CN114941592A - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内燃机，能够为了提高燃料消耗率性能而积极地导入内部EGR，并且能够为了实现行驶而同时导入内部EGR和新鲜空气。内燃机1具备可变相位机构(进气S‑VT23、排气S‑VT24)。进气凸轮山形成为使开阀期间为210度以上330度CA以下，排气凸轮山形成为，在最大的重叠期间中，从进气门21的开阀时间(CAIVO)到重叠期间的中央时间(CAcenter)为止的曲轴角度的函数、即排气门22的有效气门升程量(Lift(CA))、阀座的内周的长度(L_ex)以及每一气缸的行程容积(V)满足下式。[数式1]
Figure DDA0003358470960000011
。

Description

内燃机
技术领域
本发明涉及一种内燃机，在重叠期间中将燃烧废气导入缸内。
背景技术
在汽车用的内燃机的开发中，每天都在进行用于兼顾燃料消耗率提高与行驶的研究。
例如，在专利文献1中公开了如下的所谓SPCCI(SPark Controlled CompressionIgnition)燃烧的技术：在对燃烧室内的混合气进行点火而使其进行火焰传播燃烧(SparkIgnition：SI燃烧)之后，未燃混合气进行压缩自燃(Compression Ignition：CI燃烧)。该SPCCI燃烧技术是如下的燃烧技术：通过精密地控制燃烧室内的新鲜空气与燃烧废气的比例、燃料喷射时间、喷射量、点火时间等，由此调整SI燃烧与CI燃烧的比例，且控制CI燃烧的着火时间来提高热效率。
专利文献1：国际公开第2018/096745号
为了进一步提高燃料消耗率，有益的是：将在燃烧室中燃烧过的燃烧废气即EGR再次导入到气缸内来提高比热比，并提高热效率。该EGR大体上分为从排气通路在热交换器中流通而向进气通路再循环的外部EGR、以及设置使排气门与进气门均开阀的重叠期间而向气缸中再循环的内部EGR。
根据专利文献1，根据负载来改变内部EGR与外部EGR的比例。更详细来说，在低负载时仅使内部EGR循环，随着负载变高而减少内部EGR量并增加外部EGR量，在负载更高时通过机械式增压器进行增压，导入所要求的外部EGR和新鲜空气的双方。
但是，机械式增压器利用内燃机的动力来驱动，内燃机驱动车辆的能量的一部分被机械式增压器使用，因此燃料消耗率存在恶化与驱动机械式增压器相对应的量的倾向。因而，期望通过能够不使用上述那样的机械式增压器而导入的内部EGR来提高比热比。
为了大量地导入内部EGR，可以考虑增长排气门与进气门均开阀的重叠期间，或者，为了积极地将燃烧废气从独立排气通路向独立进气通路吹回，可以考虑降低进气通路压力。
在要求新鲜空气量较少的情况下，如果增长重叠期间，则能够确保所需要的新鲜空气量与内部EGR气体量。但是，当为了实现行驶而要求新鲜空气量增加时，需要打开节气门。当打开节气门时，进气通路压力变高，因此变得无法确保所需要的内部EGR。需要实现在进气通路压力较高的状态下能够同时导入内部EGR与新鲜空气的进气门及排气门的升程特性。
发明内容
本申请鉴于上述情况而提供一种内燃机，能够积极地导入内部EGR来提高燃料消耗率，并且为了实现行驶而同时导入内部EGR与新鲜空气。
本申请的发明人为了确保内部EGR与进气量的双方而进行了深刻研究，结果发现了进气门及排气门的升程特性存在最佳的设计值。
因此，为了解决上述课题，本发明的内燃机具备：多个气缸；设置于各气缸的进气门及排气门；独立进气通路，其下游端经由上述进气门与上述多个气缸分别连通；以及独立排气通路，其上游端经由上述排气门与上述多个气缸分别连通。
