JP2010261363A - Internal combustion engine capable of stratificataion combustion - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、EGRガスと混合気とを燃焼室内で成層化することが可能な内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine capable of stratifying an EGR gas and an air-fuel mixture in a combustion chamber.
成層燃焼が可能な内燃機関として、一対の吸気ポートを有し、一方の吸気ポートにスワール制御弁を配置し、そのスワール制御弁及び各吸気ポートの吸気弁が閉じている状態でスワール制御弁の下流にEGRガスを導入し、吸気行程ではまず一方の吸気ポートの吸気弁を開弁して燃焼室内でEGRガスのスワール流を形成し、その後、他方の吸気ポートの吸気弁を開弁して燃焼室内でEGRガスの上方に逆向きのスワール流を形成し、その空気のスワール流に向けて燃料を噴射することにより、EGRガスと混合気とを成層化する内燃機関が知られている(例えば特許文献1参照)。その他に、本発明に関連する先行技術文献として特許文献2〜4が存在する。
As an internal combustion engine capable of stratified combustion, it has a pair of intake ports, a swirl control valve is arranged in one intake port, and the swirl control valve and the intake valve of each intake port are closed. EGR gas is introduced downstream, and in the intake stroke, the intake valve of one intake port is first opened to form a swirl flow of EGR gas in the combustion chamber, and then the intake valve of the other intake port is opened. There is known an internal combustion engine in which a swirl flow in the opposite direction is formed above the EGR gas in the combustion chamber, and fuel is injected toward the swirl flow of the air to stratify the EGR gas and the air-fuel mixture ( For example, see Patent Document 1). In addition,
EGR層と混合気層とを形成する場合、それらの境界で不活性なEGRガス内に燃料が混入し、その混入した燃料が燃焼せずに未燃成分として排出されるおそれがある。そこで、本発明はEGR層への燃料成分の混入を防止することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。 When the EGR layer and the air-fuel mixture layer are formed, the fuel is mixed in the inert EGR gas at the boundary between them, and the mixed fuel may not be burned but discharged as an unburned component. Accordingly, an object of the present invention is to provide an internal combustion engine capable of preventing the fuel component from being mixed into the EGR layer.
本発明は、燃焼室に対して吸気ポートを開閉する吸気弁と、吸入空気に対して燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、排気通路と吸気ポートとを接続するEGR通路と、該EGR通路を開閉するEGR弁とを備えた内燃機関に適用される成層燃焼制御装置であって、前記吸気弁の開弁に先行して前記吸気ポートにEGRガスが導入されるようにEGR弁の開弁動作を制御するEGR弁制御手段と、前記吸気弁の開弁に伴って前記吸気ポートから前記燃焼室内にEGRガスが導入された後に空気が導入され、該燃焼室内のEGR層と混合気層との間に空気層が残存するように、吸入空気に対する前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御手段と、を備えたものである。 The present invention relates to an intake valve that opens and closes an intake port for a combustion chamber, a fuel injection valve that can inject fuel to intake air, an EGR passage that connects an exhaust passage and an intake port, and the EGR passage A stratified charge combustion control device applied to an internal combustion engine having an EGR valve that opens and closes, wherein the EGR valve is opened so that EGR gas is introduced into the intake port prior to the opening of the intake valve. EGR valve control means for controlling the air, and air is introduced after EGR gas is introduced from the intake port into the combustion chamber as the intake valve is opened, and the EGR layer and the mixture layer in the combustion chamber Fuel injection control means for controlling the operation of the fuel injection valve with respect to the intake air so that an air layer remains in between.
本発明の成層燃焼制御装置によれば、吸気弁の開弁に先行してEGR弁を開弁させることにより、吸気ポートの終端部付近にEGRガスが導入される。吸気弁を開弁させると、まず吸気ポートの終端部付近のEGRガスが燃焼室内に導入されてEGR層が形成される。続いて、吸気ポートから燃焼室に空気が導入されて燃焼室内に空気層が形成される。さらに、EGRガスに続いて導入される空気の一部に限定して燃料噴射弁から燃料を噴射することにより、燃焼室内のEGR層と混合気層との間に空気層が残存する。このように、EGR層と混合気層との間に空気層が介在することにより、EGR量を増加させても燃料成分のEGR層への混入を防止することができる。 According to the stratified charge combustion control apparatus of the present invention, the EGR gas is introduced near the end portion of the intake port by opening the EGR valve prior to the opening of the intake valve. When the intake valve is opened, EGR gas near the end of the intake port is first introduced into the combustion chamber to form an EGR layer. Subsequently, air is introduced from the intake port into the combustion chamber, and an air layer is formed in the combustion chamber. Further, by injecting fuel from the fuel injection valve limited to a part of the air introduced following the EGR gas, an air layer remains between the EGR layer and the mixture layer in the combustion chamber. As described above, since the air layer is interposed between the EGR layer and the air-fuel mixture layer, it is possible to prevent the fuel component from being mixed into the EGR layer even if the EGR amount is increased.
