特許 6671328 内燃機関の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6671328

(24)【登録日】2020年3月5日

(45)【発行日】2020年3月25日

(54)【発明の名称】内燃機関の制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/02 20060101AFI20200316BHJP

   F02B 31/06 20060101ALI20200316BHJP

   F02M 61/18 20060101ALI20200316BHJP

【ＦＩ】

   F02B23/02 M

   F02B31/06 524E

   F02M61/18 320Z

【請求項の数】3

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-193429(P2017-193429)

(22)【出願日】2017年10月3日

(65)【公開番号】特開2019-65798(P2019-65798A)

(43)【公開日】2019年4月25日

【審査請求日】2018年10月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】393005163

【氏名又は名称】株式会社新エィシーイー

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100153084

【弁理士】

【氏名又は名称】大橋 康史

(74)【代理人】

【識別番号】100160705

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 健太郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167461

【弁理士】

【氏名又は名称】上木 亮平

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】内田 登

(72)【発明者】

【氏名】岡本 毅

【審査官】 小笠原 恵理

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−１０４５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３７１８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３２６５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２７４９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０１９１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７０７３７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ２３／００−２３／１０

Ｆ０２Ｍ ６１／１４−６１／１８

Ｆ０２Ｍ ６３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

機関本体と、
前記機関本体の燃焼室内にスワール流を発生させることができるように構成されると共に、前記スワール流の強さを変更することができるように構成された吸気装置と、
前記機関本体に設けられ、前記燃焼室内に発生させた前記スワール流の流れ方向と対向する方向に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置であって、
機関運転状態に基づいて、前記吸気装置を制御して吸入時の前記スワール流の強さを制御するスワール制御部を備え、
前記スワール制御部は、
前記燃料噴射弁による燃料噴射終了時において、燃料噴霧によって減衰させられた前記スワール流の強さが所定の強さ以下となるように、吸入時の前記スワール流の強さを制御する、
内燃機関の制御装置。

【請求項2】

前記スワール制御部は、
吸入時における前記スワール流の角運動量と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の角運動量と、の差分値の絶対値が所定値以下となるように、吸入時の前記スワール流の強さを制御する、
請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

【請求項3】

前記スワール制御部は、
前記燃料噴射弁による燃料噴射終了時における前記スワール流のスワール比が、ゼロ含む所定範囲内に収まるように、吸入時の前記スワール流の強さを制御する、
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、燃料噴射弁から気筒内に噴射される燃料の方向（以下「燃料噴射方向」という。）が、気筒内に発生させた気筒軸心周りの旋回気流（以下「スワール流」という。）の方向と同一方向となるように構成された内燃機関が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−１９４１５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

気筒内にスワール流を発生させることで、燃料燃焼時における空気利用率を高めてスモークの原因となる煤の発生を抑制できるので、排気エミッションの悪化を抑制できる。しかしながら、燃料噴射方向とスワール流の方向とを同一方向にすると、燃料噴霧によってスワール流が強められ、高温の既燃ガスと気筒壁面との相対速度が増加する。その結果、気筒壁面の熱伝達率が大きくなって熱損失が増加するおそれがある。

【0005】

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、排気エミッションの悪化を抑制しつつ、熱損失の増加を抑制して燃費の向上を図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、機関本体と、機関本体の燃焼室内にスワール流を発生させることができるように構成されると共に、スワール流の強さを変更することができるように構成された吸気装置と、機関本体に設けられ、燃焼室内に発生させたスワール流の流れ方向と対向する方向に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備える内燃機関を制御するための内燃機関の制御装置が、機関運転状態に基づいて吸気装置を制御して吸入時のスワール流の強さを制御するスワール制御部を備える。スワール制御部は、燃料噴射弁による燃料噴射終了時におけるスワール流の強さが所定の強さ以下となるように、吸入時のスワール流の強さを制御するように構成される。

【発明の効果】

【0007】

本発明のこの態様によれば、排気エミッションの悪化を抑制しつつ、熱損失の増加を抑制して燃費の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の一実施形態による内燃機関、及び内燃機関を制御する電子制御ユニットの概略構成図である。

