JP3660252B2 - 気筒内直噴内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気筒内部へ燃料を直接噴射し、それを点火栓により着火するようにした気筒内直噴内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記気筒内直噴内燃機関により混合気の成層化を図り超希薄燃焼を行う場合、気筒内への燃料の噴射タイミングを機関の圧縮行程に設定する。この場合、燃料は噴射後、着火するまでの間に燃焼室内で十分に拡散する時間がないため、成層化は達成し易いものの、燃料が着火までに十分には霧化せず、その燃焼が良好でなくなり、機関の出力低下や燃費悪化、エミッション増加等を招いてしまうといった、直噴内燃機関ゆえの問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで上記問題を解決するために、高温の排ガスを気筒内に戻すことによって噴射燃料の霧化を促進させることが考えられるが、その排ガスが排気還流通路を流れる間に温度低下したのでは、排気還流による所期の効果が十分には期待できず、寧ろ燃焼が不安定となる虞れがある。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、従来の直噴内燃機関が有する上記問題を解決して超希薄燃焼による完全燃焼が達成され、機関出力の向上を図りながら低燃費と、ＨＣ、ＮＯｘ等のエミッション低減を図ることができる気筒内直噴内燃機関を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、気筒内部へ燃料を直接噴射し、それを点火栓により着火するようにした気筒内直噴内燃機関において、気筒内で生じた燃焼ガスを該気筒から排気チャンバに一旦取り入れると共に、高温状態のまま同チャンバから気筒内に戻す排気還流手段を備え、その排気還流手段が、気筒内と排気チャンバとの間を接続すべく、機関本体の外面に略沿わせるように曲げられて配設される排気還流通路と、気筒内と排気チャンバとの間の燃焼ガスの流れを制御すべく、該排気還流通路の気筒側の開口部を開閉可能として機関本体のシリンダヘッドに設けられる排気還流弁とを有しており、 その排気還流弁は、シリンダヘッド上方より見て、排気弁とは気筒の周方向に隣接した位置に、また吸気弁とは気筒の一直径線上で相対向した位置にそれぞれ配置されることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例について説明する。
【０００７】
図１〜図４は、本発明を直噴４気筒機関に適用した実施例を示すもので、図１は、内燃機関の概略横断面図、図２は、図１の２−２線断面図、図３は、同機関の吸、排気弁及び排気還流弁の開閉タイミング図、図４は、同機関の指圧線図である。
【０００８】
先ず、図１、図２において、内燃機関Ｅの機関本体ＥＢは、シリンダブロック２０と、その上端に結合されるシリンダヘッド１１とを備えており、シリンダブロック２０は、４本の気筒を備え、これらを左から第１〜第４気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ と呼ぶ。
【０００９】
全気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ は同一の構成であるので、それらを代表して第１気筒Ｃ₁ の構成について説明する。気筒Ｃ₁ には、ピストンＰが摺動可能に嵌合され、そのピストンＰの頂面には、半球状の凹所Ｐｃが形成される。このピストンＰの頂面とシリンダヘッド１１の底面との間には燃焼室１０が画成される。
【００１０】
また気筒Ｃ₁ は、その燃焼室１０天井面（シリンダヘッド１１の底面）にそれぞれ開口し且つ気筒配列方向に並ぶ各１本の吸気ポート１及び排気ポート２と、１本の排気還流ポート３とを有する。吸気ポート２は、これを通って気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内に吸入される新気に矢印１２のようなスワールを与えるよう下流端が屈曲しており、この屈曲部がスワール生起手段を構成する。また気筒Ｃ₁ は、その燃焼室１０の天井面に電極部４ａを臨ませる点火栓４を有する。この点火栓４による点火は第１気筒Ｃ₁ 、第３気筒Ｃ₃ 、第４気筒Ｃ₄ 、第２気筒Ｃ₂ の順序で行われる。
【００１１】
