JP5115517B2

JP5115517B2 - 成層燃焼が可能な内燃機関

Info

Publication number: JP5115517B2
Application number: JP2009112746A
Authority: JP
Inventors: 利美柏倉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2029-05-07
Also published as: JP2010261363A

Description

本発明は、ＥＧＲガスと混合気とを燃焼室内で成層化することが可能な内燃機関に関する。

成層燃焼が可能な内燃機関として、一対の吸気ポートを有し、一方の吸気ポートにスワール制御弁を配置し、そのスワール制御弁及び各吸気ポートの吸気弁が閉じている状態でスワール制御弁の下流にＥＧＲガスを導入し、吸気行程ではまず一方の吸気ポートの吸気弁を開弁して燃焼室内でＥＧＲガスのスワール流を形成し、その後、他方の吸気ポートの吸気弁を開弁して燃焼室内でＥＧＲガスの上方に逆向きのスワール流を形成し、その空気のスワール流に向けて燃料を噴射することにより、ＥＧＲガスと混合気とを成層化する内燃機関が知られている（例えば特許文献１参照）。その他に、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。

特開２００４−１４４０５２号公報特開２００１−２４８４６５号公報特開２００１−３２３８２８号公報特開２００４−３３２５９１号公報

ＥＧＲ層と混合気層とを形成する場合、それらの境界で不活性なＥＧＲガス内に燃料が混入し、その混入した燃料が燃焼せずに未燃成分として排出されるおそれがある。そこで、本発明はＥＧＲ層への燃料成分の混入を防止することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、燃焼室に対して吸気ポートを開閉する吸気弁と、吸入空気に対して燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、排気通路と吸気ポートとを接続するＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲ弁とを備えた成層燃焼が可能な内燃機関であって、前記吸気弁の開弁に先行して前記吸気ポートにＥＧＲガスが導入されるようにＥＧＲ弁の開弁動作を制御するＥＧＲ弁制御手段と、前記吸気弁の開弁に伴って前記吸気ポートから前記燃焼室内にＥＧＲガスが導入された後に空気が導入され、該燃焼室内のＥＧＲ層と混合気層との間に空気層が残存するように、吸入空気に対する前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御手段と、前記内燃機関の回転数及びトルクに基づいて、前記燃焼室内に設けるべき前記ＥＧＲ層、前記混合気層、及び前記空気層のそれぞれの大きさの合計に対する前記空気層の大きさの割合である空気率を取得する手段と、を備え、前記燃料噴射制御手段は、前記空気率に基づいて前記燃料噴射弁の動作を制御するものである。

本発明の内燃機関によれば、吸気弁の開弁に先行してＥＧＲ弁を開弁させることにより、吸気ポートの終端部付近にＥＧＲガスが導入される。吸気弁を開弁させると、まず吸気ポートの終端部付近のＥＧＲガスが燃焼室内に導入されてＥＧＲ層が形成される。続いて、吸気ポートから燃焼室に空気が導入されて燃焼室内に空気層が形成される。さらに、ＥＧＲガスに続いて導入される空気の一部に限定して燃料噴射弁から燃料を噴射することにより、燃焼室内のＥＧＲ層と混合気層との間に空気層が残存する。このように、ＥＧＲ層と混合気層との間に空気層が介在することにより、ＥＧＲ量を増加させても燃料成分のＥＧＲ層への混入を防止することができる。

本発明の一形態に係る内燃機関の要部をシリンダ軸線方向から見た状態で示す図。吸気弁開弁前の様子を示す図。吸気弁を開弁した後の様子を示す図。吸気弁閉弁時の様子を示す図。エンジンコントロールユニットが成層燃焼運転の可否を判別するために実行する運転判別ルーチンを示すフローチャート。エンジンコントロールユニットが成層燃焼又は均質燃焼を選択的に実現するために実行する燃焼制御ルーチンを示すフローチャート。図６のルーチンでＥＧＲ率を定めるために参照されるマップの一例を示す図。図６のルーチンでＥＧＲ弁の開弁時間を定めるために参照されるマップの一例を示す図。ＥＧＲ弁及び吸気弁の開閉時期を内燃機関のクランク角に対応付けて示すタイミングチャート。図６のルーチンで空気率を定めるために参照されるマップの一例を示す図。吸気ポートから燃焼室へと通過する吸気の流量を時系列に沿って示す図。吸気弁を通過する流体の通過流量をシリンダ内に形成される成層区分に区分して示す図。図９の変形例を示す図。図１３の変形例を実現するために参照されるクランク角とバルブ通過流量との関係を記述したマップの一例を示す図。図１３の変形例における燃料噴射期間を定める手法を説明するための図。図９のさらなる変形例を示す図。図１６の変形例における燃料噴射期間を定める手法を説明するための図。

