JP2008303798A - 内燃機関及び内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができるようにすること。
【解決手段】 リーン燃焼を行う内燃機関50Aであって、第1の中心電極60aAと、第1の中心電極60aAとの間に第1の電極ギャップ60cAを形成する第1の接地電極60bAとを有して構成される第1の発火部H1と、第2の中心電極61aAと、第2の中心電極61aAとの間に第2の電極ギャップ61cAを形成する第2の接地電極61bAとを有して構成される第2の発火部H2とを備えており、さらに第1の電極ギャップ60cAがタンブル流Tのうち、渦中心部TCよりも外側の部分に対応させて配置されているとともに、第2の電極ギャップ61cAがタンブル流Tのうち、渦中心部TCに対応させて配置されている。
【選択図】 図1
【解決手段】 リーン燃焼を行う内燃機関50Aであって、第1の中心電極60aAと、第1の中心電極60aAとの間に第1の電極ギャップ60cAを形成する第1の接地電極60bAとを有して構成される第1の発火部H1と、第2の中心電極61aAと、第2の中心電極61aAとの間に第2の電極ギャップ61cAを形成する第2の接地電極61bAとを有して構成される第2の発火部H2とを備えており、さらに第1の電極ギャップ60cAがタンブル流Tのうち、渦中心部TCよりも外側の部分に対応させて配置されているとともに、第2の電極ギャップ61cAがタンブル流Tのうち、渦中心部TCに対応させて配置されている。
【選択図】 図1
Description
本発明は内燃機関及び内燃機関の制御装置に関し、特に筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う内燃機関及び該内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置に関する。
従来、タンブル(縦渦)やスワール(横渦)といった旋回気流を筒内に生成する内燃機関が知られている。係る内燃機関では、例えば筒内に生成された旋回気流で混合気の均質化を図ることができるとともに筒内の乱れ強度を増大させることもできることから、燃焼速度の向上も図ることができる。係る内燃機関としては、筒内に旋回気流を生成するにあたって吸気通路に気流制御弁を備えているものが知られている。一方、係る内燃機関としては、さらに具体的には所定の運転状態において(例えば運転状態が低負荷運転領域にあるとき)、筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う内燃機関も知られている。しかしながら、旋回気流の生成のみでは空燃比のリーンな混合気を燃焼させることによる燃焼速度の低下を十分に補えない場合もある。これに対して、混合気に点火するための発火部を複数備えることで急速燃焼を実現する内燃機関も知られている。これらの内燃機関に関し、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献1から3までで提案されている。
上記のように旋回気流の生成によって燃焼速度の向上を図ればリーン燃焼を実現することができる。しかしながら、筒内に旋回気流を生成した結果、旋回気流が中心電極と接地電極とで構成された発火部を流通するようになると、燃焼速度の向上を図るべく強度の高い旋回気流を生成しようとするほど、それだけ発火部を流通する旋回気流の流速が高まることになり、この結果、点火に際しそれだけ高い点火エネルギーが必要になってしまう。さらに高い点火エネルギーが必要となれば、点火コイルの大型化や耐久性の低下を招くことにもなり、この結果、コストパフォーマンスの低下やエネルギー収支の悪化に繋がることにもなる。
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関及び該内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は所定の運転状態において筒内に生成される旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う内燃機関であって、第1の中心電極と、該第1の中心電極との間に第1の電極ギャップを形成する第1の接地電極とを有して構成される第1の発火部と第2の中心電極と、該第2の中心電極との間に第2の電極ギャップを形成する第2の接地電極とを有して構成される第2の発火部とを備えており、さらに前記第1の電極ギャップが、前記所定の運転状態において点火時期に流通する前記旋回気流のうち、該旋回気流の渦中心部よりも外側の部分に対応させて配置されているとともに、前記第2の電極ギャップが、前記所定の運転状態において点火時期に流通する前記旋回気流のうち、前記渦中心部に対応させて配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、旋回気流の強度が高くない場合には、すなわち高い点火エネルギーを必要としない場合には第1の発火部で点火できることから、これにより火花が旋回気流の流れとともに拡がる効果を得ることができ、以って係る場合に高い燃焼性を確保できる。また本発明によれば、燃焼速度を向上させるべく筒内に強度の高い旋回気流を生成した場合であっても、流速が遅くなっている渦中心部に含まれるように第2の電極ギャップが配置された第2の発火部で点火することができる。このため本発明によれば、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。
