JP2015175283A

JP2015175283A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2015175283A
Application number: JP2014051949A
Authority: JP
Inventors: 里志津田; Satoshi Tsuda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-10-05
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: JP6123712B2

Abstract

【課題】この発明は、実現性を有する構成により燃焼室内の気流を適切に制御し、燃焼安定性を向上させることを目的とする。
【解決手段】エンジン１０は、可変バルブリフト機構３６と、吸気ポート１８の周縁部から燃焼室１６内に突出した気流制御突起６０と、ピストン１２の頂面に形成された２つの曲面部６２，６４とを備える。ＥＣＵ５０は、燃焼室１６内の気流速度を推定し、推定した気流速度が予め設定された判定値よりも小さい場合に、吸気バルブ３２のリフト量を大リフト量に設定する。また、気流速度が判定値よりも大きい場合には、吸気バルブ３２のリフト量を大リフト量よりも小さな小リフト量に設定する。これにより、燃焼室１６内の気流速度に応じてタンブル流Ａ，Ｂを使い分けることができ、点火プラグ３０の近傍を流れる気流を適切に制御することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、吸気バルブ用のリフト量可変機構を備えた内燃機関の制御装置に関する。

従来技術として、例えば特許文献１（特開２００８−１２８１０５号公報）に開示されているように、１つの気筒に複数の点火プラグを配置した内燃機関の制御装置が知られている。従来技術では、例えば燃焼室内の気流速度に応じて点火プラグを使い分けることにより、燃焼安定性を向上させるようにしている。

特開２００８−１２８１０５号公報特開２００３−１０６１８０号公報特許第５１９５８１１号公報特開２００４−２９３４８３号公報特開２００８−３０３７９８号公報

上述した従来技術では、複数の点火プラグを使い分ける構成としている。しかしながら、実機において１つの気筒に複数の点火プラグを配置するのは構成的に困難である。また、一方の点火プラグが燃焼室内で気流を妨げる位置に大きく突出していることから、従来技術の構成は、実現性に乏しいという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、実現性を有する構成により燃焼室内の気流を適切に制御し、燃焼安定性を向上させ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。

第１の発明は、内燃機関の筒内に軸方向に変位可能に設けられたピストンと、
前記ピストンにより前記筒内に形成され、前記ピストンの頂面と対向する位置に吸気ポート及び排気ポートが開口した燃焼室と、
前記吸気ポートの周縁部のうち前記排気ポートとの間に位置する部位から前記燃焼室内に突出し、前記燃焼室の壁面の一部を構成する気流制御壁部と、
前記ピストンの頂面に設けられた凹湾曲面であって、曲率中心が前記燃焼室の中心軸線よりも前記吸気ポート側に配置された気流制御曲面部と、
前記吸気ポートを開閉する吸気バルブのリフト量を変更する可変バルブリフト機構と、
前記燃焼室内の気流速度を推定する気流速度推定手段と、
前記可変バルブリフト機構により前記吸気バルブのリフト量を制御する手段であって、前記気流速度が予め設定された判定値よりも大きい場合に、前記気流速度が前記判定値よりも小さい場合と比較して前記吸気バルブのリフト量を減少させるリフト量制御手段と、
を備えている。

第１の発明によれば、燃焼室内の気流速度に応じて吸気バルブのリフト量を変更することにより、気流制御壁部と気流制御曲面部とを利用して燃焼室内の気流を適切に制御することができる。従って、実現性を有する構成により、燃焼室内の気流速度に適した気流を発生し、燃焼安定性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための構成図である。吸気ポートの周囲を拡大して示す図１中の要部拡大図である。燃焼室の上面部をピストン側からみた下面図である。プラグ近傍の気流速度と着火位置との関係を示す説明図である。プラグ近傍の気流方向とタンブル流との関係を示す説明図である。タンブル流可変制御により形成される２種類のタンブル流を示す燃焼室の断面図である。吸気バルブのリフト量を大きくした状態を示す説明図である。吸気バルブのリフト量を図７と比較して減少させた状態を示す説明図である。本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図９を参照しつつ、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための構成図である。本実施の形態のシステムは、多気筒型の内燃機関であるエンジン１０を備えている。なお、図１では、エンジン１０の１気筒のみを例示している。エンジン１０の筒内には、ピストン１２が軸方向に変位可能に設けられており、ピストン１２はクランク軸１４に連結されている。また、ピストン１２は、筒内に燃焼室１６を形成しており、燃焼室１６には、後述の図２及び図３に示すように、吸気ポート１８及び排気ポート２０が開口している。