【図2】図２は、センター燃料噴射弁、第１サイド燃料噴射弁、及び第２サイド燃料噴射弁の配置位置を示す概略図である。

【図3】図３は、スワール装置の詳細について説明する図である。

【図4】図４は、第１サイド燃料噴射弁から噴射される燃料の角運動量の算出方法を説明するための図である。

【図5】図５は、本発明の一実施形態によるスワール制御について説明するフローチャートである。

【図6】図６は、燃料噴射終了時におけるスワール比と、熱損失と、の関係を示す図である。

【図7】図７は、本発明の変形例を示す図であって、サイド燃料噴射弁の１つの噴孔から噴射される燃料の噴射方向を、スワール流Ｗの方向と同一方向にした場合の例を示す図である。

【図8】図８は、本発明とは異なる比較例を示す図であって、燃料噴射方向を、スワール流Ｗの方向と同一方向にした場合の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

【0010】

図１は、本発明の一実施形態による内燃機関１００、及び内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。

【0011】

内燃機関１００は、機関本体１と、燃料噴射装置２と、吸気装置３と、排気装置４と、を備える。

【0012】

機関本体１は、各気筒１０に形成される燃焼室内で燃料を燃焼させて、例えば車両などを駆動するための動力を発生させる。

【0013】

燃料噴射装置２は、センター燃料噴射弁２０と、第１サイド燃料噴射弁２１と、第２サイド燃料噴射弁２２と、コモンレール２３と、サプライポンプ２４と、燃料タンク２５と、インジェクションパイプ２６と、圧送パイプ２７と、を備え、各燃料噴射弁２０，２１，２２から噴射する燃料の噴射量（噴射時間や噴射圧）、及び噴射時期を変更することができるように構成されている。

【0014】

センター燃料噴射弁２０、第１サイド燃料噴射弁２１、及び第２サイド燃料噴射弁２２は、それぞれ各気筒１０の燃焼室内に直接燃料を噴射することができるように機関本体１に設けられる。

【0015】

図２は、各燃料噴射弁２０，２１，２２の配置位置を示す概略図である。

【0016】

図２に示すように、センター燃料噴射弁２０は、その噴孔が各気筒１０の燃焼室の頂部中央に臨むように機関本体１に設けられる。

【0017】

一方で第１サイド燃料噴射弁２１、及び第２サイド燃料噴射弁２２は、それらの噴孔がそれぞれ各気筒１０の燃焼室の外周部に臨むように機関本体１に設けられており、後述するスワール生成装置３６（図３参照）によって生成されるスワール流Ｗの方向と対向する方向に燃料を噴射することができるようになっている。なお本実施形態では、第１サイド燃料噴射弁２１、及び第２サイド燃料噴射弁２２はそれぞれ３つの噴孔を有しており、そのうちの２つの噴孔からは、スワール流Ｗと対向する方向に燃料が噴射されるようになっている。一方で残りの１つの噴孔からは、気筒中心軸に向かって燃料が噴射されるようになっている。

【0018】

各燃料噴射弁２０，２１，２２の開弁時間（噴射時間）及び開弁時期（噴射時期）は電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更される。各燃料噴射弁２０，２１，２２は、対応するインジェクションパイプ２６を介してコモンレール２３に接続される。

【0019】

図１に戻り、コモンレール２３は、圧送パイプ２７を介して燃料タンク２５に接続される。圧送パイプ２７の途中には、燃料タンク２５に貯蔵された燃料を加圧してコモンレール２３に供給するためのサプライポンプ２４が設けられる。コモンレール２３は、サプライポンプ２４から圧送されてきた高圧燃料を一時的に貯蔵する。各燃料噴射弁２０，２１，２２が開弁されると、コモンレール２３に貯蔵された高圧燃料がインジェクションパイプ２６を介して各燃料噴射弁２０，２１，２２から燃焼室内に噴射される。コモンレール２３には、コモンレール２３内の燃料圧力（以下「レール圧」という。）、すなわち各燃料噴射弁２０，２１，２２から燃焼室内に噴射される燃料の圧力（噴射圧）を検出するためのレール圧センサ２１１が設けられる。

