JP5766042B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、一の燃焼室に対して複数の吸気バルブを設けた内燃機関に関するものである。

従来、筒内直噴の内燃機関すなわち直噴タイプのエンジンでは、燃料室内で燃料を均質に存在させて燃焼させる、いわゆる均質燃焼を行なうにあたり混合気の均質化を促すため、噴霧の微粒化する技術や燃焼室内の縦方向の気流であるタンブル流を工夫する技術等が種々提案されてきた。そして、気筒あたりに一対の吸気バルブ並びに排気バルブを備えた直噴タイプのエンジンにおいては、対をなすバルブのリフトタイミングを互いにずらすことによって、燃焼室内に大きな横方向の気流であるスワール流を起こすという技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記特許文献に示されているようなスワール流を強くすることそのものによっては、混合気の均質化はある程度促されるものの、当該技術がそのまま混合気の均質化に十分に寄与しているとは言えないのが現状であった。つまり、これまでの筒内直噴タイプで均質燃焼を行なうエンジンでは、混合気の均質化という点では依然として通常のポート噴射式エンジンに及んでおらず、混合気の均質化による燃焼の安定という面では、いまだ改良の余地が有るというのが現状である。

特開２０１０−１５０９３９号公報

本発明は、上述した点に着目したものであり、筒内直噴タイプで均質燃焼を行なうものにおいて、混合気の均質化を十分に促すことで燃費及び排ガスの質を有効に向上させた内燃機関を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係る内燃機関は、一対の吸気バルブを備え、当該一対の吸気バルブを異なるタイミングでリフトさせるリフト手段を備えた筒内直接噴射式のものにおいて、何れか一方の吸気バルブの開弁時から所定時間経過後に他方の吸気バルブを開弁し、当該他方の吸気バルブのリフト量がピークになるタイミング近傍で燃料を噴射する内燃機関であって、前記何れか一方の吸気バルブが開弁すると燃焼室の内壁に沿うように一方向のスワール流が起こるとともに他方の吸気バルブが開弁すると燃焼室の内壁に沿うように前記一方向とは逆方向のスワール流が起こるものであり、前記燃料の噴射が、前記一方向のスワール流及び前記逆方向のスワール流の衝突が最も激しく起こる箇所へ向けて燃料噴射を行う下方噴射口による燃料噴射と、点火プラグ近傍へ向けた燃料噴射を行う上方噴射口による燃料噴射とを併せて行うインジェクタによって行われることを特徴とする。

本発明は、互いに異なるタイミングでリフトする一対の吸気バルブを備えたものにおいて、遅れてリフトする吸気バルブのリフト量がピークになるタイミング近傍では各吸気バルブによって起こるスワール流動同士が燃焼室内で衝突することにより燃料室内の気流が最も大きく乱れることを本願発明者が初めて見出したことにより、なされたものである。

このようなものであれば、燃焼室内の気流が大きく乱れるタイミングで燃料を噴射するために、噴射された燃料は他のタイミングで噴射されるよりも速やかに燃焼室内に拡散し、空気と燃料との混合が促進される。これにより低負荷時の燃焼を安定せしめた内燃機関を実現することが可能となる。

本発明によれば、空気と燃料との混合が促進させることにより低負荷時の燃焼をより安定させた内燃機関を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る正面からの概略構成図。 同実施形態に係る模式的な平面図。 同実施形態に係る吸気バルブのリフト量をグラフとして示す図。 同実施形態に係るインジェクタの要部を示す模式的な図。 図１の要部に対応した作用説明図。 図２に対応した作用説明図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形の内燃機関たるエンジンは、自動車に搭載される筒内噴射型のガソリンエンジンであって、その一例として、排気エネルギでタービン５２を駆動するターボチャージャ５０を備えるとともに、可変バルブタイミング機構３０を備えたものを示している。

具体的には、図１に１気筒の構成を概略的に示したエンジンは、自動車用の２気筒のもので、その吸気系１には、ターボチャージャ５０を構成するコンプレッサ５１が接続され、コンプレッサ５１の下流には、アクセルペダル４の操作に対応して開閉するスロットル弁２が設けてある。そしてそのスロットル弁２の下流側にはサージタンク３が設けられる。コンプレッサ５１によりインタークーラ５を介してサージタンク３に供給された吸入空気は、吸気ポート１０及び吸気バルブ３７を介して燃焼室３８内に吸入される。燃焼室３８の天井にはインジェクタ１８及び点火プラグ１９が設けてあり、このインジェクタ１８及び点火プラグ１９を、電子制御装置６により制御するようにしている。

