JP4224078B2

JP4224078B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP4224078B2
Application number: JP2006109554A
Authority: JP
Inventors: 哲也本田; 秀昭片柴
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2026-04-12
Also published as: JP2007278260A

Description

この発明は、２つの吸気弁を有し、主に一方の吸気弁を開弁させて、燃焼空間内に旋回空気流動を発生させる内燃機関に関する。

従来、２つの吸気弁を有し、主に一方の吸気弁を開弁させて、燃焼空間内へ過剰に空気を流入させることでシリンダの内壁面に沿った強い旋回空気流動を発生させ、その後、他方の吸気弁を遅いタイミングで開弁させて、過剰な空気を排気する内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２１１６９９号公報

しかしながら、このものの場合、旋回空気流動が主に燃焼空間内の内壁に沿って形成され、また、噴射され気化した燃料は燃焼空間内の中心付近に存在するため、燃料に十分な空気を供給できないという問題点があった。

この発明は、上述のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、燃焼空間内の旋回空気流動の影響を燃焼空間内の中心付近にも行き渡るようにし、燃料に十分な空気を供給する内燃機関を提供するものである。

この発明に係る内燃機関は、シリンダと、前記シリンダの上部に設けられ、前記シリンダの一端部を閉塞するシリンダヘッドと、前記シリンダ内で往復摺動し、前記シリンダおよび前記シリンダヘッドと協同して燃焼空間を区画するピストンと、前記シリンダヘッドに、一端部が前記燃焼空間に臨み、開閉することで、前記燃焼空間への空気の流入を制御し、前記燃焼空間内で前記シリンダ内壁に沿った一方向の渦を発生させるように設けられた第１の吸気弁と、前記シリンダヘッドに、一端部が前記燃焼空間に臨み、開閉することで、前記燃焼空間への空気の流入を制御し、前記燃焼空間内で前記シリンダ内壁に沿った逆方向の渦を発生させるように設けられた第２の吸気弁とを備え、前記第１の吸気弁は、前記ピストンが吸気上死点に達する前後で徐々に開弁し、その後全開し、さらに前記ピストンが圧縮上死点に達するまでに全閉し、前記第２の吸気弁は、前記第１の吸気弁より遅れて開弁し、その後前記第１の吸気弁から前記燃焼空間へ流入する空気の速度が最も速くなる時に全開となり、さらに前記第１の吸気弁より早く全閉する。

この発明に係る内燃機関によれば、燃焼空間内の旋回空気流動の影響を燃焼空間内の全領域に行き渡るようにし、燃料に十分な空気を供給するができる。

以下、この発明の各実施の形態を図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当の部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る内燃機関の要部断面図である。
実施の形態１に係る内燃機関は、円筒形状のシリンダ１と、このシリンダ１の上部に設けられ、シリンダ１の上部を閉塞したシリンダヘッド２と、シリンダ１内で上下に往復摺動し、シリンダ１とシリンダヘッド２と協同して燃焼空間４を区画する円筒形状のピストン３と、燃焼空間４に臨んでシリンダヘッド２に設けられ、燃焼空間４への空気の流入を制御する第１の吸気弁５ａおよび第２の吸気弁５ｂと、燃焼空間４から燃焼ガスを排気する第１の排気弁６ａおよび第２の排気弁６ｂと、燃焼空間４に一端部が臨んでシリンダヘッド２に設けられ、燃焼空間４内の燃料９に放電エネルギーにより点火させる点火プラグ７と、燃焼空間４に一端部が臨んでシリンダヘッド２に設けられ、燃焼空間４内に燃料９を噴射する燃料噴射装置８とを備えている。

図４に示すように、第１の吸気弁５ａは、開弁すると、燃焼空間４内でシリンダ１の内壁に沿った一方向の渦が発生するように設けられている。
第２の吸気弁５ｂは、開弁すると、燃焼空間４内でシリンダ１内壁に沿った逆方向の渦が発生するように設けられている。
図５に示すように、燃料噴射装置８は、シリンダ１の中心付近に燃料９を噴射するように設けられている。

