JP2004332591A - 内燃機関の吸気装置，内燃機関，内燃機関のコレクタ装置及び火花点火筒内噴射エンジンの吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの吸気装置に関し、火花点火筒内噴射エンジンの吸気装置に関する。火花点火筒内噴射エンジンは気筒内に直接燃料を噴射するため、点火プラグ付近に燃料を集めて燃焼させ、全体的には希薄空燃比とする成層燃焼が可能である。均質燃焼の場合、大量のＥＧＲを付加すると燃焼が不安定になるという欠点を有している。
【解決手段】ＥＧＲガスと新気を独立して供給し、別々の流動をつくり、かつ空気流動が少ない時期に燃料を噴射し、新気のみに混合気を形成し、燃焼に対するＥＧＲの影響を少なくする。
これにより大量のＥＧＲを付加しても安定燃焼が可能になり、均質燃焼でも、成層燃焼でも、燃費が良く排気性能に優れた低コストなエンジンシステムが提供できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気装置，内燃機関のコレクタ装置、具体的には火花点火筒内噴射エンジンの吸気装置に関し、また、内燃機関にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第５８５０８１６号明細書に記載のように燃焼室に空気を導く内燃機関の吸気通路装置において、メインの吸気通路の他に空気供給通路を設けて燃焼室内に縦あるいは横の空気の渦を１つあるいは複数形成することが知られている。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５８５０８１６号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術では排気ガスがスロットルバルブの部位からコレクタ，吸気ポート（吸気弁の位置）に至るまでの吸気通路に還流されるシステムと組み合わされた場合、新気の圧力の影響で排気ガスが吸気通路に十分供給できず、燃焼室つまりシリンダ内における還流排気ガス（以降ＥＧＲガスと称す）の割合を多くできないという問題がある。
【０００５】
本発明の目的はＥＧＲガスの還流率を高くすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、吸気通路の排気ガス還流通路が接続される開口部位より下流に排気ガス還流用の専用の通路を設けることによって達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に示す本実施例では、吸気通路の上下２分割を吸気弁近傍からコレクタの上流位置までとし、ＥＧＲ通路の容積を大きくすると共に両者の容積をほぼ等しくし、新気通路とＥＧＲ通路の圧力差の発生を防止し、ガス交換をなくすことを一つの目的にしている。
【０００８】
図１に本発明の実施例の構成図を示す。シリンダ１にはピストン２，噴射弁５，点火プラグ６がある。吸気ポート１０には吸気弁３が、排気ポート１１には、排気弁４がある。吸気ポート通路１０ｂ，コレクタ１５には隔壁１６があり上下２段に分割されている。隔壁１６は、コレクタ入り口から吸気弁３の近傍まで伸びている。バイパス弁１８は、コレクタ１５の上流にあり、隔壁１６でしきられた下部の通路を塞ぎ、新気の流入を阻止するように設置されている。新気はＡＦＭ２０，絞り弁１９をとおりコレクタ１５の上部通路よりシリンダ１に供給される。一方排気ガスの一部はＥＧＲ弁１４よりＥＧＲ通路１７をとおってコレクタ１５の下部に供給され、隔壁１６でしきられた下部通路をとおってシリンダ１に供給される。排気ガスは、排気行程に排気弁４より排気ポート１１に排出され三元触媒１２で浄化され排気される。ＥＣＵ９には、ＡＦＭ２０の空気量信号，エンジン回転数Ｎｅ，クランク角度信号θ，Ｏ_２ センサ１３の信号等が入力され、燃料噴射信号が噴射弁５に、点火信号が点火コイル７Ａに、ＥＧＲ信号がＥＧＲ弁１４等に出力される。図１は中負荷以下の成層ＥＧＲ運転における吸気行程初期の状態である。吸気弁７は開口し、ピストン２は降下中でシリンダ１に吸気が導入さている。