JP2004108319A

JP2004108319A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2004108319A
Application number: JP2002274721A
Authority: JP
Inventors: Fumitaka Honjo; 本城　史隆
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】筒内噴射式の内燃機関において、燃料と空気を十分に混合しえるようにする。
【解決手段】内燃機関の１サイクルを、ピストン１４の下降に伴って吸気通路から空気を筒内に吸い込みがら燃料を筒内噴射する行程と、ピストン１４の上昇に伴って筒内の燃料を含む空気を吸気通路へ押し出す行程と、ピストン１４の下降に伴って吸気通路から燃料を含む空気を筒内へ吸い戻す行程と、ピストン１４の上昇に伴って筒内を圧縮しながら上死点近くで着火または点火する行程と、燃焼ガスの膨張によってピストン１４が押し下げられる行程と、膨張した燃焼ガスをピストン１４の上昇に伴って排気通路へ押し出す行程と、の順に進む、６行程に設定する。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内噴射式の内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料を筒内に直接噴射する内燃機関において、第１の吸気行程→圧縮行程（筒内噴射・点火）→膨張行程（燃焼）→第１の排気行程→第２の吸気行程→第２の排気行程、の６行程を１サイクル（１周期）に設定したものが開示される（特許文献１、参照）。第１の吸気行程→圧縮行程（筒内噴射・点火）→膨張行程（燃焼）→第１の排気行程、の４行程に追加される２行程（第２の吸気行程→第２の排気行程）により、第１の排気行程後の残存ガスは、新気と共に筒内から排気通路へ除去されるのである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２９１８３０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図９は、筒内噴射式の内燃機関において、４行程・１サイクルの作動を説明するものであり、ピストンの下降に伴って吸気通路から空気を筒内に吸い込む行程《吸入》と、ピストンの上昇に伴って筒内を圧縮しながら上死点近くで着火または点火する行程《圧縮》と、燃焼ガスの膨張によってピストンが押し下げられる行程《膨張》と、膨張した燃焼ガスをピストンの上昇に伴って排気通路へ押し出す行程《排気》と、の順に進む、４行程を１サイクルにクランクシャフトの２回転毎に１回ずつ繰り返すのである。《圧縮》の上死点近くに設定される点火または着火に対し、燃料噴射は、《吸入》の前期に設定されるが、筒内噴射（直接噴射）においては、運転状態（噴射量など）にもよるが、着火または点火へ至る期間が短か過ぎて燃料と空気との混合（ミキシング）が不足する、という可能性が考えられる。
【０００５】
この発明は、このような課題に着目してなされたものであり、筒内噴射式においても、燃料と空気を十分に混合しえる、内燃機関の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、内燃機関の１サイクルを、ピストンの下降に伴って吸気通路から空気を筒内に吸い込みがら燃料を筒内噴射する行程と、ピストンの上昇に伴って筒内の燃料を含む空気を吸気通路へ押し出す行程と、ピストンの下降に伴って吸気通路から燃料を含む空気を筒内へ吸い戻す行程と、ピストンの上昇に伴って筒内を圧縮しながら上死点近くで着火または点火する行程と、燃焼ガスの膨張によってピストンが押し下げられる行程と、膨張した燃焼ガスをピストンの上昇に伴って排気通路へ押し出す行程と、の順に進む、６行程に設定したことを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