(57)【要約】【課題】燃焼室内に正タンブル流が生成されるセンター噴射エンジンにおいて、高負荷域でのエンジン出力の低下を抑える。【解決手段】センター噴射エンジンとは、燃焼室の天井部の略中央に、直噴インジェクタと点火装置を備えるエンジンである。正タンブル流は、燃焼室の天井部側では吸気ポート側から排気ポート側に向かい、ピストンの頂部側では排気ポート側から吸気ポート側に向かうように流れる。ＥＣＵは、エンジン負荷に基づいて、噴射時期を算出する。第１噴射制御では、エンジン負荷が高くなるほど噴射時期の終了クランク角を遅角する。【選択図】図８
2020002844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正タンブル流が生成される内燃機関の燃焼室と、
前記燃焼室の天井部の略中央に設けられた点火装置と、
前記点火装置に隣接して設けられた直噴インジェクタと、
前記内燃機関の負荷に基づいて前記直噴インジェクタの噴射時期を制御する制御ユニットと、
を備え、
前記制御ユニットは、
前記内燃機関の低負荷域では、前記噴射時期を吸気行程に相当するクランク角区間に制御し、
前記内燃機関の高負荷域では、少なくとも前記噴射時期の終了クランク角を、前記低負荷域での前記終了クランク角に比べて遅角側に制御し、
前記高負荷域での前記終了クランク角が、圧縮行程の前半に相当するクランク角区間に含まれる
ことを特徴とする内燃機関の制御システム。
【請求項２】
前記直噴インジェクタに加圧状態の燃料を供給する燃料配管を更に備え、
前記制御ユニットは、更に、前記高負荷域では、前記燃料配管の燃料の圧力を前記内燃機関の負荷に基づいて制御し、
前記圧力が、前記内燃機関の負荷が高くなるにつれて低くなる
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御システム。
【請求項３】
前記制御ユニットは、更に、前記高負荷域では、前記噴射時期の開始クランク角を、前記低負荷域での前記開始クランク角に比べて遅角側に制御し、
前記高負荷域での前記開始クランク角が、吸気行程に相当するクランク角区間に含まれる
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１１−０１２５５５号公報には、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタ（以下、「直噴インジェクタ」ともいう。）を備えるエンジンを制御するシステムが開示されている。この従来のシステムは、直噴インジェクタの噴射時期を、エンジンの運転状態に応じて変更する。具体的に、この従来のシステムは、運転状態が高負荷域にある場合、噴射時期を進角させる。
【０００３】
直噴インジェクタからの燃料噴射は、吸気行程において行われる。そのため、噴射時期が下死点に近づくと、噴射燃料がシリンダ壁面に直接当たって付着し、エンジンオイル（潤滑油）を希釈する。高負荷域では燃料噴射量が多くなるので、噴射時期が下死点に近づくと、シリンダ壁面に付着する燃料の量も多くなる。この点、高負荷域で噴射時期を進角させれば、燃料付着量を減らしてエンジンオイルの希釈を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０１２５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃焼室内にタンブル流が生成されるセンター噴射エンジンを考える。センター噴射エンジンとは、燃焼室の天井部の略中央に、直噴インジェクタと点火装置を備えるエンジンである。タンブル流は、燃焼室の天井部側（つまり、シリンダヘッドの底部側）では吸気ポート側から排気ポート側に向かい、ピストンの頂部側では排気ポート側から吸気ポート側に向かうように流れると仮定する。以下、このような方向に流れるタンブル流を「正タンブル流」と定義する。
【０００６】
上記従来のシステムを構成するエンジンは、燃焼室の側部に直噴インジェクタを備えており、噴射方向の先にシリンダ壁面が位置する。これに対し、センター噴射エンジンでは、噴射方向の先にピストン頂部が位置する。このため、センター噴射エンジンの運転状態が高負荷域にある場合において上記従来のシステムと同様の噴射制御を行うと、次の問題が生じる。すなわち、高負荷域で噴射時期を進角させると、ピストン頂部に噴射燃料が付着し易くなる。
【０００７】
