JPH0510164A

JPH0510164A - エンジンのノツキング抑制装置

Info

Publication number: JPH0510164A
Application number: JP3159219A
Authority: JP
Inventors: Junzo Sasaki; 潤三佐々木; Yasuhide Yano; 康英矢野
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1991-06-29
Filing date: 1991-06-29
Publication date: 1993-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】各独立吸気通路に、夫々ノッキング抑制用の
水噴射弁が設けられたエンジンにおいて、圧縮上死点付
近における混合気の温度を下げることができ、ノッキン
グを有効に抑制することができるエンジンのノッキング
抑制装置を提供することを目的とする。【構成】各独立吸気通路２３,２４に、夫々、水噴射
弁２７が設けられたエンジンＥにおいて、水噴射弁２７
の水噴射時期が、対応する気筒の吸気行程に同期して、
かつ吸気弁２,４と排気弁６,８の開弁時期のオーバラッ
プ期間内に燃焼室１４内に水が供給されるように設定さ
れていることを特徴とするノッキング抑制装置。好まし
くは、エンジンＥが過給機２０付きであり、各気筒にス
ワールを生成するＰポート３と、開閉弁３１を備えたＳ
ポート５とが設けられ、水噴射弁２７がＰポート３側に
設けられていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンのノッキング
抑制装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エンジンにおいては、高負荷時
にノッキングが発生しやすくなるが、かかるノッキング
は、圧縮上死点付近における混合気の温度を下げること
によって抑制することができる。そこで、かかるノッキ
ングを抑制するために、排気ガスの一部を冷却した上で
吸気通路に還流させるいわゆる外部ＥＧＲ機構を備えた
エンジンが従来より多用されている。しかしながら、か
かる外部ＥＧＲ機構を備えたエンジンにおいて、ノッキ
ングを有効に防止しようとすれば、不燃性の排気ガスを
相当量吸気系に還流させる必要があるので、エンジン出
力の低下を招くといった問題がある。また、排気ガスを
冷却するためのクーラがかさばるといった問題がある。

【０００３】そこで、水の蒸発潜熱が大きいことに着目
して、各気筒に吸気を供給する独立吸気通路に、夫々、
吸気中に水を噴射する水噴射弁を設けたエンジンが提案
されている(例えば、特開昭５９−１２６０５８号公報
参照)。かかる水噴射弁を備えたエンジンにおいては、
吸気中に噴射された水が気化するときに、吸気から多量
の熱を奪うので、原理的には、少量の水を噴射するだけ
で吸気を有効に冷却することができる。したがって、基
本的にはＥＧＲ導入の場合のような出力低下を招くこと
なく、耐ノッキング性能を向上させることができるとい
える。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに水噴射弁を備えた従来のエンジンにおいては、吸気
中に噴射された水がすべて気化されるわけではないの
で、吸気が十分に冷却されないばかりか、エンジン中に
液状の水分が残留する場合があるといった問題がある。
また、ノッキングを有効に抑制するには、圧縮上死点付
近における混合気の温度を下げる必要があるが、従来の
水噴射弁を備えたエンジンでは、水噴射の時期について
は、特別な考慮はなされていないので、ノッキングが十
分には抑制されない。

【０００５】本発明は、上記従来の問題点を解決するた
めになされたものであって、各独立吸気通路に、夫々ノ
ッキング抑制用の水噴射弁が設けられたエンジンにおい
て、圧縮上死点付近における混合気の温度を下げること
ができ、ノッキングを有効に抑制することができるエン
ジンのノッキング抑制装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達するた
め、第１の発明は、各独立吸気通路に、夫々、水噴射手
段が設けられたエンジンにおいて、上記各水噴射手段の
水噴射時期が、夫々、対応する気筒の吸気行程に同期し
て設定され、かつ該気筒の吸気弁と排気弁の開弁時期の
オーバラップ期間内に、燃焼室内に水が供給されるよう
に設定されていることを特徴とするエンジンのノッキン
グ抑制装置を提供する。

