JP2992968B2 - エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジン、つまり内燃
機関に関し、より詳しくはエンジンの熱効率を向上する
ようにしたものに関する。

【０００２】

【従来技術】近時のエンジンは、燃料供給手段として、
燃料噴射弁が装着され、この燃料噴射弁を電子式のコン
トロ−ルユニットによって制御するようにしたものが多
くなっている（特公平２−３６７７２号公報参照）。こ
の種のエンジンにあっては、混合気の空燃比（吸入空気
に対する燃料の混合比率）を自在に制御できるという利
点がある。ここに、上記特公平２−３６７７２号公報に
は、理論空燃比よりもリ−ンに設定した空燃比の下でエ
ンジンを作動させるようにした、いわゆるリ−ンバ−ン
エンジンが開示されている。

【０００３】ところで、エンジンは、混合気の空燃比を
理論空燃比よりもリ−ンにする方が熱効率が良い。この
点について以下に詳しく説明する。

【０００４】エンジン、つまり内燃機関においては、燃
焼室に供給された燃料の燃焼に伴う圧力上昇（筒内圧力
の上昇ΔＰ）を利用して機械的仕事を取り出すようにな
っている。したがって、燃焼による筒内圧力の上昇ΔＰ
が大きいほど良く仕事をする、ということになる。ここ
に、上記筒内圧力の上昇ΔＰは、等容燃焼を仮定すると
下記の式で表される。

【０００５】 ΔＰ＝（εＲ／Ｖ）ｘ（Ｑ／Ｃ_v ）・・・（１）

【０００６】ここに、ε：圧縮比 Ｒ：ガス定数 Ｑ：燃料の発熱量 Ｖ：燃焼室容積 Ｃ_v ：定容比熱

【０００７】次に、筒内圧力の上昇ΔＰの温度変化を検
討する。上記式（１）を微分すると下記の式（２）とな
る。

【０００８】 ｄ（ΔＰ）／ｄＴ＝−（εＲ／Ｖ）Ｘ（Ｑ／Ｃ_v ²）Ｘ（ｄＣ_v ／ｄＴ） ・・・（２）

【０００９】ところで定容比熱Ｃ_v は温度が高くなる程
大きくなることが知られている（図１参照）。したがっ
て（ｄＣ_v ／ｄＴ）＞０ということになり、上記式
（２）の右辺は負の値を持つことになる。

【００１０】つまり、ｄ（ΔＰ）／ｄＴ＜０となり、筒
内温度Ｔが高い程、筒内圧力の上昇ΔＰが小さくなる。
換言すれば、筒内温度Ｔが低い程、筒内圧力の上昇ΔＰ
が大きくなって、良く仕事をすることになる。

【００１１】次に、混合気の空燃比と、燃焼に伴う温度
上昇（筒内温度Ｔ）と、の関係について検討すると、空
燃比を理論空燃比よりもリ−ンすれば（リ−ンバ−ンエ
ンジンにあっては）、燃焼による発生熱量の一部が余剰
空気に吸収されるため、筒内温度Ｔは低くなる。勿論、
空燃比のリ−ン度合いが大きく程、余剰空気の量が多く
なるため、筒内温度Ｔは低くなる。

【００１２】以上の検討から明らかなように、リ−ンバ
−ンエンジン、つまり空燃比を理論空燃比よりもリ−ン
にしたときには、筒内温度Ｔが低くなり、これにより筒
内圧力の上昇ΔＰが大きくなって、良く仕事をすること
になる。また、空燃比をリ−ンにする程、一層、良く仕
事をすることになる（熱効率が一層向上する）。

【００１３】更に、現実的には、筒内温度Ｔが低下すれ
ば、燃焼室の壁面への熱伝達も減少し、冷却損失を低減
することができる。したがって、この冷却損失の面から
も空燃比をリ−ンにすればする程、熱効率が向上するこ
とになる。

