JP2019135386A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃エンジン、特にターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンに関する。 The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly to a reciprocating internal combustion engine equipped with a turbocharger.
ターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンは、エネルギーの利用効率に優れるが、低回転からの急加速や減速後の再加速時に、充分な過給圧が得られるまでに遅れ(ターボラグ)が生じる。特許文献1には、燃焼室または排気通路中に水を噴射して蒸発させることによりタービン流量を増加させ、ターボラグを抑制することが開示されている。
A reciprocating internal combustion engine equipped with a turbocharger excels in energy utilization efficiency, but delays until a sufficient boost pressure is obtained during sudden acceleration from low speed or reacceleration after deceleration (turbo lag) Occurs.
しかしながら、燃焼室内への水噴射は、気化が不充分な場合には水分がシリンダに付着しオイルを希釈させる虞があり、また、気化のために燃焼遅角を使用すると、排気ガスが悪化する問題がある。さらに、排気ポートでの水噴射は、排気ポート毎に水噴射ノズルが必要になり、構造が複雑化する問題がある。 However, water injection into the combustion chamber may cause moisture to adhere to the cylinder and dilute oil if vaporization is insufficient, and exhaust gas will deteriorate if combustion retard is used for vaporization. There's a problem. Furthermore, water injection at the exhaust port requires a water injection nozzle for each exhaust port, and there is a problem that the structure becomes complicated.
本発明は、従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンのターボラグを効率良く抑制することにある。 The present invention has been made in view of the above points of the prior art, and an object thereof is to efficiently suppress the turbo lag of a reciprocating internal combustion engine equipped with a turbocharger.
上記課題を解決するために、本発明は、
ターボ過給機を備えた往復動型内燃エンジンにおいて、
開弁した排気バルブの裏側に対向して燃焼室内から水噴射する水噴射ノズルと、
加速要求時に前記水噴射ノズルを作動させる制御手段を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention provides:
In a reciprocating internal combustion engine equipped with a turbocharger,
A water injection nozzle for injecting water from the combustion chamber facing the back side of the opened exhaust valve;
Control means for operating the water injection nozzle when acceleration is requested is provided.
本発明は、上記のように、加速要求時に開弁した排気バルブの裏側に対向して燃焼室内から水噴射することで、排気ポートより高温の排気バルブによって水の気化が促進され、ターボラグを効果的に低減できる。また、シリンダへの水分の付着とそれに伴うオイル希釈を防止でき、燃焼遅角を使用しないので排気ガスが悪化することもない。 In the present invention, as described above, water is injected from the combustion chamber so as to face the back side of the exhaust valve that is opened when acceleration is requested, so that the vaporization of water is promoted by the exhaust valve that is hotter than the exhaust port, and the turbo lag is effective. Can be reduced. Further, it is possible to prevent moisture from adhering to the cylinder and the accompanying oil dilution, and the exhaust gas is not deteriorated because the combustion retardation is not used.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1(a)の概略構成図に示すように、本発明実施形態に係る内燃エンジン1は、シリンダ3内に往復摺動可能に収容されたピストン4を備える往復動型内燃エンジンであり、ピストン4はコネクティングロッド24を介してクラックシャフト2に連結され、ピストン4の往復直線運動がクランクシャフト2の回転運動に変換される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in the schematic configuration diagram of FIG. 1 (a), an
