JP4145178B2

JP4145178B2 - 火花点火式エンジン及びその運転制御方法

Info

Publication number: JP4145178B2
Application number: JP2003082590A
Authority: JP
Inventors: 昭治浅田
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP2004293299A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えた火花点火式エンジン、及び、その運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような火花点火式エンジンは、吸気ポートから燃焼室に導入された空気又は希薄混合気等の新気と、燃料供給手段により燃焼室に供給された燃料とを、燃焼室において混合し、その混合気を点火プラグで点火して燃焼させるように構成されている。
【０００３】
この種の火花点火式エンジンは、上記燃料供給手段が、吸気ポート又は燃焼室から燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成され、更に、上記燃料供給手段の燃料の供給タイミングなどの制御により、低回転速度域又は低負荷域（本願において「低回転低負荷域」と呼ぶ。）においては、その燃焼室の中央部に向けて供給された燃料を点火プラグ周りに偏在させて成層燃焼を行うように構成することがある。
【０００４】
上記成層燃焼とは、燃焼室において、点火プラグの近傍には、火花点火可能な当量比の混合気が偏在する点火領域を形成し、その点火領域の周辺には、その点火領域の混合気よりも当量比が低く燃料が希薄状態である混合気が存在する希薄領域を形成して、先ず、上記点火領域に存在する混合気を点火プラグにより点火して燃焼させ、その火炎により上記希薄領域に存在する混合気を燃焼させて、全体として燃料を希薄状態で燃焼させるものである。
【０００５】
そして、火花点火式エンジンにおいて上記成層燃焼を行うことにより、特に低回転低負荷域の燃焼温度の低下、サイクル効率の向上、ポンピング損失の低下などを実現することができ、排ガス性状及び燃費の改善に有効である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような成層燃焼を行う火花点火式エンジンでは、高回転速度域又は高負荷域（本願において「高回転高負荷域」と呼ぶ。）において、ＮＯｘやノッキングの発生を抑制しながら、全体的に理論当量比に近いリッチな混合気を燃焼させるために、上記成層燃焼とは逆に、燃料と新気とを充分に均質に混合させて燃焼させる均質混合燃焼を行う必要がある。
そして、従来の火花点火式エンジンにおいて、上記成層燃焼と上記均質混合燃焼とを両立するための有効な手法は無かった。
【０００７】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、火花点火式エンジンにおいて、負荷に応じて成層燃焼及び均質混合燃焼とを切換えると共に、夫々の燃焼において混合気の混合状態を適切なものとすることができる制御技術を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明に係る火花点火式エンジンの第一特徴構成は、シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えた火花点火式エンジンであって、
前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記中央部に対して外側に位置する第一ポート部と、前記第一ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する第二ポート部とに区画形成され、
前記第一ポート部が、前記新気を前記ピストン頂部に向けて導入するように形成され、前記第二ポート部が、前記新気を前記燃焼室の中央部に向けて導入するように形成されており、
前記第一ポート部を開状態とすると共に前記第二ポート部を閉状態とする第一状態と、前記第一ポート部を閉状態とすると共に前記第二ポート部を開状態とする第二状態とを切換え自在なポート切換手段を備え、
前記燃料供給手段が、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する供給部から前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成された点にある。