【0020】

サプライポンプ２４は、吐出量を変更することができるように構成されており、サプライポンプ２４の吐出量は、電子制御ユニット２００からの制御信号によって変更される。サプライポンプ２４の吐出量を制御することで、レール圧、すなわち各燃料噴射弁２０，２１，２２の噴射圧が制御される。

【0021】

吸気装置３は、各気筒１０の燃焼室内に吸気を導くための装置であって、燃焼室内に吸入される吸気の状態（吸気の流れ方向や強さ、吸気圧、吸気量、外部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス量等）を変更することができるように構成される。吸気装置３は、エアクリーナ３０と、吸気管３１と、吸気マニホールド３２と、エアフローメータ２１２と、可変容量型のターボチャージャ５のコンプレッサ５１と、インタクーラ３３と、スロットル弁３４と、ＥＧＲ装置３５と、スワール生成装置３６（図３参照）と、を備える。

【0022】

エアクリーナ３０は、吸気中に含まれる砂や埃などの異物を除去する。

【0023】

吸気管３１は、一端がエアクリーナ３０に接続され、他端が吸気マニホールド３２の吸気コレクタ３２ａに接続される。

【0024】

吸気マニホールド３２は、吸気コレクタ３２ａと、吸気コレクタ３２ａから分岐して機関本体１のシリンダヘッド内に形成されている各吸気ポート（図３参照）の開口に連結される複数の吸気枝管３２ｂと、を備える。吸気マニホールド３２は、吸気管３１から吸気コレクタ３２ａに流入してきた吸気を、吸気枝管３２ｂを介して各気筒１０の燃焼室内に均等に分配する。吸気管３１、吸気マニホールド３２及び各吸気ポートが、各気筒１０の燃焼室内に吸気を導くための吸気通路を形成する。

【0025】

吸気マニホールド３２の吸気コレクタ３２ａには、各気筒１０内に吸入される吸気の圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ２１３と、各気筒１０内に吸入される吸気の温度（吸気温）を検出するための吸気温センサ２１４と、が設けられる。

【0026】

エアフローメータ２１２は、吸気管３１に設けられる。エアフローメータ２１２は、吸気管３１内を流れて最終的に各気筒１０の燃焼室内に吸入される空気の流量（吸気量）を検出する。

【0027】

コンプレッサ５１は、エアフローメータ２１２よりも下流側の吸気管３１に設けられる。コンプレッサ５１は、コンプレッサハウジング５１ａと、コンプレッサハウジング５１ａ内に配置されたコンプレッサホイール５１ｂと、を備える。コンプレッサホイール５１ｂは、同軸上に取り付けられたタービンホイール５２ｂによって回転駆動され、コンプレッサハウジング５１ａ内に流入してきた吸気を圧縮して吐出する。ターボチャージャ５のタービン５２には、タービンホイール５２ｂの回転速度を制御するための可変ノズル５２ｃが設けられており、可変ノズル５２ｃによってタービンホイール５２ｂの回転速度が制御されることで、コンプレッサハウジング５１ａ内から吐出される吸気の圧力（過給圧）が制御される。

【0028】

インタクーラ３３は、コンプレッサ５１よりも下流側の吸気管３１に設けられる。インタクーラ３３は、コンプレッサ５１によって圧縮されて高温になった吸気を、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。

【0029】

スロットル弁３４は、インタクーラ３３よりも下流側の吸気管３１に設けられる。スロットル弁３４は、吸気管３１の通路断面積を変化させることで、吸気マニホールド３２の吸気コレクタ３２ａに導入する吸気量を調整する。スロットル弁３４は、スロットルアクチュエータ３４ａによって開閉駆動され、スロットルセンサ２１５によってその開度（スロットル開度）が検出される。

【0030】

ＥＧＲ装置３５は、各気筒１０の燃焼室から排出された排気を吸気通路に還流させるための装置であって、ＥＧＲ通路３５１と、ＥＧＲクーラ３５２と、ＥＧＲ弁３５３と、を備える。

【0031】

ＥＧＲ通路３５１は、後述する排気マニホールド４１と吸気マニホールド３２の吸気コレクタ３２ａとを連通し、各気筒１０の燃焼室から排出された排気の一部を圧力差によって吸気コレクタ３２ａに戻すための通路である。以下、ＥＧＲ通路３５１に流入した排気のことを「外部ＥＧＲガス」という。外部ＥＧＲガスを吸気コレクタ３２ａ、ひいては各気筒１０の燃焼室に還流させることで、燃焼温度を低減させて窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑えることができる。

