JP3948081B2

JP3948081B2 - 火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP3948081B2
Application number: JP29656797A
Authority: JP
Inventors: 友則漆原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2017-10-29
Also published as: JPH11132066A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用ガソリンエンジンのような４サイクル型の火花点火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２サイクル型の火花点火式内燃機関の分野では、部分負荷時における燃焼不安定を解消するとともに、ＨＣ（炭化水素）排出量の低減を図るために、燃焼室内における自己着火燃焼を積極的に利用した技術が提案されている。例えば、１９９４年７月１日発行のＨＯＮＤＡＲ＆ＤＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｖｉｅｗには、低負荷時に排気通路の一部を遮断することによって、シリンダ内の残留ガス濃度を高めて、圧縮行程開始時のシリンダ内圧を高め、自己着火の燃焼時期を制御する例が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、４サイクル型の火花点火式内燃機関において、上述したような自己着火燃焼を積極的に利用した従来例はない。仮に４サイクル型の火花点火式内燃機関で、上記２サイクル型の場合と同様、部分負荷時に排気通路の一部を閉じたとしても、排気行程では排気通路から強制的に排気が行われるため、燃焼室内に十分な量の排気を残留しておくことはできない。このため、その後の圧縮行程初期において筒内温度圧力を十分に高めることができず、良好な自己着火燃焼を実現することはできない。
【０００４】
この発明は、４サイクル型の火花点火式内燃機関で、自己着火燃焼を積極的に利用し、かつ、この自己着火燃焼と均質燃焼とを効果的に両立させることを目的としている。
【０００５】
そこで、請求項１の発明は、シリンダの燃焼室に、この燃焼室に開口する吸気通路との間を開閉する吸気弁と、同じく燃焼室に開口する排気通路との間を開閉する排気弁とが設けられるとともに、シリンダ略中央に火花点火プラグを有する４サイクル型の火花点火式内燃機関において、上記排気弁を１つのシリンダに対して２つ以上設け、一方の第１排気弁が排気行程で開く一方、他方の第２排気弁が排気行程及び吸気行程の両方で開くように設定し、かつ、第１排気弁に対応する第１排気通路と第２排気弁に対応する第２排気通路とを互いに独立して設けるとともに、少なくとも全負荷時には、上記第２排気通路を閉じることにより火花点火プラグの火花点火による燃焼が行われ、少なくとも部分負荷時には、第２排気通路を開くことにより、吸気通路から燃焼室へ導入される混合気と第２排気通路から燃焼室へ導入される残留排気との界面において、圧縮行程で残留排気から混合気への自己着火燃焼が行われるように、第２排気通路を開閉する開閉手段を設けたことを特徴としている。
【０００６】
上記開閉手段は、例えば請求項２の発明のように、部分負荷時に開かれ、全負荷時に閉じられる制御弁である。
【０００７】
例えば部分負荷時には、開閉手段により第２排気通路を開状態にする。この場合、吸気行程の燃焼室には、吸気通路から新気（混合気）が導入されるとともに、第２排気弁により開かれた第２排気通路から排気が適宜に導入される。従って、燃焼室が圧縮された際に、排気側から混合気側への自己着火が行われ、自己着火燃焼が実現される。
【０００８】
ここで燃焼室は、好ましくは請求項３の発明のように、吸気通路が開口する側と排気通路が開口する側とが略対称形に形成された、いわゆるクロスフロー形式とする。この場合、吸気行程の際に、吸気通路から導入される混合気と排気通路から導入される排気とが燃焼室内で適宜に成層化され、混合気と排気との界面において、更に良好に自己着火が行われる。
【０００９】
一方、全負荷時のように均質燃焼を行う際には、開閉手段により第２排気通路を閉状態にすればよい。この場合、全行程を通じて第２排気通路が遮断されるから、上述したように吸気行程で第２排気通路から燃焼室へ残留排気が導入されることはなく、十分に良好な出力を確保できる。
