JP2016164374A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の潜熱によって気筒内の残存物の温度を低下させる効果を向上させることで、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼を防止する効果を向上させる。
【解決手段】ＥＧＲ運転において、排気上死点より前で第２排気弁７が閉じ第１排気弁６が開いているときに燃料を気筒２０内に噴射することで、気筒２０内の残存物が燃焼後ガスによって加熱される期間を短くすることができるとともに、気筒２０内を高温の状態で燃料の潜熱によって冷却することができる。気筒２０内の冷却用に噴射された燃料は、燃焼後の排気とともに第１排気通路２６へ排出されるが、吸気側に再循環させるＥＧＲによって、次サイクルでＥＧＲガスとともに気筒２０内に導入されて燃焼に用いられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、プレイグニッション（過早着火）やノッキング等の異常燃焼を防止する技術に関する。

この種の内燃機関の関連技術が下記特許文献１，２に開示されている。下記特許文献１では、吸気圧力と排気圧力を比較して吸気の排気側への吹き抜けの有無を判定し、吹き抜けが発生していないと判定された場合は、気筒内への燃料のプレ噴射を排気上死点近傍で行い、吹き抜けが発生していると判定された場合は、気筒内への燃料のプレ噴射を排気弁閉後に行う。燃料の潜熱によって気筒内のデポジットや煤やオイル液滴等の残存物の温度を低下させ、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼の発生を抑制している。また、下記特許文献２では、吸気行程中に気筒内への燃料噴射を複数回に分割して行うことで、燃料が気筒内壁に付着してオイルと混ざるオイル希釈を低減している。

特開２０１２−１４９５５２号公報 特開２００９−１２１４１６号公報

特許文献１において、吸気の排気側への吹き抜けが発生する条件では、気筒内の冷却用の燃料噴射を排気弁閉後に行うため、気筒内の残存物が燃焼後ガスによって加熱される期間が長くなり、燃料の潜熱によって気筒内の残存物の温度を低下させる効果が低下する。また、特許文献２のように、吸気行程中に燃料噴射を複数回に分割して行う場合は、気筒内に流入した吸気によって気筒内が既に冷却されて温度が低下しているため、燃料の潜熱によって気筒内の残存物の温度を低下させる効果が低下する。その結果、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼を防止する効果が低下する。

本発明に係る内燃機関は、燃料の潜熱によって気筒内の残存物の温度を低下させる効果を向上させることで、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼を防止する効果を向上させることを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る内燃機関は、第１排気弁と第２排気弁を備える内燃機関であって、排気を吸気側に再循環させる排気再循環運転において、排気上死点より前で第２排気弁が第１排気弁より先に閉じ、さらに、排気上死点より前で第２排気弁が閉じ第１排気弁が開いているときに、燃料を気筒内に噴射し、気筒内から排出された排気及び燃料を吸気側に再循環させることを要旨とする。

本発明の一態様では、前記排気再循環運転においては、燃料を気筒内に吸気行程でさらに噴射することが好適である。

本発明の一態様では、第１排気弁は、第１排気通路と気筒内との連通を開閉し、第２排気弁は、第２排気通路と気筒内との連通を開閉し、第１排気通路を第２排気通路と吸気通路のいずれかに連通させる制御弁をさらに備え、前記排気再循環運転において、制御弁は、第１排気通路を吸気通路に連通させることが好適である。

本発明の一態様では、内燃機関の高負荷運転時に前記排気再循環運転を行うことが好適である。

本発明によれば、排気再循環運転において、排気上死点より前で第２排気弁が閉じ第１排気弁が開いているときに、燃料を気筒内に噴射し、気筒内から排出された排気及び燃料を吸気側に再循環させることで、燃料の潜熱によって気筒内の残存物の温度を低下させる効果を向上させることができ、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼を防止する効果を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る内燃機関の構成例を示す図である。 ＥＧＲ運転を行う場合にクランク角と各弁４〜７のリフト長との関係を表すバルブリフト曲線の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の他の構成例を示す図である。 ＥＧＲ運転を行わない場合にクランク角と各弁４〜７のリフト長との関係を表すバルブリフト曲線の一例を示す図である。 ＥＧＲ運転を行う条件の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の他の構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の構成例を示す図である。内燃機関は、例えばガソリンエンジン等の火花点火式内燃機関により構成され、複数の気筒（シリンダ）２０を有する。図１は４気筒エンジンの例を示しているが、内燃機関の気筒数については任意である。

