JP2010071274A

JP2010071274A - 余剰混合気を一つ前の行程のシリンダーに送ることによるミラーサイクル動作と、オットーサイクル動作の切替可能な構造を持つガソリンエンジン

Info

Publication number: JP2010071274A
Application number: JP2008270304A
Authority: JP
Inventors: Bunji Koshiishi; 文次輿石
Original assignee: KOSHIISHI MEGUMI; KOSHIISHI MICHIKO; KOSHIISHI NAOTO
Current assignee: KOSHIISHI MEGUMI; KOSHIISHI MICHIKO; KOSHIISHI NAOTO
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】大きな出力を必要とする時はオットーサイクル動作を行わせ、ポンピングロス無く出力を絞るために、スムーズな動作を行えるミラーサイクル動作に切替可能な構造を持つエンジンを提供する。
【解決手段】４気筒以上のガソリンエンジンにおいて、ミラーサイクル動作を行わせるバルブ（ミラーバルブ）を設け、オットーサイクル動作と、余剰混合気を前行程にある気筒に送る、ミラーサイクル動作を切替できる構造にする。最大出力を得る時はオットーサイクルで動作させ、出力を絞るためにミラーサイクル動作を行わせることでポンピングロスを減らす。ミラーバルブから送出された混合気を、その気筒の一つ前の動作行程にある気筒の吸気ポートに直送する構造とすることで吸気バルブの吹き返しを無くし、ミラーサイクル動作をスムーズなものにさせることが出来る。
【選択図】図３

Description

発明の詳細な説明

本発明は、４気筒以上の火花点火式ガソリンエンジンの吸気構造の改良に関するものである。

燃費向上のため、ポンピングロスの削減要求は非常に強いものがある。

ポンピングロスは、ＥＧＲを加えることで低減させることが出来ることは知られていたが、ＥＧＲを多くしすぎると安定したエンジンの運転が行えず、ＥＧＲ量に制限があった。また、吸気バルブのタイミングとリフト量を可変することでスロットルバルブを使わずに吸入空気量を可変することで、ポンピングロスを減らすことは可能だが、それには非常に精密で複雑高価な機構が必要だった。また通常のミラーサイクル動作を行わせることでポンピングロスを減らす構造では、実効圧縮比が減るので出力が減少する問題があった。

４気筒以上の多気筒のエンジンにおいて、出力を絞る際にオットーサイクル動作からミラーサイクル動作に移行させることで、ポンピングロスの発生を減少させ、燃費を向上させることを目的とする。

発明を解決する手段

ミラーサイクルはポンピングロスが少なく、低燃費であるが、オットーサイクルに比べ同排気量では出力が少ないことが問題だった。
そこで、オットーサイクルでスロットルを閉じ、出力を絞る代わりに、ミラーサイクルに切り替え同様な効果を得れば良いことになる。しかし、ミラーサイクルでは吸気の吹き返し等の問題があった。
多気等エンジンにおいて、ミラーバルブから送出された余剰混合気を一つ前の行程にある気筒に送る構造を持たせることで、ミラーサイクル動作を行なわせることでオットーサイクルと安定したミラーサイクルを切替可能とすることで目的を達成する。
４気筒エンジンでは１８０度、５気筒では１４４度、６気筒では１２０度前の行程（遅れた位相）にある気筒に余剰混合気を送る。
ミラーサイクル動作では、余剰混合気を送る量を可変することで、さらに効率よく出力制御を行うことが出来る。

