JP2008303798A - 内燃機関及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができるようにすること。
【解決手段】 リーン燃焼を行う内燃機関５０Ａであって、第１の中心電極６０ａＡと、第１の中心電極６０ａＡとの間に第１の電極ギャップ６０ｃＡを形成する第１の接地電極６０ｂＡとを有して構成される第１の発火部Ｈ１と、第２の中心電極６１ａＡと、第２の中心電極６１ａＡとの間に第２の電極ギャップ６１ｃＡを形成する第２の接地電極６１ｂＡとを有して構成される第２の発火部Ｈ２とを備えており、さらに第１の電極ギャップ６０ｃＡがタンブル流Ｔのうち、渦中心部ＴＣよりも外側の部分に対応させて配置されているとともに、第２の電極ギャップ６１ｃＡがタンブル流Ｔのうち、渦中心部ＴＣに対応させて配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関及び内燃機関の制御装置に関し、特に筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う内燃機関及び該内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置に関する。

従来、タンブル（縦渦）やスワール（横渦）といった旋回気流を筒内に生成する内燃機関が知られている。係る内燃機関では、例えば筒内に生成された旋回気流で混合気の均質化を図ることができるとともに筒内の乱れ強度を増大させることもできることから、燃焼速度の向上も図ることができる。係る内燃機関としては、筒内に旋回気流を生成するにあたって吸気通路に気流制御弁を備えているものが知られている。一方、係る内燃機関としては、さらに具体的には所定の運転状態において（例えば運転状態が低負荷運転領域にあるとき）、筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う内燃機関も知られている。しかしながら、旋回気流の生成のみでは空燃比のリーンな混合気を燃焼させることによる燃焼速度の低下を十分に補えない場合もある。これに対して、混合気に点火するための発火部を複数備えることで急速燃焼を実現する内燃機関も知られている。これらの内燃機関に関し、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１から３までで提案されている。

特開２００１−２４８４８４号公報 特開２００１−２４８４５０号公報 特開２０００−１６１１９３号公報

上記のように旋回気流の生成によって燃焼速度の向上を図ればリーン燃焼を実現することができる。しかしながら、筒内に旋回気流を生成した結果、旋回気流が中心電極と接地電極とで構成された発火部を流通するようになると、燃焼速度の向上を図るべく強度の高い旋回気流を生成しようとするほど、それだけ発火部を流通する旋回気流の流速が高まることになり、この結果、点火に際しそれだけ高い点火エネルギーが必要になってしまう。さらに高い点火エネルギーが必要となれば、点火コイルの大型化や耐久性の低下を招くことにもなり、この結果、コストパフォーマンスの低下やエネルギー収支の悪化に繋がることにもなる。

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、筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関及び該内燃機関で制御を行うための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、本発明は所定の運転状態において筒内に生成される旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う内燃機関であって、第１の中心電極と、該第１の中心電極との間に第１の電極ギャップを形成する第１の接地電極とを有して構成される第１の発火部と第２の中心電極と、該第２の中心電極との間に第２の電極ギャップを形成する第２の接地電極とを有して構成される第２の発火部とを備えており、さらに前記第１の電極ギャップが、前記所定の運転状態において点火時期に流通する前記旋回気流のうち、該旋回気流の渦中心部よりも外側の部分に対応させて配置されているとともに、前記第２の電極ギャップが、前記所定の運転状態において点火時期に流通する前記旋回気流のうち、前記渦中心部に対応させて配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、旋回気流の強度が高くない場合には、すなわち高い点火エネルギーを必要としない場合には第１の発火部で点火できることから、これにより火花が旋回気流の流れとともに拡がる効果を得ることができ、以って係る場合に高い燃焼性を確保できる。また本発明によれば、燃焼速度を向上させるべく筒内に強度の高い旋回気流を生成した場合であっても、流速が遅くなっている渦中心部に含まれるように第２の電極ギャップが配置された第２の発火部で点火することができる。このため本発明によれば、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。

また本発明は前記旋回気流がタンブル流であり、前記第１の発火部及び前記第２の発火部が燃焼室上部中央に配置されているとともに、前記第２の中心電極及び前記第２の接地電極が、前記第１の中心電極及び前記第１の接地電極よりも長く延伸していてもよい。旋回気流がタンブル流の場合、具体的には本発明のような構成になっていることが好適である。