内燃機関の吸気通路２５には、エアクリーナ１とスロットル弁２が設けられている。内燃機関の排気通路は、第１及び第２排気通路２６，２７を有する。第１排気通路２６は、各気筒２０毎に対応して複数（図１の例では４つ）設けられている。各第１排気通路２６がＥＧＲ（排気再循環）通路２８に連通し、ＥＧＲ通路２８が吸気通路２５（エアクリーナ１より下流側でスロットル弁２より上流側の位置）に連通することで、各第１排気通路２６と吸気通路２５がＥＧＲ通路２８を介して連通する。ＥＧＲ通路２８にはＥＧＲクーラ１１が設けられている。第２排気通路２７は、各気筒２０毎に対応して設けられた複数（図１の例では４つ）の気筒別排気通路２７ａと、気筒別排気通路２７ａより下流側で合流する集合排気通路２７ｂとを有する。第１排気通路２７（集合排気通路２７ｂ）には、空燃比を検出するための空燃比センサ１０が設けられており、さらに、空燃比センサ１０より下流側の位置に排気浄化触媒９が設けられている。

各気筒２０には、吸気通路２５と気筒２０内との連通を開閉する吸気弁４，５と、第１排気通路２６と気筒２０内との連通を開閉する第１排気弁６と、第２排気通路２７（気筒別排気通路２７ａ）と気筒２０内との連通を開閉する第２排気弁７とが設けられている。さらに、各気筒２０には、燃料を気筒２０内に噴射する燃料噴射弁３と、気筒２０内の燃料と空気の混合気に火花点火する点火プラグ８とが設けられている。

吸気通路２５におけるエアクリーナ１及びスロットル弁２を通過した吸気（空気）は、吸気弁４，５が開いているときに気筒２０内に吸入される。気筒２０内では、燃料噴射弁３から噴射された燃料と空気の混合気が形成され、点火プラグ８の火花放電により混合気に火花点火することで混合気を火炎伝播燃焼させる。これによって、クランク軸を回転させる動力を発生させる。ただし、気筒２０内の混合気を圧縮自着火により燃焼させることも可能である。気筒２０内の燃焼後の排気は、第１排気弁６が開いているときに第１排気通路２６へ排出され、第２排気弁７が開いているときに第２排気通路２７へ排出される。第１排気通路２６に排出された排気は、ＥＧＲ通路２８を通ってＥＧＲクーラ１１で冷却されてから吸気通路２５（スロットル弁２より上流側の位置）へ供給されることで、排気を吸気側に再循環させるＥＧＲ（排気再循環）運転が行われる。第２排気通路２７に排出された排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等の有害成分は、排気浄化触媒９で浄化される。

第１排気通路２７（集合排気通路２７ｂ）を通過する排気の成分を基に気筒２０内の混合気の空燃比が空燃比センサ１０により検出され、空燃比センサ１０の検出値は電子制御装置（ＥＣＵ）４０に入力される。電子制御装置４０は、空燃比センサ１０の検出値を目標値（例えば理論空燃比）にするように燃料噴射弁３からの燃料噴射量を制御することで、気筒２０内の空燃比をフィードバック制御する。ただし、電子制御装置４０では、気筒２０内の空燃比をフィードバック制御するために、スロットル弁２の開度を制御することで気筒２０内への吸入空気量を制御することも可能であるし、燃料噴射弁３からの燃料噴射量及びスロットル弁２の開度（気筒２０内への吸入空気量）の両方を制御することも可能である。

気筒２０内では、デポジットや煤やオイル液滴等の残存物が燃焼後ガスにより加熱され、気筒２０内の残存物が高温になると、次回以降のサイクルにおいてプレイグニッション（過早着火）やノッキング等の異常燃焼の原因となる。特に内燃機関の高負荷運転時には、プレイグニッションやノッキングが発生しやすくなる。これに対して燃料噴射弁３から燃料を気筒２０内に噴射すると、燃料の潜熱によって気筒２０内の温度が低下し、気筒２０内の残存物の温度上昇が抑制される。

ただし、燃料の潜熱によって気筒２０内の残存物の温度を低下させるために、吸気行程で燃料を気筒２０内に噴射する場合は、気筒２０内の残存物が燃焼後ガスによって加熱される期間が長くなるのと、気筒２０内に流入した吸気によって気筒２０内が既に冷却されて温度が低下しているため、燃料の潜熱によって気筒２０内の残存物の温度を低下させる効果が小さくなる。さらに、温度が低下した気筒２０内では、噴射された燃料の気化が進みにくいため、燃料が気筒２０の内壁に付着してオイルと混ざることでオイル希釈が発生しやすくなる。

