JP2004293299A - Spark ignition engine and its operation control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To materialize a control technique in a spark ignition engine 100 by which a mixed status of fuel/air mixture can be made appropriately with respect to each combustion while switching between stratified combustion and homogeneous combustion in accordance with load. <P>SOLUTION: In the spark ignition engine, an intake port 10 is partitioned by a partition wall 12 into a first port 15 positioned outside to the midsection and a second port 16 positioned on a side closer to the midsection than the first port 15, and provided with a port switching means 35 for freely switching between a first state in which the second port is closed while opening the first port 15 and a second state in which the second port is opened while closing the first port. In a fuel supply means 30, fuel G is supplied to the midsection of a combustion chamber 1 from the supply part 14a disposed on a side closer to the midsection than the second port 16. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えた火花点火式エンジン、及び、その運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような火花点火式エンジンは、吸気ポートから燃焼室に導入された空気又は希薄混合気等の新気と、燃料供給手段により燃焼室に供給された燃料とを、燃焼室において混合し、その混合気を点火プラグで点火して燃焼させるように構成されている。
【０００３】
この種の火花点火式エンジンは、上記燃料供給手段が、吸気ポート又は燃焼室から燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成され、更に、上記燃料供給手段の燃料の供給タイミングなどの制御により、低回転速度域又は低負荷域（本願において「低回転低負荷域」と呼ぶ。）においては、その燃焼室の中央部に向けて供給された燃料を点火プラグ周りに偏在させて成層燃焼を行うように構成することがある。
【０００４】
上記成層燃焼とは、燃焼室において、点火プラグの近傍には、火花点火可能な当量比の混合気が偏在する点火領域を形成し、その点火領域の周辺には、その点火領域の混合気よりも当量比が低く燃料が希薄状態である混合気が存在する希薄領域を形成して、先ず、上記点火領域に存在する混合気を点火プラグにより点火して燃焼させ、その火炎により上記希薄領域に存在する混合気を燃焼させて、全体として燃料を希薄状態で燃焼させるものである。
【０００５】
そして、火花点火式エンジンにおいて上記成層燃焼を行うことにより、特に低回転低負荷域の燃焼温度の低下、サイクル効率の向上、ポンピング損失の低下などを実現することができ、排ガス性状及び燃費の改善に有効である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような成層燃焼を行う火花点火式エンジンでは、高回転速度域又は高負荷域（本願において「高回転高負荷域」と呼ぶ。）において、ＮＯｘやノッキングの発生を抑制しながら、全体的に理論当量比に近いリッチな混合気を燃焼させるために、上記成層燃焼とは逆に、燃料と新気とを充分に均質に混合させて燃焼させる均質混合燃焼を行う必要がある。
そして、従来の火花点火式エンジンにおいて、上記成層燃焼と上記均質混合燃焼とを両立するための有効な手法は無かった。
【０００７】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、火花点火式エンジンにおいて、負荷に応じて成層燃焼及び均質混合燃焼とを切換えると共に、夫々の燃焼において混合気の混合状態を適切なものとすることができる制御技術を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明に係る火花点火式エンジンの第一特徴構成は、シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えた火花点火式エンジンであって、
前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記中央部に対して外側に位置する第一ポート部と、前記第一ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する第二ポート部とに区画形成され、
前記第一ポート部を開状態とすると共に前記第二ポート部を閉状態とする第一状態と、前記第一ポート部を閉状態とすると共に前記第二ポート部を開状態とする第二状態とを切換え自在なポート切換手段を備え、
前記燃料供給手段が、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する供給部から前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成された点にある。
