JP3800020B2 - 圧縮自己着火式エンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮自己着火式エンジンに関し、特に、自己着火性能を改善した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンなど、着火性の低い燃料を使用するエンジン（内燃機関）においても、点火を行わず吸入空気の圧縮による温度・圧力上昇だけで自己着火が可能な運転領域で、該圧縮自己着火によって着火燃焼を行わせることが提案されている。
【０００３】
すなわち、圧縮自己着火によれば、燃焼室内全体において同時かつ多点的に着火するため、燃焼室内全体の混合気が良好に燃焼し、熱効率が向上して燃費が向上する。また、前記燃焼室内全体での同時かつ多点的な着火により燃焼室内の燃焼温度が局所的に高くなることがないので、ＮＯｘの発生も抑制できる。
ところで、吸入空気を圧縮することだけで燃料が自己着火する温度・圧力条件を達成しようとすると、エンジンの圧縮比を高くする必要が生じ、この場合、高負荷運転時にノッキングを発生しやすくなる。このため、圧縮比は低めに設定しておき、自己着火による燃焼をさせるときは、高温の既燃ガスを燃焼室内に残留させ、この残留ガスの熱を利用して燃料を自己着火させる技術が研究されている。
【０００４】
特開平１１−３４３８７４号に開示された技術（以下先行技術という）では、燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、膨張行程中に１回、吸気〜圧縮行程中に１回、開閉弁を開き、前回燃焼サイクルの既燃ガスを次回燃焼サイクルへ残留させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、吸気弁がまだ開弁している吸気行程後期に開閉弁が開閉されて既燃ガスの導入が開始されるので、燃焼室内に吸入される新気の量が減少する一方、高温で密度の低い既燃ガスが大きな体積割合を占めることとなり、その結果、燃焼室内の総ガス量（モル数）が減少してしまう（図８（Ａ）参照）。
【０００６】
燃焼室内の総ガス量が少ないと、自己着火燃焼時の圧力上昇が急峻となって、エンジンの音振性能を悪化させる問題がある。また、音振性能を満足するように燃焼室へ供給する燃料量を制限したのではエンジンの出力性能を悪化させることとなる。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、自己着火時の総ガス量を十分に確保することにより、エンジンの音振性能を悪化させることなく良好な自己着火性能を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を、エンジンの負荷が小さいときほど早くすることを特徴とする。
【０００８】
請求項1に係る発明によると、
新気の吸入が完了して燃焼室が密閉された状態となってから、既燃ガスを導入するので、既燃ガスの導入によって燃焼室内の総ガス量を増加させることができる。
これにより、自己着火燃焼時の圧力上昇が急峻となることを防止しつつ、既燃ガスによる温度上昇効果で良好な自己着火性能を得ることができる。
【００１０】
また、前記膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期に、前記開閉弁を開弁することにより、燃焼室内の既燃ガスが空間内に充填され、閉弁後、空間内は導入時の圧力に維持される。次いで、次燃焼サイクルの圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、該空間内に充填された既燃ガスは燃焼室内に導かれる。
【００１１】
このようにして過給された既燃ガスにより、燃焼室内の混合気は加熱され、さらにピストンによって断熱圧縮され、高温となり、圧縮上死点付近で自己着火し、膨張行程に至る。
この現象が繰り返されることにより、過給圧力は次第に高まり、自己着火性能が、より高められていく。
【００１２】
さらに、低負荷時には自己着火が比較的起こりにくいため、開閉弁の吸気弁閉止後の圧縮行程における開時期を早くして、燃焼室内の圧力が低いうちに空間内の既燃ガスを燃焼室内に導出することにより、導出される既燃ガス量を大きくして自己着火性能を高めることができる。
【００１３】
逆に、高負荷時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を遅くして空間内から燃焼室内に導出される既燃ガス量を減少させて自己着火性能を低負荷時より下げる。
これにより、エンジン負荷の変化に良好に適合したタイミングで自己着火させることができる。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、
燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を、エンジンの回転速度が高いときほど早くすることを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
