JP3327940B2 - エンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として自動車に
用いられるガソリンエンジンに係り、特にその燃費を改
善しつつ大気汚染の原因となる有害物質の発生を抑える
ための燃焼制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジンの排気中には、多種多
様の有害成分が含まれており、この中でも特に大気汚染
に対する影響が大きいとして規制の対象となっているの
は、炭化水素（HC）、一酸化炭素（CO）および窒素酸化
物（NOx）の三種類である。

【０００３】そして、従来では、この排気中に含まれる
三種類の有害成分を浄化するため、吸気として理論空燃
比の混合気を用いるとともに、エンジンの排気通路に三
元触媒を設置し、排気中に含まれる未燃焼成分の酸化反
応と、窒素酸化物の還元反応を同時に行なうようにした
触媒浄化方式が広く採用されている。

【０００４】一方、最近、一気筒当り複数の吸気バルブ
を有するエンジンにおいて、このエンジンが低負荷の運
転状態では、理論空燃比よりも遥かに薄い混合気を用い
て希薄燃焼させ、燃費を改善するようにしたものが知ら
れている。この種の希薄燃焼エンジンでは、二つの吸気
バルブを通じて吸入空気を吸い込むとともに、一つの吸
気バルブから吸い込まれる吸入空気中に燃料を噴射して
おり、この燃料が噴射された吸気バルブと向かい合う位
置に点火プラグが配置されている。このため、一つの燃
焼室内において点火プラグの周囲に濃い混合気の層が形
成され、この濃い混合気に点火プラグを介して点火され
るようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この希薄燃
焼エンジンの場合、二つの吸気バルブは同時に開閉駆動
されるので、これら吸気バルブを介して燃焼室に流れ込
む吸入空気量は、略同等となっている。このため、燃焼
室全体の空燃比が２２〜２３の場合でも、点火プラグの
近傍には、理論空燃比よりも極めて過濃な混合気領域が
存在する虞れがあり、これが原因で排気行程が終了する
までに燃焼室に吸入された混合気の全てを燃焼させるこ
とが困難となる場合があり得る。

【０００６】すると、未燃焼あるいは不完全燃焼の燃料
成分が燃焼ガスと共にそのまま排気通路に排出されてし
まい、その分、COやHCの排出濃度が増加するとともに、
三元触媒の負担が大きくなるといった問題がある。

【０００７】その上、希薄燃焼エンジンのように酸素過
剰の状態で燃焼させるものでは、排気中にCOやHCを酸化
させるに充分な量の酸素が残存しており、三元触媒でNO
xを分解しなくとも酸素が容易に得られることになる。
しかも、NOxの発生量は、空燃比が理論空燃比よりも薄
い１６〜１８といった希薄領域で最大となるので、燃焼
の過程で発生したNOxは、三元触媒で分解されることな
くそのまま大気中に排出されてしまう。

【０００８】したがって、従来の希薄燃焼エンジンで
は、燃費に関しては改善できるものの、排気中に含まれ
る有害物質を三元触媒で効率良く浄化することが困難と
されている。

【０００９】本発明は、このような事情にもとづいてな
されたもので、主に低負荷運転域において、希薄燃焼エ
ンジンと同等のレベルまで燃費を改善しつつ、大気汚染
の原因となる有害成分の発生を抑制でき、しかも、三元
触媒を有害成分の浄化用として有効に活用できるエンジ
ンの燃焼制御装置の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に係る発明は、点火プラグを有する燃焼室
に、上記点火プラグの周囲に位置して吸気バルブによっ
て個別に開閉される三つの吸気口を設け、これら吸気口
に夫々吸気通路を連通させるとともに、上記燃焼室に連
なる排気通路に排気浄化用の三元触媒を設けたエンジン
を前提としている。

【００１１】そして、上記三つの吸気口のうち真中の吸
気口に連なる一本の吸気通路に、理論空燃比の混合気を
上記燃焼室に供給するための燃料供給手段を設け、この
真中の吸気通路を間に挟んだ両側の二本の吸気通路に、
夫々アイドリング運転を含む低負荷運転時に閉じ、中・
高負荷運転時に開く吸気制御弁と、不活性成分である排
気の一部を導入するための導入口とを設け、この導入口
は、上記二本の吸気通路内において上記吸気口よりも上
記吸気制御弁に近い位置に開口されているとともに、上
記吸気口を指向して開口されていることを特徴としてい
る。

