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JP7583565B2 - Internal combustion engine - Google Patents
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Description

本発明は、排ガス浄化触媒を昇温促進し、副燃焼室を備えた希薄燃焼の内燃機関に関する。 The present invention relates to a lean-burn internal combustion engine that promotes the temperature rise of an exhaust gas purification catalyst and is equipped with a secondary combustion chamber.

近年、ガソリンエンジンの熱効率を向上させる手法の一つとして、希薄燃焼(リーンバーン)技術が注目されている。この希薄燃焼技術は、燃焼室内に投入する燃料の量を減らして薄い混合気を作り、これを素早く燃やして燃費を向上させる。 In recent years, lean-burn technology has been attracting attention as one method for improving the thermal efficiency of gasoline engines. This lean-burn technology reduces the amount of fuel put into the combustion chamber to create a lean mixture, which is then burned quickly to improve fuel efficiency.

希薄燃焼技術において、例えば、特許文献1および特許文献2に開示されるように、熱損失と排気損失を低減するために副燃焼室(プリチャンバ)燃焼方式が知られている。 In lean-burn technology, for example, a pre-chamber combustion method is known to reduce heat loss and exhaust loss, as disclosed in Patent Documents 1 and 2.

副燃焼室燃焼方式は、燃焼室に配設される点火プラグに、微小な孔が複数設けられた半円形のキャップなどをかぶせて副燃焼室を形成し、この副燃焼室内に燃料噴射装置を配置する。そして、副燃焼室内に少量の燃料を噴射して点火すると、副燃焼室内の燃料が一気に燃え、複数の微小な孔からトーチ火炎が燃焼室内に吹きだす。このトーチ火炎によりシリンダ内の希薄混合気が着火し、短時間で急速燃焼させことができる。これにより、希薄環境下での安定燃焼や、ボア端での自着火を抑制することができる。 In the pre-combustion chamber combustion method, a semicircular cap with multiple tiny holes is placed over an ignition plug placed in the combustion chamber to form a pre-combustion chamber, and a fuel injection device is placed inside this pre-combustion chamber. When a small amount of fuel is injected into the pre-combustion chamber and ignited, the fuel in the pre-combustion chamber burns all at once, and a torch flame is ejected from the multiple tiny holes into the combustion chamber. This torch flame ignites the lean air-fuel mixture in the cylinder, allowing for rapid combustion in a short period of time. This allows for stable combustion in a lean environment and suppresses self-ignition at the bore end.

特開平7-026961号公報Japanese Patent Application Publication No. 7-026961 特開2018-105171号公報JP 2018-105171 A

ところで、内燃機関のパワーユニットを有する車両などには、排ガス中の有害成分を浄化するための触媒コンバータが排気路に設けられている。この触媒コンバータ内の触媒(三元触媒)は、有害成分を浄化する活性化温度に排ガスの熱により昇温される。 In vehicles with internal combustion engine power units, a catalytic converter is installed in the exhaust passage to purify harmful components in the exhaust gas. The catalyst (three-way catalyst) in this catalytic converter is heated by the heat of the exhaust gas to an activation temperature at which it purifies the harmful components.

しかしながら、副燃焼室燃焼方式の内燃機関は、希薄混合気の燃焼速度が速いため、排気路に設けられた触媒を早期に昇温させることが困難であり、冷間始動時などにおける触媒が活性化温度に達する時間が長くなるという課題があった。 However, in internal combustion engines using the pre-chamber combustion system, the combustion speed of a lean mixture is fast, making it difficult to quickly heat up the catalyst installed in the exhaust passage, and there is an issue that it takes a long time for the catalyst to reach its activation temperature during cold starts, etc.

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、排気路に設けられた触媒が活性化する温度に昇温促進させる副室燃焼を有する内燃機関を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention aims to provide an internal combustion engine with pre-chamber combustion that promotes temperature rise to a temperature at which a catalyst installed in the exhaust passage becomes active.

