JP2009264158A

JP2009264158A - 内燃機関の吸気装置

Info

Publication number: JP2009264158A
Application number: JP2008112290A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Miyashita; 茂樹宮下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-11-12

Abstract

【課題】吸気通路内のデポジットの生成を抑制することができる内燃機関の吸気装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１の吸気ポート１２を二つの流路１２Ａ、１２Ｂに区分する隔壁１７と、二つの流路１２Ａ、１２Ｂのそれぞれを流れるガスの流量比を変更可能な流量比変更機構１８とを備えており、上側の流路１２Ａにブローバイガス導入通路２１が接続され、かつ下側の流路１２ＢにＥＧＲガス導入通路２３が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブローバイガスとＥＧＲガスとを吸気通路に導入する内燃機関に適用される内燃機関の吸気装置に関する。

周知のように、市販車に搭載される内燃機関には未燃炭化水素の排出規制によりクランクケース内に溜まったブローバイガスを大気に開放せずに吸気通路へ導入するクランクケース換気装置（ＰＣＶ装置）が設けられている。また、同様の内燃機関には燃焼温度を低下させて窒素酸化物の排出量を低減するため、排気通路から取り出された排気をＥＧＲガスとして吸気通路に導入する排気還流装置（ＥＧＲ装置）が設けられていることが多い。

こうした内燃機関に適用される吸気装置として、吸気ポートを仕切り板によって二つの流路に区分し、一方の流路に流量制御弁を設けるとともに、他方の流路にＥＧＲガスを導入するためのＥＧＲガス導入通路を接続したものが知られている（特許文献１）。この装置は、一方の流路に設けられた流量制御弁を操作して気筒内の吸気流動を制限し、他方の流路へＥＧＲガスを導入することにより気筒内にＥＧＲガスを層状に分布させることを目的としている。その他に、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００２−１０６４１９号公報特開２００４−３０８４７２号公報

ＰＣＶ装置は吸気系の汚染やオイルの消費を抑えるためブローバイガスに含まれる油分をオイルセパレータで除去してから吸気通路へ導入することが一般的である。しかし、オイルセパレータで油分を完全に除去することは困難なので、吸気通路に導入されるブローバイガスには油分が当然に含まれている。また、ＥＧＲガスは排気通路から取り出された排気であるのでＥＧＲガスには煤等のパティキュレートが含まれている。ＥＧＲガスに含まれるパティキュレートは吸気通路内に堆積するデポジットの起源となっていることが知られている。

ブローバイガスの油分は粘着性を有しているため、吸気通路内でブローバイガスとＥＧＲガスとが混ざり合うと、その油分によってＥＧＲガスに含まれるパティキュレートが集められて吸気通路内に留まり易くなる。こうした働きによって吸気通路内のデポジットの生成が促進されることが判明した。従って、ブローバイガスとＥＧＲガスとを吸気通路に導入する場合には、吸気通路内でこれらのガスが混合することを可能な限り避けることが吸気通路内のデポジットの生成を抑制する観点から望ましい。しかしながら、特許文献１の吸気装置はＥＧＲガスの導入位置が特定されているが、ブローバイガスの導入位置が明らかでないため、ブローバイガスの導入位置によっては吸気通路内でブローバイガスとＥＧＲガスとが混ざり合ってデポジットの生成が促進するおそれがある。

そこで、本発明は、吸気通路内のデポジットの生成を抑制することができる内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の吸気装置は、ブローバイガスを吸気通路に導入するためのブローバイガス導入通路と、排気通路から取り出した排気をＥＧＲガスとして前記吸気通路に導入するためのＥＧＲガス導入通路とが設けられた内燃機関に適用される内燃機関の吸気装置において、前記吸気通路を少なくとも二つの流路に区分する仕切部材と、前記二つの流路のそれぞれを流れるガスの流量比を変更可能な流量比変更機構とを備え、前記二つの流路のいずれか一方に前記ブローバイガス導入通路が接続され、かつ前記二つの流路のいずれか他方に前記ＥＧＲガス導入通路が接続されていることにより上述した課題を解決する（請求項１）。