【００１２】

【作用】このような構成によれば、低負荷での運転域に
おいては、三つの吸気通路のうち、両側の二つの吸気通
路に導入口を通じて排気が導入され、この排気は吸気バ
ルブが閉じている期間中に吸気通路に充填される。この
際、導入口は吸気口を指向して開口されているので、導
入口から吸気通路に戻される排気は、吸気口に向けて流
れ、この吸気通路の下流端から充填される。やがて吸入
工程に至り、吸気バルブが開かれると、真中の吸気通路
に連なる吸気口を通じて理論空燃比の混合気が燃焼室に
流れ込むとともに、両側の吸気通路に充填された排気が
二つの吸気口から燃焼室に流れ込む。この排気は、吸気
通路の下流端から蓄えられているので、吸気バルブが開
かれた時に二つの吸気口から燃焼室に流れ込むのは、不
活性成分である排気がほとんどとなる。

【００１３】このことから、一つの燃焼室内には、再循
環された排気の流れと、理論空燃比の混合気の流れとが
形成され、これら二つの流れは、圧縮行程に至っても燃
焼室内で大きく攪拌されることなく略層状のまま圧縮さ
れる。しかも、真中の吸気通路から点火プラグの回りに
理論空燃比の混合気が層となって供給されるので、この
混合気への点火が確実に行なわれることになり、燃焼室
内での火炎の伝播が安定して行われるとともに、従来の
希薄燃焼エンジンのように過濃な混合気領域が燃焼室内
に形成される虞れもない。

【００１４】また、全ての吸気通路から燃焼室に混合気
を供給する場合に比べて、混合気の流速が早く保たれる
ので、燃料成分が吸気通路の内面に付着し難くなり、吸
気通路内での燃料の気化が促進される。

【００１５】よって、未燃焼の燃料成分が減じられると
ともに、不完全燃焼も防止することができ、HCやCOのよ
うな有害成分の排出量が少なくなる。

【００１６】また、燃焼室内に混合気と共に供給される
のは、不活性成分である排気が大部分であるから、混合
気の燃焼最高温度を低く抑えることができ、NOxの発生
が少なくなる。したがって、排気中に含まれる酸素成分
が減少するので、NOxを三元触媒で分解することがで
き、この三元触媒を有害成分の浄化用として有効に活用
できる。

【００１７】さらに、低負荷運転域での燃焼が多量の排
気再循環のもとで行われるので、燃焼温度の低下による
比熱比の増大、および吸気圧力の上昇によるポンピング
損失の低減が可能となる。このため、熱効率を著しく高
めることができ、理論空燃比の混合気を供給するにも拘
わらず、希薄燃焼エンジンと同等のレベルまで燃費を改
善することができる。

【００１８】

【実施例】以下本発明の一実施例を図１および図２にも
とづいて説明する。

【００１９】図１は、自動車用の四気筒ガソリンエンジ
ンを示しており、図中符号１はシリンダヘッドである。
シリンダヘッド１のシリンダブロック２との合面には、
四つの燃焼凹部３が形成されている。燃焼凹部３は、シ
リンダブロック２に収容したピストン（図示せず）と協
働して図２に示すようなペントルーフ形の燃焼室４を構
成している。

【００２０】燃焼凹部３には、三つの吸気口３１ａ，３
１ｂ，３１ｃと、二つの排気口６ａ，６ｂとが形成され
ている。吸気口３１ａ，３１ｂ，３１ｃおよび排気口６
ａ，６ｂは、燃焼室４の中心を通り、かつクランク軸
（図示せず）と平行をなす線X1を挟んで互いに向かい合
っている。そして、吸気口３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、
三つの吸気バルブ７によって同時に開閉されるととも
に、排気口６ａ，６ｂは、二つの排気バルブ８によって
同時に開閉されるようになっている。

