JP7803316B2

JP7803316B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP7803316B2
Application number: JP2023087662A
Authority: JP
Inventors: 久人広岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2023-05-29
Filing date: 2023-05-29
Publication date: 2026-01-21
Anticipated expiration: 2043-05-29
Also published as: JP2024170902A

Description

本発明は、内燃機関に関するものである。

特許文献１に記載の内燃機関は気筒に複数の吸気ポートを備えている。そして、この内燃機関は、排気弁が閉じてから吸気弁が閉じるまでの間において、一部の吸気ポートに気体燃料を噴射するようにしている。

特開２０１１－５２６６５号公報特開２０１８－１３１９４７号公報

ところで、特許文献２に記載されているように、気体燃料を吸気ポートに噴射すると、吸気ポート内において気体燃料により空気の進行が妨げられる。そのため、気体燃料を使用しない場合と比較して、内燃機関の吸入空気量が減少するおそれがある。

上記課題を解決する内燃機関は、気筒内にタンブル流を生成するタンブルポートとして構成された複数の吸気ポートを気筒に備える。この内燃機関は、当該内燃機関の吸気弁の閉弁期間を避けた期間において前記複数の吸気ポートのうちの一部の吸気ポートに設けられた噴射弁から気体燃料を噴射するとともに、前記噴射弁の燃料噴射方向は、当該内燃機関のピストン側から吸気弁側に流れる前記タンブル流の流れ方向に対して逆らう方向に設定されている。

この内燃機関は、吸気ポートに気体燃料を噴射する内燃機関において吸入空気量が減少することを抑えることができる。

図１は、一実施形態における内燃機関の断面を示す模式図である。図２は、同実施形態の内燃機関が備える噴射弁の配置を示す模式図である。図３は、同実施形態の内燃機関の断面を示す模式図である。図４は、同実施形態の変更例における噴射弁の配置を示す模式図である。

以下、内燃機関一実施形態について、図１～図３を参照して説明する。
＜内燃機関の構成＞
図１に示すように、内燃機関１のシリンダブロック２には、円筒状のシリンダ４が設けられている。シリンダ４内には往復移動するピストン５が設けられている。

シリンダブロック２の上部にはシリンダヘッド３が組み付けられている。シリンダ４においてピストン５の頂面とシリンダヘッド３との間には、燃焼室８が形成されている。また、シリンダヘッド３には、燃焼室８の混合気を火花点火する点火プラグ１１が、内燃機関１の気筒ごとに設けられている。

また、シリンダヘッド３には、燃焼室８に吸気を導入する吸気ポート９や、燃焼室８から排気を排出する排気ポート１０が設けられている。
吸気ポート９には、同吸気ポート９を開閉する吸気弁１２が設けられている。また、シリンダヘッド３には、気体燃料である水素ガスを吸気ポート９内に噴射するポート噴射弁３６が設けられている。

図２に示すように、１つの燃焼室８には２つの吸気ポート９が接続されている。各吸気ポート９は、気筒内にタンブル流を生成するタンブルポートとして構成されている。また、２つの吸気ポート９のうちの一方には、上記ポート噴射弁３６が設けられている。従って、ポート噴射弁３６が設けられている吸気ポート９からシリンダ４内には、気体燃料ＦＬや空気が流入する。一方、ポート噴射弁３６が設けられていない吸気ポート９からシリンダ４内には空気ＡＲが流入する。

図１に示すように、排気ポート１０には、同排気ポート１０を開閉する排気弁１３が設けられている。
ポート噴射弁３６から噴射される気体燃料ＦＬの燃料噴射方向は、シリンダ４内に発生する空気ＡＲもしくは混合気のタンブル流であって、ピストン５側から吸気弁１２側に流れるタンブル流Ｔの流れ方向に対して逆らう方向に設定されている。

内燃機関１の各種制御は、制御装置１００によって実行される。
制御装置１００は、ＣＰＵや、制御用のプログラム等が保存されたメモリなどを備えている。そして、メモリに記憶されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、内燃機関１の各種制御を実行する。例えば、制御装置１００は、ポート噴射弁３６の燃料噴射量や噴射タイミングなどを制御する。一例として、本実施形態の制御装置１００は、吸気弁１２の閉弁期間を避けた期間に気体燃料が噴射されるようにポート噴射弁３６の噴射タイミングを制御する。より具体的には、制御装置１００は、吸気弁１２の開弁と同時に、ポート噴射弁３６からの気体燃料ＦＬの噴射を開始する。そして、制御装置１００は、吸気弁１２が閉じる前に気体燃料ＦＬの噴射を停止する。

