JP2013011248A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、吸気ポートの内壁面への燃料付着量を抑制することの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。
【解決手段】燃焼室に接続する複数の吸気ポートと、前記複数の吸気ポートのうち少なくとも１つの吸気ポートに設けられて当該吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記複数の吸気ポートにそれぞれ設けられ、各吸気ポートと前記燃焼室との間を開閉する吸気バルブを備える。前記燃料噴射弁が設けられた吸気ポートのうち１の吸気ポートの吸気バルブ（以下、１の吸気バルブという。）の閉じ時期を、他の吸気バルブの閉じ時期よりも遅角する。前記１の吸気バルブの閉じ時期が遅角された場合に、前記他の吸気バルブが閉じられた後から前記１の吸気バルブが閉じられるまでの間に、前記１の吸気ポートの燃料噴射弁に燃料を噴射させる。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、車両に搭載される内燃機関の制御を実行するのに好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１（特開２０１１−０５８４３５号公報）に開示されるように、同一の気筒に対して２つの吸気ポートと、２つの吸気ポートの一方の吸気ポートに設けられて当該一方の吸気ポート内に燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、他方の吸気ポートに設けられて当該他方の吸気ポート内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、を備えた内燃機関が知られている。

特開２０１１−０５８４３５号公報 特開２００９−１７４３４５号公報 特開２００９−２６４２３４号公報 特開２００７−２４７４８５号公報 特開２００４−３５３４８５号公報

上記従来の内燃機関では、吸気ポート内に燃料を噴射して気筒内に燃料を供給するため、吸気ポートの内壁面に燃料が付着することが懸念される。吸気ポートの内壁面に付着した燃料は、内壁面の温度を受熱し気化することにより、所定のタイミングにおいて燃焼室に供給される所定の燃料量が増大するおそれがある。そのため、吸気ポートの内壁面への燃料付着を抑制することが求められる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、気筒に接続する複数の吸気ポートと、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えた内燃機関において、吸気ポートの内壁面への燃料付着量を抑制することの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。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
気筒の燃焼室に接続する複数の吸気ポートと、
前記複数の吸気ポートのうち少なくとも１つの吸気ポートに設けられて当該吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記複数の吸気ポートに対してそれぞれ設けられ、各吸気ポートと前記燃焼室との間を開閉する吸気バルブと、
前記燃料噴射弁が設けられた吸気ポートのうち１の吸気ポートの吸気バルブ（以下、１の吸気バルブという。）の閉じ時期を、他の吸気バルブの閉じ時期よりも遅角する閉弁時期遅角手段と、
前記閉弁時期遅角制御手段により前記１の吸気バルブの閉じ時期が遅角された場合に、前記他の吸気バルブが閉じられた後から前記１の吸気バルブが閉じられるまでの間に、前記１の吸気ポートの燃料噴射弁に燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料噴射制御手段により前記１の吸気ポートの燃料噴射弁に燃料を噴射させたサイクルの次のサイクルにおける前記１の吸気バルブの開き時期を、前記他の吸気バルブの開き時期よりも進角する開弁時期進角手段と、を更に備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
現サイクルにおける総燃料噴射量と、次サイクルにおける総燃料噴射量とを算出する燃料噴射量算出手段と、
前記燃料噴射制御手段により前記１の吸気ポートの燃料噴射弁に噴射させる燃料噴射量は、前記現サイクルにおける総燃料噴射量に基づいて前記１の吸気ポートの燃料噴射弁に割り当てられる燃料噴射量に、前記次サイクルにおける総燃料噴射量の一部を加えた量であること、を特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、
前記複数の吸気ポートは、すべての吸気バルブが開かれた状態において燃焼室の斜め上方から吸気流を導入して、前記気筒内にタンブル流を発生させるように形成されていること、を特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、
前記内燃機関の理論サイクルは、アトキンソンサイクル又はミラーサイクルであること、を特徴とする。

