JP4045743B2

JP4045743B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4045743B2
Application number: JP2001006269A
Authority: JP
Inventors: 真一村田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2021-01-15
Also published as: JP2002213245A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スロットルバルブ下流の吸気ポートに空気流動を制御するポートバルブが設けられた内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な自動車用の内燃機関にて、シリンダヘッドの両側に燃焼室に連通する吸気ポート及び排気ポートが設けられ、この燃焼室と吸気ポート及び排気ポートとの連通部にそれぞれ吸気弁及び排気弁が設けられている。そして、シリンダヘッドの上部には互いに平行をなす吸気用カムシャフト及び排気用カムシャフトが配設され、各気筒毎に所定のリフト量をもつ吸気カム及び排気カムが一体に形成されており、この吸気カム及び排気カムにより吸気弁及び排気弁が上下動することで、吸気ポート及び排気ポートが燃焼室に対して開閉されるようになっている。また、吸気ポートにはアクセルペダルの踏み込み量に応じて開閉することで、吸入空気量を制御するスロットルバルブが設けられると共に、この吸入空気量に応じた所定量燃料を噴射するインジェクタが設けられている。
【０００３】
従って、スロットルバルブの開放動作により所定量の空気が吸気ポートに供給されると共に、インジェクタから所定量の燃料が吸気ポートに噴射され、吸気弁の開放時に空気と燃料との混合気が燃焼室に流入する。そして、クランクシャフトの駆動によってピストンが上下動して燃焼室内の混合気が圧縮され、点火プラグにより点火されることで、圧縮された混合気の爆発、膨張が行われてエンジンが作動する。そして、混合気の燃焼によって発生した排気ガスは排気弁の開放時に排気ポートに排出される。
【０００４】
このような内燃機関では、インジェクタから噴射される燃料の微粒化により排出されるＨＣを低減できることが知られており、吸気弁の上流の吸気ポートに燃料を噴射する場合は、吸気ポートの壁面への付着を防止するために吸気弁の傘裏を狙って燃料を噴射するようにしている。ところが、冷態時には吸気ポートや吸気弁が十分に温まっておらず、噴射燃料が吸気ポートの壁面や吸気弁の傘裏に付着し、液状あるいは大きな粒状となって燃焼室に流入し、燃焼が不安定となってしまうという問題がある。このような問題を解決するものとして、例えば、特開平９−１１２２８３号公報に記載されたものがある。この公報に記載された「エンジン用吸気制御弁の開閉制御方法」は、吸気系におけるインジェクタの下流部分に分割された吸気通路の一方を開閉するタンブル制御弁を設け、エンジンの始動時にはこのタンブル制御弁を閉じることで、ガス流動を発生させて燃焼性を向上させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の「エンジン用吸気制御弁の開閉制御方法」では、エンジンの始動時にはタンブル制御弁を閉じ、エンジンの始動後に設定時間が経過したらタンブル制御弁を開けるようにしている。ここで、設定時間とは、エンジンの始動からエンジン温度が十分に上昇し、且つ、燃焼効率を向上させるためのガス流動の発生が不要となるまでの間となっており、言い換えれば、エンジンの冷態始動中はタンブル制御弁が閉止状態で、温態となってから開放するということである。
【０００６】
