JP2012159064A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンウェットに起因する種々の問題を解消する。
【解決手段】シリンダ２内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁４を備えた内燃機関１の制御装置は、ピストン７がないと仮定した場合に筒内噴射弁４から噴射された燃料噴霧Ｆの噴霧軸Ｐに沿った燃料噴霧の起点ｆ１から終点ｆ２までの第１距離Ｈと、噴霧軸に沿った燃料噴霧の起点からピストンまでの第２距離Ｌとの比Ｌ／Ｈであって、燃料噴射開始後１ｍｓの時点における比Ｌ／Ｈが０．５以上の所定値となるように、筒内噴射弁から燃料を噴射させる制御手段３０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の制御装置に係り、特に、シリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁を備えた内燃機関の制御装置に関する。

シリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁を備えた直噴式内燃機関が公知である。この内燃機関によれば、燃料の気化潜熱を利用してシリンダ内の吸気を直接冷却することができ、これを以て吸気の充填効率を向上し高出力化を図ると共に、ガソリンエンジンのような火花点火式内燃機関では耐ノック性を向上できる。

特開２００４−２１８６０３号公報

ところで、直噴式内燃機関において、燃料をピストンに向けて斜め下向きに噴射するようにしたものにあっては、燃料噴霧がピストンに衝突したときにピストンが燃料で濡らされるというピストンウェットが発生する。このピストンウェットに起因して、ＰＭ（パティキュレートマター）粒子数の増加、体積効率ηｖの低下、全開（ＷＯＴ）性能の低下、燃焼変動の増大などの問題が懸念される。特に、ピストンがまだ十分暖まっていないエンジン暖機中において、ＰＭ粒子数増加の問題が一層懸念される。

そこで以上の事情に鑑みて本発明は創案され、その目的は、ピストンウェットに起因する種々の問題を解消することが可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
シリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁を備えた内燃機関の制御装置であって、
ピストンがないと仮定した場合に前記筒内噴射弁から噴射された燃料噴霧の噴霧軸に沿った燃料噴霧の起点から終点までの第１距離Ｈと、前記噴霧軸に沿った燃料噴霧の起点からピストンまでの第２距離Ｌとの比Ｌ／Ｈであって、燃料噴射開始後１ｍｓの時点における前記比Ｌ／Ｈが０．５以上の所定値となるように、前記筒内噴射弁から燃料を噴射させる制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置が提供される。

好ましくは、前記筒内噴射弁は、平面視において前記燃料噴霧がなす第１角度が、側面視において前記燃料噴霧がなす第２角度より大きい扇形の燃料噴霧を噴射する。

好ましくは、前記制御手段は、前記筒内噴射弁からの燃料噴射を吸気行程中に開始させる。

好ましくは、前記制御手段は、前記筒内噴射弁からの燃料噴射開始時期を圧縮上死点前３１０°ＣＡ以降で且つ１８０°ＣＡ以前の所定時期とする。

好ましくは、前記内燃機関が、ピストンに冷却用オイルを噴射するためのオイルジェットを有し、
前記所定値が、前記オイルジェットを有しない内燃機関に対して設定された所定値よりも大きい値に設定されている。

本発明によれば、ピストンウェットに起因する種々の問題を解消することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を示す概略側面断面図である。 内燃機関の概略平面断面図である。 噴射時期とＰＭ粒子数の関係を示すグラフである。 所定時点距離比とＰＭ粒子数の関係を示すグラフである。 噴射角と所定時点距離比の関係を示すグラフである。

以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に、本実施形態にかかる内燃機関の制御装置を概略的に示す。図示される内燃機関（エンジン）１は直噴式かつ火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）であり、図には１気筒のみ示すが、実際には多気筒エンジンとして構成されている。エンジン１の用途は問わないが、例えば自動車用である。シリンダ２内の燃焼室３に燃料を直接噴射する筒内噴射弁４が気筒毎に設けられている。

エンジン１はシリンダブロック５とシリンダヘッド６を有し、シリンダブロック５にシリンダ２が画成されている。シリンダ２内にピストン７が昇降可能に収容され、ピストン７はコンロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に連結されている。シリンダ中心軸を図中Ｃで示す。

シリンダヘッド６は、シリンダ２を上方から塞ぐようにシリンダブロック５の頂部に締結され、シリンダブロック５とシリンダヘッド６の間にはガスケット８が介設されている。シリンダヘッド６には、１気筒当たりに二つずつ、吸気ポート９および排気ポート１０と、吸気弁１１および排気弁１２とが設けられている。またシリンダヘッド６には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ１３が気筒毎に設けられている。

