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JP2711565B2 - エンジンのサイクル制御装置 - Google Patents

エンジンのサイクル制御装置

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JP2711565B2
JP2711565B2 JP1118474A JP11847489A JP2711565B2 JP 2711565 B2 JP2711565 B2 JP 2711565B2 JP 1118474 A JP1118474 A JP 1118474A JP 11847489 A JP11847489 A JP 11847489A JP 2711565 B2 JP2711565 B2 JP 2711565B2
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JP
Japan
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cylinder
combustion chamber
sub
exhaust
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JP1118474A
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Inventor
英男 河村
Original Assignee
株式会社いすゞセラミックス研究所
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Publication date
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Priority to DE9090305107T priority patent/DE69000988T2/de
Priority to EP90305107A priority patent/EP0397521B1/en
Priority to US07/522,320 priority patent/US5005539A/en
Publication of JPH02298629A publication Critical patent/JPH02298629A/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、エンジンの回転数が所定回転数以下の場合
には２サイクル、所定回転数以上の場合には４サイクル
で稼動するエンジンのサイクルを変更するエンジンのサ
イクル制御装置に関する。
（従来の技術） 従来のエンジンには、エンジン出力軸の回転毎の行程
の相違により２サイクルエンジンと４サイクルエンジン
とに大別される。２サイクルエンジンはエンジン出力軸
の１回転毎に爆発行程を実行するため、エンジン出力軸
の回転速度変動が小であり高トルクを発生せしめること
ができる。一方、４サイクルエンジンは２回転毎に爆発
行程を実行し、かつ、排気行程と吸気行程とが独立して
いるので、燃料消費率が小であるという特徴がある。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記２サイクルエンジンは吸気行程と
排気行程とを同時に平行して実行するので吸排気が完全
に行なわれず効率が悪化し、よって燃料消費率が大であ
るという問題がある。一方、４サイクルエンジンはエン
ジン出力軸の回転速度変動が大であるため、低回転数領
域においてはトルクが不足し、滑らかな運転ができない
という問題がある。
上記の問題を解決するため、エンジンにサイクル変更
可能な装置を設け、エンジン回転数やエンジン負荷等の
エンジンの状態により、２サイクル運転と４サイクル運
転とを切り替えるものが提案されている。しかしなが
ら、このようなエンジンでは、エンジンが低回転、低負
荷時に２サイクル運転を行うように制御されるものであ
り、２サイクル運転時には、元々排気ガスのエンタルピ
が小さいのに加え、エンジンが低回転であるため排気ガ
スのエンタルピがさらに小さくなり、過給装置で十分な
過給圧を得ることが困難である。すなわちエンジン低回
転領域では十分なエンジントルクを得ることができない
という問題がある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、２サイ
クルエンジンとして運転時に過給装置の回転駆動力を増
加させ十分な過給圧を発生させることができるエンジン
のサイクル制御装置を提供するものである。
（課題を解決するための手段） 本発明によれば、気筒上部に形成された副燃料室と、
前記副燃焼室上部に設けられた開閉時期可変の排気バル
ブ付排気口と、前記副燃焼室に臨むように配設された燃
料噴射時期可変の噴射ノズルと、シリンダの下死点近傍
部位に設けられた吸気口と、前記吸気口への吸気を過給
する過給装置とを有し、前記副燃焼室を含む燃焼室は耐
