JP2014074334A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内のガスを確実に一掃した状態で吸気行程に移行し得る６ストローク運転が可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】圧縮行程、爆発行程、排気行程、第１掃気行程、第２掃気行程、および吸気行程を繰り返す６ストローク運転において、第２掃気行程から吸気行程への移行前に排気弁を閉じ、その吸気行程への移行後に吸気弁を開く。
【選択図】図７

Description

この発明は、４ストローク運転および６ストローク運転の機能を有する内燃機関に関する。

圧縮、爆発、排気、吸気の４つの行程を１周期（１サイクル）としてそれを繰り返す４ストローク運転を可能とするとともに、その排気行程と吸気行程との間に燃料噴射を伴わない吸気作用による第１掃気行程および排気作用によるもう１つの第２掃気行程が含まれる６ストローク運転を可能とする内燃機関が知られている（例えば特許文献１，２，３）。

４ストローク運転の場合、排気行程から吸気行程への移行時に吸気弁および排気弁を共に開くいわゆるオーバーラップの設定により、排気の運動エネルギによって吸気を促進することが行われる。ただし、このオーバーラップ時に排気圧力が必要以上に高いと、燃焼室内のガスが吸気弁を通って吸気管側に逆流することがある。逆流したガスは、次の吸気行程において、新しい空気（新気）および燃料の混合気と共に再び燃焼室に流入してしまう。

こうなると、燃焼室に充填される混合気（新気＋燃料）がガスと混ざって高温の状態となり、圧縮行程での燃焼が緩慢化することがある。燃焼が緩慢化するとノッキングが生じ易くなり、ノッキングが生じ易いと、燃費低減のために圧縮比を高く設定しようとしてもそれができない。

一方、６ストローク運転の場合、排気行程と吸気行程との間に、燃料噴射を伴わない吸気作用による第１掃気行程と、排気作用によるもう１つの第２掃気行程とが加わるので、排気行程で排出されずに残ったガスを一掃した状態で吸気行程に移ることができる。また、６ストローク運転の場合、４ストローク運転に比べて爆発・燃焼の回数が少ないので、４ストローク運転の場合よりも吸気と排気に伴うポンピング損失を低減できて燃費の低減が図れる。

特開平６−２５５８号公報 特開平９−２９１８３０号公報 特開２０１１−８５１１１号公報

ただし、掃気行程を有する６ストローク運転であっても、掃気行程中の吸気弁および排気弁の開閉タイミングや排気圧力によっては、燃焼室内のガスを一掃できないまま吸気行程に移行する可能性がある。こうなると、結局は燃焼室に充填される混合気（新気＋燃料）がガスと混ざって高温の状態となり、その結果、圧縮行程での燃焼が緩慢化してしまう。

この発明の目的は、燃焼室内のガスを確実に一掃した状態で吸気行程に移行し得る６ストローク運転が可能な内燃機関を提供することである。

請求項１に係る発明の内燃機関は、吸気弁および排気弁の閉による圧縮行程と、吸気弁および排気弁の閉による爆発行程と、吸気弁の閉および排気弁の開による排気行程と、吸気弁の開および排気弁の閉による第１掃気行程と、吸気弁の閉および排気弁の開による第２掃気行程と、吸気弁の開および排気弁の閉による吸気行程とを繰り返す６ストローク運転の機能を有するものであって、前記第２掃気行程から前記吸気行程への移行前に前記排気弁を閉じ、その吸気行程への移行後に前記吸気弁を開く制御手段、を備える。

請求項２に係る発明の内燃機関は、請求項１に係る発明において、さらに、気筒内で往復動し同気筒内に容積可変の燃焼室を形成するピストン、を備える。そして、前記吸気弁は、前記燃焼室に臨む吸気ポートを開閉する。前記排気弁は、前記燃焼室に臨む排気ポートを開閉する。

