JP2007170311A - 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、遮断弁３２は、圧縮行程後期に閉弁し、主燃焼室１４の混合気に着火した後に開弁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、前記遮断弁は、圧縮行程後期に閉弁し、前記主燃焼室の混合気に着火した後に開弁されるように構成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、前記混合気がリーンであるほど前記遮断弁の閉弁時期を早め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、排気温度を高くする場合には前記遮断弁の開弁時期を遅くす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１〜３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、遮断弁閉弁後の圧縮と燃焼による温度上昇とによって主燃焼室の圧力が副室の圧力よりも高くなった状態において遮断弁を開弁することにより、火炎を副室内に勢い良く流入させることができ、副室内の混合気に伝播し易くすることができる。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、副室と主燃焼室との圧力差を大きくし、遮断弁の開弁時に副室内への火炎流入量を多くすることにより、副室内の混合気へ火炎を確実に伝播することができ、炭化水素（ＨＣ）の排出を低減することができる。

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、冷間始動後等に触媒暖機のため排気温度を高くしたい場合には、遮断弁の開弁時期を遅くして副室内の混合気の燃焼を遅らせることにより、排気温度を高くすることができる。これにより、主燃焼室の安定した燃焼を保ったまま、すなわちトルク変動の少ない状態で触媒暖機を行うことができる。

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、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、図示しない冷却水温センサや空燃比センサの出力値を用いて冷却水温Ｔｗ、空燃比Ｒａｆを入力する（ステップＳ１０）。

つぎに、たとえばエンジン１０の回転数や負荷、冷却水温Ｔｗ、空燃比Ｒａｆ等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による点火時期θｓａを算出する（ステップＳ２０）。

つぎに、たとえばエンジン１０の回転数や負荷等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、たとえばエンジン１０の回転数や負荷等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の開弁時期θｖｏを算出する（ステップＳ４０）。

つぎに、現クランク角（時期）θを入力し（ステップＳ５０）、この時期θが点火時期θｓａであるか否かを判断する（ステップＳ６０）。

時期θが点火時期θｓａであるならば（ステップＳ６０肯定）、点火栓１５による点火を実行し（ステップＳ７０）、時期θが遮断弁３２の閉弁時期θｖｃであるか否かを判断する（ステップＳ８０）。

一方、時期θが点火時期θｓａでないならば（ステップＳ６０否定）、点火を実行することなく、時期θが遮断弁３２の閉弁時期θｖｃであるか否かを判断する（ステップＳ８０）。

時期θが時期θが遮断弁３２の閉弁時期θｖｃであるならば（ステップＳ８０肯定）、遮断弁３２を閉弁し（ステップＳ９０）、時期θが遮断弁３２の開弁時期θｖｏであるか否かを判断する（ステップＳ１００）。

一方、時期θが遮断弁３２の閉弁時期θｖｃでないならば（ステップＳ８０否定）、遮断弁３２を閉弁することなく、時期θが遮断弁３２の開弁時期θｖｏであるか否かを判断する（ステップＳ１００）。

時期θが遮断弁３２の開弁時期θｖｏであるならば（ステップＳ１００肯定）、遮断弁３２を開弁して（ステップＳ１１０）本制御を終了し、通常の制御に戻る。

一方、時期θが遮断弁３２の開弁時期θｖｏでないならば（ステップＳ１００否定）、遮断弁３２を開弁することなく本制御を終了し、通常の制御に戻る。

以上の制御を実行することにより、遮断弁３２の開閉時期と各燃焼室の圧力との関係は、図５に示すようになる。すなわち、遮断弁３２は、圧縮行程後期に閉弁し、主燃焼室１４の混合気に着火した後に開弁される。

すると、遮断弁３２閉弁後の圧縮と燃焼による温度上昇とによって主燃焼室１４の圧力が副室３０の圧力よりも高くなった状態において遮断弁３２を開弁することにより、火炎を副室３０内に勢い良く流入させることができ、副室３０内の混合気（均質混合気）に伝播し易くすることができる。これと同時に副室３０内の圧力も上昇する。これにより、主燃焼室１４とともに副室３０でも混合気を効率良く燃焼させることができる。