また、エンジン１０は、吸気ポート１８を介して燃焼室１６内に空気を吸込む吸気通路２２と、吸気通路２２を流れる吸入空気量を調整するスロットルバルブ２４と、燃焼室１６内の排気ガスが排気ポート２０を介して排出される排気通路２６とを備えている。また、エンジン１０の各気筒は、吸気通路２２内に燃料を噴射する燃料噴射弁２８と、空気と燃料との混合気に点火する点火プラグ３０と、吸気ポート１８を開閉する吸気バルブ３２と、排気ポート２０を開閉する排気バルブ３４とを備えている。また、エンジン１０は、吸気バルブ３２のリフト量を変更する可変バルブリフト機構３６を備えている。可変バルブリフト機構３６は、例えば特開２００４−２９３４８３号公報に記載された機構により構成してもよい。

また、本実施の形態のシステムは、エンジン１０の運転状態を検出するセンサ系統と、センサ系統の出力に基いてエンジン１０を制御するＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０とを備えている。センサ系統には、エンジン１０の回転数（機関回転数）及びクランク角を検出するための信号を出力するクランク角センサ４０、吸入空気量を検出するエアフローセンサ４２等により構成されている。ＥＣＵ５０は、センサ系統の出力に基いてスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２８、点火プラグ３０、可変バルブリフト機構３６等のアクチュエータを駆動することにより、エンジン１０を制御する。

［実施の形態１の特徴］
次に、図２及び図３を参照して、燃焼室の構成について説明する。まず、図２は、吸気ポートの周囲を拡大して示す図１中の要部拡大図であり、図３は、燃焼室の上面部をピストン側からみた下面図である。これらの図に示すように、燃焼室１６の壁面のうちピストン１２の頂面と対向する上面部には、例えば吸気ポート１８及び排気ポート２０が２個ずつ配置されている。吸気ポート１８と排気ポート２０とは、ピストン１２側からみて、燃焼室１６の中心を通る特定の直径方向（図３中のＸ−Ｘ方向）で互いに対向する位置に形成されている。また、燃焼室１６の上面部には、燃焼室１６内の気流を制御する気流制御壁部としての気流制御突起６０が設けられている。気流制御突起６０は、例えば吸気ポート１８の周縁部に沿って延びる略円弧状の凸部として形成され、燃焼室１６の壁面の一部を構成している。また、気流制御突起６０は、吸気ポート１８の周縁部のうち排気ポート２０との間に位置する部位から燃焼室１６内に突出している。

一方、後述の図６に示すように、ピストン１２の頂面には、燃焼室１６内にタンブル流を保持する２つの曲面部６２，６４が設けられている。これらの曲面部６２，６４は、それぞれ前記特定の直径方向に延びる凹湾曲面として形成されている。第１の曲面部６２の曲率中心は、燃焼室１６の中心軸線上（即ち、気筒の中心軸線上）に配置されている。第２の曲面部６４の曲率中心は、燃焼室１６の中心軸線よりも吸気ポート１８側に偏って配置されている。なお、曲面部６２，６４は、前記特定の直径方向と直行する方向において、ピストン１２の頂面全体に形成してもよいし、頂面の中央部のみに形成してもよい。また、第２の曲面部６４は、本実施の形態において、気流制御曲面部に対応している。

また、ＥＣＵ５０は、燃焼室１６内の気流速度、好ましくは、点火プラグ３０の近傍の気流速度を推定する機能を備えている。この機能は、本実施の形態において、気流速度推定手段に対応している。気流速度推定手段の具体例を挙げると、ＥＣＵ５０は、燃焼室１６内で生じるタンブル流の渦中心から点火プラグ３０の電極間ギャップまでの距離と、機関回転数と、点火時期とに基いて気流速度を推定してもよい。また、点火プラグ３０の放電時間と気流速度とは相関を有しているので、放電時間に基いて気流速度を推定してもよい。これらの方法は、例えば特開２００８−３０３７９８号公報に記載されているものである。

また、他の気流速度推定手段としては、例えばエンジン適合時において、機関回転数、機関負荷及び吸気バルブ３２のリフト量のうち少なくとも１つのパラメータと気流速度との関係を実測し、この実測結果をデータマップとしてＥＣＵ５０に予め記憶しておく。そして、エンジン運転中には、個々の時点で取得した前記パラメータに基いて、前記データマップから気流速度を算出する構成としてもよい。また、本発明では、例えば点火プラグ３０の近傍に気流速度を検出する流速センサを配置し、この流速センサにより気流速度推定手段を構成してもよい。

