JP2000087749A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents
火花点火式内燃機関Info
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Abstract
火花点火式内燃機関を提供すること。 【解決手段】 シリンダ12略中央に配設された点火プ
ラグ36と、燃焼室18に開口する吸気通路22および
排気通路26と、エンジンの回転に同期して吸気通路2
2と排気通路26とをそれぞれ開閉する吸気弁30およ
び排気弁34とを備え、所定の運転領域で自己着火燃焼
を行わせ、所定の運転領域以外の運転領域で火花点火燃
焼を行わせる火花点火式内燃機関において、水温センサ
51で検出した機関の冷却水温が、温度センサ52で検
出した吸気温度に応じて設定された所定温度よりも低い
場合には、制御ユニット53により自己着火燃焼を禁止
する構成とした。
Description
自己着火燃焼と火花点火燃焼との両方を行わせる火花点
火式内燃機関の改良に関する。
は、低負荷運転領域で自己着火燃焼を行わせる機関につ
いて様々な提案がなされており、例えば、特開平9−2
42570号公報には、低負荷運転領域において排気通
路の一部を遮断して燃焼室内の残留既燃ガス量を増大さ
せ自己着火を行わせるとともに、自己着火燃焼に適した
圧縮比と通常の火花点火燃焼に適した圧縮比との両立を
図るため、運転状態に応じて燃焼室容積を変更するもの
が開示されている。
自己着火を4サイクル型の内燃機関に適用する場合に特
に有効な技術を提案している(特願平9−296567
号公報等)。ところで、前述の従来技術及び本出願人が
先に提案した技術では、機関の負荷あるいは回転数が予
め設定された運転領域内にあるときは自己着火燃焼を行
わせるようにしている。暖機完了後の通常運転時であれ
ば安定した自己着火燃焼を行わせることができる運転条
件(負荷、回転数)であっても、例えば、機関始動直後
など燃焼室壁やシリンダボア壁の温度が低い状態では、
圧縮行程の後期になっても燃焼室内のガス温度が十分に
高くならず、自己着火を起こすために必要なガス温度に
至らない可能性がある。本発明は、このような従来の問
題点に着目してなされたもので、機関の運転条件(負
荷、回転数)が自己着火を行わせる所定の運転領域内に
あるときであっても、機関の運転状態が安定した自己着
火が起こる状態にないときには自己着火燃焼を禁止する
ことにより、常に機関を安定して運転させることができ
る火花点火式内燃機関を提供することを目的としてい
る。
発明は、シリンダ略中央に配設された火花点火プラグ
と、燃焼室に開口する吸気通路及び排気通路と、機関の
回転に同期して前記吸気通路と前記排気通路とをそれぞ
れ開閉する吸気弁及び排気弁とを備え、所定の運転領域
で自己着火燃焼を行わせ、前記所定の運転領域以外の運
転領域で火花点火燃焼を行わせる火花点火式内燃機関に
おいて、機関の運転状態が所定の運転状態であるときに
自己着火燃焼を禁止する禁止手段を備えたことを特徴と
している。これにより、機関の運転条件(負荷、回転
数)が自己着火を行わせる所定の運転領域内にあるとき
であっても、機関の運転状態が安定した自己着火が起こ
る状態にないときには自己着火燃焼を禁止することによ
り、常に機関を安定して運転させることができる。ま
た、請求項2記載の発明は、シリンダ略中央に配設され
た火花点火プラグと、燃焼室に開口する吸気通路及び排
気通路と、機関の回転に同期して前記吸気通路と前記排
気通路とをそれぞれ開閉する吸気弁及び排気弁と、既燃
ガスの一部を燃焼室内に残留させることにより自己着火
燃焼を行わせる既燃ガス残留手段とを備え、所定の運転
領域で自己着火燃焼を行わせ、前記所定の運転領域以外
の運転領域で火花点火燃焼を行わせる火花点火式内燃機
関において、機関の運転状態が所定の運転状態であると
きに自己着火燃焼を禁止する禁止手段を備えたことを特
徴としている。また、請求項3記載の発明は、シリンダ
略中央に配設された火花点火プラグと、燃焼室に開口す
る吸気通路及び排気通路と、機関の回転に同期して前記
吸気通路と前記排気通路とをそれぞれ開閉する吸気弁及
び排気弁と、前記排気通路に排出された排気ガスの一部
を前記吸気通路に還流させることにより自己着火燃焼を
行わせる排気ガス還流手段とを備え、所定の運転領域で
自己着火燃焼を行わせ、前記所定の運転領域以外の運転