【０００７】第２の発明は、第１の発明にかかるエンジ
ンのノッキング抑制装置において、エンジンが機械式過
給機付エンジンであって、水噴射手段が過給領域で水噴
射を行なうようになっていることを特徴とするエンジン
のノッキング抑制装置を提供する。

【０００８】第３の発明は、第１の発明または第２の発
明にかかるエンジンのノッキング抑制装置において、各
気筒に、夫々、吸入空気量が所定値以下のときに閉じら
れる開閉弁が介設された第１の吸気ポートと、上記開閉
弁が閉じられたときに気筒内にスワールを生成させる第
２の吸気ポートとが設けられていて、水噴射手段が、上
記第２の吸気ポート側に設けられていることを特徴とす
るエンジンのノッキング抑制装置を提供する。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
図１〜図３に示すように、第１〜第４気筒＃１〜＃４を
備えた４気筒エンジンＥに対して、吸気を供給するため
の吸気装置Ｑと、燃焼ガスを排出するための排気装置Ｒ
とが設けられている。

【００１０】以下、エンジンＥについて説明する。エン
ジンＥの各気筒のシリンダ１の上面(シリンダヘッド部
分)には、第１吸気弁２によって開閉される吸気ポート
３(以下、これをＰポート３という)と、第２吸気弁４に
よって開閉される吸気ポート５(以下、これをＳポート
５という)と、第１排気弁６によって開閉される第１排
気ポート７と、第２排気弁８によって開閉される第２排
気ポート９とが設けられている。ここで、Ｐ,Ｓポート
３,５はシリンダ１の吸気側半部(図１では右半部であ
り、図３では左半部)に配置され、第１,第２排気ポート
７,９は、シリンダ１の排気側半部(図１では左半部であ
り、図３では右半部)において、夫々、Ｐ,Ｓポート３,
５と対向するような位置に配置されている。そして、点
火プラグ１０がシリンダ１の中心部に配置されている。

【００１１】ここで、Ｐポート３は、シリンダ１に対し
て、ほぼシリンダ円周方向に向かって開口し、所定の低
負荷・低回転時(低吸入空気量時)には、Ｐポート３から
シリンダ１内に流入する吸気が、シリンダ１内で内周面
に沿って旋回してスワールを形成し、いわゆる均一化に
より混合気の燃焼性が高められるようになっている。な
お、Ｐポート３をヘリカル状に形成してスワールを生成
させるようにしてもよい。また、Ｓポート５は、所定の
高負荷・高回転時(高吸入空気量時)にシリンダ１内に十
分に吸気を供給できるように、シリンダ１の中心部に近
い位置に向かって開口している。これにより、高負荷・
高回転時に充填効率が高められるようになっている。

【００１２】エンジンＥの各気筒＃１〜＃４において
は、基本的には、第１,第２吸気弁２,４が開かれたとき
に、Ｐ,Ｓポート３,５からシリンダ１内すなわち燃焼室
１４に吸気が吸入され、燃焼室１４内の混合気がピスト
ン(図示せず)で圧縮された後点火プラグ１０によって着
火・燃焼させられ、第１,第２排気弁６,８が開かれたと
きに、燃焼ガスが第１,第２排気ポート７,９に排出され
るようになっている。

【００１３】第１,第２吸気弁２,４は、吸気側カムシャ
フト１１に取り付けられた複数のカムによって、クラン
ク軸(図示せず)と同期して、所定のタイミングで開閉さ
れるようになっている。ここで、吸気側カムシャフト１
１の回転位相は、吸気側バルブタイミング可変機構１３
によって変えられるようになっており、したがって第
１,第２吸気弁２,４の開閉タイミングは所定の範囲内で
自在に設定できるようになっている。これと同様に、第
１,第２排気弁６,８も、排気側カムシャフト１２に取り
付けられた複数のカムによって開閉されるとともに、排
気側バルブタイミング可変機構１４を介して、開閉タイ
ミングを所定の範囲内で自在に設定できるようになって
いる。ここにおいて、第１,第２吸気弁２,４と第１,第
２排気弁６,８の開閉タイミングを調整することによっ
て、第１,第２吸気弁２,４の開弁期間と、第１,第２排
気弁６,８の開弁期間との間のオーバラップ期間(以下、
単にオーバラップ期間という)を調整し、後で説明する
ように、シリンダ１内の掃気状態を調整するようになっ
ている。