請求項３に係る発明の内燃機関は、請求項２に係る発明において、ピストンは、前記圧縮行程において下死点から上死点へ復動し、前記爆発行程において上死点から下死点へ往動し、前記排気行程において下死点から上死点へ復動し、前記第１掃気行程において上死点から下死点へ往動し、前記第２掃気行程において下死点から上死点へ復動し、前記吸気行程において上死点から下死点へ往動する。

請求項４に係る発明の内燃機関は、請求項３に係る発明において、制御手段は、前記第２掃気行程から前記吸気行程への移行に際し前記ピストンが上死点に至る前に前記排気弁を閉じ、その吸気行程において前記ピストンが上死点を経た後で前記吸気弁を開く。

この発明によれば、燃焼室内のガスを確実に一掃した状態で吸気行程に移行し得る６ストローク運転が可能な内燃機関を提供できる。

この発明の一実施形態の構成を示す図。 同実施形態の制御を示すフローチャート。 同実施形態における４ストローク／６ストローク選択条件を示す図。 同実施形態の４ストローク運転時の各行程、ピストン位置、吸気弁の開閉、排気弁の開閉の相互関係を時間経過に沿って示すタイムチャート。 同実施形態の４ストローク運転時の各行程の移り変わりおよびクランク角を４つの気筒ごとに対比して示す図。 同実施形態の４ストローク運転時に燃焼室とその周辺部に生じる空気およびガスの状態をピストン位置の変化に伴って順に示す図。 同実施形態の６ストローク運転時の各行程、ピストン位置、吸気弁の開閉、排気弁の開閉の相互関係を時間経過に沿って示すタイムチャート。 同実施形態の６ストローク運転時の各行程の移り変わりおよびクランク角を気筒ごとに対比して示す図。 同実施形態の６ストローク運転時に燃焼室とその周辺部に生じる空気およびガスの状態をピストン位置の変化に伴って順に示す図。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１において、１０はレシプロ式の内燃機関で、例えば４気筒式ガソリンエンジンであり、本体２０、吸気管３１、排気管３２、制御部であるＥＣＵ（Electric Control Unit）５０を備える。なお、図１は、４つの気筒のうちの１つの気筒およびその気筒内の燃焼室を代表して示している。

本体２０は、シリンダブロック２１、およびこのシリンダブロック２１に組み付けたシリンダヘッド２２を備える。シリンダブロック２１は、内部にシリンダ２３を有する。このシリンダ２３内に、コンロッド６１を介してクランクシャフト６０に連結されたピストン２４が収容される。このピストン２４がシリンダ２３内で上下方向に往復動することにより、シリンダ２３内に容積可変の燃焼室２５が形成される。なお、図中のコンロッド６１については、一部を省略して示している。

シリンダヘッド２２に、点火プラグ２６、吸気弁２７、および排気弁２８が設けられる。吸気弁２７は、シリンダヘッド２２に形成されて燃焼室２５に臨む吸気ポート２９を開閉する。排気弁２８は、シリンダヘッド２２に形成されて燃焼室２５に臨む排気ポート３０を開閉する。吸気ポート２９は、吸気管３１に連通する。排気ポート３０は、排気管３２に連通する。

吸気管３１には、吸気量を検出するエアーフローメータ３３、および吸気量（空気の量）を決定するスロットル弁３４が設けられる。また、吸気管３１に吸気管内噴射インジェクタ（ＭＰＩ）３６が設けられる。この吸気管内噴射インジェクタ３６は、燃料噴射口が吸気ポート２９に向く状態に設けられ、吸気管３１内に燃料を噴射する。なお、この実施形態では、吸気管内噴射インジェクタ３６を１気筒に１つずつ設けているが、１気筒に複数個ずつ設けてもよい。さらに、吸気管３１に、圧力センサ３９が設けられる。この圧力センサ３９は、吸気管内噴射インジェクタ３６の近傍の圧力を検出する。

排気管３２に、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ３７、および排出ガスを浄化する触媒３８が設けられる。

