JP2013136996A - 火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室に連通する容積可変の副室を具備し、燃焼圧力が制御圧力に達すると副室の容積を大きくして燃焼室内の圧力上昇を抑制する火花点火内燃機関において、特定の場合には、さらに点火時期を進角して熱効率を高める。
【解決手段】燃焼室５の圧力低下に伴って副室６０の容積を小さくするときに、副室の容積減少速度が設定減少速度以上の場合には、副室の容積減少速度が設定減少速度未満の場合に比較して点火プラグ１０の点火時期を進角させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼圧力を制御するために燃焼室に連通する副室を具備する火花点火内燃機関に関する。

自着火内燃機関において、過早着火のような異常燃焼時に、燃焼圧力が異常に高まることを抑制するために、制御圧力で開弁する圧力調整弁を介して副室を燃焼室と連通させ、燃焼圧力が制御圧力を超えるときに、燃焼室内の圧力を副室へ逃がすことが提案されている（特許文献１参照）。

容積可変の副室を燃焼室へ連通させ、燃焼圧力が制御圧力に達すると副室の容積を大きくして燃焼室内の圧力上昇を抑制することは、火花点火内燃機関においても、燃焼圧力が異常に高まることを抑制するのに有効である。

特開２０００−２３０４３９ 特開平０７−２２９４３１ 特開２００５−２９１０６５ 特開２００３−２５４２１６ 特開２０１０−０４８０９４

前述のような容積可変の副室を具備する火花点火内燃機関において、燃焼圧力が異常に高まることが抑制されるために、点火時期を進角して熱効率を高めることが可能となる。しかしながら、特定の場合において、さらに点火時期を進角する余地が残されている。

従って、本発明の目的は、燃焼室に連通する容積可変の副室を具備し、燃焼圧力が制御圧力に達すると副室の容積を大きくして燃焼室内の圧力上昇を抑制する火花点火内燃機関において、特定の場合には、さらに点火時期を進角して熱効率を高めることである。

本発明による請求項１に記載の火花点火内燃機関は、燃焼室に連通する容積可変の副室を具備し、燃焼圧力が制御圧力に達すると前記副室の容積を大きくして燃焼室内の圧力上昇を抑制する火花点火内燃機関において、前記燃焼室の圧力低下に伴って前記副室の容積を小さくするときに、前記副室の容積減少速度が設定減少速度以上の場合には、前記副室の容積減少速度が前記設定減少速度未満の場合に比較して点火プラグの点火時期を進角させることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の火花点火内燃機関は、請求項１に記載の火花点火内燃機関において、前記副室はピストンにより容積が可変とされ、前記副室の容積を小さくするときに、前記ピストンの移動速度が設定移動速度以上の場合には、前記副室の容積減少速度が前記設定減少速度以上であるとすることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の火花点火内燃機関において、前記副室の前記燃焼室への連通位置から前記点火プラグより遠くに位置するもう一つの点火プラグが設けられ、前記点火プラグの点火時期より前記もう一つの点火プラグの点火時期を進角させることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の火花点火内燃機関によれば、燃焼室に連通する容積可変の副室を具備し、燃焼圧力が制御圧力に達すると副室の容積を大きくして燃焼室内の圧力上昇を抑制する火花点火内燃機関において、燃焼室の圧力低下に伴って副室の容積を小さくするときには副室内の混合気が燃焼室内へ噴出して燃焼中の燃焼室内に乱れを発生させる。副室の容積減少速度が設定減少速度以上の場合には、副室の容積減少速度が設定減少速度未満の場合に比較して、混合気の噴出速度が速くなって燃焼後半の燃焼室内に強い乱れを発生させることができ、燃焼速度が速くなって燃焼後半にもノッキングが発生し難くなるために、点火時期を進角させて熱効率を高めるようになっている。

本発明による請求項２に記載の火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の火花点火内燃機関において、副室はピストンにより容積が可変とされ、副室の容積を小さくするときに、ピストンの移動速度が設定移動速度以上の場合には、副室の容積減少速度が設定減少速度以上であるとするようになっており、容易に副室の容積減少速度が設定減少速度以上であると判断して点火時期を進角させることができる。