また本発明は前記旋回気流がタンブル流であり、前記第1の発火部及び前記第2の発火部が燃焼室上部中央に配置されているとともに、前記第2の中心電極及び前記第2の接地電極が、前記第1の中心電極及び前記第1の接地電極よりも長く延伸していてもよい。旋回気流がタンブル流の場合、具体的には本発明のような構成になっていることが好適である。
また本発明は請求項1または2記載の内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置であって、前記旋回気流の強度が第1の所定値未満である場合に、前記第1の発火部で点火するように点火制御を行うとともに、前記旋回気流の強度が前記第1の所定値以上である場合に、前記第2の発火部で点火するように点火制御を行う特定点火制御手段を備えることを特徴とする。本発明によれば、旋回気流の強度が高くない場合には、第1の発火部で点火することで、火花が旋回気流の流れとともに拡がる効果を得ることができ、以って係る場合に高い燃焼性を確保できる。また本発明によれば、旋回気流の強度が高い場合には、第2の発火部で点火することができる。このため本発明によれば、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。
また本発明は所定の運転状態において筒内に生成される旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行うとともに、発火部を備えた点火プラグを燃焼室上方に有する内燃機関であって、前記旋回気流がタンブル流であり、筒内に流入する吸気の流入方向を変更することによって、前記タンブル流の中心位置を変更する中心位置変更手段を吸気通路に備えることを特徴とする。ここで本発明のように燃焼室上方に点火プラグを有する内燃機関にあっては、一般に筒内にタンブル流を生成すると、タンブル流が発火部を流通するようになるところ、本発明によれば、筒内に強度の高いタンブル流を生成した場合であっても、タンブル流の中心位置を発火部の電極ギャップに近づけるように制御することにより、タンブル流の強度低下を抑制しつつ、発火部を流通するタンブル流の流速を低く抑制できる。このため本発明によれば、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。
また請求項4記載の内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置であって、前記所定の運転状態において点火時期に前記発火部を流通するタンブル流の流速を算出する流速算出手段と、該流速算出手段が算出した流速が第2の所定値以上である場合に、前記タンブル流の中心位置が前記発火部の電極ギャップに近づくように前記中心位置変更手段を制御する中心位置制御手段を備えることを特徴とする。本発明によれば、上記のように旋回気流の中心位置を制御することにより、タンブル流の強度低下を抑制しつつ、発火部を流通するタンブル流の流速を低く抑制できる。このため本発明によれば、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。
また本発明は前記流速算出手段が、前記タンブル流の中心位置から前記電極ギャップまでの間の距離と、前記内燃機関の回転数と、点火時期とに基づき、前記流速を算出してもよく、また本発明は前記流速算出手段が、前記点火プラグから放電される電流の放電時間に基づき、前記流速を算出してもよい。前記所定の運転状態において点火時期に発火部を流通する流速との相関関係に鑑み、流速算出手段は具体的には例えば本発明のようなパラメータに基づき流速を算出することができる。
本発明によれば、筒内に生成された旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関及び該内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置を提供できる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