図１はエンジンの側面視における断面を示し、これに対し図２はエンジンの平面視における断面を示す。前者はシリンダ中心軸Ｃに平行な断面であり、後者はシリンダ中心軸Ｃに垂直な断面である。

ここで図２に示す平面視において、シリンダ中心軸Ｃを原点とする直交座標を定義し、図の左右方向に延びる軸をＸ軸、図の上下方向に延びる軸をＹ軸とする。Ｙ軸はクランクシャフトの中心軸に平行であり、Ｘ軸はＹ軸と直交する。Ｙ軸を境に図の左側が吸気側、右側が排気側である。またＸ軸を境に図の上側を前、下側を後とする。なおシリンダ中心軸Ｃに沿った図１の上側（図２の紙面厚さ方向手前側）を上、図１の下側（図２の紙面厚さ方向奥側）を下とする。

図示されるように、概ねＹ軸を境とする吸気側に二つの吸気ポート９がＸ軸方向に沿って延設されている。そしてこれら吸気ポート９の出口を開閉する二つの吸気弁１１が並列に配置されている。

同様に、概ねＹ軸を境とする排気側に二つの排気ポート１０がＸ軸方向に沿って延設されている。そしてこれら排気ポート１０の入口を開閉する二つの排気弁１２が並列に配置されている。こうしてエンジン１は１気筒当たりに４バルブの構成とされる。

吸気ポート９の出口および吸気弁１１は、排気ポート１０の入口および排気弁１２より大径とされ、これらの間の中間位置は、Ｙ軸に対し排気側に若干オフセットされている。点火プラグ１３も同様に、Ｙ軸に対し排気側に若干オフセットされて配置されている。但し点火プラグ１３の中心軸はシリンダ中心軸Ｃと平行であり、且つＸ軸上にある。

筒内噴射弁４が吸気ポート９の下側に略平行に配置され、シリンダヘッド６に取り付けられている。シリンダヘッド６に取付穴１４が設けられ、この取付穴１４に筒内噴射弁４が挿入固定されている。

筒内噴射弁４は斜め下向きに配置され、その噴孔４Ａから斜め下向きに燃料を噴射するようになっている。つまり筒内噴射弁４はシリンダ２の上端側方からシリンダ２内に斜め下向きに燃料を噴射する。噴射された燃料は燃料噴霧Ｆを形成する。ピストン７の頂面部には、燃料噴霧Ｆを衝突させるための凹部１５が形成されている。凹部１５は、シリンダ中心軸Ｃに垂直な底面１５Ａと、底面１５Ａから起立する側面１５Ｂとを有し、底面１５Ａに衝突した燃料噴霧Ｆを側面１５Ｂに沿って巻き上げ、シリンダ２内に拡散させるようになっている。

筒内噴射弁４は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）３０により通電（オン）されることで開弁し、燃料を噴射し、ＥＣＵ３０により非通電（オフ）とされることで閉弁し、燃料噴射を停止する。また点火プラグ１３も、ＥＣＵ３０からの点火信号に基づいて点火を実行する。

図１および図２に示されるように、燃料噴霧Ｆは、その中心軸たる噴霧軸Ｐを有する。また図１に示される側面視において燃料噴霧Ｆがなす角度はαであり、図２に示される平面視において燃料噴霧Ｆがなす角度はβである。前者を側面視噴霧角、後者を平面視噴霧角といい、それぞれ本発明の第２角度および第１角度に相当する。さらに、図１の側面視に示されるように、シリンダ中心軸Ｃに垂直な平面に対し噴霧軸Ｐがなす角度はγであり、これを噴射角という。図２の平面視に示されるように、噴霧軸ＰはＸ軸に平行であり、特にＸ軸上にある。

筒内噴射弁４は、平面視噴霧角βが側面視噴霧角αより大きい扇形の燃料噴霧Ｆを噴射する。

燃料噴霧Ｆは、噴霧軸Ｐに沿った起点ｆ１を、筒内噴射弁４の噴孔４Ａの出口位置に有する。また燃料噴霧Ｆは、噴霧軸Ｐに沿った終点ｆ２を燃料噴霧Ｆの最大到達位置に有する。この燃料噴霧Ｆの噴霧軸Ｐに沿った起点ｆ１から終点ｆ２までの距離を噴霧距離Ｈという。噴霧距離Ｈは本発明の第１距離に相当する。

一方、噴霧軸Ｐに沿った燃料噴霧Ｆの起点ｆ１からピストン７までの距離をピストン距離Ｌという。ピストン距離Ｌは本発明の第２距離に相当する。図１の例では、燃料噴霧Ｆの起点ｆ１から、ピストン７の凹部１５の底面１５Ａまでの距離がピストン距離Ｌをなす。

