JP2020012417A

JP2020012417A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2020012417A
Application number: JP2018135015A
Authority: JP
Inventors: 佳 ▲吉▼村; Kei Yoshimura
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-01-23

Abstract

【課題】燃料が燃焼室壁面に付着することを抑えながら、点火プラグ周りにリッチな混合気を集めることができる内燃機関の制御装置を提供すること。【解決手段】燃焼室７の上壁面の中央部付近に配置される点火プラグ８と、内部を流れる吸気の流れ方向に延びるように設けられた仕切り壁１５によって、燃焼室外側の第１通路１１ａと燃焼室中心側の第２通路１１ｂとからなる一対の通路に区画された部位を有する吸気ポート１１と、仕切り壁１５における吸気の流れの上流側の端部に設けられ、第１通路１１aを開閉するタンブルコントロールバルブ１６と、燃焼室内に形成されるタンブル流に対向するように配置され、燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタ９と、筒内噴射用インジェクタ９により噴射された燃料の運動量とタンブル流の運動量とが燃焼室内で釣り合うようにタンブルコントロールバルブ１６の開度を制御するＥＣＵ３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

特許文献１には、エンジンの運転状態が高負荷かつ低回転側の領域内にある場合、ノッキングを抑制しつつ高トルクを確保するために、燃料の噴射方向がタンブル流に対向するタイミングで燃料を噴射させることで、燃料がリッチな領域をタンブル流内に形成することが記載されている。このリッチな領域をタンブル流に伴って流動させて、点火時期に点火プラグの先端の周辺に位置させることで、火炎伝搬速度を増大させて、ノッキングを抑制させることができる。

特開２０１６−１８６２６０号公報

しかしながら、燃焼室内への燃料噴射量や燃料噴射圧を増やすと、燃料の持つ運動量がタンブル流の運動量に打ち勝ち、燃料がタンブル流に伴わないまま燃焼室壁面に付着する場合がある。付着した燃料は完全燃焼せずに燃焼室外へと排出されるため、エミッション悪化や燃費の悪化の原因になる。

そこで、本発明は、燃料が燃焼室壁面に付着することを抑えながら、点火プラグ周りにリッチな混合気を集めることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため本発明は、燃焼室の上壁面の中央部付近に配置される点火プラグと、内部を流れる吸気の流れ方向に延びるように設けられた仕切り壁によって、燃焼室外側の第１通路と燃焼室中心側の第２通路とからなる一対の通路に区画された部位を有する吸気ポートと、前記仕切り壁における吸気の流れの上流側の端部に設けられ、前記第１通路と前記第２通路のいずれか一方を開閉するタンブルコントロールバルブと、前記燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと、前記筒内噴射用インジェクタによる燃料噴射と、前記タンブルコントロールバルブの開度とを制御する制御部と、を備える内燃機関の制御装置であって、前記筒内噴射用インジェクタは、前記燃焼室内に形成されるタンブル流に対向するように配置され、前記制御部は、前記筒内噴射用インジェクタにより噴射された燃料の運動量とタンブル流の運動量とが前記燃焼室内の所定の位置において釣り合うように前記タンブルコントロールバルブの開度を制御するものである。

このように、本発明によれば、燃料が燃焼室壁面に付着することを抑えながら、点火プラグ周りにリッチな混合気を集めることができる。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の概略構成図である。図２は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置のタンブルコントロールバルブの開度とタンブル流の流速との関係を示す図である。図３は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の筒内噴射用インジェクタの噴霧の速度とタンブル流の流速との関係を示す図である。図４は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置のタンブルコントロールバルブ開度算出処理の手順を示すフローチャートである。図５は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の燃料噴射量が少なく燃料噴射圧が低い場合の燃料の噴霧とタンブル流との関係を示す図である。図６は、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置の燃料噴射量が多く燃料噴射圧が高い場合の燃料の噴霧とタンブル流との関係を示す図である。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、燃焼室の上壁面の中央部付近に配置される点火プラグと、内部を流れる吸気の流れ方向に延びるように設けられた仕切り壁によって、燃焼室外側の第１通路と燃焼室中心側の第２通路とからなる一対の通路に区画された部位を有する吸気ポートと、仕切り壁における吸気の流れの上流側の端部に設けられ、第１通路と第２通路のいずれか一方を開閉するタンブルコントロールバルブと、燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと、筒内噴射用インジェクタによる燃料噴射と、タンブルコントロールバルブの開度とを制御する制御部と、を備える内燃機関の制御装置であって、筒内噴射用インジェクタは、燃焼室内に形成されるタンブル流に対向するように配置され、制御部は、筒内噴射用インジェクタにより噴射された燃料の運動量とタンブル流の運動量とが燃焼室内の所定の位置において釣り合うようにタンブルコントロールバルブの開度を制御するよう構成されている。

