図面 (/)

この項目の情報は公開日時点(2005年7月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

4サイクル内燃機関において、安定した自着運転を実現する。

解決手段

本発明は、少なくとも一部の運転領域において圧縮自着火運転可能な4サイクル内燃機関である。この内燃機関10は、ECU100が吸気バルブ33および排気バルブ34を制御することによって、吸気上死点前に終了される第1の排気バルブ開弁期間EX1と、吸気上死点後に開始される吸気バルブ開弁期間INと、吸気バルブ開弁期間INの直前から所定期間に亘る第2の排気バルブ開弁期間EX2が設定されている。この結果、内部EGRによって、混合気圧縮端温度が高められると共に、吸気行程において、燃焼室内に主流が形成され、混合気のミキシングが改善される。したがって、過早着火失火が抑制され、安定した自着火運転が可能となる。

概要

背景

燃料消費量、および大気汚染物質(主としてNOx)の排出量を同時に、しかも大幅に低減することが可能な内燃機関を提供するため、予混合圧縮自着火燃焼方式によって内燃機関を運転(以下、圧縮自着火運転ともいう。)する技術が知られている。予混合圧縮自着火燃焼方式は、燃焼室内に混合気を形成しておき、これを圧縮して自着火させる燃焼方式である。

予混合圧縮自着火燃焼方式の特徴は、混合気を燃焼室全体において、ほぼ同時に多点的に自着火させることで、現在主流となっている予混合火花点火燃焼方式を始めとする他の燃焼方式よりも、遙かに短時間で燃焼を完了させることができる点にある。上述した予混合自着火燃焼方式の有する優れた特性は、こうした燃焼形態に起因するものである。

また、4サイクル運転において、予混合圧縮自着火燃焼を実現するために、残留燃焼ガス熱エネルギーを利用する技術が知られている。この技術では、排気行程から吸気行程に至る間に、排気バルブ吸気バルブとが共に閉じた負のオーバーラップ期間を設けて、燃焼ガスの一部を燃焼室内に閉じこめ、次の燃焼サイクル循環させる内部EGRを行っている(例えば、特許文献1、2、3)。

特開平10−266878
特開2001−207888
特開2001−280165

概要

4サイクル内燃機関において、安定した自着火運転を実現する。本発明は、少なくとも一部の運転領域において圧縮自着火運転可能な4サイクル内燃機関である。この内燃機関10は、ECU100が吸気バルブ33および排気バルブ34を制御することによって、吸気上死点前に終了される第1の排気バルブ開弁期間EX1と、吸気上死点後に開始される吸気バルブ開弁期間INと、吸気バルブ開弁期間INの直前から所定期間に亘る第2の排気バルブ開弁期間EX2が設定されている。この結果、内部EGRによって、混合気の圧縮端温度が高められると共に、吸気行程において、燃焼室内に主流が形成され、混合気のミキシングが改善される。したがって、過早着火失火が抑制され、安定した自着火運転が可能となる。

目的

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、4サイクル内燃機関において、安定した自着火運転を実現することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
3件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

少なくとも一部の運転領域において、燃焼室内に形成した混合気圧縮自着火させて運転される4サイクル内燃機関であって、前記燃焼室と連通する吸気通路および排気通路と、前記吸気通路を開閉する吸気バルブと、前記排気通路を開閉する排気バルブと、吸気上死点後に開始される吸気バルブ開弁期間に前記吸気バルブを開弁させる吸気バルブ駆動手段と、前記吸気上死点前に終了される第1の排気バルブ開弁期間と、前記吸気バルブ開弁期間の直前から前記吸気バルブ開弁期間中に亘る第2の排気バルブ開弁期間とに前記排気バルブを開弁させる排気バルブ駆動手段とを備える4サイクル内燃機関。

請求項2

請求項1記載の4サイクル内燃機関において、前記第2の排気バルブ開弁期間の開始時期は、前記燃焼室内の圧力が、前記排気通路内の圧力より高い時期である4サイクル内燃機関。

請求項3

請求項1記載の4サイクル内燃機関において、前記第2の排気バルブ開弁期間の開始時期は、前記吸気上死点から前記第2の排気バルブ開弁期間の開始時期までのクランク角度が、前記第1の排気バルブ開弁期間の終了時期から前記吸気上死点までのクランク角度より小さくなる時期である4サイクル内燃機関。

請求項4

請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の4サイクル内燃機関において、前記吸気バルブは、複数個備えられ、前記吸気バルブ駆動手段は、前記吸気バルブ開弁期間の開始時期には、1つの吸気バルブのみを開弁させ、その他の吸気バルブは所定期間後に開弁させる4サイクル内燃機関。

請求項5

請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の4サイクル内燃機関において、前記排気バルブは、複数個備えられ、前記排気バルブ駆動手段は、前記第2の排気バルブ開弁期間に、1つの排気バルブのみを開弁させる4サイクル内燃機関。