、内燃機関の１サイクルを６行程に制御する手段と、同じく１サイクルを４行程に制御する手段と、運転状態に応じて４行程・１サイクルの制御と６行程・１サイクルの制御を選択的に実効させる手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、内燃機関の１サイクルを、ピストンの下降に伴って吸気通路から空気を吸い込む行程と、ピストンの上昇に伴って筒内の空気を吸気通路へ押し出す行程と、ピストンの下降に伴って吸気通路から空気を筒内へ吸い戻す行程と、ピストンの上昇に伴って筒内を圧縮する行程と、燃焼に伴う高温ガスの膨張によってピストンが押し下げられる行程と、膨張した燃焼ガスをピストンの上昇に伴って排気通路へ押し出す行程と、の順に進む、６行程に設定する一方、筒内を圧縮する行程の上死点付近に設定される着火または点火に対し、空気を吸い込む行程〜筒内を圧縮する行程、の範囲において、燃料の筒内噴射を適宜な時期に制御する手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
第１の発明においては、最初の行程で筒内に空気が吸い込まれ、燃料が筒内噴射される。続く行程で新気（筒内の燃料を含む空気）が吸気通路へ押し出され、続く行程で新気が筒内へ吸い戻される。これらの行程において、新気の流動が活発化され、これに伴う撹拌作用により、燃料と空気との混合（ミキシング）が大いに促進される。続く行程で筒内の混合気が圧縮され、その上死点付近で着火または点火される。続く行程で高温ガスの膨張によって動力を発生させるのであり、膨張したガスは、最後の行程で筒内から排気通路へ押し出され、最初の行程から繰り返されるのである。このような、６行程・１サイクルの作動により、燃料の筒内噴射から着火または点火へ至るまでの間において、空気と燃料を十分に混合させることができる。燃料は、軽油，ガソリン，ガス（たとえば、圧縮天然ガス）、などが想定される。
【００１０】
第２の発明においては、制御の実効が選択され、４行程・１サイクルの特性と６行程・１サイクルの特性と、が運転状態に応じて生かせるようになる。たとえば、６行程・１サイクルを第１の発明と同様に設定の場合、燃料の噴射量が大きい高負荷領域において、６行程・１サイクルの制御を実効させることにより、燃料と空気との十分な混合が得られる一方、燃料の噴射量が小さい低負荷領域において、４行程・１サイクル（《吸入》《圧縮》《爆発》《排気》）の制御を実効させることにより、所定の馬力を確保できるようになる。
【００１１】
第３の発明においては、筒内噴射から着火または点火へ至るまでの期間の拡縮が適宜に制御される。たとえば、燃料の噴射量が小さい低負荷領域においては、筒内噴射の時期を遅らせることにより、圧縮上死点付近の着火または点火へ至る期間を短くしたり、燃料の噴射量が大きい高負荷領域においては、筒内噴射の時期を早めることにより、圧縮上死点付近の着火または点火へ至る期間を長くしたり、適宜に制御すると、運転状態に適合する、常に過不足のない、良好な混合状態が得られるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１において、１０は筒内噴射式の内燃機関（エンジン）であり、気筒毎に吸気弁１１および排気弁１２（図示省略）のほか、燃料を筒内へ直接噴射するインジェクタ１３が配置される。１４はピストン、１５はシリンダヘッドである。
【００１３】
内燃機関１０の１サイクルは、図２の６行程に設定される。吸気弁１１が開かつ排気弁１２が閉のバルブ状態において、ピストン１４の下降に伴って吸気通路から空気を吸い込む行程《吸入１》と、同じくピストン１４の上昇に伴って筒内の空気を吸気通路へ押し出す行程《排気１》と、同じくピストン１４の下降に伴って吸気通路から空気を筒内へ吸い戻す行程《吸入２》と、吸気弁１１が閉かつ排気弁１２が閉のバルブ状態において、ピストン１４の上昇に伴って筒内を圧縮する行程《圧縮》と、同じく燃焼に伴う高温ガスの膨張によってピストン１４が押し下げられる行程《膨張》と、吸気弁１１が閉かつ排気弁１２が開のバルブ状態において、膨張した燃焼ガスをピストン１４の上昇に伴って排気通路へ押し出す行程《排気２》と、の順に進む、６行程・１サイクルに構成される。
