JP4075614B2 - 筒内噴射式内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内噴射式内燃機関の制御に関し、特に、吸気弁開時期の可変制御と、それに関連した燃料噴射制御に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ガソリン機関などの火花点火機関において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する筒内噴射式内燃機関が主流となりつつあり、燃費低減及び排気浄化性能を改善できる。
【0003】
この種の筒内噴射式内燃機関において、暖機前の均質燃焼時に吸気弁の開時期を排気弁の閉時期より遅らせる一方、吸気弁の開時期前に燃料噴射を開始させることにより、筒内負圧が高い状態で噴射燃料の気化促進を図ろうとしたものがある(特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−107758号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように吸気弁の開時期を遅らせると、負圧のピークは開弁時期を遅らせない場合(通常の開時期)以上に発達するものの、閉弁中はスロットルバルブ下流で発達した吸入負圧が気筒内に伝わらなくなるので、通常開弁時期直後に相当する時期、閉弁を維持した場合の筒内負圧は開弁した場合に比較して小さなものとなり、吸気弁の開弁時期を遅らせた場合と遅らせなかった場合との間で負圧の大きさが逆転する逆転ポイントが生じる(始めは開弁した場合の方が負圧が大きく、途中から閉弁を継続した場合の負圧が開弁した場合に比べて大きく発達する)。
【0006】
従来このような負圧の逆転ポイントを過ぎた後に燃料噴射を行うことを考慮していなかったため、気化促効果を得られないばかりでなく燃料が気筒内で壁流となる場合があり、むしろ気化を悪くして、排気エミッションや出力に悪影響を与えることがあった。
【0007】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、前記吸気弁の開弁時期を遅らせた場合と遅らせなかった場合との間で負圧の大きさが逆転する逆転ポイントが生じることを考慮して燃料噴射を開始することにより、充分に噴射燃料の気化を促進できるようにすることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関において、所定の運転条件で吸気弁の開時期を上死点近傍の通常の開時期より遅らせ、前記通常の開時期に制御した場合に比較して吸気弁が開弁するまでに筒内圧力の大きさが逆転するように制御し、前記筒内圧力の大きさが逆転する時期を機関の負荷に基づいて推定して、該筒内圧力の大きさが逆転する時期以降に、燃料噴射を開始し、該燃料噴射の終了後に吸気弁を開くように制御する構成とした。
【0009】
これにより、吸気弁開時期を遅らせて制御することにより通常開時期より筒内負圧を大きくできる効果が得られてから燃料噴射が開始されるので、該負圧を利用した噴射燃料の気化促進効果を充分に得ることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態の全体構成を示すシステム図である。
内燃機関1の吸気通路2には、吸入空気量を検出するエアフローメータ3が設けられ、スロットル弁4により吸入空気量を調節する。
【0011】
機関1の各気筒には、燃焼室6内に燃料を噴射する燃料噴射弁7、燃焼室6内で火花点火を行う点火プラグ8が設けられており、吸気弁9を介して吸入された空気に対して前記燃料噴射弁7から燃料を噴射して混合気を形成し、該混合気を前記燃焼室6内で圧縮し、点火プラグ8による火花点火によって着火する。
【0012】
内燃機関1の排気は、排気弁10を介して燃焼室6から排気通路11に排出され、図示しない排気浄化触媒及びマフラーを介して大気中に放出される。
前記吸気弁9及び排気弁10は、それぞれ吸気弁側カム軸12及び排気弁側カム軸13に設けられたカムにより開閉駆動される。