これにより、本発明の一実施の形態に係る内燃機関の制御装置は、燃料が燃焼室壁面に付着することを抑えながら、点火プラグ周りにリッチな混合気を集めることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例に係る内燃機関の制御装置について詳細に説明する。

図１において、本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置を搭載した車両１は、内燃機関型のエンジン２と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３とを含んで構成される。

エンジン２には、気筒としてのシリンダ５が形成されている。シリンダ５には、このシリンダ５内を上下に往復動可能なピストン６が収納されている。また、シリンダ５の上部には、燃焼室７が設けられている。

エンジン２は、シリンダ５内でピストン６が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなる一連の４行程を行なう、いわゆる４サイクルのガソリンエンジンである。

また、ピストン６は、不図示のコネクティングロッドを介してクランクシャフトと連結している。コネクティングロッドは、ピストン６の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するようになっている。

また、燃焼室７には、点火プラグ８と、筒内噴射用インジェクタ９が設けられている。点火プラグ８は、燃焼室７内に電極を突出させた状態で配設され、ＥＣＵ３によってその点火時期が制御されるようになっている。筒内噴射用インジェクタ９は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって供給された燃料を燃焼室７内に噴射する、いわゆる筒内噴射式の燃料噴射弁である。

エンジン２には、吸気ポート１１と、排気ポート２１が設けられている。吸気ポート１１は、燃焼室７と後述する吸気通路１４ａとを連通するようになっている。また、吸気ポート１１には、吸気弁１２が設けられている。

吸気弁１２は、吸気通路１４ａと燃焼室７とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。吸気弁１２の開閉は、吸気側可変動弁機構１３によって行なわれるようになっている。

吸気側可変動弁機構１３としては、例えば電磁石とスプリング等から構成された電磁アクチュエータにより吸気弁１２の開閉を行なう電磁式の可変動弁機構を用いることができる。具体的には、吸気側可変動弁機構１３は、吸気弁１２に固定された可動部を電磁石の励磁によって吸引することで、スプリングによって常時閉弁方向に付勢されている吸気弁１２を、開弁方向に移動させるようになっている。

なお、吸気側可変動弁機構１３としては、電磁アクチュエータに替えて油圧アクチュエータを用いた油圧式の可変動弁機構を用いてもよい。また、吸気側可変動弁機構１３として、主カムおよび副カム等のカム部材を用いて吸気弁１２の開閉時期を変更可能な機械式の可変動弁機構を用いても構わない。

さらに、この吸気側可変動弁機構１３は、例えば電磁石に対する励磁電流がＥＣＵ３によって調整されることにより、吸気弁１２の開閉時期とともに吸気弁１２のリフト量を連続的に変化させることが可能な構成であってもよい。

吸気ポート１１には、吸気管１４が接続されている。この吸気管１４の内部には、吸気ポート１１と連通する吸気通路１４ａが形成されている。

吸気ポート１１は、内部を流れる吸気の流れ方向に延びるように設けられた仕切り壁１５によって、燃焼室外側の第１通路１１ａと燃焼室中心側の第２通路１１ｂとからなる一対の通路に区画された部位を有している。

仕切り壁１５における吸気の流れの上流側の端部には、タンブルコントロールバルブ１６が配置されており、第１通路１１ａを開閉する。

タンブルコントロールバルブ１６の開度により燃焼室のタンブル流の流速が変化する。タンブルコントロールバルブ１６の開度は、ＥＣＵ３により制御される。ＥＣＵ３は、タンブルコントロールバルブ１６の開度を制御することで、タンブル流の流速を制御することができる。

タンブルコントロールバルブ１６の開度とタンブル流の流速との関係は、例えば、図２に示すようになっている。

図１において、吸気ポート１１の第２通路１１ｂには、吸気通路噴射用インジェクタ１０が設けられている。吸気通路噴射用インジェクタ１０は、図示しない燃料タンクから燃料ポンプによって供給された燃料を吸気ポート１１内に噴射する。

一方、排気ポート２１には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、後述する排気通路２４ａと燃焼室７とを連通または遮断するように開閉されるようになっている。排気弁２２の開閉は、排気側可変動弁機構２３によって行なわれるようになっている。

排気側可変動弁機構２３は、上述した吸気側可変動弁機構１３と同様の構成であるため、詳細な説明を省略するが、電磁石の励磁、非励磁がＥＣＵ３によって制御されることで、排気弁２２の開閉時期が任意に変更される。なお、排気側可変動弁機構２３として、電磁アクチュエータに替えて油圧アクチュエータを用いた油圧式の可変動弁機構を用いてもよい。また、排気側可変動弁機構２３として、主カムおよび副カム等のカム部材を用いて排気弁２２の開閉時期を変更可能な機械式の可変動弁機構を用いても構わない。したがって、ＥＣＵ３は、排気弁２２の開弁期間を容易に調整することができる。