上述内燃机还具备：进气凸轮轴，具有使上述进气门以一定的升程特性往复动作的进气凸轮山，且与上述进气门机械地连接；排气凸轮轴，具有使上述排气门以一定的升程特性往复动作的排气凸轮山，且与上述排气门机械地连接；以及可变相位机构，分别变更上述进气凸轮轴以及上述排气凸轮轴相对于曲轴的旋转相位，以便能够进行上述进气门与上述排气门均开阀的重叠，上述进气凸轮山形成为，从开阀时间到闭阀时间为止的进气门的开阀期间按照曲轴角度成为210度以上330度以下，上述排气凸轮山形成为，在通过上述可变相位机构使上述进气凸轮轴的旋转相位成为最大提前角且使上述排气凸轮轴的旋转相位成为最大滞后角的状态下的重叠期间中，从上述进气门的开阀时间(CAIVO)到上述重叠期间的中央时间(CAcenter)为止的排气门升程量的函数、即上述排气门的有效气门升程量(Lift(CA))、上述排气门在闭阀时接触的阀座的内周的长度(L_ex)、以及每一气缸的行程容积(V)满足下式。
[数式1]
Figure BDA0003358470940000031
在排气门开阀的排气行程中，从进气门开阀时起，由于独立排气通路与独立进气通路之间的压力差，独立排气通路的燃烧废气被吹回到独立进气通路。被吹回到该独立进气通路的燃烧废气，在进气行程中由于活塞下降而被吸入到气缸内，成为内部EGR。
因而，通过可变相位机构使进气门的旋转相位变更为最大程度提前的最大提前角、且使排气门的旋转相位变更为最大程度滞后的最大滞后角的状态下的重叠期间，成为最大的重叠期间，在该最大的重叠期间中，根据从上述进气门的开阀时间(CAIVO)到上述重叠期间的中央时间(CAcenter)的曲轴角度的函数、即上述排气门的有效气门升程量(Lift(CA))、上述排气门在闭阀时接触的阀座的内周的长度(L_ex)、以及每一气缸的行程容积(V)，通过下式(2)计算出的升程特性所涉及的参数S，能够代用为每单位行程容积的燃烧废气从独立排气通路向独立进气通路的吹回量。
[数式2]
Figure BDA0003358470940000032
根据本申请的发明人的研究，通过以参数S成为0.015以上的方式设定排气门的升程特性，由此能够确保足够的内部EGR量。
而且，通过将进气门的开阀期间设为210度以上330度以下的大开阀期间，由此能够确保每单位行程容积的内部EGR，并且在活塞从下止点上升的时间关闭进气门，因此还能够将新鲜空气大量地取入到气缸内。
作为一个实施方式，上述内燃机也可以为，还具备：燃料喷射装置，向上述气缸内喷射燃料；点火装置，对上述气缸内的燃料、空气以及EGR气体的混合气进行点火；以及控制器，与上述燃料喷射装置和上述点火装置电连接，通过发送电信号来控制上述燃料喷射装置和上述点火装置，上述控制器对上述点火装置和上述燃料喷射装置进行控制，以便在至少一部分运转区域中，通过对混合气进行点火来开始进行火焰传播燃烧，之后未燃混合气进行压缩自燃。
上述燃烧是所谓的SPCCI燃烧，通过大量地导入内部EGR，能够加快SPCCI燃烧的压缩自燃燃烧的燃烧速度，能够提高燃料消耗率。如果将内部EGR与新鲜空气的双方都大量地导入燃烧室内，则能够兼顾燃料消耗率的提高与行驶的实现。
作为一个实施方式也可以为，在上述内燃机中，由收纳在上述气缸内的活塞的冠面和气缸盖的下表面构成的燃烧室的压缩比ε为14.0<ε。
通过将燃烧室的压缩比ε设为14.0<ε的范围，能够在较大范围的运转区域中实现SPCCI燃烧。
作为一个实施方式也可以为，内燃机是自然进气发动机。
机械式增压器利用内燃机通过燃烧而产生的驱动力的一部分来驱动，因此内燃机的燃料消耗率恶化与驱动增压器相对应的量，但是通过设为自然进气发动机，由此变得不需要驱动增压器，因此能够抑制燃料消耗率恶化。此外，上述构成的内燃机即使不使用增压器，也能够将内部EGR与新鲜空气的双方大量地导入燃烧室内。
也可以为，上述内燃机是总排气量为2.9L以上的6缸发动机，且纵置配置于车辆。
