JP2005194897A

JP2005194897A - ノッキング抑制方法およびその装置

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Publication number: JP2005194897A
Application number: JP2003435929A
Authority: JP
Inventors: Hisato Hirooka; 久人広岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】従来のノッキング抑制方法では、燃焼初期にに対する燃焼後期における混合気の燃焼速度の低下そのものを改善することができず、しかも内燃機関の圧縮比や吸気の吸入効率の増加に反比例してノッキングの防止効果が乏しくなる傾向を有する。
【解決手段】本発明によるノッキング抑制装置は、内燃機関の燃焼室１４の径方向中央部に点火ギャップ２３が配された点火プラグ２４と、燃焼室１４の外周端縁部の吸気ポート１６側および排気ポート１７側に配されるノズル２５をそれぞれ有し、これらノズル２５から燃焼室１４の径方向中央部に高圧ガスをそれぞれ噴射すると共に燃焼室１４を囲むシリンダ１２の内周壁に沿って同じ方向に高圧ガスをそれぞれ噴射する一対の高圧ガス噴射弁２６とを具え、燃焼後半に燃焼室１４内の高圧ガスによる乱流を発生させて火炎伝播を制御し、ノッキングの発生を回避する。
【選択図】図１

Description

本発明は、火花点火内燃機関におけるノッキング抑制方法およびその装置に関する。

ノッキングは、内燃機関の燃焼室内での混合気の燃焼速度が低下する燃焼期間終盤に、火炎面とシリンダの内壁との間で圧縮された未燃混合気が自己着火条件に達し、火炎面から独立して着火する現象である。特に、火花点火内燃機関では、燃焼室内の温度が高い排気ポート側の火炎伝播速度が高くなるため、吸気ポート側のシリンダ内壁近傍にてノッキングが起こり易い傾向を持つ。ノッキングが発生すると、内燃機関の点火進角を進めることが困難となるため、その出力の増大を企図した際の大きな障害となる。

このようなノッキングの発生を防止するため、アンチノック性の高い高オクタン価燃料を使用したり、燃焼速度の大きな燃料、例えば水素などを使用したり、シリンダボア径を小径化して火炎伝播距離を短くすることが一般的に行われている。この他、燃焼室内における吸気流の乱れを増加させることにより燃焼速度を増大させたり、あるいは燃料を燃焼室内に直接噴射して燃焼室内で燃料を気化させ、これにより吸気温度を低下させてノッキングの発生を抑制するようにした技術も提案されている。例えば、特許文献１に開示された技術は、点火プラグの点火後、燃焼室内に高圧空気を噴射してノッキングを防止するようにしたものであり、そのための高圧空気噴射ノズルを複数具えている。また、特許文献２に開示された技術は、圧縮行程終了間際にピストンの頂面外周とシリンダヘッドの下面との間に設けられた環状圧縮室から燃焼室内に混合気を噴出させ、燃焼状態を改善するようにしたものである。さらに、特許文献３に開示された技術は、燃焼室を挟んで１８０°隔てて設けられた一対のノズルの一方から高圧空気を噴射すると共に他方のノズルから燃料を噴射し、これらを燃焼室の中央部で衝突させるようにしたものである。

特開２００１−２０７４５号公報特公平１−１６３２４号公報特開平１０−３３１６４２号公報

上述した従来のノッキング防止方法では、燃焼が始まってから実質的にノッキングが発生し易い１０〜９０％まで燃焼が進んだ燃焼後期のみならず、燃焼が始まってから燃焼が１０％程度進んだ燃焼初期においても、同様にノッキングの防止効果を得ることができる。

しかしながら、燃焼室内での混合気の燃焼速度を増大させた場合、例えば燃焼後期における混合気の燃焼速度を増加させても、燃焼初期における混合気の燃焼速度に対する燃焼後期における混合気の燃焼速度の低下そのものを改善することができず、根本的な対策とはなっていない。

