JP2000064863A - 4サイクル内燃機関 - Google Patents
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Abstract
縮着火燃焼を、機関負荷の幅広い範囲で実現する。 【解決手段】 排気弁8の閉弁時期EVCと吸気弁6の
開弁時期IVOを制御可能な可変動弁機構10A,10
Bを備え、機関低負荷時は排気弁8の閉弁時期EVCを
進角し、吸気弁6の開弁時期IVOを遅角することで大
量の内部EGRを行い、内部EGRと新気が均一に混合
された高温の混合気を圧縮着火させ、高熱効率・低NO
x排出の燃焼を実現する。機関高負荷時は排気弁8の閉
弁時期EVC、吸気弁6の開弁時期IVOともにピスト
ン上死点付近とし、点火プラグ9により点火、火炎伝播
燃焼させる。
Description
ソリンエンジンのような4サイクル内燃機関に関する。
手段として、混合気をリーン化することによりポンプ損
失を低減すると共に、作動ガスの比熱比を大きくして理
論熱効率を向上させることが知られている。
は点火プラグによる火花点火と火炎伝播による燃焼が不
安定化することから混合気のリーン化にも自ずと限界が
あり、また、リーン燃焼時には排気浄化のための触媒が
いわゆる量論比での燃焼時ほど浄化性能、特にNOxの
還元性能を発揮できないという問題がある。
なリーン燃焼を行うことが可能であるが、煤の排出を生
じることがあり、また、リーン燃焼のため前述と同様に
排気浄化のための触媒が有効に活性化できない問題があ
る。
して、特開平7−332141号公報に示されているよ
うに、予混合気を圧縮着火燃焼させることによって、リ
ーン燃焼と低NOx排出を図った高圧縮比ガソリン内燃
機関が提案されている。
合気の圧縮着火現象は空燃比の影響が大きく、リーン域
のリッチ側ではノッキングが生じ、逆にリーン域のリー
ン側では失火が生じることから、必然的に運転可能な空
燃比範囲が制限されてしまう。即ち、運転可能な負荷範
囲が制限されてしまう問題を生じる。
Ox排出を図るとしても、EGRを行っていないことか
ら未燃燃料としてシリンダ内に残ったHCはほぼ全て排
気として排出されてしまうため、燃料を効率よく利用し
て熱効率を向上させることはできない。
低回転領域で吸排気弁のバルブタイミングを変えて内部
EGRを行わせる技術が開示されているが、単純に低回
転領域で内部EGRのために吸排気弁のバルブタイミン
グを変えただけでは、ノック性と燃焼安定性に大きな影
響を及ぼし、この場合も運転可能な負荷範囲が制限され
てしまう。
時とで吸排気弁のバルブタイミングを切り替え、かつ、
該低負荷時に負荷に応じたバルブタイミングに可変制御
して、大量の内部EGRを行うことでそのEGRガスを
熱源として混合気の着火性を促進し、機関のより広い負
荷範囲で高熱効率かつ低NOxである均質予混合圧縮着
火燃焼を実現すると共に、EGRガス中の未燃HCを再
燃焼させて燃料を有効利用することで熱効率を向上し、
併せてクリーンな排気の4サイクル内燃機関を提供する
ものである。
は、吸気弁と排気弁のバルブタイミングを機関の高負荷
時と低負荷時とで切り替え可能な可変動弁機構を備え、
高負荷時は前記排気弁がピストン上死点近辺にて閉弁さ
れるバルブタイミングに設定する一方、低負荷時は負荷
が小さいほど前記排気弁の閉弁時期がピストン上死点前
の排気行程中途に進角されるバルブタイミングに設定
し、かつ、高負荷時は燃焼室に設けた点火装置によりピ
ストンの圧縮上死点付近にて混合気を点火・燃焼させる
一方、低負荷時は前記点火装置による点火を行わずに混
合気を圧縮着火・燃焼させるようにしたことを特徴とし
ている。
載の吸気弁はその開弁時期を、高負荷時はピストン上死
点近辺に開弁されるバルブタイミングに設定する一方、
低負荷時はピストン上死点後の吸気行程中途にて開弁さ
れるバルブタイミングに設定したことを特徴としてい
る。