また本発明は請求項１または２記載の内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置であって、前記旋回気流の強度が第１の所定値未満である場合に、前記第１の発火部で点火するように点火制御を行うとともに、前記旋回気流の強度が前記第１の所定値以上である場合に、前記第２の発火部で点火するように点火制御を行う特定点火制御手段を備えることを特徴とする。本発明によれば、旋回気流の強度が高くない場合には、第１の発火部で点火することで、火花が旋回気流の流れとともに拡がる効果を得ることができ、以って係る場合に高い燃焼性を確保できる。また本発明によれば、旋回気流の強度が高い場合には、第２の発火部で点火することができる。このため本発明によれば、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。

また本発明は所定の運転状態において筒内に生成される旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行うとともに、発火部を備えた点火プラグを燃焼室上方に有する内燃機関であって、前記旋回気流がタンブル流であり、筒内に流入する吸気の流入方向を変更することによって、前記タンブル流の中心位置を変更する中心位置変更手段を吸気通路に備えることを特徴とする。ここで本発明のように燃焼室上方に点火プラグを有する内燃機関にあっては、一般に筒内にタンブル流を生成すると、タンブル流が発火部を流通するようになるところ、本発明によれば、筒内に強度の高いタンブル流を生成した場合であっても、タンブル流の中心位置を発火部の電極ギャップに近づけるように制御することにより、タンブル流の強度低下を抑制しつつ、発火部を流通するタンブル流の流速を低く抑制できる。このため本発明によれば、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。

また請求項４記載の内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置であって、前記所定の運転状態において点火時期に前記発火部を流通するタンブル流の流速を算出する流速算出手段と、該流速算出手段が算出した流速が第２の所定値以上である場合に、前記タンブル流の中心位置が前記発火部の電極ギャップに近づくように前記中心位置変更手段を制御する中心位置制御手段を備えることを特徴とする。本発明によれば、上記のように旋回気流の中心位置を制御することにより、タンブル流の強度低下を抑制しつつ、発火部を流通するタンブル流の流速を低く抑制できる。このため本発明によれば、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。

また本発明は前記流速算出手段が、前記タンブル流の中心位置から前記電極ギャップまでの間の距離と、前記内燃機関の回転数と、点火時期とに基づき、前記流速を算出してもよく、また本発明は前記流速算出手段が、前記点火プラグから放電される電流の放電時間に基づき、前記流速を算出してもよい。前記所定の運転状態において点火時期に発火部を流通する流速との相関関係に鑑み、流速算出手段は具体的には例えば本発明のようなパラメータに基づき流速を算出することができる。

本発明によれば、筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関及び該内燃機関で制御を行うための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は本実施例に係る内燃機関５０Ａの要部をＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１Ａで実現されている本実施例に係る内燃機関の制御装置とともに模式的に示す図である。図１において、図１（ａ）は内燃機関５０Ａを一気筒につき吸気側から見た図となっており、図１（ｂ）は内燃機関５０Ａを一気筒につきエンジン前方から見た図となっている。内燃機関５０Ａはその運転状態が低負荷運転領域にあるときに、燃焼室５４内（以下、単に筒内とも称す）に生成されるタンブル流Ｔで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う。この点に関し、図１では内燃機関５０Ａの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期における内燃機関５０Ａの状態を示している。なお、内燃機関５０Ａは適宜の気筒数及び気筒配列構造を有していてよい。また内燃機関５０Ａは一気筒につき吸気弁５７及び排気弁５８を２つずつ備えているが、これに限られず一気筒につき適宜の数量の吸排気弁５７、５８を備えていてよい。

内燃機関５０Ａ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などを有して構成されている。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が収容されており、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が形成されている。シリンダブロック５１にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５４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によって囲われた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には吸気を筒内に導入するための吸気ポート５５と、燃焼したガスを燃焼室５４から排気するための排気ポート５６とが夫々形成されており、さらに吸気ポート５５を開閉するための吸気弁５７と、排気ポート５６を開閉するための排気弁５８とが夫々配設されている。

吸気ポート５５には気流制御弁５９が配設されている。気流制御弁５９は吸気ポート５５内で吸気を偏流させて筒内にタンブル流Ｔを生成するための構成である。気流制御弁５９は弁軸を介して気流制御弁５９駆動用のアクチュエータ（図示省略）に連結されている。ＥＣＵ１Ａがこのアクチュエータを制御することにより、気流制御弁５９の開度が変更される。アクチュエータは気流制御弁５９の開度を検出するための開度センサを内蔵している。なお、気流制御弁５９は吸気通路として吸気ポート５５に限られず、例えば図示しないインテークマニホールドが形成する吸気通路に配設されていてもよい。燃料噴射弁（図示省略）は吸気ポート５５内に噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されており、この燃料噴射弁は吸気行程で吸気ポート５５内に燃料を噴射できるようになっている。なお、燃料噴射弁は例えば筒内に直接燃料を噴射できるように構成されていてもよい。

