(57)【要約】【課題】内燃機関の駆動状態の変化に対する出力の変化を安定化させる。【解決手段】エンジン１０はピストン１４、インジェクタ１７、シリンダ１９を有する。インジェクタ１７はガソリンをピストン１４のＴＤＣとＢＤＣとの間におけるシリンダボア内壁面に向かって噴射する。ＥＣＵ２４は回転センサ２３およびエアフロメータ２５から回転数データおよび吸入空気量データを取得する。ＥＣＵ２４は取得したデータに基づいて吸気流速を求める。吸気流速が速くなるほど、ＥＣＵ２４はインジェクタ１７による燃料の噴射時期を吸気行程ＢＤＣより遅角させる。【選択図】図１
2009092013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内にタンブルを発生させながら、前記燃焼室に吸気させる吸気ポートと、
前記燃焼室内のシリンダ内壁に向かって前記タンブルを強化する方向に、燃料を噴射する噴射手段と、
前記吸気ポートから前記燃焼室内への吸気流速に影響を与える因子を検出する検出手段と、
前記吸気流速が速くなる方向に前記因子が変化するほど、前記燃料の噴射時期を吸気行程の下死点より遅角させるように前記噴射手段を制御する制御手段とを備える
ことを特徴とする火花点火内燃機関。
【請求項２】
前記制御手段は、前記シリンダ内壁における前記噴射手段により噴射された燃料の衝突位置と、前記燃料が前記衝突位置に到達するときの前記燃焼室内を往復するピストン頂面の位置との間隔が実質的に一定となるように、前記噴射手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内噴射エンジンにおける燃料の噴射時期の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室にスワールやタンブルを発生させることが知られている。このようなスワールやタンブルを発生させる内燃機関では、出力の安定化などの所定の目的を達成するために、噴射時期が定められる。
【０００３】
例えば、スワールの生成と生成停止とを切替可能な内燃機関において、スワール生成時と生成停止時とで別々の噴射時期マップを用いることが開示されている（特許文献１参照）。別々の噴射時期マップを用いることにより、リーン燃焼の限界をリーン側に設定することが可能になる。
【特許文献１】特開平７−１３３７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃焼室内にタンブルが発生する筒内噴射式内燃機関において、燃料噴射時期を一定に定める場合に、内燃機関の回転数などの駆動状態の変化に対する出力の変化が不安定となることがある。噴射時期の調整により安定的に出力を変化させることが検討されていたが、そのためにどのような噴射時期の調整をすべきか解明されていなかった。
【０００５】
本発明は、筒内に直接燃料を噴射可能な火花点火内燃機関において、内燃機関の駆動状態の変化に対する出力の変化を安定化させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明に係る火花点火内燃機関は、吸気ポートと、噴射手段と、検出手段と、制御手段とを含む。吸気ポートは燃焼室内にタンブルを発生させながら、燃焼室に吸気させる。噴射手段は燃焼室内のシリンダに向かってタンブルを強化する方向に燃料を噴射する。検出手段は吸気ポートから燃焼室への吸気流速に影響を与える因子を検出する。制御手段は、吸気流速が速くなる方向に因子が変化するほど、燃料の噴射時期を吸気行程の下死点より遅角させるように噴射手段を制御する。
【０００７】
第１の発明によると、吸気ポートから燃焼室への吸気流速に応じて燃料噴射時期を遅角させることが可能になる。吸気流速に応じて噴射時期を吸気行程の下死点から遅角することにより、吸気流速の変動による燃料の気化量の変動を抑えることが可能になる。燃料の気化量の変動が抑制されることにより、吸気流速などの駆動状態の変化に対応した出力の変化を安定化させることが可能となる。
【０００８】
第２の発明に係る火花点火内燃機関では、第１の発明の構成に加えて、制御手段は、シリンダ内壁における噴射手段により噴射された燃料の衝突位置と、燃料が衝突位置に衝突するときの燃焼室内を往復するピストン頂面の位置との間隔が実質的に一定となるように、噴射手段を制御する。
【０００９】
第２の発明によると、燃料の衝突位置とピストン頂面の位置との間隔が一定に保つことにより、燃料の気化量の変動を最大に抑制することが可能となり、駆動状態の変動に対する出力の変動をさらに安定化させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、内燃機関の駆動状態の変化に対する出力の変化を安定化させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態を適用したエンジン（火花点火内燃機関）の概略的な構成図である。