【０００９】
また、上述の目的を達成するための本発明に係る火花点火式エンジンの運転制御方法の特徴構成は、シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えると共に、前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記中央部に対して外側に位置する第一ポート部と、前記第一ポート部よりも前記中央部に近い第二ポート部とに区画形成され、前記第一ポート部を開状態とすると共に前記第二ポート部を閉状態とする第一状態と、前記第一ポート部を閉状態とすると共に前記第二ポート部を開状態とする第二状態とを切換え自在なポート切換え手段を備え、前記燃料供給手段が、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側の位置から前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成された火花点火式エンジンにおいて、
低回転低負荷域において前記ポート切換手段を前記第一状態として前記燃料供給手段で供給された燃料を前記点火プラグ近傍に偏在させて成層燃焼させ、高回転高負荷域において前記ポート切換手段を前記第二状態として前記燃料供給手段で供給された燃料を新気と均質混合させて均質混合燃焼させる点にある。
【００１０】
即ち、上記火花点火式エンジンの第一特徴構成及び火花点火式エンジンの運転制御方法の特徴構成によれば、燃焼室に新気を導入するための吸気ポートが、吸気ポートの新気流通方向に延びる仕切り壁により、燃焼室の天井の中央部に対する外側（シリンダの径方向における外側）の第一ポート部と、その第一ポート部よりも前記中央部に近い側の第二ポート部とに区画形成されており、更に、上記ポート切換手段により、上記第一ポート部と上記第二ポート部との内、上記第一ポート部のみが開状態となる第一状態と、上記第二ポート部のみが開状態となる第二状態とに切換えることができる。
【００１１】
そして、制御装置等により、前記低回転低負荷域においては、前記ポート切換手段を前記第一状態とすることで、新気が燃料供給手段から遠い外側の第一ポート部から燃焼室に導入されるので、燃料が新気と均質に混合することが抑制されて、燃料が良好に中央部にある点火プラグ近傍に偏在されることになり、良好な成層燃焼が実現され、燃焼効率の向上を図ることができる。一方、制御装置等により、高回転高負荷域においては、前記ポート切換手段を前記第二状態とすることで、新気が燃料供給手段に近い内側の第二ポート部から燃焼室に導入されるので、燃料が新気と均質に混合することが促進されて、良好な均質混合燃焼が実現され、ＮＯｘやノッキングの発生を抑制しながら高出力で運転することができる。
【００１２】
本発明に係る火花点火式エンジンの第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記第一ポート部が、前記新気を前記ピストン頂部に向けて導入するように形成され、前記第二ポート部が、前記新気を前記燃焼室の中央部に向けて導入するように形成されている点にある。
【００１３】
即ち、上記火花点火式エンジンの第二特徴構成によれば、低回転低負荷域においては、上記第一ポート部から新気がピストン頂部に向かう方向（言い換えれば、ピストンの下降方向）に沿って燃焼室に導入されるので、その第一ポート部から第二ポート部を挟んで中央部側に位置する供給部から中央部に向けて供給された燃料が、その新気流に交わることなく、点火プラグ近傍に到達し、良好な成層燃焼を行うことができる。
一方、高回転高負荷域においては、上記第二ポート部から新気が中央部に向かう方向に沿って燃焼室に導入されるので、その第二ポート部と隣接した供給部から中央部に向けて供給された燃料がその新気流により拡散されて、燃焼室全体に渡って均質な混合気を形成し、良好な均質混合燃焼を行うことができる。
【００１４】
本発明に係る火花点火式エンジンの第三特徴構成は、上記第一乃至第二特徴構成に加えて、前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記第一ポート部と、前記第二ポート部と、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する第三ポート部とに区画形成されており、
前記燃料供給手段が、前記第三ポート部を介して前記燃焼室に燃料を供給するように構成されている点にある。
【００１５】
即ち、上記火花点火式エンジンの第三特徴構成によれば、燃料供給手段を、燃料を直接燃焼室に噴射するのではなく、吸気ポートの最も中央部側に位置する第三ポート部に比較的低圧で供給しても、成層燃焼と均質混合燃焼との夫々において混合気の混合状態を適切なものとすることがでる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る火花点火式エンジン（以下、「本エンジン」と略称する。）の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１及び図２に示す本エンジン１００は、シリンダ３と、シリンダ３内に収容されてシリンダ３と共に燃焼室１を形成するピストン２とを備え、そのピストン２が、連接棒（図示せず。）を介してクランク軸（図示せず。）に連動連結されている。
【００１８】
シリンダ３には、吸気弁４を備えた吸気ポート１０と、排気弁５を備えた排気ポート４０とが連通されている。
【００１９】
燃焼室１の天井部にあるシリンダヘッド９の略中央部には、燃焼室１に形成された混合気を点火するための点火プラグ６が設けられている。
【００２０】
そして、本エンジン１００は、吸気行程において、吸気弁４のみを開状態としてピストン２の下降に伴って吸気ポート１０から空気である新気Ｉを燃焼室１に吸気すると共に、後述する燃料供給手段３０により燃焼室１に天然ガスである燃料Ｇを燃焼室１に供給し、圧縮行程において、吸気弁４及び排気弁５を閉状態としてピストン２の上昇に伴って燃焼室１に形成された混合気を圧縮し、燃焼・膨張行程において、吸気弁４及び排気弁５を閉状態としたまま、点火プラグ６を働かせて燃焼室１に形成された混合気を点火して燃焼させることでピストン２を押し下げ、排気行程において、排気弁５のみを開状態としてピストン２の上昇に伴って燃焼室１の排ガスを排気ポート４０に排出するというような運転を行い、ピストン２の往復運動をクランク軸（図示せず。）の回転運動に変えて出力するように構成されている、所謂火花点火式エンジン（ＳＩエンジン）である。
