JP2013194730A - Super-high efficiency four-cycle internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は集中型燃焼室、多点着火方式、高圧縮比、高膨張比、HCCI燃焼方式などを採用して熱効率の超効率化を達成し、NOxの発生を極小レベルに抑える高効率4サイクル内燃機関に関するものである。The present invention adopts a centralized combustion chamber, multi-point ignition system, high compression ratio, high expansion ratio, HCCI combustion system, etc. to achieve super-efficient thermal efficiency and
一般に4サイクル内燃機関では熱効率が低負荷域で10〜20%、中・高負荷域で30〜35%と低い値に留まっている。この理由はノッキング回避から圧縮比が12以下であること、吸気絞りによるポンプ損失があること、希薄燃焼が困難なこと、3〜8気筒の多気筒採用による摩擦損失・冷却損失が大きいことなどが原因である。特に、近年、超希薄燃焼が可能であり、ポンプ損失及び冷却損失が大幅に低減するHCCI燃焼法(予混合圧縮着火燃焼)が研究されているが、圧縮端温度が1000K必要であると言われ、4サイクル機関では実現が困難である。In general, in a four-cycle internal combustion engine, the thermal efficiency remains at a low value of 10 to 20% in a low load region and 30 to 35% in a medium / high load region. This is because the compression ratio is 12 or less to avoid knocking, there is a pump loss due to the intake throttle, the lean combustion is difficult, and the friction loss / cooling loss due to the adoption of multiple cylinders of 3 to 8 cylinders is large. Responsible. In particular, in recent years, the HCCI combustion method (premixed compression ignition combustion), in which ultra lean combustion is possible and pump loss and cooling loss are greatly reduced, is said to require a compression end temperature of 1000K. It is difficult to achieve with a 4-cycle engine.
本発明の目的は第1に熱効率の超高効率化を達成することである。この為、集中型燃焼室、多点着火方式、14〜15位の高圧縮比、18位の膨張比、HCCI燃焼方式、更には従来は3〜8気筒機関であったものを2〜4気筒の少数気筒化して摩擦損失、冷却損失を減少させる手段を採用している。第2に多点着火による急速燃焼法により上死点又はそれ以降の着火時期を採用して超低NOxエミッションの実現を目的としている。低負荷域では火花着火方式に頼らないHCCI燃焼方式により超低NOxエミッションを実現し、かくして全負荷域で超低NOxエミッションを達成することである。The object of the present invention is first to achieve ultra-high efficiency of thermal efficiency. For this reason, a concentrated combustion chamber, a multipoint ignition system, a high compression ratio of 14 to 15th, an expansion ratio of 18th, an HCCI combustion system, and a conventional 2 to 4 cylinder engine that was a 3 to 8 cylinder engine A means to reduce friction loss and cooling loss by adopting a small number of cylinders is adopted. Secondly, it aims at realizing ultra-low NOx emission by adopting top dead center or subsequent ignition timing by a rapid combustion method by multi-point ignition. To achieve ultra-low NOx emission by the HCCI combustion method that does not rely on the spark ignition method in the low-load region, and thus achieve ultra-low NOx emission in the entire load region.
本発明は上記課題を解決する為、吸気カム軸に備えられたカムにより駆動される吸気弁及び排気カム軸に備えられたカムにより駆動される排気弁を有する4サイクル内燃機関において、前記排気弁を燃焼室に備え、前記燃焼室の周囲に上死点位置におけるピストン頂面とシリンダーヘッド壁面との間に微小ギャップを有するスキッシュ部を形成して燃焼室を集中型燃焼室とし、この燃焼室に2点以上の火花ギャップを臨ませ、かつ前記火花ギャップの着火時期を圧縮上死点又はそれ以降となる様に制御せしめ、更に前記排気弁の開閉時期を可変化する弁開閉時期制御装置により予混合圧縮着火燃焼領域では前記排気弁の閉時期を上死点より遅らせて排ガスをシリンダー内に再吸入し、エンジン負荷に対応して前記排気弁の開時期を制御して有効膨張比を有効圧縮比よりも大きくなる様に制御した。この第1の発明では前記吸気弁を燃焼室に備え、吸気弁の開閉時期を可変化する弁開閉時期制御装置により予混合圧縮着火燃焼領域では吸気弁の閉時期を早めて有効圧縮比を高め、エンジンの負荷、回転速度などの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える様にした。第2の発明では前記吸気弁を燃焼室に備えると共にその開閉時期を固定化し、エンジンの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える様にした。第3の発明では前記吸気弁を前記スキッシュ部に臨む様に備え、エンジンの運転条件により予混合圧縮着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える様にした。In order to solve the above problems, the present invention provides a four-cycle internal combustion engine having an intake valve driven by a cam provided on an intake cam shaft and an exhaust valve driven by a cam provided on an exhaust cam shaft. In the combustion chamber, and a squish portion having a minute gap is formed between the top surface of the piston and the cylinder head wall surface at the top dead center position around the combustion chamber so that the combustion chamber is a concentrated combustion chamber. A valve opening / closing timing control device that allows two or more spark gaps to face and controls the ignition timing of the