JP2005214040A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンの冷機時は、後燃えを促進して、ＨＣ低減と排気温度上昇による触媒活性化を図り、暖機後は、ＨＣ低減と燃費向上を図る。
【解決手段】 エンジンの冷機時（触媒が活性化するまで）は、筒内にタンブル流を生成し、点火時期をＭＢＴよりも遅角する。暖機後は、筒内にスワール流を生成し、点火時期をＭＢＴに設定する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に筒内ガス流動の最適な制御装置に関する。

特許文献１には、エンジン温度が低い時には筒内ガス流動を周方向のスワール成分の大きいものとし、エンジン温度が高い時には筒内ガス流動をシリンダ軸方向のタンブル成分の大きいものとすることが記載されている。
詳しくは、機関の冷機時に、スワール流を用いることで、燃焼室周縁に濃い混合気を分布させ、排気行程で未燃ガスが多量に排気系に流れ、後燃えが生じて、酸化が促進され、また、排気温度の上昇により触媒の暖機が促進され、その結果、ＨＣが低減される旨記載されている。

また、暖機後に、タンブル流を用いることで、それが圧縮上死点付近で崩壊することによって筒内ガス流動に大きな乱れが生じ、そのため燃焼速度が大きくなって燃焼安定性が向上する旨記載されている。
特開平６−１９３４５６号公報

しかしながら、機関の冷機時は、燃焼室や排気管の温度が低いことから、スワール流による後燃え効果を十分に得るのが困難である。また、後燃えを生じさせるには、点火時期遅角が有効であるが、点火時期をより大きく遅角させるためには、燃焼安定性を向上させることが必要であり、スワール流では、タンブル流ほど、燃焼安定性を向上させることができない。

その一方、機関の暖機後は、そもそも燃焼安定性が良いため、燃焼改善はさほど重要ではなく、ＨＣ低減を重視すべきである。
本発明は、このような実状に鑑み、筒内ガス流動をより最適に制御することを目的とする。

このため、本発明は、機関の冷機時は、筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とし、暖機後は、筒内ガス流動をスワール成分の大きいガス流動とする構成とする。

本発明によれば、機関の冷機時は、筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とすることで、燃焼安定性を向上させ、後燃え促進のための点火時期の十分な遅角を可能にすることができる。その一方、暖機後は、筒内ガス流動をスワール成分の大きいガス流動とすることで、ＨＣ低減を図ることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すエンジン（内燃機関）の全体図、図２は吸気ポート部分の詳細図、図３は吸気ポート部分の平面レイアウト図である。
エンジン１の吸気通路２には、吸入空気量を制御する電制スロットル弁３が設置されている。電制スロットル弁３は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０からの信号により作動するステップモータ等により開度制御される。電制スロットル弁３の制御を受けた空気は、各気筒の吸気ポート４へ分配され、吸気バルブ５を介して、燃焼室６に吸入される。

ここで、図２及び図３に示されるように、吸気バルブ５は、各気筒毎に、２つ（５Ａ、５Ｂ）設けられ、吸気ポート４は、各吸気バルブ５Ａ、５Ｂ毎に独立した形で２つ（４Ａ、４Ｂ）設けられる。
また、各吸気ポート４Ａ、４Ｂは、仕切板７Ａ、７Ｂにより上下の分割ポートに分割されており、各下側の分割ポートの上流側に、これを閉止可能で、閉止時に筒内にタンブル流を生成可能なタンブル制御弁８Ａ、８Ｂが設けられる。タンブル制御弁８Ａ、８Ｂは、ＥＣＵ２０からの信号により作動するロータリーソレノイド等により開閉される。

また、一方の吸気ポート５Ａの上流側に、これを閉止可能で、閉止時に筒内にスワール流を生成可能なスワール制御弁９が設けられている。スワール制御弁９も、ＥＣＵ２０からの信号により作動するロータリーソレノイド等により開閉される。
エンジン１の燃焼室６には、点火プラグ１０が設置されると共に、燃料噴射弁１１が設置されている。

