JP4164894B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は火花点火式内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
火花点火式内燃機関の中には、例えば特開平6−280581号公報に示されているように、NOx の低減を目的として2つの吸気弁が開弁する吸気行程で2つの排気弁のうち一方の排気弁のみを開弁して、内部排気還流(以下、内部EGRと称する)を積極的に行わせるようにしたものが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように2つの吸気弁が開弁する吸気行程で、2つの排気弁のうち一方の排気弁のみを開弁させて内部EGRを行わせるため、燃焼室内に占める内部EGRの量率が小さく制約されて、NOx 低減効果に影響を及ぼしてしまうことは否めない。
【0004】
そこで、本発明は燃焼性を損なうことなく内部EGRをより積極的に行うことができて、NOx 低減効果を向上することができる火花点火式内燃機関を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明にあっては、2つの吸気弁と、少なくとも1つの排気弁とを備えた火花点火式内燃機関において、機関の運転状態に応じて吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させると共に、該他方の吸気弁の開弁期間において前記1つの排気弁を開弁させるようにしたことを特徴としている。
【0006】
請求項2の発明にあっては、2つの吸気弁と、これら吸気弁と対向的に配置した2つの排気弁とを備えた火花点火式内燃機関において、機関の運転状態に応じて吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させると共に、該他方の吸気弁の開弁期間において少なくとも前記排気弁のうちの一方を開弁させるようにしたことを特徴としている。
【0007】
請求項3の発明にあっては、請求項2に記載の吸気行程で開弁される他方の吸気弁と一方の排気弁とが、燃焼室の略中心部に設けた点火プラグを中心に対角的に配置されていることを特徴としている。
【0008】
請求項4の発明にあっては、請求項1〜3に記載の火花点火式内燃機関において、吸気弁の可変動弁機構を備え、機関の運転状態に応じて、前記吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させる状態と、前記一方の吸気弁を他方の吸気弁と同期させて開弁させる状態とを切り替えるようにしたことを特徴としている。
【0009】
請求項5の発明にあっては、請求項1〜4に記載の火花点火式内燃機関において、燃焼室の吸気弁配置側の側部に燃料を直接燃焼室に噴射する燃料噴射弁を備え、前記吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させる状態では、前記燃料噴射弁により他方の吸気弁の開弁によって吸入される新気流に向けて燃料を噴射するようにしたことを特徴としている。
【0010】
請求項6の発明にあっては、請求項5に記載の火花点火式内燃機関において、前記吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させる状態では、機関の運転状態に応じて圧縮行程で燃料を噴射する状態と吸気行程で燃料を噴射する状態とを切り替え、前記一方の吸気弁を他方の吸気弁と同期させて開弁させる状態では、吸気行程で燃料を噴射するようにしたことを特徴としている。
【0011】
【発明の効果】
請求項1,2に記載の発明によれば、所定の運転状態では吸気行程で開弁する吸気弁数を1とすることによって燃焼室に占める内部EGR量を大幅に拡大することができ、より積極的な内部EGRによって筒内温度が上昇して圧縮自己着火燃焼が促進され、燃焼のピーク温度を下げて全体的な燃焼温度を低下させることができることから、燃焼の安定性を損なうことなくNOx の低減効果を一段と向上することができる。
【0012】
請求項3に記載の発明によれば、請求項2の発明の効果に加えて、吸気行程で開弁される吸気弁と排気弁とが、燃焼室中心部の点火プラグを中心に対角配置されていて、燃焼室内が吸気弁の開弁により吸入された新気領域と、排気弁の開弁により吸入された内部EGR領域とに層状化され、内部EGR領域から混合気層への着火、火焔伝播が確実に行なわれ燃焼性をより一層向上することができる。
【0013】
請求項4に記載の発明によれば、請求項1〜3の発明の効果に加えて、高負荷領域では吸排気弁が基本的なサイクルのバルブタイミングとなって内部EGRを停止するため、高負荷運転に要求される高出力を得ることができる。
【0014】