また、従来の方法では内燃機関の圧縮比や吸気の吸入効率の増加に反比例してノッキングの防止効果が乏しくなる傾向を有する。

本発明の第１の形態は、内燃機関の燃焼室内に空気と燃料とを供給して混合気を形成するステップと、前記燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグを点火して前記燃焼室内の混合気を燃焼させるステップと、前記燃焼室の外周端縁部の吸気ポート側および排気ポート側から燃焼室の径方向中央部に向けて高圧ガスを吹き込むステップと、前記燃焼室の外周端縁部の吸気ポート側および排気ポート側から燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って同じ方向に高圧ガスを吹き込むステップとを具えたことを特徴とするノッキング抑制方法にある。

本発明においては、内燃機関の燃焼室内に空気と燃料とを供給して混合気を形成した後、点火プラグを点火して燃焼室内の混合気を燃焼させる。この混合気の燃焼中に燃焼室の径方向中央部に向けて１８０°反対側から噴射される高圧空気により、点火ギャップの周囲に介在する混合気の乱流が増大する結果、着火遅れが減少して燃焼の安定性が向上する。一方、燃焼室を囲むシリンダの内周壁近傍に介在する混合気をこのシリンダの内周壁に沿って流動させることにより、未燃状態にある混合気の乱流が増大して燃焼後期における燃焼速度の低下が抑制される。また、この混合気の流れによりシリンダの内周壁に沿って火炎が伝播し、ノッキングの発生が抑制される。

本発明の第１の形態によるノッキング抑制方法において、燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップは、点火プラグの点火直後に行われるものであってよい。

また、燃焼室の径方向中央部に高圧ガスを吹き込むステップは、燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って同じ方向に高圧ガスを吹き込むステップに先立って行われることが有効である。

燃焼室の径方向中央部への高圧ガスの吹き込み量は、シリンダの内周壁に沿った高圧ガスの吹き込み量よりも少ないことが好ましい。

本発明の第２の形態は、内燃機関の燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグと、前記燃焼室の外周端縁部の吸気ポート側および排気ポート側に配されるノズルをそれぞれ有し、これらノズルから前記燃焼室の径方向中央部に高圧ガスをそれぞれ噴射すると共に燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って同じ方向に高圧ガスをそれぞれ噴射する一対の高圧ガス噴射弁とを具えたことを特徴とするノッキング抑制装置にある。

本発明において、高圧ガス噴射弁を作動させると、一方は燃焼室の径方向中央部に向けて１８０°反対側から同時に噴射され、これによって点火ギャップの周囲に介在する混合気の乱流が増大する結果、着火遅れが減少して燃焼の安定性が向上する。他方は燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って同方向に流され、燃焼室を囲むシリンダの内周壁近傍に介在する混合気をこのシリンダの内周壁に沿って流動させることにより、未燃状態にある混合気の乱流が増大して燃焼後期における燃焼速度の低下が抑制される。

本発明の第２の形態によるノッキング抑制装置において、高圧ガス噴射弁からの高圧ガスは、点火プラグの点火直後に噴射されるものであってよい。

高圧ガス噴射弁のノズルは、燃焼室の径方向中央部を向く第１の開口と、シリンダの内周壁に沿った第２の開口とを有し、この第２の開口からの高圧ガスの噴射に先立って第１の開口から高圧ガスが噴射されるものであってよい。この場合、ノズルの第１の開口の開口面積は、第２の開口の開口面積よりも小さいことが有効である。

高圧ガスとして、圧縮空気や、水素または不活性ガス、あるいは水蒸気を利用することができる。

本発明のノッキング抑制方法によると、内燃機関の燃焼室内に空気と燃料とを供給して混合気を形成し、燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグを点火して燃焼室内の混合気を燃焼させ、この混合気の燃焼中に燃焼室の外周端縁部の吸気ポート側および排気ポート側から燃焼室の径方向中央部に向けて高圧ガスを吹き込むようにしたので、点火ギャップ近傍に介在する混合気の乱流が増大し、着火遅れを短縮して燃焼の安定性を向上させ、空燃比をよりリーンにして燃費を向上させることができる。しかも、燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って同じ方向に高圧ガスを吹き込むようにしたので、未燃状態にある混合気の乱流が増大し、燃焼後期における燃焼速度の低下を抑えて未燃混合気に自己着火する猶予を与えず、これによってノッキングの発生を抑制することができ、点火進角を進めて出力の増大を図ることが可能である。

燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップが点火プラグの点火直後に行われる場合、燃焼後期における燃焼速度の低下をより確実に抑えることができる。

