JP2009270528A - 火花点火型内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】安定的な燃焼を実現でき、かつ未燃炭化水素や粒子状物質の発生を抑制できる火花点火型内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関１は、燃焼室６に開口する第１吸気ポート１１及び第２吸気ポート１２と、第１吸気ポート１１を開閉する第１吸気バルブ１３と、第２吸気ポート１２を開閉する第２吸気バルブ１４と、第２吸気ポートの側に偏るようにして燃焼室６に配置された点火プラグ２０とを備え、排気通路１０から取り出した排気の一部を外部ＥＧＲガスＧ１として第１吸気ポート１１に限定的に導入し、かつ、燃焼室６から排出されるべき排気の一部を排気行程において第２吸気ポート１２に導いてからその排気の一部が内部ＥＧＲガスＧ２として燃焼室６に導入されるように第２吸気バルブ１４を操作する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気を吸気系に還流させる火花点火型内燃機関に関する。

排気を吸気系に還流させる内燃機関として、燃焼室に導かれたＥＧＲガスにより燃焼が不安定になることを回避するため、燃焼室におけるＥＧＲガスの均質化を避けてＥＧＲガスを成層化するものが広く知られている。

例えば、一の気筒に対して二つの吸気ポートが設けられて、これらの吸気ポートの一方のみにＥＧＲガスを導くことにより、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とを燃焼室内にそれぞれ形成し、ＥＧＲガスを含まない縦スワールの流動領域内に点火プラグを配置した火花点火型内燃機関が提案されている（特許文献１）。また、圧縮自己着火型内燃機関であるが、燃焼室内にＥＧＲ層と空気層とをそれぞれ形成し、空気層の側に燃料噴射弁を配置したものがある（特許文献２）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献３及び４が存在する。

特開平６−２００７６５号公報 特開２００１−２１４７４１号公報 特開２００６−３４２７０７号公報 特開２００４−２５７３０５号公報

これらの文献に記載された内燃機関は燃焼が開始する位置にＥＧＲガスが存在しないようにしているので、燃焼室内にＥＧＲガスを均一に導入する場合に比べて燃焼の安定性が向上する。しかし、これらの内燃機関は排気通路から取り出した排気をＥＧＲガスとして吸気系に導入するいわゆる外部ＥＧＲを行うものであるので、排気温度や外気温度が低い条件などでは燃焼室内の温度が低くなりすぎて未燃炭化水素や粒子状物質の発生量が増加するおそれがある。

そこで、本発明は、安定的な燃焼を実現でき、かつ未燃炭化水素や粒子状物質の発生を抑制できる火花点火型内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の火花点火型内燃機関は、燃焼室に開口する第１吸気ポート及び第２吸気ポートと、前記第１吸気ポートを開閉する第１吸気バルブと、前記第２吸気ポートを開閉する第２吸気バルブと、前記第２吸気ポートの側に偏るようにして前記燃焼室に配置された点火プラグと、排気通路から取り出した排気の一部を外部ＥＧＲガスとして前記第１吸気ポートに限定的に導入する外部ＥＧＲ手段と、前記燃焼室から排出されるべき排気の一部を排気行程において前記第２吸気ポートに導いてからその排気の一部が内部ＥＧＲガスとして前記燃焼室に導入されるように前記第２吸気バルブを操作する内部ＥＧＲ手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

外部ＥＧＲガスは排気通路を経由して第１吸気ポートに導かれるため、第２吸気ポートにて導かれる内部ＥＧＲガスよりも低温である。この内燃機関によれば、外部ＥＧＲガスが第１吸気ポートから燃焼室に、内部ＥＧＲガスが第２吸気ポートから燃焼室にそれぞれ導かれる。これにより、燃焼室内にはその第１吸気ポート側に低温領域がその第２吸気ポート側に高温領域がそれぞれ形成されるとともに、燃焼室内におけるＥＧＲガスの成層化を達成できる。このため、十分な空気の存在下で燃焼が進行し火炎伝播距離も短くなるので燃焼が安定する。また、点火プラグは第２吸気ポート側に偏るようにして設けられているので、高温の内部ＥＧＲガスの存在により燃料の気化が促進する。これにより、未燃炭化水素や粒子状物質の発生を抑制できる。また、点火プラグから離れた第１吸気ポート側に低温の外部ＥＧＲガスが配置されるため、比熱比が大きくなり熱効率が向上して燃費が改善される。

