JP2010090794A - 内燃機関およびその燃焼制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】未燃ＨＣや熱効率を向上させるために火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを組み合わせたものにおいて、圧縮自己着火燃焼の割合を確実に制御できるようにする。
【解決手段】内燃機関は一対の排気弁８および一対の吸気弁７を備えるとともに、燃焼室１のほぼ中心位置に点火プラグ９を備え、かつタンブル流の強度を可変制御するタンブル制御弁を備える。低中負荷域においては、所定の点火時期に点火を行い、かつタンブル流による一対の渦Ｔ１，Ｔ２を利用して火花点火後の火炎伝播２１を歪ませて、燃焼室１の吸気弁７寄りにエンドガス領域２２を残存させる。このエンドガス領域２２は、火花点火燃焼での筒内圧上昇によって火炎伝播前に圧縮自己着火し、早期に燃焼が完了する。圧縮自己着火するエンドガス領域２２の大きさはタンブル流の強度により制御される。
【選択図】図６

Description

この発明は、火花点火により燃焼を開始させた後、この燃焼に伴う温度・圧力の上昇を利用してエンドガス領域を圧縮自己着火させることで１サイクルの燃焼を完結させるようにした内燃機関に関する。

特許文献１は、通常のガソリンエンジンのような「予混合火花点火燃焼方式」や通常のディーゼルエンジンのような「拡散燃焼方式」と異なる燃焼方式として、燃焼室内に予め形成した混合気を圧縮して自着火させる「予混合圧縮自着火燃焼方式」を開示している。そして、この圧縮自着火燃焼を安定して行わせるために、オクタン価の異なる２種類の燃料を用い、自着火しやすい低オクタン価燃料を燃焼室中央部に分布させ、かつ高オクタン価燃料を燃焼室周辺部に分布させて、各々を圧縮自己着火させる構成となっている。

また特許文献２は、火花点火により燃焼を開始させ、かつ予混合気の一部を時間差をもって順次自着火燃焼させるようにした燃焼方式を開示しているが、このものでは、自着火燃焼がノッキング限界以下となるように、オクタン価の異なる２種類の燃料を筒内に直接に噴射するとともに、両者の噴射量割合や噴射時期を制御し、適宜な成層混合気とすることで、時間差をもって順次自己着火させることを図っている。
特開２００５−１３９９４５号公報 特開２００１−２５４６６０号公報

特許文献１のように低オクタン価燃料の圧縮自己着火によって燃焼室内での燃焼を開始させる方式では、着火時期の制御が非常に困難であり、また、燃料量が多くなる例えば中負荷域において燃焼速度の過剰な増加を招き、燃焼騒音が過度に大きくなる。

一方、特許文献２の技術では、２種類の燃料を筒内に個別に直接噴射するために、構成が複雑となる欠点があり、また混合気の成層状態を制御することにより圧縮自己着火する燃料の割合を制御することは実際には困難であり、安定した燃焼を維持することができない。

この発明の内燃機関は、少なくとも１つの排気弁および一対の吸気弁を備えるとともに、燃焼室のほぼ中心位置に点火プラグを備え、かつ上記吸気弁を介して燃焼室内に生成される一対のタンブル流の強度を可変制御する手段を備えている。

そして、低中負荷域においては、上記タンブル流を利用して上記点火プラグによる火花点火後の火炎伝播を歪ませて、燃焼室の周方向の特定の部位にエンドガス領域を残存させるようになっており、このエンドガス領域が上記火花点火による燃焼での筒内圧上昇によって火炎伝播前に圧縮自己着火するように構成されている。この圧縮自己着火する上記エンドガス領域の大きさは上記タンブル流の強度により制御される。