【0032】

ＥＧＲクーラ３５２は、ＥＧＲ通路３５１に設けられる。ＥＧＲクーラ３５２は、ＥＧＲガスを、例えば走行風や冷却水などによって冷却するための熱交換器である。

【0033】

ＥＧＲ弁３５３は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。ＥＧＲ弁３５３の開度を制御して吸気コレクタ３２ａに還流させる外部ＥＧＲガスの流量を調節することで、ＥＧＲ率（吸気中に占める外部ＥＧＲガスの割合）が制御される。

【0034】

スワール生成装置３６は、各気筒１０の燃焼室内にスワール流Ｗを発生させるための装置である。スワール装置３６の詳細については、図３を参照して説明する。

【0035】

図３は、スワール装置３６の詳細について説明する図であり、各気筒１０の燃焼室の頂壁（シリンダヘッド内壁）をピストン側から見た概略平面図である。

【0036】

図３に示すように、本実施形態によるスワール生成装置３６は、スワール制御弁３６１を備える。

【0037】

スワール制御弁３６１は、機関本体１のシリンダヘッド内に形成された二股状の各吸気ポートの一方のポートに設けられ、各吸気ポートの一方のポートの通路断面積を変化させる。スワール制御弁３６１は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度（以下「スワール開度」という。）は電子制御ユニット２００によって制御される。

【0038】

スワール開度を小さくしていくことで（すなわちスワール制御弁３６１の閉弁度合いを大きくしていくことで）、各吸気ポートの一方のポートから各気筒１０の燃焼室内に導入される吸気量に対して、他方のポートから各気筒１０の燃焼室内に導入される吸気量が多くなる。その結果、図３において矢印で示すようなスワール流Ｗを各気筒１０の燃焼室内に発生させると共に、その強さを変更することができる。

【0039】

図１に戻り、排気装置４は、各気筒１０の燃焼室内から排出された排気を外部に排出するための装置であって、排気マニホールド４１と、排気管４２と、ターボチャージャ５のタービン５２と、排気後処理装置４３と、を備える。

【0040】

排気マニホールド４１は、一端側が機関本体１のシリンダヘッド内に形成されている各排気ポート（図３参照）の開口に連結され、他端側が排気管４２に連結されており、各気筒１０の燃焼室内から排出された排気を纏めて排気管４２に導入する。

【0041】

タービン５２は、排気管４２に設けられる。タービン５２は、タービンハウジング５２ａと、タービンハウジング５２ａ内に配置されたタービンホイール５２ｂと、を備える。タービンホイール５２ｂは、タービンハウジング５２ａ内に流入してきた排気のエネルギによって回転駆動され、同軸上に取り付けられたコンプレッサホイール５１ｂを駆動する。

【0042】

タービンホイール５２ｂの外側には、前述した可変ノズル５２ｃが設けられている。可変ノズル５２ｃは絞り弁として機能し、可変ノズル５２ｃのノズル開度（弁開度）は電子制御ユニット２００によって制御される。可変ノズル５２ｃのノズル開度を変化させることでタービンホイール５２ｂを駆動する排気の流速をタービンハウジング５２ａ内で変化させることができる。すなわち、可変ノズル５２ｃのノズル開度を変化させることで、タービンホイール５２ｂの回転速度を変化させて吸気圧（過給圧）を変化させることができる。具体的には、可変ノズル５２ｃのノズル開度を小さくする（可変ノズル５２ｃを絞る）と、排気の流速が上がってタービンホイール５２ｂの回転速度が増大し、吸気圧が増大する。

【0043】

排気後処理装置４３は、タービン５２よりも下流側の排気管４２に設けられる。排気後処理装置４３は、各気筒１０の燃焼室内から排出される排気中の有害物質を取り除くための装置であって、触媒装置４３１と、パティキュレートフィルタ４３２と、を備える。

