JP2004522050A - 4行程自己点火エンジン - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、4行程内燃機関に関する。
【背景技術】
【0002】
政府の立法措置によって、益々厳しい燃料節約と排出目標値が課されつつある。これらの規制と消費者の圧力によって、自動車産業界は、内燃機関の燃焼過程を改良する新たな方法を研究することを強いられ続けている。
【0003】
このような取り組みの1つが、自己点火(AI)過程である。この過程では、燃焼したガス、空気、および燃料の混合物が生成され、圧縮中にスパークなしで点火される。この過程は、自己着火と呼ばれる場合もある。これは、制御された過程であり、この点で、ある種の火花点火エンジンで知られている好ましくない過早点火とは異なるものである。自己点火は、ディーゼルエンジンの圧縮点火とも異なる。ディーゼルエンジンでは、ディーゼル燃料が、空気の与圧高温給気内へ噴射されるのと同時に点火するのに対し、自己点火工程では、燃焼の前に燃料、空気、燃焼したガスが混合される。自己点火工程を2行程エンジンで利用することは周知である。本発明は、この自己点火工程を4行程の内燃機関に応用することに関する。
【0004】
米国特許第6082342号明細書には、シリンダ内のピストン往復運動によって規定される容量可変燃焼室から流れる燃焼したガスの流れを制御する、電気式油圧制御排気弁を備えた4行程内燃機関が記載されている。この排気弁は、排気行程の最後に至るまでは閉じられており、燃焼したガスを燃焼室内に保持して、後から導入される燃料/空気の給気と混合する。この排気弁を操作して、燃料/空気の給気と混合するために、燃焼したガスを閉じ込め、燃焼室内に自己点火工程の動作に適した状態を形成する。前記明細書は、また、機械式カム駆動排気弁を備えたエンジンについても記載している。この機械式カム駆動排気弁の開口期間は、従来の火花点火燃焼機関よりも延長されているため、燃焼室の空気吸入弁と排気弁の両方が同時に開いている重複期間が吸込み行程の中に存在し、燃料/空気の給気と燃焼したガスの両方が燃焼室内に引き込まれる。もう一度説明するが、これは、燃焼室の状態をより自己点火に適したものにするために行われる。前記明細書に記載されたすべての実施形態では、1つまたは複数の空気吸入弁を制御して、燃料と空気を一緒に燃焼室に送り込んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
エンジンが低負荷状態で動作しているときには、自己点火に適した状態を生成し難い場合がある。低負荷状態では、燃焼室内の温度および圧力が、自己点火を発生する十分な高さに達していない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、4行程内燃機関の動作方法を提供する。本発明に係る4行程内燃機関の動作方法は、吸入弁手段を使用して、燃焼室内への空気の流れを調整するステップと、排気弁手段を使用して、燃焼室から流れる燃焼したガスの流れを調整するステップと、噴射手段を使用して、燃焼室に直接燃料を噴射するステップと、排気行程の最後に至る前に前記排気弁手段を閉じて、燃焼したガスを前記燃焼室内に閉じ込めるステップと、吸気行程の途中で吸入弁を開いて、燃焼室内に給気を受け入れることによって、既に閉じ込められている燃焼したガスと該給気が混合されるステップと、前記噴射手段を使用して、閉じ込められている燃焼したガスおよび前記吸入弁手段の制御によって導入された充填空気の混合物内に、燃料を噴射するステップと、を含み、その結果、前記燃焼室には、燃料、空気、燃焼したガスの混合物が自己点火によって燃焼し、燃焼したガスが爆発行程で膨張できる状態が作られ、前記噴射手段を再び使用して、排気行程において排気弁手段が閉じてから吸込み行程において吸気弁手段が開くまでの間に、閉じ込められている燃焼したガス内に燃料を噴射し、使用される噴射手段は、燃料が混入されて燃料室内に送り込まれる圧縮空気を利用するエアアシストフューエルインジェクタを含む、ことを特徴とする。
【0007】
