JP2009097447A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した燃焼を実現できる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】本実施例に係るエンジンシステムは、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速の差を検出する流速センサ３０ａ、３０ｂと、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速を変更可能な弁体４０ａ、４０ｂと、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速の差が小さくなるように弁体４０ａ、４０ｂの開度を制御するＥＣＵ９０を備えている。この構成により、気流のサイクル変動を抑制でき、安定した燃焼を実現できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の燃焼変動の要因として、気筒内での気流のサイクル変動や、燃料噴霧のバラつき、残留ガスの割合のサイクル変動、点火プラグによる放電のバラつき、吸気管脈動などの様々な理由がある。特に、気筒内での気流のサイクル変動は、燃焼速度に大きな影響を与える。特許文献１乃至４には、内燃機関の燃焼性に関する技術が開示されている。

特許３７２１９２６号公報 特許２６８８９５３号公報 特開２００３−１０６１５１号公報 特開２００１−３７５２号公報

ところで一般的な内燃機関においては、一の気筒には、通常２つの吸気ポートが連結されており、この２つの吸気ポートから一の気筒内に流入したそれぞれの吸気が気筒内で合流する。この気筒内での吸気の合流位置の変動が、気流のサイクル変動が発生する要因のひとつである。しかしながら、上記特許文献にはこのような点に着目した技術は開示されていない。

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、安定した燃焼を実現できる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、一の気筒と連通した第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過する吸気の流速の差を検出する検出手段と、前記第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過する吸気の流速を変更可能な流速変更手段と、前記第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過する吸気の流速の差が小さくなるように前記流速変更手段を制御する流速変更制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の制御装置によって達成できる。

この構成により、第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過する吸気の流速の差を小さくすることができるので、第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過した吸気の、気筒内での流速の差も小さくでき、これにより、気筒内での吸気の双方が合流する位置の変動を抑制できる。これにより、気流のサイクル変動を抑制でき、安定した燃焼を実現できる。

上記構成において、前記検出手段の検出結果に応じて、点火時期を制御する点火時期制御手段を備えた、構成を採用できる。

吸気の流速を検出することにより、気筒内での流速を推定することができ、この気筒内の流速から、着火遅れ期間を推定できる。この着火遅れ期間を考慮して点火時期を制御することにより、主燃焼時期の変動を抑制することができる。これにより、安定した燃焼を実現できる。

上記構成において、前記第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過して前記気筒内に流入した吸気が合流する位置に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた、構成を採用できる。

気筒内に流入した吸気が合流する位置に向けて燃料を噴射することにより、燃料の噴射によって生じる気筒内の気流の乱れを、気筒内に流入した吸気が合流する位置に合わせることができる。これにより、燃料の噴射によって、気筒内での吸気の双方が合流する位置が変動するのを抑制できる。

上記構成において、前記検出手段の検出結果に応じて、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射速度を制御する燃料噴射速度制御手段を備えた、構成を採用できる。

第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過する吸気の流速を検出することにより、気筒内での気流の流速を推定でき、例えば、気筒内での気流の流速が大きいほど、燃料噴射速度を大きくすることにより、気筒内での吸気の合流する位置周辺での気流の流れを整流することができる。

上記構成において、前記検出手段の検出結果に応じて、前記燃料噴射弁から噴射される１サイクルあたりの燃料噴射回数を制御する燃料噴射回数制御手段を備えた、構成を採用できる。

第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過する吸気の流速を検出することにより、気筒内での気流の流速を推定でき、例えば、気筒内での気流の流速が大きいほど、燃料噴射回数を増やすことにより、気筒内での吸気の合流する位置周辺での気流の流れを整流することができる。

本発明によれば、安定した燃焼を実現できる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は本実施例に係るエンジンシステムの要部を模式的に示す図である。エンジン５０は筒内燃料直接噴射式のガソリンエンジンである。但しこれに限られず、エンジン５０は例えば所謂リーンバーンエンジンなどであってもよい。

