JP4306594B2 - Sub-chamber internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、副室式内燃機関、特に、副燃焼室において熱面着火が行われる副室式内燃機関に関する。 The present invention relates to a sub-chamber internal combustion engine, and more particularly to a sub-chamber internal combustion engine in which hot surface ignition is performed in a sub-combustion chamber.
従来から、主燃焼室及びその主燃焼室に隣接して設けられる副燃焼室を備えた副室式内燃機関が提案されている。(例えば、特許文献1参照)。
しかし、特許文献1の内燃機関では、小さな副燃焼室の内部に熱面着火のためのグロープラグに加えて燃料噴射弁が配備されている。このため、構造が複雑となっている。
However, in the internal combustion engine of
また、副室式内燃機関において液体燃料を副燃焼室に噴射する構成を採る場合には、燃料気化の安定性を確保するため、副燃焼室のサイズや形状に制約がかかる。 Further, in the case of adopting a configuration in which liquid fuel is injected into the sub-combustion chamber in the sub-chamber internal combustion engine, the size and shape of the sub-combustion chamber are restricted in order to ensure the stability of fuel vaporization.
このようなことから、副燃焼室に燃料噴射弁を配備せず、主燃焼室から副燃焼室に導入されてきた新気混合気をそのまま熱面着火させることが考えられるが、この場合には、着火の時期(タイミング)が成り行きとなり、所望の時期に着火を行わせることが困難となって、内燃機関の熱効率が低下する恐れがある。 For this reason, it is conceivable that the new air-fuel mixture introduced from the main combustion chamber to the sub-combustion chamber is directly ignited on the hot surface without providing a fuel injection valve in the sub-combustion chamber. The timing (timing) of ignition becomes a matter of course, and it becomes difficult to perform ignition at a desired timing, which may reduce the thermal efficiency of the internal combustion engine.
本発明の課題は、副燃焼室に燃料を直接噴射しない構成を採る場合でも熱効率を向上させることができる副室式内燃機関を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a sub-chamber internal combustion engine that can improve the thermal efficiency even when adopting a configuration in which fuel is not directly injected into the sub-combustion chamber.
本発明に係る副室式内燃機関は、主燃焼室と、副燃焼室と、着火手段とを備えている。副燃焼室は、主燃焼室に隣接している。着火手段は、副燃焼室の内部に設けられており、主燃焼室から副燃焼室に導入された新気混合気を熱面着火させる。そして、この副室式内燃機関では、副室着火時間を変化させる。副室着火時間とは、新気混合気が副燃焼室に導入されてから副燃焼室において新気混合気が着火するまでの時間である。 The sub-chamber internal combustion engine according to the present invention includes a main combustion chamber, a sub-combustion chamber, and ignition means. The auxiliary combustion chamber is adjacent to the main combustion chamber. The ignition means is provided inside the auxiliary combustion chamber, and ignites the fresh air mixture introduced from the main combustion chamber into the auxiliary combustion chamber. In this sub-chamber internal combustion engine, the sub-chamber ignition time is changed. The sub-chamber ignition time is the time from when the fresh air mixture is introduced into the sub-combustion chamber until the new air-fuel mixture is ignited in the sub-combustion chamber.
ここでは、副燃焼室に導入された新気混合気が、着火手段の熱面に触れて着火(熱面着火)する。 Here, the fresh air mixture introduced into the auxiliary combustion chamber is ignited by touching the hot surface of the ignition means (hot surface ignition).
本発明に係る副室式内燃機関では、主燃焼室から副燃焼室に新気混合気が導入されてから新気混合気が着火するまでの時間である副室着火時間は、特に工夫がなければ、主燃焼室から着火手段までの距離などにより成り行きで決まってしまう。 In the sub-chamber internal combustion engine according to the present invention, the sub-chamber ignition time, which is the time from when the fresh air mixture is introduced from the main combustion chamber to the sub-combustion chamber until the fresh air mixture is ignited, is not particularly devised. In this case, it is determined by the course of events depending on the distance from the main combustion chamber to the ignition means.
しかし、本発明によれば、副室着火時間を成り行きに任せるのではなく、積極的に副室着火時間を変化させる構成を採っている。このため、所望の時期に着火を行わせることができるようになり、副燃焼室で熱面着火を行わせる構造の副室式内燃機関において、熱効率を向上させることができるようになる。 However, according to the present invention, a configuration is adopted in which the sub chamber ignition time is positively changed rather than depending on the outcome. For this reason, ignition can be performed at a desired time, and in the sub-chamber internal combustion engine having a structure in which hot surface ignition is performed in the sub-combustion chamber, thermal efficiency can be improved.
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係る副室式の内燃機関を、図1および図2に示す。
<First Embodiment>
1 and 2 show a sub-chamber internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention.