第2の態様において、本発明が提供する4行程内燃機関の動作方法は、吸入弁手段を使用して、燃料と空気の混合物の燃焼室内への進入を制御するステップと、コンプレッサを使用して、燃料と空気の混合物を、該混合物が燃焼室内に進入する前に圧縮するステップと、排気弁手段を使用して、燃焼室から流れる燃焼したガスの流れを調整する手段と、排気行程の最後に至る前に前記排気弁を閉じて、燃焼したガスを燃焼室内に閉じ込めるステップと、吸気行程の途中で前記吸入弁手段を開いて、燃料と空気の混合物の給気を燃焼室内に受け入れることによって、既に閉じ込められている燃焼したガスと該混合物が混合されるステップと、を含み、その結果、前記燃焼室には、燃料、空気、燃焼したガスの混合物が自己点火によって燃焼し、燃焼したガスが爆発行程で膨張できる状態が作られ、前記吸入弁手段を開いて、燃料と空気の事前調節給気を燃焼室に受け入れ、該給気は、排気行程において前記排気弁手段が閉じてから吸込み行程において該吸入弁手段が開いて燃料と空気の前記給気を受け入れるまでの間に閉じ込められた、燃焼したガスと混合され、爆発行程において燃焼されて膨張することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
本発明の方法に従って動作するエンジンの複数の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【0009】
説明を単純にするため、下記の詳細な説明では、本発明の方法を単気筒4行程内燃機関に応用したものについて言及するが、本発明を同様に多気筒4行程内燃機関にも応用できることは理解されるであろう。
【0010】
図1に、単気筒4行程内燃機関の第1実施形態の概略図を示す。図において、ピストン10は、シリンダ11内で動作でき、このシリンダ11と共に可変容量燃焼室12を画定する。
【0011】
吸気路13は、燃焼室12内に空気を供給する。燃焼室12内への空気の流れは、吸気弁15によって制御される。
【0012】
電子制御装置24によって制御される筒内ガソリンインジェクタ60を使用して、燃焼室12内に燃料を直接噴射する。筒内ガソリンインジェクタ60は、エアアシスト気筒内ガソリンシリンダ60であって、圧縮空気(たとえば、図示しないポンプによって圧縮された空気)を利用して、燃料を混入して、燃焼室12内に送る。
【0013】
燃焼したガスは、燃焼室12から排気路14を通って流れることができ、燃焼したガスの排気路14からの流れは、排気弁16によって制御される。
【0014】
吸入弁15および排気弁16は、液圧駆動される。図に示すように、吸入弁15のステム17は、このステムに配設されたピストン18を有し、このピストン18はシリンダ19内で動作可能である。同様に、排気弁16のステム20も、このステムに配設されたピストン21を有し、このピストン21はシリンダ22内で動作可能である。
【0015】
シリンダ19への作動液の流れは、サーボ弁23によって制御される。サーボ弁23は、電気的に制御される。このサーボ弁23は、電子制御装置24によって生成された制御信号で制御される。サーボ弁23は、ピストン18とシリンダ19の機構の上部チャンバ25に作動液が流入するように、一方で下部チャンバ26から外部へ液流出するように制御できる。また、サーボ弁23は、シリンダ19に対する作動液の流出入も制御でき、作動液が下部チャンバ26に送り込まれ、一方で上部チャンバ25から排出される。シリンダ19に流出入する作動液は、吸入弁15の位置と速度の少なくとも一方を正確に制御するために計測される。
【0016】
同様に、シリンダ22に対する作動液の流出入を制御するため、サーボ弁27が配設される。サーボ弁27は、電子制御装置24によって電気的に制御される。このサーボ弁27が動作して、シリンダ22の上部チャンバ28に作動液を加圧状態で供給すると共に、一方でシリンダ22の下部チャンバ29から作動液が排出されるようにできる。これを入れ替えて、サーボ弁27は、加圧された作動液が下部チャンバ29に供給されると同時に、作動液が上部チャンバ28から排出されることを可能にする。サーボ弁27はシリンダ22に流出入する作動液を計測して、排気弁16の位置と速度の少なくとも一方を制御する。
【0017】
