JP7644608B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンを有するエンジンシステムに関する。

例えば、特許文献１には、エンジンのノックを防止することを目的としたエンジンシステムの一例が開示されている。なお、ノックは、ノッキングとも呼ばれる。

特開２００４－３４２８号公報

特許文献１の技術では、混合気の点火時期と連動させて高圧空気を燃焼室に噴射させ、燃焼室内に乱流を発生させる。これにより、特許文献１の技術では、燃焼後期の燃焼速度を向上させて、ノックの抑制を図っている。しかし、特許文献１の技術を適用しても、ノックの抑制が十分ではなかった。このため、より適切にノックを抑制することが望まれている。

そこで、本発明は、エンジンのノックを抑制することが可能なエンジンシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のエンジンシステムは、シリンダ内に形成される燃焼室と、燃焼室の内部の圧力より高い圧力の高圧空気を生成する空気加圧ポンプと、ノズルが燃焼室に開口し、シリンダの内周面の接線方向に向けて、空気加圧ポンプにより生成された高圧空気を噴射する空気インジェクタと、空気インジェクタによる高圧空気の噴射を制御する空気噴射制御部と、を備え、空気噴射制御部は、燃焼室への燃料の噴射が終了した後であり、エンジンの圧縮行程中であり、かつ、点火前に、空気インジェクタに高圧空気を噴射させることにより、燃焼室内に存在するリッチな混合気を燃焼室のうち中央エリアに集合させ、中央エリアとシリンダの内周面との間にシリンダの内周面に沿って流動する高圧空気の層流を形成させ、前記中央エリアの前記混合気と、前記シリンダの内周面に沿って流動する前記高圧空気とを合わせたガス全体が、ストイキとなるように、吸気量、燃料噴射量、および、前記空気インジェクタを通じた前記高圧空気の供給量が調整される。

また、空気インジェクタは、シリンダの周方向に等間隔で複数配置されるとしてもよい。

本発明によれば、エンジンのノックを抑制することが可能となる。

図１は、本実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示す概略図である。 図２は、シリンダヘッドの上方からシリンダヘッドおよび燃焼室を見た透視平面図である。 図３は、高圧空気の供給タイミングを説明する図である。 図４は、燃焼室内の様子を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかるエンジンシステム１の構成を示す概略図である。エンジンシステム１は、例えば、ハイブリッド車またはエンジン車に適用される。エンジンシステム１は、エンジン１０、エンジン制御部１２および給気部１４を含む。エンジン１０は、シリンダブロック２０、ピストン２２、シリンダヘッド２４、吸気バルブ２６および排気バルブ２８を含む。

シリンダブロック２０には、複数のシリンダ３０が形成されている。ピストン２２は、シリンダ３０内に摺動可能に収容される。ピストン２２は、コネクティングロッド３２を通じて不図示のクランクシャフトに連結される。クランクシャフトは、ピストン２２の往復運動に従って回転する。

シリンダヘッド２４は、シリンダブロック２０におけるクランクシャフトとは反対側に設けられる。シリンダヘッド２４は、シリンダ３０を塞ぐようにシリンダ３０上に配置され、シリンダブロック２０に連結される。シリンダ３０内には、燃焼室３４が形成される。具体的には、燃焼室３４は、シリンダ３０の内周面３６、ピストン２２の冠面およびシリンダヘッド２４の内面によって囲まれて形成される。

シリンダブロック２０とシリンダヘッド２４との間には、隙間部４０が形成されている。隙間部４０は、円環板状の空間となっており、燃焼室３４の周囲を取り囲むように位置し、燃焼室３４に連通している。シリンダブロック２０とシリンダヘッド２４との間における隙間部４０の外側には、ガスケット４２が配置されている。ガスケット４２は、シリンダブロック２０およびシリンダヘッド２４により挟持される。隙間部４０は、ガスケット４２によって塞がれている。

シリンダヘッド２４には、吸気ポート５０および排気ポート５２が形成される。吸気ポート５０および排気ポート５２は、燃焼室３４と連通する。

吸気バルブ２６は、吸気ポート５０に設けられる。吸気バルブ２６の弁体は、吸気ポート５０における燃焼室３４側の開口部に位置する。吸気バルブ２６の基端側は、吸気カム５４に当接する。吸気カム５４は吸気カムシャフト５６に連結されている。吸気カムシャフト５６は、クランクシャフトに連動して回転する。吸気カム５４は、吸気カムシャフト５６に連動して回転する。吸気バルブ２６は、吸気カム５４の回転に従って吸気ポート５０を開閉する。吸気バルブ２６によって吸気ポート５０が開かれると、吸気ポート５０を通じて燃焼室３４に空気が送入される。