また、制御装置１００は、内燃機関１の機関回転速度及び気筒内に吸入される吸入空気量に基づいて機関負荷率ＫＬを演算する。機関負荷率ＫＬは、現在の機関回転速度において全負荷運転を行ったときのシリンダ流入空気量に対する、現在のシリンダ流入空気量の比率を表している。なお、シリンダ流入空気量は、吸気行程において気筒に流入する空気の量である。

＜作用＞
本実施形態の作用を説明する。
図３に示すように、仮に、吸気弁１２が閉弁しているときに吸気ポート９への気体燃料ＦＬの噴射を行うと、噴射された気体燃料ＦＬは、一点鎖線にて示すように吸気弁１２が開弁するまで吸気ポート９内に滞留する。そして、吸気弁１２が開弁した直後には、まずはじめに滞留していた気体燃料ＦＬが気筒内に流入する。そして、滞留していた気体燃料ＦＬが気筒内に流入した後に、空気ＡＲが気筒内に流入する。そのため、吸気弁１２の開弁直後から空気が気筒内に流入する場合と比較して、吸入空気量は減少しやすい。

この点、本実施形態では、吸気弁１２の閉弁期間を避けた期間においてポート噴射弁３６から気体燃料ＦＬが噴射される。従って、吸気ポート９に気体燃料ＦＬが滞留することはなく、吸気弁１２が開弁すると、吸気ポート９内の空気は気筒内に速やかに流入する。

また、図１や図２に示したように、気筒に設けられた２つの吸気ポート９のうちでポート噴射弁３６が設けられておらず気体燃料ＦＬが噴射されない吸気ポート９からは吸気行程において気筒内に空気が流入する。一方、気筒に設けられた２つの吸気ポート９のうちで気体燃料ＦＬが噴射される吸気ポート９に設けられるポート噴射弁３６の燃料噴射方向は、ピストン５側から吸気弁１２側に流れるタンブル流Ｔの流れ方向に対して逆らう方向に設定されている。そのため、ポート噴射弁３６から噴射された気体燃料ＦＬが気筒内に流入するときの流入抵抗が増加する。気体燃料ＦＬが気筒内に流入するときの流入抵抗が増加すると、気体燃料ＦＬが噴射されない他方の吸気ポート９からは気筒内に向けて空気が流入しやすくなる。

ちなみに、気体燃料ＦＬの噴射圧は、気筒内における空気の動圧よりも十分に高い。そのため、気体燃料ＦＬが気筒内に流入するときの流入抵抗が増加したとしても、必要な量の気体燃料ＦＬを気筒内に供給することができる。

＜効果＞
本実施形態の効果を説明する。
（１）吸気弁１２の閉弁期間を避けた期間においてポート噴射弁３６から気体燃料ＦＬが噴射されることにより、吸気ポート９に気体燃料ＦＬが滞留することはなく、吸気弁１２が開弁すると、吸気ポート９から気筒内には空気が速やかに流入する。そのため、吸入空気量の減少を抑えることができる。

また、気体燃料ＦＬが気筒内に流入するときの流入抵抗が増加することにより、気体燃料ＦＬが噴射されない他方の吸気ポート９からは気筒内に向けて空気が流入しやすくなるため、吸入空気量は増加する。

従って、吸気ポート９に気体燃料ＦＬを噴射する内燃機関１において吸入空気量が減少することを抑えることができる。
（２）吸気弁１２の閉弁期間を避けた期間においてポート噴射弁３６から気体燃料ＦＬを噴射するために、ポート噴射弁３６は、吸気弁１２の開弁と同時に気体燃料ＦＬの噴射を開始する。従って、吸気ポート９に気体燃料ＦＬが滞留することはなく、吸気弁１２が開弁すると、吸気ポート９内の空気は気筒内に速やかに流入する。そのため、吸入空気量の減少を抑えることができる。

＜変更例＞
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図４に示すように、気体燃料ＦＬを噴射する上記ポート噴射弁３６を一方の吸気ポート９に設ける。そして、上記ポート噴射弁３６と燃料噴射方向が異なる別のポート噴射弁３８を他方の吸気ポート９に設けてもよい。この場合には、以下の条件が成立する場合に、上記ポート噴射弁３６から気体燃料ＦＬを噴射する。

