JP2021156196A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の温度条件（冷間又は温間）を考慮しつつタンブル流と燃料噴射時期とを適切に制御可能できるようにする。
【解決手段】ピストンと、順タンブル流と逆タンブル流とを選択的に生成可能なタンブル生成装置と、気筒の燃焼室の上壁における吸気側の周縁部に配置され排気側のシリンダボア壁面に向けて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、を備える内燃機関に搭載されている。制御装置は、内燃機関の冷却水温度が閾値未満の冷間時には、逆タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置を制御し、かつ、吸気行程において噴射燃料がピストンの頂面と排気側のシリンダボア壁面との境界近傍に向かう特定時期に燃料を噴射するように筒内燃料噴射弁を制御し、冷却水温度が閾値以上の温間時には、順タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置を制御し、かつ、吸気行程において特定時期よりも後の時期に燃料を噴射するように筒内燃料噴射弁を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

例えば、特許文献１には、タンブル流を制御するためのバルブ（吸気流動制御弁）を吸気通路に備える筒内噴射式の内燃機関が開示されている。具体的には、吸気流動制御弁の制御により、機関の低負荷時には、吸気通路の天壁側が閉鎖され、吸気は吸気通路の底壁側に沿って流れる。一方、吸気流動制御弁の制御により、機関の高負荷時には、吸気通路の天壁側が開放される。

特開２００４−１５０３６１号公報

吸気行程において筒内燃料噴射弁を用いて燃料を気筒内に直接噴射する場合には、燃料噴射時期によって、粒子状物質の粒子数ＰＮが増加し易くなったり、混合気の不均質に起因する燃焼変動が増大し易くなったりする。また、粒子数ＰＮは、内燃機関の冷却水温度が低い冷間時において増加し易くなる。タンブル流の制御を利用して粒子数ＰＮの増加抑制と燃焼変動の増大抑制とを両立させるためには、内燃機関の温度条件（冷間又は温間）を考慮しつつタンブル流と燃料噴射時期とを適切に制御することが望まれる。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の温度条件（冷間又は温間）を考慮しつつタンブル流と燃料噴射時期とを適切に制御できるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、
気筒内に配置され、気筒内を往復移動するピストンと、
気筒の吸気側で上昇しかつ気筒の排気側で下降する順タンブル流と、吸気側で下降しかつ排気側で上昇する逆タンブル流とを選択的に生成可能なタンブル生成装置と、
気筒の燃焼室の上壁における吸気側の周縁部に配置され、排気側のシリンダボア壁面に向けて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、
を備える内燃機関に搭載されている。
制御装置は、
内燃機関の冷却水温度が閾値未満の冷間時には、逆タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置を制御し、かつ、吸気行程において噴射燃料がピストンの頂面と排気側のシリンダボア壁面との境界近傍に向かう特定時期に燃料を噴射するように筒内燃料噴射弁を制御し、
冷却水温度が閾値以上の温間時には、順タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置を制御し、かつ、吸気行程において特定時期よりも後の時期に燃料を噴射するように筒内燃料噴射弁を制御する。

本発明によれば、冷間時には、逆タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置が制御され、吸気行程において噴射燃料がピストンの頂面と排気側のシリンダボア壁面との境界近傍に向かう特定時期に燃料を噴射するように筒内燃料噴射弁が制御される。これにより、冷間時において、粒子数ＰＮの低減と燃焼変動の抑制とを好適に両立可能な燃料噴射時期及びタンブル流の制御を実現できる。また、温間時には、順タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置が制御されるとともに吸気行程において特定時期よりも後の時期に燃料を噴射するように筒内燃料噴射弁が制御される。これにより、温間時において、燃焼変動を好適に抑制可能な燃料噴射時期及びタンブル流の制御を実現できる。以上のように、本発明によれば、内燃機関の温度条件（冷間又は温間）を考慮しつつタンブル流と燃料噴射時期とを適切に制御できるようになる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関のシステム構成例を表した模式図である。 図１に示すタンブル生成装置によるタンブル流の切り替えについて説明するための図である。 比較例における吸気行程中の噴射時期Ａ〜Ｃでの燃料噴射について説明するための図である。 吸気行程中の各噴射時期に対する粒子数ＰＮ、トルク変動及びＣＯ濃度の関係をそれぞれ表したグラフである。 本発明の実施の形態において冷間時に用いられる噴射時期及びタンブル流の制御を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るエンジン水温に応じた噴射時期及びタンブル流の制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。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やステップ等は、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。