【００１４】
《圧縮》の上死点付近に設定される着火または点火に対し、筒内噴射は、《吸入１》の前期に設定される。燃料の噴射量は、エンジンの回転速度と負荷状態とから決定され、《吸入１》の前期に設定の開始時期に対し、終了時期が燃料の決定量に応じて変化するように制御される。
【００１５】
図３は、６行程・１サイクル（《吸入１》《排気１》《吸入２》《圧縮》《膨張》《排気２》）の作動を説明するものであり、最初の行程《吸入１》において、筒内に空気が吸い込まれ、インジェクタ１５から燃料が筒内噴射される。続く行程《排気１》において、新気（筒内の燃料を含む空気）が吸気通路へ押し出され、続く行程《吸入２》において、新気が筒内へ吸い戻される。これらの行程において、新気の流動が活発化され、これに伴う撹拌作用により、燃料と空気との混合（ミキシング）が大いに促進される。続く行程《圧縮》において、筒内の混合気が圧縮され、その上死点付近で着火または点火される。続く行程《膨張》において、高温ガスの膨張によってピストン１４が押し下げられるのであり、膨張したガスは、最後の行程《排気２》において、筒内から排気通路へ押し出される。
【００１６】
このような、６行程・１サイクルの作動により、燃料の筒内噴射から着火または点火へ至るまでの間において、空気と燃料を十分に混合させることができる。
図３において、吸気弁１１は、《排気１》の後期から《吸入２》の前期へ亘る角度範囲において、混合気の出入りを絞る（全開状態から半開状態となり、半開状態から全開状態へ戻される）ようになっている。この挙動により、ポンプ損失の抑制が図れる。細線Ａは、筒内圧の変化を表すものである。
【００１７】
１サイクルの間、クランク軸は３回転する。クランク軸の回転は、ギヤの噛み合いによって動弁機構のカム軸へ伝達され、クランク軸の３回転ごとにカム軸が１回転するギヤ比（クランク軸のギヤの歯数／カム軸のギヤの歯数＝１／３）に設定される。図４は、吸気弁１１のカム１１ａ（プロフィルは、図３のバルブ挙動に対応する）、図５は、排気弁１２のカム１２ａ（プロフィルは、図３のバルブ挙動に対応する）、を表すものである。
【００１８】
燃料は、軽油，ガソリン，ＣＮＧ（圧縮天然ガス）、などが想定される。軽油の場合、筒内の混合気は、《圧縮》の上死点付近で圧縮着火する。ガソリンまたはＣＮＧの場合、気筒毎に点火プラグが配置され、筒内の混合気は、《圧縮》の上死点付近で火花点火されるようになる。
【００１９】
ＣＮＧの場合、気体どうしのため、空気と混合しにくいので、筒内噴射は、《圧縮》の上死点付に設定される着火または点火に対し、早めに設定するのが望まれる。ガソリンまたは軽油の場合、ＣＮＧよりも短期間の混合が済むので、筒内噴射は、《吸入１》に限らず、《排気１》または《吸入２》または《圧縮》に設定可能となる。
【００２０】
《吸入１》〜《圧縮》の範囲において、筒内噴射は、運転状態に応じた適宜な時期に制御することが考えられる。その場合、筒内噴射から着火または点火へ至るまでの期間が運転状態（噴射量など）に応じて拡縮されるのである。たとえば、燃料の噴射量が小さい低負荷領域においては、筒内噴射の時期を遅らせることにより、圧縮上死点付近の着火または点火へ至る期間を短くしたり、燃料の噴射量が大きい高負荷領域においては、筒内噴射の時期を早めることにより、圧縮上死点付近の着火または点火へ至る期間を長くしたり、適宜に制御すると、運転状態に適合する、常に過不足のない、良好な混合が得られるようになる。
【００２１】