ところが、ピストン頂部への燃料付着量を減らすために上記噴射制御とは反対の噴射制御を行うと、別の問題が生じる。すなわち、高負荷域で噴射時期を遅角させると、燃焼室内の正タンブル流が吸気行程の途中から乱れ始めてしまう。そうすると、高出力が期待される高負荷域であるにも関わらず、エンジン出力が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、上述した課題の少なくとも１つに鑑みてなされたものであり、燃焼室内に正タンブル流が生成されるセンター噴射エンジンにおいて、高負荷域でのエンジン出力の低下を抑えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上述した課題を解決するための内燃機関の制御システムであり、次の特徴を有する。
前記制御システムは、内燃機関の燃焼室と、点火装置と、直噴インジェクタと、制御ユニットと、を備える。
前記燃焼室には、正タンブル流が生成される。
前記点火装置は、前記燃焼室の天井部の略中央に設けられる。
前記直噴インジェクタは、前記点火装置に隣接して設けられる。
前記制御ユニットは、前記内燃機関の負荷に基づいて前記直噴インジェクタの噴射時期を制御するように構成されている。
前記制御ユニットは、
前記内燃機関の低負荷域では、前記噴射時期を吸気行程に相当するクランク角区間に制御し、
前記内燃機関の高負荷域では、少なくとも前記噴射時期の終了クランク角を、前記低負荷域での前記終了クランク角に比べて遅角側に制御するように構成されている。
前記高負荷域での前記終了クランク角は、圧縮行程の前半に相当するクランク角区間に含まれる。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において更に次の特徴を有する。
前記制御システムは、燃料配管を更に備える。
前記燃料配管は、前記直噴インジェクタに加圧状態の燃料を供給するように構成されている。
前記制御ユニットは、更に、前記高負荷域では、前記燃料配管の燃料の圧力を前記内燃機関の負荷に基づいて制御するように構成されている。
前記圧力は、前記内燃機関の負荷が高くなるにつれて低くなる。
【００１１】
第３の発明は、第１の発明において更に次の特徴を有する。
前記制御ユニットは、更に、前記高負荷域では、前記噴射時期の開始クランク角を、前記低負荷域での前記開始クランク角に比べて遅角側に制御するように構成されている。
前記高負荷域での前記開始クランク角は、吸気行程のクランク角に相当するクランク角区間に含まれる。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、高負荷域での噴射時期の終了クランク角が、圧縮行程の前半まで遅角される。終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅角すると、吸気行程の途中から正タンブル流が乱れ始めるというデメリットがある。ただし、本発明者によれば、センター噴射エンジンでは、終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅角すると、このデメリットを上回るメリットが得られるという知見を得た。すなわち、終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅角すると、点火の直前まで混合気の乱れの高い状態が維持される。故に、第１の発明によれば、上述したデメリットを上回るメリットによって、高負荷域でのエンジンの出力低下を抑えることができる。
【００１３】
第２の発明によれば、高負荷域では、内燃機関の負荷が高くなるにつれて燃料配管の燃料の圧力が低い値に制御される。したがって、終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅角することが可能となる。
【００１４】
第３の発明によれば、高負荷域での噴射時期の開始クランク角が、吸気行程に相当するクランク角区間の範囲内において遅角される。したがって、燃料配管の燃料の圧力を変えることなく、終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅角することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関のシステムの構成を説明する図である。
【図２】吸気バルブのリフト量とタンブル比の関係を説明する図である。
【図３】噴射期間の延長に伴って噴射時期をＢＤＣ側に遅角した場合の問題を説明する図である。
【図４】噴射期間の延長に伴って噴射時期をＴＤＣ側に進角した場合の問題を説明する図である。
【図５】本発明の形態の燃料噴射制御の概要を説明する図である。
【図６】本発明の形態の別の燃料噴射制御の概要を説明する図である。
【図７】圧縮行程における混合気の乱れ状態を説明する図である。
【図８】本発明の形態の燃料噴射制御（第１噴射制御）の具体例を説明する図である。
【図９】本発明の形態の別の燃料噴射制御（第２噴射制御）の具体例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１７】