吸気ポート１及び排気ポート２は、吸気ポート１には、その上流部において、吸気の流量を制御する吸気絞弁１９が設けられる。また排気ポート２は、その下流端が排気管（図示せず）と接続される。
【００１２】
各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ の排気還流ポート３、３‥は、各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ の一側において機関本体ＥＢの一側面に沿うように配設される円筒状の共通の排気チャンバ１５に接続される。この場合、排気還流通路としての各排気還流ポート３の中間部は、機関本体ＥＢの一側面の略沿うように円弧状に曲げられる。
【００１３】
吸気ポート１及び排気ポート２は、機関本体ＥＢの他側、即ち排気チャンバ１５と反対側にそれぞれ延びており、それら吸気ポート１及び排気ポート２は、それらの燃焼室１０側の開口端が吸気弁６及び排気弁７によりそれぞれ開閉される。また排気還流ポート３は、それの燃焼室１０側の開口部が、シリンダヘッド１１に設けた電磁式の排気還流弁８により開閉される。
【００１４】
その排気還流弁８は、図１からも明らかな如く機関本体ＥＢのシリンダヘッド上方より見て、排気弁７とは各気筒Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ の周方向に隣接した位置に、また吸気弁６とは各気筒Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ の一直径線上で相対向した位置にそれぞれ配置される。このように排気還流弁８が、機関運転時に高温となる排気弁サイド（即ち排気弁７の近く）に配設されることで、燃焼室１０と排気還流ポート３との間を出入りするＥＧＲガスが常に高温に保たれ、しかもその高温のＥＧＲガスを吸気弁７から燃焼室１０内に流入した吸気流と対向させて正面衝突させ易くすることができるから、吸気流中の燃料の霧化が促進されて燃焼効率が 効果的に高められ、燃費節減や排ガス中のエミッション低減が図られる。
【００１５】
而して排気還流通路としての各排気還流ポート３、並びに前記排気還流弁８及び前記排気チャンバ１５は、互いに協働して本発明の排気還流手段ＥＧＲを構成する。
【００１６】
また前記排気還流弁８は、図２に示すように、排気ポート２とは反対側に傾斜して配設されると共に、シリンダヘッド１１内に形成される機関冷却用の冷却水通路Ｗに近接配置される。
【００１７】
またシリンダヘッド１１には、気筒Ｃ₁ の圧縮行程で該気筒Ｃ₁ 内に燃料を噴射させる燃料噴射弁１４と、点火栓４と、排気還流弁８とが燃焼室１０にそれぞれ臨んで装着される。その際、燃料噴射弁１４、点火栓４及び排気還流弁８は、この順序で前記スワールの方向１２に沿って配置される。
【００１８】
而して燃料噴射弁１４は、排気チャンバ１５と排気ポート２との間に在って、排気チャンバ１５側に傾斜しており、またその燃料噴射弁１４の燃料噴射部１４ａは、吸気ポート１の燃焼室１０開口部に近接配置されていて、ピストンＰ頂部の凹所Ｐｃ内に指向するよう気筒軸線に対し傾斜しており、また点火栓４は、その電極部４ａが前記凹所Ｐｃの直上に位置するように配設されている。
【００１９】
前記吸気弁６及び排気弁７はクランク軸から２分の１の減速比で駆動される動弁カム軸（図示せず）により開閉駆動されるもので、それら吸気弁６及び排気弁７の開閉タイミングと、前記排気還流弁８の開閉タイミングとを図３により説明する。
【００２０】
吸気弁６及び排気弁７の開閉タイミングは従来一般のものと変わらない。即ち、吸気弁６は、排気行程の終期から開き始め、吸気行程の中間点で最大に開き、圧縮行程の初期で閉じる。また排気弁７は、膨脹行程の終期から開き始め、排気行程の中間点で最大に開き、吸気行程の初期に閉じる。
【００２１】
一方、排気還流弁８は、機関Ｅの１サイクル中、２回の開閉制御が行われる。その１回目では、該弁８は、膨脹行程の後半、望ましくは排気弁７の開弁に先立って開き始め、排気行程初期の下死点ＢＤＣまたはその近傍で閉じ、２回目では、該弁８は、圧縮行程初期の下死点ＢＤＣまたはその近傍で開き始め、圧縮行程の中間点、望ましくは吸気弁６の閉弁後に閉じる。
【００２２】
次にこの実施例の作用について説明する。
【００２３】
