JP4201395B2

JP4201395B2 - 内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JP4201395B2
Application number: JP22067398A
Authority: JP
Inventors: 創三浦
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: JP2000045806A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気弁の開期間を制御することにより吸入空気量を制御して、ノンスロットル運転を行う内燃機関（ミラーサイクルエンジン）の燃焼制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ポンプロスの低減による燃費向上を目的として、電磁駆動式の吸気弁及び排気弁を備え、吸気弁の開期間を制御することにより吸入空気量を制御して、ノンスロットル運転を行う内燃機関（ミラーサイクルエンジン）が注目されている。
【０００３】
その一方、ミラーサイクルではないが、特開平５−３２１７０２号公報に示されるように、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを、低回転領域に適した低速バルブタイミングと高回転領域に適した高速バルブタイミングとに切換可能なバルブタイミング切換手段を備え、前記バルブタイミングが低速バルブタイミングに設定されているときに、排気弁を排気行程の途中で閉弁させ、吸気行程の途中から吸気弁を開弁させることで、排気行程途中より燃焼ガスを筒内にとどめたままピストンを上昇させて圧縮し、吸気行程に入ってピストンが下降することにより筒内圧力が大気圧と略同一となった時点で吸気弁を開弁させて、筒内に残留している燃焼ガス（内部ＥＧＲガス）の上に、新気を流入させるようにして、ＥＧＲガスと新気との成層化を図るようにしたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ミラーサイクルを用いて、ノンスロットル運転を行う際、低負荷域では、吸気弁の開期間が極めて短くなることから、有効圧縮比が減少して、燃焼が悪化し、燃費向上効果が目減りしてしまうという問題点があった。
そこで、ＥＧＲガスを筒内に残し、ＥＧＲガスと新気とを成層化して、作動ガス量を増やし、有効圧縮比を向上させて、燃焼改善を図ることが考えられた。
【０００５】
バルブタイミングの制御でＥＧＲガスと新気との成層化を図る技術としては、前記公報に記載の技術が知られているが、排気弁の閉タイミングを排気上死点前の早い時期としているため、ポンプロスが大きくなる。また、スワールの生成や燃料噴射タイミングの最適化を行っていないため、混合気の成層化が不十分となる。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑み、吸気弁の開期間を制御することにより吸入空気量を制御して、ノンスロットル運転を行う内燃機関（ミラーサイクルエンジン）において、ＥＧＲガスと新気との成層化により、有効圧縮比を向上させて、燃焼改善を図ると共に、ポンプロスの増大を抑制できるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、１気筒につき２個ずつ吸気弁及び排気弁を備え、吸気弁の開期間を制御することにより吸入空気量を制御する内燃機関において、排気行程終了後も所定期間、排気弁を開いて、燃焼室内に排気を吸い戻す排気弁制御手段と、前記排気弁制御手段により、１気筒につき２個備えられる排気弁のうち一方の排気弁のみを開いて、燃焼室内に吸い戻す排気にスワールを付与する排気スワール付与手段と、排気弁の閉弁後、点火時期までに、吸気弁を開いて、燃焼室内に新気を吸入する吸気弁制御手段と、前記吸気弁制御手段により、１気筒につき２個備えられる吸気弁のうち前記一方の排気弁と対角線上にある吸気弁のみを開いて、燃焼室内に吸入する新気にスワールを付与する新気スワール付与手段と、前記新気のスワール流に乗せるように燃料噴射弁より燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、を設けて、燃焼室の下側に排気のスワール流、燃焼室の上側に新気のスワール流をそれぞれ独立に形成し、噴射燃料を新気のスワールに乗せることで、混合気を燃焼室上方空間に成層化することを特徴とする。
【０００８】
すなわち、排気行程終了（排気上死点）後も所定期間、排気弁を開いて、燃焼室内に排気を吸い戻すと共に、この排気（ＥＧＲガス）にスワールを付与する。そして、排気弁の閉弁後、点火時期までに、吸気弁を開いて、燃焼室内に新気を吸入すると共に、この新気にスワールを付与し、更に、この新気のスワール流に乗せるように燃料噴射弁より燃料を噴射させる。
