(57)【要約】【課題】  従来のノッキング抑制方法では、燃焼初期に対する燃焼後期における混合気の燃焼速度の低下そのものを改善することができず、しかも内燃機関の圧縮比や吸気の吸入効率の増加に反比例してノッキングの防止効果が乏しくなる傾向を有する。【解決手段】  本発明によるノッキング抑制装置は、内燃機関の燃焼室１４の径方向中央部に点火ギャップ２４が配された点火プラグ２５と、燃焼室１４に開口する排気ポート１７から最も離れて位置するように燃焼室１４の外周端部に配され、点火プラグ２５の点火直後に燃焼室１４を囲むシリンダ１２の内周壁に沿って高圧ガスを噴射するノズル２６を有する高圧ガス噴射弁１７とを具え、燃焼後半に燃焼室１４内の高圧ガスによる乱流を発生させて火炎伝播を制御し、ノッキングの発生を回避する。【選択図】  図１
2005163730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内に空気と燃料とを供給して混合気を形成するステップと、
前記燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグを点火して前記燃焼室内の混合気を燃焼させるステップと、
混合気の燃焼中に前記燃焼室を囲むシリンダの内周壁近傍に介在する混合気をこのシリンダの内周壁に沿って流動させるステップと
を具えたことを特徴とするノッキング抑制方法。
【請求項２】
前記シリンダの内周壁に沿って混合気を流動させるステップは、前記燃焼室内に高圧ガスを吹き込み、この高圧ガスを前記燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って流動させるステップを有することを特徴とする請求項１に記載のノッキング抑制方法。
【請求項３】
前記燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップは、前記燃焼室に開口する排気ポートに対して最も離れた位置から行われることを特徴とする請求項２に記載のノッキング抑制方法。
【請求項４】
前記燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップは、高圧ガスを相互に逆方向に前記シリンダの内周壁に沿って前記排気ポート側へと流動させるステップを有することを特徴とする請求項３に記載のノッキング抑制方法。
【請求項５】
前記燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップは、前記点火プラグの点火直後に行われることを特徴とする請求項２から請求項４の何れかに記載のノッキング抑制方法。
【請求項６】
内燃機関の燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグと、
前記燃焼室に開口する排気ポートから最も離れて位置するように前記燃焼室の外周端部に配され、前記燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って高圧ガスを噴射するノズルを有する高圧ガス噴射弁と
を具えたことを特徴とするノッキング抑制装置。
【請求項７】
前記高圧ガス噴射弁からの高圧ガスは、前記点火プラグの点火直後に噴射されることを特徴とする請求項６に記載のノッキング抑制装置。
【請求項８】
前記高圧ガス噴射弁の前記ノズルは、高圧ガスを前記シリンダの内周壁に沿って逆方向に噴射する２つの開口を有することを特徴とする請求項６または請求項７に記載のノッキング抑制装置。
【請求項９】
高圧ガスが圧縮空気であり、前記内燃機関のクランク軸の回転により駆動され、これによって得られる高圧空気を前記高圧ガス噴射弁に導く空気加圧ポンプをさらに具えたことを特徴とする請求項６から請求項８の何れかに記載のノッキング抑制装置。
【請求項１０】
高圧ガスが水素または不活性ガスであり、高圧ガスを貯溜する高圧タンクと、この高圧タンクから供給される高圧ガスを所定の圧力に調圧して前記高圧ガス噴射弁に導く調圧弁とをさらに具えたことを特徴とする請求項６から請求項８の何れかに記載のノッキング抑制装置。
【請求項１１】
高圧ガスが水蒸気であって、水が貯溜される水タンクと、この水タンクから供給される水を気化させる水蒸気発生装置と、この水蒸気発生装置にて発生した水蒸気を所定の圧力に調圧して前記高圧ガス噴射弁に導く調圧弁とをさらに具えたことを特徴する請求項６から請求項８の何れかに記載のノッキング抑制装置。
【請求項１２】
前記水蒸気発生装置は、前記排気ポートを流れる排気ガスが導かれ、この排気ガスの熱によって水を気化させることを特徴とする請求項１１に記載のノッキング抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火内燃機関におけるノッキング抑制方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノッキングは、内燃機関の燃焼室内での混合気の燃焼速度が低下する燃焼期間終盤に、火炎面とシリンダの内壁との間で圧縮された未燃混合気が自己着火条件に達し、火炎面から独立して着火する現象である。特に、火花点火内燃機関では、燃焼室内の温度が高い排気ポート側の火炎伝播速度が高くなるため、吸気ポート側のシリンダ内壁近傍にてノッキングが起こり易い傾向を持つ。ノッキングの発生は、内燃機関の点火進角を進めることを困難とし、出力の増大を企図し得ない。