【００１２】
エンジン１０は、燃料タンク（図示せず）、吸気通路１１、および排気通路１２に連結される。エンジン１０には、燃料タンクからガソリンが供給される。また、エンジン１０には吸気通路１１を介して空気が吸入される。吸入された空気により供給されたガソリンが燃焼される。エンジン１０において燃焼により生成した排気ガスは排気通路１２を介して外部に排出される。
【００１３】
エンジン１０は、シリンダブロック（図示せず）、シリンダヘッド１３、ピストン１４、吸気弁１５、排気弁１６、インジェクタ１７、および点火プラグ１８などを含んで構成される。
【００１４】
シリンダブロックには、複数のシリンダ１９が設けられる。各々のシリンダ１９にピストン１４が設けられる。ピストン１４はシリンダ１９の円筒高さ方向に摺動自在である。シリンダ１９、シリンダヘッド１３、ピストン１４によって囲まれる空間が、燃焼室２０として形成される。
【００１５】
燃焼室２０は、吸気通路１１および排気通路１２と連通する。吸気通路１１および排気通路１２には、それぞれ吸気弁１５および排気弁１６が配置される。吸気弁１５を所定の時期に開くことにより、吸気通路１１を介して燃焼室２０に空気が吸入される。排気弁１６を所定の時期に開くことにより、排気通路１２を介して燃焼室２０から排気ガスが排出される。
【００１６】
なお、吸気通路１１から吸入される空気が燃焼室２０内で順タンブル流（図１符合Ｔ参照）すなわち、吸気された空気が燃焼室２０内の排気弁１６側を下降して燃焼室２０内の吸気弁１５側を上昇するタンブル流を発生させる形状に、吸入ポート１１ａが形成される。
【００１７】
なお、吸気弁１５の開閉動作は、可変バルブタイミング＆リフト機構２１により、実行される。可変バルブタイミング＆リフト機構２１により、吸気弁１５の開閉の時期およびリフト量は、変更可能である。
【００１８】
吸気通路１１には、スロットルバルブ２２が設けられる。スロットルバルブ２２の開度を調整することにより、燃焼室２０に吸入させる空気量を調整することが可能である。
【００１９】
インジェクタ１７は、燃焼室２０にガソリンを直接噴射するように、シリンダヘッド１３に設けられる。インジェクタ１７には、燃料タンクからガソリンが供給される。インジェクタ１７により、燃焼室２０に所定の時期に所定の量の燃料が噴射される。
【００２０】
なお、インジェクタ１７の燃料噴射方向は、吸気ポート１１ａから吸入する空気により発生する順タンブル流Ｔを、噴射する燃料の貫徹力により強化する方向に定められる。すなわち、順タンブル流に接する方向で、順タンブル流と同じ方向が噴射方向に定められる。例えば、排気弁１６側の内壁におけるピストン１４のＴＤＣ（上死点）とＢＤＣ（下死点）との間の所定の噴射点Ｐに向かう方向が燃料の噴射方向に定められる。
【００２１】
また、インジェクタ１７はスリット状の噴口を有して、比較的厚さの薄い略扇形状に燃料を噴射する。燃料噴霧の厚さ中心平面と順タンブル流Ｔと平行に気筒中心軸線を通る縦平面とが一致するように、インジェクタ１７は取付けられる。
【００２２】
点火プラグ１８は、燃焼室２０に設けられる。燃焼室２０に吸入された混合気は、点火プラグ１８により所定のタイミングで着火される。着火された混合気が燃焼して排気ガスが生成され、排気通路１２を介して排出される。
【００２３】
エンジン１０には、回転センサ２３などの複数の種類のセンサが設けられる。それぞれのセンサにより、エンジン１０の状態が検出される。例えば、回転センサ２３により、エンジン１０の回転数が検出される。検出されたデータは、ＥＣＵ２４に送信される。
【００２４】
また、吸気通路１１には、エアフロメータ２５が設けられる。エアフロメータ２５により、エンジン１０への吸入空気量が検出される。検出された吸入空気量データは、ＥＣＵ２４に送信される。
【００２５】
また、アクセルペダル（図示せず）には、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセル開度センサ２６が設けられる。検出されたアクセル開度データは、ＥＣＵ２４に送信される。
【００２６】
ＥＣＵ２４は取得するデータに基づいて、エンジン１０の各部位に行なわせる動作の制御を行なう。例えば、ＥＣＵ２４はアクセル開度データに基づいて、スロットルバルブ２２の開度を調整する。また、ＥＣＵ２４は吸入空気量およびエンジン１０の回転数に基づいて、可変バルブタイミング＆リフト機構２１の制御を行なう。すなわち、吸入空気量に対応するエンジン１０の負荷を算出し、エンジン１０の負荷とエンジン１０の回転数とに対応した開閉時期およびリフト量で吸気弁１５の開閉動作を実行させる。