図1は本実施例に係る内燃機関50Aの要部をECU(Electronic Control Unit:電子制御装置)1Aで実現されている本実施例に係る内燃機関の制御装置とともに模式的に示す図である。図1において、図1(a)は内燃機関50Aを一気筒につき吸気側から見た図となっており、図1(b)は内燃機関50Aを一気筒につきエンジン前方から見た図となっている。内燃機関50Aはその運転状態が低負荷運転領域にあるときに、燃焼室54内(以下、単に筒内とも称す)に生成されるタンブル流Tで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う。この点に関し、図1では内燃機関50Aの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期における内燃機関50Aの状態を示している。なお、内燃機関50Aは適宜の気筒数及び気筒配列構造を有していてよい。また内燃機関50Aは一気筒につき吸気弁57及び排気弁58を2つずつ備えているが、これに限られず一気筒につき適宜の数量の吸排気弁57、58を備えていてよい。
内燃機関50Aはシリンダブロック51、シリンダヘッド52及びピストン53などを有して構成されている。シリンダブロック51には略円筒状のシリンダ51aが形成されている。シリンダ51a内にはピストン53が収容されており、ピストン53の頂面にはタンブル流Tを案内するためのキャビティが形成されている。シリンダブロック51にはシリンダヘッド52が固定されている。燃焼室54はシリンダブロック51、シリンダヘッド52及びピストン53によって囲われた空間として形成されている。シリンダヘッド52には吸気を筒内に導入するための吸気ポート55と、燃焼したガスを燃焼室54から排気するための排気ポート56とが夫々形成されており、さらに吸気ポート55を開閉するための吸気弁57と、排気ポート56を開閉するための排気弁58とが夫々配設されている。
吸気ポート55には気流制御弁59が配設されている。気流制御弁59は吸気ポート55内で吸気を偏流させて筒内にタンブル流Tを生成するための構成である。気流制御弁59は弁軸を介して気流制御弁59駆動用のアクチュエータ(図示省略)に連結されている。ECU1Aがこのアクチュエータを制御することにより、気流制御弁59の開度が変更される。アクチュエータは気流制御弁59の開度を検出するための開度センサを内蔵している。なお、気流制御弁59は吸気通路として吸気ポート55に限られず、例えば図示しないインテークマニホールドが形成する吸気通路に配設されていてもよい。燃料噴射弁(図示省略)は吸気ポート55内に噴射孔を突出させた状態でシリンダヘッド52に配設されており、この燃料噴射弁は吸気行程で吸気ポート55内に燃料を噴射できるようになっている。なお、燃料噴射弁は例えば筒内に直接燃料を噴射できるように構成されていてもよい。
第1の点火プラグ60Aはシリンダヘッド52のうち、燃焼室54上方、且つ中央の部分に配設されている。第2の点火プラグ61Aもシリンダヘッド52のうち、燃焼室54上方、且つ中央の部分に配設されている。これら第1及び第2の点火プラグ60A、61Aは具体的にはシリンダ51aの中心軸線を間に挟むようにして、図示しないクランク軸線が延伸する方向(図1(a)において紙面左右方向)に沿って並設されている。第1の点火プラグ60Aは第1の発火部H1を有している。第1の発火部H1は筒内に位置しており、第1の中心電極60aAと第1の接地電極60bAとで構成されている。第1の中心電極60aAと第1の接地電極60bAの間には第1の電極ギャップ60cAが形成されている。
第2の点火プラグ61Aは第2の発火部H2を有している。第2の発火部H2は筒内に位置しており、第2の中心電極61aAと第2の接地電極61bAとで構成されている。第2の中心電極61aAと第2の接地電極61bAの間には第2の電極ギャップ61cAが形成されている。第1の発火部H1及び第2の発火部H2はともに燃焼室54上部中央に配置されており、第2の中心電極61aA及び第2の接地電極61bAは、第1の中心電極60aA及び第1の接地電極60bAよりも長く延伸している。この結果、第2の電極ギャップ61cAは第1の電極ギャップ60cAよりも筒内でピストン53寄りに配置されるとともに、タンブル流Tの中心位置寄りに配置される。
内燃機関50Aでは図1(b)に示すように、筒内にタンブル流Tが生成される。図1(b)ではタンブル流Tのうち、流速の速い部分、すなわち渦中心部TCよりも外側の部分を流通するガスの流れに対応させて、タンブル流Tを矢印で模式的に示している。図1(b)から、第1の電極ギャップ60cAは点火時期に流通するタンブル流Tのうち、渦中心部TCよりも外側の部分に対応させて配置されていることがわかる。また図1(b)から、第2の電極ギャップ61cAは点火時期に流通するタンブル流Tのうち、渦中心部TCに対応させて配置されていることがわかる。
