JP2011236859A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 着火性を安定させるとともに、ノッキングを抑制することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】 本発明の内燃機関は、吸気ポート１０内を流れる気流の方向を開閉により調節する気流調節弁１６と、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、混合気の流れの方向が、燃焼室３６内に配置された点火プラグ３８の先端部に向かうように、気流調節弁１６の開閉を制御すると共に、燃焼室３６でノッキングが起きる場合に、混合気の流れの方向が、燃焼室３６内の外縁部に沿う方向となるように、気流調節弁１６の開閉を制御するＥＣＵ６０と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来、燃焼室内にタンブル（縦渦）やスワール（横渦）といった旋回気流を生成するための気流制御弁を吸気ポート内に備える内燃機関が知られている。旋回気流は、例えば、燃料と空気の混合や火炎の伝播を促進して燃料効率を向上させたり、燃焼室に配置された点火プラグの周囲に濃い混合気を集めて成層燃焼を可能にしたりする役割を果たしている。

例えば、特許文献１には、気流制御弁を有する吸気ポート構造が開示されている。これによれば、旋回気流の気流強度のばらつきが低減される。

特開２００７−２１８１９８号公報

しかしながら、旋回気流により着火性は安定するが、例えば火炎の偏りが起きやすくなるため、ノッキングが起こりやすい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、着火性を安定させるとともに、ノッキングを抑制することができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、吸気ポート内を流れる気流の方向を開閉により調節する気流調節弁と、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、前記混合気の流れの方向が、燃焼室内に配置された点火プラグの先端部に向かうように、前記気流制御弁の開閉を制御すると共に、前記燃焼室でノッキングが起きる場合に、前記混合気の流れの方向が、前記燃焼室内の外縁部に沿う方向となるように、前記気流制御弁の開閉を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

これにより、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、火炎面積が増大するため、着火性を安定させることができる。また、燃焼室でノッキングが起きる場合に、火炎の偏りが解消されるため、燃焼室内の外縁部の混合気が均質になり、ノッキングを抑制することができる。

上記構成において、前記点火プラグは、前記先端部が前記燃焼室内の天井の略中央位置に露出するように配置され、前記気流調整弁は、略中央部分を含む位置に切り欠き部を有し、前記制御部は、前記混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、前記気流調節弁を閉弁すると共に、前記燃焼室内でノッキングが起きる場合に、前記気流調節弁を開弁する構成とすることができる。

本発明によれば、着火性を安定させるとともに、ノッキングを抑制することができる。

図１（ａ）は、実施例１に係る内燃機関の構成を模式的に示す断面図及び気流調節弁の形状を示す図である。図１（ｂ）は、実施例１に係る内燃機関の斜視図である。 図２は、実施例１に係るＥＣＵが混合気をリーンな状態で燃焼させる場合及び燃焼室でノッキングが起きる場合に適合する段階を判断するためのマップの一例を示す図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１に係る燃焼室内の気流の方向を示す図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施例１に係る気流調節弁が閉弁されるときの火炎の状態及び気流の方向を示す図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施例１に係る気流調節弁が閉弁されるときの火炎の状態及び気流の方向を示す図である。

以下に、図面を用いて、本発明の実施例について詳細に説明する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して、実施例１に係る内燃機関について説明する。図１（ａ）は、内燃機関１００の構成を模式的に示す断面図である。図１（ｂ）は、内燃機関１００の斜視図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照して、内燃機関１００は、吸気ポート１０、吸気弁１４、気流調節弁１６、インジェクタ１８、排気ポート２０、排気弁２４、シリンダ３０、シリンダヘッド３４、ピストン３２、点火プラグ３８、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：電子制御装置）６０及びアクチュエータ６２を備える。シリンダヘッド３４、シリンダ３０及びピストン３２の上面による閉空間が燃焼室３６を構成する。吸気ポート１０は、シリンダヘッド３４の吸気側連通口１５と接続される。排気ポート２０は、シリンダヘッド３４の排気側連通口２５と接続される。気流調節弁１６は、吸気ポート１０を流れる気流の方向を開閉により調節する。気流調節弁１６は、弁軸１２により、吸気ポート１０内の側壁に軸支される。弁軸１２は、アクチュエータ６２により駆動される。弁軸１２は、例えばモーター（ステップモーター）により駆動してもよい。点火プラグ３８は、先端部が燃焼室３６内の天井の略中央位置に露出されるように配置される。ＥＣＵ６０は、吸気弁１４、気流調節弁１６、インジェクタ１８、排気弁２４、ピストン３２及びアクチュエータ６２の動作を制御する。

