JP2015121164A - 火花点火式内燃機関の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】火花点火式内燃機関において、機関回転速度によらずに混合気の着火性を向上することを目的とする。【解決手段】高回転域においては、２つの吸気バルブ３２のリフト量を揃えてωタンブルを生成する（図７（Ａ））。これにより、プラグ近傍流速を低下させて、プラグ近傍流速が最適範囲内の値となるタイミングと、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期とを一致させる。中回転域においては、２つの吸気バルブ３２のリフト量に差を与えてωタンブルを構成する２つの旋回流の大きさを異ならしめる（図７（Ｂ））。これにより、プラグ近傍流速が過剰に低下するのを抑制して、プラグ近傍流速が最適範囲内の値となるタイミングと、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期とを一致させる。【選択図】図７

Description

本発明は火花点火式内燃機関の制御システムに関する。

従来、例えば特許文献１には、タンブル流コントロールバルブによって筒内にタンブル流を生成する火花点火式内燃機関の制御システムが開示されている。この従来の制御システムでは、スロットルバルブの上流に設けられた第１エアフローメータの検出値と、タンブル流コントロールバルブの直下流に設けられた第２エアフローメータの検出値とに基づいて、タンブル比が推定される。そして、推定されたタンブル比が目標タンブル比に追従するようにタンブル流コントロールバルブの開度のフィードバック制御が行われる。目標タンブル比は、失火や燃焼不安定を回避するための許容制御範囲内に設定される。

また、特許文献２には、２つの吸気ポートから吸入された気流がシリンダ軸方向に旋回しながら２つの排気ポート側に向かうタンブル流を形成する火花点火式内燃機関において、該タンブル流から互いに反対方向に回るように流れる双気流（双子渦）が生成されることが開示されている。

特開２０１２−０２１５０１号公報 特開２００９−０４１３９７号公報 特開平０４−０９４４０７号公報

ところで、筒内ガスの着火性の安定化するためには、点火時期における点火プラグ近傍のガス流速が高過ぎず、なお且つ低過ぎない範囲に収まっていることが望ましい。これに関し、特許文献１のシステムでは、タンブル比（タンブル流の流速／エンジン回転速度）を一定範囲内に制御できる。しかし、機関回転速度が変化すればタンブル流の流速が変化するので、タンブル比を一定範囲内に制御したとしても、筒内ガスの着火性が低下するおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みなされたものである。即ち、火花点火式内燃機関において、機関回転速度によらずに混合気の着火性を向上することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、前記燃焼室の上壁面の中央部に設けられた点火プラグとを備え、前記２つの吸気ポートから流入した吸気流がシリンダ軸方向に旋回するタンブル流を形成する火花点火式内燃機関の制御システムであって、
前記制御システムは、前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量のうちの少なくとも一方を調整可能な調整機構を更に備え、
前記調整機構は、前記タンブル流から互いに反対方向に回るように流れる双気流が生成される運転領域において、前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量に差が生じるように動作し、前記内燃機関の同一運転状態において前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量が同等となるように前記調整機構を動作した場合と比較して、前記点火プラグによる点火の際に前記点火プラグの近傍を流れる気流の流速を大きくすることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記調整機構は、前記タンブル流から互いに反対方向に回るように流れる双気流が生成される機関回転速度域において、機関回転速度が所定値未満の場合には前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量に差が生じるように動作し、機関回転速度が前記所定値以上の場合には前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量が同等となるように動作することを特徴とする。

第１の発明によれば、タンブル流から互いに反対方向に回るように流れる双気流が生成される運転領域において、２つの吸気ポートから流入する吸気流量に差が生じるように調整機構を動作できる。双気流を構成する２つの気流の渦の大きさは略同等であるが、２つの吸気ポートから流入する吸気流量に差を生じさせることで、２つの気流の渦の大きさに差を生じさせることができる。２つの気流の渦の大きさに差を生じさせた場合は、２つの気流の渦の大きさが略同等の場合に比べて、点火プラグによる点火の際に該点火プラグの近傍を流れる気流の流速（以下「点火時期流速」ともいう）を大きくできる。従って、双気流が生成される運転領域において混合気の着火性を向上することができる。