本実施例では内燃機関50Aが上記のように第1の電極ギャップ60cAが配置された第1の発火部H1と、上記のように第2の電極ギャップ61cAが配置された第2の発火部H2とを備えているため、タンブル流Tの強度が高くない場合には、すなわち高い点火エネルギーを必要としない場合には第1の発火部H1で点火でき、これにより火花がタンブル流Tの流れとともに拡がる効果を得ることができることから、以って係る場合に高い燃焼性を確保できる。また筒内に強度が高いタンブル流Tを生成した場合には、流通するガスの流速が遅くなっている第2の発火部H2で点火することができる。これにより、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。
ECU1Aは図示しないCPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)と、ROM(Read Only Memory)と、RAM(Random Access Memory)とを有して構成されるマイクロコンピュータ(以下、単にマイコンと称す)と、入出力回路などを有して構成されている。ECU1Aは主として内燃機関50を制御するための構成であり、具体的には例えば図示しないイグナイタを制御して第1及び第2の点火プラグ60A、61Aの点火制御を行う。このためECU1Aにはイグナイタが電気的に接続されている。またECU1Aには気流制御弁59制御用のアクチュエータや、開度センサや、内燃機関50の回転数NEを検出するためのクランク角センサ71が電気的に接続されている。なお、ECU1Aにはこのほか各種の制御対象やセンサ、スイッチ類が電気的に接続されていてよい。
ROMはCPUが実行する種々の処理が記述されたプログラムやマップデータなどを格納するための構成であり、本実施例では内燃機関制御用プログラムのほか以下に示す特定点火制御用プログラムや気流強度算出用プログラムも格納している。なお、これらのプログラムは一体として構成されていてもよい。特定点火制御用プログラムは、タンブル流Tの強度が第1の所定値α未満である場合に、第1の発火部H1で点火するように点火制御を行うとともに、タンブル流Tの強度が第1の所定値α以上である場合に、第2の発火部H2で点火するように点火制御を行うよう作成されている。また気流強度算出用プログラムは、気流制御弁59の開度と、要求点火時期に基づき、タンブル強度を算出するよう作成されている。本実施例ではマイコンと上述のプログラムとで各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが実現されており、特にマイコンと特定点火制御用プログラムとで特定点火制御手段が実現されている。
次にECU1Aで行われる処理を図2に示すフローチャートを用いて詳述する。CPUは要求点火時期及び気流制御弁59の開度を検出するとともに、検出した要求点火時期及び気流制御弁59の開度に基づき、タンブル強度を算出する処理を実行する(ステップS11)。続いてCPUはタンブル強度が第1の所定値α以上であるか否かを判定する処理を実行する(ステップS12)。否定判定であれば、CPUは第1の点火プラグ60Aで、換言すれば第1の発火部H1で点火を行うよう点火制御する(ステップS13)。これにより、高い点火エネルギーを必要としない場合には、火花がタンブル流Tの流れとともに拡がる効果を得ることができ、以って高い燃焼性を確保できる。なお、ステップS13で否定判定であった場合に、多点点火による急速燃焼効果を狙ってさらに第2の発火部H2でも点火するように点火制御を行うよう特定点火制御用プログラムを作成してもよい。一方、ステップS13で否定判定であれば、CPUは第2の点火プラグ61Aで、換言すれば第2の発火部H2で点火を行うよう点火制御する(ステップS14)。これにより、強度の高いタンブル流Tが生成された場合であっても、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。
なお、内燃機関50Aは例えば図3に示す内燃機関50B、50Cまたは50Dのように変形することができる。図3のうち、図3(a)は内燃機関50Bの要部を模式的に示す図であり、図3(a)は図1(b)と同様に内燃機関50Bを一気筒につきエンジン前方から見た図となっている。内燃機関50Bは、第1及び第2の点火プラグ60A、61Aの配置、及びこれに伴い第1及び第2の発火部H1、H2の配置が異なっている以外、内燃機関50Aと実質的に同一のものとなっている。内燃機関50Bでは第1及び第2の点火プラグ60A、61Aは具体的にはシリンダ51aの中心軸線を間に挟むようにして、クランク軸線が延伸する方向(図3(a)において紙面垂直方向)に略直交する方向に沿って並設されている。すなわち、第1及び第2の点火プラグ60A、61A、及びこれに伴い第1及び第2の発火部H1、H2を係る向きで配置してもよい。
