JP7175213B2 - エンジンシステム - Google Patents
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Description
当該副室式のエンジンは、主室においてピストンの上昇により圧縮された希薄混合気等の新気が噴孔を介して副室に流入し、その副室において、上記噴孔から流入した新気と燃料供給機構から供給された燃料ガスとの混合気が、点火プラグにより火花点火されて燃焼し、副室から噴孔を介して主室に火炎ジェットが噴射されるように構成されている。
燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室と、ガス通路を通じて供給された燃料ガスを前記副室に供給する燃料供給機構とを備え、前記副室内の前記ピストンに対向するシリンダヘッド側に設けられるレーザー光透過窓を介して前記副室内にレーザー光を集光して点火点を形成するレーザー光照射部を、前記レーザー光の光軸が前記主室と前記副室とを通る状態で備えるエンジンシステムであって、その特徴構成は、
ノッキングの発生頻度が高くなる運転状態へ移行するに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する点火点位置調整部を備える点にある。
当該知見により、本発明の発明者らは、点火位置調整部により、熱発生速度を急峻にすることでノッキングの発生頻度が高くなる運転状態へ移行するに従って、点火点としてのレーザー光の焦点位置を、副室内において光軸に沿う方向でレーザー光透過窓の側から主室の側へ変更調整することで、ノッキングの発生し易い運転状態であっても、良好にノッキングを抑制することができるエンジンシステムを完成させた。
このように、上記特徴構成によれば、当該点火位置調整によりノッキングの抑制を図ることができるから、他のエンジンの運転指標である空気過剰率等を変更することなく、ノッキングを抑制でき、運転の制約条件を緩和することができる。
結果、副室式のエンジンにおいて、レーザー光を集光して形成する点火点の位置の制御により、運転範囲としてのノッキング限界を広げるエンジンシステムを実現できる。
前記点火点位置調整部は、前記運転状態として点火時期が進角化するに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する点にある。
更に、図3(a)に示されるように、点火点としてのレーザー光の焦点位置を、副室内において光軸に沿う方向でレーザー光透過窓の側よりも主室の側とした方が、同一筒内圧力振動において図示熱効率の最大値が高くなるという知見を得た。
即ち、上記特徴構成の如く、運転状態として点火時期が進角化するに従って、点火点としてのレーザー光の焦点位置を、副室内においてレーザー光透過窓の側から主室の側へ変更調整することで、進角側の運転可能範囲を広げることができると共に、図示熱効率を高くすることができるエンジンシステムを実現できる。
前記点火点位置調整部は、前記運転状態として空気過剰率が低くなるに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する点にある。
上記特徴構成の如く、運転状態として空気過剰率が低くなるに従って、点火点としてのレーザー光の焦点位置を、副室内においてレーザー光透過窓の側から主室の側へ変更調整ことで、図3(b)の実験結果に示すように、筒内圧力振動(ノック平均値)が抑制され、ノッキングの発生頻度が高くなることを抑制しつつも、空気過剰率を低くして所望の運転状態を実現できる。
前記燃焼室での圧力を計測する圧力センサを備え、
前記点火点位置調整部は、前記圧力センサにて計測される筒内圧力振動が徐々に高くなりノッキングが発生するノッキング判定圧力に近くなるに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する点にある。
前記点火点位置調整部は、前記運転状態として負荷が高くなるに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する点にある。
前記燃焼室での圧力を計測する加速度センサを備え、
前記点火点位置調整部は、前記加速度センサにて計測される加速度が徐々に高くなりノッキングが発生するノッキング判定加速度に近くなるに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する構成を採用しても構わない。
前記点火点位置調整部は、前記レーザー光透過窓と前記主室との間において、前記レーザー光透過窓と前記主室との中間位置よりも前記レーザー光透過窓に近い側で、前記レーザー光の焦点位置を調整することが好ましい。
以下、図面に基づいて、当該実施形態に係るエンジンシステム100を説明する。
当該実施形態に係るエンジンシステム100は、図1、2に示すように、燃焼室として、ピストン2に面する主室3と、当該主室3に噴孔15を介して連通する副室14と、ガス通路71を通じて供給される燃料ガスFを副室14に噴射する燃料噴射孔70(燃料供給機構の一例)とを備えた副室式のエンジンとして構成されている。