高回転時には自己着火が比較的起こりにくいため、開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を早くすることにより、上記のように空間から燃焼室内に導出される既燃ガス量を大きくして自己着火性能を高め、逆に、低回転時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を遅くすることにより、既燃ガス導出量を減らして自己着火性能を高回転時より下げる。
【００１５】
これにより、エンジン回転速度の変化に良好に適合したタイミングで自己着火させることができる。
また、請求項３に係る発明は、
燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の排気弁開放前の開時期を、エンジンの負荷が小さいときほど早くすることを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
低負荷時には自己着火が比較的起こりにくいため、開閉弁の排気弁開放前の膨張行程における開時期を早くして、燃焼室内の圧力が高いうちに燃焼室内の既燃ガスを空間内に充填することにより、充填される既燃ガス量を多くしておき、次回の燃焼サイクルの圧縮行程で空間から燃焼室内に導出される既燃ガス量を多くして自己着火性能を高めることができる。
【００１６】
また、請求項４に係る発明は、
燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の排気弁開放前の開時期を、エンジンの回転速度が高いときほど早くすることを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
高回転時には自己着火が比較的起こりにくいため、上記のように開閉弁の排気弁開放前の膨張行程における開時期を早くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内へ導出される既燃ガス量を多くして自己着火性能を高め、逆に、低回転時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の排気弁開放前の開時期を遅くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内に導出される既燃ガス量を減少させて自己着火性能を高回転時より下げる。
【００１７】
逆に、高負荷時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の排気弁開放前の開時期を遅くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内に導出される既燃ガス量を減少させて自己着火性能を低負荷時より下げる。
これにより、エンジン負荷の変化に良好に適合したタイミングで自己着火させることができる。
【００１８】
また、請求項６に係る発明は、
前記開閉弁の排気弁開放前の開時期を、エンジンの回転速度が高いときほど早くすることを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
高回転時には自己着火が比較的起こりにくいため、上記のように開閉弁の排気弁開放前の膨張行程における開時期を早くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内へ導出される既燃ガス量を多くして自己着火性能を高め、逆に、低回転時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の排気弁開放前の開時期を遅くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内に導出される既燃ガス量を減少させて自己着火性能を高回転時より下げる。
【００１９】
これにより、エンジン回転速度の変化に良好に適合したタイミングで自己着火させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態のシステム構成を示す図１において、圧縮自己着火が可能なエンジンの燃焼室１には、それぞれ２股に分岐した吸気ポート２と、１本の排気ポート３とが接続され、吸気ポート２には吸気弁２１、排気ポート３には排気弁３１が装着されている。燃焼室１には、高負荷運転時に火花点火燃焼を行うときにスパーク点火を行う点火栓５が装着されている。燃料噴射弁４は吸気ポート２に燃料噴射するように配置されているが、燃焼室１内に燃料を噴射供給するものであってもよい。
【００２１】
また、燃焼室１に連通する密閉された空間６と、該空間６を燃焼室１との間で開閉する開閉弁６１が設けられる。
前記吸気弁２１、排気弁３１は、それぞれ図示しない吸気弁用カム、排気弁用カムによってバルブタイミングが可変に制御され、特に、火花点火燃焼時における通常のバルブタイミング制御と、本発明に係る自己着火燃焼時のバルブタイミング制御とを切換可能に構成されている。図２は、自己着火燃焼時のバルブタイミング制御（開閉弁６の開閉制御を含む）を示し、図３は、火花点火燃焼時における通常のバルブタイミング制御を示す。このような燃焼切換に応じたバルブタイミング制御が切換可能な可変動弁装置の例としては、例えば、特開平９−２０３３０７号に開示されるようなものがある。
