JP2007224808A - 予混合圧縮自着火式エンジン - Google Patents

予混合圧縮自着火式エンジン Download PDF

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Abstract

【課題】予混合圧縮自着火式エンジンの吸気弁の閉じ時期調整機構の使用時間を短くして、効率向上及び耐久性向上を図る。
【解決手段】吸気ポート16を開閉する吸気弁19と、吸気弁19を開閉動作させる動弁装置21と、動弁装置21による吸気弁19の閉じ時期を調整する弁閉じ時期調整機構100と、燃焼室内の混合気に火花点火する点火装置37とを備えた予混合圧縮自着火式エンジンで、エンジン始動の際に、動弁装置21で吸気弁19を開閉動作させながら弁閉じ時期調整機構100で吸気弁19の閉じ時期を調整して燃焼室内の有効圧縮比を下げ且つ点火装置37を作動することにより火花点火運転を行い、定常運転の際に、弁閉じ時期調整機構100を作動させずに動弁装置21で吸気弁19を開閉動作させ、燃焼室内の有効圧縮比を火花点火運転のときよりも高めて圧縮自着火運転を行う。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料と空気とを予め混合した混合気を燃焼室内で圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火式エンジンに関する。
空気と燃料とを予め混合した混合気をシリンダ内の燃焼室に供給し、該混合気を圧縮することによって自着火させる予混合圧縮自着火式エンジンは、例えば、特許文献1により公知である。
この予混合圧縮自着火式エンジンは、火花点火式のエンジンと比較して、高い圧縮比で運転可能であるので熱効率が高いという利点がある。また、燃焼温度を低くすることができるので、NOxの生成を抑制することもできる。しかし、混合気を自然に着火するものであるため、着火時期の制御が困難であり、適切に着火するための条件を整えてやることが重要である。
特に、エンジンを始動するときはエンジンが暖まっておらず、吸気温度も低温であるため、圧縮自着火による運転は非常に困難である。
そのため、特許文献1の技術では、シリンダヘッドに点火プラグを設けるとともに、エンジンの始動時に、火花点火による運転を行うことで暖機を行い、そして、吸気温度が圧縮自着火運転に適した温度に上昇したときに、シリンダ内の圧縮比を上げるとともに空気過剰率を上げて、圧縮自着火を行うようになっている。
特開2005−69097号公報
特許文献1には、火花点火による運転から圧縮自着火による運転に移行するとき、シリンダ内の圧縮比を上げるために、吸気弁の閉じ時期を前進(進角)させる旨記載されている。しかしながら、どのように吸気弁の閉じ時期を進角させるかについては開示がない。
一方、吸気弁の閉じ時期を調整可能な弁閉じ時期調整機構を有する可変動弁装置も従来から知られているが、弁閉じ時期調整機構を頻繁に使用すると、故障が生じやすくなるという問題がある。また、弁閉じ時期調整機構が油圧を用いるものである場合、長時間にわたり油圧を与えるような運転を行うと、油圧のロスが発生し、効率が悪化するという問題がある。したがって、できるだけ可変動弁装置を用いずに運転を行うことが好ましい。
そこで、本発明は、始動時等の限られた時期に行われる火花点火による運転の際に、吸気弁の閉じ時期を調整する弁閉じ時期調整機構を用いて吸気弁の閉じ時期の調整を行い、定常運転等の長時間行われる圧縮自着火による運転の際には、弁閉じ時期調整機構を用いずに動弁装置のみで吸気弁を開閉させることで、弁閉じ時期調整機構の使用時間を短くし、効率が良く耐久性に優れた予混合圧縮自着火式エンジンを提供することを目的とする。