【０００９】
また、上述の目的を達成するための本発明に係る火花点火式エンジンの運転制御方法の特徴構成は、シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えると共に、前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記中央部に対して外側に位置する第一ポート部と、前記第一ポート部よりも前記中央部に近い第二ポート部とに区画形成され、前記第一ポート部を開状態とすると共に前記第二ポート部を閉状態とする第一状態と、前記第一ポート部を閉状態とすると共に前記第二ポート部を開状態とする第二状態とを切換え自在なポート切換え手段を備え、前記燃料供給手段が、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側の位置から前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成された火花点火式エンジンにおいて、
低回転低負荷域において前記ポート切換手段を前記第一状態として前記燃料供給手段で供給された燃料を前記点火プラグ近傍に偏在させて成層燃焼させ、高回転高負荷域において前記ポート切換手段を前記第二状態として前記燃料供給手段で供給された燃料を新気と均質混合させて均質混合燃焼させる点にある。
【００１０】
即ち、上記火花点火式エンジンの第一特徴構成及び火花点火式エンジンの運転制御方法の特徴構成によれば、燃焼室に新気を導入するための吸気ポートが、吸気ポートの新気流通方向に延びる仕切り壁により、燃焼室の天井の中央部に対する外側（シリンダの径方向における外側）の第一ポート部と、その第一ポート部よりも前記中央部に近い側の第二ポート部とに区画形成されており、更に、上記ポート切換手段により、上記第一ポート部と上記第二ポート部との内、上記第一ポート部のみが開状態となる第一状態と、上記第二ポート部のみが開状態となる第二状態とに切換えることができる。
そして、低回転低負荷域においては、上記第一ポート部から新気がピストン頂部に向かう方向（言い換えれば、ピストンの下降方向）に沿って燃焼室に導入されるので、その第一ポート部から第二ポート部を挟んで中央部側に位置する供給部から中央部に向けて供給された燃料が、その新気流に交わることなく、点火プラグ近傍に到達し、良好な成層燃焼を行うことができる。
一方、高回転高負荷域においては、上記第二ポート部から新気が中央部に向かう方向に沿って燃焼室に導入されるので、その第二ポート部と隣接した供給部から中央部に向けて供給された燃料がその新気流により拡散されて、燃焼室全体に渡って均質な混合気を形成し、良好な均質混合燃焼を行うことができる。
【００１１】
そして、制御装置等により、前記低回転低負荷域においては、前記ポート切換手段を前記第一状態とすることで、新気が燃料供給手段から遠い外側の第一ポート部から燃焼室に導入されるので、燃料が新気と均質に混合することが抑制されて、燃料が良好に中央部にある点火プラグ近傍に偏在されることになり、良好な成層燃焼が実現され、燃焼効率の向上を図ることができる。一方、制御装置等により、高回転高負荷域においては、前記ポート切換手段を前記第二状態とすることで、新気が燃料供給手段に近い内側の第二ポート部から燃焼室に導入されるので、燃料が新気と均質に混合することが促進されて、良好な均質混合燃焼が実現され、ＮＯｘやノッキングの発生を抑制しながら高出力で運転することができる。
【００１４】
本発明に係る火花点火式エンジンの第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記第一ポート部と、前記第二ポート部と、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する第三ポート部とに区画形成されており、
前記燃料供給手段が、前記第三ポート部を介して前記燃焼室に燃料を供給するように構成されている点にある。
【００１５】
