(57)【要約】【課題】正タンブル流が生成される燃焼室の吸気ポート側に燃料噴射弁が設けられ、排気ポート側に点火装置が設けられるセンター噴射エンジンにおいて、成層燃焼時の混合気の着火性の低下を抑える。【解決手段】触媒暖機モードでの運転中、点火時期が圧縮上死点ＴＤＣよりも遅角側のクランク角に設定される。また、この遅角後の点火時期に重複するように噴射時期が設定される。更に、燃焼室に吸い込まれる吸気の流れ方向が、吸排気方向に対して傾斜し、かつ、天井部の外周に向かうように気流制御弁が操作される。【選択図】図８
2019157642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室の天井部側において吸気ポート側から排気ポート側に向かう吸気の流れが生成されるエンジンを制御する内燃機関の制御装置であって、
前記エンジンは、
前記天井部の中央に設けられた点火装置と、
前記天井部の中央において前記点火装置に隣接し、かつ、前記点火装置よりも前記吸気ポート側に設けられた燃料噴射弁と、
前記吸気ポートに設けられ、前記吸気ポートから前記燃焼室に吸い込まれる吸気の流れ方向を調整する気流制御弁と、
を備え、
前記制御装置は、冷間始動時において、
前記燃料噴射弁の噴射時期が前記点火装置の点火時期と重複するように前記燃料噴射弁および前記点火装置を制御し、
前記流れ方向が、吸排気方向に対して傾斜し、かつ、前記天井部の外周に向かうように前記気流制御弁を制御する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１２−４１８９８号公報には、スロート部を有する吸気ポートに、燃料噴射弁および気流制御弁を備える火花点火式エンジンが開示されている。このエンジンの気流制御弁は、板状の部材からなり、その後端部が可動軸によって支持されている。この可動軸は、吸気ポートの壁部のシリンダブロック側に回転自在に設けられている。
【０００３】
気流制御弁の先端部が壁部から離れる方向に可動軸を回転させると、スロート部の吸気流量が絞られる。スロート部の吸気流量が絞られると、燃焼室に吸い込まれる吸気によってタンブル流が生成する。このタンブル流は、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。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」ともいう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−０４１８９８号公報
【特許文献２】特開２０１１−０９４６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記気流制御弁は、燃焼室に吸い込まれる吸気によって正タンブル流を生成するための制御弁である。ただし、上記気流制御弁のような制御弁を設けなくとも、燃焼室に正タンブル流を生成することは可能である。例えば、スロート部の形状を工夫することで、燃焼室に正タンブル流を生成することができる。
【０００６】
ここで、正タンブル流が生成する燃焼室の天井部の中央に、燃料噴射弁と点火装置を備える火花点火式エンジン（以下、「センター噴射エンジン」ともいう。）を考える。センター噴射エンジンでは、一般的な直噴エンジンに比べて燃料噴射弁と点火装置の間の距離が短い。そのため、センター噴射エンジンでは、点火装置の駆動直後に燃料噴射弁を駆動することで、放電火花を燃料噴霧に誘引することが可能となる。
【０００７】
放電火花が燃料噴霧に誘引されるのは、高圧で噴射される燃料の周囲に形成された低圧部に放電火花が引き寄せられるためである。このような誘引作用によれば、冷間始動直後などの成層燃焼時において、混合気の着火性を高めて燃焼を安定化させることができる。
【０００８】
しかし、放電火花は吸気の流れの影響を受け易いため、センター噴射エンジンの燃料噴射弁と点火装置の位置関係によっては、低圧部による誘引が不十分となる可能性がある。より具体的に、吸気ポート側に燃料噴射弁が設けられ、排気ポート側に点火装置が設けられた場合、放電火花の誘引方向が正タンブル流の流れ方向と逆になる。そのため、放電火花が正タンブル流に流されると、低圧部による誘引が不十分となり、混合気の着火性が低下するおそれがある。