<内燃機関の構成>
副室式の内燃機関1は、主燃焼室63、吸排気機構、燃料噴射弁27、副燃焼室61、グロープラグ70、可変圧縮比機構30、ECU(制御部)40などから構成されている。
<Configuration of internal combustion engine>
The sub-chamber
主燃焼室63は、シリンダヘッド20,シリンダブロック10およびピストン3に囲まれた室である。ピストン3がシリンダブロック10の側壁に沿って往復運動することにより、主燃焼室63の容積が変化する。シリンダヘッド20には、主燃焼室63に新気を供給するための吸気ポート23と、主燃焼室63から既燃ガスを排気ガスとして排出するための排気ポート24とが形成されている。
The
また、吸排気機構として、吸気ポート23には吸気バルブ21が、排気ポート24には排気バルブ22が配備されている。クランクシャフトの回転に連動して回転する吸気用カム軸21b/排気用カム軸22bに固定された吸気用カム21a/排気用カム22aは、吸気バルブ21/排気バルブ22の上方に配置されており、吸気バルブ21/排気バルブ22を開閉させる。
As an intake / exhaust mechanism, an
燃料噴射弁27は、主燃焼室63に直接ガソリン燃料を噴射する弁である。燃料配管26を介して燃料噴射弁27に燃料を送り出す燃料ポンプ25は、吸気用カム軸21bの端部近傍に配備されており、ガソリン燃料を加圧する。
The
副燃焼室61は、主燃焼室63に隣接して設けられる室であり、副燃焼室壁61aに囲まれている。具体的には、シリンダヘッド20において吸気ポート23と排気ポート24との間に形成された空間に、略円筒状の副燃焼室壁61aが配置され、副燃焼室61が形成される。また、副燃焼室壁61aの膨出した半球状の底面には、主燃焼室63と副燃焼室61とを連通する複数の連通路61bが形成されている。
The
グロープラグ70は、そのヒートコイルパイプ71(着火手段)が副燃焼室61の内部において主燃焼室63から遠い位置から主燃焼室63に近い位置へと延びている。言い換えると、グロープラグ70は、図3に示すように、副燃焼室61の外側に、ヒートコイルパイプ71が副燃焼室61の内部に突き出るように取り付けられている。グロープラグ70のヒートコイルパイプ71は、その中に、コイルヒータ73と絶縁粉末とを有している。コイルヒータ73に通電することで、ヒートコイルパイプ71の先端部72の表面が赤熱する。ここでは、ヒートコイルパイプ71の先端部72を、副燃焼室61の中央付近に位置させている。
In the
なお、先端部72が赤熱し続けるグロープラグ70は、所定のタイミングで火花を放つスパークプラグに比べて着火性がよく、副燃焼室61に導入されてくる新気混合気がかなり希薄(リーン)な状態であっても着火安定性を確保することができる。
Note that the
可変圧縮比機構30は、機関圧縮比を変更することができる複リンク式ピストン−クランク機構である。この可変圧縮比機構30は、図2に示すように、主として、ロアリンク31、アッパーリンク32、制御リンク33、偏芯カム34、および圧縮比可変アクチュエータ35を備えている。ロアリンク31は、クランクシャフト5のクランクピン5aに回転可能に外嵌・支持されている。クランクシャフト5は、シリンダブロック10に主軸受を介して回転可能に支持されている。アッパーリンク32は、その一端が、ピストンピン4を介してピストン3に回転可能に連結されている。また、アッパーリンク32の他端は、第1連結ピン32aを介してロアリンク31に回転可能に連結されている。ピストン3に燃焼荷重が作用すると、この燃焼荷重は、ピストン3からアッパーリンク32及びロアリンク31を経由して、クランクシャフト5へ回転動力として伝達される。制御リンク33は、その一端が、第2連結ピン33aを介してロアリンク31に回転可能に連結されている。制御リンク33の他端は、偏芯カム34に回転可能に外嵌・支持されている。偏芯カム34は、制御軸36に偏芯して固定されている。制御軸36は、シリンダブロック10に回転可能に支持される軸である。また、制御軸36の一端には、スライド溝37aが形成された制御プレート37が固定されている。圧縮比可変アクチュエータ35は、制御軸36をシリンダブロック10に対して回動させたり、制御軸36をシリンダブロック10に対して回転しないように保持させたりする役割を果たす。この圧縮比可変アクチュエータ35は、電動式であり、主として、略筒状のスレッドドライブ35a、棒状のスレッドドリブン35b、および駆動装置としての電動機(図示省略)から構成されている。スレッドドライブ35aは、電動機によって軸回りに回転駆動される筒状部材であり、内周面にギアが形成されている。スレッドドリブン35bは、スレッドドライブ35aの内周面のギアに噛合しており、スレッドドライブ35aの回転に応じて軸方向(図2の方向D1)に進退する。スレッドドリブン35bの先端には、コントロールシャフトピン35cが設けられている。このコントロールシャフトピン35cは、制御プレート37のスライド溝37aに摺動可能に嵌合している。この圧縮比可変アクチュエータ35によって制御軸36を回動させることにより、クランク角θに対するピストン行程が変化し、機関圧縮比が変化する。なお、圧縮比可変アクチュエータ35は、油圧駆動式としてもよい。
The variable
ECU40は、クランク角センサ51,水温センサ52,アクセル開度センサ53などのセンサからの信号入力を受け、ドライバーの要求するアクセル開度に相当するエンジントルクを出力できるように、燃料噴射量、着火タイミング、スロットル開度などを調節し、主燃焼室63における燃焼状態を適切に制御するための制御装置である。ECU40は、燃料噴射弁27、燃料ポンプ25、グロープラグ70、可変圧縮比機構30の電動機などに電気的に接続されており、例えば負荷演算部41で演算したエンジン負荷に応じて燃料噴射制御部42において必要な燃料噴射量を決めて燃料噴射弁27に指令を送る。
The ECU 40 receives signal inputs from sensors such as a
<内燃機関の概略動作>
内燃機関1では、吸気行程において、燃料ポンプ25で加圧された燃料が、燃料配管26を介して燃料噴射弁27に供給される。燃料噴射弁27は、吸気ポート23から主燃焼室63に供給された新気空気に燃料を噴射する。これにより、主燃焼室63において概ね均質な新気混合気が生成される。
<General operation of internal combustion engine>
In the
圧縮行程においては、主燃焼室63で新気混合気が圧縮されるとともに、主燃焼室63の新気混合気の一部が、連通路61bを介して主燃焼室63から副燃焼室61へ導入される。
In the compression stroke, the fresh air mixture is compressed in the
副燃焼室61では、グロープラグ70のヒートコイルパイプ71に新気混合気が接触したときに、新気混合気が熱面着火されて燃焼する。副燃焼室61の燃焼ガス(火炎)は、連通路61bを介して主燃焼室63へトーチ状に放射され、主燃焼室63の均質な新気混合気を燃焼させる。
In the
膨張行程では、新気混合気が燃焼して発生した燃焼圧力によって、ピストン3が押し下げられる。
In the expansion stroke, the
排気行程では、主燃焼室63で燃焼された既燃ガスが、排気ガスとして排気ポート24へ排出される。
In the exhaust stroke, the burned gas burned in the
<内燃機関の副燃焼室における着火動作の詳細>
副燃焼室61には、圧縮行程において、連通路61bを介して主燃焼室63から概ね均質な新気混合気(図3の新気混合気MGを参照)が導入されてくる。このとき、図3に示すように、副燃焼室61内の残留ガスRGと新気混合気MGとが、副燃焼室61において概ね層状に分布する。すなわち、圧縮行程において副燃焼室61に導入された新気混合気MGは、残留ガスRGを副燃焼室61の上方に押しやる。これにより、残留ガスRGは、副燃焼室61の上方空間に分布し、新気混合気MGは副燃焼室61の残りの領域(下方空間)に分布することになる。図3において、残留ガスRGと新気混合気MGとの境界を破線で示す。
<Details of ignition operation in auxiliary combustion chamber of internal combustion engine>
