JP2005330842A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関に係り、詳しくは吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部EGRが可能に構成された内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly, to an internal combustion engine configured to be capable of internal EGR in which a part of exhaust gas flows backward from an exhaust port into a combustion chamber during an intake stroke.
従来の内燃機関は大きく分けると、SI(Spark Ignition)エンジンと、ディーゼルエンジンの2つである。しかし、SIエンジンはリーン化で熱効率向上が可能だが、火炎伝播可能な当量比に限界があるため、スロットルによる空気量の調整が必要で熱効率はディーゼルエンジンより劣る。また、ディーゼルエンジンは熱効率は良いが十分な混合がなされないため、局所高温燃焼によりNOxが発生し易く、局所リッチで煤が発生し易い。 Conventional internal combustion engines can be broadly divided into two types: SI (Spark Ignition) engines and diesel engines. However, the SI engine can improve heat efficiency by leaning, but there is a limit to the equivalence ratio that allows flame propagation, so adjustment of the air amount by the throttle is necessary and the heat efficiency is inferior to that of the diesel engine. Diesel engines have good thermal efficiency but are not sufficiently mixed. Therefore, NOx is likely to be generated by local high-temperature combustion, and soot is likely to be locally rich.
これらのエンジンと比較して、予混合圧縮自着火機関は予混合するため、局所の高温やリッチが発生する可能性が小さく、低NOxで煤の発生はほとんど無い。また、化学変化による着火のため、当量比に対する依存度がSIエンジンよりも少ないため、大幅なリーン化が可能でありディーゼルエンジン並の熱効率を得ることができる。これらの長所を備えた予混合圧縮自着火機関が注目されている。予混合圧縮自着火燃焼は、熱が十分すぎると急激な燃焼となり、逆に、熱が足りないと失火してしまうため、現行のエンジンと比較して失火やノック・過早着火等が発生し易くなり、運転可能範囲が狭くなり易いという問題がある。 Compared to these engines, the premixed compression auto-ignition engine premixes, so there is less possibility of local high temperature and richness, and low NOx and almost no soot generation. In addition, because of the ignition due to chemical change, the dependence on the equivalence ratio is less than that of the SI engine, so that a significant leaning is possible and the thermal efficiency equivalent to that of a diesel engine can be obtained. A premixed compression auto-ignition engine having these advantages has attracted attention. In premixed compression auto-ignition combustion, if the heat is too high, it becomes abrupt combustion, and conversely, if there is not enough heat, it will misfire, causing misfire, knocking, pre-ignition, etc. compared to the current engine. There is a problem that the operating range is easily narrowed.
ノッキング等の異常燃焼を抑制する予混合圧縮自着火燃焼を行わせるため、気筒内に不均一な分布状態を生ぜしめるようにした予混合圧縮自着火機関が提案されている(特許文献1参照。)。そして、気筒内に不均一な分布状態を生ぜしめる方法として、気筒内の燃料分布を不均一な状態とすること、環流ガスが気筒内で不均一な分布状態となるようにすること等が提案されている。 In order to perform premixed compression autoignition combustion that suppresses abnormal combustion such as knocking, a premixed compression autoignition engine is proposed in which a non-uniform distribution state is generated in the cylinder (see Patent Document 1). ). Then, as a method for generating a non-uniform distribution state in the cylinder, it is proposed to make the fuel distribution in the cylinder non-uniform and to make the circulating gas non-uniform distribution in the cylinder. Has been.
また、ガソリンエンジンにおいて安定した圧縮自着火燃焼を行わせるために、排気ポートから排気ガスを燃焼室内に逆流させるとともに、その逆流排気ガスを燃焼室の外周に沿って流入させることが提案されている(特許文献2参照。)。具体的には、図10に示すように、燃焼室61に連通する第1吸気ポート62及び第2吸気ポート63と、燃焼室61に連通する第1排気ポート64及び第2排気ポート65とを備えている。各ポートの開口部62a,63a,64a,65aは、それぞれ図示しない弁により開閉されるようになっている。第1吸気ポート62には燃料噴射弁66が設けられ、第2吸気ポート63には開閉弁67が設けられている。燃焼室61の中心と対応する位置に点火プラグ68が設けられている。
Further, in order to perform stable compression auto-ignition combustion in a gasoline engine, it has been proposed to cause exhaust gas to flow back into the combustion chamber from the exhaust port and to flow back flow exhaust gas along the outer periphery of the combustion chamber. (See Patent Document 2). Specifically, as shown in FIG. 10, a
第2排気ポート65は、第1排気ポート64と同様に排気行程において既燃焼ガスを排出するが、吸気行程の途中において一時排気ガスが燃焼室61に逆流するように弁が開閉制御される。第2排気ポート65は逆流排気ガスが燃焼室61の外周方向に沿って流入するように、かつ第1吸気ポート62から流入する燃料が燃焼室61の中心部に向かって流入する邪魔にならないように設けられている。そして、燃焼室61の外周部領域に逆流排気(内部EGR)が主として分布し、燃焼室61の中心部領域に燃料と空気との混合気が分布する状態になっている。
予混合圧縮自着火燃焼において、気筒内の温度ムラや混合気ムラは確かに燃焼状態に影響を与えるが、ムラの状態によってはノッキングから一気に失火する可能性もある。特許文献1には、具体的な気筒内混合気の状態に関して記載がない。一方、特許文献2に記載されたように、燃焼室の中心部に混合気を集め、燃焼室の壁面に沿うように内部EGRの逆流排気ガス(以下、単に内部EGRガスと言う。)を流入させる方法においては、予混合圧縮自着火燃焼を安定して行うことができる。ところで、内部EGRガスは既燃焼ガスのため燃えないので、内部EGRガス量はできるだけ少なくしたい。しかし、内部EGRガスを燃焼室の壁面に沿うように流入させる特許文献2の方法では、燃焼室の壁面は冷却水等の冷却効果で中心部より低くなっているため、内部EGRガスの温度が下がり易くなり、低負荷での運転時に燃焼が不安定になる虞がある。また、そのため、内部EGRガス量を少なくするのが難しく、その分、燃焼室に供給する混合気の量を多くすることができない。従って、内部EGRガスを燃焼室の壁面側に集める方法では、広い負荷範囲において安定して予混合圧縮自着火燃焼をおこなうのは難しい。
In the premixed compression self-ignition combustion, the temperature unevenness and the air-fuel mixture unevenness in the cylinder certainly affect the combustion state, but depending on the state of the unevenness, there is a possibility of misfire from knocking.