サーボ弁23と27は、双方ともポンプ30および液受け31に接続される。加圧作動液は、ポンプ30によって供給され、作動液がシリンダ19と22の一方または両方から送り出されたときには、該作動液が油受け31に排出される。ポンプ30は、実際には、油受け31から油を引き出して加圧し、その後で加圧液をサーボ弁23および27に供給する。
【0018】
電子制御装置24は、吸入弁15と排気弁16について、2つの位置検出器32,33によって測定される吸入弁15と排気弁16の位置を考慮しながらその動作を制御する。電子制御装置24は、また、エンジンの回転角度位置も考慮に入れるが、この位置は、内燃機関のクランクシャフト35に接続された回転検出器34によって測定される。クランクシャフト35は、コネクティングロッド36によって、シリンダ11内で往復運動するピストン10に接続されている。
【0019】
本発明のエンジンは、吸入弁15と排気弁16両方の開閉を油圧制御するプログラム可能な電子制御機器24と共に、油圧制御された弁機構を備える。これにより、吸入弁15と排気弁16の動作、特に、吸入弁15と排気弁16が開く時点(エンジンサイクルにおける時点)と、これらの弁が開いている時間長さを制御することが可能になる。
【0020】
従来の4行程内燃機関は、吸入弁および排気弁を駆動するカムシャフトを有する。カムシャフトは、エンジンを通過する気体の流量を最大にするように設計されたカムプロフィールを有する。このようなエンジンは、混合気への点火を点火プラグに依存する。また、気体の流量を減らすことによって実現するエンジン出力の制御は、吸気の絞り(スロットル)に依存している。
【0021】
本発明の第1実施形態に係るエンジンでは、吸入弁15と排気弁16の動作を利用して、全気体の流量の管理と、エンジンの各行程において燃焼室12に流出入する空気の量の制御と、燃焼室12内、およびある程度ではあるが、吸入路13内と排気路14内における異なるガス種の内部混合過程の制御と、が行われる。本発明に係る内燃機関の弁動作は、従来の機械式カムシャフトによって制御される吸入弁および排気弁の動作とは非常に異なるものになる。この弁動作は、各行程において、異なる弁開期間と、異なる高さのリフトと、異なるリフト回数で構成される。これにより、このエンジンの弁15および16が、気体の流れ、エンジン負荷/出力、およびエンジン内の燃焼タイミングを制御できるようになる。したがって、スロットル系に対する必要性が減ると共に、点火プラグについての必要性も減少する。点火プラグ50が図1に示されているが、この点火プラグ50は、エンジンの始動時または全負荷状態においてのみ使用されるものである。
【0022】
自己点火工程は、2行程エンジンにおいて既に周知である。自己点火工程は、燃料消費量の改良と、エンジン排出物の削減(主に、窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素の削減)と、燃焼安定度の改善とをもたらす。2行程エンジンは、自己点火にとって理想的なエンジンであるが、これは、自己点火が、燃焼室内にいくらか残留する排気ガスに依存するもので、2行程エンジンでは排気ガスの残留を簡単に促進できるためである。2行程エンジンでこの残留を簡単に実現できるのは、排気ガスを掃気する過程を制御して、燃焼前の燃料と空気の混合気内に排気ガスを必要量を残せるためである。自己点火は、何度も再現可能な燃焼を提供できる。
【0023】
本発明に係る吸入弁15と排気弁16の動作制御について、図3a,3b,3cを参照しながら説明するが、比較のために通常のカムシャフト駆動弁の動作体系を示した図2a,2bについても参照する。
【0024】
図2aおよび図2bは、標準の4行程内燃機関の一般的な弁動作を示した図である。ゼロ度の位置は、エンジンの膨張行程の開始点である。図2aは、排気弁が膨張行程の中で下死点の手前約30度のところで開くことを示し、図2bは、排気行程全体を通じて排気弁が開いたままの状態にあり、吸込み行程の最初において上死点を超えて約10度のところで閉じることを示している。図2aは、また、吸入弁が、排気行程の最後において上死点の手前約10度のところで開き始め、吸込み行程全体を通じて開いたままであることも示し、図2bは、吸入弁が、圧縮行程の最後において下死点を越えて約45度のところで閉じることを示す。