双気流が生成されると、点火時期流速が低下する。しかし、機関回転速度が所定値未満の場合には、点火時期流速が過剰に低下してしまい、着火性に支障を来す可能性がある。この点、第２の発明によれば、機関回転速度が所定値未満の場合、２つの吸気ポートから流入する吸気流量に差が生じるように調整機構を動作できるので、点火時期流速の過剰な低下を抑制できる。また、機関回転速度が所定値以上の場合、２つの吸気ポートから流入する吸気流量が同等となるように調整機構を動作できるので、点火時期流速を適度に低下させることができる。従って、機関回転速度によらずに混合気の着火性を向上することができる。

実施の形態のシステム構成を説明するための図である。 点火時期におけるプラグ近傍流速および混合気の燃料濃度と、着火遅れとの関係を表した図である。 通常の形状のタンブル流を説明するための図である。 ω形状のタンブル流を説明するための図である。 ω形状のタンブル流が生成された際の圧縮上死点後半における燃焼室１８内のガス流速の変化を表した図である。 圧縮上死点前後におけるガス流速の変化を示した図である。 エンジンの中〜高回転域におけるタンブル流の形状調整手法を説明するための図である。 実施の形態において、ＥＣＵ５０が実行するルーチンを示すフローチャートである。 実施の形態の第１の変形例を説明するための図である。 実施の形態の第２の変形例を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態の制御システムについて図を用いながら説明する。

（システム構成の説明）
図１は、本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための図である。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のシリンダ１２には、シリンダ１２内を摺動するピストン１４が設けられている。シリンダ１２の上方には、シリンダヘッド１６が配置されている。シリンダ１２のボア壁面、ピストン１４の頂面およびシリンダヘッド１６の底面により燃焼室１８が画定される。

シリンダヘッド１６には、燃焼室１８内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁２０が設けられている。シリンダヘッド１６には、燃焼室１８内の混合気に点火するための点火プラグ（点火栓）２２も設けられている。つまり、内燃機関１０は、筒内噴射式の火花点火エンジンである。なお、内燃機関１０はポート噴射式の火花点火エンジンでもよい。

シリンダヘッド１６の下面には、吸気ポート２４と排気ポート２６が形成されている。吸気ポート２４と排気ポート２６は、シリンダ１２に２つずつ設けられている。燃焼室１８は、吸気ポート２４を介して吸気通路２８と連通し、排気ポート２６を介して排気通路３０と連通している。吸気ポート２４は、図１中に「タンブル方向」と示す方向の縦旋回流である吸気のタンブル流の生成を促せるような形状で形成されている。なお、吸気通路２８内に、タンブル流を効果的に生成するための気流制御弁を設けてもよい。

吸気ポート２４には、吸気バルブ３２が設けられている。吸気バルブ３２は、吸気バルブ３２の開弁特性（リフト量、作用角、開閉時期など）を変更する吸気可変動弁機構３４に接続されている。吸気可変動弁機構３４は、同一シリンダ内に備えられた２つの吸気バルブ３２の開閉時期およびリフト量をそれぞれ独立して調整可能な機構であるものとする。吸気ポート２４同様、排気ポート２６には、排気バルブ３６が設けられている。排気バルブ３６は、排気可変動弁機構３８に接続されている。

図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、エンジン回転数（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサ４０等、内燃機関１０の制御に必要な各種センサが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０の出力側には、燃料噴射弁２０、点火プラグ２２、吸気可変動弁機構３４、排気可変動弁機構３８等の各種アクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、上述の各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、上述の各種アクチュエータ等を作動させることにより、燃料噴射制御などの所定のエンジン制御と共に、後述する点火時期流速制御を行う。

（点火時期における点火プラグ近傍のガス流速の制御の必要性）
図２は、点火時期におけるプラグ近傍流速（点火プラグ近傍のガス流速をいう。以下同じ。）および混合気の燃料濃度と、着火遅れ（点火プラグによる点火後、混合気の着火により燃焼室内の燃焼圧力が上昇し始めるまでの間隔をいう。以下同じ。）との関係を表した図である。図２に示すように、着火遅れは、燃料濃度が希薄（リーン）になるほど長くなる。また、着火遅れは、点火時期におけるプラグ近傍流速がある流速値（最適値）に対して高流速側または低流速側に向かうにつれて長くなる。

点火時期におけるプラグ近傍流速の高流速側で着火遅れが長くなるのは、放電切れに起因している。火花放電によって混合気が温められる前に高速の混合気流によって火花放電が引き伸ばされると放電切れする。放電切れが発生した場合は再放電が直ちに行われる。しかし、点火時期におけるプラグ近傍流速がより高速になると、放電切れまでの時間が短くなるので、混合気を加熱して着火に至らせるまでの時間が不十分となる。