さて、上述したように、かかる直噴式エンジン１においては、燃料噴霧Ｆがピストン７に衝突したときにピストン７が燃料で濡らされるというピストンウェットが発生する。このピストンウェットに起因して、ＰＭ（パティキュレートマター）粒子数の増加、体積効率ηｖの低下、全開（ＷＯＴ）性能の低下、燃焼変動の増大などの問題が懸念される。特に、ピストンがまだ十分暖まっていないエンジン暖機中において、ＰＭ粒子数増加の問題が一層懸念される。

なお、燃焼変動とは、各気筒の燃焼サイクル毎の燃焼状態の変化をいう。等出力運転時であっても燃焼変動が大きいと、各気筒の燃焼サイクル毎に燃焼状態が変化し、燃費悪化や車両振動の原因となる。

本実施形態では、ピストンウェットに起因するこれらの種々の問題を解消するため、下記の観点に基づき筒内噴射弁４による燃料噴射時期の最適化を図った。

図３には、噴射時期とＰＭ粒子数Ｎの関係を調べた試験結果を示す。これにおいては側面視噴霧角α、平面視噴霧角βおよび噴射角γの少なくとも一つが異なる４種類の筒内噴射弁ａ，ｂ，ｃ，ｄについて、それぞれ噴射時期とＰＭ粒子数Ｎの関係を調べた。ここでいう噴射時期とは噴射開始時期のことである。噴射時期は圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）のクランク角（°ＣＡ）で表示してある。

図示されるように、３１０°ＣＡを境に特性が変化し、噴射時期が３１０°ＣＡ以降の場合にはＰＭ粒子数Ｎは許容レベルにあるが、噴射時期が３１０°ＣＡより前の場合だとＰＭ粒子数Ｎが極端に悪化する傾向にあることが分かる。

ここで、噴射時期は３６０°ＣＡ以降で且つ１８０°ＣＡ以前の範囲内、つまり吸気行程中（あるいはピストン下降中）にある。このような吸気行程中に行われる燃料噴射を吸気行程噴射という。部分負荷燃焼やＥＧＲ燃焼（特に大量ＥＧＲ燃焼）を行うときには、通常の圧縮行程中に行われる燃料噴射（圧縮行程噴射という）よりも、噴射時期を大幅に進角させる要請があるからである。

部分負荷燃焼に際しては、混合気の均質性が重要であり、昨今のように内部ＥＧＲを用いた燃費改善を行う際には特に混合気の均質性が重要となってくる。

また、ＥＧＲ燃焼は通常暖機終了後に行われるが、ＥＧＲ燃焼の開始温度をより低温側にし、暖機終了前にもＥＧＲ燃焼を行うことが検討されている。なおＥＧＲ燃焼とは、シリンダ内にＥＧＲガスを含んだ状態で行われる燃焼をいい、ＥＧＲには内部ＥＧＲと外部ＥＧＲが含まれる。

部分負荷燃焼時にも暖機終了前のＥＧＲ燃焼時にも、より均質な混合気を得、ピストンウェットに起因する上記問題を解消するため、噴射時期を３６０〜１８０°ＣＡの範囲内に設定し、吸気行程噴射を行うようにしている。なお、暖機終了の前後で噴射時期を連続的に変化させるのが好ましい。

特に本実施形態では、図３の結果に基づき、噴射時期を圧縮上死点前３１０°ＣＡ以降で且つ１８０°ＣＡ以前の所定時期とする。これにより、少なくともＰＭ粒子数Ｎを許容レベル以下に抑えることが可能となる。

この範囲内で最適な噴射時期を得るため、本発明者は、所定時点におけるピストン距離Ｌと噴霧距離Ｈの比に着目した。この比を距離比Ｒという。Ｒ＝Ｌ／Ｈである。特にここでいう所定時点とは、燃料噴射開始後１ｍｓの時点である。以下、燃料噴射開始後１ｍｓの時点における距離比を「所定時点距離比」という。

図４には、図３の結果に基づいて作成された所定時点距離比ＲとＰＭ粒子数Ｎの関係を示す。これから分かるように、所定時点距離比Ｒが増大するにつれＰＭ粒子数Ｎは低下する傾向にあり、特に所定時点距離比Ｒが０．５以上の場合、ＰＭ粒子数Ｎは許容レベルまで低下する。

従って本実施形態では、所定時点距離比Ｒが０．５以上の所定値となるように、ＥＣＵ３０が筒内噴射弁４から燃料を噴射させる。より具体的には、所定時点距離比Ｒが０．５以上の所定値となるような噴射時期において、ＥＣＵ３０が筒内噴射弁４による燃料噴射を開始させる。