A substantially homogeneous fresh air mixture (see the fresh air mixture MG in FIG. 3) is introduced into the
この残留ガスRGと新気混合気MGとの副燃焼室61における境界は、例えばピストン3が上死点にあるタイミングで比較して、圧縮比が高い場合には主燃焼室63から比較的遠い位置に、圧縮比が低い場合には主燃焼室63から比較的近い位置にくる。
The boundary between the residual gas RG and the fresh air mixture MG in the
したがって、機関圧縮比が高い場合には、副燃焼室61に新気混合気MGが導入されてから新気混合気MGがヒートコイルパイプ71の先端部72に触れて着火するまでの時間である副室着火時間が短くなる。一方、機関圧縮比が低い場合には、副室着火時間が長くなる。
Therefore, when the engine compression ratio is high, it is the time from when the fresh air mixture MG is introduced into the
別の見方をすると、副燃焼室61内の残留ガスRGと新気混合気MGとが層状に分布することから、ピストン3が上死点にあるときに、機関圧縮比が高い場合には、残留ガスRGが副燃焼室61において占める容積の割合である残留ガス割合が小さくなり、機関圧縮比が低い場合には、残留ガス割合が大きくなると言える。そして、残留ガス割合が小さくなるときには副室着火時間が短くなり、残留ガス割合が大きくなるときには副室着火時間が長くなる。
From another viewpoint, since the residual gas RG and the fresh air mixture MG in the
<内燃機関の制御>
まず、内燃機関1では、ECU40によって、燃焼室全体の平均当量比を図5の2点鎖線で示すように制御している。すなわち、比較的エンジン負荷の低い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリーンとなるように制御し、比較的エンジン負荷の高い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が概ね理論当量比となるように制御し、エンジン負荷が最大負荷付近になる運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリッチとなるように制御している。
<Control of internal combustion engine>
First, in the
また、上記のような副燃焼室61における着火動作の特性に鑑み、内燃機関1のECU40は、以下のようにして副燃焼室61における着火タイミングを制御し、その着火タイミングをエンジン負荷に適した時期(以下、副燃焼室要求着火時期という。)にしている。
In view of the characteristics of the ignition operation in the
具体的には、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つように、エンジン負荷に応じて副燃焼室61における着火タイミングを制御している。
Specifically, the ignition timing in the
図4に示すように、エンジン負荷が低いほど、燃焼温度が低く燃焼速度が遅いため、冷却損失が小さくなる。このため、エンジン負荷が低くなると、最大トルクを発生する要求燃焼時期は相対的に進角側にシフトする。これに伴い、副燃焼室要求着火時期も相対的に進角側にシフトすることになる。反対に、エンジン負荷が高くなると、最大トルクを発生する要求燃焼時期は相対的に遅角側にシフトし、副燃焼室要求着火時期も相対的に遅角側にシフトする。 As shown in FIG. 4, the lower the engine load, the lower the combustion temperature and the lower the combustion speed, so the cooling loss becomes smaller. For this reason, when the engine load becomes low, the required combustion timing for generating the maximum torque is relatively shifted to the advance side. Along with this, the auxiliary combustion chamber required ignition timing is also relatively shifted to the advance side. On the contrary, when the engine load increases, the required combustion timing for generating the maximum torque shifts relatively to the retard side, and the auxiliary combustion chamber required ignition timing also shifts to the relatively retard side.
副燃焼室61における着火が図4に示す副燃焼室要求着火時期に起こるように、ECU40は、負荷演算部41で演算したエンジン負荷に応じて、圧縮比制御部43によって可変圧縮比機構30を制御している。
The
上記のように、機関圧縮比が高い場合には残留ガス割合が小さくなって副室着火時間が短くなり、機関圧縮比が低い場合には残留ガス割合が大きくなって副室着火時間が長くなるため、可変圧縮比機構30を制御して機関圧縮比を変化させることで副燃焼室61における着火タイミングを制御することができる。これに鑑み、ECU40は、図6の一点鎖線で示す機関圧縮比になるように可変圧縮比機構30を制御し、副燃焼室61の残留ガス割合が図6の実線で示す形になるようにしている。これにより、エンジン負荷が低くなるほど残留ガス割合が低くなるという状態が実現され、エンジン負荷が低くなるほど副室着火時間が短くなって副燃焼室61における着火タイミングが早まる状態が実現される。そして、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになり、内燃機関1の高い熱効率が確保されている。
As described above, when the engine compression ratio is high, the residual gas ratio becomes small and the sub chamber ignition time becomes short. When the engine compression ratio is low, the residual gas ratio becomes large and the sub chamber ignition time becomes long. Therefore, the ignition timing in the
なお、図5および図6における残留ガス割合は、上死点における副燃焼室61内の残留ガスRGの容積の割合を示している。
The residual gas ratio in FIGS. 5 and 6 indicates the ratio of the volume of the residual gas RG in the
<内燃機関の特徴>
内燃機関1では、副燃焼室61に新気混合気MGが導入されてから新気混合気MGがヒートコイルパイプ71の先端部72に触れて着火するまでの時間である副室着火時間を変化させ、その副室着火時間が高負荷運転時よりも低負荷運転時のときに短くなるようにしている。
<Characteristics of internal combustion engine>
In the
具体的には、ECU40が可変圧縮比機構30を制御して機関圧縮比をエンジン負荷に応じて図6の1点鎖線で示すように変化させることによって、副燃焼室61の残留ガス割合を図6の実線で示すように変化させ、低負荷運転時の副室着火時間が高負荷運転時の副室着火時間よりも短くなるようにしている。
Specifically, the