通过设为2.9L以上的6缸发动机，由此在SPCCI燃烧中使用内部EGR来改善燃料消耗率，并且在曲轴旋转一圈时进行三次燃烧，因此与4缸发动机相比能够实现更高输出化。
发明的效果
上述内燃机能够为了提高燃料消耗率性能而积极地导入内部EGR，并且能够为了实现所期望的动力性能而同时导入内部EGR和新鲜空气。
附图说明
图1是例示内燃机的图。
图2的上图是例示内燃机的燃烧室的构造的平面图，下图是上图的II-II截面图。
图3是内燃机的框图。
图4是例示与内燃机的负载变化相对的、状态量的变化、气门正时的变化、燃料喷射正时、点火正时的变化、以及热释放率的变化的图。
图5是例示从排气行程到进气行程的气缸内的燃烧废气的流动的图。
图6是例示进气门及排气门的升程曲线的图。
图7是说明气门的有效开口面积的图。
图8是例示内部EGR率与排气门的升程特性参数之间的关系的图。
图9是例示排气门的升程特性参数与燃料消耗率之间的关系的图。
符号的说明
1：内燃机；10：ECU(控制器)；11：气缸；13：气缸盖；15：曲轴；17：燃烧室；21：进气门；22：排气门；25：火花塞(点火装置)；3：活塞；401：独立进气通路；501：独立排气通路；6：喷油器(燃料喷射装置)。
具体实施方式
以下，参照附图对内燃机的实施方式进行说明。此处说明的内燃机为例示。
图1是例示内燃机1的图。图2是例示内燃机1的燃烧室的构造的图。图1中的进气侧以及排气侧的位置与图2中的进气侧以及排气侧的位置互换。图3是表示与内燃机1的控制有关的构成的框图。
内燃机1具有气缸11。在气缸11中，反复进行进气行程、压缩行程、膨胀行程以及排气行程。内燃机1是四冲程发动机。内燃机1搭载于四轮的汽车。通过内燃机1运转而使汽车行驶。内燃机1的燃料在该构成例中为汽油。
(内燃机的构成)
内燃机1具备气缸体12以及气缸盖13。气缸体12形成有多个气缸11。内燃机1是多缸发动机。在图1中仅示出一个气缸11。
内燃机1例如是直列6缸发动机。内燃机1的总排气量例如为2.9升以上。内燃机1在发动机舱内通过所谓的纵置配置。2.9L以上的6缸发动机通过使用内部EGR气体来执行后述的SPCCI燃烧，能够改善燃料消耗率，并且在曲轴旋转一圈时进行3次燃烧，因此与4缸发动机相比能够实现更高输出化。另外，此处公开的技术并不限定于应用于具有2.9升以上的排气量的直列6缸发动机。
在各气缸11中内插有活塞3。活塞3经由连杆14与曲轴15连结。活塞3、气缸11以及气缸盖13形成燃烧室17。
以理论热效率的提高、后述的SPCCI燃烧的稳定化为目的，将内燃机1的几何压缩比设定得较高。具体而言，内燃机1的几何压缩比ε为14.0以上。如果内燃机1的几何压缩比为14.0<ε，则内燃机1能够在较大的运转区域中实现SPCCI燃烧。几何压缩比例如也可以为18。几何压缩比只要在14以上20以下的范围内适当设定即可。
在气缸盖13上针对每个气缸11形成有进气口18。进气口18与气缸11内连通。
在进气口18配设有进气门21。进气门21对进气口18进行开闭。进气门21是提升阀。气门传动机构具有进气凸轮轴，且与进气门21机械地连接。气门传动机构在规定的定时对进气门21进行开闭。气门传动机构也可以成为使气门正时以及/或者气门升程可变的可变气门传动机构。如图3所示，气门传动机构具有进气S-VT(Sequential-Valve Timing)23。进气S-VT23使进气凸轮轴相对于曲轴15的旋转相位在规定的角度范围内连续地变更。进气门21的开阀期间不变化。进气S-VT23为可变相位机构。进气S-VT23为电动式或者液压式。
在气缸盖13上针对每个气缸11形成有排气口19。排气口19与气缸11内连通。