【0013】
吸気弁側カム軸12、排気弁側カム軸13には、クランク軸に対するカム軸の回転位相を変化させることで、吸、排気弁の開閉時期を進遅角すると共にバルブリフトを高リフトと低リフトとの間で切り換える油圧駆動式の可変バルブタイミング・可変バルブリフト機構(以下、VTC・VVL機構という)14がそれぞれ設けられている。なお、VTC・VVL機構としては、上記油圧駆動式の他、例えば、電磁アクチュエータを用いて吸、排気弁の開閉時期を進遅角すると共にバルブリフトを変更するものでもよい。
【0014】
ここで、前記スロットル弁4、燃料噴射弁7及び点火プラグ8の作動は、前記内燃機関制御回路(ECU)21により制御され、該ECU21には、クランク角センサ15、カム軸センサ16A,16B、水温センサ17、エアフローメータ3等からの信号が入力される。
【0015】
また、ECU21は、クランク角センサ15及び吸気側、排気側それぞれのカム軸センサ16A,16Bからの検出信号に基づいて、クランク軸に対する吸気カム軸12の回転位相(VTC位相とバルブリフト)、クランク軸に対する排気カム軸13の回転位相(VTC位相とバルブリフト)をそれぞれ検出することで吸気弁9及び排気弁10の開閉時期とリフト量を検出すると共に、機関の負荷(燃料噴射量)、回転速度Ne、冷却水温度Tw等の情報に基づいて吸気側カム軸12及び排気側カム軸13の目標位相角(進角値又は遅角値)とリフト量を決定して、吸気弁9及び排気弁10の開閉時期とリフト量を制御する。特に、本発明にかかる制御として、暖機前の均質燃焼時には、吸気弁9の開時期を通常の上死点近傍の開時期より遅らせて排気弁10の閉弁後に制御する一方、通常の開時期とした場合に比較して筒内圧力が逆転する時期以降に燃料噴射を開始する制御を行う。
【0016】
以下に、上記燃料噴射制御の具体的な実施形態をフローチャートに基づいて説明する。
図2は、第1の実施形態のフローチャートを示す。
【0017】
ステップ(図ではSと記す。以下同様)1では、機関の負荷(燃料噴射量CTI)と回転速度NEとに基づいて、均質燃焼を行う領域であるか否かを判定する。ステップ1で均質燃焼領域と判定されたときは、ステップ2へ進む。
【0018】
ステップ2では、機関の冷却水温度TWNが所定温度TWL以下の暖機前であり、機関回転速度NEが所定値NEL以下で燃料噴射量CTIが所定値CTIL以下の低回転・低負荷時であるかを判定し、低回転・低負荷時と判定されたときは、吸気弁9の開時期IVOを、通常の上死点近傍の開時期より遅らせた開時期に制御することを決定し、ステップ3以降へ進む。
【0019】
ステップ3では、現在の運転状態で、上記のように吸気弁の開時期を上死点近傍の通常の開時期より遅らせた制御時に、前記通常の上死点近傍の開時期に制御した場合に比較して筒内圧力の大きさが逆転するポイント(クランク角時期)を負荷(燃料噴射量CTI)に基づいて推定する。ここで、負荷が小さくなるほどスロットル弁4を絞るので吸入負圧が大きく発達しているから、吸気弁9が通常の開時期制御で開かれている場合は、筒内圧力は開弁直後から大きな負圧となっている。一方、吸気弁9の開時期を遅らせ閉じた状態に維持されている場合は、前記吸入負圧の導入がなく、筒内負圧はピストン下降によってのみ発達する(排気弁10は上死点近傍で閉弁している)から、吸気弁9が開かれる通常の開時期に制御される場合の筒内負圧より大きくなる逆転ポイントは、それだけ遅れることになる。
【0020】
ステップ4では、前記推定された筒内圧力の逆転ポイント以降(直後)のタイミングで、燃料噴射を開始する。具体的には、上記筒内圧力の逆転ポイントを実験等により求めて、燃料噴射量をパラメータとする逆転ポイント若しくは逆転ポイント直後の燃料噴射開始時期のマップを作成し、該マップからの検索などによって設定した燃料噴射開始時期に燃料噴射を開始させればよい。
【0021】