１．システムの構成の説明
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関のシステムの構成を説明する図である。図１に示すシステムは、車両に搭載される内燃機関（以下、「エンジン」ともいう。）１０を備えている。エンジン１０は、４ストロークサイクルエンジンである。エンジン１０は、センター噴射エンジンでもある。エンジン１０は、過給システムを備える過給エンジンでもある。過給システムは、例えば、エンジン１０の排気のエネルギを利用して吸気を圧縮するシステムである。ただし、このような過給システムは本発明に必須ではないことから、図示を省略する。
【００１８】
エンジン１０は、複数の気筒を有している。但し、図１には、そのうちの１つの気筒のみが描かれている。各気筒には、燃焼室１２が形成されている。燃焼室１２は、一般的に、シリンダヘッドの底面と、シリンダブロックの壁面と、ピストンの頂面と、によって囲まれる空間として定義される。
【００１９】
燃焼室１２の天井部には、点火プラグ１４が取り付けられている。点火プラグ１４の取り付け位置は、天井部の概ね中央である。点火プラグ１４は、点火プラグ１４に高電圧を印加する点火コイル１６に接続されている。点火プラグ１４と点火コイル１６は、点火装置を構成する。ＥＣＵ３０によって点火コイル１６が駆動されると、点火プラグ１４に放電火花が生じる。
【００２０】
燃焼室１２の天井部には、直噴インジェクタ１８も取り付けられている。直噴インジェクタ１８の取り付け位置は、点火プラグ１４よりも吸気ポート２２側である。直噴インジェクタ１８は、少なくとも燃料ポンプ２０を備える燃料供給システムに接続されている。燃料ポンプ２０は、燃料タンクから汲み出された燃料を加圧して燃料配管に吐出する。ＥＣＵ３０によって直噴インジェクタ１８が駆動されると、直噴インジェクタ１８から加圧状態の燃料が噴射される。直噴インジェクタ１８の先端部には、複数の噴孔が放射状に形成されている。そのため、加圧状態の燃料は、放射状に噴射される。
【００２１】
燃焼室１２には、吸気ポート２２と排気ポート２４が連通している。吸気ポート２２は、上流から下流に向けて概ね真っ直ぐに延びている。吸気ポート２２は、燃焼室１２との接続部分であるスロート部２６において流路断面積が絞られている。スロート部２６のこのような形状は、吸気ポート２２から燃焼室１２に吸い込まれる吸気に正タンブル流ＴＦを生じさせる。正タンブル流ＴＦは、燃焼室１２の天井部側では吸気ポート２２側から排気ポート２４側に向かい、ピストンの頂面側では排気ポート２４側から吸気ポート２２側に向かうように流れる。
【００２２】
図１に示すシステムは、また、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを備えている。ＥＣＵ３０は、車両に搭載された各種センサの信号を取り込み処理する。
【００２３】
各種センサには、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ３２と、燃料配管の燃料の圧力（以下、「燃圧」ともいう。）を検出する燃圧センサ３４と、が少なくとも含まれている。ＥＣＵ３０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムに従って各種アクチュエータを操作する。ＥＣＵ３０によって操作されるアクチュエータには、点火コイル１６と、直噴インジェクタ１８と、燃料ポンプ２０と、が少なくとも含まれている。
【００２４】
２．実施の形態に係るエンジン制御の特徴
ＥＣＵ３０によるエンジン制御には、直噴インジェクタ１８の燃料噴射制御が含まれる。燃料噴射制御において、ＥＣＵ３０は、エンジン１０の運転状態に基づいて、燃料噴射量を算出する。運転状態は、エンジン１０の回転速度と負荷とによって特定される。燃料噴射量は、基本的に、エンジン回転速度が高くなるほど多い値に設定され、エンジン負荷が高くなるほど多い値に設定される。また、ＥＣＵ３０は、エンジン負荷に基づいて、噴射時期を算出する。噴射時期は、基本的に、吸気行程に相当するクランク角区間に設定され、エンジン負荷が高くなるほど遅角側に設定される。
【００２５】
２．１  バルブリフト量とタンブル比の関係
本実施の形態では、燃焼室１２に生成する正タンブル流ＴＦを利用して点火直前の混合気の状態を向上させている。図２は、吸気バルブのリフト量とタンブル比の関係を説明する図である（ただし、エンジンの回転速度は一定とする。）。タンブル比は、正タンブル流ＴＦの角速度をエンジンの回転速度で除した値として定義される。図２に示すように、吸気バルブの開弁に伴いリフト量が増加すると、タンブル比が上昇する。タンブル比が最も高くなるのは、リフト量が最大となるクランク角の近傍となる。タンブル比は、吸気バルブの閉弁に伴い下降する。圧縮行程においてタンブル比が一時的に上昇する。これは、ピストンの上昇に伴うものである。
