JP4905834B2

JP4905834B2 - 内燃機関の吸気制御方法およびその装置

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Publication number: JP4905834B2
Application number: JP2007097849A
Authority: JP
Inventors: 泰司葭原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: JP2008255861A

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内での混合気のタンブル流の強さを調整することによってノッキングの発生を抑制するようにした吸気制御方法およびその装置に関する。

ノッキング（自着火）は、内燃機関の燃焼室内での混合気の燃焼速度が低下する燃焼期間終盤に、火炎面とシリンダの内壁との間で圧縮された未燃混合気が自己着火条件に達し、火炎面から独立して着火する現象である。特に、火花点火内燃機関では、燃焼室内の温度が高い排気ポート側の火炎伝播速度が高くなるため、吸気ポート側のシリンダ内壁近傍にてノッキングが起こり易い傾向を持つ。ノッキングが発生すると、内燃機関の点火進角を進めることが困難となるため、その出力の増大を企図した際の大きな障害となる。

このようなノッキングの発生を抑制するため、一般的には点火時期を遅角側にずらしたり、点火プラグを複数設けて混合気の燃焼を促進したりすることが行われている。また、ノッキングの発生を防止するために燃焼室内における混合気のタンブル流を制御するようにした技術が特許文献１や特許文献２にて提案されている。特許文献１は、ノッキングセンサによってエンジンのノッキングが検出された場合、吸気を熱交換器に通し、これを加熱してから燃焼室内に導くと共にタンブルコントロールバルブを閉位置に駆動して燃焼室内における混合気のタンブル流が強くなるように制御している。また、特許文献２は、ノックセンサからのノック発生データを利用し、タンブルコントロールバルブの閉開切り替え時におけるノッキングの発生を防止するようにしている。

また、燃焼室内でのノッキングの発生位置を特定する方法として、複数の圧力センサや電界センサまたは光学的センサを燃焼室に臨むように配置することも考えられている。

特開平１０−３３９２１９号公報特開平９−４２１３１号公報

点火時期を遅角側にずらした場合、内燃機関の出力低下が起こって燃費が悪化したり、排気温度が上昇して排気通路内に組み込まれた触媒に熱的損傷を与えたりする可能性がある。また、点火装置を複数設けることは、すでにシリンダヘッドには動弁機構などが高密度に配されているため、空間的に非常に困難な上に部品コストが嵩む問題がある。

特許文献１，２においては、ノックセンサを用いているため、燃焼室内のどこでノッキングが発生しているのかを把握することが基本的に不可能である。このため、どのようにタンブル流を制御すれば良いのかについてノッキングとの何らかの関連付けを行う必要があり、そのための制御が複雑となってしまう欠点を有する。

燃焼室内におけるノッキングの発生位置を特定するため、各気筒毎に複数のセンサを動弁機構などが高密度に配されたシリンダヘッドに配置することは、空間的に非常に困難である上に部品コストが嵩む問題がある。また、光学的センサの場合にはその検出部が汚れて検出特性に変化を来すため、長期間に亙る使用が実質的に不可能である。

本発明の目的は、ノッキングの発生位置を推定し、これによりノッキングが発生しにくくなるようにタンブル流の強さを比較的容易かつ低コストにて変更し得る吸気制御方法およびその装置を提供することにある。

本発明の第１の形態は、燃焼室を取り囲むシリンダの軸線方向からみて、吸気弁座および排気弁座ならびに筒内圧センサが線対称となるように配された内燃機関の吸気制御方法であって、燃焼室内のノッキング発生位置から筒内圧センサに直接到達する第１の圧力波を検出するステップと、燃焼室内のノッキング発生位置から燃焼室の内壁で反射した圧力波を検出するステップと、第１の圧力波と反射した圧力波とから、筒内圧センサの配設位置からノッキング発生位置までの距離を推定するステップと、燃焼室内に形成される混合気のタンブル流の強さを筒内圧センサの配設位置からノッキング発生位置までの距離に応じて変更するステップとを具えたことを特徴とするものである。

また、本発明の第２の形態は、内燃機関の吸気通路に配されて燃焼室内の混合気のタンブル流の強さを調整するためのタンブル制御弁と、このタンブル制御弁の開度を車両の運転状態に応じて設定する弁開度設定部と、この弁開度設定部にて設定された開度となるように前記タンブル制御弁の開度を切り替える弁アクチュエータとを具えた内燃機関の吸気制御装置であって、燃焼室内の圧力変化を検出するための筒内圧センサと、この筒内圧センサによって検出された燃焼室内の圧力変化を解析する波形解析部と、この波形解析部にて解析された圧力変化に基づいてノッキングの発生位置を推定するノック位置推定部とをさらに具え、前記弁開度設定部はこのノック位置推定部にて推定されたノッキングの発生位置に応じてタンブル制御弁の開度を設定することを特徴とするものである。