【００２１】
本エンジン１００の燃料供給手段３０が、吸気ポート１０から燃焼室１の点火プラグ６が設けられている略中央部に向けて燃料Ｇを供給するように構成されており、低回転低負荷域においては、その燃焼室１の中央部に向けて供給された燃料Ｇを点火プラグ６周りに偏在させて成層燃焼を行うことが可能となっている。
【００２２】
具体的には、燃料供給手段３０は、吸気ポート１０に流れ方向に沿って設けられた仕切り壁１１により吸気ポート１０の最も中央側に区画形成された燃料ポート部（第三ポート部）１４と、燃料Ｇをその燃料ポート部１４に負荷に応じた供給量制御を伴って供給する燃料供給弁３１とで構成されている。
【００２３】
更に、上記燃料ポート部１４の燃焼室１への開口部１４ａは、その周囲壁面が、点火プラグ６が配置された中央部側に４５°程度傾斜して形成されており、燃料ポート部１４から燃焼室１に導入された燃料Ｇは、燃焼室１の中央部に向かって流れることになる。
【００２４】
更に、吸気ポート１０の上記燃料ポート部１４以外の部分は、新気Ｉの流れ方向に沿って設けられた仕切り壁１２により、中央部に対して外側に位置する第一ポート部１５と、第一ポート部１５よりも中央部に近い側に位置する第二ポート部１６とに区画形成されており、上記第一ポート部１５及び上記第二ポート部１６には、新気Ｉが流入される。
【００２５】
また、上記吸気ポート１０において、上記第一ポート部１５及び上記第二ポート部１６は、略同等の流路断面積を有し、更に、上記燃料ポート部１４は吸気弁４に向かって徐々に拡径しており、その拡径する前の流路断面積は、上記第一ポート部１５及び上記第二ポート部１６の流路断面積の約５分の１程度である。
【００２６】
更に、第一ポート部１５を開状態とすると共に第二ポート部１６を閉状態とする第一状態（図１に示す状態）と、第一ポート部１５を閉状態とすると共に第二ポート部１６を開状態とする第二状態（図２に示す状態）とを切換え自在なポート切換手段３５が設けられ、このポート切換手段３５は、図３に示すように、上記吸気ポート１０横断方向に延び、第一ポート部１５及び上記第二ポート部１６の一方のみを閉鎖できる形に形成された遮断壁３５ａと、その遮断壁３５ａを第一ポート部１５と第二ポート部１６との間で摺動作動させるためのアクチュエータからなる作動部３５ｂとで構成されている。
【００２７】
そして、コンピュータからなる制御装置５０は、クランク軸の回転速度や、燃料供給弁３１の開度やアクセル開度等から認識可能なエンジン負荷等の入力情報に基づいて、上記ポート切換手段３５の切換操作を行うように構成されている。即ち、回転速度が設定回転数未満又はエンジン負荷が設定エンジン負荷未満の低回転数低負荷域において、制御装置５０は、燃焼室１の中央部に向かって供給された燃料Ｇが、新気Ｉと均質に混合することを抑制して、燃料Ｇが良好に中央部にある点火プラグ６近傍に偏在させ、良好な成層燃焼を行うために、ポート切換手段３５を図１に示す第一状態に切換えて、新気Ｉを燃料供給手段３０としての燃料ポート部１４から最も遠い外側の第一ポート部１５から燃焼室１に導入させる。
【００２８】
更に、上記第一ポート部１５から燃焼室１に導入された新気Ｉが、ピストン２頂部に向かう方向、即ち、ピストン２の下降方向に沿って流れ、燃料ポート部１４から燃焼室１に導入された燃料Ｇを燃焼室１において拡散させずに良好な成層燃焼を行うために、第一ポート部１５の開口部１５ａの周囲壁面が、上記ピストン２の頂部に向かう方向に沿った方向に形成されている。
【００２９】
一方、回転速度が設定回転数以上又はエンジン負荷が設定エンジン負荷以上の高回転数高負荷域において、制御装置５０は、燃焼室１の中央部に向かって供給された燃料Ｇが、新気Ｉと良好に混合して、良好な均質混合燃焼を行うために、ポート切換手段３５を図２に示す第二状態に切換えて、新気Ｉを燃料供給手段３０としての燃料ポート部１４に隣接した内側の第二ポート部１６から燃焼室１に導入させる。
【００３０】
更に、上記第二ポート部１６から燃焼室１に導入された新気Ｉが、燃焼室１の点火プラグ６が配置された中央部に向けて流れ、燃料ポート部１４から燃焼室１に導入された燃料Ｇを燃焼室１において拡散させて良好な均質混合燃焼を行うために、第二ポート部１６の開口部１６ａの周囲壁面が、中央部側に５０°程度傾斜して形成されている。
【００３１】
また、これまで説明してきたような本エンジンは、吸気ポートが区画形成されていない従来の火花点火式エンジンと比較して、高回転高負荷域（当量比０．８３程度）においては、良好な均質混合燃焼を行うことにより、ＮＯｘ排出量が２５００ｐｐｍから１５００ｐｐｍに低減することができ、更に、ノッキング強度も５ｋＰａから１ｋＰａに低減することができ、一方、低回転低負荷域（当量比０．５６程度）においては、良好な成層燃焼を行うことで、燃焼効率が８０％から９０％に向上することができ、軸端効率が３０％から３４％に向上することができる。
【００３２】
〔別実施形態〕
本発明に係る火花点火式エンジンの別実施形態について、説明する。
【００３３】
〈１〉
上記実施の形態において説明したポート切換手段３５は、図４に示すように構成することができる。
即ち、図４に示すポート切換手段３５は、第一ポート部１５内において回転して第一ポート部１５を開閉可能なバタフライ弁として構成された第一遮断弁３５ｃと、第二ポート部１６内において回転して第二ポート部１６を開閉可能なバタフライ弁として構成された第二遮断弁３５ｄとを、その回転軸を共通に連結、且つ、９０°の位相差を有した状態で配置して備える。そして、ポート切換手段３６は、ロータリーアクチュエータ等からなる作動部３５ｅにより、上記第一遮断弁３５ｃと上記第二遮断弁３５ｄとの回転軸を回転させることで、第二ポート部１６を閉状態とする第一状態（図４（イ）に示す状態）と、第一ポート部１５を閉状態とすると共に第二ポート部１６を開状態とする第二状態（図４（ロ）に示す状態）とを切換え自在に構成されている。
尚、上記ポート切換手段３５は、上記第一遮断弁３５ｃと上記第二遮断弁３５ｄとを、夫々に対して設けられた２つの作動部により各別に作動させるように構成しても構わない。
