JP2011111907A - 圧力波過給機を備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比が理論空燃比よりもリーンの気筒の燃焼状態が不安定になることを抑制可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】＃１、＃４の気筒２ａの吸気ポートと第１吸気吐出口１７が接続されるとともに＃２、＃３の気筒２ａの吸気ポートと第２吸気吐出口１８が接続され、かつ＃１、＃４の気筒２ａの排気ポートと第１排気導入口１９が接続されるとともに＃２、＃３の気筒２ａの排気ポートと第２排気導入口２０が接続され、第２排気案内通路４ｂと第１吸気案内通路３ｂとがセル１３を介して連通するように第２排気導入口２０と第１吸気吐出口１７とが設けられた圧力波過給機１０を備え、＃１、４の気筒２ａの空燃比が理論空燃比よりもリーンになるとともに＃２、３の気筒２ａの空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように各気筒２ａの空燃比が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気の圧力波を利用して過給を行う圧力波過給機を備えた内燃機関に関する。

ケース内に設けられている複数のセルに吸気と排気とを交互に導入し、導入した排気でセル内の吸気を加圧して内燃機関の過給を行う圧力波過給機が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２、３が存在する。

特開平０７−３１０５５６号公報 特表２００１−５１５１７２号公報 特開２００７−２７８１６０号公報

ところで、内燃機関の燃費を改善する方法の一つとして、気筒の空燃比を理論空燃比よりもリーンにして内燃機関を運転する方法が知られている。また、このように空燃比をリーンにして運転する際に吸気とともに水素（Ｈ_２）や一酸化炭素（ＣＯ）等の燃焼促進剤を気筒内に導入し、これにより筒内燃焼状態が不安定になることを防止する方法が知られている。周知のようにＨ_２やＣＯ等は空燃比を理論空燃比よりもリッチにした気筒（以下、リッチ気筒と称することがある。）の排気に含まれている。そのため、複数の気筒を備えた内燃機関では、一部の気筒の空燃比をリッチに、残りの気筒の空燃比をリーンにし、リッチ気筒の排気を空燃比が理論空燃比よりもリーンの気筒（以下、リーン気筒としょうすることがある。）に導入すればこのリーン気筒の燃焼状態を改善できる。圧力波過給機を備えた内燃機関では、吸気通路と排気通路とが圧力波過給機を介して接続される。そのため、圧力波過給機を介して排気を吸気通路に還流させることができるが、特許文献１には圧力波過給機を利用してリーン気筒の燃焼状態を安定化させることについては開示も示唆もされていない。

そこで、本発明は、空燃比が理論空燃比よりもリーンの気筒の燃焼状態が不安定になることを抑制可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、第１気筒群と第２気筒群とに分けられる複数の気筒と、軸線回りに回転可能なようにケース内に設けられたロータと、前記ケースの前記軸線方向の一方の端部から他方の端部まで貫通するように前記ケース内に設けられて前記ロータと一体に回転する複数のセルと、を有し、前記ケースの前記一方の端部には、第１吸気導入部、第２吸気導入部、第１吸気吐出部、及び第２吸気吐出部が開口し、前記ケースの前記他方の端部には、第１排気導入部、第２排気導入部、第１排気吐出部、及び第２排気吐出部が開口している圧力波過給機と、前記第１気筒群の各気筒の吸気ポートと前記第１吸気吐出部とを接続する第１吸気案内通路と、前記第１気筒群の各気筒の排気ポートと前記第１排気導入部とを接続する第１排気案内通路と、前記第２気筒群の各気筒の吸気ポートと前記第２吸気吐出部とを接続する第２吸気案内通路と、前記第２気筒群の各気筒の排気ポートと前記第２排気導入部とを接続する第２排気案内通路と、前記第１気筒群及び前記第２気筒群のうちの一方の気筒群の各気筒の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなり、他方の気筒群の各気筒の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように各気筒の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、前記第１吸気吐出部、前記第２吸気吐出部、前記第１排気導入部、及び前記第２排気導入部は、前記第１吸気案内通路と前記第２排気案内通路とが前記セルを介して連通し、前記第２吸気案内通路と前記第１排気案内通路とが前記セルを介して連通するように前記ケースにそれぞれ設けられている（請求項１）。

