JP4003473B2 - 内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火エンジンでは、圧縮行程において気筒内へ燃料を噴射する必要があり、そのための燃料噴射弁は、圧縮行程の高圧の気筒内への燃料噴射を可能とするために、非常に高圧で燃料を噴射しなければならない。
【０００３】
このような高圧燃料を噴射するための燃料噴射弁は、一般的に、閉弁時において弁体によりシート部を閉鎖し、開弁時において弁体を移動させてシート部を開放することにより、高圧燃料をシート部の下流側に設けられた噴孔を介して噴射するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料噴射弁では、シート部の下流側において、容積の大小はあっても噴孔が連通する空間が必然的に設けられる。弁体によりシート部が閉鎖されて燃料噴射が終了した時には、この空間内は、燃料噴射終了時における気筒内とほぼ等しい高圧の燃料によって満たされている。
【０００５】
この空間内を満たす燃料は、その後の圧縮行程及び燃焼時において、さらに高圧となる気筒内へ流出することはないが、膨張行程後半となって気筒内の圧力が低下すると、減圧沸騰して気筒内へ流出する。こうして気筒内へ流出した燃料は、燃焼することはなく、その後の排気行程において未燃燃料として気筒内から排出され、排気エミッションを悪化させる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する内燃機関において、膨張行程後半に燃料噴射弁から流出する燃料による排気エミッションの悪化を改善することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関は、燃料噴射弁によって圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する内燃機関において、膨張行程において前記燃料噴射弁から流出した燃料を含む気筒内の一部の既燃ガスを機関吸気系へ戻すことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関において、前記一部の既燃ガスを機関吸気系として自身気筒の吸気ポートへ戻すことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関は、請求項２に記載の内燃機関において、気筒内全体の既燃ガス圧力と自身気筒の前記吸気ポート内の圧力との差圧を利用して前記一部の既燃ガスを自身気筒の前記吸気ポートへ戻すことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関は、請求項３に記載の内燃機関において、吸気弁及び前記燃料噴射弁は隣接して配置され、排気弁の開弁以前に前記吸気弁を開弁させることにより気筒上部に位置する前記一部の既燃ガスを自身気筒の前記吸気ポートへ戻すことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関において、前記一部の既燃ガスを機関吸気系としてサージタンクへ戻すことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項６に記載の内燃機関は、請求項５に記載の内燃機関において、気筒内全体の既燃ガス圧力と前記サージタンク内の圧力との差圧を利用して前記一部の既燃ガスを前記サージタンクへ戻すことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項７に記載の内燃機関は、請求項６に記載の内燃機関において、排気弁及び前記燃料噴射弁は隣接して配置され、前記排気弁を開弁して前記一部の既燃ガスを残りの既燃ガスより先に機関排気系へ流出させ、前記機関排気系とサージタンクとを連通する連通路を介して前記一部の既燃ガスを前記サージタンクへ戻すことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項８に記載の内燃機関は、請求項７に記載の内燃機関において、前記排気弁は一方の排気弁と他方の排気弁とを有し、前記一方の排気弁は前記燃料噴射弁に隣接して配置され、前記機関排気系は前記一方の排気弁を介して気筒内へ通じる第一排気通路と前記他方の排気弁を介して気筒内へ通じる第二排気通路とを有し、前記第一排気通路には前記連通路が接続され、前記一方の排気弁を前記他方の排気弁より先に開弁させることにより、前記連通路を介して前記一部の既燃ガスを前記サージタンクへ戻すことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による請求項９に記載の内燃機関は、請求項８に記載の内燃機関において、前記第一排気通路は複数気筒共通であって各気筒の前記一方の排気弁を介して各気筒へ通じ、前記第二排気通路は複数気筒共通であって各気筒の前記他方の排気弁を介して各気筒へ通じていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による請求項１０に記載の内燃機関は、請求項９に記載の内燃機関において、前記第一排気通路及び前記第二排気通路が、ターボチャージャの単一のタービンへ通じ、それぞれに、前記タービンをバイパスするウエストゲート通路が設けられており、それぞれの前記ウエストゲート通路を通過する既燃ガス流量を制御して、前記第一排気通路及び前記第二排気通路のそれぞれにより前記タービンへ流入する既燃ガス量をほぼ等しくすることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による請求項１１に記載の内燃機関は、請求項１から１０に記載の内燃機関において、前記機関排気系において還元物質を必要とする時には、前記一部の既燃ガスを機関吸気系へ戻さないようにすることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明による請求項１２に記載の内燃機関は、請求項１１に記載の内燃機関において、前記機関排気系において還元物質を必要とする時には、新気量を増大することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第一実施形態による内燃機関を示す概略断面図である。本内燃機関は、例えば、ディーゼルエンジンである。図１において、１は気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁であり、２は吸気弁、３は排気弁である。４は吸気弁２を介して気筒内へ通じる吸気ポート、５は排気弁３を介して気筒内へ通じる排気ポートである。また、６はピストンであり、その頂面には燃焼室６ａが形成されている。燃料噴射弁１は圧縮行程末期において燃焼室６ａ内へ燃料を噴射し、こうして噴射された燃料は燃焼室６ａ内で着火燃焼することとなる。
【００２０】
図２は燃料噴射弁１の先端部を示す概略断面図である。図２に示すように、燃料噴射弁１内には燃料通路１ａが形成されている。燃料通路１ａは、例えば各気筒共通の蓄圧室等から高圧燃料が供給される大径部と、大径部に接続されて燃料噴射弁１の先端へ向けて先細の切頭円錐形のテーパ部と、このテーパ部より先端側に形成された小径部とを有している。燃料通路１ａ内には弁体１ｂが配置され、弁体１ｂの角部が燃料通路１ａのテーパ部に当接し、テーパ部におけるこの当接位置がシート部１ｃとなる。
【００２１】
噴孔は、シート部１ｃより下流側において燃料通路１ａに連通するように形成され、それにより、弁体１ｂをリフトさせ、弁体１ｂの角部をシート部１ｃから離間させることによってシート部１ｃが開放されれば、燃料通路１ａ内へ供給された高圧燃料は噴孔から噴射される。
【００２２】
本実施形態における燃料噴射弁１は、シート部１ｃの下流側において、テーパ部に連通する複数の噴孔１ｄが放射状に形成され、さらに、小径部に連通して複数の噴孔１ｅが放射状に形成されている。テーパ部に連通する複数の噴孔１ｄが第一群の噴孔となり、小径部に連通する複数の噴孔１ｅが第二群の噴孔となる。また、弁体１ｂの先端部は、燃料通路１ａの小径部に嵌合するように形成されている。
【００２３】
本燃料噴射弁１は、弁体１ｂを二段階にリフトさせることができる。一段階のリフトによってシート部１ｃが開放される時には、弁体１ｂの先端部は燃料通路１ａの小径部に依然として嵌合しており、それにより、第一群の噴孔１ｄを介してだけ燃料が噴射される。また、二段階のリフトにより弁体１ｂの先端部は燃料通路１ａの小径部との嵌合が外れ、それにより、第一群の噴孔１ｄを介しての燃料噴射に加えて第二群の噴孔１ｅを介して燃料が噴射される。
【００２４】
