JP4240083B2

JP4240083B2 - 筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4240083B2
Application number: JP2006204611A
Authority: JP
Inventors: 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: JP2008031893A

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置に関する。

筒内噴射式火花点火内燃機関の筒内にタンブル流を生成するとともに、さらにこのタンブル流を均質燃焼時に吸気行程下死点近傍で噴射した燃料で適度に強化することで、点火時期までタンブル流を維持することができる。これにより点火時期において混合気の乱れを増大させることができることから、混合気の燃焼速度が適度に向上し、良好な均質燃焼を得ることができる。このような燃料の噴射に関する技術として、例えば特許文献１では燃料噴射弁から噴射した燃料で筒内の循環気流を強化する燃料噴射制御装置が提案されている。また、均質燃焼時に筒内の吸気流動を強化する技術として、例えば特許文献２では吸気通路に設けられた吸気流制御弁を制御して吸気流動を強くする筒内直接噴射式内燃機関の吸気制御装置が提案されている。

特開２００３−３２２０２２号公報特開２００５−１８０２４７号公報

ところで上記の筒内噴射式火花点火内燃機関では、空燃比がリーンの場合、ストイキの場合よりも筒内空気量が増大することからタンブル流の質量が大きくなり、その結果、同様に燃料を噴射してもタンブル流を十分に強化できなくなってしまう。この場合にはタンブル流Ｔの減衰により点火時期に十分な強さのタンブル流を確保できなくなることから、点火時期において混合気の乱れを十分に増大させることができなくなる。さらにこのように点火時期において混合気の乱れを十分に増大させることができなくなると、燃焼速度が不十分になるため、ノッキングが発生しやすくなる等、良好な燃焼を得ることができなくなる虞があった。

そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、噴射した燃料でタンブル流を強化するにあたって、要求空燃比のリーン度合いに応じて燃料の噴射を変更することで、良好な燃焼を得ることが可能な筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、筒内にタンブル流を生成するとともに、該タンブル流を吸気行程下死点近傍で噴射した燃料で強化する筒内噴射式火花点火内燃機関を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、要求空燃比のリーン度合いが大きいほど、前記燃料の噴射時期を遅角させる噴射時期変更手段と、要求空燃比のリーン度合いが所定のリーン境界値を超えるときに前記燃料を分割して噴射し、当該分割して噴射した燃料間に空気を挟み混合気を均質化する分割噴射手段と、を備えることを特徴とする。本発明によれば、燃料の噴射時期を遅角させるので、燃料の噴射時期から点火時期までの間の期間を短くできることから、噴射した燃料で強化したタンブル流が大きく減衰する前に点火時期を迎えるようにすることができる。これにより、点火時期における混合気の乱れを増大させることができることから、本発明によれば良好な燃焼を得ることが可能である。ところが、燃料の噴射時期を遅角させると燃料の噴射時期から点火時期までの間の期間が短くなり、混合気の均質度は次第に悪化する傾向がある。特に、所定のリーン境界値を超える要求リーン度合いに見合った遅角度合いで燃料を噴射すると、燃料の噴射時期から点火時期までの間の期間が相当短くなることから、エネルギー効率が大きく低下するほど混合気の均質度が悪化してしまう。これに対して本発明は、燃料を分割して噴射することで噴射した燃料間に空気を挟むことができる。これにより、燃料の気化を促進できるとともに均質度を向上させることができ、以って良好な燃焼を得ることができる。

本発明によれば、噴射した燃料でタンブル流を強化するにあたって、要求空燃比のリーン度合いに応じて燃料の噴射を変更することで、良好な燃焼を得ることが可能な筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１Ａで実現されている本実施例に係る筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置を、内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。内燃機関システム１００は、吸気系１０と、燃料噴射系２０と、排気系３０と、内燃機関５０とを有して構成されている。吸気系１０は内燃機関５０に空気を導入するための構成であり、吸気を濾過するためのエアクリーナ１１や、空気量を計測するエアフロメータ１２や、吸気の流量を調節するスロットル弁１３や、吸気を一時的に貯蔵するためサージタンク１４や、吸気を内燃機関５０の各気筒に分配するインテークマニホールド１５や、これらの間に適宜配設される吸気管などを有して構成されている。