また、火花点火燃焼においても排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる前記内部EGRを使用したい場合があるが、温度が高い内部EGRガスを燃焼室の特定部分に集めると、ホットスポットでノッキングが発生し易くなる。特許文献2の構成では、内部EGRガスと吸気との混合を促進することは配慮されておらず、特許文献2の構成を火花点火燃焼に適用した場合、安定した燃焼は難しい。 Further, in spark ignition combustion, there is a case where it is desired to use the internal EGR that causes a part of the exhaust gas to flow backward from the exhaust port into the combustion chamber. However, if the internal EGR gas having a high temperature is collected in a specific portion of the combustion chamber, Therefore, knocking is likely to occur. In the configuration of Patent Document 2, consideration is not given to promoting the mixing of the internal EGR gas and the intake air, and stable combustion is difficult when the configuration of Patent Document 2 is applied to spark ignition combustion.
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる前記内部EGRを使用する際に、予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼に限らず、広い負荷範囲で安定して燃焼を行うことができる内燃機関を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and its object is to use premixed compression auto-ignition when using the internal EGR that causes a part of the exhaust gas to flow backward from the exhaust port into the combustion chamber. In addition to combustion and spark ignition combustion, an object of the present invention is to provide an internal combustion engine that can stably perform combustion in a wide load range.
前記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる内部EGRを行う内部EGR手段と、前記内部EGR手段を構成し、排気ガスの一部を燃焼室内に逆流させる排気吸入ポートとを備えている。また、前記排気吸入ポートから前記燃焼室内に流入する排気ガスの流れと同方向の流れとなるように吸気を前記燃焼室に供給する第1吸気ポートと、前記排気吸入ポートから前記燃焼室内に流入する排気ガスとの混合を促進するように吸気を前記燃焼室に供給する第2吸気ポートと、前記第1吸気ポート及び第2吸気ポートから前記燃焼室へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁とを備えている。また、機関の運転条件に基づいて前記流量調整弁を制御し、内部EGRガスと吸気との混合を促進したい場合に前記第2吸気ポートからのみ吸気を供給するように前記流量調整弁を制御する制御手段を備えている。ここで、「吸気」とは、燃焼室に接続された吸気ポートから燃焼室に供給される気体を意味し、空気等の含有酸素ガスに限らず、それらと燃料ガスとの混合気をも含む。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided an internal EGR means for performing an internal EGR for causing a part of exhaust gas to flow backward from an exhaust port into the combustion chamber in the middle of an intake stroke, and the internal EGR means. And an exhaust suction port for allowing a part of the exhaust gas to flow back into the combustion chamber. A first intake port for supplying intake air to the combustion chamber so as to flow in the same direction as an exhaust gas flowing into the combustion chamber from the exhaust intake port; and an inflow into the combustion chamber from the exhaust intake port A second intake port for supplying intake air to the combustion chamber so as to promote mixing with exhaust gas to be controlled, and a supply amount of intake air supplied from the first intake port and the second intake port to the combustion chamber can be controlled And an appropriate flow control valve. Further, the flow rate adjusting valve is controlled based on engine operating conditions, and the flow rate adjusting valve is controlled so that intake air is supplied only from the second intake port when it is desired to promote mixing of internal EGR gas and intake air. Control means are provided. Here, “intake” refers to gas supplied to the combustion chamber from an intake port connected to the combustion chamber, and includes not only oxygen gas such as air but also a mixture of these and fuel gas. .
従って、この発明では、燃焼室への吸気の供給は、第1吸気ポート及び第2吸気ポートから供給可能であり、内部EGRを行う際には、第2吸気ポートからのみ吸気が供給されるように流量調整弁が制御される。従って、排気吸入ポートから燃焼室に流入する排気ガス、即ち内部EGRガスと吸気との混合が促進され、予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼に限らず、安定して燃焼を行うことができる。 Accordingly, in the present invention, the intake air can be supplied to the combustion chamber from the first intake port and the second intake port, and when performing the internal EGR, the intake air is supplied only from the second intake port. The flow rate adjusting valve is controlled. Therefore, the mixing of the exhaust gas flowing into the combustion chamber from the exhaust intake port, that is, the internal EGR gas and the intake air is promoted, and the combustion can be stably performed without being limited to the premixed compression self-ignition combustion and the spark ignition combustion. .
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、内燃機関は、燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室においてピストンで圧縮して自着火燃焼させ、前記ピストンの往復運動を出力軸の回転運動とする予混合圧縮自着火機関である。前記排気吸入ポートは前記燃焼室に流入する排気ガスが前記燃焼室の中心部に向かうように設けられている。また、前記第1吸気ポートは前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の内周面に沿う流れとなるように設けられ、前記第2吸気ポートは前記燃焼室に供給される吸気が前記燃焼室の内周面に沿う流れで前記第1吸気ポートから供給される吸気の流れと逆方向となるように設けられている。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the internal combustion engine compresses a mixture of fuel and oxygen-containing gas with a piston in a combustion chamber and performs self-ignition combustion, and the piston reciprocates. Is a premixed compression auto-ignition engine with a rotary motion of the output shaft. The exhaust suction port is provided so that exhaust gas flowing into the combustion chamber is directed toward the center of the combustion chamber. The first intake port is provided so that the intake air supplied to the combustion chamber flows along the inner peripheral surface of the combustion chamber, and the second intake port receives the intake air supplied to the combustion chamber. A flow along the inner peripheral surface of the combustion chamber is provided so as to be opposite to the flow of the intake air supplied from the first intake port.
