JP7441082B2

JP7441082B2 - 内燃機関

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Publication number: JP7441082B2
Application number: JP2020044120A
Authority: JP
Inventors: 進児若本
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: JP2021143657A

Description

本発明は、副燃焼室を備えた希薄燃焼の内燃機関に関する。

近年、ガソリンエンジンの熱効率を向上させる手法の一つとして、希薄燃焼（リーンバーン）技術が注目されている。この希薄燃焼技術は、燃焼室内に投入する燃料の量を減らして薄い混合気を作り、これを素早く燃やして燃費を向上させる。

希薄燃焼技術において、例えば、特許文献１に開示されるように、熱損失と排気損失を低減するために副燃焼室（プリチャンバ）燃焼方式が知られている。

副燃焼室燃焼方式は、燃焼室に配設される点火プラグに、微小な孔が複数設けられた半円形のキャップなどをかぶせて副燃焼室を形成し、この副燃焼室内に燃料噴射装置を配置する。そして、副燃焼室内に少量の燃料を噴射して点火すると、副燃焼室内の燃料が一気に燃え、複数の微小な孔からトーチ火炎が燃焼室内に吹きだす。このトーチ火炎によりシリンダ内の希薄混合気が着火し、短時間で急速燃焼させことができる。これにより、希薄環境下での安定燃焼や、ボア端での自着火を抑制することができる。

特開２０１９－１７８６２０号公報

しかしながら、従来の副燃焼室燃焼方式は、微小な孔からトーチ火炎を放射状に噴出させるため、燃焼室内の混合気を筒の内周全体に着火するものではなく、吹き出したトーチ火炎間の燃焼が進まないと時間損失、燃焼損失などが増える可能性がある。

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、副燃焼室による燃焼室の燃焼を従来の構成に比して促進させることができ、燃焼期間の短縮により燃焼効率が向上する内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の一態様の内燃機関は、シリンダヘッドとシリンダブロックを備えた内燃機関であって、前記シリンダブロックに形成された気筒と、前記気筒内に摺動自在に挿嵌されたピストンと、前記ピストンと前記シリンダヘッドの間の主燃焼室と、前記気筒中央に位置して底部が前記ピストン側を臨むように前記シリンダヘッドに回転自在に設けられた有底筒状の回転体と、前記回転体により前記シリンダヘッド側に形成された副燃焼室と、前記シリンダヘッドに設けられ、前記副燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃料が噴射された前記副燃焼室内を着火する点火プラグと、前記副燃焼室と連通し、前記回転体の前記底部に周方向に沿って等間隔に形成され、前記主燃焼室にトーチ火炎を伝播させる複数の噴口と、前記回転体を前記気筒の中心軸回りに回転させるアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動制御するエンジン制御ユニットと、を備え、前記エンジン制御ユニットは、前記主燃焼室に前記トーチ火炎を伝播させるときに前記アクチュエータを前記複数の噴口が成す所定の角度を前記主燃焼室の混合気の所定の着火遅れ期間以上で除算した角速度で前記回転体を回転させる。

本発明によれば、副燃焼室による燃焼室の燃焼を従来の構成に比して促進させることができ、燃焼期間の短縮により燃焼効率が向上する内燃機関を提供することができる。

希薄燃焼エンジンの要部の断面を部分的に示す概略構成図アクチュエータにより回転体を中心軸回りに正転および反転する構成を説明する平面図希薄燃焼エンジンにおける燃焼時を示す部分断面図副燃焼室の混合気を着火したときに伝播するトーチ火炎を模式的に示すシリンダヘッドの底面図副燃焼室の混合気を着火したときに伝播するトーチ火炎による着火領域を模式的に示すシリンダヘッドの底面図

以下に図面を参照しながら、本発明の一態様の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明に用いる図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、および各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。

図１に示す、内燃機関である希薄燃焼（リーンバーン）エンジン（以下、単にエンジンと略記する）１は、火花点火式の筒内噴射エンジンを示し、本実施形態においては、例えば、自然吸気型の４気筒のガソリンエンジンの１気筒部分の断面を例示している。

エンジン１は、シリンダブロック１０に開口する各気筒１１にピストン１５が摺動自在に嵌挿されている。このピストン１５の頂面には、ピストンキャビティ１５ａが形成されている。ピストン１５とシリンダヘッド２０との間の空間として主燃焼室１２が設けられている。

ここで、例えば、各気筒１１に対応する領域において、シリンダヘッド２０の底面２８には、２つの吸気ポート２３および２つの排気ポート２４が開口されている。さらに、２つの吸気ポート２３および２つの排気ポート２４には、これらを開閉する吸気弁２５および排気弁２６がそれぞれ配設されている。

