JP2018003753A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒暖機のために膨張行程で点火を行う場合の燃焼の安定化をはかる。【解決手段】燃料の一部を膨張行程中に噴射するようにインジェクタ３０を制御するとともに、膨張行程中であってインジェクタ３０による膨張行程での燃料噴射の終了前に放電を開始するように点火プラグ３２を制御することを行う。これに加えて、点火プラグ３２の放電の開始時に電極部３４の周辺領域に他の領域よりも燃料濃度が相対的に高い混合気の層が形成されるように、燃料の他の一部を圧縮行程中に噴射するようにインジェクタ３０を制御することを行う。【選択図】図３

Description

この発明は内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、燃焼室の天井部の中央付近にインジェクタと点火プラグとが配置される内燃機関の制御装置に関する。

特開２００７−２７８２５７号公報に開示されているように、燃焼室の天井部の中央付近にインジェクタと点火プラグとが並んで配置され、インジェクタから噴射される燃料噴霧の一部が点火プラグの下方を通るように構成された内燃機関が知られている。

特開２００７−２７８２５７号公報 特開２００７−０１６６９４号公報 特開２００６−３０７７０３号公報

ところで、内燃機関の冷間始動時には、触媒を暖機することを目的として、点火時期を温間時よりも遅角することが行われる場合がある。点火時期を遅らせるほど排気温度を高めることができるが、点火時期を膨張行程まで遅角する場合には、燃焼が安定せずにサイクル間で燃焼変動が起こりやすくなる。この点に関し、内燃機関が上記のごとく構成されているのであれば、吸気行程で燃料を噴射した後、点火プラグの放電に同期させて燃料の一部を膨張行程で噴射することが、サイクル間の燃焼変動を抑える上で有効であると考えられる。放電火花から発生した初期火炎が膨張行程噴射の燃料噴霧に誘引されることにより、燃焼が急速に進行して燃焼速度が向上するからである。

ただし、上記の効果はあくまでも初期火炎が適度な大きさまで成長した場合に得られるのであって、初期火炎がうまく成長しない場合には、膨張行程噴射の燃料噴霧による誘引作用は不十分となる。この誘引作用が不十分な場合、燃焼が不安定となることでサイクル間の燃焼変動が大きくなり、ドライバビリティに影響が出てしまう。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、膨張行程で点火を行う場合の燃焼の安定化をはかることにある。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、燃焼室の天井部の中央付近に配置された点火プラグと、燃焼室の天井部の中央付近に配置され、少なくとも一部の燃料噴霧が点火プラグの方向に向かい同燃料噴霧の外郭線が点火プラグの電極部の下方を通るように噴孔の向きが調整されているインジェクタと、を有する内燃機関に用いられる制御装置であって、次のように構成される。すなわち、本発明に係る内燃機関の制御装置は、燃料の一部を膨張行程中に噴射するようにインジェクタを制御するとともに、膨張行程中であってインジェクタによる膨張行程での燃料噴射の終了前に放電を開始するように点火プラグを制御する。さらに、本発明に係る内燃機関の制御装置は、点火プラグの放電の開始時に電極部の周辺領域に他の領域よりも燃料濃度が相対的に高い混合気の層が形成されるように、燃料の他の一部を圧縮行程中に噴射するようにインジェクタを制御する。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、圧縮行程で噴射された燃料によって点火プラグの電極部の周辺領域に燃料濃度の高い混合気の層が形成されることにより、点火プラグの放電火花から発生する初期火炎の成長が促進される。点火プラグの放電は膨張行程噴射の終了前に開始されるので、放電火花から発生した初期火炎は、点火プラグの電極部の下方を通る膨張行程噴射の燃料噴霧に誘引される。また、膨張行程噴射の燃料噴霧は、空燃比が理論空燃比よりもややリッチであって且つ乱れの大きい領域を作り出す。燃料噴霧によって誘引された初期火炎がこの領域に達することで、火炎は一気に成長して燃焼は急速に進行する。これにより、混合気の燃焼速度が向上して燃焼が安定化し、ドライバビリティに悪影響を及ぼすサイクル間の燃焼変動は抑制される。