エンジン５０はシリンダブロック５１、シリンダヘッド５２Ａ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が形成されており、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は図示しないコネクティングロッドと連結されており、さらにコネクティングロッドは図示しないクランクシャフトと連結されている。ピストン５３がシリンダ５１ａ内で往復運動すると、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに動力が伝達され、さらにクランクシャフトによって往復運動が回転運動に変換される。例えばエンジン５０を備えた車両では、この回転運動に変換された動力を利用して車両を駆動する。

シリンダブロック５１にはシリンダヘッド５２Ａ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５２Ａ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５２Ａには吸気を燃焼室５４内（以下、気筒内とも称す）に導入するための吸気ポート１０ａ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２０ａとが夫々形成されており、さらに吸気ポート１０ａを開閉するための吸気弁５５と、排気ポート２０ａを開閉するための排気弁５６とが夫々配設されている。吸気弁５５が開弁すると気筒内に吸気が流入する。点火プラグ５７は上方から燃焼室５４に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２Ａに配設されている。尚、点火プラグ５７による点火時期は、ＥＣＵ９０によって制御される。

燃料噴射弁５９は気筒内に噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２Ａに配設されている。詳細には、燃料噴射弁５９は、吸気ポート１０ａよりも排気ポート２０ａに近い位置に配置されている。燃料噴射弁５９は、ＥＣＵ９０によってその燃料噴射タイミングが制御されている。

また、燃料噴射弁５９は、燃料が高圧の状態で貯留されているコモンレール（不図示）から燃料が供給される。また、燃料噴射弁５９は、アクチュエータ（不図示）の変位に応じてニードル（不図示）のリフト量を連続的に調整可能に形成されている。アクチュエータは、ＥＣＵ９０からの指令に基づいて制御される。ニードルのリフト量が小さい場合には、単位時間当たりの燃料噴射量は小さくなるが燃料の噴射速度が大きくなり、リフト量が大きい場合には、単位時間当たりの燃料噴射量は大きくなるが燃料の噴射速度は小さくなる。従って、ＥＣＵ９０は、アクチュエータへの指令により、燃料噴射量、燃料噴射速度を調整することができる。また、ＥＣＵ９０は、１サイクル中において、ニードルの昇降を複数回繰り返すことにより、１サイクルにおける噴射回数を制御することができる。

ＥＣＵ９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、不図示の各センサからの出力に基づいて、エンジン５０全体の作動を制御する。また、ＥＣＵ９０は、詳しくは後述するが、気筒内の吸気の流速を制御するための流速制御処理、着火遅れ期間を考慮して点火時期を制御する点火時期制御処理、気筒内の流速を考慮して燃料噴射速度を制御する燃料噴射速度制御処理を実行可能に形成されている。ＥＣＵ９０は、流速変更制御手段、点火時期制御手段、燃料噴射速度制御手段に相当する。尚、ＲＯＭには、これらの処理を実行するプログラムが格納されている。

図２は、エンジン５０の要部を一気筒につき水平投影視で模式的に示している。図２においては、一の気筒に連結されている吸気ポート１０ａ、１０ｂの双方を模式的に示している。吸気ポート１０ａ、１０ｂ内には、それぞれ、流速センサ３０ａ、３０ｂが設けられている。流速センサ３０ａ、３０ｂは、それぞれ、吸気ポート１０ａ、１０ｂ内を通過する吸気の流速に関する値を、ＥＣＵ９０へと出力する。流速センサ３０ａ、３０ｂは、熱線流速計であるが、吸気ポート１０ａ、１０ｂを通過する吸気の流速を検出可能なセンサであれば、これに限定されない。ＥＣＵ９０は、流速センサ３０ａ、３０ｂからの出力に基づいて、吸気ポート１０ａ、１０ｂのそれぞれを通過する吸気の流速の差を算出する。従って、ＥＣＵ９０、流速センサ３０ａ、３０ｂが、検出手段に相当する。

