JP2015190336A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関に関し、エンジン回転数に依らずに、点火時のプラグ部流速を適正な範囲内に維持しながらタンブル比を維持することを目的とする。
【解決手段】燃焼室１２の上壁面の中央部付近に配置された点火プラグ１４と、仕切り壁３４によって上下に区画された吸気ポート２２と、中央部位２４ｂと周辺部位２４ａ、２４ｃとを有する弁体を備えて通路２２ａ、２２ｃの一方を開閉するＴＣＶ２４とを備える。第１開度範囲（θ０〜θ１）に関しては、ＴＣＶ開度θの上昇に対し、中央部位２４ｂと吸気ポート壁面との隙間は大きくなるが周辺部位２４ａ等と吸気ポート壁面との隙間は変化せず、第２開度範囲（θ＞θ１）に関しては、ＴＣＶ開度θの上昇に対し、中央部位２４ｂだけでなく周辺部位２４ａ等と吸気ポート壁面との隙間も大きくなる。エンジン回転数領域ＮＥ１では第１開度範囲を利用してエンジン回転数が高いほどＴＣＶ開度θを大きくする。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関に係り、特に、タンブル流を生成可能な火花点火式内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１には、タンブル流を生成可能な内燃機関が開示されている。より具体的には、この従来の内燃機関では、吸気ポート内に吸気の流れ方向に沿って仕切り壁が設けられることで、吸気ポートの内部が排気側（燃焼室中心側）および吸気側（燃焼室中心側と反対側）の一対の通路に区画されている。そして、当該一対の通路の片方を開閉するタンブルコントロールバルブが備えられている。

特開２００４−２４５２０４号公報 特許第５１９６０３０号公報 特開平０９−０４１９７９号公報

ところで、タンブルコントロールバルブにより制御されるタンブル流のタンブル比は、エンジン回転数に依らずに略一定に制御されることが望ましい。その理由は次の通りである。すなわち、タンブル比を一定にできれば、エンジン回転数の増加に比例して筒内ガスの乱れが増加し、また、乱れに比例して燃焼速度が高くなる。その結果、エンジン回転数に依らずに燃焼期間を一定に維持し易くすることができるため、エンジン回転数に関係なく燃焼安定性（また、希薄燃焼運転時には希薄燃焼限界）を同等とすることができる。これにより、内燃機関の各種運転パラメータの適合が容易となる。

また、点火時における点火プラグの周囲のガス流速（以下、「プラグ部流速」と称する）は、基本的にはエンジン回転数に比例して増加するものである。エンジン回転数が低いときに点火時のプラグ部流速が低くなりすぎると、点火プラグの放電火花が伸びにくいために着火不良が生ずるおそれがある。一方、エンジン回転数が高いときに点火時のプラグ部流速が高すぎると、放電火花の吹き消えおよびそれに伴う燃焼悪化が発生するおそれがある。したがって、安定した着火を実現するためには、エンジン回転数に依らずにプラグ部流速が適正な範囲内に収まっていることが望ましい。

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、エンジン回転数に依らずに、点火時のプラグ部流速を適正な範囲内に維持しながらタンブル比を維持することの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、内燃機関であって、
燃焼室の上壁面の中央部付近に配置され混合気に点火するための点火プラグと、
内部を流れる吸気の流れ方向に延びるように設けられた仕切り壁によって、燃焼室中心側の通路と当該燃焼室中心側と反対側の通路とからなる一対の通路に区画された部位を有する吸気ポートと、
前記吸気の流れ方向において前記点火プラグの上流側に位置する中央部位と、当該中央部位の両隣に位置する周辺部位とを有する弁体を備え、前記燃焼室中心側の通路および前記反対側の通路のうちの一方を開閉するタンブルコントロールバルブと、
を備え、
前記吸気ポートおよび前記タンブルコントロールバルブは、
最も閉じたときの開度から所定開度までの前記タンブルコントロールバルブの第１開度範囲に関しては、前記タンブルコントロールバルブの開度が大きくなるほど、前記中央部位と前記吸気ポートの壁面との隙間は大きくなり、一方、前記周辺部位と前記吸気ポートの壁面との隙間は変化しないように構成され、かつ、
前記所定開度よりも大きい側の前記タンブルコントロールバルブの第２開度範囲に関しては、前記タンブルコントロールバルブの開度が大きくなるほど、前記中央部位と前記吸気ポートの壁面との隙間は大きくなり、かつ、前記周辺部位と前記吸気ポートの壁面との隙間も大きくなるように構成されており、
所定のエンジン回転数領域において、前記第１開度範囲を利用してエンジン回転数が高いほど前記タンブルコントロールバルブの開度が大きくなるように当該タンブルコントロールバルブを制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、第１の発明で特定されたように構成された吸気ポートおよびタンブルコントロールバルブを用いて、所定のエンジン回転数領域において第１開度範囲を利用してエンジン回転数が高いほどタンブルコントロールバルブの開度が大きくなるように当該タンブルコントロールバルブが制御される。これにより、上記エンジン回転数領域においてエンジン回転数が上昇しても、タンブル比を維持しつつ、エンジン回転数の上昇に伴う点火時のプラグ部流速を抑制することができる。これにより、エンジン回転数に依らずに、点火時のプラグ部流速を適正な範囲内に維持しながらタンブル比を維持することが可能となる。

