JP3921976B2 - 圧縮自己着火式内燃機関 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、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内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
着火性の低いガソリンを燃料として使用する内燃機関においても、高効率、低エミッションの観点より、点火を行わずに圧縮自己着火により着火燃焼を行わせることが提案されている。
このような圧縮自己着火式の内燃機関としては、例えば特開平11−343874号公報に開示されたものがある。
【0003】
このものは、開閉弁を介して燃焼室に連通する副室を設け、その副室より高温の既燃ガスを成層状態で燃焼室内に供給することによって、着火性の悪いガソリン混合気を圧縮自己着火させている。
具体的には、膨張行程終期に開閉弁を開弁して既燃ガスを副室内に充填し、吸気行程若しくは圧縮行程中の燃焼室内圧力が副室よりも低いときに再び開閉弁を開弁することで、既燃ガスを成層化して燃焼室へ供給するように構成している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のものは、既燃ガスを燃焼室内に導入する時期を明確に規定しておらず、また、吸気弁が開弁している吸気行程中に前記開閉弁を開弁して副室から既燃ガスを導入することになるので、既燃ガスの充填により圧縮自己着火燃料において混合気を着火させるのに必要な筒内平均温度の上昇を確保することはできるものの、平均有効圧を向上させるために必要な筒内の総ガス量(モル数)を増大させることができない。また、低負荷領域において安定した運転を行うという観点からも、十分な着火性を保つためには筒内平均温度の上昇のみでは不十分である。
【0005】
このため、圧縮自己着火燃焼を行う運転領域が制限されていた。
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであって、広範囲にわたる運転領域において圧縮自己着火燃焼を可能とする圧縮自己着火式内燃機関を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項1に係る発明は、燃焼室内に改質燃料を供給し、該燃焼室内の混合気を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、前記燃焼室に開閉弁を介して連通する副室と、該副室内に燃料を噴射する副室燃料噴射弁と、を備え、前記開閉弁の開閉動作により前記副室内に充填した既燃ガス中に、前記副室燃料噴射弁から燃料を噴射することによって燃料を改質し、この改質燃料を燃焼室内に供給するように構成し、前記改質燃料の燃焼室への供給時期を、機関の負荷が小さいほど遅くすることを特徴とする。
【0008】
請求項2に係る発明は、前記改質燃料の燃焼室への供給時期は、前記開閉弁の開閉時期により制御することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、機関の排気弁が開弁される前の膨張行程終期に前記開閉弁を開弁するとともに、その後排気弁が開弁される前に前記開閉弁を閉弁することによって前記燃焼室から前記副室内に既燃ガスを充填し、前記吸気弁が閉弁された後の圧縮行程始期に前記開閉弁を開弁するとともに、圧縮行程中に前記開閉弁を閉弁することで前記改質燃料を前記燃焼室内に供給することを特徴とする。
【0009】
請求項4に係る発明は、前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期を、機関の負荷が小さいほど遅くすることを特徴とする。
請求項5に係る発明は、前記開閉弁の排気弁開弁前の開時期を、機関の負荷が小さいほど早くすることを特徴とする。
【0010】
請求項6に係る発明は、前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期及び排気弁開弁前の開時期を、機関の回転速度が高いほど早くすることを特徴とする。
請求項7に係る発明は、前記開閉弁の開度を、機関の回転速度が高いほど大きくすることを特徴とする。
【0011】
請求項8に係る発明は、前記副室内の噴射する燃料量を、機関の負荷が小さいほど多くすることを特徴とする。
請求項9に係る発明は、前記副室が機関の排気ポート側に設けられることを特徴とする。
【0012】
請求項10に係る発明は、前記開閉弁が電磁弁であることを特徴とする。