【０００９】
このようにすることで、燃焼室内の下側に排気（ＥＧＲガス）、上側に新気と燃料との混合気を位置させ、また、スワール流を生成することで縦方向の乱れを生じさせずに、排気の上側に混合気を良好に成層化することができる。よって、作動ガス量を増やし、有効圧縮比を向上させて、燃焼改善を図ることができ、また、高温の排気からの受熱による混合気の温度上昇によっても燃焼改善を図ることができる。また、排気行程途中で排気弁を閉じて燃焼室内に燃焼ガスをとどめる場合に比べ、燃焼ガスの圧縮（温度上昇による熱の逃げ）によるポンプロスを低減できる。
【００１１】
請求項２に係る発明では、前記吸気弁制御手段は、排気弁の閉弁後の吸気行程中に、吸気弁を開いて、燃焼室内に新気を吸入することを特徴とする。
請求項３に係る発明では、前記吸気弁制御手段は、圧縮行程中で、燃焼室内に負圧が存在する条件にて、吸気弁を開いて、燃焼室内に新気を吸入することを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、排気弁及び吸気弁のバルブタイミングの制御、スワールの生成、及び燃料噴射タイミングの最適化により、燃焼室内にて排気ガス（ＥＧＲガス）の上側に混合気の成層化を図ることができ、作動ガス量を増やし、有効圧縮比を向上させて、燃焼改善を図ることができると共に、ポンプロスの増大を抑制することができる。
【００１３】
また、１気筒につき２個備えられる排気弁のうち一方の排気弁のみを開いて、吸い戻す排気にスワールを付与することで、特別な弁装置を設けることなく、簡単に実施できる。
また、１気筒につき２個備えられる吸気弁のうち一方の吸気弁のみを開いて、吸入する新気にスワールを付与することで、特別な弁装置を設けることなく、簡単に実施でき、また、スワール付与用の排気弁と対角線上の吸気弁とすることで、スワールを助長でき、成層化がより良好になる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、吸気弁の開タイミングを排気弁閉弁後の吸気行程に設定することにより、ポンプロスをより低減できる。
請求項３に係る発明によれば、吸気弁の開タイミングを圧縮行程中で燃焼室内に負圧が存在する条件に設定することにより、新気を負圧により勢いよく吸入できて、ガス流動を強くすることができ、また、着火までの時間が短くなるため、成層状態を維持しやすくなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施形態を示す内燃機関のシステム図、図２は内燃機関の概略平面図である。
内燃機関１の各気筒のピストン２により画成される燃焼室３には、点火栓４を囲むように、２個ずつ、電磁駆動式の吸気弁５Ａ，５Ｂ及び排気弁６Ａ，６Ｂを備えている。７は吸気通路、８は排気通路である。
【００１６】
吸気弁５Ａ，５Ｂ及び排気弁６Ａ，６Ｂの電磁駆動装置の基本構造を図３に示す。弁体２０の弁軸２１にプレート状の可動子２２が取付けられており、この可動子２２はスプリング２３，２４により中立位置に付勢されている。そして、この可動子２２の下側に開弁用電磁コイル２５が配置され、上側に閉弁用電磁コイル２６が配置されている。
【００１７】
従って、開弁させる際は、上側の閉弁用電磁コイル２６への通電を停止した後、下側の開弁用電磁コイル２５に通電して、可動子２２を下側へ吸着することにより、弁体２０をリフトさせて開弁させる。逆に、閉弁させる際は、下側の開弁用電磁コイル２５への通電を停止した後、上側の閉弁用電磁コイル２６に通電して、可動子２２を上側へ吸着することにより、弁体２０をシート部に着座させて閉弁させる。
【００１８】
図１に戻って、吸気通路７には、各気筒毎の吸気ポート部分に、電磁式の燃料噴射弁９が設けられている。
ここにおいて、吸気弁５Ａ，５Ｂ、排気弁６Ａ，６Ｂ、燃料噴射弁９及び点火栓４の作動は、コントロールユニット１０により制御され、このコントロールユニット１０には、機関回転に同期してクランク角信号を出力しこれにより機関回転数を検出可能なクランク角センサ１１、アクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）を検出するアクセルペダルセンサ１２、吸気通路７にて吸入空気量を検出するエアフローメータ１３等から、信号が入力されている。
【００１９】
このコントロールユニット１０により、排気弁制御手段、吸気弁制御手段、及び燃料噴射制御手段が構成され、また、排気弁制御及び吸気弁制御に際し片方の排気弁及び吸気弁のみを開くことで、排気スワール付与手段及び新気スワール付与手段が構成される。
図４はコントロールユニット１０内のマイクロコンピュータにより実行される制御フローを示している。
【００２０】