在排气口19配设有排气门22。排气门22对排气口19进行开闭。排气门22是提升阀。气门传动机构具有排气凸轮轴，且与排气门22机械地连接。气门传动机构在规定的正时对排气门22进行开闭。气门传动机构也可以成为使气门正时以及/或者气门升程可变的可变气门传动机构。如图3所示，气门传动机构具有排气S-VT24。排气S-VT24使排气凸轮轴相对于曲轴15的旋转相位在规定的角度范围内连续地变更。排气门22的开阀期间不变化。排气S-VT24为可变相位机构。排气S-VT24为电动式或者液压式。
在气缸盖13上针对每个气缸11安装有喷油器6。如图2所示，喷油器6配设于气缸11的中央部。喷油器6向气缸11中直接喷射燃料。喷油器6是燃料喷射装置的一例。虽然省略详细的图示，但喷油器6是具有多个喷口的多喷口型。如图2中双点划线所示，喷油器6从气缸11的中央部朝向周边部以放射状扩展的方式喷射燃料。
喷油器6连接有燃料供给系统61。燃料供给系统61具备以贮存燃料的方式构成的燃料箱63、以及将燃料箱63与喷油器6相互连结的燃料供给路62。在燃料供给路62上设有燃料泵65和共轨64。燃料泵65向共轨64压送燃料。共轨64以较高的燃料压力贮存从燃料泵65压送的燃料。当喷油器6开阀时，贮存于共轨64的燃料被从喷油器6的喷口喷射到气缸11中。另外，燃料供给系统61的构成并不限定于上述构成。
在气缸盖13上针对每个气缸11安装有火花塞25。火花塞25对气缸11中的混合气强制地进行点火。火花塞25是点火装置的一例。
在内燃机1的一个侧面连接有进气通路40。进气通路40与各气缸11的进气口18连通。向气缸11导入的空气在进气通路40中流动。在进气通路40的上游端部配设有空气滤清器41。空气滤清器41对空气进行过滤。在进气通路40的下游端附近配设有稳压箱42。比稳压箱42靠下游的进气通路40构成向每个气缸11分支的独立进气通路401(参照图1)。独立进气通路401的各下游端与各气缸11的进气口18连接。作为6缸发动机的内燃机1具有6条独立进气通路401。
在进气通路40中的空气滤清器41与稳压箱42之间配设有节气门43。节气门43通过调节气门的开度来调节向气缸11中的空气的导入量。
该内燃机1是不具备增压器的自然进气发动机。例如，与具备利用内燃机1的动力来进行增压的机械式增压器的内燃机相比，自然进气发动机不需要驱动增压器，因此能够抑制燃料消耗率恶化。
在内燃机1的另一侧面连接有排气通路50。排气通路50与各气缸11的排气口19连通。排气通路50是供从气缸11排出的废气流动的通路。虽然省略详细的图示，但排气通路50的上游部分构成向每个气缸11分支的独立排气通路501(参照图1)。独立排气通路501的上游端与各气缸11的排气口19连接。作为6缸发动机的内燃机1具有6条独立排气通路501。
在排气通路50上配设有具有多个催化转换器的废气净化系统。上游的催化转换器例如具有三元催化剂511以及GPF(Gasoline Particulate Filter)512。下游的催化转换器具有三元催化剂513。另外，废气净化系统并不限定于图例的构成。例如，也可以省略GPF。此外，催化转换器并不限定于具有三元催化剂。并且，三元催化剂以及GPF的排列顺序也可以适当变更。
在进气通路40与排气通路50之间连接有EGR通路52。EGR通路52是用于使废气的一部分向进气通路40回流的通路。EGR通路52的上游端与排气通路50中的上游的催化转换器与下游的催化转换器之间的位置连接。EGR通路52的下游端与进气通路40中的节气门43与稳压箱42之间的位置连接。
在EGR通路52上配设有水冷式的EGR冷却器53。EGR冷却器53对废气进行冷却。在EGR通路52上还配设有EGR阀54。EGR阀54对在EGR通路52中流动的废气的流量进行调节。当EGR阀54的开度被调节时，外部EGR气体的回流量被调节。