この吸気装置によれば、仕切部材にて区分された二つの流路の一方にブローバイガス導入通路が、これらの他方にＥＧＲガス導入通路がそれぞれ接続されるので、ブローバイガスとＥＧＲガスとが吸気通路内で混ざり合う機会、換言すればこれらのガスが接触する機会を減らすことができる。これにより、吸気通路内のデポジットの生成を抑制することができる。また、この吸気装置は、流量比変更機構にて二つの流路の流量比を変化させることにより、吸気通路を流れるガスの速度分布を二つの流路の一方の側又は他方の側のいずれかに偏らせることができる。こうした速度分布の偏りを流量比変更機構にて付与することで、内燃機関の気筒内に生成されるタンブルやスワール等の吸気流動を変化させることができる。

仕切部材にて区分された二つの流路と、ブローバイガス導入通路及びＥＧＲガス導入通路との接続対応関係は特に制限されないが、流量比変更機構が変化させる流量比の範囲に応じて適宜定めることができる。例えば、前記流量比変更機構は、前記二つの流路のうちの一つの流路のみを絞ることが可能な流量制御部材を有しており、前記流量制御部材によって絞られない側の流路に前記ＥＧＲガス導入通路が接続されていてもよい（請求項２）。この態様では、流量制御部材による絞り具合を変化させることにより、一つの流路を流れるガスの流量を変化させることができる。そのため、流量比変更機構は流量制御部材にて絞られる側の流路と流量制御部材にて絞られない側の流路との流量比を１：１から０：１までの範囲内で変化させることができる。この態様は、流量制御部材にて絞られない側の流路にＥＧＲガスが導入されるので、ＥＧＲガスの濃度が高い状態の高濃度ガスが流路に留まり難い。従って、流量制御部材を閉じ側から開き側に操作して絞りを弱めた場合に高濃度ガスが一気に気筒内に吸入されることや、ＥＧＲガスの導入が停止される低負荷時に流路内に留まった高濃度ガスが気筒内に吸入されてＥＧＲガスが過多となることを防止できる。これにより、高濃度ガスの吸入に伴う燃焼不良の発生を防止することができる。

この態様において、前記仕切部材は、前記流量制御部材によって絞られる側の流路の通路面積が前記流量制御部材によって絞られない側の流路の通路面積よりも大きくなるように前記吸気通路内に設けられていてもよい（請求項３）。この場合には、流量比変更機構にて実現可能な流量比の変更範囲が二つの流路の通路面積が等しい場合に比べて拡大できる。

また、上記の態様とは逆に、前記流量比変更機構は、前記二つの流路のうちの一つの流路のみを絞ることが可能な流量制御部材を有しており、前記流量制御部材にて絞られる側の流路に前記ＥＧＲガス導入通路が接続され、かつ前記ＥＧＲガス導入通路の接続位置が前記流量制御部材の下流側に設定されてもよい（請求項４）。流量制御部材にて流路が完全に閉鎖されない場合、つまりその流路が流量制御部材にて密閉されない場合がある。この場合には、流量制御部材と流路との間に形成される隙間からガスの流れ方向とは逆方向にガスが漏れ出して、流路内に逆流が生じることがある。その逆流は流量制御部材にて絞られる側の流路の流速が遅いほど生じ易くなる。この態様によれば、流量制御部材にて絞られる側の流路にＥＧＲガス導入通路が接続され、その接続位置が流量制御部材よりも下流側に設定されているので、その流路へのＥＧＲガスの導入によってある程度の流速が確保される。これにより上述した逆流が生じ難くなる。従って、逆流により流量制御部材から漏れ出したＥＧＲガスとブローバイガスとが混ざり合うことを抑制できる。

この態様において、前記仕切部材は、前記流量制御部材によって絞られる側の流路の通路面積が前記流量制御部材によって絞られない側の流路の通路面積よりも小さくなるように前記吸気通路内に設けられていてもよい（請求項５）。この場合には、ＥＧＲガスの導入量が少ない場合でも流速を確保できるため、上述した逆流の発生を更に抑えることができる。