排気バルブ２８は、排気ポート５２に設けられる。排気バルブ２８の弁体は、排気ポート５２における燃焼室３４側の開口部に位置する。排気バルブ２８の基端側は、排気カム５８に当接する。排気カム５８は排気カムシャフト６０に連結されている。排気カムシャフト６０は、クランクシャフトに連動して回転する。排気カム５８は、排気カムシャフト６０に連動して回転する。排気バルブ２８は、排気カム５８の回転に従って排気ポート５２を開閉する。排気バルブ２８によって排気ポート５２が開かれると、燃焼室３４内のガスが排気ポート５２を通じて送出される。

シリンダヘッド２４には、インジェクタ６２および点火プラグ６４が設けられる。インジェクタ６２および点火プラグ６４は、シリンダ３０の中心軸付近に位置する。インジェクタ６２は、噴射口を燃焼室３４に向けて配置される。インジェクタ６２は、ガソリンなどの燃料を所定のタイミングで燃焼室３４に噴射する。点火プラグ６４は、電極を燃焼室３４に向けて配置される。点火プラグ６４は、空気と燃料との混合気を所定のタイミングで点火して燃焼させる。かかる燃焼により、ピストン２２がシリンダ３０内で往復運動する。

エンジン制御部１２は、中央処理装置、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路から構成される。エンジン制御部１２は、プログラムを実行することで、エンジン１０の各部を制御する。例えば、エンジン制御部１２は、インジェクタ６２の燃料噴射タイミングを制御するとともに、点火プラグ６４の点火タイミングを制御する。また、エンジン制御部１２は、プログラムを実行することで空気噴射制御部１２ａとしても機能する。空気噴射制御部１２ａについては、後に詳述する。

給気部１４は、空気加圧ポンプ７０、エアコモンレール７２、空気配管７４および空気インジェクタ８０を含む。

空気加圧ポンプ７０は、ポンプ本体部９０および加圧機構９２を含む。ポンプ本体部９０の入口９４には、入口配管９６が接続されている。入口配管９６は、例えば、不図示のエアクリーナとスロットルバルブとの間の吸気配管に接続される。ポンプ本体部９０には、エアクリーナを通過した空気が入口配管９６を通じて送入される。なお、入口配管９６は、吸気配管のエアクリーナとは別のフィルタに接続されてもよい。この場合、ポンプ本体部９０には、吸気配管を流通する吸気とは別に取得される空気が入口配管を通じて送入される。

加圧機構９２は、入口配管９６を通じてポンプ本体部９０内の加圧室に導入された空気を加圧し、加圧後の空気をポンプ本体部９０の出口９８から送出する。以後、加圧後の空気を、高圧空気、あるいは、単に空気と呼ぶ場合がある。

加圧機構９２は、具体的には、ポンプカム１００およびプランジャ１０２を含む。ポンプカム１００は、吸気カムシャフト５６に連結されており、吸気カムシャフト５６に連動して回転する。プランジャ１０２の基端側は、ポンプカム１００に当接する。プランジャ１０２の先端側は、ポンプ本体部９０内の加圧室に挿入される。プランジャ１０２は、ポンプカム１００の回転に連動して摺動し、加圧室内の空気を加圧する。

加圧機構９２には、形状またはサイズが異なる複数のポンプカム１００が設けられてもよい。この場合、エンジン制御部１２は、スロットル開度などの運転状態に応じて、プランジャ１０２に当接するポンプカム１００の切り替えを行わせる。これにより、空気の加圧の程度または加圧タイミングを変更することができる。また、エンジン制御部１２は、吸気カムシャフト５６を進角または遅角させてもよい。ポンプカム１００は、吸気カムシャフト５６に連結されているため、吸気カムシャフト５６の進角または遅角に応じて位相が変更される。これにより、空気の加圧タイミングを変更することができる。

なお、ポンプカム１００は、吸気カムシャフト５６に連動する態様に限らない。例えば、ポンプカム１００は、排気カムシャフト６０に連結されてもよい。この場合、排気カムシャフト６０の進角または遅角に応じて、空気の加圧タイミングが変更されてもよい。また、ポンプカム１００は、吸気カムシャフト５６および排気カムシャフト６０とは別の独立したカムシャフトに連結されてもよい。この場合、独立したカムシャフトの進角または遅角に応じて、空気の加圧タイミングが変更されてもよい。