本発明の内燃機関においては、燃料の供給形態に制限はなく燃焼室内に燃料を直接供給してもよいし、第１吸気ポート及び第２吸気ポートの両方に燃料を噴射してもよい。もっとも、前記第２吸気ポートに燃料が限定的に供給される場合（請求項２）には、第２吸気ポートに導かれる高温の内部ＥＧＲガスによって燃料の気化を更に促進できるため、未燃炭化水素や粒子状物質の発生を更に抑制することができる。

本発明の内燃機関の一態様において、前記内部ＥＧＲ手段は、排気の空燃比が理論空燃比となるように前記第２吸気バルブの開弁タイミングを変化させてもよい（請求項３）。この場合には排気の空燃比を理論空燃比に維持することができる。これにより、三元触媒の有効活用によるエミッションの改善と燃費の改善とを両立できる。

本発明の内燃機関の一態様において、前記外部ＥＧＲ手段は、前記第１吸気ポートに導く排気を冷却する冷却手段を有していてもよい（請求項４）。この場合には外部ＥＧＲガスと内部ＥＧＲガスとの温度差を大きくすることができるので、燃焼の安定性が一層向上する。

以上説明したように、本発明によれば、外部ＥＧＲガスが第１吸気ポートから燃焼室に、内部ＥＧＲガスが第２吸気ポートから燃焼室にそれぞれ導かれる。これにより、燃焼室内にはその第１吸気ポート側に低温領域がその第２吸気ポート側に高温領域がそれぞれ形成されるとともに、燃焼室内におけるＥＧＲガスの成層化を達成できる。このため、十分な空気の存在下で燃焼が進行し火炎伝播距離も短くなるので燃焼が安定する。また、点火プラグは第２吸気ポート側に偏るようにして設けられているので、高温の内部ＥＧＲガスの存在により燃料の気化が促進する。これにより、未燃炭化水素や粒子状物質の発生を抑制できる。また、点火プラグから離れた第１吸気ポート側に低温の外部ＥＧＲガスが配置されるため、比熱比が大きくなり熱効率が向上して燃費が改善される。

図１は本発明の一形態に係る火花点火型内燃機関の要部を模式的に示した上面図であり、図２は図１の内燃機関を正面から示した断面模式図である。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載された火花点火型の４サイクルの内燃機関として構成されている。内燃機関１は複数（図では１つ）のシリンダ２を備えている。シリンダ２はシリンダブロック３に形成されており、シリンダ２の上部はシリンダヘッド４にて塞がれている。シリンダ２にはピストン５が往復運動自在に設けられている。内燃機関１の燃焼室６はシリンダ２の内周面、シリンダ２の頂面及びピストン５の頂面に囲まれた空間として形成されている。

シリンダ２には吸気通路９及び排気通路１０がそれぞれ接続されている。吸気通路９は、燃焼室６に開口するようにしてシリンダヘッド４に形成された第１吸気ポート１１及び第２吸気ポート１２を含んでいる。シリンダヘッド４には第１吸気ポート１１を開閉する第１吸気バルブ１３と第２吸気ポート１２を開閉する第２吸気バルブ１４とが設けられている。各吸気バルブ１３、１４は動弁装置１５にて開閉駆動され、その動弁装置１５には各吸気バルブ１３、１４の開弁特性を独立して変化させることができる可変機構１６が設けられている。可変機構１６は周知のものと同様でよいので、詳細な構造の説明を省略する。可変機構１６の動作は内燃機関１の運転状態を制御するコンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１７にて制御される。

排気通路１０は、燃焼室６の頂面に開口する二つの排気ポート１８が設けられている。各排気ポート１８は排気バルブ１９にて開閉される。排気バルブ１９は不図示の動弁装置にて開閉駆動される。図示を省略したが、排気通路１０には三元触媒が設けられていて、排気通路１０を流れる排気はその三元触媒にて浄化される。

