JP2022081083A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲガスを取り込みできる領域を中・高出力域まで拡大する。【解決手段】吸気ポート７に、ＥＧＲ分配通路から分岐したＥＧＲガス噴出口２２と、流量を絞る流量制御バルブ２３とが配置されている。流量制御バルブ２３は、吸気行程の初期に閉じ姿勢になり、それ以降は全開状態になっている。吸気行程の初期に新気の流速が速くなることにより、強いエゼクタ効果が発揮されて必要な量のＥＧＲガスがシリンダボア３に流入する。その後は流量制御バルブ２３が全開姿勢に移行して、新気は抵抗なく流入する。これにより、出力を上げることができる。従って、ＥＧＲシステムの効果を中・高出力域まで拡大して享受できる。【選択図】図３

Description

本発明は、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関に関するものである。

ガソリン機関やディーゼル機関のような内燃機関において、燃費向上や排気ガス浄化促進等のために排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させることは広く行われている。ＥＧＲガスの還流は、一般に、スロットルバルブが全開していないパーシャル運転領域で行われている。

例えば特許文献１には、吸気ポートのうち下流側の部位を隔壁（仕切り板）で仕切られた上下の通路に形成すると共に、吸気ポートのうち隔壁よりも上流側の部位にＥＧＲガスを下向きに噴出させる噴出口を設け、かつ、吸気ポートの内部のうち隔壁よりも上流側の部位に、パーシャル運転領域において、ＥＧＲガスを吸気ポートに噴出させると共に、隔壁で仕切られた上下の通路のうち下方の通路を塞ぐロータリーバルブを配置することが開示されている。

この特許文献１においては、パーシャル運転領域では、新気が隔壁の上方の通路を流れることによってタンブル流の生成が強化されると共に、ＥＧＲガスを取り込んで燃費向上等を図ることができる一方、全開運転領域では、吸気ポートの内部空間を吸気通路としてフルに利用することによって出力を確保し、かつ、ＥＧＲガス噴出口をロータリーバルブで塞ぐことにより、各吸気ポートがＥＧＲ分配通路を介して連通する現象を無くして、慣性過給を利用した新気の押し込みを確実化できる。

他方、特許文献２には、内部を上下に区分する隔壁を有する吸気ポートにおいて、隔壁の上流側の部位に回動式のタンブルコントロールバルブを配置し、ＥＧＲガス量が少ない軽負荷領域ではタンブルコントロールバルブを閉じて燃焼を促進し、ＥＧＲガスが多い高負荷領域では圧力損失を低減するためタンブルコントロールバルブを開くことが開示されている。

特許文献２では、タンブルコントロールバルブを閉じると流速が速くなり、エゼクタ効果（ベンチュリ効果）によってＥＧＲガスの吸引量が増大する。従って、特許文献２でも、軽負荷領域（パーシャル領域）ではＥＧＲガスの取り込み量が多く、全開領域ではＥＧＲガス取り込み量は少なくなると解される。

特開２００５－１８０３０９号公報 特開２０１３－２４１８３４号公報

さて、特許文献１，２とも、スロットルバルブが全開していない低出力領域にＥＧＲガスを気筒に導入するようになっており、特許文献２では、パーシャル領域では吸気行程の全域にわたって新気の流路面積を絞ることにより、ＥＧＲガス噴出口に作用する負圧を最大化している。従って、吸気の導入量増大とＥＧＲガスの導入量増大とが相反している。

他方、排気ガスの浄化促進や燃費向上というＥＧＲシステムの趣旨に照らすと、中・高出力域においても相応量のＥＧＲガスを導入するのが望ましいが、上記のとおり、従来技術は、いわば新気の導入を犠牲にしてＥＧＲガスを導入しているものであり、中・高出力域においてＥＧＲガスを導入することは困難であった。

この点については、排気ターボ過給機等の過給機を設けて、新気を強制的に圧送するという対応策があるが、過給機を設けるとそれだけコストが嵩むという別の問題が浮上することになる。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明はＥＧＲ装置を備えた内燃機関に係り、この内燃機関は、
「吸気バルブによって終端が開閉される吸気ポートに、ＥＧＲガス噴出口と流量制御バルブとを設けており、前記吸気ポートが開いた吸気行程で前記流量制御バルブを閉じると、前記ＥＧＲガス噴出口に作用する負圧増大によりＥＧＲガスの噴出が助長される」
という基本構成において、
「前記流量制御バルブが、吸気行程の前半中に閉じてその後は開くように制御される」
という特徴を備えている。

