JP2007170310A - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】主燃焼室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させることができる可変圧縮比内燃機関を提供すること。
【解決手段】点火栓１５を有した主燃焼室１４と、主燃焼室１４に連通して設けられた副室３０と、開弁することにより主燃焼室１４と副室３０とを連通させる一方、閉弁することにより主燃焼室１４と副室３０との連通を遮断する電磁式の遮断弁３２とを備えた可変圧縮比エンジン１０であって、副室３０は副室用点火栓４５を備え、遮断弁３２が開弁されている時に副室用点火栓４５は主燃焼室１４の点火時期よりも早く点火されるように構成した。
【選択図】 図１

Description

この発明は、可変圧縮比内燃機関に関し、更に詳しくは、主燃焼室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させることができる可変圧縮比内燃機関に関する。

近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的として、燃焼室の容積を変化させることによってその圧縮比が変更される可変圧縮比内燃機関が開発されている。たとえば、内燃機関（アルコールエンジン）の高負荷時に副室弁を開弁後、副室内点火栓により着火して、火炎が副室から主室（主燃焼室）へ伝播するように構成され、低負荷時には副室弁を閉弁後、高圧縮比により圧縮着火するように構成することで、主室の温度が低下してＮＯｘの発生を抑制する技術が提案されている（特許文献１参照）。すなわち、負荷により着火方法を変更する手段が採用されている。

特開平３−５０３３３号公報

しかしながら、従来の可変圧縮比内燃機関では、副室から主室への火炎伝播については課題解決がなされているものの、低圧縮比となる副室弁の開弁時に主室から副室に混合気が流入した際には、主室から副室へ火炎伝播しにくい、という課題は解決されていない。すなわち、主室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させる必要があった。

また、副室の混合気への火炎伝播が十分になされない場合、未燃の炭化水素（ＨＣ）が増加したり、内燃機関の出力が低下する虞もあった。

更に、燃料噴射方法によっては、副室内は混合気が形成しにくく、この点でも火炎伝播しにくいという課題もあった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、主燃焼室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させることができる可変圧縮比内燃機関を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る可変圧縮比内燃機関は、少なくとも、点火栓を有した主燃焼室と、前記主燃焼室に連通して設けられた副室と、開弁することにより前記主燃焼室と前記副室とを連通させる一方、閉弁することにより前記主燃焼室と前記副室との連通を遮断する遮断弁と、を備えた可変圧縮比内燃機関であって、前記副室は、副室用点火栓を備えたことを特徴とするものである。

また、この発明の請求項２に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項１に記載の発明において、前記遮断弁が開弁されている時に前記副室用点火栓は前記主燃焼室の点火時期よりも早く点火されることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項３に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項１に記載の発明において、前記遮断弁は、遅くとも前記副室用点火栓の点火時には閉弁され、前記副室用点火栓の点火により前記副室内の圧力が所定値まで高くなった後に開弁されることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項４に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項３に記載の発明において、前記遮断弁は、前記副室内の圧力が前記主燃焼室内の圧力に対して所定値以上に高まった時に開弁するように閉弁保持されていることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項５に係る可変圧縮比内燃機関は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記遮断弁は、電磁駆動弁または油圧駆動弁からなることを特徴とするものである。

この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項１）によれば、副室用点火栓の点火実行により、副室内の混合気への着火を確実に行うことができる。これにより、主燃焼室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させることができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項２）によれば、遮断弁の開弁状態において主燃焼室の圧力よりも副室内の圧力が高くなり、燃焼ガスが副室から噴出し、主燃焼室内の混合気に火炎伝播するため、主燃焼室の点火とともに燃焼速度が増大し、ノック発生を改善することができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項３）によれば、遮断弁を開弁することにより、燃焼ガスが噴流となって主燃焼室に噴出し、主燃焼室内に乱れを生じさせるので、主燃焼室の点火とともに燃焼速度が増大し、ノック発生を改善することができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項４）によれば、一定以上の噴流燃焼ガス（乱れ）の強度を確保し、安定した燃焼を得ることができる。

また、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（請求項５）によれば、クランク角に応じて高応答のタイミングで遮断弁を開閉させることができる。