【0044】

触媒装置４３１は、担体に排気浄化触媒を担持させたものである。排気浄化触媒は、例えば酸化触媒（二元触媒）や三元触媒であり、これらに限らず内燃機関１００の種類や用途に応じて適当な触媒を用いることができる。本実施形態では、排気浄化触媒として酸化触媒を用いている。排気浄化触媒として酸化触媒を用いた場合は、排気中の有害物質であるハイドロカーボン（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）が酸化触媒によって酸化除去される。

【0045】

パティキュレートフィルタ４３２は、その内部に導入された排気中のパティキュレート（粒子状物質）を捕集する。

【0046】

電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。

【0047】

入力ポート２０５には、前述したレール圧センサ２１１やエアフローメータ２１２、吸気圧センサ２１３、吸気温センサ２１４、スロットルセンサ２１５などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また、入力ポート２０５には、アクセルペダル２２１の踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ２１７の出力電圧が、対応するＡＤ変換器２０７を介して入力される。さらに入力ポート２０５には、機関回転速度Ｎなどを算出するための信号として、機関本体１のクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ２１８の出力信号が入力される。このように入力ポート２０５には、内燃機関１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力される。

【0048】

出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介してセンター燃料噴射弁２０などの各制御部品が電気的に接続される。

【0049】

電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して内燃機関１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する内燃機関１００の制御について説明する。

【0050】

電子制御ユニット２００は、機関運転状態（機関回転速度及び機関負荷）に基づいてスワール制御弁３６１によってスワール開度を制御し、吸入時におけるスワール流Ｗの強さを制御している。具体的には、吸入時におけるスワール比、すなわちクランクシャフトの角速度ω_ｎｅ［ｒａｄ／ｓｅｃ］に対するスワール流Ｗの角速度（気筒中心軸周りの吸気の角速度；以下「スワール速度」という。）ω_ｓｗ［ｒａｄ／ｓｅｃ］の比（＝ω_ｓｗ／ω_ｎｅ）が、機関運転状態に応じた目標スワール比となるように、スワール制御弁３６１によってスワール開度を制御している。

【0051】

このように各気筒１０の燃焼室内にスワール流Ｗを発生させることで、燃料燃焼時における空気利用率を高めてスモークの原因となる煤の発生を抑制できるので、排気エミッションの悪化を抑制できる。

【0052】

しかしながら、発明者の鋭意研究の結果、例えば図８に示す本実施形態とは異なる比較例のように、第１サイド燃料噴射弁２１、及び第２サイド燃料噴射弁２２から噴射される燃料の方向を、スワール流Ｗの方向と同一方向にすると、燃料噴霧によってスワール流Ｗが強められて高温の既燃ガスと気筒１０の内壁面との相対速度が増加し、気筒１０の内壁面の熱伝達率が大きくなって熱損失が増加することがわかった。

【0053】

そこで本実施形態では、図２に示すように、第１サイド燃料噴射弁２１、及び第２サイド燃料噴射弁２２から噴射される燃料の方向を、スワール流Ｗの方向と対向する方向（すなわちスワール流Ｗの方向と逆方向）にすることとした。

【0054】

具体的には、吸入時におけるスワール流の角運動量Ｌ_ｓｗ［Ｎｍｓ］と、第１サイド燃料噴射弁２１、及び第２サイド燃料噴射弁２２から噴射される燃料の総角運動量（以下、単に「燃料の角運動量」という。）Ｌ_ｉｎｊ［Ｎｍｓ］と、の差分値の絶対値が所定差分値以下となる吸入時の目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔを算出し、吸入時のスワール比ＳＷ_ｓｔが当該目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔとなるようにスワール制御弁３６１を制御することとした。すなわち、燃料噴射終了時におけるスワール比ＳＷ_ｅｎｄが所定のスワール比以下となる吸入時の目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔを算出し、吸入時のスワール比ＳＷ_ｓｔが目標スワール比Ｓ_ｓｔ＿ｔとなるようにスワール制御弁３６１を制御することとした。

【0055】

本実施形態では、吸入時におけるスワール流の角運動量Ｌ_ｓｗと、燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊと、の差分値がゼロ、すなわち燃料噴射終了時におけるスワール比ＳＷ_ｅｎｄがゼロとなる吸入時の目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔを算出し、当該目標スワール比Ｓ_ｓｔ＿ｔとなるようにスワール制御弁３６１によってスワール開度を制御するようにしている。