ステップ5では、燃料噴射量CTI及び機関回転速度NEに基づいて、燃料噴射終了後から吸気弁9を開弁するまで遅角量aを設定する。具体的には図3に示すような特性のマップに基づいて設定する。ここで、燃料噴射量CTIが大きくなるほど、燃料量が多い上に筒内負圧が小さいので充分な気化効果を得るのに時間を要し、また、機関回転速度NEが増大するほど同一時間のクランク角換算値が大きくなるので、遅角量aを大きく設定する。なお、簡易的には、本制御を行う機関回転速度が低速域に制限され回転速度変化幅が小さいので、燃料噴射量CTIのみに基づいて遅角量aを設定するようにしてもよい。
【0022】
ステップ6では、燃料噴射終了後、前記遅角量aだけ経過した時期に吸気弁9を開弁させる。
ステップ1で均質燃焼領域ではない(成層燃焼領域)と判定されたとき及びステップ2の条件が不成立のときは、ステップ7へ進んで吸気弁9の開時期IVOを通常の上死点近傍の開時期に制御するとともに、該通常の開時期IVOに応じた通常の燃料噴射制御を行う(但し、成層燃焼時は主として圧縮行程で燃料噴射を行い、均質燃焼は吸気行程で燃料噴射する)。
【0023】
図4は、上記実施形態により吸気弁開時期を遅らせて制御したときの燃料噴射制御の様子を示す。
高負荷時に比べて低負荷になるほど筒内圧力の逆転ポイントが遅れ、ピストンの下降に伴い筒内の負圧はさらに大きく発達する。そして、前記逆転ポイント以降に燃料噴射が開始される。燃料噴射終了後、燃料噴射量CTI(負荷)が大きいほど大きく設定される遅角量aだけ経過したときに、吸気弁9が開弁される(なお、図4における高負荷時とは、前記図2で満たされる低負荷条件の中で相対的に負荷が高いときを意味する)。
【0024】
このように、吸気弁9の開時期を遅らせる(閉状態に維持する)ことにより通常の開時期制御より筒内の負圧を大きくできる効果が発揮された後に、燃料噴射が開始されるので、筒内での燃料壁流生成を防止して排気エミッションの悪化、出力の低下を防止でき、筒内の負圧を利用した燃料の気化促進が充分に行われて排気浄化性能及び燃費を向上することができる。
【0025】
また、負荷が変化しても負荷に応じて算出した逆転ポイント以降で燃料噴射を開始するため、常に、通常の吸気弁開時期制御時より大きな負圧となったところで燃料噴射を開始させることができる。
【0026】
また、燃料噴射が終了し、負荷(及び機関回転速度)に基づいて設定した遅角量a経過後に吸気弁9を開弁するようにしたので、噴射された燃料が必要かつ充分な期間大きな負圧状態に曝れて気化が促進される。一方、吸気弁9の開弁時期を遅らせると、吸気弁9の開弁期間,リフト量が減少されることになるのでポンピングロスの増大に繋がる。本制御は低負荷条件で行われるのでのポンピングロスの影響は小さいが、開弁時期があまり遅れるとポンピングロスを無視できなくなる。しかし、本実施形態では前記燃料噴射終了後、必要最小限の期間を経た後速やかに吸気弁9を開弁することでポンピングロスによる燃費悪化も最大限抑制することができる。
【0027】
次に、上記第1の実施形態に比較して簡易な方式の燃料噴射制御とした第2の実施形態を、図5のフローチャートにしたがって説明する。
ステップ1,2,7は第1の実施形態と同様であり、ステップ2で吸気弁9の開弁時期を遅らせる制御とする条件が成立すると、ステップ11以降へ進む。
【0028】
ステップ11では、最小負荷時において吸気弁9を通常開弁時期に制御したときと遅らせて制御したときとで筒内圧力が逆転するポイント以降(直後)の固定されたタイミングで燃料噴射を開始する。この噴射開始タイミングは、予め実験等で求めた最小負荷時の筒内圧力逆転ポイントに応じて求めておいたものを用いる。
【0029】
ステップ12では、燃料噴射終了後、所定の遅角量(固定値)a’経過後に吸気弁9を開弁する。
図6は、該第2の実施形態における燃料噴射制御の様子を示す。
【0030】
第2の実施形態では、最小負荷時の筒内圧力逆転ポイント以降に燃料噴射を開始することで、常に最も大きな負圧を発生してから燃料噴射を開始できるので、確実に噴射燃料の気化を促進できると共に、燃料噴射開始時期を固定値とすることで演算が不要となるため、制御が簡易になる。また、燃料噴射終了後、所定の遅角量a’経過後に吸気弁9を開弁するようにしたため、噴射燃料の気化促進とポンピングロスによる燃費悪化の抑制とを両立でき、遅角量a’の演算も不要なので制御も簡易となる。
