JP2019183791A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主燃焼室内におけるジェット火炎の到達距離を適切に制御する。【解決手段】主燃焼室（２）の頂面に、連通孔を介して主燃焼室（２）内に連通した副室が形成されており、連通孔から主燃焼室（２）内にジェット火炎が噴出される。主燃焼室（２）内におけるスワール流の強さを制御するスワール制御装置を具備しており、主燃焼室（２）の温度が高いときには低いときに比べてスワール流が強められる。【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

主燃焼室の頂面に、連通孔を介して主燃焼室内に連通した副室が形成されており、副室内に点火栓と燃料噴射弁とが配置されており、副室の連通孔から主燃焼室内に噴出するジェット火炎によって、主燃焼室内の混合気が燃焼せしめられる内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。この内燃機関では、副室の連通孔から主燃焼室内にジェット火炎が噴出せしめられているときに、主燃焼室内にスワールが発生せしめられる。

特開２００８−１３３７５９号公報

ところでこのように、副室の連通孔から主燃焼室内にジェット火炎が噴出せしめられる場合、ジェット火炎の到達距離が大きいと、主燃焼室温度が高いときには、ジェット火炎により主燃焼室内壁面近傍における温度及び流速が著しく高くなるために、冷却損出が増大する。これに対し、冷却損出を小さくするために、ジェット火炎の到達距離を小さくすると、主燃焼室温度が低いときには、主燃焼室内壁面近傍における温度が低くなるために、未燃ＨＣが発生し、未燃損出が増大してしまう。従って、機関の運転状態に応じてジェット火炎の到達距離を制御する必要がある。しかしながら、上述の内燃機関では、このようなジェット火炎の到達距離の制御に対して、何ら考慮が払われていない。

本発明によれば、主燃焼室頂面に、連通孔を介して主燃焼室内に連通した副室が形成されており、連通孔から主燃焼室にジェット火炎が噴出する内燃機関の制御装置において、主燃焼室内におけるスワール流の強さを制御するスワール制御装置を具備しており、主燃焼室の温度が高いときには低いときに比べてスワール流が強められる内燃機関の制御装置が提供される。

スワール流が強められると、スワール流によりジェット火炎の進行が妨げられるので、ジェット火炎の到達距離が短くなる。従って、スワール流の強さを制御することにより、ジェット火炎の到達距離を制御することができる。本発明では、主燃焼室の温度に応じてスワール流の強さを制御することにより、ジェット火炎の到達距離が、主燃焼室の温度に応じた最適な到達距離に制御される。

図１は内燃機関の全体図である。 図２はシリンダヘッドを下方から見たときの図である。 図３は、図２のＡ−Ａ断面に沿ってみた内燃機関の側面断面図である。 図４は副室周りの拡大側面断面図である。 図５は図４のＢ−Ｂ断面に沿ってみた副室ケーシングの断面図である。 図６Ａおよび図６Ｂはシリンダヘッドを下方から見たときの図である。 図７Ａおよび図７Ｂは、スワール制御弁開度と機関冷却水温との関係を示す図である。 図８はスワール制御を行うためのフローチャートである。 図９は、内燃機関の側面断面図である。 図１０Ａおよび図１０Ｂは吸気弁のリフト量を示す図である。 図１１は、スワール強度と、位相差ΔＸ、リフト量差ΔＹとの関係を示す図である。 図１２Ａおよび図１２Ｂは、位相差ΔＸ、リフト量差ΔＹと機関冷却水温との関係を示す図である。

図１にガソリンを燃料とする内燃機関の全体図を示す。図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の主燃焼室、３は各気筒に対して夫々設けられた主燃料噴射弁、４はサージタンク、５は吸気枝管、６は排気マニホルドを夫々示す。サージタンク４は吸気ダクト７を介して排気ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａの出口に連結され、コンプレッサ８ａの入口は吸入空気量検出器９を介してエアクリーナ１０に連結される。吸気ダクト７内にはアクチュエータにより駆動されるスロットル弁１１が配置され、吸気ダクト７周りには吸気ダクト７内を流れる吸入空気を冷却するためのインタクーラ１２が配置される。

一方、排気マニホルド６は排気ターボチャージャ８の排気タービン８ｂの入口に連結され、排気タービン８ｂの出口は排気管１３を介して排気浄化用触媒コンバータ１４に連結される。排気マニホルド５とサージタンク４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路１５を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路１５内にはＥＧＲ制御弁１６が配置される。各主燃料噴射弁３は燃料分配管１７に連結され、この燃料分配管１７は燃料ポンプ１８を介して燃料タンク１９に連結される。