spark gap to be at or above the compression top dead center and further varies the opening / closing timing of the exhaust valve. In the premixed compression ignition combustion region, the exhaust valve closing timing is delayed from the top dead center, the exhaust gas is re-inhaled into the cylinder, and the exhaust valve opening timing is controlled according to the engine load. To control the expansion ratio as greater than the effective compression ratio. In the first aspect of the invention, the intake valve is provided in the combustion chamber, and the valve opening / closing timing control device that varies the opening / closing timing of the intake valve increases the effective compression ratio by increasing the closing timing of the intake valve in the premixed compression ignition combustion region. The premixed compression ignition combustion and the spark ignition combustion are switched according to the operating conditions such as engine load and rotation speed. In the second aspect of the invention, the intake valve is provided in the combustion chamber and the opening / closing timing thereof is fixed, so that the premixed compression ignition combustion and the spark ignition combustion are switched according to the operating condition of the engine. In the third aspect of the invention, the intake valve is provided so as to face the squish portion, and the premixed compression ignition combustion and the spark ignition combustion are switched depending on the operating condition of the engine.
本発明によればコンパクトな集中型燃焼室に2点以上の火花ギャップを臨ませて多点着火方式とし、超急速燃焼を達成しているから(燃燃期間はクランク角で従来の1/3の15°位)、上死点又はそれ以降の着火時期を採用する事ができる。従って最高燃焼温度、圧力が低く冷却損失、摩擦損失が少ないのみならず、上死点前燃焼が起らない為、この期間に相当する冷却損失、摩擦損失が少ない特徴がある。特に冷却損失に関しては図4(ロ)の如く火炎がスキッシュ部S1まで達しても、スキッシュ部S2は空気のみの良好な断熱層である為、冷却損失は非常に少ない。着火時期は上死点又はそれ以降であるから、ノッキングの心配はなく高圧縮比(14位)を採用できると共に、膨張比は圧縮比よりも高い為(18位)、熱効率は非常に高い。しかも低負荷域では熱効率の高いHCCI燃焼を行なう事ができる為、熱効率の向上幅は大きい。以上から飛躍的な熱効率の向上が見込める。
HCCI燃焼領域では排気弁の閉時期を上死点後の例えば70°として排ガスの再吸入を実施しているから、18位の高圧縮比の効果と相まって圧縮端温度が上昇し、HCCI燃焼領域を拡大する事ができる。
この為、ポンプ損失が大幅に減少する。又、燃料は燃焼室のみに留まる様に燃焼室内に噴射されるから(吸気弁閉後に噴射)、スキッシュ部Sは空気のみであり、未燃のHC、COは排出されない。かつ上死点又はそれ以降の着火時期を採用しているから、NOxの発生は殆ど0であり、従って高価なリーンNOx浄化触媒を必要としない(安価な酸化触媒のみ)。しかも上死点又はそれ以降の着火時期であり、18位の高膨張比を採用しているから、排ガス温度が低く、触媒保護の為に濃混合気を供給する必要はない(高負荷域)。According to the present invention, a multi-point ignition system is achieved by facing two or more spark gaps in a compact concentrated combustion chamber to achieve ultra-rapid combustion (the combustion period is 1/3 of the conventional crank angle). The ignition timing at or above the top dead center can be adopted. Accordingly, not only the maximum combustion temperature and pressure are low, but also cooling loss and friction loss are small, and combustion before top dead center does not occur. Therefore, there is a feature that cooling loss and friction loss corresponding to this period are small. It is particularly reaches the flame as shown in FIG. 4 with respect to the cooling loss (b) until the squish portion S 1, because squish portion S 2 is a good heat insulating layer of air only, cooling loss is very small. Since the ignition timing is at or above the top dead center, there is no worry of knocking and a high compression ratio (14th) can be adopted, and since the expansion ratio is higher than the compression ratio (18th), the thermal efficiency is very high. Moreover, since the HCCI combustion with high thermal efficiency can be performed in the low load region, the improvement range of the thermal efficiency is large. From the above, a dramatic improvement in thermal efficiency can be expected.
In the HCCI combustion region, exhaust gas is re-inhaled at an exhaust valve closing timing of, for example, 70 ° after top dead center. Therefore, the compression end temperature rises in combination with the effect of the 18th high compression ratio, and the HCCI combustion region. Can be expanded.