図１〜図４に示すように、本発明の一形態に係る内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ。）１は、複数（図では一つのみ示す。）のシリンダ２が形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に取り付けられたシリンダヘッド４と、シリンダ２のそれぞれに吸気を導くための吸気通路５と、シリンダ２からの排気が導かれる排気通路６とを備えている。シリンダ２にはピストン７が摺動自在に嵌め合わされ、そのピストン７の頂面７ａとシリンダヘッド４の下面との間に燃焼室８が形成される。吸気通路５には、吸入空気量を調整するためのスロットル弁９が設けられている。スロットル弁９の下流にはインテークマニホールド１０が設けられ、そのインテークマニホールド１０からは各シリンダ２に向かって２本のブランチ１１Ａ、１１Ｂが延ばされている。シリンダヘッド４には、各シリンダ２に対応して２本の吸気ポート１２Ａ、１２Ｂが形成され、ブランチ１１Ａ、１１Ｂはそれらの吸気ポート１２Ａ、１２Ｂに１対１で接続されている。吸気ポート１２Ａ、１２Ｂの終端には、吸気ポート１２Ａ、１２Ｂと燃焼室８との間を開閉する吸気弁１３Ａ、１３Ｂが設けられている。同様に、排気通路６と燃焼室８との間には、それらの間を開閉するための排気弁１４Ａ、１４Ｂが設けられている。燃焼室８の上面側中心部には点火プラグ１５が設けられている。なお、吸気弁１３Ａ、１３Ｂは不図示の動弁機構により、互いに独立して開閉動作が可能とされている。

吸気ポート１２Ａ、１２Ｂには燃料噴射弁１６がそれぞれ設けられている。一方の吸気ポート１２ＡにはＥＧＲ通路としてのＥＧＲ配管１７が接続されている。ＥＧＲ配管１７は、吸気ポート１２Ａの長手方向に沿って吸気ポート１２Ａの終端部にＥＧＲガスを流入させるようにして吸気ポート１２Ａと接続されている。ＥＧＲ配管１７には、これを開閉するためのＥＧＲ弁１８が設けられている。他方の吸気ポート１２Ｂには、これを開閉するためのスワール制御弁１９が設けられている。

図１に示すように、エンジン１には、エンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）２０が設けられている。ＥＣＵ２０は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置を含んだコンピュータユニットとして構成され、所定のエンジン制御プログラムに従ってスロットル弁９、燃料噴射弁１６、ＥＧＲ弁１８、スワール制御弁１９等を操作することにより、エンジン１を目標とする運転状態に制御する。ＥＣＵ２０には、エンジン１の運転制御に必要な情報の入力手段として、エンジン１の冷却水温に応じた信号を出力する水温センサ２１、エンジン１の単位時間当たりの回転数（回転速度）に応じた信号を出力するクランク角センサ２２、吸気通路５に取り込まれた空気量に応じた信号を出力するエアフロメータ２３等が接続されている。

ＥＣＵ２０は、エンジン１の運転制御のために実行すべき一連の処理の一部として、図５に示す運転判別ルーチン、及び図６に示す燃焼制御ルーチンのそれぞれを所定の周期で繰り返し実行する。以下、これらの処理を説明する。

ＥＣＵ２０は、図５の運転判別ルーチンを開始すると、まずステップＳ１でエンジン１の始動後の経過時間が３０秒よりも長いか否か判別する。エンジン始動後の経過時間は、例えば、始動成功後、ＥＣＵ２０のタイマを利用して判別すればよい。３０秒以上が経過している場合、ＥＣＵ２０はステップＳ２に進み、水温センサ２１が検出する冷却水温が４０°Ｃよりも高いか否か判別する。４０°Ｃよりも高い場合、ＥＣＵ２０はステップＳ３へ進み、成層ＥＧＲ運転の可否を判別するための成層ＥＧＲフラグをオン、すなわち、成層ＥＧＲフラグの値を成層ＥＧＲ運転が可能な状態を示す値に設定する。一方、ステップＳ１又はＳ２の条件が否定された場合、ＥＣＵ２０はステップＳ４へ進み、成層ＥＧＲフラグをオフ、すなわち成層ＥＧＲフラグの値を成層ＥＧＲ運転が不可能な状態を示す値に設定する。ステップＳ３又はＳ４の処理後、ＥＣＵ２０は今回の運転判別ルーチンを終了する。