に記載の吸気弁はその開弁時期を、高負荷時はピストン
上死点近辺にて開弁されるバルブタイミングに設定する
一方、低負荷時は負荷が小さいほど、前記吸気弁の開弁
時期がピストン上死点後の吸気行程中途に遅角されるバ
ルブタイミングに設定したことを特徴としている。
に記載の低負荷時における吸気弁の開弁時期を筒内圧力
が吸気管圧力と略同等となる時期に設定したことを特徴
としている。
に記載の低負荷時における排気弁の負荷に応じた閉弁時
期の進角制御範囲を、クランク角度60〜80deg・
BTDCに設定したことを特徴としている。
に記載の低負荷時には高負荷時に比較して、吸気弁の閉
弁時期を進角させ、もしくは排気弁の閉弁時期を遅角さ
せる、の少なくとも何れかを行わせることを特徴として
いる。
に記載の低負荷時におけるバルブタイミングを負荷に応
じて連続的に可変制御するようにしたことを特徴として
いる。
に記載の機関の圧縮比を14〜18に設定したことを特
徴としている。
に記載の機関はその吸気通路に、少なくとも低負荷時に
該吸気通路を部分的に遮蔽する部分遮蔽弁を備えている
ことを特徴としている。
低負荷時には排気弁の閉弁時期が進角されてピストン上
死点前の排気行程中途にて閉弁されるため、その時点で
のシリンダ容積に相当する高温の既燃ガスを燃焼室に滞
留させ、次サイクルへの内部EGRとすることができ、
次サイクルでは新気が吸入されて内部EGRと撹拌・混
合されることによって高温かつ均質な混合気が形成さ
れ、この高温の均一混合気が圧縮されることでリーンな
混合気の圧縮着火がピストン上死点付近で実現される。
て自ら着火・燃焼されるため、点火装置による点火の必
要はなく、その燃焼形態は火花点火燃焼に見られるよう
ないわゆる火炎伝播は存在せず、火炎伝播に伴う局所的
な高温部が存在することがなく、しかも、火炎面が通過
した後の既燃ガス部分が火炎の伝播に伴って圧縮・高温
化されないこと、および大量の内部EGRを行っている
ために混合気中の酸素濃度が低下していること、からN
Oxの排出を極少量に抑えることができる。
しないため煤が生じることがなく、更に、圧縮自己着火
によって大幅なリーン燃焼が実現できることと、大量の
内部EGRにより通常排出・放棄されてしまう未燃HC
の燃焼回収を有効に行えることから、熱効率の向上を実
現することができる。
閉弁時期の進角は負荷に応じて制御して、低負荷域の低
負荷方向側では排気弁の閉弁時期の進角度合いを増大し
て内部EGR量を増大し、低負荷域の高負荷方向側では
排気弁の閉弁時期の進角度合いを小さくして内部EGR
量を減少させるため、より低負荷な状態、即ち、混合気
がよりリーンな状態では内部EGRの増加により混合気
の温度を更に高められるので、リーンな混合気に対して
も確実に圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、逆に
低負荷域の高負荷方向側では内部EGRの減少によって
混合気の温度上昇が比較的抑制されるため、比較的リッ
チな混合気においてもノッキングの発生を抑制すること
ができる。
の範囲が拡大でき、即ち、広い負荷範囲において高熱効
率・低NOx排出である予混合圧縮着火燃焼を実現する
ことができる。
時期を通常の4サイクル内燃機関と同様にピストン上死
点付近とすることでシリンダ内の残留ガスを低減し、点
火装置による火花点火と火炎伝播による燃焼形態におけ
るノッキングの発生を抑制し、充填効率の向上を実現で
きて高出力を得ることができる。
の発明の効果に加えて、機関の低負荷時に排気弁を排気
行程中途で閉弁することに併せて、吸気弁をピストン上
死点後の吸気行程中途で開弁することによって、排気弁
の閉弁からピストン上死点までにシリンダ内の残留ガス
を圧縮するために要した仕事を、ピストン上死点から吸
気弁の開弁までに回収することができるため、より一層
熱効率の向上に貢献することができる。
後の吸気行程中途に遅角されることにより、ピストン上