本発明の一態様は、シリンダヘッドとシリンダブロックを備えた内燃機関であって、
前記シリンダブロックに形成された気筒と、前記気筒内に摺動自在に挿嵌されたピストンと、前記気筒内に形成され、前記ピストンと前記シリンダヘッドの間の主燃焼室と、前記主燃焼室に連通するように前記シリンダヘッドに形成され、排気弁および吸気弁が開閉自在に設けられた複数のポートと、底部が前記ピストン側を臨むように前記シリンダヘッドに設けられ、副燃焼室を有する第1チャンバおよび第2チャンバと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記第1チャンバの副燃焼室に燃料を噴霧する第1インジェクタと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記第2チャンバの副燃焼室に燃料を噴霧する第2インジェクタと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記第1チャンバの副燃焼室内の混合気を着火する第1点火プラグと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記第2チャンバの副燃焼室内の混合気を着火する第2点火プラグと、前記第2チャンバの副燃焼室と連通するように前記第2チャンバにおいて前記排気弁側に臨むように形成され、トーチ火炎を噴射する噴口と、前記第1インジェクタ前記第2インジェクタ、前記第1点火プラグおよび前記第2点火プラグを駆動制御するエンジン制御ユニットと、を具備し、前記エンジン制御ユニットは、前記第1チャンバの副燃焼室内の混合気を前記第1点火プラグにより着火させて、前記第1点火プラグの着火タイミングとは異なるタイミングである排気行程時において、前記第2インジェクタから燃料が噴霧された前記第2チャンバの副燃焼室内の混合気を前記第2点火プラグにより着火させて、前記噴口から前記トーチ火炎を前記排気弁側に向かって噴射させて、燃焼ガスと共に前記トーチ火炎を前記排気弁が開弁した前記ポートに送り込む制御を実行する。
One aspect of the present invention is an internal combustion engine having a cylinder head and a cylinder block,
a cylinder formed in the cylinder block; a piston slidably inserted in the cylinder; a main combustion chamber formed in the cylinder and between the piston and the cylinder head; a plurality of ports formed in the cylinder head so as to communicate with the main combustion chamber, the ports having exhaust valves and intake valves which can be opened and closed; a first chamber and a second chamber each having a sub-combustion chamber and provided in the cylinder head with a bottom facing the piston; a first injector provided in the cylinder head for spraying fuel into the sub-combustion chamber of the first chamber ; a second injector provided in the cylinder head for spraying fuel into the sub-combustion chamber of the second chamber ; a first ignition plug provided in the cylinder head for igniting the mixture in the sub-combustion chamber of the first chamber ; the second injector, the first spark plug, the second injector , the first spark plug, and the second spark plug. The engine control unit controls the first and second injectors to ignite the mixture in the pre-combustion chamber of the first chamber with the first spark plug, and during the exhaust stroke, which is a timing different from the ignition timing of the first ignition plug , the second spark plug ignites the mixture in the pre-combustion chamber of the second chamber into which fuel has been sprayed from the second injector , and injects the torch flame from the nozzle toward the exhaust valve , and sends the torch flame together with combustion gas to the port where the exhaust valve is opened.

本発明によれば、排気路に設けられた触媒が活性化する温度に昇温促進させる副室燃焼を有する内燃機関を提供することができる。 The present invention provides an internal combustion engine with pre-chamber combustion that promotes heating to a temperature at which a catalyst installed in the exhaust passage becomes active.

希薄燃焼エンジンの要部の断面を部分的に示す概略構成図FIG. 1 is a schematic diagram partially showing a cross section of a main part of a lean-burn engine. 吸気行程の希薄燃焼エンジンの状態を示す部分断面図Partial cross-sectional view showing the state of a lean-burn engine during the intake stroke 圧縮行程の希薄燃焼エンジンの状態を示す部分断面図Partial cutaway view of a lean-burn engine during the compression stroke 第1の副燃焼室からトーチ火炎が噴射される着火時の希薄燃焼エンジンの状態を示す部分断面図FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing the state of a lean-burn engine at the time of ignition when a torch flame is injected from a first auxiliary combustion chamber. 燃焼行程の希薄燃焼エンジンの状態を示す部分断面図Partial cutaway view of a lean-burn engine during the combustion process 第2の副燃焼室からトーチ火炎が噴射される排気行程の希薄燃焼エンジンの状態を示す部分断面図FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a state of a lean-burn engine during the exhaust stroke in which a torch flame is injected from a second auxiliary combustion chamber. 変形例の第2の副燃焼室からトーチ火炎が噴射される着火時の希薄燃焼エンジンの状態を示す部分断面図FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing a state of a lean-burn engine at the time of ignition when a torch flame is injected from the second auxiliary combustion chamber of a modified example. 変形例の第2の副燃焼室からトーチ火炎が噴射される排気行程の希薄燃焼エンジンの状態を示す部分断面図FIG. 13 is a partial cross-sectional view showing a state of a lean-burn engine during the exhaust stroke in which a torch flame is injected from the second auxiliary combustion chamber of a modified example.

以下に図面を参照しながら、本発明の一態様の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明に用いる図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、および各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。 An embodiment of one aspect of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. Note that in the drawings used in the following description, each component is shown at a different scale so that it can be recognized on the drawing, and the present invention is not limited to the number of components, the shapes of the components, the size ratios of the components, or the relative positions of the components shown in these drawings.

図1に示す、内燃機関である希薄燃焼(リーンバーン)エンジン(以下、単にエンジンと略記する)1は、火花点火式の筒内噴射エンジンを示し、本実施形態においては、例えば、自然吸気型の4気筒のガソリンエンジンの1気筒部分の断面を例示している。 The lean-burn internal combustion engine (hereinafter simply referred to as engine) 1 shown in FIG. 1 is a spark-ignition type direct injection engine, and in this embodiment, for example, a cross section of one cylinder of a naturally aspirated four-cylinder gasoline engine is illustrated.

エンジン1は、シリンダブロック10に開口する各気筒11にピストン15が摺動自在に嵌挿されている。このピストン15の頂面には、ピストンキャビティ15aが形成されている。ピストン15とシリンダヘッド20との間の空間として主燃焼室12が設けられている。 In the engine 1, a piston 15 is slidably inserted into each cylinder 11 that opens into the cylinder block 10. A piston cavity 15a is formed in the top surface of the piston 15. A main combustion chamber 12 is provided as the space between the piston 15 and the cylinder head 20.