本発明による請求項３に記載の火花点火内燃機関によれば、請求項１又は２に記載の火花点火内燃機関において、副室の燃焼室への連通位置からより遠くに位置するもう一つの点火プラグが設けられ、このもう一つの点火プラグ近傍は、連通位置の近くに位置する点火プラグ近傍より、副室から流出する混合気による乱れが弱くなって燃焼後半の燃焼速度が遅くなるために、点火時期を進角して先に着火させることにより、両方の点火プラグ近傍の混合気を略同時に燃焼完了させることができる。

本発明による火花点火内燃機関の実施形態を示す概略図である。 図１の火花点火内燃機関が具備する副室の構造を示す概略図である。 図１の火花点火内燃機関の燃焼室圧力の変化と副室内のピストンの変位の変化を示すグラフである。 ガス室の圧力上昇値と点火時期進角量との関係を示すマップである。 本発明による火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示すシリンダヘッドの気筒内底面図である。

図１は、本発明による火花点火内燃機関の実施形態を示す概略図である。同図において、１は機関本体である。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを具備している。シリンダブロック２に形成されたシリンダボア内には、ピストン３が配置されている。５はシリンダボア内にピストン３により形成される燃焼室である。

シリンダヘッド４には吸気ポート７及び排気ポート９が形成され、吸気ポート７は吸気弁６を介して燃焼室５へ通じており、排気ポート９は排気弁８を介して燃焼室５へ通じている。１０は燃焼室５の上部略中心に配置された点火プラグである。

各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５及びエアフローメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、排気マニホルド１９を介して触媒コンバータ２１に連結されている。触媒コンバータ２１内には三元触媒装置２０が配置されている。触媒コンバータ２１の下流側は、排気管２２を介して大気へ通じるマフラ（図示せず）に接続されている。

燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、燃焼室５に直接的に燃料を噴射するものでも良い。

燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。燃料ポンプ２９と各気筒の燃料噴射弁１１との間に各気筒共通のコモンレールを配置することも可能である。

本火花点火内燃機関は、電子制御ユニット３１を具備している。電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを有している。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を有している。

エアフローメータ１６は、燃焼室５に吸入される吸入空気量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば所定の角度を回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関回転数を検出することができる。また、クランク角センサ４２の出力により、クランク角度を検出することができる。たとえば、第１気筒の圧縮上死点を０°としたときのクランク角度を検出することができる。すなわち、クランクシャフトの回転角度を検出することができる。

電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１及び点火プラグ１０に接続されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７及び燃料ポンプ２９に接続されている。

図２は、本火花点火内燃機関の燃焼室５に連通する副室の構造を示す概略図である。副室６０は、各気筒において、例えば二つの吸気弁の間に配置された筒状部材５１内に形成される。筒状部材５１は、燃焼室５に連通する筒状部を構成する。本実施形態において、筒状部材５１の内部は円筒状に形成されている。筒状部材５１の内部には、筒状部材５１内を軸線方向（矢印２０１の方向）に摺動する副室用ピストン５５が配置されている。５５ｂは副室用ピストン５５の周囲と筒状部材５１の内面との間の気密性を提供するためのピストンリングである。

筒状部材５１の内部の燃焼室５に連通する空間は、副室用ピストン５５により区画されて容積可変の副室６０を形成する。また、筒状部材５１の内部において、副室用ピストン５５を境界として副室６０と反対側には、ガス室６１が形成されている。ガス室６１内の気体は、副室用ピストン５５に作用する気体ばね５０として機能する。ガス室６１には、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、副室６０の容積を大きくする方向に副室用ピストン５５が移動し始めるように、加圧された気体が封入されている。本実施形態においては、ガス室６１には空気が封入されている。

筒状部材５１は、燃焼室５側の端部に形成された係止部５２を有する。係止部５２は、副室用ピストン５５を筒状部材５１の端部で係止する。副室用ピストン５５が係止部５２に接触している状態が、副室用ピストン５５が筒状部材５１の内部で着底している状態である。