すなわち、内燃機関１の機関負荷率ＫＬが高い場合には、吸気ポート９に噴射される気体燃料ＦＬの量が多くなる。そのため、機関負荷率ＫＬが高い場合において、吸気弁１２が閉弁しているときに吸気ポート９への気体燃料ＦＬの噴射を行うと、吸気ポート９内に滞留する気体燃料ＦＬの量がさらに多くなる。従って、吸気弁１２が開弁した直後には、気筒内に空気がより一層流入しにくくなり、吸入空気量がさらに減少しやすい。そこで、機関負荷率ＫＬが既定の閾値以上であり機関負荷率ＫＬが高い場合には、吸気弁１２の閉弁期間を避けて上記ポート噴射弁３６のみから気体燃料ＦＬを噴射する。この変更例でも上記（１）及び（２）に記載の効果が得られる。なお、この変更例の場合には、機関負荷率ＫＬが上記閾値未満である場合、ポート噴射弁３６及びポート噴射弁３８の双方から気体燃料を噴射するようにしてもよい。また、ポート噴射弁３８の燃料噴射方向は、上記ポート噴射弁３６と同じにしてもよい。また、この変更例及び上記実施形態においては、１つの気筒が備える吸気ポート９の数は、２以上であれば任意に変更してもよい。そして、１つの気筒に複数の吸気ポート９を備える場合には、それら吸気ポート９のうちの一部に上記ポート噴射弁３６を設けて、吸気弁１２の閉弁期間を避けた期間において当該ポート噴射弁３６から気体燃料ＦＬを噴射するようにすればよい。

・上記実施形態においても、機関負荷率ＫＬが閾値以上であり機関負荷率ＫＬが高い場合には、吸気弁１２の閉弁期間を避けた期間において上記ポート噴射弁３６から気体燃料ＦＬを噴射する。一方、機関負荷率ＫＬが閾値未満であり機関負荷率ＫＬが低い場合には、吸気弁１２の閉弁期間を含む期間において上記ポート噴射弁３６から気体燃料ＦＬを噴射するようにしてもよい。

・上記実施形態では、吸気弁１２の開弁と同時にポート噴射弁３６から気体燃料ＦＬの噴射を開始した。この他、吸気弁１２が開弁を開始した後にポート噴射弁３６から気体燃料ＦＬの噴射を開始してもよい。この場合でも、吸気ポート９内に気体燃料ＦＬが滞留することはなく、吸気弁１２が開弁すると、吸気ポート９から気筒内に空気が速やかに流入する。そのため、吸入空気量の減少を抑えることができる。

・内燃機関１は、上記ポート噴射弁３６に加えて、液体燃料を噴射する噴射弁を備えていてもよい。
・気体燃料が水素ガスであったが、他の気体燃料、例えば圧縮天然ガスなどでもよい。

１…内燃機関
２…シリンダブロック
３…シリンダヘッド
４…シリンダ
５…ピストン
８…燃焼室
９…吸気ポート
１０…排気ポート
１１…点火プラグ
１２…吸気弁
１３…排気弁
３６…ポート噴射弁
３８…ポート噴射弁
１００…制御装置

Claims

気筒内にタンブル流を生成するタンブルポートとして構成された複数の吸気ポートを気筒に備える内燃機関であって、
気体燃料を噴射する噴射弁を前記複数の吸気ポートにそれぞれ備えており、
当該内燃機関の吸気弁の閉弁期間を避けた期間において前記複数の吸気ポートのうちの一部の吸気ポートに噴射弁から気体燃料を噴射するとともに、
前記噴射弁の燃料噴射方向は、当該内燃機関のピストン側から吸気弁側に流れる前記タンブル流の流れ方向に対して逆らう方向に設定されており、
前記複数の吸気ポートに設けられる各噴射弁のうちの少なくとも一部の噴射弁は、前記吸気弁の閉弁期間を避けた期間において前記一部の吸気ポートに気体燃料を噴射するとともに、その燃料噴射方向が、前記ピストン側から前記吸気弁側に流れる前記タンブル流の流れ方向に対して逆らう方向に設定されており、
機関負荷率が既定の閾値以上である場合には、前記一部の噴射弁のみから前記吸気ポートに前記気体燃料を噴射する
内燃機関。
前記一部の吸気ポートに前記気体燃料を噴射する前記噴射弁は、前記吸気弁の開弁と同時に前記気体燃料の噴射を開始する
請求項１に記載の内燃機関。
前記一部の吸気ポートに前記気体燃料を噴射する前記噴射弁は、前記吸気弁が開弁を開始した後に前記気体燃料の噴射を開始する
請求項１に記載の内燃機関。