【0013】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、
着火し易い改質燃料を燃焼室への供給し、かつ、改質燃料の供給時期を機関の負荷が小さいほど遅くするので、改質燃料を局所的に分布させ、筒内の燃料混合気の成層度を高めることができる。
【0014】
この結果、着火性を向上させることができ、低負荷領域においても良好な圧縮自己着火性能を確保できる。
逆に、機関の負荷が大きくなるほど燃焼室内の総ガス量も多くなり、温度・圧力上昇が相対的に早くなるので、これに合わせて改質燃料の供給時期を早める。これにより、運転状態に応じて適切な時期に改質燃料を供給でき、着火性の向上を効果的に行うことができる。
【0015】
ここで、開閉弁の開閉動作により副室内に既燃ガスを充填し、充填された高温、高圧な既燃ガス中に副室燃料噴射弁により燃料を噴射することにより、ガソリン等の着火性の悪い燃料を着火し易い燃料に改質する。そして、開閉弁を開弁することで改質した燃料(改質燃料)を燃焼室内に供給する。
【0016】
請求項2に係る発明によれば、開閉弁の開閉時期を制御することにより、筒内における燃料混合気の成層度を最適に制御しつつ、改質燃料を燃焼室内の供給できる。
請求項3に係る発明によれば、前記開閉弁を、機関の排気弁が開弁される前の膨張行程終期に開閉弁を開弁するとともに、その後排気弁が開弁される前に閉弁することにより、圧力の高い燃焼室から既燃ガスが副室内に充填される。その後、副室内に充填された高温、高圧の既燃ガス中に副室燃料噴射弁から燃料を噴射することで着火性の悪い燃料を着火し易い改質燃料とする。そして、次行程の吸気弁が閉弁された後の圧縮行程始期に前記開閉弁を開弁するとともに、圧縮行程中に閉弁することにより、副室から改質燃料を含む既燃ガスが燃焼室へと供給される。
【0017】
このように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て高温となり、圧縮上死点付近で自己着火する。かかる現象が繰り返されることで過給圧力が高められ、良好な圧縮自己着火性能を確保できる。
請求項4に係る発明によれば、前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期を機関の負荷が小さいほど遅くすることにより、改質燃料を含む既燃ガスの燃焼室への供給時期を遅らせて、筒内の燃料混合気の成層度を高める。これにより、着火性を向上させて圧縮自己着火が比較的起こりにくい低負荷領域においても良好な圧縮自己着火性能を確保できる。
【0018】
請求項5に係る発明によれば、前記開閉弁の排気弁開弁前の開時期を機関の負荷が小さいほど早くすることにより、エネルギーの高い既燃ガスを副室内に充填することができる。これにより、副室内の噴射する燃料の燃料改質効果を高くでき、良好な圧縮自己着火性能を確保できる。
【0019】
請求項6に係る発明によれば、前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期及び排気弁開弁前の開時期を、機関の回転速度が高いほど早くすることにより、着火に至るまでに必要な時間を確保して良好な圧縮自己着火性能を確保できる。
請求項7に係る発明によれば、前記開閉弁の開度を機関の回転速度が高いほど大きくすることにより、機関の回転速度が高いほど、短い時間で既燃ガスのエネルギーを利用して過給効果高めることができる。これにより、着火に至るまでの時間が確保しにくくなる高回転領域においても良好な圧縮自己着火性能を確保できる。
【0020】
請求項8に係る発明によれば、前記副室内の噴射する燃料量を機関の負荷が小さいほど多くすることにより、着火性の悪化する低負荷領域において、改質燃料量を増加させて良好な圧縮自己着火性能を確保する。
請求項9に係る発明によれば、前記副室が機関の排気ポート側に設けられることにより、副室内に充填された既燃ガスのエネルギー損失を最小限に抑えることができる。
【0021】
請求項10に係る発明によれば、前記開閉弁が電磁弁とすることにより、開閉時期及びバルブリフト量を任意に制御できる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態を示す4サイクル型ガソリン機関のシステム図である。