請求項6

請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の4サイクル内燃機関において、前記吸気バルブ開弁期間の開始時期に開弁される前記吸気バルブと、前記第2の排気バルブ開弁期間に開弁される前記排気バルブとが、前記燃焼室の内径中心点を通る同一直線上に配置されている4サイクル内燃機関。

請求項7

請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の4サイクル内燃機関において、前記燃焼室内に直接燃料噴射する燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁は、前記吸気バルブ開弁期間中に燃料を噴射する4サイクル内燃機関。

請求項8

請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の4サイクル内燃機関において、前記排気バルブ駆動手段は、前記内燃機関の中負荷域における所定の負荷範囲においてのみ、前記第2の排気バルブ開弁期間に前記排気バルブを開弁させる4サイクル内燃機関。

請求項9

吸気上死点前から吸気上死点後にわたり、吸気バルブと排気バルブとを共に閉じた負のオーバーラップ期間を設けて圧縮自着火運転を行う4サイクル内燃機関のバルブ制御方法であって、前記吸気上死点前に、排気バルブを閉弁し、前記吸気上死点後に、前記排気バルブを再度開弁し、前記排気バルブを再度開弁した直後に、吸気バルブを開弁し、前記吸気バルブの開弁後、所定期間後に、前記再度開弁した排気バルブを閉弁するバルブ制御方法。

技術分野

0001

本発明は、4サイクル内燃機関に関し、特に、混合気ミキシング改善に関する。

背景技術

0002

燃料消費量、および大気汚染物質(主としてNOx)の排出量を同時に、しかも大幅に低減することが可能な内燃機関を提供するため、予混合圧縮自着火燃焼方式によって内燃機関を運転(以下、圧縮自着火運転ともいう。)する技術が知られている。予混合圧縮自着火燃焼方式は、燃焼室内に混合気を形成しておき、これを圧縮して自着火させる燃焼方式である。

0003

予混合圧縮自着火燃焼方式の特徴は、混合気を燃焼室全体において、ほぼ同時に多点的に自着火させることで、現在主流となっている予混合火花点火燃焼方式を始めとする他の燃焼方式よりも、遙かに短時間で燃焼を完了させることができる点にある。上述した予混合自着火燃焼方式の有する優れた特性は、こうした燃焼形態に起因するものである。

0004

また、4サイクル運転において、予混合圧縮自着火燃焼を実現するために、残留燃焼ガス熱エネルギーを利用する技術が知られている。この技術では、排気行程から吸気行程に至る間に、排気バルブ吸気バルブとが共に閉じた負のオーバーラップ期間を設けて、燃焼ガスの一部を燃焼室内に閉じこめ、次の燃焼サイクル循環させる内部EGRを行っている(例えば、特許文献1、2、3)。

0005

特開平10−266878
特開2001−207888
特開2001−280165

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、予混合圧縮自着火燃焼方式において、混合気の多点的な同時着火は、点火プラグによって直接制御されるわけではなく、ピストンによる圧縮の結果として発生するものである。このため、想定どおりのタイミングで多点的な同時着火を実現できるか否かは、燃焼室内にどのような混合気を形成するかという点に大きく依存している。

0007

上記技術では、負のオーバーラップ期間中に燃焼室内のガス流れがほとんどなくなってしまうこと、および、負のオーバーラップ期間を設けたために吸気行程の期間が短いことから、吸入空気による筒内の気流乱れが小さくなる。そうすると、高温の残留燃焼ガス、吸入空気、および燃料間のミキシングが悪くなり、混合気の温度、および燃料濃度に大きなムラができるおそれがある。

0008

この結果、圧縮時において、混合気の状態が自着火する条件に達するタイミングが、想定より早過ぎる部分、あるいは、混合気の状態が自着火する条件に達しない部分が生じ得る。このため、混合気をほぼ同時に多点的に着火することができず、過早着火失火といった不具合が生じ、安定して自着火運転できない問題がある。

0009

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、4サイクル内燃機関において、安定した自着火運転を実現することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

上記課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第1の態様は、少なくとも一部の運転領域において、燃焼室内に形成した混合気を圧縮自着火させて運転される4サイクル内燃機関を提供する。本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関は、前記燃焼室と連通する吸気通路および排気通路と、前記吸気通路を開閉する吸気バルブと、前記排気通路を開閉する排気バルブと、吸気上死点後に開始される吸気バルブ開弁期間に前記吸気バルブを開弁させる吸気バルブ駆動手段と、前記吸気上死点前に終了される第1の排気バルブ開弁期間と、前記吸気バルブ開弁期間の直前から前記吸気バルブ開弁期間中に亘る第2の排気バルブ開弁期間とに前記排気バルブを開弁させる排気バルブ駆動手段とを備えることを特徴とする。