死点付近で吸気弁を開弁することに較べてピストン速度
が大きい時期に吸気が開始されることになり、吸気の流
入速度が増大されて内部EGRと新気の撹拌・混合が促
進されて混合気がより均一化され、更に圧縮着火による
燃焼が良好となって熱効率の向上およびNOx排出の低
減効果を高めることができる。
1,2の発明の効果に加えて、吸気弁の開弁時期を機関
の高負荷時はピストン上死点近辺で開弁させる一方、機
関の低負荷時は負荷に応じて該吸気弁の開弁時期を遅角
させ、低負荷域の低負荷方向側では吸気弁の開弁時期の
遅角度合いを増大し、低負荷域の高負荷方向側では吸気
弁の開弁時期の遅角度合いを小さくすることによって、
排気弁の負荷に応じた閉弁時期に対応して変化する該排
気弁の閉弁時期からピストン上死点までの間に燃焼室内
の残留ガスを圧縮するために要した仕事を、ピストン上
死点から吸気弁の開弁時期までの間に確実に回収でき
て、熱効率を更に高めることができる。
〜3の発明の効果に加えて、機関の低負荷時における吸
気弁の開弁時期を、筒内の圧力が吸気管の圧力と同等と
なる時期としてあるため、残留ガスの圧縮に要した仕事
を更に有効に回収できて、熱効率の向上に貢献すること
ができる。
〜4の発明の効果に加えて、機関の低負荷時における排
気弁の負荷に応じた閉弁時期の進角制御範囲を、実験の
結果から得られたノック強度、Pi変動率および燃料消
費率に優れる最適値に設定してあるから、広い負荷範囲
でより安定した予混合圧縮着火燃焼を実現することがで
きる。
〜5の発明の効果に加えて、機関の低負荷時に吸気弁の
閉弁時期を進角することで、吸気弁の閉弁時期からピス
トン上死点までの有効圧縮比が大きくなり、ピストン上
死点における混合気の温度・圧力が大きくなるため更に
圧縮着火が容易となる。
を遅角すれば、ピストン上死点から排気弁の開弁時期ま
での有効膨張比が大きくなり、燃焼により高圧となった
作動ガスから更に効率良く仕事を取り出すことが可能と
なる。
気弁閉弁時期の進角と、排気弁開弁時期の遅角との制御
は、その何れか1つを行ってもよいし、両方を行えばよ
り効果的である。
〜6の発明の効果に加えて、低負荷時における吸排気弁
のバルブタイミングを負荷に応じて連続的に可変制御す
るため、要求される機関負荷に対してきめ細かく内部E
GR量、即ち、混合気の温度、を制御して確実な予混合
圧縮着火燃焼を実現することができ、また、残留ガスの
圧縮に必要な仕事を常にほぼ完全に回収することができ
る。
〜7の発明の効果に加えて、機関の圧縮比を実験の結果
得られたノック強度および燃焼安定性に優れる最適値に
設定してあるため、高負荷時にノック発生を回避して高
出力を得ることができる一方、低負荷時に安定した予混
合圧縮着火燃焼を行わせてトルク、出力の向上を実現す
ることができる。
〜8の効果に加えて、機関の低負荷時に吸気通路の一部
を部分遮蔽弁で遮蔽することにより、吸気流速が増大さ
れるため内部EGRと新気との撹拌・混合が良好に行わ
れてより均一な高温の混合気を形成することができて、
予混合圧縮着火燃焼の安定化に貢献することができる。
クルガソリン機関を例に採って図面と共に詳述する。
はピストン、3はシリンダヘッド、4はこれらシリンダ
ブロック1、ピストン2、およびシリンダヘッド3で形
成される燃焼室を示す。
する吸気弁6、および排気ポート7を開閉する排気弁8
を配設してあると共に、燃焼室4のほぼ中心位置に点火
装置である点火プラグ9を配設してある。
時期と閉弁時期を変更可能な可動弁機構10A,10B
によってそれぞれ独立して開閉するようにしてある。
ット(ECU)11によって行っており、ECU11に
はクランク角センサ12a、アクセルペダルセンサ12
b、水温センサ12c、エアフローメ−タ12d等の機
関運転状態を検知するためのセンサ12が接続されてお
り、ECU11はこれらセンサ12からの信号入力にも