本発明の内燃機関によれば、第１吸気案内通路と第２排気案内通路とがセルを介して連通し、第２吸気案内通路と第１排気案内通路とがセルを介して連通するので、第１気筒群の気筒の排気を第２気筒群の気筒に導入したり、第２気筒群の気筒の排気を第１気筒群の気筒に導入したりすることができる。そのため、空燃比が理論空燃比よりもリッチである気筒（リッチ気筒）の排気を、空燃比が理論空燃比よりもリーンである気筒（リーン気筒）に圧力波過給機を介して導入できる。これによりリッチ気筒の排気に含まれるＨ_２やＣＯにてリーン気筒の燃焼を促進させることができるので、リーン気筒の燃焼状態が不安定になることを抑制できる。また、これによりリーン気筒の空燃比をさらにリーンにすることができるので、燃費をさらに改善できる。さらに、リーン気筒の燃焼温度を低下させることができるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減することができる。

本発明の内燃機関の一形態においては、前記第１気筒群の各気筒から排出された排気が前記圧力波過給機を介して前記第２気筒群の各気筒に導入され、かつ前記第２気筒群の各気筒から排出された排気が前記圧力波過給機を介して前記第１気筒群の各気筒に導入されるように前記ロータの回転数を制御する回転数制御手段をさらに備えていてもよい（請求項２）。このようにロータの回転数を制御することにより、一方の気筒群の各気筒から排出された排気を他方の気筒群の各気筒に確実に導入することができる。

本発明の内燃機関の一形態においては、前記気筒を４つ備えるとともにそれら４つの気筒が直列に配置され、かつ外側の一対の気筒間の爆発時期がクランク角にして３６０°ずれるように爆発順序が設定された等間隔爆発式の直列４気筒４サイクル式の内燃機関であり、前記第１気筒群は外側の一対の気筒であり、かつ前記第２気筒群は内側の一対の気筒であってもよいし（請求項３）、前記気筒を６つ備えるとともにそれら６つの気筒が直列に配置された等間隔爆発式の直列６気筒４サイクル式の内燃機関であり、前記第１気筒群は爆発時期がクランク角にして２４０°ずつずれた３つの気筒であり、前記第２気筒群は残りの３つの気筒であってもよい（請求項４）。このように各気筒を２つの気筒群に分けることにより、各排気案内通路における排気干渉を抑制することができる。

以上に説明したように、本発明の内燃機関によれば、リッチ気筒の排気を圧力波過給機を介してリーン気筒に導入することができるので、リーン気筒の燃焼状態が不安定になることを抑制できる。

本発明の第１の形態に係る内燃機関を概略的に示す図。 図１の圧力波過給機の概略を示す図。 図１の圧力波過給機をロータの回転方向に沿って展開した図。 本発明の第２の形態に係る内燃機関を概略的に示す図。

（第１の形態）
図１は、本発明の第１の形態に係る内燃機関を概略的に示している。この内燃機関（以下、エンジンと称することがある。）１Ａは、車両の走行用動力源として搭載される直列４気筒４サイクルエンジンであり、複数（図１では４つ）の気筒２ａを有する機関本体２と、各気筒２ａにそれぞれ接続された吸気通路３及び排気通路４とを備えている。なお、各気筒２ａにはそれらの並び方向一端から他端側に向かって＃１〜＃４の気筒番号を付して互いに区別する。各気筒２ａには、筒内に燃料を噴射するためのインジェクタ５がそれぞれ設けられている。