図1において、運転条件に応じて圧縮自己着火燃焼と通常の火花点火燃焼とを切り換え可能な機関は、燃焼室1と、少なくとも1本の吸気ポート2と、該吸気ポート2の下流側で燃焼室1の入口に配置された吸気弁3と、ピストン4と、吸気ポート2に設けられ吸気弁3に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁5と、火花点火燃焼を行う際にスパーク点火を行う点火プラグ6と、燃焼制御を行う電子制御装置(ECU)7と、少なくとも1本の排気ポート8と、該排気ポート8の上流側で燃焼室1の出口に配置された排気弁9と、排気ポート8側に設置され、燃焼室1と開閉弁11を介して連通する副室10と、該副室10内に燃料を噴射する副室燃料噴射弁12と、を含んで構成される。
【0023】
前記燃料噴射弁5は、吸気ポート2内に燃料噴射するように配置されているが、燃焼室1内に直接燃料を噴射するものであってもよい。
前記ECU7は、クランク角センサ(図示省略)が検出した機関回転信号とアクセル開度センサ(図示省略)が検出したアクセル開度信号(負荷)とに基づいて圧縮自己着火燃焼と火花点火燃焼のいずれの燃焼方式で運転を行うかを判定する燃焼形態判定部13と、火花点火燃焼を行うときに燃焼制御を行う火花点火燃焼制御部14と、圧縮自己着火燃焼を行うときに燃焼制御を行う圧縮自己着火燃焼制御部15と、を備えている。
【0024】
前記吸気弁3及び排気弁9は、それぞれ吸気側カム軸(図示省略)、排気側カム軸(図示省略)によって開閉時期(バルブタイミング)が可変制御され、特に、火花点火燃焼を行うときのバルブタイミング制御と圧縮自己着火燃焼を行うときのバルブタイミングとを切り換え可能な可変動弁装置が設けられている。なお、このような可変動弁装置としては、例えば、特開平9−203307号公報に開示されているようなものがある。
【0025】
そして、図2に示すような機関の回転速度及び負荷領域において、圧縮自己着火燃焼を行い、それ以外の領域においては火花点火燃焼を行う。
なお、図3は、圧縮自己着火燃焼時のバルブタイミング制御(前記開閉弁11のバルブタイミング制御を含む)を示し、図4は、火花点火燃焼時のバルブタイミング制御を示す。
【0026】
前記開閉弁11としては、開閉時期及びバルブリフト量を任意に制御できるよう電磁駆動弁を用いている。
ここで、圧縮自己着火燃焼を行わせる際の諸条件について説明する。
圧縮自己着火燃焼では、火花による点火を行うことなく、混合気の温度をピストン4の圧縮により上昇させて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4の圧縮のみでは自発的な着火に至る温度を得ることができない。
【0027】
このため、圧縮開始時点以前に何らかの手段により混合気加熱を行うか、若しくは燃料が着火に至る温度を下げることが必要となる。前記従来の技術では、圧縮自己着火を補助するため、燃焼室内の既燃ガス量を増加させて混合気の温度を上昇させている。この場合、混合気温度が上昇するので、新気と残留既燃ガスを合わせたガスの総モル数が減少してしまう。
【0028】
次に、圧縮自己着火燃焼の負荷範囲について説明する。
圧縮自己着火燃焼は、燃焼室空間内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の熱発生が急激になり、急激な圧力上昇を引き起こして打音が発生する。この現象を回避するには、ガスと燃料重量との比(以下G/Fという)を大きくして局所の熱発生速度を緩やかにする必要がある。経験上、この打音が発生しない限界G/Fはおよそ30程度であり、これにより、燃焼室内に投入できる燃料量は燃焼室内のガス量に応じて制限されることになる。このことは、圧縮自己着火燃焼の最高負荷が制限されることを意味する。
【0029】
前記従来の技術では、圧縮自己着火を補助するために、燃焼室内の既燃ガス量を増加させて混合気の温度を上昇させるので、燃焼室内のガスの総モル数が減少し、圧縮自己着火燃焼の最高負荷が小さな値にとどまってしまう。
また、低負荷領域においては混合気を更に希薄化して燃焼を行うため、着火性の悪化が顕著になり、燃焼安定性が低下して未燃燃料量が増加し、排気性能、燃費の悪化を招く。更に、機関回転速度が上昇した場合でも、着火性の悪化が問題となる。
【0030】
この問題を解決するためには、燃焼室内の既燃ガス量を増加させても新気量が減少しないようにする必要がある。つまり、既燃ガスを過給するようにすればよい。また、低負荷領域及び高回転領域における着火性の向上を同時に成立させて圧縮自己着火燃焼による運転負荷範囲を拡大するためには、燃料を着火し易い燃料に改質する手段を設ければよい。
【0031】
本発明では、ターボチャージャー、スーパーチャージャー等の従来の過給方法によらず、高い過給圧力を発生することができ、さらに、この過給圧力と既燃ガスの高温を利用して燃料を着火し易い燃料へと改質することによって、広範囲の運転負荷領域で圧縮自己着火燃焼を可能としている。
以下、本実施形態に係る圧縮自己着火燃焼について詳細に説明する。
