JP5136793B2

JP5136793B2 - エンジンの燃焼制御装置

Info

Publication number: JP5136793B2
Application number: JP2008318994A
Authority: JP
Inventors: 勝彦宮本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2028-12-15
Also published as: JP2010138888A

Description

本発明は、燃焼室内の混合気の燃焼を制御するエンジンの燃焼制御装置に関する。

エンジンを構成するピストンは、シリンダ内を高速で往復運動する。このため、一般的に、ピストンの外径はシリンダの内径よりも小さく、ピストンの外周には複数のピストンリングが装着されている。そしてピストンがシリンダ内を往復運動すると、これらのピストンリングがシリンダの内周面を摺接するようになっている。

このため、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間には、これらピストン及びシリンダと、ピストンの装着されたピストンリング（トップリング）とで形成されて燃焼室に連通する隙間（クレビス部）が存在する。

このクレビス部には、燃焼室内に供給された燃料が入り込んでしまうことがある。このクレビス部内には、燃焼室内の混合気を点火燃焼させる際に火炎が到達しないため、クレビス部内の燃料が燃焼されず未燃ガス（未燃ＨＣ）として流れ出してしまう。そして、このように未燃ＨＣが燃焼室内に流れ出すと、例えば、燃焼ガスと共に未燃ＨＣが排出されてしまい、排ガス中の有害物質の量が増加するといった問題が生じる虞がある。

このような問題を解決するために、ピストンリングの位置を変更する等によってクレビス部の容積を縮小し、燃焼室内への未燃ガスの流れ出しを抑制したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−８８１０４号公報

しかしながら、クレビス部の容積の縮小には限界がある。つまりピストン形状の変更には限界があり、クレビス部の容積を縮小することで流れ出す未燃ガスを十分に抑制するのは難しい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ピストン形状を変更することなくクレビス部から燃焼室内への未燃ガスの流れ出しを十分に抑制することができるエンジンの燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、外周にピストンリングが装着されシリンダ内を往復運動するピストンを具備するエンジンの燃焼制御装置であって、前記シリンダ内に形成される燃焼室の所定方向にレーザ光を照射可能なレーザ照射装置を具備すると共に、前記シリンダの内面、前記ピストンの外周面及び前記ピストンリングで画成されるクレビス部近傍に所定のタイミングで前記レーザ照射装置からレーザ光を照射させるレーザ照射制御手段を具備し、前記レーザ照射制御手段が、前記エンジンの排気行程中に、排気弁側のクレビス部近傍にレーザ光を照射させることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置にある。

かかる第１の態様では、クレビス部から燃焼室に流れ出す未燃ガス（燃料）が、レーザ光によって点火燃焼される。したがって、ピストンの形状に拘わらず、未燃ガスの排気管への排出量を抑制することができる。特に、排気行程中に未燃ガスを点火燃焼させることで、排気管への未燃ガスの排出をより確実に抑制することができる。また排気弁側のクレビス部近傍にレーザ光を照射させることで、排気弁を開いた時に排気管に排出される未燃ガスの量をさらに抑えることができる。

本発明の第２の態様は、前記レーザ照射制御手段が、前記エンジンの排気行程中期に前記クレビス部近傍にレーザ光を照射させることを特徴とする第１の態様のエンジンの燃焼制御装置にある。

かかる第２の態様では、排気行程中期に未燃ガスを点火燃焼させることで、排気管への未燃ガスの排出をさらに確実に抑制することができる。

本発明の第３の態様は、前記エンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに具備し、該空燃比制御手段は、前記レーザ照射制御手段が前記クレビス部近傍にレーザ光を照射する際に、前記燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることを特徴とする第１又は２の態様のエンジンの燃焼制御装置にある。

かかる第３の態様では、未燃ガスを点火燃焼させる際に、燃焼室内に十分な空気が存在する。したがって、未燃ガスをより良好に燃焼させることができる。

本発明の第４の態様は、前記レーザ照射装置が、前記燃焼室内の混合気を点火燃焼させるためのレーザ点火装置を兼ねていることを特徴とする第１〜３の何れか一つの態様のエンジンの燃焼制御装置にある。

かかる第４の態様では、エンジンの構造を複雑化することなく、低コストで未燃ガスを点火燃焼させることができる。

本発明の第５の態様は、前記レーザ照射装置は、前記ピストンの周方向に所定間隔で複数本のレーザ光を発振可能に構成されていることを特徴とする第１〜４の何れか一つの態様のエンジンの燃焼制御装置にある。