第１の発明によれば、吸気行程における１の吸気バルブの閉じ時期を他の吸気バルブの閉じ時期よりも遅角させる。これにより、当該他の吸気バルブの閉弁後における、遅閉じ側の吸気ポートへの吹き返し流速を高めることができる。さらに、第１の発明によれば、このタイミングで遅閉じ側の吸気ポートに燃料を噴射させる。その結果、噴霧を吹き返し流と対向させ、噴霧のペネトレーションを低下させることができる。そのため、燃料のポート内付着を低減することができる。

第２の発明によれば、第１の発明により遅閉じさせた吸気バルブの開き時期を、次のサイクルにおいて、他の吸気バルブの開き時期よりも進角させる。次サイクルの吸気行程において、遅閉じさせた吸気バルブが先に開弁されることで、遅閉じ側の吸気ポートに滞留している混合気を先に筒内に導入することができる。そのため、筒内での燃料の偏りによる均質度悪化を抑制することができる。

第３の発明によれば、次サイクルにおける総燃料噴射量の一部を現サイクルにおける遅閉じ側の吸気ポートに噴射する。次サイクルまで燃料の気化・混合時間を増加させることができる。気化・混合が促進されることにより、リーン燃焼時の均質性向上と冷間でのスモーク発生が低減される。

第４の発明によれば、遅閉じ側の吸気バルブが先に開弁されることにより、筒内に斜めスワールが発生する。斜めスワールが発生することにより、リーン性能を高めることができる。

また、アトキンソンサイクルやミラーサイクルでは、吸気バルブの閉じ時期が、オットーサイクルに比して大きく遅角しているため、特に遅閉じ側の吸気ポートの吹き返し流速が高まる。また、これらのサイクルでは、筒内の吸気流の減衰が大きい特徴がある。第５の発明によれば、好適に噴霧を強い吹き返し流と対向させ、噴霧のペネトレーションを低下させることができる。また、第５の発明によれば、斜めスワールを発生させることにより、好適に筒内気流減衰を抑制することができる。そのため、第１乃至第４の発明に関する効果が顕著に生じる。

本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための構成図である。 吸気行程の終盤において、吸気バルブ２６ａを開弁状態、吸気バルブ２６ｂを閉弁状態とした場合における筒内の気流の流れを示す上面図である。 本発明の実施の形態２において、遅閉じ側の吸気バルブ２６ａを先に開弁した場合に、筒内に生じる斜めスワールを表した上面図である。 図１のシステム構成の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係るシステム構成を説明するための構成図である。図１に示すシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は複数の気筒を有している。図１にはそのうちの１つの気筒１２の縦断面が示されている。気筒１２はシリンダブロック１４内に形成されている。気筒１２内には、ピストン１６が気筒１２の内壁面に沿って摺動可能に配置されている。シリンダブロック１４の上部には、シリンダヘッド１８が組み付けられている。また、気筒１２の内壁面、ピストン１６の頂面、およびシリンダヘッド１８の下面で囲まれた空間により燃焼室２０が形成されている。シリンダヘッド１８には、燃焼室２０内に向けて点火プラグ２１が取り付けられている。

また、シリンダヘッド１８には、燃焼室２０に接続する２つの吸気ポート２２ａ、２２ｂと、２つの排気ポート２４ａ、２４ｂが形成されている。吸気ポート２２ａの下流端には、吸気ポート２２ａを燃焼室２０に対して開閉する吸気バルブ２６ａが設けられている。吸気ポート２２ｂの下流端には、吸気ポート２２ｂを燃焼室２０に対して開閉する吸気バルブ２６ｂが設けられている。排気ポート２４ａ、２４ｂには、それぞれ排気ポート２４ａ、２４ｂを燃焼室２０に対して開閉する排気バルブ２８ａ、２８ｂが設けられている。

吸気バルブ２６ａ上流の吸気ポート２２ａには、吸気ポート２２ａ内に燃料を噴射するポート噴射式の燃料噴射弁３０ａが取り付けられている。吸気バルブ２６ｂ上流の吸気ポート２２ｂには、吸気ポート２２ｂ内に燃料を噴射するポート噴射式の燃料噴射弁３０ｂが取り付けられている。すなわち、内燃機関１０は、１つの気筒に対して２つのポート噴射式の燃料噴射弁を有するデュアルインジェクタ採用の内燃機関である。