0011

本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関によれば、内部EGRのための負のオーバーラップ期間を設けると共に、吸気上死点後において、吸気のために吸気バルブが開弁される直前で、排気バルブを開弁させる。このため、空気が吸気通路から燃焼室内へ流入した時に、残留燃焼ガスの一部が燃焼室内から排気通路へ排出されることで、燃焼室内に大きな気流が形成される。この流れによって、残留燃焼ガスと吸入空気とが撹拌される。この結果、4サイクル圧縮自着火運転時において、高温の残留燃焼ガスによって混合気の圧縮端温度を高めると共に、混合気のミキシングを改善し、安定的に、混合気を自着火させることができる。

0012

本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関において、前記第2の排気バルブ開弁期間の開始時期は、前記燃焼室内の圧力が、前記排気通路内の圧力より高い時期であるのが好ましい。

0013

かかる場合には、吸気のために吸気バルブが開弁される直前に排気バルブが開弁される時に、燃焼室内の圧力が排気通路内の圧力より高いために、燃焼室内の残留燃焼ガスの一部が排気通路へ排出される。この残留燃焼ガスの流れによって、吸気バルブ開弁時に吸気通路から燃焼室内へ流入する吸入空気、および、その後に形成される燃焼室内の気流の流速が高められ、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

0014

本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関において、前記第2の排気バルブ開弁期間の開始時期は、前記吸気上死点から前記第2の排気バルブ開弁期間の開始時期までのクランク角度が、前記第1の排気バルブ開弁期間の終了時期から前記吸気上死点までのクランク角度より小さくなる時期であるのが好ましい。

0015

かかる場合には、ピストンによる残留燃焼ガスに対する圧縮作用によって、吸気のために吸気バルブが開弁される直前に排気バルブを開弁した時に、燃焼室内の圧力が排気通路の圧力より高くなる。したがって、その圧力差によって、燃焼室内の残留燃焼ガスの一部が排気通路へ排出され、この残留燃焼ガスの流れによって、吸気バルブ開弁時に吸気通路から燃焼室内へ流入する吸入空気、および、その後に形成される燃料室内の気流の流速が高められ、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

0016

本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関において、前記吸気バルブは、複数個備えられ、前記吸気バルブ駆動手段は、前記吸気バルブ開弁期間の開始時期には、1つの吸気バルブのみを開弁させ、その他の吸気バルブは所定期間後に開弁させても良い。

0017

かかる場合には、吸気バルブ開弁期間の開始時期において、開弁される吸気バルブを一つに限定することによって、吸入空気の流入速度を増大させることができる。これによって、その後、形成される燃料室内の気流の流速がより高められ、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

0018

本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関において、前記排気バルブは、複数個備えられ、前記排気バルブ駆動手段は、前記第2の排気バルブ開弁期間に、1つの排気バルブのみを開弁させても良い。

0019

かかる場合には、吸気のために吸気バルブを開弁する直前に開弁される排気バルブを一つに限定することによって、排気バルブ開弁時に燃焼室内から排気通路へ排出される残留燃焼ガス、および、その後に形成される燃料室内の気流の流速がより高められ、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

0020

本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関において、前記吸気バルブ開弁期間の開始時期に開弁される前記吸気バルブと、前記第2の排気バルブ開弁期間に開弁される前記排気バルブとが、前記燃焼室の内径中心点を通る同一直線上に配置されているのが好ましい。

0021

かかる場合には、燃焼室内に気流を形成する2つの流れ、すなわち、吸入空気が吸気通路から燃焼室内へ流入する流れと、残留燃焼ガスの一部が燃焼室内から排気通路へ排出される流れが、燃焼室の内径中心部を通るように形成される。したがって、これら2つの流れによって、燃焼室の内径中心部を通る気流が燃焼室内に形成され、残留燃焼ガスと吸入空気とのミキシングをより改善することができる。

0022

本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関において、前記燃焼室内に直接燃料噴射する燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁は、前記吸気バルブ開弁期間中に燃料を噴射しても良い。

0023

かかる場合には、燃焼室内に形成された気流によって、吸入空気と残留燃焼ガスだけでなく、燃料と吸入空気および燃料と残留燃焼ガスとのミキシングも改善することができる。

0024

本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関において、前記排気バルブ駆動手段は、前記内燃機関の中負荷域における所定の負荷範囲においてのみ、前記第2の排気バルブ開弁期間に前記排気バルブを開弁させても良い。

0025

かかる場合には、4サイクル圧縮自着火運転が適している機関低負荷から中負荷に亘る負荷範囲のうち、燃料量および吸入空気量が共に多く、よりミキシング改善の必要性が高い中負荷域において、ミキシングを改善することができる。

0026

本発明の第2の態様は、吸気上死点前から吸気上死点後にわたり、吸気バルブと排気バルブとを共に閉じた負のオーバーラップ期間を設けて圧縮自着火運転を行う4サイクル内燃機関のバルブ制御方法を提供する。本発明の第2の態様に係るバルブ制御方法は、前記吸気上死点前に、排気バルブを閉弁し、前記吸気上死点後に、前記排気バルブを再度開弁し、前記排気バルブを再度開弁した直後に、吸気バルブを開弁し、前記吸気バルブの開弁後、所定期間後に、前記再度開弁した排気バルブを閉弁することを特徴とする。