図６は、別の実施形態を表すものであり、吸気弁１１を開閉するアクチュエータ１６と、排気弁１２を開閉するアクチュエータ１７と、図示しないインジェクタと共にこれらのアクチュエータ１６，１７を制御するＥＣＵ１８（電子制御ユニット）と、が備えられる。ＥＣＵ１８は、内燃機関の作動を図９のような４行程・１サイクル（《吸入》《圧縮》《爆発》《排気》）に制御する手段と、同じく１サイクルを図３の６行程（《吸入１》《排気１》《吸入２》《圧縮》《膨張》《排気２》）に制御する手段と、これら制御を運転状態に応じて選択的に実効させる手段と、が構成される。
【００２２】
図８は、ＥＣＵ１８の制御内容を説明するフローチャートであり、Ｓ１，Ｓ２においては、運転状態としてエンジン回転速度およびエンジン負荷（スロットル開度，吸気圧力、など）を検出する。Ｓ３においては、これらの回転信号および負荷信号から確定される運転状態に対し、図７のようなマップ（制御特性）に基づいて、運転状態は、４行程・１サイクルの制御領域か、６行程・１サイクルの制御領域か、を判定する。運転状態が４行程・１サイクルの制御領域に入るときは、４行程・１サイクルの制御（図９、参照）を実効させる一方、運転状態が６行程・１サイクルの制御領域に入るときは、６行程・１サイクルの制御（図３、参照）を実効させるのである。
【００２３】
図７のようなマップにおいては、燃料の噴射量が大きい高負荷運転のときは、６行程・１サイクルの実効により、燃料と空気との十分な混合が得られる一方、燃料の噴射量が小さい低負荷運転のときは、４行程・１サイクルの実効により、所定の馬力を確保できるようになる。つまり、４行程・１サイクルの制御と、６行程・１サイクルの制御と、を運転状態に応じて選択的に実効させることにより、エンジン性能に両者の特性を生かせるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を表す、エンジン構造の概要図である。
【図２】同じく、１サイクルの行程説明図である。
【図３】同じく、６行程・１サイクルの作動説明図である。
【図４】同じく、吸気弁のカムプロフィル図である。
【図５】同じく、排気弁のカムプロフィル図である。
【図６】別の実施形態を表す、システムの概要図である。
【図７】同じく、制御マップの説明図である。
【図８】同じく、制御内容を説明するフローチャートである。
【図９】４行程・１サイクルの作動説明図である。
【符号の説明】
１１　吸気弁
１２　排気弁
１３　インジェクタ
１４　ピストン
１６，１７　バルブアクチュエータ
１８　ＥＣＵ（電子制御ユニット）

Claims

内燃機関の１サイクルを、ピストンの下降に伴って吸気通路から空気を筒内に吸い込みがら燃料を筒内噴射する行程と、ピストンの上昇に伴って筒内の燃料を含む空気を吸気通路へ押し出す行程と、ピストンの下降に伴って吸気通路から燃料を含む空気を筒内へ吸い戻す行程と、ピストンの上昇に伴って筒内を圧縮しながら上死点近くで着火または点火する行程と、燃焼ガスの膨張によってピストンが押し下げられる行程と、膨張した燃焼ガスをピストンの上昇に伴って排気通路へ押し出す行程と、の順に進む、６行程に設定したことを特徴とする内燃機関。
内燃機関の１サイクルを６行程に制御する手段と、同じく１サイクルを４行程に制御する手段と、運転状態に応じて４行程・１サイクルの制御と６行程・１サイクルの制御を選択的に実効させる手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関。
内燃機関の１サイクルを、ピストンの下降に伴って吸気通路から空気を吸い込む行程と、ピストンの上昇に伴って筒内の空気を吸気通路へ押し出す行程と、ピストンの下降に伴って吸気通路から空気を筒内へ吸い戻す行程と、ピストンの上昇に伴って筒内を圧縮する行程と、燃焼に伴う高温ガスの膨張によってピストンが押し下げられる行程と、膨張した燃焼ガスをピストンの上昇に伴って排気通路へ押し出す行程と、の順に進む、６行程に設定する一方、筒内を圧縮する行程の上死点付近に設定される着火または点火に対し、空気を吸い込む行程〜筒内を圧縮する行程、の範囲において、燃料の筒内噴射を適宜な時期に制御する手段を備えたことを特徴とする内燃機関。