JP2010185439A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関に関し、吸気バルブと噴霧との干渉を抑制しつつ、シリンダ上方に多くの燃料を噴射して、混合気の均質性を高めることを目的とする。
【解決手段】燃焼室に向けて開弁する第１吸気バルブ３２ａと、第１吸気バルブ３２ａよりも大きなリフト量で開弁する第２吸気バルブ３２ｂと、吸気バルブ３２ａ及び３２ｂの開弁時において、筒内に燃料を噴射して噴霧Ｂを生じさせる燃料噴射手段２６とを備える。噴霧Ｂは、第１吸気バルブ３２ａの傘部３３ａと第２吸気バルブ３２ｂの傘部３３ｂとの間を通過する扇状の噴霧とする。また、噴霧Ｂは、噴射方向に直交する平面の断面視において、第１吸気バルブ３２ａの傘部下方空間と前記第２吸気バルブ３２ｂの傘部上方空間との間に広がる形状の噴霧とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、車両に搭載される内燃機関に関する。

従来、同じリフト量の第１及び第２吸気バルブを有し、吸気行程において、第１及び第２吸気バルブの傘部下方空間に燃料を噴射するインジェクタを備えた内燃機関が知られている。このような構成によれば、燃料の噴射により生じる噴霧と第１及び第２吸気バルブとの干渉を低減することができる。干渉を低減することで、ＰＭ（Particulate Matter）粒子数の増加を抑制することができる。

特開２００７−１９２１６３号公報 特開２００６−２５８００８号公報 特開２００５−２５６６２９号公報 特開２００７−１９８３０８号公報 特開平１１−２９４２０８号公報 特開２００７−３０９１２０号公報

上記従来の内燃機関では、第１及び第２吸気バルブの傘部下方空間に燃料を噴射しているため、シリンダ下方に噴霧が生じることとなる。しかしながら、シリンダ下方においては、噴霧は吸気流の流れに乗り難い。そのため、混合気の均質性が悪化してしまうという課題がある。

この課題に対して、特許文献１には、第１及び第２吸気バルブの傘部下方空間に噴射する燃料の一部を、第１及び第２吸気バルブの傘部の隙間に噴射するインジェクタが開示されている。確かに、隙間に噴射した一部燃料については吸気流の流れに乗り易くなる。しかしながら、依然として残りの多くの燃料はシリンダ下方に噴射されるため、均質性の改善は十分とはいえない。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１及び第２吸気バルブと噴霧との干渉を抑制しつつ、シリンダ上方に多くの燃料を噴射して、混合気の均質性を高めることができる内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関であって、
燃焼室に向けて開弁する第１吸気バルブと、
前記第１吸気バルブよりも大きなリフト量で開弁する第２吸気バルブと、
前記第１及び第２吸気バルブの開弁時において、筒内に燃料を噴射して噴霧を生じさせる燃料噴射手段と、を備え、
前記噴霧は、前記第１吸気バルブの傘部と前記第２吸気バルブの傘部との間を通過する扇状の噴霧であって、噴射方向に直交する平面の断面視において、前記第１吸気バルブの傘部下方空間と前記第２吸気バルブの傘部上方空間との間に広がった噴霧であることを特徴とする。

また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関であって、
燃焼室に向けて開弁する第１及び第２吸気バルブと、
前記第１及び第２吸気バルブのリフト量を変更するリフト量変更手段と、
前記第１及び第２吸気バルブの開弁時において、筒内に燃料を噴射して、前記第１及び第２吸気バルブ方向に扇状の噴霧を生じさせる燃料噴射手段と、
アルコール濃度を検出するセンサと、
前記アルコール濃度が判定値よりも高いか否かを判定する判定手段と、を備え、
前記リフト量変更手段は、
前記アルコール濃度が前記判定値以下の場合に、前記噴霧が前記第１吸気バルブの傘部下方空間と前記第２吸気バルブの傘部上方空間との間を通過するように、前記第１及び第２吸気バルブのリフト量を変更し、
前記アルコール濃度が前記判定値よりも高い場合に、前記噴霧が前記第１及び前記第２吸気バルブの傘部と衝突するように、前記第１及び第２吸気バルブのリフト量を変更することを特徴とする。