ここで新気は、隔壁１６でしきられた上部通路をとおり、シリンダ１に入るため、排気弁４側に流れる空気流２１（順タンブル流でこの明細書では縦渦とも称し、双子渦の一方である。）を生成する。またＥＧＲ弁１４よりＥＧＲ通路１７をとおってコレクタ１５の下部に供給されたＥＧＲガスは、下部通路をとおってシリンダ１に供給されるため、吸気弁３に近い側を流れ、ＥＧＲガス流２２（逆タンブル流）を生成する。しかし空気流２１もＥＧＲガス流２２も吸気行程の初期であるため、流れはあまり強くない。この時期に燃料が噴射弁５より噴射される。燃料噴霧は自身の貫通力で排気弁４側に進み、新気と混合し、混合気を作る。
【０００９】
図２は図１の吸気行程後半の状態を示す。燃料は、噴霧の貫通力で新気の空気流２１に混合し、混合気２３となる。これより圧縮行程に入り、ピストン２が上昇し、空気流２１とＥＧＲガス流２２は圧縮される。
【００１０】
図３は、圧縮行程後半の状態を示す。吸気弁７は閉塞され、ピストン２も上昇中である。空気流２１は圧縮されて偏平になり、混合気２３になる。ＥＧＲガス流２２は同様に扁平になる。ここで混合気２３に点火プラグ６で点火され、燃焼する。このように、ＥＧＲガス流２２は、混合気２３と混合せず、独立した塊となるため、混合気２３の燃焼にはほとんど影響しない。このため、大量なＥＧＲが可能となり、エンジンの吸入量が増加し、吸入圧力が大気圧力に近くなり、ポンプ損失が軽減され、燃費が向上する。ＥＧＲガスが燃焼に影響しないため、シリンダより排出されるＮＯｘは増加するが、全体の排気ガスは理論空燃比であるため、三元触媒の高い浄化効率より浄化される。
【００１１】
図４は図１より高負荷，高回転領域での均質混合気運転の場合である。運転時期は、吸気行程の中期である。ＥＧＲは中止され、バイパス弁１８が開されている。そのため、コレクタ１５，吸気ポート通路１０ｂの上下両方の通路から空気が流入する。吸気弁７は開いており、空気流２１ａ，２１ｂがシリンダ１に流入する。吸気行程の中期のため、空気流２１ａ，２１ｂとも比較的強い流れである。そのため、燃料噴霧は空気流２１ａ，２１ｂの両方に供給される。
【００１２】
図５は図４の圧縮行程後半である。吸気弁７は閉している。シリンダ１内には二つの渦があるが、両方とも混合気である。このように燃料の噴射時期を制御することでシリンダ１の全体に混合気を形成したり、一部に形成したりすることができる。
【００１３】
図６は本発明の他の実施例である。コレクタ１５の最上流に新気が流入し、順次吸気ポート通路１０ｂに分岐する形状である。この場合は、ＥＧＲ通路１７の流入位置を最初に分岐する吸気ポート通路開口１０ａの上流とする。このような位置とすることにより、各吸気ポート通路１０ｂへのＥＧＲガスの分配が均一にできる。
【００１４】
図７も本発明の他の実施例である。バイパス弁１８を無くした例である。バイパス弁１８を無くすことにより、ＥＧＲガスに新気の混合は多少多くなるが、吸気のシリンダ１への流入がスムースになり、より安定した双子渦（２つの縦渦）が形成でき、シリンダ内での新気とＥＧＲガスの混合を少なくできる。ここで２つの縦渦のうち新気による縦渦は吸気ポート１０から遠い側、つまり排気弁側に形成される。ＥＧＲガスによる縦渦は吸気ポート１０の直下に形成される。
【００１５】
両方の縦渦は旋回方向が互いに逆向きで、シリンダの中央でピストン側からプラグ側に向かう上昇流として合流する。
【００１６】
これら縦渦は完全な縦成分のみで構成されるものではなく、横の成分を含んでいても良い。その場合は２つの吸気弁と排気弁の中間を通る仮想面に対して右または左に傾斜した縦渦となる。
【００１７】
さらに吸気ポートが２つあるため縦渦は４つ形成される。吸気ポートから遠い側に２つ、近い側に２つの都合４つの縦渦である。
【００１８】
図８，図９も本発明の他の実施例である。図８はコレクタ１５の断面図、図９は下面図である。コレクタ１５の中央部に新気が流入し、同じくコレクタ１５にＥＧＲ通路１７が連通している。このような構成がＥＧＲガスの分配に最適である。本例はバイパス弁１８を無くしたが、付加することも可能である。
【００１９】