機関Ｅは各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ の吸、排気弁６、７の前述のような開閉により、吸気行程では吸気ポート１を通して混合気を各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内に吸入させ、この混合気を次の圧縮行程で圧縮し、この圧縮行程の終期で点火栓４の火花放電により混合気に点火して膨脹行程に移り、次いで排気行程に移り、以後同様の作動が繰返される。
【００２４】
ところで、各膨脹行程の後半には排気弁７の開弁に先立って排気還流弁８が開き始め、その直後の下死点ＢＤＣまたはその近傍で閉じるので、その間に燃焼ガスの一部が排気還流ポート３を通して排気チャンバ５に導入され、蓄えられる。而して、膨脹行程後半での燃焼ガスは未だ比較的高い圧力を有するので、その圧力をもって排気チャンバ５への該ガスの供給を確実に行うことができる。しかも、図４の指圧線図に示すように、膨脹行程後半における燃焼ガスの排気チャンバ５への供給による気筒１内の圧力降下は極めて小さく、したがってそれによる出力低下は無視し得る程度のものである。
【００２５】
このように排気チャンバ５に蓄えられた燃焼ガスは、次の圧縮行程前半に排気還流弁３が開いたとき、排ガスとなってそれ自身の圧力をもって対応する気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内に還流する。而して、この排ガスは、元々比較的高い圧力を有するので、圧縮行程前半でも、気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内に確実に流入し、外側が排ガス、内側が混合気という排ガス及び混合気の成層化を生じさせる。このため、アンチノッキング性が向上するので、高圧縮比化を可能にして燃費の低減を図ることができる。また排ガスは、排気チャンバ５に蓄えられてから気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内に還流するまで、温度降下が極めて少なく、高温状態を維持しているので、この排ガスにより内側の混合気の霧化を促進し、混合気の良好な燃焼に寄与し、排ガス中のＨＣのみならず、ＮＯｘの含有量を効果的に減少させる。
【００２６】
また圧縮行程での高温、高圧の排ガスの還流によれば、図４の指圧線図に示すように気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内の実圧縮圧力を上昇させることができ、これによって出力を向上させ、燃費の更なる低減をもたらすことができる。
【００２７】
また本実施例では、全気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ の排気還流ポート３、３‥に共通の排気チャンバ１５が接続されるため、排気チャンバ１５の内圧の変動を少なくして、該チャンバ１５から各気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ への排気還流圧力、したがって還流量を略一定にすることができる。 更に本実施例によれば、燃料噴射弁１４から噴射された燃料は対応する気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内の新気のスワールに導かれて点火栓４周りに到達し易くなるので、排気還流ポート３から気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ への排ガス還流量を多くしても、還流排気と混合気の成層化が確実となる。
【００２８】
以上のように本実施例の気筒内直噴内燃機関Ｅにおいては、気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内で生じた燃焼ガスを比較的大容量の排気チャンバ１５に一旦取り入れてから気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内へ戻す排気還流手段ＥＧＲを備えており、その排気チャンバ１５自体が大きなヒートマスとなって還流排気を十分に保温しつつ、高温状態のまま気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内に戻すことができるため、気筒Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 内へ噴射された燃料を十分に霧化させることができる。