また、排気ポート２１には、排気管２４が接続されている。この排気管２４の内部には、排気ポート２１と連通する排気通路２４ａが形成されている。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

このコンピュータユニットのＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ３として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ３として機能する。

ＥＣＵ３の入力ポートには、アクセル開度センサ３１、クランク角度センサ３２等の各種センサ類が接続されている。

アクセル開度センサ３１は、例えば加速要求時等に運転者によって操作される図示しないアクセルペダルの開度であるアクセル開度を検知するようになっている。また、クランク角度センサ３２は、クランクシャフトの回転角度を検知するようになっている。ＥＣＵ３は、クランク角度センサ３２から入力される検知結果に基づきエンジン回転数を算出するようになっている。

一方、ＥＣＵ３の出力ポートには、前述した点火プラグ８、筒内噴射用インジェクタ９、吸気通路噴射用インジェクタ１０、吸気側可変動弁機構１３、排気側可変動弁機構２３等の各種制御対象類が接続されている。

ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ３１から入力されたアクセル開度やクランク角度センサ３２から入力される検知結果から算出したエンジン回転数などに基づき、エンジン２に要求される負荷としての、エンジン要求負荷を算出するようになっている。

ＥＣＵ３は、エンジン要求負荷とエンジン回転数とに基づいて、運転者から要求されたエンジン負荷を出力するための、吸気弁１２及び排気弁２２のバルブタイミングや、筒内噴射用インジェクタ９及び吸気通路噴射用インジェクタ１０それぞれの燃料噴射量、燃料噴射期間、燃料噴射時期、燃料噴射圧などを決定する。

ＥＣＵ３は、筒内噴射用インジェクタ９の燃料噴射期間、燃料噴射時期、燃料噴射圧からタンブル流の流速を算出する。タンブル流の流速は、筒内噴射用インジェクタ９の噴霧の運動量とタンブル流の運動量が、燃焼室内の所定の位置において釣り合うように決定する。

ＥＣＵ３は、例えば、図３に示すように、点火プラグ８の電極の中心を通りエンジン２のクランクシャフトの回転中心線と直交する直線と、筒内噴射用インジェクタ９の噴孔出口から噴射方向への延長線との交点において、筒内噴射用インジェクタ９の噴霧の運動量とタンブル流の運動量が釣り合うようにタンブル流の流速ｗ_Tを算出する。

筒内噴射用インジェクタ９の噴孔出口と、この噴孔出口から噴射方向への延長線と点火プラグ８の電極の中心を通りエンジン２のクランクシャフトの回転中心線と直交する直線の交点との距離をｘとし、燃料噴霧角の1/2をθ、筒内噴射用インジェクタ９の噴孔出口から距離ｘの位置での噴霧の速度をｗ₁、空気密度をρ_a、燃料噴射期間をＴ_inj、燃料噴射開始時期から点火時期までの時間をＴ_SOI-IGTとすると、筒内噴射用インジェクタ９の噴霧の運動量とタンブル流の運動量が釣り合うことは、以下の数１のように表せる。燃料噴霧角は、図３に示すように、噴射された燃料の噴霧の拡散する角度のことである。

数１の関係から、タンブル流の流速ｗ_Tは、以下の数２のように表せる。

ここで、筒内噴射用インジェクタ９の噴孔出口から距離ｘの位置での噴霧の速度ｗ₁は、筒内噴射用インジェクタ９の噴孔出口での噴霧運動量と、距離ｘでの噴霧と噴霧に同伴する空気の運動量との運動量保存の式から、以下の数３の式で求めることができる。

ただし、ρ_fは液体での燃料密度、ρ_aは空気密度、ｄ_nは噴孔径、ｗ₀は噴孔出口での噴霧速度である。

さらに、噴孔出口での噴霧速度ｗ₀は、ベルヌーイの式より、噴射圧Ｐ_injと噴孔の縮流係数Ｃ_aから以下の数４のように求められる。

ＥＣＵ３は、数２から数４を用いて筒内噴射用インジェクタ９の燃料噴射期間、燃料噴射時期、燃料噴射圧からタンブル流の流速ｗ_Tを算出する。

ＥＣＵ３は、タンブル流の流速ｗ_Tから、図２に示すようなマップにより、タンブルコントロールバルブ１６の開度を求め、タンブルコントロールバルブ１６の開度を決定する。

ＥＣＵ３は、求めた開度にタンブルコントロールバルブ１６を制御し、エンジン要求負荷とエンジン回転数とから決定された燃料噴射期間、燃料噴射時期、燃料噴射圧により筒内噴射用インジェクタ９から燃料を噴射させる。

