JP2010249110A

JP2010249110A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2010249110A
Application number: JP2009102458A
Authority: JP
Inventors: Koji Oiwa; 浩司大岩; Koji Morikawa; 弘二森川; Makoto Kaneko; 誠金子
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2029-04-20
Also published as: JP5193122B2

Abstract

【課題】吸気行程噴射における燃料の微粒化を促進し、安定した燃焼を得ることができるようにする。
【解決手段】クランク軸４と出力軸１１とに、互いに噛合する一対の楕円歯車１２，１３を軸着し、ピストン３が上死点にあるとき、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１を、クランク軸４と出力軸１１との軸心を結ぶ軸線に対し、６０〜８５[deg]の位相角θ２で遅角側に配列し、又燃料噴射弁１５の噴射開始タイミングをＡＴＤＣ６４〜８４[deg]に設定する。ピストン３の下降速度は吸気行程後半で増速されるため、筒内に流入する吸気流速が速くなり、この吸気流速の増加に同期して噴射開始タイミングが設定されているため燃料の微粒化が促進される。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気行程噴射に際し、燃料の微粒化を促進し、燃焼の安定化を図ることのできる内燃機関に関する。

燃料を吸気行程中に筒内に供給する吸気行程噴射では、燃料が気筒内で気化され、そのときの気化潜熱により新気が冷却されるため、充填効率を高めることができると共に、筒内の高温化を抑制することができる。更に、筒内に流入する吸気に対して、タンブル流やスワール流等の強いガス流動を発生させることで希薄燃焼も可能となる。

一般に、吸気行程噴射は筒内に燃料を直接する筒内直噴式内燃機関で多く採用されているが、燃料噴射弁が吸気ポートに配設されているポート噴射式内燃機関であっても、吸気弁の開弁に同期させて燃料を噴射させることで吸気行程噴射を実現することができる。

例えば特許文献１（特開２００５−２３５５８０号公報）には、吸入空気量が少なく、或いは吸気管負圧が低いときは吸気行程に同期させて、吸気ポートに配設されている燃料噴射弁から燃料を筒内へ供給する吸気行程噴射技術が開示されている。この文献に開示されている技術によれば、燃料噴射タイミングを吸気行程に同期させているため、壁面付着燃料が少なくなり、安定した空燃比制御を行うことができる。

ところで、自然吸気式内燃機関においては、ピストンの下降動作によって発生する負圧を利用して筒内に新気が取込まれる。ピストンの往復直線運動はクランク軸によって回転運動に変換されるため、上死点、及び下死点で停止され、この上死点或いは下死点を通過した後、加速され、更に、下死点或いは上死点に近接すると減速される。

筒内に取込まれる吸気の流速は、ピストン下降速度によって変化し、ピストン下降速度が最速となる位置（クランク角）で流速が最も速くなる。ピストン下降速度が最速となるクランク角は、連桿比（コネクティングロッド長とクランク半径との比）によって多少の違いはあるが、約８０[deg,ATDC]付近である。

一方、吸気行程噴射は、吸気弁が開弁している間は噴射させることが可能とであるため、その噴射タイミングが０〜１５０[deg,ATDC}付近まで比較的広い範囲で設定することができる。

しかし、燃焼に供するための混合気を筒内で生成するためには、着火前に燃料が気化されている必要があり、燃料が充分に気化されていないと燃焼が不安定になってしまう。そのため、燃料噴射を比較的早い時期に終了させて気化に要する期間を確保する必要があるが、燃料噴射を早期に終了させると、吸気行程中に充分な量の燃料を噴射させることができなくなり、上述した文献に開示されているように、低負荷運転領域など、吸気行程噴射を行うことのできる運転領域が限定されてしまう不都合がある。