シリンダ3の上部には、ピストン4との間に燃焼室40を画成するシリンダヘッド30が設けられ、その中央部に燃焼室40に臨ませて点火プラグ31が設けられている。シリンダヘッド30には、燃焼室40に連通する吸気ポート60と排気ポート70が画成されており、吸気ポート60を開閉するための吸気バルブ6と、排気ポート70を開閉するための排気バルブ7が昇降可能に支持されている。
A
本実施形態の内燃エンジン1は、図1(b)に示すように、各気筒に2つの吸気バルブ6(吸気ポート60)と2つの排気バルブ7(排気ポート70)を備えた4バルブ構成であるが、これ以外であってもよい。吸気バルブ6および排気バルブ7は、図1(a)に排気側のみ概略的に示すように、カム5により基本的な開閉動作が与えられ、可変バルブ機構50(VVT)により開閉時期が個別に制御される。
As shown in FIG. 1B, the
可変バルブ機構50としては、油圧アクチュエータまたは電磁アクチュエータを介在させ、カム5の位相と異なる位置で排気バルブ7を開閉可能としたものや、カム5の代わりに油圧アクチュエータまたは電磁アクチュエータで排気バルブ7の開閉を行うものを用いることができ、後述のように、所定の気筒において通常の排気行程以前の膨張行程で排気バルブ7を早期開弁する機能を具備する形式のものを用いることができる。
As the
燃料インジェクタ61は吸気ポート60に設けられているが、燃焼室40内に直接燃料噴射する直噴インジェクタを用いることもできる。排気ポート70には排気温度センサ71が設けられ、その下流側の排気経路にはターボ過給機9(排気タービン)が設けられている。ターボ過給機9は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーにより回転される排気タービンにより、吸気経路のコンプレッサを駆動して過給を行う。
Although the
内燃エンジン1は、その運転状態を最適化するためのエンジン制御装置10(ECU)を備えている。エンジン制御装置10は、その運転状態を反映する各状態値を検出するセンサからの入力信号に基づいてエンジン制御を実施するためのコンピュータであり、演算処理を行うCPU、制御プログラムや設定データなどを格納するROM、制御プログラムや設定データを読出し、動的データや演算処理結果を記憶するRAM、および、入出力ポートなどを備える。
The
エンジン制御装置10は、クランク角センサ21およびカム角センサ51からの入力信号に基づいてピストン位置およびエンジン回転数を検出し、吸入空気量センサ、吸気温度センサ、水温センサ、空燃比センサ、アクセル開度センサ(負荷要求)などの検出値に基づいて、燃料噴射量や点火時期、バルブ開閉時期を決定し、燃料インジェクタ61、点火プラグ31、可変バルブ機構50などに制御信号を出力することにより、内燃エンジン1の運転状態を最適化する。
The
以上のような基本構成を有する内燃エンジン1は、ターボラグを抑制するために、図1(a)に示すように、開弁した排気バルブ7の裏側(ステム側、排気ポート70側)に対向して水噴射を行うための水噴射ノズル8(水インジェクタ)が、燃焼室40内に設けられている。
The
水噴射ノズル8は、ソレノイドまたはピエゾにより開閉するニードル弁を内蔵しており、エンジン制御装置10からの制御信号によりニードル弁が開閉されることにより、水タンク80から水ポンプ81で加圧されて供給される水が噴射される。排気バルブ7の開弁状態では、排気バルブ7の裏側に噴射された所定量の水が、排気バルブ7の余熱で気化し、排気ガスとともにターボ過給機9(排気タービン)に送給され、タービン流量を増加させることで、ターボ過給機9の駆動が促進される。
The
水噴射ノズル8からの水噴射は、加速要求時のエンジン回転数や、排気温度センサ71に検知される排気ガス温度、燃料噴射量、点火時期に基づいて、加速要求直前の筒内状態をモデリングすることにより、排気バルブ7の温度と最大気化潜熱を推定し、排気バルブ7に到達した際に完全に蒸発可能な量の水を噴射する。噴射量は、連続噴射ないしは間欠噴射の時間(デューティー比)や回数により制御される。
The water injection from the
本実施形態における水噴射ノズル8は、各気筒の燃焼室40側面最上部のシリンダヘッド30に配設され、図1(b)に示すように、2つの排気バルブ7(排気ポート70)に対向して穿設された2つのノズル孔を備え、1つのニードル弁の作動により、2つの排気ポート70の両方に同時に水蒸気を送給できる構成となっている。
The
なお、水タンク80および水ポンプ81は、内燃エンジンン1の各気筒に共通に設けられ、水ポンプ81と各気筒の水噴射ノズル8の間に共通の蓄圧部が設けられる。水ポンプ81は常時駆動する必要は無く、内燃エンジン1の運転状態から、ターボ過給機9への水噴射アシストが必要になる状況、例えば、低回転時や減速時などに、蓄圧部に所定の水圧が得られるように限定的に駆動される。
The
次に、上記実施形態に基づく内燃エンジン1の制御について、4気筒エンジンの場合を例に、図2のタイムチャートを参照しながら説明する。
Next, the control of the
図2に示すように、アクセルオフ(燃料カットオフ)からのアクセルオンで、アクセルペダル開度(再加速信号)が所定の閾値を上回った場合、各気筒の行程に応じて以下のような制御が発動される。 As shown in FIG. 2, when the accelerator pedal opening (re-acceleration signal) exceeds a predetermined threshold value when the accelerator is turned on from the accelerator-off (fuel cut-off), the following control is performed according to the stroke of each cylinder. Is activated.
