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JP2015151913A - Control device of spark ignition type internal combustion engine - Google Patents

Control device of spark ignition type internal combustion engine Download PDF

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JP2015151913A
JP2015151913A JP2014025741A JP2014025741A JP2015151913A JP 2015151913 A JP2015151913 A JP 2015151913A JP 2014025741 A JP2014025741 A JP 2014025741A JP 2014025741 A JP2014025741 A JP 2014025741A JP 2015151913 A JP2015151913 A JP 2015151913A
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JP
Japan
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intake
engine
internal combustion
air
tumble
Prior art date
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Application number
JP2014025741A
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Japanese (ja)
Inventor
哲生 大村
Tetsuo Omura
哲生 大村
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Characterised By The Charging Evacuation (AREA)

Abstract

【課題】この発明は、可変吸気機構を備える火花点火式内燃機関において、リーンバーン運転が行われる部分負荷領域を使用する高エンジン回転速度時にタンブル比の低下を抑制することを目的とする。【解決手段】燃焼室14の上壁面の中央部付近に配置され混合気に点火するための点火プラグ24と、各吸気枝管16b2の長さを可変とする機構を有する吸気マニホールド16bと、を備える。燃焼室14の上方において吸気側から排気側に向かう気流が生じるタンブル流が生成される。リーンバーン運転が行われる部分負荷領域において、エンジン回転速度が高い時には、エンジン回転速度が低い時と比べて各吸気枝管16b2を長くする。【選択図】図10An object of the present invention is to suppress a decrease in tumble ratio at a high engine speed using a partial load region in which a lean burn operation is performed in a spark ignition internal combustion engine having a variable intake mechanism. An ignition plug 24 disposed near the center of the upper wall surface of a combustion chamber 14 for igniting an air-fuel mixture, and an intake manifold 16b having a mechanism for changing the length of each intake branch pipe 16b2. Prepare. Above the combustion chamber 14, a tumble flow is generated in which an air flow from the intake side to the exhaust side is generated. In the partial load region where the lean burn operation is performed, when the engine speed is high, each intake branch pipe 16b2 is made longer than when the engine speed is low. [Selection] Figure 10

Description

この発明は、火花点火式内燃機関の制御装置に関する。   The present invention relates to a control device for a spark ignition type internal combustion engine.

従来、例えば特許文献1には、吸気通路(より具体的には、吸気マニホールド)の長さを変更可能とする吸気可変機構を備える内燃機関が開示されている。この従来の内燃機関では、エンジン回転速度が高くなるほど、吸気マニホールドを短くすることとしている。   Conventionally, for example, Patent Document 1 discloses an internal combustion engine including an intake variable mechanism that can change the length of an intake passage (more specifically, an intake manifold). In this conventional internal combustion engine, the intake manifold is shortened as the engine speed increases.

特開2009−215963号公報JP 2009-215963 A 特開平4−183928号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-183928 特開2010−174643号公報JP 2010-174463 A

特許文献1に記載の内燃機関のようにエンジン回転速度が高いほど吸気通路を短くすることで、吸気の慣性脈動効果を利用して吸気の体積効率を向上させることができる。しかしながら、燃焼室の上方において吸気側から排気側に向かう気流が生じるタンブル流が形成され、部分負荷領域においてリーンバーン運転が行われる火花点火式内燃機関では、高エンジン回転速度時に慣性脈動効果を積極的に利用すると、次のような問題が生ずる。すなわち、高エンジン回転速度時に高い慣性脈動効果が発揮されると、タンブル比が低下し、その結果として点火時に点火プラグの周囲のガス流速が低下する場合がある。リーンバーン運転時に上記ガス流速が適切に確保されないと、着火性が低下してしまうことが懸念される。   As the engine rotational speed is higher as in the internal combustion engine described in Patent Document 1, the intake passage efficiency is shortened by using the inertia pulsation effect of intake air by shortening the intake passage. However, in a spark ignition internal combustion engine in which a tumble flow is generated in the upper part of the combustion chamber to generate an air flow from the intake side to the exhaust side, and a lean burn operation is performed in the partial load region, the inertia pulsation effect is positively generated at a high engine speed. If used, the following problems occur. That is, when a high inertia pulsation effect is exhibited at a high engine speed, the tumble ratio decreases, and as a result, the gas flow velocity around the spark plug may decrease during ignition. If the gas flow velocity is not properly ensured during the lean burn operation, there is a concern that the ignitability will deteriorate.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、可変吸気機構を備える火花点火式内燃機関において、リーンバーン運転が行われる部分負荷領域を使用する高エンジン回転速度時にタンブル比の低下を抑制することのできる火花点火式内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a spark ignition internal combustion engine having a variable intake mechanism, a tumble ratio at a high engine speed using a partial load region where lean burn operation is performed. An object of the present invention is to provide a control device for a spark ignition type internal combustion engine that can suppress a decrease in the engine.

第1の発明は、
燃焼室の上壁面の中央部付近に配置され混合気に点火するための点火プラグと、
吸気通路の長さを可変とする可変吸気機構と、を備え、
前記燃焼室の上方において吸気側から排気側に向かう気流が生じるタンブル流が生成され、部分負荷領域においてリーンバーン運転が行われる火花点火式内燃機関の制御装置であって、
リーンバーン運転が行われる部分負荷領域において、エンジン回転速度が高い時には、エンジン回転速度が低い時と比べて前記吸気通路が長くなるように前記可変吸気機構を制御する制御手段を備えることを特徴とする。
The first invention is
A spark plug disposed near the center of the upper wall of the combustion chamber for igniting the air-fuel mixture;
A variable intake mechanism that makes the length of the intake passage variable,
A control device for a spark ignition internal combustion engine in which a tumble flow is generated in which an air flow from the intake side to the exhaust side is generated above the combustion chamber, and a lean burn operation is performed in a partial load region,
In the partial load region where the lean burn operation is performed, the engine includes a control unit that controls the variable intake mechanism so that the intake passage becomes longer when the engine speed is high than when the engine speed is low. To do.