点火時期におけるプラグ近傍流速の低流速側で着火遅れが長くなるのは、放電経路に起因している。放電による電気火花の単位長さ当たりのエネルギーは、点火コイルの特性によって定まり、放電の経路長に関係なく一定である。このため、気流等によって放電経路が長くなると、混合気全体への供給エネルギーが増加するとともに、加熱される混合気の体積も増加する。しかし、点火時期におけるプラグ近傍流速が低速になると、放電経路が延長しにくくなるため、供給エネルギーおよび混合気体積の増加が得られなくなる。

着火遅れが長くなると、内燃機関１０のトルク変動が大きくなる。そのため、トルク変動の許容領域内に着火遅れを収めるためには、点火時期におけるプラグ近傍流速を、高過ぎず、なお且つ低過ぎない一定範囲内に収めることが必要となる。そこで、本実施の形態では、燃焼室１８内に生成するタンブル流の形状を利用して、点火時期におけるプラグ近傍流速を最適な範囲に収める制御を行う（点火時期流速制御）。

（タンブル流の形状）
図３乃至図４を参照しながら、点火時期流速制御において利用するタンブル流の形状について説明する。先ず、図３を参照しながら、通常の形状のタンブル流（以下「通常タンブル」ともいう）を説明する。図３（Ａ）は、燃焼室１８をシリンダヘッド１６側から見た平面図である。同図（Ｂ）は、燃焼室１８を吸気ポート２４側から見た側面図である。同図（Ｃ）は、燃焼室１８をシリンダヘッド１６側から見たときのタンブル流の流れ方向を表した図である。これらの図は何れも、圧縮上死点近傍のタイミングでのものである。

図３中に示す白丸印は、点火プラグ２２が設置されたシリンダボア中心での断面（吸排気方向における断面）におけるタンブル流の渦中心点を示している。また、同図中に示す２つの黒丸印は、吸気バルブ３２および排気バルブ３６の軸中心での断面におけるタンブル流の渦中心点を示し、これらの黒丸印を通る軸線をタンブル中心軸として示している。図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、各タンブル中心軸は屈曲することなく略一直線状である。このため、タンブル流の流れ方向は、吸気側から排気側に向かう一様な流れとなる（同図（Ｃ））。

次に、図４を参照しながら、ω形状のタンブル流（以下「ωタンブル」ともいう）を説明する。図４（Ａ）〜（Ｃ）は図３（Ａ）〜（Ｃ）と同様の図であり、図４中の説明書きも図３と同様である。エンジン回転数が低ければ、図３に示したようにタンブル中心軸は屈曲することなく略一直線状になっている。ところが、エンジン回転数が高くなると（具体的には２０００ｒｐｍ以上）、タンブル流が高速化する。そうすると、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、タンブル中心軸は、シリンダボア中心（点火プラグ位置）でのタンブル流の渦中心を屈曲点として屈曲する。その結果、本来１つの気流として旋回するはずのタンブル流が、互いに逆方向に旋回する２つの気流に変化する。この２つの旋回流の流れがω（オメガ）形状を呈しているので（同図（Ｃ））、本明細書においてはこの旋回流をωタンブルと称している。

図５は、ωタンブルが生成された際の圧縮上死点後半における燃焼室１８内のガス流速の変化を表した図である。同図（Ａ）は測定点Ａ（プラグギャップ位置）におけるガス流速の変化を示している。同図（Ｂ）は測定点Ａよりもシリンダボアの径方向外側の所定位置におけるガス流速の変化を示している。同図（Ｃ）は測定点Ａよりも更にシリンダボアの径方向外側の所定位置におけるガス流速の変化を示している。これらの図の縦軸はガス流速の測定値を示している。具体的に、吸気側から排気側へ向かう流速が増すほど正（＋）の値を示し、排気側から吸気側へ向かう流速が増すほど負（−）の値を示している。

図５（Ａ）に示すように、ωタンブルが生成された場合には、圧縮上死点近傍において、プラグギャップ位置におけるガスの流れ方向が反転する。すなわち、吸気バルブ３２側から排気バルブ３６側に向かうガスの流れが、排気バルブ３６側から吸気バルブ３２側に向かう流れに変化する。図５（Ａ）〜（Ｃ）を比較して分かるように、この流れ方向の変化は、プラグギャップ位置から離れるにつれて弱くなり、測定点Ｃでは流れ方向の反転が生じなくなっている。

