JP2006336465A - 排気ガス還流装置を備えた筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内噴射式内燃機関では、成層燃焼による希薄燃焼が行われており、成層燃焼により発生するＮＯ_Ｘの発生量を低減させるために、排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス還流が行われる。本発明は、効果的に排気ガスの還流が可能な排気ガス還流装置を備えた内燃機関を提供する。
【解決手段】スロットルバルブと吸気ポートとの間に吸気管が接続され、上記吸気管の外壁面に同吸気管の中へガスを一方的に流す一方向弁が設けられ、上記一方向弁を介して排気ガス還流通路が上記吸気管に接続されている。
【選択図】 図７

Description

本発明は、排気通路から取り出された排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス還流装置を備えた筒内噴射式内燃機関に関するものである。筒内噴射式内燃機関は、その燃料噴射装置が、燃料をシリンダ内の燃焼室へ圧縮空気によって直接噴射するようになっている内燃機関である。

燃料が燃焼室に直接噴射される筒内噴射式内燃機関では、成層燃焼による希薄燃焼が行われており、これによりポンピングロスや冷却による熱損失が低減して、燃費が改善される。そして、希薄燃焼、特に成層燃焼により発生するＮＯ_Ｘについては、燃焼温度を低下させてその発生量を低減させるために、排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス還流（ＥＧＲ）が行われている。しかしながら、希薄燃焼では多量の空気を燃焼室に吸入する必要があることから、スロットル弁の開度が大きくされるために、吸気圧が高くなるので、吸気行程でのポンピングロスが低減する一方で、排気ガス還流については、排気圧と吸気圧との圧力差が小さくなるので、大量の排気ガスを還流することが困難になる。

そこで、希薄燃焼が行われる内燃機関において大量の排気ガスの還流を可能にする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。提案された筒内噴射式内燃機関においては、スロットル弁と吸気ポートの間の吸気通路に、吸気圧の作用を直接受けて開閉作動する例えばリード弁形式の吸気流制御弁が配置され、同吸気流制御弁は、その下流側吸気圧に対する上流側吸気圧の差圧が所定値以下のとき吸気の流通を阻止するが、前記差圧が前記所定値を越えたとき吸気の流通を許容するものである。排気ガスの還流口は前記吸気流制御弁の下流側に配置されている。

特開２００５−５４６０５号公報（図１）。

上記従来技術では、リード弁形式吸気流制御弁は重量が大であり、かつ設置のために
少なからぬスペースを必要とするという課題があった。また、吸気抵抗を低減させるために、スロットル下流側の吸気通路が長くなっていた。本発明は、吸気通路に上記のような吸気流制御弁を置くことなく、効果的に排気ガスの還流が可能な排気ガス還流装置を備えた内燃機関を提供しようとするものである。

本発明は上記課題を解決したものであって、請求項１に記載の発明は、排気通路から取り出された排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス還流装置を備えた筒内噴射式内燃機関において、スロットルバルブと吸気ポートとの間に吸気管が接続され、上記吸気管の外壁面に同吸気管の中へガスを一方的に流す一方向弁が設けられ、上記一方向弁を介して排気ガス還流通路が上記吸気管に接続されていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関に関するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関において、上記吸気管は曲がり部を備え、上記一方向弁は上記曲がり部における湾曲の外側部に取付けられていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関において、上記一方向弁は上記曲がり部内における下流側に開き部を沿わせて配置されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によって、従来技術における吸気流制御弁を設置した場合に比して、スロットル下流側の給気通路が短くなり、内燃機関のコンパクト化が可能となる。またスロットルバルブを開いた時の吸気抵抗を低減できると共に、排気ガス還流通路への排気ガスの逆流を防止できる。

請求項２の発明によって、吸気流制御弁を設置した場合に比して、吸気通路長さを増加させることなく、吸気管曲がり部の外壁面の空きスペースを利用して縦長リードバルブ式の一方向弁の設置が可能となり、性能の向上を図ることができる。

請求項３の発明によって、吸気管内部の壁面に沿った吸気の流速を利用して還流排気ガスを効果的に吸気流に供給することができるので、排気ガス浄化性能が向上する。

図１は本発明の一実施形態に係る自動二輪車用内燃機関の縦断面を左方から見た図であり、線Ｌはこの内燃機関を車両に搭載した時の水平線である。矢印Ｆは前方を指し、矢印Ｕは上方を指している。図において、１はクランクケース、２はその前方に連なるシリンダブロック、３はその前方に連なるシリンダヘッド、４は更にその前方に連なるシリンダヘッドカバーである。５はクランクケース内に回転可能に支持されているクランク軸、６は同クランク軸に連なるコンロッド、７は同コンロッドの前端に連なり、シリンダ孔８の中で摺動するピストンである。