【００２１】燃焼室４には、点火プラグ９が配置されて
いる。点火プラグ９は、吸気口３１ａ，３１ｂ，３１ｃ
と排気口６ａ，６ｂとによって囲まれた燃焼凹部３の中
心部に位置されており、この点火プラグ９は、真中の吸
気口３１ｂの延長上に位置されている各燃焼室４の吸気
口３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、夫々吸気通路３２ａ，３
２ｂ，３２ｃに連なっている。これら吸気通路３２ａ，
３２ｂ，３２ｃは、互いに独立して設けられている。吸
気通路３２ａ，３２ｂ，３２ｃの上流端は、単一の吸気
チャンバ１２に開口されている。吸気チャンバ１２は、
図示しないエアクリーナに連なるスロットルボデー１３
を備えている。スロットルボデー１３内には、スロット
ルバルブ１４が設けられており、このスロットルバルブ
１４は人為的に開閉操作される。

【００２２】燃焼室４に連なる三本の吸気通路３２ａ，
３２ｂ，３２ｃのうち、両側の二本の吸気通路３２ａ，
３２ｃには、夫々バタフライ形の吸気制御弁１６が設け
られている。吸気制御弁１６は、アイドリングを含むエ
ンジンの低負荷運転域では閉じ、中負荷運転域から高負
荷運転域において開くように、図示しないアクチュエー
タによって開閉制御されるようになっている。

【００２３】また、真中の一本の吸気通路３２ｂには、
燃料噴射弁１７が設けられている。燃料噴射弁１７は、
吸気行程中のあるタイミング、望ましくは吸気バルブ７
が閉じる直前に吸気通路３２ｂを流れる吸入空気中に燃
料を噴射するもので、エンジンが低負荷の運転状態の時
には、理論空燃比の混合気が吸気通路３２ｂのみを通じ
て燃焼室４に供給されるようになっている。

【００２４】各燃焼室４の排気口６ａ，６ｂは、排気通
路２０に連なっている。排気通路２０は、一本に集合さ
れた排気集合部２１を有し、この排気集合部２１の下流
に排気浄化用の三元触媒２２が設けられている。

【００２５】排気集合部２１には、排気の一部を吸気系
に戻すための排気還流路２３が接続されている。排気還
流路２３は、上記吸気制御弁１６を有する二本の吸気通
路３２ａ，３２ｃに排気を導入するための導入口２４を
備えている。導入口２４は、吸気制御弁１６と吸気口３
１ａ，３１ｃとの間であり、かつ吸気口３１ａ，３１ｃ
よりも吸気制御弁１６に近い位置に開口されている。そ
して、この導入口２４は、図２に示すように、吸気通路
３２ａ，３２ｃ内において吸気口３１ａ，３１ｃを指向
する方向に開口されている。

【００２６】排気還流路２３の途中には、吸気系に戻さ
れる排気の流量を制御するＥＧＲ弁２６が設置されてい
る。ＥＧＲ弁２６の駆動部は、負圧導入路２８を介して
吸気チャンバ１２に接続されている。そのため、ＥＧＲ
弁２６は、吸入空気量に比例する吸気負圧に応じて開閉
されるようになっている。

【００２７】負圧導入路２８には、負圧制御弁２９が設
置されている。負圧制御弁２９は、ＥＧＲ弁２６の駆動
部に導かれる吸気負圧を制御するためのもので、ＥＧＲ
制御装置３０からの指令により制御される。ＥＧＲ制御
装置３０には、エンジン運転中、実際のエンジンの運転
状況を示す各種の信号、例えばエンジン回転数や冷却水
の水温およびスロットル開度を示す信号が入力されてい
る。そのため、ＥＧＲ制御装置３０は、入力された各種
の信号にもとづいてエンジンの運転状況を判断し、この
判断結果にもとづいて負圧制御弁２９を開閉制御するよ
うになっている。

【００２８】このことから、本実施例のＥＧＲ弁２６
は、エンジンがアイドリング域を除く低負荷運転域にあ
る時に開かれ、吸入空気量の１０〜２０％の排気が燃焼
室４に還流されるようになっている。

【００２９】次に、上記構成の作用について説明する。
エンジンが低負荷の状態で運転されている時、各燃焼室
４に連なる三本の吸気通路３２ａ，３２ｂ，３２ｃのう
ち、両側の二本の吸気通路３２ａ，３２ｃの吸気制御弁
１６は閉じているので、スロットルバルブ１４で絞られ
た吸入空気は、図１に白抜きの矢印で示すように、燃料
噴射弁１７を有する真中の吸気通路３２ｂに流れ込む。