請求項1記載の発明は、少なくとも定常運転で、燃料と空気とを予め混合した混合気を燃焼室内で圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火式エンジンであって、前記燃焼室へ混合気を導入する吸気ポートを開閉する吸気弁と、該吸気弁を開閉動作させる動弁装置と、該動弁装置による前記吸気弁の閉じ時期を調整する弁閉じ時期調整機構と、前記燃焼室内の混合気に火花点火する点火装置とを備えており、エンジン始動の際に、前記動弁装置により前記吸気弁を開閉動作させながら前記弁閉じ時期調整機構によって吸気弁の閉じ時期を調整して燃焼室内の有効圧縮比を下げるとともに、前記点火装置を作動することにより火花点火運転を行い、定常運転の際に、前記弁閉じ時期調整機構を作動させずに前記動弁装置により前記吸気弁を開閉動作させて、燃焼室内の有効圧縮比をエンジン始動のときよりも高めることにより、圧縮自着火運転を行うように構成されていることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、エンジン始動の際の火花点火運転と、定常運転の際の前記圧縮自着火運転とが、機関回転数に応じて移行されることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記弁閉じ時期調整機構が、機関回転数の変動に応じて前記吸気弁の閉じ時期を変動するように構成されていることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項1記載の発明において、エンジン始動の際の暖機状態を、エンジン冷却水の温度又は燃焼室への吸気温度によって判断し、この暖機状態に応じ前記弁閉じ時期調整機構によって前記吸気弁の閉じ時期を調整するように構成されていることを特徴とする。
請求項5記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記弁閉じ時期調整機構が、油圧によって前記吸気弁を操作する操作部材を有しており、エンジン始動の際に、前記操作部材に油圧を供給する電動の始動用ポンプが備えられていることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、エンジン始動時という限られた時期に行われる火花点火運転では、動弁装置によって吸気弁を開閉動作するとともに、弁閉じ時期調整機構を作動して吸気弁の閉じ時期を調整し、定常運転として長時間行われる圧縮自着火運転では、弁閉じ時期調整機構を作動させずに、動弁装置のみによって吸気弁を開閉動作する。したがって、エンジンの作動時間全体における弁閉じ時期調整機構の使用時間を短くすることができ、弁閉じ時期調整機構を用いることに伴う効率の悪化を防止するとともに、弁閉じ時期調整機構の耐久性を向上することができる。
請求項2の発明によれば、エンジン始動から定常運転までの間で火花点火運転から圧縮自着火運転へ適切に移行することができる。
請求項3の発明によれば、機関回転数の変動に応じて有効圧縮比を徐々に変化させることができるので、安定した運転を維持することができる。
請求項4の発明によれば、エンジン始動の際の暖機状態を考慮して弁閉じ時期調整機構により吸気弁の閉じ時期を調整することにより、エンジン始動時からノッキングや失火を確実に防止することができる。
請求項5の発明によれば、エンジン始動のときから、機関回転数に関係なく電動の始動用ポンプによって操作部材に適切な油圧を供給することができる。
〔予混合圧縮自着火式エンジンの概要〕
図1は、本発明の実施形態にかかる予混合圧縮自着火式エンジンの概略断面図、図2は、同概略平面図である。本実施形態の予混合圧縮自着火式エンジン11は、4気筒の4サイクルエンジンとされており、シリンダブロック12、シリンダヘッド15、及びクランクケース18によって構成されたエンジン本体11Aを備えている。シリンダブロック12内には、4つのシリンダ(気筒)13が設けられ、各シリンダ13内には、ピストン14が摺動自在に嵌合されている。シリンダヘッド15には、吸気ポート16及び排気ポート17が設けられ、吸気ポート16及び排気ポート17は、それぞれ吸気弁19及び排気弁20によって開閉されるようになっている。吸気弁19及び排気弁20は、それぞれ動弁装置21,22によって開閉動作する。
吸気ポート16には吸気管24が接続され、排気ポート17には排気マニホールド25を有する排気管26が接続されている。吸気管24は、図2に示すように、主吸気管27と、該主吸気管27に接続された吸気サージタンク28と、該吸気サージタンク28から各シリンダ13に接続された複数の分岐吸気管29とを有している。
