JP6249281B2

JP6249281B2 - 圧縮着火式内燃機関

Info

Publication number: JP6249281B2
Application number: JP2013254245A
Authority: JP
Inventors: 徳偉林
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: JP2015113718A

Description

この発明は圧縮着火式内燃機関に係り、特に、空気と燃料との混合気を燃焼室内で圧縮することで自発着火させる圧縮着火式内燃機関に関する。

内燃機関には、予め燃焼室内に燃料を供給しておき、燃焼開始が燃焼室内の混合気の圧縮自発着火による燃焼方式（予混合圧縮着火燃焼）を採用する圧縮着火式内燃機関がある。圧縮着火式内燃機関は、ＮＯｘの排出が少ない内燃機関であるが、内燃機関の運転状態によって自発着火ができない場合（特に、燃焼室内温度が低い場合に自発着火がし難い場合がある）があり、このような場合は、火花点火方式による着火が行われる。即ち、運転状態に基づき必要に応じて圧縮自発着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える燃焼制御が実行される。また、火花点火燃焼から圧縮自発着火燃焼への切り換えが行われる際、火花点火燃焼により燃焼室内温度が高くなっているため、圧縮自発着火燃焼時に早期着火やノッキングが発生するおそれがある。

そこで、従来の圧縮着火式内燃機関は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態に応じて燃焼状態を特定するための燃焼領域マップとを備え、この燃焼領域マップに圧縮自発着火燃焼への切り替え前であることを検出するための切り替え準備燃焼領域が設定され、運転状態検出手段により燃焼状態が切り替え準備燃焼領域であると判断されると、内部ＥＧＲを減ずる制御又は外部ＥＧＲ制御を行い、燃焼室内温度を低下させノッキングの防止を図っている。（特許文献１）

特開２００９−９７４１６号公報

ところで、圧縮着火式内燃機関の圧縮自発着火燃焼時のノッキングは、燃焼室内温度を原因とするものの他、多点同時着火を原因として発生することがある。この多点同時着火は、主に圧縮工程において燃焼室内の混合気が均質な状態となり、混合気が所定の圧縮比に達すると複数個所で同時に着火する現象のことをいう。この多点同時着火が発生すると、複雑な火炎伝播によりノッキングが生じるおそれがある。そして、この多点同時着火によるノッキングは、外部ＥＧＲ制御などにより燃焼室内温度が低下しても、圧縮工程中にＥＧＲで還流される排気ガス（還流ガス）と混合気とが均質化されると発生するため、上記の特許文献に開示される技術では解決が困難であった。

そこで、この本発明は、上記の問題に鑑みて成されたものであり、多点同時着火によるノッキングを防止できる圧縮着火式内燃機関を提供することを目的とする。

この発明は、燃焼室内の混合気を圧縮し自発的に着火させる圧縮着火式の内燃機関であって、前記内燃機関に接続され当該内燃機関のシリンダヘッドの底面に対し接続角度が大きいハイポートと、接続角度が小さいローポートとを備えた吸気通路と、前記内燃機関に接続され燃焼後のガスを排出するための排気通路と、前記排気通路内の排気ガスを還流ガスとして前記吸気通路へと導く排気還流通路と、前記吸気通路へと導かれる還流ガスの導入量を調整するＥＧＲバルブと、吸気バルブ可変動弁機構と、排気バルブ可変動弁機構と、を備えた圧縮着火式内燃機関において、前記ローポートは、前記ハイポートと比較して吸気量が小さくなるように形成し、前記排気還流通路の吸気側接続部を前記ローポートに接続し、前記ローポートは、前記吸気通路から導入される新気量を調整する新気調整弁を備え、前記新気調整弁は、前記内燃機関の目標回転数に応じて新気量を調整し、前記内燃機関の負荷に応じて、前記ＥＧＲバルブにより還流ガスの導入量を減らしながら、前記新気調整弁の開度を調整して前記ローポートへの新気導入量を増加させ、圧縮自発着火燃焼領域では前記吸気バルブ可変動弁機構と前記排気バルブ可変動弁機構を制御して、負のバルブオーバーラップと低バルブリフト量とを実現したことを特徴とする。