【００３０】また、この運転域では、ＥＧＲ弁２６が開
かれているので、図１に黒塗りの矢印で示すように、不
活性成分である排気の一部が排気還流路２３の導入口２
４を通じて両側の吸気通路３２ａ，３２ｃに導入され
る。この際、導入口２４は吸気口３１ａ，３１ｃを指向
して開口されているので、導入口２４から吸気通路３２
ａ，３２ｃに戻される排気は、図２に示すように、吸気
口３１ａ，３１ｃに向けて流れる。

【００３１】それとともに、吸入工程が終了した直後に
おいては、吸気通路３２ａ，３２ｃの吸気口３１ａ，３
１ｃに近い下流端に吸気負圧が残存しているので、導入
口２４から吸気通路３２ａ，３２ｃに還流された排気
は、吸気口３１ａ，３１ｃに近い位置から貯えられてい
き、吸気口３１ａ，３１ｃと吸気制御弁１６との間に充
填されることになる。

【００３２】エンジンが吸入行程に至り、上死点付近で
吸気バルブ７が開かれると、図２の（ｂ）に示すよう
に、両側の二本の吸気通路３２ａ，３２ｃ内に充填され
た排気が吸気口３１ａ，３１ｃを介して燃焼室４に流れ
込むとともに、真中の吸気口３１ｂを介して理論空燃比
の混合気が燃焼室４に流れ込む。これら三つの吸気口３
１ａ，３１ｂ，３１ｃを開閉する吸気バルブ７は同じタ
イミングで開くので、燃焼室４内には還流された排気の
流れと、理論空燃比の混合気の流れとが形成され、これ
ら二つの流れは、圧縮行程の末期まで大きく攪拌される
ことなく略層状の状態を保ったまま圧縮される。そし
て、この圧縮行程の末期において、点火プラグ９を介し
て混合気に点火される。

【００３３】この場合、吸気通路３２ａ，３２ｃに戻さ
れる排気は、吸気口３１ａ，３１ｃに向けて流れ、これ
ら吸気通路３２ａ，３２ｃの下流端から蓄えられていく
ので、吸気バルブ７が開かれた時に吸気口３１ａ，３１
ｃから燃焼室４に流れ込むのは不活性成分である排気が
ほとんどとなる。そのため、燃焼室４内の混合気は、略
理論空燃比の状態で圧縮された後に点火される。

【００３４】しかも、燃焼室４に排気を導く吸気口３１
ａ，３１ｃは、燃焼室４の中心に位置する点火プラグ９
に対し両側にずれているので、燃焼室４内での排気の層
は、点火プラグ９の両側に偏在された状態に保たれてお
り、理論空燃比の混合気の層が排気の層にて過大に希釈
される虞れもない。それとともに、混合気が供給される
吸気口３１ｂの延長上に点火プラグ９が位置されるの
で、点火プラグ９の周囲に理論空燃比の混合気層が確実
に形成され、従来の希薄燃焼エンジンのように、燃焼室
４内に過濃な混合気の層が形成されることはない。

【００３５】したがって、混合気への点火が確実に行わ
れ、火炎の伝播が燃焼室４の中央から周囲に向って安定
して行われる。

【００３６】また、低負荷運転域では、真中の吸気通路
３２ｂのみから燃焼室４に混合気が供給されるので、全
ての吸気通路３２ａ，３２ｂ，３２ｃから燃焼室４に混
合気を供給する場合に比べて、吸気通路３２ｂを流れる
混合気の流速が早くなる。このため、混合気中の燃料成
分が吸気通路３２ｂの内面に付着し難くなるとともに、
吸気通路３２ｂ内での燃料の気化が促進される。

【００３７】以上のことから、排気行程が終了するまで
に燃焼室４に吸入された混合気の全てを燃焼させること
が可能となり、未燃焼の燃料成分の発生や不完全燃焼を
防止することができる。このため、排気通路２０へのHC
やCOの排出量が少なくなり、三元触媒２２の負担が軽減
される。

【００３８】また、吸入行程時に両側の吸気通路３２
ａ，３２ｃから燃焼室４に流れ込むのは、不活性成分で
ある排気がほとんどとなるので、燃焼室４から排出され
る排気中に含まれる余剰酸素が減少する。それととも
に、排気の還流により混合気の燃焼最高温度を低く抑え
ることができ、その分、NOxの発生が少なくなる。