一般に直列４気筒の４サイクルエンジンでは、外側の一対の気筒（＃１、＃４）２ａの爆発時期が３６０°ＣＡ（クランク角を意味する。）ずらされ、内側の一対の気筒（＃２、＃３）２ａの爆発時期が＃１の気筒２ａの爆発時期を基準として１８０°ＣＡ、５４０°ＣＡずらされることにより１８０°ＣＡ毎の等間隔爆発が実現されている。なお、＃２の気筒２ａと＃３の気筒２ａの爆発時期の前後は適宜に定めてよい。そこで、エンジン１Ａでは、爆発時期が３６０°ＣＡずれる一対の気筒２ａをまとめて一つの気筒群とする。以降、４つの気筒２ａのうち外側の一対の気筒（＃１、＃４）２ａをまとめて第１気筒群、内側の一対の気筒（＃２、＃３）２ａをまとめて第２気筒群と呼ぶ。

また、エンジン１Ａは、圧力波過給機１０を備えている。図２は、圧力波過給機１０の概略を示した図である。この図に示したように圧力波過給機１０は、ケース１１と、そのケース１１内に設けられたロータ１２とを備えている。なお、この図においては便宜上ケース１１とロータ１２との間の隙間を大きく示したが、実際はこの隙間は殆ど無い。ロータ１２は、軸線Ａｘ回りに回転自在にケース１１に支持されている。ロータ１２の外周面には、その一端から他端まで軸線Ａｘ方向に延びる複数の隔壁１２ａが設けられている。ケース１１内は、これら隔壁１２ａによって軸線Ａｘ方向に延びる複数のセル１３に区分されている。この図に示したように各セル１３は、ケース１１の吸気側端部１１ａから排気側端部１１ｂまで軸線Ａｘ方向にそれぞれ貫通している。これらセル１３は、ロータ１２とともに一体に回転する。ロータ１２は、電動モータ１４にて回転駆動される。

図１に示したようにケース１１の吸気側端部１１ａには、第１吸気導入部としての第１吸気導入口１５、第２吸気導入部としての第２吸気導入口１６、第１吸気吐出部としての第１吸気吐出口１７、及び第２吸気吐出部としての第２吸気吐出口１８が設けられている。この図に示したようにこれらは軸線Ａｘの周りに第１吸気導入口１５、第１吸気吐出口１７、第２吸気導入口１６、第２吸気吐出口１８の順番で並ぶように配置されている。ケース１１の排気側端部１１ｂには、第１排気導入部としての第１排気導入口１９、第２排気導入部としての第２排気導入口２０、第１排気吐出部としての第１排気吐出口２１、及び第２排気吐出部としての第２排気吐出口２２が設けられている。これらは軸線Ａｘの周りに第１排気導入口１９、第１排気吐出口２１、第２排気導入口２０、第２排気吐出口２２の順番で並ぶように配置されている。図３は圧力波過給機１０をロータ１２の回転方向に沿って展開した図を示している。なお、図３の破線Ｅは、圧力波過給機１０内における排気の動きを示している。また、セル１３は矢印Ｆ方向に順次移動する。この図に示したように第１吸気吐出口１７と第２排気導入口２０とは、セル１３を介して相互に通じるように配置されている。また、第２吸気吐出口１８と第１排気導入口１９も同様にセル１３を介して相互に通じるように配置されている。

図１に示したように吸気通路３は、導入通路３ａと、第１吸気案内通路３ｂと、第２吸気案内通路３ｃとを備えている。導入通路３ａは、不図示のエアクリーナから第１吸気導入口１５及び第２吸気導入口１６にそれぞれ空気を導くために設けられている。第１吸気案内通路３ｂは、第１吸気吐出口１７と第１気筒群の各気筒２ａの吸気ポートとを接続している。第２吸気案内通路３ｃは、第２吸気吐出口１８と第２気筒群の各気筒２ａの吸気ポートとを接続している。

排気通路４は、第１排気案内通路４ａと、第２排気案内通路４ｂと、排出通路４ｃとを備えている。第１排気案内通路４ａは、第１気筒群の各気筒２ａの排気ポートと第１排気導入口１９とを接続している。第２排気案内通路４ｂは、第２気筒群の各気筒２ａの排気ポートと第２排気導入口２０とを接続している。排出通路４ｃは、第１排気吐出口２１及び第２排気吐出口２２から排出された排気を集めて圧力波過給機１０よりも下流側に導くために設けられている。