これにより、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が実現されており、内燃機関1の熱効率を高くすることができている。
As a result, the relationship between the engine load and the auxiliary combustion chamber required ignition timing shown in FIG. 4 is realized, and the thermal efficiency of the
<第1実施形態に係る内燃機関の変形例>
(1)
上記の第1実施形態ではヒートコイルパイプ71の先端部72だけが赤熱した着火部となっているグロープラグ70を採用しているが、図7(A)に示すヒートコイルパイプ71aを有するグロープラグを採用することもできる。
<Modification of Internal Combustion Engine According to First Embodiment>
(1)
In the first embodiment, the
ヒートコイルパイプ71aでは、先端の第1ヒータ部72aに加えて、第1ヒータ部72aよりも主燃焼室63から遠い位置に第2ヒータ部72bが形成されている。第2ヒータ部72bのコイルヒータ73bには、第1ヒータ部72aのコイルヒータ73aよりも高い印可電圧で電流を流す。これにより、第2ヒータ部72bの表面温度は第1ヒータ部72aの表面温度よりも高くなっている。
In the
この場合、主燃焼室63から副燃焼室61に導入された新気混合気が比較的リーンなときには、その新気混合気が表面温度の低い第1ヒータ部72aまで到達しても着火せず、表面温度の高い第2ヒータ部72bまで新気混合気が到達したときに初めて副燃焼室61において着火が為されるようになる。反対に、新気混合気が比較的リッチなときには、その新気混合気が表面温度の低い第1ヒータ部72aまで到達した段階で、副燃焼室61において着火が為される。
In this case, when the fresh air mixture introduced from the
このように、表面温度の異なる第1ヒータ部72aおよび第2ヒータ部72bを設けることで、エンジン負荷に応じて変化する新気混合気の当量比に合わせて副燃焼室61における着火タイミングを変えることができるようになる。
As described above, by providing the
(2)
上記の変形例(1)では、印可電圧を変えることによって第1ヒータ部72aの表面温度と第2ヒータ部72bの表面温度とに差をつけているが、図7(B)に示すようにコイルヒータの巻き数を変えることで差をつけてもよい。
(2)
In the modified example (1), the surface temperature of the
図7(B)に示すヒートコイルパイプ71bでは、先端の第1ヒータ部72cに加えて、第1ヒータ部72cよりも主燃焼室63から遠い位置に第2ヒータ部72dが形成されている。第2ヒータ部72dのコイルヒータ73dは、第1ヒータ部72cのコイルヒータ73cよりも密に巻かれており、巻き数も多い。これにより、第2ヒータ部72dの表面温度は第1ヒータ部72cの表面温度よりも高くなる。
In the
(3)
上記の変形例(1),(2)では、複数のヒータ部がそれぞれコイルヒータを有する構成を採っているが、複数のヒータ部に対して共通のコイルヒータを採用することも可能である。
(3)
In the above modifications (1) and (2), the plurality of heater portions each have a coil heater, but a common coil heater can be adopted for the plurality of heater portions.
図7(C)に示すヒートコイルパイプ71cでは、先端から基端に向けて(主燃焼室63から離れる方向に向けて)、複数のヒータ部、具体的には第1ヒータ部72e,第2ヒータ部72fおよび第3ヒータ部72gが設けられている。これらのヒータ部72e,72f,72gの内部には、1つのコイルヒータ73eが配備されている。コイルヒータ73eは、主燃焼室63から離れるにしたがって、すなわち先端から離れるにしたがって、密に巻かれて単位長さあたりの巻き数が多くなっている。これにより、第2ヒータ部72fの表面温度は第1ヒータ部72eの表面温度よりも高くなっており、第3ヒータ部72gの表面温度は第2ヒータ部72fの表面温度よりも高くなっている。言い換えれば、ヒートコイルパイプ71cでは、先端から離れるにしたがって、徐々に表面温度が高くなっており、長手方向(主燃焼室63から離れる方向)において着火性が異なるようにされている。
In the
(4)
上記の変形例(1)では、印可電圧を変えることによって第1ヒータ部72aの表面温度と第2ヒータ部72bの表面温度とに差をつけて着火性の違いを生み出しているが、図7(D)に示すように異なる触媒を表面にコーティングすることで着火性の違いを生成してもよい。
(4)
In the above modification (1), the difference in ignitability is produced by changing the applied voltage to make a difference between the surface temperature of the
図7(D)に示すヒートコイルパイプ71dでは、先端の第1ヒータ部72hに加えて、第1ヒータ部72hよりも主燃焼室63から遠い位置に第2ヒータ部72iが形成されている。第2ヒータ部72iのコイルヒータ73gは、第1ヒータ部72hのコイルヒータ73fと同じ巻き数であり、印可電圧も同じである。しかし、第1ヒータ部72hの表面には第1触媒74aがコーティングされ、第2ヒータ部72iの表面には第2触媒74bがコーティングされている。第1触媒74aおよび第2触媒74bとしては、白金、アルミ、プラチナ、銅など任意の触媒を用いればよい。そして、ここでは、第2触媒74bをコーティングした第2ヒータ部72iの着火性のほうが第1触媒74aをコーティングした第1ヒータ部72hの着火性よりも高くなるように、第1触媒74aおよび第2触媒74bの触媒成分が選定される。
In the
このように、着火性の異なる第1ヒータ部72hおよび第2ヒータ部72iを設けることで、エンジン負荷に応じて変化する新気混合気の当量比に合わせて副燃焼室61における着火タイミングを変えることができるようになる。
As described above, by providing the
なお、第1触媒74aおよび第2触媒74bの触媒成分の違いによって第1ヒータ部72hおよび第2ヒータ部72iの着火性に差を出す方法に代えて、第1ヒータ部および第2ヒータ部にコーティングする触媒の担持量を変えることで着火性に差を出す方法や、第1ヒータ部に対する触媒のコーティング面積と第2ヒータ部に対する触媒のコーティング面積とを変えて着火性に差を出す方法を用いてもよい。
It should be noted that the first heater unit and the second heater unit may be replaced with a method of making a difference in the ignitability of the
また、第1ヒータ部72hおよび第2ヒータ部72iそれぞれにコイルヒータ73f,73gを持たせるのではなく、第1ヒータ部72hおよび第2ヒータ部72iに共通のコイルヒータを持たせるような構成とすることも可能である。
Further, the
(5)
上記の第1実施形態では、燃料噴射弁27から主燃焼室63に加圧燃料を直接噴射する構成を採っているが、本発明は、吸気ポート23に対して燃料を噴射する構成の副室式内燃機関に対して適用することもできる。
(5)
In the first embodiment, the pressurized fuel is directly injected from the
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態に係る副室式の内燃機関を、図8および図9に示す。
Second Embodiment
8 and 9 show a sub-chamber internal combustion engine according to the second embodiment of the present invention.
