JP2013050032A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造であっても燃焼室に混合機を隈無く充填し得る内燃機関を提供する。
【解決手段】本発明に係るエンジンは、自動車に搭載される直列二気筒エンジンであり、第１気筒１ａの行程と第２気筒１ｂの行程とがちょうど３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差を持って同期するものである。また、第１の気筒１ａの排気ポート２１ａと第２気筒１ｂの排気ポート２１ｂとが接続されており、排気カム２７の隆起部２９によって排気バルブ２３ａ、２３ｂが吸気下死点（ＢＤＣ）近傍で一時的に開弁するようにしている。そして排気ポート２１ａ、２１ｂがシリンダ軸であるピストン３１の動作方向に沿って設けられていることを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を有する内燃機関に関する。

自動車等に搭載される内燃機関では、排気ガスの一部を吸気系に還流する排気ガス再循環を行っているものがある。そのなかには、吸気系と排気系とを外部ＥＧＲ通路を介して連通し、当該ＥＧＲ通路を通じて排気ガスの一部を吸気系に還流する排気ガス再循環を行っている、いわゆる外部ＥＧＲと呼ばれるものの他、吸気行程の期間に排気バルブを開弁するように構成し、排気ポートから排気ガスを燃焼室に導入する内部ＥＧＲと呼ばれるものがある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら上述した特許文献１記載のものであると、排気ポートの下流側に排気制御弁を設けるなどにより構造が複雑なものとなってしまうという不具合がある。

ところで、これまでの内燃機関では、燃焼室に導入される混合機を燃焼室内に均質に行き渡らせ、少ない燃料でも正常に燃焼し得るものとすべく、燃焼室内の縦方向の気流であるタンブル流や、燃焼室内の横方向の気流であるスワール流を強くする技術等が種々提案されてきた。

そして現在でも、上述したような内部ＥＧＲを行なう内燃機関において、燃焼室に導入される混合気を隈無く充填することが、燃費の向上という観点からも要求されている。

実開平１−１３６６６６号公報

本発明は、上述したような点に着目したものであり、簡素な構造であっても燃焼室に混合機を隈無く充填し得る内燃機関を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係る内燃機関は、多気筒の内燃機関であって、前記気筒に少なくとも１つ以上の吸気バルブと排気バルブとを設け、膨張行程にある一の気筒の排気ポートと吸気行程にある他の気筒の排気ポートとが接続されており、接続された排気ポートに連続する排気バルブが、排気行程とは別に吸気下死点近傍若しくは吸気行程中で他の気筒で排気を開始するタイミングで開弁し、前記排気ポートをシリンダ軸方向に沿って設けることを特徴する。

このようなものであれば、吸気行程にある一の気筒の排気ポートに連続する排気バルブが開弁したときには排気工程にある他の気筒の排気ポートからの排気ガスが勢い良く導入されるとともに、排気ポートをシリンダ軸方向に沿って設けてあるので排気ポートから導入された排気ガスはシリンダの軸方向に沿って吸気とともに勢い良く流れ、その結果燃焼室内に強いタンブル流が形成される。この強いタンブル流により混合気が燃焼室内に隈無く且つ速やかに行き渡るようになる。その結果、燃焼速度が向上するとともに、少ない燃料であっても燃焼室内で確実に行き渡り、正常な燃焼を可能となるので、燃費の向上に資するものとなる。

本発明によれば、簡素な構造であっても燃焼室に混合気を隈無く充填し得る内燃機関を提供する内燃機関を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る内燃機関の模式的な構成図。 同実施形態に係る模式的な他の構成図。 同実施形態に係る要部の正面図。 図３に係る平面図。 図３に係る斜視図。 同実施形態に係るタイムチャート。 同他のタイムチャート。 同実施形態に係る作用説明図。 同実施形態に係る他の作用説明図。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

図１に何れかの気筒１ａ、１ｂの構成を概略的に示したこの実施形態の内燃機関たるエンジンは、自動車に搭載される直列二気筒エンジンであり、第１気筒１ａの行程と第２気筒１ｂの行程とがちょうど３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差を持って同期する。

具体的には、吸気系３において図示しないサージタンクに供給された吸入空気は、吸気ポート５及び吸気バルブ７ａ、７ｂを介して燃焼室９内に吸入される。燃焼室９の天井にはインジェクタ１１及び点火プラグ１３が設けてある。また本実施形態ではインジェクタ１１を、燃焼室９に対し横方向又は傾斜方向に燃料を噴射し得る、所謂横置き式としている。また吸気バルブ７ａ、７ｂは吸気カムシャフト１５に設けられた吸気カム１７にその上部がそれぞれ摺接しており、吸気カムシャフト１５の回転により吸気カム１７の回転に応じて所定のタイミングで開閉する。