このように形成された副室６０が燃焼室５に連通しているために、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときには、副室用ピストン５５がガス室６１の容積を小さくするように摺動して副室６０の容積が大きくなり、燃焼室６の圧力上昇を抑制する。それにより、異常燃焼が発生しても、燃焼圧力が異常に高まることを抑制し、燃焼室５のシール部材が破損しないようにすることができる。

ここで、異常燃焼とは、たとえば、点火プラグ１０により混合気を点火させて、点火位置から順次燃焼が伝搬する状態以外の燃焼であり、例えば、ノッキング現象、デトネーション現象及びプレイグニッション現象が含まれる。ノッキング現象は、スパークノック現象を含む。スパークノック現象は、点火プラグ１０において点火し、点火プラグ１０を中心に火炎が広がっているときに、点火プラグ１０から遠い位置にある未燃燃料を含む混合気が自着火する現象である。この場合において、点火プラグ１０から遠い位置にある混合気は、点火プラグ１０の近傍の燃焼ガスにより圧縮されて高温高圧になって自着火する。混合気が自着火するときに衝撃波が発生する。

本実施形態の火花点火内燃機関では、燃焼室５内の圧力が制御圧力となると副室６０の容積が増大して燃焼室５内の圧力上昇を抑制するために、自着火が起こり難く、ノッキング現象の発生を抑制することもできる。

デトネーション現象は、高温高圧の混合気の中を衝撃波が通過することにより、混合気が着火する現象である。この衝撃波は、たとえば、スパークノック現象によって発生する。プレイグニッション現象は、早期着火現象とも言われる。プレイグニッション現象は、点火プラグ１０の先端の金属または燃焼室内に堆積するカーボンスラッジ等が加熱されて、所定の温度以上を維持した状態になり、この部分を火種として点火時期の前に混合気が着火して燃焼する現象である。

図２に示すように、本実施形態における火花点火内燃機関は、ガス室６１の圧力を制御する圧力制御装置を備えている。圧力制御装置は、モータ７１と、モータ７１により駆動される圧縮機７２とを有している。圧縮機７２の吐出側は、空気供給経路７５により逆止弁８２を介してガス室６１に連通している。逆止弁８２は、ガス室６１の気体が空気供給経路７５を逆流して流出することを防止する。圧縮機７２の吸入側は、逆止弁８１及びフィルタ７３を介して大気へ通じている。フィルタ７３は、圧縮機７２に吸入される空気から異物を除去する。逆止弁８１は、圧縮機７２から空気が逆流することを防止する。

圧縮機７２の吐出側とガス室６１とを連通する空気供給経路７５の逆止弁８２の下流側には、空気排出弁８４が配置されている。また、空気供給経路７５の空気排出弁８４の下流側には、圧力調整弁８５が配置されている。圧力調整弁８５は、ガス室６１に供給する空気の圧力を調整する。また、空気供給経路７５の圧力調整弁８５の下流側には、圧力センサ７４が配置されている。圧力センサ７４は、ガス室６１内の圧力を検出するものであり、ガス室６１に直接的に配置しても良い。

本圧力制御装置は、電子制御ユニット３１により制御される。具体的には、電子制御ユニット３１には、圧力センサ７４の出力信号が入力され、電子制御ユニット３１によって、モータ７１と、電磁弁である空気排出弁８４及び圧力調整弁８５とが制御される。

圧力調整弁８５を開弁しているときに、モータ７１を作動制御すると共に空気排出弁８４を開閉制御することにより、副室用ピストン５５が着底しているときのガス室６１内の空気圧力を所望の制御圧力に維持することができる。このようなガス室６１内の空気圧力制御は、少なくとも燃焼圧が制御圧力以上となる間は禁止されるようになっており、例えば、上死点から膨張行程前半の間、又は、圧縮行程後半から膨張行程前半の間において禁止するようにすれば良い。空気圧力制御の禁止時には、圧力調整弁８５を閉弁し、モータ７１を作動停止すると共に吸気排出弁８４を閉弁する。こうして、ガス室６１から空気が漏れても、燃焼時においては、ガス室６１内を制御圧力とすることが可能となる。もちろん、圧力制御装置によってガス室６１内の制御圧力を、高く又は低く変更することも可能である。