４ストローク運転時、吸気管内噴射インジェクタ３６から噴射される燃料が吸気管３１内で吸入空気と混合され、その混合気が吸気弁２７の開およびピストン２４の下降（往動）により吸気ポート２９を通って燃焼室２５に流入する（吸気行程）。燃焼室２５に流入した混合気は、吸気弁２７の閉、排気弁２８の閉、およびピストン２４の上昇（復動）によって圧縮され（圧縮行程）、点火プラグ２６が発生する火花により点火して燃焼・爆発する（爆発行程）。この燃焼・爆発によってピストン２４が下降し、このピストン２４が再び上昇するのに伴い排気弁２８が開き、燃焼室２５内のガスが排気ポート３０を通って排出される（排気行程）。そして、吸気弁２７の開およびピストン２４の下降により、空気と燃料との混合気が燃焼室２５に再び流入する（吸気行程）。

６ストローク運転では、４ストローク運転の場合の排気行程と吸気行程との間に、燃料噴射を伴わない吸気作用による第１掃気行程（以下、掃気１行程という）と、排気作用による第２掃気行程（以下、掃気２行程という）とが加わる。

４０は燃料タンクで、燃料を送り出すためのフィードポンプ４１を備える。このフィードポンプ４１から送り出される燃料が燃料パイプ４２によって吸気管内噴射インジェクタ３６に供給される。

一方、ＥＣＵ５０に、吸気管内噴射インジェクタ３６、エアーフローメータ３３、スロットル弁３４、空燃比センサ３７、圧力センサ３９、フィードポンプ４１、電磁アクチュエータ４３，４４、点火コイル４５、クランク角センサ４６、冷却水温センサ４７、アクセル開度センサ４８などが接続される。

電磁アクチュエータ４３は、吸気弁２７を開閉駆動する。電磁アクチュエータ４４は、排気弁２８を開閉駆動する。点火コイル４５は、点火プラグ２６に点火用の駆動電圧を供給する。クランク角センサ４６は、ピストン２４の上下動に連動するクランクシャフト６０の回転角度を検知する。冷却水温センサ４７は、本体２０の冷却水温度を検知する。アクセル開度センサ４８は、アクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）を検知する。

そして、ＥＣＵ５０は、主要な機能として次の（１）〜（３）の手段を備える。
（１）冷却水温センサ４７の検知温度Ｔｗが設定値Ｔｗｓ未満のとき、本体２０が早く暖まるよう、４ストローク運転（暖機運転）を実行する第１制御手段。

（２）冷却水温センサ４７の検知温度Ｔｗが設定値Ｔｗｓ以上のとき、内部メモリに予め記憶されている４ストローク／６ストローク選択条件をエンジン回転数Ｎｅおよび要求負荷（エンジン要求トルクともいう）に基づいて参照することにより、４ストローク運転と６ストローク運転とを選択的に実行する第２制御手段。エンジン回転数Ｎｅは、クランク角センサ４６の検知角度から検出する。要求負荷は、エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度センサ４８の検出アクセル開度に基づく演算により検出する。

（３）６ストローク運転時、掃気２行程から吸気行程への移行前に排気弁２８を閉じ、その吸気行程への移行後に吸気弁２７を開く第３制御手段。具体的には、掃気２行程から吸気行程への移行に際しピストン２４が上死点に至る前に排気弁２８を閉じ、その吸気行程においてピストン２４が上死点を経た後で吸気弁２７を開く。

つぎに、ＥＣＵ５０が実行する制御を図２のフローチャートを参照しながら説明する。
エンジン回転数Ｎｅおよびアクセル開度センサ４８の検出アクセル開度に基づく演算により、要求負荷（エンジン要求トルク）を求める（ステップ１０１）。

冷却水温センサ４７の検知温度Ｔｗが設定値Ｔｗｓ未満であれば（ステップ１０２のＮＯ）、本体２０を早く暖機するべく、圧縮、爆発、排気、吸気の４つの行程を１周期（１サイクル）としてそれを繰り返す４ストローク運転を実行する（ステップ１０５）。