即ち、上記火花点火式エンジンの第二特徴構成によれば、燃料供給手段を、燃料を直接燃焼室に噴射するのではなく、吸気ポートの最も中央部側に位置する第三ポート部に比較的低圧で供給しても、成層燃焼と均質混合燃焼との夫々において混合気の混合状態を適切なものとすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る火花点火式エンジン（以下、「本エンジン」と略称する。）の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１及び図２に示す本エンジン１００は、シリンダ３と、シリンダ３内に収容されてシリンダ３と共に燃焼室１を形成するピストン２とを備え、そのピストン２が、連接棒（図示せず。）を介してクランク軸（図示せず。）に連動連結されている。
【００１８】
シリンダ３には、吸気弁４を備えた吸気ポート１０と、排気弁５を備えた排気ポート４０とが連通されている。
【００１９】
燃焼室１の天井部にあるシリンダヘッド９の略中央部には、燃焼室１に形成された混合気を点火するための点火プラグ６が設けられている。
【００２０】
そして、本エンジン１００は、吸気行程において、吸気弁４のみを開状態としてピストン２の下降に伴って吸気ポート１０から空気である新気Ｉを燃焼室１に吸気すると共に、後述する燃料供給手段３０により燃焼室１に天然ガスである燃料Ｇを燃焼室１に供給し、圧縮行程において、吸気弁４及び排気弁５を閉状態としてピストン２の上昇に伴って燃焼室１に形成された混合気を圧縮し、燃焼・膨張行程において、吸気弁４及び排気弁５を閉状態としたまま、点火プラグ６を働かせて燃焼室１に形成された混合気を点火して燃焼させることでピストン２を押し下げ、排気行程において、排気弁５のみを開状態としてピストン２の上昇に伴って燃焼室１の排ガスを排気ポート４０に排出するというような運転を行い、ピストン２の往復運動をクランク軸（図示せず。）の回転運動に変えて出力するように構成されている、所謂火花点火式エンジン（ＳＩエンジン）である。
【００２１】
本エンジン１００の燃料供給手段３０が、吸気ポート１０から燃焼室１の点火プラグ６が設けられている略中央部に向けて燃料Ｇを供給するように構成されており、低回転低負荷域においては、その燃焼室１の中央部に向けて供給された燃料Ｇを点火プラグ６周りに偏在させて成層燃焼を行うことが可能となっている。
【００２２】
具体的には、燃料供給手段３０は、吸気ポート１０に流れ方向に沿って設けられた仕切り壁１１により吸気ポート１０の最も中央側に区画形成された燃料ポート部（第三ポート部）１４と、燃料Ｇをその燃料ポート部１４に負荷に応じた供給量制御を伴って供給する燃料供給弁３１とで構成されている。
【００２３】
更に、上記燃料ポート部１４の燃焼室１への開口部１４ａは、その周囲壁面が、点火プラグ６が配置された中央部側に４５°程度傾斜して形成されており、燃料ポート部１４から燃焼室１に導入された燃料Ｇは、燃焼室１の中央部に向かって流れることになる。
【００２４】
更に、吸気ポート１０の上記燃料ポート部１４以外の部分は、新気Ｉの流れ方向に沿って設けられた仕切り壁１２により、中央部に対して外側に位置する第一ポート部１５と、第一ポート部１５よりも中央部に近い側に位置する第二ポート部１６とに区画形成されており、上記第一ポート部１５及び上記第二ポート部１６には、新気Ｉが流入される。
【００２５】
また、上記吸気ポート１０において、上記第一ポート部１５及び上記第二ポート部１６は、略同等の流路断面積を有し、更に、上記燃料ポート部１４は吸気弁４に向かって徐々に拡径しており、その拡径する前の流路断面積は、上記第一ポート部１５及び上記第二ポート部１６の流路断面積の約５分の１程度である。
【００２６】
更に、第一ポート部１５を開状態とすると共に第二ポート部１６を閉状態とする第一状態（図１に示す状態）と、第一ポート部１５を閉状態とすると共に第二ポート部１６を開状態とする第二状態（図２に示す状態）とを切換え自在なポート切換手段３５が設けられ、このポート切換手段３５は、図３に示すように、上記吸気ポート１０横断方向に延び、第一ポート部１５及び上記第二ポート部１６の一方のみを閉鎖できる形に形成された遮断壁３５ａと、その遮断壁３５ａを第一ポート部１５と第二ポート部１６との間で摺動作動させるためのアクチュエータからなる作動部３５ｂとで構成されている。
【００２７】
そして、コンピュータからなる制御装置５０は、クランク軸の回転速度や、燃料供給弁３１の開度やアクセル開度等から認識可能なエンジン負荷等の入力情報に基づいて、上記ポート切換手段３５の切換操作を行うように構成されている。