0027

本発明の第2の態様に係るバルブ制御方法によれば、本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関と同様の作用効果を得ることができると共に、本発明の第2の態様に係るバルブ制御方法は、本発明の第1の態様に係る4サイクル内燃機関と同様にして種々の態様にて実現され得る。

発明を実施するための最良の形態

0028

以下、本発明に係る4サイクル内燃機関について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1の実施例:
A−1.構成:
A−2.動作:
B.第2の実施例:
C.変形例:

0029

A.第1の実施例:
A−1.構成:
図1を参照して本発明の第1の実施例に係る内燃機関の構成について説明する。図1は、本実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。本実施例に係る内燃機関10は、機関低負荷から中負荷に亘る所定の運転領域において4サイクル圧縮自着火運転可能な内燃機関である。

0030

本実施例に係る内燃機関10は、内部に複数のシリンダ22を有するシリンダブロック20、シリンダ22内を上下に摺動するように内接するピストン24、シリンダブロック20の上面に配置されたシリンダヘッド30、排気によって駆動される排気式過給器40、エンジン10全体を制御する制御装置(ECU)100を備えている。

0031

ピストン24は、コネクティングロッド26を介して、クランクシャフト28と連結されている。クランクシャフト28近傍には、クランク角センサ102が取り付けられており、これによって、エンジン回転速度Ne 、および、クランク角θcrを検出することができる。また、ピストン24の上面と、シリンダ22と、シリンダヘッド30とによって燃焼室15が区画形成される。

0032

シリンダヘッド30は、各シリンダ22ごとに排気ポート32、吸気ポート31を有している。各排気ポート32には、排気管16の分岐端が接続され、排気ポート32と排気管16とで、燃焼室15と連通する排気通路17が構成される。排気管16上には、排気ポート32との接続端側から、排気式過給器40のタービン42、触媒装置50が配置されている。一方、各吸気ポート31には、吸気管12の分岐端が接続され、吸気ポート31と吸気管12とで、燃焼室15と連通する吸気通路13が構成される。吸気管12上には、吸気ポート31との接続端側から、サージタンク60、インタクーラ62、排気式過給器40のコンプレッサ44、エアクリーナ64が配置されている。また、吸気管12には、スロットルバルブ70が設けられ、この開度電動アクチュエータ72によって調整することで燃焼室15に供給される空気量を調整できる。

0033

シリンダヘッド30には、各シリンダ22ごとに、排気ポート32を開閉する排気バルブ34、吸気ポート31を開閉する吸気バルブ33、燃焼室15内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁36、火花点火のための点火プラグ35が配置されている。

0034

吸気バルブ33および排気バルブ34は、それぞれ電動アクチュエータ37、38によって駆動される。電動アクチュエータ37、38は、例えば、開弁および閉弁用の電磁石を有する構造となっている。ECU100の制御によって、電磁石に印加する電圧を変更することにより、電動アクチュエータ37、38は、任意のタイミングで吸気バルブ33および排気バルブ34をそれぞれ開閉することが可能である。

0035

排気式過給器40は、排気エネルギーによって駆動されるタービン42と、吸気を圧縮するコンプレッサ44とを備える。排気式過給器40は、過給圧を調節するため、コンプレッサ44の駆動を補助するモータアシスト機構や、排気ガスの一部がタービン42をバイパス可能とするウエストゲートバルブ等を備えてもよい。

0036

ECU100は、周知のマイクロコンピュータで構成されている。ECU100は、クランク角センサ102およびアクセル開度センサ104と接続されており、これらからの電気信号を取得して、エンジン回転速度Ne、クランク角θcr、アクセル開度θacをそれぞれ検出する。ECU100は、検出したこれらの情報に基づいて、吸気バルブ33、排気バルブ34、点火プラグ35、燃料噴射弁36、スロットルバルブ70等を制御することで、内燃機関10の動作全体を制御する。

0037

A−2.動作:
図2図5を参照して、第1の実施例に係る内燃機関10の動作について説明する。図2は、本実施例に係る内燃機関10の運転条件運転方式(燃焼方式)との対応関係の一例を示すマップである。図3は、本実施例に係る内燃機関10の圧縮自着火運転時において、クランク角に対して吸気バルブ33および排気バルブ34を開閉させるタイミングを模式的に示した説明図である。図3中、E.O.は排気バルブ34が開弁されるタイミングを、E.C.は排気バルブ34が閉弁されるタイミングを示す。また、図3中、I.O.は吸気バルブ33が開弁されるタイミングを、I.C.は吸気バルブ33が閉弁されるタイミングを示す。図4および図5は、本実施例に係る内燃機関10の圧縮自着火運転時における動作の概要を説明する説明図である。図4において、(a)〜(e)で示される期間における内燃機関10の動作が、図5(a)〜(e)にそれぞれ概念的に示されている。図中でTDCとは、ピストン24が上死点の位置となるタイミングを示し、BDCとは、ピストン24が下死点の位置となるタイミングを示している。