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、排気弁の開タイミング（ＥＶＯ）を、例えば下死点（ＢＤＣ）付近に設定する。すなわち、目標空気量に応じて熱効率が最良となる開タイミングに設定する。
ステップ２では、排気弁の閉タイミング（ＥＶＣ）を、上死点（ＴＤＣ）より所定期間後（吸気行程中）に設定する。
【００２１】
尚、ここで設定する排気弁の開閉タイミングは、一方の排気弁６Ａについてであり、他方の排気弁６Ｂについては、閉じたままとするか、下死点（ＢＤＣ）付近で開弁させ、上死点（ＴＤＣ）付近で閉弁させる。
ステップ３では、吸気弁の開タイミング（ＩＶＯ）を、排気弁の閉タイミング（ＥＶＣ）の直後の吸気行程中に設定する。
【００２２】
ステップ４では、アクセル開度（負荷）及び機関回転数に基づいて、目標空気量（目標吸入空気量）を演算する。
ステップ５では、吸気弁の閉タイミング（ＩＶＣ）を、目標空気量に応じ、目標空気量が多いほど遅らせるように、設定する。
尚、ここで設定する吸気弁の開閉タイミングは、前記一方の排気弁６Ａと対角線上にある吸気弁５Ｂについてであり、他方の吸気弁５Ａについては、高負荷域を除き、閉じたままとする。
【００２３】
ステップ６では、吸気弁の開期間に対応させて、燃焼室内に吸入される空気によって燃料が運ばれるように、燃料噴射弁の燃料噴射タイミングを、吸気弁の開タイミングよりやや早いタイミングに設定する。
ステップ７では、エアフローメータからの信号に基づいて実空気量（実吸入空気量）を検出する。
【００２４】
ステップ８では、実空気量に対し、所定の空燃比となるように、燃料噴射弁の燃料噴射量（噴射時間）を演算する。
このような設定により、図５及び図６に示すようなタイミングで作動させる。
すなわち、排気行程にて排気弁を開くが、一方の排気弁６Ａについては、排気行程終了（ＴＤＣ）後も所定期間、開弁させる。このとき吸気弁は閉じたままである。従って、ピストンの下降に伴って、一方の排気弁６Ａより燃焼室内に排気が吸い戻されると共に、燃焼室内に排気スワール流が生成される。
【００２５】
そして、前記所定期間の後、排気弁６Ａを閉じた直後に、その排気弁６Ａと対角線上にある吸気弁５Ｂのみを開弁させる。これにより、ピストンの下降に伴って、その吸気弁５Ｂより燃焼室内に新気が吸入されると共に、燃焼室内に新気スワール流が生成される。このように、同方向のスワール流を生成することで、燃焼室内の下側に排気スワール流、上側に新気スワール流がそれぞれ独立に形成されて維持される。
【００２６】
また、吸気弁の開期間に対応させて、最適なタイミングで燃料噴射弁の燃料噴射を行わせることで、噴射燃料が新気に運ばれて混合するので、混合気を点火栓側の燃焼室上方空間に成層化できる。
この後、目標空気量に対応した量の新気を吸入した頃に、吸気弁の閉タイミングとなって、吸気行程途中で吸気弁５Ｂが閉じる。その後、圧縮行程に移行して、圧縮上死点（ＴＤＣ）前で点火栓により成層状態の混合気に点火されて、燃焼する。
【００２７】
この場合のＰＶ線図は図７に示すごとくとなり、ポンプロスが低減される。
次の本発明の他の実施形態について説明する。
この実施形態では、図４の制御フローのステップ３において、吸気弁の開タイミング（ＩＶＯ）を、圧縮行程中で、燃焼室内に負圧が存在する条件に設定する。
【００２８】
このような設定により、図８及び図９に示すようなタイミングで作動させる。
すなわち、排気行程にて排気弁を開くが、一方の排気弁６Ａについては、排気行程終了（ＴＤＣ）後も所定期間、開弁させる。このとき吸気弁は閉じたままである。従って、ピストンの下降に伴って、一方の排気弁６Ａより燃焼室内に排気が吸い戻されると共に、燃焼室内に排気スワール流が生成される。
【００２９】
そして、前記所定期間の後、排気弁６Ａを閉じるが、吸気行程中は吸気弁を閉弁状態に維持する。従って、ピストンの下降により、燃焼室内は負圧となる。
圧縮行程に移行してから、所定期間後、まだ燃焼室内が負圧であるときに、前記一方の排気弁６Ａと対角線上にある吸気弁５Ｂのみを開弁させる。これにより、燃焼室内の負圧によって、その吸気弁５Ｂより燃焼室内に新気が勢いよく吸入されると共に、燃焼室内に新気スワール流が生成される。このように、同方向のスワール流を生成することで、燃焼室内の下側に排気スワール流、上側に新気スワール流がそれぞれ独立に形成されて維持される。
【００３０】
また、吸気弁の開期間に対応させて、最適なタイミングで燃料噴射弁の燃料噴射を行わせることで、噴射燃料が新気に運ばれて混合するので、混合気を点火栓側の燃焼室上方空間に付勢して成層化できる。
この後、目標空気量に対応した量の新気を吸入した頃に、吸気弁の閉タイミングとなって、圧縮行程途中で吸気弁５Ｂが閉じる。その後、圧縮上死点（ＴＤＣ）前で点火栓により成層状態の混合気に点火されて、燃焼する。