すなわち、この内燃機関では、通常のガソリンエンジンに比べて自着火性の高い燃料が用いられ、点火プラグによる点火によって燃焼が開始する。点火後、燃焼室のほぼ中心に位置する点火プラグから外周側へと火炎が伝播していくが、一対の吸気弁を介して燃焼室内に生成される一対のタンブル流によって、この火炎伝播が真円形とならずに歪んだ形のものとなる。例えば、いわゆる順タンブル流であれば、ピストンの上昇により燃焼室が偏平になるに伴って、燃焼室の平面視において一対の大きな渦が対称に生じ、この２つの渦の合流点となる吸気弁寄りの燃焼室外周部で火炎伝播が遅れ、ここに未燃のエンドガス領域が残存する。このエンドガス領域の大きさは、タンブル流の強度によって制御可能であり、タンブル流を強くするとエンドガス領域が拡大し、タンブル流を弱くするとエンドガス領域は縮小する。

このように残存した未燃のエンドガス領域は、上記の火炎伝播燃焼による温度・圧力の上昇ならびにピストンの上昇に伴い、火炎伝播による燃焼の前に、圧縮自己着火する。この圧縮自着火燃焼によって燃焼室全体で残りの燃料の燃焼が速やかに完了し、例えば、低負荷時に緩慢な燃焼に起因した未燃ＨＣの排出が抑制されるとともに、熱効率に優れたものとなる。

この発明によれば、タンブル流を用いて燃焼室の特定の部位にエンドガス領域を残存させることにより、燃焼室の中で圧縮自己着火する燃料の領域を確実に確保でき、サイクル変動の少ない安定した燃焼を実現できる。そして、タンブル流の強度によって圧縮自己着火する燃料の割合を容易にかつ確実に制御でき、例えば燃料の自着火性が異なるような場合でも容易に対応することが可能である。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る内燃機関の一実施例を示しており、この内燃機関は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３とピストン４とによって燃焼室１が形成されているとともに、吸気ポート５を開閉する一対の吸気弁７と、排気ポート６を開閉する一対の排気弁８と、を備えている。そして、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室１の中心位置に、点火プラグ９が配置されている。

上記吸気ポート５は、燃焼室１内での順タンブル流の生成に適した傾斜角度でもってほぼ直線状に構成されており、さらに、該吸気ポート５内を上下の通路に区画するように断面の中央に沿って整流板１１が設けられているとともに、その下方の通路を上流側で開閉するタンブル制御弁１０を備えている。周知のように、このタンブル制御弁１０を閉じると、吸気は整流板１１上方の通路のみを通して燃焼室１に流入するので、図の矢印Ｔのように上下方向に旋回するタンブル流（順タンブル流）の強度が高くなり、逆にタンブル制御弁１０を開くと、タンブル流の強度が低くなり、タンブル制御弁１０の開度に応じてタンブル流の強度を連続的に可変制御することが可能である。ピストン４の頂面には、タンブル流を阻害しないように、緩く湾曲した凹部４ａが形成されている。

なお、燃料噴射弁は図示していないが、本発明では、吸気ポート５内で燃料を噴射供給してもよく、あるいは、筒内に直接燃料を噴射するようにしてもよい。また、この燃料としては、適宜な自着火性を有するように、例えば燃料改質装置を介して調製された燃料、あるいは、自着火性の異なる２種類の燃料を混合してなる燃料、などが用いられる。

次に、本発明の内燃機関における燃焼、特に低中負荷域における火炎伝播燃焼と圧縮自己着火燃焼とを組み合わせた燃焼について説明する。

図３は、本発明の１サイクル中の燃焼における熱発生を一般的な火花点火式内燃機関の熱発生（一点鎖線）と比較して示したものであり、特に、低負荷域でかつリーン条件での特性を示している。