【０００９】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、正タンブル流が生成される燃焼室の吸気ポート側に燃料噴射弁が設けられ、排気ポート側に点火装置が設けられるセンター噴射エンジンにおいて、成層燃焼時の混合気の着火性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】
【００１０】
本発明は、上述した課題を解決するための内燃機関の制御装置であり、次の特徴を有する。
前記制御装置は、燃焼室の天井部側において吸気ポート側から排気ポート側に向かう吸気の流れが生成されるエンジンを制御する。
前記エンジンは、点火装置と、燃料噴射弁と、気流制御弁と、を備える。
前記点火装置は、前記天井部の中央に設けられる。
前記燃料噴射弁は、前記天井部の中央において前記点火装置に隣接して設けられる。前記燃料噴射弁は、前記点火装置よりも前記吸気ポート側に設けられる。
前記気流制御弁は、前記吸気ポートに設けられる。前記気流制御弁は、前記吸気ポートから前記燃焼室に吸い込まれる吸気の流れ方向を調整する。
前記制御装置は、冷間始動時において、前記燃料噴射弁の噴射時期が前記点火装置の点火時期と重複するように前記燃料噴射弁および前記点火装置を制御する。
前記制御装置は、前記流れ方向が、吸排気方向に対して傾斜し、かつ、前記天井部の外周に向かうように前記気流制御弁を制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、放電火花を燃料噴霧に誘引するエンジン制御が行われる場合に、吸気ポートから燃焼室に吸い込まれる吸気の流れ方向が調整される。調整後の流れ方向は、吸排気方向に対して傾斜し、かつ、天井部の外周に向かう方向となる。このような流れ方向に調整されると、天井部側において誘引方向と逆向きに流れる正タンブル流が弱まる。そのため、放電火花が正タンブル流に流され難くなる。従って、低圧部による誘引が不十分となるのを抑えることができる。つまり、本発明によれば、成層燃焼時の混合気の着火性の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。
【図２】燃焼室の天井部周辺の模式図である。
【図３】可動軸を回転させたときの気流制御弁の動作を説明する図である。
【図４】図１に示したエンジン構成において触媒暖機モードでの運転を行ったときの問題を説明する図である。
【図５】気流制御弁を操作したときのバルブ吹出し流速とプラグ部流速のＣＡＥ解析データを示す図である。
【図６】気流制御弁の操作前、かつ、第２クランク角付近における点火プラグ周辺の筒内状態を説明する図である。
【図７】気流制御弁の操作後、かつ、第２クランク角付近における点火プラグ周辺の筒内状態を説明する図である。
【図８】本実施の形態においてＥＣＵが実行する気流制御弁の操作処理ルーチンの一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
１．システム構成の説明
図１は、本発明の実施の形態に係るシステム構成を説明する図である。図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、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１サイクルエンジンであり、センター噴射エンジンでもある。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。エンジン１０の各気筒には、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。
【００１５】
燃焼室１２の天井部には、燃料噴射弁１４が取り付けられている。燃料噴射弁１４は、燃料タンク、コモンレール、サプライポンプ等から構成される燃料供給系統に接続されている。また、燃料噴射弁１４の先端には、複数の噴孔が放射状に形成されている。燃料噴射弁１４を駆動すると、これらの噴孔から燃料が高圧状態で噴射される。図１に示す燃料噴霧１４ａ、１４ｂおよび１４ｃは、噴射直後の燃料噴霧を模式的に表したものである。
【００１６】
