JP2002529651A - 内燃機関の燃焼過程を制御する方法と、シリンダーの有効圧縮比を変える手段を有する内燃機関 - Google Patents
内燃機関の燃焼過程を制御する方法と、シリンダーの有効圧縮比を変える手段を有する内燃機関Info
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Abstract
Description
とも一つのシリンダー、該シリンダーの幾何圧縮比を変える手段、および前記燃
焼室に均質燃料/空気混合物を供給する手段を有する内燃機関の燃焼室における
燃焼過程を制御する方法に関する。
とも一つのシリンダー、該シリンダーの幾何圧縮比を変える手段、および前記シ
リンダーの前記燃焼室に均質燃料/空気混合物を供給する手段を有する4ストロ
ーク内燃機関にも関する。
質希釈(過剰空気または残留ガスによる)燃料/空気混合物が自己着火まで圧縮
される。これを、まず吸入空気を圧縮してから燃料を燃焼室に噴射するもの(デ
ィーゼル過程)と比較した場合の長所は、燃料/空気混合物全体が同時に燃え、
火炎フロントがスパークプラグまたはインジェクターから燃焼室内を伝播する場
合のように順次燃焼ではない、ということである。したがって、燃焼室内の温度
が均一になり、そのため、たとえば部分負荷でスロットルをゆるめたオットーエ
ンジンにおけるように、ディーゼルエンジンの効率を、ディーゼルエンジンから
の大量の窒素酸化物および微粒子の放出なしで、高めることができる。窒素放出
を、約1000ppmから10〜20ppmの低さまで低下させることができる
。ディーゼルエンジンの微粒子放出を、オットーエンジンのそれと同じレベルま
で低下させることができる。しかし、燃焼が動的に制御されるため、燃焼の制御
が難しい。燃料/空気混合物の濃度が高すぎると、エネルギー放出が早すぎ(ノ
ッキング)、濃度が低すぎると、点火ができなくなる。ガソリンを燃料とするH
CCIオットーエンジンの場合、自己着火の実現のためには制御された高温が必
要であり、これは吸入空気の大きな圧縮比および/または吸入空気の加熱によっ
て実現される。燃料としてディーゼル油を使用するHCCIディーゼルエンジン
の場合、通常のディーゼルエンジンよりも低い温度が必要であり、これは圧縮比
を低下させなければならないということを意味する。
温度)を、いろいろなrpmと負荷において燃焼を上死点付近に正しく配置する
ようなやり方で制御することであったが、これは前記エンジンの使用範囲を著し
く狭めるものであった。特に、シリンダー温度を一つのサイクルから次のサイク
ルまでチェックしなければならない過渡時の制御の問題のため、HCCIエンジ
ンの動力源(generator)としての使用範囲が、たとえば駆動装置(d
rive unit)がrpmと負荷の非常に小さな変動下で作動する場合、制
限されている。
が、いろいろなエンジン速度と負荷において正しくなるように制御する方法を実
現し、それによって、HCCIエンジンを自動車に実用的に使用できるようにし
、また前記エンジンの燃料消費と放出物とを少なくすることである。
範囲内において燃料/空気混合物が自己着火まで圧縮されるように制御すること
によって達成される。
次のサイクルにわたって自由に制御できるようにすることは、電磁動作弁の使用
により実現できる。圧縮比は、公知の方法により、エンジンのシリンダーを、可
動プランジャーを有する補助シリンダーと連絡することによって変えることがで
きる。前記補助シリンダーにより燃焼室の総容積を変えることができる。
なければならないHCCIエンジンは、好ましくは、前記低rpm範囲内で作動
停止するように制御される点火システムを有する。この低rpm範囲の上限は、
3000〜4000rpmとすることができる。この限界を越えると、点火シス
テムが作動させられ、同時に、吸気弁の制御が変えられ、また圧縮比が通常のエ
ンジン動作まで低下させられる。
気弁が可変弁時間を有し、前記制御手段が、吸気弁の開放の程度とシリンダーの
圧縮比とを、エンジン速度と負荷とに応じて制御して、燃料/空気混合物が少な
くとも低エンジン速度範囲内では自己着火まで圧縮されるように構成されている
ことを特徴とする。
を示す。この例の内燃機関は、燃焼室3内に突き出たスパークプラグ2を有する
オットーエンジンである。シリンダー1はピストン4を有し、該ピストンは連結
棒5によりクランク軸7のクランク腕6に連結されている。燃焼室3は、燃料/