かかる第５の態様では、未燃ガスが複数箇所で点火燃焼されるため、未燃ガスをさらに良好に燃焼させることができる。

本発明の第６の態様は、前記レーザ照射装置は、前記ピストンの周方向でレーザ光の照射方向を変更可能に構成されていることを特徴とする第１〜５の何れか一つの態様のエンジンの燃焼制御装置にある。

かかる第６の態様では、未燃ガスを広い範囲で点火燃焼させることができ、未燃ガスをさらに良好に燃焼させることができる。

かかる本発明では、クレビス部内に入り込んだ燃料をレーザ光によって点火燃焼させているため、クレビス部からの未燃ＨＣの排出量を大幅に抑制することができる。これにより、排ガスに含まれる有害物質の量を低減することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃焼制御装置を含むエンジンシステムの概略構成を示す図であり、図２は、エンジンの燃焼室部分を示す拡大図である。

まずは、本発明に係るエンジン１１の構成について説明する。

本発明に係るエンジン１１は、可能な筒内噴射型のガソリンエンジンである。図１に示すように、エンジン１１は、シリンダヘッド１２とシリンダブロック１３とを有し、シリンダブロック１３の各シリンダ１４内には、ピストン１５が往復移動自在に収容されている。ピストン１５とシリンダ１４とシリンダヘッド１２とで燃焼室１６が形成されている。ピストン１５は、コンロッド１７を介してクランクシャフト１８に接続されている。

ここで、ピストン１５の外周面には、図２に示すように、複数（例えば、３本）のピストンリング溝１９が形成され、このピストンリング溝１９のそれぞれにピストンリング２０が装着されている。このためシリンダ１４の内面とピストン１５の外周面との間には、これらシリンダ１４の内面及びピストン１５の外周面及び最上部のピストンリング（トップリング）２０とでクレビス部２１が形成されている。このクレビス部２１は燃焼室１６に連通しているため、燃焼室１６内に供給された燃料が入り込んでしまう。しかしながら、詳しくは後述するように、本発明ではクレビス部２１から排出される未燃ガス（未燃ＨＣ）を着火燃焼させている。つまり未燃ＨＣを燃焼させることで、クレビス部２１から燃焼室１６内への未燃ＨＣの排出を実質的に抑制している。

シリンダヘッド１２には吸気ポート２２が形成されている。吸気ポート２２には吸気マニホールド２３が接続されている。吸気ポート２２には吸気弁２４が設けられており、吸気弁２４によって燃焼室１６と吸気ポート２２とが連通・遮断されるようになっている。シリンダヘッド１２には、さらに排気ポート２５が形成されている。排気ポート２５には排気マニホールド２６の一端が接続され、排気マニホールド２６の他端には排気管２７が接続されている。なお排気ポート２５には排気弁２８が設けられており、吸気ポート２２における吸気弁２４と同様、燃焼室１６と排気ポート２５とはこの排気弁２８によって連通・遮断されるようになっている。

またシリンダヘッド１２には、例えば、電磁式の燃料噴射弁２９が燃焼室内に燃料を噴射可能に設けられている。燃料噴射弁２９には、図示しないが、燃料パイプ及び燃料ポンプを介して燃料タンクを擁した燃料供給装置が接続されている。

さらにシリンダヘッド１２には、各気筒毎にレーザ照射装置３０が取り付けられている。このレーザ照射装置３０は、図示しないが、例えば、レーザ発振器と、複数のレンズで構成されるレンズ群とを具備し、レーザ光の集光位置やビーム径を調整可能に構成されている。レーザ照射装置３０から発振されたレーザ光は、レンズ群を通過して燃焼室１６内の所定方向に照射される。そして詳しくは後述するが、このレーザ光によってクレビス部２１から排出される未燃ガス（未燃ＨＣ）を点火燃焼させている。このレーザ照射装置３０は、本実施形態では、燃焼室１６内の混合気を点火燃焼させるためのレーザ点火装置を兼ねている。勿論、レーザ照射装置３０とは別に、例えば、点火プラグ等の他の点火装置が設けられていてもよい。

吸気マニホールド２３の上流側にはサージタンク３１が設けられている。サージタンク３１の上流側には吸気量を調整するスロットルバルブ３２が設けられており、併せてスロットルバルブ３２の開度を検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）３３が設けられている。なおスロットルバルブ３２は、図示しないがアクセルペダルの操作に連動して開度が調整される。またスロットルバルブ３２の上流には、吸気量を計測するエアフローセンサ３４が介装されている。