しかも、燃焼室１０内に生じたスワール新気流により霧化燃料が点火栓４の電極部４ａに確実に到達することから、気筒内直噴内燃機関であるにも拘わらず良好な燃焼状態が得られて、超希薄燃焼による完全燃焼が達成され、従って、機関出力の向上を図りながら低燃費とエミッション低減を図ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、気筒内部へ燃料を直接噴射し、それを点火栓により着火するようにした気筒内直噴内燃機関において、気筒内で生じた燃焼ガスを該気筒から排気チャンバに一旦取り入れると共に、高温状態のまま同チャンバから気筒内へ戻す排気還流手段を備えるので、その排気チャンバ自体がヒートマスとなって還流排気を十分に保温しつつ、その還流排気を高温状態のまま気筒内に迅速に戻すことができ、従って気筒内へ噴射された燃料を十分に霧化させることができるから、気筒内直噴内燃機関であるにも拘わらず良好な燃焼状態が得られる。その結果、超希薄燃焼による完全燃焼が達成され、機関出力の向上を図りながら低燃費と、ＨＣ、ＮＯｘ等のエミッション低減を図ることができる。
【００３０】
また特に排気還流通路が、機関本体の外面に略沿わせるように曲げられて配設されるので、機関本体からの熱を利用して排気還流通路の温度低下を極力抑えることができ、これにより、還流排気をより高温に保つことができて、燃料の霧化が一層促進される。その上、排気還流通路の気筒側開口部を開閉可能として機関本体のシリンダヘッドに設けられる排気還流弁が、シリンダヘッド上方より見て、排気弁とは気筒の周方向に隣接した位置に、また吸気弁とは気筒の一直径線上で相対向した位置にそれぞれ配置されるので、この排気還流弁を機関運転時に高温となる排気弁サイド（近傍）に配設できて、気筒内と排気還 流通路との間を出入りするＥＧＲガスを一層高温に保つことができ、しかもその高温のＥＧＲガスを吸気弁から気筒内に流入した吸気流と対向させて正面衝突させ易くすることができるから、吸気流中の燃料の霧化が一層促進されて燃焼効率がより効果的に高められ、更なる低燃費、エミッション低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を直噴４気筒機関に適用した実施例を示す内燃機関の概略横断面図
【図２】 図１の２−２線断面図
【図３】 同機関の吸、排気弁及び排気還流弁の開閉タイミング図
【図４】 同機関の指圧線図
【符号の説明】
Ｃ₁ 〜Ｃ₄ 気筒
Ｅ 内燃機関
ＥＢ 機関本体
ＥＧＲ 排気還流手段
Ｐ ピストン
Ｐｃ 凹所
１ 吸気ポート
２ 排気ポート
３ 排気還流ポート（排気還流通路）
６ 吸気弁
７ 排気弁
８ 排気還流弁
１０ 燃焼室
１１ シリンダヘッド
１５ 排気チャンバ

Claims (1)

1. 気筒（Ｃ₁ 〜Ｃ₄ ）内部へ燃料を直接噴射し、それを点火栓（４）により着火するようにした気筒内直噴内燃機関において、
   気筒（Ｃ₁ 〜Ｃ₄ ）内で生じた燃焼ガスを該気筒（Ｃ₁ 〜Ｃ₄ ）から排気チャンバ（１５）に一旦取り入れると共に、高温状態のまま同チャンバ（１５）から気筒（Ｃ₁ 〜Ｃ₄ ）内に戻す排気還流手段（ＥＧＲ）を備え、
   その排気還流手段（ＥＧＲ）が、気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）内と排気チャンバ（１５）との間を接続すべく、機関本体（ＥＢ）の外面に略沿わせるように曲げられて配設される排気還流通路（３）と、気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）内と排気チャンバ（１５）との間の燃焼ガスの流れを制御すべく、該排気還流通路（３）の気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）側の開口部を開閉可能として機関本体（ＥＢ）のシリンダヘッド（１１）に設けられる排気還流弁（８）とを有しており、
   その排気還流弁（８）は、シリンダヘッド（１１）上方より見て、排気弁（７）とは気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）の周方向に隣接した位置に、また吸気弁（６）とは気筒（Ｃ ₁ 〜Ｃ ₄ ）の一直径線上で相対向した位置にそれぞれ配置されることを特徴とする、気筒内直噴内燃機関。

Images