燃焼室１２の天井部には、点火プラグ１６も取り付けられている。点火プラグ１６は、燃料噴射弁１４に隣接して設けられている。燃料噴射弁１４が吸気ポート１８側に設けられているのに対し、点火プラグ１６は排気ポート２０側に設けられている。点火プラグ１６は、点火プラグ１６に高電圧を印加する点火コイル（図示しない）に接続されている。点火プラグ１６と点火コイルは、点火装置を構成する。点火コイルを駆動すると、点火プラグ１６に放電火花１６ａが生じる。
【００１７】
吸気ポート１８および排気ポート２０は、燃焼室１２に連通している。吸気ポート１８は、上流から下流に向けてほぼ真っ直ぐに延びている。吸気ポート１８は、燃焼室１２との接続部分であるスロート部において流路断面積が絞られている。スロート部のこのような形状は、吸気ポート１８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。吸気ポート１８には、吸気ポート１８を開閉する吸気バルブ２２が設けられている。排気ポート２０には、排気ポート２０を開閉する排気バルブ２４が設けられている。
【００１８】
また、図１に示すように、本実施の形態に係るシステムは、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）等を備えている。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。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と、エンジン冷却水温を検出する温度センサ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、燃料噴射弁１４と点火コイルが少なくとも含まれている。
【００１９】
２．気流制御弁の説明
本実施の形態に係るシステムは、上述した構成に加えて、気流制御弁を備えている。この気流制御弁は、ＥＣＵ３０によって操作されるアクチュエータに含まれる。図２は、燃焼室１２の天井部周辺の模式図である。図２に示すように、燃焼室１２には、２本の吸気ポート１８（１８Ｌおよび１８Ｒ）が連通している。吸気ポート１８Ｌには、気流制御弁２６Ｌが設けられている。吸気ポート１８Ｒには、気流制御弁２６Ｒが設けられている。以下、気流制御弁２６Ｒおよび２６Ｌを特定する必要がない場合は、これらを単に「気流制御弁２６」と総称する。気流制御弁２６は、板状の部材から構成されている。
【００２０】
気流制御弁２６Ｌおよび２６Ｒの後端部は、可動軸２８Ｌおよび２８Ｒによってそれぞれ支持されている。以下、可動軸２８Ｌおよび２８Ｒを特定する必要がない場合は、これらを単に「可動軸２８」と総称する。可動軸２８は、シリンダ軸と並行に設けられている。気流制御弁２６は常開の弁である。ただし、可動軸２８を回転させると、気流制御弁２６の先端部が吸気ポート１８Ｌまたは１８Ｒの壁部から離れる。図３は、可動軸２８を回転させたときの気流制御弁２６の動作を説明する図である。図３に示すように、気流制御弁２６Ｌの先端部は反時計回り方向に移動し、気流制御弁２６Ｒの先端部は時計回り方向に移動する。
【００２１】
気流制御弁２６の先端部が移動すると、吸気ポート１８を開いたときに吸気ポート１８から燃焼室１２に吸い込まれる吸気の流れ方向が変化する。図２に示す矢印ＦＤ１および図３に示すＦＤ２は、この流れ方向を表している。矢印ＦＤ１と矢印ＦＤ２を比較すると分かるように、矢印ＦＤ１の方向が吸排気方向（シリンダ横断面と並行な面において、吸気ポート１８Ｌと１８Ｒの中間点と、排気ポート２０Ｌと２０Ｒの中間点と、を通る方向をいう。以下同じ。）と概ね並行であるのに対して、矢印ＦＤ２の方向は吸排気方向に対して傾斜する。より具体的に、矢印ＦＤ２の先端は、排気ポート２０（２０Ｌおよび２０Ｒ）に向かわずに、燃焼室１２の天井部の外周に向かう。
【００２２】
３．本実施の形態の特徴
３．１  成層燃焼運転
本実施の形態では、ＥＣＵ３０によるエンジン制御によってセンター噴射エンジンの利点を活用した成層燃焼運転が行われる。成層燃焼運転の一例として、冷間始動時の触媒暖機モードでの運転が挙げられる。この触媒暖機モードの暖機対象は、エンジン１０の排気管に設けられる触媒である。この触媒の一例として、活性化状態にある触媒の雰囲気がストイキ近傍にあるときに排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を浄化する三元触媒が挙げられる。
【００２３】