第１の点火プラグ６０Ａはシリンダヘッド５２のうち、燃焼室５４上方、且つ中央の部分に配設されている。第２の点火プラグ６１Ａもシリンダヘッド５２のうち、燃焼室５４上方、且つ中央の部分に配設されている。これら第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａは具体的にはシリンダ５１ａの中心軸線を間に挟むようにして、図示しないクランク軸線が延伸する方向（図１（ａ）において紙面左右方向）に沿って並設されている。第１の点火プラグ６０Ａは第１の発火部Ｈ１を有している。第１の発火部Ｈ１は筒内に位置しており、第１の中心電極６０ａＡと第１の接地電極６０ｂＡとで構成されている。第１の中心電極６０ａＡと第１の接地電極６０ｂＡの間には第１の電極ギャップ６０ｃＡが形成されている。

第２の点火プラグ６１Ａは第２の発火部Ｈ２を有している。第２の発火部Ｈ２は筒内に位置しており、第２の中心電極６１ａＡと第２の接地電極６１ｂＡとで構成されている。第２の中心電極６１ａＡと第２の接地電極６１ｂＡの間には第２の電極ギャップ６１ｃＡが形成されている。第１の発火部Ｈ１及び第２の発火部Ｈ２はともに燃焼室５４上部中央に配置されており、第２の中心電極６１ａＡ及び第２の接地電極６１ｂＡは、第１の中心電極６０ａＡ及び第１の接地電極６０ｂＡよりも長く延伸している。この結果、第２の電極ギャップ６１ｃＡは第１の電極ギャップ６０ｃＡよりも筒内でピストン５３寄りに配置されるとともに、タンブル流Ｔの中心位置寄りに配置される。

内燃機関５０Ａでは図１（ｂ）に示すように、筒内にタンブル流Ｔが生成される。図１（ｂ）ではタンブル流Ｔのうち、流速の速い部分、すなわち渦中心部ＴＣよりも外側の部分を流通するガスの流れに対応させて、タンブル流Ｔを矢印で模式的に示している。図１（ｂ）から、第１の電極ギャップ６０ｃＡは点火時期に流通するタンブル流Ｔのうち、渦中心部ＴＣよりも外側の部分に対応させて配置されていることがわかる。また図１（ｂ）から、第２の電極ギャップ６１ｃＡは点火時期に流通するタンブル流Ｔのうち、渦中心部ＴＣに対応させて配置されていることがわかる。

本実施例では内燃機関５０Ａが上記のように第１の電極ギャップ６０ｃＡが配置された第１の発火部Ｈ１と、上記のように第２の電極ギャップ６１ｃＡが配置された第２の発火部Ｈ２とを備えているため、タンブル流Ｔの強度が高くない場合には、すなわち高い点火エネルギーを必要としない場合には第１の発火部Ｈ１で点火でき、これにより火花がタンブル流Ｔの流れとともに拡がる効果を得ることができることから、以って係る場合に高い燃焼性を確保できる。また筒内に強度が高いタンブル流Ｔを生成した場合には、流通するガスの流速が遅くなっている第２の発火部Ｈ２で点火することができる。これにより、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。

ＥＣＵ１Ａ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）とを有して構成されるマイクロコンピュータ（以下、単にマイコンと称す）と、入出力回路などを有して構成されている。ＥＣＵ１Ａは主として内燃機関５０を制御するための構成であり、具体的には例えば図示しないイグナイタを制御して第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａの点火制御を行う。このためＥＣＵ１Ａにはイグナイタが電気的に接続されている。またＥＣＵ１Ａには気流制御弁５９制御用のアクチュエータや、開度センサや、内燃機関５０の回転数ＮＥを検出するためのクランク角センサ７１が電気的に接続されている。なお、ＥＣＵ１Ａにはこのほか各種の制御対象やセンサ、スイッチ類が電気的に接続されていてよい。

ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成であり、本実施例では内燃機関制御用プログラムのほか以下に示す特定点火制御用プログラムや気流強度算出用プログラムも格納している。なお、これらのプログラムは一体として構成されていてもよい。特定点火制御用プログラムは、タンブル流Ｔの強度が第１の所定値α未満である場合に、第１の発火部Ｈ１で点火するように点火制御を行うとともに、タンブル流Ｔの強度が第１の所定値α以上である場合に、第２の発火部Ｈ２で点火するように点火制御を行うよう作成されている。また気流強度算出用プログラムは、気流制御弁５９の開度と、要求点火時期に基づき、タンブル強度を算出するよう作成されている。本実施例ではマイコンと上述のプログラムとで各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが実現されており、特にマイコンと特定点火制御用プログラムとで特定点火制御手段が実現されている。