電子制御ユニット２０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス２１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２４、入力ポート２５および出力ポート２６を具備する。図１に示されるように、機関本体１には、機関冷却水温を検出するための水温センサ５７が取り付けられており、吸入空気量検出器９および水温センサ５７の出力信号は対応するＡＤ変換器２７を介して入力ポート２５に入力される。また、アクセルペダル３０にはアクセルペダル３０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ３１が接続され、負荷センサ３１の出力電圧は対応するＡＤ変換器２７を介して入力ポート２５に入力される。更に入力ポート２５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ３２が接続される。一方、出力ポート２６は対応する駆動回路２８を介して主燃料噴射弁３、スロットル弁１１の駆動用アクチュエータ、ＥＧＲ制御弁１６、および燃料ポンプ１８に接続される。

図２は燃焼室２の頂面の底面図を示しており、図３は図２のＡ―Ａ線に沿ってみた機関本体１の側面断面図を示している。なお、図２および図３において、４１はシリンダブロック、４２はシリンダブロック４１上に取り付けされたシリンダヘッド、４３はシリンダブロック４１内で往復動するピストン、４４は一対の吸気弁、４５は吸気ポート、４６は一対の排気弁、４７は排気ポートを夫々示す。図２および図３に示されるように、吸気ポート４５は、一対の吸気弁４４に対して共通の通路部分４５ａと、この共通の通路部分４５ａから各吸気弁４４に向けて分岐した分岐通路部分４５ｂから形成されており、吸気ポート４５の一方の分岐通路部分４５ｂ内にスワール制御弁４８が配置されている。

図２および図３に示されるように、このスワール制御弁４８の弁軸４８ａは、シリンダヘッド４２内において回動可能に支承されており、スワール制御弁４８の開度は、弁軸４８ａに連結されたアクチュエータ４９により、電子制御ユニット２０の出力信号に基づいて制御される。なお、図３に示されるように、主燃料噴射弁３は吸気ポート４５の共通の通路部分４５ａ内に配置されている。

一方、図２から図５を参照すると、主燃焼室２の頂面中央部には、副室ケーシング５０が取付けられている。図２から図５に示す例では、この副室ケーシング５０は、両端が閉鎖された薄肉の中空円筒状をなしており、副室ケーシング５０の中心軸線がシリンダの中心軸線方向に延びるように主燃焼室２の頂面に取付けられている。また、図２から図５に示す例では、副室ケーシング５０の上方部はシリンダヘッド４２内に位置しており、副室ケーシング５０の下方部のみが主燃焼室２内に露呈している。この副室ケーシング５０内には副室５１が形成されており、副室ケーシング５０には、副室５１の主燃焼室２側の端部周辺部から主燃焼室２の周辺部に向けて放射状に延びる複数の連通孔５２が形成されている。

この場合、本発明の実施例では、図５に示されるように、各連通孔５２は、副室ケーシング５０の中心軸線に関し、等角度間隔で、副室ケーシング５０の中心軸線から放射状に延びるように形成されている。また、本発明の実施例では、図４に示されるように、各連通孔５２は主燃焼室２の周辺部に向けてやや下向きに延びている。一方、本発明の実施例では、副室５１の頂面に、点火栓５３が配置されている。この点火栓５３は、対応する駆動回路２８を介して出力ポート２６に連結される。なお、図３および図４に示されるように、副室５１内に副燃料噴射弁５４を配置することもできる。この場合には、副燃料噴射弁５３は、図１に示されるように、燃料分配管５５に連結され、この燃料分配管５５は燃料ポンプ５６を介して燃料タンク１９に連結される。

図１から図５に示される内燃機関では、基本的には、主燃料噴射弁３からのみ燃料を噴射することによって、副室５１内および主燃焼室２内での燃焼が行われる。即ち、吸気弁４４か開弁すると、主燃料噴射弁３から噴射された燃料が吸入空気と共に主燃焼室２内に供給され、それによって主燃焼室２内には混合気が形成される。次いで圧縮行程が開始されると、主燃焼室２内の混合気が全連通孔５２から副室５１内に流入する。次いで圧縮行程末期になると、点火栓５３により副室５１内の混合気が着火され、それにより副室５１の各連通孔５２から主燃焼室２内に向けてジェット火炎が噴出する。主燃焼室２内の混合気は、これらのジェット火炎により燃焼せしめられる。