【0025】
図3aおよび図3bは、本発明の第1動作体系に係る排気弁と吸入弁の動作を第1形式の図表で表す。図3cは、その同じ弁の動作を第2形式の図表で表す。油圧駆動の排気弁16は、膨張行程の中で、下死点の手前約10度から15度のところで開き始め、その後まもなく、排気行程において上死点の手前約90度から45度の範囲内で閉じられる。吸入弁は、エンジンサイクルの中で通常のエンジンよりも遅い時点で開き、吸込み行程において上死点を越えて45度から90度の範囲内で開かれる。その後、吸入弁15は、圧縮行程において下死点を越えて約30度のところで閉じる。
【0026】
図3a,3b,3cに示されているサイクルに従って稼動されるエンジンは、ガスの流れを細かく制御するように操作され、4行程エンジンの燃料/空気の給気の自己点火を実現する。排気弁は、排気行程の早い時期に閉じて、大量の排気ガスを燃焼室12内部に閉じ込めるように制御されるが、これは、次の圧縮行程の最後または次の膨張行程の最初において自己点火を発生させるためである。吸入弁15が、図3に示すように吸込み行程において開けられると、これによって、給気が燃焼室12に入って、直前の排気行程で閉じ込められた、燃焼したガスと混合することを可能にする。燃焼したガスと空気の混合物は、続いて圧縮行程で圧縮される。気筒内ガソリンインジェクタ60は、吸込み行程またはこれに続く圧縮行程のいずれかにおいて、燃焼室12内、すなわち、燃焼したガスと空気の混合物内に直接燃料を噴射する。この噴射期間は、図3cおよび図3bにINJ2として示されている。
【0027】
排気弁16が閉じる上死点前のクランクシャフト回転角度の値は、吸入弁15が開く上死点後の角度の値と等しいことが好ましい。この理由は次のとおりである。閉じ込められている燃焼したガスは、排気弁16が閉じた後で圧縮されるが、閉じ込められ、圧縮された排気ガスが(吸入弁16が開けられるときには)、吸入弁16が開く前と同程度に膨張し、燃焼室12内の圧力が上昇していないことが好ましいためである。
【0028】
上述の動作方法は、本出願人の国際出願PCT/GB00/04975号明細書に既に記載されている。この方法は、エンジンが、たとえば、車両を駆動する作業を実行しているときの部分負荷状態において適切に機能するが、全負荷または軽負荷(たとえば、アイドリング)状態においては適切に機能しない。この動作方法は、軽負荷時または高負荷時においては完全に信頼できるものではなく、自己点火に必要な状態を引き起こすには、燃焼室12の温度、圧力、保持されている燃焼済ガスの量のいずれか、またはそのいくつかが不十分であることが判明している。したがって、(センサによって受信された信号から、電子制御装置24によって判定されるように)エンジンが軽負荷状態または高負荷状態で動作しているとき、本発明の方法に従って動作しているエンジンは、第2噴射期間INJ1を有する(図3cと図3aの両方を再度参照のこと)。この噴射期間には、排気行程において排気弁16が閉じてから吸気行程において吸気弁15が開くまでの間に(吸気弁15が開くことによるのではなく)、気筒内インジェクタ60によって少量の燃料と空気が注入される。注入された燃料/空気の混合物は、小規模燃焼または部分燃焼現象を引き起こす。この燃焼現象は、出力を生成するためのものではないが、温度を上昇させるか、あるいは、排気行程において排気弁が早期に閉じたために閉じ込められている燃焼したガスの化学的性質を変化させて、次(噴射期間INJ2における燃料/空気混合物の噴射後)の自己点火のために燃焼室12内のガスを事前に調節するという目的を持つ。
【0029】
燃料/空気混合物をINJ1において注入して、小規模燃焼現象を発生させる代わりに、導入された燃料/空気混合物の自己点火が行われないとき(たとえば、TDCの後)に、混合物を導入することができる。噴射期間INJ1が燃料を注入する期間として機能する代わりに、噴射期間INJ2の前に霧化のための十分な時間が持てるため、燃焼室は、噴射期間INJ2に続く自己点火のために事前に調節されることになる。このような場合は、燃料と空気の混合物ではなく燃料のみを単独で注入してもよい(可能な場合)が、これは、小規模燃焼現象において空気は必要とされないためである。