一方、ＥＣＵ２０は図６の燃焼制御ルーチンを開始すると、まずステップＳ１１で成層ＥＧＲフラグがオンか否か判別する。フラグがオンであれば、ＥＣＵ２０はステップＳ１２へ進み、スワール制御弁１９を閉じる。続いてＥＣＵ２０はステップＳ１３へ進み、成層ＥＧＲ率を図７に示すマップより取得する。図７のマップは、ＥＧＲ率をエンジン１の回転数とトルクとに対応付けて定めたものである。ＥＣＵ２０は、ステップＳ１３の処理に際して、クランク角センサ２２の出力からエンジン１の回転数を取得するとともに、エンジン１の目標トルクを不図示のアクセルペダルの踏込み量等から演算し、得られた回転数とトルクとに対応するＥＧＲ率を図７のマップから取得する。

ＥＧＲ率の取得後、ＥＣＵ２０はステップＳ１４へ進み、ＥＧＲ弁１８の開弁時間を図８に示すマップから取得する。図８のマップは、エンジン１の吸入空気量を回転数で除した値（空気量／回転数）とＥＧＲ弁１８の開弁時間との関係をＥＧＲ率に応じて示したものである。ＥＣＵ２０は、ステップＳ１３で取得したＥＧＲ率と、エアフロメータ２３から取得した吸入空気量及びクランク角センサ２２から取得した回転数とを利用して図８のマップからＥＧＲ弁１８の開弁時間を取得する。

ＥＧＲ弁１８の開弁時間を取得した後、ＥＣＵ２０はステップＳ１５へ進み、ＥＧＲ弁１８をステップＳ１４で取得した開弁時間だけ開くようにＥＧＲ弁１８の動作制御を開始する。この際、ＥＧＲ弁１８が吸気弁１３Ａの開弁動作に先行して開弁し、かつ、ＥＧＲ弁１８が吸気弁１３Ａの開弁時には閉鎖するようにＥＧＲ弁１８の動作を制御する。一例として、図９に示すように、吸気弁１３Ａが吸気行程後半のクランク角３６０°で開弁を開始する場合には、そのクランク角３６０°を終点として開弁時間相当だけ遡ったクランク角にてＥＧＲ弁１８の開弁を開始させる。

図６に戻り、続くステップＳ１６において、ＥＣＵ２０は燃焼室８内に設けるべき空気層の率（空気率）を図１０に示すマップから取得する。図１０のマップは、空気率をエンジン１の回転数及びトルクと対応付けて定めたものである。図示例では、一律１０％に設定しているが、成層ＥＧＲ域（成層ＥＧＲフラグがオンとなる運転領域）内で空気率を複数段に変化させてもよい。次のステップＳ１７において、ＥＣＵ２０は、燃料噴射時期を演算する。例えば、図１１に示すように、吸気弁１３Ａの開弁に先行して吸気ポート１２Ａ内に導入されているＥＧＲガスが吸気開始（吸気弁１３Ａの開弁開始）に伴って燃焼室８内に吸入される時間ｔ１、及びステップＳ１６で取得した空気率に相当する量の空気が燃焼室８内に吸入される時間ｔ２をそれぞれ演算し、それらの和（ｔ１＋ｔ２）に相当する時間が吸気開始から経過した時刻を燃料噴射開始時期として定め、その燃料噴射開始時期から吸気弁１３Ａが閉じる時刻までの時間ｔ３を燃料噴射終了時期として定める。吸気行程（吸気弁が開く期間）にて、ＥＧＲガス、空気及び混合気のそれぞれが燃焼室８内に導入される時期を、クランク角と吸気ポート１２Ａから燃焼室８へと通過する吸気の流量（バルブ通過流量）と対応付けて示せば図１２の通りである。すなわち、吸気弁１３Ａが上死点（ＴＤＣ）で開き、下死点（ＢＤＣ）で閉じるとすれば、吸気開始直後はＥＧＲガスが導入され、続いて空気が導入され、その後に燃料噴射が実行されて混合気が導入される。