【００３４】
〈２〉
上記実施の形態においては、第一ポート部１５及び第二ポート部１６を介して燃焼室１に導入される新気Ｉとして空気を利用したが、別に、新気Ｉとして燃料が少量の燃料と空気との希薄混合気を用いても構わない。
また、上記実施の形態では、燃料ポート部１４を介して燃焼室１に燃料Ｇそのものを導入したが、燃料ポート１４に若干の空気を供給して、燃料ポート部１４に燃料Ｇと少量の空気との濃混合気を形成し、燃料ポート部１４からその濃混合気を燃焼室１に導入しても構わない。
【００３５】
〈３〉
上記実施の形態においては、燃料供給手段３０を、吸気ポート１０の最も中央側に区画形成された燃料ポート部１４と、燃料Ｇを燃料ポート部１４に供給する燃料供給弁３１とで構成したが、別に、燃料供給手段３０を、燃焼室１における吸気ポート１０よりも中央側に偏った位置から中央側に向けて燃料Ｇを直接供給する燃料噴射弁で構成しても構わない。
【００３６】
〈４〉
本発明に係る火花点火式エンジンにおいては、吸気ポート１０の吸気弁４側において、燃焼室１の中央部から外側に向かって、燃料ポート部１４、第一ポート部１５、第二ポート部１６と記載の順に配置されていれば、本発明の効果を発揮することができる。
【００３７】
〈５〉
本発明に係る火花点火式エンジンは、天然ガス等の炭化水素系燃料以外に、例えば、水素やプロパンガス等のＣＯやＨ２を主成分とする気体燃料や、その気体燃料以外の、ガソリン、アルコール、メタノール、エタノール等の任意の燃料を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の火花点火式エンジンにおける第一状態を示す概略構成図
【図２】実施形態の火花点火式エンジンにおける第二状態を示す概略構成図
【図３】実施形態の火花点火式エンジンの部分概略構成図
【図４】別実施形態の火花点火式エンジンの部分概略構成図
【符号の説明】
１：燃焼室
２：ピストン
３：シリンダ
４：吸気弁
６：点火プラグ
１０：吸気ポート
１１，１２：仕切り壁
１４：燃料ポート部（第三ポート部）
１４：開口部１４ａ
１５：第一ポート部
１５ａ：開口部
１６：第二ポート部
１６ａ：開口部
３０：燃料供給手段
３５：ポート切換手段
３５ａ：遮断壁
３５ｂ：作動部
３５ｃ：第一遮断壁
３５ｄ：第二遮断壁
３５ｅ：作動部
５０：制御装置
１００：エンジン
Ｇ：燃料
Ｉ：新気[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a combustion chamber defined by a cylinder inner surface and a piston top, an intake port for introducing fresh air into the combustion chamber, a spark plug disposed at a central portion of a ceiling of the combustion chamber, The present invention relates to a spark ignition type engine provided with fuel supply means for supplying fuel toward a central portion of the engine, and an operation control method thereof.
[0002]
[Prior art]
The spark ignition type engine as described above mixes fresh air such as air or a lean mixture introduced from the intake port into the combustion chamber with fuel supplied to the combustion chamber by the fuel supply means in the combustion chamber, The mixture is ignited by a spark plug and burned.
[0003]
In this type of spark ignition type engine, the fuel supply means is configured to supply fuel from an intake port or a combustion chamber toward a central portion of the combustion chamber. In the low rotation speed range or the low load range (referred to as “low rotation low load range” in the present application), the fuel supplied toward the center of the combustion chamber is unevenly distributed around the ignition plug. It may be configured to perform stratified combustion.
[0004]
In the stratified combustion, in the combustion chamber, near the spark plug, an ignition region is formed in which an air-fuel mixture having an equivalent ratio capable of spark ignition is unevenly distributed. Also, a lean region in which an air-fuel mixture in which the equivalence ratio is low and the fuel is lean exists is formed. The fuel-air mixture is burned to burn the fuel in a lean state as a whole.