第1の発明によれば、リーンバーン運転が行われる部分負荷領域を使用する高エンジン回転速度時に、吸気管長を長くすることによってタンブル比の低下を抑制することができる。これにより、点火時に点火プラグの周囲のガス流速の低下を抑制することができる。その結果として、リーンバーン運転時の混合気の着火性を向上させることができる。   According to the first aspect of the present invention, it is possible to suppress a decrease in the tumble ratio by increasing the intake pipe length at the time of high engine speed using the partial load region where the lean burn operation is performed. Thereby, the fall of the gas flow rate around a spark plug can be suppressed at the time of ignition. As a result, the ignitability of the air-fuel mixture during lean burn operation can be improved.

本発明の実施の形態1に係る火花点火式の内燃機関のシステム構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the system configuration | structure of the spark ignition type internal combustion engine which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1に示す内燃機関の燃焼室周りの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure around the combustion chamber of the internal combustion engine shown in FIG. 図1に示す吸気マニホールドの構成を表した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of an intake manifold illustrated in FIG. 1. 筒内に生成されるタンブル流の各成分を示す図である。It is a figure which shows each component of the tumble flow produced | generated in a cylinder. 従来の吸気管長の制御をリーンバーン運転に適用した場合の問題点を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the problem at the time of applying the control of the conventional intake pipe length to lean burn operation. 高回転領域においてタンブル比が低下する理由を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the reason that a tumble ratio falls in a high rotation area | region. 点火プラグ部流速とタンブル比との関係を表した図である。It is a figure showing the relationship between a spark plug part flow velocity and a tumble ratio. 点火時の燃焼室内のガス流れの状態をタンブル比の高低で比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the state of the gas flow in the combustion chamber at the time of ignition by the level of tumble ratio. 吸気の慣性脈動効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the inertia pulsation effect of intake. 本発明の実施の形態1に係る吸気管長の制御が適用された際の内燃機関の運転領域と当該制御の効果とを表した図である。It is a figure showing the operating range of the internal combustion engine when the control of the intake pipe length concerning Embodiment 1 of the present invention is applied, and the effect of the control concerned. 部分負荷領域の使用時における本発明の実施の形態1の制御と従来の制御との相違点を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the difference between the control of Embodiment 1 of this invention at the time of use of a partial load area | region, and the conventional control. 本発明の実施の形態1において実行される制御ルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the control routine performed in Embodiment 1 of the present invention.

実施の形態1.
[実施の形態1のシステム構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る火花点火式の内燃機関10のシステム構成を説明するための図である。図2は、図1に示す内燃機関10の燃焼室14周りの構成を示す図である。本実施形態のシステムは、火花点火式の内燃機関10を備えている。内燃機関10の各気筒内には、その内部を往復移動するピストン12が設けられている。筒内におけるピストン12の頂部側には、燃焼室14が形成されている。燃焼室14には、吸気通路16および排気通路18が連通している。
Embodiment 1 FIG.
[System Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining a system configuration of a spark ignition type internal combustion engine 10 according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a configuration around the combustion chamber 14 of the internal combustion engine 10 shown in FIG. The system of this embodiment includes a spark ignition type internal combustion engine 10. Each cylinder of the internal combustion engine 10 is provided with a piston 12 that reciprocates within the cylinder. A combustion chamber 14 is formed on the top side of the piston 12 in the cylinder. An intake passage 16 and an exhaust passage 18 communicate with the combustion chamber 14.

図2に示すように、吸気通路16の吸気ポート16aには、当該吸気ポート16aを開閉する吸気弁20が設けられており、排気通路18の排気ポート18aには、当該排気ポート18aを開閉する排気弁22が設けられている。また、各気筒内には、混合気に点火するための点火プラグ24が設けられている。より具体的には、点火プラグ24は、燃焼室14の上壁面の中央部付近に配置されている。   As shown in FIG. 2, the intake port 16a of the intake passage 16 is provided with an intake valve 20 that opens and closes the intake port 16a. The exhaust port 18a of the exhaust passage 18 opens and closes the exhaust port 18a. An exhaust valve 22 is provided. A spark plug 24 for igniting the air-fuel mixture is provided in each cylinder. More specifically, the spark plug 24 is disposed near the center of the upper wall surface of the combustion chamber 14.

図1に示すように、吸気通路16の入口近傍には、エアクリーナー26が設置されている。エアクリーナー26には、吸気通路16に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ28が設けられている。エアフローメータ28の下流には、電子制御式のスロットルバルブ30が設けられている。   As shown in FIG. 1, an air cleaner 26 is installed near the inlet of the intake passage 16. The air cleaner 26 is provided with an air flow meter 28 that outputs a signal corresponding to the flow rate of air sucked into the intake passage 16. An electronically controlled throttle valve 30 is provided downstream of the air flow meter 28.

スロットルバルブ30よりも下流側の吸気通路16は、各吸気ポート16aに接続される吸気マニホールド16bとして構成されている。吸気マニホールド16bは、サージタンク16b1として機能する集合部と、サージタンク16b1と各吸気ポート16aとを接続する吸気枝管16b2とを備えている。本実施形態の吸気マニホールド16bは、吸気マニホールド長(より具体的には、各吸気枝管16b2の長さ)を変更可能に構成されている。   The intake passage 16 on the downstream side of the throttle valve 30 is configured as an intake manifold 16b connected to each intake port 16a. The intake manifold 16b includes a collecting portion that functions as a surge tank 16b1, and an intake branch pipe 16b2 that connects the surge tank 16b1 and each intake port 16a. The intake manifold 16b of this embodiment is configured to be able to change the intake manifold length (more specifically, the length of each intake branch pipe 16b2).