次にＥＣＵ１Ａで行われる処理を図２に示すフローチャートを用いて詳述する。ＣＰＵは要求点火時期及び気流制御弁５９の開度を検出するとともに、検出した要求点火時期及び気流制御弁５９の開度に基づき、タンブル強度を算出する処理を実行する（ステップＳ１１）。続いてＣＰＵはタンブル強度が第１の所定値α以上であるか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１２）。否定判定であれば、ＣＰＵは第１の点火プラグ６０Ａで、換言すれば第１の発火部Ｈ１で点火を行うよう点火制御する（ステップＳ１３）。これにより、高い点火エネルギーを必要としない場合には、火花がタンブル流Ｔの流れとともに拡がる効果を得ることができ、以って高い燃焼性を確保できる。なお、ステップＳ１３で否定判定であった場合に、多点点火による急速燃焼効果を狙ってさらに第２の発火部Ｈ２でも点火するように点火制御を行うよう特定点火制御用プログラムを作成してもよい。一方、ステップＳ１３で否定判定であれば、ＣＰＵは第２の点火プラグ６１Ａで、換言すれば第２の発火部Ｈ２で点火を行うよう点火制御する（ステップＳ１４）。これにより、強度の高いタンブル流Ｔが生成された場合であっても、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。

なお、内燃機関５０Ａは例えば図３に示す内燃機関５０Ｂ、５０Ｃまたは５０Ｄのように変形することができる。図３のうち、図３（ａ）は内燃機関５０Ｂの要部を模式的に示す図であり、図３（ａ）は図１（ｂ）と同様に内燃機関５０Ｂを一気筒につきエンジン前方から見た図となっている。内燃機関５０Ｂは、第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａの配置、及びこれに伴い第１及び第２の発火部Ｈ１、Ｈ２の配置が異なっている以外、内燃機関５０Ａと実質的に同一のものとなっている。内燃機関５０Ｂでは第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａは具体的にはシリンダ５１ａの中心軸線を間に挟むようにして、クランク軸線が延伸する方向（図３（ａ）において紙面垂直方向）に略直交する方向に沿って並設されている。すなわち、第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａ、及びこれに伴い第１及び第２の発火部Ｈ１、Ｈ２を係る向きで配置してもよい。

図３（ｂ）は内燃機関５０Ｃの要部を模式的に示す図であり、図３（ｂ）は図１（ｂ）と同様に内燃機関５０Ｃを一気筒につき吸気側から見た図となっている。内燃機関５０Ｃは、第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａの代わりに第３の点火プラグ６２を燃焼室５４上方に備えている点以外、内燃機関５０Ａと実質的に同一のものとなっている。第３の点火プラグ６２はシリンダヘッド５２の燃焼室５４上方、且つ中央の部分に配設されている。第３の点火プラグ６２は第１及び第２の発火部Ｈ１、Ｈ２をともに備えており、これら発火部Ｈ１、Ｈ２は第３の点火プラグ６２で互いに並設されている。内燃機関５０Ｃでは第１及び第２の発火部Ｈ１、Ｈ２がシリンダ５１ａの中心軸線を間に挟むようにして、クランク軸線が延伸する方向（図３（ｂ）において紙面垂直方向）に略直交する方向に沿って並設される向きで、第３の点火プラグ６２が配設されている。すなわち、第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａの代わりに、第１及び第２の発火部Ｈ１、Ｈ２をともに備えた第３の点火プラグ６２を係る向きで配置してもよい。

図３（ｃ）は内燃機関５０Ｄの要部を模式的に示す図であり、図３（ｃ）は図１（ａ）と同様に内燃機関５０Ｄを一気筒につき吸気側から見た図となっている。内燃機関５０Ｄは第１及び第２の発火部Ｈ１、Ｈ２がシリンダ５１ａの中心軸線を間に挟むようにして、クランク軸線が延伸する方向（図３（ｃ）において紙面左右方向）に沿って並設される向きで、第３の点火プラグ６２が配設されている点以外、内燃機関５０Ｃと実質的に同一のものとなっている。すなわち、第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａの代わりに、第１及び第２の発火部Ｈ１、Ｈ２をともに備えた第３の点火プラグ６２を係る向きで配置してもよい。

