JP2015017554A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内に残っている高温の残留ガスを効率的に掃気し、ノッキングをより確実に抑制する。【解決手段】混合気を燃焼室３に導く複数の吸気ポート１１，１２と、燃焼室３からの排気を外部に排出する排気ポート２１と、複数の吸気ポート１１，１２をそれぞれ開閉する吸気弁１５，１６と、排気ポート２１を開閉する排気弁２２と、吸気弁１５，１６と排気弁２２の開弁期間にオーバーラップ期間を設定する制御手段１０とを備えた内燃機関において、複数の吸気ポート１１，１２のうち少なくとも１つが排気ポート２１を指向する配置としたのである。排気ポート２１を指向する吸気ポート１１からの新気が残留ガスを効率よく排気ポート２１へ向かって押し出して掃気し、ノッキングをより確実に抑制する。【選択図】図１

Description

この発明は、高い圧縮比が設定された条件下でノッキングを確実に抑制できる内燃機関に関する。

ガソリンエンジンでは、従来から、圧縮比を１０〜１２程度に設定するのが一般的である。しかし、近年では、圧縮比をさらに高めることにより熱効率を改善し、燃費の向上を図る高圧縮比エンジンの開発が進められている。

高圧縮比エンジンでは、圧縮比を従来よりも高く設定することにより、従来よりもノッキングが発生しやすくなるという問題がある。ノッキングは、燃料と空気との混合気が燃焼過程で高温高圧になった際に、正常な燃焼が起こる前に、未燃焼混合気（エンドガス）に自然着火してしまうことに起因する。
この自然着火を防止するためには、排気されないまま燃焼室内に残っている高温の燃焼ガス（以下、残留ガスと称する。）を効率的に掃気し、燃焼室内の温度を低減することが有効である。

例えば、特許文献１では、ノッキングの発生要因である残留ガスを低減するために、排気ポートを開閉する排気弁と吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁期間にオーバーラップ期間を設定している。また、吸気ポートを二股に分岐させて、各吸気ポートの吸気弁間に開閉時期の位相差を設けている。

オーバーラップ期間の初期段階において、一方の吸気ポートの吸気弁を開弁させ、その後、他方の吸気ポートの吸気弁を開弁させるようにし、吸気ポート内における燃料噴射弁の噴射方向を、遅れて開く他方の吸気ポート側に指向させている。これにより、一方の吸気ポートの吸気弁が開弁した際、燃焼室に新気のみが供給されるので、排気ポートへの未燃焼ガスの吹き抜けを防止し、その新気により残留ガスを効率よく掃気している。

特開２００５−８３２８５号公報

上記特許文献１によれば、燃焼室内における気流の状態によっては、先に開弁する吸気ポートからの新気が、残留ガスを効率よく掃気できない場合もある。燃焼室内においては、随時、複雑な気流が生じており、導入した新気が燃焼室内で直接排気ポートへ向かわず、残留ガスを排気ポートへ向かって効率的に押し出すことができない場合もあるからである。

そこで、この発明の課題は、燃焼室内に残っている高温の残留ガスを効率的に掃気し、ノッキングをより確実に抑制することである。

上記の課題を解決するために、この発明は、混合気を燃焼室に導く複数の吸気ポートと、前記燃焼室からの排気を外部に排出する排気ポートと、複数の前記吸気ポートにそれぞれ設けられ前記吸気ポートを開閉する吸気弁と、前記排気ポートを開閉する排気弁と、前記吸気弁と前記排気弁の開弁期間にオーバーラップ期間を設定する制御手段とを備えた内燃機関において、複数の前記吸気ポートのうち少なくとも１つは、前記排気ポートを指向して配置した構成を採用したのである。

ここで、吸気ポートが排気ポートを指向するとは、その吸気ポートが燃焼室に臨む部分の流路の中心線の延長線上に、排気ポートの燃焼室に臨む部分の開口が位置していることを意味する。特に、前記排気ポートを指向する吸気ポートの流路の中心線と、前記排気ポートの流路の中心線とが同一直線上に配置されていることが望ましい。