図3は、図1に示す吸気マニホールド16bの構成を表した断面図である。図3に示すように、各吸気枝管16b2は、サージタンク16b1を取り巻くように形成されている。サージタンク16b1と各吸気枝管16b2とは、第1接続口16b3および第2接続口16b4の2カ所において連通可能となっている。第1接続口16b3は、サージタンク16b1側の各吸気枝管16b2の端部に設けられている。第2接続口16b4は、当該第1接続口16b3よりも吸気流れの下流側の部位においてサージタンク16b1と各吸気枝管16b2とを連通させる。また、吸気マニホールド16bは、第2接続口16b4を開閉する開閉バルブ16b5を備えている。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the intake manifold 16b shown in FIG. As shown in FIG. 3, each intake branch pipe 16b2 is formed to surround the surge tank 16b1. The surge tank 16b1 and each intake branch pipe 16b2 can communicate with each other at two locations, the first connection port 16b3 and the second connection port 16b4. The first connection port 16b3 is provided at the end of each intake branch pipe 16b2 on the surge tank 16b1 side. The second connection port 16b4 allows the surge tank 16b1 and each intake branch pipe 16b2 to communicate with each other at a site downstream of the first connection port 16b3. The intake manifold 16b includes an opening / closing valve 16b5 that opens and closes the second connection port 16b4.

上述のように構成された吸気マニホールド16bによれば、開閉バルブ16b5によって第2接続口16b4を閉じた場合には、図3(A)に示すように吸気は第1接続口16b3を介して各吸気枝管16b2の全体を通って各吸気ポート16aに向かうようになる。一方、開閉バルブ16b5によって第2接続口16b4を開いた場合には、図3(B)に示すように吸気は第2接続口16b4を通って各吸気枝管16b2の一部を通って各吸気ポート16aに向かうようになる。このように、上記構成の吸気枝管16b2を備えて開閉バルブ16b5を開閉することにより、吸気が実際に流れる各吸気枝管16b2の長さを可変とする「可変吸気機構」が実現されている。   According to the intake manifold 16b configured as described above, when the second connection port 16b4 is closed by the on-off valve 16b5, the intake air flows through the first connection port 16b3 as shown in FIG. The entire intake branch pipe 16b2 is directed toward each intake port 16a. On the other hand, when the second connection port 16b4 is opened by the opening / closing valve 16b5, the intake air passes through the second connection port 16b4 and part of each intake branch pipe 16b2 as shown in FIG. It goes to port 16a. As described above, the “variable intake mechanism” is realized in which the intake branch pipe 16b2 having the above-described configuration is provided to open and close the opening / closing valve 16b5 so that the length of each intake branch pipe 16b2 through which intake air actually flows is variable. .

図1に示すシステムは、さらに、ECU(Electronic Control Unit)40を備えている。ECU40の入力部には、上述したエアフローメータ28に加え、エンジン回転速度を検知するためのクランク角センサ42等の内燃機関10の運転状態を検知するための各種センサが接続されている。また、ECU40の出力部には、上述した開閉バルブ16b5、スロットルバルブ30、点火プラグ24を備える点火装置44、および、内燃機関10に燃料を供給する燃料噴射弁46等の内燃機関10の運転を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ECU40は、上述した各種センサと所定のプログラムとに従って各種アクチュエータを作動させることにより、燃料噴射制御および点火制御などの所定のエンジン制御を行うものである。特に、本実施形態の内燃機関10では、部分負荷領域において、リーンバーン運転(より具体的には、筒内全体にリーン混合気を均質に形成して行う均質リーンバーン燃焼を利用したリーンバーン運転)が行われる。しかしながら、本発明でいうリーンバーン運転は、上記態様のように空燃比を理論空燃比よりもリーンに制御して行うもの以外に、EGRガスの導入によって筒内の混合気を希釈することによるリーンバーン運転も含まれる。   The system shown in FIG. 1 further includes an ECU (Electronic Control Unit) 40. In addition to the air flow meter 28 described above, various sensors for detecting the operation state of the internal combustion engine 10 such as a crank angle sensor 42 for detecting the engine rotation speed are connected to the input portion of the ECU 40. Further, the output portion of the ECU 40 operates the internal combustion engine 10 such as the on-off valve 16b5, the throttle valve 30, the ignition device 44 including the ignition plug 24, and the fuel injection valve 46 that supplies fuel to the internal combustion engine 10. Various actuators for control are connected. The ECU 40 performs predetermined engine control such as fuel injection control and ignition control by operating various actuators in accordance with the above-described various sensors and a predetermined program. In particular, in the internal combustion engine 10 of the present embodiment, in the partial load region, lean burn operation (more specifically, lean burn operation using homogeneous lean burn combustion in which a lean mixture is uniformly formed in the entire cylinder) ) Is performed. However, the lean burn operation in the present invention is performed by diluting the air-fuel mixture in the cylinder by introducing EGR gas, in addition to the lean burn operation performed by controlling the air fuel ratio to be leaner than the stoichiometric air fuel ratio as in the above embodiment. Burn operation is also included.