エンジンの冷態始動時には、排気行程から吸気行程に移行するときに、排気行程後期と吸気行程初期をオーバーラップさせることで、吸気管内に排気を取り込み、壁面を温めて混合気の気化を促して燃焼を促進させ、更には排気行程の後期に多量に排出されるＨＣを再吸入させるようにしている。ところが、冷態始動時に吸気ポートがタンブル制御弁で閉止されていると、吸気ポート側の負圧領域が限定され、吸気室内に排気を十分に取り込むことができず、燃焼促進効果や未燃ＨＣの再燃焼効果を得ることができない。また、冷態始動直後はタンブル制御弁の上流は大気圧であってガス流動が発生するが、数行程後には負圧となって大きなガス流動は発生せず、微粒化促進効果を十分に得ることができない。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するものであって、冷態始動時における燃料の微粒化により気化を促進することでＨＣの排出抑制を可能とした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明の内燃機関の制御装置では、スロットルバルブ下流の吸気ポートに空気流動を制御するポートバルブを設け、ポートバルブ制御手段が、始動時に所定行程の間継続してこのポートバルブを閉じると共に、前記所定行程経過後、冷態期間中にポートバルブを所定期間継続して開放させるようにしている。
【０００９】
従って、始動時にポートバルブを閉じることで、吸気流動が発生して燃料の微粒化による気化が促進されることとなり、特に始動直後はスロットルバルブの下流が大気圧に近いためにポートバルブを挟んで差圧が大きくなり、筒内への空気流動による燃料の微粒化の効果が大きくなる。しかし、数行程後にはスロットルバルブの下流が負圧となって大きなガス流動が発生しない。そこで、この冷態期間中にポートバルブを所定期間開放させることで、燃焼ガスが負圧となった吸気ポート側へ逆流し、燃料の微粒化が行われると共に、吸気ポートが温められて燃料の気化が促進される。このような燃料の微粒化等により気化が促進されるため、燃焼効率が向上して未燃ＨＣの排出を大幅に抑制できる。
【００１０】
なお、冷態期間中にポートバルブを開放させる所定期間としては、始動時の燃料増量等で内燃機関が吹き上がる期間とすることが好ましい。この場合、ポートバルブを開放しても、内燃機関の回転数がアイドル回転数以上に高まっているため、内部ＥＧＲ量が増加しても失火等には至らず、圧縮温度が高くなるので燃料の完全燃焼が進みやすく、ＨＣの排出抑制が可能となる。また、燃料増量により排気行程後半に多く排出される未燃ＨＣも増えるが、これを吸気ポート側へより多く逆流することで次行程で燃焼することとなり、更にＨＣの排出を抑制できる。また、ポンプ損失も低減するため、投入する燃料量も少なくできる。
【００１１】
請求項２の発明の内燃機関の制御装置では、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開弁時期を変更してオーバーラップ量を変更可能なバルブタイミング可変機構を設け、オーバーラップ量制御手段が、冷態期間中におけるポートバルブの開放動作に伴ってオーバーラップ量を増大させるようにしている。
【００１２】
また、請求項３の発明の内燃機関の制御装置では、吸気弁の開弁時期を変更可能なバルブタイミング可変機構を設け、バルブタイミング制御手段が、冷態期間中におけるポートバルブの開放動作に伴って吸気弁の開弁時期を吸気行程から排気行程に変更させるようにしている。
【００１３】
従って、ポートバルブの開放動作に伴ってオーバーラップ量を増大させたり、吸気弁の開弁時期を吸気行程から排気行程に変更させることで、内部ＥＧＲ量を増加させて燃料の微粒化が行われると共に、吸気ポートが温められて燃料の気化が促進される。特に排気行程後半に多く排出される未燃ＨＣをより多く吸気ポートへ逆流し、次行程で燃焼してＨＣの排出を抑制できる。なお、ポートバルブの開放時期、つまり、オーバーラップ量の増大期間は、始動時の燃料増量等による吹き上がり期間とすることが好ましい。この場合、内燃機関の回転数がアイドル回転数以上であるため、オーバーラップ量を増大させても燃焼悪化による失火が起こりにくい。また、この制御を行うためにアイドルアップを意識的に行うようにしてもよい。更に、冷態期間中に再びポートバルブを閉じて吸気流動を増大させてリーン運転を可能にすることで、未燃ＨＣの低減が更に可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１に本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を表す概略構成、図２に及び図３に始動時における各弁の開閉状態及び空気流動を表す概略、図４及び図５に始動時における各弁の開閉状態を表すタイムチャートを示す。