また、前記排気ポートを指向する吸気ポートの吸気弁の開弁時期は、他の吸気ポートの吸気弁の開弁時期よりも早く、すなわち、進角されていることが望ましい。

さらに、前記他の吸気ポートの吸気弁の開弁時期は、前記オーバーラップ期間の終了時又はその終了後に設定されていることが望ましい。

また、前記他の吸気ポートは、気筒の筒軸に対して傾斜する方向に配置されていることが望ましい。

この発明によれば、吸気弁と排気弁の開弁期間にオーバーラップ期間を設定し、複数の吸気ポートのうち少なくとも１つを排気ポートに指向させたので、排気ポートを指向する吸気ポートからの新気が残留ガスを効率よく排気ポートへ向かって押し出し、掃気できる。このため、ノッキングをより確実に抑制することができる。

この発明の一実施形態を示し、先に一方の吸気弁が開弁した状態を示す要部拡大図である。 同実施形態を示し、一方の吸気弁に続いて他方の吸気弁が開弁した状態を示す要部拡大図である。 （ａ）は図１に対応する平面図、（ｂ）は図２に対応する平面図である。 同実施形態の変形例を示し、（ａ）は先に一方の吸気弁が開弁した状態を示す平面図、（ｂ）は一方の吸気弁に続いて他方の吸気弁が開弁した状態を示す平面図である。 吸気弁と排気弁の開閉時期を示す説明図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態の内燃機関は、例えば、自動車用の４サイクルガソリンエンジンであり、図１及び図２に、このエンジン１の側面図を示す。図３（ａ）（ｂ）は、図１及び図２に対応する平面図である。これらの図面では、この発明に直接関係する部材のみを示し、他の部材については図示省略している。

図１に示すように、エンジン１のシリンダ２内にはピストン４が収容されている。シリンダ２の内壁面、及び、ピストン４の上面等により燃焼室３が形成されている。また、シリンダ２には、混合気を燃焼室３に導く２つの吸気ポート１１，１２、燃焼室３からの排気を送り出す２つの排気ポート２１，２１、及び、シリンダヘッド側からシリンダの軸線、すなわち、気筒の筒軸方向に沿って下向きに配置された点火プラグ５等が備えられている。

尚、図面では、一つのシリンダ２のみを示しているが、エンジン１は、単気筒であってもよいし、複数のシリンダ２を備えた多気筒であってもよい。

２つの吸気ポート１１，１２内に、それぞれ、流路内の吸入空気に燃料を噴射するインジェクタ１３，１４が備えられている。

複数の吸気ポート１１，１２のうち、一方の吸気ポート１１は、シリンダ２の筒軸方向に対して側面視直交する方向に配置されている。すなわち、シリンダ２の軸線方向を上下方向に配置した場合、一方の吸気ポート１１の流路の中心線は水平方向である。以下、この一方の吸気ポート１１を第一の吸気ポート１１と称する。

また、複数の吸気ポート１１，１２のうち、他方の吸気ポート１２は、シリンダ２の筒軸に対して傾斜する方向に配置されている。すなわち、シリンダ２の軸線方向を上下方向に配置した場合、他方の吸気ポート１２の流路の中心線は、ピストンヘッド側からピストン側へ向かって徐々に燃焼室３の中心側へ向かって下り勾配に傾斜する方向である。以下、この他方の吸気ポート１２を第二の吸気ポート１２と称する。

第一の吸気ポート１１の燃焼室３へ臨む開口には、第一の吸気ポート１１の流路を開閉する第一吸気弁１５が設けられている。また、第二の吸気ポート１２の燃焼室３へ臨む開口には、第二の吸気ポート１２の流路を開閉する第二吸気弁１６が設けられている。

２つの排気ポート２１，２１は、シリンダ２の筒軸方向に対して側面視直交する方向に配置されている。すなわち、第一の吸気ポート１１と同様、シリンダ２の軸線方向を上下方向に配置した場合、各排気ポート２１，２１の流路の中心線は水平方向である。