For this reason, the pump loss is greatly reduced. Further, since the fuel is injected into the combustion chamber so as to remain only in the combustion chamber (injection after the intake valve is closed), the squish portion S is only air, and unburned HC and CO are not discharged. In addition, since the ignition timing at or above the top dead center is adopted, NOx generation is almost zero, and therefore an expensive lean NOx purification catalyst is not required (only an inexpensive oxidation catalyst). Moreover, the ignition timing is at the top dead center or later, and a high expansion ratio of 18th is adopted, so the exhaust gas temperature is low, and it is not necessary to supply a rich mixture to protect the catalyst (high load range) .
図1は本発明による超高効率4サイクル内燃機関を示し、図示しない吸気カム軸に備えられたカムにより駆動される吸気弁8及び排気カム軸4に備えられたカム5により駆動される排気弁2を備えている。排気弁2はロッカーアーム3を介してカム5により駆動され、吸気弁8も図示してないが同様に駆動される。本4サイクル内燃機関は吸気・圧縮・膨張・排気の各行程をクランク軸2回転で行なうが、その作動は従来と同じなので省略する。本発明では従来3〜8気筒であったものを2〜4気筒の小数気筒化し、図1(イ)では2気筒機関として燃焼室1を上方から見た点火プラグ21、燃料噴射弁12などのレイアウトを図1(ロ)に示す。
7は排ガスを浄化する為の触媒、10はアクチュエーター(電動モーター)11により駆動される吸気絞り弁、22は電子制御ユニット、24は油圧制御弁である。排気カム軸4には弁開閉時期制御装置15がスプロケット(又はプーリー)13と一体となって備えられ、図示しない吸気カム軸にも同様に弁開閉時期制御装置16が備えられており(弁開閉時期制御装置15は弁開閉時期制御装置16と同じ構造であるから、内部構造は省略)、スプロケット13、14がクランク軸とチェーン(又は歯付きベルト)を介して1/2に減速されて駆動される。公知の弁開閉時期制御装置16はハウジング17とローター18とから成り、ハウジング17はスプロケット14とボルトにより結合・一体化され、ローター18は図示しない吸気カム軸とボルトにより結合・一体化されている。ハウジング17及びローター18により進角室19と遅角室20とが形成され、油圧制御弁23からの作動油が供給される。油圧制御弁23は図示しない油圧ポンプからの油圧が供給され、後述する電子制御ユニット(以後、ECU)22からの出力信号により軸方向への移動量が電磁ソレノイドにより駆動制御されるプランジャ24とスプール弁26とバネ27とを有しており、バネ27の反発力とプランジャー24の押圧力とが均衡する位置でスプール弁26が位置決めされる様になっている。ECU22には所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサーからの信号、所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサーからの信号が入力され、ECU22はカム角センサーから出力される回転角パルスとクランク角センサーから出力される回転角パルスとの間の出力位相差に基づきカム位相角を検出する事ができる。ECU22はローター18の、即ち吸気カム軸のクランク軸に対する位相差が目標値となる様に油圧制御弁23に制御信号を出力する。そしてECUは検出したカム位相角をフィードバック信号として取り込み、その制御上の目標位相角との間の偏差値に応じて油圧制御弁23の駆動デューティ比率をフィードバック制御する。
油圧制御弁23はECU22から指示されるディーティ比率に応じて電磁ソレノイドを駆動し、進角室19、遅角室20に対する油圧の給・排を調整して吸気カム軸を目標位相角まで進角又は遅角、或いは中立に保持する(任意のカム位相角に固定)。ECU22はROM、RAM、CPU、入力ポート、出力ポート等から成るマイクロコンピューターを中心として構成され、これらは双方向性バスによって相互に接続されている。ECU22にはエンジンの運動状態の把握に必要なパラメーター用の各種センサー、例えばクランク角センサー、カム角センサー、アクセル開度を検出するアクセルセンサー、エンジンに吸入される空気の空気流量センサー、エンジン冷却水温を検出する水温センサー、大気圧センサー、O2センサー、ノックセンサー等からの各信号が対応するA/Dコンバーターを介して入力ポートに送信される。尚、エンジン回転速度はクランク角センサーからの出力信号により知る事ができる。又、出力ポートは燃料噴射弁12、点火プラグ21、アクチュエーター11、油圧制御弁23等と各々対応する駆動回路を介して接続され、各々の制御信号を送信する。