１．内燃機関のシステム構成例
図１は、実施の形態に係る内燃機関１０のシステム構成例を表した模式図である。図１に示す内燃機関１０は、火花点火式エンジンである。内燃機関１０の各気筒１２には、ピストン１４が設けられている。ピストン１４は気筒１２内を往復移動する。気筒１２内におけるピストン１４の頂部側には、燃焼室１６が形成されている。燃焼室１６には、吸気ポート１８及び排気ポート２０が連通している。

各気筒１２には、筒内燃料噴射弁（以下、「筒内噴射弁」と略する）２２が配置されている。筒内噴射弁２２は、燃焼室１６の上壁（すなわち、シリンダヘッド側の壁）１６ａにおける吸気側の周縁部に配置され、排気側のシリンダボア壁面１２ａに向けて燃料を噴射する。より詳細には、筒内噴射弁２２の噴射方向は、次のように設定されている。すなわち、筒内噴射弁２２の噴射方向（噴射中心軸の方向）は、図１に示すように、噴射燃料が排気側のシリンダボア壁面１２ａにおける点Ｐの近傍に向けて進むように設定されている。この点Ｐは、上死点と下死点との略中間的なピストン位置におけるピストン１４の頂面１４ａと排気側のシリンダボア壁面１２ａとの境界に相当する。

また、各気筒１２には、気筒１２内の混合気に点火するための点火装置（図示省略）の点火プラグ２４が設けられている。点火プラグ２４は、燃焼室１６の上壁１６ａの中央部に配置されている。

内燃機関１０は、さらにタンブル生成装置３０を備えている。タンブル生成装置３０は、吸気の流れによって燃焼室１６内に縦回転の渦（すなわち、タンブル流）を生成する。より具体的には、タンブル生成装置３０は、順タンブル流と逆タンブル流とを選択的に生成可能に構成されている。図１に示す例では、タンブル生成装置３０は、仕切り壁３２と気流制御弁３４とを含む。

仕切り壁３２は、図１に示すように、吸気ポート１８内の流路を、気筒軸線の上方側（シリンダヘッド側）の上方流路１８ａとその下方側（シリンダブロック側）の下方流路１８ｂとに区画するように形成されている。気流制御弁３４は、仕切り壁３２における吸気流れの上流側の端部に配置されており、上方流路１８ａを開閉する。気流制御弁３４は、タンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）とも呼ばれる。

図２（Ａ）及び２（Ｂ）は、図１に示すタンブル生成装置３０によるタンブル流の切り替えについて説明するための図である。順タンブル流を生成するときには、気流制御弁３４によって上方流路１８ａが開放される。吸気ポート１８は、常時開かれている下方流路１８ｂとともに上方流路１８ａが開かれている状態において、順タンブル流を生成可能に形成されている。このため、気流制御弁３４によって上方流路１８ａを開くことにより、図２（Ａ）に示すように、気筒１２内には、吸気側で上昇しかつ排気側で下降する順タンブル流（正タンブル流）が生成される。

一方、逆タンブル流を生成するときには、気流制御弁３４によって上方流路１８ａが閉鎖される。これにより、吸気は、下方流路１８ｂを通って流れた後に主に上壁１６ａの吸気側周縁部の側から気筒１２内に流入する。その結果、図２（Ｂ）に示すように、気筒１２内には、吸気側で下降しかつ排気側で上昇する逆タンブル流が生成される。

図１に示すシステムは、内燃機関１０を制御する「制御装置」としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０を備えている。ＥＣＵ４０は、プロセッサとメモリとを有する。メモリには、内燃機関１０の各制御に用いられるマップを含む各種のデータ及び各種の制御プログラムが記憶されている。ＥＣＵ４０は、内燃機関１０を制御するための各種センサからセンサ信号を取り込む。ここでいう各種センサは、クランク角センサ４２とエンジン水温センサ４４とを含む。プロセッサは、取り込まれたセンサ信号を用いつつメモリから制御プログラムを読み出して実行し、各種アクチュエータを操作するための操作信号を出力する。ここでいう各種アクチュエータは、上述の筒内噴射弁２２、点火装置及び気流制御弁３４を含む。これにより、ＥＣＵ４０による各種制御が実現される。

２．冷間時における吸気行程での燃料噴射に関する課題
図３（Ａ）〜３（Ｃ）は、それぞれ、比較例における吸気行程中の噴射時期Ａ〜Ｃでの燃料噴射について説明するための図である。図４（Ａ）〜４（Ｃ）は、吸気行程中の各噴射時期に対する粒子数ＰＮ、トルク変動及びＣＯ濃度の関係をそれぞれ表したグラフである。なお、比較例における筒内噴射弁の噴射方向は、図１に示す筒内噴射弁２２のそれと同じであるものとする。また、図３及び図４の各図に示す関係は、内燃機関の冷却水温度（エンジン水温）が所定の閾値未満の冷間時を対象として、同一のエンジン回転数及びエンジン負荷の下での関係を示している。

