JP2004011546A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】運転条件が変わっても効率のよい燃焼を行うことができる内燃機関を提供すること。
【解決手段】複数組のピストン２ａ、２ｂとシリンダ１とを有し、前記シリンダ１が形成する燃焼室１０は連通して一つの燃焼室１０が形成され、さらに前記ピストン２ａ、２ｂの出力軸に前記ピストン２ａ、２ｂの位相をずらす位相変化装置９ａ、９ｂが設けられ、一方のピストン２ｂの位相が他方のピストン２ａの位相と異なっている。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば希薄予混合気を燃焼させる予混合圧縮自着火燃焼エンジンなどの内燃機関に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンにおいては、排ガスのクリーン化のため、予混合圧縮自着火エンジンの開発が進められている。この予混合圧縮自着火ディーゼル機関においては、燃料をシリンダ内に直接供給することで希薄予混合気を形成し、ピストンによる圧縮により上死点付近で予混合気を自着火させて燃焼させるものである。これにより、従来のディーゼルエンジンの拡散燃焼で大量に発生していたＮＯｘ（窒素酸化物）、すすなどが少ない極めてクリーンな排ガス特性が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような予混合圧縮自着火ディーゼル機関では、エンジンの運転領域は回転数、負荷とも極めて広いにも関わらず、予混合気の自着火特性は必ずしも運転状態と適合しない場合がある。すなわち、予混合気の着火特性は温度、圧力、混合気濃度によって定まり、これらがある値に決まると着火の時期（着火遅れ）は時間ベースで一意に決まってしまう。一方、エンジンはクランク角度ベースであるため、図６のように低速域ではピストンが上死点となる前に着火する過早着火が起きやすく、高速域では失火などの異常燃焼が発生しやすい。また負荷に対しても同様であり、高負荷域では過早着火、低負荷域では失火が発生してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、運転条件が変わっても効率のよい燃焼を行うことができる内燃機関を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、複数組のピストンとシリンダとを有し、前記各シリンダが形成する燃焼室は連通して一つの燃焼室が形成され、さらに前記ピストンの出力軸に前記ピストンの位相をずらす位相変化装置が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この発明においては、燃焼室を共有するピストンの位相を変えることができる。一方のピストンの位相を遅くすると、ピストンが一つ（位相が同じ）の場合と比べて圧縮比を小さくすることができる。すなわち、一つのピストンの位相を遅らせると、他のピストンが上死点であるにもかかわらず前記一つのピストンは圧縮途中となる。このため、ピストンが上死点となる時期がずれ、最大圧力のピークは１ピストン時（位相が同じ場合）と比べて小さくなる。したがって圧縮比が落ちる。圧縮比が低下することにより、筒内の混合気に蓄積されるエネルギーが低下し、より低速、高負荷域に対応した燃焼となる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関において、前記複数組のピストンとシリンダとが、少なくとも３組以上設けられていることを特徴とする。
【０００８】
ピストンが２組の場合、圧縮比の減少に伴って燃焼室内の圧力ピークの遅れが生ずる。圧力のピークが遅くなると、筒内ガスが排気されるまでの有効ストローク長が短くなってしまう。本発明のようにピストンを３組以上設けていると、それらの位相の組み合わせによって、圧力ピークの遅れと圧縮比の低下幅とを別個に変更することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関において、運転回転数と、運転負荷とに基づいて、前記位相変化装置を制御してピストンの位相差を変更する制御装置が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
この発明においては、回転数または負荷が変動した場合、変動後の条件にあわせて燃焼タイミングを変更することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施形態として示した予混合圧縮自着火ディーゼル機関（内燃機関）である。本実施形態においては二つのピストンを備えている。