また、流速センサ３０ａ、３０ｂの上流側には、それぞれ、弁体４０ａ、４０ｂが設けられている。弁体４０ａ、４０ｂは、それぞれ、吸気ポート１０ａ、１０ｂの内壁に回動自在に指示された軸部と、この軸部に固定された板部とから構成される。弁体４０ａ、４０ｂは、それぞれの軸部を支点として回動することにより、吸気ポート１０ａ、１０ｂの通路面積が変更される。

また、弁体４０ａ、４０ｂには、それぞれ回動するためのアクチュエータ（不図示）が設けられており、ＥＣＵ９０は、このアクチュエータに指令を出すことにより、弁体４０ａ、４０ｂの開度をそれぞれ制御することができる。弁体４０ａ、４０ｂの開度を調整することにより、それぞれ吸気ポート１０ａ、１０ｂを通過する吸気の流速を変更することができる。従って、弁体４０ａ、４０ｂは、流速変更手段として機能する。また、吸気ポート１０ａが第１吸気ポートに相当し、吸気ポート１０ｂが第２吸気ポートに相当する。

尚、図２には、燃料噴射弁５９の配置位置についても示している。

次に、ＥＣＵ９０が実行する流速制御処理について説明する。図３は、ＥＣＵ９０が実行する流速制御処理の一例を示したフローチャートである。尚、この処理は、所定期間毎に繰り返し実行される。

ＥＣＵ９０は、流速センサ３０ａ、３０ｂからの出力に基づいて、吸気ポート１０ａ、１０ｂ内をそれぞれ通過する吸気の流速に関する情報を取得する（ステップＳ１１）。次に、その情報から、吸気ポート１０ａ、１０ｂ内をそれぞれ通過する吸気の流速の差を算出し、この流速の差が、基準値を超えているか否かを判定する（ステップＳ１２）。超えていない場合には、この処理を終了する。尚、ここで基準値とは、気筒内において気流のサイクル変動が発生するか否かの基準となる値である。

流速の差が、基準値を超えている場合には、ＥＣＵ９０は、流速の差が基準値以下となるように、弁体４０ａ、４０ｂの少なくとも何れか一方の開度を制御する（ステップＳ１３）。次に、ＥＣＵ９０は、再度流速センサ３０ａ、３０ｂからの出力に基づいて、吸気ポート１０ａ、１０ｂ内をそれぞれ通過する吸気の流速に関する情報を取得し（ステップＳ１４）、流速の差が、基準値以下となったか否かを判定する（ステップＳ１５）。基準値よりも大きい場合には、ＥＣＵ９０は、再度ステップＳ１３の処理を実行する。基準値以下の場合には、ＥＣＵ９０は、この処理を終了する。

次に、上記処理について具体例を示しながら説明する。図４は、流速制御処理の説明図である。図４（Ａ）に示すように、例えば、吸気ポート１０ａを通過する吸気の流速が、吸気ポート１０ｂを通過する吸気の流速よりも大きい場合には、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速が等しい場合と比較し、気筒内で、双方の吸気が合流する位置が変動することになる。このような、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速の差によって、気筒内での、双方の吸気が合流する位置が変動することになる。この変動によって、気筒内の気流のサイクル変動が発生し、これに伴って、燃焼の安定性が阻害されることになる。

しかしながら、図４（Ｂ）に示すように、ＥＣＵ９０は、弁体４０ｂの開度を絞ることにより、吸気ポート１０ｂを通過する吸気の流速を、吸気ポート１０ａを通過する吸気の流速と略等しくなるように制御する。これにより、気筒内での、双方の吸気が合流する位置の変動を抑制することができる。ＥＣＵ９０が、このように制御することにより、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速が変動した場合であっても、それに応じて、弁体４０ａ、４０ｂの開度を制御することにより、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速の差を小さくすることができるので、気筒内での流速の差も小さくすることができる。これにより、気筒内での吸気の双方が合流する位置の変動を抑制でき、気流のサイクル変動を抑制できる。これにより、安定した燃焼を実現できる。

