JP2022047554A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合圧縮着火の効用を享受しつつ、これによる副作用を軽減した内燃機関を実現する。【解決手段】複数の気筒１１、１２、１３を具備し、そのうちの一部の気筒１１でのみ予混合圧縮着火により混合気を燃焼させながら、同時期に残りの気筒１２、１３では火花点火により混合気を燃焼させる内燃機関を構成した。より好ましくは、予混合圧縮着火燃焼を行う気筒１１から排出されるガスの全量ないし略全量を、気筒１２、１３に向けて還流させる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に関する。

車両の動力源として採用されているガソリンエンジンの多くは、気筒に充填した混合気に対して点火プラグにより火花点火（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）しこれを燃焼させるものである。ＳＩ燃焼は、火炎伝播燃焼である。ＳＩ燃焼を行うときには、原則として混合気の空燃比を理論空燃比近傍に設定し、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_xやＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）といった有害物質の排出増を抑制する。

これに対し、近時、気筒内で混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ－Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼を行うことのできるＨＣＣＩエンジンが開発されている（例えば、下記特許文献を参照）。ＨＣＣＩ燃焼は、バルク燃焼（気筒の燃焼室内のあちこちに多くの火炎核が発生し混合気全体が一気に燃焼する）である。混合気を高圧縮比で圧縮する都合上、混合気の空燃比は理論空燃比よりも大きくリーンとする。ＨＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも熱効率が高い。しかも、ディーゼルエンジンに比べて、ＮＯ_x及びＰＭの排出が少なく済む。

特開２０１９－１７３５９４号公報

ＨＣＣＩの短所として、
・混合気の着火タイミングを含む制御が難しく、実際にＨＣＣＩ燃焼を適用可能な運転領域が狭い。その上、制御のロバスト性が低いため、全気筒で一斉にＨＣＣＩ燃焼を行うと、気筒間で出力トルクの大きなばらつきが生じ、振動及び騒音が大きくなる
・燃焼温度が低く、かつリーンバーンであるので排気ガスがＯ₂を多く含み、排気浄化用の三元触媒によるＮＯ_xの浄化能率を低下させる。従って、ＨＣＣＩ燃焼からＳＩ燃焼に切り替わったとき等にＮＯ_xが排出されやすくなる。加えて、ＨＣＣＩは、未燃のＨＣやＣＯを発生させる
ことが挙げられる。

本発明は、ＨＣＣＩの効用を享受しつつＨＣＣＩによる副作用を軽減した内燃機関を実現することを所期の目的とする。

本発明では、複数の気筒を具備し、そのうちの一部の気筒でのみＨＣＣＩにより混合気を燃焼させながら、同時期に残りの気筒ではＳＩにより混合気を燃焼させる内燃機関を構成した。

より好ましくは、ＨＣＣＩ燃焼を行う気筒から排出されるガスの全量ないし略全量を、気筒に向けて還流させるものとする。

本発明によれば、ＨＣＣＩの効用を享受しつつＨＣＣＩによる副作用を軽減した内燃機関を実現できる。

本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成を模式的に示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概略構成を示す。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１１、１２、１３を具備する。図示例のものは、三気筒エンジンである。そして、その第一気筒１１において、ＨＣＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを適宜切り替えて実行することができる。

対して、第二気筒１２及び第三気筒１３は、専らＳＩ燃焼を実行する。ＳＩ燃焼専用の気筒１２、１３の数は、ＨＣＣＩ燃焼を実行可能な気筒１１の数を上回る。

各気筒１１、１２、１３の吸気バルブの直上流、各気筒１１、１２、１３に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１４を、気筒１毎に個別に設けている。また、各気筒１１、１２、１３の燃焼室の天井部に、点火プラグ１５を取り付けてある。点火プラグ１５は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