比較例における噴射時期Ａは、吸気行程の前期に位置している。この噴射時期Ａにおいて燃料噴射が行われると、図３（Ａ）に示すように、燃料噴霧がピストンに衝突し易くなる。その結果、ピストンへの燃料付着量が多くなる。この燃料付着量の増加は、図４（Ａ）に示すように粒子数ＰＮの増加に繋がる。その一方で、噴射時期Ａが用いられると、噴射後に燃料が拡散し易いため、混合気の均質性が良好となる（図４（Ｃ）に示すように排気中のＣＯ濃度が低減する）。その結果、燃焼変動が低く抑えられる（図４（Ｂ）に示すようにトルク変動が低く抑えられる）。

次に、噴射時期Ｂは、吸気行程の中盤（中央位置付近）に位置している。上述のように筒内噴射弁２２のものと同じ噴射方向を有する筒内噴射弁によれば、噴射時期Ｂが用いられると、図３（Ｂ）に示すように噴射燃料が点Ｐの近傍に集中的に向かうことになる。その結果、ピストンへの燃料付着量が少ないので図４（Ａ）に示すように粒子数ＰＮは少なくなるが、混合気の均質性が低下する（ＣＯ濃度が高くなる）。このため、燃焼変動（トルク変動）が増大してしまう。

次に、噴射時期Ｃは、吸気行程の後期に位置している。この噴射時期Ｃが用いられると、図３（Ｃ）に示すように、燃料噴霧が排気側のシリンダボア壁面に沿って下降し、ピストンに衝突し易くなる。その結果、ピストンへの燃料付着量が多くなり、粒子数ＰＮが増加する。その一方で、気筒内空間が広い状態で燃料噴射が行われるので、噴流によって順タンブル流が強化され、燃料が拡散し易くなる。その結果、混合気の均質性が良好となり（ＣＯ濃度が低減し）、燃焼変動（トルク変動）が低く抑えられる。

３．実施の形態に係る内燃機関の温度条件に応じた噴射時期及びタンブル流の制御
３−１．制御の概要
（冷間時）
図５は、実施の形態において冷間時に用いられる噴射時期及びタンブル流の制御を説明するための図である。

粒子数ＰＮは、温間時と比べて冷間時に多くなる。このため、冷間時に上述の比較例における噴射時期Ａ又はＣが用いられると、粒子数ＰＮの低減を図ることは難しい。その一方で、図３及び４を参照して説明したように、噴射時期Ｂのように点Ｐ（図３（Ｂ）参照）に向かう時期で燃料を噴射した場合には、粒子数ＰＮを減少させられるが燃焼変動が増大するという課題がある。

これらの点に鑑み、本実施形態では、冷間時には、図５に示すように、逆タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置３０が制御される（気流制御弁３４によって上方流路１８ａが閉鎖される）。そして、冷間時には、「特定時期」に燃料を噴射するように筒内噴射弁２２が制御される。この特定時期とは、噴射時期Ｂ（図３（Ｂ））と同様に、吸気行程において噴射燃料がピストン１４の頂面１４ａと排気側のシリンダボア壁面１２ａとの境界（点Ｐ）近傍に向かう噴射時期のことをいう。

このような冷間時の制御によれば、図５に示すように、逆タンブル流を利用して燃料噴霧の拡散を促進できる。より詳細には、噴射燃料が衝突する点Ｐ付近の頂面１４ａ及びシリンダボア壁面１２ａの部位に対して空間的に余裕のある方向に進むタンブル流（点Ｐ付近で上方に向かう逆タンブル流）を生成することによって燃料噴霧の拡散を促進できる。これにより、図４（Ｃ）中に星印で示すようにＣＯ濃度を低減できる（均質性を改善できる）。その結果、図４（Ｂ）中に星印で示すように、トルク変動（燃焼変動）を改善できる。さらに、逆タンブル流の利用により、ピストン１４への燃料付着量をより効果的に減少できるので、図４（Ａ）中に星印で示すように、粒子数ＰＮをより少なくすることができる。

（温間時）
一方、本実施形態では、エンジン水温が上記閾値以上となる温間時には、図示は省略されるが、順タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置が制御される（気流制御弁３４によって上方流路１８ａが開放される）。そして、温間時には、吸気行程において上記の「特定時期」よりも後の時期（例えば、図３（Ｃ）に示す噴射時期Ｃ）に燃料を噴射するように筒内噴射弁２２が制御される。