【００１４】次に、リ−ンバ−ンエンジンにおける従来
の空燃比設定について説明する。図６は自然吸気（Ｎ
Ａ）形式のエンジンについて表したものである。この図
６に示すように、低負荷域及び中負荷域（後に説明する
高負荷域との対比から、これら領域を以下に低負荷域と
いう）では、例えばＡ／Ｆ＝１８というように、混合気
の空燃比が所定のリ−ン空燃比となるように制御され、
高負荷域では徐々に燃料の混合比率を大きくして（空燃
比を徐々にリッチにする）、負荷に応じた出力を確保す
るのが通例とされている。尚、過給機付きエンジンにつ
いても同様である。

【００１５】このようにリ−ンバ−ンエンジンにあって
も、高負荷域では負荷に応じて空燃比をリッチにする理
由は、吸気系の能力には限界があるためル−ンバ−ンの
ままでは十分な出力は出せないので燃料供給量のみを増
大させることで負荷に応じた出力を得るためであり、ま
た空燃比をリッチとすることで筒内温度を低下させるた
めでもある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高負荷
域で空燃比をリッチにするということは、この領域での
熱効率が低下することにほかならない。すなわち、低負
荷域において、せっかくリ−ン空燃比の下で熱効率を高
めているにも係らず、高負荷域で熱効率を低下させたの
では、エンジンの全体的な熱効率の向上効果が小さなも
のとなってしまう。

【００１７】そこで、本発明の目的は、高負荷域で空燃
比を徐々にリッチにして負荷に応じた出力を確保するこ
とを前提として、この領域での筒内温度を低下させて熱
効率を高めるようにしたエンジンを提供することにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を達成す
べく、本発明にあっては、エンジンに供給される混合気
の空燃比を、低負荷域では理論空燃比よりもリ−ンに設
定する一方で、高負荷域では、負荷が大きくなる程、燃
料の混合比率を大きくすることによって負荷に応じた出
力を確保するようにしたエンジンを前提として、

【００１９】前記エンジンの本体に形成され、燃焼室に
開口する副室と、該副室の開口を開閉する副室バルブ
と、を備え、前記副室バルブは、少なくとも前記高負荷
域において、圧縮行程の中期に開弁され、圧縮行程の終
期ないし爆発行程の初期の間に閉弁される構成としてあ
る。

【００２０】

【作用】上記の構成により、前記高負荷域では圧縮に伴
う熱い混合気が副室に封入され、この副室内で冷却され
る。そして副室内で冷やされた混合気は次の圧縮行程で
燃焼室内の混合気の一部と置換され、この結果燃焼室内
の混合気は冷却される（筒内温度の低下）。したがっ
て、副室に導入する混合気が高温である程、副室での冷
却効果が大きく、これにより筒内温度を大きく低下させ
ることが可能となる。

【００２１】ここに、筒内温度が低い程よく仕事をす
る、ということは前述のとおりである。この点を、別の
観点から再度説明すると、以下のとおりである。

【００２２】いま、燃料の発熱量Ｑは下記の式で表され
る。 Ｑ＝Ｃv ・Ｇ・△Ｔ ・・・（３）

【００２３】ここに、Ｃv ：定容比熱 Ｇ：燃焼室に投入された混合気の質量 △Ｔ：燃焼に伴う温度上昇（筒内温度の上昇）

【００２４】上記（３）式を変形すると下記の（４）式
となる。 △Ｔ＝Ｑ／Ｃv ・Ｇ ・・・（４） この（４）式から理解されるように、Ｑ、Ｇが一定とす
ると、Ｃv が小さい程、△Ｔは大となる。

【００２５】ところで、前述したように、定容比熱Ｃv
は温度Ｔが高くなるに従って大きくなる（図１参照）。
換言すれば、筒内温度Ｔが小さい程、定容比熱Ｃv は小
さい。したがって、筒内温度Ｔが小さい程、燃焼に伴う
筒内温度の上昇△Ｔは大きいということになる。

【００２６】ここに、筒内温度の上昇△Ｔが大きい程、
筒内圧力は大きく上昇（△Ｐが大きい）することから、
筒内温度Ｔが小さい程、筒内圧力はその上昇△Ｐが大き
いということになる。つまり、同一量の燃料を投入し、
得られた発熱量が同一としたときに、筒内温度Ｔが小さ
い程、筒内圧力の上昇△Ｐは大きく、したがって良く仕
事をする（熱効率が良い）、ということになる。