以下に、この発明に係る可変圧縮比内燃機関（以下、適宜、可変圧縮比エンジン若しくはエンジンと称する）の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施例１に係る可変圧縮比エンジンを示す断面図であり、後述する図２のＡ−Ａ断面図である。図２は、主燃焼室内から見たシリンダヘッドを示す下面図、図３は、遮断弁が開弁し副室から燃焼ガスが噴出した様子を示す断面図である。

図１〜図３に示すように、エンジン１０は、吸気ポート１６や排気ポート（図示せず）、点火栓１５、インジェクタ２４、吸気弁１７や排気弁２５（図２参照）等のエンジン弁を所定タイミングで駆動するためのエンジン弁アクチュエータ１８、弁シート１７ａ等を備え、エンジン１０の基本構成および基本動作は、公知のエンジン（副室を備えていない通常のエンジン）とほぼ同様である。

異なる点は、主燃焼室１４に連通して設けられた副室３０と、開弁することにより主燃焼室１４と副室３０とを連通させる一方、閉弁することにより主燃焼室１４と副室３０との連通を遮断する遮断弁３２とを備え、更にこの副室３０が副室用点火栓４５を備えていることである。

主燃焼室１４は、シリンダブロック１１内に往復動自在に配設されたピストン１３と、シリンダヘッド１２の下面とで形成されている。また、副室３０および遮断弁３２は、排気弁２５（図２参照）の間に配置されている。また、主燃焼室１４に対する副室３０の開口部は、主燃焼室１４に臨み、かつ吸気ポート１６の開口部とほぼ同一高さとなるように配置されている。

すなわち、このエンジン１０は、副室３０の遮断弁３２を開弁することにより燃焼室の容積が副室３０の容積分増加するため低い圧縮比が設定され、遮断弁３２を閉弁することにより主燃焼室１４の容積のみで決まる高い圧縮比が設定されるものである。

遮断弁３２は、電磁駆動式の遮断弁アクチュエータ３４によって開閉駆動されるように構成されている。この遮断弁アクチュエータ３４は、ケース３５と、このケース３５内に配され、弁ステムガイド４３によって移動自在に支持された遮断弁３２をロアリテーナ４１で押圧するアーマチャ３６と、このアーマチャ３６を電磁力によって上下動させるためのアッパコア３７およびロアコア４０と、アーマチャ３６を下方に付勢するためのアッパスプリング３８およびスクリュ３９と、遮断弁３２を閉弁方向に付勢するロアスプリング４２等とから構成されている。

遮断弁３２は、閉弁時にはロアスプリング４２の付勢により弁シート３２ａに押圧されている。また、遮断弁３２は、アーマチャ３６がロアコア４０による電磁力によりロアスプリング４２の付勢力に抗して下方に引き付けられて開弁する。

なお、エンジン弁アクチュエータ１８は、吸気弁１７を駆動するものについて図示され、カム１９、リテーナ２０、弁リフタ２１、弁スプリング２２、弁ステムガイド２３等の公知部材により構成されている。また、排気弁２５に係るエンジン弁アクチュエータについてもこれとほぼ同様に構成されている。また、上記各部材は、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）によって制御される。

つぎに、本実施例１に係る遮断弁３２の開閉制御および点火制御について図４に基づいて図１〜図３、図５を参照しつつ説明する。ここで、図４は、制御動作を示すフローチャート、図５は、遮断弁３２の開閉時期と点火時期とに基づく燃焼室の圧力変化を示すグラフである。以下の制御は、たとえばクランク角１度毎に実行される。

先ず、たとえばエンジン１０の回転数や負荷により予め設定されたマップを用いることにより、点火栓１５による主点火時期θｓａ１を算出する（ステップＳ１０）。

つぎに、副室用点火栓４５による副点火時期θｓａ２を算出する（ステップＳ２０）。この副点火時期θｓａ２は、上記ステップＳ１０で算出された主点火時期θｓａ１に、予め最適値として求められている所定値を加えることにより算出することができる。

つぎに、たとえばエンジン１０の回転数や負荷により予め設定されたマップを用いることにより、遮断弁３２の閉弁時期θｖｃを算出する（ステップＳ３０）。

続いて、遮断弁３２の開弁時期θｖｏを算出する（ステップＳ４０）。この開弁時期θｖｏは、上記ステップＳ３０で算出された閉弁時期θｖｃに、予め最適値として求められている所定値を加えることにより算出することができる。

