JP2004293368A

JP2004293368A - 筒内噴射圧縮着火エンジン

Info

Publication number: JP2004293368A
Application number: JP2003084983A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Sakurai; 陽一櫻井
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、ＮＯｘやＰＭの低減に有効な予混合燃焼を実現しえる運転領域を広げる。
【解決手段】圧縮比の可変機構と、燃料の着火時期を検出する手段と、その検出信号に基づいて着火時期を圧縮行程の上死点付近に圧縮比の可変機構を制御する手段（Ｓ２〜Ｓ６およびＳ８〜Ｓ１１）と、を備える。エンジンの回転速度Ｎおよび負荷Ｗを検出する手段と、その検出信号に基づいて高回転域または高負荷域のときに通常燃焼させるべく圧縮比の可変機構を制御する手段（Ｓ１，Ｓ７，Ｓ８〜Ｓ１１）と、を備える。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、筒内噴射圧縮着火エンジンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンに代表される、筒内噴射圧縮着火エンジンにおいては、一般に拡散燃焼主体の燃焼が行われる。燃料は、圧縮行程のピストン上死点（ＴＤＣ）付近において、高温の筒内へ噴射され、圧縮着火（自己着火）するようになるが、その際にＮＯｘやＰＭを発生しやすく、これらの排気量を低減するため、予混合燃焼が有望視されるのである。
【０００３】
予混合燃焼においては、着火遅れ期間が大きく設定され、その間に燃料と空気との混合（ミキシング）により均一な混合気を生成するようになる。そのため、燃料の噴射時期を早めたり、大量のＥＧＲを導入したり、圧縮比を下げる、制御などが知られるが、何れにしろ、燃費の悪化を防ぐため、ピストン上死点（ＴＤＣ）付近において、燃料を自己着火（燃焼を開始）させる必要がある。
【０００４】
圧縮着火の場合、火花点火と異なり、燃焼の開始は制御し難たく、適正な予混合燃焼を実現しえるのは、着火遅れ期間を大きく取りやすい、運転領域（低回転・低負荷）に限られてしまうのである。なお、圧縮比の可変機構については、特許文献１〜特許文献５が開示される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２７６７４号
【特許文献２】
特開２０００−１３０２０１号
【特許文献３】
特開平５−２７２４０４号
【特許文献４】
特開平１１−１０７７９２号
【特許文献５】
特開２０００−３４９１３号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、このような従来技術を踏まえつつ、ＮＯｘやＰＭの低減に有効な予混合燃焼を適正に実現しえる運転領域を広げる（理想的には全域で予混合燃焼させる）ことを目的とする。また、燃費の悪化を防ぐため、吸気量を減らすことなく、圧縮比の調整可能な機構の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、圧縮比の可変機構と、燃料の着火時期を検出する手段と、その検出信号に基づいて着火時期を圧縮行程の上死点付近に保持するべく圧縮比の可変機構を制御する手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、予混合燃焼させるべく燃料の噴射時期を制御する手段と、圧縮比の可変機構と、燃料の着火時期を検出する手段と、その検出信号に基づいて着火時期を圧縮行程の上死点付近に圧縮比の可変機構を制御する手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明に係る筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、エンジンの回転速度および負荷を検出する手段と、その検出信号に基づいて高負荷域または高回転域のときに通常燃焼させるべく圧縮比の可変機構および燃料の噴射時期を制御する手段と、を備えることを特徴する。
【００１０】
第４の発明は、第１の発明〜第３の発明に係る筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、燃料の着火時期を検出する手段は、筒内圧力または着火振動からクランク角に対応する着火時期を検出することを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第１の発明〜第４の発明に係る筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、圧縮比の可変機構は、シリンダの内周をピストンとのフリクションにより軸方向へ摺動可能なスリーブと、スリーブの上端とシリンダヘッドの下面との隙間が最小となる位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段と、スリーブの上端とシリンダヘッドの下面との隙間が最大となる位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段と、を備えることを特徴する。