【０００３】
このようなノッキングを防止するため、アンチノック性の高い高オクタン価燃料を使用したり、燃焼速度の大きな燃料、例えば水素などを使用したり、シリンダボア径を小径化して火炎伝播距離を短くしたり、特許文献１，２に記載されているように、吸気流の乱れを増加させることにより燃焼速度を増大させたり、さらには特許文献１に記載されているように、燃料を燃焼室内に直接噴射して燃焼室内で燃料を気化させ、これによって吸気温度を低下させることが行われている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３３１６４２号公報
【特許文献２】特開平１−１７０７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来のノッキング防止方法では、燃焼が始まってから実質的にノッキングが発生し易い１０〜９０％まで燃焼が進んだ燃焼後期のみならず、燃焼が始まってから燃焼が１０％程度進んだ燃焼初期においても、同様にノッキングの防止効果を得ることができる。
【０００６】
しかしながら、燃焼室内での混合気の燃焼速度を増大させた場合、例えば燃焼後期における混合気の燃焼速度を増加させても、燃焼初期における混合気の燃焼速度に対する燃焼後期における混合気の燃焼速度の低下そのものを改善することができず、根本的な対策とはなっていない。
【０００７】
また、従来の方法では内燃機関の圧縮比や吸気の吸入効率の増加に反比例してノッキングの防止効果が乏しくなる傾向を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の形態は、内燃機関の燃焼室内に空気と燃料とを供給して混合気を形成するステップと、前記燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグを点火して前記燃焼室内の混合気を燃焼させるステップと、混合気の燃焼中に前記燃焼室を囲むシリンダの内周壁近傍に介在する混合気をこのシリンダの内周壁に沿って流動させるステップとを具えたことを特徴とするノッキング抑制方法にある。
【０００９】
本発明においては、内燃機関の燃焼室内に空気と燃料とを供給して混合気を形成し、燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグを点火し、燃焼室内の混合気を燃焼させる。この混合気の燃焼中に燃焼室を囲むシリンダの内周壁近傍に介在する混合気をこのシリンダの内周壁に沿って流動させることにより、未燃状態にある混合気の乱流が増大して燃焼後期における燃焼速度の低下が抑制される。また、この混合気の流れによって、吸気ポート側からシリンダの内周壁に沿って火炎が伝播してノッキングの発生が抑制される。
【００１０】
本発明の第１の形態によるノッキング抑制方法において、シリンダの内周壁に沿って混合気を流動させるステップは、燃焼室内に高圧ガスを吹き込み、この高圧ガスを燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って流動させるステップを有することができる。この場合、燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップは、燃焼室に開口する排気ポートに対して最も離れた位置から行われるものであってよく、高圧ガスを相互に逆方向にシリンダの内周壁に沿って排気ポート側へと流動させるステップを有することができる。
【００１１】
燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップは、点火プラグの点火直後に行われるものであってよい。
【００１２】
本発明の第２の形態は、内燃機関の燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグと、前記燃焼室に開口する排気ポートから最も離れて位置するように前記燃焼室の外周端部に配され、前記燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って高圧ガスを噴射するノズルを有する高圧ガス噴射弁とを具えたことを特徴とするノッキング抑制装置にある。
【００１３】
本発明において、高圧ガス噴射弁を作動させると、例えば１０MＰa以上の高圧の気体がそのノズルから噴射され、燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って排気ポート側へと流れ、未燃状態にある混合気の乱流が増大して燃焼後期における燃焼速度の低下が抑制される。また、この高圧ガスの流れによって、吸気ポート側からシリンダの内周壁に沿って火炎が伝播してノッキングの発生が抑制される。