各インジェクタ５及び電動モータ１４の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にてそれぞれ制御される。ＥＣＵ３０は、マイクロプロセッサ及びそのマイクロプロセッサの動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を備えたコンピュータとして構成され、エンジン１Ａに設けられた各種センサからの出力信号に基づいてエンジン１Ａの運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。ＥＣＵ３０には、エンジン１Ａのクランク軸の回転速度（回転数）に対応する信号を出力するクランク角センサ３１が接続されている。この他にもＥＣＵ３０には種々のセンサが接続されているがそれらの図示は省略した。

ＥＣＵ３０は、第１気筒群の各気筒２ａの空燃比が理論空燃比よりもリーンになり、かつ第２気筒群の各気筒２ａの空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように各インジェクタ５から噴射すべき燃料量を算出し、この算出した量の燃料が各気筒２ａ内にそれぞれ噴射されるように各インジェクタ５の動作を制御する。そのため、このエンジン１Ａでは、＃１、＃４の気筒２ａの空燃比が理論空燃比よりもリーンになり、＃２、＃３の気筒２ａの空燃比が理論空燃比よりもリッチになる。従って、エンジン１Ａでは、＃１、＃４の気筒がリーン気筒であり、＃２、＃３の気筒がリッチ気筒である。なお、このように各気筒２ａに噴射する燃料量を制御することにより、ＥＣＵ３０が本発明の空燃比制御手段として機能する。

また、ＥＣＵ３０は、図３に示したように各セル１３が、第１排気導入口１９、第２吸気吐出口１８、第１排気吐出口２１、第１吸気導入口１５、第２排気導入口２０、第１吸気吐出口１７、第２排気吐出口２２、第２吸気導入口１６の順番でこれらと接続されるように電動モータ１４の回転方向を制御する。そして、ＥＣＵ３０は、この際にエンジン１Ａの回転数に応じて電動モータ１４の回転数を制御する。具体的には、図１に矢印Ａで示したように第２排気導入口２０からセル１３内に導入された排気の一部が第１吸気吐出口１７から第１吸気案内通路３ｂに吐出され、かつ矢印Ｂで示したように第１排気導入口１９からセル１３内に導入された排気の一部が第２吸気吐出口１８から第２吸気案内通路３ｃに吐出されるようにエンジン１Ａの回転数に応じて電動モータ１４の回転数を制御する。これにより図３に示したように＃１、＃４の気筒２ａから排出された排気が＃２、＃３の気筒２ａに還流され、＃２、＃３の気筒２ａから排出された排気が＃１、＃４の気筒２ａに還流される。なお、このようにロータ１２の回転数を制御することにより、電動モータ１４及びＥＣＵ２０が本発明の回転数制御手段として機能する。

以上に説明したように、この第１の形態のエンジン１Ａによれば、第２排気導入口２０からセル１３内に導入された排気の一部が第１吸気吐出口１７から第１吸気案内通路３ｂに吐出されるようにロータ１２を回転せるので、圧力波過給機１０を介してリッチ気筒の排気をリーン気筒に還流することができる。周知のようにリッチ気筒の排気には、Ｈ_２やＣＯ等の燃焼促進剤が含まれているので、これらをリーン気筒に還流させることでリーン気筒の燃焼を促進させることができる。そのため、リーン気筒の燃焼状態が不安定になることを抑制できる。また、これによりリーン気筒の空燃比をさらにリーンにすることができるので、燃費をさらに改善できる。さらに、リーン気筒の燃焼温度を低下させることができるので、ＮＯｘを低減することができる。

また、このエンジン１Ａでは、第１気筒群の＃１、＃４の気筒２ａの排気を第１排気案内通路４ａでまとめ、第２気筒群の＃２、＃３の気筒２ａの排気を第２排気案内通路４ｂでまとめる。上述したように各気筒群の２つの気筒２ａの爆発時期は、それぞれ３６０°ＣＡずれている。そのため、このように気筒群毎に排気をまとめることにより、排気干渉を回避することができる。

