JP5206274B2 - 火花点火式内燃機関の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式内燃機関の設計方法に関するものである。

火花点火式内燃機関、特に自動車用の火花点火式内燃機関にあっては、燃費向上が強く求められている。燃費向上の手法として、燃焼速度を速めて機関効率を向上させることが考えられる。燃焼速度を早めるためには、気筒のボア径を小さくしたり（火炎伝播距離の短縮化）、気筒内での吸気のスワールを強くすることが考えられる。スワールの強さを示す指数としては、スワール比があり、このスワール比は、４サイクルエンジンを前提としたとき、吸気上死点から圧縮上死点までのクランク軸１回転あたりの筒内での吸気の横方向回転数で示される。例えば、スワール比が４ということは、クランク軸が吸気上死点から圧縮上死点まで１回転する間に、吸気が筒内で４回転することを示すことになる。

特許文献１には、幾何学的圧縮比が１４以上の高圧縮比内燃機関において、１つの気筒に設けられた２つの吸気ポートのうちの一方に制御弁（スワール弁）を設けて、この制御弁の開度を小さくすることによって、実質的に１つの吸気ポートからのみ吸気を供給することにより、強いスワールを生成することが開示されている。
特開２００６−２８３５７１号公報

ところで、火花点火式内燃機関にあっては、燃費向上に加えて、それなりの出力を確保することも要求されることになる。出力向上の観点からは、ボア径をむやみに小さくすることは、所望の単室容積を確保しようとすればストロークが極めて大きくなってしまって、機械抵抗増大となってしまう。また、スワールをむやみに強くすることは、吸気ポートをシリンダ軸線に対して大きく傾斜させた状態にすることが要求されて、吸気抵抗の増大となってしまうことになる。

また、最近では、内燃機関の開発期間の短縮化や開発コスト低減等の要請から、互いに異なる単室容積を有する複数種の内燃機関を、極力同一の設計思想でもって設計、製造することが行われるようになっている。つまり、ある単室容積を有する内燃機関の設計手法を、異なる単室容積を有する別の内燃機関の設計に活かせるようにすることが望まれている。特に、所望の単室容積とすることを前提として、ピストンストロークとの兼ね合いからボア径を決定することや、スワールの強さを考慮した吸気通路構造の決定が重要となり、またボア径およびスワールの強さは燃費や出力といった内燃機関の性能に大きな影響を及ぼすことになる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、所望範囲の機関効率と比出力を有する複数種の内燃機関を容易に設計、製造できるようにした火花点火式内燃機関の設計方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の設計方法にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
単室容積が３００ｃｃ以上７００ｃｃ未満でかつ互いに異なる単室容積を有する複数種の火花点火式内燃機関を設計する方法であって、
前記複数種の内燃機関のそれぞれの気筒のボア径をｍｍで表したとき、ボア径をスワール比で除した値が所定範囲内となるように、該複数種の内燃機関のボア径と吸気通路とを設計する工程を有している、
ようにしてある。

上記解決手法によれば、「ボア径／スワール比」は、燃焼期間に大きな影響を与えて、「ボア径／スワール比」が小さくなるほど燃焼期間が小さくなって燃費向上の上で好ましいものとなる。この「ボア径／スワール比」を小さくするには、ボア径を小さくすること、あるいはスワール比を大きくすればよいが、ボア径を小さくすることに伴って機械抵抗増大となり、またスワール比を大きくすることに伴って吸気抵抗増大となって、それぞれ出力確保の観点からは不利となる。したがって、「ボア径／スワール比」を複数種の火花点火式内燃機関の間で所定範囲内となるように設計することによって、所望の機関効率を有しかつ単室容積の相違に応じた所望の比出力を有して、燃費と出力のバランスのとれた複数種の火花点火式内燃機関を設計することが可能になる。

上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２〜請求項５に記載のとおりである。すなわち、
前記所定範囲が±３％の範囲とされている、ようにしてある（請求項２対応）。この場合、±３％の許容範囲の設定によって、複数種の花点火式内燃機関をより容易に設計できるようにしつつ、複数種の火花点火式内燃機関の間での機関効率および比出力をほぼ同一とすることができる。