請求項5に記載の発明によれば、請求項1〜4の発明の効果に加えて、吸気弁の開弁により吸入される新気流に向けて燃料の筒内噴射を行うため、燃料と新気との混合が良好に行われて燃焼の安定性を向上することができる。
【0015】
請求項6に記載の発明によれば、請求項5の発明の効果に加えて、低,中負荷領域では燃料の圧縮行程噴射により超稀薄な空燃比での成層燃焼を行えて燃費および排気エミッションの改善を実現できる一方、中,高負荷領域では燃料の吸気行程噴射により均質燃焼を行えて高出力を得ることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【0017】
図1はポート燃料噴射タイプの4サイクルエンジンにおける燃焼室と吸排気弁および動弁系等との配置関係を模式的に示す平面図で、燃焼室1には2つの吸気弁2,3と、2つの排気弁6,7とを対向的に配設してあり、一側の吸気ポート4,5から吸気して他側の排気ポート8,9から排気するクロスフローポート構造としてある。
【0018】
吸気ポート4,5の何れか一方、もしくは両方には図外の燃料噴射弁を配設してあり、吸気弁2,3の開弁により吸気ポート4,5から燃焼室1に吸入された混合気を、該燃焼室1の略中心部に配設した点火プラグ10により火花点火して燃焼するようにしている。
【0019】
前記吸気弁2,3は特定の機関運転状態、具体的には本実施形態では機関の低,中負荷領域において吸気行程でその一方、例えば吸気弁2が閉弁状態に維持されたままとなり、他方の吸気弁3のみが開弁するようになっている。
【0020】
また、排気弁6,7は前記特定の機関運転状態では、一方の排気弁、例えば前記吸気行程で開弁する他方の吸気弁3と燃焼室中心部の点火プラグ10を中心として対角配置された排気弁6のみが、該他方の吸気弁3の開弁期間において開弁するようになっている。
【0021】
これら吸気弁2および排気弁6はそれぞれ可変動弁機構11,19によって作動される。
【0022】
吸気側可変動弁機構11のカムシャフト12には吸気弁2を開閉する2つのカム13,14と、吸気弁3を開閉する1つのカム15とを設けてある。
【0023】
カム13,14は図2に示すようにそれぞれロッカアーム16,17に当接し、吸気弁2はその直上のカム14に対応したロッカアーム17により開閉される。
【0024】
ロッカアーム16,17はピストン18a,リターンスプリング18bを備えたクラッチ機構18により接離される。
【0025】
ピストン18aの背部には高負荷時に図2の(ロ)に示すように油圧が導入され、該ピストン18aがリターンスプリング18bのばね力に抗して進出してロッカアーム16,17を接続して、カム15と同一のプロフィルおよび作動角のカム13により吸気弁2を他方の吸気弁3と同期して開閉させ、低,中負荷時にはピストン18aへの油圧が解除されて図2の(イ)に示すようにピストン18aがリターンスプリング18bのばね力で後退し、ロッカアーム16,17を切り離してカム13によるロッカアーム16の動きを空振りさせ、カム14によって吸気行程で吸気弁2を閉弁状態に維持させる。
【0026】
即ち、一方の吸気弁2は図4に示すように吸気行程で開弁する他方の吸気弁3に対して、低,中負荷時には吸気行程で閉弁状態を維持し、高負荷時には吸気行程で他方の吸気弁3と同期的に開弁するバルブタイミングに切り換え制御される。
【0027】
排気側可変動弁機構19のカムシャフト20には排気弁6を開閉する2つのカム21,22と、排気弁7を開閉する1つのカム23とを設けてある。
【0028】
カム21,22は図3に示すようにそれぞれロッカアーム24,25に当接し、排気弁6はその直上のカム22に対応したロッカアーム25により開閉される。
【0029】
ロッカアーム24,25はピストン26a,リターンスプリング26bを備えたクラッチ機構26により接離される。
【0030】
ピストン26aの背部には低,中負荷時に図3の(イ)に示すように油圧が導入され、該ピストン26aがリターンスプリング26bのばね力に抗して進出してロッカアーム24,25を接続し、前記他方の吸気弁3の開弁期間においてカム21により排気弁6を開弁させ、高負荷時にはピストン26aへの油圧が解除されて図3の(ロ)に示すようにピストン26aがリターンスプリング26bのばね力で後退し、ロッカアーム24,25を切り離してカム21によるロッカアーム24の動きを空振りさせ、カム23と同一のプロフィルおよび作動角のカム22により該排気弁6を他方の排気弁7と同期して開閉させる。
【0031】
即ち、一方の排気弁6は図4に示すように排気行程で他方の排気弁7と同期的に開弁する他、低,中負荷運転時にのみ、吸気行程で開弁する前記他方の吸気弁3の開弁期間においても開弁するバルブタイミングに切り換え制御される。
【0032】
図5は前記他方の吸気弁3の開弁期間と筒内圧力との関係を示しており、吸気弁3の開弁期間の前半、中でも吸気行程の前半で燃焼室1内の負圧値が急激に大きくなり、吸気行程の後半では該負圧値が徐々に小さくなる。