燃料噴射弁１１は、ＥＣＵ２０からエンジン回転に同期して出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、燃焼室６内に所定圧力に調圧された燃料を噴射するようになっている。
燃焼室６内に噴射された燃料は混合気を形成し、点火プラグ１０により点火されて燃焼する。尚、本実施形態では、燃焼室６内に直接燃料を噴射する形式としたが、吸気系に燃料を噴射する形式としてもよい。

燃焼後の排気は、排気バルブ１２を介して、排気通路１３へ排出される。排気通路１３には排気浄化触媒１４が設けられている。
ＥＣＵ２０には、アクセルペダルセンサ２１により検出されるアクセル開度Ａpo、クランク角センサ２２により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、エアフローメータ２３により検出される吸入空気量Ｑａ、水温センサ２４により検出されるエンジン冷却水温度Ｔｗなどが入力されている。

ＥＣＵ２０は、これらの入力信号より検出されるエンジン運転条件に基づいて、電制スロットル弁３の開度、燃料噴射弁１１の燃料噴射時期及び燃料噴射量、点火プラグ１０の点火時期の他、タンブル制御弁８Ａ、８Ｂ及びスワール制御弁９の開閉を制御する。
次に、本発明に係る筒内ガス流動（及び点火時期）の制御について、説明する。
エンジンの冷機時に後燃えを促進してＨＣ低減と排気温度上昇による触媒の早期活性化を図るには、点火時期の遅角が有効である（図４のＡ参照）。

ここで、燃焼悪化を招かずに、点火時期の遅角量を増やすには、タンブル流の方がスワール流よりも優れる（図４のＢ参照）。タンブル流の場合、それがピストンの圧縮上死点付近で崩壊することによって筒内ガス流動に大きな乱れが生じ、そのため燃焼速度（火炎伝播速度）が大きくなって燃焼安定性が向上するからである。
従って、エンジンの冷機時にタンブル流を生成することで、燃焼安定性を向上させ、その分、点火時期を遅角することで、後燃えを生じさせ、排気温度を上昇させることができ（図４のＣ参照）、触媒の早期活性化を図ることができる。また、後燃えの促進により、冷間時のＨＣ排出量を低レベルに抑えることができる（図４のＤ参照）。

その一方、エンジンの暖機後は、出力性能や燃費を重視してＭＢＴ点火時期を用い、燃焼安定性は問題とならないので、スワール流を用いる。スワール流の場合、ＭＢＴでも筒内撹拌による後燃えが得られ、暖機後はスワール流の方がＨＣ低減に有利である（図４のＥ参照）。
以上より、図５を参照し、触媒が活性化するまでは、タンブル流を用い、かつ点火時期をＭＢＴよりも遅角し、触媒の活性化後は、スワール流を用い、点火時期をＭＢＴに設定する。

また、図６(a),(b) を参照し、冷機時のタンブル流から、暖機後のスワール流に切換えるときは、点火時期を遅角状態から徐々に進角してＭＢＴに設定した後に、スワール流に切換える。より詳しくは、点火時期を遅角状態（Ａ）から徐々に進角してタンブル流でのＭＢＴ（Ｂ）に戻した後に、スワール流に切換え、同時にスワール流でのＭＢＴ（Ｃ）に設定する。このようにすることで、切換時に吸入空気量に段差が付くのをできるだけ防止して、トルクショックの発生を回避する。

また、運転領域に応じてスワール、タンブルを次のように切換える。
図７(a) はエンジン冷機時の運転領域に応じた制御特性図、図７(b) は暖機後の運転領域に応じた制御特性図である。
冷機時は、既に述べたように、基本的には、タンブル制御弁を閉じて、タンブル流を生成するが、高回転・高負荷領域の高空気量条件では、タンブル制御弁を開いて、ガス流動なしとする（図７(a) 参照）。高空気量条件では、吸気抵抗を減少させて、要求される空気量を確保できるようにするためである。

暖機後は、基本的には、図７(b) の中回転・中負荷領域に見られるように、スワール制御弁を閉じて、スワール流を生成するが、高回転・高負荷の高空気量条件では、スワール制御弁を開いて、ガス流動なしとする。高空気量条件では、吸気抵抗を減少させて、要求される空気量を確保できるようにするためである。
従って、高空気量条件のときは、エンジンの冷機時であると暖機後であるとを問わず、タンブル制御弁及びスワール制御弁を共に開くことで、吸気抵抗を減少させて、要求される空気量を確保する。