この発明では、排気吸入ポートから燃焼室内に逆流される内部EGRガスは燃焼室の中心部に集まり、第1吸気ポート及び第2吸気ポートから燃焼室に供給される吸気は燃焼室の内周面沿う流れとなり、内部EGRガスと混合気とは内部EGRガスが内側の層状になる。そして、圧縮行程で圧縮されると、内部EGRガスと混合気との界面から予混合圧縮自着火燃焼が開始される。内部EGRガスが中心部に集まるため、内部EGRガスが少量でも温度を高くすることができ、高負荷においても安定した予混合圧縮自着火燃焼が可能になる。 In this invention, the internal EGR gas that flows back from the exhaust intake port into the combustion chamber gathers in the center of the combustion chamber, and the intake air supplied from the first intake port and the second intake port to the combustion chamber is the inner peripheral surface of the combustion chamber. The internal EGR gas and the air-fuel mixture are layered on the inner EGR gas. When the compression is performed in the compression stroke, premixed compression self-ignition combustion is started from the interface between the internal EGR gas and the air-fuel mixture. Since the internal EGR gas gathers in the center, the temperature can be increased even with a small amount of the internal EGR gas, and stable premixed compression auto-ignition combustion is possible even at high loads.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記燃焼室には点火装置が装備されるとともに、排気ポートは複数設けられ、一つの排気ポートが前記排気吸入ポートとなっている。前記制御手段は、内燃機関の運転条件に応じて、予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第1吸気ポートからのみ吸気を供給する状態と、予混合圧縮自着火燃焼運転時において前記第1吸気ポート及び第2吸気ポートの両方から吸気を供給する状態と、火花点火燃焼運転時において前記第2吸気ポートからのみ吸気を供給する状態とに前記流量調整弁を制御する。 The invention according to claim 3 is the invention according to claim 2, wherein the combustion chamber is equipped with an ignition device, a plurality of exhaust ports are provided, and one exhaust port serves as the exhaust intake port. Yes. The control means supplies the intake air only from the first intake port during the premixed compression autoignition combustion operation and the first intake air during the premixed compression autoignition combustion operation according to the operating conditions of the internal combustion engine. The flow rate adjusting valve is controlled to a state in which intake air is supplied from both the port and the second intake port and a state in which intake air is supplied only from the second intake port during the spark ignition combustion operation.
従って、この発明では、内部EGRを行う場合、第1吸気ポートからのみ吸気を供給する状態では内部EGRガスと吸気とは成層状が乱されずに圧縮され中央付近から着火が生じる。また、第1吸気ポート及び第2吸気ポートから吸気を供給する状態では、第2吸気ポートから供給される吸気は、内部EGRガスと逆方向の流れのため吸気と内部EGRガスとの混合が促進されるとともに、第1吸気ポートから供給される吸気と流れが逆方向のため吸気同士でも混合が促進され。その結果、ホットスポットが少なくなり、燃焼が緩慢になってノッキング等の異常燃焼が抑制される。また、火花点火燃焼時には、第2吸気ポートのみから吸気を供給することにより、吸気と内部EGRガスとの混合がより促進され、自着火を起こすホットスポットを無くしてノッキングの抑制が行われる。従って、広い負荷条件において安定した燃焼を行うことができる。 Therefore, in the present invention, when performing the internal EGR, the internal EGR gas and the intake air are compressed without being disturbed in the stratified state in a state where the intake air is supplied only from the first intake port, and ignition occurs from around the center. In addition, in a state in which intake air is supplied from the first intake port and the second intake port, the intake air supplied from the second intake port flows in the opposite direction to the internal EGR gas, so that mixing of the intake air and the internal EGR gas is promoted. In addition, since the intake air supplied from the first intake port and the flow are in the opposite direction, mixing is promoted even between the intake air. As a result, hot spots are reduced, combustion is slowed down, and abnormal combustion such as knocking is suppressed. Further, at the time of spark ignition combustion, by supplying intake air from only the second intake port, mixing of the intake air and the internal EGR gas is further promoted, and knocking is suppressed by eliminating hot spots that cause self-ignition. Therefore, stable combustion can be performed under a wide load condition.
請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記燃焼室に排気ポートは2個設けられ、一方の排気ポートが前記排気吸入ポートとなり、該排気吸入ポートには流量調整手段が設けられている。従って、この発明では、排気吸入ポートから排気ガスを逆流させて内部EGRを行う場合、排気吸入ポートを開閉する排気弁の開閉時期は一定でも、流量調整手段で流量を調整することにより、燃焼状態の制御が容易になる。
The invention according to claim 4 is the invention according to any one of
本発明によれば、排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室内に逆流させる前記内部EGRを使用する際に、予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼に限らず、安定して燃焼を行うことができる。 According to the present invention, when using the internal EGR that causes a part of the exhaust gas to flow backward from the exhaust port into the combustion chamber, not only premixed compression self-ignition combustion and spark ignition combustion, but also stable combustion is performed. Can do.
以下、本発明を予混合圧縮自着火機関に具体化した一実施形態を図1〜図6に従って説明する。図1は予混合圧縮自着火機関の燃焼室、吸気ポート、排気ポートの関係を示す模式平面図であり、図2は予混合圧縮自着火機関の概略構成図である。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a premixed compression self-ignition engine will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic plan view showing the relationship between a combustion chamber, an intake port, and an exhaust port of a premixed compression self-ignition engine, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the premixed compression autoignition engine.
