JP4816151B2

JP4816151B2 - 内燃機関の燃焼制御装置

Info

Publication number: JP4816151B2
Application number: JP2006062573A
Authority: JP
Inventors: 智哉森; 剛志石川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-03-08
Also published as: JP2007239582A

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御装置に関する。

特許文献１には、吸気通路にて燃料を噴射する場合に、筒内混合気の最適な成層化を実現し得て、ＨＣの低減を果たすため、内燃機関の１サイクル毎に各気筒に噴射される燃料噴射量を第１の噴射量と第２の噴射量とに分割して設定し、排気行程において第１の噴射量の燃料を噴射すると共に、吸気行程において第２の噴射量の燃料を噴射することが開示されている。
特開２００４−０９２４８８号公報

内燃機関の冷機時にＨＣを低減するために、混合気のリーン化が有効であることは知られているが、単にリーン化（燃料噴射量減少）するだけでは燃焼（安定度）が悪化する。
そこで、特許文献１に記載の技術では、吸気通路にて燃料を噴射する場合に、燃料噴射を１回目の排気行程噴射と２回目の吸気行程噴射とに分け、１回目の噴射燃料を一旦吸気弁に当てて筒内混合気の均一化を図ると共に、２回目の噴射燃料を筒内の点火プラグ近傍に集めて成層化を図るようにしている。

しかし、燃料噴射を２回に分けることで、成層化が可能になり、燃焼安定度が向上するものの、単に２回に分けるだけでは、成層化が十分ではない。
すなわち、２回目の噴射燃料が必ずしも点火プラグ方向へ流れず、ピストン頂面方向へ流れることにより、点火プラグ周りのリッチ雰囲気が弱くなり、これに伴って燃焼安定度が悪くなる。

本発明は、このような実状に鑑み、ＨＣ低減のためのリーン化と、燃焼安定度の向上とを、より確実に図り得るようにすることを目的とする。

このため、本発明では、所定の運転条件にて、燃料噴射を１回目の排気行程噴射と２回目の吸気行程噴射とに分ける一方、前記２回目に噴射されて吸気弁から筒内へ吸入される燃料がシリンダヘッド側の壁面に沿って点火プラグ方向へ流れるように吸気弁のリフト量を減少させるものである。

本発明によれば、吸気行程にて噴射されてそのまま筒内へ流入する燃料は、吸気弁のリフト量を減少させてあるので、吸気弁の弁傘部により案内されて、シリンダヘッド側の壁面に沿って進行する。よって、燃焼室の上部（点火プラグ周り）に成層化され、燃焼安定度が向上する。

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は本発明の一実施形態を示す内燃機関（エンジン）のシステム図である。
エンジン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、点火プラグ４を囲むように、各気筒に２つずつ、吸気弁５及び排気弁６を備えている。
吸気弁５及び排気弁６のうち、少なくとも吸気弁５は、可変動弁装置７によりリフト特性を変更可能で、ここでは少なくともリフト量を可変制御可能である。この場合の可変動弁装置７としては、カム駆動式で油圧によりカム（低リフトカムと高リフトカム）を切換えることでリフト量を変化させるものを用いることができる。また、バルブ作動角及びリフト量を連続的に変化させることができるＶＥＬ装置と、バルブ作動角の中心位相を変化させることができるＶＴＣ装置とを組み合わせて用いるものであってもよい。更に、電磁駆動式で任意のリフト特性を得ることができるものを用いてもよい。

吸気通路９には、吸気マニホールドの上流側に、モータ駆動の電制スロットル弁１０が設けられている。吸気通路９にはまた、燃料噴射装置として、吸気マニホールドの各ブランチ部（シリンダヘッド側の吸気ポートに臨む位置）に、各気筒毎に、電磁式の燃料噴射弁１１が設けられており、吸気弁５の弁傘部に向けて燃料を噴射することができる。吸気通路９にはまた、スワール流生成手段として、各気筒に２つずつ備えられる吸気ポートの一方を閉じるなどして、燃焼室３内にスワール流（横渦）を生成可能な電磁式のスワール制御弁１２が設けられている。