副室式の内燃機関1aは、主燃焼室63、吸排気機構、燃料噴射弁27、副燃焼室61、グロープラグ70、可変バルブタイミング機構81,82、過給機90、ECU(制御部)40aなどから構成されている。
The sub-chamber
本実施形態の内燃機関1aでは、第1実施形態の内燃機関1における可変圧縮比機構30の代わりに、可変バルブタイミング機構81,82と過給機90とが配備されている。ECU40aを除くその他の構成については、第1実施形態の内燃機関1と同様であるので、第2実施形態の内燃機関1aにおいても同様の部品に対して同じ番号をふり、繰り返しになる説明は原則として省略する。グロープラグ70についても、第1実施形態のものと同様であり、図3に示すものを採用している。
In the
<可変バルブタイミング機構の構成>
可変バルブタイミング機構81,82は、油圧駆動式であり、クランクシャフトに対するカム軸21b,22bの位相を変化させることで、吸気バルブ21,排気バルブ22の開閉時期を進角化あるいは遅角化させる。可変バルブタイミング機構81,82の具体的構成については、周知であるため、ここでは説明を省略する。
<Configuration of variable valve timing mechanism>
The variable
なお、油圧駆動式の可変バルブタイミング機構81,82ではなく、電磁ブレーキによる摩擦制動を利用してクランクシャフトに対するカム軸の位相を変化させる可変バルブタイミング機構を採用してもよい。例えば、特開2002−97908号公報に開示されている可変バルブタイミング装置を採用することができる。
Instead of the hydraulically driven variable
<過給機の構成>
過給機90は、可変ノズル機構付きターボチャージャーであって、主として、吸気ポート23につながる吸気流路に配設されるコンプレッサ91と、排気ポート24の下流の排気流路に配設されるタービン92と、結合シャフト93と、可変ノズル機構94とから構成されている。結合シャフト93は、コンプレッサ91の回転軸とタービン92の回転軸とを結合している。可変ノズル機構94は、そのノズルが制御されることで過給圧を可変することができる。
<Structure of turbocharger>
The
過給機90の可変ノズル機構94は、ECU40aの過給圧制御部45によって制御される。
The
<ECUの構成>
ECU40aは、クランク角センサ51,水温センサ52,アクセル開度センサ53などのセンサからの信号入力を受け、ドライバーの要求するアクセル開度に相当するエンジントルクを出力できるように、燃料噴射量、着火タイミング、スロットル開度などを調節し、主燃焼室63における燃焼状態を適切に制御するための制御装置である。ECU40は、燃料噴射弁27、燃料ポンプ25、グロープラグ70、可変バルブタイミング機構81,82の油圧駆動装置、過給機90の可変ノズル機構94などに電気的に接続されており、例えば負荷演算部41で演算したエンジン負荷に応じて燃料噴射制御部42において必要な燃料噴射量を決めて燃料噴射弁27に指令を送る。
<Configuration of ECU>
The
<内燃機関の概略動作>
第1実施形態と同様である。
<General operation of internal combustion engine>
This is the same as in the first embodiment.
<内燃機関の副燃焼室における着火動作の詳細>
第1実施形態と同様である。
<Details of ignition operation in auxiliary combustion chamber of internal combustion engine>
This is the same as in the first embodiment.