図2に示すように、予混合圧縮自着火機関10(以下、単に機関と称す場合もある。)は、機関本体11と、予混合圧縮自着火機関10を電子制御する制御装置12とを備えている。
As shown in FIG. 2, the premixed compression autoignition engine 10 (hereinafter sometimes simply referred to as an engine) includes an
機関本体11は、複数のシリンダ13a(図では1個のみ図示)が形成されたシリンダブロック13と、シリンダヘッド14とを備えている。各シリンダ13a内にはピストン15が往復動可能に設けられている。ピストン15と、シリンダ13a及びシリンダヘッド14によって燃焼室16が形成されている。ピストン15は燃焼室16での吸気・圧縮後の爆発燃焼から得られる推進力によってシリンダ13a内を往復運動し、ピストン15の往復運動がコンロッド17を介して出力軸としてのクランクシャフト18の回転運動に変換されて出力が得られる。機関本体11は4サイクル内燃機関である。
The
シリンダヘッド14には第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20と、第1の排気ポート21と、排気吸入ポートとしての第2の排気ポート22とが設けられている。第2の排気ポート22はヘリカルポートとして形成されており、第2の排気ポート22から燃焼室16へ逆流する排気ガスが燃焼室16の中心部に流入するように設けられている。第2の排気ポート22は排気ガスが渦流となって燃焼室16に流入し易い形状に形成されているため、排気行程における排気に適した形状ではない。排気行程における排気を円滑に行うため、第1の排気ポート21は第2の排気ポート22より内径が大きく形成されている。
The cylinder head 14 is provided with a
第1吸気ポート19は、吸気(新気)が、第2の排気ポート22から燃焼室16内に逆流する排気ガスの流れと同方向で燃焼室16の周壁面に沿う流れとなって供給されるように形成されている。具体的には燃焼室16の内壁面に対する接線方向に延びるように形成されている。第2吸気ポート20は、吸気(新気)が、第1吸気ポート19から燃焼室16内に供給される吸気と逆方向で燃焼室16の周壁面に沿う流れとなるように形成されている。
The
各吸気ポート19,20には燃焼室16に臨む開口部をそれぞれ開閉する吸気弁23,24が設けられ、各排気ポート21,22には燃焼室16に臨む開口部をそれぞれ開閉する排気弁25,26が設けられている。両吸気弁23,24は、可変動弁機構27により同時に開閉可能に構成されている。両排気弁25,26は、可変動弁機構28により、排気行程においては同時に開閉可能に、かつ吸気行程においては第2の排気ポート22用の排気弁26のみが所定のタイミングで開閉可能に構成されている。可変動弁機構27,28は、カムシャフト29,30を使用してカム31,32により吸気弁23,24あるいは排気弁25,26を開閉作動させる公知のバルブタイミング可変機構が使用されている。排気弁26用のカム32には2段カムが使用され、一つのカムで排気行程における排気弁26の開閉と、吸気行程における排気弁26の開閉とが可能に構成されている。
Each
また、シリンダヘッド14には、点火装置としての点火プラグ33がその点火部を燃焼室16に露出させた状態で設けられている。
シリンダヘッド14には下流側で分岐して両吸気ポート19,20に繋がる吸気通路34と、上流側で分岐して両排気ポート21,22に繋がる排気通路35とがそれぞれ接続されている。吸気通路34には分岐部より上流に燃料噴射ノズル36が設けられ、燃料噴射ノズル36は管路37を介して図示しない燃料タンクに接続されている。管路37の途中には燃料供給量を制御する電磁制御弁38が設けられている。この実施形態では燃料として天然ガスが使用されている。また、吸気通路34の燃料噴射ノズル36より上流にはスロットルバルブ39及びエアクリーナ40が設けられている。スロットルバルブ39はスロットルモータ(電動モータ)41によって作動される電動式であり、スロットルバルブ39を開度調整することにより、燃焼室16内に供給される酸素含有ガスとしての吸入空気の流量が調整される。吸気通路34には燃料噴射ノズル36より上流側に、吸気通路34内の温度を検出する温度センサ42と、吸気流量を検出するエアフローメータ43とが設けられている。
Further, the cylinder head 14 is provided with a
The cylinder head 14 is connected to an
吸気通路34の分岐部には、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から燃焼室16へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁44が設けられている。流量調整弁44は、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20への吸気の流量が流量調整弁44より上流における吸気通路34内の吸気の流量の0〜100%の範囲でそれぞれ調整可能になっている。即ち、流量調整弁44は、第1吸気ポート19からのみ吸気を供給する状態と、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両方から吸気を供給する状態と、第2吸気ポートからのみ吸気を供給する状態とに流量を調整可能になっている。流量調整弁44として、例えばスプール弁を使用できる。
A flow
予混合圧縮自着火機関10の運転を制御する制御装置12は、出力設定手段45により設定された負荷及び回転速度の要求を満たした状態で機関10が運転されるように、可変動弁機構27,28、電磁制御弁38、スロットルモータ41、点火プラグ33及び流量調整弁44を制御する。
The
制御装置12はマイクロコンピュータ(以下「マイコン」と称す)46を内蔵する。マイコン46は記憶装置としてのメモリ(ROMおよびRAM)47を備える。温度センサ42、エアフローメータ43、機関本体11における水温を検出する水温センサ48、機関本体11の回転速度、即ちクランクシャフト18の回転速度を検出する回転速度センサ49、出力設定手段45は、制御装置12の入力側(入力インタフェイス)にそれぞれ電気的に接続されている。可変動弁機構27,28、電磁制御弁38、点火プラグ33、スロットルモータ41及び流量調整弁44は、制御装置12の出力側(出力インタフェイス)にそれぞれ電気的に接続されている。
The
制御装置12は、各センサ類から出力される検出信号に基づいて予混合圧縮自着火機関10の運転状態を判断し、所定の運転状態となるように可変動弁機構27,28、電磁制御弁38、点火プラグ33、スロットルモータ41及び流量調整弁44を制御する。制御装置12は、エアフローメータ43の検出信号及び電磁制御弁38の開度に基づいて空燃比を演算する。
The
メモリ47には、温度センサ42、エアフローメータ43、水温センサ48及び回転速度センサ49の検出信号から把握される運転状態に基づいて、予混合圧縮自着火機関10の制御のために指令すべき各種指令値(制御値)の決定に用いられるマップ、式等が記憶されている。前記マップ、式等には、例えば燃料噴射量、スロットル開度、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20からの吸気供給量、点火時期等を決めるマップ、式等が含まれる。
In the