図1〜図4に示すように、本発明の一形態に係る内燃機関(以下、エンジンと呼ぶ。)1は、複数(図では一つのみ示す。)のシリンダ2が形成されたシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上部に取り付けられたシリンダヘッド4と、シリンダ2のそれぞれに吸気を導くための吸気通路5と、シリンダ2からの排気が導かれる排気通路6とを備えている。シリンダ2にはピストン7が摺動自在に嵌め合わされ、そのピストン7の頂面7aとシリンダヘッド4の下面との間に燃焼室8が形成される。吸気通路5には、吸入空気量を調整するためのスロットル弁9が設けられている。スロットル弁9の下流にはインテークマニホールド10が設けられ、そのインテークマニホールド10からは各シリンダ2に向かって2本のブランチ11A、11Bが延ばされている。シリンダヘッド4には、各シリンダ2に対応して2本の吸気ポート12A、12Bが形成され、ブランチ11A、11Bはそれらの吸気ポート12A、12Bに1対1で接続されている。吸気ポート12A、12Bの終端には、吸気ポート12A、12Bと燃焼室8との間を開閉する吸気弁13A、13Bが設けられている。同様に、排気通路6と燃焼室8との間には、それらの間を開閉するための排気弁14A、14Bが設けられている。燃焼室8の上面側中心部には点火プラグ15が設けられている。なお、吸気弁13A、13Bは不図示の動弁機構により、互いに独立して開閉動作が可能とされている。
As shown in FIGS. 1 to 4, an internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 1 according to an embodiment of the present invention is a
吸気ポート12A、12Bには燃料噴射弁16がそれぞれ設けられている。一方の吸気ポート12AにはEGR通路としてのEGR配管17が接続されている。EGR配管17は、吸気ポート12Aの長手方向に沿って吸気ポート12Aの終端部にEGRガスを流入させるようにして吸気ポート12Aと接続されている。EGR配管17には、これを開閉するためのEGR弁18が設けられている。他方の吸気ポート12Bには、これを開閉するためのスワール制御弁19が設けられている。
A
図1に示すように、エンジン1には、エンジンコントロールユニット(以下、ECUと呼ぶ。)20が設けられている。ECU20は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なRAM、ROM等の周辺装置を含んだコンピュータユニットとして構成され、所定のエンジン制御プログラムに従ってスロットル弁9、燃料噴射弁16、EGR弁18、スワール制御弁19等を操作することにより、エンジン1を目標とする運転状態に制御する。ECU20には、エンジン1の運転制御に必要な情報の入力手段として、エンジン1の冷却水温に応じた信号を出力する水温センサ21、エンジン1の単位時間当たりの回転数(回転速度)に応じた信号を出力するクランク角センサ22、吸気通路5に取り込まれた空気量に応じた信号を出力するエアフロメータ23等が接続されている。
As shown in FIG. 1, the engine 1 is provided with an engine control unit (hereinafter referred to as ECU) 20. The ECU 20 is configured as a computer unit including a microprocessor and peripheral devices such as a RAM and a ROM necessary for the operation thereof, and a
ECU20は、エンジン1の運転制御のために実行すべき一連の処理の一部として、図5に示す運転判別ルーチン、及び図6に示す燃焼制御ルーチンのそれぞれを所定の周期で繰り返し実行する。以下、これらの処理を説明する。
The
ECU20は、図5の運転判別ルーチンを開始すると、まずステップS1でエンジン1の始動後の経過時間が30秒よりも長いか否か判別する。エンジン始動後の経過時間は、例えば、始動成功後、ECU20のタイマを利用して判別すればよい。30秒以上が経過している場合、ECU20はステップS2に進み、水温センサ21が検出する冷却水温が40°Cよりも高いか否か判別する。40°Cよりも高い場合、ECU20はステップS3へ進み、成層EGR運転の可否を判別するための成層EGRフラグをオン、すなわち、成層EGRフラグの値を成層EGR運転が可能な状態を示す値に設定する。一方、ステップS1又はS2の条件が否定された場合、ECU20はステップS4へ進み、成層EGRフラグをオフ、すなわち成層EGRフラグの値を成層EGR運転が不可能な状態を示す値に設定する。ステップS3又はS4の処理後、ECU20は今回の運転判別ルーチンを終了する。