図4は、筒内に生成されるタンブル流の各成分を示す図である。上記図3に示すように、本実施形態の内燃機関10は、燃焼室14の上方において吸気側から排気側に向かう気流が生じる態様でタンブル流(縦渦流)が生成されるように構成されている。より詳細に説明すると、図3に示すタンブル流は、図4に示す正タンブル流成分と逆タンブル流成分とに分解される。   FIG. 4 is a diagram showing each component of the tumble flow generated in the cylinder. As shown in FIG. 3, the internal combustion engine 10 of the present embodiment is configured such that a tumble flow (vertical vortex flow) is generated in a manner in which an air flow from the intake side to the exhaust side is generated above the combustion chamber 14. Yes. More specifically, the tumble flow shown in FIG. 3 is decomposed into a normal tumble flow component and a reverse tumble flow component shown in FIG.

正タンブル流成分は、燃焼室14の上方側の吸気弁20の開口部から流入するガスの流れAの作用による成分であって、図3に示す最終的なタンブル流と同じ方向のタンブル流を生じさせようとする成分である。一方、逆タンブル流成分は、燃焼室14の下方側(ピストン12側)の吸気弁20の開口部から流入するガスの流れBの作用による成分であって、正タンブル流と逆方向のタンブル流を生じさせようとする成分である。これらの2つのタンブル流成分の強弱のバランスによって、最終的に筒内に生成されるタンブル流の向きおよび強さが定まるものとなる。したがって、内燃機関10の吸気系は、正タンブル流成分が逆タンブル流成分よりも強くなるように構成されているといえる。   The positive tumble flow component is a component due to the action of the gas flow A flowing in from the opening of the intake valve 20 above the combustion chamber 14, and the tumble flow in the same direction as the final tumble flow shown in FIG. It is a component to be generated. On the other hand, the reverse tumble flow component is a component due to the action of the gas flow B flowing in from the opening of the intake valve 20 on the lower side (piston 12 side) of the combustion chamber 14, and the tumble flow in the direction opposite to the normal tumble flow. It is a component which is going to produce. The direction and strength of the tumble flow finally generated in the cylinder is determined by the balance between the strengths of these two tumble flow components. Therefore, it can be said that the intake system of the internal combustion engine 10 is configured such that the forward tumble flow component is stronger than the reverse tumble flow component.

[実施の形態1の制御]
上述した構成を有する内燃機関10のように部分負荷領域においてリーンバーン運転が行われる内燃機関では、高いタンブル比のタンブル流を活用することによって点火時の点火プラグ24の周囲のガス流速(以下、「点火プラグ部流速」と称する)を向上させることが燃費向上を図るうえで重要となる。しかしながら、リーンバーン運転に強いタンブル流を活用しようとした場合には、吸気の慣性脈動の影響を受けて高回転領域において点火プラグ部流速が低下し、混合気の着火性が悪化してしまうことがある。着火性の悪化は、リーンバーン燃焼耐性を悪化させてしまう(すなわち、あるリーン空燃比での燃焼を成立しにくくさせてしまう)。この課題に対して、本実施形態では、可変吸気機構(吸気マニホールド16b)を利用して高回転領域において点火プラグ部流速が低下することを防止することとしている。以下、従来の吸気管長の制御との違いを説明しつつ、本実施形態の吸気管長の制御について説明する。
[Control of Embodiment 1]
In an internal combustion engine in which a lean burn operation is performed in a partial load region, such as the internal combustion engine 10 having the above-described configuration, a gas flow velocity around the spark plug 24 at the time of ignition (hereinafter, referred to as “tumble flow”) It is important to improve the fuel efficiency (referred to as “ignition plug flow velocity”). However, when trying to utilize a tumble flow that is strong in lean burn operation, the spark plug flow velocity decreases in the high rotation range due to the influence of the inertia pulsation of the intake air, and the ignitability of the air-fuel mixture deteriorates. There is. The deterioration of ignitability deteriorates the lean burn combustion resistance (that is, makes it difficult to establish combustion at a certain lean air-fuel ratio). In order to deal with this problem, in the present embodiment, the variable intake mechanism (intake manifold 16b) is used to prevent the spark plug portion flow velocity from decreasing in the high rotation region. Hereinafter, the control of the intake pipe length of the present embodiment will be described while explaining the difference from the conventional control of the intake pipe length.

図5は、従来の吸気管長の制御をリーンバーン運転に適用した場合の問題点を説明するための図である。図5に示す従来例では、本実施形態と同様に部分負荷領域においてタンブル流を利用したリーンバーン運転が行われているものとする。従来の吸気管長の制御では、運転領域の全域で吸気の体積効率の向上を得るために、図5(A)に示すように低回転領域(エンジン回転速度領域を低、中、高回転領域で捉えた場合には低〜中回転領域)かつ高負荷領域では長い吸気管長が使用され、高回転高負荷領域を含むその他の運転領域では短い吸気管長が使用される。しかしながら、このような吸気管長の制御がリーンバーン運転に適用されると、図5(B)に示すように高回転領域でタンブル比が低下し、その結果として点火プラグ部流速が低下してしまう。   FIG. 5 is a diagram for explaining a problem when the conventional control of the intake pipe length is applied to the lean burn operation. In the conventional example shown in FIG. 5, it is assumed that lean burn operation using a tumble flow is performed in the partial load region as in the present embodiment. In the conventional control of the intake pipe length, in order to obtain an improvement in the volumetric efficiency of the intake air over the entire operation region, as shown in FIG. 5A, the low rotation region (the engine rotation speed region is low, medium and high When captured, a long intake pipe length is used in a high load area and a short intake pipe length is used in other operation areas including a high rotation high load area. However, when such intake pipe length control is applied to lean burn operation, as shown in FIG. 5 (B), the tumble ratio decreases in the high rotation region, and as a result, the spark plug flow velocity decreases. .