メモリ47には、予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップが記憶されている。前記マップには図3に示すように、予混合圧縮自着火燃焼(HCCI)可能な範囲が、負荷とクランクシャフト18の回転速度との関係として、即ち負荷と機関の回転速度との関係として表されているマップM1がある。また、安定な予混合圧縮自着火燃焼が可能な範囲での機関の回転速度及び負荷に対する空燃比のマップがある。また、第1及び第2吸気ポート19,20からどのように吸気を供給するか、即ち流量調整弁44の適正調整状態を負荷及び機関の回転速度との関係で示すマップもある。また、メモリ47には予混合圧縮自着火燃焼運転用のマップの他に、火花点火燃焼運転用のマップ(図示せず)も記憶されている。これらのマップは予め試験に基づいて作成される。
The
制御装置12は、前記マップM1に基づいて要求負荷及び回転速度に対応して予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かを判断し、予混合圧縮自着火燃焼運転が可能な場合は予混合圧縮自着火燃焼運転で、不能な場合は火花点火燃焼運転で、要求負荷及び回転速度に対応するように制御を行う。制御装置12は、要求負荷及び回転速度に対応する予混合圧縮自着火機関10の運転条件に基づいて吸気をどのような状態で燃焼室16へ供給するか、即ち第1吸気ポート19のみから、第2吸気ポート20のみからあるいは第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両方から供給するかを判断する。そして、判断結果に基づいて流量調整弁44を制御する。
Based on the map M1, the
次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
制御装置12は、予混合圧縮自着火機関10の運転に際して、予混合圧縮自着火燃焼運転を優先的に行うように運転を行うが、要求負荷及び機関回転速度が予混合圧縮自着火燃焼が可能な範囲にない場合は、火花点火燃焼運転を行う。また、制御装置12は、暖機完了までは火花点火燃焼運転を行う。
Next, the operation of the apparatus configured as described above will be described.
When the premixed
制御装置12は、水温センサ48及び回転速度センサ49等の検出信号から機関本体11の運転状態を把握する。そして、暖機完了後、出力設定手段45で設定された要求回転速度及び負荷を満たす状態で、予混合圧縮自着火燃焼運転が可能か否かをマップM1に基づいて判断し、その判断結果に従って予混合圧縮自着火燃焼運転あるいは火花点火燃焼運転を行うように、目標回転速度及び負荷を演算する。
The
制御装置12は、予混合圧縮自着火燃焼運転の場合は、その目標回転速度及び負荷に対応した適正な燃焼状態となる、空燃比及び吸気の供給状態となるように、電磁制御弁38、スロットルモータ41及び流量調整弁44を制御する。また、火花点火燃焼運転の場合は、目標回転速度及び負荷に対応した適正な燃焼状態となる、空燃比、吸気の供給状態及び点火時期となるように、電磁制御弁38、スロットルモータ41、点火プラグ33及び流量調整弁44を制御する。
In the case of the premixed compression auto-ignition combustion operation, the
第2の排気ポート22から燃焼室16へ逆流する排気ガス(内部EGRガス)は、一定方向の渦流(矢印V1)となって燃焼室16の中心部に流入する。そして、第1吸気ポート19からのみ吸気(新気)が供給され、第2の排気ポート22から排気ガスが逆流する場合、図4(a)に示すように、吸気は内部EGRガスと同方向の流れ(矢印Y1)となって燃焼室16の内周に沿うように供給される。従って、内部EGRガスが中央付近に集まり、その外側が新気となる成層状態となり、圧縮行程において筒内中央が高温となって、中央付近から自着火が起こり、安定して予混合圧縮自着火燃焼が行われる。第1吸気ポート19からのみ吸気が供給されるのは、比較的低負荷のときである。
Exhaust gas (internal EGR gas) that flows backward from the
また、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両者から吸気が供給され、第2の排気ポート22から排気ガスが逆流する場合、図4(b)に示すように、第2吸気ポート20から供給される吸気は、第1吸気ポート19から供給される吸気と逆方向の流れ(矢印Y2)となる。第2吸気ポート20から供給される吸気は、内部EGRガスとも流れの方向が逆のため、図4(b)に二点鎖線で示す範囲において混合が促進される。また、第1吸気ポート19から供給される吸気と、第2吸気ポート20から供給される吸気とがぶつかり合うことによっても混合が促進される。その結果、圧縮行程において吸気及び内部EGRガスが高温になった際、ホットスポットが少なくなり、燃焼が緩慢になるため、予混合圧縮自着火燃焼が安定する。第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20の両者から吸気が供給されるのは比較的高負荷のときである。
When intake air is supplied from both the
また、予混合圧縮自着火燃焼では対応できない火花点火燃焼の際に内部EGRを行う場合、第2吸気ポート20のみから吸気を供給すると、吸気と内部EGRガスとの混合が大幅に促進されるため、自着火を起こすホットスポットが生じ難くなり、ノッキングが抑制される。
In addition, when internal EGR is performed during spark ignition combustion that cannot be handled by premixed compression self-ignition combustion, if intake air is supplied only from the
内部EGRは吸気行程の途中で第2の排気ポート22を開閉することで行われる。図5は可変動弁機構27,28のバルブタイミングの一例を示す図である。吸気弁23,24及び排気弁25,26は、排気行程から吸気行程に移る際のピストン15の上死点(TDC)付近において開放状態のオーバーラップが存在するように開閉時期が設定されている。また、第2の排気ポート22を開閉する排気弁26は、排気行程においては排気弁25と同じタイミングで開閉されるが、吸気行程において単独で開閉される。
The internal EGR is performed by opening and closing the
予混合圧縮自着火機関10の運転は図6のフローチャートに従って行われる。先ずステップS1で、暖機運転が行われる。制御装置12はメモリ47に記憶されている火花点火燃焼運転用のマップ(SI基本マップ)により、暖機運転の条件を満たす空燃比になるように、電磁制御弁38及びスロットルモータ41に指令信号を出力する。また、制御装置12は、暖機運転の条件を満たす火花点火燃焼を行うのに適したバルブタイミング及び点火時期となるように、可変動弁機構27,28及び点火プラグ33に指令信号を出力する。
The operation of the premixed compression auto-