発明の効果

出力をスロットルバルブの開度で制御するガソリンエンジンにおいては、スロットルを絞った部分負荷領域でポンピングロスが発生し効率が低下することは避けられなかった。
これは、スロットルバルブで出力（空気吸入量）を制限するため、吸気の下死点で負圧が発生することでポンピングロスが発生するためである。
ミラーサイクル動作をさせることでポンピングロスを少なくすることは可能だが、同時に実効排気量が減ることで、排気量あたりの最大出力が低下するという欠点があった。
本発明では、ミラーバルブでエンジン動作をオットーサイクルとミラーサイクルに切り替えることで、オットーサイクル時の出力低下を招くことなく、ミラーサイクル動作ではポンピングロスの発生を減らし、同時に出力を絞る（減少させる）ことを目的としている。
ミラーサイクル動作の場合は、吐出された混合気は一つ前の行程動作にある気筒の吸気バルブに送られるため、吸気バルブからの吹き返しがある通常のミラーサイクルに比べ、気流の流れがスムーズである。

本発明の実施形態の構成を説明する。

以下は請求項１、２についての動作の説明。
エンジン出力を制御するために、オットーサイクルとミラーサイクルの動作切り替えとスロットルバルブの２つの要素があるが、ＥＣＵは必要とする出力がミラーサイクル動作で得られる場合はミラーサイクル動作を選択し、不足する場合はオットーサイクル動作をさせる。そして両動作において必要な出力が得られるようにスロットルバルブの開度を設定する。
ミラースロットル開度やミラーバルブのリフト量が連続可変の場合においても、必要とする出力が出来る限り少ない燃料で得られるように動作させる。
圧縮行程の初期にミラーバルブを通って送られた混合気は、吸気行程にある気筒に送られるのでスムーズに流れる。
以下は請求項３の説明。
全負荷では、オットー・ミラー動作切替バルブを吸気側（オットーサイクル側）に切り替えオットーサイクル動作でスロットルバルブを全開にし全負荷運転を行う。この場合は通常の２つの吸気バルブを持つエンジンと同様であり、ある程度の出力制御は吸気スロットルバルブで行う。それ以上の出力の抑制はオットー・ミラー動作切替バルブをミラーサイクル側（送気側）に切り替え、ミラーサイクル動作とし、吸気・ミラーバルブの閉じるタイミングを吸気バルブの閉じタイミングより遅らせる方向に位相をずらすことで、ミラーサイクル動作を行わせ、実効圧縮比を下げることで出力を絞る。
以下は請求項４についての説明
本発明では、ミラーサイクル動作をさせることでエンジン出力を絞る効果を得る。しかしエンジン出力を絞ってもポンピングロスが少ないので、エンジンブレーキ効果は発生し難くエンジン回転数の低下率はこれまでのエンジンに比べ小さく、エンジンブレーキが利かないように感じられる。そこでエンジンが高回転している時にエンジンブレーキを必要とする場合、オットーサイクル動作に切り替えて吸気スロットルを閉じることでエンジンブレーキ効果を得る。エンジン回転数が十分低下し、エンジンブレーキ効果が不要となった時点でミラーサイクル動作に切り替える。
以下は請求項５についての説明
請求項３の構造においては、オットー・ミラー動作切替バルブを切り替えることで、吸気・ミラーバルブの閉じるタイミングの制御はエンジン出力に全く異なる作用を与える。
オットーサイクル動作においては、バルブタイミングの可変により出力向上を行う。低速域を基本に吸気バルブの開閉タイミングを設定しておく。中速域では吸気バルブの開くタイミングを早めバルブオーバーラップを大きくし、吸気効率を上げる。高速域では閉じるタイミングを遅くし慣性過給効果を得る。
ミラーサイクル動作においては、可変タイミングバルブの閉じるタイミングを遅らせるほど、実効気筒容積が減り、出力が減少する。
バルブ駆動カムシャフトの位相可変機構は素早く正確な動作が期待できるモーター駆動式が最適である。
請求項１，２，３のように、エンジン出力制御要素が複数ある場合、出来るだけ少ない燃料で目的とする出力を得る動作を行う。具体的には、まずミラーサイクル動作かオットーサイクル動作をさせるかを判定する。
ミラーサイクル動作で必要とする出力が得られると判断した場合はミラーサイクル動作に切り替える。
請求項１のミラーバルブのリフト量や請求項２のミラースロットルの開度が連続可変の場合は吸気スロットルは全開に維持し、ミラーバルブのリフト量やミラースロットルの可変量制御により、エンジン出力を絞る。エンジン出力が必要出力まで絞りきれない場合は吸気スロットル制御によりエンジン出力を絞る。
燃料は、吸気ポートへの噴射あるいは筒内直噴で行う。燃料噴射量は吸気スロットルバルブを流れる空気量に対し、必要な混合比になるように噴射量を制御する。