【0032】
まず、図5に基づき、部分負荷時の機関の動作を行程毎に説明する。
膨張行程において排気弁9が開く以前に開閉弁11を開き、その後排気弁9が開く以前に開閉弁11を閉じることで副室10内に既燃ガスを充填する(図5(D))。
続いて、通常の機関と同様に、排気行程での排気、吸気行程での吸気を行うことにより燃焼室1内のガス交換を行う(図5(E)、(A))。このガス交換の期間内に、副室10内に充填された既燃ガス中に副室燃料噴射弁12により燃料噴射を行い、既燃ガスの高温かつ高圧な空間内にて燃料を着火し易い改質燃料にすることが可能である。
【0033】
さらに、吸気弁3を閉じた後に開閉弁11を開くことで、副室10内の既燃ガス(改質燃料を含む)を噴出させて、燃焼室1内に導入する(図5(B))。これにより、燃焼室1内の混合気は加熱され、加熱された混合気はピストン4によって断熱圧縮されて高温となり、圧縮上死点付近で自己着火し(図5(C))、膨張行程に至る。
【0034】
そして、排気弁9が開く前に再び開閉弁11を開閉することにより、再度既燃ガスを副室10内に充填する。
圧縮行程始めにおいて副室10より既燃ガスが燃焼室1内に導入されるとき、燃料室1内の圧力は副室10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11が開くときには、燃焼によって燃焼室1内の圧力は圧縮行程始めに開閉弁11を開いたときよりも高くなっている。このため、既燃ガスが副室10内に充填される圧力が、圧縮行程始めに開閉弁11を開いた時点よりも高くなる。
【0035】
従って、次サイクルの圧縮行程始めにおいては、前サイクルより高い圧力で既燃ガスが燃焼室1内に充填されることになる。この現象が繰り返されることにより、既燃ガスによる過給圧力が次第に高まり、副室10内の圧力は2bar程度、温度は950K程度まで達する。以上の時間的変化を図6、図7に示す。
ここで、開閉弁11の開閉動作について説明する。
【0036】
開閉弁11は、図3に示すように、吸気弁3閉弁後と排気弁9開弁前との二度開閉作動される。
吸気弁3閉弁後における開閉弁11の開時期を、機関の負荷が小さいほど遅角させることにより、改質された燃料の燃焼室1への供給時期を遅らせて改質燃料の成層度を高め、圧縮自己着火燃焼の着火性を向上させることができる。
【0037】
同時に、排気弁9開弁前における開閉弁11の開時期を、進角させることにより、膨張行程中の燃焼室1内の圧力が高い時期に、副室10と燃焼室1とが連通させることができるので、副室10内に充填される既燃ガスの充填量が多くなり、次サイクルでの既燃ガス量が増加する。
また、機関回転速度の上昇に伴って、着火に至るまでの圧縮時間が短くなるのに対し、自己着火燃焼させるために必要な時間は化学的な反応速度が支配しているため、高回転側へと向かうほど着火性が悪化してしまう。このため、吸気弁3閉弁後と排気弁9開弁前の開閉弁11の開時期を、機関回転速度が高いほど進角させるようにする。これにより、燃焼室1内の圧力が低く副室10内の圧力が高い時期、すなわち、差圧の大きい時期に既燃ガスを燃焼室1内に供給できるので、既燃ガスによる過給効果を高めることができ、高回転時における着火性を向上できる。なお、開閉弁11の開時期を図8に示す。
【0038】
以上により、着火性が悪化する低負荷運転領域、高回転領域においても安定かつクリーンな圧縮自己着火燃焼による運転が可能となる。
図9は、機関回転速度に対する開閉弁11のバルブリフト量を示したものである。図に示すように、圧縮時間が短くなる高回転領域においては、リフト量を増加させるようにすることにより、燃焼室1内に供給する既燃ガスの通路面積を増大させ、過給効果を高めることができる。これにより、着火性が悪化する高回転領域において、より着火性を向上でき、安定かつクリーンな圧縮自己着火燃焼による運転が可能となる。
【0039】
図10は、機関の負荷と副室10内に噴射される燃料量との関係を示したものである。負荷の要求に対して総燃料噴射量がECU7により決定され、同時に、吸気ポート2に設けられた燃料噴射弁5から噴射する燃料量と副室10内に燃料を噴射する副室燃料噴射弁12から噴射する燃料量との噴射割合が決定される。図10に示すように、機関の負荷が小さいほど副室10内に噴射する燃料量を増加させるようにする。これにより、燃焼室1内に供給される改質燃料の割合が増加して、低負荷領域における着火性を向上させることができる。
【0040】
図11は、本発明の第2実施形態のシステム図である。
副室10の構成のみが、図1に示した第1実施形態と異なる。