また、排気系２０には、燃焼室３８から排気バルブ３６を介して排出された排気ガスにより駆動される、ターボチャージャ５０を構成するタービン５２が接続される。タービン５２の上流と下流とを接続するバイパス通路５３が設けてあり、そのバイパス通路５３にはエンジンの運転状態に応じて開閉制御できる過給圧逃がし弁であるウェイストゲート弁５４が設けてある。この実施形態にあっては、ウェイストゲート弁５４はその開閉を電子制御装置６により制御できる構成であり、バイパス通路５３はターボチャージャ５０に一体に形成してある。さらに、タービン５２までの管路には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂センサ２１が取り付けられる。さらに、タービン５２の下流には、図示しないマフラに至るまでの位置に三元触媒（図示しない）が取り付けられている。

なお、この実施形態のスロットルバルブ２は、アクセルセンサ１２から出力されるアクセル開度信号ｂ及びスロットルセンサ１６から出力されるスロットル開度信号ｄに基づいて、その時の運転状態に応じてその開度を電気的に制御される型式の、いわゆる電子スロットルと呼ばれるもので、アクセルペダル４が操作されることにより、その操作に対応して必ずしも開度が変更されるものではない。

このエンジンは、吸気バルブ３７の開閉タイミングすなわちバルブタイミングを変更するための可変バルブタイミング機構３０を備えている。可変バルブタイミング機構３０は、いわゆる揺動シリンダ機構を利用したもので、吸気カムシャフト６２に固定されたロータと、ロータの外側に嵌められるハウジングと、ロータに対してハウジングを回動させるための電磁式４方向切換制御弁であるオイルコントロールバルブと、互いに噛み合うように一方をハウジングに取り付けて他方を排気カムシャフト６１に固定した一対のギアと、排気カムシャフト６１の端部に取り付けられてクランク角度信号ｍ及び気筒判別用信号を出力するクランクセンサ４１と、吸気カムシャフトの端部に取り付けられて吸気カム信号ｎを出力するタイミングセンサ４２とを備える構成である。

このような構成において、吸気バルブ３７のバルブタイミングは、電子制御装置６から出力される開閉タイミング信号により可変バルブタイミング機構３０が作動して変更されるものである。すなわち、可変バルブタイミング機構３０は、開閉タイミング信号を受けると、ハウジングに流出入する作動油の方向及び量をオイルコントロールバルブにより制御する。これにより、ロータに対するハウジングの相対角度が変化し、吸気カムシャフト６２と排気カムシャフト６１との間に所望の回転位相差を生じさせて、バルブタイミングを可変制御するものである。つまり、クランクシャフトの回転に対して、排気バルブ３６を常に一定のタイミングで開閉させつつ、吸気バルブ３７の開閉タイミングを変化させることにより、吸気バルブ３７の開閉タイミングと排気バルブ３６の開閉タイミングとの相対位相差を所定角度範囲内で自在に変化させることができる。

可変バルブタイミング機構３０は、例えば作動油により作動する機械式のもので、電子制御装置６により制御されて、排気バルブ３６と吸気バルブ３７との内の吸気バルブ３７の開閉タイミング（バルブタイミング）を制御できるものである。すなわち、電子制御装置６が出力する信号により、作動油が制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構３０は、吸気バルブ３７を全開にする作動中心を、ピストン３９が最上位置となる排気上死点に対して進角及び遅角する。可変バルブタイミング機構３０は、排気バルブ３６と吸気バルブ３７との開弁期間が重なり合うバルブオーバーラップを、吸気バルブ３７のバルブタイミングを制御することにより達成する。