冷却水温センサ４７の検知温度Ｔｗが設定値Ｔｗｓ以上になると（ステップ１０２のＹＥＳ）、内部メモリに予め記憶されている図３の４ストローク／６ストローク選択条件をエンジン回転数Ｎｅおよび上記求めた要求負荷に基づいて参照する（ステップ１０３）。

４ストローク／６ストローク選択条件は、エンジン回転数Ｎｅと要求負荷との交点（実測値）が設定値で仕切られる４ストローク運転域と６ストローク運転域のどちらに存しているかに応じて４ストローク運転と６ストローク運転のいずれか一方を選択させるためのもので、基本的に高負荷側を爆発・燃焼の回数が多い方の４ストローク運転域、中・低負荷側を爆発・燃焼の回数が少ない方の６ストローク運転域とするが、例外的に極低回転数側を振動対策として４ストローク域として定めている。６ストローク運転の場合、各気筒の爆発行程の相互の時間間隔が４ストローク運転の場合に比べて広くなるため、極低回転数では共振が生じて車両に低周波数振動が起き易くなる可能性があることから、それに対処するべく、極低回転数時は４ストローク運転の選択を必須としている。

エンジン回転数Ｎｅと要求負荷との交点（実測値）が４ストローク運転域にあれば（ステップ１０４のＹＥＳ）、４ストローク運転を実行する（ステップ１０５）。

４ストローク運転時の圧縮行程・爆発行程・排気行程・吸気行程、ピストン２４の位置、吸気弁２７の開閉、排気弁２８の開閉の相互関係を時間経過に沿って示したのが図４に示すタイムチャートである。

すなわち、ピストン２４は、圧縮行程で下死点から上死点（ＴＤＣ）へ復動し、爆発行程で上死点から下死点（ＢＤＣ）へ往動し、排気行程で下死点から上死点へ復動し、吸気行程で上死点から下死点へ往動する。

吸気弁２７は、排気行程から吸気行程への移行に際しピストン２４が上死点に至る直前の所定タイミングで開き、その開状態を圧縮行程においてピストン２４が下死点を経る直後の所定タイミングまで継続する。排気弁２８は、爆発行程から排気行程への移行に際しピストン２４が下死点に至る直前の所定タイミングで開き、その開状態を吸気行程においてピストン２４が上死点を経る直後の所定タイミングまで継続する。排気行程から吸気行程への移行時にピストン２４が上死点の位置にあるとき、排気の運動エネルギによって吸気を促進するべく、吸気弁２７および排気弁２８が共に開くいわゆるオーバーラップを設定している。

この４ストローク運転時の各行程の移り変わりとクランク角を４つの気筒ごとに対比して示したのが図５である。また、４ストローク運転時に燃焼室とその周辺部に生じる空気およびガスの状態をピストン位置の変化に伴って順に示したのが図６である。

図６中の（ａ）は圧縮行程から爆発行程への移行時にピストン２４が上死点の位置に存する状態、（ｂ）は爆発行程から排気行程への移行時にピストン２４が下死点の位置に存する状態、（ｃ）は排気行程から吸気行程への移行時にピストン２４が上死点の位置に存する状態、（ｄ）は吸気行程から圧縮行程への移行時にピストン２４が下死点の位置に存する状態をそれぞれ示している。

排気行程から吸気行程への移行時にピストン２４が上死点の位置に存する（ｃ）の状態では、排気の運動エネルギによって吸気を促進するべく、吸気弁２７および排気弁２８が共に開くオーバーラップを設定している。ただし、このオーバーラップ時、排気圧力が必要以上に高いと、図示矢印のように、燃焼室２５内のガスが吸気弁２７を通って吸気管３１側に逆流することがある。こうなると、吸気行程から圧縮行程への移行時にピストン２４が下死点の位置に存する（ｄ）の状態において、逆流したガスが新気および燃料の混合気と共に再び燃焼室２５に流入し、流入した混合気（新気＋燃料）がガスと混ざって高温の状態となり、その結果、圧縮行程での燃焼が緩慢化する可能性がある。