（タンブル流可変制御）
次に、ＥＣＵ５０により実行されるタンブル流可変制御について説明する。タンブル流可変制御は、燃焼室１６内の気流速度に基いて吸気バルブ３２のリフト量を制御するものである。まず、点火プラグ３０の近傍（プラグ近傍）の気流速度と、当該気流速度に適合するタンブル流について説明する。図４は、プラグ近傍の気流速度と着火位置との関係を示す説明図である。また、図５は、プラグ近傍の気流方向とタンブル流との関係を示す説明図である。図６は、タンブル流可変制御により形成される２種類のタンブル流を示す燃焼室の断面図である。なお、本明細書において、「プラグ近傍」とは、点火プラグ３０が設けられた位置を意味し、「プラグ近傍の気流」とは、点火プラグ３０の位置を通過する気流を意味している。

図４に示すように、プラグ近傍の気流速度が小さい場合には、点火が行われてから、プラグ近傍の混合気が横向きに出来るだけ離れた位置まで流動したときに着火するのが好ましい。逆に言えば、プラグ近傍の気流速度が小さいのに、プラグ近傍で斜め下向きの気流が形成されていると、点火プラグ３０の接地電極の近傍で混合気が燃焼することになり、これによって燃焼性が悪化する可能性がある。なお、上記説明において、「横向き」とは、気流が前記特定の直径方向に沿って離れるときの方向を意味している。

このように、プラグ近傍に横向きの気流を発生させるためには、図５及び図６中に細線で示すように、燃焼室１６全体を周回する第１のタンブル流Ａを生成するのが好ましい。第１のタンブル流Ａの渦中心Ｏａは、燃焼室１６のほぼ中心軸線上に位置しているので、点火プラグ３０の近傍では、横向きの気流を発生させることができ、気流速度が小さい場合には、点火プラグ３０の接地電極から離れた位置で混合気を着火させることができる。

一方、プラグ近傍の気流速度が大きい場合には、点火が行われてから、プラグ近傍の混合気が斜め下向きに離れた位置まで流動したときに着火し、燃焼室１６の上面部（シリンダヘッド）と着火位置との間に十分な距離が確保されるのが好ましい。逆に言えば、プラグ近傍の気流速度が大きいのに、プラグ近傍で横向きの気流が形成されていると、シリンダヘッドの壁面近傍で混合気が燃焼することになり、燃焼性が悪化する可能性がある。

このように、プラグ近傍に斜め下向きの気流を発生させるためには、図５及び図６中に太線で示すように、燃焼室１６のうち中心軸線から吸気ポート１８側に偏った空間を周回する第２のタンブル流Ｂを生成するのが好ましい。第２のタンブル流Ｂの渦中心Ｏｂは、燃焼室１６の中心軸線よりも吸気ポート１８側に偏っているので、点火プラグ３０の近傍では、斜め下向きの気流を発生させることができ、気流速度が大きい場合には、シリンダヘッドの壁面から離れた位置で混合気を着火させることができる。

上記要求を踏まえて、タンブル流可変制御では、プラグ近傍の気流速度に基いて吸気バルブ３２のリフト量を変更する。具体的に述べると、まず、気流速度が後述の判定値よりも小さい場合には、吸気バルブ３２のリフト量を大きくする。図７は、吸気バルブのリフト量を大きくした状態（高バルブリフト時）を示す説明図である。高バルブリフト時には、図７に示すように、吸気バルブ３２の傘と吸気ポート１８の周縁部との間に大きな隙間が確保される。この結果、前記隙間を通過する気流の一部は、気流制御突起６０から受ける影響が相対的に小さくなるので、吸気バルブ３２の傘に案内されて水平に流通し、図５中に細線で示すように、点火プラグ３０の近傍を横向きに通過する。そして、この気流は、図６中に細線で示すように、排気バルブ３４の近傍で燃焼室１６の内周面に沿って下降した後に、ピストン１２の曲面部６２に沿って流れるようになり、燃焼室１６の全体を周回する第１のタンブル流Ａを形成する。