領域で火花点火燃焼を行わせる火花点火式内燃機関にお
いて、機関の運転状態が所定の運転状態であるときに自
己着火燃焼を禁止する禁止手段を備えたことを特徴とし
ている。自己着火燃焼と火花点火燃焼とを両立させる場
合、各燃焼に適した圧縮比が得られるようにすることが
望ましいので、請求項4記載の発明のように、自己着火
燃焼を行わせるときに前記吸気弁の開閉時期を変更する
ことにより機関の実圧縮比を高くする可変動弁機構を備
えるようにするとよい。また、自己着火燃焼を行わせる
際に火種となる既燃ガスを燃焼室内に残留させる既燃ガ
ス残留手段は、請求項5記載の発明のような、前記排気
弁の閉じ時期を早めることにより既燃ガスの一部を燃焼
室内に残留させる第2の可変動弁機構で構成することが
でき、あるいは、請求項6記載の発明のような、前記排
気弁と前記吸気弁とのオーバーラップ量を大きくするこ
とにより既燃ガスの一部を燃焼室内に残留させる第3の
可変動弁機構で構成することができる。さらには、請求
項7記載の発明のように、前記排気通路とは独立に設け
られた第2の排気通路と、機関の排気行程と吸気行程と
で前記第2の排気通路を開く第2の排気弁と、機関の回
転に関わらず前記第2の排気通路を開閉可能な開閉手段
とからなり、前記開閉手段を開くことにより排気行程中
に前記第2の排気通路に排出された既燃ガスを吸気行程
中に燃焼室内に導入して既燃ガスの一部を燃焼室内に残
留させることもできる。自己着火燃焼の禁止は、請求項
8記載の発明のように、機関の冷却水温に基づいて判断
することができる。機関の冷却水温は燃焼室壁やシリン
ダボア壁の温度と対応しているので、正確な判断を行な
うことができる。具体的には、請求項9記載の発明のよ
うに、機関の冷却水温が所定温度よりも低いときに自己
着火燃焼を禁止するようにすれば、燃焼室内のガス温度
が十分に高くならない状態での不安定な自己着火燃焼を
回避することができる。また、圧縮行程後期の燃焼室内
のガス温度は、吸入空気のもともとの温度によっても変
化するので、請求項10記載の発明のように、機関の吸
気温度に応じて前記所定温度を設定することで、さらに
適切に自己着火燃焼を禁止すべき状態を判断することが
できる。具体的には、請求項11の発明のように、機関
の吸気温度が低いときほど前記所定温度を高く設定する
ようにすれば良い。
関である4サイクル型の自動車用ガソリンエンジンに適
用した実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明す
る。図1、2に示すように、シリンダブロック10に
は、複数のシリンダ12が直列に配置されており、その
上面を覆うように、シリンダヘッド14が固定されてい
る。シリンダ12内にはピストン16が摺動可能に嵌合
しているとともに、シリンダヘッド14の下面をピスト
ン16上面との間に、いわゆるペントルーフ型の燃焼室
18が形成されている。この燃焼室18の一方の傾斜面
18aには第1吸気通路20及び第2吸気通路22が開
口しており、他方の傾斜面18bに第1排気通路24及
び第2排気通路26が開口している。
路20,22との間をそれぞれ開閉する第1吸気弁28
及び第2吸気弁30と、第1,第2排気通路24,26
との間をそれぞれ開閉する第1排気弁32及び第2排気
弁34が設けられ、これら吸気弁28,30及び排気弁
32,34によって囲まれたシリンダ12の略中心位置
に、点火プラグ36が配設されている。吸気通路20,
22は、上流側で互いに合流しており、その合流部38
に、電磁式の燃料噴射弁40が設けられている。
れシリンダヘッド14内部に穿設された一対の排気ポー
トからシリンダヘッド14に取り付けられる第1排気管
42及び第2排気管44の内部にわたって互いに独立し
て延びている。そして、第2排気管44の途中には、第
2排気通路26を開閉するバタフライバルブ型の制御弁
46が介装されている。この制御弁46は、シャフト4
8を介して図示せぬ駆動機構によって機関運転条件に応
じて開閉制御される。また、シリンダブロック10に
は、エンジンの冷却水通路内の冷却水温を検出する水温
センサ51が、吸気通路20,22の合流部38にはエ
ンジンの吸気温度を検出する温度センサ52が、それぞ
れ設けられており、その出力を制御ユニット53へ送っ
ている。
2,34のバルブリフト特性を示している。これらの吸
気弁28,30及び排気弁32,34は、それぞれ機関
のクランクシャフトと同期して回転するカムのプロフィ
ールに応じて開閉作動する。