こうして、第一群の噴孔１ｄを介しての燃料噴射と、第一群の噴孔１ｄ及び第二群の噴孔１ｅを介しての燃料噴射とが実施可能であり、例えば、第一群の噴孔１ｄを第二群の噴孔１ｅに比較して小径とすれば、第一群の噴孔１ｄから噴射される燃料は微粒化され易くなり、それにより、必要な燃料噴射量が比較的少ない機関低負荷時においては、弁体１ｂを一段階リフトさせて、第一群の噴孔１ｄだけを使用して燃料を噴射するようにすれば、噴射された燃料の多くを良好に燃焼させることができ、未燃燃料の排出量を十分に低減することが可能となる。
【００２５】
また、機関高負荷時となって必要な燃料噴射量が比較的多くなると、第一群の噴孔１ｄだけでは十分に燃料を噴射することができなくなり、それにより、この時には、弁体１ｂを二段階リフトさせることにより、第一群の噴孔１ｄ及び第二群の噴孔１ｅによって比較的多量の燃料を十分に噴射することが可能となる。
【００２６】
このような燃料噴射弁１において、弁体１ｂの角部を燃料通路１ａのシート部１ｃに当接させて燃料噴射を終了する際に、弁体１ｂの先端部が第二群の噴孔１ｅ位置まで燃料通路１ａの小径部に嵌合するように、すなわち、第二群の噴孔１ｅを閉鎖するように構成されていると、小径部内の第二群の噴孔１ｅより先端側の燃料の逃げ場がなく、弁体１ｂによるシート部１ｃの確実な閉鎖を保証することができない。
【００２７】
それにより、燃料噴射終了時において、弁体１ｂの先端部は、第二群の噴孔１ｅを閉鎖しないように形成され、すなわち、この時において、第二群の噴孔１ｅは小径部内の燃料により満たされた空間と連通している。燃料噴射終了時おいて、この空間内を満たす燃料圧力は、燃料噴射終了時における圧縮行程末期の気筒内圧力とほぼ等しく比較的高い圧力である。その後は、燃焼による気筒内圧力の上昇に伴ってさらに高圧となるが、膨張行程後半になって圧縮行程末期より気筒内圧力が低下すると、空間内の燃料は、減圧沸騰して第二群の噴孔１ｅから気体燃料として流出する。
【００２８】
通常の内燃機関では、この気体燃料は、燃焼することなく、排気行程で未燃燃料として気筒内から排出され、この全てを触媒装置によって浄化することは難しく、排気エミッションを悪化させることとなる。本内燃機関は、この排気エミッションの悪化を改善するためのものであり、図３に示すように、吸気弁２を吸気のために主に吸気行程（例えば、吸気上死点ＴＤＣ１直前から吸気下死点ＢＤＣ１直後）で開弁させるだけでなく、主に膨張行程後半（例えば、膨張下死点ＢＤＣ２の前後）でも開弁させるようになっている。
【００２９】
本内燃機関において、通常の内燃機関と同様に、燃料噴射弁１は気筒上部に配置されており、燃料噴射弁１から気体燃料として流出した燃料を含む気筒内の一部の既燃ガスは、図１にドットで示すように気筒上部の燃料噴射弁１近傍に位置している。また、吸気弁２は気筒上部に燃料噴射弁１に隣接して配置されており、それにより、膨張行程後半において吸気弁２が開弁されると、この一部の既燃ガスは、この時の気筒内全体の既燃ガス圧力と吸気ポート４内の圧力との差圧によって、図４にドットで示すように、隣接する吸気弁２を介して吸気ポート４へ戻される。
【００３０】
その後、吸気弁２の閉弁と同時又は前後して排気のために排気弁３が開弁され、気筒内の残りの既燃ガスは排気ポート５から排出されるが、この残りの既燃ガスには燃料噴射弁１から流出した気体燃料は殆ど含まれておらず、排気エミッションを悪化させることはない。
【００３１】
排気行程に次いで吸気行程となると吸気弁２が開弁され、吸気ポート４へ戻された気体燃料を含む一部の既燃ガスは、吸気と共に気筒内へ供給される。この気体燃料は、圧縮行程末期の燃焼時において燃焼するために、未燃燃料として排出されることはなく、排気エミッションを悪化させることはない。
【００３２】
本内燃機関では、主に膨張行程後半において吸気弁２を開弁するようにしたが、主に排気行程初期において吸気弁２を開弁させても良く、この時には、排気弁３を開弁する以前に吸気弁２を開弁させることが好ましいが、燃料噴射弁１を排気弁３に比較して吸気弁２へより隣接して配置することにより、吸気弁２と排気弁３とを同時に開弁するようにしても、気体燃料を含む一部の既燃ガスを吸気ポート４へ戻すことが可能である。もちろん、この時においても、吸気弁２は、排気上死点前後で閉弁する排気弁３に比較して先に閉弁される。
【００３３】
このような１サイクルで二回の吸気弁２の開閉を可能とするためには、例えば、吸気弁用カムが、吸気行程での開閉のための第一突出部と、膨張行程後半から排気行程前半の間における開閉のための第二突出部とを有するようにすれば良い。また、バルブスプリングと組み合わせて、又は、単独で電磁又は流体アクチュエータを吸気弁２の開閉に利用すれば、吸気弁２の開閉時期は自由に設定可能であり、本内燃機関における吸気弁２の開閉制御を実現することができる。
【００３４】
ところで、機関低負荷時には、気筒内温度が低いために噴射燃料が着火燃焼し難く、燃焼において未燃燃料が発生し易い。また、機関排気系には、未燃燃料を浄化するための触媒装置が設けられているが、機関低負荷時には排気温度が低いために触媒装置の活性が不十分となり易い。こうして、特に機関低負荷時においては、さらに燃料噴射弁１から流出した気体燃料が気筒内から排出されると、排気ガス中には燃焼時の未燃燃料と合わせて比較的多量の未燃燃料が含まれることとなり、これが触媒装置の活性不足によって十分に浄化されずに大気中へ放出されることは確実に防止しなければならない。
【００３５】
これに対して、機関高負荷時には気筒内温度も高く良好な着火燃焼によって未燃燃料は発生し難く、また、排気温度も高く触媒装置も十分に活性化しているために、燃料噴射弁１から流出した気体燃料を触媒装置によって比較的良好に浄化することができる。それにより、機関低負荷時にだけ膨張行程後半から排気行程前半までの間において吸気弁２を開閉するようにしても良い。
【００３６】
電磁又は流体アクチュエータによって吸気弁２を開閉させる場合には、このように機関低負荷時にだけ膨張行程後半から排気行程前半までの間において吸気弁を開閉させることが可能である。しかしながら、カムによって吸気弁２を開閉させる場合には、二つの突出部を有する機関低負荷時用の第一カムと、一つの突出部を有する機関高負荷時用の第二カムとを準備して、第一カムと第二カムとを切り換えて使用することが考えられる。この時において、吸気弁２を吸気行程で開弁させるための第一カムの突出部形状を第二カムの突出部形状と異ならせることにより、バルブオーバーラップ等を機関低負荷時及び機関高負荷時にそれぞれ最適なものとすることができる。また、吸気行程で吸気弁を開弁させるための第一カムと、膨張行程後半から排気行程前半までの間において吸気弁を開弁させるための第二カムとを設けて、第一カムは常に有効とすると共に、機関低負荷時には第二カムも有効とし、機関高負荷時には第二カムを無効とするようにしても良い。例えば、バルブロッカアームの第二カムとの当接部を固定することにより第二カムを有効として排気弁を作動させ、この当接部を押圧移動可能にすることにより第二カムを無効として排気弁を作動させないようにすることができる。
【００３７】
本内燃機関においては、燃料噴射弁から流出した気体燃料を含む一部の既燃ガスを、気筒内全体の既燃ガス圧力との差圧を利用して、自身気筒の吸気ポート４へ吸気弁２を介して戻すようにした。それにより、自身気筒の吸気ポート４内の圧力が例えば過給器による過給によって高められている場合において、差圧を利用して吸気ポートへ既燃ガスを戻すためには、膨張行程後半となって燃料噴射弁１から気体燃料が流出した直後の気筒内圧力が比較的高い時に吸気弁２を開弁させることが好ましい。又は、膨張行程及び排気行程初期には排気弁３を開弁させずに気筒内圧力を高めてから排気弁３と同時又は排気弁３より先に吸気弁２を開弁させるようにしても良い。
【００３８】
もちろん、吸気弁を自由に開閉することができるのであれば、過給器による過給圧が高いほど、気筒膨張行程後半から排気行程前半の間における吸気弁の開弁時期を膨張下死点から早めて又は遅らせて、気筒内圧力が高い時とするようにしても良い。また、過給圧による過給圧が設定値より高く、差圧を利用して既燃ガスを吸気ポートへ戻せない時には、気筒膨張行程後半から排気行程前半の間における吸気弁の開弁を中止するようにしても良い。
【００３９】
本内燃機関の変形例として、燃料噴射弁１の近傍と自身気筒の吸気ポート４とを連通する連通路を形成し、膨張行程後半から排気行程前半の間において、吸気弁２を開弁させることなく、連通路に設けられた制御弁を開放し、この連通路を介して吸気ポート４へ気体燃料を含む一部の既燃ガスを戻すようにしても良い。このような連通路は、自身気筒の吸気ポートではなく、他気筒、好ましくは吸気行程中の他気筒の吸気ポートへ連通させて、この他気筒へ気体燃料を含む一部の既燃ガスを戻すようにしても良い。吸気行程中の気筒における吸気ポート内の圧力は、気筒内への吸気の吸引によって、過給器が作動していても比較的低圧であり、差圧を利用して吸気ポートへ既燃ガスを戻し易くなる。もちろん、このような連通路は、機関吸気系におけるサージタンク又はサージタンク上流側へ連通させるようにしても良い。