とづいて機関の運転状態を判断して所要の制御を行って
おり、前記点火プラグ9および可変動弁機構10A,1
0BもこのECU11からの信号出力により駆動制御さ
れる。
ば特開昭55−137305号公報に示されているもの
を用いることができる。
で、その作動原理は該公報に詳しいのでその詳細な説明
は省略するが、揺動プレート13によりロッカーアーム
14の支点を変位させて、揺動カム15の位相を変化さ
せることで図3に示すようなバルブタイミングおよびバ
ルブリフトの可変制御を可能としている。
0Bによる吸排気弁6,8の高負荷時と低負荷時におけ
るバルブタイミングの変化状況を示している。
タイミングは、いわゆる通常の4サイクルガソリン機関
のそれであり、排気弁8の閉弁時期EVCと吸気弁6の
開弁時期IVOはともにピストン上死点(TDC)付近
となっていて所定のバルブオーバーラップ(O/L)が
設定されている。
バルブタイミングは、前記高負荷時に対して排気弁8の
閉弁時期EVCが進角されて排気行程中途となってお
り、同時に排気弁8の開弁時期EVOが遅角されてより
ピストン下死点(BDC)に近い時期となっている。
は、その開弁時期IVOが排気弁8の閉弁時期〜ピスト
ン上死点までの期間と該吸気弁6のピストン上死点〜吸
気弁6の開弁時期までの期間とがほぼ等しくなるように
遅角して設定され、吸気弁6の閉弁時期IVCは同時に
進角されてピストン下死点に近い時期となっている。こ
の時、ピストン上死点付近におけるバルブオーバーラッ
プは全く存在せず、マイナスオーバーラップ(マイナス
O/L)とでも呼ぶべき状態になっている。
0Bは、機関の高負荷時と低負荷時とでバルブタイミン
グを切り替えると共に、低負荷時は負荷に応じてバルブ
タイミングを連続的に可変可能としてあり、従って、図
4の(ロ)に示した低負荷時におけるバルブタイミング
は、ある負荷状況における1例を示しているに過ぎな
い。
グについて、図5にクランク角の推移に対して吸排気弁
6,8のリフトカーブを示している。
を成すバルブタイミングにおける燃焼室4内のガス交換
過程を説明したものである。
追って説明すると、(a)は排気行程の途中であり、開
弁された排気弁8から既燃ガスが排気ポート7へ排出さ
れる。
8が閉弁されるため、この時点で燃焼室4内に残ってい
た既燃ガスは該燃焼室4内に閉じ込められた形になり、
この既燃ガスが次サイクルの内部EGRとなる。
4内に閉じ込められた内部EGRを圧縮する。
(d)に示す吸気弁6の開弁までに内部EGRが膨張し
てピストン2を押し下げることで回収される。
の開弁により吸気ポート5から新気を吸入し、内部EG
Rと撹拌・混合する。
ることにより、ピストン速度が比較的大きい時期に吸気
が開始されることになり、吸入速度が大きくなるためこ
のようなバルブタイミングにおいても新気とEGRは十
分に混合されるが、図1に仮想線で示すように吸気ポー
ト5にその一部を遮蔽する部分遮蔽弁16を設け、低負
荷時にはこの部分遮蔽弁16を閉弁させることによって
吸気流速を増大させ、新気と内部EGRとの混合・撹拌
をより積極的に行わせるようにしてもよい。
に混合された混合気は(f)に示すようにピストン2の
上昇に伴って圧縮され、ピストン上死点付近で自己着火
燃焼に至る。
に簡略化したP−V線図にて示しており、図7の(イ)
に機関高負荷時におけるバルブタイミングによる筒内圧
変化状況を比較してP−V線図にて示している。
時には圧縮行程〜膨張行程の間の圧縮上死点と、排気行
程〜吸気行程の間のピストン上死点に2つの圧力ピーク
点Pa ,Pb を持っている。しかし、この機関低負荷時
には大量の内部EGRとマイナスO/Lを成すバルブタ
イミングによって、機関高負荷時と同様にポンプ損失に
相当する部分(図7の斜線部分)は小さく、熱効率が向
上する所以の1つとなっている。
るバルブタイミングを、例えば図4の(ロ)に示す如く
に設定することによって、図6の(a)〜(f)に示す