燃料噴射系２０は燃料を供給及び噴射するための構成であり、燃料噴射弁２１や燃料噴射ポンプ２２や燃料タンク２３などを有して構成されている。燃料噴射弁２１は燃料を噴射するための構成であり、ＥＣＵ１Ａの制御のもと、適宜の噴射時期に開弁されて燃料を噴射する。また燃料噴射量は、ＥＣＵ１Ａの制御のもと燃料噴射弁２１が閉弁されるまでの間の開弁期間の長さで調節される。燃料噴射ポンプ２２は燃料を加圧して噴射圧を発生させるための構成であり、ＥＣＵ１Ａの制御のもと噴射圧を適宜の噴射圧に調節する。

排気系３０は、エキゾーストマニホールド３１と、三元触媒３２と、図示しない消音器と、これらの構成の間に適宜配設される吸気管などを有して構成されている。エキゾーストマニホールド３１は、各気筒からの排気を合流させるための構成であり、各気筒に対応させて分岐させた排気通路を下流側で一つの排気通路に集合させている。三元触媒３２は排気を浄化するための構成であり、炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯの酸化と窒素酸化物ＮＯｘの還元を行う。排気系３０には、排気中の酸素濃度に基づき空燃比をリニアに検出するためのＡ／Ｆセンサ３３が三元触媒３２の上流に、排気中の酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出するための酸素センサ３４が三元触媒３２の下流に、夫々配設されている。

図２は内燃機関５０の要部を模式的に示す図である。内燃機関５０は、シリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、点火プラグ５４と、吸気弁５５と、排気弁５６とを有して構成されている。本実施例に示す内燃機関５０は直列４気筒の筒内噴射式火花点火内燃機関である。但し内燃機関５０は他の適宜の気筒配列構造及び気筒数を有していてもよい。また図２では内燃機関５０に関し、各気筒の代表としてシリンダ５１ａについて要部を示しているが本実施例では他の気筒についても同様の構造となっている。シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内には、ピストン５３が収容されている。ピストン５３の頂面にはタンブル流Ｔを案内するためのキャビティ５３ａが形成されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室５７は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びピストン５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には燃焼室５７に吸気を導くための吸気ポート５２ａのほか、燃焼したガスを燃焼室５７から排気するための排気ポート５２ｂが形成され、さらにこれら吸排気ポート５２ａ及び５２ｂを開閉するための吸排気弁５５及び５６が配設されている。なお、内燃機関５０は１気筒あたりに適宜の数量の吸排気弁５５及び５６を備えた吸排気弁構造であってよい。

点火プラグ５４は、燃焼室５７の上方略中央に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。燃料噴射弁２１も燃焼室５７の上方で点火プラグ５４と隣り合う位置から燃焼室５７内に燃料噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。なお、燃料噴射弁２１の配置はこれに限られず、例えば燃焼室５７の上方、吸気ポート５２ａ側（図２に示すＡ部）から燃焼室５７内に燃料噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されていてもよい。また燃料噴射弁２１は１気筒あたりに複数備えられていてもよい。

吸気ポート５２ａには、燃焼室５７内にタンブル流Ｔを生成するための気流制御弁５８が配設されている。気流制御弁５８は、ＥＣＵ１Ａの制御のもと吸気ポート５２ａ内で吸気を偏流させて燃焼室５７内にタンブル流Ｔを生成するための構成である。但し燃焼室５７内にタンブル流Ｔを生成するためのタンブル流生成手段は気流制御弁５８に限られず、例えばタンブル流Ｔを筒内に生成できるように形成された吸気ポート５２ａの形状そのものなどであってもよく、その他タンブル流Ｔを筒内に生成可能な適宜の手段であってよい。なお、タンブル流Ｔは燃焼室５７内の吸気弁５５側を上昇するように気筒内を旋回する順タンブル流となっている。本実施例では均質燃焼時に燃料噴射弁２１がＥＣＵ１Ａの制御のもと吸気行程下死点近傍で燃料を噴射する。噴射された燃料はタンブル流Ｔを適度に強化し、強化されたタンブル流Ｔは点火時期まで維持される。その結果、点火時期に混合気の乱れが増大し、燃焼速度が適度に向上するため、良好な均質燃焼が得られるようになっている。

