JP2816463B2

JP2816463B2 - ピストンクランク運動機構付き内燃機関

Info

Publication number: JP2816463B2
Application number: JP5149606A
Authority: JP
Inventors: 聖川谷
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1993-06-21
Publication date: 1998-10-27
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: JPH0711971A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピストンが往復動する
のに連動してクランク軸が一回転するピストンクランク
運動機構を備えた内燃機関、特に燃焼室に対設される燃
料噴射装置が主噴射及びそれに先立つパイロット噴射を
行う陽に構成された内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ピストンクランク運動機構はシ
リンダ内で往復動するピストンと、クランクアームを回
転させるクランク軸と、クランクアームの回動端のクラ
ンクピンとピストンとをそれぞれピン結合する連接棒と
を備え、シリンダ内で加圧力を受けたピストンが生じる
直線運動をクランク軸の回転運動に変換するように構成
される。このようなピストンクランク運動機構を用いた
内燃機関は、これに吸排気機構、燃料供給装置等を組み
込むことによって、吸入、圧縮、燃焼及び排気の４行程
を行わせ、シリンダ内の燃焼室において高温高圧の燃焼
ガスを生成し、その燃焼エネルギをピストンへの押圧力
としてピストンクランク運動機構側に与え、この燃焼ガ
スの押圧力（直線運動）をピストンクランク運動機構が
クランク軸の回転運動として非駆動部側に出力できる。

【０００３】このようなピストンクランク運動機構を用
いた内燃機関の一つとして、吸入、圧縮、燃焼及び排気
の４行程をクランク軸の２回転毎に完了させ、圧縮上死
点近傍で高温高圧雰囲気下の燃焼室内に燃料を微粒化し
て噴霧して圧縮着火を行い、それにより燃焼室に発生し
た燃焼エネルギに応じた回転出力を得るというディーゼ
ルエンジンが知られている。この種ディーゼルエンジン
では同エンジンの駆動力の一部を受けて駆動する燃料噴
射ポンプにより燃料を高圧化し、その燃料を燃料噴射弁
によって燃焼室内に主噴霧し、燃焼室に燃焼エネルギを
発生させている。しかし、このように高温高圧雰囲気下
の燃焼室内に燃料を噴霧して圧縮着火させる場合、燃料
噴霧後より着火までの送れである着火遅れが進むほど過
度に筒内圧や筒内燃焼温度が高まり易く、騒音やＮＯ_X
の発生等の問題を生じやすい。そこで主噴射に先駆けて
燃料を燃焼室内に少量噴射するというパイロット燃料噴
射方式を採り、このパイロット噴射によって燃焼室内の
雰囲気温度を高め、主噴射時における着火性を改善し、
着火遅れを低減し、過度に筒内圧や筒内燃焼温度の高ま
りを防止し、騒音の低減、ＮＯ_Xの発生の低減を図るこ
とが知られている。

【０００４】このパイロット噴射を伴ったパイロット噴
射モードで駆動できる燃料噴射装置としては、電子制御
式ユニットインジェクタ、コモンレール式ユニットイン
ジェクタ或いはドッジプランジャ式パイロット噴射ノズ
ル等が採用されている。これら装置によってパイロット
噴射を伴ったパイロット噴射モードで燃料噴射が成され
る場合、これら各気筒への噴射時には主噴射及びこれに
先立つパイロット噴射が、例えば、図１３に示すように
成される。即ち、この時の噴射弁のノズルリフト量はパ
イロット噴射時にｈｐ、主噴射時にｈｍとなり、筒内圧
Ｐｃのレベル及び筒内圧の変化比ｄｐ／ｄθはそのピー
ク部ｅ１，ｅ２が比較的ゆるやかに膨出した形状で推移
する。