図6を参照して、高回転領域においてタンブル比が低下する理由について説明する。図6(A)は、INバルブリフト量(吸気弁20のリフト量)を任意の値で固定した状態で空気を筒内に導入した際に生成される流れのタンブル比を計測した試験結果に基づく図である。図6(A)に示す試験結果より、低リフト量にて空気を導入するとタンブル比が低下し、リフト量が高くなるほどタンブル比が高くなることが分かる。これは、リフト量が高くなると図4中に示す上側の流れAが増加し、逆タンブル流成分に対して正タンブル流成分が相対的に強くなるためである。   With reference to FIG. 6, the reason why the tumble ratio decreases in the high rotation region will be described. FIG. 6A shows test results obtained by measuring the tumble ratio of the flow generated when air is introduced into the cylinder with the IN valve lift amount (lift amount of the intake valve 20) fixed at an arbitrary value. FIG. From the test results shown in FIG. 6A, it can be seen that when air is introduced at a low lift amount, the tumble ratio decreases, and the tumble ratio increases as the lift amount increases. This is because as the lift amount increases, the upper flow A shown in FIG. 4 increases, and the forward tumble flow component becomes relatively stronger than the reverse tumble flow component.

図6(B)は、吸気弁20の開弁期間中のリフト量の変化に対する吸入空気割合の変化をエンジン回転速度の高低で比較した図である。ここでいう吸入空気割合とは、1回の開弁期間中に筒内に流入する空気量全体に対する各リフト量での流入空気量の割合のことであり、当該吸入空気割合は開弁期間中に図6(B)中に矢印で示す方向に変化する。図6(B)より、高回転時には、低回転時と比べて、低リフト量状態において空気が筒内に多く導入されることが分かる。低リフト量状態では、高リフト量状態と比べて図4中に示す上側の流れAの割合が減少し、下側の流れBの割合が増加する。その結果、低リフト量状態では、高リフト量状態と比べて逆タンブル流成分が強くなる。このため、高回転領域では、上記図5(B)に示すようにタンブル比が低下する。   FIG. 6B is a diagram comparing the change in the intake air ratio with respect to the change in the lift amount during the opening period of the intake valve 20 at the engine rotation speed level. The intake air ratio here means the ratio of the inflow air amount at each lift amount with respect to the entire air amount flowing into the cylinder during one valve opening period, and the intake air ratio is during the valve opening period. 6B changes in the direction indicated by the arrow in FIG. From FIG. 6 (B), it can be seen that a large amount of air is introduced into the cylinder at the time of high rotation in a low lift amount state compared to at the time of low rotation. In the low lift amount state, the ratio of the upper flow A shown in FIG. 4 decreases and the ratio of the lower flow B increases in comparison with the high lift amount state. As a result, the reverse tumble flow component is stronger in the low lift amount state than in the high lift amount state. For this reason, in the high rotation region, the tumble ratio decreases as shown in FIG.

図7は、点火プラグ部流速とタンブル比との関係を表した図である。図8は、点火時の燃焼室14内のガス流れの状態をタンブル比の高低で比較して示す図である。図7に示すように、点火プラグ部流速とタンブル比との関係は線形ではなく、点火プラグ部流速は、タンブル比がある値Cより低下すると、筒内の気流形成が急激に変化することを受けて急激に低下する。このような特性が得られる理由は次の通りである。   FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the spark plug flow velocity and the tumble ratio. FIG. 8 is a diagram showing the state of the gas flow in the combustion chamber 14 at the time of ignition by comparing the tumble ratio with the level. As shown in FIG. 7, the relationship between the spark plug flow velocity and the tumble ratio is not linear, and when the spark plug flow velocity falls below a certain value C, the air flow formation in the cylinder changes rapidly. In response, it drops rapidly. The reason why such characteristics are obtained is as follows.

すなわち、高タンブル比のタンブル流が生成されたサイクルでは、点火時においても当初のタンブル流の方向(正タンブル流成分の流れ方向)の流れが良好に維持される。その結果、タンブル比が値Cよりも高い値Dとなる時に対応する図8(A)に示すように、燃焼室14の上壁面側のガスの流速がピストン12側のガスの流速よりも高くなり、点火プラグ部流速が高くなる。これにより、リーン燃焼耐性が良好に確保される。一方、低タンブル比のタンブル流が生成されたサイクルでは、点火時においてタンブル流を形成できなくなり、あるいは少なくとも当初のタンブル流を良好に維持しにくくなる。その結果、タンブル比が値Cよりも低い値Eとなる時に対応する図8(B)に示すように、燃焼室14の上壁面側のガスの流速よりもピストン12側のガスの流速の方が高くなり、点火プラグ部流速が低下してしまう。これにより、リーンバーン燃焼耐性が悪化する。   That is, in a cycle in which a tumble flow having a high tumble ratio is generated, the flow in the initial tumble flow direction (the flow direction of the normal tumble flow component) is well maintained even during ignition. As a result, as shown in FIG. 8A corresponding to when the tumble ratio becomes a value D higher than the value C, the flow velocity of the gas on the upper wall surface side of the combustion chamber 14 is higher than the flow velocity of the gas on the piston 12 side. Thus, the spark plug flow velocity is increased. Thereby, the lean combustion resistance is ensured satisfactorily. On the other hand, in a cycle in which a tumble flow having a low tumble ratio is generated, the tumble flow cannot be formed at the time of ignition, or at least the initial tumble flow is difficult to maintain well. As a result, as shown in FIG. 8B corresponding to when the tumble ratio becomes a value E lower than the value C, the gas flow rate on the piston 12 side is higher than the gas flow rate on the upper wall surface side of the combustion chamber 14. Increases, and the spark plug flow velocity decreases. Thereby, the lean burn combustion resistance deteriorates.