0038

本実施例に係る内燃機関10は、低負荷から中負荷に亘る所定の運転領域においては、4サイクル予混合圧縮自着火燃焼方式によって運転され、それ以外の運転領域においては、4サイクル予混合火花点火燃焼方式によって運転される。

0039

ECU100は、図2に示すようなマップを記憶しており、検出したエンジン回転速度Ne、アクセル開度θac(要求負荷)に基づいて、マップを参照して燃焼方式を決定する。ECU100は、吸気バルブ33、排気バルブ34、スロットルバルブ70、点火プラグ35、燃料噴射弁36を適切に制御し、決定した燃焼方式によって内燃機関10を運転する。

0040

4サイクル予混合火花点火燃焼方式は、現在主流となっている燃焼方式であり、周知であるので説明を省略する。

0041

4サイクル予混合圧縮自着火燃焼方式によって運転されている場合における内燃機関10の動作について説明する。説明の都合上、クランク角が圧縮上死点付近にあるタイミングで、燃焼室15内の混合気を圧縮自着火により燃焼させた状態から説明する。

0042

混合気が燃焼すると、燃焼室15内には高圧の燃焼ガスが発生し、ピストン24に対してピストン24を押し下げる力が作用する。膨張行程では、ピストン24が降下することによって、燃焼室15内で発生した圧力がトルクに変換され、コネクティングロッド26を介して、クランクシャフト28から動力として出力される。

0043

ピストン24が下死点まで降下する前の適切なタイミングで排気バルブ34が開かれ、排気行程に移る(図3および図4において、EX1で示される期間)。その後、ピストン24は、下死点に達して上昇に転じ、燃焼室15内の燃焼ガスを排気ポート32へ押し出すように排気していく。

0044

ピストン24が吸気上死点に達する前の所定のタイミングで排気バルブ34が閉じられ、排気行程が終了する。そして、この時点で排気されていない燃焼ガスは燃焼室15内に閉じこめられる。排気バルブ34が閉じられた後、ピストン24は、吸気上死点に達して、降下に転じる。この時、図5(a)に示すように、排気バルブ34および吸気バルブ33は、共に閉じられている。本明細書では、排気行程後に排気バルブ34および吸気バルブ33が共に閉じられている期間を負のオーバーラップ期間という(図3および図4において、OLで示される期間。)。また、負のオーバーラップ期間中に燃焼室15内に閉じこめられている燃焼ガスを残留燃焼ガスという。

0045

ここで、燃焼ガスを燃焼室15内に閉じこめるのは、次サイクルの混合気に、残留燃焼ガスを混合させることによって、混合気を圧縮自着火させやすくするためである。圧縮自着火を生じさせるためには、ピストン24が圧縮上死点付近にある時の混合気の温度(以下、圧縮端温度という。)が、所定温度以上に達する必要がある。燃焼室15内に閉じ込められた燃焼ガス(残留燃焼ガス)は、燃焼中に発生した中間生成物(いわゆるラジカル)を含む高温ガスであり、高い熱エネルギーを有している。そこで、高い熱エネルギーを有する燃焼ガスを混合気に混合することで、混合気の圧縮端温度を高めて、自着火を生じやすくすることができる。言い換えれば、内燃機関10は、圧縮自着火運転時には、負のオーバーラップ期間を設けることによって、自着火運転を実現している。

0046

負のオーバーラップ期間後、吸気バルブ33が開かれ、吸気が開始されるが、本実施例に係る内燃機関10では、吸気バルブ33が開かれる直前に、排気バルブ34が開かれる。なお、吸気バルブ33が開かれるタイミングは、吸気バルブ33が開かれる直前に排気バルブ34が開かれた時点で、燃焼室15内の圧力が、排気ポート32内の圧力より高くなるように設定されている。例えば、負のオーバーラップ期間中における熱損失が、考慮を要しない程小さい場合には、図3に示すように、吸気上死点から排気バルブ34を開くタイミング(負のオーバーラップ期間OLが終了するタイミング)までのクランク角度θ2が、排気行程において排気バルブ34が閉じられるタイミング(負のオーバーラップ期間OLが始まるタイミング)から上死点までのクランク角度θ1より、小さくなるように設定すれば良い。

0047

このようなタイミングでは、燃焼室15内と排気ポート32内との圧力差により、排気バルブ34が開かれると、図5(b)に示すように、残留燃焼ガスの一部が、燃焼室15内から排気ポート32へと排出され、燃焼室15内に、排気ポート32方向への流れFeが形成される。