図１０に本発明の成層ＥＧＲ領域を示す。成層ＥＧＲ領域は、エンジンの最大回転数の約半分（３０００ｒｐｍ）まで、トルク方向は最大トルクの約半分までである。バイパス弁１８を有するシステムの場合は、この成層ＥＧＲ領域でバイパス弁を閉し、ＥＧＲガスを供給する。
【００２０】
図１１は、本発明の燃料噴射時期を示す。成層ＥＧＲを行うには、シリンダに流入する吸気の速度が比較的遅い、吸気行程前半が最適である。それより遅くなると、吸気の速度が速くなるため、シリンダ全体に燃料が供給されやすくなり、均質混合気となる。そのため、均質混合気の噴射時期となる。吸気行程と圧縮行程に切り替わる時期も、シリンダに吸気される速度が低くなり成層混合気が生成されるが、シリンダ内の吸気の流動状態によっては点火プラグ近傍に混合気が供給されない場合があり、最適でない。圧縮行程後半に燃料を供給すると、燃料噴霧が部分的に偏る、いわゆる成層混合気となる。この場合は、成層混合気と成層ＥＧＲの組み合わせになり、より大量のＥＧＲが可能である。この場合は、３元触媒よりも、酸化雰囲気でＮＯｘを吸着するＮＯｘ触媒が最適である。図１２にその実施例を示す。成層混合気のため、酸化雰囲気でＮＯｘを吸着するいわゆるＮＯｘ触媒２４を付加している。図１２は吸気行程前半を示しており、ピストン２は降下し、シリンダ１に空気流２１とＥＧＲガス流２２が流入している。
【００２１】
図１３は圧縮行程後半を示している。シリンダ１内に新気の渦としての空気流２１とＥＧＲガスの渦２２が形成されている。ここで燃料が噴射弁５より噴射される。燃料噴霧は自身の貫通力で新気側に供給され、成層混合気を形成し、成層燃焼する。
【００２２】
図１４はピストン２の頂部に突起２５を付けた例である。突起２５により、双子渦は安定し、渦が圧縮行程後半まで存在し、両者の混合が避けられる。
【００２３】
火花点火筒内噴射エンジンは、気筒内に直接燃料を噴射し、点火プラグ付近に燃料を集めて燃焼させ、全体的には希薄空燃比とする成層燃焼が可能である。成層燃焼により、高い熱効率を得るとともに、成層燃焼による吸気量の増加により、ポンプ損失が少なくなり、燃費が向上する。しかし、排気が酸素過多となる希薄燃焼を行うため、従来の三元触媒システムが利用できずコスト高の欠点がある。そのため、出願人は特許出願番号Ｐ２００１−３９１５１９号により、部分的に混合気を形成して成層燃焼を行い、他の部分にはＥＧＲガスを供給してガス量を増やし、排気全体は理論混合気にして三元触媒システムを利用する方法を別途提案している。
【００２４】
この方式は、ＥＧＲガスを供給する通路容積が新気を供給する通路の容積に対し、比較的小さいため、当該シリンダの吸気行程に新気通路とＥＧＲ通路に圧力差が生じ、吸気行程以外の期間で新気の通路とＥＧＲの通路でガス交換が起こり、ＥＧＲガスと新気が混合するタイプで、ＥＧＲ率をあまり増加し過ぎない方が良い内燃機関に用いると効果的である。
【００２５】
本実施例の態様を整理すると以下の通りである。
【００２６】
本実施例はエンジンの吸気装置に関し、火花点火筒内噴射エンジンの吸気装置に関する。火花点火筒内噴射エンジンは気筒内に直接燃料を噴射するため、点火プラグ付近に燃料を集めて燃焼させ、全体的には希薄空燃比とする成層燃焼が可能である。しかし成層燃焼では、従来の３元触媒が使用できず、コストの高いＮＯｘ触媒が必要である。そのため、均質燃焼にＥＧＲを付加して、従来の３元触媒システムで燃費と排気を両立したシステムが提案されている。しかし、均質燃焼の場合、大量のＥＧＲを付加すると燃焼が不安定になるという欠点を有している。
【００２７】
本実施例では、ＥＧＲガスと新気を独立して供給し、別々の流動をつくり、かつ空気流動が少ない時期に燃料を噴射し、新気のみに混合気を形成し、燃焼に対するＥＧＲの影響を少なくすることにある。
【００２８】
本実施例により、大量のＥＧＲを付加しても安定燃焼が可能になり、均質燃焼でも、成層燃焼でも、燃費が良く排気性能に優れた低コストなエンジンシステムが提供できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば排気ガスの還流率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の吸気行程前半の構成図。