以上説明したように、本発明によれば、仕切部材にて区分された二つの流路の一方にブローバイガス導入通路が、これらの他方にＥＧＲガス導入通路がそれぞれ接続されるので、ブローバイガスとＥＧＲガスとが吸気通路内で混ざり合う機会、換言すればこれらのガスが接触する機会を減らすことができる。これにより、吸気通路内のデポジットの生成を抑制することができる。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る吸気装置が適用された内燃機関の要部を示している。内燃機関１は自動車の走行用動力源として搭載され、燃料を気筒２内に直接噴射する筒内直接噴射型の内燃機関として構成されている。なお、内燃機関１は気筒２を複数個有しているが図においては便宜上１つの気筒２のみを図示した。

気筒２はシリンダブロック３に形成されており、気筒２の開口部はシリンダヘッド４にて塞がれる。気筒２にはピストン５が往復動自在に挿入されており、ピストン５の上方に燃焼室６が形成される。シリンダヘッド４には気筒２の天井面の中央部に先端が臨むようにして点火プラグ７が設けられている。また、シリンダヘッド４には気筒２の天井面の隅部に先端が臨むようにして燃料噴射弁８が取り付けられている。

内燃機関１は、気筒２に吸気を取り込むための吸気通路１０と気筒２からの排気を導くための排気通路１１とを備えている。吸気通路１０は気筒２毎に分岐する不図示の分岐部を有するとともに、その分岐部に続く吸気ポート１２を有している。吸気ポート１２はシリンダヘッド４に形成されていて、気筒２の天井面に開口する。また、排気通路１１はシリンダヘッド４に形成されて気筒２の天井面に開口する排気ポート１３を含んでいる。

吸気ポート１２を開閉する吸気弁１５はシリンダヘッド４に対して摺動可能に装着されており、排気ポート１３を開閉する排気弁１６も同様にシリンダヘッド４に対して摺動可能に装着されている。吸気弁１５及び排気弁１６のそれぞれは不図示の動弁機構にて所定の開閉タイミングに従って開閉駆動される。

吸気ポート１２は仕切部材としての隔壁１７にて二つの流路１２Ａ、１２Ｂに区分されている。隔壁１７は吸気ポート１２の流れ方向に延びており、隔壁１７にて区分された流路１２Ａ、１２Ｂは気筒２の中心線に関して上下に並べられている。また、各流路１２Ａ、１２Ｂの流量比を変化させるため、内燃機関１には流量比変更機構１８が設けられている。流量比変更機構１８は二つの流路１２Ａ、１２Ｂのうちの上側の流路１２Ａのみを絞ることができる流量制御部材としての流量制御弁１９を備えている。流量制御弁１９は流路１２Ａの上流側の端部に回転自在に取り付けられている。流量制御弁１９には実線で示した全閉位置から想像線で示した全開位置までの間で開度を自在に保持できる不図示の駆動装置が設けられている。流量比変更機構１８は、その駆動装置を適宜操作して流量制御弁１９の開度を変化させることにより、流路１２Ａの流量と流路１２Ｂの流量との流量比を１：１〜０：１の範囲内で変化させることができる。例えば、流量制御弁１９の開度を絞り側に設定し、吸気ポート１２内の流速分布を下側に偏らせることにより、気筒２内に縦方向に旋回する吸気流動であるタンブルＦｔを生成することができる。また、絞り側の開度を適宜設定することでタンブルＦｔの強さを調整することもできる。

内燃機関１には、ブローバイガスの大気開放を防止するため、不図示のクランクケース内に溜まったブローバイガスを吸気通路１０へ導入するＰＣＶ装置２０が設けられている。ＰＣＶ装置２０はクランクケースと吸気通路１０とを結ぶブローバイガス導入通路２１を備えている。図示を省略したが、クランクケースとブローバイガス導入通路２１との間にはガス中の油分を除去するオイルセパレータが装着されている。

ブローバイガス導入通路２１はブローバイガスを吸気ポート１２毎に分配するための分岐部２１ａを有している。分岐部２１ａは吸気ポート１２の上側の流路１２Ａに接続されている。その接続位置は流量制御弁１９の下流側に設定されている。これにより、ブローバイガスは図の一点鎖線で示すように上側の流路１２Ａ内に導入される。