【００２６】
図２に示すクランク角ＣＡ１は噴射時期の開始クランク角であり、クランク角ＣＡ２は噴射期間の終了クランク角である。クランク角ＣＡ１は、タンブル比が上昇して最高値に到達するまでの間のクランク角区間に含まれる。クランク角ＣＡ２は、タンブル比が下降し始めた辺りのクランク角である。クランク角ＣＡ１およびＣＡ２で特定されるこのような噴射時期を設定すれば、強い正タンブル流ＴＦによって噴射燃料と空気の混合を促進することができる。つまり、燃焼室１２内の混合気の均質化を促進することができる。したがって、燃費を改善することができる。
【００２７】
２．２  高エンジン負荷域での問題点
燃圧が一定の場合、燃料噴射量が増えると噴射期間を延長する必要がある。つまり、燃圧が一定の場合、中〜高エンジン負荷域では、低エンジン負荷域に比べて噴射時期を進角または遅角する必要がある。
【００２８】
ただし、噴射期間の延長に伴って噴射時期を遅角した場合は、次の問題がある。図３は、噴射時期を遅角した場合の問題を説明する図である。図３では、噴射時期の開始クランク角（クランク角ＣＡ１）を変更せずに、終了クランク角（クランク角ＣＡ３）をＢＤＣに近づけている。クランク角ＣＡ３は、タンブル比が最も高くなるクランク角よりもＢＤＣ側のクランク角区間に含まれている。そのため、図３に実線で示すように、このＢＤＣ側のクランク角区間で噴射された燃料がタンブル比の下降を促進してしまう。この結果、正タンブル流ＴＦが吸気行程の途中から乱れ始めて混合気の均質化の速度が落ちてしまい、正タンブル流ＴＦによる燃費改善効果が損なわれてしまう。
【００２９】
一方、噴射期間の延長に伴って噴射時期を進角した場合は、次の問題がある。図４は、噴射時期を進角した場合の問題を説明する図である。図４では、噴射時期の終了クランク角（クランク角ＣＡ２）を変更せずに、開始クランク角（クランク角ＣＡ４）をＢＤＣから遠ざけている。クランク角ＣＡ４から噴射を開始した場合は、ピストン頂面に噴射燃料が直接当たってスモークが発生し易くなる。この理由は、クランク角ＣＡ４においては直噴インジェクタ１８の先端部とピストンの頂面の間の距離が短くなるためである。
【００３０】
２．３  実施の形態のエンジン制御の概要
このような問題に鑑み、本実施の形態の燃料噴射制御では、高エンジン負荷域において噴射時期を大幅に遅角する。図５は、本発明の形態の燃料噴射制御の概要を説明する図である。図５では、噴射時期がＢＤＣを跨ぐように開始クランク角（クランク角ＣＡ５）および終了クランク角（クランク角ＣＡ６）を遅らせている。図３の説明で述べた通り、噴射時期の終了クランク角がＢＤＣに近づくとタンブル比の下降を促進する。このデメリットは、噴射時期がＢＤＣを跨ぐ燃料噴射制御でも同じように生じる。
【００３１】
ただし、本実施の形態の燃料噴射制御では、クランク角ＣＡ６が圧縮行程の前半に相当するクランク角区間（ＢＤＣ〜９０ＢＴＤＣのクランク角区間を指す。以下、単に、「圧縮行程の前半」ともいう。）まで遅角されている。そのため、図５に実線で示すように、圧縮行程において一時的に上昇するタンブル比の上昇度合いを高めることが可能になる。つまり、正タンブル流ＴＦの角速度の低下を抑えて、正タンブル流ＴＦの崩壊を遅くすることが可能となる。
【００３２】
混合気の点火はＴＤＣ付近で行われる。また、通常であれば、吸気行程の後半に相当するクランク角区間（９０ＢＴＤＣ〜ＴＤＣのクランク角区間を指す。）では、ピストンの上昇に伴い正タンブル流ＴＦが崩壊する。この点、正タンブル流ＴＦの崩壊が遅くなれば、点火直前まで混合気の均質化が進むことになる。
【００３３】
噴射時期の終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅角した場合は、図３の説明で述べたデメリットに加えて、噴射燃料の蒸発潜熱による混合気の温度低下が抑えられてしまうというデメリットもある。ただし、本発明者の調査によれば、センター噴射エンジンでは、高エンジン負荷域において終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅角すると、混合気の均質化の進行に伴うメリットが、これらのデメリットを上回ることが確認された。
【００３４】
２．４  実施の形態の別のエンジン制御の概要
図６は、本発明の形態の別の燃料噴射制御の概要を説明する図である。図６では、噴射時期の開始クランク角（クランク角ＣＡ１）を変更せずに、噴射時期がＢＤＣを跨ぐように終了クランク角（クランク角ＣＡ７）を遅らせている。なお、開始クランク角は必ずしもクランク角ＣＡ１でなくてもよい。すなわち、開始クランク角はクランク角ＣＡ１よりも遅角側のクランク角でもよいし、進角側のクランク角でもよい。