0048

続いて、図5(c)に示すように、吸気バルブ33が開かれて吸気行程が開始され、空気が吸気ポート31から燃焼室15内へ流入する。この時、吸気ポート31から燃焼室15内への流れFiは、上述した排気ポート32方向への流れFeに引かれ、流速がより高められる。そして、流れFiと流れFeとによって、吸気バルブ33から流入して、燃焼室15内を巡って排気バルブ34に至る流れ(以下、主流という。)が形成される。例えば、吸気バルブ33から流入する空気が、燃焼室15の下方に向かって主に流入するように、吸気バルブ33、燃焼室15、吸気ポート31の形状等を構成すれば、図5(d)に示す主流Fmのように、吸気バルブ33から流入して、シリンダ22の中心軸と垂直な軸周りに燃焼室内を循環して、排気バルブ34付近に至る流れ(いわゆるタンブル流)が形成される。

0049

その後、排気バルブ34は閉じられるが、形成された主流Fmは、図5(d)に示すように15内に残り、燃焼室15内の混合気を撹拌する。排気バルブ34が閉じられるタイミング(排気バルブ開弁期間EX2が終了するタイミング)は、自着火に必要な残留燃焼ガスを排出し過ぎることなく、かつ、ピストン24の降下に伴って、一旦、排出された残留燃焼ガスが排気ポート32から燃焼室15内へと逆流して、吸入空気の流入や主流Fmの形成を妨げないように設定される。

0050

図5(d)に示すように、排気バルブ34が閉じられた後、燃料噴射弁36によって霧状の燃料ガスが、燃焼室15内に噴射される。この時、燃焼室15内には主流Fmが形成されているので、主流Fmによって、残留燃焼ガス、吸入空気、燃料は、撹拌される。

0051

ピストン24が、下死点に達し上昇に転じた後、図5(e)に示すように、吸気バルブ33が閉じられ、圧縮行程に移る。圧縮行程において、燃焼室15内に形成された混合気は、断熱圧縮され、ピストン24が圧縮上死点付近にある所定のタイミングで、自着火する。

0052

ここで、自着火運転される低負荷から中負荷に亘る所定の負荷範囲における低負荷運転時と、中負荷運転時との吸気バルブ33および排気バルブ34の開閉タイミングの違いについて説明する。図3(a)は、低負荷時、図3(b)は中負荷時における吸気バルブ33および排気バルブ34の開閉タイミングを模式的に示している。内燃機関においては、要求負荷に応じて適切な燃焼エネルギーが得られるように、要求負荷が増大するに連れて必要な燃料噴射量は増大する。そして、要求負荷に基づいて決定された燃料噴射量に応じて、混合気が適切な空燃比となるよう吸入空気量が決定される。したがって、低負荷時は、必要な燃料噴射量が中負荷時より少なくなり、それに伴って、必要な吸入空気量も中負荷時より少なくなる。一方で、低負荷時は、機関燃焼温度が低いため、残留燃焼ガスの熱エネルギーも低くなり、圧縮自着火のために必要な残留燃焼ガス量は中負荷時より多くなる。

0053

このため、低負荷時においては、中負荷時と比較して、残留燃焼ガス量が多くなり、かつ、吸入空気量が少なくなるように、負のオーバーラップ期間OLが長く、吸気バルブ開弁期間INおよび排気バルブ開弁期間EX1が短くなるように設定されている。すなわち、図3(a)、(b)に示すように、排気行程において排気バルブ34を閉じるタイミングは、低負荷時の方が、中負荷時より早く設定され、吸気行程において吸気バルブ33を開けるタイミングは、低負荷時の方が、中負荷時より遅く設定される。

0054

一方で、上述したように、吸気バルブ開弁期間INの開始直前のタイミングで、かつ、図3に示すクランク角度θ2が、クランク角度θ1より小さくなるタイミングから、吸気バルブ開弁期間IN中までの所定期間に亘って、排気バルブ開弁期間EX2が設定されている点は、中負荷時においても、低負荷時においても同様である。

0055

以上のように構成された本実施例に係る内燃機関10によれば、負のオーバーラップ期間中に燃焼室15内の気流の流れが少なくなるが、吸気バルブ33が開弁された時には、排気バルブ34が直前に開弁されており、燃焼室15内から排気バルブ34方向への流れFeが形成されている。このため、吸入空気の燃焼室15内への流れFiの流速は、より早くなる。さらに、流れFiと流れFeとにより、燃焼室15内に主流Fmが形成される。この結果、燃焼室15内の混合気は、形成された主流Fmによって撹拌され、残留燃焼ガス、吸入空気、および、その後に燃焼室15内に噴射される燃料間のミキシングが改善される。

