JP2006342707A - 筒内直噴成層燃焼エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼が不安定になることを抑制しつつＮＯｘが低減できるようにＥＧＲガスを導入する筒内直噴成層燃焼エンジンを提供すること。
【解決手段】 燃焼室に第１、第２吸気ポート（１１、１２）を介して空気が導入される。第１吸気ポートにはＥＧＲパイプ（２０）を通ってＥＧＲガスが導入される。第１吸気ポートは上方視において流路壁を確定する２本の線の一方がシリンダ円に対して略接線となるように配置され、第２吸気ポートを第１吸気ポートに略平行に略中心に向かうように配置されていて、圧縮行程末期に、外側にＥＧＲガスを含む空気の層を、内側にＥＧＲガスを含まない空気の層が形成せしめられる。そこに燃料噴射弁（２２）から中央部分に燃料が噴射される。
【選択図】 図１

Description

本発明は筒内直噴成層燃焼エンジンに関する。

ＮＯｘ低減のためにＥＧＲガスを燃焼室に導入することが有効であり、自動車用のエンジンでは、現在では、殆どのものにおいてＥＧＲガスを燃焼室に導入することがおこなわれている。例えば、引用文献１は周辺点火方式のエンジンにおいて燃焼室中央部への火炎伝播を抑制するために燃焼室の中央にＥＧＲの層を形成することを開示されている。引用文献２は吸気ポート噴射、中央点火のエンジンでＥＧＲガスを含む縦スワールと、ＥＧＲガスを含まない縦スワールをストライプ状に形成し、点火プラグ近傍にＥＧＲガスを含まない空気の層を形成することを開示している。これらは燃料を吸気ポート内に噴射する所謂、ポート噴射型エンジンにおけるものである。

一方、筒内に直接に燃料を噴射し成層燃焼させる所謂筒内直噴成層燃焼エンジンがあり一部実用化されている。このような筒内直噴成層燃焼エンジンでもＮＯｘ低減のためにＥＧＲガスを燃焼室に導入することがおこなわれている。例えば、特許文献３に記載のものがある。

ところで、ＥＧＲガスを導入すると、新気の比率が低下し、混合気の空燃比は全体的にリッチ側にシフトするので筒内直噴成層燃焼エンジンでは混合気中の空燃比は一様ではなくリッチな領域とリーンな領域が存在するので、もともとリッチな領域はＥＧＲガスが導入されるとさらにリッチ化して、火炎伝播が不安定となり、燃焼変動の増大、ＨＣの増加、燃費の悪化等を誘起する。

前述の特許文献３に記載の装置ではシリンダ内にＥＧＲガスを含む空気を導入しておいて、そこに、新気ではなくて燃料と空気の混合気を噴射するものであり、上記のように火炎伝播が不安定となり、燃焼変動の増大、ＨＣの増加、燃費の悪化等を誘起する可能性がある。

特開平６−８８５５３号公報 特開平６−２００７６５号公報 特開２００４−１５０２８４号公報

本発明は上記問題に鑑み、燃焼が不安定になることを抑制しつつＮＯｘが低減できるようにＥＧＲガスを導入する筒内直噴成層燃焼エンジンを提供することを目的とする。

請求項１の発明によれば、空気を第１吸気弁を介して燃焼室に導く第１吸気ポート、および、空気を第２吸気弁を介して燃焼室に導く第２吸気ポートと、
第１吸気ポートにＥＧＲガスを導入するＥＧＲガス導入手段と、
燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に向けて燃料噴射可能に配置された燃料噴射弁と、を具備し、
第１吸気ポートをシリンダ軸線方向から見て流路壁を確定する２本の線の一方がシリンダ円に対して略接線となるように配置し、第２吸気ポートを第１吸気ポートに略平行に略中心に向かうように配置し、
圧縮行程末期に、燃焼室のシリンダ軸線方向から見て外側の領域にＥＧＲガスを含む空気の層を、燃焼室のシリンダ軸線方向から見て内側の領域にＥＧＲガスを含まない空気の層を形成せしめてから、燃料噴射弁から燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に向けて燃料を噴射する、
筒内直噴成層燃焼エンジンが提供される。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、第２吸気ポートに空気流量を調整する流量調整弁を設け、負荷に応じて開度を変更する、ようにした筒内直噴成層燃焼エンジンが提供される。