排気通路１３には、排気浄化触媒１４が設けられている。
ここにおいて、可変動弁装置７、電制スロットル弁１０、燃料噴射弁１１、スワール制御弁１２及び点火プラグ４の作動は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０により制御され、このＥＣＵ２０には、エンジン回転に同期してクランク角信号を出力しこれによりクランク角位置と共にエンジン回転速度Ｎｅを検出可能なクランク角センサ２１、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ２２、吸気通路９の電制スロットル弁１０上流にて吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ２３、エンジン冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ２４などから、信号が入力されている。

本発明に係る燃焼制御装置は、ＥＣＵ２０にて、所定のプログラムを実行することにより実現されるので、以下、フローチャートに従って説明する。
図２はエンジン冷機時の燃焼制御のフローチャートである。
Ｓ１では、エンジン冷機時か否かを判定する。具体的には、水温センサ２４により検出される冷却水温Ｔｗが所定値以下か否かを判定する。尚、ここでいうエンジン冷機時は、排気浄化触媒１４の早期活性化のため、点火時期を遅角することにより、排気温度を上昇させる条件であるので、触媒が非活性（触媒温度センサにより検出される触媒温度が活性温度以下）か否かを判定してもよい。

エンジン冷機時の場合は、Ｓ２〜Ｓ５の処理を実行する。
Ｓ２では、燃料噴射弁１１による燃料噴射を２回に分け、１回目の燃料噴射を排気行程にて行わせ、２回目の燃料噴射を吸気行程にて行わせるように制御する。すなわち、図３（ａ）に示す通常の１回噴射に対し、図３（ｂ）に示すような２回噴射とする。
Ｓ３では、可変動弁装置７を用い、吸気弁５の開弁時のリフト量を減少させる。すなわち、例えば図４に点線で示すようなリフト特性とする。

Ｓ４では、スワール制御弁１２を用い、これを閉じ方向に制御することで、燃焼室３内にスワール流を生成（もしくは強化）する。
Ｓ５では、排気浄化触媒１４の早期活性化のため、排気温度を上昇させるべく、点火時期を遅角する。
一方、エンジン冷機時でない場合、従って暖機完了後（触媒活性後）の場合は、Ｓ１からＳ６へ進み、通常制御へ移行する。

通常制御では、燃料噴射は、排気行程噴射のみの１回噴射とする。また、吸気弁のリフト量は大側に戻す。また、スワール流は生成しないようにするか、負荷等に応じた制御に戻す。また、点火時期は元に戻す（進角側）。
次に、エンジン冷機時の２回噴射等の作用・効果について説明する。
通常の１回噴射では、図３（ａ）に示すように、吸気行程開始（吸気弁開弁時期ＩＶＯ）までに噴射燃料が十分気化するのに要する時間（気化時間）Ｔを確保した上で、排気行程にて燃料噴射している。

これに対し、本発明では、図３（ｂ）に示すように、燃料噴射を２回に分け、１回目の燃料噴射は排気行程中に行い、２回目の燃料噴射は吸気行程中に行う。
図５（ａ）は、排気行程中の１回目の燃料噴射の様子を示している。１回目の燃料噴射は排気行程にて行うため、噴射燃料は吸気弁５の傘裏に当たり、傘裏の熱で十分に気化し、空気と混合する。

図５（ｂ）は、吸気行程初期の様子を示している。
吸気弁５が開くことで、吸気弁５の傘裏で気化して空気と混合していた燃料が均質状態で筒内へ吸入される。従って、これが筒内に均質なリーン雰囲気を形成することになる。
図５（ｃ）は、吸気行程中期の様子を示している。
吸気行程中期にて２回目の燃料噴射が行われる。２回目の燃料噴射は吸気行程にて行うため、噴射燃料は吸気弁５を介して筒内へ吸入される。