なお、気流制御弁５８は均質燃焼時には吸気を増量すべく半開や全開といった開度に開かれることや、吸気ポート５２ａの形状のみでは十分な強度のタンブル流Ｔを得難いことなどから、これらの手段のみでは一般に均質燃焼時の混合気のミキシング性や火炎の伝播性に改善の余地が残されるものとなっている。そのほか内燃機関５０には、回転数ＮＥに比例した出力パルスを発生するクランク角センサ７１や、内燃機関５０の水温を検出するための水温センサ７２などの各種のセンサが配設されている。

ＥＣＵ１Ａは、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、入出力回路などを有して構成されている。ＥＣＵ１Ａは主として内燃機関５０を制御するための構成であり、本実施例では燃料噴射弁２１や燃料噴射ポンプ２２のほか、点火プラグ５４（より具体的には図示しないイグナイタ）や、気流制御弁５８（より具体的には図示しない気流制御弁５８用のアクチュエータ）なども制御している。ＥＣＵ１Ａにはこれら燃料噴射弁２１などのほか、各種の制御対象が駆動回路（図示省略）を介して接続されている。また、ＥＣＵ１Ａにはエアフロメータ１２や、Ａ／Ｆセンサ３３や、酸素センサ３４や、クランク角センサ７１や、水温センサ７２や、アクセルペダル（図示省略）の踏み込み量（アクセル開度）を検知するためのアクセルセンサ７３などの各種のセンサが接続されている。

ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムを格納するための構成であり、本実施例では内燃機関５０制御用プログラムのほか、燃料噴射弁２１を制御するための燃料噴射弁制御用プログラムなども格納している。なお、燃料噴射弁用プログラムは内燃機関５０制御用プログラムの一部として構成されていてもよい。燃料噴射弁制御用プログラムは、燃料の噴射量を制御するための噴射量制御用プログラムと、燃料の噴射圧を制御するための噴射圧制御用プログラムと、燃料の噴射時期を制御するための噴射時期制御用プログラムとを有して構成されている。本実施例では噴射時期制御用プログラムが、特に要求空燃比のリーン度合いが大きいほど燃料の噴射時期を遅角させるための噴射時期特定制御用プログラムを有して構成されている点に特徴を有している。

この噴射時期特定制御用プログラムは、本実施例では具体的には要求空燃比のリーン度合いと噴射時期との関係を示すマップデータ（以下、単に噴射時期マップと称す）を参照して、要求空燃比のリーン度合いに対応する噴射時期を読み取るとともに、噴射時期を噴射時期マップから読み取った噴射時期に変更するように作成されている。図３は要求空燃比のリーン度合いと噴射時期との関係を示す点火時期マップデータを模式的に示す図であり、本実施例ではこの噴射時期マップもＲＯＭに格納している。噴射時期マップで空燃比がストイキのときは噴射時期が通常の噴射時期であることを示しており、均質燃焼時に吸気行程下死点近傍で噴射された燃料により適度に強化されたタンブル流Ｔをもとに、このときの噴射時期で良好な均質燃焼が得られるようになっている。

これに対して空燃比がリーンになると筒内空気量が増大してタンブル流Ｔの質量が大きくなることから、ストイキの場合と同じ噴射時期に燃料を噴射するとタンブル流Ｔを十分に強化することができない。この場合には、タンブル流Ｔの減衰により、点火時期におけるタンブル流Ｔの強さを十分な大きさに確保できなくなってしまうことから、点火時期における混合気の乱れが低下してしまう。そしてその結果、燃焼速度を十分に向上させることができなくなることから良好な燃焼が得られなくなってしまう。このため、噴射時期マップでは要求空燃比のリーン度合いが大きくなるほど噴射時期が遅角されるように設定してある。これにより、要求空燃比のリーン度合いが大きいほど噴射時期から点火時期までの間の期間を短くすることができ、その結果、タンブル流Ｔが点火時期までに大きく減衰してしまうことが抑制される。なお、噴射時期マップで要求空燃比のリーン度合いと噴射時期との関係を必ずしもリニアな関係に設定しなくてもよい。本実施例では、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭ（以下、単にＣＰＵ等と称す）と内燃機関５０制御用のプログラムとで、各種の検出手段や判定手段や制御手段などが実現されており、特にＣＰＵ等と噴射時期特定制御用プログラムとで噴射時期変更手段が実現されている。