[0005]
By performing the above-described stratified combustion in a spark ignition type engine, it is possible to realize a reduction in combustion temperature, an improvement in cycle efficiency, a reduction in pumping loss, etc., particularly in a low-speed low-load region, and an improvement in exhaust gas properties and fuel efficiency. It is effective for
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a spark ignition engine that performs stratified combustion as described above, in a high rotation speed range or a high load range (referred to as a “high rotation and high load range” in the present application), while suppressing the generation of NOx and knocking, In order to burn a rich air-fuel mixture that is close to the stoichiometric ratio as a whole, it is necessary to perform homogeneous mixed combustion in which fuel and fresh air are sufficiently homogeneously mixed and burned, contrary to the above-described stratified combustion.
In a conventional spark ignition engine, there is no effective method for achieving both stratified combustion and homogeneous mixed combustion.
[0007]
Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and in a spark ignition type engine, switches between stratified charge combustion and homogeneous mixed combustion in accordance with the load, and makes the mixture state of the air-fuel mixture appropriate in each combustion. The purpose is to realize a control technology that can perform the control.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A first characteristic configuration of a spark ignition engine according to the present invention for achieving the above object is a combustion chamber defined by a cylinder inner surface and a piston top, an intake port for introducing fresh air into the combustion chamber, A spark ignition engine comprising: a spark plug disposed at a central portion of a ceiling of the combustion chamber; and fuel supply means for supplying fuel toward a central portion of the combustion chamber.
The intake port is partitioned by a partition wall into a first port portion located outside the central portion and a second port portion located closer to the central portion than the first port portion. ,
A first state in which the first port is opened and the second port is closed, and a second state in which the first port is closed and the second port is open Port switching means that can be switched between
The fuel supply means is configured to supply fuel from a supply part located closer to the central part than the second port part toward a central part of the combustion chamber.
[0009]
Further, a characteristic configuration of the operation control method of the spark ignition type engine according to the present invention for achieving the above-described object includes a combustion chamber defined by an inner surface of a cylinder and a top of a piston, and fresh air introduced into the combustion chamber. An intake port, a spark plug disposed at the center of the ceiling of the combustion chamber, and fuel supply means for supplying fuel toward the center of the combustion chamber, and the intake port is provided with a partition wall. The first port portion located on the outside with respect to the central portion, and a second port portion closer to the central portion than the first port portion is partitioned and formed, and the first port portion is opened and the first port portion is opened. A first state in which the second port portion is closed, and a port switching means capable of switching between the first state in which the first port portion is closed and the second state in which the second port portion is opened, Fuel supply means, The spark-ignition engine that is configured to supply the fuel toward than second port portion from the side of the position closer to the central portion in a central portion of the combustion chamber,
In the low-speed low-load region, the port switching device is set to the first state, and the fuel supplied by the fuel supply device is unevenly distributed near the ignition plug to perform stratified combustion. The second state is that the fuel supplied by the fuel supply means is mixed homogeneously with fresh air and homogeneously mixed and burned.
[0010]
That is, according to the first characteristic configuration of the spark ignition type engine and the characteristic configuration of the operation control method of the spark ignition type engine, the intake port for introducing the fresh air into the combustion chamber is arranged in the direction of the fresh air flow through the intake port. The extended partition wall divides a first port portion on the outside (outside in the radial direction of the cylinder) with respect to the center portion of the ceiling of the combustion chamber, and a second port portion closer to the center portion than the first port portion. A first state in which only the first port portion of the first port portion and the second port portion is opened by the port switching means, and only the second port portion. Can be switched to the second state in which is opened.
[0011]
In the low-speed low-load region, the fresh air is introduced into the combustion chamber from the outer first port portion far from the fuel supply unit by setting the port switching unit to the first state by the control device or the like. Therefore, the fuel is prevented from being homogeneously mixed with the fresh air, and the fuel is satisfactorily unevenly distributed in the vicinity of the ignition plug at the center, thereby achieving good stratified combustion and improving combustion efficiency. Can be planned. On the other hand, in a high rotation and high load range, the port switching means is set to the second state by a control device or the like, so that fresh air is introduced into the combustion chamber from the second port portion inside the fuel supply means. Therefore, it is promoted that the fuel is homogeneously mixed with the fresh air, good homogeneous mixed combustion is realized, and high-output operation can be performed while suppressing generation of NOx and knocking.
[0012]
In a second characteristic configuration of the spark ignition engine according to the present invention, in addition to the first characteristic configuration, the first port portion is formed so as to introduce the fresh air toward the piston top portion, The two-port portion is formed so as to introduce the fresh air toward the center of the combustion chamber.
[0013]
That is, according to the second characteristic configuration of the spark ignition type engine, in the low rotation and low load range, fresh air flows from the first port toward the top of the piston (in other words, along the downward direction of the piston). Since the fuel is introduced into the combustion chamber, the fuel supplied from the supply portion located at the center portion of the first port portion to the center portion with the second port portion interposed therebetween is ignited without crossing the fresh air flow. Reaching the vicinity of the plug, good stratified combustion can be performed.