【0056】

このように、スワール流Ｗの方向と燃料噴射方向とを対向させた上で、吸入時のスワール比ＳＷ_ｓｔを、吸入時におけるスワール流Ｗの角運動量Ｌ_ｓｗと、燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊと、の差分値がゼロとなるような目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔに制御することで、燃料噴射終了時におけるスワール比ＳＷ_ｅｎｄをゼロにすることができる。すなわち、燃料噴霧によってスワール流Ｗを減衰させて、高温の既燃ガスと気筒１０の内壁面との相対速度を低下させることができる。そのため、気筒１０の内壁面の熱伝達率を小さくすることできるので、熱損失の増加を抑制して燃費の向上を図ることができる。

【0057】

以下、この本実施形態による吸入時の目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔの算出方法について説明する。

【0058】

スワール流Ｗを直径が各気筒１０のボア径Ｂ［ｍ］の円盤と仮定すると、スワール流Ｗの角運動量Ｌ_ｓｗは、スワール流Ｗの慣性モーメントＩ_ｓｗ［ｋｇ・ｍ^２］、及びスワール速度ω_ｓｗを用いて下記式（１）の通り表すことができる。

【0059】

【数1】

【0060】

ここでスワール流Ｗの慣性モーメントＩ_ｓｗは、各気筒１０の吸気質量Ｍ_ｓｗ［ｋｇ］、及びボア径Ｂを用いて下記式（２）の通り表すことができる。また吸気質量Ｍ_ｓｗは、各気筒１０のストロークＨ［ｍ］、ボア径Ｄ、及び吸気密度ρ_ａｉｒ［ｋｇ／ｍ^３］を用いて下記式（３）の通り表すことができる。さらに吸気密度ρ_ａｉｒは、吸気温Ｔ_ａｉｒ［Ｋ］、及び吸気圧Ｐ_ａｉｒ［ｋＰａ］を用いて下記式（４）の通り表すことができる。

【0061】

【数2】

【0062】

したがって、スワール流Ｗの角運動量Ｌ_ｓｗは、下記式（５）の通り表すことができる。

【0063】

【数3】

【0064】

したがって、吸入時におけるスワール流Ｗの角運動量Ｌ_ｓｗと、燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊと、の差分値をゼロにするための吸入時のスワール速度ω_{ｓｗ＿ｓｔ}は、下記式（６）の通り表すことができる。

【0065】

【数4】

【0066】

そして前述したように、スワール比ＳＷは、クランクシャフトの角速度ω_ｎｅに対するスワール速度ω_ｓｗの比（ω_ｓｗ／ω_ｎｅ）で表すことができる。したがって、吸入時におけるスワール流Ｗの角運動量Ｌ_ｓｗと、燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊと、の差分値をゼロにするための吸入時の目標スワール比ＳＷｓｔ＿ｔは、機関回転速度をＮｅ［ｒｐｍ］とすると、下記式（７）の通り表すことができる。

【0067】

【数5】

【0068】

したがって、燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊが分かれば、基本的に機関回転速度Ｎｅに基づいて（厳密にはさらに吸気温Ｔ_ａｉｒと吸気圧Ｐ_ａｉｒとに基づいて）、吸入時の目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔを算出することができるので、吸入時のスワール比ＳＷ_ｓｔが目標スワール比Ｓ_ｓｔ＿ｔとなるようにスワール制御弁３６１によってスワール開度を制御することができる。

【0069】

ここで燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊは、第１サイド燃料噴射弁２１から噴射された燃料の角運動量Ｌ１_ｉｎｊ、及び第２サイド燃料噴射弁２２から噴射された燃料の角運動量Ｌ２_ｉｎｊを用いて下記式（８）の通り表すことができる。

【0070】

【数6】

【0071】

本実施形態では、第１サイド燃料噴射弁２１、及び第２サイド燃料噴射弁２２は同様の構成をしており、各燃料噴射弁２１，２２から噴射される燃料の角運動量Ｌ１_ｉｎｊ、Ｌ２_ｉｎｊも同じとみなせる。

