(57)【要約】【課題】簡素な構成で、冷却損失を低減することができるエンジンを提供する。【解決手段】エンジン１００は、燃焼室１３内の混合気に点火する点火プラグ５１、５２と、圧縮上死点後に混合気に点火するように点火プラグ５１、５２を制御する制御手段６０と、を備え、ピストン上死点位置における機械圧縮比を、圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生するような高圧縮比に設定する。これによりエンジン出力を確保しつつ、冷却損失を低減することが可能となる。【選択図】図１
2010209869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の混合気に点火する点火プラグと、
圧縮上死点後に混合気に点火するように前記点火プラグを制御する制御手段と、を備え、
ピストン上死点位置における機械圧縮比を、圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生するような高圧縮比に設定する、
エンジン。
【請求項２】
前記機械圧縮比は、圧縮上死点での圧縮圧力が混合気燃焼時の燃焼最大圧力よりも小さくなるように設定される、
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記機械圧縮比を混合気点火時における点火時圧縮比で割った圧縮比の比率が、１．１よりも大きくなるように設定する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記制御手段は、高エンジン負荷時に、点火時期を圧縮上死点から離れるように遅角させる、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のエンジン。
【請求項５】
ピストン上死点位置を変化させて前記機械圧縮比を変更する機械圧縮比変更手段をさらに備え、
前記制御手段は、エンジン負荷が高いほど、混合気点火時における点火時圧縮比がより低下し、前記機械圧縮比を混合気点火時における点火時圧縮比で割った圧縮比の比率が大きくなるように、点火時期を圧縮上死点からより離れる側へと遅角させつつ機械圧縮比を変更する、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のエンジン。
【請求項６】
排気温度を検出する排気温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、排気温度が所定温度よりも高い場合には、前記機械圧縮比を低下させる、
ことを特徴とする請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
混合気の燃焼期間を変更する燃焼期間変更手段をさらに備え、
前記制御手段は、高エンジン負荷時に、混合気の燃焼期間を短くするように前記燃焼期間変更手段を制御する、
ことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１つに記載のエンジン。
【請求項８】
前記燃焼期間変更手段は、複数の点火プラグによって構成され、
前記制御手段は、エンジン負荷に応じて混合気に点火する点火プラグの数を変更することで、混合気の燃焼期間を変更させる、
ことを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却損失を低減するエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用のエンジンにおいては、熱効率を改善するために冷却損失を低減することが望ましい。
【０００３】
特許文献１には、クランク軸及びクランク軸に対して従動する出力軸にそれぞれ楕円歯車を設け、上死点近傍におけるピストンの変位速度を速めるエンジンが開示されている。特許文献１に記載のエンジンによれば、圧縮上死点での混合気燃焼後に燃焼ガスが速やかに膨張して、燃焼ガス温度が低下しやすくなるので、冷却損失を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９１１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のエンジンは、クランク軸や出力軸に楕円歯車を設ける必要があり、エンジンの構成が複雑になるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、簡素な構成で、冷却損失を低減することができるエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