次に制御装置12はステップS2で、水温センサ48の検出信号に基づき、暖機が完了したか否かを判断する。即ち、水温センサ48の検出温度が暖機が完了した状態の温度以上か否かを判断し、暖機が完了していればステップS3に進み、暖機が完了していなければステップS1に戻る。暖機が完了した状態の温度は、予め試験により求められてメモリ47に記憶されている。
Next, in step S2, the
制御装置12はステップS3で、要求回転速度及び負荷に対して冷却水温が規定値より大きいか否かを判断する。そして、冷却水温が規定値より大きければステップS4に進み、冷却水温が規定値以下であればステップS5に進む。前記規定値は、要求回転速度及び負荷に対応して予混合圧縮自着火燃焼(HCCI)運転を安定して行うことができる状態の機関本体11の温度を予め試験で確認して設定されたものであり、メモリ47に記憶されている。
In step S3, the
制御装置12はステップS4で、要求回転速度及び負荷に対する予混合圧縮自着火燃焼運転可能領域を図3のマップM1から判断し、要求回転速度及び負荷に対する予混合圧縮自着火燃焼運転可能であればステップS6に進み、予混合圧縮自着火燃焼運転可能でなければステップS5に進む。制御装置12はステップS5で、現在の水温において、要求回転速度及び負荷に対応する火花点火燃焼運転に適した空燃比となるように電磁制御弁38及びスロットルモータ41に指令信号を出力した後、ステップS3に進む。その結果、予混合圧縮自着火機関10は要求回転速度及び負荷を満たすように火花点火燃焼で運転される。制御装置12は、ステップS5において、内部EGRを行う場合は、第2吸気ポート20のみから吸気を供給するように流量調整弁44に指令信号を出力し、内部EGRを行わない場合は、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から吸気を供給するように流量調整弁44に指令信号を出力する。
In step S4, the
制御装置12はステップS6で、要求回転速度及び負荷に対応する目標回転速度及び負荷に対して、目標内部EGR量、空燃比及び吸気の供給状態を演算する。そして、その目標内部EGR量、空燃比及び吸気の供給状態となるように、可変動弁機構27,28、電磁制御弁38、スロットルモータ41及び流量調整弁44に指令信号を出力した後、ステップS3に進む。その結果、予混合圧縮自着火機関10は要求回転速度及び負荷を満たすように予混合圧縮自着火燃焼で運転される。
In step S6, the
ステップS6を詳述すると、制御装置12は、目標回転速度及び負荷に対して、内部EGR量及び空燃比を設定するだけでなく、吸気の供給状態も設定する。吸気の供給状態とは、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20からそれぞれどれだけ吸気が燃焼室16に供給されるかを意味し、この実施形態では、吸気の供給状態を設定するとは流量調整弁44の流量配分を設定することである。制御装置12は、運転条件に応じて第1吸気ポート19からのみ吸気を供給するか、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から吸気を供給するかを判断して、運転条件に適した吸気の供給状態に流量調整弁44を調整するように指令信号を出力する。
To describe step S6 in detail, the
この実施形態では以下の効果を有する。
(1)予混合圧縮自着火機関10は、吸気行程の途中において排気ガスの一部を排気ポートから燃焼室16内に逆流させる第2の排気ポート22と、第2の排気ポート22から燃焼室16内に流入する排気ガス(内部EGRガス)の流れと同方向の流れとなるように吸気を燃焼室16に供給する第1吸気ポート19とを備えている。また、第2の排気ポート22から燃焼室16内に流入する排気ガスとの混合を促進するように吸気を燃焼室16に供給する第2吸気ポート20とを備えている。そして、少なくとも内部EGRガスと吸気との混合を促進したい場合に第2吸気ポート20から吸気を供給するように流量調整弁44を制御する制御装置12を備えている。従って、内部EGRガスと吸気との混合が促進され、予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼に限らず、安定して燃焼を行うことができる。
This embodiment has the following effects.
(1) The premixed compression self-
(2)内燃機関は、燃料と酸素含有ガスとの混合気を燃焼室16においてピストン15で圧縮して自着火燃焼させ、ピストン15の往復運動を出力軸(クランクシャフト18)の回転運動とする予混合圧縮自着火機関10である。そして、排気吸入ポート(第2の排気ポート22)は燃焼室16に流入する排気ガスが燃焼室16の中心部に向かうように設けられ、第1吸気ポート19は燃焼室16に供給される吸気が燃焼室16の内周面に沿う流れとなるように設けられている。また、第2吸気ポート20は燃焼室16に供給される吸気が燃焼室16の内周面に沿う流れで第1吸気ポート19から供給される吸気の流れと逆方向となるように設けられている。従って、内部EGRガスと混合気とは内部EGRガスが内側の層状になり、圧縮行程で圧縮されると、内部EGRガスと混合気との界面から予混合圧縮自着火燃焼が開始される。その結果、着火性が向上し、低負荷側における予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲が拡大する。また、内部EGRガスが中心部に集まるため、内部EGRガスが少量でも温度を高くすることができ、内部EGRガス量を少なくでき、その分混合気の量が増やせるため、高負荷側における予混合圧縮自着火燃焼可能な範囲が拡大する。
(2) The internal combustion engine compresses the air-fuel mixture of fuel and oxygen-containing gas with the
(3)内部EGRガスが燃焼室16の中心部に集められるため、圧縮された状態において、燃焼室16中央から周壁面の間の温度の勾配が急になる。内部EGRガスと吸気とが均一に混合されると、圧縮された状態において前記温度の勾配はなだらかになり、ノッキングが発生し易くなる。しかし、この実施形態では前記のように温度の勾配が急になるため、予混合圧縮自着火燃焼においてノッキングが発生し難くなる。
(3) Since the internal EGR gas is collected at the center of the
(4)吸気の供給状態が、第1吸気ポートからのみ吸気を供給する状態と、第1吸気ポート及び第2吸気ポートから吸気を供給する状態とに変更可能なため、広い負荷条件において安定して予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。 (4) Since the supply state of intake air can be changed between a state in which intake air is supplied only from the first intake port and a state in which intake air is supplied from the first intake port and the second intake port, it is stable under a wide load condition. Thus, premixed compression self-ignition combustion can be performed.