【００３５】
図５で説明した燃料噴射制御では、高エンジン負荷域において燃圧が一定であることを前提とした。これに対し、図６で説明する燃料噴射制御は、高エンジン負荷域において燃圧を下げる燃圧制御と同時に行う。このような燃圧制御を燃料噴射制御と同時に行えば、終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅らせることが可能となる。
【００３６】
終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅らせれば、圧縮行程において一時的に上昇するタンブル比の上昇度合いを高めることが可能になる。そして、本発明者の調査によれば、燃圧制御と燃料噴射制御の組み合わせによれば、図５で説明した燃料噴射制御と同等のメリットが得られることが確認されている。
【００３７】
以下、説明の便宜上、図５で説明した燃料噴射制御を「第１噴射制御」ともいい、図６で説明した燃料噴射制御を「第２噴射制御」ともいう。
【００３８】
２．５  第１噴射制御および第２噴射制御による別の効果
第１噴射制御および第２噴射制御による別の効果について、図７を参照しながら説明する。図７は、圧縮行程における混合気の乱れ状態を説明する図である。図７に示す破線は、終了クランク角を遅角する前の乱れの推移を表しており、実線は、終了クランク角を遅角した後の乱れの推移を表している。両者を比較すると分かるように、終了クランク角を圧縮行程の前半まで遅らせると、ＴＤＣ付近まで乱れの高い状態が維持される。つまり、点火直前まで乱れの高い状態が維持される。
【００３９】
点火直前まで乱れの高い状態が維持されるということは、混合気の点火により生じた火炎が周囲に伝播し易い環境にあるということを意味する。したがって、第１噴射制御または第２噴射制御によれば、火炎の伝播速度を高めてエンジンの出力を高めることができる。
【００４０】
３．実施の形態の燃料噴射制御の具体例
次に、図８乃至図９を参照しながら、第１噴射制御および第２噴射制御の具体例を説明する。
【００４１】
３．１  第１噴射制御の具体例
図８は、第１噴射制御の具体例を説明する図である。図８の横軸はエンジン負荷を示し、縦軸は燃料噴射の終了クランク角を示している。図８に示すように、第１噴射制御では、エンジン負荷が高くなるほど終了クランク角を遅角する。ただし、図８に破線で示す「従来例」とは異なり、実線で示す第１噴射制御では、高エンジン負荷域において終了クランク角を大幅に遅角させる。なお、終了クランク角を大幅に遅角させるエンジン負荷ＬＨは、例えば、スロットルが全開とされるエンジン負荷域に対応させて設定される。
【００４２】
図８に示す関係を制御マップの形でＥＣＵ３０のメモリに記憶させておき、この制御マップに基づいて噴射時期を制御すれば、第１噴射制御による燃費改善効果と出力向上効果を得ることができる。
【００４３】
３．２  第２噴射制御の具体例
図９は、第２噴射制御の具体例を説明する図である。図９の横軸はエンジン負荷を示し、縦軸は燃圧を示している。図９に示すように、第２噴射制御では、低エンジン負荷域ではエンジン負荷が高くなるほど燃圧を高い値に調整し、中エンジン負荷域では燃圧を最高値に調整する。そして、高エンジン負荷域では、エンジン負荷が高くなるほど燃圧を低い値に調整する。なお、燃圧の調整は、燃料ポンプ２０の制御によって行うことができる。燃料ポンプ２０の制御手法については、公知の手法を適用できる。
【００４４】
図９に示す関係を制御マップの形でＥＣＵ３０のメモリに記憶させておき、この制御マップに基づいて燃圧を制御しつつ、終了クランク角が圧縮行程の前半となるように噴射時期を制御すれば、第２噴射制御による燃費改善効果と出力向上効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０    内燃機関
１２    燃焼室
１４    点火プラグ
１６    点火コイル
１８    直噴インジェクタ
２０    燃料ポンプ
２２    吸気ポート
２４    排気ポート
２６    スロート部
３０    ＥＣＵ
３２    クランク角センサ
３４    燃圧センサ
ＴＦ    正タンブル流
【図１】
2020002844.tif 000003
【図２】
2020002844.tif 000004
【図３】
2020002844.tif 000005
【図４】
2020002844.tif 000006
【図５】
2020002844.tif 000007
【図６】
2020002844.tif 000008
【図７】
2020002844.tif 000009
【図８】
2020002844.tif 000010
【図９】
2020002844.tif 000011