シリンダヘッド３には、ピストン７に対面する端面に燃焼室10が形成され、さらに、同燃焼室10に連なり上方へ延びる吸気ポート11と、同燃焼室10に連なり下方へ延びる排気ポート12が形成されている。吸気ポート11には吸気弁13、排気ポート12には排気弁14が設けてある。

図２は上記内燃機関のシリンダ軸線を通る横断面を上方から見た図である。シリンダヘッドカバー４とシリンダヘッド３を貫通して、外部から燃焼室10に達する燃料噴射装置15が設けてある。この燃料噴射装置は筒内噴射式であり、圧縮空気によって燃料を燃焼室へ直接噴射するようになっている。シリンダヘッド３には燃焼室10に臨む点火プラグ16が設けてある。

この内燃機関の左側部分には、動弁機構が設けてある。クランク軸５の左側部分にはカムチェーン20を駆動するドライブスプロケット21が設けてある。シリンダブロック２の左側にはカム軸22が回転可能に設けられ、吸気カム23、排気カム24が一体的に形成されている。カム軸22にはドリブンスプロケット25が設けられ、上記カムチェーン20が掛け回され、カム軸22はクランク軸５によって駆動される。吸気カム23、排気カム24の動きは駆動ロッド37等を介して、吸気弁13、排気弁14（図１）の軸頭へ伝達され、それぞれの弁の開閉がなされる。

図３は上記筒内噴射式燃料噴射装置15の拡大図である。この燃料噴射装置15は、燃料噴射弁30と混合気噴射弁31とを中心として構成されている。シリンダヘッドカバー４には燃料噴射弁収容孔32が設けられ、燃料噴射弁30が装着されている。シリンダヘッド３には混合気噴射弁収容孔33が設けられ、混合気噴射弁31が装着されている。混合気噴射弁31の前部はシリンダヘッド３の前面より前方へ突出し、シリンダヘッドカバー４の燃料噴射弁収容孔32の中へ挿入されている。燃料噴射弁30の後端部は混合気噴射弁31の前端の凹部に挿入されている。図の左側に燃料噴射弁30と混合気噴射弁31の長手方向の範囲を両端矢印線で示してある。これは、両噴射弁の一部が重なっていることを示したものである。

燃料噴射弁30の前部と後部にシール部材34、35が装着され、その間の燃料噴射弁収容孔32と燃料噴射弁30とに挟まれた部分に燃料噴射弁30に連なる燃料室36が形成されている。

混合気噴射弁31の前部にシール部材37が装着されている。シール部材37は、混合気噴射弁31と燃料噴射弁収容孔32との間に装着されている。前記シール部材35とシール部材37との間で、かつ燃料噴射弁30の後部と混合気噴射弁31の前部と燃料噴射弁収容孔32との間に、混合気噴射弁31に連なる圧縮空気室39が形成されている。混合気噴射弁31の後部に、ガス漏れ防止のためのシール部材38が装着されている。

燃料噴射弁30には一端が燃料噴射弁30の後部に開口する中心孔（図示無し）が設けられ、同中心孔の前端には燃料室36に連通する燃料注入孔40が設けてある。上記中心孔の中には、中心孔の下端を開閉するポペット弁（図示無し）が設けられ、燃料噴射弁30内に装着されたソレノイド（図示無し）によって開閉される。

混合気噴射弁31には貫通中心孔（図示無し）が設けてある。同貫通中心孔の中には、貫通中心孔の下端を開閉するポペット弁41が設けられ、混合気噴射弁31に装着されたソレノイド（図示無し）によって開閉される。

燃料は、燃料タンクから燃料供給通路（図示無し）を経て、燃料室36に供給される。圧縮空気は、エアーポンプから圧縮空気通路（図示無し）を経て、圧縮空気室39に供給される。燃料は圧縮空気より高い圧力で供給される。供給された燃料と圧縮空気は、混合されて混合気噴射弁31の後端から燃焼室10に噴射される。