【００１２】
第６の発明は、第５の発明に係る筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、スリーブの上端とシリンダヘッドの下面との隙間が最小となる位置は、スリーブの上端がシリンダヘッドの下面に突き当たる位置であり、その位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段は、スリーブの下端を係止するピンと、ピンを係止位置とその解除位置との２位置に進退させる手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
第７の発明は、第６の発明に係る筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、スリーブの上端とシリンダヘッドの下面との隙間が最大となる位置は、スリーブの下端がストッパに突き当たる位置であり、その位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段は、ピンが係合可能な凹部をスリーブに備えることを特徴とする。
【００１４】
第８の発明は、第５の発明〜第７の発明に係る筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、シリンダヘッドとの隙間が最大となる位置は、ピストン上死点のピストントップリングの直上位にスリーブの上端が来るように設定されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の効果】
第１の発明〜請求項８においては、圧縮比の可変機構を制御することにより、燃料の着火時期が圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）付近にコントロールできるので、燃費（熱効率）を確保しつつ、ＮＯｘやＰＭの低減に有効な予混合燃焼を広い運転領域で実現可能となる。つまり、燃料の着火時期を上死点（ＴＤＣ）付近に保持しながら、必要な着火遅れ期間を確保しえるのである。また、着火遅れ期間を大きく取りやすい、運転領域（低回転・低負荷）から、エンジン回転速度またはエンジン負荷が高くなり、早期着火が検出されると、圧縮比を下げる制御を行うことにより、適正な予混合燃焼の継続が可能となる。
【００１６】
第３の発明においては、着火遅れ期間を十分に取り難い、高回転域または高負荷域は、通常燃焼（拡散燃焼主体の燃焼形態）に拠るので、燃費の改善と共に高出力が確保される。高回転域または高負荷域は、排気温度が高いので、ＮＯｘやＰＭは、触媒の活性化により、効率よく後処理できることになる。
【００１７】
第４の発明においては、気筒毎の着火時期（燃焼の開始）を筒内圧力または着火振動から検出できる。筒内圧力は、筒内温度を反映するので、比較的に簡単な手段により、正確に着火時期を検出できるのである。
【００１８】
第５の発明〜第８の発明においては、スリーブはピストンの往復動（ストローク）を支持する形になり、ピストンとのフリクションにより、ピストンの往復動に伴ってシリンダの内周を軸方向へ摺動可能となる。隙間は、ピストンの往動（上昇行程）に伴うスリーブの動きにより、容積が縮小され、ピストンの復動（下降行程）に伴うスリーブの動きにより、容積が拡大されるのである。隙間の最小位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段と、隙間の最大位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段と、が備えられ、隙間（燃焼室の一部を形成する）の容積変化により圧縮比が可変となる。圧縮比の可変機構は、隙間の容積変化（スリーブの固定位置の変化）によるので、吸気量は変わらないため、着火遅れ期間も確保しやすくなるのである。
【００１９】
第８の発明においては、隙間の最大容積（圧縮比の可変幅）を合理的かつ効率よく最大限に設定できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図は、この発明の実施形態に係る、圧縮比の可変機構を説明するものであり、デーゼルエンジンに適用される。図１において、１はシリンヘッド、２はシリンダブロック、３はピストン、４はシリンダライナ（この場合、乾式ライナ）、５はガスケットである。
【００２１】
ライナ４の内側にスリーブ６が軸方向へ摺動可能に挿入され、その内側にピストン３が往復動可能に支持される。シリンダブロック２において、スリーブ６の抜け止め部１０（ストッパ）が径方向へ突設され、スリーブ６の下端がストッパ１０に突き当たる位置において、シリンダヘッド１の下面とスリーブ６の上端との隙間ｓ（図３、参照）の最大容積を規制する。
【００２２】