一方、燃料の潜熱によって気筒２０内の残存物の温度を低下させるために、排気行程で燃料を気筒２０内に噴射する場合は、気筒２０内の残存物が燃焼後ガスによって加熱される期間が短くなるとともに、気筒２０内を高温の状態で燃料の潜熱によって冷却することが可能となる。その結果、燃料の潜熱によって気筒２０内の残存物の温度を低下させる効果が向上する。さらに、高温の気筒２０内では、噴射された燃料の気化が促進されるため、燃料が気筒２０の内壁に付着しにくくなり、オイル希釈が抑制される。ただし、排気行程で気筒２０内の冷却用に噴射された燃料が、燃焼に用いられずに排気通路へ排出されることになる。

また、気筒２０内の冷却用に噴射された燃料が排気通路へ排出されないようにするために、排気弁を排気上死点より前で早く閉じ、吸気弁及び排気弁の両方が閉じている排気上死点より前のタイミングで燃料を噴射する場合も考えられる。ただし、その場合は、排気弁を閉じた後に気筒２０内が圧縮されることで気筒２０内の温度が上昇する。その結果、気筒２０内の残存物の温度を低下させる効果が小さくなる。

また、気筒２０内の冷却用に噴射された燃料が排気通路へ排出されないようにするために、吸気弁を排気上死点より後で遅く開き、吸気弁及び排気弁の両方が閉じている排気上死点より後のタイミングで燃料を噴射する場合も考えられる。ただし、その場合は、気筒２０内が膨張によって減圧され、その状態で吸気が気筒２０内に流入すると、気筒２０内が吸気によって圧縮されることで気筒２０内の温度が上昇することが知られており、その結果、気筒２０内の残存物の温度を低下させる効果が小さくなる。

これに対して本実施形態では、ＥＧＲ運転において、第１排気弁６と第２排気弁７が独立に開閉し、排気行程（排気上死点より前）で第２排気弁７が第１排気弁６より先に閉じる。そして、ＥＧＲ運転において、排気行程（排気上死点より前）で第２排気弁７が閉じ且つ第１排気弁６が開いているときに、燃料噴射弁３から燃料を気筒２０内に噴射する。気筒２０内に噴射された燃料の潜熱によって気筒２０内が冷却され、気筒２０内の残存物の温度が低下する。気筒２０内に噴射された燃料は、燃焼後の排気とともに第１排気通路２６へ排出されるが、ＥＧＲ通路２８を通って吸気通路２５（スロットル弁２より上流側の位置）に戻されることで、次サイクルにおいて燃焼後の排気とともに気筒２０内に流入する。つまり、ＥＧＲ運転においては、気筒２０内から第１排気通路２６へ排出された排気及び燃料を吸気側に再循環させる。

本実施形態において、ＥＧＲ運転を行う場合に、クランク角と各弁４〜７のリフト長との関係を表すバルブリフト曲線の一例を図２に示す。各弁４〜７において、リフト長が０である期間が閉期間であり、リフト長が０より大きい期間が開期間である。

図２の例では、排気行程において、第１排気弁６が閉じている状態で第２排気弁７が先に開き、気筒２０内の燃焼後ガスが第２排気通路２７に排出される。そして、排気上死点より前で第２排気弁７が先に閉じて第１排気弁６が開き、気筒２０内の燃焼後ガスが第１排気通路２６に排出される。さらに、排気上死点より前で第２排気弁７及び吸気弁４，５が閉じ且つ第１排気弁６が開いているときに燃料噴射弁３から燃料を気筒２０内に噴射する。ここでの燃料噴射については、例えば排気上死点より前に終了し、第１排気弁６が閉じる前（吸気弁４，５が開く前）に終了する。燃料の潜熱によって気筒２０内の残存物が冷却され、気筒２０内の燃料が燃焼後ガスとともに第１排気通路２６に排出され、ＥＧＲ通路２８を通って吸気通路２５へ戻される。なお、排気行程においては、第２排気弁７が閉じてから第１排気弁６が開き始めるまでの期間を、気筒２０内が圧縮されないよう短く設定することが好ましい。あるいは、第２排気弁７の開期間と第１排気弁６の開期間を若干オーバーラップさせることも可能である。