本発明の実施の形態１における内燃機関の燃焼室周りの構成を模式的に表した図である。 吸気ポートおよびＴＣＶの構成について説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 ＴＣＶ開度マップの設定を表した図である。 ＴＣＶ開度θと筒内のタンブル比（∝筒内ガスの乱れ、プラグ部流速）との関係を表した図である。 本発明の実施の形態１のＴＣＶ開度制御の効果を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。実施の形態では、本発明を点火プラグを有する自動車用の火花点火式内燃機関、より詳しくは、均質希薄燃焼による運転が可能な希薄燃焼内燃機関に適用する。希薄燃焼内燃機関には、希薄燃焼限界の拡大のために着火性の向上が求められている。このため、希薄燃焼内燃機関に本発明を適用することには意義がある。ただし、理論空燃比による運転を行う内燃機関に本発明を適用することは勿論可能であり、そのような内燃機関においても着火性の向上という共通の効果を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０の燃焼室１２周りの構成を模式的に表した図であり、燃焼室１２を上方から見下ろした気筒中心軸線方向の図である。内燃機関１０は、燃焼室１２の上壁面（シリンダヘッドの壁面）の中央部に、混合気に点火するための点火プラグ１４を備えている。また、内燃機関１０は、１つの気筒に対して、２つの吸気弁１６および２つの排気弁１８を備えている。より具体的には、隣り合うように配置された２つの吸気弁１６の反対側において（すなわち、点火プラグ１４を間に介して）隣り合うように２つの排気弁１８が配置されている。また、内燃機関１０では、気筒中心軸線方向から見て燃焼室１２を吸気側と排気側とに分けるようにクランク軸２０が延在している。

燃焼室１２には、２つの吸気弁１６によってそれぞれ開閉される２つの開口を有する吸気ポート２２が接続されている。吸気ポート２２は、気筒中心軸線方向から見てクランク軸２０の軸線方向（エンジン前後方向）と直交する方向に延びるように形成されている。吸気ポート２２の途中には、タンブル流（縦渦流）のタンブル比（タンブル流の角速度／エンジン回転数）を調整するためのタンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）２４が配置されている。また、内燃機関１０には、ＴＣＶ２４等の内燃機関１０を制御するための各種アクチュエータを制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit）２６が備えられている。ＥＣＵ２６には、内燃機関１０の吸入空気量を取得するためのエアフローメーター２８、およびエンジン回転数を取得するためのクランク角センサ３０等の内燃機関１０の運転状態を検知するための各種センサが電気的に接続されている。また、ＥＣＵ２６には、内燃機関１０を搭載する車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検知するためのアクセルポジションセンサ３２が電気的に接続されている。

以下、図２を加えて、吸気ポート２２およびＴＣＶ２４の構成について説明する。図２（Ａ）は、吸気ポート２２内の吸気の流れの上流側から吸気ポート２２およびＴＣＶ２４を見た図である。図２（Ａ）では吸気ポート２２の断面形状を模式的に略長方形として表現している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中のｂ−ｂ線断面図であり、図２（Ｃ）は図２（Ａ）中のａ−ａ線（ｃ−ｃ線も同じ）断面図である。図２は、ＴＣＶ開度θが全閉開度θ０に制御されている時の図である。

図２に示すように、吸気ポート２２は、内部を流れる吸気の流れ方向（かつクランク軸２０の軸線方向（エンジン前後方向））に延びるように設けられた仕切り壁３４によって、燃焼室中心側の通路２２ａと当該燃焼室中心側と反対側の通路２２ｂとからなる一対の通路に区画された部位を有している。図１に示すように、吸気ポート２２はＴＣＶ２４よりも下流側の部位において二股状に分岐しており、したがって、仕切り壁３４によって区画された部位は、分岐後の部位にまで及んでいる。