図1に示すように、主吸気管27には、スロットルバルブ31と、ミキサ33と、加熱装置35とが設けられている。主吸気管27に導入された空気は、スロットルバルブ31によって流量が調節され、燃料制御弁32から噴射された燃料とミキサ33で混合される。空気と燃料との混合気は、加熱装置35によって加熱されて吸気サージタンク28に流入し、各分岐吸気管29から吸気ポート16を経て各シリンダ13内の燃焼室に吸気される(吸気行程)。吸気行程で燃焼室内に供給された混合気は、圧縮行程で圧縮され、ピストン14が上死点付近にきたときに自着火し、これによりピストン14が押し下げられる(膨張行程)。燃焼ガスは、排気行程で排気ポート17から排気管26を介して排出されるようになっている。
図1に示すように、エンジン11は、コントローラ45を備えており、該コントローラ45によって、スロットルバルブ31、燃料制御弁32、加熱装置35等が制御されるようになっている。また、エンジン11には、冷却水温度センサ47や吸気温度センサ48、気筒内圧力センサ49、機関回転数センサ50、トルクセンサ51等が設けられており、各種センサの検出信号は、前記コントローラ45に入力されるようになっている。
図2に示すように、加熱装置35は、エンジン11を安定して運転させるために混合気を適切な温度に加熱するものであり、2経路に分岐した主吸気管27の一方の経路38に設けられた熱交換器40により構成されている。熱交換器40は、エンジン冷却水を熱交換媒体とするものであり、エンジン本体11Aを循環した冷却水が流路41を介して熱交換器40に供給されるとともに、流路42を介して冷却器(図示略)に戻されるようになっている。主吸気管27の双方の経路38,39には、それぞれ調量弁43,44が設けられている。
主吸気管27の他方の経路39には熱交換器40は設けられておらず、この経路39を通る混合気は加熱されることなくそのまま吸気サージタンク28に導入される。調量弁43,44は、主吸気管27の各経路38,39への混合気の流入量を調整(停止を含む)するものであり、例えば、一方の調量弁43のみを開いて経路38のみに混合気を通すことで、急速に混合気を加熱することができ、他方の調量弁44のみを開いて経路39のみに混合気を通すことで、混合気を加熱しないようにする(相対的に冷却する)ことができる。また、双方の調量弁43,44を開くことによって、加熱された混合気と加熱されていない混合気とを混合して、細かな温度制御を行うことができるようになっている。
〔予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法〕
上記予混合圧縮自着火式エンジン11は混合気を圧縮自着火により燃焼させるものであるが、本実施形態では、図1に示すように、混合気を火花点火する点火プラグ(点火装置)37がシリンダヘッド15に設けられている。この点火プラグ37は、主として燃焼室の周辺が十分に暖まっていない始動時等の着火を容易にするために用いられる。
すなわち、本実施形態の予混合圧縮自着火式エンジン11は、定常運転の際には主として圧縮自着火運転を行うが、始動の際には火花点火による運転も可能になっている。
具体的に、始動の際に火花点火によって暖機運転を行い、機関回転数が上昇すると、それに応じて圧縮比及び空気過剰率を調整して圧縮自着火を生じさせる。そして、トルクが所定に上昇したことをセンサ等により検出し、その時点で点火プラグ37をオフにし、圧縮自着火運転に移行するようになっている。
なお、点火プラグ37は、圧縮自着火による定常運転の際にも、吸気温度やトルク等の他の条件により失火気味になったときに、燃焼を助けるために補助的に用いられる。
一般に、火花点火運転と圧縮自着火運転とはそれぞれ運転に適した条件が異なっており、特に、圧縮自着火運転は、燃焼室内の温度を自着火温度にする必要があるのに対して、火花点火運転は、燃焼室内の温度が自着火温度に達するとノッキングを生じる。そのため、本実施形態では、始動の際の火花点火運転を行うときに燃焼室の有効圧縮比を下げ、定常運転の際の圧縮自着火運転を行うときに相対的に有効圧縮比を上げることによって、各運転に応じた条件を実現している。そして、有効圧縮比の変更は、吸気弁19の閉じ時期の調整によって行うようになっている。