ROMには燃料噴射弁12の噴射量や噴射時期を決定する為の制御ルーチン、点火プラグ21への通電を制御する為の制御ルーチン等のエンジンを制御する為の制御ルーチンやそれらに用いられる制御値を含むマップが記憶されている。RAMに記憶されている各種データーはエンジン回転速度センサーが信号を出力する度に最新のデータに書き換えられる。CPUはROMに記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作し、燃料の噴射制御や点火時期制御等を実行する。FIG. 1 shows an ultra-high efficiency four-cycle internal combustion engine according to the present invention. An intake valve 8 driven by a cam provided on an intake cam shaft (not shown) and an exhaust valve driven by a cam 5 provided on the
7 is a catalyst for purifying exhaust gas, 10 is an intake throttle valve driven by an actuator (electric motor) 11, 22 is an electronic control unit, and 24 is a hydraulic control valve. The
The
本発明では燃料噴射弁12により燃料は燃焼室1内にのみ留まる様に噴射され(図1(ハ)の如く斜め上方向に噴射)、シリンダー内壁やピストン頂面、更にはスキッシュ部Sには付着しない。そして燃料は吸気弁閉後の圧縮行程中に噴射される。従って圧縮行程ではシリンダー内の空気が燃焼室1内へ勢い良く流入する事もあって混合気は燃焼室1内にのみ存在し、燃焼室1の燃焼完結を以って全体の燃焼完結として良い(スキッシュ部Sの燃焼はない)。燃焼室1には排気弁2、吸気弁8が備えられ、燃焼室1の周囲に上死点位置におけるピストン頂面とシリンダーヘッド壁面との間に微小ギャップ(0.7mm位)を有するスキッシュ部Sを形成して、集中型燃焼室としている。
燃焼室1には2点以上の火花ギャップを臨ませ(ここでは図1(ロ)の如く4個の点火プラグ21から成る4点の火花ギャップが臨んでいる)、この火花ギヤップの着火時期を上死点又はそれ以降となる様に制御している。
図1(ロ)は図1(イ)の燃焼室1を上方から見たものであるが、これを図2(ロ)に簡略化して示す。燃焼室1には4点の火花ギャップG1、G2、G3、G4が臨んでおり、燃焼室の長軸方向の火炎伝播距離はa/2であり、a≒0.8r位であるから、結局0.8r/2=0.4rである。一方、図2(イ)の中心1点火花ギャップの場合の火炎伝播距離はrであるから、図2(イ)に比し本発明では火炎伝播距離が0.4・r/r=1/2.5と大幅に短縮されるが、実際は火花ギャップG1(G3)は燃焼室壁面より5mm位は突出した位置にあるから、火炎伝播距離は1/2.8位に短縮される。燃焼室の短軸方向の火炎伝播距離はbであり、これは短かいから燃焼は素早く、従って火花ギャップG2、G4から燃え拡がった火炎が中央で衝突して火炎面を長軸方向に楕円形に押し拡げるので、長軸方向の火炎伝播速度が高まり、火炎伝播距離は実質的に1/2.8以下の1/3位にはなると考えられる(強力なスキッシュ効果もある。)従って図2(イ)の中心1点火花ギャップの場合に比し、従来、燃焼期間がクランク角で40°〜50°であったものを1/3の15°位に大幅に短縮する事ができる。この結果、着火時期を上死点又はそれ以降に設定しても超急速燃焼が可能であるから熱効率の悪化はなく、むしろ最高燃焼温度・圧力の低下によって冷却損失、摩擦損失が大幅に減少して熱効率が向上する。大排気量エンジンの場合は図2(ハ)の様に燃焼室1に6点の火花ギャップを臨ませる事で達成する事ができる。
極く小排気量のエンジンの場合は火炎伝播距離の絶対値が小さい為、図2(ニ)の如く3点(又は2点)の火花ギャップでも良い。本発明では燃焼室に2点以上の火花ギャップを臨ませる事を特徴としている。尚、本発明では火花ギャップとして点火プラグを使用しているが、図2(ヘ)の如く火花ギャップ29(4〜6点)を有するセラミックなどの電気不導体板28を図2(ホ)の如く燃焼室に備えても良い。In the present invention, fuel is injected by the
FIG. 1 (b) is a view of the
In the case of an engine with a very small displacement, since the absolute value of the flame propagation distance is small, a spark gap of 3 points (or 2 points) as shown in FIG. The present invention is characterized by having two or more spark gaps facing the combustion chamber. In the present invention, a spark plug is used as the spark gap. However, as shown in FIG. 2 (f), an electrically non-conductive plate 28 such as ceramic having a spark gap 29 (4 to 6 points) is used as shown in FIG. As such, it may be provided in the combustion chamber.