【００１４】
本発明の第２の形態によるノッキング抑制装置において、点火プラグの点火直後に高圧ガス噴射弁から高圧ガスを噴射することが有効である。
【００１５】
高圧ガス噴射弁のノズルは、高圧ガスをシリンダの内周壁に沿って逆方向に噴射する２つの開口を有するものであってよい。
【００１６】
高圧ガスが圧縮空気の場合、内燃機関のクランク軸の回転により駆動され、これによって得られる高圧空気を高圧ガス噴射弁に導く空気加圧ポンプをさらに具えることができる。
【００１７】
高圧ガスが水素または不活性ガスの場合、高圧ガスを貯溜する高圧タンクと、この高圧タンクから供給される高圧ガスを所定の圧力に調圧して高圧ガス噴射弁に導く調圧弁とをさらに具えることができる。
【００１８】
高圧ガスが水蒸気の場合、水が貯溜される水タンクと、この水タンクから供給される水を気化させる水蒸気発生装置と、この水蒸気発生装置にて発生した水蒸気を所定の圧力に調圧して高圧ガス噴射弁に導く調圧弁とをさらに具えることができる。この場合、水蒸気発生装置は、排気ポートを流れる排気ガスが導かれ、この排気ガスによって水を気化させるものであってよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のノッキング抑制方法によると、内燃機関の燃焼室内に空気と燃料とを供給して混合気を形成し、燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグを点火して燃焼室内の混合気を燃焼させ、この混合気の燃焼中に燃焼室を囲むシリンダの内周壁近傍に介在する混合気をこのシリンダの内周壁に沿って流動させるようにしたので、未燃状態にある混合気の乱流が増大し、燃焼後期における燃焼速度の低下を抑えて未燃混合気に自己着火する猶予を与えず、これによってノッキングの発生を抑制することができる。
【００２０】
シリンダの内周壁に沿って混合気を流動させるステップが、燃焼室内に高圧ガスを吹き込み、この高圧ガスを燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って流動させるステップを有する場合、燃焼室を囲むシリンダの内周壁近傍に介在する混合気をこのシリンダの内周壁に沿って確実に流動させることができる。
【００２１】
燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップが、燃焼室に開口する排気ポートに対して最も離れた位置から行われる場合、シリンダの内周壁に沿った排気ポート側への高圧ガスの流れによって、吸気ポート側からシリンダの内周壁に沿って火炎が伝播する結果、ノッキングの発生をさらに抑制することが可能である。
【００２２】
燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップが、高圧ガスを相互に逆方向にシリンダの内周壁に沿って排気ポート側へと流動させるステップを有する場合、シリンダの軸線に対して垂直な面内で高圧ガスの循環流を形成することができ、シリンダの内周壁に沿って介在する未燃状態にある混合気の乱流を増大させることができる。
【００２３】
燃焼室内に高圧ガスを吹き込むステップが、点火プラグの点火直後に行われる場合、燃焼後期における燃焼速度の低下をより確実に抑えることができる。
【００２４】
本発明のノッキング抑制装置によると、内燃機関の燃焼室の径方向中央部に点火ギャップが配された点火プラグと、燃焼室に開口する排気ポートから最も離れて位置するように燃焼室の外周端部に配され、燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って高圧ガスを噴射するノズルを有する高圧ガス噴射弁とを具えているので、高圧ガスが高圧ガス噴射弁のノズルから燃焼室を囲むシリンダの内周壁に沿って排気ポート側へと流れ、未燃状態にある混合気の乱流を増大させ、燃焼後期における燃焼速度の低下を抑えて未燃混合気に自己着火する猶予を与えず、これによってノッキングの発生が抑制される。しかも、シリンダの内周壁に沿った排気ポート側への高圧ガスの流れによって、吸気ポート側からシリンダの内周壁に沿って火炎が伝播する結果、ノッキングの発生をさらに抑制することが可能である。
【００２５】
点火プラグの点火直後に高圧ガス噴射弁から高圧ガスを噴射した場合、燃焼後期における燃焼速度の低下をより確実に抑えることができる。
【００２６】
高圧ガス噴射弁のノズルが高圧ガスをシリンダの内周壁に沿って逆方向に噴射する２つの開口を有する場合、シリンダの軸線に対して垂直な面内で高圧ガスの循環流を形成することができ、シリンダの内周壁に沿って介在する未燃状態にある混合気の乱流を増大させることができる。
【００２７】