(5)燃焼室16には点火プラグ33が装備されるとともに、排気ポートは複数設けられ、一つの排気ポート22が排気吸入ポートとなっている。そして、制御装置12は、内部EGRを行う火花点火燃焼運転時において第2吸気ポート20からのみ吸気を供給する状態に流量調整弁44を制御する。その結果、吸気と内部EGRガスとの混合がより促進され、自着火を起こすホットスポットを無くしてノッキングを抑制することができ、広い負荷条件において安定した燃焼を行うことができる。
(5) The
(6)第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20からは、燃料と酸素含有ガスとの混合気が燃焼室16に供給される。従って、いずれか一方の吸気ポートから燃料を供給し、他方の吸気ポートから酸素含有ガスを供給する構成に比較して、混合気を予混合圧縮自着火燃焼及び火花点火燃焼のいずれの場合においても適切な混合状態に制御するのが容易になる。
(6) From the
(7)排気ポートとして、排気を円滑に行う第1の排気ポート21と、内部EGRを円滑に行う第2の排気ポート22とが設けられている。従って、一つの排気ポートで排気と内部EGRとを行う構成に比較して、排気及び内部EGRの条件を満足できる構成が容易になる。
(7) As the exhaust port, a
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 図7に示すように、排気吸入ポートとして使用される第2の排気ポート22に流量調整手段50が設けられた構成としてもよい。流量調整手段50として、例えば、スロットルバルブが設けられる。この場合、第2の排気ポート22(排気吸入ポート)から排気ガスを逆流させて内部EGRを行う場合、第2の排気ポート22を開閉する排気弁26の開閉時期が一定であっても、流量調整手段50で流量を調整することにより、燃焼状態の制御性を高めることができ、より適正な状態で予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。
The embodiment is not limited to the above, and may be configured as follows, for example.
As shown in FIG. 7, it is good also as a structure by which the flow volume adjustment means 50 was provided in the
○ 第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から燃焼室16へ供給される吸気が燃焼室16の内周面に沿って流入する形状となるように、シリンダヘッド14に両吸気ポート19,20を作り込む代わりに、図7に示すように、フラップ51を吸気ポート19,20に設けてもよい。フラップ51は図示しないロータリソレノイドにより、鎖線で示す待機位置と実線で示す作用位置とに配置されるように構成される。フラップ51は、待機位置に配置された状態では吸気ポート19,20を流れる吸気に殆ど影響を与えず、作用位置に配置された状態では吸気が偏流となって燃焼室16の内周面に沿うように流入する。従って、燃焼室16に流入する吸気の流れの状態を調整する自由度が高くなり、燃焼室16内の吸気と内部EGRガスとの混合状態の自由度が高くなる。その結果、予混合圧縮自着火燃焼の制御性を高めることができる。
○ Both
○ 1個の流量調整弁44で第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から燃焼室16へ供給される吸気の供給量を制御する構成に代えて、図8に示すように、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20にそれぞれ流量調整弁52a,52bを設けてもよい。流量調整弁52a,52bはバタフライバルブの一種であり、アクチュエータ53によって駆動されて全閉位置と全開位置との間で回動する。この場合、流量調整弁の構造が簡単で制御も容易となる。
Instead of a configuration in which the amount of intake air supplied from the
○ 第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から燃焼室16へ供給される吸気の供給量を制御する流量調整弁として、図9に示すように、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20と吸気通路34との分岐部に、図示しないアクチュエータにより駆動される弁54を設けてもよい。弁54は、第1吸気ポート19を全閉する鎖線で示す位置と、第2吸気ポート20を全閉する実線で示す位置との間で回動される。
As shown in FIG. 9, the
○ 内部EGRを行う場合、予混合圧縮自着火機関10の運転状態によっては、予混合圧縮自着火燃焼においても、吸気の供給を第2吸気ポート20からのみ行うようにしてもよい。
When performing internal EGR, depending on the operating state of the premixed compression self-
○ 内部EGRを行う内部EGR手段として、排気ガスを吸入する専用の排気吸入ポートを設け、該排気吸入ポートに開閉弁あるいは流量調整弁を設けた構成としてもよい。
○ 排気ポートを1個としてもよい。しかし、1個にした場合は、内部EGRガスを燃焼室16の中心部に渦流として流入させ、排気行程で排気を円滑に行うように構成するのが難しい。
As an internal EGR means for performing internal EGR, a dedicated exhaust intake port for intake of exhaust gas may be provided, and an open / close valve or a flow rate adjusting valve may be provided in the exhaust intake port.