本発明のエンジン（１００）は、燃焼室（１３）内の混合気に点火する点火プラグ（５１、５２）と、圧縮上死点後に混合気に点火するように点火プラグ（５１、５２）を制御する制御手段（６０）と、を備え、ピストン上死点位置における機械圧縮比を、圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生するような高圧縮比に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧縮上死点後に混合気に点火することで、混合気燃焼による熱発生から膨張下死点までの時間を短くするので、従来手法よりも簡素な構成で冷却損失を低減することができる。また、機械圧縮比を高圧縮比に設定するので、圧縮上死点後に混合気に点火しても、エンジン出力を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態のエンジンの概略構成図である。
【図２】圧縮比の比率と熱効率の向上率との関係を示す図である。
【図３】点火制御のメインルーチンを示すフローチャートである。
【図４】エンジンにおけるＰＶ線図である。
【図５】第２実施形態のエンジンの概略構成図である。
【図６】圧縮比の比率と熱効率の向上率との関係を示す図である。
【図７】点火制御及び機械圧縮比制御のメインルーチンを示すフローチャートである。
【図８】エンジンにおけるＰＶ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、車両用のエンジン１００の概略構成図である。
【００１３】
図１に示すように、エンジン１００は吸気ポート噴射式の４ストロークレシプロエンジンである。エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。
【００１４】
シリンダブロック１０には、シリンダ１１が形成される。シリンダ１１には、ピストン１２が摺動自在に嵌合する。シリンダ１１の壁面と、ピストン１２の冠面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３が形成される。
【００１５】
シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に吸気を流す吸気ポート３０と、燃焼室１３からの排気を流す排気ポート４０とが形成される。
【００１６】
吸気ポート３０には、吸気弁３１と燃料噴射弁３３が設けられる。吸気弁及３１は、吸気カムシャフトに設けられた吸気カム３２によって駆動され、ピストン１２の上下動に応じて吸気ポート３０を開閉する。燃料噴射弁３３は、エンジン運転状態に応じて燃料を噴射して、吸気ポート３０内に混合気を形成させる。
【００１７】
排気ポート４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気カムシャフトに設けられた排気カム４２によって駆動され、ピストン１２の上下動に応じて排気ポート４０を開閉する。
【００１８】
吸気ポート３０と排気ポート４０との間であってシリンダヘッド２０の中心部には、第１点火プラグ５１と第２点火プラグ５２とが隣接するように設置される。第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２は、点火部分が燃焼室１３内に臨むように配置される。第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２は、エンジン運転状態に応じて燃焼室１３内の混合気に点火する。第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２は、コントローラ６０によって制御される。
【００１９】
コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００２０】
コントローラ６０には、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルペダルセンサ６１からの検出データが信号として入力する。アクセルペダルの踏み込み量はエンジン負荷を代表する信号として用いられる。コントローラ６０は、上記した入力信号等に基づいて第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期を調整する。
【００２１】
上記したエンジン１００では、冷却損失を低減して熱効率を高めるために、ピストン１２の上死点位置における圧縮比（以下「機械圧縮比」という）を従来手法のエンジンよりも高く設定するとともに、混合気点火時期を圧縮上死点以降に設定する。
【００２２】
より具体的には、エンジン１００の機械圧縮比は、圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生する圧縮比であって１８程度に設定される。この機械圧縮比は、圧縮上死点での圧縮圧力が混合気燃焼時の燃焼最大圧力よりも小さくなるように設定される。そして、混合気の点火時期は、混合気点火時における圧縮比（以下「点火時圧縮比」という）が１０程度となるように圧縮上死点後の膨張行程途中に設定される。
【００２３】
図２は、所定のエンジン運転状態における、圧縮比の比率と熱効率の向上率との関係を示す図である。横軸は、機械圧縮比を点火時圧縮比で割った圧縮比の比率である。また、縦軸は、圧縮上死点で点火した時（圧縮比の比率が１である時）の熱効率に対する熱効率の向上率を示す。