<内燃機関の制御>
まず、内燃機関1aでも、第1実施形態と同様に、ECU40aによって、燃焼室全体の平均当量比を図5の2点鎖線で示すように制御している。すなわち、比較的エンジン負荷の低い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリーンとなるように制御し、比較的エンジン負荷の高い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が概ね理論当量比となるように制御し、エンジン負荷が最大負荷付近になる運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリッチとなるように制御している。
<Control of internal combustion engine>
First, also in the
そして、副燃焼室61における着火動作の特性に鑑み、内燃機関1aのECU40aは、以下のようにして副燃焼室61における着火タイミングを制御し、その着火タイミングをエンジン負荷に適した時期(副燃焼室要求着火時期)にしている。
In view of the characteristics of the ignition operation in the
具体的には、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つように、エンジン負荷に応じて副燃焼室61における着火タイミングを制御している。
Specifically, the ignition timing in the
副燃焼室61における着火が図4に示す副燃焼室要求着火時期に起こるように、ECU40aは、負荷演算部41で演算したエンジン負荷に応じて、バルブタイミング制御部44によって可変バルブタイミング機構81を制御して吸気バルブ21が閉まるタイミング(以下、吸気バルブ閉タイミングという。)を調整するとともに、過給圧制御部45によって過給機90を制御して過給圧を可変する。これらの制御を、図10を参照して説明する。
The
図10は、エンジン負荷と吸気バルブ閉タイミングとの関係、エンジン負荷と過給圧との関係、およびエンジン負荷と残留ガス割合との関係を示している。これらの関係が図10に示すようになるように、ECU40aによる可変バルブタイミング機構81および過給機90の制御が行われる。
FIG. 10 shows the relationship between the engine load and the intake valve closing timing, the relationship between the engine load and the supercharging pressure, and the relationship between the engine load and the residual gas ratio. The variable
まず、エンジン負荷と吸気バルブ閉タイミングとの関係であるが、ECU40aは、図10の2点鎖線で示すように、すなわちエンジン負荷が低くなるほど吸気バルブ閉タイミングが下死点に近づくように、可変バルブタイミング機構81の制御を行っている。これにより、エンジン負荷が低くなるほど上死点における新気混合気の圧力が大きくなる効果(有効圧縮比が高くなるという効果)が得られ、低負荷運転時において副燃焼室61における残留ガス割合を低くすることができ、エンジン負荷が低くなるほど副燃焼室61における着火タイミングが進角化し、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになる。
First, regarding the relationship between the engine load and the intake valve closing timing, the
また、エンジン負荷と過給圧との関係であるが、ECU40aは、図10の破線で示すように、すなわちエンジン負荷が高くなるほど過給圧が高くなるように、過給機90の制御を行っている。これにより、エンジン負荷が高いときに吸気バルブ閉タイミングを下死点から遠ざけていることによる不具合、すなわち高負荷時における充填効率の低下を抑制することができている。言い換えると、高負荷時に過給圧が高くなるように制御しているため、吸気バルブ閉タイミングが下死点から遠ざかっていても、所定の充填効率を確保することができている。
Further, regarding the relationship between the engine load and the supercharging pressure, the
このように、第2実施形態の内燃機関1aにおいても、エンジン負荷が低くなるほど副燃焼室61の残留ガス割合が低くなるという図10の実線で示す状態が実現され、エンジン負荷が低くなるほど副室着火時間が短くなって副燃焼室61における着火タイミングが早まる状態が実現される。そして、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになり、内燃機関1の高い熱効率が確保されている。
Thus, also in the
なお、図10における残留ガス割合は、上死点における副燃焼室61内の残留ガスの容積の割合を示している。
In addition, the residual gas ratio in FIG. 10 has shown the ratio of the volume of the residual gas in the
<内燃機関の特徴>
第2実施形態の内燃機関1aでは、副燃焼室61に新気混合気が導入されてから新気混合気がヒートコイルパイプ71の先端部72に触れて着火するまでの時間である副室着火時間を変化させ、その副室着火時間が高負荷運転時よりも低負荷運転時のときに短くなるようにしている。
<Characteristics of internal combustion engine>
In the
具体的には、ECU40aが可変バルブタイミング機構81を制御して吸気バルブ閉タイミングをエンジン負荷に応じて図10の2点鎖線で示すように変化させることによって、副燃焼室61の残留ガス割合を図10の実線で示すように変化させ、低負荷運転時の副室着火時間が高負荷運転時の副室着火時間よりも短くなるようにしている。
Specifically, the
これにより、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が実現されており、内燃機関1aの熱効率を高くすることができている。
Thereby, the relationship between the engine load and the required combustion chamber required ignition timing shown in FIG. 4 is realized, and the thermal efficiency of the
<第3実施形態>
本発明の第3実施形態に係る副室式の内燃機関を、図11に示す。
<Third Embodiment>
FIG. 11 shows a sub-chamber internal combustion engine according to the third embodiment of the present invention.
副室式の内燃機関1bは、主燃焼室63、吸排気機構、燃料噴射弁27、副燃焼室61、グロープラグ70、ECU(制御部)40bなどから構成されている。
The sub-chamber
本実施形態の内燃機関1bでは、第1実施形態の内燃機関1における可変圧縮比機構30の代わりに、副燃焼室61から排気ポート24へ残留ガスを排出するためのバイパス通路97とバイパスバルブ98とが配備されている。ECU40bを除くその他の構成については、第1実施形態の内燃機関1と同様であるので、第3実施形態の内燃機関1bにおいても同様の部品に対して同じ番号をふり、繰り返しになる説明は原則として省略する。グロープラグ70についても、第1実施形態のものと同様であり、図3に示すものを採用している。
In the
<副燃焼室の構成>
副燃焼室61は、主燃焼室63に隣接して設けられる室であり、副燃焼室壁61aに囲まれている。具体的には、シリンダヘッド20において吸気ポート23と排気ポート24との間に形成された空間に、略円筒状の副燃焼室壁61aが配置され、副燃焼室61が形成される。また、副燃焼室壁61aの膨出した半球状の底面には、主燃焼室63と副燃焼室61とを連通する複数の連通路61bが形成されている。
<Configuration of auxiliary combustion chamber>
The
グロープラグ70は、図3に示すように、副燃焼室61の外側に、ヒートコイルパイプ71が副燃焼室61の内部に突き出るように取り付けられている。
As shown in FIG. 3, the
バイパス通路97は、副燃焼室61の最上部(主燃焼室63から遠い部分)から排気ポート24へと延び副燃焼室61と排気ポート24とを連通させる通路であり、シリンダヘッド20に形成されている。バイパス通路97を通る副燃焼室61の残留ガスは、主燃焼室63を介さずに、すなわち主燃焼室63を通ることなく、排気ポート24へ掃気される。
The
バイパスバルブ98は、バイパス通路97を開閉する開閉制御弁であり、バイパス通路97に設けられている。バイパスバルブ98は、例えば吸気バルブ21や排気バルブ22と類似の構成とすることができるが、バイパス通路97を開閉できる構造であれば任意の構造を用いることができる。バイパスバルブ98は、その開閉のタイミングがECU40bによって制御される。この制御によって、副燃焼室61内の残留ガスの排気ポート24への掃気量が調節されることになる。
The
<ECUの構成>
ECU40bは、クランク角センサ51,水温センサ52,アクセル開度センサ53などのセンサからの信号入力を受け、ドライバーの要求するアクセル開度に相当するエンジントルクを出力できるように、燃料噴射量、着火タイミング、スロットル開度などを調節し、主燃焼室63における燃焼状態を適切に制御するための制御装置である。ECU40は、燃料噴射弁27、燃料ポンプ25、グロープラグ70、バイパスバルブ98などに電気的に接続されており、例えば負荷演算部41で演算したエンジン負荷に応じて燃料噴射制御部42において必要な燃料噴射量を決めて燃料噴射弁27に指令を送る。
<Configuration of ECU>
The
<内燃機関の概略動作>
第1実施形態と同様である。
<General operation of internal combustion engine>
This is the same as in the first embodiment.