シリンダの内周壁に沿って高圧ガスを吹き込む直前に燃焼室の径方向中央部に高圧ガスを吹き込む場合、点火ギャップ近傍に介在する混合気の乱流を増大させ、着火遅れを短縮して安定した燃焼を実現することができる。

燃焼室の径方向中央部への高圧ガスの吹き込み量がシリンダの内周壁に沿った高圧ガスの吹き込み量よりも少なくした場合、燃焼初期における火炎速度の増加を抑制すると同時に燃焼後期における火炎速度の低下を抑えることができ、未燃混合気が自己着火温度に達する前に焼を進行させ、より確実にノッキングの発生を回避することができる。

本発明のノッキング抑制装置によると、内燃機関の燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグと、燃焼室の外周端縁部の吸気ポート側および排気ポート側に配されるノズルをそれぞれ有し、これらノズルから燃焼室の径方向中央部に高圧ガスをそれぞれ噴射すると共に燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って同じ方向に高圧ガスをそれぞれ噴射する一対の高圧ガス噴射弁とを具えているので、点火ギャップ近傍に介在する混合気の乱流を増大させ、着火遅れを短縮して燃焼の安定性を向上させ、空燃比をよりリーンにして燃費を向上させることができる。しかも、未燃状態にある混合気の乱流が増大し、燃焼後期における燃焼速度の低下を抑えて未燃混合気に自己着火する猶予を与えず、これによってノッキングの発生を抑制することができ、点火進角を進めて出力の増大を図ることが可能である。

点火プラグの点火直後に高圧ガス噴射弁から高圧ガスを噴射した場合、燃焼後期における燃焼速度の低下をより確実に抑えることができる。

高圧ガス噴射弁のノズルが、燃焼室の径方向中央部を向く第１の開口と、シリンダの内周壁に沿った第２の開口とを有し、この第２の開口からの高圧ガスの噴射に先立って第１の開口から高圧ガスを噴射する場合、点火ギャップ近傍に介在する混合気の乱流を増大させ、着火遅れを短縮して安定した燃焼を実現することができる。

ノズルの第１の開口の開口面積を第２の開口の開口面積よりも小さく設定した場合、燃焼初期における火炎速度の増加を抑制すると同時に燃焼後期における火炎速度の低下を抑えることができ、未燃混合気が自己着火温度に達する前に焼を進行させ、より確実にノッキングの発生を回避することができる。

本発明によるノッキング抑制装置を火花点火内燃機関に応用した一実施形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施形態のみに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。

本実施形態の概略構造を図１に示し、そのII−II矢視断面構造における高圧ガスの流れを模式的に図２に示し、その高圧ガス噴射弁のノズルの断面構造を図３および図４に示し、その制御ブロックを図５に示す。すなわち、ピストン１１が摺動自在に嵌め込まれるシリンダ１２を形成したシリンダブロック１３には、ピストン１１との間に燃焼室１４を画成するシリンダヘッド１５が取り付けられている。

このシリンダヘッド１５には、一対の吸気ポート１６と一対の排気ポート１７とが燃焼室１４に臨むように形成され、これら吸気ポート１６の開口端および排気ポート１７の開口端は、ピストン１１の往復運動、つまりコンロッド１８を介してピストン１１に連結されたクランク軸１９の回転運動に連動して所定のタイミングにて往復動する吸気弁２０および排気弁２１によりそれぞれ開閉されるようになっている。吸気ポート１６内に燃料を噴射する燃料噴射弁２２もシリンダヘッド１５に取り付けられ、ピストン１１の往復運動に連動して所定のタイミングにて燃料を吸気ポート１６内に噴射し、この吸気ポート１６内を流れる吸気と共に燃焼室１４に送られるようになっている。

また、このシリンダヘッド１５には、点火ギャップ２３が燃焼室１４の径方向中央部に臨むように配された点火プラグ２４が取り付けられている。この点火プラグ２４の点火ギャップ２３には、クランク軸１９の回転運動に連動して所定のタイミングにて高電圧が印加され、混合気中に含まれる燃料の点火を行うようになっている。