【００３１】
この場合のＰＶ線図は図１０に示すごとくとなる。前述の実施形態に比べ、ポンプロスが増える、吸気音が悪化する等の不利はあるが、新気を負圧により勢いよく吸入できて、ガス流動を強くすることができ、また、着火までの時間が短くなるため、成層状態を保ちやすいという利点がある。
尚、以上の実施形態では、新気スワールを形成する際に、一方の吸気弁のみを開くようにしたが、図１１に示すように、吸気通路７にスワール制御弁１４を備えて、その作動時に一方の吸気ポートを実質的に閉じる場合は、２個の吸気弁５Ａ，５Ｂを互いに同期させて開閉するようにしてもよい。この場合、排気スワールを生成する際は、スワール制御弁１４により常に開かれている吸気ポートに対応して新気を吸入する吸気弁５Ｂと対角線上にある排気弁６Ａのみを開くようにする。
【００３２】
また、以上の実施形態では、燃料噴射弁９は吸気通路７に配置して、ポート噴射する構成としたが、燃焼室内に直接燃料を噴射する直噴式の燃料噴射弁を用いてもよく、この場合は、噴射燃料を新気のスワール流に乗せるようにするのに、噴射タイミングの制約はほとんどなくなる。
【００３３】
【比較例】
最後に比較例について述べる。
図１２は比較例１を示し、図５及び図６の第１実施形態に対し、排気弁の閉タイミングを排気上死点（ＴＤＣ）より所定期間前としたものであり、排気弁の閉タイミングを早めることで、燃焼室内に燃焼ガスをとどめるものである。
【００３４】
図１３は比較例２を示し、図８及び図９の第２実施形態に対し、排気弁の閉タイミングを排気上死点（ＴＤＣ）より所定期間前としたものであり、排気弁の閉タイミングを早めることで、燃焼室内に燃焼ガスをとどめるものである。
ここで、比較例１（図１２）の場合のＰＶ線図は図１４に示すごとくとなり、比較例２（図１３）の場合のＰＶ線図は図１５に示すごとくとなる。これらから分かるように、比較例１，２の場合は、ポンプロスが増大してしまう。また、排気を吸い戻すものではないので、スワールを付与することが困難で、成層化が不十分となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す内燃機関のシステム図
【図２】内燃機関の概略平面図
【図３】吸気弁及び排気弁の電磁駆動装置の基本構造図
【図４】制御フローを示す図
【図５】第１実施形態のバルブタイミング及び燃料噴射期間を示す図
【図６】第１実施形態のバルブタイミングを示す図
【図７】第１実施形態のＰＶ線図
【図８】第２実施形態のバルブタイミング及び燃料噴射期間を示す図
【図９】第２実施形態のバルブタイミングを示す図
【図１０】第２実施形態のＰＶ線図
【図１１】スワール制御弁を用いる場合の内燃機関の概略平面図
【図１２】比較例１のバルブタイミングを示す図
【図１３】比較例２のバルブタイミングを示す図
【図１４】比較例１のＰＶ線図
【図１５】比較例２のＰＶ線図
【符号の説明】
１内燃機関
２ピストン
３燃焼室
４点火栓
５Ａ，５Ｂ吸気弁
６Ａ，６Ｂ排気弁
７吸気通路
８排気通路
９燃料噴射弁
１０コントロールユニット
１１クランク角センサ
１２アクセルペダルセンサ
１３エアフローメータ
１４スワール制御弁

Claims

１気筒につき２個ずつ吸気弁及び排気弁を備え、吸気弁の開期間を制御することにより吸入空気量を制御する内燃機関において、
排気行程終了後も所定期間、排気弁を開いて、燃焼室内に排気を吸い戻す排気弁制御手段と、
前記排気弁制御手段により、１気筒につき２個備えられる排気弁のうち一方の排気弁のみを開いて、燃焼室内に吸い戻す排気にスワールを付与する排気スワール付与手段と、
排気弁の閉弁後、点火時期までに、吸気弁を開いて、燃焼室内に新気を吸入する吸気弁制御手段と、
前記吸気弁制御手段により、１気筒につき２個備えられる吸気弁のうち前記一方の排気弁と対角線上にある吸気弁のみを開いて、燃焼室内に吸入する新気にスワールを付与する新気スワール付与手段と、
前記新気のスワール流に乗せるように燃料噴射弁より燃料を噴射させる燃料噴射制御手段と、
を含んで構成され、
燃焼室の下側に排気のスワール流、燃焼室の上側に新気のスワール流をそれぞれ独立に形成し、噴射燃料を新気のスワールに乗せることで、混合気を燃焼室上方空間に成層化することを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
前記吸気弁制御手段は、排気弁の閉弁後の吸気行程中に、吸気弁を開いて、燃焼室内に新気を吸入することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記吸気弁制御手段は、圧縮行程中で、燃焼室内に負圧が存在する条件にて、吸気弁を開いて、燃焼室内に新気を吸入することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置。