（点火時期流速制御）
図６乃至図７を参照しながら、点火時期流速制御の詳細を説明する。図６は、圧縮上死点前後におけるガス流速の変化を示した図である。上述したとおり、通常タンブルはエンジンの低回転域（例えば２０００ｒｐｍ未満）において生成される。通常タンブルが生成された場合、プラグ近傍流速は徐々に低下し、圧縮上死点の近傍において最適範囲内の値となる。このため、低回転域においては、この圧縮上死点近傍のタイミングに点火時期が設定される。

また、ωタンブルは、エンジンの中〜高回転域（例えば２０００ｒｐｍ以上）において生成される。ωタンブルが生成された場合、プラグ近傍流速が圧縮行程後半において大きく低下して最適範囲を下回り、圧縮上死点よりも前に負の値を示すようになる。ここで、一般に、エンジン回転数が高くなるほど点火時期が進角側に変更される。本実施の形態においても同様で、エンジン回転数に応じて点火時期が進角側に変更される。高回転域（例えば４０００ｒｐｍ以上）においては、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期と、プラグ近傍流速が最適範囲内の値となるタイミングとが概ね一致する。

但し、中回転域（例えば２０００〜４０００ｒｐｍ）においては、ωタンブルの生成によるプラグ近傍流速の低下が大きく影響する。そのため、点火時期におけるプラグ近傍流速を最適範囲に収めるためには、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期よりも更に進角側に点火時期を修正する必要が生じる。そこで、中回転域においては、２つの吸気バルブ３２のリフト量に差を与えてωタンブルを構成する２つの旋回流の大きさを異ならしめる。これにより、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期と、プラグ近傍流速が最適範囲内の値となるタイミングとを一致させる。

図７は、エンジンの中〜高回転域におけるタンブル流の形状調整手法を説明するための図である。図７（Ａ）に示すように、高回転域においては、２つの吸気バルブ３２のリフト量を揃えてωタンブルを生成する。これにより、プラグ近傍流速を低下させて、プラグ近傍流速が最適範囲内の値となるタイミングと、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期とを一致させる。一方、同図（Ｂ）に示すように、中回転域においては、２つの吸気バルブ３２のリフト量に差を与えてωタンブルを構成する２つの旋回流の大きさを異ならしめる。これにより、プラグ近傍流速が過剰に低下するのを抑制して、プラグ近傍流速が最適範囲内の値となるタイミングと、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期とを一致させる。

以上説明したように、点火時期流速制御によれば、エンジン回転数に応じてその形状が変化するタンブル流を活用して、プラグ近傍流速が最適範囲内の値となるタイミングと、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期とを一致させることができる。従って、着火遅れの長期化に起因した各種不具合の発生を抑制できる。

（具体的処理）
図８は、本実施の形態の点火時期流速制御を実現するために、ＥＣＵ５０が実行するルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、各気筒に対して内燃機関１０のサイクル毎に繰り返し実行されるものとする。

図８に示すように、先ず、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数が低回転域にあるか否かを判定する（ステップ１００）。具体的に、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４０の検出値から求めたエンジン回転数が２０００ｒｐｍ以下であるかを判定する。エンジン回転数≦２０００ｒｐｍと判定された場合は、低回転域にあると判断できる。そこで、ＥＣＵ５０は、２つの吸気バルブ３２のリフト量を揃えて燃焼室１８内に通常タンブルを生成する（ステップ１０２）。その後、エンジン回転数に応じて点火時期を進角側に変更する（ステップ１０４）。

ステップ１００において、エンジン回転数＞２０００ｒｐｍと判定された場合は、エンジンの中〜高回転域にあると判断できる。そこで、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数が中回転域にあるか否かを判定する（ステップ１０６）。具体的に、ＥＣＵ５０は、ステップ１００において求めたエンジン回転数が４０００ｒｐｍ未満であるかを判定する。エンジン回転数＜４０００ｒｐｍと判定された場合は、エンジン回転数が中回転域にあると判断できる。そこで、ＥＣＵ５０は、吸気可変動弁機構３４を制御して２つの吸気バルブ３２のリフト量に差を与え、燃焼室１８内に生成するωタンブルの形状を上述の通りに変更する（ステップ１０８）。その後、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数に応じて点火時期を進角側に変更する（ステップ１０４）。