には、カムひねり機構50が設けられており、カムシャ
フトと図示しないクランクシャフトとの回転位相を変更
することができる。このカムひねり機構50の作動範囲
の一例を図4に示す。自己着火を起こすような高圧縮
比、例えば14〜18を実現する場合は、吸気バルブタ
イミング1となり、上死点TDCより前に吸気弁28,
30が開弁し、下死点BDC付近で、吸気弁28,30
が閉弁する。自己着火が起きず、火花点火においてもノ
ッキングが起きないような低圧縮比、例えば12以下、
を実現する場合は、吸気バルブタイミング2となり、上
死点TDC付近で吸気弁28,30が開弁し、下死点B
DCを大きく過ぎた角度で吸気弁28,30が閉弁する
よう構成されている。
の開閉動作を図5、図6を参照して説明すると、図3
(イ)に示す第1排気弁32は、排気行程(a)付近で
開作動し、その他の吸気行程(b)、圧縮行程(c)及
び膨張行程(d)の付近では閉状態に制御されている。
は、排気行程(a)及び吸気行程(b)付近の両方で開
作動し、圧縮行程(c)及び膨張行程(d)付近では、
閉状態に制御される。つまり、第2排気弁34は、通常
の第1排気弁32とともに、排気行程(a)付近で開作
動するとともに、吸気弁28,30とともに吸気行程
(b)付近で開作動し排気行程(a)から吸気行程
(b)にまたがって開状態に保持されることとなる。
示すように、吸気行程(b)付近で開作動し、その他の
排気行程(a)、圧縮行程(c)及び膨張行程(d)の
付近では、閉状態に制御される。つまり、吸気行程
(b)では、両吸気弁28,30と、第2排気弁34と
が同期して開作動する。
には、吸気弁28,30は図4の吸気バルブタイミング
1に設定されシリンダ12内は、高圧縮比になる。この
時、図5に示すように、制御弁46は開状態に制御さ
れ、自己着火燃焼が行われる。詳述すると、排気行程
(a)では、両方の排気通路24,26が開作動し、ピ
ストン16の上昇に伴って燃焼室18内の既燃ガスQが
両排気通路24,26を通って排出される。続く吸気行
程(b)では、上述したように吸気弁28,30及び第
2排気弁34がともに開作動する。従って燃焼室18に
は、ピストン16の下降に伴って新気(混合気)Pが吸
気通路20,22側から導入されると同時に、第2排気
通路26内に残留する既燃ガスQが導入される。ここ
で、燃焼室18は、いわゆるクロスフロー形式となって
おり、吸気通路20,22が開口する側と排気通路2
4,26が開口する側とが略対称形に形成され、かつ、
ピストン16の上面が略平面に形成されているため、吸
気通路20,22から導入される混合気Pがそのまま吸
気通路20,22側に残留し、第2排気通路26から導
入される既燃ガスQがそのまま排気通路24,26側に
残留する。従って、燃焼室18内は、混合気Pと既燃ガ
スQとが成層化した状態となる。なお、この吸気行程
(b)では、第1排気弁32(図3)は開状態となって
おり、第1排気通路24内に残留する既燃ガスQが燃焼
室18へ逆流することはない。続く圧縮行程(c)で
は、燃焼室18内の混合気Pと既燃ガスQとが成層化し
た状態で圧縮される。このため、燃焼室18内に残留す
る既燃ガスQの温度が、断熱圧縮の作用によって混合気
Pの発火温度を越えるまで上昇し、混合気Pと残留既燃
ガスQとの界面において、残留既燃ガスQから混合気P
への自己着火が行われる。そして膨張行程(d)では、
爆発圧力によりピストン16が下死点BDC側へ押し下
げられて、再び排気行程(a)へと戻り、上述した動作
が繰り返される。
場合には、吸気弁28,30は図4の吸気バルブタイミ
ング2に示すように設定され、シリンダ12内は、自己
着火が起きずノッキングも起きない低圧縮比になる。こ
の際、図6に示すように、制御弁46は全閉状態に制御
され、シリンダ12内に均質な混合気Pを形成して点火
する均質燃焼が行われる。詳述すると、排気行程(a)
では第1排気通路24(図3)を通って燃焼室18内の
既燃ガスQが排出され、吸気行程(b)では両吸気弁2
8,30が開状態となり、両吸気通路20,22から混
合気Pが燃焼室18内に導入される。このとき、制御弁
46が閉状態となっているから、第2排気通路26から
既燃ガスQが導入されることはない。続く圧縮行程
(c)で圧縮された混合気Pは点火プラグ36で着火さ
れ、膨張行程(d)では爆発圧力によりピストン16が
押し下げられる。
となったときに、自己着火燃焼を行わせるか否かを判断
