例の場合よりも長く変更することで、燃焼速度が向上するようにしてもよい。但し、この場合には第２の燃料噴射で相当の噴射量を必要とすることから、気化潜熱効果は混合気の均質性と両立させる場合と比較して低くなる。以上により、噴射した燃料でタンブル流Ｔを強化するにあたって燃料の噴射を分割することで、高負荷運転領域で気化潜熱効果と混合気の均質性或いは燃焼速度とを両立させることが可能なＥＣＵ１を実現可能である。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

ＥＣＵ１を内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。内燃機関５０の要部を模式的に示す図である。ＥＣＵ１で行われる処理をフローチャートで示す図である。運転領域のマップデータを模式的に示す図である。噴射制御を変更しない場合と変更した場合について、燃料噴射の様子を模式的に示す図である。

符号の説明

１ＥＣＵ
１０吸気系
２０燃料噴射系
２１燃料噴射弁
５０内燃機関
１００内燃機関システム

Claims

筒内にタンブル流を生成するとともに、該タンブル流を吸気行程下死点近傍で噴射した燃料で強化する筒内噴射式火花点火内燃機関を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、
前記筒内噴射式火花点火内燃機関の回転数が高負荷運転領域で所定の回転数より高いときに、筒内に最も空気が入る時期に第１の燃料噴射を行うとともに、吸気行程下死点近傍で第２の燃料噴射を行う噴射時期制御手段を備えることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
前記噴射時期制御手段が、前記回転数が高くなるほど、前記第１の燃料噴射を進角させることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。
さらに前記第２の燃料噴射の燃料噴射期間に対応するクランク角の範囲が、前記筒内噴射式火花点火内燃機関の運転状態の変化に対して略一定になるように燃料の噴射量を制御する噴射量制御手段を備えることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。