JP2009103106A

JP2009103106A - 内燃機関の制御システム

Info

Publication number: JP2009103106A
Application number: JP2007277955A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-05-14

Abstract

【課題】噴射された燃料と吸気バルブとの干渉を考慮した内燃機関の制御システムを提供する。
【解決手段】筒内直接噴射火花点火式内燃機関の制御システムは、燃焼室に吸入される空気でタンブルが形成された燃焼室内において、タンブルを強化する方向に燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタを備える。ピストン温度が温度閾値以下の場合に、インジェクタによる燃料噴射時期を吸気下死点近傍に設定し、ピストン温度が温度閾値よりも高い場合に、インジェクタによる燃料噴射時期を吸気上死点近傍に設定する制御部を備える。
【選択図】図４

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、特にインジェクタから噴射された燃料と、吸気バルブの干渉を考慮した制御システムに関する。

特許文献１のように、ピストン冠面への燃料の沈着を考慮して、エンジン温度が低い場合には、噴射タイミングを吸気行程の７０度〜１３０度ＡＴＤＣの間で調整する筒内直接噴射火花点火式の内燃機関の制御システムが提案されている。
特表２００４−５０７６５８号公報

しかし、７０度〜１３０度ＡＴＤＣの時点は、吸気バルブのリフト量が多いため、噴射された燃料が吸気バルブに干渉し、パティキュレートが増加するおそれがある。

したがって本発明の目的は、噴射された燃料と吸気バルブとの干渉を考慮した内燃機関の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、燃焼室に吸入される空気でタンブルが形成された燃焼室内において、タンブルを強化する方向に燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタと、ピストン温度が温度閾値以下の場合に、インジェクタによる燃料噴射時期を吸気下死点近傍に設定し、ピストン温度が温度閾値よりも高い場合に、インジェクタによる燃料噴射時期を吸気上死点近傍に設定する制御部とを備える。これにより、ピストン温度が低い場合であっても噴射された燃料がピストン冠面に沈着するのを防ぐこと、及び噴射された燃料の吸気バルブへの干渉の可能性を低くすることが出来る。また、燃料噴射が下死点（ＢＤＣ）近傍と遅角した時期に行われるが、燃料噴射によるタンブル強化が行われており、均質度の悪化やトルク変動の悪化の問題は生じにくい。ピストンの温度が温度閾値よりも高い場合には、燃焼室内に噴射された燃料が気化しやすく、ピストンの冠面に沈着する問題が起きにくい。

好ましくは、吸気下死点近傍における吸気バルブのリフト量を変更するバルブ開閉機構をさらに備え、制御部は、吸気下死点近傍における燃料噴射が吸気バルブに干渉する場合には、バルブ開閉機構を制御して吸気バルブの吸気下死点近傍における吸気バルブのリフト量を少なくする。吸気下死点近傍で燃料噴射を行った場合には、噴射燃料の吸気バルブへの干渉が起こり得るが、かかる場合に、干渉を回避するように、吸気バルブの最大リフト量（または開閉タイミング）を調整して、吸気下死点近傍における吸気バルブのリフト量を少なくする。

以上のように本発明によれば、噴射された燃料と吸気バルブとの干渉を考慮した内燃機関の制御システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図１〜５を用いて説明する。本実施形態における筒内直接噴射火花点火式内燃機関の制御システムは、エンジン本体１、ピストン１ａ、吸気通路３、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、水温センサ２６、触媒温度センサ２７、吸気バルブ３１、排気バルブ３２、及び可変バルブ機構３８を備える。なお、図２において、点火プラグ７は省略している。

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、空気が吸入される。空気が吸入されるタイミングは、吸気バルブ３１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。

吸気バルブ３１を介して、燃焼室に吸入される空気の流れが排気バルブ３２側を下降して吸気バルブ３１側を上昇するように旋回する順タンブル（図２の太矢印線参照）になるように、吸気通路３の吸気ポート３ａの形状、及び吸気バルブ３１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、排気バルブ３２側を向きタンブルを強化する方向に設定される（図２参照）。

従って、吸気ＢＤＣ（吸気下死点）近傍で燃料噴射が行われた場合には、吸気により形成された順タンブルを、噴射燃料の貫徹力を利用して強化することが出来、点火時期までタンブルを良好に持続させて燃焼室内に乱れを発生させて良好な燃焼を得ることが出来る。

吸気バルブ３１の最大リフト量（リフト変位の最大値）ＶＬは、可変バルブ機構３８によって内燃機関の運転状態に応じて変動せしめられる。吸気バルブ３１は、吸気ＢＤＣ近傍で閉弁するように開閉タイミングが制御され、吸気バルブ３１の吸気ＢＤＣにおけるリフト量は最大リフト量ＶＬの設定状態に応じて変動する。具体的には、最大リフト量ＶＬが多めに設定された場合には、吸気バルブ３１の吸気ＢＤＣにおけるリフト量は多くなり、最大リフト量ＶＬが少なめに設定された場合には、吸気バルブ３１の吸気ＢＤＣにおけるリフト量は少なくなる。