図9は、吸気の慣性脈動効果を説明するための図であり、1サイクル中の吸気ポート圧力の推移と吸気弁20の開弁期間との関係を示している。低回転時には、図9中に破線で示すように吸気ポート圧力の振幅は小さく、その結果、各吸気ポート16aに大きな圧力波は生成されない。一方、エンジン回転速度が高くなると、吸気弁20の開弁初期に吸気ポート16a内に大きな負圧波が発生する。発生した負圧波は、開口端であるサージタンク16b1に到達した際に位相が反転し、正圧波となって各吸気ポート16aに戻ってくる。従来の吸気管長の制御では、短い吸気管長を選択した際に、高回転時に正圧波のピークが吸気弁20の閉じ時期直前において各吸気ポート16aに到達するように構成されている。これにより、吸気の体積効率を向上させることができる。このため、高負荷高回転領域に関しては、このような構成は好ましいといえる。しかしながら、リーンバーン運転が行われる部分負荷領域においてこのような構成が採用されていると、吸気弁20の閉じ時期の直前において(すなわち、低リフト量状態において)吸入空気割合が増加することとなる。その結果、図6を参照して既述したように、タンブル比が低下してしまう。   FIG. 9 is a diagram for explaining the inertia pulsation effect of intake air, and shows the relationship between the transition of the intake port pressure during one cycle and the valve opening period of the intake valve 20. At the time of low rotation, the amplitude of the intake port pressure is small as shown by the broken line in FIG. 9, and as a result, no large pressure wave is generated in each intake port 16a. On the other hand, when the engine speed increases, a large negative pressure wave is generated in the intake port 16a in the early stage of opening of the intake valve 20. The phase of the generated negative pressure wave is reversed when it reaches the surge tank 16b1, which is the open end, and returns to each intake port 16a as a positive pressure wave. The conventional intake pipe length control is configured such that when a short intake pipe length is selected, the peak of the positive pressure wave reaches each intake port 16a just before the intake valve 20 is closed at the time of high rotation. Thereby, the volumetric efficiency of intake air can be improved. For this reason, it can be said that such a configuration is preferable for a high load high rotation region. However, when such a configuration is adopted in the partial load region where the lean burn operation is performed, the intake air ratio increases immediately before the closing timing of the intake valve 20 (that is, in the low lift amount state). . As a result, as already described with reference to FIG. 6, the tumble ratio is lowered.

そこで、本実施形態では、リーンバーン運転が行われる部分負荷領域において、所定エンジン回転速度Fよりも高い高回転時には、長い吸気管長が得られるように開閉バルブ16b5を閉じることとした。吸気管長が長くなると、音速の圧力波が各吸気ポート16aからサージタンク16b1に移動し、かつ、サージタンク16b1から正圧波として各吸気ポート16aに戻ってくるまでに要する時間が長くなる。その結果、図9に示すように、短い吸気管長の使用時と比べて正圧波のピークが到来するタイミングを遅らせることができる。このため、短い吸気管長の使用時と比べて低リフト量状態での空気の導入を抑制することができる。このように、内燃機関10の吸気系は、エンジン回転速度がエンジン回転速度Fに達した際に長い吸気管長を使用することで、吸気ポート16a内で正圧波がピークとなるタイミングが吸気弁20の閉じ時期よりも後のタイミングとなるように構成されている。   Therefore, in the present embodiment, in the partial load region where the lean burn operation is performed, the opening / closing valve 16b5 is closed so that a long intake pipe length is obtained at a high rotation speed higher than the predetermined engine rotation speed F. As the intake pipe length increases, the time required for a sonic pressure wave to move from each intake port 16a to the surge tank 16b1 and to return to each intake port 16a as a positive pressure wave from the surge tank 16b1 increases. As a result, as shown in FIG. 9, the timing at which the peak of the positive pressure wave arrives can be delayed as compared to when a short intake pipe length is used. For this reason, introduction of air in a low lift amount state can be suppressed as compared with the case of using a short intake pipe length. Thus, the intake system of the internal combustion engine 10 uses a long intake pipe length when the engine rotation speed reaches the engine rotation speed F, so that the timing when the positive pressure wave peaks in the intake port 16a is the intake valve 20. The timing is later than the closing timing.

図10は、本発明の実施の形態1に係る吸気管長の制御が適用された際の内燃機関10の運転領域と当該制御の効果とを表した図である。図10(A)に示すように、本実施形態の吸気管長の制御は、リーンバーン運転が行われる部分負荷領域(低〜中負荷領域)であってエンジン回転速度が所定エンジン回転速度Fよりも高い高回転領域において長い吸気管長が使用されるという点において図5(A)に示す従来の制御と相違している。エンジン回転速度Fは、タンブル比が値Cに到達する時(すなわち、短い吸気管長を使用したままでは低リフト量状態での空気導入割合の低下によりタンブル比が急激に低下してしまう時)のエンジン回転速度Gよりも所定値だけ低回転側の値である。この相違により、図10(B)に示すように、上記高回転領域において、低リフト量状態での空気の導入の抑制によってタンブル比の低下を防止することができる。   FIG. 10 is a diagram showing the operating range of the internal combustion engine 10 and the effect of the control when the intake pipe length control according to the first embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 10 (A), the control of the intake pipe length of the present embodiment is a partial load region (low to medium load region) where lean burn operation is performed, and the engine rotational speed is higher than the predetermined engine rotational speed F. This is different from the conventional control shown in FIG. 5A in that a long intake pipe length is used in a high high rotation region. The engine rotation speed F is when the tumble ratio reaches the value C (that is, when the tumble ratio rapidly decreases due to a decrease in the air introduction ratio in the low lift amount state while using a short intake pipe length). The value is lower than the engine speed G by a predetermined value. Due to this difference, as shown in FIG. 10B, in the high rotation region, it is possible to prevent the tumble ratio from being lowered by suppressing the introduction of air in the low lift amount state.