また、シリンダヘッド２０側の主燃焼室１２の略中央位置には、点火プラグ３０および副燃焼室噴射用燃料噴射弁である第１のインジェクタ３１が保持されている。

これら点火プラグ３０の先端部に形成された点火部３０ａおよび第１のインジェクタ３１の先端部に設けられた燃料噴射口３１ａは、有底筒状のチャンバである回転体４０によって形成された狭小空間の副燃焼室１３内に臨まされている。

さらに、シリンダヘッド２０には、筒内噴射用燃料噴射弁である第２のインジェクタ３２が保持され、この第２のインジェクタ３２の燃料噴射口３２ａがピストン１５の頂面に対して所定の俯角を有した状態で気筒１１内に臨まされている。

なお、シリンダヘッド２０には、吸気弁２５および排気弁２６の燃焼サイクル毎の開弁状態を可変に切換可能な図示しない可変動弁機構が設けられている。可変動弁機構は、吸気弁２５および排気弁２６を、任意のタイミングおよびリフト量で駆動することが可能となっており、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって駆動制御される。

また、ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等を有する周知のマイクロコンピュータを中心として構成され、入力側に、吸入空気量センサ、クランク軸の回転からエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサなどを含む各種センサ／スイッチ類が接続されている。
さらに、ＥＣＵ５０は、回転体４０を回転軸となる中心軸Ｏ回りに所定の角度θだけ正転および反転させる、後述のアクチュエータ５１を駆動制御する。なお、回転体４０の回転軸Ｏは、ここでは、気筒１１の中心軸と略一致している。

回転体４０は、所謂、ハット形状の筒状部材であって、筒内中央にベアリング４２を介してシリンダヘッド２０に対して回転自在に設けられており、ピストン１５の頂面側（スキッシュエリア）を臨む底部に複数の孔部である噴口４１が形成されている。また、シリンダヘッド２０は、回転体４０およびベアリング４２を保持する環状のパイプナット４３が螺着されている。

図２に示すように、回転体４０の複数の噴口４１は、ここでは８つ形成されている。これら８つの噴口４１は、隣接する孔軸が回転体４０の回転軸となる中心軸Ｏ回り、即ち周方向に所定の角度θ（θ＝４５°）を有して等間隔に形成されている。８つの噴口４１は、副燃焼室１３と連通し、主燃焼室１２に向けて俯角を有して開口部が放射状に臨むように各孔軸が設定されている。

回転体４０は、中心軸Ｏに直交する方向に一外周部から板状の長孔４６を有するリンク体４５が延設されている。このリンク体４５の長孔４６には、アクチュエータ５１の接続体５３がスライド自在に接続されている。

なお、ここでのアクチュエータ５１は、シリンダヘッド２０に設けられ、例えば、ソレノイド軸である可動軸芯５２の端部に接続体５３が設けられたソレノイドであり、ＥＣＵ５０によって駆動制御される。

アクチュエータ５１の可動軸芯５２の進退により、回転体４０のリンク体４５が押し引きされることで、回転体４０を中心軸Ｏ回りに正転と反転に回転させる。回転体４０の回転角度は、所定の角度θ以上（ここではθ≧４５°）となるようにアクチュエータ５１の可動軸芯５２の進退移動量が設定されている。

なお、回転体４０を正転と反転させるアクチュエータ５１は、ソレノイドを例示したが、これに限定されることなく、負圧ポンプ、ピエゾ素子、モータなどの駆動源を用いてもよい。さらに、正転させた回転体４０を反転させる復帰回転機構にバネなどの弾性部材を用いてもよい。

以上のように構成されたエンジン１は、要求負荷に応じたタイミングにより、第１のインジェクタ３１の燃料噴射口３１ａから燃料（ガソリン）が副燃焼室１３内に、第２のインジェクタ３２の燃料噴射口３２ａから燃料（ガソリン）が主燃焼室１２内に噴射される。

そして、エンジン１は、図３に示すように、上死点付近にピストン１５が運動した際に、点火プラグ３０の点火部３０ａに火花を発生させて、狭小空間の副燃焼室１３内の混合気を着火する。これと同時に、ＥＣＵ５０によりアクチュエータ５１が駆動されて回転体４０が初期位置から正転方向に始動される。

図４に示すように、回転体４０が正転しながら、狭小空間である副燃焼室１３内の混合気が急速に燃焼して、回転体４０の８つの噴口４１から着火源である複数、ここで８つのトーチ火炎Ｆが図中の破線Ｆｒに示す方向に回転体４０の中心軸Ｏ回りの所定の角度θ以上（θ≧４５°）に移動しながら主燃焼室１２内に放射状に伝播される。

このとき、ＥＣＵ５０は、隣接する各噴口４１の孔軸のなす角度である所定の角度θ（θ＝４５°）を主燃焼室１２内の混合気の所定の着火遅れ期間（ｔ）以上で除算した所定の角速度ω（ω≦θ／ｔ）によって回転体４０が正転するようにアクチュエータ５１を駆動制御する。