２つの排気ポート２１，２１の燃焼室３へ臨む開口には、それぞれ排気ポート２１の流路を開閉する排気弁２２が設けられている。

第一の吸気ポート１１は、一方の排気ポート２１を指向して配置されている。すなわち、第一の吸気ポート１１が燃焼室３に臨む部分の流路の中心線の延長線上に、一方の排気ポート２１の燃焼室３に臨む部分の開口が位置している。この実施形態では、一方の排気ポート２１を指向する第一の吸気ポート１１の流路の中心線と、一方の排気ポート２１の流路の中心線とが同一直線上になるように配置されている。

このエンジン１の制御装置及び制御方法について説明する。前述の第一吸気弁１５、第二吸気弁１６や排気ポート２１の排気弁２２、点火プラグ５、インジェクタ１３，１４、その他エンジンの動作に必要な機器は、それぞれケーブルを通じて、電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）のコンピュータに備えられた制御手段１０によって制御される。この実施形態では、電子制御ユニットのコンピュータの一部を、エンジンの制御手段１０として用いている。

制御手段１０は、第一の吸気ポート１１の吸気弁１５と、第二の吸気ポート１２の吸気弁１６との間に位相差を設けている。すなわち、図５に示すように、第一の吸気ポート１１の第一吸気弁１５の開弁時期は、第二の吸気ポート１２の第二吸気弁１６の開弁時期よりも進角している。なお、第一吸気弁１５の閉弁時期は、第二吸気弁１６の閉弁時期と同時としているが、第一吸気弁１５の閉弁時期を、第二吸気弁１６の閉弁時期よりも進角させてもよい。

制御手段１０は、２つの排気ポート２１，２１の各排気弁２２，２２の開閉時期を同時としている。すなわち、図５に示すように、２つの排気ポート２１，２１の排気弁２２，２２の開弁時期は同じであり、また、閉弁時期も同じである。

また、制御手段１０は、排気ポート２１，２１の排気弁２２の開弁期間と、第一の吸気ポート１１の第一の吸気弁１５の開弁期間にオーバーラップ期間を設定している。すなわち、図５に示すように、第一吸気弁１５の開弁時期は、２つの排気ポート２１の排気弁２２の閉弁時期よりも進角している。

排気行程において、各排気ポート２１，２１の排気弁２２，２２が閉じられようとする際、各排気弁２２，２２の閉弁前に、第一吸気弁１５が開弁を開始するので、オーバーラップ期間が開始する。

ここで、第一の吸気ポート１１は排気ポート２１を指向しているので、第一吸気弁１５が開弁した際、第一の吸気ポート１１から導入される吸入空気が、燃焼室３内に残る燃焼ガスを排気ポート２１へ向かって効率的に押し出すことができる。これにより、効率的な掃気が可能である。第一吸気弁１５と排気弁２２の開弁期間にオーバーラップ期間を設定し、且つ、第一の吸気ポート１１を排気ポート２１に指向させたので、このような効果が期待できる。

また、オーバーラップ期間中、第一の吸気ポート１１の第一インジェクタ１３が燃料噴射を行えば、第一の吸気ポート１１から燃焼室３へは空気と燃料との混合気が導入されるが、ここで、オーバーラップ期間中の第一インジェクタ１３からの燃料噴射を停止してもよい。これにより、排気ポート２１への未燃焼ガスの吹き抜けを防止することができる。

その後、オーバーラップ期間の終了と同時に、第二の吸気ポート１２の第二吸気弁１６が開弁する。ここで、第一の吸気ポート１１の第一インジェクタ１３、及び、第二の吸気ポート１２の第二インジェクタ１４がともに燃料噴射を行い、第一の吸気ポート１１、及び、第二の吸気ポート１２のそれぞれから燃焼室３内へ混合気が導入される。

ここで、第二の吸気ポート１２は燃焼室３に向かって下り勾配であるので、燃焼室３内に発生するスワール流やタンブル流を強化することができる。これにより、燃焼室３内の残留ガスを掃気した後に、混合気を燃焼室内に取り込みながら筒内流動を強化し、火炎の伝播を円滑化することができる。