空気混合物の供給のための吸気口8を有している。吸気弁9が燃焼室の吸気ポー
ト内に配置されている。排気弁(図示せず)が排気ポート内に配置され排気導管
につながっている。
気弁自体は公知のタイプのものとすることができ、弁スピンドルが二つの電磁石
の間にある金属ディスクに連結されている。これらの電磁石は交互に磁化され、
金属ディスクはその瞬間に磁化されている磁石の方向に引きつけられる。この公
知のタイプの電磁制御弁により、弁の開放の程度を、個々のシリンダーに関して
、一つのサイクルから次のサイクルまで、自由に制御することができる。スパー
クプラグ2は制御ユニットにより点火システム14に接続されており、該制御ユ
ニットには、エンジンのrpmおよびアクセルペダル位置を表す信号が、エンジ
ンrpmと負荷とに応じて点火を制御するために送られる。弁9の電磁石は制御
ユニット15によって制御され、該ユニットには、シリンダー室の圧力Pを直接
または間接に測定するセンサー(図示せず)からの信号、および/またはイオン
流を示す信号が送られる。この信号はスパークプラグをセンサーとして得ること
ができる。
ジャー16の位置を調節することにより、シリンダー1の圧縮比をも制御する。
シリンダー17内のプランジャー16の位置は作動手段18によって制御され、
該手段はたとえばSE−A−405993号明細書に記載・説明されているタイ
プのものとすることができる。
燃焼室3に供給された燃料/空気混合物の点火は該混合物の圧縮中の自己着火に
よって行われる。図1は、最大圧縮比のときのプランジャー16の位置とピスト
ン4の位置ISとを示す。このとき、吸気弁9は、低負荷と低rpm範囲(すな
わち、約3000〜4000rpm以下)の高rpmとにおいては、圧縮ストロ
ーク中、閉じている。図1の動作状態から高負荷および低rpmへの過渡状態時
には、有効圧縮比が、第一に、プランジャー16を矢印で示すように引き戻して
幾何圧縮比を低下させることにより、第二に、吸気弁9の閉鎖を遅らせることに
より、低下させられる。図3には、高負荷および低rpmにおいて吸気弁9が閉
じているときのピストン4の位置ISを示す。比較すればわかるように、閉鎖時
刻は図1の状態のときと大体同じである。しかし、圧縮比は、プランジャー16
が引き戻されて燃焼室の総容積が大きくなっていることにより、小さくなってい
る。図3の動作状態から低負荷および高rpm(図4)への過渡中に、有効圧縮
比は、第一に、プランジャー16に矢印で示すようにプランジャー16を前方に
動かして幾何圧縮比を増大させることにより、第二に、吸気弁9を早く閉じるこ
とにより、増大させられる。図4において、吸気弁9はピストン4の下死点で閉
じる。
m範囲の上限たとえば約4000rpmを越えると、制御は通常のオットーエン
ジン動作に切り替えられる。すなわち、通常の圧縮比と弁オーバーラップが使用
され、また点火システムが作動するようにされる。この切り替えは、エンジン負
荷が最大エンジン負荷の50〜70%を越えた場合にも起る。“通常の”圧縮比
は、約8〜10:1とすることができ、またHCCI動作下での最大圧縮比は約
16〜20:1である。
えることにより、またはこれら二つの組合せにより、調節することができる。排
気弁(図示せず)は吸気弁と同様に電磁的に作動させることができるが、HCC
I動作時の制御は排気弁の可変弁タイミングを必要としないので、通常のやり方
のカム軸制御とすることができる。
ピストンとともに模式的に示した図である。
ピストンとともに模式的に示した図である。
ピストンとともに模式的に示した図である。
ピストンとともに模式的に示した図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 4ストローク内燃機関の燃焼室(3)における燃焼過程を制
御する方法であって、前記内燃機関が、少なくとも一つの吸気弁(9)と少なく
とも一つの排気弁(11)を有する少なくとも一つのシリンダー(1)、該シリ
ンダーの幾何圧縮比を変える手段(16、17、18)、および前記燃焼室に均
質燃料/空気混合物を供給する手段を有し、 前記圧縮比と吸気弁(9)の閉鎖とが、前記混合物が少なくとも低rpm範囲
内においては自己着火まで圧縮されるように制御されることを特徴とする方法。 - 【請求項2】 前記圧縮比と吸気弁(9)の閉鎖とが、低負荷および高エン
ジン速度においては高負荷および低エンジン速度におけるよりも前記圧縮比が大
