JP2009085162A - 内燃機関の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射を使ってタンブルを強める筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、吸気タイミングを調整することにより出力トルクを調整する制御システムを提供する。
【解決手段】開閉タイミングが固定された第１、第２タイミング固定吸気バルブを備える。第１、第２タイミング固定吸気バルブの間に配置され、開閉タイミングが可変のタイミング可変吸気バルブを備える。第１、第２タイミング固定吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気の流れがタンブルを形成するように配置された第１、第２吸気ポートを備える。タンブルを強化する方向に、燃料噴射を行うインジェクタを備える。出力トルクを調整するために、タイミング可変吸気バルブの開閉タイミングを制御する制御部を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、筒内直接噴射火花点火式内燃機関の制御システムに関し、特に出力トルクを調整する制御システムを含む内燃機関に関する。

特許文献１のように、２つの吸気ポートを介した吸気により燃焼室内にタンブルを発生させ、間に配置された吸気ポートを介して燃料噴射を行う内燃機関が提案されている。
特開２００６−２９１７７４号公報

しかし、燃料噴射が吸気ポートの１つを介して行われる形態であるため、燃料噴射を使ってタンブルを強める筒内直接噴射火花点火式内燃機関にそのまま適用することは出来ない。また、出力トルクに関する言及はなされていない。

したがって本発明の目的は、燃料噴射を使ってタンブルを強める筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、吸気タイミングを調整することにより出力トルクを調整する制御システムを提供することである。

本発明に係る筒内直接噴射火花点火式内燃機関の制御システムは、開閉タイミングが固定された第１、第２タイミング固定吸気バルブと、第１、第２タイミング固定吸気バルブの間に配置され、開閉タイミングが可変のタイミング可変吸気バルブと、第１、第２タイミング固定吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気の流れがタンブルを形成するように配置された第１、第２吸気ポートと、タンブルを強化する方向に、燃料噴射を行うインジェクタと、出力トルクを調整するために、タイミング可変吸気バルブの開閉タイミングを制御する制御部とを備える。

出力トルクの調整がタイミング可変吸気バルブの閉弁タイミングに基づいて行われるため、スロットル開度を調整することなく出力トルクの調整が可能になる。そのため、必要とする出力トルクに関わらず安定的に吸気によってタンブルを形成することが可能になる。また、吸気により形成されたタンブルの流れの方向と、インジェクタから噴射された燃料の方向とは燃焼室上面視において平行にできるため、インジェクタからの燃料噴射が、吸気により形成されたタンブルを効果的に強化することができる。また、閉弁タイミングを調整する吸気バルブ（タイミング可変吸気バルブ）と別にタンブルを形成する吸気バルブ（第１、第２タイミング固定吸気バルブ）の開閉が行われるため、バルブオーバーラップの問題は生じにくい。

好ましくは、タイミング可変吸気バルブの開閉タイミングは、出力トルクを大きくする場合に進角され、アトキンソンサイクルを実施する場合に遅角される。

また、好ましくは、出力トルクの調整は、スロットル開度を変えない状態で行われる。このため、出力トルクに関わらずタンブルを形成する空気を安定的に燃焼室に供給することが可能になる。

また、好ましくは、タイミング可変吸気バルブのリフト動作は、トルク調整を効果的に行うために、第１、第２タイミング固定吸気バルブのリフト動作の終了以後に終了する。また、タイミング可変吸気バルブのリフト動作時間は、バルブオーバーラップの問題を生じさせないために、第１、第２タイミング固定吸気バルブのリフト動作時間よりも短く設定される。

また、好ましくは、空気が燃焼室に多く入るように、第１、第２タイミング固定吸気バルブは、吸気上死点近傍で開き、吸気下死点近傍で閉じる。

以上のように本発明によれば、燃料噴射を使ってタンブルを強める筒内直接噴射火花点火式内燃機関において、吸気タイミングを調整することにより出力トルクを調整する制御システムを提供することができる。

以下、本発明の第１実施形態について、図１〜３を用いて説明する。第１実施形態における筒内直接噴射火花点火式内燃機関は、エンジン本体１、吸気通路３、電気制御スロットル弁４、筒内噴射用のインジェクタ６、点火プラグ７、排気通路８、触媒コンバータ９、ＥＣＵ２０、第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂ、タイミング可変吸気バルブ３１ｃ、第１、第２排気バルブ３２ａ、３２ｂ、第１、第２排気カム３３ａ、３３ｂ、エキゾーストカムシャフト３４、第１〜第３吸気カム３５ａ〜３５ｃ、第１、第２ロッカーアーム３６ａ、３６ｂ、インテークカムシャフト３７、可変バルブタイミング機構３８を備える。