On the other hand, in a high-speed high-load region, fresh air is introduced from the second port portion into the combustion chamber along the direction toward the central portion, so that fresh air is directed from the supply portion adjacent to the second port portion to the central portion. The supplied fuel is diffused by the new airflow to form a homogeneous air-fuel mixture over the entire combustion chamber, so that good homogeneous mixed combustion can be performed.
[0014]
The third characteristic configuration of the spark ignition engine according to the present invention is such that, in addition to the first and second characteristic configurations, the intake port is formed by a partition wall, the first port portion, the second port portion, It is partitioned and formed with a third port portion located closer to the central portion than the second port portion,
The fuel supply means is configured to supply fuel to the combustion chamber via the third port.
[0015]
That is, according to the third characteristic configuration of the spark ignition type engine, the fuel supply means is not directly injected into the combustion chamber, but is relatively injected into the third port located at the most central side of the intake port. Even if the mixture is supplied at a low pressure, the mixture state of the mixture can be made appropriate in each of the stratified combustion and the homogeneous mixture combustion.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a spark ignition type engine (hereinafter, abbreviated as “the present engine”) according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0017]
The engine 100 shown in FIGS. 1 and 2 includes a cylinder 3 and a piston 2 housed in the cylinder 3 and forming a combustion chamber 1 together with the cylinder 3, and the piston 2 is connected to a connecting rod (not shown). ) Is interlocked to a crankshaft (not shown).
[0018]
An intake port 10 having an intake valve 4 and an exhaust port 40 having an exhaust valve 5 are connected to the cylinder 3.
[0019]
An ignition plug 6 for igniting an air-fuel mixture formed in the combustion chamber 1 is provided substantially at the center of the cylinder head 9 at the ceiling of the combustion chamber 1.
[0020]
During the intake stroke, the engine 100 opens only the intake valve 4 and draws fresh air I, which is air, from the intake port 10 into the combustion chamber 1 as the piston 2 descends. The fuel G, which is natural gas, is supplied to the combustion chamber 1 through the combustion chamber 1 through 30, and during the compression stroke, the intake valve 4 and the exhaust valve 5 are closed, and the mixing formed in the combustion chamber 1 as the piston 2 rises. In the combustion / expansion process, the ignition plug 6 is operated to ignite and burn the air-fuel mixture formed in the combustion chamber 1 while the intake valve 4 and the exhaust valve 5 are closed. In the exhaust stroke, only the exhaust valve 5 is opened to discharge the exhaust gas from the combustion chamber 1 to the exhaust port 40 as the piston 2 rises, and the reciprocating motion of the piston 2 Rank shaft (not shown.) Rotational movement varied is configured to output, a so-called spark-ignition engines (SI engines).
[0021]
The fuel supply means 30 of the engine 100 is configured to supply the fuel G from the intake port 10 to a substantially central portion of the combustion chamber 1 where the ignition plug 6 is provided, and in a low rotation and low load region. Is capable of performing stratified combustion by unevenly distributing the fuel G supplied toward the center of the combustion chamber 1 around the ignition plug 6.
[0022]
Specifically, the fuel supply means 30 includes a fuel port portion (third port portion) 14 defined at the most central side of the intake port 10 by a partition wall 11 provided in the intake port 10 along the flow direction. , And a fuel supply valve 31 that supplies the fuel G to the fuel port section 14 with a supply amount control according to the load.
[0023]
Further, the opening 14a of the fuel port portion 14 to the combustion chamber 1 is formed such that its peripheral wall surface is inclined by about 45 ° toward the central portion where the ignition plug 6 is arranged. The fuel G introduced into the combustion chamber 1 flows toward the center of the combustion chamber 1.
[0024]
Further, a portion of the intake port 10 other than the fuel port portion 14 is separated by a partition wall 12 provided along the flow direction of the fresh air I, with a first port portion 15 located outside the central portion, The first port portion 15 and the second port portion 16 are formed so as to be divided into a second port portion 16 located closer to the center than the one port portion 15. .
[0025]
In the intake port 10, the first port portion 15 and the second port portion 16 have substantially the same flow sectional area, and the fuel port portion 14 gradually moves toward the intake valve 4. The flow path cross-sectional area before the diameter expansion is about one fifth of the flow path cross-sectional area of the first port portion 15 and the second port portion 16.
[0026]
Further, a first state (a state shown in FIG. 1) in which the first port section 15 is opened and the second port section 16 is closed, and a state in which the first port section 15 is closed and the second port section is closed. Port switching means 35 capable of switching between a second state (a state shown in FIG. 2) in which the valve 16 is opened (a state shown in FIG. 2) is provided. As shown in FIG. A blocking wall 35a extending so that only one of the first port portion 15 and the second port portion 16 can be closed, and the blocking wall 35a is disposed between the first port portion 15 and the second port portion 16. And an operating portion 35b composed of an actuator for performing a sliding operation.