一方排気系１９には、燃焼室９から排気ポート２１ａ、２１ｂ及び排気バルブ２３ａ、２３ｂを介して排気ガスが排出される。そして排気バルブ２３ａ、２３ｂは排気カムシャフト２５に設けられた一対のリフト手段である排気カム２７にその上部がそれぞれ摺接しており、排気カムシャフト２５の回転により排気カム２７の回転に応じて所定のタイミングで開閉する。そして本実施形態の排気カム２７は、排気カムシャフト２５を軸方向へ移動させることにより、内部ＥＧＲを実行するための隆起部２９を２３ａ、２３ｂの上部に摺接させて一時的に排気ガスを環流させ得る環流領域２７ａと、隆起部を吸気バルブの上部に摺接させずに環流させない非環流領域２７ｂと有するものである。当該排気カム２７の具体的な構成については後に詳述する。

そして図２において当該エンジンの各気筒１ａ、１ｂ及び吸気系３、排気系１９を平面視で模式的に示している。同図に示す通り、このエンジンは吸気ポート５、排気ポート２１をそれぞれ気筒１ａ、１ｂに対して１つずつ、点火プラグ１３を境に対向するように設けたものとしている。すなわち第１気筒１ａは排気バルブ２３ａ及び吸気バルブ７ａを有している。第２気筒１ｂも同じく、排気バルブ２３ｂ及び吸気バルブ７ｂを有している。また、第１の気筒１ａの排気ポート２１ａと第２気筒１ｂの排気ポート２１ｂとが接続されている。

このような構成において、吸気バルブ７ａ、７ｂのバルブタイミングは、図示しない電子制御装置から出力される開閉タイミング信号により可変バルブタイミング機構が作動して変更されるものである。すなわち、可変バルブタイミング機構は、開閉タイミング信号を受けると、ハウジングに流出入する作動油の方向及び量をオイルコントロールバルブにより制御する。これにより、ロータに対するハウジングの相対角度が変化し、吸気カムシャフト１５と排気カムシャフト２７との間に所望の回転位相差を生じさせて、バルブタイミングを可変制御するものである。つまり、クランクシャフトの回転に対して、排気バルブ２ａ、２３ｂを常に一定のタイミングで開閉させつつ、吸気バルブ７ａ、７ｂの開閉タイミングを変化させることにより、吸気バルブ７ａ、７ｂの開閉タイミングと排気バルブ２ａ、２３ｂの開閉タイミングとの相対位相差を所定角度範囲内で自在に変化させることができる。

可変バルブタイミング機構は、例えば作動油により作動する機械式のもので、電子制御装置により制御されて、吸気バルブ７ａ、７ｂの開閉タイミング（バルブタイミング）を制御できるものである。すなわち、電子制御装置が出力する信号により、作動油が制御されて作動するものである可変バルブタイミング機構は、吸気バルブ３７を全開にする作動中心を、ピストン３１が最上位置となる排気上死点に対して進角及び遅角する。可変バルブタイミング機構は、排気バルブ２３ａ、２３ｂと吸気バルブ７ａ、７ｂとの開弁期間が重なり合うバルブオーバーラップを、吸気バルブ７ａ、７ｂのバルブタイミングを制御することにより達成する。

しかして本実施形態では、排気カム２７の形状を以下のようにすることにより、排気バルブ２３ａ、２３ｂが、排気行程とは別に吸気下死点近傍若しくは吸気行程中で他の気筒１ｂ、１ａで排気を開始するタイミングで開弁するようにしている。以下、排気カム２７の具体的な構成について説明する。

排気カム２７は上述したように、排気カムシャフト２５を軸方向へ移動させることにより、内部ＥＧＲを実行するための隆起部２９を排気バルブ７の上部に摺接させて一時的に排気ガスを環流させ得る環流領域２７ａと、隆起部２９を排気バルブの上部に摺接させずに環流させない非環流領域２７ｂと有するものである。

図３乃至図５に示すように、隆起部２９は、排気カム２７のカム本体３３から長手方向において約半分の領域すなわち環流領域２７ａにおいて、角度位相がカム本体３３の頂部３５よりも９０°異ならせて設けてある、そしてこの隆起部２９の隆起量は、カム本体３３の頂部３５の隆起量よりも小さい寸法に設定してある。つまり隆起部１９によって開弁する排気バルブ２３ａ、２３ｂのバルブリフト量は、排気行程にある排気カム２７のそれよりも小さい。