まず、エンジン本体１の動作について説明する。エンジン本体１の各シリンダーの燃焼室には、吸気通路３を介し、電気制御スロットル弁４の制御を受けて、空気が吸入される。第１実施形態では、電子制御スロットル弁４のスロットル開度は、必要とされる出力トルクに関わらず、一定開度（例えばフルスロットル状態）に固定される。但し、必要とされる出力トルクがトルク閾値よりも少ない場合（例えば、アクセルが殆ど開かれておらず、負荷が小さい状態）は変動する。空気が吸入されるタイミングは、第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂ、及びタイミング可変吸気バルブ３１ｃの開閉によって制御される。燃焼室の上側で且つ中央に配置された筒内噴射用のインジェクタ６から噴射された燃料は、吸入された空気と混ざって混合気を形成する。但し、インジェクタ６は、吸気通路３側の側部など他の場所に配置されてもよい。ＥＣＵ２０からの点火信号に基づく点火プラグ７の点火によって、混合気は燃焼する。エンジン本体１からの排気は、第１、第２排気バルブ３２ａ、３２ｂの開弁時に排気通路８より排出され、排気通路８に設けられた触媒コンバータ９により浄化される。

出力トルクは、アクセル開度、内燃機関の負荷状態、及びクランクシャフトの回転数などによって決定される。例えば、低負荷且つ低回転状態で、アクセル開度が少ない場合には、出力トルクは小さい。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、これに基づいて演算処理して、各部の動作制御を行う。特に、第１実施形態では、ＥＣＵ２０は、内燃機関が出力トルクを調整するために、可変バルブタイミング機構３８を介して、タイミング可変吸気バルブ３１ｃの閉弁タイミングを調整する。出力トルクを大きくする場合には、閉弁タイミングを進角し、出力トルクを小さくする場合には、閉弁タイミングを遅角する。また、閉弁タイミングを遅角することにより、燃焼効率が高く燃費がよいアトキンソンサイクルの実施が可能になる。

但し、タイミング可変吸気バルブ３１ｃの閉弁タイミングを遅角させることによって、燃焼が悪くならない程度に、閉弁タイミング調整が行われる。具体的には、必要とされる出力トルクをトルク閾値を超えてさらに少なくする場合には、閉弁タイミングは出力トルクがトルク閾値の場合のものよりも遅角させずに、スロットル開度を小さくすることによってトルク調整が行われる。トルク閾値は、これ以上遅角させると（タイミング可変吸気バルブ３１ｃの閉弁時以降の実圧縮期間をこれ以上短くすると）、燃焼が悪くなるタイミング可変吸気バルブ３１ｃの閉弁タイミングに対応する出力トルクの値に設定される。

第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂは、エキゾーストカムシャフト３４、第１、第２吸気カム３５ａ、３５ｂ、第１、第２ロッカーアーム３６ａ、３６ｂの動作に連動して開閉動作が行われる。燃焼室に空気を多く入れるため、第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂにおいて、吸気ＴＤＣ時近傍でリフト動作が開始（開弁）され、ＢＤＣ時近傍でリフト動作が終了（閉弁）するバルブ開閉タイミングになるように、第１、第２吸気カム３５ａ、３５ｂの形状（第１作用角θ１が約１８０度）や位置関係が設定される。

タイミング可変吸気バルブ３１ｃは、インテークカムシャフト３７、第３吸気カム３５ｃの動作に連動して開閉動作が行われる。タイミング可変吸気バルブ３１ｃにおいて、第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂのリフト動作開始以後にリフト動作が開始され、第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂのリフト動作の終了以後にリフト動作が終了され、第３吸気カム３５ｃの作用角（第２作用角θ２）が第１作用角θ１よりも小さくなるように（リフト動作時間が短くなるように）、且つタイミング可変吸気バルブ３１ｃの最大リフト量が第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂの最大リフト量よりも少なくなるように、第３吸気カム３５ｃの形状や位置関係が設定される。