図11は、部分負荷領域の使用時における本実施形態の制御と従来の制御との相違点を説明するためのタイムチャートである。このタイムチャートは、図11(A)に示すようにエンジン回転速度が時間経過とともに上昇していく状況でのものである。エンジン回転速度の変化に関係なく短い吸気管長が使用される従来の制御によれば、図11(C)中に破線で示すように、エンジン回転速度が高くなるにつれ、慣性脈動効果を伴って低リフト量状態での空気導入割合が増加していく。それに伴い、点火プラグ部流速は、図11(D)中に破線で示すように、エンジン回転速度が高くなるにつれ、徐々に低下していく。そして、点火プラグ部流速は、図7および図8を参照して既述した筒内気流の変化により、あるタイミングで(この例では、エンジン回転速度が所定エンジン回転速度Gに到達したタイミングで)急激に低下する。なお、急低下した後の点火プラグ部流速は、再び徐々に低下していく。   FIG. 11 is a time chart for explaining the difference between the control of the present embodiment and the conventional control when the partial load region is used. This time chart is a situation in which the engine speed increases as time passes as shown in FIG. According to the conventional control in which a short intake pipe length is used regardless of changes in the engine speed, as shown by the broken line in FIG. 11C, as the engine speed increases, the inertia pulsation effect decreases. The air introduction rate in the lift amount state increases. Along with this, as indicated by the broken line in FIG. 11D, the spark plug portion flow velocity gradually decreases as the engine speed increases. The spark plug portion flow velocity is determined at a certain timing (in this example, when the engine rotation speed reaches a predetermined engine rotation speed G) due to the change in the in-cylinder airflow described above with reference to FIGS. 7 and 8. Decreases rapidly. Note that the spark plug flow velocity after the sudden drop gradually decreases again.

これに対し、本実施形態の制御によれば、エンジン回転速度Gよりも低回転側の値であるエンジン回転速度Fに到達する際に吸気管長が長くされる。これにより、高回転領域において慣性脈動効果を抑制することによって図11(C)中に実線で示すように、低リフト量状態での空気導入割合を下げることができる。より具体的には、高回転領域では、エンジン回転速度が高くなるにつれ、正圧波のピークタイミングがより遅れることで慣性脈動効果がより使われなくなる。このため、エンジン回転速度が高くなるにつれ、低リフト量状態での空気導入割合が下がっていく。したがって、図11(D)中に実線で示すように、高回転領域における点火プラグ部流速を高く維持することができる。より具体的には、エンジン回転速度が高くなるにつれ、点火プラグ部流速が徐々に高くなっていく特性が得られる。なお、高回転領域において慣性脈動効果が抑制されることに伴う吸入空気量の減少に関しては、スロットル開度を増やすことで補うことができる。   On the other hand, according to the control of the present embodiment, the intake pipe length is lengthened when reaching the engine rotation speed F that is a value on the lower rotation side than the engine rotation speed G. Thus, by suppressing the inertia pulsation effect in the high rotation region, the air introduction ratio in the low lift amount state can be lowered as shown by the solid line in FIG. More specifically, in the high speed region, as the engine rotational speed increases, the peak timing of the positive pressure wave is delayed and the inertia pulsation effect is less used. For this reason, as the engine speed increases, the air introduction ratio in the low lift amount state decreases. Therefore, as shown by a solid line in FIG. 11D, the spark plug flow velocity in the high rotation region can be kept high. More specifically, the characteristic that the spark plug flow velocity gradually increases as the engine speed increases is obtained. Note that the reduction in the intake air amount accompanying the suppression of the inertia pulsation effect in the high rotation region can be compensated by increasing the throttle opening.

図12は、上述した実施の形態1の制御を実現するために、ECU40が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。   FIG. 12 is a flowchart showing a control routine executed by the ECU 40 in order to realize the control of the first embodiment described above. In addition, this routine shall be repeatedly performed for every predetermined | prescribed control period.

ステップ100では、ECU40は、内燃機関10の運転領域がリーンバーン運転を行う所定の部分負荷領域であるか否かを判定する。ECU40は、リーンバーン運転を行う部分負荷領域を記憶しており、エアフローメータ28およびクランク角センサ42を用いてそれぞれ取得される吸入空気量およびエンジン回転速度に基づいて判断した現在の運転領域が部分負荷領域に該当するか否かを判断する。   In step 100, the ECU 40 determines whether or not the operation region of the internal combustion engine 10 is a predetermined partial load region in which the lean burn operation is performed. The ECU 40 stores a partial load region in which the lean burn operation is performed, and the current operation region determined based on the intake air amount and the engine rotational speed respectively acquired using the air flow meter 28 and the crank angle sensor 42 is a partial. It is determined whether or not the load area is satisfied.

運転領域が部分負荷領域である場合には、ECU40は、ステップ102に進み、エンジン回転速度が上記エンジン回転速度Fよりも高いか否かを判定する。エンジン回転速度Fは、上述のように、タンブル比に急低下が生じる時のエンジン回転速度Gに対して所定値分の余裕を持たせた値である。エンジン回転速度Fは、実験等によって事前に把握されており、ECU40に記憶されている。   When the operation region is the partial load region, the ECU 40 proceeds to step 102 and determines whether or not the engine rotation speed is higher than the engine rotation speed F. As described above, the engine rotation speed F is a value that has a margin for a predetermined value with respect to the engine rotation speed G when the tumble ratio suddenly decreases. The engine rotation speed F is known in advance by experiments or the like and is stored in the ECU 40.