本実施形態では図２にその配置を模式的に示すように、排気バルブ３６及び吸気バルブをそれぞれ一対有したものとしている。同図に示すように、排気バルブ３６は、インジェクタ１８及び点火プラグ１９が設けられた位置を境に配置された第一排気バルブ３６ａ及び第二排気バルブ３６ｂからなるものとしている。そして吸気バルブ３７についても、インジェクタ１８及び点火プラグ１９が設けられた位置を境に配置された第一吸気バルブ３７ａ及び第二吸気バルブ３７ｂからなるものとしている。そして第一排気バルブ３７ａ及び第二排気バルブ３７ｂは排気カムシャフト６１に設けられた一対のリフト手段である排気カム６３すなわち第一排気カム６３ａ及び第二排気カム６３ｂにその上部がそれぞれ摺接しており、排気カムシャフト６１の回転により第一排気カム６３ａ及び第二排気カム６３ｂの回転に応じて所定のタイミングで開閉する。また第一吸気バルブ３７ａ及び第二吸気バルブ３７ｂは吸気カムシャフト６２に設けられた一対の吸気カム６４すなわち第一吸気カム６４ａ及び第二吸気カム６４ｂにその上部がそれぞれ摺接しており、吸気カムシャフト６２の回転により第一吸気カム６４ａ及び第二吸気カム６４ｂの回転に応じて所定のタイミングで開閉する。

ここで、本実施形態では図１に示すように、吸気カムシャフト６２に取り付けた第一吸気カム６４ａ及び第二吸気カム６４ｂの角度位相を所定角度異ならせている。これにより図３に第一吸気バルブ３７ａのバルブリフト量＃１及び第二吸気バルブ３７ｂのバルブリフト量＃２が示される通り、第一吸気バルブ３７ａ及び第二吸気バルブ３７ｂの開閉タイミングが常に一定の時間間隔をもって異なるようにしている。

加えて本実施形態では図４に模式的に示すように、インジェクタ１８の燃料噴射口１８０の所定の領域に複数の開口１８１を設けた構成とすることで、点火プラグ１９近傍へ上方に向けて燃料を噴射し得る上方噴射口１８２と、下方に向けて噴射し得る下方噴射口１８３とを有する構成としている。上方噴射口１８２は、燃焼噴射口１８０における上方且つ幅方向中央の領域に設けた複数の開口１８１である。この上方噴射口１８２から噴射される燃料は当該上方噴射口１８２の向きを上向きに調整することにより、燃焼室３８の上部における平面視中央、すなわち点火プラグ１９近傍へ噴射される。下方噴射口１８３は、燃料噴射口１８０における例えば下方の領域に設けられた複数の開口１８１である。この下方噴射口１８３を構成する開口１８１の数は上方噴射口１８２のそれよりも多くなっている。そしてこの下方噴射口１８３から噴射される燃料は当該下方噴射口１８３の向きを例えば斜め下向きに調整することにより、燃焼室３８の下側における、平面視では第二排気バルブ３６ｂの下方近傍（図２）の位置に向けて噴射される。

可変バルブタイミング機構３０とともにエンジンの運転を制御する電子制御装置６は、中央演算装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１とを具備してなるコンピュータシステムを主体に構成されている。その入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力（吸気圧）を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、スロットル弁２の開度を検出するスロットルセンサ１６から出力される開度信号ｄ、アクセルペダル４の踏度つまりアクセル開度を検出するアクセルセンサ１２から出力されるアクセル開度信号ｂ、エンジン回転数ＮＥを検出するための回転数センサから出力される回転数信号、クランクセンサ４１から出力されるクランク角度信号ｍ、タイミングセンサ４２から出力される吸気カム信号ｎ、上記したＯ₂センサ２１から出力される電圧信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、インジェクタ１８に対して燃料噴射信号ｇが、ウェイストゲート弁５３に対して開閉制御信号ｆが、また火花着火の実施に際して点火プラグ１９に対して点火信号ｉが出力されるようになっている。

電子制御装置６には、第一吸気バルブ３７ａの開弁時から所定時間経過後に開弁される第二吸気バルブ３７ｂのリフト量がピークになるタイミング近傍で燃料を噴射する出力制御プログラムが格納してある。

図５及び図６は、本実施形態における燃料噴射時の燃料室３８内の挙動を模式的に示したものである。同図に示すように、第一吸気バルブ３７ａが開弁すると、燃焼室３８の内壁３８ａに沿うように図示では反時計回りの第一スワール流ＳＷ１が起こる。また第一吸気バルブ３７ａに対し燃焼室３８の平面視中央を境に配置された第二吸気バルブ３７ｂが開弁すると、同じく燃焼室３８の内壁３８ａに沿うように、図示では時計回りの第二スワール流ＳＷ２が起こる。そして同図に示すような第二吸気バルブ３７ｂのバルブリフト量が最大となるタイミングでは、燃焼室３８の内壁３８ａ近傍における若干第二吸気バルブ３７ｂよりの位置で、第一スワール流ＳＷ１と第二スワール流ＳＷ２が衝突する。この両スワール流ＳＷ１、ＳＷ２の衝突は、図５に示すように、下降途中のピストン３９の直上でもっとも激しく起こる。