図４に他の実施形態を示す。この実施形態は、先に開く第一の吸気ポート１１の第一インジェクタ１３の設置を省略したものである。オーバーラップ期間中、第一の吸気ポート１１から燃焼室３へは燃料を含まない新気が導入されるので、排気ポート２１への未燃焼ガスの吹き抜けを防止することができる。

上記実施形態では、第一吸気弁１５と第二吸気弁１６のうち、第一吸気弁１５と排気弁２２との間にのみオーバーラップ期間を設定したが、それに加えて、第二吸気弁１６と排気弁２２との間にもオーバーラップ期間を設定してもよい。すなわち、第二吸気弁１６の開弁時期を、オーバーラップ期間の終了時よりも進角させてもよい。また、所定量の燃料の供給が確保される限りにおいて、第二吸気弁１６の開弁時期を、オーバーラップ期間の終了時よりも遅角させてもよい。

上記の実施形態では、第一の吸気ポート１１、第二の吸気ポート１２、２つの排気ポート２１は、それらの各ポート１１，１２，２１が燃焼室３に臨む部分において、いずれも流路の中心線を直線状としている。ここで、燃焼室３に臨む部分の流路が曲線状になっている内燃機関を採用することもできる。
この場合、第一の吸気ポート１１の燃焼室３に臨む部分の流路の中心線の延長線上に、排気ポート２１の燃焼室３に臨む部分の開口が位置する。燃焼室３に臨む部分の流路の中心線とは、燃焼室３への開口近傍における流路の中心線の接線方向である。この接線方向の延長線上に排気ポート２１の開口が位置すれば、第一の吸気ポート１１が排気ポート２１を指向することとなり、残留ガスの円滑な掃気が期待できる。
ここで、第一の吸気ポート１１の燃焼室３に臨む部分の流路の中心線（前記接線方向）と、排気ポート２１の燃焼室３に臨む部分の流路の中心線（前記接線方向）とが、同一直線上になるように配置されていることが望ましい。

この発明は、吸気ポートを複数備え、そのうち少なくとも一つの吸気ポートが排気ポートを指向していればよく、１気筒当たりの吸気ポート、排気ポートの数は、エンジンの仕様に応じて自由に設定できる。例えば、排気ポートを気筒毎に１つとしてもよい。また、吸気ポートを気筒毎に３つとしてもよい。１気筒当たり３つの吸気ポートを配置する場合、その３つの吸気ポートのうち１つ又は２つの吸気ポートが排気ポートを指向していればよい。

１ エンジン
２ シリンダ
３ 燃焼室
４ ピストン
５ 点火プラグ
１０ 制御手段
１１ 第一の吸気ポート
１２ 第二の吸気ポート
１３ 第一イネジェクタ
１４ 第二インジェクタ
１５ 第一吸気弁
１６ 第二吸気弁
２１ 排気ポート
２２ 排気弁

Claims (5)

1. 混合気を燃焼室に導く複数の吸気ポートと、
   前記燃焼室からの排気を外部に排出する排気ポートと、
   複数の前記吸気ポートにそれぞれ設けられ前記吸気ポートを開閉する吸気弁と、
   前記排気ポートを開閉する排気弁と、
   前記吸気弁と前記排気弁の開弁期間にオーバーラップ期間を設定する制御手段とを備え、
   複数の前記吸気ポートのうち少なくとも１つは、前記排気ポートを指向して配置されていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記排気ポートを指向する吸気ポートの流路の中心線と、前記排気ポートの流路の中心線とが同一直線上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記排気ポートを指向する吸気ポートの吸気弁の開弁時期は、他の吸気ポートの吸気弁の開弁時期よりも早く設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記他の吸気ポートの吸気弁の開弁時期は、前記オーバーラップ期間の終了時又はその終了後に設定されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関。
5. 前記他の吸気ポートは、気筒の筒軸に対して傾斜する方向に配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関。

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