(1)排気行程
排気行程にある1番気筒では、排気バルブ7が開弁されているので、直ちに当該気筒の水噴射ノズル8により水噴射が実施される。水噴射は、排気バルブ7の閉弁前で所定以上のバルブリフトにある間は継続され、吸気行程の開始以前に停止される。
(1) Exhaust stroke Since the exhaust valve 7 is opened in the first cylinder in the exhaust stroke, water injection is immediately performed by the
(2)吸気行程
吸気行程にある2番気筒では、アクセルオンによって燃料が噴射され、通常の燃焼〜膨張行程に移行できるので、水噴射せず、そのまま吸気行程が継続される。
(2) Intake stroke In the No. 2 cylinder in the intake stroke, fuel is injected when the accelerator is turned on, and the normal combustion to expansion stroke can be shifted. Therefore, the intake stroke is continued without performing water injection.
(3)膨張行程
膨張行程にある3番気筒では、排気バルブ7を開弁し、当該気筒の水噴射ノズル8により水噴射が実施される。水噴射は、ピストン4が上昇に転じる排気行程でも継続され、排気バルブ7の閉弁前で所定以上のバルブリフトにある間は実施され、吸気行程の開始前に停止される。
(3) Expansion stroke In the third cylinder in the expansion stroke, the exhaust valve 7 is opened, and water injection is performed by the
(4)圧縮行程
圧縮行程にある4番気筒でも、排気バルブ7を開弁し、当該気筒の水噴射ノズル8により水噴射が実施される。水噴射は、その後の膨張行程〜排気行程でも継続され、上記同様に吸気行程の開始前に停止される。
(4) Compression stroke Even in the fourth cylinder in the compression stroke, the exhaust valve 7 is opened, and water injection is performed by the
制御期間中も排気ガス温度の検知、排気バルブ7の温度の推定は継続されており、排気バルブの推定温度が閾値(下限値)になった場合には、当該気筒の水噴射は停止され、排気バルブ温度が閾値以上に維持されるようにする。 The detection of the exhaust gas temperature and the estimation of the temperature of the exhaust valve 7 are continued during the control period, and when the estimated temperature of the exhaust valve reaches a threshold value (lower limit value), the water injection of the cylinder is stopped, Ensure that the exhaust valve temperature is maintained above the threshold.
図2では、4番気筒において圧縮行程で開始された水噴射が排気行程の途中で停止される場合が示されているが、エンジン温度が高い場合など、排気バルブ温度が閾値以上に維持されれば吸気行程の直前まで水噴射が継続される。また、排気バルブ温度が閾値まで低下する以前に、膨張行程(未燃焼)で水噴射量を絞り込むかまたは水噴射を停止し、排気行程で水噴射が継続されるようにしても良い。 FIG. 2 shows a case where the water injection started in the compression stroke in the No. 4 cylinder is stopped in the middle of the exhaust stroke, but the exhaust valve temperature is maintained above the threshold when the engine temperature is high. In this case, water injection is continued until just before the intake stroke. Further, before the exhaust valve temperature decreases to the threshold value, the water injection amount may be narrowed down in the expansion stroke (unburned) or the water injection may be stopped, and the water injection may be continued in the exhaust stroke.
なお、上記制御では、燃料カットオフから再加速する場合について述べたが、加速要求前の低回転運転状態で燃料カットオフされず(微量ではあっても)燃料が噴射されている場合、加速要求時に圧縮行程にある気筒(4番気筒)では、上記制御を適用せず、直ちに燃焼サイクルに移行するようにしても良い。 In the above control, the case of re-acceleration from the fuel cut-off has been described. However, if fuel is not cut off (even if it is a small amount) in the low-rotation operation state before the acceleration request, an acceleration request is made. In the cylinder (4th cylinder) that is sometimes in the compression stroke, the above control may not be applied, and the combustion cycle may be immediately started.