【0033】
従って、前記一方の排気弁6の開弁期間に関しては、吸気弁3の吸気行程全域に亘って開弁させてもよいが、燃料の混合,気化の促進および筒内温度上昇の観点から、大きな筒内ガス流動が得られ、かつ、排気行程直後の高温排気の吸入が可能な吸気行程の略前半部を排気弁6の開弁期間とすることが望ましい。
【0034】
以上の実施形態の構造によれば、機関の低,中負荷領域では、吸気行程で2つの吸気弁2,3のうち一方の吸気弁2を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁3のみを開弁させると共に、2つの排気弁6,7のうち一方の排気弁6を前記他方の吸気弁3の開弁期間において開弁させて内部EGRを行わせるようにしてあって、吸気行程で開弁する吸気弁数を1とすることにより燃焼室1内に占める内部EGR量を大幅に拡大することができる。
【0035】
このように、より積極的な内部EGRを行えることによって筒内温度が上昇して、図6に示すように低負荷から中負荷に至る運転域(20%負荷〜50%負荷域)では圧縮自己着火燃焼が促進され、燃焼のピーク温度を下げて全体的な燃焼温度を低下させることができ、この結果、燃焼の安定性を損なうことなくNOx の低減効果を一段と向上することができる。
【0036】
特に、前述のように吸気行程で開弁される吸気弁3と排気弁6とは、燃焼室1の中心部の点火プラグ10を中心として対角配置してあるため、図1に示すように燃焼室1内が吸気弁3の開弁により吸入された新気領域と、排気弁6の開弁により吸入された内部EGR領域とに層状化され、内部EGR領域から混合気層への着火、火焔伝播が確実に行なわれ燃焼性をより一層向上することができる。
【0037】
一方、高負荷領域では吸気弁2,3および排気弁6,7は基本的な4サイクルに応じたバルブタイミングに戻されて内部EGRが停止されると共に、図6に示すように点火プラグ10による火花着火燃焼が行われるようになるから、高負荷運転に要求される高出力を得ることができる。
【0038】
図7,8は本発明を筒内噴射式火花点火機関に適用したもので、燃焼室1の吸気弁2,3を配置した側の側部には、これら吸気弁2,3の中間部近傍位置に燃料噴射弁27を配設して、該燃料噴射弁27により燃料を直接燃焼室1内に噴射させるようにしてあり、他の構成については前記第1実施形態とほぼ同様である。
【0039】
この燃料噴射弁27は、前記吸気弁2,3のうち吸気行程で常に開弁する他方の吸気弁3の開弁によって吸入される新気流に向けて燃料を噴射し得る角度で装着してある。
【0040】
また、この実施形態では図8に示すようにピストン28の冠面には、吸気弁3の配設位置に対応して偏寄った部分にキャビティ燃焼室29を設けて、成層燃焼を良好に行わせるようにしてある。
【0041】
この筒内噴射式内燃機関では、基本的には例えば図10に示すように、アイドル運転から30〜35%負荷の低,中負荷運転域では、圧縮行程の途中で燃料噴射弁27より燃焼室1内に燃料を噴射させて成層燃焼運転を行わせ、30〜35%負荷以上の中,高負荷運転域では、吸気行程中に前記燃料噴射を行わせて均質燃焼運転するようにしてあるが、機関冷間時やノック発生時にも均質燃焼運転を行わせて燃焼の安定性が図られる。
【0042】
図9は前記各運転域における噴霧燃料と内部EGRの挙動を模式的に示したもので、同図の(イ)はアイドル運転から30〜35%負荷の低,中負荷運転域で成層燃焼運転を行った状態を示し、圧縮行程で噴射された燃料はキャビティ燃焼室29に受け止められ、点火プラグ10周りにのみ濃い空燃比の混合気を形成できて、全体的な空燃比が超稀薄な混合気での成層燃焼を安定して行わせることができる。
【0043】
この運転域では吸気弁2が閉弁状態にあって吸気弁3のみが開弁すると共に、該吸気弁3の開弁期間において一方の排気弁6が開弁して内部EGRが積極的に行われて燃焼室1内には新気領域と内部EGR領域とが層状化され、自己着火燃焼が促進される。
【0044】
同図の(ロ)は30〜35%負荷以上の中,高負荷運転域で均質燃焼運転を行った状態を示し、吸気行程で噴射された燃料は燃焼室1内で混合と気化が促進されて均質化され、比較的濃い空燃比での均質燃焼を行って高出力化が図られる。
【0045】
この運転域でも例えば50%未満の負荷域では前述と同様に吸気弁2が閉弁状態にあって吸気弁3のみが開弁すると共に、該吸気弁3の開弁期間において一方の排気弁6が開弁して内部EGRが積極的に行われて燃焼室1内には新気領域と内部EGR領域とが層状化され、自己着火燃焼が促進される。
【0046】
同図の(ハ)は50%負荷以上の高負荷運転域で均質燃焼運転を行った状態を示し、この運転域では吸気弁2,3および排気弁6,7は基本的な4サイクルに対応したバルブタイミングに戻されて内部EGRが停止されると共に、点火プラグ10による火花着火燃焼が行われて、高負荷運転に要求される高出力化が図られる。