【図２】図１の吸気行程後半の動作図。
【図３】図１の圧縮行程後半の動作図。
【図４】均質燃焼時の吸気行程中期の動作図。
【図５】均質燃焼の圧縮行程後半の動作図。
【図６】本発明のコレクタの構成図。
【図７】コレクタの構成図。
【図８】コレクタの中心断面図。
【図９】図８の下面図。
【図１０】成層ＥＧＲ領域を示す特性図。
【図１１】燃料噴射時期を示す特性図。
【図１２】実施例の吸気行程の構成図。
【図１３】図１２の圧縮行程後半の構成図。
【図１４】他の実施例の構成図。
【符号の説明】
１…シリンダ、２…ピストン、３…吸気弁、４…排気弁、５…噴射弁、６…点火プラグ、７Ａ…点火コイル、９…ＥＣＵ、１０…吸気ポート、１１…排気ポート、１２…三元触媒、１３…Ｏ_２ センサ、１４…ＥＧＲ弁、１５…コレクタ、１６…隔壁、１７…ＥＧＲ通路、１８…バイパス弁、１９…絞り弁、２０…ＡＦＭ、２１…空気流、２２…ＥＧＲガス流、２３…混合気。

Claims (12)

1. 内燃機関の燃焼室に空気と排気ガスを導入する内燃機関の吸気通路装置において、
   前記吸気通路を少なくとも２つの通路から構成し、
   前記通路の少なくとも１つの通路に前記燃焼室の排気通路に一端が接続された排気ガス戻し通路が接続された
   内燃機関の吸気通路装置。
2. 前記複数の通路が前記燃焼室の軸線に沿う方向に並んで配置されている
   請求項１に記載の内燃機関の吸気通路装置。
3. 前記複数の通路の内、前記排気ガスが通る通路の入口に開閉弁を備えた請求項１に記載の内燃機関の吸気通路装置。
4. 燃焼室に開口する吸気口から燃焼室内に導入された流体で燃焼室内に旋回流を生起させる内燃機関において、
   前記旋回流は２つの縦の旋回流を含み、一方が新気、他方が排気ガスの旋回流である
   内燃機関。
5. 前記新気による旋回流は前記吸気口から離れた側に、前記排気ガスによる旋回流は吸気口に近い側に形成される
   請求項４に記載の内燃機関。
6. 絞り弁で調整された空気を導入して、複数の吸気ポート通路へ分流する内燃機関のコレクタ装置において、
   前記コレクタ装置は当該コレクタの内部空間を２つに区画する隔壁を備え、前記複数の吸気ポート通路が接続される開口を備えた周壁部において前記開口が一列に整列して前記隔壁の端面に対面し、これら複数の開口が２つに区画されている
   内燃機関のコレクタ装置。
7. 排気ガスを導入する開口を備えた内燃機関の吸気装置において、
   前記開口と燃焼室入口までの吸気通路とを接続する排気ガス専用通路を新気供給通路から区画して設け、
   当該排気ガス専用通路を開閉する開閉バルブを前記開口の上流部位に設け、
   前記バルブが当該排気ガス専用通路の上流を開く時、当該排気ガス専用通路を通して新気が供給される
   内燃機関の吸気装置。
8. 燃料を気筒内に直接噴射する火花点火筒内噴射エンジンにおいて、吸気通路のコレクタ上流から吸気弁近傍までの通路を上下に２分割し、上部通路に新気、下部通路にＥＧＲガスを流し、シリンダ内に縦方向の双子の渦を形成し、一方を空気流、もう一方をＥＧＲガス流とする火花点火筒内噴射エンジンの吸気装置。
9. コレクタ上流から吸気弁近傍まで上下に２分割した通路の容積がほぼ等しい請求項８に記載の火花点火筒内噴射エンジンの吸気装置。
10. ＥＧＲガスをコレクタに供給する供給口が各シリンダに分岐する位置より上流である請求項８に記載の火花点火筒内噴射エンジンの吸気装置。
11. コレクタの上流から吸気弁近傍まで上下に２分割された通路のうち、ＥＧＲガスが通過する下部通路と絞り弁下流の通路の間にバイパス弁を設け、運転条件に応じて開，閉する請求項８に記載の火花点火筒内噴射エンジンの吸気装置。
12. 燃料の噴射時期を吸気行程の始めや終わり近くのシリンダに流入する吸気の速度が比較的小さい時期に供給する請求項８に記載の火花点火筒内噴射エンジンの吸気装置。

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