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、本実施形態では、ＥＣＵ２０は、ピストン１ａの温度Ｔに基づいて、燃料を噴射する時期を吸気ＴＤＣ（吸気上死点）近傍と吸気ＢＤＣ近傍とのいずれかで行うかを判断する。具体的には、水温センサ２６による冷却水温の情報や触媒温度センサ２７による触媒温度（排気ガス温度）の情報などからピストン１ａの温度Ｔを推定し、温度閾値Ｔ_０よりも高い場合には、吸気ＴＤＣから燃料噴射を開始するように噴射タイミングを調整し（図３の太実線参照）、高くない場合には、吸気ＢＤＣに燃料噴射が終了するように噴射タイミングを調整する（図３の点線参照）。

吸気ＴＤＣ近傍で燃料噴射を行った場合には、吸気ＢＤＣ近傍で燃料噴射を行う場合に比べて、燃料噴射を使って点火時期までタンブルを持続させるタンブル強化（噴流活用）の効果は少ないが、ピストン１ａの温度Ｔが温度閾値Ｔ_０よりも高いため、燃焼室内に噴射された燃料が気化しやすく、ピストン１ａの冠面に沈着する問題が起きにくく、良好な燃焼が得やすい。

一方、ピストン１ａの温度Ｔが温度閾値Ｔ_０以下の場合には、燃料が気化しにくく、ピストン１ａの冠面に沈着する問題が起きやすいため、噴射時期を吸気ＢＤＣ近傍に遅角して、インジェクタ６とピストン１ａの冠面との距離を長くしてピストン１ａの冠面に到達するまでに気化させる。噴射時期を吸気ＢＤＣ近傍まで遅角させると、均質度の悪化やトルク変動の悪化が考えられるが、本実施形態では、燃料噴射を使ったタンブル強化（噴流活用）を行って、圧縮行程末期までタンブルを持続させるため、点火時期においてタンブルの崩壊により発生する乱れによって良好な燃焼が得られるため、これらの問題が起きにくいメリットを有する。

なお、ピストン１ａの温度Ｔは、温度センサ（ピストン冠面温度センサ）を用いて直接ピストン１ａの温度Ｔを計測する形態であってもよい。

また、ピストン１ａの冠面への燃料沈着を防止するためであれば、燃料噴射時期は吸気ＢＤＣに限らず、吸気ＴＤＣ後の適当なタイミング（例えば、７０度〜１３０度ＡＴＤＣ）に行ってもよいが、この時期は吸気バルブ３１のリフト量が多いため、噴射された燃料が吸気バルブ３１と干渉する可能性が大きい。本実施形態では、吸気バルブ３１のリフト量が７０度〜１３０度ＡＴＤＣに比べて少なくなる吸気ＢＤＣに燃料噴射を行うため、噴射された燃料が吸気バルブ３１に干渉する可能性を少なくすることが可能になる。

さらに、ＥＣＵ２０は、運転状態に応じて設定された吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬに応じて変動する開閉タイミング（特に閉弁タイミング）では、吸気ＢＤＣにおける吸気バルブ３１のリフト量が多く、吸気ＢＤＣ近傍に燃料噴射を行うと噴射された燃料が吸気バルブ３１に干渉する場合（図４の実線参照）には、可変バルブ機構３８を介して吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬを少なくして閉弁タイミングを早めて吸気ＢＤＣの吸気バルブ３１のリフト量を少なくして噴射燃料との干渉を避ける（図４の点線参照）。

これにより、インジェクタ６から噴射された燃料が、吸気バルブ３１に干渉（衝突）する可能性をさらに少なくすることができ、干渉によるパティキュレート（粒子状物質）の増加を抑えることが可能になる。

また、ピストン１ａの温度Ｔが温度閾値Ｔ_０よりも高い場合には、吸気ＴＤＣ近傍に燃料噴射が開始されるが、この時点では、吸気バルブ３１のリフト量が小さく、噴射された燃料との干渉の可能性は少ないため、パティキュレートの増加の問題は生じない。

次に、ＥＣＵ２０による燃料噴射時期の制御、及び最大リフト量ＶＬの制御の手順について、図５のフローチャートを用いて説明する。図５のフローチャートに示す制御は、エンジン本体１が運転中の所定クランク角ごとに行われる。ステップＳ１１で、ピストン１ａの温度Ｔが温度閾値Ｔ_０よりも高いか否かが判断される。高い場合には、ステップＳ１２で、吸気ＴＤＣから燃料噴射を開始するように噴射タイミングが設定され、かかる噴射タイミングで燃料噴射が実行される。高くない場合には、ステップＳ１３で、吸気ＢＤＣに燃料噴射が終了するように噴射タイミングが設定される。