【0072】

そこで図４を参照して第１サイド燃料噴射弁２１から噴射される燃料の角運動量Ｌ１_ｉｎｊを考えると、当該角運動量Ｌ１_ｉｎｊは、気筒軸心から第１サイド燃料噴射弁２１のｉ番噴孔（本実施形態では、ｉ＝３）までの距離ｒ_ｉ、ｉ番噴孔から噴射される燃料の噴射方向と、気筒軸心及びｉ番噴孔を結ぶ線分と、がなす角θ_ｉ、ｉ番噴孔から噴射される燃料の噴射量ｍ_ｉ、及びｉ番噴孔から噴射される燃料の噴射速度ｖ_ｉを用いて下記式（９）の通り表すことができる。

【0073】

【数7】

【0074】

そして第１サイド燃料噴射弁２１のｉ番噴孔から噴射される燃料の噴射量ｍ_ｉは、第１サイド燃料噴射弁２１から噴射される総燃料噴射量ｍ_ｉｎｊ、第１サイド燃料噴射弁２１の総噴孔面積Ａ_ｉｎｊ、及びｉ番噴孔の噴孔面積Ａ_ｉを用いて下記式（１０）の通り表すことができる。また第１サイド燃料噴射弁２１のｉ番噴孔から噴射される燃料の噴射速度ｖ_ｉは、噴射圧と筒内圧との差圧ΔＰ_ｃｒ、燃料密度ρ_ｆｕｅｌ、及び速度係数Ｃを用いて下記式（１１）の通り表すことができる。

【0075】

【数8】

【0076】

式（１０）において、第１サイド燃料噴射弁２１の総噴孔面積Ａ_ｉｎｊ、及びｉ番噴孔の噴孔面積Ａ_ｉは、予め定まった所定値である。また式（１１）において、速度係数Ｃは、予め実験等によって求めておくことが可能な所定値である。

【0077】

一方で、式（１０）における第１サイド燃料噴射弁２１から噴射される総燃料噴射量ｍ_ｉｎｊ、式（１１）における噴射圧と筒内圧との差圧ΔＰ_ｃｒ、及び燃料密度ρ_ｆｕｅｌは可変値であるが、これらは機関運転状態に応じて変化するものであるため、予め実験等によって機関運転状態に応じた値を求めておくことができる。

【0078】

したがって燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊに関しては、機関運転状態と、燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊと、を対応させたマップを予め実験等によって作成しておくことで、当該マップを参照することにより、機関運転状態に基づいて算出することができる。

【0079】

図５は、この本実施形態によるスワール制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを機関運転中に所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で繰り返し実行する。

【0080】

ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、クランク角センサ２１８の出力信号に基づいて算出された機関回転速度Ｎｅと、負荷センサ２１７によって検出された機関負荷と、を読み込み、機関運転状態を検出する。また電子制御ユニット２００は、吸気圧センサ２１３によって検出された吸気圧Ｐ_ａｉｒと、吸気温センサ２１４によって検出された吸気温Ｔ_ａｉｒと、を読み込む。

【0081】

ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、予め実験等によって作成したマップを参照し、機関運転状態に基づいて燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊを算出する。

【0082】

ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、前述した式（７）を用い、燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊ、吸気圧Ｐ_ａｉｒ、吸気温Ｔ_ａｉｒ、及び機関回転速度Ｎｅに基づいて、吸入時の目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔを算出する。

【0083】

ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、吸入時のスワール比ＳＷ_ｓｔが目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔとなるように、スワール制御弁３６１によってスワール開度を制御する。

【0084】

図６は、燃料噴射終了時におけるスワール比ＳＷ_ｅｎｄと、熱損失と、の関係を示す図である。

【0085】

図６において、三角で示した点は、スワール流Ｗの方向と燃料噴射方向とを対向させて、燃料噴射終了時におけるスワール比ＳＷ_ｅｎｄがゼロを含む所定の範囲内（概ね−１．０から１．０）となるようにスワール制御弁３６１によってスワール開度を制御した場合の熱損失を示している。一方で、菱形で示した点は、スワール流Ｗの方向と燃料噴射方向とを同一方向とした場合の熱損失を示している。なお燃料噴射終了時におけるスワール比ＳＷ_ｅｎｄがゼロ未満の領域は、燃料噴霧によって最終的にスワール流Ｗが当初の方向と逆方向になっていることを示す。