第１の吸気弁５ａおよび第２の吸気弁５ｂは、図示しない制御装置により開閉するように制御されている。
この制御装置は、図示しないセンサから信号を受信して、第１の吸気弁５ａおよび第２の吸気弁５ｂの開度と回転軸の回転数とを算出し、また、回転軸の出力を推定する機能を有している。
また、この制御装置には、予め第１の吸気弁５ａおよび第２の吸気弁５ｂの開弁の開始時期、全開となる時期、閉弁の開始時期、全閉となる時期および全開時の弁リフト量等と、燃料噴射量等と、回転軸の回転数および回転軸の出力との組合せが記憶されている。

次に、実施の形態１に係る内燃機関の動作について説明する。
図２は参考として、吸気弁と排気弁との代表的な動作を示しており、所謂排気オーバーラップを有する場合、吸気弁はクランク角が０度である吸気上死点よりも早く開弁を開始する。つまり、クランク角が０度前後では、吸気弁および排気弁がともに開弁している状態となる。
図３は参考として、ピストンの代表的な動作を示しており、吸気上死点以降では、ピストンは下死点に向かって下降し、燃焼空間の拡大に伴って吸気弁から空気が流入する。

同様にして、実施の形態１では、まず、第１の吸気弁５ａは、クランク角が０度である吸気上死点前から開弁を開始する。吸気上死点以降のピストン３は、下降速度を徐々に増加させ、それに伴い空気が第１の吸気弁５ａから燃焼空間４に流入し、燃焼空間４のシリンダ１の内壁に沿った旋回空気流動１０が形成される。

燃焼空間４内の空気は、旋回空気流動１０の影響により、同じ方向に移動するが、多くの場合は、その動きは旋回空気流動１０に比べて小さい。その結果、旋回空気流動１０とそれ以外の燃焼空間４内の空気は、移動速度が一致しないため、その界面付近には、無数の渦１１が発生していると考えられる。
渦１１は、小さい空間での活発な空気の動きを伴うため、噴射され気化した燃料９への空気の供給に有効であるとともに、燃焼開始後の火炎伝播特性の向上にも寄与する。
図５に示すように、この状態での旋回空気流動１０や渦１１は、燃焼空間４の外周寄り空間１２に存在し、噴射された燃料９は内周寄り空間１３に存在する。

次に、図７に示すように、第２の吸気弁５ｂは、第１の吸気弁５ａの開弁時期から遅れて開弁を開始する。
図８は、クランク角とピストン３の移動速度との関係を示した図であり、第１の吸気弁５ａからの空気の流入する速度が最も速い時はクランク角が７５度前後である。第２の吸気弁５ｂは、この第１の吸気弁５ａからの空気の流入する速度が最も速い時に第２の吸気弁５ｂは全開となる。
その結果、図６に示すように、旋回空気流動１０に対向した強い対向空気流動１４がシリンダ１内壁に沿って発生する。旋回空気流動１０と対向空気流動１４とが衝突することにより、強くかつ細かな旋回渦１５が燃焼空間４内全体に渡って多く発生する。
その後、第２の吸気弁５ｂは、旋回空気流動１０の強度を著しく低下させないように、第１の吸気弁５ａの全閉より早い時期に全閉する。