以上のように構成された本実施例に係る内燃機関制御装置によるタンブルコントロールバルブ開度算出処理について、図４を参照して説明する。なお、以下に説明するタンブルコントロールバルブ開度算出処理は、筒内噴射用インジェクタ９による燃料噴射が行われるときに実行される。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ３１から入力されたアクセル開度やクランク角度センサ３２から入力される検知結果から、エンジン要求負荷とエンジン回転数を取得する。

ステップＳ２において、ＥＣＵ３は、エンジン要求負荷とエンジン回転数から、筒内噴射用インジェクタ９の燃料噴射期間、燃料噴射時期、燃料噴射圧を算出する。

ステップＳ３において、ＥＣＵ３は、筒内噴射用インジェクタ９の燃料噴射期間、燃料噴射時期、燃料噴射圧から、タンブル流の流速を算出する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３は、タンブル流の流速からタンブルコントロールバルブ１６の開度を算出して処理を終了する。

このように、上述の実施例では、燃焼室内に噴射された燃料量から決まる燃料の運動量に応じて、理論式を用いてタンブル流の流速を算出して調節することで、いかなる燃料噴射量や燃料噴射圧においても燃焼室壁面への燃料付着を防ぎつつ、点火プラグ周りにリッチな混合気を集めることができる。

これは、噴射された燃料の持つ運動量に等しい運動量を持つタンブル流を筒内に作り出すことで、燃料がタンブル流に打ち勝つことなく、タンブル流を流動させることができる。その結果、燃焼室壁面への燃料付着を防ぎつつ、点火プラグ周りにリッチな混合気を集めることができる。

これにより、図５に示すような、燃料噴射量が少なく、燃料噴射圧が低い場合には、タンブル流の流速を低くすることができる。また、図６に示すような、燃料噴射量が多く、燃料噴射圧が高い場合には、タンブル流の流速を高くすることができる。

このように、冷機始動などの筒内噴射用インジェクタ９の燃料噴射量の増量時や、高負荷やリーン時の筒内噴射用インジェクタ９の燃料噴射量の増量時など、いかなる燃料噴射量や燃料噴射圧に対しても最適なタンブル流を保つことが可能となる。

なお、本実施例においては、タンブルコントロールバルブ１６は、第１通路１１ａを開閉してタンブル流の流速を制御したが、第２通路１１ｂを開閉してタンブル流の流速を制御するようにしてもよい。

また、本実施例においては、タンブルコントロールバルブ１６によりタンブル流の流速を制御したが、吸気側可変動弁機構１３によりタンブル流の流速を制御するようにしてもよい。

本実施例では、各種センサ情報に基づきＥＣＵ３が各種の判定や算出を行なう例について説明したが、これに限らず、車両が外部サーバ等の車外装置と通信可能な通信部を備え、該通信部から送信された各種センサの検出情報に基づき車外装置によって各種の判定や算出が行なわれ、その判定結果や算出結果を通信部で受信して、その受信した判定結果や算出結果を用いて各種制御を行なってもよい。

本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１車両
２エンジン（内燃機関）
３ＥＣＵ（制御部）
７燃焼室
８点火プラグ
９筒内噴射用インジェクタ
１１吸気ポート
１１ａ第１通路
１１ｂ第２通路
１５仕切り壁
１６タンブルコントロールバルブ

Claims

燃焼室の上壁面の中央部付近に配置される点火プラグと、
内部を流れる吸気の流れ方向に延びるように設けられた仕切り壁によって、燃焼室外側の第１通路と燃焼室中心側の第２通路とからなる一対の通路に区画された部位を有する吸気ポートと、
前記仕切り壁における吸気の流れの上流側の端部に設けられ、前記第１通路と前記第２通路のいずれか一方を開閉するタンブルコントロールバルブと、
前記燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射用インジェクタと、
前記筒内噴射用インジェクタによる燃料噴射と、前記タンブルコントロールバルブの開度とを制御する制御部と、を備える内燃機関の制御装置であって、
前記筒内噴射用インジェクタは、前記燃焼室内に形成されるタンブル流に対向するように配置され、
前記制御部は、前記筒内噴射用インジェクタにより噴射された燃料の運動量と前記タンブル流の運動量とが前記燃焼室内の所定の位置において釣り合うように前記タンブルコントロールバルブの開度を制御する内燃機関の制御装置。
前記制御部は、前記燃焼室内の所定の位置において、前記筒内噴射用インジェクタにより噴射された燃料の運動量と前記タンブル流の運動量とが釣り合うような前記タンブル流の流速を算出し、前記タンブル流が前記流速になるように前記タンブルコントロールバルブの開度を制御する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
前記制御部は、前記点火プラグを通り前記内燃機関のクランクシャフトの回転中心線と直交する直線上において、前記筒内噴射用インジェクタにより噴射された燃料の運動量と前記タンブル流の運動量とが釣り合うように前記タンブルコントロールバルブの開度を制御する請求項１または請求項２に記載の内燃機関の制御装置。