○ One exhaust port may be used. However, when the number is one, it is difficult to configure the internal EGR gas to flow into the central portion of the
○ 予混合圧縮自着火機関10の燃料は天然ガスに限らず、ガソリン、プロパンガス、メタノール、ジメチルエーテル、水素の他、ディーゼルエンジンで使用される燃料等任意の燃料を使用してもよい。
The fuel of the premixed compression self-
○ 点火プラグ33を備えた構成において、暖機運転のときのみ火花点火燃焼で運転を行い、暖機完了後は予混合圧縮自着火燃焼で運転を行う構成としてもよい。
○ 暖機運転時のみ、燃料を圧縮自着火し易い燃料とし、暖機完了後に通常運転時の燃料に切り替える構成としてもよい。
In the configuration provided with the
○ Only during warm-up operation, the fuel may be easily ignited by compression self-ignition, and after warm-up is completed, the fuel may be switched to the fuel during normal operation.
○ 混合気は燃料が気体である必要はなく、霧状の液体であってもよい。
○ 燃料と混合する酸素含有ガスは空気に限らず、燃料を燃焼させるのに必要な酸素を含む酸素含有ガスであればよい。例えば、空気に酸素を混合して酸素濃度を高めたガスを使用してもよい。
○ The air-fuel mixture does not have to be gaseous fuel, and may be a mist-like liquid.
O The oxygen-containing gas mixed with the fuel is not limited to air, but may be any oxygen-containing gas containing oxygen necessary to burn the fuel. For example, a gas in which oxygen is mixed with air to increase the oxygen concentration may be used.
○ 内部EGRガスを燃焼室16の周壁面に沿って流入するように排気吸入ポート(第2の排気ポート22)を設け、吸気を第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20から燃焼室16の中心側に供給する構成としてもよい。この場合も混合気と内部EGRガスとが層状になるため、安定した予混合圧縮自着火燃焼が可能となる。また、第1吸気ポート19及び第2吸気ポート20からの吸気の供給状態を変更することで、広い負荷範囲において安定した予混合圧縮自着火燃焼あるいは火花点火燃焼を行うことができる。
An exhaust intake port (second exhaust port 22) is provided so that the internal EGR gas flows along the peripheral wall surface of the
○ 予混合圧縮自着火機関10に限らず、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンに適用してもよい。
○ 吸気通路34内に燃料を噴射して燃料と酸素含有ガスとを混合した混合気を燃焼室16へ吸入する構成に限らず、燃料を吸気行程中に燃焼室16に噴射する構成としてもよい。また、燃料はキャブレターやミキサー等で混合してもよい。
O You may apply not only to the premixed compression self-
A configuration in which fuel is injected into the
○ 予混合圧縮自着火機関10はシリンダ(気筒)を複数備えた構成に限らず、単気筒であってもよい。
○ 吸気ポートを3個以上設けたり、排気ポートを3個以上設けたりしてもよい。
The premixed compression self-
○ Three or more intake ports may be provided, or three or more exhaust ports may be provided.
○ 可変動弁機構27,28は、カムシャフト29,30を使用してカム31,32により又はロッカアームを介して吸気弁23,24あるいは排気弁25,26を開閉作動させる構成に限らない。例えば、可変動弁機構27,28として、電磁駆動装置又は油圧アクチュエータで直接各吸気弁23,24あるいは排気弁25,26を開閉作動させる構成を採用してもよい。この場合、開閉時期の調整の自由度が高くなる。
The
○ 予混合圧縮自着火機関10は定置式のものに限らず、自動車のエンジンに適用してもよい。
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
The premixed compression self-
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
(1)請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の発明において、前記第1吸気ポート及び第2吸気ポートからは、燃料と酸素含有ガスとの混合気が燃焼室に供給される。
(2)請求項1〜請求項4及び前記技術的思想(1)のいずれか一項に記載の発明において、前記流量調整弁は前記第1吸気ポート及び第2吸気ポートにそれぞれ設けられている。
(1) In the invention according to any one of
(2) In the invention according to any one of
10…予混合圧縮自着火機関、12…制御手段としての制御装置、15…ピストン、16…燃焼室、18…出力軸としてのクランクシャフト、19…第1吸気ポート、20…第2吸気ポート、21…第1の排気ポート、22…排気吸入ポートとしての第2の排気ポート、33…点火装置としての点火プラグ、44,52a,52b…流量調整弁、50…流量調整手段。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記内部EGR手段を構成し、排気ガスの一部を燃焼室内に逆流させる排気吸入ポートと、
前記排気吸入ポートから前記燃焼室内に流入する排気ガスの流れと同方向の流れとなるように吸気を前記燃焼室に供給する第1吸気ポートと、
前記排気吸入ポートから前記燃焼室内に流入する排気ガスとの混合を促進するように吸気を前記燃焼室に供給する第2吸気ポートと、
前記第1吸気ポート及び第2吸気ポートから前記燃焼室へ供給される吸気の供給量を制御可能な流量調整弁と、
機関の運転条件に基づいて前記流量調整弁を制御し、内部EGRガスと吸気との混合を促進したい場合に前記第2吸気ポートからのみ吸気を供給するように前記流量調整弁を制御する制御手段と
を備えている内燃機関。 Internal EGR means for performing internal EGR for causing a part of the exhaust gas to flow backward from the exhaust port into the combustion chamber during the intake stroke;
An exhaust intake port that constitutes the internal EGR means and reversely flows a part of the exhaust gas into the combustion chamber;
A first intake port for supplying intake air to the combustion chamber so as to flow in the same direction as the flow of exhaust gas flowing into the combustion chamber from the exhaust intake port;
A second intake port for supplying intake air to the combustion chamber so as to promote mixing with the exhaust gas flowing into the combustion chamber from the exhaust intake port;
A flow rate adjustment valve capable of controlling a supply amount of intake air supplied from the first intake port and the second intake port to the combustion chamber;
Control means for controlling the flow rate adjusting valve based on engine operating conditions and controlling the flow rate adjusting valve so as to supply intake air only from the second intake port when it is desired to promote mixing of internal EGR gas and intake air. And an internal combustion engine.
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