（第２の形態）
図４は、本発明の第２の形態に係るエンジン１Ｂを概略的に示している。なお、この図において第１の形態と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。この図に示したようにこの形態では、機関本体２に６つの気筒２ａが設けられている。また、これら６つの気筒２ａは直列に配置されている。すなわち、エンジン１Ｂは、直列６気筒の４サイクルエンジンとして構成されている。なお、このエンジン１Ｂにおいても各気筒２ａにはそれらの並び方向一端から他端側に向かって＃１〜＃６の気筒番号を付して互いに区別する。

このエンジン１Ｂでは、爆発順序が＃１、＃５、＃３、＃６、＃２、＃４の順番に設定されている。また、これら気筒２ａの爆発時期はそれぞれ１２０°ＣＡずつずらされ、これにより１２０°ＣＡ毎の等間隔爆発が実現されている。すなわち、エンジン１Ｂでは、＃１、＃２、＃３の気筒２ａの爆発時期が２４０°ＣＡずつずらされ、＃４、＃５、＃６の気筒２ａの爆発時期が２４０°ＣＡずつずらされている。このエンジン１Ｂでは、＃１、＃２、＃３の気筒２ａが第１気筒群としてまとめられ、＃４、＃５、＃６の気筒２ａが第２気筒群としてまとめられる。

このエンジン１Ｂにおいても、第１吸気案内通路３ｂは第１吸気吐出口１７と第１気筒群の各気筒２ａの吸気ポートとを接続し、第２吸気案内通路３ｃは第２吸気吐出口１８と第２気筒群の各気筒２ａの吸気ポートとを接続している。また、第１排気案内通路４ａは第１気筒群の各気筒２ａの排気ポートと第１排気導入口１９とを接続し、第２排気案内通路４ｂは第２気筒群の各気筒２ａの排気ポートと第２排気導入口２０とを接続している。

また、ＥＣＵ３０は、第１気筒群の各気筒２ａの空燃比が理論空燃比よりもリーンになり、第２気筒群の各気筒２ａの空燃比が理論空燃比よりもリッチになるように各インジェクタ５の動作を制御する。そのため、この形態では、＃１、＃２、＃３の気筒２ａがリーン気筒となり、＃４、＃５、＃６の気筒２ａがリッチ気筒となる。以上で説明した以外の部分は上述した第１の形態と同じである。そのため、説明を省略する。

この第２の形態のエンジン１Ｂにおいても、圧力波過給機１０を介してリッチ気筒の排気をリーン気筒に還流することができるので、リーン気筒の燃焼状態が不安定になることを抑制できる。そして、これによりリーン気筒の空燃比をさらにリーンにすることができるので、燃費を改善できる。また、リーン気筒の燃焼温度を低下させてＮＯｘを低減できる。

エンジン１Ｂでは、爆発時期が２４０°ＣＡずつずれた気筒２ａの排気を共通の排気案内通路４ａ、４ｂでまとめる。そのため、このエンジン１Ｂでも排気干渉を回避することができる。

なお、このエンジン１Ｂにおける各気筒２ａの爆発順序は、上述した順序に限定されない。例えば、各気筒２ａの爆発順序が＃１、＃４、＃２、＃６、＃３、＃５の順番に設定されていてもよい。この場合でも、＃１、＃２、＃３の気筒２ａの爆発時期が２４０°ＣＡずつずれ、＃４、＃５、＃６の気筒２ａの爆発時期が２４０°ＣＡずつずれる。そのため、この場合も上述した形態と同様の作用効果を得ることができる。

本発明は、上述した各形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本発明が適用される内燃機関は、６気筒又は８気筒のものに限定されない。例えば、１０気筒、１２気筒の内燃機関に適用してもよい。また、直列型内燃機関に限定されず、Ｖ型内燃機関に本発明を適用してもよい。さらに、燃焼を直接気筒内に噴射する直噴式の内燃機関に限定されず、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関に適用してもよい。