図２に示す例では、ＴＣＶ２４は、一例として、仕切り壁３４における吸気の流れの上流側の端部に配置されており、燃焼室中心側の通路２２ａを開閉する。ＴＣＶ２４によって一方の通路２２ａが完全に閉じられたり、あるいは通路２２ａの通路断面積が縮小されると、もう一方の通路２２ｂを流れる吸気の流量が増加する。その結果、通路２２ｂ側から筒内に流入する吸気の流量が割合が増加することで、図２（Ｂ）に示すように、筒内にタンブル流を生成することができる。なお、ＴＣＶ２４は、もう一方の通路２２ｂを開閉するものであってもよい。これにより、図２（Ｂ）に示す向きと逆向きのタンブル流を生成することができる。また、ＴＣＶ開度θを調整することで、タンブル流の強さ（タンブル比）と吸気ポート２２の流量係数を可変とすることができる。

また、ＴＣＶ２４の弁体は、図２（Ａ）に示すように、吸気の流れ方向において点火プラグ１４の上流側に位置する中央部位２４ｂと、エンジン前後方向における当該中央部位２４ｂの両隣に位置する周辺部位２４ａ、２４ｃとを有している。ＴＣＶ２４は、仕切り壁３４の端部に設けられた一本の回転軸２４ｄを中心として弁体が回転するように構成されている。

図２に示すように、ＴＣＶ２４の弁体は、中央部位２４ｂよりも周辺部位２４ａ、２４ｃの方が高くなるように形成されている。そして、このような弁体形状のＴＣＶ２４が回転したときに吸気ポート壁面との干渉を避けられるようにするために、周辺部位２４ａ、２４ｃに隣接する吸気ポート壁面は、中央部位２４ｂと比べて吸気ポート壁面の外周方向に隆起した隆起部２２ａｃとして形成されている。この隆起部２２ａｃは、周辺部位２４ａ、２４ｃと吸気ポート壁面との隙間が一定となるように形成されている。隆起部２２ａｃの端部まで開いた際のＴＣＶ開度θをここでは「所定開度θ１」と称する。

上記構成によれば、最も閉じたときの開度（この例では全閉開度）θ０から所定開度θ１までのＴＣＶ２４の第１開度範囲に関しては、ＴＣＶ開度θが大きくなるほど、中央部位２４ｂと吸気ポート壁面との隙間は大きくなり、一方、周辺部位２４ａ、２４ｃと隆起部２２ａｃの吸気ポート壁面との隙間はＴＣＶ開度θに応じて変化しない。さらに、本構成によれば、所定開度θ１よりも大きい側のＴＣＶ２４の第２開度範囲に関しては、ＴＣＶ開度θが大きくなるほど、中央部位２４ｂと吸気ポート壁面との隙間は大きくなり、かつ、周辺部位２４ａ、２４ｃと吸気ポート壁面との隙間も大きくなる。

タンブル比と吸気ポート２２の流量係数とを可変とするために吸気ポート２２にＴＣＶ２４を備える内燃機関１０では、基本的に、強いタンブル流を必要とする燃焼状態（例えば、希薄燃焼運転時、大量のＥＧＲガスの導入時）のときにＴＣＶ２４を閉じ、高い流量係数を必要とする燃焼状態（例えば、全負荷運転時）のときにＴＣＶ２４を開くこととしている。

ここで、ＴＣＶを閉状態とする時の内燃機関には、次のような要求がある。すなわち、（１）ＴＣＶにより制御されるタンブル流のタンブル比は、エンジン回転数に依らずに略一定に制御することが望ましい。その理由は次の通りである。すなわち、タンブル比を一定にできれば、エンジン回転数の増加に比例して筒内ガスの乱れが増加し、また、乱れに比例して燃焼速度が高くなる。その結果、エンジン回転数に依らずに燃焼期間を一定に維持し易くすることができるため、エンジン回転数に関係なく燃焼安定性（また、希薄燃焼運転時には希薄燃焼限界）を同等とすることができる。これにより、内燃機関の各種運転パラメータの適合が容易となる。一方、点火時における点火プラグの周囲のガス流速（以下、「プラグ部流速」と称する）は、基本的にはエンジン回転数に比例して増加するものである。エンジン回転数が低いときに点火時のプラグ部流速が低くなりすぎると、点火プラグの放電火花が伸びにくいために着火不良が生ずるおそれがある。一方、エンジン回転数が高いときに点火時のプラグ部流速が高すぎると、放電火花の吹き消えおよびそれに伴う燃焼悪化が発生するおそれがある。したがって、安定した着火を実現するためには、（２）エンジン回転数に依らずにプラグ部流速が適正な範囲内に収まっていることが望ましい。これらの要求に対し、一般的なＴＣＶ（吸気ポートの一部（仕切り壁により区画された一対の通路の片方）を単に閉塞するもの）が用いられている場合、上記（１）の要求は満足することができる（エンジン回転数が高くなるとタンブル流速（タンブル流の角速度）が高くなるため）。しかしながら、（２）の要求については満足することができず、エンジン回転数の増加に伴って適正な範囲を超えてプラグ部流速が高くなってしまう場合がある。