即ち、回転速度が設定回転数未満又はエンジン負荷が設定エンジン負荷未満の低回転数低負荷域において、制御装置５０は、燃焼室１の中央部に向かって供給された燃料Ｇが、新気Ｉと均質に混合することを抑制して、燃料Ｇが良好に中央部にある点火プラグ６近傍に偏在させ、良好な成層燃焼を行うために、ポート切換手段３５を図１に示す第一状態に切換えて、新気Ｉを燃料供給手段３０としての燃料ポート部１４から最も遠い外側の第一ポート部１５から燃焼室１に導入させる。
【００２８】
更に、上記第一ポート部１５から燃焼室１に導入された新気Ｉが、ピストン２頂部に向かう方向、即ち、ピストン２の下降方向に沿って流れ、燃料ポート部１４から燃焼室１に導入された燃料Ｇを燃焼室１において拡散させずに良好な成層燃焼を行うために、第一ポート部１５の開口部１５ａの周囲壁面が、上記ピストン２の頂部に向かう方向に沿った方向に形成されている。
【００２９】
一方、回転速度が設定回転数以上又はエンジン負荷が設定エンジン負荷以上の高回転数高負荷域において、制御装置５０は、燃焼室１の中央部に向かって供給された燃料Ｇが、新気Ｉと良好に混合して、良好な均質混合燃焼を行うために、ポート切換手段３５を図２に示す第二状態に切換えて、新気Ｉを燃料供給手段３０としての燃料ポート部１４に隣接した内側の第二ポート部１６から燃焼室１に導入させる。
【００３０】
更に、上記第二ポート部１６から燃焼室１に導入された新気Ｉが、燃焼室１の点火プラグ６が配置された中央部に向けて流れ、燃料ポート部１４から燃焼室１に導入された燃料Ｇを燃焼室１において拡散させて良好な均質混合燃焼を行うために、第二ポート部１６の開口部１６ａの周囲壁面が、中央部側に５０°程度傾斜して形成されている。
【００３１】
また、これまで説明してきたような本エンジンは、吸気ポートが区画形成されていない従来の火花点火式エンジンと比較して、高回転高負荷域（当量比０．８３程度）においては、良好な均質混合燃焼を行うことにより、ＮＯｘ排出量が２５００ｐｐｍから１５００ｐｐｍに低減することができ、更に、ノッキング強度も５ｋＰａから１ｋＰａに低減することができ、一方、低回転低負荷域（当量比０．５６程度）においては、良好な成層燃焼を行うことで、燃焼効率が８０％から９０％に向上することができ、軸端効率が３０％から３４％に向上することができる。
【００３２】
〔別実施形態〕
本発明に係る火花点火式エンジンの別実施形態について、説明する。
【００３３】
〈１〉
上記実施の形態において説明したポート切換手段３５は、図４に示すように構成することができる。
即ち、図４に示すポート切換手段３５は、第一ポート部１５内において回転して第一ポート部１５を開閉可能なバタフライ弁として構成された第一遮断弁３５ｃと、第二ポート部１６内において回転して第二ポート部１６を開閉可能なバタフライ弁として構成された第二遮断弁３５ｄとを、その回転軸を共通に連結、且つ、９０°の位相差を有した状態で配置して備える。そして、ポート切換手段３６は、ロータリーアクチュエータ等からなる作動部３５ｅにより、上記第一遮断弁３５ｃと上記第二遮断弁３５ｄとの回転軸を回転させることで、第二ポート部１６を閉状態とする第一状態（図４（イ）に示す状態）と、第一ポート部１５を閉状態とすると共に第二ポート部１６を開状態とする第二状態（図４（ロ）に示す状態）とを切換え自在に構成されている。
尚、上記ポート切換手段３５は、上記第一遮断弁３５ｃと上記第二遮断弁３５ｄとを、夫々に対して設けられた２つの作動部により各別に作動させるように構成しても構わない。
【００３４】
〈２〉
上記実施の形態においては、第一ポート部１５及び第二ポート部１６を介して燃焼室１に導入される新気Ｉとして空気を利用したが、別に、新気Ｉとして燃料が少量の燃料と空気との希薄混合気を用いても構わない。
また、上記実施の形態では、燃料ポート部１４を介して燃焼室１に燃料Ｇそのものを導入したが、燃料ポート１４に若干の空気を供給して、燃料ポート部１４に燃料Ｇと少量の空気との濃混合気を形成し、燃料ポート部１４からその濃混合気を燃焼室１に導入しても構わない。
【００３５】
〈３〉
上記実施の形態においては、燃料供給手段３０を、吸気ポート１０の最も中央側に区画形成された燃料ポート部１４と、燃料Ｇを燃料ポート部１４に供給する燃料供給弁３１とで構成したが、別に、燃料供給手段３０を、燃焼室１における吸気ポート１０よりも中央側に偏った位置から中央側に向けて燃料Ｇを直接供給する燃料噴射弁で構成しても構わない。
【００３６】
〈４〉