内燃機関１００は、シリンダ３０内をピストン３２が往復運動することにより、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程及び排気行程の一連の行程を行う４サイクルエンジンである。以下、各行程の動作を説明する。

吸気行程において、シリンダ３０内をピストン３２が上死点から下死点へ移動されると共に、吸気弁１４が下方へ移動されて、吸気側連通口１５が開放される。燃焼室３６の負圧により空気が吸気ポート１０内を燃焼室３６に向かって流れる。このとき、インジェクタ１８から霧状の燃料が噴射され、空気と燃料とは混合され、混合気となる。吸気側連通口１５を介して、混合気が燃焼室３６内に吸入される。この後、吸気弁１４が上方へ移動され、吸気側連通口１５が閉塞される。

圧縮行程において、ピストン３２が下死点から上死点へ移動されて、混合気が圧縮される。ピストン３２が上死点近傍に達するとき、点火プラグ３８がスパークされて、混合気を着火する。燃焼行程において、着火された混合気の燃焼により、混合気が膨張して、ピストン３２が上死点から下死点へ移動される。

排気行程において、下死点に達したピストン３２は、再び上死点へ移動される。このとき、排気弁２４が下方へ移動されて、排気側連通口２５が開放される。ピストン３２の上死点への移動により、燃焼により生じた排気ガスが排気側連通口２５から排出される。排気ガスが排出された後、排気弁２４が上方へ移動されて排気側連通口２５が閉塞される。

気流調節弁１６について説明する。気流調節弁１６は、略中央部分を含む位置に切り欠き部１７を有する。なお、切り欠き部１７の形状は、図１のような形状に限られず、気流調節弁１６の略中央部分を含む他の形状でもよい。また、切り欠き部１７の代わりに、例えば気流調節弁１６の略中央部分を含む位置に円形や矩形等の形状の穴を設けるようにしてもよい。

ＥＣＵ６０は、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、気流調節弁１６を閉弁する。このとき、吸気ポート１０内を流れる気流は切り欠き部１７を介して流れる。よって、気流が吸気ポート１０内の中央に寄って流れるように変化する。このときの気流の流れを図１（ｂ）中の矢印で示している。これにより、燃焼室３６内を流れる混合気の方向が、燃焼室３６内の天井の略中央位置に配置された点火プラグ３８の先端部に向かうように変化する。

ＥＣＵ６０は、燃焼室でノッキングが起きる場合に、気流調節弁１６を開弁する。このとき、吸気ポート１０内を流れる気流は、吸気ポート１０内の全体を流れるように変化する。これにより、燃焼室３６内を流れる混合気の流れの方向が、燃焼室３６内の外縁部に沿う方向となるように変化する。

図２を参照して、ＥＣＵ６０が混合気をリーンな状態で燃焼させる場合及び燃焼室３６でノッキングが起きる場合に適合する段階を判断する方法について説明する。図２は、ＥＣＵ６０がリーン燃焼を行う場合及びノッキングが起きる場合に適合する段階を判断するためのマップの一例を示す図である。マップは、例えばＥＣＵ６０が備えるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に実装されている。図２のように、マップは、エンジン回転数を横方向のｘ軸、エンジン負荷を縦方向のｙ軸とする二次元平面に設定されている。ｘ軸、ｙ軸及び曲線５０により囲まれた領域５３は、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に適合する領域（以下、リーン領域）である。ｘ軸、ｙ軸及び曲線５１及び５２により囲まれた領域５５は、燃焼室３６でノッキングが起きやすい場合に適合する領域（以下、ノック領域）である。ｘ軸、ｙ軸、曲線５０及び５１により囲まれた領域５４は、リーン領域かつノック領域である。ＥＣＵ６０は、実際のエンジン回転数とエンジン負荷とに基づいて、領域５３、５４及び５５のいずれに適合するかを判断する。なお、ＥＣＵ６０が推定したエンジン回転数、エンジン負荷を用いてもよい。ＥＣＵ６０は、リーン領域である領域５３に適合すると判断する場合に、気流調節弁１６を閉弁する。ＥＣＵ６０は、ノック領域である領域５５に適合すると判断する場合に、気流調節弁１６を開弁する。ＥＣＵ６０は、リーン領域かつノック領域である領域５４に適合すると判断する場合に、燃費が良くなるように気流調節弁１６を開弁又は閉弁する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して、気流調節弁１６の開閉による燃焼室３６内の気流の流れの方向の変化を説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、燃焼室３６内の気流の方向を示す図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、シリンダヘッド３４の斜視図と、気流の方向を模式的に示しており、排気側連通口２５がＡ側、吸気側連通口１５がＢ側となるように示している。太線矢印がそれぞれ気流の流れを示している。点３９は、点火プラグ３８が配置される位置を示している。破線で示すＡ−Ｂ断面は、後述する燃焼室３６の断面に対応する。