また、吸気ポート２２ａ、２２ｂの上流は共通の吸気通路３２に合流している。この吸気通路には、過給機（ターボチャージャ又はスーパーチャージャのコンプレッサ）３４が設けられている。よって、内燃機関１０は、過給機付きの内燃機関でもある。

また、吸気ポート２２ａ、２２ｂは、吸気バルブ２６ａ及び２６ｂの開弁時において燃焼室２０の斜め上方から気筒１２内に吸気流を導入して、気筒１２内にタンブル流を形成するように形成されている。例えば、吸気ポート２２ａ、２２ｂは、燃焼室２０の斜め上方から気筒１２内に気流を導入するように接続され、吸気ポート２２ａ、２２ｂの下流端は、ピストン１６の頂面に対向して燃焼室２０に開口している。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、吸気通路３２に流入する空気量を検出するためのエアフローメータ５２、吸気通路３２に設けられたスロットルの開度を検出するためのスロットル開度センサ５４、クランク軸の回転角を検出するためのクランク角センサ５６、排気ポート２４ａ、２４ｂ下流の空燃比を検出するための空燃比センサ５８等の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。

ＥＣＵ５０の出力部には、上述した点火プラグ２１、燃料噴射弁３０ａ、３０ｂの他、可変動弁機構６０、吸気通路３２に設けられたスロットル（図示省略）等の運転状態を制御するための各種アクチュエータが接続されている。可変動弁機構６０は、ＥＣＵ５０からの制御信号に応じて、少なくとも吸気バルブ２６ａの開閉時期を吸気バルブ２６ｂに対して進角・遅角させることのできる動弁機構である。ＥＣＵ５０は、上述した各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。

内燃機関１０は、４サイクルエンジンであり、その理論サイクルとして、アトキンソンサイクル（ミラーサイクル）が採用される。この理論サイクルでは、オットーサイクルに比して吸気バルブ２６ａ、２６ｂの閉じ時期を遅らせる。これにより、実質的に膨張比に対する圧縮比を下げた状態にし、ノッキングを回避することにより熱効率を向上させることができる。

［実施の形態１における特徴的制御］
次に、本発明の実施の形態１における特徴的制御について図２を用いて説明する。図２は、吸気行程の終盤において、吸気バルブ２６ａを開弁状態、吸気バルブ２６ｂを閉弁状態とした場合における筒内の気流の流れ（太線）を示す図である。

本発明では、上述したシステム構成において、吸気行程で２つの吸気バルブ２６ａ、２６ｂの一方を他方よりも遅閉じとする。具体的には、ＥＣＵ５０は、まず、運転領域（エンジン回転数、負荷等に基づく。）が、あらかじめ定めたリーン運転領域（または、過給リーン運転領域）であるか否かを判定する処理を実行する。また、ＥＣＵ５０は、上述した各種センサにより検出された運転状態に応じて、目標空燃比を満たす１サイクルあたりの適正な総燃料噴射量を算出し、総燃料噴射量を満たすように燃料噴射弁３０ａ、３０ｂに噴射させる燃料噴射量を割り当てる処理を実行する。各燃料噴射弁３０ａ、３０ｂは、各吸気バルブ２６ａ、２６ｂが開いてから閉じるまでの吸気行程中に、割り当てられた燃料噴射量を噴射するものとする。

上述の判定処理において、運転領域がリーン運転領域（過給リーン運転領域）であると判定された場合は、次に、ＥＣＵ５０は、可変動弁機構６０を制御して、吸気ポート２２ａ側の吸気バルブ２６ａの閉じ時期を、吸気ポート２２ｂ側の吸気バルブ２６ｂに比して遅角させる閉弁時期遅角制御を実行する。閉弁時期遅角制御により、吸気バルブ２６ｂが先に閉じられることで、筒内の気流の流れは図２に示すようになる。これにより、吸気行程における吸気ポート２２ａ内での吹き返し流速が増加する。

