JP2007170312A - 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、筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ２４とを備えた可変圧縮比エンジン１０であって、遮断弁３２が開弁した時に、インジェクタ２４から噴射された燃料噴霧の一部４９，５０が副室３０内に向かうように構成した。
【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、主燃焼室と副室との連絡孔に燃料噴射弁が設けられており、副室弁開弁時に燃料噴霧が副室内に導入され圧縮着火される技術が提案されている（特許文献１参照）。

なお、その他の関連する技術として、インジェクタからの燃料噴霧が点火プラグとピストンキャビティの２方向に向かうようにしたものが提案されている（特許文献２参照）。

特許第２８８１４６９号公報 特開平６−１０６７４号公報

しかしながら、特許文献１に係る従来の可変圧縮比内燃機関では、主燃焼室と副室との連絡孔に燃料噴射弁の噴射孔が設けられているので、噴射孔から噴射された燃料噴霧は、直ちに副室壁等の固体壁に衝突し、主燃焼室内の空気との混合が十分に行えないという課題があった。したがって、かかる従来技術は、主燃焼室内の均質混合気の形成を必要条件とするような内燃機関には適用し難いという課題があった。

また、上記特許文献１に係る従来技術の構成とは異なり、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁を主燃焼室に臨ませて配置するとともに、主燃焼室と副室との連通を遮断する遮断弁を備えた構成を採用する場合、その構造上、遮断弁開弁時の開口部を狭くせざるを得ないため、筒内噴射弁から噴射された燃料噴霧は副室内に入りにくくなる。

特に、均質燃焼を行う場合は、副室内の空気または残留ガス（内部ＥＧＲガス）を燃焼に有効に利用したいが、遮断弁開弁時の開口部が狭いために筒内噴射弁から噴射された燃料噴霧は副室内に入りにくくなる虞がある。このため副室内の混合気が希薄になり易く、また同様の理由により、主室から副室へ火炎伝播しにくくなる虞がある。

また、成層燃焼を行う場合は、副室内の空気または残留ガスと燃料とが混合した時に、遮断弁開弁時の開口部が狭いために主室から副室へ火炎伝播しにくく、未燃炭化水素（ＨＣ）の生成量とその排出量とが増大してしまう虞がある。

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、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、を備えた可変圧縮比内燃機関であって、前記遮断弁が開弁した時に、前記筒内噴射弁から噴射された燃料噴霧の一部が前記副室内に向かう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、均質燃焼時には、少なくとも燃料噴射時に前記遮断弁を開弁し、前記燃料噴霧の一部が前記副室内に流入するようにした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、成層燃焼時には、少なくとも燃料噴射時に前記遮断弁を閉弁し、当該燃料噴射の終了後に前記遮断弁を開弁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に記載の発明において、成層燃焼時には、膨張行程中に前記遮断弁を開弁した後に閉弁することにより前記副室内に燃焼ガスを蓄積し、つぎのサイクルの燃料噴射時に前記遮断弁を開弁して前記蓄積した燃焼ガスを前記副室から主燃焼室に放出するようにした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、副室内に燃料噴霧が入り易くなり、副室内の混合気が希薄になるのを抑制することができるため、副室内の混合気へ火炎を確実に伝播することができる。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、均質燃焼時に副室内の空気または残留ガス（内部ＥＧＲガス）を燃焼に有効に利用したい場合に、副室内に燃料噴霧が入り易くなり、燃焼中に火炎伝播し易い適正な空燃比にすることができる。

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、低負荷等で成層燃焼を行う場合、少なくとも燃料噴射時に遮断弁を閉弁して副室内に燃料噴霧が流入しないようにし、成層燃焼時では比較的火炎伝播させにくい副室内に燃料が存在しないようにしたので、未燃炭化水素（ＨＣ）の生成とその排出を抑制することができる。

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、低負荷等で成層燃焼を行いたい場合に、前サイクルで副室に蓄積された燃焼ガスを放出することにより副室内に燃料噴霧が流入しないようにし、成層燃焼時では比較的火炎伝播させにくい副室内に燃料が存在しないようにしたので、未燃炭化水素（ＨＣ）の生成とその排出を抑制することができる。更に、副室からの前サイクルの燃焼ガスの放出によって、副室側に向かった燃料噴霧の一部を、他の残りの燃料噴霧（主燃焼室の中央に向けて噴射された燃料噴霧）の側に押し戻して燃焼し易くするとともに、筒内乱れも増大させて燃焼し易くすることができる。

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、この発明の実施例に係る可変圧縮比エンジンの遮断弁開弁時に燃料噴霧の一部を副室内に入れた様子を示す断面図であり、後述する図２のＡ−Ａ断面図である。また、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、遮断弁が閉弁した様子を示す断面図である。

また、図４は、遮断弁が閉弁され燃料噴霧の一部が副室内に入れない様子を示す断面図、図５は、副室側に向かった燃料噴霧の一部が前サイクルの燃焼ガスの放出によって押し戻される様子を示す断面図である。

図１〜図５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、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、更に遮断弁３２が開弁した時に燃料噴霧の一部が副室３０内に向かうように噴射可能なインジェクタ（筒内噴射弁）２４を備えていることである。

すなわち、このインジェクタ２４は噴射口を複数（たとえば、２つ）備えており、ピストン１３のキャビティに向かう燃料噴霧４８と、遮断弁３２が開弁した時に副室３０に向かう燃料噴霧４９とを噴射可能となるように構成され、配置されている。