【００１４】以下、吸気装置Ｑについて説明する。吸気
装置Ｑには、共通吸気通路１６が設けられ、この共通吸
気通路１６には、吸気流れ方向にみて上流側から順に、
吸気中の塵を除去するエアクリーナ１７と、吸入空気量
を検出するエアフローメータ１８と、アクセルペダル
(図示せず)と連動して開閉されるスロットル弁１９と、
リショルム型の機械式過給機２０と、過給機２０で圧縮
されて温度が上昇した吸気を冷却するインタクーラ２１
とが設けられている。そして、共通吸気通路１６はイン
タクーラ２１下流で、各気筒＃１〜＃４に対して個別的
に設けられた独立吸気通路２２に接続されている。これ
らの独立吸気通路２２は途中で、下流端がＰポート３に
接続される第１独立吸気通路２３と、下流端がＳポート
５に接続される第２独立吸気通路２４とに分岐してい
る。

【００１５】そして、第１独立吸気通路２３と第２独立
吸気通路２４とを隔てる隔壁３９内には燃料噴射弁２５
が配置され、この燃料噴射弁２５から噴射される燃料
は、隔壁３９内に形成され第１,第２独立吸気通路２３,
２４の両方に開口する二股の燃料噴射通路２６を介し
て、第１,第２独立吸気通路２３,２４に供給されるよう
になっている。

【００１６】第１独立吸気通路２３には、ノッキングを
抑制するため吸気中に水を噴射する水噴射弁２７が設け
られている。そして、水タンク２９内の水がポンプ２８
によって加圧された後水供給通路３０を介して水噴射弁
２７に供給されるようになっている。なお、後で説明す
るように、水噴射弁２７からの水の噴射量と噴射タイミ
ングとは、コントロールユニット３４によって制御され
る。また、第２独立吸気通路２４にはこれを開閉する開
閉弁３１が設けられ、この開閉弁３１はリンク機構３２
を介して、電磁式のアクチュエータ３３によって開閉駆
動されるようになっている。

【００１７】なお、排気装置Ｒには、各気筒＃１〜＃４
の第１,第２排気ポート７,９に接続される独立排気通路
３６と、これらの独立排気通路３６が集合された集合排
気通路３７と、この集合排気通路３７に介設された排気
ガス浄化装置３８とが設けられている。

【００１８】そして、エンジンＥあるいは吸気装置Ｑの
所定の各種制御を行なうために、マイクロコンピュータ
からなるコントロールユニット３４が設けられ、このコ
ントロールユニット３４には、エアフローメータ１８に
よって検出される吸入吸気量、スロットル開度センサ４
１によって検出されるスロットル開度すなわちエンジン
負荷、回転数センサ４２によって検出されるエンジン回
転数、クランク角センサ４３によって検出されるクラン
ク角等が制御情報として入力されるようになっている。
コントロールユニット３４は、エンジンＥないし吸気装
置Ｑの総合的な制御装置であって、所定の制御を行なう
ようになっているが、以下では本願の主旨である、開閉
弁３１の開閉制御と、オーバラップ期間を制御するオー
バラップ期間制御と、水噴射弁２７の水噴射制御とにつ
いてのみ説明する。

【００１９】コントロールユニット３４による開閉弁制
御とオーバラップ期間制御と水噴射制御とは、基本的に
は、エンジン負荷(スロットル開度)とエンジン回転数と
に基づいて、図４に示すようなマップに従って行なわれ
る。まず、開閉弁制御について説明する。エンジンＥの
運転状態が曲線Ｇ₂(等吸入空気量線)より低負荷・低回
転側(低吸入空気量側)の領域にあるときには、開閉弁３
１(Ｓ弁)が閉じられる。このとき、シリンダ１内へはＰ
ポート３のみから吸気が供給され、シリンダ１内には比
較的強いスワールが生成され、燃焼性が高められる。ま
た、曲線Ｇ₂より高負荷・高回転側(高吸入空気量側)の
領域では開閉弁３１が開かれ、Ｐ,Ｓ両ポート３,５から
シリンダ１内に十分に吸気が供給され、吸気充填効率が
高められエンジン出力が高められる。なお、この場合も
Ｐポート３から流入する吸気によって、シリンダ１内に
比較的弱いスワールが生成される。