如图3所示，内燃机1的控制装置具备用于使内燃机1运转的ECU(Engine ControlUnit)10。ECU10是以公知的微型计算机为基础的控制器，具备执行程序的中央运算处理装置(Central Processing Unit：CPU)101、例如由RAM(Random Access Memory)、ROM(ReadOnly Memory)构成而存储程序以及数据的存储器102、以及进行电信号的输入输出的I/F电路103。ECU10是控制器的一例。
如图1以及图3所示，ECU10连接有各种传感器SW1～SW9。传感器SW1～SW9将信号输出至ECU10。传感器包括以下的传感器。
空气流量传感器SW1：配置在进气通路40中的空气滤清器41的下游，且对在进气通路40中流动的空气的流量进行计测。
进气温度传感器SW2：配置在进气通路40中的空气滤清器41的下游，且对在进气通路40中流动的空气的温度进行计测。
进气压力传感器SW3：安装于稳压箱42，且对向气缸11导入的空气的压力进行计测。
缸内压力传感器SW4：与各气缸11对应地安装于气缸盖13，且对各气缸11内的压力进行计测。
水温传感器SW5：安装于内燃机1，且对冷却水的温度进行计测。
曲轴转角传感器SW6：安装于内燃机1，且对曲轴15的旋转角进行计测。
油门开度传感器SW7：安装于油门踏板机构，且对与油门踏板的操作量对应的油门开度进行计测。
进气凸轮角传感器SW8：安装于内燃机1，且对进气凸轮轴的旋转角进行计测。
排气凸轮角传感器SW9：安装于内燃机1，且对排气凸轮轴的旋转角进行计测。
ECU10基于这些传感器SW1～SW9的信号，判断内燃机1的运转状态，并且按照预先确定的控制逻辑，对各设备的控制量进行运算。控制逻辑存储于存储器102。控制逻辑包括使用存储器102所存储的映射对目标量以及/或者控制量进行运算。
ECU100将与进行了运算的控制量相关的电信号输出至喷油器6、火花塞25、进气S-VT23、排气S-VT24、燃料供给系统61、节气门43以及EGR阀54。
(内燃机的控制)
图4例示出与内燃机1的负载高低(即纵轴)相对的、气缸11内的状态量的变化、进气门21及排气门22的气门正时的变化、燃料的喷射正时及点火正时的变化、以及热释放率的变化。图4相当于内燃机1的转速恒定在规定转速的情况。规定转速相当于将内燃机1的转速范围三等分为低转速区域、中转速区域以及高转速区域这三个区域的情况下的低转速区域或者中转速区域的转速。
(低负载区域)
在内燃机1的运转状态处于低负载区域的情况下，内燃机1进行SI燃烧。换言之，将进行SI燃烧的负载相对低的区域称为低负载区域。SI燃烧是通过火花塞25对气缸11中的混合气进行点火而利用火焰传播使混合气燃烧的燃烧形式。
为了提高内燃机1的燃料消耗率性能，在内燃机1的运转状态处于低负载区域的情况下，内燃机1向气缸11中导入EGR气体。混合气的比热比变高，内燃机1的热效率提高。内燃机1的运转状态处于低负载区域的情况下的燃料消耗率性能提高。EGR率、即EGR气体相对于气缸11内的全部气体的比率被设定为40～50％左右。
内燃机1在运转状态处于低负载区域的情况下，将内部EGR气体导入气缸11中。通过设置隔着排气上止点使进气门21及排气门22均开阀的重叠期间，由此将内部EGR气体导入燃烧室17中。
此处，图5例示出设置了重叠期间的情况下从排气行程到进气行程的气缸11中的燃烧废气的流动。首先，如图5的S501所示，在排气行程中打开排气门22，由此气缸11中的燃烧废气向排气口19以及排气通路50排出(参照该图中的黑色箭头)。此时，进气门21关闭。