請求項３の発明によれば、請求項１の発明において、第２吸気弁がリフトを変更する可変リフト手段を備え、負荷に応じて第２吸気弁のリフトを変更する、ようにした筒内直噴成層燃焼エンジンが提供される。

請求項４の発明によれば、空気を吸気弁を介して燃焼室に導く吸気ポートと、
吸気ポートにＥＧＲガスを導入するＥＧＲガス導入手段と、
空気を燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に噴射する空気噴射手段と、
燃料を燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に向けて燃料噴射可能に配置された燃料噴射弁と、を具備し、
吸気弁を介してＥＧＲガスを含む空気を導入した後に空気噴射弁から燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に空気を噴射して、圧縮行程末期に、燃焼室のシリンダ軸線方向から見て外側にＥＧＲガスを含む空気の層を、燃焼室のシリンダ軸線方向から見て内側にＥＧＲガスを含まない空気の層を形成せしめ、
その後、燃料噴射弁より燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に燃料を噴射する、筒内直噴成層燃焼エンジンが提供される。

各請求項に記載の発明によれば、シリンダ軸線方向から見て外側の領域にＥＧＲガスを含む空気が分布し、シリンダ軸線方向から見て内側の領域にＥＧＲガスを含まない空気が分布している状態が形成され、シリンダ軸線方向から見て中央部分に燃料噴射弁から燃料が噴射され、内側の領域の空燃比は相対的にリッチとなり、外側の領域の空燃比は相対的にリーンとなる。ＥＧＲ率を増加した際に不安定になりやすいリッチな領域はＥＧＲガスがなく、ＮＯｘを発生しやすいリーン部はＥＧＲガスの効果によりＮＯｘの発生が抑制される。このようにして燃焼が不安定になることを抑制しつつＮＯｘを低減することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態の構成を示す図であって、シリンダを上方から見た図である。図１において、１はシリンダ、１０はサージタンク、１１は第１吸気ポート、１２は第２吸気ポート、１３は第１吸気弁、１４は第２吸気弁である。１５は第１排気弁、１６は第２排気弁、１７は第１排気ポート、１８は第２排気ポートであり、第１排気ポート１７と第２排気ポート１８は下流側で集合されて排気管１９に接続されている。

２２はシリンダ１の上方中央から燃料を噴射する燃料噴射弁であり、２３は点火栓である。燃料噴射弁２２、点火栓２３は電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）３０により制御される。ＥＣＵ３０はマイクロコンピュータから成り入力ポート３１、出力ポート３２、ＲＡＭ３３、ＲＯＭ３４、ＣＰＵ３５等を共通バス３６で相互に連結したものである。

図示しない吸気取り入れ口から図示しないエアクリーナを通過した空気はサージタンク１０を経由して第１吸気ポート１１、第２吸気ポート１２を通り、第１吸気弁１３、第２吸気弁１３を介してシリンダ１内に導入される。ここで、第１吸気ポート１１は図示されるようにシリンダ軸線方向から見て流路壁を確定する２本の線の一方がシリンダ円に対して略接線となるように配置されており、この第１吸気ポート１１からシリンダ１内に導入された空気は太い矢印にしめされるようにシリンダ１の内壁に添うように流れドーナツ状に分布せしめられる。

そして、第１吸気ポート１１には排気管１９から延伸するＥＧＲパイプ２０が取り付けられており、排気ガスの一部がＥＧＲガスとして第１吸気ポート１１内に還流されるようにされている。したがって、第１吸気弁１３からシリンダ１内に導入される空気はＥＧＲガスを含む空気である。なお、ＥＧＲガス量はＥＧＲ制御弁２１により制御される。