本願発明において、流量制御バルブは、閉じ作動と開き作動とが速やかに行われてもよいし、閉じ作動と開き作動とが徐々に行われてもよい。或いは、急激に閉じて徐々に開くといった作動態様やその逆の作動態様も採用できる。更に、流量制御バルブは、閉じた状態を常態として、吸気行程でのみ開くことも可能である。

流量制御バルブは、吸気ポートを横切る方向に長い回転軸に弁板を設けたバタフライ弁方式や、吸気ポートの内周部の一部を支点に弁板が回動するフラップ方式など、様々な構造を採用できる。バタフライ弁方式の場合、回転軸を挟んだ両側に弁板を設けた全翼タイプのみならず、回転軸を挟んだ片側のみに弁板を設けた半翼タイプも採用できる。

更に、多気筒内燃機関の場合、各気筒に対応したＥＧＲガス噴出口を１本の回転軸によって制御することも可能であるし、個々の流量制御バルブを電動モータ等のアクチュエータによって個別に制御することも可能である。ＶＶＴ（可変バルブタイミング制御装置）を備えている場合、流量制御バルブはＶＶＴに連動させるのが好ましい。

吸気ポートは１つの気筒に対応して２つ配置されているのが一般的であるが、この場合、両方の吸気ポートに流量制御バルブを配置してもよいし、一方の吸気ポートのみに流量制御バルブを配置することも可能である（この場合は、ＥＧＲガス噴出口は、少なくとも流量制御バルブを設けた吸気ポートに開口させたらよい。）。

本願発明では、吸気行程の前半の段階において吸気ポートの流量が絞られることにより、吸気行程の前半の段階に強いエゼクタ効果が現れてＥＧＲガスの取り込みが促進される。これにより、必要な量のＥＧＲガスを気筒に取り込むこができる。そして、吸気行程の少なくとも後半の段階で流量制御バルブは開いているため、吸気ポートは全開状態になっていて新気を抵抗なくシリンダボアにスムースに取り込まれる。

このように、本願発明では、ＥＧＲガスの導入量の確保と新気の導入量増大とを両立できるため、ＥＧＲシステムの利点を享受しつつ出力を上げることができる。従って、ＥＧＲシステムによる排気ガスの浄化促進や燃費向上の効果を享受できる運転領域を拡大できる。

しかも、ＥＧＲガスは大半が吸気行程の前半の段階で気筒に流入するため、ＥＧＲガスは後から気筒に流入した新気によって強い攪拌作用を受けることになり、これにより、新気とＥＧＲガスとの混合性を高めて完全燃焼化を促進できる。この面でも、排気ガスの浄化促進や燃費向上の効果を享受できる範囲を助長できる。

第１実施形態をクランク軸線方向から見た縦断正面図で、図２（Ａ）のI-I 視断面図である。 （Ａ）は吸気ポートと気筒と流量制御バルブとの配置関係を示す模式的な平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視断面図である。 （Ａ）は吸気行程の前半段階での縦断正面図、（Ｂ）は行程と負圧との関係を示すグラフ、（Ｂ）は流量制御バルブの開閉タイミングを示すグラフである。 吸気行程の後半段階での縦断正面図である。 第２実施形態の縦断正面図である。 第３実施形態の部分図である。 （Ａ）は第４実施形態の縦断正面図、（Ｂ）は第５実施形態の縦断正面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向、左右方向はクランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向として定義している。前と後ろについては、カム軸を駆動するタイミングチェーンが配置されている側を前、トランスミッションが配置されている側を後ろとしている。念のため、図２に方向を明示している。

(1).第１実施形態の基本構造
まず、図１～４に示す第１実施形態を説明する。図２のとおり、本実施形態の内燃機関は３気筒であり、図１に示すように、内燃機関は、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２とを備えており、シリンダブロック１には３つのシリンダボア３が一列に並べて形成されて、これらにそれぞれピストン４（図２参照）が摺動自在に嵌まっている。図２（Ａ）に示すように、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２の前面には、カム軸を駆動するためのタイミングチェーン（図示せず）を覆うフロントカバー５が固定されている。