当内燃机1的循环接近排气上止点时，如S502所示，进气门21开阀。当进气门21开阀时，由于独立排气通路501侧的压力与独立进气通路401侧的压力之间的压力差，燃烧废气的一部分从独立排气通路501侧向独立进气通路401侧流动(参照该图中的黑色箭头)。即，在重叠期间中，燃烧废气的一部分从独立排气通路501侧向独立进气通路401侧流动。
之后，当内燃机1的循环超过排气上止点而活塞3开始下降并且排气门22闭阀时，如S503所示，从独立进气通路401以及进气口18向气缸11中导入新鲜空气以及燃烧废气(参照该图中的白色箭头以及黑色箭头)。内部EGR气体被导入气缸11中。
通过调整重叠期间的长度来调整导入气缸11中的内部EGR气体量。通过利用进气S-VT23来调整进气凸轮轴的旋转相位以及利用排气S-VT24来调整排气凸轮轴的旋转相位，由此调整重叠期间。此外，通过调整重叠期间，向气缸11中导入的新鲜空气量也发生变化。
返回到图4，喷油器6例如在进气行程中向气缸11中喷射燃料。在气缸11中形成由新鲜空气、燃料以及EGR气体构成的均质的混合气。在压缩上止点之前的规定正时，火花塞25对混合气进行点火。混合气不会达到自燃，而通过火焰传播来进行燃烧。
(中负载区域)
在内燃机1的运转状态处于中负载区域的情况下，内燃机1进行SPCCI燃烧。换言之，将进行SPCCI燃烧的区域称为中负载区域。SPCCI燃烧是SI燃烧与CI燃烧(或者自燃(Auto Ignition)燃烧)组合而成的燃烧形式。SPCCI燃烧是如下的燃烧形式：火花塞25强制地对气缸11中的混合气进行点火，由此混合气通过火焰传播进行燃烧，并且气缸11中的温度由于SI燃烧的发热而变高，由此未燃混合气通过自燃进行燃烧。通过调整SI燃烧的发热量，能够吸收压缩开始前的气缸11中的温度偏差。即使压缩开始前的气缸11中的温度发生偏差，例如只要通过调整点火正时来调整SI燃烧的开始正时，就能够使未燃混合气在目标正时进行自燃。
在SPCCI燃烧中，为了高精度地控制自燃的正时，内燃机1向气缸11中导入EGR气体。EGR率最大被设定为40～50％左右。通过向气缸11中导入EGR气体，由此混合气的比热比变高，也有利于燃料消耗率性能的提高。此外，当将EGR气体导入气缸11中时，SPCCI燃烧的压缩自燃燃烧的燃烧速度变快。这也有利于燃料消耗率性能的提高。
内燃机1在运转状态处于中负载区域的情况下，将内部EGR气体导入气缸11中。通过设置隔着排气上止点使进气门21及排气门22均开阀的重叠期间，由此将内部EGR气体导入燃烧室17中。进气凸轮轴的旋转相位以及排气凸轮轴的旋转相位，分别根据内燃机1的负载而适当变更。
内燃机1随着负载变高，减少内部EGR气体，增加外部EGR气体。重叠期间变短，而EGR阀54的开度变大。通过调整内部EGR气体与外部EGR气体的比例，来调整气缸11中的温度。
在内燃机1的运转状态处于中负载区域的情况下，喷油器6分为前段喷射与后段喷射这两次来向燃烧室17中喷射燃料。前段喷射在远离点火正时的正时喷射燃料，后段喷射在接近点火正时的正时喷射燃料。也可以为，例如在从进气行程到压缩行程的前半部分的期间内进行前段喷射，例如在从压缩行程的后半部分到膨胀行程的前半部分的期间内进行后段喷射。压缩行程的前半部分以及后半部分，只要分别设为将压缩行程按照曲轴角度进行两等分时的前半部分以及后半部分即可。膨胀行程的前半部分只要设为将膨胀行程按照曲轴角度进行两等分时的前半部分即可。
在压缩上止点之前的规定正时，火花塞25对混合气进行点火。混合气通过火焰传播进行燃烧。之后，未燃混合气在目标正时进行自燃而进行CI燃烧。通过后段喷射而喷射的燃料主要进行SI燃烧。通过前段喷射而喷射的燃料主要进行CI燃烧。由于在压缩行程中进行前段喷射，因此能够防止诱发通过前段喷射而喷射的燃料提前燃烧等异常燃烧。此外，通过后段喷射而喷射的燃料能够稳定地通过火焰传播进行燃烧。
(高负载区域)