本発明では、閉弁時期遅角制御と同じタイミングで遅閉じ側の燃料噴射弁３０ａから燃料を噴射する。具体的には、ＥＣＵ５０は、閉弁時期遅角制御により吸気バルブ２６ｂが閉じられた後から吸気バルブ２６ａが閉じられる前までの間に、燃料噴射弁３０ａに燃料を噴射させる燃料噴射制御を実行する。例えば、ＥＣＵ５０は、吸気バルブ２６ａ、２６ｂが共に開いている時期に、両方の燃料噴射弁３０ａ、３０ｂによる燃料噴射を開始させ、遅閉じ側の燃料噴射弁３０ａは、閉弁時期遅角制御により吸気バルブ２６ｂの閉弁後から吸気バルブ２６ａの閉弁前までの期間においても燃料噴射を継続させる。この期間に燃料を噴射させることで、噴霧を吹き返し流と対向させ、噴霧のペネトレーションを低下させて、吸気ポート壁面への燃料付着量を低減させることができる。

特に、アトキンソンサイクル（ミラーサイクル）では、オットーサイクルに比して、圧縮行程の開始が遅く、吸気下死点を大きく超えたクランク角まで吸気バルブが開いている。そのため、ピストンの上昇により、筒内の気流が吸気ポートに逃げやすく、特に遅閉じ側の吸気ポート２２ａでは吹き返し流速は大きくなる。このタイミングで上述の燃料噴射制御を実行することで、好適に噴霧を強い吹き返し流と対向させ、噴霧のペネトレーションを低下させて、吸気ポート２２ａの内壁面への燃料付着量を低減させることができる。また、吹き返し流速の増大により、噴射燃料の燃焼室２０内への吹き抜けを抑制することができる。

さらに、本実施の形態において好ましくは、ＥＣＵ５０は、上述した総燃料噴射量の算出にあたり、現サイクルにおける総燃料噴射量に加え、次サイクルにおける総燃料噴射量も算出する。そして、ＥＣＵ５０は、上述した燃料噴射制御において、現サイクルにおける総燃料噴射量に基づいて遅閉じ側の燃料噴射弁３０ａに割り当てられる燃料噴射量に加えて、次サイクルにおける総燃料噴射量の一部を噴射させる。例えば、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁３０ａは、現サイクルの総燃料噴射量に基づいて割り当てられた燃料噴射量を、吸気バルブ２６ａ、２６ｂが共に開いている時期に噴射する。さらに、吸気バルブ２６ｂの閉弁後から吸気バルブ２６ａの閉弁前までの期間に、次サイクルにおける総燃料噴射量の一部を噴射させる。その結果、燃料が次サイクルまで吸気ポート２２ａ内で滞留し、気化・混合時間を増加させることができる。気化・混合が促進されることにより、リーン燃焼時の均質性向上と冷間でのスモーク発生が低減される。

ところで、上述した実施の形態１の内燃機関１０は、ポート噴射式の燃料噴射弁３０ａ、３０ｂを備えるものであるが、これに限定されるものではなく、図４に示すように、筒内に燃料を直接噴射する直噴式の燃料噴射弁６２を更に備えるものであっても良い。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。

尚、上述した実施の形態１においては、吸気ポート２２ａ、２２ｂが前記第１の発明における「複数の吸気ポート」に、吸気ポート２２ａが前記第１の発明における「１の吸気ポート」に、燃料噴射弁３０ａ、３０ｂが前記第１の発明における「燃料噴射弁」に、吸気バルブ２６ａが前記第１の発明における「１の吸気バルブ」に、吸気バルブ２６ｂが前記第１の発明における「他の吸気バルブ」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上述した閉弁時期遅角制御を実行することにより前記第１の発明における「閉弁時期遅角手段」が、上述した燃料噴射制御を実行することにより前記第１の発明における「燃料噴射制御手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２のシステム構成］
次に、図３を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図１又は図４に示す構成において、ＥＣＵ５０に後述する制御を実施させることで実現することができる。

［実施の形態２における特徴的制御］
実施の形態２は、実施の形態１で述べた閉弁時期遅角制御及び燃料噴射制御を実行したサイクルの次のサイクルにおける吸気バルブ２６ａ、２６ｂの弁制御に関する。実施の形態１で述べた制御を実行することにより、吸気ポート２２ａには混合気が滞留する。そこで、本実施形態では、次サイクルにおいて、吸気バルブ２６ａを先に開弁し、滞留している混合気を先に筒内に導入させることとした。