次に、要求空燃比のリーン度合いに応じて噴射時期を変更するにあたって、ＥＣＵ１Ａで行われる処理を図４に示すフローチャートを用いて詳述する。ＥＣＵ１Ａは、ＣＰＵがＲＯＭに格納された上述の内燃機関５０制御用プログラムや、燃料噴射弁制御用プログラムなどの各種のプログラムに基づき、フローチャートに示す処理を繰り返し実行することで、内燃機関５０を制御する。ＣＰＵは内燃機関５０で行われている燃焼の態様を判別する処理を実行する（ステップ１１）。本実施例ではクランク角センサ７１の出力信号に基づき検出した回転数Ｎｅと、アクセルセンサ７３の出力信号に基づき検出した負荷率ＫＬと、回転数Ｎｅと負荷率ＫＬとで定義された燃焼態様のマップデータとに基づき、内燃機関５０で行われる燃焼の態様を判別するようにしている。

図５は燃焼態様のマップデータを模式的に示す図である。本実施例では燃焼態様がこのマップデータで回転数Ｎｅ及び負荷率ＫＬに応じてストイキ、均質リーンバーン及び超リーンバーンの３つの領域に区分されている。但し、これに限られず燃焼態様を更に複数の領域に細分化して設定する等、適宜の領域に区分して設定してもよい。さらに本実施例ではこれらの領域に応じて空燃比の要求リーン度合いが大まかに設定されており、ストイキのときには要求空燃比のリーン度合いが「なし」に、均質リーンバーンのときには要求空燃比のリーン度合いが「中」に、超リーンバーンのときには要求空燃比のリーン度合いが「大」に夫々設定されている。但しこれに限られず、回転数Ｎｅ及び負荷率ＫＬに応じて空燃比の要求リーン度合いを適宜設定してもよい。なお、燃焼態様や要求空燃比のリーン度合いは回転数Ｎｅ及び負荷率ＫＬに限られず、適宜の内燃機関５０の運転状態に応じて設定されていてもよい。

ステップ１１に続いて、ＣＰＵは燃焼態様のマップデータから検出した回転数Ｎｅ及び負荷率ＫＬに対応する要求空燃比がリーンか否かを判定する処理を実行する（ステップ１２）。否定判定であれば、本フローチャートにおいて特段の処理を要しないためステップ１１に戻る。一方、肯定判定であればＣＰＵは燃焼態様のマップデータから要求空燃比のリーン度合いを読み込むとともに、噴射時期マップを参照してこのリーン度合いに対応する噴射時期を読み込み、噴射時期を噴射時期マップから読み込んだ噴射時期に変更する処理を実行する（ステップ１３Ａ）。これにより要求空燃比のリーン度合いが大きいほど噴射時期が遅角される。図６は噴射時期変更前後の燃料噴射の様子を模式的に示す図である。噴射時期変更前には図６（ａ）に示すように吸気工程下死点近傍且つ吸気工程寄りに噴射されていた燃料は、本ステップで噴射時期が遅角されることにより、図６（ｂ）に示すように吸気工程下死点近傍且つ圧縮工程寄りに燃料が噴射されるように変更される。

続いてＣＰＵはステップ１３Ａで読み込んだ噴射時期に燃料を噴射すべく燃料噴射弁２１を制御するための処理を実行する（ステップ１４Ａ）。これにより、噴射時期から点火時期までの間の期間が短縮されるため、タンブル流Ｔの強さは点火時期に十分な大きさに確保され、その結果、混合気の乱れを十分に増大させることができる。そしてこれにより燃焼速度を適度に向上させることができることから、良好な燃焼を得ることができる。以上により、噴射した燃料でタンブル流Ｔを強化するにあたって、要求空燃比のリーン度合いに応じて燃料の噴射を変更することで、良好な燃焼を得ることができるＥＣＵ１Ａを実現可能である。