【００４０】
図５は、本発明の第二実施形態による内燃機関を示す全体構成図である。本内燃機関は複数気筒を有し、各気筒は二つの吸気弁２及び二つの排気弁を有している。各気筒は、二つの吸気弁２を介して、対応する吸気ポート４により各気筒共通のサージタンク７へ連通されている。サージタンク７の上流側には、上流側吸気通路８が接続されている。吸気ポート４、サージタンク７、及び上流側吸気通路８は、機関吸気系を構成する。
【００４１】
各気筒は、一方の排気弁３２を介して、対応する各排気ポート５２により各気筒共通の第一排気通路９へ連通されている。また、各気筒は、他方の排気弁３１を介して、対応する各排気ポート５１により各気筒共通の第二排気通路１０へ連通されている。第一排気通路９は、連通路としての排気ガス再循環通路１１によって上流側吸気通路８へ連通されている。１２は排気ガス再循環通路１１に配置された制御弁である。
【００４２】
また、第一排気通路９及び第二排気通路１０は、ターボチャージャの単一のタービン１３へ通じている。タービン１３の下流側には下流側排気通路１４が接続され、また、第一排気通路９から下流側排気通路１４へタービン１３をバイパスする第一ウエストゲート通路１５が接続され、第二排気通路１０から排気通路１４へタービン１３をバイパスする第二ウエストゲート通路１７が接続されている。第一ウエストゲート通路１５及び第二ウエストゲート通路１７には、それぞれ第一ウエストゲートバルブ１６及び第二ウエストゲートバルブ１８が配置されている。また、第一ウエストゲート通路１５及び第二ウエストゲート通路１７の接続位置より下流側において、下流側排気通路１４には排気ガス中の有害物質を浄化するための触媒装置１９が配置されている。
【００４３】
各気筒において、燃料噴射弁（図示せず）及び一方の排気弁３２は、いずれも気筒上部に位置して互いに隣接して配置されている。このように構成された本内燃機関においては、膨張行程後半から排気行程前半までの間において、先ず、一方の排気弁３２を開弁させる。次いで、一方の排気弁３２を閉弁させるに前後して他方の排気弁３１を開弁させ、これを排気上死点近傍において閉弁させるようになっている。
【００４４】
それにより、燃料噴射弁近傍の気体燃料を含む一部の既燃ガスは、一方の排気弁３２を介して第一排気通路９へ流出し、第一排気通路９から排気ガス再循環通路１１を介して上流側吸気通路８へ流入してサージタンク７へ戻される。気筒内の残りの既燃ガスは、他方の排気弁３１を介して第二排気通路１０へ流出する。その後、タービン１３を介して下流側排気通路１４の触媒装置１９を通り大気中へ放出される。
【００４５】
この時、もし触媒装置１９が十分に活性化していなくても、燃料噴射弁から流出した気体燃料を含む既燃ガスは、サージタンク７へ戻されており、多量に未燃燃料を含む既燃ガスが触媒装置１９によって十分に浄化されずに大気中へ放出されることはない。サージタンク７へ戻された気体燃料を含む一部の既燃ガスは、その後に吸気行程を迎える気筒へ対応する吸気ポート４を介して吸気と共に供給され、気体燃料は、この気筒で圧縮行程末期の燃焼時において燃焼されるために、未燃燃料として気筒から排出されることはない。
【００４６】
本内燃機関において、前述した内燃機関と同様に、燃料噴射弁から流出する気体燃料が排気エミッションをかなり悪化させるのは機関低負荷時であるために、機関低負荷時にだけ制御弁１２を開放して排気ガス再循環通路１１を介して気体燃料を含む一部の既燃ガスをサージタンク７へ戻すようにしても良い。また、機関高負荷時には、二つの排気弁３１，３２を膨張下死点近傍で同時に開弁するようにしても良い。このように、機関低負荷時及び機関高負荷時で二つの排気弁３１，３２の開閉時期を変化させるには、前述した吸気弁と同様に、それぞれの排気弁に対して二種類のカムを切り換えて使用したり、また、電磁式又は流体式のアクチュエータを使用して各排気弁を自由に開閉させるようにすれば良い。
【００４７】
本内燃機関において、ターボチャージャのタービン１３は、第一排気通路９及び第二排気通路１０から供給される排気ガスによって駆動される。このようなタービン１３において、各排気通路から供給される排気ガス流量に差があると、タービン１３を良好に駆動することができない。本内燃機関において、第一排気通路９からタービン１３へ供給される排気流量は、気筒内から第一排気通路９へ排出される既燃ガス量が比較的少ないことに加えて、その多くはサージタンク７へ戻されるために、第二排気通路１０からタービン１３へ供給される排気流量に比較してかなり少なくなる。
【００４８】
それにより、第二ウエストゲートバルブ１８の開度を第一ウエストゲートバルブ１６の開度に比較して大きく制御し、各排気通路９，１０からタービン１３へ供給される排気流量をほぼ等しくしてタービン効率を高めるようにしている。第一排気通路９からタービン１３へ供給される排気流量を多くするために、一方の排気弁３２のリフト量を他方の排気弁３１のリフト量より小さくして、各気筒から第一排気通路９へ排出される一部の既燃ガスの流速を高めるようにしても良い。
【００４９】
本内燃機関及び前述の内燃機関において、一部の既燃ガスは結果的に気筒内へ再循環され、既燃ガスの主成分である不活性ガスが大きな熱容量を有して燃焼温度を低下させるために、ＮＯX生成を抑制することができる。これは排気ガス再循環として知られており、機関運転状態によっては多量に既燃ガスを再循環させることが好ましい。そのために、機関運転状態に応じた最適な量の既燃ガスを再循環させるために、前述の内燃機関では膨張行程後半から排気行程前半までの間における吸気弁の開弁期間を、また、本内燃機関では膨張行程後半から排気行程前半までの間における一方の排気弁の開弁期間を、機関運転状態に応じて制御することが好ましい。
【００５０】
また、本内燃機関において、第二排気通路１０と上流側吸気通路８とを連通するもう一つの排気ガス再循環通路を設けて、第一排気通路９からの再循環では排気ガス量が不足する機関運転状態においては、この排気ガス再循環通路を介して第二排気通路１０からも排気ガスを再循環させるようにしても良い。
【００５１】
ところで、下流側排気通路１４に配置された触媒装置１９は、例えば、ＮＯX吸蔵還元触媒装置である。このＮＯX吸蔵還元触媒装置は、排気ガスがリーン状態である時に排気ガス中のＮＯXを良好に吸収し、排気ガスがストイキ状態又はリッチ状態である時にＮＯXを放出して排気ガス中の還元物質によりＮＯXを還元浄化するものである。この還元浄化には、ＮＯX吸蔵還元触媒装置が担持する酸化触媒が利用される。この酸化触媒によって、ＮＯX吸蔵還元触媒装置は、排気ガス中の未燃燃料及び一酸化炭素を酸化して浄化することができる。
【００５２】
前述した二つの内燃機関はディーゼルエンジンであり、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスはＮＯXを含むリーン状態である。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９によって排気ガス中のＮＯXは良好に吸収される。ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９におけるＮＯX吸蔵可能量は有限であるために、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９におけるＮＯX吸蔵量が、このＮＯX吸蔵可能量に達する以前に、吸蔵したＮＯXを放出させて還元浄化し、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９を再生する必要がある。
【００５３】
この再生時には、減圧沸騰して燃料噴射弁から流出した気体燃料を利用することができる。すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９を再生するために、第一実施形態の内燃機関では、膨張行程後半から排気行程前半までの間において吸気弁２を開弁させないで、気体燃料を含む一部の既燃ガスを排気弁３から流出させてこの気体燃料をＮＯX吸蔵還元触媒装置へ積極的に供給する。
【００５４】
また、第二実施形態の内燃機関では排気ガス再循環通路１１の制御弁１２を閉弁して、気体燃料を含む一部の既燃ガスをサージタンク７へ戻さないようにすれば良い。この時、前述したように、第二排気通路１０にも別の排気ガス再循環通路が設けられていれば、この排気ガス再循環通路を使用して、排気ガス再循環を実施することができる。この場合において、第一排気通路９からタービン１３へ流入する排気流量が、第二排気通路１０からタービン１３へ流入する排気流量に比較して多くなれば、第一ウエストゲートバルブ１６の開度を第二ウエストゲートバルブの開度より大きくして、両方の排気流量をほぼ等しくすることが好ましい。