続いて、図６及び図７が各気筒１ａ、１ｂにおける吸気バルブ７ａ、７ｂ、排気バルブ２３ａ、２３ｂのバルブリフト曲線を示している。以下、各バルブ７ａ、７ｂ、２３ａ、２３ｂの動作について具体的に説明する。なお同図では、エンジンが中負荷時におけるバルブリフト曲線を示している。この中負荷時には、吸気バルブ７ａ、７ｂ、開弁タイミングと排気バルブ２３ａ、２３ｂの開弁タイミングとが一時的に重なるバルブオーバーラップを実現するとともに、排気カム２７の隆起部２９によって排気バルブ２３ａ、２３ｂが吸気下死点（ＢＤＣ）近傍で一時的に開弁するようにしている。これにより速やかな吸気の充填とより高いＥＧＲ率又はＥＧＲ量の達成を両立させている。

まず第１気筒１ａにおいて、膨張行程中に排気バルブ２３ａが開く。他方、排気バルブ２３ａが開くと同じタイミングで第２気筒１ｂの排気バルブ２３ｂに対し排気カム２７が環流領域２７ａで摺接するようにして隆起部２９に摺接させ、開弁するようにしている。このとき第２気筒１ｂは吸気行程中で吸気バルブ７ｂも開状態である。そして第２気筒１ｂの排気バルブ２３ｂの開弁量が、吸気下死点（ＢＤＣ）で最大となるようにしている。第１気筒１ａの排気工程中に第２気筒１ｂの排気バルブ２３ｂは閉じるが、第１気筒の排気バルブ２３ａはそのまま通常の排気バルブと同じ動作を続ける。一方第２気筒１ｂで開いた吸気バルブ７ｂ及び排気バルブ２３ｂは圧縮行程中にほぼ同時に閉じる。

このようにすると、上記の第１気筒１ａの排気バルブ２３ａからの排気ガスは、吸気行程中の第２気筒１ｂの排気バルブ２３ｂを通じて直接吸入される。第１気筒１ａの排気バルブ２３ａは膨張行程による高圧、第２気筒１ｂの排気バルブ２３ｂはピストンが下降することによる吸入圧で、両排気ポート２１ａ、２１ｂで間大きな差圧が得られ、その結果、多量の排気ガスを導入することができる。

そして第２気筒１ｂにおいても第１気筒１ａ同様、膨張行程中に排気バルブ２３ｂが開く。他方、排気バルブ２３ａが開くと同じタイミングで第１気筒１ａの排気バルブ２３ｂも上部が隆起部２９に当接することによって開くようにしている。そして第２気筒１ｂの排気工程中に第１気筒１ａの排気バルブ２３ａは閉じるが、第２気筒の排気バルブ２３ｂはそのまま通常の排気バルブと同じ動作を続ける。一方第１気筒１ａで開いた排気バルブ２３ａは圧縮行程中に吸気バルブ７ａとほぼ同時に閉じる。

すなわち、上記の第２気筒１ｂの排気バルブ２３ｂから導入された排気ガスは、吸気行程中の第１気筒１ａの排気バルブ２３ａを通じて直接吸入される。第２気筒１ｂの排気バルブ２３ｂは膨張行程による高圧、第１気筒１ａの排気バルブ２３ａはピストンが下降することによる吸入圧で、大きな差圧が得られ、その結果上記同様両排気ポート２１ａ、２１ｂで間大きな差圧が得られ、やはり多量のＥＧＲガスを外部配管無しに導入している。

この図６及び図７では、バルブオーバーラップ及び隆起部２９による排気バルブの開弁とを同時に実行する中負荷時の態様を図示したものであるが、本実施形態に係るエンジンでは、低負荷時及び高負荷時では同図に破線で示すように、吸気バルブのバルブタイミングを破線で示すタイミングとしてバルブオーバーラップを行なわないようにして異常燃焼を抑制している。また高負荷時では、排気カムが排気バルブ２３ａ、２３ｂに対し非環流領域２７ｂで摺接するようにして、さらに隆起部２９による排気バルブ２３ａ、２３ｂの開弁を行なわないようにしている。

ここで、本実施形態に係るエンジンは、排気ポート２１ａ、２１ｂをシリンダ軸であるピストン３１の動作方向に沿って設けることにより、低負荷時並びに中負荷時では、燃焼室９内で起こるタンブル流ｔｂ及びスワール流ｓｗをより強化せしめていることを特徴とするものである。