【０００５】これに対して、パイロット噴射の無い通常
の主噴射のみの通常噴射モードでは例えば、図１４に示
すように燃料噴射が成される。即ち、この時の噴射弁の
ノズルリフト量は主噴射のみがｈｍとほぼ同様におこな
われ、筒内圧Ｐｃのレベル及び筒内圧の変化比ｄｐ／ｄ
θはそのピーク部ｆ１，ｆ２が比較的鋭角形状で推移す
る。このように、パイロット噴射モードで燃料噴射が成
される場合は着火遅れが少なく、結果として通常噴射モ
ードの場合より筒内圧Ｐｃのレベル及び筒内圧の変化比
ｄｐ／ｄθが低く抑えられ、筒内圧や筒内燃焼温度の過
度の高まりを防止し、騒音の低減、ＮＯ_Xの発生の低減
を図れる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このパイロッ
ト噴射モードでの運転時において、このパイロット噴射
及び主噴射の各燃焼状態を適正なものとするには、それ
ぞれを十分な圧力、温度の圧縮着火性の良い雰囲気下
に、即ち、圧縮上死点の近傍の最適位置に設定すること
が必要となる。しかし、実際には、パイロット噴射及び
主噴射を一つの燃料噴射弁で行う場合、燃料噴射弁及び
その駆動系の機械的な作動遅れのため、両者を近付ける
には限度があった。特に、これらパイロット噴射及び主
噴射を燃料噴射弁等の機械的な遅れを考慮して過度に離
すと、いずれか一方はピストン上死点から離れ過ぎてし
まい、結果として、十分な圧力、温度の圧縮着火性の良
い雰囲気を確保できず、燃焼の悪化を招き、黒煙やＨＣ
が増加した排ガスを発生することと成り、燃費をも低下
させることとなり、問題と成っている。

【０００７】そこで、クランク角変化に対してピストン
上死点を比較的広範囲に渡って確保できれば良いことが
推定されるが、このようなピストンクランク運動機構は
知られていない。例えば、特公平２−２５０６２号広報
に示されるピストンクランク運動機構では、ピストンピ
ンに天びん部材を介して傾きが左右対照の２本の連接棒
を連結し、これによって２本のコンロッドを駆動する
が、これは単に、ピストンに加わる燃焼圧に伴うの傾き
を排除する機構であり、ピストン上死点を比較的広範囲
に渡って確保することはできない。

【０００８】本発明の目的は、パイロット噴射モードで
の運転の際にパイロット噴射及び主噴射を十分な圧力、
温度の燃焼特性の良い雰囲気下で行えるピストンクラン
ク運動機構付き内燃機関を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明はクランク軸が下死点より上死点を経て一
回転する間に、ピストンがピストン下死点とピストン上
死点との間で往復動するピストンクランク運動機構を備
え、上記ピストンに対向する燃焼室に対して上記クラン
ク軸が圧縮上死点近傍に達した際に燃料噴射装置によっ
て主噴射及びそれに先立つパイロット噴射を行うピスト
ンクランク運動機構付き内燃機関において、上記ピスト
ンクランク運動機構が上記ピストンにピン結合される第
１連接棒と、同第１連接棒の他端に中間ピンを介して一
端がピン結合され他端が不動部材にピン結合される揺動
連接棒と、上記クランク軸のクランクピンに一端がピン
結合され他端が上記中間ピンを介し第１連接棒の他端に
ピン結合される第２連接棒とを備え、かつ、上記第１連
接棒と揺動連接棒とが一線上に配列される際に、上記中
間ピンとクランク軸中心点の直線長さに対して上記クラ
ンク軸のクランク半径に第２連接棒の長さを加算した加
算値の方が大きく設定されたことを特徴とする。

【００１０】

【作用】第１連接棒と揺動連接棒とが一線上に配列され
る際に、中間ピンとクランク軸中心点の直線長さに対し
てクランク軸のクランク半径に第２連接棒の長さを加算
した加算値の方が大きく設定されたので、クランク軸方
向視において、クランク軸の回転が進むに従い、第１連
接棒と揺動連接棒とは一線上に配列される前においてく
の字状を成し、一線上に配列された後は一旦逆くの字状
を成し、再度、一線上に配列された後くの字状に戻ると
いう折曲作動を繰り返す。このように、クランク軸の回
転が進むに従い、２度第１連接棒と揺動連接棒とが一線
上に配列され、その度にピストンはピストン上死点に達
するので、その２度のピストン上死点の近傍で燃料噴射
装置によって主噴射及びそれに先立つパイロット噴射を
行うように設定することができる。