一方、エンジン回転数Ｎｅと要求負荷との交点（実測値）が６ストローク運転域にあれば（ステップ１０４のＮＯ）、６ストローク運転を実行する（ステップ１０６）。

６ストローク運転時の圧縮行程・爆発行程・排気行程・掃気１行程・掃気２行程・吸気行程、ピストン２４の位置、吸気弁２７の開閉、排気弁２８の開閉の相互関係を時間経過に沿って示したのが図７に示すタイムチャートである。

すなわち、ピストン２４は、圧縮行程で下死点から上死点（ＴＤＣ）へ復動し、爆発行程で上死点から下死点（ＢＤＣ）へ往動し、排気行程で下死点から上死点へ復動し、掃気１行程で上死点から下死点へ往動し、掃気２行程で下死点から上死点へ復動し、吸気行程で上死点から下死点へ往動する。

吸気弁２７は、排気行程から吸気行程への移行に際しピストン２４が上死点に至る直前の所定タイミングで開き、その開状態を掃気１行程の終了まで継続する。さらに、吸気弁２７は、吸気行程においてピストン２４が上死点を経た直後の所定タイミングで開き、その開状態を圧縮行程においてピストン２４が下死点を経る直後の所定タイミングまで継続する。排気弁２８は、爆発行程から排気行程への移行に際しピストン２４が下死点に至る直前の所定タイミングで開き、その開状態を掃気１行程においてピストン２４が上死点を経る直後の所定タイミングまで継続する。排気弁２８は、掃気２行程においてピストン２４が下死点を経た直後の所定タイミングで開き、その開状態を掃気２行程から吸気行程への移行に際しピストン２４が上死点に至る直前の所定タイミングで閉じる。

排気行程から掃気１行程への移行時にピストン２４が上死点の位置にあるとき、排気の運動エネルギによって吸気を促進するべく、吸気弁２７および排気弁２８が共に開くいわゆるオーバーラップを設定している。また、掃気２行程から吸気行程への移行時にピストン２４が上死点の位置にあるとき、ガスを確実に排出するべく、吸気弁２７および排気弁２８が共に閉じるいわゆるネガティブ・オーバーラップを設定している。

この６ストローク運転時の各行程の移り変わりとクランク角を４つの気筒ごとに対比して示したのが図８である。また、６ストローク運転時に燃焼室とその周辺部に生じる空気およびガスの状態をピストン位置の変化に伴って順に示したのが図９である。

図９中の（ａ）は圧縮行程から爆発行程への移行時にピストン２４が上死点の位置に存する状態、（ｂ）は爆発行程から排気行程への移行時にピストン２４が下死点の位置に存する状態、（ｃ）は排気行程から掃気１行程への移行時にピストン２４が上死点の位置に存する状態、（ｄ）は掃気１行程から掃気２行程への移行時にピストン２４が下死点の位置に存する状態、（ｅ）は掃気２行程の中間においてピストン２４が上死点と下死点との中間位置に存する状態、（ｆ）は掃気２行程から吸気行程への移行時にピストン２４が上死点の位置に存する状態、（ｇ）は吸気行程の中間においてピストン２４が上死点と下死点との中間位置に存する状態をそれぞれ示している。

排気行程から掃気１行程への移行時にピストン２４が上死点の位置に存する（ｃ）の状態では、排気の運動エネルギによって吸気を促進するべく、吸気弁２７および排気弁２８が共に開くオーバーラップを設定している。ただし、このオーバーラップ時、排気圧力が必要以上に高いと、図示矢印のように、燃焼室２５内のガスが吸気弁２７を通って吸気管３１側に逆流することがある。こうなると、掃気１行程から掃気２行程への移行時にピストン２４が下死点の位置に存する（ｄ）の状態において、逆流したガスが新気と共に再び燃焼室２５に流入し、流入した新気がガスと混ざって高温の状態となる。