前記複数種の内燃機関の燃料噴射弁がそれぞれ気筒内に燃料を直接噴射する直噴式となるように設計する工程を有している、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、燃料噴射タイミングの選択の自由度が高まって、機関効率や出力確保のためにより適切な時期に燃料噴射を行うようにする等の上で好ましいものとなる。

前記複数種の内燃機関の点火プラグがそれぞれ気筒中央付近に位置するように設計する工程を有している、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、点火プラグで着火された火炎が燃焼室周縁部に到達するまでの距離を均一化して、全体として燃焼速度を早める上で好ましいものとなる。

前記所定範囲が、１９±３％の範囲とされている、ようにしてある（請求項５対応）。この場合、「ボア径／スワール比」が１９付近では、燃焼期間が十分に短くなって燃費向上の上で好ましいものとなると共に、１９付近での「ボア径／スワール比」の変化に対する燃焼期間の変動が小さいため、複数種の火花点火式内燃機関の間での機関効率と比出力とを所望範囲に収まる上で極めて好ましいものとなる。

本発明によれば、所望範囲の機関効率と比出力を有する複数種の内燃機関を容易に設計できる。

図１において、エンジンＥは、ガソリンを燃料とする４気筒の火花点火式の４サイクル機関とされている。エンジンＥは、シリンダブロック１と、シリンダブロック１上に組み付けられたシリンダヘッド２とを有し、その内部に形成されるシリンダＣ内に、ピストン３が上下方向に摺動自在に嵌合されている。ピストン３は、コネクティングロッドを介してクランク軸４と連結されている。

ピストン３の上方空間が燃焼室５とされて、この燃焼室５に対して、吸気ポート６および排気ポート７が開口されている。吸気ポート６および排気ポート７は、１つのシリンダ（気筒）Ｃに対してそれぞれ２個設けられている（図２，図４、図５を参照）。２つの吸気ポートを区別するときは、６ａ、６ｂの符合でもって示される。吸気ポート６は吸気弁８によって開閉され、排気ポート７は排気弁９によって開閉される。吸気弁８は、クランク軸４と連動された吸気弁用カムシャフト２１によって、例えば吸気上死点の若干前に開弁されて、吸気下死点の若干後に閉弁される。また、排気弁９は、クランク軸４と連動された排気弁用カムシャフト２２によって、膨張下死点の若干前に開弁された後、吸気上死点の若干後に閉弁される。そして、吸気上死点付近では、吸気弁８と排気弁９とがそれぞれ開弁されたオーバラップ期間が設定される。

燃焼室５はペントルーフ型とされて（図４，図５を参照）、これに対応して、ピストン３の上面には、気筒配列方向に伸びる頂面部を境にして、２つの傾斜面を有するように設定されている。そして、図２に示すように、２つの吸気ポート６ａ、６ｂは、ピストン３上面の一方側の傾斜面に沿うように、気筒配列方向に間隔をあけて位置されている。同様に、２つの排気ポート７も、ピストン３上面の他方側の傾斜面に沿うように、気筒配列方向に間隔をあけて位置されている。そして、エンジンＥは、その幾何学的圧縮比が１３以上の高圧縮比エンジンとされており、実施形態では幾何学的圧縮比が１４とされている。

燃焼室５に吸気を供給するための吸気通路１０は、サージタンク１１と、サージタンク１１と吸気ポート６とを接続する分岐吸気通路１０を有する。分岐吸気通路１０は、２つの吸気ポート６ａ、６ｂに対応して設けられて、２つの分岐吸気通路を区別するときは、１０ａ、１０ｂの符合でもって示される。サージタンク１１には、図示を略す共通吸気通路が接続され、この共通吸気通路には、エアクリーナおよびスロットル弁が配設されている。吸気は、共通吸気通路から、サージタンク１１、分岐吸気通路１０，吸気ポート６を経て、燃焼室５に供給される。また、燃焼室５での燃焼ガスは、排気ガスとして、排気ポート７から排気通路１３を経て外部に排出されるが、排気通路１３には、図示を略すが排気ガス浄化触媒としての例えば三元触媒が接続されている。