本発明は、上記事情に鑑み、吸気行程噴射を、燃焼を不安定化させることなく行うことができ、比較的広い運転領域で燃費改善、充填効率の向上、及び筒内の高温化を抑制することのできる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、ピストンの上下運動により回転するクランク軸と該クランク軸に平行な出力軸とに、互いに噛合するクランク軸側非円形歯車と出力軸側非円形歯車とが設けられ、又前記出力軸にフライホイールが設けられ、更に吸気ポートに燃料噴射弁を備える内燃機関において、前記ピストンが上死点にあるとき、前記クランク軸側非円形歯車の短軸側が、前記クランク軸の軸心と前記出力軸の軸心とを結ぶ軸線に対して、６０〜８５度の位相角で遅角側に配列されており、前記燃料噴射弁の噴射開始タイミングが吸気上死点後６４〜８４度に設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、ピストンが上死点にあるとき、クランク軸側非円形歯車の短軸側を、クランク軸の軸心と出力軸の軸心とを結ぶ軸線に対して、６０〜８５度の位相角で遅角側に配列し、更に、燃料噴射弁の噴射開始タイミングを吸気上死点後６４〜８４度に設定したので、吸気行程後半でピストン下降速度が増速され、筒内に流入される吸気の流速が急激に速くなり、強力な剪断流が発生する。その結果、この空気流により、筒内に噴射された燃料か微粒化され、気化が促進されて、安定した燃焼を得ることができる。更に、クランク軸側非円形歯車の短軸側の、クランク軸の軸心と出力軸の軸心とを結ぶ軸線に対する位相角が、６０〜８５度と比較的広い範囲で設定することができるため、この位相角を常用運転領域に合わせてセッティングすることで、当該運転領域での燃費改善、充填効率の向上、及び筒内の高温化を抑制することができる。

ピストンが吸気上死点にあるときの歯車挿入式内燃機関の概略構成図ピストンが噴射開始タイミングにある時の歯車挿入式内燃機関の概略構成図ピストンが最速位置にある時の歯車挿入式内燃機関の概略構成図出力軸が定速状態ある時のクランク軸角度とピストン速度との関係を示す特性図吸気上死点を基準とする歯車位相角とピストンの最大速度タイミング及び吸気のピーク流速増加率との関係を示す特性図（ａ）は燃料噴射タイミングを示すタイミングチャート、（ｂ）は吸気弁の動作を示すタイミングチャート、（ｃ）はクランク軸側楕円歯車の回転速度の変化を示すタイミングチャート

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１〜図３の符号１は歯車挿入式内燃機関（以下、「内燃機関」と略称する）であり、図においては、火花点火式ガソリン燃焼機関が示されている。尚、本実施形態で示す内燃機関１は４サイクル単気筒内燃機関であるが、４サイクルの２気筒或いは４気筒内燃機関であっても適用することができる。

この内燃機関１のシリンダ２にピストン３が進退自在に挿通されており、このピストン３のピストンピン３ａとクランク軸４のクランクピン４ａとがコネクティングロッド（以下、「コンロッド」と略称）５を介して連設されている。

クランク軸４は、そのジャーナル（クランクジャーナル）４ｂがシリンダ２に連設するクランクケース（図示せず）に回動自在に支持されている。又、ピストン３の頂面とシリンダ２とシリンダヘッド６とで区画された領域に燃焼室７が形成されている。このシリンダヘッド６に、吸気ポート６ａと排気ポート６ｂとが設けられ、この各ポート６ａ，６ｂに吸気弁８と排気弁９とが配設されている。又、この吸気ポート６ａに燃料噴射弁１５が配設されており、この燃料噴射弁１５の噴射方向が燃焼室７側に設定されている。更に、このシリンダヘッド６の頂部に、発火部を燃焼室７に臨ます点火プラグ（図示せず）が固設されている。

図６（ｂ）に示すように、吸気弁８の開弁期間は排気行程の終了間際から圧縮行程開始直後までに設定されており、又、図示しないが排気弁の開弁期間は、燃焼行程終了間際から吸気行程開始直後までに設定されている。この各弁８，９の開閉は、例えばクランク軸４の回転速度に同期して、その１／２の回転速度で回転するカム軸に設けられている吸気カム、排気カムの動作によって行われる。但し、この各弁８，９は、その開閉が電子的に制御される電磁動弁であっても良い。

又、クランク軸４に対し、出力軸１１がクランク軸４の延出方向に沿って平行に配設されている。更に、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心とを結ぶ線が、ピストン３が上死点にあるときのクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ線に対して、直交する方向に配列されている（図１参照）。この出力軸１１に、図示しない変速機等を介して或いは直接的に、発電機、走行負荷等の負荷要素が印加される。尚、出力軸１１にはフライホイール（図示せず）が軸着されている。