また、内燃機関１には気筒２内の燃焼温度を低下させて窒素酸化物の排出量を低減するため、排気通路１１から取り出された排気をＥＧＲガスとして吸気通路１０に導入するＥＧＲ装置２２が設けられている。ＥＧＲ装置２２は排気通路１１と吸気通路１０とを結ぶＥＧＲガス導入通路２３を備えている。図示を省略したが、ＥＧＲガス導入通路２３にはＥＧＲガスの導入量を調整するＥＧＲ弁と、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラとがそれぞれ設けられている。ＥＧＲガス導入通路２３はＥＧＲガスを吸気ポート１２毎に分配するための分岐部２３ａを有している。分岐部２３ａは吸気ポート１２の下側の流路１２Ｂに接続されている。これにより、ＥＧＲガスは図の破線で示すように下側の流路１２Ｂ内に導入される。ＥＧＲガスの導入量並びにその導入の実行及び停止の切替えは内燃機関１の運転状態に応じて制御されるが、その制御は公知の方法と同様であるので詳細な説明を省略する。

以上の形態によれば、隔壁１７にて区分された上側の流路１２Ａにブローバイガス導入通路２１が、下側の流路１２ＢにＥＧＲガス導入通路２３がそれぞれ接続されるので、ブローバイガスとＥＧＲガスとが吸気通路１０内（吸気ポート１２内）で混ざり合う機会を減らすことができる。これにより、吸気ポート１２内のデポジットの生成を抑制することができる。そして、流量制御弁１９にて絞られない側の流路１２ＢにＥＧＲガスが導入されるので、ＥＧＲガスの濃度が高い状態の高濃度ガスが流路１２Ｂに留まり難い。従って、流量制御弁１９を閉じ側から開き側に操作して絞りを弱めた場合に高濃度ガスが一気に気筒２内に吸入されることや、ＥＧＲガスの導入が停止される低負荷時に流路内に留まった高濃度ガスが気筒２内に吸入されてＥＧＲガスが過多となることを防止できる。これにより、高濃度ガスの吸入に伴う燃焼不良の発生を防止することができる。

この形態においては、二つの流路１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ同一の通路面積を持っているが、例えばこれらの通路面積を互いに異ならせてもよい。図２は第１の形態の変形例を説明する説明図である。この図に示すように、上側の流路１２Ａの通路面積を下側の流路１２Ｂの通路面積よりも大きくすることも可能である。この場合には、流量制御弁１９を全閉位置から全開位置まで変化させることにより実現できる流量比の変更範囲が第１の形態に比べて拡大できる。例えば、各流路１２Ａ、１２Ｂの通路面積の面積比が２：１に設定されている場合には、流量比を２：１〜０：１の範囲内で変化させることが可能になる。従って、図２のように構成することで、気筒２内に生成される吸気流動の調整範囲を拡大することができる。

（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図３を参照して説明する。図３は第２の形態に係る吸気装置が適用された内燃機関の要部を示している。第１の形態と共通する構成については図３に同一の参照符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、この形態は二つの流路１２Ａ、１２Ｂと、ブローバイガス導入通路２１及びＥＧＲガス導入通路２３との接続対応関係が第１の形態の場合と比べて反対になっている。即ち、ブローバイガス導入通路２１の分岐部２１ａは吸気ポート１２の下側の流路１２Ｂに接続されており、ＥＧＲガス導入通路２３の分岐部２３ａは上側の流路１２Ａに接続されている。ＥＧＲガス導入通路２３の接続位置は流量制御弁１９の下流側に設定されている。これにより、ブローバイガスは下側の流路１２Ｂに、ＥＧＲガスは上側の流路１２Ａにそれぞれ導入される。

第２の形態によれば、ブローバイガスとＥＧＲガスとが別々の流路に導入されるので、第１の形態と同様に吸気ポート１２内のデポジットの生成を抑制することができる。ところで、流量制御弁１９が全閉位置に保持された場合でも、流路１２Ａが流量制御弁１９にて密閉されない場合がある。この場合には、流量制御弁１９と流路１２Ａとの間に形成される隙間からガスの流れ方向とは逆方向にガスが漏れ出して流路１２Ａ内に逆流が生じることがある。その逆流は流路１２Ａの流速が遅いほど生じ易くなる。第２の形態によれば、上側の流路１２ＡにＥＧＲガス導入通路が接続され、その接続位置が流量制御弁１９よりも下流側に設定されているので、その流路１２ＡへのＥＧＲガスの導入によってある程度の流速が確保される。これにより、こうした逆流が生じ難くなるため、その逆流により流量制御弁１９から漏れ出したＥＧＲガスとブローバイガスとが混ざり合うことを抑制できる。