[0027]
The control device 50 composed of a computer switches the port switching means 35 based on input information such as the rotational speed of the crankshaft and the engine load recognizable from the opening of the fuel supply valve 31 and the accelerator opening. It is configured to perform an operation. That is, in a low rotation speed low load region where the rotation speed is less than the set rotation speed or the engine load is less than the set engine load, the control device 50 determines that the fuel G supplied toward the center of the combustion chamber 1 The port switching means 35 is set to the first state as shown in FIG. By switching, the fresh air I is introduced into the combustion chamber 1 from the outermost first port portion 15 farthest from the fuel port portion 14 as the fuel supply means 30.
[0028]
Further, fresh air I introduced into the combustion chamber 1 from the first port portion 15 flows in a direction toward the top of the piston 2, that is, in a downward direction of the piston 2, and is introduced into the combustion chamber 1 from the fuel port portion 14. In order to perform good stratified combustion without diffusing the fuel G in the combustion chamber 1, the peripheral wall surface of the opening 15 a of the first port 15 is formed in a direction along the direction toward the top of the piston 2. Have been.
[0029]
On the other hand, in a high rotation speed and high load region where the rotation speed is equal to or higher than the set rotation speed or the engine load is equal to or higher than the set engine load, the control device 50 determines that the fuel G supplied toward the center of the combustion chamber 1 The port switching means 35 is switched to the second state shown in FIG. 2 so that fresh air I is adjoined to the fuel port section 14 as the fuel supply means 30 in order to mix well and perform good homogeneous mixed combustion. It is introduced into the combustion chamber 1 from the inner second port portion 16.
[0030]
Further, fresh air I introduced into the combustion chamber 1 from the second port portion 16 flows toward a central portion of the combustion chamber 1 where the ignition plug 6 is arranged, and is introduced into the combustion chamber 1 from the fuel port portion 14. In order to diffuse the fuel G in the combustion chamber 1 and perform good homogeneous mixed combustion, the peripheral wall surface of the opening 16a of the second port portion 16 is formed to be inclined by about 50 ° toward the center.
[0031]
Further, the present engine as described above has a better performance in a high-speed and high-load region (equivalent ratio of about 0.83) as compared with a conventional spark ignition engine in which an intake port is not formed. By performing the homogeneous mixture combustion, the NOx emission can be reduced from 2500 ppm to 1500 ppm, and the knocking strength can be reduced from 5 kPa to 1 kPa. ), By performing good stratified combustion, the combustion efficiency can be improved from 80% to 90%, and the shaft end efficiency can be improved from 30% to 34%.
[0032]
[Another embodiment]
Another embodiment of the spark ignition engine according to the present invention will be described.
[0033]
<1>
The port switching means 35 described in the above embodiment can be configured as shown in FIG.
That is, the port switching means 35 shown in FIG. 4 includes a first shutoff valve 35 c which is configured as a butterfly valve which can rotate in the first port portion 15 to open and close the first port portion 15, and a second shutoff valve 35 c in the second port portion 16. And a second shut-off valve 35d configured as a butterfly valve capable of rotating and opening and closing the second port portion 16 by connecting the rotation shafts in common and having a phase difference of 90 °. Prepare. Then, the port switching means 36 turns the rotation shaft of the first shutoff valve 35c and the second shutoff valve 35d by an operating portion 35e composed of a rotary actuator or the like, thereby closing the second port portion 16. 4 (a), and a second state in which the first port 15 is closed and the second port 16 is open (a state shown in FIG. 4 (b)). And can be switched freely.
The port switching means 35 may be configured to operate the first shut-off valve 35c and the second shut-off valve 35d separately by two operating portions provided for each.
[0034]
<2>
In the above embodiment, air is used as fresh air I introduced into the combustion chamber 1 via the first port portion 15 and the second port portion 16. A lean mixture with air may be used.
Further, in the above embodiment, the fuel G itself is introduced into the combustion chamber 1 through the fuel port portion 14. However, a small amount of air is supplied to the fuel port 14, and the fuel G and a small amount of air are supplied to the fuel port portion 14. May be formed, and the rich mixture may be introduced into the combustion chamber 1 from the fuel port section 14.
[0035]
<3>
In the above-described embodiment, the fuel supply means 30 is constituted by the fuel port portion 14 defined at the center of the intake port 10 and the fuel supply valve 31 for supplying the fuel G to the fuel port portion 14. Alternatively, the fuel supply means 30 may be constituted by a fuel injection valve for directly supplying the fuel G from a position closer to the center side than the intake port 10 in the combustion chamber 1 toward the center side.
[0036]
<4>
In the spark ignition engine according to the present invention, on the intake valve 4 side of the intake port 10, the fuel port portion 14, the first port portion 15, and the second port portion 16 extend outward from the center of the combustion chamber 1. If arranged in the order of description, the effects of the present invention can be exhibited.
[0037]
<5>
Spark-ignition engine according to the present invention, in addition to hydrocarbon fuels such as natural gas, for example, and gaseous fuel mainly composed of CO, H 2, such as hydrogen, propane gas, other than the gaseous fuel, gasoline, Any fuel such as alcohol, methanol, ethanol and the like can be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first state in a spark ignition type engine according to an embodiment; FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second state in a spark ignition type engine according to an embodiment; FIG. FIG. 4 is a partial schematic configuration diagram of a spark ignition type engine according to another embodiment.