図において、符号１はシリンダ、２ａ、２ｂピストン、３ａ、３ｂはコンロッド、４ａ、４ｂはクランク軸、５ａ、５ｂはクランク腕、６は吸気弁、７は排気弁である。また符号８ａ、８ｂは出力軸、符号９ａ、９ｂはそれぞれピストン２ａ、２ｂの位相を変えることができる位相変化装置である。
各ピストン２ａ、２ｂはシリンダ１を共有しており、シリンダ１と各ピストン２ａ、２ｂとによりそれそれ形成される燃焼室も連通した状態で一つの燃焼室１０とされている。
また、位相変化装置９ａ、９ｂは制御装置１１により制御されて各ピストン２ａ、２ｂの位相が制御されるようになっている。
【００１２】
さて、このように構成された本実施形態において、クランク角度と筒内圧力との関係を図２に示した。なお、筒内圧力については燃焼による圧力増加分は含まれていない。
図２において、符号ａはピストンが一つのみ設けられている内燃機関の場合である。また符号ｂは二つのピストン２ａ、２ｂを作動させているが、一方のピストン２ｂは、位相変化装置９ａ、９ｂによって他方のピストンよりも位相が遅らせてある。また符号ｄはピストン２ｂの位相を符号ｂよりもさらに遅らせた場合である。
この図からわかるように、ピストン２ｂの位相を遅らせると、ピストン２ａが上死点であるにもかかわらずピストン２ｂは圧縮途中となる。このため、両方のピストンが上死点となる時期がずれ、最大圧力のピークは１ピストン時と比べて小さくなる。したがって圧縮比が落ち、上図２（ａ）のように筒内のエネルギー蓄積量が下がるとともにその上昇も緩やかになる。したがって、自着火時期は遅くなり、より低速域に対応した燃焼となる。ピストン２ｂの位相がより遅い場合には、より低速域に対応した着火となる。
【００１３】
より具体的には、制御装置１１がエンジンの回転数および負荷を検出し、検出された回転数及び負荷に対し、位相変化装置９ａ、９ｂを制御することで、ピストン２ａ、２ｂの位相を適宜変更する。これにより、運転条件が変動しても、適切な燃焼を得ることができる。
回転数及び負荷と位相との関係について図３に示した。図３のマップに基づき、例えば回転数が小さく負荷が大きい場合には、過早着火となりやすい（図６参照）ため、これを防止するために制御装置１１は二つのピストン２ａ、２ｂの位相差を大きくとる。逆の場合には失火し易いため位相差を小さくする。
【００１４】
回転数の検出、負荷の検出は、既知の手段を用いることができる。例えば、回転数はクランク軸にて１周期または２周期毎にパルスを発生させ、該パルスをカウントすることで回転数を検出する。負荷は燃料噴射量（ガソリンエンジンの場合はスロットル角度、ディーゼルエンジンの場合は噴射ポンプラック位置）によって検出する。
これら回転数と負荷とによって位相を制御することにより適切な位相遅れとすることができる。さらに燃焼室１０内の圧力を検出することで過早着火、失火を検出し、位相遅れをフィードバック制御してもよい。
【００１５】
このように、運転条件に応じてピストン２ａ、２ｂの位相が適宜制御されることで、自着火タイミングを運転条件に合わせて制御することができる。したがって運転条件が変わっても高い熱効率を保ってクリーンな排ガスを得ることができる。
【００１６】
上記第１実施形態においては二組のピストン２ａ、２ｂを設けた。２ピストンの場合、筒内圧力のピーク高さとピークの遅れが一意に決まってしまう。すなわち図２（ｂ）に示したピーク値減少幅Δεを大きくする（圧縮比を小さくする）ためには、一方のピストン２ｂの位相をより遅くしなければならない。しかし、極力上死点ＴＤＣ近くで自己着火し、筒内ガスが排気される（図２（ｂ）のθｅｘ）までの有効ストローク長を多くとったほうが効率がよい。
そこで、以下のようにピストン数を３以上とする。これにより、各ピストンの位相の組み合わせによって、筒内圧力のピークの遅れΔθとピーク値減少幅Δεを分離して変えることができる。
【００１７】
図４は３組目のピストン２ｃを設けた第２実施形態である。図において、３ｃはコンロッド、４ｃはクランク軸、５ｃはクランク腕である。また符号８ｃは出力軸、符号９ｃはピストン２ｃの位相を変えることができる位相変化装置である。
各ピストン２ａ、２ｂ、２ｃはシリンダ１を共有しており、シリンダ１と各ピストン２ａ、２ｂ、２ｃとによりそれそれ形成される燃焼室も連通した状態で一つの燃焼室１０とされている。また、位相変化装置９ｃは制御装置１１により制御されてピストン２ｃの位相が制御されるようになっている。他の構成については上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００１８】