ようなガス交換過程を経て高温の内部EGRと新気との
均質な混合気が形成され、これがピストン運動に伴って
圧縮されることで自ら着火に至って燃焼される結果、大
幅なリーン燃焼が可能となり熱効率の向上が得られるの
であり、また、均質な自己着火燃焼により局所的な高温
部が存在しないことからNOxの排出が極少量に抑制さ
れるのである。
に伴って、該低負荷時に単純に所定のマイナスO/Lに
バルブタイミングを切り替えても、即ち、単一のバルブ
タイミング設定を行っても、混合気をリーン域で次第に
リッチ化して行けば圧縮着火燃焼と云えどもいずれノッ
キングが発生してリッチ限界が生じ、逆に、混合気をリ
ーン域で次第にリーン化して行けば高温の内部EGRを
利用しているとは云え、いずれ燃焼が不安定となってリ
ーン限界が存在し、従って、高熱効率かつ低NOx排出
である圧縮自己着火燃焼を実現できる負荷範囲が制限さ
れてしまう。
負荷時には、負荷に応じて連続的にバルブタイミングを
変化させて、例えば図8に示すように低負荷域における
低負荷方向側ほど排気弁8の閉弁時期を進角すると共に
吸気弁6の開弁時期を遅角させ、逆に高負荷方向側では
排気弁8の閉弁時期の進角度合いを小さくすると共に、
吸気弁6の開弁時期の遅角度合いを小さくすることによ
って、前記低負荷方向側では高温の内部EGR量が増大
するためよりリーンな混合気に対しても十分な圧縮着火
燃焼が維持され、また、高負荷方向側では高温の内部E
GR量が減少してノッキングの発生を抑制することがで
きる。
応じて吸気弁6の開弁時期を遅角させ、低負荷域の低負
荷方向側では吸気弁6の開弁時期の遅角度合いを増大
し、低負荷域の高負荷方向側では吸気弁6の開弁時期の
遅角度合いを小さくすることによって、排気弁8の負荷
に応じた閉弁時期に対応して変化する該排気弁8の閉弁
時期からピストン上死点までの間に燃焼室4内の残留ガ
スを圧縮するために要した仕事を、ピストン上死点から
吸気弁6の開弁時期までの間に確実に回収できて、熱効
率を一段と高めることができ、このような吸気弁6の開
弁時期において、筒内圧力は必然的に吸気ポート圧力、
即ち、過給機を用いない機関ではほぼ1気圧になってい
る。これは、排気弁8の閉弁時期における筒内圧力がほ
ぼ1気圧であることから自明である。
期を進角することで、該吸気弁の閉弁時期からピストン
上死点までの有効圧縮比が大きくなり、ピストン上死点
における混合気の温度・圧力が大きくなるため更に圧縮
着火が容易となり、かつ、該低負荷時に排気弁8の開弁
時期を遅角することによって、ピストン上死点から排気
弁8の閉弁時期までの有効膨張比が大きくなり、燃焼に
より高温となった作動ガスから更に効率良く仕事を取り
出すことが可能となる。
機関の低負荷時における排気弁8の負荷に応じた閉弁時
期EVCの進角制御範囲を、クランク角度60〜80d
eg・BTDCに設定したところ、同図の矢印A1 ,A
2 ,A3 でそれぞれ示すように、EVC=60,70,
80(deg・BTDC)の各閉弁時期において、ノッ
ク強度、Pi変動率、および燃料消費率のいずれにも優
れた最も運転性の良い負荷範囲が存在し、従って、この
進角制御範囲でEVCを負荷に応じて連続的に制御すれ
ば、要求される機関負荷に対してきめ細かく内部EGR
量、即ち、混合気の温度、を制御して確実な予混合圧縮
着火燃焼を実現でき、幅広い負荷範囲において均質予混
合圧縮着火燃焼を機関として成立できることが確認され
ている。
に排気弁8の閉弁時期の進角制御を、負荷に応じて連続
的に可変制御するようにしているが、これは勿論、前記
各閉弁時期、即ち、EVC=60,70,80(deg
・BTDC)の進角制御を負荷に応じて多段階に可変制
御するようにしてもよい。
たバルブタイミングの制御の下に圧縮自己着火燃焼を行
わせるが、機関の高負荷時は前記図4の(イ)に示すよ
うに通常の4サイクルガソリン機関と同様のバルブタイ
ミングに戻され、新気を吸気・圧縮して点火プラグ9に