【００２４】
機械圧縮比を高め、圧縮上死点以降に混合気に点火するエンジン１００では、図２に示すように、圧縮比の比率を１．１よりも大きくすると、熱効率の向上率が急増する。これは、混合気の点火時期が膨張行程途中となって、混合気燃焼による熱発生から膨張下死点までの時間が短くなるために、高温の燃焼ガスからシリンダ１１等への熱伝達が抑制され、冷却損失が低減されるからである。
【００２５】
エンジン１００では、点火時圧縮比を１０とし機械圧縮比を１８として、圧縮比の比率を１．８に設定するので、熱効率の向上率が最大となる。
【００２６】
ところで、エンジン１００のように点火時圧縮比を１０程度に設定すると、エンジン負荷によってはノッキングが発生するおそれがある。そこで、エンジン１００では、ノッキングの発生を抑制するために、エンジン負荷に応じて第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期を制御する。
【００２７】
図３は、コントローラ６０が実行する点火制御のメインルーチンを示すフローチャートである。このメインルーチンは、エンジン運転中に一定間隔、例えば１０ｍｓ間隔で繰り返し実行される。
【００２８】
ステップＳ１０１では、コントローラ６０は、低エンジン負荷時であるか否かをアクセルペダルセンサ６１の検出値に基づいて判定する。
【００２９】
低エンジン負荷時には、コントローラ６０は、ステップＳ１０２の処理を実行する。これに対して高エンジン負荷時には、コントローラ６０は、ステップＳ１０３の処理を実行する。
【００３０】
ステップＳ１０２では、コントローラ６０は、点火時期を圧縮上死点側に向かって進角し、第１点火プラグ５１のみによって混合気に点火する。第１点火プラグ５１の点火時期は、点火時圧縮比が１０となるように制御される。
【００３１】
ステップＳ１０３では、コントローラ６０は、点火時期を圧縮上死点側から離れるように遅角し、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の両方で混合気に点火する。第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期は、点火時圧縮比が１０よりも低くなるように制御される。
【００３２】
図４を参照して、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火制御による作用について説明する。
【００３３】
図４は、エンジン１００におけるＰＶ線図を示す。点線Ａは低エンジン負荷時のＰＶ線図を示し、実線Ｂは高エンジン負荷時のＰＶ線図を示す。
【００３４】
低エンジン負荷時はノッキングが発生しにくいので、点線Ａに示すように、第１点火プラグ５１の点火時期を高エンジン負荷時よりも圧縮上死点側に進角して、点火時圧縮比を高くする。混合気点火時におけるピストン１２の下降速度は高エンジン負荷時よりも遅いので、第１点火プラグ５１のみによって点火することで混合気の燃焼期間を長くする。これにより燃焼最大圧力が高くなり過ぎるのを抑えて、燃焼騒音の悪化を抑制する。
【００３５】
一方、高エンジン負荷時はノッキングが発生しやすいので、実線Ｂに示すように、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期を低エンジン負荷時よりも圧縮上死点側から遅角する。これにより点火時圧縮比が低下するので、ノッキングの発生が抑制される。高エンジン負荷では、混合気点火時におけるピストン１２の下降速度が低エンジン負荷時よりも速くなるので、混合気の燃焼期間が長くなると破線に示すように等容度が悪化してしまう。エンジン１００では、第１点火プラグ５１と第２点火プラグ５２の両方を使って混合気に点火し、混合気の燃焼期間を短縮させるので、等容度の悪化を抑制できる。
【００３６】
以上により、第１実施形態のエンジン１００では、下記の効果を得ることができる。
【００３７】
エンジン１００では、圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生する圧縮比となるように機械圧縮比を設定し、圧縮上死点後に点火時期を設定するので、エンジン出力を確保しつつ、冷却損失を低減することが可能となる。
【００３８】
機械圧縮比は、圧縮上死点での圧縮圧力が混合気燃焼時の燃焼最大圧力よりも小さくなるように設定されるので、圧縮圧力が過大となることがない。したがって、ピストン１２やクランク軸等でのフリクションの増加を抑制でき、エンジン１００の熱効率を効率的に高めることができる。
【００３９】
エンジン高負荷時には、点火時圧縮比が低くなるように点火時期を圧縮上死点から遅角させるので、ノッキングの発生を抑制することができる。また、エンジン高負荷時には、第１点火プラグ５１と第２点火プラグ５２の両方を用いて混合気に点火して、混合気の燃焼期間を短くするので、混合気点火時におけるピストン１２の下降速度が速くなっても等容度の悪化を抑えることができ、熱効率の低下が抑制できる。