熱断熱材で被覆された遮熱構造となし、前記過給装置の
回転軸に発電機及び電動機を兼ねる交流機を有し、前記
排気バルブは電磁ソレノイドで駆動され、シリンダ内の
排気ガスを過給圧より排気する行程の上死点で前記排気
口を閉鎖し、その閉鎖状態でピストンを降下させてシリ
ンダ内吸気を断熱膨張させるとともにその下死点でシリ
ンダ内負圧作用と過給圧とにより吸気をシリンダ内に急
激に流入せしめるようになし、エンジンの回転数が所定
値よりも小の場合には排気口の開閉及び燃料噴射をエン
ジンの１回転毎に実行せしめ、エンジン回転数が所定値
よりも小であってかつエンジン負荷がエンジン回転数に
対応する最大負荷より大の場合には前記交流機を電動機
運転して前記過給装置を付勢せしめ、エンジン回転数が
所定値以上の場合には排気口の開閉及び燃料噴射をエン
ジンの２回転毎に実行せしめる制御信号を出力する信号
出力手段を有するエンジンのサイクル制御装置を提供で
きる。
（作用） 本発明のエンジンのサイクル制御装置は、所定回転数
以下の領域においては２サイクルエンジンとして運転
し、該所定回転数以上の領域においては４サイクルエン
ジンとして運転するエンジンにおいて、２サイクルエン
ジンとして運転するときには過給装置の回転軸に設けら
れた発電機及び電動機を兼ねる交流機を電動機運転して
過給装置を付勢し、さらにエンジンの燃焼室が遮熱され
ているので、排気ガスのエンタルピが増大するので、過
給装置の回転駆動力が増加し過給圧を上昇させることが
できる。
（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に従って詳細に説明す
る。
第１図は、本発明によるエンジンの構成を示すブロッ
ク図、第２図は、第１図におけるＩ−Ｉ断面図、第３図
は、第１図におけるII−II断面図である。
シリンダ１の内周面にはシリンダスリーブ11が配設さ
れており、該シリンダスリーブ11の下死点近傍における
ピストンヘッドの位置には吸気口13が周設されている。
該吸気口13は吸入された吸気が時計回りに旋回するよう
に傾斜して開口している。
シリンダ１の上部中央には副燃焼室２が設けられてお
り、該副燃料室２の内面は耐熱断熱材のセラミックス等
からなるスリーブ21で被覆されている。該スリーブ21と
シリンダスリーブ11との間は断熱ガスケット12を介して
接続している。副燃焼室２の側部には該副燃焼室２内部
へ燃料を時計回りに噴射する噴射ノズル22が配設されて
おり、該噴射ノズル22は燃料の噴射タイミング及び噴射
量が可変である燃料ポンプ23と接続されている。また、
該副燃焼室２には副燃焼室２を介して排気を排出するた
めの排気口が設けられており、該排気口は排気バルブ24
により開閉される。そして、該排気バルブ24は軸部に配
設されたバルブ駆動装置６により開閉駆動される。
前記シリンダ１内部にはピストン３が配設されてお
り、該ピストン３のピストンヘッド面は副燃焼室２と同
様に耐熱断熱材のセラミックス等により被覆されてい
る。また、ピストンヘッド中央部には突起31が形成され
ており、ピストン３が上死点近傍にあるときに副燃焼室
２の開口部を狭窄する。
前記排気口より排出された排気ガスは排気管路41によ
りターボチャージャ４のタービンへと導かれる。該ター
ボチャージャ４の回転軸には発電機及び電動機を兼ねる
交流機（以下、回転電機又はTCGと表す。）43が接続し
ており、外部からの電力供給により過給圧を発生させる
ことが可能な構造を有している。また、ターボチャージ
ャ４を通過した排気ガスは回収タービン44に導かれ、未
だ排気ガスの有するエネルギを電気エネルギに変換しコ
ントロールユニット５を介して回生する。尚、ターボチ
ャージャ４は排気ガスあるいは外部からの電力によりコ
ンプレッサを回転させ吸気に過給圧を付与し、該吸気を
吸気管路42を経て吸気口13へと供給する。
上記バルブ駆動装置６、燃料ポンプ23及び回転電機43
はコントロールユニット５の入出力インターフェイス50
からの信号により制御されている。該入出力インターフ
ェイス50には、上記の他にエンジンの回転数及びクラン
ク角を検知する回転センサ55、アクセルペダルの踏込量
を検知するアクセルセンサ56及び回収タービンの発電機
が接続されており、各センサからの信号と回生電力とが
入力されている。該コントロールユニット５には入出力
インターフェイス50の他に、プログラムや各種関係テー
ブルを記憶するROM53、該ROM53のプログラムの下に演算
を実行するCPU51、演算結果及びデータを一時記憶するR
AM54、コントトロールユニット５内部の信号流れを司る
コントロールメモリ52などにより構成されている。
次に、バルブ駆動装置６について説明する。
第４図は、バルブ駆動装置６の詳細図である。
排気バルブ24の軸端部には所定間隔で永久磁石61と永
久磁石62とが嵌合している。該永久磁石61及び62の外周
部分の極性は互いに異なり、例えば、永久磁石61の外周
部分がＮ極であれば、永久磁石62の外周部分はＳ極であ