【００２７】上記副室バルブに関し、この副室バルブの
閉じ時期を考察したときに、燃焼室内の混合気を圧縮す
ることによる温度上昇を最大限に利用するのであれば、
副室バルブの閉じ時期を圧縮上死点とすればよい。ある
いは、燃焼による圧力上昇をも最大限に利用するのであ
れば、副室バルブはできるだけ遅く閉じる方がよい（燃
焼最高圧力に達するクランク角は圧縮上死点後（ＡＴＤ
Ｃ）約３０ｄｅｇ）。

【００２８】ここに、現実の燃焼状態は、図２の指圧線
図が示すように、各サイクル毎に大きく変動している。
したがって、筒内圧力の偏差（バラツキ）が大きいとき
まで副室バルブを開いていたのでは、副室内に閉じ込め
られる混合気は、その圧力、密度、温度が各サイクル毎
に変動することとなって好ましくない。

【００２９】かかる観点から図２を検討すると、この図
２に示すエンジン仕様及び運転条件の例では、燃焼室内
の圧力変動が発生する時期は、点火時期後約２０ｄｅｇ
前後経過した後である。したがって、燃焼に伴う圧力上
昇の偏差（バラツキ）が発生する直前に副室バルブを閉
じれば、燃焼変動の影響を抑えつつ混合気の冷却効果を
高めることが可能となる。他方、燃焼に伴う圧力変動の
影響を受けないようにするのであれば、点火時期近傍で
副室バルブを閉じればよい。つまり、圧縮行程の終期で
副室バルブを閉じればよい。

【００３０】副室バルブの開け時期は、具体的には、上
記副室バルブの閉じ時期との関係で決定すればよい。す
なわち、副室バルブを開いたとしても、直ちに副室内の
混合気と燃焼室内の混合気とを置換させることができな
い。この置換のためには、ある程度の時間が必要とな
る。しかし、余り早い時期に副室バルブを開いたときに
は、燃焼室の容積プラス副室の容積の下で圧縮行程が行
われることとなって、圧縮損失が大きくなる。

【００３１】したがって、副室バルブの開き時期は、圧
縮行程に入った後（吸気弁を閉じた後）できるだけ遅く
且つ副室内の混合気を置換させるに必要な時間を確保で
きるタイミングとすればよく、この副室バルブの開き時
期は圧縮行程の中期ということになる。勿論、副室バル
ブの開き時期は最終的には実験により決定すればよい。

【００３２】尚、本発明に構造上近似した従来技術とし
て、特開昭５４−１１６５１２号公報、特開昭５４−９
８０４０８号公報等に開示の副室付きエンジンがある。
この副室付きエンジンは、燃焼室に開口する副室と、該
副室の開口を開閉する副室バルブとを備えており、この
点では本発明と共通である。

【００３３】しかし、この副室付きエンジンは、特に低
負荷域において、吸気弁の閉じ時期に合わせて副室バル
ブを開けて、副室内の混合気を利用して（副室と燃焼室
との差圧を利用して）、燃焼室内に強いスワ−ルを生成
するようにしてある点で本発明と異なる。

【００３４】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付した図面に基
づいて説明する。図３に示す符号１はエンジンで、エン
ジン１は、シリンダボア２に嵌挿されたピストン３によ
り画成された燃焼室４を有し、この燃焼室４に臨ませて
点火プラグ５が配設されている。

【００３５】また、燃焼室４には、吸気ポ−ト６と排気
ポ−ト７とが開口され、上記吸気ポ−ト６には吸気弁８
が配設され、上記排気ポ−ト７には排気弁９が配設され
て、これら吸気弁８と排気弁９とはエンジン出力軸（図
示せず）に同期して所定のタイミングで開閉される。