本発明においては、燃焼室の内壁近傍で発生したノッキングに起因する圧力波の伝播特性により、ノッキングの発生位置の反対側付近の燃焼室の内壁で反射した圧力波は単純な焦点を結ばず、複数の反射波を生ずる。従って、筒内圧センサから遠い位置でノッキングが発生した場合、筒内圧センサにはノッキング発生位置から筒内圧センサに直接到達する最初の圧力波（以下、これを一次圧力波と呼称する）のあと、燃焼室の内壁で反射した複数の圧力波（以下、これを二次以上の圧力波と呼称する）が順次到達する。これに対し、筒内圧センサの近傍にてノッキングが発生した場合、最初の一次圧力波のあと、燃焼室の内壁からの反射波、つまり二次以上の圧力波は、燃焼室のほぼ直径分を往復する間、筒内圧センサによって感知されない。従って、一次圧力波と二次以降の圧力波との間隔や、二次以降の高次の圧力波の波形を解析することにより、筒内内センサとノッキングの発生位置との関係がほぼ判別できる。この結果を用い、予め調べておいたタンブル強さと火炎伝播方向の特性とから、ノッキングの発生位置側への火炎が速くなるように、タンブル制御弁の開度を調整する。

本発明の第２の形態による内燃機関の吸気制御装置におけるノック位置推定部は、ノッキングの発生位置から筒内圧センサに直接到達する一次圧力波と燃焼室の内壁で反射して前記筒内圧センサに到達する二次以上の高次の圧力波との時間差およびその波形のうちの少なくとも一方に基づいてノッキングの発生位置を推定するものであってよい。

また、燃焼室を取り囲むシリンダの軸線方向からみて、吸気弁座および排気弁座ならびに筒内圧センサが線対称となるように配することが好ましい。特に、吸気弁座または排気弁座に近接して筒内圧センサを配することが有効である。

本発明の吸気制御方法によると、燃焼室内のノッキング発生位置から筒内圧センサに直接到達する第１の圧力波を検出し、燃焼室内のノッキング発生位置から燃焼室の内壁で反射した圧力波を検出し、第１の圧力波と反射した圧力波とから、筒内圧センサの配設位置からノッキング発生位置までの距離を推定し、筒内圧センサの配設位置からノッキング発生位置までの距離に応じて燃焼室内における混合気のタンブル流の強さを変更するようにしたので、ノッキング発生位置を単一の筒内圧センサだけで簡便に推定することができ、燃焼室内でノッキングが発生しないような混合気のタンブル流を形成することが可能である。

本発明の吸気制御装置によると、燃焼室内の圧力変化を検出するための筒内圧センサと、この筒内圧センサによって検出された燃焼室内の圧力変化を解析する波形解析部と、この波形解析部にて解析された圧力変化に基づいてノッキングの発生位置を推定するノック位置推定部とを具え、このノック位置推定部にて推定されたノッキングの発生位置に応じて弁開度設定部がタンブル制御弁の開度を設定するようにしたので、燃焼室内でノッキングが発生しないような混合気のタンブル流を形成することができる。

ノッキングの発生位置から筒内圧センサに直接到達する一次圧力波と燃焼室の内壁で反射して筒内圧センサに到達する二次以上の高次の圧力波との時間差およびその波形のうちの少なくとも一方に基づき、ノック位置推定部がノッキングの発生位置を推定する場合、単一の筒内圧センサだけでノッキングの発生位置を簡便に推定することができる。

燃焼室を取り囲むシリンダの軸線方向からみて、吸気弁座および排気弁座ならびに筒内圧センサが線対称となるように配した場合、特に吸気弁座または排気弁座に近接して筒内圧センサを配した場合には、単に筒内圧センサからノッキングの発生位置までの距離を推定してタンブル流の強さを制御するだけで、ノッキングの発生を抑制することが可能となり、ノッキングの発生位置を推定するための処理を単純化させることができる。

本発明を火花点火機関に適用した一実施形態について、図１〜図６を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施形態のみに限らず、本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも応用することができる。