即ち、吸気路40において、ミキサ64で燃料ガスFと空気Aとを混合して生成された混合気Mは、スロットル弁44を介して所定の流量に調整されて、エンジン本体の燃焼室に導入される。
説明を追加すると、当該副室14は、上述したガス通路71及び燃料噴射孔70が形成される副室基部51と、噴孔15が形成される副室頭部23とに外囲される形態で設けられ、副室基部51と副室頭部23とは、副室基部51の外周に形成される雄螺子部位51bと副室頭部23の雌螺子部位23aとが螺合する形態で接続されている。そして、副室頭部23は、副室頭部23の外周部位がシリンダヘッド6に固設されている。
即ち、逆止弁72の下流側に位置する燃料噴射孔70の圧力、即ちそれが開口する副室14の圧力が低下して所定の作動圧力以下になると、逆止弁72の上流側の圧力(以下、「燃料ガス供給圧」と呼ぶ。)が、副室14の圧力及び逆止弁72の付勢力に打ち勝って逆止弁72の弁体が弁座から離間し開状態となることで、ガス通路71から燃料噴射孔70を通じて副室14に燃料ガスFが供給されることになる。
一方、副室14の圧力が上昇して所定の作動圧力よりも高くなると、上記副室14の圧力及び逆止弁72の付勢力が燃料ガス供給圧に打ち勝って逆止弁72の弁体が弁座に当接し閉状態となることで、ガス通路71から副室14への燃料ガスFの供給が停止される。
よって、この圧力応動式の逆止弁72は、排気行程において排気バルブ(図示せず)が開状態となり、燃焼室としての副室14の圧力が上記排気圧力に略相当する圧力となった場合でも、閉状態を維持することになり、同排気行程において燃料ガスFが無用に副室14に流出して排気ポート9に排出されることが防止されている。
点火点位置調整機構20は、レーザー光照射部30から照射されたレーザー光を集光する光学素子としての光学レンズ35と、当該光学レンズ35を光軸L2に沿う方向で移動させるアクチュエータ36とを備え、エンジンコントロールユニットCの点火点位置制御部C2による制御に基づいて、アクチュエータ36により光学レンズ35の光軸L2に沿う方向での位置を調整する形態で、レーザー光の焦点位置(点火点P)を調整可能に構成されている。
尚、副室基部51の副室14の近傍には、副室14の内部に連通する状態で、筒内圧力を計測する圧力センサSが設けられており、当該圧力センサSの出力に従って、エンジンコントロールユニットCによる各種制御が実行される。
エンジンコントロールユニットCの機能部位としての点火点位置制御部C2は、ノッキングの発生頻度が高くなる運転状態へ移行するに従って、点火点Pとしてのレーザー光の焦点位置を、点火点位置調整機構20により調整することで、副室14内において光軸L2に沿う方向でレーザー光透過窓33の側から主室3の側へ変更調整する。即ち、点火点位置制御部C2及び点火点位置調整機構20が、点火点位置調整部として機能する。
これまで説明してきたエンジンシステム100において、点火時期を6degBTDC、空気過剰率を1.6とし、図示平均有効圧力が1.4MPaである場合の熱発生速度を示す。
図4に示すように、副室14に対して噴孔から流入する新気とは別に、燃料噴射孔70から直接燃料ガスが供給される副室式のエンジンにおいて、点火点Pとしてのレーザー光の焦点位置を、副室14内において光軸L2に沿う方向でレーザー光透過窓33の側(レーザー光照射部30に近接する側)よりも主室3の側(レーザー光照射部30から離間する側)にした方が、燃焼室での点火後の熱発生速度が緩慢になり、熱発生速度のピーク速度も低くなる。更に、図3(b)に示すように、上死点近傍の点火タイミングにおいて、点火点Pとしてのレーザー光の焦点位置を、副室14内において光軸L2に沿う方向でレーザー光透過窓33の側よりも主室3の側とした方が、筒内圧力振動(ノック平均値)を低く抑えられる。
即ち、点火点位置制御部C2及び点火点位置調整機構20により、ノッキングの発生頻度が高くなる運転状態へ移行するに従って、点火点Pとしてのレーザー光の焦点位置を、副室14内において光軸L2に沿う方向でレーザー光透過窓33の側から主室3の側へ変更調整することで、ノッキングの発生し易い運転状態であっても、良好にノッキングを抑制できる。
点火点位置制御部C2及び点火点位置調整機構20にて調整される点火点Pとしての焦点位置は、副室14のうち、光軸L2に沿う方向で、レーザー光透過窓33(より詳細には、透過部材34の副室側端面)と主室3との中間位置よりもレーザー光透過窓33に近い位置で調整される。当該実施形態に係る試験においては、点火点Pとしての焦点位置は、光軸L2に沿う方向で、レーザー光透過窓33(透過部材34の副室側端面)からの距離を焦点位置として示すこととし、レーザー光透過窓33に近い位置をP1、主室3に近い位置をP3、P1とP3の中央位置をP2として、各種データを取得している。
副室14は、図2に示すように、レーザー光透過窓33に接する基部側副室14bと、主室3側で噴孔15が設けられる頭頂部側副室14aとを有し、点火点Pとしての焦点位置は、基部側副室14bにて調整される。