1: combustion chamber 2: piston 3: cylinder 4: intake valve 6: spark plug 10: intake ports 11, 12: partition wall 14: fuel port (third port)
14: Opening 14a
15: first port 15a: opening 16: second port 16a: opening 30: fuel supply means 35: port switching means 35a: blocking wall 35b: operating portion 35c: first blocking wall 35d: second blocking wall. 35e: Actuator 50: Control device 100: Engine G: Fuel I: Fresh air

Claims (4)

シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えた火花点火式エンジンであって、
前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記中央部に対して外側に位置する第一ポート部と、前記第一ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する第二ポート部とに区画形成され、
前記第一ポート部を開状態とすると共に前記第二ポート部を閉状態とする第一状態と、前記第一ポート部を閉状態とすると共に前記第二ポート部を開状態とする第二状態とを切換え自在なポート切換手段を備え、
前記燃料供給手段が、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する供給部から前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成された火花点火式エンジン。A combustion chamber defined by a cylinder inner surface and a piston top; an intake port for introducing fresh air into the combustion chamber; a spark plug disposed at a central portion of a ceiling of the combustion chamber; and a central portion of the combustion chamber. A fuel supply means for supplying fuel toward the spark-ignition engine,
The intake port is partitioned by a partition wall into a first port portion located outside the central portion and a second port portion located closer to the central portion than the first port portion. ,
A first state in which the first port is opened and the second port is closed, and a second state in which the first port is closed and the second port is open Port switching means that can be switched between
A spark ignition engine, wherein the fuel supply means is configured to supply fuel from a supply portion located closer to the central portion than the second port portion toward a central portion of the combustion chamber. 前記第一ポート部が、前記新気を前記ピストン頂部に向けて導入するように形成され、前記第二ポート部が、前記新気を前記燃焼室の中央部に向けて導入するように形成されている請求項１に記載の火花点火式エンジン。The first port portion is formed to introduce the fresh air toward the top of the piston, and the second port portion is formed to introduce the fresh air toward the center of the combustion chamber. The spark ignited engine according to claim 1, wherein: 前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記第一ポート部と、前記第二ポート部と、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側に位置する第三ポート部とに区画形成されており、
前記燃料供給手段が、前記第三ポート部を介して前記燃焼室に燃料を供給するように構成されている請求項１又は２に記載の火花点火式エンジン。The intake port is partitioned by a partition wall into the first port portion, the second port portion, and a third port portion located closer to the central portion than the second port portion. ,
The spark ignition engine according to claim 1, wherein the fuel supply unit is configured to supply fuel to the combustion chamber via the third port. シリンダ内面とピストン頂部とで規定される燃焼室と、前記燃焼室に新気を導入する吸気ポートと、前記燃焼室の天井の中央部に配置された点火プラグと、前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給する燃料供給手段とを備えると共に、前記吸気ポートが、仕切り壁により、前記中央部に対して外側に位置する第一ポート部と、前記第一ポート部よりも前記中央部に近い第二ポート部とに区画形成され、前記第一ポート部を開状態とすると共に前記第二ポート部を閉状態とする第一状態と、前記第一ポート部を閉状態とすると共に前記第二ポート部を開状態とする第二状態とを切換え自在なポート切換え手段を備え、前記燃料供給手段が、前記第二ポート部よりも前記中央部に近い側の位置から前記燃焼室の中央部に向けて燃料を供給するように構成された火花点火式エンジンにおいて、
低回転低負荷域において前記ポート切換手段を前記第一状態として前記燃料供給手段で供給された燃料を前記点火プラグ近傍に偏在させて成層燃焼させ、高回転高負荷域において前記ポート切換手段を前記第二状態として前記燃料供給手段で供給された燃料を新気と均質混合させて均質混合燃焼させる火花点火式エンジンの運転制御方法。A combustion chamber defined by a cylinder inner surface and a piston top; an intake port for introducing fresh air into the combustion chamber; a spark plug disposed at a central portion of a ceiling of the combustion chamber; and a central portion of the combustion chamber. Fuel supply means for supplying fuel toward the first port portion, wherein the intake port is located outside the central portion by a partition wall, and the first port portion is closer to the central portion than the first port portion. A first state in which the first port is opened and the second port is closed, and a first state in which the first port is closed and the second port is closed. A port switching unit that can switch between a second state in which the two-port part is opened and a fuel supply unit, wherein the fuel supply means is arranged at a central part of the combustion chamber from a position closer to the central part than the second port part. To supply fuel to In the produced spark-ignition engine,
In the low-speed low-load region, the port switching device is set to the first state, and the fuel supplied by the fuel supply device is unevenly distributed near the ignition plug to perform stratified combustion. An operation control method for a spark ignition type engine in which the fuel supplied by the fuel supply means is homogeneously mixed with fresh air and homogeneously mixed and burned in a second state.
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