【００１０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、自己着火燃焼を積極的に利用することにより、部分負荷時等に安定した燃焼を得ることができる。また、全負荷時等には第２排気通路を閉作動することで、出力性能の低下を抑制できる。つまり、部分負荷時等の自己着火燃焼と全負荷時等の均質燃焼とを非常に高いレベルで両立できる。
【００１１】
さらに、部分負荷時にスロットル弁を利用しなくても新気の量を抑制できることから、ポンピングロスの低減が可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を火花点火式内燃機関である４サイクル型の自動車用ガソリンエンジンに適用した実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１〜３に示すように、シリンダブロック１０には、複数のシリンダ１２が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド１４が固定されている。シリンダ１２内には、ピストン１６が摺動可能に嵌合しているとともに、シリンダヘッド１４の下面とピストン１６上面との間に、いわゆるペントルーフ型の燃焼室１８が形成されている。燃焼室１８の一方の傾斜面１８ａには第１吸気通路２０及び第２吸気通路２２が開口しており、他方の傾斜面１８ｂに第１排気通路２４及び第２排気通路２６が開口している。
【００１４】
また、燃焼室１８には、第１，第２吸気通路２０，２２との間をそれぞれ開閉する第１吸気弁２８及び第２吸気弁３０と、第１，第２排気通路２４，２６との間をそれぞれ開閉する第１排気弁３２及び第２排気弁３４が設けられ、これら吸気弁２８，３０及び排気弁３２，３４によって囲まれたシリンダ１２の略中心位置に、点火プラグ３６が配置されている。吸気通路２０，２２は、上流側で互いに合流しており、その合流部３８に、電磁式の燃料噴射弁４０が設けられている。
【００１５】
第１，第２排気通路２４，２６は、それぞれシリンダヘッド１４内部に穿設された一対の排気ポートからシリンダヘッド１４に取り付けられる第１排気管４２及び第２排気管４４の内部にわたって互いに独立して延びている。そして、第２排気管４４の途中には、第２排気通路２６を開閉するバタフライバルブ型の制御弁４６が介装されている。この制御弁４６は、シャフト４８を介して図示せぬ駆動機構によって機関運転条件に応じて開閉制御される。
【００１６】
図４は、吸気弁２８，３０及び排気弁３２，３４のバルブリフト特性を示している。これらの吸気弁２８，３０及び排気弁３２，３４は、それぞれ機関のクランクシャフトと同期して回転するカムのプロフィールに応じて開閉作動する。
【００１７】
各吸気弁２８，３０及び排気弁３２，３４の開閉動作を図１，２を参照して説明すると、図４（イ）に示す第１排気弁３２は、排気行程（ａ）で開作動し、その他の吸気行程（ｂ），圧縮行程（ｃ）及び膨張行程（ｄ）では閉状態に制御されている。
【００１８】
一方、図４（ロ）に示す第２排気弁３４は、排気行程（ａ）及び吸気行程（ｂ）の両方で開作動し、圧縮行程（ｃ）及び膨張行程（ｄ）では閉状態に制御される。つまり第２排気弁３４は、通常の第１排気弁３２とともに排気行程（ａ）で開作動するとともに、吸気弁２８，３０とともに吸気行程（ｂ）で開作動し、排気行程（ａ）から吸気行程（ｂ）に跨って開状態に保持されることとなる。
【００１９】
また、吸気弁２８，３０は、図４（ハ）に示すように、吸気行程（ｂ）で開作動し、その他の排気行程（ａ），圧縮行程（ｃ）及び膨張行程（ｄ）では閉状態に制御される。
【００２０】
つまり、吸気行程（ｂ）では、両吸気弁２８，３０と第２排気弁３４とが同期して開作動する。
【００２１】
例えば部分負荷時には、図１に示すように、制御弁４６は開状態に制御され、自己着火燃焼が行われる。
【００２２】
詳述すると、排気行程（ａ）では、両方の排気通路２４，２６が開作動し、ピストン１６の上昇に伴って燃焼室１８内の残留ガスが両排気通路２４，２６を通って排出される。
【００２３】
続く吸気行程（ｂ）では、上述したように吸気弁２８，３０及び第２排気弁３４が共に開作動する。従って燃焼室１８には、ピストン１６の下降に伴って新気（混合気）Ｐが吸気通路２０，２２側から導入されると同時に、第２排気通路２６内に残留する排気Ｑが導入される。ここで、燃焼室１８は、いわゆるクロスフロー形式となっており、吸気通路２０，２２が開口する側と排気通路２４，２６が開口する側とが略対称形に形成され、かつ、ピストン１６の上面が略平面に形成されているため、吸気通路２０，２２から導入される混合気Ｐがそのまま吸気通路側に残留し、第２排気通路２６から導入される排気Ｑがそのまま排気通路側に残留する。従って、燃焼室１８内は、混合気Ｐと排気Ｑとが成層化した状態となる。なお、この吸気行程（ｂ）では、第１排気弁３２（図３）は閉状態となっており、第１排気通路２４内に残留する排気が燃焼室１８へ逆流することはない。