これにより、図５に示すように、回転体４０の中心軸Ｏ回りに所定の角速度ωで移動する８つのトーチ火炎Ｆが主燃焼室１２内（スキッシュエリア内）全域に通過する８つの着火領域Ａ１～Ａ８が形成される。

その結果、エンジン１は、主燃焼室１２全域を短時間で急速燃焼させることができる。その後、ＥＣＵ５０は、アクチュエータ５１を駆動制御して、次に副燃焼室１３内の混合気を着火するまでに回転体４０を反転させて初期位置に復帰させる。

以上の記載により、本実施の形態のエンジン１は、副燃焼室１３を形成する回転体４０を回転させ、８つの噴口４１から放射状に伝播する各トーチ火炎Ｆ間に挟まれていた領域に対しても各トーチ火炎Ｆをそれぞれ通過させることにより、主燃焼室１２全域を着火させることができる。これによって、エンジン１は、従来の希薄燃焼エンジンよりも筒内燃焼を促進させて燃焼期間の短縮効果を最大化することができる。

以上の説明からエンジン１は、副燃焼室による燃焼室の燃焼を従来の構成に比して促進させることができ、燃焼期間の短縮により燃焼効率が向上する構成となる。

なお、回転体４０の複数の噴口４１が中心軸Ｏ回りに等間隔に設けられているため、ＥＣＵ５０によってモータなどのアクチュエータ５１を駆動制御して、回転体４０を所定の角速度ω（ω≦θ／ｔ）に一方向のみ回転させる構成としてもよい。

さらに、ここでは、エンジン１が筒内噴射エンジンの構成を例示したが、これに限定されることなく、吸気管内に燃料を噴射して混合気を生成するポート噴射エンジンに適用できる後術である。

また、ＥＣＵ５０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの記憶装置などを含むプロセッサを有している。また、プロセッサの複数の回路の全て若しくは一部の構成は、ソフトウェアで実行してもよい。例えば、ＲＯＭに格納された各機能に対応する各種プログラムをＣＰＵが読み出して実行するようにしてもよい。

さらに、プロセッサの全部若しくは一部の機能は、論理回路あるいはアナログ回路で構成してもよく、また各種プログラムの処理を、ＦＰＧＡなどの電子回路により実現するようにしてもよい。

以上の実施の形態に記載した発明は、それらの形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。
例えば、各形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、述べられている課題が解決でき、述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得るものである。

１…希薄燃焼エンジン
１０…シリンダブロック
１１…気筒
１２…主燃焼室
１３…副燃焼室
１５…ピストン
２０…シリンダヘッド
２３…吸気ポート
２４…排気ポート
２５…吸気弁
２６…排気弁
２８…底面
３０…点火プラグ
３０ａ…点火部
３１…第１のインジェクタ
３２…第２のインジェクタ
４０…回転体
４１…噴口
４２…ベアリング
４３…パイプナット
４５…リンク体
４６…長孔
５１…アクチュエータ
５２…可動軸芯
５３…接続体
Ａ１～Ａ８…着火領域
Ｆ…トーチ火炎
Ｏ…中心軸
θ…所定の角度
ω…角速度

Claims

シリンダヘッドとシリンダブロックを備えた内燃機関であって、
前記シリンダブロックに形成された気筒と、
前記気筒内に摺動自在に挿嵌されたピストンと、
前記ピストンと前記シリンダヘッドの間の主燃焼室と、
前記気筒中央に位置して底部が前記ピストン側を臨むように前記シリンダヘッドに回転自在に設けられた有底筒状の回転体と、
前記回転体により前記シリンダヘッド側に形成された副燃焼室と、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記副燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃料が噴射された前記副燃焼室内を着火する点火プラグと、
前記副燃焼室と連通し、前記回転体の前記底部に周方向に沿って等間隔に形成され、前記主燃焼室にトーチ火炎を伝播させる複数の噴口と、
前記回転体を前記気筒の中心軸回りに回転させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを駆動制御するエンジン制御ユニットと、
を備え、
前記エンジン制御ユニットは、前記主燃焼室に前記トーチ火炎を伝播させるときに前記アクチュエータを前記複数の噴口が成す所定の角度を前記主燃焼室の混合気の所定の着火遅れ期間以上で除算した角速度で前記回転体を回転させることを特徴とする内燃機関。
前記インジェクタを第１のインジェクタとし、
さらに、前記シリンダヘッドに設けられ、前記主燃焼室内に燃料を噴射する第２のインジェクタを備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記アクチュエータは、ソレノイド、負圧ポンプ、ピエゾ素子またはモータの駆動源を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。