【００５５】
内燃機関の排気ガス中にはＳＯXも含まれており、ＳＯXもＮＯXと同様にＮＯX吸蔵還元触媒装置１９に吸蔵される。ＳＯXは、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９の近傍雰囲気を単にストイキ又はリッチとしても放出されない。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９において、前述の再生を実施しても、ＳＯX吸蔵量は徐々に増加し、その分、ＮＯXを吸蔵することができなくなってしまう。ＳＯXを放出させるには、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９の温度を高めて近傍雰囲気をリッチにする必要がある。
【００５６】
このＳＯX被毒回復は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置にある程度ＳＯXが吸蔵された時点で実施することが好ましい。ＳＯX被毒回復を実施するためには、再生時より多量に未燃燃料をＮＯX吸蔵還元触媒装置１９へ供給し、ＮＯX吸蔵還元触媒装置が担持する酸化触媒によって一部の未燃燃料を燃焼させ、この燃焼熱によってＮＯX吸蔵還元触媒装置を加熱すると共に、残りの未燃燃料によって放出されたＳＯXを還元浄化する。それにより、再生時と同様に、燃料噴射弁から流出した気体燃料をＮＯX吸蔵還元触媒へ供給すると共に、過給等によって吸気量を増加させて再循環排気ガス量を減少させ、気筒内温度を低下させることにより、圧縮行程末期に噴射された燃料の一部を未燃燃料として排出させてＮＯX吸蔵還元触媒装置へ供給するようにする。この時に、燃焼温度の低下に伴って排気ガス温度が低下することを防止するために、排気弁の開弁時期を膨張行程において早めることが好ましい。
【００５７】
本発明における燃料噴射弁は、前述したように二つの噴孔群を有するものに限定されない。一般的な燃料噴射弁においても、燃料通路のシート部より下流側に噴孔が連通され、それにより、容積の大小はあっても噴孔が連通する空間が必然的に存在する。こうして、膨張行程後半の筒内圧力が燃料噴射終了時点の筒内圧力より低下すれば、空間内の燃料が減圧沸騰して燃料噴射弁より流出することとなる。従って、本発明は、ディーゼルエンジンだけでなく、例えば成層燃焼のために圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関にも適用可能である。
【００５８】
こうして、圧縮行程において気筒内へ燃料を噴射する内燃機関においては、膨張行程後半において燃料噴射弁のシート部より下流側の空間に連通する噴孔から減圧沸騰した燃料が流出することとなるが、例えば、弁体の先端形状を工夫することにより、燃料が流出する噴孔を特定することが可能である。
【００５９】
図２に示した燃料噴射弁において、空間に連通する第二群の噴孔１ｅの全てから燃料が流出することとなるが、弁体１ｂによってシート部１ｃを閉鎖した時（弁体閉弁時）に、弁体１ｂの先端部によって第二群の噴孔１ｅにおける一部だけを閉鎖するように、先端部の一部だけを延長するようにしても良い。この場合において、第二群の噴孔１ｅの残り一部だけが空間に連通し、この残り一部の噴孔１ｅからだけ膨張行程後半に燃料が流出することとなる。このように、弁体閉弁時において少なくとも一つの噴孔だけを空間に連通させれば、弁体閉弁が不確実となることはない。
【００６０】
こうして、膨張行程後半に燃料噴射弁の特定の噴孔から燃料を流出させることができ、すなわち、燃料噴射弁から流出する燃料の流出方向を特定することができる。第一実施形態の内燃機関では、吸気弁を介して流出燃料を含む一部の既燃ガスを吸気ポートへ戻すようになっているために、燃料流出方向は、吸気弁方向とすることが好ましい。吸気二弁式の内燃機関において、一つの噴孔から燃料を流出させるようにして燃料流出方向が一方向の場合には、二つの吸気弁の間へ向けることが好ましい。この場合において、シリンダヘッドにおいて二つの吸気弁の間を隆起させて流出した燃料が二つの吸気弁の間で淀まないようにすることが好ましい。また、二つの噴孔から燃料を流出させるようにして燃料流出方向が二方向の場合には、二つの吸気弁のそれぞれにおける中央又は周囲へ向けることが好ましい。
【００６１】
第二実施形態の内燃機関では、一方の排気弁を介して流出燃料を含む一部の既燃ガスを第一排気通路からサージタンクへ戻すようになっているために、燃料流出方向は、この一方の排気弁方向とすることが好ましい。ところで、第二実施形態の内燃機関は、二つの排気通路を有し、一方の排気通路（第一排気通路９）へ流出燃料を含む一部の既燃ガスを排出させ、そこからサージタンクへ戻すにようにしたが、これは本発明を限定するものではない。例えば、少なくとも一つの排気弁を有する内燃機関において、この排気弁を膨張行程後半以降に開弁させ、排気弁開弁直後において、各気筒の排気集合部より上流側の排気ポートからサージタンク又はサージタンクの上流側の吸気通路へ既燃ガスを戻すようにしても良い。燃料噴射弁の近傍に位置する排気弁を開弁させると、燃料噴射弁近傍の流出燃料を含む一部の既燃ガスが最初に排気ポートへ排出される。この一部の既燃ガスを、排気ポートと例えばサージタンクとを連通する連通路によってサージタンクへ戻すようにすれば良い。
【００６２】
【発明の効果】
本発明による内燃機関は、燃料噴射弁によって圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する内燃機関において、膨張行程において燃料噴射弁から流出した燃料を含む気筒内の一部の既燃ガスを機関吸気系へ戻すようになっている。それにより、燃料噴射弁から流出した燃料を含む一部の既燃ガスは、機関吸気系から気筒内へ供給されて圧縮行程末期の燃焼に使用され、この一部の既燃ガスがそのまま機関排気系から大気中へ放出されることはなく、排気エミッションの悪化を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の第一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】図１の内燃機関に使用される燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。
【図３】図１の内燃機関における吸気弁のリフトを示すタイムチャートである。
【図４】膨張下死点近傍における図１の内燃機関を示す概略断面図である。
【図５】本発明による内燃機関の第二実施形態を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１…燃料噴射弁
２…吸気弁
３，３１，３２…排気弁
４…吸気ポート
５，５１，５２…排気ポート
７…サージタンク
８…上流側排気通路
９…第一排気通路
１０…第二排気通路
１３…タービン
１９…触媒装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン又は筒内噴射式火花点火エンジンでは、圧縮行程において気筒内へ燃料を噴射する必要があり、そのための燃料噴射弁は、圧縮行程の高圧の気筒内への燃料噴射を可能とするために、非常に高圧で燃料を噴射しなければならない。
【０００３】
このような高圧燃料を噴射するための燃料噴射弁は、一般的に、閉弁時において弁体によりシート部を閉鎖し、開弁時において弁体を移動させてシート部を開放することにより、高圧燃料をシート部の下流側に設けられた噴孔を介して噴射するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料噴射弁では、シート部の下流側において、容積の大小はあっても噴孔が連通する空間が必然的に設けられる。弁体によりシート部が閉鎖されて燃料噴射が終了した時には、この空間内は、燃料噴射終了時における気筒内とほぼ等しい高圧の燃料によって満たされている。
【０００５】