気筒１１、１２、１３に吸気を供給するための吸気系は、外部から空気（新気）を取り入れて各気筒１１、１２、１３の吸気ポートへと導く。本実施形態では、第一気筒１１に吸気を供給する系統と、第二気筒１２及び第三気筒１３に吸気を供給する系統とを、別個のものとしている。第一気筒１１に向かう吸気が流通する吸気通路３１上には、エアクリーナ３０、過給機のコンプレッサ３２、吸気絞り弁たる電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４を、上流からこの順序に配置している。

コンプレッサ３２は、吸入空気を加圧圧縮（過給）して第一気筒１１へと送り込む。コンプレッサ３２は、内燃機関の排気通路４１、４３、４５上に配設した排気タービン（図示せず）により回転駆動されるもの（排気ターボチャージャ）であってもよく、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトからエンジントルクの供与を受けて回転駆動されるもの（スーパーチャージャ）であってもよい。あるいは、電動機により回転駆動されるものであっても構わない。

第二気筒１２及び第三気筒１３に向かう吸気が流通する吸気通路３５上には、エアクリーナ３０、吸気絞り弁たる電子スロットルバルブ３６、サージタンク３７及び吸気マニホルド３８を、上流からこの順序に配置している。吸気通路３５上のエアクリーナ３０は、吸気通路３１上のそれと共通であってよい。

スロットルバルブ３３、３６はそれぞれ、その開度を任意に拡大／縮小操作することのできる流量制御弁である。吸気通路３１上のスロットルバルブ３３と、吸気通路３５上のスロットルバルブとは互いに独立しており、一方の開度を他方の開度とは異なる大きさとすることができる。ひいては、吸気通路３１を通じて第一気筒１１に流入する吸気の量と、吸気通路３５を通じて第二気筒１２または第三気筒１３に流入する吸気の量とを、別個独立に制御することが可能となっている。

気筒１１、１２、１３から排気を排出するための排気系は、気筒１１、１２、１３内で混合気を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１１、１２、１３の排気ポートから外部へと導く。第一気筒１１から排出される排気が流通する排気通路４１上には、当該通路４１を開閉する制御バルブ４２を設置している。制御バルブ４２は、その開度を任意に拡大／縮小操作することのできる流量制御弁である。

第二気筒１２及び第三気筒１３から排出される排気が流通する排気通路４３上には、排気マニホルド４４が存在している。排気マニホルド４４を経て合流した排気通路４３は、上記の排気通路４１における制御バルブ４２よりも下流の箇所に接続する。そして、両排気通路４１、４３が合流する箇所よりも下流の排気通路４５上に、排気浄化用の三元触媒４６及びマフラ４７を配設している。

本実施形態の内燃機関には、気筒１１、１２、１３で発生する燃焼ガスの一部を排気通路４１、４３から吸気通路３５に還流させて吸気に混交する排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が付帯している。ＥＧＲ装置は、排気通路４１、４３と吸気通路３５とを連通せしめる外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４１における制御バルブ４２よりも上流の箇所に接続する。ＥＧＲ通路２２の出口は、吸気通路３５におけるスロットルバルブ３６の下流の箇所（特に、サージタンク３７または吸気マニホルド３８）に接続する。ＥＧＲバルブ２３は、その開度を任意に拡大／縮小操作することのできる流量制御弁である。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ。図示せず）は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵは、複数基のＥＣＵまたはコントローラがＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵの入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号、内燃機関のクランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号、運転者によるアクセルペダルの踏込量をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率またはエンジントルク）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号、気筒１１、１２、１３に連なる吸気通路３１、３５（特に、サージタンク３４、３７または吸気マニホルド３８）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号、複数の気筒１、１２、１３を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサから出力される振動信号、排気通路４５を流れるガスの空燃比を検出する空燃比センサ４８から出力される空燃比信号、ＥＧＲ通路２１を流れるガスの空燃比を検出する空燃比センサ２４から出力される空燃比信号等が入力される。

ＥＣＵの出力インタフェースからは、点火プラグ１５に付随するイグナイタに対して点火信号、インジェクタ１４に対して燃料噴射（開弁）信号、スロットルバルブ３３、３６に対して開度操作信号、制御バルブ４２に対して開度操作信号、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号等を出力する。