さらにこのシリンダヘッド１５には、吸気ポート１６と排気ポート１７との対向方向（図１中、左右方向）に１８０°相隔てて位置するように、燃焼室１４の外周縁部にそれぞれノズル２５が臨む一対の高圧ガス噴射弁２６が設けられている。これら高圧ガス噴射弁２６は、図２中の矢印で示すように、点火プラグ２４による燃料の点火直後に高圧ガス、本実施形態では高圧空気を燃焼室１４の径方向中央部に向けて同時に噴射すると共に燃焼室１４を囲むシリンダ１２の内周壁に沿って同じ方向に高圧空気を噴射し、点火ギャップ２３近傍に介在する混合気の乱流を増大させると共にシリンダ１２の内周壁近傍に介在する未燃状態にある混合気の乱流を増大させ、燃焼後期における燃焼速度の低下を抑えて未燃混合気に自己着火する猶予を与えず、これによってノッキングの発生を抑制するためのものである。このため、高圧ガス噴射弁２６の各ノズル２５には、燃焼室１４の径方向中央部に向けて高圧空気を噴射する第１の噴射孔２７と、燃焼室１４を囲むシリンダ１２の内周壁に沿って同じ方向に高圧空気を噴射する第２の噴射孔２８とが形成されている。また、本実施形態における高圧ガス噴射弁２６は、第２の噴射孔２８を開閉するための円筒状をなすプランジャ２９をノズル２５内に組み込んでおり、内側を高圧空気が流れるこのプランジャ２９は、図示しない一対のソレノイドによって第２の噴射孔２８を塞ぐ図３に示した状態と、第２の噴射孔２８を開放する図４に示した状態とに切り替えられる。

この第２の噴射孔２８の開放動作は、基本的に第１の噴射孔２７からの高圧空気の噴射を開始してから所定時間後に行われるように設定されているが、車両の運転状況によっては第２の噴射孔２８を開放した状態に保持しておき、第１および第２の噴射孔２８から同時に高圧空気を燃焼室１４内に噴射するようにしてもよい。

高圧ガス噴射弁２６に高圧空気をそれぞれ供給する空気加圧ポンプ３０は、クランク軸１９に歯付きベルト３１を介して連結され、クランク軸１９の回転に連動して例えば１０MＰa以上の高圧空気を作り出すようになっている。この高圧ガス噴射弁２６もピストン１１の往復運動、つまりクランク軸１９の回転運動に連動して所定のタイミングにて高圧空気を燃焼室１４内に直接噴射するようになっている。この場合、燃焼室１４内に高圧空気を吹き込むことによって、燃焼室１４内の混合気の空燃比がリーン側に変化するが、高圧空気の吹き込み前に混合気の燃焼が進行しているため、燃焼の継続性に悪影響をそれほど及ぼすおそれはない。

このように、点火プラグ２４の点火直後に１０MＰa以上の高圧空気を燃焼室１４内に噴射することにより、点火ギャップ２３近傍に介在する混合気の乱流が増大し、着火遅れを短縮して燃焼の安定性を向上させ、空燃比をよりリーンにして燃費を向上させることができる。しかも、混合気の燃焼中に燃焼室１４を囲むシリンダ１２の内周壁近傍に介在する混合気をこのシリンダ１２の内周壁に沿って流動させることができるため、未燃状態にある混合気の乱流が増大し、燃焼後期における燃焼速度の低下を抑えて未燃混合気に自己着火する猶予を与えず、これによってノッキングの発生が抑制されることとなる。

燃料噴射弁２２からの燃料の噴射量やその噴射タイミングおよび点火プラグ２４の点火時期、ならびに高圧ガス噴射弁２６からの高圧空気の噴射量やその噴射タイミングなどは、運転者によって踏み込まれる図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３２からの検出信号と、車両の走行速度を検出する車速センサ３３からの検出信号と、クランク軸１９の回転位相を検出するクランク角センサ３４からの検出信号とに基づき、制御装置３５によってあらかじめ設定された関係にて制御されるようになっている。