<内燃機関の副燃焼室における着火動作の詳細>
第1実施形態と同様である。
<Details of ignition operation in auxiliary combustion chamber of internal combustion engine>
This is the same as in the first embodiment.
<内燃機関の制御>
まず、内燃機関1bでも、第1実施形態と同様に、ECU40bによって、燃焼室全体の平均当量比を図5の2点鎖線で示すように制御している。すなわち、比較的エンジン負荷の低い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリーンとなるように制御し、比較的エンジン負荷の高い運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が概ね理論当量比となるように制御し、エンジン負荷が最大負荷付近になる運転条件においては、燃焼室全体の平均当量比が理論当量比よりもリッチとなるように制御している。
<Control of internal combustion engine>
First, also in the
そして、副燃焼室61における着火動作の特性に鑑み、内燃機関1bのECU40bは、以下のようにして副燃焼室61における着火タイミングを制御し、その着火タイミングをエンジン負荷に適した時期(副燃焼室要求着火時期)にしている。
In view of the characteristics of the ignition operation in the
具体的には、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つように、エンジン負荷に応じて副燃焼室61における着火タイミングを制御している。
Specifically, the ignition timing in the
副燃焼室61における着火が図4に示す副燃焼室要求着火時期に起こるように、ECU40bのバイパスバルブ制御部46は、負荷演算部41で演算したエンジン負荷に応じて、図12に示すようにバイパスバルブ98を閉じるタイミング(以下、バイパスバルブ閉タイミングという。)を調整している。
As shown in FIG. 12, the bypass
バイパスバルブ98の制御であるが、基本的には、排気行程で開、圧縮行程の途中で閉としている。その上で、圧縮行程におけるバイパスバルブ閉タイミングを、エンジン負荷が低くなるほど遅角化させ、エンジン負荷が高くなるほど進角化させている。このようにエンジン負荷が低い運転条件においてバイパスバルブ閉タイミングを遅角化しているため、低負荷時に副燃焼室61の残留ガス割合が低くなって着火タイミングが進角化する。一方、エンジン負荷が高い運転条件においてバイパスバルブ閉タイミングを進角化しているため、高負荷時に副燃焼室61の残留ガス割合が高くなって着火タイミングが遅角化する。すなわち、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになる。
The control of the
このように、第3実施形態の内燃機関1bにおいても、エンジン負荷が低くなるほど副燃焼室61の残留ガス割合が低くなるという図5の実線で示す状態が実現され、エンジン負荷が低くなるほど副室着火時間が短くなって副燃焼室61における着火タイミングが早まる状態が実現される。そして、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が成り立つようになり、内燃機関1の高い熱効率が確保される。
Thus, also in the
<内燃機関の特徴>
第3実施形態の内燃機関1bでは、副燃焼室61に新気混合気が導入されてから新気混合気がヒートコイルパイプ71の先端部72に触れて着火するまでの時間である副室着火時間を変化させ、その副室着火時間が高負荷運転時よりも低負荷運転時のときに短くなるようにしている。
<Characteristics of internal combustion engine>
In the
具体的には、ECU40bがバイパスバルブ98を制御して圧縮行程におけるバイパスバルブ閉タイミングをエンジン負荷に応じて図12に示すように変化させることによって、副燃焼室61の残留ガス割合を図5の実線で示すように変化させ、低負荷運転時の副室着火時間が高負荷運転時の副室着火時間よりも短くなるようにしている。
Specifically, the
これにより、図4に示すエンジン負荷と副燃焼室要求着火時期との関係が実現されており、内燃機関1bの熱効率を高くすることができている。
As a result, the relationship between the engine load and the auxiliary combustion chamber required ignition timing shown in FIG. 4 is realized, and the thermal efficiency of the
<第3実施形態に係る内燃機関の変形例>
(1)
第3実施形態の内燃機関1bでは、第1実施形態の内燃機関1のような可変圧縮比機構を有していないが、さらに可変圧縮比機構を有していてもかまわない。
<Modification of Internal Combustion Engine According to Third Embodiment>
(1)
The
(2)
第3実施形態の内燃機関1bでは、バイパス通路97によって副燃焼室61から排気ポート24へ残留ガスを排出する構成を採っているが、副燃焼室61から吸気ポート23へ残留ガスを排出する構成を採ることも考えられる。
(2)
The
本発明に係る副室式内燃機関は、所望の時期に着火を行わせて熱効率を向上させることができ、副燃焼室において熱面着火が行われる副室式内燃機関として有用である。 The sub-chamber internal combustion engine according to the present invention can be ignited at a desired time to improve thermal efficiency, and is useful as a sub-chamber internal combustion engine in which hot surface ignition is performed in the sub-combustion chamber.