ＥＣＵのプロセッサは、メモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵは、内燃機関の制御に必要な各種情報を入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに各気筒１１、１２、１３に吸入される空気（新気）量を推算する。そして、吸入空気量に見合った各気筒１１、１２、１３毎の要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング、燃料噴射圧、各気筒１１、１２、１３における点火タイミング、気筒１２、１３に供給するべき吸気の要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス分圧、ＥＧＲガス量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵは、運転パラメータに対応した各種制御信号を出力インタフェースを介して印加する。

しかして、ＥＣＵは、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，エンジン負荷率（または、エンジントルク）］等に応じて、第一気筒１１において混合気のＨＣＣＩ燃焼を行うかＳＩ燃焼を行うかを決定する。一般的には、比較的低回転低負荷の運転領域から中回転中負荷の領域で、ＨＣＣＩ燃焼を実行する。それ以外の領域、即ち極低回転数や極低負荷、高回転数や高負荷の領域では、ＳＩ燃焼を実行する。

第一気筒１１にてＨＣＣＩ燃焼を実行する場合には、制御バルブ４２の開度を全閉ないし略全閉し、かつＥＧＲバルブ２３を開いて、第一気筒１１で発生する排気ガスの全量ないし略全量をＥＧＲ通路２１を介して吸気通路３５へと還流させる。これにより、ＨＣＣＩ燃焼により生じるガスを排気通路４５及び触媒４６に流入させず、ＳＩ燃焼を行う第二気筒１２及び第三気筒１３において再燃焼させるようにする。ＨＣＣＩ燃焼により生じるガスはＯ₂を多く含むことから、これを外部ＥＧＲガスとして第二気筒１２及び第三気筒１３に供給しても、当該気筒１２、１３における混合気の燃焼に支障は生じない。

ＨＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼に比して、熱効率が高くなる反面、単位排気量（または、単位吸入空気量）あたりの出力トルクが低くなる。本実施形態では、第一気筒１１にてＨＣＣＩ燃焼を実行しているのと同時期に、第二気筒１２及び第三気筒１３にてＳＩ燃焼を実行する。これら各気筒１１、１２、１３において発生するエンジントルクを均等化するには、ＨＣＣＩ燃焼を行う気筒１１に充填する吸気量を、ＳＩ燃焼を行う他の気筒１２、１３に充填する吸気量よりも充分に大きくする必要がある。そのために、本実施形態の内燃機関では、第一気筒１１に連なる吸気通路３１と、第二気筒１２及び第三気筒１３に連なる吸気通路３５とを分かち、吸気通路３１上のスロットルバルブ３３の開度と、吸気通路３５上のスロットルバルブ３６の開度とを別々に調節できるようにしている。要するに、ＨＣＣＩ燃焼を行う第一気筒１１の吸気量と、ＳＩ燃焼を行う第二気筒１２または第三気筒１３の吸気量とは同一でなく、これらは互いに独立して制御される。第一気筒１１に供給する燃料の噴射量と、第二気筒１２または第三気筒１３に供給する燃料の噴射量とを、個別に制御できることは言うまでもない。

また、ＨＣＣＩ燃焼は、気筒１１内に残留する内部ＥＧＲガス量による影響、感度が大きい。制御バルブ４２を全閉ないし略全閉しつつ、ＥＧＲバルブ２３の開度を開閉操作することにより、第一気筒１１における内部ＥＧＲガス量を増減調整し、以てＨＣＣＩ燃焼の安定化を図ることが可能である。

翻って、第一気筒１１にてＳＩ燃焼を実行する場合には、ＨＣＣＩ燃焼を実行する場合と比較して制御バルブ４２の開度を大きく（通常、全開ないし略全開に）開く。これにより、第一気筒１１で発生する排気ガスを、第二気筒１２及び第三気筒１３で発生する排気ガスとともに、排気通路４５及び触媒４６に流入させて外部に放出する。ＥＧＲバルブ２３の開度は、気筒１２、１３に供給するべき吸気のＥＧＲ率に応じて開閉操作すればよい。