図3は、吸気行程において吸気弁19を開いた後、圧縮行程中に吸気弁19を閉じる場合(吸気弁19を遅閉じする場合)における、吸気弁19の弁閉じ時期と有効圧縮比の相関を示すグラフである。同図において、弁閉じ時期を進角させると有効圧縮比が高くなり、弁閉じ時期を遅角させると有効圧縮比が低くなることが解る。したがって、圧縮自着火運転を行う場合は、弁閉じ時期を進角させ、火花点火運転を行う場合は、弁閉じ時期を遅角させればよいことになる。
このような吸気弁19の動きについて図4及び図5を参照して詳細に説明する。
図4は、圧縮自着火運転を行うときの吸気弁19の動作を示す概略縦断面図である。図4(A)は、吸気行程開始の状態を示しており、ピストン14は上死点付近にあり、吸気弁19は開いた状態となっている。この状態から、ピストン14を下降することにより、吸気ポート16から燃焼室内に混合気が吸気される。図4(B)は、吸気行程終了の状態(圧縮行程開始の状態)を示しており、ピストン14は下死点付近にあり、吸気弁19は開いた状態から閉鎖される。図4(C)は、圧縮行程終了の状態を示しており、ピストン14は上死点付近にある。したがって、吸気行程で燃焼室に取り入れられた混合気は、概ね下死点から上死点までのストロークα1で圧縮され、自着火により燃焼する。
一方、図5は、火花点火運転を行うときの吸気弁19の動作を示す概略縦断面図である。図5(A)は、吸気行程開始の状態を示しており、ピストン14は上死点付近にあり、吸気弁19は開いた状態となっている。この状態は、圧縮自着火を行う場合と同じである。図5(B)は、吸気行程終了の状態を示しており、ピストン14は下死点付近にあるが、吸気弁19は開いたままとなっている。そして、図5(C)は、ピストン14が下死点からZ位置まで少し上昇し、吸気弁19が遅れて(遅角して)閉鎖した状態を示している。したがって、ピストン14が下死点付近からZ位置に上昇するまでストロークα2では、燃焼室内の混合気は吸気ポート19から排出されるだけで圧縮されない。図5(D)は、圧縮行程終了の状態を示しており、ピストン14は上死点付近にある。燃焼室内の混合気は、図5(C)のZ位置から(D)の上死点付近までのストロークα3で圧縮される。すなわち、火花点火運転の場合は、圧縮自着火運転に比べて圧縮ストロークが短く、有効圧縮比が小さくなる。そして、混合気は、ピストン14の上死点付近で点火プラグ37により点火されて燃焼するようになっている。
次に、図4及び図5の如く吸気弁19を動作させる動弁装置21と弁閉じ時期調整機構100とについて詳細に説明する。
〔動弁装置の構造〕
図6は、吸気弁19の動弁装置21を示す縦断面図である。シリンダヘッド15には、吸気ポート16を開閉する吸気弁19が配置されており、吸気弁19の弁軸19Aは、弁軸受胴55を介してシリンダヘッド15に摺動自在に支持されるとともに、上方の弁腕室56に突出している。弁軸19Aの上端部には円板状のバネ受け57が固定され、バネ受け57と弁腕室56の底面との間には弁バネ58が設けられている。吸気弁19は、弁バネ58によって上方に付勢され、弁シート部59に着座するようになっている。
弁腕室56には、弁腕軸60を介して弁腕61が揺動可能に支持されている。弁腕61は、長手方向(図6の左右方向)の中途部が弁腕軸60に支持され、長手方向の一端部が、弁軸19Aの上端面に上方から当接している。弁腕61の他端部には、カム動力伝達用の第1のボルト62と、油圧式の弁閉じ時期調整機構100用の第2のボルト63が螺合され、両ボルト62,63の下部は、弁腕61の下面から一定量突出するとともに、それぞれロックナット64,65により突出量調整可能に固定されている。第1のボルト62は、第2のボルト63よりも弁腕軸心O1寄りに位置している。すなわち、弁腕軸心O1から第1のボルト62までの距離は、弁腕軸心O1から第2のボルト63までの距離よりも短くなっている。
第1のボルト62は、プッシュロッド67及びタペット68を介して吸気カム69に連結しており、第1のボルト62、プッシュロッド67、タペット68及び吸気カム69等により、吸気弁駆動カム機構70を構成している。吸気カム69は、弁腕軸60と平行なカム軸71に形成されており、周知のようにクランク軸の2回転により1回転するようにクランク軸に連結されている。タペット68はエンジン本体11A内に形成された支持孔72に摺動自在に嵌合支持され、タペット68内にプッシュロッド67の下端部が挿入されている。