図１のとおり、シリンダヘッド２は、各シリンダボア３と同心の凹所（燃焼室）６が形成されており、吸気ポート７と排気ポート８とが凹所６に開口している。吸気ポート７及び排気ポート８は１つの気筒の箇所に前後一対ずつ形成されており、吸気ポート７の終端は吸気バルブ９で開閉され、排気ポート８の始端は排気バルブ１０で開閉される。バルブ９，１０はばね１１，１２で上向きに付勢されている。

図２（Ａ）のとおり、本実施形態では、一対の吸気ポート７はそれぞれ全長に亙って独立しており、その始端はシリンダヘッド２の吸気側面２ａに開口している。また、シリンダヘッド２の吸気側面２ａには吸気マニホールド１４が固定されている。吸気マニホールド１４における１本の枝管と一対の吸気ポート７とはセットになっており、１本の枝管から一対の吸気ポート７に新気が送気される。

各吸気ポート７には、インジェクタ１５から燃料が斜め下向きに噴射される。インジェクタ１５は吸気マニホールド１４に取り付けているが、シリンダヘッド２に取り付けることも多い。燃料が吸気ポート７の下面に付着するポートウエット現象を防止するためには、インジェクタ１５をできるだけ吸気ポート７の内部に入り込ませて、燃料を吸気ポート７の出口に向けて（燃焼室に向けて）噴射するのが有効であるが、この場合は、インジェクタ１５はシリンダヘッド２に取り付けることになる。

図１に示すように、シリンダヘッド２のうち凹所６の中央部にはイグニッションホール１５が開口しており、イグニッションホール１５に点火プラグ（図示せず）が装着されている。

シリンダヘッド２のうち吸気ポート７の下方部でかつ凹所６に近い部位に吸気側下部ウォータジャケット１７が形成され、凹所６の上方部にはセンターウォータジャケット１８が形成され、排気ポート８の下方部には排気側下部ウォータジャケット１９が形成されている。また、図示していないが、排気ポート８の上方部には排気側上部ウォータジャケットが形成されている。

(2).ＥＧＲ装置
例えば図１に示すように、シリンダヘッド２のうち吸気ポート７の下方部に、クランク軸線方向に長く延びるＥＧＲ分配通路２１が形成されており、ＥＧＲ分配通路２１から、ＥＧＲガスを吸気ポート７に噴出させるためのＥＧＲガス噴出口２２が分岐している。

なお、ＥＧＲ分配通路２１及びＥＧＲガス噴出口２２のうちいずれか一方又は両方は、鋳造に際して形成してもよいしドリル加工によって形成してもよい。ドリル加工で形成する場合は、外向きに開口した部分はプラグで塞ぐことになる。吸気側下部ウォータジャケット１７は、ＥＧＲ分配通路２１を下方から部分的に囲うように形成されている。

各吸気ポート７のうちＥＧＲガス噴出口２２よりも上流側の部位に、流量制御バルブ２３を配置している。図２に示すように、流量制御バルブ２３は前後長手の回転軸２４の上下に弁板を設けた全翼タイプのバタフライ弁であり、各気筒に対応した３対の流量制御バルブ２３は、前後方向から互いに姿勢を変えた状態で回転軸２４に固定されている。

図２（Ｂ）に示すように、吸気ポート７は円形に形成されている一方、流量制御バルブ２３も円形に形成されているが、流量制御バルブ２３の外径は吸気ポート７の内径よりもかなり小さい寸法になっている。従って、流量制御バルブ２３が閉じきった姿勢であっても、流量制御バルブ２３の外側にリーク通路が形成されて、新気は流速を速めた状態で吸気ポート７を通過する。

なお、吸気ポート７は、略四角形や楕円形などの形状であってもよい。流量制御バルブ２３の形状も、吸気ポート７の形状に併せて略四角形や楕円形などに形成可能である。また、流量制御バルブ２３の全閉状態で当該流量制御バルブ２３の外周と吸気ポート７の内周とに殆ど隙間がない状態に形成して、流量制御バルブ２３にリーク通路（リーク穴）を形成することも可能である。図２（Ｂ）において符号２５で示すのは、軸受けスリーブである。