図３に、本実施形態の火花点火内燃機関における燃焼室５の圧力変化のグラフを示す。横軸がクランク角度であり、縦軸が燃焼室５の圧力及び副室用ピストン５５の変位である。図３には、燃焼サイクルのうち圧縮行程及び膨張行程のグラフが示されている。副室用ピストン５５は、筒状部材５１の底部に着底しているときの変位が零である。本実施形態において、ガス室６１は制御圧力に維持されているために、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、副室用ピストン５５が副室６０の容積を大きくすると共にガス室６１の容積を小さくするように移動する。

図３に示す例では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）より僅か後に点火される。点火されることにより燃焼室５の圧力が急激に上昇する。燃焼室５の圧力が制御圧力に達したときに、副室６０の容積が大きくなって、燃焼室５の圧力上昇が抑制される。図３に示す例では、燃焼室の圧力はほぼ一定に制御圧力に保たれる。なお、厳密には副室用ピストン５５が移動することによりガス室６１内の圧力が上昇するために、燃焼室５の圧力も僅かに上昇することとなる。

燃焼室５において、更に燃料の燃焼が進むと、副室用ピストン５５の変位は最大になった後に小さくなる。ガス室６１の圧力が減少して、副室用ピストン５５の変位が零に戻る。すなわち、副室用ピストン５５は着底する位置まで戻る。燃焼室５の圧力が制御圧力未満になった場合には、クランク角度の進行とともに燃焼室５の圧力が減少する。

このように、本実施形態における火花点火内燃機関では、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに燃焼室の圧力上昇が抑制され、燃焼室の圧力が異常に高まることを抑制することができる。

図３には、比較例１及び比較例２の燃焼室の圧力のグラフが示されている。比較例１及び比較例２は、本実施形態のような副室６０を有していない内燃機関である。内燃機関は、点火時期に依存して、燃焼室の圧力が変動する。内燃機関は、熱効率が最大となる点火時期θｍａｘを有する。点線で示す比較例１は、点火時期をθｍａｘより遅角させたときのグラフである。しかしながら、比較例１では、燃焼室の圧力が異常に高くなって燃焼室５のシールを破損させることがある。それにより、一点鎖線で示す比較例２のように、燃焼圧力が異常に高まることを抑制するためには、点火時期をθｍａｘよりもかなり遅角させなければならず、これでは熱効率がかなり悪化してしまう。

本実施形態における内燃機関は、実線で示すように、点火時期を比較例１より進角してθｍａｘに近づけているが、燃焼室６内の圧力はほぼ制御圧力に維持され燃焼圧力が異常に高まることを抑制することができるために、高い熱効率を実現することが可能となる。

ところで、本実施形態のように容積可変の副室を具備する火花点火内燃機関において、燃焼室５の圧力低下に伴って副室６０の容積を小さくするときには副室６０内の混合気が燃焼室５内へ噴出して燃焼中の燃焼室内に乱れを発生させる。この乱れを利用することにより、さらに点火時期を進角してθｍａｘへ近づけることができ、さらに熱効率を高めることが可能となる。

点火時期後に燃焼室５内の圧力が制御圧力となれば、副室６０の容積が大きくなると共にガス室６１の容積が小さくなってガス室６１の圧力が上昇する。こうして、例えば、点火時期後に圧力センサ７４によりガス室６１の圧力を監視し、ガス室６１の最大圧力上昇値ΔＰ（最高圧力−制御圧力）が高いほど、すなわち、副室用ピストン５５の最大変位が大きいほど、燃焼室５の圧力低下に伴って、副室６０の容積を小さくする際の副室用ピストン５５の移動速度が高くなり、副室６０の容積減少速度が高くなるために、副室６０内から燃焼室５内へ噴出する混合気の噴出速度がより速くなると共に噴出する混合気の量も多くなり、燃焼後半の燃焼室内により強い乱れを発生させることができる。

それにより、燃焼速度がより速くなって燃焼後半にもノッキングがより発生し難くなるために、図４に実線で示すマップのように、最大圧力上昇値ΔＰが高いほど点火時期進角量Δθを大きくすれば、点火時期をより進角させてθｍａｘへ近づけることにより熱効率を高めることができる。