上述した実施形態では、エンジンのクランク軸１９に連動する空気加圧ポンプ３０を用いて高圧空気を高圧ガス噴射弁２６に供給するようにしたが、空気以外に水素あるいは比熱比の比較的大きな不活性ガス、例えばアルゴンやヘリウムなどの他に、水蒸気などを高圧ガス噴射弁２６から燃焼室１４内に噴射させるようにしてもよい。特に水素ガスを用いた場合には、着火性の良好な水素ガス自体を燃料として機能させることもできるので、内燃機関の出力増大を同時に企図することが可能となる。また、水蒸気を用いる場合には排気ポート１７から排出される排気ガスの熱を利用して水を加熱し、これを気化させて水蒸気として利用することができる。

さらに本実施形態では、可動式のプランジャ２９が組み込まれたノズル２５を有する高圧ガス噴射弁を使用し、シリンダ１２の内壁に沿って圧縮空気を噴射する直前に径方向中央側に向けて圧縮空気を噴射するようにしたが、上述したように、これら圧縮空気を燃焼室１４内に同時に噴射させることも可能である。この場合には、より単純な機構の高圧ガス噴射弁を使用することができるので、部品コストなどの上昇を抑制することができる。

本発明によるノッキング抑制装置を火花点火内燃機関に応用した一実施形態の概略構造を表す断面図である。図１中のII−II矢視断面における高圧空気の流れを模式的に表す概念図である。図１に示した高圧ガス噴射弁におけるノズルの断面図であり、噴射初期の状態を表す。図１に示した高圧ガス噴射弁におけるノズルの断面図であり、噴射後期の状態を表す。図１に示した実施形態における制御ブロック図である。

符号の説明

１１ピストン
１２シリンダ
１３シリンダブロック
１４燃焼室
１５シリンダヘッド
１６吸気ポート
１７排気ポート
１８コンロッド
１９クランク軸
２０吸気弁
２１排気弁
２２燃料噴射弁
２３点火ギャップ
２４点火プラグ
２５ノズル
２６高圧ガス噴射弁
２７第１の噴射孔
２８第２の噴射孔
２９プランジャ
３０空気加圧ポンプ
３１歯付きベルト
３２アクセル開度センサ
３３車速センサ
３４クランク角センサ
３５制御装置

Claims

内燃機関の燃焼室内に空気と燃料とを供給して混合気を形成するステップと、
前記燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグを点火して前記燃焼室内の混合気を燃焼させるステップと、
前記燃焼室の外周端縁部の吸気ポート側および排気ポート側から燃焼室の径方向中央部に向けて高圧ガスを吹き込むステップと、
前記燃焼室の外周端縁部の吸気ポート側および排気ポート側から燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って同じ方向に高圧ガスを吹き込むステップと
を具えたことを特徴とするノッキング抑制方法。
前記燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップは、前記点火プラグの点火直後に行われることを特徴とする請求項１に記載のノッキング抑制方法。
前記燃焼室の径方向中央部に高圧ガスを吹き込むステップは、前記シリンダの内周壁に沿って高圧ガスを吹き込むステップに先立って行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のノッキング抑制方法。
前記燃焼室の径方向中央部への高圧ガスの吹き込み量は、前記シリンダの内周壁に沿った高圧ガスの吹き込み量よりも少ないことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のノッキング抑制方法。
内燃機関の燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグと、
前記燃焼室の外周端縁部の吸気ポート側および排気ポート側に配されるノズルをそれぞれ有し、これらノズルから前記燃焼室の径方向中央部に高圧ガスをそれぞれ噴射すると共に燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って同じ方向に高圧ガスをそれぞれ噴射する一対の高圧ガス噴射弁と
を具えたことを特徴とするノッキング抑制装置。
前記高圧ガス噴射弁からの高圧ガスは、前記点火プラグの点火直後に噴射されることを特徴とする請求項４に記載のノッキング抑制装置。
前記高圧ガス噴射弁のノズルは、前記燃焼室の径方向中央部を向く第１の開口と、前記シリンダの内周壁に沿った第２の開口とを有し、この第２の開口からの高圧ガスの噴射に先立って前記第１の開口から高圧ガスが噴射されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のノッキング抑制装置。
前記ノズルの第１の開口の開口面積は、前記第２の開口の開口面積よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載のノッキング抑制装置。
高圧ガスが圧縮空気か、水素または不活性ガスか、あるいは水蒸気であることを特徴とする請求項５から請求項８の何れかに記載のノッキング抑制装置。