本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。 触媒暖機制御中のインジェクタの噴射期間と点火プラグの放電期間を示す図である。 触媒暖機制御中の内燃機関の動作と筒内状態とを模式的に示す図である。 筒内圧力と噴射率と噴霧長との関係を示す図である。 噴射率に応じてニードル駆動電流の突入電流を変える場合の、噴射率とニードル駆動電流の突入電流との関係の一例を示す図である。 噴射率に応じてニードル駆動電流の突入電流を変える場合の、ニードルリフト量の時間変化の一例を示す図である。 噴射率に応じてニードルリフト量を変える場合の、噴射率とニードルリフト量との関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態の変形例における触媒暖機制御中の内燃機関の動作と筒内状態とを模式的に示す図である。 参考例における触媒暖機制御中の内燃機関の動作と筒内状態とを模式的に示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、車両に搭載される内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は４ストローク１サイクルエンジンであり、複数の気筒を有している。但し、図１には、そのうちの１つの気筒１２のみが描かれている。内燃機関１０は、気筒１２が形成されたシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４上に配置されるシリンダヘッド１６と、を有している。気筒１２内にはその軸方向に往復動するピストン１８が配置されている。内燃機関１０の燃焼室２０は、少なくともシリンダブロック１４の壁面と、シリンダヘッド１６の下面と、ピストン１８の上面と、によって画定されている。

シリンダヘッド１６には、燃焼室２０に連通する吸気ポート２２および排気ポート２４が２つずつ形成されている。吸気ポート２２の燃焼室２０に連通する開口部には吸気バルブ２６が設けられ、排気ポート２４の燃焼室２０に連通する開口部には排気バルブ２８が設けられている。また、燃焼室２０の天井部の中央よりもやや排気バルブ２８の側の位置には、点火プラグ３２が設けられている。点火プラグ３２は、中心電極と接地電極とからなる電極部３４を先端に備えている。

また、燃焼室２０の天井部の中央付近であって、点火プラグ３２が設けられた箇所よりも吸気バルブ２６の側の位置には、先端が燃焼室２０を臨むようにインジェクタ３０が設けられている。インジェクタ３０は燃料タンク、デリバリパイプ、サプライポンプ等から構成される燃料供給系に接続されている。インジェクタ３０の先端には複数の噴孔が放射状に形成されており、インジェクタ３０を開弁するとこれらの噴孔から燃料が高圧状態で噴射される。インジェクタ３０は、その噴孔から放射状に噴射された燃料噴霧のうち、点火プラグ３２に最も近づく燃料噴霧の外郭線（以下「噴霧外郭線」ともいう。）が点火プラグ３２の電極部３４の下方を通るように、噴孔の向きが調整されている。

吸気ポート２２は、吸気通路側の入口から燃焼室２０に向けてほぼ真っ直ぐに延び、燃焼室２０との接続部分であるスロート３６において流路断面積が絞られている。吸気ポート２２のこのような形状は、吸気ポート２２から燃焼室２０に供給された吸気にタンブル流を生じさせる。タンブル流は、燃焼室２０の天井部では吸気ポート２２側から排気ポート２４側に向かうように、燃焼室２０内を旋回する。ゆえに、点火プラグ３２は、燃焼室２０内に形成される旋回気流の流れ方向においてインジェクタ３０より下流に位置している。燃焼室２０の下部を形成するピストン１８の上面には、タンブル流を保持するための凹みが形成されている。

また、図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、制御手段としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えている。ＥＣＵ４０は、車両に搭載された各種センサの信号を取り込み処理する。各種センサには、燃焼室２０の天井部に設けられた筒内圧センサ４２と、ピストン１８に接続されたクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ４４と、内燃機関１０の冷却水温を検出する温度センサ４６等が含まれている。ＥＣＵ４０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従って各種アクチュエータを操作する。ＥＣＵ４０によって操作されるアクチュエータには、上述したインジェクタ３０と点火プラグ３２とが少なくとも含まれている。