する方法について述べる。この際、本発明によれば、自
己着火運転許可あるいは禁止は、図8のようなロジック
で判断される。S1では、エンジンの運転条件が図7の
自己着火領域にあるかを判断する。自己着火領域にある
ときには、S2でエンジン水温が設定値以上であるかを
判断し、設定値以上であれば自己着火運転を指示する。
具体的には、前述したようにカムひねり機構50を制御
して高圧縮比にするとともに制御弁46を閉弁して燃焼
室18内に既燃ガスQを残留させる。一方、S2でエン
ジン水温が設定値以下のときは、自己着火領域であって
も自己着火を禁止し、通常の火花点火運転を行わせる。
エンジン水温が高くなってからなので、燃焼室18近く
の吸気通路20,22壁面及びシリンダボア壁面の温度
が高く、吸入直後のシリンダ12内のガス温度が高くな
り、圧縮後のガス温度も高くできる。よって、安定した
自己着火が実現できる。また、図9に示すように、吸気
温度が低いときには、エンジン設定許可水温をより高く
している。このため、吸気弁28,30を通過してシリ
ンダ12内に流入するガス温度は高くできるので、この
場合も、圧縮後の上死点TDC付近のシリンダ12内の
ガス温度を十分高くでき、自己着火が安定して実現でき
る。
度が高いので、燃焼ガス温度も十分高くでき、次のサイ
クルにシリンダ12内に残留している既燃ガス温度も十
分高くなり、シリンダ12内のガス温度を十分高くする
ことができ、安定して自己着火を実現できる。なお、こ
こで言う吸気温度は、エンジンが吸入する空気のもとも
との温度のことであるから、温度センサ52を吸気通路
20,22以外のエンジンルーム内の場所に設けても良
い。
弁32、第2排気弁34)を2弁設け、片方の排気弁
(第2排気弁34)を吸気行程にも開状態とし、第2排
気通路26の制御弁46により燃焼室18内に残留する
既燃ガスQを制御するような自己着火機構を用いて説明
したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例え
ば、排気側にも可変動弁機構を設けて排気弁32,34
の閉じ時期を早めることにより既燃ガスQの一部を燃焼
室18内に残留させるものに適用しても良い。また、吸
気弁28,30と排気弁32,34とのオーバーラップ
期間を大きくして既燃ガスQを残留させることもでき
る。さらには、残留既燃ガスQの制御によって自己着火
を制御するものに限定されるものでもなく、例えば、排
気通路24,26に排出された排気ガスを吸気通路2
0,22に還流管で還流させるいわゆるEGR装置を用
いるものであっても良い。要するに、自己着火燃焼と火
花点火燃焼とを両立させようとする機関には全て適用可
能である。
して吸気カムシャフトと機関のクランクシャフトとの位
相を変更する機構を用いているが、2種類以上のカムを
切換えてバルブリフト特性を変更する動弁系やクランク
シャフトに対するカムシャフトの角速度を変更して開弁
機関を連続的に変更可能な動弁系、電磁力あるいは油圧
によって開閉時期を自由に制御することが可能な動弁系
等を使用しても良いことはもちろんである。
運転条件(負荷、回転数)が自己着火を行わせる所定の
運転領域にあるときであっても、機関の運転状態が安定
した自己着火が起こる状態にないときには自己着火燃焼
を禁止することにより、常に機関を安定して運転させる
ことができる。
る。
示す図である。
可変動弁の作動例を示す図である。
る。
る。
である。
Claims (11)
- 【請求項1】 シリンダ略中央に配設された火花点火プ
ラグと、燃焼室に開口する吸気通路および排気通路と、
機関の回転に同期して前記吸気通路と前記排気通路とを
それぞれ開閉する吸気弁および排気弁とを備え、所定の
運転領域で自己着火燃焼を行わせ、前記所定の運転領域
以外の運転領域で火花点火燃焼を行わせる火花点火式内
燃機関において、 機関の運転状態が所定の運転状態であるときに自己着火
燃焼を禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする火花
点火式内燃機関。 - 【請求項2】 シリンダ略中央に配設された火花点火プ
ラグと、燃焼室に開口する吸気通路および排気通路と、
機関の回転に同期して前記吸気通路と前記排気通路とを
それぞれ開閉する吸気弁および排気弁と、既燃ガスの一
部を燃焼室内に残留させることにより自己着火燃焼を行
わせる既燃ガス残留手段とを備え、所定の運転領域で自
己着火燃焼を行わせ、前記所定の運転領域以外の運転領