ここで、例えば、各気筒11に対応する領域において、シリンダヘッド20の底面28には、2つの吸気ポート23および2つの排気ポート24が開口されている。さらに、2つの吸気ポート23および2つの排気ポート24には、これらを開閉する吸気弁25および排気弁26がそれぞれ配設されている。なお、図1においては吸気ポート23および排気ポート24がそれぞれ1つのみ図示している。 Here, for example, two intake ports 23 and two exhaust ports 24 are opened in the bottom surface 28 of the cylinder head 20 in the region corresponding to each cylinder 11. Furthermore, the two intake ports 23 and the two exhaust ports 24 are provided with intake valves 25 and exhaust valves 26, respectively, for opening and closing them. Note that only one intake port 23 and one exhaust port 24 are shown in FIG. 1.

また、シリンダヘッド20側の主燃焼室12の略中央位置には、メインプレチャンバとして機能する第1の副燃焼室ユニット40が設けられている。さらに、シリンダヘッド20側の主燃焼室12の排気ポート24側には、サブプレチャンバとして機能する第2の副燃焼室ユニット41が設けられている。 A first auxiliary combustion chamber unit 40 that functions as a main pre-chamber is provided at approximately the center of the main combustion chamber 12 on the cylinder head 20 side. Furthermore, a second auxiliary combustion chamber unit 41 that functions as a sub-pre-chamber is provided on the exhaust port 24 side of the main combustion chamber 12 on the cylinder head 20 side.

第1の副燃焼室ユニット40は、有底筒状のキャップ体である第1のチャンバ42、第1の点火プラグ47および噴射用燃料噴射弁として機能する第1のインジェクタ46が保持されている。 The first auxiliary combustion chamber unit 40 holds a first chamber 42, which is a cylindrical cap body with a bottom, a first ignition plug 47, and a first injector 46 that functions as a fuel injection valve.

第2の副燃焼室ユニット41は、有底筒状のキャップ体である第2のチャンバ44、第2の点火プラグ49および噴射用燃料噴射弁として機能する第2のインジェクタ48が保持されている。 The second auxiliary combustion chamber unit 41 holds a second chamber 44, which is a cylindrical cap body with a bottom, a second ignition plug 49, and a second injector 48 that functions as a fuel injection valve.

これら第1、第2の点火プラグ47,49の先端部に形成された点火部および第1、第2のインジェクタ46,48の先端部に設けられた燃料噴射口は、それぞれが第1、第2のチャンバ42,44によって形成された狭小空間である第1、第2の副燃焼室42a,44a内に臨まされている。 The ignition parts formed at the tips of the first and second spark plugs 47, 49 and the fuel injection ports provided at the tips of the first and second injectors 46, 48 face the first and second auxiliary combustion chambers 42a, 44a, which are narrow spaces formed by the first and second chambers 42, 44, respectively.

第1のチャンバ42は、有底部に複数の噴口43が周方向に形成されている。これら複数の噴口43は、例えば、略等間隔に8つ形成されており、これら8つの噴口43の各孔軸が第1のチャンバ42の中心軸に対して所定の角度θ(例えばθ=45°)を有している。即ち、8つの噴口43は、第1の副燃焼室42aと連通し、主燃焼室12に向けて俯角を有して開口部が放射状に臨むように各孔軸が設定されている。 The first chamber 42 has a plurality of nozzles 43 formed in the circumferential direction at its bottom. For example, eight of these nozzles 43 are formed at approximately equal intervals, and the axis of each of these eight nozzles 43 has a predetermined angle θ (for example, θ = 45°) with respect to the central axis of the first chamber 42. In other words, the eight nozzles 43 communicate with the first auxiliary combustion chamber 42a, and the axis of each hole is set so that the openings face radially toward the main combustion chamber 12 with a depression angle.

第2のチャンバ44は、1つまたは2つの噴口45が排気弁26および排気ポート24側に向けて形成されている。噴口45は、1つの場合、例えば、2つの排気弁26の略中間に向けて形成されていることが好ましく、2つの場合、例えば、個々が各排気弁26に向けて形成されていることが好ましい。 The second chamber 44 has one or two nozzles 45 formed toward the exhaust valves 26 and exhaust port 24. When there is one nozzle 45, it is preferable that the nozzle 45 is formed toward, for example, approximately the middle of the two exhaust valves 26, and when there are two nozzles, it is preferable that each nozzle 45 is formed toward each exhaust valve 26.

1つまたは2つの噴口45も、その孔軸が第2のチャンバ44の中心軸に対して所定の角度θ(例えばθ=90°)を有している。即ち、噴口45は、第2の副燃焼室44aと連通し、主燃焼室12の排気弁26側に向けて臨むように孔軸が設定されている。 The axis of one or two nozzles 45 also has a predetermined angle θ (e.g., θ = 90°) with respect to the central axis of the second chamber 44. That is, the nozzle 45 communicates with the second auxiliary combustion chamber 44a, and the axis of the nozzle is set so that it faces the exhaust valve 26 side of the main combustion chamber 12.

さらに、シリンダヘッド20には、筒内噴射用燃料噴射弁として機能する第3のインジェクタ17が保持され、この第3のインジェクタ17の燃料噴射口がピストン15の頂面に対して所定の俯角を有した状態で気筒11内に臨まされている。 The cylinder head 20 also holds a third injector 17 that functions as a fuel injection valve for in-cylinder injection, and the fuel injection port of this third injector 17 faces the inside of the cylinder 11 at a predetermined depression angle with respect to the top surface of the piston 15.