図４は、上記内燃機関のシリンダブロック２からシリンダヘッドカバー４までの部分の右側外観図である。これは、カムチェーンが設けてある側の反対側のシリンダ側面の外観を示している。シリンダブロック２の下方には内燃機関冷却用ウオーターポンプ45が設けてある。図において、上記ウオーターポンプ45の向こう側に、図示はされていないが、共通の駆動軸によって駆動されるエアーポンプが設けてある。このエアーポンプは燃料噴射装置15から燃料を圧送するために、上記圧縮空気室39へ送られる。

シリンダブロックの右側外面に還流制御装置50が取付けてある。シリンダブロックの外側に、排気ポート12から上記還流制御装置50に至る排気ガス抽出通路51が設けてあり、さらに上記還流制御装置50から吸気通路70に至る排気ガス還流通路52が設けてある。上記の排気ガス抽出通路51と排気ガス還流通路52は、構造は異なるが、共に管状部分を備えた通路であり、シリンダブロック２およびシリンダヘッド３の外側に取付けてある。上記排気ガス抽出通路51、還流制御装置50、および排気ガス還流通路52から、内燃機関の排気ガス還流装置49が構成され、これらの各部を連ねた通路を経て、排気ポート12から抽出された排気ガスが、還流制御装置50で流量を制御されて、吸気通路70へ供給される。

還流制御装置50は、制御弁部53と駆動アクチュエータ部54とを一体化した装置である。排気ガス抽出通路51は、排気ポート12に連なる排気ガス抽出部55と、同抽出部55と上記還流制御装置50とをつなぐ排気ガス抽出管56とからなっている。排気ガス還流通路52は、吸気通路70に臨んで設けられた排気ガス還流部57と、同排気ガス還流部57と上記還流制御装置50とをつなぐ排気ガス還流管58とからなっている。排気ガス還流管58は両端共固定であるが、排気ガス抽出管56は高熱を受けるので、排気ポート12側の端がフローティング支持となっており、熱による伸縮を吸収するようになっている。図２に還流制御装置50と排気ガス還流管58とが描かれている。

図５は排気ガス還流装置49の図である。排気ガス抽出通路51と、還流制御装置50の制御弁部53とは断面が示してある。駆動アクチュエータ部54は外観が示してある。排気ガス還流通路52の排気ガス還流管58は一点鎖線で示してある。排気ガス抽出部55は排気ポート12の近くに設けられた排気ガス抽出部本体59と、シールリング60と、シールリング保持金具61とからなっている。図には、排気ガス抽出部本体59の奥に、排気ポート12に直結する排気ガス抽出口59ａが見える。排気ガス抽出部本体59とシールリング保持金具61とは、シールリング60を挟んでねじ結合される。

還流制御装置50の制御弁部53には、コイルばね62によって閉方向に付勢されている弁体63が設けてある。弁体63に連なる軸部64は、駆動アクチュエータ部54の内部へ挿入されている。アクチュエータはステップモータ式アクチュエータであり、電線接続端子65から送られる制御信号に応じて、軸部64を介して弁体63を開閉駆動する。

制御弁部53の排気ガス入口部66には雌ねじが設けてあり、排気ガス抽出管56が、その基端部の雄ねじによって螺着されている。排気ガス抽出管56の先端部は、排気ガス抽出部55に印籠嵌合され、シールリング60によってフローティング支持されている。

制御弁部53の側部には、弁体63の下流側空間に連通する排気ガス送出口67が設けてあり、排気ガス還流通路52の排気ガス還流管58が接続固定されている。排気ガス還流管58の他端は、吸気通路70に臨んで設けられた排気ガス還流部57（図４、図６）に接続される。

図６は、上記内燃機関の吸気通路70付近の断面図である。吸気ポート11に吸気管71の一端が接続され、吸気管71の他端にインシュレータ72を介してスロットルボディ73が接続されている。吸気通路70は、吸気管71、インシュレータ72、およびスロットルボディ73の内部に形成されている空気通路である。

スロットルボディ73には、スロットル軸74に固定されたスロットルバルブ75が設けてあり、上記スロットル軸74はスロットルボディ73に対して回動可能となっている。図６はスロットルバルブ75が閉じた状態を示している。

吸気管71の曲がり部における湾曲の外部側に、先に述べた排気ガス還流部57（図４）が設けてあり、排気ガス還流管58（図４）が上記排気ガス還流部57に接続されている。排気ガス還流部57は、排気ガス還流管接続部材80と一方向弁81とからなっている。一方向弁81は、リード弁82、ストッパ83、リード弁保持部材84、および一方向弁取付部材85からなっている。一方向弁81は、吸気通路70内の吸入空気の下流側に向かって開くように、リード弁82とストッパ83とが取付けられている。

