JP2004530838A - 制御自着火モードで運転可能な内燃機関 - Google Patents

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Abstract

制御自着火モードで運転可能な４ストローク火花点火式エンジン10が記載される。制御自着火モードで運転されているとき、排気弁が排気行程の実質的に全体に亘り開かれるとともに、その開放状態が吸気行程の実質的に全体に亘って維持される。吸気行程で吸気弁が開かれている間、吸気は気筒内に二つの流れとして取り入れられる。一方の流れが排気系から気筒へ入る排気からなり、他方の流れが吸気系から入る充填新気からなる。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ときに均一混合気の圧縮自着火（ＨＣＣＩ）と呼ばれることもある制御自着火モードで運転可能な４ストローク内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
制御自着火モードで運転されるエンジン（内燃機関）が優れた燃料消費と非常に低いNOx排出を奏することは知られている。エンジン気筒内に各吸気行程終期に閉じ込められた充填吸気が高い割合で高温の残留既燃ガスを含むようにすることによって、自着火を制御することができる。すなわち、閉じ込められた充填吸気が高温であり、残留ガス中の遊離基の濃度が高いため、火花点火される前に吸気が圧縮された状態で複数の着火核が生成され、これにより気筒内の吸気が略一斉に着火するのである。
【０００３】
閉じ込められた吸気中に既燃ガスを高い割合で残留させるために、いくつかの提案がなされてきた。GB-A-2349419においては、一つのサイクルからの排気が吸気ポートに戻され、そして次のサイクルの開始時に気筒内の燃焼室へと戻されるように、吸気弁が早く（排気行程終期におけるTDCより前に）開かれる。また、別の取組みは、排気行程において、排気弁を早く閉じる（それにより、気筒内に高い割合の排気を閉じ込める）というものである。それから、弁が全て閉じた状態でピストンがTDCに向けて進み、気筒内に閉じ込められた排気が圧縮される。続いて吸気行程が開始されるが、気筒内の圧力が大気圧に近くなるまでは吸気弁が閉じたままとなる（それにより、排気を圧縮するのに用いられたエネルギーが回収される）。そして、残りの吸気行程の間は吸気弁が開いて、前のサイクルから残留している既燃ガスと混合するように新気を気筒内へ導入する。
【０００４】
後者の動作方法を用いれば、制御自着火モードにおいてエンジンを安定して運転することができたが、その際、エンジン負荷の制御はスロットルによってではなく、バルブタイミングによってのみ有効であった。その理由は、吸気期間が短く、吸気弁のリフト量が限られることから、これによる吸気の絞りは、それよりも上流の更なる絞りが殆ど影響しないようなものとなるからである。この結果として、制御自着火モードを行うことができる負荷範囲は非常に限られる。公知の方法の更なる欠点は、制御自着火モードにおいて必要なバルブの作動は、通常動作中の使用に適したカムによっては得られないので、吸気弁と排気弁の両方に切換可能なカムを用いる必要がある、ということである。
【０００５】
そこで、本発明は、先の欠点を緩和し、広い負荷範囲に亘って制御自着火モードで運転可能であり、その広い範囲の全体に亘って負荷を連続的に制御可能なエンジンを提供しようとするものである。
【発明の開示】
【０００６】
本発明によれば、制御自着火モードで作動することのできる4ストローク火花点火式エンジンが提供され、それにおいて、制御自動点火モードで運転されるときには、排気弁が排気行程の実質的に全てにおいて開かれるとともに、吸気行程の実質的に全てにおいても開いたままとされ、一方、吸気弁は吸気行程の間、開かれる。このことで、吸気行程の間、気筒へ取り入れられる吸気の流れは二つの流れとなり、一方の流れは排気系から気筒へ入る排気からなり、他方の流れは吸気系を通って気筒へ入る新気からなる。
【０００７】
本発明において、排気及び新気の充填は吸排気バルブを全開として行うことができ、このことから、適切な流量絞りを用いる通常の態様でもって排気及び新気の相対量を変更することが可能になる。いかなる絞りも無い場合、排気及び新気は略等しい割合になるが、エンジンの吸気系における通常のスロットル弁を用いることにより、排気の割合は大幅に増やすことができる。
【０００８】
排気バルブ・タイミングが通常とは異なるため、通常のカムシャフト及びバルブ・トレインを用いることはできないが、吸気バルブの作動は一般的なもので、バルブ・トレインに対する変更を必要としない、ということが認識されるであろう。制御自着火モードの運転領域を広げるということに加えて、本発明は、複雑さを軽減し、それが製造コストを低減して、信頼性を向上する、という重要な更なる利点をもたらす。
【０００９】
本発明の提案するバルブ・タイミングを採用することで、エンジンは、半負荷に対応する6バールBMEPまで制御自着火モードで運転することができる。負荷は、吸気スロットルのみの使用により（可変バルブ・タイミングの複雑さなしに）、1バールBMEPまで低減することができる。
【００１０】