図3(b)は内燃機関50Cの要部を模式的に示す図であり、図3(b)は図1(b)と同様に内燃機関50Cを一気筒につき吸気側から見た図となっている。内燃機関50Cは、第1及び第2の点火プラグ60A、61Aの代わりに第3の点火プラグ62を燃焼室54上方に備えている点以外、内燃機関50Aと実質的に同一のものとなっている。第3の点火プラグ62はシリンダヘッド52の燃焼室54上方、且つ中央の部分に配設されている。第3の点火プラグ62は第1及び第2の発火部H1、H2をともに備えており、これら発火部H1、H2は第3の点火プラグ62で互いに並設されている。内燃機関50Cでは第1及び第2の発火部H1、H2がシリンダ51aの中心軸線を間に挟むようにして、クランク軸線が延伸する方向(図3(b)において紙面垂直方向)に略直交する方向に沿って並設される向きで、第3の点火プラグ62が配設されている。すなわち、第1及び第2の点火プラグ60A、61Aの代わりに、第1及び第2の発火部H1、H2をともに備えた第3の点火プラグ62を係る向きで配置してもよい。
図3(c)は内燃機関50Dの要部を模式的に示す図であり、図3(c)は図1(a)と同様に内燃機関50Dを一気筒につき吸気側から見た図となっている。内燃機関50Dは第1及び第2の発火部H1、H2がシリンダ51aの中心軸線を間に挟むようにして、クランク軸線が延伸する方向(図3(c)において紙面左右方向)に沿って並設される向きで、第3の点火プラグ62が配設されている点以外、内燃機関50Cと実質的に同一のものとなっている。すなわち、第1及び第2の点火プラグ60A、61Aの代わりに、第1及び第2の発火部H1、H2をともに備えた第3の点火プラグ62を係る向きで配置してもよい。
なお、これらは設置スペース上、合理的で有利な配置となる変形例であるが、これらに限られず、第1及び第2の点火プラグ60A、61A或いは第3の点火プラグ62はシリンダ51aの中心軸線周りにさらに適宜の度合い回転させた位置に配置されていてもよい。また内燃機関50B、50C及び50DにはECU1Aを気流強度算出用プログラムや特定点火制御用プログラムを適宜変形した上で適用することもできる。またタンブル流Tは本実施例で示した方向とは逆の方向に旋回するタンブル流であってもよい。また内燃機関50Aから50Dまでは第1及び第2の発火部H1、H2以外の発火部をさらに備えていてもよい。以上により、筒内に生成されたタンブル流Tで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関50Aから50Dまで及び内燃機関50Aで高い点火エネルギーを要しない点火制御を行うためのECU1Aを実現できる。
図4は本実施例に係る内燃機関50Eの要部を模式的に示す図である。図4において、図4(a)は内燃機関50Eを一気筒につきエンジン前方から見た図であり、図4(b)は内燃機関50Eを一気筒につきエンジン上方から見た図となっている。内燃機関50Eはその運転状態が低負荷運転領域にあるときに、筒内に生成されるスワール流Sで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う点で、実施例1に係る内燃機関50Aから50Dまでとは異なるものとなっている。またこれに伴い、内燃機関50Eは第1及び第2の点火プラグ60A、61Aの代わりに第1及び第2の点火プラグ60B、61Bを備えるとともに、これら点火プラグ60B、61Bが第1及び第2の点火プラグ60A、61Aとは異なる位置に配設されている点で、実施例1に係る内燃機関50Aから50Dまでとは異なるものとなっている。なお、内燃機関50Eは筒内にスワール流Sを生成するための気流制御弁(例えばバタフライバルブ)を吸気通路(例えば吸気ポート55)に備えていてよく、また内燃機関50EにはECU1Aを気流強度算出用プログラムや特定点火制御用プログラムを適宜変形した上で適用することもできる。
内燃機関50Eでは、第1の発火部H1が第1の中心電極60aB及び第1の接地電極60bBで構成されており、これら60aB及び60のbBの間に第1の電極ギャップ60cBが形成されている。また内燃機関50Eでは、第2の発火部H2が第2の中心電極61aB及び第2の接地電極61bBで構成されており、これら61aB及び61bBの間に第2の電極ギャップ61cBが形成されている。ここで、内燃機関50Eではスワール流Sが生成されることから、第2の電極ギャップ61cBをスワール流Sの渦中心部SCに対応させて配置するために、第2の中心電極61aB及び第2の接地電極61bBを、第1の中心電極60aB及び第2の接地電極60bBよりも長く延伸させる必要がない。このため内燃機関50Eでは第2の中心電極61aB及び第2の接地電極61bBが、第1の中心電極60aB及び第2の接地電極60bBよりも長く延伸していない。