【００４０】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態におけるエンジン１００の概略構成図である。
【００４１】
第２実施形態におけるエンジン１００は、第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、エンジン負荷や排気温度に応じて機械圧縮比を変更するように構成した点で相違する。以下に、その相違点を中心に説明する。
【００４２】
図５に示すように、エンジン１００は、排気温度センサ６２と、機械圧縮比可変機構７０とを備える。
【００４３】
排気温度センサ６２は、排気ポート４０に接続する排気通路４３に設置される。排気温度センサ６２は、排気通路４３を流れる排気の温度を検出する。
【００４４】
機械圧縮比可変機構７０は、ピストン１２とクランクシャフト１４とを、アッパリンク７１及びロアリンク７２で連結し、コントロールリンク７３によってロアリンク７２の姿勢を制御することで、ピストン上死点位置を変化させて機械圧縮比を変更する。コントロールリンク７３は、コントロールシャフト７４の偏心軸７４Ａに連結される。コントロールシャフト７４はアクチュエータ７５によって回転制御される。
【００４５】
アクチュエータ７５によってコントロールシャフト７４が回転し、偏心軸７４Ａがコントロールシャフト７４の中心軸に対して相対的に低くなる方向に移動すると、コントロールリンク７３によってロアリンク７２はクランクピン中心に対して図中時計周りに回転してアッパリンク７１を押し上げるように傾く。これによりピストン上死点位置が上昇し、エンジン１００の機械圧縮比が高くなる。これに対して、偏心軸７４Ａがコントロールシャフト７４の中心軸に対して相対的に高くなる方向に移動すると、コントロールリンク７３によってロアリンク７２は図中反時計回りに回転してアッパリンク７１を引き下げるように傾く。これによりピストン上死点位置が下降して、エンジン１００の機械圧縮比が低くなる。
【００４６】
図６は、圧縮比の比率と、圧縮比の比率が１の場合の熱効率を基準にした熱効率の向上率との関係を示す図である。線Ｃは高エンジン負荷時を示し、線Ｄは低エンジン負荷時を示す。
【００４７】
線Ｃに示すように高エンジン負荷時においては、エンジン１００の機械圧縮比を１８とし燃焼時圧縮比を１０として圧縮比の比率を１．８に設定するので、熱効率の向上率が最大となる。
【００４８】
一方、低エンジン負荷時はノッキングが発生しにくいため、さらなる熱効率の向上を図るために燃焼時圧縮比を１８程度まで高める。このように低エンジン負荷時の燃焼時圧縮比を設定すると、線Ｄに示すように、熱効率の向上率が最大となる圧縮比の比率が高エンジン負荷時よりも小さくなる。したがって、エンジン１００では、圧縮比の比率が低下するように、燃焼時圧縮比を高くするとともに機械圧縮比も高める。これにより低エンジン負荷時においても、熱効率の向上率を最大とすることができる。
【００４９】
図７は、コントローラ６０が実行する点火制御及び機械圧縮比制御のメインルーチンを示すフローチャートである。このメインルーチンは、エンジン運転中に一定間隔、例えば１０ｍｓ間隔で繰り返し実行される。
【００５０】
ステップＳ２０１では、コントローラ６０は、排気温度センサ６２によって検出される排気温度Ｔが所定温度Ｔ0よりも大きいか否かを判定する。
【００５１】
排気温度Ｔが所定温度Ｔ0よりも小さい場合には、コントローラ６０はステップＳ２０２の処理を実行する。
【００５２】
これに対して、排気温度Ｔが所定温度Ｔ0よりも大きい場合には、コントローラ６０はステップＳ２０５の処理を実行する。機械圧縮比を高め、圧縮上死点以降に混合気を燃焼させるエンジン１００では、冷却損失の低減によって熱効率が高まる一方で、排気温度も上昇する。そこで本実施形態のエンジン１００では、排気温度Ｔが所定温度Ｔ0よりも大きい場合にステップＳ２０５の処理を実行して、排気温度が過剰に高くなるのを抑制する。
【００５３】
ステップＳ２０２では、コントローラ６０は、低エンジン負荷時であるか否かをアクセルペダルセンサ６１の検出値に基づいて判定する。
【００５４】
低エンジン負荷時には、コントローラ６０はステップＳ２０３の処理を実行する。それ以外の場合には、コントローラ６０はステップＳ２０４の処理を実行する。
【００５５】
ステップＳ２０３では、コントローラ６０は、圧縮比の比率が小さくなるように点火時期を上死点側に進角させるとともに機械圧縮比を高圧縮比に制御して、第１点火プラグ５１のみによって混合気に点火する。
【００５６】
ステップＳ２０４では、コントローラ６０は、圧縮比の比率が大きくなるように点火時期を上死点側から遅角させるとともに機械圧縮比を低圧縮比に制御して、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の両方で混合気に点火する。
【００５７】