在内燃机1的运转状态处于高负载区域的情况下，内燃机1进行SI燃烧。这是为了优先避免燃烧噪声。将进行SI燃烧的负载相对高的区域称为高负载区域。
内燃机1将外部EGR气体导入气缸11中。当内燃机1的负载变高时，EGR率变小。对应于EGR气体量的减少，向气缸11中导入的新鲜空气的量增加，因此能够增加燃料量。有利于提高内燃机1的最高输出。
内燃机1在运转状态处于高负载区域的情况下，喷油器6在从压缩行程后期到膨胀行程初期的期间内的正时，向气缸11中喷射燃料。当使燃料的喷射正时延迟时，气缸11中混合气的反应时间变短，因此能够避免异常燃烧。
火花塞25在燃料喷射后、且是压缩上止点附近的正时，对混合气进行点火。混合气进行SI燃烧。
(进气门及排气门的升程特性)
如上所述，内燃机1在负载较低的情况下，将内部EGR气体导入气缸11中，实现燃料消耗率性能的提高。为了将内部EGR大量地导入气缸11中，只要增长排气门22与进气门21均开阀的重叠期间即可。如果将排气凸轮轴的旋转相位设为最大滞后角且将进气凸轮轴的旋转相位设为最大提前角，则重叠期间变长，因此向气缸11中导入的内部EGR气体增加。
另一方面，如果内燃机1的负载变高，则要求新鲜空气量也增加，因此必须将内部EGR气体与新鲜空气的双方大量地导入气缸11中。但是，当随着要求新鲜空气量的增大而节气门43的开度变大时，独立进气通路401的压力变高，因此独立排气通路501侧与独立进气通路401侧的压力差变小。不利于在重叠期间中将燃烧废气从独立排气通路501侧向独立进气通路401侧吹回。该内燃机1是自然进气发动机，因此也无法利用增压压力将新鲜空气导入气缸11中。
因此，该内燃机1通过对进气门21及排气门22的升程特性进行研究，由此即使在自然进气发动机中，也能够将内部EGR气体与新鲜空气的双方大量地导入气缸11中。
图6例示出进气门21及排气门22的升程曲线。首先，作为进气门21的升程特性而构成为，从进气门21的开阀时间到闭阀时间为止的开阀期间成为大开阀期间。具体而言，进气凸轮轴的进气凸轮山构成为，进气门21的开阀期间按照曲轴转角成为210度以上330度以下。在图6中实线所示的实施例中，进气门21的开阀期间按照曲轴转角为270度。在虚线所示的现有例中，进气门的开阀期间比实施例短。当进气门21的开阀期间较长时，即使将进气凸轮轴的旋转相位设为最大提前角，也能够将进气门21的闭阀时间设为进气下止点以后且是进气下止点附近。另外，图6表示将进气凸轮轴的旋转相位设为最大提前角的情况下的进气门21的开阀时间以及闭阀时间。进气门21的闭阀时间成为适当的时间，因此能够向气缸11中导入大量的新鲜空气。
此外，当进气门21的开阀期间较长时，能够在排气行程中使将进气凸轮轴的旋转相位提前的情况下的进气门21的开阀时间提前。这有利于将内部EGR气体较多地导入气缸11中。在图6中虚线所示的现有例中，开阀时间相对较迟。
如实线所示，实施例的排气门22的升程特性被设定为，在重叠期间的前半部分升程量变大。另外，虚线为现有例。此处，作为表示排气门22的升程特性的参数，使用以下的式(3)所示的参数S[CA/mm]。
[数式3]
Figure BDA0003358470940000131
此处，CAIVO是进气门21的开阀时间，CAcenter是重叠期间的中央时间。此外，如图7所示，L_ex是由杆221和伞部222构成的排气门22的伞部222在闭阀时接触的阀座13a的内周长度。Lift(CA)是排气门22的有效气门升程量。有效气门升程量是从阀座13a到排气门22的伞部222为止的距离，有效气门升程量是曲轴角度的函数。V是每一气缸的行程容积。
本申请发明人调查了参数S与内部EGR率之间的关系。图8例示出参数S与内部EGR率之间的关系。内部EGR率是内部EGR气体相对于气缸11内的全部气体的比率。参数S是通过将排气凸轮轴的旋转相位设为最大滞后角且将进气凸轮轴的旋转相位设为最大提前角而使重叠期间成为最大的条件下的值。