次に、ＥＣＵ９０が実行する点火時期制御処理について説明する。図５は、ＥＣＵ９０が実行する点火時期制御処理の一例を示したフローチャートである。尚、この処理は、所定期間毎に繰り返し実行される。

ＥＣＵ９０は、流速センサ３０ａ、３０ｂからの出力に基づいて、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速に関する情報を取得する（ステップＳ２１）。次に、ＥＣＵ９０は、この情報に基づいて、気筒内での気流の流速を推定する（ステップＳ２２）。図６は、気筒内での気流の流速を推定するためのマップである。このマップは、予め実験などにより計測されたものであり、ＥＣＵ９０のＲＯＭに記憶されている。ＥＣＵ９０は、流速センサ３０ａ、３０ｂのそれぞれからの出力に基づいて、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速の平均値を算出する。図６に示すように、吸気ポート１０ａ、１０ｂのそれぞれを通過する吸気の流速の平均値が大きいほど、気筒内での気流の流速も大きくなる。従って、図６に示したマップに基づいて、ＥＣＵ９０は、気筒内での気流の流速を推定することができる。

次に、ＥＣＵ９０は、気筒内の気流の流速の推定結果に基づいて、着火遅れ期間を推定する（ステップＳ２３）。着火遅れ期間とは、主燃料が噴射されて、この主燃料に着火するまでの期間をいう。図７は、着火遅れ期間を推定するためのマップである。気筒内での吸気の流速が大きいほど、燃料と酸素が十分に混ざり合い、燃料の微粒化が促進されて、着火遅れ期間は短くなる。気筒内での吸気の流速が小さい場合には、燃料と酸素との混ざり合いが不十分になるため、着火遅れ期間が長期化する。ＥＣＵ９０は、このマップを用いることにより、着火遅れ期間を推定することができる。なお、このマップは、予め実験などにより計測されたものであり、ＥＣＵ９０のＲＯＭに格納されている。

次に、ＥＣＵ９０は、着火遅れ期間を考慮して、点火プラグ５７による点火時期を制御する（ステップＳ２４）。具体的には、着火遅れ期間が長いほど、点火時期を進角側に制御する。このように、ＥＣＵ９０は、流速センサ３０ａ、３０ｂからの出力に応じて、点火時期を制御する。これにより、点火時期を進角側に制御することにより、各サイクルにおける主燃焼時期の変動を抑制でき、これにより安定した燃焼を実現できる。

次に、点火時期制御処理について具体的に説明する。図８は、点火時期制御処理の説明図である。図８（Ａ）に示すように、吸気と燃料との混合気に対して点火プラグ５７によって点火した場合、所定の着火遅れ期間を経過した後に、この混合気が燃焼を開始する。しかしながら、気筒内での気流の流速が比較的低速の場合、図８（Ｂ）に示すように、着火遅れ期間が長期化し、燃料が燃焼を開始する時期が遅れる。このように、サイクル毎にこのような変動が起こると、燃焼が不安定となる。従って、ＥＣＵ９０は、図８（Ｃ）に示すように、着火遅れ期間が長いほど、点火時期を進角側に制御する。これにより、吸気の流速が変動する場合であっても、主燃焼の開始時期を、各サイクル毎で略同一時期となるように制御することができる。これにより、安定した燃焼を実現できる。

次に、ＥＣＵ９０が実行する燃料噴射速度制御処理について説明する。図９は、ＥＣＵ９０が実行する燃料噴射速度制御処理の一例を示すフローチャートである。尚、この処理は、所定期間毎に繰り返し実行される。

ＥＣＵ９０は、まず、流速センサ３０ａ、３０ｂからの出力に基づいて、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過する吸気の流速に関する情報を取得する（ステップＳ３１）。次に、ＥＣＵ９０は、この情報に基づいて、図６に示したマップに基づいて、気筒内での気流の流速を推定する（ステップＳ３２）。次に、ＥＣＵ９０は、気筒内での流速の推定結果に基づいて、燃料の噴射速度を制御する（ステップＳ３３）。図１０は、気筒内での吸気の流速に応じて、燃料の噴射速度を制御するためのマップである。尚、このマップは、ＥＣＵ９０のＲＯＭに記憶されている。図１０に示すように、ＥＣＵ９０は、気筒内での気流の流速が大きいほど、燃料の噴射速度が大きくなるように制御する。このように制御する理由を説明する前に、図１に示したように、燃料噴射弁５９が設けられた位置について説明する。