排気マニホールド２６に接続された排気管２７には、排ガス浄化用触媒である三元触媒３５が介装されている。三元触媒３５の下流側には、触媒通過後の排ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ３６が設けられており、三元触媒３５の上流側には、触媒通過前の排ガスの空燃比（排気空燃比）を検出するリニア空燃比センサ（ＬＡＦＳ）３７が設けられている。なお、このＬＡＦＳ３７の替わりにＯ_２センサを用いることもできる。

ＥＣＵ（電子コントロールユニット）３８は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えている。そしてこのＥＣＵ３８により、エンジン１１の総合的な制御が行われる。ＥＣＵ３８の入力側には、上述したＴＰＳ３３、エアフローセンサ３４、ＮＯｘセンサ３６、リニア空燃比センサ（ＬＡＦＳ）３７の他、エンジン１１のクランク角を検出するクランク角センサ３９等の各種センサ類が接続されており、これら各種センサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ３８の出力側には、上述の燃料噴射弁２９、レーザ照射装置３０、スロットルバルブ３２等の各種出力デバイスが接続されており、これらの各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵ３８で演算された情報が出力される。すなわち、各種センサ類からの検出情報に基づき適正な目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、実際の空燃比がこの目標Ａ／Ｆとなるように、適正量の燃料が適正なタイミングで燃料噴射弁２９から噴射される。またスロットルバルブ３２が適正な開度に調整され、レーザ照射装置３０等により適正なタイミングでレーザ点火が実施されるようになっている。

本発明のエンジンの燃焼制御装置１０は、上述したレーザ照射装置３０を具備すると共に、レーザ照射制御手段５１と空燃比制御手段５２とをＥＣＵ３８に備える。

レーザ照射制御手段５１は、レーザ発振器とレンズ群とで構成されるレーザ照射装置３０を制御して圧縮行程後期に燃焼室１６内の混合気を点火燃焼させ、これによりピストン１５を往復運動させている。またレーザ照射制御手段５１は、レーザ照射装置３０を制御してレーザ光の照射方向を変更し、所定のタイミング、例えば、排気行程中期にクレビス部２１近傍に向かってレーザ光を照射する。つまり、未燃ガス（未燃ＨＣ）が多く存在する部分に向かってレーザ光を照射して、レーザ光により未燃ガスを点火燃焼させる。

例えば、排気行程中にクレビス部２１近傍へのレーザ光の照射を行わない場合、図３（ａ）に示すようにクレビス部２１から未燃ガス（未燃ＨＣ）１００が押し出されて燃焼室１６内に流れ出し、図３（ｂ）に示すように排気弁２８が開かれると、燃焼室１６内の燃焼ガスと共に多くの未燃ガス１００が排気管２７に排出されてしまう。

これに対し本実施形態では、図４（ａ）に示すように、排気行程中期にレーザ照射制御手段５１がレーザ照射装置３０を制御してレーザ光の照射方向を変更し、クレビス部２１近傍に向かってレーザ光１１０を照射することで未燃ガスを点火燃焼させている。

なおレーザ光の照射方向を変更する方法は、特に限定されず、例えば、レンズ群の向きを変えることによって変更することができる。また例えば、光ファイバ等の手段を用いてレーザ光の照射方向を変更するようにしてもよいし、勿論、レーザ照射装置３０全体の向きを変えることでレーザ光の照射方向を変更するようにしてもよい。

このようにレーザ光により未燃ガスを点火燃焼させることにより、未燃ガスの量は大幅に減少するため、図４（ｂ）に示すように排気弁２８が開かれても、排気管２７に排出される未燃ガス１００の量は大幅に抑制される。つまりピストン１５の形状に拘わらず、未燃ガス１００の排出量を抑制することができ、排気ガス中に含まれる有害物質の量を減少させることができる。またこのように未燃ガスを点火燃焼させることで燃費を向上させる効果もある。

ここで、レーザ光１１０により未燃ガス１００を点火燃焼させる際、レーザ光１１０を照射する方向は、クレビス部２１近傍であればよいが、特に、排気弁２８側のクレビス部２１近傍であることが好ましい。つまり排気弁２８に近い部分にレーザ光１１０を照射することが好ましい。これにより、排気弁２８を開いた時に排気管２７に排出される未燃ガス１００の量をさらに抑えることができる。