エアコモンレール７２は、例えば、管状に形成され、ポンプ本体部９０の出口９８に接続される。エアコモンレール７２は、シリンダヘッド２４上に配置され、複数のシリンダ３０に亘って延びている。エアコモンレール７２は、ポンプ本体部９０の出口９８から送出された高圧空気を、圧力を維持して蓄えることができる。

エアコモンレール７２の側面には、開口部１１０が形成される。開口部１１０には、空気配管７４が接続される。空気配管７４は、シリンダヘッド２４に設けられる空気インジェクタ８０に接続される。エアコモンレール７２に蓄えられる高圧空気は、空気配管７４を通じて空気インジェクタ８０に供給される。

空気インジェクタ８０は、隙間部４０の上方において隙間部４０に並設される。空気インジェクタ８０のノズル８２は、燃焼室３４に開口する。空気インジェクタ８０は、空気噴射制御部１２ａの制御の下、エアコモンレール７２から供給される高圧空気を所定のタイミングで燃焼室３４に噴射する。具体的には、ノズル８２の先端は、通常、不図示のプランジャによって閉塞されている。そのプランジャは、例えば、ソレノイドによって電磁的に摺動可能となっている。ソレノイドに電流が流れてプランジャがソレノイドに吸引されると、ノズル８２の先端が開いて高圧空気が噴射される。

図２は、シリンダヘッド２４の上方からシリンダヘッド２４および燃焼室３４を見た透視平面図である。空気インジェクタ８０は、シリンダ３０の円周方向に等間隔で複数配置される。例えば、空気インジェクタ８０は、１８０度間隔で２個配置される。なお、空気インジェクタ８０の数は、少なくとも１個以上あればよく、２個に限らない。また、空気インジェクタ８０は、シリンダ３０の円周方向に等間隔に配置される態様に限らず、シリンダ３０の円周方向に任意に分散して配置されてもよい。

空気加圧ポンプ７０で生成された高圧空気は、空気インジェクタ８０によって燃焼室３４に供給される。そのことを踏まえ、高圧空気の燃焼室３４への供給時の燃焼室３４内の圧力を、基準圧力とする。空気加圧ポンプ７０は、その基準圧力より高い圧力の高圧空気を生成する。高圧空気の圧力が燃焼室３４内の基準圧力よりも高いため、空気インジェクタ８０は、高圧空気を燃焼室３４に噴射することができる。

図２で示すように、空気インジェクタ８０は、ノズル８２の開口方向がシリンダ３０の内周面３６の接線方向となるように配置される。このため、空気インジェクタ８０は、シリンダ３０の内周面３６の接線方向に向けて空気（すなわち、高圧空気）を噴射する。そうすると、噴射された空気は、図２の矢印で示すように、シリンダ３０の内周面３６に沿って流動する。

このように、燃焼室３４のうちシリンダ３０の内周面３６の周辺の周辺エリアにおいて、シリンダ３０の内周面３６に沿って高圧空気が流動するため、燃焼室３４内の混合気に乱流を発生させないようにすることができる。そして、内周面３６の周辺の周辺エリアに、高圧空気の層流を形成させることができる。高圧空気の作用については、後に詳述する。

図３は、高圧空気の供給タイミングを説明する図である。エンジン１０は、吸気行程、圧縮工程、膨張行程、排気行程の順に各行程を繰り返す。吸気行程は、ピストン２２が上死点から下死点に移動する間に行われる。圧縮工程は、吸気行程の後、ピストン２２が下死点から上死点に移動する間に行われる。膨張行程は、圧縮工程の後、ピストン２２が上死点から下死点に移動する間に行われる。排気行程は、図示を省略するが、膨張行程の後、ピストン２２が下死点から上死点に移動する間に行われる。

エンジン１０は、吸気行程において吸気ポート５０を通じて吸気する。エンジン制御部１２は、図３のクロスハッチングエリアＡ１０で示すように、吸気行程中にインジェクタ６２から燃料を噴射させる。これにより、燃焼室３４内において、吸気行程の吸気とインジェクタ６２による燃料とが混合された混合気が生成される。図３のタイミングＴＡは、吸気行程から圧縮工程に切り替わるタイミングを示す。

圧縮工程に移ると、ピストン２２の上昇に従って燃焼室３４内の混合気が圧縮され、燃焼室３４内の圧力を示す筒内圧が上昇する。そして、エンジン制御部１２は、圧縮工程の後期の所定のタイミングＴＣとなると、点火プラグ６４に混合気を点火させる。

ここで、図３のクロスハッチングエリアＡ１２で示すように、空気噴射制御部１２ａは、点火プラグ６４による混合気の点火前に、空気インジェクタ８０に空気（すなわち、高圧空気）を噴射させることで燃焼室３４に空気を供給する。