より火花点火し、火炎伝播によって燃焼させる。
る排気弁8の閉弁時期の進角制御範囲が最適値に設定さ
れるが、実験の結果、機関の圧縮比を14〜18に設定
することによって図10に示すように運転可能負荷範囲
を広げられることが確認されている。
と低負荷時に燃焼安定性が損なわれてトルク、出力が悪
化してしまい、また、機関の圧縮比が18よりも大きい
と高負荷時にノック発生が顕著となってしまうものであ
り、従って、機関の圧縮比を前述のように適切に設定す
ることによって、高負荷時にノック発生を回避して高出
力を得ることができる一方、低負荷時に安定した予混合
圧縮着火燃焼を行わせてトルク、出力の向上を実現する
ことができる。
説明図。
バルブリフトの変化を示す図。
を示す図で、(イ)は高負荷時を、(ロ)は低負荷時を
示す。
対して示した図。
内のガス交換過程を示す説明図。
をP−V線図にて示した図で、(イ)は高負荷時を、
(ロ)は低負荷時を示す。
弁の開弁時期の変化を示した図。
違いを実験的に示した図。
た図。
Claims (9)
- 【請求項1】 吸気弁と排気弁のバルブタイミングを機
関の高負荷時と低負荷時とで切り替え可能な可変動弁機
構を備え、高負荷時は前記排気弁がピストン上死点近辺
にて閉弁されるバルブタイミングに設定する一方、低負
荷時は負荷が小さいほど前記排気弁の閉弁時期がピスト
ン上死点前の排気行程中途に進角されるバルブタイミン
グに設定し、かつ、高負荷時は燃焼室に設けた点火装置
によりピストンの圧縮上死点付近にて混合気を点火・燃
焼させる一方、低負荷時は前記点火装置による点火を行
わずに混合気を圧縮着火・燃焼させるようにしたことを
特徴とする4サイクル内燃機関。 - 【請求項2】 吸気弁はその開弁時期を、高負荷時はピ
ストン上死点近辺にて開弁されるバルブタイミングに設
定する一方、低負荷時はピストン上死点後の吸気行程中
途にて開弁されるバルブタイミングに設定したことを特
徴とする請求項1に記載の4サイクル内燃機関。 - 【請求項3】 吸気弁はその開弁時期を、高負荷時はピ
ストン上死点近辺にて開弁されるバルブタイミングに設
定する一方、低負荷時は負荷が小さいほど、前記吸気弁
の開弁時期がピストン上死点後の吸気行程中途に遅角さ
れるバルブタイミングに設定したことを特徴とする請求
項1,2に記載の4サイクル内燃機関。 - 【請求項4】 低負荷時における吸気弁の開弁時期を筒
内圧力が吸気管圧力と略同等となる時期に設定したこと
を特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の4サイクル
内燃機関。 - 【請求項5】 低負荷時における排気弁の負荷に応じた
閉弁時期の進角制御範囲を、クランク角度60〜80d
eg・BTDCに設定したことを特徴とする請求項1〜
4の何れかに記載の4サイクル内燃機関。 - 【請求項6】 低負荷時には高負荷時に比較して、吸気
弁の閉弁時期を進角させ、もしくは排気弁の閉弁時期を
遅角させる、の少なくとも何れかを行わせることを特徴
とする請求項1〜5の何れかに記載の4サイクル内燃機
関。 - 【請求項7】 低負荷時におけるバルブタイミングを負
荷に応じて連続的に可変制御するようにしたことを特徴
とする請求項1〜6の何れかに記載の4サイクル内燃機
関。 - 【請求項8】 機関の圧縮比を14〜18に設定したこ
とを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の4サイク
ル内燃機関。 - 【請求項9】 吸気通路に、少なくとも低負荷時に該吸
気通路を部分的に遮蔽する部分遮蔽弁を備えていること
を特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の4サイクル
内燃機関。
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