次に本発明による4サイクル内燃機関の各運転状態について説明する。
本発明では弁開閉時期制御装置15、16を備えているので、排気弁2、吸気弁8の開閉時期を自在に制御する事ができる(但し、図1で採用した弁開閉時期制御装置15、16は開閉期間は一定のまま開閉時期のみを変えるものである)。例えば低負荷域ではHCCI燃焼を行なうが、この時の弁開閉時期は図3(イ)の如く吸気弁閉時期をクランク角で下死点後30°とし(この時の圧縮比はほぼ18)、排気弁開時期をクランク角で下死点後10°とする様に(この時の膨張比は18)制御する。中・高負荷域では火花点火燃焼に切り換え、図3(ロ)の如く吸気弁閉時期をクランク角で下死点後70°(圧縮比はこの時14)、排気弁開時期をクランク角で下死点前40°(この時の膨張比はほぼ18)となる様に制御するものである。エンジンの始動は点火プラグ21による火花点火燃焼により行なうが、始動時及び暖機時(冷態時)は図3(ハ)の如く吸気弁閉時期を下死点後30°、排気弁開時期を下死点前40°として、圧縮比をほぼ18、膨張比をほぼ18としている。従って高圧縮比となるから圧縮端温度が上昇し良好な燃焼が得られる(エンジン冷態時であるから、自着火は起らない)。又、本発明では多点着火方式を採用しているから、超急速燃焼が可能であり(前述の如く燃焼期間をクランク角で従来の1/3の15°位に短縮)、従ってエンジン暖機中は着火時期を大幅に遅らせて排気温度を高め、触媒の早期活性化を促がす事ができる。尚、本発明では点火プラグ21の着火時期を上死点又はそれ以降とするのが基本であるが、エンジン始動時は始動性向上の為、上死点前とするのが良い。エンジン暖機完了後の低負荷域ではPCCI燃焼法、即ち予混合圧縮着火燃焼(その中でも均質な混合気を用いるHCCI燃焼法がNOx発生を殆ど0に抑える事ができるので、以後HCCI燃焼法を採用する)に切り換えるが、図3(イ)の如く吸気弁閉時期を下死点後30°(開時期は自ずと上死点前40°となる)、排気弁閉時期を上死点後70°(開時期は自ずと下死点後10°となる)としている。この時、圧縮比はほぼ18、膨張比もほぼ18となる。従って弁オーバーラップ期間が110°もあり、排気通路6から高温・多量の排ガスがシリンダー内に再吸入され、圧縮端温度を高め、18位の高圧縮比の効果と相まって圧縮端温度を大幅に上昇させる事ができ、かくしてHCCI燃焼を容易に引き起す事ができる。圧縮始めの温度・圧縮端温度を更に高めるには排気通路6から排ガスを再吸入する際、触媒7内の、更にはその下流側の昇温した排ガスを再吸入するのが良い(排気通路6にポートライナーを備えるなど断熱構造とすれば更に効果がある)。従って排気弁2と触媒7との距離が短かい方が良く、この点2気筒エンジンは有利である。本発明では高負荷域でも排ガス温度が低いので、排気通路6を断熱構造としても触媒に熱的ストレスを与えることはない。又、ピストン頂面を断熱構造とすると、これにより燃焼室1内の混合気は加熱作用を受けるから、より一層HCCI燃焼を引き起し易くなり、高負荷域での充填効率低下が懸念される場合は、図4(イ)の如く燃焼室直下に相当するピストン頂面の部分30を断熱構造としても良い。例えば断熱部30に断熱剤をコーティングする、空気層を挟んで断熱材をボルトで結合させるなどの方法がある。HCCI燃焼法は燃焼としては低温の燃焼であり、希薄燃焼でもあるので、冷却損失が少なく高効率運転が可能で、NOxの発生をほぼ0に抑える事ができる。又、圧縮比も膨張比も18位と高いので、熱効率は更に高くなる。尚、スキッシュ部Sには混合気は存在せず空気のみであるから、未燃のHC、COは排出されない(これは火花点火燃焼領域でも同様である)。HCCI燃焼はエンジン負荷が増すと燃焼圧力上昇率が高くなってノッキングに近い状態になるが、本発明ではノックセンサーによってこの様な状態を検出して吸気弁閉時期を遅らせ、圧縮比を18から14までの範囲内で低下させ、ノッキングを未然に防ぐ事ができる。即ち、HCCI燃焼が起る時期を制御する事ができるのである。本エンジンは4サイクル機関であるから、アイドル状態の様な極低負域でのHCCI燃焼が困難な場合は火花点火燃焼に切り換えて運転する事ができる。
エンジンの中・高負荷域ではHCCI燃焼法では燃焼圧力上昇率が過大となるので、これを避け、エンジン負荷、回転速度などの運転条件によりECU22は火花点火燃焼に切り換える。この運転領域では図3(ロ)の様に吸気弁閉時期を下死点後70°(開時期は自ずと上死点になる)、排気弁開時期を下死点前40°(閉時期は自ずと上死点後20°になる)に制御される。この時、圧縮比は14、膨張比はほぼ18であり、膨張比の方が大となり、排気損失を減少させて熱効率を大幅に高める。この領域では従来はクランク角で40°〜50°あった燃焼期間を多点着火方式により(超急速燃焼により)1/3の15°位に短縮できるから、着火時期を上死点又はそれ以降に制御する事ができる(14位の高圧縮比ながらノッキングの心配はない)。従って最高燃焼温度・圧力が低く、結果として冷却損失、摩擦損失が減少し、かつ上死点前燃焼がない為、この期間に相当する冷却損失、摩擦損失も少なく、上記と合わせて熱効率の向上幅は大きい。ここで特に冷却損失について一言付け加えると、膨張行程では火炎が図4(ロ)の如くスキッシュ部S1に逆スキッシュとなって侵入するが、スキッシュ部S2は空気のみであり(火炎は存在しない)、従って空気による良好な断熱層が存在し、冷却損失は大幅に減少するのである。更には燃焼は上死点後の膨張行程で行なわれる為、NOxの発生を殆ど0に抑える事ができる。又、本発明では従来は3〜8気筒であったものを2〜4気筒の少数気筒化しているから、冷却損失・摩擦損失は自ずと小さく、以上を総合すると熱効率は飛躍的に高まる。