第１の発明によれば、第１吸気バルブの傘部と及び第２吸気バルブの傘部との間に噴霧を通過させることができる。そのため、噴霧と第１及び第２吸気バルブとの干渉を抑制することができる。干渉を抑制することで、ＰＭ（Particulate Matter）粒子数の増加を抑制することができる。さらに、第１の発明によれば、第１及び第２吸気バルブのリフト量に差を設けると共に、噴霧の形状を、第１吸気バルブの傘部下方空間から第２吸気バルブの傘部上方空間にかけて広がった扇状としているため、積極的にシリンダ上方に向けて燃料を噴射することができる。シリンダ上方に多く燃料を噴射することができるため、噴霧は吸気流の流れに乗り易くなり、混合気の均質性を高めることができる。このため、本発明によれば、混合気の均質性を悪化させること無く、ＰＭ粒子数の増加を抑制することができる。

第２の発明によれば、アルコール濃度が判定値よりも高い場合に、第１及び第２吸気バルブの傘部に噴霧を積極的に当てることができる。傘部と噴霧との干渉により、シリンダ内壁に到達する噴霧を低減することができる。そのため、シリンダ内壁への燃料付着を低減することで、エンジンオイルのオイル希釈を抑制することができる。一方、アルコール濃度が判定値以下の低い場合には、第１の発明と同様の効果を得ることができる。このため、本発明によれば、アルコール濃度に応じて良好な燃焼を実現することができる。

実施の形態１におけるシステム構成を説明するための構成図である。 実施の形態１のシステムにおける吸気バルブ３２の動作とインジェクタ２４からの噴霧Ｂとを示した図である。 実施の形態１のシステムにおける噴霧Ｂについて、図２のＣ−Ｃ断面を示した断面図である。 実施の形態２においてステップ１１０の処理を実施した際の、図２のＣ−Ｃ断面を示した断面図である。 実施の形態２においてＥＣＵ５０が実施する制御ルーチンを示したフローチャートである。 同リフト量の２つの吸気バルブを備えた内燃機関において、吸気バルブの傘部下方空間に向けて燃料を噴射した場合の噴霧形状を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１におけるシステム構成を説明するための構成図である。図１に示すシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は図示しない複数のシリンダを有している。図１にはそのうちの一つのシリンダ１２の断面が示されている。シリンダ１２はシリンダブロック１４内に形成されている。シリンダ１２の内面にはシリンダライナ１６が設けられている。シリンダ１２内には、ピストン１８がシリンダライナ１６に対し摺動可能に配置されている。シリンダブロック１４の上部には、シリンダヘッド２０が組み付けられている。また、シリンダブロック１４内のシリンダ１２、ピストン１８、およびシリンダヘッド２０で囲まれた空間により燃焼室２２が形成されている。シリンダヘッド２０には、燃焼室２２内に向けて、筒内噴射用のインジェクタ２４と点火プラグ２６とが配置されている。

また、シリンダヘッド２０には、燃焼室２２に連通する吸気ポート２８と排気ポート３０とが２つずつ形成されている。各吸気ポート２８の下流端には、吸気ポート２８を燃焼室２２に対して開閉する吸気バルブ３２（第１吸気バルブ３２ａと第２吸気バルブ３２ｂ）が設けられている。一方、排気ポート３０の上流端には、排気ポート３０を燃焼室２２に対して開閉する排気バルブ３４が設けられている。以下、第１吸気バルブ３２ａと第２吸気バルブ３２ｂとを区別しない場合には、単に吸気バルブ３２と記す。

さらに、吸気バルブ３２の近傍には、吸気バルブ３２を開閉駆動する可変動弁装置３６が配置されている。可変動弁装置３６には、吸気バルブ３２のリフト量を変更するための機構が設けられている。例えば、高さの異なるカムを切り替えることで吸気バルブ３２のリフト量を変更する機械式の機構や、電気的制御により吸気バルブ３２のリフト量を変更する電磁駆動式の機構である。尚、可変動弁装置３６の構成は、本発明の本質的部分ではなく、また公知の内容であるため、その詳細な説明を省略することとする。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の出力側には、前述のインジェクタ２４、点火プラグ２６、可変動弁装置３６が接続されている。

本実施形態のシステムの内燃機関１０では、吸気行程において、吸気バルブ３２を開弁状態とし、排気バルブ３４を閉弁状態とする。吸気バルブ３２を開弁状態とすることで、図１に示されるような吸気流Ａが生じる。ＥＣＵ５０は、吸気行程において、インジェクタ２４に燃料（例えば、ガソリンを主燃料とする。）を噴射させる。