なお、シリンダヘッド20には、吸気弁25および排気弁26の燃焼サイクル毎の開弁状態を可変に切換可能な図示しない可変動弁機構が設けられている。可変動弁機構は、吸気弁25および排気弁26を、任意のタイミングおよびリフト量で駆動することが可能となっており、エンジン制御ユニット(ECU)30によって駆動制御される。 The cylinder head 20 is provided with a variable valve mechanism (not shown) that can variably switch the opening state of the intake valve 25 and the exhaust valve 26 for each combustion cycle. The variable valve mechanism can drive the intake valve 25 and the exhaust valve 26 at any timing and lift amount, and is controlled by the engine control unit (ECU) 30.

また、ECU30は、CPU、ROM、RAM、入出力インターフェースなどを有する周知のマイクロコンピュータを中心として構成され、入力側に、図示しない吸入空気量センサ、クランク軸の回転からエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサなどを含む各種センサ/スイッチ類が接続されている。
さらに、ECU30は、例えば、水冷エンジンのクーラント液の温度を検出する水温センサ31、排気ガス中の酸素量を検出するO2センサ32および触媒コンバータ50の触媒51の温度または触媒出口直後の排ガスの温度を検出する触媒温度センサ33が接続されている。
The ECU 30 is configured around a well-known microcomputer having a CPU, ROM, RAM, an input/output interface, etc., and various sensors/switches including an intake air volume sensor (not shown) and an engine speed sensor that detects the engine speed from the rotation of the crankshaft are connected to the input side.
In addition, the ECU 30 is connected to, for example, a water temperature sensor 31 that detects the temperature of the coolant in a water-cooled engine, an O2 sensor 32 that detects the amount of oxygen in the exhaust gas, and a catalyst temperature sensor 33 that detects the temperature of the catalyst 51 in the catalytic converter 50 or the temperature of the exhaust gas immediately after the catalyst outlet.

なお、O2センサ32は、排気ポート24に連通するエキゾーストマニホールド27に接続される排気管29に設けられている。また、触媒温度センサ33は、触媒コンバータ50の触媒51を収容する外装体のプロテクタとして機能するケース体52の後方側に設けられている。 The O2 sensor 32 is provided in an exhaust pipe 29 connected to an exhaust manifold 27 that communicates with the exhaust port 24. The catalyst temperature sensor 33 is provided on the rear side of a case body 52 that functions as a protector for the exterior body that houses the catalyst 51 of the catalytic converter 50.

以上のように構成されたエンジン1は、図2に示すように、ピストン15が上死点の位置から下降することで気筒11内が陰圧となって、このピストン15の運動に連動して吸気弁25が開き、吸気ポート23から主燃焼室12内に空気(AIR)が吸入される吸気行程が行われる。そして、エンジン1は、図3に示すように、ピストン15が下死点の位置から上昇する圧縮行程が行われる。 As shown in FIG. 2, the engine 1 configured as described above creates a negative pressure inside the cylinder 11 as the piston 15 descends from the top dead center position, and the intake valve 25 opens in conjunction with the movement of the piston 15, performing an intake stroke in which air (AIR) is drawn into the main combustion chamber 12 from the intake port 23. Then, as shown in FIG. 3, the engine 1 performs a compression stroke in which the piston 15 rises from the bottom dead center position.

この圧縮行程時において、エンジン1は、要求負荷に応じたタイミングにより、ECU30の制御によって、第3のインジェクタ17の燃料噴射口から燃料(ガソリン)が主燃焼室12内に噴霧される。さらに、エンジン1は、所定のタイミングにより、ECU30の制御によって、第1のインジェクタ46の燃料噴射口から燃料(ガソリン)が第1の副燃焼室42a内に噴霧される。 During this compression stroke, the engine 1 sprays fuel (gasoline) from the fuel injection port of the third injector 17 into the main combustion chamber 12 under the control of the ECU 30 at a timing according to the required load. Furthermore, the engine 1 sprays fuel (gasoline) from the fuel injection port of the first injector 46 into the first auxiliary combustion chamber 42a at a predetermined timing under the control of the ECU 30.

そして、エンジン1は、図4に示すように、上死点付近にピストン15が運動した際に、ECU30の制御によって、第1の点火プラグ47の点火部に火花を発生させて、狭小空間の第1の副燃焼室42a内の混合気を着火する。 As shown in FIG. 4, when the piston 15 moves near the top dead center, the engine 1 generates a spark in the ignition section of the first spark plug 47 under the control of the ECU 30, igniting the mixture in the first auxiliary combustion chamber 42a, which is a narrow space.

これにより、第1の副燃焼室42a内の混合気が急速に燃焼して、複数、ここでは8つの噴口43から着火源である8つのトーチ火炎Fが主燃焼室12内に放射状に噴射され、主燃焼室12が急速に燃焼される燃焼行程が行われる。 As a result, the mixture in the first auxiliary combustion chamber 42a combusts rapidly, and eight torch flames F, which serve as ignition sources, are sprayed radially from multiple nozzles 43 (here eight nozzles) into the main combustion chamber 12, performing a combustion process in which the main combustion chamber 12 is rapidly combusted.