【００２７】
さらに、ＥＣＵ２４は燃焼室２０への空気の吸気流速に基づいて、燃料噴射時期の制御を行なう。
【００２８】
なお、燃焼室２０への空気の吸気流速が、ピストン１４の速度および吸気弁１５のリフト量に基づいて算出される。なお、ピストン１４の速度は、エンジン１０の回転数から求められる。また、前述のように、吸気弁１５のリフト量は、吸入空気量および回転数に基づいて決められる。したがって、吸気流速は、エンジン１０の回転数および吸入空気量に基づいて算出可能である。ＥＣＵ２４には、回転数および吸入空気量に対応する吸気流速のマップデータが格納されている。ＥＣＵ２４は、取得したデータに対応した吸気流速を読出す。
【００２９】
また、ＥＣＵ２４には、以下に説明するように吸気流速に対応した燃料噴射時期のマップデータが格納されている。ＥＣＵ２４は読出した吸気流速に基づいて燃料噴射時期を決定する。
【００３０】
図２に示すように、吸気流速が低いとき、インジェクタ１７から噴射されたガソリンは実質的に直進して、シリンダボア内壁上の噴射点Ｐに衝突する。吸気流速がゼロから、噴射したガソリンを実質的に噴射点Ｐに衝突させる第１の速さｖ１までの範囲内であるとき、ガソリンは吸気行程ＢＤＣにおいて噴射される。前述のように、吸気行程において吸気ポート１１ａから吸気される空気により燃焼室には順タンブル流Ｔが発生する。発生させた順タンブル流Ｔは吸気行程から圧縮行程ＴＤＣに達するまでの間に減衰していくが、吸気行程ＢＤＣ付近において燃料を噴射することにより順タンブル流Ｔが強められる。順タンブル流Ｔを強めることにより、圧縮行程においても順タンブル流Ｔは確実に持続し、圧縮行程のＴＤＣ近傍において気筒内に乱れを発生させる。この気筒内の乱れにより混合気の着火性が向上する。なお、噴射点ＰとＢＤＣとの間隔は第１の間隔Ｌ１である。
【００３１】
図３に示すように、吸気流速が第１の速さｖ１を超えると、タンブル流の流速も大きくなり、インジェクタ１７から噴射されたガソリンがタンブル流によってシリンダヘッド１３側に押し曲げられ、噴射点Ｐよりシリンダヘッド１３側にずれた曲がり噴射点Ｐ’に衝突する。燃料の噴射時期は、ガソリンがシリンダボア内壁に到達するときのピストン１４の頂面の位置と曲がり噴射点Ｐ’との間隔が第１の間隔と等しくなるように、吸気行程ＢＤＣから遅角される（図４参照）。
【００３２】
吸気流速が高くなるほどタンブル流の流速も大きくなるので、吸気流速が大きくなるほど曲がり噴射点Ｐ’はシリンダヘッド１３寄りとなる。したがって、曲がり噴射点Ｐ’とピストン１４の頂面の位置とを第１の間隔Ｌ１に等しくするように、吸気流速に応じて燃料噴射時期を吸気行程ＢＤＣから大きく遅角させている（図５参照）。
【００３３】
次に、図６のフローチャートを用いて、本実施形態にかかる吸気流速に応じてＥＣＵ２４がエンジン１０の各部位に実行させる燃料噴射時期の決定の制御について説明する。なお、燃料噴射時期決定の制御は、ステップ毎に定められた時間で各種動作が実行される。
【００３４】
ステップＳ１００において、ＥＣＵ２４は吸入空気量データおよびエンジン回転数データを取得する。次のステップＳ１０１において、ＥＣＵ２４は取得した吸入空気量およびエンジン回転数に基づいて吸気弁１５のリフト量を決定する。また、ＥＣＵ２４は取得したエンジン回転数に基づいてピストン１４の速度を算出する。
【００３５】
次のステップＳ１０２では、ステップＳ１０１において決定したリフト量および算出したピストン１４の速度に基づいて、燃焼室２０への吸気流側を算出する。吸気流側を算出するとステップＳ１０３に進み、算出した吸気流速に応じた燃料噴射時期をマップデータから読出して決定する。
【００３６】
以上のような構成の火花点火内燃機関によれば、吸気流速に対応した適切な時期に燃料を噴射することが可能になる。したがって、エンジン１０の駆動状態に対応した適切な時期に燃料が噴射され、駆動状態の変化に対するエンジン１０の出力の変化が安定化する。以下に、本実施形態の効果について詳細に説明する。
【００３７】
一般的に、均質燃焼時において燃焼速度を速めるために、燃焼室２０内においてタンブルの発生およびタンブルの強化が求められている。吸気ポート１１ａからの吸気によって発生させたタンブルを強化するためには、吸気行程ＢＤＣでガソリンが噴射されることが望ましい。
【００３８】