具体的には、空気インジェクタ８０による空気の供給開始タイミングは、燃料噴射終了タイミングと、点火タイミング（すなわち、タイミングＴＣ）との間とされる。空気噴射制御部１２ａは、点火タイミングの所定時間前となると、空気インジェクタ８０のノズル８２を開かせて高圧空気の噴射を開始させる。

図３のタイミングＴＢは、空気インジェクタ８０による空気の供給終了タイミングを示す。空気インジェクタ８０による空気の供給終了タイミングは、点火タイミング（すなわち、タイミングＴＣ）以前とされる。なお、少なくとも空気インジェクタ８０による空気の供給開始タイミングが点火タイミングより前であればよく、空気インジェクタ８０による空気の供給終了タイミングが点火タイミング以降となってもよい。

このように、燃焼室３４内には、吸気行程の吸気と燃料との混合気と、空気インジェクタ８０による高圧空気とが収容される。そこで、エンジン１０では、吸気と燃料との混合気と、高圧空気とを合わせたガス全体が、ストイキとなるように、吸気量、燃料噴射量および高圧空気の供給量が調整される。つまり、吸気と燃料との混合気は、高圧空気を考慮して、ストイキを基準にして燃料の割合が多いリッチな混合気とされる。

より具体的には、吸気と燃料とのリッチな混合気は、空気に対する燃料の割合を示す等量比が約１．１とされる。換言すると、ストイキとなる空気量を１００％とすると、ストイキとなる空気量の９０％を吸気による空気とし、ストイキとなる空気量の１０％を空気インジェクタ８０により供給される空気とする。

エンジン制御部１２は、スロットル開度などの運転状態に従って、ストイキとなる空気量および燃料噴射量を決定する。空気噴射制御部１２ａは、ストイキとなる空気量に基づいて高圧空気の空気量を導出する。空気噴射制御部１２ａは、導出した高圧空気の空気量に基づいて、１個の空気インジェクタ８０当たりの空気量を導出する。空気噴射制御部１２ａは、導出した１個当たりの空気量に基づいて、各々の空気インジェクタ８０についての高圧空気の供給開始タイミングを決定する。空気噴射制御部１２ａは、決定した供給開始タイミングとなると各々の空気インジェクタ８０に高圧空気の噴射を開始させる。

図３で示すように、混合気が点火されると、火炎が伝播していき、燃焼室３４内の熱発生率が上昇していく。そして、熱発生率は、ピークを迎えた後、下降していく。図３のタイミングＴＤは、熱発生率がピークとなったタイミングを示す。図３のタイミングＴＥは、燃焼が混合気全体に広がったタイミングを示す。

図４は、燃焼室３４内の様子を説明する図である。図４Ａは、図３のタイミングＴＡのときの燃焼室３４内の様子を示す。図４Ｂは、図３のタイミングＴＢのときの燃焼室３４内の様子を示す。図４Ｃは、図３のタイミングＴＣのときの燃焼室３４内の様子を示す。図４Ｄは、図３のタイミングＴＤのときの燃焼室３４内の様子を示す。図４Ｅは、図３のタイミングＴＥのときの燃焼室３４内の様子を示す。

図４ＡのハッチングエリアＡ２０で示すように、タイミングＴＡでは、燃焼室３４内は、吸気と燃料とのリッチな混合気で満たされている。この状態で、その後、空気インジェクタ８０によって高圧空気が燃焼室３４内に供給される。

高圧空気は、内周面３６の接線方向に噴射されるため、燃焼室３４内で乱流を発生させない。また、燃焼室３４のうち内周面３６の周辺の周辺エリアでは、噴射された高圧空気が纏まって内周面３６に沿って流動する。そうすると、内周面３６の周辺の周辺エリアに先に存在するリッチな混合気は、この高圧空気によって、シリンダ３０の中心軸に向かう方向に相対的に移動させられる。これにより、燃焼室３４内に先に存在するリッチな混合気は、燃焼室３４のうち中央エリアに集合させられる。

つまり、空気噴射制御部１２ａは、空気インジェクタ８０に空気を噴射させることにより、燃焼室３４内に存在するリッチな混合気を燃焼室３４のうち中央エリアに集合させ、中央エリアと内周面３６との間に内周面３６に沿って流動する空気の層流を形成させる。空気の層流が形成されると、図４ＢのハッチングエリアＡ２０で示すように、中央エリアにはリッチな混合気からなる混合気層が形成され、図４ＢのクロスハッチングエリアＡ２２で示すように、周辺エリアには層流の高圧空気からなる空気層が形成される。空気層は、先に存在していた混合気が高圧空気で置換されるため、燃料がほとんど存在しない。