【0047】
従って、この第2実施形態の構造によれば前記第1実施形態の効果に加えて、機関の低,中負荷領域では燃料の圧縮行程噴射により超稀薄な空燃比での成層燃焼を行えて燃費および排気エミッションを改善できる一方、中,高負荷領域では燃料の吸気行程噴射により均質燃焼を行えて高出力を得ることができることは勿論、この吸気行程噴射による均質燃焼運転域の中でも、前述のように吸気行程で一方の吸気弁2を閉弁状態に維持して他方の吸気弁3のみを開弁させると共に、一方の排気弁6を開弁させて内部EGRを積極的に行う運転域では、前記他方の吸気弁3の開弁により吸入される新気流に向けて燃料の筒内噴射を行うため、燃料と新気との混合が良好に行われて燃焼の安定性を向上することができる。
【0048】
なお、前記各実施形態では吸気行程で一方の排気弁6のみを開弁させるようにしているが、場合によって2つの排気弁6,7を吸気弁3の開弁期間において所要の期間同時もしくは多段階的に開弁させて積極的な内部EGRを行わせることもできる。
【0049】
更に、排気弁数は2つに限ることはなく、1つ又は3つ以上備えたものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を模式的に示す平面図。
【図2】本発明の第1実施形態における吸気側可変動弁機構を示し、(イ)は低,中負荷時を、(ロ)は高負荷時を示す。
【図3】本発明の第1実施形態における排気側可変動弁機構を示し、(イ)は低,中負荷時を、(ロ)は高負荷時を示す。
【図4】本発明の第1実施形態における吸排気弁のバルブタイミングを示す説明図。
【図5】本発明の第1実施形態における吸気弁の開弁期間と筒内圧力との関係を示す説明図。
【図6】本発明の第1実施形態における機関運転状態と燃焼状態との関係を示す説明図。
【図7】本発明の第2実施形態を模式的に示す平面図。
【図8】本発明の第2実施形態におけるピストン冠面と燃料噴射弁の配置関係を示す平面図。
【図9】本発明の第2実施形態における機関運転状態の変化と噴霧燃料および内部EGRの挙動とを示す説明図。
【図10】本発明の第2実施形態における機関運転状態と燃焼状態との関係を示す説明図。
【符号の説明】
1 燃焼室
2,3 吸気弁
6,7 排気弁
10 点火プラグ
27 燃料噴射弁
Claims (6)
- 2つの吸気弁と、少なくとも1つの排気弁とを備えた火花点火式内燃機関において、機関の運転状態に応じて吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させると共に、該他方の吸気弁の開弁期間において前記1つの排気弁を開弁させるようにしたことを特徴とする火花点火式内燃機関。
- 2つの吸気弁と、これら吸気弁と対向的に配置した2つの排気弁とを備えた火花点火式内燃機関において、機関の運転状態に応じて吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させると共に、該他方の吸気弁の開弁期間において少なくとも前記排気弁のうちの一方を開弁させるようにしたことを特徴とする火花点火式内燃機関。
- 吸気行程で開弁される他方の吸気弁と一方の排気弁とが、燃焼室の略中心部に設けた点火プラグを中心に対角的に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の火花点火式内燃機関。
- 吸気弁の可変動弁機構を備え、機関の運転状態に応じて、前記吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させる状態と、前記一方の吸気弁を他方の吸気弁と同期させて開弁させる状態とを切り替えるようにしたことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか一つに記載の火花点火式内燃機関。
- 燃焼室の吸気弁配置側の側部に燃料を直接燃焼室に噴射する燃料噴射弁を備え、前記吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させる状態では、前記燃料噴射弁により他方の吸気弁の開弁によって吸入される新気流に向けて燃料を噴射するようにしたことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか一つに記載の火花点火式内燃機関。
- 前記吸気行程全域で一方の吸気弁を閉弁状態に維持させて他方の吸気弁のみを開弁させる状態では、機関の運転状態に応じて圧縮行程で燃料を噴射する状態と吸気行程で燃料を噴射する状態とを切り替え、前記一方の吸気弁を他方の吸気弁と同期させて開弁させる状態では、吸気行程で燃料を噴射するようにしたことを特徴とする請求項5に記載の火花点火式内燃機関。
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