【００２４】
続く圧縮行程（ｃ）では、燃焼室１８内の混合気Ｐと排気Ｑとが成層化した状態で圧縮される。このため、燃焼室１８内に残留する排気Ｑの温度が、断熱圧縮の作用によって混合気Ｐの発火温度を越えるまで上昇し、混合気Ｐと残留排気Ｑとの界面において、残留排気Ｑから混合気Ｐへの自己着火が行われる。そして膨張行程（ｄ）では、爆発圧力によりピストン１６が下死点側へ押し下げられて、再び排気行程（ａ）へと戻り、上述した動作が繰り返される。
【００２５】
一方、機関の全負荷時には、図２に示すように、制御弁４６は全閉状態に制御され、シリンダ１２内に均質な混合気Ｐを形成して点火する均質燃焼が行われる。詳述すると、排気行程（ａ）では第１排気通路２４（図３）を通って燃焼室１８内の排気ガスが排出され、吸気行程（ｂ）では両吸気弁２８，３０が共に開状態となり、両吸気通路２０，２２から混合気Ｐが燃焼室１８内に導入される。このとき、制御弁４６が閉状態となっているから、第２排気通路２６側から排気が導入されることはない。続く圧縮行程（ｃ）で圧縮された混合気Ｐは点火プラグ３６で着火され、膨張行程（ｄ）では爆発圧力によりピストン１６が押し下げられる。
【００２６】
以上のように、本実施例に係る４ストローク型の火花点火式エンジンでは、部分負荷時における吸気行程（ｂ）の際に、第２排気通路２６に残留する排気Ｑが燃焼室１８へ導入されるため、燃焼室１８内で排気Ｑ側から混合気Ｐへの自己着火が可能となり、良好な自己着火燃焼が実現される。この結果、従来のように吸気通路の途中に設けられたスロットル弁によって、部分負荷時に吸入される新気の量を制限する必要がないため、吸入負圧に起因するポンピングロスの低減が可能となる。
【００２７】
また、全負荷時等においては、制御弁４６を閉じて第２排気通路２６を遮断することにより、上述したように吸気行程（ｂ）で排気Ｑが第２排気通路２６から燃焼室１８へ導入されることはなく、十分に良好な出力を得ることができる。
【００２８】
つまり本実施例では、部分負荷時における自己着火燃焼と全負荷時における均質燃焼とを高度に両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の部分負荷時における各サイクルの状態を示す断面対応図。
【図２】図１の内燃機関の全負荷時における各サイクルの状態を示す断面対応図。
【図３】図１の内燃機関を下側から見た平面対応図。
【図４】図１の内燃機関の吸気弁及び排気弁のバルブリフト特性を示す特性図。
【符号の説明】
１２…シリンダ
１８…燃焼室
２０，２２…吸気通路
２４…第１排気通路
２６…第２排気通路
２８，３０…吸気弁
３２…第１排気弁
３４…第２排気弁
３６…点火プラグ
４６…制御弁（開閉手段）

Claims

シリンダの燃焼室に、この燃焼室に開口する吸気通路との間を開閉する吸気弁と、同じく燃焼室に開口する排気通路との間を開閉する排気弁とが設けられるとともに、シリンダ略中央に火花点火プラグを有する４サイクル型の火花点火式内燃機関において、
上記排気弁を１つのシリンダに対して２つ以上設け、一方の第１排気弁が排気行程で開く一方、他方の第２排気弁が排気行程及び吸気行程の両方で開くように設定し、
かつ、第１排気弁に対応する第１排気通路と第２排気弁に対応する第２排気通路とを互いに独立して設けるとともに、
少なくとも全負荷時には、上記第２排気通路を閉じることにより火花点火プラグの火花点火による燃焼が行われ、少なくとも部分負荷時には、第２排気通路を開くことにより、吸気通路から燃焼室へ導入される混合気と第２排気通路から燃焼室へ導入される残留排気との界面において、圧縮行程で残留排気から混合気への自己着火燃焼が行われるように、第２排気通路を開閉する開閉手段を設けたことを特徴とする火花点火式内燃機関。
上記開閉手段は、部分負荷時に開かれ、全負荷時に閉じられる制御弁であることを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
上記燃焼室は、上記吸気通路が開口する側と排気通路が開口する側とが略対称形に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火式内燃機関。