加えて本発明では圧縮比14に対して膨張比は18あるから、この分熱効率に余裕があり、従って着火時期を若干遅らせればNOxの発生を完全に0に抑える事ができる。結局、HCCI燃焼法もNOxの発生をほぼ0に抑える事ができるから、高価なリーンNOx浄化触媒を不要ととする事ができる(酸化触媒のみで良い)。尚、燃焼室1は図4(ハ)の様にピストン頂面に形成する事もできる。Next, each operation state of the four-cycle internal combustion engine according to the present invention will be described.
In the present invention, since the valve opening / closing timing control devices 15 and 16 are provided, the opening / closing timing of the
In the middle / high load range of the engine, the rate of increase in combustion pressure is excessive in the HCCI combustion method, and this is avoided, and the
In addition, in the present invention, since the expansion ratio is 18 with respect to the compression ratio 14, there is a margin in the heat efficiency. Therefore, if the ignition timing is slightly delayed, the generation of NOx can be completely suppressed to zero. After all, since the HCCI combustion method can also suppress the generation of NOx to almost zero, an expensive lean NOx purification catalyst can be made unnecessary (only an oxidation catalyst is sufficient). The
ところで図1(ロ)において燃焼室1には吸気弁8が備えられ、これは大径であるから(排気弁2よりも大径)燃焼室の幅が増し、高さが低くなって偏平となり、コンパクト性に欠け火災伝播上不利になる。この解決策として図4(ニ)の如くスキッシュ部Sに臨む様に第2の吸気弁31を備える事が考えられる(1〜2個備える)。従ってこの分、吸気弁8は排気弁2と同じか又は小径とする事ができるから、燃焼室1の幅が減少して(長さも減少)高さが増し、コンパクトになる。この場合、第2の吸気弁31は開閉時期が固定されており(例えば上死点で開、下死点後30°で閉)、独立したカムによって駆動する事が望ましいが、吸気弁8を駆動する吸気カム軸にカムを新設して、これによって駆動する事もできる。但し、この吸気カム軸は弁開閉時期制御装置16を備えているので、ピストンと衝突しない様に第2の吸気弁31の開閉時期を定める必要がある。その一例を図4(ホ)に示す。即ち、HCCI燃焼領域では上死点で弁開、下死点後30°で弁閉、火花点火燃焼領域では上死点後40°で弁開、下死点後70°で弁閉である(上死点後40°までは第2の吸気弁31は閉じているが、吸気弁8は開いているので、これにより吸入が行なわれる)。
又は、第2の吸気弁31の開閉時期を図4(ヘ)の如く火花点火燃焼領域では上死点で開、下死点後70°で閉とし、HCCI燃焼領域ではロッカーアームに公知の機構を備えて、第2の吸気弁31の作動を停止させる様にしても良い。
尚、第2の吸気弁31を備えたのと同じ理由により図4(チ)の如く第2の排気弁2′を備えても良く、これは独立したカムによって駆動する方法、排気カム軸4にカムを新設して駆動する方法などがある。後者の場合は第2の排気弁2′は火花点火燃焼領域では上死点で弁閉、下死点前40°で弁開、HCCI燃焼領域では下死点後10°で弁開、上死点後50°で弁閉などとする。ところで本発明では吸気弁8、排気弁2の開閉時期を変化させて圧縮比(有効圧縮比)や膨張比(有効膨張比)を可変化しているが、図1に示したもの他に多くの弁開閉時期制御装置を用いる事ができる。例えばヘリカルスプラインを軸方向に移動させて弁開閉時期を変えるもの、電磁式又は電動式に弁開閉時期を変えるもの、更には立体カムを軸方向にスライドさせて弁開閉時期を変えるものなどである。
図4(ト)は電磁式弁開閉時期制御装置を示すもので、ハウジング32にはリング状に形成された電磁石34、35が弁軸と一体となったプランジャー33を挟んで対向した状態で配置されている。電磁石34、35の中空部にはバネ37、36がプランジャー33を挟む様に取り付けられ、この為、排気弁2(吸気弁8)はバネ37、36の力のバランスによって弁リフトの中間位置で静止する。電磁石34が磁励されるとプランジャー33が上方へ引き付けられて排気弁2(吸気弁8)は閉弁し、電磁石35が磁励されるとプランジャー33が下方へ引き付けられて開弁する。ドライバー38は排気弁2(吸気弁8)の開閉時期(弁リフトの情報も含めても良い)を指定するECU22からの制御信号に応じて電磁石34、35に交互に励磁電流を供給する。これによると排気弁2(吸気弁8)の開弁時期や閉弁時期を任意に設定でき、自由度が増す。By the way, in FIG. 1 (b), the
Alternatively, the opening / closing timing of the
For the same reason as the
FIG. 4 (G) shows an electromagnetic valve opening / closing timing control device. In the housing 32, ring-shaped