また、上記制御方法において、混合気がリーンであるほど遮断弁３２の閉弁時期を早める（図６参照）ことで、副室３０と主燃焼室１４との圧力差を大きくし（図７参照）、遮断弁３２の開弁時に副室３０内への弁部流速（遮断弁３２近傍の混合気の流速）を増大させ（図８参照）、火炎流入量を多くすることができる（図９参照）。

これにより、副室３０内の混合気へ火炎を確実に伝播することができ、炭化水素（ＨＣ）の排出を低減することができる。なお、この場合、ステップＳ３０の閉弁時期θｖｃ算出過程において、空燃比Ｒａｆを考慮した図６に示すマップを用いることができる。

ここで、図６は、空燃比と遮断弁３２の閉弁時期（ＢＴＤＣ）との関係を示すグラフ、図７は、空燃比と遮断弁３２開弁時の副室３０と主燃焼室１４の圧力差との関係を示すグラフ、図８は、空燃比と弁部流速との関係を示すグラフ、図９は、空燃比と副室３０への火炎流入量との関係を示すグラフである。

また、上記制御方法において、冷間始動後等に触媒暖機のため排気温度を高くしたい場合には、遮断弁３２の開弁時期を遅くして（図１０参照）、副室３０内の混合気の燃焼を遅らせることにより、排気温度を高くすることができる（図１１参照）。なお、この場合、ステップＳ４０の開弁時期θｖｏ算出過程において、冷却水温Ｔｗを考慮した図１０に示すマップを用いることができる。

これにより、図１２に示すように、主燃焼室１４の安定した燃焼を保ったまま、すなわちトルク変動の少ない状態で触媒暖機を行うことができる。これは、点火時期を通常に保つことができるため着火が安定し、遮断弁３２開弁までの燃焼状態も安定するからであり、また高温の燃焼ガスにより副室３０の混合気に着火するため副室３０の燃焼も安定するからである。

ここで、図１０は、冷却水温と遮断弁３２の開弁時期（ＡＴＤＣ）との関係を示すグラフ、図１１は、遮断弁３２の開弁時期（ＡＴＤＣ）と排気温との関係を示すグラフである。また、図１２は、本制御により燃焼が安定する様子を示す説明図であり、点火しなかった場合の圧力を破線で示してある。

以上のように、この実施例に係る可変圧縮比エンジン１０によれば、主燃焼室１４とともに副室３０でも混合気を効率良く燃焼させることができる。

なお、上記実施例においては、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火炎伝播を確実に行い、炭化水素（ＨＣ）の排出低減等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。 空燃比と遮断弁の閉弁時期（ＢＴＤＣ）との関係を示すグラフである。 空燃比と遮断弁開弁時の副室と主燃焼室の圧力差との関係を示すグラフである。 空燃比と弁部流速との関係を示すグラフである。 空燃比と副室への火炎流入量との関係を示すグラフである。 冷却水温と遮断弁の開弁時期（ＡＴＤＣ）との関係を示すグラフである。 遮断弁の開弁時期（ＡＴＤＣ）と排気温との関係を示すグラフである。 本制御により燃焼が安定する様子を示す説明図である。

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
θｓａ 点火時期
θｖｃ 閉弁時期
θｖｏ 開弁時期
θ 現クランク角（時期）

Claims (4)

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、
   前記遮断弁は、圧縮行程後期に閉弁し、前記主燃焼室の混合気に着火した後に開弁されるように構成されていることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
2. 前記混合気がリーンであるほど前記遮断弁の閉弁時期を早め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. 排気温度を高くする場合には前記遮断弁の開弁時期を遅くす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、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１〜３のいずれか一つに記載の可変圧縮比内燃機関。

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