図4(b)では点火時期に流通するスワール流Sのうち、流速の速い部分、すなわち渦中心部SCよりも外側の部分を流通するガスの流れに対応させて、スワール流Sを矢印で模式的に示している。内燃機関50Eでは、第1の点火プラグ60Bがシリンダヘッド52のうち、燃焼室54上方、且つ中央から燃焼室54外側に外れた部分(具体的にはここでは2つの排気弁58或いは排気ポート56に挟まれた部分)に配設されている。一方、内燃機関50Eでは、第2の点火プラグ61Bがシリンダヘッド52のうち、燃焼室54上方、且つ中央の部分に配設されている。この結果、第2の電極ギャップ61cBは第1の電極ギャップ60cBよりもスワール流Sの中心位置寄りに配置される。
図4(b)から第1の電極ギャップ60cBは、内燃機関50Eの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期に流通するスワール流Sのうち、スワール流Sの渦中心部SCよりも外側の部分に対応させて配置されていることがわかる。また第2の電極ギャップ61cBは、内燃機関50Eの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期に流通するスワール流Sのうち、渦中心部SCに対応させて配置されていることがわかる。
本実施例では内燃機関50Eが上記のように第1の電極ギャップ60cBが配置された第1の発火部H1と、上記のように第2の電極ギャップ61cBが配置された第2の発火部H2とを備えているため、スワール流Sの強度が高くない場合には、すなわち高い点火エネルギーを必要としない場合には第1の発火部H1で点火でき、これにより火花がスワール流Sの流れとともに拡がる効果を得ることができることから、以って係る場合に高い燃焼性を確保できる。また筒内に強度が高いスワール流Sを生成した場合には、流通するガスの流速が遅くなっている第2の発火部H2で点火することができる。これにより、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。以上により、筒内に生成されたタンブル流Tで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関50Eを実現できる。
図5は本実施例に係る内燃機関50Fの要部を本実施例に係るECU1Bとともに模式的に示す図である。なお、図5は内燃機関50Fを一気筒につきエンジン後方から見た図となっており、図5ではピストン53や排気ポート56や吸排気弁57,58などは図示省略してある。内燃機関50Fはその運転状態が低負荷運転状態にあるときに、筒内に生成されるタンブル流Tで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う。また内燃機関50Fは中心電極63aと接地電極63bとで構成された発火部Hを有する点火プラグ63を燃焼室54上方に備えており、この点火プラグ63は具体的にはシリンダヘッド52のうち、燃焼室54上方、且つ中央の部分に配置されている。さらに内燃機関50Fは気流制御弁59を吸気ポート55に備えており、この気流制御弁59は吸気ポート55のうち、燃焼室54側開口部の直前の部分に配置されている。また気流制御弁59は吸気ポート55の壁面うち、シリンダブロック51側の壁面近傍で弁軸によって片持ち状に軸支されている。
内燃機関50Fでは筒内にタンブル流Tを生成すると、内燃機関50Fの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期にタンブル流Tが発火部Hを流通するようになる。これに対して内燃機関50Fでは上記のように配設した気流制御弁59を備えることにより、気流制御弁59の開度γで筒内に流入する吸気の流入方向を変更することができ、これにより筒内に生成されるタンブル流Tの中心位置を変更することができる。本実施例では気流制御弁59で中心位置変更手段が実現されている。
図6はタンブル流Tの中心位置とシリンダヘッド52(燃焼室54上面)との間の距離L1と、気流制御弁59の開度γとの相関関係を示す図である。図6から、気流制御弁59の開度γが大きくなるほど、距離L1が大きくなる傾向があることがわかる。このため内燃機関50Fでは、筒内に強度の高いタンブル流Tを生成した場合であっても、タンブル流Tの中心位置が発火部Hの電極ギャップ63cに近づくように気流制御弁59の開度γを変更することにより、タンブル流Tの強度低下を抑制しつつ、発火部Hを流通するタンブル流Tの流速を低く抑制できる。
ECU1Bは、前述したECU1Aと同様にマイコン等で構成されており、このECU1Bは以下に示す流速算出用プログラムと、中心位置制御用プログラムとをROMに格納している。なお、ECU1BはECU1Aと同様に内燃機関制御用プログラムもROMに格納しており、ECU1Bにはイグナイタや気流制御弁59制御用のアクチュエータや、開度センサや、内燃機関50の回転数NEを検出するためのクランク角センサ71などが電気的に接続されている。