【００１６】
本実施形態の内燃機関の制御装置において、図１に示すように、シリンダブロック１１上にはシリンダヘッド１２がボルト締結されており、このシリンダブロック１１内のシリンダ１３内にはピストン１４が上下動自在に嵌合している。シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２、ピストン１４によって燃焼室１５が構成され、この燃焼室１５には吸気ポート１６及び排気ポート１７が接続され、この吸気ポート１６及び排気ポート１７には吸気弁１８と排気弁１９の先端部が臨み、燃焼室１５と各ポート１６，１７との開閉を行うことができるようになっている。また、シリンダブロック１１の下部には図示しないクランクシャフトが回転自在に配設されており、このクランクシャフトの偏心部とピストン１４とがコンロッド２０により連結されている。
【００１７】
このシリンダヘッド１２の上部には吸気用カムシャフト２１と排気用カムシャフト２２とが回転自在に支持され、それぞれ各気筒ごとに所定のリフト量をもつ吸気カム２３と排気カム２４が一体に形成されている。シリンダヘッド１２にはロッカアーム２５，２６が回動自在に装着され、各ロッカアーム２５，２６は吸気カム２３と排気カム２４によって駆動し、バルブスプリング（図示略）により上方に付勢された吸気弁１８及び排気弁１９を押し下げて燃焼室１５と吸気ポート１６及び排気ポート１７とを連通可能となっている。更に、シリンダヘッド１２の吸気側には吸気ポート１６内に燃料を噴射するインジェクタ２７が装着されると共に、先端部が燃焼室１５内に臨む点火プラグ２８が装着されている。
【００１８】
また、エアクリーナ２９には吸気管３０を介してサージタンク３１が接続されており、この吸気管３０には運転状態に応じて開度を変更して燃焼室内に流入する空気量を調整するスロットルバルブ３２が取付けられている。そして、このサージタンク３１は吸気マニホールド３３を介して吸気ポート１６に接続されている。なお、３４はバイパス通路、３５はアイドルバルブである。一方、排気ポート１７には図示しない排気マニホールドを介して排気管が接続されている。
【００１９】
そして、本実施形態では、スロットルバルブ３２の下流側であってインジェクタ２７の上流側の吸気ポート１６に、この吸気ポート１６内を流れる吸気の空気流動を制御するポートバルブ４１が設けられており、ポートバルブ制御手段としての制御装置４２により、エンジン始動時にこのポートバルブ４１を閉じて吸気流路を絞ると共に、冷態期間中に所定期間だけ開放させるように制御可能となっている。
【００２０】
また、吸気弁１８と排気弁１９の少なくとも一方の開弁時期を変更するバルブタイミング可変機構４３が設けられており、制御装置４２がこのバルブタイミング可変機構４３を制御することで、各弁１８，１９の開弁時期のオーバーラップ量を変更可能となっている。そして、制御装置４２は、冷態期間中におけるポートバルブ４１の開放動作に伴って、例えば、吸気弁１８の開弁時期を吸気行程から排気行程に変更（バルブタイミング制御手段）させることで、このオーバーラップ量を増大（オーバーラップ量制御手段）させることができる。
【００２１】
このバルブタイミング可変機構４３は、タイミングプーリに一体回転可能なハウジングを装着する一方、カムシャフト２１，２２の端部に一体回転可能なベーン部材を装着してハウジング内に収容し、このハウジングとベーン部材との間に進角用油室及び遅角用油室を形成し、制御装置４２が油圧制御弁を制御してこの進角用油室と遅角用油室の一方の油室に作動油を供給すると同時に他方の油室から作動油を排出することで、タイミングプーリとカムシャフトとの相対位置を変更してバルブ開閉タイミング及び開放時間を調整できるものである。バルブタイミング可変機構としては、その他にテンショナ式、ヘリカルスプライン式などがある。