触媒暖機モードでは、点火時期（より正確には、点火コイルの駆動時期）が、圧縮上死点ＴＤＣよりも遅角側のクランク角に設定される。また、触媒暖機モードでは、この遅角後の点火時期に重複するように噴射時期（より正確には、燃料噴射弁の駆動時期）が設定される。遅角後の点火時期に噴射時期を重複させると、燃料噴霧の周囲に形成された低圧部に放電火花を引き寄せて着火性を高めつつ、排気温度を上昇させて触媒を早期に活性化させることができる。
【００２４】
３．２  触媒暖機モードでの運転中の問題
図４は、図１に示したエンジン構成において触媒暖機モードでの運転を行ったときの問題を説明する図である。上述したように、触媒暖機モードでは、低圧部に放電火花を引き寄せることができる。しかし、放電火花１６ａは吸気の流れ影響を受け易い。そのため、放電火花１６ａの誘引方向が正タンブル流ＴＦの流れ方向と逆になるエンジン構成では、放電火花１６ａが正タンブル流ＴＦに流されてしまい、その結果、低圧部による誘引が不十分となり、混合気の着火性が低下するおそれがある。
【００２５】
点火時期を進角させれば、混合気の着火性が低下するのを抑えることができる。しかし、点火時期を進角させた場合は、触媒の暖機完了までに時間を要することになる。よって、点火時期を安易に進角することは望ましくない。
【００２６】
３．３  吸気の流れ方向の変更
そこで、本実施の形態では、触媒暖機モードでの運転中、気流制御弁２６を操作して燃焼室１２に吸い込まれる吸気の流れ方向を変更する。図５は、気流制御弁２６を操作したときのバルブ吹出し流速とプラグ部流速のＣＡＥ解析データを示す図である。横軸の「バルブ吹出し流速」は、吸気ポート１８が開かれている間の第１クランク角において燃焼室１２に吸い込まれる吸気の流速を表している。縦軸の「プラグ部流速」は、第２クランク角（例えば、圧縮上死点ＴＤＣ）において点火プラグ１６の周辺を流れる吸気の流速を表している。これらの速度は、シリンダ横断面と並行な面を基準としている。
【００２７】
図５の横軸に示す「内向き」は燃焼室１２の中心方向を意味し、「外向き」とは燃焼室１２の外周方向を意味している。上述したように、気流制御弁２６は常開の弁である。この通常時の「バルブ吹出し流速」に相当するのが図５の最も右側のデータである。このデータから分かるように、通常時は「バルブ吹出し流速」が「内向き」の値になる。ここからスタートして図５のデータを見ると、気流制御弁２６の操作中の所定のクランク角において、所定の位置を流れる吸気の流れ方向を理解できる。すなわち、第１クランク角において吸気ポート１８から燃焼室１２に吸い込まれる吸気の流れ方向と、第２クランク角において点火プラグ１６周辺を流れる吸気の流れ方向と、を理解できる。
【００２８】
すなわち、吸気ポート１８を閉じる方向に気流制御弁２６を操作していくと、第１クランク角において吸気ポート１８から燃焼室１２に吸い込まれる吸気の流れ方向が、「内向き」から「外向き」に変わる。一方、第２クランク角において点火プラグ１６周辺を流れる吸気の流れ方向は、気流制御弁２６の操作量が小さい間は「ＥＸ向き」（排気側から吸気側に向かう方向）になる。ところが、この操作量が一定以上になると、この流れ方向は「ＩＮ向き」（吸気側から排気側に向かう方向）に変わる。つまり、吸気ポート１８が一定以上閉じられると、第２クランク角において点火プラグ１６周辺を流れる吸気の流れ方向が反転する。
【００２９】
このような流れ方向の反転が起こった理由について、図６乃至図７を参照しながら説明する。図６および図７は、第２クランク角付近における点火プラグ１６周辺の筒内状態を説明する図である。図６は気流制御弁２６の操作前の筒内状態を表している。図６に示す矢印ＦＤ３は、燃焼室１２を旋回する吸気の点火プラグ１６周辺における吸気の流れ方向を表している。この矢印ＦＤ３の向きは、燃料噴射弁１４から点火プラグ１６に向かう方向であり、正タンブル流ＴＦの流れ方向と一致する。そのため、低圧部による誘引が吸気によって阻害され、放電火花の移動量が小さくなる。
【００３０】
一方、図７は、気流制御弁２６の操作後の筒内状態を表している。図７に示す矢印ＦＤ４は、図６に示した矢印ＦＤ３と同じ吸気の流れ方向を表している。図６と図７を比較すると分かるように、矢印ＦＤ４の向きは、矢印ＦＤ３の向きと反対になる。これは、気流制御弁２６の操作に伴って、燃焼室１２に生じる正タンブル流ＴＦが崩壊し易くなったためである。より具体的に述べると、吸気ポート１８から燃焼室１２に吸い込まれる吸気の流れ方向が「外向き」になることで、正タンブル流ＴＦが圧縮上死点ＴＤＣよりも進角側で崩壊し、その結果、矢印ＦＤ４の向きの吸気の流れが生じたためである。