点火時期進角量Δθは、段階的に設定しても良い。例えば、図４に点線で示すように、点火時期進角量Δθは、少なくとも二段階に設定することができ、最大圧力上昇値ΔＰが設定値ΔＰ’以上のときには、副室６０の容積を小さくする際の副室用ピストン５５の移動速度が設定移動速度以上となり、副室６０の容積減少速度が設定減少速度以上となるために、最大圧力上昇値ΔＰが設定値ΔＰ’より低いとき（副室用ピストン５５の移動速度が設定移動速度未満であって副室６０の容積減少速度が設定減少速度未満であるとき）に比較して副室６０内から燃焼室５内へ噴出する混合気の噴出速度が速くなって、ノッキングが発生し難くなるために、点火時期進角量Δθを０からΔθ’へ大きくして点火時期を進角するようにしても良い。

このような点火時期の制御は、制御気筒に対して、点火順序が直前の他気筒の燃焼時において、又は、前回のサイクルの同一気筒の燃焼時において測定された最大圧力上昇値ΔＰに基づき制御されることとなる。また、副室用ピストン５５の位置センサが設けられている場合には、点火順序が直前の他気筒の燃焼時において、又は、前回のサイクルの同一気筒の燃焼時において、位置センサにより副室６０の容積が小さくなる際の実際の副室用ピストン５５の移動速度を測定し、測定された移動速度が速いほど、点火時期進角量Δθを大きくするようにしても良い。また、測定された移動速度が設定移動速度以上の場合にだけ点火時期進角量をΔθ’とするようにしても良い。

図５は、本発明による火花点火内燃機関のもう一つの実施形態を示すシリンダヘッドの底面図である。図１及び２に示す実施形態との違いは、二つの排気弁８の間には、もう一つの点火プラグ１００が配置されていることである。

このように二つの点火プラグ１０及び１００により点火を実施することにより、点火から燃焼完了までの時間を短縮して燃焼速度の速い良好な燃焼を実現することが可能となる。ところで、気筒上部略中心に配置された点火プラグ１０は、副室６０の燃焼室５への連通位置に比較的近いために、点火プラグ１０の近傍では、副室６０から流出する混合気により発生する乱れが比較的強くなり、燃焼後半の燃焼速度が速くなる。一方、二つの排気弁８の間に配置されたもう一つの点火プラグ１００は、副室６０の燃焼室５への連通位置から比較的遠いために、もう一つの点火プラグ１００の近傍では、副室６０から流出する混合気により発生する乱れが比較的弱くなり、点火プラグ１０の近傍に比較して、燃焼後半の燃焼速度が遅くなる。

それにより、副室６０の燃焼室５への連通位置から遠いもう一つの点火プラグ１００の点火時期を副室６０の燃焼室５への連通位置に近い点火プラグ１０の点火時期より進角することにより、もう一つの点火プラグ１００の近傍の混合気が点火プラグ１０の近傍の混合気より先に着火され、両方の点火プラグ近傍の混合気を略同時に燃焼完了させて全体的な燃焼速度を良好に速めることができる。

１ 機関本体
５ 燃焼室
３１ 電子制御ユニット
５５ 副室用ピストン
６０ 副室
６１ ガス室

Claims (3)

1. 燃焼室に連通する容積可変の副室を具備し、燃焼圧力が制御圧力に達すると前記副室の容積を大きくして燃焼室内の圧力上昇を抑制する火花点火内燃機関において、前記燃焼室の圧力低下に伴って前記副室の容積を小さくするときに、前記副室の容積減少速度が設定減少速度以上の場合には、前記副室の容積減少速度が前記設定減少速度未満の場合に比較して点火プラグの点火時期を進角させることを特徴とする火花点火内燃機関。
2. 前記副室はピストンにより容積が可変とされ、前記副室の容積を小さくするときに、前記ピストンの移動速度が設定移動速度以上の場合には、前記副室の容積減少速度が前記設定減少速度以上であるとすることを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関。
3. 前記副室の前記燃焼室への連通位置から前記点火プラグより遠くに位置するもう一つの点火プラグが設けられ、前記点火プラグの点火時期より前記もう一つの点火プラグの点火時期を進角させることを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火内燃機関。

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