また本実施形態では、１箇所にレーザ光１１０を照射しているが、複数箇所にレーザ光１１０を照射することが好ましい。つまりレーザ照射装置３０は、複数本のレーザ光を発振可能に構成されていることが好ましい。具体的には、例えば、ピストン１５の周方向に沿って所定間隔で６箇所程度にレーザ光１１０を照射するのが好ましい。これにより、未燃ガス１００をさらに良好に点火燃焼させることができ、未燃ガス１００の排気管２７への排出量をさらに抑制することができる。さらにレーザ照射装置３０は、ピストン１５の周方向でレーザ光の照射方向を変更可能に構成されていることが好ましい。このような構成では、レーザ光を照射しながらその向きを変更させることで、未燃ガスの広い範囲を良好に点火燃焼させることができる。

なおこのようにレーザ光を複数本照射したり、レーザ光の向きを可変とするレーザ照射装置３０の具体的構成は、特に限定されるものではなく、公知の技術を採用すればよい。また本実施形態では、排気行程中に未燃ガスの点火燃焼を行ったが、さらに膨張行程中に未燃ガスの点火燃焼を行ってもよい。

一方、空燃比制御手段５２は、例えば、ＬＡＦＳ３４の検出情報に基づいて目標Ａ／Ｆを設定すると共に、この目標Ａ／Ｆとなるように燃料噴射弁２９を制御する。この空燃比制御手段５２は、基本的にはエンジン１１の運転状態（回転数、負荷等）に応じて目標Ａ／Ｆを設定するが、上述のようにクレビス部２１に向かってレーザ光１１０が照射される際には、目標Ａ／Ｆが理論空燃比よりもリーンとなるように設定する。すなわち、空燃比をリーンにすることで、未燃ガスを点火燃焼させる際に、燃焼室１６内に酸素が十分に存在するようにしている。これにより、未燃ガスをさらに良好に燃焼させることができる。

このようにレーザ光により未燃ガスを点火燃焼させる際には、空燃比が理論空燃比よりもリーンになっていることが好ましいが、勿論、レーザ光によって未燃ガスを点火燃焼できる程度の空燃比であれば、必ずしもリーンである必要はない。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上述の実施形態では、筒内噴射型のガソリンエンジンを例示して本発明を説明したが、勿論、本発明は、吸気管噴射型のガソリンエンジン等、他のタイプのエンジンにも採用することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図である。本発明の一実施形態に係るエンジンの燃焼室部分を示す拡大図である。従来技術に係る未燃ガスの排出状態を模式的に示す図である。本発明に係る未燃ガスの排出状態を模式的に示す図である。

符号の説明

１０燃焼制御装置
１１エンジン
１４シリンダ
１５ピストン
１６燃焼室
１９ピストンリング溝
２０ピストンリング
２１クレビス部
２２吸気ポート
２３吸気マニホールド
２４吸気弁
２５排気ポート
２６排気マニホールド
２７排気管
２８排気弁
２９燃料噴射弁
３０レーザ照射装置
３８ＥＣＵ
５１レーザ照射制御手段
５２空燃比制御手段
１００未燃ガス
１１０レーザ光

Claims

外周にピストンリングが装着されシリンダ内を往復運動するピストンを具備するエンジンの燃焼制御装置であって、
前記シリンダ内に形成される燃焼室の所定方向にレーザ光を照射可能なレーザ照射装置を具備すると共に、
前記シリンダの内面、前記ピストンの外周面及び前記ピストンリングで画成されるクレビス部近傍に所定のタイミングで前記レーザ照射装置からレーザ光を照射させるレーザ照射制御手段を具備し、
前記レーザ照射制御手段が、前記エンジンの排気行程中に、排気弁側のクレビス部近傍にレーザ光を照射させることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
前記レーザ照射制御手段は、前記エンジンの排気行程中期に前記クレビス部近傍にレーザ光を照射させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼制御装置。
前記エンジンの空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに具備し、
該空燃比制御手段は、前記レーザ照射制御手段が前記クレビス部近傍にレーザ光を照射する際に、前記燃焼室内の空燃比を理論空燃比よりもリーンにすることを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼制御装置。
前記レーザ照射装置が、前記燃焼室内の混合気を点火燃焼させるためのレーザ点火装置を兼ねていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のエンジンの燃焼制御装置。
前記レーザ照射装置は、前記ピストンの周方向に所定間隔で複数本のレーザ光を発振可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジンの燃焼制御装置。
前記レーザ照射装置は、前記ピストンの周方向でレーザ光の照射方向を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のエンジンの燃焼制御装置。