この燃焼行程により、エンジン1は、図5に示すように、燃焼された主燃焼室12内の気体の膨張作用によりピストン15が下死点まで押し下げられて動力が伝えられ、さらに慣性力により下死点から上死点に運動する。 As shown in Figure 5, this combustion stroke causes the piston 15 to be pushed down to bottom dead center by the expansion of the combusted gas in the main combustion chamber 12, transmitting power, and the piston 15 then moves from bottom dead center to top dead center due to inertial force.

このとき、エンジン1は、図6に示すように、ピストン15の運動に連動して排気弁26が開き、燃焼ガス(排ガス/EX GAS)を気筒11外の排気ポート24内に押し流す排気行程が行われる。 At this time, as shown in FIG. 6, the exhaust valve 26 of the engine 1 opens in conjunction with the movement of the piston 15, and the exhaust stroke is performed to push the combustion gas (exhaust gas) into the exhaust port 24 outside the cylinder 11.

また、エンジン1は、燃焼行程から排気行程に移る際に、ECU30の制御によって、第2のインジェクタ48の燃料噴射口から燃料(ガソリン)が第2の副燃焼室44a内に噴霧される。そして、エンジン1は、排気弁26が開弁される所定のタイミング(例えば、排気弁26が開弁された瞬間)に、ECU30の制御によって、第2の点火プラグ49の点火部に火花を発生させて、狭小空間の第2の副燃焼室44a内の混合気を着火する。 When engine 1 transitions from the combustion stroke to the exhaust stroke, fuel (gasoline) is sprayed into second auxiliary combustion chamber 44a from the fuel injection port of second injector 48 under the control of ECU 30. Then, at a predetermined timing when exhaust valve 26 opens (for example, the moment exhaust valve 26 opens), engine 1 generates a spark in the ignition part of second ignition plug 49 under the control of ECU 30, igniting the mixture in second auxiliary combustion chamber 44a, which is a narrow space.

これにより、第2の副燃焼室44a内の混合気が燃焼して、排気弁26が開弁した排気ポート24に向けて噴口45からトーチ火炎Fが主燃焼室12内に噴射される。このとき、排気ポート24内に押し流されている燃焼ガスの気流によって、トーチ火炎Fが排気ポート24内に入り込む。 As a result, the mixture in the second auxiliary combustion chamber 44a is combusted, and the torch flame F is injected from the nozzle 45 into the main combustion chamber 12 toward the exhaust port 24 with the exhaust valve 26 open. At this time, the torch flame F enters the exhaust port 24 due to the airflow of the combustion gas being swept into the exhaust port 24.

排気ポート24に押し流された燃焼ガスは、トーチ火炎Fにより、さらに熱せられて高温となり、排気ポート24に連通するエキゾーストマニホールド27および排気管29を伝って触媒コンバータ50に送気される。この高温な燃焼ガスは、触媒コンバータ50の触媒51を加熱して昇温させる。これにより、触媒51は、高温な燃焼ガスにより加熱されて、燃焼ガスを浄化する活性化温度に達するまでの時間が短縮される。 The combustion gas swept into the exhaust port 24 is further heated by the torch flame F, becoming hot, and is then sent to the catalytic converter 50 via the exhaust manifold 27 and exhaust pipe 29 that communicate with the exhaust port 24. This hot combustion gas heats the catalyst 51 of the catalytic converter 50, raising its temperature. As a result, the catalyst 51 is heated by the hot combustion gas, and the time it takes for it to reach an activation temperature at which it purifies the combustion gas is shortened.

以上の記載により、本実施の形態のエンジン1は、燃焼室内に、ここでは2つの第1、第2の副燃焼室ユニット40,41を有した構成となっている。そして、2つのうち第1の副燃焼室ユニット40は、ジェット火炎であるトーチ火炎Fを主燃焼室12内に噴射して混合気を燃焼させる方式のメイン着火源となっており、第2の副燃焼室ユニット41が排気弁26の開くタイミングに合わせてトーチ火炎Fを直接、排気ポート24内の方向に噴射する方式とした触媒コンバータ50の触媒51の温度上昇を促進するサブの着火源となっている。 As described above, the engine 1 of this embodiment has a configuration in which the combustion chamber has two units, the first and second auxiliary combustion chamber units 40 and 41. Of the two, the first auxiliary combustion chamber unit 40 is the main ignition source that injects a torch flame F, which is a jet flame, into the main combustion chamber 12 to combust the mixture, and the second auxiliary combustion chamber unit 41 is the sub-ignition source that promotes the temperature rise of the catalyst 51 of the catalytic converter 50, which injects the torch flame F directly into the exhaust port 24 in accordance with the timing of the opening of the exhaust valve 26.