この空間内を満たす燃料は、その後の圧縮行程及び燃焼時において、さらに高圧となる気筒内へ流出することはないが、膨張行程後半となって気筒内の圧力が低下すると、減圧沸騰して気筒内へ流出する。こうして気筒内へ流出した燃料は、燃焼することはなく、その後の排気行程において未燃燃料として気筒内から排出され、排気エミッションを悪化させる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する内燃機関において、膨張行程後半に燃料噴射弁から流出する燃料による排気エミッションの悪化を改善することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関は、燃料噴射弁によって圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する内燃機関において、膨張行程において前記燃料噴射弁から流出した燃料を含む気筒内の一部の既燃ガスを機関吸気系へ戻すことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関において、前記一部の既燃ガスを機関吸気系として自身気筒の吸気ポートへ戻すことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関は、請求項２に記載の内燃機関において、気筒内全体の既燃ガス圧力と自身気筒の前記吸気ポート内の圧力との差圧を利用して前記一部の既燃ガスを自身気筒の前記吸気ポートへ戻すことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関は、請求項３に記載の内燃機関において、吸気弁及び前記燃料噴射弁は隣接して配置され、排気弁の開弁以前に前記吸気弁を開弁させることにより気筒上部に位置する前記一部の既燃ガスを自身気筒の前記吸気ポートへ戻すことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関は、請求項１に記載の内燃機関において、前記一部の既燃ガスを機関吸気系としてサージタンクへ戻すことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項６に記載の内燃機関は、請求項５に記載の内燃機関において、気筒内全体の既燃ガス圧力と前記サージタンク内の圧力との差圧を利用して前記一部の既燃ガスを前記サージタンクへ戻すことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項７に記載の内燃機関は、請求項６に記載の内燃機関において、排気弁及び前記燃料噴射弁は隣接して配置され、前記排気弁を開弁して前記一部の既燃ガスを残りの既燃ガスより先に機関排気系へ流出させ、前記機関排気系とサージタンクとを連通する連通路を介して前記一部の既燃ガスを前記サージタンクへ戻すことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明による請求項８に記載の内燃機関は、請求項７に記載の内燃機関において、前記排気弁は一方の排気弁と他方の排気弁とを有し、前記一方の排気弁は前記燃料噴射弁に隣接して配置され、前記機関排気系は前記一方の排気弁を介して気筒内へ通じる第一排気通路と前記他方の排気弁を介して気筒内へ通じる第二排気通路とを有し、前記第一排気通路には前記連通路が接続され、前記一方の排気弁を前記他方の排気弁より先に開弁させることにより、前記連通路を介して前記一部の既燃ガスを前記サージタンクへ戻すことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による請求項９に記載の内燃機関は、請求項８に記載の内燃機関において、前記第一排気通路は複数気筒共通であって各気筒の前記一方の排気弁を介して各気筒へ通じ、前記第二排気通路は複数気筒共通であって各気筒の前記他方の排気弁を介して各気筒へ通じていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による請求項１０に記載の内燃機関は、請求項９に記載の内燃機関において、前記第一排気通路及び前記第二排気通路が、ターボチャージャの単一のタービンへ通じ、それぞれに、前記タービンをバイパスするウエストゲート通路が設けられており、それぞれの前記ウエストゲート通路を通過する既燃ガス流量を制御して、前記第一排気通路及び前記第二排気通路のそれぞれにより前記タービンへ流入する既燃ガス量をほぼ等しくすることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明による請求項１１に記載の内燃機関は、請求項１から１０に記載の内燃機関において、前記機関排気系において還元物質を必要とする時には、前記一部の既燃ガスを機関吸気系へ戻さないようにすることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明による請求項１２に記載の内燃機関は、請求項１１に記載の内燃機関において、前記機関排気系において還元物質を必要とする時には、新気量を増大することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第一実施形態による内燃機関を示す概略断面図である。本内燃機関は、例えば、ディーゼルエンジンである。図１において、１は気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁であり、２は吸気弁、３は排気弁である。４は吸気弁２を介して気筒内へ通じる吸気ポート、５は排気弁３を介して気筒内へ通じる排気ポートである。また、６はピストンであり、その頂面には燃焼室６ａが形成されている。燃料噴射弁１は圧縮行程末期において燃焼室６ａ内へ燃料を噴射し、こうして噴射された燃料は燃焼室６ａ内で着火燃焼することとなる。
【００２０】
図２は燃料噴射弁１の先端部を示す概略断面図である。図２に示すように、燃料噴射弁１内には燃料通路１ａが形成されている。燃料通路１ａは、例えば各気筒共通の蓄圧室等から高圧燃料が供給される大径部と、大径部に接続されて燃料噴射弁１の先端へ向けて先細の切頭円錐形のテーパ部と、このテーパ部より先端側に形成された小径部とを有している。燃料通路１ａ内には弁体１ｂが配置され、弁体１ｂの角部が燃料通路１ａのテーパ部に当接し、テーパ部におけるこの当接位置がシート部１ｃとなる。
【００２１】
噴孔は、シート部１ｃより下流側において燃料通路１ａに連通するように形成され、それにより、弁体１ｂをリフトさせ、弁体１ｂの角部をシート部１ｃから離間させることによってシート部１ｃが開放されれば、燃料通路１ａ内へ供給された高圧燃料は噴孔から噴射される。
【００２２】
本実施形態における燃料噴射弁１は、シート部１ｃの下流側において、テーパ部に連通する複数の噴孔１ｄが放射状に形成され、さらに、小径部に連通して複数の噴孔１ｅが放射状に形成されている。テーパ部に連通する複数の噴孔１ｄが第一群の噴孔となり、小径部に連通する複数の噴孔１ｅが第二群の噴孔となる。また、弁体１ｂの先端部は、燃料通路１ａの小径部に嵌合するように形成されている。
【００２３】
本燃料噴射弁１は、弁体１ｂを二段階にリフトさせることができる。一段階のリフトによってシート部１ｃが開放される時には、弁体１ｂの先端部は燃料通路１ａの小径部に依然として嵌合しており、それにより、第一群の噴孔１ｄを介してだけ燃料が噴射される。また、二段階のリフトにより弁体１ｂの先端部は燃料通路１ａの小径部との嵌合が外れ、それにより、第一群の噴孔１ｄを介しての燃料噴射に加えて第二群の噴孔１ｅを介して燃料が噴射される。
【００２４】
こうして、第一群の噴孔１ｄを介しての燃料噴射と、第一群の噴孔１ｄ及び第二群の噴孔１ｅを介しての燃料噴射とが実施可能であり、例えば、第一群の噴孔１ｄを第二群の噴孔１ｅに比較して小径とすれば、第一群の噴孔１ｄから噴射される燃料は微粒化され易くなり、それにより、必要な燃料噴射量が比較的少ない機関低負荷時においては、弁体１ｂを一段階リフトさせて、第一群の噴孔１ｄだけを使用して燃料を噴射するようにすれば、噴射された燃料の多くを良好に燃焼させることができ、未燃燃料の排出量を十分に低減することが可能となる。
【００２５】
また、機関高負荷時となって必要な燃料噴射量が比較的多くなると、第一群の噴孔１ｄだけでは十分に燃料を噴射することができなくなり、それにより、この時には、弁体１ｂを二段階リフトさせることにより、第一群の噴孔１ｄ及び第二群の噴孔１ｅによって比較的多量の燃料を十分に噴射することが可能となる。
【００２６】
このような燃料噴射弁１において、弁体１ｂの角部を燃料通路１ａのシート部１ｃに当接させて燃料噴射を終了する際に、弁体１ｂの先端部が第二群の噴孔１ｅ位置まで燃料通路１ａの小径部に嵌合するように、すなわち、第二群の噴孔１ｅを閉鎖するように構成されていると、小径部内の第二群の噴孔１ｅより先端側の燃料の逃げ場がなく、弁体１ｂによるシート部１ｃの確実な閉鎖を保証することができない。
【００２７】
それにより、燃料噴射終了時において、弁体１ｂの先端部は、第二群の噴孔１ｅを閉鎖しないように形成され、すなわち、この時において、第二群の噴孔１ｅは小径部内の燃料により満たされた空間と連通している。燃料噴射終了時おいて、この空間内を満たす燃料圧力は、燃料噴射終了時における圧縮行程末期の気筒内圧力とほぼ等しく比較的高い圧力である。その後は、燃焼による気筒内圧力の上昇に伴ってさらに高圧となるが、膨張行程後半になって圧縮行程末期より気筒内圧力が低下すると、空間内の燃料は、減圧沸騰して第二群の噴孔１ｅから気体燃料として流出する。