一方、第２吸気ポート１２は第１吸気ポート１１に略平行に配設され、流線がシリンダ１の略中心に向かうようにされている。この第２吸気ポート１２からシリンダ１に導入された空気は、前記のドーナツ状に分布せしめられる第１吸気ポート１１から流入した空気の内側を、例えば、細い矢印で示されるように流れて燃焼室の中央領域に分布せしめられる。この第２吸気ポート１２から導入される空気流量を調整するために流量調整弁２４が第２吸気ポート１２に付設されている。

結果として、圧縮行程における燃料噴射の前の段階で、シリンダ軸線方向から見て外側領域にＥＧＲガスを含む空気が分布し、中央領域にＥＧＲガスを含まない空気が分布している。すなわち、半径方向で２層になった空気の分布が形成される。

上記のような半径方向で２層の空気の分布が形成されているところに、燃料噴射弁２２から燃料をシリンダ軸線に関して軸対称に噴射すると、燃料噴射弁２２に近い中央領域の空燃比は相対的にリッチとなり、外側領域の空燃比は相対的にリーンとなる。
ＥＧＲ率を増加した際に不安定になりやすいのは、課題のところでも述べたようにリッチな領域であるが、上記のようになって、リッチな領域はＥＧＲガスがなく、ＮＯｘを発生しやすいリーン部はＥＧＲガスの効果によりＮＯｘの発生が抑制される。このようにして燃焼が不安定になることを抑制しつつＮＯｘを低減することができる。

図２は上記の燃料が噴射されたあとの状態をシリンダ１の側面から見た断面図で示したものである。
図３は第２吸気ポート１２に設けられた流量調整弁２４の開度の大小によるＥＧＲガスを含む領域とＥＧＲガスを含まない領域の変化を示すものであって、（Ａ）は流量調整弁２４の開度が大きい場合を示し、（Ｂ）は流量調整弁２４の開度が小さい場合を示している。それぞれに、空燃比の分布のイメージ図を付記してある。

次に第１の実施の形態の変形例について説明する。図４がこの変形例の構成を示す図であって、図１に示した第１の実施の形態の構成と比較すると、第２吸気ポート１２に設けられていた流量調整弁２４が除去されている。そこで、例えば、第２吸気弁１４を駆動するカムを図５に示すような立体カムとして、負荷に応じてこのカムをカム軸方向にシフトさせることによって第２吸気弁１４のリフト量を変化せしめて第２吸気ポート１４を通る空気の量を制御する。
この変形例は負荷の変化への対応方法を変えたのみであるので、第１の実施の形態と同様に、燃焼が不安定になることを抑制しつつＮＯｘを低減することができる。

次に第２の実施の形態について説明する。
図６の（Ａ），（Ｂ）、（Ｃ）が第２の実施の形態の構成、作用を示す図であって、中央部分に空気噴射弁２５が設けられており、空気噴射弁２５はＥＣＵ３０からの信号によって空気の噴射量を変更する。このように空気噴射弁２５を備えているので、第１の実施の形態のように第１吸気ポート１１を導入された空気がシリンダ１の周壁にそって旋回するように形成し、第２吸気ポート１２（図６には図示されない）が中心部分に向かうようにする必要はない。また、第１の実施の形態の第２吸気ポート１２に設けられていた吸気制御弁や、第１の実施の形態の変形例におけるバルブの可変リフト機構も不要である。

そして、まず、（Ａ）に示すようにＥＧＲガスを含む空気をシリンダ内の全領域に導入する。そして、燃料噴射前に（Ｂ）に示すように上記の（Ａ）の状態の中央にＥＧＲガスを含まない空気を導入する。この時点で第１の実施の形態と同じように外側にＥＧＲガスを含む空気が分布し、内側にＥＧＲガスを含まない空気が分布する。
そして（Ｂ）の状態の中央部分に燃料を噴射して（Ｃ）のような状態になったところで点火する。