【0031】
また、上記第1の実施形態における負荷に基づく燃料噴射開始時期設定の構成と、第2の実施形態における燃料噴射終了後所定の遅角量a’経過後に吸気弁9を開弁させる構成とを組み合わせることもできる。あるいは、第2の実施形態における最小負荷時の筒内圧力逆転ポイント以降に燃料噴射を開始する構成と、第1の実施形態における燃料噴射終了後負荷に基づいて設定した遅角量a経過後に吸気弁9を開弁させる構成とを組み合わせることもできる。
【0032】
次に、第3の実施形態について説明する。
本実施形態では、吸気弁9の開時期を遅らせる制御時に、排気弁10の閉時期EVCを通常の上死点近傍より早い時期に制御する(図7参照)。
【0033】
このようにすれば、筒内の残留ガス量が増大するので、図8に示すように、吸気弁9が開弁するまでの筒内温度を高めることができ、この間に噴射された燃料の気化をより促進することができる。なお、筒内温度の上昇により筒内圧力も通常のEVC制御時より若干上昇するが、筒内温度上昇による気化促進効果の方が大きい。
【0034】
なお、吸気弁9の開時期を遅らせる制御については、上記第1、第2の実施形態、若しくはこれらを組み合わせた実施形態を適用すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の全体構成を示すシステム図。
【図2】第1の実施形態における制御のフローチャート。
【図3】第1の実施形態で、燃料噴射終了後から吸気弁を開弁するまで遅角量aを設定するマップ。
【図4】第1の実施形態により吸気弁開時期を遅らせて制御したときの制御の様子を示すタイムチャート。
【図5】第2の実施形態における制御のフローチャート。
【図6】第2の実施形態により吸気弁開時期を遅らせて制御したときの制御の様子を示すタイムチャート。
【図7】第3の実施形態における吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを示す図。
【図8】第3の実施形態における筒内温度の様子を示すタイムチャート。
【符号の説明】
1…内燃機関 2…吸気通路 4…スロットル弁 7…燃料噴射弁
8…点火プラグ 9…吸気弁 10…排気弁 12…吸気弁側カム軸13…排気弁側カム軸 14…可変バルブタイミング機構 15…クランク角センサ 16A,16B…カム軸センサ 17…水温センサ 21…エンジン制御回路(ECU)
Claims (4)
- 筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた筒内噴射式内燃機関において、
所定の運転条件で吸気弁の開時期を上死点近傍の通常の開時期より遅らせ、前記通常の開時期に制御した場合に比較して吸気弁が開弁するまでに筒内圧力の大きさが逆転するように制御し、
前記筒内圧力の大きさが逆転する時期を機関の負荷に基づいて推定して、該筒内圧力の大きさが逆転する時期以降に、燃料噴射を開始し、
該燃料噴射の終了後に吸気弁を開くように制御することを特徴とする筒内噴射式内燃機関の制御装置。 - 前記吸気弁の開時期を遅らせるときの制御時は、燃料噴射を終了後、所定のクランク角後に吸気弁を開弁させることを特徴とする請求項1に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
- 前記吸気弁の開時期を遅らせるときの制御時は、燃料噴射を終了後、燃料噴射量に基づいて設定したクランク角後に吸気弁を開弁させることを特徴とする請求項1に記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
- 前記吸気弁の開時期を遅らせるときの制御時に、排気弁の閉時期を上死点近傍の通常の閉時期より早めることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の筒内噴射式内燃機関の制御装置。
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