図7は、図6の矢印VII部分の拡大図であり、プッシュロッド67の上端部には、バネ受けつば73を有する継手部74が一体に固着されている。継手部74の上端には第1のボルト62との連結部として凹部75が形成されている。凹部75内には、第1のボルト62の下端部がプッシュロッド67移動方向に移動可能に挿入されている。継手部74のつば73とシリンダヘッド15に形成された環状段部76の間には、補助バネ77が設けられている。プッシュロッド67は、補助バネ77によって下方に付勢され、タペット68(図6)は、常時吸気カム69に当接されている。
したがって、図6に示すように、カム軸71の回転に伴って吸気カム69が回転し、該吸気カム69に当接されたタペット68が上下に摺動する。タペット68の上下摺動によりプッシュロッド67を介して弁腕61が揺動し、吸気弁19が吸気ポート16を開閉するようになっている。また、吸気カム69は、図4(A)に示すように、吸気行程開始の状態でピストン14が上死点付近にあるときに吸気弁19を開き、図4(B)に示すように、吸気行程終了の状態でピストン14が下死点付近にあるときに吸気弁19を閉じるように、形状が設定されている。
〔弁閉じ時期調整機構100の構造〕
図7において、弁腕61に螺合した第2のボルト63の下端には、シリンダヘッド15内に設けられた油圧式の開弁保持ピストン(操作部材)80の上端が当接可能に対向している。開弁保持ピストン80は、シリンダヘッド15に形成された油圧室81に概ね上下方向に摺動可能に嵌合しており、油圧室81に作動油を供給することによって上方へ移動するようになっている。油圧室81には、油圧室の下端側壁に形成された作動油入口82aと、油圧室81の下端から少し上方位置の側壁に形成された微小径の固定オリフィス83と、固定オリフィス83より一定高さ上方に形成された可変オリフィス84とが開口している。
作動油入口82aは、開弁保持ピストン駆動用の電磁開閉弁85を介してオイルポンプP1に接続されている。固定オリフィス83及び可変オリフィス84は互いに合流し、その後作動油出口用電磁開閉弁86を介してオイルタンクOTに接続されている。
図8は、油圧式弁閉じ時期調整機構100の詳細断面図であり、油圧室81の底壁には、安全弁87aを有する排出口87が開口しており、油圧室81内の圧力が所定以上になると、安全弁87aが開いて、排出口87から油圧室81内の作動油を逃がすようになっている。
駆動用電磁開閉弁85は、駆動スプール88とソレノイド89等から構成されている。駆動スプール88は、円柱形状に形成され、軸心方向の中央に小径部88aを有するとともに、軸心方向の両端部(上下端部)に大径部88b,88cを有している。そして、駆動スプール88は、作動油入口通路82に形成された円筒孔90内に軸方向摺動可能に嵌合されている。円筒孔90の底面とスプール88下端との間には、リターンバネ91が介装されている。
ソレノイド89に通電されていないとき、小径部88aは作動油入口通路82に位置し、作動油入口通路82は開口状態となる。したがって、オイルポンプP1から油圧室81内へ作動油が供給される。ソレノイド89に通電されたとき、リターンバネ91に抗してスプール88が押し下げられ、上側大径部88bにより作動油入口通路82が塞がれるようになっている。
油圧室81の側壁に開口する固定オリフィス83及び可変オリフィス84により、着座緩衝機構が構成されている。上側に形成された可変オリフィス84は、内径が例えば5φmmに設定され、開弁保持ピストン80の下降によって、開弁保持ピストン80の外周面により次第に閉じられ、油圧室81に対する開口面積が減少するようになっている。下側に形成された固定オリフィス83は、内径が例えば1φmmと極めて小さくなっている。
固定オリフィス83及び可変オリフィス84が連通する作動油出口通路92(作動油排出部)に配置された作動油出口用電磁開閉弁93は、駆動用電磁開閉弁85と同様に、駆動スプール94とソレノイド95等から構成されている。