【００１１】

【実施例】図１には本発明の一実施例としてのピストン
クランク運動機構付き内燃機関を示した。このピストン
クランク運動機構付き内燃機関（以後単にエンジンと記
す）１は多気筒ディーゼルエンジンであり、その燃焼室
には周知の構造の吸排気系（図示せず）よりエアが供給
され排ガスが排出され、その燃焼室には後述の燃料供給
系より燃料供給が成され、その燃焼室に対向するピスト
ンには後述のピストンクランク運動機構が連結される。
なお、図１には１つの気筒のみを示したが、その他の気
筒も同様の構成を採る。図１乃至図３に示すように、こ
こでの燃焼室８に対向するピストン３１には次のような
ピストンクランク運動機構が連結される。

【００１２】このピストンクランク運動機構は、ピスト
ン３１にピストンピン３２を介してピン結合される第１
連接棒３３と、第１連接棒３３の他端に中間ピン３６を
介して一端がピン結合され他端がクランクケースと一体
の不動部材であるブラケット３５に固定側ピン４１を介
してピン結合される揺動連接棒３４と、クランク軸３７
のクランクピン３９に一端がピン結合され他端が中間ピ
ン３６を介し第１連接棒３３の他端にピン結合される第
２連接棒４０とを備える。ここでの各リンクの長さ及び
クランク軸位置及び固定側ピン４１の各位置は次のよう
に設定される。

【００１３】まず、エンジン排気量に基づきクランクア
ーム３８のアーム長さｒ₁が決定され、次いで、図３に
示すように、概略的に第１連接棒３３と揺動連接棒３４
を一線状に伸ばして配し、クランクアーム３８及び第２
連接棒４０をくの字形に保って伸ばして配し、そのクラ
ンク軸３７をピストン中心線Ｌｐ上に配す。次に、くの
字形に保つクランクアーム３８及び第２連接棒４０をく
の字形より直線状に保持した際に、第１連接棒３３と揺
動連接棒３４が直線状態から逆くの字型に折れて、ピス
トン３１がわずかに降下するように各リンク長さを調整
する。更に、クランク軸を回転方向に移動させた際に、
再度第１連接棒３３と揺動連接棒３４が直線状に戻され
た上で、くの字に折曲可能なように各リンクの長さを調
整する。なお、このような調整時におけるピストン位置
のクランク角変化に沿った特性の一例を図４に示した。

【００１４】ここではクランク軸３７と固定側ピン４１
の平面方向Ｘの長さをＸ₁（１００）とした際におけ
る、クランク軸３７と固定側ピン４１の垂直方向Ｙの長
さＹ₁を１５０（ａ），１４５（ｂ），１４０（ｃ），
１３５（ｄ），１３０（ｅ）と順次変化させ際の特性を
示した。なお、各場合共に、クランク半径ｒ₁は５７、
５、揺動連接棒３４の長さｒ２は１００、第２連接棒４
０の長さＬ₁は１８５、第１連接棒３３の長さＬ₂は１２
０に設定されている。なお、破線はクランク半径ｒ₁が
５７、５における従来のクランク機構でのピストン位置
の特性である。

【００１５】これらより明らかなように、ここでのピス
トンクランク運動機構では（ｂ），（ｃ），（ｄ），
（ｅ）のパターンに設定した場合において、クランク軸
の回転変位に沿って、ピストンを２度ピストン上死点に
保持できる。ここでは、これら特性に基づき、図１のエ
ンジンのピストンクランク運動機構内の各リンク寸法及
びクランク軸３７と固定側ピン４１の位置は（ｃ）のパ
ターンを採用して決定された。なお、図４中の符号ｑｐ
及びｑｍは後述するようにパイロット噴射時限及び主噴
射時限を示す。次に、エンジン１に設けられた燃料供給
系を説明する。この燃料供給系内の燃料供給路２は燃料
タンク３の燃料を燃料ポンプ４によって主路５に送り、
更にこれより分岐すると共に各気筒に達する複数の分岐
路６を経て低圧路７側に導くように構成される。