本実施形態における主要部の断面構造を模式的に図１に示し、その主要制御ブロックを図２に示す。すなわち、本実施形態におけるエンジン１０は、燃料であるガソリンやアルコールまたはこれらの混合物あるいは液化天然ガスなどを燃料噴射弁１１から吸気ポート１２内に噴射して空気と混合させ、点火プラグ１３により燃焼室１４内で着火させる形式のものである。このようなポート噴射形式の燃料噴射弁１１に代えて燃料を燃焼室１４に直接噴射する直噴形式の燃料噴射弁を採用することも可能である。ピストン１５が摺動自在に嵌め込まれるシリンダ１６が形成されたシリンダブロック１７には、ピストン１５との間に燃焼室１４を画成するシリンダヘッド１８が取り付けられている。このシリンダヘッド１８には、吸気通路を画成する一対の吸気ポート１２と排気通路を画成する一対の排気ポート１９とが燃焼室１４に臨むように形成され、これら吸気ポート１２の円形開口端および排気ポート１９の円形開口端は、ピストン１５の往復運動、つまりコンロッド２０を介してピストン１５に連結される図示しないクランク軸の回転運動に連動して所定のタイミングにて往復動する吸気弁２１および排気弁２２によりそれぞれ開閉されるようになっている。

吸気ポート１２内に燃料を噴射する燃料噴射弁１１もシリンダヘッド１８に取り付けられ、ピストン１５の往復運動に連動して所定のタイミングにて燃料を吸気ポート１２内に噴射し、この吸気ポート１２を流れる吸気と共に燃焼室１４に送られるようになっている。燃料噴射弁１１からの燃料噴射量は、図示しない各種センサなどからの情報に基づき、エンジン１０の運転状態に応じてＥＣＵ２３内に組み込まれた燃料噴射量設定部２４にて設定される。

シリンダヘッド１８の吸気ポート１２に連結される吸気管２５の末端部には、燃焼室１４内における混合気のタンブル流の強さを調整するためのタンブル制御弁２６が取り付けられている。本実施形態における吸気管２５はほぼ矩形断面を有しており、これに伴って吸気ポート１２の吸気管２５との接続端部も矩形断面の開口端となっている。矩形の板状をなすタンブル制御弁２６は、吸気通路の上流側に位置するその基端部が吸気管２５に対して回動自在に枢支され、ステッピングモータなどの弁アクチュエータ２７がこのタンブル制御弁２６に連結されている。タンブル制御弁２６の開度は、車両の運転状態に応じてＥＣＵ２３の弁開度設定部２８にて設定され、この弁開度設定部２８にて設定された弁開度となるように、弁アクチュエータ２７の作動がＥＣＵ２３によって制御される。弁開度を変更すること、つまりタンブル制御弁２６の先端部と吸気管２５との間の吸気通路の断面積を変更することにより、吸気ポート１２から燃焼室１４内に流入する混合気のタンブル流、つまり燃焼室１４内においてシリンダ１６の軸線に対して直交する平面と平行な軸線回りの旋回流の強さを調整することができる。より具体的には、図１中、二点鎖線で示した全開位置からタンブル制御弁２６を吸気通路内へ突出するように回動させるほど、タンブル制御弁２６を通過する吸気の流速が高まる結果、燃焼室１４内に形成される混合気のタンブル流が強まる傾向を持つ。

なお、吸気ポート１２の形状やタンブル制御弁２６の構成などに関しては、本実施形態に限定されるわけではなく、従来から周知のものを適宜採用可能である。

先のシリンダヘッド１８には点火プラグ１３も取り付けられており、その点火ギャップ２９が吸気ポート１２および排気ポート１９の開口端にて囲まれた状態で燃焼室１４の中央部に臨むように配されている。この点火プラグ１３の点火ギャップ２９には、クランク軸の回転運動に連動して所定のタイミングにて高電圧がイグニッションコイル３０を介して印加され、混合気中に含まれる燃料の点火を行うようになっている。イグニッションコイル３０に対する通電時期は、図示しない各種センサなどからの検出情報に基づき、エンジン１０の運転状態に応じてＥＣＵ２３の点火時期設定部３１にて設定される。

さらに、燃焼室１４内の圧力変化を検出するための筒内圧センサ３２もシリンダヘッド１８に搭載されており、この筒内圧センサ３２によって検出された信号は、ＥＣＵ２３に出力され、本実施形態ではノッキングの発生位置の推定に利用される。本実施形態における筒内圧センサ３２は、一対の吸気ポート１２の開口端に挟まれるように、燃焼室１４の外周縁部に臨んだ状態で配されているが、一対の排気ポート１９の開口端に挟まれるように、燃焼室１４の外周縁部に臨んだ状態で配することも有効である。さらに、第２，第３の筒内圧センサを配することによってより高精度なノッキングの発生位置の推定が可能となるが、高価な筒内圧センサ３２を最小限にするため、各気筒毎に１つの筒内圧センサ３２を組み込むことが望ましい。