［触媒暖機制御についての説明］
本実施の形態では、図１に示したＥＣＵ４０による内燃機関１０の制御として、排気浄化触媒の活性化を促進する制御（以下「触媒暖機制御」ともいう。）が行われる。排気浄化触媒は、内燃機関１０の排気通路に設けられる触媒であり、一例として、活性化状態にある触媒の雰囲気がストイキ近傍にあるときに排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を浄化する三元触媒が挙げられる。

まず、触媒暖機制御の概要について、図２を参照して説明する。図２には、触媒暖機制御中のインジェクタ３０の噴射期間と点火プラグ３２の放電期間が示されている。図２に示すように、触媒暖機制御では、主噴射である吸気行程噴射に加えて、圧縮行程噴射と膨張行程噴射とを組み合わせた燃料噴射パターンが採用される。吸気行程噴射で噴射された燃料は、燃料噴射時期から点火時期までに十分な時間が確保されているため、タンブル流によって燃焼室２０内に広く拡散していき、燃料濃度が均質な混合気を生成する。なお、圧縮行程噴射と膨張行程噴射も含めた全燃料による空燃比が理論空燃比になるように各行程での燃料噴射量が決められるため、吸気行程噴射によって生成された混合気の空燃比は理論空燃比よりもややリーンとなっている。

また、図２に示すように、触媒暖機制御中は、点火プラグ３２の放電期間が圧縮上死点よりも遅角側に設定されている。つまり、触媒暖機制御中は、膨張行程での点火（以下、「膨張行程点火」ともいう）が行われる。膨張行程点火を行うのは排気温度を上昇させるためであり、点火プラグ３２の放電期間中に膨張行程噴射が行われる。より詳細に述べると、点火プラグ３２の放電の開始時期よりも後に膨張行程噴射が開始され、放電の終了時期よりも先に膨張行程噴射が終了する。ただし、放電の開始時期は膨張行程噴射の開始時期と一致していてもよいし後でもよい。放電の終了時期は膨張行程噴射の終了時期と一致していてもよい。つまり、少なくとも膨張行程噴射の終了前に放電が開始されていればよい。放電期間中に膨張行程噴射を行うのは、誘引作用によって膨張行程噴射による燃料を確実に燃焼させるためである。

次に、触媒暖機制御の詳細とその作用について、図３を参照して説明する。図３には、触媒暖機制御中の内燃機関１０の動作と筒内状態とが模式的に示されている。図３の上段には、圧縮行程噴射が行われている時の筒内状態が描かれ、図３の中段には、膨張行程点火による放電の開始時点での筒内状態が描かれ、そして、図３の下段には、膨張行程噴射が行われている時の筒内状態が描かれている。

図３の上段に示すように、圧縮行程噴射では、燃焼室２０内に生じているタンブル流の渦中心に向けてインジェクタ３０から燃料が噴射される。圧縮行程噴射に先立ち行われている吸気行程噴射による燃料噴霧は、タンブル流と共に燃焼室２０内を旋回しながら燃焼室２０内に拡散している。このため、圧縮行程噴射が実行されるときの燃焼室２０内には、吸気行程噴射による燃料噴霧が拡散してできた、理論空燃比よりもややリーンな混合気が生成されている。圧縮行程噴射による燃料噴霧は、このややリーンな混合気の中に向けて延び、タンブル流の渦中心の付近に溜まっていく。

図３の中段に示すように、膨張行程点火が実行されるときには、ピストン１８の上昇にともなってタンブル流の渦中心は燃焼室２０の天井部へ近づいている。タンブル流の渦中心の付近に溜まった圧縮行程噴射による燃料噴霧は、時間の経過とともに蒸発し、周囲よりも燃料濃度が相対的に高い混合気の層（以下、「高濃度混合気層」ともいう）を形成する。この高濃度混合気層は、タンブル流の渦中心が燃焼室２０の天井部へ近づくことで、点火プラグ３２の電極部３４の周辺領域を包含するようになる。