つぎに、現クランク角である時期θをクランク角センサ（図示せず）等の出力値を用いて入力し（ステップＳ５０）、この時期θが主点火時期θｓａ１であるか否かを判断する（ステップＳ６０）。時期θが主点火時期θｓａ１であるならば（ステップＳ６０肯定）、点火栓１５による主点火を実行し（ステップＳ７０）、時期θが副点火時期θｓａ２であるか否かを判断する（ステップＳ８０）。

一方、時期θが主点火時期θｓａ１でないならば（ステップＳ６０否定）、主点火を実行することなく、時期θが副点火時期θｓａ２であるか否かを判断する（ステップＳ８０）。

時期θが副点火時期θｓａ２であるならば（ステップＳ８０肯定）、副室用点火栓４５による副点火を実行し（ステップＳ９０）、時期θが閉弁時期θｖｃであるか否かを判断する（ステップＳ１００）。

この副点火の実行により、副室３０内の混合気への着火を確実に行うことができる。また、副点火時期θｓａ２を主点火時期θｓａ１よりも早めることにより、図５にも示すように、遮断弁３２の開弁状態において主燃焼室１４の圧力よりも副室３０内の圧力が高くなり、燃焼ガスが副室３０から噴出する。

この噴出した燃焼ガスが主燃焼室１４内の混合気に火炎伝播するので、主燃焼室１４の点火とともに燃焼速度が増大し、ノック発生が改善される。

また、時期θが副点火時期θｓａ２でないならば（ステップＳ８０否定）、副点火を実行することなく、時期θが閉弁時期θｖｃであるか否かを判断する（ステップＳ１００）。

時期θが閉弁時期θｖｃであるならば（ステップＳ１００肯定）、遮断弁３２の閉弁を実行し（ステップＳ１１０）、時期θが開弁時期θｖｏであるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。

一方、時期θが閉弁時期θｖｃでないならば（ステップＳ１００否定）、遮断弁３２の閉弁を実行することなく、時期θが開弁時期θｖｏであるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。

時期θが開弁時期θｖｏであるならば（ステップＳ１２０肯定）、遮断弁３２の開弁を実行して（ステップＳ１３０）本制御を終了し、通常の制御に戻る。

一方、時期θが開弁時期θｖｏでないならば（ステップＳ１２０否定）、遮断弁３２の開弁を実行せずに本制御を終了し、通常の制御に戻る。

このように、遅くとも副室３０内の点火時には遮断弁３２を閉弁しておき、副室３０内に火炎伝播して副室３０内の圧力が十分に高まってから遮断弁３２を開弁することにより（図５参照）、燃焼ガスが噴流となって主燃焼室１４に噴出し、主燃焼室１４内に乱れを生じさせるので、主燃焼室１４の点火とともに燃焼速度が増大し、ノック発生が改善される。

以上のように、この実施例１に係る可変圧縮比エンジン１０によれば、副室用点火栓４５の点火実行により、副室３０内の混合気への着火を確実に行うことができるとともに、燃焼速度を増大させて、ノック発生を改善することができる。

図６は、この発明の実施例２に係る制御動作を示すフローチャート、図７は、遮断弁３２の開閉時期と点火時期とに基づく燃焼室の圧力変化を示すグラフである。なお、図６に係る制御動作の説明において、図４において説明した制御と同一のものについては、同一のステップ番号を付して重複説明を省略する。

本実施例２は、図７および図３に示すように、副室３０内の圧力が主燃焼室１４内の圧力に対して所定の圧力差（図７中に示す噴流開始の所定圧力差）以上に高まった時に遮断弁３２を開弁して噴流燃焼ガスが生じるように、所定の圧力差によって生じる遮断弁３２を開弁しようとする力とほぼ等しい力（閉弁保持力Ｆｈ）で閉弁保持しておき、当該所定の圧力差によって遮断弁３２が開弁した後に、その開弁方向にロアコア４０等の電磁力を働かせるように構成したものである。これにより、一定以上の噴流燃焼ガス（乱れ）４７の強度を確保し、安定した燃焼を得ることができる。