【００２２】
ここで、上述した本実施形態の内燃機関の制御装置の動作を図２乃至図５を用いて説明する。
【００２３】
エンジンの始動時、ドライバがイグニッションキースイッチをオンとすると、クランクシャフトの駆動によりピストン１４が図１に示す上死点（ＴＤＣ）から下降を開始して燃焼室１５内が負圧となり、図２及び図４に示すように、バルブタイミング可変機構４３がカムシャフト２１を遅角させて吸気弁１８を開弁すると共にインジェクタ２７は燃料を噴射する。このとき、吸気弁１８より上流の吸気ポート１６は大気圧であるが、ポートバルブ４１が閉じて流路が絞られているために、ポートバルブ４１の下流側が負圧状態となる。すると、吸気ポート１６の上流側の空気がポートバルブ４１の絞りにより高い流速をもって燃焼室１５側に流れ込み、ここで吸気流動が発生して噴射された燃料の飛散、微粒化、拡散による気化が促進されることとなる。特に、エンジンの始動直後はスロットルバルブ３２の下流が大気圧に近いためにポートバルブ４１を挟んで差圧が大きくなり、燃焼室１５内への空気流動による燃料の微粒化の効果が大きくなる。
【００２４】
しかし、エンジンを始動してから数行程後には、スロットルバルブ３２の下流が負圧となり、吸気ポート１６から燃焼室１５へ大きな空気流動が発生しなくなり、燃料の気化や微粒化が十分に進んでいない状態では、燃焼促進効果が得られにくくなる。そこで、エンジンが始動して数行程後、図３及び図５に示すように、冷態始動期間中にポートバルブ４１を所定期間だけ開放させると共に、バルブタイミング可変機構４３がカムシャフト２１を進角（吸気行程から排気行程に変更）させて吸気弁１８を開弁してオーバーラップ量を増大させる。すると、大気圧に近い排気ポート１７の排気が燃焼室１５を通してポートバルブ４１の開放により負圧となった吸気ポート１６側へ逆流し、吸気ポート１６の壁面や吸気弁１８の傘裏に付着した燃料はこの燃焼ガスの逆流により微粒化が行われると共に、吸気ポート１６が温められて燃料の気化が促進される。このような燃料の微粒化等により気化が促進されるために燃料が完全燃焼し易くなり、未燃ＨＣの排出を大幅に抑制できる。また、ポートバルブ４１の開放により吸入抵抗が小さくなり、ポンプ損失が低減されるので、必要燃料量も少なくなって未燃ＨＣ量も少なくなる。
【００２５】
なお、エンジンの冷態始動期間中にポートバルブ４１を開放させる所定期間、つまり、オーバーラップ量の増大期間としては、始動時の燃料増量等でエンジンが吹き上がる期間とすることが好ましい。この場合、ポートバルブ４１を開放しても、エンジン回転数がアイドル回転数以上に高まっているため、内部ＥＧＲ量が増加しても失火等には至らず、内部ＥＧＲの熱により圧縮温度も高くなるので燃料の完全燃焼が進みやすく、ＨＣの排出抑制が可能となる。また、燃料増量により排気行程後半に多く排出される未燃ＨＣも増えるが、これを吸気ポート１６側へより多く逆流することで次行程で燃焼することとなり、更にＨＣの排出を抑制できる。また、このような制御を行うためにアイドルアップを意識的に行うようにしてもよい。
【００２６】
そして、冷態始動期間中にエンジンが吹き上がり、その後、アイドル回転に保持されると、ポートバルブ４１が開放されてから所定期間経過するため、図２に示すように、再びポートバルブ４１を閉じ、吸気流動を増大させてリーン運転を可能にすることで、未燃ＨＣの低減が可能となる。
【００２７】
なお、上述した実施形態において、吸気ポート１６にポートバルブ４１を設け、このポートバルブ４１を閉じることで吸気ポート１６の流路を絞って空気流動を発生させるようにしたが、吸気ポート１６を分割して一方に開閉可能なポートバルブを設けてもよい。また、バルブタイミング可変機構４３が吸気側カムシャフト２１を進角させることで吸気弁１８の開弁時期を変更し、オーバーラップ量を増大させるようにしたが、排気側カムシャフト２２を遅角させることで排気弁１９を開弁時期を変更し、オーバーラップ量を増大させるようにしてもよい。更に、ＳＯＨＣエンジンにおいて、吸排気カムを同時に進角させ、排気行程期間中のオーバーラップ期間を拡大するようにしてもよい。