When the operation determination routine of FIG. 5 is started, the ECU 20 first determines whether or not the elapsed time after the start of the engine 1 is longer than 30 seconds in step S1. The elapsed time after engine startup may be determined using a timer of
一方、ECU20は図6の燃焼制御ルーチンを開始すると、まずステップS11で成層EGRフラグがオンか否か判別する。フラグがオンであれば、ECU20はステップS12へ進み、スワール制御弁19を閉じる。続いてECU20はステップS13へ進み、成層EGR率を図7に示すマップより取得する。図7のマップは、EGR率をエンジン1の回転数とトルクとに対応付けて定めたものである。ECU20は、ステップS13の処理に際して、クランク角センサ22の出力からエンジン1の回転数を取得するとともに、エンジン1の目標トルクを不図示のアクセルペダルの踏込み量等から演算し、得られた回転数とトルクとに対応するEGR率を図7のマップから取得する。
On the other hand, when the combustion control routine of FIG. 6 is started, the ECU 20 first determines in step S11 whether or not the stratified EGR flag is on. If the flag is on, the ECU 20 proceeds to step S12 and closes the
EGR率の取得後、ECU20はステップS14へ進み、EGR弁18の開弁時間を図8に示すマップから取得する。図8のマップは、エンジン1の吸入空気量を回転数で除した値(空気量/回転数)とEGR弁18の開弁時間との関係をEGR率に応じて示したものである。ECU20は、ステップS13で取得したEGR率と、エアフロメータ23から取得した吸入空気量及びクランク角センサ22から取得した回転数とを利用して図8のマップからEGR弁18の開弁時間を取得する。
After acquiring the EGR rate, the
EGR弁18の開弁時間を取得した後、ECU20はステップS15へ進み、EGR弁18をステップS14で取得した開弁時間だけ開くようにEGR弁18の動作制御を開始する。この際、EGR弁18が吸気弁13Aの開弁動作に先行して開弁し、かつ、EGR弁18が吸気弁13Aの開弁時には閉鎖するようにEGR弁18の動作を制御する。一例として、図9に示すように、吸気弁13Aが吸気行程後半のクランク角360°で開弁を開始する場合には、そのクランク角360°を終点として開弁時間相当だけ遡ったクランク角にてEGR弁18の開弁を開始させる。
After acquiring the valve opening time of the
図6に戻り、続くステップS16において、ECU20は燃焼室8内に設けるべき空気層の率(空気率)を図10に示すマップから取得する。図10のマップは、空気率をエンジン1の回転数及びトルクと対応付けて定めたものである。図示例では、一律10%に設定しているが、成層EGR域(成層EGRフラグがオンとなる運転領域)内で空気率を複数段に変化させてもよい。次のステップS17において、ECU20は、E燃料噴射時期を演算する。例えば、図11に示すように、吸気弁13Aの開弁に先行して吸気ポート12A内に導入されているEGRガスが吸気開始(吸気弁13Aの開弁開始)に伴って燃焼室8内に吸入される時間t1、及びステップS16で取得した空気率に相当する量の空気が燃焼室8内に吸入される時間t2をそれぞれ演算し、それらの和(t1+t2)に相当する時間が吸気開始から経過した時刻を燃料噴射開始時期として定め、その燃料噴射開始時期から吸気弁13Aが閉じる時刻までの時間t3を燃料噴射終了時期として定める。吸気行程(吸気弁が開く期間)にて、EGRガス、空気及び混合気のそれぞれが燃焼室8内に導入される時期を、クランク角と吸気ポート12Aから燃焼室8へと通過する吸気の流量(バルブ通過流量)と対応付けて示せば図12の通りである。すなわち、吸気弁13Aが上死点(TDC)で開き、下死点(BDC)で閉じるとすれば、吸気開始直後はEGRガスが導入され、続いて空気が導入され、その後に燃料噴射が実行されて混合気が導入される。
Returning to FIG. 6, in the subsequent step S <b> 16, the
続いて、ECU20は図6のステップS18に進み、燃料噴射開始時期から燃料噴射終了時期まで燃料噴射弁16から燃料が噴射されるように燃料噴射弁16の動作を制御する。なお、この場合、EGR配管17が接続された側の吸気ポート12Aに対応する燃料噴射弁16のみが燃料噴射制御の対象とされ、反対側の吸気ポート12Bに対応する燃料噴射弁16からの燃料噴射は禁止される。
Subsequently, the
一方、ステップS11の条件が否定判断された場合、ECU20はッステップS21に進み、スワール制御弁19を開く。続いて、ECU20はステップS22で成層EGR率を0%に設定する。その後、ECU20はステップS23に進んで燃料噴射時期を演算し、続くステップS24で両吸気ポート12A、12Bの燃料噴射弁16から燃料が噴射されるように燃料噴射弁16の動作を制御する。ステップS18又はステップS24にて燃料噴射が実行されると、ECU20は今回のルーチンを終了する。なお、ステップS21〜S24の実行される場合の燃料噴射弁16の開弁時期、燃料噴射量等の制御手順は、均質燃焼を実行する際の公知の内燃機関のそれと同様でよい。