すなわち、本実施形態は、多気筒機関において、各気筒の排気ポート8'のうち1つを開閉弁11'を介して燃焼室1'と連通させ、この排気ポート8'の下流側に遮断弁16を設けている。そして、遮断弁16を閉じることにより、開閉弁11'と遮断弁16との間に副室10'を形成する。
【0041】
本実施形態では、圧縮自己着火燃焼を行う際には、遮断弁16を閉じて運転することにより、上述した第1実施形態と同様な効果を得ることができる。また、火花点火燃焼を行う際には、遮断弁16を開いて運転することにより、通常の排気ポートとして使用し、排気効率を損なうことなく運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態のシステム構成を示す図。
【図2】同じく機関の運転状態と燃焼形態の関係を示す図。
【図3】同じく圧縮自己着火燃焼時のバルブタイミング特性を示す図。
【図4】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5】同じく部分負荷時の機関の行程毎の動作を示す図。
【図6】同じく副室内圧力のサイクル繰り返しによる増大変化を示す図。
【図7】同じく筒内圧力のサイクル繰り返しによる増大変化を示す図。
【図8】同じく圧縮自己着火燃焼時における開閉弁の開時期を示す図。
【図9】同じく機関回転速度に対する開閉弁のリフト特性を示す図。
【図10】同じく機関の負荷と副室内に噴射される燃料量の関係を示す図。
【図11】本発明の第2実施形態のシステム構成を示す図。
【符号の説明】
1、1' 燃焼室
2 吸気ポート
3 吸気弁
4 ピストン
5 燃料噴射弁
6 点火プラグ
7 ECU
8、8' 排気ポート
9 排気弁
10、10' 副室
11、11' 開閉弁
12 副室燃料噴射弁
16 遮断弁
Claims (10)
- 燃焼室内に改質燃料を供給し、該燃焼室内の混合気を圧縮自己着火により燃焼させる圧縮自己着火式内燃機関において、
前記燃焼室に開閉弁を介して連通する副室と、
該副室内に燃料を噴射する副室燃料噴射弁と、を備え、
前記開閉弁の開閉動作により前記副室内に充填した既燃ガス中に、前記副室燃料噴射弁から燃料を噴射することによって燃料を改質し、この改質燃料を燃焼室内に供給するように構成し、
前記改質燃料の燃焼室への供給時期を、機関の負荷が小さいほど遅くすることを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関。 - 前記改質燃料の燃焼室への供給時期は、前記開閉弁の開閉時期により制御することを特徴とする請求項1記載の圧縮自己着火式内燃機関。
- 機関の排気弁が開弁される前の膨張行程終期に前記開閉弁を開弁するとともに、その後排気弁が開弁される前に前記開閉弁を閉弁することによって前記燃焼室から前記副室内に既燃ガスを充填し、
前記吸気弁が閉弁された後の圧縮行程始期に前記開閉弁を開弁するとともに、圧縮行程中に前記開閉弁を閉弁することで前記改質燃料を前記燃焼室内に供給することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の圧縮自己着火式内燃機関。 - 前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期を、機関の負荷が小さいほど遅くすることを特徴とする請求項3記載の圧縮自己着火式内燃機関。
- 前記開閉弁の排気弁開弁前の開時期を、機関の負荷が小さいほど早くすることを特徴とする請求項3又は請求項4記載の圧縮自己着火式内燃機関。
- 前記開閉弁の吸気弁閉弁後の開時期及び排気弁開弁前の開時期を、機関の回転速度が高いほど早くすることを特徴とする請求項3〜5のいずれか一つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
- 前記開閉弁の開度を、機関の回転速度が高いほど大きくすることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
- 前記副室内に噴射する燃料量を、機関の負荷が小さいほど多くすることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
- 前記副室は、機関の排気ポート側に設けられることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
- 前記開閉弁が電磁弁であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
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