排気上死点近傍において第１排気弁６が閉じて吸気弁４，５が開き始め、吸気行程において気筒２０内に吸気が導入される。その際には、ＥＧＲ通路２８を通って吸気通路２５に戻された燃焼後ガス（ＥＧＲガス）及び燃料も気筒２０内に導入される。そして、吸気行程（吸気弁４，５が開いているとき）において、燃料噴射弁３から燃料を気筒２０内にさらに噴射する。その際には、空燃比センサ１０の検出値が目標値（例えば理論空燃比）になるように、１サイクルにおける燃料総噴射量（排気行程での燃料噴射量と吸気行程での燃料噴射量との合計）が制御される。ただし、空燃比センサ１０の検出値を目標値にするための燃料噴射量を、排気行程（第２排気弁７が閉じ第１排気弁６が開いているとき）の燃料噴射だけで賄える場合は、吸気行程での燃料噴射を行わないことも可能である。なお、排気上死点近傍においては、第１排気弁６が閉じてから吸気弁４，５が開き始めまでの期間を短く設定することも可能であるし、第１排気弁６の開期間と吸気弁４，５の開期間をオーバーラップさせることも可能である。

以上説明した本実施形態によれば、気筒２０内に噴射された燃料の潜熱によって気筒２０内の冷却を行うことで、気筒２０内のデポジットや煤やオイル液滴等の残存物の温度を低下させることができる。その結果、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼の発生を防止することができる。その際には、排気上死点より前で燃料を気筒２０内に噴射することで、気筒２０内の残存物が燃焼後ガスによって加熱される期間を短くすることができるとともに、気筒２０内を高温の状態で燃料の潜熱によって冷却することができる。したがって、燃料の潜熱によって気筒２０内の残存物の温度を低下させる効果を向上させることができる。さらに、高温の気筒２０内では、噴射された燃料の気化が促進されるため、気筒２０の内壁への燃料の付着を抑制してオイル希釈を低減することができる。さらに、その後の吸気行程での燃料噴射量が減少することによっても、オイル希釈を低減することができる。その結果、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼の防止効果を向上させることができる。その際に、第２排気弁７が閉じ第１排気弁６が開いているときに気筒２０内の冷却用に噴射された燃料は、燃焼後の排気とともに第１排気通路２６へ排出されるが、吸気側に再循環させるＥＧＲによって、次サイクルでＥＧＲガスとともに気筒２０内に導入されて燃焼に用いられる。したがって、第１排気弁６の開期間と吸気弁４，５の開期間とのオーバーラップの有無によらず、気筒２０内の冷却用に噴射された燃料をすべて燃焼に用いることができ、未燃燃料の排出による燃費悪化及びエミッション悪化を招くこともない。

本実施形態では、例えば図２のバルブリフト曲線に従ってＥＧＲ運転を行う場合に、第１排気弁６と第２排気弁７のリフトタイミング（開期間）及びリフト長を調整することで、ＥＧＲガス量を調整することも可能である。第２排気弁７に対して第１排気弁６の開期間及びリフト長を長くすることでＥＧＲガス量が増加し、第２排気弁７に対して第１排気弁６の開期間及びリフト長を短くすることでＥＧＲガス量が減少する。なお、クランク角と各排気弁６，７のリフト長との関係を変更するための構成については、公知の可変バルブタイミング機構を用いて実現可能であるため詳細な説明を省略する。

本発明の実施形態に係る内燃機関の他の構成例を図３に示す。図３の構成例では、図１の構成例と比較して、各第１排気通路２６を第２排気通路２７（集合排気通路２７ｂにおける排気浄化触媒９及び空燃比センサ１０より上流側の位置）に連通させるための連通排気通路３１が設けられ、連通排気通路３１に制御弁１２が設けられている。さらに、ＥＧＲ通路２８には制御弁１３が設けられている。制御弁１２を開けることで各第１排気通路２６と第２排気通路２７（集合排気通路２７ｂ）が連通排気通路３１を介して連通し、制御弁１２を閉じることで各第１排気通路２６と第２排気通路２７の連通が遮断される。制御弁１３を開けることで各第１排気通路２６と吸気通路２５がＥＧＲ通路２８を介して連通し、制御弁１３を閉じることで各第１排気通路２６と吸気通路２５の連通が遮断される。ここでの制御弁１２，１３は、各第１排気通路２６を第２排気通路２７と吸気通路２５のいずれかに連通させるために設けられている。

例えば図２のバルブリフト曲線に従ってＥＧＲ運転を行う場合は、制御弁１２を閉じるとともに制御弁１３を開けることで、各第１排気通路２６を第２排気通路２７（集合排気通路２７ｂ）に連通させずに吸気通路２５に連通させる。これによって、ＥＧＲ運転を行う場合、第１排気弁６が開いているときに気筒２０内の冷却用に噴射された燃料が集合排気通路２７ｂへ排出されるのを防止する。