【００３１】
故に、図７の場合は、低圧部による誘引が吸気によって阻害されることがない。寧ろ、低圧部による誘引が吸気によって促進され、放電火花の移動量が大きくなる。このように、触媒暖機モードでの運転中に気流制御弁２６を操作すれば、低圧部による誘引が不十分となり、混合気の着火性が低下することを少なくとも抑えることができる。
【００３２】
ただし、正タンブル流ＴＦが崩壊し易くなると、排気側でノッキングが起き易くなるという側面がある。そこで、本実施の形態では、気流制御弁２６の操作中にノッキングの発生を検出した場合には、気流制御弁２６の操作を中止する。このように気流制御弁２６の操作を操作すれば、ノッキングの発生を回避しつつ、混合気の着火性が低下することを抑えることができる。
【００３３】
３．４．具体的処理
図８は、本実施の形態においてＥＣＵ３０が実行する気流制御弁２６の操作処理ルーチンの一例を説明する図である。なお、この図に示すルーチンは、エンジン１０の始動後、各気筒においてサイクルごとに繰り返し実行されるものとする。また、燃料噴射弁１４の噴射時期および点火コイルの制御は、別途、ＥＣＵ３０によって実行されるものとする。
【００３４】
図８に示すルーチンでは、先ず、触媒暖機モードが選択されているか否かが判定される（ステップＳ１０）。触媒暖機モードは、例えば、エンジン回転速度が閾値未満であり、かつ、エンジン冷却水温が閾値未満である場合に選択される。ステップＳ１０の判定結果が肯定的である場合、気流制御弁２６の操作が開始され、または、気流制御弁２６の操作が継続される（ステップＳ１２）。一方、ステップＳ１０の判定結果が否定的である場合、気流制御弁２６が操作されず、または、気流制御弁２６の操作が中止される（ステップＳ１４）。
【００３５】
ステップＳ１２に続いて、ノッキングが発生しているか否かが判定される（ステップＳ１６）。ノッキングの発生の検出手法は特に限定されないが、例えば、エンジン１０の振動を検出する振動センサの出力の周波数分析に基づいて行うことができる。ステップＳ１６の判定結果が肯定的である場合、気流制御弁２６の操作が中止される（ステップＳ１８）。一方、ステップＳ１６の判定結果が否定的である場合、処理ルーチンを閉じる。つまり、気流制御弁２６の操作が継続される。
【００３６】
４．本実施の形態による効果
以上説明した本実施の形態によれば、触媒暖機モードでの運転中に気流制御弁２６が操作される。従って、吸気ポート１８から燃焼室１２に吸い込まれる吸気の流れ方向を「外向き」にして、低圧部による誘引が不十分となることを抑えることができる。よって、混合気の着火性が低下することを抑えることができる。
【００３７】
また、本実施の形態によれば、気流制御弁２６の操作中にノッキングの発生を検出した場合に、気流制御弁２６の操作が中止される。従って、ノッキングの発生を回避しつつ、混合気の着火性が低下することを抑えることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０    内燃機関（エンジン）
１２    燃焼室
１４    燃料噴射弁
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ    燃料噴霧
１６    点火プラグ
１６ａ    放電火花
１８、１８Ｒ、１８Ｌ    吸気ポート
２０、２０Ｒ、２０Ｌ    排気ポート
２２    吸気バルブ
２４    排気バルブ
２６、２６Ｌ、２６Ｒ    気流制御弁
２８、２８Ｒ、２８Ｌ    可動軸
３０    ＥＣＵ
ＴＦ    正タンブル流
【図１】
2019157642.tif 000003
【図２】
2019157642.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019157642.tif 000008
【図７】
2019157642.tif 000009
【図８】
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