ステップＳ２０５では、排気温度が過剰に高くなるのを抑制するため、コントローラ６０は、ステップＳ２０３、Ｓ２０４で設定した高い機械圧縮比（圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生するような圧縮比）から機械圧縮比を所定量だけ低下させて、例えば圧縮上死点において混合気に点火した場合にノッキングが発生しないような圧縮比にまで低下させ、混合気に点火する。点火時期は、例えば、ステップＳ２０３、Ｓ２０４で設定した時期よりも進角させて、上死点付近における通常の点火時期に設定することができる。
【００５８】
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）を参照して、上記した点火制御及び機械圧縮比制御による作用について説明する。図８（Ａ）は排気温度Ｔが所定温度Ｔ0よりも小さい場合のエンジン１００におけるＰＶ線図を示し、図８（Ｂ）は排気温度Ｔが所定温度Ｔ0よりも大きい場合のエンジン１００におけるＰＶ線図を示す。
【００５９】
図８（Ａ）の点線Ｅを参照すると、低エンジン負荷時はノッキングが発生しにくいので、第１点火プラグ５１の点火時期を高エンジン負荷時よりも圧縮上死点側に進角し、点火時圧縮比を高くすることにより、圧縮比の比率を小さくする。点火時圧縮比が高く、混合気燃焼時の圧縮比が高いことから熱効率が向上する（排気損失が減少する）。さらに、点火時圧縮比が高い場合において圧縮比の比率を高エンジン負荷時に比べて小さくするので、図６の線Ｄに示したように低エンジン負荷時において熱効率の向上を図ることができる。機械圧縮比は混合気燃焼時の圧縮比が所望の圧縮比となるように制御され、本実施形態においては高エンジン負荷時に比べて機械圧縮比を高くして所望の圧縮比としている。
【００６０】
図８（Ａ）の実線Ｆを参照すると、高エンジン負荷時はノッキングが発生しやすいので、第１点火プラグ５１及び第２点火プラグ５２の点火時期を低エンジン負荷時よりも圧縮上死点側から遅角して、点火時圧縮比を低くすることにより、圧縮比の比率を大きくする。点火時圧縮比が低くなるので、混合気燃焼時の圧縮比も低くなる。点火時圧縮比が低い場合において圧縮比の比率を低エンジン負荷時に比べて大きくするので、図６の線Ｃに示したように高エンジン負荷時において熱効率の向上を図ることができる。機械圧縮比は混合気燃焼時の圧縮比が所望の圧縮比となるように制御され、本実施形態においては低エンジン負荷時に比べて機械圧縮比を低くして所望の圧縮比としている。
【００６１】
一方、排気温度Ｔが所定温度Ｔ0よりも大きい場合は、図８（Ｂ）の実線Ｇに示すように、第１点火プラグ５１や第２点火プラグ５２の点火時期を変更せずに、機械圧縮比を所定量だけ低下させて混合気に点火する。そうすると、圧縮比の比率が小さくなって、混合気燃焼による熱発生から膨張下死点までの時間が長くなるので、冷却損失は僅かに悪化するものの、排気温度の上昇が抑制される。
【００６２】
以上により、第２実施形態のエンジン１００では、下記の効果を得ることができる。
【００６３】
エンジン１００では、エンジン負荷に応じて機械圧縮比及び点火時期を制御して圧縮比の比率を調整するので、エンジン負荷によらず熱効率の向上率を最大とすることができる。
【００６４】
排気温度が所定温度よりも高くなった場合には、点火時期を変更せずに機械圧縮比を所定量だけ低下させて混合気に点火するため、排気温度の上昇を抑制することができる。これにより、排気温度が過度に高温となるのを回避することができ、排気系を構成する部品の熱劣化を抑制することができる。
【００６５】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００６６】
上記した各実施形態のエンジンは、混合気点火時の点火プラグの本数を変化させることで混合気の燃焼期間を変更するように構成したが、燃料に水素を供給する水素供給装置を備えて水素の供給割合を変化させることで混合気の燃焼期間を変更するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１００  エンジン
１０  シリンダブロック
１１  シリンダ
１２  ピストン
１３  燃焼室
２０  シリンダヘッド
３０  吸気ポート
４０  排気ポート
４３  排気通路
５１  第１点火プラグ（燃焼期間変更手段）
５２  第２点火プラグ（燃焼期間変更手段）
６０  コントローラ（制御手段）
６１  アクセルペダルセンサ
６２  排気温度センサ（排気温度検出手段）
７０  機械圧縮比可変機構（機械圧縮比変更手段）
【図１】
2010209869.tif 000003
【図２】
2010209869.tif 000004
【図３】
2010209869.tif 000005
【図４】
2010209869.tif 000006
【図５】
2010209869.tif 000007
【図６】
2010209869.tif 000008
【図７】
2010209869.tif 000009
【図８】
2010209869.tif 000010