は本発明の請求項１の４気筒の例の概念図である。は本発明の請求項２の４気筒の例の概念図である。は本発明の請求項３の４気筒の例の概念図である。は本発明の請求項１と２の４気筒の例エンジンのミラーサイクル動作時の余剰混合気の流れを示す。は本発明の請求項３の４気筒エンジンの例。オットーサイクル、ミラーサイクルの吸気・ミラーバルブのバルブタイミング変化による効果を示す。

Claims

４気筒以上の等間隔燃焼のガソリンエンジンにおいて、通常の吸気バルブ、排気バルブの二種類のバルブ以外にシリンダー内の空気（混合気）を送出するための、第三のバブル（ミラーバルブ）を有する構造である。ミラーバルブは他のバルブと同様にカムシャフトにより開閉される。吸気行程の下死点前後で開き、圧縮行程の中ほどで閉じるバルブタイミングを持つ。
ミラーバルブはバルブ駆動休止機構を持ち、必要に応じ閉位置で駆動を停止可能とする。ミラーバルブを通った混合気が、送出された気筒の行程より一つ前の行程にある気筒の吸気ポートに送られる構造を有する。ミラーバルブの駆動／停止により遅閉じミラーサイクル動作とオットーサイクル動作を切替可能なエンジン。ミラーバルブのバルブリフト量を連続可変としても良い。
４気筒以上の等間隔燃焼のガソリンエンジンにおいて、通常の吸気バルブ、排気バルブの二種類のバルブ以外にシリンダー内の空気（混合気）を送出するための、第三のバブル（ミラーバルブ）を有する構造である。そのバルブは他のバルブと同様にカムシャフトにより開閉される。吸気行程の下死点前後で開き、圧縮行程の中ほどで閉じるバルブタイミングを持つ。
ミラーバルブの直後に電子制御スロットルバルブ（ミラースロットル）があり、ミラースロットルを通った混合気が、送出された気筒の行程より一つ前の行程にある気筒の吸気ポートに送られる構造を有するガソリンエンジン。ミラースロットルを開閉することで遅閉じミラーサイクル動作とオットーサイクル動作を切替可能なエンジン。ミラースロットルの開度を連続可変としても良い。
４気筒以上の等間隔燃焼のガソリンエンジンにおいて、一つの気筒に二つ以上の吸気バルブを持つ構造を有する。そのうちの一つである吸気・ミラーバルブはバルブタイミングを連続可変できる専用のカムシャフトにより、他の吸気バルブとは独立した位相の開閉タイミングで駆動される。
吸気・ミラーバルブの流路に流路切替バルブを有し、接続先をその気筒の吸気マニフォールドと一つ前の行程にある気筒の吸気ポートに切り替える構造を持つ。
流路切替バルブを切り替えることでバルブタイミング可変オットーサイクル動作と閉じタイミング可変遅閉じミラーサイクル動作を切替可能なエンジン。
請求項１、２、３の構造を持つエンジンにおいて、エンジンブレーキ動作をさせる場合は、スロットルバルブを閉じ、オットーサイクル動作に切り替える。これらの操作により負圧を発生させエンジンブレーキ効果を発生させる。
請求項３のエンジンにおいて、オットーサイクル動作モードでは、バルブタイミングの可変動作は吸気タイミングを変化させ、出力向上を目指す動作をさせる。ミラーサイクル動作時は、バルブタイミングの位相を可変させ、閉じタイミングを変化させることで出力を絞る作用を行う。必要に応じて吸気スロットルバルブを使う。