駆動スプール94は、円柱形状に形成され、軸心方向の中央に小径部94aを有し、軸方向の両端部(上下端部)に大径部94b,94cを有し、作動油出口通路92に形成された円筒孔96に軸方向摺動可能に嵌合されている。円筒孔96とスプール94下端との間にはリターンバネ97が介装されている。ソレノイド95に通電されていないとき、小径部94aは作動油出口通路92に位置し、作動油出口通路92は開口状態となる。したがって、油圧室81の作動油は両オリフィス83,84から排出されるようになっている。ソレノイド95に通電すると、リターンバネ97に抗して駆動スプール94が押し下げられ、上側の大径部94bにより作動油出口通路92が閉じられるようになっている。
〔動弁装置21及び弁閉じ時期調整機構100の作用〕
図9は、吸気弁19の弁リフト特性を示す図である。実線で示す曲線X1は、図6に示す弁閉じ時期調整機構100を用いずに弁駆動カム機構70(動弁装置21)のみによって吸気弁19を開閉した場合の弁リフト特性を示しており、一点鎖線で示す曲線X2は、弁駆動カム機構70を作動しながら弁閉じ時期調整機構100を用いて吸気弁19の閉じ時期を遅角した場合の弁リフト特性の例を示している。
曲線X1の弁リフト特性で吸気弁19を作動する場合、図8に示す駆動用電磁開閉弁85を閉じた状態とし、開弁保持ピストン80を下降させ、開弁保持ピストン80が弁腕61に作用しないようにする。そして、この状態で、弁駆動カム機構70のみによって吸気弁19を駆動する。
曲線X2の弁リフト特性で吸気弁19を作動する場合、弁駆動カム機構70による開弁作動と並行して、駆動用電磁開閉弁85を開くことにより油圧室81に作動油を供給し、吸気弁19が図6の最大開位置A1に到るのと同時あるいは続いて開弁保持ピストン80も最大突出高さH1(図8)まで上方に突出させ、かつ、高さH1において、駆動用電磁開閉弁85を閉じるように設定する。一方、作動油出口用電磁開閉弁93は、開弁保持ピストン80の上昇開始時から図9の位置A2に到るまで閉状態を維持し、位置A2で開くようにする。
これによって、図6に示すように、まず、弁駆動カム機構70のプッシュロッド67により弁腕61の他端部が押し上げられ、これにより吸気弁19が弁バネ58に抗して開弁作動し、着座位置A0から仮想線で示す最大開位置A1まで開く。すなわち、図9の曲線X1の開弁作動期間T1に示す弁リフト特性で開弁する。
吸気弁19全開後、プッシュロッド67は下降し始めるが、開弁保持ピストン80は最大高さH1に維持されており、これによって第2のボルト63を介して弁腕61を保持するため、吸気弁19は全開状態で保持される。すなわち、位置A1において、実線の曲線X1から一点鎖線の曲線X2に移行する。
吸気弁19全開のまま弁保持期間T2が終了すると、位置A2において、図8の作動油出口用電磁開閉弁93が開くことにより、油圧室81の作動油が両オリフィス83,84から排出され始め、開弁保持ピストン80は最大高さH1から下降し始める。
開弁保持ピストン80の下降行程において、開弁保持ピストン80の外周面により可変オリフィス84の開口部分を塞ぎ始めると、可変オリフィス84からの作動油排出量が減少することにより、開弁保持ピストン84の下降速度は遅くなり、これにより、図6の吸気弁19の閉弁速度も遅くなる。すなわち、吸気弁19の着座速度が緩衝され始めるようになっている。
〔動弁装置及び弁閉じ時期調整機構のシステム構成〕
図10は、特に吸気弁19の動弁装置21及び弁閉じ時期調整機構100の動作に関わる構成を示したエンジンのシステム概念図である。エンジン11には、スターターモータ102、エンジン潤滑油用のオイルポンプP1、動弁装置21,22、点火プラグ37等が設けられている。また、エンジン11には、吸気温度センサ48、潤滑油温度センサ103、冷却水温度センサ47が設けられており、これらの検出値はコントローラに入力されるようになっている。
弁閉じ時期調整機構100は、駆動用電磁開閉弁85及び作動油出口用電磁開閉弁93(以下これらを合わせて、弁閉じ時期制御弁104という)を介してオイルポンプP1に接続されて作動油が供給されるとともに、追加オイルポンプ(始動用ポンプ)P2にも接続されて作動油が供給されるようになっている。弁閉じ時期調整機構100への作動油路には、油圧回路の駆動をオンオフするソレノイド弁105が設けられている。追加オイルポンプP2には、電動ポンプが用いられており、エンジン11が停止した状態でも通電することによって作動できるようになっている。