図３（ａ）は、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、ＥＣＵ６０が気流調節弁１６を閉弁するときの気流の流れの方向を示している。図３（ａ）のように、気流調節弁１６が閉弁されると、気流は点火プラグ３８の先端部から燃焼室３６内の外縁部に向かって外巻きとなるように流れる。これにより、燃焼行程における火炎の面積が増大するため、着火性を安定させることができる。

図３（ｂ）は、燃焼室でノッキングが起きる場合に、ＥＣＵ６０が気流調節弁１６を開弁するときの気流の流れの方向を示している。図３（ｂ）のように、気流調節弁１６が閉弁されると、気流は、点火プラグ３８を避けて、燃焼室３６内の外縁部から燃焼室３６内の中央部に向けて内巻きとなるように流れる。これにより、燃焼室３６内の外縁部の混合気が拡散されて均質になるため、ノッキングを抑制することができる。

図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して、気流調節弁１６が閉弁されるときの火炎の状態及び気流の方向を説明する。図４（ａ）、図４（ｂ）、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、燃焼室３６を示しており、２つの排気側連通口２５がＡ側、２つの吸気側連通口１５がＢ側となるように示している。

図４（ａ）は、燃焼室３６を上方から見た模式図である。外枠の円は燃焼室３６の外壁を示し、その内部の４つの円は吸気側連通口１５及び排気側連通口２５を示している。点３９は、点火プラグ３８が配置される位置を示している。太線矢印４１及び４２は、気流の流れを示している。太線矢印４１及び４２のように、気流は点火プラグ３８の先端部から燃焼室３６内の外縁部に向かって外巻きとなるように流れる。実線４０は、火炎面を示しており、着火後のクランク回転角が２０ｄｅｇＣＡであるときにイオンプローブにより実測した結果を模式的に示している。実線４０が示すように、火炎は点火プラグ３８の位置から広がって分布している。また、火炎は気流により排気側連通口２５のあるＡ側に偏って分布している。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ｂ断面の模式図である。点３９は、点火プラグ３８が配置される位置を示している。太線矢印４３が気流の流れを示している。太線矢印４３が示すように、気流は、燃焼室３６内の天井に配置された点火プラグ３８の位置である点３９に向かって流れ、さらに燃焼室３６内の下面かつ外縁部に向かって流れる。

図５（ａ）は、図４（ａ）と同様に、燃焼室３６を上方から見た模式図である。外枠の円は燃焼室３６の外壁を示している。点３９は、点火プラグ３８が配置される位置を示している。一点鎖線４４は、着火後の初期火炎の火炎面を示しており、着火後のクランク回転角が１０ｄｅｇＣＡであるときの実測した結果を模式的に示している。実線４０が示すように、初期火炎は点火プラグ３８の位置である点３９から広がって分布している。また、火炎は気流により排気側連通口２５のあるＡ側に偏って分布している。このように、初期火炎面積が拡大するため、着火性が安定し、燃焼変動を抑えることができる。