そこで、本実施形態では、図２に示すように構成された吸気ポート２２およびＴＣＶ２４を利用して、次のようなＴＣＶ開度制御を行うこととした。すなわち、強いタンブル流が要求される所定のエンジン回転数領域のうちの高回転側の所定のエンジン回転数領域ＮＥ１において、上記第１開度範囲を利用してエンジン回転数が高いほどＴＣＶ開度θが大きくなるようにＴＣＶ２４を制御することとした。

図３は、本発明の実施の形態１におけるＴＣＶ開度制御を実現するためにＥＣＵ２６が実行するルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

図３に示すルーチンでは、ＥＣＵ２６は、ステップ１００においてエンジン回転数を読み込む。次いで、ＥＣＵ２６は、ステップ１０２に進み、アクセル開度を読み込む。次いで、ステップ１０４では、ＥＣＵ２６は、アクセル開度に基づいてエンジン負荷率を算出する。

次に、ＥＣＵ２６は、ステップ１０６に進み、エンジン回転数とエンジン負荷率とに基づいて目標とするＴＣＶ開度θを定めたＴＣＶ開度マップを利用して、ＴＣＶ開度を読み込む。図４は、ＴＣＶ開度マップの設定を表した図である。ＥＣＵ２６は、図４に示すようなＴＣＶマップを記憶している。図４におけるエンジン回転数領域ＮＥ１の上限までのエンジン回転数領域が強いタンブル流を必要とするエンジン回転数領域である。図４に示すＴＣＶマップによれば、当該エンジン回転数領域内の低回転側の低回転領域では、ＴＣＶ開度θは全閉開度（θ０）に設定されている。そして、当該低回転領域よりも高回転側のエンジン回転数領域ＮＥ１においては、エンジン回転数が高いほどＴＣＶ開度θが所定開度θ１に向けて大きくなるように設定されている。また、当該エンジン回転数領域ＮＥ１よりも高回転側のエンジン回転数領域、すなわち、吸気ポート２２の高い流量係数を必要とするエンジン回転数領域では、ＴＣＶ開度θは全開開度に設定されている。次いで、ＥＣＵ２６は、ステップ１０８に進み、取得されたＴＣＶ開度θとなるようにＴＣＶ２４を制御する。

図５は、ＴＣＶ開度θと筒内のタンブル比（∝筒内ガスの乱れ、プラグ部流速）との関係を表した図である。なお、エンジン回転数が一定であるとした時の図である。図５中の「筒内の中央のタンブル比」とは、吸気ポート２２の中央部位を通過して筒内に流入したガスの流れ（図１中のガス流れＢ）に関するものであり、「筒内のエンジン前後方向のタンブル比」とは、吸気ポート２２の中央部位の両隣の周辺部位を通過して筒内に流入したガスの流れ（図１中のガス流れＡ、Ｃ）に関するものである。

上述した構成の吸気ポート２２およびＴＣＶ２４を備えていることで、図５に示す特性が得られるようになる。すなわち、点火プラグ１４の周りを流れることでプラグ部流速と比例関係にある筒内の中央のタンブル比は、全開開度から全閉開度（θ０）に向けてＴＣＶ２４を閉じていくにしたがって一律に高くなっていく。これに対し、筒内ガスの乱れと比例関係にある筒内のエンジン前後方向のタンブル比は、全開開度から所定開度θ１までの第２開度範囲では中央側と同様にＴＣＶ開度θの縮小に伴って一律に高くなっていくが、所定開度θ１から全閉開度（θ０）までの第１開度範囲（つまり、隆起部２２ａｃの通過時）ではＴＣＶ開度θの変化に対して変化を示さなくなる。このように、本実施形態の構成によれば、吸気ポートおよびＴＣＶの簡易な形状変更しか必要とせずに、第１開度範囲において、（筒内ガスの乱れと比例関係にある）タンブル比を略一定としつつ、プラグ部流速を可変とすることが可能となる。