シリンダヘッド４には、燃焼室６の天井面に先端部を臨ませるようにして配置された点火プラグ２０が設けられている。点火プラグ２０は第２吸気ポート１２の側に偏るようにして燃焼室６に配置されている（図１参照）。また、シリンダヘッド４には、第２吸気ポート１２内へ燃料を供給する燃料噴射弁２１が設けられている（図２参照）。点火プラグ２０及び燃料噴射弁２１の各動作はＥＣＵ１７が各種センサからの信号を参照しつつ所定の制御プログラムを実行することにより制御される。本発明に関連するセンサとしては、排気通路１０に設けられて排気の空燃比に応じた信号を出力する空燃比センサ２３が設けられている。

図１に示すように、内燃機関１には、排気を吸気系に還流させるためＥＧＲ装置２５が設けられている。ＥＧＲ装置２５は排気通路１０と第１吸気ポート１１とを結ぶＥＧＲ通路２６と、ＥＧＲ通路２６を開閉するＥＧＲ弁２７と、ＥＧＲ通路２６に設けられた冷却手段としてのＥＧＲクーラ２８とを備えている。ＥＧＲ通路２６は排気通路１０から取り出した排気の一部を外部ＥＧＲガスＧ１として第１吸気ポート１１に導入することができる。従って、ＥＧＲ装置２５は本発明に係る外部ＥＧＲ手段として機能する。また、内燃機関１は排気行程において燃焼室６から排出すべき排気の一部を第２吸気ポート１２に導いてからその排気の一部を内部ＥＧＲガスＧ２として燃焼室６内に導入させている。内部ＥＧＲガスＧ２の第２吸気ポートへの取り込み及び燃焼室６への導入はＥＣＵ１７が可変機構１６を操作することにより実現されている。従って、本形態においては、ＥＣＵ１７及び可変機構１６の組み合わせにより本発明に係る内部ＥＧＲ手段が構成される。

吸気系に排気を還流させるための所定条件が成立した場合には、ＥＧＲ装置２５のＥＧＲ弁２７にてＥＧＲ通路２６が開かれ、かつＥＣＵ１７が可変機構１６を操作して排気行程において第２吸気バルブ１４を開弁させる。これにより、図１に示すように、外部ＥＧＲガスＧ１が第１吸気ポート１１を経由して燃焼室６に導入されるとともに、内部ＥＧＲガスＧ２が第２吸気ポート１２を経由して燃焼室６に導入される。正確に言えば、外部ＥＧＲガスＧ１は第１吸気ポート１１を流れる空気（新気）と一緒に燃焼室６に導かれ、内部ＥＧＲガスＧ２は第２吸気ポート１１を流れる燃料混合気と一緒に燃焼室６に導かれる。

図３は、排気還流時における各吸気バルブ１３、１４及び排気バルブ１９の開閉時期を説明する説明図である。この図から明らかなように、内部ＥＧＲガスを燃焼室６に導入する際には、第２吸気バルブ１４のみを排気行程の後半から開弁させる。これにより、燃焼室６から排出させるべき排気の一部は第２吸気ポート１２に導かれ、その排気の一部は内部ＥＧＲガスとして第２吸気ポート１２を介して燃焼室６に導かれる。更に、ＥＣＵ１７は、排気還流時において、空燃比センサ２３（図２）の出力信号を参照し、排気の空燃比が理論空燃比となるように第２吸気バルブ１４の開弁タイミングを変化させている。

図４は外部ＥＧＲガスと内部ＥＧＲガスとが燃焼室６にそれぞれ導かれた際の燃焼室６の状態を説明する説明図である。外部ＥＧＲガスＧ１は内部ＥＧＲガスＧ２よりも温度が低いため、これらのガスが別々の吸気ポートを介して燃焼室６に導入されることにより、燃焼室６の第１吸気ポート１１側に低温領域Ａが、燃料室６の第２吸気ポート１２側に高温領域Ｂがそれぞれ形成されるとともに、燃焼室６内におけるＥＧＲガスの成層化が達成される。このため、十分な空気の存在下で燃焼が進行し火炎伝播距離も短くなるので燃焼が安定する。また、点火プラグ２０は第２吸気ポート１２側に偏るようにして設けられているので、高温の内部ＥＧＲガスの存在により燃料の気化が促進する。これにより、未燃炭化水素や粒子状物質の発生を抑制できる。また、点火プラグ２０から離れた第１吸気ポート１１側に低温の外部ＥＧＲガスＧ１が配置されるため、比熱比が大きくなり熱効率が向上して燃費が改善される。