続いて、ＥＣＵ２０は図６のステップＳ１８に進み、燃料噴射開始時期から燃料噴射終了時期まで燃料噴射弁１６から燃料が噴射されるように燃料噴射弁１６の動作を制御する。なお、この場合、ＥＧＲ配管１７が接続された側の吸気ポート１２Ａに対応する燃料噴射弁１６のみが燃料噴射制御の対象とされ、反対側の吸気ポート１２Ｂに対応する燃料噴射弁１６からの燃料噴射は禁止される。

一方、ステップＳ１１の条件が否定判断された場合、ＥＣＵ２０はステップＳ２１に進み、スワール制御弁１９を開く。続いて、ＥＣＵ２０はステップＳ２２で成層ＥＧＲ率を０％に設定する。その後、ＥＣＵ２０はステップＳ２３に進んで燃料噴射時期を演算し、続くステップＳ２４で両吸気ポート１２Ａ、１２Ｂの燃料噴射弁１６から燃料が噴射されるように燃料噴射弁１６の動作を制御する。ステップＳ１８又はステップＳ２４にて燃料噴射が実行されると、ＥＣＵ２０は今回のルーチンを終了する。なお、ステップＳ２１〜Ｓ２４の実行される場合の燃料噴射弁１６の開弁時期、燃料噴射量等の制御手順は、均質燃焼を実行する際の公知の内燃機関のそれと同様でよい。

上記のように成層ＥＧＲ実施時のＥＧＲ弁１８及び燃料噴射弁１６の動作が制御される結果として燃焼室８内に形成される成層化の過程を図２〜図４に示す。まず、図２に示すように、吸気弁１３Ａの開弁に先行してＥＧＲ弁１８が開かれて吸気ポート１２ＡにＥＧＲガス３０が導入される。そのＥＧＲガス３０は、図中に矢印Ａで示したように、吸気ポート１２Ａの終端部にて旋回しつつ滞留する。その旋回方向は、吸気ポート１２Ａに対するＥＧＲ配管１７の接続位置が吸気ポート１２Ａ、１２Ｂの並び方向外側に設定されているため、ＥＧＲガス３０が燃焼室８内に導入された場合に形成されるスワール流の旋回方向と一致する。

続いて、図３に示すように吸気弁１３Ａが開かれると、吸気ポート１２Ａ内のＥＧＲガス３０が燃焼室８内へと導入される。その結果、燃焼室８の下部には、矢印Ｂで示すようなスワール流を伴ったＥＧＲ層Ｌ１が形成される。続いて、ＥＧＲガス３０の導入後、空気率に対応した量の空気が導入されるまでは燃料噴射が開始されないため、燃焼室８内のＥＧＲ層Ｌ１の上方に空気層Ｌ２が形成される。その空気層Ｌ２はＥＧＲ層Ｌ１と同様のスワール流を伴ったものとなる。そして、空気層Ｌ２の形成後、燃料噴射弁１６からの燃料３１の噴射が開始される。図４に示すように吸気弁１３Ａが閉じた時、燃焼室８内には、ピストン７から上方に向かって、ＥＧＲ層Ｌ１、空気層Ｌ２及び混合気層Ｌ３が形成される。ＥＧＲ層Ｌ１と混合気層Ｌ３との間に空気層Ｌ２が残存しているため、混合気層Ｌ３の燃料成分のＥＧＲ層Ｌ１への混入が防止される。従って、未燃成分の排出を防止して、燃焼の安定化、エミッションの改善、燃料消費率の向上といった作用効果が得られる。