図６は、本発明の実施の形態１のＴＣＶ開度制御の効果を説明するための図である。図６に示すように、上述した構成の吸気ポート２２およびＴＣＶ２４を利用したＴＣＶ開度制御によれば、強いタンブル流が要求されるエンジン回転数領域の中での高回転側の領域に相当するエンジン回転数領域ＮＥ１において、エンジン回転数に依らずにタンブル比を一定としながら点火時のプラグ部流速を適正な範囲内に収めることが可能となる。

より具体的には、エンジン回転数領域ＮＥ１よりも低回転側の低回転領域では、ＴＣＶ開度θが全閉開度（θ０）で維持される。これにより、タンブル比を一定としながら、エンジン回転数の上昇に伴ってプラグ部流速を高めることができる。そして、エンジン回転数領域ＮＥ１、すなわち、エンジン回転数の上昇に伴うプラグ部流速の増大をそのまま許容するとプラグ部流速が適正な範囲を超えてしまうエンジン回転数領域では、エンジン回転数の上昇にしたがって所定開度θ１に向けて徐々にＴＣＶ開度θが拡大される。上述したように、第１開度範囲（θ０〜θ１）では、ＴＣＶ２４の周辺部位２４ａ、２４ｃが隆起部２２ａｃを通過するので、図３に示すようにエンジン回転数の変化に応じてタンブル比は変化しない。一方、中央部位２４ｂに関しては、第１開度範囲（θ０〜θ１）であってもＴＣＶ開度θが大きくなるにつれて吸気ポート壁面と中央部位２４ｂとの隙間が拡大していく。したがって、エンジン回転数の上昇に伴って第１開度範囲（θ０〜θ１）内でＴＣＶ開度θを大きくしていくことで、エンジン回転数の上昇に伴うプラグ部流速の増大の作用を、図５（Ｂ）に示す作用（ＴＣＶ開度θの拡大に伴うプラグ部流速の低下の作用）によって打ち消すようにすることができる。これにより、エンジン回転数領域ＮＥ１において、図３に示すように、タンブル比を一定としつつ、プラグ部流速をエンジン回転数に依らずに略一定に制御することが可能となる。

なお、上述した実施の形態１においては、エンジン回転数領域ＮＥ１が前記第１の発明における「所定のエンジン回転数領域」に相当しているとともに、ＥＣＵ２６が上記図３に示す制御ルーチンの一連の処理を実行することにより前記第１の発明における「制御手段」が実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 燃焼室
１４ 点火プラグ
１６ 吸気弁
１８ 排気弁
２０ クランク軸
２２ 吸気ポート
２２ａ 吸気ポート内の燃焼室中心側の通路
２２ａｃ 隆起部
２２ｂ 吸気ポート内の燃焼室中心側と反対側の通路
２４ タンブルコントロールバルブ（ＴＣＶ）
２４ａ ＴＣＶの周辺部位
２４ｂ ＴＣＶの中央部位
２４ｄ ＴＣＶの回転軸
２６ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
２８ エアフローメーター
３０ クランク角センサ
３２ アクセルポジションセンサ
３４ 仕切り壁

Claims (1)

1. 燃焼室の上壁面の中央部付近に配置され混合気に点火するための点火プラグと、
   内部を流れる吸気の流れ方向に延びるように設けられた仕切り壁によって、燃焼室中心側の通路と当該燃焼室中心側と反対側の通路とからなる一対の通路に区画された部位を有する吸気ポートと、
   前記吸気の流れ方向において前記点火プラグの上流側に位置する中央部位と、当該中央部位の両隣に位置する周辺部位とを有する弁体を備え、前記燃焼室中心側の通路および前記反対側の通路のうちの一方を開閉するタンブルコントロールバルブと、
   を備え、
   前記吸気ポートおよび前記タンブルコントロールバルブは、
   最も閉じたときの開度から所定開度までの前記タンブルコントロールバルブの第１開度範囲に関しては、前記タンブルコントロールバルブの開度が大きくなるほど、前記中央部位と前記吸気ポートの壁面との隙間は大きくなり、一方、前記周辺部位と前記吸気ポートの壁面との隙間は変化しないように構成され、かつ、
   前記所定開度よりも大きい側の前記タンブルコントロールバルブの第２開度範囲に関しては、前記タンブルコントロールバルブの開度が大きくなるほど、前記中央部位と前記吸気ポートの壁面との隙間は大きくなり、かつ、前記周辺部位と前記吸気ポートの壁面との隙間も大きくなるように構成されており、
   所定のエンジン回転数領域において、前記第１開度範囲を利用してエンジン回転数が高いほど前記タンブルコントロールバルブの開度が大きくなるように当該タンブルコントロールバルブを制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする内燃機関。

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