まず、温間時であれば、噴射時期Ｃ等の特定時期よりも後の噴射時期が用いられても、冷間時と比べて粒子数ＰＮを少なく抑えることができる。そして、噴射時期Ｃのような特定時期よりも後の時期（吸気行程の後期）では、図４（Ｂ）及び４（Ｃ）を参照して既に説明したように、混合気の均質性が高まり、燃焼変動（トルク変動）が効果的に低く抑制される。そのうえで、このような後期においてタンブル生成装置３０によって順タンブル流を積極的に生成させることによって、次のような効果が得られる。

広い気筒内空間において噴流による順タンブル流の強化に加えて順タンブル流をより強化させることができる。その結果、図４（Ｃ）中に星印（温間時）で示すように混合気の拡散効果がより高まる。より詳細には、噴射燃料が衝突する排気側のシリンダボア壁面１２ａの部位に対して空間的に余裕のある方向に進むタンブル流（排気側のシリンダボア壁面１２ａ付近で下降する順タンブル流）を生成することによって燃料噴霧の拡散をより効果的に促進できる。これにより、図４（Ｂ）中に星印（温間時）で示すように燃焼変動（トルク変動）の低減効果をより高めることができる。付け加えると、本実施形態とは異なり、このような後期の利用時に逆タンブル流が生成されると、噴流による順タンブル流の強化を阻害し、燃焼が遅くなり、燃焼変動が増加してしまう。

３−２．ＥＣＵによる処理
図６は、実施の形態に係るエンジン水温に応じた噴射時期及びタンブル流の制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。図６に示すルーチンは、内燃機関１０の運転中に繰り返し実行される。

図６に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、まず、ステップＳ１００においてエンジン水温が所定の閾値未満であるか否かを判定する。この閾値は、内燃機関１０が冷間状態（未暖機状態）にあるか温間状態（暖機完了状態）にあるかを判断するための値である。

ＥＣＵ４０は、ステップＳ１００において冷間時であると判定した場合には、ステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、ＥＣＵ４０は、逆タンブル流生成のために、気流制御弁３４を閉じる（上方流路１８ａを閉鎖する）。次いで、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、ＥＣＵ４０は、冷間時用の噴射時期（図５に示す点Ｐに向けて燃料を噴射するための上述の特定時期）を算出する。より詳細には、ＥＣＵ４０のメモリには、気流制御弁閉時用の噴射時期マップが記憶されている。この噴射時期マップには、エンジン負荷及びエンジン回転数に応じた冷間時用の噴射時期（特定時期）が設定されている。本ステップＳ１０４では、ＥＣＵ４０は、このような噴射時期マップを参照することにより、冷間時用の噴射時期を算出する。

ステップＳ１０４の処理の後に、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０４にて算出した噴射時期で各気筒１２の燃料噴射を実行する。

一方、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１００において温間時であると判定した場合には、ステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、ＥＣＵ４０は、順タンブル流生成のために、気流制御弁３４を開く（上方流路１８ａを開放する）。次いで、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、ＥＣＵ４０は、温間時用の噴射時期（特定時期よりも後の吸気行程後期の所定時期）を算出する。より詳細には、ＥＣＵ４０のメモリには、気流制御弁開時用の噴射時期マップが記憶されている。この噴射時期マップには、エンジン負荷及びエンジン回転数に応じた温間時用の噴射時期が設定されている。本ステップＳ１１０では、ＥＣＵ４０は、このような噴射時期マップを参照することにより、温間時用の噴射時期を算出する。

ステップＳ１１０の処理の後に、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１０６に進み、ステップＳ１１０にて算出した噴射時期で各気筒１２の燃料噴射を実行する。

４．効果
以上説明したように、本実施形態によれば、冷間時には、逆タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置３０が制御され、吸気行程において噴射燃料がピストン１４の頂面１４ａと排気側のシリンダボア壁面１２ａとの境界（点Ｐ）近傍に向かう特定時期に燃料を噴射するように筒内噴射弁２２が制御される。これにより、冷間時において、粒子数ＰＮの低減と燃焼変動の抑制とを好適に両立可能な燃料噴射時期及びタンブル流の制御を実現できる。また、温間時には、順タンブル流が生成されるようにタンブル生成装置３０が制御されるとともに吸気行程において特定時期よりも後の時期に燃料を噴射するように筒内噴射弁２２が制御される。これにより、温間時において、燃焼変動を好適に抑制可能な燃料噴射時期及びタンブル流の制御を実現できる。