このように、エンジン1は、メインの第1の副燃焼室ユニット40とサブの第2の副燃焼室ユニット41の着火タイミングが異なり、触媒51の低温時に第2の副燃焼室ユニット41が駆動されて排気弁26が開くタイミングに応じてトーチ火炎Fを噴射させる制御が行われる。そして、エンジン1は、サブの第2の副室燃焼ユニット41から噴射されたトーチ火炎Fを直接排気系に噴射することができるため、触媒51の暖機を促進することができる。 In this way, the engine 1 has different ignition timings for the main first pre-combustion chamber unit 40 and the sub second pre-combustion chamber unit 41, and when the catalyst 51 is at a low temperature, the second pre-combustion chamber unit 41 is driven and the torch flame F is injected according to the timing at which the exhaust valve 26 opens. And, because the engine 1 can inject the torch flame F injected from the sub second pre-combustion chamber unit 41 directly into the exhaust system, it is possible to promote the warming up of the catalyst 51.

なお、ECU30は、第2の副燃焼室ユニット41を駆動および停止する制御を冷間始動時または寒冷地などにより温度低下した触媒51が活性化する温度への昇温を促進させる種々の条件下の際に実施する。なお、ECU30は、第2の副燃焼室ユニット41の駆動および停止の制御を水温センサ31、O2センサ32、触媒温度センサ33などの検出値に基づき実行する。 The ECU 30 controls the operation and stopping of the second auxiliary combustion chamber unit 41 during cold start or under various conditions that promote the temperature rise to a temperature at which the catalyst 51, whose temperature has dropped due to cold climates, etc., is activated. The ECU 30 controls the operation and stopping of the second auxiliary combustion chamber unit 41 based on the detection values of the water temperature sensor 31, O2 sensor 32, catalyst temperature sensor 33, etc.

さらに、エンジン1は、メインとなる第1の副室燃焼ユニット40およびサブとなる第2の副燃焼室ユニット41が独立して制御されるため、暖機運転(ファスト・アイドル)時に第1の副室燃焼ユニット40によるトーチ火炎Fの噴射を燃焼安定性確保に使用し、第2の副燃焼室ユニット41によるトーチ火炎Fの噴射を触媒51の暖機に使用することで、触媒51の温度を下げることなく、混合気の失火によるトルク変動によって発生する振動を抑えることも可能となる。 In addition, because the engine 1 has an independently controlled main first pre-combustion chamber unit 40 and sub second pre-combustion chamber unit 41, the injection of the torch flame F by the first pre-combustion chamber unit 40 is used to ensure combustion stability during warm-up operation (fast idle), and the injection of the torch flame F by the second pre-combustion chamber unit 41 is used to warm up the catalyst 51. This makes it possible to suppress vibrations caused by torque fluctuations due to misfire of the mixture without lowering the temperature of the catalyst 51.

なお、上記実施の形態では、第1の副燃焼室ユニット40が第1のインジェクタ46により第1の副燃焼室42aに直接、燃料(ガソリン)を噴霧して第1の点火プラグ47の点火によりトーチ火炎Fを主燃焼室12内に噴射する方式の所謂アクティブモードを例示したが、これに限定されることなく、第1のインジェクタ46を設けず、圧縮行程時に主燃焼室12から各噴射口43から第1の副燃焼室42a内に入り込んだ混合気を第1の点火プラグ47の点火によりトーチ火炎Fを主燃焼室12内に噴射する方式の所謂パッシブモードとしてもよい。 In the above embodiment, the first auxiliary combustion chamber unit 40 sprays fuel (gasoline) directly into the first auxiliary combustion chamber 42a using the first injector 46, and injects the torch flame F into the main combustion chamber 12 by igniting the first spark plug 47. However, the present invention is not limited to this, and a so-called passive mode may be used in which the first injector 46 is not provided, and the mixture that has entered the first auxiliary combustion chamber 42a from each injection port 43 from the main combustion chamber 12 during the compression stroke is injected into the main combustion chamber 12 by igniting the first spark plug 47 to inject the torch flame F.

(変形例)
本変形例のエンジン1は、図7および図8に示すように、第1の副燃焼室ユニット40の機能を有する第2の副燃焼室ユニット41のみを備えた構成となっている。即ち、ここでの第2の副燃焼室ユニット41は、メインプレチャンバおよびサブプレチャンバの機能を有した構成となっている。
(Modification)
7 and 8, the engine 1 of this modified example is configured to include only a second pre-combustion chamber unit 41 having the functions of the first pre-combustion chamber unit 40. In other words, the second pre-combustion chamber unit 41 here has the functions of both the main pre-chamber and the sub-pre-chamber.

ここでのエンジン1は、図7に示すように、燃焼行程時において、第2の点火プラグ49の点火部に火花が発生されて、第2の副燃焼室44a内の混合気を着火する制御がECU30によって行われる。これにより、噴口45から着火源であるトーチ火炎Fが主燃焼室12内に噴射され、主燃焼室12が急速に燃焼されて燃焼行程が実施される。 As shown in FIG. 7, in the engine 1 here, during the combustion stroke, a spark is generated at the ignition section of the second spark plug 49, and the ECU 30 controls the ignition of the mixture in the second auxiliary combustion chamber 44a. As a result, the torch flame F, which is the ignition source, is injected from the nozzle 45 into the main combustion chamber 12, causing the main combustion chamber 12 to combust rapidly and carrying out the combustion stroke.

また、エンジン1は、排気弁26が開弁される所定のタイミング(例えば、排気弁26が開弁された瞬間)に、第2の点火プラグ49の点火部に火花を発生させて、第2の副燃焼室44a内の混合気を着火する制御がECU30によって実行される。 In addition, the ECU 30 controls the engine 1 to generate a spark in the ignition section of the second spark plug 49 at a predetermined timing when the exhaust valve 26 opens (for example, the moment the exhaust valve 26 opens), thereby igniting the mixture in the second auxiliary combustion chamber 44a.