なお、これらは設置スペース上、合理的で有利な配置となる変形例であるが、これらに限られず、第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａ或いは第３の点火プラグ６２はシリンダ５１ａの中心軸線周りにさらに適宜の度合い回転させた位置に配置されていてもよい。また内燃機関５０Ｂ、５０Ｃ及び５０ＤにはＥＣＵ１Ａを気流強度算出用プログラムや特定点火制御用プログラムを適宜変形した上で適用することもできる。またタンブル流Ｔは本実施例で示した方向とは逆の方向に旋回するタンブル流であってもよい。また内燃機関５０Ａから５０Ｄまでは第１及び第２の発火部Ｈ１、Ｈ２以外の発火部をさらに備えていてもよい。以上により、筒内に生成されたタンブル流Ｔで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関５０Ａから５０Ｄまで及び内燃機関５０Ａで高い点火エネルギーを要しない点火制御を行うためのＥＣＵ１Ａを実現できる。

図４は本実施例に係る内燃機関５０Ｅの要部を模式的に示す図である。図４において、図４（ａ）は内燃機関５０Ｅを一気筒につきエンジン前方から見た図であり、図４（ｂ）は内燃機関５０Ｅを一気筒につきエンジン上方から見た図となっている。内燃機関５０Ｅはその運転状態が低負荷運転領域にあるときに、筒内に生成されるスワール流Ｓで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う点で、実施例１に係る内燃機関５０Ａから５０Ｄまでとは異なるものとなっている。またこれに伴い、内燃機関５０Ｅは第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａの代わりに第１及び第２の点火プラグ６０Ｂ、６１Ｂを備えるとともに、これら点火プラグ６０Ｂ、６１Ｂが第１及び第２の点火プラグ６０Ａ、６１Ａとは異なる位置に配設されている点で、実施例１に係る内燃機関５０Ａから５０Ｄまでとは異なるものとなっている。なお、内燃機関５０Ｅは筒内にスワール流Ｓを生成するための気流制御弁（例えばバタフライバルブ）を吸気通路（例えば吸気ポート５５）に備えていてよく、また内燃機関５０ＥにはＥＣＵ１Ａを気流強度算出用プログラムや特定点火制御用プログラムを適宜変形した上で適用することもできる。

内燃機関５０Ｅでは、第１の発火部Ｈ１が第１の中心電極６０ａＢ及び第１の接地電極６０ｂＢで構成されており、これら６０ａＢ及び６０のｂＢの間に第１の電極ギャップ６０ｃＢが形成されている。また内燃機関５０Ｅでは、第２の発火部Ｈ２が第２の中心電極６１ａＢ及び第２の接地電極６１ｂＢで構成されており、これら６１ａＢ及び６１ｂＢの間に第２の電極ギャップ６１ｃＢが形成されている。ここで、内燃機関５０Ｅではスワール流Ｓが生成されることから、第２の電極ギャップ６１ｃＢをスワール流Ｓの渦中心部ＳＣに対応させて配置するために、第２の中心電極６１ａＢ及び第２の接地電極６１ｂＢを、第１の中心電極６０ａＢ及び第２の接地電極６０ｂＢよりも長く延伸させる必要がない。このため内燃機関５０Ｅでは第２の中心電極６１ａＢ及び第２の接地電極６１ｂＢが、第１の中心電極６０ａＢ及び第２の接地電極６０ｂＢよりも長く延伸していない。

図４（ｂ）では点火時期に流通するスワール流Ｓのうち、流速の速い部分、すなわち渦中心部ＳＣよりも外側の部分を流通するガスの流れに対応させて、スワール流Ｓを矢印で模式的に示している。内燃機関５０Ｅでは、第１の点火プラグ６０Ｂがシリンダヘッド５２のうち、燃焼室５４上方、且つ中央から燃焼室５４外側に外れた部分（具体的にはここでは２つの排気弁５８或いは排気ポート５６に挟まれた部分）に配設されている。一方、内燃機関５０Ｅでは、第２の点火プラグ６１Ｂがシリンダヘッド５２のうち、燃焼室５４上方、且つ中央の部分に配設されている。この結果、第２の電極ギャップ６１ｃＢは第１の電極ギャップ６０ｃＢよりもスワール流Ｓの中心位置寄りに配置される。