このようなシステム構成において、エンジン11の始動から定常運転に到るまでの動作について説明する。図11は、エンジン11の始動から定常運転に到るまでのタイムチャートである。エンジン11は、時期t1でスターターモータ102によって始動され、これと同時に追加オイルポンプP2が作動するとともに、点火プラグ37への点火信号がオンされ、火花点火による運転が開始される。
このとき吸気弁19の弁閉じ時期は、弁閉じ時期調整機構100の作動によって遅角側に調整される。すなわち、吸気弁19は、図9に示す曲線X2の弁リフト特性で作動する。また、スターターモータ102のオンと同時に電動の追加オイルポンプP2が作動することによって、弁閉じ時期調整機構100へ即座に油圧を供給することができる。
スターターモータ102は、機関回転数が所定まで上昇する時期t2にオフされる。弁閉じ時期調整機構100は、機関回転数の上昇に概ね追従して吸気弁19の閉じ時期を進角側に漸次移行するようになっている。すなわち、開弁保持ピストン80が突出する時間(図9のT2)を漸次に短くしていき、圧縮行程で吸気弁19が開く時間を徐々に短くする。これによって有効圧縮比を高め、圧縮自着火が発生する条件を整えていく。
機関回転数が更に所定にまで上昇する時期t3で、追加オイルポンプP2が停止される。これは、機関回転数が上昇することによって、弁閉じ時期調整機構100への油圧の供給をオイルポンプP1単独で十分に行うことができるからである。
有効圧縮比が高まることによって燃焼室内の温度が自着火温度に達すると、燃焼室内で圧縮自着火が発生する。そして、時期t4において、トルクが所定にまで上昇すると点火信号がオフされる。そして、その後は圧縮自着火による運転が主として行われる。
したがって、本実施形態においては、機関回転数の上昇に対応させて吸気弁19の閉じ時期を徐々に進角させ、有効圧縮比を徐々に高めているので、有効圧縮率が急激に変動することがなく、安定状態を維持したまま火花点火運転から圧縮自着火運転に移行することができる。
吸気弁19の閉じ時期は、機関回転数が定格に到るやや前に最も進角側に調整されており、このとき弁閉じ時期調整100は作動していない。すなわち、弁閉じ時期調整機構100は、始動のときの限られた期間だけ用いられ、少なくとも点火信号をオフした後の圧縮自着火による定常運転の際には、弁閉じ時期調整機構100は作動せず、動弁装置21のみによって吸気弁19を開閉動作させるようになっている。したがって、長時間行われる定常運転の際に、弁閉じ時期調整機構100への油圧供給を停止することができるので、当該油圧のロスにより効率が悪化することもなく、弁閉じ時期調整機構100の使用時間を短くして耐久性の向上を図ることができる。
エンジン11を始動するときの暖機状態は、通常その始動前の状態によって異なっており、始動時の最初の吸気弁19の閉じ時期を常に一定とすると、エンジン11が冷えている場合には失火が生じ易くなり、暖まっている場合にはノッキングが生じ易くなる。
そこで、本実施形態では、始動時の最初の吸気弁19の閉じ時期をエンジン11の暖機状態に応じて変化させるように、弁閉じ時期調整機構100を制御するようになっている。図12は、エンジン11の暖機状態に応じて吸気弁の閉じ時期を調整する場合のタイムチャートの一部であり、吸気弁閉じ時期の実線Y1は、エンジン暖始動時の状態を示し、二点鎖線Y2はエンジン冷始動時の状態を示している。
エンジン11が冷えた状態で始動するときは、暖まった状態で始動するときよりも吸気弁19の閉じ時期を進角側にし、有効圧縮比を高めている(Y2)。これによって燃焼を促進し、失火を防止するようになっている。逆に、暖まった状態で始動するときは、吸気弁19の閉じ時期を遅角側にして有効圧縮比を下げ(Y1)、ノッキングの発生を防止している。
始動のときのエンジンの暖機状態は、エンジン冷却水の温度や吸気温度によって判断することができる。エンジン冷却水の温度を用いる場合は、例えば、スターターモータ102をオンする直前、スターターモータ102をオンしてから初爆までの間、又は、スターターモータ102をオフする時の冷却水温度を冷却水温度センサ47(図10)によって検出し、その温度に応じて吸気弁19の閉じ時期を調整する。吸気温度を用いる場合は、スターターモータ102をオンしてから初爆までの間、又は、スターターモータ102をオフする時の吸気温度を吸気温度センサ48(図10)によって検出し、その温度に応じて吸気弁の閉じ時期を調整することができる。