【００２２】
次に、上記実施形態の作用を説明する。
まず、自己着火燃焼を行わせる際の必要な諸条件について説明する。
自己着火燃焼では、火花で点火することなく、混合気の温度をピストン圧縮で上昇させ、自発的な着火を行わせる必要がある。ガソリンを燃料とする場合には、火花点火燃焼の全負荷性能を損なわない圧縮比（例えば１２以下）では、ピストン圧縮のみでは自発的な着火に至る温度が得られない。このため、圧縮開始の時点以前に何らかの混合気加熱の動作を行う必要がある。前記先行技術では、自己着火を助けるため内部ＥＧＲ（残留既燃ガス量）を増やして混合気温度を上げる必要がある。この場合、混合気温度が上昇するので、新気と残留ガスを合わせたガスの総モル数は減少する。
【００２３】
次に、自己着火燃焼の最高負荷について説明する。
自己着火燃焼は、燃焼室空間で多点同時的に発生するため局所的な熱発生速度が大きいと、全体としても熱発生が急激となり、急激な圧力上昇による打音が発生する。
この現象を回避するには、ガス・燃料重量比（以下Ｇ／Ｆ）を大きくして局所の熱発生速度を緩やかなものにする必要がある。経験上、この打音が発生しない限界Ｇ／Ｆは約３０であり、したがって燃焼室に投入できる燃料の量は燃焼室内のガス量に応じて制限される。これは、すなわち、自己着火燃焼の最高負荷が減少することを意味する。前記先行技術では、自己着火を助けるため内部ＥＧＲを増やして混合気温度を上げ、燃焼室内ガスの総モル数（ガス重量）が減少しているため、前記限界Ｇ／Ｆとの関係から燃料量が制限され、自己着火燃焼の最高負荷が小さな値に留まる。すなわち、実質的に自己着火燃焼が可能な運転領域が制限され、燃費の改善やＮＯｘの低減が制約されてしまう。
【００２４】
この問題を解消するには吸気を加熱するために内部ＥＧＲを増やしても、新気量が減らないようにすればよい。つまり、ＥＧＲを過給すればよい。
本発明では、ターボチャージャ、スーパーチャージャ等の従来の過給方法によらずに高い過給圧力を発生させることができる。
まず、図４に基づき、同上実施形態にかかるエンジンの部分負荷時の作動を、行程毎に説明する。
【００２５】
膨張行程において、排気弁３１が開く以前に開閉弁６１を開きかつ閉じることによって、空間６内部に燃焼室１内のＥＧＲガス（既燃ガス）を充填する。その後、通常のエンジンと同様に、排気行程での排気、吸気行程での吸気を行う。
さらに、吸気弁２１の閉止後、開閉弁６１を開きかつ閉じることによって、空間６に充填されていたＥＧＲガスを燃焼室１内に導く。これにより、高温のＥＧＲガスで加熱された燃焼室１内の混合気は、さらにピストンによって断熱圧縮され、高温となり、圧縮上死点付近で自己着火し、膨張行程に至る。そして、排気弁３１が開く前に再び開閉弁６１を開閉することにより再度ＥＧＲガスを空間６に充填する。
【００２６】
圧縮行程初めにおいて空間６よりＥＧＲガスが、燃焼室１内に充填されるとき、燃焼室１内の圧力は、空間６内の圧力と同程度まで高まる。その後膨張行程終わりに再び開閉弁６１が開くときには、燃料の燃焼によって、燃焼室１内圧力は圧縮行程初めに開閉弁６１を開いた時点よりも高くなることになる。したがって、次サイクルの圧縮初めにおいては、前サイクルより高い圧力でＥＧＲガスが燃焼室１内に充填されることになる。
【００２７】
この現象が繰り返されることにより、過給圧力は次第に高まり、２Ｋｇ／ｃｍ2程度にまで達する。以上の時間的変化を図５，図６に示す。
本発明では、このようなメカニズムにより、ＥＧＲガスを過給することによって燃焼室内の総ガス量を増大させ、自己着火運転の負荷範囲を高負荷側に高めることができる。前記先行技術とのガス量の相違を図８に概念的に示す。
【００２８】
次に、同上エンジンの全負荷における動作を説明する。
全負荷運転時には、火花点火燃焼を行い、可変動弁装置を作動させることによって、図３に示した弁リフト特性を採用する。このとき、開閉弁６１の開閉は行われず(閉止状態に維持され)、４行程にわたって吸・排気弁の開閉動作は通常のガソリンエンジンと同じになる。
【００２９】
図８に、第２の実施形態を示す。本実施形態は、図１に示した第1の実施形態と同様のハードウエアを有するが、開閉弁６１の動作タイミングすなわち、クランク軸回転に対する位相をエンジンの運転条件に応じて変化させるものである。
開閉弁６１の吸気弁２１閉止後の開時期を早くすることによって、燃焼室１内圧力が低い時期に空間６と燃焼室１とが連通するため、空間６から燃焼室１へのＥＧＲガスの充填量は多くなる。
【００３０】
また、開閉弁６１の排気弁３１開放前の開時期を早くすることによって、燃焼室１内圧力が高い時期に空間６と燃焼室１とが連通するため、燃焼室１から空間６へのＥＧＲガスの充填量は多くなり、次サイクルでのＥＧＲガス量が増加する。