内燃機関のクランク軸の回転により駆動され、これによって得られる高圧空気を高圧ガス噴射弁に導く空気加圧ポンプをさらに具えた場合、内燃機関の作動に連動して空気加圧ポンプを作動させ、高圧空気を高圧ガス噴射弁に供給することができる。
【００２８】
高圧の水素または不活性ガスを貯溜する高圧タンクと、この高圧タンクから供給される高圧ガスを所定の圧力に調圧して高圧ガス噴射弁に導く調圧弁とをさらに具えた場合、内燃機関の運転状態に拘らず、調圧弁によって所定圧に調整された高圧の水素または不活性ガスを高圧ガス噴射弁から内燃機関の燃焼室に供給することができる。
【００２９】
水が貯溜される水タンクと、この水タンクから供給される水を気化させる水蒸気発生装置と、この水蒸気発生装置にて発生した水蒸気を所定の圧力に調圧して高圧ガス噴射弁に導く調圧弁とをさらに具えた場合、調圧弁によって所定圧に調整された高圧の水蒸気を高圧ガス噴射弁から内燃機関の燃焼室に供給することができる。特に、排気ポートを流れる排気ガスが水蒸気発生装置に導かれ、この排気ガスによって水を気化させた場合、排気ガスの排熱を有効利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明によるノッキング抑制装置を火花点火内燃機関に応用した実施形態について、図１〜図５を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限らず、これらをさらに組み合わせたり、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも当然応用することができる。
【００３１】
本発明の第１の実施形態の概略構造を図１に示し、そのII−II矢視断面構造における高圧ガスの流れを模式的に図２に示し、その制御ブロックを図３に示す。すなわち、ピストン１１が摺動自在に嵌め込まれるシリンダ１２を形成したシリンダブロック１３には、ピストン１１との間に燃焼室１４を画成するシリンダヘッド１５が取り付けられている。
【００３２】
このシリンダヘッド１５には、一対の吸気ポート１６と一対の排気ポート１７とが燃焼室１４に臨むように形成され、これら吸気ポート１６の開口端および排気ポート１７の開口端には弁座１８がそれぞれ設けられ、ピストン１１の往復運動、つまりコンロッド１９を介してピストン１１に連結されたクランク軸２０の回転運動に連動して所定のタイミングにて往復動する吸気弁２１および排気弁２２により、吸気ポート１６および排気ポート１７が燃焼室１４に対して連通するようになっている。吸気ポート１６内に燃料を噴射する燃料噴射弁２３もシリンダヘッド１５に取り付けられ、ピストン１１の往復運動、つまりクランク軸２０の回転運動に連動して所定のタイミングにて燃料を吸気ポート１６内に噴射し、この吸気ポート１６内を流れる吸気と共に燃焼室１４に送られるようになっている。
【００３３】
また、このシリンダヘッド１５には、点火ギャップ２４が燃焼室１４の径方向中央部に臨むように配された点火プラグ２５が取り付けられている。この点火プラグ２５の点火ギャップ２４には、ピストン１１の往復運動、つまりクランク軸２０の回転運動に連動して所定のタイミングにて高電圧が印加され、燃料の点火動作を行うようになっている。
【００３４】
さらにこのシリンダヘッド１５には、吸気弁２１を間にして点火プラグ２５の反対側に位置するように、燃焼室１４の外周縁部にノズル２６が臨む高圧ガス噴射弁２７が設けられている。この高圧ガス噴射弁２７のノズル２６は、図２中の矢印で示すように、排気ポート１７に対して最も離れた位置から燃焼室１４の内周壁に沿って高圧空気をそれぞれ逆方向に噴射する図示しない２つの噴射孔を有する。この高圧ガス噴射弁２７に高圧空気を供給する空気加圧ポンプ２８は、クランク軸２０に歯付きベルト２９を介して連結され、クランク軸２０の回転に連動して例えば１０MＰa以上の高圧空気を作り出すようになっている。この高圧ガス噴射弁２７もピストン１１の往復運動、つまりクランク軸２０の回転運動に連動して所定のタイミングにて高圧空気を燃焼室１４内に直接噴射するようになっている。この場合、燃焼室１４内に高圧空気を吹き込むことによって、燃焼室１４内の混合気の空燃比がリーン側に変化するが、高圧空気の吹き込み前に混合気の燃焼が進行しているため、燃焼の継続性に悪影響をそれほど及ぼすおそれはない。
【００３５】
本実施形態では、点火プラグ２５の点火直後に１０MＰa以上の高圧空気を燃焼室１４内に噴射することにより、混合気の燃焼中に燃焼室１４を囲むシリンダ１２の内周壁近傍に介在する混合気をこのシリンダ１２の内周壁に沿って流動させることができる。この結果、未燃状態にある混合気の乱流が増大し、燃焼後期における燃焼速度の低下を抑えて未燃混合気に自己着火する猶予を与えず、これによってノッキングの発生が抑制されることとなる。
【００３６】