ステップ102において現在のエンジン回転速度が所定エンジン回転速度F以下であると判定された場合には、ECU40は、ステップ104に進み、短い吸気管長が得られるようにするために開閉バルブ16b5を開く、もしくは開かれた状態を維持する。一方、現在のエンジン回転速度が所定エンジン回転速度Fよりも高いと判定された場合には、ECU40は、ステップ106に進み、長い吸気管長が得られるようにするために開閉バルブ16b5を閉じるか、もしくは閉じた状態を維持する。   If it is determined in step 102 that the current engine speed is equal to or lower than the predetermined engine speed F, the ECU 40 proceeds to step 104 and opens the opening / closing valve 16b5 in order to obtain a short intake pipe length. Or keep it open. On the other hand, if it is determined that the current engine rotation speed is higher than the predetermined engine rotation speed F, the ECU 40 proceeds to step 106 and closes the opening / closing valve 16b5 in order to obtain a long intake pipe length, Or keep it closed.

以上説明した図12に示すルーチンによれば、リーンバーン運転が行われる部分負荷領域であって高回転領域の使用時に、吸気管長を長くすることによってタンブル比の低下を抑制することができる。これにより、点火時の点火プラグ部流速の低下を抑制することができる。その結果として、リーンバーン運転時の混合気の着火性を向上させることができる。   According to the routine shown in FIG. 12 described above, it is possible to suppress a decrease in the tumble ratio by increasing the length of the intake pipe when using the high load region which is the partial load region where the lean burn operation is performed. Thereby, the fall of the spark plug part flow velocity at the time of ignition can be suppressed. As a result, the ignitability of the air-fuel mixture during lean burn operation can be improved.

ところで、上述した実施の形態1においては、リーンバーン運転が行われる部分負荷領域の使用時には、エンジン回転速度が所定エンジン回転速度F以下となる時には短い吸気管長を選択し、エンジン回転速度が所定エンジン回転速度Fより高い時には長い吸気管長を選択することとしている。しかしながら、本発明における可変吸気機構の制御は、上記の態様に限られない。すなわち、例えば、リーンバーン運転が行われる部分負荷領域において、エンジン回転速度が高くなるほど吸気通路の長さを連続的にもしくは段階的に長くするものであってもよい。   By the way, in Embodiment 1 described above, when using the partial load region where the lean burn operation is performed, a short intake pipe length is selected when the engine rotational speed is equal to or lower than the predetermined engine rotational speed F, and the engine rotational speed is the predetermined engine. When the rotational speed is higher than F, a long intake pipe length is selected. However, the control of the variable intake mechanism in the present invention is not limited to the above aspect. That is, for example, in the partial load region where the lean burn operation is performed, the length of the intake passage may be increased continuously or stepwise as the engine speed increases.

なお、上述した実施の形態1においては、ECU40が上記図12に示す制御ルーチンの一連の処理を実行することにより本発明における「制御手段」が実現されている。   In the first embodiment described above, the “control means” in the present invention is realized by the ECU 40 executing a series of processes of the control routine shown in FIG.

10 内燃機関
12 ピストン
14 燃焼室
16 吸気通路
16a 吸気ポート
16b 吸気マニホールド
16b1 サージタンク
16b2 吸気枝管
16b3 第1接続口
16b4 第2接続口
16b5 開閉バルブ
18 排気通路
18a 排気ポート
20 吸気弁
22 排気弁
24 点火プラグ
26 エアクリーナー
28 エアフローメータ
30 スロットルバルブ
40 ECU(Electronic Control Unit)
42 クランク角センサ
44 点火装置
46 燃料噴射弁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine 12 Piston 14 Combustion chamber 16 Intake passage 16a Intake port 16b Intake manifold 16b1 Surge tank 16b2 Intake branch pipe 16b3 First connection port 16b4 Second connection port 16b5 On-off valve 18 Exhaust passage 18a Exhaust port 20 Intake valve 22 Exhaust valve 24 Spark plug 26 Air cleaner 28 Air flow meter 30 Throttle valve 40 ECU (Electronic Control Unit)
42 Crank angle sensor 44 Ignition device 46 Fuel injection valve

Claims (1)

燃焼室の上壁面の中央部付近に配置され混合気に点火するための点火プラグと、
吸気通路の長さを可変とする可変吸気機構と、を備え、
前記燃焼室の上方において吸気側から排気側に向かう気流が生じるタンブル流が生成され、部分負荷領域においてリーンバーン運転が行われる火花点火式内燃機関の制御装置であって、
リーンバーン運転が行われる部分負荷領域において、エンジン回転速度が高い時には、エンジン回転速度が低い時と比べて前記吸気通路が長くなるように前記可変吸気機構を制御する制御手段を備えることを特徴とする火花点火式内燃機関の制御装置。
A spark plug disposed near the center of the upper wall of the combustion chamber for igniting the air-fuel mixture;
A variable intake mechanism that makes the length of the intake passage variable,
A control device for a spark ignition internal combustion engine in which a tumble flow is generated in which an air flow from the intake side to the exhaust side is generated above the combustion chamber, and a lean burn operation is performed in a partial load region,
In the partial load region where the lean burn operation is performed, the engine includes a control unit that controls the variable intake mechanism so that the intake passage becomes longer when the engine speed is high than when the engine speed is low. Control device for spark ignition type internal combustion engine.
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