【0086】

図６に示すように、スワール流Ｗの方向と燃料噴射方向とを対向させて、燃料噴射終了時におけるスワール比ＳＷ_ｅｎｄがゼロを含む所定の範囲内となるようにスワール制御弁３６１によってスワール開度を制御することで、熱損失を低減できていることがわかる。

【0087】

したがって本実施形態では、前述したように、燃料噴射終了時におけるスワール比ＳＷ_ｅｎｄがゼロとなるように吸入時の目標スワール比ＳＷ_ｓｔ＿ｔを設定していたが、これに限らず、燃料噴射終了時におけるスワール比ＳＷ_ｅｎｄを、熱損失の低減効果が得られる所定の範囲内となるようにスワール制御弁３６１によってスワール開度を制御するようにしてもよい。

【0088】

以上説明した本実施形態によれば、機関本体１と、機関本体１の燃焼室内にスワール流Ｗを発生させることができるように構成されると共に、スワール流Ｗの強さを変更することができるように構成された吸気装置３と、機関本体１に設けられ、燃焼室内に発生させたスワール流Ｗの流れ方向と対向する方向に燃料を噴射する第１サイド燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２（燃料噴射弁）と、を備える内燃機関１００を制御する電子制御ユニット２００（制御装置）が、機関運転状態に基づいて、吸気装置３を制御して吸入時のスワール流Ｗの強さを制御するスワール制御部を備える。

【0089】

そしてスワール制御部は、第１サイド燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２による燃料噴射終了時におけるスワール流Ｗの強さが所定の強さ以下となるように、吸入時のスワール流Ｗの強さを制御するように構成されている。

【0090】

具体的にはスワール制御部は、吸入時におけるスワール流の角運動量Ｌ_ｓｗと、第１サイド燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２から噴射された燃料の角運動量Ｌ_ｉｎｊと、の差分値の絶対値が所定値以下となるように、吸入時のスワール流Ｗの強さを制御するように構成される。またスワール制御部は、第１サイド燃料噴射弁２１及び第２燃料噴射弁２２による燃料噴射終了時におけるスワール流Ｗのスワール比ＳＷ_ｅｎｄが、ゼロ含む所定範囲内に収まるように、吸入時のスワール流Ｗの強さを制御するように構成される。

【0091】

これにより、各気筒１０の燃焼室内にスワール流Ｗを発生させつつ、燃料噴霧によってスワール流Ｗを減衰させて、高温の既燃ガスと気筒１０の内壁面との相対速度を低下させることができる。そのため、燃料燃焼時における空気利用率を高めてスモークの原因となる煤の発生を抑制しつつ、高温の既燃ガスと気筒１０の内壁面との相対速度を低下させて気筒１０の内壁面の熱伝達率を小さくすることできる。そのため、排気エミッションの悪化を抑制しつつ、熱損失の増加を抑制して燃費の向上を図ることができる。

【0092】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0093】

例えば上記の実施形態では、２つのサイド燃料噴射弁２０，２１を設けていたが、サイド燃料噴射弁は少なくとも１つ以上あればよい。

【0094】

また上記の実施形態では、第１サイド燃料噴射弁２１、及び第２サイド燃料噴射弁２２は、それぞれ３つの噴孔を有しており、そのうちの２つの噴孔からスワール流Ｗと対向する方向に燃料を噴射することができるように構成されていたが、図７に示すように、各サイド燃料噴射弁２０、２１は、少なくとも１つの噴孔からスワール流Ｗと対向する方向に燃料を噴射することができるように構成されていればよい。すなわちサイド燃料噴射弁は、１つ以上の噴孔がスワール流の強度を変えることができるノズル構成を有していればよい。またサイド燃料噴射弁の噴孔数や噴孔面積、噴射方向等も、スワール流の強度を変えることができるのであれば、上記の実施形態の構成に限られるものではない。

【符号の説明】

【0095】

１ 機関本体
３ 吸気装置
２１ 第１サイド燃料噴射弁（燃料噴射弁）
２２ 第２サイド燃料噴射弁（燃料噴射弁）
１００ 内燃機関
２００ 電子制御ユニット（制御装置）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】