以上の形態では、ＥＣＵ２０が図６のステップＳ１５を実行することによりＥＧＲ弁制御手段として、ステップＳ１８を実行することにより燃料噴射制御手段として機能する。

次に、燃料噴射時期の制御に関する変形例を説明する。図１３は燃料噴射時期ｔ４を、空気の導入完了後から吸気行程終了までの時間ｔ３の一部に限定して実施する例である。その実施手順としては、一例としてＥＣＵ２０により以下の処理を実行すればよい。すなわち、図１４に示すように、クランク角とバルブ通過流量との関係をエンジン１の回転数別に記述したマップを予め用意し、クランク角センサ２２から取得した回転数に対応するクランク角とバルブ通過流量との対応関係を示す線図を特定する。続いて、図１５に示すように、取得したバルブ通過流量の曲線に対して、吸気開始位置（ＴＤＣ）からＥＧＲ量及び空気量（空気率に対応する量）をそれぞれ割り当てて、混合気が導入されている期間Ｘを特定する。続いて、期間Ｘ内でバルブ通過流量が半分となるクランク角、つまり、燃焼室８内に導入されるべき混合気の全量に対して、半分の混合気が導入されるときのクランク角ＣＡｘを特定する。そのクランク角ＣＡｘを中心として、必要な燃料量が確保されるように燃料噴射時期を演算して燃料噴射開始時刻及び終了時刻を特定することにより、図１３のように燃料噴射時期を設定することができる。

図１６は、図１３は燃料噴射時期（ｔ５〜ｔ７）を、空気の導入完了後から吸気行程終了までの時間ｔ３内で複数回に分けて実施する例である。その実施手順としては、一例としてＥＣＵ２０により以下の処理を実行すればよい。まず、図１４に示すように、クランク角とバルブ通過流量との関係をエンジン１の回転数別に記述したマップを予め用意し、クランク角センサ２２から取得した回転数に対応するクランク角とバルブ通過流量との対応関係を示す線図を特定する。続いて、図１７に示すように、取得したバルブ通過流量の曲線に対して、吸気開始位置（ＴＤＣ）からＥＧＲ量及び空気量（空気率に対応する量）をそれぞれ割り当てて、混合気が導入されている期間Ｘを特定する。さらに、期間Ｘ内でバルブ通過流量を、噴射回数に１を加算した値に相当する数（噴射回数＋１）で等分するクランク角ＣＡｘ、ＣＡｙ及びＣＡｚを特定する。また、必要な燃料噴射量を噴射回数で除して一回当たりの噴射量を演算する。そして、クランク角ＣＡｘ、ＣＡｙ、ＣＡｚをそれぞれ中心として、一回当たりの噴射量が噴射されるように燃料噴射時期を演算して、各回の燃料噴射開始時刻及び終了時刻を特定することにより、図１６のように燃料噴射時期を設定することができる。

本発明は上述した形態に限らず、適宜の形態にて実施することができる。例えば、上記の形態では、スワール制御弁１９を利用して各層Ｌ１〜Ｌ３に同一方向のスワール流を与えたが、スワールポート等の他のスワール形成手段を利用して各層の気流を制御してもよい。また、本発明はスワール流を形成する例に限らず、タンブル流といった他の気流を利用して成層状態を形成する内燃機関にも適用可能である。燃料噴射弁はポート噴射型に限らず、筒内噴射型でもよい。

１内燃機関
５吸気通路
６排気通路
８燃焼室
１３Ａ、１３Ｂ吸気弁
１６燃料噴射弁
１７ＥＧＲ配管（ＥＧＲ通路）
１８ＥＧＲ弁
１９スワール制御弁
２０エンジンコントロールユニット（ＥＧＲ制御手段、燃料噴射制御手段）
３０ＥＧＲガス
３１燃料
Ｌ１ＥＧＲ層
Ｌ２空気層
Ｌ３混合気層

Claims

燃焼室に対して吸気ポートを開閉する吸気弁と、吸入空気に対して燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、排気通路と吸気ポートとを接続するＥＧＲ通路と、該ＥＧＲ通路を開閉するＥＧＲ弁とを備えた成層燃焼が可能な内燃機関であって、
前記吸気弁の開弁に先行して前記吸気ポートにＥＧＲガスが導入されるようにＥＧＲ弁の開弁動作を制御するＥＧＲ弁制御手段と、
前記吸気弁の開弁に伴って前記吸気ポートから前記燃焼室内にＥＧＲガスが導入された後に空気が導入され、該燃焼室内のＥＧＲ層と混合気層との間に空気層が残存するように吸入空気に対する前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御手段と、
前記内燃機関の回転数及びトルクに基づいて、前記燃焼室内に設けるべき前記ＥＧＲ層、前記混合気層、及び前記空気層のそれぞれの大きさの合計に対する前記空気層の大きさの割合である空気率を取得する手段と、を備え、
前記燃料噴射制御手段は、前記空気率に基づいて前記燃料噴射弁の動作を制御する成層燃焼が可能な内燃機関。