また、暖機後は、基本的には、図７(b) の中回転・中負荷領域に見られるように、スワール制御弁を閉じて、スワール流を生成するが、低回転・低負荷領域の低空気量条件では、スワール制御弁を閉じるのみならす、タンブル制御弁も閉じる。スワール制御弁及びタンブル制御弁を閉じると、筒内に斜めのスワール流が形成されるようになるが、吸気ポートの通路面積が減少する分、筒内ガス流動がより強化される。このため、低回転・低負荷域での燃焼安定性を向上させることができる。

図８はＥＣＵ２０により実行される筒内ガス流動の制御のフローチャートである。
Ｓ１では、高回転・高負荷領域の高空気量条件か否かを判定する。
高空気量条件でない場合は、Ｓ２へ進む。
Ｓ２では、排気浄化触媒が活性化したか否かを判定する。具体的には、触媒温度センサを有する場合は、これにより触媒温度を検出する。触媒温度センサを有しない場合は、冷却水温度Ｔｗより触媒温度を推定する。又は、始動時の冷却水温度と、始動後の吸入空気量の積算値とに基づいて、触媒温度を推定する。そして、検出又は推定された触媒温度が所定の活性温度以上か否かを判定する。

触媒が活性化していない場合は、Ｓ３、Ｓ４へ進む。
Ｓ３では、タンブル制御弁を閉じ、スワール制御弁を開くことで、筒内のタンブル流動を強化する。
Ｓ４では、点火時期を遅角する。タンブル流動の強化により燃焼安定性が向上する分、点火時期を遅角して、後燃えを促進し、ＨＣ低減と、排気温度上昇による触媒の早期活性化を図る。この後、Ｓ１へ戻る。

触媒が活性化した場合は、Ｓ２からＳ５へ進む。
Ｓ５では、点火時期の遅角を解除する。このとき、点火時期がＭＢＴより遅角されている場合は、点火時期を徐々に進角して、ＭＢＴへ戻し、ＭＢＴへ戻した後にＳ６へ進む。
Ｓ６では、低回転・低負荷領域の低空気量条件か否かを判定する。
低空気量条件でない場合（中空気量条件の場合）は、Ｓ７へ進む。

Ｓ７では、タンブル制御弁を開き、スワール制御弁を閉じることで、筒内のスワール流動を強化する。この後、Ｓ１へ戻る。
低空気量条件の場合は、Ｓ６から、Ｓ８へ進む。
Ｓ８では、タンブル制御弁及びスワール制御弁を共に閉じる。すなわち、Ｓ７と同様、スワール制御弁を閉じることで、筒内のスワール流動を強化するが、タンブル制御弁も閉じることで、筒内ガス流動をより強化する。この場合、斜めに傾斜したスワール流動となる。この後、Ｓ１へ戻る。

高空気量条件の場合は、冷機時であると暖機後であるとを問わず、Ｓ１からＳ９、Ｓ１０へ進む。
Ｓ９では、Ｓ５と同様に、点火時期の遅角を解除する。
Ｓ１０では、タンブル制御弁及びスワール制御弁を共に開く。高空気量条件のため、吸気抵抗を減少させて、出力性能を向上させるためである。この後、Ｓ１へ戻る。

本実施形態によれば、エンジンの冷機時は、筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とすることで、燃焼安定性を向上させ、後燃え促進のための点火時期の十分な遅角を可能にすることができ、暖機後は、筒内ガス流動をスワール成分の大きいガス流動とすることで、ＨＣ低減を図ることができる。
また、本実施形態によれば、エンジンの冷機時に筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とするときは、点火時期をＭＢＴよりも遅角することにより、後燃えを効果的に促進することができ、暖機後にスワール成分の大きいガス流動とするときは、点火時期をＭＢＴに設定することにより、燃費向上を図ることができる。