燃焼室５の中央（中央付近）には、点火プラグ１６が配設されている（図２参照）。この点火プラグ１６の上端部には、点火コイルユニット１７が取付けられている。図２において、１番気筒が＃１で示され、２番気筒が＃２で示され、３番気筒が＃３で示され、４番気筒が＃４で示される。そして、各気筒の点火順序は、例えば１番気筒＃１，３番気筒＃３，４番気筒＃４，２番気筒＃２とされている。

各気筒毎に、燃料噴射弁１４が、燃焼室５に直接燃料噴射するように配設されている。すなわち、燃料噴射弁１４は、シリンダヘッド２のうち吸気ポート６側の側面からシリンダヘッド２に取付けられて、２つの吸気ポート６ａと６ｂとの間でその下方に位置されている。

図１、図２，図４，図５に示すように、各気筒について、２つの吸気ポート６ａ、６ｂのうち、一方の吸気ポートに、制御弁（スワール弁で、実施形態ではバタフライ弁によって構成されているが、これに限定されるものでなく、例えば、一端が軸支された舌状体が開放時に吸気ポートに格納されるものであってもよい）１２が配設されている。各気筒毎に設けられた各制御弁１２は、図示を略す連結ロッドによって連結されて、この連結ロッドを図示を略すをアクチュエータによって駆動することにより、各制御弁１２は互いに同一開度とされつつその開度が変更される。制御弁１２が全開のときは、各吸気ポート６ａ、６ｂから燃焼室５へ吸気が供給される。制御弁１２の開度を小さくするのに伴って、制御弁１２が配設された一方の吸気ポートからの吸気量が他方の吸気ポートからの吸気量に比して少なくなり、制御弁１２が全閉とされると、制御弁１２が存在しない吸気ポートからのみ吸気が供給されることになる。そして、制御弁１２が全閉のときに、一方の吸気ポートから燃焼室５へ供給された吸気が、筒内で横方向の回転速度線分を含むスワールを生成することになる。つまり、制御弁１２の開度が小さくなるにつれて、燃焼室５の接線方向からの吸気の供給量が増大されて、強いスワールが生成されることになる。図５には、シリンダＣ内に生成されるスワール流が示されるが、スワール流は、横方向の速度成分のみならず、縦方向の速度成分を有するものである（タンブル成分）。

制御弁１２は、例えば図３に示す制御マップにしたがって、開閉制御される。すなわち、エンジン回転数とエンジン負荷をとパラメータとして、制御弁１２の開閉領域が設定されて、図３中、符合Ｓで示す低回転領域において閉弁され、領域Ｓ以外では開弁される。なお、制御弁１２が閉弁されるのは、域低・中負荷時には、一定回転数以下のときとされ、高負荷時には、負荷の増大に伴って制御弁１２が閉弁される領域が低回転側へと変更される（高負荷時の出力確保）。なお、このような制御弁１２の開閉制御は、図３に示す制御マップを記憶したコントローラ３０（ＥＣＵ）によって行われる。なお、コントローラ３０は、燃料噴射量制御や点火時期制御等をも行うものである。

次に、以上のようなエンジンＥの設計手法について図６，図７を参照しつつ説明するが、エンジンＥにおける各気筒の単室容積は、３００ｃｃ以上に設定されていて、単室容積を変更することによって、排気量の異なる複数種のエンジンについて共通の設計思想でもって設計されている。より具体的には、４気筒エンジンの場合に、単室容積が３００ｃｃの場合は総排気量が１２００ｃｃとなり、単室容積が４００ｃｃの場合は総排気量が１６００ｃｃとなり、単室容積が５００ｃｃの場合は総排気量が２０００ｃｃとなり、単室容積が６００ｃｃの場合は総排気量が２４００ｃｃとなり、単室容積が７００ｃｃの場合は総排気量が２８００ｃｃとなる。本実施形態では、単室容積が３００ｃｃ以上の場合を前提としているが、単室容積の最大値としては、７００ｃｃ程度を想定したものとなっている。