そして、図3(a)に示されるように、上死点近傍の点火タイミングにおいて、点火点Pとしてのレーザー光の焦点位置を、副室14内において光軸に沿う方向でレーザー光透過窓33に近い位置P1よりも主室3に近い位置P3に近づけた方が、同一筒内圧力振動において図示熱効率の最大値を高くできることを確認した。
そこで、当該実施形態に係るエンジンシステム100にあっては、点火点位置制御部C2は、ノッキングの発生頻度が高くなる運転状態として点火時期が進角化するに従って、点火点Pとしてのレーザー光の焦点位置を、副室14内において光軸L2に沿う方向でレーザー光透過窓33に近い位置P1よりも主室3に近い位置P3に近づけるように変更調整し、進角化限界を広げると共に熱効率の向上を図ることができる。
記憶部C3には、種々の運転条件毎の点火点Pの位置と点火時期との関係が記憶されており、点火点位置制御部C2は、当該関係に基づいて点火点Pの位置を制御する。
(1)点火点位置制御部C2は、ノッキングの発生頻度が高くなる運転状態として空気過剰率が低くなるに従って、点火点Pとしてのレーザー光の焦点位置を、副室14内において光軸L2に沿う方向でレーザー光透過窓33の側から主室3の側へ変更調整する制御を行う構成を採用しても構わない。
記憶部C3には、種々の運転条件毎の点火点Pの位置と空気過剰率との関係が記憶されており、点火点位置制御部C2は、当該関係に基づいて点火点Pの位置を制御する。
記憶部C3には、種々の運転条件毎の点火点Pの位置と筒内圧力との関係が記憶されており、点火点位置制御部C2は、当該関係に基づいて点火点Pの位置を制御する。
記憶部C3には、種々の運転条件毎の点火点Pの位置と負荷との関係が記憶されており、点火点位置制御部C2は、当該関係に基づいて点火点Pの位置を制御する。
記憶部C3には、種々の運転条件毎の点火点Pの位置と加速度との関係が記憶されており、点火点位置制御部C2は、当該関係に基づいて点火点Pの位置を制御する。
3 :主室
6 :シリンダヘッド
14 :副室
15 :噴孔
20 :点火点位置調整部
30 :レーザー光照射機構
33 :レーザー光透過窓
70 :燃料噴射孔
71 :ガス通路
72 :逆止弁
100 :エンジンシステム
A :空気
F :燃料ガス
L2 :光軸
P :点火点
Claims (7)
- 燃焼室として、ピストンに面する主室と、当該主室に噴孔を介して連通する副室と、ガス通路を通じて供給された燃料ガスを前記副室に供給する燃料供給機構とを備え、前記副室内の前記ピストンに対向するシリンダヘッド側に設けられるレーザー光透過窓を介して前記副室内にレーザー光を集光して点火点を形成するレーザー光照射部を、前記レーザー光の光軸が前記主室と前記副室とを通る状態で備えるエンジンシステムであって、
ノッキングの発生頻度が高くなる運転状態へ移行するに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する点火点位置調整部を備えるエンジンシステム。 - 前記点火点位置調整部は、前記運転状態として点火時期が進角化するに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する請求項1に記載のエンジンシステム。
- 前記点火点位置調整部は、前記運転状態として空気過剰率が低くなるに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する請求項1又は2に記載のエンジンシステム。
- 前記燃焼室での圧力を計測する圧力センサを備え、
前記点火点位置調整部は、前記圧力センサにて計測される筒内圧力が徐々に高くなりノッキングが発生するノッキング判定圧力に近くなるに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する請求項1~3の何れか一項に記載のエンジンシステム。 - 前記点火点位置調整部は、前記運転状態として負荷が高くなるに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する請求項1~4の何れか一項に記載のエンジンシステム。
- 前記燃焼室での圧力を計測する加速度センサを備え、
前記点火点位置調整部は、前記加速度センサにて計測される加速度が徐々に高くなりノッキングが発生するノッキング判定加速度に近くなるに従って、前記点火点としての前記レーザー光の焦点位置を、前記副室内において前記光軸に沿う方向で前記レーザー光透過窓の側から前記主室の側へ変更調整する請求項1~5の何れか一項に記載のエンジンシステム。 - 前記点火点位置調整部は、前記レーザー光透過窓と前記主室との間において、前記レーザー光透過窓と前記主室との中間位置よりも前記レーザー光透過窓に近い側で、前記レーザー光の焦点位置を調整する請求項1~6の何れか一項に記載のエンジンシステム。
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