このような空気の層流が形成された後に混合気を点火させると、燃焼室３４の中央付近で火炎が発生し、図４Ｃの白抜きエリアＡ２４で示すように、混合気の燃焼が開始される。そして、発生した火炎は混合気を伝播していき、図４Ｄの白抜きエリアＡ２４で示すように、混合気の燃焼範囲が広がっていく。そして、図４Ｅの白抜きエリアＡ２４で示すように、中央エリアに集合された混合気全体が燃焼される。

ここで、燃焼室３４のうち周辺エリアには層流の空気層が形成されているため、この周辺エリアには火炎が伝播せず、空気層には燃焼が広がらない。このため、エンジンシステム１では、火炎伝播距離あるいは混合気の燃焼距離を、空気層の径方向の層厚により、実質的に短くすることができる。その結果、エンジンシステム１では、未燃の混合気の自着火が生じる前に混合気全体を早期に燃焼させることができ、ノックを抑制することが可能となる。

また、燃焼室３４のうち中央エリアの混合気層では、リッチな混合気が集合される。このため、エンジンシステム１では、中央エリアの混合気の燃焼速度を、ストイキの混合気と比べ、早くすることができる。その結果、エンジンシステム１では、混合気全体をより早期に燃焼させることができ、ノックをより抑制することができる。

また、エンジンシステム１では、混合気が中央エリアに集合されるため、混合気をより確実に燃焼させることができる。このため、エンジンシステム１では、混合気が未燃となる未燃損失を低減することが可能となる。

また、燃焼室３４のうち周辺エリアに形成される空気層は、断熱層としても機能し、混合気の燃焼による熱がシリンダ３０の内周面３６へ伝わることを抑制する。このため、エンジンシステム１では、ノックの抑制に加え、熱損失を低減することが可能となる。

また、エンジンシステム１では、空気インジェクタ８０によってシリンダ３０の内周面３６の接線方向に向けて空気が噴射される。このため、エンジンシステム１では、乱流の発生を適切に抑制することができ、空気の層流を適切に形成させることが可能となる。

なお、高圧空気の供給時に燃焼室３４内で乱流が発生すると、実質的な火炎伝播距離を短くすることができず、ノックを十分に抑制できない。これに対し、本実施形態のエンジンシステム１では、乱流を発生させないように、層流の空気層を形成させるため、実質的な火炎伝播距離を適切に短くすることができ、エンジン１０のノックをより適切に抑制することが可能となる。

また、エンジンシステム１では、空気インジェクタ８０がシリンダ３０の周方向に等間隔で複数配置されている。このため、エンジンシステム１では、空気インジェクタ８０の配置間隔が整然としていない態様と比べ、空気の層流をより適切に形成させることができる。また、エンジンシステム１では、空気インジェクタ８０が１個の態様と比べ、空気インジェクタ８０の数を多くするほど空気の層流をより適切に形成させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ エンジンシステム
１２ａ 空気噴射制御部
１４ 給気部
３０ シリンダ
３４ 燃焼室
３６ 内周面
８０ 空気インジェクタ
８２ ノズル

Claims (2)

1. シリンダ内に形成される燃焼室と、
   前記燃焼室の内部の圧力より高い圧力の高圧空気を生成する空気加圧ポンプと、
   ノズルが前記燃焼室に開口し、前記シリンダの内周面の接線方向に向けて、前記空気加圧ポンプにより生成された高圧空気を噴射する空気インジェクタと、
   前記空気インジェクタによる前記高圧空気の噴射を制御する空気噴射制御部と、
   を備え、
   前記空気噴射制御部は、前記燃焼室への燃料の噴射が終了した後であり、エンジンの圧縮行程中であり、かつ、点火前に、前記空気インジェクタに前記高圧空気を噴射させることにより、前記燃焼室内に存在するリッチな混合気を前記燃焼室のうち中央エリアに集合させ、前記中央エリアと前記シリンダの内周面との間に前記シリンダの内周面に沿って流動する前記高圧空気の層流を形成させ、
   前記中央エリアの前記混合気と、前記シリンダの内周面に沿って流動する前記高圧空気とを合わせたガス全体が、ストイキとなるように、吸気量、燃料噴射量、および、前記空気インジェクタを通じた前記高圧空気の供給量が調整される、エンジンシステム。
2. 前記空気インジェクタは、前記シリンダの周方向に等間隔で複数配置される、請求項１に記載のエンジンシステム。

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