この発明は、シリンダヘッドの底面に対して接続角度の異なるハイポートとローポートとを燃焼室に接続したので、燃焼室内においてハイポート側とローポート側との各タンブル流に偏差が生じる。このとき、排気還流通路で燃焼室に還流される排気ガスである還流ガスは、燃焼室内に吸入される際に、ハイポート側とローポート側とのいずれか一側のタンブル流によって還流ガス層が形成され、いずれか他側のタンブル流の影響を受けることがない。
従って、この発明は、ハイポートとローポートとから燃焼室内に吸入される吸気の混合を抑制し、燃焼室内の混合気を成層化し、燃焼室内の混合気が均質化することを防止でき、多点同時着火の発生を抑制することができる。

図１は圧縮着火式内燃機関の概略構成図である。（実施例）図２は平面視による燃焼室の概略図である。（実施例）図３は圧縮着火式内燃機関のバルブリフト特性を示す概略図である。（実施例）図４は燃焼室内のタンブル流を示す概略図である。（実施例）図５は燃焼室内の圧縮時の気体状態を示す概略図である。（実施例）

以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１〜図５は、この発明の実施例を示すものである。図１において、圧縮着火式内燃機関１は、シリンダブロック２にシリンダヘッド３を搭載し、シリンダブロック２にシリンダ４を囲むようにウォータジャケット５を形成し、シリンダ４に摺動可能に内蔵したピストン６によりシリンダヘッド３との間に燃焼室７を形成している。ピストン６は、コンロッド８によりクランク軸９に接続されている。圧縮着火式内燃機関１は、燃焼室７内の混合気を圧縮し自発的に着火させる燃焼方式である。
圧縮着火式内燃機関１は、燃焼室７に新気を供給するための吸気通路１０を備えている。吸気通路１０には、新気の流量を調整する絞り弁１１を備えている。絞り弁１１の下流側の吸気通路１０は、分岐されたハイポート１２とローポート１３とを備えている。
ハイポート１２は、吸気通路１０の延長方向に延びてから、中心線Ｃ１がシリンダヘッド３の底面１４に対し大きい接続角度θ１で燃焼室７に接続されている。ローポート１３は、吸気通路１０よりもシリンダヘッド３寄りの位置を延長方向に延びてから、中心線Ｃ２がハイポート１２シリンダヘッド３の底面１４に対しハイポート１２よりも小さい接続角度θ２（θ１＞θ２）で燃焼室７に接続されている。
ハイポート１２は、図２に示すように、ローポート１３に比べて、大きい断面積に形成されている。これより、ローポート１３は、ハイポート１２と比較して吸気量が小さくなるように形成されている。ローポート１３には、吸気通路１０と接続する部分に、吸気通路１０からローポート１３に導入される新気量を調整する新気調整弁１５を備えている。
圧縮着火式内燃機関１は、燃焼室７から燃焼後のガスを排出するための排気通路１６を備えている。排気通路１６は、図２に示すように、燃焼室７に接続される２つの排気ポート１７、１８を備えている。２つの排気ポート１７、１８の下流側は、集合されて１本の排気通路１６にまとめられる。

圧縮着火式内燃機関１は、シリンダヘッド３に、ハイポート１２とローポート１３とをそれぞれ開閉する吸気バルブ１９、２０を備え、２つの排気ポート１７、１８をそれぞれ開閉する２つの排気バルブ２１、２２を備えている。
圧縮着火式内燃機関１は、シリンダヘッド３に、クランク軸９に同期して回転される吸気カム軸２３と排気カム軸２４とを備えている。吸気カム軸２３は、吸気カム２５により吸気バルブ１９、２０を開閉駆動する。排気カム軸２４は、排気カム２６により排気バルブ２１、２２を開閉駆動する。
圧縮着火式内燃機関１は、吸気バルブ可変動弁機構２７と排気バルブ可変動弁機構２８とを備えている。吸気バルブ可変動弁機構２７は、クランク軸６に対する吸気カム軸２３の位相を変化させて、吸気バルブ１９、２０の開閉時期及びバルブリフト量を変更する。排気バルブ可変動弁機構２８は、クランク軸９に対する排気カム軸２４の位相を変化させて、排気バルブ２１、２２の開閉時期及びバルブリフト量を変更する。