図1において吸気弁8の開閉時期は可変化されているが、弁開閉時期制御装置16を除去して固定タイミングとしても良く(例えば上死点前20°開、下死点後70°閉)、これを図5(イ)に示す。この場合、図4(ニ)と同じ理由によりスキッシュ部Sに臨む様に第2の吸気弁39を備えても良い(弁開閉時期は上死点で開、下死点後70°で閉)。こうするとHCCI燃焼領域では圧縮比を図1の様に18まで高くできないので(14で固定)、結果としてHCCI燃焼領域が狭くなるが、本エンジンをハイブリッド車用として用いれば問題を生じない。即ち、HCCI燃焼が起らない領域ではエンジン効率の高い領域で発電してバッテリーに蓄えた電力をモーターに供給して、このモーターにより走行する様にすれば良い。
この事は図1においても同じであり、HCCI燃焼をアイドルに近い極低負荷域で引き起したとしても熱効率が低いので、この領域は使わない様にするのが良い。In FIG. 1, the opening / closing timing of the intake valve 8 is variable, but the valve opening / closing timing control device 16 may be removed and fixed timing (for example, 20 ° opened before top dead center and 70 ° closed after bottom dead center). This is shown in FIG. In this case, the second intake valve 39 may be provided so as to face the squish portion S for the same reason as in FIG. 4 (d) (the valve opening / closing timing is opened at the top dead center and closed at 70 ° after the bottom dead center). . If this is done, the compression ratio cannot be increased to 18 in the HCCI combustion region as shown in FIG. 1 (fixed at 14). As a result, the HCCI combustion region is narrowed, but there is no problem if this engine is used for a hybrid vehicle. That is, in an area where HCCI combustion does not occur, electric power generated in an area where engine efficiency is high and electric power stored in the battery may be supplied to the motor and run by this motor.
This is the same in FIG. 1, and even if HCCI combustion is caused in an extremely low load region close to idling, the thermal efficiency is low, so this region should not be used.
図1において、排気弁2を燃焼室1に備え、吸気弁8をスキッシュ部Sに臨ませる如く備えたものに相当する本発明の4サイクル内燃機関を図6(イ)に示す。即ち、図6(イ)において排気弁40は燃焼室41に備えられ、吸気弁42はスキッシュ部Sに臨む如く備えられており、21は点火プラグ、12は燃料噴射弁を示す(A方向から見た断面を図6(ロ)に示す)。排気弁40は図1の弁開閉時期制御装置15と同じもので弁開閉時期が可変化されるが、排気弁42はスキッシュ部Sに臨む如く備えられており、ピストンとの衝突を避ける為、開閉時期は固定されている。即ち、HCCI燃焼領域では図6(ハ)の如く吸気弁42は上死点で開、下死点後70°で閉、排気弁40は下死点後10°で開、下死点後70°で閉であり、火花点火燃焼領域では図6(ニ)の如く排気弁40だけが可変化されて下死点前40°で開、上死点後20°で閉となる様に制御される。従ってHCCI燃焼領域では多量の排ガス再吸入により圧縮端温度が高くなり、HCCI燃焼を引き起し易くなる。この時の圧縮比は14である。又、圧縮比が14であるのに対し膨張比はほぼ18と高いので、熱効率の大幅向上が可能である。燃焼室41は排気弁40のみを考慮すれば良いので、コンパクトになり、火炎伝播上有利である。尚、吸気弁42も弁開閉時期制御装置により開閉時期を若干可変化すれば、HCCI燃焼領域では図6(ホ)の如く吸気弁42の閉時期を例えば下死点後50°閉として圧縮比を高める事ができる(16位)。
但し、ピストンとの衝突を避ける為、若干の逃げ(バルブリセス)を作る必要がある。上死点又はそれ以降の着火であること、膨張比が高いこと等の理由により排気温度は低く、プレイグニッションの心配はない。FIG. 6 (a) shows a four-cycle internal combustion engine of the present invention corresponding to the
However, in order to avoid collision with the piston, it is necessary to make a slight relief (valve recess). The exhaust temperature is low for reasons such as ignition at or above the top dead center and high expansion ratio, and there is no concern about pre-ignition.