電極部３４で放電が行われると、電極部３４から伸びる放電火花が混合気に着火し、初期火炎が発生する。放電火花から混合気への着火性と初期火炎の成長性は、電極部３４の周囲の空燃比に依存する。この点に関し、本実施の形態によれば、電極部３４の放電は、高濃度混合気層によって作られる理論空燃比よりもリッチな雰囲気下において行われるので、放電火花から混合気への着火が促進され、さらに、それにより発生する初期火炎の成長が促進される。つまり、膨張行程点火に先立って圧縮行程噴射を行なうことには、膨張行程点火による着火性と初期火炎の成長性とを高める効果がある。

図３の下段に示すように、膨張行程噴射では、燃焼室２０の天井部付近に形成されている高濃度混合気層の中に向けてインジェクタ３０から燃料が噴射される。インジェクタ３０から噴射される複数本の燃料噴霧のうち、一部の燃料噴霧は点火プラグ３２の方向に向かい、同燃料噴霧の外郭線は電極部３４の下方を通っている。燃料噴霧の周囲には低圧部が形成されるため、膨張行程点火において電極部３４の放電火花から生じた初期火炎は、電極部３４の下方を通る燃料噴霧によって誘引される。膨張行程噴射の燃料噴霧によって、燃焼室２０内には空燃比が理論空燃比よりもややリッチで且つ乱れの大きい領域ができている。燃料噴霧によって誘引された初期火炎がこの領域まで到達することで、火炎は一気に成長して燃焼は急速に進行する。これにより、混合気の燃焼速度が向上して燃焼が安定化し、ドライバビリティに悪影響を及ぼすサイクル間の燃焼変動は抑制される。

［噴霧長の設定についての説明］
ところで、膨張行程噴射による誘引の効果を最大限に利用するには、膨張行程噴射の燃料噴霧はできるだけ遠くまで到達させるほうがよい。ただし、そこには、ピストン１８の上面やシリンダ壁面への燃料の付着を増加させない範囲内という制約がある。一方、圧縮行程噴射の燃料噴霧は、タンブル流の旋回中心の付近まで到達すればよい。つまり、膨張行程噴射と圧縮行程噴射とでは、燃料噴霧の好ましい噴霧長（燃料噴霧の所定期間内での到達した距離）が異なっている。

インジェクタ３０から燃焼室２０内に噴射される燃料の噴霧長を決定するパラメータは、筒内圧力と噴射率である。噴射率の単位はｍｍ^３／ｍｓであり、これは単位時間あたりに噴射された燃料の体積を意味する。図４には、筒内圧力と噴射率と噴霧長との関係の一例が示されている。図４に示す例によれば、噴射率が一定であれば筒内圧力が高いほど噴霧長は短くなり、筒内圧力が一定であれば噴射率が大きいほど噴霧長は長くなる。この関係に基づき、膨張行程噴射に求められる噴霧長と膨張行程噴射の開始時点における推定筒内圧力とから、膨張行程噴射の噴射率が決定される。また、圧縮行程噴射に求められる噴霧長と圧縮行程噴射の開始時点における推定筒内圧力とから、圧縮行程噴射の噴射率が決定される。

決定した噴射率をインジェクタ３０において実現する方法としては、例えば、インジェクタ３０のニードル駆動電流の突入電流を噴射率に応じて変える方法が挙げられる。図５には、噴射率に応じてニードル駆動電流の突入電流を変える場合の、噴射率とニードル駆動電流の突入電流との関係の一例が示されている。図５に示すように、要求される噴射率が大きいときは、要求される噴射率が小さいときよりも、ニードル駆動電流の突入電流を大きくする。ただし、ニードル駆動電流の保持電流は、膨張行程噴射と圧縮行程噴射とで同じ大きさとする。また、インジェクタ３０に供給される燃料の圧力は、膨張行程噴射と圧縮行程噴射とで同等とする。