この第２の実施の形態も第１の実施の形態と同様に、シリンダ軸線方向から見て、外側にＥＧＲガスを含む空気が分布し内側にＥＧＲガスを含まない空気が分布するようにしたところに燃料を噴射するので、第１の実施の形態と同様に、燃焼が不安定になることを抑制しつつＮＯｘを低減することができる。

本発明は内燃機関、特に筒内に直接に燃料噴射をおこない成層燃焼せしめる筒内直噴成層燃焼エンジンに適用できる。

第１の実施の形態の構成を示す図である。 燃料が噴射されたあとの状態をシリンダの側面から見た図である。 第２吸気ポートの空気流量を変化させたときのＥＧＲガスを含む領域と含まない領域の変化を示すものであって、（Ａ）はＥＧＲガスを含む領域が大きい場合を示し、（Ｂ）はＥＧＲガスを含む領域が小さい場合を示している。 第１の実施の形態の変形例の構成を示す図である。 第１の実施の形態の変形例において使用される立体カムである。 第２の実施の形態の構成と作用を説明する図であって、（Ａ）ＥＧＲガスを含む空気をシリンダ内の全領域に導入した状態を示し、（Ｂ）上記の（Ａ）の状態の中央にＥＧＲガスを含まない空気を導入した状態を示し、（Ｃ）上記の（Ｂ）の状態の中央部分に燃料を噴射した状態を示している。

符号の説明

１ シリンダ
１１，１２ 第１、第２吸気ポート
１３，１４ 第１、第２吸気弁
１５，１６ 第１、第２排気弁
１７，１８ 第１、第２排気ポート
１９ 排気管
２０ ＥＧＲパイプ
２１ ＥＧＲ制御弁
２２ 燃料噴射弁
２３ 点火栓
２４ 流量調整弁
２５ 空気噴射弁
３０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (4)

1. 空気を第１吸気弁を介して燃焼室に導く第１吸気ポート、および、空気を第２吸気弁を介して燃焼室に導く第２吸気ポートと、
   第１吸気ポートにＥＧＲガスを導入するＥＧＲガス導入手段と、
   燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に向けて燃料噴射可能に配置された燃料噴射弁と、を具備し、
   第１吸気ポートをシリンダ軸線方向から見て流路壁を確定する２本の線の一方がシリンダ円に対して略接線となるように配置し、第２吸気ポートを第１吸気ポートに略平行に略中心に向かうように配置し、
   圧縮行程末期に、燃焼室のシリンダ軸線方向から見て外側の領域にＥＧＲガスを含む空気の層を、燃焼室のシリンダ軸線方向から見て内側の領域にＥＧＲガスを含まない空気の層を形成せしめてから、燃料噴射弁から燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に向けて燃料を噴射する、
   ことを特徴とする筒内直噴成層燃焼エンジン。
2. 第２吸気ポートに空気流量を調整する流量調整弁を設け、負荷に応じて開度を変更する、ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴成層燃焼エンジン。
3. 第２吸気弁がリフトを変更する可変リフト手段を備え、負荷に応じて第２吸気弁のリフトを変更する、ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴成層燃焼エンジン。
4. 空気を吸気弁を介して燃焼室に導く吸気ポートと、
   吸気ポートにＥＧＲガスを導入するＥＧＲガス導入手段と、
   空気を燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に噴射する空気噴射手段と、
   燃料を燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に向けて燃料噴射可能に配置された燃料噴射弁と、を具備し、
   吸気弁を介してＥＧＲガスを含む空気を導入した後に空気噴射弁から燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に空気を噴射して、圧縮行程末期に、燃焼室のシリンダ軸線方向から見て外側にＥＧＲガスを含む空気の層を、燃焼室のシリンダ軸線方向から見て内側にＥＧＲガスを含まない空気の層を形成せしめ、
   その後、燃料噴射弁より燃焼室のシリンダ軸線方向から見て略中央部分に燃料を噴射する、
   ことを特徴とする筒内直噴成層燃焼エンジン。

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