ステップ１０６において、エンジン回転数≧４０００ｒｐｍと判定された場合は、エンジン回転数が高回転域にあると判断できる。そこで、ＥＣＵ５０は、吸気可変動弁機構３４を制御して２つの吸気バルブ３２のリフト量を揃え、燃焼室１８内にωタンブルを生成する（ステップ１１０）。その後、ＥＣＵ５０は、エンジン回転数に応じて点火時期を進角側に変更する（ステップ１０４）。

以上、図８に示したルーチンによれば、エンジン回転数が低回転域にある場合には通常タンブルを、高回転域にある場合はωタンブルをそれぞれ活用して、プラグ近傍流速が最適範囲内の値となるタイミングと、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期とを一致させることができる。また、エンジン回転数が中回転域にある場合には、２つの吸気バルブ３２のリフト量に差を与えてωタンブルの形状を変更して、プラグ近傍流速が最適範囲内の値となるタイミングと、エンジン回転数に応じて変更した後の点火時期とを一致させることができる。

ところで、上記実施の形態においては、２つの吸気バルブ３２のリフト量に差を与えてωタンブルを構成する２つの旋回流の大きさを変更したが、当該変更手法は各種の変形が可能である。これに関し、図９乃至図１０を参照しながら説明する。

図９は、上記実施の形態の第１の変形例を説明するための図である。図９に示すように、２つの吸気ポート２４に独立してスロットルバルブ４２を設けた場合には、これらの開度を異ならしめることでωタンブルの形状を変更できる。図９（Ａ）に示すように、エンジン回転数が高回転域にある場合には、２つのスロットルバルブ４２の開度を揃えることでωタンブルを生成できる。同図（Ｂ）に示すように、エンジン回転数が中回転域にある場合には、２つのスロットルバルブ４２の開度に差を与えることでωタンブルを構成する２つの旋回流の大きさを変更できる。

図１０は、上記実施の形態の第２の変形例を説明するための図である。図１０に示すように、吸気ポート２４の一方にスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）４４を設けた場合には、この開度を変更することでωタンブルの形状を変更できる。図１０（Ａ）に示すように、高回転域においては、吸気ポート２４を開くようにＳＣＶ４４を作動させてωタンブルを生成できる。同図（Ｂ）に示すように、中回転域においては、吸気ポート２４を閉じるようにＳＣＶ４４を作動させて燃焼室１８内に流入する吸気に横旋回成分（スワール成分）を加えることでωタンブルを構成する２つの旋回流の大きさを変更できる。

このように、２つのスロットルバルブ４２やＳＣＶ４４によっても、ωタンブルを構成する２つの旋回流の大きさを異ならしめることができる。即ち、２つの吸気ポート２４から燃焼室１８に流入する吸気流量に差を生じさせることが可能な機構であれば、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態においては、吸気バルブ３２および吸気可変動弁機構３４が上記第１の発明の「調整機構」に相当している。

１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１４ ピストン
１６ シリンダヘッド
１８ 燃焼室
２２ 点火プラグ
２４ 吸気ポート
３２ 吸気バルブ
３４ 吸気可変動弁機構
４２ スロットルバルブ
４４ スワールコントロールバルブ
５０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室に連通する２つの吸気ポートと、前記燃焼室の上壁面の中央部に設けられた点火プラグとを備え、前記２つの吸気ポートから流入した吸気流がシリンダ軸方向に旋回するタンブル流を形成する火花点火式内燃機関の制御システムであって、
   前記制御システムは、前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量のうちの少なくとも一方を調整可能な調整機構を更に備え、
   前記調整機構は、前記タンブル流から互いに反対方向に回るように流れる双気流が生成される運転領域において、前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量に差が生じるように動作し、前記内燃機関の同一運転状態において前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量が同等となるように前記調整機構を動作した場合と比較して、前記点火プラグによる点火の際に前記点火プラグの近傍を流れる気流の流速を大きくすることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御システム。
2. 前記調整機構は、前記タンブル流から互いに反対方向に回るように流れる双気流が生成される機関回転速度域において、機関回転速度が所定値未満の場合には前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量に差が生じるように動作し、機関回転速度が前記所定値以上の場合には前記２つの吸気ポートから流入する吸気流量が同等となるように動作することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の制御システム。

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