すなわち、図６のステップＳ２５において、閉弁保持力Ｆｈを算出する。この閉弁保持力Ｆｈは、たとえばエンジン１０の回転数や負荷により予め設定されたマップから求まる上記所定圧力差を用いて算出することができる。そして、ステップＳ１１５において、この閉弁保持力Ｆｈで遮断弁３２の閉弁を実行すればよい。

以上のように、この実施例２に係る可変圧縮比エンジン１０によれば、一定以上の噴流燃焼ガス（乱れ）４７の強度を確保し、安定した燃焼を得ることができる。

なお、上記実施例１および実施例２においては、遮断弁３２を応答性の良い電磁駆動式のものであるとして説明したが、これに限定されず、クランク角に応じて高応答の開閉タイミングを実現できれば、たとえば油圧駆動式であってもよい。

また、インジェクタ２４による直噴方式の燃料噴射例を示したが、これに限定されず、ポート噴射であってもよい。

また、副室３０および遮断弁３２は、排気弁２５の間に配置されているものとして説明したが、これに限定されず、吸気弁１７の間またはその他の場所に配置してもよい。また、副室３０および遮断弁３２を複数設けてもよい。

以上のように、この発明に係る可変圧縮比内燃機関は、主燃焼室とともに副室でも混合気を効率良く燃焼させることができる可変圧縮比内燃機関に有用であり、特に、低圧縮比の運転状態においても副室内の混合気への着火を確実に行い、ノック発生を改善することを目指す可変圧縮比内燃機関に適している。

この発明の実施例１に係る可変圧縮比エンジンを示す断面図である。 主燃焼室内から見たシリンダヘッドを示す下面図である。 遮断弁が開弁し副室から燃焼ガスが噴出した様子を示す断面図である。 制御動作を示すフローチャートである。 遮断弁の開閉時期と点火時期とに基づく燃焼室の圧力変化を示すグラフである。 この発明の実施例２に係る制御動作を示すフローチャートである。 遮断弁の開閉時期と点火時期とに基づく燃焼室の圧力変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ 可変圧縮比エンジン（可変圧縮比内燃機関）
１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
１３ ピストン
１４ 主燃焼室
１５ 点火栓
１６ 吸気ポート
１７ 吸気弁
１７ａ 弁シート
１８ エンジン弁アクチュエータ
１９ カム
２０ リテーナ
２１ 弁リフタ
２２ 弁スプリング
２３ 弁ステムガイド
２４ インジェクタ
２５ 排気弁
３０ 副室
３２ 遮断弁
３２ａ 弁シート
３４ 遮断弁アクチュエータ
３５ ケース
３６ アーマチャ
３７ アッパコア
３８ アッパスプリング
３９ スクリュ
４０ ロアコア
４１ ロアリテーナ
４２ ロアスプリング
４３ 弁ステムガイド
４５ 副室用点火栓
４７ 噴流燃焼ガス
θｓａ１ 主点火時期
θｓａ２ 副点火時期
θｖｃ 閉弁時期
θｖｏ 開弁時期
θ 時期（現クランク角）
Ｆｈ 閉弁保持力

Claims (5)

1. 少なくとも、点火栓を有した主燃焼室と、
   前記主燃焼室に連通して設けられた副室と、
   開弁することにより前記主燃焼室と前記副室とを連通させる一方、閉弁することにより前記主燃焼室と前記副室との連通を遮断する遮断弁と、
   を備えた可変圧縮比内燃機関であって、
   前記副室は、副室用点火栓を備えたことを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
2. 前記遮断弁が開弁されている時に前記副室用点火栓は前記主燃焼室の点火時期よりも早く点火されることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
3. 前記遮断弁は、遅くとも前記副室用点火栓の点火時には閉弁され、前記副室用点火栓の点火により前記副室内の圧力が所定値まで高くなった後に開弁されることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
4. 前記遮断弁は、前記副室内の圧力が前記主燃焼室内の圧力に対して所定値以上に高まった時に開弁するように閉弁保持されていることを特徴とする請求項３に記載の可変圧縮比内燃機関。
5. 前記遮断弁は、電磁駆動弁または油圧駆動弁からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の可変圧縮比内燃機関。

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