以上から開閉弁６１動作のタイミングを早くすることによって、ＥＧＲの過給圧力を高く、開閉弁６１動作のタイミングを遅くすることによって、ＥＧＲの過給圧力を低くすることができる。低負荷時および高速回転時には自己着火が比較的起こりにくいため、このように開閉弁６１動作のタイミングを早くすることが有効である。逆に、高負荷時および低速回転時には自己着火が比較的起こりやすいため、開閉弁６１動作タイミングを遅くすればよい。
【００３１】
図９は、開閉弁６１の動作をエンジン回転速度と負荷とをパラメータとして示したものである。
このように、運転条件に応じた自己着火の発生傾向によって、開閉弁６１動作のタイミングを変更して燃焼室１内の内部ＥＧＲ量を変えることにより、常に最適なタイミングで自己着火させることができ、安定した燃焼性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のシステム構成を示す図。
【図２】同上実施形態の自己着火燃焼時のバルブタイミング特性を示す図。
【図３】同じく火花点火燃焼時のバルブタイミング特性を示す図。
【図４】同じく部分負荷時のエンジン動作を示す図。
【図５】同じく空間内圧力のサイクル繰り返しによる増大変化の様子を示すタイムチャート。
【図６】同じく筒内圧力のサイクル繰り返しによる増大変化の様子を示すタイムチャート。
【図７】同じく自己着火燃焼時にＥＧＲを増大させたときの総ガス量の増大変化の様子を、先行技術の場合と比較して示すタイムチャート。
【図８】本発明の第２実施形態における自己着火燃焼時のバルブタイミング特性を示す図。
【図９】同じく、燃焼形態と開閉弁開閉時期を示すマップ
【符号の説明】
１ 燃焼室
６ 空間
２１ 吸気弁
３１ 排気弁
６１ 開閉弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮自己着火式エンジンに関し、特に、自己着火性能を改善した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンなど、着火性の低い燃料を使用するエンジン（内燃機関）においても、点火を行わず吸入空気の圧縮による温度・圧力上昇だけで自己着火が可能な運転領域で、該圧縮自己着火によって着火燃焼を行わせることが提案されている。
【０００３】
すなわち、圧縮自己着火によれば、燃焼室内全体において同時かつ多点的に着火するため、燃焼室内全体の混合気が良好に燃焼し、熱効率が向上して燃費が向上する。また、前記燃焼室内全体での同時かつ多点的な着火により燃焼室内の燃焼温度が局所的に高くなることがないので、ＮＯｘの発生も抑制できる。
ところで、吸入空気を圧縮することだけで燃料が自己着火する温度・圧力条件を達成しようとすると、エンジンの圧縮比を高くする必要が生じ、この場合、高負荷運転時にノッキングを発生しやすくなる。このため、圧縮比は低めに設定しておき、自己着火による燃焼をさせるときは、高温の既燃ガスを燃焼室内に残留させ、この残留ガスの熱を利用して燃料を自己着火させる技術が研究されている。
【０００４】
特開平１１−３４３８７４号に開示された技術（以下先行技術という）では、燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、膨張行程中に１回、吸気〜圧縮行程中に１回、開閉弁を開き、前回燃焼サイクルの既燃ガスを次回燃焼サイクルへ残留させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、吸気弁がまだ開弁している吸気行程後期に開閉弁が開閉されて既燃ガスの導入が開始されるので、燃焼室内に吸入される新気の量が減少する一方、高温で密度の低い既燃ガスが大きな体積割合を占めることとなり、その結果、燃焼室内の総ガス量（モル数）が減少してしまう（図８（Ａ）参照）。
【０００６】
燃焼室内の総ガス量が少ないと、自己着火燃焼時の圧力上昇が急峻となって、エンジンの音振性能を悪化させる問題がある。また、音振性能を満足するように燃焼室へ供給する燃料量を制限したのではエンジンの出力性能を悪化させることとなる。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、自己着火時の総ガス量を十分に確保することにより、エンジンの音振性能を悪化させることなく良好な自己着火性能を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を、エンジンの負荷が小さいときほど早くすることを特徴とする。
【０００８】
請求項1に係る発明によると、
新気の吸入が完了して燃焼室が密閉された状態となってから、既燃ガスを導入するので、既燃ガスの導入によって燃焼室内の総ガス量を増加させることができる。
これにより、自己着火燃焼時の圧力上昇が急峻となることを防止しつつ、既燃ガスによる温度上昇効果で良好な自己着火性能を得ることができる。
【００１０】
また、前記膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期に、前記開閉弁を開弁することにより、燃焼室内の既燃ガスが空間内に充填され、閉弁後、空間内は導入時の圧力に維持される。次いで、次燃焼サイクルの圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、該空間内に充填された既燃ガスは燃焼室内に導かれる。