ライナ４の下端位置に径方向へ出没可能なピン８が備えられる。ピン８はライナ４の円周方向へ複数が等間隔に配置される。図２において、９はピン８を出没可能に支持する収容部であり、収容部９と同軸上にシリンダ１２が形成される。シリンダ１２の内部にピストン１５が収装され、ピン８にロッド１６を介して連結される。１７はピストン１５に仕切られる油室であり、その油路Ｂを高圧（ポンプ）側の油路Ａまたは低圧（リザーバ）側の油路Ｃに接続する電磁弁１４が設けられる。１１はピン８を突出位置へ付勢するのがバネであり、収容部９に収装される。
【００２３】
電磁弁１４が油路Ａと油路Ｂを接続する解除ポジションに切り替わると、シリンダ１２の油室１７へ高圧側の油が供給され、油室１７の拡張方向へストロークするピストン１５により、ピン８がバネ１１を圧縮しながら収容部９へ没入するように引き込まれる一方、電磁弁１４が油路Ｂと油路Ｃを接続する固定ポジションに切り替わると、シリンダ１２の油室１７が低圧側に開放され、バネ１１の復元力により、ピン８が収容部９から突き出るように付勢される。
【００２４】
スリーブ６は、ピン８が収容部９に没入すると、ピストン３とのフリクション（主にピストンリング３ａ〜３ｃとのフリクション）により、上端がシリンダヘッド１の下面に突き当たる位置（隙間ｓが最小となる位置）と、下端がストッパに突き当たる位置（隙間ｓが最大となる位置）と、の間を摺動可能となる。
【００２５】
シリンダ１２の油室１７が開放されると、スリーブ６は、隙間ｓが最小となる位置において、ピン８が収容部９から突き出るので、シリンダヘッド１の下面とピン８の突出部との間に固定される（図１、参照）。また、隙間ｓが最大となる位置において、ピン８が係合可能な凹部１８がスリーブ６の外周に形成され、ピン８と凹部１８との係合により、スリーブ６はその下端がストッパ１０に突き当たる位置に固定される（図３、参照）。
【００２６】
隙間ｓは、燃焼室の一部を構成するので、その容積変化により、圧縮比が可変となるのである。ピン８およびこれを出没させる油圧機構７（シリンダ１２および電磁弁１４など）により、隙間ｓが最大となる位置にスリーブ６を固定する手段およびその固定を解除する手段、ピン８およびその油圧機構７とピン８が係合可能な凹部１８により、隙間ｓが最小となる位置にスリーブ６を固定する手段およびその固定を解除する手段、が構成される。
【００２７】
このような、圧縮比の可変機構において、電磁弁１４を制御するのがコントロールユニット１３（ＥＣＵ）であり、図示しないが、エンジンの回転速度を検出する手段、エンジンの負荷を検出する手段、燃料の着火時期（燃焼の開始）を検出する手段、が備えられる。着火時期の検出手段については、気筒毎に筒内圧力（または着火振動）から、着火時期に対応するクランク角を検出するように構成される。
【００２８】
ＥＣＵ１３は、基本的には着火時期信号に基づいて着火時期を圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）付近に保持するべく圧縮比の可変機構を制御する（図５、参照）。具体的には、スリーブ６が隙間ｓの最小位置に固定の状態において、着火時期信号から早期着火が判定される場合、電磁弁１４を一時的に解除ポジションに切り替えるのである。スリーブ６は、その固定が解除され、ピストン３とのフリクションにより、ピストン３の下降行程において、ストッパ１０に突き当たる位置へ運ばれ、電磁弁１４の開放ポジションへの復帰により、ピン８が凹部１８に係合すると、その位置（隙間ｓが最大となる位置）に固定される。隙間ｓの容積が増加され、圧縮比は下がるので、早期着火が防止され、着火時期は、圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）付近へ近づけられることになる。
【００２９】
図４は、ＥＣＵ１３の制御特性を説明するものであり、高回転域または高負荷域を除く運転領域において、予混合燃焼するべく、燃料の噴射時期が進角制御され、着火遅れ期間を稼ぐため、大量のＥＧＲが導入されるのである。
【００３０】
低回転域・低負荷域においては、予混合燃焼に必要な着火遅れ期間が確保しやすく、圧縮比の可変機構は、隙間ｓが最小の状態に制御される。エンジン負荷（燃料の噴射量）の増加またはエンジン回転の上昇に連れて次第に早期着火を生じやすくなるが、着火時期信号から早期着火を検出すると、圧縮比が下げられ（図４の斜線領域）、適正な予混合燃焼が継続可能となるのである。
【００３１】
高回転域または高負荷域に入ると、着火遅れ期間が取り難くなるので、通常燃焼（拡散燃焼）させるべく、燃料の噴射時期は圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）付近に制御され、ＥＧＲ率は低く制御され、圧縮比の可変機構も初期（隙間ｓが最小となる）状態に切り替えられる。エンジン出力は向上する一方、ＮＯｘやＰＭの発生量は増加するが、排気が高温となり、触媒の活性化により、効率よく後処理される。
【００３２】
図６は、ＥＣＵ１３の制御内容（圧縮比の可変機構に係る処理）を説明するフローチャートであり、Ｓ１においては、エンジン回転速度Ｎが所定範囲（Ｎ１＜Ｎ＜Ｎ２）かつエンジン負荷Ｗが所定値Ｗ１よりも小かどうかを判定する。Ｓ１の判定がｙｅｓのときは、Ｓ２へ進む一方、Ｓ１の判定がｎｏのとき（通常燃焼の運転領域）は、Ｓ７において、高ε（圧縮比の可変機構を隙間ｓの最小な状態）に制御する。