On the other hand, if a negative determination is made in step S11, the
上記のように成層EGR実施時のEGR弁18及び燃料噴射弁16の動作が制御される結果として燃焼室8内に形成される成層化の過程を図2〜図4に示す。まず、図2に示すように、吸気弁13Aの開弁に先行してEGR弁18が開かれて吸気ポート12AにEGRガス30が導入される。そのEGRガス30は、図中に矢印Aで示したように、吸気ポート12Aの終端部にて旋回しつつ滞留する。その旋回方向は、吸気ポート12Aに対するEGR配管17の接続位置が吸気ポート12A、12Bの並び方向外側に設定されているため、EGRガス30が燃焼室8内に導入された場合に形成されるスワール流の旋回方向と一致する。
The stratification process formed in the
続いて、図3に示すように吸気弁13Aが開かれると、吸気ポート12A内のEGRガス30が燃焼室8内へと導入される。その結果、燃焼室8の下部には、矢印Bで示すようなスワール流を伴ったEGR層L1が形成される。続いて、EGRガス30の導入後、空気率に対応した量の空気が導入されるまでは燃料噴射が開始されないため、燃焼室8内のEGR層L1の上方に空気層L2が形成される。その空気層L2はEGR層L1と同様のスワール流を伴ったものとなる。そして、空気層L2の形成後、燃料噴射弁16からの燃料31の噴射が開始される。図4に示すように吸気弁13Aが閉じた時、燃焼室8内には、ピストン7から上方に向かって、EGR層L1、空気層L2及び混合気層L3が形成される。EGR層L1と混合気層L3との間に空気層L2が残存しているため、混合気層L3の燃料成分のEGR層L1への混入が防止される。従って、未燃成分の排出を防止して、燃焼の安定化、エミッションの改善、燃料消費率の向上といった作用効果が得られる。
Subsequently, as shown in FIG. 3, when the intake valve 13 </ b> A is opened, the
以上の形態では、ECU20が図6のステップS15を実行することによりEGR弁制御手段として、ステップS18を実行することにより燃料噴射制御手段として機能する。
In the above embodiment, the
次に、燃料噴射時期の制御に関する変形例を説明する。図13は燃料噴射時期t4を、空気の導入完了後から吸気行程終了までの時間t3の一部に限定して実施する例である。その実施手順としては、一例としてECU20により以下の処理を実行すればよい。すなわち、図14に示すように、クランク角とバルブ通過流量との関係をエンジン1の回転数別に記述したマップを予め用意し、クランク角センサ22から取得した回転数に対応するクランク角とバルブ通過流量との対応関係を示す線図を特定する。続いて、図15に示すように、取得したバルブ通過流量の曲線に対して、吸気開始位置(TDC)からEGR量及び空気量(空気率に対応する量)をそれぞれ割り当てて、混合気が導入されている期間Xを特定する。続いて、期間X内でバルブ通過流量が半分となるクランク角、つまり、燃焼室8内に導入されるべき混合気の全量に対して、半分の混合気が導入されるときのクランク角CAxを特定する。そのクランク角CAxを中心として、必要な燃料量が確保されるように燃料噴射時期を演算して燃料噴射開始時刻及び終了時刻を特定することにより、図13のように燃料噴射時期を設定することができる。
Next, a modified example regarding control of the fuel injection timing will be described. FIG. 13 shows an example in which the fuel injection timing t4 is limited to a part of time t3 from the completion of air introduction to the end of the intake stroke. As an implementation procedure, the
図16は、図13は燃料噴射時期(t5〜t7)を、空気の導入完了後から吸気行程終了までの時間t3内で複数回に分けて実施する例である。その実施手順としては、一例としてECU20により以下の処理を実行すればよい。まず、図14に示すように、クランク角とバルブ通過流量との関係をエンジン1の回転数別に記述したマップを予め用意し、クランク角センサ22から取得した回転数に対応するクランク角とバルブ通過流量との対応関係を示す線図を特定する。続いて、図17に示すように、取得したバルブ通過流量の曲線に対して、吸気開始位置(TDC)からEGR量及び空気量(空気率に対応する量)をそれぞれ割り当てて、混合気が導入されている期間Xを特定する。さらに、期間X内でバルブ通過流量を、噴射回数に1を加算した値に相当する数(噴射回数+1)で等分するクランク角CAx、CAy及びCAzを特定する。また、必要な燃料噴射量を噴射回数で除して一回当たりの噴射量を演算する。そして、クランク角CAx、CAy、CAzをそれぞれ中心として、一回当たりの噴射量が噴射されるように燃料噴射時期を演算して、各回の燃料噴射開始時刻及び終了時刻を特定することにより、図16のように燃料噴射時期を設定することができる。