【００１１】
このようにして過給された既燃ガスにより、燃焼室内の混合気は加熱され、さらにピストンによって断熱圧縮され、高温となり、圧縮上死点付近で自己着火し、膨張行程に至る。
この現象が繰り返されることにより、過給圧力は次第に高まり、自己着火性能が、より高められていく。
【００１２】
さらに、低負荷時には自己着火が比較的起こりにくいため、開閉弁の吸気弁閉止後の圧縮行程における開時期を早くして、燃焼室内の圧力が低いうちに空間内の既燃ガスを燃焼室内に導出することにより、導出される既燃ガス量を大きくして自己着火性能を高めることができる。
【００１３】
逆に、高負荷時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を遅くして空間内から燃焼室内に導出される既燃ガス量を減少させて自己着火性能を低負荷時より下げる。
これにより、エンジン負荷の変化に良好に適合したタイミングで自己着火させることができる。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、
燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を、エンジンの回転速度が高いときほど早くすることを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
高回転時には自己着火が比較的起こりにくいため、開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を早くすることにより、上記のように空間から燃焼室内に導出される既燃ガス量を大きくして自己着火性能を高め、逆に、低回転時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を遅くすることにより、既燃ガス導出量を減らして自己着火性能を高回転時より下げる。
【００１５】
これにより、エンジン回転速度の変化に良好に適合したタイミングで自己着火させることができる。
また、請求項３に係る発明は、
燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の排気弁開放前の開時期を、エンジンの負荷が小さいときほど早くすることを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
低負荷時には自己着火が比較的起こりにくいため、開閉弁の排気弁開放前の膨張行程における開時期を早くして、燃焼室内の圧力が高いうちに燃焼室内の既燃ガスを空間内に充填することにより、充填される既燃ガス量を多くしておき、次回の燃焼サイクルの圧縮行程で空間から燃焼室内に導出される既燃ガス量を多くして自己着火性能を高めることができる。
【００１６】
また、請求項４に係る発明は、
燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の排気弁開放前の開時期を、エンジンの回転速度が高いときほど早くすることを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
高回転時には自己着火が比較的起こりにくいため、上記のように開閉弁の排気弁開放前の膨張行程における開時期を早くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内へ導出される既燃ガス量を多くして自己着火性能を高め、逆に、低回転時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の排気弁開放前の開時期を遅くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内に導出される既燃ガス量を減少させて自己着火性能を高回転時より下げる。
【００１７】
逆に、高負荷時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の排気弁開放前の開時期を遅くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内に導出される既燃ガス量を減少させて自己着火性能を低負荷時より下げる。
これにより、エンジン負荷の変化に良好に適合したタイミングで自己着火させることができる。
【００１８】
また、請求項６に係る発明は、
前記開閉弁の排気弁開放前の開時期を、エンジンの回転速度が高いときほど早くすることを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
高回転時には自己着火が比較的起こりにくいため、上記のように開閉弁の排気弁開放前の膨張行程における開時期を早くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内へ導出される既燃ガス量を多くして自己着火性能を高め、逆に、低回転時は自己着火が比較的起こりやすくなるので、相対的に開閉弁の排気弁開放前の開時期を遅くすることにより、空間へ充填されその後空間内から燃焼室内に導出される既燃ガス量を減少させて自己着火性能を高回転時より下げる。