本実施例に係るＥＣＵ１Ｂは、燃料噴射弁制御用プログラムがさらに以下に示す分割噴射用プログラムを有して構成されている点以外、実施例１に係るＥＣＵ１Ａと同一のものとなっている。また本実施例ではＥＣＵ１Ｂが適用される内燃機関システム１００の各構成は図１に示した各構成と同一のものとなっている。分割噴射用プログラムは、要求空燃比のリーン度合いが所定のリーン境界値を超えるときに燃料の噴射を分割するように作成されている。具体的には本実施例では図５に示した燃焼態様が均質リーンバーンから超リーンバーンに変わるときに要求空燃比のリーン度合いが所定のリーン境界値を超えるようになっている。本実施例ではＣＰＵ等と分割噴射用プログラムとで分割噴射手段が実現されており、ＥＣＵ１Ｂで筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置が実現されている。

次に要求空燃比のリーン度合いに応じて分割噴射を行うにあたって、ＥＣＵ１Ｂで行われる処理を図７に示すフローチャートを用いて詳述する。なお、本フローチャートはステップ１３Ｂ及び１４Ｂが追加されている以外、図４に示すフローチャートと同一のものとなっているため、本実施例では特にステップ１３Ｂ及び１４Ｂについて詳述する。ステップ１３Ａに続いて、ＣＰＵはステップ１３Ａで読み込んだ要求空燃比のリーン度合いがリーン境界値を超えているか否かを判定する処理を実行する（ステップ１３Ｂ）。否定判定であれば分割噴射を行う必要がないため、ＣＰＵはステップ１３Ａで読み込んだ噴射時期に燃料を噴射すべく、燃料噴射弁２１を制御するための処理を実行する（ステップ１４Ａ）。

一方、肯定判定であればＣＰＵはステップ１３Ａで読み込んだ噴射時期に燃料の分割噴射を行うように燃料噴射弁２１を制御するための処理を実行する（ステップ１４Ｂ）。図８は分割噴射前後の燃料噴射の様子を模式的に示す図である。分割噴射前には図８（ａ）に示すように吸気工程下死点近傍且つ吸気工程寄りに噴射されていた燃料は、さらにリーン境界値を超える要求リーン度合いに応じて噴射時期が遅角されることで、本ステップで図８（ｂ）に示すように燃料噴射量の総量が分割噴射前後で略同一になるように分割噴射される。これにより噴射した燃料間に空気を挟むことができることから、燃料の気化を促進できるとともに混合気の均質度を向上させることができる。その結果、リーン境界値を超える要求リーン度合いに見合った遅角度合いで燃料を噴射しても混合気の均質度が悪化することを抑制できることから、エネルギー効率の低下を抑制でき、以って良好な燃焼を得ることができる。以上により、噴射した燃料でタンブル流Ｔを強化するにあたって、空燃比の要求リーン度合いに応じて燃料の噴射を変更することで、良好な燃焼を得ることができるＥＣＵ１Ｂを実現可能である。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

ＥＣＵ１Ａを内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。内燃機関５０の要部を模式的に示す図である。噴射時期マップを模式的に示す図である。ＥＣＵ１Ａで行われる処理をフローチャートで示す図である。燃焼態様のマップデータを模式的に示す図である。噴射時期変更前後の燃料噴射の様子を模式的に示す図である。ＥＣＵ１Ｂで行われる処理をフローチャートで示す図である。分割噴射前後の燃料噴射の様子を模式的に示す図である。

符号の説明

１ＥＣＵ
１０吸気系
２０燃料噴射系
２１燃料噴射弁
３０排気系
５０内燃機関
１００内燃機関システム

Claims

筒内にタンブル流を生成するとともに、該タンブル流を吸気行程下死点近傍で噴射した燃料で強化する筒内噴射式火花点火内燃機関を制御する筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置であって、
要求空燃比のリーン度合いが大きいほど、前記燃料の噴射時期を遅角させる噴射時期変更手段と、
要求空燃比のリーン度合いが所定のリーン境界値を超えるときに前記燃料を分割して噴射し、当該分割して噴射した燃料間に空気を挟み混合気を均質化する分割噴射手段と、
を備えることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関の制御装置。