FIG. 16 shows an example in which the fuel injection timing (t5 to t7) is divided into a plurality of times within the time t3 from the completion of air introduction to the end of the intake stroke. As an implementation procedure, the
本発明は上述した形態に限らず、適宜の形態にて実施することができる。例えば、上記の形態では、スワール制御弁19を利用して各層L1〜L3に同一方向のスワール流を与えたが、スワールポート等の他のスワール形成手段を利用して各層の気流を制御してもよい。また、本発明はスワール流を形成する例に限らず、タンブル流といった他の気流を利用して成層状態を形成する内燃機関にも適用可能である。燃料噴射弁はポート噴射型に限らず、筒内噴射型でもよい。
The present invention is not limited to the form described above, and can be implemented in an appropriate form. For example, in the above embodiment, the swirl flow in the same direction is given to each of the layers L1 to L3 using the
1 内燃機関
5 吸気通路
6 排気通路
8 燃焼室
13A、13B 吸気弁
16 燃料噴射弁
17 EGR配管(EGR通路)
18 EGR弁
19 スワール制御弁
20 エンジンコントロールユニット(EGR制御手段、燃料噴射制御手段)
30 EGRガス
31 燃料
L1 EGR層
L2 空気層
L3 混合気層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Internal combustion engine 5
18
30
Claims (1)
前記吸気弁の開弁に先行して前記吸気ポートにEGRガスが導入されるようにEGR弁の開弁動作を制御するEGR弁制御手段と、
前記吸気弁の開弁に伴って前記吸気ポートから前記燃焼室内にEGRガスが導入された後に空気が導入され、該燃焼室内のEGR層と混合気層との間に空気層が残存するように吸入空気に対する前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御手段と、を備えた成層燃焼が可能な内燃機関。 An intake valve that opens and closes an intake port for the combustion chamber, a fuel injection valve that can inject fuel to intake air, an EGR passage that connects the exhaust passage and the intake port, and an EGR valve that opens and closes the EGR passage An internal combustion engine capable of stratified combustion with
EGR valve control means for controlling the opening operation of the EGR valve so that EGR gas is introduced into the intake port prior to the opening of the intake valve;
As the intake valve is opened, air is introduced after EGR gas is introduced from the intake port into the combustion chamber, and an air layer remains between the EGR layer and the air-fuel mixture layer in the combustion chamber. An internal combustion engine capable of stratified combustion, comprising: fuel injection control means for controlling the operation of the fuel injection valve with respect to intake air.
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