前述したように、燃料噴射弁５９は、排気ポート２０ａ側に設けられている。詳細には、排気ポート２０ａと、図１において示されていない、もう一方の排気ポートとの間に設けられている。燃料噴射弁５９が設けられた位置は、吸気ポート１０ａ、１０ｂのそれぞれを通過する吸気の流速が等しい場合には、この吸気の双方が気筒内で合流する位置である。従って、燃料噴射弁５９は、吸気ポート１０ａ、１０ｂをそれぞれ通過して気筒内に流入した吸気が合流する位置に向けて燃料を噴射するように配置されている。これにより、燃料の噴射によって生じる気筒内の気流の乱れを、気筒内に流入した吸気が合流する位置に合わせることができる。これにより、燃料Ｆの噴射によって、気筒内での吸気の双方が合流する位置が変動するのを抑制できる。

また、気筒内での気流の流速が大きいほど、燃料の噴射速度が大きくなるように制御する理由は、前述したように、燃料噴射弁５９は、上記の合流する位置に燃料を噴射するように設けられている。このため、気筒内での気流の流速が大きいほど燃料の噴射速度を大きくすることにより、気筒内での吸気の合流する位置周辺での気流の乱れを整流することができる。これにより、燃料と吸気との攪拌を十分に行うことができる。

尚、気筒内での流速の推定結果に基づいて、１サイクルあたりの燃料噴射回数を制御するようにしてもよい。例えば、気筒内での気流の流速が大きいほど、燃料噴射回数を増やすことにより、気筒内で燃料が断続的に噴射されるため、実質的な燃料噴射時間を長期間とすることができ、気筒内での吸気の合流する位置周辺での気流の流れを整流することができる。尚、この場合、ＥＣＵ９０が、燃料噴射回数制御手段に相当する。

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。

流速変更手段として、気筒内に旋回流を生じさせるための弁体を採用してもよい。

エンジンシステムの要部を模式的に示す図である。 エンジンの要部を一気筒につき水平投影視で模式的に示している。 ＥＣＵが実行する流速制御処理の一例を示したフローチャートである。 流速制御処理の説明図である。 ＥＣＵが実行する点火時期制御処理の一例を示したフローチャートである。 気筒内での気流の流速を推定するためのマップである。 着火遅れ期間を推定するためのマップである。 点火時期制御処理の説明図である。 ＥＣＵが実行する燃料噴射速度制御処理の一例を示すフローチャートである。 気筒内での吸気の流速に応じて、燃料の噴射速度を制御するためのマップである。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ 吸気ポート
３０ａ、３０ｂ 流速センサ（検出手段）
４０ａ、４０ｂ 弁体（流速変更手段）
５０ エンジン（内燃機関）
５９ 燃料噴射弁
９０ ＥＣＵ（流速変更制御手段、検出手段、点火時期制御手段、燃料噴射速度制御手段、燃料噴射回数制御手段）

Claims (5)

1. 一の気筒と連通した第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過する吸気の流速の差を検出する検出手段と、
   前記第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過する吸気の流速を変更可能な流速変更手段と、
   前記第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過する吸気の流速の差が小さくなるように前記流速変更手段を制御する流速変更制御手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記検出手段の検出結果に応じて、点火時期を制御する点火時期制御手段を備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記第１及び第２吸気ポートをそれぞれ通過して前記気筒内に流入した吸気が合流する位置に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記検出手段の検出結果に応じて、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射速度を制御する燃料噴射速度制御手段を備えた、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記検出手段の検出結果に応じて、前記燃料噴射弁から噴射される１サイクルあたりの燃料噴射回数を制御する燃料噴射回数制御手段を備えた、ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
   
   

Images