また、上述した1サイクルの制御が終了した後の通常の燃焼サイクルにおいて、排気行程にある気筒で水噴射を実施してターボ過給機9の駆動が促進されるようにしても良い。なお、排気バルブ7を排気行程以外で開弁できる可変バルブ機構を備えない内燃エンジンに本発明を適用する場合も、加速要求後に排気行程となった気筒に順次水噴射を実施することで、ターボラグ抑制に寄与できる。
Further, in the normal combustion cycle after the above-described control of one cycle is completed, water injection may be performed in the cylinders in the exhaust stroke to drive the
以上述べたような各気筒における行程毎の制御は、加速要求時のピストン位置やエンジン回転数、排気ガス温度などに応じて最適化された複数の制御ルーチンが予めエンジン制御装置10に格納されており、加速要求時にはその状況に最適な制御ルーチンが直ちに選択され、実行されるようにすることが好ましい。
As described above, the control for each stroke in each cylinder is performed in such a way that a plurality of control routines optimized according to the piston position at the time of acceleration request, the engine speed, the exhaust gas temperature, etc. are stored in the
なお、上記実施形態では、排気バルブ温度を各気筒毎に推定する場合を示したが、排気管合流部より下流に配置された排気ガス温度センサにより、全気筒の排気バルブ温度を推定することもでき、その場合、最も長い水噴射が実施される気筒(図2の4番気筒)の排気バルブ温度を基準に噴射量が設定される。 In the above embodiment, the exhaust valve temperature is estimated for each cylinder. However, the exhaust valve temperature of all the cylinders may be estimated by an exhaust gas temperature sensor arranged downstream from the exhaust pipe merging portion. In this case, the injection amount is set based on the exhaust valve temperature of the cylinder (the fourth cylinder in FIG. 2) in which the longest water injection is performed.
また、上記実施形態では、水噴射ノズル8が排気ポート7側に配設される場合を示したが、水噴射ノズル8は他の位置、例えば、開弁した排気バルブ7の裏側に対向して吸気ポート60側の燃焼室側部に配設することもできる。
Moreover, although the case where the
また、上記実施形態では、本発明を4気筒エンジンに実施する場合について述べたが、本発明はそれ以外の任意の気筒数の内燃エンジンにも実施可能である。 In the above embodiment, the case where the present invention is implemented in a four-cylinder engine has been described. However, the present invention can be implemented in an internal combustion engine having any number of cylinders.
以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, Based on the technical idea of this invention, various deformation | transformation and a change are further possible.
1 内燃エンジン
2 クランクシャフト
3 シリンダ
4 ピストン
5 カム
6 吸気バルブ
7 排気バルブ
8 水噴射ノズル
9 ターボ過給機
10 エンジン制御装置(ECU)
21 クランク角センサ
24 コンロッド
30 シリンダヘッド
31 点火プラグ
40 燃焼室
50 可変バルブ機構(VVT)
51 カム角センサ
60 吸気ポート
61 燃料インジェクタ
70 排気ポート
71 排気温度センサ
80 水タンク
81 水ポンプ
DESCRIPTION OF
21
51
Claims (4)
開弁した排気バルブの裏側に対向して燃焼室内から水噴射する水噴射ノズルと、
加速要求時に前記水噴射ノズルを作動させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃エンジン。 In a reciprocating internal combustion engine equipped with a turbocharger,
A water injection nozzle for injecting water from the combustion chamber facing the back side of the opened exhaust valve;
Control means for activating the water injection nozzle at the time of an acceleration request;
An internal combustion engine comprising:
前記制御手段は、加速要求時に吸気行程以外の気筒の排気バルブを開弁し、前記各気筒の水噴射ノズルを作動させる機能を含むことを特徴とする請求項1または2記載の内燃エンジン。 A plurality of cylinders, and a variable valve mechanism for controlling the opening and closing timing of the exhaust valve of each cylinder,
3. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the control means includes a function of opening an exhaust valve of a cylinder other than the intake stroke at a time of an acceleration request and operating a water injection nozzle of each cylinder.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018018226A JP2019135386A (en) | 2018-02-05 | 2018-02-05 | Internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018018226A JP2019135386A (en) | 2018-02-05 | 2018-02-05 | Internal combustion engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2019135386A true JP2019135386A (en) | 2019-08-15 |
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ID=67623842
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018018226A Pending JP2019135386A (en) | 2018-02-05 | 2018-02-05 | Internal combustion engine |
Country Status (1)
Country | Link |
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2018
- 2018-02-05 JP JP2018018226A patent/JP2019135386A/en active Pending
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