なお、本実施例では、インジェクタ２４を２つの吸気弁１７の間に配置してあるが、これに限定されず、上記噴霧機能を実現できれば他の場所に配置してもよい。

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、本実施例に係る制御方法について図６に基づいて図１〜図５を参照しつつ説明する。ここで、図６は、制御方法を示すフローチャートである。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、図示しないクランク角センサ等の出力値に基づいて現クランク角θを入力し（ステップＳ１０）、現時点の燃焼状態が均質燃焼であるか否かを判断する（ステップＳ２０）。

均質燃焼であるならば（ステップＳ２０肯定）、現クランク角θが均質燃焼時の噴射期間内であるか否かを判断する（ステップＳ３０）。これは、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判断することができる。

現クランク角θが噴射期間内であるならば（ステップＳ３０肯定）、遮断弁３２を開弁して（ステップＳ４０）本制御を終了し、通常の制御に戻る。また、クランク角θが噴射期間内でない場合（ステップＳ３０否定）は、本制御の対象外であるので制御を終了し、通常の制御に戻る。

すなわち、均質燃焼時に副室３０内の空気または残留ガス（内部ＥＧＲガス）を燃焼に有効に利用したい場合には、図１に示すように、遮断弁３２を開弁させ、インジェクタ２４で燃料噴霧４９を噴射することにより、副室３０内に燃料噴霧５０が入り易くなり、燃焼中に火炎伝播し易い適正な空燃比にすることができる。

つぎに、成層燃焼時の制御について説明する。均質燃焼でないならば（ステップＳ２０否定）、すなわち、成層燃焼であるならば、現クランク角θが成層燃焼時の噴射期間内であるか否かを判断する（ステップＳ５０）。これは、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判断することができる。

現クランク角θが上記噴射期間内であるならば（ステップＳ５０肯定）、遮断弁３２を閉弁して（ステップＳ６０）本制御を終了し、通常の制御に戻る。また、クランク角θが噴射期間内でない場合（ステップＳ５０否定）は、本制御の対象外であるので制御を終了し、通常の制御に戻る。

すなわち、低負荷等で成層燃焼を行う場合、図３に示すように、燃料噴射時に遮断弁３２を閉弁して副室３０内に燃料噴霧４９が流入しないようにし、成層燃焼時では比較的火炎伝播させにくい副室３０内に燃料が存在しないようにしたものである。これにより、副室３０での未燃炭化水素（ＨＣ）の生成とその排出を抑制することができる。

また、低負荷等で成層燃焼を行いたい場合に、図５に示すように、前サイクルで副室３０に蓄積され放出された放出燃焼ガス４７により、副室３０内に燃料噴霧４９が流入しないようにし、成層燃焼時では比較的火炎伝播させにくい副室３０内に燃料が存在しないようにする制御について、図７に基づいて説明する。

ここで、図７は、他の制御方法を示すフローチャートである。この図７に係る制御方法の説明において、図６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。

すなわち、本制御では、現クランク角θが成層燃焼時の噴射期間内であるならば（ステップＳ５０肯定）、遮断弁３２を開弁する（ステップＳ７０）点が、図６に示した制御方法と異なる。

図５に示すように、この遮断弁３２の開弁によって、前サイクルで副室３０に蓄積された燃焼ガスを放出することにより、この放出燃焼ガス４７によって副室３０内に向かう燃料噴霧４９の流入を妨げるようにした。

これにより、成層燃焼時では比較的火炎伝播させにくい副室３０内に燃料が存在しないようにすることができ、未燃炭化水素（ＨＣ）の生成とその排出を抑制することができる。

そして更に、上記放出燃焼ガス４７によって、副室３０側に向かった燃料噴霧の一部を、他の残りの燃料噴霧（主燃焼室１４の中央に向けて噴射された燃料噴霧４８）の側に押し戻すようにした。この押し戻された燃料噴霧５２により筒内乱れが増大し、燃焼し易くすることができる。

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、均質燃焼時および成層燃焼時の両者において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、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、燃料噴霧の一部を副室３０内に噴射できれば、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、均質燃焼時および成層燃焼時の両者において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、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の遮断弁開弁時に燃料噴霧の一部を副室内に入れた様子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。 遮断弁が閉弁した様子を示す断面図である。 遮断弁が閉弁され燃料噴霧の一部が副室内に入れない様子を示す断面図である。 副室側に向かった燃料噴霧の一部が前サイクルの燃焼ガスの放出によって押し戻される様子を示す断面図である。 制御方法を示すフローチャートである。 他の制御方法を示すフローチャートである。

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（筒内噴射弁）
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
４７ 放出燃焼ガス
４８ 燃料噴霧
４９ 副室に向かう燃料噴霧
５０ 副室に入った燃料噴霧
５１ 副室に入らなかった燃料噴霧
５２ 放出燃焼ガスによって押し戻された燃料噴霧
θ 現クランク角

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、
   筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁と、
   を備えた可変圧縮比内燃機関であって、
   前記遮断弁が開弁した時に、前記筒内噴射弁から噴射された燃料噴霧の一部が前記副室内に向かう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. 均質燃焼時には、少なくとも燃料噴射時に前記遮断弁を開弁し、前記燃料噴霧の一部が前記副室内に流入するようにした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. 成層燃焼時には、少なくとも燃料噴射時に前記遮断弁を閉弁し、当該燃料噴射の終了後に前記遮断弁を開弁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. 成層燃焼時には、膨張行程中に前記遮断弁を開弁した後に閉弁することにより前記副室内に燃焼ガスを蓄積し、つぎのサイクルの燃料噴射時に前記遮断弁を開弁して前記蓄積した燃焼ガスを前記副室から主燃焼室に放出するようにした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。
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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