第１、第２吸気カム３５ａ、３５ｂの位相は固定（第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂの開閉タイミングは固定）されるが、第３吸気カム３５ｃの位相は、可変バルブタイミング機構３８によって調整され、これにより、タイミング可変吸気バルブ３１ｃのリフト動作の開始（及び終了）時点、すなわち開閉タイミングが調整される。可変バルブタイミング機構３８は、ＥＣＵ２０によって、出力トルクを小さくする場合（燃費向上を重視したアトキンソンサイクルで運転する場合）には遅角した状態（閉弁タイミングが遅い状態）に、出力トルクを大きくする場合には進角した状態（閉弁タイミングが早い状態）に制御される。

閉弁タイミングに対応して開弁タイミングも変わるが、閉弁タイミングを進角させた場合であっても開弁タイミングは、吸気ＴＤＣ時より早い時点にはならない。そのため、開弁タイミングが吸気ＴＤＣよりも早くなってバルブオーバーラップが大きくなることによるディメリット（残留ガス増加、体積効率低下、ノッキング特性悪化など）は生じない。

また、可変バルブリフト＆タイミング機構を可変バルブタイミング機構３８の代わりに採用して作用角θを可変にすることにより、１つの吸気バルブで第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂとタイミング可変吸気バルブ３１ｃの役割を果たす形態に比べて、バルブ機構を簡素化できるメリットを有する。

第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂを介して、燃焼室に吸入される空気の流れがそれぞれ順タンブルになるように、吸気通路３の第１、第２吸気ポート３ａ、３ｂの形状、及び第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂの形状や位置関係などが設定される。また、インジェクタ６から噴射される燃料の方向は、吸気により形成された順タンブルを強化する方向に設定される。すなわち、第１、第２吸気ポート３ａ、３ｂを介して燃焼室に吸入される空気の流れの方向と、インジェクタ６から噴射される燃料の方向とが、燃焼室上方から見て平行になる。

第１実施形態では、必要とされる出力トルクがトルク閾値以上の場合に、電子制御スロットル弁４を一定開度に固定させた状態で発生トルクを調整するために、可変バルブタイミング機構３８を介して第３吸気カム３５ｃの位相が調整される。そのため、出力トルクの大きさに関わらずスロットル開度が大きい状態（例えばフルスロットル状態）で空気を燃焼室に吸入させることが出来、出力トルクの大きさに関わらず吸気によって強いタンブルを形成することが可能になる。

タイミング可変吸気バルブ３１ｃは、吸気ポート側であって、第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂの間に配置される。タイミング可変吸気バルブ３１ｃの両側に配置された第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂの最大リフト量はタイミング可変吸気バルブ３１ｃの最大リフト量よりも多いため、タイミング可変吸気バルブ３１ｃに対応する第３吸気ポート３ｃを介して吸入された空気が、第１、第２タイミング固定吸気バルブ３１ａ、３１ｂに対応する第１、第２吸気ポート３ａ、３ｂを介して吸入された空気により形成されたタンブルに及ぼす影響は小さい。また、吸気により形成されたタンブルの流れの方向と、インジェクタ６から噴射された燃料の方向とは燃焼室上面視において平行になるため、インジェクタ６からの燃料噴射が、吸気により形成されたタンブルを弱めることはなく、効果的に強化することが出来る。

次に、第２実施形態について、図４〜６を用いて説明する。第１実施形態では、３つの吸気ポートを使って吸気を行う形態を説明したが、第２実施形態では、２つの吸気ポートを使って吸気を行う点で異なる。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

第２実施形態における内燃機関は、エンジン本体１、吸気通路３、電気制御スロットル弁４、筒内噴射用のインジェクタ６、点火プラグ７、排気通路８、触媒コンバータ９、ＥＣＵ２０、タイミング固定吸気バルブ３１０ａ、タイミング可変吸気バルブ３１０ｂ、排気バルブ３２、排気カム３３、エキゾーストカムシャフト３４、第１、第２吸気カム３５ａ、３５ｂ、ロッカーアーム３６、インテークカムシャフト３７、可変バルブタイミング機構３８を備える。