まず、図６は、燃費率（ｇ／ｋｗ・ｈ）と燃焼期間（クランク角）との関係を示すものである。火花点火式内燃機関にあっては、機関効率向上のためには、等容燃焼を行うことが理想的であり、このため、着火から燃焼完了までの燃焼期間は短いほど好ましいものとなる（燃焼期間となるクランク角が小さいほど好ましい）。図６に示すように、燃焼期間がクランク角で５５度を超えてそれよりも大きくなると、燃焼期間の増大に伴って燃費率が大きく悪化する。この一方、燃焼期間が５５度よりも小さくなると、燃費率がかなりよくなり、燃焼期間が５０度よりも小さくなると、燃焼期間短縮度合に比して、燃費率の向上度合が小さくなる。燃焼期間を小さくするにも限界があることから、燃費率向上を十分に達成することができ、しかも多少の燃焼期間の誤差があっても燃費率がさほど大きく変化しないように、燃焼期間を例えば５２．５度とし、その前後の許容誤差を±１％程度（燃焼期間がクランク角で５０度〜５５度）にすると、単室容積の異なる複数種のエンジンＥの間で、燃費率を殆ど同一にすることが可能となる。

図７は、燃焼期間と「ボア径／スワール比」との関係を示すものである。ボア径は、シリンダＣの直径をｍｍの単位で示した大きさであり、スワール比は、吸気上死点から圧縮上死点までのクランク軸１回転あたりのシリンダＣ内での吸気の横方向回転数である。例えば、ボア径が８０ｍｍでスワール比（最大スワール比）が４の場合は、「ボア径／スワール比」は、「８０／４」の「２０」ということになる。

前述のように、燃費率向上のために燃焼期間を５２．５度に設定した場合、この燃焼期間５２．５度を得るのに必要な「ボア径／スワール比」は、１９となる。換言すれば、互いに単室容積の異なる複数種のエンジンＥの間で、燃費率つまり機関効率を同一とし、かつ比出力を同一とするには、「ボア径／スワール比」が１９となるように設定すればよい。そして、前述のように、燃焼期間を５２．５度に対して±１％の許容範囲を設定（５０度〜５５度の範囲に設定）した場合には、「ボア径／スワール比」を、１９に対して±３％の範囲でもって設定すればよいことになる。

このように、単室容積記異なる複数種のエンジンＥの間において、機関効率および比出力が同一となるように設計するには、「ボア径／スワール比」が所定範囲（例えば１９±３％）となるように、単室容積の相違する各エンジンＥの吸気通路構造（スワール生成構造）、およびボア径を設定すればよいことになる。設計に際しては、第１考慮点として、極端にロングストローク型になることは機械損失が増大することを考慮して、所望の単室容積から、「ストローク／ボア径」が例えば１．３以下の範囲となるようにでもってボア径を選択すればよい。設計に際しての第２考慮点として、スワール比を極端に大きくすることは、吸気抵抗増大となることや、例えばスワール比が６を超えるように設定することは実現性が薄いことから、最大とり得るスワール比を実用上のほぼ上限となる５（５程度）に設定すればよい。そして、上記第１考慮点および第２考慮点を勘案しつつ、「ボア径／スワール比」が１９（１９±３％）となるように、ボア径の選択とスワール比の選択（スワール比が得られるような吸気通路構造の設計）をすればよいことになる。なお、「ボア径／スワール比」の所定範囲の中心値を１９として説明したが、要求する機関効率、比出力との関係から、この中心値を、燃費率がより向上する例えば１８．５に設定したり、あるいは比出力を向上させるために例えば１９．２に設定する等、その中心値の値の設定そのものは適宜変更できるものである。