ところで、インジェクタ２４の筒内への燃料噴射により生じた噴霧（以下、単に噴霧という。）が、吸気バルブ３２に衝突すれば、吸気バルブ３２に噴霧が付着することとなり、ＰＭ粒子数が増大する主要因となる。そこで、噴霧と吸気バルブ３２との干渉を避けるために、吸気バルブ３２の傘部下方空間に向けて燃料を噴射することが考えられる。図６は、同リフト量の２つの吸気バルブ３２を備えた内燃機関において、吸気バルブ３２の傘部下方空間に向けて燃料が噴射された場合の噴霧形状を示す図である。しかしながら、噴霧の側面形状を示す図６（Ａ）、及び、噴射方向から見た噴霧の正面形状を示す図６（Ｂ）に示すように、第１吸気バルブ３２ａ及び第２吸気バルブ３２ｂの傘部下方空間に燃料が噴射されると、シリンダ１２下方に噴霧が生じることとなる。シリンダ１２下方に生じた噴霧は、吸気流Ａの流れに乗り難く、混合気の均質性が悪化するという問題が生じる。

この問題に対して、図６（Ｃ）に示すように、第１吸気バルブ３２ａ及び第２吸気バルブ３２ｂの傘部下方空間に噴射する燃料の一部を、第１吸気バルブ３２ａの傘部と第２吸気バルブ３２ｂの傘部との僅かな隙間に噴射することが考えられる。確かに、傘部の隙間に噴射した一部の燃料については、相対的にシリンダ１２上方に噴射されることとなり吸気流Ａの流れに乗り易くなる。しかしながら、依然として残りの多くの燃料は、第１吸気バルブ３２ａ及び第２吸気バルブ３２ｂの傘部下方空間、即ち、シリンダ１２下方に噴射されるため、均質性の改善は十分とはいえない。

［実施の形態１における特徴的構成］
そこで、本実施形態のシステムでは、このような問題に対して、噴霧と吸気バルブ３２との干渉を抑制しつつ、シリンダ１２上方への燃料噴射を増やすことができるように、吸気バルブ３２及びインジェクタ２４を構成することとした。

具体的に、実施の形態１のシステムにおける特徴的構成について図２〜図３を用いて説明する。図２は、本実施形態のシステムにおける吸気バルブ３２の動作と、インジェクタ２４による噴霧Ｂとを示す図である。図３は、本実施形態のシステムにおける噴霧Ｂについて、図２のＣ−Ｃ断面を示した断面図である。

本実施形態のシステムの第１の特徴として、図３に示すように、第１吸気バルブ３２ａと第２吸気バルブ３２ｂとのリフト量に差を設けている。具体的には、第２吸気バルブ３２ｂのリフト量が、第１吸気バルブ３２ａのリフト量よりも大きくなるように構成されている。第１吸気バルブ３２ａと第２吸気バルブ３２ｂは、吸気行程において開弁状態となる。吸気バルブ３２の開弁状態において、ＥＣＵ５０は、インジェクタ２４にガソリン燃料を噴射させる。

本実施形態のシステムの第２の特徴は、インジェクタ２４の燃料噴射により生じる噴霧Ｂにある。インジェクタ２４による噴射方向は、上記リフト差を設けた第１吸気バルブ３２ａと第２吸気バルブ３２ｂの傘部との中間を通過する方向である。また、噴霧Ｂの形状は、インジェクタ２４の噴口から扇形に広がる形状をしている。さらに、この扇形の噴霧Ｂの厚さは、図３の断面図に示すように、上述のリフト差を設けることより広がった、第１吸気バルブの傘部３３ａと第２吸気バルブの傘部３３ｂとの隙間を通過できる程度の厚さである。加えて、噴霧Ｂは、図３の断面図に示すように、第１吸気バルブの傘部３３ａ下方空間から第２吸気バルブの傘部３３ｂ上方空間にかけて広がった形状である。なお、図３に示す具体例では、噴霧Ｂは、シリンダ１２の軸方向とインジェクタ２４の噴口方向とを含む平面ａを挟んで、第１吸気バルブ３２ａ側がシリンダ下方に傾き、第２吸気バルブ３２ｂ側がシリンダ上方に傾いた、平面ａに対して非対称な形状をしている。