図８では第１気筒１ａが吸気下死点にある状態を平面から模式的に示し、図９では第２気筒１ｂが吸気下死点にある状態を平面から模式的に示している。

先ず図８に示すように吸気下死点において排気バルブ２３ａが開くと、膨張下死点にある第１気筒の排気バルブ２３ｂから排気ポート２１ａ、２１ｂを介して高温のＥＧＲガスｅｇが多量に導入される。この高温のＥＧＲガスｅｇは燃焼室９の外周部９ａを伝って導入される。これにより、吸気バルブ７ａから導入された吸気により起こるタンブル流ｔｂが排気バルブ２１ａ側の外周部９ａでのＥＧＲガスｅｇの流れに促され、より強いものとなる。またこのとき、インジェクタ１１から噴射された燃料ｆｕはタンブル流ｔｂ及びＥＧＲガスｅｇの流れによって排気バルブ２３ａ側の外周部９ａに付着することが抑制される。また既に外周部９ａに付着した燃料ｆｕも高温のＥＧＲガスｅｇに触れることによって気化することで再び混合気と混ざることとなり燃焼に供される。そのため、付着した燃料がオイルと混ざってしまうことが有効に回避されるとともに、燃料ｆｕの消費が抑えられる。

続いて図９に平面視で示すように、第２気筒１ｂにおいて吸気ポート７ｂから導入された吸気は燃焼室９の外周部９ａを伝って図示反時計回りのスワール流ｓｗを形成する。このとき、排気ポート２１ｂから導入される排気ガスも同じく図示反時計回りに流れる補助スワール流ｓｗ２を形成する。これにより上記のスワール流ｓｗ１がより強いものとなる。

以上のような構成とすることにより、本実施形態に係るエンジンは、吸気行程にある第１気筒１ａの排気ポート２１ａに連続する排気バルブ２３ａが開弁したときには排気工程にある第２気筒１ｂの排気ポート２１ｂからの排気ガスつまりＥＧＲガスｅｇが勢い良く導入されるとともに、排気ポート２１ａの形状をシリンダ軸方向つまりピストン３１の動作方向に沿った形状に設けてあるので排気ポート２１ａから導入されたＥＧＲガスｅｇは下方向沿って吸気とともに勢い良く流れ、その結果燃焼室９内に強いタンブル流ｔｂが形成される。この強いタンブル流ｔｂにより混合気が燃焼室９内に隈無く且つ速やかに行き渡るようになる。その結果、燃焼速度が向上するとともに、少ない燃料であっても燃焼室９内で確実に行き渡り、正常な燃焼を可能となる。すなわち、燃費の向上に資するものとなる。

特に本実施形態では、気筒１ａ、１ｂ毎に１つずつ設けた吸気ポート７ａ、７ｂ及び排気ポート２１ａ、２１ｂを、平面視で点火プラグ１３を境に対向するように設けているので、排気ポート２１ａ、２１ｂから導入されるＥＧＲガスｅｇ（図８）による補助スワール流ｓｗ２（図９）が吸気ポート７ａ、７ｂから導入される吸気によるスワール流ｓｗをより強いものとしている。これにより、混合気はより速やかに燃焼室９内に充填されるとともに、より安定した燃焼を実現せしめている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態では筒内噴射式のエンジンとしたが、勿論ポート噴射型のエンジンに本発明を適用しても良い。また上記実施形態では直列二気筒エンジンに対して本発明を適用した態様を開示したが、勿論、二気筒のエンジンに限られるものではない。例えば直列４気筒エンジンであれば、点火順序を第１気筒、第３気筒、第２気筒そして第４気筒の順とするとともに、隣り合う第１気筒、第２気筒及び第３気筒、第４気筒の行程とがちょうど３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差を持って同期するものとすれば、上記実施形態の如く本発明を適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を有する内燃機関として利用することができる。

１ａ、１ｂ…気筒
７ａ、７ｂ…吸気バルブ
２３ａ、２３ｂ…排気バルブ
２１ａ、２１ｂ…排気ポート

Claims (1)

1. 多気筒の内燃機関であって、
   前記気筒に少なくとも１つ以上の吸気バルブと排気バルブとを設け、
   膨張行程にある一の気筒の排気ポートと吸気行程にある他の気筒の排気ポートとが接続されており、
   接続された排気ポートに連続する排気バルブが、排気行程とは別に吸気下死点近傍若しくは吸気行程中で他の気筒で排気を開始するタイミングで開弁し、
   前記排気ポートをシリンダ軸方向に沿って設けることを特徴する内燃機関。

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