【００３６】上記吸気ポート６に連なる吸気通路１０に
は、上流側から下流側に向けて、順に、エアクリーナ１
１、吸入空気量を検出するエアフローメータ１２、スロ
ットル弁１３が配設され、また前記吸気ポート６に臨ま
せて燃料噴射弁１４が配設されている。すなわち、上記
エンジン１は、従来から知られているオット−サイクル
式のガソリン４サイクルエンジンとされている。

【００３７】図３において、符号１５はコントロ−ルユ
ニットで、このコントロ−ルユニット１５は例えばマイ
クロコンピュ−タで構成されて、既知のように、ＣＰ
Ｕ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えている。上記コントロ−ル
ユニット１５には、センサ１２、１６、１７からの信号
が入力される。上記センサ１２は前述したように吸入空
気量を検出するものである。上記センサ１６はスロット
ル弁１３の開度、つまり負荷を検出するものである。上
記センサ１７はエンジン回転数を検出するものである。
そして、上記コントロ−ルユニット１５から点火プラグ
５及び燃料噴射弁１４へ制御信号が出力される。

【００３８】上記コントロ−ルユニット１５が行なう点
火プラグ５の制御、つまり点火タイミングの制御は従来
と同様であるので、その説明を省略する。他方、コント
ロ−ルユニット１５が行なう燃料噴射弁１４の制御、つ
まり噴射タイミング制御と噴射量制御のうち、噴射タイ
ミング制御については従来と同様であるので、その説明
を省略することとして、燃料噴射量の制御、つまり混合
気の空燃比制御は図４に示すようになっている。

【００３９】図４について説明すると、ラインＡは当該
エンジン１のリ−ンポテンシャルを表わすものである。
すなわち、負荷が大きくなる程燃焼室４内へ投入される
燃料の供給量が多くなるため、空燃比のリ−ン限界は、
負荷が大きくなる程、大きくなる（負荷が大きくなる
程、より一層のリ−ン化が可能となる）。したがって、
ここでの空燃比制御は、吸気の増量が図れる領域（低負
荷域）では負荷に対応するリ−ンポテンシャルＡまでリ
−ン化した目標空燃比を設定するようにしてある。

【００４０】他方、負荷に応じた吸気の増量が不可能な
領域、つまり図４においてラインＢで示すように吸気系
の能力を越えた高負荷域では、負荷に応じて燃料供給量
を多くすることによって、負荷に応じた出力を確保する
ようにしてある。したがって、この高負荷域では、負荷
が大きくなるに従って目標空燃比をリッチ化するように
してある。かかる目標空燃比と負荷との関係を図４のラ
インＣで示してある。

【００４１】図３に戻って、上記エンジン１は副室２０
を有している。副室２０はその副室ポ−ト２０ａが燃焼
室４に開口され、副室ポ−ト２０ａには副室バルブ２１
が配設されて、上記高負荷域ではこの副室バルブ２１に
よって副室ポ−ト２０ａが開閉され、低負荷域では副室
バルブ２１によって副室ポ−ト２０ａが閉じられるよう
になっている。

【００４２】上記高負荷域での副室バルブ２１の開閉時
期の一例を図５に示す。図５から明らかなように、副室
バルブ２１は、その閉じタイミングが点火タイミングと
同じＡＢＤＣ１６０ｄｅｇとされ、この閉じタイミング
よりも約７０ｄｅｇ前に副室バルブ２１が開かれるよう
になっている。尚、吸気弁８の閉じタイミングは上死点
経過後約５０ｄｅｇとされている。

【００４３】以上の構成により、圧縮行程で開閉される
副室バルブ２１によって燃焼室４内の混合気は、その一
部が副室２０に閉じ込められ、この副室２０で冷やされ
て、次の圧縮行程では副室２０で冷やされた混合気が燃
焼室４内の混合気の一部と置換されることになる。

【００４４】これにより、高負荷域において、燃焼室４
内の混合気の温度（筒内温度）は、副室２０を有しない
通常のエンジンに比べて低下することとなり、当該高負
荷域におけるエンジン１の熱効率は向上する。