排気ガス還流管接続部材80はシール材を介して一方向弁取付部材85に取付けられている。還流のために供給される排気ガスは、排気ガス還流管58から排気ガス還流管接続部材80を介して一方向弁81へ送られ、一方向弁81が開いている時に、吸気通路70へ供給される。

図７は、スロットルバルブ75を全開にした運転状態における上記内燃機関の吸気通路70付近の断面図である。この時、新気の流入は最大となり、吸気管71の内壁面に沿って速い空気流（図中の太線矢印Ａ）が生じる。この空気流はストッパ83の吸気通路70側に沿って流れ、これによってストッパ83の下流端側に負圧が生じ、リード弁82は開く方向に引っ張られストッパ83に接する。排気ガス還流通路52を経由する還流排気ガスは、上記負圧に吸い出され、還流排気ガスは効果的に吸気流に供給される。

図８は、スロットルバルブ75が、閉鎖と全開との中間開度の時の運転状態を示す図である。スロットルバルブ75が傾斜し、吸気通路70の湾曲の外側に対応するスロットルボディ73内の一方の空気流路が下流方向に向けて絞られているので、この部分に流速の大きい空気流が生じ（図中の太線矢印Ｂ）、吸気通路70内の湾曲の外側に設けられている一方向弁81のストッパ83に沿って流れる（図中の太線矢印Ｃ）。これによってストッパ83の下流端側に負圧が生じ、リード弁82が開き、スロットルバルブ75全開の場合と同様に排気の効果的な還流が行われる。

以上詳述した本実施形態においては下記の効果がもたらされる。
（１）吸気通路70内に従来用いられていた吸気流量制御は設置されていないので、スロットル下流側の給気通路が短くなり、内燃機関はコンパクトとなっている。
（２）吸気通路70内に従来用いられていた吸気流量制御は設置されていないので、スロットルバルブを開いた時の吸気抵抗を低減できる。
（３）排気ガス還流通路52の吸気通路70への出口部に一方向弁81を設けてあるので、排気ガス還流通路52への排気ガスの逆流を防止できる。
（４）従来技術の吸気流制御弁を設置した場合に比して、吸気通路長さを増加させることなく、吸気管71の曲がり部外側の空きスペースを利用して縦長リードバルブ式一方向弁を設置しているので、性能の向上を図ることができる。
（５）吸気管71内の吸気の速い流れによって生じる負圧を利用して還流排気ガスを効果的に吸気流に供給するので、排気ガス浄化性能が向上している。。

本発明の一実施形態に係る自動二輪車用内燃機関の縦断面図である。 図２は上記内燃機関のシリンダ軸線を通る横断面を上方から見た図である。 上記筒内噴射式燃料噴射装置15の拡大図である。 上記内燃機関のシリンダブロック２からシリンダヘッドカバー４までの部分の右側外観図である。 排気ガス還流装置49の図である。 スロットルバルブ75閉鎖時の上記内燃機関の吸気通路70付近の断面図である。 スロットルバルブ75全開の運転状態における上記内燃機関の吸気通路70付近の断面図である。 スロットルバルブ75が閉鎖と全開の間の中間開度の時の上記内燃機関の吸気通路70付近の断面図である。

符号の説明

11…吸気ポート、15…燃料噴射装置、30…燃料噴射弁、31…混合気噴射弁、49…排気ガス還流装置、50…還流制御装置、52…排気ガス還流通路、57…排気ガス還流部、58…排気ガス還流管、70…吸気通路、71…吸気管、75…スロットルバルブ、80…排気ガス還流管接続部材、81…一方向弁、82…リード弁、83…ストッパ。

Claims (3)

1. 排気通路から取り出された排気ガスの一部を吸気通路に還流する排気ガス還流装置を備えた筒内噴射式内燃機関において、スロットルバルブと吸気ポートとの間に吸気管が接続され、上記吸気管の外壁面に同吸気管の中へガスを一方的に流す一方向弁が設けられ、上記一方向弁を介して排気ガス還流通路が上記吸気管に接続されていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
2. 上記吸気管は曲がり部を備え、上記一方向弁は上記曲がり部における湾曲の外側部に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関。
3. 上記一方向弁は上記曲がり部内における下流側に開き部を沿わせて配置されていることを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関。
   
   

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