図５は４組目のピストン２ｄを設けた第３実施形態である。図において、３ｄはコンロッド、４ｄはクランク軸、５ｄはクランク腕である。また符号８ｄは出力軸、符号９ｄはピストン２ｄの位相を変えることができる位相変化装置である。
各ピストン２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄはシリンダ１を共有しており、シリンダ１と各ピストン２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとによりそれそれ形成される燃焼室も連通した状態で一つの燃焼室１０とされている。また、位相変化装置９ｄは制御装置１１により制御されてピストン２ｄの位相が制御されるようになっている。他の構成については上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００１９】
上記第２、第３実施形態の場合、図２の線ｃに示すように、各ピストン２ａ，２ｂ，２ｃ、２ｄの位相遅れの組み合わせにより、筒内圧力が最大となる時期の遅れを大きくせずに圧縮比を下げることができる。つまり、ピストンが２組の場合には図２（ｂ）のａ，ｂ，ｄのようにΔεを下げるとピーク遅れΔθも大きくなってしまうが、ピストンが３以上であると、符号ｃのように遅れΔθを大きくせずΔεを下げることができる。したがって有効ストロークを長くとることができ、効率がよい。また、上記第１実施形態と同様に、制御装置１１が位相変化装置９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを制御することによって、ピストン２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの位相を変更することによって、中速域、低速域に対してタイミングの良い自着火を実現することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の内燃機関においては、以下の効果を得ることができる。
請求項１に記載の発明によれば、燃焼室を共有するピストンの位相が位相変化装置によって変更可能となっているから、運転条件に対応して燃焼時期を変更することができる。したがって運転条件が変わっても高い熱効率を保ってクリーンな排ガスを得ることができる。
請求項２に記載の発明によれば、ピストンが３組以上設けられ、これらの位相の組み合わせによって、圧力ピークの遅れと圧縮比とを別個に変更することができる。したがって効率のよい燃焼を実現することができる。
請求項３に記載の発明によれば、回転数または負荷が変動した場合、変動後の条件にあわせて適宜燃焼時期を変更することができ、常に効率のよい燃焼を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態として示した予混合圧縮自着火ディーゼル機関である。
【図２】クランク角度とエネルギー蓄積量および筒内圧力との関係を示した図である。
【図３】エンジン回転数及び負荷に応じた位相設定例を示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態として示した予混合圧縮自着火ディーゼル機関である。
【図５】本発明の第３実施形態として示した予混合圧縮自着火ディーゼル機関である。
【図６】従来の予混合圧縮自着火ディーゼル機関にける作動範囲を示した図である。
【符号の説明】
１　シリンダ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ　ピストン
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ　位相変化装置
１０　燃焼室
１１　制御装置

Claims (3)

1. 複数組のピストンとシリンダとを有し、前記各シリンダが形成する燃焼室は連通して一つの燃焼室が形成され、さらに前記ピストンの出力軸に前記ピストンの位相をずらす位相変化装置が設けられていることを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記複数組のピストンとシリンダとが、少なくとも３組以上設けられていることを特徴とする内燃機関。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関において、
   運転回転数と運転負荷とに基づいて前記位相変化装置を制御して前記ピストンの位相差を変更する制御装置が設けられていることを特徴とする内燃機関。

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