【００２０】次に、オーバラップ期間制御について説明
する。エンジンＥの運転状態が、曲線Ｇ₁より低負荷・
低回転側(軽負荷域)にあるときには、オーバラップ期間
が短く設定され、シリンダ１内の排気ガスの吹き返し
（Ｐ，Ｓ両ポート３，５側への逆流）が抑制される。す
なわち、このような領域でオーバーラップ期間を長く設
定すると、燃焼性が悪化するからである。他方、曲線Ｇ
₁より高負荷・高回転側の領域では、オーバラップ期間
が長く設定され、掃気が行なわれる。ここで、オーバラ
ップ期間は、エンジン負荷ないしエンジン回転数に応じ
て高負荷・高回転側ほど長く設定される。なお、ここで
オーバラップ期間を一定値に設定してもよい。この場
合、オーバラップ期間が長いので、第１,第２排気弁６,
８が開かれているときに、第１,第２吸気ポート３,５か
ら吸気が流入し、シリンダ１内が掃気される。とくに、
過給機２０によって過給が行なわれる領域では、吸気圧
が排気圧より高くなるので、上記掃気が強力に行なわれ
る。このような掃気が行なわれるとき、シリンダ１内で
は吸気が第１,第２吸気ポート３,５側から第１,第２排
気ポート７,９側に向かって(図１では左向きに)高速で
流れる掃気流が生じる。このような掃気流によって、吸
気充填効率が高められるとともに、シリンダ１内が冷却
されノッキングが抑制される。

【００２１】以下、水噴射制御について説明する。エン
ジンＥの運転状態が直線Ｇ₃と直線Ｇ₄(ＷＯＴ)の間の高
負荷領域にある場合には、過給機２０による過給が行な
われるようになっているが、本実施例では、このような
過給領域においてのみ水噴射が行なわれる。そして、か
かる水噴射が行なわれるタイミングは、図５に示すよう
に、第１,第２排気弁６,８と第１,第２吸気弁２,４の開
弁オーバラップ期間θ₂〜θ₃を含むような所定のタイミ
ングＪ(θ₁〜θ₄)に設定されている。ここで、開閉弁３
１が開かれている場合には、水噴射は、過給時における
オーバラップ期間、すなわち第１,第２吸気ポート３,５
側から第１,第２排気ポート側７,９に向かって、吸気の
強い流れ(掃気流)が生じているときに行なわれる。この
ため、水噴射弁２７から第１独立吸気通路２３内に噴射
された水は、このような吸気の流れ(掃気流)にのって運
ばれ、高温の点火プラグ１０あるいは高温の第１,第２
排気弁６,８に接触する。このとき、点火プラグ１０あ
るいは第１,第２排気弁６,８に接触した水が気化するの
で、第１,第２排気弁６,８とその周囲から多量の熱を奪
い、シリンダ１内が強力に冷却される。このようなタイ
ミングでシリンダ１ないしその周囲の吸気が冷却される
と、圧縮上死点における混合気の温度がとくに大きく下
げられる。このため、圧縮上死点での混合気の温度が大
幅に下げられ、ノッキングが有効に抑制され、充填効率
が高められる。また、第１,第２排気弁６,８まわりが冷
却されるので、掃気時にバックファイアが発生せず、エ
ンジンＥの信頼性が高められる。

【００２２】また、開閉弁３１が閉じられている場合、
すなわちエンジンＥの運転状態が、曲線Ｇ₂より低負荷
・低回転側にある場合には、前記したとおり、Ｐポート
３からシリンダ１内に流入吸気は、スワールを生成して
シリンダ内周面に沿って旋回する。このとき水噴射弁２
７から吸気中に噴射された水は吸気にのってシリンダ１
内に流入するが、水粒子の比重が大きいので、旋回時に
遠心力によって、水粒子がシリンダ１の内周面近傍に多
く集まり、シリンダ１の内周面と接触してシリンダ内周
面ないしそのまわりを冷却する。そして、一般に、ノッ
キングを起こすのは、点火プラグ１０から離れた位置に
あるシリンダ１の内周面近傍の混合気いわゆるエンドガ
スであるが、このようにシリンダ１の内周面ないしその
まわり(エンドガスゾーン)が水粒子の気化によって冷却
されるので、エンドガスゾーンでのノッキングが有効に
抑制される。なお、かかるエンドガスゾーンの冷却は、
開閉弁３１が開かれている場合にもある程度起こるのは
もちろんである