これにより、第2の副燃焼室44a内の混合気が燃焼して、図8に示すように、排気弁26が開弁した排気ポート24に向けて噴口45からトーチ火炎Fが主燃焼室12内に噴射される。そのため、トーチ火炎Fは、燃焼ガスと共に排気ポート24内に送り込まれる。 As a result, the mixture in the second auxiliary combustion chamber 44a is combusted, and as shown in FIG. 8, the torch flame F is injected from the nozzle 45 into the main combustion chamber 12 toward the exhaust port 24 with the exhaust valve 26 open. Therefore, the torch flame F is sent into the exhaust port 24 together with the combustion gas.

このような構成としても、エンジン1は、トーチ火炎Fにより、さらに高温化された燃焼ガスが触媒51を加熱して、触媒51が燃焼ガスを浄化する活性化温度に達するまでの時間を短縮でき、上記実施の形態に記載の作用効果を有する構成となる。 Even with this configuration, the engine 1 can reduce the time it takes for the combustion gas, which has been further heated by the torch flame F, to heat the catalyst 51 and reach the activation temperature at which the catalyst 51 purifies the combustion gas, thereby achieving the effects described in the above embodiment.

さらに、エンジン1は、第2の副燃焼室ユニット41のみとなるため、構造が簡素化され、コストを抑えた構成とすることができる。また、エンジン1は、シリンダヘッド20の底面28における吸気ポート23、排気ポート24、吸気弁25および排気弁26の径を大きくすることができ、気筒11への吸排気効率を高めることができる。 Furthermore, since the engine 1 only has the second auxiliary combustion chamber unit 41, the structure is simplified and the cost can be reduced. In addition, the engine 1 can increase the diameters of the intake port 23, exhaust port 24, intake valve 25, and exhaust valve 26 on the bottom surface 28 of the cylinder head 20, thereby improving the intake and exhaust efficiency to the cylinder 11.

なお、上記実施の形態および変形例では、エンジン1が筒内噴射エンジンの構成を例示したが、これに限定されることなく、吸気管内に燃料を噴射して混合気を生成するポート噴射エンジンに適用できる技術である。 In the above embodiment and modified example, the engine 1 is configured as a direct injection engine, but the present invention is not limited to this, and the technology can be applied to a port injection engine that injects fuel into the intake pipe to generate an air-fuel mixture.

ところで、ECU30は、中央処理装置(CPU)、ROM、RAMなどの記憶装置などを含むプロセッサを有している。また、プロセッサの複数の回路の全て若しくは一部の構成は、ソフトウェアで実行してもよい。例えば、ROMに格納された各機能に対応する各種プログラムをCPUが読み出して実行するようにしてもよい。 The ECU 30 has a processor including a central processing unit (CPU), a ROM, a RAM, and other storage devices. In addition, all or part of the configuration of the processor's multiple circuits may be implemented by software. For example, the CPU may read and execute various programs corresponding to each function stored in the ROM.

さらに、プロセッサの全部若しくは一部の機能は、論理回路あるいはアナログ回路で構成してもよく、また各種プログラムの処理を、FPGAなどの電子回路により実現するようにしてもよい。 Furthermore, all or part of the functions of the processor may be configured using logic circuits or analog circuits, and the processing of various programs may be realized using electronic circuits such as FPGAs.

以上の実施の形態に記載した発明は、それらの形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。
例えば、各形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、述べられている課題が解決でき、述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得るものである。
The invention described in the above embodiments is not limited to those embodiments, and various modifications can be made in the implementation stage without departing from the gist of the invention. Furthermore, each of the above embodiments includes inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriate combinations of the disclosed constituent elements.
For example, if some of the constituent elements shown in each form are deleted, and the stated problem can be solved and the stated effect can be obtained, the configuration from which these constituent elements are deleted can be extracted as an invention.

1…エンジン
10…シリンダブロック
11…気筒
12…主燃焼室
15…ピストン
15a…ピストンキャビティ
17…第3のインジェクタ
20…シリンダヘッド
23…吸気ポート
24…排気ポート
25…吸気弁
26…排気弁
27…エキゾーストマニホールド
28…底面
29…排気管
30…エンジン制御ユニット(ECU)
31…水温センサ
32…O2センサ
33…触媒温度センサ
40…第1の副燃焼室ユニット
42…第1のチャンバ
42a…第1の副燃焼室
43,45…噴口
44…第2のチャンバ
44a…第2の副燃焼室
46…第1のインジェクタ
47…第1の点火プラグ
48…第2のインジェクタ
49…第2の点火プラグ
50…触媒コンバータ
51…触媒
52…ケース体
F…トーチ火炎
Reference Signs List 1: Engine 10: Cylinder block 11: Cylinder 12: Main combustion chamber 15: Piston 15a: Piston cavity 17: Third injector 20: Cylinder head 23: Intake port 24: Exhaust port 25: Intake valve 26: Exhaust valve 27: Exhaust manifold 28: Bottom surface 29: Exhaust pipe 30: Engine control unit (ECU)
Reference Signs List 31...water temperature sensor 32...O2 sensor 33...catalyst temperature sensor 40...first auxiliary combustion chamber unit 42...first chamber 42a...first auxiliary combustion chamber 43, 45...nozzle 44...second chamber 44a...second auxiliary combustion chamber 46...first injector 47...first ignition plug 48...second injector 49...second ignition plug 50...catalytic converter 51...catalyst 52...case body F...torch flame