４サイクル３気筒内燃機関では、各気筒の行程はクランク軸の回転角度で２４０度ずつずれており、カム軸はクランク軸の１／２に減速されて回転する。そして、カム軸のカムは、周方向に１２０度ずつずれた状態で形成されている。流量制御バルブ２３は吸気バルブ９の動きに連動して作動しており、各気筒に対応した３対の吸気バルブ９は、位相を１２０度異ならせた状態で回転軸２４に固定されている。

回転軸２４を回転駆動する方法は様々な態様を選択できるが、一例として、図２（Ａ）に示すように、回転軸２４の一端部をシリンダヘッド２の前方に突出させて、前向き突出部に従動スプロケット２２ａを固定し、タイミングチェーンで駆動される主動スプロケット（図示せず）で駆動することが可能である。主動スプロケットの歯数と従動スプロケット２２ａの歯数とを選択することにより、回転軸２４をカム軸と同期して駆動できる。なお、回転軸２４は、ギアで駆動したりモータで駆動したりすることも可能である。

吸気バルブ９がＶＶＴ装置によって進角又は遅角制御される場合は、回転軸２４は吸気用カム軸によって駆動したらよい。或いは、回転軸２４を電動モータで駆動することも可能である。

図２（Ａ）から理解できるように、シリンダヘッド２の後端部には、排気側面に開口したＥＧＲ取り込み通路２７が左右方向に長い姿勢で形成されており、ＥＧＲ取り込み通路２７の終端（下流端）とＥＧＲ分配通路２１の始端とが、ＥＧＲバルブ２８を介して連通している。

(3).作動
以上の構成において、各気筒に対応した流量制御バルブ２３の対は、図３（Ｃ）に示すように、吸気行程のうち初期のある程度の範囲では、図３（Ａ）（及び図１）に示すように、吸気ポート７を横切る姿勢の全閉姿勢になっており、その後は、図４に示すように、吸気ポート７の長手方向に寝た姿勢の全開姿勢になる。全閉姿勢から全開姿勢の移行は、急激に行ってもよいし徐々に行ってもよい。

そして、流量制御バルブ２３が全閉姿勢の状態では、吸気ポート７の流路面積が狭められることによって新気の流速が速くなるため、ＥＧＲガス噴出口２２の箇所での負圧は大きくなり、その結果、ＥＧＲガスの吸引が強力に行われてＥＧＲガスが気筒に大量に取り込まれる。他方、流量制御バルブ２３が全開姿勢の状態では、流量制御バルブ２３が新気の流れに対する抵抗にはならないため、新気は抵抗なくシリンダボア３に流れ込み、流量制御バルブ２３に作用する負圧は低くなる。従って、流量制御バルブ２３の噴出量は低下する。

従って、ＥＧＲガスを必要量取り込みつつ出力を上げることができる。そして、シリンダボア３では、新気の流れによってタンブル流が生成するが、シリンダボア３に取り込まれたＥＧＲガスはタンブル流に飲み込まれる状態になるため、新気とＥＧＲガスとの混合性を促進して完全燃焼化に貢献できる。

図３（Ｂ）は、ピストンの高さの変化を示す行程図に、ＥＧＲガス噴出口２２の箇所に作用する負圧の強さを示すグラフを組み込んだものである。曲線２９は流量制御バルブ２３を備えていない場合を示し、曲線３０は流量制御バルブ２３を備えて吸気行程の全体で閉弁する場合を示し、曲線３１は本実施形態を示している。各曲線２９，３０，３１について、グラフの縦線は負圧の強さになる。

この曲線２９，３０，３１の比較から理解できるように、本実施形態では吸気行程の初期にＥＧＲガス噴出口２２の箇所の負圧が高くなっているため、吸気行程の初期に強いエゼクタ効果が生じてＥＧＲガスが大量に吸引される。そして、流量制御バルブ２３の開弁によってＥＧＲガス噴出口２２の箇所の負圧は急激に低下し、ＥＧＲガスの流入は急減する一方、新気は抵抗なくスムースに取り込まれる。このグラフから、本実施形態の利点を容易に理解できるであろう。