圧縮着火式内燃機関１は、シリンダヘッド３に燃焼室７に臨ませて燃料噴射弁２９を備えている。燃料噴射弁２９は、燃焼室７内に燃料を噴射し、混合気を生成する。圧縮着火式内燃機関１は、シリンダヘッド３に燃焼室７に臨ませて点火プラグ３０を備えている。点火プラグ３０は、燃焼室７内に火花を発生させ、混合気に着火して燃焼させる。
圧縮着火式内燃機関１は、排気通路１６内の排気ガスを吸気通路１０へと導く排気還流通路３１を備えている。排気還流通路３１は、排気側接続部３２を排気通路１６に接続し、吸気側接続部３３を吸気通路１０のハイポート１２又はローポート１３のいずれか一方、この実施例ではローポート１３に接続している。排気還流通路３１には、還流ガスを冷却するＥＧＲクーラ３４と、還流ガスの流量を調整するＥＧＲバルブ３５とを備えている。排気還流通路３１は、ＥＧＲクーラ３４により冷却した排気ガスをＥＧＲバルブ３５により流量調整し、還流ガスとして吸気通路１０へと導く。

圧縮着火式内燃機関１は、新気調整弁１５と、吸気バルブ可変動弁機構２７と、排気バルブ可変動弁機構２８と、燃料噴射弁２９と、点火プラグ３０と、ＥＧＲバルブ３５とを、制御装置３６に接続している。制御装置３６には、圧縮着火式内燃機関１の運転負荷や目標回転数を算出するための情報（例えば、吸気圧、吸気流量、吸気温度、機関回転速度、アクセル開度等）を入力する情報入力手段３７を接続している。
制御装置３６は、情報入力手段３７から入力する情報に基づいて算出した圧縮着火式内燃機関１の目標回転数に応じて、新気調整弁１５によりローポート１３に導入される新気量を制御し、吸気バルブ可変動弁機構２７と排気バルブ可変動弁機構２８とによる吸気バルブ１９、２０と排気バルブ２１、２２との開閉時期及びバルブリフト量を制御し、燃料噴射弁２９の燃料噴射量を制御し、点火プラグ３０の点火時期を制御し、ＥＧＲバルブ３５による還流ガスの流量を制御する。
制御装置３６は、情報入力手段３７から入力する情報により運転状態を判定し、必要に応じて圧縮自発着火燃焼と火花点火燃焼とを切り換える燃焼制御を実行する。

この圧縮着火式内燃機関１は、燃焼室７内において混合気の濃度分布及び温度分布を形成させて、圧縮による自発着火のタイミング及び燃焼速度を制御する。そこで、圧縮着火式内燃機関１は、燃焼を精度よく制御するために、ハイポート１２から導入される高酸素濃度の新気と、ローポート１３から導入される冷却された還流ガスを含む低酸素濃度の新気とを、燃焼室７に別々に導入する。
圧縮着火式内燃機関１は、シリンダヘッド３の底面１４に対して接続角度の異なるハイポート１２とローポート１３とを燃焼室７に接続し、新気導入用のハイポート１２をローポート１３に比べて大きい断面積に形成している。ローポート１３には、新気調整弁１５を設置し、運転負荷に応じてローポート１３から燃焼室７に導入される還流ガスを含む新気の酸素濃度を調整できるように、ローポート１３に供給される新気量を制御する。
圧縮着火式内燃機関１は、図３に示すように、通常のカムリフトカーブに対して、燃焼室７内に燃焼ガスを残留させる負のバルブオーバーラップ（ＮＶＯ）と低バルブリフト量となるカムリフトカーブを使用する。負のバルブオーバーラップは、排気行程から吸気行程にかけて吸気バルブ１９、２０と排気バルブ２１、２２とが共に閉じている区間（ＥＶＣ’−ＩＶＯ’）である。圧縮着火式内燃機関１は、吸気バルブ可変動弁機構２７と排気バルブ可変動弁機構２８とを用いることで、運転負荷に応じて吸気バルブ１９、２０と排気バルブ２１、２２との開閉時期やバルブリフト量を可変な状態とし、負のバルブオーバーラップ（ＮＶＯ）と低バルブリフト量とを実現する。