図５（ｂ）は、図４（ａ）及び図５（ａ）と同様に、燃焼室３６を上方から見た模式図である。外枠の円は燃焼室３６の外壁を示している。点３９は、点火プラグ３８が配置される位置を示している。太線矢印４５及び４６は、気流の流れを示している。太線矢印４５及び４６のように、気流は点火プラグ３８の先端部から燃焼室３６内の外縁部に向かって外巻きとなるように流れる。実線４７は、ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）により算出された火炎面を模式的に示している。実線４７が示すように、火炎は点火プラグ３８の位置である点３９から広がって分布している。また、火炎は気流により排気側連通口２５のあるＡ側に偏って分布している。

実施例１において、吸気ポート１０内を流れる気流の方向を開閉により調節する気流調節弁の一例として、気流調節弁１６を説明した。気流調節弁１６は、閉弁されたときに、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、混合気の流れの方向が、燃焼室３６内に配置された点火プラグ３８の先端部に向かうように開閉が制御される。実施例１では、点火プラグ３８は、先端部が燃焼室３６内の天井の略中央位置に露出するように配置されるため、気流調節弁１６の略中央部分を含む位置に切り欠き部を有するようにすることにより、気流が点火プラグ３８の先端部に向かうようにすることができる。例えば、点火プラグ３８の先端部が燃焼室３６内の端部に露出するように配置される場合は、混合気の流れの方向がその端部に向かうように、気流調節弁１６の切り欠き部の位置を変更してもよい。すなわち、点火プラグ３８の先端部に混合気が向かうように、気流調節弁１６の切り欠き部の位置を調整してもよい。これにより、混合気が点火プラグ３８の先端部を通り、さらに燃焼室３６内の外縁部に向かって外巻きとなるように流れる。よって、燃焼行程における火炎の面積が増大するため、着火性を安定させることができる。

実施例１において、ＥＣＵ６０が、図２に示すようなマップに基づいて、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、混合気の流れの方向が、燃焼室３６内に配置された点火プラグ３８の先端部に向かうように、気流調節弁１６の開閉を制御すると共に、燃焼室３６でノッキングが起きる場合に、混合気の流れの方向が、燃焼室３６内の外縁部に沿う方向となるように、気流調節弁１６の開閉を制御する例を説明した。これにより、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、火炎面積が増大するため、着火性を安定させることができる。また、燃焼室でノッキングが起きる場合に、火炎の偏りが解消されるため、燃焼室内の外縁部の混合気が均質になり、ノッキングを抑制することができる。エンジン負荷が低い場合はリーンリミットが拡大され、エンジン負荷が高い場合はノッキングが抑制されるため、エンジン負荷の全域に渡って、燃費を改善することができる。

実施例１では、吸気ポート１０内で混合気を生成するポート直噴型のインジェクタ１８を有する内燃機関を例に説明した。他に、燃焼室３６内に直接燃料を噴射する筒内直噴型のインジェクタを有する内燃機関でもよい。その場合は、ＥＣＵ６０が、混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、空気の流れの方向が、燃焼室３６内に配置された点火プラグ３８の先端部に向かうように、気流調節弁１６の開閉を制御すると共に、燃焼室３６でノッキングが起きる場合に、混合気の流れの方向が、燃焼室３６内の外縁部に沿う方向となるように、気流調節弁１６の開閉を制御するようにしてもよい。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

吸気ポート １０
気流調節弁 １６
切り欠き部 １７
インジェクタ １８
燃焼室 ３６
点火プラグ ３８
ＥＣＵ ６０

Claims (2)

1. 吸気ポート内を流れる気流の方向を開閉により調節する気流調節弁と、
   混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、前記混合気の流れの方向が、燃焼室内に配置された点火プラグの先端部に向かうように、前記気流制御弁の開閉を制御すると共に、前記燃焼室でノッキングが起きる場合に、前記混合気の流れの方向が、前記燃焼室内の外縁部に沿う方向となるように、前記気流制御弁の開閉を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記点火プラグは、前記先端部が前記燃焼室内の天井の略中央位置に露出するように配置され、
   前記気流調整弁は、略中央部分を含む位置に切り欠き部を有し、
   前記制御部は、前記混合気をリーンな状態で燃焼させる場合に、前記気流制御弁を閉弁すると共に、前記燃焼室内でノッキングが起きる場合に、前記気流制御弁を開弁することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
   
   

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