本実施形態の制御ブロックを図２に示す。上述したＥＣＵ２３は、上述した筒内圧センサ３２や図示しない各種センサ類などからの検出情報などに基づき、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料噴射弁１１やイグニッションコイル３０などの作動を制御するようになっている。また、本実施形態におけるＥＣＵ２３は、燃焼室１４内におけるノッキングの発生位置を推定し、これに基づき燃焼室１４内でのタンブル流の強さを調整してノッキングの発生を抑制する機能も具えている。このため、上述した弁開度設定部２８に加え、筒内圧センサ３２によって検出された燃焼室１４内の圧力変化を解析する波形解析部３３と、この波形解析部３３にて解析された圧力変化に基づいてノッキングの発生位置を推定するノック位置推定部３４とを有する。

筒内圧センサ３２に近い位置でノッキングが発生した場合の状況を図３に模式的に示し、この時の波形解析部３３にて解析された筒内圧センサ３２の検出波形を図４に模式的に示す。また、筒内圧センサ３２から遠い位置でノッキングが発生した場合の状況を図５に模式的に示し、この時の波形解析部３３にて解析された筒内圧センサ３２の検出波形を図６に模式的に示す。何れの場合においても筒内圧センサ３２には実線の矢印で示した一次圧力波Ｗ₁がノッキング発生点Ｐから最初に到達し、次いで燃焼室１４の内壁で反射した破線の矢印で示す二次以降の圧力波Ｗ_nが順次到達することとなる。しかしながら、筒内圧センサ３２に近い位置でノッキングが発生した場合には、筒内圧センサ３２に遠い位置でノッキングが発生した場合よりも一次圧力波Ｗ₁と二次圧力波Ｗ₂との間隔が長くなる傾向を有する。また、筒内圧センサ３２に遠い位置でノッキングが発生した場合、二次以降の圧力波形が筒内圧センサ３２に近い位置でノッキングが発生した場合よりも複雑となる傾向を有する。従って、一次圧力波Ｗ₁と二次圧力波Ｗ₂との間隔Ｔを算出したり、二次以降の圧力波Ｗ_nの波形を解析することにより、筒内圧センサ３２の取り付け位置からノッキング発生点Ｐまでの距離を推定することが可能となる。実際の距離は、音速によって変わるが、ノッキングの発生時には燃焼室１４内がほぼ混合気で満たされており、エンジン１０の運転状態および筒内圧センサ３２からの検出信号に基づき、ノッキング発生直前の燃焼室１４内の圧力の絶対値から、気体の状態方程式を用いて燃焼室１４内の温度および音速を推定することが可能である。

波形解析部３３は、一般的なフィルタ処理などによりノイズ成分を除去して図４，図６に示すような一次圧力波Ｗ₁およびこれに続く二次以降の高次の圧力波Ｗ_nの波形を求める。

また、本実施形態におけるノック位置推定部３４は、一次圧力波Ｗ₁のあと、エンジン１０の運転状態に応じて設定される所定時間、例えば６マイクロ秒以内に二次圧力波Ｗ₂を検出しなければ、筒内圧センサ３２に近い位置でノックが発生していると推定する。これに対し、一次圧力波Ｗ₁に続き、エンジン１０の運転状態に応じて設定される所定時間、例えば３マイクロ秒以内に二次圧力波Ｗ₂が検出された場合、筒内圧センサ３２から遠い位置でノッキングが発生していると推定する。これ以外は、これらの中間地点でノッキングが発生していると推定する。この方法では、筒内圧センサ３２に対してノッキング発生点Ｐが左右方向（図３，図５中、上下方向）の何れかであるかを判定ができないものの、本実施形態では吸排気弁２１，２２の配置を対称に設定しているため、一対の吸気ポート１２の開口端と排気ポート１９の開口端とに接する対称なタンブル流を制御すればよく、上述した点に関して特に問題とはならない。