【００２３】

【発明の作用・効果】第１の発明によれば、吸気弁と排
気弁の開弁期間のオーバラップ時、すなわち掃気が行な
われているときに気筒内に水が供給されるので、水が掃
気流にのって高温の点火プラグあるいは高温の排気弁に
接触する。このとき水が気化するので、点火プラグある
いは排気弁が冷却され、圧縮上死点における混合気の温
度が下げられる。このため、ノッキングが抑制され、エ
ンジンの信頼性が高められる。かつ充填効率が高めら
れ、エンジン出力が高められる。

【００２４】第２の発明によれば、基本的には、第１の
発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、過給時す
なわち吸気圧が排気圧より高く、掃気流がとくに強いと
きに水噴射が行なわれるので、この掃気流によって、よ
り多くの水が排気弁側に運ばれ、ノッキングの発生が一
層有効に抑制される。

【００２５】第３の発明によれば、基本的には、第１ま
たは第２の発明と同様の効果が得られる。さらに、第２
の吸気ポートによって気筒内にスワールが生成されるの
で、気筒内に流入した水粒子が、遠心力によって気筒の
ボア内周面に接触し、気化してボア内周面を冷却する。
他方、このようなボア内周面は、もともとノッキングが
生じやすいエンドガスゾーンであるので、ノッキングの
発生がさらに有効に抑制される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるノッキング抑制装置を備えたエ
ンジン及び吸気装置の吸気ポートまわりの一部断面平面
説明図である。

【図２】図１に示すエンジンの吸・排気ポートまわりの
立面断面説明図である。

【図３】本発明にかかるノッキング抑制装置を備えたエ
ンジン及び吸気装置のシステム構成図である。

【図４】図１に示すエンジン及び吸気装置の、水噴射特
性とオーバラップ期間特性と開閉弁の開閉特性とを、エ
ンジン負荷とエンジン回転数とに対してあらわした図で
ある。

【図５】吸・排気ポート(吸・排気弁)の開度と水噴射タ
イミングの、クランク角に対する特性を示す図である。

【符号の説明】

Ｅ…エンジンＱ…吸気装置１…シリンダ３…Ｐポート５…Ｓポート１４…燃焼室２０…過給機２３…第１独立吸気通路２４…第２独立吸気通路２７…水噴射弁３１…開閉弁３４…コントロールユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｍ 25/02 Ｒ 7114−3ＧＮ 7114−3ＧＳ 7114−3Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各独立吸気通路に、夫々、水噴射手段が
設けられたエンジンにおいて、上記各水噴射手段の水噴
射時期が、夫々、対応する気筒の吸気行程に同期して設
定され、かつ該気筒の吸気弁と排気弁の開弁時期のオー
バラップ期間内に、燃焼室内に水が供給されるように設
定されていることを特徴とするエンジンのノッキング抑
制装置。
【請求項２】請求項１記載のエンジンのノッキング抑
制装置において、エンジンが機械式過給機付エンジンで
あって、水噴射手段が過給領域で水噴射を行なうように
なっていることを特徴とするエンジンのノッキング抑制
装置。
【請求項３】請求項１または請求項２記載のエンジン
のノッキング抑制装置において、各気筒に、夫々、吸入
空気量が所定値以下のときに閉じられる開閉弁が介設さ
れた第１の吸気ポートと、上記開閉弁が閉じられたとき
に気筒内にスワールを生成させる第２の吸気ポートとが
設けられていて、水噴射手段が、上記第２の吸気ポート
側に設けられていることを特徴とするエンジンのノッキ
ング抑制装置。