この実施の形態１に係る内燃機関によれば、第１の吸気弁５ａから燃焼空間４に流入した空気が形成するシリンダ１の内壁に沿った旋回空気流動１０に吸気行程の一時期に、第２の吸気弁５ｂから流入させた対向空気流動１４を衝突させることにより、強くかつ細かな旋回渦１５を多く発生させるので、燃焼空間４中心付近に強い流動の影響を伝達し、噴射され気化した燃料９へ十分な空気が供給され、排気ガス性状を含む燃焼特性の改善効果が得られる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る内燃機関の構成は、実施の形態１と同様であるので説明を省略し、実施の形態２に係る内燃機関の動作について説明する。
まず、図９に示すように、第１の吸気弁５ａと第２の吸気弁５ｂは、ほぼ同じ時期に開弁を開始する。同時に空気が流入されることにより、燃焼空間４内では、旋回空気流動１０および対向空気流動１４は発生しない。
次に、第１の吸気弁５ａから流入する空気の速度が最も速くなる時までに、第２の吸気弁５ｂは全開となる。
その後、第２の吸気弁５ｂは、閉弁が開始され、第１の吸気弁５ａが全閉するよりも早い時期に全閉する。この時、燃焼空間４内で、旋回空気流動１０が発生する。また、この旋回空気流動１０は、既に流入した燃焼空間４内の空気と衝突することで細かな旋回渦１５が燃焼空間４内全体に渡って発生する。

この実施の形態２に係る内燃機関によれば、第１の吸気弁５ａおよび第２の吸気弁５ｂから燃焼空間４に空気が流入し、その後、第１の吸気弁５ａからの流入する空気により旋回空気流動１０が発生するので、この旋回空気流動１０が既に流入した燃焼空間４内全体の空気と衝突して、燃焼空間４内全体に渡って細かな旋回渦１５を発生させることができる。その結果、燃焼空間４中心付近に噴射され気化した燃料９へ十分な空気が供給され、排気ガス性状を含む燃焼特性の改善効果が得られる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る内燃機関の構成は、実施の形態１と同様であるので説明を省略し、実施の形態３に係る内燃機関の動作について説明する。
まず、図１０に示すように、第２の吸気弁５ｂは、第１の吸気弁５ａとほぼ同じ時期または早い時期に開弁を開始する。
さらに、第２の吸気弁５ｂは、第１の吸気弁５ａの開弁速度より速い速度で開弁して全開となる。これにより、第２の吸気弁５ｂにより、対向空気流動１４が発生する。
その後、第２の吸気弁５ｂは、第１の吸気弁５ａから流入する空気の速度が最も速くなる時までに閉弁を開始する。
その結果、第１の吸気弁５ａから流入する空気により、旋回空気流動１０が発生し、対向空気流動１４と衝突することで、実施の形態１のものより強く細かい旋回渦１５が燃焼空間４全体に渡って多く発生する。

この実施の形態３に係る内燃機関によれば、第２の吸気弁５ｂから燃焼空間４へ流入する空気により対向空気流動１４が発生し、その後、第１の吸気弁５ａから燃焼空間４へ流入する空気により旋回空気流動１０が発生して、対向空気流動１４と旋回空気流動１０とが衝突して実施の形態１のものより強く細かな旋回渦１５を多く発生させることができるので、燃焼空間４中心付近により強い流動の影響を伝達し、噴射され気化した燃料９へ十分な空気を供給し、排気ガス性状を含む燃焼特性の改善効果が得られる。

実施の形態４．
実施の形態４に係る内燃機関の構成は、実施の形態１と同様であるので説明を省略し、実施の形態４に係る内燃機関の動作について説明する。
燃焼空間４への空気の流入は、内燃機関の１サイクルに１回の断続で行われる。空気は、第１の吸気弁５ａおよび第２の吸気弁５ｂの開弁の開始により、燃焼空間４に流入し始めるが、空気の粘性、慣性力、空気管壁等との摩擦抵抗等の影響により、空気の流入する速度は、第１の吸気弁５ａおよび第２の吸気弁５ｂの開度やピストン３の上下方向の移動速度で一義的には決定されず、上記実施の形態１で説明したように第１の吸気弁５ａから流入する空気の速度が最も速くなる時が、クランク角が７５度前後であるとは限らない。
特に、回転軸の高回転数や流入空気量が増大する高出力時には、流入する空気の速度が最も速くなる時が回転軸の回転数や回転軸の出力が低い時に比べて遅くなるという特性がある。