0056

また、負のオーバーラップ期間を設けて、混合気に高温の残留燃焼ガスを混合しているため、混合気の圧縮端温度を高めることができる。

0057

したがって、内燃機関10は、圧縮自着火運転時において、安定した自着火を実現することができる。

0058

B.第2の実施例:
図6を参照して、本発明の第2の実施例に係る内燃機関の構成について説明する。図6は、第2の実施例に係る内燃機関10の燃焼室15の周辺構造を示す説明図である。図6(a)は燃焼室の断面構造を概念的に示した説明図である。図6(b)は、図6(a)におけるA−A断面を、シリンダヘッド30側から見た上面図である。図6(b)では、図を見やすくするため、シリンダ22内面実線で、燃料噴射弁36、吸気バルブ(33a、33b)、排気バルブ(34a、34b)、吸気ポート(31a、31b)、排気ポート(32a、32b)を細い破線で表示し、他の構成については、その表示を省略している。

0059

第2の実施例に係る内燃機関の概略構成は、図1に示した第1の実施例に係る内燃機関10と全く同一であるため、概略構成の説明を省略し、以下の説明では、同一の符号を用いる。第2の実施例に係る内燃機関10では、複数個備えられた吸気バルブ(33a、33b)および排気バルブ(34a、34b)について、それぞれ異なる制御をすることから、吸気バルブおよび排気バルブの構成についてのみ詳しく説明する。

0060

図6(b)に示すように、第2の実施例に係る内燃機関10は、2つの吸気バルブ33a、33bと、2つの排気バルブ34a、34bとを備えている。このうち、吸気バルブ33aと排気バルブ34bは、それぞれの中心ICおよびECが、燃焼室15の内径中心点BCを通る同一直線CL上に位置するように配置されている。

0061

ここで、燃焼室15の内径中心点とは、燃焼室15を、図6(a)におけるA−A断面のように、ピストンの摺動方向を法線とする平面で切断した切断面(例えば図6(b))に現れる円の中心を通り、ピストンの摺動方向と平行な線(図6(a)においてBLで示されている。)上の点をいうものとする。また、内径中心点BCを通る同一直線CL上に配置されているとは、厳密に点IC、BC、ECが一直線上に並んでいることを意味する訳ではなく、吸気バルブ33aから燃焼室15内に流入して、排気バルブ34bから排出される空気が燃焼室の内径中心部を通るように、吸気バルブ33aと排気バルブ34bと内径中心点BCとが概ね一直線上に並んでいればよい。

0062

図7および図8を参照して、第2の実施例に係る内燃機関10の動作について説明する。図7は、本実施例に係る内燃機関10の圧縮自着火運転時において、クランク角に対して吸気バルブ(33a、33b)および排気バルブ(34a、34b)を開閉させるタイミングを模式的に示した説明図である。図8は、本実施例に係る内燃機関10の圧縮自着火運転時における動作を側面図(1)および上面図(2)により概念的に示した説明図である。説明の便宜のため、図8の側面図において、直線CL上に並んでいる吸気バルブ33aおよび排気バルブ34bのみを図示し、吸気バルブ33b、排気バルブ34aは省略している。図8(A)、(B)、(C)は、図7において、(A)、(B)、(C)で示される期間における動作をそれぞれ示している。

0063

第2の実施例に係る内燃機関10は、低負荷から中負荷に亘る所定の運転領域においては、4サイクル予混合圧縮自着火燃焼方式によって運転され、それ以外の運転領域においては、4サイクル予混合火花点火燃焼方式によって運転される。この点については、第1の実施例と共通である。

0064

自着火運転時における動作についても、基本的な部分は、第1の実施例と共通である。すなわち、第2の実施例に係る内燃機関10においても、図7に示すように、第1の実施例と同じタイミングで、排気行程における排気バルブ開弁期間EX1、吸気行程における吸気バルブ開弁期間IN、排気バルブ開弁期間EX1と吸気バルブ開弁期間INとの間にある負のオーバーラップ期間OL、そして、吸気バルブ開弁期間INの開始直前から所定期間に亘る排気バルブ開弁期間EX2が設定されている。さらに、吸気バルブ開弁期間IN中に燃料噴射弁36から、燃料が燃焼室15内に噴射される。

0065

ただし、第2の実施例に係る内燃機関10においては、図7に示すように、排気バルブ開弁期間EX1では、2つの排気バルブ34aおよび34bが共に開弁されるのに対して、排気バルブ開弁期間EX2では、排気バルブ34aは閉じられており、排気バルブ34bのみが開弁される。さらに、吸気バルブ開弁期間INでは、吸気バルブ33aが開始時期に開弁され、もう一つの吸気バルブ33bは、所定期間遅れて開弁される。

0066

すなわち、図8(A)に示すように、負のオーバーラップ期間後、先ず、排気バルブ34bのみが開かれ、燃焼室15内に、排気ポート32b方向への流れFeが形成される。その直後に、図8(B)に示すように、吸気バルブ33aが開かれて吸気が開始され、空気が吸気ポート31aから燃焼室15内へ流入する。この時、吸気ポート31aから燃焼室15内への流れFiは、流れFeに引かれて、内径中心部方向へと流れる。そして、流れFiと流れFeとによって、燃焼室15内に、内径中心部を通る主流Fmが形成される。