流速算出用プログラムは、内燃機関50Fの運転状態が低負荷運転領域にあるときの点火時期に発火部H(さらに具体的には電極ギャップ63c)を流通するタンブル流Tの流速を算出するためのプログラムであり、タンブル流Tの中心位置から電極ギャップ63cまでの間の距離L2と、内燃機関50Fの回転数NEと、点火時期とに基づき、発火部Hを流通するタンブル流Tの流速を算出するように作成されている。図7はタンブル流Tの中心位置から電極ギャップ63cまでの間の距離L2と、電極ギャップ63cにおける流速との相関関係を示す図である。図7から、距離L2が大きくなるほど、電極ギャップ63cにおける流速が高くなることがわかる。なお、タンブル流Tの中心位置から電極ギャップ63cまでの間の距離L2は気流制御弁59の開度に基づき、図7に示す相関関係と同様の相関関係をもとに算出される。
また流速算出用プログラムは、上記の代わりに点火プラグ63の放電電流の放電時間に基づき、発火部Hを流通するタンブル流Tの流速を算出するように作成することもできる。図8は点火プラグ63の放電電流波形を示す図であり、放電時間は図8に示すように放電電流波形に基づき検出することができる。また図9は電極ギャップ63cにおける流速と放電時間との相関関係を示す図であり、図9から放電時間が長くなるほど、電極ギャップ63cにおける流速が低下する傾向があることがわかる。
中心位置制御用プログラムは、流速算出用プログラムに基づき算出された流速が第2の所定値β以上である場合に、タンブル流Tの中心位置が発火部Hの電極ギャップ63cに近づくように気流制御弁59を制御するためのプログラムである。この中心位置制御用プログラムは具体的には回転数NE及び点火時期に基づき、制御すべき気流制御弁59の開度を算出するとともに、算出した開度に気流制御弁59の開度γを制御するように作成されている。制御すべき気流制御弁59の開度はマップデータで回転数NEと点火時期に応じて予め設定されており、本実施例ではこのマップデータもROMに格納されている。本実施例ではマイコンと上述のプログラムとで各種の制御手段や判定手段や検出手段や算出手段などが実現されており、特にマイコンと流速算出用プログラムとで流速算出手段が、マイコンと中心位置制御用プログラムとで中心位置制御手段が夫々実現されている。
次にECU1Bで行われる処理を図10に示すフローチャートを用いて詳述する。CPUは電極ギャップ63cにおける流速を算出する処理を実行する(ステップS21)。具体的には本ステップでCPUは距離L2と回転数NEと点火時期とに基づき、電極ギャップ63cにおける流速を算出する処理を実行する。なお、本ステップで代わりに点火プラグ63の放電時間に基づき、電極ギャップ63cにおける流速を算出する処理を実行してもよい。続いてCPUは算出した流速が所定値β以上であるか否かを判定する処理を実行する(ステップS22)。否定判定であれば、本フローチャートで特段の処理を要しないためリターンしてステップS21に戻る。一方、ステップS21で肯定判定であれば、CPUは回転数NE及び点火時期に基づき、制御すべき気流制御弁59の開度を算出する処理を実行する(ステップS23)。さらにCPUは気流制御弁59の開度γを算出した開度に制御するための処理を実行する(ステップS24)。
これにより、タンブル流Tの強度低下を抑制しつつ電極ギャップ63cにおける流速を低く抑制することができる。このため内燃機関50Fでは一つの点火プラグ63で高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる。なお、タンブル流Tは本実施例で示した方向とは逆の方向に旋回するタンブル流であってもよい。また内燃機関50Fは例えば次に示す内燃機関50Gのように変形することもできる。
図11は内燃機関50Gの要部を模式的に示す図である。なお、図11は内燃機関50Gを一気筒につきエンジン後方から見た図となっており、図11ではピストン53や排気ポート56や吸排気弁57,58などは図示省略してある。内燃機関50Gではタンブル流Tを生成するための気流制御弁59が吸気ポート55の上流側に配置されている点で内燃機関50Fとは異なっている。さらに内燃機関50Gでは、気流制御弁59の直後で一端部が軸支されるとともに、他端部が吸気ポート55の燃焼室54側開口部直前まで延伸した可動板65が吸気ポート55に配設されている点で内燃機関50Fとは異なっている。