1 副室式内燃機関
21 吸気バルブ
30 可変圧縮比機構
40,40a,40b ECU(制御部)
61 副燃焼室
63 主燃焼室
70 グロープラグ
71 ヒートコイルパイプ(着火手段)
71,71a,71b,71c,71d ヒートコイルパイプ
72a,72c,72e,72h 第1ヒータ部(着火部)
72b,72d,72f,72i 第2ヒータ部(着火部)
72g 第3ヒータ部(着火部)
73a〜73g コイルヒータ
74a 第1触媒
74b 第2触媒
81,82 可変バルブタイミング機構
90 過給機
97 バイパス通路(残留ガス排出通路)
98 バイパスバルブ(制御弁)
1 Sub-chamber
61
71, 71a, 71b, 71c, 71d
72b, 72d, 72f, 72i Second heater part (ignition part)
72g 3rd heater part (ignition part)
73a to
98 Bypass valve (control valve)
Claims (17)
前記主燃焼室に隣接する副燃焼室と、
前記副燃焼室の内部に設けられ、前記主燃焼室から前記副燃焼室に導入された新気混合気を熱面着火させる着火手段と、
を備え、
低負荷運転時には、前記高負荷運転時に比べて、上死点付近における前記副燃焼室の内部の残留ガス割合を小さくすることで、前記新気混合気が前記副燃焼室に導入されてから前記新気混合気が着火するまでの時間である副室着火時間を、高負荷運転時よりも低負荷運転時のほうが短くなるようにした、副室式内燃機関。 A main combustion chamber;
A secondary combustion chamber adjacent to the main combustion chamber;
Ignition means provided inside the auxiliary combustion chamber, for igniting hot air of a fresh air mixture introduced from the main combustion chamber to the auxiliary combustion chamber;
With
When the low-load operation is performed, the residual gas ratio in the sub-combustion chamber in the vicinity of the top dead center is reduced compared with that during the high-load operation, so that the fresh air-fuel mixture is introduced into the sub-combustion chamber and A sub-chamber internal combustion engine in which the sub-chamber ignition time, which is the time until the new air-fuel mixture is ignited, is shorter during low-load operation than during high-load operation .
請求項1に記載の副室式内燃機関。 The ignition means has a plurality of ignition parts having different ignitability, and an ignition part having high ignitability is disposed at a position away from the main combustion chamber as compared with an ignition part having low ignitability.
The sub-chamber internal combustion engine according to claim 1 .
前記可変圧縮比機構を制御し、前記低負荷運転時には、前記高負荷運転時に比べて、前記機関圧縮比を高く設定する制御部と、
をさらに備える、請求項1に記載の副室式内燃機関。 A variable compression ratio mechanism that changes the engine compression ratio;
A control unit that controls the variable compression ratio mechanism and sets the engine compression ratio higher during the low load operation than during the high load operation;
Further comprising, pre-combustion chamber internal combustion engine according to claim 1.
前記可変バルブタイミング機構を制御し、前記低負荷運転時には、前記高負荷運転時に比べて、前記吸気バルブが閉まるタイミングを下死点近くに設定する制御部と、
をさらに備える、請求項1に記載の副室式内燃機関。 A variable valve timing mechanism for changing the opening and closing timing of the intake valve of the main combustion chamber;
A control unit that controls the variable valve timing mechanism, and sets the timing at which the intake valve closes near the bottom dead center at the time of the low load operation compared to the time of the high load operation;
Further comprising, pre-combustion chamber internal combustion engine according to claim 1.
前記残留ガス排出通路に設けられる制御弁と、
をさらに備える、請求項1に記載の副室式内燃機関。 A residual gas discharge passage for discharging residual gas from the auxiliary combustion chamber without passing through the main combustion chamber;
A control valve provided in the residual gas discharge passage;
Further comprising, pre-combustion chamber internal combustion engine according to claim 1.
請求項2に記載の副室式内燃機関。 The plurality of ignition parts differ in ignitability due to differences in surface temperature.
The sub-chamber internal combustion engine according to claim 2 .
請求項6に記載の副室式内燃機関。 The ignition means has a plurality of heater parts having different surface temperatures as the plurality of ignition parts.
The sub-chamber internal combustion engine according to claim 6 .
請求項6に記載の副室式内燃機関。 The ignition means has a heater part having a temperature gradient on the surface as the plurality of ignition parts.
The sub-chamber internal combustion engine according to claim 6 .
請求項6から8のいずれか1項に記載の副室式内燃機関。 Each of the plurality of ignition parts has a coil heater, and the surface temperature differs due to a difference in applied voltage to the coil heater.
The sub-chamber internal combustion engine according to any one of claims 6 to 8 .
請求項6から8のいずれか1項に記載の副室式内燃機関。 Each of the plurality of ignition parts has a coil heater, and the surface temperature varies depending on the number of turns of the coil heater.
The sub-chamber internal combustion engine according to any one of claims 6 to 8 .
請求項2に記載の副室式内燃機関。 The plurality of ignition parts have different ignitability depending on the catalyst to be coated.
The sub-chamber internal combustion engine according to claim 2 .
請求項11に記載の副室式内燃機関。 The ignition means has a plurality of heater portions with different catalysts to be coated as the plurality of ignition portions,
The sub-chamber internal combustion engine according to claim 11 .
請求項11に記載の副室式内燃機関。 The ignition means has a heater portion coated with a plurality of catalysts having different ignitability as the plurality of ignition portions.
The sub-chamber internal combustion engine according to claim 11 .
請求項11から13のいずれか1項に記載の副室式内燃機関。 The plurality of ignition parts have different ignitability due to differences in catalyst components of the catalyst to be coated,
The sub-chamber internal combustion engine according to any one of claims 11 to 13 .
請求項11から13のいずれか1項に記載の副室式内燃機関。 The plurality of ignition parts differ in ignitability depending on the difference in the amount of catalyst to be coated,
The sub-chamber internal combustion engine according to any one of claims 11 to 13 .
請求項11から13のいずれか1項に記載の副室式内燃機関。 The plurality of ignition parts differ in ignitability depending on the difference in the coating area of the catalyst to be coated,
The sub-chamber internal combustion engine according to any one of claims 11 to 13 .
前記制御部は、前記高負荷運転時には、前記低負荷運転時に比べて、前記吸気バルブが閉まるタイミングを下死点から離れるように設定するとともに、前記過給機を制御して前記主燃焼室に供給する新気の圧力を高める、
請求項4に記載の副室式内燃機関。 Further comprising a supercharger for increasing the pressure of the gas supplied to the main combustion chamber;
The control unit sets the timing at which the intake valve closes away from the bottom dead center at the time of the high load operation compared to the low load operation, and controls the supercharger to enter the main combustion chamber. Increase the pressure of fresh air to supply,
The sub-chamber internal combustion engine according to claim 4 .
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