本形態の内燃機関１は、図２に示したように燃料噴射弁２１によって燃料が第２吸気ポート１２に限定的に供給される。そのため、第２吸気ポート１２に導かれる高温の内部ＥＧＲガスによって燃料の気化を更に促進できるから、未燃炭化水素や粒子状物質の発生を更に抑制できる。更に、内燃機関１は排気の空燃比が理論空燃比となるように第２吸気バルブ１４の開弁タイミングを変化させているから、排気の空燃比を理論空燃比に維持することができる。これにより、三元触媒の有効活用によるエミッションの改善と燃費の改善とを両立できる。また、ＥＧＲクーラ２８により外部ＥＧＲガスが冷却されるため、外部ＥＧＲガスと内部ＥＧＲガスとの温度差を大きくすることができる。これにより、高温の内部ＥＧＲによる気化促進を維持しつつ、低温の外部ＥＧＲによって平均の比熱比が下げられて燃費改善効果が得られる。

本発明は以上の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記の形態は、燃料を第２吸気ポート１２に限定的に供給しているが、第１吸気ポート１１及び第２吸気ポート１２の両方に燃料を供給するようにしても構わない。また、燃焼室６に燃料を直接的に供給するようにしてもよい。燃焼室６に燃料を直接的に供給する場合、その燃料供給位置は第２吸気ポート側に偏った位置に設定することが内部ＥＧＲガスにより燃料の気化を促進する観点から好ましい。

排気通路から排気を取り出す位置は任意である。例えば、排気通路に設けられた三元触媒等の排気浄化装置の下流側から排気を取り出して、これを外部ＥＧＲガスとして第１吸気ポートに導入してもよい。外部ＥＧＲガスを冷却する冷却手段を設けることは任意である。従って、図示のＥＧＲクーラ２８を省略して本発明を実施することも可能である。

本発明の一形態に係る火花点火型内燃機関の要部を模式的に示した上面図。 図１の内燃機関を正面から示した断面模式図。 排気還流時における各吸気バルブ及び排気バルブの開弁時期を説明する説明図。 外部ＥＧＲガスと内部ＥＧＲガスとが燃焼室６にそれぞれ導かれた際の燃焼室６の状態を説明する説明図。

符号の説明

１ 内燃機関
６ 燃焼室
１０ 排気通路
１１ 第１吸気ポート
１２ 第２吸気ポート
１３ 第１吸気バルブ
１４ 第２吸気バルブ
１６ 可変機構（内部ＥＧＲ手段）
１７ ＥＣＵ（内部ＥＧＲ手段）
２０ 点火プラグ
２５ ＥＧＲ装置（外部ＥＧＲ手段）
２８ ＥＧＲクーラ（冷却手段）

Claims (4)

1. 燃焼室に開口する第１吸気ポート及び第２吸気ポートと、前記第１吸気ポートを開閉する第１吸気バルブと、前記第２吸気ポートを開閉する第２吸気バルブと、前記第２吸気ポートの側に偏るようにして前記燃焼室に配置された点火プラグと、排気通路から取り出した排気の一部を外部ＥＧＲガスとして前記第１吸気ポートに限定的に導入する外部ＥＧＲ手段と、前記燃焼室から排出されるべき排気の一部を排気行程において前記第２吸気ポートに導いてからその排気の一部が内部ＥＧＲガスとして前記燃焼室に導入されるように前記第２吸気バルブを操作する内部ＥＧＲ手段と、を備えることを特徴とする火花点火型内燃機関。
2. 前記第２吸気ポートに燃料が限定的に供給される請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記内部ＥＧＲ手段は、排気の空燃比が理論空燃比となるように前記第２吸気バルブの開弁タイミングを変化させる請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記外部ＥＧＲ手段は、前記第１吸気ポートに導く外部ＥＧＲガスを冷却する冷却手段を有している請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。

Images