具体的には、ＥＣＵ５０は、可変動弁機構６０を制御して、次サイクルの吸気行程において、遅閉じ側の吸気バルブ２６ａの開き時期を吸気バルブ２６ｂの開き時期よりも進角させる開弁時期進角制御を実行する。吸気バルブの閉じ時期を遅角させると共に、開き時期も進角させる制御は、例えば、可変動弁機構６０により、吸気バルブ２６ａに作用するカムを、通常カムから、通常カムの作用角を包含する大作用角カムに切り替えること等により実現可能である。

次サイクルの吸気行程において、吸気バルブ２６ａを吸気バルブ２６ｂよりも先に開弁することにより、吸気ポート２２ａに滞留している混合気を先に筒内に導入することができる（図３）。そのため、筒内での燃料の偏りによる均質度悪化を抑制することができる。

また、上述したように、内燃機関１０は、吸気バルブ２６ａ及び２６ｂが開弁した場合に、気筒１２内にタンブル流を形成するように構成されている。そのため、遅閉じ側の吸気バルブ２６ａが先に開弁されることにより、気筒１２内に斜めスワールが発生する（図３）。斜めスワールが発生することにより、リーン性能も増加する。特に、アトキンソンサイクル（ミラーサイクル）においては、斜めスワールが発生することにより、当該理論サイクルで生じる筒内気流減衰が抑制されるため、乱れ低下によるリーンリミット低下を防止することができる。

尚、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上述の開弁時期進角制御を実行することにより前記第２の発明における「開弁時期進角手段」が実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１４ シリンダブロック
１６ ピストン
１８ シリンダヘッド
２０ 燃焼室
２１ 点火プラグ
２２ａ、２２ｂ 吸気ポート
２４ａ、２４ｂ 排気ポート
２６ａ、２６ｂ 吸気バルブ
２６ａ、２６ｂ 吸気バルブ
２８ａ、２８ｂ 排気バルブ
３０ａ、３０ｂ、６２ 燃料噴射弁
３２ 吸気通路
５０ ＥＣＵ
６０ 可変動弁機構

Claims (5)

1. 気筒の燃焼室に接続する複数の吸気ポートと、
   前記複数の吸気ポートのうち少なくとも１つの吸気ポートに設けられて当該吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記複数の吸気ポートに対してそれぞれ設けられ、各吸気ポートと前記燃焼室との間を開閉する吸気バルブと、
   前記燃料噴射弁が設けられた吸気ポートのうち１の吸気ポートの吸気バルブ（以下、１の吸気バルブという。）の閉じ時期を、他の吸気バルブの閉じ時期よりも遅角する閉弁時期遅角手段と、
   前記閉弁時期遅角制御手段により前記１の吸気バルブの閉じ時期が遅角された場合に、前記他の吸気バルブが閉じられた後から前記１の吸気バルブが閉じられるまでの間に、前記１の吸気ポートの燃料噴射弁に燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料噴射制御手段により前記１の吸気ポートの燃料噴射弁に燃料を噴射させたサイクルの次のサイクルにおける前記１の吸気バルブの開き時期を、前記他の吸気バルブの開き時期よりも進角する開弁時期進角手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 現サイクルにおける総燃料噴射量と、次サイクルにおける総燃料噴射量とを算出する燃料噴射量算出手段と、
   前記燃料噴射制御手段により前記１の吸気ポートの燃料噴射弁に噴射させる燃料噴射量は、前記現サイクルにおける総燃料噴射量に基づいて前記１の吸気ポートの燃料噴射弁に割り当てられる燃料噴射量に、前記次サイクルにおける総燃料噴射量の一部を加えた量であること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記複数の吸気ポートは、すべての吸気バルブが開かれた状態において燃焼室の斜め上方から吸気流を導入して、前記気筒内にタンブル流を発生させるように形成されていること、
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関の理論サイクルは、アトキンソンサイクル又はミラーサイクルであること、を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。

Images