根据该图，参数S与内部EGR率之间具有相关性，当参数S较大时，内部EGR率变大。如上所述，如果想要实现40～50％的内部EGR率，则需要使参数S为0.015[CA/mm]以上。现有例无法实现0～50％的内部EGR率。实施例的排气凸轮山构成为满足以下的算式。
[数式4]
Figure BDA0003358470940000141
具有上述构成的排气门22的升程特性的内燃机1能够确保足够的内部EGR量。
因而，将进气门21的开阀期间被设定为大开阀期间以及排气门22的升程特性的参数S被设定为0.015以上进行组合，该内燃机1能够实现负载较低的情况下的燃料消耗率性能的提高以及负载变高的情况下的燃料消耗率性能与行驶性能的兼顾。
图9例示出参数S与内燃机1的燃料消耗率之间的关系。根据该图可知，如果参数S变大，则燃料消耗率变得良好。与现有例的内燃机相比较，实施例的内燃机1的燃料消耗率性能提高。
另外，此处公开的技术并不限定于应用于上述构成的内燃机1。此处公开的技术能够应用于各种构成的内燃机1。

Claims (5)

1.一种内燃机，具备：多个气缸；进气门及排气门，设置于各气缸；独立进气通路，其下游端经由上述进气门与上述多个气缸分别连通；以及独立排气通路，其上游端经由上述排气门与上述多个气缸分别连通，上述内燃机具备：
进气凸轮轴，具有使上述进气门以一定的升程特性往复动作的进气凸轮山，且与上述进气门机械地连接；
排气凸轮轴，具有使上述排气门以一定的升程特性往复动作的排气凸轮山，且与上述排气门机械地连接；以及
可变相位机构，分别变更上述进气凸轮轴以及上述排气凸轮轴相对于曲轴的旋转相位，以便能够进行上述进气门与上述排气门均开阀的重叠，
上述进气凸轮山形成为，从开阀时间到闭阀时间为止的进气门的开阀期间按照曲轴角度成为210度以上330度以下，
上述排气凸轮山形成为，在通过上述可变相位机构使上述进气凸轮轴的旋转相位成为最大提前角且使上述排气凸轮轴的旋转相位成为最大滞后角的状态下的重叠期间中，从上述进气门的开阀时间(CAIVO)到上述重叠期间的中央时间(CAcenter)为止的曲轴角度的函数、即上述排气门的有效气门升程量(Lift(CA))、上述排气门在闭阀时接触的阀座的内周的长度(L_ex)以及每一气缸的行程容积(V)满足下式，
[数式1]
Figure FDA0003358470930000011
2.根据权利要求1所述的内燃机，还具备：
燃料喷射装置，向上述气缸内喷射燃料；
点火装置，对上述气缸内的燃料、空气以及EGR气体的混合气进行点火；以及
控制器，与上述燃料喷射装置以及上述点火装置电连接，通过发送电信号来控制上述燃料喷射装置和上述点火装置，
上述控制器对上述点火装置和上述燃料喷射装置进行控制，以便在至少一部分的运转区域中，通过对混合气进行点火来开始进行火焰传播燃烧，之后未燃混合气进行压缩自燃。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机，其中，
由收纳在上述气缸内的活塞的冠面和气缸盖的下表面构成的燃烧室的压缩比ε为14.0<ε。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的内燃机，其中，
上述内燃机是自然进气发动机。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机，其中，
上述内燃机是总排气量为2.9L以上的6缸发动机，纵置配置于车辆。
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