以上のように、本実施形態によれば、内燃機関の温度条件（冷間又は温間）を考慮しつつタンブル流と燃料噴射時期とを適切に制御できるようになる。

５．タンブル生成装置の他の例
本発明に係る「タンブル生成装置」は、順タンブル流と逆タンブル流とを選択的に生成可能なものであれば、上述の仕切り壁３２と気流制御弁３４とを備えるタンブル生成装置３０の例に限られない。すなわち、以下に説明される構成を有するタンブル生成装置が用いられてもよい。

具体的には、タンブル生成装置は、特開２００４−１８３５６７号公報に開示されるように、吸気ポートの内周壁部の上側壁及び下側壁にそれぞれ設けられた第１及び第２フラップを備え、正タンブル流（順タンブル流）を生成するときには第２フラップを閉じかつ第１フラップを開き、逆タンブル流を生成するときには第１フラップを閉じかつ第２フラップを開くように構成されてもよい。

また、タンブル生成装置は、特開平６−２１２９８２号公報に開示されるように、吸気ポートの吸気弁近傍に配置されて翼形の弁部を有する吸気制御弁を備え、この吸気制御弁の回転角度に応じて順タンブル流と逆タンブル流とを選択的に生成可能に構成されてもよい。

また、タンブル生成装置は、特開平１０−２１２９６５号公報に開示されるように、順タンブル流を生成可能に形成された吸気ポートと、吸気弁近傍の吸気ポートの上壁に配置されて円柱状の弁体を有するロータリーバルブ（タンブルコントロールバルブ）とを備え、ロータリーバルブを回転させて吸気ポートの上壁側の流路を塞ぐことにより逆タンブル流を生成し、ロータリーバルブを回転させて上記流路を開放することにより順タンブル流を生成するように構成されてもよい。

また、タンブル生成装置は、特開平９−２４２５５０号公報に開示されるように、同一気筒用の２つの吸気ポートをそれぞれ順タンブルポートと逆タンブルポートとして備え、逆タンブルポートを閉じたときに順タンブル流を生成し、順タンブルポートを閉じたときに逆タンブル流を生成するように構成されてもよい。

また、タンブル生成装置は、特開平１０−２０５３３８号公報又は特開平１１−０６２５９７号公報に開示されるように、吸気弁近傍の吸気ポートの上壁に接続される副通路と、副通路に分流する吸気の流量を調整するコントロールバルブとを備え、コントロールバルブを閉じたときに逆タンブル流を生成し、コントロールバルブを開いたときに順タンブル流を生成するように構成されてもよい。

さらに、タンブル生成装置は、特開平１１−２７０３４２号公報に開示されるように、吸気弁近傍の吸気ポートの上壁に設けられた気流制御弁を備え、吸気流と略平行な開き位置に気流制御弁を制御することにより順タンブル流を生成し、吸気ポートの上壁側の流路を塞ぐ閉じ位置に気流制御弁を制御することにより逆タンブル流を生成するように構成されてもよい。

１０ 内燃機関
１２ 気筒
１２ａ 排気側のシリンダボア壁面
１４ ピストン
１４ａ ピストンの頂面
１６ 燃焼室
１６ａ 燃焼室の上壁
１８ 吸気ポート
１８ａ 吸気ポートの上方流路
１８ｂ 吸気ポートの下方流路
２２ 筒内噴射弁
３０ タンブル生成装置
３２ 仕切り壁
３４ 気流制御弁
４０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (1)

1. 気筒内に配置され、前記気筒内を往復移動するピストンと、
   前記気筒の吸気側で上昇しかつ前記気筒の排気側で下降する順タンブル流と、前記吸気側で下降しかつ前記排気側で上昇する逆タンブル流とを選択的に生成可能なタンブル生成装置と、
   前記気筒の燃焼室の上壁における前記吸気側の周縁部に配置され、前記排気側のシリンダボア壁面に向けて燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、
   を備える内燃機関に搭載された制御装置であって、
   前記制御装置は、
   前記内燃機関の冷却水温度が閾値未満の冷間時には、前記逆タンブル流が生成されるように前記タンブル生成装置を制御し、かつ、吸気行程において噴射燃料が前記ピストンの頂面と前記排気側の前記シリンダボア壁面との境界近傍に向かう特定時期に燃料を噴射するように前記筒内燃料噴射弁を制御し、
   前記冷却水温度が前記閾値以上の温間時には、前記順タンブル流が生成されるように前記タンブル生成装置を制御し、かつ、前記吸気行程において前記特定時期よりも後の時期に燃料を噴射するように前記筒内燃料噴射弁を制御する
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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