ところで、スワール制御弁４８が全開していると、吸入空気は、吸気弁４４が開弁したときに、両方の吸気弁４４から主燃焼室２内に供給される。このときには、主燃焼室２内にスワール流は発生しない。図６Ａは、このようにスワール流が発生していないときに、副室５１の各連通孔５２から主燃焼室２内にジェット火炎Ｆが噴出した場合を示している。この場合には、図６Ａに示されるように、各ジェット火炎Ｆは主燃焼室２の内壁面まで到達する。

これに対し、スワール制御弁４８が全閉せしめられると、吸入空気は、吸気弁４４が開弁したときに、片方の吸気弁４４のみから主燃焼室２内に供給される。このとき、主燃焼室２内にはスワール流が発生する。図６Ｂは、このようにスワール流Ｗが発生しているときに、副室５１の各連通孔５２から主燃焼室２内にジェット火炎Ｆが噴出した場合を示している。この場合には、ジェット火炎Ｆの進行がスワール流Ｗによって妨げられ、その結果、各ジェット火炎Ｆは主燃焼室２の内壁面まで到達しなくなる。即ち、ジェット火炎Ｆの到達距離が短くなる。

この場合、ジェット火炎Ｆの到達距離は、スワール流Ｗが強くなるほど、短くなることがわかる。従って、ジェット火炎Ｆの到達距離は、スワール流Ｗの強さを制御することによって制御できることになる。ところで、副室５１の連通孔５２から主燃焼室２内にジェット火炎Ｆが噴出せしめられる場合、図６Ａに示されるように、ジェット火炎Ｆの到達距離が大きいと、ジェット火炎Ｆにより主燃焼室２の内壁面近傍における温度及び流速が高くなる。このとき、主燃焼室２の温度が高い場合には、主燃焼室２の内壁面近傍における温度及び流速が著しく高くなり、その結果、冷却損出が大巾に増大してしまう。

従って、主燃焼室２の温度が高い場合には、図６Ｂに示されるように、ジェット火炎Ｆの到達距離を小さくする必要があり、そのためには、スワール流Ｗを強くする必要がある。従って、本発明による実施例では、主燃焼室２の温度が高い場合には、スワール流Ｗが強くされる。一方、主燃焼室２の温度が低いときに、図６Ｂ示されるように、ジェット火炎Ｆの到達距離が短いと、主燃焼室２の内壁面近傍における温度が低くなるために、未燃ＨＣが発生し、未燃損出が増大してしまう。従って、主燃焼室２の温度が低い場合には、図６Ａに示されるように、ジェット火炎Ｆの到達距離を大きくする必要があり、そのためには、スワール流Ｗを弱める必要がある。従って、本発明による実施例では、主燃焼室２の温度が低い場合には、スワール流Ｗが弱められる。また、主燃焼室２の温度が低いときにスワール流Ｗが弱められ、それにより図６Ａに示されるように、ジェット火炎Ｆの到達距離が大きくなると、ジェット火炎Ｆによって、主燃焼室２の内壁面の温度が早期に上昇せしめられ、それにより機関の暖機が促進される。

このよう主燃焼室２の温度が低いときには、図６Ａに示されるように、スワール流Ｗを弱める必要があり、主燃焼室２の温度が高いときには、図６Ｂに示されるように、スワール流Ｗを強くする必要がある。そこで、本発明による実施例では、主燃焼室２の温度が高いときには低いときに比べてスワール流Ｗを強めるようにしている。この場合、スワール流Ｗの強さは、スワール制御弁４８の開度を制御することによって制御することができ、スワール制御弁４８の開度を小さくするほど、スワール流Ｗが強くなる。

図７Ａおよび図７Ｂは、主燃焼室２の温度を代表する温度として、機関冷却水温を用い、この機関冷却水温に応じてスワール制御弁４８の開度Ｄを制御する場合を示している。
図７Ａに示す例では、機関冷却水温が高くなるほど、スワール制御弁４８の開度Ｄが小さくされる。即ち、この例では、機関冷却水温が高くなるほど、スワール流Ｗが強められる。一方、図７Ｂに示す例では、機関冷却水温が設定温度ＴＷよりも低いときには、スワール制御弁４８が全開され、機関冷却水温が設定温度ＴＷよりも高くなると、スワール制御弁４８が全閉される。即ち、この例では、機関冷却水温が設定温度ＴＷよりも低いときには、スワール流Ｗの発生が停止され、機関冷却水温が設定温度ＴＷよりも高くなると、強力なスワール流Ｗが発生される。