図４（ｂ）から第１の電極ギャップ６０ｃＢは、内燃機関５０Ｅの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期に流通するスワール流Ｓのうち、スワール流Ｓの渦中心部ＳＣよりも外側の部分に対応させて配置されていることがわかる。また第２の電極ギャップ６１ｃＢは、内燃機関５０Ｅの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期に流通するスワール流Ｓのうち、渦中心部ＳＣに対応させて配置されていることがわかる。

本実施例では内燃機関５０Ｅが上記のように第１の電極ギャップ６０ｃＢが配置された第１の発火部Ｈ１と、上記のように第２の電極ギャップ６１ｃＢが配置された第２の発火部Ｈ２とを備えているため、スワール流Ｓの強度が高くない場合には、すなわち高い点火エネルギーを必要としない場合には第１の発火部Ｈ１で点火でき、これにより火花がスワール流Ｓの流れとともに拡がる効果を得ることができることから、以って係る場合に高い燃焼性を確保できる。また筒内に強度が高いスワール流Ｓを生成した場合には、流通するガスの流速が遅くなっている第２の発火部Ｈ２で点火することができる。これにより、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。以上により、筒内に生成されたタンブル流Ｔで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関５０Ｅを実現できる。

図５は本実施例に係る内燃機関５０Ｆの要部を本実施例に係るＥＣＵ１Ｂとともに模式的に示す図である。なお、図５は内燃機関５０Ｆを一気筒につきエンジン後方から見た図となっており、図５ではピストン５３や排気ポート５６や吸排気弁５７，５８などは図示省略してある。内燃機関５０Ｆはその運転状態が低負荷運転状態にあるときに、筒内に生成されるタンブル流Ｔで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う。また内燃機関５０Ｆは中心電極６３ａと接地電極６３ｂとで構成された発火部Ｈを有する点火プラグ６３を燃焼室５４上方に備えており、この点火プラグ６３は具体的にはシリンダヘッド５２のうち、燃焼室５４上方、且つ中央の部分に配置されている。さらに内燃機関５０Ｆは気流制御弁５９を吸気ポート５５に備えており、この気流制御弁５９は吸気ポート５５のうち、燃焼室５４側開口部の直前の部分に配置されている。また気流制御弁５９は吸気ポート５５の壁面うち、シリンダブロック５１側の壁面近傍で弁軸によって片持ち状に軸支されている。

内燃機関５０Ｆでは筒内にタンブル流Ｔを生成すると、内燃機関５０Ｆの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期にタンブル流Ｔが発火部Ｈを流通するようになる。これに対して内燃機関５０Ｆでは上記のように配設した気流制御弁５９を備えることにより、気流制御弁５９の開度γで筒内に流入する吸気の流入方向を変更することができ、これにより筒内に生成されるタンブル流Ｔの中心位置を変更することができる。本実施例では気流制御弁５９で中心位置変更手段が実現されている。

図６はタンブル流Ｔの中心位置とシリンダヘッド５２（燃焼室５４上面）との間の距離Ｌ１と、気流制御弁５９の開度γとの相関関係を示す図である。図６から、気流制御弁５９の開度γが大きくなるほど、距離Ｌ１が大きくなる傾向があることがわかる。このため内燃機関５０Ｆでは、筒内に強度の高いタンブル流Ｔを生成した場合であっても、タンブル流Ｔの中心位置が発火部Ｈの電極ギャップ６３ｃに近づくように気流制御弁５９の開度γを変更することにより、タンブル流Ｔの強度低下を抑制しつつ、発火部Ｈを流通するタンブル流Ｔの流速を低く抑制できる。

ＥＣＵ１Ｂは、前述したＥＣＵ１Ａと同様にマイコン等で構成されており、このＥＣＵ１Ｂは以下に示す流速算出用プログラムと、中心位置制御用プログラムとをＲＯＭに格納している。なお、ＥＣＵ１ＢはＥＣＵ１Ａと同様に内燃機関制御用プログラムもＲＯＭに格納しており、ＥＣＵ１Ｂにはイグナイタや気流制御弁５９制御用のアクチュエータや、開度センサや、内燃機関５０の回転数ＮＥを検出するためのクランク角センサ７１などが電気的に接続されている。