【0030】
気筒内インジェクタ60が動作する噴射期間INJ2のタイミングは少なくとも2つある。第1の「均質」モードでは、吸込み行程初期の期間INJ2において燃料が燃焼室12に噴射され、吸気路から燃料/空気の給気を送り込んだ結果生じるものとほぼ同等に均質な燃料/空気の給気が生成される。好ましい第2の「層状」モードでは、吸込み行程のかなり後期に噴射期間INJ2が生じて、燃料の濃い領域(以下ボーラスと記す)を作成する。このボーラスは、燃焼室12内の正確な位置に供給されるが、この位置は、自己点火の促進にとって理想的であるように燃焼したガスと空気の混合物によって囲まれるように選択される。
【0031】
図4には、本発明に従って稼動されるエンジンの第2の態様が示されている。このエンジンは、図1のエンジンと実質的に同一であり、同じ構成要素には同一の参照番号が付されている。ただし、このエンジンは、気筒内噴射装置を備えていない。代わりに、燃料/空気混合物は、吸入路13から送り込まれる。燃料/空気混合物は、過給機151によって燃焼室12内に押し込まれるが、この過給機151は、クランクシャフト35に搭載されたフライホイール153の廻りに巻かれたベルト152によって駆動される。
【0032】
エンジンの弁動作は、図5に示されているようなものになる。排気弁の開は、EVOとして示されている。前述の場合と同様に、排気弁16は、排気行程が終了する前に閉じて、燃焼したガスを閉じ込める。排気弁16が閉じると、吸入弁15が、IVO1において若干程度、短期間開かれ、燃料/空気の少量給気が過給機によって燃焼室内に押し込まれる。吸入弁15は、吸気行程において、第2吸入期間IVO2に応じて再度開かれる前に一度閉じられる。期間IVO1に導入されたこの少量給気は、小規模燃焼現象で点火してガスの温度を上げ、IVO2(たとえば、吸気行程)において主要な給気が導入された後で、自己点火のために燃焼室を事前調節することができる。あるいは、少量給気の一部として導入された燃料は、IVO1の最後に吸気弁が閉じてからIVO2の開始時に吸気弁が開くまでの間に燃焼室内で蒸発し、また細かい粒子となって断片化し、期間IVO2に導入された給気の自己点火のために燃焼室を事前調節する。
【0033】
図1の実施形態と同様に、燃焼室内に存在する燃焼したガス、空気、燃料の混合物は、吸入期間IVO2の終了後、爆発行程において、自己点火によって燃焼して膨張する。
【0034】
前述の実施形態における吸入弁15と排気弁16は、いずれも液圧駆動されるが、これらの弁は、純粋に電気的に駆動されるものであっても、あるいは、電磁気力または機械的手段によって駆動されるものであってもよい。
【0035】
前述した動作体系に従って動作するエンジンでは、燃焼室12の給気の送出前に、外気の給気を加熱する必要がないことが判明している。他のエンジンについては、自己点火を促進するためには給気を事前加熱する必要があることが判明している。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】単気筒4行程エンジンの第1実施形態の概略図である。
【図2a】従来の動作方法に従って動作する単気筒4行程内燃機関の排気弁と吸入弁の弁開閉タイミング図である。
【図2b】従来の動作方法に従って動作する単気筒4行程内燃機関の排気弁と吸入弁の弁開閉タイミング図である。
【図3a】本発明の方法に従って動作する単気筒4行程内燃機関の排気弁と吸入弁の弁開閉タイミング図である。
【図3b】本発明の方法に従って動作する単気筒4行程内燃機関の排気弁と吸入弁の弁開閉タイミング図である。
【図3c】本発明の方法に従って動作する単気筒4行程内燃機関の排気弁と吸入弁の弁開閉タイミング図である。
【図4】本発明に係る単気筒4行程エンジンの第2実施形態の概略図である。
【図5】本発明の方法に従って動作する図4の単気筒4行程内燃機関の排気弁と吸入弁の弁開閉タイミング図である。
Claims (9)
- 4行程内燃機関の動作方法であって、