ここで、図７（ｃ）に示すように、吸気弁５のリフト量が大きい場合は、筒内へ流入する噴射燃料がピストン頂面へ向かうため、燃焼室上部（プラグ周り）にリッチ雰囲気を作り出すことができないが、図７（ｂ）に示すように、吸気弁５のリフト量を小さくしてあるので、吸気弁５から筒内へ吸入されるガス流速が高まり、筒内へ流入する噴射燃料は吸気弁５の弁傘により案内されて、シリンダヘッド側の壁面に沿って進行する（流れＦ１）。よって、燃焼室の上部（点火プラグ周り）に成層化される。

図８はリフト量（バルブ作動角）とガス流速との関係を示したもので、ガス流速がＡ以上でプラグ方向へガスが流れるようになり、これをリフト量Ｂ以下で実現できる。すなわり、リフト量Ｂ以下で成層化可能となる。
従って、吸気弁５から筒内へ吸入されるガスの流速が所定値以上、具体的には４０ｍ／ｓ以上となるように、吸気弁５のリフト量を設定することにより、成層化を確実にすることができる。

また、２回目の燃料噴射は、ピストンスピードが最も速い吸気上死点と下死点との中間位置（９０°ＡＴＤＣ）付近で燃料噴射を終了するように設定することにより、噴射燃料と空気との混合により、燃料の気化を促進でき、ＨＣ低減を図ることができる。
尚、吸気弁５から反排気弁側（ボア壁側）へ向かう流れは、シリンダヘッドの壁面に沿って進行すると、シリンダボアの壁面に衝突して壁流となり、ＨＣを悪化させる。

そこで、図７（ｂ）などに示すように、吸気弁５の反排気弁側に、低リフト時の吸気弁５を囲んで、吸気弁５から筒内へ吸入されて反排気弁側へ向かうガスを吸気弁５の軸線方向に案内するガイド部３０を設けている（流れＦ２）。これにより、低リフトによって生じるボア壁流を解消でき、ＨＣの悪化を防ぐことができる。
図５（ｄ）は、吸気行程終期の様子を示している。

前記した成層化により、燃焼室３の上部（点火プラグ４周り）にリッチ雰囲気が形成され、それ以外の部分（燃焼室３の下部）にリーン雰囲気が形成されている。
図６は、圧縮行程後期の点火時期付近の様子を示している。
ピストン２が上昇して圧縮行程に移行しても、燃焼室３上部のリッチ雰囲気と、燃焼室３下部のリーン雰囲気とが維持される。

また、燃焼室内３にスワール流を生成することにより、燃焼室３上部のリッチ雰囲気と、燃焼室３下部のリーン雰囲気とが混じり合うのを防止でき、成層状態をより確実に維持することができる。
このようにして、燃焼室３の上部（点火プラグ４周り）がリッチ雰囲気となることで、燃焼安定度が向上する。

燃焼安定度が向上することにより、その分、点火時期を遅角でき、点火時期遅角により燃焼期間が延びて、ＨＣ後燃え量が増加することで、排気温度が上昇し、触媒の早期活性化を図ることができる。
また、燃焼室３の下部はリーン雰囲気であるため、これによっても燃焼期間が延び、排気温度の上昇による触媒の早期活性化を促進できる。

図９は本発明者らが実験により確認した成層化の効果を略示したもので、成層化により燃焼安定度が向上し、またＨＣ排出量を約８７％減少させることができる。そして、燃焼安定度が向上する分、点火時期を遅角して、排気温度を上昇させることできる。この場合、燃焼安定度が向上した分を全て排気温度上昇に回すと、排温を約４４０℃上昇させることができ、燃焼安定度を半減させるにとどめても、排温を約２２０℃上昇させることができる。