また、本実施形態によれば、エンジンの冷機時のタンブル成分の大きいガス流動から、暖機後のスワール成分の大きいガス流動に切換えるときは、点火時期を遅角状態から徐々に進角してＭＢＴに設定した後に、スワール成分の大きいガス流動に切換えることにより、切換時のトルクショックを低減することができる。
また、本実施形態によれば、筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とするエンジンの冷機時は、排気通路に配置される排気浄化触媒が活性化するまでとすることにより、燃費悪化を最小限とすることができる。

また、本実施形態によれば、各気筒に、２つの吸気バルブ５Ａ、５Ｂと、各吸気バルブ５Ａ、５Ｂ毎に独立した２つの吸気ポート４Ａ、４Ｂとを有し、更に、各吸気ポート４Ａ、４Ｂを上下の分割ポートに仕切る仕切板７Ａ、７Ｂと、各下側の分割ポートを閉じることができるタンブル制御弁８Ａ、８Ｂと、一方の吸気ポート４Ａを閉じることができるスワール制御弁９とを有する構成とすることで、タンブル制御弁８Ａ、８Ｂを閉じることで、筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とし、スワール制御弁９を閉じることで、筒内ガス流動をスワール成分の大きいガス流動とすることができる。

また、本実施形態によれば、高空気量条件を検出し、高空気量条件のときは、エンジンの冷機時であると暖機後であるとを問わず、タンブル制御弁及びスワール制御弁を共に開くことにより、吸気抵抗を減少させて、出力性能を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、低空気量条件を検出し、エンジンの暖機後で、低空気量条件のときは、タンブル制御弁及びスワール制御弁を共に閉じることにより、筒内ガス流動をより強化して、燃焼安定性を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示すエンジンの全体図 吸気ポート部分の詳細図 吸気ポート部分の平面レイアウト図 タンブル流及びスワール流の特性図 始動後の触媒転換効率の変化と筒内ガス流動の制御との関係を示す図 始動後の筒内ガス流動及び点火時期の制御の説明図 冷機時及び暖機後の運転領域別の制御特性図 筒内ガス流動の制御のフローチャート

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
３ 電制スロットル弁
４（４Ａ、４Ｂ） 吸気ポート
５（５Ａ、５Ｂ） 吸気バルブ
６ 燃焼室
７Ａ、７Ｂ 仕切板
８Ａ、８Ｂ タンブル制御弁
９ スワール制御弁
１０ 点火プラグ
１１ 燃料噴射弁
１２ 排気バルブ
１３ 排気通路
１４ 排気浄化触媒
２０ ＥＣＵ
２１ アクセルペダルセンサ
２２ クランク角センサ
２３ エアフローメータ
２４ 水温センサ

Claims (7)

1. 機関の冷機時は、筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とし、暖機後は、筒内ガス流動をスワール成分の大きいガス流動とすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 機関の冷機時に筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とするときは、点火時期をＭＢＴよりも遅角することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 機関の冷機時のタンブル成分の大きいガス流動から、暖機後のスワール成分の大きいガス流動に切換えるときは、点火時期を遅角状態から徐々に進角してＭＢＴに設定した後に、スワール成分の大きいガス流動に切換えることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とする機関の冷機時は、排気通路に配置される排気浄化触媒が活性化するまでとすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
5. 各気筒に、２つの吸気バルブと、各吸気バルブ毎に独立した２つの吸気ポートとを有し、更に、各吸気ポートを上下の分割ポートに仕切る仕切板と、各下側の分割ポートを閉じることができるタンブル制御弁と、一方の吸気ポートを閉じることができるスワール制御弁とを有し、
   タンブル制御弁を閉じることで、筒内ガス流動をタンブル成分の大きいガス流動とし、スワール制御弁を閉じることで、筒内ガス流動をスワール成分の大きいガス流動とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
6. 高空気量条件を検出し、高空気量条件のときは、機関の冷機時であると暖機後であるとを問わず、タンブル制御弁及びスワール制御弁を共に開くことを特徴とする請求項５記載の内燃機関の制御装置。
7. 低空気量条件を検出し、機関の暖機後で、低空気量条件のときは、タンブル制御弁及びスワール制御弁を共に閉じることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の内燃機関の制御装置。

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