【００１９】
これにより、エンジン回転速度の変化に良好に適合したタイミングで自己着火させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態のシステム構成を示す図１において、圧縮自己着火が可能なエンジンの燃焼室１には、それぞれ２股に分岐した吸気ポート２と、１本の排気ポート３とが接続され、吸気ポート２には吸気弁２１、排気ポート３には排気弁３１が装着されている。燃焼室１には、高負荷運転時に火花点火燃焼を行うときにスパーク点火を行う点火栓５が装着されている。燃料噴射弁４は吸気ポート２に燃料噴射するように配置されているが、燃焼室１内に燃料を噴射供給するものであってもよい。
【００２１】
また、燃焼室１に連通する密閉された空間６と、該空間６を燃焼室１との間で開閉する開閉弁６１が設けられる。
前記吸気弁２１、排気弁３１は、それぞれ図示しない吸気弁用カム、排気弁用カムによってバルブタイミングが可変に制御され、特に、火花点火燃焼時における通常のバルブタイミング制御と、本発明に係る自己着火燃焼時のバルブタイミング制御とを切換可能に構成されている。図２は、自己着火燃焼時のバルブタイミング制御（開閉弁６の開閉制御を含む）を示し、図３は、火花点火燃焼時における通常のバルブタイミング制御を示す。このような燃焼切換に応じたバルブタイミング制御が切換可能な可変動弁装置の例としては、例えば、特開平９−２０３３０７号に開示されるようなものがある。
【００２２】
次に、上記実施形態の作用を説明する。
まず、自己着火燃焼を行わせる際の必要な諸条件について説明する。
自己着火燃焼では、火花で点火することなく、混合気の温度をピストン圧縮で上昇させ、自発的な着火を行わせる必要がある。ガソリンを燃料とする場合には、火花点火燃焼の全負荷性能を損なわない圧縮比（例えば１２以下）では、ピストン圧縮のみでは自発的な着火に至る温度が得られない。このため、圧縮開始の時点以前に何らかの混合気加熱の動作を行う必要がある。前記先行技術では、自己着火を助けるため内部ＥＧＲ（残留既燃ガス量）を増やして混合気温度を上げる必要がある。この場合、混合気温度が上昇するので、新気と残留ガスを合わせたガスの総モル数は減少する。
【００２３】
次に、自己着火燃焼の最高負荷について説明する。
自己着火燃焼は、燃焼室空間で多点同時的に発生するため局所的な熱発生速度が大きいと、全体としても熱発生が急激となり、急激な圧力上昇による打音が発生する。
この現象を回避するには、ガス・燃料重量比（以下Ｇ／Ｆ）を大きくして局所の熱発生速度を緩やかなものにする必要がある。経験上、この打音が発生しない限界Ｇ／Ｆは約３０であり、したがって燃焼室に投入できる燃料の量は燃焼室内のガス量に応じて制限される。これは、すなわち、自己着火燃焼の最高負荷が減少することを意味する。前記先行技術では、自己着火を助けるため内部ＥＧＲを増やして混合気温度を上げ、燃焼室内ガスの総モル数（ガス重量）が減少しているため、前記限界Ｇ／Ｆとの関係から燃料量が制限され、自己着火燃焼の最高負荷が小さな値に留まる。すなわち、実質的に自己着火燃焼が可能な運転領域が制限され、燃費の改善やＮＯｘの低減が制約されてしまう。
【００２４】
この問題を解消するには吸気を加熱するために内部ＥＧＲを増やしても、新気量が減らないようにすればよい。つまり、ＥＧＲを過給すればよい。
本発明では、ターボチャージャ、スーパーチャージャ等の従来の過給方法によらずに高い過給圧力を発生させることができる。
まず、図４に基づき、同上実施形態にかかるエンジンの部分負荷時の作動を、行程毎に説明する。
【００２５】
膨張行程において、排気弁３１が開く以前に開閉弁６１を開きかつ閉じることによって、空間６内部に燃焼室１内のＥＧＲガス（既燃ガス）を充填する。その後、通常のエンジンと同様に、排気行程での排気、吸気行程での吸気を行う。
さらに、吸気弁２１の閉止後、開閉弁６１を開きかつ閉じることによって、空間６に充填されていたＥＧＲガスを燃焼室１内に導く。これにより、高温のＥＧＲガスで加熱された燃焼室１内の混合気は、さらにピストンによって断熱圧縮され、高温となり、圧縮上死点付近で自己着火し、膨張行程に至る。そして、排気弁３１が開く前に再び開閉弁６１を開閉することにより再度ＥＧＲガスを空間６に充填する。
【００２６】
圧縮行程初めにおいて空間６よりＥＧＲガスが、燃焼室１内に充填されるとき、燃焼室１内の圧力は、空間６内の圧力と同程度まで高まる。その後膨張行程終わりに再び開閉弁６１が開くときには、燃料の燃焼によって、燃焼室１内圧力は圧縮行程初めに開閉弁６１を開いた時点よりも高くなることになる。したがって、次サイクルの圧縮初めにおいては、前サイクルより高い圧力でＥＧＲガスが燃焼室１内に充填されることになる。
【００２７】
この現象が繰り返されることにより、過給圧力は次第に高まり、２Ｋｇ／ｃｍ2程度にまで達する。以上の時間的変化を図５，図６に示す。