更に、クランクジャーナル４ｂと出力軸１１との間に、互いに噛合する一対のクランク軸側非円形歯車と出力軸側非円形歯車とが軸着されている。この両非円形歯車は、本実施形態では楕円歯車１２，１３であり、クランクジャーナル４ｂの軸端部と出力軸１１に、クランク軸側楕円歯車１２と出力軸側楕円歯車１３との軸芯部分が各々軸着されている。この両楕円歯車１２，１３の噛合により、出力軸１１が等速回転を行うとき、それに同期してクランク軸４が周期的に不等速回転する。

この両楕円歯車１２，１３は同一の形状を有しており、両楕円歯車１２，１３が長軸Ｌ１，Ｌ２と短軸Ｓ１，Ｓ２とを互いに直交する方向に位相をずらした状態で噛合されている。尚、本実施形態では、楕円歯車１２，１３として、軸心に対して歯車プロフィールが点対称を成す二葉歯車が採用されており、この各楕円歯車１２，１３の最大角速度比は2.0に設定されている。但し、この最大角速度比は採用する内燃機関１のピストン速度変化特性に応じて適宜設定される。

ピストン３がシリンダ２にガイドされて上下運動すると、クランク軸４が回転し、このクランク軸４の回転により、互いに噛合するクランク軸側楕円歯車１２と出力軸側楕円歯車１３とを介して出力軸１１が回転する。その際、出力軸１１を等速回転させると、クランクジャーナル４ｂは、互いに噛合する一対の楕円歯車１２，１３の回転により、１８０［deg］周期で不等速回転する。換言すれば、ピストン３の昇降速度を周期的に増減させると、出力軸１１が定速回転する。

図１には、ピストン３が吸気上死点（ＴＤＣ）にある状態が示されている。尚、符号ＬTDCは、ピストン３が上死点ＴＤＣにあるときのクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ軸線（上死点軸）である。又、同図に矢印で示すように、クランクジャーナル４ｂが時計回り方向へ回転するように設定されており、従って、出力軸１１は反時計回り方向へ回転する。

出力軸１１を定速回転させた状態で、クランク軸４の回転速度が最速となるクランク角は、図３に示すように、クランクジャーナル４ｂと出力軸１１との軸心を結ぶ線に対して、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側が一致する位置であり、この状態では、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側とが噛合される。従って、このクランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側とが噛合される位置を、ピストン３の位置を表わすクランク角に同期させることで、当該ピストン３の上下移動速度を、吸気上死点と吸気下死点との間の任意の位置（クランク角）で最速とすることができる。

例えば、図３に示すクランク軸４の回転速度が最速となる位置においてはクランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１が、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心とを結ぶ軸線上にあり、この短軸Ｓ１から位相角θ１[deg]だけ遅角方向にクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ軸線がずれている場合、図１に示すように、ピストン３が上死点ＴＤＣにあれば、短軸Ｓ１は上死点軸ＬTDCに対して位相角θ１だけ進角側にずれていることになる。換言すれば、図１に示すように、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心とを結ぶ線が、上死点軸ＬTDCに対して、直交する方向に配列されているため、このクランクジャーナル４ｂの軸芯と出力軸１１の軸心とを結ぶ軸線を基準とした場合、（９０−θ１）をθ２とすると、遅角側へ位相角θ２だけずれた位置に配設されることになる。

同様に、クランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ線が短軸Ｓ１に対して位相角θ１のずれがあるため、図３に示すように、クランク軸４の回転速度が最速となる位置にクランク軸側楕円歯車１２がある場合、クランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ軸線は、吸気上死点後（ＡＴＤＣ）９０＋θ１[deg]の位置にあることになる。尚、以下においては、このクランク角ＡＴＤＣ９０＋θ１を最速クランク角θ３とする。又、例えば最速クランク角θ３がＡＴＤＣ４０[deg]に設定されている場合、位相角θ１は、９０＋（−θ３）＝５０[deg]となり、位相角θ２は、９０−（−５０）＝１４０[deg]となる。各最速クランク角θ１〜θ３の符号は、この各クランク角θ１〜θ３が、基準となる軸線に対して進角側にある場合はプラス（＋）、遅角側にある場合はマイナス（−）で表わされている。

図４には、クランク軸側楕円歯車１２と、これを軸着するクランクジャーナル４ｂとの相対位置を種々変更し、その状態で出力軸１１を定速回転させたときのピストン３の速度変化が示されている。尚、図においては、吸気上死点（ＴＤＣ）を基準として、進角方向をプラス（＋）、遅角方向をマイナス（−）で表わしている。