次に本発明の特徴の1つは着火時期を上死点又はそれ以降とする事にあるが、これを従来と同様に上死点前とした場合について考えて見る(点火プラグの個数は問わない)。即ち、上死点前着火方式を採用すると最高燃焼圧力・温度が上昇する事により冷却損失、摩擦損失が増加して熱効率が低下すると共に、火花点火燃焼領域ではNOxが発生することになる。
しかしながら欠点はこれ位で、低負荷域では熱効率の高いHCCI燃焼法を可能としていること、圧縮比より膨張比が高いこと、図4(ロ)で述べた如く冷却損失が非常に少ないこと、などの理由により従来よりは遙かに高い熱効率を有するものである。火花点火燃焼領域で発生するNOxは理論混合比を用いて三元触媒により0に抑える事が可能である。以上の如く本発明より若干の後退になるが、従来よりは遙かに高い熱効率を有するものである。Next, one of the features of the present invention is that the ignition timing is at or above the top dead center. Consider the case where the ignition timing is before the top dead center as in the prior art (the number of spark plugs is not limited). Absent). That is, if the pre-top dead center ignition method is employed, the maximum combustion pressure / temperature rises, so that cooling loss and friction loss increase and thermal efficiency decreases, and NOx is generated in the spark ignition combustion region.
However, this is the shortcoming, enabling the HCCI combustion method with high thermal efficiency in the low load range, the expansion ratio being higher than the compression ratio, and the extremely low cooling loss as described in FIG. For this reason, it has much higher thermal efficiency than before. NOx generated in the spark ignition combustion region can be suppressed to 0 by the three-way catalyst using the theoretical mixing ratio. As described above, although it is slightly backward than the present invention, it has a much higher thermal efficiency than the prior art.
1は燃焼室、2は排気弁、4は排気カム軸、5はカム、3はロッカーアーム、6は排気通路、7は触媒、8は吸気弁、9は吸気通路、10は吸気絞り弁、11はアクチュエーター、12は燃料噴射弁、13・14はスプロケット、15・16・32は弁開閉時期制御装置、17はハウジング、18はローター、19は進角室、20は遅角室、21は点火プラグ、22はECU、23は油圧制御弁、24はプランジャー、25は電磁石、26はスプール弁、27はバネ、28は電気不導体板、29は火花ギャップ、G1・G2・G3・G4は火花ギャップ、30は断熱部、31は第2の吸気弁、32は弁開閉時期制御装置、33はプランジャー、34・35は電磁石、36・37はバネ、38はドライバー、39は第2の吸気弁、40は排気弁、41は燃焼室、42は吸気弁、Sはスキッシュ部である。2′は第2の排気弁である。1 is a combustion chamber, 2 is an exhaust valve, 4 is an exhaust camshaft, 5 is a cam, 3 is a rocker arm, 6 is an exhaust passage, 7 is a catalyst, 8 is an intake valve, 9 is an intake passage, 10 is an intake throttle valve, 11 is an actuator, 12 is a fuel injection valve, 13 and 14 are sprockets, 15, 16 and 32 are valve opening / closing timing control devices, 17 is a housing, 18 is a rotor, 19 is an advance chamber, 20 is a retard chamber, and 21 is spark plugs, 22 ECU, 23 is the hydraulic control valve, 24 is a plunger, 25 is an electromagnet, 26 spool valve, 27 a spring, 28 is electrically nonconductive plate, the spark gap 29, G 1 · G 2 · G 3-G 4 is the spark gap, 30 is a heat insulating portion, the
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JP2012101821A JP2013194730A (en) | 2012-03-20 | 2012-03-20 | Super-high efficiency four-cycle internal combustion engine |
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CN107110002A (en) * | 2014-11-01 | 2017-08-29 | 菲利普·克里斯坦尼 | It is equipped with the quartastroke engine for shortening intake process |
JP2019078264A (en) * | 2017-09-29 | 2019-05-23 | イエフペ エネルジ ヌヴェルIfp Energies Nouvelles | Elliptically shaped combustion chamber |
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2012
- 2012-03-20 JP JP2012101821A patent/JP2013194730A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2019078264A (en) * | 2017-09-29 | 2019-05-23 | イエフペ エネルジ ヌヴェルIfp Energies Nouvelles | Elliptically shaped combustion chamber |
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