第一気筒１１においてＨＣＣＩ燃焼を行っている状態からＳＩ燃焼を行う状態へと遷移する際には、空燃比センサ（特に、リニアＡ／Ｆセンサ）２４を介してＥＧＲ通路２１を流れるガスの空燃比、即ち第一気筒１１から排出されるガスの空燃比を実測し、その空燃比が理論空燃比に近い所定値に到達するまでは制御バルブ４２を全閉ないし略全閉に維持しておき、その空燃比が所定値に到達したことを確認してから制御バルブ４２の開度を拡開することが好ましい。

本実施形態では、複数の気筒１１、１２、１３を具備し、そのうちの一部の気筒１１でのみＨＣＣＩにより混合気を燃焼させながら、同時期に残りの気筒１２、１３ではＳＩにより混合気を燃焼させる内燃機関を構成した。本実施形態によれば、全ての気筒でＨＣＣＩ燃焼を実行する従前の内燃機関と比較して、気筒１１、１２、１３間での出力トルクのばらつきが小さくなり、ひいてはクランクシャフトの回転速度の変動が縮小する。結果、内燃機関から発生する振動及び騒音が低減される。

一部の気筒１１でＨＣＣＩ燃焼を実行している間も、残りの気筒１２、１３はＳＩ燃焼を実行しており、後者の気筒１２、１３が安定してエンジントルクを出力することから、前者の気筒１１においてＨＣＣＩ燃焼を実行する運転領域の範囲を拡大することも可能となる。つまり、ＮＶ（Ｎｏｉｓｅ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）性能や車両のドライバビリティの見地から従来はＨＣＣＩ燃焼を実行できなかった運転領域においても、ＨＣＣＩ燃焼運転を実施できる。さすれば、内燃機関の燃費性能の一層の向上を見込める。

加えて、本実施形態では、ＨＣＣＩ燃焼を行う気筒１１から排出されるガスの全量ないし略全量を、気筒１２、１３に向けて還流させ、当該気筒１２、１３において再燃焼させるようにしている。これにより、ＨＣＣＩ燃焼を行う気筒１１から排出される比較的低温かつＯ₂過多の排気ガスを排気浄化用の触媒４６に流入させずに済み、触媒４６によるＮＯ_xの浄化能率を高く保つことができる。未燃のＨＣやＣＯを含んだ排気ガスをそのまま外部に放出することも避けられる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。ＨＣＣＩ燃焼を実行する気筒１１の排気量（容積）と、ＳＩ燃焼を実行する気筒１２、１３の排気量（容積）とを、不均等に設計することもあり得る。例えば、第一気筒１１の排気量を４００ｃｃとし、第二気筒１２及び第三気筒１３の排気量をそれぞれ３００ｃｃとするというように、前者の気筒１１の排気量を後者の気筒１２、１３の排気量よりも大きく設定することが考えられる。

また、上記実施形態では、外部ＥＧＲ装置を介してＥＧＲガスを第二気筒１２及び第三気筒１３に還流させる一方、第一気筒１１に対しては必ずしもＥＧＲガスを還流させていなかった。だが、第一気筒１１においてもＳＩ燃焼を実行することがあり、外部ＥＧＲ通路２１を第一気筒１１にも連通させ、ＥＧＲガスを第一気筒１１に還流させ得るように構成してもよい。

その他、各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

１１…予混合圧縮時着火（ＨＣＣＩ）により混合気を燃焼させる気筒
１２、１３…火花点火（ＳＩ）により混合気を燃焼させる気筒

Claims (2)

1. 複数の気筒を具備し、そのうちの一部の気筒でのみ予混合圧縮着火により混合気を燃焼させながら、同時期に残りの気筒では火花点火により混合気を燃焼させる内燃機関。
2. 予混合圧縮着火燃焼を行う気筒から排出されるガスの全量ないし略全量を、気筒に向けて還流させる請求項１記載の内燃機関。

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