実験によれば、吸気行程においてピストン３が最速の下降速度を示すクランク角θ３（図３参照）は、おおよそ４０≦θ３≦１３０[deg.ATDC]の範囲あることが判明した。従って、この範囲で、最速となるクランク角θ３を設定すれば、その範囲内における何れかのクランク角で、ピストン３の速度を最速とすることができる。尚、図においては、太線で示す特性がθ３＝ＡＴＤＣ４０[deg]、細線で示す特性がθ３＝ＡＴＤＣ１３０[deg]、一点鎖線で示す特性がθ３＝ＡＴＤＣ９０[deg]に、それぞれ設定されている。この場合、最速クランク角θ３を、０≦θ３＜４０[deg.ATDC]、或いは１３０＜θ３≦１８０[deg.ATDC]に設定した場合、これらのクランク角はピストン３が上死点上、或いは下死点上、又は、それに近い位置にあり、ピストン３が減速されるため最速とすることはできない。同図から解るように、最速クランク角θ３をＡＴＤＣ９０[deg]付近に設定することで、ピストン３の最も速いピーク速度を得ることができる。従って、このタイミングで吸気行程噴射を行えば、燃料噴射弁からの噴射される燃料の微粒化による気化の促進を図ることができる。しかし、燃料噴射期間を自由分に確保するためには、最速クランク角θ３は吸気行程後半に設定した方が好ましい。尚、ピストン３が上死点にあるときのクランク角を最速クランク角θ３に設定した技術は、本出願人が先に提出した特開２００５−２９１１０３号公報に開示されている。

又、図５には、位相角θ２を進角側と遅角側とにそれぞれ変更させ、その状態で、上述した図４と同様、出力軸１１を定速回転させたときの吸気流速増加率（単位時間あたりの吸気流速変化率）のピーク値と最適噴射タイミングとが示されている。又、最適噴射タイミングの縦軸には、吸気流速増加率がピーク値を示したときのクランク軸４のクランク角が示されている。

先ず、ピーク流速増加率は、クランク軸側楕円歯車１２の位相角θ２を６０〜８５[deg]を遅角側（図１の時計回り方向）へずらした場合が、吸気行程において最も高い流速増加率（従来の1.4倍）が検出される。これを吸気上死点（ＴＤＣ）を基準に換算すると、ＡＴＤＣ９５〜１２０[deg] となる（図４参照）。従って、最速クランク角θ３をＡＴＤＣ９５〜１２０[deg] の範囲に設定することで、吸気行程噴射における燃料の微粒化を促進することができる。又、そのときの吸気行程噴射における燃料噴射弁１５の開弁時期を示す最適噴射開始タイミングθINJは、吸気上死点（ＴＤＣ）を基準として、ＡＴＤＣ６４〜８４[deg]であることが解る。尚、燃料噴射弁１５から噴射される燃料の噴射タイミング、及び燃料噴射量（噴射期間）等の燃料噴射制御は、図示しない電子制御装置にて行われる。この電子制御装置では、クランク角センサで検出したクランク角に基づき噴射タイミングを計測し、所定タイミングに達したとき燃料噴射弁１５に噴射開始信号を出力し、燃料噴射を開始する。そして、機関運転状態に基づいて設定した燃料噴射量に対応する燃料噴射期間を計時し、燃料噴射期間が終了したとき燃料噴射を停止させる。

次に、このような構成による本実施形態の作用について説明する。稼働中の内燃機関１は、ピストン３の上下運動に伴い、クランク軸４が回転し、その回転力が、クランク軸４のクランクジャーナル４ｂに軸着されているクランク軸側楕円歯車１２を介して、出力軸１１に軸着されている出力軸側楕円歯車１３に伝達されて出力軸１１が回転する。この出力軸１１には、変速機等を介し、或いは直接的に、走行負荷、発電機等の負荷要素からの負荷が印加される。

ピストン３が排気行程終了にさしかかると吸気弁８が開弁し、更に吸気行程へ移行してピストン３が下降すると吸気ポート６ａから吸気が筒内に流れ込む。図６（ｃ）に示すように、本実施形態では、最速クランク角θ３が、吸気行程後半のＡＴＤＣ９５〜１２０の間に設定されているため、クランクジャーナル４ｂに軸着されているクランク軸側楕円歯車１２の出力軸側楕円歯車１３に対する噛合位置は、短軸Ｓ１側から長軸Ｌ１側へ移行する途上にある。そのため、クランク軸側楕円歯車１２（クランク軸４）の回転速度が次第に低下し、クランク軸側楕円歯車１２の長軸Ｌ１が出力軸側楕円歯車１３の短軸Ｓ２に噛合した後、クランク軸４の回転速度（ピストン３の下降速度）が次第に増速される。そして、図３に示すように、クランクピン４ａが、予め設定されているクランク角θ３（ＡＴＤＣ９５〜１２０ [deg]）に達すると、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側が、出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側に噛合して、クランク軸４の回転速度（ピストン３の下降速度）が最速となる。