圧縮着火式内燃機関１は、運転時に吸気バルブ１９、２０のバルブリフト量が低くなり、吸入空気が絞られて、燃焼室７内へ導入できる空気量が大きく低減する。また、燃焼室７内に残留する燃焼ガスにより新気の充填効率が悪化し、燃焼室７内全域にわたって均質な燃料が分布すると、混合気の酸素濃度が低下して着火性の低下に繋がる。従って、自発着火性及び燃焼安定性を向上するために、燃焼室７内の一部の領域のみに高酸素濃度混合気を形成させなければならない。
吸気バルブ１９、２０は、バルブリフト量が小さいほど燃焼室７内に強力な気体流動を発生させる。図２に示すように、ハイポート１２では、ローポート１３に比べて大きい断面積とし、吸入空気の流量を向上させる。また、断面積がより大きいハイポート１２を配置することにより、燃焼室７内の過剰な気体流動の発達を抑制し、新気で形成する高酸素濃度混合気の拡散を防ぎ、高酸素濃度の混合気を筒内の一部の領域に配置する。よって、ハイポート１２では、新気を燃焼室７内に導いて、燃焼室７内に噴射された燃料と混合し、着火性が良い混合気層を確保できる。
ローポート１３では、ハイポート１２よりも断面積を小さくし、小径化された吸気バルブ２０を採用し、ローポート１３との組み合わせで燃焼室７内に強い気体流動（端プル）を発生させる。これは、冷却された還流ガスを大量に導入する際に、均一な希薄混合気を形成し、安定した希薄燃焼を実現できる。
圧縮着火式内燃機関１は、高酸素濃度の新気を導入するハイポート１２と冷却された還流ガスを含む低酸素濃度の新気を導入するローポート１３とを用いることにより、燃焼室７内に吸入される混合気を成層化させて、不均一な濃度と温度分布を持った混合気層の形成を可能にする。図４に示すように、ハイポート１２とローポート１３とから燃焼室７内に吸入される２種類の気体がそれぞれの流速で燃焼室７内に噴射された燃料と混合し、燃焼室７内に酸素濃度分布の異なる混合気が形成される。

圧縮上死点では、酸素濃度分布の異なる混合気が、比熱比の相違により混合気の温度上昇率が異なり、着火タイミングの早遅が現れてくる。着火性の高い新気混合気層は、上死点において圧縮され高温にさらされた際に、圧縮自発着火を始める。燃焼による燃焼室７内の温度上昇に伴い、火炎伝播により着火性が低い冷却された還流ガスを含む混合気層が着火に至る。これは、図５に示すように、可燃混合気を中心部分に偏在させることにより、急峻な圧縮自発着火燃焼に成層燃焼を混合し、燃焼時間を延長させ、燃焼室７内の急激な圧力上昇を抑制するためである。これにより、ノッキングが発生しにくくなり、圧縮自発着火燃焼をより高負荷領域に拡大できる。
圧縮着火式内燃機関１の高負荷圧縮自発着火燃焼領域では、燃焼安定性を向上させるために、冷却された還流ガス導入用のローポート１３に設けた新気調整弁１５を運転負荷の目標回転数に応じて開放作動させて一部の新気を導入し、吸気効率の悪化を防ぐ。運転負荷の上昇につれ、ローポート１３への新気調整弁１５の開口面積を増大させ、運転負荷に応じた新気を導入し、吸気バルブ１９、２０の低リフトバルブ量に起因する新気充填量不足を補い、混合気の酸素濃度を高める。さらに、高負荷時には、ローポート１３からの吸気流速がハイポート１２よりも相対的に強いため、ハイポート１２及びローポート１３の両方のタンブルが衝突しても、燃焼室７内には気体流動が維持され、燃焼の改善に寄与する。
一方、圧縮着火式内燃機関１は、冷却された還流ガスを大量に導入することにより、混合気の酸素濃度が低減し、高熱効率の希薄燃焼ができるが、高負荷圧縮自発着火燃焼時に燃焼温度が低下し、失火や不完全燃焼が発生してしまう。よって、安定した燃焼を確保するために、圧縮着火式内燃機関１は、運転負荷の上昇に応じて、新気調整弁１５の開度を調整して、冷却された還流ガスの導入量を減らしながら、ローポート１３への新気導入量を増加させ、冷却された還流ガス中の酸素濃度を高める。
これにより、圧縮着火式内燃機関１は、安定した自発着火の確保及び燃焼室７内の圧力上昇率の制御を両立させて、急峻な圧縮自発着火燃焼を制御し、自発着火の燃焼範囲を拡大することができる。

このように、圧縮着火式内燃機関１は、排気通路１６内の排気ガスを還流ガスとして吸気通路１０へと導く排気還流通路３１の排気側接続部３２を排気通路１６に接続し、吸気側接続部３３を吸気通路１０のハイポート１２又はローポート１３のいずれか一方、この実施例ではローポート１３に接続している。
圧縮着火式内燃機関１は、シリンダヘッド３の底面１４に対して接続角度の異なるハイポート１２とローポート１３とを燃焼室７に接続したので、図４に示すように、燃焼室７内においてハイポート１２側とローポート１３側との各タンブル流に偏差が生じる。このとき、排気還流通路３１で燃焼室７に還流される排気ガスである還流ガスは、燃焼室７内に吸入される際に、ハイポート１２側とローポート１３側とのいずれか一側のタンブル流によって還流ガス層が形成され、いずれか他側のタンブル流の影響を受けることがない。
従って、圧縮着火式内燃機関１は、ハイポート１２とローポート１３とから燃焼室７内に吸入される吸気の混合を抑制し、燃焼室７内の混合気を成層化し、燃焼室内の混合気が均質化することを防止でき、多点同時着火の発生を抑制することができる。