本発明は、単気筒エンジンにも適用できるが、多気筒エンジンの場合には、排気が或る期間は排気系内に留まらなければならないということがなく、一つの気筒の排気がすぐに別の気筒に吸い込まれることになるので、より好ましい。このようにして、各気筒に閉じ込められる排気が、より高温でより新鮮（まだ遊離基で満たされている）なものとなり、自着火の条件が改善されるからである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明を、具体例を用い、添付図面を参照して、更に説明する。
【００１２】
図１において、エンジン10は、エンジン速度、負荷、クランク角度位置などのパラメーターを計測する各種センサー14と組合わせられている。このようなパラメーターは、燃料の量及び供給時期、点火時期及びバルブ・タイミングのような動作パラメーターを設定する制御系へと入力される。これらのパラメーターの殆どは本発明に関連性はないが、説明を補完する目的で言及されている。
【００１３】
むしろ本発明は、エンジンを負荷の或る範囲に亘って制御自着火モードで運転するためのバルブ・タイミングに関係する。エンジンは、吸気弁を駆動する通常のバルブ・トレインを持ち、その作動は図２の曲線32により表される。例えば高負荷のようにエンジンが制御自着火モードで運転できない全ての運転条件下では、排気弁の作動が通常のものとされ、これは図２の曲線30により表される。エンジンが制御自着火モードで運転されていないときにはいつでも、制御系12は、エンジンのマッピングに従い、バルブ・タイミング、燃料噴射量及び点火時期等の通常制御を実行する。
【００１４】
他方で、互いにプロファイルの異なる排気カムと切換可能なタペットとを用いるか（例えばUS-4,535,733に示される）、或いは電気駆動排気弁や油圧作動排気弁（例えばUS-5,255,641に示される）を用いることにより、エンジンを制御自着火モードで運転するときには、制御系12はエンジンの排気弁の作動を図２の点線30’で表されるものへと切換える。ここにおいて、排気バルブは、通常の時期に（排気行程の開始近くで）開くが、TDC近くで閉じる代わりに、吸気行程の全て又は殆どで開いたままとなることを、見ることができる。他方で、吸気弁の作動時期32は変化しないままとなる。このようなバルブ・タイミング制御の結果として、排気と新気の並列流が、吸気行程全般に亘って気筒内に吸入される。更に、吸気弁及び排気弁の両方が全開であり、それによる流路抵抗が殆ど無くなるので、通常の吸気スロットル（不図示）を用いて、新気と排気の相対割合を変化させることができる。このようにして、吸気スロットルのみを用いて、エンジン負荷を略半負荷から約1バールBMEPまで連続的に変化させることができる。
【００１５】
ターボチャージング又はスーパーチャージングによれば、制御自着火モードにおいてエンジンをより高い負荷で運転することも可能である。ターボチャージングが用いられるとき、排気に対する新気の割合が影響されないように、排気と新気の圧力の両方が、調和して増大される。しかしながら、制御できないデトネーションの危険が増大し、これがエンジンの損傷につながる可能性があるので、注意が必要である。
【００１６】
内燃機関の吸排気弁の作動位相と期間を変えるために、過去多くのシステムが提案されてきており、そのようなバルブ・タイミング・システムの例に先に言及してきた。この理由により、この分野の当業者は、本発明が機械的に、電気的にそして／又は油圧的に実施され得る態様の更なる説明をもはや必要としない、と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】制御自着火モードでエンジンを運転するための可変バルブ・タイミング制御（ＶＶＴ制御）システムを持つエンジンのブロック図である。
【図２】全負荷運転中と制御自着火モードでの運転中との両方における吸気弁及び排気弁の作動時期を示す位相図である。

Claims (5)

  1. 気筒が制御自着火モードで運転されるとき、排気弁（30’）が排気行程の実質的に全部において開いており、吸気行程の実質的に全てに亘って開放が維持される一方、吸気弁（32）は吸気行程の間、開いており、それにより、吸気行程の間、気筒への吸気充填が二つの流れとして行われ、一方の流れが排気系から気筒へ入る排気からなり、他方の流れが吸気系から入る充填新気からなる、
    ことを特徴とする制御自着火モードで運転可能な４ストローク火花点火内燃機関。
  2. 複数の気筒を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 互いに異なる排気カムと、この各排気カムに対し通常作動中及び制御自着火作動中で個別に係合可能な切換可能排気タペットと、を備えることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の内燃機関。
  4. 排気弁が電気駆動排気弁であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の内燃機関。
  5. 排気弁が油圧駆動排気弁であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の内燃機関。
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