図８は、スワール流Ｗの強さを制御するためのスワール制御ルーチンを示している。このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。図８を参照すると、まず初めにステップ６０において、水温センサ５７により検出された機関冷却水温に基づいて、図７Ａ又は図７Ｂに示される関係から、スワール制御弁４８の開度Ｄが読み込まれる。次いで、ステップ６１では、スワール制御弁４８の開度が、この開度Ｄとなるように、アクチュエータ４９の駆動処理が行われる。この例では、スワール制御弁４８およびアクチュエータ４９が、スワール流Ｗの強さを制御するスワール制御装置を構成している。

図９に、スワール流Ｗの強さを制御するスワール制御装置に別の実施例を示す。図９に示される実施例では、吸気弁４４の開弁時期又はリフト量を制御可能なバルブ制御装置７０が設けられており、このバルブ制御装置７０が、スワール流Ｗの強さを制御するスワール制御装置を構成している。このバルブ制御装置７０として、吸気弁４４の開弁時期を制御可能な可変バルブタイミング機構や、吸気弁４４のリフト量を制御可能な可変バルブリフト機構が用いられる。なお、これら可変バルブタイミング機構や可変バルブリフト機構は公知であり、従って、これら可変バルブタイミング機構および可変バルブリフト機構についての説明は省略する。

図１０Ａおよび図１０Ｂに、このバルブ制御装置７０を用いて吸気弁４４の開弁時期又はリフト量を制御した場合の例を示す。図１０Ａに示される例では、一対の吸気弁４４の開弁時期に位相差ΔＸを設け、この位相差ΔＸを変化させることで、スワール流の強さを制御している。即ち、一対の吸気弁４４の開弁時期に位相差ΔＸを設けた場合において、先に開弁した方の吸気弁を吸気弁１とし、後で開弁した方の吸気弁を吸気弁２とすると、吸気弁１か開弁し始めたときには、主燃焼室２にスワール流Ｗが発生する。次いで、吸気弁２も開弁すると、スワール流Ｗは減衰し、吸気弁１および吸気弁２が共に開弁しているときには、スワール流Ｗは弱まる。次いで、吸気弁１が閉弁すると、主燃焼室２に逆向きのスワール流Ｗが発生し、吸気弁２の開弁期間が長いほど、スワール流Ｗが強くなる。即ち、吸気弁１と吸気弁２の開弁時期の位相差ΔＸが大きいほど、図１１に示されるようにスワール流Ｗが強くなる。

図１０Ｂに示される例では、一対の吸気弁４４のリフト量にリフト量差ΔＹを設け、このリフト量差ΔＹを変化させることで、スワール流の強さを制御している。即ち、一対の吸気弁４４の開弁時期にリフト量差ΔＹを設けた場合において、リフト量の大きい方の吸気弁を吸気弁１とし、リフト量の小さい方の吸気弁を吸気弁２とすると、リフト量の大きい方の吸気弁１からの主燃焼室２内への吸入空気流により主燃焼室２にスワール流Ｗが発生せしめられる。この場合、吸気弁１と吸気弁２のリフト量のリフト量差ΔＹが大きいほど、図１１に示されるようにスワール流Ｗが強くなる。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、図７Ａおよび図７Ｂに示される場合と同様に、主燃焼室２の温度を代表する温度として、機関冷却水温を用い、この機関冷却水温に応じて吸気弁４４の位相差ΔＸ又はリフト量差ΔＹを制御する場合を示している。図１２Ａに示す例では、機関冷却水温が高くなるほど、位相差ΔＸ又はリフト量差ΔＹが大きくされる。即ち、機関冷却水温が高くなるほど、スワール流Ｗが強められる。一方、図１２Ｂに示す例では、機関冷却水温が設定温度ＴＷよりも低いときには、位相差ΔＸ又はリフト量差ΔＹが零とされ、機関冷却水温が設定温度ＴＷよりも高くなると、位相差ΔＸ又はリフト量差ΔＹが最大値とされる。このとき、なお、リフト量の小さい方の吸気弁２を閉弁させ続けることもできる。即ち、図１２Ｂに示す例では、機関冷却水温が設定温度ＴＷよりも低いときには、スワール流Ｗの発生が停止され、機関冷却水温が設定温度ＴＷよりも高くなると、強力なスワール流Ｗが発生される。

２ 主燃焼室
３ 主燃料噴射弁
４４ 吸気弁
４６ 排気弁
４８ スワール制御弁
５１ 副室
５２ 連通孔

Claims (1)

1. 主燃焼室の頂面に、連通孔を介して主燃焼室内に連通した副室が形成されており、該連通孔から主燃焼室内にジェット火炎が噴出する内燃機関の制御装置において、主燃焼室内におけるスワール流の強さを制御するスワール制御装置を具備しており、主燃焼室の温度が高いときには低いときに比べてスワール流が強められる内燃機関の制御装置。

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