一般的な火花点火式内燃機関では、低負荷域でリーン条件の燃焼を行うと、燃焼が緩慢となり、一点鎖線で示すように燃焼期間が長くなって、火炎が燃焼室外周壁に到達する前に筒内圧が低下し始めるため、燃焼がより不安定となり、未燃ＨＣの増加を招く。これに対し、本発明の燃焼では、火花点火によって燃焼が開始するが、燃焼後半において圧縮自己着火による圧縮自己着火燃焼が行われ、残燃料が一気に燃焼するため、燃焼期間が短縮され、未燃ＨＣが少なくなるとともに、熱発生期間が短縮することによる熱効率向上が得られる。

本発明では、このような圧縮自己着火を安定的に生じさせるために、タンブル流の強度を制御する。火炎伝播燃焼と圧縮自己着火燃焼とを組み合わせた燃焼を行わせる低中負荷域においては、タンブル流の強度は、基本的に、図２に示すように、機関の負荷が大きいほどタンブル流が弱くなるように制御される。

図６は、燃焼室１内で点火プラグ９により点火された混合気の火炎伝播の様子を示しており、燃焼室１内の燃料の一定割合、例えば５０パーセントの燃料が火炎伝播燃焼により燃焼した段階での火炎伝播の周縁２１の位置を示している。図６の（ａ）図は、タンブル流の強度が比較的高いときの状態を示しているが、一対の吸気弁７を介して燃焼室１内に生成される一対の順タンブル流によって、この火炎伝播が真円形とならずに歪んだ形のものとなる。図示例の順タンブル流の場合、ピストン４の上昇により燃焼室１が偏平になるに伴って、燃焼室１の平面視において矢印Ｔ１，Ｔ２で示すようなシリンダ外周に沿う一対の大きな渦が対称に生じる。火炎は、この渦Ｔ１，Ｔ２に沿って進行しやすいため、この２つの渦Ｔ１，Ｔ２の合流点となる吸気弁７寄りの燃焼室１外周部で相対的に火炎伝播が遅れ、ここに未燃のエンドガス領域２２が残存する。このエンドガス領域２２の大きさは、タンブル流の強度によって制御可能であり、タンブル流を強くすると図６（ａ）図のようにエンドガス領域２２が拡大し、タンブル流を弱くすると（ｂ）図のようにエンドガス領域２２は縮小する。

このように特定の部位にまとまって残存した未燃のエンドガス領域２２は、上記の火炎伝播燃焼による温度・圧力の上昇ならびにピストン４の上昇に伴い、火炎伝播による燃焼の前に、圧縮自己着火する。換言すれば、このようなタイミングでの温度・圧力により圧縮自己着火に至るように、燃料の自着火性や機関の圧縮比等が設定されている。この圧縮自着火燃焼によって上述したように燃焼室１全体で残りの燃料の燃焼が速やかに完了し、例えば、低負荷時に緩慢な燃焼に起因した未燃ＨＣの排出が抑制されるとともに、熱効率に優れたものとなる。

圧縮自己着火燃焼する燃料の割合は、図４に示すように、負荷が低いときに大で、負荷の増加に伴って減少することが望ましい。すなわち非常に低負荷な運転時には、通常の火炎伝播燃焼では燃焼期間が長くなり、燃焼安定性の低下と未燃燃料の増加を招くため、燃焼の多くを圧縮自己着火により完結することが望ましい。一方、負荷が上昇し、燃料量自体が増加した状態では、一度に多くの燃料が発熱すると急峻燃焼となり、燃焼騒音を招くため、圧縮自己着火燃焼による熱発生を減らし、火炎伝播燃焼による熱発生の割合を多くする必要がある。本発明では、エンドガス領域２２の大きさがタンブル流の強度に相関し、従って、図２に示したように負荷に対しタンブル流の強度を制御することで、図４に示すような負荷に応じた所望の圧縮自己着火燃焼の割合を得ることができる。なお、低負荷時に強く与えられるタンブル流は、筒内の乱流増強による低負荷域での燃焼速度向上にも寄与する。