る。永久磁石61及び62の外周部分と対向し、排気バルブ
24の移動方向に永久磁石61と永久磁石62とは異なる間隔
で磁極63が並設されており、磁極63の各々には磁極63の
極性を制御するためのコイル64が捲設されている。
コイル64の各々への通電はコントロールユニット５に
より制御され、磁極63の永久磁石との対向側の極性を順
次変更し、永久磁石61及び62と磁極63との間に作用する
電磁力の合力により排気バルブ24を開閉方向に駆動す
る。
次に、本発明によるエンジンを、２サイクルエンジン
として運転する場合について説明する。
膨張行程が終了しピストン３が下死点近傍になると、
吸気口13より過給圧が付加された吸気がシリンダ内へと
流入し円周方向の旋回流となる。次に、ピストン３の上
昇に伴ない排気ガスを押し上げ排気口より掃気する。そ
して、ピストン上昇途中で排気バルブ24により排気口を
閉鎖して圧縮行程に移行し吸気を圧縮する。ピストン３
の上昇に伴ないシリンダ１内の旋回流は加速され副燃焼
室２内へと流入する。圧縮行程後半には該流入量は減少
するが、ピストンヘッドに形成された突起31が副燃焼室
２の開口面積を狭窄し、副燃焼室２へ流入する旋回流の
流速を加速する。
次に、噴射ノズル22から旋回流方向に燃料を噴射する
と、燃料は燃焼し膨張行程に移行する。噴射された燃料
は副燃焼室２内で全て燃焼し燃焼ガスとなりピストン３
を降下させる。すると、突起31により狭窄されていた副
燃焼室２の開口部面積はピストン３の降下により拡大さ
れ、燃焼ガスは速やかにシリンダ内へ拡散する。そし
て、ピストン３の降下途中にて排気バルブ24を駆動し排
気口を開放し排気ガスを排出する。そして、前記の吸気
行程に連続し上記サイクルを繰換す。
次に、本発明によるエンジンを、４サイクルエンジン
として運転する場合について説明する。
第５図は、４サイクルエンジンのｐ−ｖ線図、第６図
は、４サイクルエンジンの行程の一部を示す図である。
尚、第５図におけるａ〜ｅ点の状態を第６図のａ〜ｅに
示す。
燃焼後の膨張行程において、体積が圧縮状態にある上
死点V1から下死点直前のV3まで増加すると排気口を開放
し排気ガスの排出を開始する。すると、ａ点を通過し下
死点V4まで膨張する間に急速に圧力が減少する。そし
て、ｂ点に示す下死点ではすでに吸気口13が開放される
ので、過給圧が負荷されている吸気は旋回流となりシリ
ンダ１内へと流入する。流入する該吸気により排気は更
に上方へと押し上げられ排気口からの排出が助長され
る。ピストン３が下死点から上方へと移動し吸気口が閉
鎖され吸気の流入が停止しても、シリンダ１内には排気
ガスが未だ残留しているので、ｃ点に示すごとく排気口
の開放は継続される。そして、排気口の開放状態を上死
点まで継続しシリンダ内の排気ガスを完全に排出する。
次に上死点V1でｄ点に示すごとく排気口を閉鎖する。排
気口が閉鎖された状態を保持してピストン３が降下する
とシリンダ内に封入された吸気は断熱膨張される。該断
熱膨張時には封入された吸気の温度が降下するため、燃
焼室壁面から熱エネルギを迅速に奪う。そして、V3直前
の吸気口が開口する位置すなわちｅ点を通過すると、吸
気は過給圧とシリンダ１内の負圧との作用により急激に
シリンダ内へと流入する。吸気口13は第３図に示すごと
く中心方向に対し傾斜しているので、該吸入された吸気
はシリンダ１内で高速の旋回流となる。ピストン３の上
昇に伴ないシリンダ１内の旋回流は加速され副燃焼室２
内へと流入する。圧縮行程後半には該流入量は減少する
が、ピストンヘッドに形成された突起31が副燃焼室２の
開口面積を狭窄し、副燃焼室２へ流入する旋回流の流速
を加速する。
次に、噴射ノズル22から旋回流方向に燃料を噴射する
と、燃料は燃焼し膨張行程に移行する。噴射された燃料
は副燃焼室２内で全て燃焼し燃焼ガスとなりピストン３
を降下させる。すると、突起31により狭窄されていた副
燃焼室２の開口部面積はピストン３の降下により拡大さ
れ、燃焼ガスは速やかにシリンダ内へ拡散する。そし
て、ピストン３の降下途中にて排気バルブ24を駆動し排
気口を開放し排気ガスを排出する。そして、前記の吸気
行程に連続し上記サイクルを繰換す。
次に、本発明による制御装置の作用について説明す
る。
第７図は、本発明の制御装置の制御内容を示すフロー
図である。
ステップS1で回転センサ55からの信号によりエンジン
回転数Ｎを検出する、次のステップS2で、アクセルセン
サ56からの信号とステップS1の回転数Ｎとからエンジン
負荷Ｌを演算する。次に、ステップS3においてエンジン
回転数Ｎと所定の回転数との大小を判断する。本実施例
においては所定回転数を2000rpmに設定しており、エン
ジン回転数Ｎが2000rpmより小の場合にはステップS4
へ、2000rpm以上である場合にはステップS9へと進む。
ステップS9へ進むと、ステップS9及びステップS10で
上記バルブ駆動装置６及び燃料ポンプ23の作動タイミン
グをコントロールユニット内に予め記憶されている４サ
イクル用のタイミングにセットする。そして、ステップ