そこで、より有効な旋回渦１５を発生させるためには、旋回空気流動１０を対向空気流動１４と強く衝突させる必要があるので、回転軸の回転数や回転軸の出力に応じて、図１１に示すように、第２の吸気弁５ｂの開弁の開始時期、全開となる時期、閉弁の開始時期、全閉となる時期および全開時の弁リフト量を変更する。

変更する内容は、図示しない制御装置の内部に記憶されており、図示しないセンサが回転軸の高回転数または回転軸の高出力を検知して、それらの結果に応じて、第２の吸気弁５ｂの開弁の開始時期、全開となる時期、閉弁の開始時期、全閉となる時期および全開時の弁リフト量を変更する。

この実施の形態４に係る内燃機関によれば、回転軸の回転数や回転軸の出力に応じて、第２の吸気弁５ｂの全開となる時期、開弁期間の長さおよび全開時の弁リフト量を変更できるので、回転軸の回転数または回転軸の出力が変化した場合であっても、効率よく旋回空気流動１０と対向空気流動１４とを強く衝突させて、燃焼空間４全体に渡って旋回渦１５を発生させることができる。

なお、上記各実施の形態では、燃料噴射装置をシリンダヘッドの中央付近に配置して、シリンダ内に燃料を直接噴射することで燃焼を成立させる内燃機関について説明したが、勿論このものに限らない。
第１の吸気弁および第２の吸気弁により発生する細かな旋回渦は、燃焼開始後の火炎伝播特性の向上にも寄与するので、例えば、燃料噴射装置をシリンダヘッド中央付近以外に配置して、燃焼空間内に燃料を直接噴射することで燃焼を成立させる内燃機関であってもよく、また、燃料を各吸気弁の上流部分に噴射して空気と共に燃焼空間内に流入させる内燃機関であってもよい。

また、上記各実施の形態では、点火プラグをシリンダヘッドに設けて説明したが、勿論このものに限らず、点火プラグを用いない自己着火による内燃機関であってもよい。

また、上記各実施の形態では、燃料を気化させて燃焼させると説明したが、勿論このものに限らず、気体燃料を燃焼させる内燃機関であってもよい。

実施の形態１に係る内燃機関の要部断面図である。吸気弁と排気弁とにおけるクランク角と弁リフト量との関係を示す代表的な特性図である。ピストンとクランク角との関係を示す代表的な図である。図１の第１の吸気弁から流入した旋回空気流動を示した図である。第１の吸気弁による旋回空気流動の位置と燃料噴射装置による燃料の位置との関係を示した図である。第１の吸気弁による旋回空気流動と第２の吸気弁による対向空気流動とが衝突して、旋回渦を発生させる様子を示す図である。図１の第１の吸気弁および第２の吸気弁のクランク角と弁リフト量との関係を示す特性図である。クランク角とピストンの移動速度との関係を示す図である。実施の形態２に係る第１の吸気弁および第２の吸気弁のクランク角と弁リフト量との関係を示す図である。実施の形態３に係る第１の吸気弁および第２の吸気弁のクランク角と弁リフト量との関係を示す図である。実施の形態４に係る第１の吸気弁、低回転数と低出力時における第２の吸気弁および高回転数と高出力時における第２の吸気弁の、各々のクランク角と弁リフト量との関係を示す特性図である。

符号の説明

１シリンダ、２シリンダヘッド、３ピストン、４燃焼空間、５ａ第１の吸気弁、５ｂ第２の吸気弁、６ａ第１の排気弁、６ｂ第２の排気弁、７点火プラグ、８燃料噴射装置、９燃料、１０旋回空気流動、１１渦、１２外周寄り空間、１３内周寄り空間、１４対向空気流動、１５旋回渦。