しかしながら、次の（ｅ）の状態では、排気弁２８が開いて吸気弁２７が閉じるので、燃焼室２５内の高温状態の空気およびガスは、排気弁２８を通って排出される。続く（ｆ）の状態で排気弁２８が閉じ、掃気終了となる。そして、続く（ｇ）の状態では、吸気弁２７が開いており、残留ガスのない燃焼室２５に新気と燃料との混合気が流入する。

このように、燃料噴射を伴わない吸気作用による掃気１行程と、排気作用による掃気２行程とを有することにより、たとえ吸気弁２７および排気弁２８がオーバーラップして開く（ｃ）の状態でガスが吸気管３１側に逆流し、その逆流分のガスが燃焼室２５に流入したとしても、その流入したガスを燃焼室２５から一掃することができる。

とくに、掃気２行程から吸気行程への移行に際して先ず排気弁２８が閉じ、吸気行程に移行した後で吸気弁２７が開くことにより、掃気２行程から吸気行程への移行時は吸気弁２７および排気弁２８が共に閉じるいわゆるネガティブ・オーバーラップが設定された状態にある。したがって、掃気２行程における排気圧力が必要以上に高くなったとしても、掃気２行程において燃焼室２５内のガスが吸気管３１側に逆流することはなく、次の吸気行程において混合気（新気＋燃料）のみが燃焼室２５に流入する。すなわち、燃焼室２５内のガスを確実に一掃した状態で吸気行程に移行することができる。

燃焼室２５内のガスを確実に一掃できるので、吸気行程において燃焼室２５に充填される混合気（新気＋燃料）の不要な温度上昇を防ぐことができる。よって、爆発行程における燃焼の緩慢化を防ぐことができ、ノッキングが生じ難くなる。ノッキングが生じ難くなれば、圧縮比を高く設定することが可能となり、燃費の低減に貢献できる。

［変形例］
上記実施形態では、吸気管３１内に燃料を噴射する吸気管内噴射インジェクタを有するエンジンを例に説明したが、燃焼室２５内に直接的に燃料を噴射する筒内噴射インジェクタを有するエンジンでも、また吸気管内噴射インジェクタおよび筒内噴射インジェクタの両方を有するエンジンであっても、同様に実施可能である。

その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…内燃機関、２０…本体、２１…シリンダブロック、２２…シリンダブロック、２３…シリンダ、２４…ピストン、２５…燃焼室、３１…吸気管、３６…吸気管内噴射インジェクタ、５０…ＥＣＵ（制御部）、６０…クランクシャフト、６１…コンロッド

Claims (4)

1. 吸気弁および排気弁の閉による圧縮行程と、吸気弁および排気弁の閉による爆発行程と、吸気弁の閉および排気弁の開による排気行程と、吸気弁の開および排気弁の閉による第１掃気行程と、吸気弁の閉および排気弁の開による第２掃気行程と、吸気弁の開および排気弁の閉による吸気行程とを繰り返す６ストローク運転の機能を有する内燃機関において、
   前記第２掃気行程から前記吸気行程への移行前に前記排気弁を閉じ、その吸気行程への移行後に前記吸気弁を開く制御手段、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 気筒内で往復動し同気筒内に容積可変の燃焼室を形成するピストン、
   を備え、
   前記吸気弁は、前記燃焼室に臨む吸気ポートを開閉し、
   前記排気弁は、前記燃焼室に臨む排気ポートを開閉する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記ピストンは、前記圧縮行程において下死点から上死点へ復動し、前記爆発行程において上死点から下死点へ往動し、前記排気行程において下死点から上死点へ復動し、前記第１掃気行程において上死点から下死点へ往動し、前記第２掃気行程において下死点から上死点へ復動し、前記吸気行程において上死点から下死点へ往動する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記制御手段は、前記第２掃気行程から前記吸気行程への移行に際し前記ピストンが上死点に至る前に前記排気弁を閉じ、その吸気行程において前記ピストンが上死点を経た後で前記吸気弁を開く、
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。

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