流速算出用プログラムは、内燃機関５０Ｆの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期に発火部Ｈ（さらに具体的には電極ギャップ６３ｃ）を流通するタンブル流Ｔの流速を算出するためのプログラムであり、タンブル流Ｔの中心位置から電極ギャップ６３ｃまでの間の距離Ｌ２と、内燃機関５０Ｆの回転数ＮＥと、点火時期とに基づき、発火部Ｈを流通するタンブル流Ｔの流速を算出するように作成されている。図７はタンブル流Ｔの中心位置から電極ギャップ６３ｃまでの間の距離Ｌ２と、電極ギャップ６３ｃにおける流速との相関関係を示す図である。図７から、距離Ｌ２が大きくなるほど、電極ギャップ６３ｃにおける流速が高くなることがわかる。なお、タンブル流Ｔの中心位置から電極ギャップ６３ｃまでの間の距離Ｌ２は気流制御弁５９の開度に基づき、図７に示す相関関係と同様の相関関係をもとに算出される。

また流速算出用プログラムは、上記の代わりに点火プラグ６３の放電電流の放電時間に基づき、発火部Ｈを流通するタンブル流Ｔの流速を算出するように作成することもできる。図８は点火プラグ６３の放電電流波形を示す図であり、放電時間は図８に示すように放電電流波形に基づき検出することができる。また図９は電極ギャップ６３ｃにおける流速と放電時間との相関関係を示す図であり、図９から放電時間が長くなるほど、電極ギャップ６３ｃにおける流速が低下する傾向があることがわかる。

中心位置制御用プログラムは、流速算出用プログラムに基づき算出された流速が第２の所定値β以上である場合に、タンブル流Ｔの中心位置が発火部Ｈの電極ギャップ６３ｃに近づくように気流制御弁５９を制御するためのプログラムである。この中心位置制御用プログラムは具体的には回転数ＮＥ及び点火時期に基づき、制御すべき気流制御弁５９の開度を算出するとともに、算出した開度に気流制御弁５９の開度γを制御するように作成されている。制御すべき気流制御弁５９の開度はマップデータで回転数ＮＥと点火時期に応じて予め設定されており、本実施例ではこのマップデータもＲＯＭに格納されている。本実施例ではマイコンと上述のプログラムとで各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが実現されており、特にマイコンと流速算出用プログラムとで流速算出手段が、マイコンと中心位置制御用プログラムとで中心位置制御手段が夫々実現されている。

次にＥＣＵ１Ｂで行われる処理を図１０に示すフローチャートを用いて詳述する。ＣＰＵは電極ギャップ６３ｃにおける流速を算出する処理を実行する（ステップＳ２１）。具体的には本ステップでＣＰＵは距離Ｌ２と回転数ＮＥと点火時期とに基づき、電極ギャップ６３ｃにおける流速を算出する処理を実行する。なお、本ステップで代わりに点火プラグ６３の放電時間に基づき、電極ギャップ６３ｃにおける流速を算出する処理を実行してもよい。続いてＣＰＵは算出した流速が所定値β以上であるか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ２２）。否定判定であれば、本フローチャートで特段の処理を要しないためリターンしてステップＳ２１に戻る。一方、ステップＳ２１で肯定判定であれば、ＣＰＵは回転数ＮＥ及び点火時期に基づき、制御すべき気流制御弁５９の開度を算出する処理を実行する（ステップＳ２３）。さらにＣＰＵは気流制御弁５９の開度γを算出した開度に制御するための処理を実行する（ステップＳ２４）。

これにより、タンブル流Ｔの強度低下を抑制しつつ電極ギャップ６３ｃにおける流速を低く抑制することができる。このため内燃機関５０Ｆでは一つの点火プラグ６３で高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。なお、タンブル流Ｔは本実施例で示した方向とは逆の方向に旋回するタンブル流であってもよい。また内燃機関５０Ｆは例えば次に示す内燃機関５０Ｇのように変形することもできる。

図１１は内燃機関５０Ｇの要部を模式的に示す図である。なお、図１１は内燃機関５０Ｇを一気筒につきエンジン後方から見た図となっており、図１１ではピストン５３や排気ポート５６や吸排気弁５７，５８などは図示省略してある。内燃機関５０Ｇではタンブル流Ｔを生成するための気流制御弁５９が吸気ポート５５の上流側に配置されている点で内燃機関５０Ｆとは異なっている。さらに内燃機関５０Ｇでは、気流制御弁５９の直後で一端部が軸支されるとともに、他端部が吸気ポート５５の燃焼室５４側開口部直前まで延伸した可動板６５が吸気ポート５５に配設されている点で内燃機関５０Ｆとは異なっている。