【００２８】
通常の内燃機関では、この気体燃料は、燃焼することなく、排気行程で未燃燃料として気筒内から排出され、この全てを触媒装置によって浄化することは難しく、排気エミッションを悪化させることとなる。本内燃機関は、この排気エミッションの悪化を改善するためのものであり、図３に示すように、吸気弁２を吸気のために主に吸気行程（例えば、吸気上死点ＴＤＣ１直前から吸気下死点ＢＤＣ１直後）で開弁させるだけでなく、主に膨張行程後半（例えば、膨張下死点ＢＤＣ２の前後）でも開弁させるようになっている。
【００２９】
本内燃機関において、通常の内燃機関と同様に、燃料噴射弁１は気筒上部に配置されており、燃料噴射弁１から気体燃料として流出した燃料を含む気筒内の一部の既燃ガスは、図１にドットで示すように気筒上部の燃料噴射弁１近傍に位置している。また、吸気弁２は気筒上部に燃料噴射弁１に隣接して配置されており、それにより、膨張行程後半において吸気弁２が開弁されると、この一部の既燃ガスは、この時の気筒内全体の既燃ガス圧力と吸気ポート４内の圧力との差圧によって、図４にドットで示すように、隣接する吸気弁２を介して吸気ポート４へ戻される。
【００３０】
その後、吸気弁２の閉弁と同時又は前後して排気のために排気弁３が開弁され、気筒内の残りの既燃ガスは排気ポート５から排出されるが、この残りの既燃ガスには燃料噴射弁１から流出した気体燃料は殆ど含まれておらず、排気エミッションを悪化させることはない。
【００３１】
排気行程に次いで吸気行程となると吸気弁２が開弁され、吸気ポート４へ戻された気体燃料を含む一部の既燃ガスは、吸気と共に気筒内へ供給される。この気体燃料は、圧縮行程末期の燃焼時において燃焼するために、未燃燃料として排出されることはなく、排気エミッションを悪化させることはない。
【００３２】
本内燃機関では、主に膨張行程後半において吸気弁２を開弁するようにしたが、主に排気行程初期において吸気弁２を開弁させても良く、この時には、排気弁３を開弁する以前に吸気弁２を開弁させることが好ましいが、燃料噴射弁１を排気弁３に比較して吸気弁２へより隣接して配置することにより、吸気弁２と排気弁３とを同時に開弁するようにしても、気体燃料を含む一部の既燃ガスを吸気ポート４へ戻すことが可能である。もちろん、この時においても、吸気弁２は、排気上死点前後で閉弁する排気弁３に比較して先に閉弁される。
【００３３】
このような１サイクルで二回の吸気弁２の開閉を可能とするためには、例えば、吸気弁用カムが、吸気行程での開閉のための第一突出部と、膨張行程後半から排気行程前半の間における開閉のための第二突出部とを有するようにすれば良い。また、バルブスプリングと組み合わせて、又は、単独で電磁又は流体アクチュエータを吸気弁２の開閉に利用すれば、吸気弁２の開閉時期は自由に設定可能であり、本内燃機関における吸気弁２の開閉制御を実現することができる。
【００３４】
ところで、機関低負荷時には、気筒内温度が低いために噴射燃料が着火燃焼し難く、燃焼において未燃燃料が発生し易い。また、機関排気系には、未燃燃料を浄化するための触媒装置が設けられているが、機関低負荷時には排気温度が低いために触媒装置の活性が不十分となり易い。こうして、特に機関低負荷時においては、さらに燃料噴射弁１から流出した気体燃料が気筒内から排出されると、排気ガス中には燃焼時の未燃燃料と合わせて比較的多量の未燃燃料が含まれることとなり、これが触媒装置の活性不足によって十分に浄化されずに大気中へ放出されることは確実に防止しなければならない。
【００３５】
これに対して、機関高負荷時には気筒内温度も高く良好な着火燃焼によって未燃燃料は発生し難く、また、排気温度も高く触媒装置も十分に活性化しているために、燃料噴射弁１から流出した気体燃料を触媒装置によって比較的良好に浄化することができる。それにより、機関低負荷時にだけ膨張行程後半から排気行程前半までの間において吸気弁２を開閉するようにしても良い。
【００３６】
電磁又は流体アクチュエータによって吸気弁２を開閉させる場合には、このように機関低負荷時にだけ膨張行程後半から排気行程前半までの間において吸気弁を開閉させることが可能である。しかしながら、カムによって吸気弁２を開閉させる場合には、二つの突出部を有する機関低負荷時用の第一カムと、一つの突出部を有する機関高負荷時用の第二カムとを準備して、第一カムと第二カムとを切り換えて使用することが考えられる。この時において、吸気弁２を吸気行程で開弁させるための第一カムの突出部形状を第二カムの突出部形状と異ならせることにより、バルブオーバーラップ等を機関低負荷時及び機関高負荷時にそれぞれ最適なものとすることができる。また、吸気行程で吸気弁を開弁させるための第一カムと、膨張行程後半から排気行程前半までの間において吸気弁を開弁させるための第二カムとを設けて、第一カムは常に有効とすると共に、機関低負荷時には第二カムも有効とし、機関高負荷時には第二カムを無効とするようにしても良い。例えば、バルブロッカアームの第二カムとの当接部を固定することにより第二カムを有効として排気弁を作動させ、この当接部を押圧移動可能にすることにより第二カムを無効として排気弁を作動させないようにすることができる。
【００３７】
本内燃機関においては、燃料噴射弁から流出した気体燃料を含む一部の既燃ガスを、気筒内全体の既燃ガス圧力との差圧を利用して、自身気筒の吸気ポート４へ吸気弁２を介して戻すようにした。それにより、自身気筒の吸気ポート４内の圧力が例えば過給器による過給によって高められている場合において、差圧を利用して吸気ポートへ既燃ガスを戻すためには、膨張行程後半となって燃料噴射弁１から気体燃料が流出した直後の気筒内圧力が比較的高い時に吸気弁２を開弁させることが好ましい。又は、膨張行程及び排気行程初期には排気弁３を開弁させずに気筒内圧力を高めてから排気弁３と同時又は排気弁３より先に吸気弁２を開弁させるようにしても良い。
【００３８】
もちろん、吸気弁を自由に開閉することができるのであれば、過給器による過給圧が高いほど、気筒膨張行程後半から排気行程前半の間における吸気弁の開弁時期を膨張下死点から早めて又は遅らせて、気筒内圧力が高い時とするようにしても良い。また、過給圧による過給圧が設定値より高く、差圧を利用して既燃ガスを吸気ポートへ戻せない時には、気筒膨張行程後半から排気行程前半の間における吸気弁の開弁を中止するようにしても良い。
【００３９】
本内燃機関の変形例として、燃料噴射弁１の近傍と自身気筒の吸気ポート４とを連通する連通路を形成し、膨張行程後半から排気行程前半の間において、吸気弁２を開弁させることなく、連通路に設けられた制御弁を開放し、この連通路を介して吸気ポート４へ気体燃料を含む一部の既燃ガスを戻すようにしても良い。このような連通路は、自身気筒の吸気ポートではなく、他気筒、好ましくは吸気行程中の他気筒の吸気ポートへ連通させて、この他気筒へ気体燃料を含む一部の既燃ガスを戻すようにしても良い。吸気行程中の気筒における吸気ポート内の圧力は、気筒内への吸気の吸引によって、過給器が作動していても比較的低圧であり、差圧を利用して吸気ポートへ既燃ガスを戻し易くなる。もちろん、このような連通路は、機関吸気系におけるサージタンク又はサージタンク上流側へ連通させるようにしても良い。
【００４０】
図５は、本発明の第二実施形態による内燃機関を示す全体構成図である。本内燃機関は複数気筒を有し、各気筒は二つの吸気弁２及び二つの排気弁を有している。各気筒は、二つの吸気弁２を介して、対応する吸気ポート４により各気筒共通のサージタンク７へ連通されている。サージタンク７の上流側には、上流側吸気通路８が接続されている。吸気ポート４、サージタンク７、及び上流側吸気通路８は、機関吸気系を構成する。
【００４１】
各気筒は、一方の排気弁３２を介して、対応する各排気ポート５２により各気筒共通の第一排気通路９へ連通されている。また、各気筒は、他方の排気弁３１を介して、対応する各排気ポート５１により各気筒共通の第二排気通路１０へ連通されている。第一排気通路９は、連通路としての排気ガス再循環通路１１によって上流側吸気通路８へ連通されている。１２は排気ガス再循環通路１１に配置された制御弁である。
【００４２】
また、第一排気通路９及び第二排気通路１０は、ターボチャージャの単一のタービン１３へ通じている。タービン１３の下流側には下流側排気通路１４が接続され、また、第一排気通路９から下流側排気通路１４へタービン１３をバイパスする第一ウエストゲート通路１５が接続され、第二排気通路１０から排気通路１４へタービン１３をバイパスする第二ウエストゲート通路１７が接続されている。第一ウエストゲート通路１５及び第二ウエストゲート通路１７には、それぞれ第一ウエストゲートバルブ１６及び第二ウエストゲートバルブ１８が配置されている。また、第一ウエストゲート通路１５及び第二ウエストゲート通路１７の接続位置より下流側において、下流側排気通路１４には排気ガス中の有害物質を浄化するための触媒装置１９が配置されている。