先の弁開度設定部２８は、ノック位置推定部３４にて推定されたノッキング発生点Ｐに応じたタンブル制御弁２６の開度を設定する機能も有する。このため、吸気ポート１２などの構造と共に用いられるエンジン１０の特性に応じて予めノッキング発生点Ｐとタンブル流の強さとの関係を試験などで求めておき、これをデータ化してＥＣＵ２３の弁開度設定部２８に組み込んでいる。従って、ノック位置推定部３４にて推定されたノッキング発生位置に基づき、このノッキング発生点Ｐに応じた弁開度が弁開度設定部２８によって設定され、弁アクチュエータ２７がこの設定された開度となるようにタンブル制御弁２６の開度を変更する。

本実施形態では、ノッキング発生点Ｐが筒内圧センサ３２の取り付け位置から遠いほど燃焼室１４内での混合気のタンブル流が強まるようにタンブル制御弁２６の開度を絞るようにしている。逆に、ノッキング発生点Ｐが筒内圧センサ３２の取り付け位置に近いほど燃焼室１４内での混合気のタンブル流が弱まるようにタンブル制御弁２６の開度を全開状態に近づけるようにしている。しかしながら、上述したようにエンジン１０および吸排気ポート１２，１９の構造などによってはこれらの関係が逆となる場合もあることに注意されたい。

なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。

本発明による内燃機関の吸気制御装置の一実施形態の主要部を表す概念図である。図１に示した実施形態における制御ブロック図である。燃焼室内でノッキングが発生した一例を模式的に表す原理図である。図３に示した状態における筒内圧センサによる検出波形を模式的に表す波形図である。燃焼室内でノッキングが発生した別の例を模式的に表す原理図である。図５に示した状態における筒内圧センサによる検出波形を模式的に表す波形図である。

符号の説明

１０エンジン
１１燃料噴射弁
１２吸気ポート
１３点火プラグ
１４燃焼室
１５ピストン
１６シリンダ
１７シリンダブロック
１８シリンダヘッド
１９排気ポート
２０コンロッド
２１吸気弁
２２排気弁
２３ＥＣＵ
２４燃料噴射量設定部
２５吸気管
２６タンブル制御弁
２７弁アクチュエータ
２８弁開度設定部
２９点火ギャップ
３０イグニッションコイル
３１点火時期設定部
３２筒内圧センサ
３３波形解析部
３４ノック位置推定部
Ｐノッキング発生点
Ｗ₁ 一次圧力波
Ｗ₂ 二次圧力波
Ｗ_n 二次以降の圧力波
Ｔ一次圧力波と二次圧力波との間隔

Claims

燃焼室を取り囲むシリンダの軸線方向からみて、吸気弁座および排気弁座ならびに筒内圧センサが線対称となるように配された内燃機関の吸気制御方法であって、
燃焼室内のノッキング発生位置から筒内圧センサに直接到達する第１の圧力波を検出するステップと、
燃焼室内のノッキング発生位置から燃焼室の内壁で反射した圧力波を検出するステップと、
第１の圧力波と反射した圧力波とから、筒内圧センサの配設位置からノッキング発生位置までの距離を推定するステップと、
燃焼室内に形成される混合気のタンブル流の強さを筒内圧センサの配設位置からノッキング発生位置までの距離に応じて変更するステップと
を具えたことを特徴とする内燃機関の吸気制御方法。
内燃機関の吸気通路に配されて燃焼室内の混合気のタンブル流の強さを調整するためのタンブル制御弁と、このタンブル制御弁の開度を車両の運転状態に応じて設定する弁開度設定部と、この弁開度設定部にて設定された開度となるように前記タンブル制御弁の開度を切り替える弁アクチュエータとを具えた内燃機関の吸気制御装置であって、
燃焼室内の圧力変化を検出するための筒内圧センサと、
この筒内圧センサによって検出された燃焼室内の圧力変化を解析する波形解析部と、
この波形解析部にて解析された圧力変化に基づいてノッキングの発生位置を推定するノック位置推定部と
をさらに具え、前記弁開度設定部はこのノック位置推定部にて推定されたノッキングの発生位置に応じてタンブル制御弁の開度を設定することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
前記ノック位置推定部は、ノッキングの発生位置から前記筒内圧センサに直接到達する一次圧力波と燃焼室の内壁で反射して前記筒内圧センサに到達する二次以上の高次の圧力波との時間差およびその波形のうちの少なくとも一方に基づいてノッキングの発生位置を推定することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
前記筒内圧センサは、燃焼室を取り囲むシリンダの軸線方向からみて、吸気弁座および排気弁座ならびに筒内圧センサが線対称となるように配されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の吸気制御装置。
前記筒内圧センサは、吸気弁座または排気弁座に近接して配されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の吸気制御装置。