可動板６５は中心位置制御用プログラムの制御対象として気流制御弁５９の代わりにＥＣＵ１Ｂで制御できるようにすることができ、具体的には可動板６５制御用のアクチュエータ（図示省略）をＥＣＵ１Ｂで制御できるようにすることで、図示のように一端部周りに回動させることができる。内燃機関５０Ｇでは可動板６５が中心位置変更手段となっており、中心位置変更手段は例えばこの内燃機関５０Ｇのように気流制御弁５９とは異なる構成で実現することもできる。以上により、筒内に生成されたタンブル流Ｔで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関５０Ｆ及び５０Ｇ及び内燃機関５０Ｆで高い点火エネルギーを要しない点火制御を行うためのＥＣＵ１Ｂを実現できる。

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。

内燃機関５０Ａの要部をＥＣＵ１Ａと共に模式的に示す図である。 ＥＣＵ１Ａで行われる処理をフローチャートで示す図である。 内燃機関５０Ａの変形例である内燃機関５０Ｂ、５０Ｃ及び５０Ｄの要部を模式的に示す図である。 ＥＣＵ１を内燃機関５０とともに模式的に示す図である。 内燃機関５０Ｆの要部をＥＣＵ１Ｂと共に模式的に示す図である。 タンブル流Ｔの中心位置とシリンダヘッド５２との間の距離Ｌ１と、気流制御弁５９の開度γとの相関関係を示す図である。 タンブル流Ｔの中心位置から電極ギャップ６３ｃまでの間の距離Ｌ２と、電極ギャップ６３ｃにおける流速との相関関係を示す図である。 点火プラグ６３の放電電流波形を示す図である。 電極ギャップ６３ｃにおける流速と放電時間との相関関係を示す図である。 ＥＣＵ１Ｂで行われる処理をフローチャートで示す図である。 内燃機関５０Ｇの要部を模式的に示す図である。

符号の説明

１ ＥＣＵ
５０ 内燃機関
５１ シリンダブロック
５２ シリンダヘッド
５３ ピストン
５４ 燃焼室
５５ 吸気ポート
５９ 気流制御弁
６０、６１、６２、６３ 点火プラグ
６０ａ、６１ａ、６２ａａ、６２ｂａ、６３ａ 中心電極
６０ｂ、６１ｂ、６２ａｂ、６２ｂｂ、６３ｂ 接地電極
６０ｃ、６１ｃ、６２ａｃ、６２ｂｃ、６３ｃ 電極ギャップ
６５ 可動板

Claims (7)

1. 所定の運転状態において筒内に生成される旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う内燃機関であって、
   第１の中心電極と、該第１の中心電極との間に第１の電極ギャップを形成する第１の接地電極とを有して構成される第１の発火部と、
   第２の中心電極と、該第２の中心電極との間に第２の電極ギャップを形成する第２の接地電極とを有して構成される第２の発火部とを備えており、
   さらに前記第１の電極ギャップが、前記所定の運転状態において点火時期に流通する前記旋回気流のうち、該旋回気流の渦中心部よりも外側の部分に対応させて配置されているとともに、前記第２の電極ギャップが、前記所定の運転状態において点火時期に流通する前記旋回気流のうち、前記渦中心部に対応させて配置されていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記旋回気流がタンブル流であり、前記第１の発火部及び前記第２の発火部が燃焼室上部中央に配置されているとともに、前記第２の中心電極及び前記第２の接地電極が、前記第１の中心電極及び前記第１の接地電極よりも長く延伸していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 請求項１または２記載の内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置であって、
   前記旋回気流の強度が第１の所定値未満である場合に、前記第１の発火部で点火するように点火制御を行うとともに、前記旋回気流の強度が前記第１の所定値以上である場合に、前記第２の発火部で点火するように点火制御を行う特定点火制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 所定の運転状態において筒内に生成される旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行うとともに、発火部を備えた点火プラグを燃焼室上方に有する内燃機関であって、
   前記旋回気流がタンブル流であり、筒内に流入する吸気の流入方向を変更することによって、前記タンブル流の中心位置を変更する中心位置変更手段を吸気通路に備えることを特徴とする内燃機関。
5. 請求項４記載の内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置であって、
   前記所定の運転状態において点火時期に前記発火部を流通するタンブル流の流速を算出する流速算出手段と、該流速算出手段が算出した流速が第２の所定値以上である場合に、前記タンブル流の中心位置が前記発火部の電極ギャップに近づくように前記中心位置変更手段を制御する中心位置制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 前記流速算出手段が、前記タンブル流の中心位置から前記電極ギャップまでの間の距離と、前記内燃機関の回転数と、点火時期とに基づき、前記流速を算出することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記流速算出手段が、前記点火プラグから放電される電流の放電時間に基づき、前記流速を算出することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の制御装置。

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