〔他の実施形態〕
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように適宜設計変更可能である。
(1)上記実施形態では、弁閉じ時期調整機構100は、動弁装置21による吸気弁19の閉じ時期よりも吸気弁19の閉じ時期を遅角させることにより、燃焼室の有効圧縮比を下げる構成となっているが、動弁装置21による吸気弁19の閉じ時期を進角させる(吸気行程の途中で吸気弁19を閉じる)ことにより、有効圧縮比を下げる構成とすることも可能である。
(2)また、上記実施形態では、油圧式の弁閉じ時期調整機構100を用いているが、カム式等の機械式の弁閉じ時期調整機構を用いることもできる。
(3)上記実施形態では4気筒の予混合圧縮自着火式エンジンを例示したが、気筒数は何ら限定されるものではない。
(4)上記実施形態では、混合気を加熱する加熱装置35が、熱交換媒体としてエンジン冷却水を用いているが、エンジンの潤滑油や排気ガスを用いてもよい。さらに、加熱装置35は、電熱ヒータや火炎バーナーで構成することもできる。
本発明の実施形態に係るエンジンの概略縦断面図である。 同概略平面図である。 吸気弁の弁閉じ時期と有効圧縮比の相関を示すグラフである。 圧縮自着火による運転を行う際の吸気弁の動作を示す概略縦断面図である。 火花点火による運転を行う際の吸気弁の動作を示す概略縦断面図である。 吸気弁の動弁装置を示す縦断面図である。 図6の矢印VII部分の拡大図である。 油圧式弁閉じ時期調整機構の詳細断面図である。 吸気弁の弁リフト特性を示す図である。 吸気弁の動弁装置及び弁閉じ時期調整機構に関する構成を示したエンジンのシステム概念図である。 エンジンの始動から定常運転に至るまでのタイムチャートである。 エンジンの暖機状態に応じて吸気弁の閉じ時期を調整する場合のタイムチャートの一部である。
符号の説明
11 エンジン
16 吸気ポート
19 吸気弁
21 動弁装置
37 点火装置
80 開弁保持ピストン(操作部材)
100 弁閉じ時期調整機構

Claims (5)

  1. 少なくとも定常運転で、燃料と空気とを予め混合した混合気を燃焼室内で圧縮することにより自着火させて燃焼させる予混合圧縮自着火式エンジンであって、
    前記燃焼室へ混合気を導入する吸気ポートを開閉する吸気弁と、該吸気弁を開閉動作させる動弁装置と、該動弁装置による前記吸気弁の閉じ時期を調整する弁閉じ時期調整機構と、前記燃焼室内の混合気に火花点火する点火装置とを備えており、
    エンジン始動の際に、前記動弁装置により前記吸気弁を開閉動作させながら前記弁閉じ時期調整機構によって吸気弁の閉じ時期を調整して燃焼室内の有効圧縮比を下げるとともに、前記点火装置を作動することにより火花点火運転を行い、
    定常運転の際に、前記弁閉じ時期調整機構を作動させずに前記動弁装置により前記吸気弁を開閉動作させて、燃焼室内の有効圧縮比をエンジン始動のときよりも高めることにより、圧縮自着火運転を行うように構成されていることを特徴とする予混合圧縮自着火式エンジン。
  2. エンジン始動の際の火花点火運転と、定常運転の際の前記圧縮自着火運転とが、機関回転数に応じて移行されることを特徴とする、請求項1記載の予混合圧縮自着火式エンジン。
  3. 前記弁閉じ時期調整機構が、機関回転数の変動に応じて前記吸気弁の閉じ時期を変動するように構成されていることを特徴とする、請求項1記載の予混合圧縮自着火式エンジン。
  4. エンジン始動の際の暖機状態を、エンジン冷却水の温度又は燃焼室への吸気温度によって判断し、この暖機状態に応じ前記弁閉じ時期調整機構によって前記吸気弁の閉じ時期を調整するように構成されていることを特徴とする、請求項1記載の予混合圧縮自着火式エンジン。
  5. 前記弁閉じ時期調整機構が、油圧によって前記吸気弁を操作する操作部材を有しており、
    エンジン始動の際に、前記操作部材に油圧を供給する電動の始動用ポンプが備えられていることを特徴とする、請求項1記載の予混合圧縮自着火式エンジン。
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