本発明に係る火花点火式エンジンにおいては、吸気ポート１０の吸気弁４側において、燃焼室１の中央部から外側に向かって、燃料ポート部１４、第一ポート部１５、第二ポート部１６と記載の順に配置されており、第一ポート部１５が新気Ｉをピストン２の頂部に向けて導入するように形成され、第二ポート部１６が新気Ｉを燃焼室１の中央部に向けて導入するように形成されていれば、本発明の効果を発揮することができる。
【００３７】
〈５〉
本発明に係る火花点火式エンジンは、天然ガス等の炭化水素系燃料以外に、例えば、水素やプロパンガス等のＣＯやＨ_２を主成分とする気体燃料や、その気体燃料以外の、ガソリン、アルコール、メタノール、エタノール等の任意の燃料を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の火花点火式エンジンにおける第一状態を示す概略構成図
【図２】実施形態の火花点火式エンジンにおける第二状態を示す概略構成図
【図３】実施形態の火花点火式エンジンの部分概略構成図
【図４】別実施形態の火花点火式エンジンの部分概略構成図
【符号の説明】
１：燃焼室
２：ピストン
３：シリンダ
４：吸気弁
６：点火プラグ
１０：吸気ポート
１１，１２：仕切り壁
１４：燃料ポート部（第三ポート部）
１４：開口部１４ａ
１５：第一ポート部
１５ａ：開口部
１６：第二ポート部
１６ａ：開口部
３０：燃料供給手段
３５：ポート切換手段
３５ａ：遮断壁
３５ｂ：作動部
３５ｃ：第一遮断壁
３５ｄ：第二遮断壁
３５ｅ：作動部
５０：制御装置
１００：エンジン
Ｇ：燃料
Ｉ：新気

Claims

シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えた火花点火式エンジンであって、
前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記中央部に対して外側に位置する第一ポート部と、前記第一ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する第二ポート部とに区画形成され、
前記第一ポート部が、前記新気を前記ピストン頂部に向けて導入するように形成され、前記第二ポート部が、前記新気を前記燃焼室の中央部に向けて導入するように形成されており、
前記第一ポート部を開状態とすると共に前記第二ポート部を閉状態とする第一状態と、前記第一ポート部を閉状態とすると共に前記第二ポート部を開状態とする第二状態とを切換え自在なポート切換手段を備え、
前記燃料供給手段が、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する供給部から前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成された火花点火式エンジン。
前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記第一ポート部と、前記第二ポート部と、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する第三ポート部とに区画形成されており、
前記燃料供給手段が、前記第三ポート部を介して前記燃焼室に燃料を供給するように構成されている請求項１に記載の火花点火式エンジン。
シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えると共に、前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記中央部に対して外側に位置する第一ポート部と、前記第一ポート部よりも前記中央部に近い第二ポート部とに区画形成され、前記第一ポート部を開状態とすると共に前記第二ポート部を閉状態とする第一状態と、前記第一ポート部を閉状態とすると共に前記第二ポート部を開状態とする第二状態とを切換え自在なポート切換え手段を備え、前記燃料供給手段が、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側の位置から前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成された火花点火式エンジンにおいて、
低回転低負荷域において前記ポート切換手段を前記第一状態として前記燃料供給手段で供給された燃料を前記点火プラグ近傍に偏在させて成層燃焼させ、高回転高負荷域において前記ポート切換手段を前記第二状態として前記燃料供給手段で供給された燃料を新気と均質混合させて均質混合燃焼させる火花点火式エンジンの運転制御方法。