可動板65は中心位置制御用プログラムの制御対象として気流制御弁59の代わりにECU1Bで制御できるようにすることができ、具体的には可動板65制御用のアクチュエータ(図示省略)をECU1Bで制御できるようにすることで、図示のように一端部周りに回動させることができる。内燃機関50Gでは可動板65が中心位置変更手段となっており、中心位置変更手段は例えばこの内燃機関50Gのように気流制御弁59とは異なる構成で実現することもできる。以上により、筒内に生成されたタンブル流Tで空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う場合に、高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができる内燃機関50F及び50G及び内燃機関50Fで高い点火エネルギーを要しない点火制御を行うためのECU1Bを実現できる。
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
1 ECU
50 内燃機関
51 シリンダブロック
52 シリンダヘッド
53 ピストン
54 燃焼室
55 吸気ポート
59 気流制御弁
60、61、62、63 点火プラグ
60a、61a、62aa、62ba、63a 中心電極
60b、61b、62ab、62bb、63b 接地電極
60c、61c、62ac、62bc、63c 電極ギャップ
65 可動板
50 内燃機関
51 シリンダブロック
52 シリンダヘッド
53 ピストン
54 燃焼室
55 吸気ポート
59 気流制御弁
60、61、62、63 点火プラグ
60a、61a、62aa、62ba、63a 中心電極
60b、61b、62ab、62bb、63b 接地電極
60c、61c、62ac、62bc、63c 電極ギャップ
65 可動板
Claims (7)
- 所定の運転状態において筒内に生成される旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行う内燃機関であって、
第1の中心電極と、該第1の中心電極との間に第1の電極ギャップを形成する第1の接地電極とを有して構成される第1の発火部と、
第2の中心電極と、該第2の中心電極との間に第2の電極ギャップを形成する第2の接地電極とを有して構成される第2の発火部とを備えており、
さらに前記第1の電極ギャップが、前記所定の運転状態において点火時期に流通する前記旋回気流のうち、該旋回気流の渦中心部よりも外側の部分に対応させて配置されているとともに、前記第2の電極ギャップが、前記所定の運転状態において点火時期に流通する前記旋回気流のうち、前記渦中心部に対応させて配置されていることを特徴とする内燃機関。 - 前記旋回気流がタンブル流であり、前記第1の発火部及び前記第2の発火部が燃焼室上部中央に配置されているとともに、前記第2の中心電極及び前記第2の接地電極が、前記第1の中心電極及び前記第1の接地電極よりも長く延伸していることを特徴とする請求項1記載の内燃機関。
- 請求項1または2記載の内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置であって、
前記旋回気流の強度が第1の所定値未満である場合に、前記第1の発火部で点火するように点火制御を行うとともに、前記旋回気流の強度が前記第1の所定値以上である場合に、前記第2の発火部で点火するように点火制御を行う特定点火制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 所定の運転状態において筒内に生成される旋回気流で空燃比がリーンな均質混合気を形成してリーン燃焼を行うとともに、発火部を備えた点火プラグを燃焼室上方に有する内燃機関であって、
前記旋回気流がタンブル流であり、筒内に流入する吸気の流入方向を変更することによって、前記タンブル流の中心位置を変更する中心位置変更手段を吸気通路に備えることを特徴とする内燃機関。 - 請求項4記載の内燃機関で制御を行うための内燃機関の制御装置であって、
前記所定の運転状態において点火時期に前記発火部を流通するタンブル流の流速を算出する流速算出手段と、該流速算出手段が算出した流速が第2の所定値以上である場合に、前記タンブル流の中心位置が前記発火部の電極ギャップに近づくように前記中心位置変更手段を制御する中心位置制御手段を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 前記流速算出手段が、前記タンブル流の中心位置から前記電極ギャップまでの間の距離と、前記内燃機関の回転数と、点火時期とに基づき、前記流速を算出することを特徴とする請求項5記載の内燃機関の制御装置。
- 前記流速算出手段が、前記点火プラグから放電される電流の放電時間に基づき、前記流速を算出することを特徴とする請求項5記載の内燃機関の制御装置。
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2007
- 2007-06-08 JP JP2007152254A patent/JP2008303798A/ja active Pending
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