一方、図２のバルブリフト曲線に従ったＥＧＲ運転を行わない場合は、制御弁１２を開けることで、各第１排気通路２６を第２排気通路２７（集合排気通路２７ｂ）に連通させる。その場合は、例えば図４のバルブリフト曲線に従って第１及び第２排気弁６，７を同時に開閉し、第１及び第２排気弁６，７が開いているときに燃料噴射弁３から燃料を気筒２０内に噴射しない。その際に、制御弁１３については、閉じてもよいし、その開度を制御してもよい。制御弁１３の開度を制御することで、ＥＧＲガス量を制御することができる。ただし、ここでのＥＧＲは、燃焼後ガスだけが吸気側に再循環する通常のＥＧＲであり、気筒２０内の冷却用に噴射された燃料が燃焼後ガスとともに吸気側に再循環する本実施形態のＥＧＲ運転（例えば図２のバルブリフト曲線に従ったＥＧＲ運転）とは異なる。

なお、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼は、特に内燃機関の高負荷運転時（さらには低回転高負荷運転時）に発生しやすくなる。そこで、内燃機関の高負荷運転時や、内燃機関の回転数及びトルクが図５の所定の低回転高負荷領域Ａ内にある場合に、制御弁１２を閉じるとともに制御弁１３を開け、例えば図２のバルブリフト曲線に従ってＥＧＲ運転を行うことも可能である。これによって、プレイグニッションやノッキング等の異常燃焼の発生を防止する。一方、内燃機関の低負荷運転時や、内燃機関の回転数及びトルクが図５の領域Ｂ内にある（低回転高負荷領域Ａ内にない）場合は、制御弁１２を開け、図２のバルブリフト曲線に従ったＥＧＲ運転を行わず、例えば図４のバルブリフト曲線に従って第１及び第２排気弁６，７を同時に開閉することも可能である。

また、図６の構成例では、図３の構成例と比較して、タービン１４とコンプレッサ１５が連結された過給機（ターボ過給機）１８が設けられている。タービン１４は集合排気通路２７ｂ（排気浄化触媒９及び空燃比センサ１０より上流側の位置）に設けられ、コンプレッサ１５は吸気通路２５（ＥＧＲ通路２８との連通箇所より下流側でスロットル弁２より上流側の位置）に設けられている。タービン１４の回転によりコンプレッサ１５で加圧された吸気は、吸気通路２５（スロットル弁２より上流側の位置）に設けられたインタークーラ１６で冷却されてから気筒２０内へ供給される。

以上の実施形態では、第１排気弁６と第２排気弁７の数がいずれも１気筒あたり１つである場合について説明した。ただし、本実施形態では、第１排気弁６の数が１気筒あたり複数であってもよいし、第２排気弁７の数が１気筒あたり複数であってもよい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１ エアクリーナ、２ スロットル弁、３ 燃料噴射弁、４，５ 吸気弁、６ 第１排気弁、７ 第２排気弁、８ 点火プラグ、９ 排気浄化触媒、１０ 空燃比センサ、１１ ＥＧＲクーラ、１２，１３ 制御弁、１４ タービン、１５ コンプレッサ、１６ インタークーラ、１８ 過給機、２０ 気筒、２５ 吸気通路、２６ 第１排気通路、２７ 第２排気通路、２７ａ 気筒別排気通路、２７ｂ 集合排気通路、２８ ＥＧＲ通路、３１ 連通排気通路、４０ 電子制御装置。

Claims (4)

1. 第１排気弁と第２排気弁を備える内燃機関であって、
   排気を吸気側に再循環させる排気再循環運転において、
   排気上死点より前で第２排気弁が第１排気弁より先に閉じ、
   さらに、排気上死点より前で第２排気弁が閉じ第１排気弁が開いているときに、燃料を気筒内に噴射し、気筒内から排出された排気及び燃料を吸気側に再循環させる、内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関であって、
   前記排気再循環運転においては、燃料を気筒内に吸気行程でさらに噴射する、内燃機関。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関であって、
   第１排気弁は、第１排気通路と気筒内との連通を開閉し、
   第２排気弁は、第２排気通路と気筒内との連通を開閉し、
   第１排気通路を第２排気通路と吸気通路のいずれかに連通させる制御弁をさらに備え、
   前記排気再循環運転において、制御弁は、第１排気通路を吸気通路に連通させる、内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の内燃機関であって、
   内燃機関の高負荷運転時に前記排気再循環運転を行う、内燃機関。

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