以上説明したように、図２〜図３に示す本実施形態の構成によれば、第１及び第２吸気バルブ３２のリフト量に差を設けると共に、噴霧Ｂの形状を、第１吸気バルブ３２ａの傘部下方空間から第２吸気バルブ３２ｂの傘部上方空間にかけて広がった扇状としている。これにより、第２吸気バルブ３２ｂの傘部下方空間への燃料噴射を排除して、積極的にシリンダ１２上方への噴霧量を多くしている。また、上述のリフト差を設けたことで、傘部３３ａと３３ｂとの隙間が広がり、より多くの燃料をシリンダ１２上方に噴射することができる。シリンダ１２上方になされた噴霧Ｂは、吸気流Ａの流れに乗り易いため、混合気の均質性を高めることができる。なお、上述のリフト差を設けることで、スワールが強まり気流形成が促進される効果もある。
加えて、本実施形態の構成によれば、噴霧Ｂを、傘部３３ａと３３ｂとの間に通過させることができる。そのため、噴霧Ｂと吸気バルブ３２との干渉を抑制することができる。干渉を抑制することで、ＰＭ（Particulate Matter）粒子数の増加を抑制することができる。このように、本実施形態のシステムによれば、シリンダ１２上方への噴霧量を増大し混合気の均質性を向上させると共に、ＰＭ粒子の発生を抑制することができる。

尚、上述した実施の形態１においては、第１吸気バルブ３２ａが前記第１の発明における「第１吸気バルブ」に、第２吸気バルブ３２ｂが前記第１の発明における「第２吸気バルブ」に、インジェクタ２４が前記第１の発明における「燃料噴射手段」に、噴霧Ｂが前記第１の発明における「噴霧」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
［実施の形態２のシステム構成］
次に、図４〜図５を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図１に示す構成において、ＥＣＵ５０に後述する図５のルーチンを実施させることで実現することができる。実施の形態２における内燃機関１０は、ガソリンとアルコールなどを任意の比率で混合した混合燃料を使用可能なＦＦＶ（Flex Fuel Vehicle）対応の内燃機関とする。また、ＥＣＵ５０の入力側には、混合燃料中のアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサ（図示略）が接続されている。

［実施の形態２における特徴的構成］
上述した実施の形態１では、ガソリンを主燃料とする噴霧Ｂと吸気バルブ３２との干渉を抑制することができる。干渉を抑制することで、ＰＭ粒子数の増加を抑制することができる。ところで、アルコールを主燃料として燃焼させた場合には、ＰＭ粒子の発生数は少ない。そのため、必ずしも噴霧Ｂと吸気バルブ３２との干渉を回避しなくてもよい。一方で、干渉を回避すれば、噴霧Ｂがシリンダライナ１６に到達し易くなり、シリンダライナ１６への燃料付着が増大する。シリンダライナ１６に付着した燃料は、ピストン１８とシリンダライナ１６との摺動面からシリンダブロック１４下部のオイルパン（図示略）内に流れ込み、オイル希釈の主要因となる。そのため、アルコールを主燃料とする場合には、シリンダライナ１６に到達する噴霧Ｂを抑制することが好ましい。

そこで、本実施形態では、アルコール燃料の濃度が判定値よりも高い場合には、積極的に噴霧Ｂを吸気バルブ３２に干渉させることとした。なお、本実施形態における噴霧Ｂは、上述した実施の形態１の図３に示した噴霧Ｂと同様であるため説明は省略する。

図５は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、まず、ＥＣＵ５０は、ステップ１００において、混合燃料中のアルコール濃度が判定値よりも高いか否かを判定する。本実施形態で用いられる燃料は、アルコールとガソリンとの混合燃料である。ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサにより混合燃料中のアルコール濃度を検出し、その後、検出したアルコール濃度が予め設定した判定値よりも高いか否かを判定する。

アルコール濃度が判定値よりも高いと判定された場合には、ＥＣＵ５０は、ステップ１１０において、上述した図３に示す噴霧Ｂに対して、第１吸気バルブの傘部３３ａ及び第２吸気バルブの傘部３３ｂを干渉させるように、第１吸気バルブ３２ａ及び第２吸気バルブ３２ｂのリフト量を変更する。具体的には、ＥＣＵ５０は、可変動弁装置３６を制御して、図４に示す噴霧Ｂの断面の両端が、第１及び第２吸気バルブの傘部に衝突するように、第１吸気バルブ３２ａを大リフトとし、第２吸気バルブ３２ｂを小リフトとする。なお、図４に示す具体例では、第１吸気バルブ３２ａ及び第２吸気バルブ３２ｂのリフト量を、図３に示すものと逆に設定することとしている。