【００４５】また、高負荷域で筒内温度が低下するとい
うことは、ノッキング対策にとっても有利であり、エン
ジン１の圧縮比を高圧縮比に設定することが可能とな
る。

【００４６】リ−ンバ−ンと高圧縮比との関係を説明す
ると、エンジン１の圧縮比を高くすると、低圧縮比エン
ジンよりも、あらゆるクランク角においてシリンダ容積
が小さくなるため、投入する燃料の供給量が同じであれ
ば、燃焼室４内の燃料分子密度が大きくなり着火性及び
燃焼性が向上することになる。したがって、同じ空燃比
であるならば、高圧縮比化するだけで熱効率が向上する
が、更に一層のリ−ン化が可能となる。

【００４７】以上のことから、高負荷域において、副室
２０による筒内温度の低下に基づく熱効率の向上に加え
て、高圧縮比化による低負荷域での一層の熱効率及び一
層のリ−ン化による熱効率の向上を図ることができる。

【００４８】以上、本発明の一実施例を説明したが、本
発明は上記実施例に限定されることなく、以下の変形例
を包含するものである。

【００４９】（１）従来の空燃比制御、つまり図６に示
すように、低負荷域では目標空燃比を所定のリ−ン空燃
比に設定する一方で、高負荷域では負荷に応じて空燃比
をリッチ化する場合に、当該高負荷域で副室２０を利用
して筒内温度を低下させるようにしてもよい。

【００５０】（２）前記実施例において、低負荷域での
目標空燃比をリ−ン限界に応じて段階的に設定するよう
にしてもよい。

【００５１】（３）前記実施例及び上記変形例におい
て、高負荷域で副室２０を用いるようにしたが、低負荷
域において、特開昭５４−１１６５１２号公報に開示の
ように、副室２０を利用して燃焼室４内に強いスワ−ル
を生成するようにしてもよい。この場合、副室バルブ２
１の開閉タイミングを可変とし、低負荷域では吸気弁８
を閉じた直後に副室バルブ２１を開くようにするのが好
ましい。

【００５２】（４）エンジン１に過給機を備えたものに
対しても本発明を適用することができる。すなわち、過
給機付きエンジンの場合には、過給機の過給能力を越え
た高負荷域で副室２０を利用して筒内温度を低下させれ
ばよい。この変形例によれば、過給圧を極めて大きくし
たエンジンに対してノッキング対策としても有効であ
る。

【００５３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、低負荷域でのリ−ン空燃比による熱効率の向
上及び高負荷域での副室を利用した筒内温度の低下によ
る熱効率の向上によって全領域での熱効率を向上するこ
とができる。加えて、高負荷域でのノッキング問題が筒
内温度の低下によって低減するため、エンジンの圧縮比
を高圧縮比化することができ、この圧縮比の面からも熱
効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】混合気の比熱（定容比熱）と温度との関係を示
す図。

【図２】エンジンの代表的な指圧線図。

【図３】実施例にかかるエンジンの概略図。

【図４】実施例にかかるエンジンの空燃比制御の内容を
示す図。

【図５】副室バルブの開閉時期の一例を示す図。

【図６】エンジンの空燃比制御の従来例を示す図。

【符号の説明】

１ エンジン ３ ピストン ４ 燃焼室 ５ 点火プラグ ８ 吸気弁 １２ エアフロ−メ−タ １４ 燃料噴射弁 １５ コントロ−ルユニット １６ スロットル開度センサ ２０ 副室 ２０ａ 燃焼室に開口する副室ポ−ト ２１ 副室バルブ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンに供給される混合気の空燃比
   を、低負荷域では理論空燃比よりもリ−ンに設定する一
   方で、高負荷域では、負荷が大きくなる程、燃料の混合
   比率を大きくすることによって負荷に応じた出力を確保
   するようにしたエンジンであって、 前記エンジンの本体に形成され、燃焼室に開口する副室
   と、 該副室の開口を開閉する副室バルブと、を備え、 前記副室バルブは、少なくとも前記高負荷域において、
   圧縮行程の中期に開弁され、圧縮行程の終期ないし爆発
   行程の初期の間に閉弁される、ことを特徴とするエンジ
   ン。