また、この圧縮着火式内燃機関１は、排気還流通路３１の吸気側接続部３３をタンブル流が大きいローポート１３側へ接続したため、図５に示すように、燃焼室７内の圧縮時において、排気還流通路３１で還流された還流ガスはハイポート１２からの混合気を取り囲むように還流ガス層を形成する。詳細に説明すれば、燃焼室７内の中央部分に混合気層が形成され、この混合気層の周囲を取り囲むように還流ガス層が形成される。
従って、膨張時においては、中央部分の混合気層から着火が発生し、その後、外周部分の還流ガス層に火炎伝播が行われるため、ノッキングが生じにくくなる。また、混合気は、その周囲を還流ガス層に覆われるため、混合気中の燃料が燃焼室７の隅部分に付着し、不燃焼やノッキングの原因となることを防止できる。

さらに、この圧縮着火式内燃機関１は、ローポート１３の吸気通路１０との接続部分に、吸気通路１０からローポート１３に導入される新気量を調整する新気調整弁１５を備えている。新気制御弁１５は、制御装置３６によって、圧縮着火式内燃機関１の目標回転数に応じてローポート１３に導入される新気量を調整する。
これにより、圧縮着火式内燃機関１の運転状態が低負荷から高負荷にかけて変化する場合であっても、吸気量を増減させ燃焼状態を安定させることができる。
また、この圧縮着火式内燃機関１は、ローポート１３を、ハイポート１２と比較して吸気量が小さくなるように形成しているので、ローポート１３の流速はハイポート１２の流速と比較して早くなる。従って、還流ガス層は、混合気を素早く取り囲むことができ、確実な成層化を実現することができる。

この発明は、圧縮着火式内燃機関において、多点同時着火によるノッキングを防止できるものであり、シリンダヘッドの底面に対して接続角度の異なるハイポートとローポートとを燃焼室に接続した吸気通路を備える内燃機関に適用可能である。

１圧縮着火式内燃機関
２シリンダブロック
３シリンダヘッド
７燃焼室
１０吸気通路
１２ハイポート
１３ローポート
１４底面
１５新気調整弁
１６排気通路
１７、１８排気ポート
１９、２０吸気バルブ
２１、２２排気バルブ
２３吸気カム軸
２４排気カム軸
２７吸気バルブ可変動弁機構
２８排気バルブ可変動弁機構
３１排気還流通路
３２排気側接続部
３３吸気側接続部
３４ＥＧＲクーラ
３５ＥＧＲバルブ
３６制御装置
３７情報入力手段

Claims

燃焼室内の混合気を圧縮し自発的に着火させる圧縮着火式の内燃機関であって、
前記内燃機関に接続され当該内燃機関のシリンダヘッドの底面に対し接続角度が大きいハイポートと、接続角度が小さいローポートとを備えた吸気通路と、
前記内燃機関に接続され燃焼後のガスを排出するための排気通路と、
前記排気通路内の排気ガスを還流ガスとして前記吸気通路へと導く排気還流通路と、
前記吸気通路へと導かれる還流ガスの導入量を調整するＥＧＲバルブと、
吸気バルブ可変動弁機構と、
排気バルブ可変動弁機構と、
を備えた圧縮着火式内燃機関において、
前記ローポートは、前記ハイポートと比較して吸気量が小さくなるように形成し、
前記排気還流通路の吸気側接続部を前記ローポートに接続し、
前記ローポートは、前記吸気通路から導入される新気量を調整する新気調整弁を備え、
前記新気調整弁は、前記内燃機関の目標回転数に応じて新気量を調整し、
前記内燃機関の負荷に応じて、前記ＥＧＲバルブにより還流ガスの導入量を減らしながら、前記新気調整弁の開度を調整して前記ローポートへの新気導入量を増加させ、
圧縮自発着火燃焼領域では前記吸気バルブ可変動弁機構と前記排気バルブ可変動弁機構を制御して、負のバルブオーバーラップと低バルブリフト量とを実現したことを特徴とする圧縮着火式内燃機関。