【００３３】
Ｓ２においては、着火時期θｃと噴射時期θｉ（燃料噴射のタイミング信号）との差（θｃ−θｉ）が所定の着火遅れ期間θｍｉｘよりも小かどうかを判定する。Ｓ２の判定がｙｅｓのときは、Ｓ３へ進む一方、Ｓ２の判定がｎｏのときは、Ｓ８において、高ε（圧縮比の可変機構を隙間ｓの最小な状態）に制御する。
【００３４】
Ｓ３においては、着火時期θｃを圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）付近へ近づける（θｃ−θｉ＜θｍｉｘ、を成立させる）べく、低ε（圧縮比の可変機構を隙間ｓの最大な状態）に制御する。Ｓ４〜Ｓ６においては、隙間ｓの最大位置にスリーブ６が固定される（Ｓ６の判定がｙｅｓになる）までの間、ピン８の操作指示を出力する。Ｓ６の判定は、着火時期θｃおよび噴射時期θｉに基づいて、θｃ−θｉ＜θｍｉｘ、の成立が安定すると、ｙｅｓとなる。
【００３５】
Ｓ９〜Ｓ１１においては、隙間ｓの最小位置にスリーブ６が固定される（Ｓ１１の判定がｙｅｓになる）までの間、ピン８の操作指示を出力するのである。Ｓ１１の判定は、着火時期θｃおよび噴射時期θｉに基づいて、θｉ≒θｃ、の成立が安定すると、ｙｅｓとなる。
【００３６】
このような圧縮比の制御により、着火時期のコントロールが図れるため、燃費（熱効率）良好に確保しつつ、広い運転領域において、ＮＯｘやＰＭの低減に有効な予混合燃焼を適正に実現できるようになる。圧縮比の可変機構は、隙間ｓの容積変化によるので、吸気量は変わらないため、着火遅れ期間も確保しやすいのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮比の可変機構を説明するエンジンの断面図である。
【図２】スリーブの固定および解除の機構図である。
【図３】圧縮比の可変機構を説明するエンジンの断面図である。
【図４】制御特性の一例を示す説明図である。
【図５】制御内容の説明図である。
【図６】制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１シリンダヘッド
２シリンダブロック
３ピストン
４シリンダライナ
６スリーブ
７ピン駆動用の油圧機構
８ピン
１０ストッパ
１３コントロールユニット（ＥＣＵ）

Claims

筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、圧縮比の可変機構と、燃料の着火時期を検出する手段と、その検出信号に基づいて着火時期を圧縮行程の上死点付近に保持するべく圧縮比の可変機構を制御する手段と、を備えることを特徴とする筒内噴射圧縮着火エンジン。
筒内噴射圧縮着火エンジンにおいて、予混合燃焼させるべく燃料の噴射時期を制御する手段と、圧縮比の可変機構と、燃料の着火時期を検出する手段と、その検出信号に基づいて着火時期を圧縮行程の上死点付近に圧縮比の可変機構を制御する手段と、を備えることを特徴とする筒内噴射圧縮着火エンジン。
エンジンの回転速度および負荷を検出する手段と、その検出信号に基づいて高回転域または高負荷域のときに通常燃焼させるべく圧縮比の可変機構および燃料の噴射時期を制御する手段と、を備えることを特徴する請求項２に記載の筒内噴射圧縮着火エンジン。
燃料の着火時期を検出する手段は、筒内圧力または着火振動からクランク角に対応する着火時期を検出することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の筒内噴射圧縮着火エンジン。
圧縮比の可変機構は、シリンダの内周をピストンとのフリクションにより軸方向へ摺動可能なスリーブと、スリーブの上端とシリンダヘッドの下面との隙間が最小となる位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段と、スリーブの上端とシリンダヘッドの下面との隙間が最大となる位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段と、を備えることを特徴する請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の筒内噴射圧縮着火エンジン。
スリーブの上端とシリンダヘッドの下面との隙間が最小となる位置は、スリーブの上端がシリンダヘッドの下面に突き当たる位置であり、その位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段は、スリーブの下端を係止するピンと、ピンを係止位置とその解除位置との２位置に進退させる手段と、を備えることを特徴とする請求項５に記載の筒内噴射圧縮着火エンジン。
スリーブの上端とシリンダヘッドの下面との隙間が最大となる位置は、スリーブの下端がストッパに突き当たる位置であり、その位置にスリーブを固定する手段およびその固定を解除する手段は、ピンが係合可能な凹部をスリーブに備えることを特徴とする請求項６に記載の筒内噴射圧縮着火エンジン。
シリンダヘッドとの隙間が最大となる位置は、ピストン上死点のピストントップリングの直上位にスリーブの上端が来るように設定されることを特徴とする請求項５〜請求項７の何れか１つに記載の筒内噴射圧縮着火エンジン。