【００４３】
各気筒において、燃料噴射弁（図示せず）及び一方の排気弁３２は、いずれも気筒上部に位置して互いに隣接して配置されている。このように構成された本内燃機関においては、膨張行程後半から排気行程前半までの間において、先ず、一方の排気弁３２を開弁させる。次いで、一方の排気弁３２を閉弁させるに前後して他方の排気弁３１を開弁させ、これを排気上死点近傍において閉弁させるようになっている。
【００４４】
それにより、燃料噴射弁近傍の気体燃料を含む一部の既燃ガスは、一方の排気弁３２を介して第一排気通路９へ流出し、第一排気通路９から排気ガス再循環通路１１を介して上流側吸気通路８へ流入してサージタンク７へ戻される。気筒内の残りの既燃ガスは、他方の排気弁３１を介して第二排気通路１０へ流出する。その後、タービン１３を介して下流側排気通路１４の触媒装置１９を通り大気中へ放出される。
【００４５】
この時、もし触媒装置１９が十分に活性化していなくても、燃料噴射弁から流出した気体燃料を含む既燃ガスは、サージタンク７へ戻されており、多量に未燃燃料を含む既燃ガスが触媒装置１９によって十分に浄化されずに大気中へ放出されることはない。サージタンク７へ戻された気体燃料を含む一部の既燃ガスは、その後に吸気行程を迎える気筒へ対応する吸気ポート４を介して吸気と共に供給され、気体燃料は、この気筒で圧縮行程末期の燃焼時において燃焼されるために、未燃燃料として気筒から排出されることはない。
【００４６】
本内燃機関において、前述した内燃機関と同様に、燃料噴射弁から流出する気体燃料が排気エミッションをかなり悪化させるのは機関低負荷時であるために、機関低負荷時にだけ制御弁１２を開放して排気ガス再循環通路１１を介して気体燃料を含む一部の既燃ガスをサージタンク７へ戻すようにしても良い。また、機関高負荷時には、二つの排気弁３１，３２を膨張下死点近傍で同時に開弁するようにしても良い。このように、機関低負荷時及び機関高負荷時で二つの排気弁３１，３２の開閉時期を変化させるには、前述した吸気弁と同様に、それぞれの排気弁に対して二種類のカムを切り換えて使用したり、また、電磁式又は流体式のアクチュエータを使用して各排気弁を自由に開閉させるようにすれば良い。
【００４７】
本内燃機関において、ターボチャージャのタービン１３は、第一排気通路９及び第二排気通路１０から供給される排気ガスによって駆動される。このようなタービン１３において、各排気通路から供給される排気ガス流量に差があると、タービン１３を良好に駆動することができない。本内燃機関において、第一排気通路９からタービン１３へ供給される排気流量は、気筒内から第一排気通路９へ排出される既燃ガス量が比較的少ないことに加えて、その多くはサージタンク７へ戻されるために、第二排気通路１０からタービン１３へ供給される排気流量に比較してかなり少なくなる。
【００４８】
それにより、第二ウエストゲートバルブ１８の開度を第一ウエストゲートバルブ１６の開度に比較して大きく制御し、各排気通路９，１０からタービン１３へ供給される排気流量をほぼ等しくしてタービン効率を高めるようにしている。第一排気通路９からタービン１３へ供給される排気流量を多くするために、一方の排気弁３２のリフト量を他方の排気弁３１のリフト量より小さくして、各気筒から第一排気通路９へ排出される一部の既燃ガスの流速を高めるようにしても良い。
【００４９】
本内燃機関及び前述の内燃機関において、一部の既燃ガスは結果的に気筒内へ再循環され、既燃ガスの主成分である不活性ガスが大きな熱容量を有して燃焼温度を低下させるために、ＮＯX生成を抑制することができる。これは排気ガス再循環として知られており、機関運転状態によっては多量に既燃ガスを再循環させることが好ましい。そのために、機関運転状態に応じた最適な量の既燃ガスを再循環させるために、前述の内燃機関では膨張行程後半から排気行程前半までの間における吸気弁の開弁期間を、また、本内燃機関では膨張行程後半から排気行程前半までの間における一方の排気弁の開弁期間を、機関運転状態に応じて制御することが好ましい。
【００５０】
また、本内燃機関において、第二排気通路１０と上流側吸気通路８とを連通するもう一つの排気ガス再循環通路を設けて、第一排気通路９からの再循環では排気ガス量が不足する機関運転状態においては、この排気ガス再循環通路を介して第二排気通路１０からも排気ガスを再循環させるようにしても良い。
【００５１】
ところで、下流側排気通路１４に配置された触媒装置１９は、例えば、ＮＯX吸蔵還元触媒装置である。このＮＯX吸蔵還元触媒装置は、排気ガスがリーン状態である時に排気ガス中のＮＯXを良好に吸収し、排気ガスがストイキ状態又はリッチ状態である時にＮＯXを放出して排気ガス中の還元物質によりＮＯXを還元浄化するものである。この還元浄化には、ＮＯX吸蔵還元触媒装置が担持する酸化触媒が利用される。この酸化触媒によって、ＮＯX吸蔵還元触媒装置は、排気ガス中の未燃燃料及び一酸化炭素を酸化して浄化することができる。
【００５２】
前述した二つの内燃機関はディーゼルエンジンであり、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスはＮＯXを含むリーン状態である。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９によって排気ガス中のＮＯXは良好に吸収される。ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９におけるＮＯX吸蔵可能量は有限であるために、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９におけるＮＯX吸蔵量が、このＮＯX吸蔵可能量に達する以前に、吸蔵したＮＯXを放出させて還元浄化し、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９を再生する必要がある。
【００５３】
この再生時には、減圧沸騰して燃料噴射弁から流出した気体燃料を利用することができる。すなわち、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９を再生するために、第一実施形態の内燃機関では、膨張行程後半から排気行程前半までの間において吸気弁２を開弁させないで、気体燃料を含む一部の既燃ガスを排気弁３から流出させてこの気体燃料をＮＯX吸蔵還元触媒装置へ積極的に供給する。
【００５４】
また、第二実施形態の内燃機関では排気ガス再循環通路１１の制御弁１２を閉弁して、気体燃料を含む一部の既燃ガスをサージタンク７へ戻さないようにすれば良い。この時、前述したように、第二排気通路１０にも別の排気ガス再循環通路が設けられていれば、この排気ガス再循環通路を使用して、排気ガス再循環を実施することができる。この場合において、第一排気通路９からタービン１３へ流入する排気流量が、第二排気通路１０からタービン１３へ流入する排気流量に比較して多くなれば、第一ウエストゲートバルブ１６の開度を第二ウエストゲートバルブの開度より大きくして、両方の排気流量をほぼ等しくすることが好ましい。
【００５５】
内燃機関の排気ガス中にはＳＯXも含まれており、ＳＯXもＮＯXと同様にＮＯX吸蔵還元触媒装置１９に吸蔵される。ＳＯXは、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９の近傍雰囲気を単にストイキ又はリッチとしても放出されない。それにより、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９において、前述の再生を実施しても、ＳＯX吸蔵量は徐々に増加し、その分、ＮＯXを吸蔵することができなくなってしまう。ＳＯXを放出させるには、ＮＯX吸蔵還元触媒装置１９の温度を高めて近傍雰囲気をリッチにする必要がある。
【００５６】
このＳＯX被毒回復は、ＮＯX吸蔵還元触媒装置にある程度ＳＯXが吸蔵された時点で実施することが好ましい。ＳＯX被毒回復を実施するためには、再生時より多量に未燃燃料をＮＯX吸蔵還元触媒装置１９へ供給し、ＮＯX吸蔵還元触媒装置が担持する酸化触媒によって一部の未燃燃料を燃焼させ、この燃焼熱によってＮＯX吸蔵還元触媒装置を加熱すると共に、残りの未燃燃料によって放出されたＳＯXを還元浄化する。それにより、再生時と同様に、燃料噴射弁から流出した気体燃料をＮＯX吸蔵還元触媒へ供給すると共に、過給等によって吸気量を増加させて再循環排気ガス量を減少させ、気筒内温度を低下させることにより、圧縮行程末期に噴射された燃料の一部を未燃燃料として排出させてＮＯX吸蔵還元触媒装置へ供給するようにする。この時に、燃焼温度の低下に伴って排気ガス温度が低下することを防止するために、排気弁の開弁時期を膨張行程において早めることが好ましい。