これにより、ピストンウェットに起因したＰＭ粒子数の増加、体積効率ηｖの低下、全開（ＷＯＴ）性能の低下、燃焼変動の増大などの問題を解消できる。特にピストンがまだ十分暖まっていないエンジン暖機中においても、ＰＭ粒子数増加の問題を解消できる。

そして部分負荷燃焼やＥＧＲ燃焼に際して、通常の圧縮行程噴射よりも噴射時期を大幅に進角して吸気行程噴射を行った場合でも、混合気の良好な均質性を確保できる。さらに暖機終了前にＥＧＲ燃焼を行った場合でも、均質な混合気を得、ピストンウェットに起因する上記問題を解消できる。こうして吸気行程中に燃料噴射を開始させた場合の噴射時期を最適化することが可能となる。

ここで留意すべきは、距離比ないし所定時点距離比Ｒの分母をなす噴霧距離Ｈが、ピストン７がないと仮定した場合の噴霧距離Ｈ（噴霧軸Ｐに沿った起点ｆ１から終点ｆ２までの距離）を指すことである。これに対し、距離比ないし所定時点距離比Ｒの分子をなすピストン距離Ｌは、本実施形態の如く、ピストン７がある場合のピストン距離Ｌ（噴霧軸Ｐに沿った起点ｆ１からピストン７までの距離）を指す。

ある時点において、距離比Ｒが１より小さい場合、噴霧距離Ｈはピストン距離Ｌより長い。つまり燃料噴霧Ｆはピストン７に衝突している。本実施形態の如くピストン７がある場合、実際には、距離比Ｒが１より小さくなることはあり得ない。距離比Ｒが１になった時点で燃料噴霧Ｆがピストン７に衝突し、噴霧距離Ｈがピストン距離Ｌを超えることができないからである。

しかし、ここでいう、距離比Ｒが１以下のときの噴霧距離Ｈとは、ピストン７がないと仮定した場合の噴霧距離Ｈをいう。このような噴霧距離Ｈは、開発段階でエンジンからピストンを除くことにより取得あるいは把握可能である。つまり、ピストンの存在もしくは動作とは別に、燃料噴霧Ｆの挙動を個別に把握し、これにピストン７の存在もしくは動作を組み合わせることにより、上記のような所定時点距離比Ｒを１以下とする噴射時期を設定することが可能である。

なお、ある時点において、距離比Ｒが１より大きくなると、噴霧距離Ｈがピストン距離Ｌより短くなり、燃料噴霧Ｆがピストン７に到達しない状態となる。

１以下の所定時点距離比Ｒは、ピストン７に対する燃料噴霧Ｆの当たり強さを表している。１以下の所定時点距離比Ｒが大きくなるほど、ピストン距離Ｌに対して噴霧距離Ｈが相対的に短くなり、当たり強さは弱くなる。言い換えれば、１以下の所定時点距離比Ｒが小さくなるほど、ピストン距離Ｌに対して噴霧距離Ｈが相対的に長くなり、当たり強さは強くなる。

図４の結果は、所定時点距離比Ｒを０．５以上とするような噴射時期で燃料噴射を行えば、ピストン７に対する燃料噴霧Ｆの当たり強さを比較的弱くし、ＰＭ粒子数Ｎを許容レベルまで低下させられることを表している。

本実施形態のような扇形燃料噴霧の場合、噴射直後は燃料液滴の径および速度が大きく、噴霧の貫徹力が大きいが、噴霧が進行するにつれて液滴の径および速度が減少し、特に平面視噴霧角βの方向に拡散し、噴霧の貫徹力も弱まっていく。所定時点距離比Ｒを０．５未満とするような噴射時期だと、燃料噴霧Ｆの当たり強さが強すぎ、ピストンウェットが顕著となり、ＰＭ粒子数Ｎの増大等ピストンウェットに起因する問題が顕在化する。しかし、所定時点距離比Ｒを０．５以上とするような噴射時期では、燃料噴霧Ｆの当たり強さを適度に弱めることが可能であり、ピストンウェットに起因する問題を解消することが可能である。

なお、本実施形態は特に所定時点距離比Ｒが１以下の場合、つまり所定時点において噴霧距離Ｈがピストン距離Ｌ以上であり、燃料噴霧Ｆがピストン７に到達している場合に好適である。従って、噴射時期は、所定時点距離比Ｒが０．５以上で且つ１以下の所定値となるように定めるのが好ましい。