図６には、噴射率に応じてニードル駆動電流の突入電流を変える場合の、ニードルリフト量の時間変化の一例が示されている。図６に示すように、突入電流を大きくすることで、突入電流が小さいときよりもニードルリフト量の立ち上がりが急峻となる。ニードルリフト量の立ち上がりが急峻であれば噴射率は大きくなり、緩やかであれば噴射率は小さくなる。ゆえに、膨張行程噴射と圧縮行程噴射とでニードル駆動電流の突入電流を変えることで、膨張行程噴射と圧縮行程噴射のそれぞれにおいて所望の噴射率を実現することができる。

また、決定した噴射率をインジェクタ３０において実現する方法としては、上記方法の他にも、インジェクタ３０のニードルリフト量を噴射率に応じて変える方法が挙げられる。図７には、噴射率に応じてニードルリフト量の最大値を変える場合の、噴射率とニードルリフト量との関係の一例が示されている。図７に示すように、要求される噴射率が大きいときは、要求される噴射率が小さいときよりも、ニードルリフト量を大きくすればよい。ただし、インジェクタ３０に供給される燃料の圧力は、膨張行程噴射と圧縮行程噴射とで同等とする。

［その他］
上記実施の形態では、燃焼室２０内に発生したタンブル流の作用によって、圧縮行程噴射の燃料噴霧により高濃度混合気層が形成されるとした。しかし、図８の変形例に示すように、燃焼室２０内にスワール流を発生させてもよい。このスワール流の渦中心に向かってインジェクタ３０から圧縮行程噴射を行うことで、膨張行程点火が実行されるときには、点火プラグ３２の電極部３４の周辺領域を包含する高濃度混合気層が形成される。これにより、膨張行程点火による着火性と初期火炎の成長性とが高められる。

最後に、上記実施の形態と同等の効果を上記実施の形態とは異なる構成で得られる参考例について、図９を参照して説明する。図９に示すように、参考例では、燃焼室２０の天井部の中央付近に配置されるインジェクタ３０（以下、「中央インジェクタ」ともいう）とは別に、燃焼室２０の側面にもインジェクタ３１（以下、「サイドインジェクタ」ともいう）が配置される。サイドインジェクタ３１は、詳しくは、吸気ポートの下方に設けられている。参考例では、圧縮行程噴射はサイドインジェクタ３１が行う。サイドインジェクタ３１からタンブル流の渦中心に向けて噴射された燃料により、点火プラグ３２の電極部３４の周辺領域を包含する高濃度混合気層が形成される。そして、高濃度混合気層によって作られる理論空燃比よりもリッチな雰囲気下において電極部３４の放電が行われる。膨張行程噴射は中央インジェクタ３０が行う。電極部３４の放電火花から発生した初期火炎が膨張行程噴射の燃料噴霧に誘引されることで、燃焼が急速に進行し、混合気の燃焼速度が向上して燃焼が安定化する。

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１４ シリンダブロック
１６ シリンダヘッド
１８ ピストン
２０ 燃焼室
２２ 吸気ポート
２４ 排気ポート
３０ インジェクタ
３２ 点火プラグ
３４ 電極部
４０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 燃焼室の天井部の中央付近に配置された点火プラグと、
   前記燃焼室の天井部の中央付近に配置され、少なくとも一部の燃料噴霧が前記点火プラグの方向に向かい同燃料噴霧の外郭線が前記点火プラグの電極部の下方を通るように噴孔の向きが調整されているインジェクタと、を有する内燃機関に用いられる制御装置であって、
   前記制御装置は、燃料の一部を膨張行程中に噴射するように前記インジェクタを制御するとともに、前記膨張行程中であって前記インジェクタによる前記膨張行程での燃料噴射の終了前に放電を開始するように前記点火プラグを制御し、且つ、
   前記制御装置は、前記点火プラグの放電の開始時に前記電極部の周辺領域に他の領域よりも燃料濃度が相対的に高い混合気の層が形成されるように、燃料の他の一部を圧縮行程中に噴射するように前記インジェクタを制御する
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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