S11でのアクセル量に基づきステップS12で燃料噴射量を
セットする。
前記ステップS3からステップS4への流れはステップS4
及びステップS5で上記ステップS9及びステップS10の同
様にしてバルブ駆動装置６及び燃料ポンプ23の作動タイ
ミングを２サイクル用のタイミングにセットする。次の
ステップS6ではステップS2で演算されたエンジン負荷Ｌ
とエンジン回転数Ｎに対応する最大負荷Lmaxとの大小を
比較し、大の場合にはステップS7に進み回転電機（TC
G）43へ電力を供給し過給圧を上昇させると共にステッ
プS8で燃料噴射量を増加させエンジンの出力をアップさ
せる。
また、ステップS6においてエンジン負荷Ｌが最大負荷
Lmax以下と判断されるとステップS13へ進み前記ステッ
プS11及びステップS12と同様にして燃料噴射量をセット
する。
以上本発明について説明したが、本発明の精神から逸
れないかぎりで、種々の異なる実施例は容易に構成でき
るから、本発明は前記特許請求の範囲において記載した
限定以外、特定の実施例に制約されるものではない。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、所定回転数以
下の領域においては２サイクルエンジンとして運転し、
該所定回転数以上の領域においては４サイクルエンジン
として運転するばかりでなく、２サイクル運転時の排気
ガスエンタルピが小さいことに起因する過給装置での過
給圧不足を、２サイクルエンジンとして運転時には過給
装置の回転軸に設けられた回転電機を電動機運転して過
給装置を付勢し、さらにエンジンの燃焼室が遮熱されて
いるので、排気ガスのエンタルピが増大するので、両者
の効果により過給装置の回転駆動力が増加し過給圧を上
昇させることができるものである。したがって、低中回
転数領域では、エンジン回転速度が円滑な高トルクエン
ジンとなり、中高回転数領域では燃料消費率が小である
高効率エンジンとなり、車両の走行動力源として使用す
る場合には従来不可欠されている変速機の変速段数を減
少、もしくは廃止せしめることができる。これに加え
て、本発明は電磁ソレノイドで駆動される排気バルブに
よりシリンダ内の排気ガスを過給圧により排気する行程
の上死点で排気口を閉鎖し、その閉鎖状態でピストンを
降下させてシリンダ内吸気を断熱膨張させ、その下死点
でシリンダ内負圧作用と過給圧とにより吸気をシリンダ
内に急激に流入せしめるので、高速の旋回流が得られる
とともに、吸入効率が向上する効果がある。さらに、本
発明はエンジン回転数が所定値よりも小であってかつエ
ンジン負荷がエンジン回転数に対応する最大負荷より大
の場合のみ交流機を電動機運転して過給装置を付勢する
ので、最小限の電気エネルギにより効率良くトルクアッ
プが図れる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は、第１図におけるＩ−Ｉ断面図、第３図は、第１図に
おけるII−II断面図、第４図は、バルブ駆動装置の詳細
図、第５図は、４サイクルエンジンのｐ−ｖ線図、第６
図は、４サイクルエンジンの一部を示す図、第７図は、
制御内容を示すフロー図である。 １……シリンダ、２……副燃焼室、３……ピストン、４
……ターボチャージャ、５……コントロールユニット、
６……バルブ駆動装置。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】気筒上部に形成された副燃焼室と、前記副
    燃焼室上部に設けられた開閉時期可変の排気バルブ付排
    気口と、前記副燃焼室に臨むように配設された燃料噴射
    時期可変の噴射ノズルと、シリンダの下死点近傍部位に
    設けられた吸気口と、前記吸気口への吸気を過給する過
    給装置とを有し、前記副燃焼室を含む燃焼室は耐熱断熱
    材で被覆された遮熱構造となし、前記過給装置の回転軸
    に発電機及び電動機を兼ねる交流機を有し、前記排気バ
    ルブは電磁ソレノイドで駆動され、シリンダ内の排気ガ
    スを過給圧より排気する行程の上死点で前記排気口を閉
    鎖し、その閉鎖状態でピストンを降下させてシリンダ内
    吸気を断熱膨張させるとともにその下死点でシリンダ内
    負圧作用と過給圧とにより吸気をシリンダ内に急激に流
    入せしめるようになし、エンジンの回転数が所定値より
    も小の場合には排気口の開閉及び燃料噴射をエンジンの
    １回転毎に実行せしめ、エンジン回転数が所定値よりも
    小であってエンジン負荷がエンジン回転数に対応する最
    大負荷より大の場合には前記交流機を電動機運転して前
    記過給装置を付勢せしめ、エンジン回転数が所定値以上
    の場合には排気口の開閉及び燃料噴射をエンジンの２回
    転毎に実行せしめる制御信号を出力する信号出力手段を
    有するエンジンのサイクル制御装置。
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