【００３９】したがって、燃焼過程で生じたNOxを三元
触媒２２で分解することができ、上記HCやCOの排出量が
少なくなることと合わせて、三元触媒２２を有害成分の
浄化用として有効に活用できる。

【００４０】その上、低負荷運転域での燃焼が多量の排
気再循環のもとで行われることになるので、燃焼温度の
低下に伴う比熱比の増大および吸気圧力の上昇によるポ
ンピング損失の低減が可能となる。このことから、エン
ジンの熱効率が著しく向上し、理論空燃比の混合気を供
給する構成でありながら、従来の希薄燃焼エンジンと同
等のレベルまで燃費を改善することができる。

【００４１】なお、本発明に係るエンジンは、自動車用
に特定されるものではなく、例えば自動二輪車やその他
の分野の駆動源としても適用できるとともに、気筒数に
しても上記実施例に特定されないことは勿論である。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、低負荷運
転域において、二本の吸気通路に再循環された排気の流
れと真中の一本の吸気通路から供給される理論空燃比の
混合気の流れは、略層状を保ったまま燃焼室内で圧縮さ
れるとともに、真中の吸気通路から点火プラグの付近に
理論空燃比の混合気が層となって供給されるので、混合
気への点火が確実となり、燃焼室内での火炎の伝播が安
定して行なわれる。しかも、三本の吸気通路から燃焼室
に混合気を供給する場合に比べて混合気の流速が早く保
たれるので、燃料成分が吸気通路の内面に付着し難くな
り、吸気通路内での燃料の気化が促進される。したがっ
て、未燃焼の燃料成分が減じられるとともに、不完全燃
焼も防止することができ、その分、HCやCOの排出量が少
なくなって三元触媒の負担が軽減される。

【００４３】また、多量の排気再循環のもとでの燃焼と
なるから、排気中の余剰酸素が減少するとともに、混合
気の燃焼最高温度を低く抑えることができ、NOxの発生
が少なくなる。したがって、燃焼過程で生じたNOxを三
元触媒で分解することができ、HCやCOの排出量が減少す
ることと合わせて、三元触媒を有害成分の浄化用として
有効に活用できる。

【００４４】さらに、低負荷運転域での燃焼が多量の排
気再循環のもとで行われるから、燃焼温度の低下による
比熱比の増大および吸気圧力の上昇によるポンピング損
失の低減が可能となる。このため、エンジンの熱効率が
著しく向上し、理論空燃比の混合気を供給する構成であ
りながら、希薄燃焼エンジンと同等のレベルまで燃費を
改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるエンジンの概略を示
す構成図。

【図２】吸気バルブが閉じている時、吸気通路に還流さ
れた排気の流れを示す断面図。

【符号の説明】

４…燃焼室 ７…吸気バルブ ９…点火プラグ １６…吸気制御弁 １７…燃料供給手段（燃料噴射弁） ２０…排気通路 ２２…三元触媒 ２４…導入口 ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ…吸気口 ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…吸気通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 69/00 ３６０ Ｆ０２Ｍ 69/00 ３６０Ｃ (56)参考文献 特開 昭61−268845（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−239354（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−83376（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−175248（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−91041（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−78130（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02M 25/07 570 F02M 25/07 550 F02M 25/07 580 F02B 31/02 F02D 21/08 F02M 69/00 360

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 点火プラグを有する燃焼室に、上記点火
   プラグの周囲に位置して吸気バルブによって個別に開閉
   される三つの吸気口を設け、 これら吸気口に夫々吸気通路を連通させるとともに、 上記燃焼室に連なる排気通路に排気浄化用の三元触媒を
   設けたエンジンにおいて、 上記三つの吸気口のうち真中の吸気口に連なる一本の吸
   気通路に、理論空燃比の混合気を上記燃焼室に供給する
   ための燃料供給手段を設け、 この真中の吸気通路を間に挟んだ両側の二本の吸気通路
   に、夫々アイドリング運転を含む低負荷運転時に閉じ、
   中・高負荷運転時に開く吸気制御弁と、不活性成分であ
   る排気の一部を導入するための導入口とを設け、この導
   入口は、上記二本の吸気通路内において上記吸気口より
   も上記吸気制御弁に近い位置に開口されているととも
   に、上記吸気口を指向して開口されていることを特徴と
   するエンジンの燃焼制御装置。