0067

そして、その後、図8(C)に示すように、もう一つの吸気バルブ33bが開かれ、吸気ポート31bから燃焼室15内に流入した吸入空気は、燃料噴射弁36から噴射される燃料と同様に、主流Fmによって撹拌されることになる。図7に示す例においては、吸気バルブ33bが開かれるタイミングは、排気バルブ34bが閉じられるタイミングと同時に設定されているが、必ずしも同時である必要はない。

0068

以上説明したように、第2の実施例に係る内燃機関によれば、第1の実施例に係る内燃機関と同様の効果に加えて、以下のような効果を有する。

0069

本実施例に係る内燃機関において、流れFeと流れFiは、燃焼室15の内径中心点BCを通る同一直線CL上に配置された排気バルブ34bと吸気バルブ33aとによって、それぞれ形成される。この結果、流れFeと流れFiとによって、主流Fmは、内径中心部を通るように形成される。したがって、混合気における残留燃焼ガス、吸入空気、燃料間のミキシングがより改善される。

0070

また、流れFeを形成するために開弁される排気バルブが、1つの排気バルブ34bに限定されるため、流れFeの流速を高めることができる。さらに、流れFiを形成するために開弁される吸気バルブが1つの吸気バルブ33aに限定されるため、流れFiの流速を高めることができる。この結果、流れFeと流れFiとによって形成される主流Fmの流速が、より高められる。したがって、混合気における残留燃焼ガス、吸入空気、燃料間のミキシングがより改善される。

0071

この結果、内燃機関10は、圧縮自着火運転時において、より安定した自着火を実現することができる。

0072

C.変形例:
上記実施例では、内燃機関10は、低負荷から中負荷に亘る所定の圧縮自着火運転領域の全域において、排気バルブ開弁期間EX2を設定してミキシングを改善しているが、圧縮自着火運転領域のうち一部の領域のみにおいて、係る制御を行っても良い。例えば、燃料量および吸入空気量が共に多く、ミキシングがより悪い中負荷域のみにおいて、排気バルブ開弁期間EX2を設定しても良い。

0073

上記実施例では、吸気バルブ33および排気バルブ34を電動アクチュエータ37、38によってそれぞれ駆動しているが、吸排気バルブ駆動方式は、任意のタイミングで駆動できる方式であればよい。例えば、吸気バルブ33および排気バルブ34を油圧を用いて駆動しても良い。

0074

上記実施例では、内燃機関10は排気式過給器40を備えているが、過給器を備えない自然吸気式の内燃機関であってもよい。また、機械式過給器を備える内燃機関であってもよい。

0075

上記実施例では、内燃機関10は、火花点火運転と圧縮自着火運転とを切換可能な内燃機関であるが、少なくとも一部の運転領域において4サイクル圧縮自着火運転を行う内燃機関であれば良い。例えば、4サイクル運転と2サイクル運転に切換可能な可変サイクルエンジンであっても良い。

0076

以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。

図面の簡単な説明

0077

第1の実施例に係る内燃機関の概略構成を示す説明図である。
第1の実施例に係る内燃機関10の運転条件と運転方式(燃焼方式)との対応関係の一例を示すマップである。
第1の実施例に係る内燃機関10の圧縮自着火運転時において、クランク角に対して吸気バルブ33および排気バルブ34を開閉させるタイミングを模式的に示した説明図である。
第1の実施例に係る内燃機関10の圧縮自着火運転時における動作の概要を説明する第1の説明図である。
第1の実施例に係る内燃機関10の圧縮自着火運転時における動作の概要を説明する第2の説明図である。
第2の実施例に係る内燃機関10の燃焼室15の周辺構造を示す説明図である。
第2の実施例に係る内燃機関10の圧縮自着火運転時において、クランク角に対して吸気バルブ(33a、33b)および排気バルブ(34a、34b)を開閉させるタイミングを模式的に示した説明図である。
第2の実施例に係る内燃機関10の圧縮自着火運転時における動作を側面図および上面図により概念的に示した説明図である。

符号の説明

0078

10…内燃機関
12…吸気管
13…吸気通路
15…燃焼室
16…排気管
17…排気通路
20…シリンダブロック
22…シリンダ
24…ピストン
26…コネクティングロッド
28…クランクシャフト
30…シリンダヘッド
31、31a、31b…吸気ポート
32、32a、32b…排気ポート
33、33a、33b…吸気バルブ
34、34a、34b…排気バルブ
35…点火プラグ
36…燃料噴射弁
37、38…電動アクチュエータ
40…排気式過給器
42…タービン
44…コンプレッサ
50…触媒装置
60…サージタンク
62…インタクーラ
64…エアクリーナ
70…スロットルバルブ
72…電動アクチュエータ
100…ECU
102…クランク角センサ
104…アクセル開度センサ
EX1…第1の排気バルブ開弁期間
EX2…第2の排気バルブ開弁期間
IN…吸気バルブ開弁期間
OL…負のオーバーラップ期間

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