一方、タンブル流可変制御では、気流速度が前記判定値よりも大きい場合に、吸気バルブ３２のリフト量を高バルブリフト時と比較して減少させる。図８は、吸気バルブのリフト量を図７と比較して減少させた状態（低バルブリフト時）を示す説明図である。低バルブリフト時には、図８に示すように、吸気バルブ３２の傘と吸気ポート１８の周縁部との隙間が高バルブリフト時と比較して小さくなる。この結果、前記隙間を通過する気流の一部は、気流制御突起６０に案内されることにより気流の方向が斜め下向きに変化し、図５中に太線で示すように、点火プラグ３０の近傍を斜め下向きに通過する。そして、この気流は、図６中に太線で示すように、燃焼室の中央付近で下降した後に、ピストン１２の曲面部６４に沿って流れるようになり、燃焼室１６のうち吸気ポート１８側に偏った空間を周回する第２のタンブル流Ｂを形成する。

なお、上述した気流速度の大小判定に用いる判定値は、例えばプラグ近傍に横向きの気流が流通しても燃焼安定性を確保することが可能な気流速度のうち、最大の気流速度に対応して予め設定されている。また、本発明では、第２のタンブル流Ｂを生成しない通常のバルブ制御において、吸気バルブ３２のリフト量を高バルブリフト時と等しい大きさに設定し、低バルブリフト時には、通常のバルブ制御時と比較してリフト量を減少させる構成としてもよい。

以上詳述した通り、本実施の形態では、吸気ポート１８から燃焼室１６内に空気が流入するときに、この気流に対する気流制御突起６０の影響度が吸気バルブ３２のリフト量に応じて相対的に変化する。従って、この影響度の変化を利用して気流を制御し、気流速度に応じて２種類のタンブル流Ａ，Ｂを適切に使い分けることができる。即ち、気流速度が前記判定値よりも小さい場合には、吸気バルブ３２のリフト量を相対的に大きくし、高バルブリフトと曲面部６２の相乗効果により第１のタンブル流Ａを生成することができる。これにより、点火プラグ３０の近傍には、低速気流に適した横向きの気流を発生させることができる。

一方、気流速度が前記判定値よりも大きい場合には、吸気バルブ３２のリフト量を低速気流時と比較して減少させ、気流に対する気流制御突起６０の影響度を増大させることができる。この結果、低バルブリフト、気流制御突起６０及び曲面部６４の相乗効果により第２のタンブル流Ｂを生成し、点火プラグ３０の近傍には、高速気流に適した斜め下向きの気流を発生させることができる。このように、本実施の形態によれば、気流速度に応じて燃焼室１６内のタンブル流及びプラグ近傍の気流方向を適切に制御し、混合気の着火位置を燃焼室１６の壁面から離すことができる。従って、実現が容易な構成により、燃焼安定性を向上させることができる。

しかも、本実施の形態によれば、特にリーン燃焼制御を行う場合に、上記効果を顕著に発揮することができる。即ち、リーン燃焼制御を行うエンジンでは、理論空燃比の近傍で燃焼を行う通常のエンジンと比較して、リーン化した混合気を効率よく燃焼させる必要があるので、プラグ近傍の気流速度が大きくなる傾向がある。また、混合気をリーン化することにより、理論空燃比での燃焼と比較して着火遅れが増大するので、着火位置がプラグ近傍から下流側に離れる傾向がある。このとき、着火及び初期火炎の位置が燃焼室の壁面に近過ぎると、火炎の伝播遅れ、消炎等が発生し、その結果として燃焼安定性及びリーン燃焼性能が低下し易い。このため、リーン燃焼制御では、プラグ近傍の気流速度が大きい場合に、当該気流の方向を斜め下向きに保持し、着火位置及び火炎の進行方向を燃焼室の壁面から離間させるのが好ましい。また、プラグ近傍の気流速度が小さい場合には、当該気流の方向を横向きに保持し、着火位置を点火プラグから離間させるのが好ましい。

これに対し、本実施の形態では、図５に示すように、気流速度に応じて２種類のタンブル流Ａ，Ｂを使い分けることができるので、リーン燃焼制御の要求を満たすことができる。これにより、リーン燃焼制御では、点火プラグ３０の放電が高速気流により大きく流される運転領域でも、着火位置及び火炎の進行方向と燃焼室１６の壁面との間に適切な距離を確保することができる。これにより、リーン燃焼制御での燃焼性を改善し、燃費を向上させることができる。

［実施の形態１を実現するための具体的な処理］
次に、図９を参照して、上述した制御を実現するための具体的な処理について説明する。図９は、本発明の実施の形態１において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジン１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。図９に示すルーチンでは、まず、ステップ１００において、プラグ近傍の気流速度を推定し、推定された気流速度が前述の判定値よりも大きいか否かを判定する。この判定が成立した場合には、ステップ１０２に移行する。