図８は、単室容積とボア径と「ボア径／スワール比」とを変更したときに、燃費率がどのように変化するかを示す具体的な実験例を示すものである。図８のデータを得るための運転条件は、１５００ｒｐｍ、ＢＭＥＰ（正味平均有効圧力）２６２ｋＰａ、ＥＧＲ（排気ガス還流）なし、点火時期はＭＢＴ（ベストトルクが得られる点火時期）とした。図８からも容易に理解されるように、「ボア径／スワール比」が１９よりもかなり大きくなると、燃費率が大きく悪化してしまうことになる。この一方、「ボア径／スワール比」が１９以下であると、燃費率が相当によくなるということも容易に理解される。そして、図１〜図５に示すエンジンＥは、前述した設計思想に基づいて製造されるエンジンであって、「ボア径／スワール比」が１９以下（具体的には１８．８）となるように設定してある（スワール比は最大スワール比）。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。１つの気筒に設ける吸気ポートの数は、は、１つあるいは３であってもよい。吸気ポートが１つの場合は、吸気ポートを燃焼室５の接線方向に指向するように設定する好ましく、必要に応じて制御弁（スワール弁）を設けて、制御弁の開度を小さくすることによって吸気ポートからの吸気が燃焼室５のより接線方向に指向されるようにしてもよい。自動車用エンジンに限らず、各種産業用エンジンについても同様に適用し得る。燃料噴射弁は、吸気ポートに燃料噴射を行うものであってもよく、あるいは燃料噴射弁が燃焼室へ直接燃料噴射を行う直噴用と、吸気ポートへ燃料噴射を行うポート噴射用とで別個に設けられて、運転状態に応じて燃料噴射を実行する燃料噴射弁を切換えるようにしたものであってもよい。点火プラグ１６は、例えば燃焼室周縁部にさらに補助点火プラグを設けるようにしてもよく、あるいは燃焼室周縁部に周方向に間隔をあけて複数設けるものであってもよい。燃料としては、ガソリンに限らず、例えばエタノール含有ガソリンや、エタノール１００％燃料等、特に燃料の種類は問わないものである勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明が適用されたエンジンの一例を示す簡略側面断面図。 図１に示すエンジンの簡略平面図。 制御弁の開閉領域の設定例を示す図。 吸気弁が閉弁されているときの燃焼室上部付近の構造を示す簡略斜視図。 吸気弁が閉弁されて吸気のスワールが生成される状態を示すもので、図４に対応した図。 燃焼期間と燃費率との関係を示す図。 燃焼期間と「ボア径／スワール比」との関係を示す図。 単室容積とボア径とスワール比とを変更したときの燃費率の変化の様子を示す図。

Ｅ：エンジン
Ｕ：コントローラ
Ｃ：シリンダ（気筒）
１：シリンダブロック
２：シリンダヘッド
３：ピストン
５：燃焼室
６（６ａ、６ｂ）：吸気ポート
７：排気ポート
８：吸気弁
９：排気弁
１０；吸気通路
１１：サージタンク
１０ａ、１０ｂ：分岐吸気通路
１２：制御弁（スワール生成用）
１４：燃料噴射弁
１６：点火プラグ

Claims (5)

1. 単室容積が３００ｃｃ以上７００ｃｃ未満でかつ互いに異なる単室容積を有する複数種の火花点火式内燃機関を設計する方法であって、
   前記複数種の内燃機関のそれぞれの気筒のボア径をｍｍで表したとき、ボア径をスワール比で除した値が所定範囲内となるように、該複数種の内燃機関のボア径と吸気通路とを設計する工程を有している、
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関の設計方法。
2. 請求項１において、
   前記所定範囲が±３％の範囲とされている、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の設計方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記複数種の内燃機関の燃料噴射弁がそれぞれ気筒内に燃料を直接噴射する直噴式となるように設計する工程を有している、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の設計方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
   前記複数種の内燃機関の点火プラグがそれぞれ気筒中央付近に位置するように設計する工程を有している、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の設計方法。
5. 請求項２において、
   前記所定範囲が、１９±３％の範囲とされている、ことを特徴とする火花点火式内燃機関の設計方法。

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