【００５７】
本発明における燃料噴射弁は、前述したように二つの噴孔群を有するものに限定されない。一般的な燃料噴射弁においても、燃料通路のシート部より下流側に噴孔が連通され、それにより、容積の大小はあっても噴孔が連通する空間が必然的に存在する。こうして、膨張行程後半の筒内圧力が燃料噴射終了時点の筒内圧力より低下すれば、空間内の燃料が減圧沸騰して燃料噴射弁より流出することとなる。従って、本発明は、ディーゼルエンジンだけでなく、例えば成層燃焼のために圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関にも適用可能である。
【００５８】
こうして、圧縮行程において気筒内へ燃料を噴射する内燃機関においては、膨張行程後半において燃料噴射弁のシート部より下流側の空間に連通する噴孔から減圧沸騰した燃料が流出することとなるが、例えば、弁体の先端形状を工夫することにより、燃料が流出する噴孔を特定することが可能である。
【００５９】
図２に示した燃料噴射弁において、空間に連通する第二群の噴孔１ｅの全てから燃料が流出することとなるが、弁体１ｂによってシート部１ｃを閉鎖した時（弁体閉弁時）に、弁体１ｂの先端部によって第二群の噴孔１ｅにおける一部だけを閉鎖するように、先端部の一部だけを延長するようにしても良い。この場合において、第二群の噴孔１ｅの残り一部だけが空間に連通し、この残り一部の噴孔１ｅからだけ膨張行程後半に燃料が流出することとなる。このように、弁体閉弁時において少なくとも一つの噴孔だけを空間に連通させれば、弁体閉弁が不確実となることはない。
【００６０】
こうして、膨張行程後半に燃料噴射弁の特定の噴孔から燃料を流出させることができ、すなわち、燃料噴射弁から流出する燃料の流出方向を特定することができる。第一実施形態の内燃機関では、吸気弁を介して流出燃料を含む一部の既燃ガスを吸気ポートへ戻すようになっているために、燃料流出方向は、吸気弁方向とすることが好ましい。吸気二弁式の内燃機関において、一つの噴孔から燃料を流出させるようにして燃料流出方向が一方向の場合には、二つの吸気弁の間へ向けることが好ましい。この場合において、シリンダヘッドにおいて二つの吸気弁の間を隆起させて流出した燃料が二つの吸気弁の間で淀まないようにすることが好ましい。また、二つの噴孔から燃料を流出させるようにして燃料流出方向が二方向の場合には、二つの吸気弁のそれぞれにおける中央又は周囲へ向けることが好ましい。
【００６１】
第二実施形態の内燃機関では、一方の排気弁を介して流出燃料を含む一部の既燃ガスを第一排気通路からサージタンクへ戻すようになっているために、燃料流出方向は、この一方の排気弁方向とすることが好ましい。ところで、第二実施形態の内燃機関は、二つの排気通路を有し、一方の排気通路（第一排気通路９）へ流出燃料を含む一部の既燃ガスを排出させ、そこからサージタンクへ戻すにようにしたが、これは本発明を限定するものではない。例えば、少なくとも一つの排気弁を有する内燃機関において、この排気弁を膨張行程後半以降に開弁させ、排気弁開弁直後において、各気筒の排気集合部より上流側の排気ポートからサージタンク又はサージタンクの上流側の吸気通路へ既燃ガスを戻すようにしても良い。燃料噴射弁の近傍に位置する排気弁を開弁させると、燃料噴射弁近傍の流出燃料を含む一部の既燃ガスが最初に排気ポートへ排出される。この一部の既燃ガスを、排気ポートと例えばサージタンクとを連通する連通路によってサージタンクへ戻すようにすれば良い。
【００６２】
【発明の効果】
本発明による内燃機関は、燃料噴射弁によって圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する内燃機関において、膨張行程において燃料噴射弁から流出した燃料を含む気筒内の一部の既燃ガスを機関吸気系へ戻すようになっている。それにより、燃料噴射弁から流出した燃料を含む一部の既燃ガスは、機関吸気系から気筒内へ供給されて圧縮行程末期の燃焼に使用され、この一部の既燃ガスがそのまま機関排気系から大気中へ放出されることはなく、排気エミッションの悪化を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の第一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】図１の内燃機関に使用される燃料噴射弁の先端部を示す断面図である。
【図３】図１の内燃機関における吸気弁のリフトを示すタイムチャートである。
【図４】膨張下死点近傍における図１の内燃機関を示す概略断面図である。
【図５】本発明による内燃機関の第二実施形態を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１…燃料噴射弁
２…吸気弁
３，３１，３２…排気弁
４…吸気ポート
５，５１，５２…排気ポート
７…サージタンク
８…上流側排気通路
９…第一排気通路
１０…第二排気通路
１３…タービン
１９…触媒装置
Claims (12)
- 燃料噴射弁によって圧縮行程で気筒内へ燃料を噴射する内燃機関において、膨張行程において前記燃料噴射弁から流出した燃料を含む気筒内の一部の既燃ガスを機関吸気系へ戻すことを特徴とする内燃機関。
- 前記一部の既燃ガスを機関吸気系として自身気筒の吸気ポートへ戻すことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
- 気筒内全体の既燃ガス圧力と自身気筒の前記吸気ポート内の圧力との差圧を利用して前記一部の既燃ガスを自身気筒の前記吸気ポートへ戻すことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
- 吸気弁及び前記燃料噴射弁は隣接して配置され、排気弁の開弁以前に前記吸気弁を開弁させることにより気筒上部に位置する前記一部の既燃ガスを自身気筒の前記吸気ポートへ戻すことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
- 前記一部の既燃ガスを機関吸気系としてサージタンクへ戻すことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
- 気筒内全体の既燃ガス圧力と前記サージタンク内の圧力との差圧を利用して前記一部の既燃ガスを前記サージタンクへ戻すことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
- 排気弁及び前記燃料噴射弁は隣接して配置され、前記排気弁を開弁して前記一部の既燃ガスを残りの既燃ガスより先に機関排気系へ流出させ、前記機関排気系とサージタンクとを連通する連通路を介して前記一部の既燃ガスを前記サージタンクへ戻すことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
- 前記排気弁は一方の排気弁と他方の排気弁とを有し、前記一方の排気弁は前記燃料噴射弁に隣接して配置され、前記機関排気系は前記一方の排気弁を介して気筒内へ通じる第一排気通路と前記他方の排気弁を介して気筒内へ通じる第二排気通路とを有し、前記第一排気通路には前記連通路が接続され、前記一方の排気弁を前記他方の排気弁より先に開弁させることにより、前記連通路を介して前記一部の既燃ガスを前記サージタンクへ戻すことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関。
- 前記第一排気通路は複数気筒共通であって各気筒の前記一方の排気弁を介して各気筒へ通じ、前記第二排気通路は複数気筒共通であって各気筒の前記他方の排気弁を介して各気筒へ通じていることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
- 前記第一排気通路及び前記第二排気通路は、ターボチャージャの単一のタービンへ通じ、それぞれに、前記タービンをバイパスするウエストゲート通路が設けられており、それぞれの前記ウエストゲート通路を通過する既燃ガス流量を制御して、前記第一排気通路及び前記第二排気通路のそれぞれにより前記タービンへ流入する既燃ガス量をほぼ等しくすることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
- 前記機関排気系において還元物質を必要とする時には、前記一部の既燃ガスを機関吸気系へ戻さないようにすることを特徴とする請求項１から１０に記載の内燃機関。
- 前記機関排気系において還元物質を必要とする時には、新気量を増大することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関。
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