【００１６】各分岐路６には各気筒の燃焼室８に向けて
燃料噴射を行えるユニットインジェクタ９がそれぞれ装
備される。ユニットインジェクタ９は図１及び図９に示
すように電子制御式であり、対応する気筒に燃料噴射を
行う燃料噴射弁１０と、エンジン１に駆動される高圧ポ
ンプ部１１及び電磁弁１２とを単一のハウジング９０１
内に備えるとい構成を採る。ここで電磁弁１２は制御手
段としてのエンジンコントロールユニット（以後単にＥ
ＣＵと記す）１４にドライバ１５を介して連結され、オ
フ時には分岐路６側とハウジング内のポンプ路６０１側
とを連通状態に保持し、高圧ポンプ部１１からの燃料を
分岐路６を通して低圧路７に戻し、オン時には分岐路６
側とポンプ路６０１側とを遮断し、高圧ポンプ部１１で
高圧化された燃料を燃料噴射弁１０側に導くように切換
えを行う。

【００１７】燃料噴射弁１０はポンプ路６０１に連結さ
れる油溜２８をホルダ２４内に備え、同油溜２８が高圧
ポンプ部１１で高圧化された燃料を受け、その燃料圧レ
ベルが所定圧以上に達すると針弁２５がばね２７の押圧
力に抗してリフト作動し、対応する気筒に噴口２６より
燃料噴射をするように構成される。高圧ポンプ部１１は
プランジャ式ポンプであり、エンジンの回転力を回転伝
達系１３を介して摺動受け部材２２及びこれと一体のプ
ランジャ２１で受け、プランジャ２１が対向するポンプ
室２９で加圧された燃料をポンプ路６０１側に圧送でき
る。なお、符号２３は摺動受け部材２２側を常時ポンプ
戻し方向に付勢するばねを示す。

【００１８】ＥＣＵ１４は制御回路１４１、記憶回路１
４２、入出力回路１４３及び図示しない電源回路等で構
成され、入出力回路１４３にはユニットインジェクタ９
のドライバ１５が接続される。更に、この入出力回路１
４３にはエンジン１の機関回転数Ｎｅ信号を出力するエ
ンジン回転センサ１６と、図示しないアクセルペダルの
踏み込み量相当の負荷信号θ_Lを出力する負荷センサ１
７と、エンジン１の単位クランク角信号ｄθ及び基準信
号θ０を出力するクランク角センサ１８とが接続され
る。記憶回路１４２には図１２に示す電磁弁駆動のプロ
グラムや、図１１の噴射時期及び主噴射量マップ等がそ
れぞれ設定され記憶処理される。

【００１９】ここでのＥＣＵ１４は制御手段として機能
し、エンジン回転数Ｎｅと負荷θ_L及び単位クランク角
信号ｄθ及び基準信号θ０との各情報に基づき電磁弁１
２に対し、燃料噴射弁１０を主噴射させる主駆動信号ｔ
１，ｔ２及び同主駆動信号に先立ちに燃料噴射弁１０を
パイロット噴射させるパイロット信号ｔｐ１，ｔｐ２を
出力する。更に、ＥＣＵ１４の制御回路１４１は電磁弁
１２の駆動制御の際、主噴射に先立ち、パイロット噴射
を行うべく電磁弁１２を２度閉作動すべく、４つのタイ
マのセット処理を行う。即ち、主噴射用の弁閉処理で主
噴射オンタイマのセットを行い、主噴射用の弁開処理で
主噴射オフタイマのセットを行い、更に、主噴射に先立
ち、パイロット用の弁閉処理でパイロットオンタイマの
セットを行い、パイロット用の弁開処理であるパイロッ
トオフタイマのセットを行う。