本発明では、このようなメカニズムにより、ＥＧＲガスを過給することによって燃焼室内の総ガス量を増大させ、自己着火運転の負荷範囲を高負荷側に高めることができる。前記先行技術とのガス量の相違を図８に概念的に示す。
【００２８】
次に、同上エンジンの全負荷における動作を説明する。
全負荷運転時には、火花点火燃焼を行い、可変動弁装置を作動させることによって、図３に示した弁リフト特性を採用する。このとき、開閉弁６１の開閉は行われず(閉止状態に維持され)、４行程にわたって吸・排気弁の開閉動作は通常のガソリンエンジンと同じになる。
【００２９】
図８に、第２の実施形態を示す。本実施形態は、図１に示した第1の実施形態と同様のハードウエアを有するが、開閉弁６１の動作タイミングすなわち、クランク軸回転に対する位相をエンジンの運転条件に応じて変化させるものである。
開閉弁６１の吸気弁２１閉止後の開時期を早くすることによって、燃焼室１内圧力が低い時期に空間６と燃焼室１とが連通するため、空間６から燃焼室１へのＥＧＲガスの充填量は多くなる。
【００３０】
また、開閉弁６１の排気弁３１開放前の開時期を早くすることによって、燃焼室１内圧力が高い時期に空間６と燃焼室１とが連通するため、燃焼室１から空間６へのＥＧＲガスの充填量は多くなり、次サイクルでのＥＧＲガス量が増加する。
以上から開閉弁６１動作のタイミングを早くすることによって、ＥＧＲの過給圧力を高く、開閉弁６１動作のタイミングを遅くすることによって、ＥＧＲの過給圧力を低くすることができる。低負荷時および高速回転時には自己着火が比較的起こりにくいため、このように開閉弁６１動作のタイミングを早くすることが有効である。逆に、高負荷時および低速回転時には自己着火が比較的起こりやすいため、開閉弁６１動作タイミングを遅くすればよい。
【００３１】
図９は、開閉弁６１の動作をエンジン回転速度と負荷とをパラメータとして示したものである。
このように、運転条件に応じた自己着火の発生傾向によって、開閉弁６１動作のタイミングを変更して燃焼室１内の内部ＥＧＲ量を変えることにより、常に最適なタイミングで自己着火させることができ、安定した燃焼性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のシステム構成を示す図。
【図２】同上実施形態の自己着火燃焼時のバルブタイミング特性を示す図。
【図３】同じく火花点火燃焼時のバルブタイミング特性を示す図。
【図４】同じく部分負荷時のエンジン動作を示す図。
【図５】同じく空間内圧力のサイクル繰り返しによる増大変化の様子を示すタイムチャート。
【図６】同じく筒内圧力のサイクル繰り返しによる増大変化の様子を示すタイムチャート。
【図７】同じく自己着火燃焼時にＥＧＲを増大させたときの総ガス量の増大変化の様子を、先行技術の場合と比較して示すタイムチャート。
【図８】本発明の第２実施形態における自己着火燃焼時のバルブタイミング特性を示す図。
【図９】同じく、燃焼形態と開閉弁開閉時期を示すマップ
【符号の説明】
１ 燃焼室
６ 空間
２１ 吸気弁
３１ 排気弁
６１ 開閉弁
Claims (4)
- 燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を、エンジンの負荷が小さいときほど早くすることを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。 - 燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の吸気弁閉止後の開時期を、エンジンの回転速度が高いときほど早くすることを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。 - 燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の排気弁開放前の開時期を、エンジンの負荷が小さいときほど早くすることを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。 - 燃焼室内の燃料を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、
燃焼室に開閉弁を介して連通する空間を設けると共に、
吸気弁と排気弁とが閉弁状態にある膨張行程中で前記空間内の圧力より燃焼室内の圧力が高い第１時期と、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中で燃焼室内の圧力より前記空間内の圧力が高い第２時期に前記開閉弁を開弁することにより、吸気弁と排気弁が共に閉弁状態にある圧縮行程中の燃焼室内に、前記吸入空気より温度の高い既燃ガスを導入する手段を設け、
かつ、前記開閉弁の排気弁開放前の開時期を、エンジンの回転速度が高いときほど早くすることを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。
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