一方、燃料噴射弁１５から噴射される燃料の噴射開始タイミングθINJは、このクランク軸４の回転速度（ピストン３の下降速度）が最速となるタイミングに合わせて設定されており、図２、図６（ａ）に示すように、予め設定されている噴射開始タイミングθINJに達したとき燃料噴射が開始される。

上述したように、ピストン３の下降速度は、吸気行程後半の所定クランク角θ３において最速となるように設定されており、従って、吸気行程途中から最速クランク角θ３に達するまで、ピストン３の下降速度が増速され、最速クランク角θ３付近で、吸気の流速増加率が従来の1.4倍となる。その結果、燃料噴射弁１５から噴射される燃料と共に筒内（燃焼室７）に流入する吸気の流速が急激に速くなり、筒内（燃焼室７）に強力な剪断流が発生すると共に乱流が発生する。すると、筒内に流入した燃料は剪断流によって微粒化されて気化が促進され、更に、吸気乱流によって均質混合される。

その結果、燃料の気化期間を充分に確保することの難しい吸気行程噴射であっても、従来の1.4倍の吸気流速によって燃料が微粒化されることにより気化が促進され、且つ短時間に効率よく均質混合されることで、安定した燃焼を得ることができる。

このように、本実施形態では、ピストン３の移動速度を可変させ、特に、吸気行程においては、吸気行程前半から吸気行程後半にかけてピストン３の下降速度を次第に増速させて、筒内（燃焼室７）に流入する吸気の流速を急激に速めるようにしたので、吸気行程噴射における燃料の微粒化による気化が促進されると共に、均質混合させることで安定した燃焼を得ることができる。

本実施形態では、ピストン３の下降速度を、互いに噛合する一対の楕円歯車を用いて実現するようにしたので、クランク軸４の回転速度（ピストン３の下降速度）が最速となるクランク角θ３を、６０〜８５[deg]と比較的広いクランク角度範囲で設定することができる。その結果、採用する内燃機関１の常用運転領域、或いは内燃機関１にかかる負荷等に応じて最適なクランク角θ３を設定することができ、設計の自由度が増し、広い運転領域で燃費改善、充填効率の向上、及び筒内の高温化を抑制することができる。又、逆に、最適な噴射開始タイミングに合わせた、最速クランク角θ３の設定が容易となる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限るものではなく、例えば燃料噴射弁は、ポート噴射式燃料噴射弁１５に限らず、筒内直噴式燃料噴射弁であっても良い。

１…内燃機関、
３…ピストン、
３ａ…ピストンピン、
４…クランク軸、
４ａ…クランクピン、
４ｂ…クランクジャーナル、
６ａ…吸気ポート、
８…吸気弁、
１１…出力軸、
１２…クランク軸側楕円歯車、
１３…出力軸側楕円歯車、
１５…燃料噴射弁、
θINJ…噴射開始タイミング、
θ１，θ２…位相角、
θ３…最速クランク角、
ＬTDC…上死点軸、
Ｌ１，Ｌ２…長軸、
Ｓ１，Ｓ２…短軸、
ＴＤＣ…上死点

特開２００５−２３５５８０号公報

Claims

ピストンの上下運動により回転するクランク軸と該クランク軸に平行な出力軸とに、互いに噛合するクランク軸側非円形歯車と出力軸側非円形歯車とが設けられ、又前記出力軸にフライホイールが設けられ、更に吸気ポートに燃料噴射弁を備える内燃機関において、
前記ピストンが上死点にあるとき、前記クランク軸側非円形歯車の短軸側が、前記クランク軸の軸心と前記出力軸の軸心とを結ぶ軸線に対して、６０〜８５度の位相角で遅角側に配列されており、
前記燃料噴射弁の噴射開始タイミングが吸気上死点後６４〜８４度に設定されている
ことを特徴とする内燃機関。