圧力波過給機のロータは、機関本体のクランク軸の回転を利用して回転駆動してもよい。この場合、クランク軸からロータまでの間の動力伝達経路中に無段変速機等の変速機構を設け、これによりロータの回転数を変更する。この場合、変速機構及びＥＣＵが本発明の回転数制御手段に相当する。

１Ａ、１Ｂ 内燃機関
２ａ 気筒
３ｂ 第１吸気案内通路
３ｃ 第２吸気案内通路
４ａ 第１排気案内通路
４ｂ 第２排気案内通路
１０ 圧力波過給機
１１ ケース
１２ ロータ
１３ セル
１４ 電動モータ（回転数制御手段）
１５ 第１吸気導入口（第１吸気導入部）
１６ 第２吸気導入口（第２吸気導入部）
１７ 第１吸気吐出口（第１吸気吐出部）
１８ 第２吸気吐出口（第２吸気吐出部）
１９ 第１排気導入口（第１排気導入部）
２０ 第２排気導入口（第２排気導入部）
２１ 第１排気吐出口（第１排気吐出部）
２２ 第２排気吐出口（第２排気吐出部）
３０ エンジンコントロールユニット（空燃比制御手段、回転数制御手段）
Ａｘ 軸線

Claims (4)

1. 第１気筒群と第２気筒群とに分けられる複数の気筒と、
   軸線回りに回転可能なようにケース内に設けられたロータと、前記ケースの前記軸線方向の一方の端部から他方の端部まで貫通するように前記ケース内に設けられて前記ロータと一体に回転する複数のセルと、を有し、前記ケースの前記一方の端部には、第１吸気導入部、第２吸気導入部、第１吸気吐出部、及び第２吸気吐出部が開口し、前記ケースの前記他方の端部には、第１排気導入部、第２排気導入部、第１排気吐出部、及び第２排気吐出部が開口している圧力波過給機と、
   前記第１気筒群の各気筒の吸気ポートと前記第１吸気吐出部とを接続する第１吸気案内通路と、
   前記第１気筒群の各気筒の排気ポートと前記第１排気導入部とを接続する第１排気案内通路と、
   前記第２気筒群の各気筒の吸気ポートと前記第２吸気吐出部とを接続する第２吸気案内通路と、
   前記第２気筒群の各気筒の排気ポートと前記第２排気導入部とを接続する第２排気案内通路と、
   前記第１気筒群及び前記第２気筒群のうちの一方の気筒群の各気筒の空燃比が理論空燃比よりもリーンとなり、他方の気筒群の各気筒の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように各気筒の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を備え、
   前記第１吸気吐出部、前記第２吸気吐出部、前記第１排気導入部、及び前記第２排気導入部は、前記第１吸気案内通路と前記第２排気案内通路とが前記セルを介して連通し、前記第２吸気案内通路と前記第１排気案内通路とが前記セルを介して連通するように前記ケースにそれぞれ設けられている内燃機関。
2. 前記第１気筒群の各気筒から排出された排気が前記圧力波過給機を介して前記第２気筒群の各気筒に導入され、かつ前記第２気筒群の各気筒から排出された排気が前記圧力波過給機を介して前記第１気筒群の各気筒に導入されるように前記ロータの回転数を制御する回転数制御手段をさらに備えている請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記気筒を４つ備えるとともにそれら４つの気筒が直列に配置され、かつ外側の一対の気筒間の爆発時期がクランク角にして３６０°ずれるように爆発順序が設定された等間隔爆発式の直列４気筒４サイクル式の内燃機関であり、
   前記第１気筒群は外側の一対の気筒であり、かつ前記第２気筒群は内側の一対の気筒である請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記気筒を６つ備えるとともにそれら６つの気筒が直列に配置された等間隔爆発式の直列６気筒４サイクル式の内燃機関であり、
   前記第１気筒群は爆発時期がクランク角にして２４０°ずつずれた３つの気筒であり、前記第２気筒群は残りの３つの気筒である請求項１又は２に記載の内燃機関。

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