流量制御バルブ２３は、全閉状態を常態として、吸気行程のうち初期を除いた範囲でのみ開き動するように構成してもよいし、全開状態を常態として、吸気行程でのみ閉じるように構成してもよい。なお、流量制御バルブ２３が全開した状態でも、新気が流れるとＥＧＲガス噴出口２２に箇所に負圧は作用するので、吸気行程の全体に亙ってＥＧＲガスはＥＧＲガス噴出口２２から噴出しているが、流量制御バルブ２３が閉じている場合に比べて、流量制御バルブ２３が開いて場合のＥＧＲガスの噴出量は遥かに少ない。従って、ＥＧＲガスの大半は流量制御バルブ２３が閉じているときに噴出する。

実施形態では流量制御バルブ２３をＥＧＲガス噴出口２２の上流側に配置したが、流量制御バルブ２３をＥＧＲガス噴出口２２の下流側に配置することも可能である。

(4).他の実施形態
次に、図５，６に示す他の実施形態を説明する。図５に示す第２実施形態では、流量制御バルブ２３は、その前端が吸気ポート７の底部に第１ピン３２で連結されたフラップ方式になっており、流量制御バルブ２３の左右中途部に第２ピン３３で連結された連動杆３４をシリンダヘッド２にスライド自在に装着して、連動杆３４をカム３５で駆動するようになっている。

流量制御バルブ２３は、図示しないねじコイルばねによって開き姿勢に付勢されており、カム３５の回転によって開閉動する。カム３５は、吸気カム軸と同期して回転する回転軸２４に固定している。また、第２ピン３３は流量制御バルブ２３に設けたピン穴に嵌まっているが、ピン穴を長穴に形成することにより、連動杆３４のスライドによって流量制御バルブ２３が回動するようになっている。

この実施形態では、流量制御バルブ２３は、全開状態では、吸気ポート７の下面に形成された凹所３６に収まるようになっている。いずれの実施形態でも、流量制御バルブ２３をＥＧＲガス噴出口２２よりも下流に配置することは可能である。

図６に示す第３実施形態は、流量制御バルブ２３をバタフライ弁に形成した第１実施形態の変形例であり、（Ａ）では、弁板２３ａは回転軸２４の上側のみ（下側のみでもよい。）に形成されて、（Ｂ）では、弁板２３ａ，２３ｂを回転軸２４の上下に形成しつつ、下側の弁板２３ｂの面積を上側の弁板２３ａの面積よりも小さくしている。

図７（Ａ）に示す第４実施形態では、流量制御バルブ２３をバタフライ弁方式にしつつ、回転軸２４を上下長手の姿勢に配置して、吸気ポート７の下方部に配置した電動モータ３７で駆動している。

図７（Ｂ）に示す第５実施形態では、流量制御バルブ２３は、その前端が回転軸２４に固定されたフラップ方式になっており、吸気マニホールド１４の内部に配置されている。この実施形態から理解できるように、本願発明の吸気ポート７は吸気マニホールド１４に形成された枝管も含んでいる。この実施形態では、回転軸２４は電動モータで駆動される。流量制御バルブ２３は、シリンダヘッド２における吸気ポート７の上内面に配置してもよい。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、実施形態では、ＥＧＲ分配通路を吸気ポートの下方に配置したが、ＥＧＲ分配通路を吸気ポートの上方に配置することも可能である。実施形態では、流量制御バルブは吸気行程の初期において全閉姿勢にしたが、少なくとも吸気行程の前半部の段階において全閉姿勢になっていたらよい。

本願発明は、ＥＧＲ装置を備えた内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ シリンダボア
７ 吸気ポート
９ 吸気バルブ
２１ ＥＧＲ分配通路
２２ ＥＧＲガス噴出口
２３ 流量制御バルブ
２４ 回転軸

Claims (1)

1. 吸気バルブによって終端が開閉される吸気ポートに、ＥＧＲガス噴出口と流量制御バルブとを設けており、前記吸気ポートが開いた吸気行程で前記流量制御バルブを閉じると、前記ＥＧＲガス噴出口に作用する負圧増大によりＥＧＲガスの噴出が助長される構成であって、
   前記流量制御バルブが、吸気行程の前半中に閉じてその後は開くように制御される、
   内燃機関。

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