JP6191641B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
[実施の形態1の構成]
(内燃機関の全体構成)
図1は、本発明の実施の形態1の内燃機関10のシステム構成を説明するための模式図である。本実施形態のシステムは、火花点火式の内燃機関10を備えている。内燃機関10の各気筒内には、ピストン12が設けられている。ピストン12の冠面12aの詳細な構成については、図3〜図6を参照して後述する。気筒内におけるピストン12の頂部側には、燃焼室14が形成されている。燃焼室14には、吸気通路16および排気通路18が連通している。
図2は、本発明の実施の形態1において用いられる成層燃焼の実現手法を説明するための模式図である。内燃機関10では、上述のように、吸気ポート16aの形状の事前の選定によって、燃焼室14内にタンブル流を生成させられるようになっている。より具体的には、本実施形態において生成されるタンブル流は、図2に示すように、吸気側で上昇し、排気側で下降する正タンブル流である。
図3は、ピストン12および吸気ポート16aの周りの構成を模式的に示す斜視図である。図4は、ピストン12の冠面12aを気筒の軸線方向において上方から見た図である。図3に示すように、ピストン12には、ピストン12とコンロッド13とを連結するためのピストンピン15の挿入を受けるピストンピン孔12bが形成されている。ピストンピン孔12bの軸線L1の方向は、図示省略するクランク軸の軸線方向と平行である。
本実施形態では、排気浄化触媒32の温度が所定の活性温度よりも低いとき(基本的には、冷間始動後のファストアイドル運転時)に、点火時期の遅角による触媒暖機制御が行われる。より具体的には、この触媒暖機制御は、最適点火時期(MBT(Minimum spark advance for Best Torque)点火時期)に対して点火時期を大きく遅角し、これにより、排気温度を高めて排気浄化触媒32の早期活性を図るというものである。なお、ファストアイドル運転は、内燃機関10の冷間始動直後等に、アイドル回転速度を、暖機終了後の通常アイドル回転速度より高く維持するために行われるものである。
本実施形態では、触媒暖機制御を行うファストアイドル運転時に、上述のエアガイド方式を利用する成層燃焼が実施される。ファストアイドルの際に成層燃焼を行うこととすると、空燃比を大きくリッチ化することなく、点火プラグ28の近傍にその外側と比べて燃料濃度の高い混合気層を生成することができるので、燃費低減を図りつつ冷間始動後の燃焼を安定化させることができる。
(ピストン冠面の溝深さと乱れの生成時期)
本件発明者による鋭意研究の結果、ピストンの冠面に形成される溝を深くすることにより、当該溝が相対的に浅い場合と比べて、タンブル流の崩壊に伴う乱れの生成時期を遅らせることができることが分かった。
本実施形態では、図10に示す知見に着目して、タンブル流を利用して成層燃焼を行う場合に次のような制御を行うこととした。すなわち、当該制御の前提となるハードウェア構成として、既述したように、深さの異なる内側溝40および外側溝38が形成された冠面12aを有するピストン12と、相対的に深い内側溝40に対してタンブル流を集中させられるように吸気の流れを制御可能な気流制御弁22とが備えられる。そのうえで、気流制御弁22は、非触媒暖機運転時には全開とされ、触媒暖機運転時には全閉とされる。
図11は、本発明の実施の形態1における制御の流れを表したフローチャートである。ECU36は、内燃機関10が始動したときに、このフローチャートの処理を開始する。ECU36は、まず、ステップ100において、排気浄化触媒32の温度を取得する。この触媒温度の取得は、例えば、温度センサを用いて行うものであってもよく、或いは、所定の推定手法を用いて行うものであってもよい。当該推定手法としては、例えば、外気温度、直前の排気ガス温度、および内燃機関10の前回の停止からの経過時間に基づいて触媒温度を推定するという公知の手法を用いることができる。
図12は、本発明の実施の形態1の制御により得られる混合気の乱れの生成特性を説明するための図である。本実施形態の気流制御弁22の制御によれば、図12に示すように、気流制御弁22を全開とした場合には、圧縮TDCよりも前の時期(すなわち、非触媒暖機運転時の点火時期付近)において、全閉時と比べて混合気の乱れが強くなる特性が得られる。一方、気流制御弁22を全閉とした場合には、圧縮TDCよりも後の時期(すなわち、触媒暖機運転時の点火時期付近)において、全開時と比べて混合気の乱れが強くなる特性が得られる。このように、本実施形態の制御によれば、単一のハードウェア構成を用いて、触媒暖機運転時および非触媒暖機運転時のそれぞれの点火時期付近における混合気の乱れの確保を両立できるようになる。
ところで、上述した実施の形態1においては、図5等に示すように、軸線L1の方向において深さが段階的に変化する凹部として2つの外側溝38と1つの内側溝40とを冠面12aに有するピストン12を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明におけるピストンの冠面に形成される凹部は、上記形状に限られるものではなく、例えば、以下の図13〜図15に示すような形状のものであってもよい。なお、図13〜図15は、図5と同一方向から見た図である。
12、44、48、56、64 ピストン
12a、44a、48a、56a、64a ピストンの冠面
12b ピストンピン孔
13 コンロッド
14 燃焼室
15 ピストンピン
16 吸気通路
16a 吸気ポート
18 排気通路
18a 排気ポート
20 スロットル弁
22、54、62 気流制御弁
22a 気流制御弁の弁軸
22b 気流制御弁の弁体
22c 気流制御弁の非閉塞部
24 吸気弁
24a 吸気弁の弁軸
26 筒内噴射弁
28 点火プラグ
30 排気弁
32 排気浄化触媒
34 クランク角センサ
36 ECU(Electronic Control Unit)
37 アクセルポジションセンサ
38、50 外側溝
40、52 内側溝
46、66 溝
58 浅溝
60 深溝
Claims (3)
- 燃焼室内にタンブル流が生成される内燃機関であって、
前記燃焼室の上壁面に配置された点火プラグと、
成層燃焼運転が行われるときに、燃料噴霧がタンブル流によって前記点火プラグの周りに運ばれるように前記燃焼室内に燃料を噴射する筒内噴射弁と、
ピストンピン孔の軸線の直交方向に延びるように形成された凹部であって前記軸線の方向において深さが変化する凹部を冠面に有するピストンと、
点火時期を最適点火時期よりも遅角した状態で成層燃焼運転が行われる場合に、前記凹部内において深さが前記軸線の方向で相対的に深い部位に向けて吸気が案内されるように、吸気ポート内の吸気の流れに偏りを生じさせる偏流生成装置と、
を備えることを特徴とする内燃機関。 - 前記凹部は、前記軸線の方向における前記冠面の中央部において最も深くなるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
- 前記偏流生成装置は、閉弁状態にあるときに前記凹部の前記部位に向けて吸気が案内されるように前記吸気ポート内の吸気の流れに偏りを生じさせる気流制御弁を含み、
前記偏流生成装置は、点火時期を最適点火時期よりも遅角した状態で成層燃焼運転が行われる場合には前記気流制御弁を閉じ、点火時期を最適点火時期に制御した状態で成層燃焼運転が行われる場合には前記気流制御弁を開くことを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関。
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