域で火花点火燃焼を行わせる火花点火式内燃機関におい
て、 機関の運転状態が所定の運転状態であるときに自己着火
燃焼を禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする火花
点火式内燃機関。 - 【請求項3】 シリンダ略中央に配設された火花点火プ
ラグと、燃焼室に開口する吸気通路および排気通路と、
機関の回転に同期して前記吸気通路と前記排気通路とを
それぞれ開閉する吸気弁および排気弁と、前記排気通路
に排出された排気ガスの一部を前記吸気通路に還流させ
ることにより自己着火燃焼を行わせる排気ガス還流手段
とを備え、所定の運転領域で自己着火燃焼を行わせ、前
記所定の運転領域以外の運転領域で火花点火燃焼を行わ
せる火花点火式内燃機関において、 機関の運転状態が所定の運転状態であるときに自己着火
燃焼を禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする火花
点火式内燃機関。 - 【請求項4】 自己着火燃焼を行わせるときに前記吸気
弁の開閉時期を変更することにより機関の実圧縮比を高
くする可変動弁機構を備えたことを特徴とする請求項1
ないし3記載の火花点火式内燃機関。 - 【請求項5】 前記既燃ガス残留手段は、前記排気弁の
閉じ時期を早めることにより既燃ガスの一部を燃焼室内
に残留させる第2の可変動弁機構であることを特徴とす
る請求項2記載の火花点火式内燃機関。 - 【請求項6】 前記既燃ガス残留手段は、前記排気弁と
前記吸気弁とのオーバーラップ量を大きくすることによ
り既燃ガスの一部を燃焼室内に残留させる第3の可変動
弁機構であることを特徴とする請求項2記載の火花点火
式内燃機関。 - 【請求項7】 前記既燃ガス残留手段は、前記排気通路
とは独立に設けられた第2の排気通路と、機関の排気行
程と吸気行程とで前記第2の排気通路を開く第2の排気
弁と、機関の回転に関わらず前記第2の排気通路を開閉
可能な開閉手段とからなり、前記開閉手段を開くことに
より排気行程中に前記第2の排気通路に排出された既燃
ガスを吸気行程中に燃焼室内に導入して既燃ガスの一部
を燃焼室内に残留させることを特徴とする請求項2記載
の火花点火式内燃機関。 - 【請求項8】 前記禁止手段は、機関の冷却水温に基づ
いて自己着火燃焼の禁止を判断することを特徴とする請
求項1ないし7記載の火花点火式内燃機関。 - 【請求項9】 前記禁止手段は、機関の冷却水温が所定
温度よりも低いときに自己着火燃焼を禁止することを特
徴とする請求項8記載の火花点火式内燃機関。 - 【請求項10】 前記禁止手段は、機関の吸気温度に応
じて前記所定温度を設定することを特徴とする請求項9
記載の火花点火式内燃機関。 - 【請求項11】 前記禁止手段は、機関の吸気温度が低
いときほど前記所定温度を高く設定することを特徴とす
る請求項10記載の火花点火式内燃機関。
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---|---|---|---|
JP26015598A JP4051775B2 (ja) | 1998-09-14 | 1998-09-14 | 火花点火式内燃機関 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26015598A JP4051775B2 (ja) | 1998-09-14 | 1998-09-14 | 火花点火式内燃機関 |
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---|---|
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JP4051775B2 JP4051775B2 (ja) | 2008-02-27 |
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JP26015598A Expired - Fee Related JP4051775B2 (ja) | 1998-09-14 | 1998-09-14 | 火花点火式内燃機関 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP4051775B2 (ja) |
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