図５は、上記のような圧縮自己着火燃焼の積極的な制御による本発明の熱発生を、（ａ）低負荷、（ｂ）中負荷、（ｃ）高負荷について示したものであり、本発明の制御により、運転負荷に関わらず熱発生重心を概ね上死点後５度に保つことが可能となり、高効率な運転を保つことが可能となる。なお、高負荷時は圧縮自己着火燃焼の割合はゼロないし最小限のものとなっており、基本的に全量が火花点火燃焼する。比較のために、一点鎖線は一般的な火花点火式内燃機関の熱発生を示しているが、（ａ）の低負荷では緩慢な燃焼となり、（ｃ）の高負荷では制御不能なノッキングが発生し、また（ｂ）の中負荷では、あるときは緩慢な燃焼となり、あるときは制御不能なノッキングが発生する。

図１には図示していないが、本発明では、筒内圧を検出するセンサを設け、サイクル中の圧力ピークが過大であるときにはタンブル流強度を低く補正し、逆にサイクル中の圧力ピークが過度に低いときにはタンブル流強度を高く補正するようにしてもよい。これにより、例えば、何らかのばらつき等により圧縮自己着火燃焼の割合が大きすぎるような場合に、次サイクルで直ちに圧縮自己着火燃焼の割合を小さく抑制し、過大な燃焼騒音が発生することを防止できる。また逆に、圧力ピークが過度に低い場合には、タンブル流の強度を高くすることで、乱流を強化して燃焼初期の火炎伝播を確実なものとするとともに、エンドガス領域２２を大きく確保して圧縮自己着火燃焼の割合を増大し、燃焼を安定化させることができる。

また本発明では、供給される燃料の自着火性を検出する公知の装置を用い、自着火性に応じた補正を行うこともできる。図８は、燃料の自着火性による影響をまとめて示したものであり、図（ａ）は、目標とする圧縮自己着火燃焼させるべき燃料の割合を示しているが、この燃料割合は燃料の自着火性には影響されず、上述（図４参照）したように、機関の負荷に応じて定まる。一方、燃料の自着火性が高いと早期に圧縮自己着火することから圧縮自己着火燃焼の割合が高くなり、逆に自着火性が低いと、圧縮自己着火燃焼の割合は低くなる。従って、図（ａ）のような特性を得るために、タンブル流の強度は、図（ｂ）のように、自着火性が高いほどタンブル流が弱く、自着火性が低いほどタンブル流が強くなるように制御される。このように自着火性に応じて制御することで、常に安定して所望の圧縮自己着火燃焼を生じさせることができ、燃焼騒音の悪化を回避できる。

図９は、上記エンドガス領域２２が圧縮自己着火する前に該エンドガス領域２２に火花点火を行うための第２の点火プラグ３１を備えた実施例を示している。この第２の点火プラグ３１は、上記エンドガス領域２２の位置に対応して吸気弁７側の燃焼室１周縁部に設けられており、通常の燃焼の際には用いられない。例えば、筒内圧センサ等で圧力振動が過大であることを検出したときに、タンブル流の強度を最小限としても、なお圧力振動が過大であるような場合に、この第２の点火プラグ３１を用いて適宜な時期に火花点火し、圧縮自己着火を抑制する。なお、このときには、タンブル流の強度を高めて、前述したように明確なエンドガス領域２２を形成することが望ましい。

図７は、タンブル流生成手段の異なる実施例を示すもので、前述したタンブル制御弁１０および整流板１１に代えて、タンブル流生成用の副吸気通路４１が吸気ポート５に付加されている。この副吸気通路４１は、先端が一対の吸気弁７の近傍に開口しており、かつ上流側に、タンブル流強度を連続的に変化させるべく副吸気通路４１の流量を連続的に変化させうる流量制御弁４２が設けられている。

なお、図１および図７の例では、いわゆる順タンブル流（正タンブル流）となっているが、本発明はこれに限らず、逆方向に旋回するいわゆる逆タンブル流を用いることもできる。この場合は、上記の実施例とは逆に排気弁寄りにエンドガス領域が生じる。