ところで図１に示すように、本実施形態のエンジン１において、ピストン７の底面部に冷却用オイルを噴射するためのオイルジェット１６が設けられてもよい。この場合、距離比Ｒに関する前記所定値は、オイルジェットを有しないエンジンに対して設定された所定値よりも大きい値に設定される。例えば、オイルジェット無しの場合の所定値が０．６である場合、オイルジェット有りの場合の所定値を０．７などとすることができる。いずれにしても所定値は０．５以上である。

同一運転条件のとき、オイルジェット有りの場合は無しの場合に比べ、ピストン温度が低温である。このため本実施形態の如く、所定値を大きくするのが好ましい。ピストン７に対する燃料噴霧Ｆの当たり強さを弱め、ピストン７に付着した燃料の蒸発低下分を補償できるからである。

逆にいえば、オイルジェット無しの場合は有りの場合に比べ、ピストン温度が高温であるため、所定値を小さくするのが好ましい。ピストン７に付着した燃料がより積極的に蒸発するので、燃料噴霧Ｆの当たり強さをより強めることができるからである。

図５には噴射角γと所定時点距離比Ｒの関係を示す。ここでは三つの噴射時期ｅ，ｆ，ｇについて関係を調べた。ｅは３００°ＣＡ ＢＴＤＣ、ｆは３１０°ＣＡ ＢＴＤＣ、ｇは３２０°ＣＡ ＢＴＤＣである。ｅが最も遅角側である。なお所定時点（燃料噴射開始後１ｍｓの時点）における噴霧距離Ｈは一定である。

ｇに示すように、噴射時期を３２０°ＣＡ ＢＴＤＣとした場合、０．５以上の所定時点距離比Ｒを得るためには、噴射角γはγ１以下にしなければならない。またｆに示すように、噴射時期を３１０°ＣＡ ＢＴＤＣとした場合、０．５以上の所定時点距離比Ｒを得るためには、噴射角γはγ２（＞γ１）以下にしなければならない。ｅに示すように、噴射時期を３００°ＣＡ ＢＴＤＣとした場合には、図中の噴射角γの範囲内において所定時点距離比Ｒが常に０．５以上であるので、噴射角γは任意に定めることができる。

このように、０．５以上の所定時点距離比Ｒを得ようとした場合、噴射時期が遅角側であるほど噴射角γの上限値が増大する傾向にある。これは噴射時期が遅角側であるほど、噴射時期のピストン位置が下方であるため、より下向きに燃料噴射できることを意味する。すなわち、噴射時期が比較的早いときにはピストン７の凹部底面１５Ａに対し燃料噴霧Ｆを薄く（小さい噴射角γで）当て、逆に噴射時期が比較的遅いときにはピストン７の凹部底面１５Ａに対し燃料噴霧Ｆを厚く（大きい噴射角γで）当てることができる。こうして、噴射時期と噴射角γの関係も最適化することが可能である。

以上、本発明の好適実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが可能である。例えばエンジンは、筒内噴射弁に加えて別途、吸気通路特に吸気ポート内に燃料を噴射する吸気通路噴射弁を備えたいわゆるデュアル噴射式内燃機関であってもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関（エンジン）
２ シリンダ
４ 筒内噴射弁
７ ピストン
１６ オイルジェット
３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｆ 燃料噴霧
ｆ１ 起点
ｆ２ 終点
Ｐ 噴霧軸
α 側面視噴霧角
β 平面視噴霧角
γ 噴射角

Claims (5)

1. シリンダ内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁を備えた内燃機関の制御装置であって、
   ピストンがないと仮定した場合に前記筒内噴射弁から噴射された燃料噴霧の噴霧軸に沿った燃料噴霧の起点から終点までの第１距離Ｈと、前記噴霧軸に沿った燃料噴霧の起点からピストンまでの第２距離Ｌとの比Ｌ／Ｈであって、燃料噴射開始後１ｍｓの時点における前記比Ｌ／Ｈが０．５以上の所定値となるように、前記筒内噴射弁から燃料を噴射させる制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記筒内噴射弁は、平面視において前記燃料噴霧がなす第１角度が、側面視において前記燃料噴霧がなす第２角度より大きい扇形の燃料噴霧を噴射する
   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. 前記制御手段は、前記筒内噴射弁からの燃料噴射を吸気行程中に開始させる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記制御手段は、前記筒内噴射弁からの燃料噴射開始時期を圧縮上死点前３１０°ＣＡ以降で且つ１８０°ＣＡ以前の所定時期とする
   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. 前記内燃機関が、ピストンに冷却用オイルを噴射するためのオイルジェットを有し、
   前記所定値が、前記オイルジェットを有しない内燃機関に対して設定された所定値よりも大きい値に設定されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。

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