Claims (4)

シリンダヘッドとシリンダブロックを備えた内燃機関であって、
前記シリンダブロックに形成された気筒と、
前記気筒内に摺動自在に挿嵌されたピストンと、
前記気筒内に形成され、前記ピストンと前記シリンダヘッドの間の主燃焼室と、
前記主燃焼室に連通するように前記シリンダヘッドに形成され、排気弁および吸気弁が開閉自在に設けられた複数のポートと、
底部が前記ピストン側を臨むように前記シリンダヘッドに設けられ、副燃焼室を有する第1チャンバおよび第2チャンバと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記第1チャンバの副燃焼室に燃料を噴霧する第1インジェクタと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記第2チャンバの副燃焼室に燃料を噴霧する第2インジェクタと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記第1チャンバの副燃焼室内の混合気を着火する第1点火プラグと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記第2チャンバの副燃焼室内の混合気を着火する第2点火プラグと、
前記第2チャンバの副燃焼室と連通するように前記第2チャンバにおいて前記排気弁側に臨むように形成され、トーチ火炎を噴射する噴口と、
前記第1インジェクタ前記第2インジェクタ、前記第1点火プラグおよび前記第2点火プラグを駆動制御するエンジン制御ユニットと、
を具備し、
前記エンジン制御ユニットは、前記第1チャンバの副燃焼室内の混合気を前記第1点火プラグにより着火させて、前記第1点火プラグの着火タイミングとは異なるタイミングである排気行程時において、前記第2インジェクタから燃料が噴霧された前記第2チャンバの副燃焼室内の混合気を前記第2点火プラグにより着火させて、前記噴口から前記トーチ火炎を前記排気弁側に向かって噴射させて、燃焼ガスと共に前記トーチ火炎を前記排気弁が開弁した前記ポートに送り込む制御を実行することを特徴とする内燃機関。
An internal combustion engine having a cylinder head and a cylinder block,
a cylinder formed in the cylinder block;
A piston slidably inserted in the cylinder;
a main combustion chamber formed within the cylinder between the piston and the cylinder head;
a plurality of ports formed in the cylinder head so as to communicate with the main combustion chamber, the ports having exhaust valves and intake valves that can be opened and closed;
a first chamber and a second chamber each having an auxiliary combustion chamber and provided in the cylinder head such that a bottom portion of the first chamber faces the piston;
a first injector provided in the cylinder head and configured to spray fuel into a sub-combustion chamber of the first chamber ;
a second injector provided in the cylinder head for spraying fuel into a sub-combustion chamber of the second chamber;
a first spark plug provided in the cylinder head for igniting an air-fuel mixture in a sub-combustion chamber of the first chamber ;
a second spark plug provided in the cylinder head for igniting the mixture in the sub-combustion chamber of the second chamber;
a nozzle formed in the second chamber so as to communicate with the auxiliary combustion chamber of the second chamber and to face the exhaust valve side, the nozzle outlet for injecting a torch flame;
an engine control unit that drives and controls the first injector , the second injector, the first spark plug, and the second spark plug ;
Equipped with
the engine control unit executes control to ignite the air-fuel mixture in the pre-combustion chamber of the first chamber with the first spark plug, and during an exhaust stroke, which is a timing different from the ignition timing of the first spark plug, ignite the air-fuel mixture in the pre-combustion chamber of the second chamber, into which fuel has been sprayed from the second injector, with the second spark plug, and inject the torch flame from the nozzle toward the exhaust valve , thereby sending the torch flame together with combustion gas into the port where the exhaust valve is opened.
記エンジン制御ユニットは、燃焼行程時において、前第1チャンバの副燃焼室内の混合気を前第1点火プラグにより着火させて、排気行程時において、前第2チャンバの副燃焼室内の混合気を前第2点火プラグにより着火させて、前記トーチ火炎を噴射させる制御を実行することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。 2. The internal combustion engine according to claim 1 , wherein the engine control unit executes control to ignite the air-fuel mixture in the pre-combustion chamber of the first chamber by the first ignition plug during a combustion stroke , and to ignite the air-fuel mixture in the pre -combustion chamber of the second chamber by the second ignition plug during an exhaust stroke , thereby injecting the torch flame. 前記噴口は、孔軸が前記第2チャンバの中心軸に対して90°の角度を有し、前記排気弁側の複数のポートの中間を指向していることを特徴とする請求項1または請求項2記載の内燃機関。 3. An internal combustion engine according to claim 1 , wherein the nozzle hole axis is angled at 90 degrees with respect to a central axis of the second chamber and is directed toward a midpoint between the plurality of ports on the exhaust valve side . 前記燃料がガソリンのガソリンエンジンであることを特徴とする請求項1から請求項の何れか1項に記載の内燃機関。 4. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the internal combustion engine is a gasoline engine using gasoline as fuel.
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