Claims

シリンダと、
前記シリンダの上部に設けられ、前記シリンダの一端部を閉塞するシリンダヘッドと、
前記シリンダ内で往復摺動し、前記シリンダおよび前記シリンダヘッドと協同して燃焼空間を区画するピストンと、
前記シリンダヘッドに、一端部が前記燃焼空間に臨み、開閉することで、前記燃焼空間への空気の流入を制御し、前記燃焼空間内で前記シリンダ内壁に沿った一方向の渦を発生させるように設けられた第１の吸気弁と、
前記シリンダヘッドに、一端部が前記燃焼空間に臨み、開閉することで、前記燃焼空間への空気の流入を制御し、前記燃焼空間内で前記シリンダ内壁に沿った逆方向の渦を発生させるように設けられた第２の吸気弁とを備え、
前記第１の吸気弁は、前記ピストンが吸気上死点に達する前後で徐々に開弁し、その後全開し、さらに前記ピストンが圧縮上死点に達するまでに全閉し、
前記第２の吸気弁は、前記第１の吸気弁より遅れて開弁し、その後前記第１の吸気弁から前記燃焼空間へ流入する空気の速度が最も速くなる時に全開となり、さらに前記第１の吸気弁より早く全閉することを特徴とする内燃機関。
シリンダと、
前記シリンダの上部に設けられ、前記シリンダの一端部を閉塞するシリンダヘッドと、
前記シリンダ内で往復摺動し、前記シリンダおよび前記シリンダヘッドと協同して燃焼空間を区画するピストンと、
前記シリンダヘッドに、一端部が前記燃焼空間に臨み、開閉することで、前記燃焼空間への空気の流入を制御し、前記燃焼空間内で前記シリンダ内壁に沿った一方向の渦を発生させるように設けられた第１の吸気弁と、
前記シリンダヘッドに、一端部が前記燃焼空間に臨み、開閉することで、前記燃焼空間への空気の流入を制御し、前記燃焼空間内で前記シリンダ内壁に沿った逆方向の渦を発生させるように設けられた第２の吸気弁とを備え、
前記第１の吸気弁は、前記ピストンが吸気上死点に達する前後で徐々に開弁し、その後全開し、さらに前記ピストンが圧縮上死点に達するまでに全閉し、
前記第２の吸気弁は、前記第１の吸気弁とほぼ同じタイミングで開弁し、その後前記第１の吸気弁から前記燃焼空間へ流入する空気の速度が最も速くなる時までに全開となり、さらに前記第１の吸気弁より早く全閉することを特徴とする内燃機関。
シリンダと、
前記シリンダの上部に設けられ、前記シリンダの一端部を閉塞するシリンダヘッドと、
前記シリンダ内で往復摺動し、前記シリンダおよび前記シリンダヘッドと協同して燃焼空間を区画するピストンと、
前記シリンダヘッドに、一端部が前記燃焼空間に臨み、開閉することで、前記燃焼空間への空気の流入を制御し、前記燃焼空間内で前記シリンダ内壁に沿った一方向の渦を発生させるように設けられた第１の吸気弁と、
前記シリンダヘッドに、一端部が前記燃焼空間に臨み、開閉することで、前記燃焼空間への空気の流入を制御し、前記燃焼空間内で前記シリンダ内壁に沿った逆方向の渦を発生させるように設けられた第２の吸気弁とを備え、
前記第１の吸気弁は、前記ピストンが吸気上死点に達する前後で徐々に開弁し、その後全開し、さらに前記ピストンが圧縮上死点に達するまでに全閉し、
前記第２の吸気弁は、前記第１の吸気弁とほぼ同じタイミングで、または、前記第１の吸気弁より先に開弁し、前記第２の吸気弁の開弁の速度は、前記第１の吸気弁の開弁の速度より速く、その後前記第１の吸気弁から前記燃焼空間へ流入する空気の速度が最も速くなる時までに閉弁を開始することを特徴とする内燃機関。
前記第２の吸気弁は、前記ピストンに連結された回転軸の回転数および前記回転軸の出力に応じて、開弁の開始時期、全開となる時期、閉弁の開始時期、全閉となる時期を変更することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の内燃機関。