本実施形態によれば、エンジンの冷機時に、燃料噴射を２回に分けて、１回目の燃料噴射は排気行程で行い、２回目の燃料噴射は吸気行程で行う一方、吸気弁のリフト量を減少させて、前記２回目に噴射されて吸気弁から筒内へ吸入される燃料をシリンダヘッド側の壁面に沿わせて点火プラグ周りに成層化する構成としたことにより、ＨＣの低減と、燃焼安定度の向上とを図ることができる。

また、本実施形態によれば、燃焼安定度が向上する分、点火時期を遅角することにより、排気温度を上昇させて、排気浄化触媒の早期活性化を図ることができる。
また、本実施形態によれば、吸気弁から筒内へ吸入されるガスの流速が所定値（４０ｍ／ｓ）以上となるように吸気弁のリフト量を設定することにより、成層化を確実にすることができる。

また、本実施形態によれば、燃焼室内にスワール流を生成することにより、点火時期まで成層状態を維持して、成層化を確実にすることができる。
尚、スワール流生成手段としては、スワール制御弁の他、吸気ポート形状最適化、吸気弁の片弁閉じ（１気筒につき２つの吸気弁の一方を閉じる）、吸気弁位相差形成などを用いてもよい。

また、本実施形態によれば、吸気弁の反排気弁側に、低リフト時の吸気弁を囲んで、吸気弁から筒内へ吸入されて反排気弁側へ向かうガスを吸気弁の軸線方向に案内するガイド部を設けたことにより、ボア壁流を防止して、ＨＣをより低減することができる。
また、本実施形態によれば、２回目の燃料噴射は、ピストンスピードが最も速い吸気上死点と下死点との中間位置（９０°ＡＴＤＣ）付近で燃料噴射を終了するように設定することにより、吸気行程にて噴射した燃料の気化促進が可能となり、ＨＣ低減が更に可能となる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図エンジン冷機時の燃焼制御のフローチャート１回噴射及び２回噴射のタイミングチャートリフト量可変特性の説明図２回噴射での筒内混合気分布の説明図点火時の筒内混合気分布の説明図吸気弁の要部拡大図リフト量とガス流速との関係を示す図成層化の効果の説明図

符号の説明

１エンジン
２ピストン
３燃焼室
４点火プラグ
５吸気弁
６排気弁
７可変動弁装置
９吸気通路
１０電制スロットル弁
１１燃料噴射弁
１２スワール制御弁
１３排気通路
１４排気浄化触媒
２０ＥＣＵ
２１クランク角センサ
２２アクセル開度センサ
２３エアフローメータ
２４水温センサ
３０ガイド部

Claims

吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射装置と、吸気弁のリフト量を変化させることができる可変動弁装置とを備える内燃機関において、
所定の運転条件にて、燃料噴射を２回に分けて、１回目の燃料噴射は排気行程で行い、２回目の燃料噴射は吸気行程で行う一方、前記２回目に噴射されて吸気弁から筒内へ吸入される燃料がシリンダヘッド側の壁面に沿って点火プラグ方向へ流れるように吸気弁のリフト量を減少させることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
前記所定の運転条件は、内燃機関の冷機時であ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。
前記所定の運転条件にて、点火時期を遅角することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の燃焼制御装置。
吸気弁から筒内へ吸入されるガスの流速が所定値以上となるように吸気弁のリフト量を設定することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
燃焼室内にスワール流を生成可能なスワール流生成手段を備え、前記所定の運転条件にて燃焼室内にスワール流を生成することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
吸気弁の反排気弁側に、低リフト時の吸気弁を囲んで、吸気弁から筒内へ吸入されて反排気弁側へ向かうガスを吸気弁の軸線方向に案内するガイド部を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
前記２回目の燃料噴射は、ピストンスピードが最も速い吸気上死点と下死点との中間位置付近で燃料噴射を終了するように設定することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。