また。筒内に直接燃料を噴射する筒内噴射型エンジンに適用してもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明の内燃機関の制御装置によれば、スロットルバルブ下流の吸気ポートに空気流動を制御するポートバルブを設け、ポートバルブ制御手段が、始動時に所定行程の間継続してこのポートバルブを閉じると共に、前記所定行程経過後、冷態期間中にポートバルブを所定期間継続して開放させるようにしたので、始動時にポートバルブを閉じることで、吸気流動が発生して燃料の微粒化による気化が促進されると共に、この冷態期間中にポートバルブを所定期間開放させることで、燃焼ガスが負圧となった吸気ポート側へ逆流し、燃料の微粒化が行われると共に、吸気ポートが温められて燃料の気化が促進され、燃料が完全燃焼しやすくなって未燃ＨＣの排出を大幅に抑制することができる。
【００２９】
また、請求項２の発明の内燃機関の制御装置によれば、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開弁時期を変更してオーバーラップ量を変更可能なバルブタイミング可変機構を設け、オーバーラップ量制御手段が、冷態期間中におけるポートバルブの開放動作に伴ってオーバーラップ量を増大させるようにしたので、内部ＥＧＲ量を増加させて燃料の微粒化が行われると共に、吸気ポートが温められて燃料の気化が促進され、特に排気行程後半に多く排出される未燃ＨＣをより多く吸気ポートへ逆流し、次行程で燃焼してＨＣの排出を抑制することができる。
【００３０】
また、請求項３の発明の内燃機関の制御装置によれば、吸気弁の開弁時期を変更可能なバルブタイミング可変機構を設け、バルブタイミング制御手段が、冷態期間中におけるポートバルブの開放動作に伴って吸気弁の開弁時期を吸気行程から排気行程に変更させるようにしたので、内部ＥＧＲ量を増加させて燃料の微粒化が行われると共に、吸気ポートが温められて燃料の気化が促進される。特に排気行程後半に多く排出される未燃ＨＣをより多く吸気ポートへ逆流し、次行程で燃焼してＨＣの排出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置を表す概略構成図である。
【図２】始動時における各弁の開閉状態及び空気流動を表す概略図である。
【図３】始動時における各弁の開閉状態及び空気流動を表す概略図である。
【図４】始動時における各弁の開閉状態を表すタイムチャートである。
【図５】始動時における各弁の開閉状態を表すタイムチャートである。
【符号の説明】
１４ピストン
１５燃焼室
１６吸気ポート
１７排気ポート
１８吸気弁
１９排気弁
１７インジェクタ
３２スロットルバルブ
４１ポートバルブ
４２制御装置（ポートバルブ制御手段、オーバーラップ量制御手段、バルブタイミング制御手段）
４３バルブタイミング可変機構

Claims

スロットルバルブ下流の吸気ポートに空気流動を制御するポートバルブを有する内燃機関の制御装置において、始動時に所定行程の間継続して前記ポートバルブを閉じると共に、前記所定行程経過後、冷態期間中に該ポートバルブを所定期間継続して開放させるポートバルブ制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１記載の内燃機関の制御装置において、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開弁時期を変更してオーバーラップ量を変更可能なバルブタイミング可変機構と、前記冷態期間中における前記ポートバルブの開放動作に伴って前記オーバーラップ量を増大させるオーバーラップ量制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
請求項１記載の内燃機関の制御装置において、吸気弁の開弁時期を変更可能なバルブタイミング可変機構と、前記冷態期間中における前記ポートバルブの開放動作に伴って前記吸気弁の開弁時期を吸気行程から排気行程に変更させるバルブタイミング制御手段を設けたことを特徴とする内燃機関の制御装置。