吸入弁手段を使用して、燃焼室内への空気の流れを調整するステップと、
排気弁手段を使用して、燃焼室から流れる燃焼したガスの流れを調整するステップと、
噴射手段を使用して、燃焼室に直接燃料を噴射するステップと、
排気行程の最後に至る前に前記排気弁手段を閉じて、燃焼したガスを燃焼室内に閉じ込めるステップと、
吸気行程の途中で前記吸入弁手段を開いて、燃焼室内に給気を受け入れることによって、既に閉じ込められている燃焼したガスと該給気が混合されるステップと、
前記噴射手段を使用して、閉じ込められている燃焼したガスおよび前記吸入弁手段の制御によって導入された充填空気の混合物内に、燃料を噴射するステップと、を含み、その結果、
前記燃焼室には、燃料、空気、燃焼したガスの混合物が自己点火によって燃焼し、燃焼したガスが爆発行程で膨張できる状態が作られ、
前記噴射手段を再び使用して、排気行程において前記排気弁手段が閉じてから吸込み行程において前記吸入弁手段が開くまでの間に、閉じ込められている燃焼したガス内に燃料を噴射し、
使用される前記噴射手段は、燃料が混入されて、燃焼室内に送り込まれる圧縮空気を利用するエアアシストフューエルインジェクタを含む、ことを特徴とする4行程内燃機関の動作方法。 - 請求項1に記載の方法であって、前記噴射手段によって噴射される燃料と空気は、点火後、吸気行程において吸入弁手段が開くまでの間に、自己点火によって燃焼することを特徴とする方法。
- 請求項1又は2に記載の方法であって、閉じ込められている燃焼したガスおよび前記吸入弁手段の制御によって導入された充填空気の混合物内に、噴射される燃料が、吸込み行程の初期において噴射されて、該燃料が空気および燃焼したガスと混合し、自己点火の前に、実質的に均質な混合物を形成することを特徴とする方法。
- 請求項1又は2に記載の方法であって、閉じ込められている燃焼したガスおよび前記吸入弁手段の制御によって導入された充填空気の混合物内に、噴射される燃料が、吸込み行程の最後、または圧縮行程の開始時において、前記弁手段が燃焼室内への空気の流れを止めた後においてのみ噴射されることを特徴とする方法。
- 4行程内燃機関の動作方法であって、
吸入弁手段を使用して、燃料と空気の混合物の燃焼室内への進入を調整するステップと、
コンプレッサを使用して、燃料と空気の混合物を、該混合物が燃焼室内に進入する前に圧縮するステップと、
排気弁手段を使用して、燃焼室からの燃焼したガスの流れを調整する手段と、
排気行程の最後に至る前に前記排気弁を閉じて、燃焼したガスを燃焼室内に閉じ込めるステップと、
吸気行程の途中で前記吸入弁手段を開いて、燃料と空気の混合物の給気を燃焼室内に受け入れることによって、既に閉じ込められている燃焼したガスと該給気が混合されるステップと、を含み、その結果、
前記燃焼室には、燃料、空気、燃焼したガスの混合物が自己点火によって燃焼し、燃焼したガスが爆発行程で膨張できる状態が作られ、
前記吸入弁手段を開いて、燃料と空気の事前調節給気を燃焼室に受け入れ、該給気は、排気行程において前記排気弁手段が閉じてから吸込み行程において該吸入弁手段が開いて燃料と空気の前記給気を受け入れるまでの間に閉じ込められた、燃焼したガスと混合されて、爆発行程において燃焼されて膨張することを特徴とする方法。 - 前記請求項のいずれか1つに記載の方法であって、
前記燃焼室は、シリンダ内で往復運動するピストンによって該シリンダ内に画定される容量が変化するチャンバであり、
前記吸気弁手段と排気弁手段の開閉は、命令プログラムに従って動作し、シリンダ内で往復運動する前記ピストンの位置を表す入力信号を受け取る電子処理装置によって制御されることを特徴とする方法。 - 請求項6に記載の方法であって、前記弁手段は、液圧駆動される排気弁と、液圧駆動される吸入弁とを備え、そのいずれの弁も前記電子処理装置によって制御されることを特徴とする方法。
- 請求項7に記載の方法であって、液圧駆動される前記いずれの弁も、ポペット弁であることを特徴とする方法。
- 前記請求項のいずれか1つに記載の方法に従って動作することを特徴とする4行程内燃機関。
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