ステップ１０２では、可変バルブリフト機構３６により吸気バルブ３２のリフト量を小リフト量に設定する。これにより、燃焼室１６内には、第２のタンブル流Ｂが生成され、プラグ近傍には斜め下向きの気流が発生する。一方、ステップ１００の判定が不成立の場合には、ステップ１０４に移行する。ステップ１０４では、吸気バルブ３２のリフト量を小リフト量よりも大きな大リフト量に設定する。これにより、燃焼室１６内には、第１のタンブル流Ａが生成され、プラグ近傍には横向きの気流が発生する。

このように、図９に示すルーチンによれば、タンブル流可変制御を実現することができる。なお、上記ステップ１００〜１０４の処理は、リフト量制御手段の具体例を示すものである。また、本実施の形態では、判定値が予め設定された一定値である場合を例示したが、本発明はこれに限らず、機関回転数、機関負荷等に基いて判定値を可変に設定する構成としてもよい。

実施の形態２．
次に、図１０を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、前記実施の形態１と同様の構成において、理論空燃比の近傍で燃焼を行う通常のストイキ燃焼制御と、リーン燃焼制御との間で燃焼制御を切換える。そして、リーン燃焼制御が行われる場合にのみ、タンブル流可変制御を実行することを特徴としている。

図１０は、本発明の実施の形態２において、ＥＣＵにより実行される制御の一例を示すフローチャートである。この図に示すルーチンは、エンジン１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。図１０に示すルーチンでは、まず、ステップ２００において、ストイキ燃焼制御の実行中であるか否かを判定する。この判定が成立した場合には、ステップ２０２に移行する。

ステップ２０２では、吸気バルブ３２のリフト量を通常のリフト量に設定する。ここで、通常のリフト量とは、タンブル可変制御における大リフト量に相当するもので、燃焼室１６内に第１のタンブル流Ａを生成するものである。一方、ステップ２００の判定が不成立の場合には、リーン燃焼制御の実行中であるから、ステップ２０４に移行し、タンブル可変制御を実行する。ステップ２０４は、図９中のステップ１００〜１０４と同様の処理を実行するものである。

このように、実施の形態２によれば、ストイキ燃焼制御とリーン燃焼制御とを併用するエンジンにおいて、リーン燃焼制御を行う場合にのみタンブル可変制御を実行し、前記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、ストイキ燃焼制御では、大きな負荷を要求されることが多い上に、着火性が良いので着火位置が下流側にずれ難く、しかも着火後の燃焼耐性が高いのでタンブル可変制御が不要となる。これに対し、本実施の形態では、ストイキ燃焼制御の実行時にタンブル可変制御を禁止することができる。そして、タンブル可変制御により吸気バルブ３２のリフト量が減少して筒内への吸気量が絞られるのを回避し、大きな負荷に対応して吸気量を十分に確保することができる。

１０エンジン（内燃機関）
１２ピストン
１６燃焼室
１８吸気ポート
２０排気ポート
２２吸気通路
２６排気通路
２８燃料噴射弁
３０点火プラグ
３２吸気バルブ
３４排気バルブ
３６可変バルブリフト機構
４０クランク角センサ
５０ＥＣＵ
６０気流制御突起（気流制御壁部）
６２，６４第１，第２の曲面部（気流制御曲面部）
Ａ，Ｂタンブル流

Claims

内燃機関の筒内に軸方向に変位可能に設けられたピストンと、
前記ピストンにより前記筒内に形成され、前記ピストンの頂面と対向する位置に吸気ポート及び排気ポートが開口した燃焼室と、
前記吸気ポートの周縁部のうち前記排気ポートとの間に位置する部位から前記燃焼室内に突出し、前記燃焼室の壁面の一部を構成する気流制御壁部と、
前記ピストンの頂面に設けられた凹湾曲面であって、曲率中心が前記燃焼室の中心軸線よりも前記吸気ポート側に配置された気流制御曲面部と、
前記吸気ポートを開閉する吸気バルブのリフト量を変更する可変バルブリフト機構と、
前記燃焼室内の気流速度を推定する気流速度推定手段と、
前記可変バルブリフト機構により前記吸気バルブのリフト量を制御する手段であって、前記気流速度が予め設定された判定値よりも大きい場合に、前記気流速度が前記判定値よりも小さい場合と比較して前記吸気バルブのリフト量を減少させるリフト量制御手段と、
を備えた内燃機関の制御装置。