吸気行程ＢＤＣにおいて噴射されたガソリンは、シリンダボア内壁に衝突し、衝突点からピストン１４の頂面と重なる位置まで広がる（図７参照）。シリンダボア内壁に衝突したガソリン全量の中で気化するガソリンの量は、シリンダボア内壁上に広がった面積に応じて変化する。したがって、ガソリンのシリンダボア内壁における衝突位置とその瞬間のピストンの頂面の位置との間隔が変わると、ガソリンの気化量が変動する。
【００３９】
前述のように、吸気流速が変わるとタンブルの流速も変わるため、ガソリンのシリンダボア内壁における衝突位置も変化する。したがって、エンジン１０の駆動状態の変化により吸気流速が変わりガソリンの気化量が変動するため、出力の変化が不安定であった。
【００４０】
吸気流速に応じて燃料の噴射時期を吸気行程ＢＤＣから遅角させることにより、ピストン１４の頂面の位置が曲がり噴射点Ｐ’、すなわちシリンダヘッド１３側に近付く。また、タンブル流は圧縮行程が進むにつれて次第に減衰していくので、噴射時期を遅角させることによりガソリンを押し曲げる効果も減衰し、曲がり噴射点Ｐ’は噴射点Ｐ、すなわちシリンダヘッド１３と逆側に近付く。
【００４１】
前述のように、シリンダボア内壁上にガソリンが広がる面積は吸気流速が高くなるにつれて大きくなる。一方本実施形態では、吸気流速が大きくなるほど燃料の噴射時期を吸気行程ＢＤＣから大きく遅角させることにより、ピストン１４の頂面の位置および曲がり噴射点Ｐ’がお互いに近付くので、シリンダボア内壁上にガソリンが広がる面積を狭める方向に動くことになる。それゆえ、噴射時期を吸気行程ＢＤＣで一定にする場合に比べて、シリンダボア内壁上にガソリンが広がる面積の変化を抑えることが出来るので、ガソリンの気化量の変動が抑えられる。その結果、内燃機関の駆動状態の変化に対する出力の変化が安定化する。
【００４２】
なお、本実施形態では、エンジン１０の回転数および吸入空気量を検出し、検出した回転数および吸入空気量に対応した噴射時期にガソリンが噴射される構成であるが、燃焼室２０への吸気流速を変動させる因子であれば、いかなる因子に基づいて噴射時期を変化させる構成であっても本実施形態と同様の効果を得ることが可能である。例えば、吸入空気量に基づいてエンジン１０の負荷を算出しているが負荷率やスロットルバルブ２２の開度に基づいてエンジン１０の負荷を求めてもよい。また、リフト量が固定式であるエンジンの場合には、エンジン１０の回転数だけに基づいて噴射時期を決定してもよい。
【００４３】
また、本実施形態では、噴射されたガソリンのシリンダボア内壁における衝突位置と、ガソリンが噴射されたときのピストン１４頂面の位置とが一定の間隔となるように噴射時期が定められるが、一定の間隔とならなくてもよい。吸気流速に応じてＢＤＣより遅角させれば、噴射時期を一定にする場合に比べて出力の変化を安定化させることは可能である。もちろん、本実施形態のように、一定の間隔となるように噴射時期を定めることにより、出力の変化をより安定化させることが可能である。
【００４４】
また、本実施形態において、吸気ポート１１ａは順タンブルを発生させる形状に形成されるが、逆タンブルを発生させる形状に形成してもよい。逆タンブルを発生させる形状に吸気ポートを形成する場合には、逆タンブルを強化する方向にガソリンを噴射するように、インジェクタ１７はシリンダヘッド１３に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態を適用したエンジンの概略的な構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】吸気流速が低く、噴射したガソリンが実質的に直進するときの燃料噴射時期を説明する図である。
【図３】吸気流速が高く、噴射したガソリンがタンブル流により押し曲げられる状態を示す図である。
【図４】吸気流速が高く、噴射したガソリンがタンブル流により押し曲げられるときの燃料噴射時期を説明する図である。
【図５】吸気流速に対応する噴射時期を示すグラフである。
【図６】ＥＣＵが行なう燃料噴射時期決定制御のプログラム構造を示すフローチャートである。
【図７】ガソリンがシリンダボア内壁に衝突したときに内壁に沿ってガソリンが広がる様子を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  エンジン
１１ａ  吸気ポート
１４  ピストン
１５  吸気弁
１６  排気弁
１７  インジェクタ
１９  シリンダ
２０  燃焼室
２１  可変バルブタイミング＆リフト機構
２２  スロットルバルブ
２３  回転センサ
２４  ＥＣＵ
２５  エアフロメータ
２６  アクセル開度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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