アルコール濃度が判定値以下であると判定された場合には、ＥＣＵ５０は、ステップ１２０において、噴霧Ｂが、第１吸気バルブの傘部３３ａ及び第２吸気バルブの傘部３３ｂと干渉しないように、第１吸気バルブ３２ａ及び第２吸気バルブ３２ｂのリフト量を変更する。具体的には、ＥＣＵ５０は、可変動弁装置３６を制御して、図３に示す噴霧Ｂが、第１及び第２吸気バルブの傘部に衝突しないように、第１吸気バルブ３２ａを小リフト、第２吸気バルブ３２ｂを大リフトとする。

以上説明したように、図５に示すルーチンによれば、混合燃料のアルコール濃度が判定値よりも高い場合には、噴霧Ｂと吸気バルブ３２の傘部とを積極的に衝突させることができる。噴霧Ｂと傘部とを干渉させることで、シリンダライナ１６に到達する燃料を低減することができる。そのため、シリンダライナ１６への燃料付着が軽減され、オイル希釈を抑制することができる。また、アルコール濃度が判定値以下の低い場合には、実施の形態１のシステムと同様の効果を得ることができる。このため、本実施例のシステムによれば、アルコール濃度に応じて好適な燃焼を実現することができる。

尚、上述した実施の形態２においては、第１吸気バルブ３２ａが前記第２の発明における「第１吸気バルブ」に、第２吸気バルブ３２ｂが前記第２の発明における「第２吸気バルブ」に、インジェクタ２４が前記第２の発明における「燃料噴射手段」に、噴霧Ｂが前記第２の発明における「噴霧」に、アルコール濃度センサが前記第２の発明における「センサ」に、それぞれ相当している。
また、ここでは、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第２の発明における「判定手段」が、上記ステップ１１０又は１２０の処理を実行することにより前記第２の発明における「リフト量変更手段」が、それぞれ実現されている。

１２ シリンダ
１６ シリンダライナ
１８ ピストン
２２ 燃焼室
２４ インジェクタ
３２ａ 第１吸気バルブ
３２ｂ 第２吸気バルブ
３３ａ 第１吸気バルブの傘部
３３ｂ 第２吸気バルブの傘部
３６ 可変動弁装置
Ａ 吸気流
Ｂ 噴霧

Claims (2)

1. 燃焼室に向けて開弁する第１吸気バルブと、
   前記第１吸気バルブよりも大きなリフト量で開弁する第２吸気バルブと、
   前記第１及び第２吸気バルブの開弁時において、筒内に燃料を噴射して噴霧を生じさせる燃料噴射手段と、を備え、
   前記噴霧は、前記第１吸気バルブの傘部と前記第２吸気バルブの傘部との間を通過する扇状の噴霧であって、噴射方向に直交する平面の断面視において、前記第１吸気バルブの傘部下方空間と前記第２吸気バルブの傘部上方空間との間に広がった噴霧であること、
   を特徴とする内燃機関。
2. 燃焼室に向けて開弁する第１及び第２吸気バルブと、
   前記第１及び第２吸気バルブのリフト量を変更するリフト量変更手段と、
   前記第１及び第２吸気バルブの開弁時において、筒内に燃料を噴射して、前記第１及び第２吸気バルブ方向に扇状の噴霧を生じさせる燃料噴射手段と、
   アルコール濃度を検出するセンサと、
   前記アルコール濃度が判定値よりも高いか否かを判定する判定手段と、を備え、
   前記リフト量変更手段は、
   前記アルコール濃度が前記判定値以下の場合に、前記噴霧が前記第１吸気バルブの傘部下方空間と前記第２吸気バルブの傘部上方空間との間を通過するように、前記第１及び第２吸気バルブのリフト量を変更し、
   前記アルコール濃度が前記判定値よりも高い場合に、前記噴霧が前記第１及び前記第２吸気バルブの傘部と衝突するように、前記第１及び第２吸気バルブのリフト量を変更すること、を特徴とする内燃機関。

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