また図１０は、前述したタンブル流によるシリンダ外周に沿う一対の大きな渦Ｔ１，Ｔ２がより確実に生じるように、ピストン４頂面の凹部４ａの形状を変更した例を示している。図示するように、ピストン４の凹部４ａは、２つの対称の渦Ｔ１，Ｔ２を円滑に案内するように２つの楕円をつなぎ合わせたような平面形状を有し、２つの渦Ｔ１，Ｔ２を分岐および合流させるための頂点部５１，５２が、一対の吸気弁７の間および一対の排気弁８の間に設けられている。

本発明に係る内燃機関の一実施例を示す断面図。 負荷とタンブル流強度との関係を示す特性図。 本発明の燃焼による熱発生の一例を示す特性図。 圧縮自己着火燃焼の割合と負荷との関係を示す特性図。 本発明の熱発生を、（ａ）低負荷、（ｂ）中負荷、（ｃ）高負荷について示した特性図。 （ａ）タンブル流強度が高いとき、および（ｂ）タンブル流強度が低いとき、の燃焼室内の火炎伝播の様子を示す説明図。 タンブル流生成用の副吸気通路を設けた実施例を示す断面図。 燃料の自着火性と（ａ）目標の圧縮自己着火燃焼の割合との関係、および（ｂ）タンブル流強度との関係を示す特性図。 第２の点火プラグを備えた実施例の断面図。 ピストンの凹部の一例を示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図。

符号の説明

１…燃焼室
４…ピストン
５…吸気ポート
７…吸気弁
８…排気弁
９…点火プラグ
１０…タンブル制御弁

Claims (7)

1. 少なくとも１つの排気弁および一対の吸気弁を備えるとともに、燃焼室のほぼ中心位置に点火プラグを備え、かつ上記吸気弁を介して燃焼室内に生成される一対のタンブル流の強度を可変制御する手段を備えてなる内燃機関であって、
   低中負荷域において、上記タンブル流を利用して上記点火プラグによる火花点火後の火炎伝播を歪ませて、燃焼室の周方向の特定の部位にエンドガス領域を残存させ、
   かつこのエンドガス領域が上記火花点火による燃焼での筒内圧上昇によって火炎伝播前に圧縮自己着火するように構成し、
   この圧縮自己着火する上記エンドガス領域の大きさを上記タンブル流の強度により制御することを特徴とする内燃機関。
2. 機関の負荷が低いほどタンブル流強度を高くして圧縮自己着火する燃料の割合を増加させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 供給される燃料の自着火性を検出する装置を具備し、この自着火性が低いほどタンブル流強度を高くしてエンドガス領域を拡大することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 筒内圧を検出するセンサを備え、サイクル中の圧力ピークが過大であるときにタンブル流強度を低くすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
5. 筒内圧を検出するセンサを備え、サイクル中の圧力ピークが過度に低いときにタンブル流強度を高くすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
6. 特定の条件のときに、上記エンドガス領域が圧縮自己着火する前に、該エンドガス領域に火花点火を行う第２の点火プラグを備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関。
7. 少なくとも１つの排気弁および一対の吸気弁を備えるとともに、燃焼室のほぼ中心位置に点火プラグを備え、かつ上記吸気弁を介して燃焼室内に生成される一対のタンブル流の強度を可変制御する手段を備えてなる内燃機関において、
   低中負荷域において、所定の点火時期に点火を行い、かつ上記タンブル流を利用して上記点火プラグによる火花点火後の火炎伝播を歪ませて、燃焼室の周方向の特定の部位にエンドガス領域を残存させ、
   かつこのエンドガス領域を上記火花点火による燃焼での筒内圧上昇によって火炎伝播前に圧縮自己着火させ、
   この圧縮自己着火する上記エンドガス領域の大きさを上記タンブル流の強度により制御することを特徴とする内燃機関の燃焼制御方法。

Images