この形態においても、二つの流路１２Ａ、１２Ｂの通路面積を互いに異ならせてもよい。図４は第２の形態の変形例を説明する説明図である。この図に示すように、上側の流路１２Ａの通路面積を下側の流路１２Ｂの通路面積よりも小さくすることも可能である。この場合には、ＥＧＲガスの導入量が少ない場合でも流速を確保できるため、上述した逆流の発生を更に抑えることができる。

本発明は上述した各形態に限定されず種々の形態にて実施することができる。本発明の吸気装置を適用し得る内燃機関は筒内直接噴射型の内燃機関に限らない。吸気通路内に燃料を噴射するポート噴射型の内燃機関に本発明を適用することも可能である。

流量比変更機構は二つの流路の流量比を変更できる限度で種々の形態にて実現してよい。図５は流量比変更機構の他の形態を説明する説明図である。図５に示した流量比変更機構３０は隔壁１７の上流側の端部に設けられた流量制御部材としてのフラップ３１を有している。このフラップ３１の可動範囲を適宜設定することにより、二つの流路１２Ａ、１２Ｂの流量比を自由に変更することができる。例えば、フラップ３１の可動範囲を流路１２Ａが閉鎖される位置ａから隔壁の延長上の位置ｂまでの範囲Ｘ１とすることにより、上述した各形態の流量制御弁１９と同様に一方の流路のみを絞る流量制御部材として機能させることができる。また、その可動範囲を流路１２Ａが閉鎖される位置ａから流路１２Ｂが閉鎖される位置ｃまでの範囲Ｘ２とすることにより、二つの流路１２Ａ、１２Ｂの流量比を０：１〜１：０の範囲内で変化させることが可能である。

本発明の一形態に係る吸気装置が適用された内燃機関の要部を示した図。第１の形態の変形例を説明する説明図。第２の形態に係る吸気装置が適用された内燃機関の要部を示した図。第２の形態の変形例を説明する説明図。流量比変更機構の他の形態を説明する説明図。

符号の説明

１内燃機関
１０吸気通路
１２吸気ポート
１２Ａ、１２Ｂ流路
１７隔壁（仕切部材）
１８流量比変更機構
１９流量制御弁（流量制御部材）
２１ブローバイガス導入通路
２３ＥＧＲガス導入通路
３０流量比変更機構
３１フラップ（流量制御部材）

Claims

ブローバイガスを吸気通路に導入するためのブローバイガス導入通路と、排気通路から取り出した排気をＥＧＲガスとして前記吸気通路に導入するためのＥＧＲガス導入通路とが設けられた内燃機関に適用される内燃機関の吸気装置において、
前記吸気通路を少なくとも二つの流路に区分する仕切部材と、前記二つの流路のそれぞれを流れるガスの流量比を変更可能な流量比変更機構とを備え、前記二つの流路のいずれか一方に前記ブローバイガス導入通路が接続され、かつ前記二つの流路のいずれか他方に前記ＥＧＲガス導入通路が接続されていることを特徴とする内燃機関の吸気装置。
前記流量比変更機構は、前記二つの流路のうちの一つの流路のみを絞ることが可能な流量制御部材を有しており、
前記流量制御部材によって絞られない側の流路に前記ＥＧＲガス導入通路が接続されている請求項１に記載の吸気装置。
前記仕切部材は、前記流量制御部材によって絞られる側の流路の通路面積が前記流量制御部材によって絞られない側の流路の通路面積よりも大きくなるように前記吸気通路内に設けられている請求項２に記載の吸気装置。
前記流量比変更機構は、前記二つの流路のうちの一つの流路のみを絞ることが可能な流量制御部材を有しており、
前記流量制御部材にて絞られる側の流路に前記ＥＧＲガス導入通路が接続され、かつ前記ＥＧＲガス導入通路の接続位置が前記流量制御部材の下流側に設定されている請求項１に記載の吸気装置。
前記仕切部材は、前記流量制御部材によって絞られる側の流路の通路面積が前記流量制御部材によって絞られない側の流路の通路面積よりも小さくなるように前記吸気通路内に設けられている請求項４に記載の吸気装置。