燃料噴射弁２３からの燃料の噴射量やその噴射タイミングおよび点火プラグ２５の点火時期、ならびに高圧ガス噴射弁２７からの高圧空気の噴射量やその噴射タイミングなどは、運転者によって踏み込まれる図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ３０からの検出信号と、車両の走行速度を検出する車速センサ３１からの検出信号と、クランク軸２０の回転位相を検出するクランク角センサ３２からの検出信号とに基づき、制御装置３３によってあらかじめ設定された関係にて制御されるようになっている。
【００３７】
上述した実施形態では、エンジンのクランク軸２０に連動する空気加圧ポンプ２８を用いて高圧空気を高圧ガス噴射弁２７に供給するようにしたが、空気以外に水素あるいは比熱比の比較的大きな不活性ガス、例えばアルゴンやヘリウムなどを高圧ガス噴射弁２７に供給することも可能である。
【００３８】
このような本発明による他の実施形態の概略構造を図４に示すが、先の実施例と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、高圧ガス噴射弁２７と高圧水素ガスまたは液体水素を貯溜した水素ガスタンク３４との間には、この水素ガスタンク３４内の高圧水素ガスを所定の圧力に調圧する調圧弁３５が組み込まれ、例えば１０MＰa以上の高圧水素が高圧ガス噴射弁２７によって燃焼室１４内に噴射される。この場合においても、排気ポート１７に対して最も離れた位置から燃焼室１４の内周壁に沿って高圧水素ガスがそれぞれ逆方向に噴射され、図２中の矢印に示すような旋回流が燃焼室１４内に形成される。
【００３９】
高圧ガスとして本実施形態のような水素を用いた場合、水素の特性して燃焼速度が早く、しかも着火性に優れているので、ノッキングの発生を抑制することができる上、これを燃料の一部として利用することが可能であるため、その噴射時期をピストン１１の圧縮行程終了直前または点火プラグ２５の点火時期に合わせることも可能である。
【００４０】
高圧ガスとして、水蒸気を用いることも可能であり、このような本発明によるさらに別な実施形態の概略構造を図５に示すが、先の実施形態と同一機能の要素にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、高圧ガス噴射ノズル２７と水が貯溜された図示しない水タンクから供給される水３６を気化させる水蒸気発生装置３７との間には、この水蒸気発生装置３７によって発生する高圧水蒸気を例えば２.８MＰa程度に調圧する調圧弁３８が組み込まれている。ピストン１１の圧縮上死点直前における筒内圧、つまり燃焼室１４内の圧力を１.５MＰaとした場合、水蒸気の圧力を２.８MＰa程度に設定することにより、高圧ガス噴射弁２７から燃焼室１４内に水蒸気を音速で噴射させることができる。
【００４１】
水蒸気発生装置３７には、排気ポート１７から排出される高温（約６００℃）の排気ガスを導いて水３６を気化させるための熱交換器３９が組み込まれており、上述した水蒸気圧力を得るため、０.１４ｍ3/kgの割合で水蒸気が形成されるように、水３６が水タンクから水蒸気発生装置３７に供給される。本実施形態においても、排気ポート１７に対して最も離れた位置から燃焼室１４の内周壁に沿って水蒸気がそれぞれ逆方向に噴射され、図２中の矢印に示すような旋回流が燃焼室１４内に形成される結果、未燃状態にある混合気の乱流が増大し、燃焼後期における燃焼速度の低下を抑えて未燃混合気に自己着火する猶予を与えず、これによってノッキングの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明によるノッキング抑制装置を火花点火内燃機関に応用した一実施形態の概略構造を表す断面図である。
【図２】図１中のII−II矢視断面における高圧空気の流れを模式的に表す概念図である。
【図３】図１に示した実施形態における制御ブロック図である。
【図４】本発明によるノッキング抑制装置の他の一実施形態の概略構造を表す断面図である。
【図５】本発明によるノッキング抑制装置の別な一実施形態の概略構造を表す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１  ピストン
１２  シリンダ
１３  シリンダブロック
１４  燃焼室
１５  シリンダヘッド
１６  吸気ポート
１７  排気ポート
１８  弁座
１９  コンロッド
２０  クランク軸
２１  吸気弁
２２  排気弁
２３  燃料噴射弁
２４  点火ギャップ
２５  点火プラグ
２６  ノズル
２７  高圧ガス噴射弁
２８  空気加圧ポンプ
２９  歯付きベルト
３０  アクセル開度センサ
３１  車速センサ
３２  クランク角センサ
３３  制御装置
３４  水素ガスタンク
３５  調圧弁
３６  水
３７  水蒸気発生装置
３８  調圧弁
３９  熱交換器
【図１】
2005163730.tif 000003
【図２】
2005163730.tif 000004
【図３】
2005163730.tif 000005
【図４】
2005163730.tif 000006
【図５】
2005163730.tif 000007