ステップＳ１４で、吸気ＢＤＣ近傍に噴射された燃料が吸気バルブ３１に干渉するか否かが判断される。具体的には、運転状態に応じて設定された現在の吸気バルブ３１の最大リフト量（リフト変位の最大値）ＶＬを検出または推定し、かかる最大リフト量ＶＬがリフト量閾値ＶＬ_０以上であるか否かを判断する。リフト量閾値ＶＬ_０は、吸気ＢＤＣにおいて噴射された燃料が吸気バルブ３１と干渉するか否かを判断するために使用され、吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬがリフト量閾値ＶＬ_０以上である場合は吸気ＢＤＣにおいて噴射された燃料が吸気バルブ３１と干渉するような値に設定され、言い換えるとリフト量閾値ＶＬ_０よりも少ない場合は吸気ＢＤＣにおいて噴射された燃料が吸気バルブ３１と干渉しないような値に設定される（図４実線参照）。

現在の吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬがリフト量閾値ＶＬ_０以上であり、吸気ＢＤＣ近傍に噴射された燃料が吸気バルブ３１に干渉すると判断された場合には、ステップＳ１５で、吸気ＢＤＣにおける吸気バルブ３１のリフト量を少なくするように吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬが調整される。具体的には、可変バルブ機構３８を介して、吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬが、リフト量調整値ＶＬ_Ｓに設定される。リフト量調整値ＶＬ_Ｓは、リフト量閾値ＶＬ_０よりも小さい値であり、吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬがリフト量調整値ＶＬ_Ｓに設定されると、吸気ＢＤＣにおいて噴射された燃料が吸気バルブ３１と干渉しない（図４点線上の点Ａ参照）。

現在の吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬがリフト量閾値ＶＬ_０よりも少なく、吸気ＢＤＣ近傍に噴射された燃料が吸気バルブ３１に干渉しないと判断された場合には、吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬの調整が行われない。

干渉すると判断された場合はステップＳ１５の後、干渉しないと判断された場合はステップＳ１４の後、ステップＳ１６で、ステップＳ１３で設定された噴射タイミングで燃料噴射が実行される。

本実施形態では、吸気ＢＤＣにおいて噴射された燃料の吸気バルブ３１への干渉を避けるために、吸気バルブ３１の吸気ＢＤＣにおけるリフト量を少なくする機構として、可変バルブ機構３８を使用する形態を説明したが、他の形態（例えば、可変バルブタイミング機構を使って閉弁タイミングを進角させて吸気ＢＤＣのリフト量を少なくする形態）であってもよい。図６は、可変バルブタイミング機構を使って吸気バルブ３１の開閉タイミングを変える形態における、干渉する場合のリフト変位と、干渉を避ける場合のリフト変位を示す。

本実施形態では、燃料噴射時期を吸気ＴＤＣと吸気ＢＤＣとで切り替え制御することにより、ピストン温度Ｔが低い場合であっても噴射された燃料がピストン冠面に沈着するのを防ぎ、噴射された燃料の吸気バルブへの干渉の可能性を低くすることが出来る。なお、ピストン温度Ｔが低い場合には、燃料噴射が吸気ＢＤＣ近傍と遅角した時期に行われるが、燃料噴射によるタンブル強化が行われており、均質度の悪化やトルク変動の悪化の問題は生じにくい。ピストンの温度Ｔが温度閾値Ｔ_０よりも高い場合には、燃焼室内に噴射された燃料が気化しやすく、ピストン１ａの冠面に沈着する問題が起きにくい。また、吸気ＢＤＣ近傍で燃料噴射を行った場合には、噴射燃料の吸気バルブ３１への干渉が起こり得るが、かかる場合には、吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬ（または開閉タイミング）を調整して、吸気ＢＤＣ近傍における吸気バルブ３１のリフト量を少なくして、干渉が回避される。

本実施形態における内燃機関の構成図である。筒内噴射用のインジェクタからの燃料噴射状態を示す構成図である。燃料噴射タイミングを示す図である。可変バルブ機構を使った場合の、吸気バルブのリフト量、開閉タイミング（リフトカーブ）を示す図である。燃料噴射時期の制御、最大リフト量制御の手順を示すフローチャートである。可変バルブタイミング機構を使った場合の、吸気バルブのリフト量、開閉タイミング（リフトカーブ）を示す図である。

符号の説明

１エンジン本体
１ａピストン
３吸気通路
３ａ吸気ポート
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
２０ＥＣＵ
２６水温センサ
２７触媒温度センサ
３１吸気バルブ
３２排気バルブ
３８可変バルブ機構

Claims

燃焼室に吸入される空気でタンブルが形成された燃焼室内において、前記タンブルを強化する方向に燃料を噴射する筒内噴射用のインジェクタと、
ピストン温度が温度閾値以下の場合に、前記インジェクタによる燃料噴射時期を吸気下死点近傍に設定し、前記ピストン温度が前記温度閾値よりも高い場合に、前記インジェクタによる燃料噴射時期を吸気上死点近傍に設定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。
前記吸気下死点近傍における吸気バルブのリフト量を変更するバルブ開閉機構をさらに備え、
前記制御部は、前記吸気下死点近傍における前記燃料噴射が前記吸気バルブに干渉する場合に、前記バルブ開閉機構を制御して前記吸気バルブの前記吸気下死点近傍における前記吸気バルブのリフト量を少なくすることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。