【００２０】このような図１のエンジン１はメインスイ
ッチがオンされることによりＥＣＵ１４が駆動を開始
し、燃料供給系及び吸排気系が作動する。この際、エン
ジン１は吸入、圧縮、燃焼及び排気の各行程を２回転に
一度実行し、ピストンクランク運動機構は図５に示すよ
うに、クランク角での圧縮上死点ｇ（ＴＤＣ）の近傍
で、続いて２回ピストン上死点Ｍ（Ｈｍａｘ）を達成
し、しかも、これら２回のピストン上死点Ｍ（Ｈｍａ
ｘ）では第１連接棒３３と揺動連接棒３４が直線状に保
持され、その間では逆くの字に屈曲し、その他の領域で
はくの字に屈曲するという変動特性に沿ってエンジン運
転が継続される。なお、図６、図７及び図８にはこのよ
うなピストンクランク運動機構の作動状態を、クランク
角の経時的な変位に沿って（ａ）乃至（ｌ）に順次表示
した。なお、（ａ）乃至（ｆ）はクランク角が圧縮上死
点前での各状態を、（ｇ）は圧縮上死点での状態を、
（ｈ）乃至（ｌ）はクランク角が圧縮上死点後での各状
態をそれぞれ示している。

【００２１】他方、ＥＣＵ１４は図示しない周知のメイ
ンルーチンに沿ってディーゼルエンジンの制御を進め、
更に、クランク角信号の内の基準信号θ０の入力時に割
込み処理としての電磁弁駆動処理を図１２の電磁弁駆動
ルーチンに沿って実行する。図示しないメインルーチン
では、まず、現在のエンジン回転数Ｎｅ、負荷θ_L、単
位クランク角信号ｄθ及び基準信号θ０等の各情報を取
り込み、所定のエリアに格納する。そして、エンジン回
転数Ｎｅ、負荷θ_Lに応じた目標の噴射時期Ｔや主噴射
量ｑｍが図１１に示すような周知の噴射時期、主噴射量
マップＭ０によって算出され、所定のエリアに格納され
る。更に、クランク角信号の内の基準信号θ０が入力さ
れると、割込み処理としての電磁弁駆動処理を図１２の
電磁弁駆動ルーチンに沿って実行する。

【００２２】ここでステップｂ１では、目標の噴射時期
Ｔに応じたパイロット噴射（図１０のｑｐ域参照）のパ
イロット信号オン時ｔｐ１及びオフ時ｔｐ２が算出さ
れ、順次パイロットオンカウンタ及びパイロットオフカ
ウンタにセットされる。更に、ステップｂ２に達する。
ここでは、目標の噴射時期Ｔに応じた主噴射(図１０の
ｑｍ域参照)の主噴射信号オン時ｔ１が算出され、主噴
射オンカウンタにセットされ、更に、目標の噴射時期Ｔ
に応じた主噴射信号オフ時ｔ２が算出され主噴射オフカ
ウンタにセットされリターンする。この処理により、ピ
ストン３１が先のピストン上死点Ｍ（Ｈｍａｘ）（図３
参照）に達した際の所定時限(図１０のｑｐの間)に電磁
弁１２がドライバを介して駆動され、燃料噴射弁１０は
その針弁（図示せず）が開弁圧を上回った時点でリフト
し、パイロット噴射が行われ、続いて、ピストン３１が
後のピストン上死点Ｍ（Ｈｍａｘ）に達した際の所定時
限(図１０のｑｍの間)に電磁弁１２がドライバを介して
駆動され、燃料噴射弁１０はその針弁（図示せず）が開
弁圧を上回った時点でリフトし、主噴射が行われる。

【００２３】なお、噴射時期Ｔの進角化により図の電磁
弁開閉特性線図は進角或いは遅角制御されることとな
る。このように、このエンジンではＥＣＵ１４に操作さ
れる電磁弁１２が主噴射に先立ちパイロット噴射を行
え、特に、先のピストン上死点Ｍ（Ｈｍａｘ）に達した
際の所定時限にパイロット噴射が行われ、後のピストン
上死点Ｍ（Ｈｍａｘ）に達した際の所定時限に主噴射が
行われるので、両時点で燃焼室８は高圧高温の圧縮着火
性の良い雰囲気を確保でき、燃焼が良好に行われ、黒煙
やＨＣを低減して排ガスの悪化を防止でき、燃費をも低
下させることとなる。