きくかつ吸気弁が早く閉じるように制御され、また高負荷および低エンジン速度
への過渡状態においては前記圧縮比が減少させられかつ前記弁の閉鎖が遅いよう
に設定され、また低負荷および高エンジン速度への過渡状態においては前記圧縮
比が増大させられかつ前記弁が早く閉鎖されることを特徴とする請求項1に記載
の方法。 - 【請求項3】 燃焼室における燃料/空気混合物の火花点火のための手段(
2、14)を有する内燃機関における燃焼過程を制御する際の請求項1または2
に記載の方法であって、 火花点火手段(2、14)が、前記低エンジン速度範囲内においては動作停止
状態に保たれ、前記点火手段が、エンジン速度が低エンジン速度範囲の上限を越
えた場合には動作させられ、同時に、幾何圧縮比が低レベルに向うように制御さ
れることを特徴とする方法。 - 【請求項4】 前記少なくとも一つの吸気弁(9)が電磁的手段(12)に
よって制御されることを特徴とする請求項1から3の中のいずれか1つに記載の
方法。 - 【請求項5】 燃料としてガソリンが使用されることを特徴とする請求項1
から4の中のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項6】 幾何圧縮比と吸気弁(9)の閉鎖とが、最大有効圧縮比が最
小有効圧縮比の大体2倍になるように制御されることを特徴とする請求項1から
5の中のいずれか1つに記載の方法。 - 【請求項7】 少なくとも一つの吸気弁と少なくとも一つの排気弁を有する
少なくとも一つのシリンダー、該シリンダーの幾何圧縮比を変える手段、および
前記シリンダーの前記燃焼室に均質燃料/空気混合物を供給する手段を有する4
ストローク内燃機関であって、 少なくとも前記吸気弁が可変弁時間を有し、制御手段(12、15、18)が
エンジン速度と負荷とに応じて吸気弁(9)の開放の程度とシリンダー(1)の
圧縮比とを制御して、前記混合物が、少なくとも低エンジン速度範囲内において
は、自己着火まで圧縮されるように前記制御手段が構成されていることを特徴と
する内燃機関。 - 【請求項8】 制御手段(12、15、18)が前記圧縮比と吸気弁(9)
の閉鎖とを制御して、低負荷および高エンジン速度においては高負荷および低エ
ンジン速度におけるよりも前記圧縮比が大きくなりかつ吸気弁が早く閉じるよう
に、前記制御手段が構成され、また高負荷および低エンジン速度への過渡状態に
おいては前記圧縮比が減少させられかつ前記弁が遅く閉鎖され、また低負荷およ
び高エンジン速度への過渡状態においては前記圧縮比が増大させられかつ前記弁
が早く閉鎖されることを特徴とする請求項7に記載の内燃機関。 - 【請求項9】 吸気弁(9)とシリンダー(1)の幾何圧縮を変える手段と
が、制御ユニット(15)に接続された動作手段(12、18)を有し、制御ユ
ニット(15)が該制御ユニットに送られる各種制御信号に応じて前記動作手段
を制御することを特徴とする請求項7または8に記載の内燃機関。 - 【請求項10】 吸気弁(9)が電磁動作手段(12)を有することを特徴
とする請求項9に記載の内燃機関。 - 【請求項11】 制御ユニット(15)が、燃焼室(3)に配置されたイオ
ン流信号センサーと回転速度計とに接続されていることを特徴とする請求項9に
記載の内燃機関。 - 【請求項12】 制御ユニット(15)が、燃焼室(3)に配置された圧力
信号センサーに接続されていることを特徴とする請求項10に記載の内燃機関。 - 【請求項13】 それぞれのシリンダー用の少なくとも一つのスパークプラ
グ(2)と点火制御装置(14)とから成る点火システム(2、14)を有し、
点火制御装置(14)が回転速度計とアクセルペダル位置センサーとに接続され
ている請求項7から12の中のいずれか1つに記載の内燃機関であって、 点火制御装置(14)が、前記低エンジン速度範囲内ではスパークプラグ(2
)を作動停止状態に保ち、エンジン速度が前記低エンジン速度範囲の上限を越え
たときには前記スパークプラグを作動させるように構成され、またこのとき、制
御ユニット(15)が、第一に、吸気弁(9)と排気弁とを制御して、該排気弁
が完全には閉じないうちに前記吸気弁が開きはじめるようにし、第二に、幾何圧
縮比を低レベルに向って制御するように構成されていることを特徴とする内燃機
関。
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