まず、エンジン本体１の動作について説明する。エンジン本体１の各シリンダーの燃焼室には、吸気通路３を介し、電気制御スロットル弁４の制御を受けて、空気が吸入される。第２実施形態では、電子制御スロットル弁４のスロットル開度は、必要とされる出力トルクに関わらず、一定開度（例えばフルスロットル状態）に固定される。但し、必要とされる出力トルクがトルク閾値よりも少ない場合（例えば、アクセルが殆ど開かれておらず、負荷が小さい状態）は変動する。空気が吸入されるタイミングは、タイミング固定吸気バルブ３１０ａ、タイミング可変吸気バルブ３１０ｂの開閉によって制御される。燃焼室の上側で且つ吸気通路３側の側部に配置された筒内噴射用のインジェクタ６から噴射された燃料は、吸入された空気と混ざって混合気を形成する。但し、インジェクタ６は、上面中央など他の場所に配置されてもよい。ＥＣＵ２０からの点火信号に基づく点火プラグ７の点火によって、混合気は燃焼する。エンジン本体１からの排気は、排気バルブ３２の開弁時に排気通路８より排出され、排気通路８に設けられた触媒コンバータ９により浄化される。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、これに基づいて演算処理して、各部の動作制御を行う。特に、第２実施形態では、ＥＣＵ２０は、内燃機関が出力トルクを調整するために、可変バルブタイミング機構３８を介して、タイミング可変吸気バルブ３１０ｂの閉弁タイミングを調整する。出力トルクを大きくする場合には、閉弁タイミングを進角し、出力トルクを小さくする場合には、閉弁タイミングを遅角する。また、閉弁タイミングを遅角することにより、燃焼効率が高く燃費がよいアトキンソンサイクルの実施が可能になる。

但し、タイミング可変吸気バルブ３１０ｂの閉弁タイミングを遅角させることによって、燃焼が悪くならない程度に、閉弁タイミング調整が行われる。具体的には、必要とされる出力トルクをトルク閾値を超えてさらに少なくする場合には、閉弁タイミングは出力トルクがトルク閾値の場合のものよりも遅角させずに、スロットル開度を小さくすることによってトルク調整が行われる。トルク閾値は、これ以上遅角させると（タイミング可変吸気バルブ３１０ｂの閉弁時以降の実圧縮期間をこれ以上短くすると）、燃焼が悪くなるタイミング可変吸気バルブ３１０ｂの閉弁タイミングに対応する出力トルクの値に設定される。

タイミング固定吸気バルブ３１０ａは、エキゾーストカムシャフト３４、第１吸気カム３５ａ、ロッカーアーム３６の動作に連動して開閉動作が行われる。燃焼室に空気を多く入れるため、タイミング固定吸気バルブ３１０ａにおいて、吸気ＴＤＣ時近傍でリフト動作が開始され、ＢＤＣ時近傍でリフト動作が終了するバルブ開閉タイミングになるように、第１吸気カム３５ａの形状（第１作用角θ１が約１８０度）や位置関係が設定される。

タイミング可変吸気バルブ３１０ｂは、インテークカムシャフト３７、第２吸気カム３５ｂの動作に連動して開閉動作が行われる。タイミング可変吸気バルブ３１０ｂにおいて、タイミング固定吸気バルブ３１０ａのリフト動作開始以後にリフト動作が開始され、タイミング固定吸気バルブ３１０ａのリフト動作の終了以後にリフト動作が終了され、第２吸気カム３５ｂの作用角（第２作用角θ２）が第１作用角θ１よりも小さくなるように（リフト動作時間が短くなるように）、且つタイミング可変吸気バルブ３１０ｂの最大リフト量がタイミング固定吸気バルブ３１０ａの最大リフト量よりも少なくなるように、第２吸気カム３５ｂの形状や位置関係が設定される。

第１吸気カム３５ａの位相は固定（タイミング固定吸気バルブ３１０ａの開閉タイミングは固定）されるが、第２吸気カム３５ｂの位相は、可変バルブタイミング機構３８によって調整され、これにより、タイミング可変吸気バルブ３１０ｂのリフト動作の開始（及び終了）時点、すなわち開閉タイミングが調整される。可変バルブタイミング機構３８は、ＥＣＵ２０によって、出力トルクを小さくする場合（燃費向上を重視したアトキンソンサイクルで運転する場合）には遅角した状態（閉弁タイミングが遅い状態）に、出力トルクを大きくする場合には進角した状態（閉弁タイミングが早い状態）に制御される。

閉弁タイミングに対応して開弁タイミングも変わるが、閉弁タイミングを進角させた場合であっても開弁タイミングは、吸気ＴＤＣ時より早い時点にはならない。そのため、開弁タイミングが吸気ＴＤＣよりも早くなってバルブオーバーラップが大きくなることによるディメリット（残留ガス増加、体積効率低下、ノッキング特性悪化など）は生じない。