【００２４】上述のところにおいてユニットインジェク
タ９は電子制御式であったが、共通の高圧ポンプ及び高
圧燃料供給路(コモンレール)を備えたコモンレール式ユ
ニットインジェクタを用いても良く、更に、ドッジプラ
ンジャの往復動によってパイロット噴射と主噴射を機械
的に切換え作動できるドッジプランジャ式パイロット噴
射ノズルを用いても良く、これら燃料噴射弁を用いたの
場合も同様の作用効果を得ることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、ここではクランク軸の回
転が上死点近傍を進むに従い、２度、第１連接棒と揺動
連接棒とが一線上に配列され、その度にピストンはピス
トン上死点に達するので、その２度のピストン上死点の
近傍で燃料噴射装置によって主噴射及びそれに先立つパ
イロット噴射を行うように設定することができ、パイロ
ット噴射モードでの運転の際にパイロット噴射及び主噴
射を十分な圧力、温度の燃焼特性の良い雰囲気下で行
え、両時点で燃焼室は高圧高温の圧縮着火性の良い雰囲
気を確保でき、燃焼が良好に行われ、黒煙やＨＣを低減
して排ガスの悪化を防止でき、燃費をも低下させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概略全体構成図である。

【図２】図１の装置内のピストンクランク運動機構の一
態様での拡大側面である。

【図３】図１の装置内のピストンクランク運動機構の他
の態様での拡大側面である。

【図４】図２のピストンクランク運動機構を構成する各
リンクの長さ及び位置の各々異なる場合のピストン位置
特性線図である。

【図５】図１の装置の駆動時のピストン及びピストンク
ランク運動機構の状態説明図である。

【図６】図１の装置内のピストンクランク運動機構のク
ランク角の変化に応じた上死点前での４つの態様での各
状態説明図である。

【図７】図１の装置内のピストンクランク運動機構のク
ランク角の変化に応じた上死点近傍での４つの態様での
各状態説明図である。

【図８】図１の装置内のピストンクランク運動機構のク
ランク角の変化に応じた上死点後での４つの態様での各
状態説明図である。

【図９】図１の装置で用いる燃料噴射弁の拡大断面図で
ある。

【図１０】図１の装置の電磁弁、噴射弁のクランク角経
過に応じた波形図である。

【図１１】図１の装置内のＥＣＵが用いる噴射時期、主
噴射量マップの特性線図である。

【図１２】図１の装置内のＥＣＵが用いる燃料噴射弁駆
動ルーチンのフローチャートである。

【図１３】図１の装置のパイロット噴射時の筒内圧、リ
フト量のクランク角経過に応じた波形図である。

【図１４】図１の装置の非パイロット噴射時の筒内圧、
リフト量のクランク角経過に応じた波形図である。

【符号の説明】

１エンジン８燃焼室１３ピストン３２ピストンピン３３第１連接棒３４揺動連接棒３５ブラケット３６中間ピン３７クランク軸３８クランクアーム３９クランクピン４０第２連接棒４１固定側ピンｒ₁ アーム長さＬｐピストン中心線Ｌ₃ンクランク軸中心点と中間ピンの直線長さＬ₁ 第２連接棒の長さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02B 75/32 F02M 45/02 - 45/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】クランク軸が下死点より上死点を経て一回
転する間に、ピストンがピストン下死点とピストン上死
点との間で往復動するピストンクランク運動機構を備
え、上記ピストンに対向する燃焼室に対して上記クラン
ク軸が圧縮上死点近傍に達した際に燃料噴射装置によっ
て主噴射及びそれに先立つパイロット噴射を行うピスト
ンクランク運動機構付き内燃機関において、上記ピスト
ンクランク運動機構が上記ピストンにピン結合される第
１連接棒と、同第１連接棒の他端に中間ピンを介して一
端がピン結合され他端が不動部材にピン結合される揺動
連接棒と、上記クランク軸のクランクピンに一端がピン
結合され他端が上記中間ピンを介し第１連接棒の他端に
ピン結合される第２連接棒とを備え、かつ、上記第１連
接棒と揺動連接棒とが一線上に配列される際に、上記中
間ピンとクランク軸中心点の直線長さに対して上記クラ
ンク軸のクランク半径に第２連接棒の長さを加算した加
算値の方が大きく設定されたことを特徴とするピストン
クランク運動機構付き内燃機関。