そこで本実施形態では、同図に示すように、インジェクタ１８による燃料噴射を、上方噴射口１８２による点火プラグ１９近傍へ向けた燃料噴射と、下降途中のピストン３９の直上における両スワール流ＳＷ１、ＳＷ２の衝突が最も激しく起こる箇所へ向けた下方噴射口１８３による燃料噴射とを併せて行なうようにしている。これにより、点火プラグ１９へ向けて噴射された燃料が速やかに着火されると同時に、両スワール流ＳＷ１、ＳＷ２の衝突が最も激しく起こる箇所へ向けて噴射された燃料が瞬時に両スワール流ＳＷ１、ＳＷ２の衝突によって起こる気流の乱れとともに燃焼室３８内全体へ拡がる。このようにして、本実施形態では燃焼室３８内に均質に燃料が行き渡った状態で燃焼が起こることとなる。

以上のような構成とすることにより、本実施形態に係る内燃機関たるエンジンは、両スワール流ＳＷ１、ＳＷ２が衝突するタイミング、すなわち燃焼室３８内の気流が大きく乱れるタイミングで燃料を噴射するために、噴射された燃料は他のタイミングで噴射されるよりも速やかに燃焼室３８内に拡散する。これにより、燃焼室３８内での混合気のより均質なものにし得たものとなっている。その結果、低負荷時の燃焼が安定することとなり、アイドル時の振動の低減や燃費の向上、そして排気ガスの質の向上にも有効に寄与し得るものとなっている。

特に本実施形態では、インジェクタ１８の燃焼噴射口１８０の下方噴射口１８３により、それぞれの両スワール流ＳＷ１、ＳＷ２が衝突する箇所へ向けて燃料を噴射するため、噴射された燃料は両スワール流ＳＷ１、ＳＷ２の衝突から起こる気流の乱れによって燃焼室３８内に均質に拡散するようにしている。さらに本実施形態では、下方噴射口１８３から噴射された燃料は上下方向では下降途中のシリンダの直上へ向けて噴射されるので、シリンダの動きも有効に利用しながら燃焼室３８内へ均質に拡散するようになっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、本発明のリフト手段として吸気カムシャフトに対する一対の吸気カムの取付け角度を異ならせることにより一対の吸気バルブの開閉タイミングを互いに異ならせた態様を開示したが、勿論、本発明のリフト手段としては、吸気バルブ及び排気バルブを電磁アクチュエータにより開閉する態様を適用し、この電磁アクチュエータへ通電するタイミングを異ならせることにより対をなす吸気バルブの開閉タイミングを互いに異ならせるものであってもよい。また燃料噴射量の具体的な制御や排気系等の具体的な態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は一の気筒に対して複数の吸気バルブを設けたガソリンエンジンとして利用することができる。

１８…インジェクタ
３７…吸気バルブ
３７ａ…第一吸気バルブ
３７ｂ…第二吸気バルブ
６４…リフト手段（吸気カム）
６４ａ…リフト手段（第一吸気カム）
６４ｂ…リフト手段（第二吸気カム）

Claims (1)

1. 一対の吸気バルブを備え、当該一対の吸気バルブを異なるタイミングでリフトさせるリフト手段を備えた筒内直接噴射式のものにおいて、
   何れか一方の吸気バルブの開弁時から所定時間経過後に他方の吸気バルブを開弁し、
   当該他方の吸気バルブのリフト量がピークになるタイミング近傍で燃料を噴射する内燃機関であって、
   前記何れか一方の吸気バルブが開弁すると燃焼室の内壁に沿うように一方向のスワール流が起こるとともに他方の吸気バルブが開弁すると燃焼室の内壁に沿うように前記一方向とは逆方向のスワール流が起こるものであり、
   前記燃料の噴射が、前記一方向のスワール流及び前記逆方向のスワール流の衝突が最も激しく起こる箇所へ向けて燃料噴射を行う下方噴射口による燃料噴射と、点火プラグ近傍へ向けた燃料噴射を行う上方噴射口による燃料噴射とを併せて行うインジェクタによって行われることを特徴とする内燃機関。

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