また、可変バルブリフト＆タイミング機構を可変バルブタイミング機構３８の代わりに採用して作用角θを可変にすることにより、１つの吸気バルブでタイミング固定吸気バルブ３１０ａとタイミング可変吸気バルブ３１０ｂの役割を果たす形態に比べて、バルブ機構を簡素化できるメリットを有する。

タイミング固定吸気バルブ３１０ａ、タイミング可変吸気バルブ３１０ｂを介して、燃焼室に吸入される空気の流れがそれぞれ順タンブルになるように、吸気通路３の第１、第２吸気ポート３ａ、３ｂの形状、及びタイミング固定吸気バルブ３１０ａ、タイミング可変吸気バルブ３１０ｂの形状や位置関係などが設定される。具体的には、第１吸気ポート３ａ及び第２吸気ポート３ｂは、燃焼室の上面から見たそれぞれの空気流入方向が、燃焼室のボアセンターを通過するように、形状が形成される。そのため、第１、第２吸気ポート３ａ、３ｂを介して吸入された空気の流れがいずれも、タンブルを形成することが出来る。また、インジェクタ６から噴射される燃料の方向は、吸気により形成された順タンブルを強化する方向に設定される。

第２実施形態では、必要とされる出力トルクがトルク閾値以上の場合に、電子制御スロットル弁４を一定開度に固定させた状態で発生トルクを調整するために、可変バルブタイミング機構３８を介して第２吸気カム３５ｂの位相が調整される。そのため、出力トルクの大きさに関わらずスロットル開度が大きい状態（例えばフルスロットル状態）で空気を燃焼室に吸入させることが出来、出力トルクの大きさに関わらず吸気によって強いタンブルを形成することが可能になる。

第１実施形態における内燃機関の構成図である。 第１実施形態におけるエンジン本体の上面から見た構成図である。 第１実施形態における吸気バルブのリフト量、開閉タイミングを示す図である。 第２実施形態における内燃機関の構成図である。 第２実施形態におけるエンジン本体の上面から見た構成図である。 第２実施形態における吸気バルブのリフト量、開閉タイミングを示す図である。

符号の説明

１ エンジン本体
３ 吸気通路
４ 電気制御スロットル弁
６ 筒内噴射用のインジェクタ
７ 点火プラグ
８ 排気通路
９ 触媒コンバータ
２０ ＥＣＵ
３１ａ、３１ｂ 第１、第２タイミング固定吸気バルブ（第１実施形態）
３１ｃ タイミング可変吸気バルブ（第１実施形態）
３１０ａ タイミング固定吸気バルブ（第２実施形態）
３１０ｂ タイミング可変吸気バルブ（第２実施形態）
３２ａ、３２ｂ 第１、第２排気バルブ
３２ 排気バルブ
３３ａ、３３ｂ 第１、第２排気カム
３３ 排気カム
３４ エキゾーストカムシャフト
３５ａ〜３５ｃ 第１〜第３吸気カム
３６ａ、３６ｂ 第１、第２ロッカーアーム
３６ ロッカーアーム
３７ インテークカムシャフト
３８ 可変バルブタイミング機構

Claims (5)

1. 開閉タイミングが固定された第１、第２タイミング固定吸気バルブと、
   前記第１、第２タイミング固定吸気バルブの間に配置され、開閉タイミングが可変のタイミング可変吸気バルブと、
   前記第１、第２タイミング固定吸気バルブを介して燃焼室に吸入される空気の流れがタンブルを形成するように配置された第１、第２吸気ポートと、
   前記タンブルを強化する方向に、燃料噴射を行うインジェクタと、
   出力トルクを調整するために、前記タイミング可変吸気バルブの開閉タイミングを制御する制御部とを備えることを特徴とする筒内直接噴射火花点火式内燃機関の制御システム。
2. 前記タイミング可変吸気バルブの開閉タイミングは、前記出力トルクを大きくする場合に進角され、アトキンソンサイクルを実施する場合に遅角されることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
3. 前記出力トルクの調整は、スロットル開度を変えない状態で行われることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
4. 前記タイミング可変吸気バルブのリフト動作は、前記第１、第２タイミング固定吸気バルブのリフト動作の終了以後に終了し、
   前記タイミング可変吸気バルブのリフト動作時間は、前記第１、第２タイミング固定吸気バルブのリフト動作時間よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
5. 前記第１、第２タイミング固定吸気バルブは、吸気上死点近傍で開き、吸気下死点近傍で閉じることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。

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